JP2023144350A - パワー半導体モジュール及び電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】二つの実装領域の間に離間領域を有するパワー半導体モジュールにおいて、冷却水を流す方向についての選択肢を増やし、パワー半導体モジュールを備える電力変換装置の実装寸法の設計変更を容易なものとする。【解決手段】二個のパワー半導体チップと、これらのパワー半導体チップが設置された絶縁基板と、絶縁基板が設置されたベース板、を備え、ベース板のパワー半導体チップが設置された側の面の裏面である冷却面であって二個のパワー半導体チップがそれぞれ設置された二つの実装領域に対応する部分には、第一のフィンが設置され、二つの実装領域の間には、離間領域が設けられたパワー半導体モジュールにおいて、ベース板の冷却面であって離間領域に対応する部分における冷却媒体の流路抵抗は、二つの実装領域が対向する面に平行する方向では、二つの実装領域が対向する面に直交する方向に比べて大きい。【選択図】図１０
Description
本開示は、パワー半導体モジュール及び電力変換装置に関する。
鉄道車両の駆動用モータの制御装置として、パワー半導体素子を用いて電車線電圧を交流から直流に変換する装置（コンバータ）、あるいは直流から交流に変換する装置（インバータ）がある。パワー半導体素子は、変換時損失に起因して発熱するため、パワー半導体素子を適切に冷却して温度上昇を抑制する必要がある。その冷却方法は、高速車両運行や通勤車両運行などの負荷の違いに応じて選択され、負荷の大きい高速車両では効率よく冷却できる水冷装置を用いる場合がある。
パワー半導体素子を複数設置するパワー半導体モジュールの従来の水冷技術は、パワー半導体モジュールに、例えば熱伝導グリースを介して放熱フィン付きのヒートシンクが取り付けられ、その放熱フィンが冷却水流路の中に浸漬されて放熱する方式（間接水冷方式）である。ところが、熱伝導グリースは、金属に比べて熱伝導率が低いことから、熱抵抗が大きく、温度上昇抑制の妨げとなっている。
これに対して、より高い冷却能力を確保するために、熱伝導グリースを介さずにパワー半導体素子から冷却水へと熱伝達する方式（直接水冷方式）を適用したパワー半導体モジュールが知られている。その直接水冷方式のパワー半導体モジュールによれば、ベース板の一方の面に絶縁層を介してパワー半導体素子が設置され、他方の面に放熱フィンが設けられている。そのパワー半導体モジュールは、ボルトやビス等を用いて水路形成体に固定され、水路形成体の開口部がベース板の放熱フィン形成面によって覆い塞がれる構造であるので、放熱フィン形成面を冷却水で直接冷やすことになり、パワー半導体素子の発熱を効率よく放熱できる利点を有する。
また、システム電圧の高い鉄道等の高耐圧インバータを高出力化するために、パワー半導体モジュールの多並列使用が重要となっている。パワー半導体モジュールの多並列使用は、パワー半導体モジュール一つあたりの電流負荷を小さくし、パワー半導体素子の温度上昇を抑制する効果がある。
特許文献１には、冷却されるための放熱領域を有し、平面レイアウトにおいて、第１の素子実装範囲と、第２の素子実装範囲と、第１の素子実装範囲および第２の素子実装範囲の間の離間範囲とを有する半導体装置であって、ベース板の面に突出部が直接固定され、突出部は、２つの素子実装範囲内に位置する実装範囲突出部と、離間範囲内に位置する離間範囲突出部とを含み、離間範囲突出部は、１つの突出部のみから構成されているものが開示されている。
特許文献１に記載の構成を用いる場合、冷却水を半導体装置の短辺方向にのみ流す場合には、冷却水が入口側から入り、左右に分かれて左右にある素子を効率的に冷却することが可能である。しかしながら、この半導体装置において、長辺方向に冷却水を流そうとすると、離間範囲にある突出部により流れが妨げられ、素子を効果的に冷却することができない。
また、パワー半導体モジュール（半導体装置）を複数個並列に配置したパワーユニットにおいては、隣接する二個のパワー半導体モジュールの長辺が対向するように配置する場合と、短辺が対向するように配置する場合と、が考えられる。
特許文献１に記載の構成は、長辺が対向するように配置する場合には適用可能であるが、短辺が対向するように配置する場合には適用が困難である。仮に短辺が対向するように配置して長辺方向に冷却水を流す場合には、離間範囲突出部により流れが妨げられ、パワー半導体素子を効果的に冷却できない。したがって、特許文献１に記載の半導体装置においては、冷却水を流す方向が限定されるため、パワーユニットを構成する複数個のパワー半導体モジュールの配置に関して選択肢が少なく、改善の余地があると考えられる。
本開示は、二つの実装領域の間に離間領域を有するパワー半導体モジュールにおいて、冷却水を流す方向についての選択肢を増やし、パワー半導体モジュールを備える電力変換装置の実装寸法の設計変更を容易なものとすることを目的とする。
本開示の一態様は、二個のパワー半導体チップと、これらのパワー半導体チップが設置された絶縁基板と、絶縁基板が設置されたベース板、を備え、ベース板のパワー半導体チップが設置された側の面の裏面である冷却面であって二個のパワー半導体チップがそれぞれ設置された二つの実装領域に対応する部分には、第一のフィンが設置され、二つの実装領域の間には、離間領域が設けられたパワー半導体モジュールにおいて、ベース板の冷却面であって離間領域に対応する部分における冷却媒体の流路抵抗は、二つの実装領域が対向する面に平行する方向では、二つの実装領域が対向する面に直交する方向に比べて大きいことを特徴とする。
また、本開示の別の態様は、二個のパワー半導体チップと、これらのパワー半導体チップが設置された絶縁基板と、絶縁基板が設置されたベース板、を備え、ベース板のパワー半導体チップが設置された側の面の裏面である冷却面であって二個のパワー半導体チップがそれぞれ設置された二つの実装領域に対応する部分には、第一のフィンが設置され、二つの実装領域の間には、離間領域が設けられたパワー半導体モジュールにおいて、二つの実装領域が対向する面に平行する方向に冷却媒体を流す第一の構成と、二つの実装領域が対向する面に直交する方向に冷却媒体を流す第二の構成と、が選択可能であることを特徴とする。
本開示によれば、二つの実装領域の間に離間領域を有するパワー半導体モジュールにおいて、冷却水を流す方向を選択することが可能となる。これにより、パワー半導体モジュールを備える電力変換装置の実装寸法の設計変更が容易となる。
本開示は、パワー半導体チップをモジュール化した構造に関する。
以下、本開示の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
（第１の実施形態）
本実施形態においては、一例として、電力変換装置に用いられる直接水冷方式のパワー半導体モジュールについて説明する。
本実施形態においては、一例として、電力変換装置に用いられる直接水冷方式のパワー半導体モジュールについて説明する。
図１は、鉄道車両の主電力変換装置を示す概略構成図である。主電力変換装置は、パワー半導体モジュールを有する電力変換装置の一種である。
本図に示すように、主電力変換装置１０は、整流回路であるコンバータ４と、インバータ５と、平滑コンデンサ３と、を含む。コンバータ４とインバータ５とは、直流配線４０ｐ、４０ｎで接続されている。直流配線４０ｐ、４０ｎの間には、平滑コンデンサ３が設けられている。インバータ５は、三相交流配線４０ｕ、４０ｖ、４０ｗにより交流電動機６に接続されている。コンバータ４、インバータ５、平滑コンデンサ３等は、パワー半導体モジュールを構成する。パワー半導体モジュールは、主電力変換装置１０の主たる構成要素である。
コンバータ４には、電車線１から変圧器２を介して交流電力が供給される。交流電力は、コンバータ４によって直流電力に変換される。コンバータ４での整流後、平滑コンデンサ３によって平滑化された直流電力がインバータ５に印加され、所望の電圧及び周波数を有する三相交流電力に逆変換される。三相交流電力は、三相交流配線４０ｕ、４０ｖ、４０ｗにより交流電動機６に出力される。交流電動機６は、インバータ５の出力制御により所望の回転速度で駆動する。
図２は、図１の主電力変換装置１０を構成するコンバータ４を示す回路図である。
図２に示すように、コンバータ４は、レグ３５と、コンバータ制御回路２００と、を含む。レグ３５は、各相に設けられ、それぞれ、上アームのスイッチング素子３１及び整流素子３３、並びに下アームのスイッチング素子３２及び整流素子３４を含む。スイッチング素子３１、３２及び整流素子３３、３４は、それぞれがパワー半導体素子である。コンバータ制御回路２００は、スイッチング素子３１、３２に対して駆動信号２１０を送信するように構成されている。コンバータ４は、交流配線４０ｒ、４０ｓにより変圧器２に接続されている。
コンバータ４は、交流配線４０ｒ、４０ｓを介して入力される交流電力を直流電力に変換し、直流配線４０ｐ、４０ｎに出力する。コンバータ４の内部においては、レグ３５が交流電力を整流する。スイッチング素子３１、３２は、駆動信号２１０を受信して駆動する。
なお、本図においては、スイッチング素子３１、３２としてＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、整流素子３３、３４としてダイオードを用いているが、これらに限らず、他の種類の素子を適用することも可能である。
図３は、図１の主電力変換装置１０を構成するインバータ５を示す回路図である。
図３に示すように、インバータ５は、レグ３５と、インバータ制御回路２０１と、を含む。レグ３５は、出力する各相に設けられ、それぞれ、上アームのスイッチング素子３１及び整流素子３３、並びに下アームのスイッチング素子３２及び整流素子３４を含む。インバータ制御回路２０１は、スイッチング素子３１、３２に対して駆動信号２１１を送信するように構成されている。インバータ５は、直流配線４０ｐ、４０ｎに接続されている。
インバータ５は、平滑コンデンサ３で平滑化され直流配線４０ｐ、４０ｎを介して入力された直流電力を三相交流電力に変換し、三相交流配線４０ｕ、４０ｖ、４０ｗに出力する。インバータ５のスイッチング素子３１、３２は、駆動信号２１１を受信して駆動する。
パワー半導体モジュールのコンバータ４及びインバータ５は、スイッチング素子３１、３２及び整流素子３３、３４を有するため、その電力変換動作に際して熱が発生し、温度が上昇する。この温度上昇を抑制するために、パワー半導体モジュールには冷却装置が取り付けられている。
図４は、パワー半導体モジュールの冷却装置を示す模式構成図である。
本図においては、冷却装置２０は、複数のパワーユニット５３（電力変換装置）において発生する熱を冷却媒体により除去する構成として、ポンプ５０と、低温側分配管５２と、高温側合流管５５と、ラジエータ５６と、ファン５７と、タンク５９と、を有する。複数のパワーユニット５３にはそれぞれ、４個のパワー半導体モジュール１００が一列に隣り合う状態で配置されている。この例においては、パワーユニット５３の数は、３個である。よって、４並列のパワー半導体モジュール１００から成るパワーユニット５３を３並列としている、と見ることができる。なお、定格出力に応じて、パワー半導体モジュール１００の並列数、あるいはパワーユニット５３の並列数を変えてもよい。また、並列・直列は、任意に設定することができる。
循環する冷却媒体がパワー半導体モジュール１００の熱を除去することにより、電力変換装置を安定的に動作させることができる。冷却媒体としては、水やエチレングリコール水溶液が好適であるが、他の液体であってもよい。また、液体に限らず、気体を冷媒としてもよい。以下では、冷却媒体として水を用いるものとして説明する。
ポンプ５０から吐き出される低温冷却水５１（液体冷媒）は、低温側分配管５２によって各パワーユニット５３に分配して送られる。低温冷却水５１は、各パワーユニット５３に設けられたパワー半導体モジュール１００の熱を除去する。このとき、水温が上昇するため、高温冷却水５４となる。高温冷却水５４は、パワーユニット５３から流出した後、高温側合流管５５によって合流し、ラジエータ５６に送られる。ラジエータ５６内を通る高温冷却水５４は、ファン５７によって導入される冷却風５８と熱交換して冷却され、低温冷却水５１となり、ポンプ５０に送られる。したがって、冷却水は、上記のような閉じた循環経路を循環する。
このような循環経路における冷却水の温度変化に伴う冷却水の体積変化は、タンク５９によって吸収される。
図５は、パワーユニットの例を示す外観斜視図である。
本図に示すように、パワーユニット５３は、４並列のパワー半導体モジュール１００と、水路形成体７０と、を備えている。水路形成体７０には、低温側冷却水継手７１及び高温側冷却水継手７２が設けられている。
図６は、図５のパワー半導体モジュール１００の主要部分を示す回路図である。
図６に示すように、パワー半導体モジュール１００は、スイッチング素子３１、３２と、整流素子３３、３４と、を含む。これらの素子は、絶縁基板にマウントされている。これらの素子は、図２及び３に示すレグ３５を構成するように接続されている。また、スイッチング素子３１、３２には、ゲート端子１１０ｇが接続されている。ゲート端子１１０ｇは、スイッチング素子３１、３２のオンとオフとを制御するものである。このほか、パワー半導体モジュール１００には、正極直流端子１１０ｐ、負極直流端子１１０ｎ及び交流端子１１０ａｃが接続されている。これらの端子は、絶縁基板に設置されている。
図７は、図５のパワー半導体モジュール１００を示す外観斜視図である。
図７に示すように、パワー半導体モジュール１００の外郭は、パワー半導体素子で発生する熱を冷却水に放熱するベース板１３０と、パワー半導体素子及び絶縁基板を保護する筐体１１３と、で構成されている。
パワー半導体モジュール１００の一方の辺には正極直流端子１１０ｐ及び負極直流端子１１０ｎを配置し、その辺の対辺には交流端子１１０ａｃを配置している。これらは、強電系の端子である。このほか、中央寄りに弱電系の端子としてゲート端子１１０ｇ及び弱電系電極１１１が設けられている。
ベース板１３０は、パワー半導体モジュールを水路形成体７０（図５）に固定するための通し穴１１４と、ゲートドライブ基板固定用ネジ穴１１２と、を有する。
ベース板１３０の材料としては、熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫよりも大きいもの、例えば銅、アルミニウム、ＡｌＳｉＣ、ＭｇＳｉＣ等が好適である。筐体１１３の材料としては、ポリフェニレンサルファイド樹脂等が好適である。
図８Ａは、図７のパワー半導体モジュール１００のＢ－Ｂ方向の側面図である。
図８Ｂは、図７のパワー半導体モジュール１００のＣ－Ｃ方向の側面図である。
図８Ａに示すように、ベース板１３０の上部には、筐体１１３が設置されている。ベース板１３０が水路形成体７０（図５）に当接する面１３５には、微小円柱状の突起であるピンフィン１３１（放熱フィン）が、多数（例えば、合計約１００本以上）突出している。
また、図８Ｂに示すように、２つのピンフィン１３１の領域の間には、平板フィン１３２が設置されている。
図９Ａは、図８Ｂに示すパワー半導体モジュール１００の分解図である。
図９Ｂは、図９Ａのベース板１３０の素子実装面を示す平面図である。
図９Ａに示すように、パワー半導体素子１０１（パワー半導体チップ）を設置した絶縁基板１０２は、単一のベース板１３０と接合材（図示省略）を介して接合されている。
また、図９Ｂに示すように、ベース板１３０の素子実装面には、大きく分けて２つのパワー半導体素子実装領域１４０（単に「実装領域」ともいう。）が設けられている。パワー半導体素子実装領域１４０には、パワー半導体素子１０１が実装されている。それぞれのパワー半導体素子実装領域１４０には、複数個のパワー半導体素子１０１が実装されていてもよい。それぞれのパワー半導体素子実装領域１４０は、ベース板１３０の短辺方向に長辺を有する形状となっている。２つのパワー半導体素子実装領域１４０の間には、パワー半導体素子が実装されていない離間領域１４２が設けられている。離間領域１４２も、ベース板１３０の短辺方向に長辺を有する形状となっている。
また、筐体１１３を固定するためのネジ穴１１６が設けられている。
図１０は、図９Ｂのベース板１３０の放熱フィン形成面（裏面）を示す平面図である。
図１０においては、ベース板１３０の素子実装面におけるパワー半導体素子実装領域１４０の裏側に該当する部分には、円柱状のピンフィン１３１が多数形成されている。一方、離間領域１４２の裏側に該当する部分には、複数の平板フィン１３２が形成されている。複数の平板フィン１３２は、ベース板１３０の長辺方向に平行に配置されている。
円柱状のピンフィン１３１は、鍛造によりベース板１３０から形成してもよい。また、別途作製したピン形状の部材をベース板１３０にロウ付け等により接合してもよい。
平板フィン１３２は、鍛造で形成してもよい。また、別途作製した平板をベース板１３０に、例えばロウ付け等により接合させてもよい。
さらに、本図に示すように冷却水６０（液体冷媒）が短辺方向に流入する場合、平板フィン１３２が邪魔板となるため、冷却水６０は、ピンフィン１３１が設けられている領域に流入する。
本明細書においては、本図に示すように二つの実装領域が対向する面に平行する方向に冷却媒体を流す構成を「第一の構成」と呼ぶ。第一の構成は、冷却媒体が、ベース板１３０の冷却面であって二つの実装領域に対応する部分の両方に分流するようにする構成である。
また、ピンフィン１３１は、「第一のフィン」の一例である。第一のフィンは、ベース板１３０のパワー半導体チップが設置された側の面の裏面である冷却面であって二個のパワー半導体チップがそれぞれ設置された二つの実装領域に対応する部分に設置されている。
ピンフィン１３１は、断面形状が四回対称の形状を構成する。
平板フィン１３２は、「第二のフィン」の一例である。第二のフィンは、ベース板１３０の冷却面であって離間領域に対応する部分に設置されている。第二のフィンは、二つの実装領域が対向する面に直交する方向に長軸を有する。
図１１は、図５のパワーユニット５３の分解斜視図である。
図１１に示すように、パワーユニット５３は、水路形成体７０の上面に位置する開口部７５を塞ぐように、Ｏリング７３を介してパワー半導体モジュール１００を設けることによって構成される。パワー半導体モジュール１００は、ボルト穴７６にボルトを通すことにより固定される。
本図においては、封止部材としてＯリング７３を用いているが、他のシール材であってもよい。Ｏリング７３を用いる場合、組み付けの際に、上面からＯリング７３がＯリング用溝７４から外れることがないため、組立性が向上する。
まとめると、パワーユニット５３（電力変換装置）は、パワー半導体モジュール１００と、水路形成体７０と、を備え、パワー半導体モジュール１００は、水路形成体７０を流れる冷却媒体により冷却されるように構成されている。
電力変換装置は、パワー半導体モジュール１００を複数個有し、複数個のパワー半導体モジュール１００を一個の水路形成体７０に設置した構成を有する。
図１２は、図１１の水路形成体７０における冷却水の流れ方向を示す斜視図である。
図１２に示すように、低温冷却水５１は、低温側冷却水継手７１から水路形成体７０に流入する。水路形成体７０の内部において、冷却水６０は、開口部７５が直列に並んでいる方向に流れる。そして、冷却水６０は、高温冷却水５４となり、高温側冷却水継手７２から流出する。
図１２のように、高温側冷却水継手７２の出口は、流路が狭い。低温冷却水５１が流入する低温側冷却水継手７１の入口も、流路が狭い。一方、隣接する開口部７５を水路形成体７０の内部で接続する隣接モジュール間流路７７は、開口部７５の長辺と同等程度に幅を広くしてある。一旦冷却水６０がピンフィン１３１の領域を流れて広がった後は、そのままの流路幅で流す方が、不必要な流路抵抗を生じさせることなく、強制対流の流速を維持することができ、熱交換効率が高くなるからである。
図１３は、図５のＡ－Ａ断面の一部を示す図である。
図１３に示すように、冷却水６０の流路は、ピンフィン１３１の領域を経て隣接モジュール間流路７７につながり、隣接モジュール間流路７７ではピンフィン１３１の領域よりも低い位置に形成されている。言い換えると、隣接モジュール間流路７７は、Ｏリング７３及びＯリング用溝７４の下方においては、ピンフィン１３１よりも低い位置に形成されている。
以上説明した構造による効果を説明する。
本実施形態は、図１０に示すようにパワー半導体モジュール１００のベース板１３０の短辺方向に冷却水６０を流す場合である。
図１２のように、冷却水６０は、低温側冷却水継手７１の側から流入し、計４つのパワー半導体モジュール１００（図１１）が設置されパワー半導体モジュール１００と開口部７５との間に形成された空間を流れ、高温側冷却水継手７２から流出する。
１つ目のパワー半導体モジュールでは、流路入口に低温側冷却水継手７１があって流路が狭く、出口は広い。２つ目及び３つ目のパワー半導体モジュールでは、出入口ともに広い。４つ目のパワー半導体モジュールでは、入口が広く、出口は高温側冷却水継手７２のために流路が狭い。
それぞれのパワー半導体モジュールの下の冷却水６０の流れ及びその流れに伴う冷却性能について説明する。
１つ目のパワー半導体モジュールについて説明する。
狭い入口から入った冷却水は、図１０のように正面にある平板フィン１３２に当たり、流れが左右に分かれる。そして、左右にあるパワー半導体素子実装領域１４０にあるピンフィン１３１の周りに冷却水６０が流れるため、パワー半導体素子１０１の熱を効率的に除去できる。
また、平板フィン１３２により離間領域１４２への冷却水の流れは抑制されるため、パワー半導体素子１０１（図９Ａ）がなく温度上昇が小さい離間領域１４２を必要以上に冷却することがない。
離間領域１４２に複数の平板フィン１３２を設けたが、入口直近の平板フィン１３２で流れが左右に分かれても、平板フィン１３２が入口付近に１つだけでは、ピンフィン１３１の領域を冷却水が流れているうちに離間領域１４２に冷却水６０がある程度流入するようになる。図１０に示すように平板フィン１３２を入口直近だけでなく重ねて配置することにより、冷却水６０が、主として、ピンフィン１３１の領域を流れるようにすることができる。これにより、冷却水６０の流れがピンフィンの領域に偏ることになり、パワー半導体素子実装領域１４０（図９Ｂ）にあるパワー半導体素子１０１を効率的に冷却できる。
ピンフィン１３１の領域を通過した冷却水６０の出口では、流路の幅が広く、ピンフィン１３１、平板フィン１３２等、流れの障害となるものがないため、冷却水６０は、隣接モジュール間流路７７を流れる過程で、流速が一様になる。
２つ目及び３つ目のパワー半導体モジュールについて説明する。
２つ目及び３つ目のパワー半導体モジュールにおいては、入口側及び出口側ともに、流路の幅が広くしてある。
入口側では、上述のとおり、幅広い流路から入ってきた冷却水６０の流速が一様になっている。離間領域１４２に向かう冷却水６０は、平板フィン１３２が抵抗となるため、流れが左右に分かれ、ピンフィン１３１の領域に流入する。また、ピンフィン１３１の領域に向かう冷却水６０も、ピンフィン１３１の領域に流入するピンフィン１３１の領域に流入した冷却水６０の挙動は、１つ目のパワー半導体モジュールと同様である。
冷却水６０は、ピンフィン１３１の領域に偏って流れるため、流速も速く、パワー半導体素子実装領域１４０にあるパワー半導体素子１０１を効率的に冷却することが可能である。
４つ目のパワー半導体モジュールについて説明する。
４つ目のパワー半導体モジュールにおいては、入口側の流路幅は広く、出口側は狭くしてある。
２つ目及び３つ目のパワー半導体モジュールと同様に、幅広い流路から入ってきた冷却水６０の流速は一様になっている。ピンフィン１３１の領域及び離間領域１４２に流入した冷却水６０の挙動は、１つ目、２つ目及び３つ目のパワー半導体モジュールと同様である。ピンフィン１３１の領域に偏って流れてきた冷却水６０は、高温側冷却水継手７２のある狭い出口に向かう。
４つ目のパワー半導体モジュールの場合も、冷却水６０がピンフィン１３１の領域に偏って流れるため、パワー半導体素子実装領域１４０にあるパワー半導体素子１０１を効率的に冷却することが可能である。
つまり、図１１に示すパワーユニット５３のように、隣接するパワー半導体モジュール１００を長辺が対向するように並べた状態で、パワー半導体モジュール１００の短辺方向に冷却水６０を流す構成によれば、パワーユニット５３を構成するいずれのパワー半導体モジュール１００においても、ピンフィン１３１の領域に冷却水６０を集中的に流すことができるため、パワー半導体素子１０１を効率的に冷却することが可能である。
（第２の実施形態）
図１４は、第２の実施形態に係るパワー半導体モジュール１００のベース板１３０の放熱フィン形成面を示す平面図である。
図１４は、第２の実施形態に係るパワー半導体モジュール１００のベース板１３０の放熱フィン形成面を示す平面図である。
本図において、ピンフィン１３１及び平板フィン１３２の配置は、図１０と同一である。冷却水６０を流す方向がパワー半導体モジュール１００の短辺方向から長辺方向に変わっている点が異なる。これは、パワーユニット形成のためにパワー半導体モジュール１００を並べる方向が図１１に示すものとは異なり、図１１に示すパワー半導体モジュール１００を９０度回転して、水路形成体７０においてパワー半導体モジュール１００の短辺が隣接させるように配置している。その他の構成は、図１１と同様であり、説明を省略する。
つぎに、図１４に示す構成による効果を説明する。
１つ目のパワー半導体モジュールについて説明する。
狭い入口から入った冷却水６０は、図１４のように正面付近のパワー半導体素子実装領域１４０にあるピンフィン１３１に当たる。冷却水６０は、ピンフィン１３１の領域にほぼ均等に分配され流入する。ピンフィン１３１は、密であり、冷却水６０の流れがパワー半導体モジュールの短辺側であるため、長辺方向の流れに流速分布は生じにくい。冷却水６０がこの方向に流れる場合は、離間領域１４２にある平板フィン１３２による流れの阻害はほとんど生じない。次いで出口側のピンフィン１３１の領域に入っても、冷却水６０はほぼ一様に流れる。ピンフィン１３１の領域から流出した後は、流路幅が広く、流れを阻害するものがないため、流れの一様性は維持される。
つまり、ピンフィン１３１の領域をほぼ一様に冷却水６０が流れるため、パワー半導体素子１０１の発熱を効率的に冷却できる。また、離間領域１４２においては、平板フィン１３２による抵抗がないため、冷却水６０を送るための動力に無駄が生じない。
２つ目及び３つ目のパワー半導体モジュールについて説明する。
２つ目及び３つ目のパワー半導体モジュールにおいては、入口側及び出口側ともに、流路の幅が広くしてある。
入口側では、上述のとおり、幅広い流路から入ってきた冷却水６０の流速が一様になっている。冷却水６０は、一様な流れを維持した状態でピンフィン１３１の領域に流入する。そして、冷却水６０は、一様な流れを維持したまま、離間領域１４２及び出口側のピンフィン１３１の領域を通過し、流出する。
よって、冷却水６０は、ピンフィン１３１の領域に一様な流れを維持した状態で流れるため、パワー半導体素子実装領域１４０にあるパワー半導体素子１０１を均等に冷却することができる。
４つ目のパワー半導体モジュールについて説明する。
４つ目のパワー半導体モジュールにおいては、入口側の流路幅は広く、出口側は狭くしてある。
２つ目及び３つ目のパワー半導体モジュールと同様に、幅広い流路から入ってきた冷却水６０の流速は一様になっている。ピンフィン１３１の領域及び離間領域１４２に流入した冷却水６０の挙動は、１つ目、２つ目及び３つ目のパワー半導体モジュールと同様である。ピンフィン１３１の領域に偏って流れてきた冷却水６０は、高温側冷却水継手７２のある狭い出口に向かう。
よって、冷却水６０は、ピンフィン１３１の領域に一様な流れを維持した状態で流れるため、パワー半導体素子実装領域１４０にあるパワー半導体素子１０１を均等に冷却することができる。
本明細書においては、本図に示すように二つの実装領域が対向する面に直交する方向に冷却媒体を流す構成を「第二の構成」と呼ぶ。第二の構成は、冷却媒体が、ベース板１３０の冷却面であって二つの実装領域のうちの一方に対応する部分を流れた後、ベース板１３０の冷却面であって離間領域に対応する部分を流れ、その後、ベース板１３０の冷却面であって二つの実装領域のうちの他方に対応する部分を流れるようにする構成である。
以上のとおり、図１０及び図１４に示す放熱フィン形成面を有するパワー半導体モジュール１００のベース板１３０は、冷却水６０を短辺方向及び長辺方向のいずれの方向に流す場合であっても、パワー半導体素子実装領域１４０（図９Ｂ）を均等に冷却することができる。
（変形例１）
図１５は、変形例１に係るパワー半導体モジュールのベース板の放熱フィン形成面を示す平面図である。
図１５は、変形例１に係るパワー半導体モジュールのベース板の放熱フィン形成面を示す平面図である。
本図における図１０との相違点は、図１０の平板フィン１３２の代わりに、断面形状が略楕円形状のフィン１３３を１列あたり複数用いていることである。その他の構成は、図１０と同一であるため、説明を省略する。
本変形例の構成による効果を説明する。
冷却水の流れに関する効果は、平板フィン１３２の場合と同様であるが、フィン１３３と平板フィン１３２とが同一の高さを有する場合、略楕円同士の間に隙間が空くために、パワー半導体モジュール１００の短辺方向に冷却水を流した場合に離間領域１４２を流れる冷却水の量が多くなり、相対的にパワー半導体素子実装領域１４０を流れる冷却水の量が減る。
そのため、第１の実施形態に対してパワー半導体素子実装領域１４０の冷却性能は減少するが、離間領域１４２の冷却性能が向上する。
また、第２の実施形態のように長辺方向に冷却水を流した場合には、パワー半導体素子実装領域１４０の流れは同等であるため、冷却性能は同等であるが、離間領域１４２では、略楕円形状で流路幅が進行方向で変化するために流れが乱される。このため、離間領域１４２においては、第２の実施形態に対して冷却性能が向上する。
また、平板フィン１３２の場合と同様に、冷却水の流れが長辺方向であっても短辺方向であっても同等の冷却性能を得ることができる。そのため、ピンフィン１３１の配置は同一のまま、冷却水を流す方向を長辺方向と短辺方向とで選択可能なパワー半導体モジュールとすることができる。
なお、フィン１３３は、第二のフィンの一例である。フィン１３３は、断面形状が楕円形であるが、菱形であってもよい。フィン１３３は、二つの実装領域が対向する面に直交する方向に複数個配置されている。
（変形例２）
図１６は、変形例２に係るパワー半導体モジュールのベース板の放熱フィン形成面を示す平面図である。
図１６は、変形例２に係るパワー半導体モジュールのベース板の放熱フィン形成面を示す平面図である。
本図における図１０との相違点は、離間領域１４２にも円柱状のピンフィン１３１を設け、かつ、離間領域１４２の両端部に平板フィン１３２を１個ずつ配置していることである。平板フィン１３２は、第二のフィンの一例である。その他の構成は、図１０と同一であるため、説明を省略する。
本変形例の構成による効果を説明する。
図１６においては、離間領域１４２のフィンが一対の平板フィン１３２と複数の円柱状のピンフィン１３１とで構成されている。
この構成の場合、パワー半導体モジュール１００の短辺方向に冷却水を流した場合、入口側の直近の平板フィン１３２によって流れが左右に分かれ、左右のパワー半導体素子実装領域１４０にあるピンフィン１３１の領域に偏って流入する。
冷却水は、流れが徐々に図中左右に広がって離間領域１４２にも流入するが、出口近傍にある平板フィン１３２により、パワー半導体素子実装領域１４０の出口近傍では、再び流れがパワー半導体素子実装領域１４０に偏ることとなる。
そのため、第１の実施形態に比べて流れの偏りの度合いが減少するために、パワー半導体素子実装領域１４０の冷却性能の向上分が減少する。
一方、パワー半導体モジュール１００の長辺方向に冷却水を流した場合、冷却水の流れは、第２の実施形態と同等であり、パワー半導体素子実装領域１４０の冷却性能は、第２の実施形態と同等である。一方、離間領域１４２では、多数のピンフィン１３１が設けられているため、第２の実施形態より冷却性能が向上する。
（変形例３）
図１７は、変形例３に係るパワー半導体モジュールのベース板の放熱フィン形成面を示す平面図である。
図１７は、変形例３に係るパワー半導体モジュールのベース板の放熱フィン形成面を示す平面図である。
本図における図１０との相違点は、図１０の円柱状のピンフィン１３１の代わりに、断面形状が略正方形状のフィン１３４を用いていることである。そして、フィン１３４の断面を構成する正方形の対角線は、パワー半導体モジュール１００の長辺方向及び短辺方向となっている。その他の構成は、図１０と同一であるため、説明を省略する。
本変形例においても、第１の実施形態及び第２の実施形態と同様の冷却効果が得られる。
なお、フィン１３４は、断面形状が四回対称の形状を構成する。
（変形例４）
図１８は、変形例４に係るパワー半導体モジュールのベース板の放熱フィン形成面の一部を示す平面図である。
図１８は、変形例４に係るパワー半導体モジュールのベース板の放熱フィン形成面の一部を示す平面図である。
本図における図１０との相違点は、図１０の円柱状のピンフィン１３１の代わりに、平板フィン１８４をパワー半導体モジュール１００の長辺方向及び短辺方向のいずれに対しても斜めに交わるように配置していることである。そして、近接する４つの平板フィン１８４がパワー半導体モジュール１００の長辺方向（又は短辺方向）に対して４５度の角度で放射状に配置された構成を有している。その他の構成は、図１０と同一であるため、説明を省略する。
なお、近接する４つの平板フィン１８４は、これらを一体として見た場合、断面形状が四回対称の形状を構成すると言える。
本変形例の放熱フィン形成面を有するパワー半導体モジュール１００のベース板１３０は、冷却水６０を短辺方向及び長辺方向のいずれの方向に流す場合にも、同様の単位長さ当たりの流路抵抗を有する。このため、冷却水６０を短辺方向及び長辺方向のいずれの方向に流す場合にも、パワー半導体素子実装領域１４０（図９Ｂ）をむらなく冷却することができる。更に厳密に言うと、冷却水６０を短辺方向及び長辺方向のいずれの方向に流す場合にも、２つのパワー半導体素子実装領域１４０の伝熱係数をほぼ等しくすることができる。
よって、本変形例においても、第１の実施形態及び第２の実施形態と同様の冷却効果が得られる。
（変形例５）
図１９は、変形例５に係るパワー半導体モジュールのベース板の放熱フィン形成面の一部を示す平面図である。
図１９は、変形例５に係るパワー半導体モジュールのベース板の放熱フィン形成面の一部を示す平面図である。
本図における図１８との相違点は、図１８の平板フィン１８４の代わりに、断面形状が略楕円形状のフィン１９４を用いていることである。その他の構成は、図１８と同一であるため、説明を省略する。
なお、近接する４つのフィン１９４は、これらを一体として見た場合、断面形状が四回対称の形状を構成すると言える。
本変形例においても、冷却水６０を短辺方向及び長辺方向のいずれの方向に流す場合にも、２つのパワー半導体素子実装領域１４０の伝熱係数をほぼ等しくすることができる。よって、第１の実施形態及び第２の実施形態と同様の冷却効果が得られる。
（変形例６）
図２０は、変形例６に係るパワー半導体モジュールのベース板の放熱フィン形成面の一部を示す平面図である。
図２０は、変形例６に係るパワー半導体モジュールのベース板の放熱フィン形成面の一部を示す平面図である。
本図における図１８との相違点は、図１８の平板フィン１８４の代わりに、平板フィン２０４ａ、２０４ｂを用いていることである。図２０においては、平板フィン２０４ａ、２０４ｂの長辺の延長線が互いに他方の長辺に直交するように配置されている。その他の構成は、図１８と同一であるため、説明を省略する。
なお、近接する４つの平板フィン２０４ａ、２０４ｂは、これらを一体として見た場合、断面形状が四回対称の形状を構成すると言える。
本変形例においても、冷却水６０を短辺方向及び長辺方向のいずれの方向に流す場合にも、２つのパワー半導体素子実装領域１４０の伝熱係数をほぼ等しくすることができる。よって、第１の実施形態及び第２の実施形態と同様の冷却効果が得られる。
なお、上記の実施形態及び変形例においては、パワー半導体モジュール１００の長辺方向に２つのパワー半導体素子実装領域１４０を配置し、２つのパワー半導体素子実装領域１４０の間に離間領域１４２を設けた構成について説明しているが、本開示のパワー半導体モジュール及び電力変換装置は、そのような構成に限定されるものではなく、パワー半導体モジュールの短辺方向に２つのパワー半導体素子実装領域を配置した構成であってもよい。また、パワー半導体モジュールの長辺方向及び短辺方向の寸法が等しく、平面図の形状が正方形であってもよい。このことは、単なる寸法の問題である。このように、上記の実施形態及び変形例と寸法が異なっていても、実装領域及び離間領域に設けたフィン等の構成、冷却媒体の流路の構成等に関する本開示の技術内容は、同様に適用できる。
上記の実施形態及び変形例は、鉄道車両向けの主電力変換装置を例として示しているが、本開示の技術は、この例に限定されるものではなく、自動車やトラックなどの電力変換装置、船舶や航空機などの電力変換装置、工場設備を駆動する電動機の制御装置として用いられる産業用電力変換装置、家庭の太陽光発電システムや家庭の電化製品を駆動する電動機の制御装置に用いられる家庭用電力変換装置に対しても適用することができる。
上記の実施形態及び変形例は、本開示の内容をわかりやすく説明するためのものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
１：電車線、２：変圧器、３：平滑コンデンサ、４：コンバータ、５：インバータ、６：交流電動機、１０：主電力変換装置、３１、３２：スイッチング素子、３３、３４：整流素子、３５：レグ、５０：ポンプ、５１：低温冷却水、５２：低温側分配管、５３：パワーユニット、５４：高温冷却水、５５：高温側合流管、５６：ラジエータ、５７：ファン、５８：冷却風、５９：タンク、６０：冷却水、７０：水路形成体、７１：低温側冷却水継手、７２：高温側冷却水継手、７３：Ｏリング、７４：Ｏリング用溝、７５：開口部、７６：ボルト穴、７７：隣接モジュール間流路、１００：パワー半導体モジュール、１０１：パワー半導体素子、１０２：絶縁基板、１１０ｐ：正極直流端子、１１０ｎ：負極直流端子、１１０ａｃ：交流端子、１１０ｇ：ゲート端子、１１１：弱電系電極、１１２：ゲートドライブ基板固定用ネジ穴、１１３：筐体、１１４：通し穴、１３０：ベース板、１３１：ピンフィン、１３２：平板フィン、１３３、１３４：フィン、１３５：面、１４０：パワー半導体素子実装領域、１４２：離間領域、２００：コンバータ制御回路、２０１：インバータ制御回路。
Claims (11)
- 二個のパワー半導体チップと、
これらのパワー半導体チップが設置された絶縁基板と、前記絶縁基板が設置されたベース板、を備え、
前記ベース板の前記パワー半導体チップが設置された側の面の裏面である冷却面であって前記二個のパワー半導体チップがそれぞれ設置された二つの実装領域に対応する部分には、第一のフィンが設置され、
前記二つの実装領域の間には、離間領域が設けられたパワー半導体モジュールにおいて、
前記ベース板の前記冷却面であって前記離間領域に対応する部分における冷却媒体の流路抵抗は、前記二つの実装領域が対向する面に平行する方向では、前記二つの実装領域が対向する前記面に直交する方向に比べて大きいことを特徴とするパワー半導体モジュール。 - 二個のパワー半導体チップと、
これらのパワー半導体チップが設置された絶縁基板と、前記絶縁基板が設置されたベース板、を備え、
前記ベース板の前記パワー半導体チップが設置された側の面の裏面である冷却面であって前記二個のパワー半導体チップがそれぞれ設置された二つの実装領域に対応する部分には、第一のフィンが設置され、
前記二つの実装領域の間には、離間領域が設けられたパワー半導体モジュールにおいて、
前記二つの実装領域が対向する面に平行する方向に冷却媒体を流す第一の構成と、
前記二つの実装領域が対向する前記面に直交する方向に前記冷却媒体を流す第二の構成と、が選択可能であることを特徴とするパワー半導体モジュール。 - 前記第一の構成は、前記冷却媒体が、前記ベース板の前記冷却面であって前記二つの実装領域に対応する部分の両方に分流するようにする構成であり、
前記第二の構成は、前記冷却媒体が、前記ベース板の前記冷却面であって前記二つの実装領域のうちの一方に対応する部分を流れた後、前記ベース板の前記冷却面であって前記離間領域に対応する部分を流れ、その後、前記ベース板の前記冷却面であって前記二つの実装領域のうちの他方に対応する部分を流れるようにする構成である、請求項２記載のパワー半導体モジュール。 - 前記ベース板の前記冷却面であって前記離間領域に対応する前記部分には、第二のフィンが設置され、
前記第二のフィンは、前記二つの実装領域が対向する前記面に直交する方向に長軸を有する、請求項１又は２に記載のパワー半導体モジュール。 - 前記第一のフィンは、断面形状が四回対称の形状を構成する、請求項１又は２に記載のパワー半導体モジュール。
- 前記第一のフィンは、断面形状が円形又は正方形である、請求項１又は２に記載のパワー半導体モジュール。
- 前記第二のフィンは、断面形状が楕円形、菱形又は長方形である、請求項４記載のパワー半導体モジュール。
- 前記第二のフィンは、前記二つの実装領域が対向する前記面に平行する方向に複数個配置されている、請求項４記載のパワー半導体モジュール。
- 前記第二のフィンは、断面形状が楕円形又は菱形であり、前記二つの実装領域が対向する前記面に直交する方向に複数個配置されている、請求項４記載のパワー半導体モジュール。
- 請求項１又は２に記載のパワー半導体モジュールと、
水路形成体と、を備え、
前記パワー半導体モジュールは、前記水路形成体を流れる前記冷却媒体により冷却されるように構成されている、電力変換装置。 - 前記パワー半導体モジュールを複数個有し、
前記複数個の前記パワー半導体モジュールを一個の前記水路形成体に設置した構成を有する、請求項１０記載の電力変換装置。
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2022
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- 2022-12-06 WO PCT/JP2022/044811 patent/WO2023188551A1/ja unknown
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2023188551A1 (ja) | 2023-10-05 |
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