(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、冷却水が給排水される給排水口と、前記給排水口に接続され冷却水が流れる水路と、パアー半導体チップが搭載され、底面に金属ベースを有するパアー回路装置とから構成され、前記パアー回路装置を冷却するための水路領域は、前記金属ベースの底面と前記パアー回路装置の周囲を覆う容器の一部から構成され、前記冷却水は直接前記金属ベースに当てられる水冷インバータにおいて、
前記容器には、前記金属ベースを向き合うところに前記水路領域を構成する窪みを設け、
前記水路領域の深さは、前記窪みの深さで規定されており、
前記パアー回路装置を制御する制御回路基板は少なくとも２枚存在し、パアー回路装置及び前記パアー回路装置を冷却するための前記水路領域の上方及び下方に配置されることを特徴とする水冷インバータ。
【請求項２】
請求項１記載の水冷インバータにおいて、
前記上方に配置される制御回路基板はゲートドライバーであり、
前記下方に配置される制御回路基板はマイコンであることを特徴とする水冷インバータ。
【請求項３】
請求項１または２記載の水冷インバータにおいて、
前記下方に配置される制御回路基板は、前記容器の底蓋中に収納されることを特徴とする水冷インバータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、絶縁ゲートバイポーラ型トランジスタ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、以下ＩＧＢＴと略称する）のような高発熱性のパワー素子を備える水冷インバータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般にハイブリッド電気自動車用モータのような大出力モータを制御するインバータは、図２，２３，２５，２６に示す断面摸式図のような構造が採用されている。図２３は、熱伝導グリースを介してパワーモジュールを水冷ヒートシンクに固着した、間接冷却構造の従来例、図２はパワーモジュールのベース板に直接冷却水を当てる、直接冷却構造の従来例である。また、図２５，２６は直接冷却構造の改良例である。
【０００３】
図２３に示す間接冷却構造においては、パワーモジュール２３０の金属ベース板２３１は、熱伝導グリース２３２を介して、水冷フィン２３５が一体に形成されたアルミニウムダイカストのような金属製インバータケース２３３に固着している。
【０００４】
水路２３６は、水路カバー２３４によりインバータケース２３３下部を覆い形成される。マイコン１６、ゲートドライバ１７、トランス１８、電解コンデンサ１９のような回路素子が搭載された、制御回路基板であるプリント回路基板（以下ＰＣＢと略称する）１５は、並んで配置された二つのパワーモジュール２３０の上方に配置され、インバータ筐体２３３に固定される。図示していないが水路２３６に対して冷却水を給排水するための給水路、排水路が適当な位置に設けられる。
【０００５】
図２３ではＰＣＢ１５は、直接インバータ筐体２３３に固定されているが、アルミニウムダイカストのような金属製の支持板に取付られた後、インバータ筐体２３３に固定されても良い。インバータ上面は、金属製蓋１４で覆われる。
【０００６】
パワーモジュール２３０中のパワー半導体チップの熱は、ベース板２３１、熱伝導グリース２３２、フィン２３５を介して放熱され、冷却水により冷却される。また、ＰＣＢ１５上に設置される回路素子の熱は、自然対流による放熱と同時に、取付部からインバータ筐体２３３を通して放熱され、冷却水により冷却される。
【０００７】
一方、図２に示す直接冷却構造は、例えば特開平９−２０７５８３に記載されており、詳細は以下の通りである。モジュールの水冷用開口部２３をインバータ筐体２１に設け、パワーモジュール１０の金属ベース１１を、開口部２３を塞ぐようにインバータ筐体２１に固着する。
【０００８】
水路２０は、水路カバー２２でインバータ筐体２１の底面を塞いで形成される。この構造では、冷却水は直接金属ベース１１に当てられる。なお、金属ベース１１は平板であるが、フィンを設けることも可能である。また、制御基板、その他の構成は、図２３と同じで同じ参照数字は同じ部品を示している。
【０００９】
図２３の間接冷却構造に対する本構造の最大の利点は、熱伝導率の低いグリース２３２を削除できるため、パワー半導体チップのジャンクションから冷却水への熱抵抗，Ｒｔｈ（ｊ−ｗ）を大幅に低減できる点である。
【００１０】
熱抵抗を低減できると、インバータ動作時のパワー半導体チップの発熱、冷却繰り返しによる、温度振幅ΔＴを小さくできる。このことは、アルミニウムワイヤ／パワー半導体チップ電極界面の歪み及びはんだ中の歪みを小さくでき、信頼性、ワイヤ寿命、はんだ寿命を向上できる。
【００１１】
さらに、図２５，２６に示す従来例は、図２の直接冷却構造の性能向上を図った構造であり、互いに直交する二つの断面を示している。冷却水による放熱効率を向上させる、すなわち、熱伝達率ｈを増大させるためには、冷却水の流速を増大することが知られている。
【００１２】
しかしながら、流速を増大させることは、冷却水量の増大をもたらし、冷却水を循環させるポンプの負担が大きくなる。その結果、ポンプ能力を増大させる必要が生じる。
【００１３】
これはポンプのサイズの増大をもたらし、例えば、電気自動車のように、設置スペース、重量に厳しい制約がある場合には致命的となる。そこで、冷却水量の増大をできるだけ抑制して流速を増大することが望まれる。この従来例は、このことに対処している。
【００１４】
パワーモジュール１０が取り付けられる開口部２５２を有する水路構造体２５０中に、凸部２５１を固着して、水路２５３中に浅い水路領域２５４を設けている。凸部２５１は、パワーモジュール１０の下のみに設けられるため、高流速の部分はパワーモジュール１０の下のみに局部的に存在し、圧力損失の増大は抑制することができる。この従来例と類似する例は、例えば、特開平４−２１５６に記載されている。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、冷却水流速の増大を考慮した図２５，２６に示す従来例は、システム構成及び冷却性能の面で次のような問題がある。
【００１６】
高流速を実現する浅い水路の深さ２５６は、水路構造体２５０の厚さ２５７により最終的に制限されてしまう。部材の加工精度を考慮すると、開口部２５２の中まで、凸部２５１を張り出させることは現実的に困難であるからである。
【００１７】
厚さ２５７は、その強度上、例えば１〜２ｍｍに減少させる事は困難である。大容量インバータのように、形状が大きくなればなるほどこのことは顕著である。従って、従来の構造では、流量の増大を抑制したまま、顕著に流速を増大させることはできない。
【００１８】
また、凸部２５１の高さが低い場合、浅い水路領域２５４中、水路構造体２５０よりパワモジュールベ―ス板１１側の領域は、流速が低く冷却水が淀みやすく、効率の良い放熱が行われないため、冷却水の水温が上昇してしまう。
【００１９】
これでは凸部２５１を設ける効果は損なわれる。さらに、水路構造体２５０が図２５，２６のように一体の場合、図２６に示されている凸部２５１の形状は、実際には実現困難である。
【００２０】
現実的には、開口部２５２から凸部２５１を挿入、固着することを考慮すると、開口部２５２よりも小さい形状とならなければならない。従って、浅い水路領域２５４の流速は、顕著に増大させることはできない。
【００２１】
さらに、上述の従来例の場合、複数のパワーモジュールを搭載することは全く考慮されていない。大容量インバータの場合、一個のパワーモジュールのみでシステムが構成されることは考えにくい。パワーモジュールの内部応力、歩留りを考慮すると、モジュールの大型化には限界があるからである。
【００２２】
以上は、パワーモジュール１０の放熱について考慮したものである。インバータのように、高発熱のパワーモジュールと制御回路が混在する装置の場合、制御回路の低温化も重要である。
【００２３】
上記の従来例の場合、パワーモジュールの放熱は考慮されているが、制御回路の放熱については考慮されていない。これでは、パワーモジュールのみを高放熱性として高信頼化しても、装置としての信頼性は損なわれてしまう。
【００２４】
本発明は、冷却水量の増大を抑制しながら、流速を可能な限り増大でき、かつ、圧力損失の増大も抑制でき、その結果、パワーモジュールの信頼性をも向上できるインバータの構造、さらに、インバータ中の制御回路も顕著に低温化できるインバータの構造を提供することが目的である。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨を、図１，４，２４を使用して以下説明する。
【００２６】
図１は、インバータを構成するパワーモジュール１０の搭載部の断面構造摸式図である。インバータ筐体１３に二つの並置されたパワーモジュール１０、制御回路基板１５が納められ、上蓋１４でカバーされている。制御回路基板１５には、マイコン１６、ゲートドライバ１７、トランス１８、電解コンデンサ１９のような回路素子が搭載されている。
【００２７】
高流速の水冷のように、熱伝達率が大きい場合には熱伝達面積は大きくする必要はない。例えば、発熱体であるパワー半導体のチップ面積の１０倍程度で十分である。具体的には、チップサイズが約１０ｍｍ角の場合、伝熱面積は３３ｍｍ角程度であれば、現実的に十分である。
【００２８】
この場合、もはや、熱伝達部にフィンを設ける必要はない。これは、図２，２５，２６の従来例と同様である。キーポイントは流量を増大させないで、流速を増大させるために、浅い水路を、いかに簡便に精度良く形成するかである。
【００２９】
本発明では、インバータ筐体１３に浅い窪みを形成し、この窪みをパワーモジュール１０の金属ベース１１で覆うことにより、浅い水路１２を形成している。水路１２に対して冷却水を給排水するために給排水路１２１，１２２が適当な位置に設けられている。なお、給排水路１２１，１２２は、模式的に示したものである。インバータ筐体１３は、アルミニウム板のプレス加工、又は、アルミダイカスト等の手法で製造するため、例えば１〜２ｍｍの浅い窪みを精度良く形成することは容易である。
【００３０】
一方、このような浅い水路１２のデメリットは、水路断面積が小さいために、圧力損失が増大してしまうことであるが、これは、以下のようにして対処する。
【００３１】
前述のように、高流速で冷却する場合、熱伝達面積は大面積は必要ない。そこで、浅い水路１２はパワーモジュール１０の下に局部的に存在させることができる。従って、圧力損失を低減させるために、パワーモジュール１０の放熱に直接関係しない部分の水路断面積はできるだけ大きくするのである。
【００３２】
この部分の断面摸式図を図２４に示す。図１の場合と異なり、インバータ筐体１３に深い窪みを形成し、深い水路２４０を形成している。本水路上には、パワーモジュール１０は存在しない。
【００３３】
以上述べたように、本発明によれば、インバータ筐体１３に、大小深さの異なる窪みを形成して、この窪みをつなげることにより冷却水路を構成し、冷却は浅い窪みを利用して形成される浅い水路で行うことにより、流量、圧力損失とも増大させないで、高効率冷却できる。また、複数の浅い窪み上に複数のパワーモジュールを搭載することにより、パワーモジュールの複数化にも容易に対処できる。
【００３４】
上述の説明では、インバータ筐体１３側に浅い窪みを設けているが、点線で示すように逆に金属ベース１１側に浅い窪みを設け冷却水路１２５としても良く、さらに、インバータ筐体１３、金属ベース１１の両方に浅い窪みを設けても良い。
【００３５】
次に、制御回路の低温化に関して、図４を使用して説明する。
【００３６】
パワーモジュール１０の搭載部の断面構造摸式図を示している。二つのパワーモジュール１０、ドライバ回路基板４０はインバータ筐体４２に納められ、上蓋１４で覆われている。さらに、ドライバ基板４０と分離して、マイコン基板４１は、インバータ筐体４２の底面に位置する底蓋４３中に納められている。インバータ筐体４２の中に浅い窪みで浅い水路１２を形成するのは、前述と同様である。
【００３７】
本構造おいては、熱に弱い部品であるマイコン１６が搭載されたマイコン基板４１は、高発熱部品であるパワーモジュール１０が存在するインバータ筐体４２から熱的に遮断できるため、マイコン基板の温度は、顕著に増大することはない。
【００３８】
また、パワー半導体モジュール１０とドライバ基板４０は近接しなければならないが、マイコン基板４１とドライバ基板４０間の距離は比較的長くてもノイズ的に問題無い。以上本発明の特徴を述べたが、上述以外の本発明の特徴は、以下の本発明の実施例の説明で明らかとなる。
【００３９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を、以下図面を使用して詳細に説明する。
（実施例１）
図６は、本発明の第一の実施例を説明する図で、パワーモジュール搭載部の断面構造摸式図を示している。定格電圧／電流、６００Ｖ／４００ＡのＩＧＢＴモジュールを搭載した３５ｋＷの３相インバータの例である。アルミニウムダイカスト製のインバータ筐体６１に、６個の１アームＩＧＢＴモジュール５１０、電解コンデンサ５１３、トランス５１５、マイコン５１２、ＩＧＢＴゲートドライバ５１４、チップ抵抗５２４、チップコンデンサ５２５が搭載された一枚の制御回路基板６０、２個のフィルタコンデンサである電解コンデンサ５２０他が納められ、上蓋５０でカバーされている。
【００４０】
上蓋５０とインバータ筐体６１はガスケット（図示せず）を使用して、Ｍ６のボルト５４で締結されている。ガスケットは、放射ノイズ低減のために、金属製のものを使用している。インバータ筐体６１の大きさは、概略２３０ｍｍ（Ｗ）×２６０ｍｍ（Ｌ）×６０ｍｍ（Ｈ）（上蓋含む）であり、３５ｋＷの容量を考慮すると、小型化されたインバータである。
【００４１】
フィルタコンデンサの大きさは４０ｍｍφ、高さは３０ｍｍである。ＩＧＢＴモジュール５１０の大きさは概略７０ｍｍ×６０ｍｍであり、ＩＧＢＴチップ、フリーホイーリングダイオード（ＦＷＤ）チップが各２チップ内蔵されている。ＩＧＢＴモジュール５１０にはＵ，Ｖ，Ｗの出力配線５１９、Ｐ，Ｎバスバー５１８，５１７、制御回路基板６０が接続されている。
【００４２】
バスバーはタフピッチ銅製で厚さは１．５ｍｍである。パワー系の配線はＭ５のボルト５６で取付られている。Ｐ，Ｎバスバー５１８，５１７は樹脂等の絶縁シート５２６を介して固着され、互いのインダクタンスを低減する構造となっている。制御回路基板は、ＩＧＢＴモジュール５１０の制御端子５２８にスルーホールはんだにより接着されている。
【００４３】
固定は、インバータ筐体６１の周囲にＭ３のボルト５７で締結することにより行っている。Ｐ，Ｎバスバー５１８，５１７のＰ，Ｎ端子側にはフィルタコンデンサ５２０がＭ５のボルト５５で接続されている。
【００４４】
なお、本断面構造摸式図では、インバータのＵ，Ｖ，Ｗ，Ｐ，Ｎ端子、制御端子、給排水管は省略されている。実際は、Ｐ，Ｎ端子は図中左端に、Ｕ，Ｖ，Ｗ端子は右端に配置される。また、Ｕ，Ｖ，Ｗ配線５１９には、制御用の電流検出器であるカレントトランス５２３が接続されている。アルミニウムダイカスト製のインバータ筐体６１の板厚の最小値は２ｍｍであり、可能な限り軽量化を図っている。また、上蓋の板厚は２ｍｍである。
【００４５】
本発明の特徴である浅い水路５１１の深さは２ｍｍである。本実施例では、インバータ筐体６１に、板厚２ｍｍの開口部付きアルミニウム板５３を貼り付けることにより深さ２ｍｍの窪みを形成し実現している。インバータ筐体６１とアルミニウム板５３の周囲は溶接して漏水を防止している。
【００４６】
また、ＩＧＢＴモジュール５１０は液状ガスケット（図示せず）を使用して固着することにより漏水を防止している。ＩＧＢＴモジュールの非搭載部は、筐体の底面６２に深さ１５ｍｍの深い窪みを形成して、深い水路を構成している。フィルタコンデンサ５２０の放熱は、インバータ筐体６１にコンデンサ底面を接着することにより行っている。制御回路中の、電解コンデンサ５１６、トランス５１５は特に熱に弱い部品である。
【００４７】
そこで、本実施例では、電解コンデンサ５１６、トランス５１５上面に熱伝導シート５１６を配置し、上蓋５０と接触させることにより熱を上蓋、さらには、上蓋経由でインバータ筐体６１、水路５１１へ放熱している。
【００４８】
本構造の冷却水路に１５リットル／分の冷却水（主成分：エチレングリコール）を流してＩＧＢＴモジュールの熱抵抗（チップジャンクションから冷却水まで、Ｒｔｈ（ｊ−ｗ））、圧力損失を測定したところ、Ｒｔｈ（ｊ−ｗ））は１アーム当たり０．１Ｋ／Ｗ、圧力損失はインバータ全体で１５ｋＰａであった。
【００４９】
圧力損失は、通常この種の容量のインバータ装置と同等で、熱抵抗は従来の間接冷却と比べ、半分以下に低減することができた。また、定格負荷運転時のマイコン５１２の温度は約１００℃であり、電解コンデンサ５１６、トランス５１５の温度は、上記対策により、各々８０℃、９０℃と低い温度とすることができた。また、ＩＧＢＴモジュール５１０／筐体６１界面の冷却水シール性は、２００ｋＰａ以上であることを確認できた。
（実施例２）
図７は、本発明の第二の実施例を説明する図で、第一の実施例と同じく、パワーモジュール搭載部の断面構造摸式図を示している。第一の実施例と異なるのは、ＩＧＢＴモジュール７２、制御回路基板７１の機能、構造、及び、それらの接続法、固定法である。
【００５０】
図６の場合、制御回路基板６０は可能な限り周囲でインバータ筐体６１に固定される。しかしながら、電気自動車用インバータのように、激しい振動環境で使用される場合、共振等による機械的な劣化の懸念は残される。
【００５１】
本実施例はこれに対処しており、制御回路基板７１は、上蓋７０にＭ３ボルト５７でしっかり固定され、振動に対して極めて強固な構造にしている。また、マイコン５１２、電解コンデンサ５１３、トランス５１６の放熱は、これらの部品の搭載部のプリント回路基板（ＰＣＢ）裏面と上蓋間に、第一の実施例と同じく熱伝導シート５１６を固着している。
【００５２】
本構造にした場合は、ＩＧＢＴモジュール７２と制御回路基板７１の距離が増大してしまう。すなわち、ゲートドライバを制御基板上に配置した場合、ゲートドライバとＩＧＢＴモジュールの距離が増大してノイズに弱くなる。
【００５３】
そこで、本実施例では、ＩＧＢＴモジュール７２は、ゲートドライバを内蔵したゲートドライバ内蔵ＩＧＢＴモジュールとし、モジュール７２への制御信号は、ゲートドライバの制御信号としている。
【００５４】
従来から、この信号の配線は比較的長くてもノイズに対して問題ないことは明らかとなっている。この制御信号は、インタフェース端子７４から、ゲートドライバ内蔵ＩＧＢＴモジュール７２の制御端子７６へ、インタフェースケーブル７５を使用してやりとりされる。
【００５５】
冷却性能に関しては、ゲートドライバ内蔵ＩＧＢＴモジュール７２は実施例１と同程度、制御回路基板７１は、上蓋により効率的に放熱されるため、第１の実施例よりも５℃程度低減することができた。
【００５６】
（実施例３）
上記二つの実施例は、制御回路基板を基本的に一枚基板とした場合であり、部品点数を削減でき、制御回路基板サイズを低減できるため、組立工数の削減、及び、インバータ小型化の長所がある。
【００５７】
しかしながら、制御回路基板そのものの歩留り低下、及び、ＩＧＢＴモジュールと同一スペースに存在するため、高温環境となり、より低温仕様である低価格マイコンを使用できない。
【００５８】
従って、インバータ体格を増大を抑制できれば、制御回路基板を２分割し、例えば、ドライバ基板、及び、マイコン基板と分ける事が望ましい。第三の実施例は、これを実現している。
【００５９】
図５は、ＩＧＢＴモジュール５１０の搭載部の断面構造摸式図を示している。ＩＧＢＴモジュール５１０、フィルタコンデンサ５２０、及び、それらのパワー系配線は実施例１と同一である。また、ＩＧＢＴモジュール５１０、フィルタコンデンサ５２０の冷却構造も実施例１と基本的に同じである。
【００６０】
ゲートドライバ５１４、電解コンデンサ５１３、トランス５１５等を搭載し、ゲートドライブ及び制御電源機能を搭載した第一の制御回路基板（ドライバ基板）５８と、マイコン５１２、電解コンデンサ５１３等を搭載した、第一制御基板の制御機能を搭載した第二の制御回路基板（マイコン基板）５９に分割している。
【００６１】
ドライバ基板５８のＩＧＢＴモジュール５１０への接続法、固定法、及び、放熱法は実施例一と同じである。特徴は、マイコン基板５９の搭載法である。板厚２ｍｍのアルミニウムダイカスト製の底蓋５２を新たに設け、この底蓋にマイコン基板５９をＭ３ボルト５７で固定している。
【００６２】
底蓋は、インバータ筐体５１の底面にネジ穴を設け、Ｍ６のボルト５４で筐体５１に固定される。ドライバ基板５８への接続は、筐体５１の底面の一部に開口部５２７を設け、この領域中、インタフェースケーブル５２１を通すことにより実現している。端子５２２はインタフェース端子である。
【００６３】
また、このインタフェースケーブル５２１でやりとりされる信号は、フォトカプラで絶縁している。前述のように、マイコンとゲートドライバ間の信号は、ノイズに強い信号であるため、本実施例のように、インタフェースケーブル長が約８ｃｍでもノイズ的に何ら問題無かった。
【００６４】
また、マイコン５１２は冷却水路５１１の下面に位置し、熱的にＩＧＢＴモジュール５１０と遮断されるため、特別な放熱手段を用いなくても、８５℃まで低減でき、これまでの実施例よりも、１ランク下の耐熱性のマイコンを使用することができた。インバータの大きさは、底蓋が増大した分、高さ方向が増大し、概略２３０ｍｍ（Ｗ）×２６０ｍｍ（Ｌ）×７０ｍｍ（Ｈ）（上蓋、底蓋含む）であった。
【００６５】
次に本実施例の平面構造を図１７〜２２を使用して説明する。図１７〜２２は、いずれも上蓋、マイコン基板を含む底蓋、ドライバ基板とマイコン基板のインタフェース部を除いた平面構造摸式図である（図１７，１８は断面摸式図を含む）。
【００６６】
図１７はＩＧＢＴモジュール５１０搭載前の平面図、断面図である。フィルタコンデンサ５２０他搭載用窪み１７５、カレントトランス５２３他の搭載用窪み１７６を形成した、アルミニウムダイカスト製筐体５１に、開口部１７２、Ｍ５のネジ穴１７４を設けたアルミニウム板（板厚：２ｍｍ）５３を固着している。
【００６７】
固着は、アルミニウム板５３の周囲を筐体５１に溶接して実施している。本構造で、圧力損失を低減するための深い水路１７３が形成される。給排水管１７７の内径は５ｍｍφであり、インバータの一面（図では左端）に設けられる。図１８はＩＧＢＴモジュール５１０、フィルタコンデンサ５２０、Ｕ，Ｖ，Ｗ配線５１９搭載後の平面、断面図である。
【００６８】
ＩＧＢＴモジュール５１０はＭ５ボルト１８２で液状ガスケットを介して筐体５１（アルミニウム板５３）に取り付けられ、フィルタコンデンサ５２０は領域１７５に接着される。Ｕ，Ｖ，Ｗ配線５１９はＩＧＢＴモジュール５１０の主端子にＭ５ボルト５６で取り付けられる。
【００６９】
端子１８６，１８７，１８９，１８００は各々Ｐ端子，Ｎ端子，補助エミッタ端子，ゲート端子である。また、フィルタコンデンサ５２０の端子１８０１，１８０２は各々陽極，陰極端子である。ＩＧＢＴモジュール５１０を搭載することにより深さ２ｍｍの浅い水路５１１が形成される。
【００７０】
図１９はＰバスバー５１８搭載後の平面摸式図である。板厚１．５ｍｍのタフピッチ銅製Ｐバスバー５１８に、ゲート端子１８００、及び、補助エミッタ端子１８９を通すための開口部１９０、及び、フィルタコンデンサ陰極１８０２取付用開口部１９１を設け、前述のＰ端子１８６、同じく前述の陽極１８０１に、Ｍ５ボルト５６，５５で取り付けられる。
【００７１】
Ｐ端子１８６部より張り出している部分１９２は、上に固着されるＮ端子のインダクタンスを低減させるための領域である。図２０はＰ，Ｎバスバー５１８，５１７絶縁用絶縁板５２６搭載後の平面図である。厚さ１ｍｍの絶縁板５２６にＩＧＢＴモジュール５１０主端子用、及び、フィルタコンデンサ端子用開口部２００、及び、ＩＧＢＴモジュール５１０制御端子用開口部２０１を設け、前述のＰバスバー５１８全面に貼り付けている。
【００７２】
図２１はＮバスバー５１７搭載後の平面図である。Ｐバスバー５１８と同じく厚さ１．５ｍｍのタフピッチ銅製Ｎバスバー５１７に、フィルタコンデンサ陽極用開口部２１２、ＩＧＢＴモジュール５１０制御端子、主端子用開口部２１０、及び、切欠き部２１１を形成し、前述の絶縁板５２６に貼り付け、Ｍ５ボルト５５，５６でフィルタコンデンサ陰極１８０２，ＩＧＢＴモジュール５１０のＮ端子１８７に接続している。開口部、及び、切欠き部の形状は、インダクタンス低減のために、バスバーの幅をできるだけ大きくするように配慮している。
【００７３】
最後に、図２２はドライバ基板５８搭載後の平面図を示している。部品、及び、筐体への取付部は省略している。前述までのバスバーを覆うように、上面にスルーホールはんだ接着で、制御端子１８９，１８００に接続している。ＰＣＢの板厚は２ｍｍ、大きさは２３０ｍｍ×１８０ｍｍである。本板厚はＰＣＢの強度を考慮して設定した。
（実施例４）
これまでの実施例において、フィルタコンデンサ５２０の冷却は、インバータ筐体に接着するのみで、積極的に冷却するものではなかった。しかしながら、装置の小型化を図るためには、フィルタコンデンサの小型化は重要であり、そのためには冷却を強化しなければならない。本実施例はこれを実現する実施例である。図８の断面構造摸式図で、以下説明する。
【００７４】
これまでの実施例では、冷却水は、積極的には高発熱部品であるＩＧＢＴモジュール５１０の冷却のみに使用してきた。しかしながら、水路を工夫することにより、その他の部品も冷却することが可能である。本実施例では、フィルタコンデンサ５２０の下面にも水路８２を設け冷却している。
【００７５】
コンデンサ５２０の発熱は、ＩＧＢＴモジュール５１０比べて小さい。従って、冷却水の流速は水路５１１部ほど大きくする必要はない。そこで、水路８２の断面積は、浅い水路５１の５倍として流速を１／５としている。水路８２は、インバータ筐体８０、開口部付きアルミニウム板（板厚：２ｍｍ）８１の形状を変更して構成した。
【００７６】
本水路８２によって、フィルタコンデンサ５２０の温度は、水路無しと比べて３０℃低減することができた。一方、圧力損失は流速が小さいため、ほとんど増大せず、実施例１と比べて０．５ｋＰａの増加にとどまった。インバータの体格は、フィルタコンデンサ５２０の位置が水路の分上方へずれたため、高さが１０ｍｍ増大し、高さは８０ｍｍとなった。面積はこれまでと同じである。
【００７７】
また、本実施例では、マイコン５１２、電解コンデンサ５１３搭載部のＰＣＢ５９下に熱伝導シート８４を接着し、底蓋に放熱することにより、制御基板の冷却を強化している。
【００７８】
本発明のインバータ構造は、前述のように、ＩＧＢＴモジュール５１０に直接冷却水を当てて冷却する構造である。この構造の場合、ガスケットでシールしたＩＧＢＴモジュール／筐体界面から冷却水がインバータ筐体中へ漏水する危険性を完全になくすことは困難である。従って、漏電による感電に対する配慮が必要である。以下の実施例５，６，７はこのことに対処した実施例である。
（実施例５）
図９の断面構造摸式図を使用して説明する。図９は図５と同じ箇所の断面図を示している。前述のように、ＩＧＢＴモジュール５１０は液状ガスケットで接着され、冷却水水圧２００ｋＰａまでの冷却水シール性を確認している。この圧力は、通常運転時の１０倍以上の圧力であり、通常動作では全く問題ない。
【００７９】
しかしながら、異常な水圧が何らかの影響で加えられると、ＩＧＢＴモジュール周囲９２から漏水の可能性がある。本実施例では、インバータ筐体９３中に、ウレタン樹脂９０を充填して、筐体９３中に冷却水が侵入するのを防止している。この場合、インタフェースケーブル５２１用の開口部９１は、ウレタン樹脂９０が底蓋に漏れないよう、ウレタン樹脂上面まで突き出た構造としている。ウレタン樹脂９０と筐体９３の界面接着性は十分で、実験の結果、この界面を冷却水が浸透することはないことが確認できた。
（実施例６）
図１０を使用して、漏水対策のもう一つの実施例を説明する。図９と同じ箇所の断面摸式図を示している。本実施例の特徴は、漏水を、高電圧部が存在しないため漏電が起きても安全上問題のない領域へ逃がすことを特徴としている。インバータ筐体１００底面に、漏水を底蓋に逃がすための開口部１０１を設けていることが特徴である。
【００８０】
開口部１０１は水路の邪魔にならない範囲で可能な限り数多く形成することが望ましい。本実施例では、幅２ｍｍ、長さ２０ｍｍの開口部を６箇所形成した。底蓋５２中のマイコン基板５９は、５Ｖ電源で動作し、信号もフォトカプラで絶縁されているため、万一漏電しても安全上問題無い。また、基板５９には漏水センサ１０２を搭載して、漏水情報をマイコン５１２へ入力し、水冷ポンプを停止するように制御され、漏水が続くことのないように制御される。
【００８１】
（実施例７）
以上二つの漏水対策の実施例は、筐体中に侵入しようとする漏水を樹脂で阻止する、あるいは、侵入した漏水を感電の危険性ない場所へ逃がす構造であった。本実施例は、漏水しても筐体外へ冷却水を逃がすことができるため、抜本的に対策した実施例である。深い水路、及び、浅い水路が形成された構造中、浅い水路部の断面構造摸式図である図３に示す。
【００８２】
パワーモジュール３０底面の金属ベース３１表面に筐体３２を接続し、筐体３２底面の開口部を金属ベース３１で塞ぐ。浅い水路１２は、複数の深さの異なる窪みが形成された水路用底蓋３３を、金属ベース３１裏面に浅い窪みが接続されるように接合して形成する。
【００８３】
すなわち、本構造のキーポイントは、これまで筐体内に窪みを作製して形成していた水路を、専用の水路構造体で筐体と分離させたことである。本構造で、たとえ冷却水のシールが破られて水路外へ冷却水が漏れ出しても、筐体３２内へ漏水は侵入することなく感電の危険性は皆無とすることができる。
【００８４】
以下３つの実施例は、底蓋中のマイコン基板の冷却強化を図った実施例である。
【００８５】
（実施例８）  本実施例を、図１２に示す断面構造摸式図で説明する。インバータ筐体１２０底面に、Ｍ３ボルト用ネジ穴を開け、マイコン基板であるＰＣＢ１２２をＭ３ボルト５７で固着している。すなわち、ＰＣＢ１２２裏面全面は水路５１１底面に接触する。
【００８６】
従って、これまでの実施例と異なり、ＰＣＢは両面実装できない欠点はあるが、大幅な放熱性の向上が図れ、マイコン基板の大幅な低温化を達成できる。また、マイコン５１２は、レイアウト上、より水路に近い部分に搭載する等の工夫をして、一層の低温化を達成することができる。
（実施例９）
本実施例は、実施例８と同じコンセプトの実施例である。実施例８の場合、筐体１２０の底面はフラットであることが、ＰＣＢ１２２取付上望まれる。従って、アルミニウムダイカスト等で筐体は製造することになる。
【００８７】
筐体形状が単純で、プレス加工等でも製造が可能な場合、本発明の概念から、深さの異なる窪みが筐体中に存在するため、筐体底面は凸凹が存在する。すなわち、筐体底面にマイコン基板を貼り付けることは困難である。このことに対処した実施例を断面構造摸式図で図１３に示す。
【００８８】
Ｍ３ボルト５７で、ＰＣＢ１３０裏面全体を底蓋１３１に貼り付けることにより高放熱を実現している。ＰＣＢは片面実装となる欠点は実施例８と同じで、冷却効率は実施例８よりも若干低下する。しかしながら、実施例３と同様に、あらかじめマイコン基板１３０を底蓋１３１に搭載し、底蓋といっしょに筐体５１へ組み立てられるため、組立性に優れる特長がある。
（実施例１０）
本実施例は、実施例８，９の中間的な特徴を持つ実施例である。断面構造摸式図である図１４で説明する。
【００８９】
ＰＣＢの高密度実装を考慮すると、やはり両面実装は必要である。そこで、本実施例ではＰＣＢ１４２は両面実装とし、マイコン５１２の熱は、あらかじめ筐体１４０底面に接着しておいた熱伝導シート５１６にマイコンパッケージ表面を接触させることにより筐体１４０へ放熱し、電解コンデンサ５１３の熱は搭載部ＰＣＢ裏面の熱伝導シート５１６で底蓋へ放熱している。すなわち、本実施例は、組立性を考慮しながら、マイコンの高放熱に対する配慮を実施した例である。
（実施例１１）
図２８の断面構造摸式図を使用して第十一の実施例を説明する。本実施例は、インバータ筐体２８４内に制御回路基板を配置するのを廃止して、底蓋２８５内のみに配置した場合の実施例である。
【００９０】
図７に示した実施例２で、制御回路基板を上蓋から底蓋に移した場合に相当する。従って、ゲートドライバ内蔵ＩＧＢＴモジュール７２の構造、制御基板７１の構造は実施例２と同一である。目的は、制御回路基板の低温化には一切配慮を必要としない構造とすることである。
【００９１】
底蓋２８５に制御基板７１をＭ３ボルト５７で固定し、筐体２８４底面に２箇所設けられた開口部２８８を通してインタフェースケーブル２８７で制御基板７１とゲートドライバ内蔵ＩＧＢＴモジュール７２の制御端子７６を接続している。
【００９２】
実施例２と同様、制御信号はドライバーの駆動信号であるため、長くなってもノイズ的に問題無い。モジュールに内蔵されたドライバは、冷却水路５１１で冷却されるため、温度的に問題無く、基板７１は熱的に筐体２８４内と遮断されるため、制御回路低温化が最も図れた実施例である。上蓋２８０は、制御回路が存在しない分、これまでの実施例よりは深さが浅い構造となっている。
（実施例１２）
断面構造摸式図１１を使用して第十二の実施例について説明する。
【００９３】
これまでの実施例は全て、ＩＧＢＴモジュールは１アームモジュールの場合であった。この場合、モジュールの大きさが小さいため、モジュール内部の潜在応力が小さい、製造歩留りが良い、等の利点がある。しかしながら、６個のモジュールを接続する浅い水路、深い水路の数が多くなり水路形状が複雑になる。
【００９４】
本実施例は、このことに対処した場合である。図５の実施例３において、ＩＧＢＴモジュール１１２を一相モジュールとして、浅い水路１１３の幅を従来の２倍としたことが特徴である。浅い水路深さは２ｍｍであり、板厚２ｍｍのアルミニウム板１１１の開口部形状、及び、図示していないが、筐体１１０中の深い窪みの形状を変えて水路構造を変化させている。
【００９５】
Ｐ，Ｎバスバー１１５，１１４、絶縁板１１７、Ｕ，Ｖ，Ｗ出力配線１１６は、ＩＧＢＴモジュール形態の変化に伴い、図５の場合と変わっている。水路幅が図５の場合と比べて約２倍となっているため、同じ冷却性能とするためには流量が２倍となるが、直列接続される水路が減るため、圧力損失は半減することができる。
（実施例１３）
図１５，１６を使用して、第十三の実施例について説明する。本実施例のコンセプトを示す断面図を示している。例えば電気自動車には、様々な性能の自動車を駆動するため、容量の異なる種々のモータが必要となる。
【００９６】
さらには、一台の車の中でも、駆動用と発電機用とではモータの容量は異なる。これら様々なモータを駆動するため、容量の異なる様々なインバータが必要となる。多様な容量のインバータを簡便な方法で製造できれば、インバータの普及、さらには、電気自動車の普及に効果がある。本実施例はこの目的達成の実施例である。
【００９７】
インバータ制御方法、パワー半導体素子の駆動を制御するためのドライバ回路、さらに各種保護回路等は、インバータ毎に異なることが多い。しかしながら、モータ電流の駆動回路であるパワーモジュール、及び、その冷却系は、パワーモジュールの容量が異なるだけで各インバータ装置で共用できる。
【００９８】
本実施例は、パワー回路の共通化法を示したものである。図１５において、これまでと同様に深さの異なる窪みが形成された水路用構造体１５０にパワー半導体モジュール１０を固着して、浅い水路１２を形成する。水路用構造体１５０は、これまでのように、インバータ筐体と一体ではなく独立している。
【００９９】
インバータ筐体は、水路用構造体１５０、側壁１５１とから構成される。側壁１５１に固定されたゲートドライバ基板４０、及び、底蓋４３中のマイコン基板４１の構成、接続法はこれまでの実施例と同じである。本構造中、水路構造体１５０とパワーモジュール１０を共通化して容量展開することを考案した。
【０１００】
図１６がその構造摸式図である。構造体１５０を２並列として、電流容量を２倍とした場合の実施例である。構造体１５０を水路構造体締結板１６５で締結し一体化し、側壁１６０に固定し、底面は底蓋１６２で覆われる。本構造で、共通化した水路構造体１５０を２並列にしているにもかかわらず、インバータとしては一体化したものとなっている。
【０１０１】
なお、マイコン基板１６４は、マイコン基板４１と制御機能を変えなければ共通化できる可能性は大きい。並列接続された水路構造体１５０中の冷却水は、要求される冷却性能によって、シリーズに流すか、もしくは、並列に流すかの選択をできる。
【０１０２】
以上、冷却系を含むパワー回路の容量展開法の実施例について説明した。ポイントは、筐体を側壁と、パワー回路及び水路を構成する底板とで構成し、共通化した底板を接続して容量展開することである。
（実施例１４）
図２７を使用して、第十四の実施例を説明する。パワーモジュールを冷却する浅い水路部の断面構造摸式図を示している。
【０１０３】
本実施例は、これまで、水路用窪みはインバータ筐体、もしくは、専用の水路用底蓋に設けていたが、浅い水路用の窪みは、パワーモジュールの金属ベースに設けた場合の実施例である。パワーモジュール２７１の金属ベース２７２の底面に、深さ２ｍｍの窪み２７３を形成し、インバータ筐体２７０内部底面に液状ガスケットで接着している。
【０１０４】
本断面図では、インバータ筐体２７０に窪みは示されていないが、筐体２７０に１５ｍｍ程度の深い窪みを形成し、浅い窪み２７３と接続して水路全体を接続している。本構造で、熱抵抗、Ｒｔｈ（ｊ−ｗ）、圧力損失とも第一の実施例と同程度の値とすることができた。
【０１０５】
本構造のメリットは、仮に、パワーモジュールを冷却する浅い水路を、１ｍｍ以下というような極めて浅くする場合に、精度良く形成するためには、プレス加工が優れており、プレス加工を適用するためには、例えば銅で通常製造されるモジュールベースの方が適用容易なことである。
【０１０６】
以上、インバータを構成するパワー回路及び制御回路の冷却性能向上法について説明し、両者とも大幅に低温化できることを明らかにした。このことは、例えば、モータ及びエンジンで駆動されるいわゆるハイブリッドカーにおいて、これまで、冷却系はエンジンとモータ／インバータとで独立であったが、両者を同一系統で冷却できる効果がある。あるいは、エンジンとインバータの冷却系を同一系統とし、モータを別系統とすることも考えられる。
【０１０７】
【発明の効果】
本発明によれば、パワー半導体モジュール冷却用水路は、筐体の複数の浅い窪み、及び、深い窪みで構成され、パワー半導体モジュールは浅い窪みを利用した浅い水路で冷却される。これにより、冷却部の冷却水流速を増大させ冷却効率を向上でき、圧力損失も低減できる効果がある。さらに、複数の窪みとしているため、パワー半導体モジュールを装置構成に応じて、複数配置できるため、パワー半導体モジュール及び装置全体の歩留り、信頼性を向上することができる。
【０１０８】
また、水路及びパワー半導体モジュールの上下に制御回路基板を配置し、より低温化が必要な基板を水路／パワ半導体モジュールの下に配置し、熱的に遮断することは、制御回路の大幅な低温化に効果があり、装置の信頼性向上に効果がある。
【０１０９】
さらに、筐体を、側壁と底板を構成する水路構造体とし、パワー半導体モジュール及び冷却する水路構造体を一体化して共通化し、インバータの容量展開する際に、この水路構造体を一体に接続し、別部材である側壁、底蓋で一体化することは、多品種インバータの組立の効率化、歩留り向上に効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本概念を示す断面構造摸式図である。
【図２】従来の直接冷却構造のインバータを示す断面摸式図である。
【図３】本発明の基本概念を示す断面構造摸式図である。
【図４】本発明の基本概念を示す断面構造摸式図である。
【図５】第三実施例の断面構造摸式図である。
【図６】第一実施例の断面構造摸式図である。
【図７】第二実施例の断面構造摸式図である。
【図８】第四実施例の断面構造摸式図である。
【図９】第五実施例の断面構造摸式図である。
【図１０】第六実施例の断面構造摸式図である。
【図１１】第十一実施例の断面構造摸式図である。
【図１２】第八実施例の断面構造摸式図である。
【図１３】第九実施例の断面構造摸式図である。
【図１４】第十実施例の断面構造摸式図である。
【図１５】第十三実施例の断面構造摸式図である。
【図１６】第十三実施例の断面構造摸式図で、（図１５の容量展開例である。
【図１７】一実施例の水路構造を示す平面、断面摸式図である。
【図１８】一実施例の平面、断面摸式図でパワーモジュール搭載を示す。
【図１９】一実施例の平面摸式図でＰバスバー搭載を示す。
【図２０】一実施例の平面摸式図でＰ，Ｎバスバー絶縁板搭載を示す。
【図２１】一実施例の平面摸式図でＮバスバー搭載を示す。
【図２２】一実施例の平面摸式図であり制御回路基板搭載を示す。
【図２３】従来の間接冷却構造のインバータを示す断面摸式図である。
【図２４】本発明の基本概念を示す断面構造摸式図でパワーモジュール非搭載部を示す。
【図２５】従来の直接冷却構造のインバータを示す断面摸式図である。
【図２６】従来に直接冷却構造のインバータを示す断面摸式図である。
【図２７】第十四実施例の断面構造摸式図である。
【図２８】第十実施例の断面構造摸式図である。
【符号の説明】
１０，３０，２３０，２７１…パワー半導体モジュール、５１０，１１２…ＩＧＢＴモジュール、１１，３１，２３１，２７２…パワー半導体モジュールの金属ベース、１２，５１１，１１３，２５４，２７３…浅い水路、１３，２１，３２，４２，５１，６１，７３，８０，１００，１１０，１２０，１４０，２３３，２７０，２８４…インバータ筐体、１４，５０，１６１，２８０…上蓋、１５，６０，７１…制御回路基板、１６，５１２…マイコン、１７，５１４…ゲートドライバ、１８，５１５…トランス、１９，５１３…電解コンデンサ、２０，２３６，２５３…水路、２２，２３４…水路カバー、２３…インバータ筐体開口部、３３…水路用底蓋、４０，５８，１６３…制御回路基板（ゲートドライバ、電源、他）、６２…深い水路形成部、４１，５９，１２２，１３０，１４２，１６４…制御回路基板（マイコン、他）、４３，５２，８３，１２１，１３１，１４１，１６２，２８５…制御基板搭載用底蓋、５３，８１，１１１…開口部付きアルミニウム板、５４…締結用Ｍ６ボルト、５５…フィルタコンデンサ端子締結用Ｍ５ボルト、５６…ＩＧＢＴモジュール主端子締結用Ｍ５ボルト、５７…プリント回路基板締結用Ｍ３ボルト、５１６，８４…熱伝導シート、５１７，１１４，２８１…グランド（Ｎ）バスバー、５１８，１１５，１８２…電源（Ｐ）バスバー、５１９，１１６…出力配線、５２０…フィルタコンデンサ、５２１，７５，２８７…インタフェースケーブル、５２２，７４…インタフェース端子、５２３…カレントトランス、５２４…チップ抵抗、５２５…チップコンデンサ、５２６，１１７，２８３，２５３…絶縁板、２５８…ＩＧＢＴモジュール制御端子、９１，５２７，２５８，２８８…インタフェースケーブル用開口部、７０…制御回路搭載上蓋、７２…ゲートドライバ内蔵ＩＧＢＴモジュール、８２…フィルタコンデンサ冷却用水路、９０…ウレタン樹脂、１０１…水抜き用開口部、１０２…漏水センサ、１５０，２５０…水路用構造体、１６５…水路構造体締結板、１７２…浅い水路用開口部、１７３，２４０…深い水路、１７４…モジュール取付用Ｍ５ネジ穴、１７５…フィルタコンデンサ、他配置用スペース、１７６…カレントトランス他配置用スペース、１７７…給排水管、１８２…ＩＧＢＴモジュール取付用Ｍ５ボルト、１８６…Ｐ端子、１８７…Ｎ端子、１８９…補助エミッタ端子、１８００…ゲート端子、１８０１…スナバコンデンサ陽極端子、１８０２…フィルタコンデンサ陰極端子、２３２…熱伝導グリース、２５５…水路構造体開口部幅、２３５…フィン、９２…筐体／ＩＧＢＴモジュールシール部、１５１，１６０…筐体用側壁、１９０，２０１…ＩＧＢＴモジュール制御端子用開口部、１９２…Ｐバスバー張り出し部、１９１，２１２…フィルタコンデンサ端子用開口部、２１０…Ｐバスバー開口部、２１１…切欠き部、２５１…流速増大用凸部、２５２…浅い水路用開口部、２５６…浅い水路深さ、２００…ＩＧＢＴモジュール主端子、フィルタコンデンサ端子用開口部、２５７…水路構造体板厚。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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