JP5380376B2 - パワー半導体装置 - Google Patents

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佑輔 ▲高▼木
伸一 藤野
隆弘 志村
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Description

本発明は、直流電力を交流電力に、または交流電力を直流電力に変換するためのスイッチング動作を行うパワー半導体素子を有するパワー半導体装置及びそれを用いた電力変換装置に関する。
電力変換装置は、直流電源から供給された直流電力を回転電機などの交流電気負荷に供給するための交流電力に変換する機能、あるいは回転電機により発電された交流電力を直流電源に供給するための直流電力に変換する機能を備えている。この変換機能を果すため、電力変換装置はスイッチング動作を行うパワー半導体素子を有するパワー半導体装置を有している。パワー半導体素子が導通動作や遮断動作を繰り返すことにより、直流電力から交流電力へ、あるいは交流電力から直流電力への電力変換が行われる。
上記のようなパワー半導体装置には、パワー半導体素子へ直流電力を供給するための正極側端子および負極側端子が設けられている。特許文献１には、正極側端子と負極側端子とが積層された状態でパワー半導体素子を樹脂材料で封止し、ＣＡＮ状のケース内に収納したパワー半導体装置が記載されている。
特開２０１０−１１０１４３号公報
パワー半導体素子を封止する工程では、例えば、正極側端子および負極側端子を上下の金型で押さえて型締めを行い、金型空間内に樹脂を充填する必要がある。しかし、上記特許文献１に記載されたように正極側端子と負極側端子が積層された状態であると、その部分だけ他の端子と比べて厚みが異なるため、型締めの際にパワー半導体素子と当該端子との接続部分への過大な応力や金型の隙間が生じるおそれがある。接続部分への過大な応力はパワー半導体素子の破損につながる。
本発明の目的は、生産工程におけるパワー半導体素子の破損を低減することである。
本発明によるパワー半導体装置の一態様は、インバータ回路の上下アームを構成する複数のパワー半導体素子と、多面体形状を有し、複数のパワー半導体素子を封止する第１封止部材と、複数のパワー半導体素子のいずれかと接続され、第１封止部材から突出する正極側端子と、複数のパワー半導体素子のいずれかと接続され、前記第１封止部材から突出する負極側端子と、正極側端子の少なくとも一部及び負極側端子の少なくとも一部を封止する第２封止部材と、第１封止部材で封止されたパワー半導体素子を収納するケースと、を備え、正極側端子及び負極側端子は、第１封止部材から突出する部分が第１封止部材の一つの面に沿って一列に並べられ、さらに、正極側端子及び負極側端子は、第２封止部材から積層状態で突出しておりかつケースの外に延出しているものである。
本発明によれば、パワーモジュールの生産工程におけるパワー半導体素子の破損を防ぐことができる。
ハイブリッド自動車の制御ブロックを示す図。 インバータ回路１４０の電気回路の構成を説明する図。 電力変換装置２００の外観斜視図。 電力変換装置２００の外観斜視図。 電力変換装置２００の分解斜視図。 電力変換装置２００の分解斜視図。 電力変換装置２００の分解斜視図である。 パワーモジュール３００Ｕ〜３００Ｗ、コンデンサモジュール５００、バスバーアッセンブリ８００が組み付けられた流路形成体１２の外観斜視図。 バスバーアッセンブリ８００を外した状態の流路形成体１２を示す図。 流路形成体１２の斜視図。 流路形成体１２を裏面側から見た分解斜視図。 本発明の実施形態に係るパワーモジュールを示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。 ネジおよび第二封止樹脂を取り除いたパワーモジュールを示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図、（ｃ）はケースの湾曲部が変形される前の断面図である。 図１３からさらにケースを取り除いたパワーモジュールを示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。 図１４からさらに第一封止樹脂および配線絶縁部を取り除いたパワーモジュールの斜視図である。 補助モールド体を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。 モジュール一次封止体の組立工程を説明するための図である。 モジュール一次封止体の組立工程を説明するための図である。 モジュール一次封止体の組立工程を説明するための図である。 モジュール一次封止体の組立工程を説明するための図である。 モジュール一次封止体の組立工程を説明するための図である。 第一封止樹脂のトランスファーモールド工程を説明するための図であり、（ａ）は型締め前の縦断面図、（ｂ）は型締め後の縦断面図である。 パワー半導体素子の制御電極と各端子との配置関係を示す図である。 直流負極配線側の導体板に応力緩和部を設けた変形例を示す図である。 本発明の実施形態に係るパワーモジュールの内蔵回路構成を示す図である。 本発明の実施形態に係るパワーモジュールにおける低インダクタンス化について説明するための図である。 コンデンサモジュール５００の外観斜視図。 バスバーアッセンブリ８００の斜視図。 パワーモジュール３００Ｕ〜３００Ｗおよびコンデンサモジュール５００が装着された流路形成体１２を示す図。 流路形成体１２の水平断面図。 パワーモジュール３００Ｕ〜３００Ｗの配置を説明するための模式図。 電力変換装置２００の断面を示す図。 電力変換装置２００を車両に搭載したときのレイアウトを説明する図。 変形例を示す図。 変形例を示す図。 変形例を示す図。 本実施形態に係る流路形成体１２の断面図。 直流負極配線を分割した場合の変形例を示す図である。 変形例に係るモジュール一次封止体の組立工程を説明するための図である。 変形例に係るモジュール一次封止体の組立工程を説明するための図である。 変形例に係るモジュール一次封止体の組立工程を説明するための図である。
以下に記載の実施の形態では、発明が解決しようとする課題の欄や発明の効果の欄に記載した課題や効果以外にも製品として望ましい課題を解決し、また効果を奏している。これらに付いては実施の形態の中で説明する。
以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。図１は、ハイブリッド自動車（以下「ＨＥＶ」と記述する）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ＤＥＦ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。
次に電力変換装置２００について説明する。インバータ回路１４０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とインバータ回路１４０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。
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から入力される指令に基づいて制御回路１７２でモータジェネレータＭＧ１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を用いてインバータ回路１４０の電気回路の構成を説明する。なお、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。上アームとして動作するＩＧＢＴ３２８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とで、上下アームの直列回路１５０が構成される。インバータ回路１４０は、この直列回路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の直列回路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や８０４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。
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、正極側のコンデンサ端子５０６と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、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、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。
直列回路１５０に設けられた温度センサ（不図示）からは直列回路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３，４は本発明に係る実施の形態としての電力変換装置２００の外観斜視図であり、図４は交流コネクタ１８７および直流コネクタ１３８を外した状態を示す。本実施の形態の電力変換装置２００は、平面形状がほぼ正方形の直方体形状としたことにより小型化が図れ、また、車両への取り付けが容易となるという効果を有している。８は蓋、１０はハウジング、１２は流路形成体、１３は冷却媒体の入口配管、１４は出口配管、４２０は下カバーである。コネクタ２１は、外部との接続のために設けられた信号用のコネクタである。
蓋８は、電力変換装置２００を構成する回路部品が収納されるハウジング１０の上部開口部に固定される。ハウジング１０の下部に固定される流路形成体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、冷却媒体によってこれらを冷却する。冷却媒体としては、例えば水が用いられる場合が多く、以下では冷却水として説明する。入口配管１３および出口配管１４は流路形成体１２の一側面に設けられ、入口配管１３から供給された冷却水は流路形成体１２内の後述する流路１９に流入し、出口配管１４から排出される。
交流コネクタ１８７が装着される交流インターフェイス１８５および直流コネクタ１３８が装着される直流インターフェイス１３７は、ハウジング１０の側面に設けられている。交流インターフェイス１８５は配管１３，１４が設けられている側面に設けられており、交流インターフェイス１８５に装着された交流コネクタ１８７の交流配線１８７ａは配管１３，１４の間を通って下方に延びている。直流インターフェイス１３７は交流インターフェイス１８５が設けられた側面に隣接する側面に設けられており、直流インターフェイス１３７に装着された直流コネクタ１３８の直流配線１３８ａも電力変換装置２００の下方に延びている。
このように、交流インターフェイス１８５と配管１３，１４とが同一側面１２ｄの側に配置され、交流配線１８７ａが配管１３，１４の間を通るように下方に引き出されているので、配管１３，１４、交流コネクタ１８７および交流配線１８７ａの占める空間を小さくでき、装置全体の大型化を低減できる。また、配管１３，１４に対して交流配線１８７ａを下方に引き出しているので、交流配線１８７ａの取り回しが容易になり生産性が向上する。
図５は、図４に示す電力変換装置２００から蓋８、直流インターフェイス１３７および交流インターフェイス１８５を外した状態を示す図である。ハウジング１０の一側面には交流インターフェイス１８５が固定される開口１０ａが形成され、隣接する他の側面には直流インターフェイス１３７が固定される開口１０ｂが形成されている。開口１０ａからは３本の交流バスバー８０２、すなわち、Ｕ相交流バスバー８０２Ｕ、Ｖ相交流バスバー８０２ＶおよびＷ相交流バスバー８０２Ｗが突出し、開口１０ｂからは直流電源端子５０８，５０９が突出している。
図６は、図５において流路形成体１２からハウジング１０を外した状態を示す図である。ハウジング１０は２つの収納空間を有しており、隔壁１０ｃによって上部収納空間と下部収納空間とに区画されている。上部収納空間にはコネクタ２１が固定された制御回路基板２０が収納され、下部収納空間にはドライバ回路基板２２および後述するバスバーアッセンブリ８００が収納される。制御回路基板２０には図２に示した制御回路１７２が実装され、ドライバ回路基板２２にはドライバ回路基板１７４が実装されている。制御回路基板２０とドライバ回路基板２２とは不図示のフラットケーブル（後述する図７参照）によって接続されるが、そのフラットケーブルは隔壁１０ｃに形成されたスリット状の開口１０ｄを通って下部収納空間から上部収納空間へと引き出される。
図７は電力変換装置２００の分解斜視図である。蓋８の内側の、すなわちハウジング１０の上部収納空間には、上述したように制御回路１７２を実装した制御回路基板２０が配置されている。蓋８には、コネクタ２１用の開口８ａが形成されている。電力変換装置２００内の制御回路を動作させる低電圧の直流電力は、コネクタ２１から供給される。
詳細は後述するが、流路形成体１２には、入口配管１３から流入した冷却水が流れる流路が形成されている。流路は、流路形成体１２の３つの側面に沿って流れるようなコの字形状の流路を形成している。入口配管１３から流入した冷却水はコの字形状流路の一端から流路内に流入し、流路内を流れた後に、流路の他端に接続されている出口配管１４から流出される。
流路の上面には３つの開口部４００ａ〜４００ｃが形成されており、直列回路１５０（図１参照）を内蔵したパワーモジュール３００Ｕ，３００Ｖ，３００Ｗがそれらの開口部４００ａ〜４００ｃから流路内に挿入される。パワーモジュール３００ＵにはＵ相の直列回路１５０が内蔵され、パワーモジュール３００ＶにはＶ相の直列回路１５０が内蔵され、パワーモジュール３００ＷにはＷ相の直列回路１５０が内蔵されている。これらパワーモジュール３００Ｕ〜３００Ｗは同一構成になっており、外観形状も同一形状である。開口部４００a〜４００ｃは、挿入されたパワーモジュール３００Ｕ〜３００Ｗのフランジ部によって塞がれる。
流路形成体１２には、コの字形状の流路によって囲まれるように、電装部品を収納するための収納空間４０５が形成されている。本実施形態では、この収納空間４０５にコンデンサモジュール５００が収納されている。収納空間４０５に収納されたコンデンサモジュール５００は、流路内を流れる冷却水によって冷却される。コンデンサモジュール５００の上方には、交流バスバー８０２Ｕ〜８０２Ｗが装着されたバスバーアッセンブリ８００が配置される。バスバーアッセンブリ８００は、流路形成体１２の上面に固定される。バスバーアッセンブリ８００には、電流センサモジュール１８０が固定されている。
ドライバ回路基板２２は、バスバーアッセンブリ８００に設けられた支持部材８０７ａに固定されることにより、バスバーアッセンブリ８００の上方に配置される。上述したように、制御回路基板２０とドライバ回路基板２２とはフラットケーブル２３によって接続される。フラットケーブル２３は隔壁１０ｃに形成されたスリット状の開口１０ｄを通って下部収納空間から上部収納空間へと引き出される。
このように、パワーモジュール３００Ｕ〜３００Ｗとドライバ回路基板２２と制御回路基板２０とが高さ方向に階層的に配置され、制御回路基板２０が強電系のパワーモジュール３００Ｕ〜３００Ｗから最も遠い場所に配置されるので、制御回路基板２０側にスイッチングノイズ等が混入するのを低減することができる。さらに、ドライバ回路基板２２と制御回路基板２０とは隔壁１０ｃによって区画された別の収納空間に配置されるため、隔壁１０ｃが電磁シールドとして機能し、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することができる。なお、ハウジング１０はアルミ等の金属材で形成されている。
さらに、ハウジング１０に一体に形成された隔壁１０ｃに制御回路基板２０が固定されるため、外部からの振動に対して制御回路基板２０の機械的な共振周波数が高くなる。そのため、車両側からの振動の影響を受け難く、信頼性が向上する。
以下では、流路形成体１２と、流路形成体１２に固定されるパワーモジュール３００Ｕ〜３００Ｗ、コンデンサモジュール５００およびスバーアッセンブリ８００についてより詳しく説明する。図８は、流路形成体１２にパワーモジュール３００Ｕ〜３００Ｗ、コンデンサモジュール５００、バスバーアッセンブリ８００を組み付けた外観斜視図である。また、図９は、流路形成体１２からバスバーアッセンブリ８００を外した状態を示す。バスバーアッセンブリ８００は、流路形成体１２にボルト固定される。
まず、図１０，１１を参照しながら流路形成体１２について説明する。図１０は流路形成体１２の斜視図であり、図１１は流路形成体１２を裏面側から見た分解斜視図である。図１０に示すように、流路形成体１２は平面形状が略正方形の直方体を成し、その側面１２ｄに入口配管１３および出口配管１４が設けられている。なお、側面１２ｄは、配管１３，１４が設けられている部分が段差状に形成されている。図１１に示すように、流路１９は、残りの３つの側面１２ａ〜１２ｃに沿うようにコの字形状に形成されている。そして、流路形成体１２の裏面側には、流路１９の横断面形状とほぼ同一形状を有する、１つに繋がったコの字形状の開口部４０４が形成されている。この開口部４０４は、コの字形状の下カバー４２０によって塞がれる。下カバー４２０と流路形成体１２との間にはシール部材４０９ａが設けられ、気密性が保たれている。
コの字形状を成す流路１９は、冷却水の流れる方向によって３つの流路区間１９ａ，１９ｂ，１９ｃに分けられる。詳細は後述するが、第１の流路区間１９ａは、配管１３，１４が設けられた側面１２ｄと対向する位置の側面１２ａに沿って設けられ、第２の流路区間１９ｂは側面１２ａの一方の側に隣接する側面１２ｂに沿って設けられ、第３の流路区間１９ｃは側面１２ａの他方の側に隣接する側面１２ｃに沿って設けられている。冷却水は入口配管１３から流路区間１９ｂに流入し、破線矢印で示すように流路区間１９ｂ、流路区間１９ａ、流路区間１９ｃの順に流れ、出口配管１４から流出される。
図１０に示すように、流路形成体１２の上面側には、流路区間１９ａに対向する位置に側面１２ａに平行な長方形の開口部４０２ａが形成され、流路区間１９ｂに対向する位置に側面１２ｂに平行な長方形の開口部４０２ｂが形成され、流路区間１９ｃに対向する位置に側面１２ｃに平行な長方形の開口部４０２ｃが形成されている。これらの開口部４０２ａ〜４０２ｃを通して、パワーモジュール３００Ｕ〜３００Ｗが流路１９内に挿入される。
図１１に示すように、下カバー４２０には、上述した開口部４０２ａ〜４０２ｃと対向する位置に、流路１９の下側に向かって突出する凸部４０６がそれぞれ形成されている。これらの凸部４０６は流路１９側から見ると窪みとなっており、開口部４０２ａ〜４０２ｃから挿入されたパワーモジュール３００Ｕ〜３００Ｗの下端部分が、これらの窪みに入り込む。流路形成体１２は、開口部４０４と開口部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。
図１０に示すように、流路形成体１２には、３辺を流路１９で囲まれるように形成され矩形状の収納空間４０５が設けられている。この収納空間４０５にコンデンサモジュール５００が収納される。流路１９で囲まれた収納空間４０５は直方体形状であるため、コンデンサモジュール５００を直方体形状にすることができ、コンデンサモジュール５００の生産性が良くなる。
図１２乃至図２６を用いてインバータ回路１４０に使用されるパワーモジュール３００Ｕ〜３００Ｗおよびパワーモジュール３０１Ｕ〜３０１Ｗの詳細構成を説明する。上記パワーモジュール３００Ｕ〜３００Ｗおよびパワーモジュール３０１Ｕ〜３０１Ｗはいずれも同じ構造であり、代表してパワーモジュール３００Ｕの構造を説明する。尚、図１２乃至図２６において信号端子３２５Ｕは、図２に開示したゲート電極１５４および信号用エミッタ電極１５５に対応し、信号端子３２５Ｌは、図２に開示したゲート電極１６４およびエミッタ電極１６５に対応する。また直流正極端子３１５Ｂは、図２に開示した正極端子１５７と同一のものであり、直流負極端子３１９Ｂは、図２に開示した負極端子１５８と同一のものである。また交流端子３２０Ｂは、図２に開示した交流端子１５９と同じものである。
図１２（ａ）は、本実施形態のパワーモジュール３００Ｕの斜視図である。図１２（ｂ）は、本実施形態のパワーモジュール３００Ｕを断面Ｄで切断して方向Ｅから見たときの断面図である。
図１３は、理解を助けるために、図１２に示す状態からネジ３０９および第二封止樹脂３５１を取り除いたパワーモジュール３００Ｕを示す図である。図１３（ａ）は斜視図であり、図１３（ｂ）は図１２（ｂ）と同様に断面Ｄで切断して方向Ｅから見たときの断面図である。また、図１３（ｃ）はフィン３０５が加圧されて湾曲部３０４Ａが変形される前の断面図を示している。
図１４は、図１３に示す状態からさらにモジュールケース３０４を取り除いたパワーモジュール３００Ｕを示す図である。図１４（ａ）は斜視図であり、図１４（ｂ）は図１２（ｂ）、図１３（ｂ）と同様に断面Ｄで切断して方向Ｅから見たときの断面図である。
図１５は、図１４に示す状態からさらに第一封止樹脂３４８および配線絶縁部６０８を取り除いたパワーモジュール３００Ｕの斜視図である。
図１６は、パワーモジュール３００Ｕのうちの補助モールド体６００を示す図である。図１６（ａ）は斜視図であり、図１６（ｂ）は図１２（ｂ）、図１３（ｂ）および図１４（ｂ）と同様に断面Ｄで切断して方向Ｅから見たときの断面図である。
上下アームの直列回路１５０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１４および１５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３２０や導体板３１９によって、両面から挟んで固着される。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は図１４に示すように、多面体形状（ここでは略直方体形状）を有している。
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。
モジュールケース３０４は、電気伝導性を有する部材、例えばアルミ合金材料（Ａｌ，ＡｌＳｉ，ＡｌＳｉＣ，Ａｌ−Ｃ等）で構成され、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１２（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、これらの放熱面に対向するようにして、各パワー半導体素子（ＩＧＢＴ３２８、ＩＧＢＴ３３０、ダイオード１５６、ダイオード１６６）が配置されている。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１２（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。
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３１５等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。
モジュールケース３０４の外には、コンデンサモジュール５００と電気的に接続するための金属製の直流正極配線３１５Ａおよび直流負極配線３１９Ａが設けられており、その先端部に直流正極端子３１５Ｂ（１５７）と直流負極端子３１９Ｂ（１５８）がそれぞれ形成されている。また、モータジェネレータＭＧ１あるいはＭＧ２に交流電力を供給するための金属製の交流配線３２０Ａが設けられており、その先端に交流端子３２０Ｂ（１５９）が形成されている。本実施形態では、図１５に示す如く、直流正極配線３１５Ａは導体板３１５と接続され、直流負極配線３１９Ａは導体板３１９と接続され、交流配線３２０Ａは導体板３２０と接続される。
モジュールケース３０４の外にはさらに、ドライバ回路１７４と電気的に接続するための金属製の信号配線３２４Ｕおよび３２４Ｌが設けられており、その先端部に信号端子３２５Ｕ（１５４，１５５）と信号端子３２５Ｌ（１６４，１６５）がそれぞれ形成されている。本実施形態では、図１５に示す如く、信号配線３２４ＵはＩＧＢＴ３２８と接続され、信号配線３２４ＬはＩＧＢＴ３２８と接続される。
直流正極配線３１５Ａ、直流負極配線３１９Ａ、交流配線３２０Ａ、信号配線３２４Ｕおよび信号配線３２４Ｌは、樹脂材料で成形された配線絶縁部６０８によって相互に絶縁された状態で、補助モールド体６００として一体に成型される。配線絶縁部６０８は、各配線を支持するための支持部材としても作用し、これ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、直流負極配線３１９Ａ、交流配線３２０Ａ、信号配線３２４Ｕおよび信号配線３２４Ｌの間の絶縁性を確保でき、高密度配線が可能となる。補助モールド体６００は、モジュール一次封止体３０２と接続部３７０において金属接合された後に、配線絶縁部６０８に設けられたネジ穴を貫通するネジ３０９によってモジュールケース３０４に固定される。接続部３７０におけるモジュール一次封止体３０２と補助モールド体６００との金属接合には、たとえばＴＩＧ溶接などを用いることができる。
直流正極配線３１５Ａと直流負極配線３１９Ａは、配線絶縁部６０８を間に挟んで対向した状態で互いに積層され、略平行に延びる形状を成している。こうした配置および形状とすることで、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。なお、交流配線３２０Ａや信号端子３２５Ｕ，３２５Ｌも、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。
モジュール一次封止体３０２と補助モールド体６００が金属接合により接続されている接続部３７０は、第二封止樹脂３５１によりモジュールケース３０４内で封止される。これにより、接続部３７０とモジュールケース３０４との間で必要な絶縁距離を安定的に確保することができるため、封止しない場合と比較してパワーモジュール３００Ｕの小型化が実現できる。
図１５、図１６に示されるように、接続部３７０の補助モジュール６００側には、補助モジュール側直流正極接続端子３１５Ｃ、補助モジュール側直流負極接続端子３１９Ｃ、補助モジュール側交流接続端子３２０Ｃ、補助モジュール側信号接続端子３２６Ｕおよび補助モジュール側信号接続端子３２６Ｌが一列に並べて配置される。一方、接続部３７０のモジュール一次封止体３０２側には、多面体形状を有する第一封止樹脂３４８の一つの面に沿って、素子側直流正極接続端子３１５Ｄ、素子側直流負極接続端子３１９Ｄ、素子側交流接続端子３２０Ｄ、素子側信号接続端子３２７Ｕおよび素子側信号接続端子３２７Ｌが一列に並べて配置される。こうして接続部３７０において各端子が一列に並ぶような構造とすることで、トランスファーモールドによるモジュール一次封止体３０２の製造が容易となる。
ここで、モジュール一次封止体３０２の第一封止樹脂３４８から外側に延出している部分をその種類ごとに一つの端子として見た時の各端子の位置関係について述べる。以下の説明では、直流正極配線３１５Ａ（直流正極端子３１５Ｂと補助モジュール側直流正極接続端子３１５Ｃを含む）および素子側直流正極接続端子３１５Ｄにより構成される端子を正極側端子と称し、直流負極配線３１９Ａ（直流負極端子３１９Ｂと補助モジュール側直流負極接続端子３１９Ｃを含む）および素子側直流負極接続端子３１５Ｄにより構成される端子を負極側端子と称し、交流配線３２０Ａ（交流端子３２０Ｂと補助モジュール側交流接続端子３２０Ｃを含む）および素子側交流接続端子３２０Ｄにより構成される端子を出力端子と称し、信号配線３２４Ｕ（信号端子３２５Ｕと補助モジュール側信号接続端子３２６Ｕを含む）および素子側信号接続端子３２７Ｕにより構成される端子を上アーム用信号端子と称し、信号配線３２４Ｌ（信号端子３２５Ｌと補助モジュール側信号接続端子３２６Ｌを含む）および素子側信号接続端子３２７Ｌにより構成される端子を下アーム用信号端子と称する。
上記の各端子は、いずれも第一封止樹脂３４８および第二封止樹脂３５１から接続部３７０を通して突出しており、その第一封止樹脂３４８からの各突出部分（素子側直流正極接続端子３１５Ｄ、素子側直流負極接続端子３１９Ｄ、素子側交流接続端子３２０Ｄ、素子側信号接続端子３２７Ｕおよび素子側信号接続端子３２７Ｌ）は、上記のように多面体形状を有する第一封止樹脂３４８の一つの面に沿って一列に並べられている。また、正極側端子と負極側端子は、第二封止樹脂３５１から積層状態で突出しており、モジュールケース３０４の外に延出している。このような構成としたことで、第一封止樹脂３４８でパワー半導体素子を封止してモジュール一次封止体３０２を製造する時の型締めの際に、パワー半導体素子と当該端子との接続部分への過大な応力や金型の隙間が生じるのを防ぐことができる。また、積層された正極側端子と負極側端子の各々を流れる反対方向の電流により、互いに打ち消しあう方向の磁束が発生されるため、低インダクタンス化を図ることができる。
補助モジュール６００側において、補助モジュール側直流正極接続端子３１５Ｃ、補助モジュール側直流負極接続端子３１９Ｃは、直流正極端子３１５Ｂ、直流負極端子３１９Ｂとは反対側の直流正極配線３１５Ａ、直流負極配線３１９Ａの先端部にそれぞれ形成されている。また、補助モジュール側交流接続端子３２０Ｃは、交流配線３２０Ａにおいて交流端子３２０Ｂとは反対側の先端部に形成されている。補助モジュール側信号接続端子３２６Ｕ、３２６Ｌは、信号配線３２４Ｕ、３２４Ｌにおいて信号端子３２５Ｕ、３２５Ｌとは反対側の先端部にそれぞれ形成されている。
一方、モジュール一次封止体３０２側において、素子側直流正極接続端子３１５Ｄ、素子側直流負極接続端子３１９Ｄ、素子側交流接続端子３２０Ｄは、導体板３１５、３１９、３２０にそれぞれ形成されている。また、素子側信号接続端子３２７Ｕ、３２７Ｌは、ボンディングワイヤ３７１によりＩＧＢＴ３２８、３３０とそれぞれ接続されている。
次に、図１７乃至図２１を用いてモジュール一次封止体３０２の組立工程を説明する。
図１７に示すように、直流正極側の導体板３１５および交流出力側の導体板３２０と、素子側信号接続端子３２７Ｕおよび３２７Ｌとは、共通のタイバー３７２に繋がれた状態で、これらが略同一平面状の配置となるように一体的に加工される。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３２０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。ＩＧＢＴ３２８，３３０およびダイオード１５５，１６６の上には、導体板３１８と導体板３１９が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１７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３２０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３２０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３２０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。
上述したように、導体板３１５と導体板３１８の間にＩＧＢＴ３２８及びダイオード１５６を挟み込むと共に、導体板３２０と導体板３１９の間にＩＧＢＴ３３０及びダイオード１６６を挟み込み、導体板３２０と導体板３１８を中間電極３２９を介して接続することで、図１８のようになる。その後、ＩＧＢＴ３２８の制御電極３２８Ａと素子側信号接続端子３２７Ｕとをボンディングワイヤ３７１により接続すると共に、ＩＧＢＴ３３０の制御電極３３０Ａと素子側信号接続端子３２７Ｌとをボンディングワイヤ３７１により接続することで、図１９のようになる。
図１９に示す状態まで組み立てられたら、パワー半導体素子およびボンディングワイヤ３７１を含む部分を第一封止樹脂３４８により図２０のように封止する。このとき、金型押圧面３７３において上下から金型で押さえ、トランスファーモールドにより第一封止樹脂３４８を金型内に充填して成形する。
第一封止樹脂３４８により封止したら、タイバー３７２を切除して、素子側直流正極接続端子３１５Ｄ、素子側交流接続端子３２０Ｄ、素子側信号接続端子３２７Ｕ、３２７Ｌをそれぞれ分離する。そして、モジュール一次封止体３０２の一辺側に一列に並べられている素子側直流正極接続端子３１５Ｄ、素子側直流負極接続端子３１９Ｄ、素子側交流接続端子３２０Ｄ、素子側信号接続端子３２７Ｕ、３２７Ｌの各端部を、図２１のようにそれぞれ同一方向に折り曲げる。これにより、接続部３７０においてモジュール一次封止体３０２と補助モールド体６００とを金属接合する際の作業を容易化して生産性を向上すると共に、金属接合の信頼性を向上することができる。
図２２は、第一封止樹脂３４８のトランスファーモールド工程を説明するための図である。図２２（ａ）は型締め前の縦断面図を示しており、（ｂ）は型締め後の縦断面図を示している。
図２２（ａ）に示すように、図１９に示した封止前のモジュール一次封止体３０２は、上側金型３７４Ａと下側金型３７４Ｂの間に設置される。上側金型３７４Ａおよび下側金型３７４Ｂがモジュール一次封止体３０２を上下から金型押圧面３７３において挟み込んで型締めすることで、図２２（ｂ）に示すように金型空間３７５が金型内に形成される。この金型空間３７５に第一封止樹脂３４８を充填して成形することで、モジュール一次封止体３０２においてパワー半導体素子（ＩＧＢＴ３２８，３３０およびダイオード１５５，１６６）が第一封止樹脂３４８により封止される。
なお、図２０に示したように、金型押圧面３７３では、素子側直流正極接続端子３１５Ｄ、素子側直流負極接続端子３１９Ｄ、素子側交流接続端子３２０Ｄ、素子側信号接続端子３２７Ｕおよび素子側信号接続端子３２７Ｌが一列に並べて配置されている。こうした端子配置とすることで、上側金型３７４Ａおよび下側金型３７４Ｂを用いて、各端子とパワー半導体素子との接続部において余分な応力を発生させずに、かつ隙間なく型締めを行うことができる。したがって、パワー半導体素子の破損を招いたり、あるいは第一封止樹脂３４８が隙間から漏出したりすることなく、パワー半導体素子の封止を行うことができる。
次に、モジュール一次封止体３０２におけるパワー半導体素子の制御電極と各端子との配置関係について、図２３を参照して説明する。図２３では、理解を容易にするため、図１８の状態から導体板３１８，３１９および中間電極３２９を除いた様子を示している。図２３において、ＩＧＢＴ３２８，３３０の一辺側（図中の上辺側）には、制御電極３２８Ａ，３３０Ａが中心線３７６，３７７に対して図中左側に偏った位置にそれぞれ配置されている。中心線３７６，３７７は、素子側直流正極接続端子３１５Ｄ、素子側直流負極接続端子３１９Ｄ、素子側交流接続端子３２０Ｄ、素子側信号接続端子３２７Ｕおよび素子側信号接続端子３２７Ｌの配列方向に直交している。
ＩＧＢＴ３２８を中心線３７６で二分して考えると、制御電極３２８Ａが配置されている一方側には素子側信号接続端子３２７Ｕが配置されており、他方側には素子側直流正極接続端子３１５Ｄが配置されている。同様に、ＩＧＢＴ３３０を中心線３７７で二分して考えると、制御電極３３０Ａが配置されている一方側には素子側信号接続端子３２７Ｌが配置されており、他方側には素子側交流接続端子３２０Ｄが配置されている。また図１８に示すように、素子側直流正極接続端子３１５Ｄと素子側信号接続端子３２７Ｌの間には、素子側直流負極接続端子３１９Ｄが配置される。こうした配置とすることで、制御電極３２８Ａ，３３０Ａと素子側信号接続端子３２７Ｕ，３２７Ｌとをそれぞれ接続するボンディングワイヤ３７１の長さを最小化し、接続の信頼性を向上することができる。また、各端子を集約化してモジュール一次封止体３０２、ひいてはパワーモジュール３００Ｕの小型化を図ることができる。
なお、図２３に示すように、素子側直流正極接続端子３１５Ｄ、素子側交流接続端子３２０Ｄ、素子側信号接続端子３２７Ｕおよび素子側信号接続端子３２７Ｌは、共通のタイバー３７２に繋がれた状態で一体的に加工される。これにより、これら各端子の間では平面度や厚さのばらつきを非常に小さく抑えることができる。その一方で、素子側直流負極接続端子３１９Ｄは、上記の各端子とは別体に加工されたものが組み合わされるため、平面度や厚さのばらつきが他の各端子と比べて大きくなり、型締め時に当該端子とパワー半導体素子との接続部において余分な応力を生じてしまう可能性がある。
図２４は、上述したような不都合を回避するための変形例を示す図である。この変形例では、素子側直流負極接続端子３１９Ｄが設けられている導体板３１９において、型締め時の応力を吸収して緩和するための応力緩和部３１９Ｅが設けられている。応力緩和部３１９Ｅの位置は、パワー半導体素子が実装される部分（はんだ付け部分）から金型押圧面３７３の間とすることが好ましい。なお、応力緩和部３１９Ｅとして単に導体板３１９の一部の厚みを他の部分より薄くすることも考えられるが、その場合は当該部分において電流密度が増加することになるため、電気的性能が低下するおそれがある。したがって、図２４に示すように導体板３１９の一部を屈曲させて応力緩和部３１９Ｅとすることが好ましい。このようにすれば、応力緩和部３１９Ｅにおいて電流密度が増加することもなく、さらに屈曲による折り返し部分において電流の向きが対向することになるため、インダクタンスの抑制にも寄与することができる。
図２５は、パワーモジュール３００Ｕの回路構成を示す回路図である。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のカソード電極は、導体板３１５を介して接続される。同様に、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のカソード電極は、導体板３２０を介して接続される。また、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のアノード電極は、導体板３１８を介して接続される。同様に、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のアノード電極は、導体板３１９を介して接続される。導体板３１８と３２０は中間電極３２９によって接続される。こうした回路構成により上下アーム直列回路が形成される。
次に、低インダクタンス化が生じる作用について、図２６を参照して説明する。図２６（ａ）はリカバリ電流が流れる際の等価回路を示す図であり、図２６（ｂ）はリカバリ電流の経路を示す図である。
図２６（ａ）において、下アーム側のダイオード１６６が順方向バイアス状態で導通している状態とする。この状態で、上アーム側のＩＧＢＴ３２８がＯＮ状態になると、下アーム側のダイオード１６６が逆方向バイアスとなりキャリア移動に起因するリカバリ電流が上下アームを貫通する。このとき、各導体板３１５，３１８，３１９，３２０には、図２６（ｂ）に示されるリカバリ電流３６０が流れる。リカバリ電流３６０は、点線で示されるとおり、直流負極端子３１９Ｂ（１５８）と対向に配置された直流正極端子３１５Ｂ（１５７）を通り、続いて各導体板３１５，３１８，３１９，３２０により形成されるループ形状の経路を流れ、再び直流正極端子３１５Ｂ（１５７）と対向に配置された直流負極端子３１９Ｂ（１５８）を介して実線に示すように流れる。ループ形状経路を電流が流れることによって、モジュールケース３０４の第１放熱面３０７A及び第２放熱面３０７Bに渦電流３６１が流れる。この渦電流３６１の電流経路に等価回路３６２が発生する磁界相殺効果によって、ループ形状経路における配線インダクタンス３６３が低減する。
なお、リカバリ電流３６０の電流経路がループ形状に近いほど、インダクタンス低減作用が増大する。本実施形態では、ループ形状の電流経路は点線で示す如く、導体板３１５の直流正極端子３１５Ｂ（１５７）側に近い経路を流れ、ＩＧＢＴ３２８及びダイオード１５６内を通る。そしてループ形状の電流経路は実線で示す如く、導体板３１８の直流正極端子３１５Ｂ（１５７）側より遠い経路を流れ、その後、点線で示す如く導体板３２０の直流正極端子３１５Ｂ（１５７）側より遠い経路を流れ、ＩＧＢＴ３３０及びダイオード１６６内を通る。さらにループ形状の電流経路は実線で示す如く、導体板３１９の直流負極配線３１９Ａ側に近い経路を流れる。このようにループ形状の電流経路が、直流正極端子３１５Ｂ（１５７）や直流負極端子３１９Ｂ（１５８）に対して、近い側や遠い側の経路を通ることで、よりループ形状に近い電流経路が形成される。
図３８は、直流負極配線を分割した場合の変形例を示す図である。なお、前述した符号と同一符号の構成は、同一の機能を有する。図１８にて示された素子側直流負極接続端子３１９Ｄは、上記の各端子とは別体に加工されたものが組み合わされるため、平面度や厚さのばらつきが他の各端子と比べて大きくなり、型締め時に当該端子とパワー半導体素子との接続部において余分な応力を生じてしまう可能性がある。
そこで、図３８に示されるように、図１８にて示された素子側直流負極接続端子３１９Ｄを分割して、の負極側接続端子３１９Ｆが素子側交流接続端子３２０Ｄや素子側直流正極接続端子３１５Ｄと略同一面上に配置される。
また、図３９に示されるように、素子側直流負極接続端子３１９Ｇが導体３１９の縁辺から負極側接続端子３１９Ｆの一部と対向する位置まで延ばされている。そして、素子側直流負極接続端子３１９Ｇの端部は、負極側接続端子３１９Ｆ側に折り曲げられる。
そして、図４０に示されるように、素子側直流負極接続端子３１９Ｇの端部が、金属接合材１６１を介して負極側接続端子３１９Ｆと接続される。各種の半導体素子及び端子を金属接合材により接合した後に、図２２に示される製造方法により、図４０に示されたモジュール体を第１封止樹脂３４８によって封止すると、図４１に示されるモジュール１次封止体３０３が完成する。図４１に示されるように、負極側接続端子３１９Ｆは、素子側直流正極接続端子３１５Ｄや素子側交流接続端子３２０Ｄや素子側信号接続端子３２７Ｕとともに、タイバー３７２と一体に形成される。そして、タイバー３７２の切断は、負極側接続端子３１９Ｆとの接続部分を含めて一括して行うことが出来る。
これにより、これら各端子の間では平面度や厚さのばらつきを非常に小さく抑えることができる。
図２７は、コンデンサモジュール５００の外観斜視図である。コンデンサモジュール５００内には複数のコンデンサセルが設けられている。コンデンサモジュール５００の上面には、コンデンサモジュール５００の流路１９に対向する面に近接して、コンデンサ端子５０３ａ〜５０３ｃが突出するように設けられている。コンデンサ端子５０３ａ〜５０３ｃは、各パワーモジュール３００の正極端子１５７及び負極端子１５８に対応して形成される。コンデンサ端子５０３ａ〜５０３ｃは同一形状を成し、コンデンサ端子５０３ａ〜５０３ｃを構成する負極側コンデンサ端子５０４と正極側コンデンサ端子５０６との間には絶縁シートが設けられ、端子間の絶縁が確保されている。
コンデンサモジュール５００の側面５００ｄの側の上部には、突出部５００ｅ，５００ｆが形成されている。突出部５００ｅ内には放電抵抗が実装され、突出部５００ｆ内にはコモンモードノイズ対策用のＹコンデンサが実装されている。また、突出部５００ｆの上面から突出した端子５００ｇ，５００ｈに、図５に示した電源端子５０８，５０９が取り付けられる。図１０に示すように、開口４０２ｂ，４０２ｃと側面１２ｄとの間には凹部４０５ａ，４０５ｂが形成されており、コンデンサモジュール５００を流路形成体１２の収納空間４０５に収納すると、突出部５００ｅは凹部４０５ａに収納され、突出部５００ｆは凹部４０５ｂに収納される。
突出部５００ｅ内に実装された放電抵抗は、インバータ停止時にコンデンサモジュール５００内のコンデンサセルに溜まった電荷を放電するための抵抗である。突出部５００ｅが収納される凹部４０５ａは、入口配管１３から流入した冷却水の流路の直上に設けられているので、放電時の放電抵抗の温度上昇を抑えることができる。
図２８は、バスバーアッセンブリ８００の斜視図である。バスバーアッセンブリ８００は、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の交流バスバー８０２Ｕ，８０２Ｖ，８０２Ｗと、交流バスバー８０２Ｕ〜８０２Ｗを保持し固定するための保持部材８０３と、交流バスバー８０２Ｕ〜８０２Ｗを流れる交流電流を検出するための電流センサモジュール１８０と、を備えている。交流バスバー８０２Ｕ〜８０２Ｗは、それぞれ幅広導体で形成されている。樹脂等の絶縁材料で形成された保持部材８０３には、ドライバ回路基板２２を保持するための複数の支持部材８０７ａが、保持部材８０３から上方に突出するように形成されている。
電流センサモジュール１８０は、前述した図８に示すようにバスバーアッセンブリ８００を流路形成体１２上に固体したときに、流路形成体１２の側面１２ｄに近接した位置で側面１２ｄに平行となるように、バスバーアッセンブリ８００に配置されている。図２８に示すように、電流センサモジュール１８０の側面には、交流バスバー８０２Ｕ〜８０２Ｗを貫通させるための貫通孔１８１がそれぞれ形成されている。電流センサモジュール１８０の貫通孔１８１が形成されている部分にはセンサ素子が設けられており、電流センサモジュール１８０の上面から各センサ素子の信号線１８２ａが突出している。各センサ素子は、電流センサモジュール１８０の延在方向、すなわち流路形成体１２の側面１２ｄの延在方向に並んで配置されている。交流バスバー８０２Ｕ〜８０２Ｗは各貫通孔１８１を貫通し、その先端部分が平行に突出している。
保持部材８０３には、位置決め用の突起部８０６ａ，８０６ｂが上方に向かって突出するように形成されている。電流センサモジュール１８０はネジ止めにより保持部材８０３に固定されるが、その際に突起部８０６ａ，８０６ｂと電流センサモジュール１８０の枠体に形成された位置決め孔とを係合させることで、電流センサモジュール１８０の位置決めが行われる。さらに、ドライバ回路基板２２を支持部材８０７ａに固定する際に、ドライバ回路基板２２側に形成された位置決め孔に位置決め用突起部８０６ａ，８０６ｂを係合させることで、電流センサモジュール１８０の信号線１８２ａがドライバ回路基板２２のスルーホールに位置決めされる。信号線１８２ａ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及び突起部８０６ａ，８０６ｂは、樹脂で一体に形成される。 このように、保持部材８０３が電流センサモジュール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、電流センサモジュール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。
交流バスバー８０２Ｕ〜８０２Ｗは幅広面が水平となるように保持部材８０３に固定され、パワーモジュール３００Ｕ〜３００Ｗの交流端子１５９に接続される接続部８０５が垂直に立ち上がっている。接続部８０５は先端が凹凸形状をしており、溶接時にこの凹凸部分に熱が集中するような形状となっている。
上述したように電流センサモジュール１８０は流路形成体１２の側面１２ｄに平行に配置されているので、電流センサモジュール１８０の貫通孔１８１から突出した各交流バスバー８０２Ｕ〜８０２Ｗは、流路形成体１２の側面１２ｄに配置されることになる。各パワーモジュール３００Ｕ〜３００Ｗは、流路形成体１２の側面１２ａ，１２ｂ，１２ｃに沿って形成された流路区間１９ａ，１９ｂ，１９ｃに配置されるので、交流バスバー８０２Ｕ〜８０２Ｗの接続部８０５は、バスバーアッセンブリ８００の側面１２ａ〜１２ｂに対応する位置に配置される。その結果、図８に示すように、Ｕ相交流バスバー８０２Ｕは側面１２ｂの近傍に配置されたパワーモジュール３００Ｕから側面１２ｄまで延接され、Ｖ相交流バスバー８０２Ｖは側面１２ａの近傍に配置されたパワーモジュール３００Ｖから側面１２ｄまで延接され、Ｗ相交流バスバー８０２Ｗは側面１２ｃの近傍に配置されたパワーモジュール３００Ｗから側面１２ｄまで延設される。
図２９は、開口部４０２ａ〜４０２ｃにパワーモジュール３００Ｕ〜３００Ｗが固定され、収納空間４０５にコンデンサモジュール５００が収納された流路形成体１２を示す図である。図２９に示す例では、開口部４０２ｂにＵ相のパワーモジュール３００Ｕが固定され、開口部４０２ａにＶ相のパワーモジュール３００Ｖが固定され、開口部４０２ｃにＷ相のパワーモジュール３００Ｗが固定される。その後、コンデンサモジュール５００が収納空間４０５に収納され、コンデンサ側の端子と各パワーモジュールの端子とが溶接等により接続される。各端子は、流路形成体１２の上端面から突出しており、上方から溶接機をアプローチして溶接作業が行われる。
なお、コの字形状に配置された各パワーモジュール３００Ｕ〜３００Ｗの正極及び負極端子１５７，１５８は、コンデンサモジュール５００の上面に突出して設けられたコンデンサ端子５０３ａ〜５０３ｃと接続される。３つのパワーモジュール３００Ｕ〜３００Ｗはコンデンサモジュール５００を囲むように設けられているため、コンデンサモジュール５００に対する各パワーモジュール３００Ｕ〜３００Ｗの位置的関係が同等となり、同一形状のコンデンサ端子５０３ａ〜５０３ｃを用いてバランス良くコンデンサモジュール５００に接続することができる。そのため、コンデンサモジュール５００とパワーモジュール３００Ｕ〜３００Ｗとの回路定数が３相の各相においてバランスし易くなり、電流の出し入れがし易い構造となっている。
図３０は、図２９に示すようにパワーモジュール３００Ｕ〜３００Ｗおよびコンデンサモジュール５００が配置された流路形成体１２を、水平に断面した図である。上述したように、流路形成体１２にはコの字形状の流路１９が形成されており、図示左側の側面１２ｂに沿って形成された流路区間１９ｂには、Ｕ相パワーモジュール３００Ｕが配置されている。同様に、配管１３，１４が設けられた側面１２ｄと反対側の側面１２ａに沿って形成された流路区間１９ａには、Ｖ相パワーモジュール３００Ｖが配置され、右側の側面１２に沿って形成された流路区間１９ｃにはＷ相パワーモジュール３００Ｗが配置されている。
流路形成体１２の側面１２ｄには、開口１２ｇ、１２ｈが形成されている。開口１２ｇは連通路１２ｅを介して流路区間１９ｂと連通している。開口１２ｈは連通路１２ｆを介して流路区間１９ｃと連通している。開口１２ｇ、１２ｈに配置される配管１３，１４は、連通路１２ｅ，１２ｆに圧入されるように取り付けられている。
図３７は、図３０のＡＡ断面の矢印方向から見た流路形成体１２の断面図を示す。連通路１２ｆは、冷却水の流れ方向に沿った流路断面の形状は大きく変化している。また、本実施形態の冷却水は、パワーモジュール３００Ｕの側面によって、その流れが２つに分岐され、一方の流れはモジュールケース３０４の第１放熱面３０７Ａ側に向かい、かつ他方の流れはモジュールケース３０４の第２放熱面３０７Ｂ側に向かう。なお、第１放熱面３０７Ａは図３７に示す第２放熱面３０７Ｂと逆側の放熱面であり、図３７では見えていない。よって、本実施形態の冷却水がパワーモジュール３００Ｕの側面と衝突することにより、当該冷却水を流す為の圧力損失が大きくなる傾向がある。この圧力損失の増大を抑制するために、パワーモジュール３００Ｕの側面部の近傍において、冷却水の流れを整える必要がある。そこで、助走区間１２ｊは、入口配管１３側からパワーモジュール３００Ｕに向かう方向に、段階的に高さ方向の幅が大きくなるように形成されている。なお、助走区間１２ｊの形状は、図３７のように階段状に形成されるのではなく、滑らかなスロープ状であってもよい。
本実施の形態では、平面形状が略正方形の流路形成体１２の３つの側面１２ａ〜１２ｃに沿ってコの字形状の流路１９を形成し、パワーモジュール３００Ｕ〜３００Ｗを各流路区間１９ａ〜１９ｃに配置する際に、扁平なパワーモジュール３００Ｕ〜３００Ｗを各側面１２ａ〜１２ｃに平行に配置するようにした。そして、流路１９によって囲まれた中央領域（収納空間４０５）に、電装部品であるコンデンサモジュール５００を収納するようにした。このようなモジュール配置とすることにより、パワーモジュール３００Ｕ〜３００Ｗおよびコンデンサモジュール５００が収納される流路形成体１２の小型化が図れる。
なお、３つのパワーモジュール３００Ｕ〜３００Ｗをコの字形状に配置する場合、図３０に示すように、平行に配置された一対のパワーモジュール３００Ｕ，３００Ｗの間に配置されるパワーモジュール３００Ｖの少なくとも一部が、パワーモジュール３００Ｕと３００Ｗとで挟まれた領域に入り込むように配置することで、より小型化を図ることができる。
図３１は、３つのパワーモジュール３００Ｕ〜３００Ｗの配置を説明するための模式図である。なお、パワーモジュール３００Ｕ〜３００Ｗは同一構造、同一形状を有している。流路形成体の側面１２ｂ、１２ｃの幅は、少なくともパワーモジュール３００Ｕ〜３００Ｗの流路に沿った長さＬ１と連通路の長さＬ２との合計程度が必要である。一方、側面１２ａに関しては、少なくとも寸法Ｌ１程度が必要になる。もちろん、実際上は、図３０に示すように、流路区間の接続部分など冷却水の流れを考慮して寸法を若干調整する必要がある。
そのため、電力変換装置２０の設置面積をなるべく小さくしようとした場合、平面視で見たときの形状（平面形状）を略正方形とすることで、電力変換装置２００の小型化を図ることが考えられる。上述のように側面１２ｂ，１２ｃに沿った方向に関しては連通路が必要であるため、小型化の観点から、図３１に示すように、一対のパワーモジュール３００Ｕ，３００Ｗの間の領域Ｓ１にパワーモジュール３００Ｖの一部が含まれるように、パワーモジュール３００Ｖを配置するのが好ましい。
図３１における配置スペースの図示横方向の寸法（側面１２ａの幅寸法）は、パワーモジュールの厚さをＬ３とすると、少なくともＬ１＋２・Ｌ３程度となる。そこで、縦方向の寸法Ｌ１＋Ｌ２＋（Ｌ３−Ｌ４）がＬ１＋Ｌ３と同程度となるように、Ｌ３およびＬ４を設定すれば、平面視における面積をより小さくすることができ、略正方形とすることも可能となる。このとき流路区間１９ａは、図３０に示すようにパワーモジュール３００Ｕ，３００Ｗの間の領域を通るように形成される。なお、図３０に示す例では、コンデンサモジュール５００の寸法による制約のために、パワーモジュール３００Ｕ，３００Ｗの間隔は、パワーモジュール３００Ｖの寸法Ｌ１よりも若干大きくなっている。
配管１３，１４およびそれらが圧入される孔１２ｅ，孔１２ｆの上部領域は空きスペースとなる。そこで、図１０に示すように、このスペースに凹部４０５ａ，４０５ｂを形成し、図２９のようにコンデンサモジュール５００の放電抵抗実装部である突出部５００ｅと、Ｙコンデンサ実装部である突出部５００ｆとを配置することで、空きスペースの有効利用が図れ、電力変換装置２００の小型化に寄与する。配管１３，１４の位置を一つの側面１２ｄに集約することで、入口配管１３から流路区間１９ｂまで、および流路区間１９ｃから出口配管１４までの冷却水の流れが直線状になるので、圧損を極力小さくすることができる。また、配管の突出による装置の設置スペースが大きくなるのを抑えることができると共に、車載性の向上を図ることができる。さらに、配管１３，１４を孔１２ｅ，１２ｆに圧入する際に、筐体の一面のみでの圧入作業であるため、作業性および生産性が向上する。
また、コンデンサモジュール５００の３辺を囲むように流路１９が設けられているため、コンデンサモジュール５００を効果的に冷却することができる。ところで、本実施の形態における電力変換装置２００は車載用であって、一般的にエンジンルーム内に配置される場合が多い。エンジンルーム内はエンジンや走行用モータなどからの熱により比較的高温となるため、電力変換装置２００に対する周囲からの熱侵入が問題となる。しかし、図３０に示すように、コンデンサモジュール５００は冷却水が流れる流路１９によって３辺を囲まれているので、装置周囲からの熱侵入を効果的に遮断することができる。
図２９に示すように流路形成体１２にパワーモジュール３００Ｕ〜３００Ｗおよびコンデンサモジュール５００を配置したならば、図８に示すようにコンデンサモジュール５００の上方にバスバーアッセンブリ８００を固定し、端子の溶接作業を行う。本実施の形態では、コの字形状に配置されたパワーモジュール３００Ｕ〜３００Ｗの端子に接続されるバスバー８０２Ｕ〜８０２Ｗを、各接続部から離れるようにコンデンサモジュール５００の上方に引き回し、流路形成体１２の側面１２ｄ側から引き出すようにしている。そのため、バスバーがパワーモジュールを跨ぐようなことが無く、十分な絶縁性を確保しつつバスバー８０２Ｕ〜８０２Ｗを一箇所、すなわち、交流インターフェイス１８５が取り付けられるハウジング１０の開口１０ａの領域（図５参照）に集約することができる。
このようなバスバー構造とすることで、熱が発生して温度の上昇しやすい交流コネクタ部からパワーモジュール３００Ｕ〜３００Ｗを遠ざけることができ、バスバー８０２Ｕ〜８０２Ｗを介してパワーモジュール３００Ｕ〜３００Ｗに伝熱されるのを抑制することができる。また、流路１９の上方を避けるようにバスバー８０２Ｕ〜８０２Ｗを配置することにより、流路１９からの漏水が発生した場合でも、漏水に起因する漏電の可能性を低くすることができる。
また、バスバーアッセンブリ８００を冷却水が流れる流路形成体１２に固定する構造としたので、バスバーアッセンブリ８００の温度上昇を抑えることができるのみならず、バスバーアッセンブリ８００に保持された電流センサ１８０の温度上昇を抑えることができる。電流センサ１８０に設けられたセンサ素子は熱に弱い特性を有しており、上記のような構造とすることにより電流センサ１８０の信頼性を向上させることができる。
図８に示すようにバスバーアッセンブリ８００を流路形成体１２に固定して端子溶接作業を行った後に、図６に示すように、バスバーアッセンブリ８００の保持部材８０３に形成された支持部材８０７ａに、ドライバ回路基板２２を固定する。車両に搭載される電力変換装置２００は、車両からの振動の影響を受けやすい。そのため、保持部材８０３に形成された複数の支持部材８０７ａによって、ドライバ回路基板２２の周辺部だけでなく中央部付近も支持する構成とし、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。
例えば、支持部材８０７ａによってドライバ回路基板２２の中央部を支持することで、ドライバ回路基板２２の共振周波数を車両側から伝達されてくる振動の周波数より高くすることができ、ドライバ回路基板２２への振動の影響を低減できる。なお、ドライバ回路基板２２は、支持部材８０７ａにネジ止めされる。
ドライバ回路基板２２をバスバーアッセンブリ８００の上方に固定した後に、図６に示すようにハウジング１０を流路形成体１２にボルト固定し、さらに、ハウジング１０の上部収納空間と下部収納空間とを区画する隔壁１０ｃ上に制御回路基板２０を固定する。下部収納空間のドライバ回路基板２２と上部収納空間の制御回路基板２０とは、図７に示したようにフラットケーブル２３によって接続される。前述したように、隔壁１０ｃには、フラットケーブル２３を下部収納空間から上部収納空間に引き出すためのスリット状開口１０ｄが形成されている。
パワーモジュール３００Ｕ〜３００Ｗは、流路形成体１２の３つの側面１２ｂ，１２ａ，１２ｃに沿ってコの字形状に配置されているため、ドライバ回路基板２２に接続される各パワーモジュール３００Ｕ〜３００Ｗからの制御端子も、図６に示すようにドライバ回路基板２２の側面１２ｂ，１２ａ，１２ｃに対応する辺に沿ってコの字形状に並んでいる。パワーモジュール３００Ｕ〜３００Ｗを駆動制御するための制御信号は高電圧であり、一方、電流センサ１８０のセンサ信号やフラットケーブル２３による信号は低電圧である。そして、低電圧系に対する高電圧系のノイズの影響を低減するために、高電圧系の配線と低電圧系の配線とを離して配置するのが好ましい。
本実施の形態では、パワーモジュール３００Ｕ〜３００Ｗを側面１２ｂ，１２ａ，１２ｃに沿ってコの字形状に配置しているため、ドライバ回路基板２２上の側面１２ｄに対応する辺付近の領域を、制御端子から離れているスペースとして利用することができる。本実施形態では、電流センサ１８０の検出対象であるバスバー８０２Ｕ〜８０２Ｗを側面１２ｄ側に集約しているため、電流センサ１８０が側面１２ｄの近傍に平行に配置される。そのため、信号端子１８２ａは上述したドライバ回路基板２２の側面１２ｄに対応する辺付近の領域に配置され、高電圧系の制御端子から十分な距離を保つことができる。なお、ドライバ回路基板２２において、フラットケーブル２３はドライバ回路基板２２の側面１２ｃに対応する辺に配置されるが、制御端子からの影響が少なくなるように、制御端子から離れた側面１２ｄ近傍の基板上に接続されている。これにより、ドライバ回路基板２２上において、低電圧信号用のパターンと高電圧信号用のパターンとを容易に分離させることができる。
また、低電圧系の制御回路基板２０を、隔壁１０ｃで分離した上部収納空間に配置すると共に、フラットケーブル２３を細長いスリット状の開口１０ｄを介して下部収納空間から引き込むことにより、制御回路基板２０へのノイズの影響を低減している。このように、本実施の形態の電力変換装置２００では、ノイズ対策が十分に図られている。
また、本実施の形態の電力変換装置２００は、流路形成体１２にコンデンサモジュール５００およびパワーモジュール３００Ｕ〜３００Ｗを配置し、バスバーアッセンブリ８００、基板等の必要な部品を固定する作業を下から順に行えるように構成となっているため、生産性と信頼性が向上する。
図３２は電力変換装置２００の断面を示す図であり、電力変換装置２００を配管１３，１４方向から見た断面図である。流路形成体１２に形成された開口４０２ａ〜４０２ｃは、パワーモジュール３００Ｕ〜３００Ｗのモジュールケース３０４に設けられたフランジ３０４ｂによって塞がれる。なお、図示は省略したが、フランジ３０４ｂと流路形成体１２との間にはシール材が設けられ、気密性が確保されている。パワーモジュール３００Ｕ〜３００Ｗは、放熱用のフィン３０５が設けられた放熱面領域が流路１９内に配置され、フィン３０５が設けられていない下端部分は、下カバー４２０に形成された凸部４０６の内側窪みの内部に収納されている。これにより、フィン３０５が形成されていない空間に冷却水が流れ込むのを、防止することができる。本実施の形態の電力変換装置２００では、図３２に示すように比較的に重量の重いコンデンサモジュール５００を電力変換装置２００の下部中央に配置しているため、電力変換装置２００の重心バランスが良く、振動が加わった際に電力変換装置２００が暴れ難い。
図３３は、本実施の形態の電力変換装置２００を車両に搭載した場合の配置を説明する図である。図３３は、エンジンルーム１０００内における配置を示したものであり、同一図内においてＡ〜Ｃの３つのレイアウトパターンについて示した。図示下側は車両前方に対応しており、エンジンルーム１０００の前方側にはラジエータ１００１が配置されている。ラジエータ１００１の後方には、モータジェネレータＭＧ１を内蔵するトランスミッションＴＭが配置されている。また、信号用のコネクタ２１は、エンジンルーム１０００内の車両信号ハーネスに接続される。なお、図３３ではバッテリ１３６は図示されていないが、バッテリ１３６は重量物であるため一般的に車両中央付近、すなわちエンジンルーム１０００よりも車両後方に配置される。
電力変換装置２００と車両側との接続については、冷却水に関する配管１３，１４、モータジェネレータＭＧ１へ交流電力を供給するための交流コネクタ１８７、および車両側に設けられた上位制御回路に接続される通信用コネクタ２１の配置が関係してくる。本実施の形態では、流路形成体１２の側面１２ｄの側に交流コネクタ１８７および配管１３，１４を配置し、側面１２ｂに信号用コネクタ２１を配置し、側面１２ｃに直流コネクタ１３８を配置するようにした。また、交流コネクタ１８７から引き出される交流配線１８７ａは、配管１３，１４の間を通って電力変換装置２００の下側に引き出されている。同様に、直流コネクタ１３８の直流配線１３８ａも電力変換装置２００の下側に引き出されている。
図３３のレイアウトパターンＡ〜Ｃのいずれの場合も、電力変換装置２００はトランスミッションＴＭよりも上方に配置される。また、流路形成体１２の流路１９にはラジエータ１００１の冷却水が供給される。そのため、電力変換装置２００の配置を考える際には、冷却配管および交流配線１８７ａの作業性を考慮すると、配管１３，１４および交流コネクタ１８７が設けられている側面１２ｄを、ラジエータ１００１またはトランスミッションＴＭの方向に向けて配置するのが好ましい。さらに、直流電源であるバッテリ１３６はエンジンルーム１０００よりも後方に設けられているので、直流配線１３８ａの引き回しを考慮すると、直流コネクタ１３８が装着される側面１２ｃを後方に向けて配置するのが好ましい。
電力変換装置２００をエンジンルーム１０００内に配置する場合、図３３に示す３つのレイアウトパターンＡ〜Ｃが考えられる。そして、上述したラジエータ１００１，バッテリ１３６およびトランスミッションＴＭとの接続関係を考慮すると、レイアウトパターンＡでは側面１２ｄをトランスミッションＴＭの方向に向けて配置するのが良く、レイアウトパターンＢ，Ｃでは、側面１２ｄをラジエータ１００１の方向に向けて配置するのが良い。
レイアウトパターンＡでは、直流コネクタ１３８、交流コネクタ１８７および信号用コネクタ２１は配線レイアウトの点で好ましい方向に向いている。また、配管１３，１４はトランスミッションＴＭの方向を向いているので、冷却配管をラジエータ１００１の方向に曲げる必要があるが、交流配線１８７ａが交流コネクタ１８７から下方に引き出されているので、冷却配管と交流配線１８７ａとの干渉を避けることができ、作業性の悪化も防止できる。
レイアウトパターンＢの場合には、配管１３，１４、交流コネクタ１８７および信号用コネクタ２１は好ましい方向に向いている。また、直流コネクタ１３８は車両側方を向いているが、直流コネクタ１３８から下方に引き出された直流配線１３８ａを後方に引き回すだけで良いので、作業性の低下は避けられる。
レイアウトパターンＣの場合には、冷却配管のレイアウトを優先し、側面１２ｄをラジエータ１００１の方向に向けて配置されている。この場合、交流配線１８７ａをトランスミッションＴＭの方向に引き回すが、交流配線１８７ａは配管１３，１４の間を通って下方に引き出されているので、交流配線１８７ａと冷却配管とが干渉するようなことはない。そのため、配管作業および配線作業に支障が出ることはない。
このように、本実施の形態の電力変換装置２００では、配管１３，１４、直流コネクタ１３８、交流コネクタ１８７および信号用コネクタ２１の配置が、エンジンルーム１０００に配置する上で好ましい配置となっている。そのため、レイアウトパターンＡ〜Ｃのように種々の状況に対応でき、車載性に優れた電力変換装置２００を提供することができる。
なお、上述した実施の形態では、パワーモジュール３００Ｕ〜３００Ｗは、パワー半導体素子を導体板で挟持したユニットを、フィン３０５が形成された放熱面を表裏両面に有するモジュールケース３０４に収納した構成となっている。そのため、パワーモジュール３００Ｕ〜３００Ｗを流路１９に設ける際には、流路の中央に配置するようにした。しかし、パワーモジュールの配置方法は上述したものに限らず種々の配置が可能である。
図３４および図３５に示す例は、モジュールケースの片面のみが放熱面を構成するパワーモジュールの場合の配置方法を示したものである。パワーモジュール３０１Ｕ〜３０１Ｗは上述したパワーモジュール３００Ｕ〜３００Ｗに対応するものであり、扁平状のパワーモジュールの片面のみに放熱用のフィン３０５が形成されている。
図３４の場合には、流路区間１９ａ〜１９ｃの内周面、すなわちコンデンサモジュール５００を囲む壁面に密着するように配置されている。冷却水はフィン３０５が形成されている放熱面に沿って流れる。一方、図３５に示す例では、図３４の場合とは逆に、流路区間１９ａ〜１９ｃの外周面に密着するように配置されている。
なお、図３４，３５ではパワーモジュール３０１Ｕ〜３０１Ｗの全体を流路１９内に配置したが、図３６のように放熱面のみを流路１９内に露出するように配置するようにしても良い。図３６に示す例では、放熱板３０１０上にパワー半導体素子が設けられ、その放熱板３０１０の裏面側にフィン３０５が形成されるような構成となっているが、図３４，３５に示すようにケーシングで覆われた構成でも同じように配置することができる。
以上説明した実施の形態によれば、次の作用効果を奏する。
（１）パワーモジュール３００Ｕは、インバータ回路１４０の上下アームを構成するパワー半導体素子であるＩＧＢＴ３２８，３３０およびダイオード１５６，１６６と、多面体形状を有し、ＩＧＢＴ３２８，３３０およびダイオード１５６，１６６を封止する第一封止樹脂３４８と、これらパワー半導体素子のいずれかと接続され、第一封止樹脂３４８からそれぞれ突出する正極側端子（直流正極配線３１５Ａ、素子側直流正極接続端子３１５Ｄ）および負極側端子（直流負極配線３１９Ａ、素子側直流負極接続端子３１９Ｄ）と、これらの少なくとも一部を封止する第二封止樹脂３５１と、第一封止樹脂３４８で封止されたＩＧＢＴ３２８，３３０およびダイオード１５６，１６６を収納するモジュールケース３０４と、を備える。このパワーモジュール３００Ｕにおいて、正極側端子および負極側端子は、第一封止樹脂３４８から突出する部分が第一封止樹脂３４８の一つの面に沿って一列に並べられ、さらに、第二封止樹脂３５１から積層状態で突出しておりかつモジュールケース３０４の外に延出している構成とした。これにより、第一封止樹脂３４８によるパワー半導体素子の封止時に行う型締めの際に、パワー半導体素子と正極側端子および負極側端子との接続部分への過大な応力や金型の隙間が生じるのを防ぐことができる。
（２）パワーモジュール３００Ｕは、インバータ回路１４０の上アームおよび下アーム用のＩＧＢＴ３２８，３３０およびダイオード１５６，１６６の直列回路１５０と、直列回路１５０を封止する第一封止樹脂３４８と、第一封止樹脂３４８から突出しており、直列回路１５０に直流電力を供給するための素子側直流正極接続端子３１５Ｄおよび素子側直流負極接続端子３１９Ｄと、素子側直流正極接続端子３１５Ｄおよび素子側直流負極接続端子３１９Ｄに接続された積層構造の直流正極配線３１５Ａ（直流正極端子３１５Ｂ、補助モジュール側直流正極接続端子３１５Ｃ）および直流負極配線３１９Ａ（直流負極端子３１９Ｂ、補助モジュール側直流負極接続端子３１９Ｃ）と、これらの接続部３７０を封止する第二封止樹脂３５１と、第一封止樹脂３４８で封止された直列回路１５０と素子側直流正極接続端子３１５Ｄおよび素子側直流負極接続端子３１９Ｄとを収納するモジュールケース３０４と、を備える。このパワーモジュール３００Ｕにおいて、直流正極配線３１５Ａおよび直流負極配線３１９Ａがモジュールケース３０４の外に延出する構造を成しており、また、各層の直流正極配線３１５Ａおよび直流負極配線３１９Ａを流れる電流により互いに相殺し合う方向の磁束を発生するようにした。これにより、低インダクタンス化を図ることができる。
（３）モジュールケース３０４は電気伝導性を有する部材で形成され、素子側直流正極接続端子３１５Ｄおよび素子側直流負極接続端子３１９Ｄに接続された直列回路１５０を流れるリカバリ電流３６０によりモジュールケース３０４に渦電流３６１が誘起されるようにした。これにより、リカバリ電流３６０が流れる際のループ形状経路における配線インダクタンス３６３を低減することができる。
（４）モジュールケース３０４は、その外側に放熱用のフィン３０５を有する第１放熱面３０７Ａおよび第２放熱面３０７Ｂが形成されている。このモジュールケース３０４の内側に第１放熱面３０７Ａおよび第２放熱面３０７Ｂに対向するようにして、第一封止樹脂３４８で封止された直列回路１５０を構成するＩＧＢＴ３２８，３３０およびダイオード１５６，１６６が配置されるようにした。これにより、ＩＧＢＴ３２８，３３０およびダイオード１５６，１６６の放熱を効率的に行うことができる。
（５）パワーモジュール３００Ｕは、ドライバ回路１７４から出力されるＩＧＢＴ３２８，３３０の駆動信号を伝達する素子側信号接続端子３２７Ｕ，３２７Ｌと、素子側信号接続端子３２７Ｕ，３２７Ｌと金属接合により接続される信号配線３２４Ｕ，３２４Ｌと、をさらに備える。このパワーモジュール３００Ｕにおいて、第二封止樹脂３５１は、素子側信号接続端子３２７Ｕ，３２７Ｌと信号配線３２４Ｕ，３２４Ｌとの接続部３７０をさらに封止する。このようにして、各配線および端子の接続部３７０をまとめて封止するようにしたので、製造工程を単純化して生産性を向上させることができる。
（６）素子側信号接続端子３２７Ｕ，３２７Ｌと、素子側直流正極接続端子３１５Ｄおよび素子側直流負極接続端子３１９Ｄとは、第一封止樹脂３４８から同一方向にそれぞれ突出しており、これらの各端部は同一方向にそれぞれ折り曲げられる。こうして折り曲げられた各端部が、それぞれ信号配線３２４Ｕ，３２４Ｌまたは直流正極配線３１５Ａ、直流負極配線３１９Ａと金属接合されるようにした。これにより、金属接合時の作業を容易化して生産性を向上すると共に、金属接合の信頼性を向上することができる。
（７）素子側信号接続端子３２７Ｕ，３２７Ｌと、素子側直流正極接続端子３１５Ｄおよび素子側直流負極接続端子３１９Ｄとは、第一封止樹脂３４８から突出する部分が一列に配置されるようにした。これにより、第一封止樹脂３４８による封止を容易化することができる。
（８）パワーモジュール３００Ｕは、第一封止樹脂３４８から突出しており、直列回路１５０により直流電力から変換された交流電力を出力するための素子側交流接続端子３２０Ｄと、素子側交流接続端子３２０Ｄと金属接合により接続される交流配線３２０Ａ（交流端子３２０Ｂ、補助モジュール側交流接続端子３２０Ｃ）と、をさらに備える。このパワーモジュール３００Ｕにおいて、第二封止樹脂３５１は、素子側交流接続端子３２０Ｄと交流配線３２０Ａとの接続部３７０をさらに封止する。このようにしたので、製造工程をさらに単純化して生産性を向上させることができる。
（９）モジュールケース３０４は、挿入口３０６が形成された一つの開口面を有している。そして、接続部３７０は開口面よりもモジュールケース３０４の内側に配置され、直流正極配線３１５Ａおよび直流負極配線３１９Ａは開口面からモジュールケース３０４の外に延出するような構造とした。これにより、接続部３７０をモジュールケース３０４によって保護することができる。
（１０）パワーモジュール３００Ｕは、直流正極配線３１５Ａおよび直流負極配線３１９Ａを支持する配線絶縁部６０８をさらに備え、この配線絶縁部６０８はモジュールケース３０４に固定されるようにした。これにより、パワーモジュール３００Ｕをインバータ回路１４０に組み込んで直流正極配線３１５Ａおよび直流負極配線３１９Ａを他の装置と接続する際に生じる応力から接続部３７０を保護することができる。
（１１）第二封止樹脂３５１は、モジュールケース３０４の内側と第一封止樹脂３４８との間の空間に充填されるようにした。これにより、モジュール一次封止体３０２をモジュールケース３０４内に確実に固定することができる。
（１２）パワーモジュール３００Ｕは、インバータ回路１４０の上下アームをそれぞれ構成し、制御電極３２８Ａ，３３０Ａをそれぞれ有するＩＧＢＴ３２８，３３０と、ＩＧＢＴ３２８，３３０が有する制御電極３２８Ａ，３３０Ａとそれぞれ接続される素子側信号接続端子３２７Ｕ，３２７Ｌと、ＩＧＢＴ３２８，３３０により構成される直列回路１５０の正極側および負極側とそれぞれ接続され、直列回路１５０に直流電力を供給する素子側直流正極接続端子３１５Ｄおよび素子側直流負極接続端子３１９Ｄと、直列回路１５０により直流電力から変換された交流電力を出力するための素子側交流接続端子３２０Ｄと、を備える。このパワーモジュール３００Ｕにおいて、素子側信号接続端子３２７Ｕ、素子側信号接続端子３２７Ｌ、素子側直流正極接続端子３１５Ｄ、素子側直流負極接続端子３１９Ｄおよび素子側交流接続端子３２０Ｄの各端子は、一列に並べて配置されている。また、ＩＧＢＴ３２８，３３０が有する制御電極３２８Ａ，３３０Ａは、各端子の配列方向に直交する中心線３７６，３７７に対していずれか一方に偏った位置にそれぞれ配置されている。さらに、素子側信号接続端子３２７Ｕ，３２７Ｌは、ＩＧＢＴ３２８，３３０において制御電極３２８Ａ，３３０Ａが配置されている一方側にそれぞれ配置されており、素子側直流正極接続端子３１５Ｄは、ＩＧＢＴ３２８において制御電極３２８Ａが配置されていない他方側に配置されており、素子側交流接続端子３２０Ｄは、ＩＧＢＴ３３０において制御電極３３０Ａが配置されていない他方側に配置されており、素子側直流負極接続端子３１９Ｄは、素子側交流接続端子３２０Ｄと素子側信号接続端子３２７Ｌの間に配置されていることとした。これにより、制御電極３２８Ａ，３３０Ａと素子側信号接続端子３２７Ｕ，３２７Ｌとをそれぞれ接続するボンディングワイヤ３７１の長さを最小化し、接続の信頼性を向上することができる。また、各端子を集約化してモジュール一次封止体３０２、ひいてはパワーモジュール３００Ｕの小型化を図ることができる。
以上の説明はあくまで一例であり、本発明は上記実施形態の構成に何ら限定されるものではない。
１５０：直列回路、１５６，１６６：ダイオード、３００Ｕ：パワーモジュール、３０２：モジュール一次封止体、３０４：モジュールケース、３０５：フィン、３１５Ａ：直流正極配線、３１５Ｂ：直流正極端子、３１５Ｃ：補助モジュール側直流正極接続端子、３１５Ｄ：素子側直流正極接続端子、３１９Ａ：直流負極配線、３１９Ｂ：直流負極端子、３１９Ｃ：補助モジュール側直流負極接続端子、３１９Ｄ：素子側直流負極接続端子、３２０Ａ：交流配線、３２０Ｂ：交流端子、３２０Ｃ：補助モジュール側交流接続端子、３２０Ｄ：素子側交流接続端子、３２４Ｕ，３２４Ｌ：信号配線、３２５Ｕ，３２５Ｌ：信号端子、３２６Ｕ，３２６Ｌ：補助モジュール側信号接続端子、３２７Ｕ，３２７Ｌ：素子側信号接続端子、３２８，３３０：ＩＧＢＴ、３４８：第一封止樹脂、３５１：第二封止樹脂、３７０：接続部、６００：補助モールド体、６０８：配線絶縁部

Claims (11)

  1. インバータ回路の上下アームを構成する複数のパワー半導体素子と、
    多面体形状を有し、前記複数のパワー半導体素子を封止する第１封止部材と、
    前記複数のパワー半導体素子のいずれかと接続され、前記第１封止部材から突出する正極側端子と、
    前記複数のパワー半導体素子のいずれかと接続され、前記第１封止部材から突出する負極側端子と、
    前記正極側端子の少なくとも一部及び前記負極側端子の少なくとも一部を封止する第２封止部材と、
    前記第１封止部材で封止された前記パワー半導体素子を収納するケースと、を備え、
    前記正極側端子及び前記負極側端子は、前記第１封止部材から突出する部分が前記第１封止部材の一つの面に沿って一列に並べられ、
    さらに、前記正極側端子及び前記負極側端子は、前記第２封止部材から積層状態で突出しておりかつ前記ケースの外に延出していることを特徴とするパワー半導体装置。
  2. 請求項１に記載のパワー半導体装置において、
    前記正極側端子及び前記負極側端子の各層を流れる電流により互いに相殺し合う方向の磁束を発生することを特徴とするパワー半導体装置。
  3. 請求項１または２に記載のパワー半導体装置において、
    前記ケースは、電気伝導性を有する部材で形成され、
    前記上下アームの直列回路を流れる電流により前記ケースに渦電流が誘起されることを特徴とするパワー半導体装置。
  4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載のパワー半導体装置において、
    前記ケースは、その外側に放熱用のフィンを有する放熱面が形成され、
    前記ケースの内側に前記放熱面に対向するようにして、前記第１封止部材で封止された前記複数のパワー半導体素子が配置されることを特徴とするパワー半導体装置。
  5. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載のパワー半導体装置において、
    前記パワー半導体素子の駆動信号を伝達する信号接続端子と、
    前記信号接続端子と金属接合により接続される信号配線と、をさらに備え、
    前記正極側端子は、前記上下アームの直列回路に直流電力を供給するための直流正極接続端子と、前記直流正極接続端子と金属接合により接続される直流正極配線と、を含み、
    前記負極側端子は、前記上下アームの直列回路に直流電力を供給するための直流負極接続端子と、前記直流負極接続端子と金属接合により接続される直流負極配線と、を含み、
    前記第２封止部材は、前記信号接続端子と前記信号配線との接続部、前記直流正極接続端子と前記直流正極配線との接続部、及び前記直流負極接続端子と前記直流負極配線との接続部を封止することを特徴とするパワー半導体装置。
  6. 請求項５に記載のパワー半導体装置において、
    前記信号接続端子、前記直流正極接続端子及び前記直流負極接続端子は、前記第１封止部材から同一方向にそれぞれ突出し、
    前記信号接続端子、前記直流正極接続端子及び前記直流負極接続端子のそれぞれの端部は、同一方向にそれぞれ折り曲げられ、
    前記信号接続端子、前記直流正極接続端子及び前記直流負極接続端子の折り曲げられた端部が、それぞれ前記信号配線、前記直流正極配線または前記直流負極配線と金属接続されることを特徴とするパワー半導体装置。
  7. 請求項５または６に記載のパワー半導体装置において、
    前記信号接続端子、前記直流正極接続端子及び前記直流負極接続端子は、前記第１封止部材から突出する部分が一列に配置されることを特徴とするパワー半導体装置。
  8. 請求項１乃至７のいずれか一項に記載のパワー半導体装置において、
    前記第１封止部材から突出しており、前記上下アームの直列回路により直流電力から変換された交流電力を出力するための交流接続端子と、
    前記交流接続端子と金属接合により接続される交流配線と、をさらに備え、
    前記第２封止部材は、前記交流接続端子と前記交流配線との接続部をさらに封止することを特徴とするパワー半導体装置。
  9. 請求項５乃至７のいずれか一項に記載のパワー半導体装置において、
    前記ケースは、一つの開口面を有しており、
    前記直流正極接続端子と前記直流正極配線との接続部、及び前記直流負極接続端子と前記直流負極配線との接続部は、前記開口面よりも前記ケースの内側に配置され、
    前記直流正極配線及び前記直流負極配線は、前記開口面から前記ケースの外に延出することを特徴とするパワー半導体装置。
  10. 請求項５乃至７、９のいずれか一項に記載のパワー半導体装置において、
    前記直流正極配線及び前記直流負極配線を支持する支持部材をさらに備え、
    前記支持部材は、前記ケースに固定されることを特徴とするパワー半導体装置。
  11. 請求項１乃至１０のいずれか一項に記載のパワー半導体装置において、
    前記第２封止部材は、前記ケースの内側と前記第１封止部材との間の空間に充填されることを特徴とするパワー半導体装置。
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