(57)【要約】【課題】素子モジュールの厚さの増大を抑制するとともに、配線インダクタンスの増大を抑制する。【解決手段】電力変換装置は、素子モジュールＭＵ１を備える。素子モジュールＭＵ１は、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、冷却体８２と、第１伝熱体８３及び第２伝熱体８４と、第１基板８５及び第２基板８６と、を備える。冷却体８２は、各トランジスタＵＨ，ＵＬの厚さ方向におけるコレクタ側に配置され、第１伝熱体８３及び第２伝熱体８４は、エミッタ側に配置される。第１伝熱体８３及び第２伝熱体８４は、各トランジスタＵＨ，ＵＬのエミッタ側の表面及び冷却体８２に熱的に接続される。各トランジスタＵＨ，ＵＬを駆動するゲートドライブユニット２９の少なくとも一部（ゲート抵抗６１及び信号線６２）は、第１伝熱体８３及び第２伝熱体８４に配置される第１基板８５及び第２基板８６に設けられている。【選択図】図２
2020021886.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのスイッチング素子と、
前記スイッチング素子の厚さ方向の第１面側に配置される冷却体と、
前記スイッチング素子の厚さ方向の第２面側に配置されるとともに、前記第２面及び前記冷却体に熱的に接続され、前記スイッチング素子から前記冷却体へ熱を移動させる伝熱体と、
前記スイッチング素子を駆動する駆動回路と、
を備え、
前記駆動回路を構成する回路素子及び信号線の少なくとも一方は、前記伝熱体に設けられている、
ことを特徴とする素子モジュール。
【請求項２】
前記回路素子は、前記スイッチング素子の制御端子に接続される抵抗を備え、
前記抵抗は、前記伝熱体に設けられている、
ことを特徴とする請求項１に記載の素子モジュール。
【請求項３】
前記信号線は、前記伝熱体に設けられている、
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の素子モジュール。
【請求項４】
前記信号線に接続される信号端子は、前記厚さ方向において前記伝熱体に重なる位置に配置されている、
ことを特徴とする請求項３に記載の素子モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、素子モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体デバイスと、半導体デバイスを厚さ方向の両側から挟み込む一対のＤＣＢ（Direct Copper Bonding）基板と、を備えるパワーモジュールを、一対の冷却器によって厚さ方向の両側から挟み込むパワーコントロールユニットが知られている（例えば、特許文献１参照）。このパワーコントロールユニットは、例えばウォータージャケットなどの冷却器によって、パワーモジュールを厚さ方向の両側から冷却する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１７／００９６０６６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記従来技術に係るパワーコントロールユニットにおいては、一対の冷却器がパワーモジュールの厚さ方向の両側に配置されているので、パワーコントロールユニットの厚さ及び大きさが増大してしまうという問題が生じる。
また、上記従来技術に係るパワーコントロールユニットにおいて、半導体デバイスを駆動制御する制御基板は、一対の冷却器を避けるように配置される必要が生じる。このため、半導体デバイスと制御基板との間の距離の増大に起因して配線インダクタンスが増大するおそれがある。例えば、半導体デバイスをゲート信号によって高周波駆動する場合には、配線インダクタンスの増大に起因してゲート波形が発振するおそれがある。
【０００５】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、厚さの増大を抑制するとともに、配線インダクタンスの増大を抑制することが可能な素子モジュール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モジュール（例えば、実施形態でのＭＵ１，ＭＶ１，ＭＷ１，ＭＵ２，ＭＶ２，ＭＷ２，ＭＳ）は、少なくとも１つのスイッチング素子（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，Ｓ１、ローサイドアームの各トランジスタＵＬ，ＶＬ，ＷＬ，Ｓ２）と、前記スイッチング素子の厚さ方向の第１面側（例えば、実施形態でのコレクタ側の表面ＣＳ側）に配置される冷却体（例えば、実施形態での冷却体８２）と、前記スイッチング素子の厚さ方向の第２面側（例えば、実施形態でのエミッタ側の表面ＥＳ側）に配置されるとともに、前記第２面及び前記冷却体に熱的に接続され、前記スイッチング素子から前記冷却体へ熱を移動させる伝熱体（例えば、実施形態での第１伝熱体８３、第２伝熱体８４）と、前記スイッチング素子を駆動する駆動回路（例えば、実施形態でのゲートドライブユニット２９）と、を備え、前記駆動回路を構成する回路素子（例えば、実施形態でのゲート抵抗６１）及び信号線（例えば、実施形態での信号線６２）の少なくとも一方（例えば、実施形態でのゲート抵抗６１及び信号線６２）は、前記伝熱体に設けられていると、を備える。
【０００７】
（２）上記（１）に記載の素子モジュールでは、前記回路素子は、前記スイッチング素子の制御端子（例えば、実施形態でのゲート）に接続される抵抗（例えば、実施形態でのゲート抵抗６１）を備え、前記抵抗は、前記伝熱体に設けられてもよい。
【０００８】
（３）上記（１）又は（２）に記載の素子モジュールでは、前記信号線（例えば、実施形態での信号線６２）は、前記伝熱体に設けられてもよい。
【０００９】
（４）上記（３）に記載の素子モジュールでは、前記信号線に接続される信号端子（例えば、実施形態での第１信号端子８７、第２信号端子８８）は、前記厚さ方向において前記伝熱体に重なる位置に配置されてもよい。
【発明の効果】
【００１０】
上記（１）によれば、スイッチング素子の厚さ方向の第１面側には冷却体が配置され、第２面側には冷却体に熱を移動させる伝熱体が配置されているので、スイッチング素子は冷却体によって両面（第１面及び第２面）から冷却される。これにより、例えばスイッチング素子を片面側からのみ冷却する場合に比べて、冷却性能を向上させながら、例えばスイッチング素子の両面側に１対の冷却体を配置する場合に比べて、厚さの増大を抑制することができる。
また、駆動回路を構成する回路素子及び信号線の少なくとも一方は、伝熱体に設けられているので、スイッチング素子と駆動回路の回路素子又は信号線との間の距離の増大を抑制することができる。これにより、例えば駆動回路の回路素子及び信号線が伝熱体を避けるように配置される場合に比べて、配線インダクタンスの増大を抑制することができる。
【００１１】
上記（２）の場合、例えば抵抗が伝熱体を避けるように配置される場合に比べて、スイッチング素子の制御電極と抵抗との間の距離及び配線インダクタンスの増大を抑制することができ、配線インダクタンスの増大に起因するゲート波形の発振を、より一層、抑制することができる。
【００１２】
上記（３）の場合、例えば信号線が伝熱体を避けるように配置される場合に比べて、素子モジュールの大型化を抑制することができる。
【００１３】
上記（４）の場合、例えば信号端子が伝熱体に重ならないように配置される場合に比べて、素子モジュールの大型化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態に係る電力変換装置のパワーモジュールの構成を模式的に示す斜視図である。
【図２】本発明の実施形態に係る電力変換装置のパワーモジュールの一部を模式的に示す斜視図である。
【図３】本発明の実施形態に係る電力変換装置のパワーモジュールの一部を厚さ方向から見た平面図である。
【図４】図３に示すＡ−Ａ線の位置で厚さ方向に平行な平面で切断した断面図である。
【図５】図３に示すＢ−Ｂ線の位置で厚さ方向に平行な平面で切断した断面図である。
【図６】図３に示すＣ−Ｃ線の位置で厚さ方向に平行な平面で切断した断面図である。
【図７】本発明の実施形態に係る電力変換装置を搭載する車両の一部の構成を示す図である。
【図８】本発明の実施形態に係る電力変換装置の各トランジスタのゲートとゲートドライブユニットとの間に接続されるゲート抵抗を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の素子モジュール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。
【００１６】
本実施形態による素子モジュールは、例えば、モータとバッテリとの間の電力授受を制御する電力変換装置を構成する。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、燃料電池を動力源として駆動する。
【００１７】
図１は、本発明の実施形態に係る電力変換装置１のパワーモジュール２１の構成を模式的に示す斜視図である。図２は、本発明の実施形態に係る電力変換装置１のパワーモジュール２１の一部を模式的に示す斜視図である。図３は、本発明の実施形態に係る電力変換装置１のパワーモジュール２１の一部を厚さ方向から見た平面図である。図４は、図３に示すＡ−Ａ線の位置で厚さ方向に平行な平面で切断した断面図である。図５は、図３に示すＢ−Ｂ線の位置で厚さ方向に平行な平面で切断した断面図である。図６は、図３に示すＣ−Ｃ線の位置で厚さ方向に平行な平面で切断した断面図である。図７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。図８は、本発明の実施形態に係る電力変換装置１の各トランジスタのゲートとゲートドライブユニット２９との間に接続されるゲート抵抗を示す図である。
【００１８】
＜車両＞
図７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、走行駆動用の第１モータ１２（ＭＯＴ）、発電用の第２モータ１３（ＧＥＮ）と、を備えている。
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、を備えている。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ている。
バッテリ１１は、電力変換装置１の直流コネクタ１ａに接続される正極端子ＰＢ及び負極端子ＮＢを備えている。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。
【００１９】
第１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。第２モータ１３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る。第２モータ１３は、内燃機関の回転動力が伝達可能に構成されている。例えば、第１モータ１２及び第２モータ１３の各々は、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。第１モータ１２及び第２モータ１３の各々は、インナーロータ型である。
各モータ１２，１３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、をそれぞれ備えている。第１モータ１２の３相のステータ巻線は、電力変換装置１の第１の３相コネクタ１ｂに接続されている。第２モータ１３の３相のステータ巻線は、電力変換装置１の第２の３相コネクタ１ｃに接続されている。
【００２０】
＜電力変換装置＞
電力変換装置１は、パワーモジュール２１と、リアクトル２２と、コンデンサユニット２３と、抵抗器２４と、第１電流センサ２５と、第２電流センサ２６と、第３電流センサ２７と、電子制御ユニット２８（ＭＯＴ  ＧＥＮ  ＥＣＵ）と、ゲートドライブユニット２９（Ｇ／Ｄ  ＶＣＵ  ＥＣＵ）と、を備えている。
パワーモジュール２１は、第１電力変換回路部３１と、第２電力変換回路部３２と、第３電力変換回路部３３と、を備えている。第１電力変換回路部３１は、第１の３相コネクタ１ｂによって第１モータ１２の３相のステータ巻線に接続されている。第１電力変換回路部３１は、バッテリ１１から第３電力変換回路部３３を介して入力される直流電力を３相交流電力に変換する。第２電力変換回路部３２は、第２の３相コネクタ１ｃによって第２モータ１３の３相のステータ巻線に接続されている。第２電力変換回路部３２は、第２モータ１３から入力される３相交流電力を直流電力に変換する。第２電力変換回路部３２によって変換された直流電力は、バッテリ１１及び第１電力変換回路部３１の少なくとも一方に供給することが可能である。
【００２１】
第１電力変換回路部３１及び第２電力変換回路部３２の各々は、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ている。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。
【００２２】
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２３の正極バスバー５０ｐ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２３の負極バスバー５０ｎに接続されている。
【００２３】
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。
第１電力変換回路部３１の各相において接続点ＴＩを形成する第１バスバー５１は第１入出力端子Ｑ１に接続されている。第１入出力端子Ｑ１は、第１の３相コネクタ１ｂに接続されている。第１電力変換回路部３１の各相の接続点ＴＩは、第１バスバー５１、第１入出力端子Ｑ１、及び第１の３相コネクタ１ｂを介して第１モータ１２の各相のステータ巻線に接続されている。
【００２４】
第２電力変換回路部３２の各相において接続点ＴＩを形成する第２バスバー５２は第２入出力端子Ｑ２に接続されている。第２入出力端子Ｑ２は、第２の３相コネクタ１ｃに接続されている。第２電力変換回路部３２の各相の接続点ＴＩは、第２バスバー５２、第２入出力端子Ｑ２、及び第２の３相コネクタ１ｃを介して第２モータ１３の各相のステータ巻線に接続されている。
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ている。
【００２５】
第１電力変換回路部３１及び第２電力変換回路部３２の各々は、ゲートドライブユニット２９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。第１電力変換回路部３１は、バッテリ１１から第３電力変換回路部３３を介して入力される直流電力を３相交流電力に変換し、第１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。第２電力変換回路部３２は、第２モータ１３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、第２モータ１３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する。
【００２６】
第３電力変換回路部３３は、電圧コントロールユニット（ＶＣＵ）である。第３電力変換回路部３３は、対を成す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を備えている。例えば、第３電力変換回路部３３は、ハイサイドアームの第１トランジスタＳ１及びローサイドアームの第２トランジスタＳ２を備えている。
【００２７】
第１トランジスタＳ１は、コレクタが正極バスバーＰＶに接続されてハイサイドアームを構成している。ハイサイドアームの正極バスバーＰＶは、コンデンサユニット２３の正極バスバー５０ｐに接続されている。第２トランジスタＳ２は、エミッタが負極バスバーＮＶに接続されてローサイドアームを構成している。ローサイドアームの負極バスバーＮＶは、コンデンサユニット２３の負極バスバー５０ｎに接続されている。コンデンサユニット２３の負極バスバー５０ｎは、バッテリ１１の負極端子ＮＢに接続されている。ハイサイドアームの第１トランジスタＳ１のエミッタはローサイドアームの第２トランジスタＳ２のコレクタに接続されている。第３電力変換回路部３３は、第１トランジスタＳ１及び第２トランジスタＳ２の各々のコレクタ−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ている。
【００２８】
ハイサイドアームの第１トランジスタＳ１とローサイドアームの第２トランジスタＳ２との接続点を形成する第３バスバー５３は、リアクトル２２に接続されている。リアクトル２２の両端は、第１トランジスタＳ１及び第２トランジスタＳ２の接続点と、バッテリ１１の正極端子ＰＢとに接続されている。リアクトル２２は、コイルと、コイルの温度を検出する温度センサとを備えている。温度センサは、信号線によって電子制御ユニット２８に接続されている。
【００２９】
第３電力変換回路部３３は、ゲートドライブユニット２９から第１トランジスタＳ１及び第２トランジスタＳ２の各々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、トランジスタ対のオン（導通）／オフ（遮断）を切り替える。
【００３０】
第３電力変換回路部３３は、昇圧時において、第２トランジスタＳ２がオン（導通）及び第１トランジスタＳ１がオフ（遮断）に設定される第１状態と、第２トランジスタＳ２がオフ（遮断）及び第１トランジスタＳ１がオン（導通）に設定される第２状態とを交互に切り替える。第１状態では、順次、バッテリ１１の正極端子ＰＢ、リアクトル２２、第２トランジスタＳ２、バッテリ１１の負極端子ＮＢへと電流が流れ、リアクトル２２が直流励磁されて磁気エネルギーが蓄積される。第２状態では、リアクトル２２に流れる電流が遮断されることに起因する磁束の変化を妨げるようにしてリアクトル２２の両端間に起電圧（誘導電圧）が発生する。リアクトル２２に蓄積された磁気エネルギーによる誘導電圧はバッテリ電圧に重畳されて、バッテリ１１の端子間電圧よりも高い昇圧電圧が第３電力変換回路部３３の正極バスバーＰＶと負極バスバーＮＶとの間に印加される。
【００３１】
第３電力変換回路部３３は、回生時において、第２状態と、第１状態とを交互に切り替える。第２状態では、順次、第３電力変換回路部３３の正極バスバーＰＶ、第１トランジスタＳ１、リアクトル２２、バッテリ１１の正極端子ＰＢへと電流が流れ、リアクトル２２が直流励磁されて磁気エネルギーが蓄積される。第１状態では、リアクトル２２に流れる電流が遮断されることに起因する磁束の変化を妨げるようにしてリアクトル２２の両端間に起電圧（誘導電圧）が発生する。リアクトル２２に蓄積された磁気エネルギーによる誘導電圧は降圧されて、第３電力変換回路部３３の正極バスバーＰＶ及び負極バスバーＮＶ間の電圧よりも低い降圧電圧がバッテリ１１の正極端子ＰＢと負極端子ＮＢとの間に印加される。
【００３２】
コンデンサユニット２３は、第１平滑コンデンサ４１と、第２平滑コンデンサ４２と、ノイズフィルタ４３と、を備えている。
【００３３】
第１平滑コンデンサ４１は、バッテリ１１の正極端子ＰＢと負極端子ＮＢとの間に接続されている。第１平滑コンデンサ４１は、第３電力変換回路部３３の回生時における第１トランジスタＳ１及び第２トランジスタＳ２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。
第２平滑コンデンサ４２は、第１電力変換回路部３１及び第２電力変換回路部３２の各々の正極バスバーＰＩ及び負極バスバーＮＩ間、並びに第３電力変換回路部３３の正極バスバーＰＶ及び負極バスバーＮＶ間に接続されている。第２平滑コンデンサ４２は、正極バスバー５０ｐ及び負極バスバー５０ｎを介して、複数の正極バスバーＰＩ及び負極バスバーＮＩ、並びに正極バスバーＰＶ及び負極バスバーＮＶに接続されている。第２平滑コンデンサ４２は、第１電力変換回路部３１及び第２電力変換回路部３２の各々の各トランジスタ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。第２平滑コンデンサ４２は、第３電力変換回路部３３の昇圧時における第１トランジスタＳ１及び第２トランジスタＳ２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。
【００３４】
ノイズフィルタ４３は、第１電力変換回路部３１及び第２電力変換回路部３２の各々の正極バスバーＰＩ及び負極バスバーＮＩ間、並びに第３電力変換回路部３３の正極バスバーＰＶ及び負極バスバーＮＶ間に接続されている。ノイズフィルタ４３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２４は、第１電力変換回路部３１及び第２電力変換回路部３２の各々の正極バスバーＰＩ及び負極バスバーＮＩ間、並びに第３電力変換回路部３３の正極バスバーＰＶ及び負極バスバーＮＶ間に接続されている。
【００３５】
第１電流センサ２５は、第１電力変換回路部３１の各相の接続点ＴＩを成し、第１入出力端子Ｑ１と接続される第１バスバー５１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２６は、第２電力変換回路部３２の各相の接続点ＴＩを成すとともに第２入出力端子Ｑ２と接続される第２バスバー５２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３電流センサ２７は、第１トランジスタＳ１及び第２トランジスタＳ２の接続点を成すとともにリアクトル２２と接続される第３バスバー５３に配置され、リアクトル２２に流れる電流を検出する。
第１電流センサ２５、第２電流センサ２６、及び第３電流センサ２７の各々は、信号線によって電子制御ユニット２８に接続されている。
【００３６】
電子制御ユニット２８は、第１モータ１２及び第２モータ１３の各々の動作を制御する。例えば、電子制御ユニット２８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２８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。例えば、電子制御ユニット２８は、第１電流センサ２５の電流検出値と第１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２９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２８は、第２電流センサ２６の電流検出値と第２モータ１３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２９に入力する制御信号を生成する。制御信号は、第１電力変換回路部３１及び第２電力変換回路部３２の各々の各トランジスタ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。
【００３７】
ゲートドライブユニット２９は、電子制御ユニット２８から受け取る制御信号に基づいて、第１電力変換回路部３１及び第２電力変換回路部３２の各々の各トランジスタ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２９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。
ゲートドライブユニット２９は、第３電力変換回路部３３の第１トランジスタＳ１及び第２トランジスタＳ２の各々をオン（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２９は、第３電力変換回路部３３の昇圧時における昇圧電圧指令又は第３電力変換回路部３３の回生時における降圧電圧指令に応じたデューティー比のゲート信号を生成する。デューティー比は、第１トランジスタＳ１及び第２トランジスタＳ２の比率である。
【００３８】
図８に示すように、ゲートドライブユニット２９は、例えば、集積回路６０と、複数のゲート抵抗６１と、を備える。複数のゲート抵抗６１は、第１電力変換回路部３１及び第２電力変換回路部３２の各々における各トランジスタＵＨ，ＶＨ，ＷＨ，ＵＬ，ＶＬ，ＷＬのゲート、並びに、第３電力変換回路部３３における各トランジスタＳ１，Ｓ２のゲートに接続されている。集積回路６０と、各トランジスタＵＨ，ＶＨ，ＷＨ，ＵＬ，ＶＬ，ＷＬ，Ｓ１，Ｓ２及び複数のゲート抵抗６１とは、信号線６２によって接続されている。
【００３９】
＜素子モジュール＞
図１に示すように、パワーモジュール２１は、モジュールケース８０を備える。パワーモジュール２１は、モジュールケース８０内において、例えば、上述した第１、第２、及び第３電力変換回路部３１，３２，３３の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モジュールを備えている。
第１電力変換回路部３１において、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は素子モジュールＭＵ１を形成し、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は素子モジュールＭＶ１を形成し、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は素子モジュールＭＷ１を形成している。
第２電力変換回路部３２において、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は素子モジュールＭＵ２を形成し、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は素子モジュールＭＶ２を形成し、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は素子モジュールＭＷ２を形成している。
第３電力変換回路部３３において、ハイサイドアームの第１トランジスタＳ１及びローサイドアームの第２トランジスタＳ２は素子モジュールＭＳを形成している。
【００４０】
以下に、各素子モジュールＭＵ１，ＭＶ１，ＭＷ１，ＭＵ２，ＭＶ２，ＭＷ２，ＭＳの詳細について説明する。なお、各素子モジュールＭＵ１，ＭＶ１，ＭＷ１，ＭＵ２，ＭＶ２，ＭＷ２，ＭＳ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、第１電力変換回路部３１のＵ相のハイサイドアーム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から成る素子モジュールＭＵ１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、素子モジュールＭＵ１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。
【００４１】
図２及び図３に示すように、素子モジュールＭＵ１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、絶縁基板８１と、正極バスバーＰＩ及び負極バスバーＮＩと、第１バスバー５１と、冷却体８２と、第１伝熱体８３及び第２伝熱体８４と、第１基板８５及び第２基板８６と、第１信号端子８７及び第２信号端子８８と、導電性のワイヤー８９と、導電スペーサー９０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、絶縁基板８１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（図示略）に固定されている。樹脂モールド体は、素子モジュールＭＵ１の全ての構成部品を、樹脂材料によって固定している。
【００４２】
絶縁基板８１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、絶縁基板８１は、ＤＣＢ（Direct Copper Bonding）基板である。ＤＣＢ基板は、セラミックス基板８１ａと、セラミックス基板８１ａの厚さ方向の両面に設けられる第１銅板８１ｂと、第２銅板８１ｃ、第３銅板８１ｄ、第４銅板８１ｅ、及び第５銅板８１ｆと、を備えている。第１銅板８１ｂと、第２銅板８１ｃ、第３銅板８１ｄ、第４銅板８１ｅ、及び第５銅板８１ｆとは、セラミックス基板８１ａを厚さ方向の両側から挟み込むとともに、セラミックス基板８１ａによって電気的に絶縁されている。第２銅板８１ｃ、第３銅板８１ｄ、第４銅板８１ｅ、及び第５銅板８１ｆ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。
【００４３】
絶縁基板８１において、第１銅板８１ｂの表面は、冷却体８２に接触する冷却面を備える。第２銅板８１ｃの表面は、ハイサイドアームＵ相トランジスタＵＨを搭載する搭載面を備え、第３銅板８１ｄの表面は、ローサイドアームＵ相トランジスタＵＬを搭載する搭載面を備える。第４銅板８１ｅの表面は、第１伝熱体８３に接触する伝熱面を備え、第５銅板８１ｆの表面は、第２伝熱体８４に接触する伝熱面を備える。
【００４４】
図４に示すように、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、Ｚ軸方向において互いに表裏が同じ向きの状態でＺ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、ハイサイドアーム及びローサイドアームＵ相トランジスタＵＨ，ＵＬは、Ｚ軸方向において各コレクタ側の表面ＣＳを絶縁基板８１側に向けて配置されている。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は、Ｚ軸方向において第２銅板８１ｃの搭載面に対向し、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は、Ｚ軸方向において第３銅板８１ｄの搭載面に対向している。
【００４５】
正極バスバーＰＩ、負極バスバーＮＩ、及び第１バスバー５１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。
図４及び図５に示すように、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は、導電性の接合材によって、絶縁基板８１の第２銅板８１ｃの表面と電気的に接合されている。例えば、接合材は、はんだなどである。正極バスバーＰＩは、導電性の接合材によって、第２銅板８１ｃの表面と電気的に接合されている。つまり、ハイサイドアームＵ相トランジスタＵＨのコレクタと正極バスバーＰＩとは、第２銅板８１ｃを介して電気的に接続されている。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は、導電スペーサー９０を介して、第１バスバー５１と電気的に接合されている。導電スペーサー９０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。導電スペーサー９０は、Ｚ軸方向における第１バスバー５１とハイサイドアームＵ相トランジスタＵＨとの間に配置され、導電性の接合材によって第１バスバー５１及びハイサイドアームＵ相トランジスタＵＨのエミッタ側の表面ＥＳと電気的に接合されている。
【００４６】
図４及び図６に示すように、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は、導電性の接合材によって、絶縁基板８１の第３銅板８１ｄの表面と電気的に接合されている。第１バスバー５１は、導電性の接合材によって、第３銅板８１ｄの表面と電気的に接合されている。つまり、ローサイドアームＵ相トランジスタＵＬのコレクタと第１バスバー５１とは、第３銅板８１ｄを介して電気的に接続されている。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は、導電スペーサー９０を介して、負極バスバーＮＩと電気的に接合されている。導電スペーサー９０は、Ｚ軸方向における負極バスバーＮＩとローサイドアームＵ相トランジスタＵＬとの間に配置され、導電性の接合材によって負極バスバーＮＩ及びローサイドアームＵ相トランジスタＵＬのエミッタ側の表面ＥＳと電気的に接合されている。
【００４７】
正極バスバーＰＩ及び負極バスバーＮＩの各々は、例えば、Ｙ軸方向の負方向側に向かってモジュールケース８０の外部に突出して、コンデンサユニット２３の正極バスバー５０ｐ及び負極バスバー５０ｎに接続されている。
第１バスバー５１は、例えば、Ｙ軸方向の正方向側に向かってモジュールケース８０の外部に突出して、第１入出力端子Ｑ１及び第１の３相コネクタ１ｂを介して第１モータ１２のＵ相のステータ巻線に接続されている。
【００４８】
冷却体８２は、例えばウォータージャケットなどの冷却器である。冷却体８２の内部には、冷媒が流通する冷媒流路が形成されている。また、冷却体８２は、冷媒流路を形成する壁面の一部にヒートシンクとして機能する複数のフィンを備えている。
冷却体８２は、例えば、Ｚ軸方向において、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の各コレクタ側の表面ＣＳ側に配置されている。冷却体８２は、接合材によって、絶縁基板８１の第１銅板８１ｂの表面と熱的に接合されている。
【００４９】
第１伝熱体８３及び第２伝熱体８４は、例えば、ヒートパイプ、又は銅板などの熱伝導率が高い板状部材である。各伝熱体８３，８４のＺ軸方向の厚さは、冷却体８２のＺ軸方向の厚さよりも小さく形成されている。
図４、図５、及び図６に示すように、各伝熱体８３，８４は、例えば、Ｚ軸方向において、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の各エミッタ側の表面ＥＳ側に配置されている。第１伝熱体８３は、Ｚ軸方向から見て第１バスバー５１を介してハイサイドアームＵ相トランジスタＵＨと重なるように配置され、接合材によって第１バスバー５１の表面と熱的に接合されている。第２伝熱体８４は、Ｚ軸方向から見て負極バスバーＮＩを介してローサイドアームＵ相トランジスタＵＬと重なるように配置され、接合材によって負極バスバーＮＩの表面と熱的に接合されている。
【００５０】
第１伝熱体８３及び第２伝熱体８４の外形は、例えば、モジュールケース８０の内部においてＹ軸方向に延びる板状に形成されている。
例えば、第１伝熱体８３におけるＹ軸方向の正方向側の端部８３ａは、Ｚ軸方向において絶縁基板８１の第４銅板８１ｅに向かって近接するように屈曲しており、接合材によって第４銅板８１ｅの表面と熱的に接合されている。
例えば、第２伝熱体８４におけるＹ軸方向の正方向側の端部８４ａは、Ｚ軸方向において絶縁基板８１の第５銅板８１ｆに向かって近接するように屈曲しており、接合材によって第５銅板８１ｆの表面と熱的に接合されている。
第１伝熱体８３は、導電スペーサー９０及び第１バスバー５１及び絶縁基板８１を介して、ハイサイドアームＵ相トランジスタＵＨから冷却体８２へ熱を移動させる。第２伝熱体８４は、導電スペーサー９０及び負極バスバーＮＩ及び絶縁基板８１を介して、ローサイドアームＵ相トランジスタＵＬから冷却体８２へ熱を移動させる。
【００５１】
第１基板８５及び第２基板８６の各々は、電気的に絶縁性の基板と、基板の表面に設けられる導電体の配線と、を備える。第１基板８５及び第２基板８６の各々は、例えば、ガラスエポキシ基板などである。第１基板８５は第１伝熱体８３の表面上に設けられ、第２基板８６は第２伝熱体８４の表面上に設けられている。
第１基板８５及び第２基板８６の各々の表面には、ゲートドライブユニット２９を構成する電子部品の少なくとも１つが設けられている。例えば、ゲートドライブユニット２９を構成する回路素子及び信号線の少なくとも一方が、第１基板８５及び第２基板８６の各々を介して、第１伝熱体８３及び第２伝熱体８４の各々に設けられている。例えば、第１基板８５及び第２基板８６の各々の表面には、導電体の配線から成る信号線６２が設けられている。さらに、第１基板８５及び第２基板８６の各々の表面には、信号線６２に接続されるゲート抵抗６１などの回路素子が、はんだ付けによって実装されている。なお、第１基板８５及び第２基板８６の表面に設けられる配線及び電子部品と、第１伝熱体８３及び第２伝熱体８４とは、第１基板８５及び第２基板８６の絶縁性の基板によって、電気的に絶縁されている。
【００５２】
第１伝熱体８３の端部８３ａにおける第１基板８５の表面には、信号線６２に接続される第１信号端子８７が設けられている。第２伝熱体８４の端部８４ａにおける第２基板８６の表面には、信号線６２に接続される第２信号端子８８が設けられている。第１信号端子８７及び第２信号端子８８の各々の外形は、例えば、Ｚ軸方向の正方向に延びるピン状に形成されている。これにより、第１信号端子８７及び第２信号端子８８は、Ｚ軸方向において第１伝熱体８３及び第２伝熱体８４に重なる位置に配置されている。第１信号端子８７及び第２信号端子８８は、ゲートドライブユニット２９（例えば、集積回路６０が実装される基板２９ａなど）に接続されている。
【００５３】
図２及び図３に示すように、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Ｑ（例えば、制御信号が入力される制御端子であるゲート端子など）と、第１基板８５及び第２基板８６の各配線から成る信号線６２とは、導電性のワイヤー８９によって電気的に接続されている。
【００５４】
以上において、第１電力変換回路部３１のＵ相の素子モジュールＭＵ１について説明したが、第１電力変換回路部３１のＶ相及びＷ相の各素子モジュールＭＶ１，ＭＷ１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を備えている。さらに、第２電力変換回路部３２の各相の素子モジュールＭＵ２，ＭＶ２，ＭＷ２は、第１バスバー５１の代わりに、第２バスバー５２を備えている。
また、第３電力変換回路部３３の素子モジュールＭＳは、第１電力変換回路部３１のＵ相の素子モジュールＭＵ１に比べて、各Ｕ相トランジスタＵＨ，ＵＬの代わりに、第１及び第２トランジスタＳ１，Ｓ２を備え、正極バスバーＰＩ及び負極バスバーＮＩの代わりに、正極バスバーＰＶ及び負極バスバーＮＶを備え、第１バスバー５１の代わりに、第３バスバー５３を備えている。
【００５５】
上述したように、本実施形態の各素子モジュールＭＵ１，ＭＶ１，ＭＷ１，ＭＵ２，ＭＶ２，ＭＷ２，ＭＳによれば、スイッチング素子の厚さ方向におけるコレクタ側には冷却体８２が配置され、エミッタ側には冷却体８２に熱を移動させる第１伝熱体８３及び第２伝熱体８４が配置されている。これにより、スイッチング素子は冷却体８２によって両面側（コレクタ側及びエミッタ側）から冷却され、例えばスイッチング素子を片面側からのみ冷却する場合に比べて、冷却性能を向上させることができる。また、例えばスイッチング素子の両面側に１対の冷却体を配置する場合に比べて、冷却体８２よりも薄く形成される伝熱体８４を片面側に配置することにより、全体としての厚さの増大を抑制することができる。
【００５６】
また、スイッチング素子を駆動制御するゲートドライブユニット２９を構成する回路素子及び信号線の少なくとも一方は、第１伝熱体８３及び第２伝熱体８４に配置される第１基板８５及び第２基板８６に設けられている。これにより、スイッチング素子とゲートドライブユニット２９の回路素子又は信号線との間の距離の増大を抑制することができ、例えばゲートドライブユニット２９の回路素子及び信号線が第１伝熱体８３及び第２伝熱体８４を避けるように配置される場合に比べて、配線インダクタンスの増大を抑制することができる。
また、ゲート抵抗６１は第１基板８５及び第２基板８６に設けられているので、スイッチング素子のゲートとゲート抵抗６１との間の距離及び配線インダクタンスの増大を抑制し、高周波駆動時におけるゲート波形の発振を抑制することができる。また、ゲート波形の発振を抑制することができるので、例えばリアクトルなどのような波形平滑化に用いられる部品の大型化を抑制することができる。
また、信号線６２は第１基板８５及び第２基板８６に設けられ、第１信号端子８７及び第２信号端子８８はＺ軸方向において第１伝熱体８３及び第２伝熱体８４に重なる位置に配置されているので、各素子モジュールＭＵ１，ＭＶ１，ＭＷ１，ＭＵ２，ＭＶ２，ＭＷ２，ＭＳの大型化を抑制することができる。
【００５７】
以下、実施形態の変形例について説明する。
上述した実施形態において、ゲートドライブユニット２９を構成するゲート抵抗６１及び信号線６２は、第１基板８５及び第２基板８６の各々を介して、第１伝熱体８３及び第２伝熱体８４の各々に設けられているとしたが、これに限定されない。ゲート抵抗６１及び信号線６２の少なくとも一方が第１基板８５及び第２基板８６の各々の表面に設けられてもよい。また、ゲート抵抗６１に限らず、ゲートドライブユニット２９を構成する他の回路素子が第１基板８５及び第２基板８６の各々の表面に実装されてもよい。
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。
【００５８】
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】
【００５９】
１…電力変換装置、１０…車両、１１…バッテリ、１２…第１モータ、１３…第２モータ、２１…パワーモジュール、２９…ゲートドライブユニット（駆動回路）、３１…第１電力変換回路部、３２…第２電力変換回路部、３３…第３電力変換回路部、６１…ゲート抵抗（回路素子、抵抗）、６２…信号線、８３…第１伝熱体（伝熱体）、８４…第２伝熱体（伝熱体）、８５…第１基板、８６…第２基板、８７…第１信号端子（信号端子）、８８…第２信号端子（信号端子）、ＭＵ１，ＭＶ１，ＭＷ１，ＭＵ２，ＭＶ２，ＭＷ２，ＭＳ…素子モジュール、ＮＩ，ＮＶ…負極バスバー、ＰＩ，ＰＶ…正極バスバー、ＵＨ，ＶＨ，ＷＨ，Ｓ１…ハイサイドアームの各トランジスタ（スイッチング素子）、ＵＬ，ＶＬ，ＷＬ，Ｓ２…ローサイドアームの各トランジスタ（スイッチング素子）
【図１】
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【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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