(57)【要約】【課題】  本発明が解決しようとする課題は、パワーモジュール及び電力変換装置の生産性を向上させることである。【解決手段】  上記課題を解決するために、本発明に係るパワーモジュール及び当該パワーモジュールを用いた電力変換装置は、それぞれの主面が対向する２枚のベース板と、前記２枚のベース板の間に配置された半導体回路部と、前記２枚のベース板に接続され、かつ前記半導体回路部を収納するための収納領域を形成する連結部材と、前記ベース板と前記半導体回路部との間に介装され、かつ当該ベース板と当該半導体回路部との電気的絶縁を確保するための絶縁性部材と、を備え、前記連結部材の剛性又は厚さは、前記ベース板の剛性又は厚さより小さいことを特徴とする。【選択図】図６
2010110143.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力変換装置に用いられ、直流電力と交流電力を相互に変換するパワーモジュールであって、  
それぞれの主面が対向する２枚のベース板と、
前記２枚のベース板の間に配置された半導体回路部と、
前記２枚のベース板に接続され、かつ前記半導体回路部を収納するための収納領域を形成する連結部材と、
前記ベース板と前記半導体回路部との間に介装され、かつ当該ベース板と当該半導体回路部との電気的絶縁を確保するための絶縁性部材と、を備え、
前記連結部材の剛性は、前記ベース板の剛性より小さいことを特徴とするパワーモジュール。
【請求項２】
請求項１に記載されたパワーモジュールであって、
前記連結部材の厚さは、前記ベース板の厚さより小さいパワーモジュール。
【請求項３】
電力変換装置に用いられ、直流電力と交流電力を相互に変換するパワーモジュールであって、  
それぞれの主面が対向する２枚のベース板と、
前記２枚のベース板の間に配置された半導体回路部と、
前記２枚のベース板に接続され、かつ前記半導体回路部を収納するための収納領域を形成する連結部材と、
前記ベース板と前記半導体回路部との間に介装され、かつ当該ベース板と当該半導体回路部との電気的絶縁を確保するための絶縁性部材と、を備え、
前記連結部材の厚さは、前記ベース板の厚さより小さいことを特徴とするパワーモジュール。
【請求項４】
請求項１または３に記載された、いずれかのパワーモジュールであって、
前記２枚のベース板は、前記連結部材が弾性変形することにより、前記絶縁性部材を介して前記半導体回路部を挟持するパワーモジュール。
【請求項５】
請求項１または３に記載された、いずれかのパワーモジュールであって、
前記ベース板と前記連結部材は、一体に形成されるパワーモジュール。
【請求項６】
請求項３に記載されたパワーモジュールであって、
前記連結部材の剛性は、前記ベース板の剛性より小さいパワーモジュール。
【請求項７】
請求項１または３に記載された、いずれかのパワーモジュールであって、
前記２枚のベース板は、前記半導体回路部が配置された側の面とは反対側の面にフィンを形成し、かつ当該フィンが形成された面は、冷却媒体と直接接触するパワーモジュール。
【請求項８】
電力変換装置に用いられ、直流電力と交流電力を相互に変換するパワーモジュールであって、  
筒型のケースと、
前記ケース内に形成された収納領域に収納された半導体回路部と、
前記ケースの内壁と当該半導体回路部との電気的絶縁を確保するための絶縁性部材と、を備え、
前記半導体回路部は前記ケースの内壁に挟まれて支持され、
前記絶縁性部材は、前記ケースの内壁と前記半導体回路部の間に介装されるとともに、当該絶縁性部材は、熱処理により、当該半導体回路部と当該ケース内壁との接着力を向上させる材料であるパワーモジュール。
【請求項９】
請求項８に記載されたパワーモジュールであって、
前記ケースは、その外壁にフィンを形成し、かつ当該ケースの外壁は、冷却媒体と直接接触するパワーモジュール。
【請求項１０】
請求項８に記載されたパワーモジュールであって、
前記絶縁性部材は、前記半導体回路部が前記ケース内壁に挟まれた状態で、熱処理されることにより、当該半導体回路部と当該ケース内壁との接着力を向上させるパワーモジュール。
【請求項１１】
請求項８に記載されたパワーモジュールであって、
前記ケースの外壁に、当該ケースとは別体のフィンが接続され、
前記ケース及び前記フィンのそれぞれの接続面は所定以上の表面粗さであるパワーモジュール。
【請求項１２】
請求項１または３または８に記載された、いずれかのパワーモジュールであって、
前記半導体回路部は、半導体素子と、当該半導体素子と電気的に接続された配線部材とを備え、
前記配線部材は前記半導体素子と前記絶縁性部材の間に介装され、かつ当該配線部材の一部は前記収納領域の外側へ延びており、その先端に電極を形成するパワーモジュール。
【請求項１３】
請求項１または３または８に記載された、いずれかのパワーモジュールであって、
前記半導体回路部は、電源の正極側に接続される第１半導体素子部と、前記電源の負極側に接続される第２半導体素子部と、を備え、
前記第１半導体素子部と前記第２半導体素子部との接続部から、複数相の交流電力のいずれか一相の交流電力が出力されるパワーモジュール。
【請求項１４】
請求項１または３または８に記載された、いずれかのパワーモジュールであって、
前記半導体回路部は、
電源の正極側に接続される第１半導体素子部と、前記電源の負極側に接続される第２半導体素子部と、
前記第１半導体素子部と接続されており、かつその一部が前記収納領域の外側へ延びる第１配線部材と、
前記第２半導体素子部と接続されており、かつその一部が前記収納領域の外側へ延びる第２配線部材と、を備え、
前記第１半導体素子部と前記第２半導体素子部との接続部から、複数相の交流電力のいずれか一相の交流電力が出力され、
さらに、前記第１配線部材及び前記第２配線部材は平板状に形成され、かつ少なくとも一部が積層状態となるように配置されるパワーモジュール。
【請求項１５】
請求項１または３または８に記載された、いずれかのパワーモジュールを用いた車両用電力変換装置であって、
前記パワーモジュールを複数備え、当該複数のパワーモジュールによって３相の交流電力を生成し、該３相の交流電力を車両駆動用の電動機に出力する車両用電力変換装置。
【請求項１６】
請求項１または３または８に記載された、いずれかのパワーモジュールを用いた車両用電力変換装置であって、
前記パワーモジュールを複数備え、
内部に冷却媒体を流すための流路を形成する流路形成体を備えた筐体を備え、
前記流路形成体は複数の開口部を備え、当該複数の開口部に、前記複数のパワーモジュールをそれぞれ挿入し、
当該複数のパワーモジュールは、前記絶縁性部材と前記半導体回路部との接触面が前記流路内に流れる前記冷却媒体の流れ方向と略平行になるように、前記流路内に配置される車両用電力変換装置。
【請求項１７】
請求項１または３または８に記載された、いずれかのパワーモジュールを用いた車両用電力変換装置であって、
内部に冷却媒体を流すための流路を形成する流路形成体を備えた筐体を備え、
前記流路形成体は開口部を備え、当該開口部に前記パワーモジュールを挿入し、
前記パワーモジュールは、前記連結部材が前記流路内に流れる前記冷却媒体の流れ方向と対向するように前記流路内に配置され、
前記連結部材の端部は、テーパ形状を為し、又は所定値以上の曲率を有する車両用電力変換装置。
【請求項１８】
請求項１に記載されたパワーモジュールを用いた車両用電力変換装置であって、
前記直流電力を平滑化するためのコンデンサモジュールと、
内部に冷却媒体が流れる流路形成体と、を備え、
前記コンデンサモジュールは、その所定の面が前記２枚のベース板といずれか一方のベース板と対向するように配置され、
前記流路形成体は、前記コンデンサモジュールと前記パワーモジュールとの間に配置され、
前記コンデンサモジュールから延びる配線板は、前記流路形成体を跨いで、前記半導体回路部から延びる配線板と電気的に接続される車両用電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，直流電力と交流電流を相互に変換するパワーモジュール，当該パワーモジュールを備えた電力変換装置、及び当該電力変換装置を備えた電動車両に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の電力変換装置は、パワー半導体を備えたパワーモジュールを有し、このパワー半導体のスイッチング動作により直流電力と交流電流を相互に変換する。パワーモジュールは、さらに放熱用のベース板を備え、パワー半導体は当該ベース板上に配置される。パワー半導体の発生熱は、当該パワー半導体の一方の主面を介して、前述のベース板へ放熱される。また、前述のベース板には、パワー半導体の配置面とは反対側の面にフィンが形成され、当該フィンに冷却媒体が直接接触する。
【０００３】
このような電力変換装置は、例えば特許文献１に示されている。
【０００４】
しかし、更なる冷却性能の向上には、パワー半導体の放熱面積の拡大が求められる。パワー半導体の放熱面積の拡大は、パワーモジュールの構造の複雑化を招き、当該パワーモジュールの生産性の低下を惹き起こし、ひいては電力変換装置のコスト上昇の要因となる。
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２９１１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、パワーモジュール及び電力変換装置の生産性を向上させることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明に係るパワーモジュール及び当該パワーモジュールを用いた電力変換装置は、筒型のケース内に、半導体素子を備えた半導体回路部を収納し、さらに当該半導体回路部は、電気的絶縁を確保するための絶縁性部材を介して、前記ケースの内壁に挟まれて支持される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明により、パワーモジュール及び電力変換装置の生産性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
後述する本発明の実施形態は製品化のために求められる多くのニーズに適用できるように検討されている。上述の「発明が解決しようとする課題」の欄に記載した内容は、ニーズの一つに対応したものであり、他のニーズに関する改良点を次に説明する。
【００１０】
本発明に係るパワーモジュール及び電力変換装置の一つのニーズは、パワーモジュール及び電力変換装置の冷却性能を向上させながら、生産性を向上させることである。
【００１１】
そこで本発明に係るパワーモジュール及びそれを用いた電力変換装置は、それぞれの主面が対向する２枚のベース板と、前記２枚のベース板の間に配置された半導体回路部と、前記２枚のベース板に接続され、かつ前記半導体回路部を収納するための収納領域を形成する連結部材と、前記ベース板と前記半導体回路部との間に介装され、かつ当該ベース板と当該半導体回路部との電気的絶縁を確保するための絶縁性部材と、を備え、前記連結部材の剛性は、前記ベース板の剛性より小さいことを特徴とする。
【００１２】
これにより、半導体回路部の両面を２枚のベース板のそれぞれを介して冷却することができ、放熱面積を大きくすることができる。さらに、連結部材の剛性はベース板の剛性より小さく設定されているため、半導体回路部を挟むように２枚のベース板を加圧することで、容易にパワーモジュールのケースを成形することができるとともに、半導体回路部と絶縁性部材とベース板が接続され、熱の交換が相互に可能な熱伝達経路を容易に形成することができる。
【００１３】
本発明に係るパワーモジュール及び電力変換装置の他のニーズは、パワーモジュール及び電力変換装置の絶縁性を確保しながら、冷却性能を向上させることである。
【００１４】
そこで本発明に係るパワーモジュール及びそれを用いた電力変換装置は、筒型のケースと、前記ケース内に形成された収納領域に収納された半導体回路部と、前記ケースの内壁と当該半導体回路部との電気的絶縁を確保するための絶縁性部材と、を備え、前記半導体回路部は前記ケースの内壁に挟まれて支持され、前記絶縁性部材は、前記ケースの内壁と前記半導体回路部の間に介装されるとともに、当該絶縁性部材は、熱処理により、当該半導体回路部と当該ケース内壁との接着力を向上させる材料であることを特徴とする。
【００１５】
これにより、半導体回路部とケース内壁との絶縁性を確保することができる。さらに、半導体回路部とケース内壁との接着力を向上させて、半導体回路部とケース内壁との間に剥離が発生することを抑制し、半導体回路部からケースまでの熱伝達経路の熱伝導率を低下させないようにしている。
【００１６】
また、本発明の実施形態に係る電力変換装置の具体的な説明の前に、本実施形態に係るパワーモジュール及び電力変換装置の概略を説明する。
【００１７】
本実施形態に係るパワーモジュールは、板状のパワー半導体の両側側面に設けられた両電極に板状の電気配線板を固着し、パワー半導体の両側から電力の流通及び熱エネルギーを放熱可能とし、更に電気配線板の一部とパワー半導体を樹脂で梱包し、樹脂の一部からパワー半導体近傍の両電気配線板の両放熱面を露出させ、この両放熱面と樹脂面が平坦な平面を形成し、形成された両平面に接着性のある絶縁層を形成する。さらに、形成した接着性の絶縁層と接着する２つの平面を持つ「ＣＡＮ」状の放熱ベースにパワー半導体，電気配線板及び樹脂の一部、接着性の両絶縁層が内蔵され、「ＣＡＮ」状の放熱ベースの外側には放熱用のフィン部を形成しパワー半導体の両側からフィン部を介して放熱可能とする。
【００１８】
本実施形態に係る電力変換装置は、電力変換装置のケースにフィン部を収納可能な冷却水路を有し、冷却水路の側面には前述のパワーモジュールが挿入できる挿入口が設けてあり、フ挿入口の周囲にはパワーモジュールに設けたフランジと勘合し冷却媒体の密閉構造が形成される。
【００１９】
また、本実施形態に係る電力変換装置は、挿入口とは反対側の冷却水路の開口部には水路全体を密閉する水路蓋が用意され、パワーモジュールと水路蓋により冷却媒体が流れる冷却ジャケットを構成し、パワーモジュールを冷却水路の中に没水して冷却する。パワーモジュールの電気配線板が突出した領域にパワー半導体を制御し負荷への電力供給を制御する回路が収納され、水冷ジャケットの下方の領域に電力平滑用のコンデンサや入力電圧を昇圧する回路を備えた。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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ＭＧ１  １９２，ＭＧ２  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ＭＧ１  １９２，ＭＧ２  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。
【００２４】
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の両端には一対の前輪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一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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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補機用の変換機４３で交流の電力に変換され、モータ１９５に供給される。補機用の変換機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。このような補機用の変換機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、補機用の変換機４３の最大変換電力はインバータ装置１４０，１４２より小さいが、補機用の変換機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。
【００３０】
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、ハーネスの数を低減できると共に放射ノイズなどを低減しながら小型で信頼性の高い電力変換装置が実現できる。
【００３１】
また、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において効果がある。また、コンデンサモジュール５００とインバータ装置１４０，１４２および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。
【００３２】
次に、図２を用いて電力変換装置２００の回路構成について説明する。図１に示したように、電力変換装置２００は、インバータ装置１４０，１４２と、補機用の変換装置４３と、コンデンサモジュール５００とを備えている。
【００３３】
インバータ装置１４０，１４２は両面冷却型パワーモジュール３００を複数台接続して構成され３相ブリッジ回路を構成している。後述するように、各パワーモジュールは、パワー半導体素子とその接続配線や図７の３０４に示すような開口部を有し、開口面を除いて囲まれた缶状形状の放熱ベース３０４（以下、「ＣＡＮ状放熱ベーン」という）等を備えている。このＣＡＮ状放熱ベース３０４は、対抗した放熱ベースの周囲を覆うように、両放熱ベースと連続して繋ぎ目の無い同一材質で構成した外壁を持ち、外壁の一部に開口部が用意され、開口部にパワー半導体を収納する冷却機である。また、補機用の変換機４３はインバータ装置や昇圧及び降圧回路を構成している。
【００３４】
各インバータ装置１４０，１４２は、制御部に設けられた２つのドライバ回路によって駆動制御される。図２では、２つのドライバ回路を合わせてドライバ回路１７４と表示している。各ドライバ回路は制御回路１７２により制御される。制御回路１７２は、スイッチング用パワー半導体素子のスイッチングタイミングを制御するためのスイッチング信号を生成する。
【００３５】
インバータ装置１４０は３相ブリッジ回路により構成されており、Ｕ相（符号Ｕ１で示す），Ｖ相（符号Ｖ１で示す），Ｗ相（符号Ｗ１で示す）のそれぞれに対して、正極側に接続される正極側半導体スイッチ部と、負極側に接続される負極側半導体スイッチ部とを備えている。正極側半導体スイッチ部と負極側半導体スイッチ部とで上下アーム直列回路構成される。正極側半導体スイッチ部は、スイッチング用パワー半導体素子である上アーム用ＩＧＢＴ３２８（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）とダイオード１５６とを備えている。負極側半導体スイッチ部は、下アーム用ＩＧＢＴ３３０とダイオード１６６とを備えている。各上下アーム直列回路は、直流正極配線板３１４と直流負極配線板３１６との間に、電気的に並列接続されている。
【００３６】
上アーム用ＩＧＢＴ３２８及び下アーム用ＩＧＢＴ３３０は、以下では、ＩＧＢＴ３２８，３３０と記述する。
【００３７】
ＩＧＢＴ３２８，３３０は、ドライバ回路１７４の１つのドライバ回路１７４Ａ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。なお、Ｖ相およびＷ相については、符号３２８，３３０，１５６，１６６の表示を省略した。インバータ装置１４２のパワーモジュール３００は、インバータ装置１４０の場合と同様の構成であり、また、補機用の変換機４３はインバータ装置１４２と同様の構成を有しており、ここでは説明を省略する。
【００３８】
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を用いて例示している。ＩＧＢＴ３２８，３３０は、コレクタ電極，エミッタ電極（信号用エミッタ電極端子），ゲート電極（ゲート電極端子）を備えている。ＩＧＢＴ３２８，３３０のコレクタ電極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。
【００３９】
制御回路１７２は、車両側の制御装置やセンサ（例えば、電流センサ１８０）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。ドライバ回路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駆動信号を生成する。
【００４０】
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、図示していない、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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
また、制御部は、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を保護している。このため、制御部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、対応するドライバ回路１７４に入力されている。これにより、ドライバ回路１７４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を過温度或いは過電圧から保護する。
【００４４】
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を設けたが、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。
【００４５】
各インバータ装置１４０，１４２に設けられた直流端子３１３は、共通の積層導体板７００に接続されている。積層導体板７００は、パワーモジュール配列方向に幅広な導電性板材から成る正極側導体板７０２と負極側導体板７０４とで絶縁シート７０６（不図示）を挟持した、３層構造の積層配線板を構成している。積層導体板７００の正極側導体板７０２および負極側導体板７０４は、コンデンサモジュール５００に設けられた積層配線板５０１の正極導体板５０７および負極導体板５０５にそれぞれ接続されている。正極導体板５０７および負極導体板５０５もパワーモジュール配列方向に幅広な導電性板材から成り、絶縁シート５１７（不図示）を挟持した３層構造の積層配線板を構成している。
【００４６】
コンデンサモジュール５００には複数のコンデンサセル５１４が並列接続されており、コンデンサセル５１４の正極側が正極導体板５０７に接続され、負極側が負極導体板５０５に接続されている。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。
【００４７】
コンデンサモジュール５００の積層配線板５０１は、電力変換装置２００の直流コネクタに接続された入力積層配線板２３０に接続されている。入力積層配線板２３０には、補機用の変換機４３にあるインバータ装置も接続されている。入力積層配線板２３０と積層配線板５０１との間には、ノイズフィルタが設けられている。ノイズフィルタには、筐体１２の接地端子と各直流電力ラインとを接続する２つコンデンサを備えていて、コモンモードノイズ対策用のＹコンデンサを構成している。
【００４８】
図４に示すように１９Ａは冷却水流路が形成された冷却ジャケットであって、冷却水入口配管１３から流入した冷却水は、矢印で示すようにＵ字形状に流れて往復し、冷却水出口配管１４から流出する。インバータ回路１４０，１４２は、冷却水の往復経路上に配置されており、いずれのインバータ回路においても、上アーム側のＩＧＢＴおよびダイオードは冷却水路の往路側に配置され、下アーム側のＩＧＢＴおよびダイオードは冷却水路の復路側に配置されている。
【００４９】
図３〜図６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は水路裏蓋、１６は下部ケース、１７は交流ターミナルケース、１８は交流出力配線、１９は冷却水流路、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。このように制御回路基板２０，制御回路１７２，駆動回路基板２２及びドライバ回路１７４から制御部は構成されている。３００はパワーモジュール（両面電極モジュール）で各インバータに３個設けられており、一方のパワーモジュール３００ではインバータ装置１４２が構成され、他方のパワーモジュール３００ではインバータ装置１４０が構成されている。７００は積層導体板、８００は液体シール、３０４はＣＡＮ状放熱ベース、３１４は直流正極配線板、３１６は直流負極配線板、５００はコンデンサモジュール、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。
【００５０】
図３に、本発明の実施形態に係る電力変換装置２００の外観斜視図を示す。本実施形態に係る電力変換装置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（未記載）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、前記筐体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。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、また製造、特に量産し易い効果がある。
【００５１】
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との接続に用いる交流ターミナルケース１７が設けられている。交流出力配線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、交流出力配線１８を介して、モータジェネレータ１９２，１９４へ伝達される。
【００５２】
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。図２の直流コネクタ１３８に、これら端子部５１０と５１２がある。
【００５３】
図４は、本発明の実施形態に係る電力変換装置の断面図である。
【００５４】
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の上部には流れの方向に並んで２組の開口４００と４０２が３列に形成され６個の開口部を構成している（図１０（ｂ）参照）。各パワーモジュール３００が冷却ジャケット１９Ａの上面に液状シール８００を介して固定されている。各パワーモジュール３００のＣＡＮ状放熱ベース３０４には放熱のためのフィン３０５が対向するように設けられており、各パワーモジュール３００のフィン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。突出したＣＡＮ状放熱ベース３０４と冷却ジャケット１９Ａの柱状の一部が冷却水路１９を左右に分離し、冷却媒体を分流させ対抗したフィン３０５部に別れて流れる。さらに、冷却水路１９は、６個のパワーモジュールを直列に並べて冷却できるようにＳ字状に蛇行して冷却ジャケット１９Ａ内に設けられる。
【００５５】
冷却ジャケット１９Ａの下面には、開口４０４が冷却水路１９に沿って形成されており、開口４０４は下水路裏蓋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変換機４３が取り付けられ冷却されている。補機用の変換機４３は、内蔵しているパワーモジュール等（図示なし）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、下水路裏蓋４２０の下面に固定されている。下水路裏蓋４２０と筐体１２との間には、液体シール８００が設けられている。本実施形態ではシール材を液体シールとしているが、液体シールの代わりに樹脂材，ゴム製オーリングや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。
【００５６】
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および補機用の変換機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。
【００５７】
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。
【００５８】
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、各パワーモジュール３００の入力端子３１３に跨って、各パワーモジュール３００を並列接続している。さらに、積層導体板７００は、コンデンサモジュール５００の正極導体板５０７と接続される正極側導体板７０２（図２０参照）と、コンデンサモジュール５００の負極導体板５０５と接続される負極側導体板７０４（図２０参照）と、導体板７０２，７０４間に配置される絶縁シート７０００によって構成される。この導体板５０５，５０７は、冷却ジャケット１９Ａの冷却水路１９が蛇行して作られた水路隔壁内を貫通するように配置されることにより、配線長を短くすることができることからパワーモジュール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。
【００５９】
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。
【００６０】
駆動回路基板２２と制御回路基板２０には、金属ベース板１１を通り抜けて、各回路基板２０，２２の回路群の接続を行うフレキシブル配線２３が設けられている。このフレキシブル配線２３は、予め配線基板の中に積層された構造と配線基板の上部の配線パターンにはんだなどの接合材で固着された構造、さらには配線基板に予め設けたスルーホールにフレキシブル配線２３の電極を貫通させはんだなどの接合材で固着した構造であり、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フレキシブル配線２３を介して駆動回路基板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。この様に、フレキシブル配線２３を用いることで、従来使用していたコネクタのヘッドが不要となり、配線基板の実装効率の改善，部品点数の削減が可能となり、インバータの小型化が実現できる。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に接続される。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。
【００６１】
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の高さ方向のほぼ中央には、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の上面開口を各パワーモジュール３００で覆い、下面開口を下水路裏蓋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。そして、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とになる。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。
【００６２】
図５において、３０４はつなぎ目の無いＣＡＮ状の放熱ベースであって、対向した放熱ベースの周囲を覆うように、両放熱ベースと連続して繋ぎ目の無い同一材質で構成した外壁を持ち、外壁の一部に開口部が用意され、開口部にパワー半導体を収納する。３１４は直流正極配線板接続部、３１６は直流負極配線板接続部、３２０Ｕ／３２０Ｌはパワーモジュールの制御端子をそれぞれ表す。
【００６３】
本実施形態のパワーモジュール３００は、金属材料例えばＣｕ，Ａｌ，ＡｌＳｉＣ，Ｃｕ−Ｃ，Ａｌ−Ｃなどからなるつなぎ目の無いＣＡＮ状放熱ベース３０４と、外部接続端子３１４，３１６，３２０Ｕ，３２０Ｌで構成した電気配線板３３４とパワー半導体を樹脂材料３０２でモールドした両面電極モジュール３００Ａとから構成され（図６（ａ）参照）、負荷となるモータと接続するためのＵもしくはＶ又はＷ相の交流端子７０５を有している。
【００６４】
本実施形態のパワーモジュール３００の特徴は、冷却媒体に直接接するつなぎ目の無いＣＡＮ状放熱ベース３０４に耐水性能に乏しい電気部品である両面電極モジュール３００Ａを内蔵することで、水やオイルなどの冷却媒体が直接的に両面電極モジュール３００Ａに触れる事が無く、放熱ベースの構造に金属の接合部や樹脂などの接着材を使用しないつなぎ目の無いＣＡＮ状放熱ベース３０４を用いることで放熱ベース側から貫通して流入する冷却媒体を無くすことが可能となり、パワー半導体の高信頼化が可能となる。更には、パワー半導体が破壊した際に、放熱ベースの二次破壊による漏水のために生じる電力変換装置の信頼性低下を無くし、高信頼な電力変換装置を提供できる。
【００６５】
図６（ａ）は、パワーモジュール３００の構成部品である樹脂モールド型両面電極モジュール３００Ａの断面図であり、図６（ｂ）は樹脂モールド型両面電極モジュール３００Ａの斜影図である。図６（ａ）において、両面電極モジュール３００Ａには１組の電気配線板３３４間に上下アームのＩＧＢＴ３２８，３３０、ダイオード１５６／１６６等がはんだ材や銀シートなどの金属接合材料３３７を介して直流正極配線板３１４にＩＧＢＴ３２８，３３０のコレクタ側が固着され、ＩＧＢＴ３２８，３３０のエミッタ側は金属接合材料３３７にて熱拡散板３３８が固着され、熱拡散板３３８は直流負極配線板３１６と金属接合材料３３７にて固着される。図７は、パワーモジュール３００に内蔵されるインバータ回路の１相分の回路構成を示しており、ＩＧＢＴ３２８，３３０、ダイオード１５６／１６６で構成できるように電気配線板３３４の配線レイアウトを用意し、直流正極配線板３１４と直流負極配線板３１６を接続する上下アーム配線板３７０によって上下アームを接続する。尚、パワーモジュール３００に内蔵する回路として、インバータ回路を構成する３相分を搭載しても良いし、１相の上アームのみでも構わない。図６（ａ）に示すように各電気配線板３３４により上下アームのＩＧＢＴ３２８，３３０、ダイオード１５６／１６６が挟まれ、樹脂材料３０２にて一体化される。樹脂材料３０２の一部からパワー半導体近傍の両電気配線板３３４の放熱面３３４Ｂを露出させ、放熱面３３４Ｂと樹脂材料３０２とにより、平坦な平面３３４Ｃを形成し、形成された両平面３３４Ｃに接着性のある絶縁層３３４Ａを形成することにより、絶縁性の向上と熱伝導性を改善できる。電気配線板３３４はＣｕ，Ａｌであっても良い。接着性のある絶縁層３３４Ａは、エポキシ樹脂に熱伝導性のフィラーを混ぜ合わせた薄い絶縁シートであってもよい、シート状にすることでグリースや接着剤などと比べ厚さを正確に決定できる他、ボイドの発生を低減でき、熱抵抗や絶縁性能のばらつきを大幅に低減できる。また、絶縁層として、セラミック板もしくはセラミック板の両側に接着材を塗布した接着基板であっても良い。この接着性のある絶縁層３３４ＡとＣＡＮ状放熱ベース３０４を接着することでパワー半導体の両側から優れた放熱性の放熱ルートを構成可能となる。
【００６６】
本実施形態のパワーモジュール３００に内蔵される樹脂モールド型両面電極モジュール３００Ａの特徴は、つなぎ目の無いＣＡＮ状放熱ベース３０４の内部側壁に両電気配線板３３４の放熱面３３４Ｂを接着性のある絶縁層３３４Ａを介して固着する接続構造を有していることから、パワー半導体周辺部である樹脂モールド型両面電極モジュール３００Ａを個別に形成し、パワー半導体の動作検証やパワー半導体と電気配線板３３４との接合部の検査を放熱ベースを介さずに実施できることからパワー半導体の高信頼化が可能となり電力変換装置の高信頼化が可能となる。
【００６７】
また、言い換えると、本実施形態のＣＡＮ状放熱ベース３０４は、一面に開口部を有する有底の筒型形状のケースである。そして、ＣＡＮ状放熱ベース３０４内に形成された収納領域に、半導体回路部を構成する両面電極モジュール３００Ａを収納する。ＣＡＮ状放熱ベース３０４の内壁と両面電極モジュール３００Ａとの電気的絶縁を確保するために絶縁性部材である絶縁層３３４Ａを備える。両面電極モジュール３００ＡはＣＡＮ状放熱ベース３０４の内壁に挟まれて支持される。さらに、絶縁層３３４Ａが、ＣＡＮ状放熱ベース３０４の内壁と両面電極モジュール３００Ａの間に介装されるとともに、後述するように熱処理により、両面電極モジュール３００ＡとＣＡＮ状放熱ベース３０４内壁との接着力を向上させる材料で構成される。
【００６８】
これにより、両面電極モジュール３００ＡとＣＡＮ状放熱ベース内壁との絶縁性を確保することができる。さらに、両面電極モジュール３００ＡとＣＡＮ状放熱ベース内壁との接着力を向上させて、両面電極モジュール３００ＡとＣＡＮ状放熱ベース内壁との間に剥離が発生することを抑制し、両面電極モジュール３００ＡからＣＡＮ状放熱ベースまでの熱伝達経路の熱伝導率を低下させないようにしている。
【００６９】
また、言い換えると、本実施形態のＣＡＮ状放熱ベース３０４は、放熱面を形成する２枚のベース板が対向して配置され、それらは外周湾曲部３０４Ａによって連結されている。つまり、外周湾曲部３０４Ａは、２枚のベース板の連結部材として機能する。さらに、絶縁層３３４Ａが、２枚のベース板と外周湾曲部３０４Ａとによって形成される収納領域の内壁と両面電極モジュール３００Ａの間に介装される。ここで、前述の外周湾曲部３０４Ａの剛性は、前記２枚のベース板の剛性より小さくなるように設定される。もしくは、前述の外周湾曲部３０４Ａの厚さは、前記２枚のベース板の厚さより小さくなるように設定される。
【００７０】
これにより、半導体回路部の両面を２枚のベース板のそれぞれを介して冷却することができ、放熱面積を大きくすることができる。さらに、連結部材の剛性はベース板の剛性より小さく設定されているため、半導体回路部を挟むように２枚のベース板を加圧することで、容易にパワーモジュールのケースを成形することができるとともに、半導体回路部と絶縁性部材とベース板が接続され、熱の交換が相互に可能な熱伝達経路を容易に形成することができる。
【００７１】
なお、本実施形態では、２枚のベース板の連結部材として機能する外周湾曲部３０４Ａは、ベース板と一体に形成されているが、溶接等により別部材として２枚のベース板に接合するようにしてもよい。その場合も、外周湾曲部３０４Ａの剛性もしくは厚さは、前記２枚のベース板の剛性もしくは厚さより小さく設定される。
【００７２】
図８（ａ）は、当該パワーモジュール３００の断面図を示し、図８（ｂ）は当該パワーモジュール３００の側面図を示す。図８（ａ）において、両面電極モジュール３００Ａがつなぎ目の無いＣＡＮ状放熱ベース３０４に内蔵され、ＣＡＮ状放熱ベース３０４内に接着性のある絶縁層３３４Ａにて固着され一体構造を構成しており、図８（ｂ）で示すように、ＣＡＮ状放熱ベース３０４の外側側面には両面電極モジュール３００Ａの両電気配線板３３４の放熱面３３４Ｂに対抗してピン状のフィン３０５が形成され、ＣＡＮ状放熱ベース３０４の外周を覆うようにピン状のフィン３０５が配置され、ＣＡＮ状放熱ベース３０４とピン状のフィン３０５が同一材料で一体成型され、ＣＡＮ状放熱ベース３０４の耐防食性や樹脂接着性能を向上するため全体表面がアルマイト処理され、冷却水路内を流れる冷却媒体に各フィン３０５が接することでパワー半導体の両側面から放熱を可能とし、パワー半導体から冷却媒体までの伝熱ルートを並列化することで熱抵抗が大幅に低減でき、パワー半導体の小型化と電力変換装置の小型化が可能となる。
【００７３】
図９（ａ）は、ＣＡＮ状放熱ベース３０４と樹脂モールド型両面電極モジュール３００Ａを一体化する組立フロー及び断面図を示す。図９（ａ）において、ＣＡＮ状放熱ベース３０４には放熱面３３４Ｂと接着するＣＡＮ状放熱ベース３０４の接着部の厚さを外周湾曲部３０４Ａよりも厚くする構造によって、（１）ＣＡＮ状放熱ベース３０４の開口部から内部に両面電極モジュール３００Ａを配置し、（２）次に両面電極モジュール３００Ａの放熱面３３４Ｂを覆う接着性のある絶縁層３３４ＡがＣＡＮ状放熱ベース３０４の内側側壁に固着されるようにＣＡＮ状放熱ベース３０４の外側から加圧し、ＣＡＮ状放熱ベース３０４の外周湾曲部３０４Ａを変形させ、接着性のある絶縁層３３４ＡとＣＡＮ状放熱ベース３０４の隙間を無くすと共に放熱面３３４Ｂと接続されるＣＡＮ状放熱ベース３０４を接着し固定することが可能となり、パワー半導体から生じた発熱を両面電極モジュール３００Ａの両側面に設けた接着性のある絶縁層３３４Ａを介してＣＡＮ状放熱ベース３０４に熱伝達することで、パワー半導体の両側から放熱可能となり、パワー半導体から冷却媒体までの伝熱ルートが並列した２つのルートに分割されたことで熱抵抗が大幅に低減でき、パワー半導体の小型化と電力変換装置の小型が可能となる。
【００７４】
図９（ｂ）は、両面電極モジュール３００Ａとつなぎ目の無いＣＡＮ状放熱ベース３０４を一体に接続する組立フロー及び断面図を示す。図９（ｂ）において、ＣＡＮ状放熱ベース３０４には放熱面３３４Ｂと接着するＣＡＮ状放熱ベース３０４の接着部の厚さを外周湾曲部３０４Ａよりも厚くする構造によって、（１）ＣＡＮ状放熱ベース３０４の内側を両面電極モジュール３００Ａの放熱面３３４Ｂと接続される面を並行に移動し内部空間を拡大するように変形させ、ＣＡＮ状放熱ベース３０４の外周湾曲部３０４Ａを変形させると共にＣＡＮ状放熱ベース３０４の開口部を広げ、（２）次にＣＡＮ状放熱ベース３０４の開口部から内部に両面電極モジュール３００Ａが配置され、次に両面電極モジュール３００Ａの放熱面３３４Ｂを覆う接着性のある絶縁層３３４ＡがＣＡＮ状放熱ベース３０４の内側側壁に固着されるようにＣＡＮ状放熱ベース３０４の外側から加圧し、ＣＡＮ状放熱ベース３０４の外周湾曲部３０４Ａを変形させ、接着性のある絶縁層３３４ＡとＣＡＮ状放熱ベース３０４の隙間を無くすと共に放熱面３３４Ｂと接続されるＣＡＮ状放熱ベース３０４の放熱フィン部の変形を十分に小さく接着し固定することが可能となり、パワー半導体から生じた発熱を両面電極モジュール３００Ａの両側面に設けた接着性のある絶縁層３３４Ａを介してＣＡＮ状放熱ベース３０４に熱伝達することで、パワー半導体の両側から放熱可能となり、パワー半導体から冷却媒体までの伝熱ルートが並列した２つのルートに分割されたことで熱抵抗が大幅に低減でき、パワー半導体の小型化と電力変換装置の小型が可能となる。
【００７５】
図９（ｃ）は、両面電極モジュール３００Ａとつなぎ目の無いＣＡＮ状放熱ベース３０４を一体に接続する組立フローと図９（ｂ）に対する断面図である。図９（ｃ）は、接着性のある絶縁層３３４ＡとＣＡＮ状放熱ベース３０４の内側側壁を固着する組立工程を示す。ＣＡＮ状放熱ベース３０４のフィン３０５部を過熱ヒータ３０６などが内蔵されたプレス機３０７にて加圧し接着する。その際、両面電極モジュール３００Ａ周囲を真空にすることで接着性のある絶縁層３３４Ａの界面に生じるボイドなどの空気溜まりを排出することができる。更に高温で数時間焼くことで接着剤の硬化を促進させることができる。これらにより、絶縁層３３４Ａの絶縁寿命等の信頼性を改善できることから、小型で高信頼な電力変換装置を提供できる。
【００７６】
また、本実施形態に係るパワーモジュール３００のように、パワーモジュール３００の両側側壁から加圧することにより、ＣＡＮ状放熱ベース３０４の内側側壁と両面電極モジュール３００Ａとを接合する場合、絶縁層３３４Ａは、接着性を有するものが望ましい。または、絶縁層３３４Ａは、前述の過熱ヒータ３０６による温度変化を利用して、熱硬化するような材料を用いることが望ましい。これにより、ＣＡＮ状放熱ベース３０４をプレス機３０７による成形工程と、絶縁層３３４Ａによる接着工程を同時に又は速やかに行うことできる。
【００７７】
ここで、本実施形態に係るパワーモジュール３００に好適な絶縁層３３４Ａについて説明する。本実施形態に係る絶縁層３３４Ａは、ＣＡＮ状放熱ベース３０４の内側側壁と両面電極モジュール３００Ａとの電気的絶縁性を確保するとともに、これらの接着性を確保することが求められる。しかし、両面電極モジュール３００Ａの放熱面３３４Ｂは、図６（ｂ）に示されるように、電気配線や樹脂材料３０２等により形成される。そのため、電気配線と樹脂材料３０２との境目に凹凸が出来てしまい、絶縁層３３４Ａとの接着性が低下するおそれがある。その結果、絶縁層３３４Ａと両面電極モジュール３００Ａとの間に空気等が侵入し、パワーモジュール３００の熱伝達率が非常に低下するおそれがある。
【００７８】
そこで、絶縁層３３４Ａは、電気配線と樹脂材料３０２との境目に凹凸を埋められるような、柔らかい、つまりヤング率が低い絶縁材料を用いることが望ましい。
【００７９】
一方で、ヤング率が低い絶縁材料は、電気的絶縁性を確保するための材料とは異なる不純物を多く含むことになり、電気的絶縁性が十分に確保できないおそれがある。そこで、本実施形態に係る絶縁層３３４Ａは、さらに、不純物が少ない、つまりヤング率が高い絶縁材料を、前述のヤング率が低い絶縁材料と、ＣＡＮ状放熱ベース３０４の内側側壁との間に備える。つまり、絶縁層３３４Ａは、ヤング率が異なる絶縁材料による多層形状を為す。これにより、熱伝達率の低下を抑制するとともに、電気的絶縁性も確保することができる。
【００８０】
さらに、ＣＡＮ状放熱ベース３０４の内側側壁は、図１２にて後述する理由により凹凸形状を為すことが求められる。この場合には、ＣＡＮ状放熱ベース３０４の内側側壁と絶縁層３３４Ａとの熱伝達率の低下を抑えるために、ＣＡＮ状放熱ベース３０４の内側側壁側に前述のヤング率が低い絶縁材料を備える。つまり、絶縁層３３４Ａは、上層と下層にヤング率が低い絶縁材料を用い、中間層にヤング率が高い絶縁材料を用いる。これにより、図１２のような実施形態であっても、熱伝達率の低下を抑制するとともに、電気的絶縁性も確保することができる。
【００８１】
図１０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り付けた図であり、図１０（ａ）は冷却ジャケット１９Ａの斜視図、図１０（ｂ）は筐体１２の上面図、図１０（ｃ）は筐体１２の断面図である。図１０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。
【００８２】
図１０（ａ）において、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２つに分かれて流れ、長方形の短辺の他方側の側面の手前近傍のコーナー部１９Ｃで矢印４２１ａ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２つに分かれて流れ、更に長方形の長辺に沿って流れ矢印４２１ｂのように折り返し、下冷却水路蓋４２０に設けた出口配管に流入し折り返して出口孔から冷却水入口配管１４へ流出する（図１０（ｂ）参照）。冷却ジャケット１９Ａの上面には６つの開口４００が空けられている。各パワーモジュール３００のＣＡＮ状放熱ベース３０４がそれぞれの開口から冷却水の流れの中に突出し、ＣＡＮ状放熱ベース３０４と冷却ジャケット１９Ａの柱状の分流境界１９Ｂで冷却水を２分割し圧力損失を低減でき、ＣＡＮ状放熱ベース３０４の外周湾曲部３０４Ａ曲面とすることでも冷却水を２分割し圧力損失を低減でき、６個のパワーモジュールを直列に並べて冷却するようにＳ字状に流路を蛇行させても圧力損失の上昇を低減でき冷却効率を改善できる。各パワーモジュール３００は、例えば液体シール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。
【００８３】
図１０（ｂ）において、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６つの開口４００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。螺子穴４１２は、パワーモジュールを取り付け面４１０Ｓに加圧するためのモジュール固定冶具３０４Ｃを冷却ジャケット１９Ａに固定するための螺子穴である（図１１参照）。このモジュール固定冶具３０４Ｃで複数のパワーモジュール３００を冷却ジャケット１９Ａに加圧することがき、パワーモジュール３００を冷却ジャケットに加圧固定するネジの本数を低減でき組立性が改善できるとともに、冷却ジャケット１９Ａの小型化とパワーモジュールのＣＡＮ状放熱ベース３０４のフランジのサイズを低減できることから、冷却ジャケット１９Ａと筐体１２並びにパワーモジュール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。パワーモジュール３００に内蔵されたパワー半導体は、分流した冷却水により両側から冷却が可能であり、熱抵抗を低減できるメリットがある。また、モジュール固定冶具３０４Ｃには、制御回路を２０，２１や放熱ベース１１を固定する台座３０４Ｄが設けられている。
【００８４】
図１０（ｃ）において、往復した冷却水流路１９の隔壁部には貫通穴４０６が各パワーモジュール３００と並行に形成され（図１０（ａ）参照）、冷却水流路１９とパワーモジュール３００とで交互に挟まれ、冷却ジャケット１９Ａ内に配置され、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を介して電気的に接続でき、コンデンサモジュール５００の正極導体板５０７と接続される正極側導体板７０２（図１８参照）と、コンデンサモジュール５００の負極導体板５０５と接続される負極側導体板７０４（図１８参照）を短縮できることから配線インダクタンスを低減でき、パワー半導体の損失やサージ電圧の低減に寄与し、冷却システムの小型化やノイズの低減が可能である。
【００８５】
図１１は、本実施形態に関するパワーモジュール３００と冷却ジャケット１９Ａとのシール部を示す断面図である。
【００８６】
図１１において、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、冷却ジャケット１９Ａの上面には開口４００が、下面には冷却水路の開口４０４が設けられている。開口４００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。開口部４０４の周囲には、下冷却水路蓋４２０との勘合部４２０Ａが設けられ液状シール材８００にてシールされており、螺子穴４１２は、パワーモジュール３００のフランジ３００Ｂを取り付け面４１０Ｓに加圧するためのモジュール固定冶具３０４Ｃを冷却ジャケット１９Ａに固定するための螺子穴であり、このモジュール固定冶具３０４Ｃで複数のパワーモジュール３００を冷却ジャケット１９Ａに加圧することができることから、取り付け面４１０Ｓとパワーモジュール３００のフランジ３００Ｂ間に予め塗布された液状シール材を潰すと共に加圧し、冷却媒体が取り付け面４１０Ｓとパワーモジュール３００間を通り抜けて漏れることを止められると共に、パワーモジュール３００を冷却ジャケット１９Ａに加圧固定するネジの本数を低減でき組立性が改善できるとともに、冷却ジャケット１９Ａの小型化とパワーモジュール３００のＣＡＮ状放熱ベース３０４のフランジ３００Ｂのサイズを低減できることから、冷却ジャケット１９Ａと筐体１２並びにパワーモジュール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。パワーモジュール３００に内蔵されたパワー半導体は、分流した冷却水により両側から冷却が可能であり、熱抵抗を低減できるメリットがある。尚、液状シール材はゴムオーリングなどでも同様の効果が得られる。
【００８７】
図１２（ａ）は、本実施形態に関する第２のパワーモジュール３００の断面図であり、図１２（ｂ）は第２のパワーモジュール３００の側面図である。
【００８８】
前記実施例と異なる点は、ＣＡＮ状放熱ベース３０４の外側の冷却面に設けるフィン３０５をＣＡＮ状放熱ベース３０４を形成する時に同質材料にて同時に作り込まずに、後からＣＡＮ状放熱ベース３０４の外側に熱伝導性に優れた樹脂フィン３０５Ａを接着してフィンを形成した点と樹脂製のフィン３０５Ａが脱落しないようにＣＡＮ状放熱ベース３０４の表面に凹凸３０５Ｂを設け、凹凸３０５Ｂと樹脂製のフィン３０５Ａが機械的に勘合する点である。
【００８９】
本発明によれば、フィン３０５を別に形成できることから、ＣＡＮ状放熱ベース３０４をジュースの缶の如く形成することが可能であり、生産性が改善できる。また、凹凸３０５Ｂを設けたことで樹脂製のフィン３０５ＡとＣＡＮ状放熱ベース３０４の接着性能が改善され、脱落などの信頼性低下を避けることができると共に、樹脂製のフィン３０５ＡとＣＡＮ状放熱ベース３０４の熱伝達に関わる面積を増加させることができパワーモジュール３００の熱抵抗の低減が実現で、パワーモジュールの小型か並びに電力変換装置の小型化が可能となる。
【００９０】
図１３（ａ）は、本実施形態に関する第３のパワーモジュール３００の断面図であり、図１３（ｂ）は第３のパワーモジュール３００の側面図である。
【００９１】
前記実施例と異なる点は、ＣＡＮ状放熱ベース３０４の外側の冷却面に設けるフィン３０５をＣＡＮ状放熱ベース３０４を形成する時に同質材料にて同時に作り込まずに、後からＣＡＮ状放熱ベース３０４の外側に、予め複数のフィン３０５が形成された板状のフィンベース３０５Ｃをロウ材などの金属接続材もしくは樹脂接着剤で固着し、ＣＡＮ状放熱ベース３０４にフィンを設けた点である。
【００９２】
本発明によれば、フィン３０５を別に形成できることから、ＣＡＮ状放熱ベース３０４をジュースの缶の如く形成することが可能であり、生産性が改善できる。また、フィンベース３０５Ｂは、鍛造などの工法により製造されたＣｕ，Ａｌ，ＡｌＳｉＣ，Ｃｕ−Ｃ，Ａｌ−Ｃなどの金属製でもよいし、高熱伝導樹脂などの有機材料でも形成できることから、フィン３０５部の形状を同心円のピン形状から楕円などの形状に可能であり、フィン３０５部の表面積を増大できることから熱伝達に関わる面積を増加させることができパワーモジュール３００の熱抵抗の低減が実現で、パワーモジュールの小型か並びに電力変換装置の小型化が可能となる。
【００９３】
図１４（ａ）は、本実施形態に関する第４のパワーモジュール３００の断面図であり、図１４（ｂ）は第４のパワーモジュール３００の側面図である。
【００９４】
前記実施例と異なる点は、ＣＡＮ状放熱ベース３０４の外側の冷却面に設けるフィン３０５をストレートフィン３０５Ｄとした点であり、ＣＡＮ状放熱ベース３０４と同一部材で一体成型された点である。
【００９５】
本発明によれば、フィン３０５をストレート形状とすることで、製造を容易にすると共に冷却流路に発生する圧力損失を低減できることからパワーモジュール３００の熱抵抗の低減が実現で、パワーモジュールの小型か並びに電力変換装置の小型化が可能となる。
【００９６】
図１５（ａ）は、本実施形態に関する第５のパワーモジュール３００の断面図であり、図１５（ｂ）は第５のパワーモジュール３００の側面図である。
【００９７】
前記実施例と異なる点は、ＣＡＮ状放熱ベース３０４の外側の冷却面に設けるピン形状のフィン３０５のレイアウトに粗密を設け、パワー半導体の近傍に位置するフィン３０５を流れる冷却媒体の流速が上昇するように、パワー半導体から遠いフィン３０５の間隔を縮小し、パワー半導体近傍のフィン３０５の間隔を拡大して配置した点である。
【００９８】
本発明によれば、パワー半導体近傍のフィン３０５を流れる冷却媒体の流速を高めることができることから、パワー半導体近傍の熱伝達率を高めることが可能となり、冷却媒体とパワー半導体の熱抵抗の低減が実現で、パワーモジュールの小型か並びに電力変換装置の小型化が可能となる。
【００９９】
図１６（ａ）は、本実施形態に関する第６のパワーモジュール３００の断面図であり、図１６（ｂ）は第６のパワーモジュール３００の側面図である。
【０１００】
前記実施例と異なる点は、ＣＡＮ状放熱ベース３０４の外側の冷却面に設けるピン形状のフィン３０５のレイアウトに粗密を設け、パワー半導体の近傍に位置するフィン３０５を流れる冷却媒体の流速が上昇するように、パワー半導体から遠いフィン３０５の間隔を縮小し、パワー半導体近傍のフィン３０５の間隔を拡大し、さらにパワー半導体近傍のフィン３０５の形状を楕円状とした楕円フィン３０５Ｅにした点である。
【０１０１】
本発明によれば、パワー半導体近傍のフィン３０５を流れる冷却媒体の流速を高めることができることから、パワー半導体近傍の熱伝達率を高めることが可能となり、さらにパワー半導体近傍のフィン３０５を楕円状としたことでフィン３０５の表面積が増加し熱伝達率を高めることが可能となり冷却媒体とパワー半導体の熱抵抗の低減が実現で、パワーモジュールの小型か並びに電力変換装置の小型化が可能となる。
【０１０２】
図１７は、本実施形態に関するパワーモジュール３００と冷却ジャケット１９Ａとのシール部を示す断面図である。
【０１０３】
図１７において、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、冷却ジャケット１９Ａの上面には開口４００が、下面には冷却水路の開口４０４が設けられている。開口４００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。開口部４０４の周囲には、下冷却水路蓋４２０との勘合部４２０Ａが設けられ液状シール材８００にてシールされており、螺子穴４１２は、パワーモジュール３００のフランジ３００Ｂを取り付け面４１０Ｓに加圧するためのモジュール固定冶具３０４Ｃを冷却ジャケット１９Ａに固定するための螺子穴であり、このモジュール固定冶具３０４Ｃで複数のパワーモジュール３００を冷却ジャケット１９Ａに加圧することができることから、取り付け面４１０Ｓとパワーモジュール３００のフランジ３００Ｂ間に予め塗布された液状シール材を潰すと共に加圧し、冷却媒体が取り付け面４１０Ｓとパワーモジュール３００間を通り抜けて漏れることを止められると共に、パワーモジュール３００を冷却ジャケットに加圧固定するネジの本数を低減でき組立性が改善できるとともに、パワーモジュール３００のフランジ３００Ｂ部をテーパー状に傾斜を設けることでシールド面積を維持しながらもフランジ３００Ｂの幅を低減できることから、冷却ジャケット１９Ａの小型化とパワーモジュールのＣＡＮ状放熱ベース３０４のフランジ３００Ｂのサイズを低減でき、冷却ジャケット１９Ａと筐体１２並びにパワーモジュール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。パワーモジュール３００に内蔵されたパワー半導体は、分流した冷却水により両側から冷却が可能であり、熱抵抗を低減できるメリットがある。尚、液状シール材８００はゴム製オーリングなどでも同様の効果が得られる。
【０１０４】
図１８は、本実施形態に関するパワーモジュール３００の入出力端子の接続構造を示した断面図である。
【０１０５】
図１８において、Ｓ字状に往復した冷却水流路１９の隔壁部には貫通穴４０６が各パワーモジュール３００と並行に形成され、冷却水流路１９を挟んで設置されるコンデンサモジュール５００とこの貫通穴４０６を介して電気的に接続でき、コンデンサモジュール５００の正極導体板５０７と、コンデンサモジュール５００の負極導体板５０５がパワーモジュール３００近傍の貫通穴４０６を介して配置され、パワーモジュール３００から伸びた各電気配線板３３４が正極側導体板５０７と負極側導体板５０５と出力配線７０５と近接配置され、各電気配線板３３４もしくは正極側導体板５０７と負極側導体板５０５と出力配線７０５の一部に予めロウ材７０６を配置し、配置したロウ材７０６を介して各電気配線板３３４と正極側導体板５０７及び負極側導体板５０５と出力配線７０５が対抗して配置され、ロウ材を挟んだ各電気配線板３３４と正極側導体板５０７及び負極側導体板５０５と出力配線７０５間に電流を流通し、ロウ材７０６及び各電気配線板３３４と正極側導体板５０７及び負極側導体板５０５と出力配線７０５を加熱し、ロウ材７０６を溶融して各電気配線板３３４と正極側導体板５０７及び負極側導体板５０５及び出力配線７０５を接続している。
【０１０６】
本発明によれば、ボルトなどの締め付けエリアを使わずにパワー配線の電気的な接続を可能とすることから電力配線エリアを小型化でき電力変換装置の小型化を実現し、ボルトを使わないことから組立時の時間を短縮でき組立性を改善できることからコストの削減に寄与できる。
【０１０７】
図１９は、本実施形態に関するパワーモジュール３００の入出力端子の接続構造を示した断面図である。
【０１０８】
図１９において、Ｓ字状に往復した冷却水流路１９の隔壁部には貫通穴４０６が各パワーモジュール３００と並行に形成され、冷却水流路１９を挟んで設置されるコンデンサモジュール５００とこの貫通穴４０６を介して電気的に接続でき、コンデンサモジュール５００の正極導体板５０７と、コンデンサモジュール５００の負極導体板５０５がパワーモジュール３００近傍にこの貫通穴４０６を介して配置され、パワーモジュール３００から伸びた各電気配線板３３４が正極側導体板５０７と負極側導体板５０５と出力配線７０５と近接配置され、各電気配線板３３４もしくは正極側導体板５０７と負極側導体板５０５と出力配線７０５の一部を加圧し、所定の接続点で各導体板をアーク溶接７０７もしくはマイクロティグ溶接及びレーザー溶接などで固着させ、電気接続点を構成している。
【０１０９】
本発明によれば、ボルトなどの締め付けエリアを使わずにパワー配線の電気的な接続を可能とすることから電力配線エリアを小型化でき電力変換装置の小型化を実現し、ボルトを使わないことから組立時の時間を短縮でき組立性を改善できることからコストの削減に寄与できる。
【０１１０】
図２０は、本実施形態に関するパワーモジュール３００の入出力端子と接続される電力配線構造を示した断面図である。
【０１１１】
図２０において、Ｓ字状に往復した冷却水流路１９の隔壁部には貫通穴４０６が各パワーモジュール３００と並行に形成され、冷却水流路１９を挟んで設置されるコンデンサモジュール５００とこの貫通穴４０６を介して電気的に接続でき、パワーモジュール３００近傍に用意したこの貫通穴４０６を介し、コンデンサモジュール５００の正極導体板５０７と接続される正極側導体板７０２と、コンデンサモジュール５００の負極導体板５０５と接続される負極側導体板７０４が配置され、パワーモジュール３００の各電気配線板３３４と正極側導体板７０２と負極側導体板７０４をそれぞれ電気的に接続する電力配線と出力配線７０５を樹脂を介して積層してなる電力配線ユニット７０１をパワーモジュール３００の電気配線板３３４が配置された上部に配置し、所定の接続点で各導体板をアーク溶接７０８もしくはマイクロティグ溶接及びレーザー溶接などで固着させ、電気接続点を構成している。更に、電力配線ユニット７０１には、パワーモジュール３００を冷却ジャケット１９Ａに固定する加圧冶具７００Ａが一体化され、パワーモジュール３００を冷却水路１９に加圧固定できる。また、アーク溶接などでは、ゴミが発生するので、予め電力配線ユニット７０１にパワーモジュール３００を取り付け配線した形態に仕上げた後に、筐体１２に挿入してインバータ装置２００を構成しても良い。
【０１１２】
本発明によれば、各電力配線を樹脂で積層して一体化することで溶接部近傍の熱容量を増大させ、溶接時の温度上昇によるパワーモジュール３００の温度上昇を極力低減できる他、溶接点からパワーモジュール３００の距離を近づけてもパワーモジュール３００の温度上昇を招かない他、溶接点の位置合わせを筐体１２に用意した規準点１２Ａ用いて、電力配線ユニットとパワーモジュール３００の位置を固定でき、溶接時の位置ズレを低減でき高信頼な電気接続点を形成可能となる。
【０１１３】
ここで、正極導体板７０２と負極導体板７０４との間に絶縁シート７０００を挟んだ構造としてもよい。これにより導体板間の距離が短くなり、導体部品を小型化できる。
【０１１４】
図２１は、本実施形態に関するパワーモジュール３００の入出力端子とコンデンサ構造を示した断面図である。
【０１１５】
図２１において、Ｓ字状に往復した冷却水流路１９に各パワーモジュール３００が所定の位置に配置され、パワーモジュール３００の電気配線板３３４と接続される電力配線ユニットがパワーモジュール３００の上部に配置され、電力配線ユニット７００と冷却水流路１９の間にコンデンサ５１４を配置し、コンデンサ５１４と電気配線板３３４の接続部を電力配線ユニット７００と冷却水流路１９の間に設け、電気配線板３３４にコンデンサ５１４の電気接続端子と勘合する引き出し部３１４Ｂ，３１６Ｂを構成し、この引き出し部３１４Ｂとパワーモジュール３００の各電気配線板３３４を所定の接続点でアーク溶接７０８もしくはマイクロティグ溶接及びレーザー溶接などで固着させ、電気接続点を構成している。更に、電力配線ユニット７０１には、パワーモジュール３００を冷却ジャケット１９Ａに固定する加圧冶具７００Ａが一体化され、パワーモジュール３００を冷却水路１９に加圧固定できる。また、アーク溶接などでは、ゴミが発生するので、予め電力配線ユニット７０１にパワーモジュール３００やコンデンサ５１４，５００を取り付け配線した形態に仕上げた後に、筐体１２に挿入してインバータ装置２００を構成しても良い。
【０１１６】
本発明によれば、電力配線ユニットと冷却水流路１９の間にコンデンサ５１４を配置したことで、パワーモジュール３００とコンデンサ５１４の配線距離が大幅に低減できることから、配線インダクタンスが低減でき、パワー半導体のスイッチング時に発生するサージ電圧の低減、更にはパワー半導体のスイッチング損失及びノイズの発生を低減できることからパワーモジュールの小型化が可能となり、電力変換装置の小型高信頼化を実現できる。
【０１１７】
図２２は、本実施形態に関するパワーモジュール３００の入出力端子とコンデンサ構造を示した断面図である。
【０１１８】
図２２において、Ｓ字状に往復した冷却水流路１９に各パワーモジュール３００が所定の位置に配置され、パワーモジュール３００の電気配線板３３４と接続される電力配線ユニットがパワーモジュール３００の上部に配置され、電力配線ユニットと冷却水流路１９の間にコンデンサ５１４を配置し、電力配線ユニットに内蔵されたパワーモジュール３００の負電極及び正電極と接続される電力配線と、コンデンサ５１４の電気接続端子を接続し、コンデンサ５１４と電力配線ユニットを一体化した構造であり、各電力配線の所定の接続点でアーク溶接７０８もしくはマイクロティグ溶接及びレーザー溶接などで固着させ、電気接続点を構成している。更に、電力配線ユニット７０１には、パワーモジュール３００を冷却ジャケット１９Ａに固定する加圧冶具７００Ａが一体化され、パワーモジュール３００を冷却水路１９に加圧固定できる。また、アーク溶接などでは、ゴミが発生するので、予め電力配線ユニット７０１にパワーモジュール３００やコンデンサ５１４，５００を取り付け配線した形態に仕上げた後に、筐体１２に挿入してインバータ装置２００を構成しても良い。更に、電力配線ユニット７０１には、パワーモジュール３００を冷却ジャケット１９Ａに固定する加圧冶具７００Ａが一体化され、パワーモジュール３００を冷却水路１９に加圧固定できる。また、アーク溶接などでは、ゴミが発生するので、予め電力配線ユニット７０１にパワーモジュール３００やコンデンサ５１４，５００を取り付け配線した形態に仕上げた後に、筐体１２に挿入してインバータ装置２００を構成しても良い。
【０１１９】
本発明によれば、電力配線ユニットにコンデンサ５１４を一体化することで、パワーモジュール３００とコンデンサ５１４の配線距離が大幅に低減できることから、配線インダクタンスが低減でき、パワー半導体のスイッチング時に発生するサージ電圧の低減、更にはパワー半導体のスイッチング損失及びノイズの発生を低減できることからパワーモジュールの小型化が可能となり、電力変換装置の小型高信頼化を実現できる。
【０１２０】
図２３は、本実施形態に関するパワーモジュール３００の固定方法とコンデンサ構造を示した断面図である。
【０１２１】
図２３において、Ｓ字状に往復した冷却水路１９に各パワーモジュール３００が所定の位置に配置され、パワーモジュール３００を冷却水路１９に加圧して固定するモジュール固定冶具３０４Ｃがパワーモジュール３００のフランジ３００Ｂ上部に配置される。モジュール固定冶具３０４Ｃにはパワーモジュール３００のフランジ３００Ｂと点で接するように突起３０４Ｂが設けられ、この突起３０４Ｂがフランジ３００Ｂの上面を加圧する。そのため、加圧した圧力がフランジ３００Ｂの冷却ジャケット１９Ａに均一に分散され、液状シールを均一に押し潰し、モジュール固定冶具３０４Ｃの変形による加圧力の不均一を低減できる。
【０１２２】
パワーモジュール３００の電気配線板３３４と接続される電力配線ユニット７０１がパワーモジュール３００の上部に配置される。冷却ジャケット１９Ａは、冷却水路１９と並行に電力配線ユニット７０１の一部に収納されたコンデンサ５１４を収納できる開口部を設け、直接的に、又は冷却ジャケット１９Ａの内壁を介して冷却水によりコンデンサ５１４を冷却する。また、パワーモジュール３００の負電極及び正電極と接続される電力配線と、コンデンサ５１４の電気接続端子とを接続し、コンデンサ５１４と電力配線ユニット７０１が一体化されている。そして、各電力配線の所定の接続点でアーク溶接もしくはマイクロティグ溶接及びレーザー溶接などで固着させ、電気接続点７０７を構成している。また、アーク溶接などでは、ゴミが発生するので、予め電力配線ユニット７０１にパワーモジュール３００やコンデンサ５１４，５００を取り付け、配線が完了した形態に仕上げた後に、筐体１２に挿入してインバータ装置２００を構成しても良い。
【０１２３】
本発明によれば、電力配線ユニット７０１にコンデンサ５１４を一体化することで、パワーモジュール３００とコンデンサ５１４を効率よく冷却できる。さらに、それぞれを接続する配線距離が低減できることから、配線インダクタンスの低減が可能となり、コンデンサ５１４のリップル電流の許容値を改善でき、パワー半導体がスイッチングした時に発生するサージ電圧の低減、更にはパワー半導体のスイッチング損失及びノイズの発生を低減できる。その結果、パワーモジュールの小型化，コンデンサの小型化が可能となり、電力変換装置の小型高信頼化を実現できる。
【０１２４】
図２４は、本実施形態に関するパワーモジュール３００のＣＡＮ状放熱ベース３０４の製造方法を示した工程フロー図である。
【０１２５】
図２４において、（１）の第一工程ではＣＡＮ状放熱ベース３０４の原材料を凡そ放熱ベース形状に変形するための工程であり、金型９０１に用意したＣＡＮ状の穴に原材料を入れ、原材料はアルミや銅などの変形しやすい金属もしくは粉末状の金属であり、また金型９００にはパワー半導体の収納部となる開口部を形成する９００Ｂと冷却ジャケット１９Ａと勘合するフランジを形成する窪み９００Ａが形成されており、金型９００と金型９０１が勘合するようにプレスを行うと一次成型ＣＡＮ状冷却材９０３が形成され、次に（２）の第二工程では第一工程で作成した一次成型ＣＡＮ状冷却材９０３にフィンを形成する工程であり、フィン成形型９０２Ａ，９０２Ｂにはピン状のフィンを形成する穴９０４が複数設けられ、一次成型ＣＡＮ状冷却材９０３が金型９０１と同形状の金型に挿入され、両側にフィン成形型９０２Ａ，９０２Ｂを配置してプレスすると、ＣＡＮ状放熱ベース３０４のフィン３０５部と薄肉な形状と成る外周湾曲部３０４Ａが形成され、フィン成形型９０２Ａ，９０２Ｂの間から残材が突出する。最後に、形成されたフィン３０５部の高さと突出した残材を削除して完成する。
【０１２６】
完成後には、ＣＡＮ状放熱ベース３０４の表面を洗浄したり、化学研磨などにより表面粗さを低減する加工を行っても良い。
【０１２７】
本発明によれば、対抗した放熱ベースの周囲を覆うように、両放熱ベースと連続して繋ぎ目の無い同一材質で構成した外壁を持ち、外壁の一部に開口部が用意され、開口部にパワー半導体を収納するＣＡＮ状放熱ベース３０４を２回のプレス工程にて簡単に製作できる手法であり、溶接などのつなぎ目を持つＣＡＮ状放熱ベースと比べ金属腐食や冷却水の圧力などによる変形時の信頼性及び強度を長年保つことが可能であり、溶接時の熱応力の発生やその残留応力による変形が無く、内蔵したパワー半導体及び接着性の絶縁層となる絶縁シート３３４Ａの厚さの不均一化や破れなどを無くすことができ、溶接用のフランジなどによるフィンの大形化も無く、高信頼で小型な両面冷却パワーモジュール３００を構成でき、電力変換装置の小型高信頼化を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【０１２８】
【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】電力変換装置２００の回路構成を説明する図である。
【図３】本発明の実施形態に係る電力変換装置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断面図である。
【図５】本発明の実施形態に係る第一のパワーモジュールの斜視図である。
【図６】（ａ）は本実施形態に関するパワーモジュールの構成部品である樹脂モールド型両面電極モジュールの断面図であり、（ｂ）は樹脂モールド型両面電極モジュールの斜視図である。
【図７】パワーモジュールの内蔵回路構成を示す図である。
【図８】（ａ）はパワーモジュールの断面図、（ｂ）はパワーモジュールの側面図である。
【図９（ａ）】ＣＡＮ状放熱ベースと樹脂モールド型両面電極モジュールの組立フロー図である。
【図９（ｂ）】ＣＡＮ状放熱ベースと樹脂モールド型両面電極モジュールの組立フロー図である。
【図９（ｃ）】ＣＡＮ状放熱ベースと樹脂モールド型両面電極モジュールの組立フロー図である。
【図１０（ａ）】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り付けた筐体の斜視図である。
【図１０（ｂ）】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り付けた筐体の上面図である。
【図１０（ｃ）】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り付けた筐体の断面図である。
【図１１】本発明の実施形態に係る電力変換装置の冷却ジャケットとパワーモジュールのシール構造図である。
【図１２】（ａ）は本発明の実施形態に係る第二のパワーモジュールの断面図であり、（ｂ）は第二のパワーモジュールの側面図である。
【図１３】（ａ）は本発明の実施形態に係る第三のパワーモジュールの断面図であり、（ｂ）は第三のパワーモジュールの側面図である。
【図１４】（ａ）は本発明の実施形態に係る第四のパワーモジュールの断面図であり、（ｂ）は第四のパワーモジュールの側面図である。
【図１５】（ａ）は本発明の実施形態に係る第五のパワーモジュールの断面図であり、（ｂ）は第五のパワーモジュールの側面図である。
【図１６】（ａ）は本発明の実施形態に係る第六のパワーモジュールの断面図であり、（ｂ）は第六のパワーモジュールの側面図である。
【図１７】本発明の実施形態に係る電力変換装置の冷却ジャケットとパワーモジュールのシール構造図である。
【図１８】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入出力端子の接続構造を示した断面図である。
【図１９】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入出力端子の接続構造を示した断面図である。
【図２０】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入出力端子の接続構造を示した断面図である。
【図２１】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とコンデンサの構造を示した断面図である。
【図２２】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とコンデンサの構造を示した断面図である。
【図２３】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ＣＡＮ状放熱ベースの製造プロセスを示したフロー図である。
【図２４】本実施形態に係るパワーモジュール３００のＣＡＮ状放熱ベース３０４の製造方法を示した工程フロー図である。
【符号の説明】
【０１２９】
１５６，１６６  ダイオード
３００Ａ  両面電極モジュール
３０２  樹脂材料
３０４  ＣＡＮ状放熱ベース
３０４Ａ  外周湾曲部
３０５  フィン
３１４  直流正極配線板
３１６  直流負極配線板
３２０Ｌ，３２０Ｕ  パワーモジュール制御端子
３２８  上アーム用ＩＧＢＴ
３３０  下アーム用ＩＧＢＴ
３３４  電気配線板
３３４Ａ  絶縁層（絶縁シート）
３３４Ｂ  放熱面
３３４Ｃ  平面
３３７  金属接合材料
３３８  熱拡散板
【図１】
2010110143.tif 000003
【図２】
2010110143.tif 000004
【図３】
2010110143.tif 000005
【図４】
2010110143.tif 000006
【図５】
2010110143.tif 000007
【図６】
2010110143.tif 000008
【図７】
2010110143.tif 000009
【図８】
2010110143.tif 000010
【図９（ａ）】
2010110143.tif 000011
【図９（ｂ）】
2010110143.tif 000012
【図９（ｃ）】
2010110143.tif 000013
【図１０（ａ）】
2010110143.tif 000014
【図１０（ｂ）】
2010110143.tif 000015
【図１０（ｃ）】
2010110143.tif 000016
【図１１】
2010110143.tif 000017
【図１２】
2010110143.tif 000018
【図１３】
2010110143.tif 000019
【図１４】
2010110143.tif 000020
【図１５】
2010110143.tif 000021
【図１６】
2010110143.tif 000022
【図１７】
2010110143.tif 000023
【図１８】
2010110143.tif 000024
【図１９】
2010110143.tif 000025
【図２０】
2010110143.tif 000026
【図２１】
2010110143.tif 000027
【図２２】
2010110143.tif 000028
【図２３】
2010110143.tif 000029
【図２４】
2010110143.tif 000030