(57)【要約】【課題】車両用電力変換装置に使用されるパワーモジュールの温度サイクルに対する耐久性を向上させつつ、冷却性能を向上させるとともに、パワーモジュールの小型化を実現すること。【解決手段】車両用電力変換装置を構成するパワーモジュール３００は、直流電力と交流電力との間で電力変換するインバータ装置１４４と、インバータ装置１４４を表面に実装する金属ベース３０４と、金属ベース３０４の裏面に突設され、冷却液体との間で熱交換を行う複数の放熱フィン３０５を有する。パワーモジュール３００から出力される交流電力により車載電動機を駆動する。複数の放熱フィン３０５は、鍛造により金属ベース３０４と一体成型されている。【選択図】図７
2010041809.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電力と交流電力との間で電力変換する半導体回路、前記半導体回路を表面に実装する金属ベース、および前記金属ベースの裏面に突設され、冷却液体との間で熱交換を行う複数の放熱フィンを有するパワーモジュールを備え、前記パワーモジュールから出力される交流電力により車載電動機を駆動する車両用電力変換装置であって、
前記半導体回路は、３相交流電力を出力するように構成され、前記複数の放熱フィンは鍛造により前記金属ベースと一体成型されることを特徴とする車両用電力変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載の車両用電力変換装置において、
前記冷却液体の流路と、前記放熱フィンを前記流路に突出させるための開口とを設けた冷却ジャケットを有し、
前記金属ベースの裏面には、前記開口を水密にするシール面が設けられ、
前記金属ベースは、前記開口を水密にするように前記シール面を冷却ジャケットに固設され、
前記シール面は、前記放熱フィンが突出する前記金属ベース表面より平坦度、表面粗さが良好となるように加工されていることを特徴とする車両用電力変換装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の車両用電力変換装置において、
前記金属ベースの表面には、回路実装領域が設けられ、この回路実装領域には絶縁基板が半田で固着され、前記半導体回路は前記絶縁基板上に半田で固着されていることを特徴とする車両用電力変換装置。
【請求項４】
請求項１に記載の車両用電力変換装置において、
前記金属ベースには、前記複数の放熱フィンで構成される放熱フィン群が一対設けられていることを特徴とする車両用電力変換装置。
【請求項５】
請求項４に記載の車両用電力変換装置において、
前記冷却ジャケット内の前記流路は、往路と復路を有するＵターン形状として形成され、
前記一対の放熱フィン群は、前記往路と復路の冷却液体との間でそれぞれ熱交換するように分離して配置されていることを特徴とする車両用電力変換装置。
【請求項６】
請求項１〜５に記載の車両用電力変換装置において、
前金属ベースは銅および銅系金属であることを特徴とする車両用電力変換装置。
【請求項７】
直流電力と交流電力との間で電力変換する半導体回路、前記半導体回路を表面に実装する金属ベース、および前記金属ベースの裏面に突設され、冷却液体との間で熱交換を行う複数の放熱フィンを有するパワーモジュールを備え、前記パワーモジュールから出力される交流電力により車載電動機を駆動する車両用電力変換装置であって、
前記複数の放熱フィンは、前記金属ベースとともに金属粉末射出成型法により一体成型されていることを特徴とする車両用電力変換装置。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の車両用電力変換装置において、
前記複数の放熱フィンは千鳥状に配列されていることを特徴とする車両用電力変換装置。
【請求項９】
請求項８に記載の車両用電力変換装置において、
前記放熱フィンは、高さが７ｍｍ以上８ｍｍ以下、直径が２．０ｍｍ以上３ｍｍ以内の円柱ピンであることを特徴とする車両用電力変換装置。
【請求項１０】
請求項８に記載の車両用電力変換装置において、
前記放熱フィンは、前記金属ベースから先細り形状のテーパピンであることを特徴する車両用電力変換装置。
【請求項１１】
請求項１または７に記載の車両用電力変換装置において、
前記金属ベースの硬度と厚さは、ラチェット変形の発生を防止するように決定されることを特徴とする車両用電力変換装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の車両用電力変換装置において、
前記金属ベースは、成型後のビッカース硬度が６０以上となるような銅材または銅粉末を使用し、板厚を３ｍｍ以上４ｍｍ以下となるように製作してラチェット変形の発生を防止することを特徴とする車両用電力変換装置。
【請求項１３】
請求項１１または１２に記載の車両用電力変換装置において、
前記パワーモジュールを一対含み、
前記一対のパワーモジュールのそれぞれには前記半導体回路が設けられ、これら半導体回路は互いに並列接続され、
各半導体回路は、３相交流電力を出力するように上下アーム回路を各相ごとに有し、上下アーム回路は６つの絶縁ゲート型バイポーラスイッチング素子で構成されることを特徴とする車両用電力変換装置。
【請求項１４】
請求項１３に記載の車両用電力変換装置において、
前記６つの絶縁ゲート型バイポーラスイッチング素子のそれぞれの大きさは、１２．５ｍｍ×１４ｍｍであることを特徴とする車両用電力変換装置。
【請求項１５】
請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の車両用電力変換装置に使用されるパワーモジュール用金属ベース。
【請求項１６】
請求項１５に記載の金属ベースと、
前記金属ベースの表面に設けた半導体回路とを備えたパワーモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気自動車やハイブリッド自動車に車載されて、直流電力と交流電力とを相互変換して出力する車両用電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電気自動車やハイブリッド自動車に用いられるインバータなどの電力変換装置は、発熱量が大きいＩＧＢＴなどの電力用半導体スイッチング素子を備えている。そのため、スイッチング素子を搭載するパワーモジュールのベース板底面から複数本の放熱ピンが冷却液体流通流路に突設され、スイッチング素子を放熱する冷却構造を採用している。この放熱ピンは、ベース板に直接ロウ付けされている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００７−２９５７６５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、このような従来の車両用電力変換装置にあっては、パワーモジュールのベース板に複数本のピンをロウ付けしているので、生産性が低く製造コストが高くなってしまう、という問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
（１）請求項１の発明は、直流電力と交流電力との間で電力変換する半導体回路、半導体回路を表面に実装する金属ベース、および金属ベースの裏面に突設され、冷却液体との間で熱交換を行う複数の放熱フィンを有するパワーモジュールを備え、パワーモジュールから出力される交流電力により車載電動機を駆動する車両用電力変換装置に適用される。そして、半導体回路は、３相交流電力を出力するように構成され、複数の放熱フィンを、鍛造により金属ベースと一体成型することを特徴とする。
（２）請求項７の発明は、上記半導体回路、上記金属ベース、および上記複数の放熱フィンを有するパワーモジュールを備え、パワーモジュールから出力される交流電力により車載電動機を駆動する車両用電力変換装置に適用される。そして、複数の放熱フィンを、金属ベースとともに金属粉末射出成型法により一体成型することを特徴とする。
（３）請求項１５の発明は、上記車両用電力変換装置に使用する上記金属ベースである。
（４）請求項１６の発明は、請求項１５の金属ベースと上記車両用電力変換装置に使用する半導体回路を含んで構成されるパワーモジュールである。
【発明の効果】
【０００５】
本発明によれば、冷却液体の流路内に突出する放熱フィンを鍛造または金属粉末射出成型法により金属ベースに一体成型するので、製造コストを抑えつつ冷却性能を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
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が、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。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。
【０００７】
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ある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、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。
【０００８】
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ＨＥＶ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ＨＥＶの駆動源およびＨＥＶ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。
【０００９】
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ＨＥＶ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。
【００１０】
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。
【００１１】
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が電気的に接続されており、バッテリ１３６とインバータ装置１４０，１４２との相互において電力の授受が可能である。
【００１２】
本実施形態では、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場合において、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、同様の場合において、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。
【００１３】
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。
【００１４】
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であり、バッテリ１３６からインバータ装置４３に直流電力が供給され、インバータ装置４３で交流の電力に変換されてモータ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の最大変換電力がインバータ装置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。
【００１５】
インバータ装置１４０、インバータ装置１４２およびインバータ装置４３さらにコンデンサモジュール５００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は、インバータ装置１４０，１４２およびインバータ装置４３さらにコンデンサモジュール５００を電力変換装置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。
【００１６】
また、インバータ装置１４０、インバータ装置１４２およびインバータ装置４３さらにコンデンサモジュール５００を一つの筐体に内蔵することで、配線の簡素化やノイズ対策で効果がある。またコンデンサモジュール５００とインバータ装置１４０、インバータ装置１４２およびインバータ装置４３との接続回路のインダクタンスを低減でき、スパイク電圧を低減できると共に、発熱の低減や放熱効率の向上を図ることができる。 
【００１７】
次に、図２を用いてインバータ装置１４０、インバータ装置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。尚、図１〜図２に示す実施形態では、インバータ装置１４０、インバータ装置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、インバータ装置１４２あるいはインバータ装置４３は同様の構成で同様の作用をなし、同様の機能を有しているので、ここでは、代表例としてインバータ装置１４０の説明を行う。
【００１８】
本実施形態に係る電力変換装置２００は、インバータ装置１４０とコンデンサモジュール５００とを備え、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。また、インバータ回路１４４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、からなる上下アーム直列回路１５０を複数有し（図２の例では３つの上下アーム直列回路１５０）、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）から交流端子１５９を通してモータジェネレータ１９２への交流電力線（交流バスバー）１８６と接続する構成である。また、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、ドライバ回路１７４へ信号線１７６を介して制御信号を供給する制御回路１７２と、を有している。
【００１９】
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り、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。
【００２０】
インバータ回路１４４は３相ブリッジ回路により構成されており、３相分の上下アーム直列回路１５０，１５０，１５０がそれぞれ、バッテリ１３６の正極側と負極側に電気的に接続されている直流正極端子３１４と直流負極端子３１６の間に電気的に並列に接続されている。
【００２１】
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を用いることを例示している。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、カソード電極およびアノード電極の２つの電極を備えており、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。
【００２２】
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相分設けられている。３つの上下アーム直列回路１５０はそれぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相に対応し、ＩＧＢＴ３２８のエミッタ電極とＩＧＢＴ３３０のコレクタ電極１６３とを接続する中間電極１６９、交流端子１５９を介してモータジェネレータ１９２へのＵ相、Ｖ相、Ｗ相を形成している。上下アーム直列回路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。各アームの中点部分（上アームのＩＧＢＴ３２８のエミッタ電極と下アームのＩＧＢＴ３３０のコレクタ電極との接続部分）にあたる中間電極１６９は、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、交流端子１５９および交流コネクタ１８８を介して電気的に接続されている。
【００２３】
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平滑回路を構成するためのものである。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。
【００２４】
制御部１７０はＩＧＢＴ３２８，３３０を作動させるためのものであり、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制御回路１７２と、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ドライブ回路１７４とを備えている。
【００２５】
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。マイコンには入力情報として、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１５０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されている。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。
【００２６】
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し、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。
【００２７】
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、上アームを駆動する場合、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。
【００２８】
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（引いては、この回路１５０を含む半導体モジュール）を過温度或いは過電圧から保護する。
【００２９】
インバータ回路１４４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。
【００３０】
上下アーム直列回路１５０は、図示するように、Ｐｏｓｉｔｉｖｅ端子（Ｐ端子、正極端子）１５７、Ｎｅｇａｔｉｖｅ端子（Ｎ端子、負極端子）１５８、上下アームの中間電極１６９に接続されている交流端子１５９、上アームの信号用端子（信号用エミッタ電極端子）１５５、上アームのゲート電極端子１５４、下アームの信号用端子（信号用エミッタ電極端子）１６５、下アームのゲート端子電極１６４、を備えている。また、電力変換装置２００は、入力側に直流コネクタ１３８を有し、出力側に交流コネクタ１８８を有して、それぞれのコネクタ１３８と１８８を通してバッテリ１３６とモータジェネレータ１９２にそれぞれ接続される。また、モータジェネレータへ出力する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。 
【００３１】
図３〜図７において、２００は電力変換装置、１０は上部ケース、１１は金属ベース板、１２は筐体、１３は冷却水入口配管、１４は冷却水出口配管、４２０は下カバー、１６は下部ケース、１７は交流ターミナルケース、１８は交流ターミナル、１９Ａは冷却ジャケット、１９は冷却ジャケット１９Ａ内の冷却水流路、２０は制御回路基板で制御回路１７２を保持している。２１は外部との接続のためのコネクタ、２２は駆動回路基板でドライバ回路１７４を保持している。３００はパワーモジュール（半導体モジュール部）で２個設けられており、それぞれのパワーモジュールにはインバータ回路１４４が内蔵されている。７００は積層導体板、８００はＯリング、３０４は金属ベース、１８８は交流コネクタ、３１４は直流正極端子、３１６は直流負極端子、５００はコンデンサモジュール、５０２はコンデンサケース、５０４は正極側コンデンサ端子、５０６は負極側コンデンサ端子、５１４はコンデンサセル、をそれぞれ表す。
【００３２】
図３は、本発明の実施形態に係る電力変換装置の全体構成の外観斜視図を示す。本実施形態に係る電力変換装置２００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とを有する。筐体１２の底面あるいは上面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モータジェネレータ１９２や１９４との接続に用いる２組の交流ターミナルケース１７が設けられる。交流ターミナル１８は、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。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。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。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。ここで本実施形態では、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。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。
【００３５】
図４は、本発明の実施形態に係る電力変換装置の全体構成を各構成要素に分解した斜視図である。
【００３６】
図４に示すように、筐体１２の中ほどには、内部に冷却水流路１９が形成される冷却ジャケット１９Ａが設けられ、冷却ジャケット１９Ａの上面には流れの方向に並んで２組の開口４００と４０２が形成されている。２組の開口４００と４０２を塞ぐように２個のパワーモジュール３００が冷却ジャケット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のフィン３０５（図７参照）はそれぞれ冷却ジャケット１９Ａの開口４００と４０２から冷却水流路１９中に突出している。パワーモジュール３００を筐体１２に固着する構造は後述する。
【００３７】
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が形成されており、開口４０４は下カバー４２０で塞がれている。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に示すインバータ回路１４４と同様の回路を内蔵しており、インバータ回路１４４を構成してい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水流路１９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。また、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・パッキンなどを代用しても良く、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。 
【００３８】
さらに冷却ジャケット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。
【００３９】
冷却水入出口配管１３，１４からの冷却水が冷却水流路１９を流れることによって、併設されている２個のパワーモジュール３００が有する放熱フィンが冷却され、２個のパワーモジュール３００全体が冷却される。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も同時に冷却する。
【００４０】
さらに冷却水流路１９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、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。
【００４１】
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の幅方向に幅広に構成されている。さらに、積層導体板７００は、コンデンサモジュール５００の正極側端子と接続される正極側導体板７０２と、負極側端子と接続される負極側導体板７０４と、正極側端子と負極側端子と間に配置される絶縁部材によって構成される。これにより積層導体板７００の積層面積を広げることができるので、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。
【００４２】
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。駆動回路基板２２には図２に示すドライバ回路１７４が搭載され、制御回路基板２０には図２に示すＣＰＵを有する制御回路１７２が搭載されている。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、その一方の側に車両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パワーモジュール４３を配置することで、少ない空間で効率良く冷却でき、電力変換装置全体の小型化が可能となる。冷却ジャケット１９Ａを、筐体１２と一体にアルミ鋳造で作ることにより、冷却ジャケット１９Ａは冷却効果に加え機械的強度を強くする効果がある。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効率が向上する。
【００４３】
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。
【００４４】
筐体１２の上端部と下端部には開口が形成されている。これら開口は、それぞれ上部ケース１０と下部ケース１６を、例えばネジやボルト等の締結部品で筐体１２に固定することにより塞がれる。筐体１２の高さ方向の中央には、内部に冷却水流路１９が設けられる冷却ジャケット１９Ａが形成されている。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。組み立て途中に冷却水流路１９の水漏れ試験を行う。水漏れ試験に合格した場合に、次に筐体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とができる。このように筐体１２の中央に冷却ジャケット１９Ａを配置し、次に筐体１２の上端部と下端部の開口から必要な部品を固定する作業が行える構造を採用しており、生産性が向上する。また冷却水流路１９を最初に完成させ、水漏れ試験の後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。 
【００４５】
図５は冷却ジャケット１９Ａを有する筐体１２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、図５（ａ）は筐体１２の斜視図、図５（ｂ）は筐体１２の上面図、図５（ｃ）は筐体１２の下面図である。図５に示す如く、筐体１２には、内部に冷却水流路１９が形成される冷却ジャケット１９Ａが一体に鋳造されている。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。
【００４６】
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および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。冷却ジャケット１９Ａの上面には４つの開口４００および４０２が空けられている。開口４００は、冷却水の往路と復路にそれぞれ１個ずつ設けられている。開口４０２も同様である。開口４００、４０２にはパワーモジュール３００がそれぞれ固定され、各パワーモジュール３００の放熱用フィンがそれぞれの開口から冷却水の流れの中に突出する。冷却水の流れの方向すなわち筐体１２の長辺の沿った方向に並ぶ２組のパワーモジュール３００は、例えばＯリング８００などのシール材を介して冷却ジャケット１９Ａの開口を水密に塞ぐように固定される。
【００４７】
冷却ジャケット１９Ａは、筐体周壁１２Ｗの中段を横断して筐体１２と一体成形されている。冷却ジャケット１９Ａの上面には４つの開口４００および４０２が、下面には１つの開口４０４が設けられている。開口４００および４０２のそれぞれの周囲には、パワーモジュール取り付け面４１０Ｓが設けられている。取り付け面４１０Ｓの開口４００と４０２の間の部分を支持部４１０と呼ぶ。支持部４１０に対して冷却水の出入り口側の方に１つのパワーモジュール３００が固定され、支持部４１０に対して冷却水の折り返し側の方に他の１つのパワーモジュール３００が固定される。
【００４８】
図５（ｂ）に示すボルト孔４１２とボルト貫通孔４１２Ａは、冷却水出入り口側のパワーモジュール３００を取り付け面４１０Ｓに固定するために用いられ、この固定により開口４００が密閉される。ボルト孔４１４とボルト貫通孔４１４Ａは、冷却水折り返し側のパワーモジュール３００を取り付け面４１０Ｓに固定するために用いられ、この固定により開口４０２が密閉される。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を金属ベース３０４の上に高密度で集積できるため、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。
【００４９】
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。
【００５０】
支持部４１０はパワーモジュール３００の固定のために使用され、開口４００や４０２の密閉のために必要である。さらに支持部４１０は筐体１２の強度の強化に大きな効果がある。冷却水流路１９は上述の通り折り返し形状であり、流路の往路と流路の復路を隔てる隔壁４０８が設けられ、この隔壁４０８が支持部４１０と一体に作られている。隔壁４０８は、流路の往路と流路の復路を隔てる部材であるが、筐体１２の機械的な強度を高める機能を有している。また流路の復路内の冷却水の熱を、流路の往路内の冷却水に熱伝達して冷却水の温度を均一化する機能も有している。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。ある程度の温度差は仕方ないが、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。
【００５１】
以上説明したように、冷却ジャケット１９Ａが筐体１２の中段位置で筐体１２を横断して設けられているので、冷却ジャケット１９Ａは筐体１２の強度部材として機能する。加えて、支持部４１０および隔壁４０８は冷却ジャケット１９Ａ、ひいては筐体１２の強度部材として機能する。
【００５２】
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に対応した裏面に開口４０４が形成されている。この開口４０４は、筐体の鋳造により形成する支持部４１０と筐体１２とを一体成形する際の歩留まりを向上するためのものである。開口４０４の形成により、支持部４１０と冷却水流路１９の底部との二重構造が無くなり、鋳造し易く、生産性が向上する。
【００５３】
また、冷却水流路１９の側部外側には貫通穴４０６が形成される。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。
【００５４】
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。
【００５５】
ジャケット１９Ａの上面開口にパワーモジュール３００を固定し、さらに裏面開口に下カバー４２０を固定した状態を図６に示す。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。
【００５６】
図６において、筐体１２の長方形の他方の長辺側内部に貫通孔４０６が形成されており、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。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、この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（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。
【００５７】
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。
【００５８】
また、図６に示すように、冷却水入口配管１３と冷却水出口配管１４が螺子により固定されている。図６の状態で冷却水流路１９の水漏れ検査を実施できる。この検査に合格したものに、上記補機用インバータ装置４３が取り付けられ、さらにコンデンサモジュール５００が取り付けられる。 
【００５９】
図７は、電力変換装置２００の断面図（図６のＡ−Ａ断面基準）であり、基本的な構造は図３から図６に基づいて、既に説明したとおりである。
【００６０】
筐体１２の断面における上下方向の中央部には筐体１２と一体にアルミダイキャストで作られた冷却ジャケット１９Ａ（図７の点線部）が設けられ、冷却ジャケット１９Ａの上面側に形成された開口にパワーモジュール３００（図７の一点鎖線部）が設置されている。図７の紙面に対して左側が冷却水の往路１９aであり、紙面に対して右側が水路の折り返し側の復路１９ｂである。往路１９ａおよび復路１９ｂの上方には、上述のとおりそれぞれ開口が設けられ、開口は、パワーモジュール３００の放熱のための金属ベース３０４により往路１９aおよび復路１９ｂの両方に跨るように塞がれ、金属ベース３０４に設けられた放熱用フィン３０５が冷却水の流れのなかに開口から突出する。また、冷却水流路１９の下面側には補機用のインバータ装置４３が固定されている。
【００６１】
略中央が屈曲した板状の交流電力線１８６は、その一端がパワーモジュール３００の交流端子１５９と接続され、その他端が、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。正極側コンデンサ端子５０４および負極側コンデンサ端子５０６は、貫通孔４０６（図７の２点鎖線部）を介して、正極側導体板７０２および負極側導体板７０４にそれぞれ電気的および機械的に接続される。筐体１２に設けた冷却水流路１９内の冷却水の流れ方向と略垂直の方向に、交流コネクタ１８８と正極側コンデンサ端子５０４および負極側コンデンサ端子５０６が配置される。そのため電気配線が整然と配置され、電力変換装置２００の小型化に繋がっている。積層導体板７００の正極側導体板７０２、負極側導体板７０４、および交流側電力線１８６がパワーモジュール３００の外に突出して接続端子を形成している。そのため、電気的接続構造がたいへん簡単で、また他の接続導体が使用されていないため小型化になっている。この構造により生産性が向上し、信頼性も向上する。
【００６２】
さらに貫通孔４０６は冷却水流路１９とは筐体１２内部の枠体で隔絶しており、かつ正極側導体板７０２および負極側導体板７０４と正極側コンデンサ端子５０６および負極側コンデンサ端子５０４との接続部が貫通孔４０６内に存在するため、信頼性が向上する。
【００６３】
以上説明した冷却構造では、発熱量の大きいパワーモジュール３００を冷却ジャケット１９Ａの一方の面に固定し、パワーモジュール３００のフィン３０５を冷却水流路１９内に突出させて、パワーモジュール３００を効率良く冷却する。次に放熱量の大きい補機用インバータ装置４３を冷却ジャケット１９Ａの他方の面で冷却する。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。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。
【００６４】
さらに補機用インバータ装置４３を、冷却ジャケット１９Ａのコンデンサモジュール５００に面する底面に固定しているので、補機用インバータ装置４３の平滑用コンデンサとしてコンデンサモジュール５００を使用する際、配線距離が短くなる効果がある。また配線距離が短いことからインダクタンスを小さくできる効果がある。
【００６５】
パワーモジュール３００の上方には、ドライバ回路１７４を実装した駆動回路基板２２が配置され、さらに駆動回路基板２２の上方には、放熱および電磁シールドの効果を高める金属ベース板１１を隔てて制御回路基板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が搭載されている。上部ケース１０を筐体１２に固定することによって、本実施形態に係る電力変換装置２００が構成される。
【００６６】
上述のように、制御回路基板２０とパワーモジュール３００との間に駆動回路基板２２を配置しているので、制御回路基板２０からインバータ回路の動作タイミングが駆動回路基板２２に伝えられ、それに基づいて駆動回路基板２２でゲート信号が作られ、パワーモジュール３００のゲートにそれぞれ印加される。このように電気的な接続関係に沿って制御回路基板２０や駆動回路基板２２を配置しているので、電気配線が簡素化でき、電力変換装置２００の小型化に繋がる。また、駆動回路基板２２は、制御回路基板２０に対して、パワーモジュール３００やコンデンサモジュール５００よりも近い距離に配置される。そのため駆動回路基板２２から駆動回路基板２０までの配線距離は、他の部品（パワーモジュール３００等）と制御回路基板２０との配線距離よりも短くなる。よって直流正極側接続端子部５１２から伝わる電磁ノイズやＩＧＢＴ３２８、３３０のスイッチング動作による電磁ノイズが、駆動回路基板２２から制御回路基板２０までの配線に侵入することを抑えることができる。
【００６７】
冷却ジャケット１９Ａ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を流れる冷却水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。この場合、パワーモジュール３００は放熱のためのフィンが冷却水流路１９の冷却水と直接、接するのでより冷却効果が大きい。さらに冷却水流路１９を流れる冷却水で筐体１２を冷却するとともに、筐体１２に固定した下部ケース１６および金属ベース板１１を冷却する。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、下部ケース１６と筐体１２を介してコンデンサモジュール５００が冷却水で冷却される。さらに金属ベース板１１を介して制御回路基板２０や駆動回路基板２２を冷却する。下部ケース１６も熱伝導性の良い材料でできていて、コンデンサモジュール５００からの発熱を受け、筐体１２に熱を伝導し、伝熱された熱は冷却水流路１９の冷却水で放熱される。また、冷却ジャケット１９Ａの下面には、車内用エアコン、オイルポンプ、他用途のポンプ用として用いる、比較的小容量の補機用インバータ装置４３を設置する。この補機用インバータ装置４３からの発熱は、筐体１２の中間枠体を通して冷却水流路１９の冷却水で放熱される。このように筺体１２の中央に冷却ジャケット１９Ａを設け、冷却ジャケット１９Ａの一方、すなわち上方に金属ベース板１１を設け、他方、すなわち下方側に下部ケース１６を設けることで、電力変換装置２００を構成するのに必要な部品を発熱量に応じ、効率良く冷却することができる。また電力変換装置２００の内部に部品が整然と配置されることとなり、小型化が可能となる。
【００６８】
電力変換装置の放熱機能を果たす放熱体は、第１に冷却水流路１９であるが、この他にも金属ベース板１１がその機能を奏している。金属ベース板１１は、電磁シールド機能を果たすとともに、制御回路基板２０や駆動回路基板２２からの熱を受けて、筐体１２に熱を伝導し、冷却水流路１９の冷却水で放熱される。
【００６９】
このように、本実施形態に係る電力変換装置は、放熱体が３層の積層体、すなわち、金属ベース板１１、冷却水流路１９（冷却ジャケット１９Ａ）、下部ケース１６という積層構造を有している。これらの放熱体はそれぞれの発熱体（パワーモジュール３００、制御回路基板２０、駆動回路基板２２、コンデンサモジュール５００）に隣接して階層的に設置される。階層構造の中央部には、主たる放熱体である冷却水流路１９が存在し、金属ベース板１１と下部ケース１６は筐体１２を通して冷却水流路１９の冷却水に熱を伝える構造となっている。筐体１２内に３つの放熱体（冷却水流路１９、金属ベース板１１、下部ケース１６）が収容されて、放熱性を向上させるとともに薄型化、小型化に寄与している。 
【００７０】
図８(ａ)は、本実施形態に関するパワーモジュール３００の上方斜視図であり、図８(ｂ)は、当該パワーモジュール３００の上面図である。図９は、本実施形態に関するパワーモジュール３００の直流端子の分解斜視図である。図１０は、直流バスバーの構造を分かりやすくするため、パワーモジュールケース３０２を一部透明にした断面図である。図９(ａ)は、パワーモジュール３００の構成部品である金属ベース３０４および３つの上下アーム直列回路のうち１つを抜き出した図である。図９(ｂ)は、金属ベース３０４、回路配線パターンおよび絶縁基板３３４の分解斜視図である。 
【００７１】
図８(ａ)において、３０２はパワーモジュールケース、３０４は金属ベース、３０５はフィン（図１０参照）、３１４ａは直流正極端子接続部、３１６ａは直流負極端子接続部、３１８は絶縁紙（図９参照）、３２０Ｕ／３２０Ｌはパワーモジュールの制御端子、３２８は上アーム用のＩＧＢＴ、３３０は下アーム用のＩＧＢＴ、１５６／１６６はダイオード、３３４は絶縁基板（図１０参照）、３３４ｋは絶縁基板３３４上の回路配線パターン（図１０参照）、３３４ｒは絶縁基板３３４下のベタパターン３３７（図１０参照）をそれぞれ表す。
【００７２】
パワーモジュール３００は、主に、例えば樹脂材料のパワーモジュールケース３０２内の配線を含めた半導体モジュール部と、金属材料例えばＣｕ，Ａｌ，ＡｌＳｉＣなどからなる金属ベース３０４と、外部との接続端子(直流正極端子３１４や制御端子３２０Ｕ等)と、から構成される。そして外部と接続する端子として、パワーモジュール３００は、モータと接続するためのＵ，Ｖ，Ｗ相の交流端子１５９と、コンデンサモジュール５００と接続する直流正極端子３１４および直流負極端子３１６（図９参照）とを有している。
【００７３】
絶縁基板３３４の上に、上下アームのＩＧＢＴ３２８，３３０、ダイオード１５６，１６６等が半田付けされ、パワーモジュールケース３０２で囲まれた領域はレジンまたはシリコンゲル(不図示)によって封止保護されている。絶縁基板３３４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よい。後述するように熱伝導に優れる方が好ましいことから、窒化アルミニウムや窒化珪素等の熱伝導率の高い材料を選択・使用することが望ましい。
【００７４】
図８(ｂ)は、金属ベース３０４に固着された熱伝導性の良いセラミックからなる絶縁基板３３４の上に、上下アーム直列回路が具体的にどのような配置で設置されているかを示す配置構成図である。図８(ｂ)に示すＩＧＢＴ３２８，３３０とダイオード３２７、３３２はそれぞれ２つのチップを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。
【００７５】
図９に示すように、パワーモジュール３００に内蔵された直流端子３１３は、絶縁紙３１８を挟んで、直流負極端子３１６、直流正極端子３１４の積層構造を有する(図９の点線部) 。直流負極端子３１６、直流正極端子３１４の端部は、互いに反対方向に屈曲され、積層導体板７００とパワーモジュール３００とを電気的に接続するための負極接続部３１６ａおよび正極接続部３１４ａを形成している。積層導体板７００との接続部３１４ａおよび３１６ａがそれぞれ２つ設けられることにより、負極接続部３１６ａおよび正極接続部３１４ａから３つの上下アーム直列回路までの平均距離がほぼ等しくなるので、パワーモジュール３００内の寄生インダクタンスのバラツキを低減することができる。
【００７６】
直流正極端子３１４、絶縁紙３１８、直流負極端子３１６を積層して組み立てたときに、負極接続部３１６ａと正極接続部３１４ａが互いに反対方向に屈曲した構造となる。絶縁紙３１８は、負極接続部３１６ａに沿って曲げ、正極、負極の端子の絶縁沿面距離を確保する。絶縁紙３１８は、耐熱が必要なときは、ポリイミドやメタ系アラミド繊維、トラッキング性を高めたポリエステルなどを複合したシートを用いる。また、ピンフォールなどの欠陥を考慮して、信頼性を高めるときは２枚重ねする。また、破れたり、裂けたりすることを防ぐために、コーナ部にアールを設けたり、端子のエッジが絶縁紙に触れないよう、打ち抜き時のダレ面を絶縁紙に面する方向にする。本実施例では、絶縁物として絶縁紙を用いたが、他の例として、端子に絶縁物をコーティングしてもよい。寄生インダクタンスを低減するため、例えば、６００Ｖ耐圧のパワーモジュールのときは、正極、負極間の距離を０．５ｍｍ以下とし、絶縁紙の厚さは、その半分以下とする。
【００７７】
直流正極端子３１４および直流負極端子３１６は、回路配線パターン３３４ｋと接続するための接続端３１４ｋ、３１６ｋを有する。それぞれの接続端３１４ｋ、３１６ｋは、各相（Ｕ，Ｖ，Ｗ相）に対して２つ設けられている。これにより、後述するように、各相のアーム毎に、２つの小ループ電流経路を形成した回路配線パターンと接続することができる。また、各接続端３１４ｋ、３１６ｋは、回路配線パターン３３４ｋの方向に向かって突出し、かつ回路配線パターン３３４ｋとの接合面を形成するために、その先端部が屈曲している。接続端３１４ｋ、３１６ｋと回路配線パターン３３４ｋは、半田などを介して接続されるか、もしくは直接金属同士を超音波溶接により接続される。
【００７８】
パワーモジュール３００、特に金属ベース３０４は、温度サイクルによって膨張および収縮する。この膨張および収縮によって、接続端３１４ｋ、３１６ｋと回路配線パターン３３４ｋの接続部は、亀裂または破断するおそれが生じる。そこで、本実施形態に係るパワーモジュール３００では、図９に示すように、直流正極端子３１４と直流負極端子３１６が積層されることにより形成される積層平面部３１９が、絶縁基板３３４を搭載した側の金属ベース３０４の平面に対して、略平行となるように構成されている。これにより、積層平面部３１９は、前述の膨張および収縮により発生する金属ベース３０４の反り返りに対応した反り返り動作が可能となる。そのため、積層平面部３１９に一体に形成された接続端３１４ｋ、３１６ｋの剛性は、金属ベース３０４の反り返りに対して、小さくすることができる。したがって、接続端３１４ｋ、３１６ｋと回路配線パターン３３４ｋとの接合面の垂直方向に加わる応力を緩和することができ、この接合面の亀裂または破断を防止することができる。
【００７９】
なお、本実施形態に係る積層平面部３１９は、金属ベース３０４の幅方向および奥行き方向の両方の反り返りに対応して反り返り動作が可能となるように、積層平面部３１９の幅方向の長さを１３０ｍｍ、奥行き方向の長さを１０ｍｍとして、奥行き方向の長さを大きめにしている。また、直流正極端子３１４と直流負極端子３１６のそれぞれの積層平面部３１９の厚さは、反り返り動作をしやすいように１ｍｍと比較的薄く設定されている。
【００８０】
図１０に示されるように、金属ベース３０４の一方の表面には、インバータ回路を構成するＩＧＢＴやダイオードが実装されるとともに、金属ベース３０４の周縁には樹脂製のパワーモジュールケース３０２が設けられている。冷却水流路１９を流れる冷却水へ効率良く放熱するために、絶縁基板３３４の実装面とは反対側の金属ベース裏面に複数の放熱のフィン、すなわち複数の放熱ピン３０５を有している。図１０（ａ）、図１２に示す如く、金属ベース３０４には、上下アームにそれぞれ対応するように２組のフィン群３０５Ｇが設けられている。各放熱フィン群３０５Ｇは複数の放熱フィン３０５を有する。この実施の形態の電力変換装置では、一対のパワーモジュール３００の４つの放熱フィン群３０５Ｇが、往復する冷却水流路１９の上方の開口４００，４０２から水路内にそれぞれ突出する。金属ベース３０４の放熱フィン群３０５Ｇ周囲の金属面は、Ｏリング８００を介して、冷却ジャケット１９Ａに設けられた開口４００，４０２を閉じるために使用される。
【００８１】
図１３に示すように、各放熱フィン群３０５Ｇにおいて、放熱ピン３０５は千鳥状に配列されている。放熱ピン３０５を格子状に配列する場合に比べて、冷却水流路における圧損を低減しつつ、冷却水を効果的に各ピンに接触させて冷却能力を向上させることができる。
【００８２】
後で詳細に説明するように、フィン３０５は、銅を素材として鍛造により金属ベース３０４と一体成型されている。この製造方法では、パワーモジュール３００の生産性が向上するとともに、金属ベース３０４からフィン３０５までの熱伝導率が向上し、ＩＧＢＴおよびダイオードの放熱性を向上させることができる。また、後で詳細に説明するように、銅を素材として鍛造により製作した金属ベース３０４のビッカース硬度が６０以上となるような設計をすることで、温度サイクルによって生ずる金属ベース３０４のラチェット変形を抑制し、金属ベース３０４と筐体１２とのシール性を向上させることができる。
【００８３】
金属ベース３０４の一方の面には、絶縁基板３３４が固定され、絶縁基板３３４上には半田３３７より、上アーム用のＩＧＢＴ３２８と上アーム用のダイオード１５６、および下アーム用のＩＧＢＴ３３０や下アーム用のダイオード１６６を有するチップが固定される。
【００８４】
図１１(ａ)に示すように、上下アーム直列回路１５０は、上アーム回路１５１、下アーム回路１５２、これら上下アーム回路１５１，１５２を結線するための端子３７０、および交流電力を出力するための交流端子１５９を備えている。また、図１１(ｂ)に示すように、上アーム回路１５１は、金属ベース３０４の上に、回路配線パターン３３４ｋを形成した絶縁基板３３４を設け、回路配線パターン３３４ｋの上にＩＧＢＴ３２８、ダイオード１５６を実装して構成されている。
【００８５】
ＩＧＢＴ３２８およびダイオード１５６は、それらの裏面側の電極と、回路配線パターン３３４ｋとが、半田により接合される。絶縁基板３３４は、回路配線パターン面とは反対側の面（裏面）が、パターンの無い、いわゆるベタパターンを形成している。この絶縁基板３３４の裏面のベタパターンと、金属ベース３０４とが、半田で接合されている。下アーム回路１５２も上アームと同様に、金属ベース３０４の上に配置された絶縁基板３３４と、この絶縁基板３３４の上に配線された回路配線パターン３３４ｋと、この回路配線パターン３３４ｋの上に実装されたＩＧＢＴ３３０、ダイオード１６６とを備えている。
【００８６】
ＩＧＢＴ３３０およびダイオード１６６の裏面側の電極も、回路配線パターン３３４ｋと半田で接合される。なお、本実施形態における各相の各アームは、ＩＧＢＴ３２８とダイオード１５６を並列接続した一組の回路部を２組並列に接続して構成される。要求される回路部の組数は、モータ１９２に通電される電流量によって決定される。本実施形態に係るモータ１９２に通電される電流よりも大電流が必要な場合には、回路部を３組、もしくはそれ以上を並列接続して構成される。逆に、モータを小さい電流で駆動することができる場合には、各相の各アームは、回路部を一組のみで構成される。
【００８７】
図１１(ｂ)を用いてパワーモジュール３００の電流経路を説明する。パワーモジュール３００の上アーム回路１５１に流れる電流の経路を以下に示す。
（１）不図示の直流正極端子３１４から接続導体部３７１Ｕ、（２）接続導体部３７１Ｕから素子側接続導体部３７２Ｕを介して上アーム用ＩＧＢＴ３２８および上アーム用ダイオード１５６の一方側電極（素子側接続導体部３７２Ｕと接続された側の電極）、（３）上アーム用ＩＧＢＴ３２８および上アーム用ダイオード１５６の他方側電極からワイヤ３３６を介して接続導体部３７３Ｕ、（４）接続導体部３７３Ｕから結線端子３７０の接続部３７４Ｕ、３７４Ｄを介して接続導体部３７１Ｄ  を流れる。なお、前述のように上アームは、ＩＧＢＴ３２８とダイオード１５６を並列接続した回路部を２組並列に接続して構成される。よって、上記(２)の電流経路において、電流は、素子側接続導体部３７２Ｕにて２つに分岐され、分岐された電流は２組の回路部へそれぞれ流れる。
【００８８】
パワーモジュール３００の下アーム回路１５２に流れる電流経路を以下に示す。
（１）接続導体部３７１Ｄから素子側接続導体部３７２Ｄを介して下アーム用ＩＧＢＴ３３０および上アーム用ダイオード１６６の一方側電極（素子側接続導体部３７２Ｄと接続された側の電極）、（２）下アーム用ＩＧＢＴ３３０および下アーム用ダイオード１６６の他方側電極からワイヤ３３６を介して接続導体部３７３Ｄ、（３）接続導体部３７３Ｄから不図示の直流負極端子３１６  を流れる。なお、上アームと同様に下アームは、ＩＧＢＴ３３０とダイオード１６６を並列接続した回路部を２組並列に接続して構成されるので、上記(１)の電流経路において、電流は、素子側接続導体部３７１Ｄにて２つに分岐され、分岐された電流は２組の回路部へそれぞれ流れる。
【００８９】
ここで、上アーム回路のＩＧＢＴ３２８(およびダイオード１５６)と不図示の直流正極端子３１４とを接続するための接続導体部３７１Ｕは、絶縁基板３３４の一辺の略中央部付近に配置される。そして、ＩＧＢＴ３２８(およびダイオード１５６)は、接続導体部３７１Ｕが配設された絶縁基板３３４の一辺側とは反対側である他辺側の近傍に実装される。また、本実施形態においては、２つ備えられた接続導体部３７３Ｕは、前述の接続導体部３７１Ｕを挟んで、かつ絶縁基板３３４の一辺側に一列に配置される。
【００９０】
このような回路パターンおよび実装パターン、すなわち、絶縁基板３３４上の回路配線パターンを、概ねＴ字形状の配線パターンと、概ねＴ字の縦棒（３７１Ｕ）の両側に、２つの配線パターン（３７１Ｕ）とし、接続端３７１Ｕ、３７３Ｕから端子を実装することで、ＩＧＢＴ３２８のスイッチング時の過渡的な電流経路は、図１１(ｂ)の矢印３５０（破線）に示すようなＭ字状の電流経路、すなわち２つの小ループ電流経路となる（矢印の方向は下アームターンオン時）。この２つの小ループ電流経路の周辺には、図１１(ｂ)の矢印３５０Ｈ方向(実線)の磁界３５０Ｈが発生する。この磁界３５０Ｈによって、絶縁基板３３４の下方に配置された金属ベース３０４に、誘導電流、いわゆる渦電流３４０が誘導される。この渦電流３４０は、前述の磁界３５０Ｈを打ち消す方向の磁界３４０Ｈを発生させ、上アーム回路で生じる寄生インダクタンスを低減させることができる。
【００９１】
上述の２つの小ループ電流は、絶縁基板３３４上に流れる電流同士が打ち消し合うような２つのＵターン電流である。このため、図１１(ｂ)の磁界３５０Ｈに示すように、パワーモジュール３００の内部に、より小さいループ磁界ができるため、寄生インダクタンスを低減できる。さらに、スイッチング時に生ずる磁界ループが小さく、パワーモジュール内部に磁界ループを閉じ込めることができるため、パワーモジュールの外の筐体への誘導電流を低減し、制御回路基板上の回路の誤動作や、電力変換装置の外部への電磁ノイズも防止できる。
【００９２】
下アーム回路も前述の上アーム回路と同様な回路配線パターンおよび実装パターンとを有する。すなわち、下アーム回路のＩＧＢＴ３３０(およびダイオード１６６)と不図示の直流負極端子３１６とを接続するための接続導体部３７１Ｄは、絶縁基板３３４の一辺の略中央部付近に配置される。そして、ＩＧＢＴ３３０(およびダイオード１６６)は、接続導体部３７１Ｄが配設された絶縁基板３３４の一辺側とは反対の他辺側の近傍に実装される。また、本実施形態においては、２つ備えられた接続導体部３７３Ｄは、前述の接続導体部３７１Ｄを挟んで、かつ絶縁基板３３４の一辺側に一列に配置される。
【００９３】
このような回路配線パターンおよび実装パターンとすることにより、下アーム回路側においても、前述の寄生インダクタンスを低減させる効果を奏する。なお、本実施形態において、各相の各アームの電流経路の入口は、例えば２つの接続導体部３７３Ｕに挟まれた接続導体部３７１Ｕとなり、一方電流経路の出口は、２つの接続導体部３７３Ｕとなっている。しかし、これら入口と出口が逆となっても、各相の各アームにおいて前述の小ループ電流経路が形成される。そのため、前述の同様に、各相の各アームの寄生インダクタンス低減および電磁ノイズ防止を図ることができる。
【００９４】
図１４に示すように、絶縁基板３３４のインバータ回路実装面には回路配線パターン３５１が形成されており、その回路配線パターン３５１にチップ下半田３５０を介してＩＧＢＴ３２８などのパワースイッチング素子が接合されている。また、その絶縁基板３３４の裏面側にも、半田付けパターン３５２が形成されており、その半田付けパターン３５２に接合半田３５３を介して、絶縁基板３３４が金属ベース３０４上に接合されている。ＩＧＢＴ３２８などで発生した熱は、ＩＧＢＴ３２８などのパワースイッチング素子、チップ下半田３５０、回路配線パターン３５１、絶縁基板３３４、半田付けパターン３５２、接合半田３５３を経由して金属ベース３０４と放熱ピン３０５に伝導して冷却水流路１９内の冷却水に放熱される。
【００９５】
（ラチェット変形）
金属ベース３０４の熱膨張率は絶縁基板３３４の熱膨張率よりも大きいので、高温時には、図１５に示すように、金属ベース３０４の伸びが絶縁基板３３４の伸びよりも大きい。高温時には、絶縁基板３３４と金属ベース３０４を接続する接合半田３５３が軟らかくなるため、伸び量の差は、接合半田３５３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３３４の収縮量より大きくなり、また、接合半田３５３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３３４の縮み量の差が接合半田３５３で吸収仕切れず、金属ベース３０４は、絶縁基板３３４側に凸となる形状に湾曲する。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３３４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に沿う位置に絶縁基板３３４が半田３５３で固定される。
【００９６】
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３３４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３３４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。
【００９７】
（ラチェット変形の防止対策）
ラチェット変形を防止するためには、金属ベース３０４の変形を固定しない、言い換えると、塑性変形させないことが有効である。そのため、金属ベース３０４の硬度を高くして降伏応力を超えないようにすることが効果的である。
【００９８】
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。また、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とする。上記温度サイクルで金属ベース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。
【００９９】
３ｍｍの金属ベース３０４に絶縁基板３３４を接合した状態での弾性応力を解析した。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。
【０１００】
（金属ベース材質について）
図１６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１６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。
【０１０１】
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。従来の金属ベースは、通常、圧延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。したがって、素材そのもので評価する限りでは、ラチェット変形を防止できる。しかし、金属ベース３０４の放熱ピン３０５は、従来、金属ベース３０４の裏面にロウ付けで固着されて突設されている。放熱ピン３０５を金属ベース３０４にロウ付けする際、６００〜７００℃程度に加熱する必要がある。純度の高い無酸素銅ないしタフピッチ銅を使用すると、金属ベース３０５が焼きなまされ、硬度がビッカース硬度４０前後に下がってしまう。
【０１０２】
特開２００７−２９５７６５号公報には、上記のラチェット変形を防止するため、高温時に硬度が低下し難い銅合金を金属ベースの材料として使用することが提案されている。具体的には、スズ、コバルト、亜鉛、ニッケル、りんなどの元素が合計１％程度添加されている銅材について記載されている。この銅材の熱伝導率は３００Ｗ／ｍ℃以下であり、純度の高い無酸素銅ないしタフピッチ銅の熱伝導率よりも低くく、そのため、冷却能力が低下してしまう。また、放熱ピンを金属ベースにロウ付けする構造では、放熱ピンと金属ベースの間に挟まれるロウ材の熱伝導率が小さく、ロウ材層の熱抵抗が大きくなることが問題となる。
【０１０３】
したがって、本実施形態のようにパワーモジュール３００を直接水冷する構造においては、−４０〜１２５℃の温度サイクルでも金属ベース３０４がラチェット変形を発生させることなく、同時に、金属ベース３０４や放熱ピン３０５による冷却性能の向上を達成することが課題である。
【０１０４】
そこで、本発明者等は、ビッカース硬度６０以上を確保しつつ、無酸素銅などの純度の高い銅材で金属ベース３０４と放熱ピン３０５を形成するのに最適な製造方法を鋭意研究し、以下のような知見を得た。すなわち、放熱ピン３０５を鍛造により金属ベース３０４に一体成型すれば、鍛造時の加工硬化によりビッカース硬度が６０を超えることを見出した。
【０１０５】
図１７に示すように、金属ベース３０４と放熱ピン３０５は、鍛造による加工硬化により、切断断面に鍛流線９００の現れる金属材料に変質する。この現象は、放熱ピン鍛造型で素材を鍛造する際、金属結晶の流動により発生するものである。ビッカース硬度６０は、図１６に示すグラフによれば、降伏応力としては８０ＭＰａに相当して、−４０〜１２５℃の使用環境における温度サイクルに十分耐え得ることが分る。また、金属ベース３０４と放熱ピン３０５は同一材料で一体成型されるので、ロウ付け接合部が介在することがなく、熱伝導率の低下を招来しない。すなわち、従来よりも熱伝導率を向上させて放熱特性の向上が期待できる。
【０１０６】
（金属ベースの厚さ）
ラチェット変形を防止するためには、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こともできる。しかしながら、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３５３の温度サイクル寿命を示す図１８から分かるように、絶縁基板３３４と金属ベース３０４を接合する半田３５３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１８に示す相関特性によれば、板厚は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。
【０１０７】
このように半田３５３の温度サイクルに基づいて板厚を３ｍｍとした場合、冷却水流路内の水圧による金属ベース３０４の変形量を許容値以内に抑え、かつ、ビッカース硬度６０を満足できるか否かについて、以下、図３０（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。
【０１０８】
図３０（ａ）は横軸に金属ベース３０４の面積を、縦軸に板厚をとったグラフである。図３０（ｂ）は横軸に面積を、縦軸にビッカース硬度をとり、板厚３ｍｍ、５ｍｍをパラメータとして描いたグラフである。なお、横軸の面積は、冷却水流路の開口を閉鎖するに必要な金属ベース３０４の面積である。面積が大きいほど、また、冷却水流路の圧力が高いほど、金属ベース３０４の応力が大きくなる。ここでは、水圧０．２ＭＰａとし、金属ベース３０４の許容変形量を０．５ｍｍとして計算した。
【０１０９】
図３０（ａ）から、板厚３ｍｍで水圧０．２ＭＰａに耐える面積を求めると、概ね２００００ｍｍ２である。図３０（ｂ）の板厚３ｍｍの線図によれば、面積２００００ｍｍ２におけるビッカース硬度は６０以上であることが分かる。
以上より、半田３５３の熱疲労条件から決定した板厚３ｍｍの金属ベース３０４を使用する場合、鍛造後の金属ベース３０４のビッカース硬度が６０以上を満足すれば、水圧０．２ＭＰａによる金属ベース３０４の変形量を０．５ｍｍ以内に抑えることができ、水漏れ性能も十分であることがわかる。
【０１１０】
（放熱ピンの寸法形状について）
放熱ピン３０５の形状寸法は、冷却水流路１９内に流通する冷却水の圧力損失を所定値以内に抑えつつ冷却性能を確保するように決定する。冷却性能は、ピン高さ（ピン長さ）が大きいほど、また直径が小さいほど向上する。銅材料を使用して鍛造で多数の放熱ピンを金属ベースの裏面から、効率よく成型するための高さ:直径の比率は、１：４が限界である。そこで、本実施の形態では、直径が約２ｍｍで高さが約８ｍｍの円柱形状の放熱ピン３０５とした。なお、ロウ付けで金属ベース３０４の一方の面に放熱ピンを突設する従来のピン形状も、直径（２ｍｍ）：高さ（８ｍｍ）＝１：４の比率でもあり、冷却性能を十分に満足する寸法である。
【０１１１】
図３１（ａ）、（ｂ）を参照して、直径２ｍｍ、高さ８ｍｍのピンフィンによる冷却性能が十分に満足する寸法であることを説明する。図３１（ａ）は、横軸にピン高さを、縦軸に等価熱伝達率をとり、ピン直径を２ｍｍとした場合のグラフである。グラフ３１ａは、圧力損失を許容上限値に設定した場合、グラフ３１ｂは、ピン間間隙を許容下限値に設定した場合のグラフである。圧力損失の許容上限値は、冷却系のポンプ容量、流路断面積などに依存して決定される。ピン間間隙の許容下限値は、ピンフィンを千鳥状に配置した場合に、冷却水流路に流入することが予想される最大寸法のゴミがピン間に詰まらないような値であり、かつ、圧損が許容値以下となるような値として決定される。ピン間間隙は、千鳥状に配置したピンフィンの冷却水の流れ方向に対して直交する方向の間隙、および流れ方向に対して斜め方向の間隙である。
【０１１２】
図３１（ａ）のグラフ３１ａ、３１ｂの交点をＫ３１とするとき、交点Ｋ３１よりも左側のグラフ３１ａより上の領域は、圧力損失が許容上限値を超えている。交点Ｋ３１よりも右側のグラフ３１ｂより上の領域は、ピン間隙間が許容下限値を越えており圧力損失が許容上限値を超えている。したがって、グラフ３１ａと３１ｂの交点Ｋ３１におけるピン高さ、すなわち８ｍｍとすれば等価熱伝達率が最も高くなることが分かる。
【０１１３】
ピン高さを８ｍｍとしたとき、ピン直径を２ｍｍとするのが最適である。図３１（ｂ）を参照して検討する。図３１（ｂ）は、横軸にピン直径を、縦軸に等価熱伝達率をとり、ピン高さ７ｍｍ、８ｍｍをパラメータとして描いたグラフである。ピン高さ８ｍｍのグラフ３１ｃでは、ピン直径２ｍｍにおいて等価熱伝達率がほぼピーク値を示す。したがって、直径２ｍｍ、高さ８ｍｍに設定したピンフィンは熱伝導効率の観点から理想的な値（最適値）であることが分かる。
【０１１４】
温度サイクルにより金属ベース３０４が膨張、収縮して絶縁基板３３４が変形する場合には、回路配線パターン３５１とバッテリ１３６を電気的に接続する直流正極端子３１４や直流負極端子３１６との間の接合部に亀裂あるいは破断の発生するおそれがある。しかしながら、本実施形態に係るパワーモジュール３００では、図５、図８、図９に示すように、直流正極端子３１４と直流負極端子３１６が絶縁基板３３４や金属ベース３０４に対面する平面状の積層状態に構成されている。このため、これら端子３１４、３１６の回路配線パターン３５１との接合部に当接させる端部電極は、温度サイクルにより変形する絶縁基板３３４や金属ベース３０４に追従することができる。この結果、これら端子３１４、３１６を薄くするなどして剛性を小さく設定することにより、その接合面の垂直方向に加わる応力が緩和され、接合面の亀裂や破断が発生するのをより確実に防止することができる。
【０１１５】
本実施形態のコンデンサモジュール５００の詳細構造について、図１９乃至図２１を参照しながら以下説明する。図１９は本実施形態に関するコンデンサモジュールの外観構成を示す斜視図である。図２０は、図１９に示すコンデンサモジュール５００の内部が分かるように、樹脂などの充填材５２２を充填する前の状態を示す斜視図である。図２１はさらにコンデンサモジュール５００の詳細構造である積層導体にコンデンサセル５１４を固定した構造を示す図である。
【０１１６】
図１９乃至図２１において、５００はコンデンサモジュール、５０２はコンデンサケース、５０４は負極側コンデンサ端子、５０６は正極側コンデンサ端子、５１０は直流（バッテリ）負極側接続端子部、５１２は直流（バッテリ）正極側接続端子部、５３２は補機用正極端子、５３４は補機用負極端子、５１４はコンデンサセル、をそれぞれ表す。
【０１１７】
図１９および図２１に示されるように、負極導体板５０５と正極導体板５０７とからなる積層導体板が複数組、本実施形態では４組、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に対して電気的に並列に接続されている。負極導体板５０５と正極導体板５０７には、複数個のコンデンサセル５１４の正極と負極がそれぞれ並列接続されるための端子５１６と端子５１８が複数個設けられている。
【０１１８】
図２１に示されるように、コンデンサモジュール５００の蓄電部の単位構造体であるコンデンサセル５１４は、片面にアルミなどの金属を蒸着したフィルムを２枚積層し巻回して、２枚の金属フィルムの各々を正極、負極としたフィルムコンデンサ５１５で構成する。正極、負極の電極は、巻回した軸面がそれぞれ、正極、負極電極となり、スズなどの導電体５０８を吹き付けて製造される。
【０１１９】
また、図２１に示されるように、負極導体板５０５と正極導体板５０７は、薄板状の幅広導体で構成し、絶縁紙５１７を介して積層した積層構造を採用し、寄生インダクタンスを低減する。積層導体の端部には、コンデンサセルの電極５０８と接続するための端子５１６、５１８が設けられている。端子５１６、５１８は、２個のコンデンサセル５１４の電極５０８と、半田あるいは溶接により電気的に接続される。半田装置による半田付け作業もしくは溶接機による溶接作業が行いやすくなるように、また、コンデンサセルの検査がしやすくなるように、すなわち、端子５１６、５１８と接続される電極面がセルの外側になるように、コンデンサセルを配置するとともに、導体板の構造を設計して、１つのコンデンサセル群を構成している。このようなコンデンサセル群を用いることにより、コンデンサセル群の数を増減することにより、要求されるコンデンサ容量に対応することができる。その結果、多種多様のコンデンサモジュールに共通のコンデンサセルを使用することができ、量産に適したコンデンサモジュールとすることが可能となる。寄生インダクタンスを低減するため、また、放熱のためにも、端子５１６、５１８をそれぞれ複数設けるのが好ましい。
【０１２０】
薄板状の幅広導体である負極導体板５０５と正極導体板５０７の一方の端部には、積層導体板７００と接続するための負極側コンデンサ端子５０４、正極側コンデンサ端子５０６が設けられている。負極導体５０５と正極導体５０７の他方の端部には、バッテリ電力を受電する端子に接続する直流負極側接続端子５１０、直流正極側接続端子５１２が設けられている。
【０１２１】
図２０に示すコンデンサモジュール５００は、２個のコンデンサセルを１単位とするコンデンサセル群を４列縦に配置して合計８個のコンデンサセル５１４で構成している。コンデンサモジュール５００の外部との接続端子として、積層導体板７００と接続する４対の正負コンデンサ端子５０４、５０６と、バッテリ電力を受電する直流正負極側接続端子５１０および５１２と、補機用インバータのパワーモジュールに給電する補機用正負極端子５３２および５３４とが用いられている。正負コンデンサ端子５０４，５０６には開口部５０９，５１１が形成され、パワーモジュール３００の直流正負極端子３１６，３１４がボルト固定できるように、開口部５０９，５１１の裏側にナットが溶接されている。
【０１２２】
コンデンサケース５０２は、端子カバー５２０を備え、端子の位置を決めるとともに、電力変換装置の筐体との絶縁をとる。また、コンデンサケース５０２は、セル群の位置決めのための、仕切りがセル群とセル群の間に設ける。コンデンサケース５０２の材料としは、熱伝導性に優れた材料を用い、コンデンサセル群とコンデンサセル群の間の仕切りに放熱用の熱伝導性のよい材料を埋め込んでもよい。
【０１２３】
コンデンサモジュール５００では、コンデンサセル内部のフィルム上に蒸着された金属薄膜、内部導体（端子）の電気抵抗により、スイッチング時にリップル電流が流れると発熱する。コンデンサセルの耐湿のため、コンデンサセル、内部導体（端子）は、コンデンサケース５０２に樹脂で含浸（モールド）する。このため、コンデンサセルや内部導体は、樹脂を介してコンデンサケース５０２と密着した状態となり、コンデンサセルの発熱がケースに伝わりやすい構造になる。さらに本構造では、負極導体板５０５、正極導体板５０７とコンデンサセルの５０８と端子５１６、５１８を直接接続するため、コンデンサセルの発熱が負極、正極導体に直接伝わり、幅広導体によりモールド樹脂へ熱が伝わりやすい構造となる。このため、図７のように、コンデンサケース５０２から下部ケース１６、下部ケース１６から筐体１２さらに冷却水流路１９へ熱が良好に伝わり、放熱性を確保できる。
【０１２４】
図２０に示すように、本実施形態では、負極導体板５０５および正極導体板５０７の積層構造を４列縦に独立して配置してコンデンサモジュールを構成している。これら４列の負極導体５０５および正極導体５０７を一体の幅広導体板として、全てのコンデンサセル５１４をこの幅広導体板に接続する構成としてもよい。これにより、部品点数を削減することができ、生産性を向上させることができるとともに、全てのコンデンサセル５１４の静電容量を略均等に使用することができ、コンデンサモジュール５００全体の部品寿命を伸ばすことができる。さらに、幅広導体板を使用することで、寄生インダクタンスを低減することができる。 
【０１２５】
図２２(ａ)は、本実施形態に係る電力変換装置２００において、コンデンサモジュール５００、積層導体板７００、および２つのパワーモジュール３００のみを抜き出した斜視図である。図２２(ｂ)は、積層導体板７００の分解斜視図である。
【０１２６】
図２２(ａ)に示されるように、２つのパワーモジュール３００は、各々の交流端子１５９を一側にそろえて、並設される。これら交流端子１５９と反対側に、２つのパワーモジュール３００とコンデンサモジュール５００との電気的な接続部が設けられている。この２つのパワーモジュール３００とコンデンサモジュール５００との電気的な接続は、平板上の積層導体板７００によって行われる。
【０１２７】
下部ケース１６上に固定されたコンデンサケース５０２内には、多数のコンデンサセル５１４（不図示）が収納され、コンデンサモジュール５００の正極側コンデンサ端子５０４および負極側コンデンサ端子５０６は、コンデンサケース５０２の一方の長辺に沿って配列されている。正極側コンデンサ端子５０４および負極側コンデンサ端子５０６の上端部の正極接続部および負極接続部５０４ｃ，５０６ｂは、コンデンサセル５１４の上面より突き出た位置に配置されている。
【０１２８】
パワーモジュール３００と接続される積層導体板７００は、２つのパワーモジュール３００を覆うように配置される。そして、正極側コンデンサ端子５０４および負極側コンデンサ端子５０６は、コンデンサケース５０２の開口面から立ち上がった構造のＬ字構造を形成しており、このＬ字構造の正極側コンデンサ端子５０４および負極側コンデンサ端子５０６の上端部の正極接続部５０６ｂおよび負極接続部５０４ｃが、電力変換装置２００の組み立て時において、積層導体板７００に直接に当接してボルトで接続されることとなる。
【０１２９】
図２２(ｂ)に示されるように、この積層導体板７００は、平板状の正極側導体板７０２および負極側導体板７０４と、これら正極側導体板７０２と負極側導体板７０４に挟まれる絶縁シート７０６により構成されている。すなわち積層導体板７００は積層構造として形成されているので、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。
【０１３０】
図２２(ａ)および図８(ｂ)に示すように、複数の上アーム制御端子３２０Ｕは、パワーモジュール３００のＡ辺側（図８（ｂ）参照）の中央部付近に寄せて配置される。すなわち、Ｕ相制御ピンをＶ相制御ピンに寄せ、Ｗ相制御ピンをＶ相制御ピンに寄せ、パワーモジュール３００のＡ辺側の中央部付近に一列に上アーム制御端子３２０Ｕが配置されている。そして、積層導体板７００は、この複数の上アーム制御端子３２０Ｕを貫通するための透孔７０５を有し、この透孔７０５の両脇においても、正極側導体板７０２と負極側導体板７０４とが積層されている。これらの構成により、負極側導体板７０４と正極側導体板７０２との積層面積を広げることができ、さらにパワーモジュール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。
【０１３１】
図８(ｂ)に示すパワーモジュール３００のＡ辺側の中央部付近、すなわち上アーム制御端子３２０Ｕ付近にボス３２１を配置する。このボス３２１に、ドライバ回路１７４が実装された駆動回路基板２２を固定するとともに、上アーム制御端子３２０Ｕを駆動回路基板２２に形成された孔に貫通させる。その後、駆動回路基板２２上の端子とアーム制御端子３２０Ｕとを溶接等により接合させる。このような構成により、上アーム制御端子３２０Ｕと駆動回路基板２２上の端子との接合部が、ボス３２１に対して近い距離となるので、車両走行時における耐振動が向上する。
【０１３２】
駆動回路基板２２は積層導体板７００の上方に配置される。そこで、図２２(ｂ)に示すように、積層導体板７００は、駆動回路基板２２側に負極側導体板７０４を備え、一方、パワーモジュール３００側に正極側導体板７０２を備える。これにより、高電圧となる正極導体板７０２と駆動回路基板２２との間には、低電圧の負極導体板７０４および絶縁シート７０６が存在し、駆動回路基板２２が高電圧に触れることを防止させることができる。
【０１３３】
図２２(ｂ)に示すように、正極側導体板７０２は、２つのパワーモジュール３００の上方にまたがって配置され、さらに２つのパワーモジュール３００とコンデンサモジュール５００とを結線する。同様に、負極導体板７０４は、２つのパワーモジュール３００の上方にまたがって配置され、さらに２つのパワーモジュール３００とコンデンサモジュール５００とを結線する。これにより、積層導体板７００が幅広になるので、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を低減させることができる。また、１つのパワーモジュールに対して、コンデンサモジュール５００の接続箇所が４組存在するため、寄生インダクタンスを低減できる。また、２つのパワーモジュール３００からコンデンサモジュール５００への接続導体を２つのパワーモジュール３００間で共有化することによって、電力変換装置２００全体の部品点数を少なくすることができ、生産性を向上させることができる。
【０１３４】
図８に示すように、パワーモジュール３００は、正極側接続部３１４ａと負極側接続部３１６ａを一組として、パワーモジュール３００の一辺側に一組の接続部３１４ａ、３１６ａが配置され、その反対側の辺に他の一組の接続部３１４ａ、３１６ａが配置される。積層導体板７００は、これら二組の接続部３１４ａ、３１６ａの上方にまたがって配置され、さらに各接続部３１４ａ、３１６ａとボルトにより接続される。これにより、コンデンサモジュール５００から供給される直流電流が、一組の接続部３１４ａ、３１６ａ側に集中することが無くなるため、すなわち、二組の接続部３１４ａ、３１６ａに直流電流が分散されることになるため、パワーモジュール３００からコンデンサモジュール５００までのインダクタンスを低減させることができる。
【０１３５】
前述したように、コンデンサモジュール５００には、複数のコンデンサセル５１４が内蔵されている。本実施形態においては、２つのコンデンサセル５１４でコンデンサセル群を構成し、このコンデンサセル群を４組設けている。さらに各組に対応した幅広導体(正極導体板５０７および負極導体板５０５)を備えている。図２０に示されるように、負極側コンデンサ端子５０４および正極側コンデンサ端子５０６は、それぞれの幅広導体に一つずつ接続される。本実施形態においては、これらすべての負極コンデンサ端子５０４および正極コンデンサ端子５０６を、一組の積層導体板７００に電気的に接続させる。これにより、２つのパワーモジュール３００に対して、全てのコンデンサセル５１４が電気的に接続される関係となり、全てのコンデンサセル５１４の静電容量を略均等に使用することができ、コンデンサモジュール５００全体の部品寿命を伸ばすことができる。また、この一組の積層導体板７００を用いることにより、コンデンサモジュール５００内部を、２つのコンデンサセル５１４で構成されるコンデンサセル群ごとに分割させて構成させることができ、モータ１９２の電流容量に合わせて、コンデンサセル群を構成するコンデンサセル５１４の単位数を容易に変更させることができる。
【０１３６】
積層導体板７００を構成する正極側導体板７０２と負極側導体板７０４は、寄生インダクタンスを小さくするために、それらの隙間距離をできるだけ小さくすることが望ましい。例えば、積層導体板７００に、パワーモジュール３００とコンデンサモジュール５００を結線するための曲げ構造部が存在する場合には、その曲げ構造部には、平板部よりも大きい隙間距離が生じてしまい、寄生インダクタンスが大きくなってしまう。
【０１３７】
そこで、本実施形態に係るパワーモジュール３００の正極側接続部３１４a、負極側接続部３１６a、およびコンデンサモジュール５００の正極側接続部５０４ｃ、負極側接続部５０６ｂは、略同一平面上に配置されるように構成する。これにより、平板状の積層導体板７００を用いることができるため、正極側導体板７０２と負極側導体板７０４の隙間距離を小さくして、寄生インダクタンスを低減させることができる。 
【０１３８】
図２３(ａ)は、図２２に示すパワーモジュール３００と積層導体板７００の接続箇所３８０（図２２(ａ)参照）の拡大図を示している。
【０１３９】
図２３(ａ)に示されるように、負極側接続部３１６ａおよび正極側接続部３１４ａは、直流正極端子３１４および直流負極端子３１６の端部を反対方向に屈曲させて構成され、これら負極側接続部３１６ａおよび正極側接続部３１４ａに対して、積層した積層導体板７００の負極導体板７０４、正極導体板７０２をそれぞれ接続する。これにより、ＩＧＢＴ３２８、３３０のスイッチング時に瞬時に流れる負極側の電流は、図２３（ａ）に示す電流経路３８２のようになるため、負極導体板の接続部７０４ａと負極側接続部３１６ａとの間でＵターン電流が形成される。したがって、負極側導体板７０４の接続部７０４ａの周りに発生する磁束と負極側接続部３１６ａの周りに発生する磁束が打ち消し合うので、インダクタンスの低減を図ることができる。
【０１４０】
一方、正極導体板の接続部７０２ａの電流は、図２３（ａ）に示されるような電流経路３８４を通る。この正極導体板の接続部７０２ａの上方には負極導体板７０４が配置されているため、正極導体板の接続部７０２ａの電流方向と、負極導体板７０４の電流方向とが逆方向となり、それぞれの電流によって生じる磁束が打ち消しあうことになる。その結果、正極導体板の接続部７０２ａの寄生インダクタンスを低減することができる。
【０１４１】
また、図２３(ａ)に示されるように、絶縁紙３１８と絶縁シート７０６は、上下方向に重なる領域を有するようにそれぞれ配置される。さらに、ボルト等により積層導体板７００を負極側接続部３１６ａおよび正極側接続部３１４ａに固定した場合に、絶縁紙３１８と絶縁シート７０６は、積層導体板７００と正極側接続部３１４ａによって挟まれることがない領域、つまり圧縮応力が加わらない領域を有するように配置される。これにより、接続部における正極と負極間との絶縁、具体的には正極側接続部３１４ａと負極導体板７０４との絶縁を確保することができる。
【０１４２】
図２３(ｂ)は、積層導体板７００の接続箇所３９０の拡大図(図２２(ａ)参照)を示す。
図２３(ｂ)に示されるように、コンデンサモジュール５００の正極側接続部５０６ｂおよび負極側接続部５０４ｃは、それぞれ反対方向に屈曲させて構成され、それぞれの上面に積層導体板７００の正極導体板７０２および負極導体板７０４をそれぞれ接続する。これにより、ＩＧＢＴ３２８、３３０のスイッチング時に瞬時に流れる負極側の電流は、図２３(ｂ)に示す電流経路３９２のようになるため、負極導体板７０４の接続部７０４ｃとコンデンサモジュール５００の負極側接続部５０４ｃとの間でＵターン電流が形成される。したがって、負極導体板７０４の接続部７０４ａの周りに発生する磁束と負極側接続部５０４ｃの周りに発生する磁束が打ち消し合うので、インダクタンスの低減を図ることができる。
【０１４３】
同様に、ＩＧＢＴ３２８、３３０のスイッチング時に瞬時に流れる正極側の電流は、図２１(ｂ)に示されるような電流経路３９４を通る。すなわち、正極導体板の接続部７０２ｂとコンデンサモジュール５００の正極側接続部５０６ｂとの間でＵターン電流が形成される。したがって、正極側導体板７０２の接続部７０２ｂの周りに発生する磁束と正極側接続部５０６ｂの周りに発生する磁束が打ち消し合うので、インダクタンスの低減を図ることができる。
【０１４４】
また、図２３(ｂ)に示されるように、絶縁シート５１７と絶縁シート７０６は、上下方向に重なる領域を有するようにそれぞれ配置される。さらに、ボルト等により積層導体板７００をコンデンサモジュール５００の正極側接続部５０６ｂおよび負極側接続部５０４ｃに固定した場合に、絶縁シート５１７と絶縁シート７０６は、積層導体板７００と正極側接続部５０６ｂによって挟まれることがない領域、つまり圧縮応力が加わらない領域を有するように配置される。これにより、接続部における正極と負極間との絶縁、具体的には正極側接続部５０６ｂと負極導体板７０４との絶縁を確保することができる。
【０１４５】
以上説明した実施の形態による電力変換装置によれば、次のような作用効果を奏することができる。
（１）放熱ピン３０５を金属ベース３０４と一体で鍛造により製作するようにした。その結果、放熱ピン数が多い場合、ロウ付けにより放熱ピン３０５を金属ベース３０４に固着するよりも、工数を低減してコストを低減することができる。
（２）放熱ピン３０５を千鳥状に配列すれば、冷却水流路１９内を流れる冷却水が効率よく接触し、金属ベース３０４を効果的に冷却することができる。放熱ピン群３０５Ｇの形成領域を小さくすることができ、パワーモジュール３００をコンパクトにすることができる。
【０１４６】
（３）複数の放熱ピン３０５をひとかたまりとせず、複数の放熱ピン３０５で構成される放熱ピン群３０５Ｇを一対設けるようにした。大面積に複数の放熱ピン３０５を一括して形成する場合に比べて、鍛造時のプレス圧力を小さくすることができ、小型のプレス機を使用して製造コストをより低減することができる。
（４）鍛造後のビッカース硬度が６０以上となる銅材を使用することにより、温度サイクルによって生ずるラチェット変形を抑制し、冷却ジャケット１９Ａの取付け面４１０Ｓとの間のシール性を向上させることができる。ラチェット変形を抑制することにより、絶縁基板３３４自体の破損や端子３１４、３１６との接合部の破損を防止できる。また、冷却水流路１９のシール性が損なわれることがない。
【０１４７】
（５）以上の作用効果を奏する電力変換装置２００にあっては、インバータ回路１４４を高密度にして高出力化を図りつつ、パワーモジュール３００をコンパクトに、かつ低コストで構築することができる。また、パワーモジュール３００，ひいては電力変換装置の寿命の延長と信頼性の向上を図ることができる。
【０１４８】
以上の第１実施形態をさらに具体的に説明する。
ＨＥＶ１１０に車載するパワーモジュール３００の絶縁基板３３４の冷却用金属ベース３０４としては、銅以外の不純物元素の混入率が０．３重量％未満の高純度の無酸素銅ないしタフピッチ銅を採用して、放熱ピン３０５を鍛造により一体成型する。この金属ベース３０４の板厚としては、３ｍｍ以上４ｍｍ以下に設定する一方、放熱ピン３０５としては、７ｍｍ以上８ｍｍ以下の高さで１．７５ｍｍ以上３ｍｍ以内の径を有する断面円形の柱状ピン形状の寸法形状に成型する。このように作製した金属ベース３０４と放熱ピン３０５は、ビッカース硬度６０以上でラチェット変形の生じない寸法形状にすることができるとともに、熱伝導率３００Ｗ／ｍ℃以上を確保して、優れた冷却能力を発揮することができる。このため、パワーモジュール３００に実装されるパワースイッチング素子のＩＧＢＴ３２８として、１２．５ｍｍ×１４ｍｍという大型のチップサイズを選択することができ、インバータ回路１４４を高密度化しつつ所定の冷却性能を担保することができる。
なお、ＩＧＢＴ３２８の大きさは１２．５ｍｍ×１４ｍｍに限定されるものではない。
【０１４９】
（第２実施形態）
図２４は本発明に係る車両用電力変換装置の第２実施形態を示す図である。第２実施形態は第１実施形態と略同様に構成されている。同様の構成要素には同一の符号を付して特徴部分を説明する。
【０１５０】
金属ベース３０４と放熱ピン３０５を鍛造により作製する場合、鍛造型と金属素材との滑りを良くするためにカーボン粉を使用する。そのため、金属ベースの表面が荒れて、表面粗さが低下することがある。また、鍛造後の加工精度により金属ベースに反りやうねり（以下、平坦度と呼ぶ）が生じる。
【０１５１】
そこで、第２実施形態では、表面粗さと平坦度を改善する目的で、金属ベース３０４の裏面に設けた放熱ピン群３０５Ｇの周囲領域９０２をフライス加工することにより、その領域の表面粗さを改善する。放熱ピン群３０５Ｇの周囲領域９０２は、冷却ジャケット１９Ａの取付け面４１０Ｓに当接され、冷却水流路１９の開口４００、４０２をＯリング８００によりシールする面である。したがって、領域９０２の表面粗さが粗い場合には、金属ベース３０４による開口の水密性が低下するおそれがある。上記フライス加工により金属ベース３０４の領域９０２の表面粗さが改善され、鍛造法により放熱フィンを金属ベースと一体に成型しても、金属ベース３０４による開口４００，４０２の水密性に影響を与えることがない。
なお、周囲領域９０２をフライス加工としたが、少なくともＯリング８００との接触面をフライス加工すればよい。
【０１５２】
金属ベース３０４に絶縁基板３３４を接合する接合半田３５３は、金属ベース３０４の素子実装面９０４の平面方向に一定の厚さに溶融塗布するのが好ましい。半田３５３を溶融塗布することにより、半田内でボイド（空孔）の発生を抑制するためである。半田３５３を溶融塗布するため、素子実装面９０４の表面粗さが小さいほど、半田３５３による絶縁基板３３４の接合性がよい。そのため、放熱ピン３０５の形成面側の領域９０２だけでなく、素子実装面９０４もフライス加工し、その表面粗さを改善するのが好ましい。カーボンにより荒された素子実装面９０４の表面粗さが小さくなると、溶融塗布された半田により絶縁基板３３４が金属ベース３０４に固く結合され、パワーモジュールの信頼性が向上する。
【０１５３】
このように第２実施形態によれば、上述第１実施形態による作用効果に加えて次のような作用効果を奏することができる。
（１）金属ベース３０４の取り付面領域９０２をフライス加工して表面粗さや平坦度を改善している。したがって、Ｏリング８００による金属ベース３０４に対するシール性能が向上し、冷却水流路１９からの冷却水の漏れを信頼性高く防止することができる。
（２）金属ベース３０４の素子実装面９０４をフライス加工して表面粗さや平坦度を改善している。したがって、絶縁基板３３４に金属ベース３０４を接合する接合半田３５３の溶融塗布性が向上し、絶縁基板３３４の接合寿命が延び、パワーモジュールの信頼性と寿命を向上できる。
【０１５４】
（第３実施形態）
図２５は本発明に係る車両用電力変換装置の第３実施形態を示す図である。第３実施形態では、金属ベース３０４と放熱ピン３０５を金属粉末射出成型法（Metal Injection Molding）により一体成型する。金属粉末射出成型法では、金属粉末を樹脂バインダと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。第３実施形態の金属ベース３０４は、高純度の銅粉末を樹脂バインダと共に型内に射出成型して焼成する。図２５に示すように、樹脂バインダを焼成して生成されるカーボン９０１が金属ベース３０４内に残留する。放熱ピン３０５は図示を省略している。
【０１５５】
通常の鋳造により成型した場合には、加工硬化による硬度の向上は望めないが、金属粉末射出成型法を採用した場合には、残留カーボン９０１の働きにより金属ベース３０４の硬度が高くなり、プレス等の後に加工を施さなくてもビッカース硬度６０以上を得ることができる。
【０１５６】
金属粉末射出成型法により製作した金属ベース３０４は、鍛造よりも寸法精度を高くできるため、上述第２実施形態のような機械加工を施さなくても、加工表面を高精度な面精度で作製することができる。
【０１５７】
第３の本実施形態においては、上述第１実施形態による作用効果に加えて次の作用効果を奏する。
（１）金属ベース３０４と放熱ピン３０５を金属粉末射出成型法により作製したので、Ｏリング８００との接触面や接合半田３５３との接合面を、そのまま高精度に平坦な面に形成することができる。そのため、フライス加工することなく、金属ベース３０４によるシール性と、接合半田による絶縁基板３３４の接合性を向上することができ、製造コストを低減することができる。
【０１５８】
以上説明した実施形態による金属ベース３０４と放熱フィン３０５を次のように変形してもよい。
（１）上記実施形態では、図１３に示すように、放熱ピン３０５を千鳥状に配列したが、図２６に示すように、放熱ピン３０５を格子状に整列配列しても良い。冷却水流路１９の冷却水の流れる方向に放熱ピン３０５が並列されていることから、流通抵抗を千鳥状に配列するよりも小さくして放熱ピン３０５に冷却水を接触させることができる。この結果、冷却水の循環効率を高めて冷却能力を向上させることができる。
【０１５９】
（２）図２７に示すように、断面が楕円形となる柱状の放熱ピン３０６を、放熱ピン３０６の断面形状における長径が冷却水流路１９内の冷却水の流れる方向と平行になるように配列することができる。断面楕円の放熱ピン３０６の扁平方向を冷却水の流れ方向に合わせて配列することにより、冷却水の流通抵抗をより小さくできる。また、放熱ピン３０６の冷却水に接触する面積を大きくすることができる。この結果、冷却能力をより向上させることができる。
【０１６０】
（３）図２８に示すように、放熱平板３０７を、冷却水流路１９の冷却水の流れる方向と平行になるように並列してもよい。放熱ピン３０５、３０６を千鳥状あるいは格子状に配列する場合よりも、流通抵抗を小さくしつつ冷却水を接触させる面積を大きくすることができる。この結果、冷却水の循環効率を高めつつ冷却能力をより向上させることができる。なお、放熱ピン３０５と同様に、放熱平板３０７の厚さを２ｍｍ、高さを８ｍｍとすれば、厚さ：高さ＝１：４の比率となり、鍛造により製造することのできる限界比率であり最適な寸法である。
【０１６１】
（４）図１７に示したように、放熱ピン３０５はストレートピンであったが、図２９に示すように、金属ベース３０４から突設方向に先細り形状のテーパピンとしてもよい。テーパピンの付け根部の径は太くなり、放熱ピン３０８の強度を向上させることができる。また、冷却水との接触面積を大きくすることができる。この結果、冷却水の循環速度を上昇させることにより放熱ピン３０８が変形して損傷してしまうことを回避することができ、冷却能力の向上を容易に行い得るようにすることができる。
【０１６２】
本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施することができる。したがって、各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。
【０１６３】
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。
【図面の簡単な説明】
【０１６４】
【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】インバータ装置を含む電気回路構成を説明するための図である。
【図３】本発明の実施形態に係る電力変換装置の全体構成の外観斜視図である。
【図４】本発明の実施形態に係る電力変換装置の全体構成を各構成要素に分解した斜視図である。
【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】電力変換装置の断面図（図６のＡ−Ａ断面基準）である。
【図８】(ａ)は、本実施形態に関するパワーモジュールの上方斜視図であり、(ｂ)は、パワーモジュールの上面図である。
【図９】本実施形態に関するパワーモジュール３００の直流端子の分解斜視図であり、 (ａ)は、パワーモジュールの構成部品である金属ベースおよび３つの上下アーム直列回路のうち１つを抜き出した図である。
【図１０】直流バスバーの構造を分かりやすくするため、パワーモジュールケースを一部透明にした断面図である。
【図１１】(ａ)は、上下アーム直列回路を説明するための図であり、 (ｂ)は、パワーモジュールの電流経路を説明するための図である。
【図１２】パワーモジュールを冷却する金属ベースを裏面から見た斜視図である。
【図１３】金属ベースに一体成型する放熱ピンの配列を示す一部拡大平面図である。
【図１４】パワーモジュールを冷却する積層構造図である。
【図１５】冷却積層構造における課題を説明する概念構造図である。
【図１６】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。
【図１７】鍛造による金属材料内の変化を説明する金属ベースと放熱ピンの一部拡大縦断面図である。
【図１８】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１９】コンデンサモジュールの外観構成を示す斜視図である。
【図２０】樹脂などの充填材５２２を充填する前のコンデンサモジュールの状態を示す斜視図であるである。
【図２１】コンデンサセルの構成を説明するための図である。
【図２２】(ａ)は、本実施形態に係る電力変換装置２００において、コンデンサモジュール、直流側導体板、および２つのパワーモジュール３００のみを抜き出した斜視図であり、(ｂ)は、直流側導体板の分解斜視図である。
【図２３】(ａ)は、図１７に示すパワーモジュールと直流側導体板の接続箇所の拡大図を示し、（ｂ）は、積層導体板７００の接続箇所３９０の拡大図である。
【図２４】本発明に係る車両用電力変換装置の第２実施形態を示す図であり、金属ベースの構造を示す縦断面図である。
【図２５】本発明に係る車両用電力変換装置の第３実施形態を示す図であり、その金属ベース内の構造を示す一部拡大断面図である。
【図２６】放熱ピンを格子状に配列する一例を一部拡大平面図である。
【図２７】断面楕円の放熱ピンの配列を示す一部拡大平面図である。
【図２８】平板型放熱フィンを突設した金属ベースを示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は放熱フィンの延在方向から見た側面図、（ｓ）は放熱フィンの側方から見た側面図である。
【図２９】テーパ形状の放熱ピンを示す一部拡大縦断面図である。
【図３０】（ａ）は横軸に金属ベース３０４の面積を、縦軸に板厚をとったグラフである。（ｂ）は横軸に面積を、縦軸にビッカース硬度をとり、板厚３ｍｍ、５ｍｍをパラメータとして描いたグラフである。
【図３１】（ａ）は、横軸にピン高さを、縦軸に等価熱伝達率をとり、ピン直径を２ｍｍとした場合のグラフである。（ｂ）は、横軸にピン直径を、縦軸に等価熱伝達率をとり、ピン高さ７ｍｍ、８ｍｍをパラメータとして描いたグラフである。
【符号の説明】
【０１６５】
１０：上部ケース                    １１：放熱ベース板
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
１９ａ：往路                        １９ｂ：復路
１９ｃ：連通路                      ２０：制御回路基板
２１：コネクタ                      ２２：駆動回路基板
４３：補機用インバータ装置          １１０：ハイブリッド電気自動車
１１２：前輪                        １２０：エンジン
１３６：バッテリ                    １４０、１４２：インバータ装置
１４４：インバータ回路              １５０：上下アーム直列回路
１５６：上アーム用ダイオード        １５９：交流端子
１６６：下アーム用ダイオード        １８６：交流電力線
１９２、１９４：モータジェネレータ  ２００：車両用電力変換装置
３００：パワーモジュール            ３０２：パワーモジュールケース
３０４：金属ベース                  ３０５、３０６、３０８：放熱ピン
３０７：放熱平板                    ３１４：直流端子
３２８：上アーム用ＩＧＢＴ          ３３０：下アーム用ＩＧＢＴ
３３４：絶縁基板                    ３５０：チップ下半田
３５１：回路配線パターン            ３５２：半田付けパターン
３５３：接合半田                    ４００、４０２：開口
４０４：貫通開口                    ４２０：カバー
５００：コンデンサモジュール        ５０２：コンデンサケース
５０４、５０６：コンデンサ電極端子  ５１０、５１２：接続端子部
５１４：コンデンサセル              ７００：積層導体板
８００、８０２：Ｏリング            ９００：鍛流線
９０１：残留カーボン                ９０２：周囲領域
９０４：接合面
【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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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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