(57)【要約】【課題】カード型モジュールの両面冷却性を損なうことなく、コンパクトで簡素な配線構成を実現する三相インバータ装置を提供すること。【解決手段】三相インバータ装置の各上アーム素子を同一モジュールに内蔵してなるカードモジュールである上アームモジュール１と、三相インバータ装置の各下アームモジュール２を同一モジュールに内蔵してなるカードモジュールである下アームモジュール２と、中間冷却部材３１と、上アーム側冷却部材３２と、下アーム側冷却部材３３とを準備し、上アーム側冷却部材３２、上アームモジュール１、中間冷却部材３１、下アーム側冷却部材３３の順に積層する。各上アーム素子と各下アーム素子とはそれぞれ素子配列方向すなわち中間冷却部材３１を流れる冷却流体の流れ方向に配置される。これにより、簡素な流体冷却構造により、各上アーム素子及び各下アーム素子をほぼ同一条件にて良好に冷却することができる。【選択図】図１
2007006575.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上アーム側の電力用半導体スイッチング素子からなる上アーム素子の交流側主電極と、下アーム側の電力用半導体スイッチング素子からなる下アーム素子の交流側主電極を三相交流モータの三相端子に接続し、前記上アーム素子の直流側主電極が直流電源の高電位端に接続され、下アーム素子の直流側主電極が前記直流電源の低電位端に接続されて構成されるモータ電流制御用の三相インバータ装置において、
前記各上アーム素子の直流側主電極に共通接続されて高電位側直流入力端子をなすとともに一主面に露出する共通ヒートシンク板と、前記各上アーム素子の交流側主電極に個別接続されて他主面に露出する相ヒートシンク板とを有するとともに、所定の素子配列方向へ前記各上アーム素子を所定相順にて内蔵するカード状の上アームモジュールと、
前記各下アーム素子の直流側主電極に共通接続されて低電位側直流入力端子をなすとともに一主面に露出する共通ヒートシンク板と、前記各下アーム素子の交流側主電極に個別接続されて他主面に露出する相ヒートシンク板とを有するとともに、所定の素子配列方向へ前記各上アーム素子を所定相順にて内蔵するカード状の下アームモジュールと、
を有することを特徴とする三相インバータ装置。
【請求項２】
請求項１記載の三相インバータ装置において、
前記両モジュールの間に前記両モジュールの厚さ方向へ挟設されて前記両モジュールの前記ヒートシンク板から受け取った熱を外部に放熱する中間冷却部材を有することを特徴とする三相インバータ装置。
【請求項３】
請求項２記載の三相インバータ装置において、
前記中間冷却部材は、
前記上アームモジュール及び下アームモジュールの前記素子配列方向端部に形成された入口部及び出口部と、冷却流体を前記素子配列方向へ流す冷却流路とを有する三相インバータ装置。
【請求項４】
請求項３記載の三相インバータ装置において、
前記上アーム素子及び下アーム素子は、
前記素子配列方向へ同一相順にて配置される三相インバータ装置。
【請求項５】
請求項４記載の三相インバータ装置において、
前記各相ヒートシンク板は、
前記モジュールの厚さ方向及び前記素子配列方向に対して略直角かつ互いに同一の方向へ突出する外部接続部を有する三相インバータ装置。
【請求項６】
請求項５記載の三相インバータ装置において、
同一相の前記上アームモジュール及び下アームモジュールの相ヒートシンク板の外部接続部は、
前記素子配列方向において略同一位置に配置される三相インバータ装置。
【請求項７】
請求項６記載の三相インバータ装置において、
前記上アーム素子及び前記下アーム素子はそれぞれ、
前記素子配列方向へ一列に配置される三相インバータ装置。
【請求項８】
請求項７記載の三相インバータ装置において、
前記上アーム素子及び下アーム素子はそれぞれ、
前記素子配列方向へ隣接配置される電力用半導体トランジスタチップとフライホイルダイオードチップとからなり、
前記電力用半導体トランジスタチップは、
同一相の前記フライホイルダイオードチップよりも前記相ヒートシンク板の外部接続部に近接して配置される三相インバータ装置。
【請求項９】
請求項５記載の三相インバータ装置において、
前記上アーム素子及び下アーム素子はそれぞれ、
厚さ方向及び前記素子配列方向に対して直角な方向へ隣接配置される電力用半導体トランジスタチップとフライホイルダイオードチップとからなり、
同一相の前記電力用半導体トランジスタチップ及びフライホイルダイオードチップは、
前記素子配列方向と直角方向へ隣接配置される三相インバータ装置。
【請求項１０】
請求項９記載の三相インバータ装置において、
前記フライホイルダイオードチップは、
同一相の前記電力用半導体トランジスタチップよりも前記相ヒートシンク板の外部接続部に近接して配置される三相インバータ装置。
【請求項１１】
請求項９記載の三相インバータ装置において、
前記中間冷却部材は、
前記上アームモジュール及び下アームモジュールの前記素子配列方向一端部に前記中間冷却部材の一辺側にて互いに隣接配置された入口部及び出口部と、前記入口部から出口部へ冷却流体をU字状に流す冷却流路とを有し、
前記電力用半導体トランジスタチップは前記中間冷却部材の前記一辺の延在方向における前記入口部側に、前記フライホイルダイオードチップは前記中間冷却部材の前記一辺の延在方向における前記出口部側に配置される三相インバータ装置。
【請求項１２】
請求項５記載の三相インバータ装置において、
前記両モジュールの共通ヒートシンク板は、
前記各相ヒートシンク板の外部接続部と同一方向へ突設されるとともに、互いに厚さ方向へ所定間隔を隔てつつ前記素子配列方向において略同一位置に配置される外部接続部をそれぞれ有する三相インバータ装置。
【請求項１３】
請求項１２記載の三相インバータ装置において、
前記両モジュールの共通ヒートシンク板の外部接続部は、
前記各相ヒートシンク板の外部接続部に対して前記素子配列方向における一端側に配置される三相インバータ装置。
【請求項１４】
請求項１３記載の三相インバータ装置において、
前記素子配列方向一端側かつ前記共通ヒートシンク板の外部接続部に近接する側の前記相ヒートシンク板の外部接続部又はこの外部接続部に接続されるバスバーは、
前記素子配列方向他端側かつ前記共通ヒートシンク板の外部接続部から遠隔側の前記相ヒートシンク板の外部接続部又はこの外部接続部に接続されるバスバーよりも通電方向に対して直角方向へ広幅に形成される三相インバータ装置。
【請求項１５】
請求項５記載の三相インバータ装置において、
前記各上アーム素子の制御端子及び下アーム素子の制御端子は、
前記外部接続端子と反対方向に突設される三相インバータ装置。
【請求項１６】
請求項５記載の三相インバータ装置において、
前記中間冷却部材の出口部側の前記相ヒートシンク板は、
前記中間冷却部材の入口側の前記相ヒートシンク板よりも広い素子配列方向幅をもつ三相インバータ装置。
【請求項１７】
請求項８記載の三相インバータ装置において、
前記上アームモジュールの前記ヒートシンク板にそれぞれ電気絶縁可能に密着して前記上アームモジュールの熱を外部に放熱する上アーム側冷却部材と、
前記下アームモジュールの前記ヒートシンク板に電気絶縁可能に密着して前記下アームモジュールの熱を外部に放熱する下アーム側冷却部材と、
を有する三相インバータ装置。
【請求項１８】
請求項１７記載の三相インバータ装置において、
前記上アーム側冷却部材の素子配列方向の両端部、及び、下アーム側冷却部材の素子配列方向両端部は、
前記中間冷却部材の前記入口部及び出口部に熱伝導良好に結合される三相インバータ装置。
【請求項１９】
請求項１７記載の三相インバータ装置において、
すべての前記相ヒートシンク板は、
前記中間冷却部材に電気絶縁可能に接する三相インバータ装置。
【請求項２０】
請求項１７記載の三相インバータ装置において、
すべての前記共通ヒートシンク板は、
前記中間冷却部材に電気絶縁可能に接する三相インバータ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、たとえば車両用三相交流モータを駆動制御するための三相インバータ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
本出願人の出願になる下記の特許文献１は、三相インバータ回路の互いに同相の一つの上アーム素子と一つの下アーム素子とを同一のカード型モジュールに封止してなるハーフブリッジモジュールを３個用いて三相インバータ装置を構成することを提案している。
【０００３】
このハーフブリッジモジュール方式の三相インバータ装置によれば、同相の上アーム素子及び下アーム素子の相交流端子を共通のヒートシンク兼用電極板で構成することができるため、配線構成を簡素化できるとともに、両面にヒートシンク兼用電極板が露出するカード型モジュール特有の両面冷却効果も享受することができる。
【特許文献１】特開平１３−３０８２６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記したハーフブリッジモジュール方式の三相インバータ装置によれば、ハーフブリッジモジュール内部にて上アーム素子チップと下アーム素子チップとがモジュールの厚さ方向において反対となるため、チップ実装工程が複雑化するという問題点があった。
【０００５】
この問題を解決するために、三相インバータ回路の６つのアーム素子を共通基板上に固定してパッケージ化したフルパッケージ方式のカード型モジュール構造をもつ三相インバータ装置も考えることができる。しかしながら、カード型モジュールでは両面冷却の要求から制御配線や電力配線はカード型モジュールの側面からモジュール側方へ引き出す必要があり、６個又は１２個のチップの各端子をフルパッケージ方式のカード型モジュールの側面から周囲に突出させる場合、制御配線及び電力配線の取り出しや接続が複雑化し、配線延長距離が増大して配線インダクタンスによるサージノイズや配線抵抗による電力損失が増大してしまうという問題が生じた。更に、たとえばこの三相インバータ装置をモータに内蔵させる場合を考える場合、三相インバータ装置の平面面積が大型化するためモータ実装が制限されてしまうという問題、及び、カード型モジュールの主面面積が増大するため、この主面に当接する冷却部材の体格、重量が増大してしまうという問題も生じた。
【０００６】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、カード型モジュールの両面冷却性を損なうことなく、コンパクトで簡素な配線構成を実現する三相インバータ装置を提供することをその目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決する本発明の三相インバータ装置は、上アーム側の電力用半導体スイッチング素子からなる上アーム素子の交流側主電極と、下アーム側の電力用半導体スイッチング素子からなる下アーム素子の交流側主電極を三相交流モータの三相端子に接続し、前記上アーム素子の直流側主電極が直流電源の高電位端に接続され、下アーム素子の直流側主電極が前記直流電源の低電位端に接続されて構成されるモータ電流制御用の三相インバータ装置において、前記各上アーム素子の直流側主電極に共通接続されて高電位側直流入力端子をなすとともに一主面に露出する共通ヒートシンク板と、前記各上アーム素子の交流側主電極に個別接続されて他主面に露出する相ヒートシンク板とを有するとともに、所定の素子配列方向へ前記各上アーム素子を所定相順にて内蔵するカード状の上アームモジュールと、前記各下アーム素子の直流側主電極に共通接続されて低電位側直流入力端子をなすとともに一主面に露出する共通ヒートシンク板と、前記各下アーム素子の交流側主電極に個別接続されて他主面に露出する相ヒートシンク板とを有するとともに、所定の素子配列方向へ前記各上アーム素子を所定相順にて内蔵するカード状の下アームモジュールとを有することを特徴としている。以下、半導体スイッチング素子を内蔵して両面に電極兼用のヒートシンク板が露出する半導体モジュールをカードモジュールとも言うものとする。
【０００８】
すなわち、この発明は、三相インバータ装置の各上アーム素子を同一モジュールに内蔵してなるカードモジュール（上アームモジュールとも言う）と、三相インバータ装置の各下アーム素子を同一モジュールに内蔵してなるカードモジュール（下アームモジュールとも言う）との二つのモジュール板にて三相インバータ回路の実装を行うことを特徴としている。
【０００９】
このように構成した本発明の三相インバータ装置によれば、三相インバータ回路の高電位側の直流ライン及び低電位側の直流ラインを、それぞれ各素子のヒートシンクを兼ねる単一の電極板とすることができるため、配線構造及び冷却構造を簡素化することができる。つまり、この発明によると、上アームモジュールの共通ヒートシンク板が各上アーム素子の高電位側主電極を相互接続するバスバーを兼ね、下アームモジュールの共通ヒートシンク板が各下アーム素子の低電位側主電極を相互接続するバスバーを兼ねることができるため配線構造の簡素化を図るとともに、各上アーム素子の高電位側のヒートシンクを一体化し、かつ、各下アーム素子の低電位側のヒートシンクを一体化することができるため、モジュールの主面中の共通ヒートシンク板の占有面積を増大することができ、共通ヒートシンク板の放熱性を向上することができる。そのうえ、三相インバータ回路の要部を２個のモジュールで構成することができるため、１乃至２つのアーム素子をモジュール化する場合に比べてモジュール装着作業を簡素化でき、６個のアーム素子を１平面に配置する場合に比べてモジュール面積を削減することができ、たとえばモータハウジングに容易に実装することができ、更に６個のアーム素子を平面配置して１モジュール化する場合に比べて冷却回路と配線回路との引き回しを簡素化することができる。結局、本発明によれば、カード型モジュールの両面冷却性を損なうことなく、コンパクトで簡素な配線構成を実現する三相インバータ装置を実現することができる。
【００１０】
好適な態様において、前記両モジュールの間に前記両モジュールの厚さ方向へ挟設されて前記両モジュールの前記ヒートシンク板から受け取った熱を外部に放熱する中間冷却部材を有する。すなわち、この態様は、上記上アームモジュールと上記下アームモジュールとにより中間冷却部材を挟持する積層構造をもち、両モジュールの中間冷却部材側のヒートシンク板を中間冷却部材に密着させた点をその特徴としている。この態様によれば、単一の中間冷却部材により構成される簡素な流体冷却構造を採用するにもかかわらず、各上アーム素子及び各下アーム素子をほぼ同一条件にて良好に冷却することができる。また、この態様によれば、外部の放熱系と配管接続された中間冷却部材と両モジュールとが別体に構成することができるため、既設の両モジュールの一方又は両方を交換する際に、流体（液体又は気液二相流）が流れる中間冷却部材をこの外部の放熱系から分離する必要がなく、中間冷却部材の着脱による液漏れ事故を良好に阻止することができ、修理が容易となる。
【００１１】
好適な態様において、前記中間冷却部材は、前記上アームモジュール及び下アームモジュールの前記素子配列方向端部に形成された入口部及び出口部と、冷却流体を前記素子配列方向へ流す冷却流路とを有する。
【００１２】
この態様によれば、中間冷却部材内の流路構造を簡素化して流体損失を減らすことができる。また、中間冷却部材への冷却流体の入口部及び出口部に邪魔されることなく、電極兼用の各ヒートシンク板を外部のバスバーに接続することができ、冷却管路配置とバスバー配置とを簡素化することができる。中間冷却部材の入口部及び出口部は、中間冷却部材の素子配列方向における両端部に個別に設けられることができ、その他、中間冷却部材の素子配列方向における一端部に位置して互いに所定間隔を隔てて隣接配置されることができる。好適にはアルミ押し出し成形ブロック材やプレス材等で経済的に製造することができる。
【００１３】
好適な態様において、前記上アーム素子及び下アーム素子は、前記素子配列方向へ同一相順にて配置される。すなわち、この態様によれば、上アーム素子と下アーム素子との素子配列方向及び配列相順を一致させたので、三相インバータ装置の配線構造、特に同一相の上アーム素子と下アーム素子との交流端子接続配線の簡素化及び配線長短縮を実現することができる。
【００１４】
好適な態様において、前記各相ヒートシンク板は、前記モジュールの厚さ方向及び前記素子配列方向に対して略直角な一方向へ突出する外部接続部を有する。すなわち、この態様では、上アーム素子及び下アーム素子（アーム素子と総称する）は、上アームモジュール及び下アームモジュール（モジュールと総称する）の同じ辺側の側面から各相ヒートシンク板の外部接続部を引き出すため、各外部接続部が空間的に干渉することがない。また、同一相の一対の相ヒートシンク板の外部接続部をモジュールの素子配列方向及びそれと直角な方向における略同位置にて厚さ方向へ隣接させることができるため、同一相の一対の外部接続部の接続が容易となり、配線を簡素化することができる。更に、中間冷却部材の一辺側にて中間冷却部材への冷却流体の流入及び流出の両方が可能となるため、冷却流体を中間冷却部材へ出入させるための配管の配置が容易となる。
【００１５】
好適な態様において、同一相の前記上アームモジュール及び下アームモジュールの相ヒートシンク板の少なくとも外部接続部分は前記素子配列方向において略同一位置に配置される。ただし、ここで言う略同一位置とは、上アーム素子と下アーム素子とが素子配列方向において素子配列ピッチの１００％以下のピッチでずれている場合を含むものとする。このようにすれば、同一相の一対の外部接続部間の接続を簡素かつ短い配線長で実現することができ、配線インダクタンスや配線抵抗を低減することができる。
【００１６】
好適な態様において、前記上アーム素子及び前記下アーム素子はそれぞれ、前記素子配列方向へ一列に配置される。このようにすれば、中間冷却部材を流路方向へ長く形成することができるため、中間冷却部材の流路構造を簡素化することができるため冷却流体が流れる冷却流路付きの中間冷却部材の製造が容易となり、かつ、その流体損失を低減することができる。
【００１７】
好適な態様において、前記上アーム素子及び下アーム素子はそれぞれ、前記素子配列方向へ隣接配置される電力用半導体トランジスタチップとフライホイルダイオードチップとからなり、前記電力用半導体トランジスタチップは、同一相の前記フライホイルダイオードチップよりも前記相ヒートシンク板の外部接続部に近接して配置される。このようにすれば、フライホイルダイオードチップに比べて相対的に発熱が大きい電力用半導体トランジスタチップの配線抵抗損失を低減することができる。
【００１８】
好適な態様において、前記上アーム素子及び下アーム素子はそれぞれ、モジュールの厚さ方向及び前記素子配列方向に対して直角な方向へ隣接配置される電力用半導体トランジスタチップとフライホイルダイオードチップとからなり、同一相の前記電力用半導体トランジスタチップ及びフライホイルダイオードチップは、前記素子配列方向と直角方向へ隣接配置される。このようにすれば、３対の電力用半導体トランジスタチップ及びフライホイルダイオードチップを一列に配置する場合に比べてモジュールの縦横比を低減することができるため、たとえばモータなどの狭小空間に実装するのが容易となる。
【００１９】
好適な態様において、前記フライホイルダイオードチップは、同一相の前記電力用半導体トランジスタチップよりも前記相ヒートシンク板の外部接続部に近接して配置される。これにより、電力用半導体トランジスタチップの制御又は状態検出のための信号配線を上記外部接続部と反対側から取り出し易くなる。
【００２０】
好適な態様において、前記中間冷却部材は、前記上アームモジュール及び下アームモジュールの前記素子配列方向一端部に前記中間冷却部材の一辺側にて互いに隣接配置された入口部及び出口部と、前記入口部から出口部へ冷却流体をU字状に流す冷却流路とを有し、前記電力用半導体トランジスタチップは前記中間冷却部材の前記一辺の延在方向における前記入口部側に、前記フライホイルダイオードチップは前記中間冷却部材の前記一辺の延在方向における前記出口部側に配置される。このようにすれば、相対的に発熱が大きい各相の電力用半導体トランジスタチップを、相対的に発熱が小さい各相のフライホイルダイオードチップよりも冷却流路の上流側に配置することができるため、電力用半導体トランジスタチップを良好に冷却することができる。なお、ここで言う中間冷却部材の一辺とは、素子配列方向及び厚さ方向に対して直角に延在する辺とすることが、流路構造を複雑化することなく、流路長を確保できる点で好適である。
【００２１】
好適な態様において、前記両モジュールの共通ヒートシンク板は、前記各相ヒートシンク板の外部接続部と同一方向へ突設されるとともに、互いに厚さ方向へ所定間隔を隔てつつ前記素子配列方向において略同一位置に配置される外部接続部をそれぞれ有する。このようにすれば、一対の共通ヒートシンク板への直流電源電力給電が容易となるとともに、各外部接続部間の間隙を確保しつつ全体構成をコンパクトとすることができる。
【００２２】
好適な態様において、前記両モジュールの共通ヒートシンク板の外部接続部は、前記各相ヒートシンク板の外部接続部に対して前記素子配列方向における一端側に配置される。このようにすれば、モジュール近傍におけるモータ側の交流配線とバッテリ側の直流配線との干渉を低減することができる。
【００２３】
好適な態様において、前記素子配列方向一端側かつ前記共通ヒートシンク板の外部接続部に近接する側の前記相ヒートシンク板の外部接続部又はこの外部接続部に接続されるバスバーは、前記素子配列方向他端側かつ前記共通ヒートシンク板の外部接続部から遠隔側の前記相ヒートシンク板の外部接続部又はこの外部接続部に接続されるバスバーよりも通電方向に対して直角方向へ広幅に形成される。共通ヒートシンク板の外部接続部から離れた相の素子は、共通ヒートシンク板の外部接続部に近い相の素子よりも共通ヒートシンク板の電気抵抗が増大する。そこで、この態様では、共通ヒートシンク板の外部接続部から離れた相の相ヒートシンク板の外部接続部（又はそれに接続されるバスバー）を、共通ヒートシンク板の外部接続部に近い相の相ヒートシンク板の外部接続部（又はそれに接続されるバスバー）よりも幅広としてその電気抵抗を低減する。これにより、上記した共通ヒートシンク板の電気抵抗増大現象を緩和乃至相殺して、配線インダクタンスや抵抗バランスを向上することができる。
【００２４】
好適な態様において、前記各上アーム素子の制御端子及び下アーム素子の制御端子は、前記外部接続端子と反対方向に突設される。このようにすれば、制御端子やそれに接続される制御配線が、他の部材と干渉するのを防止して全体構成のコンパクト化を実現することができる。
【００２５】
好適な態様において、前記中間冷却部材の出口部側の前記相ヒートシンク板は、前記中間冷却部材の入口側の前記相ヒートシンク板よりも広い素子配列方向幅をもつ。中間冷却部材の出口側の温度は入口側の温度よりも高くなるため、素子配列方向出口側のアーム素子は素子配列方向入口側のアーム素子よりも相対的に温度が高くなる。これに対してこの態様によれば、素子配列方向出口側の相ヒートシンク板の面積が素子配列方向入口側の相ヒートシンク板のそれに比べて相対的に広くして冷却性を相対的に改善できるため、上記温度アンバランスを緩和乃至相殺することができる。
【００２６】
好適な態様において、前記上アームモジュールの前記ヒートシンク板にそれぞれ電気絶縁可能に密着する上アーム側冷却部材と、前記下アームモジュールの前記ヒートシンク板に電気絶縁可能に密着する下アーム側冷却部材とを有する。このようにすれば、積層配置により装置体格を縮小できるとともに上アーム素子及び下アーム素子の両方を両面から良好に冷却することができる。また、上アーム側冷却部材と下アーム側冷却部材とにより両モジュールを良好に機械的に保護することができる。
【００２７】
好適な態様において、前記上アーム側冷却部材の素子配列方向の両端部、及び、下アーム側冷却部材の素子配列方向両端部は、前記中間冷却部材の前記入口部及び出口部に熱伝導良好に結合される。このようにすれば、これら３本の放熱部材により上アームモジュール及び下アームモジュールを個別に厚さ方向へ挟圧配置することができ、簡素な構造にて各上アーム素子及び各下アーム素子と冷却流路部材との間の熱抵抗のばらつきを良好に低減して、各アーム素子間の温度差を低減することができる。
【００２８】
好適な態様において、すべての前記相ヒートシンク板は、前記中間冷却部材に電気絶縁可能に接する。すなわち、この態様によれば、積層方向（厚さ方向）中央部の中間冷却部材に両モジュールの各相ヒートシンク板を密着させることができるため、同一相の一対の相ヒートシンク板を厚さ方向に共通ヒートシンク板を隔てて隣接させることができ、その結果としてこの相の相ヒートシンク板間の配線距離を短縮して、配線抵抗損失や配線インダクタンスを良好に低減することができる。
【００２９】
好適な態様において、すべての前記共通ヒートシンク板は、前記中間冷却部材に電気絶縁可能に接する。すなわち、この態様によれば、積層方向（厚さ方向）中央部の中間冷却部材に両モジュールの共通ヒートシンク板を密着させることができるため、各相ヒートシンク板を共通ヒートシンク板に密着させる場合に比べて、互いに素子配列方向に近接する相ヒートシンク板の高さばらつきにより、高さが低い相ヒートシンク板と共通ヒートシンク板との密着性が低下することがない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
本発明の三相インバータ装置の好適な態様を以下の実施形態を参照して具体的に説明する。ただし、本発明は下記の実施形態に限定解釈されるものではなく、本発明の技術思想をその他の公知技術又はそれと同等の技術の組み合わせにより実現してもよい。
【００３１】
（全体構成）
以下、実施形態１の三相インバータ装置を図面を参照して説明する。図１は、この三相インバータ装置の回路図である。１は上アームモジュール、２は下アームモジュール、Pは三相インバータ装置の直流高電位端子、Nは三相インバータ装置の直流低電位端子、４はIGBTチップ（電力用半導体トランジスタチップ）、５はフライホイルダイオードチップ、６は上アームモジュール１の内部配線を兼ねる共通ヒートシンク板、７〜９は、上アームモジュール１の内部配線を兼ねる相ヒートシンク板、１０は下アームモジュール２の内部配線を兼ねる共通ヒートシンク板、１１〜１３は下アームモジュール２の内部配線を兼ねる相ヒートシンク板、１４〜１６は三相の交流バスバー、１７は図示しないモータに達する三相ケーブル、１８は上アームモジュール１の高電位直流端子Pを図示しないバッテリの正極（実際には平滑コンデンサの正極）に接続する直流バスバー、１９は下アームモジュール２の低電位直流端子Nを図示しないバッテリの負極（実際には平滑コンデンサの負極）に接続する直流バスバーである。相ヒートシンク板７〜９の外部接続部２０〜２２と相ヒートシンク板１１〜１３の外部接続部２３〜２５とは、交流バスバー１４〜１６により個別に接続されると共に三相ケーブル１７の同一相のラインに個別に接続されている。なお、三相ケーブル１７の各ラインを相ヒートシンク板の外部接続部２０〜２５に直接接続してもよいことはもちろんである。上記した三相インバータ装置の他の構成及び動作は従来どうりであるため、これ以上の説明は省略する。
【００３２】
（全体形状）
図１の三相インバータ装置の模式斜視図を図２に示す。３１はそれぞれ中間冷却部材、３２は上アーム側冷却部材、３３は下アーム側冷却部材である。上アームモジュール１、下アームモジュール２、中間冷却部材３１、上アーム側冷却部材３２及び下アーム側冷却部材３３は、それぞれ長方形の厚板形状を有しており、上アーム側冷却部材３２、上アームモジュール１、中間冷却部材３１、下アームモジュール２、下アーム側冷却部材３３の順にそれらの厚さ方向へ積層されて板ばねなどの図示しない挟圧機構により一体化されている。
【００３３】
３４は両モジュール１、２内の電力用半導体トランジスタチップ４をスイッチング制御するための制御信号を形成する制御基板であり、制御基板３４は両モジュール１、２の下方に両モジュール１、２の短辺方向と直角の方向へ延設されている。両モジュール１、２の下側の側面から制御基板３４へ向けて信号バスバー３５が必要本だけ突出しており、制御基板３４の所定箇所に接続されている。
【００３４】
外部接続部２０〜２２及び高電位直流端子Ｐは上アームモジュール１から、外部接続部２３〜２５及び低電位直流端子Ｎは下アームモジュール２から、短辺方向一方側へ突出している。高電位直流端子Ｐ及び低電位直流端子Ｎは、U相の外部接続部２２、２５に隣接し、W相の外部接続部２０、２５は高電位直流端子Ｐ及び低電位直流端子Ｎから最も離れて配置されている。
【００３５】
中間放熱部材３１には、長辺方向（素子配列方向）のW相側からU相向きに冷却流体が流れている。すなわち、中間冷却部材３１のW相側の端部は冷却流体の入口部３１１となっており、中間冷却部材３１の反対側の端部は冷却流体の出口部３１２となっている。冷却流体は凍結防止用のブラインを含む冷却水としたが、他の冷媒を用いてもよい。上アーム側冷却部材３２及び下アーム側冷却部材３３は、中間冷却部材３１と同様の冷却流体にて冷却してもよく、後述するように冷却風により冷却してもよい。
【００３６】
（モジュール構造）
上アームモジュール１及び下アームモジュール２の構造を以下に説明する。上アームモジュール１及び下アームモジュール２はいわゆるカードモジュールである。上アームモジュール１のチップ配置を図３を参照して説明する。ただし、図３は模式断面平面図であるが、断面図示していない。なお、下アームモジュール２のチップ配置は上アームモジュール１のそれと同じであるため、説明を省略する。
【００３７】
上アームモジュール１は、素子配列方向にU、V、Wの相順にて配列された３相の相ヒートシンク板７〜９をもち、相ヒートシンク板７〜９の短辺方向一端側から外部接続部２０〜２２が個別に短辺方向へ突出している。相ヒートシンク板７〜９には、IGBTチップ４とフライホイルダイオードチップ５とのペアがそれぞれ配置されている。この実施形態では、ＩＧＢＴチップ４は短辺方向にて外部接続部２０〜２２から離れた側に配置され、フライホイルダイオードチップ５は短辺方向にて外部接続部２０〜２２に近接する側にＩＧＢＴチップ４から所定間隔隔てて配置されている。ただし、同一相のＩＧＢＴチップ４とフライホイルダイオードチップ５とは、素子配列方向において同一位置に配置されている。高電位直流端子Ｐは図示しない共通ヒートシンク板６から、同様に突出しているが、その詳細は後述する。実際には複数配置される信号バスバー３５は、外部接続部２０〜２２と反対向きに突出しており、信号バスバー３５とＩＧＢＴチップ４とは不図示のボンディングワイヤにて接続されている。
【００３８】
上アームモジュール１及び下アームモジュール２の外部接続部２０〜２２、高電位直流端子Ｐ及び低電位直流端子Ｎと外部のバスバーとの接続構造を図４を参照して説明する。ただし、図４は模式側面図である。
【００３９】
上アームモジュール１と下アームモジュール２とは面方向（厚さ方向と直角方向）にて同位置に配置されている。すなわち、両モジュール１、２は素子配列方向及び短辺方向にて同位置に配置されている。また、外部接続部２０〜２２と外部接続部２３〜２５とは、相ごとに素子配列方向にて同位置に配置されている。上アームモジュール１の外部接続部２０〜２２と下アームモジュール２の外部接続部２３〜２５との間には相ごとに交流バスバー１４〜１６が挿入、結合されており、これにより、同一相の２つの外部接続部は同一相の交流バスバーに接続されている。交流バスバー１４〜１６の他端は図示しない三相ケーブルを通じてモータに達している。共通ヒートシンク板６から突出する高電位直流端子Ｐは直流バスバー１８に接合され、直流バスバー１８は不図示の平滑コンデンサの正極に接続されている。共通ヒートシンク板１０から突出する低電位直流端子Ｎは直流バスバー１９に接合され、直流バスバー１９は不図示の平滑コンデンサの負極に接続されている。
【００４０】
上アームモジュール１の分解斜視図を図６に、上アームモジュール１の縦断面図を図７に示す。ＩＧＢＴチップ４とフライホイルダイオードチップ５とからそれぞれ構成される３つのペアは、共通ヒートシンク板６に直接固定され、ＩＧＢＴチップ４及びフライホイルダイオードチップ５の上面に露出する主電極領域（エミッタ領域及びアノード領域）は相ヒートシンク板７〜９に介在電気伝導板３８、３９を介して個別に接合、固定されている。図７から明らかなように、上アームモジュール１は、相ヒートシンク板７〜９及び共通ヒートシンク板６が上アームモジュールの両主面に個別に露出するように樹脂モールドされている。
【００４１】
上記した上アームモジュール１及び同様の方法で作成された下アームモジュール２は、厚さ方向へ所定間隔を隔てて配置されている。なお、この図では、上アームモジュール１及び下アームモジュール２は、共通ヒートシンク板６、１０が対面する向きにて配置されている。なお、図１に示すように下アームモジュール２のＩＧＢＴチップ４はエミッタ領域が共通ヒートシンク板１０に接続される。ＩＧＢＴチップ４において、エミッタ領域はチップ上面に形成されるため、下アームモジュール２のＩＧＢＴチップ４及びフライホイルダイオードチップ５は相ごとに相ヒートシンク板１１〜１３に個別に直接固定し、その後、共通ヒートシンク板１０を各ＩＧＢＴチップ４のエミッタ領域及びアノード領域に介在電気伝導板を介して接合することが好適である。なお、この介在電気伝導板は信号配線用のボンディングワイヤの配置スペースを確保するためのものである。
【００４２】
（冷却構造）
中間冷却部材３１の一例の断面図を図１３に示す。この実施形態では中間冷却部材３１はアルミ引き抜き成形厚板を用いており、中間冷却部材３１の内部には素子配列方向へ互いに平行に複数の冷却流路３１a〜３１dが形成されている。冷却流体は図２に示すように、素子配列方向一方側から他方側へ直線的に流れる。上アーム側冷却部材３２及び下アーム側冷却部材３３は中間冷却部材３１と同一構造をもつことができる。
【００４３】
（制御基板接続構造）
制御基板３４について図１７を参照して説明する。制御基板３４にはU相の制御IC４１、V相の制御IC４２、W相の制御IC４３が実装されている。４４は、上アームモジュール１からの信号バスバー３５が接続される接続位置であり、４５は、下アームモジュール２からの信号バスバー３５が接続される接続位置である。接続位置４４、４５の間に制御IC４１〜４３が配置されるため、制御ＩＣ４１〜４３はその一側面側から上アームモジュール１側への信号を出力し、その他側面側から下アームモジュール２側へ信号を出力することができ、上アームモジュール１への信号と下アームモジュール２への信号との間の電気絶縁性を向上することができる。なお、制御ＩＣ４１〜４３を単一ICに統合できることは言うまでもない。また、上アームモジュール１の３相のＩＧＢＴチップ４を制御する制御ＩＣと、下アームモジュール２の３相のＩＧＢＴチップ４を制御する制御ＩＣとの２チップ構成としてもよいことも当然である。
【００４４】
（変形態様）
図１０では、ＩＧＢＴチップ４は短辺方向にて外部接続部２０〜２２から離れた側に配置され、フライホイルダイオードチップ５は短辺方向にて外部接続部２０〜２２に近接する側にＩＧＢＴチップ４から所定間隔隔てて配置したが、図５に示すように、ＩＧＢＴチップ４を短辺方向にて外部接続部２０〜２２に近接する側に配置し、フライホイルダイオードチップ５を短辺方向にて外部接続部２０〜２２から離れた側に配置することも好適である。ＩＧＢＴチップ４の通電電流及び発熱はフライホイルダイオードチップ５のそれよりも大きいので、ＩＧＢＴチップ４を外部接続部２０〜２２に近接させることにより、相ヒートシンク板７〜９及び共通ヒートシンク板６における抵抗損失を低減することができる。
【００４５】
また、図５では、ＩＧＢＴチップ４の短辺方向中心m1は、フライホイルダイオードチップ５の短辺方向中心m2よりも、相ヒートシンク板７〜９の中心m３に近く設定される。これにより、発熱が相対的に大きいＩＧＢＴチップ４は、発熱が相対的に小さいフライホイルダイオードチップ５よりも相ヒートシンク板７〜９及び共通ヒートシンク板６の放熱能力の多くを占有することができるため、ＩＧＢＴチップ４とフライホイルダイオードチップ５とをm3から等距離に配置する場合に比べてＩＧＢＴチップ４の温度上昇を低減することができる。
【００４６】
また、図４において、外部接続部２０〜２２と外部接続部２３〜２５とを相ごとに直接接触させることも可能である。
【００４７】
（変形態様）
図８では、上アームモジュール１及び下アームモジュール２を共通ヒートシンク板６、１０が対面する向きに配置したが、図９に示すように、両モジュール１、２を相ヒートシンク板７〜９と相ヒートシンク板１１〜１３とが対面する向きに配置してもよい。
【００４８】
（変形態様）
図３では、同一相のＩＧＢＴチップ４とフライホイルダイオードチップ５とを短辺方向に並べたが、図１０〜図１２に示すように同一相のＩＧＢＴチップ４とフライホイルダイオードチップ５とを素子配列方向に隣接配置し、全体として一列に素子配列方向へ配列してもよい。なお、フライホイルダイオードチップを外部接続端子側に少しずらしても、ＩＧＢＴとの熱干渉を良好に軽減することができる。
【００４９】
（変形態様）
図１４では、中間冷却部材３１、上アーム側冷却部材３２及び下アーム側冷却部材３３は、素子配列方向一端側にて互いに短辺方向に隣接して入口部３１１及び出口部３１２を有しており、冷却流体はこれら冷却部材を素子配列方向に貫通した後、Uターンして出口部３１２に戻る。この用にすると、入口部３１１及び出口部３１２と外部のラジエータなどの冷却器とを接続する配管接続構造を簡素化することができる。
【００５０】
また、この態様では、各相ヒートシンク板間の温度差が平均化するという優れた利点も生じる。なお、この場合、ＩＧＢＴチップ４を短辺方向入口側（上流側）に配置し、フライホイルダイオードチップ５を短辺方向出口側（下流側）に配置することが好適である。
【００５１】
（変形態様）
図６では、素子配列方向（冷却流体の流れ方向）に所定の相順に配列された各相ヒートシンク板７〜９の素子配列方向幅は等しくされていた。その代わりに、図１５に示すように、上流側の相ヒートシンク板７の素子配列方向幅Cを、下流側の相ヒートシンク板８、９の素子配列方向幅よりも小さくすると、各相の素子温度のばらつきを低減するとともに、上流側の相ヒートシンク板７の幅縮小分だけ下流側の相ヒートシンク板８、９の幅を増大できる利点も生じる。これは上流側の相ヒートシンク板７に接する冷却流体温度が相対的に低いためである。
【００５２】
（変形態様）
図４では、外部接続部２０〜２２と外部接続部２３〜２５と交流バスバー１４〜１６とは、それぞれ等しい幅に形成された。その代わりに、図１６に示すように、高電位直流端子Ｐ及び低電位直流端子Ｎとの間の距離が小さい外部接続部２２、交流バスバー１６及び外部接続部２５の幅を、他の交流バスバーや外部接続部よりも幅よりも小さくすることができる。このようにすれば、高電位直流端子Ｐ及び低電位直流端子Ｎから遠い相の相電流により相ヒートシンク板や共通ヒートシンク板により生じる相電圧降下の増加を抑制することができる。
【００５３】
（変形態様）
図２では、上アーム側冷却部材３２及び下アーム側冷却部材３３は、中間冷却部材３１と同じ構造としたが、図１８〜図２０に示すように、放熱構造を簡素化するために上アーム側冷却部材３２及び下アーム側冷却部材３３を冷却フィン構造としてもよい。この場合、車両走行風又は強制冷却風が素子配列方向に流れるように配置されることが好適である。５０は中間冷却部材３１、上アーム側冷却部材３２及び下アーム側冷却部材３３と上アームモジュール１及び下アームモジュール２とを電気絶縁するための絶縁シートである。当然、図２においても絶縁シート５０は設けられている。
【００５４】
（変形態様）
図２では、上アーム側冷却部材３２及び下アーム側冷却部材３３は、中間冷却部材３１と同じ構造としたが、図２１に示すように、放熱量が相対的に少ない上アーム側冷却部材３２及び下アーム側冷却部材３３を両端部３２１、３２２、３３１、３３２が中間冷却部材３１に接合される門形（コ字形）の金属（たとえばアルミ合金）材３２０、３３０により形成してもよい。
【００５５】
門形金属材３２０の中央部は上記上アーム側冷却部材３２と同様に上アームモジュール１の主面に絶縁シート５０を介して密着し、門形金属材３３０の中央部は上記下アーム側冷却部材３３と同様に下アームモジュール２の主面に絶縁シート５０を介して密着する。このようにすれば、上アームモジュール１から門形金属材３２０に伝達された熱はその端部３２１、３２２から中間冷却部材３１に良好に伝達され、下アームモジュール２から門形金属材３３０に伝達された熱はその端部３３１、３３２から中間冷却部材３１に良好に伝達されるので、既述例と同様に上アームモジュール１及び下アームモジュール２の両面冷却効果を奏することができる。なお、中間冷却部材３１から門形金属材３２０、３３０の端部３２１、３２２へ冷却流体を流入させ、端部３２２、３３２から中間冷却部材３１へ冷却流体を戻す構造を採用してもよい。
【００５６】
（変形態様）
上記実施形態では、たとえば図６に示すように、上アームモジュール１の外部接続部２０〜２２は、金属板のプレス成形により構成されたが、図２２、図２３に示すように、相ヒートシンク板７と外部接続部２０とを別々に構成して接合してもよいことはもちろんである。
【００５７】
（変形態様）
図４では、外部接続部２０〜２２、外部接続部２３〜２５の幅と交流バスバー１４〜１６の幅とを等しくしたが、図２４に示すようにそれらの幅を一致させる必要はない。すなわち、バスバーと外部接続部との位置合わせのずれは接続が可能な範囲で許容される。また、高電位直流端子Ｐの主面と直流バスバー１８の主面とを接合し、低電位直流端子Ｎの主面と直流バスバー１９の主面とを接合してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】実施態様の三相インバータ装置の回路図である。
【図２】図１の三相インバータ装置の模式斜視図である。
【図３】上アームモジュール１の素子配置図である。
【図４】図１の三相インバータ装置のバスバー接続を示す模式側面図である。
【図５】図１の上アームモジュール１の素子配置の変形態様を示す模式平面図である。
【図６】図１の上アームモジュール１のヒートシンク板構造を示す分解斜視図である。
【図７】図１の上アームモジュール１の縦断面図である。
【図８】図１の三相インバータ装置のモジュール配置を示す縦断面図である。
【図９】図１の三相インバータ装置のモジュール配置の変形態様を示す縦断面図である。
【図１０】図６のヒートシンク板構造の変形態様を示す分解斜視図である。
【図１１】図１０の一列配置モジュール構造をもつ三相インバータ装置の縦断面図である。
【図１２】図１０の一列配置モジュール構造をもつ上アームモジュールの縦断面図である。
【図１３】中間冷却部材の縦断面図である。
【図１４】中間冷却部材の変形態様を示す模式横断面図である。
【図１５】上アームモジュール１のヒートシンク形状の変形態様を示す分解斜視図である。
【図１６】外部接続部及び交流バスバーの変形態様を示す側面図である。
【図１７】制御基板を示す模式平面図である。
【図１８】上アーム側冷却部材及び下アーム側冷却部材の変形態様を示す断面図である。
【図１９】上アーム側冷却部材及び下アーム側冷却部材の変形態様を示す断面図である。
【図２０】上アーム側冷却部材及び下アーム側冷却部材の変形態様を示す斜視図である。
【図２１】上アーム側冷却部材及び下アーム側冷却部材の変形態様を示す断面図である。
【図２２】相ヒートシンク板の外部接続部の構造の変形態様を示す断面図である。
【図２３】相ヒートシンク板の外部接続部の構造の変形態様を示す断面図である。
【図２４】バスバーと端子との接続構造の変形態様を示す側面図である。
【符号の説明】
【００５９】
１  上アームモジュール
２  下アームモジュール
P  三相インバータ装置の直流高電位端子（共通ヒートシンク板６の外部接続部）
N  三相インバータ装置の直流低電位端子（共通ヒートシンク板１０の外部接続部）
４  IGBTチップ（電力用半導体トランジスタチップ）
５  フライホイルダイオードチップ
６  上アームモジュール１の共通ヒートシンク板、
７〜９  上アームモジュール１の相ヒートシンク板
１０  下アームモジュール２の共通ヒートシンク板、
１１〜１３  下アームモジュール２の相ヒートシンク板
１４〜１６  三相の交流バスバー
１７  三相ケーブル
１８、１９  直流バスバー
２０〜２２  相ヒートシンク板７〜９の外部接続部
２３〜２５  相ヒートシンク板１１〜１３の外部接続部
３１  中間冷却部材
３２  上アーム側冷却部材
３３  下アーム側冷却部材
３４  制御基板
３５  信号バスバー
３８、３９  介在電気伝導板
４１〜４３  制御IC
４４、４５  信号バスバー接続位置
５０  絶縁シート
３１１  入口部
３１２  出口部
３２０  門形金属材（上アーム側冷却部材）
３３０  門形金属材（下アーム側冷却部材）
３２１、３２２  門形金属材３２０の端部
３３１、３３２  門形金属材３３０の端部
【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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