JP6972645B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体モジュールと冷却管とを有する電力変換装置に関する。

インバータやコンバータ等の電力変換装置は、半導体素子を内蔵した半導体モジュールを備えている。そして、半導体モジュールとして、複数のパワー端子と、複数の制御端子とを、モジュール本体部から突出させたものがある。半導体モジュールは、パワー端子においてバスバー等に接続され、制御端子において制御回路基板に接続される。そして、複数のパワー端子を含む電流ループが形成され、また、複数の制御端子を含む電流ループが形成される場合がある。

この場合、電流ループにインダクタンスが寄生することとなる。それゆえ、スイッチングサージの低減、スイッチング損失の低減を図る観点において、パワー端子又は制御端子におけるインダクタンスを低減することが望ましい。

特許文献１に開示された電力変換装置は、装置内部の温度上昇を効果的に抑制することを目的として、半導体モジュールを冷却する冷却管における中間プレートを突出させている。すなわち、この電力変換装置は、一対の外殻プレートと中間プレートとインナフィンとを有する冷却管を、用いている。そして、中間プレートが、外殻プレートよりも外方へ突出した突出部を有する。

特開２００７−１７３３７２号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示の電力変換装置においては、以下の観点において改善の余地がある。
上記中間プレートの突出部の一部は、パワー端子又は制御端子と、積層方向に重なっている。かかる構成によって、突出部は、装置内の温度上昇抑制のみならず、上述のパワー端子又は制御端子におけるインダクタンスの低減にも寄与し得る。すなわち、複数のパワー端子に流れる電流の電流ループによって磁束が生じるが、この磁束が突出部を貫くと共に時間変化することで、突出部に渦電流が流れる。この渦電流は磁束を打ち消す方向に流れるため、インダクタンスを低減することが可能となる。また、制御端子に突出部が対向配置された場合も、同様の効果が期待できる。

ところが、突出部は、中間プレートの一部によって構成されているため、突出部をパワー端子又は制御端子に近付けにくい。それゆえ、上述のインダクタンス低減効果を大きく得にくい。

また、中間プレートは、冷却管の内部に配されるものであるため、一般に、比較的厚みの小さい薄板が用いられる。そのため、中間プレートを突出させて突出部を形成すると、突出部の強度が低いため、電力変換装置の製造時あるいはメンテナンス時等において、変形等のおそれがある。そのため、製造時等の作業性にも影響するおそれがある。すなわち、電力変換装置の生産性を向上させる観点においても、改善の余地がある。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、インダクタンスの低減効果の向上を図ると共に、生産性の向上及び装置の小型化を図ることができる、電力変換装置を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、半導体素子（２０）を内蔵するモジュール本体部（２１）と、該モジュール本体部から突出した複数のパワー端子（２２、２２Ｐ、２２Ｎ、２２Ｏ）及び複数の制御端子（２３、２３Ｇ、２３Ｅ）と、を備えた半導体モジュール（２）と、
該半導体モジュールを両主面から挟持するように積層配置された複数の冷却管（３）と、を有し、
上記冷却管は、導電性を有すると共に、内部に冷媒（ｗ）を流通させる冷媒流路（３０）を備え、
上記複数のパワー端子は、上記モジュール本体部から、上記冷却管と上記半導体モジュールとの積層方向（Ｘ）に直交する高さ方向（Ｚ）における、互いに同じ方向に突出しており、
上記複数の制御端子は、上記モジュール本体部から、上記高さ方向における、互いに同じ方向に突出しており、
上記冷却管は、上記モジュール本体部よりも上記高さ方向の少なくとも一方側に突出すると共に内側に上記冷媒流路の一部が形成された拡大流路形成部（３２、３２ａ、３２ｂ）を備え、
上記拡大流路形成部は、上記複数のパワー端子と上記複数の制御端子との少なくとも一方と、上記積層方向において重なっており、
上記半導体モジュールは、上記複数のパワー端子と上記複数の制御端子とを上記高さ方向における互いに反対方向に突出してなり、
上記冷却管は、上記高さ方向の双方に、上記拡大流路形成部を突出させており、上記パワー端子側に突出した上記拡大流路形成部（３２ａ）は、複数の上記パワー端子と上記積層方向に重なっており、上記制御端子側に突出した上記拡大流路形成部（３２ｂ）は、複数の上記制御端子と上記積層方向に重なっており、
上記冷却管は、上記冷媒流路として、上記冷媒と上記モジュール本体部との熱交換を行わせる熱交換部（３７）と、該熱交換部に対して上記高さ方向の両側にそれぞれ配置された冷媒供給路（３６）及び冷媒排出路（３８）とを有し、上記冷媒供給路及び上記冷媒排出路は、それぞれ上記拡大流路形成部に形成されており、上記熱交換部には、上記冷媒供給路から上記冷媒排出路へ向かって、上記冷媒が流れるよう構成されており、
上記積層方向に隣り合う上記冷却管の間には、複数の上記半導体素子が配置されており、該複数の半導体素子は、上記積層方向及び上記高さ方向の双方に直交する横方向（Ｙ）に並んでおり、
上記冷却管は、上記積層方向に隆起した隆起部（３１１）を有し、上記冷媒供給路及び上記冷媒排出路は、上記積層方向から見て、上記隆起部の外側に形成されている、電力変換装置（１）にある。

上記電力変換装置において、上記冷却管は上記拡大流路形成部を備えている。そして、拡大流路形成部は、複数のパワー端子と複数の制御端子との少なくとも一方と、積層方向において重なっている。これにより、拡大流路形成部には、複数のパワー端子又は複数の制御端子に電流が流れたとき、その電流ループに起因する磁束を打ち消す方向の渦電流が生じる。そのため、拡大流路形成部に対向する複数のパワー端子又は複数の制御端子におけるインダクタンスを低減することができる。

そして、拡大流路形成部は、内部に冷媒流路を備えている。そのため、積層方向において、パワー端子又は制御端子に対して近い位置に、拡大流路形成部を配置することが可能となる。それゆえ、複数のパワー端子又は複数の制御端子におけるインダクタンスを、一層低減することができる。また、パワー端子及び制御端子の近傍に、冷媒流路を備えた拡大流路形成部が配されることにより、パワー端子及び制御端子を冷却することができる。

さらに、拡大流路形成部は、内部に冷媒流路を形成するものであるため、比較的厚みの大きい材料にて構成されやすい。それゆえ、拡大流路形成部の強度を確保しやすい。その結果、拡大流路形成部の変形を招きにくく、電力変換装置の生産性の向上にもつながる。

以上のごとく、上記態様によれば、インダクタンスの低減効果の向上を図ると共に、生産性の向上及び装置の小型化を図ることができる、電力変換装置を提供することができる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

実施形態１における、半導体モジュールと冷却管との正面図。 実施形態１における、電力変換装置の一部の断面図であり、図１のII−II線矢視断面相当の図。 実施形態１における、電力変換装置の一部の断面図であり、図１のIII−III線矢視断面相当の図。 実施形態１における、半導体モジュールの正面図。 実施形態１における、冷却管の正面図。 実施形態１における、冷却管の冷媒流路の説明図。 実施形態１における、半導体モジュールと冷却器との平面図。 実施形態１における、電力変換装置の一部の回路図。 実施形態１における、半導体モジュールにおける電流ループの説明図。 実施形態２における、半導体モジュールと冷却管との正面図。 実施形態３における、半導体モジュールと冷却管との正面図。 実施形態３における、電力変換装置の一部の回路図。 実施形態３における、冷却管の冷媒流路の説明図。 実施形態４における、冷却管の冷媒流路の説明図。 実施形態５における、冷却管の冷媒流路の説明図。

（実施形態１）
電力変換装置に係る実施形態について、図１〜図９を参照して説明する。
本実施形態の電力変換装置１は、図１〜図３に示すごとく、半導体モジュール２と、半導体モジュール２を両主面から挟持するように積層配置された複数の冷却管３と、を有する。

半導体モジュール２は、半導体素子２０を内蔵するモジュール本体部２１と、モジュール本体部２１から突出した複数のパワー端子２２及び複数の制御端子２３と、を備えている。
冷却管３は、導電性を有すると共に、内部に冷媒を流通させる冷媒流路３０を備えている。

複数のパワー端子２２は、モジュール本体部２１から、高さ方向Ｚにおける、互いに同じ方向に突出している。複数の制御端子２３は、モジュール本体部２１から、高さ方向Ｚにおける、互いに同じ方向に突出している。

なお、高さ方向Ｚは、冷却管３と半導体モジュール２との積層方向Ｘに直交する方向であり、パワー端子２２及び制御端子２３の突出方向に平行な方向とする。また、積層方向Ｘと高さ方向Ｚとの双方に直交する方向を、横方向Ｙというものとする。これら横方向Ｙ、高さ方向Ｚは、便宜的な表現であり、特に電力変換装置１の配置姿勢を限定するものではない。

図１、図２に示すごとく、冷却管３は、モジュール本体部２１よりも高さ方向Ｚの少なくとも一方側に突出すると共に内側に冷媒流路３０の一部が形成された拡大流路形成部３２を備えている。
拡大流路形成部３２は、複数のパワー端子２２又は複数の制御端子２３と、積層方向Ｘにおいて重なっている。

図４に示すごとく、半導体モジュール２は、複数のパワー端子２２と複数の制御端子２３とを高さ方向Ｚにおける互いに反対方向に突出してなる。冷却管３は、高さ方向Ｚの双方に、拡大流路形成部３２を突出させている。図１、図２に示すごとく、パワー端子２２側に突出した拡大流路形成部３２ａは、複数のパワー端子２２と積層方向Ｘに重なっている。制御端子２３側に突出した拡大流路形成部３２ｂは、複数の制御端子２３と積層方向Ｘに重なっている。

なお、適宜、高さ方向Ｚにおいて、パワー端子２２が突出した側を上側、その反対側を下側という。ただし、この表現も便宜的なものであり、鉛直方向との関係を限定するものではない。

図１、図４に示すごとく、複数のパワー端子２２は、互いに横方向Ｙに並んで配置されている。また、複数の制御端子２３も、互いに横方向Ｙに並んで配置されている。
また、隣り合うパワー端子２２は、互いに横方向Ｙに離れた状態で配置されている。すなわち、横方向Ｙに隣り合うパワー端子２２の間には、パワー端子２２が存在しない領域がある。この領域に対しても、拡大流路形成部３２ａは、積層方向Ｘに対向することとなる。すなわち、横方向Ｙに離れて配置された複数のパワー端子２２に対向して、一つの拡大流路形成部３２ａが連続して形成されている。
また、横方向Ｙに離れて配置された複数の制御端子２３に対向して、一つの拡大流路形成部３２ｂが連続して形成されている。

図２、図６に示すごとく、冷却管３は、冷媒流路３０として、熱交換部３７と、熱交換部３７に対して高さ方向Ｚの両側にそれぞれ配置された冷媒供給路３６及び冷媒排出路３８とを有する。熱交換部３７は、冷媒とモジュール本体部２１との熱交換を行わせる部分である。冷媒供給路３６及び冷媒排出路３８は、それぞれ拡大流路形成部３２に形成されている。熱交換部３７には、冷媒供給路３６から冷媒排出路３８へ向かって、高さ方向Ｚに冷媒ｗが流れるよう構成されている。

本実施形態において、冷媒供給路３６は、積層方向Ｘにおいて制御端子２３と重なっている。冷媒排出路３８は、積層方向Ｘにおいてパワー端子２２と重なっている。
冷媒供給路３６は、高さ方向Ｚの一部が制御端子２３と積層方向Ｘに重なり、高さ方向Ｚの他の一部がモジュール本体部２１と積層方向Ｘに重なっている。つまり、本実施形態においては、冷媒供給路３６の一部が、拡大流路形成部３２ｂに形成されていることとなる。ただし、冷媒供給路３６の全体が、拡大流路形成部３２ｂに形成された構成とすることもできる。

同様に、冷媒排出路３８は、高さ方向Ｚの一部がパワー端子２２と積層方向Ｘに重なり、高さ方向Ｚの他の一部がモジュール本体部２１と積層方向Ｘに重なっている。つまり、本実施形態においては、冷媒排出路３８の一部が、拡大流路形成部３２ａに形成されていることとなる。ただし、冷媒排出路３８の全体が、拡大流路形成部３２ａに形成された構成とすることもできる。

図２、図３に示すごとく、冷却管３は、一対の外殻プレート３１と、一対の外殻プレート３１の間に配された中間プレート３４を有する。中間プレート３４は、流路外周部３１２において、一対の外殻プレート３１に挟持されている。

中間プレート３４は、平板状に形成されている。この平板状の中間プレート３４を両主面から挟むように、一対の外殻プレート３１が接合されている。中間プレート３４と外殻プレート３１との間に、冷媒流路３０が形成されている。また、中間プレート３４と外殻プレート３１との間には、インナフィン３５が配置されている。

インナフィン３５は、図６に示すごとく、冷媒流路３０における熱交換部３７に配置されている。インナフィン３５は、図３に示すごとく、高さ方向Ｚに直交する断面の形状が波形状となる、波板状の金属板からなる。そして、インナフィン３５と外殻プレート３１との間、及び、インナフィン３５と中間プレート３４との間に、高さ方向Ｚに延びる空間が、冷媒流路３０の一部として形成されている。この空間は、高さ方向Ｚに直線状に形成されている。

外殻プレート３１、中間プレート３４、及びインナフィン３５は、いずれもアルミニウム合金等の金属板によって構成されている。中間プレート３４は、外殻プレート３１よりも厚みが小さい。例えば、中間プレート３４の厚みは、外殻プレート３１の厚みの半分以下とすることができる。また、インナフィン３５の板厚も、外殻プレート３１の厚みよりも小さい。また、インナフィン３５の板厚は、中間プレート３４の厚み以下とすることができる。外殻プレート３１と中間プレート３４とインナフィン３５とは、互いにろう付け、或いは溶接等によって接合されている。

冷媒流路３０には、例えば、水などの冷媒を流通させることができる。冷媒としては、水に限らず、例えば、アンモニア等の自然冷媒、エチレングリコール系の不凍液を混入した水、フロリナート等のフッ化炭素系冷媒、ＨＣＦＣ１２３、ＨＦＣ１３４ａ等のフロン系冷媒、メタノール、アルコール等のアルコール系冷媒、アセトン等のケトン系冷媒等、種々の冷媒を用いることができる。

また、図２、図３に示すごとく、冷却管３と半導体モジュール２との間には、熱伝導性に優れたセラミック板からなる絶縁材１１を介在させている。絶縁材１１及び冷却管３は、半導体モジュール２の両主面にそれぞれ積層配置されている。半導体モジュール２は、両主面に放熱板２４を露出させている。この放熱板２４が露出した半導体モジュール２の主面に、グリス（図示略）を介して絶縁材１１が接触配置されている。各絶縁材１１にグリス（図示略）を介して冷却管３が接触配置されている。

冷却管３は、絶縁材１１との接触面において、絶縁材１１側へ隆起した隆起部３１１を有する。積層方向Ｘから見たとき、隆起部３１１は、半導体モジュール２のモジュール本体部２１の主面の輪郭の内側に納まるように形成されている。また、積層方向Ｘから見たとき、隆起部３１１の輪郭の内側に、放熱板２４が納まるように形成されている。これにより、冷却管３と放熱板２４との熱的な接触面積を大きく確保しつつ、絶縁材１１の一部に応力が集中することを防ぐことができる。

上記のように配置された冷却管３の反対側にも同様の構成で、絶縁材１１を介して半導体モジュール２が積層されている。そして、全体としては、図７に示すごとく、冷却管３と半導体モジュール２とが絶縁材１１（図示略）を介して交互に積層配置されている。

図３、図７に示すごとく、積層方向Ｘに隣り合う冷却管３は、その横方向Ｙの両端において、それぞれ連結管３０１によって連結されている。連結管３０１は、隣り合う冷却管３の内部の冷媒流路３０同士を連通させている。積層方向Ｘにおける一端に配された冷却管３には、冷媒導入管３０２と冷媒排出管３０３とが設けてある。

図６に示すごとく、各冷却管３の冷媒流路３０における横方向Ｙの両端には、それぞれ、冷媒供給路３６と連通する供給部３６１と、冷媒排出路３８と連通する排出部３８１とが形成されている。連結管３０１は、供給部３６１と排出部３８１とに接続される。また、積層方向Ｘにおける一端に配された冷却管３の供給部３６１と排出部３８１とには、それぞれ、冷媒導入管３０２と冷媒排出管３０３とが接続されている。
このように、図７に示すごとく、複数の冷却管３を並列配置してなる冷却器３００が構成されている。隣り合う冷却管３の間に、半導体モジュール２が配置されている。

冷媒導入管３０２から冷却器３００内に導入された冷媒ｗは、図６に示すごとく、供給部３６１から各冷却管３の冷媒流路３０に導入される。各冷却管３に導入された冷媒ｗは、まず冷媒供給路３６に導入され、そこから熱交換部３７に供給される。このとき、冷媒ｗは、横方向Ｙに分配されながら、インナフィン３５に沿って、高さ方向Ｚに流れる。そして、冷媒ｗは、熱交換部３７から冷媒排出路３８に排出される。すなわち、横方向Ｙに分配されて熱交換部３７を通過した冷媒ｗは、冷媒排出路３８において再び合流する。合流後の冷媒ｗは、冷媒排出路３８から排出部３８１を通じて、冷却管３から排出される。このようにして、各冷却管３を冷媒ｗが流れることにより、半導体モジュール２を冷却する。そして、各冷却管３から排出された冷媒ｗは、図７に示すごとく、冷媒排出管３０３を介して冷却器３００から排出される。

図１、図２に示すごとく、半導体モジュール２のパワー端子２２は、高さ方向Ｚにおいて、冷却管３よりも上側に突出している。そして、図２に示すごとく、パワー端子２２は、冷却管３の上方に配置されたバスバー１３に接続されている。すなわち、パワー端子２２とバスバー１３との接続部１３０は、高さ方向Ｚにおいて、拡大流路形成部３２よりもモジュール本体部２１から遠い位置に配されている。
また、パワー端子２２と、パワー端子２２に対して積層方向Ｘにおける両側に配された拡大流路形成部３２との間のそれぞれの距離ｄは、互いに同等である。

制御端子２３は、高さ方向Ｚにおいて、冷却管３よりも下方へ突出している。そして、制御端子２３は、冷却管３の下方に配置された制御回路基板（図示略）に接続されている。

図３に示すごとく、積層方向Ｘに隣り合う冷却管３の間には、複数の半導体素子２０が配置されている。複数の半導体素子２０は、横方向Ｙに並んでいる。これら複数の半導体素子２０は、図３、図４に示すごとく、一つの半導体モジュール２に内蔵されている。

電力変換装置１は、例えば、直流電源と三相交流の回転電機との間において、電力変換を行うインバータとすることができる。
本実施形態においては、半導体モジュール２は、半導体素子２０として、４つのスイッチング素子を内蔵している。４つのスイッチング素子は、図８に示すごとく、互いに並列接続された２つの上アームスイッチング素子２ｕと、これらに直列接続されると共に互いに並列接続された２つの下アームスイッチング素子２ｄとすることができる。

図８は、高電位バスバー１３Ｐと低電位バスバー１３Ｎとの間に接続された平滑コンデンサ１４と、一つの半導体モジュール２と、これに接続された回転電機の一相分のコイル１５と、を抜き出した回路図である。なお、同図に示した容量Ｃｇｅは、スイッチング素子に寄生する寄生容量を表す。

各スイッチング素子は、ＩＧＢＴ、すなわち絶縁ゲートバイポーラトランジスタからなる。また、上アームスイッチング素子２ｕ及び下アームスイッチング素子２ｄには、それぞれフライホイールダイオードが逆並列接続されている。上アームスイッチング素子２ｕと下アームスイッチング素子２ｄとの接続点が、回転電機の電極の一つに接続される。なお、スイッチング素子としては、ＩＧＢＴに限らず、例えば、ＭＯＳＦＥＴ、すなわちＭＯＳ型電界効果トランジスタを用いることもできる。

図４に示すごとく、半導体モジュール２は、３つのパワー端子２２Ｐ、２２Ｎ、２２Ｏを有する。パワー端子２２Ｐは、図８に示すごとく、上アームスイッチング素子２ｕのコレクタに電気的に接続された端子である。パワー端子２２Ｎは、下アームスイッチング素子２ｄのエミッタに電気的に接続された端子である。パワー端子２２Ｏは、上アームスイッチング素子２ｕのエミッタと下アームスイッチング素子２ｄのコレクタとに電気的に接続された端子である。そして、パワー端子２２Ｐは、直流電源の正極に繋がる高電位バスバー１３Ｐに接続される。パワー端子２２Ｎは、直流電源の負極に繋がる低電位バスバー１３Ｎに接続される。パワー端子２２Ｏは、回転電機に繋がる出力バスバー１３Ｏに接続される。

図４に示すごとく、半導体モジュール２は、上アームスイッチング素子２ｕに対応した複数の制御端子２３と、下アームスイッチング素子２ｄに対応した複数の制御端子２３とを有する。そして、複数の制御端子２３には、各スイッチング素子のゲートに接続される制御端子２３Ｇと、各スイッチング素子のエミッタに接続される制御端子２３Ｅとが含まれる。

電力変換装置１は、各スイッチング素子を適宜オンオフさせることで、電力変換を行う。その際、図８に示すごとく、互いに直列接続された上アームスイッチング素子２ｕと下アームスイッチング素子２ｄと、平滑コンデンサ１４とによって構成される閉回路において、被制御電流の電流変化が生じる。それゆえ、この閉回路におけるインダクタンスを低減することが求められる。

つまり、この閉回路において変動する被制御電流の交流成分Ｉ１は、パワー端子２２Ｐとパワー端子２２Ｎとにおいて、互いに逆向きとなる。そして、図９に示すごとく、互いに隣り合うパワー端子２２Ｐとパワー端子２２Ｎとを含む部分に、電流ループｉ１が形成されることとなる。

このとき、電流ループｉ１によって生じる磁束が積層方向Ｘに形成される。ところが、パワー端子２２Ｐとパワー端子２２Ｐとには、拡大流路形成部３２が対向配置されている。それゆえ、この拡大流路形成部３２に、上記の磁束を打ち消すような渦電流が発生する。これにより、パワー端子２２におけるインダクタンスが低減される。

制御端子２３においても、図８に示すごとく、スイッチング素子２ｕ、２ｄのゲートからエミッタに流れる電流Ｉ２が生じる。すなわち、制御端子２３Ｇから半導体モジュール２に入って制御端子２３Ｅから抜ける電流Ｉ２が、生じる。これにより、複数の制御端子２３においても、図９に示すごとく、電流ループｉ２が形成される。これらの制御端子２３に対しても、拡大流路形成部３２が対向配置されている。それゆえ、制御端子２３に生じた電流ループｉ２に起因する磁束も、拡大流路形成部３２に生じる渦電流によって打ち消すことができる。その結果、制御端子２３におけるインダクタンスを低減することができる。

次に、本実施形態の作用効果につき説明する。
上記電力変換装置１において、冷却管３は拡大流路形成部３２を備えている。そして、拡大流路形成部３２は、複数のパワー端子２２及び複数の制御端子２３と、積層方向Ｘにおいて重なっている。これにより、拡大流路形成部３２には、複数のパワー端子２２又は複数の制御端子２３に電流が流れたとき、その電流ループｉ１、ｉ２に起因する磁束を打ち消す方向の渦電流が生じる。そのため、拡大流路形成部３２に対向する複数のパワー端子２２及び複数の制御端子２３におけるインダクタンスを低減することができる。

そして、拡大流路形成部３２は、内部に冷媒流路３０を備えている。そのため、積層方向Ｘにおいて、パワー端子２２及び制御端子２３に対して近い位置に、拡大流路形成部３２を配置することが可能となる。それゆえ、複数のパワー端子２２及び複数の制御端子２３におけるインダクタンスを、一層低減することができる。また、パワー端子２２及び制御端子２３の近傍に、冷媒流路３０を備えた拡大流路形成部３２が配されることにより、パワー端子２２及び制御端子２３を冷却することができる。

さらに、拡大流路形成部３２は、比較的厚みの大きい材料である外殻プレート３１にて構成されている。それゆえ、拡大流路形成部３２の強度を確保しやすい。その結果、拡大流路形成部３２の変形を招きにくく、電力変換装置１の生産性の向上にもつながる。

本実施形態においては、冷却管３は、高さ方向Ｚの双方に、拡大流路形成部３２を突出させている。そして、上側に突出した拡大流路形成部３２ａは、複数のパワー端子２２と積層方向Ｘに重なっており、下側に突出した拡大流路形成部３２ｂは、複数の制御端子２３と積層方向Ｘに重なっている。これにより、複数のパワー端子２２におけるインダクタンスと、複数の制御端子２３におけるインダクタンスとの双方を、低減することができる。

冷却管３は、冷媒流路３０として、熱交換部３７と、冷媒供給路３６及び冷媒排出路３８とを有する。冷媒供給路３６及び冷媒排出路３８は、それぞれ拡大流路形成部３２に形成されている。図６に示すごとく、熱交換部３７には、冷媒供給路３６から冷媒排出路３８へ向かって、高さ方向Ｚに冷媒ｗが流れる。これにより、冷媒流路３０における冷媒の圧力損失を低減しつつ、冷媒を横方向Ｙに分配して熱交換部３７に供給することができる。

積層方向Ｘに隣り合う冷却管３の間において、複数の半導体素子２０が、横方向Ｙに並んでいる。それゆえ、上述のように冷媒が横方向Ｙに分配して熱交換部３７に供給されることにより、複数の半導体素子２０の冷却バラツキを低減することができる。すなわち、熱交換部３７において、複数の半導体素子２０が冷媒の上流側と下流側とに並ぶことを防ぐことができる。

また、パワー端子２２とバスバー１３との接続部１３０は、高さ方向Ｚにおいて、拡大流路形成部３２よりもモジュール本体部２１から遠い位置に配されている。これにより、パワー端子２２とバスバー１３との接続を容易に行うことができる。
また、パワー端子２２と、パワー端子２２に対して積層方向Ｘにおける両側に配された拡大流路形成部３２との間のそれぞれの距離ｄは、互いに同等である。これにより、パワー端子２２を積層方向Ｘの双方から効率的に冷却することができる。

以上のごとく、本実施形態によれば、インダクタンスの低減効果の向上を図ると共に、生産性の向上及び装置の小型化を図ることができる、電力変換装置を提供することができる。

（実施形態２）
本実施形態の電力変換装置１においては、図１０に示すごとく、冷媒供給路３６が、積層方向Ｘにおいてパワー端子２２と重なっており、冷媒排出路３８が、積層方向Ｘにおいて制御端子２３と重なっている。
その他の構成は、実施形態１と同様である。なお、実施形態２以降において用いた符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。

本実施形態においては、各冷却管３に導入された冷媒ｗは、熱交換部３７においてモジュール本体部２１と熱交換する前に、パワー端子２２に対向配置される拡大流路形成部３２内の冷媒供給路３６に導かれる。それゆえ、比較的低温の冷媒ｗが、パワー端子２２に対向配置される拡大流路形成部３２を流れるため、パワー端子２２を効率的に冷却することができる。通常、制御端子２３よりもパワー端子２２の方が高温となりやすく、冷却の必要性が高い。それゆえ、上記のようにパワー端子２２をより効率的に冷却できる構成とすることで、半導体モジュール２の全体を効果的に冷却することができる。
その他、実施形態１と同様の作用効果を有する。

（実施形態３）
本実施形態の電力変換装置１においては、図１１に示すごとく、積層方向Ｘに隣り合う冷却管３の間に、複数の半導体モジュール２が、横方向Ｙに並んで配置されている。
本実施形態の電力変換装置１は、１つの半導体モジュール２に１つのスイッチング素子を内蔵させつつ、２つの半導体モジュール２を横方向Ｙに隣接配置している。そして、横方向Ｙに隣接配置された２つの半導体モジュール２を、積層方向Ｘから一対の冷却管３が挟持した状態となっている。

横方向Ｙに隣接配置された２つの半導体モジュール２に内蔵されるスイッチング素子は、図１２に示すごとく、互いに直列接続された上アームスイッチング素子２ｕと下アームスイッチング素子２ｄとなる。そして、図１１に示すごとく、出力バスバー１３Ｏに接続される、２つの半導体モジュール２のパワー端子２２Ｏが、横方向Ｙに互いに隣接するように、半導体モジュール２が配置されている。そして、高電位バスバー１３Ｐに接続されるパワー端子２２Ｐと、低電位バスバー１３Ｎに接続されるパワー端子２２Ｎとは、横方向Ｙにおける両端に配置されることとなる。

かかる状態において、実施形態１と同様に、図１２に示すごとく、互いに直列接続された上アームスイッチング素子２ｕと下アームスイッチング素子２ｄと、平滑コンデンサ１４とによって構成される閉回路において変動する被制御電流の交流成分Ｉ１を考える。交流成分Ｉ１は、上アーム側の半導体モジュール２のパワー端子２２Ｐから、パワー端子２２Ｏへ抜け、下アーム側の半導体モジュール２のパワー端子２２Ｏから、パワー端子２２Ｎへ抜ける。それゆえ、上アーム側の半導体モジュール２のパワー端子２２Ｐとパワー端子２２Ｏとにおいては、交流成分Ｉ１は互いに逆向きとなる。また、上アーム側の半導体モジュール２のパワー端子２２Ｏと下アーム側の半導体モジュール２のパワー端子２２Ｏとにおいても、交流成分Ｉ１は互いに逆向きとなる。下アーム側の半導体モジュール２のパワー端子２２Ｏとパワー端子２２Ｎとにおいても、交流成分Ｉ１は互いに逆向きとなる。その結果、図１１に示すごとく、隣り合うパワー端子２２を含む電流ループｉ１１、ｉ１２、ｉ１３が、それぞれ形成される。

このように、本実施形態においても、４本のパワー端子２２に対して、積層方向Ｘに対向するように、拡大流路形成部３２が配設されている。それゆえ、上述の電流ループｉ１１、ｉ１２、ｉ１３によって生じる磁束を打ち消すように、拡大流路形成部３２に渦電流が流れる。そのため、パワー端子２２におけるインダクタンスが低減される。
制御端子２３については、実施形態１と同様に、インダクタンスの低減効果が得られる。

また、本実施形態において、図１３に示すごとく、冷却管３の冷媒流路３０は、熱交換部３７が横方向Ｙの２か所に分かれて形成されている。つまり、熱交換部３７における横方向Ｙの中央部に、仕切部３７１が形成されている。仕切部３７１は、外殻プレート３１の一部を中間プレート３４に向かって突出させることにより、形成されている。また、仕切部３７１は、高さ方向Ｚに沿って形成されている。仕切部３７１は、熱交換部３７の高さ方向Ｚの全域にわたって形成されている。

そして、仕切部３７１によって分けられた２つの熱交換部３７のそれぞれに、個別にインナフィン３５が配置されている。
また、冷媒供給路３６は、横方向Ｙにおいて、供給部３６１から遠ざかるにつれて高さ方向Ｚの寸法が徐々に小さくなる除変部３６２を有する。冷媒供給路３６における除変部３６２は、横方向Ｙにおいて、仕切部３７１よりも供給部３６１に近い側から、排出部３８１側の端部までにわたり、形成されている。

このように、冷媒供給路３６が除変部３６２を有することにより、冷媒供給路３６から熱交換部３７への冷媒の供給を円滑に行うことができる。それゆえ、横方向Ｙにおいて分配される冷媒のばらつきをより低減することができる。

また、冷媒排出路３８は、横方向Ｙにおいて、供給部３６１側の端部３８２が、熱交換部３７の端部よりも、供給部３６１から遠い位置にずれて形成されている。
その他の構成および作用効果は、実施形態１と同様である。

（実施形態４）
本実施形態においては、図１４に示すごとく、積層方向Ｘから見たインナフィン３５の形状を、波形状とした。
これにより、熱交換部３７において、インナフィン３５と外殻プレート３１との間の冷媒流路３０、及び、インナフィン３５と中間プレート３４との間の冷媒流路３０は、波形状に蛇行した流路となる。特に、本実施形態においては、熱交換部３７における冷媒流路３０の形状が、いわゆるジグザグ形状となっている。
その他の構成は、実施形態３と同様である。

本実施形態においては、上述のように、熱交換部３７における冷媒流路３０が波形状となっているため、冷媒とインナフィン３５との接触面積を大きくすることができる。それゆえ、熱交換部３７における半導体モジュール２の冷却効率を高めることができる。
その他、実施形態３と同様の作用効果を有する。

（実施形態５）
本実施形態においては、図１５に示すごとく、インナフィン３５の形状を、ピン形状とした。
このピン状のインナフィン３５は、例えば、外殻プレート３１もしくは中間プレート３４から、積層方向Ｘに多数のピン状突出部３５１を突出させてなる。
その他の構成は、実施形態３と同様である。

本実施形態においては、熱交換部３７において、冷媒が多数のピン状突出部３５１に衝突しながら、冷媒供給路３６側から冷媒排出路３８側へ流れる。これにより、効率的に、半導体モジュール２の冷却を行うことができる。
その他、実施形態１と同様の作用効果を有する。

本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。

また、上記実施形態においては、冷却管が中間プレートを備えた形態を示したが、中間プレートのない冷却管を用いた形態とすることもできる。

１ 電力変換装置
２ 半導体モジュール
２０ 半導体素子
２１ モジュール本体部
２２、２２Ｐ、２２Ｎ、２２Ｏ パワー端子
２３、２３Ｇ、２３Ｅ 制御端子
３ 冷却管
３０ 冷媒流路
３２、３２ａ、３２ｂ 拡大流路形成部

Claims (5)

1. 半導体素子（２０）を内蔵するモジュール本体部（２１）と、該モジュール本体部から突出した複数のパワー端子（２２、２２Ｐ、２２Ｎ、２２Ｏ）及び複数の制御端子（２３、２３Ｇ、２３Ｅ）と、を備えた半導体モジュール（２）と、
   該半導体モジュールを両主面から挟持するように積層配置された複数の冷却管（３）と、を有し、
   上記冷却管は、導電性を有すると共に、内部に冷媒（ｗ）を流通させる冷媒流路（３０）を備え、
   上記複数のパワー端子は、上記モジュール本体部から、上記冷却管と上記半導体モジュールとの積層方向（Ｘ）に直交する高さ方向（Ｚ）における、互いに同じ方向に突出しており、
   上記複数の制御端子は、上記モジュール本体部から、上記高さ方向における、互いに同じ方向に突出しており、
   上記冷却管は、上記モジュール本体部よりも上記高さ方向の少なくとも一方側に突出すると共に内側に上記冷媒流路の一部が形成された拡大流路形成部（３２、３２ａ、３２ｂ）を備え、
   上記拡大流路形成部は、上記複数のパワー端子と上記複数の制御端子との少なくとも一方と、上記積層方向において重なっており、
   上記半導体モジュールは、上記複数のパワー端子と上記複数の制御端子とを上記高さ方向における互いに反対方向に突出してなり、
   上記冷却管は、上記高さ方向の双方に、上記拡大流路形成部を突出させており、上記パワー端子側に突出した上記拡大流路形成部（３２ａ）は、複数の上記パワー端子と上記積層方向に重なっており、上記制御端子側に突出した上記拡大流路形成部（３２ｂ）は、複数の上記制御端子と上記積層方向に重なっており、
   上記冷却管は、上記冷媒流路として、上記冷媒と上記モジュール本体部との熱交換を行わせる熱交換部（３７）と、該熱交換部に対して上記高さ方向の両側にそれぞれ配置された冷媒供給路（３６）及び冷媒排出路（３８）とを有し、上記冷媒供給路及び上記冷媒排出路は、それぞれ上記拡大流路形成部に形成されており、上記熱交換部には、上記冷媒供給路から上記冷媒排出路へ向かって、上記冷媒が流れるよう構成されており、
   上記積層方向に隣り合う上記冷却管の間には、複数の上記半導体素子が配置されており、該複数の半導体素子は、上記積層方向及び上記高さ方向の双方に直交する横方向（Ｙ）に並んでおり、
   上記冷却管は、上記積層方向に隆起した隆起部（３１１）を有し、上記冷媒供給路及び上記冷媒排出路は、上記積層方向から見て、上記隆起部の外側に形成されている、電力変換装置（１）。
2. 上記冷媒供給路は、上記積層方向において上記パワー端子と重なっており、上記冷媒排出路は、上記積層方向において上記制御端子と重なっている、請求項１に記載の電力変換装置。
3. 上記積層方向に隣り合う上記冷却管の間には、複数の上記半導体モジュールが、上記横方向に並んで配置されている、請求項１又は２に記載の電力変換装置。
4. 上記パワー端子と該パワー端子に接続されるバスバー（１３）との接続部（１３０）は、上記高さ方向において、上記拡大流路形成部よりも上記モジュール本体部から遠い位置に配されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
5. 上記パワー端子と、該パワー端子に対して上記積層方向における両側に配された上記拡大流路形成部との間のそれぞれの距離（ｄ）は、互いに同等である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の電力変換装置。

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