(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワー半導体素子と、
前記パワー半導体素子に金属接合材を介して固着される第１導電性部材と、
前記第１導電性部材に樹脂製の絶縁シートを介して接合される第２導電性部材とを備えたパワーモジュールの製造方法において、
前記第１および第２導電性部材間に絶縁層と空気層が等価回路で直列に存在したときの放電を抑制するために、前記絶縁シートの厚みをｄｉ（ｍｍ）、比誘電率をεｒ、前記第１および第２導電性部材間に発生するサージ電圧をＶｔ（Ｖ）としたときに、Ｖｔに対して、
ｄｉ＞（１．３６×１０−８×Ｖｔ２＋３．４×１０−５×Ｖｔ−０．０１５）×εｒ
を満足するようにｄｉ、εｒを設定し、
前記設定されたｄｉ、εｒを有する前記絶縁シートを前記第１および第２導電性部材に熱圧着で接合することを特徴とするパワーモジュールの製造方法。
【請求項２】
パワー半導体素子と、
前記パワー半導体素子に金属接合材を介して固着される第１導電性部材と、
前記第１導電性部材に樹脂製の絶縁シートを介して接合される第２導電性部材とを備えたパワーモジュールの製造方法において、
前記第１および第２導電性部材間に絶縁層と空気層が等価回路で直列に存在したときの放電を抑制するために、前記絶縁シートの厚みをｄｉ（ｍｍ）、比誘電率をεｒ、前記第１および第２導電性部材間に発生するサージ電圧をＶｔ（Ｖ）、前記パワーモジュールが曝される最低気圧をｐ（ａｔｍ）としたときに、
ｄｉ＞（１．３６×１０−８×Ｖｔ２＋３．４×１０−５×Ｖｔ−０．０１５）×εｒ／ｐ
を満足するようにｄｉ、εｒを設定し、
前記設定されたｄｉ、εｒを有する前記絶縁シートを前記第１および第２導電性部材に熱圧着で接合することを特徴とするパワーモジュールの製造方法。
【請求項３】
パワー半導体素子と、
前記パワー半導体素子に金属接合材を介して固着される第１導電性部材と、
前記第１導電性部材に樹脂製の絶縁シートを介して接合される第２導電性部材とを備えたパワーモジュールの製造方法において、
前記第１および第２導電性部材間に絶縁層と空気層が等価回路で直列に存在したときの放電を抑制するために、前記絶縁シートの厚みをｄｉ（ｍｍ）、比誘電率をεｒ、前記第１および第２導電性部材間に発生するサージ電圧をＶｔ（Ｖ）、前記絶縁シートと前記第１または第２導電性部材との界面に存在するボイドおよび前記絶縁シートに内包するボイドのいずれか一方の許容厚さをｄｂ（ｍｍ）としたときに、
ｄｉ＞（１．３６×１０−８×Ｖｔ２＋３．４×１０−５×Ｖｔ−０．０１５）×εｒ＋ｄｂ
を満足するようにｄｉ、εｒを設定し、
前記設定されたｄｉ、εｒを有する前記絶縁シートを前記第１および第２導電性部材に熱圧着で接合することを特徴とするパワーモジュールの製造方法。
【請求項４】
パワー半導体素子と、
前記パワー半導体素子に金属接合材を介して固着される第１導電性部材と、
前記第１導電性部材に樹脂製の絶縁シートを介して接合される第２導電性部材とを備えたパワーモジュールの製造方法において、
前記第１および第２導電性部材間に絶縁層と空気層が等価回路で直列に存在したときの放電を抑制するために、前記絶縁シートの厚みをｄｉ（ｍｍ）、比誘電率をεｒ、前記第１および第２導電性部材間に発生するサージ電圧をＶｔ（Ｖ）、前記絶縁シートと前記第１または第２導電性部材との界面に存在するボイドおよび前記絶縁シートに内包するボイドのいずれか一方の許容厚さをｄｂ（ｍｍ）、前記パワーモジュールが曝される最低気圧をｐ（ａｔｍ）としたときに、
ｄｉ＞（（１．３６×１０−８×Ｖｔ２＋３．４×１０−５×Ｖｔ−０．０１５）×εｒ＋ｄｂ）／ｐ
を満足するようにｄｉ、εｒを設定し、
前記設定されたｄｉ、εｒを有する前記絶縁シートを前記第１および第２導電性部材に熱圧着で接合することを特徴とするパワーモジュールの製造方法。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載のパワーモジュールの製造方法において、
前記絶縁シートの絶縁耐圧をＶｂｄ（Ｖ／ｍｍ）、前記第１および第２導電性部材間に要求される耐電圧をＶｉｓｏ（Ｖ）としたとき、
ｄｉ＞Ｖｉｓｏ／Ｖｂｄ
が更に成り立つようにｄｉを設定することを特徴とするパワーモジュールの製造方法。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載のパワーモジュールの製造方法において、
前記パワーモジュールの熱抵抗をＲｔ（Ｋ／Ｗ）、前記絶縁シートの熱伝導率をλｉ（Ｗ／ｍＫ）、前記絶縁シートの面積をＳｉ（ｍ２）としたとき、
ｄｉ≦Ｒｔ×０．３×λｉ×Ｓｉ×１０００
が更に成り立つようにｄｉを設定することを特徴とするパワーモジュールの製造方法。
【請求項７】
パワー半導体素子と、
前記パワー半導体素子に金属接合材を介して固着される第１導電性部材と、
前記第１導電性部材に樹脂製の絶縁シートを介して接合される第２導電性部材とを備え、前記絶縁シートは前記第１および第２導電性部材に熱圧着で接合されたパワーモジュールの設計方法において、
前記第１および第２導電性部材間に絶縁層と空気層が等価回路で直列に存在したときの放電を抑制するために、前記絶縁シートの厚みをｄｉ（ｍｍ）、比誘電率をεｒ、前記第１および第２導電性部材間に発生するサージ電圧をＶｔ（Ｖ）としたときに、Ｖｔに対して、
ｄｉ＞（１．３６×１０−８×Ｖｔ２＋３．４×１０−５×Ｖｔ−０．０１５）×εｒ
を満足するようにｄｉ、εｒを設定することを特徴とするパワーモジュールの設計方法。
【請求項８】
パワー半導体素子と、
前記パワー半導体素子に金属接合材を介して固着される第１導電性部材と、
前記第１導電性部材に樹脂製の絶縁シートを介して接合される第２導電性部材とを備え、前記絶縁シートは前記第１および第２導電性部材に熱圧着で接合されたパワーモジュールの設計方法において、
前記第１および第２導電性部材間に絶縁層と空気層が等価回路で直列に存在したときの放電を抑制するために、前記絶縁シートの厚みをｄｉ（ｍｍ）、比誘電率をεｒ、前記第１および第２導電性部材間に発生するサージ電圧をＶｔ（Ｖ）、前記パワーモジュールが曝される最低気圧をｐ（ａｔｍ）としたときに、
ｄｉ＞（１．３６×１０−８×Ｖｔ２＋３．４×１０−５×Ｖｔ−０．０１５）×εｒ／ｐ
を満足するようにｄｉ、εｒを設定することを特徴とするパワーモジュールの設計方法。
【請求項９】
パワー半導体素子と、
前記パワー半導体素子に金属接合材を介して固着される第１導電性部材と、
前記第１導電性部材に樹脂製の絶縁シートを介して接合される第２導電性部材とを備え、前記絶縁シートは前記第１および第２導電性部材に熱圧着で接合されたパワーモジュールの設計方法において、
前記第１および第２導電性部材間に絶縁層と空気層が等価回路で直列に存在したときの放電を抑制するために、前記絶縁シートの厚みをｄｉ（ｍｍ）、比誘電率をεｒ、前記第１および第２導電性部材間に発生するサージ電圧をＶｔ（Ｖ）、前記絶縁シートと前記第１または第２導電性部材との界面に存在するボイドおよび前記絶縁シートに内包するボイドのいずれか一方の許容厚さをｄｂ（ｍｍ）としたときに、
ｄｉ＞（１．３６×１０−８×Ｖｔ２＋３．４×１０−５×Ｖｔ−０．０１５）×εｒ＋ｄｂ
を満足するようにｄｉ、εｒを設定することを特徴とするパワーモジュールの設計方法。
【請求項１０】
パワー半導体素子と、
前記パワー半導体素子に金属接合材を介して固着される第１導電性部材と、
前記第１導電性部材に樹脂製の絶縁シートを介して接合される第２導電性部材とを備え、前記絶縁シートは前記第１および第２導電性部材に熱圧着で接合されたパワーモジュールの設計方法において、
前記第１および第２導電性部材間に絶縁層と空気層が等価回路で直列に存在したときの放電を抑制するために、前記絶縁シートの厚みをｄｉ（ｍｍ）、比誘電率をεｒ、前記第１および第２導電性部材間に発生するサージ電圧をＶｔ（Ｖ）、前記絶縁シートと前記第１または第２導電性部材との界面に存在するボイドおよび前記絶縁シートに内包するボイドのいずれか一方の許容厚さをｄｂ（ｍｍ）、前記パワーモジュールが曝される最低気圧をｐ（ａｔｍ）としたときに、
ｄｉ＞（（１．３６×１０−８×Ｖｔ２＋３．４×１０−５×Ｖｔ−０．０１５）×εｒ＋ｄｂ）／ｐ
を満足するようにｄｉ、εｒを設定することを特徴とするパワーモジュールの設計方法。
【請求項１１】
請求項７乃至１０のいずれか１項に記載のパワーモジュールの設計方法において、
前記絶縁シートの絶縁耐圧をＶｂｄ（Ｖ／ｍｍ）、前記第１および第２導電性部材間に要求される耐電圧をＶｉｓｏ（Ｖ）としたとき、
ｄｉ＞Ｖｉｓｏ／Ｖｂｄ
が更に成り立つようにｄｉを設定することを特徴とするパワーモジュールの設計方法。
【請求項１２】
請求項７乃至１１のいずれか１項に記載のパワーモジュールの設計方法において、
前記パワーモジュールの熱抵抗をＲｔ（Ｋ／Ｗ）、前記絶縁シートの熱伝導率をλｉ（Ｗ／ｍＫ）、前記絶縁シートの面積をＳｉ（ｍ２）としたとき、
ｄｉ≦Ｒｔ×０．３×λｉ×Ｓｉ×１０００
が更に成り立つようにｄｉを設定することを特徴とするパワーモジュールの設計方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワーモジュールの製造方法および設計方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境への配慮から、エンジンとモータとで駆動するハイブリッド自動車（以下「ＨＥＶ」と記述する）、モータだけで駆動する電気自動車（以下「ＥＶ」と記述する）が普及拡大している。
これらＨＥＶやＥＶは、電力変換装置を搭載し、車両の駆動時には２次電池からの直流電力を交流電力に変換しモータを駆動し、減速時には制動エネルギーをモータで回生した交流電力から直流電力に変換して２次電池を充電している。電力変換装置には、パワー半導体素子を備えたパワーモジュールが内蔵され、このパワー半導体素子のオンオフ動作によって直流電力と交流電力とが相互に変換される。ＨＥＶやＥＶに搭載される電力変換装置は、限られた搭載スペースに搭載されるため、この小形化、高効率化が求められている。
【０００３】
このためにはパワーモジュールの冷却効率を高めることが有効であり、特許文献１では、パワー半導体素子の発生する熱をパワーモジュールの両面から放熱させて、パワー半導体素子とこの冷却を行う冷媒との間の熱抵抗を低減している。
【０００４】
このようなパワーモジュールにおいては、パワー半導体素子と、このパワー半導体素子を収納するパワーモジュールの筐体（放熱ケース）とは電機的に絶縁される必要があるため、パワー半導体素子と放熱ケースとの間には絶縁層が設けられている。
パワーモジュールは稼働中のパワー半導体素子の熱発生による高温と停止状態の低温を繰り返すので、絶縁層は剥離しやすい。絶縁層が剥離すると、剥離により生じた間隙で放電しやすくなる。剥離を生じても絶縁性を確保するには、絶縁層を充分厚くしておく必要があるが、絶縁層が厚いほど熱抵抗が増加する。
【０００５】
必要な絶縁層の厚さは、絶縁層の誘電率や耐圧だけでなく、絶縁層内部の気泡や、上記のように剥離した場合の耐圧、さらには様々な環境条件（温度、湿度、気圧等）での絶縁層の特性や絶縁性も考慮する必要がある。そのため、従来絶縁層の厚さは、試作したパワーモジュールの長期間の熱負荷サイクル試験と絶縁耐圧試験を何回も行って決定している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−１１０１４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来のパワーモジュールにおいては、絶縁層の厚さの決定方法が明確でなく、経験と試作の繰り返しで行っていたため、仕様が確定するまでに時間がかかっていた。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（１）請求項１に記載の発明は、パワー半導体素子と、パワー半導体素子に金属接合材を介して固着される第１導電性部材と、第１導電性部材に樹脂製の絶縁シートを介して接合される第２導電性部材とを備えたパワーモジュールの製造方法において、第１および第２導電性部材間に絶縁層と空気層が等価回路で直列に存在したときの放電を抑制するために、絶縁シートの厚みをｄｉ（ｍｍ）、比誘電率をεｒ、第１および第２導電性部材間に発生するサージ電圧をＶｔ（Ｖ）としたときに、Ｖｔに対して、
ｄｉ＞（１．３６×１０−８×Ｖｔ２＋３．４×１０−５×Ｖｔ−０．０１５）×εｒ
を満足するようにｄｉ、εｒを設定し、設定されたｄｉ、εｒを有する絶縁シートを第１および第２導電性部材に熱圧着で接合することを特徴とするパワーモジュールの製造方法である。
（２）請求項２に記載の発明は、パワー半導体素子と、パワー半導体素子に金属接合材を介して固着される第１導電性部材と、第１導電性部材に樹脂製の絶縁シートを介して接合される第２導電性部材とを備えたパワーモジュールの製造方法において、第１および第２導電性部材間に絶縁層と空気層が等価回路で直列に存在したときの放電を抑制するために、絶縁シートの厚みをｄｉ（ｍｍ）、比誘電率をεｒ、第１および第２導電性部材間に発生するサージ電圧をＶｔ（Ｖ）、パワーモジュールが曝される最低気圧をｐ（ａｔｍ）としたときに、
ｄｉ＞（１．３６×１０−８×Ｖｔ２＋３．４×１０−５×Ｖｔ−０．０１５）×εｒ／ｐ
を満足するようにｄｉ、εｒを設定し、設定されたｄｉ、εｒを有する絶縁シートを第１および第２導電性部材に熱圧着で接合することを特徴とするパワーモジュールの製造方法である。
（３）請求項３に記載の発明は、パワー半導体素子と、パワー半導体素子に金属接合材を介して固着される第１導電性部材と、第１導電性部材に樹脂製の絶縁シートを介して接合される第２導電性部材とを備えたパワーモジュールの製造方法において、第１および第２導電性部材間に絶縁層と空気層が等価回路で直列に存在したときの放電を抑制するために、絶縁シートの厚みをｄｉ（ｍｍ）、比誘電率をεｒ、第１および第２導電性部材間に発生するサージ電圧をＶｔ（Ｖ）、絶縁シートと第１または第２導電性部材との界面に存在するボイドおよび絶縁シートに内包するボイドのいずれか一方の許容厚さをｄｂ（ｍｍ）としたときに、
ｄｉ＞（１．３６×１０−８×Ｖｔ２＋３．４×１０−５×Ｖｔ−０．０１５）×εｒ＋ｄｂ
を満足するようにｄｉ、εｒを設定し、設定されたｄｉ、εｒを有する絶縁シートを第１および第２導電性部材に熱圧着で接合することを特徴とするパワーモジュールの製造方法である。
（４）請求項４に記載の発明は、パワー半導体素子と、パワー半導体素子に金属接合材を介して固着される第１導電性部材と、第１導電性部材に樹脂製の絶縁シートを介して接合される第２導電性部材とを備えたパワーモジュールの製造方法において、第１および第２導電性部材間に絶縁層と空気層が等価回路で直列に存在したときの放電を抑制するために、絶縁シートの厚みをｄｉ（ｍｍ）、比誘電率をεｒ、第１および第２導電性部材間に発生するサージ電圧をＶｔ（Ｖ）、絶縁シートと第１または第２導電性部材との界面に存在するボイドおよび絶縁シートに内包するボイドのいずれか一方の許容厚さをｄｂ（ｍｍ）、パワーモジュールが曝される最低気圧をｐ（ａｔｍ）としたときに、
ｄｉ＞（（１．３６×１０−８×Ｖｔ２＋３．４×１０−５×Ｖｔ−０．０１５）×εｒ＋ｄｂ）／ｐ
を満足するようにｄｉ、εｒを設定し、設定されたｄｉ、εｒを有する絶縁シートを第１および第２導電性部材に熱圧着で接合することを特徴とするパワーモジュールの製造方法である。
（５）請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のパワーモジュールの製造方法において、絶縁シートの絶縁耐圧をＶｂｄ（Ｖ／ｍｍ）、第１および第２導電性部材間に要求される耐電圧をＶｉｓｏ（Ｖ）としたとき、
ｄｉ＞Ｖｉｓｏ／Ｖｂｄ
が更に成り立つようにｄｉを設定することを特徴とする。
（６）請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のパワーモジュールの製造方法において、パワーモジュールの熱抵抗をＲｔ（Ｋ／Ｗ）、絶縁シートの熱伝導率をλｉ（Ｗ／ｍＫ）、絶縁シートの面積をＳｉ（ｍ２）としたとき、
ｄｉ≦Ｒｔ×０．３×λｉ×Ｓｉ×１０００
が更に成り立つようにｄｉを設定することを特徴とする。
（７）請求項７に記載の発明は、パワー半導体素子と、パワー半導体素子に金属接合材を介して固着される第１導電性部材と、第１導電性部材に樹脂製の絶縁シートを介して接合される第２導電性部材とを備え、絶縁シートは第１および第２導電性部材に熱圧着で接合されたパワーモジュールの設計方法において、第１および第２導電性部材間に絶縁層と空気層が等価回路で直列に存在したときの放電を抑制するために、絶縁シートの厚みをｄｉ（ｍｍ）、比誘電率をεｒ、第１および第２導電性部材間に発生するサージ電圧をＶｔ（Ｖ）としたときに、Ｖｔに対して、
ｄｉ＞（１．３６×１０−８×Ｖｔ２＋３．４×１０−５×Ｖｔ−０．０１５）×εｒ
を満足するようにｄｉ、εｒを設定することを特徴とするパワーモジュールの設計方法である。
（８）請求項８に記載の発明は、パワー半導体素子と、パワー半導体素子に金属接合材を介して固着される第１導電性部材と、第１導電性部材に樹脂製の絶縁シートを介して接合される第２導電性部材とを備え、絶縁シートは第１および第２導電性部材に熱圧着で接合されたパワーモジュールの設計方法において、第１および第２導電性部材間に絶縁層と空気層が等価回路で直列に存在したときの放電を抑制するために、絶縁シートの厚みをｄｉ（ｍｍ）、比誘電率をεｒ、第１および第２導電性部材間に発生するサージ電圧をＶｔ（Ｖ）、パワーモジュールが曝される最低気圧をｐ（ａｔｍ）としたときに、
ｄｉ＞（１．３６×１０−８×Ｖｔ２＋３．４×１０−５×Ｖｔ−０．０１５）×εｒ／ｐ
を満足するようにｄｉ、εｒを設定することを特徴とするパワーモジュールの設計方法である。
（９）請求項９に記載の発明は、パワー半導体素子と、パワー半導体素子に金属接合材を介して固着される第１導電性部材と、第１導電性部材に樹脂製の絶縁シートを介して接合される第２導電性部材とを備え、絶縁シートは第１および第２導電性部材に熱圧着で接合されたパワーモジュールの設計方法において、第１および第２導電性部材間に絶縁層と空気層が等価回路で直列に存在したときの放電を抑制するために、絶縁シートの厚みをｄｉ（ｍｍ）、比誘電率をεｒ、第１および第２導電性部材間に発生するサージ電圧をＶｔ（Ｖ）、絶縁シートと第１または第２導電性部材との界面に存在するボイドおよび絶縁シートに内包するボイドのいずれか一方の許容厚さをｄｂ（ｍｍ）としたときに、
ｄｉ＞（１．３６×１０−８×Ｖｔ２＋３．４×１０−５×Ｖｔ−０．０１５）×εｒ＋ｄｂ
を満足するようにｄｉ、εｒを設定することを特徴とするパワーモジュールの設計方法である。
（１０）請求項１０に記載の発明は、パワー半導体素子と、パワー半導体素子に金属接合材を介して固着される第１導電性部材と、第１導電性部材に樹脂製の絶縁シートを介して接合される第２導電性部材とを備え、絶縁シートは第１および第２導電性部材に熱圧着で接合されたパワーモジュールの設計方法において、第１および第２導電性部材間に絶縁層と空気層が等価回路で直列に存在したときの放電を抑制するために、絶縁シートの厚みをｄｉ（ｍｍ）、比誘電率をεｒ、第１および第２導電性部材間に発生するサージ電圧をＶｔ（Ｖ）、絶縁シートと第１または第２導電性部材との界面に存在するボイドおよび絶縁シートに内包するボイドのいずれか一方の許容厚さをｄｂ（ｍｍ）、パワーモジュールが曝される最低気圧をｐ（ａｔｍ）としたときに、
ｄｉ＞（（１．３６×１０−８×Ｖｔ２＋３．４×１０−５×Ｖｔ−０．０１５）×εｒ＋ｄｂ）／ｐ
を満足するようにｄｉ、εｒを設定することを特徴とするパワーモジュールの設計方法である。
（１１）請求項１１に記載の発明は、請求項７乃至１０のいずれか１項に記載のパワーモジュールの設計方法において、絶縁シートの絶縁耐圧をＶｂｄ（Ｖ／ｍｍ）、第１および第２導電性部材間に要求される耐電圧をＶｉｓｏ（Ｖ）としたとき、
ｄｉ＞Ｖｉｓｏ／Ｖｂｄ
が更に成り立つようにｄｉを設定することを特徴とする。
（１２）請求項１２に記載の発明は、請求項７乃至１１のいずれか１項に記載のパワーモジュールの設計方法において、パワーモジュールの熱抵抗をＲｔ（Ｋ／Ｗ）、絶縁シートの熱伝導率をλｉ（Ｗ／ｍＫ）、絶縁シートの面積をＳｉ（ｍ２）としたとき、
ｄｉ≦Ｒｔ×０．３×λｉ×Ｓｉ×１０００
が更に成り立つようにｄｉを設定することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明により、パワーモジュールにおけるパワー半導体素子と放熱ケースの間の絶縁層の厚みの決定が容易に行われ、パワーモジュールの製造および設計を短期間で行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】ＨＥＶの制御ブロックを示す図である。
【図２】インバータ回路１４０の概略図である。
【図３】インバータ回路１４０の詳細について、１相分（図１の参照番号１５０（３００Ｕ））すなわちパワーモジュール１個分（３００Ｕ）を例にして、パワー半導体素子ＩＧＢＴ３２８、３３０やダイオード１５６、１６６等と導体板の配置を示す回路概略図である。
【図４】図４（ａ）は、本実施形態のパワーモジュール３００Ｕの斜視図である。図４（ｂ）は、本実施形態のパワーモジュール３００Ｕ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５】図４に示す状態からネジ３０９および第２封止樹脂３５１を取り除いたパワーモジュール３００Ｕを示す図である。図５（ａ）は斜視図であり、図５（ｂ）は図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５（ｃ）はパワーモジュール３００Ｕのフィン３０５を加圧して変形する前の断面図である。
【図６】図５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モジュール３００Ｕを示す図である。図６（ａ）は斜視図であり、図６（ｂ）は図４（ｂ）、図５（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７】図７（ａ）は、図６に示す状態からさらに第１封止樹脂３４８および配線絶縁部６０８を取り除いたパワーモジュール３００Ｕの斜視図である。図７（ｂ）はパワー半導体素子ＩＧＢＴ３２８、３３０およびダイオード１５６、１６６を含むパワーモジュールの部分の積層構造を示す概略図である。
【図８】図４に示すパワーモジュールにおいて、パワー半導体素子またはダイオードを含む部分の積層構造を模式的に示す図である。図８（ａ）の点線で示す部分を拡大した部分を図８（ｂ）に模式的に示す。
【図９】空気におけるパッシェン曲線を示す図である。
【図１０】絶縁性部材を介して導体板と放熱板を絶縁する構成で絶縁性部材と放熱板との間にギャップを生じたときの電気的等価回路を示す図である。図１０（ａ）は図１０（ｂ）に示す模式的な絶縁構造に対応する等価電気回路である。
【図１１】パッシェン曲線に基づく耐圧とギャップの分担電圧との関係を示す図である。
【図１２】サージ電圧に対して部分放電が発生する絶縁性部材の厚さの関係を示す図である。
【図１３】本発明によるパワーモジュールを３個備える電力変換装置の概略図である。図１３（ａ）は冷媒の流路が分かるように、パワーモジュールと、電力変換装置の上部を取り外したものである。図１３（ｂ）はパワーモジュールとコンデンサを取り付け、さらに接続用の電極部分（バスバー等）を取り付けることを示す組み立て図である。また図１３（ｃ）は組み立て後の電力変換装置の概観図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明によるパワーモジュールは特許文献１に記載のパワーモジュールと同様の構造となっている。以下では、まず本発明によるパワーモジュールをＨＥＶに適用した場合を例にして、パワーモジュールの構造の概略ならびにこのパワーモジュールにおける絶縁と冷却について説明する（図１〜図７）。これに続いて、本発明によるパワーモジュールの構造について図８〜１２を参照して本発明の実施の形態を説明する。最後に、本発明によるパワーモジュールを用いて製作した電力変換装置（図１３）の評価結果について説明する。
【００１２】
図１は、ＨＥＶ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。
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。
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ＤＩＦ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】
＜インバータ回路の構成と動作＞
図２は、図１に示すＨＥＶに用いられる電力変換装置２００の回路ブロック図を示し、図３は、図２に示す３相インバータ回路１４０の１相分の直列回路１５０、すなわち本発明の実施形態におけるパワーモジュール１個の回路の構成を詳細に示すと共に、図４〜８に示すパワーモジュールの機械構造図に示す各部品の参照番号との対応を示す。
【００１４】
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。
【００１５】
また、図１では省略したが、バッテリ１３６はさらに補機用のモータを駆動するための電源としても使用される。補機用のモータとしては例えば、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る。バッテリ１３６から直流電力が補機用パワーモジュールに供給され、補機用パワーモジュールは交流電力を発生して補機用のモータに供給する。補機用パワーモジュールはインバータ回路１４０と基本的には同様の回路構成および機能を持ち、補機用のモータに供給する交流の位相や周波数、電力を制御する。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１および図２を参照してインバータ回路１４０の電気回路の構成を説明する。なお、以下でパワー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（以下「ＩＧＢＴ」と記述する）を使用しており、上アームとして動作するＩＧＢＴ３２８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および交流コネクタ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】
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）を用いてもよく、この場合はダイオード１５６やダイオード１６６は不要となる。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およびＩＧＢＴ３３０のスイッチングタイミングを演算処理するための不図示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およ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】
各アームの信号用のエミッタ電極１５５およ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、ドライバ回路１７４に入力されている。これにより、過電流検知が行なわれ、過電流が検知された場合にはＩＧＢＴ３２８、ＩＧＢＴ３３０のスイッチング動作を停止させ、これら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、過温度または過電圧が検知された場合にはドライバ回路１７４を制御してＩＧＢＴ３２８、ＩＧＢＴ３３０のスイッチング動作を停止させる。 
【００３２】
＜パワーモジュールの構造と特性＞
以下に本発明によるパワーモジュールの構造を図３〜図７を参照して説明する。なお、図４から図７の順は実際のパワーモジュール組み立ての順序と逆の順序で示している。図４から図７に示すパワーモジュールは、図３で示すように、３相インバータ回路１４０の１相分の直列回路１５０に相当する部分である。例えば図２に示すインバータ回路１４０において、最も左側の直列回路１５０が３相（Ｕ、Ｖ、Ｗ）の内の１相分（Ｕ）の直列回路１５０に相当し、図３に示すようにパワーモジュール３００Ｕの回路となっている。
パワーモジュールの構造の説明に続いて、実際に作製されたパワーモジュールにおける絶縁特性の評価結果について説明する。
【００３３】
図４（ａ）は、本実施形態のパワーモジュール３００Ｕの斜視図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）のパワーモジュール３００Ｕ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。なお、パワーモジュール３００Ｕは、上記のように３相インバータ回路１４０の１相分（Ｕ）に相当し、他の相（Ｖ、Ｗ）に相当するパワーモジュール（３００Ｖ、３００Ｗ）は、パワーモジュール３００Ｕと同じ構造となっている。
【００３４】
図５は、理解を助けるために、図４に示す状態からネジ３０９および第２封止樹脂３５１を取り除いたパワーモジュール３００Ｕを示す図である。図５（ａ）は斜視図であり、図５（ｂ）は図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。また、図５（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６は、図５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モジュール３００Ｕを示す図である。図６（ａ）は斜視図であり、図６（ｂ）は図４（ｂ）、図５（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】
パワーモジュールの組み立てにおいては、図６に示す状態のパワーモジュール３００Ｕの組み立て途中の状態のものを絶縁シート３３３と共にモジュールケース３０４に挿入し、放熱フィン３０５のある部分のモジュールケース３０４の両側に圧力をかけて、導体板３１８、３１５、３１９、３２０が絶縁シート３３３を介してモジュールケース３０４に密着するように圧着している。このため図４（ａ）または図５（ｂ）のようにモジュールケース３０４が変形している。
【００３７】
なお、この導体板３１８、３１５、３１９、３２０と絶縁シート３３３とモジュールケース３０４の圧着においては、モジュールケースの内側を真空にし、さらにモジュールケース３０４の両側から圧力をかける際に熱を加えながら圧着している。熱を加えることにより導体板とパワーモジュールケースとが強固に接着される。またこの際、パワーモジュールケース内を真空にすることにより、絶縁シート３３３を含む導体板３１８、３１５、３１９、３２０とモジュールケース３０４との間の接着部から気泡（ボイド）が除去される。
気泡が圧着部にあると、特に気圧の低い高地で電力変換装置が使用された場合、この気泡が膨張して放電しやすくなるので、上記の通り、気泡の分だけ絶縁層を充分厚くしておく必要がある。また膨張することにより接着部が剥離しやすくなり、剥離した場合は熱伝導が劣化するので、冷却能力が減少する。したがって、上記のように真空中で熱を加えて圧着する、真空熱圧着により導体板３１８、３１５、３１９、３２０と絶縁シート３３３とモジュールケース３０４の圧着を行うことで、熱伝導特性を実現することができる。
【００３８】
図７は、図６に示す状態からさらに第１封止樹脂３４８および配線絶縁部６０８を取り除いたパワーモジュール３００Ｕを示す図である。図７（ａ）は全体の斜視図であり、図７（ｂ）は、パワー半導体素子ＩＧＢＴ３２８、３３０およびダイオード１５６、１６６がそれぞれ導体板３１５、３１８および３２０、３１９と接続される構造を分かり易くするための分解図である。
【００３９】
図７（ｂ）に示すように、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１５６、１６６の上には、導体板３１８と導体板３１９が略同一平面上に配置される。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、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および微細金属粒子を含んだ低温焼結接合材、等である。
【００４０】
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およびダイオード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およびダイオード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。
【００４１】
パワーモジュール３００Ｕの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）は、図６、図７に示すように、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１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１封止樹脂３４８は図６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。
【００４２】
第１封止樹脂３４８により封止されたモジュール１次封止体３０２（図６参照）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２封止樹脂３５１が充填される。
【００４３】
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よって、その外周を囲まれている。また、図４（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および第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および第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。
【００４４】
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４（ａ）に示す如く曲面を成していても良い。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流路内に挿入しても、冷媒に対するシールをフランジ３０４Ｂにて確保できるため、冷媒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および第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１次封止体３０２が挿入された後の生産性が向上する。
【００４５】
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。
【００４６】
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７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。
【００４７】
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７に示す如く、信号配線３２４ＵはＩＧＢＴ３２８と接続され、信号配線３２４ＬはＩＧＢＴ３３０と接続される。
【００４８】
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。補助モールド体６００は、モジュール１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１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、抵抗ろう付け、超音波溶接などを用いることができる。
【００４９】
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および直流負極配線３１９Ａと同様の方向に向かって延びている。
モジュール１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２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モジュール３００Ｕの小型化が実現できる。
【００５０】
図７（ａ）に示されるように、接続部３７０の補助モールド体６００側には、補助モールド体側直流正極接続端子３１５Ｃ、補助モールド体側直流負極接続端子３１９Ｃ、補助モールド体側交流接続端子３２０Ｃ、補助モールド体側信号接続端子３２６Ｕおよび補助モールド体側信号接続端子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１次封止体３０２側には、多面体形状を有する第１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１次封止体３０２の製造が容易となる。
【００５１】
ここで、モジュール１次封止体３０２の第１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と補助モールド体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と補助モールド体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と補助モールド体側交流接続端子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と補助モールド体側信号接続端子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と補助モールド体側信号接続端子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。
【００５２】
上記の各端子は、いずれも第１封止樹脂３４８および第２封止樹脂３５１から接続部３７０を通して突出しており、その第１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１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２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１封止樹脂３４８でパワー半導体素子を封止してモジュール１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。
【００５３】
補助モールド体６００側において、補助モールド体側直流正極接続端子３１５Ｃ、補助モールド体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、補助モールド体側交流接続端子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。補助モールド体側信号接続端子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。
一方、モジュール１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。
【００５４】
＜パワーモジュールの構造と熱伝導＞
本発明によるパワーモジュールは、特許文献１に示されたパワーモジュールと同様の構造である。
図８（ａ）のパワーモジュール３００Ｕで、パワー半導体素子ＩＧＢＴ３２８または３３０を含む部分を拡大し、模式的に示したものを図８（ｂ）に示す。ダイオード１５６、１６６を含む部分も同様の構造となっている。
パワー半導体素子の両面にははんだ層（１６０）を介して導体板（３１５、３１８、３１９、３２０）が接合されている。図６に示されているように、導体板の外側の面は露出した状態で第１封止樹脂に封止されている。さらに、半導体回路部をモジュールケース（第１放熱面３０７Ａ、第２放熱面３０７Ｂ）内に収容し、樹脂製の絶縁性部材（絶縁シート３３３）を介してモジュールケース３０４の内壁に挟まれ支持されている。図５で説明したように、パワー半導体素子と放熱板とを密着させるために、フィン３０５の外側から加圧してモジュールケース３０４の湾曲部３０４Ａを弾性変形させた後、絶縁性部材は加熱硬化され、この絶縁性部材には、良好な放熱性を得るために、熱伝導性が良好な無機フィラーが充填されている。
【００５５】
モジュールケース３０４は、熱伝導性が良好な金属材料からなり、電力変換装置（図１３参照）の内部に形成された冷媒流路に挿入される。これにより、パワー半導体素子（ＩＧＢＴ３２８、３３０）が発生する熱は、これらのパワー半導体素子の両面から導体板３１５、３１８、３１９、３２０、絶縁性部材（絶縁シート３３３）および第１放熱面３０７Ａ、第２放熱面３０７Ｂを経て冷媒へ放熱される。
なお、モジュールケース３０４の第１放熱面３０７Ａ、第２放熱面３０７Ｂおよびフィン３０５を併せて放熱板として機能する。
【００５６】
一方、電力変換装置の保存環境および稼動に伴い、特にＨＥＶ、ＥＶに搭載されるパワーモジュールは大きな温度変化に曝される。この温度変化により、パワーモジュールを構成する材料の熱膨張係数の差から、絶縁性部材がはんだ層を含む半導体回路部（ＩＧＢＴ３２８、３３０、ダイオード１５６、１６６）または放熱面と接する界面に剥離の応力が生じる。すなわち、導体板３１５、３１８、３１９、３２０と絶縁性部材（絶縁シート３３３）との界面、または絶縁性部材と第１放熱面３０７Ａ、第２放熱面３０７Ｂとの界面に剥離が発生する。これらの界面は、パワー半導体素子（ＩＧＢＴ３２８、３３０、ダイオード１５６、１６６）が発熱した熱を放熱させる経路の途中に存在するため、これらの界面で剥離が生じると、熱抵抗が増大し、放熱性能が悪化する。この剥離の課題に関しては、温度環境と剥離の進展速度から寿命設計すればよい。
【００５７】
しかし、導体板３１５、３１８、３１９、３２０と第１放熱面３０７Ａ、第２放熱面３０７Ｂとの間には、パワー半導体素子のオンオフ動作に伴いサージ電圧が印加されており、剥離した部分のギャップで部分放電する恐れがある。部分放電が発生すると、サージ電圧の周波数が高いため、絶縁性部材（絶縁シート３３３）が短時間で絶縁劣化してしまい、電力変換装置を稼動させることができなくなる。剥離が発生しても部分放電させないためには、絶縁性部材（絶縁シート３３３）の厚さを厚くすればよいが、絶縁性部材（絶縁シート３３３）を厚くすると、熱抵抗が増大し、放熱性能が悪化してしまう。
したがって、この絶縁性部材の厚さを、放電が発生せずかつ充分な放熱性能を持つような厚さにすることが重要である。この設計方法に関して以下に説明する。
【００５８】
＜本発明による絶縁層の構造＞
ここで本発明による絶縁層の構造について説明する。
図９は、空気中で放電を起こす電極間電圧と気圧に対する依存性を示すパッシェン曲線である（電気工学ハンドブック（第６版）：電気学会編：ｐ. ５２３、図８８（２００１））。図９で示す曲線は、横軸に気圧ｐ（ａｔｍ）と空間距離ｄ（ｍ）との積、縦軸に放電電圧Ｖｄ（Ｖ）をプロットしたものであり、この曲線の形状は以下の式（１）で表される。
Ｖｄ＝Ａ×ｐ×ｄ／（ｌｏｇ（ｐ×ｄ）＋Ｂ）      ・・・（１）
ここで、Ａ、Ｂは、定数。
例えば、図９に示すように、ｐ＝１ａｔｍでは、空間距離ｄ＝０．００００２ｍ＝２０μｍのとき、約４４０Ｖで放電する。
【００５９】
一方、導体板３１５、３１８、３１９、３２０と第１放熱面３０７Ａ、第２放熱面３０７Ｂとの間に絶縁性部材（絶縁シート３３３）が介在し、一方の界面で剥離を生じた場合、図１０（ａ）に示すような電気的な等価回路として示すことができる。
なお、図１０（ｂ）は、図８に示すパワーモジュール構造について、パワー半導体素子より外側の部分（ここでは図の一部を概略的に示したものであり、図８（ｂ）のパワー半導体素子より右側の部分）に示す導体板、絶縁性部材、ギャップ、放熱板の厚さは誇張されたものである。したがって、図１０の電極（導体板）、絶縁性部材、電極（放熱板）は、それぞれ導体板（３１８、３１９、３１５、３２０）、絶縁シート（３３３）、放熱面（３０７Ａ、３０７Ｂ）に相当する。またギャップは、実際の条件では、図４（ｂ）または図８（ａ）に示すようなパワーモジュール（３００Ｕ）が長時間動作して発生するものであるので、図４（ｂ）および図８（ａ）にはギャップは示されていない。
【００６０】
Ｖｔは導体板と放熱板間に印加されるサージ電圧（Ｖ）（この電圧は、ピーク値であって実効値ではない）、Ｃｉは絶縁性部材の静電容量（Ｆ）、Ｃｇはギャップの静電容量（Ｆ）、Ｖｇはギャップが分担する分担電圧（Ｖ）であり、Ｖｇは式（２）で求めることができる。
Ｖｇ＝Ｖｔ×Ｃｉ／（Ｃｉ＋Ｃｇ）      ・・・（２）
【００６１】
また、平行平板の静電容量Ｃ（Ｆ）は、式（３）で求めることができる。
Ｃ＝ε×Ｓ／ｄ    ・・・（３）
ここで、εは誘電率（Ｆ／ｍ）、Ｓは平行平板の面積（ｍ２）、ｄは平行平板の間隙（ｍ）。
【００６２】
よって、絶縁性部材の厚さをｄｉ（ｍ）、絶縁性部材の誘電率をεｉ（Ｆ／ｍ）、ギャップの厚さをｄｇ（ｍ）、ギャップの誘電率をεｇ（Ｆ／ｍ）とすると、式（２）および式（３）から式（４）を導くことができる。
Ｖｇ＝Ｖｔ／（１＋εｇ×ｄｉ／（εｉ×ｄｇ））    ・・・（４）
【００６３】
さらに、絶縁性部材の比誘電率をεｒとし、ギャップ内部はほぼ空気で充填されていると仮定すると、空気の比誘電率＝１．０００５８６≒１から、式（４）は式（５）に変形することができる。
Ｖｇ＝Ｖｔ／（１＋ｄｉ／（εｒ×ｄｇ））    ・・・（５）
【００６４】
部分放電は、ギャップの分担電圧が放電電圧に達すると発生する。すなわち、Ｖｇ≧Ｖｄの場合に部分放電が発生する。図１１は、パッシェン曲線（図９）にギャップの分担電圧Ｖｇを重ねてプロットしたものである。例えば、ある物性の厚さｄｉ１の絶縁性部材を介して導体板と放熱板を絶縁した場合、あるサージ電圧の分担電圧は、図１１中の破線のように、パッシェン曲線と交差し、ギャップの厚さｄｇが約０．００００１ｍで部分放電が発生する。この物性の絶縁性部材の厚さをｄｉ２と厚く（ｄｉ２＞ｄｉ１）すると、図１１中の一点鎖線のように、ギャップの分担電圧が減少し、パッシェン曲線と交差しなくなり、ギャップの厚さがいくらになっても部分放電しない。すなわち、Ｖｇ＝Ｖｄとなる絶縁性部材の厚さが部分放電を発生させる最小の厚さとなる。
【００６５】
まず、パッシェン曲線の近似式を、公開されている上記の文献（電気工学ハンドブック（第６版）：電気学会編：ｐ. ５２３、図８８（２００１））のデータを用いて求めた。
式（１）を用いてＡ、Ｂを非線形最小二乗法により求めようとしたが、実際は以下の式（６）で示すように、補正項Ｃ、Ｄを加えた式（６）で良好に近似できることが分かった。
Ｖｄ＝Ａ×（ｐ×ｄ）Ｃ／（ｌｏｇ（ｐ×ｄ）＋Ｂ）Ｄ      ・・・（６）
【００６６】
さらに、ｐ＝１ａｔｍ、空間距離ｄ＝ギャップの厚さｄｇ（ｍ）とすると、式（６）は式（７）となる。
Ｖｄ＝Ａ×ｄｇＣ／（ｌｏｇ（ｄｇ）＋Ｂ）Ｄ      ・・・（７）
【００６７】
式（７）を用いて非線形最小二乗法により近似した結果、それぞれＡ＝１．８×１０７、Ｂ＝５．７８５、Ｃ＝０．９７６７、Ｄ＝１．４１８となった。
なお、非線形最小二乗法は、ニュートン法、マルカート法などの一般的な方法を用いることができる。
【００６８】
上記の結果から、式（５）、式（７）を用いて、絶縁性部材の比誘電率εｒ＝８としたときのサージ電圧Ｖｔを３５０〜３０００Ｖの間で、Ｖｇ＝Ｖｄ（すなわち、式（５）と式（７）の接点）となる絶縁性部材の厚さｄｉとギャップの厚さｄｇを非線形最小二乗法により求めた。具体的には、式（５）および式（７）についてギャップの厚さｄｇで微分して各式の傾きを求め、その傾きの差の絶対値が最小となることを目的関数とし、ＶｇとＶｄとの差が０となることを制約条件とした。
【００６９】
絶縁性部材の厚さｄｉ（ｍｍ）とサージ電圧Ｖｔ（Ｖ）の関係を図１２に示す。なお、以降のｄｉの単位はｍｍ（ミリメートル）である。また、図１２中の黒丸は上記の解析で求めた解析値である。この解析値はサージ電圧Ｖｔに対し連続的に変化しており、この変化は２次方程式で近似できることが分かった。式（５）のｄｉ／εｒ項の反比例の関係から以下の近似式（８）を得た。
ｄｉ＝（１．３６×１０−８×Ｖｔ２＋３．４×１０−５×Ｖｔ−０．０１５）×εｒ
・・・（８）
【００７０】
式（８）は、部分放電する絶縁性部材の限界の薄さなので、部分放電させないためには、式（９）が成立すればよいことになる。
ｄｉ＞（１．３６×１０−８×Ｖｔ２＋３．４×１０−５×Ｖｔ−０．０１５）×εｒ
・・・（９）
【００７１】
なお、式（９）は、絶縁性部材と導体板または放熱板との界面に存在するボイド若しくは絶縁性部材に内包されるボイドについても適用することができる。この場合は、図１０に示すように、等価回路が絶縁性部材の厚さとギャップの直列回路であるため、導体板と放熱板との間に介在させる絶縁性部材の厚さｄｉ（ｍｍ）は、許容するボイドの厚さをｄｂ（ｍｍ）とすると、式（１０）となる。
ｄｉ＞（１．３６×１０−８×Ｖｔ２＋３．４×１０−５×Ｖｔ−０．０１５）×εｒ＋ｄｂ
・・・（１０）
【００７２】
また、許容するボイドの厚さｄｂは、通常、絶縁性部材の厚さｄｉの占有率で定義されるので、例えば、許容するボイドの厚さが絶縁性部材の厚さの３０％以内と規定するなら、式（１０）は式（１１）のように変形できる。
ｄｉ×（１＋０．３）＞
（１．３６×１０−８×Ｖｔ２＋３．４×１０−５×Ｖｔ−０．０１５）×εｒ
・・・（１１）
なお、上記の検討は、部分放電に関して行ったものである。絶縁性部材の絶縁信頼性には、他に耐電圧について検討する必要がある。すなわち、絶縁性部材の絶縁耐圧（絶縁破壊電圧）と電力変換装置に要求される耐電圧を考慮する必要がある。
【００７３】
絶縁性部材の絶縁耐圧をＶｂｄ（Ｖ／ｍｍ）、電力変換装置に要求される耐電圧をＶｉｓｏ（Ｖ）とすると、式（１２）が成立しなければならない。
ｄｉ＞Ｖｉｓｏ／Ｖｂｄ  ・・・（１２）
よって、式９または式（１０）ならびに式（１２）が成り立つように、絶縁性部材の厚さを決めればよく、更に絶縁信頼性の高い電力変換装置を提供することができる。なお、絶縁性部材の絶縁耐圧Ｖｂｄと電力変換装置に要求される耐電圧Ｖｉｓｏとは、実効値またはピーク値に統一させる必要がある。
【００７４】
ここまでの説明は気圧＝１（ａｔｍ）のときに有効である。ＨＥＶ、ＥＶに搭載される電力変換装置では、標高４０００（ｍ）を越える高地でも使用される。パッシェン曲線の横軸は、気圧ｐ（ａｔｍ）と空間距離ｄ（ｍ）との積である。気圧が低くなる高地では、パッシェン曲線は実質的に横軸右側へ移動することになり、パッシェン曲線の極小値より右側の空間距離では、気圧が１（ａｔｍ）のときよりも放電しやすくなる。
【００７５】
そこで、ＨＥＶ、ＥＶなどに搭載される電力変換装置では、気圧も考慮する必要がある。標高ｈ（ｍ）および気温Ｔａ（℃）に対する気圧ｐ（ａｔｍ）を求める一般式は、以下の式（１３）が広く知られている。ここで、ｐ０（ａｔｍ）は海面の気圧であり、１ａｔｍで近似できる。
ｈ＝（ｐ０／ｐ）（１／５．２５７）−１×（Ｔａ＋２７３．１５）／０．００６５
・・・（１３）
ここでＰを左辺に変形すると、式１４が得られる。
ｐ＝ｐ０／（（ｈ×０．００６５／（Ｔａ＋２７３．１５）＋１）５．２５７）
・・・（１４）
【００７６】
例えば、標高ｈ＝４５００（ｍ）、気温Ｔａ＝−４０℃の環境であれば、ｐ＝０．５４ａｔｍとなる。
したがって、気圧ｐが低くなった分だけ絶縁性部材を厚くすればよく、式（９）に気圧ｐ（ａｔｍ）の項を追加した式（１５）を用いればよい。
ｄｉ＞（１．３６×１０−８×Ｖｔ２＋３．４×１０−５×Ｖｔ−０．０１５）×εｒ／ｐ
・・・（１５）
または、式１０に気圧ｐ（ａｔｍ）の項を追加した式１６を用いればよい。
ｄｉ＞（（１．３６×１０−８×Ｖｔ２＋３．４×１０−５×Ｖｔ−０．０１５）×εｒ＋ｄｂ）／ｐ                                                      ・・・（１６）
なお、気圧ｐ（ａｔｍ）は、電力変換装置が曝される環境で最も低い気圧である。
また、気圧は、（Ｔｏｒｒ）、（ｋＰａ）、（ｈＰａ）、（ｍｍＨｇ）など様々な単位が用いられるが、いずれも単位換算して用いることができる。
【００７７】
以上に説明した構造のパワーモジュールを３個、すなわちＵ、Ｖ、Ｗの３相分のパワーモジュール３００Ｕ、３００Ｖ、３００Ｗを作製し、その特性（絶縁性）を評価した。
〔実施例１〕
本実施例は、図４に示すようなパワーモジュールを、比誘電率εｒ＝６、厚さｄ１＝０．０７ｍｍの絶縁性部材（放熱シート）を用いて、製作したものである。
このパワーモジュールを３個水冷冷却器に搭載し、図１３に示すような電力変換装置を製作した。
【００７８】
図１３（ａ）は、パワーモジュールの下側ケースを構成する、冷媒の流路を形成する流路形成体１２を示す。この流路形成体１２の開口部４０２ａ、４０２ｂ、４０２ｃのそれぞれに、図４（ａ）に示すパワーモジュールが１個ずつ挿入される。すなわち、開口部４０２ａ、４０２ｂ、４０２ｃにそれぞれパワーモジュール３００Ｕ、３００Ｖ、３００Ｗが挿入される。なお開口部４０２ａ、４０２ｂ、４０２ｃにはそれぞれにパワーモジュール挿入後に冷媒が漏れないように、Ｏ−リングを装着する溝が設けられている。
【００７９】
図１３（ｂ）は、流路形成体１２にパワーモジュール３００Ｕ〜３００Ｗ、コンデンサモジュール５００、バスバーアッセンブリ８００を組み付けた外観斜視図である。また、図１３（ｃ）は、流路形成体１２からバスバーアッセンブリ８００を外した状態を示す。バスバーアッセンブリ８００は、流路形成体１２にボルト固定される。
なお、パワーモジュールは流路形成体１２の下側に少し突出するようになっており、このため流路形成体の下側には、更にこの突出部分をシールするための下側カバーが設けられているが、図１３では省略されている。また、本電力変換装置を車両に搭載する際は、実際にはコンデンサモジュール５００、バスバーアッセンブリ８００の上部に更にドライバ回路を実装した基板、制御回路が実装された基板および上側カバーが設けられるが、ここでは省略されている。
【００８０】
図１３に示すように、配管１３から流入した冷媒はコの字型に形成された流路形成体１２の流路を流れ、配管１４から流出する。この流路形成体１２の流路を流れる冷媒は、この冷媒に浸漬されたパワーモジュール３００Ｕ、３００Ｖ、３００Ｗの冷却フィン３０５を通過し、パワーモジュールのＩＧＢＴ３２８、３３０で発生した熱を除去する。
【００８１】
この図１３の電力変換装置に冷媒を循環しながら、電源電圧＝４２０Ｖ、モータ電流＝３００（Ａ）で３相交流モータを駆動させた。
このとき、サージ電圧Ｖｔ＝６２０Ｖであったため、本実施例のパワーモジュールの式（９）を満足する放熱シートの厚さｄｉ＞０．０６８ｍｍであり、式（９）を満足する。この電力変換装置の初期の状態で部分放電試験を実施したところ、部分放電電圧が１ｋＶ以上であった。
【００８２】
さらに、−４０℃から１２５℃の温度サイクル試験を１０００サイクル実施した後に部分放電試験を実施したところ、部分放電電圧は１ｋＶ以上あり、変化がなかった。
なお、温度サイクル後のパワーモジュールの断面を観察したところ、放熱シートと放熱板との界面の一部に約２０μｍの厚さのギャップがあった。
【００８３】
〔実施例２〕
本実施例は、比誘電率εｒ＝９、厚さｄ２＝０．０８ｍｍの放熱シートを用いて、実施例１と同じ方法でパワーモジュールを製作した。
実施例１と同様に、この実施例２の３つのパワーモジュールを冷却器に搭載し、電力変換装置を製作した。この電力変換装置に冷媒を循環しながら、電源電圧＝４２０Ｖ、モータ電流＝３００Ａで３相交流モータを駆動させた。
このとき、サージ電圧Ｖｔ＝６２０Ｖであったため、実施例２のパワーモジュールの式９を満足する放熱シートの厚さはｄｉ＞０．１０２（ｍｍ）であるため、式（９）を満足しない。
【００８４】
この電力変換装置の初期の状態で部分放電試験を実施したところ、部分放電電圧が１ｋＶ以上であった。さらに、−４０℃から１２５℃の温度サイクル試験を１０００サイクル実施した後に部分放電試験を実施したところ、部分放電電圧が６１２Ｖとなり、部分放電電圧が悪化した。なお、温度サイクル後のパワーモジュールの断面を観察したところ、放熱シートと放熱板との界面の一部に約１５μｍの厚さのギャップがあった。
この実施例２では、部分放電電圧がサージ電圧より低いため、電力変換装置の稼動中に繰り返し印加されるサージ電圧で部分放電が発生し、短時間に絶縁破壊する恐れがある。
【００８５】
以上にように、放熱シートが実施例より厚い比較例であっても、式（９）を満足しない場合は、部分放電が発生し、絶縁劣化に至ることが分かった。
【００８６】
一方、本発明によるパワーモジュールは、前述の通り特許文献１に記載のパワーモジュールと同様に、パワー半導体素子ＩＧＢＴ３２８、３３０の両面にはんだ層１６０を介して導体板３１５、３１８、３１９、３２０を接合し、これら導体板の外側の放熱面と第１放熱面３０７Ａ、第２放熱面３０７Ｂとを樹脂製の絶縁性部材（絶縁シート３３３）を介して絶縁および放熱する構造である。
すなわち、パワー半導体素子（ＩＧＢＴ３２８、３３０、ダイオード１５６、１６６）、導体板３１５、３１８、３１９、３２０、はんだ層１６０および第１放熱面３０７Ａ、第２放熱面３０７Ｂの熱伝導率は、数十〜数百（Ｗ／ｍＫ）あるのに対して、絶縁性部材（絶縁シート３３３）の熱伝導率は、せいぜい数〜１０（Ｗ／ｍＫ）と１〜２桁悪い。すなわち、樹脂製の絶縁性部材（絶縁シート３３３）で絶縁し両面から放熱させる図４に示すようなパワーモジュールでは、絶縁性部材の熱抵抗がパワーモジュール全体の熱抵抗に占める割合が高く、導体板３１５、３１８、３１９、３２０および第１放熱面３０７Ａ、第２放熱面３０７Ｂが銅、アルミなどからなる部材の場合は、パワー半導体素子（ＩＧＢＴ３２８、３３０、ダイオード１５６、１６６）、導体板３１５、３１８、３１９、３２０、第１放熱面３０７Ａ、第２放熱面３０７Ｂのサイズが変わってもほぼ３０（％）を占めている。したがって、むやみに絶縁性部材（絶縁シート３３３）の厚さを厚くすることはできない。
【００８７】
これに対しては、パワーモジュールのパワー半導体素子から冷媒までの熱抵抗をＲｔ（Ｋ／Ｗ）、絶縁性部材（絶縁シート３３３）の厚さをｄｉ（ｍｍ）、絶縁性部材（絶縁シート３３３）の熱伝導率をλｉ（Ｗ／ｍＫ）、絶縁性部材（絶縁シート３３３）の面積をＳｉ（ｍ２）とすると、式（１７）の条件が満たされれば充分に冷却されることが分かっている。
ｄｉ≦Ｒｔ×０．３×λｉ×Ｓｉ×１０００  ・・・（１７）
【００８８】
以上のように、本発明は、２つの導電性部材（ここでは導体板３１５、３１８、３１９、３２０のいずれか、と第１放熱面３０７Ａ、第２放熱面３０７Ｂのいずれか）を樹脂製の絶縁性部材（絶縁シート３３３）を介して絶縁する絶縁構造、特にパワーモジュールの主回路（直列回路１５０）と電力変換装置の冷却器または筐体とを樹脂製の絶縁性部材（絶縁シート３３３）を介して電気的に絶縁する電力変換装置において高い放熱性を維持しつつ、長期絶縁信頼性を確保する放熱部材の厚さを簡単に決定することができる。また、本発明は、ＨＥＶ、ＥＶなど使用される環境が厳しい電力変換装置でも、内部のメンテナンスなしに長期に渡って絶縁信頼性を確保することできる。
【００８９】
なお、本実施例は、両面から冷却する構造のパワーモジュールを用いているが、本構造に何ら限定されるものではなく、例えば、チップをリードフレームにダイアタッチした封止モジュールのリードフレームと冷却器またはヒートシンクとの電気的な絶縁構造、モータの巻線間の絶縁構造などに適用することが可能である。
すなわち、２つの導電性部材を樹脂製の絶縁性部材（絶縁シート３３３）を介して絶縁する絶縁構造において、ボイドがあっても部分放電させない絶縁性部材（絶縁シート３３３）の厚さを最小化することができる。
【００９０】
さらに、絶縁性部材（絶縁シート３３３）の比誘電率は、印加されるサージ電圧の周波数を含む範囲で測定された最大値を用いたり、絶縁性部材（絶縁シート３３３）が吸湿することにより変化するため、耐久劣化前後で測定された最大値を用いたりすることで、より絶縁信頼性を向上させることができる。
【００９１】
また、絶縁性部材（絶縁シート３３３）は、熱伝導率が高いシリカ、アルミナ、窒化ケイ素などの無機フィラーをアクリル、エポキシ、ポリイミドなどの絶縁樹脂材料に３０〜９０（体積％）充填したものが用いられる。無機フィラーの中でも比較的比誘電率が低くかつ熱伝導率が高い窒化ホウ素を充填することで絶縁性部材全体の比誘電率を下げることができる。また、比誘電率は比較的高いが熱伝導率がより高い窒化アルミを充填すること絶縁性部材全体の熱伝導率を高くすることができ、放熱性を向上できる。また、絶縁樹脂材料の中では、ポリイミド、ポリアミドイミドなどの比誘電率が比較的低く、これらの絶縁樹脂材料に窒化ホウ素、窒化アルミなどを充填することでより放熱性を向上させることができる。同じ絶縁信頼性なら、絶縁性部材の比誘電率が低い方が絶縁性部材の厚さを薄くすることでき、熱抵抗を小さくすることができるのでより高い冷却性能を得ることができる。よって、比誘電率の低い窒化ホウ素ならびにポリイミドまたはポリアミドイミドを絶縁性部材に用いるとよい。
【００９２】
なお、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。本発明の特徴を損なわない限り、様々な変形実施が可能である。
例えば、上記の説明では、各パワーモジュールには１相分の直列回路１５０、すなわちＩＧＢＴ３２８、３３０およびダイオード１５６、１６６を１個ずつ設けるとして説明したが、１個のパワーモジュールに３相分の直列回路を設けたパワーモジュールにおいても同様に適用することができる。
【符号の説明】
【００９３】
ＥＧＮ：エンジン、ＭＧ１：モータジェネレータ、ＴＳＭ：動力分配機構、ＴＭ：トランスミッション、ＤＩＦ：デファレンシャルギア、
１２：流路形成体、１３：入口配管、１４：出口配管、２１：コネクタ、
１３６：高電圧用バッテリ、１４０：インバータ回路、１３８：直流コネクタ、１５０インバータの１相分の直列回路、１５６、１６６：ダイオード、１６９：中間電極、１８８：交流コネクタ、１５３、１６３：コレクタ電極、１５４、１６４：ゲート電極、１５５、１６５：信号用エミッタ電極、１７２：制御回路、１７４：ドライバ回路、１８０：電流センサ、２００：電力変換装置、３００Ｕ、３００Ｖ、３００Ｗ：パワーモジュール、３０２：モジュール１次封止体、３０９：ネジ、３０５：冷却フィン、３０４Ａ：湾曲部、３０４：モジュールケース、３０６：挿入口、３０７Ａ：第１放熱面、３０７Ｂ：第２放熱面、３１５、３１８、３１９、３２０：導体板、３１５Ａ：直流正極配線、３１５Ｂ（１５７）：直流正極端子、３１５Ｃ：補助モールド体側直流正極接続端子、３１５Ｄ：素子側直流正極接続端子、３１９Ａ：直流負極配線、３１９Ｂ（１５８）：直流負極端子、３１９Ｃ：補助モールド体側直流負極接続端子、３１９Ｄ：素子側直流負極接続端子、３２０Ａ：交流配線、３２０Ｂ（１５９）：交流端子、３２０Ｃ：補助モールド体側交流接続端子、３２０Ｄ：素子側交流接続端子、３２４Ｕ、３２４Ｌ：信号配線、３２５Ｕ（１５４，１５５）、３２５Ｌ（１６４，１６５）：信号端子、３２６Ｕ、３２６Ｌ：補助モールド体側信号接続端子、３２７Ｕ、３２７Ｌ：素子側信号接続端子、３２８、３３０：ＩＧＢＴ、３３３：絶縁シート、３４８：第１封止樹脂、３５１：第２封止樹脂、３７０：接続部、３７１：ボンディングワイヤ、４０２ａ、４０２ｂ、４０２ｃ：開口部、５００：コンデンサモジュール、５０４：負極側のコンデンサ端子、５０６：正極側のコンデンサ端子、５０８：負極側の電源端子、５０９：正極側の電源端子、６００：補助モールド体、６０８：配線絶縁部、８００：バスバーアッセンブリ、８０２：交流バスバー
【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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