(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電流を交流電流に変換するインバータ回路のＵ相の上アーム回路及び下アーム回路を有するＵ相パワー半導体モジュールと、
前記インバータ回路のＶ相の上アーム回路及び下アーム回路を有するＶ相パワー半導体モジュールと、
前記インバータ回路のＷ相の上アーム回路及び下アーム回路を有するＷ相パワー半導体モジュールと、
前記直流電流を平滑化するコンデンサ素子を有するコンデンサモジュールと、を備え、
前記Ｕ相，Ｖ相及びＷ相パワー半導体モジュールに接続される第１バスバーと、
前記Ｕ相，Ｖ相及びＷ相パワー半導体モジュールは、それぞれ分離して構成され、
前記コンデンサモジュールは、前記コンデンサ素子を収納するケースと、前記コンデンサ素子を封止する封止材と、前記コンデンサ素子と前記封止材内で接続されかつ前記封止材の表面から一部が突出する第２バスバーとを有し、
前記第１バスバーは、第１正極側バスバーと、第１負極側バスバーと、当該第１正極側バスバーと当該第１負極側バスバーとの間に配置される第１絶縁部材とにより構成され、
さらに前記第１バスバーは、前記Ｕ相パワー半導体モジュールから延びる端子と接続される第１端子と、前記Ｖ相パワー半導体モジュールから延びる端子と接続される第２端子と、前記Ｗ相パワー半導体モジュールから延びる端子と接続される第３端子と、前記第２バスバーの前記封止材の表面から突出した部分の端部と接続される第４端子とを有する電力変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載された電力変換装置であって、
前記Ｕ相パワー半導体モジュールは、前記インバータ回路の上アーム回路を有する上アーム側Ｕ相パワー半導体モジュールと、前記インバータ回路の下アーム回路を有する下アーム側Ｕ相パワー半導体モジュールと、を有してそれぞれを分離して構成し、
前記Ｖ相パワー半導体モジュールは、前記インバータ回路の上アーム回路を有する上アーム側Ｖ相パワー半導体モジュールと、前記インバータ回路の下アーム回路を有する下アーム側Ｖ相パワー半導体モジュールと、を有してそれぞれを分離して構成し、
前記Ｗ相パワー半導体モジュールは、前記インバータ回路の上アーム回路を有する上アーム側Ｗ相パワー半導体モジュールと、前記インバータ回路の下アーム回路を有する下アーム側Ｗ相パワー半導体モジュールと、を有してそれぞれを分離して構成する電力変換装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載されたいずれかの電力変換装置であって、
前記第１バスバーは、バッテリから供給される直流電流を受けるバッテリ側端子を有する電力変換装置。
【請求項４】
請求項１ないし３に記載されたいずれかの電力変換装置であって、
前記第２バスバーは、第２正極側バスバーと、第２負極側バスバーと、当該第２正極側バスバーと当該第２負極側バスバーとの間に配置される第２絶縁部材とにより構成される電力変換装置。
【請求項５】
請求項１ないし４に記載のいずれかの電力変換装置であって、
前記第１バスバーは、前記第２バスバーと対向する位置に配置される電力変換装置。
【請求項６】
請求項５に記載の電力変換装置であって、
前記Ｕ相，Ｖ相及びＷ相パワー半導体モジュールは、前記コンデンサモジュールを挟むように、分けて配置される電力変換装置。
【請求項７】
請求項１ないし５に記載のいずれかの電力変換装置であって、
前記コンデンサモジュールの側部に配置される第１流路と、前記コンデンサモジュールを介して前記第１流路と対向する第２流路と、を形成する流路形成体を有し、
前記Ｕ相，Ｖ相及びＷ相パワー半導体モジュールは、前記第１流路側と前記第２流側とに分けて配置される電力変換装置。
【請求項８】
請求項１ないし７に記載のいずれかの電力変換装置であって、
前記コンデンサモジュールのケースは、前記流路形成体と一体に形成される電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置に関し、特に、ハイブリッド自動車や電気自動車に用いられる電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ハイブリッド電気自動車及び電気自動車の普及が急速に拡がっている現在、電力変換装置は組み立て性向上と小型化が要求されている。組み立て性向上、小型化の一つの方法として一般的に部品のモジュール化が用いられている。モジュール化の対象は、特許文献１（特開２００９−２１９２７０号公報）に記載のようにパワー半導体モジュールと平滑用コンデンサモジュールである。
【０００３】
車両用の電力変換装置は更なる小型化を求められ、各モジュール間の伝熱による影響が大きくなり、各モジュールの発熱低減を図る必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２１９２７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
パワー半導体モジュールと平滑用コンデンサモジュールとを接続するバスバーに発熱を低減することが、各モジュール間の伝熱を抑制することになる。本発明の課題は、配線インダクタンスの大幅な増大を抑制しながら発熱低減を図ることである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、平滑用コンデンサモジュールに集中する電流を分解し、他のバスバーが電流の一部を請け負って流すことで、コンデンサモジュール内に樹脂封止されているバスバーに流れる電流を軽減する構造である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明により、電力変換装置の各モジュール間の伝熱を抑制して、電力変換装置の小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】ハイブリッド自動車（以下「ＨＥＶ」と記述する）の制御ブロックを示す図である。
【図２】インバータ回路１４０の電気回路の構成図である。
【図３】図３（ａ）は、本実施形態のパワー半導体モジュール３００ａの斜視図である。図３（ｂ）は、本実施形態のパワー半導体モジュール３００ａを断面Ｄで切断して方向Ｅから見たときの断面図である。
【図４】図４（ａ）は斜視図であり、図４（ｂ）は図３（ｂ）と同様に断面Ｄで切断して方向Ｅから見たときの断面図である。また、図４（ｃ）はフィン３０５が加圧されて湾曲部３０４Ａが変形される前の断面図を示している。
【図５】図５（ａ）は斜視図であり、図５（ｂ）は図３（ｂ），図４（ｂ）と同様に断面Ｄで切断して方向Ｅから見たときの断面図である。
【図６】図５に示す状態からさらに第一封止樹脂３４８および配線絶縁部６０８を取り除いたパワー半導体モジュール３００ａの斜視図である。
【図７】モジュール一次封止体３０２の組立工程を説明するための図である。
【図８】本実施形態に係るコンデンサモジュール５００の斜視図である。
【図９】本実施形態に係るインバータ回路の簡略図である。
【図１０】図１０（ａ）は、パワー半導体モジュール３００とコンデンサモジュール５００を組み付けた外観斜視図である。図１０（ｂ）は、図１０（ａ）の部分Ａの拡大図である。
【図１１】平滑コンデンサモジュール５００の分解図を示したものである。
【図１２】他の実施形態に係るコンデンサモジュール５００の分解斜視図である。
【図１３】他の実施形態に係る電力変換装置２００の分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施例を図に基づいて説明する。本実施例のインバータは、電動機を車輌の唯一の駆動源とする電気自動車や、内燃機関であるエンジンと電動機とを車輌の駆動源とするハイブリッド電気自動車等の電動車輌に搭載されるものであって、車載電源であるバッテリから供給された直流電力を三相交流電力に変換して電動機に供給する電力変換装置である。
【実施例１】
【００１０】
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。図１は、ハイブリッド自動車（以下「ＨＥＶ」と記述する）の制御ブロックを示す図である。エンジンＥＧＮおよびモータジェネレータＭＧ１は車両の走行用トルクを発生する。また、モータジェネレータＭＧ１は回転トルクを発生するだけでなく、モータジェネレータＭＧ１に外部から加えられる機械エネルギーを電力に変換する機能を有する。
【００１１】
モータジェネレータＭＧ１は、例えば同期機あるいは誘導機であり、上述のごとく、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。モータジェネレータＭＧ１を自動車に搭載する場合には、小型で高出力を得ることが望ましく、ネオジウムなどの磁石を使用した永久磁石型の同期電動機が適している。また、永久磁石型の同期電動機は誘導電動機に比べて回転子の発熱が少なく、この観点でも自動車用として優れている。
【００１２】
エンジンＥＧＮの出力側の出力トルクは動力分配機構ＴＳＭを介してモータジェネレータＭＧ１に伝達され、動力分配機構ＴＳＭからの回転トルクあるいはモータジェネレータＭＧ１が発生する回転トルクは、トランスミッションＴＭおよびデファレンシャルギアＤＥＦを介して車輪に伝達される。一方、回生制動の運転時には、車輪から回転トルクがモータジェネレータＭＧ１に伝達され、供給されてきた回転トルクに基づいて交流電力を発生する。発生した交流電力は後述するように電力変換装置２００により直流電力に変換され、高電圧用のバッテリ１３６を充電し、充電された電力は再び走行エネルギーとして使用される。
【００１３】
次に電力変換装置２００について説明する。インバータ回路１４０は、バッテリ１３６と直流コネクタ１３８を介して電気的に接続されており、バッテリ１３６とインバータ回路１４０との相互において電力の授受が行われる。モータジェネレータＭＧ１をモータとして動作させる場合には、インバータ回路１４０は直流コネクタ１３８を介してバッテリ１３６から供給された直流電力に基づき交流電力を発生し、交流コネクタ１８８を介してモータジェネレータＭＧ１に供給する。モータジェネレータＭＧ１とインバータ回路１４０からなる構成は第１電動発電ユニットとして動作する。
【００１４】
なお、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ＭＧ１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電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジンＥＧＮの動力或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。
【００１５】
なお、電力変換装置２００は、インバータ回路１４０に供給される直流電力を平滑化するためのコンデンサモジュール５００を備えている。
【００１６】
電力変換装置２００は、上位の制御装置から指令を受けたりあるいは上位の制御装置に状態を表すデータを送信したりするための通信用のコネクタ２１を備えている。電力変換装置２００は、コネクタ２１から入力される指令に基づいて制御回路１７２でモータジェネレータＭＧ１の制御量を演算し、さらにモータとして運転するか発電機として運転するかを演算し、演算結果に基づいて制御パルスを発生し、その制御パルスをドライバ回路１７４へ供給する。ドライバ回路１７４は、供給された制御パルスに基づいて、インバータ回路１４０を制御するための駆動パルスを発生する。
【００１７】
次に、図２を用いてインバータ回路１４０の電気回路の構成を説明する。なお、以下で半導体素子として絶縁ゲート型バイポーラトランジスタを使用しており、以下略してＩＧＢＴと記す。上アームとして動作するＩＧＢＴ３２８及びダイオード１５６と、下アームとして動作するＩＧＢＴ３３０及びダイオード１６６とで、上下アームの直列回路１５０が構成される。インバータ回路１４０は、この直列回路１５０を、出力しようとする交流電力のＵ相，Ｖ相，Ｗ相の３相に対応して備えている。
【００１８】
これらの３相は、この実施の形態ではモータジェネレータＭＧ１の電機子巻線の３相の各相巻線に対応している。３相のそれぞれの上下アームの直列回路１５０は、直列回路の中点部分である中間電極１６９から交流電流を出力する。この中間電極１６９は、交流端子１５９及び交流端子１８８を通して、モータジェネレータＭＧ１への交流電力線である以下に説明の交流バスバー８０２や８０４と接続される。
【００１９】
上アームのＩＧＢＴ３２８のコレクタ電極１５３は、正極端子１５７を介してコンデンサモジュール５００の正極側のコンデンサ端子５０６に電気的に接続されている。また、下アームのＩＧＢＴ３３０のエミッタ電極は、負極端子１５８を介してコンデンサモジュール５００の負極側のコンデンサ端子５０４に電気的に接続されている。
【００２０】
上述のように、制御回路１７２は上位の制御装置からコネクタ２１を介して制御指令を受け、これに基づいてインバータ回路１４０を構成する各相の直列回路１５０の上アームあるいは下アームを構成するＩＧＢＴ３２８やＩＧＢＴ３３０を制御するための制御信号である制御パルスを発生し、ドライバ回路１７４に供給する。
【００２１】
ドライバ回路１７４は、上記制御パルスに基づき、各相の直列回路１５０の上アームあるいは下アームを構成するＩＧＢＴ３２８やＩＧＢＴ３３０を制御するための駆動パルスを各相のＩＧＢＴ３２８やＩＧＢＴ３３０に供給する。ＩＧＢＴ３２８やＩＧＢＴ３３０は、ドライバ回路１７４からの駆動パルスに基づき、導通あるいは遮断動作を行い、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し、この変換された電力はモータジェネレータＭＧ１に供給される。
【００２２】
ＩＧＢＴ３２８は、コレクタ電極１５３と、信号用エミッタ電極１５５と、ゲート電極１５４を備えている。また、ＩＧＢＴ３３０は、コレクタ電極１６３と、信号用のエミッタ電極１６５と、ゲート電極１６４を備えている。ダイオード１５６が、コレクタ電極１５３とエミッタ電極１５５との間に電気的に接続されている。また、ダイオード１６６が、コレクタ電極１６３とエミッタ電極１６５との間に電気的に接続されている。
【００２３】
スイッチング用パワー半導体素子としては金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ（以下略してＭＯＳＦＥＴと記す）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。スイッチング用パワー半導体素子としては、ＩＧＢＴは直流電圧が比較的高い場合に適していて、ＭＯＳＦＥＴは直流電圧が比較的低い場合に適している。
【００２４】
コンデンサモジュール５００は、正極側のコンデンサ端子５０６と負極側のコンデンサ端子５０４と正極側の電源端子５０９と負極側の電源端子５０８とを備えている。バッテリ１３６からの高電圧の直流電力は、直流コネクタ１３８を介して、正極側の電源端子５０９や負極側の電源端子５０８に供給され、コンデンサモジュール５００の正極側のコンデンサ端子５０６および負極側のコンデンサ端子５０４から、インバータ回路１４０へ供給される。
【００２５】
一方、交流電力からインバータ回路１４０によって変換された直流電力は、正極側のコンデンサ端子５０６や負極側のコンデンサ端子５０４からコンデンサモジュール５００に供給され、正極側の電源端子５０９や負極側の電源端子５０８から直流コネクタ１３８を介してバッテリ１３６に供給され、バッテリ１３６に蓄積される。
【００２６】
制御回路１７２は、ＩＧＢＴ３２８及びＩＧＢＴ３３０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。マイコンへの入力情報としては、モータジェネレータＭＧ１に対して要求される目標トルク値、直列回路１５０からモータジェネレータＭＧ１に供給される電流値、及びモータジェネレータＭＧ１の回転子の磁極位置がある。
【００２７】
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による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ＭＧ１に設けられたレゾルバなどの回転磁極センサ（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、電流センサ１８０は３相の電流値を検出する場合を例に挙げているが、２相分の電流値を検出するようにし、演算により３相分の電流を求めても良い。
【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ＭＧ１のｄ軸，ｑ軸の電流指令値を演算し、この演算されたｄ軸，ｑ軸の電流指令値と、検出されたｄ軸，ｑ軸の電流値との差分に基づいてｄ軸，ｑ軸の電圧指令値を演算し、この演算されたｄ軸，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信号を増幅したドライブ信号を、対応する下アームのＩＧＢＴ３３０のゲート電極に出力する。また、ドライバ回路１７４は、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。
【００３０】
また、制御回路１７２内のマイコンは、異常検知（過電流，過電圧，過温度など）を行い、直列回路１５０を保護している。このため、制御回路１７２にはセンシング情報が入力されている。例えば、各アームの信号用のエミッタ電極１５５及び信号用のエミッタ電極１６５からは各ＩＧＢＴ３２８とＩＧＢＴ３３０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，ＩＧＢＴ３３０のスイッチング動作を停止させ、対応するＩＧＢＴ３２８，ＩＧＢＴ３３０を過電流から保護する。
【００３１】
直列回路１５０に設けられた温度センサ（不図示）からは直列回路１５０の温度の情報がマイコンに入力されている。また、マイコンには直列回路１５０の直流正極側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及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，ＩＧＢＴ３３０のスイッチング動作を停止させる。
【００３２】
図３乃至図７を用いてインバータ回路１４０に使用されるパワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃの詳細構成を説明する。上記パワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃはいずれも同じ構造であり、代表してパワー半導体モジュール３００ａの構造を説明する。尚、図３乃至図７において信号端子３２５Ｕは、図２に開示したゲート電極１５４および信号用エミッタ電極１５５に対応し、信号端子３２５Ｌは、図２に開示したゲート電極１６４およびエミッタ電極１６５に対応する。また直流正極端子３１５Ｂは、図２に開示した正極端子１５７と同一のものであり、直流負極端子３１９Ｂは、図２に開示した負極端子１５８と同一のものである。また交流端子３２０Ｂは、図２に開示した交流端子１５９と同じものである。
【００３３】
図３（ａ）は、本実施形態のパワー半導体モジュール３００ａの斜視図である。図３（ｂ）は、本実施形態のパワー半導体モジュール３００ａを断面Ｄで切断して方向Ｅから見たときの断面図である。
【００３４】
図４は、理解を助けるために、図３に示す状態からネジ３０９および第二封止樹脂３５１を取り除いたパワー半導体モジュール３００ａを示す図である。図４（ａ）は斜視図であり、図４（ｂ）は図３（ｂ）と同様に断面Ｄで切断して方向Ｅから見たときの断面図である。また、図４（ｃ）はフィン３０５が加圧されて湾曲部３０４Ａが変形される前の断面図を示している。
【００３５】
図５は、図４に示す状態からさらにモジュールケース３０４を取り除いたパワー半導体モジュール３００ａを示す図である。図５（ａ）は斜視図であり、図５（ｂ）は図３（ｂ），図４（ｂ）と同様に断面Ｄで切断して方向Ｅから見たときの断面図である。
【００３６】
図６は、図５に示す状態からさらに第一封止樹脂３４８および配線絶縁部６０８を取り除いたパワー半導体モジュール３００ａの斜視図である。
【００３７】
図７は、モジュール一次封止体３０２の組立工程を説明するための図である。
【００３８】
上下アームの直列回路１５０を構成するパワー半導体素子（ＩＧＢＴ３２８，ＩＧＢＴ３３０，ダイオード１５６，ダイオード１６６）が、図５および図９に示す如く、導体板３１５や導体板３１８によって、あるいは導体板３２０や導体板３１９によって、両面から挟んで固着される。導体板３１５等は、その放熱面が露出した状態で第一封止樹脂３４８によって封止され、当該放熱面に絶縁シート３３３が熱圧着される。第一封止樹脂３４８は図５に示すように、多面体形状（ここでは略直方体形状）を有している。
【００３９】
第一封止樹脂３４８により封止されたモジュール一次封止体３０２は、モジュールケース３０４の中に挿入して絶縁シート３３３を挟んで、ＣＡＮ型冷却器であるモジュールケース３０４の内面に熱圧着される。ここで、ＣＡＮ型冷却器とは、一面に挿入口３０６と他面に底を有する筒形状をした冷却器である。モジュールケース３０４の内部に残存する空隙には、第二封止樹脂３５１が充填される。
【００４０】
モジュールケース３０４は、電気伝導性を有する部材、例えばアルミ合金材料（Ａｌ，ＡｌＳｉ，ＡｌＳｉＣ，Ａｌ−Ｃ等）で構成され、かつ、つなぎ目の無い状態で一体に成形される。モジュールケース３０４は、挿入口３０６以外に開口を設けない構造であり、挿入口３０６は、フランジ３０４Ｂによって、その外周を囲まれている。また、図３（ａ）に示されるように、他の面より広い面を有する第１放熱面３０７Ａ及び第２放熱面３０７Ｂがそれぞれ対向した状態で配置され、これらの放熱面に対向するようにして、各パワー半導体素子（ＩＧＢＴ３２８，ＩＧＢＴ３３０，ダイオード１５６，ダイオード１６６）が配置されている。当該対向する第１放熱面３０７Ａと第２放熱面３０７Ｂと繋ぐ３つの面は、当該第１放熱面３０７Ａ及び第２放熱面３０７Ｂより狭い幅で密閉された面を構成し、残りの一辺の面に挿入口３０６が形成される。モジュールケース３０４の形状は、正確な直方体である必要が無く、角が図３（ａ）に示す如く曲面を成していても良い。
【００４１】
このような形状の金属製のケースを用いることで、モジュールケース３０４を水や油などの冷媒が流れる冷媒流路１９内に挿入しても、冷媒に対するシールをフランジ３０４Ｂにて確保できるため、冷却媒体がモジュールケース３０４の内部に侵入するのを簡易な構成で防ぐことができる。また、対向した第１放熱面３０７Ａと第２放熱面３０７Ｂに、フィン３０５がそれぞれ均一に形成される。さらに、第１放熱面３０７Ａ及び第２放熱面３０７Ｂの外周には、厚みが極端に薄くなっている湾曲部３０４Ａが形成されている。湾曲部３０４Ａは、フィン３０５を加圧することで簡単に変形する程度まで厚みを極端に薄くしてあるため、モジュール一次封止体３０２が挿入された後の生産性が向上する。
【００４２】
上述のように導体板３１５等を絶縁シート３３３を介してモジュールケース３０４の内壁に熱圧着することにより、導体板３１５等とモジュールケース３０４の内壁の間の空隙を少なくすることができ、パワー半導体素子の発生熱を効率良くフィン３０５へ伝達できる。さらに絶縁シート３３３にある程度の厚みと柔軟性を持たせることにより、熱応力の発生を絶縁シート３３３で吸収することができ、温度変化の激しい車両用の電力変換装置に使用するのに良好となる。
【００４３】
モジュールケース３０４の外には、コンデンサモジュール５００と電気的に接続するための金属製の直流正極配線３１５Ａおよび直流負極配線３１９Ａが設けられており、その先端部に直流正極端子３１５Ｂ（１５７）と直流負極端子３１９Ｂ（１５８）がそれぞれ形成されている。また、モータジェネレータＭＧ１あるいはＭＧ２に交流電力を供給するための金属製の交流配線３２０Ａが設けられており、その先端に交流端子３２０Ｂ（１５９）が形成されている。本実施形態では、図６に示す如く、直流正極配線３１５Ａは導体板３１５と接続され、直流負極配線３１９Ａは導体板３１９と接続され、交流配線３２０Ａは導体板３２０と接続される。
【００４４】
モジュールケース３０４の外にはさらに、ドライバ回路１７４と電気的に接続するための金属製の信号配線３２４Ｕおよび３２４Ｌが設けられており、その先端部に信号端子３２５Ｕ（１５４，１５５）と信号端子３２５Ｌ（１６４，１６５）がそれぞれ形成されている。本実施形態では、図６に示す如く、信号配線３２４ＵはＩＧＢＴ３２８と接続され、信号配線３２４ＬはＩＧＢＴ３２８と接続される。
【００４５】
直流正極配線３１５Ａ，直流負極配線３１９Ａ，交流配線３２０Ａ，信号配線３２４Ｕおよび信号配線３２４Ｌは、樹脂材料で成形された配線絶縁部６０８によって相互に絶縁された状態で、補助モールド体６００として一体に成型される。配線絶縁部６０８は、各配線を支持するための支持部材としても作用し、これに用いる樹脂材料は、絶縁性を有する熱硬化性樹脂かあるいは熱可塑性樹脂が適している。これにより、直流正極配線３１５Ａ，直流負極配線３１９Ａ，交流配線３２０Ａ，信号配線３２４Ｕおよび信号配線３２４Ｌの間の絶縁性を確保でき、高密度配線が可能となる。
【００４６】
補助モールド体６００は、モジュール一次封止体３０２と接続部３７０において金属接合された後に、配線絶縁部６０８に設けられたネジ穴を貫通するネジ３０９によってモジュールケース３０４に固定される。接続部３７０におけるモジュール一次封止体３０２と補助モールド体６００との金属接合には、たとえばＴＩＧ溶接などを用いることができる。直流正極配線３１５Ａと直流負極配線３１９Ａは、配線絶縁部６０８を間に挟んで対向した状態で互いに積層され、略平行に延びる形状を成している。こうした配置および形状とすることで、パワー半導体素子のスイッチング動作時に瞬間的に流れる電流が、対向してかつ逆方向に流れる。これにより、電流が作る磁界が互いに相殺する作用をなし、この作用により低インダクタンス化が可能となる。なお、交流配線３２０Ａや信号端子３２５Ｕ，３２５Ｌも、直流正極配線３１５Ａ及び直流負極配線３１９Ａと同様の方向に向かって延びている。
【００４７】
モジュール一次封止体３０２と補助モールド体６００が金属接合により接続されている接続部３７０は、第二封止樹脂３５１によりモジュールケース３０４内で封止される。これにより、接続部３７０とモジュールケース３０４との間で必要な絶縁距離を安定的に確保することができるため、封止しない場合と比較してパワー半導体モジュール３００ａの小型化が実現できる。
【００４８】
図６に示されるように、接続部３７０の補助モジュール６００側には、補助モジュール側直流正極接続端子３１５Ｃ，補助モジュール側直流負極接続端子３１９Ｃ，補助モジュール側交流接続端子３２０Ｃ，補助モジュール側信号接続端子３２６Ｕおよび補助モジュール側信号接続端子３２６Ｌが一列に並べて配置される。一方、接続部３７０のモジュール一次封止体３０２側には、多面体形状を有する第一封止樹脂３４８の一つの面に沿って、素子側直流正極接続端子３１５Ｄ，素子側直流負極接続端子３１９Ｄ，素子側交流接続端子３２０Ｄ，素子側信号接続端子３２７Ｕおよび素子側信号接続端子３２７Ｌが一列に並べて配置される。こうして接続部３７０において各端子が一列に並ぶような構造とすることで、トランスファーモールドによるモジュール一次封止体３０２の製造が容易となる。
【００４９】
ここで、モジュール一次封止体３０２の第一封止樹脂３４８から外側に延出している部分をその種類ごとに一つの端子として見た時の各端子の位置関係について述べる。以下の説明では、直流正極配線３１５Ａ（直流正極端子３１５Ｂと補助モジュール側直流正極接続端子３１５Ｃを含む）および素子側直流正極接続端子３１５Ｄにより構成される端子を正極側端子と称し、直流負極配線３１９Ａ（直流負極端子３１９Ｂと補助モジュール側直流負極接続端子３１９Ｃを含む）および素子側直流負極接続端子３１５Ｄにより構成される端子を負極側端子と称し、交流配線３２０Ａ（交流端子３２０Ｂと補助モジュール側交流接続端子３２０Ｃを含む）および素子側交流接続端子３２０Ｄにより構成される端子を出力端子と称し、信号配線３２４Ｕ（信号端子３２５Ｕと補助モジュール側信号接続端子３２６Ｕを含む）および素子側信号接続端子３２７Ｕにより構成される端子を上アーム用信号端子と称し、信号配線３２４Ｌ（信号端子３２５Ｌと補助モジュール側信号接続端子３２６Ｌを含む）および素子側信号接続端子３２７Ｌにより構成される端子を下アーム用信号端子と称する。
【００５０】
上記の各端子は、いずれも第一封止樹脂３４８および第二封止樹脂３５１から接続部３７０を通して突出しており、その第一封止樹脂３４８からの各突出部分（素子側直流正極接続端子３１５Ｄ，素子側直流負極接続端子３１９Ｄ，素子側交流接続端子３２０Ｄ，素子側信号接続端子３２７Ｕおよび素子側信号接続端子３２７Ｌ）は、上記のように多面体形状を有する第一封止樹脂３４８の一つの面に沿って一列に並べられている。また、正極側端子と負極側端子は、第二封止樹脂３５１から積層状態で突出しており、モジュールケース３０４の外に延出している。このような構成としたことで、第一封止樹脂３４８でパワー半導体素子を封止してモジュール一次封止体３０２を製造する時の型締めの際に、パワー半導体素子と当該端子との接続部分への過大な応力や金型の隙間が生じるのを防ぐことができる。また、積層された正極側端子と負極側端子の各々を流れる反対方向の電流により、互いに打ち消しあう方向の磁束が発生されるため、低インダクタンス化を図ることができる。
【００５１】
補助モジュール６００側において、補助モジュール側直流正極接続端子３１５Ｃ，補助モジュール側直流負極接続端子３１９Ｃは、直流正極端子３１５Ｂ，直流負極端子３１９Ｂとは反対側の直流正極配線３１５Ａ，直流負極配線３１９Ａの先端部にそれぞれ形成されている。また、補助モジュール側交流接続端子３２０Ｃは、交流配線３２０Ａにおいて交流端子３２０Ｂとは反対側の先端部に形成されている。補助モジュール側信号接続端子３２６Ｕ，３２６Ｌは、信号配線３２４Ｕ，３２４Ｌにおいて信号端子３２５Ｕ，３２５Ｌとは反対側の先端部にそれぞれ形成されている。
【００５２】
一方、モジュール一次封止体３０２側において、素子側直流正極接続端子３１５Ｄ，素子側直流負極接続端子３１９Ｄ，素子側交流接続端子３２０Ｄは、導体板３１５，３１９，３２０にそれぞれ形成されている。また、素子側信号接続端子３２７Ｕ，３２７Ｌは、ボンディングワイヤ３７１によりＩＧＢＴ３２８，３３０とそれぞれ接続されている。
【００５３】
図７に示すように、直流正極側の導体板３１５および交流出力側の導体板３２０と、素子側信号接続端子３２７Ｕおよび３２７Ｌとは、共通のタイバー３７２に繋がれた状態で、これらが略同一平面状の配置となるように一体的に加工される。導体板３１５には、上アーム側のＩＧＢＴ３２８のコレクタ電極と上アーム側のダイオード１５６のカソード電極が固着される。導体板３２０には、下アーム側のＩＧＢＴ３３０のコレクタ電極と下アーム側のダイオード１６６のカソード電極が固着される。ＩＧＢＴ３２８，３３０およびダイオード１５５，１６６の上には、導体板３１８と導体板３１９が略同一平面状に配置される。導体板３１８には、上アーム側のＩＧＢＴ３２８のエミッタ電極と上アーム側のダイオード１５６のアノード電極が固着される。導体板３１９には、下アーム側のＩＧＢＴ３３０のエミッタ電極と下アーム側のダイオード１６６のアノード電極が固着される。各パワー半導体素子は、各導体板に設けられた素子固着部３２２に、金属接合材１６０を介してそれぞれ固着される。金属接合材１６０は、例えばはんだ材や銀シート及び微細金属粒子を含んだ低温焼結接合材、等である。
【００５４】
各パワー半導体素子は板状の扁平構造であり、当該パワー半導体素子の各電極は表裏面に形成されている。図７に示されるように、パワー半導体素子の各電極は、導体板３１５と導体板３１８、または導体板３２０と導体板３１９によって挟まれる。つまり、導体板３１５と導体板３１８は、ＩＧＢＴ３２８及びダイオード１５６を介して略平行に対向した積層配置となる。同様に、導体板３２０と導体板３１９は、ＩＧＢＴ３３０及びダイオード１６６を介して略平行に対向した積層配置となる。また、導体板３２０と導体板３１８は中間電極３２９を介して接続されている。この接続により上アーム回路と下アーム回路が電気的に接続され、上下アーム直列回路が形成される。上述したように、導体板３１５と導体板３１８の間にＩＧＢＴ３２８及びダイオード１５６を挟み込むと共に、導体板３２０と導体板３１９の間にＩＧＢＴ３３０及びダイオード１６６を挟み込み、導体板３２０と導体板３１８を中間電極３２９を介して接続する。その後、ＩＧＢＴ３２８の制御電極３２８Ａと素子側信号接続端子３２７Ｕとをボンディングワイヤ３７１により接続すると共に、ＩＧＢＴ３３０の制御電極３３０Ａと素子側信号接続端子３２７Ｌとをボンディングワイヤ３７１により接続する。
【００５５】
図８は、本実施形態に係るコンデンサモジュール５００の斜視図である。コンデンサケース５０２には、コンデンサモジュール５００を流路形成体１２に固定するための固定手段例えば螺子を貫通させるための孔５２０ａ〜５２０ｃが設けられる。
【００５６】
また、コンデンサケース５０２の長辺側の一側面には、突出収納部５０２ａが形成される。この突出収納部５０２ａ内には、フィルムコンデンサ及び電源端子５０８，５０９に対して電気的に直列または並列に接続される電気回路素子が収納される。本実施形態においては、バッテリ１３６からのノイズを除去しかつグラウンドに電気的に接続されたノイズ除去用のコンデンサが収納される。このコンデンサはフィルムコンデンサに比べて小型のため、突出収納部５０２ａの高さはコンデンサケース５０２の高さよりも小さく形成されている。つまり、突出収納部５０２ａの下方には空間が形成される。後述する流路形成体１２は、この空間に冷媒流路１９の一部を形成している。これにより、ノイズ除去用のコンデンサを冷却することが出来るとともに、冷媒流路１９の断面積を局所的に大きくすることを抑制して圧力損失の増大を防止している。
【００５７】
第１バスバー５９０は、コンデンサケース５０２の収納空間の外部に配置され、パワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃと接続される。また、第１バスバー５９０は、負極側バスバーと、正極側バスバーと、負極側バスバーと正極側バスバーの間に配置された絶縁性部材を有する。
【００５８】
図８には示されていないが、コンデンサケース５０２の内部には、後述するフィルムコンデンサが複数設けられ、当該フィルムコンデンサは負極側バスバー及び正極側バスバーに電気的に接続される。負極側バスバーと正極側バスバーとの間には配線インダクタンスを低減するために絶縁性部材が配置され、負極側バスバーと正極側バスバーは積層状態で構成される。つまり負極側バスバーと正極側バスバーは積層状態の第２バスバー５４８を構成する。図８では省略されているが、樹脂製の封止材が、コンデンサケース５０２にフィルムコンデンサ及び第２バスバー５４８を固定するために当該コンデンサケース５０２内に充填される。
【００５９】
負極側の電源端子５０８及び正極側の電源端子５０９は、コンデンサケース５０２内に配置された第２バスバー５４８にそれぞれ電気的に接続され、コンデンサケース５０２の開口から突出し、さらにコンデンサケース５０２の側面の方に折り曲げられる。正極側の電源端子５０９及び負極側の電源端子５０８には、図２で説明した如く、直流コネクタ１３８を介して直流電力が供給される。
【００６０】
なお、本実施形態においては、直流電流を伝達するバスバーは、第１バスバー５９０及び第２バスバー５４８のように積層状態であると説示したが、積層状態に限定されることはなく、コンデンサケース５０２内のバスバーと、コンデンサケース５０２外部のバスバーとにより構成されていればよい。
【００６１】
第１端子５０３ａ，第２端子５０３ｂ及び第３端子５０３ｃは、第１バスバー５９０にそれぞれ電気的に接続され、パワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃの正極端子１５７（３１５Ｂ）及び負極端子１５８（３１９Ｂ）に対応して設けられる。第１端子５０３ａを構成する負極側端子５０４ａと正極側端子５０６ａとの間には、絶縁シートが設けられ、絶縁が確保されている。他の第２端子５０３ｂ，第３端子５０３ｃも同様である。さらに第１バスバー５９０は、封止材の表面から突出した第２バスバー５４８の部分の端部５４８ａと５４８ｂに対応して接続される第４端子５９１ａ及と５９１ｂを有する。
【００６２】
ここで図８にて示された還流電流５９５ａ〜５９５ｃについて図９を用いて説示する。
【００６３】
図９はインバータ回路の簡略図である。Ｕ相上アームＩＧＢＴがＯＮ（下アームは常時ＯＦＦ）、Ｖ相下アームがＯＦＦ（上アームは常時ＯＦＦ）、Ｗ相下アームがＯＮ（上アームは常時ＯＦＦ）のときは図９の矢印のように電流が流れる。このときＶ相に流れる電流はバッテリ側に戻らず、インピーダンスが低いＵ相上アームＩＧＢＴに向かって流れる。この電流が相間を流れる還流電流５９５ａ〜５９５ｃであり、還流電流は上下アーム間で流れることはなく、上アーム間だけまたは下アーム間だけで流れる。還流電流の流れ方は、各相の電流入出流組み合わせから上下アームそれぞれ９通りある。還流電流５９５ａ〜５９５ｃは前述の通り、上アーム間または下アーム間で完結し、図８に示された第１バスバー５９０の第４端子５９１ａ及び５９１ｂを通して第２バスバー５４８に流れることは抑制される。つまり、還流電流５９５ａ〜５９５ｃは、第１バスバー５９０の平面部５９６を介して各パワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃ間を流れる。従って、本実施形態のような第１バスバー５９０を設けることにより、還流電流５９５ａ〜５９５ｃによる発熱は第１バスバー５９０のみに発生し、コンデンサ素子への熱影響を防いでいる。
【００６４】
図１０（ａ）は、パワー半導体モジュール３００とコンデンサモジュール５００を組み付けた外観斜視図である。図１０（ｂ）は、図１０（ａ）の部分Ａの拡大図である。
【００６５】
パワー半導体モジュール３００ｃは、コンデンサモジュール５００を介してパワー半導体モジュール３００ａと向かい合うように固定され、さらにノイズ除去用コンデンサ素子５９３は、コンデンサモジュール５００を介してパワー半導体モジュール３００ｂと向かい合う位置に配置される。これにより、相毎に設けられたパワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃをコンデンサモジュール５００の一方の側面に２つ、他方の側面に１つ設けるように配置しても、パワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃとコンデンサモジュール５００とが整然と構成される。さらにパワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃとコンデンサモジュール５００との間に冷却冷媒を流すことにより、両方のモジュールを冷却することができるので、電力変換装置２００の更なる小型化に寄与する。
【００６６】
さらに前述した通り、電源端子５０８及び５０９は突出収納部５０２ａから突出している。そのため、電源端子５０８及び５０９はパワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃのいずれよりもノイズ除去用コンデンサ素子５９３に近い配置となり、パワー半導体モジュール３００ａ〜３００に対するノイズの影響を低減している。
【００６７】
直流正極端子３１５Ｂ及び直流負極端子３１９Ｂの電流経路の面積は、第１バスバー５９０及びコンデンサモジュール５００内の第２バスバー５４８の電流経路面積より非常に小さい。そのため、電流が直流正極端子３１５Ｂ及び直流負極端子３１９Ｂに流れる際には、電流経路の面積が大きく変化することになる。つまり、電流が直流正極端子３１５Ｂ及び直流負極端子３１９Ｂに集中することになる。
【００６８】
そこで、本実施形態では、負極側端子５０４ｃは、第１バスバー５９０から立ち上がっている立ち上がり部５４３を有し、その先端部に接続部５４２を有している。また、正極側端子５０６ｃは、第１バスバー５９０から立ち上がっている立ち上がり部５４４を有し、その先端部に接続部５４５を有している。前記接続部５４２と前記接続部５４５との間にパワー半導体モジュール３００ｃの直流負極端子３１９Ｂや直流正極端子３１５Ｂが挟まれるようにして接続されている。
【００６９】
これにより、負極側端子５０４ａと正極側端子５０６ａが接続部５４２と接続部５４５の直前まで絶縁シートを介した積層構造を成すため、電流が集中する当該コンデンサ端子の配線部分のインダクタンスを低減することができる。さらに、直流負極端子３１９Ｂの先端と接続部５４２の側辺とは溶接により接続され、同様に直流正極端子３１５Ｂの先端と接続部５４５の側辺とは溶接により接続される。このため、低インダクタンス化による特性改善に加え、一方向からの加工作業により導体間接続を連続して行うことができ、生産性が向上する。
【００７０】
図１１は平滑コンデンサモジュール５００の分解図を示したものである。平滑コンデンサモジュール５００は大きく４部品で構成される。コンデンサモジュールの内容物を収納するコンデンサケース５０２の中に平滑用のコンデンサ素子５６０及びノイズ除去用コンデンサ素子５９３が収まる。平滑用のコンデンサ素子５６０は単一または複数個で構成され、第２バスバー５４８と接続される。
【００７１】
コンデンサ素子５６０ａ〜５６０ｃと第１バスバー５９０の間に存在する部材または物質をコンデンサ素子５６０から第１バスバー５９０に向かって列挙すると、樹脂製の封止材，第２バスバー５４８，樹脂製の封止材及び空気となる。前記列挙した部材及び物質のうち、樹脂製の封止材と空気の層は熱伝導率が低く断熱材の働きをする。従って、第１バスバー５９０に還流電流が流れることによって発生した第１バスバー５９０上の熱は、充填樹脂及び空気層によって断熱され、コンデンサ素子温度の上昇が抑えられている。
【００７２】
第２バスバー５４８は、コンデンサケース５０２内に収まる幅で最大限に拡がること、例えば平滑用のコンデンサ素子５６０を覆う程度まで拡げて構成されることにより、電気抵抗を小さくし、発熱低減に貢献している。この第２バスバー５４８は積層構造を保ったまま、上方に立ち上がり、正極負極が互いに離れる方向に折れ曲がることで第１バスバー５９０との接続点である第４端子５４８ａ及び５４８ｂを形成している。この構造により細部にまで積層構造を用いて低インダクタンス化を図ることができる。第１バスバー５９０についても、第２バスバー５４８と同様に積層構造による低インダクタンス化と、幅を広く取って電気抵抗を抑え発熱低減を図っている。前述の通り、パワーモジュールへの接続を含めて積層構造により、低インダクタンス化を実現している。
【００７３】
また、第１バスバー５９０と第２バスバー５４８は互いに対向する位置に配置されており、それぞれを接続する配線を短くして回路の低インダクタンス化を図っている。また、幅広平面を対向させて近接することで、部品配置スペースが小さくなり電力変換装置の低背化が可能となる。この部品配置において、コンデンサモジュール５００を跨ぐように第１バスバー５９０が配置しており、パワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃ間に流れる電流はコンデンサモジュール５００と対向する幅広面を通るため電流の偏りが少ない。つまり、第１バスバー５９０は略均一に発熱する。
【実施例２】
【００７４】
本発明に係る他の実施形態について、図１２を参照しながら以下詳細に説明する。図７はコンデンサモジュール５００の分解図を示したものであり、実施例１と同様にコンデンサモジュール５００は大きく４部品で構成される。なお、実施例１と同じ符号を付した構造は、実施例１と同様の機能を有する。
【００７５】
本実施形態では第２バスバー５４９は電源端子５０８及び５０９を有さない。一方、第１バスバー５９９が電源端子５０８及び５０９を形成しており、第１バスバー５９９は第２バスバー５４９よりも先にバッテリからの電力供給を受ける。この構造により、直流電流５９７ａ〜５９７ｃは第２バスバー５４９を通過せずに直接パワー半導体モジュール３００に流れる。従ってこの場合、第１バスバー５９９にのみ直流電流が流れ、第２バスバー５４９には還流電流とＤＣ電流を除いたリップル電流のみが流れることとなる。この結果、第２バスバー５４９の発熱が低減し、許容最大温度の低いコンデンサ素子５６０ａ〜５６０ｃの受熱を緩和することができる。
【実施例３】
【００７６】
本発明に係る他の実施形態について、図１３を参照しながら以下詳細に説明する。本実施形態の筐体１０は、流路形成体１２ａと、コンデンサモジュール５００の収納空間１０ａを介して当該流路形成体１２ａと対向して配置される流路形成体１２ｂと、を有する。流路形成体１２ａは、パワー半導体モジュール３００ａを流路内に挿入するために開口４００ａと、パワー半導体モジュール３００ｂを流路内に挿入するために開口４００ｂとを形成する。流路形成体１２ｂは、パワー半導体モジュール３００ｃを流路内に挿入するために開口４００ｃを形成する。
【００７７】
本実施形態では、コンデンサモジュール５００が有するコンデンサケース５０２を設けることなく、コンデンサ素子５６０や第２バスバー５４８や封止材を、流路形成体１２ａ及び１２ｂによって形成される収納空間１０ａに配置する。これにより、コンデンサ素子５６０や第２バスバー５４８の冷却を促進することができる。
【符号の説明】
【００７８】
５００  コンデンサモジュール
５０２  コンデンサケース
５０２ａ  突出収納部
５０３ａ  第１端子
５０３ｂ  第２端子
５０３ｃ  第３端子
５０４ａ，５０４ｂ，５０４ｃ  負極側端子
５０６ａ，５０６ｂ，５０６ｃ  正極側端子
５０８，５０９  電源端子
５２０ａ，５２０ｂ，５２０ｃ  孔
５４８  第２バスバー
５４８ａ，５４８ｂ  端部
５６０  コンデンサ素子
５９０  第１バスバー
５９１ａ，５９１ｂ  第４端子
５９３  ノイズ除去用コンデンサ素子
５９５ａ〜５９５ｃ  還流電流
５９６  平面部
【図１】
0005506740.tif 000002
【図２】
0005506740.tif 000003
【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】
0005506740.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
0005506740.tif 000012
【図１２】
0005506740.tif 000013
【図１３】
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