JP2018164359A - Power semiconductor module device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、直流電源から３相交流を生成するインバータとして用いられるパワー半導体モジュール装置、特に液冷式の冷却機構を具備したパワー半導体モジュール装置に関する。 The present invention relates to a power semiconductor module device used as an inverter that generates three-phase alternating current from a direct current power source, and more particularly to a power semiconductor module device equipped with a liquid cooling type cooling mechanism.
比較的大きな電力を扱う電力変換装置にあっては、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）等の半導体スイッチング素子を例えば「２ｉｎ１」や「６ｉｎ１」型等の半導体モジュールとして構成した上で、この半導体モジュールに液冷式の冷却機構を組み合わせたパワー半導体モジュール装置が広く用いられている。 In a power converter that handles relatively large power, a semiconductor switching element such as an IGBT (insulated gate bipolar transistor) is configured as a semiconductor module of, for example, a “2 in 1” or “6 in 1” type, and then the semiconductor module In addition, power semiconductor module devices in which a liquid cooling type cooling mechanism is combined are widely used.
特許文献１には、３相インバータとして、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の各相毎に一対の「２ｉｎ１」型半導体モジュールを用い、各相毎に並行して冷媒（冷却水）を供給するようにした構成が開示されている。すなわち、上下アームを有する「２ｉｎ１」型半導体モジュールが１つの相に対して２個ずつ互いに隣接して配置されており、その下面に配置したヒートシンクの中を、冷媒が略Ｕ字形の流路に沿って流れるように構成されている。各相のヒートシンクは、それぞれ冷媒入口と冷媒出口とを備えており、インバータ全体としては、３つの冷媒入口と３つの冷媒出口とを備えている。
In
特許文献１にはＵ相，Ｖ相，Ｗ相の各々に対応する３つのヒートシンクの流路を実際にどのように接続するかは記載されていないが、仮にポンプで送られる冷媒の流れを３本の流路に並列に分流して各々のヒートシンクに並行して供給するように構成したとすると、各々を流れる冷媒の流量が低下し、全体的な冷却性能が低くなる。
また仮に、第１のヒートシンクの冷媒出口と第２のヒートシンクの冷媒入口とを接続するとともに第２のヒートシンクの冷媒出口を第３のヒートシンクの冷媒入口に接続して、３つのヒートシンクに直列に冷媒が流れるように構成すると、各々を通過する流量ならびに冷却性能が高く得られるが、最初に冷媒が流入する部位に位置するアームの温度（つまり半導体スイッチング素子の温度）と、最後に冷媒が流出する部位に位置するアーム（半導体スイッチング素子）の温度と、の間で大きな温度差が生じてしまう。従って、インバータとしてのスイッチング動作に際して、素子間で発生する損失が不均一となる。 Also, if the refrigerant outlet of the first heat sink and the refrigerant inlet of the second heat sink are connected, the refrigerant outlet of the second heat sink is connected to the refrigerant inlet of the third heat sink, and the refrigerant is serially connected to the three heat sinks. The flow rate and the cooling performance that pass through each of them are high, but the temperature of the arm located at the part where the refrigerant flows first (that is, the temperature of the semiconductor switching element) and the refrigerant flow out finally. A large temperature difference occurs between the temperature of the arm (semiconductor switching element) located at the site. Therefore, the loss generated between the elements during the switching operation as the inverter becomes non-uniform.
なお、特許文献１の構成では、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の１つの相における上アームと下アームとを冷媒が連続して流れる構成であるため、３つのヒートシンクをどのように接続しても、各アームの冷却性能を均一化することは困難である。
In the configuration of
この発明は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の各々について第１アームと第２アームとを有し、インバータのスイッチング動作を行う半導体モジュールと、
この半導体モジュールに重ねて配置され、かつ冷媒の通流によって冷却されるヒートシンクと、
を備えたパワー半導体モジュール装置であって、
上記ヒートシンクは、各アームにそれぞれ対応する６個の区画に区分されており、
これら６個の区画を、Ｕ相第１アーム、Ｖ相第２アーム、Ｗ相第２アーム、Ｗ相第１アーム、Ｖ相第１アーム、Ｕ相第２アーム、の順に冷媒が直列に通流する、ことを特徴としている。
The present invention includes a semiconductor module having a first arm and a second arm for each of a U phase, a V phase, and a W phase, and performing a switching operation of an inverter;
A heat sink that is placed over the semiconductor module and cooled by the flow of refrigerant;
A power semiconductor module device comprising:
The heat sink is divided into 6 sections corresponding to each arm,
The refrigerant passes through these six sections in series in the order of the U-phase first arm, the V-phase second arm, the W-phase second arm, the W-phase first arm, the V-phase first arm, and the U-phase second arm. It is characterized by flowing.
このような構成では、６個の区画の全体を１つの冷媒の流れが直列に流れるため、流速が高く得られるとともに、各アームの区画を通過する流量が大となり、装置全体としての冷却性能が高くなる。 In such a configuration, since the flow of one refrigerant flows in series in all of the six sections, a high flow rate can be obtained, and the flow rate passing through the sections of each arm is large, so that the cooling performance of the entire apparatus is improved. Get higher.
一方、６個の区画は、冷媒が順に流れることから、冷媒の入口側から出口側へ向かって冷媒温度が徐々に高くなる傾向を有しているが、インバータとしての実際のスイッチング動作においては、負荷を通して同時に電流が流れる２つのアームの間の冷媒温度の差は比較的に小さい。例えば、Ｕ相第１アームとＶ相第２アームが同時にＯＮ作動したときに、両者の区画は連続しているため、両者の温度差は非常に小さい。最大でも、同時に電流が流れる２つのアームの区画の間に１つの区画が介在するに過ぎず、２つのアームに対する冷却性の差が小さいものとなる。 On the other hand, since the refrigerant flows in order in the six sections, the refrigerant temperature tends to gradually increase from the inlet side to the outlet side of the refrigerant, but in the actual switching operation as an inverter, The difference in refrigerant temperature between the two arms through which current flows simultaneously through the load is relatively small. For example, when the U-phase first arm and the V-phase second arm are simultaneously turned ON, the temperature difference between the two is very small because both sections are continuous. At most, only one section is interposed between the two arm sections through which current flows at the same time, and the difference in cooling performance between the two arms is small.
また、この発明の異なる態様においては、
上記ヒートシンクは、各アームにそれぞれ対応する６個の区画に区分されており、
これら６個の区画を、Ｕ相第１アーム、Ｖ相第２アーム、Ｗ相第１アーム、Ｗ相第２アーム、Ｖ相第１アーム、Ｕ相第２アーム、の順に冷媒が直列に通流する、ことを特徴としている。
In another aspect of the invention,
The heat sink is divided into 6 sections corresponding to each arm,
The refrigerant passes through these six sections in series in the order of the U-phase first arm, the V-phase second arm, the W-phase first arm, the W-phase second arm, the V-phase first arm, and the U-phase second arm. It is characterized by flowing.
このような構成では、やはり実際のスイッチング動作の下において、同時に電流が流れる２つのアームの区画の間に最大で２つの区画が介在するに過ぎず、２つのアームに対する冷却性の差が小さいものとなる。 In such a configuration, there is only a maximum of two sections between the two arm sections in which current flows at the same time under actual switching operation, and the difference in cooling performance between the two arms is small. It becomes.
この発明の具体的な一つの態様では、上記ヒートシンクの各々の区画は、個々に区分された冷媒室を備えている。この各区画の冷媒室を順次に流れる冷媒によって、半導体モジュールの各アームがそれぞれ冷却される。 In one specific aspect of the present invention, each section of the heat sink includes individually divided refrigerant chambers. The arms of the semiconductor module are cooled by the refrigerant that sequentially flows through the refrigerant chambers of the respective sections.
また具体的な一つの態様では、半導体モジュールの６個のアームが「２×３」の形に配置されており、対角線上に位置するＵ相第１アームの区画とＶ相第２アームの区画とを接続した冷媒通路と、同じく対角線上に位置するＵ相第２アームの区画とＶ相第１アームの区画とを接続した冷媒通路と、が互いに交差して設けられている。 In a specific embodiment, the six arms of the semiconductor module are arranged in a “2 × 3” shape, and the U-phase first arm section and the V-phase second arm section located on a diagonal line. Are connected to each other, and a refrigerant passage connecting the compartment of the U-phase second arm and the compartment of the V-phase first arm, which are also located diagonally, is provided so as to intersect each other.
上記の２つの冷媒通路は、例えば、ヒートシンクの外側に設けた外部配管としてそれぞれ構成される。 The two refrigerant passages are each configured as an external pipe provided outside the heat sink, for example.
あるいは、上記の２つの冷媒通路は、ヒートシンクの各区画間の隔壁に設けた開口部からそれぞれ構成される。 Or said 2 refrigerant | coolant channel | paths are each comprised from the opening part provided in the partition between each division of a heat sink.
あるいは、上記の２つの冷媒通路は、ヒートシンクの外側面に積層された複数の流路形成板によってそれぞれ構成される。 Alternatively, each of the two refrigerant passages is configured by a plurality of flow path forming plates stacked on the outer surface of the heat sink.
この発明によれば、冷媒の流れを複数本の流路に分流せずに半導体モジュール全体を通して冷媒が直列に流れていくので、流速を高く確保でき、冷却性能の向上が図れる。そして、実際のスイッチング動作において同時にＯＮ作動する２つのアームの間での冷却性の差ひいては両者の温度差を小さくすることができる。 According to this invention, since the refrigerant flows in series through the entire semiconductor module without diverting the refrigerant flow to the plurality of flow paths, a high flow rate can be ensured and the cooling performance can be improved. In the actual switching operation, the difference in cooling performance between the two arms that are simultaneously turned ON can be reduced, and the temperature difference between the two arms can be reduced.
以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図１〜図６は、この発明に係るパワー半導体モジュール装置１の第１実施例を示している。このパワー半導体モジュール装置１は、図２に示すように、３相インバータとしてのスイッチング動作を行う半導体モジュール２と、この半導体モジュール２の下面に重ねて配置される液冷式のヒートシンク３と、両者の接合面に配置されるシール用のガスケット４と、を備えている。
1 to 6 show a first embodiment of a power
図５は、半導体モジュール２によって構成されるインバータの回路構成を示しており、半導体スイッチング素子例えばＩＧＢＴとこれに並列に接続されたダイオードとを含む上下のアームによって１つの相が構成されている。すなわち、Ｕ相上アームＳ１とＵ相下アームＳ２が直流電源（Ｐ，Ｎ）の間に直列に接続され、その中間接続点からＵ相出力端子が引き出されている。同様に、Ｖ相上アームＳ３とＶ相下アームＳ４の中間接続点からＶ相出力端子が引き出されており、Ｗ相上アームＳ５とＷ相下アームＳ６の中間接続点からＷ相出力端子が引き出されている。半導体モジュール２は、これら６個のアームＳ１〜Ｓ６が１個のパッケージ６の中に一体化されたいわゆる「６ｉｎ１」型の半導体モジュールとして構成されている。Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の出力端子は、図５に示すように、負荷として例えばモータＭに接続される。また、インバータ回路は平滑コンデンサＣを含んでいるが、この平滑コンデンサＣは半導体モジュール２の外部に設けられる。
FIG. 5 shows a circuit configuration of an inverter constituted by the
図４に示すように、半導体モジュール２のパッケージ６は、全体として長方形状に構成されているが、より詳しくは、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相にそれぞれ対応する３個の長方形状のパッケージ部６Ｕ，６Ｖ，６Ｗに区分されており、これら３個のパッケージ部６Ｕ，６Ｖ，６Ｗの長辺同士が隣接した形で一体化されている。各々のパッケージ部６Ｕ，６Ｖ，６Ｗの一方の短辺には、入力端子であるＰ端子７およびＮ端子８が設けられており、他方の短辺には、各相の出力端子９Ｕ，９Ｖ，９Ｗがそれぞれ設けられている。また、図４には、パッケージ６内部の素子の配置を併せて図示してあるが、図示するように、各パッケージ部６Ｕ，６Ｖ，６Ｗの出力端子９Ｕ，９Ｖ，９Ｗ側の半分の領域に上アームＳ１，Ｓ３，Ｓ５がそれぞれ配置され、Ｐ端子７およびＮ端子８側の半分の領域に下アームＳ２，Ｓ４，Ｓ６がそれぞれ配置されている。従って、６個のアームＳ１〜Ｓ６は、半導体モジュール２全体としては、「２×３」のマトリクス状に配置されている。図示例では、各アームＳ１〜Ｓ６がそれぞれ２個のＩＧＢＴ素子１１と２個のダイオード１２とを含んで構成されている。
As shown in FIG. 4, the
なお、各パッケージ部６Ｕ，６Ｖ，６Ｗは、図１および図２に示すように、各々の長辺に沿った部位に、複数の制御信号用端子１３を備えている。
Each of the
ヒートシンク３は、図２、図３に示すように、半導体モジュール２のパッケージ６の周縁に接合される長方形状のフランジ部１５と、パッケージ６との間に冷媒室１６を構成するように窪んで形成されたカップ部１７と、を備えている。ヒートシンク３は、例えば、アルミニウム等の熱伝達に優れた金属を用いて鋳造等により構成することができる。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
カップ部１７の内部には、図４および図６に示すように、縦・横に公差する隔壁１９が一体に形成されており、この隔壁１９によって、冷媒室１６は６個の区画１６ａ〜１６ｆに区分されている。換言すれば、６個の個々に独立した冷媒室１６ａ〜１６ｆが長方形のカップ状にそれぞれ形成されている。これら６個の区画ないし冷媒室１６ａ〜１６ｆは、ヒートシンク３の上に重なる半導体モジュール２の６個のアームＳ１〜Ｓ６にそれぞれ対応して位置している。
As shown in FIGS. 4 and 6, a
ヒートシンク３と半導体モジュール２との間に介在するガスケット４は、図２に示すように、ヒートシンク３の外周縁および隔壁１９の上縁に沿った形状に一体に成形されたいわゆる成形ガスケットであり、ヒートシンク３と半導体モジュール２との間をシールするとともに、６個の冷媒室１６ａ〜１６ｆを互いに分離するように各冷媒室１６ａ〜１６ｆの間をシールしている。このガスケット４は、断面が円形のいわゆるＯリングとして構成されており、ヒートシンク３側に形成された凹溝２０に断面の一部が嵌合している。なお、図示例のガスケット４に代えて、いわゆる液体ガスケットや複数個のＯリング等の他の形態のシール部材を用いることも可能である。
As shown in FIG. 2, the
発熱体となる半導体モジュール２の底面には、図３に示すように、６個の個々の冷媒室１６ａ〜１６ｆに対応して、冷媒（冷却水）との熱交換を高めるための複数のピン型フィン２２が設けられている。このピン型フィン２２は、半導体モジュール２がヒートシンク３に組み付けられた状態では、冷媒室１６ａ〜１６ｆの中に突出している。
As shown in FIG. 3, a plurality of pins for enhancing heat exchange with the refrigerant (cooling water) corresponding to the six individual
６個の個々の冷媒室１６ａ〜１６ｆは、図６に示すように、長方形のカップ状をなす各冷媒室１６ａ〜１６ｆの長手方向に沿って冷媒が流れるように、一方が入口となり他方が出口となる一対の円形の開口部２４，２５をそれぞれ備えている。２つの開口部２４，２５は特に変わるものではないが、ここでは、説明の便宜のために、図６において各冷媒室１６ａ〜１６ｆの左側に位置する開口部を第１開口部２４と呼び、右側に位置する開口部を第２開口部２５と呼ぶこととする。これら２つの開口部２４，２５は、各冷媒室１６ａ〜１６ｆの短辺の中央位置において底面に開口している。
As shown in FIG. 6, the six individual
図３に示すように、ヒートシンク３の底面には、各冷媒室１６ａ〜１６ｆに冷媒を所定の順序で通流させるためのいくつかの外部配管が設けられている。具体的には、Ｕ相上アームＳ１に対応する冷媒室１６ａの第１開口部２４には、図外の冷媒ポンプからヒートシンク３へ冷媒を導入するための入口パイプ２７が接続されており、Ｕ相下アームＳ２に対応する冷媒室１６ｂの第１開口部２４には、ヒートシンク３から熱交換後の冷媒を排出するための出口パイプ２８が接続されている。また、冷媒室１６ａの第２開口部２５とＶ相下アームＳ４に対応する冷媒室１６ｄの第１開口部２４とは、略Ｕ字形をなす第１中間パイプ２９によって互いに接続されている。冷媒室１６ｂの第２開口部２５とＶ相上アームＳ３に対応する冷媒室１６ｃの第１開口部２４とは、略Ｕ字形をなす第２中間パイプ３０によって互いに接続されている。図３から明らかなように、第１中間パイプ２９と第２中間パイプ３０は、互いに交差している。つまり、「２×３」の形に配列されている６個の冷媒室１６ａ〜１６ｆの中で、対角線上に位置する冷媒室１６ａと冷媒室１６ｄとが第１中間パイプ２９によって互いに接続され、かつ同じく対角線上に位置する冷媒室１６ｂと冷媒室１６ｃとが第２中間パイプ３０によって互いに接続されている。
As shown in FIG. 3, on the bottom surface of the
さらに、冷媒室１６ｃの第２開口部２５とＷ相上アームＳ５に対応する冷媒室１６ｅの第１開口部２４とは、略Ｕ字形をなす第３中間パイプ３１によって互いに接続されている。同様に、冷媒室１６ｄの第２開口部２５とＷ相下アームＳ６に対応する冷媒室１６ｆの第１開口部２４とは、略Ｕ字形をなす第４中間パイプ３２によって互いに接続されている。そして、冷媒室１６ｅの第２開口部２５と冷媒室１６ｆの第２開口部２５とは、略Ｕ字形をなす第５中間パイプ３３によって互いに接続されている。
Further, the
図６には、上記の中間パイプ２９〜３３によって構成される冷媒通路がそれぞれ符号２９〜３３の矢印でもって示されている。この図に示すように、入口パイプ２７から冷媒室１６ａに流入した冷媒は、第１中間パイプ２９を介して対角線上に位置する冷媒室１６ｄに流れ、この冷媒室１６ｄから長辺方向に隣接する冷媒室１６ｆに流れる。冷媒室１６ｆから短辺方向に隣接する冷媒室１６ｅに流れ、この冷媒室１６ｅから長辺方向に隣接する冷媒室１６ｃに流れる。そして、冷媒室１６ｃから第２中間パイプ３０を介して対角線上に位置する冷媒室１６ｂに流れ、最終的に出口パイプ２８から図外の冷媒ポンプへと戻ることとなる。つまり、図４に示した６個のアームＳ１〜Ｓ６との関係では、図７に矢印で示すように、Ｕ相上アームＳ１、Ｖ相下アームＳ４、Ｗ相下アームＳ６、Ｗ相上アームＳ５、Ｖ相上アームＳ３、Ｕ相下アームＳ２、の順に冷媒が直列に通流する。
In FIG. 6, the refrigerant passages constituted by the
次に、上記第１実施例の冷却構造による利点について説明する。 Next, advantages of the cooling structure of the first embodiment will be described.
図８は、比較例として、矢印Ｃで示すように「Ｕ相の上下アーム→Ｖ相の上下アーム→Ｗ相の上下アーム」の順に冷媒が流れるようにした冷却構造を示している。熱の移送に必要な冷媒循環量が一定であると仮定すると、このように広く冷媒が流れる構成では、流速が低くなる。しかも、各アームの下面を通過する冷媒の流量が少なくなる。 FIG. 8 shows, as a comparative example, a cooling structure in which the refrigerant flows in the order of “U phase upper and lower arms → V phase upper and lower arms → W phase upper and lower arms” as indicated by an arrow C. Assuming that the amount of refrigerant circulation necessary for heat transfer is constant, the flow rate is low in such a configuration in which the refrigerant flows widely. In addition, the flow rate of the refrigerant passing through the lower surface of each arm is reduced.
このような構成に比較して、上記第１実施例では、流路断面積が基本的に１／２となり、流速が高くなるとともに、各アームの下面を全ての冷媒が通過するため、基本的に冷却性能が高く得られる。 Compared to such a configuration, in the first embodiment, the flow path cross-sectional area is basically ½, the flow velocity is increased, and all the refrigerant passes through the lower surface of each arm. High cooling performance can be obtained.
図９に示す第２の比較例は、矢印Ｃで示すように「Ｕ相上アームＳ１→Ｖ相上アームＳ３→Ｗ相上アームＳ５→Ｗ相下アームＳ６→Ｖ相下アームＳ４→Ｕ相下アームＳ２」の順に、つまり全体としてＵ字形の流路となるように冷媒が流れるようにした例である。このような構成では、流速ならびに各アームに対する流量を高く確保できるが、インバータとしてのスイッチング動作を考慮したときに、同時にＯＮ作動する２つのアームにおける冷却性の差異が大きくなる。例えば、Ｕ相出力端子９ＵとＶ相出力端子９Ｖとの間に負荷を通して電流が流れるときには、Ｕ相上アームＳ１とＶ相下アームＳ４とが同時にＯＮとなるが、図９の冷媒の流れでは、これら２つのアームＳ１，Ｓ４の間に、３つのアームＳ３，Ｓ５，Ｓ６が介在し、各々の箇所で１段階ずつ冷媒温度が上昇するため、両者の温度差が大きくなる。
As shown by an arrow C in the second comparative example shown in FIG. 9, “U phase upper arm S1 → V phase upper arm S3 → W phase upper arm S5 → W phase lower arm S6 → V phase lower arm S4 → U phase. This is an example in which the refrigerant flows in the order of “lower arm S2”, that is, a U-shaped flow path as a whole. With such a configuration, a high flow rate and a high flow rate for each arm can be ensured, but when considering the switching operation as an inverter, the difference in cooling performance between the two arms that are simultaneously ON-operated becomes large. For example, when a current flows through the load between the
図１０に示す第３の比較例は、矢印Ｃで示すように「Ｕ相上アームＳ１→Ｕ相下アームＳ２→Ｖ相上アームＳ３→Ｖ相下アームＳ４→Ｗ相上アームＳ５→Ｗ相下アームＳ６」の順に、つまり３回Ｕ字形に折り返す形で冷媒が流れるようにした例である。この例では、やはり流速ならびに各アームに対する流量を高く確保できるものの、インバータとしてのスイッチング動作を考慮したときに、同時にＯＮ作動する２つのアームにおける冷却性の差異が大きくなる。例えば、Ｗ相出力端子９ＷとＵ相出力端子９Ｕとの間に負荷を通して電流が流れるときには、Ｗ相下アームＳ６とＵ相上アームＳ１とが同時にＯＮとなるが、図１０の冷媒の流れでは、これら２つのアームＳ１，Ｓ６の間に、４つのアームＳ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５が介在し、各々の箇所で１段階ずつ冷媒温度が上昇するため、両者の温度差がさらに大きくなる。
As shown by an arrow C in the third comparative example shown in FIG. 10, “U phase upper arm S1 → U phase lower arm S2 → V phase upper arm S3 → V phase lower arm S4 → W phase upper arm S5 → W phase. This is an example in which the refrigerant flows in the order of the lower arm S6 ", that is, in the form of folding back into a U shape three times. In this example, the flow rate and the flow rate for each arm can be secured high, but when the switching operation as an inverter is taken into consideration, the difference in cooling performance between the two arms that are simultaneously turned ON becomes large. For example, when a current flows through the load between the W-
これに対し、図７に冷媒の流れを示した上記実施例の冷却構造においては、インバータとしてのスイッチング動作の下で同時にＯＮ作動する２つのアームの間の温度差が小さくなる。例えばＵ相上アームＳ１とＶ相下アームＳ４とでは、冷媒が連続して流れるので、他のアームが介在することによる冷媒温度の上昇がない。また例えばＷ相下アームＳ６とＵ相上アームＳ１との間では、Ｖ相下アームＳ４が介在するに過ぎず、他のアームの介在による冷媒温度の上昇が１段階に留まる。同様に、インバータとしてのいずれのスイッチングパターンにおいても、２つのアームの間に介在するアームは０個もしくは１個であり、図９や図１０に示した比較例に比べて、２つのアームに対する冷却性ひいては２つのアームの温度差が小さくなる。これにより、各アームで発生する損失のバラツキを抑制することができる。また、前述したように図８の比較例に比べて冷媒の流速ならびに各アームに対する流量が高く得られるため、同時にＯＮ作動する２つのアームの温度差を小さく保ちつつ、冷却性能が高く得られる。 On the other hand, in the cooling structure of the above embodiment whose refrigerant flow is shown in FIG. 7, the temperature difference between the two arms that are simultaneously turned ON under the switching operation as the inverter becomes small. For example, in the U-phase upper arm S1 and the V-phase lower arm S4, the refrigerant flows continuously, so that there is no increase in the refrigerant temperature due to the presence of other arms. Further, for example, between the W-phase lower arm S6 and the U-phase upper arm S1, only the V-phase lower arm S4 is interposed, and the increase in the refrigerant temperature due to the intervention of the other arms remains in one stage. Similarly, in any switching pattern as an inverter, the number of arms interposed between the two arms is zero or one. Compared to the comparative examples shown in FIG. 9 and FIG. As a result, the temperature difference between the two arms is reduced. Thereby, the variation in the loss which generate | occur | produces in each arm can be suppressed. Further, as described above, since the refrigerant flow rate and the flow rate to each arm can be obtained higher than in the comparative example of FIG. 8, high cooling performance can be obtained while keeping the temperature difference between the two arms that are simultaneously turned ON.
しかも、上記実施例の構成では、冷媒の流れに沿って基本的な温度勾配を有する６個の冷媒室１６ａ〜１６ｆが「２×３」のマトリクスの中で図９の比較例のように単純に並んでおらず、一部が入れ替わった配置となるため、隣接する冷媒室１６ａ〜１６ｆの間での熱交換が促進され、各冷媒室１６ａ〜１６ｆの温度がより均一化される。例えば、最も温度が高くなり易い最下流の冷媒室１６ｂが、冷媒温度の低い冷媒室１６ａと冷媒室１６ｄとに２辺で接した形となり、相互の熱交換によって温度差が縮小する。
In addition, in the configuration of the above-described embodiment, the six
次に、図１１および図１２は、この発明の第２実施例を示している。この第２実施例においては、図１１に矢印で示すように、冷媒室１６ｃの第２開口部２５と冷媒室１６ｆの第１開口部２４とが、略Ｕ字形をなす第３中間パイプ３１’によって互いに接続されており、冷媒室１６ｄの第２開口部２５と冷媒室１６ｅの第１開口部２４とが、略Ｕ字形をなす第４中間パイプ３２’によって互いに接続されている。そして、第３中間パイプ３１’と第４中間パイプ３２’とは、互いに交差して配置されている。つまり、対角線上に位置する冷媒室１６ｃと冷媒室１６ｆとが互いに接続され、同じく対角線上に位置する冷媒室１６ｄと冷媒室１６ｅとが互いに接続されている。なお、他の配管構成は、前述した第１実施例と同様である。
Next, FIGS. 11 and 12 show a second embodiment of the present invention. In the second embodiment, as shown by an arrow in FIG. 11, a third
従って、この第２実施例においては、図１２に冷媒の流れを矢印で示すように、Ｕ相上アームＳ１、Ｖ相下アームＳ４、Ｗ相上アームＳ５、Ｗ相下アームＳ６、Ｖ相上アームＳ３、Ｕ相下アームＳ２、の順に冷媒が直列に通流する。このような構成でも、第１実施例と同様に図８の比較例に比べて冷媒の流速ならびに各アームに対する流量が高く得られるため、冷却性能が高く得られる。そして、インバータとしてのスイッチングパターンを考えると、同時にＯＮ作動する２つのアームの間には、最大で２個のアームが介在するに過ぎない。そのため、図９や図１０に示した比較例に比べて、２つのアームに対する冷却性ひいては２つのアームの温度差が小さくなる。 Accordingly, in the second embodiment, as shown in FIG. 12 by arrows, the refrigerant flow is indicated by the U-phase upper arm S1, the V-phase lower arm S4, the W-phase upper arm S5, the W-phase lower arm S6, and the V-phase upper. The refrigerant flows in series in the order of the arm S3 and the U-phase lower arm S2. Even in such a configuration, the coolant flow rate and the flow rate to each arm can be increased as compared with the comparative example of FIG. Considering the switching pattern as an inverter, there are only two arms at the maximum between two arms that are simultaneously turned ON. Therefore, compared with the comparative examples shown in FIGS. 9 and 10, the cooling performance for the two arms and thus the temperature difference between the two arms is reduced.
次に、図１３に示す第３実施例は、冷媒室１６ａ〜１６ｆの間を接続する冷媒通路を、上述した外部配管に代えて、複数の流路形成板４１の積層体によって構成した例を示している。例えば、第１，第２実施例の第１，第２中間パイプ２９，３０に相当する互いに交差する２本の冷媒通路が、図示する４枚の流路形成板４１ａ〜４１ｄを積層することによって構成されている。
Next, the third embodiment shown in FIG. 13 is an example in which the refrigerant passage connecting the
流路形成板４１ａ〜４１ｄの各々には、冷媒室１６ａ〜１６ｄの第２開口部２５ないし第１開口部２４に対応する円形の開口部４２と、２つの開口部４２の間の流路となる凹部４３と、が適宜な形で形成されており、４枚の流路形成板４１ａ〜４１ｄを図示せぬシール部材（ガスケット等）とともに積層することで、第１開口部２４と第２開口部２５とを接続する流路が構成される。図示例では、第１流路形成板４１ａの凹部４３ａおよび第３流路形成板４１ｃの凹部４３ｃによって対角線上に位置する２つの冷媒室１６ａ，１６ｄが接続され、第２流路形成板４１ｂの凹部４３ｂおよび第４流路形成板４１ｄの凹部４３ｄによって対角線上に位置する２つの冷媒室１６ｂ，１６ｃが接続される。他の冷媒通路についても同様の構成となっている。
In each of the flow
このような構成においては、前述した第１，第２実施例の作用効果に加えて、流路形成板４１の内部における熱交換によって冷媒温度が均一化する作用が得られる。すなわち、第１流路形成板４１ａおよび第３流路形成板４１ｃの内部を流れる冷媒と、第２流路形成板４１ｂおよび第４流路形成板４１ｄの内部を流れる冷媒と、が１層毎に互い違いに流れる対向流となるので、両者間で効果的に熱交換が行われ、温度差が縮小する。なお、図示例では、流路形成板４１（換言すれば内部の偏平な流路）が４層の構成となっているが、圧力損失の点で許容される範囲内でより多層とすれば、この流路形成板４１の積層体内部での熱交換作用をより大きく得ることができる。
In such a configuration, in addition to the operational effects of the first and second embodiments described above, an operation of uniforming the refrigerant temperature by heat exchange inside the flow
図１４および図１５は、冷媒通路の構成を変更した第４実施例を示している。この第４実施例においては、各冷媒室１６ａ〜１６ｆの間を接続する冷媒通路が、ヒートシンク３の隔壁１９を貫通する開口部５１によってそれぞれ形成されている。図示例は、図１２に示した第２実施例の流路構成と等価な流路構成を有する例であって、４個の冷媒室１６ａ〜１６ｄに関しては、これら４個の冷媒室１６ａ〜１６ｄを仕切る隔壁１９が十字に交差した交差部に、冷媒室１６ａと冷媒室１６ｄとを連通する斜めに延びた一対の開口部５１と、冷媒室１６ｂと冷媒室１６ｃとを連通する斜めに延びた一対の開口部５１と、がそれぞれ高さ違いに形成されている。同様に、４個の冷媒室１６ｃ〜１６ｆに関しては、これら４個の冷媒室１６ｃ〜１６ｆを仕切る隔壁１９が十字に交差した交差部に、冷媒室１６ｃと冷媒室１６ｆとを連通する斜めに延びた一対の開口部５１と、冷媒室１６ｄと冷媒室１６ｅとを連通する斜めに延びた一対の開口部５１と、がそれぞれ高さ違いに形成されている。また、冷媒室１６ｅと冷媒室１６ｆとの間には、短辺側の内壁面に沿って中央の隔壁１９を貫通する一対の開口部５１が設けられている。
14 and 15 show a fourth embodiment in which the configuration of the refrigerant passage is changed. In the fourth embodiment, the refrigerant passages connecting the
従って、外部配管に依存せずにヒートシンク３の内部で図１２に示した第２実施例と同様の冷媒の流れを実現することができる。開口部５１は、例えば、ヒートシンク３を鋳造する際に中子により同時に成形するようにしてもよく、二次的に機械加工するようにしてもよい。
Therefore, the refrigerant flow similar to that of the second embodiment shown in FIG. 12 can be realized inside the
この第４実施例においても、第３実施例と同様に、例えば冷媒室１６ａと冷媒室１６ｄとを連通する一対の開口部５１と、冷媒室１６ｂと冷媒室１６ｃとを連通する一対の開口部５１と、でそれぞれ冷媒が交互に対向流となって流れるため、やはり両者間で熱交換がなされ、冷媒温度の均一化に寄与する。なお、交差して形成される開口部５１をより多数つまりより多段の構成とすれば、熱交換作用をより大きく得ることができる。
In the fourth embodiment, as in the third embodiment, for example, a pair of
なお、図示しないが、ヒートシンク３の底壁を厚肉に構成し、図３に示した中間パイプ２９〜３３と同様のレイアウトの通路を底壁の内部に鋳造するようにすることも可能である。
Although not shown, the bottom wall of the
以上、この発明を「６ｉｎ１」型の半導体モジュール２を用いた実施例に基づいて説明したが、本発明は、「６ｉｎ１」型の半導体モジュールに限定されるものではない。例えば、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相にそれぞれ対応する「２ｉｎ１」型の半導体モジュールを３個並列に配置した構成や、「２ｉｎ１」型の半導体モジュールを６個具備するパワー半導体モジュール装置などにも同様に適用することができる。
Although the present invention has been described based on the embodiment using the “6 in 1”
１…パワー半導体モジュール装置
２…半導体モジュール
３…ヒートシンク
４…ガスケット
７…Ｐ端子
８…Ｎ端子
９Ｕ，９Ｖ，９Ｗ…出力端子
１６ａ〜１６ｆ…冷媒室（区画）
２７…入口パイプ
２８…出口パイプ
２９〜３３…中間パイプ
４１ａ〜４１ｄ…流路形成板
５１…開口部
Ｓ１〜Ｓ６…アーム
DESCRIPTION OF
27 ...
Claims (7)
この半導体モジュールに重ねて配置され、かつ冷媒の通流によって冷却されるヒートシンクと、
を備えたパワー半導体モジュール装置であって、
上記ヒートシンクは、各アームにそれぞれ対応する６個の区画に区分されており、
これら６個の区画を、Ｕ相第１アーム、Ｖ相第２アーム、Ｗ相第２アーム、Ｗ相第１アーム、Ｖ相第１アーム、Ｕ相第２アーム、の順に冷媒が直列に通流する、ことを特徴とするパワー半導体モジュール装置。 A semiconductor module having a first arm and a second arm for each of the U phase, the V phase, and the W phase, and performing a switching operation of the inverter;
A heat sink that is placed over the semiconductor module and cooled by the flow of refrigerant;
A power semiconductor module device comprising:
The heat sink is divided into 6 sections corresponding to each arm,
The refrigerant passes through these six sections in series in the order of the U-phase first arm, the V-phase second arm, the W-phase second arm, the W-phase first arm, the V-phase first arm, and the U-phase second arm. A power semiconductor module device, wherein
この半導体モジュールに重ねて配置され、かつ冷媒の通流によって冷却されるヒートシンクと、
を備えたパワー半導体モジュール装置であって、
上記ヒートシンクは、各アームにそれぞれ対応する６個の区画に区分されており、
これら６個の区画を、Ｕ相第１アーム、Ｖ相第２アーム、Ｗ相第１アーム、Ｗ相第２アーム、Ｖ相第１アーム、Ｕ相第２アーム、の順に冷媒が直列に通流する、ことを特徴とするパワー半導体モジュール装置。 A semiconductor module having a first arm and a second arm for each of the U phase, the V phase, and the W phase, and performing a switching operation of the inverter;
A heat sink that is placed over the semiconductor module and cooled by the flow of refrigerant;
A power semiconductor module device comprising:
The heat sink is divided into 6 sections corresponding to each arm,
The refrigerant passes through these six sections in series in the order of the U-phase first arm, the V-phase second arm, the W-phase first arm, the W-phase second arm, the V-phase first arm, and the U-phase second arm. A power semiconductor module device, wherein
対角線上に位置するＵ相第１アームの区画とＶ相第２アームの区画とを接続した冷媒通路と、同じく対角線上に位置するＵ相第２アームの区画とＶ相第１アームの区画とを接続した冷媒通路と、が互いに交差して設けられている、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のパワー半導体モジュール装置。 Six arms are arranged in the form of “2 × 3”,
A refrigerant passage connecting a section of the U-phase first arm and a section of the V-phase second arm located on the diagonal line, a section of the U-phase second arm and a section of the V-phase first arm also located on the diagonal line The power semiconductor module device according to any one of claims 1 to 3, wherein the refrigerant passages connected to each other are provided so as to intersect each other.
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|---|---|---|---|---|
| WO2022260023A1 (en) * | 2021-06-11 | 2022-12-15 | 株式会社オートネットワーク技術研究所 | Circuit assembly |
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| JP2012064609A (en) * | 2010-09-14 | 2012-03-29 | Hitachi Ltd | Semiconductor power module and power converter |
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