JP2010119300A - 電力変換装置 - Google Patents

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module
semiconductor
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Takeshi Tokuyama
健 徳山
Kinya Nakatsu
欣也 中津
Ryuichi Saito
隆一 齋藤
Keisuke Horiuchi
敬介 堀内
Toshiya Sato
俊也 佐藤
Hideki Miyazaki
英樹 宮崎
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    • B60K6/26—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00 the prime-movers consisting of electric motors and internal combustion engines, e.g. HEVs characterised by apparatus, components or means specially adapted for HEVs characterised by the motors or the generators
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
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    • B60L2220/14—Synchronous machines
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2240/00—Control parameters of input or output; Target parameters
    • B60L2240/40—Drive Train control parameters
    • B60L2240/42—Drive Train control parameters related to electric machines
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L50/00—Electric propulsion with power supplied within the vehicle
    • B60L50/50—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells
    • B60L50/51—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells characterised by AC-motors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
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Abstract

【課題】電力変換装置全体の小型化に繋がる各構成要素の配置、配列に工夫を加えて、小
型化技術のみならず、製品化の上で必要な信頼性と生産性の向上や、冷却効率を高めるこ
と。
【解決手段】インバータ回路の上アーム用及び下アーム用の半導体チップを両側から放熱
金属で挟み込んだ構造の半導体モジュール５００を有し、半導体モジュールを冷却するた
めの下ケースを兼ねた水路筐体２１２を有し、水路筐体には中央部開口とその両側に側部
開口を設け、中央部開口にコンデンサモジュール３９０をスロットインするとともに側部
開口に半導体モジュール５００をスロットインし、水路筐体内で半導体モジュールに加え
てコンデンサモジュールをも冷却し、さらに、コンデンサモジュール３９０の上方面にド
ライバ基板、制御基板や交流バスバーを設置して小型化を図る。
【選択図】図１２

Description

本発明は、インバータ回路を備えた電力変換装置に関する。
半導体モジュールからの熱を効率よく冷却器へ伝達して放熱性を高めることを意図した
従来技術として、例えば、特許文献１に示す冷却構造が提案されている。この特許文献１
によると、冷却器に形成したモジュール挿入用穴に半導体モジュールを挿入し、モジュー
ル挿入用穴との当接面から放熱を行うものであって、半導体モジュールのモジュール挿入
用穴との当接面に軟質性金属層をコーティングし、この軟質性金属層を介して冷却器へ放
熱することが開示されている。
また、インバータに用いる半導体素子の冷却効率と組立性の両立を意図した従来技術と
して、例えば、特許文献２に示すインバータ装置が提案されている。この特許文献２によ
ると、半導体素子の両面を放熱板で挟んだパワーカードを収容する収容部とパワーカード
の周囲に冷却媒体を循環させる循環経路部とが形成され、パワーカードと収容部との隙間
に絶縁性樹脂を充填し、絶縁性樹脂を硬化させてパワーカードを固定することが開示され
ている。
また、半導体モジュールの組み立て作業の負担を軽減した、冷却能力の向上を意図した
冷却構造の従来技術は、例えば、特許文献３に提案されている。この特許文献３によると
、内部に半導体モジュールを収容し、半導体のジュール発生熱を放熱する放熱面を正面と
背面に有するブロックを設け、このブロックをケース内部に形成した冷却水通路に挿入す
ることによって、ブロックの正面と背面が冷却水通路に面することが開示されている。
また、半導体モジュールの両面を冷却するとともに平滑コンデンサも冷却可能とする冷
却構造の従来技術は、例えば、特許文献４に提案されている。この特許文献４によると、
平滑コンデンサの両側に半導体モジュールを設置し、扁平な冷媒チューブをつづら折り状
に湾曲させて、半導体モジュールの両面並びに平滑コンデンサに沿うように冷媒流路が形
成され、液漏れのない高い放熱能力を実現させることが開示されている。
特開２００５−１７５１６３号公報 特開２００５−２３７１４１号公報 特開２００６−２０２８９９号公報 特開２００１−３５２０２３号公報
近年、例えば自動車においては、車両の駆動システムを始め、車両の各車載システムの
電動化が進められている。ところが、車載システムの電動化においては、被駆動体を駆動
する電気機械、及び車載電源から回転電機に供給される電力を制御して回転電機の駆動を
制御する電力変換装置の新たな追加や従来のシステムの構成部品との置き換えが必要にな
る。
電力変換装置は、例えば自動車においては、回転電機を駆動するために車載電源から供
給される直流電力を交流電力に変換したり、あるいは回転電機が発生する交流電力を車載
電源に供給するための直流電力に変換したりする機能を持っている。電力変換装置が変換
する電力量が増大する傾向にあるが、自動車全体では小型化や軽量化の方向にあるため、
電力変換装置の大型化や重量の増加は抑えられている。また車載用の電力変換装置は産業
用などと比較すると温度変化の大きい環境で使用されることが要求されており、高温の環
境に置かれていながら高い信頼性を維持できる、比較的小型で比較的大きな電力を変換で
きる電力変換装置が要求されている。
電力変換装置はインバータ回路を備え、インバータ回路の動作によって直流電力と交流
電力との間の電力変換が行われている。この電力変換を行うためにはインバータ回路を構
成するパワー半導体が遮断状態と導通状態の切り替え動作（スイッチング動作）を繰り返
すことが必要である。この切り替え動作時に大きな熱がパワー半導体に発生する。インバ
ータ回路のパワー半導体である半導体チップがスイッチング動作時に発生する熱で半導体
チップの温度が上昇する。このためこの温度上昇を抑えることが重要な課題である。
変換させる電力が増大すると半導体チップの発熱量が増大するので、この対策として半
導体チップの大型化や半導体チップの使用個数の増大が必要となり、結果的に電力変換装
置が大型化する。このような電力変換装置の大型化を押さえる方法として、半導体チップ
の冷却効率を向上することが考えられる。
そこで、例えば、特許文献１〜特許文献３は半導体チップの冷却効率の向上を意図して
為された提案である。半導体チップの冷却効率向上は半導体チップの小型化につながるこ
とは明らかであるが、必ずしも電力変換装置全体の大型化を抑えることになるとは言い難
い。例えば、半導体チップの冷却効率を向上するための改善を行うと、その結果として電
力変換装置全体の構造が複雑化することが考えられ、半導体チップは小型化可能となるが
、電力変換装置全体としてみるとあまり小型化できないことが起こり得る。
従って、電力変換装置全体の大型化を抑えるには、電力変換装置全体を考慮した半導体
チップの冷却効率の向上が必要であり、電力変換装置全体の電気的あるいは機械的な複雑
化をできるだけ抑えることが必要である。そこで、電気的な複雑化は、例えば半導体チッ
プを内蔵する半導体モジュールと、コンデンサモジュールやドライバ基板及び交流コネク
タとの電気配線の複雑化によって引き起こされる。また、機械的な複雑化は、半導体モジ
ュールの水路筺体への実装方法の複雑化やコンデンサモジュールの実装方法の複雑化によ
って引き起こされる。
前記特許文献１〜特許文献３に記載の公知技術では電力変換装置全体の小型化に関して
十分に考慮されているとは言い難く、さらに、コンデンサモジュールの配置や冷却構造に
ついての具体的な開示が不十分である。また、前記特許文献４は、半導体モジュールの冷
却に加えて平滑コンデンサの冷却も考慮した配置構造を開示しているが、外部の冷凍サイ
クル装置の冷媒配管に接続する冷媒チューブで冷却する方式のものであって冷却方式が水
冷方式と異質であり、さらに、半導体モジュールと接続される回路基板などの他の構成要
素との関連配置に配慮が欠けていて装置全体の小型化に課題を残している。
本発明の目的は、主として電力変換装置全体の小型化に繋がる技術を提供することであ
る。さらに、以下に説明する本発明の実施形態に係る電力変換装置は、小型化技術のみな
らず、製品化の上で必要な信頼性と生産性の向上や、冷却効率を高めた電力変換装置を提
供することを目的とするものである。
前記課題を解決するための本発明における基盤的な特徴の一つは、インバータ回路の上
アームと下アームを有する直列回路を構成する上アーム用の半導体チップと下アーム用の
半導体チップを両側から放熱金属で挟み込んだ構造の半導体モジュールを有し、この半導
体モジュールを冷却するための下ケースを兼ねた水路筐体を有し、この水路筐体には、そ
の中央部に中央部開口とその両側に側部開口を設け、中央部開口にコンデンサモジュール
をスロットインするとともに側部開口に半導体モジュールをスロットインし、水路筐体内
で半導体モジュールに加えてコンデンサモジュールをも冷却する構成であり、さらに、コ
ンデンサモジュールの上方面にドライバ基板、制御基板や交流バスバーを設置して小型化
を図るものである。
そして、本発明の実施形態に係る電力変換装置は、上述したように製品化に必要な多数
の課題を解決するための手段として主として次のような構成例を提示することができる。
冷却水路を内蔵する水路筐体と、インバータ回路の上下アームの直列回路を内蔵した両
面冷却の半導体モジュールと、コンデンサモジュールと、直流コネクタと、交流コネクタ
と、を備えた電力変換装置であって、
前記両面冷却の半導体モジュールは、外側の面が放熱面である第１と第２の放熱金属を
有し、前記第１と第２の放熱金属の間に前記上下アームの直列回路を密閉して配置すると
ともに、外部に突出する直流正極端子と直流負極端子と交流端子とを有し、前記水路筐体
には冷却水入口部から冷却水出口部に至る水路が形成され、前記水路の上方に一の開口が
設けられ、前記両面冷却の半導体モジュールが前記一の開口を通して前記水路に挿脱自在
に配置され、前記水路筐体には前記コンデンサモジュールを載置するための他の開口が設
けられ、前記コンデンサモジュール用の前記他の開口の両側面側には前記半導体モジュー
ル用の前記一の開口が配置され、前記半導体モジュールの前記第１と第２の放熱金属の長
手方向が冷却水の流れに沿うように、前記両側面側の前記一の開口に複数個の半導体モジ
ュールが配列される構成である。
また、冷却水路を内蔵する水路筐体と、インバータ回路の上下アームの直列回路を内蔵
した両面冷却の半導体モジュールと、コンデンサモジュールと、直流コネクタと、交流コ
ネクタと、を備えた電力変換装置であって、
前記両面冷却の半導体モジュールは、外側の面が放熱面である第１と第２の放熱金属を
有し、前記第１と第２の放熱金属の間に前記上下アームの直列回路を密閉して配置すると
ともに、外部に突出する直流正極端子と直流負極端子と交流端子とを有し、前記水路筐体
には冷却水入口部から冷却水出口部に至る水路が形成され、前記水路の上方に一の開口が
設けられ、前記両面冷却の半導体モジュールが前記一の開口を通して前記水路に挿脱自在
に配置され、前記水路筐体には前記コンデンサモジュールを載置するための他の開口が設
けられ、前記コンデンサモジュール用の前記他の開口の両側面側には前記半導体モジュー
ル用の前記一の開口が配置され、前記他の開口に載置された前記コンデンサモジュールの
上方面に、前記上下アームの直列回路からなるインバータ回路を駆動するための駆動要素
を設けたドライバ基板と、前記ドライバ基板上に前記インバータ回路を制御するための制
御要素を設けた制御基板と、を配置する構成である。
また、冷却水路を内蔵する水路筐体と、インバータ回路の上下アームの直列回路を内蔵
した両面冷却の半導体モジュールと、コンデンサモジュールと、直流コネクタと、交流コ
ネクタと、を備えた電力変換装置であって、
前記両面冷却の半導体モジュールは、外側の面が放熱面である第１と第２の放熱金属を
有し、前記第１と第２の放熱金属の間に前記上下アームの直列回路を密閉して配置すると
ともに、外部に突出する直流正極端子と直流負極端子と交流端子とを有し、前記水路筐体
には冷却水入口部から冷却水出口部に至る水路が形成され、前記水路の上方に一の開口が
設けられ、前記両面冷却の半導体モジュールが前記一の開口を通して前記水路に挿脱自在
に配置され、前記水路筐体には前記コンデンサモジュールを載置するための他の開口が設
けられ、前記コンデンサモジュール用の前記他の開口の両側面側には前記半導体モジュー
ル用の前記一の開口が配置され、前記半導体モジュールの前記第１と第２の放熱金属は、
外表面に冷却水の流れる凹部のあるフィン形状を有し、前記半導体モジュールが、前記両
側面側の前記一の開口に嵌合状態で挿入される構成である。
本発明によれば、下ケースである水路筐体に開口部を設置して、この開口部に半導体モ
ジュールとコンデンサモジュールとを略同一平面上に配列し、コンデンサモジュールを挟
んで半導体モジュール群をサンドイッチ構造の配置とすることで、小型化を図り、組立性
を改善し、冷却効率を向上させ、製品信頼性を高めることができる。
ハイブリッド自動車の制御ブロックを示す図である。 上下アーム直列回路及び制御部を含むインバータ装置、インバータ装置の直流側に接続されたコンデンサからなる電力変換装置と、バッテリと、モータジェネレータと、を備えた車両駆動用電機システムの回路構成を示す図である。 ２つの上下アーム直列回路をモータジェネレータへの各相交流出力用とする電力変換装置の回路構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る電力変換装置における全体構成の外観を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係る電力変換装置の全体構成を分解した斜視図である。 本発明の実施形態に係る電力変換装置の全体構成において上ケースを取り除いた平面図である。 本発明の実施形態に係る電力変換装置における半導体モジュールの配置構成を示す分解図であり、図５に示す電力変換装置の全体構成から上ケース、制御基板、ドライバ基板及び交流コネクタを取り除いた図である。 図７に示す分解図に対して交流コネクタと直流コネクタを付設した半導体モジュール廻りの電力系統の斜視図である。 図８に示す半導体モジュール廻りの電力系統の分解図である。 図７に示す半導体モジュールの配置構成を冷却水の流れ方向からみた断面図である。 本実施形態に係る電力変換装置の全体構成から上ケースを取り除いて冷却水の流れ方向からみた断面図である。 本実施形態に関する半導体モジュール、コンデンサモジュール、及び冷却水路を上方からみた断面図である。 本発明の実施形態に係る電力変換装置における半導体モジュールの全体構成の外観を示す斜視図である。 本実施形態に関する半導体モジュールの断面図であり、図１３に示すＡ−Ａ線の断面構造を示す図である。 本実施形態に関する半導体モジュールの全体構成を分解した斜視図である。 図１５に示すＢ−Ｂ線の断面構造を示す図である。 本実施形態に関する半導体モジュールにおける上下アーム直列回路の内部配置の構造を示す分解図である。 本実施形態に関する半導体モジュールにおける放熱フィン（Ａ側）に配設される上下アーム直列回路の配置構造を示す図である。 半導体モジュールにおける放熱フィン（Ａ側）に配設される各構成要素の接合関係を示す図である。 半導体モジュールにおける放熱フィン（Ｂ側）に配設される各構成要素の接合関係を示す図である。 本実施形態に関する半導体モジュールとコンデンサモジュールの間の端子接続の構造を示す図である。 本実施形態に関する半導体モジュールとコンデンサモジュールにおける配線インダクタンスの低減を説明する構成上の配置図である。 本実施形態に関する半導体モジュールとコンデンサモジュールにおける配線インダクタンスの低減を説明する等価回路上の配置図である。 本実施形態に関する半導体モジュールの正極端子と負極端子の配列についての他の構成例を示す図である。 本実施形態に関する水路構造と複数半導体モジュールの配置構造の一の構成例を示す機能説明図である。 本実施形態に関する水路構造と複数半導体モジュールの配置構造の他の構成例を示す機能説明図である。
本発明の実施形態に係る電力変換装置について、図面を参照しながら以下詳細に説明す
るが、まず、はじめに、本実施形態に係る電力変換装置における、改善改良すべき技術的
課題とこの技術的課題を解決するための技術の概要について説明する。
本発明の実施形態に係る電力変換装置は、世の中のニーズに応える製品として次のよう
な技術的観点に配慮したものであり、その１つの観点が小型化技術、すなわち変換する電
力の増大に伴う電力変換装置の大型化をできるだけ抑制する技術である。さらに、他の観
点が電力変換装置の信頼性の向上に関する技術であり、更なる他の観点が電力変換装置の
生産性の向上に関する技術である。そして、本発明の実施形態に係る電力変換装置は、上
述した３つの観点、さらにはこれらの観点を総合した観点に基づいて製品化されているの
であり、それぞれの観点における電力変換装置の特徴を以下列挙して概説する。
（１）小型化技術に関する説明
本実施形態に係る電力変換装置は、両側に冷却金属を備えた半導体モジュールの内部に
インバータの上下アームの直列回路を収納し、半導体モジュールを冷却水内に挿入し嵌合
し（スロットイン構造の採用）、両側の冷却金属を冷却水で冷却する構造を備えている。
この構造により冷却効率が向上し、半導体モジュールの小型化が可能となる。また、具体
的な構造として、両側の冷却金属の内側にそれぞれ絶縁シートあるいはセラミック板など
の絶縁板である絶縁部材を設け、それぞれの絶縁部材に固定した導体金属の間に上下アー
ムの直列回路を構成する上アームおよび下アームの半導体チップを挟み込んでいる。この
構造で上アームおよび下アームの半導体チップの両面と冷却金属との間に良好な熱伝導路
ができ、半導体モジュールの冷却効率は大きく向上する。
また、半導体モジュールの上アームの半導体チップ（ＩＧＢＴチップとダイオードチッ
プ）と半導体モジュールの下アームの半導体チップとを、冷却水の流れの方向に対して位
置をずらして配置するとともに、上アームのＩＧＢＴチップと下アームのＩＧＢＴチップ
とを冷却水流れの同一水平面上に配置することで、フィン形状冷却金属が上下アーム直列
回路のＩＧＢＴチップ冷却用に占める上下幅が、ダイオードチップのそれよりも大きくな
り、放熱量のより多いＩＧＢＴチップを効果的に冷却することができる。すなわち、上下
アームのＩＧＢＴチップを冷却するために、ダイオードチップに対するよりも冷却水の量
が増えることとなり、冷却効率の大幅向上に繋がる。
上アームおよび下アームの半導体チップの両面は冷却金属の内側の導体金属（導体板）
にそれぞれ接続され、導体金属は絶縁部材を介して冷却金属に固定されている。絶縁部材
の厚さは薄く、例えばセラミック板の場合で３５０μメータ以下、絶縁シートの場合は更
に薄く５０μメータから２００μメータである。ここで、絶縁シートとしては、例えば熱
圧着された樹脂のシートである。導体金属が冷却金属に接近して設けられているので、導
体金属に流れる電流による渦電流が冷却金属に流れ、渦電流は熱を発生するがこれらの熱
は効率良く冷却水に伝達される。
また、渦電流により半導体モジュール内のインダクタンスが低減される。インダクタン
ス低減は、上アームおよび下アームの半導体チップのスイッチング動作による電圧の跳ね
上がりを低減でき、信頼性の向上に繋がる。また、電圧上昇を抑えられることは、上アー
ムおよび下アームの半導体チップのスイッチング動作の高速化を可能とし、スイッチング
動作のための時間を短縮でき、スイッチング動作による発熱量の低減に繋がる。
さらに、コンデンサモジュールと半導体モジュールとを略同一平面空間の水路筐体に収
容し、且つコンデンサモジュールを挟んでその両側に半導体モジュールを配置（サンドイ
ッチ構造の採用）することで、小型化を図っている。これに加えて、コンデンサモジュー
ルの上方面に、半導体チップを駆動するためのドライバ基板と半導体チップを制御するた
めの制御基板を配置することで、コンデンサモジュール上方面の有効利用を図り、小型化
を実現している。
（２）信頼性向上に関する説明
本実施形態に係る電力変換装置では、上述のとおり、半導体モジュールの冷却効率を大
幅に改善でき、結果的に半導体チップの温度上昇を抑えることが可能となり、信頼性の改
善に繋がる。
複数個の半導体モジュールがコンデンサモジュールを間に挟んだサンドイッチ構造であ
り、さらに、半導体モジュールの直流正極端子と直流負極端子をコンデンサモジュール側
から等間隔に配置することによって、これらの直流端子とコンデンサモジュールからの正
側端子及び負側端子とを、同一形状のＤＣバスバーで連結することができて、半導体モジ
ュールとコンデンサモジュール間の低インダクタンス化や半導体モジュールの内部配置構
造による半導体モジュールの低インダクタンスが可能となり、スイッチング動作による電
圧の跳ね上がりを低減でき、信頼性の向上に繋がる。また、電圧上昇を抑えられることは
半導体チップのスイッチング動作の高速化を可能とし、スイッチング動作の時間短縮によ
る発熱量の低減に繋がり、引いては温度上昇が抑えられ、信頼性の向上に繋がる。
このように、半導体モジュールの直流端子をコンデンサモジュールに接続する構造、更
にはコンデンサモジュールの端子構造が簡単な構造となり、生産性向上や小型化だけでな
く、信頼性の向上に繋がる。
本電力変換装置では、冷却効率が大幅に向上するので、冷却水としてエンジン冷却水を
使用できる。このため自動車としては、専用の冷却水系が不要となり、自動車全体として
信頼性の大きな改善となる。
本電力変換装置では、インバータの上下アームの直列回路を収納した半導体モジュール
を、冷却水路に設けられた開口から水路内に挿入して固定する構造を成している。製造ラ
インで別々に製造された半導体モジュールと水路筐体をそれぞれ別に検査し、その後半導
体モジュールを水路筐体に固定する工程を行うことが可能となる。このように電気部品で
ある半導体モジュールと機械部品である水路筐体とをそれぞれ分けて製造および検査する
ことが可能で、生産性の向上はもちろんであるが、信頼性の向上に繋がる。
また、半導体モジュールにおいては、第１と第２の放熱金属にそれぞれ必要な導体や半
導体チップを固定し、その後第１と第２の放熱金属を一体化して半導体モジュールを製造
する方法をとることが可能である。第１と第２の放熱金属の製造状態をそれぞれ確認した
上で放熱金属の一体化の工程を行うことが可能となり、生産性の向上のみならず、信頼性
の向上にも繋がる。
本電力変換装置では、上アームの半導体チップのコレクタ面が第１の放熱金属に固定さ
れる場合に下アームの半導体チップのコレクタ面が同じく第１の放熱金属に固定される構
造となり、上下アームの半導体チップのコレクタ面とエミッタ面とが同じ方向となってい
る。このような構造とすることで、生産性が向上すると共に信頼性が向上する。
また、上下アームの半導体チップと上下アームの信号用端子やゲート端子が同じ放熱金
属に固定される構造となっている。このため、半導体チップと信号用端子やゲート端子と
を繋ぐワイヤボンディングの接続工程を一方の放熱金属に集めることができ、検査などが
容易である。これによって生産性の向上だけでなく信頼性の向上にもつながる。
また、上述した水路筐体のサンドイッチ構造におけるコンデンサモジュールの各側面に
Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の半導体モジュールを配置することで、冷却水路のＵターン箇所が減少
するので、水路の圧力損失が低減し、冷却水の源圧力を低くすることができ、冷却水漏れ
が少なくなり、信頼性につながる。さらに、略同一平面上に形成された冷却水経路中にコ
ンデンサモジュールを配置することで、コンデンサモジュールをも直接に冷却できる構造
であり、半導体モジュールに加えてコンデンサモジュールも冷却できて、これらの動作が
安定し、電力変換装置の信頼性の向上に役立つ。
（３）生産性向上に関する説明
本実施形態に係る電力変換装置では、上述したとおり、半導体モジュールと冷却筐体と
をそれぞれ別々に製造し、その後半導体モジュールを冷却筐体に固定する工程を行うよう
にすることが可能であり、電気系の製造ラインで半導体モジュールを製造することが可能
となる。これにより生産性と信頼性が向上する。また、コンデンサモジュールも同様に他
の製造工程で製造し、その後水路筐体に固定できるので、生産性が向上する。
また、水路筐体に半導体モジュールとコンデンサモジュールとを固定し、その後半導体
モジュールとコンデンサモジュールとの端子接続を行うことができ、さらに接続のための
溶接機械を溶接部の導入する空間が確保でき、生産性の向上につながる。また、これら接
続工程において、半導体モジュールの端子はそれぞれ半導体モジュールの放熱金属に固定
されており、端子溶接時の熱がそれぞれ放熱金属に拡散し、半導体チップへの悪影響を抑
えることができ、結果的に生産性の向上や信頼性の向上に繋がる。
また、半導体モジュールの一方の放熱金属に上下アームの半導体チップと上下アームの
信号用端子やゲート端子を固定できるので、一方の放熱金属の製造ラインで上アームと下
アームの両方のワイヤボンディングを行うことができ、生産性が向上する。
本実施形態に係る電力変換装置は同じ構造の半導体モジュールを量産し、電力変換装置
の要求仕様に基づく必要な個数の半導体モジュールを使用する方式を取ることが可能とな
り、企画化された半導体モジュール量産が可能となり、生産性が向上すると共に低価格化
や信頼性向上が可能となる。以上のように、本発明の実施形態に係る電力変換装置は、上
述した３つの技術的観点からみた構造的な特徴と効果を備えるものである。以下、その詳
細について説明する。
「本発明の実施形態」
次に、本発明の実施形態に係る電力変換装置について、図面を参照しながら以下詳細に
説明する。本発明の実施形態に係る電力変換装置はハイブリッド用の自動車や純粋な電気
自動車に適用可能であるが、代表例として、本発明の実施形態に係る電力変換装置をハイ
ブリッド自動車適用した場合の制御構成と電力変換装置の回路構成について、図１と図２
を用いて説明する。図１はハイブリッド自動車の制御ブロックを示す図である。図２は上
下アームの直列回路及び制御部を含むインバータ装置、インバータ装置の直流側に接続さ
れたコンデンサ、からなる電力変換装置と、バッテリと、モータジェネレータと、を備え
た車両駆動用電機システムの回路構成を示す図である。
本発明の実施形態に係る電力変換装置では、自動車に搭載される車載電機システムの車
載用電力変換装置、特に、車両駆動用電機システムに用いられ、搭載環境や動作的環境な
どが大変厳しい車両駆動用インバータ装置を例に挙げて説明する。車両駆動用インバータ
装置は、車両駆動用電動機の駆動を制御する制御装置として車両駆動用電機システムに備
えられ、車載電源を構成する車載バッテリ或いは車載発電装置から供給された直流電力を
所定の交流電力に変換し、得られた交流電力を車両駆動用電動機に供給して車両駆動用電
動機の駆動を制御する。また、車両駆動用電動機は発電機としての機能も有しているので
、車両駆動用インバータ装置は運転モードに応じ、車両駆動用電動機の発生する交流電力
を直流電力に変換する機能も有している。変換された直流電力は車載バッテリに供給に供
給される。
なお、本実施形態の構成は、車両駆動用以外のインバータ装置、例えば電動ブレーキ装
置或いは電動パワーステアリング装置の制御装置として用いられるインバータ装置にも適
用できるが、車両駆動用として適用することで最も望ましい効果を発揮する。また、本実
施形態の思想がＤＣ／ＤＣコンバータや直流チョッパなどの直流−直流電力変換装置或い
は交流−直流電力変換装置など、他の車載用電力変換装置にも適用できるが、車両駆動用
として適用することで最ものぞましい効果を発揮する。さらに、工場の設備を駆動する電
動機の制御装置として用いられる産業用電力変換装置、或いは家庭の太陽光発電システム
や家庭の電化製品を駆動する電動機の制御装置に用いられたりする家庭用電力変換装置に
対しても適用可能であるが、上述の通り、車両駆動用として適用することで最も望ましい
効果を発揮する。
また、本実施形態が適用された車両駆動用インバータ装置を備えた車両駆動用電機シス
テムを、内燃機関であるエンジン及び車両駆動用電動機を車両の駆動源とし、前後輪のい
ずれか片方を駆動するように構成されたハイブリッド自動車に搭載する場合を例に挙げて
説明する。また、ハイブリッド自動車としては、エンジンにより前後輪のいずれか片方を
、車両駆動用電動機により前後輪のいずれか他方をそれぞれ駆動するものもあるが、本実
施形態はいずれのハイブリッド自動車にも適用できる。さらに上述のとおり、燃料電池車
などの純粋な電気自動車にも適用可能で、純粋な電気自動車においても以下説明の電力変
換装置は略同様の作用を為し、略同様の効果が得られる。
図１において、ハイブリッド電気自動車（以下、「ＨＥＶ」と記述する）１０は１つの
電動車両であり、２つの車両駆動用システムを備えている。その１つは、内燃機関である
エンジン２０を動力源としたエンジンシステムである。エンジンシステムは、主としてＨ
ＥＶの駆動源として用いられる。もう１つは、モータジェネレータ９２，９４を動力源と
した車載電機システムである。車載電機システムは、主としてＨＥＶの駆動源及びＨＥＶ
の電力発生源として用いられる。モータジェネレータ９２，９４は例えば永久磁石同期電
動機であるが、運転方法によりモータとしても発電機としても動作するので、ここではモ
ータジェネレータと記すこととする。
車体のフロント部には前輪車軸１４が回転可能に軸支されている。前輪車軸１４の両端
には１対の前輪１２が設けられている。車体のリア部には後輪車軸（図示省略）が回転可
能に軸支されている。後輪車軸の両端には１対の後輪が設けられている。本実施形態のＨ
ＥＶでは、動力によって駆動される主輪を前輪１２とし、連れ回される従輪を後輪とする
、いわゆる前輪駆動方式を採用しているが、この逆、すなわち後輪駆動方式を採用しても
構わない。
前輪車軸１４の中央部には前輪側デファレンシャルギア（以下、「前輪側ＤＥＦ」と記
述する）１６が設けられている。前輪車軸１４は前輪側ＤＥＦ１６の出力側に機械的に接
続されている。前輪側ＤＥＦ１６の入力側には変速機１８の出力軸が機械的に接続されて
いる。前輪側ＤＥＦ１６は、変速機１８によって変速されて伝達された回転駆動力を左右
の前輪車軸１４に分配する差動式動力分配機構である。変速機１８の入力側にはモータジ
ェネレータ９２の出力側が機械的に接続されている。モータジェネレータ９２の入力側に
は動力分配機構２２を介してエンジン２０の出力側及びモータジェネレータ９４の出力側
が機械的に接続されている。尚、モータジェネレータ９２，９４及び動力分配機構２２は
、変速機１８の筐体の内部に収納されている。
動力分配機構２２は歯車２３〜３０から構成された差動機構である。歯車２５〜２８は
傘歯車である。歯車２３，２４，２９，３０は平歯車である。モータジェネレータ９２の
動力は変速機１８に直接に伝達される。モータジェネレータ９２の軸は歯車２９と同軸に
なっている。この構成により、モータジェネレータ９２に対して駆動電力の供給が無い場
合には、歯車２９に伝達された動力がそのまま変速機１８の入力側に伝達される。
エンジン２０の作動によって歯車２３が駆動されると、エンジン２０の動力は歯車２３
から歯車２４に、次に、歯車２４から歯車２６及び歯車２８に、次に、歯車２６及び歯車
２８から歯車３０にそれぞれ伝達され、最終的には歯車２９に伝達される。モータジェネ
レータ９４の作動によって歯車２５が駆動されると、モータジェネレータ９４の回転は歯
車２５から歯車２６及び歯車２８に、次に、歯車２６及び歯車２８から歯車３０にそれぞ
れ伝達され、最終的には歯車２９に伝達される。尚、動力分配機構２２としては上述した
差動機構に代えて、遊星歯車機構などの他の機構を用いても構わない。
モータジェネレータ９２，９４は、回転子に永久磁石を備えた同期機であり、固定子の
電機子巻線に供給される交流電力がインバータ装置４０，４２によって制御されることに
よりモータジェネレータ９２，９４の駆動が制御される。インバータ装置４０，４２には
バッテリ３６が電気的に接続されており、バッテリ３６とインバータ装置４０，４２との
相互において電力の授受が可能である。
本実施形態では、モータジェネレータ９２及びインバータ装置４０からなる第１電動発
電ユニットと、モータジェネレータ９４及びインバータ装置４２からなる第２電動発電ユ
ニットとの２つを備え、運転状態に応じてそれらを使い分けている。すなわち、エンジン
２０からの動力によって車両を駆動している場合において、車両の駆動トルクをアシスト
する場合には第２電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジン２０の動力によって作
動させて発電させ、その発電によって得られた電力によって第１電動発電ユニットを電動
ユニットとして作動させる。また、同様の場合において、車両の車速をアシストする場合
には第１電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジン２０の動力によって作動させて
発電させ、その発電によって得られた電力によって第２電動発電ユニットを電動ユニット
として作動させる。
また、本実施形態では、バッテリ３６の電力によって第１電動発電ユニットを電動ユニ
ットとして作動させることにより、モータジェネレータ９２の動力のみによって車両の駆
動ができる。さらに、本実施形態では、第１電動発電ユニット又は第２電動発電ユニット
を発電ユニットとしてエンジン２０の動力或いは車輪からの動力によって作動させて発電
させることにより、バッテリ３６の充電ができる。
次に、図２を用いてインバータ装置４０，４２の電気回路構成を説明する。尚、図１〜
図２に示す実施形態では、インバータ装置４０，４２をそれぞれ個別に構成する場合を例
に挙げて説明するが、図７などを参照して後述するように、インバータ装置４０，４２を
１つの装置内に収納してもよい。インバータ装置４０，４２は同様の構成で同様の作用を
為し、同様の機能を有しているので、ここでは、例としてインバータ装置４０の説明を行
う。
本実施形態に係る電力変換装置１００は、インバータ装置４０とコンデンサ９０と直流
コネクタ３８と交流コネクタ８８を備え、インバータ装置４０はインバータ回路４４と制
御部７０とを有している。また、インバータ回路４４は、上アームとして動作するＩＧＢ
Ｔ５２（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）及びダイオード５６と、下アームとして
動作するＩＧＢＴ６２及びダイオード６６と、からなる上下アーム直列回路５０を複数有
し（図２の例では３つの上下アーム直列回路５０，５０，５０）、それぞれの上下アーム
直列回路５０の中点部分（中間電極６９）から交流端子５９（図３を参照）を通してモー
タジェネレータ９２への交流電力線８６を引き出す構成である。また、制御部７０はイン
バータ回路４４を駆動制御するドライバ回路（ドライバ基板に内蔵）７４と、ドライバ回
路７４へ信号線７６を介して制御信号を供給する制御回路７２（制御基板に内蔵）と、を
有している。
上アームと下アームのＩＧＢＴ５２，６２は、スイッチング用パワー半導体素子であり
、制御部７０から出力された駆動信号を受けて動作し、バッテリ３６から供給された直流
電力を三相交流電力に変換する。この変換された電力はモータジェネレータ９２の電機子
巻線に供給される。上述のとおり、モータジェネレータ９２が発生する三相交流電力を直
流電力に変換することもできる。
本実施形態に係る電力変換装置１００は３相ブリッジ回路により構成されており、３相
分の上下アーム直列回路５０，５０，５０がそれぞれバッテリ３６の正極側と負極側との
間に電気的に並列に接続されることにより構成されている。ここで、上下アーム直列回路
５０はアームと呼称されており、上アーム側のスイッチング用パワー半導体素子５２及び
ダイオード５６と下アーム側のスイッチング用パワー半導体素子６２及びダイオード６６
を備えている。
本実施形態では、スイッチング用パワー半導体素子として、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バ
イポーラトランジスタ）５２，６２を用いることを例示している。ＩＧＢＴ５２，６２は
、コレクタ電極５３，６３、エミッタ電極、ゲート電極（ゲート電極端子５４，６４）、
信号用エミッタ電極（信号用エミッタ電極端子５５，６５）を備えている。ＩＧＢＴ５２
，６２のコレクタ電極５３，６３とエミッタ電極との間にはダイオード５６，６６が図示
するように電気的に接続されている。ダイオード５６，６６は、カソード電極及びアノー
ド電極の２つの電極を備えており、ＩＧＢＴ５２，６２のエミッタ電極からコレクタ電極
に向かう方向が順方向となるように、カソード電極がＩＧＢＴ５２，６２のコレクタ電極
に、アノード電極がＩＧＢＴ５２，６２のエミッタ電極に、それぞれ電気的に接続されて
いる。
スイッチング用パワー半導体素子としてはＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体型電界効果
トランジスタ）を用いてもよい。ＭＯＳＦＥＴは、ドレイン電極、ソース電極及びゲート
電極の３つの電極を備えている。なお、ＭＯＳＦＥＴは、ソース電極とドレイン電極との
間に、ドレイン電極からソース電極に向かう方向が順方向となる寄生ダイオードを備えて
いる。このため、ＩＧＢＴのように、別途、ダイオードを設ける必要がない。
上下アーム直列回路５０は、モータジェネレータ９２の電機子巻線の各相巻線に対応し
て３相分設けられている。３つの上下アーム直列回路５０，５０，５０はそれぞれ、ＩＧ
ＢＴ５２のエミッタ電極とＩＧＢＴ６２のコレクタ電極６３を結ぶ中間電極６９、交流端
子５９を介してモータジェネレータ９２へのＵ相、Ｖ相、Ｗ相を形成している。上下アー
ム直列回路同士は電気的に並列接続されている。上アームのＩＧＢＴ５２のコレクタ電極
５３は正極端子（Ｐ端子）５７を介してコンデンサ９０の正極側コンデンサ電極に、下ア
ームのＩＧＢＴ６２のエミッタ電極は負極端子（Ｎ端子）５８を介してコンデンサ９０の
負極側コンデンサ電極にそれぞれ電気的に接続されている。各アームの中点部分（上アー
ムのＩＧＢＴ５２のエミッタ電極と下アームのＩＧＢＴ６２のコレクタ電極との接続部分
）にあたる中間電極６９は、モータジェネレータ９２の電機子巻線の対応する相巻線に交
流コネクタ８８を介して電気的に接続されている。本実施形態では、後で詳細に述べるが
、上下アームからなる１つの上下アーム直列回路５０が半導体モジュールの主たる回路構
成要素となっている。
コンデンサ９０は、ＩＧＢＴ５２，６２のスイッチング動作によって生じる直流電圧の
変動を抑制する平滑回路を構成するためのものである。コンデンサ９０の正極側コンデン
サ電極にはバッテリ３６の正極側が、コンデンサ９０の負極側コンデンサ電極にはバッテ
リ３６の負極側がそれぞれ直流コネクタ３８を介して電気的に接続されている。これによ
り、コンデンサ９０は、上アームＩＧＢＴ５２のコレクタ電極５３とバッテリ３６の正極
側との間と、下アームＩＧＢＴ６２のエミッタ電極とバッテリ３６の負極側との間で接続
され、バッテリ３６と上下アーム直列回路５０に対して電気的に並列接続される。
制御部７０はＩＧＢＴ５２，６２を作動させるためのものであり、他の制御装置やセン
サなどからの入力情報に基づいて、ＩＧＢＴ５２，６２のスイッチングタイミングを制御
するためのタイミング信号を生成する制御回路７２（制御基板に内蔵）と、制御回路７２
から出力されたタイミング信号に基づいて、ＩＧＢＴ５２，６２をスイッチング動作させ
るためのドライブ信号を生成するドライブ回路（ドライバ基板に内蔵）７４とを備えてい
る。
制御回路７２はＩＧＢＴ５２，６２のスイッチングタイミングを演算処理するためのマ
イクロコンピュータ（以下、「マイコン」と記述する）を備えている。マイコンには入力
情報として、モータジェネレータ９２に対して要求される目標トルク値、上下アーム直列
回路５０からモータジェネレータ９２の電機子巻線に供給される電流値、及びモータジェ
ネレータ９２の回転子の磁極位置が入力されている。目標トルク値は、不図示の上位の制
御装置から出力された指令信号に基づくものである。電流値は、電流センサ８０から出力
された検出信号に基づいて検出されたものである。磁極位置は、モータジェネレータ９２
に設けられた回転磁極センサ（不図示）から出力された検出信号に基づいて検出されたも
のである。本実施形態では３相の電流値を検出する場合を例に挙げて説明するが、２相分
の電流値を検出するようにしても構わない。
制御回路７２内のマイコンは、目標トルク値に基づいてモータジェネレータ９２のｄ，
ｑ軸の電流指令値を演算し、この演算されたｄ，ｑ軸の電流指令値と、検出されたｄ，ｑ
軸の電流値との差分に基づいてｄ，ｑ軸の電圧指令値を演算し、この演算されたｄ，ｑ軸
の電圧指令値を、検出された磁極位置に基づいてＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電圧指令値に変換す
る。そして、マイコンは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の電圧指令値に基づく基本波（正弦波）と搬
送波（三角波）との比較に基づいてパルス状の変調波を生成し、この生成された変調波を
ＰＷＭ（パルス幅変調）信号としてドライバ回路７４に出力する。ドライバ回路７４には
、各相の上下アームに対応して６つのＰＷＭ信号がマイコンから出力される。マイコンか
ら出力されるタイミング信号としては矩形波信号などの他の信号を用いても構わない。
ドライバ回路７４は、複数の電子回路部品を１つに集積した集積回路、いわゆるドライ
バＩＣによって構成されている。本実施形態では、各相の上下アームのそれぞれに対して
１個のＩＣを設ける場合（１アームｉｎ１モジュール：１ｉｎ１）を例に挙げて説明する
が、各アームのそれぞれに対応して１個のＩＣを設ける（２ｉｎ１）、或いは全てのアー
ムに対応して１個のＩＣを設ける（６ｉｎ１）ようにしても構わない。ドライバ回路７４
は、下アームを駆動する場合、ＰＷＭ信号を増幅し、これをドライブ信号として、対応す
る下アームのＩＧＢＴ６２のゲート電極に、上アームを駆動する場合、ＰＷＭ信号の基準
電位のレベルを上アームの基準電位のレベルにシフトしてからＰＷＭ信号を増幅し、これ
をドライブ信号として、対応する上アームのＩＧＢＴ５２のゲート電極にそれぞれ出力す
る。これにより、各ＩＧＢＴ５２，６２は、入力されたドライブ信号に基づいてスイッチ
ング動作する。
また、制御部７０は、異常検知（過電流、過電圧、過温度など）を行い、上下アーム直
列回路５０を保護している。このため、制御部７０にはセンシング情報が入力されている
。例えば各アームの信号用エミッタ電極端子５５，６５からは各ＩＧＢＴ５２，６２のエ
ミッタ電極に流れる電流の情報が、対応する駆動部（ＩＣ）に入力されている。これによ
り、各駆動部（ＩＣ）は過電流検知を行い、過電流が検知された場合には対応するＩＧＢ
Ｔ５２，６２のスイッチング動作を停止させ、対応するＩＧＢＴ５２，６２を過電流から
保護する。上下アーム直列回路５０に設けられた温度センサ（不図示）からは上下アーム
直列回路５０の温度の情報がマイコンに入力されている。また、マイコンには上下アーム
直列回路５０の直流正極側の電圧の情報が入力されている。
マイコンは、それらの情報に基づいて過温度検知及び過電圧検知を行い、過温度或いは
過電圧が検知された場合には全てのＩＧＢＴ５２，６２のスイッチング動作を停止させ、
上下アーム直列回路５０（引いては、この回路５０を含む半導体モジュール）を過温度或
いは過電圧から保護する。
図２において、上下アーム直列回路５０は、上アームのＩＧＢＴ５２及び上アームのダ
イオード５６と、下アームのＩＧＢＴ６２及び下アームのダイオード６６との直列回路で
あり、ＩＧＢＴ５２，６２はスイッチング用半導体素子である。インバータ回路４４の上
下アームのＩＧＢＴ５２，６２の導通および遮断動作が一定の順で切り替わり、この切り
替わり時のモータジェネレータ９２の固定子巻線の電流は、ダイオード５６，６６によっ
て作られる回路を流れる。
上下アーム直列回路５０は、図示するように、Ｐｏｓｉｔｉｖｅ端子（Ｐ端子、正極端
子）５７、Ｎｅｇａｔｉｖｅ端子（Ｎ端子５８、負極端子）、上下アームの中間電極６９
からの交流端子５９（図３を参照）、上アームの信号用端子（信号用エミッタ電極端子）
５５、上アームのゲート（ベース）電極端子５４、下アームの信号用端子（信号用エミッ
タ電極端子）６５、下アームのゲート（ベース）電極端子６４、を備えている。また、電
力変換装置１００は、入力側に直流コネクタ３８を有し、出力側に交流コネクタ８８を有
して、それぞれのコネクタ３８と８８を通してバッテリ３６とモータジェネレータ９２に
接続される。
図３は、モータジェネレータへ出力する３相交流の各相の出力を発生する回路として、
各相に２つの上下アーム直列回路を使用する電力変換装置の回路構成を示す図である。モ
ータジェネレータの容量が大きくなると電力変換装置で変換される電力量が大きくなり、
インバータ回路４４の各相の上下アーム直流回路を流れる電流値が増大する。上下アーム
の電気的な容量を増大することで変換電力の増大に対応することができるが、インバータ
回路（モジュール化したもの）の生産量を増大することが好ましく、図３では、標準化し
て生産されたインバータ回路（モジュール）の使用個数を増やすことで、変換する電力量
の増大に対応するようにしている。
さらに説明すると、図２に示すインバータ回路４４が３つの上下アーム直列回路５０，
５０，５０からなり、モータジェネレータ９２へのＵ相、Ｖ相、Ｗ相を形成しているに対
して、図３は、図２に示すインバータ回路４４と同一構成の２つのインバータ回路（イン
バータ回路１（４５）とインバータ回路２（４６））を設けて、これらのインバータ回路
４５と４６を並列接続し、制御対象のモータジェネレータ９２の容量増加に対処するもの
である。すなわち、図３に示す構成は、図２に示すＵ相の上下アーム直列回路５０に対応
して、５０Ｕ１と５０Ｕ２を設け、同様に、Ｖ相に対応して５０Ｖ１と５０Ｖ２を設け、
Ｗ相に対応して５０Ｗ１と５０Ｗ２を設けている。なお、図３に示すインバータ回路１と
インバータ回路２の交流電力線８６は、以下の図面で交流バスバー１（３９１）と交流バ
スバー２（３９２）として構造上の表記がなされる。
次に、本発明の実施形態に係る電力変換装置の全体構成についてその概要を説明する。
図４は本発明の実施形態に係る電力変換装置における全体構成の外観を示す斜視図である
。図５は本発明の実施形態に係る電力変換装置の全体構成を分解した斜視図である。図６
は本発明の実施形態に係る電力変換装置の全体構成において上ケースを取り除いた平面図
である。
図４〜図６において、本実施形態に係る電力変換装置は、その回路が、図３に示すイン
バータ回路１（４５）とインバータ回路２（４６）からなる構成のものを例示している。
３８は直流コネクタ、８８は交流コネクタ１（図３に示すインバータ回路１の交流電力線
８６とつながるコネクタ）、８９は交流コネクタ２（図３に示すインバータ回路２の交流
電力線８６とつながる電力変換装置のコネクタ）、９１は交流コネクタ部フランジ、１０
０は電力変換装置、１１２は上ケース、１２２は交流コネクタ用位置決め部、１２４は上
ケースフランジ、１４２は下ケース、１４４は水路蓋、１４５はモジュール蓋１、１４６
はモジュール蓋２、２４６は水路入口部、２４８は水路出口部、３７２は制御基板（制御
回路を内蔵）、３７３は制御ＩＣ１、３７４は制御ＩＣ２、３８６はドライバ基板、３８
７はドライバＩＣ、３８８は信号コネクタ、３９１は交流バスバー１（図３に示すインバ
ータ回路１の交流電力線８６）、３９２は交流バスバー２（図３に示すインバータ回路２
の交流電力線８６）、をそれぞれ表す。
図４〜図６に示す本発明の実施形態に係る電力変換装置１００の全体構成は、外部への
電気的接続構造として、バッテリ３６（図２を参照）と接続する直流コネクタ３８と、モ
ータジェネレータ９２（図２を参照）と接続する交流コネクタ１（８８）及び交流コネク
タ２（８９）とを備え、外観構造として、上ケース１１２と下ケース１４２を備え、さら
に、上下アーム直列回路５０を含む半導体モジュールとコンデンサモジュールを冷却する
ための水路入口部２４６及び水路出口部２４８を備えている。
また、図３に示すＵ１相、Ｖ１相、Ｗ１相のそれぞれの上下アーム直列回路を含む各半
導体モジュールの上方を被うモジュール蓋１（１４５）及びＵ２相、Ｖ２相、Ｗ２相のそ
れぞれの上下アーム直列回路を含む各半導体モジュールの上方を被うモジュール蓋２（１
４６）と、上ケース１１２との間には、ドライバ基板３８６と制御基板３７２が積層する
構造となっている（図５を参照）。そして、制御基板３７２には制御ＩＣ１（３７３）と
制御ＩＣ２（３７４）が搭載されており、ドライバ基板３８６にはドライバＩＣ３８７が
搭載されている。また、ドライバ基板３８６の下方部には交流バスバー１（３９１）と交
流バスバー２（３９２）が三相分配設されている。なお、水路入口部２４６と出口部２４
８を含む水平状に形成された水路空間には、後述するが上下アーム直列回路５０と放熱フ
ィンを含む半導体モジュールが装填されて冷却される構造となっている。
次に、本発明の実施形態に係る電力変換装置における半導体モジュール５００について
、図１３、図１４、図１５及び図１６を参照しながら以下説明する。図１３は本発明の実
施形態に係る電力変換装置における半導体モジュールの全体構成の外観を示す斜視図であ
る。図１４は本実施形態に関する半導体モジュールの断面図であり、図１３に示すＡ−Ａ
線の断面構造を示す図である。図１５は本実施形態に関する半導体モジュールの全体構成
を分解した斜視図である。図１６は図１５に示すＢ−Ｂ線の断面構造を示す図である。
図１３〜図１６において、本発明の実施形態に係る電力変換装置における半導体モジュ
ール５００は、一方の側である放熱フィン（Ａ側）５２２（なお、放熱フィンとは凹凸の
あるフィン形状部分のみを称するのではなくて、放熱金属の全体を云う）、他方の側であ
る放熱フィン（Ｂ側）５６２、両放熱フィン５２２，５６２に挟み込まれた上下アーム直
列回路５０、上下アーム直列回路の正極端子５３２や負極端子５７２や交流端子５８２を
含めた各種端子、トップケース５１２やボトムケース５１６やサイドケース５０８、を備
えている。図１４および図１５に示すように、放熱フィン（Ａ側）５２２と放熱フィン（
Ｂ側）５６２に絶縁シートを介してそれぞれ固着された導体板上の上下アーム直列回路（
その製造方法は後述する）が放熱フィン（Ａ側）５２２と放熱フィン（Ｂ側）５６２に挟
み込まれた状態において、ボトムケース５１６、トップケース５１２、サイドケース５０
８を取り付け、両放熱フィン５２２，５６２の間にトップケース５１２側からモールド樹
脂を充填して一体化構造として半導体モジュール５００を形成する。
半導体モジュール５００は、外観として、図１３に示すように、冷却水路に臨む（挿入
される）放熱フィン（Ａ側）と放熱フィン（Ｂ側）が形成され、トップケース５１２から
は上下アーム直列回路５０の正極端子５３２（図２と図３のＰ端子５７に相当）、負極端
子５７２（図２と図３のＮ端子５８に相当）、交流端子５８２（図３の交流端子５９に相
当）、信号用端子（上アーム用）５５２、ゲート端子（上アーム用）５５３、信号用端子
（下アーム用）５５６、ゲート端子（下アーム用）５５７が突出する構造である。
半導体モジュール５００の外観形状は略直方体形状で、放熱フィン（Ａ側）５２２と放
熱フィン（Ｂ側）５６２とは面積が大きく、放熱フィン（Ｂ側）５６２の面を前面とし放
熱フィン（Ａ側）を後面とすると（図１３の図示例のとおり）、サイドケース５０８を有
する側およびその反対側である両側面および底面および上面は、前述の前面又は後面に比
べて、狭くなっている。半導体モジュールの基本的な形状が略直方体形状であり、放熱フ
ィン（Ｂ側）や（Ａ側）が方形であるので切削加工が容易であり、また、半導体モジュー
ルが製造ラインで転がり難い形状であり、生産性に優れている。さらに全体の体積に対す
る放熱面積の割合が大きく取れ、冷却効果が向上する。
なお、本実施形態では、放熱フィン（Ａ側）５２２あるいは放熱フィン（Ｂ側）５６２
は、半導体チップを挟み込むと共に半導体モジュール内部の導体を保持するための金属板
と熱を放散するためのフィンとが一つの金属で作られている。この構造は放熱効率を高め
るのに優れている。しかし、やや放熱効率が低下するが、半導体チップを挟み込むと共に
半導体モジュール内部の導体を保持するための金属板と放熱フィンとを別体に形成しこれ
を貼りあわせる構造でも使用できる。
また、略直方体形状の狭い方の一方の面である上面に正極端子５３２（図３のＰ端子５
７に相当）、負極端子５７２（図３のＮ端子５８に相当）、交流端子５８２（図３の交流
端子５９に相当）、信号用端子（上アーム用）５５２、ゲート端子（上アーム用）５５３
、信号用端子（下アーム用）５５６、ゲート端子（下アーム用）５５７が集められており
、水路筐体に半導体モジュール５００を挿入するし易さの点で優れている。さらに、正極
端子５３２と負極端子５７２の間にはこれらの端子間の絶縁を確保する孔５８３が設けら
れる。この孔５８３は正極端子５３２と負極端子５７２の間に形成されたモールド樹脂５
０７に穿たれる。そして、孔５８３には、後述するがコンデンサモジュール３９０の正極
端子と負極端子の間に設けられたコンデンサモジュール付設の端子絶縁部が挿入される（
図２１を参照）。よって、孔５８３は端子間絶縁と位置決めの両機能を奏するものである
。
また、このような端子を設けている上面の外形が、図１３に図示するように、底面側の
外形より大きく作られており、製造ラインなどで半導体モジュールが移動する場合に最も
傷つき易い端子部を保護することができる。すなわち、トップケース５１２の外形がボト
ムケース５１６の外形より大きく作られていることで、後述する冷却水路開口の密閉性に
優れている効果以外に、半導体モジュールの製造時や運搬時、水路筐体への取付け時での
半導体モジュールの端子を保護できる効果がある。
図１３に図示した端子の配置によると、正極端子５３２と負極端子５７２とは、それぞ
れ断面積が長方形の板状形状でその先端部が櫛歯形状をしており、さらに放熱フィン（Ｂ
側）５６２からみて等間隔の距離を保って左右に配置され、半導体モジュールの一方の側
面に接近して配置されている。図１３と図１４に示すように、各端子５３２，５７２はそ
の先端の櫛歯形状に至る構造としてアームの導体板がまず垂直方向に延ばされ（植立）、
次いで水平方向に延設されて（直角に曲げられて）櫛歯形状に至る。すなわち、正極端子
５３２と負極端子５７２は屈曲部を有していてこれらの櫛歯形状が放熱フィン５２２（Ａ
側）に沿うように配列されている。なお、図１３と図１４に示す端子５３２，５７２は、
屈曲部を図しているが、後に示す図１５〜図２０に示す端子５３２，５７２は屈曲部を有
せずストレート形状となっているが、図１３の端子は、はんだ付け作業、内部モールド、
ケース接着（接合）の工程が終了し、最後に屈曲加工を行った後の状態を示している。す
なわち、図１５〜図２０のストレート形状は、屈曲加工前の状態である。最後に屈曲加工
する理由は、屈曲作業時に内部半導体とはんだ接合部に力が加わらないようにするため、
また、先に屈曲するとトップケース５１２が組み立てにくくなるためである。
詳細は後述するが、放熱フィン（Ｂ側）５６２に対向してコンデンサモジュール３９０
が配置されるので、コンデンサモジュールの正極端子と負極端子は、半導体モジュールの
正極端子５３２と負極端子５７２と互いに等長のＤＣバスバーで接続でき、配線が容易に
なる。また、正極端子５３２や負極端子５７２の接続端と交流端子５８２の接続端とは半
導体モジュールの前後方向（半導体モジュールの両側面を結ぶ方向）においてそれぞれず
れて配置されている。このため電力変換装置の製造ラインでの正極端子５３２や負極端子
５７２の接続端と他の部品との接続および交流端子５８２の接続端と他の部品との接続の
ための器具を使用する空間が確保できやすく、生産性に優れている。
自動車用の電力変換装置はマイナス３０度以下、マイナス４０度近くまで冷える可能性
がある。また一方、１００度以上の温度、まれには１５０度近くの温度となる可能性があ
る。このように自動車に搭載する電力変換装置では使用温度範囲が広く熱膨張変化を十分
に考慮することが必要である。また振動が常に加わる環境で使用される。図１３から図１
６を用いて説明した半導体モジュール５００は２つの放熱金属で半導体チップを挟み込む
構造を有している。この実施形態では放熱金属の一例として熱放出機能が優れている放熱
フィンを有する金属板を用いており、本実施形態で放熱フィン５２２（Ａ側）と放熱フィ
ン５６２（Ｂ側）として説明している。
上述の半導体チップを挟み込んだ構造において、上記２つの放熱金属の両側をトップケ
ース５１２とボトムケース５１６とで固定する構造を備えている。特にトップケース５１
２とボトムケース５１６は２つの放熱金属をその外側から挟み込んで固定する構造を有し
ている。具体的には、ボトムケース５１６の嵌合部５１７に２つの放熱金属５２２，５６
２の突起凸部を嵌合する構造とすればよく、また、トップケース５１２についても同様な
嵌合構造を適用すればよい。このような構造により、振動や熱膨張により２つの放熱金属
間に互いに開こうとする方向の大きな力が生じるのを防止できる。長期間にわたり自動車
に搭載しても故障しない、信頼性の高い電力変換装置を得ることができる。
さらに、本実施形態では、２つの放熱金属に加え、サイドケースを含めてトップケース
５１２とボトムケース５１６とでこれらを外周側から挟み込んで固定する構造がとられて
いるので、さらに信頼性が向上する。
半導体モジュールの正極端子５３２、負極端子５７２、交流端子５８２、信号用端子５
５２と５５６、ゲート端子５５３と５５７を一方のケースであるトップケース５１２の内
部の孔を介して外部に突出させるようにし、この孔をモールド樹脂５０７で密閉する構造
としている。トップケース５１２としては高い強度の材質が使用され、また、２つの放熱
金属の熱膨張係数が考慮されて熱膨張係数の近い材料、例えば金属材で作られる。モール
ド樹脂５０７はケース５１２の熱膨張変化による応力を吸収して上述した端子に加わる応
力を低減する作用をしている。このため本実施形態の電力変換装置は、上述の如く温度変
化の範囲が広い状態でも、あるいは常時振動が加わる状態でも使用することができる高い
信頼性を有している。
図１７は本実施形態に関する半導体モジュールにおける上下アーム直列回路の内部配置
の構造を示す分解図である。図１７において、本実施形態に関する半導体モジュールは、
放熱金属の板、例えばフィン構造を備えた金属板である放熱フィン（Ａ側）５２２と放熱
フィン（Ｂ側）５６２を基礎素材としてそれぞれの内側に絶縁シート（Ａ側）５４６と絶
縁シート（Ｂ側）５９６を真空熱圧着で固着する。そして、絶縁シート（Ａ側）５４６に
、正極側の導体板５３４と上下アーム接続用導体板５３５を固着する（図１９を参照）。
さらに、絶縁シート（Ｂ側）５９６に、負極側の導体板５７４と交流端子側の導体板５８
４を固着するとともに、負極側の導体板５７４に下アーム用信号用端子５５６を接続し、
交流端子側の導体板５８４に上アーム用信号用端子５５２を接続する（図２０を参照）。
絶縁シート（Ａ側）５４６と絶縁シート（Ｂ側）５９６は、インバータ回路の上下アー
ム直列回路を構成する半導体チップや導体と放熱フィン（Ａ側）５２２や放熱フィン（Ｂ
側）５６２とを電気的に絶縁する絶縁部材として機能すると共に、半導体チップなどから
の発生熱を放熱フィン（Ａ側）５２２や放熱フィン（Ｂ側）５６２に伝導する熱伝導路を
形成する働きをする。絶縁部材としては、樹脂製の絶縁シートまたは絶縁板であっても良
いし、セラミック基板であっても良い。例えばセラミック基板の場合で絶縁部材の厚さは
３５０μメータ以下、絶縁シートの場合は更に薄く５０μメータから２００μメータであ
ることが望ましい。ただ、インダクタンス低減の観点では、絶縁部材は薄い方が効果的で
あり、セラミック基板より樹脂製の絶縁シートの方が特性的に優れている。
次に、放熱フィン（Ａ側）５２２の正極側の導体板５３４には、上アーム用ＩＧＢＴチ
ップ５３７と上アーム用ダイオードチップ５３９が上下方向に配列されてはんだ付け固定
される。同様に、放熱フィン（Ａ側）５２２の上下アーム接続用導体板５３５には、下ア
ーム用ＩＧＢＴチップ５４１と下アーム用ダイオードチップ５４３が上下方向に配列され
てはんだ付け固定される。ここで、ＩＧＢＴチップとダイオードチップの上下方向のサイ
ズを比べると、そのサイズはＩＧＢＴチップの方が可成り大きい。そうすると、放熱フィ
ン５２２を通る冷却水に対して、ＩＧＢＴチップとダイオードチップが占める水路占有率
を考えると、上アーム用ＩＧＢＴチップ５３７が占有する水路占有率は、上アーム用ダイ
オードチップ５３９のそれよりも可成り大きくなる。ダイオードチップよりも放熱量がよ
り多いＩＧＢＴチップの放熱が促進されることになり、半導体モジュール全体の放熱効率
は向上する。このような放熱効率は、上アーム用のチップと同様に、下アーム用のチップ
５４１，５４３についても向上が図れる。
さらに、図１８〜図２０の説明で詳しく後述するが、上アームのエミッタ電極と下アー
ムのコレクタ電極を連結する上下アーム接続用はんだ接合部５５５が、下アームのチップ
５４１，５４３と同様に、放熱フィン（Ａ側）５２２の導体板５３５に形成され（図１８
と図１９を参照）、接合部５５５がはんだ層５４４及び導体板５８４を介して交流端子５
８２（図３の交流端子５９に相当）接続され、上下アーム直列回路の中間電極６９（図２
を参照）を構成する。また、放熱フィン（Ａ側）５２２の導体板の上にはんだ付けされた
上アームのＩＧＢＴ５３７のゲート電極とゲート端子（上アーム用）５５３の信号用導体
との間、及び下アームのＩＧＢＴ５４１のゲート電極とゲート端子（下アーム用）５５７
のゲート用導体との間が、それぞれワイヤボンディング５９３，５９６で接続される構造
である。
一方、放熱フィン（Ｂ側）５６２の絶縁シート（Ｂ側）５９６には、図１７及び図２０
に示すように、負極端子５７２の負極側の導体板５７４、交流端子５８２の交流端子側導
体板５８４、及び信号用端子（上アーム用）５５２と信号用端子（下アーム用）５５６の
それぞれの導体板が固着されている。負極側の導体板５７４には、下アームＩＧＢＴチッ
プ５４１のエミッタ側が接続されるはんだ接合部７５７と下アームのダイオードチップ５
４３のアノード側が接続されるはんだ接合部７５９が設けられ、交流端子側の導体板５８
４には、上アームＩＧＢＴチップ５３７のエミッタ側が接続されるはんだ接合部７５６と
上アームのダイオードチップ５４３のアノード側が接続されるはんだ接合部７５８が配設
される。 負極端子５７２（図２に示す負極端子５８に相当）は、下アームのＩＧＢＴチ
ップ５４１及び下アームのダイオードチップ５４３に対して、導体板５７４、はんだ接合
部７５７及び７５９、はんだ層５４０及び５４２を介して接続結合される。また、正極端
子５３２は、上アームのＩＧＢＴチップ５３７及び上アームのダイオードチップ５４３に
対して、導体板５３４、はんだ接合部７５１及び７５２、はんだ層５４７及び５４８を介
して接続結合される。また、交流端子５８２は、導体板５８４、上アームＩＧＢＴチップ
のエミッタ側に連結している上下アーム接続用はんだ接合部５６０、はんだ層５４４、上
下アーム接続用はんだ接合部５５５、導体板５３５を介して下アーム用ＩＧＢＴチップ５
４１に接続結合される。上アーム用信号用端子５５２（図２に示す信号用端子５５に相当
）と下アーム用信号用端子５５６（図２に示す信号用端子６５に相当）のそれぞれの導体
板は、上アームＩＧＢＴチップ５３７と下アームＩＧＢＴチップ５４１のそれぞれのエミ
ッタ側に結合されている。上述した半導体モジュールの配置構造によって図２に示す上下
アーム直列回路５０の回路構成が形成される。
図１７に示すとおり、放熱フィンの一方である、放熱フィン（Ａ側）５２２に上アーム
と下アームを構成する両方の半導体チップを上下方向に配置固定し、さらに、上アーム用
ゲート端子５５３と下アーム用デート端子５５７を放熱フィン（Ａ側）５２２に設けてワ
イヤボンディングなどの接続作業を一方の放熱フィン（Ａ側）５２２で実施できるので、
製造工程の中で集中でき、生産性と信頼性の向上となる。また、自動車用の如く振動の大
きい環境で使用する場合、配線すべき対象の半導体チップと端子とが同一の放熱フィンに
固定されているので、耐振性が向上する。
上述したように、放熱フィン（Ａ側）５２２と放熱フィン（Ｂ側）５６２とを図１７に
示すように対向させて、放熱フィン（Ａ側）５２２のＩＧＢＴチップ５３７，５４１とダ
イオードチップ５３９，５４３との電極が、図２に示す回路構成のとおりに連結するよう
に、放熱フィン（Ｂ側）５６２の負極端子５７２、交流端子５８２、上アーム用信号用端
子５５２及び下アーム用信号用端子５５６にそれぞれ繋がる導体板と対面させて、はんだ
付けする。さらに、図１５に示すように、ボトムケース５１６、トップケース５１２及び
サイドケース５０８が、一体的構造となった放熱フィン（Ａ側）５２２及び放熱フィン（
Ｂ側）５６２に対して、接着剤で接着される。さらに、トップケースの孔５１３（図１５
を参照）からモールド樹脂を内部に充填させて半導体モジュール５００を形成する。
次に、本実施形態に関する半導体モジュール５００において、両放熱フィン５２２，５
６２の間に挟み込まれた上下アーム直列回路（例示として、２アームｉｎ１モジュール構
造）の形成方法と具体的構造について、図１８〜図２０を参照しながら敷衍して説明する
。図１８は本実施形態に関する半導体モジュールにおける放熱フィン（Ａ側）に配設され
る上下アーム直列回路の配置構造を示す図である。図１９は半導体モジュールにおける放
熱フィン（Ａ側）に配設される各構成要素の接合関係を示す図である。図２０は半導体モ
ジュールにおける放熱フィン（ＢＡ側）に配設される各構成要素の接合関係を示す図であ
る。
本実施形態に関する半導体モジュールの製造における基本的プロセスを示す。放熱金属
の板、例えば本実施形態ではフィン構造を備えた金属板である放熱フィン（Ａ側）５２２
と放熱フィン（Ｂ側）５６２を基礎素材としてそれぞれの内側に高熱伝導樹脂層である絶
縁シート（Ａ側）５４６と絶縁シート（Ｂ側）５９６を真空熱圧着で固着し、絶縁シート
５４６（Ａ側）に正極側の導体板５３４及び導体板５３５を固着し、絶縁シート５９６（
Ｂ側）に負極側の導体板５７４と交流端子用の導体板５８４を固着する。放熱フィン（Ａ
側）５２２及び絶縁シート（Ａ側）５４６への導体板５３４，５３５の固着の状況を図１
９に示し、放熱フィン（Ｂ側）５６２及び絶縁シート（Ｂ側）５９６への導体板５７４，
５８４の固着の状況は図２０に示す。
さらに、絶縁シート５４６（Ａ側）に、ゲート端子（上アーム用）５５３のゲート用導
体とゲート端子（下アーム用）５５７のゲート用導体５５９を固着する。絶縁シート５９
６（Ｂ側）に、信号用端子（上アーム用）５５２の信号用導体と信号用端子（下アーム用
）５５６の信号用導体を固着する。これらの配置関係は図１９と図２０に２３に示すとお
りである。
次に、放熱フィン（Ａ側）５２２側における正極側の導体板５３４，上下アーム接続用
導体板５３５に設けたはんだ接合部７５１，７５２，７５３，７５４にに対応して、はん
だ層５４７，５４８，５４９，５５０を介在させ、ＩＧＢＴチップ５３７（上アーム用）
、ダイオードチップ５３９（上アーム用）、ＩＧＢＴチップ５４１（下アーム用）、ダイ
オードチップ５４３（下アーム用）をはんだ付けする。この際、正極側の導体板５３４と
導体板５３５が互いに絶縁状態で設けられ、それぞれの導体板５３４，５３５にＩＧＢＴ
チップ及びダイオードチップをはんだ付けする。さらに、図２に示すように、上アームの
エミッタ電極と下アームのコレクタ電極を連結するためのはんだ接合部５５５がチップ５
４１，５４３と同様にして導体板５３５にはんだ付けされ、上下アーム接続用のはんだ接
合部５５５（図１９を参照）が上下アーム接続用はんだ接合部５６０（図２０を参照）を
介して交流端子用の導体板５８４との当接接続によって、上下アームの中間電極６９（図
２を参照）を構成する。
次に、放熱フィン（Ａ側）５２２の導体板５３４の上にはんだ付けされた上アームのＩ
ＧＢＴ５３７のゲート電極とゲート端子（上アーム用）５５３のゲート用導体との間をゲ
ートワイヤ（上アーム用）５９３でボンディング接続する（図１７を参照）。同様にして
、放熱フィン（Ａ側）５２２の導体板５３５の上にはんだ付けされた下アームのＩＧＢＴ
５４１のゲート電極とゲート端子（下アーム用）５５７のゲート用導体との間をゲートワ
イヤ（下アーム用）５９７でボンディング接続する。
図１８に示すとおり、放熱フィンの一方である、放熱フィン（Ａ側）５２２に上アーム
と下アームを構成する両方の半導体チップを固定し、これら半導体チップに信号を制御す
るためのゲート端子５５３，５５７につながるゲート用導体を設けている。このように一
方の絶縁部材に上下アーム用の半導体チップとその制御線を固定しているので、ワイヤボ
ンディングなどの信号線と半導体チップとの接続作業を製造工程の中で集中でき、生産性
と信頼性の向上となる。また、自動車用の如く振動の大きい環境で使用する場合、配線す
べき一方の半導体チップと他方の制御線との両方が同じ部材である一方の放熱フィンに固
定されているので、耐振性が向上する。
図１９に示すとおり、上アーム用の半導体チップ５３７（はんだ接合部７５１に接合さ
れる）と下アーム用の半導体チップ５４１（はんだ接合部７５３に接合される）とを同じ
向きに、すなわちそれぞれの半導体チップのコレクタ面が絶縁部材である絶縁シート５４
６側に向いていて、はんだ接合部７５１，７５３はＩＧＢＴチップ５３７，５４１のコレ
クタ側に対面するように設けられている。このように、上アームと下アームの半導体チッ
プの方向を合わせることで作業性が向上する。このことはダイオードチップ５３９，５４
３に対しても同じである。
図１４に示すように、本実施形態に関する半導体モジュール５００に内蔵された上下ア
ーム直列回路５０の配置構造は、図１７に示した詳細構造をも参照すると、上アームのＩ
ＧＢＴ５２が上アームのダイオード５６の上方部に設置されていて、この設置関係は下ア
ームのＩＧＢＴとダイオードについても同様である。そして、詳細は後述するが、図１３
に示す半導体モジュール５００を冷却水路に上方から挿入して設置し、冷却水路内に流れ
る冷却水で半導体モジュール５００を冷却することになるが、冷却水は放熱フィン（Ａ側
）５２２及び放熱フィン（Ｂ側）５６２の櫛歯部分（凹部）を流れることとなる。
ここで、ＩＧＢＴとダイオードの高さ方向の長さは、上アームを例にとると、ＩＧＢＴ
５２の高さＬはダイオード５６の高さＭよりも、互いの構造及び形状上の特徴からして高
さ方向において長い（Ｌ＞Ｍ）。そうすると、放熱フィンの櫛歯部分を流れる冷却水は、
この長さＬとＭに応じて冷却効果を奏する。言い換えると、冷却水量の多寡は長さＬとＭ
に対応することとなり、ダイオードよりもより多く放熱をさせたいＩＧＢＴの方により多
くの冷却水量が対応することになり、冷却効率の向上に繋がる。
また、図１３に示す一体的構造の半導体モジュール５００は、コンデンサ９０の正極側
と負極側に接続されるべき、正極端子５３２と負極端子５７２が上方に突出した形状であ
り、さらに、これらの端子５３２と５７２は、冷却水路に沿った方向（半導体モジュール
を上方から見た断面における矩形形状の長手方向に沿って）の直線上に配列されている。
一方、後述するが、コンデンサモジュールの両側には、半導体モジュールの上方断面の矩
形形状長手方向（冷却水の流れ方向）に沿って、複数の半導体モジュールが設置され、す
なわち、コンデンサモジュールを挟んでその両側に複数の半導体モジュールを配列するサ
ンドイッチ構造である（図１１を参照）。
このような半導体モジュールとコンデンサモジュールの配列構造において、コンデンサ
モジュールの正極側と負極側の端子は、図１３に示す半導体モジュールの正極端子５３２
と負極端子５７２に対向するように配置している。これによって、半導体モジュール５０
０とコンデンサモジュール３９０をバー接続する場合に、正極側と負極側とで同一形状と
同一長さのバーを使用することができ、作業性が向上するとともにＩＧＢＴのスイッチン
グ動作に伴うインダクタンスの低減を図ることができる。
次に、本発明の実施形態に係る電力変換装置における小型化、冷却効率、組立性を向上
実現させる具体的構成について、図７〜図１２を参照しながら以下説明する。図７は本発
明の実施形態に係る電力変換装置における半導体モジュールの配置構成を示す分解図であ
り、図５に示す電力変換装置の全体構成から上ケース、制御基板、ドライバ基板及び交流
コネクタを取り除いた図である。図８は図７に示す分解図に対して交流コネクタと直流コ
ネクタを付設した半導体モジュール廻りの電力系統の斜視図である。図９は図８に示す半
導体モジュール廻りの電力系統の分解図である。図１０は図７に示す半導体モジュールの
配置構成を冷却水の流れ方向からみた断面図である。図１１は本実施形態に係る電力変換
装置の全体構成から上ケースを取り除いて冷却水の流れ方向からみた断面図である。図１
２は本実施形態に関する半導体モジュール、コンデンサモジュール、及び冷却水路を上方
からみた断面図である。
まず、図７〜図９を参照しながら、本実施形態に係る電力変換装置における半導体モジ
ュール、冷却水路、電力系統などの配置構造を説明する。図７〜図９に示す実施形態の半
導体モジュールは、図３に示すようなＵ１相、Ｖ１相及びＷ１相からなる上段の上下アー
ム直列回路を内蔵した半導体モジュール１と、Ｕ２相、Ｖ２相及びＷ２相からなる下段の
上下アーム直列回路を内蔵した半導体モジュール２と、からなる２系統の６つの半導体モ
ジュールを例示する構造である。半導体モジュール１は、３本の交流バスバー１（３９１
）を通して交流コネクタ１（８８）に接続され、同様に、半導体モジュール２は、３本の
交流バスバー２（３９２）を通して交流コネクタ２（８９）に接続される。図面では、冷
却水路入口部２４６側（すなわち交流コネクタ８８，８９配置側）に、図３に示すような
Ｕ１相、Ｖ１相及びＷ１相からなる上段の上下アーム直列回路を内蔵した半導体モジュー
ル１が配置され、その反対側（冷却水路出口部２４８側）にＵ２相、Ｖ２相及びＷ２相か
らなる半導体モジュール２が配置されている。
また、冷却水入口部２４６及び出口部２４８が配置された側面とは反対側の側面にコン
デンサモジュール３９０と接続される直流コネクタ３８が配置されている。また、交流コ
ネクタ用位置決め部１２２を挟んで交流コネクタ搭載部１２３には、交流コネクタ８８と
交流コネクタ８９（図３を参照）が搭載され、その上面に交流コネクタ部フランジ９０が
設けられる。コンデンサモジュール３９０（図１１を参照）が挿入されるコンデンサモジ
ュール挿入部１４７の両側には、半導体モジュール５００が挿入される半導体モジュール
挿入水路２３７が下ケース１４２に形成される（図１０を参照）。このように、コンデン
サモジュール３９０を挟んでその両側に半導体モジュール５００を配列するサンドイッチ
構造を形成している。
交流コネクタ側に配列された半導体モジュール１の上面にはモジュール蓋１（１４５）
が、その反対側に配列された半導体モジュール２の上面にはモジュール蓋２（１４６）が
、それぞれ配設され、水路の入口部２４６と出口部２４８が配置された正面部の折り返し
水路２２７（図７、図１２を参照）の上面には水路蓋１４４（図９を参照）が配設される
。さらに、半導体モジュール挿入水路２３７（図１０を参照）には、上記の正面部と反対
側に背面部の折り返し水路２３６が形成される（図７を参照）。また、水路入口部２４６
の近傍には水路形成体１（４９０）が、さらに、水路出口部２４８の近傍には水路形成体
２（４９１）が設けられ、半導体モジュールの放熱フィン（Ａ側）と放熱フィン（Ｂ側）
の全域に冷却水が流れるように水流を誘導する（図１２を参照）。
次に、図１０〜図１２を参照しながら、本実施形態に係る電力変換装置における半導体
モジュール、冷却水路、電力系統などの詳細な配置構造を説明する。本実施形態は、半導
体モジュール５００を、下ケース１４２に形成された水路２３７に上方から挿入していく
スロットイン構造を採用したものであり、半導体モジュール５００は、下ケース１４２の
半導体モジュール位置決め部５０２に位置決めされ、モジュール蓋１４５，１４６の半導
体モジュール固定部５０１で水路２３７に固定される。
交流コネクタ８８，８９を搭載する交流コネクタ搭載部１２３側の水路には、水路形成
体１（４９０）の背面方向に、例えば、図３に示すＵ１相、Ｖ１相、Ｗ１相のそれぞれの
半導体モジュール５００，５００，５００が挿入固定されている。また、水路出口部２４
８の側の水路には、同様に、図３に示すＵ２相、Ｖ２相、Ｗ２相のそれぞれの半導体モジ
ュール５００，５００，５００が挿入固定されている。
図１２によると、水路入口部２４６からの水流２５０は、水路形成体１（４９０）で水
流を誘導されて半導体モジュール５００の一方の放熱フィン側に水流２５１を形成し、水
路２３７の背面部での折り返し水路２３６で図示する水流２５２で折り返され、水流２５
３を形成する。続いて、水流は、水路形成体１（４９０）に誘導されて、正面部の折り返
し水路２２７を通り、次に、水路形成体２（４９１）に誘導されて、水路出口部２４８の
側の水路に水流を形成する。図１２に示す水路出口部２４８に繋がる右側の水路での水流
は、上述した左側の水流と同様の水流を形成する。
図１２に示すように、コンデンサモジュール３９０を挟んでその左側に３つの半導体モ
ジュール５００を配置し、その右側に３つの半導体モジュール５００を配置する構造を採
用する本実施形態は、先行技術に開示されている、同一側面（例えば正面部）に水路入口
部と水路出口部を配置し且つ６つの逆Ｕ字状水路を入口部と出口部を結ぶ方向（例えば左
右方向）に配置してこれらの逆Ｕ字状水路を折り返し水路で順に連結して６つの半導体モ
ジュール５００をそれぞれの逆Ｕ字状水路に設置した構造に比べて、Ｕターンの折り返し
水路が、上述した先行技術における１１個の折り返す水路に対して、図１２に示す本実施
形態では、２つの折り返し水路２３６（左側と右側の水路上方における折り返し水路）と
、図示する水流２５４及び水流２５６から成る折り返し水路と、の３箇所である。
そうすると、水路における水流の方向転換における水流の圧力損失を考えると、上述し
た先行技術では１１箇所のＵターン水路が存在するのに対して、図１２に示す本実施形態
では３箇所であるので、水路の圧力損失が格段に低減することができる。この圧力損失が
低減すれば、水流の流れ速度が入口部と出口部とでそれほど差がなくなり、冷却水による
冷却効率がそれほど低下することはない。
また、図１１と図１２に示すように、コンデンサモジュール３９０は、その左右両側お
よび前面側（水流２５５を参照）に水路が形成されているので、コンデンサモジュール３
９０も水路を流れる冷却水によって冷却される構造となっている。
次に、図１１によると（図５をも参照）、コンデンサモジュール３９０はその上表面が
電力変換装置１００の中で可成り大きな表面を占有しており、このコンデンサモジュール
３９０の上表面を有効活用する構造上の配置が本実施形態の特徴の１つでもある。すなわ
ち、コンデンサモジュール３９０の上表面にドライバ基板３８６（図２に示すドライバ基
板７４に相当）を設置しこのドライバ基板３８６上にドライバＩＣ３８７が搭載されてい
る。さらに、ドライバ基板３８６には連結材を介して制御基板３７２が上方に設置され、
両方の基板３８６と３７２とは信号コネクタ３８８（図５を参照）で電気的に接続されて
いる。制御基板３７２上には制御基板ＩＣ３７３が搭載されている。このように、本実施
形態ではコンデンサモジュール３９０の上面にドライバ基板と制御基板とを設置すること
でこの上面を有効活用している。
敷衍して説明すると、図１１に示す左側の半導体モジュール（Ｕ１相、Ｖ１相、Ｗ１相
用）は、図３に示すインバータ回路１（４５）に相当し、図１１に示す右側の半導体モジ
ュール（Ｕ２相、Ｖ２相、Ｗ２相用）は、図３に示すインバータ回路２（４６）に相当す
る。本来、ドライバ基板３８６は、インバータ回路１（４５）とインバータ回路２（４６
）毎にそれぞれ設けられるものであるが、本実施形態では、図１１の左側の３つの半導体
モジュール５００に内蔵されるインバータ回路１（４５）と、右側に設けられたインバー
タ回路２（４６）との間に、ドライバ基板を掛け渡す構造を採用することで（図３を参照
）、２つのインバータ回路１と２に対して１枚のドライバ基板３８６で兼用させることが
できる。
さらに、図１０をみると、下ケース１４２は、機能的には水路筐体を形成しており（図
１０の水路２３７）、さらに、コンデンサモジュールの挿入部１４７をも形成している。
したがって、下ケース１４２は水路筐体の機能を果たすとともに、コンデンサモジュール
３９０の位置決め機能をも果たしているので、コンデンサモジュールの位置決めが容易で
ある。
図７に示す電力変換装置における半導体モジュール５００とコンデンサモジュール３９
０の配列構造と、図１３に示す半導体モジュール５００の正極端子５３２と負極端子５７
２の配置構造とから分かるように、放熱フィン（Ｂ側）５６２に対面してコンデンサモジ
ュール３９０が配置されるので、コンデンサモジュール３９０の正極端子と負極端子は、
半導体モジュール５００の正極端子５３２と負極端子５７２と互いに等長のＤＣバスバー
で接続でき、接続が容易になるとともに（等長で同構造のＤＣバスバーを２本用意して、
これらのＤＣバスバーを正極端子５３２とコンデンサモジュール正極端子との間、負極端
子５７２とコンデンサモジュール負極端子との間に掛け渡して容易に接続することが可能
）、コンデンサモジュールと半導体モジュールのそれぞれの極側を単純構造の同一形状の
ＤＣバスバーで連結することで低インダクタンスの配線構造となっている。
図２１は本実施形態に関する半導体モジュールとコンデンサモジュールの間の端子接続
の構造を示す図である。図２１は半導体モジュール５００の間にコンデンサモジュール３
９０が挟まれるサンドイッチ構造の一方の側を図示している。
コンデンサモジュール３９０から直流バスバー３９３が突設されて、その端部にコンデ
ンセモジュールの正極端子３９４と負極端子３９５が配置されその先端部は櫛歯形状の端
子部を植立している。さらに、正極端子３９４と負極端子３９５の間にはこれらの端子間
の絶縁を確実にする薄板形状のコンデンサモジュール端子絶縁部３９６が直流バスバー３
９３に付設される。この薄板形状端子絶縁部３９６は、半導体モジュールの上面に穿たれ
た挿入孔５８３に挿入することによって、半導体モジュール５００とコンデンサモジュー
ル３９０間の端子接続の位置決めが図られる。
この位置決めによって、半導体モジュールの正極端子５３２とコンデンサモジュールの
正極端子３９４との接合、及び半導体モジュールの負極端子５７２とコンデンサモジュー
ルの負極端子３９５との接合が固定したものとなる。すなわち、接合する両端子の櫛歯形
状同士が密接関係となり、その後の例えばはんだ付け作業が容易となり、はんだ固着が強
固なものとなる（コンデンサモジュール３９０と半導体モジュールの接続端子を互いに櫛
歯形状とすることによって、両者の接続端子間の溶接やその他の固着接続がし易くなって
いる）。図示するように、半導体モジュールの正極端子５３２と負極端子５７２の配列が
、コンデンサモジュール３９０の対向面側に対して並置されているので、コンデンサモジ
ュールの正極端子３９４と負極端子３９５の突設構造を互いに同一とすることができる。
また、半導体モジュール５００はそのフィン長手方向に沿って複数配列されるので、半導
体モジュール毎のコンデンサモジュールの直流バスバー３９３の構造をも同一とすること
ができる。
次に、本実施形態に関する半導体モジュールの配線インダクタンス低減化について、図
２２と図２３を用いて説明する。図２２は本実施形態に関する半導体モジュールとコンデ
ンサモジュールにおける配線インダクタンスの低減を説明する構成上の配置図である。図
２３は本実施形態に関する半導体モジュールとコンデンサモジュールにおける配線インダ
クタンスの低減を説明する等価回路上の配置図である。過渡的な電圧上昇や半導体チップ
の大きな発熱は、インバータ回路を構成する上アームあるいは下アームのスイッチング動
作時に発生するので、特にスイッチング動作時のインダクタンスを低減することが望まし
い。過渡時にダイオードのリカバリ電流６００が発生するので、このリカバリ電流に基づ
き、一例として下アームのダイオード５４３（図２の６６に相当）のリカバリ電流を例と
してインダクタンス低減の作用を説明する。
ダイオード５４３のリカバリ電流とは、逆バイアスであるにもかかわらずダイオード５
４３に流れる電流であり、ダイオード５４３の順方向状態でダイオード５４３内に満たさ
れたキャリアに起因すると一般に言われている。インバータ回路を構成する上アームある
いは下アームの導通動作あるいは遮断動作が所定の順に行われることでインバータ回路の
交流端子５８２には３相交流電力が発生する。今、上アームとして動作している半導体チ
ップ５３７が導通状態から遮断状態に切り替わると、モータジェネレータ９２（図２を参
照）の固定子巻線の電流を維持する方向に下アームのダイオード５４３を介して還流電流
が流れる。この還流電流はダイオード５４３の順方向電流であり、ダイオード内部はキャ
リアで満たされる。次に、上アームとして動作している半導体チップ５３７が遮断状態か
ら再び導通状態に切り替わると、下アームのダイオード５４３に上述したキャリアに起因
するリカバリ電流が流れる。定常的な動作では上下アーム直列回路のどちらかが必ず遮断
状態にあり、上下アームに短絡電流が流れることが無いが、過渡状態の電流例えばダイオ
ードのリカバリ電流は上下アームで構成する直列回路を流れる。
図２２と図２３で上下アーム直列回路の上アームとして動作するＩＧＢＴ（スイッチン
用半導体素子）５３７がオフからオンに変化したとき、正極端子５３２（図２の５７に相
当）からＩＧＢＴ５３７、ダイオード５４３を通って負極端子５７２（図２の５８に相当
）にダイオード５４３のリカバリ電流が流れる（図に矢印で示す）。なお、このとき、Ｉ
ＧＢＴ５４１は遮断状態にある。このリカバリ電流の流れをみると、図２２に示すように
、チップ５３７と５４３から正極端子５３２と負極端子５７２に至る経路では導体板が上
下方向に並行して配置され、且つ逆向きの同一電流が流れる。そうすると、導体板の間の
空間では互いの電流によって発生する磁界が打ち消し合うことになり、結果として電流経
路のインダクタンスが低下することとなる。
すなわち、正極側の導体板５３４および正極端子５３２と負極側の導体板５７４および
負極端子５７２とが接近して対抗して配置されたラミネート状態にあることでインダクタ
ンスの低減作用が生じる。図２３は図２２の等価回路であり、正極側の導体板５３４およ
び正極端子５３２の等価コイル７１２が負極側の導体５７４および端子５７２の等価コイ
ル７１４と互いに磁束を打ち消す方向に作用し、インダクタンスが低減される。
さらに、図２２に示すリカバリ電流の経路をみると、逆方向且つ並行電流の経路に続い
て、ループ形状の経路が生じている。このループ形状経路を電流が流れることによって、
放熱フィン（Ａ側）と放熱フィン（Ｂ側）には渦電流６０２，６０１が流れることとなり
、この渦電流による磁界打ち消し効果によってループ形状経路におけるインダクタンスの
低減作用が生じる。図２３の等価回路で、渦電流を生じる現象を等価的にインダクタンス
７２２と７２４と７２６で表現した。これらのインダクタンスは放熱フィンである金属板
に接近して配置されているので、誘導により発生する渦電流が発生する磁束と打ち消しあ
う関係となり、結果として半導体モジュールのインダクタンスが渦電流効果によって低減
することとなる。
以上のように、本実施形態に関する半導体モジュールの回路構成の配置によって、ラミ
ネート配置による効果と渦電流による効果によってインダクタンスを低減することができ
る。スイッチング動作時のインダクタンスを低減することが重要であり、本実施形態の半
導体モジュールでは、上アームと下アームの直列回路を半導体モジュール内に収納してい
る。このため上下アーム直列回路を流れるダイオードのリカバリ電流に対して低インダク
タンス化が可能となるなど、過渡的な状態でのインダクタンス低減効果が大きい。
インダクタンスが低減すれば、半導体モジュールで発生する誘起電圧は小さくなり、低
損失の回路構成を得ることができ、また、インダクタンスが小さいことによってスイッチ
ング速度の向上に繋げることができる。さらに、上述した上下アーム直列回路５０からな
る半導体モジュール５００を複数並列にして、コンデンサモジュール９５内の各コンデン
サ９０と接続して大容量化を図った場合において、半導体モジュール５００自体のインダ
クタンスが低減することによって、電力変換装置１００内の半導体モジュール５００によ
るインダクタンスのバラツキの影響が少なくなり、インバータ装置の動作が安定する。
また、モータジェネレータの大容量化（例えば、４００Ａ以上）が求められる場合にお
いて、コンデンサも大容量とする必要があり、個々のコンデンサ９０を多数並列接続しコ
ンデンサの直流バスバー３９３を並列状に配置すると、個々の半導体モジュールの正極端
子５３２及び負極端子５７２と個々のコンデンサ端子とは等距離接続することになり、そ
れぞれの半導体モジュールに流れる電流は均等に分配され、バランスの良い低損失のモー
タジェネレータの動作を図ることができる。さらに、半導体モジュールの正極端子と負極
端子の並行配置によって、ラミネート効果でインダクタンスが低減することと相俟って低
損失の動作を行わせることができる。
以上説明したように、本発明の実施形態に係る電力変換装置は、両面冷却型半導体モジ
ュールを用いて、小型化、組立性、冷却効率の向上を図るものであり、その全体構造とし
て、同一側面に水路入口部と出口部を設けた略直方体形状の水路筐体において、その中央
部分にコンデンサモジュールの挿入部を形成し、その中央部の両側に水路入口部と水路出
口部に繋がる水路を形成し、この水路に半導体モジュールの放熱フィン長手方向に沿って
複数の半導体モジュールをスロットインする構成を基本的構造体とする。この基本的構造
体において、水路入口部と出口部を設けた側面以外の他の側面には、交流コネクタ１と交
流コネクタ２を設け、さらに他の側面には直流コネクタを設ける。
また、この基本的構造体におけるコンデンサモジュールの上面には半導体モジュールに
内蔵する上下アーム直列回路のドライバ基板を設け、さらにその上部に制御基板を設けて
、コンデンサモジュール上面空間の有効利用を図って、全体構成としている。
また、図１２に示す水路構造と複数の半導体モジュールの配置構造によって、水流のＵ
ターン部の数減少で水路の圧力損失を低減している。さらに、図１２に示すコンデンサモ
ジュールと水路のサンドイッチ構造でコンデンサをも水路の冷却水で冷却できるような構
造としている。また、図１３に示すような半導体モジュールの正極端子と負極端子の配列
構造によってコンデンサモジュールのそれらに対応する端子と同一構造のＤＣバスバーで
結合することができ低インダクタンス配線を可能とする。コンデンサモジュールの上面に
ドライバ基板と制御基板を配置することでコンデンサモジュール上面の有効利用を図り、
２つのインバータ回路を有する電力変換装置であってもドライバ基板を共通のドライバ基
板で形成することできる。また、下ケースから成る水路筐体にコンデンサモジュール挿入
部を形成することでコンデンサモジュールの位置決めが確実且つ容易になる。
また、図１４に示すように、半導体モジュールに内蔵される上アームのＩＧＢＴと下ア
ームのＩＧＢＴとは長さＬで水路の水流方向に沿って配置され、同様に上アームと下アー
ムのダイオードも長さＭでＩＧＢＴの下に配置されるので、半導体モジュールの高さ方向
に無駄な長さが存在せず、小型化に繋がる。また、第１の冷却対象であるＩＧＢＴは、Ｍ
より長いＬに相当する水路（フィン部分の高さ方向の長さ）を占有するので、冷却効率も
向上する。
次に、本実施形態に関する半導体モジュールの正極端子と負極端子の配列についての他
の構成例を、図２４を用いて説明する。まず、図２１に示す半導体モジュールの正極端子
５３２と負極端子５７２は、それぞれ植立した櫛歯形状の並びが放熱フィン（Ａ側）５２
２の水流方向に沿って縦列する配列であった（図１３を参照）。図２４によると、正極端
子５３２と負極端子５７２のそれぞれの櫛歯形状を半導体モジュールの短手方向で対向す
るように構成する。すなわち、正極端子５３２の櫛歯形状の並びが放熱フィン（Ａ側）５
２２側において水流方向に沿うようにされ、負極端子５７２の櫛歯形状の並びが放熱フィ
ン（Ｂ側）５６２側において水流方向に沿うように形成され、互いの櫛歯形状が半導体モ
ジュール短手方向で向き合う構造であり、図２１の構造のものに比べて、正極端子５３２
と負極端子５７２の配置のみが異なっている（他の端子の配列が多少異なっていても当然
によい）。
図示するように各端子の櫛歯形状を形成するために、それぞれの導体板５３４（正極側
の導体板）と５７４（負極側の導体板）には、屈曲部を形成して櫛歯形状が向き合うよう
に屈曲させればよい。コンデンサモジュールの端子絶縁部３９６に対応するように、半導
体モジュールの各端子５３２，５７２の導体板５３４，５７４間には端子絶縁部挿入孔５
８３を付設する。上述した半導体モジュール５００の正極端子と負極端子の配置構造に対
応させて、コンデンサモジュール３９０の正極端子３９４と負極端子３９５の構造につい
ても、図２１に示すものに比べて、直流バスバー３９３と端子及び端子絶縁部との並び方
が９０度角度変更している。すなわち、図２４に示す他の構成例は、半導体モジュールと
コンデンサモジュールの正極端子、負極端子の構造を変更するのみで適応可能なものであ
る。
次に、本実施形態に関する水路構造と複数半導体モジュールの配置構造の構成例につい
て、図２５と図２６を参照しながら以下説明する。図２５は本実施形態に関する水路構造
と複数半導体モジュールの配置構造の一の構成例を示す機能説明図である。図２６は本実
施形態に関する水路構造と複数半導体モジュールの配置構造の他の構成例を示す機能説明
図である。
図において、１４２は下ケース、２２６は正面部入口水路、２２７は正面部折り返し水
路、２２８は正面部出口水路、２３６は背面部折り返し水路、２３７は半導体モジュール
挿入水路、２４６は水路入口部、２４８は水路出口部、２５８は水流、３９０はコンデン
サモジュール、４９０は水路形成体１、４９１は水路形成体２、５００は半導体モジュー
ル、をそれぞれ表す。
図２５において、図２５（Ａ）は、図１２に示す水路構造と半導体モジュール配置構造
を機能的に説明する図であり、その機能、作用は図１２の説明で詳述したとおりである。
図２５（Ｂ）は水路構造の変形例であり、コンデンサモジュールの冷却効率の向上及び流
路内の圧力損失低減を図るものである。図２５（Ｂ）に示す変形例について図２５（Ａ）
の例との対比で説明すると、図２５（Ａ）の場合、冷却水は入口水路２２６近傍に配置さ
れた半導体モジュールを先に冷却し（入口水路２２６側に３つの半導体モジュールが挿入
されている）、出口水路２２８近傍に配置された半導体モジュールは後に冷却する。その
ため、入口水路２２６近傍と出口水路２２８近傍で半導体モジュールに当接する冷却水の
温度に偏りができ、冷却の不均一を招くこととなる。
これに対して、図２５（Ｂ）のものは、背面部に水路形成体１（４９０）を設けて折り
返し水路２３６を形成するものであるので、入口水路２２６と出口水路２２８の近傍に配
置された半導体モジュール５００は一方の面（図１３に示す放熱フィン（Ａ側）５２２又
は放熱フィン（Ｂ側）５６２）が先に冷却され、もう一方の面は最後に冷却されるため、
各半導体モジュール５００の冷却が比較的均一になるという利点がある。
また、図２５（Ｃ）は水路構造の変形例は、同図（Ｂ）と同様に背面部に折り返し水路
２３６を設けるとともに水路形成体１（４９０）と水路形成体２（４９１）を図示のよう
に配置するとともに、複数の半導体モジュール５００を３つのユニットに分け、それぞれ
３つのユニットを矩形の筐体の各辺側に配置し、例えば３つのユニットをＵ相、Ｖ相、Ｗ
相の半導体モジュール毎に分けることで、各相について熱的にバランスを取ることが出来
る。すなわち、所定の一つの相のみが高温となることを防ぐことができるという利点があ
る。
また、図２６において、水路構造の変形例を示し、水路入口部２２６と水路出口部２２
８に水路形成体を設けずに、且つ背面部に水路を形成するものである。図２６（Ａ）によ
ると、水路入口部と水路出口部に至る水路全長に亘って水路形成体４９０，４９１を設け
る必要が無く、コスト低減を図ることが出来る。また、図２６（Ａ）〜（Ｃ）の水路に比
べ、水路の折り返し回数を減らすことができ、かつ、水流を分岐することで各水路におけ
る冷却水の流速が下がり、水路内の圧力損失を低減することができる。
また、図２６（Ｂ）に示すものは、半導体モジュールを各相毎に各水路辺毎に配置した
ものである。図２５（Ａ）〜（Ｃ）の変形例に比べて、水路の折り返し回数が減らすこと
ができ、かつ、水流を分岐することで各水路における冷却水の流速が下がり、水路内の圧
力損失を低減することができる。
１０：ハイブリッド電気自動車、１２：前輪、１４：前輪車軸、１６：前輪側ＤＥＦ、
１８：変速機、２０：エンジン、２２：動力分配機構、２３，２４，２５，２６：歯車、
２７，２８，２９，３０：歯車、３６：バッテリ、３８：直流コネクタ、４０，４２：イ
ンバータ装置、４４：インバータ回路、４５：インバータ回路１、４６：インバータ回路
２、５０：上下アームの直列回路、５０Ｕ１：インバータ回路１のＵ相直列回路、５０Ｕ
２：インバータ回路２のＵ相直列回路、５０Ｖ１：インバータ回路１のＶ相直列回路、５
０Ｖ２：インバータ回路２のＶ相直列回路、５０Ｗ１：インバータ回路１のＷ相直列回路
、５０Ｗ２：インバータ回路２のＷ相直列回路、
５２：上アームのＩＧＢＴ、５３：上アームのコレクタ電極、５４：上アームのゲート
（ベース）電極端子、５５：上アームの信号用エミッタ電極端子、５６：上アームのダイ
オード、５７：正極（Ｐ）端子、５８：負極（Ｎ）端子、５９：交流端子、６２：下アー
ムのＩＧＢＴ、６３：下アームのコレクタ電極、６４：下アームのゲート電極端子、６５
：下アームの信号用エミッタ電極端子、６６：下アームのダイオード、６９：中間電極、
７０：制御部、７２：制御回路（制御基板３７２に内蔵）、７４：ドライバ回路（ドライ
バ基板３８６に内蔵）、７６：信号線、８０：検出部、８２：信号線、８６：交流電力線
（出力バスバー）、８８：交流コネクタ１、８９：交流コネクタ２、９０：コンデンサ（
コンデンサモジュール３９０に内蔵）、９１：交流コネクタ部フランジ、９２，９４：モ
ータジェネレータ、
１００：電力変換装置、１１２：上ケース、１２２：交流コネクタ用位置決め部、１２
３：交流コネクタ搭載部、１２４：上ケースフランジ、１４２：下ケース、１４４：水路
蓋、１４５：モジュール蓋１、１４６：モジュール蓋２、１４７：コンデンサモジュール
挿入部、
２１２：水路筐体、２１４：水路筐体の本体部、２２４：水路筐体の正面部、２２６：
正面部の入口水路、２２７：正面部の折り返し水路、２２８：正面部の出口水路、２３６
：背面部の折り返し水路、２３７：半導体モジュール挿入水路、２４６：水路入口部、２
４８：水路出口部、２５０，２５１，２５２，２５３：水流、２５４，２５５，２５６，
２５７：水流、
３７２：制御基板（制御回路を内蔵）、３７３：制御ＩＣ１、３７４：制御ＩＣ２、３
８６：ドライバ基板、３８７：ドライバＩＣ、３８８：信号コネクタ、３９０：コンデン
サモジュール、３９１：交流バスバー１、３９２：交流バスバー２、４９０：水路形成体
１、４９１：水路形成体２、
５００：半導体モジュール、５０１：半導体モジュール固定部、５０２：半導体モジュ
ール位置決め部、５０７：モールド樹脂、５０８：サイドケース、５１２：トップケース
、５１３：トップケースのモールドレジン充填部、５１６：ボトムケース、５１７：ボト
ムケースの嵌合部、５２２：放熱フィン（Ａ側）、５３２：正極端子、５３４：正極側の
導体板、５３５：上下アーム接続用導体板、５３６，５３８，５４０，５４２，５４４：
はんだ層、５３７：ＩＧＢＴチップ（上アーム用）、５３９：ダイオードチップ（上アー
ム用）、５４１：ＩＧＢＴチップ（下アーム用）、５４３：ダイオードチップ（下アーム
用）、
５４４：はんだ層、５４６：絶縁シート（Ａ側）、５４８：はんだ層、５４９：はんだ
層、５５０：はんだ層、５５２：信号用端子（上アーム用）、５５３：ゲート端子（上ア
ーム用）、５５６：信号用端子（下アーム用）、５５７：ゲート端子（下アーム用）、５
６２：放熱フィン（Ｂ側）、５７２：負極端子、５８２：交流端子、５９３：ゲートワイ
ヤ（上アーム用）、５９６：絶縁シート（Ｂ側）、５９７：ゲートワイヤ（下アーム用）
、７５１：はんだ接合部（ＩＧＢＴコレクタ側）、７５２：はんだ接合部（ダイオードカ
ソード側）、７５３：はんだ接合部（ＩＧＢＴコレクタ側）、７５４：はんだ接合部（ダ
イオードカソード側）、７５６：はんだ接合部（ＩＧＢＴエミッタ側）、７５７：はんだ
接合部（ＩＧＢＴエミッタ側）、７５８：はんだ接合部（ダイオードアノード側）、７５
９：はんだ接合部（ダイオードアノード側）、７６０：はんだ接合部（上下アーム接続用
）、

Claims (13)

  1. 冷却水路を内蔵する水路筐体と、インバータ回路の上下アームの直列回路を内蔵した両
    面冷却の半導体モジュールと、コンデンサモジュールと、直流コネクタと、交流コネクタ
    と、を備えた電力変換装置であって、
    前記両面冷却の半導体モジュールは、外側の面が放熱面である第１と第２の放熱金属を
    有し、前記第１と第２の放熱金属の間に前記上下アームの直列回路を密閉して配置すると
    ともに、外部に突出する直流正極端子と直流負極端子と交流端子とを有し、
    前記水路筐体には冷却水入口部から冷却水出口部に至る水路が形成され、前記水路の上
    方に一の開口が設けられ、前記両面冷却の半導体モジュールが前記一の開口を通して前記
    水路に挿脱自在に配置され、
    前記水路筐体には前記コンデンサモジュールを載置するための他の開口が設けられ、
    前記コンデンサモジュール用の前記他の開口の両側面側には前記半導体モジュール用の
    前記一の開口が配置され、
    前記半導体モジュールの前記第１と第２の放熱金属の長手方向が冷却水の流れに沿うよ
    うに、前記両側面側の前記一の開口に複数個の半導体モジュールが配列される
    ことを特徴とする電力変換装置。
  2. 冷却水路を内蔵する水路筐体と、インバータ回路の上下アームの直列回路を内蔵した両
    面冷却の半導体モジュールと、コンデンサモジュールと、直流コネクタと、交流コネクタ
    と、を備えた電力変換装置であって、
    前記両面冷却の半導体モジュールは、外側の面が放熱面である第１と第２の放熱金属を
    有し、前記第１と第２の放熱金属の間に前記上下アームの直列回路を密閉して配置すると
    ともに、外部に突出する直流正極端子と直流負極端子と交流端子とを有し、
    前記水路筐体には冷却水入口部から冷却水出口部に至る水路が形成され、前記水路の上
    方に一の開口が設けられ、前記両面冷却の半導体モジュールが前記一の開口を通して前記
    水路に挿脱自在に配置され、
    前記水路筐体には前記コンデンサモジュールを載置するための他の開口が設けられ、
    前記コンデンサモジュール用の前記他の開口の両側面側には前記半導体モジュール用の
    前記一の開口が配置され、
    前記他の開口を通して載置された前記コンデンサモジュールの上方面に、前記上下アー
    ムの直列回路からなるインバータ回路を駆動するための駆動要素を設けたドライバ基板と
    、前記ドライバ基板上に前記インバータ回路を制御するための制御要素を設けた制御基板
    と、を配置する
    ことを特徴とする電力変換装置。
  3. 冷却水路を内蔵する水路筐体と、インバータ回路の上下アームの直列回路を内蔵した両
    面冷却の半導体モジュールと、コンデンサモジュールと、直流コネクタと、交流コネクタ
    と、を備えた電力変換装置であって、
    前記両面冷却の半導体モジュールは、外側の面が放熱面である第１と第２の放熱金属を
    有し、前記第１と第２の放熱金属の間に前記上下アームの直列回路を密閉して配置すると
    ともに、外部に突出する直流正極端子と直流負極端子と交流端子とを有し、
    前記水路筐体には冷却水入口部から冷却水出口部に至る水路が形成され、前記水路の上
    方に一の開口が設けられ、前記両面冷却の半導体モジュールが前記一の開口を通して前記
    水路に挿脱自在に配置され、
    前記水路筐体には前記コンデンサモジュールを載置するための他の開口が設けられ、
    前記コンデンサモジュール用の前記他の開口の両側面側には前記半導体モジュール用の
    前記一の開口が配置され、
    前記半導体モジュールの前記第１と第２の放熱金属は、外表面に冷却水の流れる凹部の
    あるフィン形状を有し、前記半導体モジュールが、前記両側面側の前記一の開口に嵌合状
    態で挿入される
    ことを特徴とする電力変換装置。
  4. 冷却水路を内蔵する水路筐体と、インバータ回路の上下アームの直列回路を内蔵した両
    面冷却の半導体モジュールと、コンデンサモジュールと、直流コネクタと、交流コネクタ
    と、を備えた電力変換装置であって、
    前記両面冷却の半導体モジュールは、外側の面が放熱面である第１と第２の放熱金属を
    有し、前記第１と第２の放熱金属の間に前記上下アームの直列回路を密閉して配置すると
    ともに、外部に突出する直流正極端子と直流負極端子と交流端子とを有し、
    前記水路筐体には冷却水入口部から冷却水出口部に至る水路が形成され、前記水路の上
    方に一の開口が設けられ、前記両面冷却の半導体モジュールが前記一の開口を通して前記
    水路に挿脱自在に配置され、
    前記水路筐体には前記コンデンサモジュールを載置するための他の開口が設けられ、
    前記コンデンサモジュール用の前記他の開口の両側面側には前記半導体モジュール用の
    前記一の開口が配置され、
    前記コンデンサモジュールの正側端子と負側端子は、前記半導体モジュールの直流正極
    端子と直流負極端子に対して、同一長さで同一形状の接続部材で連結される
    ことを特徴とする電力変換装置。
  5. 請求項４において、
    前記コンデンサモジュール内には複数のコンデンサブロックが収容され、
    各ブロックの正側端子及び負側端子は、各半導体モジュールの直流正極端子及び直流負
    極端子に対して、各ブロック同士で同一長さで同一形状の接続部材で連結される
    ことを特徴とする電力変換装置。
  6. 請求項１、２または３において、
    前記コンデンサモジュール用の他の開口の両側面側に設けられた前記一の開口に加えて
    、前記他の開口の両側面側の一の開口同士を結ぶ折り返し開口を設け、全冷却水路中で冷
    却水のＵターン箇所を３箇所とする
    ことを特徴とする電力変換装置。
  7. 請求項６において、
    前記折り返し開口は、前記水路筐体の左右側にそれぞれ設けた冷却水入口部と冷却水出
    口部が配置された正面側に設けられ、
    冷却水は、冷却水入口部、前記コンデンサモジュール用の他の開口の一方の側面側に配
    置された半導体モジュールの第１の放熱金属、当該半導体モジュールの第２の放熱金属、
    前記正面側の折り返し開口の通路、前記コンデンサモジュール用の他の開口の他方の側面
    側に配置された半導体モジュールの第１の放熱金属、当該半導体モジュールの第２の放熱
    金属、冷却水出口部、の順に流れる
    ことを特徴とする電力変換装置。
  8. 請求項６において、
    前記折り返し開口は、前記水路筐体の左又は右側に設けた冷却水入口部と冷却水出口部
    が配置された背面側に設けられ、
    冷却水は、冷却水入口部、前記コンデンサモジュール用の他の開口の一方の側面側に配
    置された半導体モジュールの第１の放熱金属、前記背面側の折り返し開口の通路、前記コ
    ンデンサモジュール用の他の開口の他方の側面側に配置された半導体モジュールの第２の
    放熱金属、当該半導体モジュールの第１の放熱金属、前記背面側の折り返し開口の通路、
    前記コンデンサモジュール用の他の開口の一方側に配置された半導体モジュールの第２の
    放熱金属、冷却水出口部、の順に流れる
    ことを特徴とする電力変換装置。
  9. 請求項８において、
    前記背面側の折り返し開口の通路には、前記他の開口の一方の側面側及び他方の側面側
    の通路に配列された半導体モジュールに加えて、他の半導体モジュールを配列し、
    前記折り返し開口の通路、一方の側面側の通路、及び他方の側面側の通路には、各相毎
    の半導体モジュールを配列する
    ことを特徴とする電力変換装置。
  10. 請求項１、２、３または４において、
    前記コンデンサモジュール用の他の開口の一方側面側に設けられた前記一の開口には、
    第１のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の上下アーム直列回路からなる第１のインバータ回路を含む第１
    の半導体モジュール群が配列され、
    前記コンデンサモジュール用の他の開口の他方の側面側に設けられた前記一の開口には
    、第２のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の上下アーム直列回路からなる第２のインバータ回路を含む第
    ２の半導体モジュール群が配列される
    ことを特徴とする電力変換装置。
  11. 請求項１０において、
    前記第１の半導体モジュール群と前記第２の半導体モジュール群とに掛け渡した各半導
    体モジュールのインバータ回路を駆動するためのドライバ基板は、前記コンデンサモジュ
    ールの上方面に配置されて、前記第１と第２の半導体モジュール群に共用する基板である
    ことを特徴とする電力変換装置。
  12. 請求項２において、
    前記水路筐体を形成する下ケースに設けられた前記他の開口を通して載置する前記コン
    デンサモジュールの上方面には、前記コンデンサモジュールと前記半導体モジュールの端
    子同士を接続するＤＣ接続部材と、前記半導体モジュールの交流端子と交流コネクタを接
    続するＡＣ接続部材と、前記ドライバ基板と、前記制御基板と、が順に設置され、
    前記ＤＣ接続部材、前記ＡＣ接続部材、前記ドライバ基板、及び前記制御基板を内包す
    る上ケースを前記下ケースに被せる
    ことを特徴とする電力変換装置。
  13. 請求項１または３において、
    前記半導体モジュールは、上アーム用ＩＧＢＴチップ及び上アーム用ダイオードチップ
    と、下アーム用ＩＧＢＴチップ及び下アーム用ダイオードチップと、を内蔵し、
    前記上アーム用ＩＧＢＴチップと下アーム用ＩＧＢＴチップとは、前記放熱金属の冷却
    水流れに沿った同一水平面状に配列される
    ことを特徴とする電力変換装置。
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