WO2012169342A1 - パワーモジュールおよびそれを用いた電力変換装置 - Google Patents

Abstract

　パワーモジュールは、インバータ回路の上下アームを構成する複数の半導体素子と、半導体素子のそれぞれの電極面と対向して配置される複数の導体板と、半導体素子および導体板を収納するモジュールケースとを備え、モジュールケースは、導体板の面と対向する板状の金属製放熱部材と、当該放熱部材によって塞がれる開口部を有する金属製の枠体とを有し、放熱部材の中央には複数の放熱フィンが立設された放熱フィン部が設けられ、放熱部材の外周縁には枠体との接合部が設けられ、放熱部材は枠体に比べて高い熱伝導性を有し、枠体は放熱部材に比べて高い剛性を有している。

Description

パワーモジュールおよびそれを用いた電力変換装置

　本発明は、直流電力を交流電力に、または交流電力を直流電力に変換するためのスイッチング動作を行うパワー半導体素子を有するパワーモジュールおよびそれを用いた電力変換装置に関する。

　近年、環境への負荷低減のため、ハイブリッド自動車や電気自動車の普及が急務である。ハイブリッド自動車や電気自動車においては、搭載される部品の小型化や低コスト化が重要視され、電力変換装置も例外ではなく、小型化や低コスト化が求められおり、その結果、発熱密度が大きくなるため冷却性能を向上させる必要がある。

　電力変換装置を構成する電子部品の中で最も発熱量が大きいものはパワーモジュールである。パワーモジュールの冷却方式として、たとえば、パワーモジュールを冷媒流路に挿入し、両面の放熱フィンを通して冷却する両面直接冷却方式が知られている（特許文献１参照）。

　特許文献１に記載のパワーモジュールは、半導体チップを導体板で挟み込み、第１および第２の放熱板のそれぞれと導体板との間に絶縁シートを介在させて真空熱圧着され、一体的構造となった放熱板に対してボトムケース、トップケースおよびサイドケースが接着剤で接着されている。

日本国特開２００８－２５９２６７号公報

　しかしながら、特許文献１に記載のパワーモジュールでは、ボトムケース、トップケースおよびサイドケースが接着剤で接着される構造とされているため、強度的に問題があり、パワーモジュールを電力変換装置の筐体に機械的に固定する際の変形、および、クリープ変形、疲労破壊等の耐久性が懸念される。

　本発明の第１の態様によると、パワーモジュールは、インバータ回路の上下アームを構成する複数の半導体素子と、半導体素子のそれぞれの電極面と対向して配置される複数の導体板と、半導体素子および導体板を収納するモジュールケースとを備え、モジュールケースは、導体板の面と対向する板状の金属製放熱部材と、当該放熱部材によって塞がれる開口部を有する金属製の枠体とを有し、放熱部材の中央には複数の放熱フィンが立設された放熱フィン部が設けられ、放熱部材の外周縁には枠体との接合部が設けられ、放熱部材は枠体に比べて高い熱伝導性を有し、枠体は放熱部材に比べて高い剛性を有している。
　本発明の第２の態様によると、第１の態様のパワーモジュールにおいて、放熱部材は、相互に対向して配置される第１放熱板と第２放熱板であることが好ましい。
　本発明の第３の態様によると、第２の態様のパワーモジュールにおいて、第１放熱板および第２放熱板は、それぞれの放熱フィン部と接合部との間において放熱フィン部を囲むように設けられるフィン周縁部とを有し、第１放熱板および第２放熱板に外方からモジュールケースの内側に向かって圧力を加えたときに、第１放熱板の周縁部が優先的に変形するように、第１放熱板の周縁部の曲げ剛性は、第２放熱板の周縁部の曲げ剛性に比べて低く設定されていることが好ましい。
　本発明の第４の態様によると、第３の態様のパワーモジュールにおいて、第１放熱板のフィン周縁部の厚さは、第２放熱板のフィン周縁部の厚さに比べて薄いことが好ましい。
　本発明の第５の態様によると、第２ないし４のいずれかの態様のパワーモジュールにおいて、複数の導体板は、半導体素子の一方の電極面と金属接合材を介して接続される第１導体板と、半導体素子の他方の電極面と金属接合材を介して接続される第２導体板とを含んで構成され、半導体素子、第１導体板および第２導体板が封止材によって封止されて成るモジュール一次封止体と、モジュールケースとは絶縁部材を介して圧着され、第１および第２導体板は絶縁部材と接触するように一部が封止材から露出されていることが好ましい。
　本発明の第６の態様によると、第２ないし５のいずれかの態様のパワーモジュールにおいて、枠体と第１放熱板、ならびに、枠体と第２放熱板は、溶融接合、もしくは、固相接合により結合されることが好ましい。
　本発明の第７の態様によると、半導体素子のスイッチング動作によって電力を直流から交流に、交流から直流に変換する電力変換装置は、第２ないし６のいずれかの態様のパワーモジュールと、冷媒が流れる冷媒流路を形成する流路形成体とを備え、パワーモジュールは、第１および第２放熱板が冷媒流路内に配置されて冷媒流路内を流れる冷媒との間で熱交換を行うことで、半導体素子からの熱を冷媒に放熱する。
　本発明の第８の態様によると、第７の態様の電力変換装置において、流路形成体には冷媒流路と連通する開口部が形成され、パワーモジュールは、有底筒形状の筒部と、筒部の開口に形成されて流路形成体の開口部を塞ぐように流路形成体に固定されるフランジ部とを有し、筒部は、枠体に第１放熱板と第２放熱板とを接合することによって形成され、第１放熱板および第２放熱板のそれぞれに設けられる放熱フィンが、冷媒流路に突出するように立設されていることが好ましい。

　本発明によれば、高い剛性と高い放熱性とを両立したパワーモジュールと、それを用いた電力変換装置とを提供することができる。

ハイブリッド自動車の制御ブロックを示す図。 インバータ回路の電気回路の構成を説明する図。 電力変換装置の外観斜視図。 電力変換装置の分解斜視図。 図４のケースを下から見た斜視図。 パワーモジュールの斜視図。 パワーモジュールの断面模式図。 モジュール一次封止体および補助モールド体の断面模式図。 パワーモジュールの回路構成を示す回路図。 モジュールケースと絶縁シートと第１および第２封止樹脂を取り除いた導体板組みの斜視図。 モジュールケースに、モジュール一次封止体を挿入する様子を示す斜視図。 モジュールケースの断面模式図。 モジュールケースの分解斜視図。 枠体の断面模式図。 モジュールケースにモジュール一次封止体を挿入した状態を示す断面模式図。 モジュールケースを加圧してモジュール一次封止体に第１および第２放熱板を圧接させた状態を示す断面模式図。

　以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。図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。エンジンＥＧＮおよびモータジェネレータＭＧ１は車両の走行用トルクを発生する。また、モータジェネレータＭＧ１は回転トルクを発生するだけでなく、モータジェネレータＭＧ１に外部から加えられる機械エネルギーを電力に変換する機能を有する。

　モータジェネレータＭＧ１は、たとえば同期機あるいは誘導機であり、上述のごとく、運転方法によりモータとしても発電機としても動作する。モータジェネレータＭＧ１を自動車に搭載する場合には、小型で高出力を得ることが望ましく、ネオジウムなどの磁石を使用した永久磁石型の同期電動機が適している。また、永久磁石型の同期電動機は誘導電動機に比べて回転子の発熱が少なく、この観点でも自動車用として優れている。

　エンジンＥＧＮの出力トルクは動力分配機構ＴＳＭを介してモータジェネレータＭＧ１に伝達され、動力分配機構ＴＳＭからの回転トルクあるいはモータジェネレータＭＧ１が発生する回転トルクは、トランスミッションＴＭおよびデファレンシャルギアＤＩＦを介して車輪に伝達される。一方、回生制動の運転時には、車輪から回転トルクがモータジェネレータＭＧ１に伝達され、供給されてきた回転トルクに基づいて交流電力を発生する。発生した交流電力は後述するように電力変換装置２００により直流電力に変換され、高電圧用のバッテリ１３６を充電し、充電された電力は再び走行エネルギーとして使用される。

　次に半導体素子のスイッチング動作によって電力を直流から交流に、交流から直流に変換する電力変換装置２００について説明する。インバータ回路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ＭＧ１をモータとして動作させる場合には、インバータ回路１４０は直流コネクタ１３８を介してバッテリ１３６から供給された直流電力に基づき交流電力を発生し、交流端子１８８を介してモータジェネレータＭＧ１に供給する。モータジェネレータＭＧ１とインバータ回路１４０からなる構成は電動発電ユニットとして動作する。

　なお、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ＭＧ１の動力のみによって車両の駆動ができる。さらに、本実施形態では、電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジンＥＧＮの動力ある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。

　電力変換装置２００は、インバータ回路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たりあるいは上位の制御装置に状態を表すデータを送信したりするための通信用のコネクタ２１を備えている。電力変換装置２００は、コネクタ２１からの指令に基づいて制御回路１７２でモータジェネレータＭＧ１の制御量を演算し、さらにモータとして運転するか発電機として運転するかを演算し、演算結果に基づいて制御パルスを発生し、その制御パルスをドライバ回路１７４へ供給する。ドライバ回路１７４は、供給された制御パルスに基づいて、インバータ回路１４０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１４０の電気回路の構成を説明する。なお、本実施形態では半導体素子として絶縁ゲート型バイポーラトランジスタを使用しており、以下略してＩＧＢＴと記す。

　上アームのＩＧＢＴ３２８およびダイオード１５６と、下アームのＩＧＢＴ３３０およびダイオード１６６とで、上下アームの直列回路１５０が構成される。インバータ回路１４０は、この直列回路１５０を、出力しようとする交流電力のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相に対応して備えている。

　これらの３相は、この実施の形態ではモータジェネレータＭＧ１の電機子巻線の３相の各相巻線に対応している。３相のそれぞれの上下アームの直列回路１５０は、直列回路の中点部分である中間電極１６９から交流電流を出力する。この中間電極１６９は、交流端子１５９および交流端子１８８を通して、モータジェネレータＭＧ１への交流電力線である交流バスバー８０２と接続される。

　上アームのＩＧＢＴ３２８のコレクタ電極１５３は、正極端子１５７を介してコンデンサモジュール５００の正極側のコンデンサ端子５０６に電気的に接続されている。また、下アームのＩＧＢＴ３３０のエミッタ電極は、負極端子１５８を介してコンデンサモジュール５００の負極側のコンデンサ端子５０４に電気的に接続されている。

　上述のように、制御回路１７２は上位の制御装置からコネクタ２１を介して制御指令を受け、これに基づいてインバータ回路１４０を構成する各相の直列回路１５０の上アームあるいは下アームを構成するＩＧＢＴ３２８やＩＧＢＴ３３０を制御するための制御信号である制御パルスを発生し、ドライバ回路１７４に供給する。

　ドライバ回路１７４は、上記制御パルスに基づき、各相の直列回路１５０の上アームあるいは下アームを構成するＩＧＢＴ３２８やＩＧＢＴ３３０を制御するための駆動パルスを各相のＩＧＢＴ３２８やＩＧＢＴ３３０に供給する。ＩＧＢＴ３２８やＩＧＢＴ３３０は、ドライバ回路１７４からの駆動パルスに基づき、導通あるいは遮断動作を行い、バッテリ１３６から供給された直流電力を三相交流電力に変換し、この変換された電力はモータジェネレータＭＧ１に供給される。

　上アームのＩＧＢＴ３２８は、コレクタ電極１５３と、信号用のエミッタ電極１５５と、ゲート電極１５４とを備えている。また、下アームのＩＧＢＴ３３０は、コレクタ電極１６３と、信号用のエミッタ電極１６５と、ゲート電極１６４とを備えている。上アームのダイオード１５６が、コレクタ電極１５３とエミッタ電極１５５との間に電気的に接続されている。また、ダイオード１６６が、コレクタ電極１６３とエミッタ電極１６５との間に電気的に接続されている。

　なお、スイッチング用パワー半導体素子としては金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ（以下略してＭＯＳＦＥＴと記す）を用いてもよい、この場合はダイオード１５６やダイオード１６６は不要となる。スイッチング用パワー半導体素子としては、ＩＧＢＴは直流電圧が比較的高い場合に適していて、ＭＯＳＦＥＴは直流電圧が比較的低い場合に適している。

　コンデンサモジュール５００は、正極側のコンデンサ端子５０６と負極側のコンデンサ端子５０４と正極側の電源端子５０９と負極側の電源端子５０８とを備えている。バッテリ１３６からの高電圧の直流電力は、直流コネクタ１３８を介して、正極側の電源端子５０９や負極側の電源端子５０８に供給され、コンデンサモジュール５００の正極側のコンデンサ端子５０６および負極側のコンデンサ端子５０４から、インバータ回路１４０へ供給される。

　一方、交流電力からインバータ回路１４０によって変換された直流電力は、正極側のコンデンサ端子５０６や負極側のコンデンサ端子５０４からコンデンサモジュール５００に供給され、正極側の電源端子５０９や負極側の電源端子５０８から直流コネクタ１３８を介してバッテリ１３６に供給され、バッテリ１３６に蓄積される。

　制御回路１７２は、ＩＧＢＴ３２８およびＩＧＢＴ３３０のスイッチングタイミングを演算処理するためのマイクロコンピュータ（以下、「マイコン」と記述する）を備えている。マイコンへの入力情報としては、モータジェネレータＭＧ１に対して要求される目標トルク値、直列回路１５０からモータジェネレータＭＧ１に供給される電流値、およびモータジェネレータＭＧ１の回転子の磁極位置がある。

　目標トルク値は、不図示の上位の制御装置から出力された指令信号に基づくものである。電流値は、電流センサ１８０による検出信号に基づいて検出されたものである。磁極位置は、モータジェネレータＭＧ１に設けられたレゾルバなどの回転磁極センサ（不図示）から出力された検出信号に基づいて検出されたものである。本実施形態では、電流センサ１８０は３相の電流値を検出する場合を例に挙げているが、２相分の電流値を検出するようにし、演算により３相分の電流を求めてもよい。

　制御回路１７２内のマイコンは、目標トルク値に基づいてモータジェネレータＭＧ１のｄ軸、ｑ軸の電流指令値を演算し、この演算されたｄ軸、ｑ軸の電流指令値と、検出されたｄ軸、ｑ軸の電流値との差分に基づいてｄ軸、ｑ軸の電圧指令値を演算し、この演算されたｄ軸、ｑ軸の電圧指令値を、検出された磁極位置に基づいてＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電圧指令値に変換する。そして、マイコンは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の電圧指令値に基づく基本波（正弦波）と搬送波（三角波）との比較に基づいてパルス状の変調波を生成し、この生成された変調波をＰＷＭ（パルス幅変調）信号としてドライバ回路１７４に出力する。

　ドライバ回路１７４は、下アームを駆動する場合、ＰＷＭ信号を増幅したドライブ信号を、対応する下アームのＩＧＢＴ３３０のゲート電極１６４に出力する。また、ドライバ回路１７４は、上アームを駆動する場合、ＰＷＭ信号の基準電位のレベルを上アームの基準電位のレベルにシフトしてからＰＷＭ信号を増幅し、これをドライブ信号として、対応する上アームのＩＧＢＴ３２８のゲート電極１５４にそれぞれ出力する。

　また、制御回路１７２内のマイコンは、異常検知（過電流、過電圧、過温度など）を行い、直列回路１５０を保護している。このため、制御回路１７２にはセンシング情報が入力されている。たとえば、各アームの信号用のエミッタ電極１５５および信号用のエミッタ電極１６５からは各ＩＧＢＴ３２８と各ＩＧＢＴ３３０のエミッタ電極に流れる電流の情報が、対応する駆動部（ＩＣ）に入力されている。これにより、各駆動部（ＩＣ）は過電流検知を行い、過電流が検知された場合には対応するＩＧＢＴ３２８，ＩＧＢＴ３３０のスイッチング動作を停止させ、対応するＩＧＢＴ３２８，ＩＧＢＴ３３０を過電流から保護する。

　直列回路１５０に設けられた温度センサ（不図示）からは直列回路１５０の温度の情報がマイコンに入力されている。また、マイコンには直列回路１５０の直流正極側の電圧の情報が入力されている。マイコンは、それらの情報に基づいて過温度検知および過電圧検知を行い、過温度あるいは過電圧が検知された場合には全てのＩＧＢＴ３２８，ＩＧＢＴ３３０のスイッチング動作を停止させる。

　図３は、電力変換装置２００の外観斜視図である。図４は、電力変換装置２００のケース１０の内部構成を説明するための図であり、電力変換装置２００の分解斜視図である。電力変換装置２００は、パワーモジュール３００ａ～３００ｃやコンデンサモジュール５００が収納されるケース１０、コンデンサモジュール５００の上方に配置されるバスバーアッセンブリ８００、バスバーアッセンブリ８００の上方に配置されるドライバ回路基板２２、ケース１０の上方に固定される金属ベース板１１、金属ベース板１１に収納される制御回路基板２０、金属ベース板１１の上部に固定される蓋８を備えている。

　ケース１０には水などの冷媒が流れる流路を形成する流路形成体１２が設けられており、ケース１０の下面には、流路形成体１２の下側の開口を塞ぐ下カバー４２０が取り付けられている。このように、電力変換装置２００の底部に流路形成体１２を配置し、次にコンデンサモジュール５００、バスバーアッセンブリ８００、基板等の必要な部品を固定する作業を上から順次行えるように構成されており、生産性と信頼性が向上する。

　図５はケース１０および流路形成体１２を説明するための図であり、図４に示すケース１０を下から見た図である。流路形成体１２は、ケース１０の三方の内周面に沿ったＵ字形状の冷媒流路１９を形成している。冷媒流路１９は、ケース１０の長手方向の辺に沿って形成された第１流路部１９ａ、ケース１０の短手方向の辺に沿って形成された第２流路部１９ｂ、流路形成体１２の長手方向の辺に沿って形成された第３流路部１９ｃから成る。第２流路部１９ｂは、Ｕ字形状を成す冷媒流路１９の折り返し流路を形成している。

　ケース１０の側面であって、第２流路部１９ｂが形成されている側と反対側の側面には、冷媒を流入するための入口配管１３と、冷媒を流出するための出口配管１４とが設けられている。冷媒は、矢印で示す流れ方向４１７の方向に、入口配管１３を通って第１流路部１９ａ内を流れ方向４１８のように流れる。さらに、冷媒は、流れ方向４２１のように第２流路部１９ｂを流れた後、流れ方向４２２のように第３流路部１９ｃを流れ、さらに、流れ方向４２３のように、出口配管１４を通って流出する。第１流路部１９ａ、第２流路部１９ｂ、第３流路部１９ｃは、いずれも幅方向より深さ方向が大きく形成されている。

　流路形成体１２の下面側の開口部４０４は、ケース１０の下面に取り付けられた下カバー４２０によって塞がれる。下カバー４２０とケース１０の間には、シール部材４０９が設けられ気密性が保たれている。下カバー４２０には、冷媒流路１９が配置された側と反対側の方向に向かって突出する凸部４０６ａ～４０６ｃが形成されている。凸部４０６ａ～４０６ｃは、後述する冷媒流路１９内に配置されるパワーモジュール３００ａ～３００ｃに対応して設けられている。

　図４に示すように、流路形成体１２のケース上面側にも冷媒流路１９と連通する開口部４００ａ～４００ｃが形成されており、ケース下面側に形成された開口部４０４とケース上面側の開口部４００ａ～４００ｃとが対向するように形成されているので、アルミ鋳造により製造し易い構成になっている。流路形成体１２とケース１０を一体にアルミ材の鋳造で作ることにより、電力変換装置２００全体の熱伝導がよくなり冷却効率が向上する。さらに、流路形成体１２とケース１０を一体に作ることで、機械的強度も向上する。

　図４に戻って、ケース１０の長手方向に沿った流路形成体１２の一方の側（図５の第１流路部１９ａが形成されている側）の上面には、開口部４００ａおよび開口部４００ｂがケース１０の側面に沿って形成され、破線で示すように、他方の側（図５の第２流路部１９ｂが形成されている側）の上面には開口部４００ｃが形成されている。各開口部４００ａ～４００ｃは、挿入されたパワーモジュール３００ａ～３００ｃによって塞がれる。これら両サイドの流路形成体１２の間には、コンデンサモジュール５００が収納される収納空間４０５が形成されている。このような収納空間４０５にコンデンサモジュール５００を収納することにより、冷媒流路１９内に流れる冷媒によってコンデンサモジュール５００が冷やされる。コンデンサモジュール５００は、図５に示した冷媒流路１９（第１～第３流路部１９ａ～１９ｃ）に囲まれるように配置されるため、効率よく冷却される。

　このように、コンデンサモジュール５００の外側面に沿って冷媒流路１９が形成されているので、冷媒流路１９、コンデンサモジュール５００およびパワーモジュール３００ａ～３００ｃの配置が整然と整い、全体がより小型となる。また、第１流路部１９ａ、第３流路部１９ｃがコンデンサモジュール５００の長辺に沿って配置されており、冷媒流路１９に挿入固定される各パワーモジュール３００ａ～３００ｃとコンデンサモジュール５００との距離が略一定となる。そのため、平滑コンデンサとパワーモジュール回路との回路定数が３相の各相においてバランスし易くなり、スパイク電圧を低減し易い回路構成となる。

　コンデンサモジュール５００の上方には、バスバーアッセンブリ８００が配置される。バスバーアッセンブリ８００は、交流バスバー８０２や保持部材を備えており、電流センサ１８０を保持している。ドライバ回路基板２２は、バスバーアッセンブリ８００の上方に配置される。ドライバ回路基板２２と制御回路基板２０の間には金属ベース板１１が配置される。

　金属ベース板１１は、ケース１０に固定される。当該金属ベース板１１は、ドライバ回路基板２２および制御回路基板２０に搭載される回路群の電磁シールドとして機能するとともにドライバ回路基板２２と制御回路基板２０とが発生する熱を逃がし、ドライバ回路基板２２と制御回路基板２０とを冷却する。

　キャップ１８は、ＤＣＤＣコンバータから延ばされる端子を接続するための作業用の窓１７を塞ぐための部材である。金属ベース板１１に固定される蓋８は、制御回路基板２０を外部からの電磁ノイズから保護する機能を有している。

　本実施形態に係るケース１０は、流路形成体１２が収納された部分は略直方体の形状をなしているが、ケース１０の一側面側から突出収納部１０ａが形成されている。当該突出収納部１０ａには、ＤＣＤＣコンバータから延ばされる端子や、直流バスバー（不図示）や、抵抗器４５０が収納される。ここで抵抗器４５０は、コンデンサモジュール５００のコンデンサ素子に蓄えられた電荷を放電するための抵抗素子である。このようにバッテリ１３６とコンデンサモジュール５００との間の電気回路部品を突出収納部１０ａに集約しているため、配線の複雑化を抑制することができ、装置全体の小型化に寄与することができる。

　図６～図１６を参照して、インバータ回路１４０に使用されるパワーモジュール３００ａ～３００ｃの構成を説明する。なお、上記パワーモジュール３００ａ～３００ｃはいずれも同じ構造であるため、代表してパワーモジュール３００ａの構造を説明する。図７および図８、図１２、図１４～図１６の断面図は、図６のＡ－Ａ線で切断した断面模式図（概念図）である。なお、Ｂ－Ｂ線で切断した断面模式図（概念図）でもあり、Ｂ－Ｂ線で切断した断面で示される構成要素についてはかっこ書きで符号を付している。また、Ａ－Ａ線およびＢ－Ｂ線で切断した断面には、後述する位置決めピン６０１や位置決め穴３８２ｃは表れないが、便宜上図示している。

　図６～図１０、図１５および図１６において信号端子３２５Ｕは、図２に示したゲート電極１５４に対応し、信号端子３２５Ｌは、図２に示したゲート電極１６４に対応する。図６において信号端子３２７は信号用のエミッタ電極１５５，１６５に対応する。直流正極端子３１５Ｂは、図２に示した正極端子１５７と同一のものであり、直流負極端子３１９Ｂは、図２に示した負極端子１５８と同一のものである。また、交流端子３２０Ｂは、図２に示した交流端子１５９と同じものである。

　図６はパワーモジュール３００ａの斜視図であり、図７はパワーモジュール３００ａの断面模式図である。図８は、パワーモジュール３００ａ内に収納されるモジュール一次封止体３０２と、モジュール一次封止体３０２に接続される補助モールド体６００を示す断面模式図である。図９は、パワーモジュール３００ａの回路構成を示す回路図である。図１０は、理解を助けるために、パワーモジュール３００ａのモジュールケース３７と絶縁シート３３３と第１および第２封止樹脂３４８，３５１を取り除いた導体板組みの斜視図である。なお、図１０において、信号配線３２６の図示は省略している。

　図６および図７に示すように、パワーモジュール３００ａは金属製のモジュールケース３７を有し、このモジュールケース３７内には、図２および図９に示す直列回路１５０を構成するパワー半導体素子（ＩＧＢＴ３２８，ＩＧＢＴ３３０，ダイオード１５６，ダイオード１６６）を含んで構成されるモジュール一次封止体３０２（図８参照）が収納されている。

　図９を参照してパワーモジュールの回路構成について説明する。図９に示すように、上アーム側のＩＧＢＴ３２８のコレクタ電極と上アーム側のダイオード１５６のカソード電極は、導体板３１５を介して接続されている。同様に、下アーム側のＩＧＢＴ３３０のコレクタ電極と下アーム側のダイオード１６６のカソード電極は、導体板３２０を介して接続されている。また、上アーム側のＩＧＢＴ３２８のエミッタ電極と上アーム側のダイオード１５６のアノード電極は、導体板３１８を介して接続されている。同様に、下アーム側のＩＧＢＴ３３０のエミッタ電極と下アーム側のダイオード１６６のアノード電極は、導体板３１９を介して接続されている。導体板３１８と３２０は中間電極３２９によって接続されている。こうした回路構成により上下アームの直列回路１５０が形成される。

　図８および図１０に示すように、パワー半導体素子（ＩＧＢＴ３２８，ＩＧＢＴ３３０，ダイオード１５６，ダイオード１６６）は、板状の扁平構造であり、当該パワー半導体素子の各電極は表裏面に形成されている。

　パワー半導体素子の各電極は、それぞれの電極面に対向して配置される導体板３１５と導体板３１８、または導体板３２０と導体板３１９によって挟まれる。つまり、導体板３１５と導体板３１８は、ＩＧＢＴ３２８およびダイオード１５６を介して略平行に対向した積層配置となる。同様に、導体板３２０と導体板３１９は、ＩＧＢＴ３３０およびダイオード１６６を介して略平行に対向した積層配置となる。図１０に示すように、導体板３２０と導体板３１８は中間電極３２９を介して接続されている。この接続により上アーム回路と下アーム回路が電気的に接続され、上下アーム直列回路が形成される。

　直流側の導体板３１５と交流側の導体板３２０は、略同一平面状に配置される。導体板３１５には、上アーム側のＩＧＢＴ３２８のコレクタ電極と上アーム側のダイオード１５６のカソード電極が固着される。導体板３２０には、下アーム側のＩＧＢＴ３３０のコレクタ電極と下アーム側のダイオード１６６のカソード電極が固着される。同様に、交流側の導体板３１８と直流側の導体板３１９は、略同一平面状に配置される。導体板３１８には、上アーム側のＩＧＢＴ３２８のエミッタ電極と上アーム側のダイオード１５６のアノード電極が固着される。導体板３１９には、下アーム側のＩＧＢＴ３３０のエミッタ電極と下アーム側のダイオード１６６のアノード電極が固着される。

　本実施の形態に係る各導体板３１５，３１８，３１９，３２０は、大電流回路用配線であり、純銅もしくは銅合金等の熱伝導率が高くて電気抵抗の低い材料からなり、厚さは０.５ｍｍ以上がよい。

　図８に示すように、各導体板３１５，３１８，３１９，３２０にはパワー半導体素子側に突出するように素子固着部が形成されている。素子固着部には各パワー半導体素子が金属接合材１６０を介してそれぞれ固着されている。金属接合材１６０は、たとえば銀シートや微細金属粒子を含んだ低温焼結接合材、あるいは、熱伝導率が高くて環境性に優れた鉛フリーはんだ等、たとえば、Ｓｎ－Ｃｕはんだ、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕはんだ、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ－Ｂｉはんだ等である。

　各導体板３１５，３１８，３１９，３２０はヒートシンクの機能も兼ねるため、素子固着部の外形サイズはパワー半導体素子の外形サイズとほぼ同じか、パワー半導体素子の外形サイズよりも大きく形成することが好ましい。これにより、熱伝導経路が確保でき、放熱性の向上が期待できる。

　本実施の形態では、導体板３１５および導体板３２０の素子固着部の外形サイズは、パワー半導体素子の外形サイズよりも大きく形成され、導体板３１８および導体板３１９の素子固着部の外形サイズは、パワー半導体素子の外形サイズとほぼ同じとされるが、わずかにパワー半導体素子の外形サイズよりも小さく形成されている。これにより、導体板３１８，３１９を上側に配置し導体板３１５，３２０を下側に配置した状態で、導体板３１５，３１８，３１９，３２０をパワー半導体素子にはんだで一括接続する場合に、はんだが下側に流れ落ちることを防止できる。その結果、はんだが下側に流れ落ちることに起因する下側の導体板やはんだとの短絡を防ぐことができる。

　ドライバ回路基板２２と接続するための信号配線３２４Ｕおよび信号配線３２４Ｌは、パワー半導体素子のゲート電極とワイヤボンディング、リボンボンディング等により接続されている。ワイヤやリボンにはアルミニウムを用いることが好適である。ワイヤやリボンに代えて、はんだ等を用いて信号配線３２４Ｕおよび信号配線３２４Ｌをゲート電極に接続してもよい。信号配線３２４Ｕおよび信号配線３２４Ｌは、純銅もしくは銅合金を用いることが好適である。なお、信号配線３２４Ｕおよび信号配線３２４Ｌは導体板３１５，３２０等と一体的に成形される。

　信号配線３２４Ｕ，３２４Ｌを接続した導体板組みをトランスファーモールド用の金型内に配置させ、金型内にエポキシ樹脂などの第１封止樹脂３４８を充填して成形することで、パワー半導体素子を含む導体板組みが第１封止樹脂３４８により封止され、モジュール一次封止体３０２が形成される。なお、トランスファーモールドを行う際、パワー半導体素子の両面に配置される導体板３１５，３１８，３１９，３２０の外側面は第１封止樹脂３４８より露出され、モジュールケース３７への放熱面となる。放熱面の面積は素子固着部の外形サイズより大きくすることが好ましい。これにより、熱伝導経路が確保され、放熱性の向上が期待できる。なお、モジュールケース３７の内面と対向する導体板３１５，３１８，３１９，３２０の外側面の全体を第１封止樹脂３４８から露出させて放熱面としてもよいし、各パワー半導体素子に対応する部分を露出させて放熱面としてもよい。

　図８に示すように、導体板３１５等は、その放熱面が露出した状態で第１封止樹脂３４８によって封止され、図７に示すように、当該放熱面に高い熱伝導性を有する絶縁シート３３３が熱圧着される。本実施の形態では、エポキシ樹脂にセラミック粒子を分散させた絶縁シート３３３を採用した。第１封止樹脂３４８により封止されたモジュール一次封止体３０２は、モジュールケース３７の中に挿入され、モジュールケース３７の幅広面が加圧されることで、絶縁シート３３３を介してモジュールケース３７の内面に熱圧着される。モジュールケース３７の内部に残存する空隙には、第２封止樹脂３５１が充填され、モジュールケース３７内が封止される。モジュールケース３７を加圧することで、モジュール一次封止体３０２をモジュールケース３７に圧着するための構成や、その方法については後述する。

　上述のように導体板３１５等を絶縁シート３３３を介してモジュールケース３７の内壁に熱圧着することにより、導体板３１５等とモジュールケース３７の内壁の間の空隙を少なくすることができ、パワー半導体素子の発生熱を効率よくモジュールケース３７に伝達し、モジュールケース３７に立設されるピンフィンから放熱することができる。さらに絶縁シート３３３にある程度の厚みと柔軟性を持たせることにより、熱応力の発生を絶縁シート３３３で吸収することができ、温度変化の激しい車両用の電力変換装置２００に使用するのに良好となる。

　次に、ドライバ回路１７４、コンデンサモジュール５００またはモータジェネレータＭＧ１と、モジュール一次封止体３０２の端子を含む各配線とに接続される各中継配線が樹脂により保持されてなる補助モールド体６００について説明する。図６に示すように、モジュールケース３７の外には、コンデンサモジュール５００と電気的に接続するための金属製の直流正極配線３１５Ａおよび直流負極配線３１９Ａが設けられており、その先端部に直流正極端子３１５Ｂ（１５７）と直流負極端子３１９Ｂ（１５８）がそれぞれ形成されている。さらに、モジュールケース３７の外には、モータジェネレータＭＧ１に交流電力を供給するための金属製の交流配線３２０Ａが設けられており、その先端部に交流端子３２０Ｂ（１５９）が形成されている。図９に示すように、直流正極配線３１５Ａは導体板３１５と接続され、直流負極配線３１９Ａは導体板３１９と接続され、交流配線３２０Ａは導体板３２０と接続される。

　図６に示すように、モジュールケース３７の外にはさらに、ドライバ回路１７４と電気的に接続するための金属製の信号配線３２４Ｕ，３２４Ｌ，３２６が設けられており、その先端部に信号端子３２５Ｕ（１５４）と信号端子３２５Ｌ（１６４）と信号端子３２７（１５５，１６５）がそれぞれ形成されている。図９に示すように、信号配線３２４ＵはＩＧＢＴ３２８と接続され、信号配線３２４ＬはＩＧＢＴ３３０と接続される。

　図６に示すように、直流正極配線３１５Ａ、直流負極配線３１９Ａ、交流配線３２０Ａ、信号配線３２４Ｕおよび信号配線３２４Ｌは、樹脂材料で成形された配線絶縁部６０８によって相互に絶縁された状態で、補助モールド体６００として一体に成形される。配線絶縁部６０８は、各配線を支持するための支持部材としても作用し、これに用いる樹脂材料は、絶縁性を有する熱硬化性樹脂かあるいは熱可塑性樹脂が適している。本実施の形態では熱可塑性樹脂であるＰＰＳを採用している。これにより、直流正極配線３１５Ａ、直流負極配線３１９Ａ、交流配線３２０Ａ、信号配線３２４Ｕおよび信号配線３２４Ｌの間の絶縁性を確保でき、高密度配線が可能となる。 

　図６に示すように、直流正極配線３１５Ａと直流負極配線３１９Ａは、配線絶縁部６０８を間に挟んで対向した状態で互いに積層され、略平行に延びる形状を成している。こうした配置および形状とすることで、パワー半導体素子のスイッチング動作時に瞬間的に流れる電流が、対向してかつ逆方向に流れる。これにより、電流が作る磁界が互いに相殺する作用をなし、この作用により低インダクタンス化が可能となる。なお、交流配線３２０Ａや信号配線３２４Ｕ，３２４Ｌも、直流正極配線３１５Ａおよび直流負極配線３１９Ａと同様の方向に向かって延びている。

　図８に示すように、補助モールド体６００は、モジュール一次封止体３０２と接続部３８９において金属接合されて一体となる。接続部３８９におけるモジュール一次封止体３０２と補助モールド体６００との金属接合には、たとえばＴＩＧ溶接などを用いることができる。

　接続部３８９の補助モールド体６００側には、直流正極配線３１５Ａ、直流負極配線３１９Ａ、交流配線３２０Ａ、信号配線３２４Ｕおよび信号配線３２４Ｌのそれぞれの補助モールド体側接続端子３８６が一列に並べて配置される。一方、接続部３８９のモジュール一次封止体３０２側には、直流正極配線３１５Ａ、直流負極配線３１９Ａ、交流配線３２０Ａ、信号配線３２４Ｕおよび信号配線３２４Ｌのそれぞれの素子側接続端子３８３が一列に並べて配置される。なお、各配線３１９Ａ，３２０Ａ，３２４Ｕ，３２４Ｌのそれぞれに補助モールド体側接続端子が形成されるが、便宜上、同一の符号を付した。素子側接続端子についても同一の符号を付した。

　図１１は、モジュールケース３７に、モジュール一次封止体３０２を挿入する様子を示す斜視図である。図１１に示すように、補助モールド体６００は配線絶縁部６０８に設けられた孔６０８ｅを貫通し、モジュールケース３７のネジ穴３８２ｅに装着されるネジ３０９によってモジュールケース３７に固定される。配線絶縁部６０８には後述するモジュールケース３７の位置決め穴３８２ｃに嵌合可能な位置決めピン６０１が下方に突出するように設けられている。

　図７に示すように、モジュール一次封止体３０２と補助モールド体６００が金属接合により接続されている接続部３８９は、第２封止樹脂３５１によりモジュールケース３７内で封止される。これにより、接続部３８９とモジュールケース３７との間で必要な絶縁距離を安定的に確保することができるため、封止しない場合と比較してパワーモジュール３００ａの小型化が実現できる。

　次に、図１１～図１４を参照してモジュールケース３７の構成について説明する。図１２はモジュールケース３７の断面模式図であり、図１３はモジュールケース３７の分解斜視図である。

　図１１および図１２に示すように、モジュールケース３７は、上面が開口された有底筒形状のＣＡＮ型冷却器である。本実施の形態に係るモジュールケース３７は、図１２および図１３に示すように、枠体３８０と、相互に対向した状態で配置される第１放熱板３７１および第２放熱板３７２とが冷間鍛造やダイキャスト、切削加工により個別に製造され、第１および第２放熱板３７１，３７２のそれぞれが枠体３８０に固相接合されることで形成される。本実施の形態では、量産性、軽量化および放熱性の向上の観点から、第１放熱板３７１および第２放熱板３７２は枠体３８０に比べて高い熱伝導性を有する純アルミニウム材料により形成され、枠体３８０は第１放熱板３７１および第２放熱板３７２よりも高い剛性を有するアルミニウム合金材料により形成されている。

　図１２および図１３に示すように、第１放熱板３７１および第２放熱板３７２は、それぞれ矩形平板状の第１フィンベース３７３および第２フィンベース３７４を備え、第１および第２フィンベース３７３，３７４の一方の面には複数のピンフィンが千鳥状に配列されている。

　図１２および図１３に示すように、第１放熱板３７１の中央には、複数のピンフィンが立設された放熱フィン部３７１ｆが設けられている。第１放熱板３７１の外周縁には枠体３８０との接合部である突合せ部３７１ｂが設けられている。突合せ部３７１ｂと放熱フィン部３７１ｆとの間には、放熱フィン部３７１ｆを囲むように薄肉のフィン周縁部３７１ｐが設けられている。

　図１３には示されていないが、第２放熱板３７２の中央にも同様に、複数のピンフィンが立設された放熱フィン部３７２ｆが設けられている。第２放熱板３７２の外周縁には枠体３８０との接合部である突合せ部３７２ｂが設けられている。突合せ部３７２ｂと放熱フィン部３７２ｆとの間には、放熱フィン部３７２ｆを囲むようにフィン周縁部３７２ｐが設けられている。突合せ部３７２ｂは、後述するようにフィン周縁部３７２ｐよりも薄くなるように形成され、第２フィンベース３７４の外周縁は段差形状とされている。

　図１２に示すように、第１放熱板３７１は、フィン周縁部３７１ｐの肉厚ｔ１が放熱フィン部３７１ｆのベースの肉厚ｔｆ１よりも薄くなるように（ｔ１＜ｔｆ１）、かつ、突合せ部３７１ｂの肉厚ｔｂ１がフィン周縁部３７１ｐの肉厚ｔ１と同じ厚さになるように形成されている（ｔｂ１＝ｔ１）。

　第２放熱板３７２は、フィン周縁部３７２ｐの肉厚ｔ２が放熱フィン部３７２ｆのベースの肉厚ｔｆ２と同じ厚さになるように（ｔ２＝ｔｆ２）、かつ、突合せ部３７２ｂの肉厚ｔｂ２がフィン周縁部３７２ｐの肉厚ｔ２よりも薄くなるように形成されている（ｔｂ２＜ｔ２）。

　第１放熱板３７１と第２放熱板３７２の放熱効果が同等となるように、放熱フィン部３７１ｆのベースの肉厚ｔｆ１と放熱フィン部３７２ｆのベースの肉厚ｔｆ２は同じ厚さに設定されている（ｔｆ１＝ｔｆ２）。また、第１放熱板３７１と第２放熱板３７２を同等の条件で枠体３８０に接合できるように、第１放熱板３７１の突合せ部３７１ｂの肉厚ｔｂ１と第２放熱板３７２の突合せ部３７２ｂの肉厚ｔｂ２は同じ厚さに設定されている（ｔｂ１＝ｔｂ２）。

　上記のようにｔ１＜ｔｆ１＝ｔｆ２でありｔ２＝ｔｆ２＝ｔｆ１であるから、第１放熱板３７１のフィン周縁部３７１ｐの厚さｔ１は第２放熱板３７２のフィン周縁部３７２ｐの厚さｔ２よりも薄くなるように設定されている（ｔ１＜ｔ２）。

　図１４は、枠体３８０の断面模式図である。図１４に示すように、枠体３８０は、枠部３８１とフランジ部３８２とを有し、プレス等により一体的に成形されている。枠部３８１は、図１１および図１２に示すように、第１および第２放熱板３７１，３７２が接合されることでモジュール一次封止体３０２が収納される有底筒形状の筒部３９０を形成するものである。

　図１３および図１４に示すように、枠部３８１は、１対の側板３８１ｓ１，３８１ｓ２（図１３参照）と、１対の側板３８１ｓ１，３８１ｓ２の下部同士を連結する底板３８１ｕと、１対の側板３８１ｓ１，３８１ｓ２の上部同士を連結する１対の上部側板３８１ｔ１，３８１ｔ２（図１４参照）とを有し、全体として有底筒状体の１対の幅広面に矩形開口部３８１ｈ１，３８１ｈ２が形成された形状を呈している。

　枠部３８１の矩形開口部３８１ｈ１の周縁には、第１放熱板３７１が嵌合される段差部３８２ａが設けられている。同様に、枠部３８１の矩形開口部３８１ｈ２の周縁には、第２放熱板３７２が嵌合される段差部３８２ｂが設けられている（図１４参照）。

　図１２に示すように、段差部３８２ａに第１放熱板３７１の突合せ部３７１ｂが嵌合されると、突合せ部３７１ｂの端面３７１ｂ１と段差部３８２ａの側壁とが当接する。この当接面（突合せ部）に沿って、回転ツールを回転させつつ移動させると、回転ツールと金属部材間で発生する摩擦熱により、第１放熱板３７１と枠部３８１との突合せ部が加熱、軟化し、回転ツールの回転により塑性流動が引き起こされることで突合せ部同士が固相接合され、第１放熱板３７１が枠部３８１に固定される。同様に、段差部３８２ｂに第２放熱板３７２の突合せ部３７２ｂが嵌合されると、突合せ部３７２ｂの端面３７２ｂ２と段差部３８２ｂの側壁とが当接し、この当接面（突合せ部）に沿って、回転ツールを回転させつつ移動させると第２放熱板３７２と枠部３８１との突合せ部同士が固相接合され、第２放熱板３７２が枠部３８１に固定される。このように、第１放熱板３７１および第２放熱板３７２は摩擦攪拌接合により枠部３８１の矩形開口部３８１ｈ１，３８１ｈ２を塞ぐように接合される。

　図１２に示すように、フランジ部３８２は筒部３９０の挿入口３０６を囲むように、挿入口３０６から外方に突出して設けられている。図１１に示すように、フランジ部３８２には、補助モールド体６００を取り付けるためのネジ３０９が装着されるネジ穴３８２ｅや位置決めピン６０１が嵌合される位置決め穴３８２ｃ、フランジ部３８２を流路形成体１２に取り付けるためのネジ（不図示）が挿通される孔３８２ｄが設けられている。

　図１５および図１６を参照して、モジュール一次封止体３０２をモジュールケース３７に収納して一体化することによりパワーモジュールを製作する方法について詳しく説明する。図１５はモジュールケース３７にモジュール一次封止体３０２を挿入した状態を示す断面模式図であり、図１６はモジュールケース３７の幅広面を外側から加圧してモジュール一次封止体３０２に第１および第２放熱板３７１，３７２を圧接させた状態を示す断面模式図である。

　図１５に示すように、モジュール一次封止体３０２を絶縁シート３３３で挟んだ状態でモジュールケース３７内に挿入する。挿入の際、補助モールド体６００の位置決めピン６０１をフランジ部３８２の位置決め穴３８２ｃに挿入し、かつ、モジュール一次封止体３０２の一方の幅広面をモジュールケース３７の内面を構成する第２放熱板３７２に当接させて位置決めを行う。その後、ネジ３０９（図６、図１１参照）により補助モールド体６００をモジュールケース３７に機械的に固定する。これにより、信号端子３２５Ｕ，３２５Ｌ，３２７等の外部リードをドライバ回路基板２２等の所定位置に容易に取り付けることができる。このとき、第１放熱板３７１は導体板３１８，３１９に対向して配置され、第２放熱板３７２は導体板３１５，３２０に対向して配置されている。第２放熱板３７２は絶縁シート３３３を介してモジュール一次封止体３０２と接しているが、第１放熱板３７１はモジュール一次封止体３０２との間には隙間がある。

　第２放熱板３７２に外側から当て板（不図示）を当てた状態で、第１放熱板３７１を外方からモジュールケース３７の内側に向かって押圧する。第１放熱板３７１は、上述したように、放熱フィン部３７１ｆのベースに比べて薄肉のフィン周縁部３７１ｐを有しているため、第１放熱板３７１が押圧されると、図１６に示すように、薄肉のフィン周縁部３７１ｐが優先的に変形して、モジュールケース３７の内面を構成する第１放熱板３７１がモジュール一次封止体３０２の他方の幅広面に圧着され、同時に第２放熱板３７２もモジュール一次封止体３０２の一方の幅広面に圧着される。

　第１放熱板３７１を第２放熱板３７２側に押圧することで、当て板によって支持されている第２放熱板３７２にも外方からモジュールケース３７の内側に向かって圧力が加えられることになる。しかしながら、第２放熱板３７２のフィン周縁部３７２ｐの肉厚ｔ２は、第１放熱板３７１のフィン周縁部３７１ｐの肉厚ｔ１に比べて薄いため（図１２参照）、第２放熱板３７２は変形しない。

　枠体３８０は、第１および第２放熱板３７１，３７２よりも剛性が高いため変形することはない。このように、モジュールケース３７を加圧したときに第１放熱板３７１の周縁部３７１ｐのみを優先的に変形させることができるため、モジュール一次封止体３０２および補助モールド体６００を位置決めした位置において、モジュールケース３７を絶縁シート３３３を介してモジュール一次封止体３０２に圧着できる。

　モジュールケース３７内に第２封止樹脂３５１が充填されると、図７に示すように、モジュールケース３７の内部に残存する空隙が埋まり、モジュールケース３７内が封止される。

　上記のようにして形成されたパワーモジュール３００ａは、図４に示すように、流路形成体１２の開口部４００ａから冷媒の流れ方向と交差するように挿入され、フランジ部３８２（図６参照）が流路形成体１２に取り付けられることで、流路形成体１２の上面側の開口部４００ａが塞がれる。これにより、モジュールケース３７を冷媒が流れる冷媒流路１９内に挿入しても、冷媒に対するシールをフランジ部３８２にて確保できるため、冷媒がモジュールケース３７の内部に侵入することが防止される。

　第１放熱板３７１および第２放熱板３７２は、幅広面が冷媒の流れ方向に沿って配置され、ピンフィンが冷媒の流れ方向と直交する方向に突出するように配置される。第１放熱部材３７１および第２放熱部材３７２は、冷媒流路１９内を流れる冷媒との間で熱交換を行う。パワー半導体素子からの熱は、導体板等を介して第１および第２放熱板３７１，３７２のピンフィンを含むモジュールケース３７の外表面に伝わり冷媒に放熱される。

　図２および図６に示すように、パワーモジュール３００ａから突出する信号端子３２５Ｕ（１５４），３２５Ｌ（１６４），３２７（１５５，１６５）はドライバ回路１７４に接続され、直流正負極端子３１５Ｂ（１５７），３１９Ｂ（１５８）は電力供給バスバーに接続され、交流端子３２０Ｂ（１５９）は交流バスバー８０２に接続される。

　以上説明した本実施の形態によれば、以下のような作用効果を奏することができる。
（１）枠体３８０と、第１放熱板３７１および第２放熱板３７２とを個別に形成し、第１および第２放熱板３７１，３７２を枠体３８０に接合することでモジュールケース３７を形成した。これにより、構成部品の機能に応じた材料選定が可能となり、枠体３８０には剛性を重視した材質を選定し、第１放熱板３７１および第２放熱板３７２には放熱性を重視した材質を選定することができる。
　その結果、高い剛性と高い放熱性とを両立したパワーモジュール３００ａ～３００ｃと、それを用いた電力変換装置２００とを提供することができる。

（２）さらに、モジュールケース３７の内面を構成する第１放熱板３７１および第２放熱板３７２の面を予め所望の面精度に仕上げることができる。モジュールケースを一体成形した従来技術では、絶縁シート３３３の接着面にうねりが生じることがあり、絶縁シート３３３を介して導体板の放熱面が局部的にしか接触されないという問題があった。しかし、本実施の形態によれば、上記のとおりモジュールケース３７の内面の面精度を向上させることができるため、絶縁シート３３３を介して接触される導体板との接触面積を増やすことができる。その結果、パワー半導体素子から発生した熱を効果的に第１放熱板３７１および第２放熱板３７２に伝えることができる。

（３）第１放熱板３７１のフィン周縁部３７１ｐの曲げ剛性が、第２放熱板３７２のフィン周縁部３７２ｐの曲げ剛性に比べて低くなるように、フィン周縁部３７１ｐの肉厚ｔ１がフィン周縁部３７２ｐの肉厚ｔ２よりも薄く設定されている（ｔ１＜ｔ２）。これにより、モジュールケース３７を加圧し、モジュールケース３７をモジュール一次封止体３０２に圧着する工程において、第１放熱板３７１のフィン周縁部３７１ｐを優先的に変形させることでができる。

　したがって、モジュール封止体３０２の一方の幅広面と、モジュールケース３７の内面を構成する第２放熱板３７２とが当接するようにモジュール一次封止体３０２を位置決めしておけば、加圧時に第２放熱板３７２は変形しないため、モジュール一次封止体３０２や補助モールド体６００の位置がずれることなく、モジュールケース３７をモジュール一次封止体３０２に圧着することができる。その結果、ドライバ回路基板２２等の所定位置に信号端子３２５Ｕ，３２５Ｌ，３２７等を配置させて、所定箇所に容易に接続することができる。

　これに対し、第１および第２放熱板のフィン周縁部の双方の肉厚を薄く形成し、モジュール一次封止体３０２をモジュールケースの中央に配置させ、第１および第２放熱板に外圧を加えてパワーモジュールを製作する場合には次のような問題がある。すなわち、第１および第２放熱板の双方の変形量に差が生じるなどに起因して、モジュール一次封止体３０２の位置がずれてしまい、ドライバ回路基板２２等と信号端子３２５Ｕ，３２５Ｌ，３２７等との適切な接合が難しくなることがある。

（４）枠体３８０と第１放熱板３７１、ならびに、枠体３８０と第２放熱板３７２は、固相接合により結合されている。これにより、枠体３８０と第１放熱板３７１との接合面、ならびに、枠体３８０と第２放熱板３７２との接合面のシール性を確保するとともに、第１および第２放熱板３７１，３７２のそれぞれを枠体３８０に強固に固定することができる。

（５）本実施の形態では、枠体３８０と第１および第２放熱板３７１，３７２とをそれぞれ個別に製造し、３つの部品を結合することとしたため、従来技術であるボトムケース、トップケースおよび１対のサイドケースを接着剤で接着して１対の放熱板を保持する構成に比べて、高い剛性を有しかつ部品点数を削減したパワーモジュールを提供できる。

（６）本実施の形態では、一体的に形成される枠体３８０が高い剛性を有しているため、パワーモジュールを電力変換装置のケースに機械的に固定する際の変形、および、クリープ変形、疲労破壊等に対する十分な耐久性を確保できる。

　次のような変形も本発明の範囲内であり、変形例の一つ、もしくは複数を前述の実施形態と組み合わせることも可能である。
（１）本発明は、第１放熱板３７１のフィン周縁部３７１ｐの肉厚ｔ１を、第２放熱板３７２のフィン周縁部３７２ｐの肉厚ｔ２に比べて薄く設定する場合に限定されない。フィン周縁部３７１ｐ，３７２ｐの厚さを同じにして、第１および第２放熱板３７１，３７２を外方からモジュールケース３７の内側に向かって加圧することで、フィン周縁部３７１ｐ，３７２ｐの双方を変形させて、モジュールケース３７をモジュール一次封止体３０２に圧着させてもよい。なお、上述したように、フィン周縁部３７１ｐ，３７２ｐの一方を優先的に変形させることモジュール一次封止体３０２の位置ずれを防止できるので、フィン周縁部３７１ｐ，３７２ｐの一方を優先的に変形させることが好ましい。

（２）上述した実施の形態では、第１放熱板３７１のフィン周縁部３７１ｐおよび第２放熱板３７２のフィン周縁部３７２ｐの肉厚に差をつけることによって、曲げ剛性に差をつけ、第１および第２放熱板３７１，３７２を加圧したときに、一方を優先的に変形させることとしたが、本発明はこれに限定されない。第１放熱板３７１のフィン周縁部３７１ｐおよび第２放熱板３７２のフィン周縁部３７２ｐの断面形状を異ならせることによって、曲げ剛性に差をつけて一方を優先的に変形させてもよい。第１放熱板３７１のフィン周縁部３７１ｐおよび第２放熱板３７２のフィン周縁部３７２ｐの厚みを同じにして、一方に別部材である梁をつけて曲げ剛性を高めることとしてもよい。第１放熱板３７１のフィン周縁部３７１ｐおよび第２放熱板３７２のフィン周縁部３７２ｐの肉厚を両方とも厚くして、一方に複数の切込みを入れて曲げ剛性を低くしてもよい。このように、種々の態様によってフィン周縁部３７１ｐ，３７２ｐの双方の曲げ剛性に差をつけることで、フィン周縁部３７１ｐ，３７２ｐの一方を優先的に変形させることができる。

（３）放熱フィンは、ピン形状のものを採用する場合に限定されることなく、平板状のフィンなど、種々の形状を採用できる。フィンの形状や個数は、要求される冷却性能や圧力損失から決定される。

（４）本発明は、枠体３８０と第１放熱板３７１、ならびに、枠体３８０と第２放熱板３７２を固相接合により結合される場合に限定されない。溶融接合によって、枠体３８０と第１放熱板３７１、ならびに、枠体３８０と第２放熱板３７２を結合してもよい。

（５）絶縁シート３３３の密着性を向上させるために、予め、絶縁シート３３３の表面に接着層を設けてもよい。
（６）上述の実施の形態では、絶縁シート３３３をエポキシ樹脂にセラミック粒子を分散させた樹脂シートとしたが、本発明はこれに限定されない。絶縁シート３３３には、樹脂よりも熱伝導性に優れる酸化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化アルミニウム等のセラミックシートを採用し、セラミックシートの両面に放熱グリースを塗布して使用してもよい。

（７）上述の実施の形態では、絶縁シート３３３を用いたが本発明はこれに限定されない。絶縁シート３３３に代えて、絶縁性を有するグリース、コンパウンド等を使用してもよい。

（８）上述の実施の形態では、第１放熱板３７１の突合せ部３７１ｂの肉厚ｔｂ１がフィン周縁部３７１ｐの肉厚ｔ１と同じ厚さになるようにしたが、本発明はこれに限定されない。突合せ部３７１ｂの肉厚ｔｂ１をフィン周縁部３７１ｐの肉厚ｔ１よりも厚く設定してもよい。

（９）上述の実施の形態では、第１放熱板３７１と第２放熱板３７２と枠体３８０とを個別に成形し、組み付ける構成とし、パワーモジュール３００ａを冷媒流路１９に配置して第１放熱板３７１および第２放熱板３７２の両者を冷却する両面冷却方式を採用したが、本発明はこれに限定されない。モジュールケースの一方の幅広面を放熱面として冷媒流路に配置させる片面冷却方式を採用し、モジュールケースを１枚の放熱板と枠体とから構成してもよい。

（１０）電力変換装置は、他の電動車両、たとえばハイブリッド電車などの鉄道車両、バスなどの乗合自動車、トラックなどの貨物自動車、バッテリ式フォークリフトトラックなどの産業車両などの車両用電源装置に利用することもできる。

（１１）電力変換装置は、コンピュータシステムやサーバシステムなどに用いられる無停電電源装置、自家用発電設備に用いられる電源装置など、電動車両以外の電源装置を構成する電力変換装置に適用しても構わない。

　本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。

　次の優先権基礎出願の開示内容は引用文としてここに組み込まれる。
　日本国特許出願２０１１年第１２８３０４号（２０１１年６月８日出願）

Claims (8)

1. 　インバータ回路の上下アームを構成する複数の半導体素子と、
   　前記半導体素子のそれぞれの電極面と対向して配置される複数の導体板と、
   　前記半導体素子および前記導体板を収納するモジュールケースとを備え、
   　前記モジュールケースは、
   　前記導体板の面と対向する板状の金属製放熱部材と、
   　当該放熱部材によって塞がれる開口部を有する金属製の枠体とを有し、
   　前記放熱部材の中央には複数の放熱フィンが立設された放熱フィン部が設けられ、前記放熱部材の外周縁には前記枠体との接合部が設けられ、
   　前記放熱部材は前記枠体に比べて高い熱伝導性を有し、前記枠体は前記放熱部材に比べて高い剛性を有しているパワーモジュール。
2. 　請求項１に記載のパワーモジュールにおいて、
   　前記放熱部材は、相互に対向して配置される第１放熱板と第２放熱板であるパワーモジュール。
3. 　請求項２に記載のパワーモジュールにおいて、
   　前記第１放熱板および第２放熱板は、それぞれの前記放熱フィン部と前記接合部との間において前記放熱フィン部を囲むように設けられるフィン周縁部とを有し、
   　前記第１放熱板および第２放熱板に外方からモジュールケースの内側に向かって圧力を加えたときに、前記第１放熱板の周縁部が優先的に変形するように、前記第１放熱板の周縁部の曲げ剛性は、前記第２放熱板の周縁部の曲げ剛性に比べて低く設定されているパワーモジュール。
4. 　請求項３に記載のパワーモジュールにおいて、
   　前記第１放熱板のフィン周縁部の厚さは、前記第２放熱板のフィン周縁部の厚さに比べて薄いパワーモジュール。
5. 　請求項２ないし４のいずれか１項に記載のパワーモジュールにおいて、
   　前記複数の導体板は、前記半導体素子の一方の電極面と金属接合材を介して接続される第１導体板と、前記半導体素子の他方の電極面と金属接合材を介して接続される第２導体板とを含んで構成され、
   　前記半導体素子、前記第１導体板および前記第２導体板が封止材によって封止されて成るモジュール一次封止体と、前記モジュールケースとは絶縁部材を介して圧着され、
   　前記第１および第２導体板は前記絶縁部材と接触するように一部が前記封止材から露出されているパワーモジュール。
6. 　請求項２ないし５のいずれか１項に記載のパワーモジュールにおいて、
   　前記枠体と前記第１放熱板、ならびに、前記枠体と前記第２放熱板は、溶融接合、もしくは、固相接合により結合されるパワーモジュール。
7. 　半導体素子のスイッチング動作によって電力を直流から交流に、交流から直流に変換する電力変換装置であって、
   　請求項２ないし６のいずれか１項に記載のパワーモジュールと、
   　冷媒が流れる冷媒流路を形成する流路形成体とを備え、
   　前記パワーモジュールは、前記第１および第２放熱板が前記冷媒流路内に配置されて前記冷媒流路内を流れる冷媒との間で熱交換を行うことで、前記半導体素子からの熱を冷媒に放熱する電力変換装置。
8. 　請求項７に記載の電力変換装置において、
   　前記流路形成体には前記冷媒流路と連通する開口部が形成され、
   　前記パワーモジュールは、
   　有底筒形状の筒部と、
   　前記筒部の開口に形成されて前記流路形成体の開口部を塞ぐように前記流路形成体に固定されるフランジ部とを有し、
   　前記筒部は、前記枠体に前記第１放熱板と前記第２放熱板とを接合することによって形成され、
   　前記第１放熱板および第２放熱板のそれぞれに設けられる放熱フィンが、前記冷媒流路に突出するように立設されている電力変換装置。

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