JP5289348B2 - 車載用電力変換装置 - Google Patents

Description

この発明は、特にハイブリッド自動車や電気自動車で使用されるトラクションモータや発電用モータに供される車載用電力変換装置に関するものである。

従来、電気動力源である電動回転機の駆動制御装置として、半導体モジュールと、半導体モジュールの構成要素である半導体スイッチ素子の駆動や保護等の制御を行う制御基板とを備えた電力変換装置が用いられている。
電力変換装置には直流電力を交流電力へ変換するインバータや、直流電力を異なる電圧の直流電力へ変換するＤＣ-ＤＣコンバータがあり、それぞれインバータ単体、ＤＣ-ＤＣコンバータ単体、あるいはこれらを組み合わせて一体としたもの等が実用化されている。

この従来の電力変換装置として、ベースと絶縁パッケージからなる外囲器の内部に半導体チップを収納した半導体モジュールを、上面が平面状の共通のヒートシンクの上に配置したものが知られている（従来例１ 特許文献１参照）。

この従来例１の各半導体モジュールは、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）の半導体チップとダイオードとを並列に接続して構成されており、導体取付ボルト用の貫通穴を設けた複数の主端子(大電流導通端子)をベースと平行に配置してパッケージの外部に突出させている。
また、パッケージを挟んで主端子と反対の側に信号端子(ゲート端子)が配置されている。各半導体モジュールはベースの四隅に形成した取付穴を通して取付ボルトによりヒートシンクに固定されている。
また、電力変換装置として三相インバータを構成するために六個の半導体モジュールを備えており、各半導体モジュールの主端子に取付ボルトを貫通させて導体(バスバー)と電気接合しインバータ主回路としての配線を施している。

また、別な従来の電力変換装置として、半導体モジュールは、上記従来例１での半導体モジュールと同様に、内部に半導体チップを収納しており、モジュール本体の絶縁パッケージから主端子及び主端子とは略１８０度異なる方向へ信号端子が突出するよう配置され、パッケージの主面(端子が突出しておらず相対的に面積が大きい面)の両面に放熱板が露出したものが知られている（従来例２ 特許文献２参照）。

この従来例２の半導体モジュールは、ヒートシンクとして機能する一対の冷媒チューブの間に複数個並んで狭持されている。パッケージから突出した主端子は、パッケージの主面と略直角の平面上に配置される導体(バスバー)と電気接合し電力変換器の主回路としての配線を施されている。
また、信号端子が突出する側は、パッケージの主面と略直角に制御基板が配置されており、複数の接続穴に信号端子を挿入することで基板上の制御回路部品と半導体モジュールの信号端子とを電気的に接続している。

特開２００１−１６８２７８号公報(段落番号００１８，００２７，００２８及び００３４)。 特開２００５−７３３７４号公報（段落番号００１１，００１７-００２４）。

しかしながら、従来例１の電力変換装置では、後述する図５に示すように、複数の半導体モジュールが同一の平面上に配置されており、電力変換装置の外形サイズが大型化し、その結果、製品コスト、重量が増加する等の問題点があった。
即ち、従来例１は各半導体モジュールを共通のヒートシンクに平面状に配置することから、使用する半導体モジュールの数量に応じてヒートシンクが大型化する。
また、半導体モジュールは、ベースの四隅に設けた取付穴を通して取付ボルトによりヒートシンクに固定されることから、取付穴を設置するためのスペースを確保する必要があり、その結果半導体モジュール自体の設置投影面積が広がる。
さらに、ヒートシンクは、その冷却性能及び構造強度要件によって金属材料で構成されるため、ヒートシンクの大型化によって重量が著しく増加する。

また、従来例２の電力変換装置では、各半導体モジュールを一対の冷媒チューブで狭持し、半導体モジュールの主端子の突出側に導体(バスバー)を、信号端子の突出側に制御基板をそれぞれ配置する形態としている。
複数の半導体モジュールとヒートシンクとは積層状で立体的な形状であることから、従来例１に開示される電力変換装置と比較して、半導体モジュール及びヒートシンクの投影面積を小型に構成することができ、高出力容量の電力変換装置とする場合には、半導体モジュールとヒートシンクの積層体を積層方向に多数並べることによって実現可能である。

しかしながら、従来例２の電力変換装置は、後述する図７（ａ），（ｂ）に示すように、半導体モジュールを挟んで一方側に導体の配線を、他方側に信号端子を集約して配置しているため、主端子・導体配線部、半導体モジュール・ヒートシンク及び制御基板が必要とする容積のとりあいの調整が困難であり、またその組立性も悪いという問題点があった。
特に、ヒートシンクとして極めて薄型のものを適用した場合、ヒートシンクを挟んで並ぶ半導体モジュールから突出する信号端子同士の距離は短縮されるのに対して、制御基板部品の規模は同等であって制御基板面積は縮小できないため、主端子・導体配線部、半導体モジュール・ヒートシンク、制御基板の全体を包絡する容積は必ずしも低減されない。
また、高出力容量の電力変換装置を得るために半導体モジュールとヒートシンクとを多数積層する場合には、積層方向の長さと制御基板の長辺長さとの差が縮まるため、上記容積のとりあいの調整に関わる課題は多少とも緩和される。
しかしながら、出力容量が小さく半導体モジュールとヒートシンクの積層数が少なくてよい場合、即ち、本来小型に実現すべき電力変換装置に対しては、依然として上記問題点は解消されない。

また、従来例２においては、半導体モジュールの信号端子の配置が、半導体モジュールの動作に伴う発生磁場と略垂直方向となるため、半導体モジュールから発生する磁束が信号端子に鎖交し、半導体モジュールの制御において誤動作が発生すると考えられる。そのため、ノイズ対策実施が必要となり、部品点数の増加、コストの上昇等の問題点も生じる。

電力変換装置を小型にするためには、ヒートシンク、半導体モジュール及び制御基板のそれぞれが小型化、軽量化されるのが望ましい。
しかしながら、装置の小型化は、単に寸法の縮小によっては達成できない。
その制約となる事柄の一例として、高電圧が印加され、高電位差が生じる部分において絶縁距離を確保する必要がある。

電力変換装置が正常に動作するためには、漏電、絶縁破壊を防止する必要があり、適用すべき技術仕様が、例えば国際規格ＩＥＣ６０９５０(情報処理機器の安全性)、日本工業規格ＪＩＳ Ｃ５０１４(多層プリント配線板)、ＪＩＳ Ｄ５３０５-３(電気自動車−安全に関する仕様−第３部：電気危害に対する人の保護)等で規定されている。
これらに基づけば、制御基板上で外部に露出した導電パターンや電子部品の電極間に電位差を持つ場合、所定の距離を空けて配置する、即ち所定の沿面距離、空間距離を設ける必要がある。
例えば、電力変換装置の動作電圧に合わせて半導体モジュールの耐圧を選定するが、その耐圧には１２００Ｖ、１８００Ｖ等がある。制御基板の絶縁距離をこの耐圧の電圧値に基づき設計する場合、図２９に示すように、電位差１２００Ｖで沿面距離 約６ｍｍ、１８００Ｖで沿面距離 約９ｍｍにも達する。

これに関し、従来例２の電力変換装置では、後述する図７（ｂ）に示すように、例えヒートシンクや半導体モジュールを薄型に実現できたとしても、半導体モジュールから突出した信号端子同士には電力変換装置の動作電圧範囲に応じた電位差を持つため、この信号端子と電気的に接続される制御基板上の導電パターンや電子部品の電極間などが電位差に対応して沿面距離を確保できるよう、導電パターンや電子部品を配置しなければならない。

従って、薄型のヒートシンクを適用した場合でも、電力変換装置全体を包絡する容積は十分に削減されず、また、制御基板上で沿面距離を確保するように半導体モジュールから突出する信号端子を屈曲させるなど、加工の追加、コストの上昇等の問題点が生じる。

さらに、従来例２にあっては、制御基板と半導体モジュール・ヒートシンクとの固定は、低剛性の信号端子による接合とは別に、高剛性の構造部材による固定が必要となることから、制御基板の振動を抑制可能な強度を持った保持構造部材を設けるため、装置重量の増加、組立て作業性の悪化等の問題点もある。

この発明は、かかる問題点を解決することを課題とするものであって、小型化、軽量化等がなされる車載用電力変換装置を得ることを目的とする。

この発明に係る車載用電力変換装置は、半導体素子が樹脂封止されたモジュール本体、及び入力端子、出力端子を有し、モジュール本体が配列される方向と直交する方向の側面に入力端子、出力端子が設けられた、複数の半導体モジュールと、この半導体モジュールを冷却する、対向した両面に冷却主面をそれぞれ有する単一の直方体形状のヒートシンクと、前記半導体モジュールの駆動を制御し、半導体モジュールと電気的に接続される複数の制御基板と、前記ヒートシンクの側面側に前記入力端子に接続される接続用端子、前記出力端子に接続される負荷接続端子と、を備え、各前記半導体モジュールは、前記モジュール本体の主面が前記ヒートシンクの前記冷却主面にそれぞれ面接触し、各前記制御基板は、前記モジュール本体の前記主面と反対側の面に対向している。

この発明に係る車載用電力変換装置によれば、各半導体モジュールは、モジュール本体の主面がヒートシンクの冷却主面にそれぞれ面接触し、各制御基板は、モジュール本体の主面と反対側の面に対向しているので、小型、軽量等の電力変換装置を提供することができる。

この発明の実施の形態１の車載用電力変換装置を示す構成説明図である。 図１の側面図である。 図１の平面図である。 図４（ａ）は図１のヒートシンクと半導体モジュールとの配置関係を示す説明図、図４（ｂ）は図４（ａ）の側面図である。 図５（ａ）は従来例１に対応したヒートシンクと半導体モジュールとの配置関係を示す説明図、図５（ｂ）は図５（ａ）の側面図である。 図１のヒートシンク、半導体モジュール及び制御基板の配置関係を示す説明図である。 図７（ａ）は従来例２に対応したヒートシンク、半導体モジュール及び制御基板の配置関係を示す説明図、図７（ｂ）は図７（ａ）のヒートシンクが薄型の場合の配置関係を示す説明図である。 図８（ａ）は図１のヒートシンクと半導体モジュールとの締結を説明する図、図８（ｂ）は図８（ａ）のＡ-Ａ線に沿った矢視断面図である。 図１のヒートシンクを示す構成断面図である。 鋳造または押出し成型によるヒートシンクを示す構成断面図である。 図１０のヒートシンクの分解図である。 この発明の実施の形態２の車載用電力変換装置の内部を示す斜視図である。 図１３（ａ）は図１２のヒートシンクと半導体モジュールとの締結を説明する図、図１３（ｂ）は図１３（ａ）のＡ-Ａ線に沿った矢視断面図である。 図１４（ａ）は図１２の車載用電力変換装置を示す断面図、図１４（ｂ）は図１４（ａ）のＡ-Ａ線に沿った矢視断面図である。 図１２の平滑コンデンサモジュールを示す全体斜視図である。 図１２の車載用電力変換装置の半導体モジュールを示す回路接続図である。 図１２の車載用電力変換装置における、制御基板、半導体モジュール及び端子台を示す分解斜視図である。（負荷二台を駆動する場合） 図１７の車載用電力変換装置における回路接続図（負荷二台を駆動する場合）である。なお、半導体モジュールの構成要素である、温度検出手段、通電電流検出手段は省略されている。 この発明の実施の形態２の車載用電力変換装置において、大容量負荷一台を駆動する場合の、制御基板、半導体モジュール及び端子台を示す分解斜視図である。 図１９の車載用電力変換装置における回路接続図（大容量負荷一台を駆動する場合）である。なお、半導体モジュールの構成要素である、温度検出手段、通電電流検出手段は省略されている。 この発明の実施の形態３の車載用電力変換装置の内部を示す斜視図である。 図２１の車載用電力変換装置を示す断面図である。 図２１の車載用電力変換装置における、制御基板、半導体モジュール及び端子台を示す分解斜視図である。（負荷二台を駆動する場合） 図２１の車載用電力変換装置における回路接続図（負荷二台を駆動する場合）である。なお、半導体モジュールの構成要素である、温度検出手段、通電電流検出手段は省略されている。 図２５（ａ）は図２１の端子台を入力端子台側から視た図、図２５（ｂ）は図２５（ａ）の端子台の平面図、図２５（ｃ）は図２１の端子台を出力端子台側から視た図である。 図２６（ａ）は図２５（ａ）のＡ-Ａ線に沿った矢視断面図、図２６（ｂ）は図２５（ａ）のＢ-Ｂ線に沿った矢視断面図、図２６（ｃ）は図２５（ａ）のＣ-Ｃ線に沿った矢視断面図である。 この発明の実施の形態３の車載用電力変換装置において、制御基板、半導体モジュール及び端子台の分解斜視図である。（大容量負荷一台を駆動する場合） 図２７の車載用電力変換装置における回路接続図（大容量負荷一台を駆動する場合）である。なお、半導体モジュールの構成要素である、温度検出手段、通電電流検出手段は省略されている。 車載用電力変換装置において必要とされる絶縁沿面距離と電位差との関係を示す図である。

以下、この発明の各実施の形態について説明するが、各図において同一、または相当部材、部位については、同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１の車載用電力変換装置を示す構成説明図、図２は図１の側面図、図３は図１の平面図である。
この車載用電力変換装置（以下、電力変換装置と略称する。）は、複数個の半導体モジュール１と、この半導体モジュール１を冷却する直方体形状のヒートシンク２と、半導体モジュール１の駆動を制御する、制御基板３とを備えている。
半導体モジュール１は、樹脂成型された直方体形状のモジュール本体１ａと、このモジュール本体１ａの一側面から突出し、電源と接続する入力端子４ａと、この一側面に対向したモジュール本体１ａの他側面から突出し負荷と接続する出力端子４ｂと、モジュール本体１ａの側面から突出し制御基板３と電気的に接続される信号端子とを備えている。
モジュール本体１ａは、半導体チップ温度を検出する温度検出手段、通電電流を検出する通電電流検出手段、電流をスイッチングするための半導体素子であるＩＧＢＴ及びＩＧＢＴに逆並列に接続された還流ダイオードをそれぞれ二組有し、この二組のものが直列に接続されて、樹脂封止されている。
全部で六個の半導体モジュール１のうち、三個の半導体モジュール１は、モジュール本体１ａの主面（入力端子４ａ、出力端子４ｂ及び信号端子が突出してなく、表面積が最大の面）がヒートシンク２の一方の冷却主面（表面積が最大の面）と面接触し、かつ隣接して一列に配置されている。
残りの三個の半導体モジュール１も、主面がヒートシンク２の他方の冷却主面と面接触し、かつ隣接して一列に配置されている。
また、ヒートシンク２の冷却主面は切削加工されてなく、半導体モジュール１のモジュール本体１ａの主面と同程度の平面度を有している。
一対の上記制御基板３は、それぞれヒートシンク２と反対側のモジュール本体１ａの主面側に配置されている。
上記ヒートシンク２は、厚さＴがモジュール本体１ａの幅Ｗ（入力端子４ａが突出する側面と出力端子４ｂが突出する側面との間の寸法）よりも小さい薄型である。

また、ヒートシンク２は、冷却主面に対して垂直であって対向した両側面には、それぞれ冷媒が出入りする冷媒出入口５０が設けられている。
また、図３から分るように、ヒートシンク２の四隅には、外側に突出した筐体接続部５１が設けられている。筐体５内に収納された、半導体モジュール１、ヒートシンク２及び制御基板３は、この筐体接続部５１を介して筐体５に固定されている。

この実施の形態の電力変換装置によれば、図４（ａ），（ｂ）に示すように、ヒートシンク２の両冷却主面に半導体モジュール１が配置されている。
従って、図５（ａ），（ｂ）に示す、先に説明した従来例１の電力変換装置と比較して、半導体モジュール１が占有する床面積を半減することができ、電力変換装置の小型化が可能となる。

また、図６に示すように、半導体モジュール１がヒートシンク２と接する主面の反対側に、制御回路部品７を有する制御基板３が配置されている。
先に説明した従来例２の電力変換装置では、図７(ａ),（ｂ）に示すように、制御基板３上の沿面絶縁距離Lと回路実装面積はヒートシンク２の厚さＴの影響を受ける。例えば、ヒートシンク２の厚さＴが半導体モジュール１のモジュール本体１ａの幅Ｗよりも十分小さい、非常に薄型のヒートシンク２を採用する場合には、制御基板３は十分な制御回路部品７間の沿面絶縁距離Ｌと回路実装面積を確保することが困難である。
これに対して、この実施の形態の電力変換装置では、制御基板３の電力変換装置の使用電圧や回路規模の影響を受けずにヒートシンク２の厚さを薄くすることができ、ひいては半導体モジュール１の占有床面積半減と相俟って、大幅に小型化される。

また、従来例２の電力変換装置では、図７（ｂ）に示すように、制御基板３を含む主構成部の全体形状は、部分的に突出した形状である。
これに対して、この実施の形態の電力変換装置では、モジュール本体１ａ、ヒートシンク２及び基板本体３ａはそれぞれ直方体形状である。
従って、モジュール本体１ａ、ヒートシンク２及び基板本体３ａからなる、電力変換装置の主構成部６は、全体形状が直方体形状であり、筐体５を含めた電力変換装置の車両への搭載性が高まるほか、筐体５との固定が容易かつ強固に行えるため、電力変換装置の耐振性も向上する。

また、制御基板３は半導体モジュール１の上方に配置されており、信号端子は、モジュール本体１ａから突出した入力端子４ａ及び出力端子４ｂの突出方向に対して垂直方向に突出している。
従って、信号端子は短くできるとともに、信号端子の大部分を、半導体モジュール１の動作に伴う発生磁場に対して略水平方向に構成できる。この結果、信号端子に鎖交する半導体モジュール１から発生する磁束を低減でき、ノイズ対策に必要な部品点数を少なくすることができ、ひいては、電力変換装置の小型化、低コスト化が可能となる。

また、ヒートシンク２の冷却主面を切削加工することなく、半導体モジュール１のモジュール本体１ａの主面である底面と同程度の平面度を有して接触しているので、接触面での接触熱抵抗が低減し、半導体モジュール１の放熱性が向上する。
このことは、ヒートシンク２や半導体モジュール１の小型化、低コスト化をもたらし、ひいては、電力変換装置全体を小型、低コストとする効果がある。

次に、上記ヒートシンク２の構造について、図８（ａ），（ｂ）に基づいて詳述する。
図８（ａ）は図１のヒートシンク２と半導体モジュール１との締結を説明する図、図８（ｂ）は図８（ａ）のＡ-Ａ線に沿った矢視断面図である。
このヒートシンク２は、対向して設けられ縁部がロウ付けにより接合された一対のヒートシンク本体である天板８と、この金属で構成された天板８の内部に構成された冷媒との接触面積を拡大する冷却フィン９と、冷媒の出入口となる冷媒出入口５０とを備えている。なお、ロウ付けされた、天板８及び冷却フィン９は、それぞれ金属構造体である。

また、半導体モジュール１のモジュール本体１ａの主面に面接触する、天板８の両冷却主面には、それぞれ三本のスタッドボルト１０がロウ付けにより接合されている。このスタッドボルト１０の先端部は、モジュール本体１ａに形成された穴１１を貫通してナット１２が螺着されて、半導体モジュール１は、ヒートシンク２に固定されている。

図１０，１１は、鋳造、押出し成型等により製造されたヒートシンク２Ａの断面図である。
これらで製造されたヒートシンク２Ａは、冷却性能の優れた放熱面積の大きいフィン９Ａを形成するには、鋳造時の湯流れや、押出しに用いる金型強度の制約等により、フィン９Ａだけでなく天板８Ａも厚肉とする必要がある。
また、フィン９Ａと冷媒の接触面積を確保するにはフィン９Ａの長さを増す必要がある。
また、鋳造や押出し成型では半導体モジュール１を両面に配置するには二つ以上の部品を成型し、冷媒の漏出を防止するシール手段１５を介して組み立てる必要があった。
これに対して、図９に示す、この実施の形態のヒートシンク２によれば、中空上の流路を持つ薄型のヒートシンク２を容易に製造することができ、電力変換装置が小型化される。

また、図１０，１１では、半導体モジュール１とヒートシンク２Ａとは、天板８Ａに形成された雌ネジ１３に、穴１１を貫通したボルト１４を螺着して固定している。
従って、天板８Ａは、必要な固定強度を得るために所定の長さの雌ネジ１３を形成するために、厚くする必要があり、この点からもヒートシンク２Ａの薄型化が困難であった。 これに対して、図９に示す、この実施の形態のヒートシンク２によれば、天板８の両面にスタッドボルト１０が立設されており、このスタッドボルト１０の先端部に螺着されたナット１２を螺着することで、半導体モジュール１をヒートシンク２に押圧固定することができる。
即ち、ヒートシンク２Ａに半導体モジュール１を固定のための高強度の雌ネジ１３を構成する必要がなく、ヒートシンク２を薄型にすることができ、電力変換装置が小型化される。
また、スタッドボルト１０の天板８に対するロウ付け接合は、一対の天板８の縁部でのロウ付け接合と合わせて行えばよく、ヒートシンク２の製造工程において、スタッドボルト１０追加のための追加工程は不要となり、容易に薄型のヒートシンク２を製造することができる。
なお，各図１，２，６は、説明図であり、実際には半導体モジュール１と制御基板３とは離間している。

実施の形態２.
次に、この発明の実施の形態２の電力変換装置について説明するが、以下の説明では、実施の形態１の電力変換装置と異なる構成を中心に説明する。
図１２は、この発明の実施の形態２の電力変換装置の内部を示す斜視図、図１３（ａ）は図１２のヒートシンク２Ｂと半導体モジュール１との締結を説明する図、図１３（ｂ）は図１３（ａ）のＡ-Ａ線に沿った矢視断面図、図１４（ａ）は図１２の電力変換装置を示す断面図、図１４（ｂ）は図１４（ａ）のＡ-Ａ線に沿った矢視断面図である。
この実施の形態の電力変換装置では、各半導体モジュール１は、略中央に穴１１が形成されている。ヒートシンク２Ｂは、この穴１１に相対する部位に穴１８が形成されている。
一対の半導体モジュール１とヒートシンク２Ｂとは、穴１１，１８を貫通したボルト１４の先端部にナット１２を螺着させることで、ヒートシンク２Ｂの両冷却主面がそれぞれ半導体モジュール１の主面と面接触して、固定されている。

実施の形態１のヒートシンク２は、スタッドボルト１０を用いて半導体モジュール１と固定することで、従来の電力変換装置よりも薄型のヒートシンク２を用いることができる。
しかしながら、スタッドボルト１０を天板８にロウ付け接合する際に、高温加熱によりスタッドボルト１０の強度が低下するので、半導体モジュール１をヒートシンク２に強固に押圧固定する必要がある場合には、必要な強度を確保することが困難であるため、複数のスタッドボルト１０を用いなければならす、それだけ大きな締結スペースが必要となり、電力変換装置の小型化が困難である。

これに対して、この実施の形態２の電力変換装置では、一対の半導体モジュール１とヒートシンク２Ｂとは、穴１１，１８を貫通したボルト１４の先端部にナット１２を螺着して、固定しているので、実施の形態１のようにロウ付け時の高温加熱によるスタッドボルト１０の強度低下が生じないため、最小限のボルト１４本数で、締結に必要なスペースで半導体モジュール１をヒートシンク２Ｂに固定することができる。
このため、半導体モジュール１を強固にヒートシンク２Ｂに押圧固定する必要がある場合においても、大きな締結スペースを必要とせず、電力変換装置を小型化することができる。

また、この発明の実施の形態２の電力変換装置は、筐体５（図１２では底面のみ示されている。）内に、半導体モジュール１の入力端子４ａに接続され、半導体モジュール１の入力電圧を平滑する平滑コンデンサモジュール１７が収納されている。平滑コンデンサとしては、例えばフィルムコンデンサが適用される。
この平滑コンデンサモジュール１７は、図１５に示すように、複数のフィルムコンデンサ素子３０と、複数のフィルムコンデンサ素子３０と半導体モジュール１の入力端子４ａを固定する端子台１６とを接続する低インダクタンス端子３４とを備えている。
低インダクタンス端子３４は、正極板３１と負極板３２とが絶縁材３３を介して近接配置されて構成されている。
また、平滑コンデンサモジュール１７は、低インダクタンス端子３４側に開口部３５を有する箱型のケース３６と、ケース３６と一体化され、ケース３６と筐体５とを接続するための取り付け脚３７と、ケース３６と一体化され、ケース３６とヒートシンク２Ｂとを接続するためのヒートシンク取り付け部３８とを備え、ケース３６内に配置されたフィルムコンデンサ素子３０、端子は、樹脂封止され，ケース３６と一体化されている。

この平滑コンデンサモジュール１７は、四箇所の取り付け脚３７で締結部材により筐体５に締結固定されている。
また、平滑コンデンサモジュール１７は、八箇所のヒートシンク取り付け部３８で締結部材によりヒートシンク２Ｂを固定し、対向した一対の制御基板３のうちの下側の制御基板３の下面に接近して配置されている。

上記実施の形態１のヒートシンク２Ｂでは、ヒートシンク２の両冷却主面に半導体モジュール１が搭載されており、ヒートシンク２Ｂを薄型化することで電力変換装置を小型化することができる。
しかしながら、電力変換装置を小型にするために、さらにヒートシンク２Ｂを薄型とする場合、ヒートシンク２Ｂの長さ（入力端子４ａ及び出力端子４ｂが突出していない対向した側面間の距離）Ｌ２に対してヒートシンク２Ｂの厚さＴが小さく、ヒートシンク２Ｂの長さ方向の剛性が低く、電力変換装置の実使用時に加えられる振動等の外力により変形する可能性がある。
しかしながら、この実施の形態２の電力変換装置によれば、ヒートシンク２Ｂは、ヒートシンク２Ｂよりも大きな断面を持ち箱型のケース３６内にフィルムコンデンサ素子３０が樹脂封止された、ヒートシンク２Ｂよりも剛性が高い平滑コンデンサモジュール１７に、複数箇所のヒートシンク取り付け部３８を介して締結されているので、ヒートシンク２Ｂの変形が防止され、耐振性が向上する。
なお、ヒートシンク２Ｂは、平滑コンデンサモジュール１７の下方に設けられたものでもこの発明は適用できる。

また、一体である、半導体モジュール１、ヒートシンク２Ｂ及び制御基板３は、平滑コンデンサモジュール１７を介して取り付け脚３７で筐体５に固定されているので、電力変換装置を組み立てる際には、平滑コンデンサモジュール１７を土台にして電力変換装置を組み立てることが可能である。
これにより、筐体５の形状が筐体５の取り付け箇所の制約で複数となる仕様においても、電力変換装置の組み立て方法や電力変換装置の主構成部品には影響がなく、電力変換装置の汎用性向上、部品、組立設備流用による低コスト化、開発期間の短縮が可能となる。

また、この実施の形態２の半導体モジュール１は、実施の形態１の半導体モジュール１と同様に、図１６に示すように、半導体チップ温度を検出する温度検出手段２１と、通電電流を検出する通電電流検出手段２２と、電流をスイッチングするためのパワー半導体素子であるＩＧＢＴ１９と、ＩＧＢＴ１９に逆並列に接続された還流ダイオード２０とを二組有し、この二組が直列に接続されたものが樹脂封止されて構成されている。
また、半導体モジュール１の略中央にヒートシンク２Ｂとの固定に用いる穴１１を有している。
しかしながら、実施の形態１の半導体モジュール１と異なり、入力端子４ａ及び出力端子４ｂをそれぞれモジュール本体１ａの同じ側面に配置し、信号端子４ｃを入力端子４ａ、出力端子４ｂが配置された側面と対向する側面に配置している。

この実施の形態２の半導体モジュール１によれば、実施の形態１と同様に、ヒートシンク２Ｂの片面に配置された三個の半導体モジュール１で一つの三相インバータが構成され、ヒートシンク２Ｂの両面合わせて二つの負荷を駆動する、二つの三相インバータが構成されている。

図１７は図１２の車載用電力変換装置における、制御基板３、半導体モジュール１及び端子台１６を示す分解斜視図、図１８は図１２の車載用電力変換装置における回路接続図である。
この電力変換装置では、電源２４、平滑コンデンサモジュール１７、半導体モジュール１を介して第１の負荷２３ａ及び第２の負荷２３ｂは電気的に接続されており、六個の半導体モジュール１で第１の負荷２３ａ及び第２の負荷２３ｂの駆動が制御される。
また、入力端子４ａ、出力端子４ｂが電力変換装置の一つの面に配置されているので、入力端子４ａと平滑コンデンサモジュール１７の端子、出力端子４ｂと第１負荷接続端子５６、第２負荷接続端子５７とを接続するために用いる大電流対応の端子台１６が二つの三相インバータ合わせて一組で済むため、入力端子４ａ、出力端子４ｂがそれぞれ別の方向に配置されている、実施の形態１の半導体モジュール１と比べ、部品点数の削減が可能である。
なお、符号５５は、端子台１６に平滑コンデンサモジュール１７を接続するための接続用端子である。

また、図１７に示すように、制御基板３と半導体モジュール１の信号端子４ｃをはんだ付けにて接続する部分が制御基板３の片側の部位イに集約しているため、組立性の向上やはんだ付け作業の制約上部品搭載できない面積の縮小による制御基板３の小型化、ひいては電力変換装置の小型化が可能となる。

なお、端子台１６内部の端子構成を変更し、図１９、図２０に示すように、半導体モジュール１と電源２４、負荷２３ｃとの接続を組み変え、半導体モジュール１を二並列化（図２０の符号ロ参照）することで、出力端子４ｂ、負荷接続端子５８を介して接続された、一台の大容量負荷２３ｃを制御する大容量の電力変換装置に変更することもできる。

この実施の形態の半導体モジュール１によれば、半導体モジュール１の全ての入力端子４ａ、出力端子４ｂが一つの端子台１６に集約され接続されているので、電力変換装置の仕様の変化や機種の追加などに伴う新たな部品の追加や削減、組立工程の変更を少なくでき、電力変換装置の汎用性向上や、部品共通化によるコストの低減、開発期間の短縮が可能となる。

実施の形態３．
次に、実施の形態３の電力変換装置について説明する。
以下の説明では、実施の形態２の電力変換装置と異なる構成を中心に説明する。
図２１は、この発明の実施の形態３の電力変換装置の内部を示す斜視図、図２２は図２１の車載用電力変換装置を示す断面図である。
この実施の形態３の電力変換装置では、各半導体モジュール１は、略中央に穴１１が形成されている。ヒートシンク２Ｂは、この穴１１に相対する部位に穴１８が形成されている。ヒートシンク２Ｂの両面には、それぞれ三台の半導体モジュール１が配設されている。ヒートシンク２Ｂの上面側の半導体モジュール１には、押さえバネ２６を介してヒートシンク２Ｂの長さ方向に延びた断面コ字形状の補強梁２５ａが設けられている。
ヒートシンク２Ｂの下面側の半導体モジュール１には、押さえバネ２６を介してヒートシンク２Ｂの長さ方向に延びた補強梁２５ｂが設けられている。
一対の半導体モジュール１とヒートシンク２Ｂとは、補強梁２５ａの穴、押さえバネ２６の穴、半導体モジュール１の穴１１、ヒートシンク２Ｂの穴１８、半導体モジュール１の穴１１及び押さえバネ２６の穴を貫通したボルト１４の先端部を補強梁２５ｂに螺着して、ヒートシンク２Ｂの両冷却主面がそれぞれ半導体モジュール１の主面と面接触して、固定されている。

この実施の形態の電力変換装置では、押さえバネ２６、穴構造を有する補強梁２５ａ、雌ネジ構造を有する補強梁２５ｂによって、ボルト１４の軸力を補強梁２５ａ、２５ｂでヒートシンク２Ｂの長さ方向に分散し、さらに押さえバネ２６で半導体モジュール１の幅Ｗ方向に分散し、より強固に半導体モジュール１を押圧している。
また、実施の形態２のナット１２の代わりに補強梁２５ｂに設けた雌ネジ構造を用いてナット１２の一体化、部品点数の削減を行っている。

また、この実施の形態３の半導体モジュール１では、ヒートシンク２Ｂの冷却主面と接する主面に略垂直な一対の側面のうち一方の側面に入力端子４ａと信号端子４ｃを配置し、対向した他方の側面に出力端子４ｂ及び信号端子４ｃを配置している。
また、ヒートシンク２Ｂの片側に配置された平滑コンデンサモジュール１７は、端子が半導体モジュール１の入力端子４ａと直接接続されている。

この実施の形態の電力変換装置によれば、入力端子４ａ、出力端子４ｂが半導体モジュール１の両側に別々に配置されており、出力端子４ｂの配置の影響を受けることなく、入力端子４ａの配置、形状を決定できる。

また、平滑コンデンサモジュール１７が半導体モジュール１と近接配置されており、半導体モジュール１の入力端子４ａと平滑コンデンサモジュール１７の端子が直接接続されているので、実施の形態２のように平滑コンデンサモジュール１７が半導体モジュール１と離れて配置されているものと比較して、入力端子４ａと平滑コンデンサモジュール１７との間の距離を大幅に短くすることが可能となる。
また、半導体モジュール１の入力端子４ａと、平滑コンデンサモジュール１７の端子間距離を短くすると、配線インダクタンスを小さくすることができ、半導体モジュール１内のＩＧＢＴ１９等のパワー半導体素子のスイッチング時に生じるスイッチングサージを小さくすることができる。
また、半導体モジュール１の耐圧が十分大きく、スイッチングサージが許容できる場合は、パワー半導体素子のスイッチング速度を高めることによりパワー半導体素子に生じるスイッチング損失の低減が可能となり、ヒートシンク２Ｂの小型化または半導体モジュール１の小型化、低コスト化が可能となり、ひいては電力変換装置の小型化が可能となる。

また、この実施の形態３の電力変換装置は、図２５、図２６に示すように、ヒートシンク２Ｂの平滑コンデンサモジュール１７側の縁部であって両面には、入力端子４ａと接続される入力端子台１６ｂが、ヒートシンク２Ｂの長さ方向に延びて配置されている。
ヒートシンク２Ｂの反平滑コンデンサモジュール１７側の縁部であって両面には、出力端子４ｂと接続される出力端子台１６ｃが、ヒートシンク２Ｂの長さ方向に延びて配置されている。
入力端子台１６ｂ及び出力端子台１６ｃは、それぞれ断面の一部が略Ｌ字型となっている金属性端子２７を内蔵している。この金属性端子２７は、一片部がヒートシンク２Ｂの冷却主面と略平行、他片部がヒートシンク２Ｂの冷却主面と略垂直となるように折曲されている。
なお、図中、６０は入力端子接続部、６１は出力端子接続部である。

実施の形態２の電力変換装置では、薄型で剛性の低下が懸念されるヒートシンク２Ｂを剛性の高い平滑コンデンサモジュール１７で支持して補強しているのに対して、この実施の形態３の電力変換装置では、平滑コンデンサモジュール１７をヒートシンク２Ｂの片側に配置しており、平滑コンデンサモジュール１７によるヒートシンク２Ｂの補強ができない。

これに対しては、この実施の形態３の電力変換装置では、薄いヒートシンク２Ｂの長さ方向に沿って、左右表裏両面に、略Ｌ字型の金属性端子２７が内蔵された端子台１６ｂ,１６ｃを配置することで、ヒートシンク２Ｂの長さ方向の剛性を高めている。
これにより薄型ヒートシンク２Ｂの変形を防止し、耐振性を向上させることができる。 また、端子台１６ｂ,１６ｃ内部の金属性端子２７の一部がヒートシンク２Ｂと近接しているため、金属性端子２７の冷却も可能である。
従って、金属性端子２７の通電による温度上昇を抑制することができ、ひいては金属性端子２７の断面積の小型化による電力変換装置の小型化、低コスト化が可能となる。

また、この実施の形態３の電力変換装置も実施の形態２の電力変換装置と同じように、六個の半導体モジュール１が搭載されており、図２３、図２４に示すように、この電力変換装置では、六個の半導体モジュール１で第１の負荷２３ａ及び第２の負荷２３ｂの駆動が制御される。

なお、入力端子台１６ｂ、出力端子台１６ｃ内部の端子構成を変更し、図２７、図２８に示すように、半導体モジュール１と電源２４、負荷２３ｃとの接続を組み変え、半導体モジュール１を二並列化することで、出力端子４ｂ、負荷接続端子５８を介して接続された、一台の大容量負荷２３ｃを制御する大容量の電力変換装置に変更することもできる。

この実施の形態３の半導体モジュール１は、図２７に示すとおり、実施の形態２のものと異なり、半導体モジュール１の入力端子４ａ、出力端子４ｂがそれぞれ異なる方向に出力されているが、入力端子４ａは半導体モジュール１の片側の側面に集中配置されているので、入力端子台１６ｂ、平滑コンデンサモジュール１７はいずれの構成の電力変換装置であっても部品を流用することが可能である。
これにより実施の形態２の電力変換装置と比較して、電力変換装置の汎用性向上、部品流用による低コスト化、開発期間の短縮が劣るわけではなく、実施の形態３においても実施の形態２と同様の効果を有する。

１ 半導体モジュール、１ａ モジュール本体、２，２Ａ，２Ｂ ヒートシンク、３ 制御基板、３ａ 基板本体、４ａ 入力端子、 ４ｂ 出力端子、 ４ｃ 信号端子、５ 筐体、６ 主構成部、７ 制御回路部品、８ 天板（ヒートシンク本体）、９ 冷却フィン、１０ スタッドボルト、１１ 穴、１２ ナット、１３ 雌ねじ、１４ ボルト、１５ シール手段、１６ａ 端子台、１６ｂ 入力端子台、１６ｃ 出力端子台、１７ 平滑コンデンサモジュール、１８ 穴、１９ ＩＧＢＴ、２０ 還流ダイオード、２１ チップ温度検出手段、２２ 通電電流検出手段、２３ａ 第１の負荷、２３ｂ 第２の負荷、２３ｃ 大容量負荷、２４ 電源、２５ａ 補強梁、２５ｂ 補強梁、２６ 押さえばね、２７ 金属性端子、Ｔ ヒートシンク厚、Ｗ 半導体モジュール幅、Ｌ１ 沿面絶縁距離、Ｌ２ ヒートシンク長さ、５０ 冷媒出入口、５１ 筐体接続部、５５ 接続用端子，５６ 第１負荷接続端子、５７ 第２負荷接続端子、５８ 負荷接続端子、６０ 入力端子接続部、６１ 出力端子接続部。

Claims (12)

1. 半導体素子が樹脂封止されたモジュール本体、及び入力端子、出力端子を有し、モジュール本体が配列される方向と直交する方向の側面に入力端子、出力端子が設けられた、複数の半導体モジュールと、
   この半導体モジュールを冷却する、対向した両面に冷却主面をそれぞれ有する単一の直方体形状のヒートシンクと、
   前記半導体モジュールの駆動を制御し、半導体モジュールと電気的に接続される複数の制御基板と、
   前記ヒートシンクの側面側に前記入力端子に接続される接続用端子、前記出力端子に接続される負荷接続端子と、を備え、
   各前記半導体モジュールは、前記モジュール本体の主面が前記ヒートシンクの前記冷却主面にそれぞれ面接触し、
   各前記制御基板は、前記モジュール本体の前記主面と反対側の面に対向していることを特徴とする車載用電力変換装置。
2. 前記ヒートシンクの厚さは、前記入力端子が突出した前記モジュール本体の側面とこの側面に対向した側面との間の幅よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の車載用電力変換装置。
3. 全体が直方体形状であることを特徴とする請求項１または２に記載の車載用電力変換装置。
4. 前記ヒートシンクは、ロウ付けにより複数の金属構造体を接合したものであることを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れか１項に記載の車載用電力変換装置。
5. 前記モジュール本体の前記主面の平面度と、前記ヒートシンクの前記冷却主面の平面度とは、等しいことを特徴とする請求項１ないし請求項４の何れか１項に記載の車載用電力変換装置。
6. 前記ヒートシンクの前記冷却主面には、前記半導体モジュールを固定するためのスタッドボルトが立設されていることを特徴とする請求項１ないし請求項５の何れか１項に記載の車載用電力変換装置。
7. 前記ヒートシンクは，前記モジュールを固定するための穴を有することを特徴とする請求項１ないし請求項５の何れか１項に記載の車載用電力変換装置。
8. 前記入力端子及び前記出力端子は、前記ヒートシンクの片側面側に配置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項７の何れか１項に記載の車載用電力変換装置。
9. 前記入力端子は、前記ヒートシンクの両側面方向のうち一方の側面側に配置されており、前記出力端子は、前記側面と対向した他方の側面側に配置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項７の何れか１項に記載の車載用電力変換装置。
10. 前記ヒートシンクは、前記冷却主面に対して上方又は下方に配置された、前記半導体モジュールの入力電圧を平滑する平滑コンデンサモジュールに固定されることを特徴とする請求項１ないし請求項９の何れか１項に記載の車載用電力変換装置。
11. 前記ヒートシンクの前記冷却主面に沿った方向に、前記半導体モジュールの入力電圧を平滑する平滑コンデンサが並設されることを特徴とする請求項１ないし請求項９の何れか１項に記載の車載用電力変換装置。
12. 前記ヒートシンクの側面側に、金属端子を樹脂モールドした端子台を配置し、この端子台をヒートシンクに固定していることを特徴とする請求項１ないし請求項１１の何れか１項に記載の車載用電力変換装置。

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