JP5310302B2 - 積層型冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体モジュールと冷却チューブとを積層した積層型冷却装置に関する。

従来から、半導体モジュールと冷却チューブとを積層した積層型冷却装置が知られている（下記特許文献１）。半導体モジュールはＩＧＢＴ素子等のパワー素子を備えるもので、大電流を流す回路においてスイッチング制御を行う部品である。積層型冷却装置に含まれる複数個の半導体モジュールは、バスバー等で互いに電気的に接続されており、例えば車両用のインバータを構成している。
また、上記冷却チューブは、内部に冷媒が流れる管状部材である。インバータを動作させると、半導体モジュールに電流が流れて発熱するので、上記冷却チューブを用いて冷却する。

インバータを動作させるには、個々の半導体モジュールを所定のタイミングでスイッチング動作させる必要がある。そのため、この動作制御を行う制御回路基板が、積層型冷却装置の近傍に配置されている。制御回路基板は、半導体モジュールの制御信号端子に接続されており、制御信号を送信して、個々の半導体モジュールの動作制御を行う。

特開２００５−７３３７３号公報

しかしながら、半導体モジュールは大電流が流れるため、スイッチング動作に伴って大きな電磁ノイズが発生する。一方、制御回路基板は比較的小さな電流で動作するため、半導体モジュールから発生した電磁ノイズの影響を受けやすい。そのため、誤動作しないように、制御回路基板の回路設計を行う際に、ノイズ耐性を考慮した設計をする必要がある。

また、近年、インバータのスイッチング周波数およびスイッチングスピードが高速化する傾向にある。動作速度が速くなると、半導体モジュールから発生する電磁ノイズが多くなりやすい。そのため、制御回路基板のノイズ耐性を、一層高める必要が生じる。

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、半導体モジュールから発生する電磁ノイズの影響を、制御回路基板が受けにくい積層型冷却装置を提供しようとするものである。

本発明は、半導体素子及び制御信号端子を備えた半導体モジュールと、該半導体モジュールを冷却する冷却チューブとを交互に積層配置した積層型冷却装置であって、
上記半導体モジュールは、上記半導体素子を内蔵した四辺形板状のモジュール本体部を備え、
上記半導体素子の動作制御をする制御回路基板が、上記制御信号端子の突出方向において上記モジュール本体部との間に所定間隔をおいて隣接配置され、該制御回路基板は上記制御信号端子に接続しており、
該モジュール本体部と上記制御回路基板との間に、上記半導体モジュールから発生した電磁ノイズを遮蔽するためのノイズ遮蔽部材が設けられ、該ノイズ遮蔽部材が、上記冷却チューブと一体化しており、
上記冷却チューブを構成する管壁の一部が、該冷却チューブの冷却面よりも上記半導体モジュール側に延出し、該管壁の一部が、上記ノイズ遮蔽部材をなしており、
上記冷却チューブは、湾曲し互いに接続した２枚の上記管壁と、該２枚の管壁の間に配された中壁とを備え、個々の上記管壁は、冷媒が流れる流路を形成するための本体部と、相手側の上記管壁と接続するための一対の接続部と、該一対の接続部のうち上記制御回路基板側の接続部から、隣接する上記半導体モジュールへ向かって延出する延出部とを有し、該延出部が上記ノイズ遮蔽部材をなしており、上記本体部と上記中壁との間に上記流路が形成され、
上記突出方向における上記モジュール本体部の両端部は、上記冷却チューブの上記本体部よりも上記突出方向にそれぞれ突出しており、
上記中壁は、上記突出方向において、上記流路から、上記制御回路基板側の接続部の途中まで延びており、
上記制御回路基板側の接続部は、上記突出方向において、上記モジュール本体部の側面のうち上記制御信号端子が突出する側面よりも、上記制御回路基板に近い位置まで延びており、該制御回路基板側の端部から、上記延出部が延出していることを特徴とする積層型冷却装置にある（請求項１）。

次に、本発明の作用効果につき説明する。
本発明では、半導体モジュールと制御回路基板との間に、上記ノイズ遮蔽部材を設けた。このノイズ遮蔽部材により、半導体モジュールから発生した電磁ノイズを遮断でき、制御回路基板に与える影響を低減することができる。そのため、ノイズ耐性に特に優れた制御回路基板を用いなくても、誤動作が生じにくくなる。

これにより、半導体モジュールの動作制御を安定して行うことが可能となる。また、上述したように、近年、半導体モジュールのスイッチング速度の高速化に伴って、電磁ノイズの発生量が多くなっているが、上記構造を採用すれば、ノイズ遮蔽部材によって電磁ノイズを遮蔽できるため、電磁ノイズの発生量に関係なく、安定して半導体モジュールの動作制御を行うことができる。また、制御回路基板の回路設計をする際に、電磁ノイズの影響を特に考慮しなくてもよくなり、設計自由度が向上する。

また、本発明では、ノイズ遮蔽部材が冷却チューブと一体になっているため、ノイズ遮蔽部材を別部材として用意する必要がなく、部品数の増加を防止できる。すなわち、少ない部品数で積層型冷却装置を組み立てることができ、また、組み立て作業も簡易なものとなる。

以上のごとく、本発明によれば、半導体モジュールから発生する電磁ノイズの影響を、制御回路基板が受けにくい積層型冷却装置を提供することができる。

実施例１における、積層型冷却器の一部透過斜視図。 図１のＡ矢視図。 図２のＣ−Ｃ矢視図であって、積層方向に拡大した図。 図１のＢ矢視図。 実施例１における、インバータの回路図。 実施例１における、積層型冷却器の拡大断面図。 実施例１における、積層型冷却器の製造方法の説明図。 図７に続く図。 実施例２における、積層型冷却器の側面図。 実施例２における、積層型冷却器の平面図。 実施例３における、積層型冷却器の平面図。 図１１の拡大図。 実施例４における、積層型冷却器の平面図。

上述した本発明における好ましい実施の形態につき説明する。
本発明において、上記冷却チューブを構成する管壁の一部が、該冷却チューブの冷却面よりも上記半導体モジュール側に延出し、該管壁の一部が、上記ノイズ遮蔽部材をなしている。
したがって、冷却チューブを構成する管壁の一部を、ノイズ遮蔽部材として利用することができる。そのため、例えばノイズ遮蔽部材を、管壁から取り外し可能な別部材とした場合と比較して、部品数を減らすことができ、また、冷却チューブの構造を簡単にすることができる。

また、上記半導体モジュールを挟んで隣り合う２個の上記冷却チューブとそれぞれ一体化された上記ノイズ遮蔽部材は、互いに接触しており、該ノイズ遮蔽部材に、上記制御信号端子が挿通する窓部が形成されていることが好ましい（請求項２）。
隣り合う２個の冷却チューブのノイズ遮蔽部材の間に隙間がある場合は、半導体モジュールから発生した電磁ノイズがこの隙間を通るため、制御回路基板に影響を与えることがある。しかし、上述のように隣り合う２個の冷却チューブのノイズ遮蔽部材が互いに接触する構成にすると、隙間が無くなるため、電磁ノイズを遮蔽しやすくなる。そのため、制御回路基板に与える、電磁ノイズの影響をより少なくすることができる。
なお、ノイズ遮蔽部材には部分的に上記窓部が形成されており、半導体モジュールの制御信号端子は、この窓部を通って制御回路基板に接続される。

また、上記冷却チューブは、湾曲した２枚の管壁を接続してなり、個々の上記管壁は、冷媒が流れる流路を相手側の管壁との間に構成する本体部と、相手側の上記管壁と接続するための一対の接続部と、該一対の接続部のうち上記制御回路基板側の接続部から、隣接する上記半導体モジュールへ向かって延出する延出部とを有し、該延出部が上記ノイズ遮蔽部材をなしている。
したがって、上記本体部と、接続部と、延出部とを有する２枚の管壁を接続するだけで、ノイズ遮蔽部材と一体になった冷却チューブを製造することができる。そのため、例えば、ノイズ遮蔽部材を別部品として用意し、冷却チューブに溶接等する場合と比較して、製造工程を簡単にすることができる。

（実施例１）
本発明の実施例にかかる積層型冷却装置につき、図１〜図８を用いて説明する。
本例の積層型冷却装置１は図１に示すごとく、半導体素子２０（図５参照）及び制御信号端子２１を備えた半導体モジュール２と、この半導体モジュール２を冷却する冷却チューブ３とを交互に積層配置したものである。
図１、図２、図４に示すごとく、半導体素子２０の動作制御をする制御回路基板４が、半導体モジュール２と冷却チューブ３との積層体１００に対して積層方向と直交する方向に所定間隔をおいて隣接配置されている。制御回路基板４は制御信号端子２１に接続されている。
また、半導体モジュール２と制御回路基板４との間に、半導体モジュール２から発生した電磁ノイズを遮蔽するためのノイズ遮蔽部材５が設けられている。図１、図４に示すごとく、このノイズ遮蔽部材５は、冷却チューブ３と一体化している。
以下、詳説する。

図１、図２に示すごとく、半導体モジュール２は制御信号端子２１とパワー端子２２とを備える。制御信号端子２１は、積層体１００の積層方向に直交する方向へ突出している。制御回路基板４は、制御信号端子２１の突出方向に配置されている。そして、制御信号端子２１の反対側にパワー端子２２ａ，２２ｂが突出している。また、図３、図４に示すごとく、隣り合う２個のノイズ遮蔽部材５の間にはスリット５１が形成されており、制御信号端子２１はこのスリット５１を通って制御回路基板４に接続している。半導体モジュール２のパワー端子２２ａ，２２ｂ間には大電流が流れるため、大きな電磁ノイズが発生するが、この電磁ノイズは上述したノイズ遮蔽部材５によって遮蔽される。

一方、図１に示すごとく、冷却チューブ３と半導体モジュール２とが交互に積層されている。半導体モジュール２は通電に伴って発熱するため、冷却チューブ３によって、半導体モジュール２を両面から冷却している。また、図３に示すごとく、隣り合う２本の冷却チューブ３の両端に接続管３５が設けられている。この接続管３５および冷却チューブ３の中を、図３に示す方向へ冷媒３８が流れる。これにより、半導体モジュール２を冷却する。

次に、図５の回路図を用いて、半導体モジュール２によって構成した車両用電力変換回路１０の説明をする。同図に示すごとく、複数個の半導体モジュール２を接続して、インバータ部１１及びコンバータ部１２が構成されている。コンバータ部１２によって直流電源６の電圧を昇圧し、さらに、インバータ部１１によって直流電力を交流に変換する。そして、交流電力を使って三相交流モータ６０を駆動し、車両を走行させる。
個々の半導体モジュール２は、半導体素子としてのＩＧＢＴ素子２０およびフライホイールダイオード２３を備える。このＩＧＢＴ素子２０の制御信号端子２１、すなわちゲート端子２１は、上述した制御回路基板４に接続されている。この制御回路基板４から送信される制御信号によって、ＩＧＢＴ素子２０がスイッチング動作をし、直流電力を交流に変換する。

次に、積層型冷却装置１の拡大断面図を図６に示す。同図に示すごとく、冷却チューブ３は２枚の管壁３０ａ，３０ｂを互いに接続して形成したものである。冷却チューブ３の内部は冷媒３８が通る流路３９になっている。この流路３９は中壁３６によって、半導体モジュール２と冷却チューブ３との積層方向へ２分割されている。また、流路３９には放熱フィン３７が設けられている。この放熱フィン３７によって、冷媒３８との接触面積を増やし、半導体モジュール２の冷却効率を高めている。

また、本例では図６に示すごとく、冷却チューブ３を構成する管壁３０の一部が、冷却チューブ３の冷却面３１よりも半導体モジュール２側に延出している。そして、この管壁３０の一部が、ノイズ遮蔽部材５をなしている。

上述したように、冷却チューブ３は、湾曲した２枚の管壁３０ａ，３０ｂを接続して形成されている。そして個々の管壁３０ａ，３０ｂは、冷媒３８が流れる流路３９を相手側の管壁３０との間に構成する本体部３２と、相手側の管壁３０と接続するための一対の接続部３３ａ，３３ｂと、一対の接続部３３ａ，３３ｂのうち制御回路基板４側の接続部３３ａから、隣接する半導体モジュール２へ向かって延出する延出部３４とを有する。この延出部３４がノイズ遮蔽部材５をなしている。

次に、本例の積層型冷却装置１の製造方法について説明する。積層型冷却装置１を製造するには、例えば図７に示すごとく、冷却チューブ３と、接続管３５とを接続したものを予め用意する。この接続管３５はアルミニウム等の柔軟な金属から構成されており、半導体モジュール２の幅よりも若干長くなっている。そして図８に示すごとく、冷却チューブ３の間に半導体モジュール２を挿入する。次いで、図８の矢印方向に冷却チューブ３を圧縮する。この圧縮力により接続管３５が縮み、冷却チューブ３の冷却面３１が半導体モジュール２に密着する。この後、図４に示すごとく、制御信号端子２１に制御回路基板４を接続する。

次に、本例の積層型冷却装置１の作用効果について説明する。
本例では図１、図４に示すごとく、半導体モジュール２と制御回路基板４との間に、ノイズ遮蔽部材５を設けた。このノイズ遮蔽部材５により、半導体モジュール２から発生した電磁ノイズを遮断でき、制御回路基板４に与える影響を低減することができる。そのため、ノイズ耐性に特に優れた制御回路基板４を用いなくても、誤動作が生じにくくなる。

これにより、半導体モジュール２の動作制御を安定して行うことが可能となる。また、上述したように、近年、半導体モジュール２のスイッチング速度の高速化に伴って、電磁ノイズの発生量が多くなっているが、上記構造を採用すれば、ノイズ遮蔽部材５によって電磁ノイズを遮蔽できるため、電磁ノイズの発生量に関係なく、安定して半導体モジュール２の動作制御を行うことができる。また、制御回路基板４の回路設計をする際に、電磁ノイズの影響を特に考慮しなくてもよくなり、設計自由度が向上する。

また、本例では図６に示すごとく、ノイズ遮蔽部材５が冷却チューブ３と一体になっているため、ノイズ遮蔽部材５を別部材として用意する必要がなく、部品数の増加を防止できる。すなわち、少ない部品数で積層型冷却装置１を組み立てることができ、また、組み立て作業も簡易なものとなる。

また、本例では図６に示すごとく、冷却チューブ３を構成する管壁３０の一部が、冷却チューブ３の冷却面３１よりも半導体モジュール２側に延出しており、この管壁３０の一部が、ノイズ遮蔽部材５をなしている。
このようにすると、冷却チューブ３を構成する管壁３０の一部を、ノイズ遮蔽部材５として利用することができる。そのため、例えばノイズ遮蔽部材を、管壁３０から分離可能な別部材とした場合と比較して、部品数を減らすことができ、また、冷却チューブ３の構造を簡単にすることができる。

さらに、本例では図６に示すごとく、冷却チューブ３は２枚の管壁３０ａ，３０ｂを接続して構成されており、この２枚の管壁３０ａ，３０ｂは、各々本体部３２と、接続部３３と、延出部３４とからなる。この延出部３４が、ノイズ遮蔽部材５を構成している。
このようにすると、本体部３２と、接続部３３と、延出部３４とを有する２枚の管壁３０を接続するだけで、ノイズ遮蔽部材５と一体になった冷却チューブ３を製造することができる。そのため、例えば、ノイズ遮蔽部材を別部品として用意し、冷却チューブ３に溶接等する場合と比較して、製造工程を簡単にすることができる。

以上のごとく、本発明によれば、半導体モジュール２から発生する電磁ノイズの影響を、制御回路基板４が受けにくい積層型冷却装置１を提供することができる。

（実施例２）
本例は、ノイズ遮蔽部材５の形状を変更した例である。本例では図９、図１０に示すごとく、半導体モジュール２を挟んで隣り合う２個の冷却チューブ３ａ，３ｂとそれぞれ一体化されたノイズ遮蔽部材５ａ，５ｂは、互いに接触している。そして図１０に示すごとく、ノイズ遮蔽部材５に、制御信号端子２１が挿通する窓部５０が形成されている。半導体モジュール２の制御信号端子２１は、この窓部５０を通って制御回路基板４に接続される。
その他、実施例１と同様の構成を備える。

次に、本例の作用効果について説明する。
隣り合う２個の冷却チューブ３のノイズ遮蔽部材５の間に隙間がある場合は、半導体モジュール２から発生した電磁ノイズがこの隙間を通るため、制御回路基板４に影響を与えることがある。しかし、上述したように、隣り合う２個の冷却チューブ３のノイズ遮蔽部材５が互いに接触する構成にすると、隙間が無くなるため、電磁ノイズを遮蔽しやすくなる。そのため、制御回路基板４に与える、電磁ノイズの影響をより少なくすることができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を備える。

（実施例３）
本例は、ノイズ遮蔽部材５の形状を変更した例である。図１１、図１２に示すごとく、半導体モジュール２を挟んで隣り合う２個の冷却チューブ３ａ，３ｂとそれぞれ一体化されたノイズ遮蔽部材５ａ，５ｂは、互いに接触している。そして、ノイズ遮蔽部材５ａ，５ｂに複数個の窓部５０を形成し、個々の制御信号端子２１が個々の窓部５０を通るように構成した。
このようにすると、窓部５０の大きさが小さいため、半導体モジュール２から発生した電磁ノイズが窓部５０を通りにくくなる。そのため、制御回路基板４に与える電磁ノイズの影響をさらに低減することができる。
その他、実施例１と同様の構成及び作用効果を備える。

（実施例４）
本例は、ノイズ遮蔽部材５の形状を変更した例である。図１３に示すごとく、本例の積層型冷却装置１は、冷却チューブ３の長手方向の一部分にのみノイズ遮蔽部材５を設けた。
このようにすると、少ない材料でノイズ遮蔽部材５および冷却チューブ３を製造できるので、製造コストを低減することが可能となる。
その他、実施例１と同様の構成および作用効果を備える。

１ 積層型冷却装置
２ 半導体モジュール
２０ 半導体素子
２１ 制御信号端子
３ 冷却チューブ
３０ 管壁
３１ 冷却面
４ 制御回路基板
５ ノイズ遮蔽部材

Claims (2)

1. 半導体素子及び制御信号端子を備えた半導体モジュールと、該半導体モジュールを冷却する冷却チューブとを交互に積層配置した積層型冷却装置であって、
   上記半導体モジュールは、上記半導体素子を内蔵した四辺形板状のモジュール本体部を備え、
   上記半導体素子の動作制御をする制御回路基板が、上記制御信号端子の突出方向において上記モジュール本体部との間に所定間隔をおいて隣接配置され、該制御回路基板は上記制御信号端子に接続しており、
   該モジュール本体部と上記制御回路基板との間に、上記半導体モジュールから発生した電磁ノイズを遮蔽するためのノイズ遮蔽部材が設けられ、該ノイズ遮蔽部材が、上記冷却チューブと一体化しており、
   上記冷却チューブを構成する管壁の一部が、該冷却チューブの冷却面よりも上記半導体モジュール側に延出し、該管壁の一部が、上記ノイズ遮蔽部材をなしており、
   上記冷却チューブは、湾曲し互いに接続した２枚の上記管壁と、該２枚の管壁の間に配された中壁とを備え、個々の上記管壁は、冷媒が流れる流路を形成するための本体部と、相手側の上記管壁と接続するための一対の接続部と、該一対の接続部のうち上記制御回路基板側の接続部から、隣接する上記半導体モジュールへ向かって延出する延出部とを有し、該延出部が上記ノイズ遮蔽部材をなしており、上記本体部と上記中壁との間に上記流路が形成され、
   上記突出方向における上記モジュール本体部の両端部は、上記冷却チューブの上記本体部よりも上記突出方向にそれぞれ突出しており、
   上記中壁は、上記突出方向において、上記流路から、上記制御回路基板側の接続部の途中まで延びており、
   上記制御回路基板側の接続部は、上記突出方向において、上記モジュール本体部の側面のうち上記制御信号端子が突出する側面よりも、上記制御回路基板に近い位置まで延びており、該制御回路基板側の端部から、上記延出部が延出していることを特徴とする積層型冷却装置。
2. 請求項１において、上記半導体モジュールを挟んで隣り合う２個の上記冷却チューブとそれぞれ一体化された上記ノイズ遮蔽部材は、互いに接触しており、該ノイズ遮蔽部材に、上記制御信号端子が挿通する窓部が形成されていることを特徴とする積層型冷却装置。

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