(57)【要約】【課題】本発明は、ソフトスイッチング方式の昇圧コンバータにおけるスイッチング動作に伴うサージ電圧およびスナバ電圧を抑制することができる技術を提供する。【解決手段】コンバータ４０に実装されるＩＰＭ４２は、複数の半導体モジュール４２０と、両面積層冷却構造の冷却部４３０と、導通部４６０とを備え、導通部４６０は、スリット４５０−１，２，３に収容された複数の半導体モジュール４２０の接続端子４２１，４２２を中間位置４６５で電気的に接続する接続部５１０，５２０，５３０を備える。【選択図】図５
2011244640.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ソフトスイッチング方式の昇圧コンバータに実装される回路モジュールであって、
板状に半導体素子を封止した複数の半導体モジュールと、
前記複数の半導体モジュールを積層状態で収容する複数のスリットを形成し、一つの前記スリットあたり二つの前記半導体モジュールを同一面上に並べて収容可能である収容部と、
前記複数のスリットに収容された複数の半導体モジュールにおける少なくとも二つの半導体素子同士を電気的に接続する導通部と
を備え、
前記複数のスリットは、順に並ぶ第１のスリット、第２のスリットおよび第３のスリットを含み、
前記第１のスリットおよび前記第３のスリットに収容された四つの半導体モジュールにおける四つの半導体素子は、前記昇圧コンバータにおける昇圧チョッパ回路を構成する四つのスイッチング素子（Ｓ１）として機能し、
前記第２のスリットに収容された二つの半導体モジュールにおける二つの半導体素子は、前記昇圧チョッパ回路から出力される電流を整流するダイオードである二つの整流ダイオード（Ｄ５）として機能し、
前記導通部は、
前記四つのスイッチング素子（Ｓ１）のコレクタと、前記二つの整流ダイオード（Ｄ５）のアノードとを、前記第２のスリットに収容された二つの半導体モジュールの中間に対応する位置である中間位置で電気的に接続する第１の接続部と、
前記第１の接続部から電気的に絶縁され、前記四つのスイッチング素子（Ｓ１）のエミッタを前記中間位置で電気的に接続する第２の接続部と、
前記第１の接続部および前記第２の接続部から電気的に絶縁され、前記二つの整流ダイオード（Ｄ５）のカソードを前記中間位置で電気的に接続する第３の接続部と
を含む、回路モジュール。
【請求項２】
請求項１に記載の回路モジュールであって、
前記第１の接続部には、前記昇圧チョッパ回路を構成するリアクトル（Ｌ１）に接続される第１の端子が前記中間位置に設けられ、
前記第２の接続部には、前記昇圧コンバータのグランドに接地される第２の端子が前記中間位置に設けられ、
前記第３の接続部には、前記昇圧チョッパ回路から出力される電流のリップルを低減するコンデンサである平滑コンデンサ（Ｃ３）に接続される第３の端子が前記中間位置に設けられた、回路モジュール。
【請求項３】
前記第３の端子に接続した平滑コンデンサ（Ｃ３）を、前記第２の端子を介して前記グランドに接地した請求項２に記載の回路モジュール。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の回路モジュールであって、
前記複数のスリットは、前記第３のスリットに続いて並ぶ第４のスリットおよび第５のスリットを含み、
前記第４のスリットに収容された少なくとも一つの半導体モジュールにおける半導体素子は、前記昇圧チョッパ回路のスイッチング損失を低減するソフトスイッチング回路におけるスナバ回路を構成するダイオードであるスナバダイオード（Ｄ３）として機能し、
前記第５のスリットに収容された少なくとも一つの半導体モジュールにおける半導体素子は、前記ソフトスイッチング回路において前記昇圧チョッパ回路へと電力を回生する電路に設けられたダイオードである回生ダイオード（Ｄ２）として機能し、
前記導通部は、更に、前記第１の接続部、前記第２の接続部および前記第３の接続部から電気的に絶縁され、前記スナバダイオード（Ｄ３）のカソードと、前記回生ダイオード（Ｄ２）のアノードとを電気的に接続する第４の接続部を含み、
前記第４の接続部には、前記ソフトスイッチング回路における共振回路を構成するコンデンサである共振コンデンサ（Ｃ２）に接続される第４の端子が設けられた、回路モジュール。
【請求項５】
前記第１の接続部、前記第２の接続部および前記第３の接続部における電路の各々は相互に並走する請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の回路モジュール。
【請求項６】
前記収容部は、前記スリットに収容された半導体モジュールの両面を冷却する冷却部である請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の回路モジュール。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の回路モジュールを備える昇圧コンバータ。
【請求項８】
請求項７に記載の昇圧コンバータを搭載した車両。
【請求項９】
請求項８に記載の車両であって、
前記昇圧コンバータの前記収容部を構成する部品は、前記昇圧コンバータと共に搭載されるハードスイッチ方式のインバータと共通する部品であり、
前記昇圧コンバータの前記半導体モジュールは、該半導体モジュールに封止された半導体素子を制御する制御端子を含み、
前記昇圧コンバータにおける前記収容部に対する前記制御端子の位置関係は、前記インバータにおける半導体モジュールの制御端子と同じ位置関係である、回路モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インテリジェントパワーモジュール（Intelligent Power Module、ＩＰＭ）とも呼ばれる回路モジュールに関し、特に、ソフトスイッチング方式の昇圧コンバータに実装される回路モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
電動モータで車輪を駆動する車両（例えば、電気自動車、ハイブリッド自動車、燃料電池自動車など）には、電源から出力された直流電力の電圧を昇圧コンバータで昇圧し、その昇圧した直流電力をインバータで交流電力に変換して電動モータに供給するものが知られている。
【０００３】
このような車両に用いられる昇圧コンバータは、スイッチング素子やダイオードなどの複数の半導体素子を用いたソフトスイッチング方式の昇圧チョッパ回路を備える。従来、昇圧コンバータにおける半導体素子同士を接続する電路のインダクタンスを低減させることによって、サージ電圧およびスナバ電圧を抑制することが提案されていた（例えば、特許文献１を参照）。
【０００４】
また、昇圧コンバータと共に車両に搭載されるインバータには、半導体スイッチング素子を用いたハードスイッチング方式のインバータ回路を備え、半導体スイッチング素子を予め組み込んだ回路モジュールを実装したものが知られている。従来、ハードスイッチング方式のインバータにおいて、回路モジュールの半導体スイッチング素子から熱を逃がす放熱対策として、板状に半導体スイッチング素子を封止した複数の半導体モジュールを積層状態で収容し、これらの半導体モジュールの両面を冷却する構造（以下、「両面積層冷却構造」と呼ぶ）が提案されていた（例えば、特許文献２を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−４４９６０号公報
【特許文献２】特開２００４−２４２０６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来、ソフトスイッチング方式の昇圧コンバータにおける半導体素子の配置および電路について十分な検討がなされていなかった。例えば、ソフトスイッチング方式の昇圧コンバータに両面積層冷却構造を適用する場合、並列に設置した複数の半導体素子に接続された電路のインダクタンスが大きいと、これらの半導体素子に均等に電流が流れず、スイッチング動作に伴うサージ電圧およびスナバ電圧が増大してしまうという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記した課題を踏まえ、ソフトスイッチング方式の昇圧コンバータにおけるスイッチング動作に伴うサージ電圧およびスナバ電圧を抑制することができる技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【０００９】
［適用例１］  適用例１の回路モジュールは、ソフトスイッチング方式の昇圧コンバータに実装される回路モジュールであって、板状に半導体素子を封止した複数の半導体モジュールと、前記複数の半導体モジュールを積層状態で収容する複数のスリットを形成し、一つの前記スリットあたり二つの前記半導体モジュールを同一面上に並べて収容可能である収容部と、前記複数のスリットに収容された複数の半導体モジュールにおける少なくとも二つの半導体素子同士を電気的に接続する導通部とを備え、前記複数のスリットは、順に並ぶ第１のスリット、第２のスリットおよび第３のスリットを含み、前記第１のスリットおよび前記第３のスリットに収容された四つの半導体モジュールにおける四つの半導体素子は、前記昇圧コンバータにおける昇圧チョッパ回路を構成する四つのスイッチング素子（Ｓ１）として機能し、前記第２のスリットに収容された二つの半導体モジュールにおける二つの半導体素子は、前記昇圧チョッパ回路から出力される電流を整流するダイオードである二つの整流ダイオード（Ｄ５）として機能し、前記導通部は、前記四つのスイッチング素子（Ｓ１）のコレクタと、前記二つの整流ダイオード（Ｄ５）のアノードとを、前記第２のスリットに収容された二つの半導体モジュールの中間に対応する位置である中間位置で電気的に接続する第１の接続部と、前記第１の接続部から電気的に絶縁され、前記四つのスイッチング素子（Ｓ１）のエミッタを前記中間位置で電気的に接続する第２の接続部と、前記第１の接続部および前記第２の接続部から電気的に絶縁され、前記二つの整流ダイオード（Ｄ５）のカソードを前記中間位置で電気的に接続する第３の接続部とを含むことを特徴とする。適用例１の回路モジュールによれば、四つのスイッチング素子（Ｓ１）のコレクタと二つの整流ダイオード（Ｄ５）との間、四つのスイッチング素子（Ｓ１）のエミッタ同士の間、二つの整流ダイオード（Ｄ５）のカソード同士の間、の各々を接続する電路の長さを均等に配設することができる。これによって、これらの電路のインダクタンスを低減することができる。その結果、ソフトスイッチング方式の昇圧コンバータにおけるスイッチング動作に伴うサージ電圧およびスナバ電圧を抑制することができる。
【００１０】
［適用例２］  適用例１の回路モジュールにおいて、前記第１の接続部には、前記昇圧チョッパ回路を構成するリアクトル（Ｌ１）に接続される第１の端子が前記中間位置に設けられ、前記第２の接続部には、前記昇圧コンバータのグランドに接地される第２の端子が前記中間位置に設けられ、前記第３の接続部には、前記昇圧チョッパ回路から出力される電流のリップルを低減するコンデンサである平滑コンデンサ（Ｃ３）に接続される第３の端子が前記中間位置に設けられたとしても良い。適用例２の回路モジュールによれば、四つのスイッチング素子（Ｓ１）とリアクトル（Ｌ１）との間、二つの整流ダイオード（Ｄ５）とリアクトル（Ｌ１）との間、四つのスイッチング素子（Ｓ１）とグランドとの間、二つの整流ダイオード（Ｄ５）と平滑コンデンサ（Ｃ３）との間、の各々を接続する電路の長さを均等に配設することができる。これによって、これらの電路のインダクタンスを低減することができる。その結果、スイッチング動作に伴うサージ電圧およびスナバ電圧を一層抑制することができる。
【００１１】
［適用例３］  適用例２の回路モジュールにおいて、前記第３の端子に接続した平滑コンデンサ（Ｃ３）を、前記第２の端子を介して前記グランドに接地しても良い。適用例３の回路モジュールによれば、スイッチング素子（Ｓ１）、整流ダイオード（Ｄ５）、平滑コンデンサ（Ｃ３）およびグランドで構成される電気的ループを短縮することができる。その結果、スイッチング動作に伴うスナバ電圧を一層抑制することができる。
【００１２】
［適用例４］  適用例１ないし適用例３のいずれかの回路モジュールにおいて、前記複数のスリットは、前記第３のスリットに続いて並ぶ第４のスリットおよび第５のスリットを含み、前記第４のスリットに収容された少なくとも一つの半導体モジュールにおける半導体素子は、前記昇圧チョッパ回路のスイッチング損失を低減するソフトスイッチング回路におけるスナバ回路を構成するダイオードであるスナバダイオード（Ｄ３）として機能し、前記第５のスリットに収容された少なくとも一つの半導体モジュールにおける半導体素子は、前記ソフトスイッチング回路において前記昇圧チョッパ回路へと電力を回生する電路に設けられたダイオードである回生ダイオード（Ｄ２）として機能し、前記導通部は、更に、前記第１の接続部、前記第２の接続部および前記第３の接続部から電気的に絶縁され、前記スナバダイオード（Ｄ３）のカソードと、前記回生ダイオード（Ｄ２）のアノードとを電気的に接続する第４の接続部を含み、前記第４の接続部には、前記ソフトスイッチング回路における共振回路を構成するコンデンサである共振コンデンサ（Ｃ２）に接続される第４の端子が設けられたとしても良い。適用例４の回路モジュールによれば、スイッチング素子（Ｓ１）、スナバダイオード（Ｄ３）、共振コンデンサ（Ｃ２）およびグランドで構成される電気的ループを短縮することができる。その結果、スイッチング動作に伴うサージ電圧を一層抑制することができる。
【００１３】
［適用例５］  適用例１ないし適用例４のいずれかの回路モジュールにおいて、前記第１の接続部、前記第２の接続部および前記第３の接続部における電路の各々は相互に並走しても良い。適用例５の回路モジュールによれば、第１の接続部、第２の接続部および第３の接続部の各々のインダクタンスを低減することができる。その結果、スイッチング動作に伴うサージ電圧およびスナバ電圧を一層抑制することができる。
【００１４】
［適用例６］  適用例１ないし適用例５のいずれかの回路モジュールにおいて、前記収容部は、前記スリットに収容された半導体モジュールの両面を冷却する冷却部であっても良い。適用例６の回路モジュールによれば、両面積層冷却構造の回路モジュールを適用したソフトスイッチング方式の昇圧コンバータにおいて、スイッチング動作に伴うサージ電圧およびスナバ電圧を抑制することができる。
【００１５】
［適用例７］  適用例７の昇圧コンバータは、適用例１ないし適用例６のいずれかの回路モジュールを備えることを特徴とする。適用例７の昇圧コンバータによれば、両面積層冷却構造によって半導体素子から熱を逃がす放熱性能を向上させつつ、スイッチング動作に伴うサージ電圧およびスナバ電圧を抑制することができる。その結果、昇圧コンバータの耐久性能を向上させることができる。
【００１６】
［適用例８］  適用例８の車両は、適用例７の昇圧コンバータを搭載したことを特徴とする。適用例８の車両によれば、昇圧コンバータの耐久性能を向上させることができる。
【００１７】
［適用例９］  適用例８の車両において、前記昇圧コンバータの前記収容部を構成する部品は、前記昇圧コンバータと共に搭載されるハードスイッチ方式のインバータと共通する部品であり、前記昇圧コンバータの前記半導体モジュールは、該半導体モジュールに封止された半導体素子を制御する制御端子を含み、前記昇圧コンバータにおける前記収容部に対する前記制御端子の位置関係は、前記インバータにおける半導体モジュールの制御端子と同じ位置関係であるとしても良い。適用例８の車両によれば、昇圧コンバータの回路モジュールに制御端子を介して制御基板を組み付ける工程を、インバータの回路モジュールに制御基板を組み付ける工程と同様に実施することができる。そのため、昇圧コンバータの製造工程とインバータの製造工程との共通化によって製造工数の低減を図ることができる。
【００１８】
本発明の形態は、回路モジュール、昇圧コンバータおよび車両に限るものではなく、例えば、回路モジュールの製造方法、回路モジュールを備える装置など種々の形態に適用することも可能である。また、本発明は、前述の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】車両の構成を示す説明図である。
【図２】コンバータの回路構成を示す説明図である。
【図３】コンバータに搭載されるＩＰＭの詳細構成を示す説明図である。
【図４】半導体モジュールの詳細構成を示す説明図である。
【図５】ＩＰＭの導通部における電路構成を示す説明図である。
【図６】ＩＰＭの導通部における電路構成を示す説明図である。
【図７】ＩＰＭの導通部における電路構成を示す説明図である。
【図８】ＩＰＭの導通部における電路構成を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以上説明した本発明の構成および作用を一層明らかにするために、以下本発明を適用した回路モジュールについて説明する。
【００２１】
図１は、車両１０の構成を示す説明図である。車両１０は、燃料電池自動車であり、燃料電池２０と、コンバータ４０と、インバータ５０と、電動モータ６０と、車輪９１，９２とを備える。車両１０の燃料電池２０は、車両１０の電源であり、電気化学反応に基づいて直流電力を生成する。車両１０のコンバータ４０は、燃料電池２０から出力された直流電力の電圧を昇圧するソフトスイッチング方式の昇圧コンバータ（ＤＣ／ＤＣコンバータ）である。車両１０のインバータ５０は、コンバータ４０で昇圧された直流電力を交流電力に変換するハードスイッチング方式のＤＣ／ＡＣインバータである。車両１０の電動モータ６０は、インバータ５０から出力された交流電力を回転動力に変換することによって、車輪９１，９２を駆動する。本実施例では、車両１０の電源に燃料電池２０を使用するが、他の実施形態において、燃料電池２０と併用して、または燃料電池２０に代えて、二次電池を車両１０の電源に使用しても良い。本実施例では、コンバータ４０は、車両１０に搭載されるが、車両に限らず、電気で作動する電気機械機器に搭載されても良い。
【００２２】
車両１０のコンバータ４０は、インテリジェントパワーモジュール（Intelligent Power Module、以下、「ＩＰＭ」と呼ぶ）４２と、制御基板４８とを備える。コンバータ４０のＩＰＭ４２は、スイッチング素子やダイオードなどの複数の半導体素子を予め組み込んだ回路モジュールであり、コンバータ４０を構成する他の回路素子と共に実装される。コンバータ４０の制御基板４８は、ＩＰＭ４２に組み込まれた半導体素子を制御する制御回路であり、ＩＰＭ４２に組み付けられる。本実施例では、コンバータ４０におけるＩＰＭ４２と制御基板４８との組み付け構造は、インバータ５０におけるＩＰＭ５２と制御基板５８との組み付け構造と同様である。
【００２３】
図２は、コンバータ４０の回路構成を示す説明図である。コンバータ４０は、直流電力の電圧を昇圧する昇圧チョッパ回路を構成する回路素子として、リアクトルＬ１と、スイッチング素子Ｓ１と、ダイオードＤ４，Ｄ５と、コンデンサＣ１，Ｃ３，Ｃ４とを備え、昇圧チョッパ回路のスイッチング損失を低減するソフトスイッチング回路を構成する回路素子として、リアクトルＬ２と、スイッチング素子Ｓ２と、ダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３と、コンデンサＣ２とを備える。スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２およびダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４，Ｄ５は、ＩＰＭ４２に予め組み込まれた半導体素子である。本実施例では、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Insulated Gate Bipolar Transistor、ＩＧＢＴ）であり、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２のベース電流は、制御基板４８によって制御される。本実施例では、コンバータ４０は、図２に示す回路構成を三組備え、三相の直流電力の電圧を昇圧する電力変換装置である。
【００２４】
コンバータ４０は、入力端子Ｔ１，Ｔ２と、出力端子Ｔ３，Ｔ４とを備える。コンバータ４０の入力端子Ｔ１は、燃料電池２０の高電位側に接続される端子であり、コンバータ４０の出力端子Ｔ３は、インバータ５０の高電位側に接続される端子である。コンバータ４０の入力端子Ｔ２および出力端子Ｔ４は、低電位側の端子であり、車両１０のグランドに接地される。
【００２５】
入力端子Ｔ１とグランドとの間には、コンデンサＣ１が接続され、コンデンサＣ１は、燃料電池２０から出力される電流のリップルを低減する平滑回路を構成する平滑コンデンサとして機能する。出力端子Ｔ３とグランドとの間には、コンデンサＣ３，Ｃ４がそれぞれ並列に接続されている。コンデンサＣ３は、出力端子Ｔ３を通じて出力される電流のリップルを低減する平滑回路を構成する平滑コンデンサとして機能する。コンデンサＣ４は、スイッチング素子Ｓ１による電流遮断時に生じる過渡的な高電圧を吸収するスナバ回路を構成するスナバコンデンサとして機能する。
【００２６】
入力端子Ｔ１と出力端子Ｔ３との間には、入力端子Ｔ１側から順に、リアクトルＬ１、ダイオードＤ５が直列に接続されている。ダイオードＤ５のアノードは、リアクトルＬ１に接続され、ダイオードＤ５のカソードは、出力端子Ｔ３に接続されている。ダイオードＤ５は、出力端子Ｔ３を通じて出力される電流を整流する整流ダイオードとして機能する。
【００２７】
スイッチング素子Ｓ１のコレクタは、リアクトルＬ１とダイオードＤ５のアノードとの間に接続され、スイッチング素子Ｓ１のエミッタはグランドに接続されている。ダイオードＤ４は、スイッチング素子Ｓ１と並列に接続され、スイッチング素子Ｓ１を保護する。
【００２８】
スイッチング素子Ｓ１のコレクタおよびダイオードＤ５のアノードには、ダイオードＤ３のアノードが接続され、ダイオードＤ３のカソードは、コンデンサＣ２を介してグランドに接続されている。ダイオードＤ３は、スイッチング素子Ｓ１による電流遮断時に生じる過渡的な高電圧を吸収するスナバ回路を構成するスナバダイオードとして機能する。コンデンサＣ２は、リアクトルＬ２と共に共振回路を構成してソフトスイッチングによる共振型コンバータを実現する共振コンデンサとして機能する。
【００２９】
ダイオードＤ３のカソードには、ダイオードＤ２のアノードが接続され、ダイオードＤ２のカソードは、スイッチング素子Ｓ２のコレクタに接続されている。スイッチング素子Ｓ２のエミッタと入力端子Ｔ１との間には、リアクトルＬ２が接続されている。ダイオードＤ１は、スイッチング素子Ｓ２と並列に接続され、スイッチング素子Ｓ２を保護する。ダイオードＤ２は、ソフトスイッチング回路から昇圧チョッパ回路へと電力を回生する電路に設けられた回生ダイオードである。スイッチング素子Ｓ２のエミッタには、ダイオードＤ６のカソードが接続され、ダイオードＤ６のアノードは、グランドに接続されている。
【００３０】
図３は、コンバータ４０に搭載されるＩＰＭ４２の詳細構成を示す説明図である。ＩＰＭ４２は、筐体４１０と、複数の半導体モジュール４２０と、冷却部４３０と、導通部４６０とを備える。ＩＰＭ４２の筐体４１０は、複数の半導体モジュール４２０、冷却部４３０および導通部４６０を収容する。ＩＰＭ４２の半導体モジュール４２０は、板状に半導体素子を封止したパワーモジュールである。本実施例では、コンバータ４０は、三相の直流電力の電圧を昇圧する電力変換装置であり、一相あたり１０個の半導体モジュール４２０が使用されるため、ＩＰＭ４２は、合計３０個の半導体モジュール４２０を備える。
【００３１】
図４は、半導体モジュール４２０の詳細構成を示す説明図である。半導体モジュール４２０は、接続端子４２１と、接続端子４２２と、制御端子４２３と、絶縁部４２４と、半導体スイッチ素子４２８と、半導体ダイオード素子４２９とを備える。半導体モジュール４２０の絶縁部４２４は、半導体スイッチ素子４２８および半導体ダイオード素子４２９を内部に封入した絶縁部材である。本実施例では、絶縁部４２４は、絶縁樹脂で扁平の矩形板状に形成されている。半導体モジュール４２０の半導体スイッチ素子４２８は、コンバータ４０のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２として動作可能な半導体素子である。半導体モジュール４２０の半導体ダイオード素子４２９は、コンバータ４０のダイオードＤ１〜Ｄ６として動作可能な半導体素子である。
【００３２】
半導体モジュール４２０の接続端子４２１は、絶縁部４２４の一辺に突設された板状の電気伝導体であり、絶縁部４２４の内部で半導体スイッチ素子４２８のコレクタおよび半導体ダイオード素子４２９のカソードに電気的に接続されている。半導体モジュール４２０の接続端子４２２は、絶縁部４２４の一辺に接続端子４２１と共に突設された板状の電気伝導体であり、絶縁部４２４の内部で半導体スイッチ素子４２８のエミッタおよび半導体ダイオード素子４２９のアノードに電気的に接続されている。半導体モジュール４２０の制御端子４２３は、接続端子４２１および接続端子４２２が設けられた辺に対向する絶縁部４２４の一辺に突設されたピン状の電気伝導体である。本実施例では、接続端子４２２は、五つ並設され、そのうちの一つは、絶縁部４２４の内部で半導体スイッチ素子４２８のベースに接続されている。制御端子４２３は、ＩＰＭ４２と共にコンバータ４０に実装される制御基板４８に接続される。
【００３３】
図３の説明に戻り、ＩＰＭ４２の冷却部４３０は、複数の半導体モジュール４２０を積層状態で収容する複数のスリット４５０を形成する収容部である。本実施例では、冷却部４３０は、複数のスリット４５０に収容された半導体モジュール４２０の両面を冷却する両面積層冷却構造の冷却装置である。冷却部４３０は、複数の冷却板４３２と、導入管４３４と、導出管４３５とを備える。冷却部４３０の冷却板４３２は、冷却水を流す流路が内部に形成された部材である。冷却部４３０の導入管４３４は、複数の冷却板４３２の各々に冷却媒体をＩＰＭ４２の外部から導入し、冷却部４３０の導出管４３５は、複数の冷却板４３２の各々から冷却媒体をＩＰＭ４２の外部へ導出する。複数の冷却板４３２は、相互に間隔を開けて積層され、冷却板４３２同士の間に形成される隙間がスリット４５０になる。
【００３４】
冷却部４３０における複数のスリット４５０には、一つのスリット４５０あたり二つの半導体モジュール４２０を同一面上に並べて収容可能である。本実施例では、冷却部４３０は、１６個の冷却板４３２を備え、これらの冷却板４３２の間に１５個のスリット４５０を形成し、合計３０個の半導体モジュール４２０を収容する。一つのスリット４５０に収容される二つの半導体モジュール４２０は、相互に表裏が逆向きであり、一つのスリット４５０には、一方の半導体モジュール４２０における接続端子４２１、接続端子４２２に続いて、他方の半導体モジュール４２０における接続端子４２２、接続端子４２１が並ぶ。
【００３５】
本実施例の説明では、複数の冷却板４３２の積層方向をＸ軸方向と呼び、一つのスリット４５０に二つの半導体モジュール４２０が並ぶ方向をＹ軸方向と呼び、スリット４５０に半導体モジュール４２０を着脱する方向をＺ軸方向と呼ぶ。本実施例の説明では、冷却部４３０のスリットを一般的に示す場合には、「４５０」の符号を用い、特定のスリットを示す場合には、導入管４３４側からＸ軸方向に並ぶ順序を示す数字を「４５０−」の後に付した符号を用いる。例えば、導入管４３４側から１番目のスリットには「４５０−１」の符号を用い、２番目のスリットには「４５０−２」の符号を用い、３番目のスリットには「４５０−３」の符号を用いる。本実施例の説明では、冷却部４３０に収容された半導体モジュールを一般的に示す場合には、「４２０」の符号を用い、Ｘ軸方向に二列に並ぶ半導体モジュールのうち、一方の列に並ぶ半導体モジュールを示す場合には、「４２０−ａ」の符号を用い、他方の列に並ぶ半導体モジュールを示す場合には、「４２０−ｂ」の符号を用いる。
【００３６】
本実施例では、コンバータ４０におけるＩＰＭ４２の冷却部４３０に用いられる部品は、インバータ５０におけるＩＰＭ５２の冷却部に用いられる部品と共通であり、コンバータ４０におけるＩＰＭ４２の冷却部４３０に対する半導体モジュール４２０の制御端子４２３の位置関係は、インバータ５０における半導体モジュールの制御端子と同じ位置関係である。本実施例では、コンバータ４０のＩＰＭ４２に対する制御基板４８の組み付け工程は、インバータ５０のＩＰＭ５２に対する制御基板５８の組み付け工程と同じ製造設備で実施される。
【００３７】
ＩＰＭ４２の導通部４６０は、冷却部４３０に収容された複数の半導体モジュール４２０における少なくとも二つの半導体素子同士を電気的に接続する。本実施例では、導通部４６０は、絶縁樹脂で複数の電路を封止した部品であるが、他の実施形態において、金属板を板金加工した複数のバスバーを組み合わせた部品であっても良い。
【００３８】
導通部４６０は、複数の係合部４６２と、５個の接続端子５１９，５２９，５３９，５４９，５５９とを備える。導通部４６０における複数の係合部４６２は、冷却部４３０に収容された複数の半導体モジュール４２０における接続端子４２１，４２２の各々に係合する。これによって、導通部４６０は、複数の係合部４６２を介して半導体モジュール４２０と電気的に接続される。導通部４６０の接続端子５１９は、コンバータ４０のリアクトルＬ１に接続される第１の端子である。導通部４６０の接続端子５２９は、コンバータ４０のグランドに接地される第２の端子である。導通部４６０の接続端子５３９は、コンバータ４０のコンデンサＣ３に接続される第３の端子であり、本実施例では、接続端子５３９に接続されるコンデンサＣ３のグランド端子は、接続端子５２９に接続される。導通部４６０の接続端子５４９は、コンバータ４０のコンデンサＣ２に接続される第４の端子である。導通部４６０の接続端子５５９は、リアクトルＬ２に接続される第５の端子である。
【００３９】
図５、図６，図７および図８は、ＩＰＭ４２の導通部４６０における電路構成を示す説明図である。図５〜図８に示すように、導通部４６０は、６系統の電路である接続部５１０，５２０，５３０，５４０，５５０，５６０を備え、本実施例では、これらの電路は絶縁樹脂で封止されている。図５〜図８には、ＩＰＭ４２に組み付けられた導通部４６０における各電路をＺ軸方向から見た位置関係を、スリット４５０に収容された半導体モジュール４２０の配置に重ね合わせて図示した。図５〜図８には、三相の直流電力のうち一相分に対応する１０個の半導体モジュール４２０を収容する５個のスリット４５０−１〜４５０−５に関する電路構成を図示した。スリット４５０−１〜４５０−５に続くスリット４５０−６〜４５０−１０およびスリット４５０−１１〜４５０〜１５に関する電路構成は、スリット４５０−１〜４５０−５の電路構成と同様である。
【００４０】
図５〜図８には、導通部４６０の中間位置４６５をハッチングで図示した。導通部４６０の中間位置４６５は、スリット４５０−２に収容された半導体モジュール４２０−ａと半導体モジュール４２０−ｂとの中間に対応する位置である。中間位置４６５のＸ軸方向の領域は、スリット４５０−１とスリット４５０−２との中心から、スリット４５０−２とスリット４５０−３との中心までの領域であり、中間位置４６５のＹ軸方向の領域は、半導体モジュール４２０−ａと半導体モジュール４２０−ｂとの間に挟まれた領域である。
【００４１】
図５〜図８に示すように、第１のスリットであるスリット４５０−１に収容された二つの半導体モジュール４２０における二つの半導体スイッチ素子４２８は、コンバータ４０のスイッチング素子Ｓ１として機能し、これら二つの半導体モジュール４２０における二つの半導体ダイオード素子４２９は、コンバータ４０のダイオードＤ４として機能する。第２のスリットであるスリット４５０−２に収容された二つの半導体モジュール４２０における二つの半導体スイッチ素子４２８は使用されず、これら二つの半導体モジュール４２０における二つの半導体ダイオード素子４２９は、コンバータ４０のダイオードＤ５として機能する。第３のスリットであるスリット４５０−３に収容された二つの半導体モジュール４２０における二つの半導体スイッチ素子４２８は、コンバータ４０のスイッチング素子Ｓ１として機能し、これら二つの半導体モジュール４２０における二つの半導体ダイオード素子４２９は、コンバータ４０のダイオードＤ４として機能する。
【００４２】
第４のスリットであるスリット４５０−４に収容された二つの半導体モジュール４２０における二つの半導体スイッチ素子４２８は使用されず、これら二つの半導体モジュール４２０のうち、半導体モジュール４２０−ａの半導体ダイオード素子４２９は、コンバータ４０のダイオードＤ３として機能し、半導体モジュール４２０−ｂの半導体ダイオード素子４２９は、コンバータ４０のダイオードＤ６として機能する。第５のスリットであるスリット４５０−５に収容された半導体モジュール４２０−ａの半導体スイッチ素子４２８は使用されず、その半導体モジュール４２０−ａの半導体ダイオード素子４２９は、コンバータ４０のダイオードＤ２として機能する。第５のスリットであるスリット４５０−５に収容された半導体モジュール４２０−ｂの半導体スイッチ素子４２８は、コンバータ４０のスイッチング素子Ｓ２として機能し、その半導体モジュール４２０−ｂの半導体ダイオード素子４２９は、コンバータ４０のダイオードＤ１として機能する。
【００４３】
図５に示す導通部４６０の接続部５１０は、四つのスイッチング素子Ｓ１のコレクタと、二つのダイオードＤ５のアノードとを中間位置４６５で電気的に接続する第１の接続部である。接続部５１０は、Ｙ軸方向に沿った電路５１１，５１２，５１３と、Ｘ軸方向に沿った電路５１５とを備える。接続部５１０には、コンバータ４０のリアクトルＬ１に接続される接続端子５１９が中間位置４６５に設けられている。
【００４４】
接続部５１０の電路５１１は、スリット４５０−１における半導体モジュール４２０−ａの接続端子４２１と、スリット４５０−１における半導体モジュール４２０−ｂの接続端子４２１との間をＹ軸方向に沿って電気的に接続する。接続部５１０の電路５１２は、中間位置４６５を通過して、スリット４５０−２における半導体モジュール４２０−ａの接続端子４２２と、スリット４５０−２における半導体モジュール４２０−ｂの接続端子４２２との間をＹ軸方向に沿って電気的に接続する。接続部５１０の電路５１３は、スリット４５０−３における半導体モジュール４２０−ａの接続端子４２１と、スリット４５０−３における半導体モジュール４２０−ｂの接続端子４２１との間をＹ軸方向に沿って電気的に接続する。接続部５１０の電路５１５は、中間位置４６５を通過して、Ｙ軸方向に沿った三つの電路５１１，５１２，５１３の各中点をＸ軸方向に沿って電気的に接続し、電路５１５の中点は、中間位置４６５にあり、電路５１２の中点に一致する。中間位置４６５における電路５１５の中点には、接続端子５１９が電気的に接続される。
【００４５】
図６に示す導通部４６０の接続部５２０は、接続部５１０から電気的に絶縁され、四つのスイッチング素子Ｓ１のエミッタを中間位置４６５で電気的に接続する第２の接続部である。接続部５２０は、Ｙ軸方向に沿った電路５２１，５２３と、Ｘ軸方向に沿った電路５２５とを備える。
【００４６】
接続部５２０には、コンバータ４０のグランドに接地される接続端子５２９が中間位置４６５に設けられている。接続部５２０の電路５２１は、スリット４５０−１における半導体モジュール４２０−ａの接続端子４２２と、スリット４５０−１における半導体モジュール４２０−ｂの接続端子４２２との間をＹ軸方向に沿って電気的に接続する。接続部５２０の電路５２３は、スリット４５０−３における半導体モジュール４２０−ａの接続端子４２２と、スリット４５０−３における半導体モジュール４２０−ｂの接続端子４２２との間をＹ軸方向に沿って電気的に接続する。接続部５２０の電路５２５は、中間位置４６５を通過して、Ｙ軸方向に沿った二つの電路５２１，５２３の各中点をＸ軸方向に沿って電気的に接続し、電路５２５の中点は、中間位置４６５にある。中間位置４６５における電路５２５の中点には、接続端子５２９が電気的に接続される。
【００４７】
図７に示す導通部４６０の接続部５３０は、接続部５１０および接続部５２０から電気的に絶縁され、二つのダイオードＤ５のカソードを中間位置４６５で電気的に接続する第３の接続部である。接続部５３０は、Ｙ軸方向に沿った電路５３２を備える。接続部５２０には、コンバータ４０のコンデンサＣ３に接続される接続端子５３９が中間位置４６５に設けられている。
【００４８】
接続部５３０の電路５３２は、スリット４５０−２における半導体モジュール４２０−ａの接続端子４２１と、スリット４５０−２における半導体モジュール４２０−ｂの接続端子４２１との間をＹ軸方向に沿って電気的に接続し、電路５３２の中点は、中間位置４６５にある。中間位置４６５における電路５３２の中点には、接続端子５３９が電気的に接続される。
【００４９】
図８に示すように、第１の接続部である接続部５１０は、更に、Ｘ軸方向に沿った電路５１６を備え、第２の接続部である接続部５２０は、更に、Ｘ軸方向に沿った電路５２６を備える。接続部５１０の電路５１６は、スリット４５０−４における半導体モジュール４２０−ａの接続端子４２２と、接続端子５１９との間をＸ軸方向に沿って電気的に接続し、接続部５２０の電路５２６は、スリット４５０−４における半導体モジュール４２０−ｂの接続端子４２２と、接続端子５２９との間をＸ軸方向に沿って電気的に接続する。接続部５１０の電路５１６と、接続部５２０の電路５２６とは、半導体モジュール４２０−ａと半導体モジュール４２０−ｂとの中点をＸ軸方向に沿って通る直線を対称軸とする線対称の関係にある。
【００５０】
図８に示す導通部４６０の接続部５４０は、接続部５１０、接続部５２０および接続部５３０から電気的に絶縁され、ダイオードＤ３のカソードとダイオードＤ２のアノードとの間を電気的に接続する第４の接続部である。接続部５４０には、コンバータ４０のコンデンサＣ２に接続される接続端子５４９が設けられている。接続部５４０は、スリット４５０−４における半導体モジュール４２０−ａの接続端子４２１と、スリット４５０−５における半導体モジュール４２０−ａの接続端子４２２との間をＹ軸方向に沿って電気的に接続する。
【００５１】
図８に示す導通部４６０の接続部５５０は、接続部５１０、接続部５２０、接続部５３０および接続部５４０から電気的に絶縁され、ダイオードＤ６のカソードとスイッチング素子Ｓ２のエミッタとの間を電気的に接続する第５の接続部である。接続部５５０には、コンバータ４０のリアクトルＬ２に接続される接続端子５５９が設けられている。接続部５５０は、スリット４５０−４における半導体モジュール４２０−ｂの接続端子４２１と、スリット４５０−５における半導体モジュール４２０−ｂの接続端子４２２との間をＹ軸方向に沿って電気的に接続する。接続部５４０と接続部５５０とは、半導体モジュール４２０−ａと半導体モジュール４２０−ｂとの中点をＸ軸方向に沿って通る直線を対称軸とする線対称の関係にある。
【００５２】
図８に示す導通部４６０の接続部５６０は、接続部５１０、接続部５２０、接続部５３０、接続部５４０および接続部５５０から電気的に絶縁され、ダイオードＤ６のアノードとスイッチング素子Ｓ２のコレクタとの間を電気的に接続する第６の接続部である。接続部５６０は、スリット４５０−５における半導体モジュール４２０−ａの接続端子４２１と、スリット４５０−５における半導体モジュール４２０−ｂの接続端子４２１との間をＹ軸方向に沿って電気的に接続する。
【００５３】
以上説明したＩＰＭ４２によれば、四つのスイッチング素子Ｓ１のコレクタと二つのダイオードＤ５との間、四つのスイッチング素子Ｓ１のエミッタ同士の間、二つのダイオードＤ５のカソード同士の間、の各々を接続する接続部５１０，５２０，５３０における電路の長さを均等に配設することができる。これによって、接続部５１０，５２０，５３０における電路のインダクタンスを低減することができる。その結果、両面積層冷却構造のＩＰＭ４２を適用したコンバータ４０において、スイッチング動作に伴うサージ電圧およびスナバ電圧を抑制することができる。
【００５４】
また、四つのスイッチング素子Ｓ１とリアクトルＬ１との間、二つのダイオードＤ５とリアクトルＬ１との間、四つのスイッチング素子Ｓ１とグランドとの間、二つのダイオードＤ５とコンデンサＣ３との間、の各々を接続する接続部５１０，５２０，５３０における電路の長さを均等に配設することができる。これによって、接続部５１０，５２０，５３０における電路のインダクタンスを低減することができる。その結果、スイッチング動作に伴うサージ電圧およびスナバ電圧を一層抑制することができる。
【００５５】
また、接続端子５３９に接続したコンデンサＣ３を、接続端子５２９を介してグランドに接地するため、スイッチング素子Ｓ１、ダイオードＤ５、コンデンサＣ３およびグランドで構成される電気的ループを短縮することができる。その結果、スイッチング動作に伴うスナバ電圧を一層抑制することができる。
【００５６】
また、スイッチング素子Ｓ１、ダイオードＤ３、コンデンサＣ２およびグランドで構成される電気的ループを短縮することができる。その結果、スイッチング動作に伴うサージ電圧を一層抑制することができる。
【００５７】
また、導通部４６０における接続部５１０、接続部５２０および接続部５３０をそれぞれ構成する電路はＸ軸方向およびＹ軸方向で相互に並走するため、接続部５１０、接続部５２０および接続部５３０の各々のインダクタンスを低減することができる。その結果、スイッチング動作に伴うサージ電圧およびスナバ電圧を一層抑制することができる。
【００５８】
また、ＩＰＭ４２を実装するコンバータ４０によれば、両面積層冷却構造によって半導体素子から熱を逃がす放熱性能を向上させつつ、スイッチング動作に伴うサージ電圧およびスナバ電圧を抑制することができる。その結果、コンバータ４０の耐久性能を向上させることができる。
【００５９】
また、コンバータ４０におけるＩＰＭ４２の冷却部４３０に対する半導体モジュール４２０の制御端子４２３の位置関係は、インバータ５０における半導体モジュールの制御端子と同じ位置関係であるため、コンバータ４０の回ＩＰＭ４２に制御端子４２３を介して制御基板４８を組み付ける工程を、インバータ５０のＩＰＭ５２に制御基板５８を組み付ける工程と同様に実施することができる。そのため、コンバータ４０の製造工程とインバータ５０の製造工程との共通化によって製造工数の低減を図ることができる。
【００６０】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることは勿論である。
【００６１】
例えば、導通部４６０の中間位置４６５における接続端子５１９，５２９，５３９の相互の位置関係は、実施例の位置関係に限るものではなく、接続端子５１９，５２９，５３９の全てが中間位置４６５に存在するのであれば、実施例の位置関係から、Ｘ軸方向および／またはＹ軸方向にずれても良い。
【００６２】
また、スリット４５０−４における半導体モジュール４２０−ａをダイオードＤ６として機能させ、スリット４５０−４における半導体モジュール４２０−ｂをダイオードＤ３として機能させるように電路を形成しても良い。また、スリット４５０−５における半導体モジュール４２０−ａをスイッチング素子Ｓ２として機能させ、スリット４５０−５における半導体モジュール４２０−ｂをダイオードＤ２として機能させるように電路を形成しても良い。
【符号の説明】
【００６３】
１０…車両
２０…燃料電池
４０…コンバータ
４２…インテリジェントパワーモジュール（ＩＰＭ）
４８…制御基板
５０…インバータ
５２…インテリジェントパワーモジュール（ＩＰＭ）
５８…制御基板
６０…電動モータ
９１，９２…車輪
４１０…筐体
４２０，４２０−ａ，４２０−ｂ…半導体モジュール
４２１…接続端子
４２２…接続端子
４２３…制御端子
４２４…絶縁部
４２８…半導体スイッチ素子
４２９…半導体ダイオード素子
４３０…冷却部
４３２…冷却板
４３４…導入管
４３５…導出管
４５０，４５０１〜１５…スリット
４６０…導通部
４６２…係合部
４６５…中間位置
５１０…接続部
５１１，５１２，５１３，５１５，５１６…電路
５１９…接続端子
５２０…接続部
５２１，５２３，５２５，５２６…電路
５２９…接続端子
５３０…接続部
５３２…電路
５３９…接続端子
５４０…接続部
５４９…接続端子
５５０…接続部
５５９…接続端子
５６０…接続部
Ｃ１〜Ｃ４…コンデンサ
Ｄ１〜６…ダイオード
Ｌ１，Ｌ２…リアクトル
Ｓ１，Ｓ２…スイッチング素子
Ｔ１，Ｔ２…入力端子
Ｔ３，Ｔ４…出力端子
【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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