図面 (/)

技術 パワー半導体モジュールの冷却システム

出願人 三菱電機株式会社
発明者 山渕浩史西山亮治蔵本祐司石橋誠司
出願日 2004年11月30日 (15年10ヶ月経過) 出願番号 2004-345266
公開日 2006年6月15日 (14年4ヶ月経過) 公開番号 2006-156711
状態 拒絶査定
技術分野 半導体又は固体装置の冷却等 半導体または固体装置の冷却等
主要キーワード 洗濯板状 ポンプモータ回転数 冷却流体流路 検出温度値 周辺域 素子温度センサ 侵食作用 検出圧力値
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2006年6月15日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (8)

課題

半導体パワーモジュールから前記冷却流体への熱伝達率の変化を推定し、この推定結果に応じて冷却流体による冷却能力を制御することにより、負荷運転を適切に継続させるパワー半導体モジュールの冷却システムを得る。

解決手段

パワー半導体モジュール70に設けられた発熱源としての半導体素子温度検出センサを設けるとともに、この温度検出センサの出力情報Tjと、冷却ポンプ(P)110をポンプモータ回転数検出センサ(RS)112の駆動出力情報Srとに基づき、半導体パワーモジュール70から冷却水への熱伝達率の変化を推定し、この推定結果からポンプモータ(M)111を制御し冷却水による冷却能力を制御するコントローラ190を設けた。

概要

背景

従来からパワー半導体を用いたインバータ装置においては、冷却のために水冷液冷の冷却システムが適用されている例が多数見られる。

従来技術では、温度センサを被冷却部のプレートに固着させる構成で、プレートの温度を検出して、所定の温度を超えないかどうかを監視し、プレートの温度が所定の温度を超えた場合には、電源を自動的に遮断する制御が行われている(例えば、特許文献1参照)。

特許第2581367号公報

概要

半導体パワーモジュールから前記冷却流体への熱伝達率の変化を推定し、この推定結果に応じて冷却流体による冷却能力を制御することにより、負荷運転を適切に継続させるパワー半導体モジュールの冷却システムを得る。パワー半導体モジュール70に設けられた発熱源としての半導体素子温度検出センサを設けるとともに、この温度検出センサの出力情報Tjと、冷却ポンプ(P)110をポンプモータ回転数検出センサ(RS)112の駆動出力情報Srとに基づき、半導体パワーモジュール70から冷却水への熱伝達率の変化を推定し、この推定結果からポンプモータ(M)111を制御し冷却水による冷却能力を制御するコントローラ190を設けた。

目的

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
2件

この技術が所属する分野

ライセンス契約や譲渡などの可能性がある特許掲載中! 開放特許随時追加・更新中 詳しくはこちら

請求項1

パワー半導体モジュールの冷却を行うための冷却流体流通する流体流路、前記冷却流体を加圧し前記流体流路へ送給する冷却流体加圧手段、前記冷却流体加圧手段を駆動する駆動手段を備えたパワー半導体モジュールの冷却システムにおいて、前記パワー半導体モジュールに設けられた発熱源としての半導体素子温度検出手段を設けるとともに、この温度検出手段の出力情報と、前記冷却流体加圧手段を駆動する駆動手段の駆動出力情報とに基づき、前記半導体パワーモジュールから前記冷却流体への熱伝達率の変化を推定し、この推定結果に応じて前記冷却流体による冷却能力を制御する制御手段を設けたことを特徴とするパワー半導体モジュールの冷却システム。

請求項2

パワー半導体モジュールの放熱面に接する冷却流体を流通する冷却流体流路が設けられ前記パワー半導体モジュールの熱を冷却流体へ熱交換するヒートシンクと、前記パワー半導体モジュールの放熱面と対向する前記冷却流体流路の壁面に設けられ冷却流体の流れに渦乱流を発生させる複数の突起部材と、前記冷却流体流路に冷却流体を圧送するポンプと、前記ポンプを駆動するポンプモータと、前記ポンプモータの回転数を検出する回転数検出手段と、前記冷却流体が前記ヒートシンクで受熱した熱を外気放熱するラジエータと、前記ポンプモータの回転数を可変させるコントローラとを備えたパワー半導体モジュールの冷却システムにおいて、前記パワー半導体モジュール内部の発熱素子に温度検出手段を設けるとともに、前記温度検出手段の出力情報と、前記ポンプモータの回転数検出手段による回転数の出力情報とに基づき、前記パワー半導体モジュールから冷却流体への熱伝達率の変化を推定し、この推定結果から冷却流体の流量あるいは圧送圧力を制御する制御手段を設けたことを特徴とするパワー半導体モジュールの冷却システム。

請求項3

前記渦乱流を生成する突起部材として、円錐フィンを設けたことを特徴とする請求項2に記載のパワー半導体モジュールの冷却システム。

請求項4

前記渦乱流を生成する突起部材として、円柱状フィンを設けたことを特徴とする請求項2に記載のパワー半導体モジュールの冷却システム。

請求項5

前記渦乱流を生成する突起部材として、洗濯板状フィンを設けたことを特徴とする請求項2に記載のパワー半導体モジュールの冷却システム。

請求項6

前記渦乱流を生成する突起部材として、多段円柱状フィンを設けたことを特徴とする請求項2に記載のパワー半導体モジュールの冷却システム。

請求項7

前記冷却流体の流路中に少なくとも一つのオリフィスを設けたことを特徴とする請求項1から請求項5までのいずれかに記載のパワー半導体モジュールの冷却システム。

請求項8

前記冷却流体の温度を検出する冷却流体温度検出手段を備え、前記冷却流体温度検出手段の検出値を用いて前記パワー半導体モジュールの温度検出手段の検出値から推定した熱伝達率を補正する補正手段を有することを特徴とする請求項1から請求項7までのいずれかに記載のパワー半導体モジュールの冷却システム。

請求項9

前記ポンプが発生する冷却流体の圧力を検出する圧力検出手段を備え、前記圧力検出手段の検出値を用いて前記パワー半導体モジュールの温度検出手段の検出値から推定した熱伝達率を補正する補正手段を有することを特徴とする請求項1から請求項7までのいずれかに記載のパワー半導体モジュールの冷却システム。

請求項10

前記パワー半導体モジュールへの通電に際し、前記パワー半導体モジュールへの通電より先に前記ポンプモータを起動させ、前記冷却流体の循環を発生させる制御手段を設けたことを特徴とする請求項1から請求項9までのいずれかに記載のパワー半導体モジュールの冷却システム。

請求項11

前記熱伝達率の補正手段により補正された熱伝達率の値を基に、前記パワー半導体モジュールが冷却流体と接触する熱伝達面の温度を演算により推定するとともに、前記熱伝達面の温度の推定値と、前記冷却流体の沸点の値とを比較判定する判定手段を備えたことを特徴とする請求項8または請求項9に記載のパワー半導体モジュールの冷却システム。

請求項12

前記冷却流体温度検出手段によって検出される流体温度の値を基に、前記パワー半導体モジュールが冷却流体と接触する熱伝達面の温度を演算により推定するとともに、前記熱伝達面の温度の推定値と、前記冷却流体の沸点の値とを比較判定する判定手段を備えたことを特徴とする請求項1から請求項10までのいずれかに記載のパワー半導体モジュールの冷却システム。

請求項13

前記判定手段の判定結果に基づき、前記冷却流体加圧手段の加圧状態を制御する調整手段を設けたことを特徴とする請求項11または請求項12に記載のパワー半導体モジュールの冷却システム。

技術分野

0001

この発明は、パワー半導体モジュールの冷却システム、特に、冷却流体による冷却能力を制御することで所望の温度環境を実現維持するパワー半導体モジュールの冷却システムに関するものである。

背景技術

0002

従来からパワー半導体を用いたインバータ装置においては、冷却のために水冷液冷の冷却システムが適用されている例が多数見られる。

0003

従来技術では、温度センサを被冷却部のプレートに固着させる構成で、プレートの温度を検出して、所定の温度を超えないかどうかを監視し、プレートの温度が所定の温度を超えた場合には、電源を自動的に遮断する制御が行われている(例えば、特許文献1参照)。

0004

特許第2581367号公報

発明が解決しようとする課題

0005

温度センサの検出温度が所定の温度を超えた場合の制御手段として、電源を遮断する場合、例えば電気自動車ハイブリッド車負荷であるモータを制御する場合には、車両の挙動急変することになり運転者にとって好ましくない状態となる。

0006

また、冷却を実際に行う熱交換部においては、冷却水の流れの状態が熱伝達率に大きく影響を及ぼすことが知られている。

0007

この発明は、上記のような点に鑑みなされたもので、半導体パワーモジュールから冷却流体への熱伝達率の変化を推定し、この推定結果に応じて冷却流体による冷却能力を制御することにより、負荷の運転を適切に継続させるパワー半導体モジュールの冷却システムを得ようとするものである。

課題を解決するための手段

0008

この発明に係るパワー半導体モジュールの冷却システムでは、冷却流体を加圧しパワー半導体モジュールの冷却を行うための冷却流体を流通する流体流路へ送給する冷却流体加圧手段、前記冷却流体加圧手段を駆動する駆動手段を備えたパワー半導体モジュールの冷却システムにおいて、前記パワー半導体モジュールに設けられた発熱源としての半導体素子温度検出手段を設けるとともに、この温度検出手段の出力情報と、前記冷却流体加圧手段を駆動する駆動手段の駆動出力情報とに基づき、前記半導体パワーモジュールから前記冷却流体への熱伝達率の変化を推定し、この推定結果から前記冷却流体による冷却能力を制御する制御手段を設けたものである。

発明の効果

0009

この発明によれば、半導体パワーモジュールから冷却流体への熱伝達率の変化を推定し、この推定結果に応じて冷却流体による冷却能力を制御することにより、負荷の運転を適切に継続させるパワー半導体モジュールの冷却システムを得ることができる。

発明を実施するための最良の形態

0010

実施の形態1.
この発明による実施の形態を図1から図7について説明する。図1は、この発明による実施の形態に係るヒートシンク部の構成を示す三面図である。図1(a)は平面図、図1(b)は、図1(c)のB−B線における断面図、図1(c)は側面図、図1(d)は図1(c)のD−D線における断面図である。図2は、この発明による実施の形態に係るパワー半導体モジュールの冷却システムの系統構成を示すブロック図である。図3は、この発明による実施の形態に係る円錐状(コニカルフィンの形状を示す斜視図である。図4は、この発明による実施の形態に係る円柱フィンの形状を示す斜視図である。図5は、この発明による実施の形態に係る洗濯板状フィンの形状を示す斜視図である。図6は、この発明による実施の形態に係る段付き円柱フィンの形状を示す斜視図である。図7は、この発明による実施の形態に係る冷却系の熱伝達率と各部の温度の関係を示す特性曲線図である。

0011

パワー半導体冷却システムにおけるヒートシンク周りの三面図を示す図1において、パワー半導体モジュール70を冷却するためのヒートシンク10の内部には流体流路20,30が形成され、オリフィス41,42と複数の突起部材50を有するプレート60が、パワー半導体モジュール70毎に対応する位置で、流体流路20,30の上に被さるように嵌め込まれる。
パワー半導体モジュール70の内部にはパワー半導体素子71が埋設され、さらに温度検出センサ72が素子71の内部に一体的に組み込まれている。パワー半導体モジュール70の底面には放熱面73が形成されている。パワー半導体モジュール70の底面に設けられた放熱面73と流体流路20,30の上に被さって設けられたプレート60との間には流体流路FPが形成される。流体流路FPはオリフィス41を介して流体流路20と連通され、オリフィス42を介して流体流路30と連通される。プレート60に設けられた複数の突起部材50はパワー半導体モジュール70の底面に形成された放熱面73と流体流路FPを流通する冷却水からなる冷却流体を介して対向する関係にある。
このパワー半導体モジュール70は、共通のヒートシンク10に複数個が並設され、それぞれのパワー半導体モジュール70における流体流路FPは、それぞれオリフィス41,42を介してヒートシンク10に設けられた共通の流体流路20,30に連通され、オリフィス41,42による流量配分機能によって各パワー半導体モジュール70が等量の冷却水を供給される。

0012

冷却システム全体の系統図を示す図2において、配管100には、冷却流体としての冷却水が内部を流通しており、配管100で形成される循環流路の途中にポンプ(P)110、ラジエータ120、ヒートシンク10、冷却水温度センサ(TS)130、圧力センサ(PS)140が接続される。
また、ポンプ(P)110にはポンプモータ(M)111およびポンプモータ回転数検出センサ(RS)112が一体的に取り付けられている。

0013

さらに、冷却水温度センサ(TS)130、冷却水圧力センサ(PS)140、ポンプモータ回転数検出センサ(RS)112から発生する検出信号配線150によりA/D変換器155に送信され、センサ130,140,112が発生するアナログ信号デジタル信号に変換する。変換されたデジタル信号は同じく配線150を通過しCPU160に伝送される。
ここで、メモリ170に格納されている所定の温度の値など比較すべき閾値あるいはデータベース(DB)180に格納されている外部からの情報とをCPU160の内部で比較判定し、判定の結果により、同じく配線150を通過してインバータを有するコントローラ190にポンプモータ(M)111の回転数を所定の回転数とする指令信号が伝送される。指令を受けたコントローラ190はポンプモータ(M)111に所定の回転数となるように電力を供給する。

0014

次に、動作について説明する。
パワー半導体モジュール70への通電に際し、パワー半導体モジュール70への通電よりも先に、コントローラ190による指令が配線150を介してポンプモータ(M)111に印加されることにより、ポンプモータ(M)111が付勢される。
ポンプ(P)110はポンプモータ(M)111により駆動されて、冷却水からなる冷却流体が配管100を介してヒートシンク10に設けられた入口流路としての流体流路20からオリフィス41を介して複数のパワー半導体モジュール70にそれぞれ設けられた流体流路FPを通り、オリフィス42を介して出口流路としての流体流路30へ圧送される。冷却水は流体流路30からラジエータ120を通りポンプ(P)110へ循環される。

0015

ヒートシンク10に設けられた流体流路20,FP,30に冷却水が流通し、冷却態勢が調った状態で、パワー半導体モジュール70は通電される。
コントローラ190はCPU160およびA/D変換器155を介してパワー半導体モジュール70への通電指令を与える。

0016

パワー半導体モジュール70が通電され、パワー半導体モジュール70におけるパワー半導体素子71の発熱によってパワー半導体モジュール70の温度が上昇すると、流体流路20からオリフィス41を介して流体流路FPを通りオリフィス42を介して流体流路30に至る冷却水とパワー半導体モジュール70の放熱面73との間で熱交換が行われ、発熱源としてのパワー半導体素子71を有するパワー半導体モジュール70の冷却が行われる。
ここで、流体流路FPにおいて互いに対向するパワー半導体モジュール70の放熱面73とプレート60との間を流通する冷却水の流れには、プレート60に設けられた突起部材50によって渦乱流が生成され、冷却水の流速は増大して、この冷却水とパワー半導体モジュール70の放熱面73との間の熱交換は効率的に遂行される。

0017

ポンプ(P)110からヒートシンク10に設けられた流体流路20,FP,30へ配管100を介して供給される冷却水の圧力は、冷却水圧力センサ(PS)140で計測され、その検出圧力値Spは配線150を介しA/D変換器155へデータ入力される。
また、ポンプ(P)110からヒートシンク10に設けられた流体流路20,FP,30へ配管100を介して供給される冷却水の温度は、冷却水温度センサ(TS)130で計測され、その検出温度値Stは配線150を介しA/D変換器155へデータ入力される。
さらに、ポンプ(P)110を駆動するポンプモータ(M)111の回転数は、ポンプモータ回転数検出センサ(RS)112で計測され、その検出圧力値Srは配線150を介しA/D変換器155へデータ入力される。
そして、パワー半導体モジュール70におけるパワー半導体素子71の温度は、温度検出センサ72で計測され、その検出温度値Tjは配線150を介しA/D変換器155へデータ入力される。
A/D変換器155へ入力された検出値Sp,St,Sr,Tjからなるアナログデータは、A/D変換器155によってデジタルデータに変換されてCPU160へ入力される。

0018

CPU160およびメモリ170ならびにデータベース(DB)180は情報処理装置PMを構成し、この情報処理装置PMでは、CPU160に入力されるこれらのデジタルデータに基づいて、パワー半導体モジュール70の放熱面73から流体流路FPを通る冷却水への熱伝達率を推定し冷却水の沸騰の有無を推定する演算を行うなどの、次のような演算処理を制御手段として実行するものである。
情報処理装置PMにおいては、パワー半導体モジュール70におけるパワー半導体素子71の温度を検出する温度センサ72の検出温度値Tjおよびポンプ(P)110を駆動するポンプモータ(M)111の回転数を検出するポンプモータ回転数検出センサ(RS)112の検出回転数Srに基づいて冷却水の沸騰の有無を判定する演算処理を行う熱伝達率制御手段(m1)が構成される。すなわち、熱伝達率制御手段(m1)では、温度センサ72の検出温度値Tjaおよびポンプモータ回転数検出センサ(RS)112の検出回転数SrをA/D変換器155でアナログデータからデジタルデータに変換し、これらのデジタルデータをCPU160に入力して、これらのデジタルデータに基づいてCPU160でパワー半導体モジュール70の放熱面73から流体流路20,FP,30を通る冷却水への熱伝達率(h1)を推定し、この推定された熱伝達率(h1)に基づいて、冷却水の沸騰の有無を判定する演算処理を行う。

0019

CPU160による演算結果としての推定熱伝達率(h1)は、メモリ170に格納されるとともに、情報処理装置PMにおける熱伝達率制御手段(m1)による演算処理結果としてCPU160からコントローラ190に送られる。
情報処理装置PMからの演算処理結果に応じてコントローラ190はポンプ(P)110を駆動するポンプモータ(M)111を制御する。情報処理装置PMから導出される演算処理結果による推定熱伝達率(h1)が所定値よりも小さければ、ポンプモータ(M)111の回転数を大きくしてポンプ(P)110を加速し、配管100を循環する冷却水による冷却能力を上昇させる。
情報処理装置PMから導出される演算処理結果による推定熱伝達率(h1)が所定値よりも大きければ、ポンプモータ(M)111の回転数を小さくしてポンプ(P)110を減速し、配管100を循環する冷却水による冷却能力を減少させる。

0020

CPU160およびメモリ170ならびにデータベース(DB)180からなる情報処理装置PMで構成される熱伝達率制御手段(m1)には、同じくCPU160およびメモリ170ならびにデータベース(DB)180からなる情報処理装置PMで構成される補正機能制御手段(m2)が併設される。
このCPU160およびメモリ170ならびにデータベース(DB)180からなる情報処理装置PMで構成される補正機能制御手段(m2)では、冷却水温度センサ(TS)130からの検出温度値Stが所定値を超えると、熱伝達率制御手段(m1)による演算結果としての推定熱伝達率(h1)を減少方向に補正し補正熱伝達率(h2)を導出する処理を行う。また、圧力センサ(PS)140からの検出圧力値Spが所定値を下まわると、熱伝達率制御手段(m1)による演算結果としての推定熱伝達率(h1)を減少方向に補正し補正熱伝達率(h2)を導出する処理を行う。
このように、CPU160およびメモリ170ならびにデータベース(DB)180からなる情報処理装置PMで構成される熱伝達率制御手段(m1)による演算処理結果としての推定熱伝達率(h1)が同じくCPU160およびメモリ170ならびにデータベース(DB)180からなる情報処理装置PMで構成される補正機能制御手段(m2)によって補正され補正熱伝達率(h2)が導出されると、補正熱伝達率(h2)はCPU160から配線150を介してコントローラ190に送られ、コントローラ190は補正熱伝達率(h2)に応じてポンプモータ(M)111の回転数を大きくしてポンプ(P)110を加速し、配管100を循環する冷却水による冷却能力を上昇させる制御を行う。

0021

CPU160およびメモリ170ならびにデータベース(DB)180からなる情報処理装置PMで構成される熱伝達率制御手段(m1)および補正機能制御手段(m2)には、同じくCPU160およびメモリ170ならびにデータベース(DB)180からなる情報処理装置PMで構成される判定手段(m3)および調整手段(m4)が更に併設される。
CPU160およびメモリ170ならびにデータベース(DB)180からなる情報処理装置PMで構成される判定手段(m3)では、熱伝達率制御手段(m1)による演算処理結果としての推定熱伝達率(h1)を補正機能制御手段(m2)によって補正した補正熱伝達率(h2)、あるいは、冷却水温度センサ(TS)130の温度検出値に基づいて、パワー半導体モジュール70が流体流路20,FP,30を流通する冷却水と接触する放熱面73からなる熱伝達面の温度(t1)をCPU160による演算によって推定するとともに、この熱伝達面の温度推定値(t1)と流体流路20,FP,30を流通する冷却水の沸点とを比較判定する。この流体流路20,FP,30を流通する冷却水の沸点は、既知の値としてメモリ170およびデータベース(DB)180に格納されており、CPU160で、熱伝達面の温度推定値(t1)と、この冷却水の沸点とが比較判定処理される。

0022

このCPU160およびメモリ170ならびにデータベース(DB)180からなる情報処理装置PMで構成される判定手段(m3)による比較判定処理結果は、CPU160およびメモリ170ならびにデータベース(DB)180からなる情報処理装置PMで構成される調整手段(m4)に送られ、CPU160から配線150を介してコントローラ190に送られる。
コントローラ190では、比較判定処理結果に基づいて、熱伝達面の温度推定値(t1)が流体流路20,FP,30を流通する冷却水の沸点より低い場合には、ポンプモータ(M)111の回転数を小さくしてポンプ(P)110を減速し、配管100を循環する冷却水による冷却能力を低下させる制御を行う。
比較判定処理結果として、熱伝達面の温度推定値(t1)が流体流路20,FP,30を流通する冷却水の沸点より高いと判定されている場合には、ポンプモータ(M)111の回転数を大きくしてポンプ(P)110を加速し、配管100を循環する冷却水による冷却能力を上昇させる制御を行う。

0023

なお、CPU160およびメモリ170ならびにデータベース(DB)180からなる情報処理装置PMで構成される熱伝達率制御手段(m1)および補正手段(m2)ならびに判定手段(m3)および調整手段(m4)は、それぞれCPU160およびメモリ170ならびにデータベース(DB)180におけるハードウエアと、これらの情報処理装置PMにおけるハードウエアの動作を制御するためメモリ170に格納されたプログラムとしてのソフトウエアによって、その機能が遂行されるものである。

0024

パワー半導体モジュール70の冷却システムにおける冷却水の沸騰発生状況に関し、沸騰の有無を判定することについて図7を用いて説明する。
通常、このような冷却系の設計の原点はパワー半導体モジュール70におけるパワー半導体素子71の耐熱温度Tjmaxを起点として構築される。ところが、パワー半導体モジュール70と流体流路FPを流通する冷却水との放熱面73からなる熱伝達面としての熱交換部の熱伝達率を比較的低い程度で構成した場合、あるいは、冷却水の入口温度最高温度を比較的高い程度に設定した場合などは、確かに素子耐熱温度Tjmaxを満たす冷却が行われているとしても、実際には熱交換部の冷却水の温度Tcは沸点Tcaに達してしまうことがある。

0025

冷却水が沸騰することは、沸騰しない場合と比較すると、加熱面あるいは下流周辺域での沸騰気泡消滅が集中して発生する部位において、侵食作用による構造部材の磨耗が進行することが一般的に良く知られている。の底に孔が空くのはこの侵食が作用するためである。よって,冷却系の耐久信頼性に課題が生じることになる。

0026

この発明の実施の形態では、冷却水の沸騰を推定するために、パワー半導体モジュール70におけるパワー半導体素子71に組み込まれる温度センサ72の検出温度値Tj、ここでは例えばある特定できる負荷の駆動状態の場合に予め分かっているパワー半導体素子71の温度Tjaとすると、このとき熱交換部の熱伝達率haとなるようにヒートシンク10を設計している。

0027

熱伝達率haを得るためにポンプモータ(M)111の回転数も予め既知となっている(ポンプモータの回転数∝冷却水の圧力∝冷却水流量∝熱伝達率hの関係より演算で求めることが可能)。

0028

また、冷却水の入口温度Twについては、先の素子耐熱温度Tjmaxを起点として熱伝達率hとラジエータ120の放熱性能および外気の空気の温度および風量との相互関係より、冷却水の沸点Twvを想定して、冷却水の最高温度Twmaxも設計で規定されてる。

0029

これらのことから、通常の負荷の運転においては、(1)パワー半導体モジュール70におけるパワー半導体素子71による負荷の駆動状態が所定の負荷電流値Iaによる駆動状態にあること、(2)パワー半導体モジュール70におけるパワー半導体素子71の温度を検出する温度センサ72の検出温度値Tjaであること、かつ、(3)ポンプ(P)110を駆動するポンプモータ(M)111の回転数を検出するポンプモータ回転数検出センサ(RS)112の検出回転数がSrであることの3つの情報より、熱伝達率haに対応するパワー半導体モジュール70の放熱面73における熱伝達面からなる熱交換部の温度TcaをCPU160による演算によって求めることができ、これらの3つのパラメータ組合せに対する演算結果としての熱交換部における温度Tcaの分布マップとしてメモリ170に記録しておけば、常に冷却水が沸騰するか否かを判定することができる。
すなわち、パワー半導体モジュール70におけるパワー半導体素子71の温度を検出する温度センサ72の検出温度値Tjと、ポンプモータ回転数検出センサ(RS)112の検出回転数Srとに基づいて熱交換部温度TcをCPU160により演算することによって、図7における熱交換部温度Tcの曲線に相当する熱伝導率haを基準とする熱伝導率hおよび熱交換部温度Tcについての特性データを得ることができ、冷却水が沸騰するか否かの判定を容易に行うことができる。

0030

さらに、配管途中に冷却水温度センサ(TS)130あるいは/および冷却水圧力センサ(PS)140を設けることにより、何らかの原因で冷却水が所定の最高温度を超えた場合、あるいは、冷却水が循環しない状態を確実に検出することができ、フェイルセーフ機能を確保している。

0031

次に、図3図6を用いて熱交換部のプレート60に設ける突起部材50の詳細を説明する。
図3は、円錐状の形状を持つコニカルフィンの形状を表したもので、複数の円錐状(コニカル)突起部材200の底面をプレート60に接合した構造となっている。
図4は、円柱状突起部材からなる複数の円柱フィン210の一端面をプレート60に接合した構造である。
図5は、リブ状突起部材220を洗濯板状に蛇行させ構成し、プレート60に接合した構造である。
図6は、段付きの円柱状突起部材からなる段付き円柱フィン230の大径側の端面をプレート60に接合した構造である。

0032

この発明による実施の形態では、水温を検出し、所定の温度を超えた場合には、ポンプモータ(M)111の回転数を増加させ水流を増す制御を行うために、発熱源のパワー半導体モジュール70の電源を切断する必要がなく、結果として負荷の運転を継続させることが可能となる。

0033

また、熱交換部に水流を増加させる突起部材50からなるフィンを設けることで熱伝達率を増すことが可能となり、同じポンプ消費電力に対して、より多くの奪熱量が得られるために、冷却性能が向上する。

0034

さらに、水路中にオリフィス41,42を設けることで、複数のパワー半導体モジュール70におけるそれぞれの熱交換部の水量を均等化でき、複数の熱源の冷却性能を均質化できる。

0035

また、負荷を駆動する前の段階で、先に冷却水のポンプ(P)110を駆動することで、熱交換部での瞬間的な温度上昇による構造部材の溶解や冷却水の沸騰などによる部材の侵食劣化を防止することができる。

0036

同じく、熱交換部での冷却水の温度を推定することは、沸騰を防止することが可能となり、構造部材の溶解や冷却水の沸騰などによる部材の侵食劣化を防止することができる。

0037

この発明による実施の形態においては、特に、温度センサを独立させることなく、パワー半導体素子の内部に一体的に組み込まれた温度センサの情報をもとに、所定の温度を監視あるいは推定するとともに、所定の温度を超えた場合には、電源を瞬間的に絶つのではなく、冷却水系の水量を増加させ、等価熱伝達率を増加させることで所定の温度を維持しようとするフィードバック機能を有すことを提案するものである。さらに、この発明では熱交換部の流れに渦乱流を発生させることで流速を向上させるためのフィンを併設することで、熱交換部の高効率化を実現するものである。

0038

この発明による実施の形態によれば、半導体パワーモジュール70の冷却を行うための冷却水からなる冷却流体を流通する流体流路20,FP,30、前記冷却流体を加圧し前記流体流路20,FP,30へ送給するポンプ(P)110からなる冷却流体加圧手段、前記ポンプ(P)110からなる冷却流体加圧手段を駆動するポンプモータ(M)111からなる駆動手段を備えたパワー半導体モジュールの冷却システムにおいて、前記パワー半導体モジュール70に設けられた発熱源としての半導体素子71に温度センサ72からなる温度検出手段を設けるとともに、この温度センサ72からなる温度検出手段の検出温度値からなる出力情報と、前記ポンプ(P)110からなる冷却流体加圧手段を駆動するポンプモータ(M)111からなる駆動手段のポンプモータ回転数検出センサ(RS)112による検出回転数Srからなる駆動出力情報とに基づき、前記半導体パワーモジュール70から前記流体流路FPを流通する冷却流体への熱伝達率(h)の変化を推定し、この推定結果に応じてコントローラ190を介して前記ポンプ(P)110からなる冷却流体加圧手段を駆動するポンプモータ(M)111の回転数を制御し前記流体流路20,FP,30を流通する冷却流体による冷却能力を制御するCPU160およびメモリ170ならびにデータベース(DB)180からなる情報処理装置PMで構成される熱伝達率制御手段(m1)からなる制御手段を設けたので、前記半導体パワーモジュールから前記冷却流体への熱伝達率の変化を推定し、この推定結果に応じて冷却流体による冷却能力を制御することにより、負荷の運転を適切に継続させるパワー半導体モジュールの冷却システムを得ることができる。

0039

また、この発明による実施の形態によれば、パワー半導体モジュール70の放熱面73に接する冷却水からなる冷却流体を流通する冷却流体流路20,FP,30が設けられ前記パワー半導体モジュール70の熱を冷却流体へ熱交換するヒートシンク10と、前記パワー半導体モジュール70の放熱面73と対向する前記冷却流体流路FPの壁面に設けられ冷却流体の流れに渦乱流を発生させる複数の突起部材50と、前記冷却流体流路FPに冷却流体を圧送するポンプ(P)110と、前記ポンプ(P)110を駆動するポンプモータ(M)111と、前記ポンプモータ(M)111の回転数を検出するポンプモータ回転数検出センサ(RS)112からなる回転数検出手段と、前記冷却流体が前記ヒートシンク10で受熱した熱を外気に放熱するラジエータ120と、前記ポンプモータ(M)111の回転数を可変させるコントローラ190とを備えたパワー半導体モジュールの冷却システムにおいて、前記パワー半導体モジュール70内部の発熱素子71に温度センサ72からなる温度検出手段を設けるとともに、前記温度センサ72からなる温度検出手段の検出温度値からなる出力情報と、前記ポンプモータ(M)111の回転数検出手段による回転数の出力情報とに基づき、前記パワー半導体モジュール70から前記流体流路FPを流通する冷却流体への熱伝達率(h)の変化を推定し、この推定結果に応じてコントローラ190を介して前記ポンプ(P)110からなる冷却流体加圧手段を駆動するポンプモータ(M)111の回転数を制御することにより前記流体流路20,FP,30を流通する冷却流体の流量あるいは圧送圧力を制御するCPU160およびメモリ170ならびにデータベース(DB)180からなる情報処理装置PMで構成される熱伝達率制御手段(m1)からなる制御手段を設けたので、前記半導体パワーモジュールから前記冷却流体への熱伝達率の変化を推定し、この推定結果に応じて冷却流体による冷却能力を制御することにより、負荷の運転を適切に継続させるとともに、所定形状の突起部材により前記冷却流体の流れに渦乱流を生成し前記冷却流体による熱交換効率を向上できるパワー半導体モジュールの冷却システムを得ることができる。

0040

さらに、この発明による実施の形態によれば、前項の構成において、前記冷却流体の流れに渦乱流を生成する突起部材50として、円錐状フィン200,円柱状フィン210,洗濯板状フィン220,多段円柱状フィン230の少なくともいずれかを設けたので、前記半導体パワーモジュールから前記冷却流体への熱伝達率の変化を推定し、この推定結果に応じて冷却流体による冷却能力を制御することにより、負荷の運転を適切に継続させるとともに、円錐状フィン,円柱状フィン,洗濯板状フィン,多段円柱状フィンからなる特定形状の突起部材により前記冷却流体の流れに渦乱流を生成し前記冷却流体による熱交換効率を向上できるパワー半導体モジュールの冷却システムを得ることができる。

0041

そして、この発明による実施の形態によれば、前3項の構成において、複数の前記半導体パワーモジュール70のそれぞれ設けられ冷却流体を流通する各半導体パワーモジュール70における前記冷却流体流路20,FP,30中に少なくとも一つのオリフィス41,42を設けたので、前記半導体パワーモジュールから前記冷却流体への熱伝達率の変化を推定し、この推定結果に応じて冷却流体による冷却能力を制御することにより、負荷の運転を適切に継続させるとともに、冷却流体の流路配分を適切に行うことができるパワー半導体モジュールの冷却システムを得ることができる。

0042

なお、この発明による実施の形態によれば、前4項の構成において、前記冷却流体の温度を検出する冷却水温度センサ(TS)130からなる冷却流体温度検出手段または/および前記ポンプ(P)110が発生する冷却流体の圧力を検出する圧力センサ(PS)140からなる圧力検出手段を備え、前記冷却水温度センサ(TS)130からなる冷却流体温度検出手段の温度検出値Stまたは圧力センサ(PS)140からなる圧力検出手段の圧力検出値Spを用いて前記パワー半導体モジュール70の温度センサ72からなる温度検出手段の検出値Tjから推定した熱伝達率(h)を補正するCPU160およびメモリ170ならびにデータベース(DB)180からなる情報処理装置PMで構成される補正機能制御手段(m2)からなる補正手段を有するので、前記半導体パワーモジュールから前記冷却流体への熱伝達率の変化を推定し、この推定結果に応じて冷却流体による冷却能力を制御することにより、負荷の運転を適切に継続させるとともに、推定熱伝達率を補正することによりフェイルセーフ機能を付与できるパワー半導体モジュールの冷却システムを得ることができる。

0043

さらにまた、この発明による実施の形態によれば、前5項の構成において、前記パワー半導体モジュール70への通電に際し、前記パワー半導体モジュール70への通電より先に前記ポンプモータ(M)112を付勢させ、ポンプ(P)100の優先駆動により前記冷却流体の循環を優先的に発生させるコントローラ190からなる制御手段を設けたので、前記半導体パワーモジュールから前記冷却流体への熱伝達率の変化を推定し、この推定結果に応じて冷却流体による冷却能力を制御することにより、負荷の運転を適切に継続させるとともに、冷却流体による冷却機能を的確に遂行できるパワー半導体モジュールの冷却システムを得ることができる。

0044

そしてまた、この発明による実施の形態によれば、前々項における構成において、前記CPU160およびメモリ170ならびにデータベース(DB)180からなる情報処理装置PMで構成される補正機能制御手段(m2)からなる熱伝達率の補正手段により補正された熱伝達率の値を基に、前記パワー半導体モジュール70が冷却流体と接触する放熱面73からなる熱伝達面の温度を演算により推定するとともに、前記熱伝達面の温度の推定値と、前記冷却流体の沸点の値とを比較判定するCPU160およびメモリ170ならびにデータベース(DB)180からなる情報処理装置PMで構成される判定手段(m3)からなる判定手段を備えたので、前記半導体パワーモジュールから前記冷却流体への熱伝達率の変化を推定し、この推定結果に応じて冷却流体による冷却能力を制御することにより、負荷の運転を適切に継続させるとともに、補正された熱伝達率の値を基に冷却流体における沸騰状況を的確に検出できるパワー半導体モジュールの冷却システムを得ることができる。

0045

なおまた、この発明による実施の形態によれば、前々々項における構成において、前記冷却水温度センサ(TS)130からなる冷却流体温度検出手段によって検出される流体温度Stの値を基に、前記パワー半導体モジュール70が冷却流体と接触する放熱面73からなる熱伝達面の温度を演算により推定するとともに、前記熱伝達面の温度の推定値と、前記冷却流体の沸点の値とを比較判定するCPU160およびメモリ170ならびにデータベース(DB)180からなる情報処理装置PMで構成される判定手段(m3)からなる判定手段を備えたので、前記半導体パワーモジュールから前記冷却流体への熱伝達率の変化を推定し、この推定結果に応じて冷却流体による冷却能力を制御することにより、負荷の運転を適切に継続させるとともに、冷却流体温度を基に冷却流体における沸騰状況を的確に検出できるパワー半導体モジュールの冷却システムを得ることができる。

0046

さらになお、この発明による実施の形態によれば、前2項における構成において、前記CPU160およびメモリ170ならびにデータベース(DB)180からなる情報処理装置PMで構成される判定手段(m3)からなる判定手段の判定結果に基づき、前記ポンプ(P)110からなる冷却流体加圧手段の加圧状態をコントローラ190を介して制御するCPU160およびメモリ170ならびにデータベース(DB)180からなる情報処理装置PMで構成される調整手段(m4)からなる調整手段を設けたので、前記半導体パワーモジュールから前記冷却流体への熱伝達率の変化を推定し、この推定結果に応じて冷却流体による冷却能力を制御することにより、負荷の運転を適切に継続させるとともに、冷却流体における沸騰状況を的確に検出し、しかも、冷却流体加圧手段の加圧状態を制御して冷却流体による冷却能力を的確に制御できるパワー半導体モジュールの冷却システムを得ることができる。

図面の簡単な説明

0047

この発明による実施の形態に係るヒートシンク部の構成を示す三面図である。
この発明による実施の形態に係るパワー半導体モジュールの冷却システムの系統構成を示すブロック図である。
この発明による実施の形態に係る円錐状(コニカル)フィンの形状を示す斜視図である。
この発明による実施の形態に係る円柱フィンの形状を示す斜視図である。
この発明による実施の形態に係る洗濯板状フィンの形状を示す斜視図である。
この発明による実施の形態に係る段付き円柱フィンの形状を示す斜視図である。
この発明による実施の形態に係る冷却系の熱伝達率と各部の温度の関係を示す特性曲線図である。

符号の説明

0048

10ヒートシンク、20流路(入口)、30 流路(出口)、40オリフィス、50突起、60プレート、70パワー半導体モジュール、71パワー半導体素子、72素子温度センサ、100配管、110ポンプ、120ラジエータ、130冷却水温度センサ、140冷却水圧力センサ、150配線、155 A/D変換器、160 CPU、170メモリ、180外部情報、190コントローラ、200円錐状(コニカル)フィン、210円柱フィン、220洗濯板状フィン、230段付き円柱フィン。

ページトップへ

この技術を出願した法人

この技術を発明した人物

ページトップへ

関連する挑戦したい社会課題

該当するデータがありません

関連する公募課題

該当するデータがありません

ページトップへ

技術視点だけで見ていませんか?

この技術の活用可能性がある分野

分野別動向を把握したい方- 事業化視点で見る -

ページトップへ

おススメ サービス

おススメ astavisionコンテンツ

新着 最近 公開された関連が強い技術

  • 富士通株式会社の「 冷却装置、冷却システム及び冷却方法」が 公開されました。( 2020/08/31)

    【課題】液浸冷却装置に用いられる冷媒の量を削減する。【解決手段】冷却装置1は、液体である第1冷媒13が貯留される内槽11と、内槽内に、内槽の側壁部と対向させて設けられ、第1冷媒に浸漬される電子機器15... 詳細

  • 富士電機株式会社の「 半導体モジュール、車両および製造方法」が 公開されました。( 2020/08/31)

    【課題】冷却装置内を流れる冷媒の流量が低下した場合に、半導体モジュールの複数の半導体素子が発した熱を、冷却フィンの近傍を通過する冷媒へと移動する効率が低かった。【解決手段】半導体装置および冷却装置を備... 詳細

  • 株式会社デンソーの「 半導体装置」が 公開されました。( 2020/08/31)

    【課題】交電気的性能を向上できる半導体装置を提供すること。【解決手段】半導体装置は、半導体チップ10と、半導体チップの裏面側に設けられた第1ヒートシンク31と、半導体チップの表面側に設けられたターミナ... 詳細

この 技術と関連性が強い技術

関連性が強い 技術一覧

この 技術と関連性が強い人物

関連性が強い人物一覧

この 技術と関連する社会課題

該当するデータがありません

この 技術と関連する公募課題

該当するデータがありません

astavision 新着記事

サイト情報について

本サービスは、国が公開している情報(公開特許公報、特許整理標準化データ等)を元に構成されています。出典元のデータには一部間違いやノイズがあり、情報の正確さについては保証致しかねます。また一時的に、各データの収録範囲や更新周期によって、一部の情報が正しく表示されないことがございます。当サイトの情報を元にした諸問題、不利益等について当方は何ら責任を負いかねることを予めご承知おきのほど宜しくお願い申し上げます。

主たる情報の出典

特許情報…特許整理標準化データ(XML編)、公開特許公報、特許公報、審決公報、Patent Map Guidance System データ