專利名稱：功率半導(dǎo)體器件的冷卻結(jié)構(gòu)以及逆變器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及功率半導(dǎo)體器件的冷卻結(jié)構(gòu)及逆變器，具體涉及功 率半導(dǎo)體器件的水冷式冷卻結(jié)構(gòu)以及應(yīng)用該冷卻結(jié)構(gòu)的逆變器。
背景技術(shù)：
對(duì)于功率半導(dǎo)體器件的常規(guī)冷卻結(jié)構(gòu)，例如日本專利早期公開號(hào)
2004-349324 (專利文獻(xiàn)1)揭示了一種直接水冷式功率半導(dǎo)體模塊結(jié)構(gòu)， 其旨在實(shí)現(xiàn)較高的導(dǎo)熱率并提高冷卻效率。根據(jù)專利文獻(xiàn)1，帶狀冷卻鰭 片形成在與安裝有功率半導(dǎo)體器件的表面相對(duì)的表面上。
日本專利早期公開號(hào)2002-368470 (專利文獻(xiàn)2)揭示了一種發(fā)熱體的 冷卻設(shè)備，其旨在有效地冷卻發(fā)熱體并將其冷卻至大致均勻的溫度。此 外，日本專利早期公開號(hào)2003-23281 (專利文獻(xiàn)3)揭示了一種冷卻設(shè) 備，其旨在通過(guò)電動(dòng)風(fēng)扇提高排氣量來(lái)有效并高效地冷卻諸如半導(dǎo)體封裝 之類的發(fā)熱體。專利文獻(xiàn)2及3所揭示的冷卻設(shè)備是風(fēng)冷式。
日本專利早期公開號(hào)2002-46482 (專利文獻(xiàn)4)揭示了一種散熱型冷 卻設(shè)備，其旨在提高鰭片的熱輻射率而不增大其尺寸。專利文獻(xiàn)4中揭示 的散熱型冷卻設(shè)備具有供冷卻劑流動(dòng)通過(guò)的通路。在該通路中，布置鰭片 組以使多個(gè)鰭片平行于冷卻劑的流動(dòng)方向布置并沿鰭片的厚度方向排列。 鰭片組中在冷卻劑的流動(dòng)方向上彼此相鄰的鰭片被布置為沿鰭片的厚度方 向錯(cuò)開。
在上述專利文獻(xiàn)揭示的冷卻結(jié)構(gòu)中，多個(gè)鰭片相互間隔地豎立設(shè)置以 提高冷卻效率。但是，鰭片被布置在冷卻介質(zhì)流動(dòng)所沿的路徑上。因此， 在冷卻水被用作冷卻介質(zhì)的情況下，鰭片與流經(jīng)冷卻水通路的冷卻水相互 沖撞。在此情況下，當(dāng)全部鰭片都與冷卻水在冷卻水的流動(dòng)方向上的相同 位置處沖撞時(shí)，沖撞反作用力會(huì)增大，并且在冷卻水流中會(huì)產(chǎn)生渦流。因
此，冷卻水的壓力損失會(huì)顯著增大，由此會(huì)不能有效地冷卻功率半導(dǎo)體器 件。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種具有極佳冷卻效率的 功率半導(dǎo)體器件的冷卻結(jié)構(gòu)以及逆變器。
根據(jù)本發(fā)明的功率半導(dǎo)體器件的冷卻結(jié)構(gòu)包括冷卻水通路和多個(gè)鰭 片。冷卻水通路與安裝有功率半導(dǎo)體器件的安裝表面相對(duì)形成。用于冷卻 功率半導(dǎo)體器件的冷卻水流經(jīng)冷卻水通路。多個(gè)鰭片設(shè)置在冷卻水通路的 路徑上并在與冷卻水的流動(dòng)方向垂直的方向上彼此間隔地豎立設(shè)置。多個(gè) 鰭片促進(jìn)功率半導(dǎo)體器件與冷卻水之間的熱交換。多個(gè)鰭片具有面向冷卻 水流的上游側(cè)的端部。多個(gè)鰭片中至少一個(gè)鰭片的所述端部被布置為相 比與該至少一個(gè)鰭片的兩側(cè)相鄰的鰭片的所述端部，向冷卻水流的更上游
根據(jù)如上構(gòu)造的功率半導(dǎo)體器件的冷卻結(jié)構(gòu)，流經(jīng)冷卻水通路的冷卻 水與鰭片的端部沖撞處的各個(gè)位置在具有布置在更上游側(cè)的端部的鰭片與 位于上述鰭片兩側(cè)的鰭片之間沿冷卻水的流動(dòng)方向錯(cuò)開。此外，當(dāng)冷卻水 與鰭片的端部沖撞并產(chǎn)生與沿冷卻水通路的流動(dòng)方向不同方向的冷卻水流 時(shí)，所產(chǎn)生的冷卻水流可被具有布置在更上游側(cè)的端部的鰭片分開。因 此，可以抑制在冷卻水流中形成渦流。因此，可以減小冷卻水流的壓力損 失的增加，并且可以提高功率半導(dǎo)體器件的冷卻效率。
優(yōu)選地，所述端部被布置為使得流經(jīng)冷卻水通路的冷卻水與所述端 部彼此沖撞的位置在多個(gè)鰭片之間沿冷卻水的流動(dòng)方向錯(cuò)開。減小因冷卻 水與所述端部之間的沖撞而造成的冷卻水的壓力損失。根據(jù)如上構(gòu)造的功 率半導(dǎo)體器件的冷卻結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生壓力損失的位置在冷卻水流的方向上被分
散。因此，可以減小冷卻水流的壓力損失，并且可實(shí)現(xiàn)順暢的冷卻水流。
冷卻水通路設(shè)置有阻擋構(gòu)件，所述阻擋構(gòu)件在冷卻水通路的一部分截 面上阻擋冷卻水流。優(yōu)選地，所述端部與阻擋構(gòu)件相鄰地布置在相比阻擋 構(gòu)件位于冷卻水流的更下游側(cè)。根據(jù)如上構(gòu)造的功率半導(dǎo)體器件的冷卻結(jié)
構(gòu)，冷卻水流在阻擋構(gòu)件的下游側(cè)停滯。因此，當(dāng)冷卻水與鰭片的端部碰 撞并且產(chǎn)生與沿冷卻水流的流動(dòng)方向不同的方向的冷卻水流時(shí)，會(huì)易于產(chǎn) 生渦流。因此，通過(guò)使布置在上述位置的各個(gè)鰭片的端部沿冷卻水的流動(dòng) 方向錯(cuò)開，可以有效地抑制冷卻水流壓力損失的增大。
在設(shè)置于多個(gè)鰭片的兩側(cè)并且相互面對(duì)的一對(duì)內(nèi)壁之間的位置處形成 冷卻水通路。優(yōu)選地，所述端部被布置為隨著距一對(duì)內(nèi)壁每一者的距離 的增大，而從冷卻水流的下游側(cè)向上游側(cè)偏置。根據(jù)如上構(gòu)造的功率半導(dǎo) 體器件的冷卻結(jié)構(gòu)，當(dāng)冷卻水與鰭片的端部沖撞并且產(chǎn)生與沿冷卻水通路 的流動(dòng)方向不同的方向的冷卻水流時(shí)，產(chǎn)生的冷卻水流可被具有布置在最 上游側(cè)的端部的鰭片分向一對(duì)內(nèi)壁的一側(cè)及另一側(cè)。由此，可以抑制渦流 的產(chǎn)生，并可有效地減小冷卻水流的壓力損失。
優(yōu)選地，所述端部被設(shè)置為使得所述端部在多個(gè)鰭片排列的方向上 交替地向冷卻水流的上游側(cè)和下游側(cè)偏置。根據(jù)如上構(gòu)造的功率半導(dǎo)體器 件的冷卻結(jié)構(gòu)，當(dāng)冷卻水與鰭片的端部沖撞并且產(chǎn)生與沿冷卻水通路的流 動(dòng)方向不同的方向的冷卻水流時(shí)，產(chǎn)生的冷卻水流可被具有布置在更上游 側(cè)的端部的各個(gè)鰭片分開。因此，可以抑制渦流的產(chǎn)生，并且可有效減小 冷卻水流壓力損失的增大。
優(yōu)選地，被布置為向冷卻水流的上游側(cè)偏置的端部沿冷卻水的流動(dòng)方 向錯(cuò)開，被布置為向冷卻水流的下游側(cè)偏置的端部沿冷卻水的流動(dòng)方向錯(cuò) 開。根據(jù)如上構(gòu)造的功率半導(dǎo)體器件的冷卻結(jié)構(gòu)，可以使端部與冷卻水流 彼此碰撞處的各個(gè)位置分別在被布置為向冷卻水流的上游側(cè)偏置的端部之 間以及被布置以向冷卻水流的下游側(cè)偏置的端部之間錯(cuò)開。由此，可更有 效地抑制冷卻水流的壓力損失的增大。
在設(shè)置于多個(gè)鰭片的兩側(cè)并且相互面對(duì)的一對(duì)內(nèi)壁之間的位置處形成 冷卻水通路。冷卻水通路在安裝表面上蜿蜒延伸。優(yōu)選地，在冷卻水通路 的直線延伸的直線部分處，所述端部被布置為隨著距一對(duì)內(nèi)壁每一者的 距離的增大，而從冷卻水流的下游側(cè)向上游側(cè)偏置。
冷卻水通路在安裝表面上蜿蜓延伸。優(yōu)選地，在冷卻水通路的彎曲延 伸的彎曲部分處，所述端部被布置為隨著從彎曲部分的內(nèi)周側(cè)朝向外周
側(cè)的方向，而從冷卻水流的上游側(cè)向下游側(cè)偏置。
在設(shè)置于多個(gè)鰭片的兩側(cè)并且相互面對(duì)的一對(duì)內(nèi)壁之間的位置處形成 冷卻水通路。冷卻水通路在安裝表面上蜿蜒延伸。優(yōu)選地，在冷卻水通路 的直線延伸的直線部分處，所述端部被布置為隨著距一對(duì)內(nèi)壁每一者的 距離的增大，而從冷卻水流的下游側(cè)向上游側(cè)偏置。在冷卻水通路的彎曲 延伸的彎曲部分處，所述端部被布置為隨著從彎曲部分的內(nèi)周側(cè)朝向外 周側(cè)的方向，而從冷卻水流的上游側(cè)向下游側(cè)偏置。
根據(jù)本發(fā)明的逆變器具有應(yīng)用到本逆變器的上述功率半導(dǎo)體器件的冷 卻結(jié)構(gòu)，并被安裝在車輛上。根據(jù)如上構(gòu)造的逆變器，因?yàn)樘岣吡四孀兤?的冷卻效率，故可減小逆變器的尺寸。此外，可減小為冷卻逆變器所消耗 的電力，并可提高車輛的燃料效率。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，可以提供具有極佳冷卻效率的功率半導(dǎo)體器 件的冷卻結(jié)構(gòu)以及逆變器。


圖1是HV系統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)的立體圖。 圖2是HV系統(tǒng)的主要部分的電路圖。
圖3是圖1所示逆變器的冷卻結(jié)構(gòu)的平面圖。
圖4是沿圖3中的線IV-IV所取的逆變器的剖視圖。
圖5是示出被圖3中的雙點(diǎn)劃線V包圍的部分的冷卻水通路的平面圖。
圖6是放大了被圖3中的雙點(diǎn)劃線VI包圍的部分的冷卻水通路的平面圖。
圖7是沿圖6中的線vn-vn所取的冷卻水通路的剖視圖。
圖8是示出圖5中鰭片的形狀的改變示例的冷卻水通路的平面圖。
圖9是示出圖5中鰭片的形狀的另一改變示例的冷卻水通路的平面圖。
具體實(shí)施例方式
將參考附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例。在以下所述的附圖中以相同的參考 標(biāo)號(hào)來(lái)表示相同或相應(yīng)的部件。
圖1是HV (混合動(dòng)力車輛)系統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)的立體圖。圖1所示的 HV系統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)安裝在由電動(dòng)機(jī)及諸如汽油發(fā)動(dòng)機(jī)或柴油發(fā)動(dòng)機(jī)之類 的內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的混合動(dòng)力車輛上。
參考圖1，混合動(dòng)力車輛包括發(fā)動(dòng)機(jī)52、配備有用于驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)及 用于發(fā)電的發(fā)電機(jī)(以下稱為電動(dòng)發(fā)電機(jī))的驅(qū)動(dòng)橋(tmnsaxle) 53、進(jìn) 行蓄電池的DC (直流)電壓與電動(dòng)發(fā)電機(jī)的AC (交流)電壓之間轉(zhuǎn)換的 逆變器130、以及散熱器61。
散熱器61設(shè)置有相互獨(dú)立的兩個(gè)冷卻水通道。 一個(gè)冷卻水通道形成 發(fā)動(dòng)機(jī)52的冷卻系統(tǒng)，而另一個(gè)則形成HV系統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)。HV系統(tǒng)的 冷卻系統(tǒng)例如由從散熱器61依次經(jīng)過(guò)逆變器130、蓄液器54、水泵10、 以及驅(qū)動(dòng)橋53到達(dá)散熱器61的冷卻水通道形成。通道內(nèi)的冷卻水(例 如，乙二醇基冷卻劑)通過(guò)水泵10受迫循環(huán)以依次冷卻逆變器130以及 設(shè)置至驅(qū)動(dòng)橋53的電動(dòng)發(fā)電機(jī)。冷卻水的因冷卻工作而己經(jīng)升高的溫度 在冷卻水流經(jīng)散熱器61時(shí)被降低。
圖2是HV系統(tǒng)主要部分的電路圖。參考圖2，除了電動(dòng)發(fā)電機(jī)110 及逆變器130之外，HV系統(tǒng)200還包括變壓器120、控制設(shè)備140、電容 器C1及C2、供電線PL1-PL3、以及輸出線220， 240及260。盡管電動(dòng)發(fā) 電機(jī)110實(shí)際上包括主要起發(fā)電機(jī)作用的電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG1以及主要起電 動(dòng)機(jī)作用的電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG2，但為了簡(jiǎn)化以下描述，將其視為一個(gè)電動(dòng)發(fā) 電機(jī)。
變壓器120經(jīng)由供電線PL1及PL3連接至蓄電池B。逆變器130經(jīng)由 供電線PL2及PL3連接至變壓器120。逆變器130經(jīng)由輸出線220， 240及 260連接至電動(dòng)發(fā)電機(jī)110。蓄電池B是DC電源并由諸如鎳金屬氫化物 蓄電池或鋰離子蓄電池等的二次電池形成。蓄電池B向變壓器120供應(yīng)存 儲(chǔ)的DC電力，并通過(guò)從變壓器120接收的DC電力進(jìn)行充電。
電動(dòng)發(fā)電機(jī)110例如是三相AC同步電動(dòng)發(fā)電機(jī)并通過(guò)從逆變器130 接收的AC電力而產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力。電動(dòng)發(fā)電機(jī)IIO也被用作發(fā)電機(jī)。電動(dòng)發(fā)
電機(jī)110通過(guò)減速時(shí)的發(fā)電動(dòng)作(再生發(fā)電)而產(chǎn)生AC電力以向逆變器 130供應(yīng)所產(chǎn)生的AC電力。
變壓器120包括由半導(dǎo)體模塊形成的上臂及下臂，以及電抗器L。上 臂與下臂在供電線PL2與PL3之間串聯(lián)連接。連接至供電線PL2的上臂由 功率晶體管(IGBT:絕緣柵雙極晶體管)Ql以及反并聯(lián)連接至功率晶體 管Ql的二極管Dl構(gòu)成。連接至供電線PL3的下臂由功率晶體管Q2以及 反并聯(lián)連接至功率晶體管Q2的二極管D2構(gòu)成。電抗器L連接在供電線 PL1與上臂及下臂的連接點(diǎn)之間。
變壓器120使通過(guò)電抗器L從蓄電池B接收的DC電壓升壓，并將升 壓后的電壓供應(yīng)至供電線PL2。變壓器120使從逆變器130接收到的DC 電壓降壓并對(duì)蓄電池B進(jìn)行充電。應(yīng)當(dāng)理解，并非一定要設(shè)置變壓器 120。
逆變器130包括U相臂152、 V相臂154以及W相臂156。 U相臂 152、 V相臂154以及W相臂156在供電線PL2與PL3之間并聯(lián)連接。U 相臂152、 V相臂154以及W相臂156每一者分別由通過(guò)半導(dǎo)體模塊形成 的上臂及下臂構(gòu)成。各個(gè)相臂的上臂及下臂在供電線PL2與PL3之間串聯(lián) 連接。
U相臂152的上臂由功率晶體管(IGBT) Q3以及反并聯(lián)連接至功率 晶體管Q3的二極管D3構(gòu)成。U相臂152的下臂由功率晶體管Q4以及反 并聯(lián)連接至功率晶體管Q4的二極管D4構(gòu)成。V相臂154的上臂由功率晶 體管Q5以及反并聯(lián)連接至功率晶體管Q5的二極管D5構(gòu)成。V相臂154 的下臂由功率晶體管Q6以及反并聯(lián)連接至功率晶體管Q6的二極管D6構(gòu) 成。W相臂156的上臂由功率晶體管Q7以及反并聯(lián)連接至功率晶體管Q7 的二極管D7構(gòu)成。W相臂56的下臂由功率晶體管Q8以及反并聯(lián)連接至 功率晶體管Q8的二極管D8構(gòu)成。每個(gè)相臂的功率晶體管的連接點(diǎn)經(jīng)由相 應(yīng)輸出線連接至電動(dòng)發(fā)電機(jī)110的相應(yīng)相線圈的反中性點(diǎn)(antineutral point) —側(cè)。
盡管圖中示出了 U相臂152至W相臂156的各個(gè)相臂分別由通過(guò)功 率晶體管及二極管構(gòu)成的一個(gè)半導(dǎo)體模塊形成，但其也可由多個(gè)半導(dǎo)體模
塊形成。
根據(jù)來(lái)自控制設(shè)備140的控制信號(hào)，逆變器130將從供電線PL2接收 的DC電壓轉(zhuǎn)換為AC電壓以將轉(zhuǎn)換后的電壓輸出至電動(dòng)發(fā)電機(jī)110。逆 變器130將由電動(dòng)發(fā)電機(jī)110產(chǎn)生的AC電壓整流為DC電壓以將整流后 的電壓供應(yīng)至供電線PL2。
電容器CI連接在供電線PL1與PL3之間以使供電線PL1的電壓電平 平滑。電容器C2連接在供電線PL2與PL3之間以使供電線PL2的電壓電 平平滑。
控制設(shè)備140根據(jù)電動(dòng)發(fā)電機(jī)110的轉(zhuǎn)矩命令值及各個(gè)相的電流值以 及逆變器130的輸入電壓來(lái)計(jì)算電動(dòng)發(fā)電機(jī)110的各個(gè)相的線圈電壓。根 據(jù)計(jì)算結(jié)果，控制設(shè)備140產(chǎn)生PWM信號(hào)，功率晶體管Q3-Q8通過(guò)該 PWM信號(hào)被導(dǎo)通/切斷以向逆變器130輸出所產(chǎn)生的PWM信號(hào)。電動(dòng)發(fā) 電機(jī)110的各個(gè)相的電流值由結(jié)合在形成各個(gè)臂的半導(dǎo)體模塊中的電流傳 感器檢測(cè)。該電流傳感器被布置在半導(dǎo)體模塊內(nèi)以改進(jìn)信噪(S/N)比。 控制設(shè)備140根據(jù)上述轉(zhuǎn)矩命令值以及電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)來(lái)計(jì)算功率晶體管 Ql及Q2的占空比以優(yōu)化逆變器130的輸入電壓。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，控制設(shè) 備140產(chǎn)生PWM信號(hào)，功率晶體管Ql及Q2通過(guò)該P(yáng)WM信號(hào)被導(dǎo)通/切 斷以向變壓器120輸出所產(chǎn)生的PWM信號(hào)。
此外，控制設(shè)備140控制變壓器120及逆變器130中功率晶體管Ql-Q8的開關(guān)操作以將由電動(dòng)發(fā)電機(jī)110產(chǎn)生的AC電壓轉(zhuǎn)換為DC電壓以對(duì) 蓄電池B進(jìn)行充電。
以下將描述逆變器130的冷卻結(jié)構(gòu)。在本實(shí)施例中，將根據(jù)本發(fā)明的 功率半導(dǎo)體器件的冷卻結(jié)構(gòu)應(yīng)用于逆變器130。圖3是圖1所示逆變器的 冷卻結(jié)構(gòu)的平面圖。圖4是沿圖3中線IV-IV所取的逆變器的剖視圖。
參考圖3及圖4，逆變器130包括具有安裝表面21a以及面向與安裝 表面21a相對(duì)側(cè)的表面21b的箱體21。箱體21由鋁模鑄而成。但是，箱 體21并不限于由此形成。其例如可由鐵或鎂形成。
散熱板33固定至安裝表面21a，硅油脂34置于其間。此外，在散熱 板33上，固定有多個(gè)芯片31，使得絕緣襯底32置于其間。例如，可以不
設(shè)置硅油脂34及散熱板33，并可將絕緣襯底32直接固定至安裝表面 21a。多個(gè)芯片31在安裝表面21a上設(shè)置在彼此間隔的位置處。芯片31對(duì) 應(yīng)于U相臂152至W相臂156的各個(gè)臂設(shè)置，并包括由功率晶體管及二 極管構(gòu)成的半導(dǎo)體模塊。應(yīng)當(dāng)注意，圖3示出了十二個(gè)芯片31，每個(gè)臂由 其中的兩個(gè)芯片構(gòu)成。
冷卻水通路26形成在表面21b上。用于冷卻芯片31的冷卻水流經(jīng)冷 卻水通路26。冷卻水通路26與安裝有芯片31的安裝表面21a相對(duì)形成。 冷卻水通路26具有供冷卻水供應(yīng)通過(guò)的入口 23以及供冷卻水排放通過(guò)的 出口24。冷卻水通路26在入口 23與出口 24之間延伸。冷卻水通路26平 行于安裝表面21a延伸。冷卻水通路26在表面21b上蜿蜒延伸。冷卻水通 路26延伸使得當(dāng)在平面圖上觀察安裝表面21a時(shí)其與安裝有芯片31的位 置重疊。箱體21具有內(nèi)壁21m與21n，內(nèi)壁21m與21n以其間具有間隔 的方式彼此面對(duì)并界定了冷卻水通路26。
通過(guò)入口 23供應(yīng)至冷卻水通路26的冷卻水沿著冷卻水通路26的路徑 流動(dòng)。在流動(dòng)時(shí)，冷卻水通過(guò)箱體21與芯片31的熱交換來(lái)冷卻芯片31。 因與芯片31進(jìn)行熱交換而溫度上升的冷卻水通過(guò)出口 24從冷卻水通路26 排放。
冷卻水通路26設(shè)置有鰭片22。鰭片22促進(jìn)通過(guò)箱體21進(jìn)行的芯片 31與流經(jīng)冷卻水通路26的冷卻水之間的熱交換。鰭片22從表面21b突 伸。鰭片22具有與冷卻水接觸的表面。鰭片22與箱體21—體地形成。鰭 片22并不限于此。其可形成單獨(dú)個(gè)體并固定至箱體21。鰭片22的表面可 具有微小的凹凸形。當(dāng)沿與冷卻水的流動(dòng)方向垂直的平面切割鰭片22 時(shí)，鰭片22可具有諸如人字形(chevron)、矩形或三角形的剖面形狀。
多個(gè)鰭片22在與冷卻水通路26延伸的方向垂直的方向上(即，在與 冷卻水的流動(dòng)方向垂直的方向上)彼此間隔。鰭片22沿冷卻水通路26延 伸的方向延伸。多個(gè)鰭片22以等間隔布置。多個(gè)鰭片22可以不等間隔布 置。鰭片22可沿冷卻水通路26延伸的方向以波浪形式延伸。鰭片22沿其 延伸的方向在間歇地中斷。鰭片22具有面向冷卻水通路26的冷卻水流的 上游側(cè)的端部41。
圖5是示出了由圖3中的雙點(diǎn)劃線V包圍的部分的冷卻水通路的平面 圖。圖5中的箭頭示出了冷卻水流動(dòng)的方向。參考圖5，冷卻水通路26設(shè) 置有鰭片22A， 22B， 22C, 22D及22E。鰭片22A-22E沿與冷卻水的流動(dòng) 方向垂直的方向以所述順序排列。換言之，鰭片22A及22E分別與內(nèi)壁 21n及21m相鄰設(shè)置。鰭片22C設(shè)置在沿與冷卻水流動(dòng)方向垂直的方向排 列的多個(gè)鰭片22的中心。應(yīng)當(dāng)注意，冷卻水通路26并不限于設(shè)置有如圖 5所示沿與冷卻水流動(dòng)方向垂直的方向排列的五個(gè)鰭片。在其設(shè)置有兩個(gè) 或更多鰭片的情況下，其可設(shè)置有任何合適數(shù)量的鰭片。鰭片的數(shù)量可以 是偶數(shù)或是奇數(shù)。
在多個(gè)鰭片22中至少一個(gè)鰭片22的端部41被布置為相比與該至少一 個(gè)鰭片22兩側(cè)相鄰的鰭片22的端部41,向冷卻水流的更上游側(cè)偏置。在 圖5中，鰭片22C的端部41被布置為相比與鰭片22C兩側(cè)相鄰的鰭片 22B及22D的端部41，向冷卻水流的更上游側(cè)偏置。多個(gè)鰭片22被設(shè)置 為使得端部41的布置的至少一部分具有向冷卻水流的上游側(cè)凸出的人 字形形狀。多個(gè)鰭片22的端部被設(shè)置為在鰭片22相互鄰近的全部位置處 均沿冷卻水的流動(dòng)方向偏置。
鰭片22C的端部41被布置在冷卻水流的最上游側(cè)。鰭片22B的端部 41被布置在相比鰭片22C的端部41位于冷卻水流的更下游側(cè)，而鰭片 22A的端部41被布置在相比鰭片22B的端部41位于冷卻水流的更下游 側(cè)。鰭片22D的端部41被布置在相比鰭片22C的端部41位于冷卻水流的 更下游側(cè)，而鰭片22E的端部41被布置在相比鰭片22D的端部41位于冷 卻水流的更下游側(cè)。換言之，多個(gè)鰭片22的端部41被設(shè)置為隨著距內(nèi)壁 21n及21m的距離的增大而從冷卻水流的下游側(cè)向上游側(cè)偏置。
在沿與冷卻水的流動(dòng)方向垂直的平面切割的冷卻水通路26的剖面 中，冷卻水流在端部41之前具有大致均勻的速度分布。多個(gè)鰭片22的端 部41相對(duì)于位于內(nèi)壁21n與內(nèi)壁21m之間的中間位置被布置在中間位置 兩側(cè)的對(duì)稱位置處。在此情況下，可以防止冷卻水的速度分布在端部41 的下游側(cè)發(fā)生顯著的偏差。
盡管已經(jīng)根據(jù)多個(gè)鰭片22的端部41被布置為在鰭片22彼此相鄰的全
部位置處均偏置的結(jié)構(gòu)描述了本實(shí)施例，但本發(fā)明并不限于此。 一些彼此
相鄰的鰭片22可具有在冷卻水的流動(dòng)方向上位于相同位置的各個(gè)端部 41。
當(dāng)冷卻水在沿冷卻水的流動(dòng)方向的相同位置處與鰭片22的端部41沖 撞時(shí)，沖撞時(shí)產(chǎn)生的反作用力會(huì)增大。這會(huì)導(dǎo)致沿與冷卻水的流動(dòng)方向相 反方向的冷卻水流，由此會(huì)在冷卻水通路26處產(chǎn)生渦流。當(dāng)產(chǎn)生渦流 時(shí)，冷卻水流的壓力損失會(huì)增大。因此，不能提高冷卻性能。此外，冷卻 水流的速度發(fā)生偏差。
相反，在本實(shí)施例中，冷卻水與鰭片22的各個(gè)端部41沖撞的各個(gè)位 置沿冷卻水的流動(dòng)方向彼此錯(cuò)開。這使得會(huì)產(chǎn)生壓力損失的點(diǎn)在冷卻水的 流動(dòng)方向上分散。此外，鰭片22C具有被布置為在冷卻水通路26的中心 向冷卻水流的最上游側(cè)偏置的端部41。因此，因與端部41沖撞而產(chǎn)生紊 流的冷卻水相對(duì)于鰭片22C被分向內(nèi)壁21n—側(cè)以及內(nèi)壁21m—側(cè)。通過(guò) 上述構(gòu)造，可以抑制在冷卻水流中產(chǎn)生渦流，并可減小因冷卻水與端部41 之間的沖撞而導(dǎo)致的壓力損失的增大。
應(yīng)當(dāng)注意，其中多個(gè)鰭片22的端部41被布置為沿冷卻水的流動(dòng)方向 偏置的上述結(jié)構(gòu)被設(shè)置在圖3中的多個(gè)點(diǎn)處，包括冷卻水流經(jīng)入口 23進(jìn) 入冷卻水通路26的位置。
圖6是放大了由圖3中的雙點(diǎn)劃線VI包圍的部分的冷卻水通路的平
面圖。圖7是沿圖6中的線vn-vn所取的冷卻水通路的剖視圖。
參考圖6及圖7，用于插入螺栓28的突起27被布置在冷卻水通路26 處。突起27從內(nèi)壁21n朝向冷卻水通路26伸出。突起27被設(shè)置為使得其 可在冷卻水通路26的一部分剖面上阻擋冷卻水流。在冷卻水通路26的布 置有突起27的剖面中，冷卻水具有不均勻的速度分布。鰭片22的端部41 相比突起27布置在冷卻水流的更下游側(cè)。突起27鄰近端部41設(shè)置。
在上述結(jié)構(gòu)中，冷卻水流在突起27與鰭片22之間的空間29中停滯。 在冷卻水流停滯的空間29中，易于產(chǎn)生渦流。因此，壓力損失的增大是 較嚴(yán)重的問(wèn)題。在本實(shí)施例中，減小因鰭片22的端部41造成的阻礙以控 制渦流。因此，可以抑制渦流的產(chǎn)生并可減小壓力損失。因此，可以解決
當(dāng)在冷卻水流停滯的點(diǎn)處設(shè)置鰭片22時(shí)會(huì)產(chǎn)生的上述問(wèn)題。
在冷卻水通路26的沿與冷卻水的流動(dòng)方向垂直的平面切割的剖面具 有冷卻水流的速度相對(duì)減小的第一區(qū)域以及冷卻水流的速度相對(duì)增大的第 二區(qū)域的情況下，優(yōu)選地，布置在第一區(qū)域中的端部41比布置在第二區(qū) 域中的端部41位于冷卻水流的更下游側(cè)。在此情況下，可在端部41的下 游側(cè)保持更均勻的冷卻水的速度分布。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的功率半導(dǎo)體器件的冷卻結(jié)構(gòu)包括冷卻水通路26 以及多個(gè)鰭片22。冷卻水通路26與安裝有作為功率半導(dǎo)體器件的芯片31 的安裝表面21a相對(duì)形成。用于冷卻芯片31的冷卻水流經(jīng)冷卻水通路 26。多個(gè)鰭片22設(shè)置在冷卻水通路26的路徑上，并沿與冷卻水的流動(dòng)方 向垂直的方向彼此間隔地豎立設(shè)置。多個(gè)鰭片22促進(jìn)芯片31與冷卻水之 間的熱交換。多個(gè)鰭片22具有面向冷卻水流的上游側(cè)的端部41。多個(gè)鰭 片22中至少一個(gè)鰭片22的端部41被布置為相比與該至少一個(gè)鰭片22兩 側(cè)相鄰的鰭片22的端部41向冷卻水流的更上游側(cè)偏置。
根據(jù)如上構(gòu)造的本發(fā)明的實(shí)施例中的功率半導(dǎo)體器件的冷卻結(jié)構(gòu)，因 為使用了具有比空氣更高密度的水作為冷卻介質(zhì)，故在冷卻水通路26處 的壓力損失趨于增大。在本實(shí)施例中，多個(gè)鰭片22的端部沿冷卻水的流 動(dòng)方向彼此錯(cuò)開。因此，可以減小壓力損失并可提高逆變器130的冷卻效 率。因此，可改善混合動(dòng)力車輛的動(dòng)力性能并可減小逆變器130的尺寸。 此外，可以減小由水泵10消耗的電力，并可提高混合動(dòng)力車輛的燃料效 率。
圖8是示出圖5中鰭片的形狀的改變示例的冷卻水通路的平面圖。參 考圖8，在本改變示例中，鰭片22B及22D的端部41相對(duì)布置在冷卻水 流的上游側(cè)，并且鰭片22A， 22C及22E的端部41相對(duì)布置在冷卻水流的 下游側(cè)。換言之，多個(gè)鰭片22的端部41被布置為交替地向冷卻水流的上 游側(cè)和下游側(cè)偏置。
通過(guò)上述構(gòu)造，鰭片22B及22D具有將因與端部41沖撞而具有紊流 的冷卻水分開的功能。因此，可有效地抑制渦流的產(chǎn)生。
圖9是示出圖5中鰭片的形狀的另一改變示例的冷卻水通路的平面
圖。參考圖9，在本改變示例中，除了圖8所示的改變示例的結(jié)構(gòu)之外， 被布置為向冷卻水流的上游側(cè)偏置的鰭片22B的端部41以及鰭片22D的 端部41還進(jìn)一步沿冷卻水的流動(dòng)方向錯(cuò)開。被布置為向冷卻水流的下游 側(cè)偏置的鰭片22A的端部41、鰭片22C的端部41以及鰭片22E的端部41 沿冷卻水的流動(dòng)方向錯(cuò)開。
被布置向冷卻水流的上游側(cè)偏置的鰭片22B以及鰭片22D的端部41 隨著從內(nèi)壁21n朝向內(nèi)壁21m的方向而從冷卻水流的下游側(cè)向上游側(cè)偏 置。被布置為向冷卻水流的下游側(cè)偏置的鰭片22A， 22C及22E的端部41 隨著從內(nèi)壁21m朝向內(nèi)壁21n的方向而從冷卻水流的下游側(cè)向上游側(cè)偏 置。
通過(guò)上述構(gòu)造，冷卻水與鰭片22的端部41沖撞的各個(gè)位置在冷卻水 的流動(dòng)方向上被較大程度地分散。因此，可進(jìn)一步有效地抑制渦流的產(chǎn) 生。
應(yīng)當(dāng)理解，這里揭示的實(shí)施例在各個(gè)方面均為示例性而非限制性。本 發(fā)明的范圍由各項(xiàng)權(quán)利要求，而非上述實(shí)施例及示例來(lái)界定，并意在涵蓋 與各項(xiàng)權(quán)利要求相等同的范圍及含義中的任何改變示例。 工業(yè)實(shí)用性
本發(fā)明主要應(yīng)用于安裝在車輛上并進(jìn)行蓄電池的DC電壓與電動(dòng)發(fā)電 機(jī)的AC電壓之間轉(zhuǎn)換的逆變器。
權(quán)利要求
1. 一種功率半導(dǎo)體器件的冷卻結(jié)構(gòu)，包括與安裝所述功率半導(dǎo)體器件(31)的安裝表面(21a)相對(duì)形成的冷卻水通路(26)，用于對(duì)所述功率半導(dǎo)體器件(31)進(jìn)行冷卻的冷卻水流經(jīng)所述冷卻水通路(26)；以及多個(gè)鰭片(22)，其設(shè)置在所述冷卻水通路(26)的路徑上，并在與所述冷卻水的流動(dòng)方向垂直的方向上彼此間隔地豎立設(shè)置，以促進(jìn)所述功率半導(dǎo)體器件(31)與所述冷卻水之間的熱交換，所述多個(gè)鰭片(22)具有面向冷卻水流的上游側(cè)的端部(41)，并且所述多個(gè)鰭片(22)中至少一個(gè)鰭片(22)的所述端部(41)被布置為相比與所述至少一個(gè)鰭片(22)的兩側(cè)相鄰的所述鰭片(22)的所述端部(41)，向所述冷卻水流的更上游側(cè)偏置。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率半導(dǎo)體器件的冷卻結(jié)構(gòu)，其中 所述端部(41)被布置為使得流經(jīng)所述冷卻水通路(26)的所述冷卻水與所述端部(41)彼此沖撞的位置在所述多個(gè)鰭片(22)之間沿所述 冷卻水的所述流動(dòng)方向錯(cuò)開，并且減小因所述冷卻水與所述端部(41)之間的沖撞而造成的所述冷卻水 的壓力損失。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率半導(dǎo)體器件的冷卻結(jié)構(gòu)，其中 所述冷卻水通路(26)設(shè)置有阻擋構(gòu)件(27)，所述阻擋構(gòu)件(27)在所述冷卻水通路(26)的一部分橫截面上阻擋冷卻水流，并且，所述端 部(41)與所述阻擋構(gòu)件(27)相鄰地布置在相比所述阻擋構(gòu)件(27)位 于所述冷卻水流的更下游側(cè)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率半導(dǎo)體器件的冷卻結(jié)構(gòu)，其中 在設(shè)置于所述多個(gè)鰭片(22)的兩側(cè)并且相互面對(duì)的一對(duì)內(nèi)壁(21m， 21n)之間的位置處形成所述冷卻水通路(26)，并且所述端部(41)被布置為隨著距所述一對(duì)內(nèi)壁(21m， 21n)每一者 的距離的增大，而從所述冷卻水流的下游側(cè)向所述上游側(cè)偏置。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率半導(dǎo)體器件的冷卻結(jié)構(gòu)，其中 所述端部(41)被設(shè)置為使得所述端部在所述多個(gè)鰭片(22)排列的方向上交替地向所述冷卻水流的所述上游側(cè)和下游側(cè)偏置。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的功率半導(dǎo)體器件的冷卻結(jié)構(gòu)，其中 被布置為向所述冷卻水流的所述上游側(cè)偏置的所述端部(41)沿所述冷卻水的所述流動(dòng)方向錯(cuò)開，被布置為向所述冷卻水流的所述下游側(cè)偏置 的所述端部(41)沿所述冷卻水的所述流動(dòng)方向錯(cuò)開。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率半導(dǎo)體器件的冷卻結(jié)構(gòu)，其中 在設(shè)置于所述多個(gè)鰭片(22)的兩側(cè)并且相互面對(duì)的一對(duì)內(nèi)壁(21m， 21n)之間的位置處形成所述冷卻水通路(26)，所述冷卻水通路(26)在所述安裝表面(21a)上蜿蜒延伸，并且 在所述冷卻水通路(26)的直線延伸的直線部分處，所述端部(41)被布置為隨著距所述一對(duì)內(nèi)壁(21m， 21n)每一者的距離的增大，而從所述冷卻水流的下游側(cè)向所述上游側(cè)偏置。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率半導(dǎo)體器件的冷卻結(jié)構(gòu)，其中 所述冷卻水通路(26)在所述安裝表面(21a)上蜿蜒延伸，并且 在所述冷卻水通路(26)的彎曲延伸的彎曲部分處，所述端部(41)被布置為隨著從所述彎曲部分的內(nèi)周側(cè)朝向外周側(cè)的方向，而從所述冷 卻水流的所述上游側(cè)向下游側(cè)偏置。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率半導(dǎo)體器件的冷卻結(jié)構(gòu)，其中 在設(shè)置于所述多個(gè)鰭片(22)的兩側(cè)并且相互面對(duì)的一對(duì)內(nèi)壁(21m， 21n)之間的位置處形成所述冷卻水通路(26)，所述冷卻水通路(26)在所述安裝表面(21a)上蜿蜒延伸， 在所述冷卻水通路(26)的直線延伸的直線部分處，所述端部(41)被布置為隨著距所述一對(duì)內(nèi)壁(21m， 21n)每一者的距離的增大，而從所述冷卻水流的下游側(cè)向所述上游側(cè)偏置，并且在所述冷卻水通路(26)的彎曲延伸的彎曲部分處，所述端部(41)被布置為隨著從所述彎曲部分的內(nèi)周側(cè)朝向外周側(cè)的方向，而從所述冷卻水流的所述上游側(cè)向下游側(cè)偏置。
10. —種逆變器，其具有根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率半導(dǎo)體器件的冷 卻結(jié)構(gòu)，并被安裝在車輛上。
全文摘要
功率半導(dǎo)體器件的冷卻結(jié)構(gòu)包括冷卻水通路(26)及鰭片(22)。用于冷卻功率半導(dǎo)體器件的冷卻水流經(jīng)冷卻水通路(26)。鰭片(22)設(shè)置在冷卻水通路(26)的路徑上并沿與冷卻水的流動(dòng)方向垂直的方向彼此間隔地設(shè)置。鰭片(22)促進(jìn)功率半導(dǎo)體器件與冷卻水之間的熱交換。鰭片(22)具有面向冷卻水流上游側(cè)的端部(41)。多個(gè)鰭片(22)中至少一個(gè)鰭片(22)的端部(41)被布置為相比與該至少一個(gè)鰭片(22)兩側(cè)相鄰的鰭片(22)的端部(41)，向冷卻水流的更上游側(cè)偏置。因此，提供了一種具有極佳冷卻效率的功率半導(dǎo)體器件的冷卻結(jié)構(gòu)以及逆變器。
文檔編號(hào)H01L23/473GK101379611SQ20078000401
公開日2009年3月4日 申請(qǐng)日期2007年1月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月31日
發(fā)明者芝健史郎 申請(qǐng)人:豐田自動(dòng)車株式會(huì)社