(57)【要約】【課題】定常損失が減少する温度が異なる複数の素子の冷却を素子毎に適切に行って素子を最適温度で動作させることができるパワーモジュールを提供する。【解決手段】基板１７の上面に配置されたスイッチング素子１１及び整流素子１２と、基板１７の下面に設置され、冷却用冷媒を流してスイッチング素子１１と整流素子１２に対し異なった冷却状態をもたらす冷媒通路１９が形成された冷却部２０とを有する。冷媒通路１９は、スイッチング素子１１より整流素子１２の方が高い温度になるように冷却する。冷媒通路１９は、冷却能力を異ならせた２種類からなる。【選択図】図１
2006303306.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上面に配置されたスイッチング素子及び整流素子と、
前記基板の下面に設置され、冷却用冷媒を流して前記スイッチング素子と前記整流素子に対し異なった冷却状態をもたらす冷媒通路が形成された冷却部と
を有するパワーモジュール。
【請求項２】
前記冷媒通路は、
前記スイッチング素子より前記整流素子の方が高い温度になるように冷却する請求項１に記載のパワーモジュール。
【請求項３】
前記冷媒通路は、
冷却能力を異ならせた２種類からなる請求項１または２に記載のパワーモジュール。
【請求項４】
前記冷媒通路の上流側に前記スイッチング素子を配置し、下流側に前記整流素子を配置する請求項２または３に記載のパワーモジュール。
【請求項５】
前記冷媒通路と前記整流素子の間の熱抵抗が、前記冷媒通路と前記スイッチング素子の間の熱抵抗より大きい請求項２または３に記載のパワーモジュール。
【請求項６】
前記冷媒通路から前記整流素子までの距離が、前記冷媒通路から前記スイッチング素子までの距離より長い請求項５に記載のパワーモジュール。
【請求項７】
前記冷媒通路は、スイッチング素子対向面積が整流素子対向面積より広い請求項２または３に記載のパワーモジュール。
【請求項８】
前記冷媒通路は、前記スイッチング素子を冷却する側に前記冷却用冷媒との接触面積を増加させるフィンを設けた請求項２または３に記載のパワーモジュール。
【請求項９】
前記冷却用冷媒は、前記スイッチング素子を冷却するための冷媒通路を乱流として流れ、前記整流素子を冷却するための冷媒通路を層流となって流れる請求項３に記載のパワーモジュール。
【請求項１０】
前記冷却部は、前記スイッチング素子と前記整流素子の間に接触熱抵抗となる分割境界を有する請求項1から９のいずれか一項に記載のパワーモジュール。
【請求項１１】
前記分割境界に、前記冷却部よりも熱伝導率の低いスペーサを設けた請求項１０に記載のパワーモジュール。
【請求項１２】
前記冷却部と前記整流素子の間に、前記冷却部よりも熱伝導率の低いスペーサを設置した請求項２または３に記載のパワーモジュール。
【請求項１３】
前記スペーサは、熱電素子である請求項１１または１２に記載のパワーモジュール。
【請求項１４】
前記冷却部の上部の前記スイッチング素子と前記整流素子の間に、前記基板で塞がれる溝状空間を有する請求項２に記載のパワーモジュール。
【請求項１５】
前記溝状空間を空気よりも熱伝導率の高い充填部材で埋めた請求項１４に記載のパワーモジュール。
【請求項１６】
前記冷却部を、複数の外表面を有する多面体形状とし、前記複数の外表面にそれぞれ前記基板を設けた請求項１から１５のいずれか一項に記載のパワーモジュール。
【請求項１７】
前記スイッチング素子及び前記整流素子は、複数個からなり、前記基板の上面に、それぞれ一つに纏まって相互に混在しないスイッチング素子群及び整流素子群を形成して配置される請求項１から１６のいずれか一項に記載のパワーモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、パワーモジュールに関し、特に、電力変換に用いられる、複数のスイッチング素子及び整流素子を有するパワーモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、モータ駆動用３相インバータに用いられるパワーモジュールが知られている。このパワーモジュールは、直流電源の電力をモータ駆動用の３相交流電力に変換するものであり、複数のスイッチング素子及び整流素子を有している。
【０００３】
図１８は、従来のパワーモジュールの１相分の素子配置を示す斜視図である。図１８に示すように、パワーモジュール１は、基板２の上に並列に配置された、複数（この例では４個）のスイッチング素子３ａ〜３ｄ及び整流素子４ａ〜４ｄを有している。対向するスイッチング素子３と整流素子４は、ボンディングワイヤ５により配線接続されている。また、基板２の下面側には、内部に冷媒通路を配置した冷却部（図示しない）が装着されている。
【０００４】
各スイッチング素子２と整流素子３においては、電力変換時に、スイッチングによるスイッチング損失と通電時の電圧降下による定常損失が発生して発熱する。また、駆動されているモータのエネルギを回生する際にも同様の現象が生じる。この発熱により、スイッチング素子２と整流素子３の温度が上昇し、各素子の動作保証温度を超える場合があるが、冷却部の冷媒通路に冷却水等を循環させて各素子を水冷することにより、動作保証温度を超えないようにしている。
【０００５】
このように、モジュールの素子を冷却する機能を備えたものとして、「パワーモジュールの冷却装置」（特許文献１参照）、「インバータモジュール」（特許文献２参照）、「電力変換装置」（特許文献３参照）等がある。「パワーモジュールの冷却装置」は、パワーモジュール冷却冷媒通路において、発電側インバータとモータ駆動側インバータの発熱量に注目し、各素子の真下に配置し、冷媒通路の本数を減らし、冷却冷媒通路長も短くすることにより、冷却ポンプ高効率化と冷却機構の小型化、低コスト化を図っている。
【０００６】
「インバータモジュール」は、スイッチング素子と整流素子を交互に配置し温度上昇を均一化して冷却を行っている。「電力変換装置」は、冷却上流の熱抵抗を上げ下流の熱抵抗を下げることにより、均一に冷却を行っている。
【特許文献１】特開２００２−９３９７４号公報
【特許文献２】特開２００４−３１９５６２号公報
【特許文献３】特開２００３−２５９６５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、パワーモジュールに用いるスイッチング素子は、低温時に定常損失が減少し、整流素子は、動作保証温度を超えない程度の高温時に定常損失が減少する、という特徴を持つが、従来の「パワーモジュールの冷却装置」、「インバータモジュール」、「電力変換装置」等においては、スイッチング素子と整流素子を均一に冷却していた。つまり、スイッチング素子と整流素子では、定常損失が減少する温度が異なっていたにも拘らず、スイッチング素子の冷却に依存して整流素子が冷却されていた。このため、整流素子を最適温度で動作させることができず、整流素子における定常損失の増加が避けられなかった。
この発明の目的は、定常損失が減少する温度が異なる複数の素子の冷却を素子毎に適切に行って素子を最適温度で動作させることができるパワーモジュールを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、この発明に係るパワーモジュールは、基板の上面に配置されたスイッチング素子及び整流素子と、前記基板の下面に設置され、冷却用冷媒を流して前記スイッチング素子と前記整流素子に対し異なった冷却状態をもたらす冷媒通路が形成された冷却部とを有している。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、基板の上面に配置されたスイッチング素子及び整流素子は、基板の下面に設置された冷却部の冷媒通路を流れる冷却用冷媒により、それぞれ異なった冷却状態になる。これにより、定常損失が減少する温度が異なる複数の素子の冷却を素子毎に適切に行って素子を最適温度で動作させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、この発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。
（第１実施の形態）
図１は、この発明の第１実施の形態に係るパワーモジュールを備えたモータ駆動用３相インバータの回路図である。図１に示すように、パワーモジュール１０は、複数（この例では４個）のスイッチング素子１１ａ〜１１ｄ及び整流素子１２ａ〜１２ｄを有しており、各整流素子１２は、各スイッチング素子１１と逆並列に接続されている。このパワーモジュール１０は、モータ１３を駆動するための３相インバータ１４の１相分であり、直流電源１５の電力は、平滑用のコンデンサ１６と３個のパワーモジュール１０により、モータ１３を駆動する３相交流電力に変換される。
【００１１】
図２は、図１のパワーモジュールの素子配置を示す平面説明図であり、図３は、図２のパワーモジュールの１相分の素子配置を示す斜視説明図である。図２及び図３に示すように、３個のパワーモジュール１０は、一つの基板１７に横並びに配置して一体化されており、基板１７上面の３つに分割された長方形の各区画１７ａには、一方の長辺側に一列にスイッチング素子１１ａ〜１１ｄが、他方の長辺側に一列に整流素子１２ａ〜１２ｄが配置されている。対向するスイッチング素子１１と整流素子１２は、ボンディングワイヤ１８により配線接続される。
【００１２】
基板１７の下面側には、内部に、各区画１７ａ毎に冷媒通路１９を配置した冷却部２０が装着されている（図３参照）。冷媒通路１９は、一端が冷却ポンプ２１に他端が熱交換器２２に接続されており、スイッチング素子１１ａ〜１１ｄの略直下に配置される上流側通路１９ａと、整流素子１２ａ〜１２ｄの略直下に配置される下流側通路１９ｂからなる（図２参照）。
【００１３】
上流側通路１９ａと下流側通路１９ｂは何れも、基板１７との距離が等しい冷却部２０の略中央に位置している（図３参照）。冷却ポンプ２１によって冷媒通路１９に送り出された冷却水等の冷却用冷媒は、上流側通路１９ａから下流側通路１９ｂを通って（図中、矢印参照）熱交換器２２に送られ、その後、冷却ポンプ２１に戻って、冷媒通路１９を循環する。従って、冷媒通路１９の上流でスイッチング素子１１を冷却して温度が上昇した冷媒で整流素子１２を冷却することになる。
【００１４】
パワーモジュール１０での電力変換時、スイッチング素子１１と整流素子１２において、スイッチングによるスイッチング損失と通電時の電圧降下による定常損失が生じ、各素子が発熱する。この発熱は、駆動時のモータ１３のエネルギを回生する際にも同様に生じる。
【００１５】
モータ１３の駆動時に生じる損失については、整流素子１２よりもスイッチング素子１１の方が支配的であり、スイッチング素子１１の順電圧降下は低温時に減少するため、低温で動作させることにより定常損失の低減が可能になる。逆に、モータ１３のエネルギ回生時に生じる損失については、スイッチング素子１１よりも整流素子１２の方が支配的であり、整流素子１２の順電圧降下は高温時に減少するため、動作保証温度を超えない範囲の高温で動作させることにより定常損失の低減が可能になる。
【００１６】
図４は、スイッチング素子と整流素子の定常損失の実測データをグラフで示し、（ａ）はスイッチング素子についての説明図、（ｂ）は整流素子についての説明図である。図４に示すように、代表値として２００Ａ通電時の定常損失を見てみると、スイッチング素子１１の場合、低温（約２５℃）時は、高温（約１２５℃）時に比べて約１０％減少しており、整流素子１２の場合、高温（約１２５℃）時は、低温（約２５℃）時に比べて約１０％減少していることが分かる。
【００１７】
つまり、スイッチング素子１１を冷却するための上流側通路１９ａに流れる冷却用冷媒をスイッチング素子冷却用冷媒として、その温度をＴｓ、整流素子１２を冷却するための下流側通路１９ｂに流れる冷却用冷媒を整流素子冷却用冷媒として、その温度をＴｄとし、Ｔｓ＜Ｔｄの関係にあるようにする。また、上流側通路１９ａとスイッチング素子１１の間の熱抵抗をＴＲｓとし、下流側通路１９ｂと整流素子１２の間の熱抵抗をＴＲｄとし、ＴＲｓ＜ＴＲｄの関係にあるようにする。
【００１８】
このように、パワーモジュール１０は、一つの基板１７上に電力変換に用いるスイッチング素子１１と整流素子１２を集積し、スイッチング素子１１は冷媒通路１９の上流側通路１９ａに、整流素子１２は冷媒通路１９の下流側通路１９ｂに、各素子毎に一列に纏めて配置している。これにより、冷媒通路１９の冷却能力は、上流側通路１９ａの方が下流側通路１９ｂより高い、即ち、上流側スイッチング素子１１に対するより整流素子１２に対する方が低いので、整流素子１２の方がスイッチング素子１１よりも高い温度になり、定常損失の低減が可能になる。
【００１９】
（第２実施の形態）
図５は、この発明の第２実施の形態に係るパワーモジュールの１相分の素子配置を示す斜視説明図である。図５に示すように、パワーモジュール２５は、上流側通路１９ａと下流側通路１９ｂからなる冷媒通路１９に代えて、１本の冷媒通路２６を設置し、この冷媒通路２６に対するスイッチング素子１１と整流素子１２の距離を所定の値に規定している。その他の構成及び作用は、パワーモジュール１０（図３参照）と同様である。
【００２０】
パワーモジュール２５は、スイッチング素子１１と整流素子１２の下方に位置するように冷却部２０に配置した１本の冷媒通路２６を有している。この冷媒通路２６は、例えば、円形断面の管体からなり、一列に並ぶ４個のスイッチング素子１１ａ〜１１ｄの中心線と管体中心軸の距離Ｌｓ、一列に並ぶ４個の整流素子１２ａ〜１２ｄの中心線と管体中心軸の距離Ｌｄについて、距離Ｌｓよりも距離Ｌｄの方が大きくなる（Ｌｓ＜Ｌｄ）ようにしている。
【００２１】
これにより、冷媒通路２６は１本で良いので、より少ない冷媒通路２６によってスイッチング素子１１と整流素子１２に対する冷却能力に差をつけることができると共に、例えば、エネルギ回生時に整流素子１２を冷却し過ぎないようにすることができる。また、距離Ｌｓ及び距離Ｌｄをそれぞれ調節することにより、スイッチング素子１１及び整流素子１２各々に対する冷却能力を任意に変えることができる。
【００２２】
（第３実施の形態）
図６は、この発明の第３実施の形態に係るパワーモジュールの１相分の素子配置を示す斜視説明図である。図６に示すように、パワーモジュール３０は、冷媒通路３１の上流側通路３１ａと下流側通路３１ｂの基板１７との距離が異なっており、この基板１７との距離を所定の値に規定している。その他の構成及び作用は、パワーモジュール１０（図３参照）と同様である。
【００２３】
パワーモジュール３０の冷媒通路３１は、例えば、矩形断面の管体からなり、一列に並ぶ４個のスイッチング素子１１ａ〜１１ｄの下方に位置する上流側通路３１ａと基板１７の距離（管体上面と基板底面の距離）距離Ｄｓ、一列に並ぶ４個の整流素子１２ａ〜１２ｄの下方に位置する下流側通路３１ｂと基板１７の距離（管体上面と基板底面の距離）Ｄｄについて、距離Ｄｓよりも距離Ｄｄの方が大きくなる（Ｄｓ＜Ｄｄ）ようにしている。つまり、整流素子１２と冷媒通路３１の間の距離を、スイッチング素子１１と冷媒通路３１の間の距離よりも長くすることで、伝導熱抵抗の差が生じる。
【００２４】
これにより、スイッチング素子１１と整流素子１２に対する冷媒通路３１の冷却能力に差をつけることができる。また、距離Ｄｓ及び距離Ｄｄをそれぞれ調節することにより、伝導熱抵抗の差を詳細に設計することができ、スイッチング素子１１及び整流素子１２各々に対する冷却能力を任意に変えることができる。
【００２５】
（第４実施の形態）
図７は、この発明の第４実施の形態に係るパワーモジュールの１相分の素子配置を示す斜視説明図である。図７に示すように、パワーモジュール３５は、冷媒通路３６の上流側通路３６ａの径と下流側通路３６ｂの径が異なっており、両通路の径を所定の値に規定している。その他の構成及び作用は、パワーモジュール１０（図３参照）と同様である。
【００２６】
パワーモジュール３５の冷媒通路３６は、例えば、円形断面の管体からなり、一列に並ぶ４個のスイッチング素子１１ａ〜１１ｄの下方に位置する上流側通路３６ａの管径Ｒｓ、一列に並ぶ４個の整流素子１２ａ〜１２ｄの下方に位置する下流側通路３６ｂの管径Ｒｄについて、管径Ｒｓよりも管径Ｒｄの方が大きくなる（Ｒｓ＜Ｒｄ）ようにしている。この結果、上流側通路３６ａを流れる冷却用冷媒の流速が上がって乱流となり、下流側通路３６ｂを流れる冷却用冷媒は層流となる。
【００２７】
これにより、下流側通路３６ｂと整流素子１２の間の熱伝達率を、上流側通路３６ａとスイッチング素子１１側に比べ低くすることができ、整流素子１２の冷却能力をスイッチング素子１１の冷却能力よりも低くすることができるので、スイッチング素子１１と整流素子１２に対する冷媒通路３６の冷却能力に差をつけることができる。また、管径Ｒｓ及び管径Ｒｄをそれぞれ調節することにより、スイッチング素子１１及び整流素子１２各々に対する冷却能力を任意に変えることができる。
【００２８】
（第５実施の形態）
図８は、この発明の第５実施の形態に係るパワーモジュールの１相分の素子配置を示す斜視説明図である。図８に示すように、パワーモジュール４０は、冷媒通路４１の上流側通路４１ａと下流側通路４１ｂの通路横幅が異なっており、両通路の通路横幅を所定の値に規定している。その他の構成及び作用は、パワーモジュール１０（図３参照）と同様である。
【００２９】
パワーモジュール４０の冷媒通路４１は、例えば、矩形断面の管体からなり、一列に並ぶ４個のスイッチング素子１１ａ〜１１ｄの下方に位置する上流側通路４１ａと、一列に並ぶ４個の整流素子１２ａ〜１２ｄの下方に位置する下流側通路４１ｂを、通路断面積が同一で、冷却用冷媒の流れる方向に直交する通路横幅が異なるように形成している。つまり、上流側通路４１ａの素子に対向する通路上面側の幅Ｗｓ、下流側通路４１ｂの素子に対向する通路上面側の幅Ｗｄについて、幅Ｗｄよりも幅Ｗｓの方が大きくなる（Ｗｓ＞Ｗｄ）ようにしている。
【００３０】
これにより、スイッチング素子１１と整流素子１２に対する冷媒通路４１の冷却能力に差をつけることができる。また、上流側通路４１ａと下流側通路４１ｂの断面積が同一であるため、各通路４１ａ，４１ｂと各素子１１，１２間の熱伝達率は同等となるため、各通路４１ａ，４１ｂの断面形状を調整することで、即ち、幅Ｗｓ及び幅Ｗｄをそれぞれ調節することにより、スイッチング素子１１及び整流素子１２各々に対する冷却能力を任意に変えることができる。
【００３１】
つまり、冷媒通路４１のスイッチング素子１１側（上流側通路４１ａ）表面積をＡｓとし、冷媒通路４１の整流素子１２側（下流側通路４１ｂ）表面積をＡｄとして、Ａｓ＞Ａｄの関係を有することにより、下流側通路４１ｂと整流素子１２の間の熱抵抗を、上流側通路４１ａとスイッチング素子１１の間の熱抵抗に比べ高くすることができる。このため、整流素子１２の冷却能力をスイッチング素子１１の冷却能力よりも低くすることができるので、定常損失を低減することができる。
【００３２】
（第６実施の形態）
図９は、この発明の第６実施の形態に係るパワーモジュールの１相分の素子配置を示す斜視説明図である。図９に示すように、パワーモジュール４５は、冷媒通路４６の上流側通路４６ａと下流側通路４６ｂの内の上流側通路４６ａにフィン４７を設けている。その他の構成及び作用は、パワーモジュール１０（図３参照）と同様である。
【００３３】
パワーモジュール４５の冷媒通路４６は、例えば、矩形断面の管体からなり、一列に並ぶ４個のスイッチング素子１１ａ〜１１ｄの下方に位置する上流側通路４６ａと、一列に並ぶ４個の整流素子１２ａ〜１２ｄの下方に位置する下流側通路４６ｂを、通路断面積が同一、且つ、上流側通路４６ａにのみ複数のフィン４７を取り付けて、形成している。複数のフィン４７は、上流側通路４６ａの内部上面（基板１７側）に、例えば、冷却用冷媒の流れる方向に沿って縦向きに突設されており、上流側通路４６ａにおける冷却用冷媒との接触面積を増加させている。
【００３４】
これにより、スイッチング素子１１と整流素子１２に対する冷媒通路４６の冷却能力に差をつけることができる。なお、フィン４７の、向きや長さや幅等の設置形態及び設置条件については、上記説明（図９参照）に限るものではなく、必要とする冷却能力に応じて様々な変形が可能である。
【００３５】
（第７実施の形態）
図１０は、この発明の第７実施の形態に係るパワーモジュールの１相分の素子配置を示す斜視説明図である。図１０に示すように、パワーモジュール５０は、上流側通路１９ａと下流側通路１９ｂからなる冷媒通路１９に代えて、スイッチング素子１１ａ〜１１ｄ側にのみ１本の冷媒通路５１を設置している。その他の構成及び作用は、パワーモジュール１０（図３参照）と同様である。
【００３６】
パワーモジュール５０の冷却部５２は、スイッチング素子１１ａ〜１１ｄの下方部分のスイッチング素子側冷却部５２ａと、整流素子１２ａ〜１２ｄの下方部分の整流素子側冷却部５２ｂに、二分されている。スイッチング素子側冷却部５２ａには、例えば、円形断面の管体からなる冷媒通路５１が配置され、整流素子側冷却部５２ｂには、冷媒通路が配置されていない。
【００３７】
これにより、整流素子１２と冷媒通路５１の間に接触熱抵抗を加えて、スイッチング素子側冷却部５２ａに比べ、整流素子側冷却部５２ｂの熱抵抗を高くし、スイッチング素子１１ａ〜１１ｄの冷却作用を強化して、整流素子１２ａ〜１２ｄの冷却作用を抑制することができる。なお、冷却部５２の分割数は、２に限らず、３以上でも良い。
【００３８】
（第８実施の形態）
図１１は、この発明の第８実施の形態に係るパワーモジュールの１相分の素子配置を示す斜視説明図である。図１１に示すように、パワーモジュール５５は、冷媒通路５１に代えて、スイッチング素子側冷却部５６ａと整流素子側冷却部５６ｂの境界部分に、１本の冷媒通路５７を設置し、この冷媒通路５７にフィン５８を設けている。その他の構成及び作用は、パワーモジュール５０（図１０参照）と同様である。
【００３９】
パワーモジュール５５の冷却部５６は、スイッチング素子１１ａ〜１１ｄの下方部分のスイッチング素子側冷却部５６ａと、整流素子１２ａ〜１２ｄの下方部分の整流素子側冷却部５６ｂに、二分されている。これらスイッチング素子側冷却部５６ａと整流素子側冷却部５６ｂを横並びに接合して冷却部５６を形成するが、その際、接合面となるスイッチング素子側冷却部５６ａと整流素子側冷却部５６ｂの各端面に、各端面側に開口する横向きの溝５７ａ，５７ｂを形成する。スイッチング素子側冷却部５６ａの溝５７ａには、フィン４７と同様な構成及び作用を有するフィン５８（図１１では、横向きに突設されている）が取り付けられている。
【００４０】
スイッチング素子側冷却部５６ａと整流素子側冷却部５６ｂを接合して冷却部５６を形成することにより、一列に並ぶ４個のスイッチング素子１１ａ〜１１ｄと一列に並ぶ４個の整流素子１２ａ〜１２ｄの境界部下方に、内部にフィン５８を有する冷媒通路５７が形成される。
【００４１】
これにより、一つの冷媒通路５７で、スイッチング素子１１と整流素子１２に対する冷却能力に差をつけることができ、スイッチング素子側冷却部５６ａに比べ、整流素子側冷却部５６ｂの熱抵抗を高くして、スイッチング素子１１ａ〜１１ｄの冷却作用を強化し、整流素子１２ａ〜１２ｄの冷却作用を抑制することができる。
つまり、フィン５８を有する冷媒通路５７の加工方法を単純化した上で、即ち、製造工程の簡素化と製造コストの低減を可能にしつつ、パワーモジュール４５（図９参照）とパワーモジュール５０（図１０参照）の効果を同時に得ることができる。
【００４２】
（第９実施の形態）
図１２は、この発明の第９実施の形態に係るパワーモジュールの１相分の素子配置を示す斜視説明図である。図１２に示すように、パワーモジュール６０は、冷却部５２（図１０参照）のスイッチング素子側冷却部５２ａと整流素子側冷却部５２ｂの境界部に、スペーサ６１を設けて形成されている。その他の構成及び作用は、パワーモジュール５０（図１０参照）と同様である。
【００４３】
パワーモジュール６０の冷却部６２は、スイッチング素子側冷却部５２ａと整流素子側冷却部５２ｂの境界部に、冷却部６２よりも熱伝導率が低いスペーサ６１が両側冷却部５２ａ，５２ｂを分断するように設けられている。このスペーサ６１の素材の選択（例えば、ペルチェ素子等の熱伝素子により形成）、また、厚さの調整により、接触熱抵抗値を調整することができる。
【００４４】
これにより、スイッチング素子１１ａ〜１１ｄと整流素子１２ａ〜１２ｄの間における熱の授受を抑制すると共に、スイッチング素子１１ａ〜１１ｄと整流素子１２ａ〜１２ｄの冷却能力に差をつけることができる。特に、熱電素子を加えることにより、スイッチング素子１１側と整流素子１２側の熱の授受をコントロールすることが可能になる。
【００４５】
（第１０実施の形態）
図１３は、この発明の第１０実施の形態に係るパワーモジュールの１相分の素子配置を示す斜視説明図である。図１３に示すように、パワーモジュール６５は、１本の冷媒通路２６をスイッチング素子１１ａ〜１１ｄの下方に設置し、整流素子１２ａ〜１２ｄの下方にスペーサ６６を設けている。その他の構成及び作用は、パワーモジュール２０（図５参照）と同様である。
【００４６】
パワーモジュール６５は、１本の冷媒通路２６（図５参照）を、一列に並ぶ４個のスイッチング素子１１ａ〜１１ｄの中心線下方に位置するように、冷却部６７に配置し、一列に並ぶ４個の整流素子１２ａ〜１２ｄの中心線下方の基板１７下面、即ち、冷却部６７上面に、冷却部６７よりも熱伝導率が低いスペーサ６６を配置している。
【００４７】
これにより、スペーサ６６の素材、大きさを調整することで、整流素子１２と冷媒通路２６の間の熱抵抗を調整することができ、冷却部６７の整流素子配置側の熱抵抗を上げ、スイッチング素子１１ａ〜１１ｄと整流素子１２ａ〜１２ｄの間における熱の授受を抑制すると共に、スイッチング素子１１ａ〜１１ｄと整流素子１２ａ〜１２ｄの冷却能力に差をつけることができる。
【００４８】
（第１１実施の形態）
図１４は、この発明の第１１実施の形態に係るパワーモジュールの１相分の素子配置を示す斜視説明図である。図１４に示すように、パワーモジュール７０は、スペーサ６６に代えて、冷却部７１に溝７２を形成している。その他の構成及び作用は、パワーモジュール６５（図１３参照）と同様である。
【００４９】
パワーモジュール７０は、一列に並ぶ４個のスイッチング素子１１ａ〜１１ｄと一列に並ぶ４個の整流素子１２ａ〜１２ｄの境界部下方の冷却部７１に、冷却部７１の上面に開口する溝７２を有している。溝７２の開口は、基板１７により塞がれており、この溝７２によって、冷却部７１の上部の素子間境界部分には、空気層が設けられる。
これにより、冷却部７１のスイッチング素子１１ａ〜１１ｄと整流素子１２ａ〜１２ｄの間における熱の授受を抑制すると共に、スイッチング素子１１ａ〜１１ｄと整流素子１２ａ〜１２ｄの冷却能力に差をつけることができる。
【００５０】
（第１２実施の形態）
図１５は、この発明の第１２実施の形態に係るパワーモジュールの１相分の素子配置を示す斜視説明図である。図１５に示すように、パワーモジュール７５は、溝７２に、充填部材７６を埋めて形成されている。その他の構成及び作用は、パワーモジュール７０（図１４参照）と同様である。
【００５１】
パワーモジュール７５は、パワーモジュール７０の溝７２に、空気よりも熱伝導率が高い部材からなる充填部材７６を埋め込んで、冷却部７７の上部の素子間境界部分に、空気よりも熱伝導率が高い層が設けられる。
これにより、冷却部７７のスイッチング素子１１ａ〜１１ｄと整流素子１２ａ〜１２ｄの間における熱の授受を抑制すると共に、スイッチング素子１１ａ〜１１ｄと整流素子１２ａ〜１２ｄの冷却能力に差をつけることができる。加えて、所望の熱伝導率の充填部材７６を選択することにより、両素子間における熱の授受の抑制度合いと共に冷却能力の差を調節することができる。
【００５２】
（第１３実施の形態）
図１６は、この発明の第１３実施の形態に係るパワーモジュールの素子配置を示す平面説明図である。図１６に示すように、パワーモジュール８０は、スイッチング素子１１ａ〜１１ｄを、複数のパワーモジュール８０に対応して配置された１本の冷媒通路１９に対応して配置している。その他の構成及び作用は、パワーモジュール１０（図２参照）と同様である。
【００５３】
３個のパワーモジュール８０は、一つの基板１７に並列配置されており、１本の冷媒通路１９は、パワーモジュール８０の配列方向に沿って各区画１７ａの隣接する辺（長辺）の略中央に、配置されている。即ち、基板１７に対する冷媒通路１９の配置方向は、パワーモジュール１０の冷媒通路１９の配置方向と略直交することになる。
【００５４】
このように配置された１本の冷媒通路１９に対応して、各パワーモジュール８０は、スイッチング素子１１ａ〜１１ｄを、各区画１７ａの中央に矩形に配置して一箇所に纏め、全てのスイッチング素子１１ａ〜１１ｄが、冷媒通路１９にかかるようにしている。一方、整流素子１２ａ〜１２ｄは、スイッチング素子１１ａ〜１１ｄの冷媒通路１９配置方向に直交する方向の外側に２個ずつ、冷媒通路１９にかからないように配置されている。
【００５５】
つまり、多相（この例では、３相）インバータにおいて複数のパワーモジュール８０を一つの基板１７上に配置する場合でも、スイッチング素子１１ａ〜１１ｄを冷媒通路１９の近くに纏め、整流素子１２ａ〜１２ｄを冷媒通路１９から離して、それぞれ配置している。
【００５６】
これにより、冷媒通路１９は１本で良いので、より少ない冷媒通路１９によってスイッチング素子１１と整流素子１２に対する冷却能力に差をつけることができ、パワーモジュール８０を複数個備える多相インバータの構成を、より簡素化することができる。また、１個の冷却部（冷媒通路１９）に複数の基板１７を備えることができるので、冷却部を小型化することができる。
【００５７】
（第１４実施の形態）
図１７は、この発明の第１４実施の形態に係るパワーモジュールの素子配置を示す平面説明図である。図１７に示すように、パワーモジュール８５は、３個のパワーモジュール８０を立体的に組み合わせ、三角柱状に形成されている。その他の構成及び作用は、パワーモジュール８０（図１６参照）と同様である。
【００５８】
３個のパワーモジュール８０は、各長辺同士を接触させて一体化した三角柱状に形成されており、表面に３個の基板１７を配置した三角柱状の冷却部８６を有している。従って、各パワーモジュール８０のスイッチング素子１１ａ〜１１ｄ及び整流素子１２ａ〜１２ｄが外側に、冷媒通路１９が内側に、それぞれ位置している。
【００５９】
なお、冷却部８６は、三角柱状に限らず、四角柱や五角柱等の多角柱状や、複数の面を組み合わせた多角筒状、即ち、複数の外表面を有する多面体形状としても良く、これに合わせて、基板１７の数も、３個に限らず、２個或いは４個以上でも良い。つまり、立体的に組み合わせるパワーモジュール８０の数は３個に限らず、２個或いは４個以上でも良く、１個の冷却部８６に対し、２個以上の基板１７を設けている。
【００６０】
これにより、パワーモジュール８０を複数個備える多相インバータの構成をより簡素化することができるのに加え、一つの冷却部８６に複数の基板１７を備えることができるので、冷却部８６を小型化して、多相インバータをより小型化することができる。
【００６１】
このように、この発明によれば、基板の上面に配置されたスイッチング素子及び整流素子は、基板の下面に設置された冷却部の冷媒通路を流れる冷却用冷媒により、それぞれ異なった冷却状態になるので、定常損失が減少する温度が異なる複数の素子の冷却を素子毎に適切に行って素子を最適温度で動作させることができる。
なお、上記実施の形態において、冷媒通路は、円形断面或いは矩形断面の管体に限るものではなく、円形断面や矩形断面を含む任意の断面形状の管体を用いることができる。また、各実施の形態の構成を任意に組み合わせて、必要な複数の機能を備える構成にしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】この発明の第１実施の形態に係るパワーモジュールを備えたモータ駆動用３相インバータの回路図である。
【図２】図１のパワーモジュールの素子配置を示す平面説明図である。
【図３】図２のパワーモジュールの１相分の素子配置を示す斜視説明図である。
【図４】スイッチング素子と整流素子の定常損失の実測データをグラフで示し、（ａ）はスイッチング素子についての説明図、（ｂ）は整流素子についての説明図である。
【図５】この発明の第２実施の形態に係るパワーモジュールの１相分の素子配置を示す斜視説明図である。
【図６】この発明の第３実施の形態に係るパワーモジュールの１相分の素子配置を示す斜視説明図である。
【図７】この発明の第４実施の形態に係るパワーモジュールの１相分の素子配置を示す斜視説明図である。
【図８】この発明の第５実施の形態に係るパワーモジュールの１相分の素子配置を示す斜視説明図である。
【図９】この発明の第６実施の形態に係るパワーモジュールの１相分の素子配置を示す斜視説明図である。
【図１０】この発明の第７実施の形態に係るパワーモジュールの１相分の素子配置を示す斜視説明図である。
【図１１】この発明の第８実施の形態に係るパワーモジュールの１相分の素子配置を示す斜視説明図である。
【図１２】この発明の第９実施の形態に係るパワーモジュールの１相分の素子配置を示す斜視説明図である。
【図１３】この発明の第１０実施の形態に係るパワーモジュールの１相分の素子配置を示す斜視説明図である。
【図１４】この発明の第１１実施の形態に係るパワーモジュールの１相分の素子配置を示す斜視説明図である。
【図１５】この発明の第１２実施の形態に係るパワーモジュールの１相分の素子配置を示す斜視説明図である。
【図１６】この発明の第１３実施の形態に係るパワーモジュールの素子配置を示す平面説明図である。
【図１７】この発明の第１４実施の形態に係るパワーモジュールの素子配置を示す平面説明図である。
【図１８】従来のパワーモジュールの１相分の素子配置を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００６３】
１０，２５，３０，３５，４０，４５，５０，５５，６０，６５，７０，７５，８０，８５  パワーモジュール
１１ａ〜１１ｄ  スイッチング素子
１２ａ〜１２ｄ  整流素子
１３  モータ
１４  ３相インバータ
１５  直流電源
１６  コンデンサ
１７  基板
１７ａ  区画
１８  ボンディングワイヤ
１９，２６，３１，３６，４１，４６，５１，５７  冷媒通路
１９ａ，３１ａ，３６ａ，４１ａ，４６ａ  上流側通路
１９ｂ，３１ｂ，３６ｂ，４１ｂ，４６ｂ  下流側通路
２０，５２，５６，６２，６７，７１，７７  冷却部
２１  冷却ポンプ
２２  熱交換器
４７，５８  フィン
５２ａ，５６ａ  スイッチング素子側冷却部
５２ｂ，５６ｂ  整流素子側冷却部
５７ａ，５７ｂ，７２  溝
６１，６６  スペーサ
７６  充填部材
８６  板体
Ｄｄ，Ｄｓ，Ｌｄ，Ｌｓ  距離
Ｒｓ，Ｒｄ  管径
Ｗｄ，Ｗｓ  幅
【図１】
2006303306.tif 000003
【図２】
2006303306.tif 000004
【図３】
2006303306.tif 000005
【図４】
2006303306.tif 000006
【図５】
2006303306.tif 000007
【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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