JP5957396B2

JP5957396B2 - 両面冷却型電力変換装置

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Publication number: JP5957396B2
Application number: JP2013042500A
Authority: JP
Inventors: 健徳山; 明博難波; 中津　欣也; 欣也中津; 佐藤　俊也; 俊也佐藤
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2013-03-05
Filing date: 2013-03-05
Publication date: 2016-07-27
Anticipated expiration: 2033-03-05
Also published as: JP2014171343A; WO2014136354A1

Description

本発明は、直流電流を交流電流に変換するための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の駆動用モータに交流電流を供給する電力変換装置に関する。

近年、電力変換装置では、大電流を出力することができるものが求められている一方、小型化も要求されている。電力変換装置が大電流を出力しようとすると、パワー半導体モジュールに内蔵されるパワー半導体素子で発生する熱が大きくなり、パワー半導体モジュールや電力変換装置の熱容量を大きくしなければパワー半導体素子の耐熱温度に達してしまい、電力変換装置の小型化の妨げとなる。そこでパワー半導体素子を両面から冷却することにより冷却効率を向上させる両面冷却型パワー半導体モジュールとそれを用いた両面冷却型電力変換装置が開発されている。両面冷却型パワー半導体モジュールはパワー半導体素子の両主面を板状導体で挟み込み、パワー半導体素子の主面と対向する面と反対側の板状導体の面が冷却媒体と熱的に接続され、冷却される。

特許文献１には、インバータ回路のアームを構成するパワー半導体素子の両主面を板状の絶縁基板で挟み込んでパワーモジュールを構成し、パワーモジュールを挿入する挿入孔と冷却水路を一体で形成した筐体に、パワーモジュールを挿入し、挿入孔とパワーモジュールの隙間に樹脂を流し込んで硬化して筐体にパワーモジュールを組みつけ、インバータ回路の直流正極バスバーと直流負極バスバーと交流バスバーを、絶縁樹脂を介して筐体に接触させて高い冷却性能と組み立て性を両立したインバータ装置の発明が開示されている。

特許文献２には、インバータ回路のアームを構成するパワーモジュールを、パワーモジュールの収納空間を冷却水路内に形成し、この冷却水路を筐体に一体で形成し、筐体の開口からパワーモジュールの端子を筐体の外部に出力し、板状に形成した直流正極バスバーと直流負極バスバーと交流バスバーの構造体と接続する発熱部品冷却構造の発明が開示されている。

特開２００５−２３７１４１号公報特開２０１０−０８７００２号公報

しかしながら、特許文献１では、パワーモジュールを樹脂で筐体に組み付けるため、樹脂の硬化時に、接着界面の剥離・ボイド・フィラー分散の不均一によってパワーモジュールの冷却性・絶縁性が１個でも未達になると、筐体とパワーモジュール６個を全て破棄しなくてはいけないため、生産の歩留まりが低下するという課題がある。また、特許文献２においては、筐体が樹脂で成形され、バスバーの構造体を筐体と接触させないで組み付けているため、バスバーの発熱を冷却する経路が無く、バスバーの体格が大型化するという課題がある。

電力変換装置の大電流化と小型化の両立は、パワー半導体素子の冷却だけでなく、周辺部品も冷却する必要がある。その中でもバスバーは、冷却水路と冷却性能を向上することでバスバー配線材料の量を低減して小型化することができるが、電力変換装置の小型化に伴って冷却面積を広く確保することが困難となり、小型でかつ高冷却性能が求められる。

本発明の課題は、電力変換装置の小型化とバスバーの熱抵抗の低減を図ることである。

上記課題を解決するために、本発明に係る電力変換装置は、直流電流を交流電流に変換するパワー半導体モジュールと、冷却冷媒を流す流路を形成し、上面及び下面を有する流路形成体と、前記直流電流又は前記交流電流を伝達するパワーボードと、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、当該パワー半導体素子を収納するケースと、前記直流電流又は前記交流電流を伝達する端子と、により構成され、前記流路形成体には、前記ケースを収納するとともに前記冷却冷媒を流す流路空間と、当該流路形成体の前記上面から前記流路空間側まで貫通する第１開口部と、が形成され、前記端子は、前記第１開口部を通って前記流路空間の外に突出し、前記流路形成体の前記上面の法線方向から斜影した場合、前記パワーボードは、前記流路形成体の前記上面に熱伝導可能に載置され、前記パワーボードは、前記端子と接続される。

本発明により、電力変換装置の小型化とバスバーの熱抵抗の低減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。インバータ装置の回路図である。電力変換装置２９９の外観斜視図である。電力変換装置２９９の組み立てる工程を示す分解斜視図である。流路形成体４００にパワー半導体モジュール３００とキャパシタセル５００を組み立てる工程を示す分解斜視図である。図３（ｂ）の断面Ａを矢印の方向から見たときの断面図である。パワー半導体モジュール３００の外観斜視図である。ケース３０４に封止体３０２等を組み立てる工程を示す分解斜視図である。パワー半導体モジュール３００の上下アームの直列回路を構成する回路部品の分解斜視図である。図５（ｃ）に対応する回路構成図である。パワーボード７００の外観斜視図である。パワーボード７００の上視斜視図である。パワーボード７００の断面Ｂにおける断面図である。パワーボード７００の断面Ｃにおける断面図である。パワーボード７００の断面Ｄにおける断面図である。流路形成体４００の外観斜視図である。図６（ａ）と異なる視点から見た流路形成体４００の外観斜視図である。図６（ａ）の視点Ａから見た流路形成体４００の外観上視図である。図６（ｂ）の視点Ｂから見た流路形成体４００の外観下視図である。図６（ａ）の視点Ａから見て、開口４０３と凹部４０６と開口７０５を重ねて表記した流路形成体４００の外観上視図である。流路形成体４００にパワーボード７００を組み立てる工程を示す分解斜視図である。流路形成体４００とパワーボード７００を組み立てた外観斜視図である。断面Ｅの矢印の方向から見た、流路形成体４００にパワー半導体モジュール３００とパワーボード７００を組み立てる工程を示す断面分解図である。断面Ｅの矢印の方向から拡大して見た、流路形成体４００にパワー半導体モジュール３００とパワーボード７００を組み立てる工程を示す拡大断面分解図である。断面Ｅの矢印の方向から見た、パワーボード７００の冷却効果を説明する断面図である。パワー半導体モジュールとキャパシタセルとの実施例１の配置構造を示す上視図である。パワー半導体モジュールとキャパシタセルとの他の構成例を示す上視図である。パワー半導体モジュールとキャパシタセルとの他の構成例を示す上視図である。パワー半導体モジュールとキャパシタセルとの他の構成例を示す上視図である。２インバータ回路を内蔵する電力変換装置における構成例を示す上視図である。２インバータ回路を内蔵する電力変換装置における構成例を示す上視図である。ＤＣ／ＤＣコンバータ回路とインバータ回路を内蔵する電力変換装置における構成例を示す上視図である。本実施形態に関する他の構成例を示す断面図である。

本実施形態に係る電力変換装置について、図面を参照しながら以下詳細に説明する。本実施形態に係る電力変換装置は、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。

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。

車両駆動用インバータ装置は、車載電源を構成する車載バッテリ或いは車載発電装置から供給された直流電力を所定の交流電力に変換し、得られた交流電力を車両駆動用電動機に供給して車両駆動用電動機の駆動を制御する。また、車両駆動用電動機は発電機としての機能も有しているので、車両駆動用インバータ装置は運転モードに応じ、車両駆動用電動機が発生する交流電力を直流電力に変換する機能も有している。

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は、ハイブリッド自動車の制御ブロックを示す図である。図１において、ハイブリッド電気自動車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、主としてハイブリッド自動車（以下、「ＨＥＶ」と記述する）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の入力側には変速機１１８の出力軸が機械的に接続されている。変速機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。尚、モータジェネレータ１９２、１９４及び動力分配機構１２２は、変速機１１８の筐体の内部に収納されている。

インバータ装置１４０、１４２にはバッテリ１３６が電気的に接続されており、バッテリ１３６とインバータ装置１４０、１４２との相互において電力の授受が可能である。バッテリ１３６とインバータ装置１４０、１４２との間には直流電流を平滑化するキャパシタ５００が設置される。

本実施形態では、モータジェネレータ１９２及びインバータ装置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及びインバータ装置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。すなわち、エンジン１２０からの動力によって車両を駆動している場合において、車両の駆動トルクをアシストする場合には第２電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジン１２０の動力によって作動させて発電させ、その発電によって得られた電力によって第１電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させる。また、同様の場合において、車両の車速をアシストする場合には第１電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジン１２０の動力によって作動させて発電させ、その発電によって得られた電力によって第２電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させる。

また、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り、バッテリ１３６からインバータ装置４３に直流電力が供給され、インバータ装置４３で交流の電力に変換されてモータ１９５に供給される。前記インバータ装置４３はインバータ装置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。例えばモータ１９５の回転子の回転に対し進み位相の交流電力を供給することにより、モータ１９５はトルクを発生する。一方、遅れ位相の交流電力を発生することで、モータ１９５は発電機として作用し、モータ１９５は回生制動状態の運転となる。このようなインバータ装置４３の制御機能はインバータ装置１４０や１４２の制御機能と同様である。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、インバータ装置４３の最大変換電力がインバータ装置１４０や１４２より小さいが、インバータ装置４３の回路構成は基本的にインバータ装置１４０や１４２の回路構成と同じである。

図２を用いてインバータ装置１４０やインバータ装置１４２あるいはインバータ装置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装置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。ここで、ＩＧＢＴとは、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタの略である。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１５７を介してキャパシタ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１５８を介してキャパシタ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、ゲート電極１５４と、信号用エミッタ電極１５５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、ＩＧＢＴ３２８と電気的に並列に接続されている。また、ダイオード１６６が、ＩＧＢＴ３３０と電気的に並列に接続されている。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。

キャパシタ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を有する。キャパシタ５００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ている。なお、インバータ装置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３１６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、３３０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。

なお、図２におけるゲート電極１５４および信号用エミッタ電極１５５は、後述する図５の信号接続端子３２７Ｕに対応し、ゲート電極１６４およびエミッタ電極１６５は図５の信号接続端子３２７Ｌに対応する。また、正極端子１５７は図５の正極端子３１５Ｄと同一のものであり、負極端子１５８は図５の直流負極端子３１９Ｄと同一のものである。また、交流端子１５９は、図５の交流端子３２０Ｄと同じものである。

図３乃至図４を用いて本実施形態に係る電力変換装置２９９の実施形態を説明する。

図３（ａ）は、電力変換装置２９９の外観を示す斜視図である。電力変換装置２９９は、前記バッテリ１３６と電気的に接続するための直流コネクタ１３８と、前記モータジェネレータ１９２と電気的に接続する交流コネクタ１８８と、流路形成体４００と、を有している。

図３（ｂ）は、電力変換装置２９９を組み立てる工程を示す分解斜視図である。電力変換装置２９９は、冷却流路が一体で形成された筐体である流路形成体４００と、流路形成体４００を気密する流路蓋４０１と、各部バスバーが絶縁樹脂で被覆して板状に一体化したパワーボード７００と、制御回路１７２とドライバ回路１７４から成る制御基板２００と、当該制御基板２００を搭載する制御基板ベース８００と、全体を密閉する筐体蓋９００と、を有する。電力装置２９９は、図３（ｂ）に図示される様に、これらを積み重ねて組みたてられる階層構造である。

流路蓋４０１には、電力変換装置２９９内部へ冷媒を流す配管と接続する冷媒入出力口４０２が形成される。当該流路蓋４０１は、後述するように、流路形成体４００の下面に配置される。

制御基板ベース８００は、パワーボード７００を挟んで流路形成体４００と対向して配置される。制御基板２００は、制御基板ベース８００の上方に搭載される。

図４（ａ）は、後述するパワー半導体モジュール３００とキャパシタセル５００を流路形成体４００に組み立てる工程を示す分解斜視図である。

前記流路形成体４００には、それぞれパワー半導体モジュール３００とキャパシタセル５００を収納する空間が設けられる。パワー半導体モジュール３００は、流路形成体４００の底面側に形成された開口より、流路形成体４００に形成された収納空間に収納される。キャパシタセル５００は、流路形成体４００の上面側に形成された開口より、流路形成体４００に形成されたキャパシタセル収納空間４９０に収納される。

キャパシタセル５００には、キャパシタセル端子５０２が接続される。キャパシタセル端子５０２は、キャパシタセル５００が流路形成体４００に収納された際に、パワーボード７００が配置される方向に向かって突出する。

図４（ｂ）は、図３（ｂ）の断面Ａを矢印の方向から見たときの断面図である。キャパシタセル５００は、流路形成体４００のキャパシタセル収納空間４９０内において、キャパシタ封止樹脂５０１によって封止される。キャパシタセル端子５０２は、キャパシタ封止樹脂５０１から突出して形成される。

流路形成体４００に流路蓋４０１が組みつけられた状態で、冷媒は、冷媒流４９９に示すように流れる。冷媒入出力口４０２の一方より導入された冷媒は、パワー半導体モジュール３００に直接接触し、パワー半導体モジュール３００を冷却する。また、冷媒流路がキャパシタセル収納空間４９０の下部及び側部にも形成されているため、キャパシタセル５００も同時に冷却される構造となっている。
（パワー半導体モジュール３００）
図５（ａ）は、パワー半導体モジュール３００の外観斜視図である。パワー半導体モジュール３００は、パワー半導体素子を収納するケース３０４と、絶縁モールド端子６００と、を有する。

ケース３０４は、側壁及び底面を形成する枠体３０４Ｄと、側壁・底面と直交する最も広い長手の面に形成されかつパワー半導体素子を冷却するフィン３０５と、流路形成体と組み付ける際に位置決めを行う位置決め部３１１と、Ｏリングを取り付けるＯリング溝３１２と、により構成される。フィン３０５は、対向する反対の面にも同様の形状で形成されている。

絶縁モールド端子６００は、正極側端子３１５Ｄと、負極側端子３１９Ｄと、交流端子３２０と、信号接続端子３２７Ｌと、信号接続端子３２７Ｕと、補助モールド体６０１と、で構成される。補助モールド体６０１には、正極側端子３１５Ｄ、交流端子３２０、信号接続端子３２７Ｌ及び信号接続端子３２７Ｕを貫通させるための複数の貫通孔が形成される。補助モールド体６０１は、正極側端子３１５Ｄ、負極側端子３１９Ｄ、交流端子３２０、信号接続端子３２７Ｌ、信号接続端子３２７Ｕ端子のお互いを電気的に絶縁する。また、別体の絶縁板材を端子間に組み付けて絶縁距離を長くすることができる。

図５（ｂ）は、ケース３０４に封止体３０２を組み立てる工程を示す分解斜視図である。図５（ｂ）に図示されるように、ケース３０４は、パワー半導体素子の端子を出力する挿入口３０６以外は全閉な構造となっている。ケース３０４に収納されるパワー半導体素子は、封止体３０２により冷媒から保護される。パワー半導体素子の各端子は、絶縁モールド端子６００を介してケース３０４の外部に接続される。また、ケース３０４に形成される位置決め部３１１及びＯリング溝３１２は、挿入口３０６の外周を囲むように形成されている。

パワー半導体素子を封止して内蔵する封止体３０２は、枠体３０４Ｄの挿入口３０６から絶縁材３３３を積層して挿入される。当該封止体３０２の内部には、インバータ回路の上下アーム直列回路１５０を構成する回路部品が封止されている。

図５（ｃ）は、パワー半導体モジュール３００の上下アーム直列回路１５０を構成する回路部品の分解斜視図である。図５（ｃ）に示す様に、上アーム回路を構成するＩＧＢＴ３２８とダイオード１５６が、導体板３１５と導体板３１８に平行に挟まれる様にして金属接合されている。同様に、下アーム回路を構成するＩＧＢＴ３３０とダイオード１６６が、導体板３１９と導体板３２０に平行に挟まれる様にして金属接合されている。導体板３１８に形成された中間電極３２９Ａは、導体板３２０に形成された中間電極３２９Ｂと金属接合されている。

導体板３１８及び導体板３１９は、同一平面上に配置される。また導体板３１８及び導体板３１９は、ＩＧＢＴ３２８及び３３０とダイオード１５６及び１６６と接合する面と反対の面で露出面３２１Ａ（図５（ｂ）参照）を形成し、封止体３０２から露出している。

同様に、導体板３１５及び導体板３２０は、同一平面上に配置される。また導体板３１５及び導体板３２０は、ＩＧＢＴ３２８及び３３０とダイオード１５６及び１６６と接合する面と反対の面で露出面３２１Ｂ（図５（ｂ）参照）を形成し、封止体３０２から露出している。図５（ｂ）に図示されるように、露出面３２１Ａ、３２１Ｂは、ケース３０４のフィン３０５が形成された面と重なる位置に形成される。

図５（ｄ）は、図５（ｃ）に対応する回路構成図である。前記絶縁モールド端子６００は、前記封止体３０２とそれぞれ対応する端子を有しており、それぞれ電気的に接合されている。

上述のパワー半導体モジュール３００のケース３０４は、電気伝導性を有する部材、例えばＣｕ、Ｃｕ合金、Ｃｕ−Ｃ、Ｃｕ−ＣｕＯなどの複合材、あるいはＡｌ、Ａｌ合金、ＡｌＳｉＣ、Ａｌ−Ｃなどの複合材などから形成されている。また、ケース３０４は、溶接など防水性の高い接合法で、あるいは鍛造、鋳造法などにより成形されている。

封止体３０２を構成する封止樹脂としては、例えばノボラック系、多官能系、ビフェニル系のエポキシ樹脂系を基とした樹脂を用いることができ、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、ＢＮなどのセラミックスやゲル、ゴムなどを含有させ、熱膨張係数を導体部３１５、３２０、３１８、３１９に近づける。これにより、部材間の熱膨張係数差を低減でき、使用環境時の温度上昇にともない発生する熱応力が大幅に低下するため、パワー半導体モジュールの寿命をのばすことが可能となる。また、補助モールド体６００の成型材には、ＰＰＳ（ポリフェニルサルファイド）やＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）といった高耐熱な熱可塑性樹脂が適している。

金属接合剤は、例えばＳｎ合金系の軟ろう材（はんだ）や、Ａｌ合金・Ｃｕ合金等の硬ろう材や金属のナノ粒子・マイクロ粒子を用いた金属焼結材を用いることができる。
（パワーボード７００）
図６（ａ）は、パワーボード７００の外観斜視図である。パワーボード７００は、正極側バスバー７０３と、負極側バスバー７０４と、交流バスバー７０９と、これらを被覆してお互いを電気的に絶縁する絶縁被覆部材７０８と、により構成されている。図中では、各バスバーの内部配置を説明するために、正極側バスバー７０３と交流バスバー７０９を点線で示した。

パワーボード７００には、表面から裏面にかけて貫通する開口７０５Ａ、７０５Ｂが設けられている。正極側バスバー７０３と負極側バスバー７０４と交流バスバー７０９とには、それぞれ端子７０１が設けられており、開口７０５Ａの縁より突出している。図８及び図１１で後述するように、パワー半導体モジュール３００の絶縁モールド端子６００の端子部は、開口７０５Ａを貫通して端子７０１と電気的に接続される。

また、パワーボード７００には、表面から裏面にかけて貫通する開口７０５Ｃが設けられている。正極側バスバー７０３と負極側バスバー７０４とには、それぞれ端子７０２が設けられており、開口７０５Ｃの縁及びパワーボード７００の縁より突出している。図８で後述するように、キャパシタセル５００のキャパシタセル端子５０２は、開口７０５Ｃを貫通して端子７０２と電気的に接続される。

図６（ｂ）は、パワーボード７００の上視図である。パワーボード７００の正極側バスバー７０３と負極側バスバー７０４は、絶縁被覆部材７０８を介して対向して積層配置される。これにより、インバータ主回路の配線インダクタンスを低減することができる。

図６（ｃ）は、図６（ｂ）の断面Ｂにおけるパワーボード７００の断面図である。図６（ｄ）は、図６（ｂ）の断面Ｃにおけるパワーボード７００の断面図である。図６（ｅ）は、図６（ｂ）の断面Ｄにおけるパワーボード７００の断面図である。

図６（ｄ）に示されるように、正極側バスバー７０３及び負極側バスバー７０４は、互いに対向して平行に配置される。図６（ｅ）に示されるように、交流バスバー７０９は、当該交流バスバー７０９の主面が正極側バスバー７０３の主面及び負極側バスバー７０４の主面と重ならないように配置される。また、交流バスバー７０９は、正極側バスバー７０３や負極側バスバー７０４よりも厚い導体で構成される。交流バスバー７０９を正極側バスバー７０３及び負極側バスバー７０４よりも厚く形成することで、モータジェネレータを駆動するために大電流が流れる交流バスバー７０９の発熱を抑えることができる。

また、図６（ｃ）及び図６（ｅ）に示されるように、交流バスバー７０９は、端子７０１が突出する側とは反対側、すなわち流路形成体４００側の面に近くなるように形成する。交流バスバー７０９に対する流路形成体４００側の絶縁被覆部材７０８の厚さは、負極側バスバー７０４に対する流路形成体４００側の絶縁被覆部材７０８の厚さと略同一とする。このように、同一面側の絶縁被覆部材７０８の厚さを揃えることで、冷媒が流れる流路形成体４００への熱抵抗を低減し、さらに生産性も向上することができる。

絶縁被覆部材７０８には、例えばノボラック系、多官能系、ビフェニル系のエポキシ樹脂系を基とした樹脂を用いることができる。また、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＡｌＮ、ＢＮなどのセラミックスやゲル、ゴムなどを含有させ、熱膨張係数を導体部３１５、３２０、３１８、３１９に近づけた材料を用いることができる。他には、ＰＰＳ（ポリフェニルサルファイド）やＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）といった高耐熱な熱可塑性樹脂でも良い。また、ガラスクロスを含浸したガラスエポキシ等のプリント基板材料でも良い。絶縁被覆部材とバスバーは、接着材で接着されていても良い。また、
バスバーは、例えば、Ｃｕ合金やＡｌ合金といった熱伝導率が高く、電気抵抗が低い材料が適しており、絶縁被覆部材との接着強度を向上するために、表面に酸化処理や粗化処理が施されていても良い。
（流路形成体４００）
図７（ａ）は、流路形成体４００の外観斜視図である。また、図７（ｂ）は、図７（ａ）と異なる視点から見た流路形成体４００の外観斜視図である。前述の通り、流路形成体４００には、パワー半導体モジュール３００を収納するモジュール収納空間４０５と、キャパシタセル５００を収納するキャパシタ収納空間４９０が形成される。パワー半導体モジュール３００は、流路形成体４００の底面に形成された開口から、モジュール収納空間４０５に収納される。キャパシタセル５００は、流路形成体４００の上面に形成された開口から、キャパシタ収納空間４９０に収納される。

流路形成体４００の上面、すなわちパワーボード７００と対向する面には、パワーボード７００を搭載する平坦面４０４が形成されている。

流路形成体４００の平坦面４０４には、開口４０３が形成される。開口４０３は、平坦面４０４からモジュール収納空間４０５へ連通する開口である。モジュール収納空間４０５に収納されたパワー半導体モジュール３００は、当該パワー半導体モジュール３００の絶縁モールド端子６００が開口４０３に挿通されるように配置される。

また、流路形成体４００には、開口４０３を囲んで凹部４０６が形成される。凹部４０６は、モジュール収納空間４０５を形成する面のうち開口４０３が形成された面に形成される。すなわち、開口４０３は、凹部４０６の底面部に形成される。パワー半導体モジュール３００のケース３０４に設けられた位置決め部３１１は、凹部４０６に組み付けられる。

図７（ｃ）は、図７（ａ）の視点Ａから見た流路形成体４００の上視図である。図７（ｄ）は、図７（ｂ）の視点Ｂから見た流路形成体４００の下視図である。図７（ｅ）は、図７（ａ）の視点Ａから見て、開口４０３と、凹部４０６の射影部と、パワーボード７００及びその開口７０５の射影部を重ねて表記した流路形成体４００の上視図である。

本実施例では、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相に対応して３つのパワー半導体モジュール３００が用いられる。パワー半導体モジュール３００の主面がそれぞれ対向するように３つのパワー半導体モジュール３００が平行に配置される。キャパシタセル５００を収納するキャパシタ収納空間４９０は、３つのパワー半導体モジュール３００の側壁と対向した位置に形成される。

図７（ｅ）に図示されるように、流路形成体４００の平坦面４０４の法線方向に投影した場合に、パワーボード７００は、当該パワーボード７００の射影部が凹部４０６の射影部と重なるように、配置される。また、パワーボード７００に形成された開口７０５Ａ及び７０５Ｂは、当該開口７０５Ａ及び７０５Ｂの射影部が開口４０３の射影部に重なるように、形成される。
（流路形成体４００とパワーボード７００の組立工程）
図８（ａ）は、流路形成体４００にパワーボード７００を組み立てる工程を示す分解斜視図である。図８（ｂ）は、流路形成体４００とパワーボード７００を組み立てた外観斜視図である。

パワーボード７００は、流路形成体４００の平坦面４０４上に搭載される。パワーボード７００と流路形成体４００は互いに接触して配置されるが、パワーボード７００の表面は絶縁被覆部材７０８で覆われているため、電気的に絶縁されている。

図８（ｃ）は、図８（ａ）の断面Ｅの矢印の方向から見た、流路形成体４００にパワー半導体モジュール３００とパワーボード７００を組み立てる工程を示す断面図であり、図８（ｄ）は図８（ｃ）に示す状態から、パワー半導体モジュール３００を流路形成体４００に組み付けた状態を示す拡大断面図である。

前述のように、パワー半導体モジュール３００は、流路形成体４００の底面側からモジュール収納空間４０５に収納される。パワー半導体モジュール３００のケース３０４に形成された位置決め部３１１は、流路形成体４００の凹部４０６に組み付けられる。この際、Ｏリング溝３１２には気密性を確保するためにＯリング（不図示）が取り付けられる。

パワー半導体モジュール３００の絶縁モールド端子６００は、流路形成体４００の開口４０３を貫通して配置される。絶縁モールド端子６００の補助モールド体６０１は、当該補助モールド体６０１の一面が流路形成体４００の平坦面４０４と同一面になるように配置される。

流路形成体４００の平坦面４０４から突出した端子部は、パワーボード７００の開口７０５Ａを貫通し、パワーボードの端子７０１と電気的に接続され、図８（ｂ）に示す端子接続部７１１を形成する。

図８（ｅ）は、図８（ｂ）の断面Ｆの矢印の方向から見た、流路形成体４００及びパワーボード７００の断面図である。図８（ｅ）を用いて、パワーボード７００の冷却効果を説明する。

パワーボード７００の各部バスバー及び端子は、モータジェネレータを駆動する際に数百Ａの大電流を流すため、バスバー配線抵抗による多大な損失を発生して発熱する。本実施構造により、この発熱は、図８（ｅ）に図示の矢印のように流路形成体４００に伝熱される。これにより、各バスバー及び端子を構成する配線材の厚みを薄くしても、バスバーの温度を下げることができ電力変換装置２９９全体を小型化して軽量化することができる。

また、パワーボード７００を構成する正極側バスバー７０３と負極側バスバー７０４は、絶縁被覆部材７０８を介して対向して積層配置される。そして、当該積層部分は、流路形成体４００の平坦面４０４の法線方向から射影した場合、流路形成体４００の凹部４０６の射影部と重なるように配置される。このような構成により、パワーボードを流れるインバータ主回路の配線インダクタンスを低減するとともに、パワーボードで発生する熱を流路形成体４００へ伝えることができる。

さらに、補助モールド体６０１の一面が流路形成体４００の平坦面４０４と同一面になるように配置されることで、補助モールド体６０１によりパワーボード７００が流路形成体４００に接触できなくなることを防ぎ、パワーボード７００が補助モールド体６０１及び流路形成体４００に接触することができる。したがって、図８（ｅ）に図示の矢印のような伝熱を阻害することなく、バスバーの熱を放熱することができる。そして、パワーボード７００がより広い接触面積を形成するため、バスバーの放熱面積が増大し、放熱性能が向上する。

また、フィン３０５の側部には、冷媒阻止部材４０７が配置される。積極的に冷却が必要であるのはフィン３０５が形成された領域であり、それ以外の領域を流れる冷媒を、冷媒阻止部材４０７が配置されることにより阻止することができる。これにより、フィン３０５が形成された領域における冷媒の流速を上げ、パワー半導体素子の冷却効率を上げることができる。冷媒阻止部材４０７は、ゴムやプラスチックなどで形成される。

図９（ａ）〜（ｄ）に本実施形態に関するその他の実施例を示す。

図９（ａ）は、図３乃至８で説明した実施例１を表す上視図である。前述のように、図９（ａ）の実施例では、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相に対応する３つのパワー半導体モジュール３００の主面がそれぞれ対向するように、３つのパワー半導体モジュール３００が平行に配置される。キャパシタセル５００を収納するキャパシタ収納空間４９０は、３つのパワー半導体モジュール３００の側壁と対向した位置に形成される。本実施例では、４つのキャパシタセル５００を用いており、それぞれのキャパシタセル５００の電極面が、パワー半導体モジュール３００の主面と平行になるように配置されている。

図９（ｂ）は、パワー半導体モジュール３００を長手方向に一列に配置し、パワー半導体モジュール３００の配置方向とキャパシタセル５００の配置方向とを平行にした電力変換装置の構造である。パワーボード７００に形成される開口７０５は、パワー半導体モジュール３００の配置に合わせて、図示のような配置とすれば良い。本構造は、電力変換装置を車両に搭載する空間が細長い長方形形状である場合に、適用することができる構造である。

図９（ｃ）は、パワー半導体モジュール３００を、キャパシタセル５００を収納するキャパシタ収納空間４９０の３辺それぞれと対向するように配置した電力変換装置の構造である。すなわち、３つのパワー半導体モジュール３００のうち、いずれか２つのパワー半導体モジュールは、キャパシタ収納空間４９０を挟んで対向して配置される。本構造は、電力変換装置を車両に搭載する空間が比較的正方形に近い長方形形状である場合に、適用することができる構造である。

図９（ｄ）は、パワー半導体モジュール３００を、キャパシタセル５００を収納するキャパシタ収納空間４９０を挟んで一方側にパワー半導体モジュールを１つ、他方側にパワー半導体モジュールを２つ配置した電力変換装置の構造である。本構造は、電力変換装置を車両に搭載する空間が長方形形状である場合に、適用することができる構造である。

図１０（ａ）〜（ｂ）に、２インバータ回路を内蔵する電力変換装置、あるいはＤＣ／ＤＣコンバータ回路とインバータ回路を内蔵する電力変換装置に応用した実施例を示す。

図１０（ａ）は、図９（ａ）を左右対称に２個配置した構造である。すなわち、図９（ａ）では３つのパワー半導体モジュール３００の主面がそれぞれ対向するように平行に配置されていたが、図１０（ａ）では、６つのパワー半導体モジュール３００の主面がそれぞれ対向するように平行に配置される。本構造は、電力変換装置を車両に搭載する空間が比較的正方形に近い長方形形状である場合に、適用することができる構造である。

図１０（ｂ）は、図９（ｂ）のパワー半導体モジュール３００を２列配置した構造である。本構造は、電力変換装置を車両に搭載する空間が長方形形状である場合に、適用することができる構造である。

図１０（ｃ）は、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路とインバータ回路が内蔵された場合の電力変換装置の構造である。ＤＣ／ＤＣコンバータに用いるパワー半導体モジュール１０００と、ＤＣ／ＤＣコンバータに用いるリアクトル１００１と当該リアクトル１００１を収納するリアクトル収納空間１００２が設けられた構造である。

図１１に本実施形態に関するその他の実施例を示す。

図１１は、流路形成体４００とパワーボード７００との間に低弾性シート１００３を設ける構造である。低弾性シート１００３には、パワーボード７００の開口７０５にと重なる位置に開口が形成される。低弾性シート１００３の弾性率は、絶縁被覆部材７０８と流路形成体４００の弾性率よりも低くなっている。これにより、振動や衝撃が加えられる車載環境にて、パワーボード７００と流路形成体４００が直接接触して荷重が加わることで絶縁被覆部材７０８に傷やクラックを発生させることを防止し、信頼性を向上することができる。

４３インバータ装置
１１０ハイブリッド自動車
１１２前輪
１１４前輪車軸
１１６前輪側デファレンシャルギア
１１８変速機
１２０エンジン
１２２動力分配機構
１３６バッテリ
１３８直流コネクタ
１４０インバータ装置
１４２インバータ装置
１４３電力変換装置
１４４インバータ回路
１５０上下アーム直列回路
１５３コレクタ電極
１５４ゲート電極
１５５信号用エミッタ電極
１５６ダイオード
１５７正極端子
１５８負極端子
１５９交流端子
１６３コレクタ電極
１６４ゲート電極
１６５信号用のエミッタ電極
１６６ダイオード
１６９中間電極
１７０制御部
１７２制御回路
１７４ドライバ回路
１７６信号線
１８０電流センサ
１８２信号線
１８６交流バスバー
１８８交流コネクタ
１９２モータジェネレータ
１９４モータジェネレータ
１９５補機用のモータ
２００制御基板
２９９電力変換装置
３００パワー半導体モジュール
３０２封止体
３０４ケース
３０４Ｄ枠体
３０５フィン
３０６挿入口
３１１位置決め部
３１２Ｏリング溝
３１４直流正極端子
３１６直流負極端子
３１５導体部
３１８導体部
３１９導体部
３２０導体部
３１５Ｄ正極側端子
３１９Ｄ負極側端子
３２０Ｄ交流端子
３２１Ａ露出面Ａ
３２１Ｂ露出面Ｂ
３２７Ｕ上アーム用信号接続端子
３２７Ｌ下アーム用信号接続端子
３２８ＩＧＢＴ
３２９Ａ中間電極Ａ
３２９Ｂ中間電極Ｂ
３３０ＩＧＢＴ
３３３絶縁材料
４００流路形成体
４０１流路蓋
４０２冷媒入出力口
４０３開口
４０４平坦面
４０５モジュール収納空間
４０６凹部
４０７冷媒阻止部材
４９０キャパシタ収納空間
４９９冷媒流
５００キャパシタセル
５０１キャパシタ封止樹脂
５０２キャパシタセル端子
５０４負極側コンデンサ端子
５０６正極側コンデンサ端子
６００絶縁モールド端子
６０１補助モールド体
７００パワーボード
７０１端子
７０２端子
７０３正極側バスバー
７０４負極側バスバー
７０５開口
７０５Ａ開口Ａ
７０５Ｂ開口Ｂ
７０５Ｃ開口Ｃ
７０８絶縁被覆部材
７０９交流バスバー
７１１端子接続部
８００制御基板ベース
９００筐体蓋
１０００両面冷却型パワーモジュール
１００１リアクトル
１００２リアクトル収納空間
１００３低弾性シート

Claims

直流電流を交流電流に変換するパワー半導体モジュールと、
冷却冷媒を流す流路を形成し、上面及び下面を有する流路形成体と、
前記直流電流又は前記交流電流を伝達するパワーボードと、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、当該パワー半導体素子を収納するケースと、前記直流電流又は前記交流電流を伝達する端子と、により構成され、
前記流路形成体には、前記ケースを収納するとともに前記冷却冷媒を流す流路空間と、当該流路形成体の前記上面から前記流路空間側まで貫通する第１開口部と、が形成され、
前記端子は、前記第１開口部を通って前記流路空間の外に突出し、
前記流路形成体の前記上面の法線方向から斜影した場合、
前記パワーボードは、当該パワーボードの幅広面が前記流路形成体の前記上面に熱伝導可能に載置され、
前記パワーボードは、前記端子と接続される電力変換装置。
請求項１に記載の電力変換装置であって、
前記流路形成体は、当該流路形成体の下面と対向しかつ前記流路空間に面する側に形成される凹部を有し、
前記第１開口部は、前記凹部の底面部から前記流路形成体の前記上面まで貫通し、
前記ケースは、当該ケースの一部が前記凹部内に配置され、
前記パワーボードは、当該パワーボードの射影部が前記凹部の射影部と重なるように、前記流路形成体の上面に載置される電力変換装置。
請求項１又は２に記載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、樹脂モールド部を有し、
前記樹脂モールド部は、前記第１開口部内に配置され、
前記端子は、前記樹脂モールド部の一面から突出して形成され、
前記パワー半導体モジュールは、前記樹脂モールド部の前記一面が前記流路形成体の前記上面と同一面になるように配置される電力変換装置。
請求項３に記載の電力変換装置であって、
前記端子は、前記直流電力を伝達する直流正極端子と直流負極端子と、前記交流電流を伝達する交流端子と、制御信号を伝達する信号端子と、を有し、
前記端子は、前記樹脂モールド部で外周を被覆されている電力変換装置。
請求項１ないし４のいずれかに記載の電力変換装置であって、
前記パワーボードは、前記直流電流を伝達する第１直流バスバー及び第２直流バスバーと、絶縁部材と、を備え、
前記第１直流バスバーは、前記第２直流バスバーに流れる電流とは異なる極の電流が流れ、
前記第１直流バスバーは、前記第２直流バスバーと対向して配置され、
前記絶縁部材は、前記第１直流バスバーと前記第２直流バスバーが所定の間隔を有するように封止され、
前記流路形成体の前記上面の法線方向から射影した場合、
前記第１直流バスバー及び前記第２直流バスバーは、前記流路形成体の上面に熱伝導可能に載置される電力変換装置。
請求項５に記載の電力変換装置であって、
前記パワーボードは、さらに前記交流電流を伝達する交流バスバーを備え、
前記第１直流バスバーは、前記第２直流バスバーと前記流路形成体の間に配置され、
前記第２直流バスバーが配置される側とは反対側の前記第１直流バスバーの面を第１仮想面と定義し、
前記第１直流バスバーが配置される側とは反対側の前記第２直流バスバーの面を第２仮想面と定義し、
前記交流バスバーは、前記第１仮想面と前記第２仮想面との間であって、前記第１直流バスバー及び前記第２直流バスバーの配置領域とは異なる領域に配置され、
前記交流バスバーは、当該交流バスバーの一方の面が前記第１仮想面と重なるように配置される電力変換装置。
請求項６に記載の電力変換装置であって、
前記交流バスバーは、当該交流バスバーの厚さが前記第１直流バスバーの厚さ及び前記第２直流バスバーの厚さよりも厚く形成される電力変換装置。
請求項１ないし７のいずれかに記載の電力変換装置であって、
前記パワーボードは、当該パワーボードと前記流路形成体の前記上面との間に低弾性シートを挟んだ状態で前記流路形成体の前記上面に載置され、
前記低弾性シートは、当該低弾性シートの弾性率が前記パワーボードを構成する前記絶縁部材の弾性率及び前記流路形成体の弾性率よりも小さくなるように形成される電力変換装置。