JP6511506B2 - 半導体モジュール及びこれを備えた電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体モジュール及びこれを備えた電力変換装置に関する。

半導体モジュールからの熱を効率よく冷却器へ伝達して放熱性を高めることを意図した従来技術として、例えば、特許文献１に示す冷却構造が提案されている。この特許文献１によると、冷却器に形成したモジュール挿入用穴に半導体モジュールを挿入し、モジュール挿入用穴との当接面から放熱を行うものであって、半導体モジュールのモジュール挿入用穴との当接面に軟質性金属層をコーティングし、この軟質性金属層を介して冷却器へ放熱することが開示されている。

また、インバータに用いる半導体素子の冷却効率と組立性の両立を意図した従来技術として、例えば、特許文献２に示すインバータ装置が提案されている。この特許文献２によると、半導体素子の両面を放熱板で挟んだパワーカードを収容する収容部とパワーカードの周囲に冷却媒体を循環させる循環経路部とが形成され、パワーカードと収容部との隙間に絶縁性樹脂を充填し、絶縁性樹脂を硬化させてパワーカードを固定することが開示されている。

また、半導体モジュールの組み立て作業の負担を軽減した、冷却能力の向上を意図した冷却構造の従来技術は、例えば、特許文献３に提案されている。この特許文献３によると、内部に半導体モジュールを収容し、半導体のジュール発生熱を放熱する放熱面を正面と背面に有するブロックを設け、このブロックをケース内部に形成した冷却水通路に挿入することによって、ブロックの正面と背面が冷却水通路に面することが開示されている。

また、半導体モジュールの両面を冷却するとともに平滑コンデンサも冷却可能とする冷却構造の従来技術は、例えば、特許文献４に提案されている。この特許文献４によると、平滑コンデンサの両側に半導体モジュールを設置し、扁平な冷媒チューブをつづら折り状に湾曲させて、半導体モジュールの両面並びに平滑コンデンサに沿うように冷媒流路が形成され、液漏れのない高い放熱能力を実現させることが開示されている。

特開２００５−１７５１６３号公報 特開２００５−２３７１４１号公報 特開２００６−２０２８９９号公報 特開２００１−３５２０２３号公報

近年、例えば自動車においては、車両の駆動システムを始め、車両の各車載システムの電動化が進められている。ところが、車載システムの電動化においては、被駆動体を駆動する電気機械、及び車載電源から回転電機に供給される電力を制御して回転電機の駆動を制御する電力変換装置の新たな追加や従来のシステムの構成部品との置き換えが必要になる。

電力変換装置は、例えば自動車においては、回転電機を駆動するために車載電源から供給される直流電力を交流電力に変換したり、あるいは回転電機が発生する交流電力を車載電源に供給するための直流電力に変換したりする機能を持っている。電力変換装置が変換する電力量が増大する傾向にあるが、自動車全体では小型化や軽量化の方向にあるため、電力変換装置の大型化や重量の増加は抑えられている。また車載用の電力変換装置は産業用などと比較すると温度変化の大きい環境で使用されることが要求されており、高温の環境に置かれていながら高い信頼性を維持できる、比較的小型で比較的大きな電力を変換できる電力変換装置が要求されている。

電力変換装置はインバータ回路を備え、インバータ回路の動作によって直流電力と交流電力との間の電力変換が行われている。この電力変換を行うためにはインバータ回路を構成するパワー半導体が遮断状態と導通状態の切り替え動作（スイッチング動作）を繰り返すことが必要である。この切り替え動作時に大きな熱がパワー半導体に発生する。インバータ回路のパワー半導体である半導体チップがスイッチング動作時に発生する熱で半導体チップの温度が上昇する。このためこの温度上昇を抑えることが重要な課題である。

変換させる電力が増大すると半導体チップの発熱量が増大するので、この対策として半導体チップの大型化や半導体チップの使用個数の増大が必要となり、結果的に電力変換装置が大型化する。このような電力変換装置の大型化を押さえる方法として、半導体チップの冷却効率を向上することが考えられる。

そこで、例えば、特許文献１〜特許文献３は半導体チップの冷却効率の向上を意図して為された提案である。半導体チップの冷却効率向上は半導体チップの小型化につながることは明らかであるが、必ずしも電力変換装置全体の大型化を抑えることになるとは言い難い。例えば、半導体チップの冷却効率を向上するための改善を行うと、その結果として電力変換装置全体の構造が複雑化することが考えられ、半導体チップは小型化可能となるが、電力変換装置全体としてみるとあまり小型化できないことが起こり得る。

従って、電力変換装置全体の大型化を抑えるには、電力変換装置全体を考慮した半導体チップの冷却効率の向上が必要であり、電力変換装置全体の電気的あるいは機械的な複雑化をできるだけ抑えることが必要である。そこで、電気的な複雑化は、例えば半導体チップを内蔵する半導体モジュールと、コンデンサモジュールやドライバ基板及び交流コネクタとの電気配線の複雑化によって引き起こされる。また、機械的な複雑化は、半導体モジュールの水路筺体への実装方法の複雑化やコンデンサモジュールの実装方法の複雑化によって引き起こされる。

前記特許文献１〜特許文献３に記載の公知技術では電力変換装置全体の小型化に関して十分に考慮されているとは言い難く、さらに、コンデンサモジュールの配置や冷却構造についての具体的な開示が不十分である。また、前記特許文献４は、半導体モジュールの冷却に加えて平滑コンデンサの冷却も考慮した配置構造を開示しているが、外部の冷凍サイクル装置の冷媒配管に接続する冷媒チューブで冷却する方式のものであって冷却方式が水冷方式と異質であり、さらに、半導体モジュールと接続される回路基板などの他の構成要素との関連配置に配慮が欠けていて装置全体の小型化に課題を残している。

本発明の目的は、主として電力変換装置全体の小型化に繋がる技術を提供することである。

本発明の実施形態に係る電力変換装置は、上述したように製品化に必要な多数の課題を解決するための手段として主として次のような構成例を提示することができる。

半導体チップと、前記半導体チップに信号を伝達する信号端子と、複数の導体板と、前記半導体チップを挟んで互いに対向する第１放熱フィン及び第２放熱フィンと、前記第１放熱フィンの対向面に接続された第１絶縁部材と、前記第２放熱フィンの対向面に接続された第２絶縁部材と、を備え、前記信号端子及び前記複数の導体板の一方は、前記第１絶縁部材に接続され、前記複数の導体板の他方は、前記第２絶縁部材に接続され、前記第１放熱フィンと前記第２放熱フィンの間の空間にモールド樹脂が設けられることにより当該第１放熱フィンと当該第２放熱フィンが一体化される半導体モジュール

本発明によれば、半導体モジュールおよびこれを備えた電力変換装置において主に生産性の向上、信頼性の向上、小型化または冷却効率化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。 上下アーム直列回路及び制御部を含むインバータ装置、インバータ装置の直流側に接続されたコンデンサからなる電力変換装置と、バッテリと、モータジェネレータと、を備えた車両駆動用電機システムの回路構成を示す図である。 ２つの上下アーム直列回路をモータジェネレータへの各相交流出力用とする電力変換装置の回路構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る電力変換装置における全体構成の外観を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係る電力変換装置の全体構成を分解した斜視図である。 本発明の実施形態に係る電力変換装置の全体構成において上ケースを取り除いた平面図である。 本発明の実施形態に係る電力変換装置における半導体モジュールの配置構成を示す分解図であり、図５に示す電力変換装置の全体構成から上ケース、制御基板、ドライバ基板及び交流コネクタを取り除いた図である。 図７に示す分解図に対して交流コネクタと直流コネクタを付設した半導体モジュール廻りの電力系統の斜視図である。 図８に示す半導体モジュール廻りの電力系統の分解図である。 図７に示す半導体モジュールの配置構成を冷却水の流れ方向からみた断面図である。 本実施形態に係る電力変換装置の全体構成から上ケースを取り除いて冷却水の流れ方向からみた断面図である。 本実施形態に関する半導体モジュール、コンデンサモジュール、及び冷却水路を上方からみた断面図である。 本発明の実施形態に係る電力変換装置における半導体モジュールの全体構成の外観を示す斜視図である。 本実施形態に関する半導体モジュールの断面図であり、図１３に示すＡ−Ａ線の断面構造を示す図である。 本実施形態に関する半導体モジュールの全体構成を分解した斜視図である。 図１５に示すＢ−Ｂ線の断面構造を示す図である。 本実施形態に関する半導体モジュールにおける上下アーム直列回路の内部配置の構造を示す分解図である。 本実施形態に関する半導体モジュールにおける放熱フィン（Ａ側）に配設される上下アーム直列回路の配置構造を示す図である。 半導体モジュールにおける放熱フィン（Ａ側）に配設される各構成要素の接合関係を示す図である。 半導体モジュールにおける放熱フィン（Ｂ側）に配設される各構成要素の接合関係を示す図である。 本実施形態に関する半導体モジュールとコンデンサモジュールの間の端子接続の構造を示す図である。 本実施形態に関する半導体モジュールとコンデンサモジュールにおける配線インダクタンスの低減を説明する構成上の配置図である。 本実施形態に関する半導体モジュールとコンデンサモジュールにおける配線インダクタンスの低減を説明する等価回路上の配置図である。 本実施形態に関する半導体モジュールの正極端子と負極端子の配列についての他の構成例を示す図である。 本実施形態に関する水路構造と複数半導体モジュールの配置構造の一の構成例を示す機能説明図である。 本実施形態に関する水路構造と複数半導体モジュールの配置構造の他の構成例を示す機能説明図である。

本発明の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が、まず、はじめに、本実施形態に係る電力変換装置における、改善改良すべき技術的課題とこの技術的課題を解決するための技術の概要について説明する。

本発明の実施形態に係る電力変換装置は、世の中のニーズに応える製品として次のような技術的観点に配慮したものであり、その１つの観点が小型化技術、すなわち変換する電力の増大に伴う電力変換装置の大型化をできるだけ抑制する技術である。さらに、他の観点が電力変換装置の信頼性の向上に関する技術であり、更なる他の観点が電力変換装置の生産性の向上に関する技術である。そして、本発明の実施形態に係る電力変換装置は、上述した３つの観点、さらにはこれらの観点を総合した観点に基づいて製品化されているのであり、それぞれの観点における電力変換装置の特徴を以下列挙して概説する。

（１）小型化技術に関する説明
本実施形態に係る電力変換装置は、両側に冷却金属を備えた半導体モジュールの内部にインバータの上下アームの直列回路を収納し、半導体モジュールを冷却水内に挿入し嵌合し（スロットイン構造の採用）、両側の冷却金属を冷却水で冷却する構造を備えている。

この構造により冷却効率が向上し、半導体モジュールの小型化が可能となる。また、具体的な構造として、両側の冷却金属の内側にそれぞれ絶縁シートあるいはセラミック板などの絶縁板である絶縁部材を設け、それぞれの絶縁部材に固定した導体金属の間に上下アームの直列回路を構成する上アームおよび下アームの半導体チップを挟み込んでいる。この構造で上アームおよび下アームの半導体チップの両面と冷却金属との間に良好な熱伝導路ができ、半導体モジュールの冷却効率は大きく向上する。

また、半導体モジュールの上アームの半導体チップ（ＩＧＢＴチップとダイオードチップ）と半導体モジュールの下アームの半導体チップとを、冷却水の流れの方向に対して位置をずらして配置するとともに、上アームのＩＧＢＴチップと下アームのＩＧＢＴチップとを冷却水流れの同一水平面上に配置することで、フィン形状冷却金属が上下アーム直列回路のＩＧＢＴチップ冷却用に占める上下幅が、ダイオードチップのそれよりも大きくなり、放熱量のより多いＩＧＢＴチップを効果的に冷却することができる。すなわち、上下アームのＩＧＢＴチップを冷却するために、ダイオードチップに対するよりも冷却水の量が増えることとなり、冷却効率の大幅向上に繋がる。

上アームおよび下アームの半導体チップの両面は冷却金属の内側の導体金属（導体板）にそれぞれ接続され、導体金属は絶縁部材を介して冷却金属に固定されている。絶縁部材の厚さは薄く、例えばセラミック板の場合で３５０μメータ以下、絶縁シートの場合は更に薄く５０μメータから２００μメータである。ここで、絶縁シートとしては、例えば熱圧着された樹脂のシートである。導体金属が冷却金属に接近して設けられているので、導体金属に流れる電流による渦電流が冷却金属に流れ、渦電流は熱を発生するがこれらの熱は効率良く冷却水に伝達される。

また、渦電流により半導体モジュール内のインダクタンスが低減される。インダクタンス低減は、上アームおよび下アームの半導体チップのスイッチング動作による電圧の跳ね上がりを低減でき、信頼性の向上に繋がる。また、電圧上昇を抑えられることは、上アームおよび下アームの半導体チップのスイッチング動作の高速化を可能とし、スイッチング動作のための時間を短縮でき、スイッチング動作による発熱量の低減に繋がる。

さらに、コンデンサモジュールと半導体モジュールとを略同一平面空間の水路筐体に収容し、且つコンデンサモジュールを挟んでその両側に半導体モジュールを配置（サンドイッチ構造の採用）することで、小型化を図っている。これに加えて、コンデンサモジュールの上方面に、半導体チップを駆動するためのドライバ基板と半導体チップを制御するための制御基板を配置することで、コンデンサモジュール上方面の有効利用を図り、小型化を実現している。

（２）信頼性向上に関する説明
本実施形態に係る電力変換装置では、上述のとおり、半導体モジュールの冷却効率を大幅に改善でき、結果的に半導体チップの温度上昇を抑えることが可能となり、信頼性の改善に繋がる。

複数個の半導体モジュールがコンデンサモジュールを間に挟んだサンドイッチ構造であり、さらに、半導体モジュールの直流正極端子と直流負極端子をコンデンサモジュール側から等間隔に配置することによって、これらの直流端子とコンデンサモジュールからの正側端子及び負側端子とを、同一形状のＤＣバスバーで連結することができて、半導体モジュールとコンデンサモジュール間の低インダクタンス化や半導体モジュールの内部配置構造による半導体モジュールの低インダクタンスが可能となり、スイッチング動作による電圧の跳ね上がりを低減でき、信頼性の向上に繋がる。また、電圧上昇を抑えられることは半導体チップのスイッチング動作の高速化を可能とし、スイッチング動作の時間短縮による発熱量の低減に繋がり、引いては温度上昇が抑えられ、信頼性の向上に繋がる。

このように、半導体モジュールの直流端子をコンデンサモジュールに接続する構造、更にはコンデンサモジュールの端子構造が簡単な構造となり、生産性向上や小型化だけでなく、信頼性の向上に繋がる。

本電力変換装置では、冷却効率が大幅に向上するので、冷却水としてエンジン冷却水を使用できる。このため自動車としては、専用の冷却水系が不要となり、自動車全体として信頼性の大きな改善となる。

本電力変換装置では、インバータの上下アームの直列回路を収納した半導体モジュールを、冷却水路に設けられた開口から水路内に挿入して固定する構造を成している。製造ラインで別々に製造された半導体モジュールと水路筐体をそれぞれ別に検査し、その後半導体モジュールを水路筐体に固定する工程を行うことが可能となる。このように電気部品である半導体モジュールと機械部品である水路筐体とをそれぞれ分けて製造および検査することが可能で、生産性の向上はもちろんであるが、信頼性の向上に繋がる。

また、半導体モジュールにおいては、第１と第２の放熱金属にそれぞれ必要な導体や半導体チップを固定し、その後第１と第２の放熱金属を一体化して半導体モジュールを製造する方法をとることが可能である。第１と第２の放熱金属の製造状態をそれぞれ確認した上で放熱金属の一体化の工程を行うことが可能となり、生産性の向上のみならず、信頼性の向上にも繋がる。

本電力変換装置では、上アームの半導体チップのコレクタ面が第１の放熱金属に固定される場合に下アームの半導体チップのコレクタ面が同じく第１の放熱金属に固定される構造となり、上下アームの半導体チップのコレクタ面とエミッタ面とが同じ方向となっている。このような構造とすることで、生産性が向上すると共に信頼性が向上する。

また、上下アームの半導体チップと上下アームの信号用端子やゲート端子が同じ放熱金属に固定される構造となっている。このため、半導体チップと信号用端子やゲート端子とを繋ぐワイヤボンディングの接続工程を一方の放熱金属に集めることができ、検査などが容易である。これによって生産性の向上だけでなく信頼性の向上にもつながる。

また、上述した水路筐体のサンドイッチ構造におけるコンデンサモジュールの各側面にＵ相、Ｖ相、Ｗ相の半導体モジュールを配置することで、冷却水路のＵターン箇所が減少するので、水路の圧力損失が低減し、冷却水の源圧力を低くすることができ、冷却水漏れが少なくなり、信頼性につながる。さらに、略同一平面上に形成された冷却水経路中にコンデンサモジュールを配置することで、コンデンサモジュールをも直接に冷却できる構造であり、半導体モジュールに加えてコンデンサモジュールも冷却できて、これらの動作が安定し、電力変換装置の信頼性の向上に役立つ。

（３）生産性向上に関する説明
本実施形態に係る電力変換装置では、上述したとおり、半導体モジュールと冷却筐体とをそれぞれ別々に製造し、その後半導体モジュールを冷却筐体に固定する工程を行うようにすることが可能であり、電気系の製造ラインで半導体モジュールを製造することが可能となる。これにより生産性と信頼性が向上する。また、コンデンサモジュールも同様に他の製造工程で製造し、その後水路筐体に固定できるので、生産性が向上する。

また、水路筐体に半導体モジュールとコンデンサモジュールとを固定し、その後半導体モジュールとコンデンサモジュールとの端子接続を行うことができ、さらに接続のための溶接機械を溶接部の導入する空間が確保でき、生産性の向上につながる。また、これら接続工程において、半導体モジュールの端子はそれぞれ半導体モジュールの放熱金属に固定されており、端子溶接時の熱がそれぞれ放熱金属に拡散し、半導体チップへの悪影響を抑えることができ、結果的に生産性の向上や信頼性の向上に繋がる。

また、半導体モジュールの一方の放熱金属に上下アームの半導体チップと上下アームの信号用端子やゲート端子を固定できるので、一方の放熱金属の製造ラインで上アームと下アームの両方のワイヤボンディングを行うことができ、生産性が向上する。

本実施形態に係る電力変換装置は同じ構造の半導体モジュールを量産し、電力変換装置の要求仕様に基づく必要な個数の半導体モジュールを使用する方式を取ることが可能となり、企画化された半導体モジュール量産が可能となり、生産性が向上すると共に低価格化や信頼性向上が可能となる。以上のように、本発明の実施形態に係る電力変換装置は、上述した３つの技術的観点からみた構造的な特徴と効果を備えるものである。以下、その詳細について説明する。

「本発明の実施形態」
次に、本発明の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。本発明の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、本発明の実施形態に係る電力変換装置をハイブリッド自動車適用した場合の制御構成と電力変換装置の回路構成について、図１と図２を用いて説明する。図１はハイブリッド自動車の制御ブロックを示す図である。図２は上下アームの直列回路及び制御部を含むインバータ装置、インバータ装置の直流側に接続されたコンデンサ、からなる電力変換装置と、バッテリと、モータジェネレータと、を備えた車両駆動用電機システムの回路構成を示す図である。

本発明の実施形態に係る電力変換装置では、自動車に搭載される車載電機システムの車載用電力変換装置、特に、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、車両駆動用電動機の駆動を制御する制御装置として車両駆動用電機システムに備えられ、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、車両駆動用電動機の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。変換された直流電力は車載バッテリに供給に供給される。

なお、本実施形態の構成は、車両駆動用以外のインバータ装置、例えば電動ブレーキ装置或いは電動パワーステアリング装置の制御装置として用いられるインバータ装置にも適用できるが、車両駆動用として適用することで最も望ましい効果を発揮する。また、本実施形態の思想がＤＣ／ＤＣコンバータや直流チョッパなどの直流−直流電力変換装置或いは交流−直流電力変換装置など、他の車載用電力変換装置にも適用できるが、車両駆動用として適用することで最ものぞましい効果を発揮する。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が、上述の通り、車両駆動用として適用することで最も望ましい効果を発揮する。

また、本実施形態が適用された車両駆動用インバータ装置を備えた車両駆動用電機システムを、内燃機関であるエンジン及び車両駆動用電動機を車両の駆動源とし、前後輪のいずれか片方を駆動するように構成されたハイブリッド自動車に搭載する場合を例に挙げて説明する。また、ハイブリッド自動車としては、エンジンにより前後輪のいずれか片方を、車両駆動用電動機により前後輪のいずれか他方をそれぞれ駆動するものもあるが、本実施形態はいずれのハイブリッド自動車にも適用できる。さらに上述のとおり、燃料電池車などの純粋な電気自動車にも適用可能で、純粋な電気自動車においても以下説明の電力変換装置は略同様の作用を為し、略同様の効果が得られる。

図１において、ハイブリッド電気自動車（以下、「ＨＥＶ」と記述する）１０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２０を動力源としたエンジンシステムである。エンジンシステムは、主としてＨＥＶの駆動源として用いられる。もう１つは、モータジェネレータ９２，９４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９２，９４は例えば永久磁石同期電動機であるが、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こととする。

車体のフロント部には前輪車軸１４が回転可能に軸支されている。前輪車軸１４の両端には１対の前輪１２が設けられている。車体のリア部には後輪車軸（図示省略）が回転可能に軸支されている。後輪車軸の両端には１対の後輪が設けられている。本実施形態のＨＥＶでは、動力によって駆動される主輪を前輪１２とし、連れ回される従輪を後輪とする、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１４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）１６が設けられている。前輪車軸１４は前輪側ＤＥＦ１６の出力側に機械的に接続されている。前輪側ＤＥＦ１６の入力側には変速機１８の出力軸が機械的に接続されている。前輪側ＤＥＦ１６は、変速機１８によって変速されて伝達された回転駆動力を左右の前輪車軸１４に分配する差動式動力分配機構である。変速機１８の入力側にはモータジェネレータ９２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９２の入力側には動力分配機構２２を介してエンジン２０の出力側及びモータジェネレータ９４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９２，９４及び動力分配機構２２は、変速機１８の筐体の内部に収納されている。

動力分配機構２２は歯車２３〜３０から構成された差動機構である。歯車２５〜２８は傘歯車である。歯車２３，２４，２９，３０は平歯車である。モータジェネレータ９２の動力は変速機１８に直接に伝達される。モータジェネレータ９２の軸は歯車２９と同軸になっている。この構成により、モータジェネレータ９２に対して駆動電力の供給が無い場合には、歯車２９に伝達された動力がそのまま変速機１８の入力側に伝達される。

エンジン２０の作動によって歯車２３が駆動されると、エンジン２０の動力は歯車２３から歯車２４に、次に、歯車２４から歯車２６及び歯車２８に、次に、歯車２６及び歯車２８から歯車３０にそれぞれ伝達され、最終的には歯車２９に伝達される。モータジェネレータ９４の作動によって歯車２５が駆動されると、モータジェネレータ９４の回転は歯車２５から歯車２６及び歯車２８に、次に、歯車２６及び歯車２８から歯車３０にそれぞれ伝達され、最終的には歯車２９に伝達される。尚、動力分配機構２２としては上述した差動機構に代えて、遊星歯車機構などの他の機構を用いても構わない。

モータジェネレータ９２，９４は、回転子に永久磁石を備えた同期機であり、固定子の電機子巻線に供給される交流電力がインバータ装置４０，４２によって制御されることによりモータジェネレータ９２，９４の駆動が制御される。インバータ装置４０，４２にはバッテリ３６が電気的に接続されており、バッテリ３６とインバータ装置４０，４２との相互において電力の授受が可能である。

本実施形態では、モータジェネレータ９２及びインバータ装置４０からなる第１電動発電ユニットと、モータジェネレータ９４及びインバータ装置４２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２０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２０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２０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３６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９２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２０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３６の充電ができる。

次に、図２を用いてインバータ装置４０，４２の電気回路構成を説明する。尚、図１〜図２に示す実施形態では、インバータ装置４０，４２をそれぞれ個別に構成する場合を例に挙げて説明するが、図７などを参照して後述するように、インバータ装置４０，４２を１つの装置内に収納してもよい。インバータ装置４０，４２は同様の構成で同様の作用を為し、同様の機能を有しているので、ここでは、例としてインバータ装置４０の説明を行う。

本実施形態に係る電力変換装置１００は、インバータ装置４０とコンデンサ９０と直流コネクタ３８と交流コネクタ８８を備え、インバータ装置４０はインバータ回路４４と制御部７０とを有している。また、インバータ回路４４は、上アームとして動作するＩＧＢＴ５２（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）及びダイオード５６と、下アームとして動作するＩＧＢＴ６２及びダイオード６６と、からなる上下アーム直列回路５０を複数有し（図２の例では３つの上下アーム直列回路５０，５０，５０）、それぞれの上下アーム直列回路５０の中点部分（中間電極６９）から交流端子５９（図３を参照）を通してモータジェネレータ９２への交流電力線８６を引き出す構成である。また、制御部７０はインバータ回路４４を駆動制御するドライバ回路（ドライバ基板に内蔵）７４と、ドライバ回路７４へ信号線７６を介して制御信号を供給する制御回路７２（制御基板に内蔵）と、を有している。

上アームと下アームのＩＧＢＴ５２，６２は、スイッチング用パワー半導体素子であり、制御部７０から出力された駆動信号を受けて動作し、バッテリ３６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９２の電機子巻線に供給される。上述のとおり、モータジェネレータ９２が発生する三相交流電力を直流電力に変換することもできる。

本実施形態に係る電力変換装置１００は３相ブリッジ回路により構成されており、３相分の上下アーム直列回路５０，５０，５０がそれぞれバッテリ３６の正極側と負極側との間に電気的に並列に接続されることにより構成されている。ここで、上下アーム直列回路５０はアームと呼称されており、上アーム側のスイッチング用パワー半導体素子５２及びダイオード５６と下アーム側のスイッチング用パワー半導体素子６２及びダイオード６６を備えている。

本実施形態では、スイッチング用パワー半導体素子として、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）５２，６２を用いることを例示している。ＩＧＢＴ５２，６２は、コレクタ電極５３，６３、エミッタ電極、ゲート電極（ゲート電極端子５４，６４）、信号用エミッタ電極（信号用エミッタ電極端子５５，６５）を備えている。ＩＧＢＴ５２，６２のコレクタ電極５３，６３とエミッタ電極との間にはダイオード５６，６６が図示するように電気的に接続されている。ダイオード５６，６６は、カソード電極及びアノード電極の２つの電極を備えており、ＩＧＢＴ５２，６２のエミッタ電極からコレクタ電極に向かう方向が順方向となるように、カソード電極がＩＧＢＴ５２，６２のコレクタ電極に、アノード電極がＩＧＢＴ５２，６２のエミッタ電極に、それぞれ電気的に接続されている。

スイッチング用パワー半導体素子としてはＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ）を用いてもよい。ＭＯＳＦＥＴは、ドレイン電極、ソース電極及びゲート電極の３つの電極を備えている。なお、ＭＯＳＦＥＴは、ソース電極とドレイン電極との間に、ドレイン電極からソース電極に向かう方向が順方向となる寄生ダイオードを備えている。このため、ＩＧＢＴのように、別途、ダイオードを設ける必要がない。

上下アーム直列回路５０は、モータジェネレータ９２の電機子巻線の各相巻線に対応して３相分設けられている。３つの上下アーム直列回路５０，５０，５０はそれぞれ、ＩＧＢＴ５２のエミッタ電極とＩＧＢＴ６２のコレクタ電極６３を結ぶ中間電極６９、交流端子５９を介してモータジェネレータ９２へのＵ相、Ｖ相、Ｗ相を形成している。上下アーム直列回路同士は電気的に並列接続されている。上アームのＩＧＢＴ５２のコレクタ電極５３は正極端子（Ｐ端子）５７を介してコンデンサ９０の正極側コンデンサ電極に、下アームのＩＧＢＴ６２のエミッタ電極は負極端子（Ｎ端子）５８を介してコンデンサ９０の負極側コンデンサ電極にそれぞれ電気的に接続されている。各アームの中点部分（上アームのＩＧＢＴ５２のエミッタ電極と下アームのＩＧＢＴ６２のコレクタ電極との接続部分）にあたる中間電極６９は、モータジェネレータ９２の電機子巻線の対応する相巻線に交流コネクタ８８を介して電気的に接続されている。本実施形態では、後で詳細に述べるが、上下アームからなる１つの上下アーム直列回路５０が半導体モジュールの主たる回路構成要素となっている。

コンデンサ９０は、ＩＧＢＴ５２，６２のスイッチング動作によって生じる直流電圧の変動を抑制する平滑回路を構成するためのものである。コンデンサ９０の正極側コンデンサ電極にはバッテリ３６の正極側が、コンデンサ９０の負極側コンデンサ電極にはバッテリ３６の負極側がそれぞれ直流コネクタ３８を介して電気的に接続されている。これにより、コンデンサ９０は、上アームＩＧＢＴ５２のコレクタ電極５３とバッテリ３６の正極側との間と、下アームＩＧＢＴ６２のエミッタ電極とバッテリ３６の負極側との間で接続され、バッテリ３６と上下アーム直列回路５０に対して電気的に並列接続される。

制御部７０はＩＧＢＴ５２，６２を作動させるためのものであり、他の制御装置やセンサなどからの入力情報に基づいて、ＩＧＢＴ５２，６２のスイッチングタイミングを制御するためのタイミング信号を生成する制御回路７２（制御基板に内蔵）と、制御回路７２から出力されたタイミング信号に基づいて、ＩＧＢＴ５２，６２をスイッチング動作させるためのドライブ信号を生成するドライブ回路（ドライバ基板に内蔵）７４とを備えている。

制御回路７２はＩＧＢＴ５２，６２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９２に対して要求される目標トルク値、上下アーム直列回路５０からモータジェネレータ９２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９２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８０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。磁極位置は、モータジェネレータ９２に設けられた回転磁極センサ（不図示）から出力された検出信号に基づいて検出されたものである。本実施形態では３相の電流値を検出する場合を例に挙げて説明するが、２相分の電流値を検出するようにしても構わない。

制御回路７２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９２のｄ，ｑ軸の電流指令値を演算し、この演算されたｄ，ｑ軸の電流指令値と、検出されたｄ，ｑ軸の電流値との差分に基づいてｄ，ｑ軸の電圧指令値を演算し、この演算されたｄ，ｑ軸の電圧指令値を、検出された磁極位置に基づいてＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電圧指令値に変換する。そして、マイコンは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の電圧指令値に基づく基本波（正弦波）と搬送波（三角波）との比較に基づいてパルス状の変調波を生成し、この生成された変調波をＰＷＭ（パルス幅変調）信号としてドライバ回路７４に出力する。ドライバ回路７４には、各相の上下アームに対応して６つのＰＷＭ信号がマイコンから出力される。マイコンから出力されるタイミング信号としては矩形波信号などの他の信号を用いても構わない。

ドライバ回路７４は、複数の電子回路部品を１つに集積した集積回路、いわゆるドライバＩＣによって構成されている。本実施形態では、各相の上下アームのそれぞれに対して１個のＩＣを設ける場合（１アームｉｎ１モジュール：１ｉｎ１）を例に挙げて説明するが、各アームのそれぞれに対応して１個のＩＣを設ける（２ｉｎ１）、或いは全てのアームに対応して１個のＩＣを設ける（６ｉｎ１）ようにしても構わない。ドライバ回路７４は、下アームを駆動する場合、ＰＷＭ信号を増幅し、これをドライブ信号として、対応する下アームのＩＧＢＴ６２のゲート電極に、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ＩＧＢＴ５２のゲート電極にそれぞれ出力する。これにより、各ＩＧＢＴ５２，６２は、入力されたドライブ信号に基づいてスイッチング動作する。

また、制御部７０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５０を保護している。このため、制御部７０にはセンシング情報が入力されている。例えば各アームの信号用エミッタ電極端子５５，６５からは各ＩＧＢＴ５２，６２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ＩＧＢＴ５２，６２のスイッチング動作を停止させ、対応するＩＧＢＴ５２，６２を過電流から保護する。上下アーム直列回路５０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５０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５０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ＩＧＢＴ５２，６２のスイッチング動作を停止させ、上下アーム直列回路５０（引いては、この回路５０を含む半導体モジュール）を過温度或いは過電圧から保護する。

図２において、上下アーム直列回路５０は、上アームのＩＧＢＴ５２及び上アームのダイオード５６と、下アームのＩＧＢＴ６２及び下アームのダイオード６６との直列回路であり、ＩＧＢＴ５２，６２はスイッチング用半導体素子である。インバータ回路４４の上下アームのＩＧＢＴ５２，６２の導通および遮断動作が一定の順で切り替わり、この切り替わり時のモータジェネレータ９２の固定子巻線の電流は、ダイオード５６，６６によって作られる回路を流れる。

上下アーム直列回路５０は、図示するように、Ｐｏｓｉｔｉｖｅ端子（Ｐ端子、正極端子）５７、Ｎｅｇａｔｉｖｅ端子（Ｎ端子５８、負極端子）、上下アームの中間電極６９からの交流端子５９（図３を参照）、上アームの信号用端子（信号用エミッタ電極端子）５５、上アームのゲート（ベース）電極端子５４、下アームの信号用端子（信号用エミッタ電極端子）６５、下アームのゲート（ベース）電極端子６４、を備えている。また、電力変換装置１００は、入力側に直流コネクタ３８を有し、出力側に交流コネクタ８８を有して、それぞれのコネクタ３８と８８を通してバッテリ３６とモータジェネレータ９２に接続される。

図３は、モータジェネレータへ出力する３相交流の各相の出力を発生する回路として、各相に２つの上下アーム直列回路を使用する電力変換装置の回路構成を示す図である。モータジェネレータの容量が大きくなると電力変換装置で変換される電力量が大きくなり、インバータ回路４４の各相の上下アーム直流回路を流れる電流値が増大する。上下アームの電気的な容量を増大することで変換電力の増大に対応することができるが、インバータ回路（モジュール化したもの）の生産量を増大することが好ましく、図３では、標準化して生産されたインバータ回路（モジュール）の使用個数を増やすことで、変換する電力量の増大に対応するようにしている。

さらに説明すると、図２に示すインバータ回路４４が３つの上下アーム直列回路５０，５０，５０からなり、モータジェネレータ９２へのＵ相、Ｖ相、Ｗ相を形成しているに対して、図３は、図２に示すインバータ回路４４と同一構成の２つのインバータ回路（インバータ回路１（４５）とインバータ回路２（４６））を設けて、これらのインバータ回路４５と４６を並列接続し、制御対象のモータジェネレータ９２の容量増加に対処するものである。すなわち、図３に示す構成は、図２に示すＵ相の上下アーム直列回路５０に対応して、５０Ｕ１と５０Ｕ２を設け、同様に、Ｖ相に対応して５０Ｖ１と５０Ｖ２を設け、Ｗ相に対応して５０Ｗ１と５０Ｗ２を設けている。なお、図３に示すインバータ回路１とインバータ回路２の交流電力線８６は、以下の図面で交流バスバー１（３９１）と交流バスバー２（３９２）として構造上の表記がなされる。

次に、本発明の実施形態に係る電力変換装置の全体構成についてその概要を説明する。

図４は本発明の実施形態に係る電力変換装置における全体構成の外観を示す斜視図である。図５は本発明の実施形態に係る電力変換装置の全体構成を分解した斜視図である。図６は本発明の実施形態に係る電力変換装置の全体構成において上ケースを取り除いた平面図である。

図４〜図６において、本実施形態に係る電力変換装置は、その回路が、図３に示すインバータ回路１（４５）とインバータ回路２（４６）からなる構成のものを例示している。

３８は直流コネクタ、８８は交流コネクタ１（図３に示すインバータ回路１の交流電力線８６とつながるコネクタ）、８９は交流コネクタ２（図３に示すインバータ回路２の交流電力線８６とつながる電力変換装置のコネクタ）、９１は交流コネクタ部フランジ、１００は電力変換装置、１１２は上ケース、１２２は交流コネクタ用位置決め部、１２４は上ケースフランジ、１４２は下ケース、１４４は水路蓋、１４５はモジュール蓋１、１４６はモジュール蓋２、２４６は水路入口部、２４８は水路出口部、３７２は制御基板（制御回路を内蔵）、３７３は制御ＩＣ１、３７４は制御ＩＣ２、３８６はドライバ基板、３８７はドライバＩＣ、３８８は信号コネクタ、３９１は交流バスバー１（図３に示すインバータ回路１の交流電力線８６）、３９２は交流バスバー２（図３に示すインバータ回路２の交流電力線８６）、をそれぞれ表す。

図４〜図６に示す本発明の実施形態に係る電力変換装置１００の全体構成は、外部への電気的接続構造として、バッテリ３６（図２を参照）と接続する直流コネクタ３８と、モータジェネレータ９２（図２を参照）と接続する交流コネクタ１（８８）及び交流コネクタ２（８９）とを備え、外観構造として、上ケース１１２と下ケース１４２を備え、さらに、上下アーム直列回路５０を含む半導体モジュールとコンデンサモジュールを冷却するための水路入口部２４６及び水路出口部２４８を備えている。

また、図３に示すＵ１相、Ｖ１相、Ｗ１相のそれぞれの上下アーム直列回路を含む各半導体モジュールの上方を被うモジュール蓋１（１４５）及びＵ２相、Ｖ２相、Ｗ２相のそれぞれの上下アーム直列回路を含む各半導体モジュールの上方を被うモジュール蓋２（１４６）と、上ケース１１２との間には、ドライバ基板３８６と制御基板３７２が積層する構造となっている（図５を参照）。そして、制御基板３７２には制御ＩＣ１（３７３）と制御ＩＣ２（３７４）が搭載されており、ドライバ基板３８６にはドライバＩＣ３８７が搭載されている。また、ドライバ基板３８６の下方部には交流バスバー１（３９１）と交流バスバー２（３９２）が三相分配設されている。なお、水路入口部２４６と出口部２４８を含む水平状に形成された水路空間には、後述するが上下アーム直列回路５０と放熱フィンを含む半導体モジュールが装填されて冷却される構造となっている。

次に、本発明の実施形態に係る電力変換装置における半導体モジュール５００について、図１３、図１４、図１５及び図１６を参照しながら以下説明する。図１３は本発明の実施形態に係る電力変換装置における半導体モジュールの全体構成の外観を示す斜視図である。図１４は本実施形態に関する半導体モジュールの断面図であり、図１３に示すＡ−Ａ線の断面構造を示す図である。図１５は本実施形態に関する半導体モジュールの全体構成を分解した斜視図である。図１６は図１５に示すＢ−Ｂ線の断面構造を示す図である。

図１３〜図１６において、本発明の実施形態に係る電力変換装置における半導体モジュール５００は、一方の側である放熱フィン（Ａ側）５２２（なお、放熱フィンとは凹凸のあるフィン形状部分のみを称するのではなくて、放熱金属の全体を云う）、他方の側である放熱フィン（Ｂ側）５６２、両放熱フィン５２２，５６２に挟み込まれた上下アーム直列回路５０、上下アーム直列回路の正極端子５３２や負極端子５７２や交流端子５８２を含めた各種端子、トップケース５１２やボトムケース５１６やサイドケース５０８、を備えている。図１４および図１５に示すように、放熱フィン（Ａ側）５２２と放熱フィン（Ｂ側）５６２に絶縁シートを介してそれぞれ固着された導体板上の上下アーム直列回路（その製造方法は後述する）が放熱フィン（Ａ側）５２２と放熱フィン（Ｂ側）５６２に挟み込まれた状態において、ボトムケース５１６、トップケース５１２、サイドケース５０８を取り付け、両放熱フィン５２２，５６２の間にトップケース５１２側からモールド樹脂を充填して一体化構造として半導体モジュール５００を形成する。

半導体モジュール５００は、外観として、図１３に示すように、冷却水路に臨む（挿入される）放熱フィン（Ａ側）と放熱フィン（Ｂ側）が形成され、トップケース５１２からは上下アーム直列回路５０の正極端子５３２（図２と図３のＰ端子５７に相当）、負極端子５７２（図２と図３のＮ端子５８に相当）、交流端子５８２（図３の交流端子５９に相当）、信号用端子（上アーム用）５５２、ゲート端子（上アーム用）５５３、信号用端子
（下アーム用）５５６、ゲート端子（下アーム用）５５７が突出する構造である。

半導体モジュール５００の外観形状は略直方体形状で、放熱フィン（Ａ側）５２２と放熱フィン（Ｂ側）５６２とは面積が大きく、放熱フィン（Ｂ側）５６２の面を前面とし放熱フィン（Ａ側）を後面とすると（図１３の図示例のとおり）、サイドケース５０８を有する側およびその反対側である両側面および底面および上面は、前述の前面又は後面に比べて、狭くなっている。半導体モジュールの基本的な形状が略直方体形状であり、放熱フィン（Ｂ側）や（Ａ側）が方形であるので切削加工が容易であり、また、半導体モジュールが製造ラインで転がり難い形状であり、生産性に優れている。さらに全体の体積に対する放熱面積の割合が大きく取れ、冷却効果が向上する。

なお、本実施形態では、放熱フィン（Ａ側）５２２あるいは放熱フィン（Ｂ側）５６２は、半導体チップを挟み込むと共に半導体モジュール内部の導体を保持するための金属板と熱を放散するためのフィンとが一つの金属で作られている。この構造は放熱効率を高めるのに優れている。しかし、やや放熱効率が低下するが、半導体チップを挟み込むと共に半導体モジュール内部の導体を保持するための金属板と放熱フィンとを別体に形成しこれを貼りあわせる構造でも使用できる。

また、略直方体形状の狭い方の一方の面である上面に正極端子５３２（図３のＰ端子５７に相当）、負極端子５７２（図３のＮ端子５８に相当）、交流端子５８２（図３の交流端子５９に相当）、信号用端子（上アーム用）５５２、ゲート端子（上アーム用）５５３、信号用端子（下アーム用）５５６、ゲート端子（下アーム用）５５７が集められており、水路筐体に半導体モジュール５００を挿入するし易さの点で優れている。さらに、正極端子５３２と負極端子５７２の間にはこれらの端子間の絶縁を確保する孔５８３が設けられる。この孔５８３は正極端子５３２と負極端子５７２の間に形成されたモールド樹脂５０７に穿たれる。そして、孔５８３には、後述するがコンデンサモジュール３９０の正極端子と負極端子の間に設けられたコンデンサモジュール付設の端子絶縁部が挿入される（図２１を参照）。よって、孔５８３は端子間絶縁と位置決めの両機能を奏するものである。

また、このような端子を設けている上面の外形が、図１３に図示するように、底面側の外形より大きく作られており、製造ラインなどで半導体モジュールが移動する場合に最も傷つき易い端子部を保護することができる。すなわち、トップケース５１２の外形がボトムケース５１６の外形より大きく作られていることで、後述する冷却水路開口の密閉性に優れている効果以外に、半導体モジュールの製造時や運搬時、水路筐体への取付け時での半導体モジュールの端子を保護できる効果がある。

図１３に図示した端子の配置によると、正極端子５３２と負極端子５７２とは、それぞれ断面積が長方形の板状形状でその先端部が櫛歯形状をしており、さらに放熱フィン（Ｂ側）５６２からみて等間隔の距離を保って左右に配置され、半導体モジュールの一方の側面に接近して配置されている。図１３と図１４に示すように、各端子５３２，５７２はその先端の櫛歯形状に至る構造としてアームの導体板がまず垂直方向に延ばされ（植立）、次いで水平方向に延設されて（直角に曲げられて）櫛歯形状に至る。すなわち、正極端子５３２と負極端子５７２は屈曲部を有していてこれらの櫛歯形状が放熱フィン５２２（Ａ側）に沿うように配列されている。なお、図１３と図１４に示す端子５３２，５７２は、屈曲部を図示しているが、後に示す図１５〜図２０に示す端子５３２，５７２は屈曲部を有せずストレート形状となっているが、図１３の端子は、はんだ付け作業、内部モールド、ケース接着（接合）の工程が終了し、最後に屈曲加工を行った後の状態を示している。すなわち、図１５〜図２０のストレート形状は、屈曲加工前の状態である。最後に屈曲加工する理由は、屈曲作業時に内部半導体とはんだ接合部に力が加わらないようにするため、また、先に屈曲するとトップケース５１２が組み立てにくくなるためである。

詳細は後述するが、放熱フィン（Ｂ側）５６２に対向してコンデンサモジュール３９０が配置されるので、コンデンサモジュールの正極端子と負極端子は、半導体モジュールの正極端子５３２と負極端子５７２と互いに等長のＤＣバスバーで接続でき、配線が容易になる。また、正極端子５３２や負極端子５７２の接続端と交流端子５８２の接続端とは半導体モジュールの前後方向（半導体モジュールの両側面を結ぶ方向）においてそれぞれずれて配置されている。このため電力変換装置の製造ラインでの正極端子５３２や負極端子５７２の接続端と他の部品との接続および交流端子５８２の接続端と他の部品との接続のための器具を使用する空間が確保できやすく、生産性に優れている。

自動車用の電力変換装置はマイナス３０度以下、マイナス４０度近くまで冷える可能性がある。また一方、１００度以上の温度、まれには１５０度近くの温度となる可能性がある。このように自動車に搭載する電力変換装置では使用温度範囲が広く熱膨張変化を十分に考慮することが必要である。また振動が常に加わる環境で使用される。図１３から図１６を用いて説明した半導体モジュール５００は２つの放熱金属で半導体チップを挟み込む構造を有している。この実施形態では放熱金属の一例として熱放出機能が優れている放熱フィンを有する金属板を用いており、本実施形態で放熱フィン５２２（Ａ側）と放熱フィン５６２（Ｂ側）として説明している。

上述の半導体チップを挟み込んだ構造において、上記２つの放熱金属の両側をトップケース５１２とボトムケース５１６とで固定する構造を備えている。特にトップケース５１２とボトムケース５１６は２つの放熱金属をその外側から挟み込んで固定する構造を有している。具体的には、ボトムケース５１６の嵌合部５１７に２つの放熱金属５２２，５６２の突起凸部を嵌合する構造とすればよく、また、トップケース５１２についても同様な嵌合構造を適用すればよい。このような構造により、振動や熱膨張により２つの放熱金属間に互いに開こうとする方向の大きな力が生じるのを防止できる。長期間にわたり自動車に搭載しても故障しない、信頼性の高い電力変換装置を得ることができる。

さらに、本実施形態では、２つの放熱金属に加え、サイドケースを含めてトップケース５１２とボトムケース５１６とでこれらを外周側から挟み込んで固定する構造がとられているので、さらに信頼性が向上する。

半導体モジュールの正極端子５３２、負極端子５７２、交流端子５８２、信号用端子５５２と５５６、ゲート端子５５３と５５７を一方のケースであるトップケース５１２の内部の孔を介して外部に突出させるようにし、この孔をモールド樹脂５０７で密閉する構造としている。トップケース５１２としては高い強度の材質が使用され、また、２つの放熱金属の熱膨張係数が考慮されて熱膨張係数の近い材料、例えば金属材で作られる。モールド樹脂５０７はケース５１２の熱膨張変化による応力を吸収して上述した端子に加わる応力を低減する作用をしている。このため本実施形態の電力変換装置は、上述の如く温度変化の範囲が広い状態でも、あるいは常時振動が加わる状態でも使用することができる高い信頼性を有している。

図１７は本実施形態に関する半導体モジュールにおける上下アーム直列回路の内部配置の構造を示す分解図である。図１７において、本実施形態に関する半導体モジュールは、放熱金属の板、例えばフィン構造を備えた金属板である放熱フィン（Ａ側）５２２と放熱フィン（Ｂ側）５６２を基礎素材としてそれぞれの内側に絶縁シート（Ａ側）５４６と絶縁シート（Ｂ側）５９６を真空熱圧着で固着する。そして、絶縁シート（Ａ側）５４６に、正極側の導体板５３４と上下アーム接続用導体板５３５を固着する（図１９を参照）。

さらに、絶縁シート（Ｂ側）５９６に、負極側の導体板５７４と交流端子側の導体板５８４を固着するとともに、負極側の導体板５７４に下アーム用信号用端子５５６を接続し、交流端子側の導体板５８４に上アーム用信号用端子５５２を接続する（図２０を参照）。

絶縁シート（Ａ側）５４６と絶縁シート（Ｂ側）５９６は、インバータ回路の上下アーム直列回路を構成する半導体チップや導体と放熱フィン（Ａ側）５２２や放熱フィン（Ｂ側）５６２とを電気的に絶縁する絶縁部材として機能すると共に、半導体チップなどからの発生熱を放熱フィン（Ａ側）５２２や放熱フィン（Ｂ側）５６２に伝導する熱伝導路を形成する働きをする。絶縁部材としては、樹脂製の絶縁シートまたは絶縁板であっても良いし、セラミック基板であっても良い。例えばセラミック基板の場合で絶縁部材の厚さは３５０μメータ以下、絶縁シートの場合は更に薄く５０μメータから２００μメータであることが望ましい。ただ、インダクタンス低減の観点では、絶縁部材は薄い方が効果的であり、セラミック基板より樹脂製の絶縁シートの方が特性的に優れている。

次に、放熱フィン（Ａ側）５２２の正極側の導体板５３４には、上アーム用ＩＧＢＴチップ５３７と上アーム用ダイオードチップ５３９が上下方向に配列されてはんだ付け固定される。同様に、放熱フィン（Ａ側）５２２の上下アーム接続用導体板５３５には、下アーム用ＩＧＢＴチップ５４１と下アーム用ダイオードチップ５４３が上下方向に配列されてはんだ付け固定される。ここで、ＩＧＢＴチップとダイオードチップの上下方向のサイズを比べると、そのサイズはＩＧＢＴチップの方が可成り大きい。そうすると、放熱フィン５２２を通る冷却水に対して、ＩＧＢＴチップとダイオードチップが占める水路占有率を考えると、上アーム用ＩＧＢＴチップ５３７が占有する水路占有率は、上アーム用ダイオードチップ５３９のそれよりも可成り大きくなる。ダイオードチップよりも放熱量がより多いＩＧＢＴチップの放熱が促進されることになり、半導体モジュール全体の放熱効率は向上する。このような放熱効率は、上アーム用のチップと同様に、下アーム用のチップ５４１，５４３についても向上が図れる。

さらに、図１８〜図２０の説明で詳しく後述するが、上アームのエミッタ電極と下アームのコレクタ電極を連結する上下アーム接続用はんだ接合部５５５が、下アームのチップ５４１，５４３と同様に、放熱フィン（Ａ側）５２２の導体板５３５に形成され（図１８と図１９を参照）、接合部５５５がはんだ層５４４及び導体板５８４を介して交流端子５８２（図３の交流端子５９に相当）接続され、上下アーム直列回路の中間電極６９（図２を参照）を構成する。また、放熱フィン（Ａ側）５２２の導体板の上にはんだ付けされた上アームのＩＧＢＴ５３７のゲート電極とゲート端子（上アーム用）５５３の信号用導体との間、及び下アームのＩＧＢＴ５４１のゲート電極とゲート端子（下アーム用）５５７のゲート用導体との間が、それぞれワイヤボンディング５９３，５９６で接続される構造である。

一方、放熱フィン（Ｂ側）５６２の絶縁シート（Ｂ側）５９６には、図１７及び図２０に示すように、負極端子５７２の負極側の導体板５７４、交流端子５８２の交流端子側導体板５８４、及び信号用端子（上アーム用）５５２と信号用端子（下アーム用）５５６のそれぞれの導体板が固着されている。負極側の導体板５７４には、下アームＩＧＢＴチップ５４１のエミッタ側が接続されるはんだ接合部７５７と下アームのダイオードチップ５４３のアノード側が接続されるはんだ接合部７５９が設けられ、交流端子側の導体板５８４には、上アームＩＧＢＴチップ５３７のエミッタ側が接続されるはんだ接合部７５６と上アームのダイオードチップ５４３のアノード側が接続されるはんだ接合部７５８が配設される。 負極端子５７２（図２に示す負極端子５８に相当）は、下アームのＩＧＢＴチップ５４１及び下アームのダイオードチップ５４３に対して、導体板５７４、はんだ接合部７５７及び７５９、はんだ層５４０及び５４２を介して接続結合される。また、正極端子５３２は、上アームのＩＧＢＴチップ５３７及び上アームのダイオードチップ５４３に対して、導体板５３４、はんだ接合部７５１及び７５２、はんだ層５４７及び５４８を介して接続結合される。また、交流端子５８２は、導体板５８４、上アームＩＧＢＴチップのエミッタ側に連結している上下アーム接続用はんだ接合部５６０、はんだ層５４４、上下アーム接続用はんだ接合部５５５、導体板５３５を介して下アーム用ＩＧＢＴチップ５４１に接続結合される。上アーム用信号用端子５５２（図２に示す信号用端子５５に相当）と下アーム用信号用端子５５６（図２に示す信号用端子６５に相当）のそれぞれの導体板は、上アームＩＧＢＴチップ５３７と下アームＩＧＢＴチップ５４１のそれぞれのエミッタ側に結合されている。上述した半導体モジュールの配置構造によって図２に示す上下アーム直列回路５０の回路構成が形成される。

図１７に示すとおり、放熱フィンの一方である、放熱フィン（Ａ側）５２２に上アームと下アームを構成する両方の半導体チップを上下方向に配置固定し、さらに、上アーム用ゲート端子５５３と下アーム用デート端子５５７を放熱フィン（Ａ側）５２２に設けてワイヤボンディングなどの接続作業を一方の放熱フィン（Ａ側）５２２で実施できるので、製造工程の中で集中でき、生産性と信頼性の向上となる。また、自動車用の如く振動の大きい環境で使用する場合、配線すべき対象の半導体チップと端子とが同一の放熱フィンに固定されているので、耐振性が向上する。

上述したように、放熱フィン（Ａ側）５２２と放熱フィン（Ｂ側）５６２とを図１７に示すように対向させて、放熱フィン（Ａ側）５２２のＩＧＢＴチップ５３７，５４１とダイオードチップ５３９，５４３との電極が、図２に示す回路構成のとおりに連結するように、放熱フィン（Ｂ側）５６２の負極端子５７２、交流端子５８２、上アーム用信号用端子５５２及び下アーム用信号用端子５５６にそれぞれ繋がる導体板と対面させて、はんだ付けする。さらに、図１５に示すように、ボトムケース５１６、トップケース５１２及びサイドケース５０８が、一体的構造となった放熱フィン（Ａ側）５２２及び放熱フィン（Ｂ側）５６２に対して、接着剤で接着される。さらに、トップケースの孔５１３（図１５を参照）からモールド樹脂を内部に充填させて半導体モジュール５００を形成する。

次に、本実施形態に関する半導体モジュール５００において、両放熱フィン５２２，５６２の間に挟み込まれた上下アーム直列回路（例示として、２アームｉｎ１モジュール構造）の形成方法と具体的構造について、図１８〜図２０を参照しながら敷衍して説明する。図１８は本実施形態に関する半導体モジュールにおける放熱フィン（Ａ側）に配設される上下アーム直列回路の配置構造を示す図である。図１９は半導体モジュールにおける放熱フィン（Ａ側）に配設される各構成要素の接合関係を示す図である。図２０は半導体モジュールにおける放熱フィン（ＢＡ側）に配設される各構成要素の接合関係を示す図である。

本実施形態に関する半導体モジュールの製造における基本的プロセスを示す。放熱金属の板、例えば本実施形態ではフィン構造を備えた金属板である放熱フィン（Ａ側）５２２と放熱フィン（Ｂ側）５６２を基礎素材としてそれぞれの内側に高熱伝導樹脂層である絶縁シート（Ａ側）５４６と絶縁シート（Ｂ側）５９６を真空熱圧着で固着し、絶縁シート５４６（Ａ側）に正極側の導体板５３４及び導体板５３５を固着し、絶縁シート５９６（Ｂ側）に負極側の導体板５７４と交流端子用の導体板５８４を固着する。放熱フィン（Ａ側）５２２及び絶縁シート（Ａ側）５４６への導体板５３４，５３５の固着の状況を図１９に示し、放熱フィン（Ｂ側）５６２及び絶縁シート（Ｂ側）５９６への導体板５７４，５８４の固着の状況は図２０に示す。

さらに、絶縁シート５４６（Ａ側）に、ゲート端子（上アーム用）５５３のゲート用導体とゲート端子（下アーム用）５５７のゲート用導体５５９を固着する。絶縁シート５９６（Ｂ側）に、信号用端子（上アーム用）５５２の信号用導体と信号用端子（下アーム用）５５６の信号用導体を固着する。これらの配置関係は図１９と図２０に２３に示すとおりである。

次に、放熱フィン（Ａ側）５２２側における正極側の導体板５３４，上下アーム接続用導体板５３５に設けたはんだ接合部７５１，７５２，７５３，７５４に対応して、はんだ層５４７，５４８，５４９，５５０を介在させ、ＩＧＢＴチップ５３７（上アーム用）、ダイオードチップ５３９（上アーム用）、ＩＧＢＴチップ５４１（下アーム用）、ダイオードチップ５４３（下アーム用）をはんだ付けする。この際、正極側の導体板５３４と導体板５３５が互いに絶縁状態で設けられ、それぞれの導体板５３４，５３５にＩＧＢＴチップ及びダイオードチップをはんだ付けする。さらに、図２に示すように、上アームのエミッタ電極と下アームのコレクタ電極を連結するためのはんだ接合部５５５がチップ５４１，５４３と同様にして導体板５３５にはんだ付けされ、上下アーム接続用のはんだ接合部５５５（図１９を参照）が上下アーム接続用はんだ接合部５６０（図２０を参照）を介して交流端子用の導体板５８４との当接接続によって、上下アームの中間電極６９（図２を参照）を構成する。

次に、放熱フィン（Ａ側）５２２の導体板５３４の上にはんだ付けされた上アームのＩＧＢＴ５３７のゲート電極とゲート端子（上アーム用）５５３のゲート用導体との間をゲートワイヤ（上アーム用）５９３でボンディング接続する（図１７を参照）。同様にして、放熱フィン（Ａ側）５２２の導体板５３５の上にはんだ付けされた下アームのＩＧＢＴ５４１のゲート電極とゲート端子（下アーム用）５５７のゲート用導体との間をゲートワイヤ（下アーム用）５９７でボンディング接続する。

図１８に示すとおり、放熱フィンの一方である、放熱フィン（Ａ側）５２２に上アームと下アームを構成する両方の半導体チップを固定し、これら半導体チップに信号を制御するためのゲート端子５５３，５５７につながるゲート用導体を設けている。このように一方の絶縁部材に上下アーム用の半導体チップとその制御線を固定しているので、ワイヤボンディングなどの信号線と半導体チップとの接続作業を製造工程の中で集中でき、生産性と信頼性の向上となる。また、自動車用の如く振動の大きい環境で使用する場合、配線すべき一方の半導体チップと他方の制御線との両方が同じ部材である一方の放熱フィンに固定されているので、耐振性が向上する。

図１９に示すとおり、上アーム用の半導体チップ５３７（はんだ接合部７５１に接合される）と下アーム用の半導体チップ５４１（はんだ接合部７５３に接合される）とを同じ向きに、すなわちそれぞれの半導体チップのコレクタ面が絶縁部材である絶縁シート５４６側に向いていて、はんだ接合部７５１，７５３はＩＧＢＴチップ５３７，５４１のコレクタ側に対面するように設けられている。このように、上アームと下アームの半導体チップの方向を合わせることで作業性が向上する。このことはダイオードチップ５３９，５４３に対しても同じである。

図１４に示すように、本実施形態に関する半導体モジュール５００に内蔵された上下アーム直列回路５０の配置構造は、図１７に示した詳細構造をも参照すると、上アームのＩＧＢＴ５２が上アームのダイオード５６の上方部に設置されていて、この設置関係は下アームのＩＧＢＴとダイオードについても同様である。そして、詳細は後述するが、図１３に示す半導体モジュール５００を冷却水路に上方から挿入して設置し、冷却水路内に流れる冷却水で半導体モジュール５００を冷却することになるが、冷却水は放熱フィン（Ａ側）５２２及び放熱フィン（Ｂ側）５６２の櫛歯部分（凹部）を流れることとなる。

ここで、ＩＧＢＴとダイオードの高さ方向の長さは、上アームを例にとると、ＩＧＢＴ５２の高さＬはダイオード５６の高さＭよりも、互いの構造及び形状上の特徴からして高さ方向において長い（Ｌ＞Ｍ）。そうすると、放熱フィンの櫛歯部分を流れる冷却水は、この長さＬとＭに応じて冷却効果を奏する。言い換えると、冷却水量の多寡は長さＬとＭに対応することとなり、ダイオードよりもより多く放熱をさせたいＩＧＢＴの方により多くの冷却水量が対応することになり、冷却効率の向上に繋がる。

また、図１３に示す一体的構造の半導体モジュール５００は、コンデンサ９０の正極側と負極側に接続されるべき、正極端子５３２と負極端子５７２が上方に突出した形状であり、さらに、これらの端子５３２と５７２は、冷却水路に沿った方向（半導体モジュールを上方から見た断面における矩形形状の長手方向に沿って）の直線上に配列されている。

一方、後述するが、コンデンサモジュールの両側には、半導体モジュールの上方断面の矩形形状長手方向（冷却水の流れ方向）に沿って、複数の半導体モジュールが設置され、すなわち、コンデンサモジュールを挟んでその両側に複数の半導体モジュールを配列するサンドイッチ構造である（図１１を参照）。

このような半導体モジュールとコンデンサモジュールの配列構造において、コンデンサモジュールの正極側と負極側の端子は、図１３に示す半導体モジュールの正極端子５３２と負極端子５７２に対向するように配置している。これによって、半導体モジュール５００とコンデンサモジュール３９０をバー接続する場合に、正極側と負極側とで同一形状と同一長さのバーを使用することができ、作業性が向上するとともにＩＧＢＴのスイッチング動作に伴うインダクタンスの低減を図ることができる。

次に、本発明の実施形態に係る電力変換装置における小型化、冷却効率、組立性を向上実現させる具体的構成について、図７〜図１２を参照しながら以下説明する。図７は本発明の実施形態に係る電力変換装置における半導体モジュールの配置構成を示す分解図であり、図５に示す電力変換装置の全体構成から上ケース、制御基板、ドライバ基板及び交流コネクタを取り除いた図である。図８は図７に示す分解図に対して交流コネクタと直流コネクタを付設した半導体モジュール廻りの電力系統の斜視図である。図９は図８に示す半導体モジュール廻りの電力系統の分解図である。図１０は図７に示す半導体モジュールの配置構成を冷却水の流れ方向からみた断面図である。図１１は本実施形態に係る電力変換装置の全体構成から上ケースを取り除いて冷却水の流れ方向からみた断面図である。図１２は本実施形態に関する半導体モジュール、コンデンサモジュール、及び冷却水路を上方からみた断面図である。

まず、図７〜図９を参照しながら、本実施形態に係る電力変換装置における半導体モジュール、冷却水路、電力系統などの配置構造を説明する。図７〜図９に示す実施形態の半導体モジュールは、図３に示すようなＵ１相、Ｖ１相及びＷ１相からなる上段の上下アーム直列回路を内蔵した半導体モジュール１と、Ｕ２相、Ｖ２相及びＷ２相からなる下段の上下アーム直列回路を内蔵した半導体モジュール２と、からなる２系統の６つの半導体モジュールを例示する構造である。半導体モジュール１は、３本の交流バスバー１（３９１）を通して交流コネクタ１（８８）に接続され、同様に、半導体モジュール２は、３本の交流バスバー２（３９２）を通して交流コネクタ２（８９）に接続される。図面では、冷却水路入口部２４６側（すなわち交流コネクタ８８，８９配置側）に、図３に示すようなＵ１相、Ｖ１相及びＷ１相からなる上段の上下アーム直列回路を内蔵した半導体モジュール１が配置され、その反対側（冷却水路出口部２４８側）にＵ２相、Ｖ２相及びＷ２相からなる半導体モジュール２が配置されている。

また、冷却水入口部２４６及び出口部２４８が配置された側面とは反対側の側面にコンデンサモジュール３９０と接続される直流コネクタ３８が配置されている。また、交流コネクタ用位置決め部１２２を挟んで交流コネクタ搭載部１２３には、交流コネクタ８８と交流コネクタ８９（図３を参照）が搭載され、その上面に交流コネクタ部フランジ９０が設けられる。コンデンサモジュール３９０（図１１を参照）が挿入されるコンデンサモジュール挿入部１４７の両側には、半導体モジュール５００が挿入される半導体モジュール挿入水路２３７が下ケース１４２に形成される（図１０を参照）。このように、コンデンサモジュール３９０を挟んでその両側に半導体モジュール５００を配列するサンドイッチ構造を形成している。

交流コネクタ側に配列された半導体モジュール１の上面にはモジュール蓋１（１４５）が、その反対側に配列された半導体モジュール２の上面にはモジュール蓋２（１４６）が、それぞれ配設され、水路の入口部２４６と出口部２４８が配置された正面部の折り返し水路２２７（図７、図１２を参照）の上面には水路蓋１４４（図９を参照）が配設される。さらに、半導体モジュール挿入水路２３７（図１０を参照）には、上記の正面部と反対側に背面部の折り返し水路２３６が形成される（図７を参照）。また、水路入口部２４６の近傍には水路形成体１（４９０）が、さらに、水路出口部２４８の近傍には水路形成体２（４９１）が設けられ、半導体モジュールの放熱フィン（Ａ側）と放熱フィン（Ｂ側）の全域に冷却水が流れるように水流を誘導する（図１２を参照）。

次に、図１０〜図１２を参照しながら、本実施形態に係る電力変換装置における半導体モジュール、冷却水路、電力系統などの詳細な配置構造を説明する。本実施形態は、半導体モジュール５００を、下ケース１４２に形成された水路２３７に上方から挿入していくスロットイン構造を採用したものであり、半導体モジュール５００は、下ケース１４２の半導体モジュール位置決め部５０２に位置決めされ、モジュール蓋１４５，１４６の半導体モジュール固定部５０１で水路２３７に固定される。

交流コネクタ８８，８９を搭載する交流コネクタ搭載部１２３側の水路には、水路形成体１（４９０）の背面方向に、例えば、図３に示すＵ１相、Ｖ１相、Ｗ１相のそれぞれの半導体モジュール５００，５００，５００が挿入固定されている。また、水路出口部２４８の側の水路には、同様に、図３に示すＵ２相、Ｖ２相、Ｗ２相のそれぞれの半導体モジュール５００，５００，５００が挿入固定されている。

図１２によると、水路入口部２４６からの水流２５０は、水路形成体１（４９０）で水流を誘導されて半導体モジュール５００の一方の放熱フィン側に水流２５１を形成し、水路２３７の背面部での折り返し水路２３６で図示する水流２５２で折り返され、水流２５３を形成する。続いて、水流は、水路形成体１（４９０）に誘導されて、正面部の折り返し水路２２７を通り、次に、水路形成体２（４９１）に誘導されて、水路出口部２４８の側の水路に水流を形成する。図１２に示す水路出口部２４８に繋がる右側の水路での水流は、上述した左側の水流と同様の水流を形成する。

図１２に示すように、コンデンサモジュール３９０を挟んでその左側に３つの半導体モジュール５００を配置し、その右側に３つの半導体モジュール５００を配置する構造を採用する本実施形態は、先行技術に開示されている、同一側面（例えば正面部）に水路入口部と水路出口部を配置し且つ６つの逆Ｕ字状水路を入口部と出口部を結ぶ方向（例えば左右方向）に配置してこれらの逆Ｕ字状水路を折り返し水路で順に連結して６つの半導体モジュール５００をそれぞれの逆Ｕ字状水路に設置した構造に比べて、Ｕターンの折り返し水路が、上述した先行技術における１１個の折り返す水路に対して、図１２に示す本実施形態では、２つの折り返し水路２３６（左側と右側の水路上方における折り返し水路）と、図示する水流２５４及び水流２５６から成る折り返し水路と、の３箇所である。

そうすると、水路における水流の方向転換における水流の圧力損失を考えると、上述した先行技術では１１箇所のＵターン水路が存在するのに対して、図１２に示す本実施形態では３箇所であるので、水路の圧力損失が格段に低減することができる。この圧力損失が低減すれば、水流の流れ速度が入口部と出口部とでそれほど差がなくなり、冷却水による冷却効率がそれほど低下することはない。

また、図１１と図１２に示すように、コンデンサモジュール３９０は、その左右両側および前面側（水流２５５を参照）に水路が形成されているので、コンデンサモジュール３９０も水路を流れる冷却水によって冷却される構造となっている。

次に、図１１によると（図５をも参照）、コンデンサモジュール３９０はその上表面が電力変換装置１００の中で可成り大きな表面を占有しており、このコンデンサモジュール３９０の上表面を有効活用する構造上の配置が本実施形態の特徴の１つでもある。すなわち、コンデンサモジュール３９０の上表面にドライバ基板３８６（図２に示すドライバ基板７４に相当）を設置しこのドライバ基板３８６上にドライバＩＣ３８７が搭載されている。さらに、ドライバ基板３８６には連結材を介して制御基板３７２が上方に設置され、両方の基板３８６と３７２とは信号コネクタ３８８（図５を参照）で電気的に接続されている。制御基板３７２上には制御基板ＩＣ３７３が搭載されている。このように、本実施形態ではコンデンサモジュール３９０の上面にドライバ基板と制御基板とを設置することでこの上面を有効活用している。

敷衍して説明すると、図１１に示す左側の半導体モジュール（Ｕ１相、Ｖ１相、Ｗ１相用）は、図３に示すインバータ回路１（４５）に相当し、図１１に示す右側の半導体モジュール（Ｕ２相、Ｖ２相、Ｗ２相用）は、図３に示すインバータ回路２（４６）に相当する。本来、ドライバ基板３８６は、インバータ回路１（４５）とインバータ回路２（４６）毎にそれぞれ設けられるものであるが、本実施形態では、図１１の左側の３つの半導体モジュール５００に内蔵されるインバータ回路１（４５）と、右側に設けられたインバータ回路２（４６）との間に、ドライバ基板を掛け渡す構造を採用することで（図３を参照）、２つのインバータ回路１と２に対して１枚のドライバ基板３８６で兼用させることができる。

さらに、図１０をみると、下ケース１４２は、機能的には水路筐体を形成しており（図１０の水路２３７）、さらに、コンデンサモジュールの挿入部１４７をも形成している。

したがって、下ケース１４２は水路筐体の機能を果たすとともに、コンデンサモジュール３９０の位置決め機能をも果たしているので、コンデンサモジュールの位置決めが容易である。

図７に示す電力変換装置における半導体モジュール５００とコンデンサモジュール３９０の配列構造と、図１３に示す半導体モジュール５００の正極端子５３２と負極端子５７２の配置構造とから分かるように、放熱フィン（Ｂ側）５６２に対面してコンデンサモジュール３９０が配置されるので、コンデンサモジュール３９０の正極端子と負極端子は、半導体モジュール５００の正極端子５３２と負極端子５７２と互いに等長のＤＣバスバーで接続でき、接続が容易になるとともに（等長で同構造のＤＣバスバーを２本用意して、これらのＤＣバスバーを正極端子５３２とコンデンサモジュール正極端子との間、負極端子５７２とコンデンサモジュール負極端子との間に掛け渡して容易に接続することが可能）、コンデンサモジュールと半導体モジュールのそれぞれの極側を単純構造の同一形状のＤＣバスバーで連結することで低インダクタンスの配線構造となっている。

図２１は本実施形態に関する半導体モジュールとコンデンサモジュールの間の端子接続の構造を示す図である。図２１は半導体モジュール５００の間にコンデンサモジュール３９０が挟まれるサンドイッチ構造の一方の側を図示している。

コンデンサモジュール３９０から直流バスバー３９３が突設されて、その端部にコンデンセモジュールの正極端子３９４と負極端子３９５が配置されその先端部は櫛歯形状の端子部を植立している。さらに、正極端子３９４と負極端子３９５の間にはこれらの端子間の絶縁を確実にする薄板形状のコンデンサモジュール端子絶縁部３９６が直流バスバー３９３に付設される。この薄板形状端子絶縁部３９６は、半導体モジュールの上面に穿たれた挿入孔５８３に挿入することによって、半導体モジュール５００とコンデンサモジュール３９０間の端子接続の位置決めが図られる。

この位置決めによって、半導体モジュールの正極端子５３２とコンデンサモジュールの正極端子３９４との接合、及び半導体モジュールの負極端子５７２とコンデンサモジュールの負極端子３９５との接合が固定したものとなる。すなわち、接合する両端子の櫛歯形状同士が密接関係となり、その後の例えばはんだ付け作業が容易となり、はんだ固着が強固なものとなる（コンデンサモジュール３９０と半導体モジュールの接続端子を互いに櫛歯形状とすることによって、両者の接続端子間の溶接やその他の固着接続がし易くなっている）。図示するように、半導体モジュールの正極端子５３２と負極端子５７２の配列が、コンデンサモジュール３９０の対向面側に対して並置されているので、コンデンサモジュールの正極端子３９４と負極端子３９５の突設構造を互いに同一とすることができる。

また、半導体モジュール５００はそのフィン長手方向に沿って複数配列されるので、半導体モジュール毎のコンデンサモジュールの直流バスバー３９３の構造をも同一とすることができる。

次に、本実施形態に関する半導体モジュールの配線インダクタンス低減化について、図２２と図２３を用いて説明する。図２２は本実施形態に関する半導体モジュールとコンデンサモジュールにおける配線インダクタンスの低減を説明する構成上の配置図である。図２３は本実施形態に関する半導体モジュールとコンデンサモジュールにおける配線インダクタンスの低減を説明する等価回路上の配置図である。過渡的な電圧上昇や半導体チップの大きな発熱は、インバータ回路を構成する上アームあるいは下アームのスイッチング動作時に発生するので、特にスイッチング動作時のインダクタンスを低減することが望ましい。過渡時にダイオードのリカバリ電流６００が発生するので、このリカバリ電流に基づき、一例として下アームのダイオード５４３（図２の６６に相当）のリカバリ電流を例としてインダクタンス低減の作用を説明する。

ダイオード５４３のリカバリ電流とは、逆バイアスであるにもかかわらずダイオード５４３に流れる電流であり、ダイオード５４３の順方向状態でダイオード５４３内に満たされたキャリアに起因すると一般に言われている。インバータ回路を構成する上アームあるいは下アームの導通動作あるいは遮断動作が所定の順に行われることでインバータ回路の交流端子５８２には３相交流電力が発生する。今、上アームとして動作している半導体チップ５３７が導通状態から遮断状態に切り替わると、モータジェネレータ９２（図２を参照）の固定子巻線の電流を維持する方向に下アームのダイオード５４３を介して還流電流が流れる。この還流電流はダイオード５４３の順方向電流であり、ダイオード内部はキャリアで満たされる。次に、上アームとして動作している半導体チップ５３７が遮断状態から再び導通状態に切り替わると、下アームのダイオード５４３に上述したキャリアに起因するリカバリ電流が流れる。定常的な動作では上下アーム直列回路のどちらかが必ず遮断状態にあり、上下アームに短絡電流が流れることが無いが、過渡状態の電流例えばダイオードのリカバリ電流は上下アームで構成する直列回路を流れる。

図２２と図２３で上下アーム直列回路の上アームとして動作するＩＧＢＴ（スイッチン用半導体素子）５３７がオフからオンに変化したとき、正極端子５３２（図２の５７に相当）からＩＧＢＴ５３７、ダイオード５４３を通って負極端子５７２（図２の５８に相当）にダイオード５４３のリカバリ電流が流れる（図に矢印で示す）。なお、このとき、ＩＧＢＴ５４１は遮断状態にある。このリカバリ電流の流れをみると、図２２に示すように、チップ５３７と５４３から正極端子５３２と負極端子５７２に至る経路では導体板が上下方向に並行して配置され、且つ逆向きの同一電流が流れる。そうすると、導体板の間の空間では互いの電流によって発生する磁界が打ち消し合うことになり、結果として電流経路のインダクタンスが低下することとなる。

すなわち、正極側の導体板５３４および正極端子５３２と負極側の導体板５７４および負極端子５７２とが接近して対抗して配置されたラミネート状態にあることでインダクタンスの低減作用が生じる。図２３は図２２の等価回路であり、正極側の導体板５３４および正極端子５３２の等価コイル７１２が負極側の導体５７４および端子５７２の等価コイル７１４と互いに磁束を打ち消す方向に作用し、インダクタンスが低減される。

さらに、図２２に示すリカバリ電流の経路をみると、逆方向且つ並行電流の経路に続いて、ループ形状の経路が生じている。このループ形状経路を電流が流れることによって、放熱フィン（Ａ側）と放熱フィン（Ｂ側）には渦電流６０２，６０１が流れることとなり、この渦電流による磁界打ち消し効果によってループ形状経路におけるインダクタンスの低減作用が生じる。図２３の等価回路で、渦電流を生じる現象を等価的にインダクタンス７２２と７２４と７２６で表現した。これらのインダクタンスは放熱フィンである金属板に接近して配置されているので、誘導により発生する渦電流が発生する磁束と打ち消しあう関係となり、結果として半導体モジュールのインダクタンスが渦電流効果によって低減することとなる。

以上のように、本実施形態に関する半導体モジュールの回路構成の配置によって、ラミネート配置による効果と渦電流による効果によってインダクタンスを低減することができる。スイッチング動作時のインダクタンスを低減することが重要であり、本実施形態の半導体モジュールでは、上アームと下アームの直列回路を半導体モジュール内に収納している。このため上下アーム直列回路を流れるダイオードのリカバリ電流に対して低インダクタンス化が可能となるなど、過渡的な状態でのインダクタンス低減効果が大きい。

インダクタンスが低減すれば、半導体モジュールで発生する誘起電圧は小さくなり、低損失の回路構成を得ることができ、また、インダクタンスが小さいことによってスイッチング速度の向上に繋げることができる。さらに、上述した上下アーム直列回路５０からなる半導体モジュール５００を複数並列にして、コンデンサモジュール９５内の各コンデンサ９０と接続して大容量化を図った場合において、半導体モジュール５００自体のインダクタンスが低減することによって、電力変換装置１００内の半導体モジュール５００によるインダクタンスのバラツキの影響が少なくなり、インバータ装置の動作が安定する。

また、モータジェネレータの大容量化（例えば、４００Ａ以上）が求められる場合において、コンデンサも大容量とする必要があり、個々のコンデンサ９０を多数並列接続しコンデンサの直流バスバー３９３を並列状に配置すると、個々の半導体モジュールの正極端子５３２及び負極端子５７２と個々のコンデンサ端子とは等距離接続することになり、それぞれの半導体モジュールに流れる電流は均等に分配され、バランスの良い低損失のモータジェネレータの動作を図ることができる。さらに、半導体モジュールの正極端子と負極端子の並行配置によって、ラミネート効果でインダクタンスが低減することと相俟って低損失の動作を行わせることができる。

以上説明したように、本発明の実施形態に係る電力変換装置は、両面冷却型半導体モジュールを用いて、小型化、組立性、冷却効率の向上を図るものであり、その全体構造として、同一側面に水路入口部と出口部を設けた略直方体形状の水路筐体において、その中央部分にコンデンサモジュールの挿入部を形成し、その中央部の両側に水路入口部と水路出口部に繋がる水路を形成し、この水路に半導体モジュールの放熱フィン長手方向に沿って複数の半導体モジュールをスロットインする構成を基本的構造体とする。この基本的構造体において、水路入口部と出口部を設けた側面以外の他の側面には、交流コネクタ１と交流コネクタ２を設け、さらに他の側面には直流コネクタを設ける。

また、この基本的構造体におけるコンデンサモジュールの上面には半導体モジュールに内蔵する上下アーム直列回路のドライバ基板を設け、さらにその上部に制御基板を設けて、コンデンサモジュール上面空間の有効利用を図って、全体構成としている。

また、図１２に示す水路構造と複数の半導体モジュールの配置構造によって、水流のＵターン部の数減少で水路の圧力損失を低減している。さらに、図１２に示すコンデンサモジュールと水路のサンドイッチ構造でコンデンサをも水路の冷却水で冷却できるような構造としている。また、図１３に示すような半導体モジュールの正極端子と負極端子の配列構造によってコンデンサモジュールのそれらに対応する端子と同一構造のＤＣバスバーで結合することができ低インダクタンス配線を可能とする。コンデンサモジュールの上面にドライバ基板と制御基板を配置することでコンデンサモジュール上面の有効利用を図り、２つのインバータ回路を有する電力変換装置であってもドライバ基板を共通のドライバ基板で形成することできる。また、下ケースから成る水路筐体にコンデンサモジュール挿入部を形成することでコンデンサモジュールの位置決めが確実且つ容易になる。

また、図１４に示すように、半導体モジュールに内蔵される上アームのＩＧＢＴと下アームのＩＧＢＴとは長さＬで水路の水流方向に沿って配置され、同様に上アームと下アームのダイオードも長さＭでＩＧＢＴの下に配置されるので、半導体モジュールの高さ方向に無駄な長さが存在せず、小型化に繋がる。また、第１の冷却対象であるＩＧＢＴは、Ｍより長いＬに相当する水路（フィン部分の高さ方向の長さ）を占有するので、冷却効率も向上する。

次に、本実施形態に関する半導体モジュールの正極端子と負極端子の配列についての他の構成例を、図２４を用いて説明する。まず、図２１に示す半導体モジュールの正極端子５３２と負極端子５７２は、それぞれ植立した櫛歯形状の並びが放熱フィン（Ａ側）５２２の水流方向に沿って縦列する配列であった（図１３を参照）。図２４によると、正極端子５３２と負極端子５７２のそれぞれの櫛歯形状を半導体モジュールの短手方向で対向するように構成する。すなわち、正極端子５３２の櫛歯形状の並びが放熱フィン（Ａ側）５２２側において水流方向に沿うようにされ、負極端子５７２の櫛歯形状の並びが放熱フィン（Ｂ側）５６２側において水流方向に沿うように形成され、互いの櫛歯形状が半導体モジュール短手方向で向き合う構造であり、図２１の構造のものに比べて、正極端子５３２と負極端子５７２の配置のみが異なっている（他の端子の配列が多少異なっていても当然によい）。

図示するように各端子の櫛歯形状を形成するために、それぞれの導体板５３４（正極側の導体板）と５７４（負極側の導体板）には、屈曲部を形成して櫛歯形状が向き合うように屈曲させればよい。コンデンサモジュールの端子絶縁部３９６に対応するように、半導体モジュールの各端子５３２，５７２の導体板５３４，５７４間には端子絶縁部挿入孔５８３を付設する。上述した半導体モジュール５００の正極端子と負極端子の配置構造に対応させて、コンデンサモジュール３９０の正極端子３９４と負極端子３９５の構造についても、図２１に示すものに比べて、直流バスバー３９３と端子及び端子絶縁部との並び方が９０度角度変更している。すなわち、図２４に示す他の構成例は、半導体モジュールとコンデンサモジュールの正極端子、負極端子の構造を変更するのみで適応可能なものである。

次に、本実施形態に関する水路構造と複数半導体モジュールの配置構造の構成例について、図２５と図２６を参照しながら以下説明する。図２５は本実施形態に関する水路構造と複数半導体モジュールの配置構造の一の構成例を示す機能説明図である。図２６は本実施形態に関する水路構造と複数半導体モジュールの配置構造の他の構成例を示す機能説明図である。

図において、１４２は下ケース、２２６は正面部入口水路、２２７は正面部折り返し水路、２２８は正面部出口水路、２３６は背面部折り返し水路、２３７は半導体モジュール挿入水路、２４６は水路入口部、２４８は水路出口部、２５８は水流、３９０はコンデンサモジュール、４９０は水路形成体１、４９１は水路形成体２、５００は半導体モジュール、をそれぞれ表す。

図２５において、図２５（Ａ）は、図１２に示す水路構造と半導体モジュール配置構造を機能的に説明する図であり、その機能、作用は図１２の説明で詳述したとおりである。

図２５（Ｂ）は水路構造の変形例であり、コンデンサモジュールの冷却効率の向上及び流路内の圧力損失低減を図るものである。図２５（Ｂ）に示す変形例について図２５（Ａ）の例との対比で説明すると、図２５（Ａ）の場合、冷却水は入口水路２２６近傍に配置された半導体モジュールを先に冷却し（入口水路２２６側に３つの半導体モジュールが挿入されている）、出口水路２２８近傍に配置された半導体モジュールは後に冷却する。そのため、入口水路２２６近傍と出口水路２２８近傍で半導体モジュールに当接する冷却水の温度に偏りができ、冷却の不均一を招くこととなる。

これに対して、図２５（Ｂ）のものは、背面部に水路形成体１（４９０）を設けて折り返し水路２３６を形成するものであるので、入口水路２２６と出口水路２２８の近傍に配置された半導体モジュール５００は一方の面（図１３に示す放熱フィン（Ａ側）５２２又は放熱フィン（Ｂ側）５６２）が先に冷却され、もう一方の面は最後に冷却されるため、各半導体モジュール５００の冷却が比較的均一になるという利点がある。

また、図２５（Ｃ）は水路構造の変形例は、同図（Ｂ）と同様に背面部に折り返し水路２３６を設けるとともに水路形成体１（４９０）と水路形成体２（４９１）を図示のように配置するとともに、複数の半導体モジュール５００を３つのユニットに分け、それぞれ３つのユニットを矩形の筐体の各辺側に配置し、例えば３つのユニットをＵ相、Ｖ相、Ｗ相の半導体モジュール毎に分けることで、各相について熱的にバランスを取ることが出来る。すなわち、所定の一つの相のみが高温となることを防ぐことができるという利点がある。

また、図２６において、水路構造の変形例を示し、水路入口部２２６と水路出口部２２８に水路形成体を設けずに、且つ背面部に水路を形成するものである。図２６（Ａ）によると、水路入口部と水路出口部に至る水路全長に亘って水路形成体４９０，４９１を設ける必要が無く、コスト低減を図ることが出来る。また、図２６（Ａ）〜（Ｃ）の水路に比べ、水路の折り返し回数を減らすことができ、かつ、水流を分岐することで各水路における冷却水の流速が下がり、水路内の圧力損失を低減することができる。

また、図２６（Ｂ）に示すものは、半導体モジュールを各相毎に各水路辺毎に配置したものである。図２５（Ａ）〜（Ｃ）の変形例に比べて、水路の折り返し回数が減らすことができ、かつ、水流を分岐することで各水路における冷却水の流速が下がり、水路内の圧力損失を低減することができる。

１０：ハイブリッド電気自動車、１２：前輪、１４：前輪車軸、１６：前輪側ＤＥＦ、１８：変速機、２０：エンジン、２２：動力分配機構、２３，２４，２５，２６：歯車、２７，２８，２９，３０：歯車、３６：バッテリ、３８：直流コネクタ、４０，４２：インバータ装置、４４：インバータ回路、４５：インバータ回路１、４６：インバータ回路２、５０：上下アームの直列回路、５０Ｕ１：インバータ回路１のＵ相直列回路、５０Ｕ２：インバータ回路２のＵ相直列回路、５０Ｖ１：インバータ回路１のＶ相直列回路、５０Ｖ２：インバータ回路２のＶ相直列回路、５０Ｗ１：インバータ回路１のＷ相直列回路、５０Ｗ２：インバータ回路２のＷ相直列回路、
５２：上アームのＩＧＢＴ、５３：上アームのコレクタ電極、５４：上アームのゲート（ベース）電極端子、５５：上アームの信号用エミッタ電極端子、５６：上アームのダイオード、５７：正極（Ｐ）端子、５８：負極（Ｎ）端子、５９：交流端子、６２：下アームのＩＧＢＴ、６３：下アームのコレクタ電極、６４：下アームのゲート電極端子、６５：下アームの信号用エミッタ電極端子、６６：下アームのダイオード、６９：中間電極、７０：制御部、７２：制御回路（制御基板３７２に内蔵）、７４：ドライバ回路（ドライバ基板３８６に内蔵）、７６：信号線、８０：検出部、８２：信号線、８６：交流電力線
（出力バスバー）、８８：交流コネクタ１、８９：交流コネクタ２、９０：コンデンサ（コンデンサモジュール３９０に内蔵）、９１：交流コネクタ部フランジ、９２，９４：モータジェネレータ、
１００：電力変換装置、１１２：上ケース、１２２：交流コネクタ用位置決め部、１２３：交流コネクタ搭載部、１２４：上ケースフランジ、１４２：下ケース、１４４：水路蓋、１４５：モジュール蓋１、１４６：モジュール蓋２、１４７：コンデンサモジュール挿入部、
２１２：水路筐体、２１４：水路筐体の本体部、２２４：水路筐体の正面部、２２６：正面部の入口水路、２２７：正面部の折り返し水路、２２８：正面部の出口水路、２３６：背面部の折り返し水路、２３７：半導体モジュール挿入水路、２４６：水路入口部、２４８：水路出口部、２５０，２５１，２５２，２５３：水流、２５４，２５５，２５６，２５７：水流、
３７２：制御基板（制御回路を内蔵）、３７３：制御ＩＣ１、３７４：制御ＩＣ２、３８６：ドライバ基板、３８７：ドライバＩＣ、３８８：信号コネクタ、３９０：コンデンサモジュール、３９１：交流バスバー１、３９２：交流バスバー２、４９０：水路形成体１、４９１：水路形成体２、
５００：半導体モジュール、５０１：半導体モジュール固定部、５０２：半導体モジュール位置決め部、５０７：モールド樹脂、５０８：サイドケース、５１２：トップケース、５１３：トップケースのモールドレジン充填部、５１６：ボトムケース、５１７：ボトムケースの嵌合部、５２２：放熱フィン（Ａ側）、５３２：正極端子、５３４：正極側の導体板、５３５：上下アーム接続用導体板、５３６，５３８，５４０，５４２，５４４：はんだ層、５３７：ＩＧＢＴチップ（上アーム用）、５３９：ダイオードチップ（上アーム用）、５４１：ＩＧＢＴチップ（下アーム用）、５４３：ダイオードチップ（下アーム用）、
５４４：はんだ層、５４６：絶縁シート（Ａ側）、５４８：はんだ層、５４９：はんだ層、５５０：はんだ層、５５２：信号用端子（上アーム用）、５５３：ゲート端子（上アーム用）、５５６：信号用端子（下アーム用）、５５７：ゲート端子（下アーム用）、５６０：接合部（上下アーム接続用）、５６２：放熱フィン（Ｂ側）、５７２：負極端子、５８２：交流端子、５９３：ゲートワイヤ（上アーム用）、５９６：絶縁シート（Ｂ側）、５９７：ゲートワイヤ（下アーム用）、７５１：はんだ接合部（ＩＧＢＴコレクタ側）、７５２：はんだ接合部（ダイオードカソード側）、７５３：はんだ接合部（ＩＧＢＴコレクタ側）、７５４：はんだ接合部（ダイオードカソード側）、７５６：はんだ接合部（ＩＧＢＴエミッタ側）、７５７：はんだ接合部（ＩＧＢＴエミッタ側）、７５８：はんだ接合部（ダイオードアノード側）、７５９：はんだ接合部（ダイオードアノード側）。

Claims (5)

1. インバータ回路の上アームを構成する第１の半導体チップと、
   インバータ回路の下アームを構成する第２の半導体チップと、
   前記第１の半導体チップに信号を伝達する第１のゲート端子と、
   前記第２の半導体チップに信号を伝達する第２のゲート端子と、
   前記第１の半導体チップの一面に電気的に接続される第１の導体板と、
   前記第１の半導体チップの他面に電気的に接続される第２の導体板と、
   前記第２の半導体チップの一面に電気的に接続されるとともに前記第２の導体板と電気的に接続される第３の導体板と、
   前記第２の半導体チップの他面に電気的に接続される第４の導体板と、
   前記第１及び第２の半導体チップを挟んで互いに対向する第１放熱フィン及び第２放熱フィンと、
   前記第１放熱フィンの対向面に接続された第１絶縁部材と、
   前記第２放熱フィンの対向面に接続された第２絶縁部材と、を備え、
   前記第１及び第２のゲート端子並びに前記第１及び第３の導体板は、前記第１絶縁部材に接続され、
   前記第２及び第４の導体板は、前記第２絶縁部材に接続され、
   前記第１放熱フィンと前記第２放熱フィンの間の空間にモールド樹脂が設けられることにより当該第１放熱フィンと当該第２放熱フィンが一体化される半導体モジュール。
2. 請求項１に記載の半導体モジュールであって、
   前記第１絶縁部材及び前記第２絶縁部材は、セラミック基板である半導体モジュール。
3. 請求項１に記載の半導体モジュールであって、
   前記第１絶縁部材及び前記第２絶縁部材は、樹脂製の絶縁シートである半導体モジュール。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の半導体モジュールであって、
   前記第１放熱フィンと前記第２放熱フィンの間の空間の一部に設けられる固定構造部を備え、
   前記モールド樹脂は、前記固定構造部と前記第１放熱フィンと前記第２放熱フィンを一体化する半導体モジュール。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の半導体モジュールを備えた電力変換装置。

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