JP5378293B2 - パワーモジュール及びそれを用いた電力変換装置 - Google Patents

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Description

本発明は、パワーモジュール及びそれを用いた電力変換装置に関し、特にハイブリッド自動車や電気自動車に搭載される電力変換装置に関する。
高耐圧・大電流用の半導体チップは、使用時の発熱が大きいため、チップからの放熱性を向上させるための構成が必要になる。この構成の一例として、チップの両面に一対の放熱板を接合する構成が、考えられており、この構成によれば、チップの両面から放熱できるので放熱性が向上する。そして、上記した両面放熱型の半導体装置は、全体が樹脂でモールドされている（特許文献１）。
このモールドされた半導体装置の更なる信頼性の向上が求められている。
特開２００７−５３２９５号公報
本発明が解決しようとする課題は、パワーモジュール及びそれを用いた電力変換装置の更なる信頼性の向上を図ることである。
本発明に係るパワーモジュールは、上記課題を解決するために、直流電流を交流電流に変換するための半導体チップと、前記半導体チップの一方の電極面と対向し、かつ当該半導体チップと電気的に接続される第１導体板と、前記半導体チップの他方の電極面と対向し、かつ当該半導体チップと電気的に接続される第２導体板と、前記半導体チップの一方の電極面側に配置された温度検知素子と、前記半導体チップの配置側とは反対側の前記第１導体板の面及び前記第２導体板の面を露出した状態で、前記半導体チップと前記第１導体板と前記第２導体板と前記温度検知素子を封止する樹脂封止材と、第１絶縁部材を挟んで、前記第１導体板と対向して配置される第１放熱部材と、第２絶縁部材を挟んで、前記第２導体板と対向して配置される第２放熱部材と、を備え、前記第１導体板の前記樹脂封止材からの露出面は、前記第２導体板の前記樹脂封止材からの露出面よりも第１絶縁部材がはがれ易く構成されることを特徴とする。
これにより、温度検知素子による半導体チップの異常温度上昇を信頼性高く検知できるようになる。
本発明により、パワーモジュール及びそれを用いた電力変換装置の更なる信頼性の向上を図ることができる。
ハイブリッド自動車の制御ブロックを示す図である。 ハイブリッド自動車に適用した場合における制御構成図と回路構成図である。 本実施形態に係る電力変換装置２００の設置場所を説明するための分解斜視図を示す。 本実施形態に係る電力変換装置の全体構成を各構成要素に分解した斜視図である。 流路１９を有する冷却ジャケット１２の下面図である。 図６（ａ）は、本実施形態のパワーモジュール３００ａの斜視図である。図６（ｂ）は、本実施形態のパワーモジュール３００ａの断面図である。 図７（ａ）は、モジュールケース３０４と絶縁シート３３３と第一封止樹脂３４８と第二封止樹脂３５１を取り除いた内部断面図である。図７（ｂ）は、内部斜視図である。 図８（ａ）は、図７（ｂ）の構造の理解を助けるための分解図である。図８（ｂ）は、パワーモジュール３００の回路図である。 図９（ａ）は、モジュール一次封止体３０２と絶縁シート３３３の分解斜視図であり、図９（ｂ）は、モジュール一次封止体３０２と絶縁シート３３３とモジュールケース３０４の組み立て図である。 図１０（ａ）及び（ｂ）は、本実施形態のパワーモジュール３００に剥離部３４０が生じた場合を示す断面図である。 本実施形態のコンデンサモジュール５００の分解斜視図である。 図１２（ａ）は、冷却ジャケット１２にパワーモジュールとコンデンサモジュールとバスバーモジュールを組み付けた外観斜視図である。図１２（ｂ）は、図１２（ａ）の点線囲み部の拡大図である。 パワーモジュールとコンデンサモジュールを組み付けた冷却ジャケット１２とバスバーモジュール８００の分解斜視図である。 保持部材８０３を除いたバスバーモジュール８００の外観斜視図である。 パワーモジュールとコンデンサモジュールとバスバーモジュール８００と補機用パワーモジュール３５０を組み付けた冷却ジャケット１２の外観斜視図である。 制御回路基板２０と金属ベース板１１を分離した電力変換装置２００の分割斜視図である。 図１６のＢ面で切り取った電力変換装置２００をＣ方向から見た断面図である。 図１８（ａ）はモジュール一次封止体３０２の一方面の斜視図であり、図１８（ｂ）はモジュール一次封止体３０２の他方面の斜視図である。 図１９（ａ）はモジュール一次封止体３０２の一方面の斜視図であり、図１９（ｂ）はモジュール一次封止体３０２の他方面の斜視図である。 第３実施形態に係るパワーモジュール３００の分解断面図である。
以下、本発明を実施する形態について、図を用いて説明する。
本実施形態に係る電力変換装置２００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、ハイブリッド自動車に適用した場合における制御構成と回路構成について、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。
本実施形態に係る電力変換装置では、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。なお、本実施形態の構成は、自動車やトラックなどの車両駆動用電力変換装置として最適であるが、これら以外の電力変換装置、例えば電車や船舶，航空機などの電力変換装置、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。
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）１１０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１２０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ＨＥＶ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１９２，１９４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１９２，１９４は例えば同期機あるいは誘導機であり、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。
車体のフロント部には前輪車軸１１４が回転可能に軸支され、前輪車軸１１４の両端には１対の前輪１１２が設けられている。車体のリア部には後輪車軸が回転可能に軸支され、後輪車軸の両端には１対の後輪が設けられている（図示省略）。本実施形態のＨＥＶでは、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１１４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）１１６が設けられている。前輪側ＤＥＦ１１６の入力側にはトランスミッション１１８の出力軸が機械的に接続されている。トランスミッション１１８の入力側にはモータジェネレータ１９２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１９２の入力側には動力分配機構１２２を介してエンジン１２０の出力側及びモータジェネレータ１９４の出力側が機械的に接続されている。
インバータ部１４０，１４２は、直流コネクタ１３８を介してバッテリ１３６と電気的に接続される。バッテリ１３６とインバータ部１４０，１４２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１９２及びインバータ部１４０からなる第１電動発電ユニットと、モータジェネレータ１９４及びインバータ部１４２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。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１９２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。
バッテリ１３６はさらに補機用のモータ１９５を駆動するための電源としても使用される。補機としては例えば、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からインバータ部４３に直流電力が供給され、インバータ部４３で交流の電力に変換されてモータ１９５に供給される。インバータ部４３は、インバータ部１４０や１４２と同様の機能を持ち、モータ１９５に供給する交流の位相や周波数，電力を制御する。モータ１９５の容量がモータジェネレータ１９２や１９４の容量より小さいので、インバータ部４３の最大変換電力がインバータ部１４０や１４２より小さいが、インバータ部４３の回路構成は基本的にインバータ部１４０や１４２の回路構成と同じである。なお、電力変換装置２００は、インバータ部１４０，インバータ部１４２，インバータ部４３に供給される直流電流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。
次に、図２を用いてインバータ部１４０やインバータ部１４２あるいはインバータ部４３の電気回路構成を説明する。なお、図２では、代表例としてインバータ部１４０の説明を行う。
インバータ回路１４４は、上アームとして動作するＩＧＢＴ３２８（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）及びダイオード１５６と、下アームとして動作するＩＧＢＴ３３０及びダイオード１６６と、からなる上下アーム直列回路１５０をモータジェネレータ１９２の電機子巻線の各相巻線に対応して３相（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）分を設けている。それぞれの上下アーム直列回路１５０は、その中点部分（中間電極１６９）から交流端子１５９及び交流コネクタ１８８を通してモータジェネレータ１９２への交流電力線（交流バスバー）１８６と接続する。
上アームのＩＧＢＴ３２８のコレクタ電極１５３は正極端子（Ｐ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の電極に、下アームのＩＧＢＴ３３０のエミッタ電極は負極端子（Ｎ端子）１５８を介してコンデンサモジュール５００の負極側にコンデンサ電極にそれぞれ電気的に接続されている。
制御部１７０は、インバータ回路１４４を駆動制御するドライバ回路１７４と、ドライバ回路１７４へ信号線１７６を介して制御信号を供給する制御回路１７２と、を有している。ＩＧＢＴ３２８やＩＧＢＴ３３０は、制御部１７０から出力された駆動信号を受けて動作し、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。この変換された電力は、モータジェネレータ１９２の電機子巻線に供給される。
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、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。ダイオード１５６が、コレクタ電極１５３とエミッタ電極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）を用いてもよいが、この場合はダイオード１５６やダイオード１６６は不要となる。コンデンサモジュール５００は、正極側コンデンサ端子５０６と負極側コンデンサ端子５０４と直流コネクタ１３８を介して電気的に接続されている。なお、インバータ部１４０は、直流正極端子３１４を介して正極側コンデンサ端子５０６と接続され、かつ直流負極端子３１６Ｔを介して負極側コンデンサ端子５０４と接続される。
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。マイコンには入力情報として、モータジェネレータ１９２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１９２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１９２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１８０から信号線１８２を介して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１９２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１９２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、信号線１７６を介してドライバ回路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、制御部１７０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、制御部１７０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１５５及び信号用エミッタ電極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は、本実施形態に係る電力変換装置２００の設置場所を説明するための分解斜視図を示す。
本実施形態に係る電力変換装置２００は、トランスミッション１１８を収納するためのアルミニウム製の筐体１１９に固定される。電力変換装置２００は、底面及び上面の形状を略長方形としたことで、車両への取り付けが容易となり、また生産し易い効果がある。冷却ジャケット１２は、後述するパワーモジュール３００及びコンデンサモジュール５００を保持するとともに、冷却媒体によって冷却する。また、冷却ジャケット１２は、筐体１１９に固定され、かつ筐体１１９との対向面に入口配管１３と出口配管１４が形成されている。入口配管１３と出口配管１４が筐体１１９に形成された配管と接続されることにより、トランスミッション１１８を冷却するための冷却媒体が、冷却ジャケット１２に流入及び流出する。
ケース１０は、電力変換装置２００を覆って、かつ筐体１１９側に固定される。ケース１０の底は、制御回路１７２を実装した制御回路基板２０と対向するように構成される。またケース１０は、ケース１０の底から外部に繋がる第１開口２０２と第２開口２０４を、ケース１０の底面に形成する。コネクタ２１は、制御回路基板２０に接続されており、外部からの各種信号を当該制御回路基板２０に伝送する。バッテリ負極側接続端子部５１０とバッテリ正極側接続端子部５１２は、バッテリ１３６とコンデンサモジュール５００とを電気的に接続する。
コネクタ２１とバッテリ負極側接続端子部５１０とバッテリ正極側接続端子部５１２は、ケース１０の底面に向かって延ばされ、コネクタ２１は第１開口２０２から突出し、かつバッテリ負極側接続端子部５１０及びバッテリ正極側接続端子部５１２は第２開口２０４から突出する。ケース１０には、その内壁の第１開口２０２及び第２開口２０４の周りにシール部材（不図示）が設けられる。
コネクタ２１等の端子の嵌合面の向きは、車種により種々の方向となるが、特に小型車両に搭載しようとした場合、エンジンルーム内の大きさの制約や組立性の観点から嵌合面を上向きにして出すことが好ましい。特に、本実施形態のように、電力変換装置２００が、トランスミッション１１８の上方に配置される場合には、トランスミッション１１８の配置側とは反対側に向かって突出させることにより作業性が向上する。また、コネクタ２１は外部の雰囲気からシールする必要があるが、コネクタ２１に対してケース１０を上方向から組付ける構成となることで、ケース１０が筐体１１９に組付けられたときに、ケース１０と接触するシール部材がコネクタ２１を押し付けることができ、気密性が向上する。
図４は、本実施形態に係る電力変換装置の全体構成を各構成要素に分解した斜視図である。
冷却ジャケット１２には、流路１９が設けられ、該流路１９の上面には、開口部４００ａ〜４００ｃが冷媒の流れ方向４１８に沿って形成され、かつ開口部４０２ａ〜４０２ｃが冷媒の流れ方向４２２に沿って形成される。開口部４００ａ〜４００ｃがパワーモジュール３００ａ〜３００ｃによって塞がれ、かつ開口部４０２ａ〜４０２ｃがパワーモジュール３０１ａ〜３０１ｃによって塞がれる。
また、冷却ジャケット１２には、コンデンサモジュール５００を収納するための収納空間４０５が形成される。コンデンサモジュール５００は、収納空間４０５に収納されることにより、流路１９内に流れる冷媒によって冷やされることになる。コンデンサモジュール５００は、冷媒の流れ方向４１８を形成するための流路１９と、冷媒の流れ方向４２２を形成するための流路１９に挟まれるため、効率良く冷却することができる。
冷却ジャケット１２には、入口配管１３と出口配管１４と対向する位置に突出部４０７が形成される。突出部４０７は、冷却ジャケット１２と一体に形成される。補機用パワーモジュール３５０は、突出部４０７に固定され、流路１９内に流れる冷媒によって冷やされることになる。補機用パワーモジュール３５０の側部には、バスバーモジュール８００が配置される。バスバーモジュール８００は、交流バスバー１８６や電流センサ１８０等により構成されるが、詳細は後述する。
このように冷却ジャケット１２の中央部にコンデンサモジュール５００の収納空間４０５を設け、その収納空間４０５を挟むように流路１９を設け、それぞれの流路１９に車両駆動用のパワーモジュール３００ａ〜３００ｃ及びパワーモジュール３０１ａ〜３０１ｃを配置し、さらに冷却ジャケット１２の上面に補機用パワーモジュール３５０を配置することで、少ない空間で効率良く冷却でき、電力変換装置全体の小型化が可能となる。また冷却ジャケット１２の流路１９の主構造を冷却ジャケット１２と一体にアルミ材の鋳造で作ることにより、流路１９は冷却効果に加え機械的強度を強くする効果がある。またアルミ鋳造で作ることで冷却ジャケット１２と流路１９とが一体構造となり、熱伝導が良くなり冷却効率が向上する。
なお、パワーモジュール３００ａ〜３００ｃとパワーモジュール３０１ａ〜３０１ｃを流路１９に固定することで流路１９を完成させ、水路の水漏れ試験を行う。水漏れ試験に合格した場合に、次にコンデンサモジュール５００や補機用パワーモジュール３５０や基板を取り付ける作業を行うことができる。このように、電力変換装置２００の底部に冷却ジャケット１２を配置し、次にコンデンサモジュール５００，補機用パワーモジュール３５０，バスバーモジュール８００，基板等の必要な部品を固定する作業を上から順次行えるように構成されており、生産性と信頼性が向上する。
ドライバ回路基板２２は、補機用パワーモジュール３５０及びバスバーモジュール８００の上方に配置される。また、ドライバ回路基板２２と制御回路基板２０の間には金属ベース板１１が配置される。金属ベース板１１は、ドライバ回路基板２２及び制御回路基板２０に搭載される回路群の電磁シールドの機能を奏すると共にドライバ回路基板２２と制御回路基板２０とが発生する熱を逃がし、冷却する作用を有している。
図５は、流路１９を有する冷却ジャケット１２の下面図である。
冷却ジャケット１２と当該冷却ジャケット１２の内部に設けられた流路１９は、一体に鋳造されている。冷却ジャケット１２に下面には、１つに繋がった開口部４０４が形成されている。この開口部４０４は、中央部に開口を有する下カバー４２０によって塞がれる。下カバー４２０と冷却ジャケット１２の間には、シール部材４０９ａ及びシール部材４０９ｂが設けられ気密性を保っている。
下カバー４２０には、一方の端辺の近傍であって当該端辺に沿って、入口配管１３を挿入するための入口孔４０１と、出口配管１４を挿入するための出口孔４０３が形成される。また下カバー４２０には、トランスミッション１１８の配置方向に向かって突出する凸部４０６が形成される。凸部４０６は、パワーモジュール３００ａ〜３００ｃ及びパワーモジュール３０１ａ〜３０１ｃ毎に設けられる。
冷媒は、流れ方向４１７のように、入口孔４０１を通って、冷却ジャケット１２の短手方向の辺に沿って形成された第１流路部１９ａに向かって流れる。そして冷媒は、流れ方向４１８のように、冷却ジャケット１２の長手方向の辺に沿って形成された第２流路部１９ｂを流れる。また冷媒は、流れ方向４２１のように、冷却ジャケット１２の短手方向の辺に沿って形成された第３流路部１９ｃを流れる。第３流路部１９ｃは折り返し流路を形成する。また、冷媒は、流れ方向４２２のように、冷却ジャケット１２の長手方向の辺に沿って形成された第４流路部１９ｄを流れる。第４流路部１９ｄは、コンデンサモジュール５００を挟んで第２流路部１９ｂと対向する位置に設けられる。さらに、冷媒は、流れ方向４２３のように、冷却ジャケット１２の短手方向の辺に沿って形成された第５流路部１９ｅ及び出口孔４０３を通って出口配管１４に流出する。
第１流路部１９ａ，第２流路部１９ｂ，第３流路部１９ｃ，第４流路部１９ｄ及び第５流路部１９ｅは、いずれも幅方向より深さ方向が大きく形成される。パワーモジュール３００ａ〜３００ｃが、冷却ジャケット１２の上面側に形成された開口部４００ａ〜４００ｃから挿入され（図４参照）、第２流路部１９ｂ内の収納空間に収納される。なお、パワーモジュール３００ａの収納空間とパワーモジュール３００ｂの収納空間との間には、冷媒の流れを澱ませないための中間部材４０８ａが形成される。同様に、パワーモジュール３００ｂの収納空間とパワーモジュール３００ｃの収納空間との間には、冷媒の流れを澱ませないための中間部材４０８ｂが形成される。中間部材４０８ａ及び中間部材４０８ｂは、その主面が冷媒の流れ方向に沿うように形成される。第４流路部１９ｄも第２流路部１９ｂと同様にパワーモジュール３０１ａ〜３０１ｃの収納空間及び中間部材を形成する。また、冷却ジャケット１２は、開口部４０４と開口部４００ａ〜４００ｃ及び４０２ａ〜４０２ｃとが対向するように形成されているので、アルミ鋳造により製造し易い構成になっている。
下カバー４２０には、筐体１１９と当接し、電力変換装置２００を支持するための支持部４１０ａ及び支持部４１０ｂが設けられる。支持部４１０ａは下カバー４２０の一方の端辺に近づけて設けられ、支持部４１０ｂは下カバー４２０の他方の端辺に近づけて設けられる。これにより、電力変換装置２００を、トランスミッション１１８やモータジェネレータ１９２の円柱形状に合わせて形成された筐体１１９の側壁に強固に固定することができる。
また、支持部４１０ｂは、抵抗器４５０を支持するように構成されている。この抵抗器４５０は、乗員保護やメンテナンス時における安全面に配慮して、コンデンサセルに帯電した電荷を放電するためのものである。抵抗器４５０は、高電圧の電気を継続的に放電できるように構成されているが、万が一、抵抗器もしくは放電機構に何らかの異常があった場合でも、車両に対するダメージを最小限にするように配慮した構成とする必要がある。つまり、抵抗器４５０がパワーモジュールやコンデンサモジュールやドライバ回路基板等の周辺に配置されている場合、万が一抵抗器４５０が発熱，発火等の不具合を発生した場合に主要部品近傍で延焼する可能性が考えられる。
そこで本実施形態では、パワーモジュール３００ａ〜３００ｃやパワーモジュール３０１ａ〜３０１ｃやコンデンサモジュール５００は、冷却ジャケット１２を挟んで、トランスミッション１１８を収納した筐体１１９とは反対側に配置され、かつ抵抗器４５０は、冷却ジャケット１２と筐体１１９との間の空間に配置される。これにより、抵抗器４５０が金属で形成された冷却ジャケット１２及び筐体１１９で囲まれた閉空間に配置されることになる。なお、コンデンサモジュール５００内のコンデンサセルに貯まった電荷は、図４に示されたドライバ回路基板２２に搭載されたスイッチング手段のスイッチング動作によって、冷却ジャケット１２の側部を通る配線を介して抵抗器４５０に放電制御される。本実施形態では、スイッチング手段によって高速に放電するように制御される。放電を制御するドライバ回路基板２２と抵抗器４５０の間に、冷却ジャケット１２が設けられているので、ドライバ回路基板２２を抵抗器４５０から保護することができる。また、抵抗器４５０は下カバー４２０に固定されているので、流路１９と熱的に非常に近い位置に設けられているので、抵抗器４５０の異常な発熱を抑制することができる。
図６乃至図９を用いてインバータ部１４０およびインバータ部１４２に使用されるパワーモジュール３００ａの詳細構成を説明する。図６（ａ）は、本実施形態のパワーモジュール３００ａの斜視図である。図６（ｂ）は、本実施形態のパワーモジュール３００ａの断面図である。
上下アーム直列回路を構成するパワー半導体素子（ＩＧＢＴ３２８，ＩＧＢＴ３３０，ダイオード１５６，ダイオード１６６）が、図７乃至図８に示す如く、導体板３１５や導体板３１８によって、あるいは導体板３１６や導体板３１９によって、両面から挟んで固着される。これら導体板には、信号端子３２５Ｕや信号端子３２５Ｌである信号配線を一体にトランスファーモールドして成る補助モールド体６００が組み付けられる。導体板３１５等は、その放熱面が露出した状態で第一封止樹脂３４８によって封止され、当該放熱面に絶縁シート３３３が熱圧着される。第一封止樹脂３４８により封止されたモジュール一次封止体３０２は、モジュールケース３０４の中に挿入して絶縁シート３３３を挟んで、ＣＡＮ型冷却器であるモジュールケース３０４の内面に熱圧着される。ここで、ＣＡＮ型冷却器とは、一面に挿入口３０６と他面に底を有する筒形状をした冷却器である。
モジュールケース３０４は、アルミ合金材料例えばＡｌ，ＡｌＳｉ，ＡｌＳｉＣ，Ａｌ−Ｃ等から構成され、かつ、つなぎ目の無い状態で一体に成形される。モジュールケース３０４は、挿入口３０６以外に開口を設けない構造であり、挿入口３０６は、フランジ３０４Ｂよって、その外周を囲まれている。また、図６（ａ）に示されるように、他の面より広い面を有する第１放熱面３０７Ａ及び第２放熱面３０７Ｂがそれぞれ対向した状態で配置され、当該対向する第１放熱面３０７Ａと第２放熱面３０７Ｂと繋ぐ３つの面は、当該第１放熱面３０７Ａ及び第２放熱面３０７Ｂより狭い幅で密閉された面を構成し、残りの一辺の面に挿入口３０６が形成される。モジュールケース３０４の形状は、正確な直方体である必要が無く、角が図６（ａ）に示す如く曲面を成していても良い。
このような形状の金属製のケースを用いることで、モジュールケース３０４を水や油などの冷媒が流れる流路１９内に挿入しても、冷媒に対するシールをフランジ３０４Ｂにて確保できるため、冷却媒体がモジュールケース３０４の内部に侵入するのを簡易な構成で防ぐことができる。また、対向した第１放熱面３０７Ａと第２放熱面３０７Ｂに、フィン３０５がそれぞれ均一に形成される。さらに、第１放熱面３０７Ａ及び第２放熱面３０７Ｂの外周には、厚みが極端に薄くなっている湾曲部３０４Ａが形成されている。湾曲部３０４Ａは、フィン３０５を加圧することで簡単に変形する程度まで厚みを極端に薄くしてあるため、モジュール一次封止体３０２が挿入された後の生産性が向上する。
モジュールケース３０４の内部に残存する空隙には、第二封止樹脂３５１を充填される。また、図８に示されるように、コンデンサモジュール５００と電気的に接続するための直流正極配線３１５Ａおよび直流負極配線３１９Ａが設けられており、その先端部に直流負極端子３１５Ｂと直流正極端子３１９Ｂが形成されている。モータジェネレータ１９２あるいは１９４に交流電力を供給するための交流配線３２０が設けられており、その先端に交流端子３２１が形成されている。本実施形態では、直流正極配線３１５Ａは導体板３１５と一体成形され、直流負極配線３１９Ａは導体板３１９と一体成形され、交流配線３２０は導体板３１６と一体成形される。
上述のように導体板３１５等を絶縁シート３３３を介してモジュールケース３０４の内壁に熱圧着することにより、導体板とモジュールケース３０４の内壁の間の空隙を少なくすることができ、パワー半導体素子の発生熱を効率良くフィン３０５へ伝達できる。さらに絶縁シート３３３にある程度の厚みと柔軟性を持たせることにより、熱応力の発生を絶縁シート３３３で吸収することができ、温度変化の激しい車両用の電力変換装置に使用するのに良好となる。
図７（ａ）は、理解を助けるために、モジュールケース３０４と絶縁シート３３３と第一封止樹脂３４８と第二封止樹脂３５１を取り除いた内部断面図である。図７（ｂ）は、内部斜視図である。図８（ａ）は、図７（ｂ）の構造の理解を助けるための分解図である。図８（ｂ）は、パワーモジュール３００の回路図である。
まず、パワー半導体素子（ＩＧＢＴ３２８，ＩＧＢＴ３３０，ダイオード１５６，ダイオード１６６）と導体板の配置を、図８（ｂ）に示された電気回路と関連付けて説明する。図７（ｂ）に示されるように、直流正極側の導体板３１５と交流出力側の導体板３１６は、略同一平面状に配置される。導体板３１５には、上アーム側のＩＧＢＴ３２８のコレクタ電極と上アーム側のダイオード１５６のカソード電極が固着される。導体板３１６には、下アーム側のＩＧＢＴ３３０のコレクタ電極と下アーム側のダイオード１６６のカソード電極が固着される。同様に、導体板３１８と導体板３１９は、略同一平面状に配置される。導体板３１８には、上アーム側のＩＧＢＴ３２８のエミッタ電極と上アーム側のダイオード１５６のアノード電極が固着される。導体板３１９には、下アーム側のＩＧＢＴ３３０のエミッタ電極と下アーム側のダイオード１６６のアノード電極が固着される。各パワー半導体素子は、各導体板に設けられた素子固着部３２２に、金属接合材１６０を介してそれぞれ固着される。金属接合材１６０は、例えばはんだ材や銀シート及び微細金属粒子を含んだ低温焼結接合材、等である。
各パワー半導体素子は板状の扁平構造であり、当該パワー半導体素子の各電極は表裏面に形成されている。図７（ａ）に示されるように、パワー半導体素子の各電極は、導体板３１５と導体板３１８、または導体板３１６と導体板３１９によって挟まれる。つまり、導体板３１５と導体板３１８は、ＩＧＢＴ３２８及びダイオード１５６を介して略平行に対向した積層配置となる。同様に、導体板３１６と導体板３１９は、ＩＧＢＴ３３０及びダイオード１６６を介して略平行に対向した積層配置となる。また、導体板３１６と導体板３１８は中間電極３２９を介して接続されている。この接続により上アーム回路と下アーム回路が電気的に接続され、上下アーム直列回路が形成される。
直流正極配線３１５Ａと直流負極配線３１９Ａは、樹脂材料で成形された補助モールド体６００を介して対向した状態で略平行に延びる形状を成している。信号端子３２５Ｕや信号端子３２５Ｌは、補助モールド体６００に一体に成形されて、かつ直流正極配線３１５Ａ及び直流負極配線３１９Ａと同様の方向に向かって延びている。補助モールド体６００に用いる樹脂材料は、絶縁性を有する熱硬化性樹脂か、あるいは熱可塑性樹脂が適している。これにより、直流正極配線３１５Ａと直流負極配線３１９Ａと信号端子３２５Ｕと信号端子３２５Ｌとの間の絶縁性を確保でき、高密度配線が可能となる。さらに、直流正極配線３１５Ａと直流負極配線３１９Ａを略平行に対向するように配置したことにより、パワー半導体素子のスイッチング動作時に瞬間的に流れる電流が、対向してかつ逆方向に流れる。これにより、電流が作る磁界が互いに相殺する作用をなし、この作用により低インダクタンス化が可能となる。
図９（ａ）は、モジュール一次封止体３０２と絶縁シート３３３の分解斜視図であり、図９（ｂ）は、モジュール一次封止体３０２と絶縁シート３３３とモジュールケース３０４の組み立て図である。
モジュール一次封止体３０２の各導体板３１６〜３１９は、第１封止樹脂３４８から露出した露出面３２３を形成して、この露出面３２３が、素子の熱を放熱するための放熱面となる。露出面３２３及び第一封止樹脂表面３３７は、絶縁シート３３３とのシート圧着面３３８を形成する。シート圧着面３３８は、モジュール一次封止体３０２の両面に形成される。
そして、図９（ｂ）に示されるように、絶縁シート３３３を貼り付けたモジュール一次封止体３０２はモジュールケース３０４に収納され、モジュール一次封止体３０２が絶縁シート３３３を介してモジュールケース３０４の対向する内壁に押圧されて固定される。
図１０（ａ）及び（ｂ）は、本実施形態のパワーモジュール３００に剥離部３４０が生じた場合を示す断面図である。図１０に示すように、絶縁シート３３３とシート圧着面３３８に剥離部３４０が発生すると、素子からフィン３０５までの熱抵抗が高くなることにより、ＩＧＢＴ３２８及び３３０が動作保証温度を超えるおそれがある。また、剥離部３４０に水分が溜まった場合、電気的絶縁性能が低下し、電気的ショートや放電などの不具合が発生する。
一方の絶縁シート３３３と接合されるモジュール一次封止体３０２の一方の接合面と、他方の絶縁シート３３３と接合されるモジュール一次封止体３０２の他方の接合面とが、近似した構成である場合、接合面における剥離部３４０の発生確率が等しくなるため、剥離部３４０の発生箇所を予測することは困難であった。そのため、モジュールケース３０４内部で特にＩＧＢＴ３２８及び３３０の温度を検知するための温度センスダイオード７００の配置位置が特定できなかった。仮に図１０（ｂ）に示されるように、ＩＧＢＴ３２８を境にして、温度センスダイオード７００が配置されていない側の絶縁シート３３３に剥離部３４０が発生した場合は、ＩＧＢＴ３２８及び３３０の温度検知の信頼性に問題が生じていた。一方で、ＩＧＢＴ３２８の両側電極面に温度センスダイオード７００を設けてしまうとコストが増大してしまう。
そこで、本実施形態では、温度センスダイオード７００が配置された側の絶縁シート３３３は、温度センスダイオード７００が配置されていない側の絶縁シート３３３よりも、剥離を発生し易い構成としている。
図１８（ａ）はモジュール一次封止体３０２の一方面を斜視図であり、図１８（ｂ）はモジュール一次封止体３０２の他方面を斜視図である。図１８（ａ）及び（ｂ）に示されるように、モジュール一次封止体３０２は、導体板３１８の露出面３２３の面積が導体板３１５の露出面３２４の面積より小さくなるように形成されている。また、同様に、ジュール一次封止体３０２は、導体板３１９の露出面３２３の面積が導体板３１６の露出面３２４の面積より小さくなるように形成されている。
一般に、絶縁シート３３３は、樹脂製材料で構成される第１封止樹脂３４８よりも、金属製材料で構成される導体板３１６〜３１９との接着力が大きくなる。よって、導体板３１５及び３１６は、対向する導体板３１８及び３１９より絶縁シート３３３との接合面積が大きいため、剥離が発生し易いのは導体板３１８及び３１９側の絶縁シート３３３ということになる。
好ましくは、導体板３１５と導体板３１６の露出面３２３の面積和が、導体板３１８と導体板３１９の露出面３２３の面積和の１.１５倍より大きく形成される。なぜなら、絶縁シート３３３は厚さ１２０μｍ±２０μｍであり、約１５％ほどのバラツキが発生する。この絶縁シート３３３厚さばらつきを吸収できるように、露出面の面積比率も１.１５倍より大きく形成するように構成することで、さらに信頼性を向上させることができる。
なお、温度センスダイオード７００は、そのＩＧＢＴ３２８またはＩＧＢＴ３３０に対する温度検知精度を向上させるために、ＩＧＢＴ３２８またはＩＧＢＴ３３０の一方の電極面（例えば、ゲート電極が形成された側の面）と絶縁シート３３３との間に配置される。
図１１は、本実施形態のコンデンサモジュール５００の分解斜視図である。
積層導体板５０１は、薄板状の幅広導体で形成された負極導体板５０５及び正極導体板５０７、さらに負極導体板５０５と正極導体板５０７に挟まれた絶縁シート５１７により構成されているので、低インダクタンス化が図られている。積層導体板５０１は、略長方形形状を成す。バッテリ負極側端子５０８及びバッテリ正極側端子５０９は、積層導体板５０１の短手方向の一方の辺から立ち上げられた状態で形成される。
コンデンサ端子５０３ａ〜５０３ｃは、積層導体板５０１の長手方向の一方の辺から立ち上げられた状態で形成される。また、コンデンサ端子５０３ｄ〜５０３ｆは、積層導体板５０１の長手方向の他方の辺から立ち上げられた状態で形成される。なお、コンデンサ端子５０３ａ〜５０３ｆは、積層導体板５０１の主面を横切る方向に立ち上げられている。コンデンサ端子５０３ａ〜５０３ｃは、パワーモジュール３００ａ〜３００ｃとそれぞれ接続される。コンデンサ端子５０３ｄ〜５０３ｆは、パワーモジュール３０１ａ〜３０１ｃとそれぞれ接続される。コンデンサ端子５０３ａを構成する負極側コンデンサ端子５０４ａと正極側コンデンサ端子５０６ａとの間には、絶縁シート５１７の一部が設けられ、絶縁が確保されている。他のコンデンサ端子５０３ｂ〜５０３ｆも同様である。なお、本実施形態では、負極導体板５０５，正極導体板５０７，バッテリ負極側端子５０８，バッテリ正極側端子５０９，コンデンサ端子５０３ａ〜５０３ｆは、一体に成形された金属製板で構成され、インダクタンス低減及び生産性の向上を図っている。
コンデンサセル５１４は、積層導体板５０１の下方に複数個設けられる。本実施形態では、８つのコンデンサセル５１４が積層導体板５０１の長手方向の一方の辺に沿って一列に並べられ、かつさらに別の８つのコンデンサセル５１４が積層導体板５０１の長手方向の他方の辺に沿って一列に並べられ、合計１６個のコンデンサセルが設けられる。積層導体板５０１の長手方向のそれぞれの辺に沿って並べられたコンデンサセル５１４は、図１１に示される点線ＡＡを境にて対称に並べられる。これにより、コンデンサセル５１４によって平滑化された直流電流をパワーモジュール３００ａ〜３００ｃ及びパワーモジュール３０１ａ〜３０１ｃに供給する場合に、コンデンサ端子５０３ａ〜５０３ｃとコンデンサ端子５０３ｄ〜５０３ｆとの間の電流バランスが均一化され、積層導体板５０１のインダクタンス低減を図ることができる。また、電流が積層導体板５０１にて局所的に流れることを防止できるので、熱バランスが均一化されて耐熱性も向上させることができる。
また、バッテリ負極側端子５０８とバッテリ正極側端子５０９も、図１１に示される点線ＡＡを境にて対称に並べられる。同様に、コンデンサ端子５０３ａ〜５０３ｃとコンデンサ端子５０３ｄ〜５０３ｆとの間の電流バランスが均一化されて積層導体板５０１のインダクタンス低減を図ることができ、かつ熱バランスが均一化されて耐熱性も向上させることができる。
本実施形態のコンデンサセル５１４は、コンデンサモジュール５００の蓄電部の単位構造体であり、片面にアルミなどの金属を蒸着したフィルムを２枚積層し巻回して、２枚の金属の各々を正極，負極としたフィルムコンデンサを用いる。コンデンサセル５１４の電極は、巻回した軸面がそれぞれ、正極，負極電極となり、スズなどの導電体を吹き付けて製造される。
コンデンサケース５０２は、コンデンサセル５１４を収納するための収納部５１１を備え、当該収納部５１１は上面及び下面が略長方形状を成す。収納部５１１の底面部５１３は、円筒形のコンデンサセル５１４の表面形状に合わせるように、なめらかな凹凸形状若しくは波形形状を成している。これにより、積層導体板５０１とコンデンサセル５１４が接続されたモジュールをコンデンサケース５０２に位置決めさることが容易になる。また、積層導体板５０１とコンデンサセル５１４がコンデンサケース５０２に収納された後に、コンデンサ端子５０３ａ〜５０３ｆとバッテリ負極側端子５０８及びバッテリ正極側端子５０９を除いて、積層導体板５０１が覆われるようにコンデンサケース５０２内に充填材（不図示）が充填される。底面部５１３がコンデンサセル５１４の形状に合わせて波形形状となっていることにより、充填材がコンデンサケース５０２内に充填される際に、コンデンサセル５１４が所定位置からずれることを防止できる。
また、コンデンサセル５１４は、スイッチング時のリップル電流により、内部のフィルム上に蒸着された金属薄膜，内部導体の電気抵抗により発熱する。そこで、コンデンサセル５１４の熱をコンデンサケース５０２を逃がし易くするために、コンデンサセル５１４を充填材でモールドする。さらに樹脂製の充填材を用いることにより、コンデンサセル５１４の耐湿も向上させることができる。
さらに、本実施形態では、コンデンサモジュール５００は、収納部５１１の長手方向の辺を形成する側壁が流路１９に挟まれように配置されているので、コンデンサモジュール５００を効率良く冷やすことができる。また、コンデンサセル５１４は、当該コンデンサセル５１４の電極面の一方が収納部５１１の長手方向の辺を形成する内壁と対向するように配置されている。これにより、フィルムの巻回軸の方向に熱が伝達し易いので、熱がコンデンサセル５１４の電極面を介してコンデンサケース５０２に逃げやすくなっている。
図１２（ａ）は、冷却ジャケット１２にパワーモジュールとコンデンサモジュールとバスバーモジュールを組み付けた外観斜視図である。図１２（ｂ）は、図１２（ａ）の点線囲み部の拡大図である。
図１２（ｂ）に示されるように、直流負極端子３１５Ｂ，直流正極端子３１９Ｂ，交流端子３２１及び第２封止部６０１Ｂは、コンデンサケース５０２の貫通孔５１９を通って、フランジ部５１５ａの上方まで延びている。直流負極端子３１５Ｂ及び直流正極端子３１９Ｂの電流経路の面積は、積層導体板５０１の電流経路の面積より非常に小さい。そのため、電流が積層導体板５０１から直流負極端子３１５Ｂ及び直流正極端子３１９Ｂに流れる際には、電流経路の面積が大きく変化することになる。つまり、電流が直流負極端子３１５Ｂ及び直流正極端子３１９Ｂに集中することになる。また、直流負極端子３１５Ｂ及び直流正極端子３１９Ｂが積層導体板５０１を横切る方向に突出する場合、言い換えると、直流負極端子３１５Ｂ及び直流正極端子３１９Ｂが積層導体板５０１とねじれの関係にある場合、新たな接続用導体が必要になり生産性低下やコスト増大の問題が生じる。
そこで、本実施形態では、負極側コンデンサ端子５０４ａは、積層導体板５０１から立ち上がっている立上り部５４０と、当該立上り部５４０と接続されかつＵ字状に屈曲した折返し部５４１と、当該折返し部５４１と接続されかつ立上り部５４０とは反対側の面が直流正極端子３１９Ｂの主面と対向する接続部５４２とにより構成される。また、正極側コンデンサ端子５０６ａは、積層導体板５０１から立ち上がっている立上り部５４３と、折返し部５４４と、当該折返し部５４４と接続されかつ立上り部５４３とは反対側の面が直流負極端子３１５Ｂの主面と対向する接続部５４５と、により構成される。特に、折返し部５４４は、立上り部５４３と略直角に接続されかつ負極側コンデンサ端子５０４ａと直流負極端子３１５Ｂと直流正極端子３１９Ｂの側部を跨ぐように構成される。さらに、立上り部５４０の主面と立上り部５４３の主面は絶縁シート５１７を介して対向する。同様に、折返し部５４１の主面と折返し部５４４の主面は絶縁シート５１７を介して対向する。
これにより、コンデンサ端子５０３ａが接続部５４２の直前まで絶縁シート５１７を介した積層構造を成すため、電流が集中する当該コンデンサ端子５０３ａの配線インダクタンスを低減することができる。
また、折返し部５４４が負極側コンデンサ端子５０４ａと直流負極端子３１５Ｂと直流正極端子３１９Ｂの側部を跨ぐように構成される。さらに、直流正極端子３１９Ｂの先端と接続部５４２の側辺とは溶接により接続され、同様に直流負極端子３１５Ｂの先端と接続部５４５の側辺とは溶接により接続される。
これにより、直流正極端子３１９Ｂ及び直流負極端子３１５Ｂの溶接接続するための作業方向と折返し部５４４とが干渉することがなくなるので、低インダクタンスを図りながら生産性を向上させることができる。
また、交流端子３２１の先端は交流バスバー８０２ａの先端とは溶接により接続される。溶接をするための生産設備において、溶接機械を溶接対象に対して複数方向に可動できるように作ることは、生産設備を複雑化させることにつながり生産性及びコスト的な観点から好ましくない。そこで、本実施形態では、交流端子３２１の溶接箇所と直流正極端子３１９Ｂの溶接箇所は、冷却ジャケット１２の長手方向の辺に沿って一直線状に配置される。これにより、溶接機械を一方向に可動する間に、複数の溶接を行うことができ、生産性が向上する。
さらに、図４（ａ）及び図１２（ａ）に示されるように、複数のパワーモジュール３００ａ〜３００ｃは、冷却ジャケット１２の長手方向の辺に沿って一直線状に配置される。これにより、複数のパワーモジュール３００ａ〜３００ｃを溶接する際に、更に生産性を向上させることができる。
図１３は、パワーモジュールとコンデンサモジュールを組み付けた冷却ジャケット１２とバスバーモジュール８００の分解斜視図である。図１４は、保持部材８０３を除いたバスバーモジュール８００の外観斜視図である。
図１３及び図１４に示されるように、第１交流バスバー８０２ａ〜８０２ｆは、電流センサ１８０ａ又は電流センサ１８０ｂの設置箇所まで、当該第１交流バスバー８０２ａ〜８０２ｆの主面がコンデンサモジュール５００の積層導体板５０１の主面と略垂直になるように形成される。また、第１交流バスバー８０２ａ〜８０２ｆは、電流センサ１８０ａの貫通孔又は電流センサ１８０ｂの貫通孔の直前で略直角に折り曲げられる。これにより、電流センサ１８０ａ又は電流センサ１８０ｂを貫通する第１交流バスバー８０２ａ〜８０２ｆの部分は、その主面が積層導体板５０１の主面と略平行になる。そして、第１交流バスバー８０２ａ〜８０２ｆの端部には、第２交流バスバー８０４ａ〜８０４ｆと接続するための接続部８０５ａ〜８０５ｆが形成される（接続部８０５ｄ〜８０５ｆは不図示）。
第２交流バスバー８０４ａ〜８０４ｆは、接続部８０５ａ〜８０５ｆの近傍で、コンデンサモジュール５００側に向かって略直角に折り曲げられる。これにより、第２交流バスバー８０４ａ〜８０４ｆの主面がコンデンサモジュール５００の積層導体板５０１の主面と略垂直になるように形成される。さらに第２交流バスバー８０４ａ〜８０４ｆは、電流センサ１８０ａ又は電流センサ１８０ｂの近傍から、図１３に示された冷却ジャケット１２の短手方向の一方の辺１２ａに向かって延ばされ、当該辺１２ａを横切るように形成される。つまり、複数の第２交流バスバー８０４ａ〜８０４ｆの主面が向かい合った状態で、当該第２交流バスバー８０４ａ〜８０４ｆが辺１２ａを横切るように形成される。
これにより、装置全体を大型化させることなく、冷却ジャケット１２の短い辺側から複数の板状交流バスバーを外部に突出させることができる。そして、冷却ジャケット１２の一面側から複数の交流バスバーを突出させることで、電力変換装置２００の外部での配線の取り回しが容易になり、生産性が向上する。
図１３に示されるように、第１交流バスバー８０２ａ〜８０２ｆ，電流センサ１８０ａ〜１８０ｂ及び第２交流バスバー８０４ａ〜８０４ｆは、樹脂で構成された保持部材８０３によって、保持及び絶縁されている。この保持部材８０３により、第２交流バスバー８０４ａ〜８０４ｆが金属製の冷却ジャケット１２及び筐体１１９との間の絶縁性を向上させる。また保持部材８０３が冷却ジャケット１２に熱的に接触又は直接接触することにより、トランスミッション１１８側から第２交流バスバー８０４ａ〜８０４ｆに伝わる熱を、冷却ジャケット１２に逃がすことができるので、電流センサ１８０ａ〜１８０ｂの信頼性を向上させることができる。
図１３に示されるように、保持部材８０３は、図４に示されたドライバ回路基板２２を指示するための支持部材８０７ａ及び支持部材８０７ｂを設ける。支持部材８０７ａは、複数設けられ、かつ冷却ジャケット１２の長手方向の一方の辺に沿って一列に並べて形成される。また、支持部材８０７ｂは、複数設けられ、かつ冷却ジャケット１２の長手方向の他方の辺に沿って一列に並べて形成される。支持部材８０７ａ及び支持部材８０７ｂの先端部には、ドライバ回路基板２２を固定するための螺子穴が形成されている。
さらに、保持部材８０３は、電流センサ１８０ａ及び電流センサ１８０ｂが配置された箇所から上方に向かって延びる突起部８０６ａ及び突起部８０６ｂを設ける。突起部８０６ａ及び突起部８０６ｂは、それぞれ電流センサ１８０ａ及び電流センサ１８０ｂを貫通するように構成される。図１４に示されるように、電流センサ１８０ａ及び電流センサ１８０ｂは、ドライバ回路基板２２の配置方向に向かって延びる信号線１８２ａ及び信号線１８２ｂを設ける。信号線１８２ａ及び信号線１８２ｂは、ドライバ回路基板２２の配線パターンと半田によって接合される。本実施形態では、保持部材８０３，支持部材８０７ａ〜８０７ｂ及び突起部８０６ａ〜８０６ｂは、樹脂で一体に形成される。
これにより、保持部材８０３が電流センサ１８０とドライバ回路基板２２との位置決め機能を備えることになるので、信号線１８２ａとドライバ回路基板２２との間の組み付け及び半田接続作業が容易になる。また、電流センサ１８０とドライバ回路基板２２を保持する機構を保持部材８０３に設けることで、電力変換装置全体としての部品点数を削減できる。
本実施形態の電力変換装置２００はトランスミッション１１８を収納した筐体１１９に固定されるので、トランスミッション１１８からの振動の影響を大きく受ける。そこで、保持部材８０３は、ドライバ回路基板２２の中央部の近傍を指示するための支持部材８０８を設けて、ドライバ回路基板２２に加わる振動の影響を低減している。なお、保持部材８０３は、冷却ジャケット１２に螺子により固定される。
また、保持部材８０３は、補機用パワーモジュール３５０の一方の端部を固定するためのブラケット８０９を設ける。また図４に示されるように、補機用パワーモジュール３５０は突出部４０７に配置されることにより、当該補機用パワーモジュール３５０の他方の端部が当該突出部４０７に固定される。これにより、補機用パワーモジュール３５０に加わる振動の影響を低減するとともに、固定用の部品点数を削減することができる。
図１５は、パワーモジュールとコンデンサモジュールとバスバーモジュール８００と補機用パワーモジュール３５０を組み付けた冷却ジャケット１２の外観斜視図である。
電流センサ１８０は、約１００℃の耐熱温度以上に熱せられると破壊するおそれがある。特に車載用の電力変換装置では、使用される環境の温度が非常に高温になるため、電流センサ１８０を熱から保護することが重要になる。特に、本実施形態に係る電力変換装置２００はトランスミッション１１８に搭載されるので、当該トランスミッション１１８から発せられる熱から保護することが重要になる。
そこで、本実施形態では、電流センサ１８０ａ及び電流センサ１８０ｂは、冷却ジャケット１２を挟んでトランスミッション１１８とは反対側に配置される。これにより、トランスミッション１１８が発する熱が電流センサに伝達しずらくなり、電流センサの温度上昇を抑えられる。さらに、第２交流バスバー８０４ａ〜８０４ｆは、図５に示された第３流路１９ｃを流れる冷媒の流れ方向８１０を横切るように形成される。そして、電流センサ１８０ａ及び電流センサ１８０ｂは、第３流路部１９ｃを横切る第２交流バスバー８０４ａ〜８０４ｆの部分よりもパワーモジュールの交流端子３２１に近い側に配置される。これにより、第２交流バスバー８０４ａ〜８０４ｆが冷媒によって間接的に冷却され、交流バスバーから電流センサ、更にはパワーモジュール内の半導体チップに伝わる熱を和らげることができるため、信頼性が向上する。
図１５に示される流れ方向８１１は、図５にて示された第４流路１９ｄを流れる冷媒の流れ方向を示す。同様に、流れ方向８１２は、図５にて示された第２流路１９ｂを流れる冷媒の流れ方向を示す。本実施形態に係る電流センサ１８０ａ及び電流センサ１８０ｂは、電力変換装置２００の上方から投影したときに、電流センサ１８０ａ及び電流センサ１８０ｂの投影部が流路１９の投影部に囲まれるように配置される。これにより電流センサをトランスミッション１１８からの熱から更に保護することができる。
図１６は、制御回路基板２０と金属ベース板１１を分離した電力変換装置２００の分割斜視図である。
図１５にて示されたように、電流センサ１８０は、コンデンサモジュール５００の上方に配置される。ドライバ回路基板２２は、電流センサ１８０の上方に配置され、かつ図１３に示されたバスバーモジュール８００に設けられる支持部材８０７ａ及び８０７ｂによって支持される。金属ベース板１１は、ドライバ回路基板２２の上方に配置され、かつ冷却ジャケット１２から立設された複数の支持部材１５によって支持される。制御回路基板２０は、金属ベース板１１の上方に配置され、かつ金属ベース板１１に固定される。
電流センサ１８０とドライバ回路基板２２と制御回路基板２０が高さ方向に一列に階層的に配置され、かつ制御回路基板２０が強電系のパワーモジュール３００及び３０１から最も遠い場所に配置されるので、スイッチングノイズ等が混入することを抑制することができる。さらに、金属ベース板１１は、グランドに電気的に接続された冷却ジャケット１２に電気的に接続されている。この金属ベース板１１によって、ドライバ回路基板２２から制御回路基板２０に混入するノイズを低減している。
本実施形態においては、流路１９に流れる冷媒の冷却対象が主に駆動用のパワーモジュール３００及び３０１であるので、当該パワーモジュール３００及び３０１は流路１９内に収納されて直接と冷媒と接触して冷却される。一方、補機用パワーモジュール３５０も、駆動用パワーモジュールほどではないが冷却することが求められる。
そこで、本実施形態では、補機用パワーモジュール３５０の金属ベースで形成された放熱面が、流路１９を介して、入口配管１３及び出口配管１４と対向するように形成される。特に、補機用パワーモジュール３５０を固定する突出部４０７が入口配管１３の上方に形成されているので、下方から流入する冷媒が突出部４０７の内壁に衝突して、効率良く補機用パワーモジュール３５０から熱を奪うことができる。さらに、突出部４０７の内部には、流路１９と繋がる空間を形成している。この突出部４０７内部の空間によって、入口配管１３及び出口配管１４近傍の流路１９の深さが大きくなっており、突出部４０７内部の空間に液溜りが生じることになる。この液溜りにより効率良く補機用パワーモジュール３５０を冷却することができる。
電流センサ１８０とドライバ回路基板２２を電気的に繋ぐ際に、配線コネクタを用いると接続工程の増大や、接続ミスの危険性を招くことになる。
そこで、図１６に示されるように、本実施形態のドライバ回路基板２２には、当該ドライバ回路基板２２を貫通する第１孔２４及び第２孔２６が形成される。また第１孔２４にはパワーモジュール３００の信号端子３２５Ｕ及び信号端子３２５Ｌが挿入され、信号端子３２５Ｕ及び信号端子３２５Ｌはドライバ回路基板２２の配線パターンと半田により接合される。さらに第２孔２６には電流センサ１８０の信号線１８２が挿入され、信号線１８２はドライバ回路基板２２の配線パターンと半田により接合される。なお、冷却ジャケット１２との対向面とは反対側のドライバ回路基板２２の面側から半田接合が行われる。
これにより、配線コネクタを用いることなく信号線が接続できるので生産性を向上させることができる。また、パワーモジュール３００の信号端子３２５と電流センサ１８０の信号線１８２を、同一方向から半田により接合されることにより、生産性を更に向上させることができる。また、ドライバ回路基板２２に、信号端子３２５を貫通させるための第１孔２４や、信号線１８２を貫通させるための第２孔２６をそれぞれ設けることにより接続ミスの危険性を少なくすることができる。
また、本実施形態のドライバ回路基板２２は、冷却ジャケット１２と対向する面側に、ドライバＩＣチップ等の駆動回路（不図示）を実装している。これにより、半田接合の熱がドライバＩＣチップ等に伝わることを抑制して、半田接合によるドライバＩＣチップ等の損傷を防止している。また、ドライバ回路基板２２に搭載されているトランスのような高背部品が、コンデンサモジュール５００とドライバ回路基板２２との間の空間に配置されるので、電力変換装置２００全体を低背化することが可能となる。
図１７は、図１６のＢ面で切り取った電力変換装置２００をＣ方向から見た断面図である。
モジュールケース３０４に設けられたフランジ３０４Ｂは、コンデンサケース５０２に設けられたフランジ５１５ａ又はフランジ５１５ｂによって冷却ジャケット１２に押し付けられる。つまり、コンデンサセル５１４を収納したコンデンサケース５０２の自重を利用して、冷却ジャケット１２にモジュールケース３０４を押しつけることにより、流路１９の気密性を向上させることができる。
パワーモジュール３００の冷却効率を向上させるために、流路１９内の冷媒をフィン３０５が形成された領域に流すようにする必要がある。モジュールケース３０４は湾曲部３０４Ａのスペースを確保するために、モジュールケース３０４の下部にはフィン３０５が形成されていない。そこで下カバー４２０は、モジュールケース３０４の下部が、当該下カバー４２０に形成された凹部４３０に嵌合されるように形成される。これにより、冷却フィンが形成されていない空間に冷媒が流れ込むことを防止することができる。
図１７に示されるように、パワーモジュール３００とコンデンサモジュール５００とパワーモジュール３０１の配列方向は、制御回路基板２０とドライバ回路基板２２とトランスミッション１１８の配列方向を横切るように並べて配置されている。特に、パワーモジュール３００とコンデンサモジュール５００とパワーモジュール３０１は、電力変換装置２００の中では、最下層に並べて配置されている。これにより、電力変換装置２００全体の低背化が可能となるとともに、トランスミッション１１８からの振動の影響を低減することができる。
図１９（ａ）はモジュール一次封止体３０２の一方面の斜視図であり、図１９（ｂ）はモジュール一次封止体３０２の他方面の斜視図である。実施例１と同一符号を付した構成は、同一の機能を有する。
実施例１と異なる点は、導体板３１５と導体板３１６の樹脂からの露出部３２４Ｒに凹凸を設けた粗化処理を施し、導体板３１８と導体板３１９の樹脂からの露出面３２３には粗化処理を施さないか、導体板３１５と導体板３１６の粗化処理よりも面粗さが低くなる粗化処理を施すようにした。この形状においては、粗化処理を施したことで、導体板３１５及び導体板３１６と絶縁シートとの接合が、導体板３１８及び導体板３１９と絶縁シート３３３との接合よりも強くなるので、剥離部３４０が発生する場合は、露出面３２３側の接合面で発生する。すなわち、温度センスダイオード７００が高精度で温度異常上昇を検知することができるため、パワー半導体モジュールの信頼性を向上することができる。
なお、本実施形態においては、導体板３１５と導体板３１６に凹凸を設けた粗化処理を施すことを示したが、粗化処理に限らず、導体板３１５及び導体板３１６に絶縁シート３３３との接触面積を広げるための凹部又は凸部を形成して、絶縁シート３３３との接着力を向上させてもよい。
図２０は、第３実施形態に係るパワーモジュール３００の分解断面図である。実施例１と同一符号を付した構成は、同一の機能を有する。
実施例１と異なる点は、絶縁シート３３３を介して導体板３１５及び導体板３１６と対向するモジュールケース３０４の内壁側に形成された放熱面３７０に、粗化処理を施すか、接触面積を広げるための凹部又は凸部を形成するように構成されていることである。
これにより、導体板３１５及び導体板３１６と絶縁シート３３３との接合が、導体板３１８及び導体板３１９と絶縁シート３３３との接合よりも強くなるので、剥離部３４０が発生する場合は、導体板３１８及び導体板３１９側の絶縁シート３３３である。
すなわち、温度センスダイオード７００が高精度で温度異常上昇を検知することができるため、パワーモジュールの信頼性を向上することができる。
３００ パワーモジュール
３０４ モジュールケース
３０４Ａ 湾曲部
３０４Ｂ フランジ
３０５ フィン
３０６ 挿入口
３０７ 放熱ベース
３１５，３１６，３１８，３１９ 導体板
３１５Ｂ 直流負極端子
３１９Ｂ 直流正極端子
３２１ 交流端子
３２３，３２４ 露出面
３２４Ｒ 露出部
３２５Ｌ，３２５Ｕ 信号端子
３３３ 絶縁シート
３３７ 第一封止樹脂表面
３３８ シート圧着面
３４０ 剥離部
３４８ 第一封止樹脂
３５１ 第二封止樹脂
６００ 補助モールド体
７００ 温度センスダイオード

Claims (7)

  1. 直流電流を交流電流に変換するための半導体チップと、
    前記半導体チップの一方の電極面と対向し、かつ当該半導体チップと電気的に接続される第１導体板と、
    前記半導体チップの他方の電極面と対向し、かつ当該半導体チップと電気的に接続される第２導体板と、
    前記半導体チップの一方の電極面側に配置された温度検知素子と、
    前記半導体チップの配置側とは反対側の前記第１導体板の面及び前記第２導体板の面を露出した状態で、前記半導体チップと前記第１導体板と前記第２導体板と前記温度検知素子を封止する樹脂封止材と、
    第１絶縁部材を挟んで、前記第１導体板と対向して配置される第１放熱部材と、
    第２絶縁部材を挟んで、前記第２導体板と対向して配置される第２放熱部材と、を備え、
    前記第１導体板の前記樹脂封止材からの露出面は、前記第２導体板の前記樹脂封止材からの露出面よりも小さいことを特徴とするパワーモジュール。
  2. 請求項１記載のパワーモジュールであって、
    前記第１絶縁部材及び前記第２絶縁部材は、それらの厚さが１５％以内の寸法誤差を有する樹脂性の絶縁シートであり、
    前記第２導体板の前記樹脂封止材からの露出面の表面積は、前記第１導体板の前記樹脂封止材からの露出面の表面積に対して１.１５倍よりも大きいことを特徴とするパワーモジュール。
  3. 直流電流を交流電流に変換するための半導体チップと、
    前記半導体チップの一方の電極面と対向し、かつ当該半導体チップと電気的に接続される第１導体板と、
    前記半導体チップの他方の電極面と対向し、かつ当該半導体チップと電気的に接続される第２導体板と、
    前記半導体チップの一方の電極面側に配置された温度検知素子と、
    前記半導体チップの配置側とは反対側の前記第１導体板の面及び前記第２導体板の面を露出した状態で、前記半導体チップと前記第１導体板と前記第２導体板と前記温度検知素子を封止する樹脂封止材と、
    第１絶縁部材を挟んで、前記第１導体板と対向して配置される第１放熱部材と、
    第２絶縁部材を挟んで、前記第２導体板と対向して配置される第２放熱部材と、を備え、
    前記第２導体板の前記樹脂封止材からの露出面は、前記第１導体板の前記樹脂封止材からの露出面よりも粗くなるように粗化処理が成されていることを特徴とするパワーモジュール。
  4. 直流電流を交流電流に変換するための半導体チップと、
    前記半導体チップの一方の電極面と対向し、かつ当該半導体チップと電気的に接続される第１導体板と、
    前記半導体チップの他方の電極面と対向し、かつ当該半導体チップと電気的に接続される第２導体板と、
    前記半導体チップの一方の電極面側に配置された温度検知素子と、
    前記半導体チップの配置側とは反対側の前記第１導体板の面及び前記第２導体板の面を露出した状態で、前記半導体チップと前記第１導体板と前記第２導体板と前記温度検知素子を封止する樹脂封止材と、
    第１絶縁部材を挟んで、前記第１導体板と対向して配置される第１放熱部材と、
    第２絶縁部材を挟んで、前記第２導体板と対向して配置される第２放熱部材と、を備え、
    前記第２導体板の前記樹脂封止材からの露出面は、当該露出面の表面積が前記第１導体板の前記樹脂封止材からの露出面の表面積よりも大きくするための凹部又は凸部を有するパワーモジュール。
  5. 直流電流を交流電流に変換するための半導体チップと、
    前記半導体チップの一方の電極面と対向し、かつ当該半導体チップと電気的に接続される第１導体板と、
    前記半導体チップの他方の電極面と対向し、かつ当該半導体チップと電気的に接続される第２導体板と、
    前記半導体チップの一方の電極面側に配置された温度検知素子と、
    前記半導体チップの配置側とは反対側の前記第１導体板の面及び前記第２導体板の面を露出した状態で、前記半導体チップと前記第１導体板と前記第２導体板と前記温度検知素子を封止する樹脂封止材と、
    第１絶縁部材を挟んで、前記第１導体板と対向して配置される第１放熱部材と、
    第２絶縁部材を挟んで、前記第２導体板と対向して配置される第２放熱部材と、を備え、
    前記第２放熱部材は、前記第２絶縁部材と対向する面に、当該対向面の表面積が前記第１導体板の前記第１絶縁部材との対向面の表面積よりも大きくするための凹部又は凸部を有するパワーモジュール。
  6. 請求項１ないし５記載のいずれかのパワーモジュールであって、
    前記第１放熱部材と前記第２放熱部材を接続し、かつ当該第１放熱部材と当該第２放熱部材と一体に形成された中間部材を、備え、
    前記第１放熱部材と前記第２放熱部材と前記中間部材は金属材料で形成されるパワーモジュール。
  7. 請求項１ないし６記載のいずれかのパワーモジュールであって、
    前記温度検知素子は、前記半導体チップの一方の電極面と前記第１絶縁部材との間に配置されるパワーモジュール。
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