WO2016140147A1 - パワー半導体モジュール及び電力変換装置 - Google Patents

パワー半導体モジュール及び電力変換装置 Download PDF

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健 徳山
志村　隆弘
佐藤　俊也
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日立オートモティブシステムズ株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a power semiconductor module and a power converter for converting a direct current into an alternating current, and more particularly to a power converter for supplying an alternating current to a drive motor of a hybrid vehicle or an electric vehicle.
  • in-vehicle power converters are required to be able to output a large current, while miniaturization is also required. If the power converter attempts to output a large current, the heat generated in the power semiconductor element built in the power semiconductor module will increase, and the heat resistance temperature of the power semiconductor element will not increase unless the heat capacity of the power semiconductor module or power converter is increased. This hinders downsizing. Therefore, a double-sided cooling type power semiconductor module that improves the cooling efficiency by cooling the power semiconductor element from both sides and a double-sided cooling type power conversion device using the same have been developed.
  • Patent Document 1 discloses that a power module is configured by sandwiching both main surfaces of a power semiconductor element that constitutes an arm of an inverter circuit between plate-like lead frames.
  • a power module structure is disclosed in which the power semiconductor is cooled from both sides by being embedded in a heat dissipation case and immersed in a water channel housing.
  • An object of the present invention is to achieve both reduction in height and size of a double-sided cooling type power converter.
  • a power semiconductor module includes a circuit body having a power semiconductor element and a terminal, and a case forming a storage space for storing the circuit body, and the case is disposed to face the storage space.
  • the power conversion device can be applied to a hybrid vehicle or a pure electric vehicle.
  • the inverter device for driving the vehicle converts the DC power supplied from the in-vehicle battery or the in-vehicle power generator constituting the in-vehicle power source into predetermined AC power, and supplies the obtained AC power to the vehicle driving motor to drive the vehicle. Control the drive of the motor.
  • the vehicle drive motor since the vehicle drive motor also has a function as a generator, the vehicle drive inverter device also has a function of converting AC power generated by the vehicle drive motor into DC power according to the operation mode. Yes.
  • the configuration of the present embodiment is optimal as a power conversion device for driving a vehicle such as an automobile or a truck.
  • power conversion devices such as a power conversion device such as a train, a ship, and an aircraft, and a factory facility are also included.
  • a power conversion device such as a train, a ship, and an aircraft, and a factory facility.
  • the inverter circuit 144 corresponds to each phase winding of the armature winding of the motor generator 192 by using an upper and lower arm series circuit 150 including an IGBT 328 and a diode 156 that operate as an upper arm, and an IGBT 330 and a diode 166 that operate as a lower arm.
  • an upper and lower arm series circuit 150 including an IGBT 328 and a diode 156 that operate as an upper arm, and an IGBT 330 and a diode 166 that operate as a lower arm.
  • three phases U phase, V phase, W phase
  • Each of the upper and lower arm series circuits 150 is connected to an AC power line (AC bus bar) 186 from the middle point (intermediate electrode 169) to the motor generator 192 through the AC terminal 159 and the AC connector 188.
  • the collector electrode 153 of the IGBT 328 of the upper arm is connected to the capacitor electrode on the positive side of the capacitor module 500 via the positive terminal (P terminal) 157, and the emitter electrode of the IGBT 330 of the lower arm is connected to the capacitor via the negative terminal (N terminal) 158.
  • the negative electrode side of the module 500 is electrically connected to the capacitor electrode.
  • the IGBT 328 includes a collector electrode 153, a gate electrode 154, and a signal emitter electrode 155.
  • the IGBT 330 includes a collector electrode 163, a gate electrode 164, and a signal emitter electrode 165.
  • a diode 156 is electrically connected in parallel with the IGBT 328.
  • a diode 166 is electrically connected to the IGBT 330 in parallel.
  • a MOSFET metal oxide semiconductor field effect transistor
  • the capacitor module 500 is electrically connected to the positive capacitor terminal 506, the negative capacitor terminal 504, and the DC connector 138. Note that the inverter device 140 is connected to the positive capacitor terminal 506 via the DC positive terminal 314 and connected to the negative capacitor terminal 504 via the DC negative terminal 316.
  • the gate electrode 154 and the signal emitter electrode 155 in FIG. 1 correspond to a signal connection terminal 327U in FIG. 2 to be described later.
  • the gate electrode 164 and the emitter electrode 165 in FIG. 1 correspond to the signal connection terminal 327L in FIG.
  • the positive terminal 157 in FIG. 1 is the same as the positive terminal 315D in FIG.
  • the negative electrode terminal 158 in FIG. 1 is the same as the negative electrode side terminal 319D in FIG.
  • the AC terminal 159 in FIG. 1 is the same as the AC terminal 320D in FIG.
  • FIG. 2A is an external perspective view showing a schematic configuration of the power semiconductor module 300 according to the present embodiment.
  • FIG. 2B is a cross-sectional view taken along a cross-section 2B in FIG.
  • FIG. 2C is an exploded cross-sectional view showing an assembly process of the power semiconductor module 300.
  • FIG. 2D is a circuit configuration diagram corresponding to FIG.
  • the power semiconductor module 300 includes a circuit body 302 containing a power semiconductor element, a case frame 304, and a heat dissipation base 307.
  • the case frame 304 forms a storage space 306 for storing the circuit body 302 and an opening 306 a connected to the storage space 306.
  • the case frame 304 has a heat dissipating part 305a in which fins are formed on the surface opposite to the surface on which the opening 306a is formed.
  • the fin heat radiating portion 305 a is disposed to face the storage space 306.
  • the case frame 304 has a terminal through hole 311 formed in a side portion of the heat radiating portion 305a.
  • the terminal through hole 311 is connected to the storage space 306 and allows the terminal of the circuit body 302 disposed in the storage space 306 to pass therethrough.
  • An O-ring groove 312 is formed around the terminal through hole 311.
  • the O-ring groove 312 is formed on the seal surface 309 formed so as to surround the terminal through hole 311.
  • the circuit body 302 is stored in the storage space 306 of the case frame body 304 with the insulating member 333 interposed between the circuit body 302 and the case frame body 304.
  • the circuit body 302 includes IGBTs 328 and 330 and diodes 156 and 166 as power semiconductor elements. These power semiconductor elements are provided at positions facing the heat radiating portion 305a and radiated by the refrigerant flowing between the fins of the heat radiating portion 305a.
  • the conductor portion 315 is disposed on one surface side of the power semiconductor elements 328 and 156, and the conductor portion 318 is disposed on the other surface side.
  • the conductor part 320 is disposed on one surface side of the power semiconductor elements 330 and 166, and the conductor part 319 is disposed on the other surface side.
  • the IGBT 328 and the diode 156 constituting the upper arm circuit are metal-bonded so as to be sandwiched in parallel by the conductor portions 315 and 318.
  • the IGBT 330 and the diode 166 constituting the lower arm circuit are metal-bonded so as to be sandwiched in parallel by the conductor portions 320 and 319.
  • the power semiconductor elements 328, 330, 156, and 166 and the conductor portions 315, 318, 319, and 320 are sealed with a resin sealing material 348.
  • the signal connection terminals 327U and 327L also protrude from the resin sealing material 348. These terminals protrude from the resin sealing material 348 and are bent at substantially right angles. The tip of the bent terminal extends to the outside of the case frame 304 through the terminal through hole 311.
  • the opening 306 a of the case frame 304 is closed by the heat dissipation base 307.
  • a heat dissipation portion 305b having fins is formed in a region facing the power semiconductor element.
  • An insulating member 333 is disposed between the heat dissipation base 307 and the circuit body 302.
  • the heat dissipation base 307 is joined to the case frame 304 by metal joining or the like. Thereby, the opening 306a side of the storage space 306 is sealed.
  • the heat dissipation base 307 functions as a lid that closes the opening 306a of the case frame 304, and also functions as a heat dissipation portion that transmits heat generated by the power semiconductor element to the refrigerant.
  • a reference surface 308 is formed on the side of the heat dissipation portion 305b.
  • the reference surface 308 is a flat surface formed on one surface of the case frame 304.
  • the reference surface 308 is provided substantially in parallel with the seal surface 309.
  • the reference surface 308 is formed so that the projected portion of the reference surface 308 and the projected portion of the seal surface 309 overlap when projected from a direction perpendicular to the in-plane direction of the reference surface 308.
  • the reference surface 308 and the seal surface 309 are arranged to face each other on both sides of the case frame 304. In this way, the reference surface 308 and the seal surface 309 overlap in the vertical direction, so that the reference surface 308 functions as a surface that receives a load that crushes the O-ring disposed in the O-ring groove 312.
  • the joint between the heat dissipation base 307 and the case frame 304 is provided in a reference surface 308 that overlaps the seal surface 309 in the vertical direction. Therefore, the seal surface 309 functions as a surface that receives a bonding load when the heat dissipation base 307 is bonded to the case frame 304.
  • the seal surface 309 is formed with high rigidity because the seal member is held between the O-ring groove 312 by a member such as a lid 313 described later. Therefore, the seal surface 309 can firmly support the load when the heat dissipation base 307 is joined.
  • connection portion is not provided with a portion that interferes with the connection tool, and is a flat reference surface 308. Easy to join. Moreover, since it is not necessary to provide an excessive space in order to avoid interference with the joining tool, the entire power semiconductor module can be reduced in size and area.
  • the heat dissipating base 307 can change the thickness of the member between the region where the fins 305b are formed and the region near the joint portion between the case frame 304 formed around the heat dissipating base 307. For example, compared to the thickness of the heat dissipation base in the region where the fins 305b are formed, by reducing the thickness of the heat dissipation base in the region in the vicinity of the joint portion with the case frame 304, heat dissipation and manufacturing assemblability, Reliability can be increased.
  • the fins 305a and 305b are formed of a member having electrical conductivity, for example, a composite material such as Cu, Cu alloy, Cu—C, or Cu—CuO, or a composite material such as Al, Al alloy, AlSiC, or Al—C. ing.
  • the sealing resin material 348 used for the circuit body 302 for example, a resin based on a novolac-based, polyfunctional, or biphenyl-based epoxy resin can be used.
  • the sealing resin material 348 can have a thermal expansion coefficient close to that of the conductor portion by containing ceramics such as SiO2, Al2O3, AlN, and BN, rubber, or the like. Thereby, the difference in thermal expansion coefficient between the members can be reduced, and the thermal stress generated as the temperature rises in the use environment is greatly reduced, so that the life of the power semiconductor module can be extended.
  • the metal bonding agent for bonding the power semiconductor element and the conductor portion is, for example, a metal brazing material using a Sn brazing solder material (solder), a brazing material such as an Al alloy or Cu alloy, or metal nanoparticles or micro particles.
  • a binder can be used.
  • FIG. 3 is an exploded cross-sectional view showing a process of assembling the power semiconductor module 300 to the flow path forming body 400.
  • the flow path forming body 400 has a flow path space 405 and a flow path opening 403 connected to the flow path space 405.
  • the power semiconductor module 300 is accommodated in the flow path space 405 through the flow path opening 403.
  • the flow path forming body 400 has a module receiving surface 406 formed in the flow path space 405.
  • the module receiving surface 406 is in contact with the reference surface 308 of the power semiconductor module 300.
  • the flow path forming body 400 is recessed toward the bottom side of the module receiving surface 406 to form a space in which the fins 305b are disposed.
  • the flow path forming body 400 can suppress the bypass flow of the refrigerant flowing between the fins 305b of the power semiconductor module 300. Therefore, the structure of the flow path space 405 of the flow path forming body 400 is preferably designed along the shape of the fin 305 b of the power semiconductor module 300.
  • the flow path opening 403 is closed by the lid 413.
  • the lid 413 seals the flow path space 405 with an O-ring disposed in an O-ring groove 404 formed in the flow path forming body 400.
  • the lid 413 is disposed on the power semiconductor module 300 on the side where the seal surface 309 and the heat radiation part 305a are formed.
  • the refrigerant circulates in the same manner as the heat radiating portion 305b side.
  • a terminal opening 413A is formed in the lid 413.
  • the terminal of the power semiconductor module 300 penetrates the terminal opening 413A.
  • the lid 413 presses the power semiconductor module 300 toward the flow path forming body 400 with the O-ring disposed in the O-ring groove 312 interposed therebetween. Since the air is sealed by the O-ring sandwiched between the lid 413 and the O-ring groove 312, the refrigerant flowing in the region of the heat radiating portion 305 a does not leak into the power semiconductor module 300 from the terminal through hole 311.
  • the power semiconductor module 300 pressed by the lid 413 is supported by the module receiving surface 406 of the flow path forming body 406. As described above, the power semiconductor module 300 is pressed and fixed in such a manner as to be sandwiched between the flow path forming body 400 and the lid 413. According to the configuration of the power semiconductor module of the present embodiment, the sealing structure on the lid 413 side and the fixed arrangement structure on the contact surface between the reference surface 308 and the module receiving surface 406 can be realized at the same time. Therefore, size reduction of the whole power converter device can be achieved.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing a configuration example of the power conversion device 299 to which the flow path structure of FIG. 3 is applied.
  • the power conversion device 299 includes a flow path forming body 400 that is a housing integrally formed with a cooling flow path, a mold bus bar 700, a power semiconductor module 300, a capacitor module 500, and a control board 200.
  • the flow path forming body 400 also serving as a housing has an opening for inserting the power semiconductor module 300 and an opening for inserting the capacitor module 500.
  • the molded bus bar 700 is obtained by sealing the DC bus bar 710 and the AC bus bar 709 with an insulating resin material.
  • the DC bus bar 710 electrically connects the capacitor module 500 and the power semiconductor module 300.
  • the DC bus bar 710 has a structure in which a positive-side bus bar and a negative-side bus bar are stacked. Currents of opposite polarities flow through the positive and negative bus bars, and the inductance is reduced by the magnetic field canceling effect.
  • the molded bus bar 700 is disposed to face the power semiconductor module 300 with the lid 413 interposed therebetween.
  • the molded bus bar 700 is disposed on the same side with respect to the capacitor module 500 and the power semiconductor module 300.
  • the power conversion device of this embodiment can simultaneously cool the power semiconductor module 300 and the capacitor module 500 by the flow path forming body 400 that also serves as a housing.
  • the mold bus bar 700 can be cooled by installing the mold bus bar 700 directly on the flow path forming body 400.
  • the power semiconductor module 300 and the capacitor module 500 are arranged on the same level, a reduction in the height of the power conversion device can be achieved.
  • the power semiconductor module 300 and the power conversion device 299 in the second embodiment will be described with reference to FIGS. 5 (a) to 5 (c).
  • the common components are the same as those in the first embodiment, and detailed description thereof is omitted.
  • FIG. 5A is an exploded perspective view of the power semiconductor module 300.
  • FIG. 5B is an exploded cross-sectional view.
  • FIG. 5C is a cross-sectional view showing an assembly process with the flow path forming body 400.
  • the difference from the structure shown in the first embodiment is that the case frame body 304 is provided with two terminal through holes 311 and the module terminals protrude from both sides with the heat radiating portion 305a interposed therebetween.
  • the positive terminal 315D and the negative terminal 319D through which a direct current flows are projected from one side of the power semiconductor module 300, and the alternating terminal 320D through which an alternating current flows are projected from the other side.
  • the wiring inductance can be reduced by disposing the positive terminal 315D and the negative terminal 319D on the side where the capacitor module 500 is disposed with respect to the power semiconductor module 300.
  • two O-ring grooves 312 are formed in accordance with the provision of two terminal through holes 311. Further, two terminal openings 413A of the lid 413 are also formed.
  • the seal surfaces 309 are formed on both sides of the heat radiating part 305a.
  • the lid 413 used in this embodiment has a recess formed on the fin 305a side corresponding to the protruding length of the fin 305a.
  • the power module terminal is output from both sides of the heat radiating portion, the dimensions of the terminal through hole and the power module terminal The degree of freedom in arrangement can be improved. As a result, it is possible to achieve effects such as reduction in size and height of the entire power conversion device, reduction in wiring inductance, and suppression of magnetic coupling between the signal terminal and the DC terminal.

Abstract

　本発明は、両面冷却型電力変換装置の低背化と小型化の両立を図ることを目的とする。　本発明に係るパワー半導体モジュールは、パワー半導体素子及び端子を有する回路体３０２と、回路体３０２を収納する収納空間３０６を形成するケース３０４と、を備え、ケース３０４は、収納空間３０６を挟んで対向して配置される第１放熱部３０５ａ及び第２放熱部３０５ｂと、第１放熱部３０５ａの側部に配置され前記端子を貫通させる第１開口３１１と、第１開口３１１を囲んで形成されるシール面３０９と、第２放熱部３０５ｂの側部に配置される基準面３０８と、を有し、基準面３０８は、基準面３０８の垂直方向から投影した場合に、基準面３０８の射影部とシール面３０９の射影部とが重なるように、ケース３０４のシール面３０９が配置される面とは反対側の面に形成される。

Description

パワー半導体モジュール及び電力変換装置
　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電力変換装置に関し、特にハイブリッド自動車や電気自動車の駆動用モータに交流電流を供給する電力変換装置に関する。
　主に車載用の電力変換装置では、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電力変換装置が開発されている。
　このような構造の電力変換装置の例として、特許文献１には、インバータ回路のアームを構成するパワー半導体素子の両主面を板状のリードフレームで挟み込んでパワーモジュールを構成し、これを密閉する放熱ケースに内蔵して水路筐体に浸漬し、パワー半導体を両面から冷却するパワーモジュール構造が開示されている。
特開２００５－０５７２１２号公報
　近年、電力変換装置の車両への搭載位置によって電力変換装置に求められる体格も多様化しており、低背化の要求も増加している。特許文献１に係る電力変換装置は、シール部及びその周辺の取り付け部が低背構造化、小型化を妨げるという課題が存在する。電力変換装置の低背化と小型化の両立には、パワー半導体素子の冷却性能の向上が可能な両面冷却パワーモジュールを低背化する構造が求められている。
　本発明の目的は、両面冷却型電力変換装置の低背化と小型化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、パワー半導体素子及び端子を有する回路体と、前記回路体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、前記収納空間と対向して配置される第１放熱部と、前記収納空間を挟んで前記第１放熱部と対向して配置される第２放熱部と、前記第１放熱部の側部に配置されるとともに前記端子を貫通させる第１開口と、前記第１開口を囲んで形成されるシール面と、前記第２放熱部の側部に配置される基準面と、を有し、前記基準面は、前記基準面の垂直方向から投影した場合に、当該基準面の射影部と前記シール面の射影部とが重なるように、前記ケースの前記シール面が配置される面とは反対側の面に形成される。
　両面冷却型電力変換装置の低背化と小型化の両立の両立を図ることできる。
インバータ装置の回路図である。 パワー半導体モジュールの斜視図である。 パワー半導体モジュールの断面図である。 パワー半導体モジュールの組み立て工程を示す分解断面図である。 パワー半導体モジュールの内蔵回路を示す等価回路図である。 パワー半導体モジュールを流路形成体に組み付ける工程を示す分解断面図である。 本実施構造の電力変換装置を示す断面図。 第二の実施例のパワー半導体モジュール３００の断面図である。 第二の実施例のパワー半導体モジュール３００を組み立てる工程を示す分解斜視図である。 第二の実施例のパワー半導体モジュール３００の水路筐体への組み立てる工程を示す分解断面図である。
　本発明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。車両駆動用インバータ装置は、車載電源を構成する車載バッテリ或いは車載発電装置から供給された直流電力を所定の交流電力に変換し、得られた交流電力を車両駆動用電動機に供給して車両駆動用電動機の駆動を制御する。また、車両駆動用電動機は発電機としての機能も有しているので、車両駆動用インバータ装置は運転モードに応じ、車両駆動用電動機が発生する交流電力を直流電力に変換する機能も有している。なお、本実施形態の構成は、自動車やトラックなどの車両駆動用電力変換装置として最適であるが、これら以外の電力変換装置、例えば電車や船舶、航空機などの電力変換装置、さらに工場の設備を駆動する電動機の制御装置として用いられる産業用電力変換装置、或いは家庭の太陽光発電システムや家庭の電化製品を駆動する電動機の制御装置に用いられたりする家庭用電力変換装置に対しても適用可能である。
　図１を用いてインバータ装置１４０の電気回路構成を説明する。
　インバータ回路１４４は、上アームとして動作するＩＧＢＴ３２８及びダイオード１５６と、下アームとして動作するＩＧＢＴ３３０及びダイオード１６６と、からなる上下アーム直列回路１５０をモータジェネレータ１９２の電機子巻線の各相巻線に対応して３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）分を設けている。それぞれの上下アーム直列回路１５０は、その中点部分（中間電極１６９）から交流端子１５９及び交流コネクタ１８８を通してモータジェネレータ１９２への交流電力線（交流バスバー）１８６と接続する。
　上アームのＩＧＢＴ３２８のコレクタ電極１５３は正極端子（Ｐ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の電極に、下アームのＩＧＢＴ３３０のエミッタ電極は負極端子（Ｎ端子）１５８を介してコンデンサモジュール５００の負極側にコンデンサ電極にそれぞれ電気的に接続されている。
　ＩＧＢＴ３２８は、コレクタ電極１５３と、ゲート電極１５４と、信号用エミッタ電極１５５を備えている。また、ＩＧＢＴ３３０は、コレクタ電極１６３と、ゲート電極１６４と、信号用エミッタ電極１６５を備えている。ダイオード１５６が、ＩＧＢＴ３２８と電気的に並列に接続されている。また、ダイオード１６６が、ＩＧＢＴ３３０と電気的に並列に接続されている。スイッチング用パワー半導体素子としてはＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ）を用いてもよいが、この場合はダイオード１５６やダイオード１６６は不要となる。コンデンサモジュール５００は、正極側コンデンサ端子５０６と負極側コンデンサ端子５０４と直流コネクタ１３８を介して電気的に接続されている。なお、インバータ装置１４０は、直流正極端子３１４を介して正極側コンデンサ端子５０６と接続され、かつ直流負極端子３１６を介して負極側コンデンサ端子５０４と接続される。
　なお、図１におけるゲート電極１５４および信号用エミッタ電極１５５は、後述する図２の信号接続端子３２７Ｕに対応する。図１におけるゲート電極１６４およびエミッタ電極１６５は、図２の信号接続端子３２７Ｌに対応する。図１における正極端子１５７は、図２の正極側端子３１５Ｄと同一のものである。図１における負極端子１５８は、図２の負極側端子３１９Ｄと同一のものである。図１における交流端子１５９は、図２の交流端子３２０Ｄと同一のものである。
　続いて、図２乃至図４を用いて本実施形態に係るパワー半導体モジュール３００及びそれを用いた両面冷却型電力変換装置２９９の実施形態を説明する。
　図２（ａ）は、本実施形態に係るパワー半導体モジュール３００の概略構成を示す外観斜視図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）の断面２Ｂにおける断面図である。図２（ｃ）は、パワー半導体モジュール３００の組み立て工程を示す分解断面図である。図２（ｄ）は図２（ｃ）に対応する回路構成図である。
　パワー半導体モジュール３００は、パワー半導体素子を内蔵した回路体３０２と、ケース枠体３０４と、放熱ベース３０７と、を備える。ケース枠体３０４は、回路体３０２を収納する収納空間３０６と、当該収納空間３０６と繋がる開口部３０６ａを形成する。
　ケース枠体３０４は、開口部３０６ａが形成される側の面とは反対側の面に、フィンが形成された放熱部３０５ａを有する。フィン放熱部３０５ａは、収納空間３０６と対向して配置される。また、ケース枠体３０４は、放熱部３０５ａの側部に形成される端子貫通孔３１１を有する。端子貫通孔３１１は、収納空間３０６と繋がり、収納空間３０６に配置された回路体３０２の端子を貫通させる。端子貫通孔３１１の周囲には、Ｏリング溝３１２が形成される。Ｏリング溝３１２は、端子貫通孔３１１を囲んで形成されるシール面３０９に形成される。
　回路体３０２は、当該回路体３０２とケース枠体３０４との間に絶縁部材３３３を挟んで、ケース枠体３０４の収納空間３０６に収納される。回路体３０２は、パワー半導体素子として、ＩＧＢＴ３２８、３３０と、ダイオード１５６、１６６を有する。これらのパワー半導体素子は、放熱部３０５ａと対向する位置に設けられ、放熱部３０５ａのフィン間を流れる冷媒により放熱される。
　パワー半導体素子３２８、１５６の一方の面側には、導体部３１５が配置され、他方の面側には、導体部３１８が配置される。パワー半導体素子３３０、１６６の一方の面側には、導体部３２０が配置され、他方の面側には、導体部３１９が配置される。上アーム回路を構成するＩＧＢＴ３２８とダイオード１５６は、導体部３１５及び３１８によって平行に挟まれるようにして金属接合されている。下アーム回路を構成するＩＧＢＴ３３０とダイオード１６６は、導体部３２０及び３１９によって平行に挟まれるようにして金属接合されている。
　パワー半導体素子３２８、３３０、１５６、１６６と、導体部３１５、３１８、３１９、３２０は、樹脂封止材３４８によって封止される。導体部３１５、３２０、３１９の一部は、樹脂封止材３４８から突出し、それぞれ正極側端子３１５Ｄ、交流端子３２０Ｄ、負極側端子３１９Ｄを形成する。また、信号接続端子３２７Ｕ、３２７Ｌも樹脂封止材３４８から突出する。これらの端子は、樹脂封止材３４８から突出し、さらに略直角に屈曲して形成される。屈曲端子の先端は、端子貫通孔３１１を通ってケース枠体３０４の外部へ延出する。
　収納空間３０６に回路体３０２を収納した状態で、ケース枠体３０４の開口部３０６ａは、放熱ベース３０７によって塞がれる。放熱ベース３０７には、パワー半導体素子と対向する領域に、フィンを有する放熱部３０５ｂが形成される。放熱ベース３０７と回路体３０２の間には、絶縁部材３３３が配置される。放熱ベース３０７は、金属接合等によってケース枠体３０４に接合される。これにより、収納空間３０６の開口部３０６ａ側を密閉する。放熱ベース３０７は、ケース枠体３０４の開口部３０６ａを塞ぐ蓋として機能するとともに、パワー半導体素子の発熱を冷媒に伝達する放熱部としても機能する。
　放熱ベース３０７がケース枠体３０４に接合された状態において、放熱部３０５ｂの側部には、基準面３０８が形成される。基準面３０８は、ケース枠体３０４の一方側の面に形成される平坦な面である。基準面３０８は、シール面３０９と略平行に設けられる。基準面３０８は、当該基準面３０８の面内方向に対して垂直な方向から投影した場合に、基準面３０８の射影部とシール面３０９の射影部とが重なるように、形成される。基準面３０８とシール面３０９とは、ケース枠体３０４に対して両側に互いに対向して配置される関係となっている。このように、基準面３０８とシール面３０９とが垂直方向に重なっていることで、基準面３０８は、Ｏリング溝３１２に配置されるＯリングを押しつぶす荷重を受ける面として機能する。
　また、本実施例においては、放熱ベース３０７とケース枠体３０４との接合部は、シール面３０９と垂直方向に重なる基準面３０８内に設けられている。そのため、シール面３０９は、放熱ベース３０７をケース枠体３０４に接合する際の接合荷重を受ける面として機能する。シール面３０９は、後述する蓋３１３のような部材によりＯリング溝３１２との間にシール部材を保持するため、高い剛性で形成される。したがって、シール面３０９は、放熱ベース３０７の接合時の荷重をしっかり支えることができる。
　また、接合ツールを用いて放熱ベース３０７とケース枠体３０４とを接合する作業時においても、接続部近傍は、接続ツールと干渉する部分を設けず、平坦な基準面３０８となっているため、接合作業をしやすい。また、接合ツールとの干渉を回避するために過剰にスペースを設ける必要がなくなるため、パワー半導体モジュール全体の小型化、省面積化が達成できる。
　放熱ベース３０７は、フィン３０５ｂが形成されている領域と、その周囲に形成されるケース枠体３０４との接合部付近の領域とでは、部材の厚さを変更することができる。例えば、フィン３０５ｂが形成されている領域における放熱ベースの厚さに比べて、ケース枠体３０４との接合部付近の領域における放熱ベースの厚さを薄くすることで、放熱性や製造組立性、信頼性を高くすることができる。
　フィン３０５ａ及び３０５ｂは、電気伝導性を有する部材、例えばＣｕ、Ｃｕ合金、Ｃｕ－Ｃ、Ｃｕ－ＣｕＯなどの複合材、あるいはＡｌ、Ａｌ合金、ＡｌＳｉＣ、Ａｌ－Ｃなどの複合材などから形成されている。
　回路体３０２に用いる封止樹脂材３４８としては、例えばノボラック系、多官能系、ビフェニル系のエポキシ樹脂系を基とした樹脂を用いることができる。封止樹脂材３４８は、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ることで、熱膨張係数を導体部に近づけることができる。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。
　パワー半導体素子と導体部とを接合する金属接合剤は、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。
　図３は、パワー半導体モジュール３００を流路形成体４００に組み付ける工程を示す分解断面図である。流路形成体４００には、流路空間４０５と、流路空間４０５と繋がる流路開口４０３を有する。パワー半導体モジュール３００は、流路開口４０３を通って、流路空間４０５内に収納される。
　流路形成体４００は、流路空間４０５内に、モジュール受け面４０６が形成される。モジュール受け面４０６は、パワー半導体モジュール３００の基準面３０８と当接する。また、流路形成体４００は、モジュール受け面４０６よりも底部側に凹んでフィン３０５ｂが配置される空間を形成する。モジュール受け面４０６がフィン３０５ｂの形成領域の近傍まで形成されることで、流路形成体４００が、パワー半導体モジュール３００のフィン３０５ｂ間を流れる冷媒のバイパス流を抑制することができる。そのため、流路形成体４００の流路空間４０５の構造は、パワー半導体モジュール３００の特にフィン３０５ｂの形状に沿って設計することが好ましい。
　パワー半導体モジュール３００を収納した状態で、流路開口４０３は、蓋４１３によって塞がれる。蓋４１３は、流路形成体４００に形成されたＯリング溝４０４に配置されたＯリングによって、流路空間４０５を密閉する。蓋４１３は、パワー半導体モジュール３００に対し、シール面３０９や放熱部３０５ａが形成される側に配置される。放熱部３０５ａに形成されたフィン間と蓋４１３で囲まれた空間には、放熱部３０５ｂ側と同様に、冷媒が流通される。
　蓋４１３には、端子開口４１３Ａが形成される。パワー半導体モジュール３００の端子は、端子開口４１３Ａを貫通する。蓋４１３は、Ｏリング溝３１２に配置されるＯリングを挟んでパワー半導体モジュール３００を流路形成体４００側に押圧する。蓋４１３とＯリング溝３１２の間に挟持されたＯリングにより気密されるため、放熱部３０５ａの領域を流れる冷媒は、端子貫通孔３１１からパワー半導体モジュール３００内部に漏れない。
　蓋４１３により押圧されたパワー半導体モジュール３００は、流路形成体４０６のモジュール受け面４０６によって支持される。このように、パワー半導体モジュール３００は、流路形成体４００と蓋４１３によって挟まれる形で押圧固定される。本実施形態のパワー半導体モジュールの構成によれば、蓋４１３側のシール構造と、基準面３０８とモジュール受け面４０６との当接面での固定配置構造と、を同時に実現することができる。したがって、電力変換装置全体の体格小型化を達成することができる。
　図４は、図３の流路構造を適用した電力変換装置２９９の構成例を示す断面図である。電力変換装置２９９は、冷却流路が一体で形成された筐体である流路形成体４００と、モールドバスバー７００と、パワー半導体モジュール３００と、コンデンサモジュール５００と、制御基板２００と、を備える。筐体を兼ねた流路形成体４００には、パワー半導体モジュール３００を挿入するための開口と、コンデンサモジュール５００を挿入するための開口とを有する。
　モールドバスバー７００は、直流バスバー７１０及び交流バスバー７０９を絶縁性を有する樹脂材により封止したものである。直流バスバー７１０は、コンデンサモジュール５００とパワー半導体モジュール３００を電気的に接続する。直流バスバー７１０は、正極側のバスバーと負極側のバスバーを積層させた構造である。互いに逆極性の電流が正負極バスバーに流れ、磁界打消し効果による低インダクタンス化を図っている。
　モールドバスバー７００は、蓋４１３を挟んでパワー半導体モジュール３００と対向して配置される。モールドバスバー７００は、コンデンサモジュール５００及びパワー半導体モジュール３００に対して同じ側に配置される。
　本実施形態の電力変換装置は、筐体を兼ねた流路形成体４００により、パワー半導体モジュール３００とコンデンサモジュール５００を同時に冷却することが可能である。また、流路形成体４００に直接モールドバスバー７００を設置することで、モールドバスバー７００の冷却も可能である。また、パワー半導体モジュール３００とコンデンサモジュール５００とは、同一階層に配置されるため、電力変換装置の低背化が達成できる。
　図５（ａ）～図５（ｃ）を用いて、第二の実施例におけるパワー半導体モジュール３００及び電力変換装置２９９を説明する。共通する構成要素については、実施例１と同じ符号であり、詳細な説明を省略する。
　図５（ａ）は、パワー半導体モジュール３００の分解斜視図である。図５（ｂ）は、分解断面図である。図５（ｃ）は、流路形成体４００との組立工程を示す断面図である。実施例１に示した構造と異なる点は、ケース枠体３０４に端子貫通孔３１１を２箇所を設け、放熱部３０５ａを挟んで両側からモジュール端子が突出する構造とした点である。
　図５（ａ）に示されるように、直流電流を流す正極側端子３１５Ｄ及び負極側端子３１９Ｄは、パワー半導体モジュール３００の一方側から突出し、交流電流を流す交流端子３２０Ｄは、他方側から突出する。例えば、パワー半導体モジュール３００に対してコンデンサモジュール５００が配置される側に、正極側端子３１５Ｄ及び負極側端子３１９Ｄを配置することで、配線インダクタンスの低減を図ることができる。
　また、端子貫通孔３１１を２箇所設けたことに伴い、Ｏリング溝３１２も２箇所形成される。さらに、蓋４１３の端子開口４１３Ａも２箇所形成される。シール面３０９は、放熱部３０５ａの両側に形成される。
　また、本実施例で用いられる蓋４１３には、フィン３０５ａの突出長さに対応して、フィン３０５ａ側に凹部が形成されている。凹部をフィン３０５ａの形状に合わせて設計することにより、フィン先端やフィン側部を流れるバイパス流を抑制することができる。これにより、冷却性能が向上し、パワー半導体モジュールの小型化が可能である。
　本実施例のパワー半導体モジュール及び当該パワー半導体モジュールを用いた電力変換装置によれば、パワーモジュール端子を放熱部の両側から出力する構造となっているため、端子貫通孔の寸法やパワーモジュール端子の配置自由度を向上することができる。これにより、電力変換装置全体の小型・低背化や、配線インダクタンスの低減、信号端子と直流端子間の磁気的結合の抑制といった効果を達成することが可能となる。
　１３８　　直流コネクタ
　１４０　　インバータ装置
　１４４　　インバータ回路
　１５０　　上下アーム直列回路
　１５３　　コレクタ電極
　１５４　　ゲート電極
　１５５　　信号用エミッタ電極
　１５６　　ダイオード（上アーム）
　１５７　　正極端子（Ｐ端子）
　１５８　　負極端子（Ｎ端子）
　１５９　　交流端子
　１６３　　コレクタ電極
　１６４　　ゲート電極
　１６５　　信号用エミッタ電極
　１６６　　ダイオード（下アーム）
　１６９　　中間電極
　１８６　　交流電力線（交流バスバー）
　１８８　　交流コネクタ
　１９２　　モータジェネレータ
　２００　　制御基板
　３００　　パワー半導体モジュール
　３０２　　回路体
　３０４　　ケース枠体
　３０５ａ　放熱部（フィン）
　３０５ｂ　放熱部（フィン）
　３０６　　収納空間
　３０７　　放熱ベース
　３０８　　基準面
　３０９　　シール面
　３１１　　端子貫通孔（第１開口）
　３１２　　Ｏリング溝
　３１４　　直流正極端子
　３１５　　導体部
　３１５Ｄ　正極側端子
　３１６　　直流負極端子
　３１８　　導体部
　３１９　　導体部
　３１９Ｄ　負極側端子
　３２０　　導体部
　３２０Ｄ　交流端子
　３２７Ｌ　信号接続端子
　３２７Ｕ　信号接続端子
　３２８　　ＩＧＢＴ（上アーム）
　３３０　　ＩＧＢＴ（下アーム）
　３３３　　絶縁材料
　３４８　　樹脂封止材
　４００　　流路形成体
　４０３　　流路開口
　４０４　　Ｏリング溝
　４０５　　流路空間
　４０６　　モジュール受け面
　４１３　　蓋
　４１３Ａ　端子開口
　４５０　　筐体蓋
　５００　　コンデンサモジュール
　５０４　　負極側コンデンサ端子
　５０６　　正極側コンデンサ端子
　７００　　モールドバスバー
　７０９　　交流バスバー
　７１０　　直流バスバー

Claims (5)

  1. 　パワー半導体素子及び端子を有する回路体と、
    　前記回路体を収納する収納空間を形成するケースと、を備えたパワー半導体モジュールであって、
    　前記ケースは、前記収納空間と対向して配置される第１放熱部と、前記収納空間を挟んで前記第１放熱部と対向して配置される第２放熱部と、前記第１放熱部の側部に配置されるとともに前記端子を貫通させる第１開口と、前記第１開口を囲んで形成されるシール面と、前記第２放熱部の側部に配置される基準面と、を有し、
    　前記基準面は、前記基準面の垂直方向から投影した場合に、当該基準面の射影部と前記シール面の射影部とが重なるように、前記ケースの前記シール面が配置される面とは反対側の面に形成されるパワー半導体モジュール。
  2. 　請求項１に記載のパワー半導体モジュールであって、
    　前記ケースは、開口部を有するケース枠体と、金属製の放熱ベースと、を有し、
    　前記ケース枠体の開口部は、前記放熱ベースによって塞がれ、
    　前記放熱ベースは、前記ケースの前記第２放熱部を形成し、
    　前記ケース枠体と前記放熱ベースの接合部は、前記基準面に形成されるパワー半導体モジュール。
  3. 　請求項１又は２のいずれかに記載のパワー半導体モジュールと、
    　冷媒を流す流路空間と、当該流路空間に繋がる流路開口を形成する流路形成体と、
    　前記流路開口を塞ぐ蓋と、を備え、
    　前記パワー半導体モジュールは、前記流路空間内に配置され、
    　前記蓋は、前記シール面及び前記第１放熱部を覆うようにして、前記流路開口を塞ぎ、
    　前記流路形成体は、前記パワー半導体モジュールの前記基準面と当接する受け面を有する電力変換装置。
  4. 　請求項３に記載の電力変換装置であって、
    　前記端子は、直流を伝達する直流端子と、交流を伝達する交流端子と、を有し、
    　前記第１開口は、前記直流端子及び前記交流端子が貫通されるパワー半導体モジュール
  5. 　請求項４に記載のパワー半導体モジュールであって、
    　前記端子は、直流を伝達する直流端子と、交流を伝達する交流端子と、を有し、
    　前記ケースは、前記第１放熱部を挟んで前記第１開口とは反対側に配置される第２開口を有し、
    　前記第１開口は、前記直流端子が貫通され、
    　前記第２開口は、前記直流端子が貫通されるパワー半導体モジュール。
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