JP3853601B2

JP3853601B2 - Semiconductor modules and coolers

Info

Publication number: JP3853601B2
Application number: JP2001068675A
Authority: JP
Inventors: 和也小谷; 利春大部
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2001-03-12
Filing date: 2001-03-12
Publication date: 2006-12-06
Anticipated expiration: 2021-03-12
Also published as: JP2002270765A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体モジュール、半導体素子や半導体モジュールを冷却するための冷却器、および半導体モジュールと冷却器が用いられている電力変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電力変換装置の多くは、サイリスタやＧＴＯ（ゲートターンオフサイリスタ）、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）、パワーＭＯＳＦＥＴ（静電誘導形トランジスタ）などのパワー半導体素子を周辺回路と共に一つのパッケージに収納した半導体モジュールを使用している。
【０００３】
このような半導体モジュールは、通常、半導体素子の温度上昇による誤動作や損傷を防止するために、冷却器が取り付けられている。
【０００４】
ところで、電力変換装置では、過負荷などで半導体素子の損失が急激に増大することがあり、このような場合には素子温度が急上昇するが、冷却器の熱時定数が大きいため、半導体素子の急激な温度上昇に対応できないことがある。
【０００５】
このため、従来の電力変換装置では、このような半導体素子の急激な温度上昇に対応するために、半導体素子の通常動作時における発熱分より冷却能力の大きな冷却器を用いて急激な温度上昇にも対応できるようにしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このように半導体素子の急激な温度上昇分まで見込んで冷却能力の大きな冷却器を用いることは、冷却器が大きくなってしまうといった問題があった。また冷却器の大型化は、それを用いている電力変換装置の大型化を招いているといった問題があった。
【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、その目的としては、過負荷によって起こる半導体素子の急激な温度上昇を抑制することのできる半導体モジュールを提供することである。
【０００８】
また、本発明の他の目的は、過負荷によって起こる半導体素子や半導体モジュールの急激な温度上昇を抑制することができ、従来よりも小型化した冷却器を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、上記課題を解決するため、金属基板上に設けられた半導体素子と、前記半導体素子の近傍に設けられ、前記半導体素子の熱を一時的に吸収して、その後放出する温度検出器を備えた蓄熱器と、を有することを要旨とする半導体モジュールである。
【００１１】
この発明は、半導体素子の近傍に半導体素子の熱を一時的に吸収し、その後その熱を放出する蓄熱器を設けることで、半導体素子が過負荷などにより発熱して、急激に温度上昇した場合に、その熱を蓄熱器が一時的に吸収することで、半導体素子の急激な温度上昇を抑制して、その後にこの熱を放出することで、温度の急激な変化を抑えようとするものである。なお、ここで、金属基板上に設けられた半導体素子とは、金属基板に直接接合されたものはもとより、金属基板の上に絶縁基板を介して接合されたもののように、金属基板と半導体素子の間に他の物質が介在した構成を含む。また特に、蓄熱器自体に温度検出器を備えたことで、半導体素子の温度を検出する場合に、蓄熱器が一時的に半導体素子の熱を吸収している間の半導体素子の温度を正確に検出できるようにしようとするものである。
【００２４】
請求項２記載の発明は、上記課題を解決するため、半導体素子および／または半導体モジュールを取り付ける取付部と、前記取付部に取り付けられた半導体素子および／または半導体モジュールを冷却する冷却部と、前記冷却部に設けられ、前記取付部に取り付けられる半導体素子および／または半導体モジュールの熱を一時的に吸収して、その後放出する温度検出器を備えた蓄熱器と、を有することを要旨とする冷却器である。
【００２５】
この発明は、半導体素子および／または半導体モジュールの取付部がある冷却部に半導体素子および／または半導体モジュールの熱を一時的に吸収し、その後その熱を放出する蓄熱器を設けることで、半導体素子や半導体モジュールが過負荷などにより発熱し、急激に温度上昇した場合に、その熱を蓄熱器が一時的に吸収することで、半導体素子や半導体モジュールの急激な温度上昇を抑制して、その後にこの熱を放出することで、温度の急激な変化を抑えようとするものである。また、特に蓄熱器自体に温度検出器を備えたことで、半導体素子および／または半導体モジュールの温度を検出する場合に、蓄熱器が一時的に半導体素子および／または半導体モジュールの熱を吸収している間の半導体素子および／または半導体モジュールの温度を正確に検出できるようにしようとするものである。
【００４０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００４１】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明を適用した第１の実施の形態によるパワー半導体モジュールを示す概略図である。
【００４２】
このパワー半導体モジュール１は、パワー半導体素子１１と、このパワー半導体素子１１が絶縁基板１３を介して取り付けられた金属基板１５と、パワー半導体素子１１上および、その近傍に設けられた蓄熱器１７と、金属基板１５に接合されたケース１９とからなる。
【００４３】
パワー半導体素子１１は、たとえばサイリスタ、ＧＴＯ（ゲートターンオフサイリスタ）、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）、パワーＭＯＳＦＥＴ（静電誘導形トランジスタ）などの半導体素子である。
【００４４】
絶縁基板１３は、たとえばフェノール基板、エポキシ基板、ポリエステル基板、ガラスエポキシ基板、ポリイミド基板、ガラスポリイミド基板、ガラステフロン基板、ポリエーテルイミド基板などであり、パワー半導体素子１１と金属基板１５とを電気的に絶縁した上で、パワー半導体素子１１の熱を金属基板１５に効率よく逃がすために熱伝導性の良い絶縁性素材が好ましい。
【００４５】
金属基板１５は、たとえばアルミニウム、銅、ステンレス、マグネシウム、ニッケルまたはこれらの合金など熱伝導性のよい金属素材が用いられる。そして、この金属基板１５は、図示しない冷却器に接合され、パワー半導体素子１１からの熱を冷却器へ伝達する。
【００４６】
蓄熱器１７は、半導体素子の熱を一時的に吸収して、その後放出するものであり、ここでは、パワー半導体素子１１の使用可能温度の上限よりわずかに低い温度で固体から液体に相変化する素材によって形成されたものを用いている。このような蓄熱器１７の素材としては、たとえば融点８０〜１８０℃の低融点金属が好ましく、たとえば鉛、カドミウム、スズ、ビスマスよりなる群から選択された少なくとも一つの金属を含むなどからなる合金を用いることができる。なお、この融点の範囲（８０〜１８０℃）は、電力変換装置に使用されている半導体素子の使用可能温度の上限温度を元にしたものである。したがって、当然に使用可能温度の上限がこの範囲外の半導体素子を用いる場合には、それらの半導体素子の使用可能温度の上限値未満で相変化する素材よりなる蓄熱器とする必要がある。
【００４７】
ケース１９は、たとえばアルミニウム、銅、ステンレス、マグネシウム、ニッケルまたはこれらの合金などであり、金属基板１５と接合され、パワー半導体素子１１とともにパワー半導体モジュールの回路を構成する各種部品を収納して、封止するものである。
【００４８】
以下、本第１の実施の形態における作用を説明する。
【００４９】
パワー半導体素子１１で発生する損失は、そのほとんどが熱となって放出される。この熱は、通常、パワー半導体素子１１から、絶縁基板１３および金属基板１５を通して冷却器へと伝わる。また、本第１の実施の形態ではパワー半導体素子１１からの熱は蓄熱器１７へも伝わっている。そして、パワー半導体素子１１で大きな損失が発生した場合は、その温度が蓄熱器１７の融点を越えると、蓄熱器１７が固体から液体への相変化を起こし、これによりパワー半導体素子１１で発生した熱が、蓄熱器１７によって一時的に吸収され、その後放出される。
【００５０】
蓄熱器１７が固体から液体へ相変化するときの熱時定数は、冷却器の熱時定数よりも非常に短いため、パワー半導体素子１１が急に温度上昇した場合でも、この蓄熱器１７によって一時的に熱が吸収されて、その後放出されるため、冷却器へ伝わる熱は急激に変化することはない。したがって、冷却器は、半導体素子の通常動作時の使用に耐えうる程度の冷却能力のものでよいので、小型化することができる。
【００５１】
なお、蓄熱器１７は、パワー半導体素子１１の急激な温度上昇を一時的に蓄える働きをさせるために、パワー半導体素子１１の近傍、たとえば素子の直上または素子近くの絶縁基板１３上や金属基板１５上に配置されることが好ましい。また、蓄熱器１７はパワー半導体素子１１の使用可能な温度上限とほぼ同じか、少し低めの融点でなければ、有効に作用することができない。
【００５２】
図２（ａ）（ｂ）（ｃ）は半導体素子の損失が大幅に増加した場合のシミュレーション結果である。ここで図２（ａ）は、半導体素子において急激な損失発生した時点を示す図面であり、図２（ｂ）は、蓄熱器１７がない場合の半導体素子の温度変化を示した図面であり、図２（ｃ）は蓄熱器１７を設けた場合の半導体素子の温度変化を示した図面である。
【００５３】
図からわかるように、蓄熱器１７のないものでは、損失の発生とほぼ同時に急激に温度が上昇しているが、蓄熱器１７のあるものでは同時に温度が上昇するものの、その温度上昇が抑制されている。したがって、このシミュレーションの結果からもパワー半導体素子１１の近傍に蓄熱器１７を設けることで、パワー半導体素子１１の損失による急激な温度上昇を十分抑制できることがわかる。
【００５４】
（第２の実施の形態）
図３は、本発明を適用した第２の実施の形態によるパワー半導体モジュールを示す概略図である。なお、図１に示した各部材と同一の機能を有する部材については、同一の符号を付した。以下各実施の形態において同様である。
【００５５】
本第２の実施の形態におけるパワー半導体モジュール１は、蓄熱器１７に、直接熱交換を促進するための放熱フィン２１を設けたものである。その他の構成は、前述した第１の実施の形態と同様であるので、それらの説明は省略する。
【００５６】
このように蓄熱器１７に直接放熱フィン２１を設けることで、より一層パワー半導体素子１１の温度上昇を抑制することができる。
【００５７】
なお、放熱フィン２１は、蓄熱器１７と別の部材からなる放熱フィンを蓄熱器１７に接合するほか、たとえば蓄熱器自体の形状をフィン構造としてもよい。
【００５８】
（第３の実施の形態）
図４は、本発明を適用した第３の実施の形態によるパワー半導体モジュールを示す概略図である。
【００５９】
本第３の実施の形態におけるパワー半導体モジュール３は、圧接型半導体素子２３を用いた半導体モジュールである。
【００６０】
このパワー半導体モジュール３は、圧接型半導体素子２３が絶縁基板１３を介して金属基板１５の上に設けられており、さらに金属基板１５に接合されたケース１９に覆われている。そして、圧接型半導体素子２３の周囲に蓄熱器１７が設けられている。
【００６１】
このように圧接型半導体素子２３を用いたパワー半導体モジュール３であっても、上述した第１の実施の形態と同様に、圧接型半導体素子２３の損失による急激な温度上昇に対応することができ、冷却器としては、圧接型半導体素子２３の通常の放熱に対応するだけの冷却能力があればよいので、小型化することができる。
【００６２】
（第４の実施の形態）
図５は、本発明を適用した第４の実施の形態による冷却器を示す概略図である。
【００６３】
本第４の実施の形態による冷却器５は、冷却器５の半導体モジュール取付部５１のある面に、蓄熱器５７を設けたものである。
【００６４】
蓄熱器５７は、この冷却器５に取り付けられる半導体モジュールに使用されている半導体素子の使用可能温度上限よりわずかに低い融点の金属よりなるものであり、たとえば、融点８０〜１８０℃の低融点金属であり、このような金属としては、たとえば鉛、カドミウム、スズ、ビスマスよりなる群から選択された少なくとも一つの金属を含むなどからなる合金を用いることができる。
【００６５】
また、この冷却器５は、半導体モジュール取付部５１のある面が冷却部であり、その反対側の面に放熱部である放熱フィン５３が設けられた空冷式である。
【００６６】
以下、本第４の実施の形態における作用を説明する。
【００６７】
パワー半導体素子で発生する損失は、パワー半導体素子から、半導体モジュールを構成する絶縁基板および金属基板を通して冷却器５へ伝達される。したがって、冷却器５に蓄熱器５７を設けることで、パワー半導体素子で大きな損失が発生した場合には、パワー半導体素子からの熱が冷却器５に伝わり、その温度が蓄熱器５７の融点を越えると、蓄熱器５７が固体から液体への相変化を起こして、蓄熱器５７によって一時的に吸収され、その後放出される。このため、半導体素子の損失による急激な温度上昇を抑制することができ、冷却器５としては半導体素子の通常の放熱に対応するだけの冷却能力があればよく、小型化することができる。
【００６８】
また、本第４の実施の形態では、何らかの理由により、冷却器５の熱輸送能力が変動し、冷却器５が局所的に高温となった場合にも、冷却器５に設けた蓄熱器５７が固体から液体に相変化して、局所的な熱の集中を防止する効果がある。
【００６９】
（第５の実施の形態）
図６は、本発明を適用した第５の実施の形態による冷却器を示す概略図である。
【００７０】
本第５の実施の形態は、水冷式冷却器７に、前述した第４の実施の形態と同様に蓄熱器５７を設けたものである。ここで半導体モジュール７０は、図示するように、水冷式冷却器７の外側の半導体モジュール取付部５１に設けられる。
【００７１】
なお、その他の構成は、前述した第４の実施の形態と同様であるので、それらの説明は省略する。
【００７２】
このように、水冷式冷却器７であっても、本発明を適用することで、パワー半導体素子の損失による急激な温度上昇に対応することができ、水冷式冷却器７としてはパワー半導体素子の通常の放熱に対応するだけの冷却能力があればよい。
【００７３】
（第６の実施の形態）
図７は、本発明を適用した第６の実施の形態による冷却器を示す概略図である。
【００７４】
本第６の実施の形態は、沸騰式冷却器９に、前述した第４の実施の形態と同様に蓄熱器５７を設けたものである。沸騰式冷却器９は、半導体モジュール取付部５１がある冷却部９１と、放熱部９３とからなり、蓄熱器５７は半導体モジュール取付部５１がある冷却部９１の内部に設けている。
【００７５】
このように、沸騰式冷却器９であっても、本発明を適用することで、パワー半導体素子の損失による急激な温度上昇に対応することができ、沸騰式冷却器９としてはパワー半導体素子の通常の放熱に対応するだけの冷却能力があればよいので、小型化することができる。
【００７６】
（第７の実施の形態）
第７の実施の形態は、本発明を適用した電力変換装置である。
【００７７】
図８は、本発明の第７の実施の形態による電力変換装置を示す概略図である。
【００７８】
この電力変換装置１００は、前述した第３の実施の形態による圧接型半導体素子を用いたパワー半導体モジュール３を、前述した第６の実施の形態による沸騰式冷却器９の両面に設けたものである。
【００７９】
このように、電力変換装置１００として、内部に蓄熱器を設けた半導体モジュール３と、同様に蓄熱器を設けた冷却器９を用いることで、電力変換装置１００において、半導体素子や半導体モジュールの温度が急激に上昇した場合でも効果的に温度上昇を抑制することができ、素子温度の急激な上昇に伴う電力変換効率の低下や異常停止を防止することが可能となる。
【００８０】
なお、このような電力変換装置としては、この他に、たとえば前述した第１または第２の実施の形態によるパワー半導体モジュールと、前述した第４または第５の実施の形態による冷却器を組み合わせて電力変換装置を構成してもよい。
【００８１】
（他の実施の形態）
以上本発明を適用した様々な実施の形態を説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではない。したがって、本発明は、上述した各実施の形態において図示した形態の半導体モジュール、冷却器、電力変換装置に限定されるものではない。
【００８２】
たとえば各実施の形態において蓄熱器は、相変化により一時的に熱を吸収するように金属素材としたが、この他に、酸化アルミニウムなどを主成分とするセラミックなどを用いることができる。
【００８３】
また、冷却器にあっては、半導体ジュールを取り付けるものに限定されず、半導体素子を直接あるいは、間接的に取り付けるような冷却器にも適用することができる。
【００８４】
また、電力変換装置にあっては、本発明を適用した半導体モジュールと、通常の冷却器と使用して電力変換装置を構成することでも冷却器や電力変換装置の構成を小型化することができる。逆に、従来の半導体モジュールに本発明による冷却器を用いて電力変換装置を構成しても、冷却器の小型化により、電力変換装置も小型化することができる。
【００８５】
さらに、半導体モジュールや電力変換装置において、半導体素子の温度を検出することで素子が異常高温となった場合に、電力変換動作を一時的に切るようなスナバ回路を設けている場合には、半導体素子の温度検出のための温度検出器を本発明に用いている蓄熱器に設けることが好ましい。これにより、蓄熱器が一時的に半導体素子の熱を吸収している間の半導体素子の温度を正確に検出することができて、たとえば蓄熱器が相変化を起こしている間は、半導体素子の温度上昇が抑制されているため、その間電力変換動作を継続することが可能となり、それ以上さらに異常な高温となった場合にのみ、電力変換動作を中断する、などといった制御が可能となる。
【００８６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の半導体モジュールによれば、半導体素子の急激な温度上昇を抑制することができ、これにより半導体モジュールを取り付ける冷却器の小型化を図ることができる。
【００８７】
また、本発明の冷却器によれば、そこに取り付けられる半導体素子や半導体モジュールの急激な温度上昇を抑制することができるので、冷却器の小型化を図ることができる。
【００８８】
さらに、本発明による電力変換装置は、半導体素子の急激な温度上昇を抑制した半導体モジュールや冷却器を用いているので、電力変換装置の小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した第１の実施の形態のパワー半導体モジュールを示す概略図である。
【図２】本発明を適用して蓄熱器を設けた場合と、従来の蓄熱器を設けない場合における半導体素子の温度変化のシミュレーション結果を示す図面である。
【図３】本発明を適用した第２の実施の形態のパワー半導体モジュールを示す概略図である。
【図４】本発明を適用した第３の実施の形態のパワー半導体モジュールを示す概略図である。
【図５】本発明を適用した第４の実施の形態の冷却器を示す概略図である。
【図６】本発明を適用した第５の実施の形態の冷却器を示す概略図である。
【図７】本発明を適用した第６の実施の形態の冷却器を示す概略図である。
【図８】本発明を適用した第７の実施の形態の電力変換装置を示す概略図である。
【符号の説明】
１、３パワー半導体モジュール
５冷却器
７水冷式冷却器
９沸騰式冷却器
１１パワー半導体素子
１３絶縁基板
１５金属基板
１７、５７蓄熱器
１９ケース
２１、５３放熱フィン
２３圧接型半導体素子
５１半導体モジュール取付部
７０半導体モジュール
９１冷却部
９３放熱部
１００電力変換装置[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor module, a cooler for cooling a semiconductor element or a semiconductor module, and a power conversion device using the semiconductor module and the cooler.
[0002]
[Prior art]
In recent years, many power conversion devices have housed power semiconductor elements such as thyristors, GTO (gate turn-off thyristors), IGBTs (insulated gate bipolar transistors), power MOSFETs (electrostatic induction transistors) in a single package together with peripheral circuits. A semiconductor module is used.
[0003]
Such a semiconductor module is usually provided with a cooler in order to prevent malfunction and damage due to a temperature rise of the semiconductor element.
[0004]
By the way, in the power conversion device, the loss of the semiconductor element may increase suddenly due to overload or the like. In such a case, the element temperature increases rapidly, but the thermal time constant of the cooler is large. It may not be possible to cope with rapid temperature rise.
[0005]
For this reason, in the conventional power conversion device, in order to cope with such a rapid increase in temperature of the semiconductor element, a rapid increase in temperature is caused by using a cooler having a cooling capacity larger than that of heat generated during normal operation of the semiconductor element. Is also available.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, using a cooler with a large cooling capacity in view of the sudden temperature rise of the semiconductor element as described above has a problem that the cooler becomes large. Further, the increase in size of the cooler has a problem that the size of a power conversion device using the cooler is increased.
[0007]
The present invention has been made in view of the above, and an object thereof is to provide a semiconductor module capable of suppressing a rapid temperature rise of a semiconductor element caused by an overload.
[0008]
Another object of the present invention is to provide a cooler that can suppress a rapid temperature increase of a semiconductor element or a semiconductor module caused by an overload and that is smaller than the conventional one.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to claim 1 is provided in the vicinity of a semiconductor element provided on a metal substrate and in the vicinity of the semiconductor element, and temporarily absorbs the heat of the semiconductor element and then releases it. And a heat accumulator equipped with a temperature detector .
[0011]
The present invention provides a heat accumulator that temporarily absorbs the heat of the semiconductor element in the vicinity of the semiconductor element and then releases the heat, so that the semiconductor element generates heat due to overload or the like and the temperature rapidly increases. In addition, the regenerator temporarily absorbs the heat, thereby suppressing a rapid temperature rise of the semiconductor element and then releasing this heat to suppress a rapid change in temperature. is there. Here, the semiconductor element provided on the metal substrate is not only directly bonded to the metal substrate but also the metal substrate and the semiconductor element such as those bonded to the metal substrate via an insulating substrate. Including other materials intervening between the two. In particular, since the heat accumulator itself is equipped with a temperature detector, when detecting the temperature of the semiconductor element, the temperature of the semiconductor element is accurately measured while the heat accumulator temporarily absorbs the heat of the semiconductor element. It tries to be able to detect.
[0024]
In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to claim 2 is a mounting part for mounting a semiconductor element and / or a semiconductor module, a cooling part for cooling the semiconductor element and / or the semiconductor module attached to the mounting part, And a heat accumulator having a temperature detector that is provided in the cooling section and temporarily absorbs heat of the semiconductor element and / or the semiconductor module attached to the mounting section and then releases the heat. It is a vessel.
[0025]
The present invention provides a semiconductor element by providing a heat accumulator that temporarily absorbs the heat of the semiconductor element and / or the semiconductor module and then releases the heat in the cooling section where the semiconductor element and / or the semiconductor module is attached. If the semiconductor module generates heat due to overload, etc., and the temperature rises rapidly, the regenerator temporarily absorbs the heat, thereby suppressing the rapid temperature rise of the semiconductor element and the semiconductor module. By releasing this heat, a rapid change in temperature is to be suppressed. Further, in particular, when the temperature of the semiconductor element and / or the semiconductor module is detected, the heat accumulator temporarily absorbs the heat of the semiconductor element and / or the semiconductor module by providing the temperature accumulator itself. The temperature of the semiconductor element and / or the semiconductor module during the operation can be accurately detected.
[0040]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0041]
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic diagram showing a power semiconductor module according to a first embodiment to which the present invention is applied.
[0042]
This power semiconductor module 1 includes a power semiconductor element 11, a metal substrate 15 to which the power semiconductor element 11 is attached via an insulating substrate 13, a heat accumulator 17 provided on and in the vicinity of the power semiconductor element 11. And a case 19 joined to the metal substrate 15.
[0043]
The power semiconductor element 11 is a semiconductor element such as a thyristor, a GTO (gate turn-off thyristor), an IGBT (insulated gate bipolar transistor), or a power MOSFET (electrostatic induction transistor).
[0044]
The insulating substrate 13 is, for example, a phenol substrate, an epoxy substrate, a polyester substrate, a glass epoxy substrate, a polyimide substrate, a glass polyimide substrate, a glass Teflon substrate, a polyetherimide substrate, and the like. The power semiconductor element 11 and the metal substrate 15 are electrically connected. Insulating material with good thermal conductivity is preferable in order to efficiently release the heat of the power semiconductor element 11 to the metal substrate 15.
[0045]
The metal substrate 15 is made of a metal material having good thermal conductivity such as aluminum, copper, stainless steel, magnesium, nickel, or an alloy thereof. The metal substrate 15 is joined to a cooler (not shown) and transfers heat from the power semiconductor element 11 to the cooler.
[0046]
The heat accumulator 17 temporarily absorbs the heat of the semiconductor element and then releases it. Here, the heat accumulator 17 changes from a solid to a liquid at a temperature slightly lower than the upper limit of the usable temperature of the power semiconductor element 11. The one made of material is used. As a material for such a heat accumulator 17, for example, a low melting point metal having a melting point of 80 to 180 ° C. is preferable, for example, an alloy including at least one metal selected from the group consisting of lead, cadmium, tin, and bismuth. Can be used. In addition, this melting | fusing point range (80-180 degreeC) is based on the upper limit temperature of the usable temperature of the semiconductor element currently used for the power converter device. Therefore, when using semiconductor elements whose upper limit of usable temperature is outside this range, naturally, it is necessary to use a heat accumulator made of a material that changes in phase below the upper limit of usable temperature of those semiconductor elements.
[0047]
The case 19 is made of, for example, aluminum, copper, stainless steel, magnesium, nickel, or an alloy thereof. The case 19 is bonded to the metal substrate 15 and accommodates various parts constituting the power semiconductor module circuit together with the power semiconductor element 11 and sealed. It will stop.
[0048]
Hereinafter, the operation in the first embodiment will be described.
[0049]
Most of the loss generated in the power semiconductor element 11 is released as heat. This heat is normally transferred from the power semiconductor element 11 to the cooler through the insulating substrate 13 and the metal substrate 15. In the first embodiment, the heat from the power semiconductor element 11 is also transmitted to the heat accumulator 17. When a large loss occurs in the power semiconductor element 11, when the temperature exceeds the melting point of the heat accumulator 17, the heat accumulator 17 causes a phase change from a solid to a liquid, which is generated in the power semiconductor element 11. Heat is temporarily absorbed by the regenerator 17 and then released.
[0050]
Since the thermal time constant when the heat accumulator 17 undergoes a phase change from solid to liquid is much shorter than the thermal time constant of the cooler, even if the temperature of the power semiconductor element 11 suddenly rises, the heat accumulator 17 temporarily Since heat is absorbed and then released, the heat transferred to the cooler does not change abruptly. Therefore, the cooler may be of a cooling capacity that can withstand use during normal operation of the semiconductor element, and can be downsized.
[0051]
Note that the heat accumulator 17 has a function of temporarily storing a rapid temperature rise of the power semiconductor element 11, in the vicinity of the power semiconductor element 11, for example, directly above or near the element or on the insulating substrate 13 or the metal substrate 15. It is preferable to arrange on top. In addition, the heat accumulator 17 cannot function effectively unless it has a melting point that is substantially the same as or slightly lower than the upper limit of the usable temperature of the power semiconductor element 11.
[0052]
FIGS. 2A, 2B, and 2C show simulation results when the loss of the semiconductor element is significantly increased. Here, FIG. 2A is a drawing showing a point in time when a sudden loss occurs in the semiconductor element, and FIG. 2B is a drawing showing a temperature change of the semiconductor element when there is no heat accumulator 17, FIG. 2 (c) is a drawing showing the temperature change of the semiconductor element when the heat accumulator 17 is provided.
[0053]
As can be seen from the figure, in the case without the heat accumulator 17, the temperature suddenly rises almost simultaneously with the occurrence of the loss, but in the case with the heat accumulator 17, the temperature rises at the same time, but the temperature rise is suppressed. ing. Therefore, also from the result of this simulation, it can be seen that the rapid temperature rise due to the loss of the power semiconductor element 11 can be sufficiently suppressed by providing the heat accumulator 17 near the power semiconductor element 11.
[0054]
(Second Embodiment)
FIG. 3 is a schematic diagram showing a power semiconductor module according to a second embodiment to which the present invention is applied. In addition, the same code | symbol was attached | subjected about the member which has the same function as each member shown in FIG. The same applies to the following embodiments.
[0055]
In the power semiconductor module 1 according to the second embodiment, the heat accumulator 17 is provided with radiating fins 21 for promoting direct heat exchange. Other configurations are the same as those of the first embodiment described above, and thus the description thereof is omitted.
[0056]
Thus, by providing the radiation fin 21 directly in the heat accumulator 17, the temperature rise of the power semiconductor element 11 can be further suppressed.
[0057]
The radiating fin 21 may have a fin structure, for example, the shape of the regenerator itself, in addition to joining the radiating fin made of a member different from the regenerator 17 to the regenerator 17.
[0058]
(Third embodiment)
FIG. 4 is a schematic diagram showing a power semiconductor module according to a third embodiment to which the present invention is applied.
[0059]
The power semiconductor module 3 in the third embodiment is a semiconductor module using the press contact type semiconductor element 23.
[0060]
In this power semiconductor module 3, a pressure contact type semiconductor element 23 is provided on a metal substrate 15 via an insulating substrate 13, and is further covered with a case 19 joined to the metal substrate 15. A heat accumulator 17 is provided around the press contact type semiconductor element 23.
[0061]
As described above, even in the power semiconductor module 3 using the press contact type semiconductor element 23, it is possible to cope with a rapid temperature increase due to the loss of the press contact type semiconductor element 23 as in the first embodiment. Since the cooler only needs to have a cooling capacity corresponding to the normal heat dissipation of the press-contact type semiconductor element 23, it can be miniaturized.
[0062]
(Fourth embodiment)
FIG. 5 is a schematic view showing a cooler according to a fourth embodiment to which the present invention is applied.
[0063]
The cooler 5 according to the fourth embodiment is provided with a heat accumulator 57 on the surface of the cooler 5 where the semiconductor module mounting portion 51 is provided.
[0064]
The heat accumulator 57 is made of a metal having a melting point slightly lower than the upper limit of the usable temperature of the semiconductor element used in the semiconductor module attached to the cooler 5, for example, a low melting point metal having a melting point of 80 to 180 ° C. As such a metal, for example, an alloy including at least one metal selected from the group consisting of lead, cadmium, tin, and bismuth can be used.
[0065]
The cooler 5 is an air-cooling type in which the surface on which the semiconductor module mounting portion 51 is provided is a cooling portion, and the heat radiation fins 53 that are heat radiation portions are provided on the opposite surface.
[0066]
Hereinafter, the operation in the fourth embodiment will be described.
[0067]
The loss generated in the power semiconductor element is transmitted from the power semiconductor element to the cooler 5 through the insulating substrate and the metal substrate constituting the semiconductor module. Therefore, by providing the heat accumulator 57 in the cooler 5, when a large loss occurs in the power semiconductor element, heat from the power semiconductor element is transferred to the cooler 5, and the temperature exceeds the melting point of the heat accumulator 57. Then, the heat accumulator 57 causes a phase change from solid to liquid, and is temporarily absorbed by the heat accumulator 57 and then released. For this reason, a rapid temperature rise due to the loss of the semiconductor element can be suppressed, and the cooler 5 only needs to have a cooling capacity corresponding to normal heat dissipation of the semiconductor element, and can be miniaturized.
[0068]
Further, in the fourth embodiment, the heat accumulator 57 provided in the cooler 5 even when the heat transport capability of the cooler 5 fluctuates for some reason and the cooler 5 becomes locally hot. Phase change from solid to liquid, and has the effect of preventing local heat concentration.
[0069]
(Fifth embodiment)
FIG. 6 is a schematic view showing a cooler according to a fifth embodiment to which the present invention is applied.
[0070]
In the fifth embodiment, the water-cooled cooler 7 is provided with a heat accumulator 57 as in the fourth embodiment described above. Here, the semiconductor module 70 is provided in the semiconductor module mounting portion 51 outside the water-cooled cooler 7 as shown in the figure.
[0071]
Other configurations are the same as those in the fourth embodiment described above, and thus the description thereof is omitted.
[0072]
Thus, even if it is a water-cooled type cooler 7, it can respond to the rapid temperature rise by the loss of a power semiconductor element by applying this invention, and the water-cooled type cooler 7 is a thing of a power semiconductor element. It is sufficient if the cooling capacity is enough to handle normal heat dissipation.
[0073]
(Sixth embodiment)
FIG. 7 is a schematic view showing a cooler according to a sixth embodiment to which the present invention is applied.
[0074]
In the sixth embodiment, a heat accumulator 57 is provided in the boiling cooler 9 in the same manner as in the fourth embodiment described above. The boiling-type cooler 9 includes a cooling part 91 having a semiconductor module mounting part 51 and a heat radiating part 93, and the heat accumulator 57 is provided inside the cooling part 91 having a semiconductor module mounting part 51.
[0075]
Thus, even if it is a boiling-type cooler 9, it can respond to the rapid temperature rise by the loss of a power semiconductor element by applying this invention, and the boiling-type cooler 9 is a thing of a power semiconductor element. Since it is sufficient that the cooling capacity is sufficient to cope with normal heat radiation, the size can be reduced.
[0076]
(Seventh embodiment)
The seventh embodiment is a power conversion device to which the present invention is applied.
[0077]
FIG. 8 is a schematic diagram showing a power conversion apparatus according to the seventh embodiment of the present invention.
[0078]
This power conversion device 100 is provided with the power semiconductor module 3 using the pressure contact type semiconductor element according to the third embodiment described above on both surfaces of the boiling cooler 9 according to the sixth embodiment described above. is there.
[0079]
Thus, by using the semiconductor module 3 provided with the heat accumulator inside and the cooler 9 similarly provided with the heat accumulator as the power conversion device 100, the temperature of the semiconductor element or the semiconductor module in the power conversion device 100 is used. Even when the temperature rises rapidly, it is possible to effectively suppress the temperature rise, and it is possible to prevent the power conversion efficiency from being lowered or abnormally stopped due to the rapid rise in element temperature.
[0080]
In addition, as such a power conversion device, for example, the power semiconductor module according to the first or second embodiment described above and the cooler according to the fourth or fifth embodiment described above are combined. You may comprise a power converter device.
[0081]
(Other embodiments)
Although various embodiments to which the present invention is applied have been described above, the present invention is not limited to these embodiments. Therefore, the present invention is not limited to the semiconductor module, the cooler, and the power conversion device shown in the embodiments described above.
[0082]
For example, in each embodiment, the heat accumulator is made of a metal material so as to temporarily absorb heat by phase change, but in addition to this, a ceramic mainly composed of aluminum oxide or the like can be used.
[0083]
In addition, the cooler is not limited to the one to which the semiconductor joule is attached, and can be applied to a cooler in which the semiconductor element is directly or indirectly attached.
[0084]
Further, in the power conversion device, the configuration of the cooler and the power conversion device can be downsized by configuring the power conversion device using the semiconductor module to which the present invention is applied and a normal cooler. . Conversely, even if the power conversion device is configured using the cooler according to the present invention in the conventional semiconductor module, the power conversion device can be downsized due to the downsizing of the cooler.
[0085]
Furthermore, in a semiconductor module or power conversion device, if a snubber circuit is provided that temporarily turns off the power conversion operation when the temperature of the element becomes abnormally high by detecting the temperature of the semiconductor element, the semiconductor It is preferable to provide a temperature detector for detecting the temperature of the element in the heat accumulator used in the present invention. This makes it possible to accurately detect the temperature of the semiconductor element while the heat accumulator temporarily absorbs the heat of the semiconductor element. For example, while the heat accumulator is undergoing a phase change, Since the temperature rise is suppressed, it is possible to continue the power conversion operation during that time, and it is possible to perform control such as interrupting the power conversion operation only when the temperature becomes further abnormally high.
[0086]
【The invention's effect】
As described above, according to the semiconductor module of the present invention, it is possible to suppress a rapid increase in temperature of the semiconductor element, thereby reducing the size of the cooler to which the semiconductor module is attached.
[0087]
In addition, according to the cooler of the present invention, a rapid temperature rise of the semiconductor elements and semiconductor modules attached thereto can be suppressed, so that the cooler can be downsized.
[0088]
Furthermore, since the power conversion device according to the present invention uses a semiconductor module or a cooler that suppresses a rapid temperature increase of the semiconductor element, the power conversion device can be downsized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view showing a power semiconductor module according to a first embodiment to which the present invention is applied.
FIG. 2 is a drawing showing simulation results of temperature changes of a semiconductor element when a heat accumulator is provided by applying the present invention and when a conventional heat accumulator is not provided.
FIG. 3 is a schematic diagram showing a power semiconductor module according to a second embodiment to which the present invention is applied.
FIG. 4 is a schematic view showing a power semiconductor module according to a third embodiment to which the present invention is applied.
FIG. 5 is a schematic view showing a cooler according to a fourth embodiment to which the present invention is applied.
FIG. 6 is a schematic view showing a cooler according to a fifth embodiment to which the present invention is applied.
FIG. 7 is a schematic view showing a cooler according to a sixth embodiment to which the present invention is applied.
FIG. 8 is a schematic diagram showing a power conversion device according to a seventh embodiment to which the present invention is applied.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 3 Power semiconductor module 5 Cooler 7 Water cooling type cooler 9 Boiling type cooler 11 Power semiconductor element 13 Insulating substrate 15 Metal substrate 17, 57 Heat accumulator 19 Case 21, 53 Radiation fin 23 Pressure welding type semiconductor element 51 Semiconductor module attachment Unit 70 semiconductor module 91 cooling unit 93 heat dissipation unit 100 power conversion device

Claims

A semiconductor element provided on a metal substrate;
A heat accumulator provided with a temperature detector provided in the vicinity of the semiconductor element, which temporarily absorbs heat of the semiconductor element and then releases the heat;
A semiconductor module comprising:

A mounting portion for mounting a semiconductor element and / or a semiconductor module;
A cooling part for cooling the semiconductor element and / or the semiconductor module attached to the attachment part;
A heat accumulator provided with a temperature detector that is provided in the cooling unit, temporarily absorbs heat of the semiconductor element and / or the semiconductor module attached to the attachment unit, and then releases the heat;
The cooler characterized by having.