(57)【要約】【課題】金属ベースの剛性向上を図ることにより、冷却性能を維持しつつ装置の小型化を図ることができる電力変化装置の提供。【解決手段】パワーモジュール300に設けられた金属ベース304は、一方の面に半導体素子328,330,156,166が実装されるとともに、他方の面が冷却ジャケット19Aの冷却水流路19に形成された開口を塞ぐように固定されている。金属ベース板304は、半導体素子が実装される実装領域と、Ｏリング800を押圧して冷却ジャケット19Aに固定する固定領域である厚肉部304a,304bとを有する。そして、実装領域の厚さを、半導体素子から発生する熱を冷媒に放熱するための放熱量に応じて定め、厚肉部304a,304bの剛性を実装領域の剛性よりも大きく設定した。それにより、冷却水の圧力による金属ベース304のシール部の変形が抑制され、放熱性能を従来と同様に維持しつつＯリング800による封止性能を確保することができ、装置の小型化が図れる。【選択図】図７
2010178581.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒が流れる流路と該流路の一部が露出している開口とが形成された冷却ジャケットと、
直流電力と交流電力とを相互に変換するための半導体素子と、
板状部材の一方の面に前記半導体素子が実装されるとともに、他方の面が前記開口を塞ぐように前記冷却ジャケットに固定されて前記冷媒に接触する金属ベース板と、
前記金属ベース板と前記冷却ジャケットとの間に挟持され、前記開口からの前記冷媒の漏れを封止するシール部材と、を備えた電力変換装置であって、
前記金属ベース板は、前記半導体素子が実装される実装領域と、前記シール部材を押圧して前記冷却ジャケットに固定する固定領域とを有し、
前記実装領域の厚さを、前記半導体素子から発生する熱を前記冷媒に放熱するための放熱量に応じて定め、前記固定領域の剛性を前記実装領域の剛性よりも大きく設定したことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記固定領域の厚さを前記実装領域の厚さよりも大きく設定したことを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記固定領域の厚さを前記実装領域の厚さと等しく設定し、
前記固定領域の剛性が前記実装領域の剛性よりも大きくなるように、両領域の境界に折れ曲がった段差部を設けたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の電力変換装置において、
前記実装領域として厚さが設定された部分の他方の面にフィン形成領域を設け、該フィン形成領域に前記流路内に突出する複数の冷却フィンを形成したことを特徴とする電力変換装置。
【請求項５】
請求項４に記載の電力変換装置において、
前記金属ベース板は前記一方の面に複数の実装領域を有し、該複数の実装領域の各々に対応して前記フィン形成領域を複数設けたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項６】
請求項５に記載の電力変換装置において、
前記半導体素子は、インバータ回路を構成する上アーム用半導体素子および下アーム用半導体素子を具備し、
前記金属ベース板は、前記上アーム用半導体素子のための第１実装領域と、前記下アーム用半導体素子のための第２実装領域と、前記第１および第２実装領域のそれぞれに対応する第１フィン形成領域および第２フィン形成領域とを備えることを特徴とする電力変換装置。
【請求項７】
請求項４〜６のいずれか一項に記載の電力変換装置において、
金属板材を鍛造加工することにより、前記実装領域と前記固定領域と前記冷却フィンとを一体成型したことを特徴とする電力変換装置。
【請求項８】
請求項４〜６のいずれか一項に記載の電力変換装置において、
金属粉末射出成型法により、前記実装領域と前記固定領域と前記冷却フィンとを一体成型したことを特徴とする電力変換装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一項に記載の電力変換装置において、
前記金属ベースの基板形状は矩形であって、その矩形領域の周縁の矩形枠領域を前記固定領域とし、
前記矩形枠領域の四隅を締結部品により前記冷却ジャケットに締結したことを特徴とする電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子が実装された金属ベース板を冷媒により直接冷却する電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、パワー半導体素子が固定された金属ベースに放熱用のフィンを形成し、そのフィンを冷却水路部の冷却水に直接接触させることで、パワー半導体素子で発生した熱を冷却水へ放熱するような構成のパワーモジュールが知られている（例えば、特許文献１参照）。パワーモジュールは、フィンが形成された放熱面で冷却水路開口を覆うように冷却水路部に取り付けられている。金属ベースの裏面（冷却水路側の面）と冷却水路部との間には、冷却水路部からの冷媒漏れを防止するためのシール部材が設けられおり、パワーモジュールをボルトやビス等のネジ部品により冷却水路部に固定することで、シール部材による封止が行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２９５７６５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、金属ベース上には、パワー半導体素子等の実装部品を配置するためのスペースが必要であるが、さらに、ボルト固定用の締結座面やボルト締め付け時の工具スペースも確保する必要がある。一方、シール部材の封止性能を確保するためには、ボルト固定の際のボルト間隔を、冷媒の圧力やベース金属の剛性等に応じた所定間隔以下にする必要がある。そのため、部品実装領域以外の領域が増加し、パワーモジュールが大型化してしまうという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明による電力変換装置は、冷媒が流れる流路と該流路の一部が露出している開口とが形成された冷却ジャケットと、直流電力と交流電力とを相互に変換するための半導体素子と、板状部材の一方の面に前記半導体素子が実装されるとともに、他方の面が前記開口を塞ぐように冷却ジャケットに固定されて冷媒に接触する金属ベース板と、金属ベース板と冷却ジャケットとの間に挟持され、開口からの冷媒の漏れを封止するシール部材と、を備えた電力変換装置であって、金属ベース板は、半導体素子が実装される実装領域と、シール部材を押圧して冷却ジャケットに固定する固定領域とを有し、実装領域の厚さを、半導体素子から発生する熱を冷媒に放熱するための放熱量に応じて定め、固定領域の剛性を実装領域の剛性よりも大きく設定したことを特徴とする。
例えば、固定領域の厚さを実装領域の厚さよりも大きく設定しても良いし、固定領域の厚さを実装領域の厚さと等しく設定し、固定領域の剛性が実装領域の剛性よりも大きくなるように、両領域の境界に折れ曲がった段差部を設けても良い。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、金属ベースの剛性向上を図ることにより、冷却性能を維持しつつ装置の小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】ハイブリッド自動車の制御ブロックを示す図である。
【図２】インバータ装置の電気回路構成を説明する図である。
【図３】電力変換装置の概観を示す斜視図である。
【図４】電力変換装置の内部構成を示す分解斜視図である。
【図５】冷却水流路を有する筐体のアルミ鋳造品に冷却水入口配管と出口配管を取付けた図であり、（ａ）は筐体の斜視図、（ｂ）は筐体の上面図、（ｃ）は筐体の下面図である。
【図６】筐体の下面図の詳細図である。
【図７】図６のＡ−Ａ断面図である。
【図８】パワーモジュールを示す図であり、（ａ）は上方斜視図、（ｂ）は上面図である。
【図９】パワーモジュールの下面側を示す斜視図である。
【図１０】パワーモジュールの断面図である。
【図１１】第１の変形例を示す図であり、パワーモジュールケースと金属ベースの斜視図である。
【図１２】第１の変形例を示す図であり、パワーモジュールの下面側を示す斜視図である。
【図１３】水圧による金属ベースのシール部の変形量を示す図である。
【図１４】寸法Ｎを変えたときのシール部中央位置の変形量を示す図である。
【図１５】第２の変形例を示す図であり、パワーモジュールケースと金属ベースの斜視図である。
【図１６】第２の変形例を示す図であり、（ａ）は図１５のＣ−Ｃ断面図、（ｂ）は図１５のＤ−Ｄ断面図である。
【図１７】第３の変形例を示す図であり、パワーモジュールケースと金属ベースの斜視図である。
【図１８】第３の変形例を示す図であり、パワーモジュールの下面側を示す斜視図である。
【図１９】パワーモジュールの断面を示す図であり、（ａ）は図１７のＥ−Ｅ断面図、（ｂ）はＦ−Ｆ断面図である。
【図２０】金属材料の寸法形状を説明する温度サイクル寿命と金属ベースの厚さとの相関を示すグラフである。
【図２１】金属材料のビッカース硬さと降伏応力との相関を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明の実施形態に係る電力変換装置について、図面を参照しながら以下詳細に説明する。本発明の実施形態に係る電力変換装置は、ハイブリッド用の自動車や純粋な電気自動車に適用可能である。ここでは、代表例として、本発明の実施形態に係る電力変換装置をハイブリッド自動車に適用した場合の、制御構成と電力変換装置の回路構成について、図１と図２を用いて説明する。
【０００９】
本発明の実施形態に係る電力変換装置では、自動車に搭載される車載電機システムの車載用電力変換装置、特に、車両駆動用電機システムに用いられ、搭載環境や動作的環境などが大変厳しい車両駆動用インバータ装置を例に挙げて説明する。車両駆動用インバータ装置は、車両駆動用電動機の駆動を制御する制御装置として車両駆動用電機システムに備えられ、車載電源を構成する車載バッテリ或いは車載発電装置から供給された直流電力を所定の交流電力に変換し、得られた交流電力を車両駆動用電動機に供給して車両駆動用電動機の駆動を制御する。また、車両駆動用電動機は発電機としての機能も有しているので、車両駆動用インバータ装置は、運転モードに応じて車両駆動用電動機の発生する交流電力を直流電力に変換する機能も有している。変換された直流電力は車載バッテリに供給される。
【００１０】
なお、本実施形態の構成は、自動車やトラックなどの車両駆動用電力変換装置として最適であるが、これら以外の電力変換装置に対しても適用可能である。例えば、電車や船舶、航空機などの電力変換装置や、工場の設備を駆動する電動機の制御装置として用いられる産業用電力変換装置、あるいは、家庭の太陽光発電システムや家庭の電化製品を駆動する電動機の制御装置に用いられたりする、家庭用電力変換装置に対しても適用可能である。
【００１１】
図１はハイブリッド自動車の制御ブロックを示す図である。図１において、ハイブリッド電気自動車（以下、「ＨＥＶ」と記述する）１１０は１つの電動車両であり、２つの車両駆動用システムを備えている。その１つは、内燃機関であるエンジン１２０を動力源としたエンジンシステムである。エンジンシステムは、主としてＨＥＶ１１０の駆動源として用いられる。もう１つは、モータジェネレータ１９２，１９４を動力源とした車載電機システムである。車載電機システムは、主としてＨＥＶ１１０の駆動源およびＨＥＶ１１０の電力発生源として用いられる。モータジェネレータ１９２，１９４は例えば同期機あるいは誘導機であり、運転方法によりモータとしても発電機としても動作するので、ここではモータジェネレータと記すこととする。
【００１２】
車体のフロント部には前輪車軸１１４が回転可能に軸支されている。前輪車軸１１４の両端には１対の前輪１１２が設けられている。車体のリア部には後輪車軸（図示省略）が回転可能に軸支されている。後輪車軸の両端には１対の後輪が設けられている。本実施形態のＨＥＶ１１０では、動力によって駆動される主輪を前輪１１２とし、連れ回される従輪を後輪とする、いわゆる前輪駆動方式を採用しているが、この逆、すなわち後輪駆動方式を採用しても構わない。
【００１３】
前輪車軸１１４の中央部には、前輪側デファレンシャルギア（以下、「前輪側ＤＥＦ」と記述する）１１６が設けられている。前輪車軸１１４は、前輪側ＤＥＦ１１６の出力側に機械的に接続されている。前輪側ＤＥＦ１１６の入力側には、変速機１１８の出力軸が機械的に接続されている。前輪側ＤＥＦ１１６は、変速機１１８によって変速されて伝達された回転駆動力を左右の前輪車軸１１４に分配する差動式動力分配機構である。変速機１１８の入力側には、モータジェネレータ１９２の出力側が機械的に接続されている。モータジェネレータ１９２の入力側には、動力分配機構１２２を介してエンジン１２０の出力側およびモータジェネレータ１９４の出力側が機械的に接続されている。なお、モータジェネレータ１９２，１９４および動力分配機構１２２は、変速機１１８の筐体の内部に収納されている。
【００１４】
モータジェネレータ１９２，１９４は回転子に永久磁石を備えた同期機であり、固定子の電機子巻線に供給される交流電力がインバータ装置１４０，１４２によって制御されることにより、モータジェネレータ１９２，１９４の駆動が制御される。インバータ装置１４０，１４２にはバッテリ１３６が接続されており、バッテリ１３６とインバータ装置１４０，１４２との間において電力の授受が可能である。
【００１５】
本実施形態では、ＨＥＶ１１０は、モータジェネレータ１９２およびインバータ装置１４０からなる第１電動発電ユニットと、モータジェネレータ１９４およびインバータ装置１４２からなる第２電動発電ユニットとの２つを備え、運転状態に応じてそれらを使い分けている。すなわち、エンジン１２０からの動力によって車両を駆動している状況において、車両の駆動トルクをアシストする場合には、第２電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジン１２０の動力によって作動させて発電させ、その発電によって得られた電力によって第１電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させる。また、同様の状況において車両の車速をアシストする場合には、第１電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジン１２０の動力によって作動させて発電させ、その発電によって得られた電力によって第２電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させる。
【００１６】
また、本実施形態では、バッテリ１３６の電力によって第１電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させることにより、モータジェネレータ１９２の動力のみによって車両の駆動ができる。さらに、本実施形態では、第１電動発電ユニットまたは第２電動発電ユニットを、発電ユニットとしてエンジン１２０の動力あるいは車輪からの動力によって作動させて発電させることにより、バッテリ１３６の充電ができる。
【００１７】
バッテリ１３６は、さらに補機用のモータ１９５を駆動するための電源としても使用される。補機としては、たとえばエアコンディショナーのコンプレッサを駆動するモータ、あるいは制御用の油圧ポンプを駆動するモータがあり、バッテリ１３６からインバータ装置４３に供給された直流電力はインバータ装置４３で交流の電力に変換され、モータ１９５に供給される。インバータ装置４３はインバータ装置１４０，１４２と同様の機能を持ち、モータ１９５に供給する交流の位相や周波数、電力を制御する。たとえば、モータ１９５の回転子の回転に対し進み位相の交流電力を供給することにより、モータ１９５はトルクを発生する。一方、遅れ位相の交流電力を発生することで、モータ１９５は発電機として作用し、モータ１９５は回生制動状態の運転となる。このようなインバータ装置４３の制御機能は、インバータ装置１４０，１４２の制御機能と同様である。モータ１９５の容量がモータジェネレータ１９２，１９４の容量より小さいので、インバータ装置４３の最大変換電力はインバータ装置１４０，１４２より小さいが、インバータ装置４３の回路構成は基本的にインバータ装置１４０，１４２の回路構成と同じである。
【００１８】
インバータ装置１４０，１４２および４３とコンデンサモジュール５００とは、電気的に密接な関係にある。さらに発熱に対する対策が必要な点が共通している。また装置の体積をできるだけ小さく作ることが望まれている。これらの点から以下で詳述する電力変換装置２００は、インバータ装置１４０，１４２および４３とコンデンサモジュール５００とを電力変換装置２００の筐体内に内蔵している。この構成により、小型で信頼性の高い装置が実現できる。
【００１９】
次に、図２を用いてインバータ装置１４０や１４２あるいはインバータ装置４３の電気回路構成を説明する。なお、図１〜図２に示す実施形態では、インバータ装置１４０や１４２あるいはインバータ装置４３を、それぞれ個別に構成する場合を例に挙げて説明する。インバータ装置１４０，１４２および４３は同様の構成、作用および機能を有しており、ここでは、代表例としてインバータ装置１４０の説明を行う。
【００２０】
インバータ装置１４０は、インバータ回路１４４と制御部１７０とを有している。インバータ回路１４４は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相に対応した３つの上下アーム直列回路１５０を備えている。各上下アーム直列回路１５０は、上アームとして動作するＩＧＢＴ３２８（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）およびダイオード１５６と、下アームとして動作するＩＧＢＴ３３０およびダイオード１６６とを有している。それぞれの上下アーム直列回路１５０の中点部分（中間電極１６９）の交流端子１５９には、モータジェネレータ１９２への交流電力線（交流バスバー）１８６が接続されている。交流電力線１８６は、交流コネクタ１８８を介してモータジェネレータ１９２の電機子巻線の対応する相巻線に電気的に接続されている。制御部１７０は、インバータ回路１４４を駆動制御するドライバ回路１７４と、信号線１７６を介してドライバ回路１７４へ制御信号を供給する制御回路１７２とを有している。
【００２１】
上アームと下アームのＩＧＢＴ３２８，３３０は、スイッチング用パワー半導体素子である。ＩＧＢＴ３２８，３３０は制御部１７０から出力された駆動信号を受けて動作し、バッテリ１３６から供給された直流電力を三相交流電力に変換する。この変換された電力はモータジェネレータ１９２の電機子巻線に供給される。
【００２２】
インバータ回路１４４は３相ブリッジ回路により構成され、３相分の上下アーム直列回路１５０は、バッテリ１３６の正極側に電気的に接続されている直流正極端子３１４と負極側に電気的に接続されている直流負極端子３１６との間に、電気的に並列に接続されている。
【００２３】
本実施形態では、スイッチング用パワー半導体素子としてＩＧＢＴ３２８，３３０が用いられている。ＩＧＢＴ３２８，３３０は、コレクタ電極１５３，１６３、エミッタ電極（信号用エミッタ電極端子１５５，１６５）、ゲート電極（ゲート電極端子１５４，１６４）を備えている。ＩＧＢＴ３２８，３３０のコレクタ電極１５３，１６３とエミッタ電極との間にはダイオード１５６，１６６が図示するように電気的に接続されている。ダイオード１５６，１６６は、ＩＧＢＴ３２８，３３０のエミッタ電極からコレクタ電極に向かう方向が順方向となるように、カソード電極がＩＧＢＴ３２８，３３０のコレクタ電極に、アノード電極がＩＧＢＴ３２８，３３０のエミッタ電極にそれぞれ電気的に接続されている。スイッチング用パワー半導体素子としてはＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ）を用いてもよい、この場合はダイオード１５６やダイオード１６６は不要となる。
【００２４】
上述したように、上下アーム直列回路１５０は、モータジェネレータ１９２の電機子巻線の各相巻線に対応して３相分設けられており、各々は電気的に並列接続されている。上アームのＩＧＢＴ３２８のコレクタ電極１５３は正極端子（Ｐ端子）１５７を介してコンデンサモジュール５００の正極側コンデンサ電極に、下アームのＩＧＢＴ３３０のエミッタ電極は負極端子（Ｎ端子）１５８を介してコンデンサモジュール５００の負極側コンデンサ電極にそれぞれ電気的に接続（直流バスバーで接続）されている。
【００２５】
コンデンサモジュール５００は、ＩＧＢＴ３２８，３３０のスイッチング動作によって生じる直流電圧の変動を抑制するための平滑回路を構成している。コンデンサモジュール５００の正極側コンデンサ電極にはバッテリ１３６の正極側が、コンデンサモジュール５００の負極側コンデンサ電極にはバッテリ１３６の負極側がそれぞれ直流コネクタ１３８を介して電気的に接続されている。これにより、コンデンサモジュール５００は、上アーム用ＩＧＢＴ３２８のコレクタ電極１５３とバッテリ１３６の正極側との間と、下アーム用ＩＧＢＴ３３０のエミッタ電極とバッテリ１３６の負極側との間で接続され、バッテリ１３６と上下アーム直列回路１５０に対して電気的に並列接続される。
【００２６】
制御部１７０はＩＧＢＴ３２８，３３０を作動させるためのものであり、制御回路１７２とドライブ回路１７４とを備えている。制御回路１７２は、他の制御装置やセンサなどからの入力情報に基づいて、ＩＧＢＴ３２８，３３０のスイッチングタイミングを制御するためのタイミング信号を生成する。ドライブ回路１７４は、制御回路１７２から出力されたタイミング信号に基づいて、ＩＧＢＴ３２８，３３０をスイッチング動作させるためのドライブ信号を生成する。
【００２７】
制御回路１７２は、ＩＧＢＴ３２８，３３０のスイッチングタイミングを演算処理するためのマイクロコンピュータ（以下、「マイコン」と記述する）を備えている。マイコンには、モータジェネレータ１９２に対して要求される目標トルク値、上下アーム直列回路からモータジェネレータ１９２の電機子巻線に供給される電流値、およびモータジェネレータ１９２の回転子の磁極位置が、入力情報として入力される。目標トルク値は、不図示の上位の制御装置から出力された指令信号に基づくものである。電流値は、電流センサ１８０から出力された検出信号に基づいて検出されたものである。磁極位置は、モータジェネレータ１９２に設けられた回転磁極センサ（不図示）から出力された検出信号に基づいて検出されたものである。本実施形態では３相の電流値を検出する場合を例に挙げて説明するが、２相分の電流値を検出するようにしても構わない。
【００２８】
制御回路１７２内のマイコンは、目標トルク値に基づいてモータジェネレータ１９２のｄ，ｑ軸の電流指令値を演算し、この演算されたｄ，ｑ軸の電流指令値と、検出されたｄ，ｑ軸の電流値との差分に基づいてｄ，ｑ軸の電圧指令値を演算する。さらにマイコンは、この演算されたｄ，ｑ軸の電圧指令値を、検出された磁極位置に基づいてＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電圧指令値に変換する。そして、マイコンは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の電圧指令値に基づく基本波（正弦波）と搬送波（三角波）との比較に基づいてパルス状の変調波を生成し、この生成された変調波をＰＷＭ（パルス幅変調）信号としてドライバ回路１７４に出力する。
【００２９】
ドライバ回路１７４は、下アームを駆動する場合、ＰＷＭ信号を増幅し、これをドライブ信号として、対応する下アームのＩＧＢＴ３３０のゲート電極に出力する。一方、上アームを駆動する場合には、ドライバ回路１７４は、ＰＷＭ信号の基準電位のレベルを上アームの基準電位のレベルにシフトしてからＰＷＭ信号を増幅し、これをドライブ信号として、対応する上アームのＩＧＢＴ３２８のゲート電極にそれぞれ出力する。これにより、各ＩＧＢＴ３２８，３３０は、入力されたドライブ信号に基づいてスイッチング動作する。
【００３０】
また、制御部１７０は、異常検知（過電流、過電圧、過温度など）を行い、上下アーム直列回路１５０を保護している。このため、制御部１７０にはセンシング情報が入力されている。たとえば、各アームの信号用エミッタ電極端子１５５，１６５からは各ＩＧＢＴ３２８，３３０のエミッタ電極に流れる電流の情報が、対応する駆動部（ＩＣ）に入力されている。これにより、各駆動部（ＩＣ）は過電流検知を行い、過電流が検知された場合には対応するＩＧＢＴ３２８，３３０のスイッチング動作を停止させ、対応するＩＧＢＴ３２８，３３０を過電流から保護する。上下アーム直列回路１５０に設けられた温度センサ（不図示）からは上下アーム直列回路１５０の温度の情報がマイコンに入力されている。また、マイコンには上下アーム直列回路１５０の直流正極側の電圧の情報が入力されている。マイコンは、それらの情報に基づいて過温度検知および過電圧検知を行い、過温度或いは過電圧が検知された場合には全てのＩＧＢＴ３２８，３３０のスイッチング動作を停止させ、上下アーム直列回路１５０を過温度或いは過電圧から保護する。
【００３１】
インバータ装置１４０の上下アームのＩＧＢＴ３２８，３３０の導通および遮断動作が一定の順で切り替わり、この切り替わり時にモータジェネレータ１９２の固定子巻線に発生する電流は、ダイオード１５６，１６６を含む回路を流れる。なお、本実施形態の電力変換装置２００では、インバータ装置１４０の各相に１つの上下アーム直列回路１５０を設けたが、モータジェネレータ１９２へ出力する３相交流の各相の出力を発生する回路として、各相に２つの上下アーム直列回路１５０を並列接続するようにした回路構成の電力変換装置であってもよい。
【００３２】
図３は電力変換装置２００の概観を示す斜視図であり、図４は電力変換装置２００の内部構成を示す分解斜視図である。電力変換装置２００の外観部品としては、上面あるいは底面が略長方形の筐体１２と、筐体１２の短辺側の外周の１つに設けられた冷却水入口配管１３および冷却水出口配管１４と、筐体１２の上部開口を塞ぐための上部ケース１０と、筐体１２の下部開口を塞ぐための下部ケース１６とを備えている。上部ケース１０および下部ケース１６は、例えばネジやボルト等の締結部品により筐体１２に固定される。筐体１２の底面側あるいは上面側の形状を略長方形としたことで、車両への取り付けが容易となり、また生産し易い効果がある。
【００３３】
電力変換装置２００の長辺側の外周には、各モータジェネレータ１９２，１９４との接続に用いる２組の交流ターミナルケース１７が設けられている。交流ターミナル１８は、図４に示すパワーモジュール３００とモータジェネレータ１９２、１９４とを電気的に接続するために用いられる。電力変換装置２００には、２つのパワーモジュール３００が設けられている。一方のパワーモジュール３００にはインバータ回路１４４が内蔵され、他方のパワーモジュール３００にはインバータ回路１４５が内蔵されている。パワーモジュール３００から出力される交流電流は、交流ターミナル１８を介して、モータジェネレータ１９２、１９４へ伝達される。
【００３４】
コネクタ２１は、筐体１２に内蔵された制御回路基板２０に接続されている。制御回路基板２０には上述した制御回路１７２が設けられている。外部からの各種信号は、コネクタ２１を介して制御回路基板２０に伝送される。本実施形態では、コネクタ２１は、筐体１２の短辺側の外周面の一方側に設けられる。
【００３５】
直流（バッテリ）負極側接続端子部５１０と直流（バッテリ）正極側接続端子部５１２は、バッテリ１３６とコンデンサモジュール５００とを電気的に接続する。一方、直流（バッテリ）負極側接続端子部５１０と直流（バッテリ）正極側接続端子部５１２は、コネクタ２１が設けられた面とは反対側の短辺側の外周面に設けられる。つまり、コネクタ２１と直流（バッテリ）負極側接続端子部５１０が離れた配置となっている。これにより、直流（バッテリ）負極側接続端子部５１０から筐体１２に侵入し、さらにコネクタ２１まで伝播するノイズを低減することでき、制御回路基板２０によるモータの制御性を向上させることができる。
【００３６】
図４に示すように、筐体１２の高さ方向ほぼ中央には、内部に冷却水流路１９が形成された冷却ジャケット１９Ａが設けられている。冷却ジャケット１９Ａの上部には、流れの方向に沿って開口４００，４０２が形成されている。開口４００，４０２は冷却水流路１９の往路と復路とにそれぞれ形成されており、一対の開口４００を塞ぐように配置されたパワーモジュール３００と、一対の開口４０２を塞ぐように配置されたパワーモジュール３００とがそれぞれ冷却ジャケット１９Ａの上面に固定されている。各パワーモジュール３００には放熱のための冷却フィン３０５（図７参照）が設けられており、各パワーモジュール３００の冷却フィン３０５はそれぞれ冷却ジャケット１９Ａの開口４００，４０２から冷却水流路１９中に突出している。
【００３７】
また、冷却ジャケット１９Ａの下面には、補機用のインバータ装置４３が取り付けられている。補機用のインバータ装置４３は、図２に示したようにインバータ回路１４６を構成するパワー半導体素子を内蔵したパワーモジュールを有している。補機用のインバータ装置４３は、内蔵しているパワーモジュールの放熱金属面が冷却ジャケット１９Ａの下面に対向するようにして、冷却ジャケット１９Ａの下面に固定されている。
【００３８】
本実施の形態では筐体１２はアルミ鋳造で形成される。冷却ジャケット１９Ａの下面には、アルミ鋳造を行いやすくするための開口４０４が形成され、開口４０４は下カバー４２０で塞がれている。パワーモジュール３００と筐体１２との間には、シールをするためのＯリング８００が設けられ、さらに下カバー４２０と筐体１２との間にもＯリング８０２が設けられている。本実施形態ではシール材をＯリングとしているが、Ｏリングの代わりに樹脂材、液状シール、パッキンなどで代用しても良い。特に、液状シールを用いた場合には電力変換装置２００の組立性を向上させることができる。
【００３９】
上述したように、冷却ジャケット１９Ａの上面開口をパワーモジュール３００で覆い、下面開口を下カバー４２０で覆うことにより、冷却ジャケット１９Ａの内部に冷却水流路１９が形成される。水漏れ試験は組み立て途中に行われ、水漏れ試験に合格した後に、筐体１２の上部と下部の開口から基板やコンデンサモジュール５００を取り付ける作業を行う。このように筐体１２の中央に冷却ジャケット１９Ａを配置し、水漏れ試験後に、筐体１２の上下開口から必要な部品を固定する作業が行えるような構造を採用しているので、生産性が向上する。また、水漏れ試験後にその他の部品を取り付けることが可能となり、生産性と信頼性の両方が向上する。
【００４０】
さらに、図３，４に示すように冷却ジャケット１９Ａの下方には下部ケース１６が設けられ、下部ケース１６にはコンデンサモジュール５００が設けられている。コンデンサモジュール５００は、その金属製ケースの放熱面が下部ケース１６の底板内面に接するように、下部ケース１６の底板内面に固定されている。この構造により、冷却ジャケット１９Ａの上面と下面とを利用して、パワーモジュール３００およびインバータ装置４３を効率良く冷却することができ、電力変換装置全体の小型化に繋がる。
【００４１】
冷却水入出口配管１３，１４からの冷却水が冷却水流路１９を流れると、開口４００，４０２を塞ぐように固定されたパワーモジュール３００の放熱面、すなわち冷却フィンが設けられた面が冷却水により直接冷却され、２個のパワーモジュール３００全体が冷却されることになる。冷却ジャケット１９Ａの下面に設けられた補機用のインバータ装置４３も、同様に冷却水によって直接冷却される。
【００４２】
さらに冷却ジャケット１９Ａが設けられている筐体１２が冷却されることにより、筐体１２の下部に設けられた下部ケース１６が冷却される。その結果、コンデンサモジュール５００の熱が下部ケース１６および筐体１２を介して冷却水に熱的に伝導され、コンデンサモジュール５００が冷却される。
【００４３】
パワーモジュール３００の上方には、パワーモジュール３００とコンデンサモジュール５００とを電気的に接続するための積層導体板７００が配置される。この積層導体板７００は、２つのパワーモジュール３００に跨って、２つのパワーモジュール３００の並列配置方向に幅広に構成されている。積層導体板７００は、コンデンサモジュール５００の正極導体板５０７および負極導体板５０に接続される正極側導体板および負極側導体板と、それらの導体板間に配置される絶縁シートによって構成される。このような構成により、積層導体板７００の積層面積を広げることができ、パワーモジュール３００からコンデンサモジュール５００までの寄生インダクタンスの低減を図ることができる。また、一つの 積層導体板７００を２つのパワーモジュール３００に載置した後、積層導体板７００とパワーモジュール３００とコンデンサモジュール５００との電気的な接続を行うことが出来るので、パワーモジュール３００を２つ備える電力変換装置であっても、その組立工数を抑えることができる。
【００４４】
積層導体板７００の上方には制御回路基板２０と駆動回路基板２２とが配置されている。また、駆動回路基板２２と制御回路基板２０との間には金属ベース板１１が配置されている。金属ベース板１１は、両基板２２，２０に搭載される回路群の電磁シールドの機能を奏すると共に、駆動回路基板２２と制御回路基板２０とに発生する熱を逃がし、冷却する作用を有している。このように筐体１２の中央部に冷却ジャケット１９Ａを設け、その一方の側にモータジェネレータ１９２，１９４駆動用のパワーモジュール３００を配置し、また他方の側に補機用のインバータ装置（パワーモジュール）４３を配置することで、少ない空間でそれらを効率良く冷却でき、電力変換装置全体の小型化が可能となる。
【００４５】
また、アルミ鋳造で冷却ジャケット１９Ａと筐体１２とを一体に形成することにより、冷却ジャケット１９Ａの冷却効果に加え、その機械的強度を強くする効果も得られる。またアルミ鋳造により筐体１２と冷却ジャケット１９Ａとを一体成形構造としたので熱伝導が良くなり、冷却ジャケット１９Ａから遠い位置にある駆動回路基板２２，制御回路基板２０およびコンデンサモジュール５００に対する冷却効率が向上する。
【００４６】
駆動回路基板２２には、金属ベース板１１を通り抜けて、制御回路基板２０の回路群との接続を行う基板間コネクタ２３が設けられている。また、制御回路基板２０には外部との電気的接続を行うコネクタ２１が設けられている。コネクタ２１を利用して、電力変換装置の外部に設けた車載バッテリ１３６、すなわちリチウム電池モジュールとの間で信号の伝送が行われる。リチウム電池モジュールから電池の状態を表す信号やリチウム電池の充電状態などの信号が制御回路基板２０に送られてくる。図２に示す信号線１７６（図４では不図示）が基板間コネクタ２３に結線され、制御回路基板２０からインバータ回路のスイッチングタイミング信号が駆動回路基板２２に伝達され、駆動回路基板２２はゲート駆動信号を発生してパワーモジュールのそれぞれのゲート電極に印加する。
【００４７】
図５は筐体１２の構造を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は上面図、（ｃ）は筐体１２の下面側を示す図である。図５（ａ）に示すように、平面視形状が略長方形である筐体１２の短辺の一方側側面には、冷却水を取り入れるための冷却水入口配管１３と冷却水入口配管１４とが設けられている。冷却水入口配管１３から冷却水流路１９に流入した冷却水は、矢印４１８の方向である長方形の長辺に沿って流れ、長方形の短辺の他方側の側面の手前近傍で矢印４２１ａ，４２１ｂのように折り返し、再び長方形の長辺に沿って矢印４２２の方向に流れ、不図示の出口孔から冷却水入口配管１４へ流出する。
【００４８】
前述したように、冷却ジャケット１９Ａの上面には、冷却水流路１９の往路および復路のそれぞれに各開口４００，４０２が設けられている。図５（ｂ）に示すように、冷却ジャケット１９Ａのパワーモジュール取り付け面４１０Ｓには、開口４００の周囲を囲むようにシール材（Ｏリング８００）が設けられている。パワーモジュール３００をこの取り付け面４１０Ｓに固定すると、Ｏリング８００によって開口周囲が水密に封止される。開口４０２に関しても同様にＯリング８００が設けられている。
【００４９】
取り付け面４１０Ｓの開口４００と開口４０２との間に位置する部分については、支持部４１０と呼ぶことにする。２つのパワーモジュール３００の一方は、支持部４１０に対して冷却水の出入り口側に設けられた一対の開口４００を塞ぐように、往路と復路とに跨って配設される。他方のパワーモジュール３００は、支持部４１０に対して冷却水の折り返し側に設けられた一対の開口４０２を塞ぐように、往路と復路とに跨って配設される。各パワーモジュール３００の放熱用フィンは、それぞれの開口から冷却水流路１９の冷却水中に突出する。取り付け面４１０Ｓに形成された複数のネジ穴４１２は、出入り口側のパワーモジュール３００を固定するために用いられる。一方、ネジ穴４１４は、折り返し側のパワーモジュール３００を固定するために用いられる。
【００５０】
このように冷却水流路１９の往路と復路の両方を跨ぐように各パワーモジュール３００を配置することで、インバータ回路１４４，１４５を金属ベース３０４（図７参照）の上に高密度で集積でき、パワーモジュール３００の小型化が可能となり電力変換装置２００の小型化にも大きく寄与する。
【００５１】
出入り口側のパワーモジュール３００は、冷却水入口配管１３からの冷たい冷却水と、出口側に近く発熱部品からの熱によって暖められた冷却水とにより冷やされることとなる。一方、折り返し側のパワーモジュール３００は、少し温められた冷却水および、出口孔４０３近くの冷却水よりは少し冷えた状態の冷却水によって冷却される。結果として折り返し冷却通路と２つのパワーモジュール３００の配置関係は、２つのパワーモジュール３００の冷却効率が均衡した状態となるメリットがある。
【００５２】
上述した支持部４１０は、Ｏリング８００を配設面に利用されるだけでなく、筐体１２の強度の強化に大きな効果がある。また、冷却水流路１９には往路と復路とを隔てる隔壁４０８が設けられ、この隔壁４０８は支持部４１０と一体に作られている。この隔壁４０８も、筐体１２の機械的な強度を高める機能を有している。なお、この隔壁４０８を介して復路内の冷却水から往路内の冷却水へ熱が伝達され、冷却水の温度が均一化される。冷却水の入口側と出口側との温度差が大きいと冷却効率のムラが大きくなるが、この隔壁４０８が支持部４１０と一体に作られていることで冷却水の温度差を抑える効果が有る。
【００５３】
図５（ｃ）は冷却ジャケット１９Ａの裏面を示しており、支持部４１０が設けられている部分の裏面側に開口４０４が形成されている。開口４０４を形成することにより、支持部４１０と冷却水流路１９の底部との二重構造が避けられ、鋳造し易く、生産性が向上する。
【００５４】
冷却水流路１９の側部外側には貫通穴４０６が形成されている。冷却水流路１９を挟んで両側に設置される電気部品（パワーモジュール３００およびコンデンサモジュール５００）同士が、この貫通穴４０６を介して接続される。
【００５５】
筐体１２は、冷却ジャケット１９Ａと一体構造として製造できるので、鋳造生産、特にアルミダイキャスト生産に適している。
【００５６】
図６は、冷却ジャケット１９Ａの下面に固定されたインバータ装置４３を示す図である。筐体１２の長方形の一方の長辺側において、筐体１２の外に交流電力線１８６および交流コネクタ１８８が突出している。図６では、筐体１２に形成された貫通孔４０６を通して、パワーモジュール３００と接続される積層導体板７００の一部が見えている。
【００５７】
補機用インバータ装置４３は、直流正極側接続端子部５１２が接続された筐体１２の側面の近傍に配置される。また、図４に示したように、補機用インバータ装置４３の下方（冷却水流路１９がある側とは反対側）にコンデンサモジュール５００が配置される。補機用正極端子４４と補機用負極端子４５は、下方向（コンデンサモジュール５００が配置された方向）に突出し、コンデンサモジュール５００側の補機用正極端子５３２と補機用負極端子５３４にそれぞれ接続される。これにより、コンデンサモジュール５００から補機用インバータ装置４３までの配線距離が短くなるので、コンデンサモジュール５００側の補機用正極端子５３２および補機用負極端子５３４から金属製の筐体１２を介して制御回路基板２０に侵入するノイズを低減することができる。
【００５８】
また、補機用インバータ装置４３は冷却水流路１９とコンデンサモジュール５００との隙間に配置され、さらに補機用インバータ装置４３の高さは下カバー４２０の高さと同程度となっている。そのため、補機用インバータ装置４３を冷却するとともに電力変換装置２００の高さの増加を抑えることができる。
【００５９】
図７は、図６のＡ−Ａ断面図であり、開口４０２上に設けられたパワーモジュール３００の部分の断面を示している。  筐体１２の上下方向のほぼ中央には、筐体内部空間を上下に仕切るような形で冷却ジャケット１９Ａが一体に形成されている。冷却ジャケット１９Ａには冷却水流路１９が形成されており、図示左側の水路が往路であり、右側の水路が復路である。パワーモジュール３００の交流端子１５９には、板状の交流電力線１８６の一端が接続されている。交流電力線１８６の他端は、電力変換装置２００内部から突出して交流コネクタを形成している。
【００６０】
パワーモジュール３００は、往路および復路に跨るように冷却ジャケット１９Ａに固定されている。詳細は後述するが、パワーモジュール３００には放熱用の金属ベース３０４が設けられており、パワーモジュール３００のＩＧＢＴ３２８，３３０およびダイオード１５６，１６６は、絶縁基板（不図示）を介して金属ベース３０４の上面に設けられている。金属ベース３０４の下面には、多数の冷却フィン３０５が形成されている。なお、本実施の形態の冷却フィン３０５はピンフィンで構成されているが、ピンフィンに限らずストレートフィン等でも構わない。
【００６１】
金属ベース３０４上において、上アーム用のＩＧＢＴ３２８およびダイオード１５６は、冷却水流路１９の往路側開口４００（図５参照）に対応する領域に設けられている。一方、下アーム用のＩＧＢＴ３３０およびダイオード１６６は、冷却水流路１９の復路側開口４０２（図５参照）に対応する領域に設けられている。また、冷却フィン３０５は、上アーム用のＩＧＢＴ３２８およびダイオード１５６が設けられた領域の下面と、下アーム用のＩＧＢＴ３３０およびダイオード１６６が設けられた領域の下面との２つの領域に分けられて形成されている。各領域に形成された冷却フィン３０５は、それぞれ開口４００，４０２（図５参照）から冷却水流路１９内に突出し、流路内の冷却水によって直接に冷却される。また、冷却ジャケット１９Ａの下面には、補機用のインバータ装置４３が固定されている。
【００６２】
金属ベース３０４の基板厚さは、冷却フィン３０５が形成されている領域（以下ではフィン領域と称する）では薄く、それ以外の領域（以下では厚肉領域と称する）３０４ａ，３０４ｂでは厚く設定されている。厚肉領域３０４ａ，３０４ｂは、冷却ジャケット１９Ａの支持部４１０、パワーモジュール取り付け面４１０Ｓおよび隔壁４０８に対向している。これらの対向する面には、Ｏリング８００が配設されている。すなわち、厚肉領域３０４ａ，３０４ｂの面は、シール面として機能している。
【００６３】
パワーモジュール３００の上方には、ドライバ回路１７４（不図示）を実装した駆動回路基板２２が配置されている。駆動回路基板２２の上方には、放熱および電磁シールドの効果を高めるための金属ベース板１１が設けられ、さらにその上方には、制御回路基板２０が配置されている。なお制御回路基板２０には図２に示した制御回路１７２（不図示）が搭載されている。また、冷却ジャケット１９Ａの下面に固定された補機用インバータ装置４３の下方には、コンデンサモジュール５００が下部ケース１６に固定されるように設けられている。
【００６４】
上述したように冷却水流路１９の一方の面にパワーモジュール３００を固定し、他方の面に補機用インバータ装置４３を固定することで、冷却水流路１９でパワーモジュール３００と補機用インバータ装置４３を同時に冷却する。パワーモジュール３００の場合には、金属ベース３０４の下面および冷却フィン３０５が冷却水と直接に接しているので、冷却効果をより高めることができる。
【００６５】
また、本実施の形態では、発熱量の大きいパワーモジュール３００は冷却フィン３０５を冷却水で直接冷却する構造にして効率良く冷却し、次に放熱量の大きい補機用インバータ装置４３を冷却水流路１９の他方の面で冷却し、さらに次に発熱量が大きいコンデンサモジュール５００を筐体１２および下部ケース１６を介して冷却する構造としている。このように放熱量の多さにあわせた冷却構造としているので、冷却効率や信頼性が向上すると共に、電力変換装置２００をより小型化することができる。
【００６６】
さらに、冷却ジャケット１９Ａが冷却水により冷却されることにより、筐体１２も冷却されることになる。この筐体１２に下部ケース１６や金属ベース板１１を固定することにより、下部ケース１６や金属ベース板１１が冷却される。下部ケース１６にはコンデンサモジュール５００の金属ケースが固定されるので、筐体１２および下部ケース１６を介してコンデンサモジュール５００が冷却される。さらに金属ベース板１１に制御回路基板２０および駆動回路基板２２を固定することで、これらが冷却されることになる。
【００６７】
図８は本実施形態のパワーモジュール３００を示す図であり、（ａ）は上方斜視図、（ｂ）は上面図である。パワーモジュール３００は、主に、パワーモジュールケース３０２と、パワーモジュールケース３０２内に設けられた半導体モジュール部と、金属ベース３０４と、外部との接続を行う接続端子と、から構成される。パワーモジュールケース３０２は樹脂材料等の電気的絶縁材料により形成され、金属ベース３０４には例えばＣｕ，Ａｌ，ＡｌＳｉＣなど金属材料が用いられる。接続端子としては、例えば、制御回路との接続を行う制御端子３２０Ｕや、コンデンサモジュール５００との接続を行う直流正極端子および直流負極端子や、モータジェネレータとの接続を行う交流端子１５９などを備えている。３１４ａおよび３１６ａは直流正極端子および直流負極端子の端子部であり、パワーモジュールケース３０２の上面に設けられている。なお、直流正極端子３１４ａおよび直流負極端子３１６ａは一部が重ねて配設されており、３１８はそれらの間に設けられる絶縁紙である。パワーモジュールケース３０２の上面には、交流端子１５９も設けられている。
【００６８】
半導体モジュール部においては、金属ベース３０４上に絶縁基板が固着され、その絶縁基板上に上下アームのＩＧＢＴ３２８，３３０、ダイオード１５６／１６６等が設けられている。パワーモジュールケース３０２で囲まれた半導体モジュール部には、レジンまたはシリコンゲル(不図示)が充填され、半導体モジュール部に設けられた半導体素子や配線が保護される。絶縁基板はセラミック基板であっても良いし、さらに薄い絶縁シートであっても構わない。
【００６９】
図８（ｂ)において、点線で示す３つの矩形領域１５１は、上下アーム直列回路１５０の内のＩＧＢＴ３２８およびダイオード１５６が配設されている上アーム回路を示している。左側からＵ相、Ｖ相、Ｗ相となっている。一方、下側の矩形領域１５２は、上下アーム直列回路１５０の内のＩＧＢＴ３３０およびダイオード１６６が配設されている下アーム回路を示している。こちらも左側からＵ相、Ｖ相、Ｗ相となっている。図８に示す例では、ＩＧＢＴ３２８，３３０とダイオード３２７、３３２とをそれぞれ２つ並列接続して上アーム、下アームを構成し、上下アームに通電可能な電流容量を増やしている。
【００７０】
図９は、パワーモジュール３００の下面側、すなわち金属ベース３０４の下面側を示す斜視図である。また、図１０は、パワーモジュール３００の断面図である。金属ベース３０４の下面には凹部３０４ｆが２つ形成されている。これらの凹部３０４ｆの形成領域は、上下アームの半導体素子（ＩＧＢＴおよびダイオード）の配設領域に対応して設定されている。各凹部３０４ｆ内には、冷却フィン３０５が形成されている。図１０の断面図に示すように、凹部３０４ｆの金属ベース３０４の厚さＭに対して、凹部３０４ｆの周囲に設けられた厚肉部３０４ａ，３０４ｂは、凹部３０４ｆよりも寸法Ｎだけ大きい寸法Ｌに設定されている。矩形状金属ベース３０４の四隅には、金属ベース３０４を冷却ジャケット１９Ａのパワーモジュール取り付け面４１０Ｓに固定するための締結用貫通孔３０１が形成されている。金属ベース３０４は、４本のボルト３０３によってパワーモジュール取り付け面４１０Ｓに固定される。
【００７１】
ハイブリッド車両等の電動車両に用いられる電力変換装置ではパワーモジュール３００が大型化し、金属ベース３０４の一辺の寸法は１００ｍｍ以上（例えば、１４５×１２０）となる。また、電動車両のパワーモジュールはパワー素子（ＩＢＧＴ等）の発熱が大きく、温度上昇による素子寿命の低下を防止するためには金属ベース３０４の放熱性能を高める必要がある。
【００７２】
一方、パワーモジュール３００は冷却水が流れる冷却水流路１９の開口４００，４０２を塞ぐように取り付けられており、金属ベース３０４の下面には冷却水による水圧が加わる。そのため、金属ベース３０４のシール部（Ｏリング８００が対向する部分）の水圧による変形を、Ｏリング８００によるシール性が確保されて水漏れが防止できる程度に抑える必要がある。もちろん、金属ベース３０４を固定するボルト３０３の本数を増やして貫通孔３０１の間隔（ピッチ）を小さくすれば、金属ベース３０４を小さくすることは可能である。しかし、端子１５９等の配設場所を確保しつつ、ボルト締結に必要なスペースを確保する必要があるため、必然的にパワーモジュール３００全体が大きくなってしまうという欠点があった。
【００７３】
そこで、本実施の形態では、図９に示したように、上下アームの半導体素子（ＩＧＢＴおよびダイオード）が配設される領域（凹部３０４ｆが対応している）については、放熱性能が十分確保できる基板厚さＭ（例えば、Ｍ＝３ｍｍ）に設定し、その他の領域（厚肉部３０４ａ，３０４ｂ）においては、シール性が確保できるような厚さＬ（＝Ｍ＋Ｎ）に設定するようにした。
【００７４】
金属ベース３０４の基板厚さＭは、放熱性能および半田寿命等を考慮して決定される。また、金属ベース３０４の材料としては、できるだけ熱伝導率の高いものが望ましい。冷却能力を向上させるため、たとえば、無酸素銅ないしタフピッチ銅を使用するのが好ましい。前述したように、ＩＧＢＴ３２８，３３０およびダイオード１５６，１６６は、絶縁基板を介して金属ベース３０４の上面に設けられている。ＩＧＢＴ３２８，３３０およびダイオード１５６，１６６はセラミック基板等で形成された絶縁基板上に半田付けされ、その絶縁基板は金属ベース３０４上に半田付けされる。
【００７５】
金属ベース３０４の熱膨張率は絶縁基板の熱膨張率よりも大きいので、高温時には、金属ベース３０４の伸びが絶縁基板の伸びよりも大きい。そのため、高温−低温の熱サイクルが繰り返されると、ラチェット変形という現象が生じる。高温時には、絶縁基板と金属ベース３０４を接続する接合半田が軟らかくなるため、伸び量の差は、接合半田のせん断変形によって吸収される。この結果、金属ベース３０４に反りは発生しにくい。一方、低温時には、金属ベース３０４の収縮量が絶縁基板の収縮量より大きくなり、また、接合半田のせん断変形量が小さくなる。そのため、金属ベース３０４と絶縁基板の縮み量の差が接合半田で吸収しきれず、金属ベース３０４は、絶縁基板側に凸となる形状に湾曲する。
【００７６】
このとき、金属ベース３０４には、曲げモーメントと同時に引張り力が作用するため、最大応力はその絶縁基板との接合面に生じる。金属ベース３０４の降伏応力が上記最大応力よりも大きければ、金属ベース３０４の変形量は弾性変形可能な範囲内であり、温度サイクルを繰り返してもその都度元の形状に戻ることができる。しかし、上記最大応力が金属ベース３０４の降伏応力を超えた場合には、その金属ベース３０４は塑性変形する。塑性変形が発生すると、金属ベース３０４が再び高温になっても、元の形状に戻るような曲げ力が働かず、せん断変形して曲がった金属ベース３０４の面に沿って絶縁基板が半田で固定されることになる。
【００７７】
以上説明したように、金属ベース３０４には、低温時に絶縁基板側が凸形状に湾曲するような塑性変形が発生する。金属ベース３０４の塑性変形は、温度サイクルを繰り返すと蓄積され、次第に変形量が大きくなる。このようなメカニズムで発生する現象をラチェット変形と呼ぶ。金属ベース３０４の熱負荷サイクル（温度サイクル）に起因してラチェット現象が発生すると、絶縁基板が損傷してパワーモジュール３００が故障するおそれがある。そこで、パワーモジュールにおいては、このようなラチェット変形を防止する必要がある。
【００７８】
ラチェット変形を防止する方法としては、金属ベース３０４を厚くすることにより、温度サイクルにより発生する応力を低減する方法がある。ただし、素材の厚みによるラチェット変形防止対策では、金属ベースの厚さと接合半田の温度サイクル寿命を示す図２０から分かるように、絶縁基板と金属ベース３０４を接合する半田の熱疲労寿命が短くなってしまう。この理由は、温度サイクルにより発生するせん断応力は、金属ベース３０４が厚いほど大きくなるからである。この実施の形態のＨＥＶ１１０では、−４０〜１２５℃の温度サイクル寿命を１０００回以上とするため、図２０に示す相関特性によれば、板厚は４mmよりも薄くする必要があるが、薄すぎると上述したラチェット変形が問題となるので、結局、３mm〜４mmが適していることが分かる。そこで、本実施形態では金属ベース３０４の厚さを３mmとした。
【００７９】
パワーモジュール３００の金属ベース３０４の材質を銅とし、厚みを３mmとした場合についてラチェット変形を考える。ＨＥＶ１１０は、通常、−４０〜１２５℃の範囲の環境下で使用されるので、この実施の形態で想定する温度サイクルを、低温側下限温度−４０℃、高温側上限温度＋１２５℃と想定する。このような条件で金属ベース３０４に熱負荷を与えた場合の最大応力は、以下のように算出することができる。
【００８０】
３ｍｍの金属ベース３０４に絶縁基板を接合した状態での弾性応力を解析すると、１２５℃から−４０℃の温度変化に伴って、金属ベース３０４の最大応力は１５０ＭＰａであった。金属ベース３０４の変形が、上記温度サイクルの中間温度で中立状態になるものと仮定すると、高温側に圧縮、低温側に引張り応力として均等に分配すれば、低温時の金属ベース３０４に加えられる最大応力は７５ＭＰａとなる。
【００８１】
図２１は、横軸を降伏応力、縦軸をビッカース硬さとしたグラフである。図２１からわかるように、金属材料のビッカース硬さと降伏応力は相関がある。上述したとおり、温度サイクルに伴って金属ベース３０４に発生する最大応力は７５ＭＰａである。したがって、図１６のグラフから、鍛造後のビッカース硬度が６０以上となる材料を選択すれば、ラチェット変形を防止できることが分る。金属ベース３０４の材料として上述した無酸素銅やタフピッチ銅を使用した場合でも、金属ベース３０４は鍛造により作製されるので、その加工硬化により硬度が高くなっている。従って、厚さＭ＝３mmの無酸素銅またはタフピッチ銅で金属ベース３０４を鍛造加工すれば、ビッカース硬度が６０以上となってラチェット変形を防止することができる。
【００８２】
一方、厚さＬは金属ベース３０４の大きさやボルトピッチに応じて異なる。例えば、本実施形態では金属ベース３０４の長辺寸法×短辺寸法＝１４５mm×１２０mm、貫通孔３０１のピッチが短辺側１１１．５mm、長辺側１３０．５mm、基板厚さＭ＝３mmとしているが、従来のように金属ベースの厚さを均一に３mmとした場合、水圧による変形によってシール性が不十分となる。しかし、厚さＬ＝７mm（＝３mm＋４mm）の厚肉部３０４ａ，３０４ｂを設けることで、金属ベース３０４のシール部分の剛性が向上し、金属ベース３０４の四隅をボルト固定するだけでシール性を確保することができる。
【００８３】
このように、金属ベース３０４の発熱素子配設領域を薄肉（ここでは３mm）とし、その他の領域を厚肉（ここでは７mm）とすることで、放熱性能およびシール性能を確保しつつボルトピッチを大きくすることが可能となり、パワーモジュール３００の小型化を図ることができる。ここでは、半導体素子（ＩＧＢＴやダイオード）が実装される発熱素子配設領域（フィン領域に対応する領域）を薄肉とし、その他の領域全てを厚肉としたが、金属ベース３０４のシール部の剛性が確保されて十分なシール性が得られるならば、発熱素子配設領域を含むより大きな領域を薄肉領域としても構わない。
【００８４】
例えば、図１１，１２に示す第１の変形例では、金属ベース３０４の冷却フィン３０５が形成されている下面ではなく、上下アーム直列回路１５０のＩＧＢＴおよびダイオードが固定される上面側に凹部領域３０４ｄを形成した。そのため、金属ベース３０４の下面の形状は、図１２に示すように従来のパワーモジュールの場合と同様の形状となっている。凹部領域３０４ｄの周囲の厚肉部３０４ｅには、パワーモジュールケース３０２が実装される。ボルト３０３用の貫通孔３０１は、枠形状を成す厚肉部３０４ｅに形成されている。
【００８５】
図１３は、図１１に示すように枠形状の厚肉部３０４ｅを形成し、４本のボルト３０３で固定した場合の、水圧による金属ベース３０４のシール部の変形量を説明する図である。ここでは、金属ベース３０４の下面に加わる面圧、すなわち冷却水による水圧を２００ｋＰａとしたときの、シール部を構成する枠部分（厚肉部３０４ｅ）の垂直方向への変位量を計算（有限要素法）により求めた。図１３において、縦軸は図１１の厚肉部３０４ｅの変位量（ｍｍ）を表す。また、横軸は、図１１の直線Ｌに沿った方向の位置を表しており、ボルトピッチの中央をｘ＝０とした場合の位置ｘを表している。なお、ここでは、計算を簡単にするために冷却フィンが形成されていない場合について計算した。
【００８６】
図１３では、金属ベース３０４の板厚ＭをＭ＝３(mm)とし、厚肉部３０４ｅにおける厚さ増分Ｎをパラメータとして変位を求めた。Ｌ11はＮ＝４mmの場合であって、順に、Ｌ12はＮ＝５mmの場合、Ｌ13はＮ＝６mmの場合、Ｌ14はＮ＝７mmの場合を示す。厚肉部３０４ｅの厚さ増分Ｎが大きくなるほど変位は小さくなっており、厚肉部３０４ｅの厚さを増すほど金属ベース３０４のシール部の剛性が大きくなることが分かる。
【００８７】
また、図１４は、寸法Ｎを変えたときの中央位置の変位（たわみ量）を示したものであり、縦軸はたわみ量(mm)を、横軸は寸法Ｎ(mm)を表している。上側の２種類のデータは、厚肉部３０４ｅの幅寸法ｄが７mmの場合と１０mmの場合の金属ベース３０４を、４本のボルト３０３で固定したときのたわみ量を示している。一方、下側の２種類のデータは、厚肉部３０４ｅの幅寸法ｄが７mmの場合と１０mmの場合の金属ベース３０４を、６本のボルト３０３で固定したときのたわみ量を示している。ボルト本数が４であっても６であっても、幅寸法に違いによるたわみ量の差違は変わらず、ｄ＝７とｄ＝１０の場合のたわみ量の差は小さい。一方、ボルト本数を４から６に増やすと、たわみ量は大きく減少することがわかる。図１３，１４に示すような計算結果からも、厚肉部３０４ｅを設けることにより、金属ベース３０４のシール部の変位を効果的に抑えることができることが分かる。
【００８８】
図９〜１２に示した例では、金属ベース３０４に厚肉部３０４ａ，３０４ｂ，３０４ｅを形成することにより剛性の向上を図ったが、図１５，１６の第２の変形例に示すような構造により剛性の向上を図るようにしても良い。図１５は、図１１の場合と同様に、金属ベース３０４とパワーモジュールケース３０２とを示す図である。第２の変形例では、基板の厚さは寸法Ｍで一定であるが、金属ベース３０４に折れ曲がった段差部３０４ｍを設けることで、シール部の剛性が平板状のものよりも高くなるようにした。
【００８９】
図１６はパワーモジュール３００の断面を示す図であり、（ａ）はＣ−Ｃ断面図、（ｂ）はＤ−Ｄ断面図である。金属ベース３０４は段差構造を有しており、上下アーム直列回路１５０のＩＧＢＴおよびダイオードが固定される発熱素子配設領域３０４ｇは、周辺領域３０４ｈに対して図示上側に突出している。そのため、金属ベース３０４の下面は、発熱素子配設領域３０４ｇが窪んでおり、その窪み領域に冷却フィン３０５が形成されている。周辺領域３０４ｈの下面は、冷却ジャケット１９Ａのパワーモジュール取り付け面４１０Ｓに固定したときのシール面として機能する。一例として、基板厚さＭはＭ＝３ｍｍ、発熱素子配設領域３０４ｇの部分の段差は４ｍｍである。
【００９０】
図１５，１６に示す第２の変形例では、上アームおよび下アーム毎に段差部３０４ｍを形成して２つの発熱素子配設領域３０４ｇを設けたが、図１７〜１９に示す第３の変形例のように、金属ベース３０４の周辺部分を固定部とし、その内側の発熱素子配設領域３０４ｊとの間に段差部３０４ｍを設けるようにしても良い。図１８はパワーモジュール３００の下面側を示す斜視図であり、図９（ａ）は図１７のＥ−Ｅ断面図、図１９（ｂ）はＦ−Ｆ断面図である。
【００９１】
図１７は図１５と同様の図であり、金属ベース３０４とパワーモジュールケース３０２とを示す図である。金属ベース３０４には、上方に突出するように形成された発熱素子配設領域３０４ｊと、その周囲を囲むように設けられた矩形枠状の周辺領域３０４ｋが形成され、両領域の間には段差部３０４ｍが形成されている。発熱素子配設領域３０４ｊの下面側は、図１８に示すように窪んでおり、その窪み内（フィン形成領域）に、上アーム用および下アーム用の冷却フィン３０５がそれぞれ形成されている。
【００９２】
図１６（ｂ）の断面図と図１９（ｂ）の断面図とを比較すると、第３の変形例では、上下アーム用冷却フィン３０５を構成する各フィン群の間の基板部分は、冷却フィン３０５が設けられている部分度同様に上側に突出している。そのため、金属ベース３０４の周囲部分の周辺領域３０４ｋの下面が、シール面として利用される。
【００９３】
なお、金属ベース３０４の製造方法としては、板材を鍛造加工して厚肉部および冷却フィンを一体に形成する方法や、鋳造により基板部分、厚肉部および冷却フィンを一体に形成する方法がある。また、板材をプレス加工して図１５，１６に示すような窪みを形成し、その窪み内に冷却フィン３０５をロー付けしても良い。鋳造の場合には、金属粉末射出成形法（Metal Injection Molding）が適している。金属粉末射出成形法では、金属粉末と樹脂バインダとを混合して射出成型した後に、焼成することにより成型品を得る。
【００９４】
以上説明した実施の形態は、次のような作用効果を奏することができる。
（１）パワーモジュール３００に設けられた金属ベース３０４は、一方の面に半導体素子（ＩＧＢＴおよびダイオード）が実装されるとともに、他方の面が冷却ジャケット１９Ａの冷却水流路１９に形成された開口４００，４０２を塞ぐように固定されている。そして、金属ベース３０４において、半導体素子の実装領域の基板厚さＭは、半導体素子から発生する熱を前記冷媒に放熱するための放熱量に応じて定められる。車両用電力変換装置の場合は発熱量が大きく、半導体素子の耐熱等を考慮するとＭは３ｍｍ程度となる。金属ベース３０４のシール部を含む固定領域（厚肉部３０４ａ，３０４ｂ）を厚肉とすることで実装領域よりも剛性を大きくすることで、冷却水の圧力による金属ベース３０４のシール部の変形が抑制され、Ｏリング８００による封止性能が確保される。それにより、金属ベース３０４を固定するボルト３０３のピッチを従来よりも大きくして、ボルト３０３の本数を少なくすることができる。その結果、放熱性能を従来と同様に維持しつつ、パワーモジュール３００を小型化することが可能となる。
（２）例えば、金属ベース３０４の固定領域（厚肉部３０４ａ，３０４ｂの領域）の基板厚さＬを、実装領域である凹部３０４ｆの基板厚さＭよりも大きく設定して、シール部の剛性を向上させることで水漏れを防止する。
（３）また、図１６に示すように実装領域厚さと固定領域の厚さとを等しい値Ｍに設定し、
固定領域３０４ｈの剛性が実装領域３０４ｇの剛性よりも大きくなるように、両領域の境界部に段差を設けても良い。そのように折れ曲がった段差部３０４ｍを形成する。このような段差部３０４を形成することにより、固定部である周辺領域３０４ｈの剛性向上を図ることができ、シール部からの水漏れを防止することができる。
（４）図１０に示すように、半導体素子（ＩＧＢＴおよびダイオード）の実装領域として厚さＭに設定された部分の下面側、すなわち凹部３０４ｆをフィン形成領域とし、そこに冷却フィン３０５を形成するようにした。その凹部３０４ｆに形成された冷却フィン３０５を冷却水の流れに突出させて直接冷却することにより、半導体素子で発生した熱を冷却水へと放熱する放熱性能の向上を図ることができる。
（５）金属ベース３０４に複数の半導体配設領域が有る場合には、それぞれに対応して冷却フィン３０５が形成される領域を複数形成するようにしても良い。例えば、図９に示すように、上アーム用と下アーム用とに分かれて半導体素子が配設されている場合には、それぞれに対応してフィン形成領域を設ける。このように、フィン形成領域を２つの領域に分けた場合、２段階に分けて別々に鍛造により形成することで、鍛造時のプレス圧力を小さく抑えることができ、加工装置が大型化するのを避けることができる。
（６）金属板材（例えば、銅の板材）を鍛造加工して、図９に示すような厚肉部３０４ａ，３０４ｂと、凹部３０４ｆ内の冷却フィン３０５を一体に形成しても良い。厚肉部３０４ａ，３０４ｂを形成することにより、金属ベース３０４のシール部の剛性が向上する。また、鍛造加工時における加工硬化によって、金属板材そのものの硬度が高くなる。
（７）また、金属粉末射出成形法（Metal Injection Molding）により金属ベース板３０４を一体成型しても良い。冷却フィン３０５がピンフィンのように細長い形状をしていても、容易に一定成型することができる。
（８）金属ベース３０４の基板形状が矩形であって、その矩形領域の周縁の矩形枠領域をシール部とし、矩形枠領域の四隅をボルト等の締結部品により冷却ジャケットに締結するようにしても良い。シール部を厚肉としたり、段差部３０４ｍを設けたりすることにより、シール部の剛性が向上するため、四隅のみをボルト締結により固定するだけで、十分なシール性を確保することができる。その結果、装置の小型化、組み立て工数の低減を図ることができる。
【００９５】
実施形態と変形例の一つ、もしくは複数を組み合わせることも可能である。変形例をどのように組み合わせることも可能である。
【００９６】
以上の説明はあくまで一例であり、本発明は上記実施形態の構成に何ら限定されるものではない。例えば、上述した実施の形態で金属ベース３０４に冷却フィン３０５を形成して放熱性能の向上を図るようにしたが、半導体素子の発熱がそれほど大きくなく冷却フィン３０５を形成しなくても十分な放熱性能が確保できる場合には、必ずしも冷却フィン３０５を形成する必要はない。その場合、冷却フィン３０５を省略することで、金属ベース３０４の加工が下すくなり、コストダウンを図ることができる。
【符号の説明】
【００９７】
１０：上部ケース、１１：金属ベース板、１２：筐体、１３：冷却水入口配管、１４：冷却水出口配管、１６：下部ケース、１９：冷却水流路、１９Ａ：冷却ジャケット、４３，１４０，１４２：インバータ装置、１３６：バッテリ、１４４，１４５：インバータ回路、１５０：上下アーム直列回路、１５６，１６６：ダイオード、１９２，１９４：モータジェネレータ、２００：電力変換装置、３００：パワーモジュール、３０２：パワーモジュールケース、３０３：ボルト、３０４：金属ベース、３０４ａ，３０４ｂ，３０４ｅ：厚肉部、３０４ｄ，３０４ｆ：凹部、３０４ｇ，３０４ｊ：発熱素子配設領域、３０４ｈ，３０４ｋ：周辺領域、３０４ｍ：段差部、３０５：冷却フィン、３２８，３３０：ＩＧＢＴ、４００，４０２：開口、８００，８０２：Ｏリング、
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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