冷凍装置
【課題】チップの発熱量を効果的に抑制する冷凍装置を提供することにある。
【解決手段】本発明の冷凍装置１０は、パワー半導体素子４０と、圧縮機とを備える。パワー半導体素子は、第１の冷却方式および第２の冷却方式のいずれか一方の冷却方式に基づいてサイズが選定されたチップを含む。第１の冷却方式は、ヒートシンクを用いて空冷する。第２の冷却方式では、冷媒を流す冷却部品を介して冷却する。圧縮機は、パワー半導体素子を含む駆動装置によって駆動される。チップは、冷却方式に応じた所定の電流密度を有する。
【解決手段】本発明の冷凍装置１０は、パワー半導体素子４０と、圧縮機とを備える。パワー半導体素子は、第１の冷却方式および第２の冷却方式のいずれか一方の冷却方式に基づいてサイズが選定されたチップを含む。第１の冷却方式は、ヒートシンクを用いて空冷する。第２の冷却方式では、冷媒を流す冷却部品を介して冷却する。圧縮機は、パワー半導体素子を含む駆動装置によって駆動される。チップは、冷却方式に応じた所定の電流密度を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷凍装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、冷凍装置には、圧縮機を駆動させるためのインバータ制御装置（駆動装置）が備えられている。また、例えば、特許文献１（特開２００６−４２５２９号公報）に示すように、インバータ制御装置にはパワー半導体素子が含まれている。パワー半導体素子は、インバータ制御装置の駆動に伴ってチップが発熱し高温になる。高温になったパワー半導体素子は、ヒートシンクに接続されて冷却される。これにより、パワー半導体素子のジャンクション温度が規定値（例えば、約１２５度）を超えないような構成がとられている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、冷凍装置の出力が大きくなると、チップの発熱量も大きくなる。その結果、パワー半導体素子のジャンクション温度が規定値を超えてしまう場合がある。チップの発熱量を抑制するために、出力能力の高いチップを用いることも想定しうるが、出力能力の高いチップは高価であるため、チップを多数利用することを考慮すると好ましくない。
【０００４】
本発明の課題は、チップの発熱量を効果的に抑制する冷凍装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の第１観点に係る冷凍装置は、パワー半導体素子と、圧縮機とを備える。パワー半導体素子は、第１の冷却方式および第２の冷却方式のいずれか一方の冷却方式に基づいてサイズが選定されたチップを含む。第１の冷却方式は、ヒートシンクを用いて空冷する。第２の冷却方式では、冷媒を流す冷却部品を介して冷却する。圧縮機は、パワー半導体素子を含む駆動装置によって駆動される。チップは、冷却方式に応じた所定の電流密度を有する。
【０００６】
これにより、チップの発熱量を効果的に抑制することができる。
【０００７】
本発明の第２観点に係る冷凍装置は、第１観点に係る冷凍装置であって、冷却方式が第１の冷却方式の場合、チップは、２５０Ａ／ｃｍ2以上の電流密度であり、冷却方式が第２の冷却方式の場合、チップは、３７０Ａ／ｃｍ2以上の電流密度である。
【０００８】
これにより、放熱設計の効率化を図ることができる。
【０００９】
本発明の第３観点に係る冷凍装置は、第１または第２観点に係る冷凍装置であって、パワー半導体素子は、ヒートスプレッダを有する。ヒートスプレッダは、チップに連結してチップの熱を発散させる。また、ヒートスプレッダは、チップのサイズに応じた厚みを有する。
【００１０】
これにより、パワー半導体素子の小型化を図ることができる。
【００１１】
本発明の第４観点に係る冷凍装置は、第３観点に係る冷凍装置であって、ヒートスプレッダは、チップのサイズが所定値以下の場合に、チップのサイズに応じた厚みを有する。
【００１２】
これにより、熱抵抗を効果的に抑えることができる。
【００１３】
本発明の第５観点に係る冷凍装置は、第１から第４観点のいずれかに係る冷凍装置であって、チップは、圧縮機を駆動させる駆動装置であるインバータのキャリア周波数に応じたサイズである。
【００１４】
これにより、冷凍装置の大きさに関わらず、適切に熱抵抗を抑えることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の第１観点に係る冷凍装置では、チップの発熱量を効果的に抑制することができる。
【００１６】
本発明の第２観点に係る冷凍装置では、放熱設計の効率化を図ることができる。
【００１７】
本発明の第３観点に係る冷凍装置では、パワー半導体素子の小型化を図ることができる。
【００１８】
本発明の第４観点に係る冷凍装置では、熱抵抗を効果的に抑えることができる。
【００１９】
本発明の第５観点に係る冷凍装置では、冷凍装置の大きさに関わらず、適切に熱抵抗を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】空気調和機の概略構成を示す図である。
【図２】空冷機構を示す図である。
【図３】冷媒冷却機構を示す図である。
【図４】空冷機構を採用した場合の各部温度と冷媒冷却機構を採用した場合の各部温度とを比較する図である。
【図５】チップサイズに対する最大電流を示す図である。
【図６】トランスファーモールドパッケージのパワー半導体素子の例を示す図である。
【図７】チップサイズと熱抵抗との関係を示す図である。
【図８】図７に関する各種値を示す図である。
【図９】チップサイズと熱抵抗との関係を示す図である。
【図１０】チップサイズに適したスプレッダ（銅ブロック）の厚みを示す図である。
【図１１】スプレッダ（銅ブロック）の厚みと熱抵抗との関係を示す図である。
【図１２】図１１に関する各種値を示す図である。
【図１３Ａ】連続パルス負荷時のジャンクション−ケース間温度の変化を示す図である。
【図１３Ｂ】連続パルス負荷時のジャンクション−ケース間温度の変化を示す図である。
【図１４Ａ】キャリア周波数に対するジャンクション温度の変化を示す図である。
【図１４Ｂ】キャリア周波数に対するジャンクション−ケース間温度の変化を示す図である。
【図１５】キャリア周波数に対する熱抵抗比率を示す図である。
【図１６】キャリア周波数に対するチップサイズを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明に係る実施形態を図１〜１２に基づいて詳細に説明する。
【００２２】
（１）空気調和機１０の全体構成
図１に、空気調和機１０の概略構成を示す。空気調和機１０は、主として、室内ユニット２０と、室外ユニット３０とを備える。室内ユニット２０および室外ユニット３０に含まれる各構成は、冷媒配管６２によって接続され、冷媒回路を構成する。
【００２３】
室内ユニット２０は、主として、室内熱交換器２１と、室内ファン２２とを含む。室内熱交換器２１は、冷媒を流す伝熱管と、伝熱管が挿通される複数のフィンとからなり、接触する空気との間で熱交換を行う。室内ファン２２は、室内の空気を室内ユニット２０内に吸い込ませるとともに、室内熱交換器２１との間で熱交換を行った空気を室内に吹き出させる。
【００２４】
室外ユニット３０は、主として、圧縮機３１と、室外熱交換器３２と、室外ファン３３と、四路切換弁３４と、膨張弁３５と、閉鎖弁３６，３６と、冷却機構３７とを含む。圧縮機３１は、インバータ装置によって能力調整が可能な機械であり、低圧のガス冷媒を吸い込み、吸い込んだガス冷媒を圧縮して高圧のガス冷媒にして吐出する。室外熱交換器３２は、冷媒を流す伝熱管と、伝熱管が挿入される複数のフィンとからなり、内部を流れる冷媒と、室外ファン３３により室外ユニット３０内に吸い込まれた外気との間で熱交換を行わせる。室外熱交換器３２は、その一端に四路切換弁３４が接続され、他端には膨張弁３５が接続されている。四路切換弁３４は、冷房／暖房モードに基づき、冷媒回路を切り換える。室外熱交換器３２内を流れる冷媒は、冷房モードの運転時（四路切換弁３４が実線の状態にある場合）には放熱し、暖房モードの運転時（四路切換弁３４が破線の状態にある場合）には吸熱する。膨張弁３５は、弁の開度を変動させて室外熱交換器３２に流れる冷媒の量を制御する。閉鎖弁３６，３６は、冷媒回路の開閉を行う。冷却機構３７は、インバータ装置を構成するパワー半導体素子４０を冷却する機構である。
【００２５】
本実施形態で用いるパワー半導体素子４０は、ＳｉＣなどのワイドバンドギャップデバイスを実装する。パワー半導体素子４０は、図２および図３に示すように、主として、発熱体であるチップ４１と、スプレッダ４２と、樹脂カバー４３とを含む。チップ４１およびスプレッダ４２は、樹脂カバー４３によって部分的に覆われている。チップ４１は、図示しないリードの一端と接続されている。リードの他端は、パターンが形成された基板と接続されている。
【００２６】
スプレッダ４２は、平板状の金属部材である。スプレッダ４２は、第１の面を有し、第１の面をチップ４１と接触させる。スプレッダ４２は、第１の面からチップ４１の熱を受け取り、第１の面の全体に熱を拡散させる。スプレッダ４２は、樹脂カバー４３によって覆われていない第２の面を有し、第２の面をヒートシンク５０または冷却ジャケット６０に接触させる。チップ４１からスプレッダ４２に伝えられた熱は、スプレッダ４２の第２の面からヒートシンク５０または冷却ジャケット６０に伝えられる。これにより、パワー半導体素子４０は冷却される。
【００２７】
本実施形態に係る空気調和機１０では、採用する冷却機構３７の種類に応じて、パワー半導体素子４０に含まれるチップ４１の面積（チップサイズ）が選定される。以下、空気調和機１０に採用しうる冷却機構３７の態様、冷却機構３７に応じたチップサイズ、および、チップサイズに応じたヒートスプレッダ４２の厚みについて詳細に説明する。
【００２８】
（２）冷却機構
冷却機構３７は、パワー半導体素子４０のジャンクション温度Ｔjが規定値（一般的には、約１２５［℃］）を超えないように、パワー半導体素子４０を冷却する機構である。
【００２９】
パワー半導体素子４０の冷却機構３７には、空冷機構３７ａと冷媒冷却機構３７ｂとが含まれる。
【００３０】
（２−１）空冷機構
空冷機構３７ａは、ヒートシンク５０を用いてパワー半導体素子４０を冷却する機構である。図２に、空冷機構３７ａの一の態様を示す。空冷機構３７ａでは、スプレッダ４２とヒートシンク５０とを接触させることにより、チップ４１からスプレッダ４２に伝えられた熱を、ヒートシンク５０に伝えてパワー半導体素子４０を冷却する。
【００３１】
スプレッダ４２は、第１の面をチップ４１に接触させ、第１の面に対向する第２の面をヒートシンク５０に接触させる。チップ４１から発せられる熱は、スプレッダ４２を介してヒートシンク５０に伝えられる。ヒートシンク５０に伝わった熱は、空気中に放出される。
【００３２】
（２−２）冷媒冷却機構
冷媒冷却機構３７ｂは、冷却ジャケット６０を用いてパワー半導体素子４０を冷却する機構である。図３に、冷媒冷却機構３７ｂの一の態様を示す。冷却ジャケット６０は、アルミ製のベース板６１を含む。冷媒冷却機構３７ｂでは、ベース板６１と冷媒配管６２とを接触させ、さらに、ベース板６１とパワー半導体素子４０とを接触させることで、パワー半導体素子４０を冷却する。ベース板６１と接触させる冷媒配管６２には、中間圧の冷媒が流れる。
【００３３】
図３では、冷媒配管６２をベース板６１に貫通させて冷媒配管６２とベース冷却ジャケット６０が用いられている。スプレッダ４２は、第１の面をチップ４１と接触させ、第１の面に対向する第２の面を冷却ジャケット６０と接触させる。チップ４１から発せられる熱は、スプレッダ４２を介して冷却ジャケット６０に伝えられる。
【００３４】
なお、冷媒冷却機構３７ｂには、図３に示す態様の他、ベース板６１の第１面に冷媒配管６２を接触させ、ベース板６１の第２面にパワー半導体素子４０を接触させ、パワー半導体素子４０を冷却する態様等も含まれる。
【００３５】
（２−３）冷却機構の違いによるパワー半導体素子の温度の違い
図４に、ジャンクション温度Ｔjを一定にした場合の、冷却機構３７の違いによるケース温度Ｔcと、周囲温度Ｔaとの違いを示す（図２および３参照）。ここで、ジャンクション温度（またはチャネル温度）Ｔjは、チップ４１の動作接合部温度である。ケース温度Ｔcは、スプレッダ４２の露出面の温度である。周囲温度Ｔaは、空冷機構３７ａの場合はヒートシンク５０のフィン先端部分の温度、冷媒冷却機構３７ｂの場合は冷媒配管６２の外側の温度である。
【００３６】
図４に示すように、冷媒冷却機構３７ｂは、空冷機構３７ａに比べて、ジャンクション温度Ｔjとケース温度Ｔcとの差が大きい。すなわち、冷媒冷却機構３７ｂは、空冷機構３７ａよりも放熱効率が良く、ケース温度Ｔcを効率よく低減させる。
【００３７】
（３）冷却機構の種類に応じたチップサイズ
上述したように、冷媒冷却機構３７ｂは、空冷機構３７ａよりもケース温度Ｔcを効率よく低減させるため、空気調和機１０に冷媒冷却機構３７ｂを採用する場合には、空冷機構３７ａを採用する場合と比較して、ジャンクション温度Ｔjとケース温度Ｔcとの差（ジャンクション−ケース間温度ΔＴj-c）を大きく設定することが可能である。
【００３８】
そこで、本実施形態では、下記式（１）に基づいて、冷却機構３７の種類に応じたチップサイズＳｃを選定する。
【００３９】
【数１】
【００４０】
（Ｋ１は熱抵抗率、Ｒｏｎはオン抵抗率［Ω・ｃｍ2］、ΔＴj-cはジャンクション−ケース間温度［℃］、Ｉｍａｘは最大電流［Ａ］。）
式（１）は、下記式（２）〜（４）によって導出される。
【００４１】
【数２】
（Ｐは損失［Ｗ］、Ｒj-cはジャンクション−ケース間のオン抵抗［Ω・ｃｍ2］、Ｖｄｓは飽和電圧［Ｖ］。）
なお、上記式（２）は、下記に示す、ジャンクション温度Ｔjの推定式（５）に基づいて得られる。
【数３】
【００４２】
ここで、損失Ｐは、下記式（６）
【数４】
によって導出され、熱抵抗Ｒj-cは、下記式（７）
【数５】
によって導出される。
【００４３】
また、飽和電圧Ｖｄｓは、オン抵抗Ｒに比例して増加し（飽和電圧Ｖｄｓ［Ｖ］＝オン抵抗Ｒ×電流Ｉ［Ａ］・・・（８））、オン抵抗Ｒは、チップサイズＳｃに略反比例して低下する（オン抵抗Ｒ＝オン抵抗率Ｒｏｎ［Ω・ｃｍ2］／チップサイズＳｃ［ｃｍ2］・・・（９））。
【００４４】
上記式（６）から（９）により上記式（３）が導出され、最終的に式（４）が得られる。
【００４５】
以下、各冷却機構３７に応じたチップサイズについて説明する。
【００４６】
（３−１）空冷機構を用いる場合のチップサイズ
まず、空冷機構３７ａを用いてパワー半導体素子４０を冷却する場合のチップサイズについて説明する。例えば、熱抵抗率Ｋ１を０．１８［℃／Ｗ・ｃｍ２］、オン抵抗率Ｒｏｎを３［ｍΩ・ｃｍ2］、ジャンクション−ケース間温度ΔＴj-cを３５［℃］とする。上記式（１）に熱抵抗率Ｋ１、オン抵抗率Ｒｏｎ、ジャンクション−ケース間温度ΔＴj-cを代入すると、式（１０）に示すようにチップサイズＳｃが求められる。ここで、得られるチップサイズＳｃが空冷機構３７ａに適したチップサイズである。
【数６】
【００４７】
ここで、上記式（１０）に基づき、チップ４１の電流密度を求めると、チップ４１の電流密度は、２５０［Ａ／ｃｍ2］以上（電流密度≧２５０［Ａ／ｃｍ2］）となる。すなわち、空冷機構３７ａを採用する場合、チップ４１の電流密度が２５０［Ａ／ｃｍ2］以上になるようなチップサイズを選定する。
【００４８】
（３−２）冷媒冷却機構を用いる場合のチップサイズ
次に、冷媒冷却機構３７ｂを用いてパワー半導体素子４０を冷却する場合のチップサイズについて説明する。例えば、熱抵抗率Ｋ１を０．１８［℃／Ｗ・ｃｍ２］、オン抵抗率Ｒｏｎを３［ｍΩ・ｃｍ2］、ジャンクション−ケース間温度ΔＴj-cを７５［℃］とする。上述したように、冷媒冷却機構３７ｂの場合、ジャンクション−ケース間温度ΔＴj-cは、空冷機構３７ａよりも大きな値を設定可能であるため、ジャンクション−ケース間温度ΔＴj-cは７５［℃］としている。上記式（１）に熱抵抗率Ｋ１、オン抵抗率Ｒｏｎ、ジャンクション−ケース間温度ΔＴj-cを代入すると、式（１１）に示すようにチップサイズＳｃが求められる。ここで、得られるチップサイズＳｃが冷媒冷却機構３７ｂに適したチップサイズである。
【数７】
【００４９】
ここで、上記式（１１）に基づき、チップ４１の電流密度を求めると、チップ４１の電流密度は、３７０［Ａ／ｃｍ2］以上（電流密度≧３７０［Ａ／ｃｍ2］）となる。すなわち、冷媒冷却機構３７ｂを採用する場合、チップ４１の電流密度が３７０［Ａ／ｃｍ2］以上になるようなチップサイズを選定する。
【００５０】
（３−３）チップサイズと最大電流との関係
図５に、チップサイズと最大電流との関係を示す。具体的に、図５は、従来技術により選定されたチップサイズとそのチップの最大電流との関係と、本実施形態において選定されたチップサイズとその最大電流との関係とを示す。より具体的には、符号５０１に示す直線は、従来技術によって選定されたチップサイズＳｃと、その最大電流Ｉｍａｘ［Ａ］との関係を示し、符号５０２で示す一点破線は、本実施形態に係る空冷機構に適したチップサイズＳｃとその最大電流Ｉｍａｘ［Ａ］との関係を示し、さらに、符号５０３で示す二点破線は、本実施形態に係る冷媒冷却機構に適したチップサイズＳｃとその最大電流Ｉｍａｘ［Ａ］との関係を示す。
【００５１】
なお、従来技術では、パワー半導体素子４０の熱設計を行う場合、製品化された状態で最大電流Ｉｍａｘを通電させて測定したジャンクション温度Ｔｊの実測値、もしくは、ジャンクション温度Ｔjの推定値が、保証値Ｔj＿Ｉｍａｘ（通常、１２５℃）を超えないように、チップサイズを選定しており、ジャンクション温度Ｔjの推定値は、式（５）
【数８】
に基づいて算出される。したがって、ケース温度Ｔcが９０℃であれば（ケース温度Ｔc＝９０［℃］）、ジャンクション−ケース間温度ΔＴj-cを３５℃以下に抑える必要があるため、チップサイズは、下記式（１２）を満たすように選定される。
【数９】
【００５２】
これにより、チップサイズＳｃは、下記式（１３）
【数１０】
に基づいて導出される。
【００５３】
ここで、デバイスの飽和電圧Ｖｄｓを１．８［Ｖ］、熱抵抗率Ｋ１を０．１８［℃／Ｗ・ｃｍ2］とすると、チップサイズＳｃは、下記式（１４）
【数１１】
を満たしていた。
【００５４】
図５に示すように、本実施形態に係る空気調和機１０に用いるパワー半導体素子４０は、空冷機構３７ａおよび冷媒冷却機構３７ｂのいずれで用いるチップサイズＳｃについても、従来技術よりも小さいチップサイズＳｃで、従来技術よりも大きい最大電流を通すことができる。
【００５５】
（４）ヒートスプレッダの厚み
本実施形態に係る空気調和機１０では、チップサイズＳｃに応じてヒートスプレッダ（銅ブロック）４２の厚みｄを選定する。これにより、パワー半導体素子４０の小型化と放熱設計の効率化を図る。
【００５６】
トランスファーモールドパッケージのパワー半導体素子４０では、図６に示すように、チップ４１は、フレーム電極と一体になった銅ブロック４２上に、はんだで接合され、銅ブロック４２と樹脂絶縁膜とをモールド樹脂で一体成型している。ジャンクション−ケース間熱抵抗Ｒj-c［℃／Ｗ］は、材質によって決まる熱伝導率γ［Ｗ／ｃｍ・℃］と、広がり面積Ｓｈ［ｃｍ2］とに反比例し、厚みｄ［ｃｍ］に比例するので、チップ４１の直下に、チップサイズＳｃよりも大きい銅ブロック４２を配置して、拡がり面積を大きくしている。拡がり面積は一般的に約４５度の角度で拡がっていく（矢印Ｙ，Ｙ参照）。また、樹脂カバー（絶縁層）４３が外側に配置されている。樹脂カバー４３は、できる限り薄いシート状の樹脂を用いる構造となっている。
【００５７】
また、ジャンクション−ケース間熱抵抗Ｒj-cは、下記式（１５）によって求められる。
Ｒj-c＝絶縁層熱抵抗Ｒｅｐ＋銅ブロック熱抵抗Ｒｓｐ＋チップ４１熱抵抗Ｒｃｈ・・・（１５）
【００５８】
ここで、フレーム電極とはんだとの熱抵抗は小さいものとして、ここでは無視している。
絶縁層熱抵抗Ｒｅｐは、式（１６）
絶縁層熱抵抗Ｒｅｐ＝絶縁層熱抵抗率１／γｅｐ＊絶縁層幅ｄｅｐ／絶縁層面積Ｓｅｐ・・・（１６）
によって求められ、銅ブロック熱抵抗Ｒｓｐは、式（１７）
銅ブロック熱抵抗Ｒｓｐ＝銅ブロック熱抵抗率１／γｓｐ＊銅ブロック幅ｄｓｐ／銅ブロック面積Ｓｓｐ・・・（１７）
によって求められ、チップ４１熱抵抗Ｒｃｈは、式（１８）
チップ４１熱抵抗Ｒｃｈ＝チップ４１熱抵抗率１／γｃｈ＊チップ４１幅ｄｃｈ／チップ４１面積Ｓｃｈ・・・（１８）
によって求められる。
【００５９】
チップサイズＳｃの小型化を図ると、従来のスプレッダ４２の厚み（１〜２ｍｍ程度）では、熱の広がりが不十分となり、ジャンクション−ケース間熱抵抗Ｒj-cが急激に増加する。
【００６０】
スプレッダ（銅ブロック）４２の厚みｄを一定（ここでは、１ｍｍ）とし、チップサイズＳｃを変更した場合の、チップサイズＳｃに対するジャンクション−ケース間熱抵抗Ｒj-cを比較する（図７参照）。図７には、横軸にチップサイズＳｃ［ｍｍ2］、縦軸にジャンクション−ケース間熱抵抗Ｒj-c［Ｋ／Ｗ］をとったグラフを示す。グラフの左側の軸は、チップサイズＳｃが４．０［ｍｍ2］の場合の熱抵抗Ｒj-c［Ｋ／Ｗ］を示し、右側の軸は、チップサイズＳｃが１．０［ｍｍ2］の場合の熱抵抗Ｒj-c［Ｋ／Ｗ］を示す。また、図７に示す熱抵抗Ｒj-cは、絶縁層熱抵抗Ｒｅｐと、銅ブロック熱抵抗Ｒｓｐと、チップ４１熱抵抗Ｒｃｈとからなる（Ｒj-c＝絶縁層熱抵抗Ｒｅｐ＋銅ブロック熱抵抗Ｒｓｐ＋チップ４１熱抵抗Ｒｃｈ・・・（１５））。
【００６１】
図８に、図７における各軸についての詳細値を示す。図８は、チップサイズＳｃを４．０［ｍｍ2］、銅ブロック４２の厚みをｄ＝１［ｍｍ］とした場合、および、チップサイズＳｃを１．０［ｍｍ2］、銅ブロック４２の厚みをｄ＝１［ｍｍ］とした場合の、絶縁層４３、銅ブロック４２、およびチップ４１の、長さＸ［ｍｍ］、幅ｄ［ｍｍ］、熱伝導率γ［Ｗ／ｍ・ｋ］、および熱抵抗Ｒｔｈ［Ｋ／Ｗ］をそれぞれ示す。ここで、長さＸは、図６において水平方向の長さを指し、幅ｄは、図６において垂直方向の長さを指す。例えば、チップ４１の長さＸは、図６に示す符号Ｘの部分であり、チップ４１の幅ｄは、図６に示す符号ｄの部分である。
【００６２】
図８に示す結果では、チップサイズＳｃを４．０［ｍｍ2］にした場合、全体の熱抵抗Ｒj-cは、６．６［Ｋ／Ｗ］となり、チップサイズＳｃを１．０［ｍｍ2］にした場合、全体の熱抵抗Ｒj-cは、１２．３［Ｋ／Ｗ］となった。
【００６３】
図９に、チップサイズＳｃと、ジャンクション−ケース間熱抵抗Ｒj-cとの関係を示す。銅ブロックの厚みｄを一定にした場合のジャンクション−ケース間熱抵抗Ｒj-cは、チップサイズＳｃが２［ｍｍ2］以下の場合に急増する。そこで、上記式（１）によるチップサイズＳｃの選定によって、チップサイズＳｃを２［ｍｍ2］以下に小型化する場合、下記式（１９）に基づいてチップサイズＳｃに応じて銅ブロックの厚みｄを選定することとする。
ｄ［ｍｍ］≧１．７５Ｓｃ-0.38・・・（１９）
【００６４】
式（１９）によって得られるグラフを図１０に示す。これにより、チップサイズＳｃの小型化を実現し、ジャンクション−ケース間熱抵抗Ｒj-cの増加を抑制する。なお、同じパワー半導体素子４０内に、複数個のチップ４１を実装する場合には、隣接するチップ４１との間隔を２ｄ［ｍｍ］以上の間隔とすることが好ましい。これにより、他のチップ４１による熱の影響を低減させる。
【００６５】
上記式（１９）に基づいて銅ブロック４２の厚みを、上述の１ｍｍから、２ｍｍに変更した場合の、ジャンクション−ケース間熱抵抗Ｒj-cの変化を図１１に示す。図１１には、横軸に銅ブロックの厚みｄ［ｍｍ］、縦軸にジャンクション−ケース間熱抵抗Ｒj-c［Ｋ／Ｗ］をとったグラフを示す。グラフの左側の軸は、銅ブロック４２の厚みｄが１［ｍｍ］の場合のジャンクション−ケース間熱抵抗Ｒj-c［Ｋ／Ｗ］を示し、右側の軸は、銅ブロック４２の厚みｄが２［ｍｍ］の場合のジャンクション−ケース間熱抵抗Ｒj-c［Ｋ／Ｗ］を示す。図１１に示すジャンクション−ケース間熱抵抗Ｒj-cもまた、図７と同様、絶縁層熱抵抗Ｒｅｐと、銅ブロック熱抵抗Ｒｓｐと、チップ４１熱抵抗Ｒｃｈとからなる（Ｒj-c＝絶縁層熱抵抗Ｒｅｐ＋銅ブロック熱抵抗Ｒｓｐ＋チップ４１熱抵抗Ｒｃｈ・・・（１５））。
【００６６】
図１２に、図１１における各軸についての詳細値を示す。図１２は、チップサイズＳｃを１．０［ｍｍ2］、銅ブロックの厚みをｄ＝１［ｍｍ］とした場合、および、チップサイズＳｃを１．０［ｍｍ2］、銅ブロックの厚みをｄ＝２［ｍｍ］とした場合の、絶縁層４３、銅ブロック４２、およびチップ４１の、長さＸ［ｍｍ］、幅ｄ［ｍｍ］、熱伝導率γ［Ｗ／ｍ・ｋ］、および熱抵抗Ｒｔｈ［Ｋ／Ｗ］をそれぞれ示す。
【００６７】
図１２に示す結果では、チップサイズＳｃが１．０［ｍｍ2］であり、かつ、銅ブロック４２の厚みｄが１［ｍｍ］の場合には、ジャンクション−ケース間熱抵抗Ｒj-cは１２．３［Ｋ／Ｗ］となり、チップサイズＳｃが１．０［ｍｍ2］であり、かつ、銅ブロックの厚みｄが２［ｍｍ］の場合には、ジャンクション−ケース間熱抵抗Ｒj-cは５．１［Ｋ／Ｗ］となった。
【００６８】
なお、パワー半導体素子４０には、図６に示す態様の他、絶縁基板上の金属パターンの上にチップ４１が直接搭載され、絶縁基板の下に外部冷却機構を配置し、効率良く熱を放熱するために、絶縁基板および外部冷却の間に銅ブロック４２を配置する態様等も含まれる。
【００６９】
（５）特徴
（５−１）
上記実施形態に係る空気調和機１０は、パワー半導体素子４０の冷却機構３７を有する。また、空気調和機１０が有する冷却機構３７に応じてパワー半導体素子４０のチップサイズＳｃを選定する。これにより、チップ４１ｇが冷却機構３７に応じた電流密度を有するため、結果として、チップ４１の発熱量を効果的に抑制することができる。
【００７０】
（５−２）
また、上記実施形態に係る空気調和機１０では、冷却機構３７に応じたパワー半導体素子４０のチップサイズＳｃを採用し、さらに、チップサイズＳｃに応じた厚みｄを有するスプレッダ（銅ブロック）４２を採用している。これにより、ジャンクション−ケース間熱抵抗Ｒｊ−ｃの増加を効果的に抑えることができると共に、チップサイズＳｃの小型化を実現することができる。
【００７１】
（６）変形例
（６−１）変形例Ａ
上記実施形態で説明したチップサイズＳｃの選定時に、キャリア周波数をさらに考慮してもよい。
【００７２】
ジャンクション温度Ｔjの温度変化は、キャリア周波数ｆｃが高いと小さくなり（図１３Ａ参照）、キャリア周波数ｆｃが低いと大きくなる（図１３Ｂ参照）。
【００７３】
また、連続パルスのデュティ比（ｔ1／ｔ2）が５０％の場合、低周波化することにより、ジャンクション温度Ｔjは２倍となる。
【００７４】
次に、図１４Ａおよび図１４Ｂに損失Ｐが５［Ｗ］，ジャンクション−ケース間熱抵抗Ｒｔｈj-cが５℃／Ｗの時のキャリア周波数に対する温度変化を示す。具体的に、図１４Ａは、ジャンクション温度Ｔjの変化を示し、図１４Ｂは、ジャンクション−ケース間温度ΔＴj-cの変化を示す。
【００７５】
ここで、連続パルス負荷時のジャンクション−ケース間温度ΔＴj-cは、下記式（２０）で求められる。
【数１２】
【００７６】
また、損失Ｐは、下記式（２１）に基づいて求められる。
【数１３】
【００７７】
さらに、下記式（２２）に基づいてチップサイズＳｃが得られる。
【数１４】
【００７８】
図１５の符号１５１は、式（２３）で表される、キャリア周波数ｆｃに対する熱抵抗比率ｋを示す。
【００７９】
（６−１−１）空冷機構を用いる場合のチップサイズ
空冷機構３７ａを用いてパワー半導体素子４０を冷却し、さらにキャリア周波数ｆｃを考慮した場合のチップサイズＳｃについて説明する。例えば、熱抵抗率Ｋ１を０．１８［℃／Ｗ・ｃｍ２］、オン抵抗率Ｒｏｎを３［ｍΩ・ｃｍ2］、ジャンクション−ケース間温度ΔＴj-cを３５［℃］とする。上記式（２２）に熱抵抗率Ｋ１、オン抵抗率Ｒｏｎ、ジャンクション−ケース間温度ΔＴj-cを代入すると、下記式（２４）に示すようにチップサイズＳｃが求められる。ここで、得られるチップサイズＳｃが、キャリア周波数ｆｃを考慮した上で空冷機構３７ａに適したチップサイズである。
【数１５】
【００８０】
空冷機構３７ａを採用した場合のキャリア周波数ｆｃに対するチップサイズＳｃは、図１６の符号１６１である。
【００８１】
（３−２）冷媒冷却機構３７ｂを用いる場合のチップサイズ
冷媒冷却機構３７ｂを用いてパワー半導体素子４０を冷却し、さらにキャリア周波数ｆｃを考慮した場合のチップサイズについて説明する。例えば、熱抵抗率Ｋ１を０．１８［℃／Ｗ・ｃｍ２］、オン抵抗率Ｒｏｎを３［ｍΩ・ｃｍ2］、ジャンクション−ケース間温度ΔＴj-cを７５［℃］とする。上述したように、冷媒冷却機構３７ｂの場合、ジャンクション−ケース間温度ΔＴj-cは、空冷機構３７ａよりも大きな値を設定可能であるため、ジャンクション−ケース間温度ΔＴj-cは７５［℃］としている。上記式（２２）に熱抵抗率Ｋ１、オン抵抗率Ｒｏｎ、ジャンクション−ケース間温度ΔＴj-cを代入すると、下記式（２５）に示すようにチップサイズＳｃが求められる。ここで、得られるチップサイズＳｃが、キャリア周波数ｆｃを考慮した上で冷媒冷却機構３７ｂに適したチップサイズである。
【数１６】
【００８２】
冷媒冷却機構３７ｂを採用した場合のキャリア周波数ｆｃに対するチップサイズＳｃは、図１６の符号１６２である。
【００８３】
これにより、ジャンクションの最大温度を抑えることができる。また、パワー半導体素子４０の小型化と放熱設計の効率化が図れる。
【符号の説明】
【００８４】
１０ 空気調和機
２０ 室内ユニット
３０ 室外ユニット
３７ 冷却機構
４０ パワー半導体素子
４１ チップ
４２ スプレッダ（銅ブロック）
４３ 樹脂カバー（絶縁層）
【先行技術文献】
【特許文献】
【００８５】
【特許文献１】特開２００６−４２５２９号公報
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷凍装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、冷凍装置には、圧縮機を駆動させるためのインバータ制御装置（駆動装置）が備えられている。また、例えば、特許文献１（特開２００６−４２５２９号公報）に示すように、インバータ制御装置にはパワー半導体素子が含まれている。パワー半導体素子は、インバータ制御装置の駆動に伴ってチップが発熱し高温になる。高温になったパワー半導体素子は、ヒートシンクに接続されて冷却される。これにより、パワー半導体素子のジャンクション温度が規定値（例えば、約１２５度）を超えないような構成がとられている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、冷凍装置の出力が大きくなると、チップの発熱量も大きくなる。その結果、パワー半導体素子のジャンクション温度が規定値を超えてしまう場合がある。チップの発熱量を抑制するために、出力能力の高いチップを用いることも想定しうるが、出力能力の高いチップは高価であるため、チップを多数利用することを考慮すると好ましくない。
【０００４】
本発明の課題は、チップの発熱量を効果的に抑制する冷凍装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の第１観点に係る冷凍装置は、パワー半導体素子と、圧縮機とを備える。パワー半導体素子は、第１の冷却方式および第２の冷却方式のいずれか一方の冷却方式に基づいてサイズが選定されたチップを含む。第１の冷却方式は、ヒートシンクを用いて空冷する。第２の冷却方式では、冷媒を流す冷却部品を介して冷却する。圧縮機は、パワー半導体素子を含む駆動装置によって駆動される。チップは、冷却方式に応じた所定の電流密度を有する。
【０００６】
これにより、チップの発熱量を効果的に抑制することができる。
【０００７】
本発明の第２観点に係る冷凍装置は、第１観点に係る冷凍装置であって、冷却方式が第１の冷却方式の場合、チップは、２５０Ａ／ｃｍ2以上の電流密度であり、冷却方式が第２の冷却方式の場合、チップは、３７０Ａ／ｃｍ2以上の電流密度である。
【０００８】
これにより、放熱設計の効率化を図ることができる。
【０００９】
本発明の第３観点に係る冷凍装置は、第１または第２観点に係る冷凍装置であって、パワー半導体素子は、ヒートスプレッダを有する。ヒートスプレッダは、チップに連結してチップの熱を発散させる。また、ヒートスプレッダは、チップのサイズに応じた厚みを有する。
【００１０】
これにより、パワー半導体素子の小型化を図ることができる。
【００１１】
本発明の第４観点に係る冷凍装置は、第３観点に係る冷凍装置であって、ヒートスプレッダは、チップのサイズが所定値以下の場合に、チップのサイズに応じた厚みを有する。
【００１２】
これにより、熱抵抗を効果的に抑えることができる。
【００１３】
本発明の第５観点に係る冷凍装置は、第１から第４観点のいずれかに係る冷凍装置であって、チップは、圧縮機を駆動させる駆動装置であるインバータのキャリア周波数に応じたサイズである。
【００１４】
これにより、冷凍装置の大きさに関わらず、適切に熱抵抗を抑えることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の第１観点に係る冷凍装置では、チップの発熱量を効果的に抑制することができる。
【００１６】
本発明の第２観点に係る冷凍装置では、放熱設計の効率化を図ることができる。
【００１７】
本発明の第３観点に係る冷凍装置では、パワー半導体素子の小型化を図ることができる。
【００１８】
本発明の第４観点に係る冷凍装置では、熱抵抗を効果的に抑えることができる。
【００１９】
本発明の第５観点に係る冷凍装置では、冷凍装置の大きさに関わらず、適切に熱抵抗を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】空気調和機の概略構成を示す図である。
【図２】空冷機構を示す図である。
【図３】冷媒冷却機構を示す図である。
【図４】空冷機構を採用した場合の各部温度と冷媒冷却機構を採用した場合の各部温度とを比較する図である。
【図５】チップサイズに対する最大電流を示す図である。
【図６】トランスファーモールドパッケージのパワー半導体素子の例を示す図である。
【図７】チップサイズと熱抵抗との関係を示す図である。
【図８】図７に関する各種値を示す図である。
【図９】チップサイズと熱抵抗との関係を示す図である。
【図１０】チップサイズに適したスプレッダ（銅ブロック）の厚みを示す図である。
【図１１】スプレッダ（銅ブロック）の厚みと熱抵抗との関係を示す図である。
【図１２】図１１に関する各種値を示す図である。
【図１３Ａ】連続パルス負荷時のジャンクション−ケース間温度の変化を示す図である。
【図１３Ｂ】連続パルス負荷時のジャンクション−ケース間温度の変化を示す図である。
【図１４Ａ】キャリア周波数に対するジャンクション温度の変化を示す図である。
【図１４Ｂ】キャリア周波数に対するジャンクション−ケース間温度の変化を示す図である。
【図１５】キャリア周波数に対する熱抵抗比率を示す図である。
【図１６】キャリア周波数に対するチップサイズを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明に係る実施形態を図１〜１２に基づいて詳細に説明する。
【００２２】
（１）空気調和機１０の全体構成
図１に、空気調和機１０の概略構成を示す。空気調和機１０は、主として、室内ユニット２０と、室外ユニット３０とを備える。室内ユニット２０および室外ユニット３０に含まれる各構成は、冷媒配管６２によって接続され、冷媒回路を構成する。
【００２３】
室内ユニット２０は、主として、室内熱交換器２１と、室内ファン２２とを含む。室内熱交換器２１は、冷媒を流す伝熱管と、伝熱管が挿通される複数のフィンとからなり、接触する空気との間で熱交換を行う。室内ファン２２は、室内の空気を室内ユニット２０内に吸い込ませるとともに、室内熱交換器２１との間で熱交換を行った空気を室内に吹き出させる。
【００２４】
室外ユニット３０は、主として、圧縮機３１と、室外熱交換器３２と、室外ファン３３と、四路切換弁３４と、膨張弁３５と、閉鎖弁３６，３６と、冷却機構３７とを含む。圧縮機３１は、インバータ装置によって能力調整が可能な機械であり、低圧のガス冷媒を吸い込み、吸い込んだガス冷媒を圧縮して高圧のガス冷媒にして吐出する。室外熱交換器３２は、冷媒を流す伝熱管と、伝熱管が挿入される複数のフィンとからなり、内部を流れる冷媒と、室外ファン３３により室外ユニット３０内に吸い込まれた外気との間で熱交換を行わせる。室外熱交換器３２は、その一端に四路切換弁３４が接続され、他端には膨張弁３５が接続されている。四路切換弁３４は、冷房／暖房モードに基づき、冷媒回路を切り換える。室外熱交換器３２内を流れる冷媒は、冷房モードの運転時（四路切換弁３４が実線の状態にある場合）には放熱し、暖房モードの運転時（四路切換弁３４が破線の状態にある場合）には吸熱する。膨張弁３５は、弁の開度を変動させて室外熱交換器３２に流れる冷媒の量を制御する。閉鎖弁３６，３６は、冷媒回路の開閉を行う。冷却機構３７は、インバータ装置を構成するパワー半導体素子４０を冷却する機構である。
【００２５】
本実施形態で用いるパワー半導体素子４０は、ＳｉＣなどのワイドバンドギャップデバイスを実装する。パワー半導体素子４０は、図２および図３に示すように、主として、発熱体であるチップ４１と、スプレッダ４２と、樹脂カバー４３とを含む。チップ４１およびスプレッダ４２は、樹脂カバー４３によって部分的に覆われている。チップ４１は、図示しないリードの一端と接続されている。リードの他端は、パターンが形成された基板と接続されている。
【００２６】
スプレッダ４２は、平板状の金属部材である。スプレッダ４２は、第１の面を有し、第１の面をチップ４１と接触させる。スプレッダ４２は、第１の面からチップ４１の熱を受け取り、第１の面の全体に熱を拡散させる。スプレッダ４２は、樹脂カバー４３によって覆われていない第２の面を有し、第２の面をヒートシンク５０または冷却ジャケット６０に接触させる。チップ４１からスプレッダ４２に伝えられた熱は、スプレッダ４２の第２の面からヒートシンク５０または冷却ジャケット６０に伝えられる。これにより、パワー半導体素子４０は冷却される。
【００２７】
本実施形態に係る空気調和機１０では、採用する冷却機構３７の種類に応じて、パワー半導体素子４０に含まれるチップ４１の面積（チップサイズ）が選定される。以下、空気調和機１０に採用しうる冷却機構３７の態様、冷却機構３７に応じたチップサイズ、および、チップサイズに応じたヒートスプレッダ４２の厚みについて詳細に説明する。
【００２８】
（２）冷却機構
冷却機構３７は、パワー半導体素子４０のジャンクション温度Ｔjが規定値（一般的には、約１２５［℃］）を超えないように、パワー半導体素子４０を冷却する機構である。
【００２９】
パワー半導体素子４０の冷却機構３７には、空冷機構３７ａと冷媒冷却機構３７ｂとが含まれる。
【００３０】
（２−１）空冷機構
空冷機構３７ａは、ヒートシンク５０を用いてパワー半導体素子４０を冷却する機構である。図２に、空冷機構３７ａの一の態様を示す。空冷機構３７ａでは、スプレッダ４２とヒートシンク５０とを接触させることにより、チップ４１からスプレッダ４２に伝えられた熱を、ヒートシンク５０に伝えてパワー半導体素子４０を冷却する。
【００３１】
スプレッダ４２は、第１の面をチップ４１に接触させ、第１の面に対向する第２の面をヒートシンク５０に接触させる。チップ４１から発せられる熱は、スプレッダ４２を介してヒートシンク５０に伝えられる。ヒートシンク５０に伝わった熱は、空気中に放出される。
【００３２】
（２−２）冷媒冷却機構
冷媒冷却機構３７ｂは、冷却ジャケット６０を用いてパワー半導体素子４０を冷却する機構である。図３に、冷媒冷却機構３７ｂの一の態様を示す。冷却ジャケット６０は、アルミ製のベース板６１を含む。冷媒冷却機構３７ｂでは、ベース板６１と冷媒配管６２とを接触させ、さらに、ベース板６１とパワー半導体素子４０とを接触させることで、パワー半導体素子４０を冷却する。ベース板６１と接触させる冷媒配管６２には、中間圧の冷媒が流れる。
【００３３】
図３では、冷媒配管６２をベース板６１に貫通させて冷媒配管６２とベース冷却ジャケット６０が用いられている。スプレッダ４２は、第１の面をチップ４１と接触させ、第１の面に対向する第２の面を冷却ジャケット６０と接触させる。チップ４１から発せられる熱は、スプレッダ４２を介して冷却ジャケット６０に伝えられる。
【００３４】
なお、冷媒冷却機構３７ｂには、図３に示す態様の他、ベース板６１の第１面に冷媒配管６２を接触させ、ベース板６１の第２面にパワー半導体素子４０を接触させ、パワー半導体素子４０を冷却する態様等も含まれる。
【００３５】
（２−３）冷却機構の違いによるパワー半導体素子の温度の違い
図４に、ジャンクション温度Ｔjを一定にした場合の、冷却機構３７の違いによるケース温度Ｔcと、周囲温度Ｔaとの違いを示す（図２および３参照）。ここで、ジャンクション温度（またはチャネル温度）Ｔjは、チップ４１の動作接合部温度である。ケース温度Ｔcは、スプレッダ４２の露出面の温度である。周囲温度Ｔaは、空冷機構３７ａの場合はヒートシンク５０のフィン先端部分の温度、冷媒冷却機構３７ｂの場合は冷媒配管６２の外側の温度である。
【００３６】
図４に示すように、冷媒冷却機構３７ｂは、空冷機構３７ａに比べて、ジャンクション温度Ｔjとケース温度Ｔcとの差が大きい。すなわち、冷媒冷却機構３７ｂは、空冷機構３７ａよりも放熱効率が良く、ケース温度Ｔcを効率よく低減させる。
【００３７】
（３）冷却機構の種類に応じたチップサイズ
上述したように、冷媒冷却機構３７ｂは、空冷機構３７ａよりもケース温度Ｔcを効率よく低減させるため、空気調和機１０に冷媒冷却機構３７ｂを採用する場合には、空冷機構３７ａを採用する場合と比較して、ジャンクション温度Ｔjとケース温度Ｔcとの差（ジャンクション−ケース間温度ΔＴj-c）を大きく設定することが可能である。
【００３８】
そこで、本実施形態では、下記式（１）に基づいて、冷却機構３７の種類に応じたチップサイズＳｃを選定する。
【００３９】
【数１】
【００４０】
（Ｋ１は熱抵抗率、Ｒｏｎはオン抵抗率［Ω・ｃｍ2］、ΔＴj-cはジャンクション−ケース間温度［℃］、Ｉｍａｘは最大電流［Ａ］。）
式（１）は、下記式（２）〜（４）によって導出される。
【００４１】
【数２】
（Ｐは損失［Ｗ］、Ｒj-cはジャンクション−ケース間のオン抵抗［Ω・ｃｍ2］、Ｖｄｓは飽和電圧［Ｖ］。）
なお、上記式（２）は、下記に示す、ジャンクション温度Ｔjの推定式（５）に基づいて得られる。
【数３】
【００４２】
ここで、損失Ｐは、下記式（６）
【数４】
によって導出され、熱抵抗Ｒj-cは、下記式（７）
【数５】
によって導出される。
【００４３】
また、飽和電圧Ｖｄｓは、オン抵抗Ｒに比例して増加し（飽和電圧Ｖｄｓ［Ｖ］＝オン抵抗Ｒ×電流Ｉ［Ａ］・・・（８））、オン抵抗Ｒは、チップサイズＳｃに略反比例して低下する（オン抵抗Ｒ＝オン抵抗率Ｒｏｎ［Ω・ｃｍ2］／チップサイズＳｃ［ｃｍ2］・・・（９））。
【００４４】
上記式（６）から（９）により上記式（３）が導出され、最終的に式（４）が得られる。
【００４５】
以下、各冷却機構３７に応じたチップサイズについて説明する。
【００４６】
（３−１）空冷機構を用いる場合のチップサイズ
まず、空冷機構３７ａを用いてパワー半導体素子４０を冷却する場合のチップサイズについて説明する。例えば、熱抵抗率Ｋ１を０．１８［℃／Ｗ・ｃｍ２］、オン抵抗率Ｒｏｎを３［ｍΩ・ｃｍ2］、ジャンクション−ケース間温度ΔＴj-cを３５［℃］とする。上記式（１）に熱抵抗率Ｋ１、オン抵抗率Ｒｏｎ、ジャンクション−ケース間温度ΔＴj-cを代入すると、式（１０）に示すようにチップサイズＳｃが求められる。ここで、得られるチップサイズＳｃが空冷機構３７ａに適したチップサイズである。
【数６】
【００４７】
ここで、上記式（１０）に基づき、チップ４１の電流密度を求めると、チップ４１の電流密度は、２５０［Ａ／ｃｍ2］以上（電流密度≧２５０［Ａ／ｃｍ2］）となる。すなわち、空冷機構３７ａを採用する場合、チップ４１の電流密度が２５０［Ａ／ｃｍ2］以上になるようなチップサイズを選定する。
【００４８】
（３−２）冷媒冷却機構を用いる場合のチップサイズ
次に、冷媒冷却機構３７ｂを用いてパワー半導体素子４０を冷却する場合のチップサイズについて説明する。例えば、熱抵抗率Ｋ１を０．１８［℃／Ｗ・ｃｍ２］、オン抵抗率Ｒｏｎを３［ｍΩ・ｃｍ2］、ジャンクション−ケース間温度ΔＴj-cを７５［℃］とする。上述したように、冷媒冷却機構３７ｂの場合、ジャンクション−ケース間温度ΔＴj-cは、空冷機構３７ａよりも大きな値を設定可能であるため、ジャンクション−ケース間温度ΔＴj-cは７５［℃］としている。上記式（１）に熱抵抗率Ｋ１、オン抵抗率Ｒｏｎ、ジャンクション−ケース間温度ΔＴj-cを代入すると、式（１１）に示すようにチップサイズＳｃが求められる。ここで、得られるチップサイズＳｃが冷媒冷却機構３７ｂに適したチップサイズである。
【数７】
【００４９】
ここで、上記式（１１）に基づき、チップ４１の電流密度を求めると、チップ４１の電流密度は、３７０［Ａ／ｃｍ2］以上（電流密度≧３７０［Ａ／ｃｍ2］）となる。すなわち、冷媒冷却機構３７ｂを採用する場合、チップ４１の電流密度が３７０［Ａ／ｃｍ2］以上になるようなチップサイズを選定する。
【００５０】
（３−３）チップサイズと最大電流との関係
図５に、チップサイズと最大電流との関係を示す。具体的に、図５は、従来技術により選定されたチップサイズとそのチップの最大電流との関係と、本実施形態において選定されたチップサイズとその最大電流との関係とを示す。より具体的には、符号５０１に示す直線は、従来技術によって選定されたチップサイズＳｃと、その最大電流Ｉｍａｘ［Ａ］との関係を示し、符号５０２で示す一点破線は、本実施形態に係る空冷機構に適したチップサイズＳｃとその最大電流Ｉｍａｘ［Ａ］との関係を示し、さらに、符号５０３で示す二点破線は、本実施形態に係る冷媒冷却機構に適したチップサイズＳｃとその最大電流Ｉｍａｘ［Ａ］との関係を示す。
【００５１】
なお、従来技術では、パワー半導体素子４０の熱設計を行う場合、製品化された状態で最大電流Ｉｍａｘを通電させて測定したジャンクション温度Ｔｊの実測値、もしくは、ジャンクション温度Ｔjの推定値が、保証値Ｔj＿Ｉｍａｘ（通常、１２５℃）を超えないように、チップサイズを選定しており、ジャンクション温度Ｔjの推定値は、式（５）
【数８】
に基づいて算出される。したがって、ケース温度Ｔcが９０℃であれば（ケース温度Ｔc＝９０［℃］）、ジャンクション−ケース間温度ΔＴj-cを３５℃以下に抑える必要があるため、チップサイズは、下記式（１２）を満たすように選定される。
【数９】
【００５２】
これにより、チップサイズＳｃは、下記式（１３）
【数１０】
に基づいて導出される。
【００５３】
ここで、デバイスの飽和電圧Ｖｄｓを１．８［Ｖ］、熱抵抗率Ｋ１を０．１８［℃／Ｗ・ｃｍ2］とすると、チップサイズＳｃは、下記式（１４）
【数１１】
を満たしていた。
【００５４】
図５に示すように、本実施形態に係る空気調和機１０に用いるパワー半導体素子４０は、空冷機構３７ａおよび冷媒冷却機構３７ｂのいずれで用いるチップサイズＳｃについても、従来技術よりも小さいチップサイズＳｃで、従来技術よりも大きい最大電流を通すことができる。
【００５５】
（４）ヒートスプレッダの厚み
本実施形態に係る空気調和機１０では、チップサイズＳｃに応じてヒートスプレッダ（銅ブロック）４２の厚みｄを選定する。これにより、パワー半導体素子４０の小型化と放熱設計の効率化を図る。
【００５６】
トランスファーモールドパッケージのパワー半導体素子４０では、図６に示すように、チップ４１は、フレーム電極と一体になった銅ブロック４２上に、はんだで接合され、銅ブロック４２と樹脂絶縁膜とをモールド樹脂で一体成型している。ジャンクション−ケース間熱抵抗Ｒj-c［℃／Ｗ］は、材質によって決まる熱伝導率γ［Ｗ／ｃｍ・℃］と、広がり面積Ｓｈ［ｃｍ2］とに反比例し、厚みｄ［ｃｍ］に比例するので、チップ４１の直下に、チップサイズＳｃよりも大きい銅ブロック４２を配置して、拡がり面積を大きくしている。拡がり面積は一般的に約４５度の角度で拡がっていく（矢印Ｙ，Ｙ参照）。また、樹脂カバー（絶縁層）４３が外側に配置されている。樹脂カバー４３は、できる限り薄いシート状の樹脂を用いる構造となっている。
【００５７】
また、ジャンクション−ケース間熱抵抗Ｒj-cは、下記式（１５）によって求められる。
Ｒj-c＝絶縁層熱抵抗Ｒｅｐ＋銅ブロック熱抵抗Ｒｓｐ＋チップ４１熱抵抗Ｒｃｈ・・・（１５）
【００５８】
ここで、フレーム電極とはんだとの熱抵抗は小さいものとして、ここでは無視している。
絶縁層熱抵抗Ｒｅｐは、式（１６）
絶縁層熱抵抗Ｒｅｐ＝絶縁層熱抵抗率１／γｅｐ＊絶縁層幅ｄｅｐ／絶縁層面積Ｓｅｐ・・・（１６）
によって求められ、銅ブロック熱抵抗Ｒｓｐは、式（１７）
銅ブロック熱抵抗Ｒｓｐ＝銅ブロック熱抵抗率１／γｓｐ＊銅ブロック幅ｄｓｐ／銅ブロック面積Ｓｓｐ・・・（１７）
によって求められ、チップ４１熱抵抗Ｒｃｈは、式（１８）
チップ４１熱抵抗Ｒｃｈ＝チップ４１熱抵抗率１／γｃｈ＊チップ４１幅ｄｃｈ／チップ４１面積Ｓｃｈ・・・（１８）
によって求められる。
【００５９】
チップサイズＳｃの小型化を図ると、従来のスプレッダ４２の厚み（１〜２ｍｍ程度）では、熱の広がりが不十分となり、ジャンクション−ケース間熱抵抗Ｒj-cが急激に増加する。
【００６０】
スプレッダ（銅ブロック）４２の厚みｄを一定（ここでは、１ｍｍ）とし、チップサイズＳｃを変更した場合の、チップサイズＳｃに対するジャンクション−ケース間熱抵抗Ｒj-cを比較する（図７参照）。図７には、横軸にチップサイズＳｃ［ｍｍ2］、縦軸にジャンクション−ケース間熱抵抗Ｒj-c［Ｋ／Ｗ］をとったグラフを示す。グラフの左側の軸は、チップサイズＳｃが４．０［ｍｍ2］の場合の熱抵抗Ｒj-c［Ｋ／Ｗ］を示し、右側の軸は、チップサイズＳｃが１．０［ｍｍ2］の場合の熱抵抗Ｒj-c［Ｋ／Ｗ］を示す。また、図７に示す熱抵抗Ｒj-cは、絶縁層熱抵抗Ｒｅｐと、銅ブロック熱抵抗Ｒｓｐと、チップ４１熱抵抗Ｒｃｈとからなる（Ｒj-c＝絶縁層熱抵抗Ｒｅｐ＋銅ブロック熱抵抗Ｒｓｐ＋チップ４１熱抵抗Ｒｃｈ・・・（１５））。
【００６１】
図８に、図７における各軸についての詳細値を示す。図８は、チップサイズＳｃを４．０［ｍｍ2］、銅ブロック４２の厚みをｄ＝１［ｍｍ］とした場合、および、チップサイズＳｃを１．０［ｍｍ2］、銅ブロック４２の厚みをｄ＝１［ｍｍ］とした場合の、絶縁層４３、銅ブロック４２、およびチップ４１の、長さＸ［ｍｍ］、幅ｄ［ｍｍ］、熱伝導率γ［Ｗ／ｍ・ｋ］、および熱抵抗Ｒｔｈ［Ｋ／Ｗ］をそれぞれ示す。ここで、長さＸは、図６において水平方向の長さを指し、幅ｄは、図６において垂直方向の長さを指す。例えば、チップ４１の長さＸは、図６に示す符号Ｘの部分であり、チップ４１の幅ｄは、図６に示す符号ｄの部分である。
【００６２】
図８に示す結果では、チップサイズＳｃを４．０［ｍｍ2］にした場合、全体の熱抵抗Ｒj-cは、６．６［Ｋ／Ｗ］となり、チップサイズＳｃを１．０［ｍｍ2］にした場合、全体の熱抵抗Ｒj-cは、１２．３［Ｋ／Ｗ］となった。
【００６３】
図９に、チップサイズＳｃと、ジャンクション−ケース間熱抵抗Ｒj-cとの関係を示す。銅ブロックの厚みｄを一定にした場合のジャンクション−ケース間熱抵抗Ｒj-cは、チップサイズＳｃが２［ｍｍ2］以下の場合に急増する。そこで、上記式（１）によるチップサイズＳｃの選定によって、チップサイズＳｃを２［ｍｍ2］以下に小型化する場合、下記式（１９）に基づいてチップサイズＳｃに応じて銅ブロックの厚みｄを選定することとする。
ｄ［ｍｍ］≧１．７５Ｓｃ-0.38・・・（１９）
【００６４】
式（１９）によって得られるグラフを図１０に示す。これにより、チップサイズＳｃの小型化を実現し、ジャンクション−ケース間熱抵抗Ｒj-cの増加を抑制する。なお、同じパワー半導体素子４０内に、複数個のチップ４１を実装する場合には、隣接するチップ４１との間隔を２ｄ［ｍｍ］以上の間隔とすることが好ましい。これにより、他のチップ４１による熱の影響を低減させる。
【００６５】
上記式（１９）に基づいて銅ブロック４２の厚みを、上述の１ｍｍから、２ｍｍに変更した場合の、ジャンクション−ケース間熱抵抗Ｒj-cの変化を図１１に示す。図１１には、横軸に銅ブロックの厚みｄ［ｍｍ］、縦軸にジャンクション−ケース間熱抵抗Ｒj-c［Ｋ／Ｗ］をとったグラフを示す。グラフの左側の軸は、銅ブロック４２の厚みｄが１［ｍｍ］の場合のジャンクション−ケース間熱抵抗Ｒj-c［Ｋ／Ｗ］を示し、右側の軸は、銅ブロック４２の厚みｄが２［ｍｍ］の場合のジャンクション−ケース間熱抵抗Ｒj-c［Ｋ／Ｗ］を示す。図１１に示すジャンクション−ケース間熱抵抗Ｒj-cもまた、図７と同様、絶縁層熱抵抗Ｒｅｐと、銅ブロック熱抵抗Ｒｓｐと、チップ４１熱抵抗Ｒｃｈとからなる（Ｒj-c＝絶縁層熱抵抗Ｒｅｐ＋銅ブロック熱抵抗Ｒｓｐ＋チップ４１熱抵抗Ｒｃｈ・・・（１５））。
【００６６】
図１２に、図１１における各軸についての詳細値を示す。図１２は、チップサイズＳｃを１．０［ｍｍ2］、銅ブロックの厚みをｄ＝１［ｍｍ］とした場合、および、チップサイズＳｃを１．０［ｍｍ2］、銅ブロックの厚みをｄ＝２［ｍｍ］とした場合の、絶縁層４３、銅ブロック４２、およびチップ４１の、長さＸ［ｍｍ］、幅ｄ［ｍｍ］、熱伝導率γ［Ｗ／ｍ・ｋ］、および熱抵抗Ｒｔｈ［Ｋ／Ｗ］をそれぞれ示す。
【００６７】
図１２に示す結果では、チップサイズＳｃが１．０［ｍｍ2］であり、かつ、銅ブロック４２の厚みｄが１［ｍｍ］の場合には、ジャンクション−ケース間熱抵抗Ｒj-cは１２．３［Ｋ／Ｗ］となり、チップサイズＳｃが１．０［ｍｍ2］であり、かつ、銅ブロックの厚みｄが２［ｍｍ］の場合には、ジャンクション−ケース間熱抵抗Ｒj-cは５．１［Ｋ／Ｗ］となった。
【００６８】
なお、パワー半導体素子４０には、図６に示す態様の他、絶縁基板上の金属パターンの上にチップ４１が直接搭載され、絶縁基板の下に外部冷却機構を配置し、効率良く熱を放熱するために、絶縁基板および外部冷却の間に銅ブロック４２を配置する態様等も含まれる。
【００６９】
（５）特徴
（５−１）
上記実施形態に係る空気調和機１０は、パワー半導体素子４０の冷却機構３７を有する。また、空気調和機１０が有する冷却機構３７に応じてパワー半導体素子４０のチップサイズＳｃを選定する。これにより、チップ４１ｇが冷却機構３７に応じた電流密度を有するため、結果として、チップ４１の発熱量を効果的に抑制することができる。
【００７０】
（５−２）
また、上記実施形態に係る空気調和機１０では、冷却機構３７に応じたパワー半導体素子４０のチップサイズＳｃを採用し、さらに、チップサイズＳｃに応じた厚みｄを有するスプレッダ（銅ブロック）４２を採用している。これにより、ジャンクション−ケース間熱抵抗Ｒｊ−ｃの増加を効果的に抑えることができると共に、チップサイズＳｃの小型化を実現することができる。
【００７１】
（６）変形例
（６−１）変形例Ａ
上記実施形態で説明したチップサイズＳｃの選定時に、キャリア周波数をさらに考慮してもよい。
【００７２】
ジャンクション温度Ｔjの温度変化は、キャリア周波数ｆｃが高いと小さくなり（図１３Ａ参照）、キャリア周波数ｆｃが低いと大きくなる（図１３Ｂ参照）。
【００７３】
また、連続パルスのデュティ比（ｔ1／ｔ2）が５０％の場合、低周波化することにより、ジャンクション温度Ｔjは２倍となる。
【００７４】
次に、図１４Ａおよび図１４Ｂに損失Ｐが５［Ｗ］，ジャンクション−ケース間熱抵抗Ｒｔｈj-cが５℃／Ｗの時のキャリア周波数に対する温度変化を示す。具体的に、図１４Ａは、ジャンクション温度Ｔjの変化を示し、図１４Ｂは、ジャンクション−ケース間温度ΔＴj-cの変化を示す。
【００７５】
ここで、連続パルス負荷時のジャンクション−ケース間温度ΔＴj-cは、下記式（２０）で求められる。
【数１２】
【００７６】
また、損失Ｐは、下記式（２１）に基づいて求められる。
【数１３】
【００７７】
さらに、下記式（２２）に基づいてチップサイズＳｃが得られる。
【数１４】
【００７８】
図１５の符号１５１は、式（２３）で表される、キャリア周波数ｆｃに対する熱抵抗比率ｋを示す。
【００７９】
（６−１−１）空冷機構を用いる場合のチップサイズ
空冷機構３７ａを用いてパワー半導体素子４０を冷却し、さらにキャリア周波数ｆｃを考慮した場合のチップサイズＳｃについて説明する。例えば、熱抵抗率Ｋ１を０．１８［℃／Ｗ・ｃｍ２］、オン抵抗率Ｒｏｎを３［ｍΩ・ｃｍ2］、ジャンクション−ケース間温度ΔＴj-cを３５［℃］とする。上記式（２２）に熱抵抗率Ｋ１、オン抵抗率Ｒｏｎ、ジャンクション−ケース間温度ΔＴj-cを代入すると、下記式（２４）に示すようにチップサイズＳｃが求められる。ここで、得られるチップサイズＳｃが、キャリア周波数ｆｃを考慮した上で空冷機構３７ａに適したチップサイズである。
【数１５】
【００８０】
空冷機構３７ａを採用した場合のキャリア周波数ｆｃに対するチップサイズＳｃは、図１６の符号１６１である。
【００８１】
（３−２）冷媒冷却機構３７ｂを用いる場合のチップサイズ
冷媒冷却機構３７ｂを用いてパワー半導体素子４０を冷却し、さらにキャリア周波数ｆｃを考慮した場合のチップサイズについて説明する。例えば、熱抵抗率Ｋ１を０．１８［℃／Ｗ・ｃｍ２］、オン抵抗率Ｒｏｎを３［ｍΩ・ｃｍ2］、ジャンクション−ケース間温度ΔＴj-cを７５［℃］とする。上述したように、冷媒冷却機構３７ｂの場合、ジャンクション−ケース間温度ΔＴj-cは、空冷機構３７ａよりも大きな値を設定可能であるため、ジャンクション−ケース間温度ΔＴj-cは７５［℃］としている。上記式（２２）に熱抵抗率Ｋ１、オン抵抗率Ｒｏｎ、ジャンクション−ケース間温度ΔＴj-cを代入すると、下記式（２５）に示すようにチップサイズＳｃが求められる。ここで、得られるチップサイズＳｃが、キャリア周波数ｆｃを考慮した上で冷媒冷却機構３７ｂに適したチップサイズである。
【数１６】
【００８２】
冷媒冷却機構３７ｂを採用した場合のキャリア周波数ｆｃに対するチップサイズＳｃは、図１６の符号１６２である。
【００８３】
これにより、ジャンクションの最大温度を抑えることができる。また、パワー半導体素子４０の小型化と放熱設計の効率化が図れる。
【符号の説明】
【００８４】
１０ 空気調和機
２０ 室内ユニット
３０ 室外ユニット
３７ 冷却機構
４０ パワー半導体素子
４１ チップ
４２ スプレッダ（銅ブロック）
４３ 樹脂カバー（絶縁層）
【先行技術文献】
【特許文献】
【００８５】
【特許文献１】特開２００６−４２５２９号公報
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒートシンク（５０）を用いて空冷する第１の冷却方式および冷媒を流す冷却部品を介して冷却する第２の冷却方式のいずれか一方の冷却方式に基づいてサイズが選定されたチップ（４１）を含むパワー半導体素子（４０）と、
前記パワー半導体素子を含む駆動装置によって駆動される圧縮機（３１）と、
を備え、
前記チップは、前記冷却方式に応じた所定の電流密度を有する、
冷凍装置。
【請求項２】
前記チップは、前記冷却方式が前記第１の冷却方式の場合、２５０Ａ／ｃｍ2以上の電流密度であり、前記冷却方式が前記第２の冷却方式の場合、３７０Ａ／ｃｍ2以上の電流密度である、
請求項１に記載の冷凍装置。
【請求項３】
前記パワー半導体素子は、前記チップに連結して前記チップの熱を発散させ、前記チップのサイズに応じた厚みを有するヒートスプレッダ（４２）を有する、
請求項１または２に記載の冷凍装置。
【請求項４】
前記ヒートスプレッダは、前記チップのサイズが所定値以下の場合に、前記チップのサイズに応じた厚みを有する、
請求項３に記載の冷凍装置。
【請求項５】
前記チップは、前記圧縮機を駆動させる前記駆動装置であるインバータのキャリア周波数に応じたサイズである、
請求項１から４のいずれかに記載の冷凍装置。
【請求項１】
ヒートシンク（５０）を用いて空冷する第１の冷却方式および冷媒を流す冷却部品を介して冷却する第２の冷却方式のいずれか一方の冷却方式に基づいてサイズが選定されたチップ（４１）を含むパワー半導体素子（４０）と、
前記パワー半導体素子を含む駆動装置によって駆動される圧縮機（３１）と、
を備え、
前記チップは、前記冷却方式に応じた所定の電流密度を有する、
冷凍装置。
【請求項２】
前記チップは、前記冷却方式が前記第１の冷却方式の場合、２５０Ａ／ｃｍ2以上の電流密度であり、前記冷却方式が前記第２の冷却方式の場合、３７０Ａ／ｃｍ2以上の電流密度である、
請求項１に記載の冷凍装置。
【請求項３】
前記パワー半導体素子は、前記チップに連結して前記チップの熱を発散させ、前記チップのサイズに応じた厚みを有するヒートスプレッダ（４２）を有する、
請求項１または２に記載の冷凍装置。
【請求項４】
前記ヒートスプレッダは、前記チップのサイズが所定値以下の場合に、前記チップのサイズに応じた厚みを有する、
請求項３に記載の冷凍装置。
【請求項５】
前記チップは、前記圧縮機を駆動させる前記駆動装置であるインバータのキャリア周波数に応じたサイズである、
請求項１から４のいずれかに記載の冷凍装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３Ａ】
【図１３Ｂ】
【図１４Ａ】
【図１４Ｂ】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３Ａ】
【図１３Ｂ】
【図１４Ａ】
【図１４Ｂ】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１１−２２０５７７（Ｐ２０１１−２２０５７７Ａ）
【公開日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−８８４３９（Ｐ２０１０−８８４３９）
【出願日】平成２２年４月７日（２０１０．４．７）
【出願人】（０００００２８５３）ダイキン工業株式会社 (7,604)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月７日（２０１０．４．７）
【出願人】（０００００２８５３）ダイキン工業株式会社 (7,604)
【Ｆターム（参考）】
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