JP2016093072A - 半導体電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒートシンク上に配置した半導体モジュール間の熱的な干渉を抑制しながら小型化を図ることが可能な半導体電力変換装置を提供する。
【解決手段】第１半導体素子を含んで電力変換を行う第１半導体モジュール２０Ａ〜２０Ｃと、第１半導体素子に対して使用温度が高い第２半導体素子を含んで電力変換を行う第２半導体モジュール３０Ａ〜３０Ｃと、第１半導体モジュール及び第２半導体モジュールを実装面４１に実装し、冷却風通路４４を有するヒートシンク４０とを備え、ヒートシンク４０は、冷却風通路４４の上流側に形成した第１半導体モジュールを実装する第１実装面４５と、冷却風通路４４の下流側に形成した第２半導体モジュールを実装する第２実装面４６と、第１実装面及び第２実装面間に形成したスリット４７とを少なくとも有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の半導体モジュールを冷却するヒートシンクを備えた半導体電力変換装置に関する。

インバータなどの半導体電力変換装置では、電力変換装置を構成する半導体素子が発熱を伴うので、この半導体素子を効率的に冷却できるようにするために、半導体素子をヒートシンクに配置することが行われている。
従来の電力変換装置として代表的な装置は、例えば図９に示すように、商用交流電源からある設定された周波数と電圧の交流電力を交流負荷に出力するインバータ装置が知られている。

このインバータ装置は、例えば３相の商用交流電源１００から供給される３相交流を直流電圧に変換するダイオード整流器２００と、このダイオード整流器２００から出力される直流電圧を平滑化するコンデンサ３００と、このコンデンサ３００で平滑化された直流電圧を３相交流に変換するインバータ回路４００とを備えている。そして、インバータ回路４００から出力される３相交流が三相交流モータ、ブラシレスモータ等の交流負荷５００に供給される。

ここで、ダイオード整流器２００は２つのダイオード２０１を直列に接続した３組のダイオードアーム２０２Ａ〜２０２Ｃを並列に接続した構成を有し、各ダイオードアーム２０２Ａ〜２０２Ｃの接続中点が商用交流電源１００各相に接続されている。
また、インバータ回路４００は、半導体スイッチング素子４０１及びこれに逆並列に接続されたダイオード４０２の並列回路４０３を２組直列に接続した３組のスイッチングアーム４０４Ａ〜４０４Ｃを並列に接続した構成を有し、各スイッチングアーム４０４Ａ〜４０４Ｃの接続中点が交流負荷５００に接続されている。

このようなインバータ装置を構成する半導体スイッチング素子やダイオードなどの半導体素子は、自身の発生損失（定常損失やスイッチング損失）による温度上昇を抑制するために、ヒートシンクに配置する必要がある。
発生損失が少ないダイオードを有するダイオード整流器と発生損失が大きい半導体スイッチング素子を有するインバータ回路とを冷却する場合に、例えば図１０に示すように、ダイオード整流器２００のダイオードアーム２０２Ａ〜２０２Ｃをモジュール化した半導体モジュール２０３Ａ〜２０３Ｃとインバータ回路４００のスイッチングアーム４０４Ａ〜４０４Ｃをモジュール化した半導体モジュール４０５Ａ〜４０５Ｃとを熱抵抗の異なるヒートシンク６００及び６０１上に実装し、冷却ファンによる通風路に対して上流側にヒートシンク６００を配置し、下流側にヒートシンク６０１を配置することにより温度勾配を小さくすることが行われている（例えば、特許文献１参照）。

また、図１１（ａ）〜（ｃ）に示すように、半導体モジュール７００間の熱的な干渉を低減するためにヒートシンクベース板７０１に溝７０２を形成し、溝７０２の両側に補助フィン７０３を設け、半導体モジュール７００間の間隔を小さくすることも行われている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００３−２５９６５８号公報 特開２００８−２０６２５２号公報

しかしながら、半導体電力変換装置を構成する半導体モジュールとしては、シリコン半導体により形成されたＩＧＢＴ等のスイッチング素子を用いることが一般的である。このシリコン半導体の接合部の最高使用温度は、１２５℃から１５０℃程度に設定される。
一方、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム系材料、又はダイヤモンド等の半導体により形成されたワイドバンドギャップ半導体は、最高使用温度は、２００℃以上が可能である。

そこで、特許文献１に記載されているように、発生損失の少ないダイオード整流器は、シリコン半導体モジュールを用い、発生損失の多いインバータ回路には、ワイドバンドギャップ半導体を用いて構成し、接合部の最高使用温度を超えないようにヒートシンクの熱抵抗を設定することが必要である。
最高使用温度の異なる半導体モジュールをヒートシンク上に配置する場合、ヒートシンクは、最高使用温度の低いシリコン半導体に合わせて熱抵抗が設定されるため、使用温度の高いワイドバンドギャップ半導体は、動作可能な温度領域に対して、低い温度で使用することとなり、性能を有効利用できないことになる。

一方、ワイドバンドギャップ半導体の高温動作可能な領域で使用するようにヒートシンクの熱抵抗を設定すると、熱抵抗を大きくすることができるためヒートシンクを小型化することができる。
しかし、冷却風の上流側と下流側の半導体素子間で熱的な干渉を生じ、シリコン半導体の使用温度を超えないように、シリコン半導体とワイドバンドギャップ半導体との間隔を大きくする必要があり、ヒートシンクが大型化する。

特許文献１に記載されている電力変換装置では、熱抵抗の異なる２つのヒートシンクを用いることになり、形状の違いによる取り付け構造部品など、部品点数の増加により、制作コストが嵩むという未解決の課題が生じる。
特許文献２に記載されている半導体電力変換装置では、ヒートシンクのベース板に溝を形成した場合には、溝の下部ではヒートシンクが分断されていないので、熱伝導による熱流低減効果は限られたものとならざるを得ないという未解決の課題がある。

そこで、本発明は、上記特許文献１及び２に記載された発明の未解決の課題に着目してなされたものであり、ヒートシンク上に配置した半導体モジュール間の熱的な干渉を抑制しながら小型化を図ることが可能な半導体点力変換装置を提供することを目的としている。

本発明の一態様によれば、第１半導体素子を含んで電力変換を行う第１半導体モジュールと、第１半導体素子に対して使用温度が高い第２半導体素子を含んで電力変換を行う第２半導体モジュールと、第１半導体モジュール及び第２半導体モジュールを実装面に実装し、冷却風通路を有するヒートシンクとを備え、ヒートシンクは、冷却風通路の上流側に形成した第１半導体モジュールを実装する第１実装面と、冷却風通路の下流側に形成した前記第２半導体モジュールを実装する第２実装面と、第１実装面及び第２実装面間に形成したスリットとを少なくとも有する半導体電力変換装置を提供する。

本発明の一態様によれば、同一ヒートシンクに、第１半導体モジュール及びこの第１半導体モジュールに対して使用温度の高い第２半導体モジュールを実装する場合に、第１半導体モジュール及び第２半導体モジュール間にスリットを形成することにより、半導体モジュール間の熱的干渉を低減して電力変換装置を小型化することができる。

本発明の第１の実施形態にしたがった半導体電力変換装置を示す平面図である。 図１の正面図である。 図１の左側面図である。 第１の実施形態の変形例を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態にしたがった半導体電力変換装置を示す平面図である。 図５の正面図である。 本発明の第３の実施形態にしたがった半導体電力変換装置を示す平面図である。 図７の正面図である。 インバータ装置を示す回路図である。 従来の電力変換装置を示す平面図である。 従来の半導体電力変換装置を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図である。

以下、本発明の一態様を示す半導体電力変換装置について図面を伴って説明する。
本発明の一態様に係る半導体電力変換装置１０は、最高使用温度が１２５℃〜１５０℃程度に設定された複数例えば３個の第１半導体モジュール２０ａ、２０ｂ及び２０ｃと、最高使用温度が第１半導体モジュール２０ａ〜２０ｃより高い約２００℃以上に設定された複数例えば３個の第２半導体モジュール３０Ａ、３０Ｂ及び３０Ｃとを備えている。

第１半導体モジュール２０Ａ、２０Ｂ及び２０Ｃを構成する第１半導体素子は、シリコン半導体素子で構成され、例えば前述した図９のインバータ装置におけるダイオード整流器２００のダイオードアーム２０２Ａ〜２０２Ｃを構成する直列に接続された第１半導体素子としての２個のダイオードを含んで構成されている。第１半導体モジュール２０Ａ、２０Ｂ及び２０Ｃで３相のダイオード整流器が構成され、商用交流電源を直流電圧に変換するＡＣ−ＤＣ電力変換を行う。

第２半導体モジュール３０Ａ、３０Ｂ及び３０Ｃを構成する第２半導体素子は、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料、ダイヤモンド等のいずれかを主成分とする半導体により形成されたワイドバンドギャップ半導体素子で構成されている。この第２半導体モジュール３０Ａ〜３０Ｃのそれぞれは、例えば図９のインバータ装置におけるインバータ回路４００のスイッチングアーム４０４Ａ〜４０４Ｃを構成する、第２半導体素子としてのＩＧＢＴやパワーＭＯＳＦＥＴ等で構成される半導体スイッチング素子４０１及びダイオード４０２の並列回路を直列に２組含んで構成されている。

また、半導体電力変換装置１０は、第１半導体モジュール２０Ａ〜２０Ｃ及び第２半導体モジュール３０Ａ〜３０Ｃをおもて面に実装する平面から見て長方形状のヒートシンク４０と、このヒートシンク４０の裏面側における長手方向の一端部に設けられた吸込式の冷却ファン５０とを備えている。
ヒートシンク４０は、銅、アルミニウムやそれらの合金のように熱伝導率の高い金属材料で構成されている。このヒートシンク４０は、例えばおもて面をモジュール実装面４１とする実装板部４２と、この実装板部４２の裏面側に下方に突出して形成された複数の．放熱フィン４３とで構成されている。

各放熱フィン４３は、図２及び図３に示すように、実装板部４２の長手方向に延長する平板状に形成され、且つ実装板部４２の幅方向に所定間隔を保って複数平行に配列されている。そして、各放熱フィン４３間が冷却ファン５０による冷風がヒートシンク４０の長手方向の他端側から冷却ファン５０に向かって通る冷却風通路４４とされている。
実装板部４２のモジュール実装面４１には、冷却風通路４４の上流側に対向する位置に第１半導体モジュール２０Ａ〜２０Ｃが実装された第１実装面４５が形成され、冷却風通路４４の下流側に対向する位置に第２半導体モジュール３０Ａ〜３０Ｃが実装された第２実装面４６が形成されている。ここで、第１実装面４５には、第１半導体モジュール２０Ａ〜２０Ｃが冷却風通路４４とは交差する幅方向に所定間隔を保って整列されて実装されている。同様に、第２実装面４６には、第２半導体モジュール３０Ａ〜３０Ｃが第１半導体モジュール２０Ａ〜２０Ｃと所定間隔を保って対向するように冷却風通路４４とは交差する幅方向に所定間隔を保って整列されて実装されている。

また、実装板部４２には、第１実装面４５及び第２実装面４６間に冷却風通路４４と交差する幅方向に延長してスリット４７が形成されている。このスリット４７は実装板部４２の表裏の厚み方向に貫通しており、このスリット４７により、互いに対向する第１実装面４５に実装された第１半導体モジュール２０Ａ〜２０Ｃと第２実装面４６に実装された第２半導体モジュール３０Ａ〜３０Ｃとの間を分断して両者間の熱的な干渉を大幅に低減することができる。

次に、上記実施形態の動作を説明する。
ヒートシンク４０の実装板部４２のおもて面上の第１実装面４５にインバータ装置のダイオード整流器を構成するダイオードアームを含むシリコン半導体素子で構成される第１半導体モジュール２０Ａ〜２０Ｃをダイボンド接合等の接合方法によって接合する。同様に、実装板部４２のおもて面上の第２実装面４６にインバータ装置のインバータ回路を構成するスイッチングアームを含むワイドバンドギャップ半導体素子で構成される第２半導体モジュール３０Ａ〜３０Ｃをダイボンド接合等の接合方法によって接合する。

この状態で、冷却ファン５０を回転駆動して気体を吸い込むことにより、隣接する放熱フィン４３間に形成した冷却風通路４４に冷却風が冷却ファン５０とは反対側から冷却ファン５０に向かって流れる。
このとき、インバータ装置を作動させると、ダイオード整流器を構成するダイオードアームを含む第１半導体モジュール２０Ａ〜２０Ｃとインバータ回路を構成するスイッチングアームを含む第２半導体モジュール３０Ａ〜３０Ｃとが自身の発生損失（定常損失やスイッチング損失）によって温度上昇が生じる。このとき、第１半導体モジュール２０Ａ〜２０Ｃの最高使用温度が１２５℃〜１５０℃程度であり、第２半導体モジュール３０Ａ〜３０Ｃの最高使用温度が２００℃以上である。

これら第１半導体モジュール２０Ａ〜２０Ｃ及び第２半導体モジュール３０Ａ〜３０Ｃの発熱は、ヒートシンク４０の実装板部４２を介して各放熱フィン４３に伝達され、さらに放熱フィン４３に伝達されて冷却風通路４４を通る冷却風と熱交換されて温度上昇が抑制される。
このとき、第１半導体モジュール２０Ａ〜２０Ｃは、冷却風通路４４の上流側に対向する第１実装面４５に実装され、第２半導体モジュール３０Ａ〜３０Ｃは、冷却風通路４４の下流側に対向する第２実装面に実装されている。このため、ヒートシンク４０の熱抵抗を最高使用温度が低い第１半導体モジュール２０Ａ〜２０Ｃに合わせて設定しておくことにより、冷却風通路４４の上流側で冷却風が第１半導体モジュール２０Ａ〜２０Ｃと熱交換されて、第１半導体モジュール２０Ａ〜２０Ｃの発熱を放熱フィン４３を介して放熱し、最高使用温度である１２５℃〜１５０℃程度以内に制御することができる。

そして、この第１半導体モジュール２０Ａ〜２０Ｃと熱交換して温まった冷却風が下流側の第２半導体モジュール３０Ａ〜３０Ｃに供給されるので、この第２半導体モジュール３０Ａ〜３０Ｃの発熱が伝達された放熱フィン４３で熱交換することにより、第２半導体モジュール３０Ａ〜３０Ｃを第１半導体モジュール２０Ａ〜２０Ｃより高い使用温度２００℃以上に維持することができる。

このように、第１半導体モジュール２０Ａ〜２０Ｃと第２半導体モジュール３０Ａ〜３０Ｃとでは異なる使用温度で動作させることになる。この場合、第１半導体モジュール２０Ａ〜２０Ｃを実装した第１実装面４５と第２半導体モジュール３０Ａ〜３０Ｃを実装した第２実装面４６との間に幅方向に延長するスリット４７が形成されているので、このスリット４７によって、第１実装面４５及び第２実装面４６間が分断される。したがって、スリット４７によって、第１実装面４５に実装された第１半導体モジュール２０Ａ〜２０Ｃと第２実装面４６に実装された第２半導体モジュール３０Ａ〜３０Ｃとの間の実装板部４２を介する熱的な干渉を大幅に抑制することが可能となる。このため、第１実装面４５及び第２実装面４６間の距離を短くすることが可能となり、ヒートシンク４０の長手方向長さを短縮して、半導体電力変換装置１０を小型化することができる。

この場合、図４に示すように、スリット４７に対向する放熱フィン４３についてもスリット４７に対向する溝４８を形成することにより、第１実装面４５及び第２実装面４６間の熱的な干渉をより低減することができる。
なお、半導体電力変換装置１０は、図示しないが筐体内に配置し、冷却ファン５０によって筐体内で強制対流による冷却を行うこともできる。また、冷却ファン５０を筐体に形成した冷却風排出口に臨ませるとともに、ヒートシンク４０の冷却ファン５０とは反対側の放熱フィン４３を冷却風供給口に臨ませることにより、外気による冷却を行うこともできる。さらに、ヒートシンク４０の冷却ファン５０とは反対側に気体通路を有する熱交換器を配置して冷媒との熱交換を行って冷却風を得るようにしてもよい。

次に、本発明の一態様を示す第２の実施形態について図５及び図６を伴って説明する。
この第２の実施形態では、ヒートシンク４０の実装板部４２に形成したスリット形状を変更したものである。
すなわち、第２の実施形態では、前述した第１の実施形態におけるスリット４７が第１半導体モジュール２０Ａ〜２０Ｃと第２半導体モジュール３０Ａ〜３０Ｃとの対向面にのみ形成するように３つに分断されたスリット４７ａ〜４７ｃで構成されている。

その他の構成については第１の実施形態と同様の構成を有し、第１の実施形態との対応部分には同一符号を付し、その詳細説明はこれを省略する。
この第２の実施形態によると、実装板部４２に形成したスリット４７が３つのスリット４７ａ〜４７ｃに分割され、各スリット４７ａ〜４７ｃが第１半導体モジュール２０Ａ〜２０Ｃと第２半導体モジュール３０Ａ〜３０Ｃとの対向する位置にそれぞれ形成されている。このため、前述した第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができるとともに、隣接するスリットの間すなわち第１半導体モジュール２０Ａ〜２０Ｃと第２半導体モジュール３０Ａ〜３０Ｃとの対向部以外についてはスリットが形成されておらず、実装板部４２が分断されないで連続しているので、スリットを形成することによる実装板部４２の機械的強度の低下を抑制して耐久性を向上させることができる。

次に、本発明の一態様に係る半導体電力変換装置の第３の実施形態について図７及び図８を伴って説明する。
この第３の実施形態は、ヒートシンクの実装板部に形成したスリットをより細かく形成するようにしたものである。
すなわち、第３の実施形態では、幅狭の複数のスリット４７ｄを実装板部４２の長手方向でその一部が重なるように千鳥状に配置するようにしたものである。

その他の構成については第１及び第２の実施形態と同様の構成を有し、第１及び第２の実施形態との対応部分には同一符号を付し、その詳細説明はこれを省略する。
この第３の実施形態によると、幅狭のスリット４７ｄを実装板部４２の長手方向で一部が重なるように千鳥状に配置しているので、第１半導体モジュール２０Ａ〜２０Ｃと第２半導体モジュール３０Ａ〜３０Ｃとの間の熱伝導距離を長くすることができるとともに、スリット４７ｄ間の熱伝導路の断面積を小さくすることができる。したがって、してスリット形成位置での第１半導体モジュール２０Ａ〜２０Ｃと第２半導体モジュール３０Ａ〜３０Ｃとの間の熱伝導率を低下させることができ、熱的な干渉を低減する効果を第１の実施形態及び第２の実施形態に比較してさらに高めることができる。

なお、上記各実施形態では、第１半導体モジュール及び第２半導体モジュールを３個ずつ並列に整列させる場合について説明したが、これに限定されるものではなく、半導体電力変換装置１０を流れる電流量が増加する場合には、第１半導体モジュール及び第２半導体モジュールを３ｎ（ｎは２以上の整数）個を並列配置するようにしても良い。また、実装板部４２に第１半導体モジュール及び第２半導体モジュールを１組だけ対向配置するようにしてもよい。さらには、ダイオード整流器２００のダイオード２０１を一つずつモジュール化して第１半導体モジュールとし、同様にインバータ回路４００の半導体スイッチング素子とダイオードとの並列回路についても一つずつモジュール化して第２半導体モジュールとすることができる。

また、上記各実施形態では、ヒートシンク４０の放熱フィン４３が平板状に形成されている場合について説明したが、これに限定されるものではなく、円柱あるいは角柱等のピン状に形成するようにしてもよい。
さらに、上記各実施形態では、冷却ファン５０として吸込形となるように配置した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、ヒートシンク４０の他端側に吐出形となるように配置して、冷却風通路に冷却風を供給するようにしてもよい。

１０…半導体電力変換装置
２０Ａ〜２０Ｃ…第１半導体モジュール
３０Ａ〜３０Ｃ…第２半導体モジュール
４０…ヒートシンク
４１…モジュール実装面
４２…実装板部
４３…放熱フィン
４４…冷却風通路
４５…第１実装面
４６…第２実装面
４７、４７ａ〜４７ｄ…スリット
５０…冷却ファン

Claims (9)

1. 第１半導体素子を含んで電力変換を行う第１半導体モジュールと、
   前記第１半導体素子に対して使用温度が高い第２半導体素子を含んで電力変換を行う第２半導体モジュールと、
   前記第１半導体モジュール及び前記第２半導体モジュールを実装面に実装し、冷却風通路を有するヒートシンクとを備え、
   前記ヒートシンクは、前記冷却風通路の上流側に形成した前記第１半導体モジュールを実装する第１実装面と、前記冷却風通路の下流側に形成した前記第２半導体モジュールを実装する第２実装面と、前記第１実装面及び第２実装面間に形成したスリットとを少なくとも有する
   ことを特徴とする半導体電力変換装置。
2. 前記ヒートシンクは、前記第１実装面、前記第２実装面及び前記スリットを形成した実装板部と、該実装板部の前記第１実装面及び前記第２実装面とは反対側に設けられた前記冷却風通路を形成する複数の放熱フィンとで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体電力変換装置。
3. 前記スリットは、前記冷却風通路と交差する方向に延長し、前記実装板部を貫通して形成されていることを特徴とする請求項２に記載の半導体電力変換装置。
4. 前記ヒートシンクの冷却風通路の少なくとも一端側に冷却ファンが設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体電力変換装置。
5. 前記第１半導体素子はシリコン半導体素子で構成され、前記第２半導体素子はワイドバンドギャップ半導体素子で構成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体電力変換装置。
6. 前記ヒートシンクは、前記第１実装面に、複数の前記第１半導体モジュールを前記冷却風通路に交差する方向に整列配置し、前記第２実装面に、複数の前記第２半導体モジュールを前記冷却風通路に交差する方向に整列させたことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の半導体電力変換装置。
7. 前記スリットは、前記第１半導体モジュール及び前記第２半導体モジュール間を分断するように前記冷却風通路と交差する方向に延長して形成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の半導体電力変換装置。
8. 前記スリットは、互いに対向する第１半導体モジュール及び第２半導体モジュール間に前記冷却風通路と交差する方向に延長して形成されていることを特徴とする請求項６に記載の半導体電力変換装置。
9. 前記スリットは、少なくとも互いに対向する第１半導体モジュール及び第２半導体モジュール間に前記冷却風通路と交差する方向に延長し、且つ複数並列して形成されていることを特徴とする請求項６に記載の半導体電力変換装置。

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