JP2023003316A - 電気回路体および電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】放熱性を維持しながら装置を薄くすることができる電気回路体及び電力変換装置
を提供する。
【解決手段】電気回路体は、第１半導体モジュール３０１と、第２半導体モジュール３０２と、冷却部材３４０と、第１半導体モジュール及び第２半導体モジュールの両面に夫々固定する固定部材４５４と、を備える。第１半導体モジュール及び第２半導体モジュールの両面に夫々固定された冷却部材３４０の少なくとも一方は、熱伝導部材４５３を介して第１半導体モジュール３０１に当接する第１放熱領域３４１と、熱伝導部材を介して第２半導体モジュール３０２に当接する第２放熱領域３４２と、第１放熱領域と第２放熱領域との間に、第１放熱領域及び第２放熱領域よりも剛性が小さく形成された低剛性部４６０と、を有する。固定部材４５４は、冷却部材３の低剛性部において、第１半導体モジュール及び第２半導体モジュールの両面に冷却部材を固定する。
【選択図】図５

Description

本発明は電気回路体および電力変換装置に関する。

半導体素子が封止された半導体モジュールによる電力変換装置は、変換効率が高いため、民生用、車載用、鉄道用、変電設備等に幅広く利用されている。この半導体素子は通電により発熱するため、電力変換装置には高い放熱性が求められる。特に車載用途においては、小型、軽量化のため水冷を用いた高効率な冷却システムが採用されている。

特許文献１には、冷却媒体を内部に流通させる一対の冷却管の間に、半導体素子を内蔵した半導体モジュールを複数個、互いに間隙部を設けながら並列配置してなる半導体冷却構造が開示され、一対の冷却管を半導体モジュールに押圧するための挟圧手段を、半導体モジュールごとに個別に配設し、一対の冷却管のうちの少なくとも一方は、隣り合う半導体モジュールの間の間隙部に対向する部分に、挟圧手段の加圧力によって変形可能な可変形部を設けている。

特開２００９－１８２３１２号公報

特許文献１では、半導体モジュールを挟圧手段により押圧する構造であり、装置が厚くなる欠点があった。

本発明による電気回路体は、パワー半導体素子がそれぞれ封止された第１半導体モジュール及び第２半導体モジュールと、前記パワー半導体素子から伝熱される熱を冷却する冷却部材と、前記冷却部材を並設された前記第１半導体モジュールと前記第２半導体モジュールの両面にそれぞれ固定する固定部材と、を備え、前記第１半導体モジュールと前記第２半導体モジュールの両面にそれぞれ固定された前記冷却部材の少なくとも一方は、熱伝導部材を介して前記第１半導体モジュールに当接する第１放熱領域と、前記熱伝導部材を介して前記第２半導体モジュールに当接する第２放熱領域と、前記第１放熱領域と前記第２放熱領域との間に、前記第１放熱領域及び前記第２放熱領域よりも剛性が小さく形成された低剛性部とを有し、前記固定部材は、前記冷却部材の前記低剛性部において、前記第１半導体モジュールと前記第２半導体モジュールの両面に前記冷却部材を固定する。

本発明によれば、放熱性を維持しながら装置を薄くすることができる。

電気回路体の平面図である。 電気回路体のＸ－Ｘ線断面図である。 電気回路体のＹ－Ｙ断面斜視図である。 半導体モジュールの断面斜視図である。 電気回路体のＹ－Ｙ線断面図であり、半導体モジュールが２個並設された状態を示す。 （ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）電気回路体の製造工程を示す図である。 （ａ）（ｂ）（ｃ）電気回路体の変形例を示す図である。 半導体モジュールの半透過平面図である。 半導体モジュールの回路図である。 半導体モジュールを用いた電力変換装置の回路図である。 電力変換装置の外観斜視図である。 電力変換装置のＸＶ－ＸＶ線断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の記載および図面は、本発明を説明するための例示であって、説明の明確化のため、適宜、省略および簡略化がなされている。本発明は、他の種々の形態でも実施する事が可能である。特に限定しない限り、各構成要素は単数でも複数でも構わない。

図面において示す各構成要素の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。

図１は、本実施形態による電気回路体４００の一実施形態の平面図である。
電気回路体４００は、半導体モジュール３００と冷却部材３４０からなる。半導体モジュール３００は、内部に封止されたパワー半導体素子を用い直流電流と交流電流を変換する機能があり、通電により発熱するため、これを冷媒で冷却する構造をしている。冷媒には、水や水にエチレングリコールを混入した不凍液等を用いることができる。半導体モジュール３００は、直流回路のコンデンサモジュール５００（図１０参照）に連結する正極側端子３１５Ｂおよび負極側端子３１９Ｂ、交流回路のモータジェネレータ１９２、１９４（図１０参照）に連結する交流側端子３２０Ｂ等の大電流が流れるパワー端子を備えている。また、下アームゲート端子３２５Ｌ、ミラーエミッタ信号端子３２５Ｍ、ケルビンエミッタ信号端子３２５Ｋ、上アームゲート端子３２５Ｕ、ミラーエミッタ信号端子３２５Ｍ、ケルビンエミッタ信号端子３２５Ｋ等の半導体モジュール３００の制御に用いる信号端子等を備えている。

図２に、図１に示す電気回路体４００のＸ－Ｘ線断面図を、図３に、図１に示す電気回路体４００のＹ－Ｙ線断面図を、図４に、冷却部材３４０を取り除いた状態の半導体モジュール３００のＸ－Ｘ線断面斜視図を示す。

上アーム回路を形成するパワー半導体素子１５５、１５６として、能動素子１５５、ダイオード１５６を備える。能動素子１５５やダイオード１５６の材料としては、Si、SiC、GaN、GaO、C等の半導体材料を用いることができる。能動素子１５５のボディダイオードをダイオード１５６として用いる場合は、別付けのダイオードを省略してもよい。パワー半導体素子１５５、１５６のコレクタ側は、導体板４３１に接合されている。この接合には、はんだを用いてもよいし、焼結金属を用いてもよい。パワー半導体素子１５５、１５６のエミッタ側には導体板４３０が接合されている。下アーム回路を形成するパワー半導体素子１５７、１５８として、能動素子１５７、ダイオード１５８を備える。パワー半導体素子１５７、１５８のコレクタ側は、導体板４３３に接合されている。パワー半導体素子１５７、１５８のエミッタ側には導体板４３２が接合されている。これらは、単独で用いてもよいが、はんだや、焼結金属との接合性を高めるためNiやAg等のめっきを施してもよい。導体板４３０、４３１、４３２、４３３は、電気伝導性と熱伝導率が高い材料であれば特に限定されないが、銅系又はアルミ系材料が望ましい。導体板４３０、４３１、４３２、４３３は、電流を通電する役割の他に、パワー半導体素子１５５、１５６、１５７、１５８が発する熱を冷却部材３４０に伝熱する伝熱部材としての役割をはたしている。

導体板４３０、４３１、４３２、４３３と冷却部材３４０は電位が異なるため、この間に絶縁層４４２、４４３を有する。絶縁層４４２、４４３は、樹脂系の絶縁層を用いてもよく、セラミック系の絶縁層を用いてもよい。セラミック系の絶縁層は熱伝導率に優れる利点がある。また、樹脂系の絶縁層は、接着性を持たせることができ、導体板４３０、４３１、４３２、４３３に圧着できるため生産性に優れる利点がある。本実施形態では、樹脂系の絶縁層の一例を示している。絶縁層４４２、４４３は金属箔４４４と組み合わせてシート状部材４４０、４４１とすることで、片面にのみ接着性を有する絶縁シートとして生産時の作業性を向上できる。また、冷却部材３４０と接する側を金属箔４４４にすることで絶縁層４４２、４４３を保護することができる。シート状部材４４０、４４１と冷却部材３４０の間には、接触熱抵抗を低減するため熱伝導部材４５３を有する。パワー半導体素子１５５、１５６、１５７、１５８、導体板４３０、４３１、４３２、４３３は、トランスファーモールド成型により封止部材３６０で封止されている。シート状部材４４０、４４１の端部を封止部材３６０に埋没するようにして端部からの剥離を防止するため保護しても良い。

半導体モジュール３００は、導体板４３０、４３１、４３２、４３３などの素材の厚さのばらつきや、パワー半導体素子１５５、１５６、１５７、１５８を接続する接合部材の高さのばらつきにより厚さにばらつきが生じる。半導体モジュール３００の厚さのばらつきを低減する目的で、導体板４３０、４３１、４３２、４３３や封止部材３６０を研削する場合でも、研削工程のばらつきにより半導体モジュール３００の厚さのばらつきを無くすことはできない。図４では、１個の半導体モジュール３００を示しているが、厚さの異なる他の半導体モジュール３００を隣接した場合に、各半導体モジュール３００の放熱面４５０までの厚さが異なる。

一般に、厚さのばらつきのある半導体モジュール３００を複数並設して、その両面に冷却部材３４０を配置した場合に、厚い半導体モジュール３００では、半導体モジュール３００と冷却部材３４０の間にある熱伝導部材４５３の厚さが薄くなる。逆に、薄い半導体モジュール３００では、半導体モジュール３００と冷却部材３４０の間にある熱伝導部材４５３の厚さが厚くなる。パワー半導体素子１５５、１５６、１５７、１５８の発熱を冷却部材３４０で冷却する場合、熱伝導部材４５３の熱伝導率が最も低く、放熱性のボトルネックとなる。それは、導体板４３０、４３１、４３２、４３３や冷却部材３４０は銅やアルミなどの金属部材であり、接合部材も、はんだや焼結金属などの金属部材であり熱伝導率が高い。これに比べて、シート状部材４４０、４４１の絶縁層４４２、４４３や、熱伝導部材４５３は、非金属系であり熱伝導率が低くなる。絶縁層４４２、４４３と熱伝導部材４５３とを比較しても、熱伝導部材４５３の熱伝導率が低くなる。これは、両者が同じ樹脂系の場合でも、絶縁層４４２、４４３は、高熱伝導充填剤と樹脂を溶剤中で混錬した後、溶剤を揮発させ、高熱伝導充填剤を高充填することができる。しかし、熱伝導部材４５３は狭い隙間に塗布して使用するため、無溶剤又は、混入してもわずかな溶剤で取り扱う必要があり、高熱伝導充填剤を高充填することが難しいためである。

放熱性の高い半導体モジュール３００と放熱性が低い半導体モジュール３００を同じ電力変換装置内に使用する場合、放熱性が最も低い半導体モジュール３００の冷却性能に合わせるように制御するため、電力変換装置の出力が制限されることになる。しかし、電力変換装置は高出力化の傾向にあるため、複数の半導体モジュール３００の冷却性能は等しく向上させることが要求される。

また、熱伝導部材４５３は、半導体モジュール３００の放熱性能を高める高熱伝導化と合わせて、小型化薄型化を求める傾向にある。従来１mmの厚さで使用していた熱伝導部材４５３を、１００μm以下、望ましくは５０μm以下で使用することが求められてきている。例えば、熱伝導部材４５３を厚さ５０μmで使用する場合と、半導体モジュール３００の厚さのばらつきにより熱伝導部材４５３の厚さが１００μmとなる場合とを比較すると、厚さが１００μmの場合は、半導体モジュール３００の熱抵抗が２倍大きくなる。このように、熱伝導部材４５３の厚さの違いは、放熱性のボトルネックとなる。

一方、従来のように熱伝導部材４５３の厚さを厚く、例えば１mmで使用している場合、熱伝導部材４５３の厚さが５０μmばらついても熱伝導部材４５３の熱抵抗はほとんど変化しない。このように熱伝導部材４５３の厚さが１００μm以下、望ましくは５０μm以下で使用する場合、これまで以上に、複数並設する半導体モジュール３００において熱伝導部材４５３の厚さを均等にすることが重要になってきている。

本実施形態では、詳細は後述するように、冷却部材３４０の低剛性部４６０が変形することで、半導体モジュール３００の厚さに追従して、半導体モジュール３００の厚さがばらついても熱伝導部材４５３の厚さのばらつきを低減することができる。また、後述するように、固定部材４５４で低剛性部４６０を固定することで、低剛性部４６０が変形した形状を維持することができる。低剛性部４６０を固定することで、半導体モジュール３００を挟圧する場合に比べ、電気回路体４００の厚さを低減できる。

本実施形態で用いる熱伝導部材４５３は、熱伝導率が高い材料であれば特に限定されないが、金属、セラミックス、炭素系材料等の高熱伝導材料を樹脂材料と組み合わせて用いることが好ましい。また、放熱グリースのようなオイルに高熱伝導充填剤を混合したものより、硬化型の樹脂に高熱伝導充填剤を混合したものが好ましい。これは、温度サイクルやパワーサイクルなどの温度変化で、熱伝導部材４５３が電気回路体４００の外に流出するのを防止するためである。樹脂材料としては、特に制限されないが、シリコーン系材料を用いるのが望ましい。これは、シリコーン系材料は硬化後も弾性率が低く柔軟性であり、冷却部材３４０と半導体モジュール３００間で熱応力を緩和できるためである。また高熱伝導充填剤は、最大粒径が１００μm以下、好ましくは５０μm以下が望ましい。これは、熱伝導部材４５３の厚さを薄くしたいが、高熱伝導充填剤の最大粒径より薄くすることが困難なためである。

図３に示すように、固定部材４５４は、並設された複数の半導体モジュール３００の両面に冷却部材３４０を固定する。固定部材４５４としては、機械的な固定部材や、接着剤を用いることができる。図３では、固定部材４５４として接着剤を用いた例を示す。接着剤で固定する場合は、熱伝導部材４５３と同じ樹脂系であることが望ましい。熱伝導部材４５３がシリコーン系樹脂の場合は、固定部材４５４として使用する接着剤もシリコーン系樹脂が望ましい。これは、お互いの界面が良く密着するためである。

熱伝導部材４５３は通常接着性が低い。これは、接着性を付与する添加剤をいれると、この添加剤が高熱伝導充填剤を被覆して熱伝導率が低下するためである。なお、熱伝導部材４５３として接着性の高い熱伝導部材４５３を用いてもよく、この場合は、熱伝導部材４５３は、冷却部材３４０の低剛性部４６０と並設された複数の半導体モジュール３００とを接着する接着剤としても用いることができる。すなわち、固定部材４５４として接着性の高い熱伝導部材４５３を用いてもよい。

シート状部材４４０、４４１の絶縁層４４２、４４３は、放熱性と接着性を有するものであれば特に限定されないが、粉末状の無機充填剤を分散したエポキシ樹脂系の絶縁層が望ましい。これは、接着性と放熱性のバランスが良いためである。シート状部材４４０、４４１は、絶縁層４４２、４４３単体でもよいが、熱伝導部材４５３と接する側に金属箔４４４を設けることが望ましい。導体板４３０、４３１、４３２、４３３は、電気伝導性が高く、熱伝導率が高い材料が望ましく、銅やアルミ等の金属系材料や、金属系材料と高熱伝導率のダイヤモンド、カーボンやセラミック等の複合材料等を用いることもできる。

冷却部材３４０は、熱伝導率が高く軽量なアルミ系が望ましい。押し出し成型や、鍛造、ろう付け等で作製する。冷却部材３４０の低剛性部４６０は、剛性が小さく肉薄に形成されている。低剛性部４６０は、例えば、プレス加工による凹みや、機械加工やレーザ加工による切削等で形成する。

図５は、電気回路体４００のＹ－Ｙ線断面図であり、半導体モジュール３００が２個並設された状態を示す。図５では、半導体モジュール３００を、説明の便宜上、第１半導体モジュール３０１、第２半導体モジュール３０２と称する。

冷却部材３４０は、第１半導体モジュール３０１と第２半導体モジュール３０２の両面に配置される。冷却部材３４０は、熱伝導部材４５３を介して第１半導体モジュール３０１に当接する第１放熱領域３４１と、熱伝導部材４５３を介して第２半導体モジュール３０２に当接する第２放熱領域３４２とを有する。さらに、第１放熱領域３４１と第２放熱領域３４２との間に、第１放熱領域３４１と第２放熱領域３４２よりも剛性が小さく肉薄に形成された低剛性部４６０とを有する。低剛性部４６０は、第１半導体モジュール３０１および第２半導体モジュール３０２側に形成された第１凹部４６１と、第１半導体モジュール３０１および第２半導体モジュール３０２側の反対側に形成された第２凹部４６２を有している。なお、低剛性部４６０は、第１半導体モジュール３０１および第２半導体モジュール３０２側に形成された第１凹部４６１のみを設けてもよい。

固定部材４５４は、第１放熱領域３４１と第２放熱領域３４２との間において、第１凹部４６１に嵌合して配置され、冷却部材３４０の低剛性部４６０を第１半導体モジュール３０１および第２半導体モジュール３０２に固定する。なお、前述のように接着性の高い熱伝導部材４５３を用いる場合は、この熱伝導部材４５３が固定部材４５４を兼ねてもよい。

第１放熱領域３４１は、第１半導体モジュール３０１の導体板領域４３４より大きく、第２放熱領域３４２は、第２半導体モジュール３０２の導体板領域４３４より大きく、低剛性部４６０は第１放熱領域３４１と第２放熱領域３４２との間に形成される。導体板領域４３４は、第１半導体モジュール３０１と第２半導体モジュール３０２のそれぞれにおいて、パワー半導体素子１５５、１５６、１５７、１５８が導体板４３０、４３１、４３２、４３３とそれぞれ接続され、シート状部材４４０、４４１が導体板４３０、４３１、４３２、４３３と当接する領域である。

第１放熱領域３４１は、第１半導体モジュール３０１の導体板領域４３４より大きく、第２放熱領域３４２は、第２半導体モジュール３０２の導体板領域４３４より大きいので、冷却部材３４０は、パワー半導体素子１５５、１５６、１５７、１５８から導体板４３０、４３１、４３２、４３３へ伝導された熱を冷却することができる。低剛性部４６０は第１放熱領域３４１と第２放熱領域３４２との間に形成されるので、導体板４３０、４３１、４３２、４３３へ伝導された熱の冷却を妨げず、凹みにより低剛化しても高い放熱性を維持できる。

また、半導体モジュール３０１、３０２において低剛性部４６０と対向する領域は、半導体モジュール３０１、３０２の境界部である端部３０５を含む位置にあるため、隣接する半導体モジュール３０１、３０２を近接して配置しても、冷却部材３４０は半導体モジュール３０１、３０２の厚さの差に追従することができる。このような位置関係にすることで、高い放熱性を維持しつつ、半導体モジュール３０１、３０２を近接して配置することによる小型化が実現できる。なお、半導体モジュール３０１、３０２は離間して配置しても良いし、互いに接触して、すなわち離間距離を０として配置してもよい。なお、図５では、半導体モジュール３００を２個並設した状態で示したが、電力変換装置では、図３に示すように、半導体モジュール３００を３個並設する。３個並設した半導体モジュール３００でも隣接する半導体モジュール３００の関係は図５を参照して説明したと同様である。

図６（ａ）、図６（ｂ）、図６（ｃ）、図６（ｄ）は、本実施形態の電気回路体４００の製造工程を示す図である。各図は、図１に示す電気回路体４００のＹ－Ｙ線断面図で表す。
図６（ａ）は、半導体モジュール３００を３個接触して並設した状態を示す。この図では、半導体モジュール３００の厚さが異なる様子を強調して示している。

次に、図６（ｂ）に示すように、半導体モジュール３００の両面（上下）に配置される冷却部材３４０に、熱伝導部材４５３と、固定部材４５４としての接着剤を塗布する。その後、半導体モジュール３００を冷却部材３４０の間に配置した後、上下の冷却部材３４０を連結する。

図６（ｃ）は、加圧工程である。加圧機構４５６と柔軟性機構４５７を備えたプレス機に電気回路体４００を設置し、冷却部材３４０の低剛性部４６０を変形させつつ、固定部材４５４としての接着剤及び熱伝導部材４５３を接着する。接着剤や熱伝導部材４５３としては、常温硬化できるものが望ましいが、２液性の付加硬化型のシリコーン樹脂を用いている場合は、７０℃から１２０℃に加熱し、その後、短時間で樹脂を硬化することができる。また、縮合型のシリコーン樹脂を用いている場合は、湿度と温度を加えることで硬化時間を短縮してもよい。

そして、少なくとも固定部材４５４である接着剤が硬化した後、加圧機構４５６から取り外して、図６（ｄ）に示すように、電気回路体４００を得る。

図７（ａ）、図７（ｂ）、図７（ｃ）は、本実施形態の電気回路体４００の変形例を示す図である。各図は、図１に示す電気回路体４００のＹ－Ｙ線断面図で表す。

図７（ａ）に示す例では、固定部材４５４として機械的な部材を用いた場合を示す。固定部材４５４は、例えば断面が円形上の線材を冷却部材３４０の低剛性部４６０（第２凹部４６２）に当接して配置され、冷却部材３４０の両側からばね材等で電気回路体４００の厚さ方向に締め付けるようにして、第１半導体モジュール３０１と第２半導体モジュール３０２の両面に冷却部材３４０を固定する。機械的に固定することで、接着剤を硬化させる時間が省略できる。また固定部材４５４は、剛性が小さく肉薄の低剛性部４６０に位置することで、電気回路体４００の厚さを低減できる。

図７（ｂ）に示す例では、低剛性部４６０を図示上側の冷却部材３４０にのみ設けた場合を示す。図示下側の冷却部材３４０は低剛性部４６０が無いため平坦であるので、半導体モジュール３００の一面を容易に位置合わせすることができる。一方で、上側の冷却部材３４０には低剛性部４６０を設けているので、半導体モジュール３００の厚さのばらつきは上側の冷却部材３４０の低剛性部４６０の変形で吸収できる。

図７(ｃ)に示す例では、冷却部材３４０の低剛性部４６０を半導体モジュール３００側にのみ設けている。冷却部材３４０の低剛性部４６０の加工工数を低減して低コストにすることができる。

本実施形態によれば、冷却部材３４０に剛性が小さく肉薄に形成された低剛性部４６０を設けているので、電気回路体４００を薄くすることができる。さらに、低剛性部４６０が半導体モジュール３００の厚さばらつきを吸収するように変形するので、電気回路体４００の放熱性を損なうこと無く、隣接する半導体モジュール３００を密に配置して電気回路体４００を小型化できる効果がある。特に、固定部材４５４としての接着剤を用いた場合は、機械的な固定部材が不要になり、低剛性部４６０が変形した形状で低剛性部４６０を固定維持するので、放熱性を維持しながら装置を薄く小型化することができる。

図８は、本実施形態における半導体モジュール３００の半透過平面図である。図９は、本実施形態における半導体モジュール３００の回路図である。
図８、図９に示すように、正極側端子３１５Ｂは、上アーム回路のコレクタ側から出力しており、バッテリ又はコンデンサの正極側に接続される。上アームゲート端子３２５Ｕは、上アーム回路の能動素子１５５のゲート及びエミッタセンスから出力している。負極側端子３１９Ｂは、下アーム回路のエミッタ側から出力しており、バッテリ若しくはコンデンサの負極側、又はＧＮＤに接続される。下アームゲート端子３２５Ｌは、下アーム回路の能動素子１５７のゲート及びエミッタセンスから出力している。交流側端子３２０Ｂは、下アーム回路のコレクタ側から出力しており、モータに接続される。中性点接地をする場合は、下アーム回路は、ＧＮＤでなくコンデンサの負極側に接続する。

また、パワー半導体素子（上アーム回路）の能動素子１５５およびダイオード１５６の上下に導体板（上アーム回路エミッタ側）４３０、導体板（上アーム回路コレクタ側）４３１が配置される。パワー半導体素子（下アーム回路）の能動素子１５７およびダイオード１５８の上下に導体板（下アーム回路エミッタ側）４３２、導体板（下アーム回路コレクタ側）４３３が配置される。

本実施形態の半導体モジュール３００は、上アーム回路及び下アーム回路の２つのアーム回路を、１つのモジュールに一体化した構造である２ｉｎ１構造である。この他に、複数の上アーム回路及び下アーム回路を、１つのモジュールに一体化した構造を用いてもよい。この場合は、半導体モジュール３００からの出力端子の数を低減し小型化することができる。

図１０は、本実施形態による半導体モジュール３００を用いた電力変換装置２００の回路図である。
電力変換装置２００は、インバータ回路部１４０、１４２と、補機用のインバータ回路部４３と、コンデンサモジュール５００とを備えている。インバータ回路部１４０及び１４２は、半導体モジュール３００を複数個備えており、それらを接続することにより三相ブリッジ回路を構成している。電流容量が大きい場合には、更に半導体モジュール３００を並列接続し、これら並列接続を三相インバータ回路の各相に対応して行うことにより、電流容量の増大に対応できる。また、半導体モジュール３００に内蔵しているパワー半導体素子である能動素子１５５、１５７やダイオード１５６、１５８を並列接続することでも電流容量の増大に対応できる。

インバータ回路部１４０とインバータ回路部１４２とは、基本的な回路構成は同じであり、制御方法や動作も基本的には同じである。インバータ回路部１４０等の回路的な動作の概要は周知であるため、ここでは詳細な説明を省略する。

上アーム回路は、スイッチング用のパワー半導体素子として上アーム用の能動素子１５５と上アーム用のダイオード１５６とを備えており、下アーム回路は、スイッチング用のパワー半導体素子として下アーム用の能動素子１５７と下アーム用のダイオード１５８とを備えている。能動素子１５５、１５７は、ドライバ回路１７４を構成する２つのドライバ回路の一方あるいは他方から出力された駆動信号を受けてスイッチング動作し、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する。

上アーム用の能動素子１５５および下アーム用の能動素子１５７は、コレクタ電極、エミッタ電極、ゲート電極を備えている。上アーム用のダイオード１５６および下アーム用のダイオード１５８は、カソード電極およびアノード電極の２つの電極を備えている。

各上・下アーム直列回路の正極側端子３１５Ｂと負極側端子３１９Ｂとはコンデンサモジュール５００のコンデンサ接続用の直流端子にそれぞれ接続されている。上アーム回路と下アーム回路の接続部にはそれぞれ交流電力が発生し、各上・下アーム直列回路の上アーム回路と下アーム回路の接続部は各半導体モジュール３００の交流側端子３２０Ｂに接続されている。各相の各半導体モジュール３００の交流側端子３２０Ｂはそれぞれ電力変換装置２００の交流出力端子に接続され、発生した交流電力はモータジェネレータ１９２または１９４の固定子巻線に供給される。

制御回路１７２は、車両側の制御装置やセンサ（例えば、電流センサ１８０）などからの入力情報に基づいて、上アーム用の能動素子１５５、下アームの能動素子１５７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。ドライバ回路１７４は、制御回路１７２から出力されたタイミング信号に基づいて、上アーム用の能動素子１５５、下アーム用の能動素子１５７をスイッチング動作させるための駆動信号を生成する。なお、１８１、１８８はコネクタである。

上・下アーム直列回路は、不図示の温度センサを含み、上・下アーム直列回路の温度情報がマイコンに入力される。また、マイコンには上・下アーム直列回路の直流正極側の電圧情報が入力される。マイコンは、それらの情報に基づいて過温度検知およ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上アーム用の能動素子１５５、下アーム用の能動素子１５７のスイッチング動作を停止させ、上・下アーム直列回路を過温度或いは過電圧から保護する。

図１１は、図１０に示す電力変換装置２００の一例を示す外観斜視図であり、図１２は、図１１に示す電力変換装置のＸＶ－ＸＶ線断面図である。

電力変換装置２００は、下部ケース１１および上部ケース１０により構成され、ほぼ直方体形状に形成された筐体１２を備えている。筐体１２の内部には、電気回路体４００、コンデンサモジュール５００等が収容されている。電気回路体４００は冷却流路を有しており、筐体１２の一側面からは、冷却流路に連通する冷却水流入管１３および冷却水流出管１４が突出している。図１２に図示されるように、下部ケース１１は、上部側（Ｚ方向）が開口され、上部ケース１０は、下部ケース１１の開口を塞いで下部ケース１１に取り付けられている。上部ケース１０と下部ケース１１とは、アルミニウム合金等により形成され、外部に対して密封して固定される。上部ケース１０と下部ケース１１とを一体化して構成してもよい。筐体１２を、単純な直方体形状としたことで、車両等への取り付けが容易となり、また、生産もし易い。

図１１に示すように、筐体１２の長手方向の一側面に、コネクタ１７が取り付けられており、このコネクタ１７には、交流ターミナル１８が接続されている。また、冷却水流入管１３および冷却水流出管１４が導出された面には、コネクタ２１が設けられている。

図１２に示すように、筐体１２内には、電気回路体４００が収容されている。電気回路体４００の上方には、制御回路１７２およびドライバ回路１７４が配置され、電気回路体４００の直流端子側には、コンデンサモジュール５００が収容されている。コンデンサモジュール５００を電気回路体４００と同一高さに配置することで、電力変換装置２００を薄型化でき、車両への設置自由度が向上する。電気回路体４００の交流側端子３２０Ｂは、電流センサ１８０を貫通してバスバーに接合されている。また、半導体モジュール３００の直流端子である、正極側端子３１５Ｂおよび負極側端子３１９Ｂは、それぞれ、コンデンサモジュール５００の正・負極端子に接合される。

以上説明した実施形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）電気回路体４００は、パワー半導体素子１５５、１５６、１５７、１５８がそれぞれ封止された第１半導体モジュール３０１及び第２半導体モジュール３０２と、パワー半導体素子１５５、１５６、１５７、１５８から伝熱される熱を冷却する冷却部材３４０と、冷却部材３４０を並設された第１半導体モジュール３０１と第２半導体モジュール３０２の両面にそれぞれ固定する固定部材４５４と、を備え、第１半導体モジュール３０１と第２半導体モジュール３０２の両面にそれぞれ固定された冷却部材３４０の少なくとも一方は、熱伝導部材４５３を介して第１半導体モジュール３０１に当接する第１放熱領域３４１と、熱伝導部材４５３を介して第２半導体モジュール３０２に当接する第２放熱領域３４２と、第１放熱領域３４１と第２放熱領域３４２との間に、第１放熱領域３４１及び第２放熱領域３４２よりも剛性が小さく形成された低剛性部４６０とを有し、固定部材４５４は、冷却部材３４０の低剛性部４６０において、第１半導体モジュール３０１と第２半導体モジュール３０２の両面に冷却部材３４０を固定する。これにより、放熱性を維持しながら装置を薄くすることができる。

本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の特徴を損なわない限り、本発明の技術思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。また、上述の実施形態と複数の変形例を組み合わせた構成としてもよい。

１５５、１５６、１５７、１５８・・・パワー半導体素子、１９２、１９４・・・交流回路のモータジェネレータ、３００・・・半導体モジュール、３０１・・・第１半導体モジュール、３０２・・・第２半導体モジュール、３１５Ｂ・・・正極側端子、３１９Ｂ・・・負極側端子、３２０Ｂ・・・交流側端子、３２５Ｌ・・・下アームゲート端子、３２５Ｍ・・・ミラーエミッタ信号端子、３２５Ｋ・・・ケルビンエミッタ信号端子、３２５Ｕ・・・上アームゲート端子、３２５Ｍ・・・ミラーエミッタ信号端子、３２５Ｋ・・・ケルビンエミッタ信号端子、３４０・・・冷却部材、３４１・・・第１放熱領域、３４２・・・第２放熱領域、３６０・・・封止部材、４００・・・電気回路体、４３０、４３１、４３２、４３３・・・導体板、４３４・・・導体板領域、４４２、４４３・・・絶縁層、４４０、４４１・・・シート状部材、４４４・・・金属箔、４５３・・・熱伝導部材、４５４・・・固定部材、４６０・・・低剛性部、４６１・・・第１凹部、４６２・・・第２凹部、５００・・・コンデンサモジュール。

Claims (11)

1. パワー半導体素子がそれぞれ封止された第１半導体モジュール及び第２半導体モジュールと、
   前記パワー半導体素子から伝熱される熱を冷却する冷却部材と、
   前記冷却部材を並設された前記第１半導体モジュールと前記第２半導体モジュールの両面にそれぞれ固定する固定部材と、を備え、
   前記第１半導体モジュールと前記第２半導体モジュールの両面にそれぞれ固定された前記冷却部材の少なくとも一方は、熱伝導部材を介して前記第１半導体モジュールに当接する第１放熱領域と、前記熱伝導部材を介して前記第２半導体モジュールに当接する第２放熱領域と、前記第１放熱領域と前記第２放熱領域との間に、前記第１放熱領域及び前記第２放熱領域よりも剛性が小さく形成された低剛性部とを有し、
   前記固定部材は、前記冷却部材の前記低剛性部において、前記第１半導体モジュールと前記第２半導体モジュールの両面に前記冷却部材を固定する電気回路体。
2. 請求項１に記載の電気回路体において、
   前記固定部材は、前記第１放熱領域と前記第２放熱領域との間に配置され、前記冷却部材の前記低剛性部と前記第１半導体モジュールおよび前記第２半導体モジュールとを接着する接着剤である電気回路体。
3. 請求項１に記載の電気回路体において、
   前記熱伝導部材は、前記固定部材を兼ねる電気回路体。
4. 請求項１に記載の電気回路体において、
   前記冷却部材の前記低剛性部は、前記第１半導体モジュールおよび前記第２半導体モジュール側に形成された第１凹部を有し、
   前記固定部材は前記第１凹部に嵌合して配置される電気回路体。
5. 請求項１に記載の電気回路体において、
   前記冷却部材の前記低剛性部は、前記第１半導体モジュールおよび前記第２半導体モジュール側の反対側に形成された第２凹部を有する電気回路体。
6. 請求項５に記載の電気回路体において、
   前記固定部材は、前記第２凹部に当接して配置され、前記電気回路体の厚さ方向に前記冷却部材を締め付けることで前記第１半導体モジュールと前記第２半導体モジュールの両面に前記冷却部材を固定する電気回路体。
7. 請求項１に記載の電気回路体において、
   前記第１放熱領域は、前記第１半導体モジュールの前記パワー半導体素子が導体板と接続される領域より大きく、前記第２放熱領域は、前記第２半導体モジュールの前記パワー半導体素子が導体板と接続される領域より大きい電気回路体。
8. 請求項７に記載の電気回路体において、
   前記第１半導体モジュールと、前記第１半導体モジュールに隣接する前記第２半導体モジュールとは離間して配置される電気回路体。
9. 請求項７に記載の電気回路体において、
   前記第１半導体モジュールと、前記第１半導体モジュールに隣接する前記第２半導体モジュールとは互いに接触して配置される電気回路体。
10. 請求項８または請求項９に記載の電気回路体において、
    前記第１半導体モジュールと、前記第１半導体モジュールに隣接する前記第２半導体モジュールとの境界部は、前記低剛性部と対向する領域内に配置される電気回路体。
11. 請求項１から請求項９までのいずれか一項に記載の電気回路体により構成され、直流電力を交流電力に変換する電力変換装置。
    

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