JP6569888B2 - 冷却機能付半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置を冷却しつつ駆動する冷却機能付半導体装置に関する。

半導体装置は、小形化・高密度化とともに半導体素子の集積化が進展し、電力消費時の発熱量も増加している。この半導体装置の冷却は、ファンからの気流により冷却する強制換気が一般的である。この半導体装置の一例として、二系統の半導体装置を搭載して一系統のみ交互に稼働する装置がある。この場合、二系統の半導体装置を冷却する機能が必要になる。

このような二系統の半導体装置を冷却する冷却機能付半導体装置の従来技術について図４を参照しつつ説明する。冷却機能付半導体装置１００は、第１半導体装置１０１、第２半導体装置１０２、冷却ファン１０３、給気口１０４、排気口１０５、筐体１０６を備える。

この冷却機能付半導体装置１００では、第１半導体装置１０１および第２半導体装置１０２という二系統の半導体装置を備え、これらを１つのスタックとして、筐体１０６の収容空間１０６ａに収容する。そして、二系統のうち何れかの一系統の半導体装置を稼働させ、他の系統の半導体装置は停止させる。このような稼働を交互に行う。

図４では、第１半導体装置１０１が稼働し、第２半導体装置１０２は停止している。この図４では、稼働する第１半導体装置１０１をハッチングで表し、また、停止する第２半導体装置１０２を白抜きで表している。

収容空間１０６ａ内には、冷却ファン１０３により強制的に気流が形成される。この装置では、冷却ファン１０３が上下で二段に配置されており、上下の第１半導体装置１０１および第２半導体装置１０２のそれぞれに常時気流が流れるようにして冷却する。このような気流は、給気口１０４から収容空間１０６ａ内に導入され、上下の冷却ファン１０３、上下の第１半導体装置１０１および第２半導体装置１０２を経て排気口１０５から排気され、高温の空気が外界へ放出される。

また、複数系統の半導体装置を冷却する冷却機能付半導体装置に関連する他の従来技術について特許文献１に記載のものが知られている。この特許文献１に記載のインバータ制御盤を図５に示す。インバータ制御盤２００は、インバータ収納盤２０１、インバータ収納ユニット扉２０２、排気ファン２０３、吸気ファン２０４、インバータ収納ユニット２０５、インバータ２０６、排気ダクト２０７を備える。

インバータ収納盤２０１には、その収容空間の内部に複数のインバータ収納ユニット２０５が上下方向で多段に収容されている。各インバータ収納ユニット２０５にはそれぞれインバータ２０６が格納されている。インバータ収納盤２０１の前側であって、各インバータ収納ユニット２０５のインバータ収納ユニット扉２０２には吸気ファン２０４が設置されている。また、インバータ収納盤２０１の後側において、複数のインバータ収納ユニット２０５の配列に沿って上下に延びる排気ダクト２０７が形成されている。排気ダクト２０７の上側には排気ファン２０３が設置されている。

このようなインバータ制御盤２００の内部を冷却する場合、吸気ファン２０４がインバータ収納ユニット２０５内に気流２０８を送り込み、この気流２０８がインバータ２０６を冷却する。そして、高温の気流２０８は、インバータ収納ユニット２０５の後ろ側にある排気ダクト２０７へ排気される。排気ファン２０３は、排気ダクト２０７に排出された高温の空気を上側に集めてインバータ制御盤２００の外部に排出する。

特開２０１３−１２８３３４号公報（明細書の段落番号［００２４］，図１）

このような冷却機能付半導体装置は、設置に大きなスペースが必要となることから、装置の小形化・コンパクト化が重要課題となっている。図４に示した従来技術では、両系統を冷却するための風路をそれぞれ確保する必要があり、上下にスタックをなす第１半導体装置１０１および第２半導体装置１０２に合せて風路を大きくする必要があった。この場合、休止側の半導体装置を冷却するための風路は冷却に有効であるとはいえない。このように、空間を効率的に利用していないという問題があった。

また、図４に示した従来技術では、表裏面で給排気口が設けられているが、たとえば冷却機能付半導体装置の周辺に他の装置が密集配置され、給気口や排気口の付近に壁や他の装置がある場合には、給排気に制約を受けるという問題があった。

また、図５に示した従来技術でも、休止中の半導体装置を冷却するための風路は、使用されていないことになる。例えば、一番上側のインバータ２０６が稼働しているときに排気ダクト２０７の下側は使用されていない風路となり、空間を効率的に利用していないという問題があった。

冷却機能付半導体装置は、小型化要求を満たすため風路の体積縮小が求められており、上記したような効率の悪い空間使用を回避したいという事情があった。

そこで、本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡易な構成であり、かつ空間を効率的に使用する風路を形成して装置全体を小形化するとともに、内部に収納した装置を効率的に冷却する冷却機能付半導体装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、
第１半導体装置と、
前記第１半導体装置が積載されて前記第１半導体装置とともにスタックを構成する第２半導体装置と、
前記第１半導体装置と前記第２半導体装置との間で連通する通風路と、
前記第１半導体装置への給気または前記第１半導体装置からの排気を行う第１ファンと、
前記第２半導体装置への給気または前記第２半導体装置からの排気を行う第２ファンと、
前記第１ファンおよび前記第２ファンの動作制御を行う制御駆動部と、を備え、
前記第１半導体装置または前記第２半導体装置の何れか一方のみ稼働する冷却機能付半導体装置であって、
前記制御駆動部は、
前記第１半導体装置の稼働時に前記第１ファンを排気動作させて前記第２ファンを給気動作させることにより、停止状態の前記第２半導体装置側から前記通風路を介して前記第１半導体装置側に向かう一連の風路を形成し、かつ、
前記第２半導体装置の稼働時に前記第１ファンを給気動作させて前記第２ファンを排気動作させることにより、停止状態の前記第１半導体装置側から前記通風路を介して前記第２半導体装置側に向かう一連の風路を形成することを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の冷却機能付半導体装置において、
前記第１半導体装置、前記第２半導体装置、前記通風路、前記第１ファン、前記第２ファン、および、前記制御駆動部が収容される筐体を備え、
前記筐体は、前記第１半導体装置および前記第２半導体装置が設置される収容空間を有し、
前記通風路は、前記収容空間に前記第１半導体装置および前記第２半導体装置を配置することにより形成される内部奥側の残余空間であることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項２に記載の冷却機能付半導体装置において、
前記第１ファン、前記第１半導体装置、前記通風路、前記第２半導体装置および前記第２ファンを並べて略Ｕ字状の一連の風路が形成され、前記第１ファンおよび前記第２ファンが前記筐体の一の側面にともに配置されるとともに、前記第１半導体装置および前記第２半導体装置が前記筐体の中央部よりも前記第１ファンおよび前記第２ファン側に配置されていることを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項３に記載の冷却機能付半導体装置において、
前記収容空間では、前記第１半導体装置が上側に、前記第２半導体装置が下側にそれぞれ配置されており、前記通風路は、縦長に形成されることを特徴とする。

請求項５に係る発明は、請求項１〜請求項４の何れか一項に記載の冷却機能付半導体装置において、
前記第１半導体装置および前記第２半導体装置は前記制御駆動部に接続され、前記制御駆動部は、前記第１半導体装置または前記第２半導体装置の稼働または停止に応じて自動的に前記第１ファンおよび前記第２ファンの排気動作または給気動作を切り換えることを特徴とする。

本発明によれば、簡易な構成であり、かつ空間を効率的に使用する風路を形成して装置全体を小形化するとともに、内部に収納した装置を効率的に冷却する冷却機能付半導体装置を提供することができる。

本発明を実施するための形態の冷却機能付半導体装置による第１半導体装置の冷却動作の説明図である。 本発明を実施するための形態の冷却機能付半導体装置による第２半導体装置の冷却動作の説明図である。 本発明を実施するための形態の冷却機能付半導体装置の一例であるインバータ装置の回路ブロック図である。 従来技術の冷却機能付半導体装置の内部構成図である。 特許文献１に記載の従来技術のインバータ制御盤の内部構成図である。

続いて、本発明を実施するための形態の冷却機能付半導体装置について図１を参照しつつ説明する。冷却機能付半導体装置１０は、第１半導体装置１１、第２半導体装置１２、第１開口１３、第２開口１４、通風路１５、第１ファン１６、第２ファン１７、制御駆動部１８、筐体１９を少なくとも備える。

第１半導体装置１１は、半導体素子を含む装置であり、例えば、半導体素子およびその駆動回路を有する回路基板である。
第２半導体装置１２も、半導体素子を含む装置であり、例えば、半導体素子およびその駆動回路を有する回路基板である。

これら第１半導体装置１１および第２半導体装置１２は、電力変換時の電気的損失により発熱する発熱機器でもある。このように半導体装置が二系統あり、これら半導体装置を上下に積載して１つのスタックとして搭載する。そして、第１半導体装置１１か第２半導体装置１２かの何れか一系統を稼働する。

第１開口１３は、冷却機能付半導体装置１０の背面にあって第１ファン１６の付近に位置するように筐体１９に設けられている。
第２開口１４は、冷却機能付半導体装置１０の背面にあって第２ファン１７の付近に位置するように筐体１９に設けられている。なお、第１開口１３および第２開口１４は、本形態では筐体１９の背面に形成されるものとして説明するが、実情に応じて側面や正面に形成しても良い。

通風路１５は、上側の第１半導体装置１１と下側の第２半導体装置１２との間で連通する風路である。この通風路１５は、何れの系統が動作する場合においても冷却に利用される風路であり、空間の効率的利用を実現している。この通風路１５の形成等は筐体１９の収容空間１９ａの説明と関連するものであり後述する。

第１ファン１６は、第１開口１３を通じて、第１半導体装置１１への給気または第１半導体装置１１からの排気を行う。この給気とは、外界から第１半導体装置１１へ流れる気流を発生させることであり、また、排気とは、第１半導体装置１１から外界へ流れる気流を発生させることである。

第２ファン１７は、第２開口１４を通じて、第２半導体装置１２への給気または第２半導体装置１２からの排気を行う。この給気とは、外界から第２半導体装置１２へ流れる気流を発生させることであり、また、排気とは、第２半導体装置１２から外界へ流れる気流を発生させることである。

制御駆動部１８は、図１で示すように、第１半導体装置１１が稼働するときは、第１ファン１６を排気にするとともに第２ファン１７を給気にする駆動制御を行い、第２半導体装置１２から通風路１５を介して第１半導体装置１１へ流れる一連の風路を形成する。また、制御駆動部１８は、図２で示すように、第２半導体装置１２が稼働するときは、第１ファン１６を給気にするとともに第２ファン１７を排気にする駆動制御を行い、第１半導体装置１１から通風路１５を介して第２半導体装置１２へ流れる一連の風路を形成する。この気流の送気方向の変更は、第１ファン１６や第２ファン１７の回転方向の変更のみで実現される。

筐体１９は、先に説明した各構成を搭載しており、特に収容空間１９ａを有する。この収容空間１９ａは、背面の一の開口部以外は隔壁により区画されている空間である。このような筐体１９は、屋内、または、屋外に設置できるようになされている。冷却機能付半導体装置１０の各構成はこのようなものである。

続いて、冷却機能付半導体装置１０内の風路について説明する。まず、通風路１５の形成について説明する。筐体１９の収容空間１９ａ内に、第１半導体装置１１を上側に、第２半導体装置１２を下側に配置することで、縦長の残余空間を形成する。この残余空間は、収容空間１９ａ、第１半導体装置１１および第２半導体装置１２で仕切られており、背面から視たときに内部奥側にある通風路１５となる。内部奥側では通風路１５しか気流の移動は行えない構造となっている。

そして、冷却機能付半導体装置１０内の風路は、上記の第１開口１３、第１ファン１６、第１半導体装置１１、通風路１５、第２半導体装置１２、第２ファン１７および第２開口１４を並べて横から見て略Ｕ字状に形成されている。この風路の第１開口１３および第２開口１４は筐体１９の背面側に位置する。

このような風路を形成したことで以下のような利点を有する。
（１）２系統の第１半導体装置１１および第２半導体装置１２を略Ｕ字状の風路の両方の開口側に配置した。例えば、図４の従来技術と比較しても、本発明では共通の風路内を双方向に気流が流れるようにしており、風路の開口面積を狭くし、また、風路用の空間を少なくしている。

（２）冷却機能付半導体装置１０では、特に第１半導体装置１１および第２半導体装置１２の二系統のうち何れか一系統のみ稼働する。そして、休止側の半導体装置を風路の一部として利用する。したがって、図５の従来技術と比較しても、風路の距離を短くし、風路用の空間を少なくしている。

（３）通風路１５自体が外側に連通していない。このため構造が簡素化され、製造を容易にし、製造コストを低減する。

（４）従来では給気口と排気口は別の面に設けるか、離れた箇所に設けるのが一般的であって給排気口を塞がないように、周辺機器の配置の制約を受けていたが、本発明の冷却機能付半導体装置１０では第１開口１３および第２開口１４を同じ背面に設けている。したがって、両側面に他の装置を配置でき、また、正面では高温の空気を放出することもなくなり、密集箇所での配置の実現に寄与する。

続いて、冷却機能付半導体装置１０による冷却について説明する。
まず、図１で示すように、第１半導体装置１１が稼働し、第２半導体装置１２は停止しているものとする。図１では、稼働する第１半導体装置１１をハッチングで表し、また、停止する第２半導体装置１２を白抜きで表している。第１ファン１６が排気ファンとして機能し、また、第２ファン１７が給気ファンとして機能する。

この場合、気流が矢印Ａ方向に流れて、第２開口１４を経て第２ファン１７により給気され、第２半導体装置１２を経て後側の通風路１５へ送られる。気流はこの通風路１５を上昇していき、第１半導体装置１１へ送られる。そして、気流は高温となっている第１半導体装置１１を冷却し、その後に第１ファン１６から第１開口１３を経て矢印Ｂ方向に流れて外部へ排気される。

続いて、図２で示すように、第１半導体装置１１は停止し、第２半導体装置１２が稼働しているものとする。図２では、稼働する第２半導体装置１２をハッチングで表し、また、停止する第１半導体装置１１を白抜きで表している。第１ファン１６が給気ファンとして機能し、また、第２ファン１７が排気ファンとして機能する。

この場合、気流が矢印Ｃ方向に流れて、第１開口１３を経て第１ファン１６により給気され、第１半導体装置１１を経て後側の通風路１５へ送られる。気流はこの通風路１５を下降していき、第２半導体装置１２へ送られる。そして、気流は高温となっている第２半導体装置１２を冷却し、その後に第２ファン１７から第２開口１４を経て矢印Ｄ方向に流れて外部へ排気される。冷却はこのようになる。

続いて冷却機能付半導体装置１０の具体例について説明する。この冷却機能付半導体装置１０は、例えば、商用電源をこれと異なる電圧、周波数の交流電力に変換するインバータ装置である。インバータ装置は、例えば、図３で示すように、変圧器１ａ，１ｂ、電源回路２ａ，２ｂ、制御回路３、第１半導体装置１１、第２半導体装置１２を備える。第１半導体装置１１は半導体素子１１ａ，１１ｂを備え、第２半導体装置１２は半導体素子１２ａ，１２ｂを備える。これらは、図１，２で示した冷却機能付半導体装置１０の筐体内に設置される。この冷却機能付半導体装置１０では１系電源，２系電源という２系統の電源に対してそれぞれ交互に電力変換を行って負荷へ電力を供給する装置である。

変圧器１ａ，１ｂによる降圧後に電源回路２ａ，２ｂが整流した直流電源を制御回路３に供給している。半導体素子１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂは、例えば、サイリスタなどの電力変換用の半導体素子（パワー半導体素子）を複数備えた半導体電力変換器である。制御回路３は、半導体素子１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂをオン・オフ動作させる。第１半導体装置１１、第２半導体装置１２で電力変換が行われるとき、電力変換時の損失により熱を発生するため、効率的に冷却する必要がある。このようなインバータ装置として機能する冷却機能付半導体装置１０とすることができる。

以上、本発明の冷却機能付半導体装置１０について説明した。なお、本発明は各種の改良が可能である。例えば、第１開口１３と第２開口１４とが上下で並んで配置されている。この場合、排気流の一部が給気流に混入すると暖かい気流で冷却することになり、冷却能力が低下するおそれがある。

そこで、第１開口１３と第２開口１４とから突出する筒体を設けたり、また、第１開口１３と第２開口１４とから延びる長尺のダクト（図示せず）を設けたりして、給気箇所と排気箇所とを離して排気流が給気流に確実に混入しなくなるようにしても良い。また、第１開口１３と第２開口１４とを背面から視て左右方向に離間させて配置しても良い。温度が高い冷却風を使用するような事態が起こらないようにして冷却能力を維持することができる。

また、本発明では、第１開口１３、第１ファン１６、第１半導体装置１１、第２開口１４、第２ファン１７、第２半導体装置１２、を全て同じ高さとしても良い。この場合、図１，図２は略Ｕ字状の風路を上から視た図となる。そして、上記のような冷却の運用をすれば同様に冷却効果が見込める。このように構成しても良い。

また、本発明の冷却機能付半導体装置１０では、第１半導体装置１１および第２半導体装置１２も制御駆動部１８に接続し、第１半導体装置１１または第２半導体装置１２の稼働や停止に応じて自動的に第１ファン１６および第２ファン１７の送気方向を上記のように切り換えるようにしても良い。さらに図３に例示したインバータ装置では、この制御駆動部１８が、図３の制御回路３と接続されて、制御回路３により全体制御されるような構成としても良い。

また、本発明の冷却機能付半導体装置１０は、熱を発生する半導体素子を搭載する場合に適用可能である。パワー半導体以外の半導体装置の他の例として高速演算ＣＰＵなど各種考えられる。半導体装置は各種採用することができる。

また、本発明の冷却機能付半導体装置１０は、半導体装置の運転状況に応じて発熱量が上昇したような場合に、例えば温度を検出する図示しない温度センサからの検出信号を入力した制御駆動部１８が回転速度を高くするように変更して冷却性能を高めるなど、状況に応じて最適な状態で動作させることができる。

このような本発明によれば、以下のような効果を有する。
（１）本発明の冷却機能付半導体装置１０は、第１ファン１６と第２ファン１７とを用いて強制的に給排気するので、筐体１９の風路内で空気が滞留することがなく、第１半導体装置１１および第２半導体装置１２内の気流の流れをスムーズにし、冷却効率を向上させている。

（２）また、本発明の冷却機能付半導体装置１０は、気流の流れる方向に沿って視ると、上流側の半導体素子が停止し、また、下流側の半導体素子が稼働しているため、上流側の半導体素子から放熱の影響を受けなくなり、下流側の半導体素子の温度が上流側の半導体素子の放熱により影響されるのを抑制する。したがって、冷却効果を高めることができる。

（３）また、本発明の冷却機能付半導体装置１０は、二系統の半導体装置を１スタックとして構成し、給気側と排気側の開口を同じ面（例えば背面）に設けたため、周辺機器が密集配置された場合でも確実に給排気口を設けることができる。給排気口の設置場所が制約される筺体構造においても、冷却風路を小型化でき、省スペース化を実現する。

（４）また、本発明の冷却機能付半導体装置１０は、風路の断面積は小さくなっており、図４で示したように筐体の内部全体を冷却するため多くのファンを使用する必要がなくなり、少ないファンで給排気をしつつ冷却することが可能である。このため、ファンの省電力化や、風量を少なくしてファンの静音化を実現する。更に風路が小さくなることにより装置の小型化に寄与する。

このような本発明の冷却機能付半導体装置は、電力関係やコンピュータ関係など半導体装置を用いる各種分野に適用可能であり、広範囲な利用を期待できる。

１ａ，１ｂ：変圧器
２ａ，２ｂ：電源回路
３：制御回路
１０：冷却機能付半導体装置
１１：第１半導体装置
１１ａ，１１ｂ：半導体素子
１２：第２半導体装置
１２ａ，１２ｂ：半導体素子
１３：第１開口
１４：第２開口
１５：通風路
１６：第１ファン
１７：第２ファン
１８：制御駆動部
１９：筐体
１９ａ：収容空間

Claims (5)

1. 第１半導体装置と、
   前記第１半導体装置が積載されて前記第１半導体装置とともにスタックを構成する第２半導体装置と、
   前記第１半導体装置と前記第２半導体装置との間で連通する通風路と、
   前記第１半導体装置への給気または前記第１半導体装置からの排気を行う第１ファンと、
   前記第２半導体装置への給気または前記第２半導体装置からの排気を行う第２ファンと、
   前記第１ファンおよび前記第２ファンの動作制御を行う制御駆動部と、を備え、
   前記第１半導体装置または前記第２半導体装置の何れか一方のみ稼働する冷却機能付半導体装置であって、
   前記制御駆動部は、
   前記第１半導体装置の稼働時に前記第１ファンを排気動作させて前記第２ファンを給気動作させることにより、停止状態の前記第２半導体装置側から前記通風路を介して前記第１半導体装置側に向かう一連の風路を形成し、かつ、
   前記第２半導体装置の稼働時に前記第１ファンを給気動作させて前記第２ファンを排気動作させることにより、停止状態の前記第１半導体装置側から前記通風路を介して前記第２半導体装置側に向かう一連の風路を形成することを特徴とする冷却機能付半導体装置。
2. 前記第１半導体装置、前記第２半導体装置、前記通風路、前記第１ファン、前記第２ファン、および、前記制御駆動部が収容される筐体を備え、
   前記筐体は、前記第１半導体装置および前記第２半導体装置が設置される収容空間を有し、
   前記通風路は、前記収容空間に前記第１半導体装置および前記第２半導体装置を配置することにより形成される内部奥側の残余空間であることを特徴とする請求項１に記載の冷却機能付半導体装置。
3. 前記第１ファン、前記第１半導体装置、前記通風路、前記第２半導体装置および前記第２ファンを並べて略Ｕ字状の一連の風路が形成され、前記第１ファンおよび前記第２ファンが前記筐体の一の側面にともに配置されるとともに、前記第１半導体装置および前記第２半導体装置が前記筐体の中央部よりも前記第１ファンおよび前記第２ファン側に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の冷却機能付半導体装置。
4. 前記収容空間では、前記第１半導体装置が上側に、前記第２半導体装置が下側にそれぞれ配置されており、前記通風路は、縦長に形成されることを特徴とする請求項３に記載の冷却機能付半導体装置。
5. 前記第１半導体装置および前記第２半導体装置は前記制御駆動部に接続され、
   前記制御駆動部は、前記第１半導体装置または前記第２半導体装置の稼働または停止に応じて自動的に前記第１ファンおよび前記第２ファンの排気動作または給気動作を切り換えることを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか一項に記載の冷却機能付半導体装置。

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