JP2014212193A - 半導体モジュールの積層型冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体モジュールの積層型冷却装置において、隣接する半導体モジュールにおいて、一方の半導体モジュールのバスバが他方の半導体モジュールのバスバ又はパワー端子と接触することを防止することである。【解決手段】半導体モジュールの積層型冷却装置１０は、半導体モジュール６１に冷却器６６を介して積層される半導体モジュール６３と、パワー端子７５が突き出る端子側面に沿って延伸するバスバ８２と、パワー端子７６が突き出る端子側面に沿って延伸するバスバ８４とを備え、バスバ８２とパワー端子７５との第１接合部と、バスバ８４とパワー端子７６との第２接合部とは、延伸方向または突き出し方向にずれて配置される。【選択図】図２

Description

本発明は、半導体モジュールの積層型冷却装置に関する。

ハイブリッド自動車や電気自動車等では、インバータやコンバータ等の負荷駆動回路において、複数の半導体モジュールと複数の冷却器が用いられており、効率的な冷却性等の観点から、複数の半導体モジュールと複数の冷却器とが交互に配置されて積層される。

本発明に関連する技術として、特許文献１には、複数の半導体モジュールと複数の冷却器とを積層した積層体を備えた電力変換装置が開示されている。ここでは、半導体モジュールは、半導体素子を内蔵した本体部を備え、半導体素子に導通した信号端子及びパワー端子が本体部の端面から突出している構成が開示されている。

また、特許文献２には、複数の半導体モジュールと複数の冷却器とが交互に積層され、積層方向に隣接する半導体モジュールは、半導体モジュールに含まれるパワー半導体素子の発熱中心が対向しないように、交互にずらして配設される構成が開示されている。

特開２０１２−１００４５７号公報 特開２００６−２１０６０５号公報

上記のように、複数の半導体モジュールと複数の冷却器とが交互に配置されて積層された場合に、隣接する２つの半導体モジュールについて着目すると、一方の半導体モジュールの端子側面から突き出すパワー端子に接続される一方側のバスバと、他方の半導体モジュールの端子側面から突き出すパワー端子に接続される他方側のバスバとが平行に配置されることがある。

このような場合に、仮に、一方の半導体モジュールに含まれる半導体素子が故障したときに、パワー端子及びバスバに過電流が流れることでパワー端子とバスバの間に斥力が生じる。これにより、バスバが他方の半導体モジュール側に曲がることで、他方の半導体モジュールのパワー端子又はバスバと接触して短絡する可能性がある。

本発明の目的は、隣接する半導体モジュールにおいて、一方の半導体モジュールのバスバが他方の半導体モジュールのバスバ又はパワー端子と接触することを防止する半導体モジュールの積層型冷却装置を提供することである。

本発明に係る半導体モジュールの積層型冷却装置は、第１半導体モジュールと、積層方向に沿って第１半導体モジュールに冷却器を介して積層される第２半導体モジュールと、第１半導体モジュールにおいて積層方向に垂直な方向に平行な側面である端子側面から突き出す第１パワー端子と、第１半導体モジュールの端子側面に沿って第１パワー端子と垂直な方向に延伸する第１バスバと、第２半導体モジュールにおいて積層方向に垂直な方向であって第１半導体モジュールの端子側面に平行な端子側面から突き出す第２パワー端子と、第２半導体モジュールの端子側面に沿って第２パワー端子と垂直な方向に延伸する第２バスバと、を備え、第１バスバと第１パワー端子が接合される第１接合部と、第２バスバと第２パワー端子が接合される第２接合部とは、延伸方向または突き出し方向にずれて配置されることを特徴とする。

本発明によれば、第１バスバと第１パワー端子が接合される第１接合部と、第２バスバと第２パワー端子が接合される第２接合部とは、延伸方向または突き出し方向にずれて配置されている。これにより、第１バスバ又は第２バスバが曲がった場合であっても、第１バスバが第２バスバ又は第２パワー端子と接触すること、あるいは、第２バスバが第１バスバ又は第１パワー端子と接触することを防止することができる。

本発明に係る実施の形態の半導体モジュールの積層型冷却装置を備える電力変換回路システムのブロック図である。 図１に示した半導体モジュールの積層型冷却装置の平面図である。 図２の一点鎖線で囲まれた部分をＸ方向に沿って見た様子を示す側面図である。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。また、以下では、全ての図面において対応する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、半導体モジュールの積層型冷却装置１０を備える電力変換回路システム１２のブロック図である。電力変換回路システム１２は、モータジェネレータ１４によって駆動輪が駆動されるハイブリッド自動車又は電気自動車等の車両に搭載される。

モータジェネレータ１４は、インバータ３０から供給される３相交流電圧によって回転し、車両の駆動トルクを発生する３相交流電動発電機である。また、モータジェネレータ１４は、車両の回生制動時に３相交流電圧を発生してインバータ３０へ供給する。

バッテリ１６は、充放電可能な電池であり、例えば、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池等の二次電池で構成される。バッテリ１６は、直流電圧を昇降圧コンバータ１８へ供給する。また、バッテリ１６は、車両の回生制動時に、昇降圧コンバータ１８から供給される直流電圧によって充電される。

昇降圧コンバータ１８は、制御装置６２からの制御信号に基づいて、バッテリ１６から正極母線Ｐ１を介して供給される直流電圧を昇圧して正極母線Ｐ２を介してインバータ３０へ供給する。また、昇降圧コンバータ１８は、制御装置６２からの制御信号に基づいて、インバータ３０から供給される直流電圧をバッテリ１６の電圧レベルに降圧してバッテリ１６を充電する。

昇降圧コンバータ１８は、リアクトル２０、パワートランジスタ２２，２４及びダイオード２６，２８を備える。リアクトル２０は、正極母線Ｐ１に一端が接続され、パワートランジスタ２２，２４の接続点に他端が接続される。

パワートランジスタ２２，２４は、例えば、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）で構成される。パワートランジスタ２２，２４は、正極母線Ｐ２と負極母線Ｎ１との間に直列に接続され、制御装置６２からの制御信号が入力されるベース端子を有する。パワートランジスタ２２，２４のコレクタ端子とエミッタ端子との間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すようにダイオード２６，２８がそれぞれ接続される。

インバータ３０は、制御装置６２からの制御信号に基づいて、昇降圧コンバータ１８から正極母線Ｐ２を介して供給される直流電圧を３相交流電圧に変換してモータジェネレータ１４を駆動する。これにより、モータジェネレータ１４は、トルク指令値によって指令されたトルクを発生するように駆動される。また、インバータ３０は、電力変換回路システム１２が搭載された車両の回生制動時にモータジェネレータ１４が発電した３相交流電圧を制御装置６２からの制御信号に基づいて直流電圧に変換し、正極母線Ｐ２を介して昇降圧コンバータ１８へ供給する。

インバータ３０は、Ｕ相アーム３２、Ｖ相アーム３４及びＷ相アーム３６を備える。Ｕ相アーム３２、Ｖ相アーム３４及びＷ相アーム３６は、正極母線Ｐ２と負極母線Ｎ１との間に並列に接続される。Ｕ相アーム３２、Ｖ相アーム３４及びＷ相アーム３６は、それぞれパワートランジスタ３８，４０、パワートランジスタ４２，４４及びパワートランジスタ４６，４８が直列接続されて構成される。

パワートランジスタ３８〜４８は、例えば、ＩＧＢＴで構成される。パワートランジスタ３８〜４８は、制御装置６２からの制御信号が入力されるベース端子を有する。パワートランジスタ３８〜４８のコレクタ端子とエミッタ端子との間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すダイオード５０〜６０がそれぞれ接続される。インバータ３０において、Ｕ相アーム３２、Ｖ相アーム３４及びＷ相アーム３６におけるパワートランジスタ３８〜４８の接続点は、モータジェネレータ１４のＵ相コイル、Ｖ相コイル及びＷ相コイルの中性点端子と反対側のコイル端子にそれぞれ接続される。

コンデンサ５７は、正極母線Ｐ１と負極母線Ｎ１との間に接続され、正極母線Ｐ１と負極母線Ｎ１との間の電圧又は電流の変動を平滑化する。コンデンサ５９は、正極母線Ｐ２と負極母線Ｎ１との間に接続され、正極母線Ｐ２と負極母線Ｎ１との間の電圧又は電流の変動を平滑化する。

制御装置６２は、図示していないＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）から出力されたモータジェネレータ１４のトルク指令値、モータジェネレータ１４の実回転数、モータジェネレータ１４のモータ電流及びバッテリ１６のバッテリ電圧等に基づいて、昇降圧コンバータ１８及びインバータ３０を駆動するための制御信号を生成し、その生成した制御信号を昇降圧コンバータ１８及びインバータ３０へ出力する。

ここで、昇降圧コンバータ１８の昇降圧アーム１９及びインバータ３０のＵ相アーム３２、Ｖ相アーム３４及びＷ相アーム３６ごとにモジュール化され、これらが冷却器６４〜６９（図２参照）と交互に積層されて半導体モジュールの積層型冷却装置１０が形成される。以下では、この半導体モジュールの積層型冷却装置１０について詳細に説明する。

図２は、図１に示した昇降圧コンバータ１８及びインバータ３０を備える半導体モジュールの積層型冷却装置１０の平面図である。図３は、図２の一点鎖線で囲まれた部分をＸ方向に沿って見た様子を示す側面図である。図２に示されるように、半導体モジュールの積層型冷却装置１０は、昇降圧コンバータ１８の昇降圧アーム１９を備える半導体モジュール６１と、インバータ３０のＵ相アーム３２、Ｖ相アーム３４及びＷ相アーム３６をそれぞれ備える半導体モジュール６３，６５，６７と、冷却器６４，６６，６８，７０，７２と、冷媒の流入口７１と、冷媒の流出口７３と、複数の接続部材７４とを備える。

半導体モジュール６１〜６７は、冷却器６４〜７２によって両面から冷却される。半導体モジュール６１，６３，６５，６７は、冷却器６４と冷却器６６の間、冷却器６６と冷却器６８の間、冷却器６８と冷却器７０の間、冷却器７０と冷却器７２の間にそれぞれ配置される。すなわち、半導体モジュールの積層型冷却装置１０においては、半導体モジュール６１，６３，６５，６７と、冷却器６４，６６，６８，７０，７２とが交互に積層されている。なお、半導体モジュール６１〜６７と冷却器６４〜７２の積層方向はＸ方向に平行である。

冷却器６４，６６，６８，７０，７２は、内部に冷媒が流れる冷却チューブであり、半導体モジュール６１，６３，６５，６７を両面から冷却する。複数の接続部材７４は、内部に冷媒が流れる筒状を有し、冷却器６４，６６，６８，７０，７２を連通するように配置されている。これにより、流入口７１から流入した冷媒が冷却器６４，６６，６８，７０，７２及び接続部材７４を流れて流出口７３から流出する。

ここで、半導体モジュール（第１半導体モジュール）６１と、半導体モジュール６１と冷却器６６を介して積層される半導体モジュール（第２半導体モジュール）６３とに着目する。図２において、上記Ｘ方向に垂直な方向であり、バスバ８２，８４の延伸する方向をＹ方向とする。また、図３において、Ｙ方向に垂直な方向であり、半導体モジュール６１の端子側面からパワー端子７５が突き出る方向をＺ方向とする。

半導体モジュール６１は、端子側面からＺ方向に突き出すパワー端子（第１パワー端子）７５を有する。パワー端子７５は、パワートランジスタ２２，２４の接続点を端子として取り出されたものである。パワー端子７５は、例えば、銅等の導電性部材で構成される。

バスバ（第１バスバ）８２は、銅等の導電性部材で構成され、Ｙ方向に沿って延伸する。バスバ８２は、一方端がパワー端子７５とＺ方向の端部において接合され、他方端がリアクトル２０に接続される。なお、バスバ８２とパワー端子７５との配置関係については、図２に示されるように、Ｘ方向側にバスバ８２が配置され、Ｘ方向の逆方向側にパワー端子７５が配置される。

半導体モジュール６３は、端子側面からＺ方向に突き出すパワー端子（第２パワー端子）７６を有する。パワー端子７６は、パワートランジスタ３８，４０の接続点を端子として取り出されたものである。パワー端子７６は、銅等の導電性部材で構成される。

バスバ（第２バスバ）８４は、銅等の導電性部材で構成され、Ｙ方向に沿って延伸する。バスバ８４は、一方端がパワー端子７６とＺ方向の端部において接合され、他方端がモータジェネレータ１４のＵ相コイルに接続される。なお、バスバ８４とパワー端子７６との配置関係については、図２に示されるように、Ｘ方向側にバスバ８４が配置され、Ｘ方向の逆方向側にパワー端子７６が配置される。

図３に示されるように、Ｘ方向に沿ってパワー端子７５とパワー端子７６を見た場合に、パワー端子７５とパワー端子７６とは、Ｙ方向（図における左右方向）に対し互いにずれて、両者が重ならないように離れて配置されている。また、バスバ８２とバスバ８４とは、Ｚ方向（図における上下方向）に対し互いにずれて、両者が重ならないように離れて配置されている。これにより、バスバ８２とパワー端子７５の接合部９２と、バスバ８４とパワー端子７６の接合部９４は、Ｙ方向及びＺ方向に対し互いにずれて配置されている。

なお、半導体モジュール６５のパワー端子７８とバスバ８６との接合部９６と、半導体モジュール６７のパワー端子８０とバスバ８８との接合部９８とは、上記接合部９２と接合部９４と同様に、Ｙ方向及びＺ方向に対し互いにずれた配置関係となっている。そして、接合部９２，９４，９６，９８は、図２に示されるように、ジグザグの配置関係となっている。なお、パワー端子７５，７６，７８，８０はそれぞれ異なる電位となる場合があるため、異なる電位のバスバが接触するとその間に短絡が生じる。

上記構成の半導体モジュールの積層型冷却装置１０の作用について説明する。上述したように、バスバ８２とパワー端子７５の接合部９２と、バスバ８４とパワー端子７６の接合部９４は、Ｙ方向及びＺ方向に対し互いにずれて配置されている。ここで、仮に、パワートランジスタ２４が短絡故障してしまった場合には、パワートランジスタ２２のオンのタイミングでバスバ８２及びパワー端子７５に過電流が流れる。

バスバ８２とパワー端子７５は、Ｚ方向の端部では、バスバ８２とパワー端子７５を流れる電流の向きが反対方向となるため、両者の間で斥力が生じる。これが原因で、バスバ８２が冷却器６６を越えてＸ方向側に曲がることが生じうるが、その場合であっても、パワー端子７５はパワー端子７６に対してＹ方向にずれているため、バスバ８２とパワー端子７５とが接触することはない。また、バスバ８４はバスバ８２に対してＺ方向ずれているためバスバ８２とバスバ８４とが接触することもない。

また、仮に、パワートランジスタ４０が短絡故障してしまった場合に、パワートランジスタ３８のオンのタイミングでバスバ８４及びパワー端子７６に過電流が流れ、両者の間で斥力が生じ、これによってバスバ８４がＸ方向側に曲がった場合であっても、パワー端子７８はパワー端子７６に対してＹ方向の逆方向にずれているため、バスバ８４とパワー端子７６とが接触することはない。また、バスバ８６はバスバ８４に対してＺ方向の逆方向にずれているためバスバ８４とバスバ８６とが接触することもない。

このように、半導体モジュールの積層型冷却装置１０では、パワー端子とバスバとの接合部は、隣接する半導体モジュールにおいて、Ｙ方向及びＺ方向に対し互いにずれて配置される。したがって、半導体モジュールの積層型冷却装置１０において接合されたパワー端子とバスバとの間に斥力が生じ、当該バスバが隣接する半導体モジュール側に曲がった場合であっても、隣接する半導体モジュールのパワー端子又はバスバに接触して短絡することを防止することができる。

なお、図２では、半導体モジュール６１〜６７の正極端子９１及び負極端子９３に接続されるバスバについては図示していないが、正極端子９１同士及び負極端子９３同士は、それぞれ同電位であるため、バスバが曲がって隣接する端子と接触した場合であっても短絡回路が形成されることはない。したがって、図２では、正極端子９１及び負極端子９３は、ぞれぞれ一列に並んで配置されている。

１０ 半導体モジュールの積層型冷却装置、１２ 電力変換回路システム、１４ モータジェネレータ、１６ バッテリ、１８ 昇降圧コンバータ、１９ 昇降圧アーム、２０ リアクトル、２２，２４ パワートランジスタ、２６，２８ ダイオード、３０ インバータ、３２ Ｕ相アーム、３４ Ｖ相アーム、３６ Ｗ相アーム、３８，４０，４２，４４，４６，４８ パワートランジスタ、５０，５２，５４，５６，５８，６０ ダイオード、５７，５９ コンデンサ、６１，６３，６５，６７ 半導体モジュール、６２ 制御装置、６４，６６，６８，６９，７０，７２ 冷却器、７１ 流入口、７３ 流出口、７４ 接続部材、７５，７６，７８，８０ パワー端子、８２，８４，８６，８８ バスバ、９１ 正極端子、９２，９４，９６，９８ 接合部、９３ 負極端子。

Claims (1)

1. 第１半導体モジュールと、
   積層方向に沿って第１半導体モジュールに冷却器を介して積層される第２半導体モジュールと、
   第１半導体モジュールにおいて積層方向に垂直な方向に平行な側面である端子側面から突き出す第１パワー端子と、
   第１半導体モジュールの端子側面に沿って第１パワー端子と垂直な方向に延伸する第１バスバと、
   第２半導体モジュールにおいて積層方向に垂直な方向であって第１半導体モジュールの端子側面に平行な端子側面から突き出す第２パワー端子と、
   第２半導体モジュールの端子側面に沿って第２パワー端子と垂直な方向に延伸する第２バスバと、
   を備え、
   第１バスバと第１パワー端子が接合される第１接合部と、第２バスバと第２パワー端子が接合される第２接合部とは、延伸方向または突き出し方向にずれて配置されることを特徴とする半導体モジュールの積層型冷却装置。

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