(57)【要約】【課題】構成の大型化を抑制しつつ半導体素子と冷却器とを適正に一体化することのできる素子ユニット及び素子ユニットの製造方法を提供する。【解決手段】電力変換装置１は、各素子モジュールと、向かい合って配置されて一体に成形された第１冷却部３２ａ及び第２冷却部３２ｂを有する冷却器３２と、を備える。各素子モジュールは、各第１冷却部３２ａと第２冷却部３２ｂとの間に形成された貫通孔において、各冷却部３２ａ，３２ｂの間に挟持されている。第１冷却部３２ａは、ハイサイドアームの各トランジスタ（例えば、ＵＨ）のコレクタ側の表面ＣＳ側及びローサイドアームの各トランジスタ（例えば、ＵＬ）のエミッタ側の表面ＥＳ側に設けられている。第２冷却部３２ｂは、ハイサイドアームの各トランジスタ（例えば、ＵＨ）のエミッタ側の表面ＥＳ側及びローサイドアームの各トランジスタ（例えば、ＵＬ）のコレクタ側の表面ＣＳ側に設けられている。【選択図】図２
2020202211.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子と、
前記半導体素子に接続された複数の端子と、
向かい合って配置された第１冷却部と第２冷却部とが一体に成形されて、前記第１冷却部と前記第２冷却部との間に中空部分が形成された冷却器と、
を備え、
前記半導体素子と前記複数の端子との組立体は、前記中空部分において、前記半導体素子の第１面側に設けられた前記第１冷却部と前記半導体素子の第２面側に設けられた前記第２冷却部との間に挟持されている
ことを特徴とする素子ユニット。
【請求項２】
前記組立体は前記第１冷却部と前記第２冷却部との間に圧入されている
ことを特徴とする請求項１に記載の素子ユニット。
【請求項３】
前記組立体と前記冷却器との間の隙間に充填された絶縁材を備える
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の素子ユニット。
【請求項４】
前記第１冷却部及び前記第２冷却部の各々は、
冷媒の流路を形成する壁部と、
前記壁部のうち少なくとも前記半導体素子の前記第１面側及び前記第２面側の各々の部位から前記流路内に突出する放熱部と、を備える
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の素子ユニット。
【請求項５】
半導体素子と、
前記半導体素子に接続された複数の端子と、
向かい合って配置された第１冷却部と第２冷却部とが一体に成形されて、前記第１冷却部と前記第２冷却部との間に中空部分が形成された冷却器と、
を備え、
前記半導体素子と前記複数の端子との組立体が、前記中空部分において、前記半導体素子の第１面側に設けられた前記第１冷却部と前記半導体素子の第２面側に設けられた前記第２冷却部との間に挟持されている素子ユニットの製造方法であって、
前記冷却器のうち少なくとも前記第１冷却部及び前記第２冷却部を加熱する第１ステップと、
前記組立体を前記第１冷却部と前記第２冷却部との間に挿入する第２ステップと、
前記冷却器及び前記組立体を冷却する第３ステップと、
を含む
ことを特徴とする素子ユニットの製造方法。
【請求項６】
半導体素子と、
前記半導体素子に接続された複数の端子と、
向かい合って配置された第１冷却部と第２冷却部とが一体に成形されて、前記第１冷却部と前記第２冷却部との間に中空部分が形成された冷却器と、
を備え、
前記半導体素子と前記複数の端子との組立体が、前記中空部分において、前記半導体素子の第１面側に設けられた前記第１冷却部と前記半導体素子の第２面側に設けられた前記第２冷却部との間に挟持されている素子ユニットの製造方法であって、
前記組立体を冷却する冷却ステップと、
前記組立体を前記第１冷却部と前記第２冷却部との間に挿入する挿入ステップと、
を含む
ことを特徴とする素子ユニットの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、素子ユニット及び素子ユニットの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、所定方向に交互に配列された複数の冷却器及び半導体モジュールと、複数の冷却器及び半導体モジュールを所定方向の両側から押し付けるように挟み込むばね部材及び筐体とを備える半導体装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。このような半導体装置においては、別体に形成された複数の冷却器を接続する供給側及び排出側の各流水パイプによって、各冷却器に冷却水が供給されるとともに各冷却器から冷却水が排出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２７８４６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記したような半導体装置においては、複数の冷却器及び半導体モジュールを保持するための追加的な部材としてばね部材及び筐体が必要とされ、装置が大型化するという問題が生じる。
【０００５】
本発明は、構成の大型化を抑制しつつ半導体素子と冷却器とを適正に一体化することのできる素子ユニット及び素子ユニットの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決して係る目的を達成するために、本発明は以下の態様を採用した。
（１）本発明の一態様に係る素子ユニット（例えば、実施形態での素子モジュール３１及び冷却器３２）は、半導体素子（例えば、実施形態でのハイサイドアーム及びローサイドアームの各トランジスタＵＨ，ＵＬ，ＶＨ，ＶＬ，ＷＨ，ＷＬ）と、前記半導体素子に接続された複数の端子（例えば、実施形態での正極バスバーＰＩ、負極バスバーＮＩ、入出力バスバー２８、第１信号端子４５及び第２信号端子４６）と、向かい合って配置された第１冷却部（例えば、実施形態での第１冷却部３２ａ）と第２冷却部（例えば、実施形態での第２冷却部３２ｂ）とが一体に成形されて、前記第１冷却部と前記第２冷却部との間に中空部分（例えば、実施形態での貫通孔５６）が形成された冷却器（例えば、実施形態での冷却器３２）と、を備え、前記半導体素子と前記複数の端子との組立体（例えば、実施形態での各素子モジュール３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗ）は、前記中空部分において、前記半導体素子の第１面（例えば、実施形態でのハイサイドアームの各トランジスタＵＨ，ＶＨ，ＷＨのコレクタ側の表面ＣＳ及びローサイドアームの各トランジスタＵＬ，ＶＬ，ＷＬのエミッタ側の表面ＥＳ）側に設けられた前記第１冷却部と前記半導体素子の第２面（例えば、実施形態でのハイサイドアームの各トランジスタＵＨ，ＶＨ，ＷＨのエミッタ側の表面ＥＳ及びローサイドアームの各トランジスタＵＬ，ＶＬ，ＷＬのコレクタ側の表面ＣＳ）側に設けられた前記第２冷却部との間に挟持されている。
【０００７】
（２）上記（１）に記載の素子ユニット（例えば、実施形態での素子モジュール３１及び冷却器３２）では、前記組立体は前記第１冷却部と前記第２冷却部との間に圧入されてもよい。
【０００８】
（３）上記（１）又は（２）に記載の素子ユニット（例えば、実施形態での素子モジュール３１及び冷却器３２）は、前記組立体と前記冷却器との間の隙間に充填された絶縁材（例えば、実施形態での樹脂モールド体Ｍ）を備えてもよい。
【０００９】
（４）上記（１）から（３）の何れか１つに記載の素子ユニット（例えば、実施形態での素子モジュール３１及び冷却器３２）では、前記第１冷却部及び前記第２冷却部の各々は、冷媒の流路（例えば、実施形態での冷媒流路５３）を形成する壁部（例えば、実施形態での貫通孔壁部５７）と、前記壁部のうち少なくとも前記半導体素子の前記第１面側及び前記第２面側の各々の部位（例えば、実施形態での貫通孔壁部５７の内面５７Ｂのうち各第１搭載面３２Ａ及び第２搭載面３２Ｂの反対側の表面）から前記流路内に突出する放熱部（例えば、実施形態でのフィン５８）と、を備えてもよい。
【００１０】
（５）本発明の一態様に係る素子ユニットの製造方法は、半導体素子（例えば、実施形態でのハイサイドアーム及びローサイドアームの各トランジスタＵＨ，ＵＬ，ＶＨ，ＶＬ，ＷＨ，ＷＬ）と、前記半導体素子に接続された複数の端子（例えば、実施形態での正極バスバーＰＩ、負極バスバーＮＩ、入出力バスバー２８、第１信号端子４５及び第２信号端子４６）と、向かい合って配置された第１冷却部（例えば、実施形態での第１冷却部３２ａ）と第２冷却部（例えば、実施形態での第２冷却部３２ｂ）とが一体に成形されて、前記第１冷却部と前記第２冷却部との間に中空部分（例えば、実施形態での貫通孔５６）が形成された冷却器（例えば、実施形態での冷却器３２）と、を備え、前記半導体素子と前記複数の端子との組立体（例えば、実施形態での各素子モジュール３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗ）が、前記中空部分において、前記半導体素子の第１面（例えば、実施形態でのハイサイドアームの各トランジスタＵＨ，ＶＨ，ＷＨのコレクタ側の表面ＣＳ及びローサイドアームの各トランジスタＵＬ，ＶＬ，ＷＬのエミッタ側の表面ＥＳ）側に設けられた前記第１冷却部と前記半導体素子の第２面（例えば、実施形態でのハイサイドアームの各トランジスタＵＨ，ＶＨ，ＷＨのエミッタ側の表面ＥＳ及びローサイドアームの各トランジスタＵＬ，ＶＬ，ＷＬのコレクタ側の表面ＣＳ）側に設けられた前記第２冷却部との間に挟持されている素子ユニット（例えば、実施形態での素子モジュール３１及び冷却器３２）の製造方法であって、前記冷却器のうち少なくとも前記第１冷却部及び前記第２冷却部を加熱する第１ステップ（例えば、実施形態でのステップＳ０２）と、前記組立体を前記第１冷却部と前記第２冷却部との間に挿入する第２ステップ（例えば、実施形態でのステップＳ０３）と、前記冷却器及び前記組立体を冷却する第３ステップ（例えば、実施形態でのステップＳ０４）と、を含む。
【００１１】
（６）本発明の一態様に係る素子ユニットの製造方法は、半導体素子（例えば、実施形態でのハイサイドアーム及びローサイドアームの各トランジスタＵＨ，ＵＬ，ＶＨ，ＶＬ，ＷＨ，ＷＬ）と、前記半導体素子に接続された複数の端子（例えば、実施形態での正極バスバーＰＩ、負極バスバーＮＩ、入出力バスバー２８、第１信号端子４５及び第２信号端子４６）と、向かい合って配置された第１冷却部（例えば、実施形態での第１冷却部３２ａ）と第２冷却部（例えば、実施形態での第２冷却部３２ｂ）とが一体に成形されて、前記第１冷却部と前記第２冷却部との間に中空部分（例えば、実施形態での貫通孔５６）が形成された冷却器（例えば、実施形態での冷却器３２）と、を備え、前記半導体素子と前記複数の端子との組立体（例えば、実施形態での各素子モジュール３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗ）が、前記中空部分において、前記半導体素子の第１面（例えば、実施形態でのハイサイドアームの各トランジスタＵＨ，ＶＨ，ＷＨのコレクタ側の表面ＣＳ及びローサイドアームの各トランジスタＵＬ，ＶＬ，ＷＬのエミッタ側の表面ＥＳ）側に設けられた前記第１冷却部と前記半導体素子の第２面（例えば、実施形態でのハイサイドアームの各トランジスタＵＨ，ＶＨ，ＷＨのエミッタ側の表面ＥＳ及びローサイドアームの各トランジスタＵＬ，ＶＬ，ＷＬのコレクタ側の表面ＣＳ）側に設けられた前記第２冷却部との間に挟持されている素子ユニット（例えば、実施形態での素子モジュール３１及び冷却器３２）の製造方法であって、前記組立体を冷却する冷却ステップ（例えば、実施形態でのステップＳ１１）と、前記組立体を前記第１冷却部と前記第２冷却部との間に挿入する挿入ステップ（例えば、実施形態でのステップＳ０３）と、を含む。
【発明の効果】
【００１２】
上記（１）によれば、半導体素子の組立体は冷却器において一体化された第１冷却部及び第２冷却部によって挟持されるので、冷却器自体によって組立体と冷却器とを一体化することができる。また、構成の大型化を抑制することができる。
【００１３】
上記（２）の場合、組立体は第１冷却部と第２冷却部との間に圧入されるので、組立体と冷却器とを保持するための特別な部材を必要とせずに、組立体と冷却器とを簡易な構成で一体化することができる。
上記（３）の場合、半導体素子の第１面側及び第２面側は第１冷却部及び第２冷却部によって冷却されることに加えて、組立体における他の部位（半導体素子の第１面側及び第２面側以外の部位）は絶縁材を介して冷却器によって冷却される。
上記（４）の場合、ヒートシンクとして機能する放熱部を備えることによって、冷却効率を向上させることができる。
【００１４】
上記（５）によれば、組立体と冷却器とを一体化する際に必要となる治具の複雑化を抑制して、簡易な工程によって素子ユニットを製造することができる。
【００１５】
上記（６）によれば、組立体と冷却器とを一体化する際に必要となる治具の複雑化を抑制して、簡易な工程によって素子ユニットを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態における電力変換装置の構成を示す平面図であって、冷却器の壁部の一部を省略して示す図。
【図２】図１に示すＡ−Ａ線の位置でＸ−Ｚ平面により切断した断面図であって、冷却器の壁部を省略せずに示す図。
【図３】本発明の実施形態の電力変換装置を搭載する車両の一部の構成を示す図。
【図４】本発明の実施形態における電力変換装置の冷却器の構成を示す斜視図。
【図５】本発明の実施形態における電力変換装置の冷却器をＹ軸方向から見た図。
【図６】本発明の実施形態における電力変換装置の製造方法を示すフローチャート。
【図７】本発明の実施形態における電力変換装置の製造方法において加熱される冷却器をＹ軸方向から見た図。
【図８】本発明の実施形態における電力変換装置の製造方法において加熱される冷却器をＹ軸方向から見た図。
【図９】本発明の実施形態の第１変形例における電力変換装置の製造方法を示すフローチャート。
【図１０】本発明の実施形態の第１変形例における電力変換装置の製造方法において冷却される素子モジュールをＺ軸方向から見た図。
【図１１】本発明の実施形態の第２変形例における電力変換装置の冷却器をＹ軸方向から見た図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の電力変換装置の一実施形態について添付図面を参照しながら説明する。
本実施形態による電力変換装置は、モータとバッテリとの間の電力授受を制御する。例えば、電力変換装置は、電動車両等に搭載されている。電動車両は、電気自動車、ハイブリッド車両、及び燃料電池車両等である。電気自動車は、バッテリを動力源として駆動する。ハイブリッド車両は、バッテリ及び内燃機関を動力源として駆動する。燃料電池車両は、燃料電池を駆動源として駆動する。
【００１８】
図１は、本発明の実施形態における電力変換装置１の構成を示す平面図であって、冷却器３２の壁部５１の一部を省略して示す図である。図２は、図１に示すＡ−Ａ線の位置でＸ−Ｚ平面により切断した断面図であって、冷却器３２の壁部５１を省略せずに示す図である。図３は、本発明の実施形態に係る電力変換装置１を搭載する車両１０の一部の構成を示す図である。
【００１９】
図３に示すように、車両１０は、電力変換装置１に加えて、バッテリ１１（ＢＡＴＴ）と、走行駆動用のモータ１２（ＭＯＴ）と、を備える。
バッテリ１１は、例えば、車両１０の動力源である高圧のバッテリである。バッテリ１１は、バッテリケースと、バッテリケース内に収容される複数のバッテリモジュールと、を備える。バッテリモジュールは、直列に接続される複数のバッテリセルを備える。バッテリ１１は、直流コネクタ１３に接続される正極端子ＰＢ及び負極端子ＮＢを備える。正極端子ＰＢ及び負極端子ＮＢは、バッテリケース内において直列に接続される複数のバッテリモジュールの正極端及び負極端に接続されている。バッテリ１１は、直流コネクタ１３を介して電力変換装置１に接続されている。
【００２０】
モータ１２は、バッテリ１１から供給される電力によって回転駆動力（力行動作）を発生させる。モータ１２は、回転軸に入力される回転駆動力によって発電電力を発生させてもよい。モータ１２は、内燃機関の回転動力が伝達可能に構成されてもよい。
例えば、モータ１２は、３相交流のブラシレスＤＣモータである。３相は、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相である。モータ１２は、インナーロータ型である。モータ１２は、界磁用の永久磁石を有する回転子と、回転子を回転させる回転磁界を発生させるための３相のステータ巻線を有する固定子と、を備える。
【００２１】
モータ１２の３相のステータ巻線は、３相コネクタ１４に接続されている。３相コネクタ１４は、電力変換装置１に接続される装置側コネクタ１４ａと、モータ１２のステータ巻線の入出力部Ｇに接続されるモータ側コネクタ１４ｂと、を備える。モータ１２の３相のステータ巻線は、３相コネクタ１４を介して電力変換装置１に接続されている。
【００２２】
＜電力変換装置＞
電力変換装置１は、パワーモジュール２１と、コンデンサユニット２２と、抵抗器２３と、第１電流センサ２４と、第２電流センサ２５と、電子制御ユニット２６（ＭＯＴ  ＥＣＵ）と、ゲートドライブユニット２７（Ｇ／Ｄ）と、を備える。
【００２３】
パワーモジュール２１は、例えば、３相コネクタ１４によってモータ１２の３相のステータ巻線に接続されている。パワーモジュール２１は、バッテリ１１から入力される直流電力を３相交流電力に変換する。パワーモジュール２１は、モータ１２から入力される３相交流電力を直流電力に変換してもよい。パワーモジュール２１によって変換された直流電力は、バッテリ１１に供給することが可能である。
【００２４】
パワーモジュール５２は、ブリッジ接続される複数のスイッチング素子によって形成されるブリッジ回路を備える。例えば、スイッチング素子は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、又はＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semi-conductor Field Effect Transistor）等のトランジスタである。例えば、ブリッジ回路においては、対を成すハイサイドアーム及びローサイドアームＵ相トランジスタＵＨ，ＵＬと、対を成すハイサイドアーム及びローサイドアームＶ相トランジスタＶＨ，ＶＬと、対を成すハイサイドアーム及びローサイドアームＷ相トランジスタＷＨ，ＷＬとが、それぞれブリッジ接続されている。
ブリッジ回路は、各トランジスタＵＨ，ＵＬ，ＶＨ，ＶＬ，ＷＨ，ＷＬのコレクタ−エミッタ間においてエミッタからコレクタに向けて順方向となるように接続されるダイオードを備える。
【００２５】
ハイサイドアームの各トランジスタＵＨ，ＶＨ，ＷＨは、コレクタが正極バスバーＰＩに接続されてハイサイドアームを構成している。各相においてハイサイドアームの各正極バスバーＰＩは、コンデンサユニット２２の正極バスバー２２ｐに接続されている。
ローサイドアームの各トランジスタＵＬ，ＶＬ，ＷＬは、エミッタが負極バスバーＮＩに接続されてローサイドアームを構成している。各相においてローサイドアームの各負極バスバーＮＩは、コンデンサユニット２２の負極バスバー２２ｎに接続されている。
なお、各正極バスバーＰＩ，２２ｐ同士の接続及び各負極バスバーＮＩ，２２ｎ同士の接続には、例えば、ボルト締結よりも小型であるとともに、絶縁部位の熱損傷を抑制するように、レーザ溶接又はクリップによる接続などが採用されている。
【００２６】
各相においてハイサイドアームの各トランジスタＵＨ，ＶＨ，ＷＨのエミッタは、接続点ＴＩにおいてローサイドアームの各トランジスタＵＬ，ＶＬ，ＷＬのコレクタに接続されている。
パワーモジュール２１の各相において接続点ＴＩを形成する入出力バスバー２８の入出力端子Ｑは、３相コネクタ１４に接続されている。パワーモジュール２１の各相の接続点ＴＩは、入出力バスバー２８、入出力端子Ｑ、及び３相コネクタ１４を介してモータ１２の各相のステータ巻線に接続されている。
【００２７】
パワーモジュール２１は、ゲートドライブユニット２７から各トランジスタＵＨ，ＶＨ，ＷＨ，ＵＬ，ＶＬ，ＷＬのゲートに入力されるスイッチング指令であるゲート信号に基づき、各相のトランジスタ対のオン（導通）／オフ（遮断）を切り替える。
パワーモジュール２１は、バッテリ１１から入力される直流電力を３相交流電力に変換し、モータ１２の３相のステータ巻線への通電を順次転流させることで、３相のステータ巻線に交流のＵ相電流、Ｖ相電流、及びＷ相電流を通電する。
パワーモジュール２１は、モータ１２の回転に同期がとられた各相のトランジスタ対のオン（導通）／オフ（遮断）駆動によって、モータ１２の３相のステータ巻線から出力される３相交流電力を直流電力に変換してもよい。パワーモジュール２１によって３相交流電力から変換された直流電力は、バッテリ１１に供給することが可能である。
【００２８】
コンデンサユニット２２は、平滑コンデンサ２２ａと、ノイズフィルタ２２ｂと、を備えている。
平滑コンデンサ２２ａは、正極バスバー２２ｐ及び負極バスバー２２ｎを介して、パワーモジュール２１の複数の正極バスバーＰＩ及び負極バスバーＮＩ間に接続されている。平滑コンデンサ２２ａは、パワーモジュール２１の各トランジスタＵＨ，ＵＬ，ＶＨ，ＶＬ，ＷＨ，ＷＬのオン／オフの切換動作に伴って発生する電圧変動を平滑化する。
【００２９】
ノイズフィルタ２２ｂは、正極バスバー２２ｐ及び負極バスバー２２ｎを介して、パワーモジュール２１の複数の正極バスバーＰＩ及び負極バスバーＮＩ間に接続されている。ノイズフィルタ２２ｂは、直列に接続される２つのコンデンサを備えている。２つのコンデンサの接続点は、車両１０のボディグラウンド等に接続されている。
抵抗器２３は、正極バスバー２２ｐ及び負極バスバー２２ｎを介して、パワーモジュール２１の複数の正極バスバーＰＩ及び負極バスバーＮＩ間に接続されている。
【００３０】
第１電流センサ２４は、パワーモジュール２１の各相の接続点ＴＩを成すとともに入出力端子Ｑを有する入出力バスバー２８に配置され、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の各々の電流を検出する。
第２電流センサ２５は、抵抗器２３と直流コネクタ１３との間に配置され、バッテリ１１の出力電流を検出する。
第１電流センサ２４及び第２電流センサ２５の各々は、信号線によって電子制御ユニット２６に接続されている。
【００３１】
電子制御ユニット２６は、モータ１２の各々の動作を制御する。例えば、電子制御ユニット２６は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサによって所定のプログラムが実行されることにより機能するソフトウェア機能部である。ソフトウェア機能部は、ＣＰＵ等のプロセッサ、プログラムを格納するＲＯＭ（Read Only Memory）、データを一時的に記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）、及びタイマー等の電子回路を備えるＥＣＵ（Electronic Control Unit）である。なお、電子制御ユニット２６の少なくとも一部は、ＬＳＩ（Large Scale Integration）等の集積回路であってもよい。
【００３２】
例えば、電子制御ユニット２６は、第１電流センサ２４の電流検出値とモータ１２に対するトルク指令値に応じた電流目標値とを用いる電流のフィードバック制御等を実行し、ゲートドライブユニット２７に入力する制御信号を生成する。
例えば、電子制御ユニット２６は、第１電流センサ２４の電流検出値とモータ１２に対する回生指令値に応じた電流目標値とを用いる電流のフィードバック制御等を実行し、ゲートドライブユニット２７に入力する制御信号を生成してもよい。
制御信号は、パワーモジュール２１の各トランジスタＵＨ，ＶＨ，ＷＨ，ＵＬ，ＶＬ，ＷＬをオン（導通）／オフ（遮断）駆動するタイミングを示す信号である。例えば、制御信号は、パルス幅変調された信号等である。
【００３３】
ゲートドライブユニット２７は、電子制御ユニット２６から受け取る制御信号に基づいて、パワーモジュール２１の各トランジスタＵＨ，ＶＨ，ＷＨ，ＵＬ，ＶＬ，ＷＬを実際にオン（導通）／オフ（遮断）駆動するためのゲート信号を生成する。例えば、ゲートドライブユニット２７は、制御信号の増幅及びレベルシフト等を実行して、ゲート信号を生成する。
【００３４】
図１及び図２に示すように、電力変換装置１は、複数の素子モジュール３１と、冷却器３２と、を備える。
複数の素子モジュール３１の各々は、例えば、パワーモジュール２１におけるハイサイドアーム及びローサイドアームのスイッチング素子によって形成される素子列を備える。例えば、複数の素子モジュール３１は、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の各素子モジュール３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗである。Ｕ相の素子モジュール３１Ｕは、パワーモジュール２１におけるハイサイドアーム及びローサイドアームＵ相トランジスタＵＨ，ＵＬの素子列を備える。Ｖ相の素子モジュール３１Ｖは、パワーモジュール２１におけるハイサイドアーム及びローサイドアームＶ相トランジスタＶＨ，ＶＬの素子列を備える。Ｗ相の素子モジュール３１Ｗは、パワーモジュール２１におけるハイサイドアーム及びローサイドアームＷ相トランジスタＷＨ，ＷＬの素子列を備える。
【００３５】
以下に、各素子モジュール３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗの詳細について説明する。なお、各素子モジュール３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗは、例えば、同一の構成を有しているので、代表の一例として、Ｕ相の素子モジュール３１Ｕの構成について説明する。
なお、以下において、３次元空間で互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸の各軸方向は、各軸に平行な方向である。例えば図２に示すように、Ｕ相の素子モジュール３１Ｕの厚さ方向は、Ｚ軸方向と平行である。ハイサイドアーム及びローサイドアームのスイッチング素子の配列方向、つまりハイサイドアームＵ相トランジスタＵＨ及びローサイドアームＵ相トランジスタＵＬが並んで配置される方向は、Ｘ軸方向と平行である。Ｙ軸方向は、Ｚ軸方向及びＹ軸方向に直交している。
【００３６】
図１及び図２に示すように、素子モジュール３１Ｕは、例えば、ハイサイドアーム及びローサイドアームＵ相トランジスタＵＨ，ＵＬと、第１絶縁基板４１及び第２絶縁基板４２と、第１導電スペーサー４３及び第２導電スペーサー４４と、正極バスバーＰＩ及び負極バスバーＮＩと、入出力バスバー２８と、第１信号端子４５及び第２信号端子４６と、を備える。
例えば、ハイサイドアーム及びローサイドアームＵ相トランジスタＵＨ，ＵＬは、第１絶縁基板４１及び第２絶縁基板４２の間に搭載されるとともに、電気的絶縁性の樹脂材料を用いたモールド成型により形成される樹脂モールド体Ｍに固定されている。樹脂モールド体Ｍは、素子モジュール３１Ｕの全ての構成部品を、樹脂材料によって固定している。
【００３７】
第１絶縁基板４１及び第２絶縁基板４２の各々は、電気的に絶縁性の基板と、基板の両面に設けられる導電体と、を備える。例えば、各絶縁基板４１，４２は、ＤＣＢ（Direct Copper Bonding）基板である。ＤＣＢ基板は、セラミックス基板と、セラミックス基板の厚さ方向の両面に設けられる複数の銅板と、を備える。セラミックス基板の異なる面上に設けられる複数の銅板は、セラミックス基板によって電気的に絶縁されている。セラミックス基板の同一面上に設けられる複数の銅板は、相互に所定間隔を置いて離れて配置されることによって、電気的に絶縁されている。
【００３８】
例えば、第１絶縁基板４１は、セラミックス基板４１ａと、セラミックス基板４１ａを厚さ方向の両側から挟み込む第１銅板４１ｂと第２銅板４１ｃ及び第３銅板４１ｄと、を備える。第１銅板４１ｂは、接合材４７によって冷却器３２の第１搭載面３２Ａに接合されている。例えば、接合材４７は、はんだ又は熱伝導率が高い接着剤などである。第２銅板４１ｃは、はんだなどの導電性の接合材によってハイサイドアームＵ相トランジスタＵＨのコレクタ側の表面ＣＳに接合されている。第３銅板４１ｄは、はんだなどの導電性の接合材によって第２導電スペーサー４４に接合されている。
【００３９】
例えば、第２絶縁基板４２は、セラミックス基板４２ａと、セラミックス基板４２ａを厚さ方向の両側から挟み込む第４銅板４２ｂと第５銅板４２ｃと、を備える。第４銅板４２ｂは、接合材４７によって冷却器３２の第２搭載面３２Ｂに接合されている。第５銅板４２ｃは、はんだなどの導電性の接合材によって、第１導電スペーサー４３と、ローサイドアームＵ相トランジスタＵＬのコレクタ側の表面ＣＳとに接合されている。
【００４０】
素子モジュール３１Ｕのハイサイドアーム及びローサイドアームＵ相トランジスタＵＨ，ＵＬは、例えば、厚さ方向（つまりＺ軸方向）において互いに表裏が逆向きの状態でＹ軸方向から見てＸ軸方向に並んで配置されている。例えば、ハイサイドアームＵ相トランジスタＵＨは、厚さ方向における第１絶縁基板４１と第２絶縁基板４２との間において、コレクタ側の表面ＣＳを第１絶縁基板４１側に向け、エミッタ側の表面ＥＳを第２絶縁基板４２側に向けている。ローサイドアームＵ相トランジスタＵＬは、厚さ方向における第１絶縁基板４１と第２絶縁基板４２との間において、コレクタ側の表面ＣＳを第２絶縁基板４２側に向け、エミッタ側の表面ＥＳを第１絶縁基板４１側に向けている。
【００４１】
第１導電スペーサー４３及び第２導電スペーサー４４は、例えば、銅板などのように、板状に形成された導電体である。
第１導電スペーサー４３は、はんだなどの導電性の接合材によって、ハイサイドアームＵ相トランジスタＵＨのエミッタ側の表面ＥＳと、第２絶縁基板４２の第５銅板４２ｃの表面とに接合されている。
第２導電スペーサー４４は、はんだなどの導電性の接合材によって、ローサイドアームＵ相トランジスタＵＬのエミッタ側の表面ＥＳと、第１絶縁基板４１の第３銅板４１ｄの表面とに接合されている。
【００４２】
正極バスバーＰＩ、負極バスバーＮＩ、及び入出力バスバー２８の各々は、例えば、銅板などのように、板状に形成された導電体である。
正極バスバーＰＩは、はんだなどの導電性の接合材によって、第１絶縁基板４１の第２銅板４１ｃと電気的に接合され、例えば、Ｙ軸方向正方向に素子モジュール３１Ｕの外部に向かって延びている。
負極バスバーＮＩは、はんだなどの導電性の接合材によって、第１絶縁基板４１の第３銅板４１ｄと電気的に接合され、例えば、Ｙ軸方向正方向に素子モジュール３１Ｕの外部に向かって延びている。
入出力バスバー２８は、はんだなどの導電性の接合材によって、第２絶縁基板４２の第５銅板４２ｃと電気的に接合され、例えば、Ｙ軸方向正方向に素子モジュール３１Ｕの外部に向かって延びている。
正極バスバーＰＩ、負極バスバーＮＩ、及び入出力バスバー２８は、例えば、素子モジュール３１Ｕの外部において、Ｘ軸方向に並んで配置されている。
【００４３】
第１信号端子４５及び第２信号端子４６の各々の外形は、例えば、Ｙ軸方向負方向に延びるピン状に形成されている。第１信号端子４５及び第２信号端子４６の各々は、導電性のワイヤーなどによって、ハイサイドアーム及びローサイドアームＵ相トランジスタＵＨ，ＵＬの各信号端子に電気的に接続されている。例えば、各信号端子は、制御信号が入力される制御端子であるゲート端子などである。
【００４４】
以上において、パワーモジュール２１のＵ相の素子モジュール３１Ｕについて説明したが、パワーモジュール２１のＶ相及びＷ相の各素子モジュール３１Ｖ，３１Ｗは、各Ｕ相トランジスタＵＨ，ＵＬの代わりに、各Ｖ相トランジスタＶＨ，ＶＬ又は各Ｗ相トランジスタＷＨ，ＷＬを備える。
【００４５】
＜冷却器＞
図４は、本発明の実施形態における電力変換装置１の冷却器３２の構成を示す斜視図である。図５は、本発明の実施形態における電力変換装置１の冷却器３２をＹ軸方向から見た図である。
図２、図４及び図５に示すように、冷却器３２の外形は、例えば、矩形箱型に形成されている。冷却器３２の壁部５１によって取り囲まれるように形成される内部空間には、冷媒が流通する冷媒流路５３が形成されている。冷媒流路５３は、冷却器３２の壁部５１から外部に突出するように設けられる冷媒供給管５４及び冷媒排出管５５の各内部空間と相互に連なって通じている。
【００４６】
冷却器３２には、３つの貫通孔５６が形成されている。３つの貫通孔５６は、例えば、Ｘ軸方向に並んで配置され、冷却器３２をＹ軸方向に貫通している。３つの貫通孔５６には、パワーモジュール２１のＵ相、Ｖ相、及びＷ相の各素子モジュール３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗが挿入されている。各貫通孔５６の内部には、各素子モジュール３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗを樹脂材料によって固定する樹脂モールド体Ｍが充填されている。
各貫通孔５６を形成する貫通孔壁部５７は、冷却器３２の壁部５１に連続して一体的に設けられている。貫通孔壁部５７の外形は、例えば、筒状に形成されている。貫通孔壁部５７の外面５７Ａ（つまり外部に露出する表面）は、第１冷却部３２ａを形成する第１搭載面３２Ａ及び第２冷却部３２ｂを形成する第２搭載面３２Ｂを備える。
【００４７】
第１搭載面３２Ａは、例えば、Ｚ軸方向負方向側において各素子モジュール３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗの第１絶縁基板４１の第１銅板４１ｂと接合されている。上述したように、第１銅板４１ｂは、ハイサイドアームの各トランジスタＵＨ，ＶＨ，ＷＨのコレクタ側の表面ＣＳ側及びローサイドアームの各トランジスタＵＬ，ＶＬ，ＷＬのエミッタ側の表面ＥＳ側に配置されている。
第２搭載面３２Ｂは、例えば、Ｚ軸方向正方向側において各素子モジュール３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗの第２絶縁基板４２の第４銅板４２ｂと接合されている。上述したように、第４銅板４２ｂは、ハイサイドアームの各トランジスタＵＨ，ＶＨ，ＷＨのエミッタ側の表面ＥＳ側及びローサイドアームの各トランジスタＵＬ，ＶＬ，ＷＬのコレクタ側の表面ＣＳ側に配置されている。
【００４８】
冷却器３２は、貫通孔壁部５７の内面５７Ｂ（つまり冷却器３２の内部側の表面）上に分散配置されたヒートシンクとして機能する複数のフィン５８を備える。複数のフィンの５８のうち、冷却器３２の壁部５１に向ってＺ軸方向に延びるフィン５８は、壁部５１の内面５１Ａに接続されている。つまり、貫通孔壁部５７の内面５７Ｂ上において、壁部５１の内面５１Ａに接続されるフィン５８が設けられる部位は、貫通孔壁部５７における外面５７Ａ上の各第１搭載面３２Ａ及び第２搭載面３２Ｂに対してＺ軸方向における反対側の表面である。
冷却器３２は、いわば各素子モジュール３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗに対して環状の閉空間による冷媒流路５３を形成するように一体化された第１冷却部３２ａ及び第２冷却部３２ｂを備える。向かい合って配置された第１冷却部３２ａと第２冷却部３２ｂとは一体に成形されて、第１冷却部３２ａと第２冷却部３２ｂとの間に貫通孔５６が形成されている。各素子モジュール３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗは、貫通孔５６において、厚さ方向（Ｚ軸方向）の両側から第１冷却部３２ａと第２冷却部３２ｂとの間に挟持されている。
このような第１冷却部３２ａ、第２冷却部３２ｂ及び複数のフィン５８を含む冷却器３２は、例えば金属積層造形によって一体に成形されている。金属積層造形によって冷却器３２を成形する場合、別々に成形された２つの冷却部を一体化するために、ジョイント部品等で接続して組み立てることが不要となる。
【００４９】
＜電力変換装置の製造方法＞
以下に、上述した実施形態の電力変換装置１の製造方法について添付図面を参照しながら説明する。
図６は、実施形態の電力変換装置１の製造方法を示すフローチャートである。図７は、実施形態における電力変換装置１の製造方法において加熱される冷却器３２の一例をＹ軸方向から見た図である。図８は、実施形態における電力変換装置１の製造方法において加熱される冷却器３２の他の一例をＹ軸方向から見た図である。
【００５０】
先ず、ステップＳ０１において、接合材４７は冷却器３２の貫通孔壁部５７の外面５７Ａ又は各素子モジュール３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗの第１絶縁基板４１及び第２絶縁基板４２の各表面に塗布される。第１絶縁基板４１及び第２絶縁基板４２の各表面は、例えば冷却器３２の貫通孔壁部５７の外面５７Ａのうち第１搭載面３２Ａ及び第２搭載面３２Ｂの各々に相互に向かい合う各表面４１Ａ，４２Ａである。
次に、ステップＳ０２において、冷却器３２は加熱される。例えば図７に示すように、冷却器３２は加熱炉内の熱源６１によって全体的に加熱されてもよい。また、例えば図８に示すように、冷却器３２は各貫通孔５６に挿入される各熱源６２によって部分的に貫通孔壁部５７周辺のみが加熱されてもよい。
これらにより、少なくとも冷却器３２の各貫通孔５６における第１搭載面３２Ａと第２搭載面３２Ｂとの間の間隔は増大させられる。なお、第１搭載面３２Ａと第２搭載面３２Ｂとの間の間隔は、加熱前の状態において相対的に各素子モジュール３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗの厚みよりも僅かに小さく形成されている。
【００５１】
次に、ステップＳ０３において、各素子モジュール３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗは冷却器３２の各貫通孔５６に挿入される。
次に、ステップＳ０４において、冷却器３２及び各素子モジュール３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗは冷却される。これにより、各素子モジュール３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗは接合材４７によって冷却器３２の貫通孔壁部５７に接合される。各素子モジュール３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗは、各第１冷却部３２ａ及び第２冷却部３２ｂの間に圧入されたように各第１冷却部３２ａ及び第２冷却部３２ｂによる所定の押し付け圧力によって厚さ方向の両側から挟持される。
次に、ステップＳ０５において、電気的絶縁性の樹脂材料は、冷却器３２の各貫通孔５６に充填される。これにより、各貫通孔壁部５７と各素子モジュール３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗとの間に樹脂モールド体Ｍが形成される。そして、一連の工程は終了される。
【００５２】
上述したように、本実施形態の電力変換装置１によれば、各素子モジュール３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗは冷却器３２において一体化された第１冷却部３２ａ及び第２冷却部３２ｂによって挟持されるので、冷却器３２自体によって各素子モジュール３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗと冷却器３２とを一体化することができる。また、構成の大型化を抑制することができる。また、各素子モジュール３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗと冷却器３２とを適正に一体化する際に、従来必要であったような加圧治具を簡略化でき、簡易な工程によって電力変換装置１を製造することができる。
【００５３】
また、各素子モジュール３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗは第１冷却部３２ａと第２冷却部３２ｂとの間に圧入されるので、各素子モジュール３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗと冷却器３２とを保持するための特別な部材を必要とせずに、簡易な構成で一体化することができる。また、例えば弾性力などによって各素子モジュール３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗを加圧する部材を備える場合に比べて、各トランジスタＵＨ，ＵＬ，ＶＨ，ＶＬ，ＷＨ，ＷＬに過剰な圧力が作用することを抑制することができる。
【００５４】
また、各素子モジュール３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗは第１冷却部３２ａ及び第２冷却部３２ｂによって冷却されることに加えて、樹脂モールド体Ｍを介して冷却器３２によって冷却される。冷却器３２の内部には各素子モジュール３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗを取り囲むように環状の冷媒流路５３が形成されているので、冷却効率を向上させることができる。
また、ヒートシンクとして機能するフィン５８を備えることによって、冷却効率を向上させることができる。
【００５５】
また、本実施形態の電力変換装置１の製造方法によれば、各素子モジュール３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗと冷却器３２とを一体化する際に必要となる治具の複雑化を抑制して、簡易な工程によって電力変換装置１を製造することができる。また、加熱処理によって各素子モジュール３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗと冷却器３２とを接合した後に樹脂材料を充填するので、樹脂材料が加熱によって劣化又は損傷することを抑制することができる。
【００５６】
以下、実施形態の変形例について説明する。
上述した実施形態の電力変換装置１の製造方法において冷却器３２が加熱されるとしたが、これに限定されず、各素子モジュール３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗが冷却されてもよい。
図９は、実施形態の第１変形例における電力変換装置１の製造方法を示すフローチャートである。図１０は、実施形態の第１変形例における電力変換装置１の製造方法において冷却される各素子モジュール３１Ｕ，３１Ｖ，３１ＷをＺ軸方向から見た図である。
実施形態の第１変形例においては、先ず、上述したステップＳ０１が実行される。
次に、ステップＳ１１において、各素子モジュール３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗは冷却される。例えば図１０に示すように、各素子モジュール３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗは冷蔵庫内の冷却源６３によって冷却される。これにより、各素子モジュール３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗの厚みは減少させられる。なお、各素子モジュール３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗの厚みは、冷却前の状態において相対的に第１搭載面３２Ａと第２搭載面３２Ｂとの間の間隔よりも僅かに大きく形成されている。
【００５７】
次に、上述したステップＳ０３が実行される。これにより、各素子モジュール３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗは接合材４７によって冷却器３２の貫通孔壁部５７に接合される。各素子モジュール３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗは冷却器３２との間の伝熱などによって昇温される。各素子モジュール３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗは、各第１冷却部３２ａ及び第２冷却部３２ｂの間に圧入されたように各第１冷却部３２ａ及び第２冷却部３２ｂによる所定の押し付け圧力によって厚さ方向の両側から挟持される。
次に、上述したステップＳ０５が実行される。そして、一連の工程は終了される。
【００５８】
上述した第１変形例によれば、各素子モジュール３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗと冷却器３２とを一体化する際に必要となる治具の複雑化を抑制して、簡易な工程によって電力変換装置１を製造することができる。また、加熱処理が実行されないので、樹脂モールド体Ｍの樹脂材料が加熱によって劣化又は損傷することを抑制することができる。
【００５９】
なお、上述した実施形態において、冷却器３２の壁部５１から外部に突出する冷媒供給管５４及び冷媒排出管５５は、壁部５１の適宜の位置に設けられる。例えば、冷媒供給管５４及び冷媒排出管５５は、冷却器３２におけるＸ軸方向の両端部のいずれかに設けられてもよいし、冷却器３２におけるＸ軸方向の両端部の各々に設けられてもよい。
【００６０】
なお、上述した実施形態において、冷却器３２における３つの貫通孔５６は、各素子モジュール３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗにおける正極バスバーＰＩ、負極バスバーＮＩ及び入出力バスバー２８の配列方向と平行なＸ軸方向に並んで形成されるとしたが、これに限定されない。
図１１は、本発明の実施形態の第２変形例における電力変換装置１の冷却器３２をＹ軸方向から見た図である。
実施形態の第２変形例において、冷却器３２における３つの貫通孔５６は、各素子モジュール３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗの厚さ方向と平行なＺ軸方向に並んで形成されている。
【００６１】
なお、上述した実施形態において、電力変換装置１は車両１０に搭載されるとしたが、これに限定されず、他の機器に搭載されてもよい。
【００６２】
本発明の実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００６３】
１…電力変換装置、１０…車両、１１…バッテリ、１２…モータ、２１…パワーモジュール、２８…入出力バスバー（端子）、３１…素子モジュール（素子ユニット、組立体）、３１Ｕ…Ｕ相の素子モジュール（組立体）、３１Ｖ…Ｖ相の素子モジュール（組立体）、３１Ｗ…Ｗ相の素子モジュール（組立体）、３２…冷却器（素子ユニット）、３２ａ…第１冷却部、３２Ａ…第１搭載面（表面）、３２ｂ…第２冷却部、３２Ｂ…第２搭載面（表面）、４１Ａ，４２Ａ…表面、４５…第１信号端子（端子）、４６…第２信号端子（端子）、４７…接合材、５１…壁部、５３…冷媒流路（流路）、５６…貫通孔（中空部分）、５７…貫通孔壁部（壁部）、５８…フィン（放熱部）、ＣＳ…コレクタ側の表面（第１面、第２面）、ＥＳ…エミッタ側の表面（第１面、第２面）、Ｍ…モールド体（絶縁材）、ＵＨ，ＵＬ，ＶＨ，ＶＬ，ＷＨ，ＷＬ…ハイサイドアーム及びローサイドアームの各トランジスタ（半導体素子）、ＰＩ…正極バスバー（端子）、ＮＩ…負極バスバー（端子）
【図１】
2020202211.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2020202211.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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