JP6101609B2 - パワー半導体モジュール及びそれを用いた電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、直流電流を交流電流に変換するためのパワー半導体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の駆動用モータに交流電流を供給するパワー半導体モジュール及びそれを用いた電力変換装置に関する。

近年、パワー半導体モジュール及びそれを用いた電力変換装置では、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、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の電力変換装置が開発されている。

両面冷却型の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、パワー半導体素子の両主面を板状のリードフレームで挟み込んで回路体を構成し、回路体をケースに収納するパワー半導体モジュールを開示する。このケースは、回路体を冷却するためのピンフィンを形成する。

電力変換装置の大電流化や小型化、パワー半導体モジュールの信頼性向上のために、このケースの熱伝達率をさらに向上させることが求められている。

そこで、フィンの間隔と寸法を小さくして本数を増やし、フィン表面積を拡大させることが考えられる。

しかしながら、フィンの強度を低下させてしまうため、パワー半導体モジュールの運搬時や電力変換装置の冷却水路等への組み付け時にフィンが変形または破断し、パワー半導体モジュールの生産性を低下させてしまうおそれがある。

特開２０１０−１１０１４３号公報

本発明の課題は、パワーモジュールの冷却性能向上と生産性向上の両立を図ることである。

本発明に係るパワー半導体モジュールは、直流電流を交流電流に変換するパワー半導体素子と、前記パワー半導体素子を収納空間を形成するケースと、を備え、前記ケースは、第１放熱体と、前記収納空間を挟んで当該第１放熱体と対向する第２放熱体と、を有し、前記第１放熱体及び前記第２放熱体は、複数の第１フィンと、当該第１フィンの断面の幅よりも大きい断面の幅を形成する第２フィンと、をそれぞれ有し、前記第２フィンは、前記複数の第１フィンのうち外側に配置された複数の第１フィンを同士を結んだ第１フィン領域よりも外側に配置される。

本発明により、パワーモジュールの冷却性能向上と生産性向上の両立を図ることができる。

ハイブリッド方式の自動車の制御ブロックを示す図である。 インバータ回路部１４０の回路構成図である。 電力変換装置２００の外観斜視図である。 電力変換装置２００の分解斜視図である。 筐体４００の分解斜視図である。 図４の平面ＡＡの矢印方向から見た筐体４００の断面図である。 パワー半導体モジュール３００ａの外観斜視図である。 パワー半導体モジュール３００ａの分解斜視図である。 パワー回路体３８０の分解斜視図である。 流路形成体４１０を一体に形成した筐体４００を上面から見た外観斜視図である。 筐体４００を下面から見た外観斜視図である。 流路形成体４００にパワー半導体モジュール３００ａないし３００ｃを組み立てる工程を示す断面図である。 ５の平面Ｂの矢印方向から見た流路形成体４１０にバスバーモジュール７００を組み立てる工程を示す断面図である。 フィンを形成した面側の第１放熱体３５４ａの拡大図である。 第１放熱体３５４ａを透過させ、フィン３５０とパワー半導体素子との位置関係を示した透過図である。 図１４の領域Ｃを拡大した拡大図である。 パワー半導体モジュール３００ａが流路形成体４１０に組み込まれた状態におけるパワー半導体モジュール３００ａ及び調整部材４０７の正面図である。 図１７の領域Ｄの拡大図である。 他の実施形態に係るフィンを形成した面側の第１放熱体３５４ａの拡大図である。 図１９の領域Ｅを拡大した拡大図である。 他の実施形態に係るパワー半導体モジュール３００ａが流路形成体４１０に組み込まれた状態におけるパワー半導体モジュール３００ａ及び調整部材４７２aの正面図である。 図２１の領域Ｆの拡大図である。 他の実施形態に係るパワー半導体モジュール３００ａが流路形成体４１０に組み込まれた状態におけるパワー半導体モジュール３００ａ及び調整部材４０７の正面図である。 図２３の領域Ｇの拡大図である。 実施例１ないし実施例３のいずれかの電力変換装置２００をトランスミッションＴＭに配置した状態を示す全体斜視図である。

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。

図１はハイブリッド方式の自動車の制御ブロックを示す図であり、内燃機関ＥＧＮおよびモータジェネレータＭＧは自動車の走行用トルクを発生する動力源である。また、モータジェネレータＭＧ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ＭＧに外部から加えられる機械エネルギ(回転力)を電力に変換する機能を有する。モータジェネレータＭＧは、例えば同期電動/発電機あるいは誘導電動/発電機であり、上述のごとく運転方法により電動機としても発電機としても動作する。

内燃機関ＥＧＮの出力側は動力分配機構ＴＳＭを介してモータジェネレータＭＧ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ＭＧ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ＭＧに伝達され、伝達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。インバータ回路部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とインバータ回路部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ＭＧを電動機として動作させる場合には、インバータ回路部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、交流コネクタ１８８を介してモータジェネレータＭＧに供給する。モータジェネレータＭＧとインバータ回路部１４０からなる構成は電動/発電ユニットとして動作する。

電動/発電ユニットは、運転状態に応じて電動機として、或いは発電機として運転する場合、或いはこれらを使い分けて運転する場合がある。尚、本実施形態では、バッテリ１３６の電力によって電動/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ＭＧの動力のみによって車両の駆動ができる。更に、本実施形態では、電動/発電ユニットを発電ユニットとして内燃機関ＥＧＮ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の充電ができるようになっている。

電力変換装置２００は、インバータ回路部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、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。コネクタ２１から入力される指令に基づいて制御回路部１７２でモータジェネレータＭＧの制御量を演算する。

更に電動機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てドライバ回路１７４へ制御パルスを供給する。この制御パルスに基づいてドライバ回路１７４がインバータ回路部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部１４０の回路構成を説明するが、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と表現している。

インバータ回路部１４０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のパワー半導体モジュール３００aないし３００ｃを、出力しようとする交流電力のＵ相，Ｖ相，Ｗ相からなる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ＭＧ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パワー半導体モジュール３００aないし３００ｃは、パワー半導体モジュール３００aないし３００ｃのそれぞれのＩＧＢＴ３２８とそれぞれのＩＧＢＴ３３０の中点部分である中間電極１６９から交流電流が出力され、この交流電流は交流端子１５９を通して、モータジェネレータＭＧへの交流電力線である交流バスバーと接続される。

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５０２に、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５０２にそれぞれ電気的に接続されている。

上述のように、制御回路部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部１４０を構成する各相のパワー半導体モジュール３００aないし３００ｃ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は制御パルスに基づき各相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、複数の正極側コンデンサ端子５０２と複数の負極側コンデンサ端子５０２と、正極側電源端子５０９と負極側電源端子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、正極側電源端子５０９や負極側電源端子５０８に供給され、コンデンサモジュール５００の複数の正極側コンデンサ端子５０２や複数の負極側のコンデンサ端子５０２から、インバータ回路部１４０へ供給される。

一方、交流電力からインバータ回路部１４０によって変換された直流電力は正極側コンデンサ端子５０２や負極側コンデンサ端子５０２からコンデンサモジュール５００に供給され、正極側電源端子５０９や負極側電源端子５０８から直流コネクタ１３８を介してバッテリ１３６に供給されてバッテリ１３６に蓄積される。

制御回路部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、モータジェネレータＭＧに対して要求される目標トルク値、上下アームパワー半導体モジュール１５０からモータジェネレータＭＧ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。

目標トルク値は図示しない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り、電流値は電流センサ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ＭＧに設けられたレゾルバなどの回転磁極センサ（図示せず）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。

図３は、電力変換装置２００の外観斜視図である。

筐体４００は、その上面に開口部が形成され、この開口部が蓋９００に塞がれる。直流コネクタ１３８は、バッテリ１３６と電気的に接続される端子である。交流コネクタ１８８は、モータジェネレータ１９２と電気的に接続される端子である。直流コネクタ１３８及び交流コネクタ１８８は、蓋９００に設けられる。筐体４００は、蓋９００が自動車の配線作業を行なう為の開口側に向くように、車体に固定される。

これにより、直流コネクタ１３８及び交流コネクタ１８８の双方の配線及び接続の作業が容易になる。

図４は、電力変換装置２００の分解斜視図である。

筐体４００は、流路形成体４１０を収納する。流路形成体４１０は、後述するパワー半導体モジュール３００aないし３００ｃを冷却するための流路を形成するが、本実施形態においては後述するコンデンサ素子５００を冷却するための流路も形成する。流路形成体４１０は、底部に開口部が形成され、この開口部が蓋４０１に塞がれる。流路入口部４０２ａ及び流路出口部４０２ｂは、蓋４０１に固定される。

パワー半導体モジュール３００aないし３００ｃの端子及びコンデンサ素子５００の端子が、流路形成体４１０の上面側から突出する。バスバーモジュール７００は、パワー半導体モジュール３００aないし３００ｃの直流端子及びコンデンサ素子５００の端子と接続される直流バスバー（不図示）と、パワー半導体モジュール３００aないし３００ｃの交流端子と接続される交流バスバー（不図示）と、直流バスバー及び交流バスバーを被覆して一体化するための絶縁樹脂部と、を有する。

ベース部８００は、バスバーモジュール７００を収納するための収納空間を形成するとともに筐体４００に固定される。ベース部８００は、後述するパワー半導体モジュール３００aないし３００ｃの信号端子３２７Ｕ及び３２７Ｌを貫通するための第１貫通孔８０１を形成する。

制御回路基板１７５は、ベース部８００の収納空間が形成された側とは反対側の面に配置され、信号端子３２７Ｕ及び３２７Ｌと接続される。

ベース部８００は、導電性部材、例えば金属製材料に構成され、パワー半導体モジュール３００aないし３００ｃから放射されるノイズを遮蔽し、制御回路基板１７５をノイズから保護している。またベース部８００は、コンデンサ素子５００の端子との絶縁距離を確保するための凹部８０２を形成する。

本実施形態の電力変換装置２００は、大電力を流すとともに冷却を必要するパワー半導体モジュール３００aないし３００ｃ及びコンデンサ素子５００を配置した第１階層と、パワー半導体モジュール３００aないし３００ｃに準じて冷却を必要するとともに大電力を流すバスバーモジュール７００を配置する第２階層と、制御系の小電力を扱う制御回路基板１７５を配置する第３階層と、を備える。なお、第２階層と第３階層との間には、ベース部８００が配置される。

図５は、筐体４００の分解斜視図である。図６は、図４の平面ＡＡの矢印方向から見た筐体４００の断面図である。

本実施形態においては、流路形成体４１０は、筐体４００に一体に形成されている。これにより、筐体４００が流路形成体４１０により冷却され、筐体４００に固定される部品、例えばベース部８００や蓋４０１を冷却することができ、電力変換装置２００全体を効率良く冷却することができる。

流路形成体４１０は、パワー半導体モジュール３００aないし３００ｃを配置する第１流路空間４１１と、コンデンサ素子５００を収納する収納空間４９０と、収納空間４９０と対向する第２流路空間４１２と、を形成する。

第２流路空間４１２は、流路入口部４０２ａと第１流路空間４１１とを繋ぐ。また流路形成体４１０は、第１流路空間４１１に繋がる開口部４１３を、底面部に形成する。この開口部４１３は蓋４０１により塞がれることにより、流路形成体４１０と蓋４０１が冷却冷媒を流すための流路を形成する。

さらに流路形成体４１０は、第１流路空間４１１に繋がる複数の貫通孔４１５を、上面部に形成する。パワー半導体モジュール３００aないし３００ｃの端子は、この貫通孔４１５を通って、流路形成体４１０の外部まで延ばされる。

さらに流路形成体４１０は、収納空間４９０に繋がる開口部４１４を、上面部に形成する。

コンデンサ端子５０２は、開口部４１４が介して流路形成体４１０の外部まで延ばされる。封止樹脂５０１は、収納空間４９０に充填され、コンデンサ端子５０２を封止する。

冷却冷媒の流れ４９９は、流路入口部４０２ａから第２流路空間４１２を通り、さらに第１流路空間４１１を通って、流路出口部４０２ｂの順に流れる。コンデンサ端子５０２から伝達される熱は、封止樹脂５０１及び流路形成体４１０を介して、第２流路空間４１２に流れる冷却冷媒まで伝達される。なお、第２流路空間４１２は、収納空間４９０の底部だけでなく側部を形成する流路形成体４１０に設けてもよい。
図７は、パワー半導体モジュール３００ａの外観斜視図である。パワー半導体モジュール３００ａないし３００ｃは、同様の構成であるため、代表してパワー半導体モジュール３００ａについて説明する。

パワー半導体モジュール３００ａは、後述するパワー回路体３８０と、パワー回路体３８０を収納するケース３０４と、端子を絶縁するための絶縁モールド端子部６００と、により構成される。

枠体３０５は、ケース３０４の側面及び底面を形成する。第１側面３５１ａは、ケース３０４の側面及び底面と直交する最も広い面を形成する。第２側面３５１ｂは、パワー回路体３８０を挟んで第１側面３５１ａとは反対側に形成され、かつ第１側面３５１ａと同様に、ケース３０４の側面及び底面と直交する最も広い面を形成する。

第２側面３５１ｂは、第１側面３５１ａと同様の構成と機能を有するため、代表して第１側面３５１ａについて説明する。

フィン３５０は、第１側面３５１ａに形成され、本実施形態においては円柱状のピンフィンである。フィン形成面３５２は、第１側面３５１ａにおいて、フィン３５０が集中的に形成される面である。

フランジ３０８は、パワー半導体モジュール３００ａの端子を通す為に挿入孔３０６（図８参照）を囲むように形成される。位置決め部３１１は、流路形成体４１０と組み付ける際に位置決めを行い、フランジ３０８の上面側に設けられる。Ｏリング溝３１２はフランジ３０８の側面側に形成され、パワー半導体モジュール３００ａと流路形成体４１０はパワー半導体モジュール３００ａの側面側でシールされることになる。つまり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。

パワー半導体モジュール３００ａの端子は、正極側端子３１５Ｄと、負極側端子３１９Ｄと、交流端子３２０Ｄと、信号端子３２７Ｌと、信号端子３２７Ｕとにより構成される。

補助モールド体６０１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、互いの端子を電気的に絶縁する。溝６０２は、端子間に配置される絶縁材を固定するために、補助モールド体６０１に形成される。これにより端子間の絶縁距離を長くすることができる。

図８は、パワー半導体モジュール３００ａの分解斜視図である。

パワー回路体３８０は、導体板３１８等（図９参照）の導体部材やパワー半導体素子を封止するための絶縁封止材３０２を有する。また導体板３１８の放熱面３２１Ａ及び導体板３１９の放熱面３２１Ｂは、絶縁封止材３０２から露出し、パワー半導体素子から伝達する熱を放熱する。

放熱面３２１Ａ及び放熱面３２１Ｂは、フィン形成面３５２の垂直方向から見た場合、フィン形成面３５２と重なるように形成される。絶縁材３３３ａ及び３３３ｂは、パワー回路体３８０とケース３０４との間に配置され、パワー回路体３８０とケース３０４との間を絶縁させる。ケース３０４は、端子を突出させる挿入口３０６以外は全閉な構造となっている。

なお、第１放熱体３５４ａと第２放熱体３５４ｂを枠体３０５と一体に形成してよいが、本実施形態においては、ケース３０４は、第１側面３５１ａの一部を形成する第１放熱体３５４ａと、第２側面３５１ｂの一部を形成する第２放熱体３５４ｂと、を枠体３０５から分離して成形し、これら第１放熱体３５４ａ及び第２放熱体３５４ｂを枠体３０５にＦＳＷや溶接等の防水性の高い接合方法により接続している。

ＦＳＷ等により第１放熱体３５４ａと第２放熱体３５４ｂを枠体３０５を接合した場合、ＦＳＷや溶接等の接合領域を第１側面３５１ａ及び第２側面３５１ｂのそれぞれに設ける必要がある。

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る。

また絶縁封止材３０２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。

図９は、パワー回路体３８０の分解斜視図である。
ＩＧＢＴ３２８とダイオード１５６は、インバータ回路１４０の上アーム回路を構成する。導体板３１５は、ＩＧＢＴ３２８のコレクタ電極及びダイオード１５６のアノード電極とはんだ材等により金属接続される。

導体板３１８は、ＩＧＢＴ３２８及びダイオード１５６を挟んで導体板３１５と反対側に配置され、ＩＧＢＴ３２８のエミッタ電極及びダイオード１５６のカソード電極とはんだ材等により金属接続される。ＩＧＢＴ３３０とダイオード１６６は、インバータ回路１４０の下アーム回路を構成する。

導体板３２０は、ＩＧＢＴ３３０のコレクタ電極及びダイオード１６６のアノード電極とはんだ材等により金属接続される。導体板３１９は、ＩＧＢＴ３３０及びダイオード１３６を挟んで導体板３１２と反対側に配置され、ＩＧＢＴ３３０のエミッタ電極及びダイオード１６６のカソード電極とはんだ材等により金属接続される。

金属接続に用いられる金属接合剤は、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。

中間電極３２９Ａは、導体板３１８の導体板３１９に近い辺に配置される。中間電極３２９Ｂは、導体板３２０の導体板３１５に近い辺に配置されるとともに、中間電極３２９Ａと対向するように導体板３１５ に向かって延ばされる。さらに中間電極３２９Ｂは、中間電極３２９Ａとはんだ材等により金属接続され、上アーム回路と下アーム回路とを接続する。

なお、導体板３１８及び導体板３１９は、ＩＧＢＴ３２８のエミッタ電極と平行な仮想面上に並べられるように配置される。同様に、導体板３１５及び導体板３２０は、ＩＧＢＴ３２８のコレクタ電極と平行な仮想面上に並べられるように配置される。

図１０は、流路形成体４１０を一体に形成した筐体４００を上面から見た外観斜視図である。図１１は、筐体４００を下面から見た外観斜視図である。

平坦面４０４は、流路形成体４００の上面に形成され、バスバーモジュール７００がこの平坦面４０４に配置される。図５にて示された貫通孔４１５は、平坦面４０４に形成される。

凹部４０６は、流路形成体４００の第１流路空間４１１を形成する面のうち貫通孔４１５が形成された面に形成される。凹部４０６は、凹部４０６の底面部に、貫通孔４１５が配置されるように、流路形成体４００に形成される。
図１２は、流路形成体４００にパワー半導体モジュール３００ａないし３００ｃを組み立てる工程を示す断面図である。図１３は、図５の平面Ｂの矢印方向から見た流路形成体４１０にバスバーモジュール７００を組み立てる工程を示す断面図である。

パワー半導体モジュール３００ａないし３００ｃは、流路形成体４１０の底面側から第１流路空間４１１に収納される。パワー半導体モジュール３００ａのケース３０４に形成された位置決め部３１１は、凹部４０６の底面部に組み付けられる。一方、ケース３０４に形成されたＯリング溝３１２は、凹部４０６の側面部と対向する位置に配置される。

補助モールド体６０１は、貫通孔４１５を貫通して配置され、この補助モールド体６０１の一面が流路形成体４１０の平坦面４０４と同一面になるように配置される。パワー半導体モジュール３００ａないし３００ｃの端子は、バスバーモジュール７００の貫通孔７０５を貫通し、バスバーモジュール７００側の端子７０１と接続される。

調整部材４０７は、冷却媒体がフィン３５０に流れるように冷却媒体の流れを調整するための部材である。つまり、調整部材４０７は、冷却媒がフィン３５０以外にバイパスすることを防止するための部材である。調整部材４０７を設ける理由は図８にて説明したようにケース３０４は第１放熱体３５４ａを枠体３０５を接合するための接合領域が必要だからである。

図１４は、フィンを形成した面側の第１放熱体３５４ａの拡大図である。

フィン３５０は、第１フィン３６０と、第１フィン３６０の太さよりも大きい太さを有する第２フィン３７０ａないし３７０ｆと、によりで構成される。ここで、フィンの太さとは、フィンの突出方向の垂直断面のフィンの幅であり、円柱状のピンフィンの場合には、円の直径である。

第２フィン３７０ａないし３７０ｆは、第１フィン３６０よりも直径が大きく、曲げ剛性が高い形状となっている。第１フィン３６０としては、例えば直径が０．９ｍｍ程度のピンフィンを用いる。

第１フィン３６０同士の間隔は、第１フィン３６０と第２フィン３７０ａ等との間隔より小さい。これにより、第１フィン３６０の形成領域の熱伝達率を向上させることができる。

図１５は、第１放熱体３５４ａを透過させ、フィン３５０とパワー半導体素子との位置関係を示した透過図である。

第１フィン射影部３６０Ｓは、ＩＧＢＴ３２８のエミッタ電極面又は第１放熱体３５４ａのフィン形成面に対して垂直方向から投影した場合における、第１フィン３６０の斜影である。同様に、第２フィン射影部３７０Ｓは、第２フィン３７０の斜影である。

第１フィン３６０は、第１フィン射影部３６０ＳがＩＧＢＴ３２８及び３３０やダイオード１５６及び１６６と重なるように形成される。これにより、放熱対象であるＩＧＢＴ３２８等のパワー半導体素子が、熱伝達率が高い第１フィン３６０により効率的に冷却される。

図１６は、図１４の領域Ｃを拡大した拡大図である。
外周縁３６３は、複数の第１フィン３６０が形成された領域を囲んだ場合の縁となる部分である。第２フィン３７０ａないし３７０ｆは、外周縁３６３よりも外側に配置される。

つまり図１５にて説明したように、ＩＧＢＴ３２８のエミッタ電極面又は第１放熱体３５４ａのフィン形成面に対して垂直方向から投影した場合において、第２フィン３７０ａないし３７０ｆは、第２フィン射影部３７０Ｓが第１フィン射影部３６０Ｓの外周縁と重なる又は第１フィン射影部３６０Ｓの外周縁の外側になるように、配置される。言い換えると、第２フィン３７０ａないし３７０ｆは、複数の第１フィン３６０のうち外側に配置された複数の第１フィン３６０を結んだ第１フィン領域よりも外側に配置される。

本実施形態のパワー半導体モジュール３００ａないし３００ｃは、幅広い２面にフィン３５０を形成したケース３０４を用いている。さらにケース３０４は、熱伝達率を向上させるために直径が非常に小さい第１フィン３６０を用いている。

これらの条件から、本実施形態のパワー半導体モジュール３００ａないし３００ｃを製造時の運搬や組み込まれる際に、第１フィン３６０を変形や割れから十分に保護する必要がある。例えば、パワー半導体モジュール３００ａないし３００ｃは流路形成体４１０に組み込まれる前には作業台等に置かれるが、その際パワー半導体モジュール３００ａないし３００ｃは枠体３０５が作業台と接した状態となる。そこからパワー半導体モジュール３００ａないし３００ｃを組み込みのために取り上げる際に、パワー半導体モジュール３００ａないし３００ｃが作業台上で倒れたり、第１フィン３６０が作業台と接することも想定される。特に本実施形態においては、ケース３０４の幅広い２面にフィン３５０を形成しているため、その蓋然性が高い。

そこで、ケース３０４の両面において第２フィン３７０が第１フィン３６０の形成領域の外周縁３６３よりも外側に配置されることにより、ケース３０４の両面における第１フィン３６０を変形や割れから保護することができるようになる。特にパワー半導体素子と対向する第１フィン３６０を変形や割れから保護することができる。

さらに、図１６に示されるように、第２フィン３７０は、外周縁３６３の延長線３６４によりも突出した突出部分３５５を有するように配置される。この突出部分３５５は、パワー半導体モジュール３００ａないし３００ｃを流路形成体４１０に挿入する際の挿入方向Ｄに沿った向きに設けられる。

これにより、 パワー半導体モジュール３００ａないし３００ｃを流路形成体４１０に組み込む際に、作業冶具や作業者の手により第１フィン３６０が変形してしまうことを防止できる。

図１７は、パワー半導体モジュール３００ａが流路形成体４１０に組み込まれた状態におけるパワー半導体モジュール３００ａ及び調整部材４０７の正面図である。図１８は、図１７の領域Ｄの拡大図である。

図１７に示されるように、調整部材４０７は、バイパス流を防止するための効果をあげるために、フランジ３０８とフィン３５０の間の隙間ができるだけ小さくなるように、形成される。

具体的には図１８に示されるように、調整部材４０７の一方の面がフランジ３０８と接触し、調整部材４０７の他方の面がフィン３５０と接触する。そのため、フィン３５０は、調整部材４０７の弾性力４０８による応力を受けることになる。

そこで本実施形態においては、第１フィン３６０よりも剛性の大きい第２フィン３７０ａないし３７０ｆが調整部材４０７からの応力を受け止めるように構成される。

つまり図１５にて説明したように、ＩＧＢＴ３２８のエミッタ電極面又は第１放熱体３５４ａのフィン形成面に対して垂直方向から投影した場合において、第２フィン３７０ａないし３７０ｆは、第２フィン射影部３７０Ｓが第１フィン射影部３６０Ｓの外周縁と重なる又は第１フィン射影部３６０Ｓの外周縁の外側になるように、配置される。これにより、第１フィン３６０の変形を防止することが出来る。

特に、冷却媒体の流量が少ない場合、フィン３５０の熱伝達率を確保するために調整部材４０７を隙間なく組み付ける必要性が増し、この調整部材４０７の寸法を、フランジ３０８とフィン３５０との間の寸法よりも大きくするとともに、調整部材４０７を弾性部材により構成する。一方で第１フィン３６０は、その直径と第１フィン３６０同士の間隔を小さくして熱伝達率を向上させようとするため、第１フィン３６０の曲げ剛性は小さくなる。したがって、弾性力４０８が第１フィン３６０を変形させやすくなるため、本実施形態の効果が顕著に表れる。

また図８に示されるように、フランジ３０８の高さは、フィン３５０の高さより大きく形成される。そして図１７に示されるように、第２フィン３７０ａと第２フィン３７０ｂと第２フィン３７０ｅは、フランジ３０８に対して第１フィン３６０よりも遠くに配置される。

これにより、フランジ３０８に近い側の第１フィン３６０はフランジ３０８によって保護され、第２フィン３７０ａ等に近い側の第１フィン３６０は第２フィン３７０ａ等によって保護される。よってパワー半導体モジュール及び電力変換装置の生産性を維持しながら、第２フィン３７０ａの数を低減することができる。

また図１７に示されるように、第１フィン３６０及び第２フィン３７０ａないし３７０ｆは、第１フィン３６０及び第２フィン３７０を結んだフィン領域が略矩形状となるように配置される。そして複数の第２フィン３７０ａないし３７０ｆのうちの４つの第２フィン３７０ａと第２フィン３７０ｂと第２フィン３７０ｃと第２フィン３７０ｄは、略矩形状の４隅を形成する。

これにより、フィン領域において衝撃の頻度が高い４隅を、少ない数の第２フィン３７０ａ等により第１フィン３６０を保護することができる。

また図１７に示されるように、４隅に配置された第２フィン３７０ａないし３７０ｄとは異なる第２フィン３７０eは、４隅に配置された第２フィン３７０ａないし３７０ｄのうちの隣り合う２つのフィンである第２フィン３７０ａと第２フィン３７０ｂを結ぶ線分の略中点の位置に配置される。

これにより、第２フィン３７０ａと第２フィン３７０ｂを結ぶ線分が長くなり、この線分上において衝撃の頻度が高くなる可能性が高くなった場合であっても、少ない数の第２フィン３７０e等により第１フィン３６０を保護することができる。

図１９は、他の実施形態に係るフィンを形成した面側の第１放熱体３５４ａの拡大図である。図２０は、図１９の領域Ｅを拡大した拡大図である。図２１は、他の実施形態に係るパワー半導体モジュール３００ａが流路形成体４１０に組み込まれた状態におけるパワー半導体モジュール３００ａ及び調整部材４７２aの正面図である。図２２は、図２１の領域Ｆの拡大図である。
実施例１と同様の図面番号を付した構成は、実施例１と同様の機能を有する。本実施形態では、実施例１と異なる部分を中心に説明する。
本実施形態に係る第１放熱体３９２ａは、第２フィン３７０ａないし３７０ｆの位置が実施例１と異なる。具体的には、図２０に示されるように、第２フィン３７０ａないし３７０ｆは、外周縁３６３の延長線３６４に重ならないように、第１フィン３６０に近づけて配置される。このような配置であっても、外周縁３６３付近に配置された第１フィン３６０以外の多数の第１フィン３６０を衝撃等から保護することができる。図示しないが、第２放熱体３９２ｂも、第１放熱体３９２ａと同様の構成である。

しかしながら、第１流路空間４１１において、外周縁３６３付近に配置された第１フィン３６０が調整部材４７０によって繰り返し押圧力を受けていると、多くの第１フィン３６０が変形され、第１放熱体３９２ａの冷却性能に影響を与える可能性がある。

そこで本実施形態の調整部材４７２は、第２フィン３７０ａないし３７０ｆに向かって突出する突出部４７３を形成する。そして、突出部４７３は、調整部材４７２の中で優先的に第２フィン３７０と接触する。つまり、突出部４７３を除いた調整部材４７２は、第１フィン３６０に接触し難くなり、第１フィン３６０ の変形を防止することができる。

図２３は、他の実施形態に係るパワー半導体モジュール３００ａが流路形成体４１０に組み込まれた状態におけるパワー半導体モジュール３００ａ及び調整部材４０７の正面図である。図２４は、図２３の領域Ｇの拡大図である。
実施例１と同様の図面番号を付した構成は、実施例１と同様の機能を有する。本実施形態では、実施例１と異なる部分を中心に説明する。

本実施形態に係る第１放熱体３９３ａは、第２フィンの数及び位置が実施例１と異なる。具体的には、図２３に示されるように、第２フィン３７０は、複数設けられる。そして、複数の第２フィン３７０は、調整部材４０７の側部に沿って一列に配置される。つまり複数の第１フィン３６０のそれぞれは、複数の第２フィン３７０のいずれかを挟んで調整部材４０７と対向する位置に配置される。これにより、第１フィン３６０の変形を防止することができる。

図２５は、実施例１ないし実施例３のいずれかの電力変換装置２００をトランスミッションＴＭに配置した状態を示す全体斜視図である。

電力変換装置２００をトランスミッションＴＭに配置した場合には、電力変換装置２００に流れる冷却冷媒はトランスミッションＴＭからの熱を受けて温度が上昇するおそれがある。そこで、上述した実施例１ないし実施例３のいずれかの電力変換装置２００のように、冷却冷媒は、調整部材４０７又は調整部材４７２を用いて、パワー半導体素子を優先的冷却するようにすることが、電力変換装置２００の冷却性能の向上に繋がる。実施例１ないし実施例３のいずれかの第２フィン３７０a等を用いることにより、調整部材４０７又は調整部材４７２を用いた場合の冷却性の維持を図ることができる。

２１…コネクタ、１３６…バッテリ、１３８…直流コネクタ、１４０…インバータ回路部、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、１６３…コレクタ電極、１６４…ゲート電極、１６５…エミッタ電極、１６６…ダイオード、１６９…中間電極、１７２…制御回路部、１７４…ドライバ回路、１７５…制御回路基板、１８８…交流コネクタ、２００…電力変換装置、３００a…パワー半導体モジュール、３００b…パワー半導体モジュール、３００ｃ…パワー半導体モジュール、３０２…絶縁封止材、３０４…ケース、３０５…枠体、３０６…挿入孔、３０８…フランジ、３１１…位置決め部、３１２…Ｏリング溝、３１５…導体板、３１５Ｄ…正極側端子、３１８…導体板、３１９…導体板、３２０…導体板、３１９Ｄ…負極側端子、３２０Ｄ…交流端子、３２１Ａ…放熱面、３２１Ｂ…放熱面、３２７Ｌ…信号端子、３２７Ｕ…信号端子、３２８…ＩＧＢＴ、３２９Ａ…中間電極、３２９Ｂ…中間電極、３３０…ＩＧＢＴ、３３３ａ及び３３３ｂ…絶縁材、３５０…フィン、３５１ａ…第１側面、３５１ｂ…第２側面、３５２…フィン形成面、３５４ａ…第１放熱体、３５４ｂ…第２放熱体、３５５…突出部分、３６０…第１フィン、３６０Ｓ…第１フィン射影部、３６３…外周縁、３６４…延長線、３７０…第２フィン、３７０ａないし３７０ｆ…第２フィン、３７０Ｓ…第２フィン射影部、３８０…パワー回路体、３９２ａ…第１放熱体、３９２ｂ…第２放熱体、３９３ａ…第１放熱体、３９３ｂ…第２放熱体、４００…筐体、４０１…蓋、４０２ａ…流路入口部、４０２ｂ…流路出口部、４０４…平坦面、４０６…凹部、４０７…調整部材、４０８…弾性力、４１０…流路形成体、４１１…第１流路空間、４１２…第２流路空間、４１３…開口部、４１４…開口部、４１５…貫通孔、４７２…調整部材、４７３…突出部、４９０…収納空間、４９９…冷却冷媒の流れ、５００…コンデンサモジュール、５０１…封止樹脂、５０２…コンデンサ端子、５０８…負極側電源端子、５０９…正極側電源端子、６００…絶縁モールド端子部、６０１…補助モールド体、６０２…溝、７００…バスバーモジュール、７０１…端子、７０５…貫通孔、８００…ベース部、８０１…第１貫通孔、８０２…凹部、９００…蓋、ＥＧＮ…内燃機関、ＭＧ…モータジェネレータ、ＴＭ…トランスミッション、ＴＳＭ…動力分配機構

Claims (8)

1. 直流電流を交流電流に変換するパワー半導体素子と、
   前記パワー半導体素子を収納する収納空間を形成するケースと、を備え、
   前記ケースは、第１放熱体と、前記収納空間を挟んで当該第１放熱体と対向する第２放熱体と、を有し、
   前記第１放熱体及び前記第２放熱体は、複数の第１フィンと、当該第１フィンの断面の幅よりも大きい断面の幅を形成する第２フィンと、をそれぞれ有し、
   前記第２フィンは、前記複数の第１フィンのうち外側に配置された複数の第１フィンを結んだ第１フィン領域よりも外側に配置されるパワー半導体モジュール。
2. 請求項１に記載されたパワー半導体モジュールであって、
   前記第１放熱体における前記第１フィンが形成されるフィン形成面の垂直方向から投影した場合、
   前記第１フィンは、当該第１フィンの射影部が前記パワー半導体素子の射影部と重なるように配置され、
   前記第２フィンは、当該第２フィンの射影部が前記パワー半導体素子の射影部と重ならないように配置されるパワー半導体モジュール。
3. 請求項１または２に記載されたパワー半導体モジュールであって、
   前記ケースは、前記第１フィン及び前記第２フィンの高さより大きく形成されたフランジを有し、
   前記第２フィンは、前記フランジに対して前記第１フィンよりも遠くに配置されるパワー半導体モジュール。
4. 請求項１ないし３に記載されたいずれかのパワー半導体モジュールであって、
   前記第２フィンは、複数設けられ、
   前記第１フィン及び前記第２フィンは、前記第１フィン及び前記第２フィンを結んだフィン領域が略矩形状となるように配置され、
   前記複数の第２フィンのうちの４つの第２フィンは、前記略矩形状の４隅を形成するパワー半導体モジュール。
5. 請求項４に記載されたいずれかのパワー半導体モジュールであって、
   前記４隅に配置された第２フィンとは異なる第２フィンは、前記４隅に配置された第２フィンのうちの隣り合う２つの第２フィンを結ぶ線分の略中点の位置に配置されるパワー半導体モジュール。
6. 請求項１ないし５に記載されたいずれかのパワー半導体モジュールを備える電力変換装置であって、
   冷却冷媒を流すとともに前記パワー半導体モジュールを収納する流路空間を形成する流路形成体と、
   前記流路空間に配置されるとともに前記冷却冷媒の流れを調整する調整部材と、を備え、
   前記第２フィンは、前記調整部材と接触する位置に配置される電力変換装置。
7. 請求項６に記載された電力変換装置であって、
   前記調整部材は、前記第２フィンに向かって突出する突出部を形成し、
   前記突出部は、前記第２フィンと接触する電力変換装置。
8. 請求項６又は７に記載された電力変換装置であって、
   前記第２フィンは複数設けられ、
   前記複数の第１フィンのそれぞれは、前記複数の第２フィンのいずれかを挟んで前記調整部材と対向する位置に配置される電力変換装置。