(57)【要約】【課題】半導体装置の熱バラツキを抑え、冷却性能が向上した電力変換装置を提供する。【解決手段】実施形態によれば、電力変換装置は、同じスイッチング状態となるように各半導体装置にゲート信号が入力される１相分のインバータを所定相分並列に接続した第１インバータと、同じスイッチング状態となるように各半導体装置にゲート信号が入力される１相分のインバータを所定相分並列に接続し、かつ、１相分のインバータにおける前記スイッチング回路の並列数が前記第１インバータにおける並列数よりも少ない第２インバータと、冷却器を備えている。前記第１インバータの半導体装置は、前記冷却器の冷却面において第１流路上に位置する領域に設置され、前記第２インバータの半導体装置は、前記冷却面において第２流路上に位置する領域に設置されている。【選択図】図８
2014239636.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのスイッチング素子が封止された半導体装置を直列に接続したスイッチング回路を並列に接続し、前記スイッチング回路のスイッチング状態が並列接続された他のスイッチング回路と同じスイッチング状態となるように各半導体装置にゲート信号が入力される１相分のインバータを所定相分並列に接続した第１インバータと、
少なくとも１つのスイッチング素子が封止された半導体装置を直列に接続したスイッチング回路を並列に接続し、前記スイッチング回路のスイッチング状態が並列接続された他のスイッチング回路と同じスイッチング状態となるように各半導体装置にゲート信号が入力される１相分のインバータを所定相分並列に接続し、かつ、１相分のインバータにおける前記スイッチング回路の並列数が前記第１インバータにおける並列数よりも少ない第２インバータと、
前記半導体装置が実装される冷却面を有する冷却ブロックと、前記冷却ブロック内に形成され、前記冷却面の全面に対向する冷媒流路と、前記冷却ブロックの同一側壁にそれぞれ形成され、前記冷媒流路に連通する流入口および流出口と、前記冷媒流路内に設けられ、前記冷却ブロックの前記一側壁からこの一側壁に対向する他側壁の近傍まで直線状に延び、前記冷媒流路を、前記流入口に連通する第１流路と前記排出口に連通する第２流路とに仕切る隔壁と、有する冷却器と、を備え、
前記第１インバータの半導体装置は、前記冷却面において前記第１流路上に位置する領域に設置され、前記第２インバータの半導体装置は、前記冷却面において前記第２流路上に位置する領域に設置されている電力変換装置。
【請求項２】
前記第１インバータの半導体装置の数は、前記第２インバータの半導体装置の数の複数倍であり、前記隔壁と直交する方向において、前記第１流路の幅と第２流路の幅との比は、前記第１インバータの半導体装置数と第２インバータの半導体装置数との比に対応している請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記第１流路の幅と第２流路の幅との比は、ほぼ２：１に形成されている請求項１又は２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記冷却器の冷却面は矩形状に形成され、前記第１流路と第２流路との間の隔壁の延設方向は、前記冷却面の長手方向と平行に設けられている請求項１ないし３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記半導体装置の各々は、同一の寸法に形成された矩形状の設置面を有し、前記設置面の長手方向が前記隔壁の長手方向と平行となる状態で、前記冷却面上に設置されている請求項４に記載の電力変換装置。
【請求項６】
複数の前記半導体装置を有するＤＣ−ＤＣコンバータを備え、前記第１インバータの半導体装置と、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの半導体装置と、前記第２インバータの半導体装置は、前記冷却器の冷却面において前記冷媒流路上に位置する領域に、上流側から下流側に向かって順番に配置されている請求項１ないし５のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、並列に接続される複数の前記半導体装置を具備する請求項６に記載の電力変換装置。
【請求項８】
前記第１インバータの半導体装置および第２インバータの半導体装置は、互いに同一構成および同一寸法に形成され、前記半導体装置の各々は、隙間を置いて互いに対向する第１導電体および第２導電体と、前記第１導電体と第２導電体とに接合されたＩＧＢＴ素子およびＦＷＤ素子と、前記第１および第２導体を覆った角柱形状の絶縁体と、前記絶縁体から外方に突出しているとともに前記ＩＧＢＴ素子に電気的に接続された複数の信号端子と、を備え、前記第１および第２導電体は、前記絶縁体の底面に露出する底面をそれぞれ有し、
前記半導体装置は、前記絶縁体の底面が前記冷却面上に設置され、前記第１および第２導電体の底面の長手方向が前記隔壁の長手方向と平行に位置した状態で設置されている請求項１ないし７のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項９】
前記第１インバータの半導体装置は、前記信号端子が、前記隔壁の長手方向と平行な仮想直線上に位置するように並んで前記冷却面上に設置され、前記第２インバータの半導体装置は、前記信号端子が、前記隔壁の長手方向と平行な仮想直線上に位置するように並んで前記冷却面上に設置されている請求項８に記載の電力変換装置。
【請求項１０】
スイッチング素子を含む封止された複数の半導体装置を有し第１最大出力を有する第１インバータと、
前記第１インバータの半導体装置よりも少ない数の半導体装置を有し、前記第１最大出力よりも小さい第２最大出力を有する第２インバータと、
前記半導体装置が実装される冷却面を有する冷却ブロックと、前記冷却ブロック内に形成され、前記冷却面の全面に対向する冷媒流路と、前記冷却ブロックの同一側壁にそれぞれ形成され、前記冷媒流路に連通する流入口および流出口と、前記冷媒流路内に設けられ、前記冷却ブロックの前記一側壁からこの一側壁に対向する他側壁の近傍まで直線状に延び、前記冷媒流路を、前記流入口に連通する第１流路と前記排出口に連通する第２流路とに仕切る隔壁と、を有する冷却器と、を備え
前記第１インバータの半導体装置は、前記冷却面において前記第１流路上に位置する領域に設置され、前記第２インバータの半導体装置は、前記冷却面において前記第２流路上に位置する領域に設置されている電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明の実施形態は、ハイブリッド自動車または電気自動車用の電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車の燃費向上を目的とし、内燃機関とモータを併用したハイブリッド車の普及が急速に進んでいる。また一方で、モータだけで走行可能な電気自動車の製品化も進んでいる。これら自動車を実現するためには、電池とモータ間に、直流電力から交流電力への変換および交流電力から直流電力への変換を行なう電力変換装置が必要となる。
【０００３】
ハイブリッド自動車用の電力変換装置としては、駆動モータと発電機を駆動するための２つのインバータと、電源電圧を昇圧するためのＤＣ−ＤＣコンバータとを有する電力変換装置が良く知られている。これらのインバータ等では、スイッチング素子としてＩＧＢＴ(insulated gate bipolar transistor)素子を用いた半導体モジュールが使用されている。半導体モジュールは、構成部品の中で特に発熱量が大きく、この半導体モジュールを冷却する冷却器には高い性能が要求されている。
【０００４】
一般に、冷却媒体、例えば、水を使用した水冷方式の冷却器が使用されている。冷却器における冷媒流路の上流側に設置された半導体モジュールの発熱の影響が下流側に設置された半導体モジュールに集中することに注目し、下流側の半導体モジュールの冷却性能の低下を避ける冷却構造が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−１０９７４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記の冷却構造を有する冷却器では、冷媒流路のＵターン部や分岐数、合流数が多く、また、各半導体モジュールを構成する際にフィン付のケースが必要となるなど、複雑な冷却構造となり、製品コストが増加するという問題がある。
【０００７】
この発明は、以上の点に鑑みなされたもので、その課題は、より簡易な冷却構造の冷却器を用いて、半導体モジュールの熱バラツキを抑え、装置全体の冷却性能の向上を図ることが可能な電力変換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施形態によれば、電力変換装置は、少なくとも１つのスイッチング素子が封止された半導体装置を直列に接続したスイッチング回路を並列に接続し、前記スイッチング回路のスイッチング状態が並列接続された他のスイッチング回路と同じスイッチング状態となるように各半導体装置にゲート信号が入力される１相分のインバータを所定相分並列に接続した第１インバータと、少なくとも１つのスイッチング素子が封止された半導体装置を直列に接続したスイッチング回路を並列に接続し、前記スイッチング回路のスイッチング状態が並列接続された他のスイッチング回路と同じスイッチング状態となるように各半導体装置にゲート信号が入力される１相分のインバータを所定相分並列に接続し、かつ、１相分のインバータにおける前記スイッチング回路の並列数が前記第１インバータにおける並列数よりも少ない第２インバータと、前記半導体装置が実装される冷却面を有する冷却ブロックと、前記冷却ブロック内に形成され、前記冷却面の全面に対向する冷媒流路と、前記冷却ブロックの同一側壁にそれぞれ形成され、前記冷媒流路に連通する流入口および流出口と、前記冷媒流路内に設けられ、前記冷却ブロックの前記一側壁からこの一側壁に対向する他側壁の近傍まで直線状に延び、前記冷媒流路を、前記流入口に連通する第１流路と前記排出口に連通する第２流路とに仕切る隔壁と、有する冷却器と、を備えている。前記第１インバータの半導体装置は、前記冷却面において前記第１流路上に位置する領域に設置され、前記第２インバータの半導体装置は、前記冷却面において前記第２流路上に位置する領域に設置されている。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、第１の実施形態に係る電力変換装置の等価回路を示す図。
【図２】図２は、前記電力変換装置の外観を示す斜視図。
【図３】図３は、前記電力変換装置の支持フレームおよび冷却器を示す斜視図。
【図４】図４は、前記冷却器の分解斜視図。
【図５】図５は、前記冷却器を底面側から見た分解斜視図。
【図６】図６は、前記冷却器の平面図。
【図７】図７は、図６の線Ａ−Ａに沿った冷却器の断面図。
【図８】図８は、前記冷却器の冷却面上に複数の半導体モジュールを設置した状態を示す冷却器の平面図。
【図９】図９は、前記半導体電力変換装置の半導体モジュールを示す斜視図。
【図１０】図１０は、前記半導体モジュールのモールド樹脂体を透視して内部構造を示す斜視図。
【図１１】図１１は、前記冷却器上に設置され接続端子に接続された状態の前記半導体モジュールを示す正面図。
【図１２】図１２は、第２の実施形態に係る電力変換装置の等価回路を示す図。
【図１３】図１３は、第２の実施形態に係る電力変換装置の冷却器に複数の半導体モジュールを設置した状態を示す冷却器の平面図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、図面を参照しながら、実施形態に係る半導体電力変換装置ついて詳細に説明する。なお、各図は実施形態とその理解を促すための模式図であり、その形状や寸法、比などは実際の装置と異なる個所があるが、これらは以下の説明と公知の技術を参酌して適宜、設計変更することができる。
【００１１】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る電力変換装置の等価回路図である。図１に示すように、電力変換装置１００は、直流電力を交流電力に変換して第１モータ２１を駆動する第１インバータ１２と、直流電力を交流電力に変換して第２モータ２８を駆動する第２インバータ２２と、直流電源１から入力コンデンサ３およびリアクトル４を介して供給される電圧を昇圧して平滑コンデンサ１０に印加するＤＣ−ＤＣコンバータ２と、電流情報や平滑コンデンサ１０に印加される電圧等に基づき、第１および第２インバータ１２、２２の動作を制御する制御装置２０と、ＤＣ−ＤＣコンバータ２の動作を制御する制御装置１１と、を備えている。第１および第２インバータ１２、２２は、それぞれ例えば、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相インバータとして構成されている。
【００１２】
第１モータ２１の出力は第２モータ２８の出力よりも大きく、これに応じて、第１インバータ１２の最大出力（第１最大出力）は第２インバータ２２の最大出力（第２最大出力）よりも大きく構成されている。第１インバータ１２の最大出力は、第２インバータ２２の最大出力の複数倍、例えば、２倍に設定されている。したがって、第１インバータ１２は、第２インバータ２２よりも高い冷却性能が要求される。
【００１３】
本実施形態において、電力変換装置１００は、ＩＧＢＴ素子とＦＷＤ（Free Wheeling Diode）素子を並列接続した回路を１つのパッケージとする１ｉｎ１構造の半導体モジュール（半導体装置）を複数個、直並列接続して構成されている。これら複数の半導体モジュールは、互いに同一構造、同一寸法に構成されている。第１インバータ１２は、例えば、計１２個の第１半導体モジュール２９〜４０で構成され、第２インバータ２２は、例えば、６個の第２半導体モジュール４１〜４６で構成されている。ＤＣ−ＤＣコンバータ２用の半導体モジュール群５は計４個の第３半導体モジュール４７〜５０で構成される。なお、本実施形態において、第１半導体モジュール２９〜４０、第２半導体モジュール４１〜４６、および第３半導体モジュール４７〜５０の電気的仕様、構成および外形寸法は同一である。
【００１４】
第１インバータ１２において、４つの第１半導体モジュール２９〜３２はＵ相上下アーム１３を構成し、４つの第１半導体モジュール３３〜３６はＶ相上下アーム１４を構成し、４つの第１半導体モジュール３７〜４０はＷ相上下アーム１５を構成している。
【００１５】
Ｕ相において、第１半導体モジュール２９のＩＧＢＴ素子１６ａおよびＦＷＤ素子１７ａと、第１半導体モジュール３０のＩＧＢＴ素子１８ａおよびＦＷＤ素子１９ａとを２並列接続して上アームを構成し、第１半導体モジュール３１のＩＧＢＴ素子１６ｂおよびＦＷＤ素子１７ｂと、第１半導体素子３２のＩＧＢＴ素子１８ｂおよびＦＷＤ素子１９ｂとを２並列接続して下アームを構成し、これら上アーム、下アームを直列接続して１相分のスイッチング回路を構成している。
【００１６】
第１インバータ１２のＶ相上下アーム１４およびＷ相上下アーム１５についても、上記Ｕ相上下アーム１３と同様に構成されている。
【００１７】
第１インバータ１２の各相を構成する半導体モジュールのスイッチング回路の一例であるＩＧＢＴ素子１６ａ，１６ｂ，１８ａ，１８ｂには、第１モータ２１を駆動するべく、ゲート信号が入力される。この際、上アームを構成する互いに並列に接続される半導体モジュールのＩＧＢＴ素子１６ａ，１８ａが互いに同じスイッチング状態となるように、及び、下アームを構成する互いに並列に接続される半導体モジュールのＩＧＢＴ素子１６ｂ，１８ｂが互いに同じスイッチング状態となるように、ゲート信号が入力される。
【００１８】
具体的には、第１インバータ１２においてＵ相に対応する半導体モジュール２９，３０のＩＧＢＴ素子１６ａ，１８ａには、互いに同じスイッチング状態となるように、ゲート信号が入力される。第１インバータ１２においてＵ相に対応する半導体モジュール３１，３２のＩＧＢＴ素子１６ｂ，１８ｂには、互いに同じスイッチング状態となるように、ゲート信号が入力される。
【００１９】
第１インバータ１２においてＶ相に対応する半導体モジュール３３，３４のＩＧＢＴ素子には、互いに同じスイッチング状態となるように、ゲート信号が入力される。第１インバータ１２においてＶ相に対応する半導体モジュール３５，３６のＩＧＢＴ素子には、互いに同じスイッチング状態となるように、ゲート信号が入力される。
【００２０】
第１インバータ１２においてＷ相に対応する半導体モジュール３７，３８のＩＧＢＴ素子には、互いに同じスイッチング状態となるように、ゲート信号が入力される。第１インバータ１２においてＷ相に対応する半導体モジュール３９，４０のＩＧＢＴ素子には、互いに同じスイッチング状態となるように、ゲート信号が入力される。
【００２１】
第２インバータ２２において、２つの第２半導体ジュール４１、４２はＵ相上下アーム２３を構成し、２つの第２半導体モジュール４３、４４はＶ相上下アーム２４を構成し、２つの第２半導体モジュール４５、４６はＷ相上下アーム２５を構成している。
【００２２】
Ｕ相において、並列接続された第２半導体モジュール４１のＩＧＢＴ素子２６ａおよびＦＷＤ素子２７ａは上アームを構成し、並列接続された第２半導体モジュール４２のＩＧＢＴ素子２６ｂおよびＦＷＤ素子２７ｂは下アームを構成し、これらの上下アームは直列に接続して１相分のスイッチング回路を構成している。
【００２３】
第２インバータ２２のＶ相上下アーム２４およびＷ相上下アーム２５についても上記のＵ相上下アーム２３と同様に構成されている。
【００２４】
第２インバータ２２の各相を構成する半導体モジュールのスイッチング回路の一例であるＩＧＢＴ素子２６ａ，２６ｂには、第２モータ２８を駆動するべく、ゲート信号が入力される。
【００２５】
なお、本実施形態では、第２インバータ２２の各相では、ＩＧＢＴ素子が封止された半導体モジュールを直列に接続したスイッチング回路が１つ用いられている。具体的には、Ｕ相を構成するスイッチング回路として上下アーム２３が用いられ、Ｖ相を構成するスイッチング回路として上下アーム２４が用いられ、Ｗ相を構成するスイッチング回路として上下アーム２５が用いられている。
【００２６】
他の例として、各相においてスイッチング回路が複並列される場合は、上記の第１インバータ１２のように、各相の上アームを構成する互いに並列に接続される半導体モジュールのＩＧＢＴ素子に互いに同じスイッチング状態となるように、ゲート信号が入力される。同様に、各相の下アームを構成する互いに並列に接続される半導体モジュールのＩＧＢＴに、互いに同じスイッチング状態となるように、ゲート信号が入力される。
【００２７】
上記のように、要求出力の大きい第１インバータ１２を構成する複数の第１半導体モジュール２９〜４０は、複数のスイッチング素子を多並列化し、スイッチング状態が同一となるように制御することで言い換えると同じスイッチング状態となるようにゲート信号を入力することで、電流を分散させ、１つの半導体モジュールあたりの発熱を低減している。同様に、要求出力の小さい第２インバータ２２を構成する複数の第２半導体モジュール４１〜４６は、スイッチング状態が同一となるように制御される言い換えると同じスイッチング状態となるようにゲート信号が入力される複数のスイッチング素子を多並列化することで、すなわち、第１インバータ１２よりも並列数の少ないスイッチング素子を多並列化し、スイッチング状態が同一となるように制御することで、電流を分散させ、１つの半導体モジュールあたりの発熱を低減している。
【００２８】
なお、第２インバータの各相におけるスイッチング回路内の半導体モジュールの並列数、すなわち、第１インバータの１相分のスイッチング回路のスイッチングモジュールの並列数より少ない数は、複数に限らず、１つでもよい。
【００２９】
なお、第２インバータの各相における半導体モジュール数、すなわち、第１インバータの１相分のスイッチング回路の並列数より少ない半導体装置は、複数に限らず、１つでもよい。
【００３０】
なお、並列数が１とは、半導体モジュールが並列接続されないことである。
【００３１】
また、ＤＣ−ＤＣコンバータ２の半導体モジュール群５において、並列接続された第３半導体モジュール６のＩＧＢＴ素子８ａおよびＦＷＤ素子９ａは上アームを構成し、並列接続された第３半導体モジュール６のＩＧＢＴ素子８ｂおよびＦＷＤ素子９ｂは下アームを構成し、これら上アームおよび下アームを直列接続して上下アーム６を構成している。上下アーム６と同様の構成を有する上下アーム７と、上下アーム６とを並列接続している。
【００３２】
図２は、半導体電力変換装置１００の外観を示す斜視図、図３は、半導体電力変換装置の支持フレームおよび冷却器を示す斜視図である。
【００３３】
図２および図３に示すように、電力変換装置１００は、冷却器５２、冷却器５２上に固定された支持フレーム５５、および、冷却器５２上に載置され、支持フレームにより支持された複数の半導体モジュール（半導体装置）２９〜５０を備えている。
【００３４】
図４は、冷却器を示す分解斜視図、図５は、前記冷却器を異なる方向から見た分解斜視図、図６は冷却器の平面図、図７は、図６の線Ａ−Ａに沿った冷却器の断面図である。
【００３５】
図３ないし図７に示すように、冷却器５２は、平坦な矩形状の冷却面５６ａを有する扁平な直方体形状の冷却ブロック５６を有している。冷却ブロック５６は、例えば、アルミニウムで形成されている。また、冷却ブロック５６内には、冷却水等の冷却媒体を流す冷媒流路５７が形成されている。
【００３６】
冷却ブロック５６は、扁平な矩形状の本体５８と本体５８の開口を覆う矩形板状のカバー６０とを有している。本体５８は、矩形状の底壁５８ａと底壁の周囲に立設された側壁５８ｂ、５８ｃ、５８ｄ、５８ｅとを一体に有している。また、本体５８の底壁５８ａ上に隔壁５９が立設されている。隔壁５９は、本体５８の長手方向に沿って、本体５８の長手方向一端側の側壁５８ｂから他端側の側壁５８ｃの近傍まで直線状に延びている。これにより、本体５８内には、冷却媒体を流すＵターン構造の冷媒流路５７が形成されている。すなわち、冷媒流路５７は、隔壁５９により、往路（第１流路）５７ａと復路（第２流路）５７ｂに仕切られている。本体５８の側壁５８ｂには、往路５７ａに連通する流入口６１ａと復路５７ｂに連通する流出口６１ｂとが形成され、これらの流入口６１ａおよび流出口６１ｂは、ほぼ同一平面に配置されている。そして、流入口６１ａには流入管６３ａが嵌合され、流出口６１ｂには流出管６３ｂが嵌合されている。
【００３７】
往路５７ａは、本体５８の長手方向の一方の側壁５８ｄと隔壁５９との間に規定され、本体の流入口６１ａ側の端から反対側の端まで、一定の幅で本体の長手方向に沿って延びている。同様に、復路５７ｂは、本体５８の長手方向の他方の側壁と隔壁５９との間に規定され、本体の長手方向一端から反対側の端まで、一定の幅で本体の長手方向に沿って延びている。隔壁５９は、流入口６１ａと反対側の端において、本体５８の側壁５８ｃから僅かに離間し、この隙間を通して往路５７ａと復路５７ｂとが連通している。
【００３８】
隔壁５９と直交する方向について、往路５７ａの幅をＬ１、復路５７ｂの幅をＬ２とした場合、Ｌ１とＬ２との比は、前述した第１半導体モジュール数と第２半導体モジュール数との比に対応している。本実施形態では、往路５７ａの幅Ｌ１と復路５７ｂの幅Ｌ２との比は、ほぼ２：１に形成されている。なお、往路５７ａの深さおよび長さは、復路５７ｂの深さおよび長さと共通である。
【００３９】
矩形板状のカバー６０は、本体５８に固定され、冷媒流路５７を覆っているとともに、冷媒流路の往路５７ａおよび復路５７ｂに対向している。カバー６０の外面は、平坦な冷却面５６ａを構成している。また、カバー６０の内面には複数の冷却フィン５４が突設されている。冷却フィン５４は、細長いリブ状に形成され、カバー６０の長手方向に沿って延び、また、カバーの幅方向に所定の間隔を置いて、互いに平行に設けられている。カバー６０を本体５８に取り付けた状態において、冷却フィン５４は、往路５７ａ内および復路５７ｂ内にそれぞれ位置し、隔壁５９とほぼ平行に位置する。また、各冷却フィン５４は、本体５８の底壁５８ａに隙間を置いて対向している。
【００４０】
流入管６３ａおよび流入口６１ａを通して冷却器５２に送られた冷却媒体は、往路５７ａ内をその一端から他端に向かって流れた後、隔壁５９と側壁５８ｃとの隙間を通って復路５７ｂ内に流入し、この復路５７ｂに沿って一端から他端まで流れる。そして、冷却媒体は、流入口６１ａと同一の側壁５８ｂに設けられた流出口６１ｂおよび流出管６３ｂを通して排出される。冷却媒体は、往路５７ａを流れる間、冷却フィン５４およびカバー６０を介して、冷却面５６ａの往路５７ａと対向する領域を冷却する。更に、冷却媒体は、復路５７ｂを流れる間、冷却フィン５４およびカバー６０を介して、冷却面５６ａの復路５７ｂと対向する領域を冷却する。
【００４１】
一般に、復路５７ｂ側の冷却面５６ａは、往路５７ａ側の発熱の影響を受けて、熱伝達率が低下する。そこで、本実施形態では、前述したように、往路５７ａの流路幅L１に対し復路５７ｂの流路幅L２が略２：１となるように隔壁５９を用いて冷媒流路を分割している。そのため、復路５７ｂを流れる冷却媒体の流速を往路５７ａ側の約２倍とし、復路側の冷却面５６ａの熱伝達率の低下を抑えることができる。
【００４２】
次に、半導体モジュールについて、例えば、第１半導体モジュールを代表して説明する。図９は、半導体モジュールを示す斜視図、図１０は、半導体モジュールのモールド樹脂体を透視して内部構造を示す斜視図である。
【００４３】
図９および図１０に示すように、第１半導体モジュール２９〜４０は、いわゆる両面放熱型および垂直実装型の半導体装置として構成されている。すなわち、第１半導体モジュール２９は、例えば、銅により形成された角柱形状の第１導電体（コレクタ）７４と、同じく、銅により形成された角柱形状の第２導電体（エミッタ）７６と、これら第１および第２導電体間に挟まれてこれらの導電体に接合されたＩＧＢＴ素子（スイッチング素子）１６ａおよびＦＷＤ素子１７ａと、を備えている。
【００４４】
第１導電体７４は、１つの主面（側面）が矩形状の接合面を構成し、更に、この接合面と直交する底面７４ｂが放熱面を構成している。第２導電体７６は、長さが第１導電体７４とほぼ等しく、厚さ（幅）が第１導電体７４よりも小さく、更に、高さが、第１導電体の高さよりも低く形成されている。第２導電体７６は、１つの主面（側面）が矩形状の接合面を構成し、更に、この接合面と直交する底面７６ｂが放熱面を構成している。第２導電体７６は、その接合面が第１導電体７４の接合面と平行に対向し、かつ、底面７６ｂが第１導電体の底面７４ｂと同一平面上に位置するように配置されている。
【００４５】
ＩＧＢＴ素子１６ａは、矩形板状に形成され、表面および裏面に異なる電極を構成している。また、ＩＧＢＴ素子１６ａの一方の表面に、複数、例えば、４つの接続端子が形成されている。ＦＷＤ素子１７ａは、矩形板状に形成され、表面および裏面に異なる電極を構成している。
【００４６】
ＩＧＢＴ素子１６ａは、第１導電体７４の接合面と平行に配置され、一方の電極が、例えば、矩形状の半田シートにより第１導電体７４の接合面に接合されている。ＩＧＢＴ素子１６ａの他方の電極は、図示しない凸型導電体を介して、第２導電体７６の接合面に電気的に接合されている。
【００４７】
ＦＷＤ素子１７ａは、第１導電体７４の接合面と平行に配置され、更に、第１導電体７４の長手方向に隙間を置いてＩＧＢＴ素子１６ａと並んで配置されている。ＦＷＤ素子１７ａは、一方の電極が、例えば、矩形状の半田シートにより第１導電体７４の接合面に接合されている。ＦＷＤ素子１７ａの他方の電極は、図示しない凸型導電体を介して、第２導電体７６の接合面に電気的に接合されている。
【００４８】
第１半導体モジュール２９は、導電性金属板でそれぞれ構成された第１電力端子８６ａ、第２電力端子８６ｂ、および、複数、例えば、５本の信号端子９０を備えている。第１電力端子８６ａは、その基端部が半田シートにより第１導電体７４の接合面に接合されている。第２電力端子８６ｂは、その基端部が第２導電体７６に連結されている。信号端子９０は、モジュールから上方に突出し、第１導電体７４の接合面と平行に延びている。５本の信号端子９０は、半導体モジュール２９の長手方向に並んで配置されている。信号端子９０の基端は、ボンディングワイヤ９３により、ＩＧＢＴ素子１６ａの接続端子に接続されている。信号端子９０に、上述したゲート信号が入力される。
【００４９】
第１半導体モジュール２９は、上述した構成部材を被覆した絶縁材、例えば、モールド樹脂体（絶縁体）９２を備えている。モールド樹脂体９２は、ほぼ直方体形状に形成されている。モールド樹脂体９２は、ＩＧＢＴ素子１６ａおよびＦＷＤ素子１７ａ対して垂直に延びているとともに第１導電体７４の底面７４ｂおよび第２導電体７６の底面７６ｂが露出した平坦な底面９２ｃと、底面９２ｃに対して垂直に延びる平坦な第１側面９２ａと、第１側面９２ａと平行に対向する第２側面９２ｂと、底面９２ｃと対向する天井面９２ｄと、底面９２ｃおよび第１、第２側面の一端と交差して延びる第１端面９２ｅと、底面９２ｃおよび第１、第２側面の他端と交差して延びる第２端面９２ｅと、を有している。本実施形態において、第１および第２側面９２ａ、９２ｂは、第１および第２導電体７４、７６の接合面と平行に位置している。
【００５０】
第１電力端子８６ａは、モールド樹脂体９２の一方の端面９２ｅからモールド樹脂体の長手方向外方に突出している。第２電力端子８６ｂは、モールド樹脂体９２の他方の端面９２ｅからモールド樹脂体の長手方向外方に突出ししている。第１および第２電力端子８６ａ、８６ｂは、導電性とばね性に優れた材料、例えば、リン青銅、洋白、ばね用ベリリウム銅、銅−チタン合金等で構成される。
【００５１】
前述したように、第２半導体モジュール４１〜４６、および第３半導体モジュール４７〜５０は、第１半導体モジュール２９〜４０と同一の構成、電気的仕様、および外形寸法にそれぞれ形成されている。
【００５２】
上記のように構成された複数の第１ないし第３半導体モジュールは、冷却器５２の冷却面５６ａ上に設置される。図２および図３に示すように、冷却器５２上に固定された支持フレーム５５は、冷却面５６ａに対応する大きさの矩形状の外枠と、外枠間を延びる互いに平行な複数の連結梁とを一体に有し、これら外枠および連結梁により例えば、４列に並んだ、それぞれ矩形状の設置空間部６２を形成している。また、支持フレーム５５には、半導体モジュールに電気的に接続される複数の接続端子６４を有する複数の主回路バスバー（主回路導体）６６、複数の入力端子６８、および２組の３相の出力端子７０が設けられている。主回路バスバー６６の接続端子６４は、各設置空間部６２の各側縁に沿って、複数個ずつ間隔を置いて並んで配置されている。また、各接続端子６４は、冷却面５６ａに対してほぼ垂直に延びている。接続端子６４は、例えば、無酸素銅で形成される。支持フレーム５５は、例えば、インサートモールドにより、主回路バスバー６６および複数の端子と一体に樹脂により成形されている。また、支持フレーム５５は、例えば、複数のねじにより冷却ブロック５６の冷却面５６ａ上に固定されている。
【００５３】
図２および図８に示すように、第１半導体モジュール２９〜４０、および第２半導体モジュール４１〜４６は、例えば、６個ずつ、それぞれ冷却面５６ａの幅方向に延びる３列に並んで支持フレーム１４に設置されている。また、第３半導体モジュール４７〜５０は冷却面５６ａの幅方向に１列に並んで支持フレーム１４に設置されている。各列において、半導体モジュールは、支持フレーム５５の設置空間部６２内に配置され、半導体モジュールの長手方向が冷却面５６ａの長手方向と一致した状態で、すなわち、半導体モジュールの長手方向が隔壁５９と平行に位置するように、設定されている。図１１に示すように、各半導体モジュールの底面５２ｃは、高熱伝導材（絶縁材料）９５を介して冷却器５２の冷却面５６ａ上に設置されている。これにより、第１および第２導電体７４、７６は、冷却器５２に熱的に接続され、ＩＧＢＴ素子およびＦＷＤ素子で発生した熱を第１および第２導電体７４、７６を介して冷却器５２に放熱することができる。各半導体モジュールの第１および第２電力端子４６ａ、４６ｂは、それぞれ主回路バスバー６６の接続端子６４に面接触し、更に、各電力端子の先端および接続端子の先端が溶接により互いに接合されている。これにより、半導体モジュールは、第１および第２電力端子７６ａ、７６ｂおよび接続端子６４を介して主回路バスバー６６に電気的に接続されている。また、各半導体モジュール１６の複数の信号端子５０は、上方へ突出している。
【００５４】
図２および図８に示すように、各列において、第２インバータ２２よりも出力の大きい第１インバータ１２を構成する第１半導体モジュール２９〜４０は、冷却面５６ａにおいて、冷却性の高い往路５７ａと対向する領域に配置されている。また、第２インバータ２２を構成する第２半導体モジュール４１〜４６は、冷却面５６ａにおいて、往路５７ａよりも冷却性能の低い復路５７ｂと対向する領域上に配置されている。更に、ＤＣ−ＤＣコンバータ２用の半導体モジュール群４７〜５０は、往路５７ａの第１インバータの第１半導体モジュールよりも下流側で、往路５７ａと対向する領域上に配置している。
【００５５】
１２個の第１半導体モジュール２９〜４０は、それぞれ長手方向が隔壁５９と平行に位置するように、また、第１および第２導体７４、７６の底面７４ｂ、７６ｂの長辺（長手方向）が隔壁５９と平行に位置するように、配置されている。１２個の第１半導体モジュール２９〜４０は、冷却性の高い往路５７ａと対向する領域において、隔壁５９とそれぞれ平行な４列に並んで配置されている。各列において、３つの第１半導体モジュールの信号端子９０は、隔壁５９と平行な仮想直線上に並んで位置している。
【００５６】
６個の第２半導体モジュー４１〜４６は、それぞれ長手方向が隔壁５９と平行に位置するように、また、第１および第２導体７４、７６の底面７４ｂ、７６ｂの長辺（長手方向）が隔壁５９と平行に位置するように、配置されている。６個の第２半導体モジュール４１〜４６は、復路５７ｂと対向する領域において、隔壁５９とそれぞれ平行な２列に並んで配置されている。各列において、３つの第２半導体モジュールの信号端子９０は、隔壁５９と平行な仮想直線上に並んで位置している。
【００５７】
往路５７ａの流路幅Ｌ１に対し復路５７ｂの流路幅Ｌ２を略２：１とすることにより、また、第１インバータ１２の第１半導体モジュール２９〜４０を往路５７ａ上の領域に、第２インバータ２２の第２半導体モジュール４１〜４６を復路５７ｂ上の領域に、ＤＣ−ＤＣコンバータ用の半導体モジュール４７〜５０を往路５７ａ上の領域に配置することにより、同一の電力変換装置のパワーモジュールを往路５７ａと復路５７ｂに跨って配置することがなくなる。これにより、電力変換装置内で半導体モジュールの熱バラツキを抑えることができる。
【００５８】
以上のように構成された電力変換装置１００によれば、より簡易な冷却構造の冷却器５２を用い、冷却器の冷媒流路を往路と復路とに分離し、往路および復路の流路幅を調整することにより、往路と復路の冷却性能差を抑えることが可能となる。また、冷却面において、冷却性能の高い往路上の領域に発熱量の高い半導体モジュール群を配置し、冷却性能の低い復路上の領域に発熱量の低い半導体モジュール群を配置することにより、同一電力変換装置内の半導体モジュールの熱バラツキを抑え、電力変換装置全体の冷却性能を向上することができる。
【００５９】
なお、第１の実施形態において、冷却器５２の隔壁５９は、冷却器本体に限らず、カバー６０側に設けても良い。また、冷却フィン５４は、カバー６０に限らず、本体５８の底壁上に設けても良い。往路の流路幅Ｌ１と復路の流路幅Ｌ２との比は、２：１に限定されることなく、必要に応じて、変更可能である。
【００６０】
次に、他の実施形態に係る電力変換装置について説明する。以下に述べる他の実施形態において、上述した第１の実施形態と同一の部分には、同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略し、異なる部分を中心に詳細に説明する。
【００６１】
（第２の実施形態）図１２は、第２の実施形態に係る電力変換装置の等価回路図、図１３は電力変換装置の平面図である。
【００６２】
第２の実施形態に係る電力変換装置１００によれば、図１２および図１３に示すように、ＤＣ−ＤＣコンバータ２の半導体モジュール群５は、ＩＧＢＴ素子８ａとＦＷＤ素子９ａを並列接続した上アームとＩＧＢＴ素子８ｂとＦＷＤ素子９ｂを並列接続した下アームとを直列接続して構成される上下アーム６と、上下アーム６と同様の構成をもつ上下アーム７及び上下アーム８０を並列接続して構成される。
【００６３】
すなわち、ＤＣ−ＤＣコンバータ２の半導体モジュール群５は、計６個の１ｉｎ１型の第３半導体モジュール４７〜５０、８１、８２を備えている。図１３に示すように、これら６個の第３半導体モジュールは、冷媒流路５７の往路（第１流路）５７ａから復路（第２流路）５７ｂに跨って配置される。４つの第３半導体モジュール４７〜５０は、冷却器５２の冷却面５６ａにおいて、往路５７ａと対向する領域に配置され、残りの２つの第３半導体モジュール８１、８２は、往路５７ａと対向する領域に配置されている。これにより、６個の第３半導体モジュールは１列に並んで設置され、かつ、各第３半導体モジュールは、その長手方向が冷却面５６ａの長手方向と平行となるように、すなわち、隔壁５９と平行になるように、設置されている。
【００６４】
電力変換装置１００の他の構成は、前述した第１の実施形態に係る電力変換装置と同様である。
【００６５】
第２の実施形態に係る電力変換装置は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２の半導体モジュール群に要求される熱性能が高い時に有効であり、パワー半導体モジュールを３並列に配置することにより、半導体モジュール１個あたりの電流値が減少し、発熱を低減することができる。ＤＣ−ＤＣコンバータ２の第３半導体モジュール群が往路と復路に跨って配置されることになるが、第１半導体モジュール及び第２半導体モジュールの発熱の影響を受けることはない。また、本実施形態においても、冷却性能の高い往路上の領域に発熱量の高い第１半導体モジュール群を配置し、冷却性能の低い復路上の領域に発熱量の低い第２半導体モジュール群を配置することにより、同一電力変換装置内の半導体モジュールの熱バラツキを抑え、電力変換装置全体の冷却性能を向上することができる。
【００６６】
この発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化可能である。また、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。  
例えば、半導体装置の構成部材の寸法、形状、材質等は、前述した実施形態に限定されることなく、設計に応じて種々変更可能である。半導体モジュールの設置数、設置数の比、並びに、流路幅の比は、実施形態に限定されることなく、必要に応じて変更可能である。
【符号の説明】
【００６７】
１００…電力変換装置、２…ＤＣ−ＤＣコンバータ、１２…第１インバータ、
２２…第２インバータ、２９〜４０…第１半導体モジュール、
８ａ、１６ａ、２６ａ…ＩＧＢＴ素子、８ｂ、１６ｂ、２６ｂ…ＦＷＤ素子、
４１〜４６…第２半導体モジュール、
４７〜５０、８１、８２…第３半導体モジュール、
５２…冷却器、５４…冷却フィン、５５…支持フレーム、５６…冷却ブロック、
５６ａ…冷却面、５７…冷媒流路、５７ａ…往路、５７ｂ…復路、
５８…本体、５９…隔壁、６０…カバー、６４…接続端子、６６…主回路バスバー
【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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