JP2021500755A - パワー半導体素子用の改良された放熱装置及び方法 - Google Patents

Abstract

複数のパワー半導体の温度を調整するための改良された放熱装置は、冷却液の流体力学的圧力を操作して、熱交換フィンにわたる冷却液の流れ分布を調整し、これにより均一な流れ分布か、又は意図的に不均衡にするか、又は独自の冷却液の流れ分布を形成して、より高い伝達効率を達成するという目的を果たすフローバランサを備える。【選択図】図１

Description

本開示は、概して、放熱装置及び使用方法に関し、より具体的には、冷却液の流れを最適化することによって熱効率を改善することができる、パワー半導体の放熱装置及び使用方法の改良に関する。

スイッチや整流器などのパワー半導体素子を含むいずれの装置でも、放熱に関する課題が重要となっている。過度の熱が発生することにより、物理的特性及び電気的特性の両方が劣化する恐れがあり、その結果、間欠故障及び永久故障の両方が発生する恐れがある。許容熱範囲内であっても、ほとんどの場合動作温度がより低くなることが望ましく、これはなぜなら、動作温度をより低くすることにより、通常、特定の素子の性能要求に依存して効率が上昇し、このように効率が上昇することにより、素子がより長期にわたって動作し、その際消費電力が減少し、高電力に耐えるか、又は持ちこたえるようになり、あるいは物理的に小型になるように、これを再設計することさえできるようになるからである。一部の技術分野では、これらの利点が非常に重要であるため、放熱効率のわずかな上昇でさえ見過ごせない可能性が大いにある。

より低い動作温度を達成するために、パワー半導体素子は通常、いくつかの種類のヒートシンク又は放熱装置と結合されている。最も効率的な放熱装置では通常、その熱伝導性材料がパワー半導体素子と物理的に接触しているか、又はこれに物理的に近接しているため、パワー半導体素子から熱を引き出し、かつ熱エネルギーを熱源から放熱させて、より便利な位置又はより好都合な速度でこれを分散若しくは散逸させることができる。一部のより効率的な放熱装置では、液体冷媒を使用することによって、この目的を達成している。

特許文献１（「’７８６特許」）では、そのような放熱装置の１つについて記載されており、この装置は、熱伝導性プレートを介して１又は複数のパワー半導体素子と熱連通している、少なくとも１つの蛇行フィンを備える。この１又は複数の蛇行フィンは、マニホールド内の上部プレナムと下部プレナムとの間にあり、このマニホールドは、マニホールドの対向遠位端に近接して配置された流入路及び流出路を備えているため、冷却液はマニホールドの長さにわたって移動してから退出する必要がある。’７８６特許については、その全体を参照により、要約書、明細書全文、図面、及び特許請求の範囲を含む本明細書に援用するものとする。

この従来の設計で水平配向となっている場合、冷却液は流入路を通って当該装置に進入し、ここで上部プレナムに流れ込み、次いで流出路を通り、ここで下部プレナムから引き込まれて当該装置を退出しているので、当該装置を通過するためには、冷却液はある時点で１又は複数の蛇行フィンにわたって、上部プレナムから下部プレナムへと垂直に流れる必要がある。この１又は複数の蛇行フィンは熱交換面として機能しているので、冷却液がこの１又は複数の蛇行フィンにわたって垂直に通過する間に、装着されたパワー半導体素子で発生した熱エネルギーが、この１又は複数の蛇行フィンから冷却液へと流れ込み、次いで当該装置の流出路を冷却液と共に通って搬送・吐出されて、その後他の場所へと放散される。

’７８６特許で開示かつ特許請求されている従来の装置の全体的な放熱効率は、半導体素子が装着された熱伝導性プレートを介した、パワー半導体素子から１又は複数の蛇行フィンへの熱伝達効率と、１又は複数の蛇行フィンから冷却液への熱伝達効率との両方に依存している。後者は、１又は複数の蛇行フィン全体への冷却液の流れ分布に一部依存している。

マニホールド内の各プレナムの形状が’７８６特許、具体的には図７Ｂに示しているように大きさが等しく均一である場合、１又は複数の蛇行フィンにわたって、特定の位置でこれに沿って水平方向長さだけ、垂直に通過する冷却液の量が不均衡になることが観察されている。この１又は複数の蛇行フィンの温度が、その水平方向長さに沿ってほぼ等しい場合、このように冷却液の流れ分布が不均一になることにより、実現可能な最大熱伝達効率が達成されないことになり、したがって、ここで冷却液の流れを操作して、１又は複数の蛇行フィンをより均一に通過させ、これにより熱伝達の最適化が最大になるように、’７８６特許で開示かつ特許請求されている装置及び方法を改良する必要がある。

しかしながら、他の環境では、１又は複数の蛇行フィンの温度がその水平方向長さに沿って等しくない場合があり、これはなぜなら、１又は複数の蛇行フィンに熱を伝達するパワー半導体素子の大きさが異なるか、又は熱活性が異なるためである。このような環境では、１又は複数の蛇行フィンの水平方向長さにわたって冷却液の分布を均一かつ均等にすることが、最大の熱伝達効率を促進するための最も有効な流れ分布プロファイルとはならない場合がある。冷却液の流れを操作して、１又は複数の蛇行フィンの水平方向長さにわたって独自の不均一な流れ分布を形成し、これにより熱伝達効率を十分に最適化できるように、’７８６特許で開示かつ特許請求されている装置及び方法を改良する必要がある。

たとえば、’７８６特許で開示かつ特許請求されている装置においては、図示している装置の可視側に沿って、６つの別個のパワー半導体素子が熱伝導性プレートに装着されている様子を示しており（’７８６特許の図１を参照のこと）、また当該開示では、パワー半導体素子を反対側に、別途最大６つまで装着できることを示唆している。パワー半導体素子の大きさが同じでない場合、かつ／又は一部のパワー半導体素子が他のパワー半導体素子よりも熱的に活性である場合、最適な熱伝達効率を達成するには、冷却液の流れを操作することにより、熱的により活性であるパワー半導体素子に隣接している１又は複数の蛇行フィンの部分に、大量の冷却液が不均衡に流れるようにすべきである。可能な限り最大の放熱効率を達成するために、この冷却液の流れ分布が不均衡となるように操作して、熱的により活性であるパワー半導体素子に隣接している熱交換面の部分に対し、より多くの放熱容量を割り当てるようにする必要がある。

冷却液の流れ分布の改善を必要とすることに加えて、１若しくは複数の蛇行フィン又は他の熱交換面と熱連通している複数のパワー半導体素子の電気的日射を強化することにより、’７８６特許で開示かつ特許請求されている装置をより汎用化することができる。従来の設計において、金属プレート又はダイレクトボンド基板（ＤＢＣ）が開示されており、ここで当該プレートは、熱伝導性セラミックコアと、このセラミックコアの両側に銅層とを有する。パワー半導体素子はこのようなプレートに取り付けられ、１又は複数の蛇行フィン又は他の熱交換面から電気的に絶縁されているが、パワー半導体素子自体は互いから電気的に絶縁されていないため、これらのさまざまな半導体素子が互いに隣り合って取り付けられている限りは、ある程度の均一性が必要となる。これらのパワー半導体素子が互いから電気的に絶縁されている場合、単一の装置にインバータや充電器などの電気的に別個の半導体素子、又は同じ装置に取り付けられた一相、三相、及び／又は多相の半導体素子を収容することができる。このように設計を革新することで、開示している装置に大幅な汎用性がもたらされることになる。パワー半導体素子が互いから電気的に絶縁されるように、’７８６特許で開示かつ特許請求されている装置を改良する必要がある。本開示は、以下の概要に記載しているような未知の利点をもたらす従来技術とは区別される。

米国特許第９４４３７８６号明細書

本開示では、パワー半導体用の革新的かつ非常に効率的な放熱装置について記載している。’７８６特許で当初開示かつ特許請求されている設計を改良するにあたり、本開示の装置は、冷却液の流体力学的圧力を操作して、蛇行フィン又は同様の熱交換面にわたる冷却液の流れ分布を最適化し、これにより、革新的な改良を施していない従来の装置と比較して、パワー半導体素子の温度を３３％も低下させることができる、革新的なフローバランサをさらに備える。

’７８６特許で開示かつ特許請求されている装置と同様に、本開示の装置は、第１のプレナムへと通じる流入路、及び第２のプレナムから続く流出路を含むマニホールドと、第１のプレナムと第２のプレナムとの間に配置された、少なくとも１つのパワー半導体素子と熱連通している熱交換面であって、この配置により、冷却液が熱交換面に近接して流れ、その後第１のプレナムから第２のプレナムへと流れて本装置から出るようにしている、熱交換面とを備える。

これらの革新的なフローバランサを第１及び第２のプレナムの内側に配置し、またここで、第１及び第２のプレナムの内部断面積が変化し、これにより、各プレナムの長さに沿って断面積が変化し、さらに本装置の長さに沿って流体静力学的圧力が変化し、ひいては熱交換面の長さに沿った冷却液の流れ分布に影響が及ぶことになる。

これらのフローバランサは、第１及び／又は第２のプレナムの内側に配置された、着脱可能な物理的挿入物又は永久的に固定された物理的挿入物の形態をとり、これによってプレナムの断面積を変更することができる。あるいは、いくつかの実施形態では、同じ効果を得るためにこれらのフローバランサを、プレナム壁の形状に対して物理的な設計の変更を行ったものとすることができる。

フローバランサを使用して上部プレナム及び下部プレナムの形状を操作することにより、マニホールド内の流体力学的圧力を変更して、熱交換面の長さに沿って均一な流れ分布を誘起したり、意図的に独自の、又は不均一な流れ分布を形成したりすることができる。

数値流体力学（Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ Ｆｌｕｉｄ Ｄｙｎａｍｉｃｓ：ＣＦＤ）分析によると、フローバランサを使用すると、同様の負荷を受けるパワー半導体のジャンクション温度が、最大２５％改善される可能性がある。実際の試験ではさらに優れた結果が得られ、３３パーセントもの温度低下を示した。これらの温度低下は有意なものであり、またその技術に依存して、半導体素子がより長期にわたって動作し、その際消費電力が減少し、高電力に耐えるか、若しくは持ちこたえるようになり、かつ／又は物理的に小型になるように、これを再設計することができるというような、極めて重要な性能利点になる可能性がある。

本開示の装置における別の重要かつ革新的な改良点には、パワー半導体素子を装着する熱伝導性プレートに関連することが含まれる。’７８６特許で開示かつ特許請求されている従来の設計では、単一の熱伝導性プレートに複数のパワー半導体素子が装着されていた。パワー半導体素子を互いから電気的に絶縁せず、これにより、これらのパワー半導体素子が一部の電気的特性を共有する必要があったため、この設計には限界があると言える。本開示の装置は、電気的に絶縁されたプレートを備える。これにより、一相、三相、及び／又は多相のパワー半導体素子を１つの放熱装置へと組み込むことができる。このような重要な革新を行うことにより、設計に大幅な柔軟性と汎用性とを持たせることができる。

’７８６特許で開示されている従来の設計では、伝熱面のインは蛇行フィンと呼ばれている。この蛇行フィンは熱交換面の優れた形式の１つであるが、許容可能な熱交換面の設計はこれだけではない。本開示では、蛇行フィンという用語は、’７８６特許に記載されているような複数の折り目を有するフィンと、他のあらゆる許容可能な伝熱面の設計との両方を指すものとする。

本開示は、以下に記載している目的を生じさせる構成及び使用における特定の利点を教示する。

上記の装置及び方法に固有の主な目的は、従来技術によって教示されていない利点を提供することである。

別の目的は、放熱能力を高めたパワー半導体放熱装置を提供することである。

別の目的は、放熱効率が向上したパワー半導体放熱装置を提供することである。

さらに別の目的は、物理的大きさを小さくしたパワー半導体放熱装置を提供することである。

さらに別の目的は、パワー半導体素子間の電気的絶縁を改良したパワー半導体放熱装置を提供することである。

本発明の他の特徴及び利点は、例示として、本開示の装置の原理及び特徴を示す添付の図面と併せて、以下のより詳細な説明から明らかになるであろう。

添付の図面はさまざまな例示的実装形態を示し、また本明細書の一部となっている。図示している実装形態を、限定を目的とするのではなく、例示を目的として提供している。図示している要素に番号を付すものとする。番号を付した時点で、要素は全体を通して同じ番号で識別されることになる。１又は複数の添付の図面には、本開示の最良の実施形態のうちの少なくとも１つを示している。そのような１又は複数の図面では、
本装置の両側に取り付けられた６つのパワー半導体素子を備える、本開示の放熱装置の例示的な一実施形態の斜視図である。 本装置の中心で蛇行冷却フィンを露出させた状態の、本開示の放熱装置の断面斜視図である。 冷却液圧力を操作して、本装置の水平方向長さにわたって均一な流れを得るために使用される、上部及び下部フローバランサの存在を示す、本開示の放熱装置に関する例示的な一実施形態の概略側面図である。 冷却液圧力を操作して、本装置の先頭の半分にわたって同等の流れを得る一方で、本装置の残りの半分に向かう流れを除去するために使用される、上部及び下部フローバランサの存在を示す、本開示の放熱装置に関する例示的な一実施形態の概略側面図である。 冷却液圧力を操作して、本装置の水平方向長さにわたって一意の流れプロファイルを得るために使用される、上部及び下部フローバランサの存在を示す、本開示の放熱装置に関する例示的な一実施形態の概略側面図である。 本装置の両側に取り付けられたさまざまな大きさの６つの半導体パワー素子を備える、本開示の放熱装置に関する例示的な一実施形態の斜視図である。

上記の図面は、本開示の装置の例示的な一実施形態、及びその好ましい最良の実施形態の少なくとも１つにおけるその多くの特徴を示しており、以下の記載でこれらをさらに詳細に定義している。当業者であれば、本開示の趣旨及び範囲から逸脱することなく、本明細書に記載しているものに対して変更及び修正を行うことができる可能性がある。したがって、図示しているものは例示のみを目的として記載しており、本装置又はその多くの特徴の範囲における限定として解釈すべきではないことを理解しなければならない。

次に、流体力の操作によって冷却液の流れを最適化することで、熱効率を改善することができる、パワー半導体用の放熱装置及び使用方法について詳述する。

図１は、冷却液を流入させるための流入路１１０、及び冷却液を放出させるための流出路１２０を含むマニホールド１３０を備える、本開示の革新的な装置１００の例示的な一実施形態を示す。図１は、複数のパワー半導体素子１６０を、内部に配置された熱交換面１７０と熱連通している熱伝導性パッド１４０に取り付けることにより、パワー半導体素子１６０で発生した熱を、熱伝導性パッド１４０を介して熱交換面１７０（内部に配置された）へと効率的に伝達し、次いで冷却液へと熱を伝達し、またこの冷却液によって熱を奪うことができるようにしている様子を示す。図２は切欠き斜視図であるため、伝熱面１７０をこの図で視認することができる。

図３、図４、及び図５は、この革新的なフローバランサ１８０が冷却液の流れ分布に対して発揮し得る作用を示す、概略側面図である。具体的には図３は、熱交換面１７０にわたって冷却液の均一な分布を形成するように設計された、第１のプレナム及び第２のプレナムの両方におけるフローバランサ１８０を示している。この例は、装置１００の長さにわたってほぼ均一な熱シグネチャを生成し、比較的均一な冷却液の流れ分布を所望する複数の同様のパワー半導体素子に、本装置を取り付けている状況を対象とすることができる。

一方、図４は、第１のプレナム内のフローバランサ１８０が、装置１００の後半部分からの流れを完全に遮断している様子を示している。この流れプロファイルは、装置１００の後半にいずれのパワー半導体１６０素子も取り付けておらず、したがって冷却液が必要ない場合に望ましいものとすることができる。図５は、異なる複数のパワー半導体素子１６０を装置１００に取り付け、これによって複雑な流れプロファイルの必要性が生じている場合に望ましいものとすることができる、複合フローバランサ１８０によって形成される仮想の複雑な流れプロファイルの一例である。

図５は、他のパワー半導体素子１６０から電気的に絶縁されている熱伝導性プレート１４０に取り付けられた、さまざまな大きさのパワー半導体素子１６０を示す、本開示の装置１００に関する例示図の斜視図である。この設計の改良による利点は、同じ装置１００に取り付けられたさまざまなパワー半導体素子１６０を、電気的にあまり類似していないものとすることができるため、設計に柔軟性と汎用性とを持たせることができる点である。

上記で詳述した実施可能性は、記録にある従来技術に対して新規であると見なされ、本装置及びその使用方法の少なくとも１つの態様の動作、並びに上記の目的の達成に重要な意味を持つと見なされる。本実施形態を記載するために本明細書で使用している単語は、それらの通常定義される意味で理解されるのみならず、本明細書における特殊な定義、すなわち、通常定義される意味の範囲を超えた構造、材料又は動作も含むものとする。したがって、ある要素が、本明細書において２つ以上の意味を含むと理解できるのであれば、その用途は、本明細書及びこの要素を記述している１又は複数の単語が裏付ける意味の候補すべてを包括するものと理解すべきである。

本明細書に記載している単語又は図面要素の定義は、文字通り記載されている要素の組み合わせだけでなく、実質的に同じ方法で実質的に同じ機能を実行して、実質的に同じ結果を得るためのすべての同等の構造、材料又は行為を含むことを意味する。したがって、この意味において、２つ以上の要素の等価の置換が、記載している要素及びそのさまざまな実施形態のいずれかに対して行われるか、又は単一の要素が請求項の２つ以上の要素と置換され得ることが企図される。

当業者により、既知である、又は今後考案されると考えられるような、特許請求される主題からの変更は、意図される範囲及びそのさまざまな実施形態内の均等物であることが明白に企図される。したがって、当業者に既知又は今後知られる置換は、定義された要素の範囲内にあると定義される。このため、本開示は、上記で具体的に例示かつ記載されているもの、概念的に等価のもの、明らかに置換することができるもの、及び本質的な考えを組み込んだものも含むと理解されるものとする。

本明細書の範囲は添付の特許請求の範囲と併せてのみ解釈されるべきであり、ここで、指名発明者がそれぞれ、特許請求される主題が特許を目的としたものであると考えていることが明確になる。

Claims (6)

1. 改良されたパワー半導体放熱装置であって、前記装置は、
   第１及び第２のプレナムを備える液体熱交換マニホールドと、
   前記マニホールドの対向遠位端に配置された流入路及び流出路と、
   少なくとも１つのパワー半導体素子と熱連通している熱交換面であって、前記流入路は、前記第１のプレナムに冷却液を流入させており、また前記流出路は、前記第２のプレナムから冷却液を放出させており、前記熱交換面を前記第１のプレナムと前記第２のプレナムとの間に延在させることにより、冷却液が前記熱交換面の大部分を通過して、前記第１のプレナムから前記第２のプレナムへと流れるようにしている、熱交換面と、
   前記第１又は第２のプレナムのいずれかに配置され、前記冷却液の流体力学的圧力を操作して、とりわけ前記熱交換面にわたる冷却液の流れ分布を最適化するような形状を有する、少なくとも１つのフローバランサとを備える、
   パワー半導体放熱装置。
2. 前記パワー半導体素子が互いから電気的に絶縁されている、請求項１に記載の装置。
3. 前記パワー半導体素子が互いから電気的に絶縁されていない、請求項１に記載の装置。
4. プリント基板と、
   少なくとも１つのパワー半導体素子、及び前記パワー半導体素子の底部から突出する複数の端子を含む、少なくとも１つの半導体要素を備える半導体モジュールと、
   少なくとも１つの熱伝導性プレートと、
   少なくとも１つの蛇行フィン要素であって、前記少なくとも１つの蛇行フィン要素はそれぞれ、複数の折り目によって画定されている、蛇行フィン要素と、
   少なくとも１つの部分によって画定されているマニホールド要素であって、前記マニホールド要素は、
   冷却液を受け取り、前記冷却液を前記蛇行フィン要素へと搬送するように設計された液入口ポート、
   前記冷却液を放出させるための液出口ポート、
   前記液入口と前記液出口との間に位置する少なくとも１つのフローバランサ、及び
   前記１又は複数の半導体要素を収容するように設計された少なくとも１つの窓部を含む、マニホールド要素とを備え、
   前記複数の端子は、前記基板において対応する孔部を貫通して、前記半導体モジュールを前記基板へと接続しており、
   前記半導体素子はそれぞれ、各前記熱伝導性プレートの片側に結合され、また前記蛇行フィン要素はそれぞれ、各前記熱伝導性プレートの反対側に結合されて、１又は複数のプレートアセンブリを形成しており、
   前記プレートアセンブリはそれぞれ、前記マニホールド要素の前記窓部に取り付けられ、前記マニホールド要素に進入する前記冷却液が、前記蛇行フィン要素のそれぞれを強制的に流れるようにし、その一方で装着された前記パワー半導体素子それぞれから熱を除去している、
   パワー半導体実装体及び冷却装置。
5. 前記パワー半導体素子が互いから電気的に絶縁されている、請求項４に記載の装置。
6. 前記パワー半導体素子が互いから電気的に絶縁されていない、請求項４に記載の装置。

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