CN101242148B - 电力变换装置 - Google Patents

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Abstract

将换流器电路的具备上臂和下臂的串联电路，内置在一个半导体模块(500)中，该半导体模块的两侧，具有冷却金属，在冷却金属之间，夹住上臂用的半导体芯片和下臂用的半导体芯片，将半导体模块插入水路壳体的本体部(214)内，在半导体模块中，配置半导体芯片的直流正极端子(532)、直流负极端子(572)和交流端子(582)，这些直流端子(532、572)，与电容器模块的端子电连接，交流端子(582)，经过交流连接器，和电动发电机组电连接。在具备冷却功能的电力变换装置中，提供与小型化有联系的技术，提供有关提高在产品化上必要的可靠性及生产性的技术。

Description

电力变换装置
技术领域
本发明涉及具备换流器(inverter)电路的电力变换装置。
背景技术
作为有效地将来自半导体模块的热量传递给冷却器以便提高散热性的现有技术，例如提出了专利文献1所示的冷却结构。采用该专利文献1的技术后，将半导体模块插入冷却器形成的模块插入用孔，从与模块插入用孔相接的面散热，给和半导体模块的模块插入用孔相接的面涂敷软质性金属层，通过该软质性金属层做媒介，向冷却器散热。
另外，作为改善换流器使用的半导体元件的冷却效率和装配性能的现有技术，例如提出了专利文献2所示的换流器装置。采用该专利文献2的技术后，形成收容部和循环路线部，前者收容用散热板夹住半导体元件的两个面的功率插件板，后者则使冷却介质在功率插件板的周围循环，将绝缘性树脂充填到功率插件板和收容部的间隙中，使绝缘性树脂硬化后固定功率插件板。
另外，作为减轻半导体模块的装配作业的负担、提高冷却能力的冷却结构的现有技术，例如提出了专利文献3的技术。采用该专利文献3的技术后，设置内部收容半导体模块、正面和背面具有将半导体模块产生的热散发掉的散热面块，将该块插入在壳的内部形成的冷却水通路后，使块的正面和背面面向冷却水通路。
专利文献1：JP特开2005-175163号公报
专利文献2：JP特开2005-237141号公报
专利文献3：JP特开2006-202899号公报
近几年来，例如在汽车中，包括车辆的驱动系统在内，车辆的各车载系统的电动化正在持续发展。可是，在车载系统的电动化中，需要追加新的驱动被驱动体的机电装置及控制由车载电源向旋转电机供给的电力后控制旋转电机的驱动的电力变换装置，以及置换现有技术系统的构成部件。
电力变换装置，例如在汽车中，具有将车载电源供给的直流电力变换成旨在驱动旋转电机的交流电力，或者将旋转电机产生的交流电力变换成旨在供给车载电源的直流电力的功能。电力变换装置变换的电力量存在着增大的倾向，但是由于整个汽车向小型化及轻量化的方向发展，所以电力变换装置的大型化及其重量的增加受到抑制。另外车载用的电力变换装置变换，与产业用的电力变换装置等相比，需要在温度变化较大的环境中使用，要求放置在高温的环境中也能够维持很高的可靠性、用比较小的体积变换比较大的电力。
电力变换装置具备换流器电路，利用换流器电路的动作，进行直流电力与交流电力之间的电力变换。为了进行该电力变换，构成换流器电路的功率半导体，必须反复进行截止状态和导通状态的切换动作(开关动作)。进行该切换动作时，功率半导体产生很大的热量。换流器电路的功率半导体——半导体芯片，在开关动作时产生的热量的作用下温度上升。因此，抑制该温度上升成为亟待解决的课题。
要变换的电力增大后，半导体芯片的发热量就增大，所以作为一种措施，需要使半导体芯片大型化，以及增加半导体芯片的使用个数，其结果导致电力变换装置大型化。作为抑制这种电力变换装置大型化的方法，人们想到了提高半导体芯片的冷却效率。例如专利文献1～3都是为了提高半导体芯片的冷却效率而问世的发明。
提高半导体芯片的冷却效率，显然能够带来半导体芯片的小型化，但是未必能够抑制电力变换装置整体的大型化。例如为了提高半导体芯片的冷却效率而进行了改善后，其结果电力变换装置整体的结构将趋于复杂化，虽然半导体芯片可以小型化，但是从电力变换装置的整体上说，却难以实现小型化。
因此，为了抑制电力变换装置整体的大型化，需要提高考虑了电力变换装置整体的半导体芯片的冷却效率，需要尽量抑制电力变换装置整体的电气性的或机械性的复杂化。在上述专利文献1～3公布的发明中，对于电力变换装置整体的小型化，还谈不上进行了充分的考虑。
发明内容
本发明的目的，在于提供与电力变换装置的小型化有联系的技术。进而在以下讲述的本发明的实施方式涉及的电力变换装置，不仅在小型化技术方面，而且在产品化方面，具备提高必要的可靠性及生产效率的改良。
在为了解决所述课题的本发明中的基本特征之一，是将换流器电路的具备上臂和下臂的串联电路，内置在一个半导体模块中，该半导体模块的两侧，具有冷却金属，在冷却金属之间，夹住旨在构成具有上臂和下臂的串联电路的上臂用的半导体芯片和下臂用的半导体芯片，将所述半导体模块插入冷却水路内。
以下讲述的本发明的实施方式涉及的电力变换装置，如上所述，解决了产品化所需的许多课题。下面详细讲述这些课题及旨在解决课题的手段。但是作为旨在解决课题的手段，主要列举以下的结构例。
电力变换装置，具有内置冷却水路的水路壳体、内置换流器电路的上下臂的串联电路的两面冷却的半导体模块、电容器模块、直流连接器和交流连接器；
所述两面冷却的半导体模块，具有外侧的面是散热面的第1和第2散热金属，在所述第1和第2散热金属之间，密闭配置所述上下臂的串联电路的同时，具有向外部突出的直流正极端子、直流负极端子和交流端子；
在所述水路壳体上，设置开口，配置多个所述两面冷却的半导体模块，从而将所述两面冷却的半导体模块的第1和第2散热金属，从所述开口插入冷却水路的内部；
在所述两面冷却的半导体模块的所述第1和第2散热金属的内侧面的一侧，分别配置绝缘部件，在所述绝缘部件之间，配置旨在构成所述上下臂的串联电路的多个半导体芯片；
在所述两面冷却的半导体模块的内部，进而分别配置分别将所述多个半导体芯片和所述直流正极端子、直流负极端子和交流端子电连接的直流正极导体、直流负极导体和交流导体；
所述两面冷却的半导体模块的所述直流正极端子和直流负极端子，分别和所述电容器模块的端子电连接的同时，还和所述直流连接器电连接，所述多个两面冷却的半导体模块的所述交流端子，分别和所述交流连接器电连接。
另外，电力变换装置，具有内置冷却水路的水路壳体、内置换流器电路的上下臂的串联电路的两面冷却的半导体模块、电容器模块；
所述两面冷却的半导体模块，具有在一个面上安装着散热翅片的第1和第2散热金属，在所述第1和第2散热金属之间，密闭配置所述上下臂的串联电路的同时，还具有向外部突出的直流正极端子、直流负极端子和交流端子；
在所述两面冷却的半导体模块中，所述第1和第2散热金属，以比沿着所述散热金属的冷却水路的长度短的间隔，将散热面朝着外侧地互相相对配置，直流正极端子、直流负极端子和交流端子从被所述第1和第2散热金属夹住的一侧突出，所述直流正极端子和所述直流负极端子被相对配置；
在所述水路壳体上，设置多个开口，配置多个所述两面冷却的半导体模块，从而将所述两面冷却的半导体模块的散热金属，分别从所述多个开口插入冷却水路的内部；
所述两面冷却的半导体模块，在所述相对的第1和第2散热金属的其它面上，分别配置绝缘部件，在所述绝缘部件的内侧，配置旨在构成所述上下臂的串联电路的多个半导体芯片，作为所述上臂发挥作用的半导体芯片和作为所述下臂发挥作用的半导体芯片，在从所述两面冷却的半导体模块的所述开口的插入方向上，互相错开地配置；
在所述两面冷却的半导体模块的内部，进而分别配置分别将所述上下臂的串联电路和所述直流正极端子、直流负极端子和交流端子电连接的直流正极导体、直流负极导体和交流导体；
所述两面冷却的半导体模块的所述直流正极端子和直流负极端子，分别和所述电容器模块的端子电连接。
另外，电力变换装置，具有内置冷却水路的水路壳体、内置换流器电路的上下臂的串联电路的两面冷却的半导体模块、电容器模块；
所述两面冷却的半导体模块，具有在一个面上安装着散热翅片的第1和第2散热金属，在所述第1和第2散热金属的其它面上，分别具有绝缘部件，在所述各自的绝缘部件之间，配置所述上下臂的串联电路的同时，还具有向外部突出的直流正极端子、直流负极端子、交流端子和信号端子；
在所述两面冷却的半导体模块中，所述第1和第2散热金属，以比沿着所述散热金属的冷却水路的长度短的间隔，互相与各自的绝缘部件相对地配置，直流正极端子、直流负极端子、交流端子和信号端子从与所述各自的绝缘部件的平面正交的一侧突出，所述直流正极端子和所述直流负极端子被相对配置；
在所述水路壳体上，设置多个开口，所述两面冷却的半导体模块，分别从所述多个开口插入冷却水路的内部后，多个所述两面冷却的半导体模块，被所述水路壳体保持；
在所述两面冷却的半导体模块的第1和第2散热金属的其它面上分别配置的绝缘部件之间，配置旨在构成所述上下臂的串联电路的多个半导体芯片；
在所述上下臂内的作为上臂发挥作用的半导体芯片及作为下臂发挥作用的半导体芯片的面，和分别相对的所述第1和第2散热金属的其它面之间，通过所述绝缘部件作媒介，形成热传导路；
在所述两面冷却的半导体模块的内部，进而分别配置分别将作为所述上下臂发挥作用的多个半导体芯片和所述直流正极端子、直流负极端子和交流端子电连接的直流正极导体、直流负极导体和交流导体；
所述两面冷却的半导体模块的所述直流正极端子和直流负极端子，分别和所述电容器模块的端子电连接。
另外，电力变换装置，具有内置拥有多个插入口的冷却水路的水路壳体、内置换流器电路的上下臂的串联电路从所述插入口插入冷却水路的两面冷却的半导体模块；
在所述冷却水路中，并列配置形成所述多个插入口；
多个所述半导体模块，被并列配置后，被所述水路壳体保持，从而使所述半导体模块分别从并列配置的所述插入口插入冷却水路；
所述半导体模块，具有一个面是散热面，另一个面将设置了绝缘部件的第1和第2散热金属相互并列配置，以便使各自的散热面朝着外侧的状态，在被所述第1和第2散热金属设置的各自的绝缘部件之间，以密闭的状态具有构成所述上下臂串联电路的上臂用的半导体芯片和下臂用的半导体芯片，进而具有向外部突出的直流正极端子、直流负极端子、交流端子、旨在控制所述上臂用的半导体芯片的控制端子和旨在控制所述下臂用的半导体芯片的控制端子；
在所述第1散热金属的绝缘部件上，设置与所述直流正极端子电连接的正极侧导体和串联连接用的第1导体；在所述第2散热金属的绝缘部件上，设置与所述直流负极端子电连接的负极侧导体和串联连接用的第2导体；所述正极侧导体和所述第2导体相对配置；所述负极侧导体和所述第1导体相对配置；
在所述正极侧导体和所述第2导体之间，配置所述上下臂用的半导体芯片中的一个；在所述负极侧导体和所述第1导体之间，配置所述上下臂用的半导体芯片中的另一个；所述第1导体、所述第2导体和所述交流端子电连接。
另外，电力变换装置，具有水路壳体(该水路壳体具有多次折返后并列形成的冷却水路)、
多个半导体模块(这些半导体模块在内置换流器电路的上下臂的串联电路的同时，具有直流正极端子、直流负极端子和交流端子)和电容器模块(该电容器模块内置电容器)；
在水路壳体并列形成的冷却水路中，以并列的位置关系，形成多个互通的开口；所述半导体模块，被分别插入所述多个开口中，所述多个半导体模块，被以并列配置的关系固定，沿着所述半导体模块的并列配置的轴，所述电容器模块，以所述电容器模块位置的配置关系，被所述水路壳体固定；
配置所述半导体模块的所述直流正极端子、所述直流负极端子和所述交流端子，以便使所述半导体模块的直流正极端子和直流负极端子位于并列配置的多个所述半导体模块的交流端子和所述电容器模块之间；所述半导体模块的直流正极端子、直流负极端子和所述电容器模块的端子分别电连接。
采用本发明后，能够提高构成换流器电路的半导体模块的冷却效率。该冷却性能的提高，不仅能够使半导体模块小型化，而且能够使换流器电路整体小型化。
本发明的实施方式涉及的电力变换装置，除了上述发明的效果——小型化以外，还在解决产品化所需的许多课题上取得了成效。关于许多课题的解决及解决后的效果，将在以下讲述的实施方式中，和对本实施方式的讲述一起详述。
附图说明
图1是表示混合汽车的控制块的图形。
图2是表示由包含上下臂的串联电路及控制部的换流器装置和与换流器装置的直流侧连接的电容器构成的电力变换装置、电瓶、电动发电机组的车辆驱动用的电机系统的电路结构的图形。
图3是表示将两个上下臂串联电路作为供给电动发电机组的各相交流输出的电力变换装置的电路结构的图形。
图4是表示本实施方式涉及的电力变换装置的外形图。
图5是表示本实施方式涉及的电力变换装置的内部结构的分解立体图。
图6是从本实施方式涉及的电力变换装置中拆去上壳的立体图。
图7是从本实施方式涉及的电力变换装置中拆去上壳、电容器、母线组件的立体图。
图8是本实施方式涉及的电力变换装置中的2个换流器装置的结构例，是拆去母线组件和上壳后的立体图。
图9是本实施方式涉及的电力变换装置中的2个换流器装置的结构例，是拆去母线组件、上壳及电容器模块之后的立体图。
图10是本实施方式涉及的电力变换装置中的2个换流器装置的结构例，是拆去母线组件、上壳及电容器模块之后平面图。
图11是表示装填了本实施方式涉及的半导体模块的水路壳体的冷却水流的剖面图。
图12是表示装填了图9所示的2个换流器装置中的半导体模块的水路壳体的冷却水流的剖面图。
图13是表示与图3所示的电动发电机组的各相并联的半导体模块的正极端子、负极端子、信号用端子、栅极端子在水路壳体中的配置状况的平面图。
图14是展开装填了半导体模块的水路壳体本体部、水路壳体前面部、水路壳体背面部的立体图。
图15是展开装填了半导体模块的水路壳体本体部、水路壳体前面部、水路壳体背面部的剖面图。
图16是表示将半导体模块装填到水路壳体本体部中的状况的立体图。
图17是表示将半导体模块装填到水路壳体本体部中的状况的正面图。
图18是表示本实施方式涉及的电力变换装置中的带内置上下臂串联电路的散热翅片的半导体模块的外形图。
图19是图18所示的半导体模块的剖面图。
图20是包含外壳的半导体模块的展开图。
图21是图20所示的半导体模块的剖面图。
图22是展开本实施方式涉及的半导体模块的一侧的散热翅片(A侧)和另一侧的散热翅片(B侧)后立体性地表示其内部结构的图形。
图23是表示被半导体模块的散热翅片(A侧)的内侧固定的上下臂串联电路的结构的图形。
图24是表示被半导体模块的散热翅片(B侧)的内侧固定的上下臂串联电路的结构的立体图。
图25是表示被半导体模块的散热翅片(A侧)的内侧固定的上下臂串联电路的结构的立体图。
图26是图25的正面图。
图27是表示被半导体模块的内侧真空热压接的导体板的结构和引线接合状态的立体图。
图28是讲述通过绝缘薄板作媒介，将导体板真空热压接到半导体模块的散热翅片上的图形。
图29是表示本实施方式涉及的半导体模块中的散热翅片(A侧)的冷却水流的图形。
图30是表示半导体模块中的冷却水流和电路结构的配置的关系的图形。
图31是表示本实施方式涉及的电力变换装置中的电容器模块的连接端子的图形，
图32是表示本实施方式涉及的半导体模块和电容器模块的连接状态的立体图。
图33是表示本实施方式涉及的半导体模块和电容器模块的连接状态的剖面图。
图34是讲述本实施方式涉及的半导体模块的低电感化效果的结构上的配置图。
图35是讲述本实施方式涉及的半导体模块的低电感化效果的电路上的配置图。
图36是表示本实施方式涉及的半导体模块的其它结构例的立体图。
图37是表示本实施方式涉及的半导体模块的其它结构例的剖面图，是从图36的虚线箭头方向观察的图形。
图38是讲述本实施方式涉及的半导体模块的其它结构例中的冷却水流的立体图。
图39是表示将本实施方式涉及的半导体模块的其它结构例装填到水冷壳体中时的冷却水流的剖面图。
图40是表示将本实施方式涉及的半导体模块的其它结构例装填到水冷壳体中时的上下二级的冷却水流的其它剖面图。
图41是表示扩大了半导体模块中的IGBT芯片的发射极的面积的构成例的图形。
图42是表示将具有图5所示的控制电路的控制基板配置在水路壳体底部的构成例的图形。
具体实施方式
下面，参照附图，详细讲述本发明的实施方式涉及的电力变换装置。但是首先讲述本实施方式涉及的电力变换装置中的需要改善的技术性的课题和旨在解决该技术性的课题的技术概要。
本发明的实施方式涉及的电力变换装置，作为满足人们的需求的产品，是立足于如下所述的技术性观点进行设计的，其中之一的观点是小型化技术，即尽量抑制电力变换装置伴随着变换的电力的增大而大型化的技术。进而，另一个观点是关于提高电力变换装置的可靠性的技术，再一个观点是关于提高电力变换装置的生产性的技术。而且，本发明的实施方式涉及的电力变换装置，就是根据上述3个观点、进而综合了这些观点的观点制造的。下面，列举概述各观点中的电力变换装置的特征。
(1)小型化技术
本实施方式涉及的电力变换装置，采用将换流器的上下臂的串联电路收纳在两侧具备冷却金属的半导体模块的内部，将半导体模块插入冷却水内，用冷却水冷却两侧的冷却金属的结构。采用该结构后，可以提高冷却效率，实现半导体模块的小型化。另外，作为具体的结构，在两侧的冷却金属的内侧，分别设置绝缘薄板或陶瓷板等绝缘板——绝缘部件，在固定于各绝缘部件之上的导体金属之间，夹住构成上下臂的串联电路的上臂及下臂的半导体芯片。在该结构中，能够在上臂及下臂的半导体芯片的两面和冷却金属之间，形成良好的热传导路，大大提高半导体模块的冷却效率。
另外，在半导体模块中，因为在垂直于冷却水流的轴线的方向上，错开配置上臂及下臂的半导体芯片，所以能够更加有效地利用冷却水路内的冷却水，提高冷却效率。
进而，采用在垂直于冷却水流的轴线的方向上，错开配置半导体模块的上臂的半导体芯片和半导体模块的下臂的半导体芯片的同时，将与上臂的半导体芯片对应的位置的水路和与下臂的半导体芯片对应的位置的水路分开，将这些水路串联起来的结构，从而能够使水路的断面积与冷却对象——半导体芯片一齐变窄，其结果能够提高水路内的冷却水的流速。提高该流速后，能够增大单位时间参与冷却的水的量，大幅度提高冷却效率。这种按照与上臂或下臂的半导体芯片对应的位置分开水路结构，可以使作为整体的冷却结构不太复杂，还使冷却壳体不至于大型化，能够有效地提高冷却效率。
上臂及下臂的半导体芯片导体的两面，分别与冷却金属的内侧的导体金属(导体板)连接，导体金属通过绝缘部件做媒介，被冷却金属固定。绝缘部件的厚度薄，例如陶瓷板时是350μm以下，绝缘薄板时更薄，是50μm～200μm。在这里，作为绝缘薄板，例如是热压接的树脂的薄片。因为接近冷却金属地设置导体金属，所以流入导体金属的电流产生的涡流，流入冷却金属，涡流虽然产生热，但这些热被有效地传递给冷却水。
另外，半导体模块内的电感被涡流减少。电感减少后，能够减少上臂及下臂的半导体芯片的开关动作产生的电压的波动，提高可靠性。另外，抑制电压上升，还能够使上臂及下臂的半导体芯片的开关动作高速化，能够缩短进行开关动作的时间，减少开关动作产生的发热量。
在本实施方式涉及的电力变换装置中，因为将换流器的上下臂的串联电路收纳在半导体模块的内部，所以将半导体模块的直流端子与电容器模块连接的结构，进而电容器模块的端子结构，成为非常简单的结构，这样，有利于换流器装置整体的小型化，同时还能够提高可靠性及生产性。
另外，还能够采用将半导体模块的直流端子及电容器模块的端子结构，进而将连接它们的结构，作为正极侧和负极侧的端子及连接这些端子的导体互相接近的结构及互相相对地配置的结构，能够减少半导体模块和电容器之间的电感。这样，能够减少上下臂的半导体芯片的开关动作产生的电压的波动，提高可靠性。另外，抑制电压上升，还能够使半导体芯片的开关动作高速化，能够缩短进行开关动作的时间，减少开关动作产生的发热量。减少发热量或抑制连接结构的复杂化后，能够实现电力变换装置的小型化。
另外，本实施方式涉及的电力变换装置，因为大幅度提高冷却效率，所以作为冷却水，能够利用发动机冷却水。用和发动机冷却水不同的冷却水冷却时，汽车需要安装新的冷却系统，这样即使电力变换装置可以小型化，但是在汽车整体上，系统却复杂化。而在本实施方式中，即使电力变换装置大型化，也由于能够利用发动机冷却水，所以可以使车整体小型化，进而还具有许多优点。
在本实施方式涉及的电力变换装置中，因为采用将半导体模块及电容器模块固定到冷却壳体上的结构，所以可以将具备半导体模块的冷却壳体的的表面作为固定电容器模块的面加以利用，可以使电力变换装置小型化。进而，因为能够提高电容器模块的冷却效率，还能够利用冷却壳体牢固地保持电容器模块，所以抗振动能力强，具有小型化和提高可靠性的效果。
(2)提高可靠性
本实施方式涉及的电力变换装置，如上所述，能够大幅度改善半导体模块的冷却效率，从而能够抑制半导体芯片的温度上升，改善可靠性。
另外，还能够使半导体模块低电感及半导体模块和电容器模块之间低电感化，能够减少开关动作产生的电压的波动，提高可靠性。另外，抑制电压上升，还能够使半导体芯片的开关动作高速化，能够缩短进行开关动作的时间，减少开关动作产生的发热量，进而能够抑制温度上升，提高可靠性。
将半导体模块的直流端子与电容器模块连接的结构，进而电容器模块的端子结构，成为非常简单的结构，这不仅能够提高生产性，实现小型化，而且还能够提高可靠性。
在本电力变换装置中，因为大幅度提高冷却效率，所以作为冷却水，能够利用发动机冷却水。因此，作为汽车，不需要专用的冷却水系统，作为汽车整体，使可靠性得到大大改善。
在本电力变换装置中，采用将收纳换流器的上下臂的串联电路的半导体模块，从冷却水路上设置的开口插入水路内后固定的结构。可以在生产线上，分别检查单独制造的半导体模块和水路壳体，然后进行将半导体模块固定到水路壳体中的工序。这样，就可以将电气部件——半导体模块和机械部件——水路壳体分开制造及检查，不仅能够提高生产性，还能提高可靠性。
另外，在半导体模块中，可以采取分别将必要的导体及半导体芯片固定到第1和第2散热金属上，再将第1和第2散热金属一体化后制造半导体模块的方法。这样，能够在分别确认第1和第2散热金属的制造状态后，进行第1和第2散热金属的一体化的工序，从而不仅能够提高生产性，还能提高可靠性。进而，采用将半导体模块的直流端子及交流端子或信号用端子(信号用发射极端子)及栅极端子，在半导体模块的内部固定到第1和第2散热金属中的某一个上的结构，可以提高抗振动能力，提高可靠性。
在本电力变换装置中，采用上臂的半导体芯片的集电极面被第1散热金属固定时，下臂的半导体芯片的集电极面同样被第1散热金属固定结构，上臂的半导体芯片的集电极面和发射极面成为相同的方向。采用这种结构后，能够在提高生产性的同时，提高可靠性。
另外，成为上下臂的半导体芯片和上下臂的信号用端子及栅极端子，被相同的散热金属固定的结构。因此，能够将连接半导体芯片和信号用端子及栅极端子的引线接合法的连接工序，集中到一个散热金属上，使检查等容易进行。这样，不仅能够提高生产性，而且还能提高可靠性。
(3)提高生产性
在本实施方式涉及的电力变换装置中，如上所述，可以分别独立制造半导体模块和冷却壳体，然后进行将半导体模块固定到冷却壳体中的工序，可以在电气系统的生产线上制造半导体模块。这样，能够提高生产性和可靠性。另外，由于电容器模块也同样能够用其它的制造工序制造，然后固定到水路壳体上，所以能够提高生产性。
另外，能够将半导体模块和电容器模块固定到冷却壳体中，然后进行半导体模块和电容器模块的端子连接，进而能够确保为了连接而在焊接部位导入焊接机械的空间，提高生产性。另外，在这些连接工序中，半导体模块的端子，分别被半导体模块的散热金属固定，端子焊接时的热，分别扩散到散热金属中，能够抑制对半导体芯片的不良影响，其结果能够提高生产性及可靠性。
另外，因为能够将上下臂的半导体芯片和上下臂的信号用端子及栅极端子，固定到半导体模块的一个散热金属上，所以能够在一个散热金属的生产线上，对上臂和下臂两者进行引线接合，提高生产性。
本实施方式涉及的电力变换装置，可以采取批量生产相同结构的半导体模块，使用根据电力变换装置要求规格的必要的个数的半导体模块的方式，进行有计划的半导体模块批量生产，能够在提高生产性的同时，还实现低价格化，提高可靠性。以上，从三个技术性观点的角度，讲述了本实施方式涉及的电力变换装置的结构的特征和效果。
接着，参照附图，详细讲述本发明的实施方式涉及的电力变换装置。本发明的实施方式涉及的电力变换装置，可以应用于混合用的汽车及纯粹的电气汽车。作为代表性的例子，使用图1和图2，讲述在混合汽车中应用本发明的实施方式涉及的电力变换装置时的控制结构和电路结构。图1是表示混合汽车的控制块的图形。图2是表示由包含上下臂的串联电路及控制部的换流器装置和与换流器装置的直流侧连接的电容器构成的电力变换装置、电瓶、电动发电机组的车辆驱动用的电机系统的电路结构的图形。
在本发明的实施方式涉及的电力变换装置中，以被汽车搭载的车载电机系统的车载用电力变换装置特别是被车辆驱动用电机系统使用的、搭载环境及动作环境等都非常严酷的车辆驱动用换流器装置为例，进行讲述。车辆驱动用换流器装置，作为控制车辆驱动用电动机的驱动的控制装置，被车辆驱动用电机系统具备，控制将构成车载电源的车载电瓶或车载发电装置供给的直流电力变换成规定交流电力，将获得的交流电力供给车辆驱动用电动机，控制车辆驱动用电动机的驱动。另外，车辆驱动用电动机因为具有作为发电机的功能，所以还具有按照运转模式，将车辆驱动用电动机发生的交流电力变换成直流电力的功能。变换的直流电力，被供给车载电瓶。
此外，本实施方式的结构，还适用于车辆驱动用以外的换流器装置，例如作为电动制动器或电动动力转向装置的控制装置使用的换流器装置。但是，作为车辆驱动用使用，能够发挥最理想的效果。另外，本实施方式的思想，也能够适用于其它的车载用电力变换装置，例如DC/DC变换器及直流斩波器等直流-直流电力变换装置或交流-直流电力变换装置等。但是，作为车辆驱动用使用，能够发挥最理想的效果。进而，还能够适用于作为驱动工厂的设备的电动机的控制装置使用的产业用电力变换装置或被驱动家用太阳光发电系统及家用电器的电动机的控制装置使用的家用电力变换装置，但是如上所述，作为车辆驱动用使用，能够发挥最理想的效果。
另外，以将具备采用本实施方式的车辆驱动用换流器装置的车辆驱动用电机系统，搭载到混合汽车(该混合汽车将内燃机——发动机及车辆驱动用电动机作为车辆的驱动源，驱动前后轮中的某一个地构成)上时的情况为例，进行讲述。另外，作为混合汽车，虽然也有利用发动机驱动前后轮中的某一个、利用车辆驱动用电动机驱动前后轮中的另一个的情况，但本实施方式能够适用于所有的混合汽车。进而，如上所述，还能够适用于燃料电池车等纯粹的电气汽车，在纯粹的电气汽车中，以下讲述的电力变换装置，也发挥大致同样的作用，获得大致相同的效果。
在图1中，混合电动汽车(以下称作“HEV”)10，是一种电动车辆，具备两个车辆驱动用系统。其一是将内燃机——发动机20作为动力源的发动机系统。发动机系统主要作为HEV的驱动源使用。另一个将电动发电机组92、94作为动力源的车载电机系统。车载电机系统主要作为HEV的驱动源及HEV的电力发生源使用。电动发电机组92、94，例如是永久磁铁同步电动机，按照运转方式，既可以作为电动机动作，也可以作为发电机动作，所以在这里将它称作“电动发电机组”。
在车体的前面部，可以旋转地轴支着前轮车轴14。在前轮车轴14的两端，设置着一对前轮12。在车体的后面部，可以旋转地轴支着后轮车轴(未图示)。在后轮车轴的两端，设置着一对后轮。在本实施方式的HEV中，采用所谓前轮驱动方式即将被动力驱动的主轮作为前轮、跟着转动的从动轮作为后轮。但是也可以反之，即采用后轮驱动方式。
在前轮车轴14的中央部，安装着前轮侧差动齿轮(以下称作“前轮侧DEF”)16。前轮车轴14，与前轮侧DEF16的输出侧机械性地连接。前轮侧DEF16的输入侧，则与变速器18的输出轴机械性地连接。前轮侧DEF16，是将被变速器18变速后传递的旋转驱动力分配给左右的前轮车轴14的差动式动力分配机构。电动发电机组92的输出侧，与变速器18的输入侧机械性地连接。电动发电机组92的输入侧，通过动力分配机构22做媒介，与发动机20的输出侧及电动发电机组94的输出侧机械性地连接。此外，电动发电机组92、94及动力分配机构22，被收纳在变速器18壳体的内部。
动力分配机构22，是由齿轮23～30构成的差动机构。齿轮25～28是伞齿轮。齿轮23、24、29、30是正齿轮。电动发电机组92的动力，被变速器18直接传递。电动发电机组92的轴，成为和齿轮29同轴。采用这种结构后，不向电动发电机组92供给驱动电力时，被齿轮29传递的动力，就照原样传递给变速器18的输入侧。
发动机20动作后，齿轮23被驱动，发动机20的动力，由齿轮23传递给齿轮24，接着由齿轮24传递给齿轮26及齿轮28，再接着由26及齿轮28分别传递给齿轮30，最终传递给齿轮29。电动发电机组94动作后，齿轮25被驱动，电动发电机组94的旋转，由齿轮25传递给齿轮26及齿轮28，再接着由26及齿轮28分别传递给齿轮30，最终传递给齿轮29。此外，作为动力分配机构22，还可以取代上述的差动机构，采用行星齿轮机构等其它机构。
电动发电机组92、94，是转子具备永久磁铁的同步机，换流器装置40、42控制供给其定子的电枢绕组的交流电力，从而控制电动发电机组92、94的驱动。换流器装置40、42与电瓶36电连接，电瓶36和换流器装置40、42可以互相交换电力。
在本实施方式中，具备由电动发电机组92及换流器装置40构成的第1电动发电机组和由电动发电机组94及换流器装置42构成的第2电动发电机组等2个电动发电机组，按照运转状态，分别使用它们。就是说，在利用来自发动机20的动力驱动车辆的情况下，辅助车辆的驱动转矩时，将第2电动发电机组作为发电机组，利用发动机20的动力，使其动作后发电，再利用该发电后获得的电力，使第1电动发电机组作为电动机组动作。另外，在同样的情况下，辅助车辆的车速时，将第1电动发电机组作为发电机组，利用发动机20的动力，使其动作后发电，再利用该发电后获得的电力，使第2电动发电机组作为电动机组动作。
另外，在本实施方式中，可以利用电瓶36的电力，使第1电动发电机组作为电动机组动作，从而只利用电动发电机组92的动力驱动车辆。进而，在本实施方式中，可以使第1电动发电机组或第2电动发电机组作为发电机组，利用发动机20的动力或来自车轮的动力，使其动作后发电，从而能够给电瓶36充电。
接着，使用图2，讲述换流器装置40、42的电气电路结构。此外，在图1～图2所示的实施方式中，以分别单独构成换流器装置40、42时为例，进行了讲述。但还可以如后文使用图7等所述的那样，将换流器装置40、42收纳在一个装置内。由于换流器装置40、42具有同样的结构，发挥同样的作用，具有同样的功能，所以在这里作为例子，讲述换流器装置40。
本实施方式涉及的电力变换装置100，具备换流器装置40和电容器90，换流器装置40具有换流器电路44和控制部70。另外，换流器电路44具有多个上下臂串联电路50(在图2的例子中，为3个上下臂串联电路50、50、50)，这些上下臂串联电路50由作为上臂动作的IGBT52(绝缘栅极型双极型晶体管)及二极管56和作为下臂动作的IGBT62及二极管66构成，采用从各上下臂串联电路50的中点部分(中间电极69)，通过交流端子59，向电动发电机组92引出交流电力线86的结构。另外，控制部70具有驱动控制换流器电路44的驱动器电路74，和通过信号线76做媒介向驱动器电路74供给控制信号的控制电路72(内置于控制基板中)。
上臂和下臂的IGBT52、IGBT62，是开关用功率半导体元件，接收控制部70输出的驱动信号后动作，将电瓶36供给的直流电力，变换成三相交流电力。该变换的电力，被供给电动发电机组92的电枢绕组。如上所述，还能够将电动发电机组92产生的三相交流电力变换成直流电力。
本实施方式涉及的电力变换装置100，由三相桥式电路构成，三相的上下臂串联电路50、50、50，分别在电瓶36的正极侧和负极侧之间电气性地并联后构成。在这里，将上下臂串联电路50称作“臂”，具备上臂侧的开关用功率半导体元件52及二极管56和下臂侧的开关用功率半导体元件62及二极管66。
在本实施方式中，作为开关用功率半导体元件，列举了使用IGBT(绝缘栅极型双极型晶体管)52、62的例子。IGBT52、62，具备集电极53、63、发射极、栅电极(栅极端子54、64)、信号用发射极(信号用发射极端子55、65)。在IGBT52、62的集电极53、63和发射极之间，如图所示，被二极管56、66电连接。二极管56、66，具备阴极和阳极等2个电极，其阴极分别与IGBT52、62的集电极电连接，其阳极分别与IGBT52、62的发射极电连接，从而使从IGBT52、62的发射极到IGBT52、62的集电极的方向，成为正向。
作为开关用功率半导体元件，还可以使用MOSFET(金属氧化物半导体型场效应晶体管)。MOSFET具备漏电极、源电极及栅电极等3个电极。此外，MOSFET在源电极和漏电极之间，具备寄生二极管，从而使从漏电极向源电极的方向成为正向。因此不必象IGBT那样另外设置二极管。
上下臂串联电路50，与电动发电机组92的电枢绕组的各相绕组对应，设置成三相。3个上下臂串联电路50、50、50，分别通过连接IGBT52的发射极和IGBT62的集电极63的中间电极69、交流端子59做媒介，形成供给电动发电机组92的U相、V相、W相。上下臂串联电路，彼此被电气性地并联。上臂的IGBT52的集电极53，通过正极端子(P端子)57做媒介，与电容器90的正极侧电容器电极电连接；下臂的IGBT62的集电极，通过负极端子(N端子)58做媒介，与电容器90的负极侧电容器电极电连接。相当于各臂的中点部分(上臂的IGBT52的集电极和下臂的IGBT62的集电极的连接部分)的中间电极69，通过交流连接器88做媒介，与电动发电机组92的电枢绕组的对应的相绕组电连接。在本实施方式中，由上下臂构成的1个上下臂串联电路50，成为半导体模块的主要的电路构成要素，这一点将在后文详细讲述。
电容器90，是旨在构成抑制IGBT52、62的开关动作产生的直流电压的变动的平滑电路的部件。电容器90的正极侧电容器电极通过交流连接器38做媒介，与电瓶36的正极侧电连接；电容器90的负极侧电容器电极则通过交流连接器38做媒介，与电瓶36的负极侧电连接。这样，电容器90就在上臂IGBT52的集电极53和电瓶36的正极侧之间和下臂IGBT62的集电极和电瓶36的负极侧之间连接，电瓶36与上下臂串联电路50电气性地并联。
控制部70，是为了使IGBT52、62动作的元件，具备控制电路72和驱动器电路74，前者根据来自其它的控制装置及传感器的输入信息，生成旨在控制IGBT52、62的开关时刻的时刻信号，后者则根据控制电路72输出的时刻信号，生成为了使IGBT52、62进行开关动作的驱动信号。
控制电路72，具备旨在对IGBT52、62的开关时刻进行运算处理的微型计算机(以下称作“微机”)。作为输入信息，向微机输入对于电动发电机组92要求的目标转矩值、由上下臂串联电路50供给电动发电机组92、94的电枢绕组的电流值以及电动发电机组92、94的转子的磁极位置。目标转矩值，是根据未图示的上级的控制装置输出的指令信号产生的数据。电流值则是根据电流传感器80输出的检出信号检出的数据。而磁极位置是根据电动发电机组92设置的旋转磁极传感器(未图示)输出的检出信号检出的数据。在本实施方式中，以检出三相的电流值的情况为例进行了讲述，但是也可以检出两相的电流值。
控制电路72内的微机，根据目标转矩值，计算电动发电机组92的d、q轴的电流指令值，根据该计算的d、q轴的电流指令值和检出的d、q轴的电流值的差分，计算d、q轴的电压指令值，再根据检出的磁极位置，将该计算出的d、q轴的电压指令值，变换成U相、V相、W相的电压指令值。然后，微机根据U相、V相、W相的电压指令值，比较基本波(正弦波)和载波(三角波)，生成脉冲状的调制波，将该生成的脉冲状的调制波，作为PWM(脉冲宽度调制)信号，向驱动器电路74输出。与各相的上下臂对应，6个PWM信号由微机向驱动器电路74输出。作为由微机输出的时刻信号，也可以使用矩形波信号等其它信号。
驱动器电路74，由将多个电子电路部件集成一个的集成电路即所谓驱动器IC构成。在本实施方式中，以对于各相的上下臂的每一个设置一个IC的情况(1臂in 1模块：1in1)为例，进行了讲述。但是也可以采用对于各臂的每一个设置一个IC(2in1)或与所有的臂对应设置一个IC(6in1)的结构。驱动器电路74驱动下臂时，将PWM信号放大，将它作为驱动器信号，向对应的下臂的IGBT62的栅电极输出；驱动上臂时，将PWM信号的基准电位移位到上臂的基准电位后，将PWM信号放大，将它作为驱动器信号，向对应的上臂的IGBT52的栅电极输出。这样，各IGBT52、62，根据输入的驱动器信号进行开关动作。
另外，控制部70进行异常检知(过电流、过电压、过温度)，保护上下臂串联电路50。因此，感觉信息被输入控制部70。例如由各臂的信号用发射极端子55、65流入各IGBT52、62的发射极的电流的信息，被输入对应的驱动部(IC)。这样，各驱动部(IC)进行过电流检知，检知到过电流时，使对应的IGBT52、62的开关动作停止，从过电流中保护对应的IGBT52、62。上下臂串联电路50的温度信息，由上下臂串联电路50设置的温度传感器(未图示)向微机输入。另外，上下臂串联电路50的直流正极侧的电压信息输入微机。微机根据这些信息，进行过温度检知及过电压检知。检知到过温度或过电压时，使所有的IGBT52、62的开关动作停止，从过温度或过电压中保护上下臂串联电路50(进而保护包含该电路的半导体模块)。
在图2中，上下臂串联电路50是上臂的IGBT52及上臂的二极管56和下臂的IGBT62及下臂的二极管66的串联电路，IGBT52、62是开关用半导体元件。换流器电路44的上下臂的IGBT52、62的导通及截止动作，按照一定的顺序切换，该切换时的电动发电机组92的定子绕组的电流，在由二极管56、66形成的电路中流动。
上下臂串联电路50，如图所示，具备Positive端子(P端子、正极端子)、Negtive端子(N端子、负极端子)、来自上下臂的中间电极69的交流端子59、上臂的信号用端子(信号用发射极端子)55、上臂的栅电极端子54、下臂的信号用端子(信号用发射极端子)65、下臂的栅电极端子64。另外，电力变换装置100，在输入侧具有直流连接器38，在输出侧具有交流连接器88，通过各自的连接器，将电瓶36与电动发电机组92连接。
图3是表示作为产生向电动发电机组输出的三相交流的各相的输出的电路，在各相中使用两个上下臂串联电路50的电力变换装置的电路结构的图形。电动发电机组的容量增大后，用电力变换装置变换的电力量就变大，在换流器电路44的各相的上下臂直流电路中流动的电流值就增大。增大上下臂的电气性的容量后，输入能够与变换电力的增大对应，但是最好增大换流器模块的生产量，在图3中，增加标准化生产的换流器模块的使用个数，从而与变换的电力量的增大对应。图3作为一个例子，是并联2个换流器电路44的各上下臂直流电路，与电动发电机组的容量一致，增大换流器电路44的容量的电路结构。
作为电力变换装置的具体结构，对于U相，并联上下臂串联电路50U1和上下臂串联电路50U2，连接各交流端子59-1和59-2，作为交流电力线，作为去往电动发电机组的U相用，P端子设置57-1(P1端子)和57-2(P2端子)，N端子设置58-1(N1端子)和58-2(N2端子)。V相及W相也同样分别并联。
在该电路结构中，最好使并联的各相的上下臂串联电路例如上下臂串联电路50U1和50U2的各P端子和N端子之间的电压相等，并且始终均等地向各上下臂串联电路50U1和50U2分配电流。因此，最好尽量使并联的上下臂串联电路50U1和50U2的分布阻抗及其它的电气性的条件相同。
在以下讲述的本实施方式涉及的电力变换装置中，由于将内置上下臂串联电路50U1的半导体模块50U1和内置上下臂串联电路50U2的半导体模块50U2邻接后配置，同时使这些各P端子及N端子和电容器模块的端子之间的间隔相等，而且还使连接方法等电气性的条件一致(参照图13)，所以流入内置各相例如构成U相的上下臂串联电路50U1的半导体模块50U1和内置上下臂串联电路50U2的半导体模块50U2的电流大致相等，这些半导体模块50U1和50U2的端子电压也大致相等。因为构成换流器电路44的各相的并联的上下臂串联电路，在同样的时刻进行开关动作，所以U相、V相、W相等各相相同的信号，由控制部70发送给构成这些相的上下臂串联电路。
另外，如图1所示，车辆具有两个电动发电机组时，车辆成为具有2组图2或图3所述的电力变换装置。成为图2的电路还是成为图3的电路，如上所述，根据电动发电机组的规格决定。在图2所述的电路中，对于电动发电机组的电力不足时，增加图3所示的标准化的半导体模块的使用数量。对于2个电动发电机组，虽然可以分别设置图2或图3所述的电力变换器。但是给一个电力变换装置设置二个换流器电路，在一个水路壳体中设置二个构成换流器电路的半导体模块，远比设置2个电力变换装置小。另外，从生产性及可靠性的角度上说，也比设置2个电力变换装置优异。这种具备2个换流器电路的电力变换装置，将在后文使用图7加以讲述。
再接着，参照图18～图28，详细讲述本发明的实施方式涉及的电力变换装置中半导体模块的制造方法。图18是表示本发明的实施方式涉及的电力变换装置中的带内置上下臂串联电路的散热翅片的半导体模块的外形图。图19是图18所示的半导体模块的剖面图。图20是包含外壳的半导体模块的展开图。图21是图20所示的半导体模块的剖面图。
另外，图22是展开本实施方式涉及的半导体模块的一侧的散热翅片(A侧)和另一侧的散热翅片(B侧)后立体性地表示其内部结构的图形。图23是表示被半导体模块的散热翅片(A侧)的内侧固定的上下臂串联电路的结构的图形。图24是表示被半导体模块的散热翅片(B侧)的内侧固定的上下臂串联电路的结构的立体图。图25是表示被半导体模块的散热翅片(A侧)的内侧固定的上下臂串联电路的结构的立体图。图26是图25的正面图。图27是表示被半导体模块的内侧真空热压接的导体板的结构和引线接合状态的立体图。图28是讲述通过绝缘薄板作媒介，将导体板真空热压接到半导体模块的散热翅片上的图形。
在图18～图21中，本实施方式涉及的半导体模块500，具备一侧的散热翅片(A侧)522(此外，所谓“散热翅片”，并非只指有凹凸的翅片形状的部分，而是指散热金属的整体)、另一侧的散热翅片(B侧)562、被两散热翅片522、562夹住的上下臂串联电路50、包含上下臂串联电路的正极端子532、负极端子572及交流端子582在内的各种端子、顶壳512、底壳516及侧壳508。如图19和图20所示，通过绝缘薄板作媒介，分别被散热翅片(A侧)522和散热翅片(B侧)固定的导体板上的上下臂串联电路(其制造方法将在后文讲述)，在被散热翅片(A侧)522和散热翅片(B侧)夹住的状态下，安装底壳516、顶壳512及侧壳508，然后从顶壳512一侧向两散热翅片522、562之间充填铸型树脂，使它们成为一体化结构后，形成半导体模块500。
半导体模块500，其外观如图18所示，形成紧靠冷却水路的散热翅片(A侧)522和散热翅片(B侧)，上下臂串联电路的正极端子532(相当于图2的P端子57)、负极端子572(相当于图2的N端子58)、交流端子582(相当于图2的交流端子59)、信号用端子(上臂用)552、栅极端子(上臂用)553、信号用端子(下臂用)556、栅极端子(下臂用)557，从顶壳512突出的结构
半导体模块500的外观形状近似长方体形状，散热翅片(A侧)522和散热翅片(B侧)的面积较大，如果使散热翅片(B侧)的面为前面、使散热翅片(A侧)的面为后面，那么具有侧壳508的一侧及其相反侧的两侧面及底面、上面，与所述的前面或后面相比，就显得狭小。半导体模块的基本形状近似长方体，散热翅片(B侧)及(A侧)是方形，所以切削加工容易。另外，半导体模块采用在生产线上不容易颠倒的形状，所以生产性能优异。进而，散热面积对于整体的体积而言的比例大，能够提高整体的冷却效果。
此外，在本实施方式中，散热翅片(A侧)522或散热翅片(B侧)能够用一个金属制造旨在夹住半导体芯片的同时还保持半导体模块内部的导体的金属板和旨在散热的翅片。该结构在提高散热效率上非常优异。不过，虽然稍稍降低散热效率，但是也可以采用单独形成旨在夹住半导体芯片的同时还保持半导体模块内部的导体的金属板和散热翅片后，再将它们粘贴到一起的结构。
另外，将正极端子532(相当于图2的P端子57)、负极端子572(相当于图2的N端子58)、交流端子582(相当于图2的交流端子59)、信号用端子(上臂用)552、栅极端子(上臂用)553、信号用端子(下臂用)556、栅极端子(下臂用)557，集中在近似长方体形状的狭小的一面——上面后，在容易将半导体模块500插入水路壳体的这一点上，非常优异。另外，这种设置端子的上面的外形，如图18所示，比底面侧的外形大地制造，能够在生产线等上移动半导体模块时保护最容易受伤的端子部。就是说，使顶壳512的外形大于底壳516的外形地制造后，除了具有后文讲述的冷却水路开口的密闭性优异的效果以外，还具有在半导体模块的制造时及搬运时、向水路壳体安装时，保护半导体模块的端子的效果。
采用上述端子的配置后，正极端子532和负极端子572，各自的断面积是长方形的板状形状，进而被互相相对地、靠近半导体模块的一个侧面地配置。因为在侧面侧配置正极端子532和负极端子572，所以向电容器模块等的布线容易。另外，正极端子532及负极端子572的连接端和交流端子532的连接端，在半导体模块的前后方向(连接半导体模块的两侧面的方向)中，互相错开地配置。因此，在电力变换装置的生产线上，容易确保使用旨在使正极端子532及负极端子572的连接端与其他部件的连接和交流端子532的连接端与其他部件的连接的器具的空间，生产性优异。
汽车用的电力变换装置，有可能冷到负30度以下、接近负40度的地步。另外，还有可能成为100度以上甚至接近150度的温度。这样，必须充分考虑被汽车搭载的电力变换装置的使用温度范围广、热膨胀变化大的情况。另外，还始终在被外加振动的环境中使用。使用图18～图21讲述的半导体模块500，具有用两个散热金属夹住半导体芯片的结构。在本实施方式中，作为散热金属的一个例子，使用散热性能优异的具有散热翅片的金属板，在本实施方式中作为散热翅片522(A侧)散热翅片562(B侧)讲述。
在上述夹住半导体芯片的结构中，具备用顶壳512和底壳516固定上述两个散热金属的两侧的结构。特别顶壳512和底壳516，具有从上述两个散热金属的外侧将其夹住后固定上的结构。采用这种结构后，能够始终从散热金属的外侧朝着内侧外加力，防止由于振动及热膨胀而在两个散热金属之间产生要相互分开的方向的较大的力。能够获得即使长期被汽车搭载也不出故障的、可靠性高的电力变换装置。
进而，在本实施方式中，因为采用在上述两个散热金属的基础上，还包含侧壳508在内，用顶壳512和底壳516，从外周侧夹住它们后固定的结构，所以可以进一步提高可靠性。
采用使半导体模块500的正极端子532、负极端子572、交流端子532、信号用端子552和554、栅极端子553和556，通过一个外壳——顶壳512的内部的孔作媒介，向外部突出，再将该孔用铸型树脂502密闭的结构。作为顶壳512，使用高强度的材质，或者考虑上述两个散热金属的热膨胀系数后，用热膨胀系数接近的材料例如用金属材料制造。上述铸型树脂502，起吸收顶壳512的热膨胀变化产生的应力后，减少外加给所述端子的应力的作用。因此，本实施方式的电力变换装置，如上所述，能够在温度变化的范围广的状态或者始终被给于振动的状态中使用，具有很高的可靠性。
下面，参照图22～图28，讲述在两个散热翅片之间被夹住的上下臂串联电路(作为例子2臂in1模块的结构)为例，进行了讲述。但是也可以采用对于各臂的每一个设置一个IC(2in1)的形成方法和结构。
按照顺序，表示本实施方式涉及的半导体模块的制造方法的基本性的制造工艺。将散热金属板例如在本实施方式中具备翅片结构的金属板——散热翅片(A侧)522和散热翅片(B侧)562作为基础原料，在各自的内侧，真空热压接固定绝缘薄片(A侧)524和绝缘薄片(B侧)564(参照图28)，在绝缘薄片524(A侧)上，真空热压接固定正极侧的导体板534及第1导体板544，在绝缘薄片564(B侧)上，真空热压接固定负极侧的导体板574及交流用的导体板(第2导体板)584。如图25和图26所示，将导体板534、544固定到散热翅片(A侧)522及绝缘薄片(A侧)524上；如图24所示，将导体板574、584固定到散热翅片(B侧)562及绝缘薄片(B侧)564上。
进而，与此同时，在绝缘薄片524(A侧)上固定信号用端子(上臂用)552的信号用导体554、栅极端子(上臂用)553的栅极用导体555、信号用端子(下臂用)556的信号用导体558、栅极端子(下臂用)557的栅极用导体559。这些配置关系，如图23所示。
绝缘薄片(A侧)524和绝缘薄片(B侧)564，在作为将以下讲述的构成换流器电路的上下臂串联电路的半导体芯片、导体、散热翅片(A侧)522及散热翅片(B侧)562电气性绝缘的绝缘部件发挥作用的同时，还起形成将来自半导体芯片等的发生热传递给散热翅片(A侧)522及散热翅片(B侧)562的热传导路线的作用。作为绝缘部件，既可以是树脂制的绝缘薄片或绝缘板，也可以是陶瓷基板。例如是陶瓷基板时，绝缘部件的厚度最好为350μm以下；是绝缘薄片时，最好进一步薄到50μm～200μm。但是，在降低后文讲述的电感中，绝缘部件越薄效果越大，与陶瓷基板相比，树脂制造的绝缘薄片特性优异。
接着，使软钎焊料层537、541、546、549介于其间，将IGBT芯片538、547及二极管芯片542、550软钎焊到散热翅片(A侧)522的导体板534、544设置的凸部536、540、545、548上(参照图23)。这时，正极侧的导体板534和第1导体板544以互相绝缘的状态设置，将IGBT芯片及二极管芯片软钎焊到这些导体板534、544上。进而，如图2所示，和芯片547、550同样，将连接上臂的发射极和下臂的集电极的连接板594，软钎焊到第1导体板544上，连接板594与交流用的导体板(第2导体板)584相接地连接后，构成上下臂的中间电极69(参照图2)。
再接着，在被软钎焊到散热翅片(A侧)522的导体板534上的上臂的IGBT 538的信号用发射极661和信号用端子(上臂用)552的信号用导体554之间及上臂的IGBT 538的信号用删极662和删极端子(上臂用)553的删极用导体555之间，用引线接合连接(参照图27)。同样，在被软钎焊到散热翅片(A侧)522的第1导体板544上的下臂的IGBT 547的信号用发射极和信号用端子(下臂用)556的信号用导体558之间及下臂的IGBT547的删电极和删极端子(下臂用)557的删极用导体559之间，用引线接合连接(参照图27)。
如图23所示，将构成上臂和下臂两者的半导体芯片固定到散热翅片中的一个——散热翅片(A侧)522上，在这些半导体芯片上设置旨在控制信号的信号用导体554、558和栅极用导体555、559。这样，因为在一个绝缘部件上固定上下臂用的半导体芯片及其控制线，所以能够在制造工序中集中引线接合等的信号线和半导体芯片的连接作业，提高生产性和可靠性。
另外，象汽车用的情况那样，在振动较大的环境中使用时，由于应该布线的半导体芯片和另一方的控制线，这两者被相同的部件——一个散热翅片固定，所以提高了耐振性。
在图23所示的结构中，使上臂用的半导体芯片和下臂用的半导体芯片朝着相同的方向，即各自的集电极面被绝缘部件——绝缘薄片524固定。这样地使半导体芯片的方向一致后，能够提高作业效率。这对于二极管芯片来说也同样。
在图23所示的结构中，在端子的引出方向中，分作靠深侧和靠外侧，配置上臂用的半导体芯片和下臂用的半导体芯片。该端子的引出方向，如后文所述，与插入水路的方向一致。在插入水路的方向中，分作靠深侧和靠外侧，配置上臂用的半导体芯片和下臂用的半导体芯片。采用这种配置后，半导体模块内的电气部件的配置能够按照要求进行，作为整体被小型化。另外，因为热源被有规则地分开(发热源——多个IGBT内的各IGBT的通断有规则地变化后动作)，所以在热的分散方面优异，另外因为散热面被有规则地分开，所以半导体模块比较小型化后，散热面也能够有效地发挥作用，提高冷却效果。
接着，讲述散热翅片(B侧)562。散热翅片(B侧)562通过绝缘部件——绝缘薄片做媒介，与被真空热压接的导体板固定在一起。如图24所示，引出交流端子582的交流用的导体板584和引出负极端子572的负极侧的导体板574，以互相绝缘的状态，配置在缘部件——绝缘薄片564上，在各自的导体板574、584上，如图所示，设置凸部576、578、586、588。凸部576、586与IGBT芯片连接，凸部578、588与二极管芯片连接。
在图24中，如局部放大图S1所示，D1和D2表示凸部的厚度，D1＞D2，是因为二极管芯片比IGBT芯片厚的缘故。在散热翅片(A侧)522的内侧，如图23所示，上臂的发射极和二极管的阳极，成为突出到具有正极端子532的正极侧的导体板534上的形状。另外，下臂的发射极和二极管的阳极，成为突出到导体板544上的形状，而且构成中间电极69的连接板594也成为突出到导体板544上的形状。
接着，如图22所示，使散热翅片(A侧)522和散热翅片(B侧)562相对，使散热翅片(B侧)562的导体板574、584上的凸部586、588、576、578电极相互面对后进行软钎焊，以便将散热翅片(A侧)522的IGBT芯片538、547和二极管芯片542、550的电极连接在一起。另外，将在散热翅片(A侧)522的第1导体板544上设置的连接板594，与散热翅片(B侧)562上设置的交流用的导体板584相互面对地配置后进行软钎焊。接着，用粘接剂将底壳516、顶壳512及侧壳508与成为一体性的结构的散热翅片(A侧)522及散热翅片(B侧)562粘接在一起(参照图20)。进而，从顶壳的孔513向内部充填铸型树脂，形成半导体模块500。
如图22及图24所示，在一个绝缘部件上配置直流端子中的一个和交流端子。这样，采用在散热翅片(B侧)562上配置布线部件、在散热翅片(A侧)522上集中配置半导体芯片的结构后，能够提高生产性。
另外，正极端子532及负极端子572、交流端子532和半导体模块内部的各自的导体板534、574、584成为一体地形成，能够提高生产性。进而，在通过绝缘部件做媒介，将这些导体分别与散热金属固定到一起的同时，还夹住半导体芯片。在来自被夹住的半导体芯片的反作用力的作用下，这些导体分别接收挤压散热金属的方向的力，从而提高上述固定到一起的可靠性。如上所述，因为端子和各自的导体一体地形成，所以不仅导体，而且端子的固定到一起的可靠性也得到提高。这样，在汽车的电力变换装置中采用上述结构的半导体模块时，能够在外加振动等的环境中，维持很高的可靠性。
接着，参照图34和图35，主要讲述本实施方式涉及的半导体模块中的煞费苦心的电路配置带来的低电感化。首先，在这之前，使用图2、图22、图24、图25，再度归纳讲述半导体芯片的安装方法。在这里，讲述上臂，在散热翅片(A侧)522中，将由IGBT和二极管构成的半导体芯片的集电极和阳极软钎焊到成为正极端子532(P端子)的正极板的导体板534(Cu引出线)上，使IGBT的集电极和二极管的阳极露出半导体芯片的表面。在散热翅片(B侧)562中，在交流用的导体板584(Cu引出线)上，与散热翅片(A侧)522的集电极和阳极相对，设置凸部586、588。在交流用的导体板584的延长部上，设置交流端子582(与电动发电机组92的U相、V相或W相连接的端子)。然后，将散热翅片(A侧)522和散热翅片(B侧)562重叠后进行软钎焊，从而形成图2的上臂52、56电路，交流端子5 82和正极端子532，如图18、图22所示，成为从顶壳5 12中突出的形状。
以上，讲述了基本的结构。在本实施方式中，在给散热翅片(A侧)522和散热翅片(B侧)562添加上述的上臂(上半导体芯片)的基础上，还同样形成下臂(下半导体芯片)。如图23所示，和上臂一样，将作为下臂的图2的IGBT62和二极管66软钎焊到散热翅片(A侧)522的导体板544上。这时，散热翅片(A侧)522的导体板成为上下二级，将上下臂的半导体芯片软钎焊到各自的级中，使IGBT的发射极和二极管的阳极露出其表面。在散热翅片(B侧)562的导体板574、584上，在与散热翅片(A侧)522的上下臂的发射极和阳极相对的位置，设置凸部576、578、586、588，在散热翅片(B侧)562的下级的导体板574的延长部上设置负极端子572的同时，还在上级的导体板584的延长部上设置交流端子582。
采用这种结构后，上臂的IGBT芯片538的发射极和阳极542，通过凸部586和凸部588，与交流端子582连接，进而，下臂的IGBT芯片547的发射极547和阴极，通过导体板544及突起形状的连接板594，与交流用导体板584连接后与交流端子582相通，再进而，上臂的发射极547和阳极550，通过凸部576、578，与负极端子572相通，形成图2的所示的电路结构。图23表示散热翅片(A侧)522的对接面，图24表示散热翅片(B侧)562的对接面，将这些对接面对接后进行软钎焊，就形成半导体模块的主要部分。
如图18～28所示，在本实施方式涉及的电力变换装置中，半导体模块500具有用2个散热金属夹住半导体芯片的结构。此外，在该实施方式中，作为散热金属的一个例子，使用具有热散发功能优异的散热翅片的金属板、散热翅片522(A侧)散热翅片562(B侧)。半导体芯片——IGBT芯片538及547成为被用2个散热金属的内侧设置的导体板夹住的结构。采用该结构后，作为电气连接用软钎焊料，能够使用低熔点软钎焊料。使用低熔点软钎焊料时，使软钎焊料熔化，将半导体芯片固定到一个散热金属上后，在用另一个散热金属夹住进行电连接的过程中，上述软钎焊料部分有可能再度熔化。
可是，如上所述，因为采用牢固地夹住半导体芯片的两侧电极(例如在本实施方式中是集电极和发射极)的固定方法，所以软钎焊料层即使再度熔化也不会产生成为障碍的问题。因此，能够使用低熔点软钎焊料。低熔点软钎焊料与高熔点软钎焊料相比，不仅生产性好，而且热传导性优异，采用能够使用低熔点软钎焊料的结构后，可以获得耐热性优异的半导体模块，在汽车搭载的电力变换装置中应用时，从可靠性的角度上说，可以获得很好的效果。
如图18～28所示，在本实施方式涉及的电力变换装置中，半导体模块500具有用2个散热金属夹住半导体芯片的结构。这样地采用用2个散热金属夹住半导体芯片的结构后，能够获得可以在始终被外加振动进而使用温度范围非常广的环境中使用的汽车用的电力变换装置。另外，在本实施方式中，具有用顶壳512固定夹住半导体芯片的所述2个散热金属的上侧、半导体模块的正极端子532、负极端子572、交流端子532从所述顶壳512向外突出的结构，在向外突出的所述半导体模块的正极端子532、负极端子572、交流端子532的根部，具有端子的断面积变窄的部分。各端子的半导体模块内部的导体534、574、584，被一个或另一个散热金属固定，成为耐振动的结构。进而，虽然没有图示，但是在向外部突出的端子和所述内部导体之间，分别设置断面积较小的部分，从而减少来自外部的振动产生的应力及热膨胀产生的应力原封不动地外加给内部导体。
接着，使用图34和图35，讲述本实施方式中的半导体模块的低电感化。因为构成换流器电路的上或下臂的开关动作时产生过渡性的电压上升及半导体芯片的较大的发热，所以特别希望减少开关动作时的电感。由于过渡时产生二极管的恢复电流，所以根据该恢复电流，作为一个例子，以下臂的二极管66的恢复电流为例，讲述减少电感的作用。
所谓“二极管66的恢复电流”，是与反向偏置无关地流入二极管66的电流，一般来说起因于在二极管66的顺向的状态下在二极管66内充满的载流子。构成换流器电路的上或下臂的导通动作或截止动作按照规定的顺序进行，从而在换流器电路的交流端子上，产生三相交流电力。现在假设作为上臂动作的半导体芯片52，从导通状态切换成截止状态，通过下臂的二极管66做媒介，还流电流在维持电动发电机组92的电枢绕组的电流的方向流动。该还流电流，是二极管66正向电流，二极管的内部充满载流子。接着，作为上臂动作的半导体芯片52，从截止状态切换成导通状态后，起因于上述载流子的恢复电流流入下臂的二极管66。在正常的动作中，上下臂串联电路中的某一个一定处于截止状态，短路电流不会流入上下臂。但是过渡状态的电流例如二极管的恢复电流，却在用上下臂构成的串联电路中流动。
在图34和图35中，作为上臂串联电路的上臂动作的IGBT(开关用半导体元件)52，从截止变成导通时，二极管66的恢复电流，由正极端子532(57)通过二极管66，流入负极端子572(58)(图中用箭头表示)。此外这时，IGBT62处于截止状态。分析这时的恢复电流，如图34所示，在正极端子532和负极端子572的附近，导体板被平行配置，而且朝着相反的方向的同一个电流流过。于是，在导体板之间的空间，电流产生的磁场互相抵消，结果电流经过的线路的电感降低。
就是说，正极侧的导体534及端子532和负极侧的导体574及端子572接近后对抗地配置的层压(laminate)状态，产生减少电感的作用。图35是图34的等效电路，正极侧的导体534及端子532的等效线圈712，和负极侧的导体574及端子572的等效线圈714朝着相互抵消磁通的方向，发挥作用，减少电感。
进而，分析图34所示的恢复电流的线路，继反方向而且平行的电流的线路之后，产生环形的线路。电流在该环形的线路中流动后，涡流605、606就流入散热翅片(A侧)和散热翅片(B侧)，利用该涡流产生的抵消磁场的效果，起到减少环形的线路中的电感的作用。在图35的等效电路中，用电感722、724和726等效地表现产生涡流的现象。这些电感因为被靠近散热翅片——金属板地配置，所以感应产生的涡流和和产生涡流的磁通成为互相抵消的关系，其结果能够利用涡流效应降低半导体模块的电感。
综上所述，采用本实施方式涉及的半导体模块的电路结构的配置后，能够利用层压配置产生的效果和涡流产生的效果，降低电感。降低开关动作时的电感，非常重要，在本实施方式的半导体模块中，将上臂和下臂的串联电路收纳在半导体模块内，因此对于在上下臂串联电路中流动的二极管的恢复电流，能够实现低电感化等，过渡性的状态中的电感降低效果很大。
电感降低后，半导体模块产生的感应电压变小，能够获得低损耗的电路结构。另外，电感较小后，还能够提高开关速度。进而，虽然将在后文使用图31加以讲述，但并列多个由以上所述的上下臂串联电路50构成的半导体模块500，和电容器模块95内的各个电容器连接后实现大容量时，通过降低半导体模块500本身的电感，能够减少电力变换装置100内的半导体模块500产生的电感的离差的影响，使换流器装置的动作稳定。
另外，要求电动发电机组大容量化(例如400A以上)时，电容器90也需要大容量，如图31所示，并列连接多个电容器90，再如图所示并列状地配置电容器端子96后，各个半导体模块的正极端子532及负极端子572和各个电容器端子96成为等距离连接，流入各自的半导体模块的电流被均等地分配，能够实现平衡良好的低损失的电动发电机组的动作。进而，并列配置半导体模块的正极端子和负极端子后，可以利用层压效果，在降低电感的同时，进行低损失的动作。
接着，对于本实施方式涉及的电力变换装置的结构例，讲述图面绘出的具体内容。图18是表示本发明的实施方式涉及的带散热翅片的半导体模块的外形图。图19是从箭头方向观察图18所示的点划线剖面的半导体模块的剖面图，图20是本实施方式涉及的半导体模块的展开图，是表示上下臂串联电路的各种端子、散热翅片、外壳的图形。另外，图21是从箭头方向观察图20所示的点划线剖面的图形，是表示粘接底壳516和顶壳512后被散热翅片522、562固定的图形。图22是表示对本实施方式涉及的半导体模块中的散热翅片(A侧)的导体板设置的IGBT芯片及二极管芯片、连接板和散热翅片(B侧)的导体板的凸部进行软钎焊的情况的展开图。
图23是表示在散热翅片(A侧)的导体板上如何配置IGBT芯片及二极管芯片、连接板的具体性的结构的图形，其详细内容如上所述。图24表示在散热翅片(B侧)的导体板上的凸部的具体性的配置，在局部放大图S1中，凸部的厚度D1和D2不同，这如前所述。图25是表示在散热翅片(A侧)的导体板上的凸部的具体性的配置的立体图，S2是局部放大表示，D3表示凸部540的厚度，D4表示凸部536的厚度，D5表示凸部592的厚度，厚度不同，是补偿二极管芯片、IGBT芯片、连接板594各自本身的厚度的结果。图26是图25的正面图。图27是表示散热翅片(A侧)的导体板和散热翅片(B侧)的导体板互相重叠的状态，和上下臂串联电路的IGBT中的发射极端子661及栅极端子662和信号用导体554及栅极用导体555的引线接合状态的图形。图28是表示将绝缘薄板524、564真空热压接到散热翅片522、562上的图形。
在图23和图27中，将上臂52的发射极538绘成矩形形状，隔着该矩形形状的发射极538，在其上部形成信号用发射极端子661(相当于图2的符号55)和栅极端子662(相当于图2的符号54)。如上所述，将信号用发射极端子661和信号用导体554引线接合，将栅极端子662和栅极用导体555引线接合。在散热翅片(B侧)562中，覆盖矩形形状的发射极538地形成凹部形状的交流用导体板584，通过该凹部的凹陷部分，露出信号用发射极端子661和栅极端子662。在图23和图27所示的结构例中，绘出散热翅片(A侧)522设置的矩形形状的发射极538和散热翅片(B侧)562设置的凹部形状的交流用导体板584。
图27所示的用虚线框包围的放大表示图所示的发射极538和交流用导体板584，在IGBT芯片的发射极的形状中，从电流容量及散热的观点出发，进行了改善，这里使用图41，讲述通过该形状变更进行的改善。普通的IGBT，如图23所示，发射极大致呈四边形，在该四边形的外侧区域，设置信号用发射极端子661和栅极端子662，进而按照需要设置其它的电极。这时，如图24所示的那样，大致呈四边形的发射极和导体574及导体584电连接。
在图27和图41中，加大了IGBT芯片52中的发射极538的面积的比例。就是说，取代图23所示的矩形形状，将发射极的区域做成凹状，以便只使信号用发射极端子661和栅极端子662露出。在该凹部的区域，设置信号用发射极端子661和栅极端子662，进而按照需要设置其它的电极。进而在上述导体584及574也设置凹部，形成将和发射极的连接面积扩大的结构，以便使具有凹部的扩大的发射极和交流用导体板584及导体574的电连接。该发射极的面积扩大后，在降低IGBT芯片52的发射极的电流密度的同时，还增大散热面积。进而，与面积扩大的发射极538的凹状的外缘相对地在交流用导体板584及导体574上设置凹状，从而扩大导体板584及574的面积(图24所示的交流用导体板584及574，以与发射极对应的形状，和不具有凹状的凹陷部分相比，图27及图41具有凹陷部分)，提高热扩散。
接着，使用图31、图32及图33，讲述本实施方式涉及的半导体模块和电容器模块的连接。这里，虽然可以用一个电解电容器或薄膜电容器构成电容器模块，但是用较小的体积获得较大的电容是其首选，最好将多个电解电容器或薄膜电容器电气性地并联后构成。另外，将多个单位电容器并联后，再用散热性优异的金属覆盖其外侧，可以获得小型的可靠性高的电容器模块。与薄膜电容器相比，电解电容器的发热量大，其效果尤佳。
另外，用金属覆盖外侧后，电容器模块内的单位电容器在电力变换装置内的固定牢固，耐振动。例如在汽车等的振动中，包含各种成分的频率，上述电容器模块内的单位电容器有可能产生共振。最好将一个或多个单位电容器牢固地固定在电容器模块内，进而如后文所述，将电容器模块牢固地固定在电力变换装置内，例如牢固地固定在水路壳体上。
图31是表示本实施方式涉及的电力变换装置中的电容器模块的连接端子的图形，图32是表示本实施方式涉及的半导体模块和电容器模块的连接状态的立体图，图33是表示该连接状态的剖面图。在图面中，390表示电容器模块，96表示电容器端子，611表示电容器正极端子，612表示电容器负极端子，613表示绝缘导向装置，533表示半导体模块的正极端子的梳齿，573表示半导体模块的负极端子的梳齿，613表示插入口。
电容器模块390，在图示的例子中，与电动机的U相、V相、W相对应，分别设置电容器端子96。与端子96的数量对应，电容器模块内部，分别设置电容器90。
电容器端子96的正极端子611和负极端子612，和半导体模块390的正极端子532和负极端子572的梳齿形状533、573同样，用图示的那种梳齿形状构成。将电容器模块390和半导体模块的连接端子互相做成梳齿形状后，容易进行两者的连接端子之间的焊接及其它固定连接。另外，在电容器模块390的端子的中央部，设置绝缘导向装置613，绝缘导向装置613在实现正极端子611和负极端子612的绝缘的同时，将绝缘导向装置613插入半导体模块的630后，还可以对电容器模块和半导体模块的连接端子彼此之间的连接发挥导向的作用。
在本实施方式中，与半导体模块500的各直流侧的端子对应，设置电容器模块390的直流端子，从而降低电容器模块390的端子和半导体模块的端子之间的电感。象本实施方式这样，直接连接电容器模块的端子和半导体模块的端子，从降低电感的角度上说是理想的，但是也考虑到不能够接近配置电容器模块和半导体模块的状况。如图2及图3所示，电容器和换流器电路的各上下臂串联电路，存在着并联的关系，例如可以使用相对配置了直流正极导体和直流负极导体的直流母线，将该直流母线的一端与电容器模块390的正极端子611和负极端子612连接，将上述直流母线的另一端与半导体模块的正极端子532和负极端子572连接。尽量使导体靠近地相对配置，以便使构成上述直流母线的直流正极导体和直流负极导体各自产生的磁通互相抵消，从而能够抑制电感的增加。
如图3所示，用多个上下臂串联电路的并联构成换流器电路的各相后，使用上述直流母线时也最好将构成各相的并联的多个上下臂串联电路置于电气性相等的条件。这样，最好在上述直流母线的半导体模块的一侧，与构成各相的半导体模块的端子对应，分别设置连接端子，其形状最好是图31的端子96那样的形状。
接着，参照图29和图30，讲述本实施方式涉及的半导体模块的冷却状况。图29是表示本实施方式涉及的半导体模块中的散热翅片(A侧)的冷却水流的图形。图30是表示半导体模块中的冷却水流和电路结构的配置的关系的图形。图中，622表示半导体模块中的上级的冷却水流，623表示半导体模块中的下级的冷却水流。
本实施方式涉及的半导体模块，如上所述，在其内部，同列状地上级配置发热体——上臂的IGBT芯片52和二极管芯片56，同列状地下级配置发热体——下臂的IGBT芯片62和二极管芯片66。在这里，上级相当于将半导体模块500插入冷却水路的插入方向中的靠前的一侧，下级相当于上述插入方向中的靠里的一侧。
给半导体模块500添加在冷却水之间进行热交换的功能，在将冷却水保持成为层流的状态的同时，还具有将冷却水向规定的方向引导的作用。在本实施方式中，通常形成沿着凹凸形状的散热翅片的凹部(槽部)的水平的水流。于是，流入上级的冷却水622，如虚线所示，吸收来自二极管芯片56、IGBT芯片52的发生热，如实线所示，形成通过散热翅片(B侧)的翅片凹部的复路。同样，流入下级的冷却水623，不受来自上级的半导体芯片52、56的发生热的影响，吸收来自IGBT芯片62、二极管芯片66的发生热。这样，采用上下级不同地配置由发热体——IGBT芯片和二极管芯片构成的半导体芯片后，增大了水冷效果。
接着，首先讲述本实施方式涉及的半导体模块的冷却的概要。如图18、图19所示，半导体模块500被与包含上下臂的半导体芯片52、56、62、66的上下臂串联电路50相对的散热翅片(A侧)和散热翅片(B侧)之间夹住、内置，并且被插入图16、图17所示的水路壳体212内。采用使水流过半导体模块500中的形成散热翅片的散热板的两面，从而冷却半导体模块的结构。就是说，采用发热体——半导体芯片被冷却水从两面(即从散热翅片(A侧)522和散热翅片(B侧)562)冷却的两面冷却结构。
在这里，如果回顾一下半导体模块的冷却方式的变迁，就可以看到存在着单面间接冷却方式、单面直接冷却方式、两面间接冷却方式、两面直接冷却方式的进化的倾向。在目前的冷却方式中，大多采用设置多个发热体——开关用半导体元件(IGBT)后，将它们并联(为了使半导体元件负担的发生热分散)，通过润滑脂和绝缘层做媒介，在散热板上设置该并联的半导体元件组的结构。在这种冷却方式中，在半导体元件组的单面上设置散热板，是单面冷却，使润滑脂介于半导体元件组和散热板之间，是间接冷却。润滑脂本来是为了将带绝缘层的导体板(设置半导体元件组的Cu引线)与散热板粘接在一起而使用的物质，因为厚度不匀，所以需要用螺钉紧固。该润滑脂的热传导性良好，但是在粘接性、厚度的均匀性及绝缘性上却存在着难题。
在本实施方式中，例如如图29及图30等所示的那样，进行了各种改良，所以即使是使用上述润滑脂的间接冷却方式，对于现有技术而言，散热效果也得到改善，而且还如上所述，能够获得其它各种效果。如以下所述，因为通过绝缘部件做媒介，将半导体芯片固定在散热用的金属上，所以散热效果得到了进一步改善。作为绝缘部件，有陶瓷板及树脂制的绝缘薄片等，通过它们做媒介，固定到散热金属上后，热传递特性和散热效果都得到改善。对于陶瓷板来说，以下讲述的绝缘薄片的厚度薄，能够获得更大的效果。
本发明的实施方式涉及的电力变换装置，采用两面直接冷却方式即在从半导体模块的两面冷却的同时，还不使用润滑脂，使绝缘薄片介于散热板和半导体芯片搭载的导体板之间后真空热压接。采用两面直接冷却方式后，能够提高冷却性能。在本实施方式中，如用图28、图23讲述的那样，先将散热用的绝缘薄片524、564(例如厚度为100～350mm的绝缘树脂)与由Cu或Al构成的散热翅片(散热板)真空热压接，接着在该绝缘薄片和具有正极和负极端子端子532、572等的导体板534、544、574、584(例如Cu引出线)之间再度真空热压接，进而采用软钎焊，将半导体芯片安装到导体板上，同时如图29所示，通过两面的散热翅片对半导体模块500进行水冷，所以成为两面直接冷却方式。这时，绝缘薄片与润滑脂相比，在粘接性、厚度的均匀性及绝缘性上具有优异的特性。
再接着，参照图4～图7，讲述本发明的实施方式涉及的具备冷却功能的电力变换装置。图4是表示本发明的实施方式涉及的电力变换装置的外形图。图5是表示本实施方式涉及的电力变换装置的内部结构的分解立体图。图6是从本实施方式涉及的电力变换装置中拆去上壳的立体图。图7是从本实施方式涉及的电力变换装置中拆去上壳、内置控制电路72的控制基板370、母线组件的立体图。
图中，电力变换装置100具有在水路壳体212中安装多个半导体模块500、内置驱动器电路74、搭载驱动器IC374的控制基板372，搭载电容器模块390(相当于图31的符号95的部件)和母线组件386，具备由直流连接器38和交流连接器88(参照图2)构成的连接器部280，具有水路的入口部246和出口部248，用下壳142、上壳112和外罩132包围的结构。此外，母线组件386包含连接电容器模块390及半导体模块500的直流端子和直流连接器38的直流总线、连接半导体模块500的交流端子582和交流连接器88的交流总线。
参照图7和图8，水路壳体212大致可以分为水路壳体的本体部214、水路壳体的正面部224和水路壳体的背面部234，具有水路的入口部246和出口部248。在控制基板372中，搭载着控制电路连接器373、驱动器IC374。在图7的示例中，半导体模块500的负极端子572、正极端子532、交流端子582突出，负极和正极的端子572、532与电容器模块390的电容器端子连接(参照图6和图32)。在图7的结构例中，充填了6个上下臂串联电路50(半导体模块500的主要电路)，与图3所示的换流器装置40的电路结构对应。就是说，电动机的U、V、W各相，使用两个上下臂串联电路，实现了对电动发电机组的大容量化。
图8、图9及图10表示对于电瓶36而言，再并联一个图3所示的换流器装置40，使各换流器装置与各自的电动发电机组连接，将向2个电动发电机组供给电力的2个换流器装置用一个水路壳体212收容的结构例。此外，图8、图9及图10所示的结构例，并不局限于向2个电动发电机组供给电力。图8是本实施方式涉及的电力变换装置中的2个换流器装置的结构例，是除了内置控制电路72的控制基板370、母线组件和上壳之外的立体图。图9是本实施方式涉及的电力变换装置中的2个换流器装置的结构例，是除了内置控制电路72的控制基板370、母线组件、上壳及电容器模块之外的立体图。图10是本实施方式涉及的电力变换装置中的2个换流器装置的结构例，是除了内置控制电路72的控制基板370、母线组件和上壳之外的平面图。此外，在图8中，母线组件386配置在控制基板370的上方，并且配置在2组电容器模块390之间。
参照图8、图9及图10，二组半导体模块500以旋转180度的状态，插入水路壳体212。电容器模块390也同样以旋转180度的状态配置。内置驱动器电路74的控制基板372，在各组的半导体模块500之间配置，由一个基板形成。控制电路用连接器373，对于二组半导体模块500而言，作为共同的部件，也可以用一个。对于各相的上下臂，用1个驱动器IC374驱动，用上下臂并联的两个串联电路构成各相(参照图3)。由一个驱动器IC374，对于并联的上下臂串联电路，同时平行地供给控制信号。
对于交流端子而言，将具有驱动器电路的控制基板，配置在与电容器模块390相反侧的位置，进而在对于交流端子而言，与电容器模块390相反侧的位置，配置构成上下臂的半导体开关元件的控制端子。采用该结构后，半导体模块500和电容器模块390的电气性的连接及控制端子和具有驱动器电路74的控制基板372的电气性的连接的关系，成为整齐的状态，有利于小型化。
另外，在具有2个换流器装置的电力变换装置中，如图10所示，在中央配置具有驱动器电路74的控制基板372，从而可以在一个控制基板372上，设置旨在控制2个换流器装置的2个驱动器电路74，在有利于小型化的同时，还能够提高生产性。
接着，参照图11～图17，讲述本实施方式涉及的电力变换装置中向水路壳体装填半导体模块的样态和装填了半导体模块的水路壳体的冷却水的流动样态。
图11是表示装填了本实施方式涉及的半导体模块的水路壳体的冷却水流的剖面图。图12是表示装填了图9所示的2个换流器装置中的半导体模块的水路壳体的冷却水流的剖面图。图13是表示与图3所示的电动发电机组的各相并联的半导体模块的正极端子、负极端子、信号用端子、栅极端子在水路壳体中的配置状况的平面图。图14是展开装填了半导体模块的水路壳体本体部、水路壳体前面部、水路壳体背面部的立体图。图15是展开装填了半导体模块的水路壳体本体部、水路壳体前面部、水路壳体背面部的剖面图。图16是表示将半导体模块装填到水路壳体本体部中的状况的立体图。图17是表示将半导体模块装填到水路壳体本体部中的状况的正面图。
在图11和图12中，212表示水路壳体，214表示水路壳体的本体部，224表示水路壳体的正面部，226表示正面部的入口水路，227表示正面部的折返水路，228表示正面部的出口水路，234表示水路壳体的背面部，236表示背面部的折返水路，246表示入口部，248表示出口部，250～255表示水流。
如图6和后文讲述的图14所示，在入口部246及出口部248和与它们连接的本体部214之间，设置正面部入口水路226及正面部出口水路228(参照图11)，该水路226、228的水路高度，相当于半导体模块500的高度(参照图14的导水部249)。这样，来自入口部246的水流250，在正面部入口水路226中高涨，遍及装填到本体部214中的半导体模块500的散热翅片522、526的整个高度，产生水流。谈到图11所示的水流251、236、253、227，冷却水遍及半导体模块500的散热翅片(B侧)526的整个高度地流动(水流251)，通过背面部234的折返水路236，遍及半导体模块500的散热翅片(A侧)526的整个高度地流动(水流253)，通过正面部224的折返水路227，成为流入下一个半导体模块500的水流。这样，半导体模块500的两面都被冷却
图12表示如图9及图10所示，将2个换流器装置中的半导体模块装填到一个水路壳体后冷却的结构，在一个换流器装置中使用6个半导体模块500-1，在另一个换流器装置中使用6个半导体模块500-2。如图12所示，沿着水路壳体本体部214的水流251、253的方向，纵向连续配置半导体模块500-1和500-2。
在本实施方式中，采用在水路壳体212水设置不与水路相通的开口，将半导体模块500插入所述开口的结构。这样，可以在电子电路生产线水生产半导体模块500进行必要的检查后，固定到水路壳体上，从而在提高生产性的同时，还提高可靠性。
另外，在半导体模块500的两侧，设置面积宽广的冷却翅片，并且利用冷却翅片形成水流。就是说，将半导体模块500插入水路，从而形成向反方向流动的水路，上述冷却翅片不仅散热，而且还起形成反向的层流的作用和形成水路的作用。水路壳体例如用压铸等方法制造，水路的隔挡部分，成为利用上述半导体模块500的翅片形成的结构。这样可以提高生产性。
将半导体模块500插入水路，从而形成向反方向流动的水路，使水路断面积变窄。如果冷却水的供给量相同，那么断面积变小后流速就要增加。因此，可以增加冷却效率。
图14表示将对于去往电动发电机组的各相而言并联半导体模块时(参照图3的电路结构)的6个半导体模块500全部装填到水路壳体中的状况，图16和图17则表示对于水路壳体212的本体部214而言，依次装填半导体模块500的状况。水路壳体的本体部214，由水路形成部270和隔开水路形成部270的隔壁271构成，将半导体模块500从上方装填到水路形成部270中。向半导体模块500的顶壳512及/或水路形成部270的上缘部涂敷粘接剂，将两者固定。如图所示，因为水路形成部270和半导体模块500的散热翅片522、562，是大致相同的尺寸，所以冷却水沿着翅片的凹部流动。
如图14所示，水路壳体212的正面部224，继水路入口部246之后，具备导水部249，该导水部249拥有和本体部214的水路形成部270(参照图16)大致相同的体积。利用该导水部249，遍及半导体模块500的整个高度，形成大致均匀的水流。
如图14和图15所示，水路壳体212被分割成本体部214、正面部224和背面部234，本体部采用应该成为水路的空间向正面侧和背面侧敞开的形状，可以利用将铝作为材料的压铸方法制造。另外，正面部224和背面部234也可以采用压铸方法制造，从而提高了生产性。
图13是表示与去往电动发电机组的各相并联半导体模块时(参照图3的电路结构)的6个半导体模块500中的与水路壳体212相关的配置状况。图3所示的上下臂串联电路50，将U相用作为50U1、50U2，V相用作为50V1、50V2，W相用作为50W1、50W2，如图所示地配置排列。电容器模块的电容器端子96，如图31及图32所示，被配置成和半导体模块500的正极端子532、负极端子572的排列方向相同的方向，由于半导体模块和电容器模块的端子彼此直接结合，所以寄生电感小而且均等，各半导体模块能够均等而且稳定地动作。
另外，尽量使构成UVW等各相的多个上下臂串联电路的电器特性相同，非常重要。例如尽量使构成U相的串联电路50U1和50U2的电器特性相同，非常重要。在本实施方式中，对于构成串联电路50U1的半导体模块500和构成串联电路50U2的半导体模块500的直流端子572和532的排列而言，电容器模块被朝着相同方向地固定，构成串联电路50U1的半导体模块的端子和与之连接的电容器模块的端子的物理性的关系，和构成串联电路50U2的半导体模块的端子和与之连接的电容器模块的端子的关系相同。这样，沿着直流端子排列的方向，配置电容器模块，设置电容器端子，从而能够使并联的串联电路50U1和50U2的电器特性大致相同。
在本实施方式中，半导体模块的端子和电容器模块的端子直接连接，这虽然是最理想的结构，但也未必非要直接连接。例如通过正极导体和负极导体靠近相对的形状的连接导体——例如直流母线作媒介连接，也能够将电感抑制到很低的程度。
另外，控制用或检出用的端子组552、553、556、557，与图7所示的控制基板372藕合地配置。这样，各相起因于半导体模块500和控制基板372内的控制电路及驱动器电路之间的布线的变动成分就小，而且均等。进而，要给用两个半导体模块500并联的各相，再追加一个半导体模块500，用3个半导体模块500并联时，只要在图13中将第3个半导体模块500单独横向排列配置就行，半导体模块500的追加适应性优异。
接着，参照图36～图40，讲述本实施方式涉及的半导体模块的其它结构例和冷却结构。图36是表示本实施方式涉及的半导体模块的其它结构例的立体图。图37是表示本实施方式涉及的半导体模块的其它结构例的剖面图，是从图36的虚线箭头方向观察的图形。图38是讲述本实施方式涉及的半导体模块的其它结构例中的冷却水流的立体图。图39是表示将本实施方式涉及的半导体模块的其它结构例装填到水冷壳体中时的冷却水流的剖面图。图40是表示将本实施方式涉及的半导体模块的其它结构例装填到水冷壳体中时的上下二级的冷却水流的其它剖面图。
图36及图37所示的半导体模块500，与图18所示的半导体模块500相比散热翅片的结构不同，具体地说，在散热翅片(A侧)522和散热翅片(B侧)562中央部，设置了厚度厚的中央翅片570。中央翅片570的位置，是将图2所示的上臂的芯片52、56和下臂的芯片62、66隔成上下的位置，设置该中央翅片570(作为例子，厚度d为其它的翅片厚度的1.5～2倍左右)后，就可以获得将水流分离成上下二级地使其流动的功能。
在图38中，示意性地表示2个半导体模块500的散热翅片中的冷却水流。来自水路入口部246(参照图39)的水流650，只流入第1个半导体模块500的散热翅片(B侧)562的下级部分(中央翅片570的下半部分)形成水流651。接着，在水路壳体的背面部234中成为上升的水流652，在相同的散热翅片(B侧)562的上级部分(中央翅片570的上半部分)形成水流653。再接着，在水路壳体的正面部224中，改变水流的方向，形成散热翅片(A侧)522的上级部分的水流654，然后在背面部234中成为下降流655，形成相同的散热翅片(A侧)522的下级部分的水流656。进而，在正面部224中，改变水流57的方向，对下一个半导体模块500进行冷却。
由图39和图40所示的结构可知：在水路入口部246中，只在半导体模块500的散热翅片(B侧)562的下级部分形成水流651，不流入上级部分，是因为在水路壳体正面部224的入口部246上延长设置的导向部660发挥作用的缘故。另外，利用中央翅片570的厚度d和本体部214的壁面或隔壁271(参照图17)的贴紧性，实现了在下级部分和上级部分流动的水流的隔离。
以下，讲述将图36所示的半导体模块500的其它结构例，装填到图39及图40所示的水路壳体中构成电力变换装置时的冷却效果。以与图14所示的水路壳体中的冷却水的流路(与半导体模块的散热翅片的整个高度对应形成的流路)的对比，进行讲述。如图38所示，将冷却水分离成散热翅片的上级部分和下级部分后使其流动，从而使流路断面积大致成为一半。而且，如果假定流入水路壳体212的入口部246的冷却水的流入流量一定(因为冷却水的流入源的容量大)，那么通过散热翅片的上级部分或下级部分的冷却水的流速就大致成为2倍。流速加快后，来自通过冷却水散热的散热翅片的吸热也与流速对应，其吸热量增多(利用冷却水的吸热量，在流速的某个范围中，大致与流速的大小成正比的增大)。就是说，采用具有图36所示的中央翅片570的半导体模块，在时间上分隔成上级部分和下级部分地形成冷却水的流路后，半导体模块的冷却效果得到进一步提高。
因为如图39所示，将水路壳体分作本体部214、正面部224、背面234，能够用压铸制造法生产，提高生产性。
图42是将图5的控制基板370配置在水路壳体底部的图5的其它实施方式。在图5中，将具有控制电路72的控制基板370配置在外罩132之下，通过信号线76作媒介，由连接器371向具有驱动器电路74的控制基板372发送信号。控制基板370用上壳冷却。
在图42中，将具有控制电路72的控制基板370配置在水路壳体214的底部，固定在水路壳体的底部，从而在冷却控制基板370的同时，还利用底部空间进行配置，在提高冷却效果的基础上，还具有小型化的效果。另外，因为有控制电路72，所以将抗干扰能力弱的控制基板370配置在底部后，隔着水路壳体214，在一面配置半导体模块500的端子，在另一面配置制基板370，从而成为对于噪声的可靠性也高的结构。

Claims (17)

1.一种电力变换装置，具有：内置冷却水路的水路壳体、内置换流器电路的上下臂的串联电路且两面冷却的半导体模块、电容器模块、直流连接器和交流连接器；
所述两面冷却的半导体模块，具有一个面是散热面的第1和第2散热金属，在所述第1与第2散热金属之间，密闭配置所述上下臂的串联电路，所述两面冷却的半导体模块，具有向外部突出的直流正极端子、直流负极端子和交流端子；
在所述水路壳体上，设置有开口，
将所述两面冷却的半导体模块的第1和第2散热金属，从所述开口插入冷却水路的内部，配置多个所述两面冷却的半导体模块；
在所述两面冷却的半导体模块的所述第1和第2散热金属的另一个面一侧，分别配置绝缘部件，在所述绝缘部件之间，配置旨在构成所述上下臂的串联电路的多个半导体芯片；
在所述两面冷却的半导体模块的内部，分别配置分别与所述多个半导体芯片、所述直流正极端子、直流负极端子、交流端子电连接的直流正极导体、直流负极导体和交流导体；
所述两面冷却的半导体模块的所述直流正极端子和直流负极端子，分别与所述电容器模块的端子电连接的同时，还与所述直流连接器电连接，所述多个两面冷却的半导体模块的所述交流端子，分别与所述交流连接器电连接。
2.一种电力变换装置，具有：内置冷却水路的水路壳体、内置换流器电路的上下臂的串联电路且两面冷却的半导体模块、电容器模块；
所述两面冷却的半导体模块，具有在一个面上具有散热翅片的第1和第2散热金属，在所述第1与第2散热金属之间，密闭配置所述上下臂的串联电路，所述两面冷却的半导体模块，具有向外部突出的直流正极端子、直流负极端子和交流端子；
在所述两面冷却的半导体模块中，所述第1与第2散热金属，以散热面朝着外侧地互相相对配置，且二者的间隔小于所述散热金属的沿冷却水路的长度，直流正极端子、直流负极端子和交流端子从被所述第1与第2散热金属夹住的一侧突出，所述直流正极端子与所述直流负极端子相对配置；
在所述水路壳体上，设置有多个开口，
将所述两面冷却的半导体模块的第1和第2散热金属，从所述多个开口插入冷却水路的内部，配置多个所述两面冷却的半导体模块；
所述两面冷却的半导体模块，在所述相对的第1与第2散热金属的另一个面上，分别配置绝缘部件，在所述绝缘部件的内侧，配置旨在构成所述上下臂的串联电路的多个半导体芯片，作为所述上臂发挥作用的半导体芯片与作为所述下臂发挥作用的半导体芯片，在从所述两面冷却的半导体模块的所述开口的插入方向上，互相错开地配置；
在所述两面冷却的半导体模块的内部，分别配置分别与所述上下臂的串联电路、所述直流正极端子、直流负极端子、交流端子电连接的直流正极导体、直流负极导体和交流导体；
所述两面冷却的半导体模块的所述直流正极端子和直流负极端子，分别与所述电容器模块的端子电连接。
3.一种电力变换装置，具有：内置冷却水路的水路壳体、内置换流器电路的上下臂的串联电路且两面冷却的半导体模块、电容器模块；
所述两面冷却的半导体模块，具有在一个面上具有散热翅片的第1和第2散热金属，在所述第1和第2散热金属的另一面上，分别具有绝缘部件，在所述各绝缘部件之间，配置所述上下臂的串联电路的同时，还具有向外部突出的直流正极端子、直流负极端子、交流端子和信号端子；
在所述两面冷却的半导体模块中，所述第1与第2散热金属，以各自的绝缘部件互相相对配置，且二者的间隔小于所述散热金属的沿冷却水路的长度，直流正极端子、直流负极端子、交流端子和信号端子从与沿着所述各绝缘部件的平面的方向突出，所述直流正极端子与所述直流负极端子相对配置；
在所述水路壳体上，设置有多个开口，
所述两面冷却的半导体模块，分别从所述多个开口插入冷却水路的内部，多个所述两面冷却的半导体模块，被所述水路壳体保持；
在所述两面冷却的半导体模块的第1和第2散热金属的另一面上分别配置的绝缘部件之间，配置旨在构成所述上下臂的串联电路的多个半导体芯片；
在所述上下臂内的作为上臂发挥作用的半导体芯片及作为下臂发挥作用的半导体芯片的面，与分别相对的所述第1和第2散热金属的另一面之间，通过所述绝缘部件作媒介，形成热传导路；
在所述两面冷却的半导体模块的内部，分别配置分别与作为所述上下臂发挥作用的多个半导体芯片、所述直流正极端子、直流负极端子、交流端子电连接的直流正极导体、直流负极导体和交流导体；
所述两面冷却的半导体模块的所述直流正极端子和直流负极端子，分别与所述电容器模块的端子电连接。
4.如权利要求1～3任一项所述的电力变换装置，其特征在于：在所述第1和第2散热金属的另一面上分别设置的绝缘部件，是热压接在所述散热金属上的绝缘薄片。
5.如权利要求1～3任一项所述的电力变换装置，其特征在于：在所述半导体模块的第1和第2散热金属的其它面上分别设置的绝缘部件，是固定在所述散热金属的面上的绝缘板。
6.如权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于：所述半导体模块的所述直流正极端子与直流负极端子，被相对配置；在沿着所述冷却水流的方向上，在与所述相对配置的直流正极端子和直流负极端子互相错开的位置，配置所述半导体模块的所述交流端子。
7.如权利要求6所述的电力变换装置，其特征在于：所述半导体模块，从垂直于沿着冷却水流的轴的方向插入冷却水路中，并被所述水路壳体保持；
所述上臂用的串联电路与所述下臂用的串联电路，在所述插入方向上错开配置。
8.如权利要求6或7所述的电力变换装置，其特征在于：所述电容器模块，与所述半导体模块的所述直流正极端子和直流负极端子侧的面相对，设置端子；
使与所述电容器模块的端子连接的所述半导体模块的直流正极端子和直流负极端子，位于所述电容器模块的端子与所述半导体模块的交流端子之间，来配置所述半导体模块的直流正极端子、直流负极端子和交流端子，并以该位置关系，将所述电容器模块固定在所述水路壳体上；
所述电容器模块的端子与所述半导体模块的直流正极端子、直流负极端子电连接。
9.如权利要求8所述的电力变换装置，其特征在于：在所述电容器上，与所述半导体模块的所述直流正极端子和所述直流负极端子对应，分别设置有端子；对应的所述半导体模块的端子与所述电容器的端子分别连接。
10.一种电力变换装置，具有：
水路壳体，该水路壳体内置具有多个插入口的冷却水路；
半导体模块，该半导体模块内置换流器电路的上下臂的串联电路，并从所述插入口插入冷却水路；和
电容器模块，
在所述冷却水路中，所述多个插入口并列配置；
多个所述半导体模块，并列配置并保持在所述水路壳体上，且所述半导体模块分别从并列配置的所述插入口插入冷却水路中；
所述半导体模块，具有一个面是散热面而在另一个面上设置了绝缘部件的第1和第2散热金属，并且以各自的散热面朝着外侧的状态相互并列配置第1和第2散热金属，在所述第1和第2散热金属上设置的各自的绝缘部件之间，以密闭的状态具有构成所述上下臂串联电路的上臂用的半导体芯片和下臂用的半导体芯片，并且所述半导体模块，具有向外部突出的直流正极端子、直流负极端子、交流端子、旨在控制所述上臂用的半导体芯片的控制端子和旨在控制所述下臂用的半导体芯片的控制端子；
在所述第1散热金属的绝缘部件上，设置与所述直流正极端子电连接的正极侧导体和串联连接用的第1导体；
在所述第2散热金属的绝缘部件上，设置与所述直流负极端子电连接的负极侧导体和串联连接用的第2导体；
所述正极侧导体与所述第2导体相对配置；
所述负极侧导体与所述第1导体相对配置；
在所述正极侧导体与所述第2导体之间，配置所述上下臂用的半导体芯片中的一方；
在所述负极侧导体与所述第1导体之间，配置所述上下臂用的半导体芯片中的另一方；
所述第1导体、所述第2导体和所述交流端子电连接。
11.如权利要求10所述的电力变换装置，其特征在于：所述半导体模块，从垂直于沿着冷却水流的轴的方向插入冷却水路中，并被所述冷却壳体保持；
所述上臂用的半导体芯片与所述下臂用的半导体芯片，在所述插入方向上错开配置。
12.一种电力变换装置，具有：
水路壳体，该水路壳体具有多次折返并列形成的冷却水路；
多个半导体模块，这些半导体模块内置换流器电路的上下臂的串联电路且具有直流正极端子、直流负极端子和交流端子；和
电容器模块，该电容器模块内置电容器，
在水路壳体中，在并列形成的冷却水路中，以并列的位置关系，形成多个互通的开口；
所述半导体模块分别插入所述多个开口中，所述多个半导体模块以并列配置的关系固定，沿着所述半导体模块的并列配置的轴，配置所述电容器模块，并以该配置关系，将所述电容器模块固定在所述水路壳体上；
配置所述半导体模块的所述直流正极端子、所述直流负极端子和所述交流端子，并使所述半导体模块的直流正极端子和直流负极端子，位于并列配置的多个所述半导体模块的交流端子与所述电容器模块之间；
所述半导体模块的直流正极端子、直流负极端子与所述电容器模块的端子分别电连接。
13.如权利要求12所述的电力变换装置，其特征在于：
所述半导体模块，具有一个面与冷却水相接进行散热的散热面而在另一个面上设置了绝缘部件的第1和第2散热金属，以使各自的散热面朝着外侧的状态相互并列配置第1和第2散热金属，在所述第1和第2散热金属上分别设置的绝缘部件之间，具有构成所述上下臂串联电路的上臂用的半导体芯片和下臂用的半导体芯片，所述半导体模块具有向外部突出的直流正极端子、直流负极端子、交流端子、旨在控制所述上臂用的半导体芯片的控制端子和旨在控制所述下臂用的半导体芯片的控制端子；
在所述第1散热金属的绝缘部件上，设置与所述直流正极端子电连接的正极侧导体和串联连接用的第1导体；
在所述第2散热金属的绝缘部件上，设置与所述直流负极端子电连接的负极侧导体和串联连接用的第2导体；
所述正极侧导体与所述第2导体相对配置；
所述负极侧导体与所述第1导体相对配置；
在所述正极侧导体与所述第2导体之间，配置所述上下臂用的半导体芯片中的一方；
在所述负极侧导体与所述第1导体之间，配置所述上下臂用的半导体芯片中的另一方；
所述第1导体、所述第2导体和所述交流端子电连接。
14.如权利要求13所述的电力变换装置，其特征在于：形成的冷却水路中，使所述第1散热金属的一个面与所述第2散热金属的一个面分别相接的冷却水的水流方向，为相反方向。
15.如权利要求12、13或14中任一个所述的电力变换装置，其特征在于：所述半导体模块，从垂直于沿着冷却水流的轴的方向插入冷却水路中，被所述水路壳体保持；
所述上臂用的半导体芯片与所述下臂用的半导体芯片，在所述插入方向上错开配置。
16.如权利要求15所述的电力变换装置，其特征在于：所述半导体模块，以大致垂直于冷却水流的方向，从所述水路壳体的开口，插入冷却水路中；
所述水路壳体，具有折返流路，该折返流路将所述半导体模块的插入方向的深侧的冷却水变向插入方向的入口侧，或者将插入方向的入口侧的冷却水变向插入方向的深侧，形成的冷却水路中，所述半导体模块的插入方向的入口侧与插入方向的深侧，冷却水的流向相反。
17.如权利要求16所述的电力变换装置，其特征在于：形成的冷却水路中，在所述第1和第2散热金属的、夹住所述上臂用的半导体芯片的部分与夹住所述下臂用的半导体芯片的部分，冷却水路的流向相反。
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