(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
インバータ回路の上下アームの直列回路を内蔵すると共に直流正極端子と直流負極端子と交流端子とを有する複数個の半導体モジュールと、
前記複数個の半導体モジュールのうち隣り合う半導体モジュールの間に水路を形成する水路形成体と、
コンデンサを内蔵したコンデンサモジュールと、
前記交流端子と接続される交流バスを有するバスバーアッセンブリと、を備え、
前記複数個の半導体モジュールは、並列に配置される位置関係で前記水路形成体に固定され、
前記コンデンサモジュールは、当該コンデンサモジュールの長手方向の辺が前記複数個の半導体モジュールの配列方向に平行になるように配置され、
前記複数個の半導体モジュールのそれぞれは、前記直流正極端子および前記直流負極端子が前記交流端子よりも前記コンデンサモジュールに近い距離となるように配置され、
前記コンデンサモジュールは、当該コンデンサモジュールの長手方向の辺に沿って並べて配置された複数のコンデンサ端子を有し、
前記複数個の半導体モジュールの前記直流正極端子と前記直流負極端子とが前記コンデンサモジュールの前記複数のコンデンサ端子とそれぞれ電気的に接続され、
前記バスバーアッセンブリは、前記直流正極端子および前記直流負極端子を挟んで前記コンデンサモジュールと対向する位置に配置される電力変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電力変換装置であって、
前記コンデンサモジュールは、前記直流正極端子と接続されるコンデンサ側正極端子と、前記直流負極端子と接続されるコンデンサ側負極端子と、前記コンデンサ側正極端子と前記コンデンサ側負極端子との間に配置される絶縁部材と、を有する電力変換装置。
【請求項３】
請求項２に記載の電力変換装置であって、
前記直流正極端子と前記直流負極端子と前記コンデンサ側正極端子と前記コンデンサ側負極端子は、側面と、当該側面より面積が大きい主面と、により構成され、
前記コンデンサ側正極端子は、当該コンデンサ側正極端子の主面が前記直流正極端子の主面と対向する位置まで延ばされ、かつ当該直流正極端子と直接接続され、
前記コンデンサ側負極端子は、当該コンデンサ側負極端子の主面が前記直流負極端子の主面と対向する位置まで延ばされ、かつ当該直流負極端子と直接接続される電力変換装置。
【請求項４】
請求項１ないし３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は、前記水路形成体に固定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、
前記複数個の半導体モジュールの前記直流正極端子と前記直流負極端子および前記コンデンサモジュールの前記複数のコンデンサ端子は、前記複数個の半導体モジュールの配列方向に垂直な主面を有し、当該主面において互いに接続される電力変換装置。
【請求項６】
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、
前記複数のコンデンサ端子のそれぞれは、前記直流正極端子と接続されるコンデンサ側正極端子と、前記直流負極端子と接続されるコンデンサ側負極端子と、を有し、
前記複数のコンデンサ端子について、前記コンデンサ側正極端子と前記コンデンサ側負極端子とは、前記複数個の半導体モジュールの配列方向に沿って交互に配置される電力変換装置。
【請求項７】
請求項６に記載の電力変換装置であって、
前記コンデンサ側正極端子と前記コンデンサ側負極端子とは、長方形断面の板状形状で構成され、側面と当該側面より幅が大きい主面とを有し、
前記コンデンサ側正極端子における前記主面と前記コンデンサ側負極端子における前記主面とは、前記複数個の半導体モジュールの配列方向に沿って互いに対向するように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、
前記複数個の半導体モジュールの前記直流正極端子および前記直流負極端子は、前記コンデンサモジュールの前記複数のコンデンサ端子と直接接続される電力変換装置。
【請求項９】
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、
前記複数個の半導体モジュールの前記直流正極端子および前記直流負極端子は、前記コンデンサモジュールの前記複数のコンデンサ端子と直流バスバーを介して接続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、インバータ回路を備えた電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体モジュールからの熱を効率よく冷却器へ伝達して放熱性を高めることを意図した従来技術として、例えば、特許文献１に示す冷却構造が提案されている。この特許文献１によると、冷却器に形成したモジュール挿入用穴に半導体モジュールを挿入し、モジュール挿入用穴との当接面から放熱を行うものであって、半導体モジュールのモジュール挿入用穴との当接面に軟質性金属層をコーティングし、この軟質性金属層を介して冷却器へ放熱することが開示されている。
【０００３】
また、インバータに用いる半導体素子の冷却効率と組立性の両立を意図した従来技術として、例えば、特許文献２に示すインバータ装置が提案されている。この特許文献２によると、半導体素子の両面を放熱板で挟んだパワーカードを収容する収容部とパワーカードの周囲に冷却媒体を循環させる循環経路部とが形成され、パワーカードと収容部との隙間に絶縁性樹脂を充填し、絶縁性樹脂を硬化させてパワーカードを固定することが開示されている。
【０００４】
また、半導体モジュールの組み立て作業の負担を軽減した、冷却能力の向上を意図した冷却構造の従来技術は、例えば、特許文献３に提案されている。この特許文献３によると、内部に半導体モジュールを収容し、半導体のジュール発生熱を放熱する放熱面を正面と背面に有するブロックを設け、このブロックをケース内部に形成した冷却水通路に挿入することによって、ブロックの正面と背面が冷却水通路に面することが開示されています。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１７５１６３号公報
【特許文献２】特開２００５−２３７１４１号公報
【特許文献３】特開２００６−２０２８９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近年、例えば自動車においては、車両の駆動システムを始め、車両の各車載システムの電動化が進められている。ところが、車載システムの電動化においては、被駆動体を駆動する電気機械、及び車載電源から回転電機に供給される電力を制御して回転電機の駆動を制御する電力変換装置の新たな追加や従来のシステムの構成部品との置き換えが必要になる。
【０００７】
電力変換装置は、例えば自動車においては、車載電源から供給される直流電力を回転電機を駆動するための交流電力に変換したり、あるいは回転電機が発生する交流電力を車載電源に供給するための直流電力に変換したりする機能を持っている。電力変換装置が変換する電力量が増大する傾向にあるが、自動車全体では小型化や軽量化の方向にあるため、電力変換装置の大型化や重量の増加は抑えられている。また車載用の電力変換装置は産業用などと比較すると温度変化の大きい環境で使用されることが要求されており、高温の環境に置かれていながら高い信頼性を維持できる、比較的小型で比較的大きな電力を変換できる電力変換装置が要求されている。
【０００８】
電力変換装置はインバータ回路を備え、インバータ回路の動作によって直流電力と交流電力との間の電力変換が行われている。この電力変換を行うためにはインバータ回路を構成するパワー半導体が遮断状態と導通状態の切り替え動作（スイッチング動作）を繰り返すことが必要である。この切り替え動作時に大きな熱がパワー半導体に発生する。インバータ回路のパワー半導体である半導体チップがスイッチング動作時に発生する熱で半導体チップの温度が上昇する。このためこの温度上昇を抑えることが重要な課題である。
【０００９】
変換させる電力が増大すると半導体チップの発熱量が増大するので、この対策として半導体チップの大型化や半導体チップの使用個数の増大が必要となり、結果的に電力変換装置が大型化する。このような電力変換装置の大型化を押さえる方法として、半導体チップの冷却効率を向上することが考えられる。例えば特許文献１乃至３は半導体チップの冷却効率の向上に起因して為された提案である。
【００１０】
半導体チップの冷却効率向上は半導体チップの小型化につながることは明らかであるが、必ずしも電力変換装置全体の大型化を抑えることになるとは言い難い。例えば半導体チップの冷却効率を向上するための改善を行うと、その結果として電力変換装置全体の構造が複雑化することが考えられ、半導体チップは小型化可能となるが、電力変換装置全体としてみるとあまり小型化できないことが起こり得る。
【００１１】
従って電力変換装置全体の大型化を抑えるには、電力変換装置全体を考慮した半導体チップの冷却効率の向上が必要であり、電力変換装置全体の電気的あるいは機械的な複雑化をできるだけ抑えることが必要である。上記特許文献１乃至３に記載の公知発明では電力変換装置全体の小型化に関して十分に考慮されているとは言い難い。
【００１２】
本発明の目的は電力変換装置の小型化に繋がる技術を提供することである。さらに以下に説明する本発明の実施形態に係る電力変換装置は、小型化技術のみならず製品化の上で必要な信頼性の向上や生産性の向上に関する改良点を備えている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記課題を解決するための本発明における基盤的な特徴の一つは、インバータ回路の上アームと下アームとを備えた直列回路を一つの半導体モジュールに内蔵し、この半導体モジュールは、両側に冷却金属を有し、冷却金属の間に上アームと下アームを有する直列回路を構成するための上アーム用の半導体チップと下アーム用の半導体チップとを挟み込み、上記半導体モジュールを冷却水路内に挿入するものである。
【００１４】
以下に説明する本発明の実施形態に係る電力変換装置は、上述の通り、製品化に必要な多数の課題を解決している。これらの課題および課題を解決するための手段について以下に詳述するが、課題を解決するための手段として主として次のような構成例が挙げられる。
【００１５】
インバータ回路の上下アームの直列回路を内蔵すると共に直流正極端子と直流負極端子と交流端子とを有する複数個の半導体モジュールと、
前記複数個の半導体モジュールのうち隣り合う半導体モジュールの間に水路を形成する水路形成体と、
コンデンサを内蔵したコンデンサモジュールと、
前記交流端子と接続される交流バスを有するバスバーアッセンブリと、を備え、
前記複数個の半導体モジュールは、並列に配置される位置関係で前記水路形成体に固定され、
前記コンデンサモジュールは、当該コンデンサモジュールの長手方向の辺が前記複数個の半導体モジュールの配列方向に平行になるように配置され、
前記複数個の半導体モジュールのそれぞれは、前記直流正極端子および前記直流負極端子が前記交流端子よりも前記コンデンサモジュールに近い距離となるように配置され、
前記コンデンサモジュールは、当該コンデンサモジュールの長手方向の辺に沿って並べて配置された複数のコンデンサ端子を有し、
前記複数個の半導体モジュールの前記直流正極端子と前記直流負極端子とが前記コンデンサモジュールの前記複数のコンデンサ端子とそれぞれ電気的に接続され、
前記バスバーアッセンブリは、前記直流正極端子および前記直流負極端子を挟んで前記コンデンサモジュールと対向する位置に配置される電力変換装置。
【００１６】
また、上記した電力変換装置において、前記コンデンサモジュールは、前記直流正極端子と接続されるコンデンサ側正極端子と、前記直流負極端子と接続されるコンデンサ側負極端子と、前記コンデンサ側正極端子と前記コンデンサ側負極端子との間に配置される絶縁部材と、を有する電力変換装置。
【００１７】
また、上記した電力変換装置において、前記直流正極端子と前記直流負極端子と前記コンデンサ側正極端子と前記コンデンサ側負極端子は、側面と、当該側面より面積が大きい主面と、により構成され、前記コンデンサ側正極端子は、当該コンデンサ側正極端子の主面が前記直流正極端子の主面と対向する位置まで延ばされ、かつ当該直流正極端子と直接接続され、前記コンデンサ側負極端子は、当該コンデンサ側負極端子の主面が前記直流負極端子の主面と対向する位置まで延ばされ、かつ当該直流負極端子と直接接続される電力変換装置。
【００１８】
また、上記した電力変換装置において、前記コンデンサモジュールは、前記水路形成体に固定される電力変換装置。
【００１９】
また、上記した電力変換装置において、前記交流端子と接続される交流バスを有するバスバーアッセンブリを備え、前記バスバーアッセンブリは、前記正極端子および前記負極端子を挟んで前記コンデンサモジュールと対向する位置に配置される電力変換装置。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、インバータ回路を構成する半導体チップの冷却効率を向上させることができる。この冷却性能の向上は単に半導体モジュールを小型にできるだけでなく、インバータ装置全体の小型化につながる。
【００２１】
本発明の実施形態に係る電力変換装置は、上記発明の効果である小型化以外にも、製品化に必要な多数の課題を解決して効果を奏するものである。そして、その多数の課題の解決や解決したことによる効果については、次に記述する発明を実施するための形態の欄において、本実施形態の説明に合わせて詳述する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】ハイブリッド自動車の制御ブロックを示す図である。
【図２】上下アーム直列回路及び制御部を含むインバータ装置、インバータ装置の直流側に接続されたコンデンサからなる電力変換装置と、バッテリと、モータジェネレータとを備えた車両駆動用電機システムの回路構成を示す図である。
【図３】２つの上下アーム直列回路をモータジェネレータへの各相交流出力用とする電力変換装置の回路構成を示す図である。
【図４】本発明の実施形態に係る電力変換装置の外観形状を示す図である。
【図５】本実施形態に係る電力変換装置の内部構造を斜視する分解図である。
【図６】本実施形態に係る電力変換装置から上ケースを取り除いた斜視図である。
【図７】本実施形態に係る電力変換装置から上ケース、コンデンサ、バスバーアッセンブリを取り除いた斜視図である。
【図８】本実施形態に係る電力変換装置における２インバータ装置の構成例であり、バスバーアッセンブリと上ケースを取り除いた斜視図である。
【図９】本実施形態に係る電力変換装置における２インバータ装置の構成例であり、バスバーアッセンブリ、上ケース及びコンデンサモジュールを取り除いた斜視図である。
【図１０】本実施形態に係る電力変換装置における２インバータ装置の構成例であり、バスバーアッセンブリ、上ケース及びコンデンサモジュールを取り除いた平面図である。
【図１１】本実施形態に関する半導体モジュールを装填した水路筐体の冷却水流れを示す断面図である。
【図１２】図９に示す２インバータ装置における半導体モジュールを装填した水路筐体の冷却水流れを示す断面図である。
【図１３】図３に示すモータへの各相に対する並列接続の半導体モジュールの正極端子、負極端子、交流端子、信号用端子、ゲート端子の水路筐体における配置状況を示す平面図である。
【図１４】半導体モジュールを装填した水路筐体本体部と水路筐体前面部と水路筐体背面部を展開した斜視図である。
【図１５】半導体モジュールを装填した水路筐体本体部と水路筐体前面部と水路筐体背面部を展開した断面図である。
【図１６】水路筐体本体部に半導体モジュールを装填する状況を示す斜視図である。
【図１７】路筐体本体部に半導体モジュールを装填する状況を示す正面図である。
【図１８】本実施形態に係る電力変換装置における上下アーム直列回路を内蔵する放熱フィン付き半導体モジュールの外観を示す図である。
【図１９】図１８に示す半導体モジュールの断面図である。
【図２０】ケースを含めた半導体モジュールの展開図である。
【図２１】図２０に示す半導体モジュールの断面図である。
【図２２】本実施形態に関する半導体モジュールの一方の側の放熱フィン（Ａ側）と他方の側の放熱フィン（Ｂ側）を展開して内部構造を斜視的に示す図である。
【図２３】半導体モジュールの放熱フィン（Ａ側）の内側に固着される上下アーム直列回路の構造を示す図である。
【図２４】半導体モジュールの放熱フィン（Ｂ側）の内側に固着される上下アーム直列回路の構造を示す斜視図である。
【図２５】半導体モジュールの放熱フィン（Ａ側）の内側に固着される上下アーム直列回路の構造を示す斜視図である。
【図２６】図２５の正面図である。
【図２７】半導体モジュールの放熱フィンの内側に真空熱圧着される導体板の構造とワイヤボンディング状態を示す斜視図である。
【図２８】半導体モジュールの放熱フィンに放熱シートを介して導体板を真空熱圧着する説明図である。
【図２９】本実施形態に関する半導体モジュールにおける放熱フィン（Ａ側）の冷却水流れを表す図である。
【図３０】半導体モジュールにおける冷却水流れと回路構成の配置との関係を表す図である。
【図３１】本実施形態に係る電力変換装置のコンデンサモジュールの接続端子を示す図である。
【図３２】本実施形態に関する半導体モジュールとコンデンサモジュールとの接続状態を示す斜視図である。
【図３３】本実施形態に関する半導体モジュールとコンデンサモジュールとの接続状態を示す断面図である。
【図３４】本実施形態に関する半導体モジュールのインダクタンス低減効果を説明する構造上の配置図である。
【図３５】本実施形態に関する半導体モジュールのインダクタンス低減効果を説明する回路上の配置図である。
【図３６】本実施形態に関する半導体モジュールの他の構成例を示す斜視図である。
【図３７】本実施形態に関する半導体モジュールの他の構成例を示す断面図であり、図３６の点線矢印から見た図である。
【図３８】本実施形態に関する半導体モジュールの他の構成例における冷却水の流れを説明する斜視図である。
【図３９】本実施形態に関する半導体モジュールの他の構成例を水冷筐体に装填した場合における冷却水の流れを示す断面図である。
【図４０】本実施形態に関する半導体モジュールの他の構成例を水冷筐体に装填した場合における上下二段の冷却水の流れを示す他の断面図である。
【図４１】半導体モジュールにおけるＩＧＢＴチップのエミッタ電極の面積を拡大する構成例を示す図である。
【図４２】図５に示す制御回路を有する制御基板が水路筐体の底部に配置された構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
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が、まず、はじめに、本実施形態に係る電力変換装置における、改善改良すべき技術的課題とこの技術的課題を解決するための技術の概要について説明する。
【００２４】
本発明の実施形態に係る電力変換装置は、世の中のニーズに応える製品として次のような技術的観点に配慮したものであり、その１つの観点が小型化技術、すなわち変換する電力の増大に伴う電力変換装置の大型化をできるだけ抑制する技術である。さらに、他の観点が電力変換装置の信頼性の向上に関する技術であり、更なる他の観点が電力変換装置の生産性の向上に関する技術である。そして、本発明の実施形態に係る電力変換装置は、上述した３つの観点、さらにはこれらの観点を総合した観点に基づいて製品化されているのであり、それぞれの観点における電力変換装置の特徴を以下列挙して概説する。
【００２５】
（１）小型化技術に関する説明
本実施形態に係る電力変換装置は、両側に冷却金属を備えた半導体モジュールの内部にインバータの上下アームの直列回路を収納し、半導体モジュールを冷却水内に挿入し、両側の冷却金属を冷却水で冷却する構造を備えている。この構造により冷却効率が向上し、半導体モジュールの小型化が可能となる。また、具体的な構造として、両側の冷却金属の内側にそれぞれ絶縁シートあるいはセラミック板などの絶縁板である絶縁部材を設け、それぞれの絶縁部材に固定した導体金属の間に上下アームの直列回路を構成する上アームおよび下アームの半導体チップを挟み込んでいる。この構造で上アームおよび下アームの半導体チップの両面と冷却金属との間に良好な熱伝導路ができ、半導体モジュールの冷却効率は大きく向上する。
【００２６】
また、半導体モジュールにおいて、冷却水の流れの軸に対して垂直方向に上アームおよび下アームの半導体チップをずらして配置しているので、冷却水路内の冷却水をより効率的に利用でき、冷却効果が向上する。
【００２７】
更に、半導体モジュールの上アームの半導体チップと半導体モジュールの下アームの半導体チップとを、冷却水の流れの軸に対して垂直方向にずらして配置するとともに、上アームの半導体チップに対応した位置の水路と下アームの半導体チップに対応した位置の水路とを分けて、これらの水路を直列に繋ぐ構造とすることで、水路の断面積を冷却対象の半導体チップに合わせて狭くすることができ、結果として水路内の冷却水の流速を高めることが可能となる。この流速を高めることは単位時間当たりの冷却に寄与する水の量を増やすこととなり、冷却効率の大幅向上に繋がる。この上アームまたは下アームの半導体チップに対応した位置に水路を分ける構造は、全体としての冷却構造をそれほど複雑にするものではなく、また、冷却筐体があまり大型化すること無く、冷却効率を大きく向上できる効果がある。
【００２８】
上アームおよび下アームの半導体チップの両面は冷却金属の内側の導体金属（導体板）にそれぞれ接続され、導体金属は絶縁部材を介して冷却金属に固定されている。絶縁部材の厚さは薄く、例えばセラミック板の場合で３５０μメータ以下、絶縁シートの場合は更に薄く５０μメータから２００μメータである。ここで、絶縁シートとしては、例えば熱圧着された樹脂のシートである。導体金属が冷却金属に接近して設けられているので、導体金属に流れる電流による渦電流が冷却金属に流れ、渦電流は熱を発生するがこれらの熱は効率良く冷却水に伝達される。
【００２９】
また、渦電流により半導体モジュール内のインダクタンスが低減される。インダクタンス低減は、上アームおよび下アームの半導体チップのスイッチング動作による電圧の跳ね上がりを低減でき、信頼性の向上に繋がる。また、電圧上昇を抑えられることは、上アームおよび下アームの半導体チップのスイッチング動作の高速化を可能とし、スイッチング動作のための時間を短縮でき、スイッチング動作による発熱量の低減に繋がる。
【００３０】
本実施形態に係る電力変換装置では、半導体モジュールの内部にインバータの上下アームの直列回路が収納されているので、半導体モジュールの直流端子をコンデンサモジュールに接続する構造、更にはコンデンサモジュールの端子構造が非常に簡単な構造となり、これによってインバータ装置全体の小型化に大きく貢献すると同時に信頼性の向上や生産性の向上に繋がる。
【００３１】
また、半導体モジュールの直流端子やコンデンサモジュールの端子構造、更にはこれらを接続する構造を、正極側と負極側の端子やこれらの端子につながる導体が互いに接近する構造および互いに対向して配置される構造とすることができ、半導体モジュールとコンデンサ間のインダクタンスの低減を図ることができる。このことにより、上下アームの半導体チップのスイッチング動作による電圧の跳ね上がりを低減でき、信頼性の向上に繋がる。また、電圧上昇を抑えられることは半導体チップのスイッチング動作の高速化を可能とし、スイッチング動作の時間短縮による発熱量の低減に繋がる。発熱量の低減あるいは接続構造の複雑化を抑えられることで、電力変換装置の小型化が可能となる。
【００３２】
また、本実施形態に係る電力変換装置では、冷却効率が大幅に向上するので、冷却水としてエンジン冷却水を使用できる。エンジン冷却水と異なる冷却水で冷却する場合は、自動車は新たな冷却システムを必要とし、電力変換装置が小型化可能となっても自動車全体ではシステムが複雑化する。本実施形態では、電力変換装置が仮に大型化したとしてもエンジン冷却水を利用できることで車全体としては小型化となり、さらに多くの利点を有することとなる。
【００３３】
本実施形態に係る電力変換装置では冷却筐体に半導体モジュールやコンデンサモジュールを固定する構成としているので、半導体モジュールを備えた冷却筐体の表面をコンデンサモジュールを固定する面として利用でき、電力変換装置の小型化が可能となる。さらに、コンデンサモジュールの冷却効率が向上し、またコンデンサモジュールを冷却筐体によって強固に保持できるので、振動に対しても強くなり、小型化と信頼性向上との効果を有している。
【００３４】
（２）信頼性向上に関する説明
本実施形態に係る電力変換装置では、上述のとおり、半導体モジュールの冷却効率を大幅に改善でき、結果的に半導体チップの温度上昇を抑えることが可能となり、信頼性の改善に繋がる。
【００３５】
また、半導体モジュールの低インダクタンスや半導体モジュールとコンデンサモジュール間の低インダクタンス化が可能となり、スイッチング動作による電圧の跳ね上がりを低減でき、信頼性の向上に繋がる。また、電圧上昇を抑えられることは半導体チップのスイッチング動作の高速化を可能とし、スイッチング動作の時間短縮による発熱量の低減に繋がり、引いては温度上昇が抑えられ、信頼性の向上に繋がる。
【００３６】
半導体モジュールの直流端子をコンデンサモジュールに接続する構造、更にはコンデンサモジュールの端子構造が簡単な構造となり、生産性向上や小型化だけでなく、信頼性の向上に繋がる。
【００３７】
本電力変換装置では、冷却効率が大幅に向上するので、冷却水としてエンジン冷却水を使用できる。このため自動車としては、専用の冷却水系が不要となり、自動車全体として信頼性の大きな改善となる。
【００３８】
本電力変換装置では、インバータの上下アームの直列回路を収納した半導体モジュールを、冷却水路に設けられた開口から水路内に挿入して固定する構造を成している。製造ラインで別々に製造された半導体モジュールと水路筐体をそれぞれ別に検査し、その後半導体モジュールを水路筐体に固定する工程を行うことが可能となる。このように電気部品である半導体モジュールと機械部品である水路筐体とをそれぞれ分けて製造および検査することが可能で、生産性の向上はもちろんであるが、信頼性の向上に繋がる。
【００３９】
また、半導体モジュールにおいては、第１と第２の放熱金属にそれぞれ必要な導体や半導体チップを固定し、その後第１と第２の放熱金属を一体化して半導体モジュールを製造する方法をとることが可能である。第１と第２の放熱金属の製造状態をそれぞれ確認した上で放熱金属の一体化の工程を行うことが可能となり、生産性の向上のみならず、信頼性の向上にも繋がる。さらに、半導体モジュールの直流端子や交流端子あるいは信号用端子（信号用エミッタ端子）やゲート端子が半導体モジュールの内部において、第１と第２の放熱金属のどちらかに固定される構造となっており、振動に強くなり、信頼性が向上する。
【００４０】
本電力変換装置では、上アームの半導体チップのコレクタ面が第１の放熱金属に固定される場合に下アームの半導体チップのコレクタ面が同じく第１の放熱金属に固定される構造となり、上下アームの半導体チップのコレクタ面とエミッタ面とが同じ方向となっている。このような構造とすることで、生産性が向上すると共に信頼性が向上する。
【００４１】
また、上下アームの半導体チップと上下アームの信号用端子やゲート端子が同じ放熱金属に固定される構造となっている。このため、半導体チップと信号用端子やゲート端子とを繋ぐワイヤボンディングの接続工程を一方の放熱金属に集めることができ、検査などが容易である。これによって生産性の向上だけでなく信頼性の向上にもつながる。
【００４２】
（３）生産性向上に関する説明
本実施形態に係る電力変換装置では、上述したとおり、半導体モジュールと冷却筐体とをそれぞれ別々に製造し、その後半導体モジュールを冷却筐体に固定する工程を行うようにすることが可能であり、電気系の製造ラインで半導体モジュールを製造することが可能となる。これにより生産性と信頼性が向上する。また、コンデンサモジュールも同様に他の製造工程で製造し、その後水路筐体に固定できるので、生産性が向上する。
【００４３】
また、水路筐体に半導体モジュールとコンデンサモジュールとを固定し、その後半導体モジュールとコンデンサモジュールとの端子接続を行うことができ、さらに接続のための溶接機械を溶接部の導入する空間が確保でき、生産性の向上につながる。また、これら接続工程において、半導体モジュールの端子はそれぞれ半導体モジュールの放熱金属に固定されており、端子溶接時の熱がそれぞれ放熱金属に拡散し、半導体チップへの悪影響を抑えることができ、結果的に生産性の向上や信頼性の向上に繋がる。
【００４４】
また、半導体モジュールの一方の放熱金属に上下アームの半導体チップと上下アームの信号用端子やゲート端子を固定できるので、一方の放熱金属の製造ラインで上アームと下アームの両方のワイヤボンディングを行うことができ、生産性が向上する。
【００４５】
本実施形態に係る電力変換装置は同じ構造の半導体モジュールを量産し、電力変換装置の要求仕様に基づく必要な個数の半導体モジュールを使用する方式を取ることが可能となり、企画化された半導体モジュール量産が可能となり、生産性が向上すると共に低価格化や信頼性向上が可能となる。以上で、３つの技術的観点からみた本発明の実施形態に係る電力変換装置の構造的な特徴と効果についての説明を終える。
【００４６】
次に、本発明の実施形態に係る電力変換装置について、図面を参照しながら以下詳細に説明する。本発明の実施形態に係る電力変換装置はハイブリッド用の自動車や純粋な電気自動車に適用可能であるが、代表例として、本発明の実施形態に係る電力変換装置をハイブリッド自動車適用した場合の制御構成と電力変換装置の回路構成について、図１と図２を用いて説明する。図１はハイブリッド自動車の制御ブロックを示す図である。図２は上下アームの直列回路及び制御部を含むインバータ装置、インバータ装置の直流側に接続されたコンデンサからなる電力変換装置と、バッテリと、モータジェネレータと、を備えた車両駆動用電機システムの回路構成を示す図である。
【００４７】
本発明の実施形態に係る電力変換装置では、自動車に搭載される車載電機システムの車載用電力変換装置、特に、車両駆動用電機システムに用いられ、搭載環境や動作的環境などが大変厳しい車両駆動用インバータ装置を例に挙げて説明する。車両駆動用インバータ装置は、車両駆動用電動機の駆動を制御する制御装置として車両駆動用電機システムに備えられ、車載電源を構成する車載バッテリ或いは車載発電装置から供給された直流電力を所定の交流電力に変換し、得られた交流電力を車両駆動用電動機に供給して車両駆動用電動機の駆動を制御する。また、車両駆動用電動機は発電機としての機能も有しているので、車両駆動用インバータ装置は運転モードに応じ、車両駆動用電動機の発生する交流電力を直流電力に変換する機能も有している。変換された直流電力は車載バッテリに供給に供給される。
【００４８】
なお、本実施形態の構成は、車両駆動用以外のインバータ装置、例えば電動ブレーキ装置或いは電動パワーステアリング装置の制御装置として用いられるインバータ装置にも適用できるが、車両駆動用として適用することで最も望ましい効果を発揮する。また、本実施形態の思想がＤＣ／ＤＣコンバータや直流チョッパなどの直流−直流電力変換装置或いは交流−直流電力変換装置など、他の車載用電力変換装置にも適用できるが、車両駆動用として適用することで最ものぞましい効果を発揮する。さらに、工場の設備を駆動する電動機の制御装置として用いられる産業用電力変換装置、或いは家庭の太陽光発電システムや家庭の電化製品を駆動する電動機の制御装置に用いられたりする家庭用電力変換装置に対しても適用可能であるが、上述の通り、車両駆動用として適用することで最も望ましい効果を発揮する。
【００４９】
また、本実施形態が適用された車両駆動用インバータ装置を備えた車両駆動用電機システムを、内燃機関であるエンジン及び車両駆動用電動機を車両の駆動源とし、前後輪のいずれか片方を駆動するように構成されたハイブリッド自動車に搭載する場合を例に挙げて説明する。また、ハイブリッド自動車としては、エンジンにより前後輪のいずれか片方を、車両駆動用電動機により前後輪のいずれか他方をそれぞれ駆動するものもあるが、本実施形態はいずれのハイブリッド自動車にも適用できる。さらに上述のとおり、燃料電池車などの純粋な電気自動車にも適用可能で、純粋な電気自動車においても以下説明の電力変換装置は略同様の作用を為し、略同様の効果が得られる。
【００５０】
図１において、ハイブリッド電気自動車（以下、「ＨＥＶ」と記述する）１０は１つの電動車両であり、２つの車両駆動用システムを備えている。その１つは、内燃機関であるエンジン２０を動力源としたエンジンシステムである。エンジンシステムは、主としてＨＥＶの駆動源として用いられる。もう１つは、モータジェネレータ９２，９４を動力源とした車載電機システムである。車載電機システムは、主としてＨＥＶの駆動源及びＨＥＶの電力発生源として用いられる。モータジェネレータ９２，９４は例えば永久磁石同期電動機であるが、運転方法によりモータとしても発電機としても動作するので、ここではモータジェネレータと記すこととする。
【００５１】
車体のフロント部には前輪車軸１４が回転可能に軸支されている。前輪車軸１４の両端には１対の前輪１２が設けられている。車体のリア部には後輪車軸（図示省略）が回転可能に軸支されている。後輪車軸の両端には１対の後輪が設けられている。本実施形態のＨＥＶでは、動力によって駆動される主輪を前輪１２とし、連れ回される従輪を後輪とする、いわゆる前輪駆動方式を採用しているが、この逆、すなわち後輪駆動方式を採用しても構わない。
【００５２】
前輪車軸１４の中央部には前輪側デファレンシャルギア（以下、「前輪側ＤＥＦ」と記述する）１６が設けられている。前輪車軸１４は前輪側ＤＥＦ１６の出力側に機械的に接続されている。前輪側ＤＥＦ１６の入力側には変速機１８の出力軸が機械的に接続されている。前輪側ＤＥＦ１６は、変速機１８によって変速されて伝達された回転駆動力を左右の前輪車軸１４に分配する差動式動力分配機構である。変速機１８の入力側にはモータジェネレータ９２の出力側が機械的に接続が接続されている。モータジェネレータ９２の入力側には動力分配機構２２を介してエンジン２０の出力側及びモータジェネレータ９４の出力側が機械的に接続されている。尚、モータジェネレータ９２，９４及び動力分配機構２２は、変速機１８の筐体の内部に収納されている。
【００５３】
動力分配機構２２は歯車２３〜３０から構成された差動機構である。歯車２５〜２８はかさ歯車である。歯車２３，２４，２９，３０は平歯車である。モータジェネレータ９２の動力は変速機１８に直接に伝達される。モータジェネレータ９２の軸は歯車２９と同軸になっている。この構成により、モータジェネレータ９２に対して駆動電力の供給が無い場合には、歯車２９に伝達された動力がそのまま変速機１８の入力側に伝達される。
【００５４】
エンジン２０の作動によって歯車２３が駆動されると、エンジン２０の動力は歯車２３から歯車２４に、次に、歯車２４から歯車２６及び歯車２８に、次に、歯車２６及び歯車２８から歯車３０にそれぞれ伝達され、最終的には歯車２９に伝達される。モータジェネレータ９４の作動によって歯車２５が駆動されると、モータジェネレータ９４の回転は歯車２５から歯車２６及び歯車２８に、次に、歯車２６及び歯車２８から歯車３０のそれぞれ伝達され、最終的には歯車２９に伝達される。尚、動力分配機構２２としては上述した差動機構に代えて、遊星歯車機構などの他の機構を用いても構わない。
【００５５】
モータジェネレータ９２，９４は、回転子に永久磁石を備えた同期機であり、固定子の電機子巻線に供給される交流電力がインバータ装置４０，４２によって制御されることによりモータジェネレータ９２，９４の駆動が制御される。インバータ装置４０，４２にはバッテリ３６が電気的に接続されており、バッテリ３６とインバータ装置４０，４２との相互において電力の授受が可能である。
【００５６】
本実施形態では、モータジェネレータ９２及びインバータ装置４０からなる第１電動発電ユニットと、モータジェネレータ９４及びインバータ装置４２からなる第２電動発電ユニットとの２つを備え、運転状態に応じてそれらを使い分けている。すなわち、エンジン２０からの動力によって車両を駆動している場合において、車両の駆動トルクをアシストする場合には第２電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジン２０の動力によって作動させて発電させ、その発電によって得られた電力によって第１電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させる。また、同様の場合において、車両の車速をアシストする場合には第１電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジン２０の動力によって作動させて発電させ、その発電によって得られた電力によって第２電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させる。
【００５７】
また、本実施形態では、バッテリ３６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９２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電動発電ユニット又は第２電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジン２０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３６の充電ができる。
【００５８】
次に、図２を用いてインバータ装置４０，４２の電気回路構成を説明する。尚、図１〜図２に示す実施形態では、インバータ装置４０，４２をそれぞれ個別に構成する場合を例に挙げて説明するが、図７などを使用して後述するようにインバータ装置４０，４２を１つの装置内に収納してもよい。インバータ装置４０，４２は同様の構成で同様の作用を為し、同様の機能を有しているので、ここでは、例としてインバータ装置４０の説明を行う。
【００５９】
本実施形態に係る電力変換装置１００はインバータ装置４０とコンデンサ９０とを備え、インバータ装置４０はインバータ回路４４と制御部７０とを有している。また、インバータ回路４４は、上アームとして動作するＩＧＢＴ５２（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）及びダイオード５６と、下アームとして動作するＩＧＢＴ６２及びダイオード６６と、からなる上下アーム直列回路５０を複数有し（図２の例では３つの上下アーム直列回路５０，５０，５０）、それぞれの上下アーム直列回路５０の中点部分（中間電極６９）から交流端子５９を通してモータジェネレータ９２への交流電力線８６を引き出す構成である。また、制御部７０はインバータ回路４４を駆動制御するドライバ回路７４と、ドライバ回路７４へ信号線７６を介して制御信号を供給する制御回路７２（制御基板に内蔵）と、を有している。
【００６０】
上アームと下アームのＩＧＢＴ５２，６２は、スイッチング用パワー半導体素子であり、制御部７０から出力された駆動信号を受けて動作し、バッテリ３６から供給された直流電力を三相交流電力に変換する。この変換された電力はモータジェネレータ９２の電機子巻線に供給される。上述のとおり、モータジェネレータ９２が発生する三相交流電力を直流電力に変換することもできる。
【００６１】
本実施形態に係る電力変換装置１００は３相ブリッジ回路により構成されており、３相分の上下アーム直列回路５０，５０，５０がそれぞれバッテリ３６の正極側と負極側との間に電気的に並列に接続されることにより構成されている。ここで、上下アーム直列回路５０はアームと呼称されており、上アーム側のスイッチング用パワー半導体素子５２及びダイオード５６と下アーム側のスイッチング用パワー半導体素子６２及びダイオード６６を備えている。
【００６２】
本実施形態では、スイッチング用パワー半導体素子として、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）５２，６２を用いることを例示している。ＩＧＢＴ５２，６２は、コレクタ電極５３，６３、エミッタ電極、ゲート電極（ゲート電極端子５４，６４）、信号用エミッタ電極（信号用エミッタ電極端子５５，６５）を備えている。ＩＧＢＴ５２，６２のコレクタ電極５３，６３とエミッタ電極との間にはダイオード５６，６６が図示するように電気的に接続されている。ダイオード５６，６６は、カソード電極及びアノード電極の２つの電極を備えており、ＩＧＢＴ５２，６２のエミッタ電極からコレクタ電極に向かう方向が順方向となるように、カソード電極がＩＧＢＴ５２，６２のコレクタ電極に、アノード電極がＩＧＢＴ５２，６２のエミッタ電極にそれぞれ電気的に接続されている。
【００６３】
スイッチング用パワー半導体素子としてはＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ）を用いてもよい。ＭＯＳＦＥＴは、ドレイン電極、ソース電極及びゲート電極の３つの電極を備えている。なお、ＭＯＳＦＥＴは、ソース電極とドレイン電極との間に、ドレイン電極からソース電極に向かう方向が順方向となる寄生ダイオードを備えている。このため、ＩＧＢＴのように、別途、ダイオードを設ける必要がない。
【００６４】
上下アーム直列回路５０は、モータジェネレータ９２の電機子巻線の各相巻線に対応して３相分設けられている。３つの上下アーム直列回路５０，５０，５０はそれぞれ、ＩＧＢＴ５２のエミッタ電極とＩＧＢＴ６２のコレクタ電極６３を結ぶ中間電極６９、交流端子５９を介してモータジェネレータ９２へのＵ相、Ｖ相、Ｗ相を形成している。上下アーム直列回路同士は電気的に並列接続されている。上アームのＩＧＢＴ５２のコレクタ電極５３は正極端子（Ｐ端子）５７を介してコンデンサ９０の正極側コンデンサ電極に、下アームのＩＧＢＴ６２のエミッタ電極は負極端子（Ｎ端子）５８を介してコンデンサ９０の負極側コンデンサ電極にそれぞれ電気的に接続されている。各アームの中点部分（上アームのＩＧＢＴ５２のエミッタ電極と下アームのＩＧＢＴ６２のコレクタ電極との接続部分）にあたる中間電極６９は、モータジェネレータ９２の電機子巻線の対応する相巻線に交流コネクタ８８を介して電気的に接続されている。本実施形態では、後で詳細に述べるが、上下アームからなる１つの上下アーム直列回路５０が半導体モジュールの主たる回路構成要素となっている。
【００６５】
コンデンサ９０は、ＩＧＢＴ５２，６２のスイッチング動作によって生じる直流電圧の変動を抑制する平滑回路を構成するためのものである。コンデンサ９０の正極側コンデンサ電極にはバッテリ３６の正極側が、コンデンサ９０の負極側コンデンサ電極にはバッテリ３６の負極側がそれぞれ直流コネクタ３８を介して電気的に接続されている。これにより、コンデンサ９０は、上アームＩＧＢＴ５２のコレクタ電極５３とバッテリ３６の正極側との間と、下アームＩＧＢＴ６２のエミッタ電極とバッテリ３６の負極側との間で接続され、バッテリ３６と上下アーム直列回路５０に対して電気的に並列接続される。
【００６６】
制御部７０はＩＧＢＴ５２，６２を作動させるためのものであり、他の制御装置やセンサなどからの入力情報に基づいて、ＩＧＢＴ５２，６２のスイッチングタイミングを制御するためのタイミング信号を生成する制御回路７２（制御基板に内蔵）と、制御回路７２から出力されたタイミング信号に基づいて、ＩＧＢＴ５２，６２をスイッチング動作させるためのドライブ信号を生成するドライブ回路７４とを備えている。
【００６７】
制御回路７２はＩＧＢＴ５２，６２のスイッチングタイミングを演算処理するためのマイクロコンピュータ（以下、「マイコン」と記述する）を備えている。マイコンには入力情報として、モータジェネレータ９２に対して要求される目標トルク値、上下アーム直列回路５０からモータジェネレータ９２の電機子巻線に供給される電流値、及びモータジェネレータ９２の回転子の磁極位置が入力されている。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８０から出力された検出信号に基づいて検出されたものである。磁極位置は、モータジェネレータ９２に設けられた回転磁極センサ（不図示）から出力された検出信号に基づいて検出されたものである。本実施形態では３相の電流値を検出する場合を例に挙げて説明するが、２相分の電流値を検出するようにしても構わない。
【００６８】
制御回路７２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９２のｄ，ｑ軸の電流指令値を演算し、この演算されたｄ，ｑ軸の電流指令値と、検出されたｄ，ｑ軸の電流値との差分に基づいてｄ，ｑ軸の電圧指令値を演算し、この演算されたｄ，ｑ軸の電圧指令値を、検出された磁極位置に基づいてＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電圧指令値に変換する。そして、マイコンは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の電圧指令値に基づく基本波（正弦波）と搬送波（三角波）との比較に基づいてパルス状の変調波を生成し、この生成された変調波をＰＷＭ（パルス幅変調）信号としてドライバ回路７４に出力する。ドライバ回路７４には、各相の上下アームに対応して６つのＰＷＭ信号がマイコンから出力される。マイコンから出力されるタイミング信号としては矩形波信号などの他の信号を用いても構わない。
【００６９】
ドライバ回路７４は、複数の電子回路部品を１つに集積した集積回路、いわゆるドライバＩＣによって構成されている。本実施形態では、各相の上下アームのそれぞれに対して１個のＩＣを設ける場合（１アームｉｎ１モジュール：１ｉｎ１）を例に挙げて説明するが、各アームのそれぞれに対応して１個のＩＣを設ける（２ｉｎ１）、或いは全てのアームに対応して１個のＩＣを設ける（６ｉｎ１）ようにしても構わない。ドライバ回路７４は、下アームを駆動する場合、ＰＷＭ信号を増幅し、これをドライブ信号として、対応する下アームのＩＧＢＴ６２のゲート電極に、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ＩＧＢＴ５２のゲート電極にそれぞれ出力する。これにより、各ＩＧＢＴ５２，６２は、入力されたドライブ信号に基づいてスイッチング動作する。
【００７０】
また、制御部７０は、異常検知（過電流、過電圧、過温度など）を行い、上下アーム直列回路５０を保護している。このため、制御部７０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エミッタ電極端子５５，６５からは各ＩＧＢＴ５２，６２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ＩＧＢＴ５２，６２のスイッチング動作を停止させ、対応するＩＧＢＴ５２，６２を過電流から保護する。上下アーム直列回路５０に設けられた温度センサ（不図示）からは上下アーム直列回路５０の温度の情報がマイコンに入力されている。また、マイコンには上下アーム直列回路５０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ＩＧＢＴ５２，６２のスイッチング動作を停止させ、上下アーム直列回路５０（引いては、この回路５０を含む半導体モジュール）を過温度或いは過電圧から保護する。
【００７１】
図２において、上下アーム直列回路５０は、上アームのＩＧＢＴ５２及び上アームのダイオード５６と、下アームのＩＧＢＴ６２及び下アームのダイオード６６との直列回路であり、ＩＧＢＴ５２，６２はスイッチング用半導体素子である。インバータ回路４４の上下アームのＩＧＢＴ５２，６２の導通および遮断動作が一定の順で切り替わり、この切り替わり時のモータジェネレータ９２の固定子巻線の電流は、ダイオード５６，６６によって作られる回路を流れる。
【００７２】
上下アーム直列回路５０は、図示するように、Ｐｏｓｉｔｉｖｅ端子（Ｐ端子、正極端子）５７、Ｎｅｇａｔｉｖｅ端子（Ｎ端子５８、負極端子）、上下アームの中間電極６９からの交流端子５９、上アームの信号用端子（信号用エミッタ電極端子）５５、上アームのゲート電極端子５４、下アームの信号用端子（信号用エミッタ電極端子）６５、下アームのゲート端子電極６４、を備えている。また、電力変換装置１００は、入力側に直流コネクタ３８を有し、出力側に交流コネクタ８８を有して、それぞれのコネクタ３８と８８を通してバッテリ３６とモータジェネレータ９２に接続される。
【００７３】
図３は、モータジェネレータへ出力する３相交流の各相の出力を発生する回路として、各相に２つの上下アーム直列回路を使用する電力変換装置の回路構成を示す図である。モータジェネレータの容量が大きくなると電力変換装置で変換される電力量が大きくなり、インバータ回路４４の各相の上下アーム直流回路を流れる電流値が増大する。上下アームの電気的な容量を増大することで変換電力の増大に対応することができるが、インバータモジュールの生産量を増大することが好ましく、図３では標準化して生産されたインバータモジュールの使用個数を増やすことで、変換する電力量の増大に対応するようにしている。図３は、一つの例としてインバータ回路４４の各上下アーム直流回路を２つ並列接続することで、モータジェネレータの容量に合わせてインバータ回路４４の容量を大きくした回路構成である。
【００７４】
電力変換装置の具体的構成として、Ｕ相に対して上下アーム直列回路５０Ｕ１と５０Ｕ２とを並列接続し、各交流端子５９−１と５９−２を連結してＵ相交流電力線とする。モータジェネレータへのＵ相用として、Ｐ端子は５７−１（Ｐ１端子）と５７−２（Ｐ２端子）が設けられ、Ｎ端子は５８−１（Ｎ１端子）と５８−２（Ｎ２端子）が設けられ、交流端子は５９−１と５９−２が設けられる。Ｖ相やＷ相についても同様にそれぞれ並列接続させている。
【００７５】
この回路構成では、並列接続された各相の上下アーム直列回路、例えば上下アーム直列回路５０Ｕ１と５０Ｕ２との各Ｐ端子とＮ端子間の電圧が等しくなり、また各上下アーム直列回路５０Ｕ１と５０Ｕ２とに常に均等に電流が分配されることが望ましい。そのためには、並列接続された上下アーム直列回路５０Ｕ１と５０Ｕ２との分布インダクタンスやその他の電気的な条件をできるだけ等しくすることが望ましい。
【００７６】
以下に説明する本実施形態に係る電力変換装置では上下アーム直列回路５０Ｕ１を内蔵する半導体モジュール５０Ｕ１と上下アーム直列回路５０Ｕ２を内蔵する半導体モジュール５０Ｕ２とを隣接して配置すると共にこれらの各Ｐ端子及びＮ端子とコンデンサモジュールの端子との間隔を等しくすると共に接続方法など電気的な条件を合わせるようにしているので（図１３を参照）、各相例えばＵ相を構成する上下アーム直列回路５０Ｕ１を内蔵する半導体モジュール５０Ｕ１と上下アーム直列回路５０Ｕ２を内蔵する半導体モジュール５０Ｕ２とに流れる電流は略等しくなり、またこれら半導体モジュール５０Ｕ１と５０Ｕ２の端子電圧はほぼ等しくなる。インバータ回路４４の各相を構成する並列接続された上下アーム直列回路は同様のタイミングでスイッチング動作することとなるので、制御部７０からはＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各相毎に同じ信号がこれらの相を構成する各上下アーム直列回路に送られる。
【００７７】
また、図１に記載するように車両に２つのモータジェネレータ有する場合、車両は図２または図３に記載の電力変換装置を２組有することと成る。図２の回路となるか図３の回路となるかは、上述のとおり、モータジェネレータの仕様で決まる。図２に記載の回路ではモータジェネレータの電力に対して不足している場合には、図３の如く規格化された半導体モジュールの使用数を増やして対応することとなる。２つのモータジェネレータに対して図２又は図３に示す電力変換器をそれぞれ設けてもよいが、１つの電力変換装置に２つのインバータ回路を設けるようにし、１つの水路筐体に２つのインバータ回路を構成する半導体モジュールを設けることで２つの電力変換装置を設けるより、遥かに小さくなる。また、生産性や信頼性の観点でも２つの電力変換装置を設けるより優れている。このような２つのインバータ回路を備えた電力変換装置は図７を用いて後述する。
【００７８】
次に、本発明の実施形態に係る電力変換装置における半導体モジュールの製造方法と構造について、図１８〜図２８を参照しながら以下詳細に説明する。図１８は本実施形態に係る電力変換装置における上下アーム直列回路を内蔵する放熱フィン付き半導体モジュールの外観を示す図である。図１９は図１８に示す半導体モジュールの断面図である。図２０はケースを含めた半導体モジュールの展開図である。図２１は図２０に示す半導体モジュールの断面図である。
【００７９】
また、図２２は本実施形態に関する半導体モジュールの一方の側の放熱フィン（Ａ側）と他方の側の放熱フィン（Ｂ側）を展開して内部構造を斜視的に示す図である。図２３は半導体モジュールの放熱フィン（Ａ側）の内側に固着される上下アーム直列回路の構造を示す図である。図２４は半導体モジュールの放熱フィン（Ｂ側）の内側に固着される上下アーム直列回路の構造を示す斜視図である。図２５は半導体モジュールの放熱フィン（Ａ側）の内側に固着される上下アーム直列回路の構造を示す斜視図である。図２６は図２５の正面図である。図２７は半導体モジュールの放熱フィンの内側に真空熱圧着される導体板の構造とワイヤボンディング状態を示す斜視図である。図２８は半導体モジュールの放熱フィンに絶縁シートを介して導体板を真空熱圧着する説明図である。
【００８０】
図１８〜図２１において、本実施形態に関する半導体モジュール５００は、一方の側である放熱フィン（Ａ側）５２２（なお、放熱フィンとは凹凸のあるフィン形状部分のみを称するのではなくて、放熱金属の全体を云う）、他方の側である放熱フィン（Ｂ側）５６２、両放熱フィン５２２，５６２に挟み込まれた上下アーム直列回路５０、上下アーム直列回路の正極端子５３２や負極端子５７２や交流端子５８２を含めた各種端子、トップケース５１２やボトムケース５１６やサイドケース５０８、を備えている。図１９と図２０に示すように、放熱フィン（Ａ側）５２２と放熱フィン（Ｂ側）５６２に絶縁シートを介してそれぞれ固着された導体板上の上下アーム直列回路（その製造方法は後述する）が放熱フィン（Ａ側）５２２と放熱フィン（Ｂ側）５６２に挟み込まれた状態において、ボトムケース５１６、トップケース５１２、サイドケース５０８を取り付け、両放熱フィン５２２，５６２の間にトップケース５１２側からモールド樹脂を充填して一体化構造として半導体モジュール５００を形成する。
【００８１】
半導体モジュール５００は、外観として、図１８に示すように、冷却水路に臨む放熱フィン（Ａ側）と放熱フィン（Ｂ側）が形成され、トップケース５１２からは上下アーム直列回路５０の正極端子５３２（図２のＰ端子５７に相当）、負極端子５７２（図２のＮ端子５８に相当）、交流端子５８２（図２の交流端子５９に相当）、信号用端子（上アーム用）５５２、ゲート端子（上アーム用）５５３、信号用端子（下アーム用）５５６、ゲート端子（下アーム用）５５７が突出する構造である。
【００８２】
半導体モジュール５００の外観形状は略直方体形状で、放熱フィン（Ａ側）５２２と放熱フィン（Ｂ側）５６２とは面積が大きく、放熱フィン（Ｂ側）の面を前面とし放熱フィン（Ａ側）を後面とすると、サイドケース５０８を有する側およびその反対側である両側面および底面および上面は、前述の前面又は後面に比べて、狭くなっている。半導体モジュールの基本的な形状が略直方体形状であり、放熱フィン（Ｂ側）や（Ａ側）が方形であるのでの切削加工が容易であり、また、半導体モジュールが製造ラインで転がり難い形状であり、生産性に優れている。さらに全体の体積に対する放熱面積の割合が大きく取れ、冷却効果が向上する。
【００８３】
なお、本実施形態では、放熱フィン（Ａ側）５２２あるいは放熱フィン（Ｂ側）５６２は、半導体チップを挟み込むと共に半導体モジュール内部の導体を保持するための金属板と熱を放散するためのフィンとが一つの金属で作られている。この構造は放熱効率を高めるのに優れている。しかし、やや放熱効率が低下するが、半導体チップを挟み込むと共に半導体モジュール内部の導体を保持するための金属板と放熱フィンとを別体に形成しこれを貼りあわせる構造でも使用できる。
【００８４】
また、略直方体形状の狭い方の一方の面である上面に正極端子５３２（図２のＰ端子５７に相当）、負極端子５７２（図２のＮ端子５８に相当）、交流端子５８２（図２の交流端子５９に相当）、信号用端子（上アーム用）５５２、ゲート端子（上アーム用）５５３、信号用端子（下アーム用）５５６、ゲート端子（下アーム用）５５７を集められており、水路筐体に半導体モジュール５００を挿入するし易さの点で優れている。また、このような端子が設けられている上面の外形が、図１８に図示するように、底面側の外形より大きく作られており、製造ラインなどで半導体モジュールが移動する場合最も傷つき易い端子部が保護できる。すなわち、トップケース５１２の外形がボトムケース５１６の外形より大きく作られていることで、後述する冷却水路開口の密閉性に優れている効果以外に、半導体モジュールの製造時や運搬時、水路筐体への取付け時での半導体モジュールの端子を保護できる効果がある。
【００８５】
上述した端子の配置によると、正極端子５３２と負極端子５７２とは、それぞれ断面積が長方形の板状形状で、さらに互いに対向するように配置され、半導体モジュールの一方の側面に接近して配置されている。側面側に正極端子５３２と負極端子５７２とを配置しているので、コンデンサモジュールなどへの配線が容易になる。また、正極端子５３２や負極端子５７２の接続端と交流端子５８２の接続端とは半導体モジュールの前後方向（半導体モジュールの両側面を結ぶ方向）においてそれぞれずれて配置されている。このため電力変換装置の製造ラインでの正極端子５３２や負極端子５７２の接続端と他の部品との接続および交流端子５８２の接続端と他の部品との接続のための器具を使用する空間が確保できやすく、生産性に優れている。
【００８６】
自動車用の電力変換装置はマイナス３０度以下、マイナス４０度近くまで冷える可能性がある。また一方、１００度以上の温度、まれには１５０度近くの温度となる可能性がある。このように自動車に搭載する電力変換装置では使用温度範囲が広く熱膨張変化を十分に考慮することが必要である。また振動が常に加わる環境で使用される。図１８から図２１を用いて説明した半導体モジュール５００は２つの放熱金属で半導体チップを挟み込む構造を有している。この実施形態では放熱金属の一例として熱放出機能が優れている放熱フィンを有する金属板を用いており、本実施形態で放熱フィン５２２（Ａ側）と放熱フィン５６２（Ｂ側）として説明している。
【００８７】
上述の半導体チップを挟み込んだ構造において、上記２つの放熱金属の両側をトップケース５１２とボトムケース５１６とで固定する構造を備えている。特にトップケース５１２とボトムケース５１６は上記２つの放熱金属をその外側から挟み込んで固定する構造を有している。このような構造により、放熱金属の外側から内側に向けて常に力が加わり、振動や熱膨張により２つの放熱金属間に互いに開こうとする方向の大きな力が生じるのを防止できる。長期間にわたり自動車に搭載しても故障しない、信頼性の高い電力変換装置を得ることができる。
【００８８】
さらに、本実施形態では、上記２つの放熱金属に加え、サイドケースを含めて上記トップケース５１２とボトムケース５１６とでこれらを外周側から挟み込んで固定する構造がとられているので、さらに信頼性が向上する。
【００８９】
半導体モジュールの正極端子５３２、負極端子５７２、交流端子５８２、信号用端子５５２と５５４、ゲート端子５５３と５５６を一方のケースであるトップケース５１２の内部の孔を介して外部に突出させるようにし、この孔をモールド樹脂５０２で密閉する構造としている。トップケース５１２としては高い強度の材質が使用され、また上記２つの放熱金属の熱膨張係数が考慮されて熱膨張係数の近い材料、例えば金属材で作られる。上記モールド樹脂５０２はケース５１２の熱膨張変化による応力を吸収して上記端子に加わる応力を低減する作用をしている。このため本実施形態の電力変換装置は、上述の如く温度変化の範囲が広い状態でも、あるいは常時振動が加わる状態でも使用することができる高い信頼性を有している。
【００９０】
図２２〜図２８を参照して、両放熱フィン５２２，５６２の間に挟み込まれた上下アーム直列回路（例示として、２アームｉｎ１モジュール構造）の形成方法と構造を以下説明する。
【００９１】
本実施形態に関する半導体モジュールの製造方法の基本的なプロセスを順に示す。放熱金属の板、例えば本実施形態ではフィン構造を備えた金属板である放熱フィン（Ａ側）５２２と放熱フィン（Ｂ側）５６２を基礎素材としてそれぞれの内側に絶縁シート（Ａ側）５２４と絶縁シート（Ｂ側）５６４を真空熱圧着で固着し（図２８を参照）、絶縁シート５２４（Ａ側）に正極側の導体板５３４及び第１の導体板５４４を真空熱圧着で固着し、絶縁シート５６４（Ｂ側）に負極側の導体板５７４と交流用の導体板（第２の導体板）５８４を固着する。放熱フィン（Ａ側）５２２及び絶縁シート（Ａ側）５２４への導体板５３４，５４４の固着は図２５と図２６に示し、放熱フィン（Ｂ側）５６２及び絶縁シート（Ｂ側）５６４への導体板５７４，５８４の固着は図２４に示す。
【００９２】
さらに合わせて、絶縁シート５２４（Ａ側）に、信号用端子（上アーム用）５５２の信号用導体５５４やゲート端子（上アーム用）５５３のゲート用導体５５５、信号用端子（下アーム用）５５６の信号用導体５５８やゲート端子（下アーム用）５５７のゲート用導体５５９を固着する。これらの配置関係は図２３に示すとおりである。
【００９３】
絶縁シート（Ａ側）５２４と絶縁シート（Ｂ側）５６４とは、以下に説明する、インバータ回路の上下アームの直列回路を構成する半導体チップや導体と放熱フィン（Ａ側）５２２や放熱フィン（Ｂ側）５６２とを電気的に絶縁する絶縁部材として機能すると共に、半導体チップなどからの発生熱を放熱フィン（Ａ側）５２２や放熱フィン（Ｂ側）５６２に伝導する熱伝導路を形成する働きをする。絶縁部材としては、樹脂製の絶縁シートまたは絶縁板であっても良いし、セラミック基板であっても良い。例えばセラミック基板の場合で絶縁部材の厚さは３５０μメータ以下、絶縁シートの場合は更に薄く５０μメータから２００μメータであることが望ましい。ただ、後述するインダクタンス低減においては絶縁部材は薄い方が効果が大きく、セラミック基板より樹脂製の絶縁シートの方が特性的に優れている。
【００９４】
次に、放熱フィン（Ａ側）５２２の導体板５３４，５４４に設けた凸部５３６，５４０，５４５，５４８に半田層５３７，５４１，５４６，５４９を介在させてＩＧＢＴチップ５３８，５４７及びダイオードチップ５４２，５５０をはんだ付けする（図２３を参照）。この際、正極側の導体板５３４と第１の導体板５４４が互いに絶縁状態で設けられ、それぞれの導体板５３４，５４４にＩＧＢＴチップ及びダイオードチップをはんだ付けする。さらに、図２に示すように、上アームのエミッタ電極と下アームのコレクタ電極を連結する接続板５９４がチップ５４７，５５０と同様にして第１の導体板５４４にはんだ付けされ、接続板５９４が交流用の導体板（第２の導体板）５８４との当接接続によって、上下アームの中間電極６９（図２を参照）を構成する。
【００９５】
次に、放熱フィン（Ａ側）５２２の導体板５３４の上にはんだ付けされた上アームのＩＧＢＴ５３８の信号用エミッタ電極６６１と信号用端子（上アーム用）５５２の信号用導体５５４との間、及び上アームのＩＧＢＴ５３８のゲート電極６６２とゲート端子（上アーム用）５５３のゲート用導体５５５との間をワイヤボンディングで接続する（図２７を参照）。同様にして放熱フィン（Ａ側）５２２の第１の導体板５４４の上にはんだ付けされた下アームのＩＧＢＴ５４７の信号用エミッタ電極と信号用端子（下アーム用）５５６の信号用導体５５８との間、及び下アームのＩＧＢＴ５４７のゲート電極とゲート端子（下アーム用）５５７のゲート用導体５５９との間をワイヤボンディングで接続する（図２７を参照）。
【００９６】
図２３に示すとおり、放熱フィンの一方である、放熱フィン（Ａ側）５２２に上アームと下アームを構成する両方の半導体チップを固定し、これら半導体チップに信号を制御するための信号用導体５５４，５５８とゲート用導体５５５，５５９を設けている。このように一方の絶縁部材に上下アーム用の半導体チップとその制御線を固定しているので、ワイヤボンディングなどの信号線と半導体チップとの接続作業を製造工程の中で集中でき、生産性と信頼性の向上となる。
【００９７】
また、自動車用の如く振動の大きい環境で使用する場合、配線すべき一方の半導体チップと他方の制御線との両方が同じ部材である一方の放熱フィンに固定されているので、耐振性が向上する。
【００９８】
図２３に示す構造では上アーム用の半導体チップと下アーム用の半導体チップとを同じ向きに、すなわちそれぞれのコレクタ面が絶縁部材である絶縁シート５２４に固着されている。このように半導体チップの方向を合わせることで作業性が向上する。このことはダイオードチップに対しても同じである。
【００９９】
図２３の構造では上アーム用の半導体チップと下アーム用の半導体チップとを端子の引き出し方向において奥側と手前側に分けて配置している。この端子の引き出し方向は、後述するとおり、水路への挿入方向と一致している。水路への挿入方向において奥側と手前側に分けて上アーム用の半導体チップと下アーム用の半導体チップとを分けて配置している。このような配置とすることで、半導体モジュール内の電気部品の配置が規則的となり、全体として小型化される。また、熱源が規則的に分かれるので（発熱源である複数のＩＧＢＴの内の各ＩＧＢＴのオンオフが規則的に変化して動作するので）熱の分散に優れ、また放熱面が規則的に分かれるので、半導体モジュールが比較的小型化されても放熱面が有効的に作用し冷却効果が向上する。
【０１００】
次に、放熱フィン（Ｂ側）５６２について説明する。放熱フィン（Ｂ側）５６２に絶縁部材である絶縁シート５６４を介して真空熱圧着された導体板が固着されている。図２４に示すように、交流端子５８２を引き出す交流用の導体板５８４と負極端子５７２を引き出す負極側の導体板５７４が互いに絶縁部材である絶縁シート５６４の上に絶縁状態で配設され、それぞれの導体板５７４，５８４上には図示するように凸部５７６，５７８，５８６，５８８を設ける。凸部５７６，５８６はＩＧＢＴチップに接続され、凸部５７８，５８８はダイオードチップに接続される。
【０１０１】
図２４において、部分拡大図Ｓ１に示すように、Ｄ１とＤ２は凸部の厚さを表し、Ｄ１＞Ｄ２であるのは、ダイオードチップがＩＧＢＴチップより厚いためである。放熱フィン（Ａ側）５２２の内側においては、図２３に示すように、上アームのエミッタ電極とダイオードのアノード電極が正極端子５３２を有する正極側の導体板５３４上に突き出た形状を表出しており、また、導体板５４４には下アームのエミッタ電極とダイオードのアノード電極が突き出た形状で表出され且つ中間電極６９を構成する接続板５９４が突き出た形状で表出されている。
【０１０２】
続いて、放熱フィン（Ａ側）５２２と放熱フィン（Ｂ側）５６２とを図２２に示すように対向させて、放熱フィン（Ａ側）５２２のＩＧＢＴチップ５３８，５４７とダイオードチップ５４２，５５０との電極が連結するように、放熱フィン（Ｂ側）５６２の導体板５７４，５８４上の凸部５８６，５８８，５７６，５７８を対面させてはんだ付けする。また、放熱フィン（Ａ側）５２２の第１の導体板５４４に設けた接続板５９４は、放熱フィン（Ｂ側）５６２に設けた交流用の導体板５８４に対面するように配置されておりはんだ付けされる。次に、ボトムケース５１６、トップケース５１２及びサイドケース５０８が、一体的構造となった放熱フィン（Ａ側）５２２及び放熱フィン（Ｂ側）５６２に対して、接着剤で接着される（図２０を参照）。さらに、トップケースの孔５１３からモールド樹脂を内部に充填させて半導体モジュール５００を形成する。
【０１０３】
図２２や図２４に示すように、一つの絶縁部材に直流端子の一方と交流端子とを配置している。このように放熱フィン（Ｂ側）５６２には配線部材を配置し、放熱フィン（Ａ側）５２２に半導体チップを集中的に配置した構成をとることで生産性が向上する。
【０１０４】
また、正極端子５３２や負極端子５７２、交流端子５８２と半導体モジュール内部のそれぞれの導体板５３４、５７４、５８４とが一体物として形成されており、生産性が向上する。さらにこれら導体は絶縁部材を介してそれぞれ放熱金属に固着されると共に半導体チップを挟み込んでいる。挟み込んでいる半導体チップからの反力でこれら導体板はそれぞれ放熱金属に押し付けられる方向の力を受け、上記固着の信頼性が向上する。上述の如く端子とそれぞれの導体とが一体として形成されているので導体のみならず端子の固定に関する信頼性も向上する。従って自動車の電力変換装置に上記構造の半導体モジュールを適用する場合、振動などの加わる環境において高い信頼性を維持できる。
次に、本実施形態に関する半導体モジュールにおける工夫された回路配置による低インダクタンス化について、主として、図３４と図３５を参照しながら説明する。まずその前に、半導体チップの取り付け方法について、図２、図２２、図２４、図２５を用いて再度まとめて説明する。ここで、上アームについて説明すると、放熱フィン（Ａ側）５２２において、正極端子５３２（Ｐ端子）となる正極板の導体板５３４（Ｃｕリード）にＩＧＢＴとダイオードからなる半導体チップのコレクタとカソードを半田付けし、半導体チップの表面にＩＧＢＴのエミッタ電極とダイオードのアノード電極を露出させる。放熱フィン（Ｂ側）５６２において、交流用の導体板５８４（Ｃｕリード）上に、放熱フィン（Ａ側）５２２のエミッタ電極とアノード電極に対向して、凸部５８６，５８８を設ける。交流用の導体板５８４の延長部に交流端子５８２（モータジェネレータ９２のＵ相、Ｖ相又はＷ相に連結する端子）を設ける。そして、放熱フィン（Ａ側）５２２と放熱フィン（Ｂ側）５６２を重ね合わせて半田付けすると、図２の上アーム５２，５６の回路が形成され、交流端子５８２と正極端子５３２が図１８、図２２に示すようにトップケース５１２から突出した形状となる。
【０１０５】
以上は、基本的な構造を示したものであるが、本実施形態では、放熱フィン（Ａ側）５２２と放熱フィン（Ｂ側）５６２に上述した上アーム（上の半導体チップ）に加えて、下アーム（下の半導体チップ）も同様にして形成するものである。図２３に示すように、下アームとしての図２のＩＧＢＴ６２とダイオード６６を、上アームと同様にして、放熱フィン（Ａ側）５２２の導体板５４４上にはんだ付けする。この際、放熱フィン（Ａ側）５２２の導体板は上下二段になっていて、それぞれの段に上下アームの半導体チップを半田付けして、その表面にＩＧＢＴのエミッタ電極とダイオードのアノード電極を露出させる。放熱フィン（Ｂ側）５６２の導体板５７４，５８４上には、放熱フィン（Ａ側）５２２の上下アームのエミッタ電極とアノード電極に対向する位置に、凸部５７６，５７８，５８６，５８８を設け、放熱フィン（Ｂ側）５６２下段の導体板５７４の延長部に負極端子５７２を設けるとともに、上段の導体板５８４の延長部に交流端子５８２を設ける。
【０１０６】
このような構造によって、上アームのＩＧＢＴチップ５３８のエミッタ電極とアノード電極５４２は凸部５８６と凸部５８８を通して交流端子５８２に接続し、さらに、下アームのＩＧＢＴチップ５４７のコレクタ電極とカソード電極は導体板５４４及び突起形状の接続板５９４を通して交流用導体板５８４に接続されて交流端子５８２に通じており、さらに、下アームのエミッタ電極５４７とアノード電極５５０は凸部５７６，５７８を通して負極端子５７２に通じており、図２に示す回路構成が形成される。図２３は放熱フィン（Ａ側）５２２の突き合わせ面を示し、図２４は放熱フィン（Ｂ側）５６２の突き合わせ面を示しており、これらの突き合わせ面同士を突き合わせて、はんだ付けして半導体モジュールの主要部を形成する。
【０１０７】
図１８から図２８に示す如く、本実施形態に係る電力変換装置では、半導体モジュール５００は２つの放熱金属で半導体チップを挟み込む構造を有している。なお、この実施形態では放熱金属の一例として熱放出機能が優れている放熱フィンを有する金属板、放熱フィン５２２（Ａ側）と放熱フィン５６２（Ｂ側）、が用いられている。半導体チップであるＩＧＢＴチップ５３８や５４７が２つの放熱金属の内側に設けられた導体板で挟まれる構造となっている。この構造により電気接続用はんだとして低融点半田を使用できる。低融点半田を使用した場合、一度はんだが溶融して半導体チップを一方の放熱金属に固定した後、他方の放熱金属で挟み込んで電気接続する過程で上記はんだ部分が再度溶融する可能性がある。
【０１０８】
しかし、上記の如く半導体チップの両側電極、例えば本実施形態ではＩＧＢＴチップのコレクタ電極とエミッタ電極とを強く挟み込む固定方法を採用しているので、はんだ層が再度溶融しても障害となる問題が発生しない。このため低融点はんだを使用できる。低融点はんだは高融点はんだに比べ生産性が良いだけでなく、高融点はんだに比べ熱伝導性が優れており、低融点はんだを使用できる構造とすることで耐熱性に優れた半導体モジュールがえられ、自動車に搭載する電力変換装置に適用した場合信頼性の観点で大きな効果が得られる。
【０１０９】
図１８から図２８に示す如く、本実施形態に係る電力変換装置では、半導体モジュール５００は２つの放熱金属で半導体チップを挟み込む構造を有している。このように放熱金属に半導体チップを挟み込む構造とすることで、常に振動が加わりさらに使用温度範囲の非常に広い環境で使用可能な、自動車用の電力変換装置を得ることができる。また、本実施形態は、半導体チップを挟み込んだ上記２つの放熱金属の上側をトップケース５１２で固定し、上記トップケース５１２から、半導体モジュールの正極端子５３２、負極端子５７２、交流端子５８２が外に突出する構造を有し、外に突出している上記半導体モジュールの正極端子５３２、負極端子５７２、交流端子５８２の根元に端子の断面積が狭くなる部分を有している。各端子の半導体モジュール内部の導体５３４，５７４，５８４は一方または他方の放熱金属に固定され、振動に強い構造となっている。さらに図面に示されていないが、外部に突出した端子と上記内部導体との間にそれぞれ断面積の小さい部分を設けることで、外部からの振動による応力や熱膨張による応力がそのまま内部導体に加わるのを低減している。
【０１１０】
次に、本実施形態における半導体モジュールの低インダクタンス化について、図３４と図３５を用いて説明する。過渡的な電圧上昇や半導体チップの大きな発熱は、インバータ回路を構成する上あるいは下アームのスイッチング動作時に発生するので、特にスイッチング動作時のインダクタンスを低減することが望ましい。過渡時にダイオードのリカバリ電流が発生するので、このリカバリ電流に基づき、一例として下アームのダイオード６６のリカバリ電流を例としてインダクタンス低減の作用を説明する。
【０１１１】
ダイオード６６のリカバリ電流とはダイオード６６に逆バイアスであるにもかかわらず流れる電流であり、ダイオード６６の順方向状態でダイオード６６内に満たされたキャリアに起因すると一般に言われている。インバータ回路を構成する上あるいは下アームの導通動作あるいは遮断動作が所定の順に行われることでインバータ回路の交流端子には３相交流電力が発生する。今、上アームとして動作している半導体チップ５２が導通状態から遮断状態に切り替わると、モータジェネレータ９２の固定子巻線の電流を維持する方向に下アームのダイオード６６を介して還流電流が流れる。この還流電流はダイオード６６の順方向電流であり、ダイオード内部はキャリアで満たされる。次に、上アームとして動作している半導体チップ５２が遮断状態から再び導通状態に切り替わると、下アームのダイオード６６に上述したキャリアに起因するリカバリ電流が流れる。定常的な動作では上下アーム直列回路のどちらかが必ず遮断状態にあり、上下アームに短絡電流が流れることが無いが、過渡状態の電流例えばダイオードのリカバリ電流は上下アームで構成する直列回路を流れる。
【０１１２】
図３４と図３５で上下アーム直列回路の上アームとして動作するＩＧＢＴ（スイッチン用半導体素子）５２がオフからオンに変化したとき、正極端子５３２（５７）からＩＧＢＴ５２、ダイオード６６を通って負極端子５７２（５８）にダイオード６６のリカバリ電流が流れる（図に矢印で示す）。なお、このとき、ＩＧＢＴ６２は遮断状態にある。このリカバリ電流の流れをみると、図３４に示すように、正極端子５３２と負極端子５７２の近傍では導体板が並行して配置され、且つ逆向きの同一電流が流れる。そうすると、導体板の間の空間では互いの電流によって発生する磁界が打ち消し合うことになり、結果として電流経路のインダクタンスが低下することとなる。
【０１１３】
すなわち、正極側の導体５３４および端子５３２と負極側の導体５７４および端子５７２とが接近して対抗して配置されたラミネート状態にあることでインダクタンスの低減作用が生じる。図３５は図３４の等価回路であり、正極側の導体５３４および端子５３２の等価コイル７１２が負極側の導体５７４および端子５７２の等価コイル７１４と互いに磁束を打ち消す方向に作用し、インダクタンスが低減される。
【０１１４】
さらに、図３４に示すリカバリ電流の経路をみると、逆方向且つ並行電流の経路に続いて、ループ形状の経路が生じている。このループ形状経路を電流が流れることによって、放熱フィン（Ａ側）と放熱フィン（Ｂ側）には渦電流６０５，６０６が流れることとなり、この渦電流による磁界打ち消し効果によってループ形状経路におけるインダクタンスの低減作用が生じる。図３５の等価回路で、渦電流を生じる現象を等価的にインダクタンス７２２と７２４と７２６で表現した。これらのインダクタンスは放熱フィンである金属板に接近して配置されているので、誘導により発生する渦電流が発生する磁束と打ち消しあう関係となり、結果として半導体モジュールのインダクタンスが渦電流効果によって低減することとなる。
【０１１５】
以上のように、本実施形態に関する半導体モジュールの回路構成の配置によって、ラミネート配置による効果と渦電流による効果によってインダクタンスを低減することができる。スイッチング動作時のインダクタンスを低減することが重要であり、本実施形態の半導体モジュールでは、上アームと下アームの直列回路を半導体モジュール内に収納している。このため上下アーム直列回路を流れるダイオードのリカバリ電流に対して低インダクタンス化が可能となるなど、過渡的な状態でのインダクタンス低減効果が大きい。
【０１１６】
インダクタンスが低減すれば、半導体モジュールで発生する誘起電圧は小さくなり、低損失の回路構成を得ることができ、また、インダクタンスが小さいことによってスイッチング速度の向上に繋げることができる。さらに、図３１の説明で後述するが、以上述べた上下アーム直列回路５０からなる半導体モジュール５００を複数並列にして、コンデンサモジュール９５内の各コンデンサ９０と接続して大容量化を図った場合において、半導体モジュール５００自体のインダクタンスが低減することによって、電力変換装置１００内の半導体モジュール５００によるインダクタンスのバラツキの影響が少なくなり、インバータ装置の動作が安定する。
【０１１７】
また、モータジェネレータの大容量化（例えば、４００Ａ以上）が求められる場合において、コンデンサ９０も大容量とする必要があり、図３１に示すように、個々のコンデンサ９０を多数並列接続しコンデンサ端子９６を図示するように並列状に配置すると、個々の半導体モジュールの正極端子５３２及び負極端子５７２と個々のコンデンサ端子９６とは等距離接続することになり、それぞれの半導体モジュールに流れる電流は均等に分配され、バランスの良い低損失のモータジェネレータの動作を図ることができる。さらに、半導体モジュールの正極端子と負極端子の並行配置によって、ラミネート効果でインダクタンスが低減することと相俟って低損失の動作を行わせることができる。
【０１１８】
次に、本実施形態に係る電力変換装置の構成例について、図面に開示された具体的内容を説明する。図１８は本実施形態に関する放熱フィン付き半導体モジュールの外観を示す図であり、図１９は図１８に示す一点鎖線断面を矢印方向からみた半導体モジュールの断面図であり、図２０は本実施形態に関する半導体モジュールの展開図であって、上下アーム直列回路の各種端子、放熱フィン、ケースを示す図である。また、図２１は図２０に示す一点鎖線断面を矢印方向からみた図であって、ボトムケース５１６とトップケース５１２を接着によって放熱フィン５２２，５６２に固着する状況を示す図である。図２２は本実施形態に関する半導体モジュールにおける、放熱フィン（Ａ側）の導体板に設置したＩＧＢＴチップ及びダイオードチップ及び接続板と、放熱フィン（Ｂ側）の導体板の凸部とをはんだ付けすることを表す展開図である。
【０１１９】
図２３は放熱フィン（Ａ側）の導体板上に、ＩＧＢＴチップ及びダイオードチップ及び接続板をどのように設置するかの具体的構造を示したものであり、その詳細は上述したとおりである。図２４は放熱フィン（Ｂ側）の導体板上の凸部の具体的配置を示し、部分拡大図Ｓ１で凸部の厚さＤ１とＤ２が異なるのは上述したとおりである。図２５は放熱フィン（Ａ側）の導体板上の凸部の具体的配置を示す斜視図であり、Ｓ２は部分拡大表示であって、Ｄ３は凸部５４０の厚さ、Ｄ４は凸部５３６の厚さ、Ｄ５は凸部５９２の厚さを表しており、厚さが異なるのはダイオードチップ、ＩＧＢＴチップ、接続板５９４のそれ自体の厚さが異なるのを補償するものである。図２６は図２５の正面図である。図２７は放熱フィン（Ａ側）の導体板と放熱フィン（Ｂ側）の導体板が重なり合った状態と、上下アーム直列回路のＩＧＢＴにおけるエミッタ電極端子６６１およびデート電極端子６６２と、信号用導体５５４およびゲート用導体５５５とのワイヤボンディング状態を示す図である。図２８は放熱フィン５２２，５６２に絶縁シート５２４，５６４を真空熱圧着することを示す図である。
【０１２０】
図２３と図２７において、上アーム５２のエミッタ電極５３８は矩形形状を図示しており、その矩形形状のエミッタ電極５３８と隔ててその上方部に信号用エミッタ電極端子６６１（図２の符号５５に相当）とゲート電極端子６６２（図２の符号５４に相当）が形成されている。上述したように、信号用エミッタ電極端子６６１と信号用導体５５４をワイヤボンディングし、ゲート電極端子６６２とゲート用導体５５５をワイヤボンディングする。放熱フィン（Ｂ側）５６２において、矩形形状のエミッタ電極５３８を覆うように凹部形状の交流用導体板５８４が形成されていて、この凹部の窪み部分を通して信号用エミッタ電極端子６６１とゲート電極端子６６２が露出している。図２３と図２７に示す構成例においては、放熱フィン（Ａ側）５２２に設けられた矩形形状のエミッタ電極５３８と、放熱フィン（Ｂ側）５６２に設けられた凹部形状の交流用導体板５８４を示している。
【０１２１】
図２７に示す点線枠で囲った拡大表示図に示されたエミッタ電極５３８と交流用導体板５８４はＩＧＢＴチップのエミッタ電極の形状において電流容量や放熱の観点で改善されており、この形状変更による改善について図４１を用いて説明する。通常のＩＧＢＴは図２３に示す如く、エミッタ電極が略四角形で、この四角形の外側領域に信号用エミッタ電極端子６６１とゲート電極端子６６２、更に必要に応じその他の電極が設けられている。
【０１２２】
この場合、図２４に記載のように略四角のエミッタ電極と導体５７４や導体５８４とが電気的に接続される。
【０１２３】
図２７や図４１ではＩＧＢＴチップ５２におけるエミッタ電極５３８の面積の割合を大きくしている。すなわち図２３に示す矩形形状に代えて、信号用エミッタ電極６６１とゲート電極６６２のみが露出するようにエミッタ電極の領域を凹形状とし、この凹部の領域に信号用エミッタ電極端子６６１とゲート電極端子６６２、更に必要に応じその他の電極を設けている。さらに凹部を有する拡大されたエミッタ電極が交流用導体板５８４や導体５７４と電気的に接続するように、上記導体５８４や５７４にも凹部を設け、エミッタ電極との接続面積が拡大する構成としている。このエミッタ電極の面積拡大によってＩＧＢＴチップ５２のエミッタの電流密度が低下すると共に放熱面積が増大する。さらに、面積の拡大したエミッタ電極５３８の凹形状の外縁に対面するように交流用導体板５８４や導体５７４に凹形状を設けることで導体板５８４や５７４の面積を拡大し（図２４に示す交流用導体板５８４や５７４はエミッタ電極に対応た形状で凹形状の窪み部分を有していないのに比べて、図２７や図４１は窪み部分を有している）、熱拡散の向上を図っている。
【０１２４】
次に、本実施形態に関する半導体モジュールとコンデンサモジュールとの接続について、図３１、図３２及び図３３を参照しながら説明する。ここでコンデンサモジュールは１個の電解コンデンサあるいはフィルムコンデンサで構成しても良いが、少ない体積でより大きな容量を得ることが望ましく、複数個の電解コンデンサあるいはフィルムコンデンサを電気的に並列接続して構成する方が望ましい。また複数個の単位コンデンサを並列接続し、その外側を放熱に優れた金属で覆うことにより、小型で信頼性の高いコンデンサモジュールが得られる。フィルムコンデンサに比べ電解コンデンサは発熱量が大きく特にその効果が大きい。
【０１２５】
また、外側を金属で覆うことにより、コンデンサモジュール内の単位コンデンサの電力変換装置内での固定が強固となり、振動に強くなる。例えば自動車の振動にはいろいろな成分の周波数が含まれており、上記コンデンサモジュール内の単位コンデンサが共振する恐れがある。１個あるいは複数個の単位コンデンサをコンデンサモジュール内で強固に固定し、さらに後述するようにコンデンサモジュールを電力変換装置内で強固に固定する、例えば水路筐体に強固に固定することが望ましい。
【０１２６】
図３１は本実施形態に係る電力変換装置のコンデンサモジュールの接続端子を示す図であり、図３２は本実施形態に関する半導体モジュールとコンデンサモジュールとの接続状態を示す斜視図であり、図３３はこの接続状態を示す断面図である。図面において、３９０はコンデンサモジュール、９６はコンデンサ端子、６１１はコンデンサ正極端子、６１２はコンデンサ負極端子、６１３は絶縁ガイド、５３３は半導体モジュールの正極端子の櫛歯、５７３は半導体モジュールの負極端子の櫛歯、６３０は挿入口、をそれぞれ表す。
【０１２７】
コンデンサモジュール３９０は、図示の例で、モータのＵ相、Ｖ相、Ｗ相に対応してそれぞれコンデンサ端子９６が設けられている。端子９６の数に対応してコンデンサモジュール内部にはそれぞれコンデンサ９０が設けれている。
【０１２８】
コンデンサ端子９６の正極端子６１１と負極端子６１２は、半導体モジュール３９０の正極端子５３２と負極端子５７２の櫛歯形状５３３，５７３と同様に、図示するような櫛歯形状で構成されている。コンデンサモジュール３９０と半導体モジュールの接続端子を互いに櫛歯形状とすることによって、両者の接続端子間の溶接やその他の固着接続がし易くなっている。また、コンデンサモジュール３９０の端子には中央部に絶縁ガイド６１３が設けられ、絶縁ガイド６１３が正極端子６１１と負極端子６１２の絶縁を図るとともに、絶縁ガイド６１３を半導体モジュールの挿入口６３０に挿入することで、コンデンサモジュールと半導体モジュールの接続端子同士の接続ガイド機能をも奏している。
【０１２９】
本実施形態では半導体モジュール５００の各直流側の端子に対応してコンデンサモジュール３９０の直流端子が設けられており、コンデンサモジュール３９０の端子と半導体モジュールの端子間のインダクタンスの低減が図られている。この実施形態の如く、コンデンサモジュールの端子と半導体モジュールの端子を直接接続することはインダクタンス低減の観点で好ましいことであるが、コンデンサモジュールと半導体モジュールとを接近して配置できない状況も考えられる。図２や図３に示す如く、コンデンサとインバータ回路の各上下アーム直列回路とは並列接続の関係にあり、例えば直流正極導体と直流負極導体を対向して配置した直流バスバーを使用し、この直流バスバーの一端をコンデンサモジュール３９０の正極端子６１１と負極端子６１２とに接続し、上記直流バスバーの他端を半導体モジュールの正極端子５３２と負極端子５７２とに接続するようにしても良い。上記直流バスバーを構成する直流正極導体と直流負極導体とがそれぞれ発生する磁束が互いに打ち消し合うように導体をできるだけ接近させて対向配置することで、インダクタンスの増加を抑えることができる。
【０１３０】
図３に記載の如くインバータ回路の各相が複数個の上下アーム直列回路の並列接続で構成される場合は、上記直流バスバーを使用する場合であっても各相を構成する並列接続された複数個の上下アーム直列回路が電気的に等しい条件に置かれることが望ましい。従って上記直流バスバーの半導体モジュール側には、各相を構成する半導体モジュールの端子に対応してそれぞれ接続端子を設けることが望ましく、その形状はあたかも図３１の端子９６のような形状であることが望ましい。
【０１３１】
次に、本実施形態に関する半導体モジュールの冷却状況について図２９と図３０を参照しながら以下説明する。図２９は本実施形態に関する半導体モジュールにおける放熱フィン（Ａ側）の冷却水流れを表す図である。図３０は半導体モジュールにおける冷却水流れと回路構成の配置との関係を表す図である。図面で、６２２は半導体モジュールにおける上段の冷却水の流れを表し、６２３は半導体モジュールにおける下段の冷却水流れを表す。
【０１３２】
本実施形態に関する半導体モジュールは上述したようにその内部に、発熱体である上アームのＩＧＢＴチップ５２とダイオードチップ５６を同列状に上段に配置し、発熱体である下アームのＩＧＢＴチップ６２とダイオードチップ６６を同列状に下段に配置している。ここで上段は、冷却水路への半導体モジュール５００の挿入方向における手前側に相当し、下段は上記挿入方向における奥側に相当する。
【０１３３】
半導体モジュール５００には冷却水との間で熱交換する機能に加え、冷却水を層流の状態に保つと共に冷却水を所定方向に導く作用を有している。この実施形態では、冷却水は、通常、凹凸形状の放熱フィンの凹部（溝部）に沿った水平の流れを形成する。そうすると、上段に流入する冷却水６２２は、点線で示すようにダイオードチップ５６、ＩＧＢＴチップ５２からの発生熱を吸熱し、実線で示すように放熱フィン（Ｂ側）のフィン凹部を通る復路を形成する。同様に、下段に流入する冷却水６２３は、上段の半導体チップ５２，５６からの発生熱の影響を受けることなく、ＩＧＢＴチップ６２、ダイオードチップ６６からの発生熱を吸収する。このように、発熱体であるＩＧＢＴチップとダイオードチップからなる半導体チップを、上下段違いに配置する半導体モジュールの構造を採用することによって、水冷効果は増大する。
【０１３４】
次に、本実施形態に関する半導体モジュールの冷却についての概要をまず説明する。図１８、図１９に示すように、半導体モジュール５００は、上下アームの半導体チップ５２，５６，６２，６６を含む上下アーム直列回路５０が対面する放熱フィン（Ａ側）と放熱フィン（Ｂ側）の間に挟まれて内蔵され、図１６、図１７に示す水路筐体２１２に挿入される。半導体モジュール５００における放熱フィンを形成した放熱板の両面に水を流すこによって半導体モジュールは冷却されるように構成される。すなわち、発熱体である半
導体チップは、冷却水によって放熱フィン（Ａ側）５２２からと放熱フィン（Ｂ側）５６２からとの両面から冷却される両面冷却の構造である。
【０１３５】
ここで、半導体モジュールの冷却の変遷をみると、片面間接冷却方式、片面直接冷却方式、両面間接冷却方式、両面直接冷却方式と進化する傾向にあるが、現状の冷却方式では、発熱体であるスイッチング用半導体素子（ＩＧＢＴ）を複数個設けてこれらを並列接続して（半導体素子が負担する発生熱を分散させるため）、放熱板上にグリスと絶縁層を介してこの並列接続した半導体素子群を設置する構造が多く見られる。この現状の冷却方式では、半導体素子群の片面に放熱板を設けることで片面冷却であり、半導体素子群と放熱板との間にグリスを介在させることで間接冷却となっている。グリスは本来、放熱板に対して、絶縁層付き導体板（半導体素子群を設置するＣｕリード）を接着するためのものであるが、厚さが不均一となるのでねじで締め付け固定する必要がある。このグリスは熱伝導性は良いが、接着性、厚さの均一性や絶縁性には難点がある。
【０１３６】
本実施形態では例えば図２９や図３０などに示すように、いろいろな改良点を有しているので、上述のグリスを使用する間接冷却方式であっても従来のものに対して放熱効果は改善されるし、上述の如くその他いろいろな効果が得られる。以下に説明のとおり、半導体チップを放熱用の金属に絶縁部材を介して固定しているので、さらに放熱効果が改善される。絶縁部材としてはセラミック板や樹脂製の絶縁シートなどがあり、これらを介して放熱金属に固定することで熱伝導特性が改善され放熱効果が改善される。セラミック板に対し、以下に説明する絶縁シートは厚さが薄く、より大きな効果が得られる。
【０１３７】
本発明の実施形態に係る電力変換装置は、半導体モジュールの両面から冷却するとともに、グリスを用いることなく、放熱板と半導体チップの搭載される導体板との間に絶縁シートを介在させて真空熱圧着するという、両面直接冷却方式を採用するものであり、冷却性能の向上を図ることができる。本実施形態では図２８、図２３で説明したように、放熱用の絶縁シート５２４，５６４（例えば、厚さ１００〜３５０ｍｍの絶縁樹脂）を、Ｃｕ又はＡｌからなる放熱フィン（放熱板）５２２，５６２に一旦真空熱圧着し、次いで、この絶縁シートと正極及び負極端子５３２，５７２などを有する導体板５３４，５４４，５７４，５８４（例、Ｃｕリード）との間で再度真空熱圧着し、さらに導体板に半田付けで半導体チップを取り付けるとともに、図２９に示すように半導体モジュール５００を両面の放熱フィンを通して水冷するので、両面直接冷却方式となる。この際、絶縁シートは、グリスとの対比で、接着性、厚さの均一性、絶縁性で優れた特性を有している。
【０１３８】
次に、本発明の実施形態に係る、冷却機能を備えた電力変換装置の具体的構成について、図４〜図７を参照しながら以下説明する。図４は本発明の実施形態に係る電力変換装置の外観形状を示す図である。図５は本実施形態に係る電力変換装置の内部構造を斜視する分解図である。図６は本実施形態に係る電力変換装置から上ケースを取り除いた斜視図である。図７は本実施形態に係る電力変換装置から上ケース、制御回路７２を内蔵した制御基板３７０、バスバーアッセンブリを取り除いた斜視図である。
【０１３９】
図面において、電力変換装置１００は、水路筐体２１２に複数の半導体モジュール５００が装着され、ドライバ回路７４を内蔵しドライバＩＣ３７４を搭載する制御基板３７２を有し、コンデンサモジュール３９０（図３１に示す符号９５に相当するもの）とバスバーアッセンブリ３８６を搭載し、直流コネクタ３８と交流コネクタ８８（図２を参照）からなるコネクタ部２８０を備え、水路の入口部２４６と出口部２４８を有し、下ケース１４２と上ケース１１２とカバー１３２で囲った構造である。なお、バスバーアッセンブリ３８６は、コンデンサモジュール３９０及び半導体モジュール５００の直流端子と直流コネクタ３８とを接続する直流バスと、半導体モジュール５００の交流端子５８２と交流コネクタ８８とを接続する交流バスと、を含むものである。
【０１４０】
図７と図８を参照すると、水路筐体２１２は、水路筐体の本体部２１４と水路筐体の正面部２２４と水路筐体の背面部２３４とに大別され、水路の入口部２４６と出口部２４８を有している。制御基板３７２には制御回路用コネクタ３７３、ドライバＩＣ３７４が搭載されている。図７の例示では、半導体モジュールの負極端子５７２、正極端子５３２、交流端子５８２が突出しており、負極と正極の端子５７２、５３２はコンセンサモジュール３９０のコンデンサ端子と接続される（図６と図３２を参照）。図７の構成例では、６個の上下アーム直列回路５０（半導体モジュール５００の主要な回路）が充填されていて、図３に示すインバータ装置４０の回路構成に対応している。すなわち、モータのＵ，Ｖ，Ｗの各相に２つの上下アーム直列回路が使用されていて、モータジェネレータ９２への大容量化を図っている。
【０１４１】
図３に示すインバータ装置４０をバッテリ３６に対してもう１つ並列接続して各インバータ装置をそれぞれのモータジェネレータに接続し、２つのモータジェネレータに電力供給する２つのインバータ装置を１つの水路筐体２１２に収容した構成例を図８、図９及び図１０に示す。なお、図８、図９及び図１０に示す構成例は、２つのモータジェネレータへの電力供給に限らない。図８は本実施形態に係る電力変換装置における２インバータ装置の構成例であり、制御回路７２を内蔵した制御基板３７０と、バスバーアッセンブリと上ケースを取り除いた斜視図である。図９は本実施形態に係る電力変換装置における２インバータ装置の構成例であり、制御回路７２を内蔵した制御基板３７０と、バスバーアッセンブリ、上ケース及びコンデンサモジュールを取り除いた斜視図である。図１０は本実施形態に係る電力変換装置における２インバータ装置の構成例であり、制御回路７２を内蔵した制御基板３７０と、バスバーアッセンブリ、上ケース及びコンデンサモジュールを取り除いた平面図である。なお、図８において、バスバーアッセンブリ３８６は、制御基板３７２の上方部に配置され、２組のコンデンサモジュール３９０の間に配置されるものである。
【０１４２】
図８、図９、図１０を参照すると、２組の半導体モジュール５００が１８０度回転した状態で水路筐体２１２に挿入されている。コンデンサモジュール３９０も同様に１８０度回転した状態で配置されている。ドライバ回路７４を内蔵した制御基板３７２は、各組の半導体モジュール５００の間に配置され１つの基板から形成されている。制御回路用コネクタ３７３も２組の半導体モジュールに対して共通の部品として１個で済ませることができる。各相の上下アームに対して１個のドライバＩＣ３７４で駆動しており、各相は上下アームが並列接続された２つの直列回路で構成されている（図３を参照）。１つのドライバＩＣ３７４から並列接続された上下アーム直列回路に対して同時並行して制御信号が供される。
【０１４３】
ドライバ回路を有する制御基板を、交流端子に対してコンデンサモジュール３９０とは反対側の位置に配置しており、さらに交流端子に対してコンデンサモジュールとは反対側の位置に上下アームを構成する半導体スイッチング素子の制御端子を配置している。この構成によりコンデンサモジュール５００と半導体モジュールの電気的な接続および制御端子とドライバ回路７４を有する制御基板３７２との電気的接続関係が整然とした状態となり、電力変換装置の小型化に繋がる。
【０１４４】
また、２つのインバータ装置を有する電力変換装置では、図１０に示す如く中央にドライバ回路７４を有する制御基板３７２を配置することで、２つのインバータ装置を制御するための２つのドライバ回路７４を１つの制御基板３７２に設けることが可能となり、電力変換装置の小型化に繋がると共に生産性も向上する。
【０１４５】
次に、本実施形態に係る電力変換装置における水路筐体への半導体モジュールの装填態様と半導体モジュールを装填した水路筐体の冷却水の流れ態様とについて、図１１〜図１７を参照しながら以下説明する。
【０１４６】
図１１は本実施形態に関する半導体モジュールを装填した水路筐体の冷却水流れを示す断面図である。図１２は図９に示す２インバータ装置における半導体モジュールを装填した水路筐体の冷却水流れを示す断面図である。図１３は図３に示すモータジェネレータへの各相に対する並列接続の半導体モジュールの正極端子、負極端子、交流端子、信号用端子、ゲート端子の水路筐体における配置状況を示す平面図である。図１４は半導体モジュールを装填した水路筐体本体部と水路筐体前面部と水路筐体背面部を展開した斜視図である。図１５は半導体モジュールを装填した水路筐体本体部と水路筐体前面部と水路筐体背面部を展開した断面図である。図１６は水路筐体本体部に半導体モジュールを装填する状況を示す斜視図である。図１７は水路筐体本体部に半導体モジュールを装填する状況を示す正面図である。
【０１４７】
図１１と図１２において、２１２は水路筐体、２１４は水路筐体の本体部、２２４は水路筐体の正面部、２２６は正面部の入口水路、２２７は正面部の折り返し水路、２２８は正面部の出口水路、２３４は水路筐体の背面部、２３６は背面部の折り返し水路、２４６は入口部、２４８は出口部、２５０〜２５５は水流、をそれぞれ表す。
【０１４８】
図６と後述する図１４に示すように、入口部２４６及び出口部２４８と、これらに繋がる本体部２１４との間には正面部入口水路２２６及び正面部出口水路２２８が設けられていて（図１１を参照）、この水路２２６，２２８の水路高さは半導体モジュール５００の高さに相当している（図１４の導水部２４９を参照）。したがって、入口部２４６からの水流２５０は正面部入口水路２２６において水流が高く拡張され、本体部２１４に装填された半導体モジュール５００の放熱フィン５２２，５２６の全高さに渡って水が流れるようになる。図１１に示す水流２５１，２３６，２５３，２２７を説明すると、冷却水は半導体モジュール５００の放熱フィン（Ｂ側）５６２の全高さに渡って流れ（水流２５１）、背面部２３４の折り返し水路２３６を通り、放熱フィン（Ａ側）の全高さに渡って流れ（水流２５３）、正面部２２４の折り返し通路２２７を通って次の半導体モジュール５００への水流となる。このようにして、半導体モジュール５００は両面冷却されることとなる。
【０１４９】
図１２は、図９及び図１０に示すように、２つのインバータ装置における半導体モジュールを１つの水路筐体に装填して冷却する構造を示しており、一のインバータ装置には６個の半導体モジュール５００−１が用いられ、他のインバータ装置には６個の半導体モジュール５００−２が用いられる。図１２に示すように、水路筐体本体部２１４の水流２５１，２５３の方向に沿って半導体モジュール５００−１と５００−２が縦続的に配置される。
【０１５０】
本実施形態では、水路筐体２１２に水路に通ずる開口を設け、上記開口に半導体モジュール５００を挿入する構造にしている。このようにすることで、電子回路製造ラインで半導体モジュール５００を生産し、必要な検査を行った後で水路筐体に固着することが可能となり、生産性が向上すると共に信頼性が向上する。
【０１５１】
また、半導体モジュール５００の両側には面積の広い冷却フィンが設けられていると共に冷却フィンにより水流の流れが作られるようになっている。すなわち半導体モジュール５００を水路に挿入することで逆方向に流れる水路が形成され、上記冷却フィンは放熱のみならず逆向きの層流を作る作用をし、水路を形成する作用をする。水路筐体は例えばダイキャストなどで作られ、水路の美問い部分は上記半導体モジュール５００のフィンにより形成される構造となっている。従って生産性が向上する。
【０１５２】
上記半導体モジュール５００を水路に挿入することで逆方向に流れる水路が形成され、水路断面積が狭くなる。冷却水の送り込まれる量が例えば同じあるとすると断面積が小さくなったことで流速が増加する。このため冷却効率が増加する。
【０１５３】
図１４はモータジェネレータへの各相に対して半導体モジュールを並列接続する場合（図３の回路構成を参照）の６個の半導体モジュール５００をすべて水路筐体に装填した状況を示しているが、水路筐体２１２の本体部２１４に対して順次半導体モジュール５００を装填する状況を図１６と図１７に示す。水路筐体の本体部２１４は水路形成部２７０と水路形成部２７０を隔てる隔壁２７１からなり、水路形成部２７０に半導体モジュール５００を上方から装填する。半導体モジュール５００のトップケース５１２及び／又は水路形成部２７０の上縁部に接着剤を塗布して両者を固着する。図示するように、水路形成部２７０と半導体モジュール５００の放熱フィン５２２，５６２は略同一サイズであるので、冷却水はフィンの窪みに沿って流れる。
【０１５４】
図１４に示すように、水路筐体２１２の正面部２２４は、水路入口部２４６に続いて、本体部２１４の水路形成部２７０（図１６を参照）と略同一の嵩高をもつ導水部２４９を備えている。この導水部２４９によって半導体モジュール５００の全高さに渡って略均一な水流を形成する。
【０１５５】
図１４と図１５に示す如く、水路筐体２１２が本体部２１４と正面部２２４と背面部２３４とに分割することで本体部は水路となるべき空間が正面側と背面側に開放した形状となり、アルミニュームを材料としたダイキャスト製法が可能となる。また正面部２２４と背面部２３４もダイキャスト製法が可能となり、生産性が向上する。
図１３はモータジェネレータへの各相に対して半導体モジュールを並列接続する場合（図３の回路構成を参照）の６個の半導体モジュール５００における、水路筐体２１２への配置構造を示している。図３に示す上下アーム直列回路５０が、Ｕ相用に５０Ｕ１，５０Ｕ２として、Ｖ相用に５０Ｖ１，５０Ｖ２として、Ｗ相用に５０ＷＵ１，５０Ｗ２として、図示するように配置されている。コンデンサモジュールのコンデンサ端子９６が図３１及び図３２に示すように、半導体モジュール５００の正極端子５３２と負極端子５７２の列方向と同一方向に配置されて、半導体モジュールとコンデンサモジュールの端子同士が直接に結合するので、寄生インダクタンスが小さく且つ均等になり、各半導体モジュールが均等で且つ安定して動作する。
【０１５６】
また、ＵＶＷの各相を構成する複数個の上下アーム直列回路の電気特性をできるだけ等しくすることが重要である。例えばＵ相の回路を構成する直接回路５０Ｕ１と５０Ｕ２との電気特性をできるだけ同じくすることが重要で、本実施形態では、直接回路５０Ｕ１を作る半導体モジュール５００と直接回路５０Ｕ２を作る半導体モジュール５００との直流端子５７２と５３２の配列に対してコンデンサモジュールが同じ方向を向くようにして固定され、直接回路５０Ｕ１を作る半導体モジュールの端子とこれと接続されるコンデンサモジュールの端子との物理的な関係が直接回路５０Ｕ２を作る半導体モジュールの端子とこれと接続されるコンデンサモジュールの端子との関係と同じくなっている。このように直流端子が並ぶ方向に沿ってコンデンサモジュールを配置し、コンデンサ端子を設けることで並列接続された直流回路５０Ｕ１と５０Ｕ２との電気的な特性を略等しくできる。
【０１５７】
この実施形態では半導体モジュールの端子とコンデンサモジュールの端子とが直接接続されているが、これは最も好ましい構造であるが、必ずしも直接接続されていなくても良い。例えば正極導体と負極導体が近接して対向する形状の接続導体である例えば直流バスバーを介して接続してもインダクタンスをかなり低く抑えることができ。
【０１５８】
また、制御用又は検出用の端子群５５２，５５３，５５６，５５７は、図７に示す制御基板３７２に直結するように配置される。したがって、半導体モジュール５００と制御基板３７２内の制御回路及びドライバ回路との間の配線に起因する相毎の変動成分は小さく且つ均等になる。さらに、２つの半導体モジュール５００で並列接続する各相に対して、もう１つの半導体モジュール５００を追加して３つの半導体モジュール５００で並列接続する場合においても、３つ目の半導体モジュール５００を図１３において単に横列に配置すれば足りることとなり、半導体モジュール５００の追加適用性に優れている。
【０１５９】
次に、本実施形態に関する半導体モジュールの他の構成例と冷却構造について、図３６〜図４０を参照しながら以下説明する。図３６は本実施形態に関する半導体モジュールの他の構成例を示す斜視図である。図３７は本実施形態に関する半導体モジュールの他の構成例を示す断面図であり、図３６の点線矢印から見た図である。図３８は本実施形態に関する半導体モジュールの他の構成例における冷却水の流れを説明する斜視図である。図３９は本実施形態に関する半導体モジュールの他の構成例を水冷筐体に装填した場合における冷却水の流れを示す断面図である。図４０は本実施形態に関する半導体モジュールの他の構成例を水冷筐体に装填した場合における上下二段の冷却水の流れを示す他の断面図である。
【０１６０】
図３６及び図３７に示す半導体モジュール５００は、図１８に示す半導体モジュール５００との対比で、放熱フィンの構造が異なり、具体的には放熱フィン（Ａ側）５２２と放熱フィン（Ｂ側）５６２の中央部に厚さｄの厚い中央フィン５７０を設けるものである。
【０１６１】
中央フィン５７０の位置は図２に示す上アームのチップ５２，５６と下アームのチップ６２，６６を上下に隔てる位置であり、この中央フィン５７０（例示として、厚さｄは他のフィン厚さに比べて１．５〜２倍程度）を設けることで水流を上下二段に分離して流す機能を奏する。
【０１６２】
図３８には、２つの半導体モジュール５００の放熱フィンにおける冷却水の流れを模式的に示す。水路入口部２４６（図３９を参照）からの水流６５０は、１つ目の半導体モジュールの放熱フィン（Ｂ側）５６２の下段部分（中央フィン５７０の下半分）にのみ流入し、水流６５１を形成する。次に、水路筐体の背面部２３４において上昇の水流６５２となり、同じ放熱フィン（Ｂ側）５６２側の上段部分（中央フィン５７０の上半分）で水流６５３を形成する。続いて、水路筐体の正面部２２４で水流の向きを変えて放熱フィン（Ａ側）５２２の上段部分の水流６５４を形成し、続いて、背面部２３４において下降流６５５となり同じ放熱フィン（Ａ側）５２２の下段部分の水流６５６を形成し、さらに正面部２２４で水流５７の向きを変えて次の半導体モジュール５００の冷却を行うこととなる。
【０１６３】
図３９と図４０の図示構造から分かるように、水路入口部２４６で半導体モジュールの放熱フィン（Ｂ側）の下段部分のみに水流６５１が形成されて上段部分に流れ込まないのは、水路筐体正面部２２４の入口部２４６に延設されたガイド部６６０に因る。また、中央フィン５７０の厚さｄと本体部２１４の壁面又は隔壁２７１（図１７を参照）との密接性によって下段部分と上段部分を流れる水流の隔離を図っている。
【０１６４】
図３６に示す半導体モジュール５００の他の構成例を図３９及び図４０に示す水路筐体に充填して電力変換装置を構成した場合における冷却効果について以下説明する。図１４に示す水路筐体における冷却水の流路（半導体モジュールの放熱フィンの全高さに対応して形成される流路）との対比で説明する。図３８に示すように、冷却水を放熱フィンの上段部分又は下段部分に分離して流すことによって流路断面積は略半分になる。そして、水路筐体２１２の入口部２４６に流入してくる冷却水の流入流量が一定であると仮定すると（冷却水の流入源の容量大のため）、放熱フィンの上段部分又は下段部分を通る冷却水の流速は略倍になる。流速が速まると冷却水による放熱フィンからの吸熱も流速に対応して吸熱量が多くなる（冷却水による吸熱量は流速の或る範囲において流速の大きさにほぼ比例して増大する）。すなわち、図３６に示す中央フィン５７０をもつ半導体モジュールを採用し、上段部分と下段部分に時間的に分割して冷却水の流路を形成すると、半導体モジュールの冷却効果が一段と高まる。
【０１６５】
図３９に記載の如く水路筐体を本体部２１４と正面部２２４と背面部２３４とに分けているので、ダイキャスト製法で生産でき、生産性が向上する。
【０１６６】
図４２は図５の制御基板３７０を水路筐体の底部に配置した図５の他の実施形態である。図５では制御回路７２を有する制御基板３７０をカバー１３２の下に配置し、コネクタ３７１から信号線７６を介してドライバ回路７４を有する制御基板３７２に信号が送られる。制御基板３７０は上ケースで冷却される。
【０１６７】
図４２では制御回路７２を有する制御基板３７０を水路筐体２１４の底部に配置し、水路筐体の底部に固定することで制御基板３７０を冷却すると共に底部空間を利用して配置されており、冷却効果の向上に加え小型化の効果がある。また、制御回路７２を有するためにノイズに弱い制御基板３７０を水路筐体２１４の底部に配置することで、水路筐体２１４を挟んで一方に半導体モジュール５００の端子を配置し、他の方に制御基板３７０を配置することでノイズに対しても信頼性の高い構造となっている。
【符号の説明】
【０１６８】
１０：ハイブリッド電気自動車、１２：前輪、１４：前輪車軸、１６：前輪側ＤＥＦ、１８：変速機、２０：エンジン、２２：動力分配機構、２３，２４，２５，２６：歯車、２７，２８，２９，３０：歯車、３６：バッテリ、３８：直流コネクタ、４０，４２：インバータ装置、４４：インバータ回路、５０：上下アームの直列回路、５０Ｕ１：Ｕ相直列回路、５０Ｕ２：Ｕ相直列回路、５０Ｖ１：Ｖ相直列回路、５０Ｖ１：Ｖ相直列回路、５０Ｗ１：Ｗ相直列回路、５０Ｗ１：Ｗ相直列回路、
５２：上アームのＩＧＢＴ、５３：上アームのコレクタ電極、５４：上アームのゲート電極端子、５５：上アームの信号用エミッタ電極端子、５６：上アームのダイオード、５７：正極（Ｐ）端子、５８：負極（Ｎ）端子、５９：交流端子、６２：下アームのＩＧＢＴ、６３：下アームのコレクタ電極、６４：下アームのゲート電極端子、６５：下アームの信号用エミッタ電極端子、６６：下アームのダイオード、６９：中間電極、７０：制御部、７２：制御回路（制御基板３７０に内蔵）、７４：ドライバ回路（制御基板３７２に内蔵）、７６：信号線、８０：検出部、８２：信号線、８６：交流電力線、８８：交流コネクタ、９０：コンデンサ（コンデンサモジュール３９０に内蔵）、９２，９４：モータジェネレータ、９５：コンデンサモジュール、９６：コンデンサ端子、
１００：電力変換装置、１１２：上ケース、１１４：上ケースの下部開口、１１６：入口部用窪み、１１８：出口部用窪み、１２０：上ケースの上部開口、１２２：コネクタ用窪み、１２４：フランジ、１３２：カバー、１４２：下ケース、１４４：下ケースの上部開口、１４６：入口部用窪み、１４８：出口部用窪み、１５４：フランジ、
２１２：水路筐体、２１４：水路筐体の本体部、２１６：本体部の水路、２１８：挿入口、２２４：水路筐体の正面部、２２６：正面部の入口水路、２２７：正面部の折り返し水路、２２８：正面部の出口水路、２３４：水路筐体の背面部、２３６：背面部の折り返し水路、２４６：入口部、２４８：出口部、２４９：導水部、２５０〜２５５：水流、２７０：水路形成部、２７１：隔壁、２８０：コネクタ部、３７０：制御基板（制御回路７２を内蔵）、３７２：制御基板（ドライバ回路７４を内蔵）、３７３：コネクタ（制御回路用）、３７４：ドライバＩＣ、３８６：バスバーアッセンブリ、３９０：コンデンサモジュール、
５００：半導体モジュール、５０２：モールド樹脂、５０４：窪み（コンデンサ端子絶縁板受）、５０８：サイドケース、５１２：トップケース、５１３：孔、５１６：ボトムケース、５２２：放熱フィン（Ａ側）、５２４：絶縁シート（Ａ側）、５３２：正極端子、５３３：櫛歯形状、５３４：正極側の導体板、５３６：凸部、５３７：半田層、５３８：ＩＧＢＴチップ（上アーム用）、５４０：凸部、５４１：半田層、５４２：ダイオードチップ（上アーム用）、５４４：導体板、５４５：凸部、５４６：半田層、５４７：ＩＧＢＴチップ（下アーム用）、５４８：凸部、５４９：半田層、５５０：ダイオードチップ（下アーム用）、５５２：信号用端子（上アーム用）、５５３：ゲート端子（上アーム用）、５５４：信号用導体、５５５：ゲート用導体（上アーム用）、５５６：信号用端子（下アーム用）、５５７：ゲート端子（下アーム用）、５５８：信号用導体（下アーム用）、５５９：ゲート用導体（下アーム用）、５６２：放熱フィン（Ｂ側）、５６４：絶縁シート（Ｂ側）、５７０：中央フィン、５７２：負極端子、５７３：櫛歯形状、５７４：負極側の導体板、５７６：凸部（ＩＧＢＴチップに接続）、５７８：凸部（ダイオードチップに接続）、５８２：交流端子、５８３：櫛歯形状、５８４：交流用の導体板、５８６：凸部（ＩＧＢＴチップに接続）、５８８：凸部（ダイオードチップに接続）、５９２：凸部（上下アームの中間電極に接続）、５９３：半田層（上下アームの中間電極に接続）、５９４：接続板（上下アームの中間電極を構成）、
６０５，６０６：うず電流、６１１：コンデンサ正極端子、６１２：コンデンサ負極端子、６１３：絶縁ガイド（コンデンサ端子絶縁板）、６３０：挿入口（窪み）、６２２：半導体モジュールにおける上段の冷却水流れ、６２３：半導体モジュールにおける下段の冷却水流れ、６５０，６５１，６５２，６５３，６５４，６５５，６５６，６５７：水流、６６０：ガイド部、６６１：信号用エミッタ電極端子、６６２：ゲート電極端子
Ｓ１：図２４の部分拡大表示、Ｓ２：図２５の部分拡大表示、Ｄ１：凸部５８６の厚さ、Ｄ２：凸部５８８の厚さ、Ｄ３：凸部５４０の厚さ、Ｄ４：凸部５３６の厚さ、Ｄ５：凸部５９２の厚さ
【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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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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