JP2021177676A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】両面冷却構造を有するパワー半導体モジュールの小型化を実現する電力変換装置を提供する。【解決手段】電力変換装置は、半導体素子と、半導体素子の両面側に配置されて、半導体素子と電気的に接続される一対の導体部材（ヒートパイプ）と、一対の導体部材（ヒートパイプ）の両面側に配置されて、一対の導体部材（ヒートパイプ）と熱的に接触する一対の放熱部材と、を備える。一対の導体部材（ヒートパイプ）は、内部に冷媒が封入されている。【選択図】図１０（ｂ）

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

電気自動車あるいはハイブリッド自動車においては、搭載される部品の小型化と高出力化を両立させた高密度実装が重要視されている。バッテリの直流電流をモータの交流電流に変換する電力変換装置も例外ではなく、その結果、発熱密度が大きくなるため冷却性能を向上させる必要がある。

電力変換装置を構成する電子部品の中でも最も発熱量が大きいものはパワー半導体モジュールである。パワー半導体モジュールの冷却性能を向上させる従来技術として、図１０（ａ）に示すような構造が提案されている。具体的には、半導体素子片面を放熱部材に接触さえた上で素子反対面にも熱拡散板を介し導体部材を配置する構造（特許文献１）や、半導体素子の両面に放熱部材を実装する両面冷却構造（特許文献２〜３）や、半導体素子の両面にヒートパイプを設けて素子から離れた位置に熱輸送した上で放熱部材に放熱する構造（特許文献４）がある。ここでヒートパイプは、金属管もしくは平板中空部材内部に冷媒を封入していることを特徴としており、この冷媒の蒸発や凝縮によって中実金属の１０倍以上の等価熱伝導率を有する熱輸送部材である。

特開２０１３-１９７５６０号公報 特開２０１４-１８３０７８号公報 特開２０１８-０３７５４５号公報 特開２０１２-０４３９１５号公報

特許文献１は、導体部材をヒートパイプにした例も検討しており、導体部材を積極的に放熱経路とし、疑似両面冷却のような構成にしている。特許文献２は、特許文献１の構造をヒートパイプに対して鏡面対称にした例も検討している。特許文献３は、1対の放熱部材の間に、絶縁介挿板を中心に挟持するように半導体素子上にヒートパイプを搭載した構造部材を対向するように配置している。しかしながら、いずれの構造も素子と放熱部材の間にヒートパイプを設けず，放熱部材とは反対側にヒートパイプを設けているため，主たる放熱経路にヒートパイプを活用していないため，さらなる性能向上には限界がある。

一方で、特許文献４は、素子両面および絶縁部材付きの放熱部材の両面を一対のヒートパイプで挟み込む構造を特徴としており、ヒートパイプが主たる放熱経路となっている。しかしながら、ヒートパイプの全面を放熱面積として活用することができず、かつ２つの異形状部材を同時に挟み込む構造は組立が容易ではなく、組立公差が接触熱抵抗増大に直結する課題がある。

本発明に係る電力変換装置は、半導体素子と、前記半導体素子の両面側に配置されて、当該半導体素子と電気的に接続される一対の導体部材と、前記一対の導体部材の両面側に配置されて、前記一対の導体部材と熱的に接触する一対の放熱部材と、を備え、前記一対の導体部材は、内部に冷媒が封入されていることを特徴とする。

本発明によれば、図１０（ｂ）に示すように、両面冷却構造を有するパワー半導体モジュール内部の発熱源である半導体素子の熱は一対の導体部材に伝わり、この導体部材によって熱が広がり伝熱面積が拡大された状態で一対の放熱部材に熱が伝わるため、局所的なホットスポットを抑制でき、かつ放熱経路を阻害する部材点数を最小限にすることが可能となる。ここで、放熱部材は水冷構造となっており、導体部材はヒートパイプなどの冷媒を封入した金属管であり、ヒートパイプの代わりに平型のべーバチャンバでも自励振動タイプの細管蛇行流路構造でも焼結金属でも良い。

ハイブリッド自動車の制御ブロックを示す図。 インバータ回路１４０，１４２の電気回路構成図。 電力変換装置２００の斜視図。 電力変換装置２００のＡ−Ａ’断面図。 電力変換装置２００のＢ−Ｂ’断面図。 電力変換装置２００の分解斜視図。 パワー半導体モジュール１５０ａの斜視図。 パワー半導体モジュール１５０ａのＣ−Ｃ’断面図。 パワー半導体モジュール１５０ａのＤ−Ｄ’断面図。 パワー半導体モジュール１５０ａの分解斜視図。 ヒートパイプ（ベーパチャンバ）の斜視図。 ヒートパイプ（ベーパチャンバ）のＥ−Ｅ’断面図。 第２の実施形態に係る電力変換装置２００の斜視図。 第２の実施形態に係る電力変換装置２００のＦ−Ｆ’断面図。 （第２の実施形態）電力変換装置２００の分解斜視図。 従来技術における放熱構造を模式的に示した断面図。 本発明における放熱構造を模式的に示した断面図。

以下、図面を参照して、本発明に係る電力変換装置の実施の形態について説明する。なお、各図において同一要素については同一の符号を記し、重複する説明は省略する。

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。エンジンＥＧＮおよびモータジェネレータＭＧ１、モータジェネレータＭＧ２は車両の走行用トルクを発生する。また、モータジェネレータＭＧ１およびモータジェネレータＭＧ２は回転トルクを発生するだけでなく、モータジェネレータＭＧ１あるいはモータジェネレータＭＧ２に外部から加えられる機械エネルギーを電力に変換する機能を有する。

モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２は、例えば同期機あるいは誘導機であり、上述のごとく、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。モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２を自動車に搭載する場合には、小型で高出力を得ることが望ましく、ネオジウムなどの磁石を使用した永久磁石型の同期電動機が適している。また、永久磁石型の同期電動機は誘導電動機に比べて回転子の発熱が少なく、この観点でも自動車用として優れている。

エンジンＥＧＮの出力側及びモータジェネレータＭＧ２の出力トルクは動力分配機構ＴＳＭを介してモータジェネレータＭＧ１に伝達され、動力分配機構ＴＳＭからの回転トルクあるいはモータジェネレータＭＧ１が発生する回転トルクは、トランスミッションＴＭおよびデファレンシャルギアＤＩＦを介して車輪に伝達される。一方、回生制動の運転時には、車輪から回転トルクがモータジェネレータＭＧ１に伝達され、供給されてきた回転トルクに基づいて交流電力を発生する。

発生した交流電力は後述するように電力変換装置２００により直流電力に変換され、高電圧用のバッテリ１３６を充電し、充電された電力は再び走行エネルギーとして使用される。また高電圧用のバッテリ１３６の蓄電している電力が少なくなった場合に、エンジンＥＧＮが発生する回転エネルギーをモータジェネレータＭＧ２により交流電力に変換し、次に交流電力を電力変換装置２００により直流電力に変換し、バッテリ１３６を充電することができる。エンジンＥＧＮからモータジェネレータＭＧ２への機械エネルギーの伝達は動力分配機構ＴＳＭによって行われる。

次に電力変換装置２００について説明する。昇圧回路６００、インバータ回路１４０，１４２は、バッテリ１３６と直流コネクタ１３８を介して電気的に接続されており、バッテリ１３６の電圧を昇圧回路５００にて高くし、昇圧後の回路２０１は、インバータ回路１４０，１４２との相互において電力の授受が行われる。

モータジェネレータＭＧ１をモータとして動作させる場合には、インバータ回路１４０は直流コネクタ１３８を介してバッテリ１３６から供給された直流電力に基づき交流電力を発生し、交流端子１８８を介してモータジェネレータＭＧ１に供給する。モータジェネレータＭＧ１とインバータ回路１４０からなる構成は第１電動発電ユニットとして動作する。

同様に、モータジェネレータＭＧ２をモータとして動作させる場合には、インバータ回路１４２は直流コネクタ１３８を介してバッテリ１３６から供給された直流電力に基づき交流電力を発生し、交流端子１５９を介してモータジェネレータＭＧ２に供給する。モータジェネレータＭＧ２とインバータ回路１４２からなる構成は第２電動発電ユニットとして動作する。

第１電動発電ユニットと第２電動発電ユニットは、運転状態に応じて両方をモータとしてあるいは発電機として運転する場合、あるいはこれらを使い分けて運転する場合がある。また片方を運転しないで、停止することも可能である。なお、本実施形態では、バッテリ１３６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ＭＧ１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１２０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１３６の充電ができる。

また、図１では省略したが、バッテリ１３６はさらに補機用のモータを駆動するための電源としても使用される。補機用のモータとしては例えば、エアコンディショナーのコンプレッサを駆動するモータ、あるいは制御用の油圧ポンプを駆動するモータである。バッテリ１３６から直流電力が補機用パワーモジュールに供給され、補機用パワーモジュールは交流電力を発生して補機用のモータに供給する。補機用パワーモジュールはインバータ回路１４０と基本的には同様の回路構成および機能を持ち、補機用のモータに供給する交流の位相や周波数、電力を制御する。なお、電力変換装置２００は、インバータ回路１４０に供給される直流電力を平滑化するためのコンデンサモジュール５００を備えている。

電力変換装置２００は、上位の制御装置から指令を受けたりあるいは上位の制御装置に状態を表すデータを送信したりするための通信用のコネクタ２１を備えている。電力変換装置２００は、コネクタ２１からの指令に基づいて制御回路１７２でモータジェネレータＭＧ１やモータジェネレータＭＧ２、補機用のモータの制御量を演算し、さらにモータとして運転するか発電機として運転するかを演算し、演算結果に基づいて制御パルスを発生し、その制御パルスをドライバ回路１７４や補機用モジュールのドライバ回路へ供給する。ドライバ回路１７４は、供給された制御パルスに基づいて、インバータ回路１４０，１４２を制御するための駆動パルスを発生する。

次に、図２を用いて昇圧後の回路２０１において、インバータ回路１４０，１４２の電気回路の構成を説明する。なお、２つのインバータ回路１４０，１４２は回路構成も動作も極めて類似しており、１つのモータジェネレータＭＧ１のみでモータとしても発電機としても動作させる制御方法もあるため、以下ではインバータ回路１４０を主として説明する。また、以下で半導体素子として絶縁ゲート型バイポーラトランジスタを使用しており、以下略してＩＧＢＴと記す。

上アームのＩＧＢＴ３２８及びダイオード１５６と、下アームのＩＧＢＴ３３０及びダイオード１６６とで、上下アーム直列回路１５０が構成される。インバータ回路１４０は、この上下アーム直列回路１５０を、出力しようとする交流電力のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相に対応して備えている。

これらの３相は、この実施の形態ではモータジェネレータＭＧ１の電機子巻線の３相の各相巻線に対応している。３相のそれぞれの上下アーム直列回路１５０は、直列回路の中点部分である中間電極１６９から交流電流を出力する。この中間電極１６９は、交流端子１５９及び交流端子１８８を通して、モータジェネレータＭＧ１への交流電力線である以下に説明の交流バスバー８０２と接続される。

上アームのＩＧＢＴ３２８のコレクタ電極１５３は、正極端子１５７を介してコンデンサモジュール５００の正極側のコンデンサ端子５０６に電気的に接続されている。また、下アームのＩＧＢＴ３３０のエミッタ電極は、負極端子１５８を介してコンデンサモジュール５００の負極側のコンデンサ端子５０４に電気的に接続されている。

上述のように、制御回路１７２は上位の制御装置からコネクタ２１を介して制御指令を受け、これに基づいてインバータ回路１４０を構成する各相の上下アーム直列回路１５０の上アームあるいは下アームを構成するＩＧＢＴ３２８やＩＧＢＴ３３０を制御するための制御信号である制御パルスを発生し、ドライバ回路１７４に供給する。

ドライバ回路１７４は、上記制御パルスに基づき、各相の上下アーム直列回路１５０の上アームあるいは下アームを構成するＩＧＢＴ３２８やＩＧＢＴ３３０を制御するための駆動パルスを各相のＩＧＢＴ３２８やＩＧＢＴ３３０に供給する。ＩＧＢＴ３２８やＩＧＢＴ３３０は、ドライバ回路１７４からの駆動パルスに基づき、導通あるいは遮断動作を行い、バッテリ１３６から供給された直流電力を三相交流電力に変換し、この変換された電力はモータジェネレータＭＧ１に供給される。

上アームのＩＧＢＴ３２８は、コレクタ電極１５３と、信号用エミッタ電極１５５と、ゲート電極１５４を備えている。また、下アームのＩＧＢＴ３３０は、コレクタ電極１６３と、信号用のエミッタ電極１６５と、ゲート電極１６４を備えている。上アームのダイオード１５６が、コレクタ電極１５３とエミッタ電極１５５との間に電気的に接続されている。また、ダイオード１６６が、コレクタ電極１６３とエミッタ電極１６５との間に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金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ（以下略してＭＯＳＦＥＴと記す）を用いてもよい、この場合はダイオード１５６やダイオード１６６は不要となる。スイッチング用パワー半導体素子としては、ＩＧＢＴは直流電圧が比較的高い場合に適していて、ＭＯＳＦＥＴは直流電圧が比較的低い場合に適している。

コンデンサモジュール５００は、複数の正極側のコンデンサ端子５０６と複数の負極側のコンデンサ端子５０４と正極側の電源端子５０９と負極側の電源端子５０８とを備えている。バッテリ１３６からの高電圧の直流電力は、直流コネクタ１３８を介して、正極側の電源端子５０９や負極側の電源端子５０８に供給され、コンデンサモジュール５００の正極側のコンデンサ端子５０６および負極側のコンデンサ端子５０４から、インバータ回路１４０へ供給される。

一方、交流電力からインバータ回路１４０やインバータ回路１４２によって変換された直流電力は、正極側のコンデンサ端子５０６や負極側のコンデンサ端子５０４からコンデンサモジュール５００に供給され、正極側の電源端子５０９や負極側の電源端子５０８から直流コネクタ１３８を介してバッテリ１３６に供給され、バッテリ１３６に蓄積される。

制御回路１７２は、ＩＧＢＴ３２８及びＩＧＢＴ３３０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。マイコンへの入力情報としては、モータジェネレータＭＧ１に対して要求される目標トルク値、上下アーム直列回路１５０からモータジェネレータＭＧ１に供給される電流値、及びモータジェネレータＭＧ１の回転子の磁極位置がある。

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１８０による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ＭＧ１に設けられたレゾルバなどの回転磁極センサ（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、電流センサ１８０は３相の電流値を検出する場合を例に挙げているが、２相分の電流値を検出するようにし、演算により３相分の電流を求めても良い。

制御回路１７２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ＭＧ１のｄ軸，ｑ軸の電流指令値を演算し、この演算されたｄ軸，ｑ軸の電流指令値と、検出されたｄ軸，ｑ軸の電流値との差分に基づいてｄ軸，ｑ軸の電圧指令値を演算し、この演算されたｄ軸，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１７４に出力する。

ドライバ回路１７４は、下アームを駆動する場合、ＰＷＭ信号を増幅したドライブ信号を、対応する下アームのＩＧＢＴ３３０のゲート電極に出力する。また、ドライバ回路１７４は、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ＩＧＢＴ３２８のゲート電極にそれぞれ出力する。

また、制御回路１７２内のマイコンは、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１５０を保護している。このため、制御回路１７２にはセンシング情報が入力されている。例えば、各アームの信号用のエミッタ電極１５５及び信号用のエミッタ電極１６５からは各ＩＧＢＴ３２８とＩＧＢＴ３３０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ＩＧＢＴ３２８，ＩＧＢＴ３３０のスイッチング動作を停止させ、対応するＩＧＢＴ３２８，ＩＧＢＴ３３０を過電流から保護する。

上下アーム直列回路１５０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１５０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１５０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ＩＧＢＴ３２８，ＩＧＢＴ３３０のスイッチング動作を停止させる。

図３〜７を用いて、本実施形態における電力変換装置２００の概略構成を示す。図３は電力変換装置２００の斜視図および断面斜視図である。図４は分解斜視図である。図５はパワー半導体モジュールの斜視図および断面図である。図６はパワー半導体モジュールの分解斜視図である。図７はヒートパイプ単体の斜視図および断面図である。本実施形態の電力変換装置２００では、１つのモータジェネレータＭＧ１のみでモータとしても発電機としても動作させる例、つまりインバータ回路１４０は１つのみの例として説明するが、図１〜２に示したように、インバータ回路１４２を付け足すことも可能である。本構造は平面視の形状を略長方形としたことで、車両やモータジェネレータへの取り付けが容易となる効果がある。

電力変換装置２００は、パワー半導体モジュール１５０ａおよびコンデンサモジュール５００およびドライバ回路基板１７４aおよび制御回路基板１７２aを備えており、上述したドライバ回路１７４はドライバ回路基板１７４aに実装され、制御回路１７２は制御回路基板１７２aに実装されている。ここでの実施例ではドライバ回路基板１７４aと制御回路基板１７２aは一体構造としているが、機能毎に２枚の基板に分けても良い。

３つのパワー半導体モジュール１５０ａは、半導体モジュール部分岐水路２４（上述図１０の放熱部材）で挟まれている。半導体モジュール部分岐水路２４は、コンデンサモジュールの一部を放熱するコンデンサ部水路２３と共に、往路合流水路２５aと復路合流水路２５ｂに接続される。往路合流水路２５aはインレットパイプ３０a、復路合流水路２５ｂはアウトレットパイプ３０ｂに接続され、冷却媒体が流れる流路を構成する。なお、ここで説明する流路構造は全体を覆う筺体をアルミダイカストなどの製法で作ることで、筐体を多くの部材を支える構造部材としてだけでなく放熱用流路形成体としても機能させることも可能である。

本実施例では隣り合うモジュール１５０ａのヒートシンクの間に他の部材を設けず流路を共有することにしているため、パワー半導体モジュール１５０ａ部にて４分岐する流路構造となる。Ｂ−Ｂ’断面図（図３（ｃ））の冷媒進行方向２０で示すとおり、分岐して半導体モジュール１５０ａに誘導された冷媒は、ＩＧＢＴ（３２８、３３０）やダイオード（１５６、１６６）の位置やサイズに合わせて、部分的に流路断面を縮小させることで、発熱素子直近で冷媒流速を増加させ、熱伝達率を上げることで放熱性を高めている。上述した実施の形態では、半導体モジュール部分岐水路２４（放熱部材）内部の水路は単純な拡大縮小流路であるが、例えばピンフィンやストレートフィンやコルゲートフィンなどを設けて放熱面積を増やすとともに乱流効果で局所熱伝達率を向上させても良い。

パワー半導体モジュール１５０ａは、上述した上下アーム直列回路１５０を収納し、ポッティングモールドもしくはトランスファーモールドされた封止固定樹脂部材１５２で覆われたものであり、ＩＧＢＴ（３２８、３３０）やダイオード（１５６、１６６）と導体部材（１５７、１５８、１５９、１６９）の金属接合部への繰り返し塑性ひずみを軽減させパワーサイクル寿命を向上させている。封止固定樹脂部材１５２には樹脂部材貫通穴１５２aを設けており、前述の往路合流水路２５aと復路合流水路２５ｂを貫通させることができる。これにより、半導体モジュール部分岐水路２４がパワー半導体モジュール１５０ａから脱落しないよう押さえつけることが可能となる。なお変形例として、樹脂部材貫通孔１５２ａを設けず、往路合流水路２５aと復路合流水路２５ｂとが半導体モジュールの側部を跨ぐように配置されるように構成してもよい。

図５の例では封止固定樹脂部材１５２で全体を覆った上で、その上から更に絶縁シート１０を両面に設け、絶縁シートを介して放熱部材２４に放熱している。ここで封止固定樹脂部材１５２の一部を削り導体部材（１５７、１５８、１５９、１６９）を剥き出しにした状態（すなわち、封止固定樹脂部材１５２の外表面と導体部材の表面とが略同一面上に重なる状態）で絶縁シート１０のみで絶縁する構造であれば、熱伝導率の低い封止固定樹脂部材が放熱経路から削除された分だけ冷却性能を高めることが可能となる。また、封止固定樹脂部材１５２のみで絶縁性を確保できれば、絶縁シート１０を省き、絶縁シートを削除した分だけ冷却性能を高めることも可能である。

なお、パワー半導体モジュール１５０ａからは制御ピン、信号ピン、温度出力ピン等がドライバ回路基板１７４aを介して制御回路基板１７２に接続され、ゲート信号やエミッタセンス信号やパワー半導体内蔵温度センサの情報をやりとりする。図６の例では、説明を簡略にするために、この内、ゲート電極１６４と信号用エミッタ電極１６５を上アームのＩＧＢＴ３２８と下アームのＩＧＢＴ３３０にワイヤ１６１で接続している。

上アームのＩＧＢＴ３２８とダイオード１５６は、正極端子１５７と中間電極１６９に挟まれる。中間電極１６９は交流端子１５９に電気的に接続される。下アームのＩＧＢＴ３３０とダイオード１６６は前述の交流端子１５９と負極端子１５８に挟まれる。

正極端子１５７には、モジュール側正極バスバ１５７ｂが接続される。交流端子１５９には、モジュール側交流バスバ１５９ｂが接続される。負極端子１５８には、モジュール側負極バスバ１５８ｂが接続される。モジュール側正極バスバ１５７ｂ、負極バスバ１５８ｂおよび交流バスバ１５９ｂは、それぞれコンデンサ側正極バスバ１５７a、コンデンサ側負極バスバ１５８aおよび出力側交流バスバ１５９aに金属接合される。この際、モジュール側正極バスバ１５７ｂおよび負極バスバ１５８ｂは、互いに隣接しあう電極構造としているため、それぞれが発生する磁界を打ち消しあうように電流が反対に流れる。これにより、相互インダクタンスを低減させ、跳ね上がり電圧を抑制する効果がある。

ドライバ回路基板１７４aおよび制御回路基板１７２aは図示していない金属製の筐体に熱的に接続されており、熱伝導率の高い金属部材を通して流路内の冷却媒体へ熱が逃がされる。ゲート電極１６４や信号用エミッタ電極１６５は、ドライバ回路基板１７４aとコネクタで接続されている。コネクタはフレキシブルなケーブルに接続されている。フレキシブルなケーブルを用いることにより、耐振動性に優れた電気接合を可能とする。制御回路基板１７２aにも別のコネクタが設けられて、このコネクタを介して外部の制御装置と接続される。これによって制御回路基板１７２aに設けられた制御回路１７２と上位の制御装置などの外部の制御装置との間で信号伝送を行う。

ここで、コンデンサ側の正極バスバ１５７aと負極バスバ１５８aは、大電流を流すと発熱するため、パワー半導体モジュール１５０ａに熱が侵入しないようにする必要がある。従来技術は、コンデンサに接続されている正極端子１５７や負極端子１５８は、単に大電流をＩＧＢＴ（３２８、３３０）やダイオード（１５６、１６６）に電流を流すだけの機能しか持っていなかった。本発明では、正極負極端子を図７に示すような、冷媒を封入した冷媒封入金属管４０（ヒートパイプ、べーパチャンバ）とすることで、熱拡散の機能も持たせた。この電極を半導体モジュール部分岐水路２４に熱的に接触することで放熱することが可能である。これによりＩＧＢＴ（３２８、３３０）やダイオード（１５６、１６６）の熱疲労寿命を向上させる効果がある。

上述のように、冷媒封入金属管４０として構成される正極端子１５７、負極端子１５８、交流端子１５９は、それぞれ、モジュール側正極バスバ１５７ｂ、負極バスバ１５８ｂ、交流バスバ１５９ｂとは別体に構成されている。これにより、コンデンサ側正極バスバ１５７aやコンデンサ側負極バスバ１５８a、または出力側交流バスバ１５９aと溶接等の金属接合作業を行う場合に、冷媒封入金属管４０を直接溶接することがない。

また、外部のバスバとの接合箇所は、電力変換装置全体のレイアウトに左右されるが、モジュール側正極バスバ１５７ｂ、負極バスバ１５８ｂ、交流バスバ１５９ｂを冷媒封入金属管４０と別体にすることで、正極端子１５７と負極端子１５８と交流端子１５９とを、共通の形状・寸法の冷媒封入金属管４０により構成することができる。すなわち、一種類の冷媒封入金属管４０を量産するだけでよく、量産性の向上、コスト低減の効果が見込める。

冷媒封入金属管４０は、図６〜７に示すように、略Ｌ字形状をなす。すなわち、冷媒封入金属管４０は、ＩＧＢＴ（３２８、３３０）やダイオード（１５６、１６６）が接合される幅狭部と、バスバ（１５７ｂ、１５８ｂ、１５９ｂ）が接合される幅広部と、を有する。幅狭部は、ＩＧＢＴやダイオードの寸法に応じておおよその幅が決定される。幅広部は、幅狭部よりも横方向幅が広く、より大きな放熱面積を確保することができる。幅狭部は封止固定樹脂部材１５２の内部に配置される。幅広部は、その一部が封止固定樹脂部材１５２の外部に露出している（図５（ａ）参照）。

冷媒封入金属管４０には空洞部および微細流路４２（毛細管、焼結体、溝、凹凸：不図示）があり、この微細流路に冷媒を封入するために冷媒注入管および封止口４１を上部に設けていることを特徴としている。冷媒注入管および封止口４１は、図５（ａ）に示すように、封止固定樹脂部材１５２から露出している。言い換えれば、これにより、ポッティングモールドもしくはトランスファーモールドの工程の後に、冷媒を封入することができる。

このように、上述した本実施例では、半導体素子（３３０、１６６）の両面側に配置される一対の導体部材（１５８、１５９）の内部に冷媒が封入されていることを特徴とする。これにより、一対の導体部材の外面側に配置された一対の放熱部材（２４）へ効率的に放熱することができる。本実施例では、中間電極１６９には冷媒が封入されていないが、他の導体板と同様に、冷媒を封入した金属管として構成するように変形してもよい。

また、上述した実施の形態では、電気自動車やハイブリッド自動車に搭載される車載用の電力変換装置を例に説明したが、パワーモジュールを冷却媒体中に浸す冷却構造の電力変換装置であれば、本発明を同様に適用することができる。

図８〜９は、実施例２に係る電力変換装置２００の概略構成を示す。実施例１では３つの半導体モジュール部分岐水路２４を並列に配置しているが、本実施例では並列配置の代わりに直列に配置している。これにより、４分岐流路を２分岐流路にすることができる。大きな圧力損失でも許容できるシステムに対しては、分岐数を低減することで、構造が簡略化され、１モジュールあたりの流量が大きくなり、熱伝達率が大きくなるため、冷却性能を向上させることができる。

電力変換装置２００を構成する各種部材の中でも比較的重要の大きいコンデンサモジュール５００は一番下に配置し、半導体モジュール部分岐水路２４をコンデンサモジュール５００を冷却するためのコンデンサ部水路２３と兼ねることで、コンデンサの冷却とパワーモジュールの冷却を両立させることが可能となる。この構造であれば、電力変換装置２００の高さを小さくすることが可能となる。電力変換装置の高さを小さくすることで、走行安定性を実現するために重心を低くし低床配置を要求する車種向けに実装が可能となる。

上述した各実施形態はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて用いても良い。それぞれの実施形態での効果を単独あるいは相乗して奏することができるからである。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。

１０ ：絶縁シート
２０ ：冷媒進行方向
２３ ：コンデンサ部水路
２４ ：半導体モジュール部分岐水路（放熱部材）
２５a ：往路合流水路
２５ｂ ：復路合流水路
３０a ：インレットパイプ
３０ｂ ：アウトレットパイプ
４０ ：冷媒封入金属管（ヒートパイプ、べーパチャンバ）
４１ ：冷媒注入管および封止口
４２ ：空洞部および微細流路（毛細管、焼結体、溝、凹凸：不図示）
１２０：エンジン
１３６：バッテリ
１３８：直流コネクタ
１４０，１４２：インバータ回路
１５０：上下アーム直列回路
１５０ａ：２in１パワー半導体モジュール
１５２：封止固定樹脂部材
１５２a：樹脂部材貫通穴
１５３：上アームのＩＧＢＴのコレクタ電極
１５４：ゲート電極
１５５：信号用エミッタ電極
１５６：上アームのダイオード（素子）
１５７：正極端子
１５７a：コンデンサ側正極バスバ
１５７ｂ：モジュール側正極バスバ
１５８：負極端子
１５８a：コンデンサ側負極バスバ
１５８ｂ：モジュール側負極バスバ
１５９，１８８：交流端子
１５９a：出力側交流バスバ
１５９ｂ：モジュール側交流バスバ
１６１：ワイヤ
１６３：下アームのＩＧＢＴのコレクタ電極
１６４：ゲート電極
１６５：信号用のエミッタ電極
１６６：下アームのダイオード（素子）
１６９：中間電極
１７２：制御回路
１７２a：制御回路基板
１７４：ドライバ回路
１７４a：ドライバ回路基板
１８０：電流センサ
２００：電力変換装置
３２８：上アームのＩＧＢＴ（素子）
３３０：下アームのＩＧＢＴ（素子）
５００：コンデンサモジュール
５０４：負極側のコンデンサ端子
５０６：正極側のコンデンサ端子
５０８：負極側の電源端子
５０９：正極側の電源端子
６００：昇圧回路
８０２：交流バスバー

Claims (6)

1. 半導体素子と、
   前記半導体素子の両面側に配置されて、当該半導体素子と電気的に接続される一対の導体部材と、
   前記一対の導体部材の両面側に配置されて、前記一対の導体部材と熱的に接触する一対の放熱部材と、を備えた電力変換装置において、
   前記一対の導体部材は、内部に冷媒が封入されていることを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   前記半導体装置及び前記一対の導体部材とを一体に封止固定する樹脂部材を更に備え、
   前記一対の導体部材において前記冷媒が封入される空間は、前記樹脂部材の内部から外部にわたって形成されていることを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項２に記載の電力変換装置において、
   前記一対の導体部材は、前記樹脂部材の外部に露出する部分において、当該樹脂部材の外表面と略同一面上に重なる面を有することを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項２又は３に記載の電力変換装置において、
   前記一対の導体部材の各々は、前記樹脂部材から露出した部分において、前記冷媒が封入される空間と繋がる封止口が形成されていることを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の電力変換装置において、
   前記一対の導体部材の各々は、他の部品と電気的に接続するための端子部を有し、
   前記端子部は、前記冷媒が封入される空間を形成する部分とは別体に構成されていることを特徴とする電力変換装置。
6. 請求項５に記載の電力変換装置において、
   前記一対の導体部材の各々は、略同一形状であることを特徴とする電力変換装置。

Images