JP4715529B2 - パワー半導体素子の冷却構造 - Google Patents

Description

この発明は、一般的には、パワー半導体素子の冷却構造に関し、より特定的には、車両に搭載されたインバータに適用されるパワー半導体素子の冷却構造に関する。

従来のパワー半導体素子の冷却構造に関して、たとえば、特開２００１−３０８２３２号公報には、フィンの総面積を拡大して、放熱性の向上を図ることを目的としたヒートシンクが開示されている（特許文献１）。特許文献１では、基板上に多数の薄板状フィンが並設されている。フィンの先端部には、断面形状が波打つように変化する波打ち部が形成されている。

また、特開２００３−８２６４号公報には、半導体デバイスを小型化しても、冷却用流体の圧力損失を抑えて冷却性能を維持することを目的とした電子部品の冷却装置が開示されている（特許文献２）。特許文献２では、隔壁を介してパワーデバイスの反対側に、放熱フィンが形成されている。放熱フィンの長さは、パワーデバイスの中心部に対応する位置で最も長く、その両端部に向かうほど徐々に短くなる。

また、特開平１０−２００２７８号公報には、冷却能力を向上させ、高性能化を図ることを目的とした冷却装置が開示されている（特許文献３）。特許文献３に開示された冷却装置は、冷却風の流通方向に対して連続して屈曲した形状を有するフィンを備える。また、特開２０００−１１１２２５号公報には、沸騰面積を増大して放熱性能を向上させるとともに、冷媒槽の沸騰部から蒸気冷媒を抜け易くすることを目的とした沸騰冷却装置が開示されている（特許文献４）。特許文献４では、冷媒室の内部に、相対的に大きいピッチで形成された第１の波形フィンと、相対的に小さいピッチで形成された第２の波形フィンとが配置されている。
特開２００１−３０８２３２号公報 特開２００３−８２６４号公報 特開平１０−２００２７８号公報 特開２０００−１１１２２５号公報

上述の特許文献１では、フィンの表面積を拡大させ、放熱性能の向上を図るため、フィンに波打ち部が形成されている。しかしながら、冷媒が流通する通路上にフィンを配置する場合、全てのフィンを波打ち形状に形成すると、冷媒流れの圧損が著しく増大する。この場合、冷却効率が返って悪化するおそれが生じる。

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、冷媒流れの圧損を小さく抑えつつ、冷却効率の向上が図られるパワー半導体素子の冷却構造を提供することである。

この発明の１つの局面に従ったパワー半導体素子の冷却構造は、搭載面に搭載された複数のパワー半導体素子と、搭載面に対向して形成され、複数のパワー半導体素子を冷却する冷媒が流通する冷媒通路と、冷媒通路に設けられ、互いに冷媒通路の経路上の異なる区間に配設された第１の部分と第２の部分とを有するフィンとを備える。第１の部分は、冷媒通路の経路に沿って冷媒の流れ方向に延在する表面から形成されている。第２の部分は、冷媒通路の経路に沿って冷媒の流れ方向に交差する方向に延在する表面を有する。第２の部分は、第１の部分より冷媒との熱伝達係数が大きくなる形態で設けられている。

このように構成されたパワー半導体素子の冷却構造によれば、フィンに第１の部分と第２の部分とを並存させることにより、冷媒流れの圧損を小さく抑えつつ、パワー半導体素子の冷却効率を向上させることができる。

また好ましくは、第２の部分は、設置面上に立設され、冷媒通路の経路に沿って波打ちながら延びるウェーブフィンから形成されている。このように構成されたパワー半導体素子の冷却構造によれば、冷媒と第２の部分との接触面積を増大させるとともに、冷媒の流れに積極的に乱流を生じさせることができる。このため、第２の部分と冷媒との熱伝達係数を、第１の部分と冷媒との熱伝達係数よりも大きくすることができる。また、フィンが第１の部分のみからなる場合と比較して、フィンを設置面上により強固に固定することができる。

この発明の別の局面に従ったパワー半導体素子の冷却構造は、搭載面に搭載された複数のパワー半導体素子と、搭載面に対向して形成され、複数のパワー半導体素子を冷却する冷媒が流通する冷媒通路と、冷媒通路に設けられ、互いに冷媒通路の経路上の異なる区間に配設された第１の部分と第２の部分とを有するフィンとを備える。第１の部分は、冷媒通路の経路に沿って冷媒の流れ方向に延在する表面から形成されている。第２の部分は、互いに間隔を隔てて立設された複数のピンフィンから形成されている。第２の部分は、第１の部分より冷媒との熱伝達係数が大きくなる形態で設けられている。

このように構成されたパワー半導体素子の冷却構造によれば、フィンに第１の部分と第２の部分とを並存させることにより、冷媒流れの圧損を小さく抑えつつ、パワー半導体素子の冷却効率を向上させることができる。

また、搭載面上には、複数のパワー半導体素子が相対的に密に配置された領域が形成されている。好ましくは、第２の部分は、その領域に対向して設けられている。このように構成されたパワー半導体素子の冷却構造によれば、より大きい発熱を伴う領域に、冷媒との熱伝達係数が大きくなる形態で設けられた第２の部分を配置する。これにより、熱に対する複数のパワー半導体素子の性能を効率良く向上させることができる。

この発明のさらに別の局面に従ったパワー半導体素子の冷却構造は、搭載面に搭載された複数のパワー半導体素子と、搭載面に対向して形成され、複数のパワー半導体素子を冷却する冷媒が流通する冷媒通路と、冷媒通路に設けられ、冷媒通路の経路に沿って冷媒の流れ方向に延在する表面から形成されたフィンと、冷媒通路の経路上に開口し、複数のパワー半導体素子のうちの一部のパワー半導体素子に向けて冷媒を噴出する冷媒供給部とを備える。

このように構成されたパワー半導体素子の冷却構造によれば、複数のパワー半導体素子のうちの一部のパワー半導体素子に向けて冷媒を噴出することにより、冷媒流れの圧損を小さく抑えつつ、パワー半導体素子の冷却効率を向上させることができる。

以上説明したように、この発明に従えば、冷媒流れの圧損を小さく抑えつつ、冷却効率の向上が図られるパワー半導体素子の冷却構造を提供することができる。

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。

（実施の形態１）
図１は、ＨＶ（Hybrid Vehicle）システムの冷却系を示す斜視図である。図中に示すＨＶシステムの冷却系は、モータと、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を動力源として駆動するハイブリッド車両に搭載されている。

図１を参照して、ハイブリッド車両は、エンジン３１０と、駆動用のモータおよび発電用のジェネレータ（以下、モータジェネレータと称する）を内蔵するトランクアクスル３３０と、バッテリの直流電圧とモータジェネレータの交流電圧とを相互に変換するインバータ１３０と、ラジエータ３５０とを備える。

ラジエータ３５０には、互いに独立した２つの冷却水路が設けられており、そのうちの一方が、エンジン３１０の冷却系を構成し、他方が、ＨＶシステムの冷却系を構成している。ＨＶシステムの冷却系は、ラジエータ３５０→インバータ１３０→リザーバタンク３２０→ウォータポンプ３４０→トランクアクスル３３０→ラジエータ３５０を順にたどる冷却水路によって形成されている。水路内の冷却水（たとえば、エチレングリコール系のクーラント）は、ウォータポンプ３４０によって強制循環され、インバータ１３０や、トランクアクスル３３０に設けられたモータジェネレータを順に冷却する。冷却によって温度上昇した冷却水は、ラジエータ３５０を通過することによって、温度が下げられる。なお、使用される冷媒は、液体に限定されず、気体が使用されても良い。

図２は、ＨＶシステムの主要部を示す電気回路図である。図２を参照して、ＨＶシステム２００は、モータジェネレータ１１０とインバータ１３０とに加えて、コンバータ１２０と、制御装置１４０と、コンデンサＣ１，Ｃ２と、電源ラインＰＬ１〜ＰＬ３と、出力ライン２２０，２４０，２６０とを含む。なお、モータジェネレータ１１０は、実際には、主にジェネレータとして機能するモータジェネレータＭＧ１と、主にモータとして機能するモータジェネレータＭＧ２とから構成されているが、以降の説明を簡単にするため、１つのモータジェネレータとして示されている。

コンバータ１２０は、電源ラインＰＬ１，ＰＬ３を介してバッテリＢと接続されている。インバータ１３０は、電源ラインＰＬ２，ＰＬ３を介してコンバータ１２０と接続されている。インバータ１３０は、出力ライン２２０，２４０，２６０を介してモータジェネレータ１１０と接続されている。バッテリＢは、直流電源であって、たとえばニッケル水素電池やリチウムイオン電池等の２次電池から形成されている。バッテリＢは、蓄えた直流電力をコンバータ１２０に供給したり、コンバータ１２０から受け取る直流電力によって充電される。

モータジェネレータ１１０は、たとえば３相交流同期電動発電機であって、インバータ１３０から受け取る交流電力によって駆動力を発生する。モータジェネレータ１１０は、発電機としても使用され、減速時の発電作用（回生発電）により交流電力を発生させ、その発生した交流電力をインバータ１３０に供給する。

コンバータ１２０は、半導体モジュールから構成された上アームおよび下アームと、リアクトルＬとを含む。上アームおよび下アームは、電源ラインＰＬ２，ＰＬ３間に直列に接続されている。電源ラインＰＬ２に接続される上アームは、パワートランジスタ（ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar Transistor）Ｑ１と、パワートランジスタＱ１に逆並列に接続されるダイオードＤ１とからなる。電源ラインＰＬ３に接続される下アームは、パワートランジスタＱ２と、パワートランジスタＱ２に逆並列に接続されるダイオードＤ２とからなる。リアクトルＬは、電源ラインＰＬ１と、上アームおよび下アームの接続点との間に接続されている。

コンバータ１２０は、バッテリＢから受け取る直流電圧をリアクトルＬを用いて昇圧し、その昇圧した電圧を電源ラインＰＬ２に供給する。コンバータ１２０は、インバータ１３０から受け取る直流電圧を降圧してバッテリＢを充電する。なお、コンバータ１２０は必ずしも設けられる必要はない。

インバータ１３０は、Ｕ相アーム１５２と、Ｖ相アーム１５４と、Ｗ相アーム１５６とを含む。Ｕ相アーム１５２、Ｖ相アーム１５４およびＷ相アーム１５６は、電源ラインＰＬ２，ＰＬ３間に並列に接続されている。Ｕ相アーム１５２、Ｖ相アーム１５４およびＷ相アーム１５６の各々は、半導体モジュールから構成された上アームおよび下アームからなる。各相アームの上アームおよび下アームは、電源ラインＰＬ２，ＰＬ３間に直列に接続されている。

Ｕ相アーム１５２の上アームは、パワートランジスタ（ＩＧＢＴ）Ｑ３と、パワートランジスタＱ３に逆並列に接続されるダイオードＤ３とからなる。Ｕ相アーム１５２の下アームは、パワートランジスタＱ４と、パワートランジスタＱ４に逆並列に接続されるダイオードＤ４とからなる。Ｖ相アーム１５４の上アームは、パワートランジスタＱ５と、パワートランジスタＱ５に逆並列に接続されるダイオードＤ５とからなる。Ｖ相アーム１５４の下アームは、パワートランジスタＱ６と、パワートランジスタＱ６に逆並列に接続されるダイオードＤ６とからなる。Ｗ相アーム１５６の上アームは、パワートランジスタＱ７と、パワートランジスタＱ７に逆並列に接続されるダイオードＤ７とからなる。Ｗ相アーム５６の下アームは、パワートランジスタＱ８と、パワートランジスタＱ８に逆並列に接続されるダイオードＤ８とからなる。各相アームのパワートランジスタの接続点は、対応する出力ラインを介してモータジェネレータ１１０の対応する相のコイルの反中性点側に接続されている。

なお、図中では、Ｕ相アーム１５２からＷ相アーム１５６の上アームおよび下アームが、それぞれ、パワートランジスタとダイオードとからなる１つの半導体モジュールから構成されている場合が示されているが、複数の半導体モジュールにより構成されても良い。

インバータ１３０は、制御装置１４０からの制御信号に基づいて、電源ラインＰＬ２から受け取る直流電圧を交流電圧に変換してモータジェネレータ１１０へ出力する。インバータ１３０は、モータジェネレータ１１０によって発電された交流電圧を直流電圧に整流して電源ラインＰＬ２に供給する。

コンデンサＣ１は、電源ラインＰＬ１，ＰＬ３間に接続され、電源ラインＰＬ１の電圧レベルを平滑化する。コンデンサＣ２は、電源ラインＰＬ２，ＰＬ３間に接続され、電源ラインＰＬ２の電圧レベルを平滑化する。

制御装置１４０は、モータジェネレータ１１０のトルク指令値、各相電流値、およびインバータ１３０の入力電圧に基づいて、モータジェネレータ１１０の各相コイル電圧を演算する。制御装置１４０は、その演算結果に基づいて、パワートランジスタＱ３〜Ｑ８をオン／オフするＰＷＭ信号を生成してインバータ１３０へ出力する。モータジェネレータ１１０の各相電流値は、インバータ１３０の各アームを構成する半導体モジュールに組込まれた電流センサによって検出される。この電流センサは、Ｓ／Ｎ比が向上するように半導体モジュール内に配設されている。制御装置１４０は、上述したトルク指令値およびモータ回転数に基づいてインバータ１３０の入力電圧を最適にするためのパワートランジスタＱ１，Ｑ２のデューティ比を演算する。制御装置１４０は、その結果に基づいてパワートランジスタＱ１，Ｑ２をオン／オフするＰＷＭ信号を生成してコンバータ１２０へ出力する。

さらに、制御装置１４０は、モータジェネレータ１１０によって発電された交流電圧を直流電圧に変換してバッテリＢに充電するため、コンバータ１２０およびインバータ１３０におけるパワートランジスタＱ１〜Ｑ８のスイッチング動作を制御する。

続いて、インバータ１３０の冷却構造について説明を行なう。本実施の形態では、本発明によるパワー半導体素子の冷却構造がインバータ１３０に適用されている。図３は、図１中のインバータの冷却構造を示す平面図である。図４は、図３中のＩＶ−ＩＶ線上に沿ったインバータの断面図である。

図３および図４を参照して、インバータ１３０は、搭載面２１ａおよび搭載面２１ａの反対側に面する設置面２１ｂを有するケース体２１を備える。ケース体２１は、アルミダイキャスト等の鋳造工程により製造されている。ケース体２１を形成する材料として、たとえば鉄やマグネシウムを用いても良い。設置面２１ｂは、搭載面２１ａと同じ方向に面しても良い。

搭載面２１ａには、シリコングリス３４を介して放熱板３３が固定されている。放熱板３３上には、さらに、絶縁基板３２を介して複数のチップ３１が固定されている。たとえば、シリコングリス３４および放熱板３３が設けられず、絶縁基板３２が直接、搭載面２１ａに固定されても良い。複数のチップ３１は、搭載面２１ａ上の互いに離間した位置に設けられている。チップ３１は、Ｕ相アーム１５２からＷ相アーム１５６の上アームおよび下アームに対応して設けられており、パワートランジスタとダイオードとからなる半導体モジュールを含む。なお、図３中では、１２個のチップ３１が示されており、各アームが２つのチップ３１から構成されている場合について示されている。

搭載面２１ａには、チップ３１が相対的に疎に配置された領域１１および１２と、チップ３１が相対的に密に配置された領域１３とが形成されている。領域１１および１２には、それぞれ、チップ３１Ｃおよびチップ３１Ａが配設されており、領域１３には、チップ３１Ｂが配設されている。チップ３１Ａおよび３１Ｃは、隣り合うチップ３１との距離が相対的に大きく、チップ３１Ｂは、隣り合うチップ３１との距離が相対的に小さい。チップ３１Ｂは、チップ３１Ａとチップ３１Ｃとの間に配置されている。

搭載面２１ａには、後述のストレート部１５に対向する領域１１および１２と、ストレート部１５に対向し、領域１１および１２と比較してチップ３１が密に配置された領域１３と、後述の湾曲部１６に対向する領域１４とが形成されている。

領域１１および１２には、それぞれ、チップ３１Ｃおよびチップ３１Ａが複数ずつ配設されている。領域１３には、チップ３１Ｂが複数、配設されている。それぞれの領域で互いに隣り合うチップ間の距離の平均値を求めた場合に（たとえば、領域１１におけるチップ間の距離の平均値は、（Ｌ１＋Ｌ２）／２）、領域１３におけるチップ間の距離の平均値は、領域１１および１２におけるチップ間の距離の平均値よりも小さくなる。すなわち、チップ３１Ｃおよび３１Ａは、隣り合うチップ間の距離が相対的に大きくなるように配設され、チップ３１Ｂは、隣り合うチップ間の距離が相対的に小さくなるように配設されている。領域１４には、チップ３１Ｄが配設されている。

設置面２１ｂ上には、冷却水通路２６が形成されている。冷却水通路２６には、チップ３１を冷却するための冷却水が流通する。冷却水通路２６は、チップ３１を搭載する搭載面２１ａに対向して形成されている。冷却水通路２６は、冷却水が供給される供給口２３と、冷却水が排出される排出口２４とを有し、供給口２３と排出口２４との間で延びている。冷却水通路２６は、搭載面２１ａに平行に延びている。冷却水通路２６は、搭載面２１ａを平面的に見た場合に、チップ３１の搭載位置と重なるように延びている。

冷却水通路２６は、設置面２１ｂ上で蛇行しながら延びている。冷却水通路２６は、設置面２１ｂ上で直線上に延びるストレート部１５と、ストレート部１５に接続され、設置面２１ｂ上で湾曲しながら延びる湾曲部１６とを有する。供給口２３から排出口２４に向かう冷却水通路２６の経路上に、ストレート部１５と湾曲部１６とが交互に設けられている。ストレート部１５は、一方向に並んで複数、設けられている。複数のストレート部１５は、互いに平行に延びている。複数のストレート部１５は、互いに異なる方向に延びても良い。湾曲部１６は、隣り合う複数のストレート部１５間を接続している。湾曲部１６は、延びる方向を１８０°変化させながら延びている。チップ３１Ａ、３１Ｂおよび３１Ｃは、ストレート部１５に対向する位置で順に並んでいる。

供給口２３を通じて冷却水通路２６に供給された冷却水は、冷却水通路２６の経路に沿って流れる。この間、冷却水は、ケース体２１を介してチップ３１と熱交換を行ない、チップ３１を冷却する。チップ３１との熱交換によって温度上昇した冷却水は、排出口２４を通じて冷却水通路２６から排出される。

図５は、図３中の冷却水通路を示す斜視図である。図３から図５を参照して、冷却水通路２６には、フィン４１が設けられている。フィン４１は、ケース体２１を介して行なわれる、チップ３１と冷却水通路２６に流れる冷却水との間の熱交換を促進させる。フィン４１は、設置面２１ｂから突出している。フィン４１は、ケース体２１に一体に形成されている。フィン４１は、ケース体２１とは別体に設けられ、ケース体２１に固定されても良い。冷却水の流れ方向の直交平面により切断された場合のフィン４１の断面形状は、図４中に示す矩形に限定されず、たとえば山形であっても良い。

フィン４１は、冷却水通路２６が延びる方向の直交方向に間隔を隔てて複数、形成されている。フィン４１は、冷却水通路２６が延びる方向に沿って延びている。複数のフィン４１は、等間隔に配置されている。複数のフィン４１は、異なる間隔で配置されても良い。

フィン４１は、ストレートフィン部４２と、ウェーブフィン部４３とを有する。ストレートフィン部４２とウェーブフィン部４３とは、フィン４１が冷却水通路２６に沿って延びる区間の互いに異なる区間に配設されている。フィン４１は、ストレートフィン部４２とウェーブフィン部４３とのみから構成されている。

ストレートフィン部４２は、ストレートフィンから形成されている。すなわち、ストレートフィン部４２は、冷却水通路２６の経路に沿って冷却水の流れ方向に延在する表面４２ａから形成されている。表面４２ａは、平滑面により形成されている。ストレートフィン部４２は、冷却水通路２６の経路に平行に延びている。ストレートフィン部４２は、設置面２１ｂに接続される下端からその反対側に位置する上端まで、表面４２ａにより形成されている。

ウェーブフィン部４３は、ウェーブフィンから形成されている。すなわち、ウェーブフィン部４３は、冷却水通路２６の経路に沿って冷却水の流れ方向に交差する方向に延在する表面４３ａを有する。表面４３ａは、冷却水通路２６の経路に沿って凹凸を繰り返す凹凸面により形成されている。表面４３ａは、湾曲面により形成されている。ウェーブフィン部４３は、冷却水通路２６の経路に沿って波打ちながら延びている。ウェーブフィン部４３は、下端から上端まで表面４３ａにより形成されている。冷却水通路２６の経路の単位長さ当たりの表面４３ａの面積は、表面４２ａの面積よりも大きい。

ストレートフィン部４２は、領域１１、１２および１４に対向するように設けられている。ウェーブフィン部４３は、領域１３に対向するように設けられている。すなわち、搭載面２１ａを平面的に見た場合に、ストレートフィン部４２は、チップ３１Ａ、３１Ｃおよび３１Ｄに重なるように設けられている。ウェーブフィン部４３は、チップ３１Ｂに重なるように設けられている。なお、領域１４に対向する位置には、ストレートフィン部４２に替えてウェーブフィン部４３が設けられても良い。

図６は、冷却水とフィンとの熱伝達係数を、ウェーブフィン部およびストレートフィン部間で比較する方法を示す図である。図６（Ａ）および図６（Ｂ）には、それぞれ、ウェーブフィン部４３およびストレートフィン部４２が示されている。

図６を参照して、ウェーブフィン部４３は、冷却水通路２６に流通する冷却水との熱伝達係数が、ストレートフィン部４２よりも大きくなるように設けられている。ウェーブフィン部４３の表面４３ａ上では、冷却水の流れにより積極的に乱流が形成され、冷却水とウェーブフィン部４３との熱交換が促進される。

ウェーブフィン部４３およびストレートフィン部４２間の熱伝達係数の大小関係は、たとえば、以下に説明する方法により測定される。

チップ３１の近傍に、抵抗を含み、電流を供給することによって発熱するヒートチップ４５を配置する。ヒートチップ４５を発熱させ、チップ３１に熱量Ｑを与える。一定の時間が経過した後、チップ３１の温度Ｔａと冷却水の温度Ｔｂとを測定する。チップ３１の温度Ｔａと冷却水の温度Ｔｂとの温度差ΔＴ（＝Ｔａ−Ｔｂ）を算出する。以上の測定を、ストレートフィン部４２を用いた場合と、ウェーブフィン部４３を用いた場合とのそれぞれで実施する。この際、チップ３１に加える熱量Ｑや、流速、温度等の冷却水の流通条件、チップ３１およびフィン４１間の境界条件等、全て等しい条件のもとでそれぞれの測定を行なう。

ストレートフィン部４２を用いた場合と、ウェーブフィン部４３を用いた場合とで、温度差ΔＴを比較する。温度差ΔＴが、ストレートフィン部４２を用いた場合よりもウェーブフィン部４３を用いた場合の方が大きい場合に、冷却水とウェーブフィン部４３との熱伝達係数が、冷却水とストレートフィン部４２との熱伝達係数よりも大きいと判断される。

図７は、図３中のチップの温度を示すグラフである。図７を参照して、グラフ中では、図３中のチップ３１Ａから３１Ｃの温度が示されている。線分１０１は、フィン４１が設けられていない場合のチップ３１の温度を示す。線分１０２は、ストレートフィン部４２とウェーブフィン部４３とを併用したフィン４１が設けられている場合のチップ３１の温度を示す。

フィン４１が設けられていない場合、領域１３に配置されたチップ３１Ｂの温度は、周りに配置されたチップ３１の温度の影響を大きく受けるため、相対的に高くなり、領域１１および１２に配置されたチップ３１Ｃおよび３１Ａの温度は、周りに配置されたチップ３１の温度の影響をあまり受けないため、相対的に低くなる。

本実施の形態では、ストレートフィン部４２とウェーブフィン部４３とを併用したフィン４１を設けることによって、チップ３１Ｂの冷却効率を優先的に改善する。これにより、チップ３１Ａおよび３１Ｃと比較して、チップ３１Ｂの温度を大幅に低減させることができる。熱に対するインバータ１３０の性能は、温度が最も高くなるチップ３１により決定されるため、インバータ１３０の性能を効果的に向上させることができる。

仮にフィン４１をウェーブフィン部４３のみから形成した場合、チップ３１Ａから３１Ｃの温度を一様に低減することができる。しかしながら、冷却水流れは、ウェーブフィン部４３によって妨げられるため、冷却水流れの圧損が増大するおそれが生じる。これに対して、本実施の形態では、ストレートフィン部４２とウェーブフィン部４３とを併用するため、冷却水流れの圧損の増大を最小限に抑えることができる。

この発明の実施の形態１におけるパワー半導体素子の冷却構造は、搭載面２１ａに搭載された複数のパワー半導体素子としてのチップ３１と、搭載面２１ａに対向して形成され、チップ３１を冷却する冷媒としての冷却水が流通する冷媒通路としての冷却水通路２６と、冷却水通路２６に設けられたフィン４１とを備える。フィン４１は、互いに冷却水通路２６の経路上の異なる区間に配設された第１の部分としてのストレートフィン部４２と第２の部分としてのウェーブフィン部４３とを有する。ストレートフィン部４２は、冷却水通路２６の経路に沿って冷却水の流れ方向に延在する表面４２ａから形成されている。ウェーブフィン部４３は、冷却水通路２６の経路に沿って冷却水の流れ方向に交差する方向に延在する表面４３ａを有する。ウェーブフィン部４３は、ストレートフィン部４２より冷却水との熱伝達係数が大きくなる形態で設けられている。

このように構成された、この発明の実施の形態１におけるパワー半導体素子の冷却構造によれば、比較的温度が高くなるチップ３１の冷却効率を優先的に改善しつつ、冷却水流量の確保を図ることで、インバータ１３０の冷却性能を効果的に向上させることができる。これにより、インバータ１３０の小型化を図り、ハイブリッド車両に対するインバータ１３０の搭載性を向上させることができる。また、ウォータポンプ３４０で消費される電力を抑え、ハイブリッド車両の燃費を向上させたり、ウォータポンプ３４０で発生するノイズや振動（ＮＶ：Noise and Vibration）を低減することができる。

図８は、図５中のフィンの変形例を示す冷却水通路の斜視図である。図８を参照して、図５中のウェーブフィン部４３が一定の厚みを有するのに対して、本変形例では、ウェーブフィン部４３が、冷却水通路２６の経路に沿って繰り返し厚みを増減させながら延びている。

また、別の変形例として、フィン４１は、ストレートフィン部４２と、ウェーブフィン部４３に替えて、冷却水通路２６の経路に沿ってジグザグ状に延びる屈曲フィン部とを有しても良い。これらの変形例によっても、上述の効果を同様に得ることができる。

また、ウェーブフィン部４３が設けられる位置は、チップ３１の発熱が最も大きくなる領域１３に限定されず、他の領域であっても良い。

図９は、チップの温度のばらつきを示すグラフである。図９を参照して、グラフ中では、相対的に大きい発熱を伴うチップ３１Ｘと、相対的に小さい発熱を伴うチップ３１Ｙとが想定されている。図９（Ａ）は、フィン４１が設けられていない場合のチップの温度のばらつきを示す。図９（Ｂ）は、ストレートフィン部４２がチップＸに対向して設けられ、ウェーブフィン部４３がチップ３１Ｙに対向して設けられた場合のチップの温度のばらつきを示す。チップ３１Ｘおよび３１Ｙには、それぞれ、温度のばらつき７１および７２が存在する。

チップ３１の温度情報に基づいてインバータ１３０に対する負荷を抑える制御を、チップ３１の温度検出箇所を少なく抑えて実施しようとすると、相対的に大きい発熱を伴うチップ３１Ｘの温度をセンシングする必要がある。

しかしながら、図９（Ａ）中のフィン４１が設けられていない場合、ばらつき７１とばらつき７２とがオーバラップする温度領域７３が存在すると、ばらつき７１の下限温度Ｔ１よりも小さい、ばらつき７２の下限温度Ｔ２で、インバータ１３０への負荷を抑えなければならない。これに対して、ウェーブフィン部４３をチップ３１Ｙに対向して設け、チップ３１Ｙの冷却効率を優先的に改善させることにより、温度領域７３を存在させないようにばらつき７１および７２を設定することが可能になる。このとき、ばらつき７１の下限温度Ｔ３でインバータ１３０への負荷を抑えることができる。

（実施の形態２）
図１０は、この発明の実施の形態２におけるパワー半導体素子の冷却構造を示す斜視図である。図１０は、実施の形態１における図５に対応する図である。本実施の形態におけるパワー半導体素子の冷却構造は、実施の形態１におけるパワー半導体素子の冷却構造と比較して、基本的には同様の構造を備える。以下、重複する構造については説明を繰り返さない。

図１０を参照して、本実施の形態では、フィン４１は、ストレートフィン部４２と、図５中のウェーブフィン部４３に替えて設けられたピンフィン部５１とを備える。ピンフィン部５１は、設置面２１ｂから冷却水通路２６に向けて突出する複数のピンフィンから形成されている。複数のピンフィンは、互いに間隔を隔てて配置されている。複数のピンフィンは、等間隔に配置されている。複数のピンフィンは、冷却水の流れ方向において千鳥状に配置されている。複数のピンフィンは、マトリクス状に配置されても良い。

ピンフィン部５１は、冷却水通路２６に流通する冷却水との熱伝達係数が、ストレートフィン部４２よりも大きくなるように設けられている。冷却水通路２６を流通する冷却水がピンフィン部５１に衝突することによって、冷却水の流れにより積極的に乱流が形成され、冷却水とピンフィン部５１との間の熱交換が促進される。

この発明の実施の形態２におけるパワー半導体素子の冷却構造では、第２の部分としてのピンフィン部５１が、互いに間隔を隔てて立設された複数のピンフィンから形成されている。

このように構成された、この発明の実施の形態２におけるパワー半導体素子の冷却構造によれば、実施の形態１に記載の効果を同様に得ることができる。

（実施の形態３）
図１１は、この発明の実施の形態３におけるパワー半導体素子の冷却構造を示す平面図である。図１１は、実施の形態１における図３に対応する図である。図１２は、図１１中のＸＩＩ−ＸＩＩ線上に沿った冷却水通路の断面図である。本実施の形態におけるパワー半導体素子の冷却構造は、実施の形態１におけるパワー半導体素子の冷却構造と比較して、部分的に同様の構造を備える。以下、重複する構造については説明を繰り返さない。

図１１および図１２を参照して、本実施の形態では、冷却水通路２６が、複数のストレート部１５を有する。複数のチップ３１が、ストレート部１５に対向する位置に並んでいる。チップ３１が相対的に密に配置された領域１３には、チップ３１Ｄ、３１Ｅおよび３１Ｆが配設されており、チップ３１が相対的に疎に配置された領域１２には、その他のチップ３１が配設されている。チップ３１Ｄ、３１Ｅおよび３１Ｆは、それぞれ、ストレート部１５に対向して並ぶ複数のチップ３１の中央部に配置されている。

本実施の形態では、フィン４１は、ストレートフィン部４２から構成されている。フィン４１は、領域１２に対向するように設けられている。すなわち、搭載面２１ａを平面的に見た場合に、フィン４１は、チップ３１Ｄ、３１Ｅおよび３１Ｆを除いた残りのチップ３１に重なるように設けられている。

冷却水通路２６に向けて冷却水を供給する供給口２３は、冷却水通路２６の経路上に開口している。供給口２３は、チップ３１Ｄ、３１Ｅおよび３１Ｆに向い合って開口している。供給口２３から冷却水通路２６に供給された冷却水は、チップ３１Ｄ、３１Ｅおよび３１Ｆに向けて噴出される。

このような構成により、チップ３１Ｄ、３１Ｅおよび３１Ｆの冷却効率が、他のチップ３１の冷却効率よりも優先的に改善される。また、全てのチップ３１に向けて冷却水を噴出するように供給口２３を設ける場合と比較して、冷却水流れの圧損を小さく抑えることができる。

この発明の実施の形態３におけるパワー半導体素子の冷却構造は、搭載面２１ａに搭載された複数のパワー半導体素子としてのチップ３１と、搭載面２１ａに対向して形成され、チップ３１を冷却する冷媒としての冷却水が流通する冷媒通路としての冷却水通路２６と、冷却水通路２６に設けられ、冷却水通路２６の経路に沿って冷却水の流れ方向に延在する表面４２ａから形成されたフィン４１と、冷却水通路２６の経路上に開口し、複数のチップ３１のうちの一部のチップ３１としてのチップ３１Ｄ、３１Ｅおよび３１Ｆに向けて冷却水を噴出する冷媒供給部としての供給口２３とを備える。

このように構成された、この発明の実施の形態３におけるパワー半導体素子の冷却構造によれば、実施の形態１に記載の効果と同様の効果を得ることができる。

なお、実施の形態１から３に説明したパワー半導体素子の冷却構造を適宜、組み合わせて、別の冷却構造を構成しても良い。以下、その一例について説明を行なう。

図１３は、複数の実施の形態が組み合わされて構成されたインバータの冷却構造を示す断面図である。図１３を参照して、この例では、ケース体２１によって、冷却水通路２６ｐおよび２６ｑが互いに対向して形成されている。冷却水通路２６ｐに対して冷却水通路２６ｑの反対側と、冷却水通路２６ｑに対して冷却水通路２６ｐの反対側との双方に、チップ３１が配設されている。

冷却水通路２６ｐと冷却水通路２６ｑとは、供給口２３を通じて連通している。供給口２３は、チップ３１と向い合うように冷却水通路２６ｑに開口している。冷却水通路２６ｐは、冷却水流れの上流側に配置され、冷却水通路２６ｑは、冷却水流れの下流側に配置されている。すなわち、冷却水通路２６ｐを流通する冷却水は、供給口２３を通って冷却水通路２６ｑに供給される。

冷却水通路２６ｐには、実施の形態１におけるストレートフィン部４２とウェーブフィン部４３とからなるフィン４１が配設されている。冷却水通路２６ｐには、実施の形態２におけるストレートフィン部４２とピンフィン部５１とからなるフィン４１が配設されても良い。冷却水通路２６ｑには、実施の形態３におけるストレートフィン部４２からなるフィン４１が配設されている。

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。

ＨＶシステムの冷却系を示す斜視図である。 ＨＶシステムの主要部を示す電気回路図である。 図１中のインバータの冷却構造を示す平面図である。 図３中のＩＶ−ＩＶ線上に沿ったインバータの断面図である。 図３中の冷却水通路を示す斜視図である。 冷却水とフィンとの熱伝達係数を、ウェーブフィン部およびストレートフィン部間で比較する方法を示す図である。 図３中のチップの温度を示すグラフである。 図５中のフィンの変形例を示す冷却水通路の斜視図である。 チップの温度のばらつきを示すグラフである。 この発明の実施の形態２におけるパワー半導体素子の冷却構造を示す斜視図である。 この発明の実施の形態３におけるパワー半導体素子の冷却構造を示す平面図である。 図１１中のＸＩＩ−ＸＩＩ線上に沿った冷却水通路の断面図である。 複数の実施の形態が組み合わされて構成されたインバータの冷却構造を示す断面図である。

符号の説明

１１，１２，１３，１４ 領域、２１ａ 搭載面、２３ 供給口、２６，２６ｐ，２６ｑ 冷却水通路、３１，３１Ａ〜３１Ｆ チップ、４１ フィン、４２ ストレートフィン部、４２ａ，４３ａ 表面、４３ ウェーブフィン部、５１ ピンフィン部、１３０ インバータ。

Claims (3)

1. 搭載面に搭載された複数のパワー半導体素子と、
   前記搭載面に対向して形成され、前記複数のパワー半導体素子を冷却する冷媒が流通する冷媒通路と、
   前記冷媒通路に設けられ、互いに前記冷媒通路の経路上の異なる区間に配設された第１の部分と第２の部分とを有するフィンとを備え、
   前記第１の部分は、前記冷媒通路の経路に沿って冷媒の流れ方向に延在する表面から形成されており、
   前記第２の部分は、前記冷媒通路の経路に沿って冷媒の流れ方向に交差する方向に延在する表面を有し、前記第１の部分より冷媒との熱伝達係数が大きくなる形態で設けられ、
   前記冷媒通路は、直線状に延びるストレート部と、前記ストレート部に接続され、湾曲しながら延びる湾曲部とを有し、
   前記搭載面上には、前記ストレート部に対向する第１領域と、前記ストレート部に対向し、前記第１領域よりも前記複数のパワー半導体素子が密に配置された第２領域と、前記湾曲部に対向する第３領域とが形成され、
   前記第１の部分は、前記第１領域および前記第３領域に対向して設けられ、前記第２の部分は、前記第２領域に対向して設けられている、パワー半導体素子の冷却構造。
2. 前記第２の部分は、設置面上に立設され、前記冷媒通路の経路に沿って波打ちながら延びるウェーブフィンから形成されている、請求項１に記載のパワー半導体素子の冷却構造。
3. 搭載面に搭載された複数のパワー半導体素子と、
   前記搭載面に対向して形成され、前記複数のパワー半導体素子を冷却する冷媒が流通する冷媒通路と、
   前記冷媒通路に設けられ、互いに前記冷媒通路の経路上の異なる区間に配設された第１の部分と第２の部分とを有するフィンとを備え、
   前記第１の部分は、前記冷媒通路の経路に沿って冷媒の流れ方向に延在する表面から形成されており、
   前記第２の部分は、互いに間隔を隔てて立設された複数のピンフィンから形成され、前記第１の部分より冷媒との熱伝達係数が大きくなる形態で設けられ、
   前記冷媒通路は、直線状に延びるストレート部と、前記ストレート部に接続され、湾曲しながら延びる湾曲部とを有し、
   前記搭載面上には、前記ストレート部に対向する第１領域と、前記ストレート部に対向し、前記第１領域よりも前記複数のパワー半導体素子が密に配置された第２領域と、前記湾曲部に対向する第３領域とが形成され、
   前記第１の部分は、前記第１領域および前記第３領域に対向して設けられ、前記第２の部分は、前記第２領域に対向して設けられている、パワー半導体素子の冷却構造。

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