JP5851372B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

電気自動車あるいはハイブリッド自動車においては、搭載される部品の小型化や低コスト化が重要視されている。バッテリの直流電流をモータの交流電流に変換する電力変換装置も例外ではなく、小型化や低コスト化が求められおり、その結果発熱密度が大きくなるため冷却性能を向上させる必要がある。

電力変換装置を構成する電子部品の中でも最も発熱量が大きいものはパワー半導体モジュールである。そのパワー半導体モジュールの冷却性能を向上させるためには、熱抵抗の大きなグリースを取り除き、かつ半導体素子の両面から放熱する両面冷却構造（特許文献１〜３）が有効である。

ＵＳ８０９４４５４Ｂ２号 特開２０１０-１１０１４３号 特開２００６-２０２８９９号

しかしながら、グリースを用いないようヒートシンクをパワー半導体モジュールと一体化させ、さらに両面実装するためには、２つのシール上の課題がある。１つは、モジュール内部への冷媒の侵入、もう１つはモジュール外部への冷媒の流出である。

上記文献１は、完全に分けた２つのヒートシンクを樹脂モールドのみで接合させる構造であり、２つのヒートシンクの間の隙間から内部樹脂への冷媒の侵入が問題となる。樹脂材は、その高分子構造が理由で冷媒を素子まで通過させてしまうため、エチレングリコールやプロピレングリコールなど導電性の冷媒を用いることが困難である。また絶縁性の油や不活性冷媒を用いたとしても樹脂が膨潤/変質することにより、接合部の強度が低減してしまう問題がある。

また上記１〜３文献のモジュール外部への冷媒の流出させないためのシール構造にもそれぞれ課題がある。図１は各文献に示す従来技術のシール構造を模式的に示した断面図である。図１(ａ)は文献１に相当する構造であり、半導体素子１０を２つのヒートシンク（３ａ、３ｂ）で挟み、さらに全体を保持するリング状の部材２からなるパワー半導体モジュールが、流路を構成する筐体４の開口部に挿入され、第一のカバー５と第二のカバー６を上記ヒートシンク３にあるシール材１を介して固定することによって高いシール性を実現している。図１(ｂ)は文献２に相当する構造であり、左右のヒートシンク（７ａ、７ｂ）を一体化させ、半導体素子１０内部への冷媒の侵入を防止した構造であり、さらに一体化されたフランジ部７ｃ下面と筐体４の間にシール材を入れることにより、高いシール性を実現している。図１(ｃ)は文献３に相当する構造であり、一体化されたフランジ部７ｃ上面とカバー５の間にシール材を入れることにより、高いシール性を実現している。

なお、図１(ａ)の構造は紙面奥行き方向に複数のパワー半導体モジュールを直列に配置しており、いずれの公知技術も複数のパワー半導体モジュールをシールすることを想定している。複数のパワー半導体モジュールをシールする際は、パワー半導体モジュール製造バラツキにより、いくつか課題が生じる。図１(ａ’)では、特定のパワー半導体モジュールのみ上下方向の寸法が小さい場合を示しており、矢印１１で示すような液漏れが生じる可能性がある。図１(ｂ’)では、中央のパワー半導体モジュールのみ上下方向の寸法が小さい場合を示しており、本来冷却のために流したいヒートシンク周辺だけでなく、パワー半導体モジュール下部にバイパス流が発生し、冷却性能が低減してしまう可能性がある。また、フランジ部７ｃが大きいため、複数のパワー半導体モジュールを並列実装する場合は、小型化に課題がある。図１(ｃ’)では、中央のモジュールのみ上下方向の寸法が小さい場合を示しており、矢印１３に示すようなバイパス流が発生し、パワー半導体モジュールの冷却性能が十分に発揮できないという問題がある。

さらに、これら公知例はいずれも、ボルト締結もしくは溶接などの方法で密閉し、シール材を潰すことによってシール信頼性を確保しているため、シール材にかかる押し付け力が重要となる。よってボルト締結する場合は、パワー半導体モジュール直近のボルト周囲が流路に干渉する問題や、必要ボルト本数が多くなってしまい組立て性が悪い問題がある。またボルト締結の代わりに、溶接をする場合は、溶接熱によりパワー半導体モジュールへのダメージを軽減するために、構造が複雑化/大型化してしまう問題がある。

本発明に係る電力変換装置は、半導体素子のスイッチング動作によって電力を直流から交流に、交流から直流に変換する電力変換装置に適用される。そして、パワー半導体素子と、直流電流を伝達する導体板と、前記導体板と電気的に接続される主端子と、パワー半導体素子と前記導体板を収納するケースとを有するパワー半導体モジュールと、前記パワー半導体モジュールを収納する流路形成体と、パワー半導体モジュールを固定するカバーとを備え、前記カバーは、凹部と、前記凹部の底面部に形成された開口と、を形成し、前記ケースは、前記主端子が貫通する貫通孔を形成され、さらに前記ケースは、前記貫通孔が前記開口と対向するように前記凹部に固定され、前記ケースの側壁と前記凹部の側壁との間は、気密構造となるように形成される。

本発明によれば、両面冷却構造を有するパワー半導体モジュールの内部への冷媒の侵入やモジュール外部への冷媒の流出を防止できるため、高い冷却性能と気密性を両立できる。

各文献に示す従来技術のシール構造を模式的に示した断面図。 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、１４２の電気回路構成図。 電力変換装置２００の斜視図。 電力変換装置２００の分解斜視図。 昇圧後の電圧が供給される回路２０１モジュールの分解斜視図。 パワー半導体モジュールの斜視図および断面図。 流路構成部材一式。 図４のＣ-Ｃ’断面図。

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２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、モータジェネレータＭＧ２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およびモータジェネレータＭＧ２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あるいはモータジェネレータＭＧ２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、ＭＧ２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、ＭＧ２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の出力側及びモータジェネレータＭＧ２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ＤＩＦ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。また高電圧用のバッテリ１３６の蓄電している電力が少なくなった場合に、エンジンＥＧＮが発生する回転エネルギーをモータジェネレータＭＧ２により交流電力に変換し、次に交流電力を電力変換装置２００により直流電力に変換し、バッテリ１３６を充電することができる。エンジンＥＧＮからモータジェネレータＭＧ２への機械エネルギーの伝達は動力分配機構ＴＳＭによって行われる。

次に電力変換装置２００について説明する。昇圧回路６００、インバータ回路１４０、１４２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いる。バッテリ１３６の電圧は、昇圧回路６００にて高くされる。昇圧後の電圧が供給される回路２０１は、インバータ回路１４０、１４２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。

同様にモータジェネレータＭＧ２をモータとして動作させる場合には、インバータ回路１４２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１５９を介してモータジェネレータＭＧ２に供給する。モータジェネレータＭＧ２とインバータ回路１４２からなる構成は第２電動発電ユニットとして動作する。

第１電動発電ユニットと第２電動発電ユニットは、運転状態に応じて両方をモータとしてあるいは発電機として運転する場合、あるいはこれらを使い分けて運転する場合がある。また片方を運転しないで、停止することも可能である。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２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１４
０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からの指令に基づいて制御回路１７２でモータジェネレータＭＧ１やモータジェネレータＭＧ２、補機用のモータの制御量を演算し、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や補機用モジュールのドライバ回路へ供給する。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、１４２を制御するための駆動パルスを発生する。

次に、図３を用いて昇圧後の電圧が供給される回路２０１において、インバータ回路１４０、１４２の電気回路の構成を説明する。なお、２つのインバータ回路１４０、１４２は回路構成も動作も極めて類似しており、１つのモータジェネレータＭＧ１のみでモータとしても発電機としても動作させる制御方法もあるため、以下ではインバータ回路１４０を主として説明する。また、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。

上アームのＩＧＢＴ３２８及びダイオード１５６と、下アームのＩＧＢＴ３３０及びダイオード１６６とで、上下アーム直列回路１５０が構成される。インバータ回路１４０は、この上下アーム直列回路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交流バスバ８０２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を構成する各相の上下アーム直列回路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、各相の上下アーム直列回路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。

上アームの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、下アームの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。上アームのダイオード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、複数の正極側のコンデンサ端子５０６と複数の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やインバータ回路１４２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、上下アーム直列回路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、上下アーム直列回路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。

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。

以下、図４〜図９を用いて、本実施形態における電力変換装置２００について説明する。電力変換装置２００では、１つのモータジェネレータＭＧ１のみでモータとしても発電機としても動作させる例、つまりインバータ回路１４０は１つのみの例として説明するが、図１及び図２に示したように、インバータ回路１４２を付け足すことも可能である。

図４は、電力変換装置２００の斜視図である。電力変換装置２００は、筐体２０を備える。筐体２０の上面には、筐体上フタ２１が載置される。筐体２０の下面には、筐体下フタ２２が載置される。筐体上フタ２１及び筐体下フタ２２は、ネジにより筐体２０に固定される。

筐体２０の側面には、筐体開口部２０ａが形成される。筐体開口部２０ａは、パワー半導体モジュールの端子を外部と接続するために形成される。また、筐体２０の側面には、別の開口部が形成され、当該開口部からは交流バスバ８０２が突出している。また、筐体２０の側面であって、筐体開口部２０ａが形成される面と対向する面には、開口部２０ｅが形成される（図５参照）。また、筐体２０には、冷媒入口配管３０ａ及び冷媒出口配管３０ｂ（図７参照）が配設される。

本実施形態の電力変換装置２００の構造は、平面視の形状を略長方形としたことで、車両やモータジェネレータへの取り付けが容易となる効果がある。

図５は、電力変換装置２００の分解斜視図である。電力変換装置２００は、昇圧回路６００と、昇圧後の電圧が供給される回路２０１を備える。筐体２０は、これら昇圧回路６００と昇圧後の電圧が供給される回路２０１を収納する。また、後述するが、冷媒が流れる流路が筐体２０に一体に形成されている。当該流路を挟んで筐体上フタ２１側には昇圧後の電圧が供給される回路２０１が配置され、筐体下フタ２２側には昇圧回路６００が配置される。

図６は、図５で示した昇圧後の電圧が供給される回路２０１の分解斜視図である。昇圧後の電圧が供給される回路２０１は、ドライバ回路基板１７４ａと、制御回路基板１７２ａと、コンデンサモジュール５００と、パワー半導体モジュール１５０ａと、を備える。図２のドライバ回路１７４は、ドライバ回路基板１７４ａに実装される。図２の制御回路１７２は、制御回路基板１７２ａに実装される。

制御回路基板１７２ａには、コネクタ１７２ｂが設けられている。コネクタ１７２ｂは、外部の制御装置と接続され、制御回路基板１７２ａに設けられた制御回路１７２と上位の制御装置などの外部の制御装置との間で信号伝送を行う。

ドライバ回路基板１７４ａには、開口部１７４ｂが形成される。開口部１７４ｂは、筐体開口部２０ａと同様に、パワー半導体モジュールの端子を外部と接続するために形成される。

ドライバ回路基板１７４ａは、当該ドライバ回路基板１７４ａの主面が制御回路基板１７２ａの主面と直交するように配置される。ドライバ回路基板１７４ａと制御回路基板１７２ａは、フレキシブルなケーブルで電気的に接続されている。このような構成により、電力変換装置内の限られたスペースに高密度実装が可能となり、電力変換装置全体の小型化ができる。また、フレキシブルなケーブルを用いることにより、耐振動性に優れた電気接続を可能とする。

コンデンサモジュール５００は、直流コネクタ１３８、コンデンサ側正極バスバ１５７ａ、コンデンサ側負極バスバ１５８ａを備える。直流コネクタ１３８は、開口部２０ｅを介して電力変換装置２００外部へ突出する。コンデンサ側正極バスバ１５７ａ及びコンデンサ側負極バスバ１５８ａは、パワー半導体モジュール１５０ａと接続される。本実施形態においては、パワー半導体モジュールは３つ配置されるため、コンデンサ側正極バスバ１５７ａ及びコンデンサ側負極バスバ１５８ａも３組形成される。

昇圧後の電圧が供給される回路モジュール保持部材２３は、ドライバ回路基板１７４ａと、制御回路基板１７２ａと、コンデンサモジュール５００と、パワー半導体モジュール１５０ａと、を搭載するための板状の保持部材である。

昇圧後の電圧が供給される回路モジュール保持部材２３の一方の面上には、パワー半導体モジュール収容部２３ｃが形成される。パワー半導体モジュール収容部２３ｃは、略直方体形状をしている。

パワー半導体モジュール収容部２３ｃの一側面には、モジュール挿入口２３ａが形成される。パワー半導体モジュール１５０ａは、モジュール挿入口２３ａを介して、パワー半導体モジュール収容部２３ｃ内に挿入される。本実施形態のパワー半導体モジュール１５０ａは、図７で後述するが、扁平形状をしている。そのパワー半導体モジュール１５０ａが、昇圧後の電圧が供給される回路モジュール保持部材２３の主面と平行となるように、３つ重ねて配置される。

本実施例では流路を簡素化するために、モジュール挿入口２３ａは大きな一つの開口部としているため、３つのパワー半導体モジュール１５０ａを互いに密接させた状態で挿入する。

また、パワー半導体モジュール収容部２３ｃの内部において、冷媒導入口２３ｂが形成される。冷媒導入口２３ｂは、昇圧後の電圧が供給される回路モジュール保持部材２３を貫通する開口である。図６では図示されていないが、冷媒導入口２３ｂは、パワー半導体モジュール収容部２３ｃの内部に冷媒を導入するための開口及びパワー半導体モジュール収容部２３ｃの外部に冷媒を排出するための開口の２つ形成される。すなわち、パワー半導体モジュール収容部２３ｃは、パワー半導体モジュール１５０ａを冷却するための冷媒流路を形成する。

モジュール挿入口２３ａは、カバー５によりその開口を塞がれる。カバー５には、パワー半導体モジュール１５０ａの端子を貫通させるためのカバー開口部５ａと、突起部５ｂ、凹部５ｃが形成される。

また、パワー半導体モジュール１５０ａには、出力側交流バスバ１５９ａと、電流センサ１８０と、交流バスバ８０２とが一体に形成された部品が接続される。パワー半導体モジュールにより直流から交流に変換された電力は、交流バスバ８０２によって出力される。

コンデンサモジュール５００は、昇圧後の電圧が供給される回路モジュール保持部材２３の面上に配置される。コンデンサモジュール５００は、パワー半導体モジュール収容部２３ｃの側部に配置される。制御回路基板１７２ａは、コンデンサモジュール５００及びパワー半導体モジュール収容部２３ｃを跨るように、これらの上部に配置される。

なお、コンデンサ側の正極バスバ１５７ａと負極バスバ１５８ａは、大電流を流すと発熱するため、パワー半導体モジュール１５０ａに熱が進入しないようにする必要がある。そこで、パワー半導体モジュール固定用のカバー５に突起部５ｂを設け、バスバに熱的に接触させることで、パワー半導体モジュール１５０ａに熱が進入することを抑制できる。カバー５が金属材料の場合は絶縁層を介して熱的に接触させるが、カバーの材質は樹脂のような絶縁材料でも可能である。

上述のように、昇圧後の電圧が供給される回路２０１（パワー半導体モジュール１５０ａやコンデンサモジュール５００など）を全て昇圧後の電圧が供給される回路モジュール保持部材２３上に搭載し、独立したモジュール化することで、昇圧後の電圧が供給される回路２０１を構成するモジュールと昇圧回路６００を構成するモジュールと筐体上フタ２１と筐体下フタ２２を積層構造化できるため、生産し易いという効果がある。

図７は、パワー半導体モジュール１５０ａの斜視図及び断面図である。パワー半導体モジュール１５０ａは、扁平形状の金属ケース４０を有する。金属ケース４０の一方の面にはヒートシンク７ａが、他方の面にはヒートシンク７ｂが金属接合されている。また、金属ケース４０のヒートシンク７ａ及び７ｂには、冷却フィン８が形成される。

また、金属ケース４０は、ヒートシンク７ａ、７ｂを保持する部位４０ａと、シール材保持部４０ｂと、を有する。シール材保持部４０ｂには、例えばシール材としてＯリングを用いる場合は、Ｏリング用の溝加工が施される。また、シール材保持部４０ｂは、Ｏリングを傷つけないようにするために、角を形成せずに曲面を有する。

ここで、ヒートシンク７ａに形成された冷却フィン８の先端から、ヒートシンク７ｂに形成された冷却フィン８の先端までの距離を、ヒートシンク厚さ４５ａと定義する。また、シール材保持部４０ｂの厚さを、シール材保持部厚さ４５ｂと定義する。このとき、シール材保持部厚さ４５ｂは、ヒートシンク厚さ４５ａよりも小さく形成される。

パワー半導体モジュール１５０ａは、図３に示した上下アーム直列回路１５０を金属ケース４０内に収納している。金属ケース４０からは、制御ピン、信号ピン、温度出力ピン等１６０、正極バスバ１５７ａ、負極バスバ１５８ｂ、交流バスバ１５９ｂが突出して形成されている。制御ピン、信号ピン、温度出力ピン等１６０は、ドライバ回路基板１７４ａを介して制御回路基板１７２に接続され、ゲート信号やエミッタセンス信号やパワー半導体内蔵温度センサの情報を入出力する。正極バスバ１５７ａは、コンデンサ側正極バスバ１５７ａと接続される。負極バスバ１５８ｂは、コンデンサ側負極バスバ１５８ａと接続される。交流バスバ１５９ｂは、出力側交流バスバ１５９ａと接続される。上述のように、制御ピン、信号ピン、温度出力ピン等１６０と外部との接続を容易にするために、ドライバ回路基板１７４ａに開口部１７４ｂを形成したり、筐体２０に筐体開口部２０ａを形成したりしている。

金属ケース４０は低コスト化のため、缶形の成形、放熱フィン部７とケーシング部４０ａを鍛造で行い、一体型の容器としてもよい。

図８は、流路構成部材一式の斜視図である。図８（ａ）に示すのは、筐体下フタ２２と昇圧回路６００を取り外した電力変換装置２００を下面側から見た斜視図である。本実施形態の電力変換装置２００では、冷媒入口配管３０ａより流入した冷媒は、図８に示す第１流路２０ｂを流れる。第１流路２０ｂは、筐体２０と一体に形成された筐体内開口部２０ｄを昇圧後の電圧が供給される回路モジュール保持体２３で塞いだ空間により形成される（図９参照）。

続いて冷媒は、パワー半導体モジュール収容部２３ｃの冷媒導入口２３ｂを経由し、パワー半導体モジュール収容部２３ｃ内に導入される。冷媒は、パワー半導体モジュール収容部２３ｃ内でパワー半導体モジュール１５０ａを冷却し、もう一方の冷媒導入口２３ｂを経由してパワー半導体モジュール収容部２３ｃから排出される。その後冷媒は第２流路２０ｃを流れ、冷媒出口配管３０ｂより排出される。

また、第１流路２０ｂ及び第２流路２０ｃを流れる冷媒は、昇圧後の電圧が供給される回路モジュール保持体２３を介して、当該昇圧後の電圧が供給される回路モジュール保持体２３の反対側に配置されているコンデンサモジュール５００も冷却する。

図９は、図４のＣ−Ｃ’断面図である。図９に示すように、冷媒流路を挟んで、一方側には昇圧後の電圧が供給される回路モジュール保持体２３が配置され、他方側には昇圧回路６００が配置される。前述の通り、筐体２０と一体に形成された筐体内開口部２０ｄを昇圧後の電圧が供給される回路モジュール保持体２３で塞ぐことにより、冷媒流路が形成される。つまり本実施形態に係る電力変換装置２００の筐体２０は、パワー半導体モジュールやコンデンサモジュールなどを搭載した昇圧後の電圧が供給される回路モジュール保持体２３を保持する構造部材として機能するだけでなく、これらの部材を冷却するための流路形成体としても機能する。このような構成とすることで、発熱量の大きいパワー半導体モジュール１５０と、コンデンサモジュール５００と、昇圧回路６００を効率良く冷却できる効果もある。

また、ドライバ回路基板１７４ａおよび制御回路基板１７２ａは金属製の筺体２０や昇圧後の電圧が供給される回路モジュール保持部材２３に熱的に接続されており、熱伝導率の高い金属部材を通して流路内の冷却媒体へ熱が逃がされる。

カバー５は、図９に示すように、パワー半導体モジュール１５０ａとの配置に応じて、凹部５ｃが形成されている。そして凹部５ｃの底面部には、開口部５ａが形成されており、当該開口部５ａよりパワー半導体モジュール１５０ａの端子であるモジュール側正極バスバ１５７ｂ及びモジュール側負極バスバ１５８ｂが貫通している。パワー半導体モジュール１５０ａのシール材保持部４０ｂは、カバー５の凹部５ｃの内側壁と気密構造を為している。すなわち、カバー５の凹部５ｃは、パワー半導体モジュール１５０ａのシール材保持部４０ｂと嵌合するように形成される。そしてシール材保持部４０ｂとカバー５の凹部ｃとの間にはシール部材が配置される。したがって、パワー半導体モジュール収容部２３ｃ内を流れる冷媒が、外部へ流出することを防止し、かつパワー半導体モジュール内部へ流入することを防止する。

これにより、例えば、カバー５を筐体にボルト締結する場合、ボルトの押さえつけ力に関係なく側面でシール材が潰れているため、パワー半導体モジュール周囲の流路にボルトを設ける必要がなくなり、ボルト本数が低減する効果を持つ。またパワー半導体モジュール製造バラツキにより上下方向の寸法が小さくなってしまう場合でも、常に側面でシール材が潰れているため、外部への液漏れや内部の局所空間バイパス流発生を抑制できるため、シール信頼性が向上する。カバーに凹部を設けることによって、厚い板の側面でシールすることが避けられる。厚い板を用いる場合は、軽量化が難しく、重心が高くなるため耐震構造としても問題がある。凹部を設けることによって、必要な箇所にのみ剛性を持たせ、軽量化を図ることができる。

また本実施形態では、３つのパワー半導体モジュール１５０ａは、パワー半導体モジュール収容部２３ｃ内において互いに密接して配置される。パワー半導体モジュール１５０ａが積層して配置される冷媒流路内においては、冷媒のバイパス流を防止するために、一のパワー半導体モジュールの冷却フィン８と、別のパワー半導体モジュールの冷却フィン８との間の空間をできるだけ少なくすることが好ましい。

また、カバー５には、パワー半導体モジュール１５０ａに対応して凹部５ｃが形成される。したがって、凹部５ｃは隣接して３つ形成される。互いに隣り合う凹部５ｃ同士は、カバー５の剛性を持たせ気密性を確保するためにも、適当な距離を設ける必要がある。

したがって本実施形態では、図７に示すように、シール材保持部４０ｂは、シール材保持部厚さ４５ｂがヒートシンク厚さ４５ａよりも小さくなるように形成される。これにより、バイパス流防止や気密性確保といった性能を劣化させることなくパワーモジュール収容部２３ｃを小型化することができ、ひいては電力変換装置２００全体の小型化に寄与する。

上述した実施の形態では、ヒートシンク７のフィン形状をピンフィンとしたが、他の形状、例えばストレートフィンやコルゲートフィンであっても良い。

また、上述した実施の形態では、電気自動車やハイブリッド自動車に搭載される車載用の電力変換装置を例に説明したが、パワーモジュールを冷却媒体中に浸す冷却構造の電力変換装置であれば、本発明を同様に適用することができる。

なお、前述の実施例では、３つのパワー半導体モジュール１５０ａを並列に配置しているが、並列配置の代わりに直列に配置することで、４分岐流路を２分岐流路にすることもできる。大きな圧力損失でも許容できるシステムに対しては、分岐数を低減することで、１モジュールあたりに流量が大きくなり、熱伝達率が大きくなるため、冷却性能を向上させることができる。

また、前述の実施例では、３つのパワー半導体モジュール１５０ａを互いに密接させ、隣り合わせた状態で挿入しているが、パワー半導体モジュールとパワー半導体モジュールの間に、パワー半導体モジュール収容空間を形成する保持部材の壁を挟んでも良い。パワー半導体モジュールとパワー半導体モジュールの間に壁を挟むことによって、隣り合うパワー半導体モジュール１５０ａのヒートシンク部の流路を共有する必要がないため、分岐したそれぞれの流路断面積が等しくなり、分岐した各流路の流量配分のバラツキが低減し、均一冷却が容易になる効果がある。

また、前述の実施例では、全ての主端子（正極バスバ１５７ｂ、負極バスバ１５８ｂ、交流バスバ１５９ｂ）および制御ピン、信号ピン、温度出力ピン等１６０を片面から取り出していたが、主端子を取り出す面と反対側から制御ピン、信号ピン、温度出力ピン等１６０を取り出しても良い。これにより、強電系の主端子から弱電系のピンを離すことができるため、信号のノイズ低減が可能となる。複数モジュールを実装する際、特定モジュールのみ上下方向の寸法バラツキがあったとしても本発明の側面シール構造を適用することによって液漏れが発生しない効果がある。

上述した各実施形態はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて用いても良い。それぞれの実施形態での効果を単独あるいは相乗して奏することができるからである。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。

１：シール材
２：左右別体ヒートシンク保持用リング状部材
３ａ：右側別体ヒートシンク
３ｂ：左側別体ヒートシンク
４：筐体壁面
５：カバー
５ａ：開口部
５ｂ：突起部
５ｃ：凹部
６：第二のカバー
７：ヒートシンク
７ａ：右側一体ヒートシンク
７ｂ：左側一体ヒートシンク
７ｃ：一体フランジ
８：冷却フィン
１１：液漏れ
１２：紙面方向バイパス流
１３：バイパス流
２０：筐体
２０ａ：筐体開口部
２０ｂ：第１流路
２０ｃ：第２流路
２０ｄ：筐体内開口部
２０ｅ：筐体開口部
２１：筐体上フタ
２２：筐体下フタ
２３：昇圧後の電圧が供給される回路モジュール保持部材
２３ａ：モジュール挿入口
２３ｂ：冷媒導入口
２３ｃ：パワー半導体モジュール収容部
３０ａ：冷媒入口配管
３０ｂ：冷媒出口配管
４０：金属ケース
４０ａ：ヒートシンク保持部
４０ｂ：シール材保持部
４５ａ：ヒートシンク厚さ
４５ｂ：シール材保持部厚さ
１３０：厚肉部
１３１：薄肉部
１３６：バッテリ
１３８：直流コネクタ
１４０、１４２：インバータ回路
１４４：放熱フィン群
１５０：上下アーム直列回路
１５０ａ：２in１パワー半導体モジュール
１５３：上アームのＩＧＢＴのコレクタ電極
１５４：ゲート電極
１５５：信号用エミッタ電極
１５６：上アームのダイオード
１５７：正極端子
１５７ａ：コンデンサ側正極バスバ
１５７ｂ：モジュール側正極バスバ
１５８：負極端子
１５８ａ：コンデンサ側負極バスバ
１５８ｂ：モジュール側負極バスバ
１５９、１８８：交流端子
１５９ａ：出力側交流バスバ
１５９ｂ：モジュール側交流バスバ
１６０：制御ピン、信号ピン、温度出力ピン等
１６３：下アームのＩＧＢＴのコレクタ電極
１６４：ゲート電極
１６５：信号用のエミッタ電極
１６６：下アームのダイオード
１６９：中間電極
１７２：制御回路
１７２ａ：制御回路基板
１７２ｂ：制御回路基板上コネクタ
１７４：ドライバ回路
１７４ａ：ドライバ回路基板
１７４ｂ：開口部
１８０：電流センサ
２００：電力変換装置
２０１：昇圧後の電圧が供給される回路
３２８：上アームのＩＧＢＴ
３３０：下アームのＩＧＢＴ
５００：コンデンサモジュール
５０４：負極側のコンデンサ端子
５０６：正極側のコンデンサ端子
５０８：負極側の電源端子
５０９：正極側の電源端子
６００：昇圧回路
８０２：交流バスバ

Claims (8)

1. 直流電力を交流電力に変換するパワー半導体モジュールと、
   前記パワー半導体モジュールを収納する第１流路形成体 と、
   前記パワー半導体モジュールを前記第１流路形成体に固定するカバーと、を備え、
   前記パワー半導体モジュールは、パワー半導体素子と、前記パワー半導体素子と電気的に接続される主端子と、前記パワー半導体素子を収納するケースと、を有し、
   前記カバーは、凹部と、前記凹部の底面部に形成された開口と、を形成し、
   前記パワー半導体モジュールは、前記凹部と嵌合するように配置され、
   さらに前記パワー半導体モジュールは、前記主端子が前記開口を貫通するように前記カバーに固定され、
   前記ケースと前記凹部の内壁との間は、気密構造となるように形成される電力変換装置。
2. 請求項１に記載された電力変換装置であって、
   前記第１流路形成体は、パワー半導体モジュール収容部を有し、
   前記パワー半導体モジュール収容部は、モジュール挿入口及び冷媒導入口が形成され、
   前記パワー半導体モジュールは、前記モジュール挿入口を介して前記パワー半導体モジュール収容部に収容され、前記ケースは、前記冷媒導入口から流入される冷却冷媒と直接接触する電力変換装置。
3. 請求項１又は２に記載されたいずれかの電力変換装置であって、
   前記ケースは、当該ケースの外面にフィンを形成し、
   さらに前記ケースは、前記凹部の内壁と接触する部分の厚みが前記フィンの高さを含めた当該フィンが形成された部分の厚みよりも小さくなるように形成される電力変換装置。
4. 請求項１乃至３に記載されたいずれかの電力変換装置において、
   前記パワー半導体素子を収納する前記ケースの側面が曲面を有する略楕円形であることを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項１乃至４に記載されたいずれかの電力変換装置であって、
   前記直流電力を平滑化するコンデンサモジュールと、
   ドライバ回路基板と、
   制御回路基板と、を備え、
   前記第１流路形成体は、前記コンデンサモジュールと、前記ドライバ回路基板と、前記制御回路基板と、を搭載する電力変換装置。
6. 請求項１乃至５に記載されたいずれかの電力変換装置であって、
   前記直流電力を平滑化するコンデンサモジュールと、
   前記直流電力を昇圧する昇圧回路と、
   前記パワー半導体モジュールと前記コンデンサモジュールと前記昇圧回路とを収納する筐体を備え、
   前記筐体は、当該筐体の内部に、当該筐体と一体に形成される第２流路形成体を有し、
   前記パワー半導体モジュール及び前記コンデンサモジュールは、前記第２流路形成体の片側に配置され、
   前記昇圧回路は、前記第２流路形成体の逆側に配置される電力変換装置。
7. 請求項１乃至６に記載されたいずれかの電力変換装置において、
   前記パワー半導体モジュールと他の部材を繋ぐ導体板が突起部を有する前記ケースに密着されていることを特徴とする電力変換装置。
8. 請求項１乃至７に記載されたいずれかの電力変換装置であって、
   前記パワー半導体モジュールは、ドライバ回路に接続される弱電信号線を有し、
   前記弱電信号線は、前記主端子が取り出される側の前記パワー半導体モジュールの面とは反対側の前記パワー半導体モジュールの面から取り出されることを特徴とする電力変換装置。