JP4683003B2 - パワーモジュール及びこれを用いた電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、スイッチング素子と、これを冷却する冷却器と、スイッチング素子のスイッチングにより生じるサージ電圧を抑制するコンデンサとを内蔵したパワーモジュール及びこれを用いた電力変換装置に関する。

例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等には、動力源であるモータを駆動するための駆動電力を生成するインバータ等の電力変換装置が配設されている。
かかる電力変換装置においては、電力変換回路の一部を構成するスイッチング素子の過熱を防ぐために、スイッチング素子を冷却するための冷却器が配設されている。そして、該冷却器に冷却液を流すことにより、冷却液とスイッチング素子との間において熱交換を行い、スイッチング素子を冷却している。
また、電力変換装置には、スイッチング素子のスイッチングにより生じるサージ電圧を抑制するためのコンデンサが内蔵されている。

このような電力変換装置として、特許文献１に示すごとく、複数のスイッチング素子を内蔵したスイッチングパワーモジュールと、これに接続されたコンデンサとを、ケース内に収納してなる電力変換装置がある。該電力変換装置は、図２７に示すごとく、ケース９１の底部に設けた冷却部材９３の上に、スイッチングパワーモジュール９２とコンデンサ９４とを載置した状態となっている。

しかしながら、サージ電圧を充分に抑制するためには、どうしてもコンデンサ９４の体格が大きくなってしまう。それ故、上記従来の電力変換装置のような、スイッチングパワーモジュール９２とコンデンサ９４との配置では、装置全体の体格が大きくなってしまうという問題がある。

また、上記従来の電力変換装置においては、スイッチング素子９２とコンデンサ９４とが別体となっているため、両者を接続する接続配線などを間に構成する必要があるため、どうしても装置の大型化に繋がってしまう。

特開２００１−１９７７５３号公報

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、小型化が容易なパワーモジュール及び電力変換装置を提供しようとするものである。

第１の発明は、筐体の内側に、スイッチング素子と該スイッチング素子を冷却する冷却媒体が流れる冷却器と上記スイッチング素子のスイッチングにより生じるサージ電圧を抑制するコンデンサとを備えるパワーモジュールであって、
上記冷却器は、上記スイッチング素子における互いに反対側に位置する一対の面にそれぞれ接触配置されており、
上記スイッチング素子は、上記冷却器が接触していない端面から上記コンデンサに接続される電極端子を突出させ、
上記コンデンサは、上記電極端子を突出させた側に配置されると共に、上記冷却器と上記スイッチング素子との一対の接触面をそれぞれ延長させた２つの仮想平面と交差する位置に配置されていることを特徴とするパワーモジュールにある（請求項１）。

次に、本発明の作用効果につき説明する。
上記パワーモジュールにおいては、上記コンデンサは、上記スイッチング素子と上記冷却器との接触面を延長させた仮想平面と交差する位置に配置されている。それ故、コンデンサの厚みが大きくても、コンデンサの厚みとスイッチング素子の厚みとの差によって生じるスイッチング素子の厚み方向におけるスペースを、冷却器の配置によって有効に利用することができる。
これにより、パワーモジュールの厚みを極力小さくして、パワーモジュールの小型化を容易にすることができる。

また、上記パワーモジュールは、上記スイッチング素子と上記コンデンサとをモジュール化してなるため、両者間の距離を小さくすることができる。これにより、電力変換装置の小型化を容易にすることができる。また、スイッチング素子及びコンデンサの組付や交換を容易に行うことができる。

以上のごとく、本発明によれば、小型化が容易なパワーモジュールを提供することができる。

第２の発明は、上記第１の発明（請求項１）にかかるパワーモジュールを複数個接続してなることを特徴とする電力変換装置にある（請求項２４）。
本発明によれば、小型化が容易な電力変換装置を提供することができる。

上記第１の発明（請求項１）及び第２の発明（請求項２４）において、上記スイッチング素子は、例えば、ＩＧＢＴ等の半導体素子とフライホイールダイオード等のダイオードを内蔵したものがある。
また、上記電力変換装置としては、例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータやインバータ等がある。また、上記電力変換装置は、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等の動力源である交流モータに通電する駆動電流の生成に用いることができる。

また、上記冷却器に流れる冷却媒体としては、例えば、水やアンモニア等の自然冷媒、エチレングリコール系の不凍液を混入した水、フロリナート等のフッ化炭素系冷媒、ＨＣＦＣ１２３、ＨＦＣ１３４ａ等のフロン系冷媒、メタノール、アルコール等のアルコール系冷媒、アセトン等のケトン系冷媒等の冷媒を用いることができる。

また、上記冷却器は、上記スイッチング素子における互いに反対側に位置する一対の面に接触配置されており、上記コンデンサは、上記冷却器と上記スイッチング素子との一対の接触面をそれぞれ延長させた２つの仮想平面と交差する位置に配置されている。
これにより、上記スイッチング素子の冷却を効率よく行うことができると共に、パワーモジュールの小型化を効果的に図ることができる。

また、上記スイッチング素子と上記冷却器との積層体は、上記コンデンサにおける互いに反対側に位置すると共に上記電極端子の突出方向と略平行な一対の面を延長させた一対の仮想平面の内側に納まるように配置されていることが好ましい（請求項２、５）。
この場合には、パワーモジュールの厚みをコンデンサの厚みにまで小さくすることが可能となり、パワーモジュールの一層の小型化を図ることができる。

また、上記スイッチング素子における互いに反対側に位置する一対の面に接触配置された上記冷却器は、折返し部を介して連続的に形成されたＵ字状管によって構成されていてもよい（請求項３）。
この場合には、上記スイッチング素子における互いに反対側に位置する一対の面に一体の冷却器を配置することとなるため、冷却器とスイッチング素子との組付け作業性を向上させることができる。

また、上記スイッチング素子における互いに反対側に位置する一対の面に接触配置された上記冷却器は、環状に形成された環状管によって構成されていてもよい（請求項４）。
この場合には、上記スイッチング素子における互いに反対側に位置する一対の面に一体の冷却器を配置することとなるため、冷却器とスイッチング素子との組付け作業性を向上させることができる。

また、上記冷却器は、金属材料からなる金属部と樹脂材料からなる樹脂部とによって構成されていてもよい（請求項６）。
この場合には、製造容易な冷却器を得ることができる。即ち、スイッチング素子との接触面を含む部分をアルミニウム等の金属によって構成し、その他の部分を樹脂によって構成することにより、金属部の形状を単純化することができる。これにより、金属部の成形を容易化して、冷却器の生産性を向上させることができる。また、スイッチング素子との接触面を含む部分を金属部によって構成することにより、冷却器とスイッチング素子との熱交換効率を確保することができる。

また、上記冷却器は、上記スイッチング素子の電極端子にも接触していることが好ましい（請求項７）。
この場合には、上記電極端子を介したスイッチング素子の放熱をも行うことができるため、一層冷却効率を向上させることができる。
なお、冷却器が導電性部材からなる場合には、冷却器と電極端子との間に熱伝導性を有する絶縁膜等を介設しておく。

また、上記冷却器は、上記コンデンサにも接触していることが好ましい（請求項８）。
この場合には、コンデンサの冷却をも効率的に行うことができる。
なお、冷却器が導電性部材からなる場合には、冷却器とコンデンサとの間に熱伝導性を有する絶縁膜等を介設しておく。

また、上記冷却器は、略Ｕ字状の冷媒流路を有することが好ましい（請求項９）。
この場合には、上記冷却器における冷却媒体の出入口をパワーモジュールの同一の面に配置しやすくなる。これにより、電力変換装置へのパワーモジュールの取り付けを容易にすることができる。

また、上記冷却器は、内部の冷媒流路にフィンを設けてなることが好ましい（請求項１０）。
この場合には、上記フィンを通じて、冷却媒体との熱交換を行いやすくなり、スイッチング素子の冷却をより効率的に行うことができる。また、上記フィンを設けることにより、冷却媒体を上記冷媒流路の全体に均等に流しやすくなる。

また、上記冷却器は、冷却媒体を導入する冷媒入口に連続する部分と、冷却媒体を排出する冷媒出口に連続する部分とに、それぞれ流路抵抗の小さい入口側ヘッダ部と出口側ヘッダ部とを有し、上記入口側ヘッダ部と上記出口側ヘッダ部との間には、上記フィンを設けた熱交換部が形成されていることが好ましい（請求項１１）。
この場合には、上記冷却器内の冷媒流路において、冷却媒体の圧力損失を小さくしつつ、冷媒流路の全体に冷却媒体を行き渡らせることができる。その結果、スイッチング素子の冷却効率を向上させることができる。

また、上記パワーモジュールは、上記スイッチング素子を駆動制御する制御回路を内蔵することが好ましい（請求項１５）。
この場合には、各スイッチング素子を駆動制御する各制御回路をも、スイッチング素子とモジュール化することにより、電力変換装置の一層の小型化を図ることができる。

また、上記スイッチング素子は、その互いに反対側に位置する一対の面が上記冷却器に流れる冷却媒体に接触するように上記冷却器に組み付けられていてもよい（請求項１３）。
この場合には、スイッチング素子に冷却媒体を直接接触させることとなるため、スイッチング素子の冷却をより効率的に行うことができる。

また、上記スイッチング素子は、その互いに反対側に位置する一対の面に放熱フィンを設けてなることが好ましい（請求項１４）。
この場合には、上記放熱フィンを介して、スイッチング素子と冷却媒体との熱交換を行うことができるため、スイッチング素子の冷却効率を一層向上させることができる。

また、上記放熱フィンは、帯状の金属板を屈曲してなる複数のストリップ状フィンを並列配置してなることが好ましい（請求項１５）。
この場合には、上記放熱フィンに熱膨張が生じても、放熱フィンとスイッチング素子との固定部分において熱応力が発生することを抑制することができる。

また、上記パワーモジュールは、複数の上記スイッチング素子を内蔵していてもよい（請求項１６）。
この場合にも、パワーモジュールの小型化、ひいては電力変換装置の小型化を図ることができる。

また、上記冷却器は、３本以上に櫛歯状に分岐した枝管を有すると共に、隣合う該枝管の間に、上記スイッチング素子を挟持させていてもよい（請求項１７）。
この場合には、複数のスイッチング素子に対応する冷却器を一体品として組み込むことができるため、作製容易なパワーモジュールを得ることができる。また、冷媒入口や冷媒出口を共通化することができる。

また、上記パワーモジュールは、上記冷却器に冷却媒体を導入する冷媒入口と上記冷却器から冷却媒体を排出する冷媒出口とを端面に有し、上記冷媒入口及び上記冷媒出口の周囲には、上記冷媒入口及び上記冷媒出口の接続先との間における冷却媒体の漏れを防ぐシール部材が配設されていることが好ましい（請求項１８）。
この場合には、仮に冷媒入口又は冷媒出口から冷却媒体が漏れても、その周囲において冷却媒体を堰き止めることができる。これにより、冷却媒体が、パワーモジュールの外周面に広がって電気接続部に達したり、他の部品の電気系統に接触したりすることを防ぐことができる。

また、上記コンデンサは、該コンデンサの一対の電極を取り出す一対の電極板を、上記コンデンサの表面に配置してなることが好ましい（請求項１９）。
この場合には、上記電極板を介してコンデンサの放熱を行うことができる。

また、上記電極板の表面に熱伝導性に優れた絶縁膜を形成すると共に、該絶縁膜を形成した表面を露出させてなることが好ましい（請求項２０）。
この場合には、上記コンデンサの放熱をより効率的に行うことができる。また、上記電極板が電気的に露出することはないため、コンデンサの短絡故障のおそれも回避することができる。

また、上記コンデンサは、積層フィルムコンデンサからなることが好ましい（請求項２１）。
この場合には、コンデンサの厚みを小さくしやすく、パワーモジュールの小型化を容易にすることができる。
ただし、上記コンデンサとしては、積層フィルムコンデンサに限らず、例えば積層セラミックコンデンサ等、種々のコンデンサを採用することは可能である。

また、上記パワーモジュールは、上記筐体の内側に上記スイッチング素子、上記冷却器、及び上記コンデンサを配置してなり、少なくとも該コンデンサと上記筐体との間にはポッティング樹脂が充填されていることが好ましい（請求項２２）。
この場合には、上記コンデンサの振動を上記ポッティング樹脂によって吸収することができるため、振動を抑制したパワーモジュールを得ることができる。

また、上記筐体は、上記コンデンサと対向する位置に開口部を有してなり、該開口部は、上記コンデンサと密着するゴム部材によって塞がれていることが好ましい（請求項２３）。
この場合には、上記筐体へのコンデンサの配設を容易にすると共に、パワーモジュールの振動を充分に抑制することができる。

（実施例１）
本発明の実施例にかかるパワーモジュール及びこれを用いた電力変換装置につき、図１〜図１０を用いて説明する。
本例のパワーモジュール１は、図１、図２に示すごとく、スイッチング素子２と該スイッチング素子１を冷却する冷却媒体が流れる冷却器３と上記スイッチング素子２のスイッチングにより生じるサージ電圧を抑制するコンデンサ４とを備える。

冷却器３は、スイッチング素子２における互いに反対側に位置する一対の面（以下、「主面」という。）に接触配置されており、コンデンサ４は、冷却器３とスイッチング素子２との一対の接触面をそれぞれ延長させた２つの仮想平面Ｓと交差する位置に配置されている。

図１、図３に示すごとく、スイッチング素子２は、２個のＩＧＢＴ２２と２個のフライホイールダイオード２３とを内蔵してなる。スイッチング素子２は、４本の電極端子２１を一つの端面から突出させており、その反対側の端面から２群の制御端子２４を突出させている。
そして、図１、図２に示すごとく、電極端子２１を突出させた側に、コンデンサ４が配置されている。

４本の電極端子２１のうちの正極端子２１１及び負極端子２１２はコンデンサ４と接続され、２本の出力端子２１３は互いに短絡させてある。コンデンサ４と接続された２本の電極端子２１（正極端子２１１、負極端子２１２）は、それぞれ個別に、パワーモジュール１の端面１１に露出した電極パッド１２１、１２２に電気的に接続されている。また、互いに短絡させた出力端子２１３は、パワーモジュール１の端面１１に露出した共通の電極パッド１２３に電気的に接続されている。
また、制御端子２４は、上記端面１１とは異なる端面１１０に突出している。

また、図１に示すごとく、スイッチング素子２は、ＩＧＢＴ２２及びフライホイールダイオード２３を、スペーサ２５１を介して挟持するように配置した一対の放熱板２５を有する。該放熱板２５は、電極端子２１に接続されていると共に、ＩＧＢＴ２２及びフライホイールダイオード２３の端子とも適宜接続されている。そして、この放熱板２５の外面がスイッチング素子２の主面となっている。
また、スイッチング素子２には、スイッチング素子２を駆動制御する制御回路２６が内蔵されている。

また、図４、図５に示すごとく、スイッチング素子２の両主面に接触配置された冷却器３は、折返し部３３を介して連続的に形成されたＵ字状管によって構成されている。冷却器３は、折返し部３３において、冷媒入口３３１と冷媒出口３３２とを設けている。これにより、冷媒入口３３１から導入された冷却媒体ｗは、スイッチング素子２の両主面にそれぞれ配される冷媒流路３１に分岐して循環した後、冷媒出口３３２において合流して排出される。

なお、上記冷媒入口３３１及び冷媒出口３３２の外周面には、Ｏリング３３３が取り付けられている。
そして、冷媒入口３３１及び冷媒出口３３２は、図２に示すごとく、パワーモジュール１の端面１１から突出している。

また、図６に示すごとく、冷却器３は、冷媒入口３３１に連続する部分と、冷媒出口３３２に連続する部分とに、それぞれ流路抵抗の小さい入口側ヘッダ部３４１と出口側ヘッダ部４３２とを有する。入口側ヘッダ部３４１と出口側ヘッダ部３４２との間における冷媒流路には、フィン３４が設けられている。そして、このフィン３４が設けられた部分が、スイッチング素子２との熱交換を行う熱交換部３４０となる。

また、冷媒出口３３２は冷媒入口３３１よりも上方に配置されている。冷媒入口３３１から導入された冷却媒体ｗは、入口側ヘッダ部３４１からフィン５４の間をフィン５４に沿って上方へ通過して出口側ヘッダ部３４２へ達し、冷媒出口３３２から排出される。このように、冷媒流路は略Ｕ字状となる。
また、図６に示すごとく、ＩＧＢＴ２２をフライホイールダイオード２３よりも下方、即ち冷媒流路の上流側に配置することが好ましい。これにより、ＩＧＢＴ２２の冷却をより効率的に行うことができる。

また、上記コンデンサ４は、積層フィルムコンデンサからなり、積層方向に直交する方向における一対の端面に、電極となるメタリコン部４２を有する。そして、図７に示すごとく、コンデンサ４は、該コンデンサ４の一対の電極を取り出す一対の電極板４１を、コンデンサ４の表面に配置してなる。即ち、電極板４１は、メタリコン部４２に電気的に接続すると共に、コンデンサ４における互いに反対側に位置する一対の面（以下、「主面」という。）を覆うように配設されている。そして、正極側に接続された電極板４１と負極側に接続された電極板４１とを、コンデンサ４における互いに反対側の主面に配している。
また、メタリコン部４２以外のコンデンサ４の表面と電極板４１との間には、熱伝導性ゲル等を介在させて、電気的には絶縁し、熱的には導通するような状態にする。

なお、電極板４１の配設状態としては、上記の配設状態（図７）の他に、例えば、図８に示すごとく、一対の電極板４１を、コンデンサ４における一方の主面に、絶縁部材を介在させつつ重ねて配置してもよい。これにより、電極板４１のインダクタンスを低減することができる。
また、図９に示すごとく、電極板４１を、コンデンサ４の主面ではなく、端面を覆うように配置してもよい。

また、図２、図１０に示すごとく、パワーモジュール１は、筐体１３の内側に上記スイッチング素子２、冷却器３、及びコンデンサ４を配置してなり、少なくともコンデンサ４と筐体１３との間にはポッティング樹脂１６が充填されている。
また、筐体１３は、コンデンサ４と対向する位置に開口部１３１を有してなり、該開口部１３１は、コンデンサ４と密着するゴム部材１５によって塞がれている。

上述のごとく、パワーモジュール１は、スイッチング素子２、冷却器３、及びコンデンサ４を、樹脂からなる筐体１３の内側に内蔵すると共に、ポッティング樹脂１６によってモールドしてなる。そして、一つの端面１１に冷却器３の冷媒入口３３１及び冷媒出口３３２、並びにスイッチング素子３及びコンデンサ４に適宜接続される電極パッド１２１、１２２、１２３を配設している。

そして、スイッチング素子２の正極端子２１１及びコンデンサ４の正極に接続される電極パッド１２１と、スイッチング素子２の負極端子２１２及びコンデンサ４の負極に接続される電極パッド１２２とは、コンデンサ４の側方位置における端面１１に配されている。
また、スイッチング素子２の出力端子２１３に接続される電極パッド１２３は、コンデンサ４とスイッチング素子２との間における端面１１に配される。
このようにして、一つの端面１１に、冷媒入口３３１、冷媒出口３３２、電極パッド１２１、１２２、１２３を配することにより、例えば、冷媒流通路や電力バスバーをモジュール化した支持体に、パワーモジュール１を容易に組付けることができる。

そして、パワーモジュール１が複数個接続されることにより電力変換装置が構成される。
電力変換装置としては、例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータやインバータ等がある。また、上記電力変換装置は、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等の動力源である交流モータに通電する駆動電流の生成に用いることができる。

次に、本例の作用効果につき説明する。
上記パワーモジュール１においては、図１に示すごとく、コンデンサ４は、スイッチング素子２と冷却器３との接触面を延長させた仮想平面Ｓと交差する位置に配置されている。それ故、コンデンサ４の厚みが大きくても、コンデンサ４の厚みとスイッチング素子２の厚みとの差によって生じるスイッチング素子２の厚み方向におけるスペースを、冷却器３の配置によって有効に利用することができる。
これにより、パワーモジュール１の厚みを極力小さくして、パワーモジュール１の小型化を容易にすることができる。

また、パワーモジュール１は、スイッチング素子２とコンデンサ４とをモジュール化してなるため、両者間の距離を小さくすることができる。これにより、電力変換装置の小型化を容易にすることができる。また、スイッチング素子２及びコンデンサ４の組付や交換を容易に行うことができる。

また、冷却器３は、スイッチング素子２の両主面に接触配置されているため、スイッチング素子２の冷却を効率よく行うことができる。
また、スイッチング素子２の両主面に接触配置された冷却器３は、折返し部３３を介して連続的に形成されたＵ字状管によって構成されている。それ故、スイッチング素子２の両主面に一体の冷却器３を配置することとなるため、冷却器３とスイッチング素子２との組付け作業性を向上させることができる。

また、図６に示すごとく、冷却器３は、略Ｕ字状の冷媒流路を有するため、冷却器３における冷媒入口３３１と冷媒出口３３２とをパワーモジュール１の同一の面（端面１１）に配置しやすくなる。これにより、電力変換装置へのパワーモジュール１の取り付けを容易にすることができる。

また、冷却器３は、内部の冷媒流路にフィン５４を設けてなるため、フィン５４を通じて、冷却媒体との熱交換を行いやすくなり、スイッチング素子２の冷却をより効率的に行うことができる。また、フィン５４を設けることにより、冷却媒体ｗを冷媒流路の全体に均等に流しやすくなる。

また、冷却器３は、冷媒入口３３１に連続する部分と冷媒出口３３２に連続する部分とに、それぞれ流路抵抗の小さい入口側ヘッダ部３４１と出口側ヘッダ部３４２とを有し、これらの間には上記熱交換部３４０が形成されている。これにより、冷却器３内の冷媒流路において、冷却媒体ｗの圧力損失を小さくしつつ、冷媒流路の全体に冷却媒体ｗを行き渡らせることができる。その結果、スイッチング素子２の冷却効率を向上させることができる。

また、パワーモジュール１は、スイッチング素子２を駆動制御する制御回路２６を内蔵しているため、電力変換装置の一層の小型化を図ることができる。
また、コンデンサ４は、一対の電極板４１をコンデンサ４の表面に配置してなるため、電極板４１を介してコンデンサ４の放熱を行うことができる。

また、コンデンサ４は積層フィルムコンデンサからなるため、コンデンサ４の厚みを小さくしやすく、パワーモジュール１の小型化を容易にすることができる。
また、コンデンサ４と筐体１３との間にはポッティング樹脂１６が充填されているため、コンデンサ４の振動をポッティング樹脂１６によって吸収することができる。それ故、振動を抑制したパワーモジュール１を得ることができる。

また、図１０に示すごとく、筐体１３は、コンデンサ４と対向する位置に開口部１３１を有し、該開口部１３１は、コンデンサ４と密着するゴム部材１５によって塞がれている。そのため、筐体１３へのコンデンサ４の配設を容易にすると共に、パワーモジュール３の振動を充分に抑制することができる。

以上のごとく、本例によれば、小型化が容易なパワーモジュール及びこれを用いた小型の電力変換装置を提供することができる。

（実施例２）
本例は、図１１に示すごとく、スイッチング素子２と冷却器３との積層体が、コンデンサ４の両主面を延長させた一対の仮想平面Ｔの内側に納まるように配置されているパワーモジュール１の例である。
その他は、実施例１と同様である。

本例の場合には、パワーモジュール１の厚みをコンデンサ２の厚みにまで小さくすることが可能となり、パワーモジュール１の一層の小型化を図ることができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

（実施例３）
本例は、図１２に示すごとく、スイッチング素子２の両主面に接触配置された冷却器３が、環状に形成された環状管によって構成されている例である。
即ち、スイッチング素子２の両主面に配される一対の冷媒流路が、その両端部において折返し部３３によって連結された状態となっている。
その他は、実施例１と同様である。

本例の場合にも、スイッチング素子２の両主面に一体の冷却器３を配置することとなるため、冷却器３とスイッチング素子２との組付け作業性を向上させることができる。また、冷却器３の強度を向上させることができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

（実施例４）
本例は、図１３に示すごとく、冷却器３は、金属材料からなる金属部３０１と樹脂材料からなる樹脂部３０２とによって構成されている例である。
即ち、スイッチング素子２の両主面と接触する冷媒流路を構成する２つの部分をアルミニウム等の金属部３０１によって構成し、これらの両端を連結する折返し部３３を樹脂部３０１によって構成している。
そして、一方の樹脂部３０２に、冷媒入口３３１及び冷媒出口３３２を設けている。
その他は、実施例１と同様である。

本例の場合には、製造容易な冷却器３を得ることができる。
即ち、金属部３０１を直線的な単純な形状とすることにより、その成形を容易化することができる。これにより、金属部３０１は、例えば押出成形等によっても容易に成形することができる。
一方、樹脂成形は、一般に比較的複雑な形状の成形を容易に行うことができるため、折返し部３３を樹脂部３０２とすることにより、折返し部３３の成形を容易に行うことができる。

そして、この２本の金属部３０１と２個の樹脂部３０２（折返し部３３）を互いに組付けることにより、容易に冷却器３を作製することができ、冷却器３の生産性を向上させることができる。
また、スイッチング素子２との接触面を含む部分を金属部３０１によって構成するため、冷却器３とスイッチング素子２との熱交換効率を確保することができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

（実施例５）
本例は、図１４に示すごとく、３個のスイッチング素子２を内蔵するパワーモジュール１において、冷却器３は、４本に櫛歯状に分岐した枝管３５を有すると共に、隣合う枝管３５の間に、スイッチング素子２を挟持させた例である。
この場合には、最も外側の枝管３５とスイッチング素子２との接触面を延長した仮想平面が、コンデンサ４と交差するように、コンデンサ４を配置する。
また、コンデンサ４が３個以上配されている場合には、最も外側に配されるコンデンサ４が上記仮想平面と交差するにように配置する。

また、４本の枝管３５を連結する連結部３３０に、冷媒入口３３１及び冷媒出口３３２が設けてある。
その他は、実施例１と同様である。なお、上記枝管３５の数及びスイッチング素子２の数は、特に上記の数に限定されるものではない。

本例の場合には、複数のスイッチング素子２に対応する冷却器３を一体品として組み込むことができるため、作製容易なパワーモジュール１を得ることができる。また、冷媒入口３３１や冷媒出口３３２を共通化することができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

（実施例６）
本例は、図１５〜図２０に示すごとく、スイッチング素子２は、その両主面が冷却器３に流れる冷却媒体ｗに接触するように冷却器３に組み付けられている例である。
即ち、図１６〜図１８に示すごとく、冷却器３を構成する一対の外殻部材３６１によって、スイッチング素子２を両主面から挟み込むことにより、スイッチング素子２の主面と外殻部材３６１との間に冷媒流路を形成している。
また、外殻部材３６１とスイッチング素子２との間には、冷却媒体の漏れを防ぐためのシール部材３６２が配設されている。

また、図１５、図１６、図２０に示すごとく、スイッチング素子２は、主面に放熱フィン２７を設けてなる。放熱フィン２７は、図１９に示すごとく、帯状の金属板を屈曲してなる複数のストリップ状フィン２７１を並列配置してなる。該ストリップ状フィン２７１は、矩形波状に折り曲げ形成されている。そして、該ストリップ状フィン２７１は、スイッチング素子２の主面を構成する放熱板２５の表面に、熱伝導性を有すると共に電気的絶縁性を有する接着剤によって固定されている。また、複数のストリップ状フィン２７１は、互いの間に若干の隙間を設けつつ、また、隣合うストリップ状フィン２７１同士で矩形波が４分の１波長分ずれるような状態で配設されている。尚、冷却媒体が電気伝導性を有する場合は、放熱板２５の表面に熱伝導性を有すると共に電気的絶縁性を有する膜を形成してからストリップ状フィン２７１を接着する。

このように放熱フィン２７を取付けたスイッチング素子２を、図１５〜図１８に示すごとく冷却器３に組付けることにより、冷媒流路を流れる冷却媒体ｗが、スイッチング素子２の放熱板２５及び放熱フィン２７に接触しながら流れることとなる。
その他は、実施例１と同様である。

本例の場合には、スイッチング素子２に冷却媒体ｗを直接接触させることとなるため、スイッチング素子２の冷却をより効率的に行うことができる。
また、スイッチング素子２は、主面に放熱フィン２７を設けてなるため、放熱フィン２７を介して、スイッチング素子２と冷却媒体との熱交換を行うことができるため、スイッチング素子２の冷却効率を一層向上させることができる。
また、放熱フィン２７は、複数のストリップ状フィン２７１を並列配置してなるため、放熱フィン２７に熱膨張が生じても、放熱フィン２７とスイッチング素子２との固定部分において熱応力が発生することを抑制することができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

（実施例７）
本例は、図２１に示すごとく、冷却器３がスイッチング素子２の電極端子２１にも接触しているパワーモジュール１の例である。
即ち、冷却器３の一部を電極端子２１に接触するように延設する。なお、冷却器３と電極端子２１との間には、熱伝導性を有する絶縁膜を介設しておく。
その他は、実施例１と同様である。

本例の場合には、電極端子２１を介したスイッチング素子２の放熱をも行うことができるため、一層冷却効率を向上させることができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

（実施例８）
本例は、図２２に示すごとく、冷却器３がコンデンサ４にも接触しているパワーモジュール１の例である。
即ち、冷却器３から、冷却器３を構成する金属板を延設して、その延設部３０３をコンデンサ４の一対の主面に接触させる。また、本例においては、実施例７と同様にスイッチング素子２の電極端子２１にも冷却器３を接触させている。なお、冷却器３の延設部３０３とコンデンサ４との間には、熱伝導性を有する絶縁膜を介設しておく。
その他は、実施例１と同様である。
この場合には、コンデンサ４の冷却をも効率的に行うことができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

（実施例９）
本例は、図２３、図２４に示すごとく、コンデンサ４の電極板４１の表面に熱伝導性に優れた絶縁膜４１１を形成すると共に、該絶縁膜４１１を形成した表面を露出させてなる例である。
即ち、筐体１３における、コンデンサ４と対向する位置に形成した開口部１３１を、ゴム部材１５（図１０参照）によって塞ぐことなく、開口部１３１を開放しておく。そして、この開口部１３１に電極板４１の表面を配置することにより、パワーモジュール１の表面に、絶縁膜４１１を形成した電極板４１を露出させる。
その他は、実施例１と同様である。

本例の場合には、コンデンサ４の放熱をより効率的に行うことができる。また、電極板が電気的に露出することはないため、コンデンサ４の短絡故障のおそれも回避することができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

（実施例１０）
本例は、図２５、図２６に示すごとく、パワーモジュール１の端面１１における、冷媒入口３３１及び冷媒出口３３２の周囲に、冷媒入口３３１及び冷媒出口３３２の接続先である冷媒流通路５１との間における冷却媒体の漏れを防ぐシール部材１４を配設した例である。なお、図２５、図２６においては、冷媒出口３３２のみを表し、冷媒入口３３１の記載は省略してあるが、冷媒入口３３１の周囲にも同様の状態でシール部材１４を配設している。

なお、上記冷媒流通路５１は、パワーモジュール１を支持する支持体５に２本配設されている。そして、一方は冷却器３に供給する冷却媒体を流通させ、他方は冷却器３から排出された冷却媒体を流通させるものである。また、支持体５には、パワーモジュール１の電極パッド１２１、１２２、１２３（図２参照）とそれぞれ接続されるバスバー５２が配設されている。なお、図２５においては、冷媒流通路５１及びバスバー５２は、それぞれ一つずつ表し、他は省略してある。

実施例１と同様に、冷媒入口３３１及び冷媒出口３３２の外周面には、Ｏリング３３３が設けてある。そして、該Ｏリング３３３によって、冷媒流通路５１の接続開口部５１１と冷却器３の冷媒入口３３１或いは冷媒出口３３２との間を密封している。

そして更に、冷媒入口３３１及び冷媒出口３３２をそれぞれ囲むようにして、冷媒入口３３１及び冷媒出口３３２のそれぞれの周囲におけるパワーモジュール１の端面１１に、環状のシール部材１４を設けている。シール部材１４は、パワーモジュール２の取付面２１に固定されたシールリング１４１と、該シールリング１４１の先端面に取付けられ、接続開口部５２の周囲において支持体５の取付面５１に密着する弾性部材１４２とからなる。例えば、シールリング１４１は樹脂からなり、弾性部材１４２はゴムからなる。
その他は、実施例１と同様である。

本例の場合には、冷媒入口３３１及び冷媒出口３３２の周囲において２重に冷却媒体のシールを行う形となるため、冷却媒体が電極パッド１２１、１２２、１２３等へ漏洩することをより確実に防ぐことができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

なお、上記実施例においては、スイッチング素子２の両主面に冷却器３を配置した例を示したが、本発明は、スイッチング素子２の片面に冷却器３を配置して片面冷却を行う構造においても適用することができる。

実施例１における、パワーモジュールの断面説明図。 実施例１における、パワーモジュールの主面側から見た断面説明図。 実施例１における、スイッチング素子の説明図。 実施例１における、冷却器とスイッチング素子の斜視説明図。 実施例１における、冷却器の斜視説明図。 実施例１における、冷却器の冷媒流路の説明図。 実施例１における、コンデンサの電極板の配設状態を示す斜視説明図。 実施例１における、他のコンデンサの電極板の配設状態を示す斜視説明図。 実施例１における、更に他のコンデンサの電極板の配設状態を示す斜視説明図。 実施例１における、コンデンサの周辺のパワーモジュールの断面説明図。 実施例２における、パワーモジュールの断面説明図。 実施例３における、冷却器とスイッチング素子の斜視説明図。 実施例４における、冷却器とスイッチング素子の斜視説明図。 実施例５における、冷却器とスイッチング素子の斜視説明図。 実施例６における、冷却器及びスイッチング素子を主面側から見た断面説明図。 図１５のＡ−Ａ線矢視断面図。 図１５のＢ視図。 図１５のＣ視図。 実施例６における、ストリップ状フィンの（Ａ）正面図、及び（Ｂ）側面図。 実施例６における、放熱フィンを取付けたスイッチング素子の正面図。 実施例７における、パワーモジュールの断面説明図。 実施例８における、パワーモジュールの断面説明図。 実施例９における、パワーモジュールの斜視説明図。 実施例９における、コンデンサの周辺のパワーモジュールの断面説明図。 実施例１０における、パワーモジュールと支持体との接続部分の断面説明図。 図２５のＤ−Ｄ線矢視断面説明図。 従来例における、電力変換装置の説明図。

符号の説明

１ パワーモジュール
２ スイッチング素子
３ 冷却器
４ コンデンサ
Ｓ 仮想平面
Ｔ 仮想平面

Claims (24)

1. 筐体の内側に、スイッチング素子と該スイッチング素子を冷却する冷却媒体が流れる冷却器と上記スイッチング素子のスイッチングにより生じるサージ電圧を抑制するコンデンサとを備えるパワーモジュールであって、
   上記冷却器は、上記スイッチング素子における互いに反対側に位置する一対の面にそれぞれ接触配置されており、
   上記スイッチング素子は、上記冷却器が接触していない端面から上記コンデンサに接続される電極端子を突出させ、
   上記コンデンサは、上記電極端子を突出させた側に配置されると共に、上記冷却器と上記スイッチング素子との一対の接触面をそれぞれ延長させた２つの仮想平面と交差する位置に配置されていることを特徴とするパワーモジュール。
2. 請求項１において、上記スイッチング素子と上記冷却器との積層体は、上記コンデンサにおける互いに反対側に位置すると共に上記電極端子の突出方向と略平行な一対の面を延長させた一対の仮想平面の内側に納まるように配置されていることを特徴とするパワーモジュール。
3. 請求項１において、上記スイッチング素子における互いに反対側に位置する一対の面に接触配置された上記冷却器は、折返し部を介して連続的に形成されたＵ字状管によって構成されていることを特徴とするパワーモジュール。
4. 請求項１において、上記スイッチング素子における互いに反対側に位置する一対の面に接触配置された上記冷却器は、環状に形成された環状管によって構成されていることを特徴とするパワーモジュール。
5. 請求項３又は４において、上記スイッチング素子と上記冷却器との積層体は、上記コンデンサにおける互いに反対側に位置すると共に上記電極端子の突出方向と略平行な一対の面を延長させた一対の仮想平面の内側に納まるように配置されていることを特徴とするパワーモジュール。
6. 請求項１〜５のいずれか一項において、上記冷却器は、金属材料からなる金属部と樹脂材料からなる樹脂部とによって構成されていることを特徴とするパワーモジュール。
7. 請求項１〜６のいずれか一項において、上記冷却器は、上記スイッチング素子の電極端子にも接触していることを特徴とするパワーモジュール。
8. 請求項１〜７のいずれか一項において、上記冷却器は、上記コンデンサにも接触していることを特徴とするパワーモジュール。
9. 請求項１〜８のいずれか一項において、上記冷却器は、略Ｕ字状の冷媒流路を有することを特徴とするパワーモジュール。
10. 請求項１〜９のいずれか一項において、上記冷却器は、内部の冷媒流路にフィンを設けてなることを特徴とするパワーモジュール。
11. 請求項１０において、上記冷却器は、冷却媒体を導入する冷媒入口に連続する部分と、冷却媒体を排出する冷媒出口に連続する部分とに、それぞれ流路抵抗の小さい入口側ヘッダ部と出口側ヘッダ部とを有し、上記入口側ヘッダ部と上記出口側ヘッダ部との間には、上記フィンを設けた熱交換部が形成されていることを特徴とするパワーモジュール。
12. 請求項１〜１１のいずれか一項において、上記パワーモジュールは、上記スイッチング素子を駆動制御する制御回路を内蔵することを特徴とするパワーモジュール。
13. 請求項１〜１２のいずれか一項において、上記スイッチング素子は、その互いに反対側に位置する一対の面が上記冷却器に流れる冷却媒体に接触するように上記冷却器に組み付けられていることを特徴とするパワーモジュール。
14. 請求項１３において、上記スイッチング素子は、その互いに反対側に位置する一対の面にそれぞれ放熱フィンを設けてなることを特徴とするパワーモジュール。
15. 請求項１４において、上記放熱フィンは、帯状の金属板を屈曲してなる複数のストリップ状フィンを並列配置してなることを特徴とするパワーモジュール。
16. 請求項１〜１５のいずれか一項において、上記パワーモジュールは、複数の上記スイッチング素子を内蔵していることを特徴とするパワーモジュール。
17. 請求項１６において、上記冷却器は、３本以上に櫛歯状に分岐した枝管を有すると共に、隣合う該枝管の間に、上記スイッチング素子を挟持させていることを特徴とするパワーモジュール。
18. 請求項１〜１７のいずれか一項において、上記パワーモジュールは、上記冷却器に冷却媒体を導入する冷媒入口と上記冷却器から冷却媒体を排出する冷媒出口とを端面に有し、上記冷媒入口及び上記冷媒出口の周囲には、上記冷媒入口及び上記冷媒出口の接続先との間における冷却媒体の漏れを防ぐシール部材が配設されていることを特徴とするパワーモジュール。
19. 請求項１〜１８のいずれか一項において、上記コンデンサは、該コンデンサの一対の電極を取り出す一対の電極板を、上記コンデンサの表面に配置してなることを特徴とするパワーモジュール。
20. 請求項１９において、上記電極板の表面に熱伝導性に優れた絶縁膜を形成すると共に、該絶縁膜を形成した表面を露出させてなることを特徴とするパワーモジュール。
21. 請求項１〜２０のいずれか一項において、上記コンデンサは、積層フィルムコンデンサからなることを特徴とするパワーモジュール。
22. 請求項１〜２１のいずれか一項において、上記パワーモジュールは、上記筐体の内側に上記スイッチング素子、上記冷却器、及び上記コンデンサを配置してなり、少なくとも該コンデンサと上記筐体との間にはポッティング樹脂が充填されていることを特徴とするパワーモジュール。
23. 請求項２２において、上記筐体は、上記コンデンサと対向する位置に開口部を有してなり、該開口部は、上記コンデンサと密着するゴム部材によって塞がれていることを特徴とするパワーモジュール。
24. 請求項１〜２３に記載のパワーモジュールを複数個接続してなることを特徴とする電力変換装置。

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