半導体素子の冷却構造
【課題】複数の半導体素子をより均等な温度に冷却する半導体素子の冷却構造、を提供する。
【解決手段】半導体素子の冷却構造は、電流が流れる半導体素子２３と、半導体素子２３よりも大きい電流が流れる半導体素子２１と、半導体素子２３を搭載する絶縁基板３８および伝熱板４３と、半導体素子２１を搭載する絶縁基板３６および伝熱板４１と、絶縁基板３８および伝熱板４３に対して、半導体素子２３の反対側に設けられ、絶縁基板３８および伝熱板４３を通じて伝えられた半導体素子２３の熱を放熱し、絶縁基板３６および伝熱板４１に対して、半導体素子２１の反対側に設けられ、絶縁基板３６および伝熱板４１を通じて伝えられた半導体素子２１の熱を放熱するヒートシンク５１とを備える。絶縁基板３６および伝熱板４１は、それぞれ、絶縁基板３８および伝熱板４３よりも大きい体積を有する。
【解決手段】半導体素子の冷却構造は、電流が流れる半導体素子２３と、半導体素子２３よりも大きい電流が流れる半導体素子２１と、半導体素子２３を搭載する絶縁基板３８および伝熱板４３と、半導体素子２１を搭載する絶縁基板３６および伝熱板４１と、絶縁基板３８および伝熱板４３に対して、半導体素子２３の反対側に設けられ、絶縁基板３８および伝熱板４３を通じて伝えられた半導体素子２３の熱を放熱し、絶縁基板３６および伝熱板４１に対して、半導体素子２１の反対側に設けられ、絶縁基板３６および伝熱板４１を通じて伝えられた半導体素子２１の熱を放熱するヒートシンク５１とを備える。絶縁基板３６および伝熱板４１は、それぞれ、絶縁基板３８および伝熱板４３よりも大きい体積を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、一般的には、半導体素子の冷却構造に関し、より特定的には、車両に搭載されるパワー制御ユニット（ＰＣＵ：Power Control Unit）に適用される半導体素子の冷却構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の半導体素子の冷却構造に関して、たとえば、特開２００９−２５３０３４号公報には、応力緩和構造を必要とせず、さらにスルーホールを用いてグランドをとることを可能とする半導体素子冷却装置が開示されている（特許文献１）。特許文献１に開示された半導体素子冷却装置は、内部に冷媒流路が形成された金属製の冷却器と、冷却器上に半田付けされた金属ベース基板と、金属ベース基板上に配置されるＩＧＢＴおよびダイオードとを備える。
【０００３】
また、特開２００９−１５８５０２号公報には、応力緩和効果の向上と、高熱伝導性の確保とを両立させることを目的とした半導体モジュールが開示されている（特許文献２）。特許文献２に開示された半導体モジュールとしてのパワーモジュールは、半導体素子を実装するセラミック基板と、内部に冷媒流路を備えた冷却器と、セラミック基板と冷却器との間に介在し、両者の線膨張率差による応力歪を緩和する応力緩和層とを備える。パワーモジュールは、半導体素子からの熱をセラミック基板および応力緩和層を介して冷却器に放熱する。
【０００４】
また、特開２００８−２２８３９８号公報には、複数の電力変換器を有する電力変換装置において、各電力変換器を構成する半導体素子の温度上昇を抑制することを目的とした電力変換装置が開示されている（特許文献３）。また、特開２００８−２７０４８５号公報には、過負荷等によって半導体素子から定常発熱状態より大きな熱が発生した場合に、半導体素子の急激な温度上昇を抑制し、さらに同等の性能を有するヒートマスをより少ない材料で作製することを目的とした半導体装置が開示されている（特許文献４）。
【０００５】
また、特開２００６−３０３３０６号公報には、定常損失が減少する温度が異なる複数の素子の冷却を素子ごとに適切に行ない、素子を最適温度で動作させることを目的としたパワーモジュールが開示されている（特許文献５）。また、特開２００７−１２７２２号公報には、パワー半導体素子の実装位置を最適に定めて冷却液の温度上昇を適切化し、冷却効率を高めることを目的としたパワー半導体モジュールが開示されている（特許文献６）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−２５３０３４号公報
【特許文献２】特開２００９−１５８５０２号公報
【特許文献３】特開２００８−２２８３９８号公報
【特許文献４】特開２００８−２７０４８５号公報
【特許文献５】特開２００６−３０３３０６号公報
【特許文献６】特開２００７−１２７２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述の特許文献に開示されるように、インバータ回路などに使用される半導体素子の作動には、非常に大きい発熱を伴うため、各種の冷却構造が採用されている。たとえば、特許文献１に開示された半導体素子冷却装置では、ＩＧＢＴおよびダイオードで発生した熱が、金属ベース基板を通じて冷却器に伝わることによって放熱される。
【０００８】
しかしながら、半導体素子に流れる電流量は、各半導体素子に電気的に接続されるバスバーの長さ等によって異なるため、半導体素子の発熱量にばらつきが生じる。この場合、半導体素子の駆動の制御時、半導体素子の負荷率を制限する開始温度を決定するのに際して、半導体素子間の発熱量のばらつきを加味する必要がある。これにより、半導体素子の駆動が本来よりも制限されるという懸念が生じる。
【０００９】
そこでこの発明の目的は、上記の課題を解決することであり、複数の半導体素子をより均等な温度に冷却する半導体素子の冷却構造を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明に従った半導体素子の冷却構造は、電流が流れる第１半導体素子と、第１半導体素子よりも大きい電流が流れる第２半導体素子と、第１半導体素子および第２半導体素子をそれぞれ搭載する第１伝熱部材および第２伝熱部材と、第１伝熱部材および第２伝熱部材に対して、第１半導体素子および第２半導体素子の反対側に設けられ、第１伝熱部材および第２伝熱部材を通じて伝えられた第１半導体素子および第２半導体素子の熱を放熱する放熱器とを備える。第２伝熱部材は、第１伝熱部材よりも大きい体積を有する。
【００１１】
このように構成された半導体素子の冷却構造によれば、より大きい電流が流れる第２半導体素子の発熱量が、第１半導体素子の発熱量よりも大きくなる。これに対して、第２伝熱部材は、第１伝熱部材よりも大きい体積を有し、熱が伝わり易いため、第２半導体素子から第２伝熱部材を通じて放熱器に向かう伝熱が促進される。これにより、第１半導体素子および第２半導体素子をより均等な温度に冷却することができる。
【００１２】
また好ましくは、第１半導体素子と放熱器とが並ぶ方向における第１伝熱部材の高さと、第２半導体素子と放熱器とが並ぶ方向における第２伝熱部材の高さとが、互いに等しい。第１半導体素子と放熱器とが並ぶ方向に直交する平面により切断した場合の第１伝熱部材の断面積よりも、第２半導体素子と放熱器とが並ぶ方向に直交する平面により切断した場合の第２伝熱部材の断面積の方が大きい。
【００１３】
このように構成された半導体素子の冷却構造によれば、第１伝熱部材および第２伝熱部材の高さが揃っているため、第１伝熱部材および第２伝熱部材にそれぞれ第１半導体素子および第２半導体素子を搭載する際に、各半導体素子の位置決め精度を向上させることができる。
【００１４】
また好ましくは、第１伝熱部材は、第１半導体素子を搭載する第１絶縁基板と、第１絶縁基板と放熱器との間に介挿される第１伝熱板とを含む。第２伝熱部材は、第２半導体素子を搭載する第２絶縁基板と、第２絶縁基板と放熱器との間に介挿される第２伝熱板とを含む。
【００１５】
このように構成された半導体素子の冷却構造によれば、第１伝熱板を、第１絶縁基板と放熱器との間で生じる応力を吸収する応力緩和層として機能させ、第２伝熱板を、第２絶縁基板と放熱器との間で生じる応力を吸収する応力緩和層として機能させることができる。
【００１６】
また好ましくは、第１絶縁基板および第２絶縁基板は、第１伝熱板および第２伝熱板よりも小さい熱伝導率を有する。第２絶縁基板は、第１絶縁基板よりも大きい体積を有する。
【００１７】
このように構成された半導体素子の冷却構造によれば、第１伝熱部材および第２伝熱部材間の熱の伝わり易さに容易に差を設けることができる。これにより、第１半導体素子および第２半導体素子の発熱量が大きく異なる場合であっても、第１半導体素子および第２半導体素子を均熱化して冷却することができる。
【発明の効果】
【００１８】
以上に説明したように、この発明に従えば、複数の半導体素子をより均等な温度に冷却する半導体素子の冷却構造を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】ハイブリッド自動車のモータジェネレータ制御に関する構成を示す回路図である。
【図２】図１中のパワー制御ユニットの一部を示す回路図である。
【図３】図１中のパワー制御ユニットに適用される半導体素子の冷却構造を示す平面図である。
【図４】図３中のＩＶ−ＩＶ線上に沿った半導体素子の冷却構造を示す断面図である。
【図５】パワー制御ユニットの制御において、半導体素子の温度の判定基準を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下で参照する図面では、同一またはそれに相当する部材には、同じ番号が付されている。
【００２１】
図１は、ハイブリッド自動車のモータジェネレータ制御に関する構成を示す回路図である。本実施の形態では、本発明における半導体素子の冷却構造が、ハイブリッド自動車に搭載されるパワー制御ユニット（ＰＣＵ：Power Control Unit）に適用される。図１を参照して、まず、ハイブリッド自動車のモータジェネレータ制御に関して説明する。
【００２２】
ハイブリッド自動車は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の内燃機関と、充放電可能な２次電池（バッテリ）から電力供給されるモータとを動力源とする。
【００２３】
ハイブリッド自動車は、バッテリユニット１４０と、車両用駆動装置１２０と、図示しないエンジンとを有する。車両用駆動装置１２０は、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２と、図示しないエンジンおよびモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の間で動力を分配する動力分割機構１２６と、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の制御を行なうパワー制御ユニット１２１とを有する。
【００２４】
モータジェネレータＭＧ１は、主にジェネレータとして機能し、エンジンの出力により発電を行なう。また、モータジェネレータＭＧ１は、エンジン始動時にはスタータとして作動する。モータジェネレータＭＧ２は、主にモータとして機能し、エンジンの出力を補
助し、駆動力を高める。また、モータジェネレータＭＧ２は、回生制動時には発電を行ない、バッテリＢを充電する。
【００２５】
バッテリユニット１４０には端子１４１，１４２が設けられている。ＰＣＵ１２１にはＤＣ端子１４３，１４４が設けられている。端子１４１とＤＣ端子１４３との間および端子１４２とＤＣ端子１４４との間は、それぞれ、ケーブル１０６およびケーブル１０８によって電気的に接続されている。
【００２６】
バッテリユニット１４０は、バッテリＢと、バッテリＢの正極と端子１４１との間に接続されるシステムメインリレーＳＭＲ２と、バッテリＢの負極と端子１４２との間に接続されるシステムメインリレーＳＭＲ３と、バッテリＢの正極と端子１４１との間に直列に接続される、システムメインリレーＳＭＲ１および制限抵抗Ｒとを有する。システムメインリレーＳＭＲ１〜ＳＭＲ３は、後述の制御装置１３０から与えられる制御信号ＳＥに応じて導通／非導通状態が制御される。
【００２７】
バッテリユニット１４０は、バッテリＢの端子間の電圧ＶＢを測定する電圧センサ１１０と、バッテリＢに流れる電流ＩＢを検知する電流センサ１１１とを有する。バッテリＢとしては、ニッケル水素、リチウムイオン等の２次電池や、燃料電池などを用いることができる。バッテリＢに代わる蓄電装置として、電気二重層コンデンサ等の大容量キャパシタを用いることもできる。
【００２８】
パワー制御ユニット１２１は、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２にそれぞれ対応して設けられるインバータ１２２，１１４と、インバータ１２２，１１４に共通して設けられる昇圧コンバータ１１２と、制御装置１３０とを有する。
【００２９】
昇圧コンバータ１１２は、ＤＣ端子１４３，１４４間の電圧を昇圧する。昇圧コンバータ１１２は、一方端が端子１４３に接続されるリアクトル１３２と、昇圧用ＩＰＭ（Intelligent Power Module）１１３と、平滑用コンデンサ１３３とを有する。昇圧用ＩＰＭ１１３は、昇圧後の電圧ＶＨを出力する昇圧コンバータ１１２の出力端子間に直列に接続されるＩＧＢＴ素子Ｑ１，Ｑ２と、ＩＧＢＴ素子Ｑ１，Ｑ２にそれぞれ並列に接続されるダイオードＤ１，Ｄ２とを有する。平滑用コンデンサ１３３は、昇圧コンバータ１１２によって昇圧された電圧を平滑化する。
【００３０】
リアクトル１３２の他方端は、ＩＧＢＴ素子Ｑ１のエミッタおよびＩＧＢＴ素子Ｑ２のコレクタに接続されている。ダイオードＤ１のカソードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ１のコレクタと接続され、ダイオードＤ１のアノードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ１のエミッタと接続されている。ダイオードＤ２のカソードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ２のコレクタと接続され、ダイオードＤ２のアノードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ２のエミッタと接続されている。
【００３１】
インバータ１１４は、車輪を駆動するモータジェネレータＭＧ２に対して昇圧コンバータ１１２の出力する直流電圧を三相交流に変換して出力する。インバータ１１４は、回生制動に伴い、モータジェネレータＭＧ２において発電された電力を昇圧コンバータ１１２に戻す。このとき、昇圧コンバータ１１２は、降圧回路として動作するように制御装置１３０によって制御される。
【００３２】
インバータ１１４は、走行用ＩＰＭ１１８を構成するＵ相アーム１１５、Ｖ相アーム１１６およびＷ相アーム１１７を有する。Ｕ相アーム１１５，Ｖ相アーム１１６およびＷ相アーム１１７は、昇圧コンバータ１１２の出力ライン間に並列に接続されている。
【００３３】
Ｕ相アーム１１５は、直列接続されたＩＧＢＴ素子Ｑ３，Ｑ４と、ＩＧＢＴ素子Ｑ３，Ｑ４とそれぞれ並列に接続されるダイオードＤ３，Ｄ４とを有する。ダイオードＤ３のカソードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ３のコレクタと接続され、ダイオードＤ３のアノードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ３のエミッタと接続されている。ダイオードＤ４のカソードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ４のコレクタと接続され、ダイオードＤ４のアノードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ４のエミッタと接続されている。
【００３４】
Ｖ相アーム１１６は、直列接続されたＩＧＢＴ素子Ｑ５，Ｑ６と、ＩＧＢＴ素子Ｑ５，Ｑ６とそれぞれ並列に接続されるダイオードＤ５，Ｄ６とを有する。ダイオードＤ５のカソードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ５のコレクタと接続され、ダイオードＤ５のアノードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ５のエミッタと接続されている。ダイオードＤ６のカソードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ６のコレクタと接続され、ダイオードＤ６のアノードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ６のエミッタと接続されている。
【００３５】
Ｗ相アーム１１７は、直列接続されたＩＧＢＴ素子Ｑ７，Ｑ８と、ＩＧＢＴ素子Ｑ７，Ｑ８とそれぞれ並列に接続されるダイオードＤ７，Ｄ８とを有する。ダイオードＤ７のカソードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ７のコレクタと接続され、ダイオードＤ７のアノードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ７のエミッタと接続されている。ダイオードＤ８のカソードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ８のコレクタと接続され、ダイオードＤ８のアノードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ８のエミッタと接続されている。
【００３６】
各相アームの中間点は、モータジェネレータＭＧ２の各相コイルの各相端に接続されている。すなわち、モータジェネレータＭＧ２は、三相の永久磁石同期モータであり、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の３つのコイルは各々一方端が中性点に共に接続されている。Ｕ相コイルの他方端は、ＩＧＢＴ素子Ｑ３，Ｑ４の接続ノードに接続されている。Ｖ相コイルの他方端は、ＩＧＢＴ素子Ｑ５，Ｑ６の接続ノードに接続されている。Ｗ相コイルの他方端は、ＩＧＢＴ素子Ｑ７，Ｑ８の接続ノードに接続されている。
【００３７】
電流センサ１２５は、モータジェネレータＭＧ１に流れる電流をモータ電流値ＭＣＲＴ１として検出し、モータ電流値ＭＣＲＴ１を制御装置１３０に出力する。電流センサ１２４は、モータジェネレータＭＧ２に流れる電流をモータ電流値ＭＣＲＴ２として検出し、モータ電流値ＭＣＲＴ２を制御装置１３０に出力する。
【００３８】
インバータ１２２は、昇圧コンバータ１１２に対してインバータ１１４と並列的に接続される。インバータ１２２は、モータジェネレータＭＧ１に対して昇圧コンバータ１１２の出力する直流電圧を三相交流に変換して出力する。インバータ１２２は、昇圧コンバータ１１２から昇圧された電圧を受けてたとえばエンジンを始動させるためにモータジェネレータＭＧ１を駆動する。
【００３９】
また、インバータ１２２は、エンジンのクランクシャフトから伝達される回転トルクによってモータジェネレータＭＧ１で発電された電力を昇圧コンバータ１１２に戻す。このとき、昇圧コンバータ１１２は降圧回路として動作するように制御装置１３０によって制御される。なお、インバータ１２２の内部の構成はインバータ１１４と同様であるため、詳細な説明は繰返さない。
【００４０】
制御装置１３０は、トルク指令値ＴＲ１，ＴＲ２、モータ回転数ＭＲＮ１，ＭＲＮ２、電圧ＶＢ，ＶＬ，ＶＨ、電流ＩＢの各値、モータ電流値ＭＣＲＴ１，ＭＣＲＴ２および起動信号ＩＧＯＮを受ける。
【００４１】
ここで、トルク指令値ＴＲ１，モータ回転数ＭＲＮ１およびモータ電流値ＭＣＲＴ１は、モータジェネレータＭＧ１に関するものであり、トルク指令値ＴＲ２，モータ回転数Ｍ
ＲＮ２およびモータ電流値ＭＣＲＴ２は、モータジェネレータＭＧ２に関するものである。電圧ＶＢは、バッテリＢの電圧であり、電流ＩＢは、バッテリＢに流れる電流である。電圧ＶＬは、昇圧コンバータ１１２の昇圧前電圧であり、電圧ＶＨは、昇圧コンバータ１１２の昇圧後電圧である。
【００４２】
制御装置１３０は、昇圧コンバータ１１２に対して昇圧指示を行なう制御信号ＰＷＵ，降圧指示を行なう制御信号ＰＷＤおよび動作禁止を指示する信号ＣＳＤＮを出力する。
【００４３】
制御装置１３０は、インバータ１１４に対して昇圧コンバータ１１２の出力である直流電圧をモータジェネレータＭＧ２を駆動するための交流電圧に変換する駆動指示ＰＷＭＩ２と、モータジェネレータＭＧ２で発電された交流電圧を直流電圧に変換して昇圧コンバータ１１２側に戻す回生指示ＰＷＭＣ２とを出力する。制御装置１３０は、インバータ１２２に対して直流電圧をモータジェネレータＭＧ１を駆動するための交流電圧に変換する駆動指示ＰＷＭＩ１と、モータジェネレータＭＧ１で発電された交流電圧を直流電圧に変換して昇圧コンバータ１１２側に戻す回生指示ＰＷＭＣ１とを出力する。
【００４４】
図２は、図１中のパワー制御ユニットの一部を示す回路図である。図２中には、図１中のパワー制御ユニット１２１のうちの、インバータ１１４のＵ相アーム１１５が示されている。
【００４５】
図２を参照して、本実施の形態では、Ｕ相アーム１１５を構成する半導体素子として、半導体素子２１および半導体素子２３が設けられている。
【００４６】
半導体素子２１は、図１中のＩＧＢＴ素子Ｑ３およびダイオードＤ３に対応する半導体素子２１Ａと、半導体素子２１Ａに電気的に直列接続され、図１中のＩＧＢＴ素子Ｑ４およびダイオードＤ４に対応する半導体素子２１Ｂとから構成されている。半導体素子２３は、図１中のＩＧＢＴ素子Ｑ３およびダイオードＤ３に対応する半導体素子２３Ａと、半導体素子２３Ａに電気的に直列接続され、図１中のＩＧＢＴ素子Ｑ４およびダイオードＤ４に対応する半導体素子２３Ｂとから構成されている。半導体素子２１と半導体素子２３とは、電気的に並列接続されている。
【００４７】
半導体素子２１および半導体素子２３は、ともにインバータ１１４のＵ相アーム１１５を構成しており、モータジェネレータＭＧ２に対して昇圧コンバータ１１２の出力する直流電圧を三相交流に変換して出力するという同一の動作を行なう。このような関係を有する半導体素子２１および半導体素子２３であっても、各半導体素子と、図１中の昇圧コンバータ１１２との間を電気的に接続するバスバーの長さが異なることに起因して、半導体素子２１を流れる電流Ｉ１は、半導体素子２３を流れる電流Ｉ２よりも大きくなる。
【００４８】
続いて、本実施の形態における半導体素子の冷却構造について詳細に説明する。図３は、図１中のパワー制御ユニットに適用される半導体素子の冷却構造を示す平面図である。図４は、図３中のＩＶ−ＩＶ線上に沿った半導体素子の冷却構造を示す断面図である。
【００４９】
図２から図４を参照して、本実施の形態における半導体素子の冷却構造は、ヒートシンク５１と、伝熱板４１および伝熱板４３と、絶縁基板３６および絶縁基板３８と、半導体素子２１および半導体素子２３とを有する。
【００５０】
ヒートシンク５１は、図２中に示す平面視において、矢印２１０に示す方向が短手方向となり、矢印２１０に示す方向に直交する矢印２２０に示す方向が長手方向となる矩形形状を有する。
【００５１】
ヒートシンク５１は、ケース体５２、フィン５３および蓋体５４が組み合わさって構成されている。ケース体５２は、一方向に開口する筐体形状を有する。蓋体５４は、ケース体５２の開口部を塞ぐように設けられている。ケース体５２および蓋体５４は、互いに一体となって冷媒が流通する内部空間を形成している。フィン５３は、ケース体５２および蓋体５４によって形成された内部空間に収容されている。ヒートシンク５１は、冷媒を供給するための冷媒供給口５６と、冷媒を排出するための冷媒排出口５７とを有する。
【００５２】
ヒートシンク５１は、高い熱伝導性を有する材料により形成されている。ヒートシンク５１は、絶縁基板３６，３８とは異なる材料により形成されている。本実施の形態では、ヒートシンク５１が、アルミニウムにより形成されている。ヒートシンク５１は、伝熱板４１，４３と同じ材料により形成されている。
【００５３】
ヒートシンク５１上には、図１中のインバータ１１４，１２２の走行用ＩＰＭ１１８を構成する半導体素子と、図１中の昇圧コンバータ１１２の昇圧用ＩＰＭ１１３を構成する半導体素子とが設けられている。そのうちのＵ相アーム１１５を構成する半導体素子２１および半導体素子２３が、図３および図４中に示されている。
【００５４】
半導体素子２１Ａと半導体素子２１Ｂとが、矢印２１０に示す方向に並んで配列され、半導体素子２３Ａと半導体素子２３Ｂとが、矢印２１０に示す方向に並んで配列されている。半導体素子２１Ａと半導体素子２３Ａとが、矢印２２０に示す方向に並んで配列され、半導体素子２１Ｂと半導体素子２３Ｂとが、矢印２２０に示す方向に並んで配列されている。
【００５５】
半導体素子２１は、絶縁基板３６および伝熱板４１を介してヒートシンク５１上に設けられている。半導体素子２３は、絶縁基板３８および伝熱板４３を介してヒートシンク５１上に設けられている。すなわち、ヒートシンク５１は、絶縁基板３６および伝熱板４１に対して半導体素子２１の反対側に設けられ、絶縁基板３８および伝熱板４３に対して半導体素子２３の反対側に設けられている。
【００５６】
半導体素子２１は、電極部３１を介して絶縁基板３６に接合されている。半導体素子２３は、電極部３３を介して絶縁基板３８に接合されている。絶縁基板３６は、半導体素子２１が接合される接合面３６ａを有し、絶縁基板３８は、半導体素子２３が接合される接合面３８ａを有する。
【００５７】
絶縁基板３６，３８は、高い電気絶縁性を有する材料により形成されている。絶縁基板３６，３８は、高い熱伝導性を有する材料により形成されている。絶縁基板３６，３８は、セラミックスにより形成されている。本実施の形態では、絶縁基板３６，３８が、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）により形成されている。絶縁基板３６および絶縁基板３８は、それぞれ、半導体素子２１および半導体素子２３を車両本体側から電気的に絶縁するために設けられている。電極部３１，３３は、導電性材料により形成されている。本実施の形態では、電極部３１，３３がアルミニウムにより形成されている。
【００５８】
伝熱板４１は、絶縁基板３６およびヒートシンク５１の間に介挿されている。伝熱板４３は、絶縁基板３８およびヒートシンク５１の間に介挿されている。
【００５９】
伝熱板４１，４３は、高い熱伝導性を有する材料により形成されている。伝熱板４１，４３は、絶縁基板３６，３８とは異なる材料により形成されている。伝熱板４１，４３は、絶縁基板３６，３８と線膨張率の異なる材料により形成されている。絶縁基板３６，３８の線膨張率は、伝熱板４１，４３の線膨張率よりも小さい。絶縁基板３６，３８は、伝熱板４１，４３よりも小さい熱伝導率を有する。本実施の形態では、伝熱板４１，４３が、アルミニウムにより形成されている。伝熱板４１，４３は、半導体素子２１，２３で発生した熱をヒートシンク５１に伝える伝熱機能と、線膨張率の差に起因して絶縁基板３６，３８とヒートシンク５１との間で生じる応力を吸収する応力緩和機能とを有する。
【００６０】
本実施の形態における半導体素子の冷却構造においては、伝熱板４１が、伝熱板４３よりも大きい体積を有し、絶縁基板３６が、絶縁基板３８よりも大きい体積を有する。
【００６１】
より具体的には、半導体素子２１とヒートシンク５１とを結ぶ方向（矢印２３０に示す方向）における伝熱板４１の高さＨ１と、半導体素子２３とヒートシンク５１とを結ぶ方向（矢印２３０に示す方向）における伝熱板４３の高さＨ２とは、互いに等しい。その一方、矢印２３０に示す方向に直交する平面により切断した場合の伝熱板４１の断面積Ｓ１が伝熱板４３の断面積Ｓ２よりも大きい。また、矢印２３０に示す方向における絶縁基板３６の高さＨ３と、矢印２３０に示す方向における絶縁基板３８の高さＨ４とは、互いに等しい。その一方、矢印２３０に示す方向に直交する平面により切断した場合の絶縁基板３６の断面積Ｓ３が絶縁基板３８の断面積Ｓ４よりも大きい。矢印２３０に示す方向に直交する平面により切断した場合に、伝熱板４１および絶縁基板３６における最小断面積は、伝熱板４３および絶縁基板３８における最小断面積よりも大きい。
【００６２】
このような構成により、本実施の形態では、ヒートシンク５１上における絶縁基板３６の接合面３６ａの高さと、絶縁基板３８の接合面３８ａの高さとが、互いに等しくなる（Ｈ１＋Ｈ３＝Ｈ２＋Ｈ４）。接合面３６ａおよび接合面３８ａの高さを揃えることによって、絶縁基板３６，３８に対する半導体素子２１，２３の接合時、半導体素子２１，２３を接合面３６ａおよび接合面３８ａ上に精度よく位置決めすることができる。
【００６３】
半導体素子２１で発生した熱は、電極部３１、絶縁基板３６および伝熱板４１を挙げた順に伝わってヒートシンク５１に達する。半導体素子２３で発生した熱は、電極部３３、絶縁基板３８および伝熱板４３を挙げた順に伝わってヒートシンク５１に達する。一方、冷媒供給口５６を通じて供給された冷却油などの冷媒がヒートシンク５１内を流通する。この間、冷媒とフィン５３との間で熱交換が行なわれることによって、半導体素子２１，２３で発生した熱が放熱される。受熱により温度上昇した冷媒は、冷媒排出口５７を通じてヒートシンク５１から排出される。
【００６４】
本実施の形態では、半導体素子２１を流れる電流Ｉ１が、半導体素子２３を流れる電流Ｉ２よりも大きくなるため、半導体素子２１の発熱量が、半導体素子２３の発熱量よりも大きくなる。これに対して、半導体素子２１を搭載する絶縁基板３６および伝熱板４１は、それぞれ、半導体素子２３を搭載する絶縁基板３８および伝熱板４３よりも大きい体積を有し、熱が伝わり易い特性を有する。このため、半導体素子２１から絶縁基板３６および伝熱板４１を通じてヒートシンク５１に向かう伝熱が促進され、半導体素子２１および半導体素子２３を均熱化して冷却することができる。
【００６５】
図５は、パワー制御ユニットの制御において、半導体素子の温度の判定基準を示すグラフである。図５を参照して、グラフ中において、Ａは、センサによって測定される、ヒートシンク５１における冷媒温度に対応し、Ｂはヒートシンク５１の熱抵抗に対応し、Ｃは経年劣化を考慮した余裕分に対応する。また、Ｄは半導体素子２１，２３の温度の素子間ばらつきに対応し、Ｅはセンサのばらつきに対応する。
【００６６】
パワー制御ユニット１２１を制御する図１中の制御装置１３０においては、半導体素子の温度を随時検出し、温度がある値を超えた場合に半導体素子の負荷率を制限する制御がなされる。この負荷率の制限を開始する温度は、冷媒温度Ａ、ヒートシンク５１の熱抵抗Ｂおよび経年劣化を考慮した余裕分Ｃを加えた温度と、半導体素子の設計上の温度上限値Ｔ３からセンサばらつきＥおよび素子間ばらつきＤを差し引いて温度との間に設定される。
【００６７】
本実施の形態における半導体素子の冷却構造では、半導体素子２１および半導体素子２３を均熱化して冷却することにより、素子間ばらつきＤを低減させることができる。これにより、半導体素子の負荷率の制限を開始する温度をより高く設定することが可能となる（Ｔ２＞Ｔ１）。
【００６８】
以上に説明した、この発明の実施の形態における半導体素子の冷却構造は、電流が流れる第１半導体素子としての半導体素子２３と、半導体素子２３よりも大きい電流が流れる第２半導体素子としての半導体素子２１と、半導体素子２３を搭載する第１伝熱部材としての絶縁基板３８および伝熱板４３と、半導体素子２１を搭載する第２伝熱部材としての絶縁基板３６および伝熱板４１と、絶縁基板３８および伝熱板４３に対して、半導体素子２３の反対側に設けられ、絶縁基板３８および伝熱板４３を通じて伝えられた半導体素子２３の熱を放熱し、絶縁基板３６および伝熱板４１に対して、半導体素子２１の反対側に設けられ、絶縁基板３６および伝熱板４１を通じて伝えられた半導体素子２１の熱を放熱する放熱器としてのヒートシンク５１とを備える。絶縁基板３６および伝熱板４１は、それぞれ、絶縁基板３８および伝熱板４３よりも大きい体積を有する。
【００６９】
このように構成された、この発明の実施の形態における半導体素子の冷却構造によれば、電流アンバランスに起因して発熱量が異なる半導体素子２１および半導体素子２３を、より均等な温度に冷却することができる。これにより、半導体素子の負荷率の制限を開始する温度を高く設定することが可能となり、ハイブリッド自動車の動力性能を向上させることができる。
【００７０】
本実施の形態では、絶縁基板３６および伝熱板４１を、それぞれ、絶縁基板３８および伝熱板４３よりも大きい体積としたが、伝熱板４１および伝熱板４３を互いに等しい体積とし、絶縁基板３６を絶縁基板３８よりも大きい体積とする構成としてもよいし、絶縁基板３６および絶縁基板３８を互いに等しい体積とし、伝熱板４１を伝熱板４３よりも大きい体積とする構成としてもよい。この際、絶縁基板３６，３８は、伝熱板４１，４３よりも小さい熱伝導率を有するため、絶縁基板３６を絶縁基板３８よりも大きい体積とすることにより、比較的、熱の伝わり易さに差を設けることが容易である。
【００７１】
なお、本発明を、燃料電池と２次電池とを動力源とする燃料電池ハイブリッド車（ＦＣＨＶ：Fuel Cell Hybrid Vehicle）または電気自動車（ＥＶ：Electric Vehicle）に搭載されるパワー制御ユニットに適用することもできる。本実施の形態におけるハイブリッド自動車では、燃費最適動作点で内燃機関を駆動するのに対して、燃料電池ハイブリッド車では、発電効率最適動作点で燃料電池を駆動する。また、２次電池の使用に関しては、両方のハイブリッド自動車で基本的に変わらない。また、本発明は、パワー制御ユニットに限られず、半導体素子の冷却が必要となる各種装置に適用される。
【００７２】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
この発明は、主に、半導体素子を搭載する各種装置の冷却構造に適用される。
【符号の説明】
【００７４】
２１，２１Ａ，２１Ｂ，２３，２３Ａ，２３Ｂ 半導体素子、３１，３３ 電極部、３６，３８ 絶縁基板、３６ａ，３８ａ 接合面、４１，４３ 伝熱板、５１ ヒートシンク、５２ ケース体、５３ フィン、５４ 蓋体、５６ 冷媒供給口、５７ 冷媒排出口、１０６，１０８ ケーブル、１１０ 電圧センサ、１１１ 電流センサ、１１２ 昇圧コンバータ、１１３ 昇圧用ＩＰＭ、１１４，１２２ インバータ、１１５ Ｕ相アーム、１１６ Ｖ相アーム、１１７ Ｗ相アーム、１１８ 走行用ＩＰＭ、１２０ 車両用駆動装置、１２１ パワー制御ユニット、１２４，１２５ 電流センサ、１２６ 動力分割機構、１３０ 制御装置、１３２ リアクトル、１３３ 平滑用コンデンサ、１４０ バッテリユニット、１４１，１４２ 端子、１４３，１４４ ＤＣ端子。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、一般的には、半導体素子の冷却構造に関し、より特定的には、車両に搭載されるパワー制御ユニット（ＰＣＵ：Power Control Unit）に適用される半導体素子の冷却構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の半導体素子の冷却構造に関して、たとえば、特開２００９−２５３０３４号公報には、応力緩和構造を必要とせず、さらにスルーホールを用いてグランドをとることを可能とする半導体素子冷却装置が開示されている（特許文献１）。特許文献１に開示された半導体素子冷却装置は、内部に冷媒流路が形成された金属製の冷却器と、冷却器上に半田付けされた金属ベース基板と、金属ベース基板上に配置されるＩＧＢＴおよびダイオードとを備える。
【０００３】
また、特開２００９−１５８５０２号公報には、応力緩和効果の向上と、高熱伝導性の確保とを両立させることを目的とした半導体モジュールが開示されている（特許文献２）。特許文献２に開示された半導体モジュールとしてのパワーモジュールは、半導体素子を実装するセラミック基板と、内部に冷媒流路を備えた冷却器と、セラミック基板と冷却器との間に介在し、両者の線膨張率差による応力歪を緩和する応力緩和層とを備える。パワーモジュールは、半導体素子からの熱をセラミック基板および応力緩和層を介して冷却器に放熱する。
【０００４】
また、特開２００８−２２８３９８号公報には、複数の電力変換器を有する電力変換装置において、各電力変換器を構成する半導体素子の温度上昇を抑制することを目的とした電力変換装置が開示されている（特許文献３）。また、特開２００８−２７０４８５号公報には、過負荷等によって半導体素子から定常発熱状態より大きな熱が発生した場合に、半導体素子の急激な温度上昇を抑制し、さらに同等の性能を有するヒートマスをより少ない材料で作製することを目的とした半導体装置が開示されている（特許文献４）。
【０００５】
また、特開２００６−３０３３０６号公報には、定常損失が減少する温度が異なる複数の素子の冷却を素子ごとに適切に行ない、素子を最適温度で動作させることを目的としたパワーモジュールが開示されている（特許文献５）。また、特開２００７−１２７２２号公報には、パワー半導体素子の実装位置を最適に定めて冷却液の温度上昇を適切化し、冷却効率を高めることを目的としたパワー半導体モジュールが開示されている（特許文献６）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−２５３０３４号公報
【特許文献２】特開２００９−１５８５０２号公報
【特許文献３】特開２００８−２２８３９８号公報
【特許文献４】特開２００８−２７０４８５号公報
【特許文献５】特開２００６−３０３３０６号公報
【特許文献６】特開２００７−１２７２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述の特許文献に開示されるように、インバータ回路などに使用される半導体素子の作動には、非常に大きい発熱を伴うため、各種の冷却構造が採用されている。たとえば、特許文献１に開示された半導体素子冷却装置では、ＩＧＢＴおよびダイオードで発生した熱が、金属ベース基板を通じて冷却器に伝わることによって放熱される。
【０００８】
しかしながら、半導体素子に流れる電流量は、各半導体素子に電気的に接続されるバスバーの長さ等によって異なるため、半導体素子の発熱量にばらつきが生じる。この場合、半導体素子の駆動の制御時、半導体素子の負荷率を制限する開始温度を決定するのに際して、半導体素子間の発熱量のばらつきを加味する必要がある。これにより、半導体素子の駆動が本来よりも制限されるという懸念が生じる。
【０００９】
そこでこの発明の目的は、上記の課題を解決することであり、複数の半導体素子をより均等な温度に冷却する半導体素子の冷却構造を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明に従った半導体素子の冷却構造は、電流が流れる第１半導体素子と、第１半導体素子よりも大きい電流が流れる第２半導体素子と、第１半導体素子および第２半導体素子をそれぞれ搭載する第１伝熱部材および第２伝熱部材と、第１伝熱部材および第２伝熱部材に対して、第１半導体素子および第２半導体素子の反対側に設けられ、第１伝熱部材および第２伝熱部材を通じて伝えられた第１半導体素子および第２半導体素子の熱を放熱する放熱器とを備える。第２伝熱部材は、第１伝熱部材よりも大きい体積を有する。
【００１１】
このように構成された半導体素子の冷却構造によれば、より大きい電流が流れる第２半導体素子の発熱量が、第１半導体素子の発熱量よりも大きくなる。これに対して、第２伝熱部材は、第１伝熱部材よりも大きい体積を有し、熱が伝わり易いため、第２半導体素子から第２伝熱部材を通じて放熱器に向かう伝熱が促進される。これにより、第１半導体素子および第２半導体素子をより均等な温度に冷却することができる。
【００１２】
また好ましくは、第１半導体素子と放熱器とが並ぶ方向における第１伝熱部材の高さと、第２半導体素子と放熱器とが並ぶ方向における第２伝熱部材の高さとが、互いに等しい。第１半導体素子と放熱器とが並ぶ方向に直交する平面により切断した場合の第１伝熱部材の断面積よりも、第２半導体素子と放熱器とが並ぶ方向に直交する平面により切断した場合の第２伝熱部材の断面積の方が大きい。
【００１３】
このように構成された半導体素子の冷却構造によれば、第１伝熱部材および第２伝熱部材の高さが揃っているため、第１伝熱部材および第２伝熱部材にそれぞれ第１半導体素子および第２半導体素子を搭載する際に、各半導体素子の位置決め精度を向上させることができる。
【００１４】
また好ましくは、第１伝熱部材は、第１半導体素子を搭載する第１絶縁基板と、第１絶縁基板と放熱器との間に介挿される第１伝熱板とを含む。第２伝熱部材は、第２半導体素子を搭載する第２絶縁基板と、第２絶縁基板と放熱器との間に介挿される第２伝熱板とを含む。
【００１５】
このように構成された半導体素子の冷却構造によれば、第１伝熱板を、第１絶縁基板と放熱器との間で生じる応力を吸収する応力緩和層として機能させ、第２伝熱板を、第２絶縁基板と放熱器との間で生じる応力を吸収する応力緩和層として機能させることができる。
【００１６】
また好ましくは、第１絶縁基板および第２絶縁基板は、第１伝熱板および第２伝熱板よりも小さい熱伝導率を有する。第２絶縁基板は、第１絶縁基板よりも大きい体積を有する。
【００１７】
このように構成された半導体素子の冷却構造によれば、第１伝熱部材および第２伝熱部材間の熱の伝わり易さに容易に差を設けることができる。これにより、第１半導体素子および第２半導体素子の発熱量が大きく異なる場合であっても、第１半導体素子および第２半導体素子を均熱化して冷却することができる。
【発明の効果】
【００１８】
以上に説明したように、この発明に従えば、複数の半導体素子をより均等な温度に冷却する半導体素子の冷却構造を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】ハイブリッド自動車のモータジェネレータ制御に関する構成を示す回路図である。
【図２】図１中のパワー制御ユニットの一部を示す回路図である。
【図３】図１中のパワー制御ユニットに適用される半導体素子の冷却構造を示す平面図である。
【図４】図３中のＩＶ−ＩＶ線上に沿った半導体素子の冷却構造を示す断面図である。
【図５】パワー制御ユニットの制御において、半導体素子の温度の判定基準を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下で参照する図面では、同一またはそれに相当する部材には、同じ番号が付されている。
【００２１】
図１は、ハイブリッド自動車のモータジェネレータ制御に関する構成を示す回路図である。本実施の形態では、本発明における半導体素子の冷却構造が、ハイブリッド自動車に搭載されるパワー制御ユニット（ＰＣＵ：Power Control Unit）に適用される。図１を参照して、まず、ハイブリッド自動車のモータジェネレータ制御に関して説明する。
【００２２】
ハイブリッド自動車は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の内燃機関と、充放電可能な２次電池（バッテリ）から電力供給されるモータとを動力源とする。
【００２３】
ハイブリッド自動車は、バッテリユニット１４０と、車両用駆動装置１２０と、図示しないエンジンとを有する。車両用駆動装置１２０は、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２と、図示しないエンジンおよびモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の間で動力を分配する動力分割機構１２６と、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の制御を行なうパワー制御ユニット１２１とを有する。
【００２４】
モータジェネレータＭＧ１は、主にジェネレータとして機能し、エンジンの出力により発電を行なう。また、モータジェネレータＭＧ１は、エンジン始動時にはスタータとして作動する。モータジェネレータＭＧ２は、主にモータとして機能し、エンジンの出力を補
助し、駆動力を高める。また、モータジェネレータＭＧ２は、回生制動時には発電を行ない、バッテリＢを充電する。
【００２５】
バッテリユニット１４０には端子１４１，１４２が設けられている。ＰＣＵ１２１にはＤＣ端子１４３，１４４が設けられている。端子１４１とＤＣ端子１４３との間および端子１４２とＤＣ端子１４４との間は、それぞれ、ケーブル１０６およびケーブル１０８によって電気的に接続されている。
【００２６】
バッテリユニット１４０は、バッテリＢと、バッテリＢの正極と端子１４１との間に接続されるシステムメインリレーＳＭＲ２と、バッテリＢの負極と端子１４２との間に接続されるシステムメインリレーＳＭＲ３と、バッテリＢの正極と端子１４１との間に直列に接続される、システムメインリレーＳＭＲ１および制限抵抗Ｒとを有する。システムメインリレーＳＭＲ１〜ＳＭＲ３は、後述の制御装置１３０から与えられる制御信号ＳＥに応じて導通／非導通状態が制御される。
【００２７】
バッテリユニット１４０は、バッテリＢの端子間の電圧ＶＢを測定する電圧センサ１１０と、バッテリＢに流れる電流ＩＢを検知する電流センサ１１１とを有する。バッテリＢとしては、ニッケル水素、リチウムイオン等の２次電池や、燃料電池などを用いることができる。バッテリＢに代わる蓄電装置として、電気二重層コンデンサ等の大容量キャパシタを用いることもできる。
【００２８】
パワー制御ユニット１２１は、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２にそれぞれ対応して設けられるインバータ１２２，１１４と、インバータ１２２，１１４に共通して設けられる昇圧コンバータ１１２と、制御装置１３０とを有する。
【００２９】
昇圧コンバータ１１２は、ＤＣ端子１４３，１４４間の電圧を昇圧する。昇圧コンバータ１１２は、一方端が端子１４３に接続されるリアクトル１３２と、昇圧用ＩＰＭ（Intelligent Power Module）１１３と、平滑用コンデンサ１３３とを有する。昇圧用ＩＰＭ１１３は、昇圧後の電圧ＶＨを出力する昇圧コンバータ１１２の出力端子間に直列に接続されるＩＧＢＴ素子Ｑ１，Ｑ２と、ＩＧＢＴ素子Ｑ１，Ｑ２にそれぞれ並列に接続されるダイオードＤ１，Ｄ２とを有する。平滑用コンデンサ１３３は、昇圧コンバータ１１２によって昇圧された電圧を平滑化する。
【００３０】
リアクトル１３２の他方端は、ＩＧＢＴ素子Ｑ１のエミッタおよびＩＧＢＴ素子Ｑ２のコレクタに接続されている。ダイオードＤ１のカソードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ１のコレクタと接続され、ダイオードＤ１のアノードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ１のエミッタと接続されている。ダイオードＤ２のカソードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ２のコレクタと接続され、ダイオードＤ２のアノードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ２のエミッタと接続されている。
【００３１】
インバータ１１４は、車輪を駆動するモータジェネレータＭＧ２に対して昇圧コンバータ１１２の出力する直流電圧を三相交流に変換して出力する。インバータ１１４は、回生制動に伴い、モータジェネレータＭＧ２において発電された電力を昇圧コンバータ１１２に戻す。このとき、昇圧コンバータ１１２は、降圧回路として動作するように制御装置１３０によって制御される。
【００３２】
インバータ１１４は、走行用ＩＰＭ１１８を構成するＵ相アーム１１５、Ｖ相アーム１１６およびＷ相アーム１１７を有する。Ｕ相アーム１１５，Ｖ相アーム１１６およびＷ相アーム１１７は、昇圧コンバータ１１２の出力ライン間に並列に接続されている。
【００３３】
Ｕ相アーム１１５は、直列接続されたＩＧＢＴ素子Ｑ３，Ｑ４と、ＩＧＢＴ素子Ｑ３，Ｑ４とそれぞれ並列に接続されるダイオードＤ３，Ｄ４とを有する。ダイオードＤ３のカソードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ３のコレクタと接続され、ダイオードＤ３のアノードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ３のエミッタと接続されている。ダイオードＤ４のカソードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ４のコレクタと接続され、ダイオードＤ４のアノードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ４のエミッタと接続されている。
【００３４】
Ｖ相アーム１１６は、直列接続されたＩＧＢＴ素子Ｑ５，Ｑ６と、ＩＧＢＴ素子Ｑ５，Ｑ６とそれぞれ並列に接続されるダイオードＤ５，Ｄ６とを有する。ダイオードＤ５のカソードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ５のコレクタと接続され、ダイオードＤ５のアノードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ５のエミッタと接続されている。ダイオードＤ６のカソードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ６のコレクタと接続され、ダイオードＤ６のアノードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ６のエミッタと接続されている。
【００３５】
Ｗ相アーム１１７は、直列接続されたＩＧＢＴ素子Ｑ７，Ｑ８と、ＩＧＢＴ素子Ｑ７，Ｑ８とそれぞれ並列に接続されるダイオードＤ７，Ｄ８とを有する。ダイオードＤ７のカソードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ７のコレクタと接続され、ダイオードＤ７のアノードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ７のエミッタと接続されている。ダイオードＤ８のカソードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ８のコレクタと接続され、ダイオードＤ８のアノードは、ＩＧＢＴ素子Ｑ８のエミッタと接続されている。
【００３６】
各相アームの中間点は、モータジェネレータＭＧ２の各相コイルの各相端に接続されている。すなわち、モータジェネレータＭＧ２は、三相の永久磁石同期モータであり、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の３つのコイルは各々一方端が中性点に共に接続されている。Ｕ相コイルの他方端は、ＩＧＢＴ素子Ｑ３，Ｑ４の接続ノードに接続されている。Ｖ相コイルの他方端は、ＩＧＢＴ素子Ｑ５，Ｑ６の接続ノードに接続されている。Ｗ相コイルの他方端は、ＩＧＢＴ素子Ｑ７，Ｑ８の接続ノードに接続されている。
【００３７】
電流センサ１２５は、モータジェネレータＭＧ１に流れる電流をモータ電流値ＭＣＲＴ１として検出し、モータ電流値ＭＣＲＴ１を制御装置１３０に出力する。電流センサ１２４は、モータジェネレータＭＧ２に流れる電流をモータ電流値ＭＣＲＴ２として検出し、モータ電流値ＭＣＲＴ２を制御装置１３０に出力する。
【００３８】
インバータ１２２は、昇圧コンバータ１１２に対してインバータ１１４と並列的に接続される。インバータ１２２は、モータジェネレータＭＧ１に対して昇圧コンバータ１１２の出力する直流電圧を三相交流に変換して出力する。インバータ１２２は、昇圧コンバータ１１２から昇圧された電圧を受けてたとえばエンジンを始動させるためにモータジェネレータＭＧ１を駆動する。
【００３９】
また、インバータ１２２は、エンジンのクランクシャフトから伝達される回転トルクによってモータジェネレータＭＧ１で発電された電力を昇圧コンバータ１１２に戻す。このとき、昇圧コンバータ１１２は降圧回路として動作するように制御装置１３０によって制御される。なお、インバータ１２２の内部の構成はインバータ１１４と同様であるため、詳細な説明は繰返さない。
【００４０】
制御装置１３０は、トルク指令値ＴＲ１，ＴＲ２、モータ回転数ＭＲＮ１，ＭＲＮ２、電圧ＶＢ，ＶＬ，ＶＨ、電流ＩＢの各値、モータ電流値ＭＣＲＴ１，ＭＣＲＴ２および起動信号ＩＧＯＮを受ける。
【００４１】
ここで、トルク指令値ＴＲ１，モータ回転数ＭＲＮ１およびモータ電流値ＭＣＲＴ１は、モータジェネレータＭＧ１に関するものであり、トルク指令値ＴＲ２，モータ回転数Ｍ
ＲＮ２およびモータ電流値ＭＣＲＴ２は、モータジェネレータＭＧ２に関するものである。電圧ＶＢは、バッテリＢの電圧であり、電流ＩＢは、バッテリＢに流れる電流である。電圧ＶＬは、昇圧コンバータ１１２の昇圧前電圧であり、電圧ＶＨは、昇圧コンバータ１１２の昇圧後電圧である。
【００４２】
制御装置１３０は、昇圧コンバータ１１２に対して昇圧指示を行なう制御信号ＰＷＵ，降圧指示を行なう制御信号ＰＷＤおよび動作禁止を指示する信号ＣＳＤＮを出力する。
【００４３】
制御装置１３０は、インバータ１１４に対して昇圧コンバータ１１２の出力である直流電圧をモータジェネレータＭＧ２を駆動するための交流電圧に変換する駆動指示ＰＷＭＩ２と、モータジェネレータＭＧ２で発電された交流電圧を直流電圧に変換して昇圧コンバータ１１２側に戻す回生指示ＰＷＭＣ２とを出力する。制御装置１３０は、インバータ１２２に対して直流電圧をモータジェネレータＭＧ１を駆動するための交流電圧に変換する駆動指示ＰＷＭＩ１と、モータジェネレータＭＧ１で発電された交流電圧を直流電圧に変換して昇圧コンバータ１１２側に戻す回生指示ＰＷＭＣ１とを出力する。
【００４４】
図２は、図１中のパワー制御ユニットの一部を示す回路図である。図２中には、図１中のパワー制御ユニット１２１のうちの、インバータ１１４のＵ相アーム１１５が示されている。
【００４５】
図２を参照して、本実施の形態では、Ｕ相アーム１１５を構成する半導体素子として、半導体素子２１および半導体素子２３が設けられている。
【００４６】
半導体素子２１は、図１中のＩＧＢＴ素子Ｑ３およびダイオードＤ３に対応する半導体素子２１Ａと、半導体素子２１Ａに電気的に直列接続され、図１中のＩＧＢＴ素子Ｑ４およびダイオードＤ４に対応する半導体素子２１Ｂとから構成されている。半導体素子２３は、図１中のＩＧＢＴ素子Ｑ３およびダイオードＤ３に対応する半導体素子２３Ａと、半導体素子２３Ａに電気的に直列接続され、図１中のＩＧＢＴ素子Ｑ４およびダイオードＤ４に対応する半導体素子２３Ｂとから構成されている。半導体素子２１と半導体素子２３とは、電気的に並列接続されている。
【００４７】
半導体素子２１および半導体素子２３は、ともにインバータ１１４のＵ相アーム１１５を構成しており、モータジェネレータＭＧ２に対して昇圧コンバータ１１２の出力する直流電圧を三相交流に変換して出力するという同一の動作を行なう。このような関係を有する半導体素子２１および半導体素子２３であっても、各半導体素子と、図１中の昇圧コンバータ１１２との間を電気的に接続するバスバーの長さが異なることに起因して、半導体素子２１を流れる電流Ｉ１は、半導体素子２３を流れる電流Ｉ２よりも大きくなる。
【００４８】
続いて、本実施の形態における半導体素子の冷却構造について詳細に説明する。図３は、図１中のパワー制御ユニットに適用される半導体素子の冷却構造を示す平面図である。図４は、図３中のＩＶ−ＩＶ線上に沿った半導体素子の冷却構造を示す断面図である。
【００４９】
図２から図４を参照して、本実施の形態における半導体素子の冷却構造は、ヒートシンク５１と、伝熱板４１および伝熱板４３と、絶縁基板３６および絶縁基板３８と、半導体素子２１および半導体素子２３とを有する。
【００５０】
ヒートシンク５１は、図２中に示す平面視において、矢印２１０に示す方向が短手方向となり、矢印２１０に示す方向に直交する矢印２２０に示す方向が長手方向となる矩形形状を有する。
【００５１】
ヒートシンク５１は、ケース体５２、フィン５３および蓋体５４が組み合わさって構成されている。ケース体５２は、一方向に開口する筐体形状を有する。蓋体５４は、ケース体５２の開口部を塞ぐように設けられている。ケース体５２および蓋体５４は、互いに一体となって冷媒が流通する内部空間を形成している。フィン５３は、ケース体５２および蓋体５４によって形成された内部空間に収容されている。ヒートシンク５１は、冷媒を供給するための冷媒供給口５６と、冷媒を排出するための冷媒排出口５７とを有する。
【００５２】
ヒートシンク５１は、高い熱伝導性を有する材料により形成されている。ヒートシンク５１は、絶縁基板３６，３８とは異なる材料により形成されている。本実施の形態では、ヒートシンク５１が、アルミニウムにより形成されている。ヒートシンク５１は、伝熱板４１，４３と同じ材料により形成されている。
【００５３】
ヒートシンク５１上には、図１中のインバータ１１４，１２２の走行用ＩＰＭ１１８を構成する半導体素子と、図１中の昇圧コンバータ１１２の昇圧用ＩＰＭ１１３を構成する半導体素子とが設けられている。そのうちのＵ相アーム１１５を構成する半導体素子２１および半導体素子２３が、図３および図４中に示されている。
【００５４】
半導体素子２１Ａと半導体素子２１Ｂとが、矢印２１０に示す方向に並んで配列され、半導体素子２３Ａと半導体素子２３Ｂとが、矢印２１０に示す方向に並んで配列されている。半導体素子２１Ａと半導体素子２３Ａとが、矢印２２０に示す方向に並んで配列され、半導体素子２１Ｂと半導体素子２３Ｂとが、矢印２２０に示す方向に並んで配列されている。
【００５５】
半導体素子２１は、絶縁基板３６および伝熱板４１を介してヒートシンク５１上に設けられている。半導体素子２３は、絶縁基板３８および伝熱板４３を介してヒートシンク５１上に設けられている。すなわち、ヒートシンク５１は、絶縁基板３６および伝熱板４１に対して半導体素子２１の反対側に設けられ、絶縁基板３８および伝熱板４３に対して半導体素子２３の反対側に設けられている。
【００５６】
半導体素子２１は、電極部３１を介して絶縁基板３６に接合されている。半導体素子２３は、電極部３３を介して絶縁基板３８に接合されている。絶縁基板３６は、半導体素子２１が接合される接合面３６ａを有し、絶縁基板３８は、半導体素子２３が接合される接合面３８ａを有する。
【００５７】
絶縁基板３６，３８は、高い電気絶縁性を有する材料により形成されている。絶縁基板３６，３８は、高い熱伝導性を有する材料により形成されている。絶縁基板３６，３８は、セラミックスにより形成されている。本実施の形態では、絶縁基板３６，３８が、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）により形成されている。絶縁基板３６および絶縁基板３８は、それぞれ、半導体素子２１および半導体素子２３を車両本体側から電気的に絶縁するために設けられている。電極部３１，３３は、導電性材料により形成されている。本実施の形態では、電極部３１，３３がアルミニウムにより形成されている。
【００５８】
伝熱板４１は、絶縁基板３６およびヒートシンク５１の間に介挿されている。伝熱板４３は、絶縁基板３８およびヒートシンク５１の間に介挿されている。
【００５９】
伝熱板４１，４３は、高い熱伝導性を有する材料により形成されている。伝熱板４１，４３は、絶縁基板３６，３８とは異なる材料により形成されている。伝熱板４１，４３は、絶縁基板３６，３８と線膨張率の異なる材料により形成されている。絶縁基板３６，３８の線膨張率は、伝熱板４１，４３の線膨張率よりも小さい。絶縁基板３６，３８は、伝熱板４１，４３よりも小さい熱伝導率を有する。本実施の形態では、伝熱板４１，４３が、アルミニウムにより形成されている。伝熱板４１，４３は、半導体素子２１，２３で発生した熱をヒートシンク５１に伝える伝熱機能と、線膨張率の差に起因して絶縁基板３６，３８とヒートシンク５１との間で生じる応力を吸収する応力緩和機能とを有する。
【００６０】
本実施の形態における半導体素子の冷却構造においては、伝熱板４１が、伝熱板４３よりも大きい体積を有し、絶縁基板３６が、絶縁基板３８よりも大きい体積を有する。
【００６１】
より具体的には、半導体素子２１とヒートシンク５１とを結ぶ方向（矢印２３０に示す方向）における伝熱板４１の高さＨ１と、半導体素子２３とヒートシンク５１とを結ぶ方向（矢印２３０に示す方向）における伝熱板４３の高さＨ２とは、互いに等しい。その一方、矢印２３０に示す方向に直交する平面により切断した場合の伝熱板４１の断面積Ｓ１が伝熱板４３の断面積Ｓ２よりも大きい。また、矢印２３０に示す方向における絶縁基板３６の高さＨ３と、矢印２３０に示す方向における絶縁基板３８の高さＨ４とは、互いに等しい。その一方、矢印２３０に示す方向に直交する平面により切断した場合の絶縁基板３６の断面積Ｓ３が絶縁基板３８の断面積Ｓ４よりも大きい。矢印２３０に示す方向に直交する平面により切断した場合に、伝熱板４１および絶縁基板３６における最小断面積は、伝熱板４３および絶縁基板３８における最小断面積よりも大きい。
【００６２】
このような構成により、本実施の形態では、ヒートシンク５１上における絶縁基板３６の接合面３６ａの高さと、絶縁基板３８の接合面３８ａの高さとが、互いに等しくなる（Ｈ１＋Ｈ３＝Ｈ２＋Ｈ４）。接合面３６ａおよび接合面３８ａの高さを揃えることによって、絶縁基板３６，３８に対する半導体素子２１，２３の接合時、半導体素子２１，２３を接合面３６ａおよび接合面３８ａ上に精度よく位置決めすることができる。
【００６３】
半導体素子２１で発生した熱は、電極部３１、絶縁基板３６および伝熱板４１を挙げた順に伝わってヒートシンク５１に達する。半導体素子２３で発生した熱は、電極部３３、絶縁基板３８および伝熱板４３を挙げた順に伝わってヒートシンク５１に達する。一方、冷媒供給口５６を通じて供給された冷却油などの冷媒がヒートシンク５１内を流通する。この間、冷媒とフィン５３との間で熱交換が行なわれることによって、半導体素子２１，２３で発生した熱が放熱される。受熱により温度上昇した冷媒は、冷媒排出口５７を通じてヒートシンク５１から排出される。
【００６４】
本実施の形態では、半導体素子２１を流れる電流Ｉ１が、半導体素子２３を流れる電流Ｉ２よりも大きくなるため、半導体素子２１の発熱量が、半導体素子２３の発熱量よりも大きくなる。これに対して、半導体素子２１を搭載する絶縁基板３６および伝熱板４１は、それぞれ、半導体素子２３を搭載する絶縁基板３８および伝熱板４３よりも大きい体積を有し、熱が伝わり易い特性を有する。このため、半導体素子２１から絶縁基板３６および伝熱板４１を通じてヒートシンク５１に向かう伝熱が促進され、半導体素子２１および半導体素子２３を均熱化して冷却することができる。
【００６５】
図５は、パワー制御ユニットの制御において、半導体素子の温度の判定基準を示すグラフである。図５を参照して、グラフ中において、Ａは、センサによって測定される、ヒートシンク５１における冷媒温度に対応し、Ｂはヒートシンク５１の熱抵抗に対応し、Ｃは経年劣化を考慮した余裕分に対応する。また、Ｄは半導体素子２１，２３の温度の素子間ばらつきに対応し、Ｅはセンサのばらつきに対応する。
【００６６】
パワー制御ユニット１２１を制御する図１中の制御装置１３０においては、半導体素子の温度を随時検出し、温度がある値を超えた場合に半導体素子の負荷率を制限する制御がなされる。この負荷率の制限を開始する温度は、冷媒温度Ａ、ヒートシンク５１の熱抵抗Ｂおよび経年劣化を考慮した余裕分Ｃを加えた温度と、半導体素子の設計上の温度上限値Ｔ３からセンサばらつきＥおよび素子間ばらつきＤを差し引いて温度との間に設定される。
【００６７】
本実施の形態における半導体素子の冷却構造では、半導体素子２１および半導体素子２３を均熱化して冷却することにより、素子間ばらつきＤを低減させることができる。これにより、半導体素子の負荷率の制限を開始する温度をより高く設定することが可能となる（Ｔ２＞Ｔ１）。
【００６８】
以上に説明した、この発明の実施の形態における半導体素子の冷却構造は、電流が流れる第１半導体素子としての半導体素子２３と、半導体素子２３よりも大きい電流が流れる第２半導体素子としての半導体素子２１と、半導体素子２３を搭載する第１伝熱部材としての絶縁基板３８および伝熱板４３と、半導体素子２１を搭載する第２伝熱部材としての絶縁基板３６および伝熱板４１と、絶縁基板３８および伝熱板４３に対して、半導体素子２３の反対側に設けられ、絶縁基板３８および伝熱板４３を通じて伝えられた半導体素子２３の熱を放熱し、絶縁基板３６および伝熱板４１に対して、半導体素子２１の反対側に設けられ、絶縁基板３６および伝熱板４１を通じて伝えられた半導体素子２１の熱を放熱する放熱器としてのヒートシンク５１とを備える。絶縁基板３６および伝熱板４１は、それぞれ、絶縁基板３８および伝熱板４３よりも大きい体積を有する。
【００６９】
このように構成された、この発明の実施の形態における半導体素子の冷却構造によれば、電流アンバランスに起因して発熱量が異なる半導体素子２１および半導体素子２３を、より均等な温度に冷却することができる。これにより、半導体素子の負荷率の制限を開始する温度を高く設定することが可能となり、ハイブリッド自動車の動力性能を向上させることができる。
【００７０】
本実施の形態では、絶縁基板３６および伝熱板４１を、それぞれ、絶縁基板３８および伝熱板４３よりも大きい体積としたが、伝熱板４１および伝熱板４３を互いに等しい体積とし、絶縁基板３６を絶縁基板３８よりも大きい体積とする構成としてもよいし、絶縁基板３６および絶縁基板３８を互いに等しい体積とし、伝熱板４１を伝熱板４３よりも大きい体積とする構成としてもよい。この際、絶縁基板３６，３８は、伝熱板４１，４３よりも小さい熱伝導率を有するため、絶縁基板３６を絶縁基板３８よりも大きい体積とすることにより、比較的、熱の伝わり易さに差を設けることが容易である。
【００７１】
なお、本発明を、燃料電池と２次電池とを動力源とする燃料電池ハイブリッド車（ＦＣＨＶ：Fuel Cell Hybrid Vehicle）または電気自動車（ＥＶ：Electric Vehicle）に搭載されるパワー制御ユニットに適用することもできる。本実施の形態におけるハイブリッド自動車では、燃費最適動作点で内燃機関を駆動するのに対して、燃料電池ハイブリッド車では、発電効率最適動作点で燃料電池を駆動する。また、２次電池の使用に関しては、両方のハイブリッド自動車で基本的に変わらない。また、本発明は、パワー制御ユニットに限られず、半導体素子の冷却が必要となる各種装置に適用される。
【００７２】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
この発明は、主に、半導体素子を搭載する各種装置の冷却構造に適用される。
【符号の説明】
【００７４】
２１，２１Ａ，２１Ｂ，２３，２３Ａ，２３Ｂ 半導体素子、３１，３３ 電極部、３６，３８ 絶縁基板、３６ａ，３８ａ 接合面、４１，４３ 伝熱板、５１ ヒートシンク、５２ ケース体、５３ フィン、５４ 蓋体、５６ 冷媒供給口、５７ 冷媒排出口、１０６，１０８ ケーブル、１１０ 電圧センサ、１１１ 電流センサ、１１２ 昇圧コンバータ、１１３ 昇圧用ＩＰＭ、１１４，１２２ インバータ、１１５ Ｕ相アーム、１１６ Ｖ相アーム、１１７ Ｗ相アーム、１１８ 走行用ＩＰＭ、１２０ 車両用駆動装置、１２１ パワー制御ユニット、１２４，１２５ 電流センサ、１２６ 動力分割機構、１３０ 制御装置、１３２ リアクトル、１３３ 平滑用コンデンサ、１４０ バッテリユニット、１４１，１４２ 端子、１４３，１４４ ＤＣ端子。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流が流れる第１半導体素子と、
前記第１半導体素子よりも大きい電流が流れる第２半導体素子と、
前記第１半導体素子および前記第２半導体素子をそれぞれ搭載する第１伝熱部材および第２伝熱部材と、
前記第１伝熱部材および前記第２伝熱部材に対して、前記第１半導体素子および前記第２半導体素子の反対側に設けられ、前記第１伝熱部材および前記第２伝熱部材を通じて伝えられた前記第１半導体素子および前記第２半導体素子の熱を放熱する放熱器とを備え、
前記第２伝熱部材は、前記第１伝熱部材よりも大きい体積を有する、半導体素子の冷却構造。
【請求項２】
前記第１半導体素子と前記放熱器とが並ぶ方向における前記第１伝熱部材の高さと、前記第２半導体素子と前記放熱器とが並ぶ方向における前記第２伝熱部材の高さとが、互いに等しく、
前記第１半導体素子と前記放熱器とが並ぶ方向に直交する平面により切断した場合の前記第１伝熱部材の断面積よりも、前記第２半導体素子と前記放熱器とが並ぶ方向に直交する平面により切断した場合の前記第２伝熱部材の断面積の方が大きい、請求項１に記載の半導体素子の冷却構造。
【請求項３】
前記第１伝熱部材は、前記第１半導体素子を搭載する第１絶縁基板と、前記第１絶縁基板と前記放熱器との間に介挿される第１伝熱板とを含み、
前記第２伝熱部材は、前記第２半導体素子を搭載する第２絶縁基板と、前記第２絶縁基板と前記放熱器との間に介挿される第２伝熱板とを含む、請求項１または２に記載の半導体素子の冷却構造。
【請求項４】
前記第１絶縁基板および前記第２絶縁基板は、前記第１伝熱板および前記第２伝熱板よりも小さい熱伝導率を有し、
前記第２絶縁基板は、前記第１絶縁基板よりも大きい体積を有する、請求項３に記載の半導体素子の冷却構造。
【請求項１】
電流が流れる第１半導体素子と、
前記第１半導体素子よりも大きい電流が流れる第２半導体素子と、
前記第１半導体素子および前記第２半導体素子をそれぞれ搭載する第１伝熱部材および第２伝熱部材と、
前記第１伝熱部材および前記第２伝熱部材に対して、前記第１半導体素子および前記第２半導体素子の反対側に設けられ、前記第１伝熱部材および前記第２伝熱部材を通じて伝えられた前記第１半導体素子および前記第２半導体素子の熱を放熱する放熱器とを備え、
前記第２伝熱部材は、前記第１伝熱部材よりも大きい体積を有する、半導体素子の冷却構造。
【請求項２】
前記第１半導体素子と前記放熱器とが並ぶ方向における前記第１伝熱部材の高さと、前記第２半導体素子と前記放熱器とが並ぶ方向における前記第２伝熱部材の高さとが、互いに等しく、
前記第１半導体素子と前記放熱器とが並ぶ方向に直交する平面により切断した場合の前記第１伝熱部材の断面積よりも、前記第２半導体素子と前記放熱器とが並ぶ方向に直交する平面により切断した場合の前記第２伝熱部材の断面積の方が大きい、請求項１に記載の半導体素子の冷却構造。
【請求項３】
前記第１伝熱部材は、前記第１半導体素子を搭載する第１絶縁基板と、前記第１絶縁基板と前記放熱器との間に介挿される第１伝熱板とを含み、
前記第２伝熱部材は、前記第２半導体素子を搭載する第２絶縁基板と、前記第２絶縁基板と前記放熱器との間に介挿される第２伝熱板とを含む、請求項１または２に記載の半導体素子の冷却構造。
【請求項４】
前記第１絶縁基板および前記第２絶縁基板は、前記第１伝熱板および前記第２伝熱板よりも小さい熱伝導率を有し、
前記第２絶縁基板は、前記第１絶縁基板よりも大きい体積を有する、請求項３に記載の半導体素子の冷却構造。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−１６６３４（Ｐ２０１３−１６６３４Ａ）
【公開日】平成２５年１月２４日（２０１３．１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１４８２７９（Ｐ２０１１−１４８２７９）
【出願日】平成２３年７月４日（２０１１．７．４）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月２４日（２０１３．１．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月４日（２０１１．７．４）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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