JP2017112151A - パワーユニットの冷却構造 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却体の大型化や重量化を伴うことなく、パワーユニットの冷却体の冷却能力を高めることができるパワーユニットの冷却構造を提供する。【解決手段】冷却体を送風源からの送風によって冷却する強制空冷方式のパワーユニットの冷却体上に、第一のパワー半導体モジュールを風上に、第二のパワー半導体モジュールを風下に搭載し、冷却体のフィンの長さを風上側において風下側よりも短くなる、具体的には、風上から風下に向かって連続的・直線的にフィンの長さが長くなるようにしている。【選択図】図１

Description

本発明は、パワー半導体デバイスを用いて電力変換を行うパワーエレクトロニクス機器を構成するパワーユニットにおいて、送風源からの送風によって強制空冷される、パワー半導体モジュールを搭載するパワーユニットの冷却構造に関する。

周知のように、パワー半導体デバイスを用いて電力変換を行うパワーエレクトロニクス機器を構成するパワーユニットにおいては、パワー半導体モジュールからの発熱が大きいため、パワー半導体モジュールを冷却体に取付けて冷却することが一般的である。

冷却体への冷却方法としては、空冷や、水冷などの液冷があり、そのうち、空冷に分類される冷却方式として、冷却体に対して特段の送風を行わず自然空冷とすることもあれば、ファン・ブロアなどの送風源からの送風によって強制空冷とすることもある。

空冷用の冷却体は、パワー半導体モジュールを取り付ける平面を提供する平板状の領域であるベース部と、該ベース部のパワー半導体モジュールを取り付ける面とは反対側の面を根元として、パワー半導体モジュールを取り付ける面とは反対方向に向かって突き出るようにして設けられた複数の長方形の冷却板からなるフィン部がある。

いずれも熱伝導性の高い金属で形成されることが一般的であり、ベース部とフィン部が一体成型された、“押し出し型”と呼ばれるタイプの冷却体もあれば、ベース板に対して、フィンを構成する複数の冷却板をカシメて取付けた“カシメフィン”と呼ばれるタイプの冷却体もある。

一般に、冷却体の冷却能力は、フィンの表面積が大きいほど大きくなるため、一般的に、同じ包絡体積であれば、薄い板材のフィンを短い間隔で配列することが容易なカシメフィンのほうが冷却能力を高めやすい。

図４は、従来のパワーユニットの冷却構造の構成を示す概略図である。図４（ａ）では、冷却体４０を送風源１０からの送風によって冷却する強制空冷方式のパワーユニットの冷却体上に、第一のパワー半導体モジュール２０を風上に、第二のパワー半導体モジュール３０を風下に搭載している。

そして従来では、フィン４４を風向と直交する視点で見た場合に、フィン４４の側面形状が直方形になるようにしている。
そのため、従来のパワーユニットの冷却構造では、風下側では、風上側でのフィン４４と空気の摩擦抵抗によって風速が低下するとともに、風の流量が低下することで、パワー半導体モジュール２０，３０に対する冷却能力が低下してしまう。

因みに図４に示すパワーユニットの冷却構造における等温線図を作成してみると、図４（ｂ）に示す通り、風上側のフィン下部は冷却が過剰であり、一方、当該冷却が過剰な部分は、冷却体全体への寄与が少なく且つ風に対して摩擦を生じ風速を低下させてしまう。

図４（ｂ）に示す等温線図は、図４（ａ）に示す長方形の冷却板（フィン）４４を用いた冷却体に関して、パワーユニットの動作時を想定した熱解析を行ったり、或いは、実際に動作させてサーモグラフィーなどによる熱分布の画像を取得したりすることによって、パワーユニットの動作時の等温線図を得たものである。因みに図４（ｂ）の図示例では、図４（ａ）に示す第一と第二の半導体モジュール２０，３０の発熱が同程度である場合の等温線図を示すものである。

また風下側での風量の低下は、一般に、上記した押し出し型フィンに比べ、フィンの間隔を狭めたカシメフィンにおいて顕著になることが当業者に知られている。
また下記特許文献１には、冷却ファン近傍以外の領域のフィン先端位置を、冷却ファン近傍のフィン先端位置よりも下流側に位置させることにより、各フィンの間の風速分布を平均化するヒートシンクが記載されている。

特開２００８−１４０８０２号公報

従来、パワー半導体デバイスを用いて電力変換を行うパワーエレクトロニクス機器を構成するパワーユニットにおいては、複数のパワー半導体モジュールを一つの冷却体上に配置することがある。

特に最近は、機器の小型化や簡素化、低コスト化の要求が高まっており、一つの回路ユニット内の複数のパワー半導体モジュールだけでなく、複数の回路ユニットに属する複数のパワー半導体モジュールで一つの冷却体を共有するケースも多い。

最近、とりわけ、SiC（シリコンカーバイト）やGaN（窒化ガリウム）といったワイドバンドギャップ半導体素子を用いたパワー半導体モジュールを用いると低損失化や高周波化によって機器を小型化できるため、パワー半導体モジュールやそれを適用した機器の製品化や開発が活発に行われている。

しかし、SiC（シリコンカーバイト）やGaN（窒化ガリウム）からなるデバイスはスイッチング速度が速いことから、モジュール間の配線の寄生インダクタンスが大きいとサージ電圧が大きくなってしまい、デバイスの耐圧を超えて破壊に至らしめる恐れが高まる問題がある。

そのため、寄生インダクタンスを小さくするために配線を短縮する必要があり、そのために複数のパワー半導体モジュールを一つの冷却体に搭載する必要性が高まっている。
その一方で、ファン・ブロアなどの送風源からの送風によって強制空冷を行う場合において、複数のパワー半導体モジュールを互いに風上と風下に配置することも行われる。

その場合、風下側では、風上側でのフィンと空気の摩擦抵抗によって風速が低下してしまい、風の流量が低下して冷却能力が低下してしまう問題がある。
それを補填しようとして冷却体のサイズを大きくすると、機器の大型化、重量化を招くだけでなく、冷却体のサイズを大きくした割に冷却能力がそれほど高まらないという問題がある。

本発明は上記の課題に対処すべく創案されたものであり、冷却体の大型化や重量化を伴うことなく、パワーユニットの冷却体の冷却能力を高めることができるパワーユニットの冷却構造を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１記載の発明は、ベース部の一方面に複数のパワー半導体モジュールが互いに風上と風下に配して取付けられ、前記ベース部の一方面とは反対の面に冷却風によって冷却される複数の冷却板を備えるパワーユニットの冷却構造において、
前記冷却板は、
前記ベース部とは反対側の辺の形状が、前記冷却板が長方形である場合の前記パワーユニットの動作時における等温線の概形に沿うように成形されていることを特徴とする。

また請求項２記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記冷却板が、カシメフィンで構成されていることを特徴とする。
また請求項３記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記パワー半導体モジュールが、少なくともワイドバンドギャップ半導体デバイスを含んで構成されていることを特徴とする。

その際、前記ワイドバンドギャップ半導体デバイスが、SiC（シリコンカーバイト）、又は、GaN（窒化ガリウム）素子で構成されていることが望ましい。

本発明によれば、冷却体の大型化や重量化を伴うことなく、複数のパワー半導体モジュールを搭載するパワーユニットの冷却体の冷却能力を高めることができ、小型・軽量でパワー密度の高いパワーエレクトロニクス機器を実現することができる。

本発明の実施形態に係るパワーユニットの冷却構造の構成を示す概略図である。 本発明の実施形態に係るパワーユニットの冷却構造の変形例（その１）を示す図である。 本発明の実施形態に係るパワーユニットの冷却構造の変形例（その２）を示す図である。 従来のパワーユニットの冷却構造の構成を示す概略図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るパワーユニットの冷却構造の構成を示す概略図である。

図１に示すパワーユニットの冷却構造は、冷却体４０を送風源１０からの送風によって冷却する強制空冷方式のパワーユニットの冷却構造であって、冷却体４０を構成するベース板４２上に、第一のパワー半導体モジュール２０を風上に、第二のパワー半導体モジュール３０を風下に搭載する。そしてベース板４２に取付けられるフィン４４の長さを風上側が風下側よりも短くなるようする。

つまり、本発明の実施形態に係るパワーユニットの冷却構造の基本は、図１に表現されているように、風上から風下に向かって連続的・直線的にベース板４２に取付けられているフィン４４の長さを長くし、冷却体４０を風の流路方向と直交する視点で観た場合に、フィン４４の側面形状全体が台形になるように構成していることである。

このように図１に示す本発明の実施形態に係るパワーユニットの冷却構造では、図４に示した従来のパワーユニットの冷却構造において、冷却風に対して過剰となるフィン下部の一部を風上から風下に向けてテーパー状に連続的・直線的に切断（カット）し、冷却体全体としての冷却効果を損なうことなく且つ冷却風に対して摩擦となる障害物を排除する形状にしたものである。

こうすることで、風下側でも風上側と同等の冷却風速が得られ、冷却風の流量の低下が防止され且つ冷却能力の低下が防止される。
さらには、フィン４４の一部を風上から風下に向けてテーパー状に連続的・直線的に切断（カット）したことで、同時にフィンの重量を軽量化でき、カット分だけ省資源化を図ることができる。

図２は、本発明の実施形態に係るパワーユニットの冷却構造の変形例（その１）を示す図である。図２に示す本発明の実施形態に係るパワーユニットの冷却構造の変形例（その１）では、冷却風の風下側において、フィン４４のベース板（ベース部）４２と反対側のフィン４４の底部が、ベース板（ベース部）４２と平行な部分を有するようにしている。

こうすることで、風下側でも風上側と同等の冷却風速が得られ、冷却風の流量の低下が防止され且つ冷却能力の低下が防止される。
図３は、本発明の実施形態に係るパワーユニットの冷却構造の変形例（その２）を示す図である。図３に示す本発明の実施形態に係るパワーユニットの冷却構造の変形例（その２）では、パワー半導体モジュール２０，３０の配置に合わせて、フィン４４の形状を冷却風の流路方向と直交する視点で観た場合に、階段状の段差（ステップ）を設けるようにしている。フィン４４に設ける階段状の段差（ステップ）は、直線的でなく曲線的な形状にしてもよい。

こうすることで、風下側でも風上側と同等の冷却風速が得られ、冷却風の流量の低下が防止され且つ冷却能力の低下が防止される。
ところで図４に示したフィンの形状を長方形にした従来の冷却構造の場合、風下側の風速および風量の低下が、押し出し型のフィンに比べ、フィンの間隔を狭めたカシメフィンにおいて顕著になることが実験的に確かめられているが、上述した本発明の実施形態に係るパワーユニットの冷却構造のいずれかにおいて、フィンをカシメフィンとした場合には、風下側の風速および風量の低下が起きないことが実験的に確かめられた。

したがって、本発明の実施形態に係るパワーユニットの冷却構造を採用することは、冷却効果がいっそう大きくなることが分かる。
さらに、カシメフィンを採用する場合には、ベース板４２にカシメる冷却板の形状を変更しておくだけで、本発明に係る上述して実施形態のいずれかを実現することができるため、冷却体の組立て工程自体には大きな変更を伴わず且つ冷却体の形状の自由度も大きくすることができる。

また、最近のSiC（シリコンカーバイト）やGaN（窒化ガリウム）といったワイドバンドギャップ半導体を用いたパワー半導体モジュールを用いると低損失化や高周波化によって機器を小型化できるが、反面、スイッチング速度が速いことから、モジュール間の配線の寄生インダクタンスが大きい場合にはサージ電圧が大きくなってしまい、デバイスの耐圧を超えてやがて破壊に至る恐れがある。

しかしながら上述した本発明の実施形態に係るパワーユニットの冷却構造のいずれかを採用すれば、一つの冷却体に複数のパワー半導体モジュールをより発熱密度が高い配置で搭載することができるので、ワイドバンドギャップ半導体を用いたパワー半導体モジュールを用いるパワーエレクトロニクス機器の冷却構造として好適である。

なお、本実施形態は、冷却体を送風源からの送風によって冷却する強制空冷方式のパワーユニットの冷却構造に基づくものであるが、本発明は、鉄道車両に搭載され、走行風によって冷却するパワーユニットの冷却構造にも適用することができる。

つまり本発明によれば、冷却体の大型化や重量化を伴うことなく、複数のパワー半導体モジュールを搭載するパワーユニットの冷却体の冷却能力を高めることができ、小型・軽量でパワー密度の高いパワーエレクトロニクス機器を実現することができる。

１０ 送風源
２０ 第一のパワー半導体モジュール
３０ 第二のパワー半導体モジュール
４０ 冷却体
４２ ベース板（ベース部）
４４ フィン（冷却板）

Claims (4)

1. ベース部の一方面に複数のパワー半導体モジュールが互いに風上と風下に配して取付けられ、前記ベース部の一方面とは反対の面に冷却風によって冷却される複数の冷却板を備えるパワーユニットの冷却構造において、
   前記冷却板は、
   前記ベース部とは反対側の辺の形状が、前記冷却板が長方形である場合の前記パワーユニットの動作時における等温線の概形に沿うように成形されていることを特徴とするパワーユニットの冷却構造。
2. 前記冷却板が、カシメフィンで構成されていることを特徴とする請求項１に記載のパワーユニットの冷却構造。
3. 前記パワー半導体モジュールが、少なくともワイドバンドギャップ半導体デバイスを含んで構成されていることを特徴とする請求項１に記載のパワーユニットの冷却構造。
4. 前記ワイドバンドギャップ半導体デバイスが、SiC（シリコンカーバイト）、又は、GaN（窒化ガリウム）素子で構成されていることを特徴とする請求項３に記載のパワーユニットの冷却構造。