JP2010258315A - パワーモジュール及び電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明が解決しようとする課題は、パワーモジュール及びこれを備えた電力変換装置の絶縁信頼性を向上させることである。
【解決手段】上記課題を解決するために、本発明に係るパワーモジュールは、スイッチング動作によって直流電流を交流電流に変換させるための半導体素子と、一方の主面に前記半導体素子を配置する配線導体板と、前記配線導体板の他方の主面側に配置される樹脂製絶縁層と、前記樹脂製絶縁層を介して前記配線導体板とは反対側に配置され、かつ当該樹脂製絶縁層と接合するための無機層と、前記無機層を介して前記樹脂製絶縁層とは反対側に配置される前記無機絶縁層と、前記無機絶縁層を介して前記無機層とは反対側に配置される金属製放熱部材と、を備える。
【選択図】 図５

Description

本発明は、インバータ回路を内蔵するパワーモジュールと、これを備えた電力変換装置に関するものである。

従来の両面冷却型パワーモジュールは、内蔵するパワー半導体素子の電極が形成されている一方の主面に電気配線と絶縁層と冷却器を備え、他方の主面にも同様に電気配線と絶縁層と冷却器を備える。また、前述の冷却器には、パワー半導体素子の配置面とは反対側の面に放熱ベースとフィンが形成され、内部空間は樹脂材料にて封止されており、冷却水路が形成された水路筺体に挿入及び浸漬して当該フィンに冷却媒体を直接接触させ、パワー半導体の発生熱を、前述の両主面から冷却器を介して放熱させることで冷却性能と生産性を向上させた構造が特許文献１から３に開示されている。

パワー半導体の一方の主面に電気配線と絶縁層と冷却器を備えて片面から放熱する片面冷却型パワーモジュールにおいて、電気配線と冷却器を絶縁性接着剤で接着し、絶縁性接着剤と冷却器の界面には無機絶縁層を形成し、絶縁性接着剤と無機絶縁層の２種の絶縁材料によって絶縁性能を向上したパワーモジュールが特許文献１に開示されている。

従来の電力変換装置では、パワーモジュールの冷却器上部に実装されるパワー半導体が発熱するため、冷却器に放熱ベース及びフィン部を設け直接冷却媒体をフィン部に流し冷却する構造が必要であった。しかし、電気自動車などの普及には更なる高出力化と電力変換装置の小形化が必要である。高出力化と小形化を実現するには冷却性能の向上が必要であり、大きなパワー半導体を用いることで冷却面を拡大し熱抵抗を下げる必要がある。パワー半導体を大型化することで放熱面積を増大させ冷却媒体に対する熱抵抗を低減できるが、パワー半導体の大型化に伴い電力変換装置が大型化し、同時に生産性も悪化させていた。生産性を向上させる手段として、絶縁材料を、従来から使用されているセラミックから接着性の樹脂絶縁材料に変更することでろう付け工程を省略する方式がある。しかし、樹脂絶縁材料は、素材自体の絶縁性能がセラミックに比べて劣ること、冷却器との接着性や外界からの冷却媒体や水分の浸透が絶縁性能に影響するため、高い信頼性を要求される車載分野では課題である。

特許文献１乃至３に開示されている構造では、各絶縁層が樹脂材料に代表される有機系の絶縁材料で電気配線と冷却器の間に介在する構造であり、使用環境の温度変化に伴う機械的ストレスとその他複合的なストレスによる絶縁劣化の課題がある。

特許文献４構造では、パワー半導体の放熱面が片方のみであり冷却性能が低いという課題がある。また、冷却媒体に対する内部電子部品のシールの記載が無い。冷却媒体が浸透すると、絶縁性接着剤の接着力や絶縁性接着剤及び無機絶縁層自体の絶縁性能が劣化し、結果的に絶縁基板の絶縁性能が維持できなくなる。これは、高い信頼性を要求される車載分野では課題である。特に絶縁性接着剤が樹脂に代表される有機材料に対して重要である。

特開２００５−５７２１２号公報 特開２００７−５３２９５号公報 特開２００８−１９３８６７号公報 特開２００５−１５９０４８号公報

本発明が解決しようとする課題は、パワーモジュール及びこれを備えた電力変換装置の絶縁信頼性を向上させることである。

本発明に係るパワーモジュールは、スイッチング動作によって直流電流を交流電流に変換させるための半導体素子と、一方の主面に前記半導体素子を配置する配線導体板と、前記配線導体板の他方の主面側に配置される樹脂製絶縁層と、前記樹脂製絶縁層を介して前記配線導体板とは反対側に配置され、かつ当該樹脂製絶縁層と接合するための無機層と、前記無機層を介して前記樹脂製絶縁層とは反対側に配置される前記無機絶縁層と、前記無機絶縁層を介して前記無機層とは反対側に配置される金属製放熱部材と、を備える。

本発明により、パワーモジュール及びこれを備えた電力変換装置の絶縁信頼性を向上させることができる。

ハイブリッド自動車の制御ブロックを示す図である。 電力変換装置２００の回路構成を説明する図である。 本発明の実施形態に係る電力変換装置の外観斜視図である。 パワーモジュール３００の分解断面図である。 パワーモジュール３００の分解斜視図である。 パワーモジュール３００のスイッチング素子の配置及び電流の流れを説明した分解斜視図である。 パワーモジュール３００に内蔵される上下アーム直列回路である。 絶縁シート３３３と各電気配線板との接着界面、及び絶縁シート３３３とＣＡＮ型冷却器３０４の内部平面３０８との接着界面の詳細断面図である。 有機酸系アルマイト層６０１Ｂの厚みと絶縁耐圧の関係を示す実測データを示す図である。 絶縁シート３３３から有機酸系アルマイト層６０１Ｂまでの絶縁耐圧の実測データを示す図である。 絶縁シート３３３を備えたモジュール一次封止体３００ＡをＣＡＮ型冷却器３０４に接着する熱圧着工程を説明する図である。 図８（３）に示された、真空高温下における絶縁シート３３３とＣＡＮ型冷却器３０４の内部平面３０８との接着工程の詳細を説明した図である。 パワーモジュール３００を筺体１２へ組み付る工程を説明した図である。 （ａ）は、他の実施例に係るパワーモジュール３００の断面図であり、（ｂ）は、他の実施例に係るパワーモジュール３００の分解断面図である。 （ａ）乃至（ｄ）は、パワーモジュール３００におけるアルミ絶縁板３４０と各電気配線板及びＣＡＮ型冷却器３０４との接着界面の詳細断面図である。 本発明の実施形態に係る電力変換装置２００の外観斜視図を示す。 本発明の実施形態に係る電力変換装置の断面図である。 冷却ジャケット１９Ａを有する筐体１２のアルミ鋳造品に冷却水入口配管と出口配管を取り付けた断面斜視図である。 （ａ）は、他の実施例に係るパワーモジュール３００の断面図であり、（ｂ）は、他の実施例に係るパワーモジュール３００の組立時の断面図である。 （ａ）は、他の実施例に係るパワーモジュール３００の断面図であり、（ｂ）は、他の実施例に係るパワーモジュール３００の組立時の断面図である。

本発明の実施形態に係る両面冷却型パワーモジュールとこれを用いた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。

ここでは、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に適用した場合の、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。

本発明の実施形態に係る両面冷却型パワーモジュールとこれを用いた電力変換装置では、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、運転モードに応じて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される。

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に対しても適用可能である。例えば、電車や船舶，航空機などの電力変換装置や、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、あるいは、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１において、ハイブリッド電気自動車（以下、「ＨＥＶ」と記述する）１１０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１２０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ＨＥＶ１１０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ＭＧ１ １９２，ＭＧ２ １９４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ＨＥＶ１１０の駆動源およびＨＥＶ１１０の電力発生源として用いられる。モータジェネレータＭＧ１ １９２，ＭＧ２ １９４は例えば同期機あるいは誘導機であり、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１１４が回転可能に軸支されている。前輪車軸１１４の両端には一対の前輪１１２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一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１１２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１１４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）１１６が設けられている。前輪車軸１１４は、前輪側ＤＥＦ１１６の出力側に機械的に接続されている。前輪側ＤＥＦ１１６の入力側には、変速機１１８の出力軸が機械的に接続されている。前輪側ＤＥＦ１１６は、変速機１１８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１１４に分配する差動式動力分配機構である。変速機１１８の入力側には、モータジェネレータ１９２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１９２の入力側には、動力分配機構１２２を介してエンジン１２０の出力側およびモータジェネレータ１９４の出力側が機械的に接続されている。なお、モータジェネレータ１９２，１９４および動力分配機構１２２は、変速機１１８の筐体の内部に収納されている。

モータジェネレータ１９２，１９４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回路部１４０，１４２によって制御されることにより、モータジェネレータ１９２，１９４の駆動が制御される。インバータ回路部１４０，１４２にはバッテリ１３６が接続されており、バッテリ１３６とインバータ回路部１４０，１４２との間において電力の授受が可能である。

本実施形態では、ＨＥＶ１１０は、モータジェネレータ１９２およびインバータ回路部１４０からなる第１電動発電ユニットと、モータジェネレータ１９４およびインバータ回路部１４２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１２０からの動力によって車両を駆動している状況において、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１２０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、同様の状況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１２０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１３６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１９２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電動発電ユニットまたは第２電動発電ユニットを、発電ユニットとしてエンジン１２０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。

バッテリ１３６は、さらに補機用のモータ１９５を駆動するための電源としても使用される。補機としては、たとえばエアコンディショナーのコンプレッサを駆動するモータ、あるいは制御用の油圧ポンプを駆動するモータがあり、バッテリ１３６からインバータ装置４３に供給された直流電力は補機用の変換機４３で交流の電力に変換され、モータ１９５に供給される。補機用の変換機４３はインバータ回路部１４０，１４２と同様の機能を持ち、モータ１９５に供給する交流の位相や周波数，電力を制御する。たとえば、モータ１９５の回転子の回転に対し進み位相の交流電力を供給することにより、モータ１９５はトルクを発生する。一方、遅れ位相の交流電力を発生することで、モータ１９５は発電機として作用し、モータ１９５は回生制動状態の運転となる。このような補機用の変換機４３の制御機能は、インバータ回路部１４０，１４２の制御機能と同様である。モータ１９５の容量がモータジェネレータ１９２，１９４の容量より小さいので、補機用の変換機４３の最大変換電力はインバータ回路部１４０，１４２より小さいが、補機用の変換機４３の回路構成は基本的にインバータ回路部１４０，１４２の回路構成と同じである。

インバータ回路部１４０，１４２および４３とコンデンサモジュール５００とは、電気的に密接な関係にある。さらに発熱に対する対策が必要な点が共通している。また装置の体積をできるだけ小さく作ることが望まれている。これらの点から以下で詳述する電力変換装置２００は、インバータ回路部１４０，１４２および４３とコンデンサモジュール５００とを電力変換装置２００の筐体内に内蔵している。この構成により、ハーネスの数を低減できると共に放射ノイズなどを低減しながら小型で信頼性の高い電力変換装置が実現できる。

また、インバータ回路部１４０，１４２および４３とコンデンサモジュール５００とを一つの筐体に内蔵することで、配線の簡素化やノイズ対策において効果がある。また、コンデンサモジュール５００とインバータ回路部１４０，１４２および４３との接続回路のインダクタンスを低減でき、スパイク電圧を低減できると共に、発熱の低減や放熱効率の向上を図ることができる。

次に、図２を用いて電力変換装置２００の回路構成について説明する。図１に示したように、電力変換装置２００は、インバータ回路部１４０，１４２と、補機用の変換装置４３と、コンデンサモジュール５００とを備えている。

インバータ回路部１４０，１４２は両面冷却型のパワーモジュール３００を複数台接続して構成され３相ブリッジ回路を構成している。後述するように、各パワーモジュールは、スイッチング用パワー半導体素子とその接続配線や図３の３０４に示すような開口部を有し、開口面を除いて囲まれた缶状形状の放熱ベース３０４（以下、「ＣＡＮ型冷却器」という）等を備えている。このＣＡＮ型冷却器３０４は、対向した放熱ベースの周囲を覆うように、両放熱ベースと連続して繋ぎ目の無い同一材質で構成した外壁を持ち、外壁の一部に開口部が用意され、開口部にパワー半導体素子を収納する冷却器である。また、補機用の変換機４３はインバータ装置や昇圧及び降圧回路を構成している。

各インバータ回路部１４０，１４２は、制御部に設けられた２つのドライバ回路によって、それぞれ駆動制御される。図２では、２つのドライバ回路を合わせてドライバ回路１７４と表示している。各ドライバ回路は制御回路１７２により制御される。制御回路１７２は、スイッチング用パワー半導体素子のスイッチングタイミングを制御するためのスイッチング信号を生成する。

インバータ回路部１４０は３相ブリッジ回路により構成されており、Ｕ相（符号Ｕ１で示す），Ｖ相（符号Ｖ１で示す），Ｗ相（符号Ｗ１で示す）のそれぞれに対して、正極側に接続される上アーム回路と、負極側に接続される下アーム回路とを備えている。上アーム回路と下アーム回路とで上下アーム直列回路構成される。上アーム回路は、スイッチング用のパワー半導体素子である上アームＩＧＢＴ３２８（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）と上アームダイオード１５６とを備えている。下アーム回路は、下アームＩＧＢＴ３３０と下アームダイオード１６６とを備えている。各上下アーム直列回路は、直流正極端子３１５と直流負極端子３１７と交流端子７０６でコンデンサモジュール５００及びモータジェネレータ１９２，１９４と電気的に接続される。

ＩＧＢＴ３２８，３３０は、ドライバ回路１７４のうち一方のドライバ回路１７４Ａから出力された駆動信号を受けて動作し、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する。この変換された電力はモータジェネレータ１９２の電機子巻線に供給される。なお、Ｖ相およびＷ相については、符号３２８，３３０，１５６，１６６の表示を省略した。インバータ回路部１４２のパワーモジュール３００は、インバータ回路部１４０の場合と同様の構成であり、また、補機用の変換機４３はインバータ回路部１４２と同様の構成を有しており、ここでは説明を省略する。

本実施形態では、スイッチング用のパワー半導体素子として上アームＩＧＢＴ３２８，下アームＩＧＢＴ３３０を用いて例示している。上アームＩＧＢＴ３２８，下アームＩＧＢＴ３３０は、コレクタ電極，エミッタ電極（信号用エミッタ電極端子），ゲート電極（ゲート電極端子）を備えている。上アームＩＧＢＴ３２８，下アームＩＧＢＴ３３０のコレクタ電極とエミッタ電極との間には上アームダイオード１５６，下アームダイオード１６６が図示するように電気的に接続されている。上アームダイオード１５６，下アームダイオード１６６は、カソード電極およびアノード電極の２つの電極を備えており、上アームＩＧＢＴ３２８，下アームＩＧＢＴ３３０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、カソード電極が上アームＩＧＢＴ３２８，下アームＩＧＢＴ３３０のコレクタ電極に、アノード電極が上アームＩＧＢＴ３２８，下アームＩＧＢＴ３３０のエミッタ電極にそれぞれ電気的に接続されている。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、この場合は上アームダイオード１５６，下アームダイオード１６６は不要となる。

制御回路１７２は、車両側の制御装置やセンサ（例えば、電流センサ１８０）などからの入力情報に基づいて、上アームＩＧＢＴ３２８，下アームＩＧＢＴ３３０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。ドライバ回路１７４は、制御回路１７２から出力されたタイミング信号に基づいて、上アームＩＧＢＴ３２８，下アームＩＧＢＴ３３０をスイッチング動作させるための駆動信号を生成する。

制御回路１７２は、上アームＩＧＢＴ３２８，下アーム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。マイコンには、モータジェネレータ１９２に対して要求される目標トルク値、上下アーム直列回路からモータジェネレータ１９２の電機子巻線に供給される電流値、およびモータジェネレータ１９２の回転子の磁極位置が、入力情報として入力される。目標トルク値は、図示していない、上位の制御装置から出力された指令信号に基づくものである。電流値は、電流センサ１８０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１９２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１９２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する。さらにマイコンは、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、これをドライブ信号として、対応する下アームＩＧＢＴ３３０のゲート電極に出力する。一方、上アームを駆動する場合には、ドライバ回路１７４は、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ＩＧＢＴ３２８のゲート電極にそれぞれ出力する。これにより、上アームＩＧＢＴ３２８，下アームＩＧＢＴ３３０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を保護している。このため、制御部にはセンシング情報が入力されている。たとえば、各アームの信号用エミッタ電極端子からは上アームＩＧＢＴ３２８，下アームＩＧＢＴ３３０のエミッタ電極に流れる電流の情報が、対応するドライバ回路１７４に入力されている。これにより、ドライバ回路１７４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上アームＩＧＢＴ３２８，下アームＩＧＢＴ３３０のスイッチング動作を停止させ、対応する上アームＩＧＢＴ３２８，下アームＩＧＢＴ３３０を過電流から保護する。上下アーム直列回路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の直流正極側の電圧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、過温度或いは過電圧が検知された場合には全ての上アームＩＧＢＴ３２８，下アームＩＧＢＴ３３０のスイッチング動作を停止させ、上下アーム直列回路を過温度或いは過電圧から保護する。

インバータ回路部１４０の上アームＩＧＢＴ３２８，下アームＩＧＢＴ３３０の導通および遮断動作が一定の順で切り替わり、この切り替わり時にモータジェネレータ１９２の固定子巻線に発生する電流は、ダイオード１５６，１６６を含む回路を流れる。なお、本実施形態の電力変換装置２００では、インバータ回路部１４０の各相に１つの上下アーム直列回路を設けたが、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並列接続するようにした回路構成の電力変換装置であってもよい。

各インバータ回路部１４０，１４２に設けられた直流端子３１３は、共通の積層導体板７００に接続されている。積層導体板７００は、パワーモジュール配列方向に幅広な導電性板材から成る正極側導体板７０２と負極側導体板７０４とで絶縁シート（不図示）を挟持した、３層構造の積層配線板を構成している。積層導体板７００の正極側導体板７０２および負極側導体板７０４は、コンデンサモジュール５００に設けられた積層配線板５０１の正極導体板５０７および負極導体板５０５にそれぞれ接続されている。正極導体板５０７および負極導体板５０５もパワーモジュール配列方向に幅広な導電性板材から成り、絶縁シート５１７（不図示）を挟持した３層構造の積層配線板を構成している。

コンデンサモジュール５００には複数のコンデンサセル５１４が並列接続されており、コンデンサセル５１４の正極側が正極導体板５０７に接続され、負極側が負極導体板５０５に接続されている。コンデンサモジュール５００は、上アームＩＧＢＴ３２８，下アームＩＧＢＴ３３０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ための平滑回路を構成している。

コンデンサモジュール５００の積層配線板５０１は、電力変換装置２００の直流コネクタに接続された入力積層配線板２３０に接続されている。入力積層配線板２３０には、補機用の変換機４３にあるインバータ装置も接続されている。入力積層配線板２３０と積層配線板５０１との間には、ノイズフィルタが設けられている。ノイズフィルタには、筐体１２の接地端子と各直流電力ラインとを接続する２つコンデンサを備えていて、コモンモードノイズ対策用のＹコンデンサを構成している。

図３乃至図１０を用いてインバータ回路部１４０，１４２を構成するパワーモジュール３００の詳細構成を説明する。

図３（ａ）は、本実施形態のパワーモジュール３００の断面図であり、図３（ｂ）は、本実施形態のパワーモジュール３００の斜視図である。図４（ａ）は、パワーモジュール３００の分解断面図であり、図４（ｂ）は、パワーモジュール３００の分解斜視図である。図４（ｃ）は、パワーモジュール３００のスイッチング素子の配置及び電流の流れを説明した分解斜視図である。図４（ｄ）は、パワーモジュール３００に内蔵される上下アーム直列回路である。

ＣＡＮ型冷却器３０４は、アルミ合金材料例えばＡｌ，ＡｌＳｉ，ＡｌＳｉＣ，Ａｌ−Ｃ等から構成され、かつつなぎ目の無いＣＡＮ型の形状を為す。ここで、ＣＡＮ型とは、所定の一面に挿入口３０６を備え、かつ有底の直方体形状を指す。

図４（ａ）に示されるように、モジュール一次封止体３００Ａは、上下アーム回路を内蔵し、かつ当該上下アーム回路を第一封止樹脂３５０により封止する。絶縁シート３３３は、モジュール一次封止体３００Ａの表裏面とＣＡＮ型冷却器３０４との間に挿入される。直流正極端子３１５と直流負極端子３１７は、その主面が互いに対向するように設けられ、かつコンデンサモジュール５００側に電気的に接続される。信号端子３２０Ｕは、上アームＩＧＢＴ３２８を駆動するための信号を伝達する。信号端子３２０Ｌは、下アームＩＧＢＴ３３０を駆動するための信号を伝達する。上アームＩＧＢＴ３２８と下アームＩＧＢＴ３３０はモジュール一次封止体３００Ａ内において離れて配置されているため、信号端子３２０Ｕ，３２０Ｌは、当該ＩＧＢＴの配置に応じて離れて配置される。交流端子７０６は、モータジェネレータ１９２，１９４側に電気的に接続され、かつ信号端子３２０Ｕと直流正極端子３１５との間に配置される。直流正極端子３１５，直流負極端子３１７，信号端子３２０Ｕ，３２０Ｌは、ＣＡＮ型冷却器３０４内部から挿入口３０６を介してＣＡＮ型冷却器３０４外部に突出する。ＣＡＮ型冷却器３０４はフランジ３０４Ｂを有する。当該フランジ３０４Ｂは、挿入口３０６が形成される。

ＣＡＮ型冷却器３０４は、挿入口３０６以外に開口を設けない構造である。これにより、ＣＡＮ型冷却器３０４を冷却媒体が流れる流路内に挿入しても、開口から端子を突出させることができるとともに、簡易な構成で冷却媒体がＣＡＮ型冷却器３０４内部に侵入することを防ぐことができる。

ＣＡＮ型冷却器３０４が備える対向した放熱ベース３０７の外壁にフィン３０５が形成される。また、ＣＡＮ型冷却器３０４は、対向した放熱ベース３０７を繋ぐための湾曲部３０４Ａを有する。湾曲部３０４Ａは、放熱ベース３０７と連設するように繋ぎ目の無い同一材質で構成され、かつ放熱ベース３０７の外周を取り囲む様に形成される。例えば、生産性を向上させるために、ＣＡＮ型冷却器３０４は、放熱ベース３０７と湾曲部３０４Ａを一体成型させる。また、放熱ベース３０７と湾曲部３０４Ａは、溶接による接合や接着剤による接着でもよい。なお、湾曲部３０４Ａの厚みは、放熱ベース３０７の厚みに比べて小さくなっており、湾曲部３０４Ａ自体が変形し易い構造となっているので、モジュール一次封止体３００Ａが挿入された後の生産性が向上する。

図４（ｃ）に示される直流正極配線板３１４は、上アームＩＧＢＴ３２８のコレクタ側及び上アームダイオード１５６のカソード側と金属接合材料３３７によって固着される。図４（ｃ）に示される第一交流配線板７０５Ａは、上アームＩＧＢＴ３２８のエミッタ側及び上アームダイオード１５６のアノード側と金属接合材料３３７によって固着される。なお、本実施形態においては、金属接合材料３３７は、はんだ材や銀シート及び微細金属粒子を含んだ低温焼結接合材が用いられる。直流正極配線板３１４と第一交流配線板７０５Ａは、上アームＩＧＢＴ３２８及び上アームダイオード１５６を挟んで略平行に対向して配置される。

図４（ｃ）に示される第二交流配線板７０５Ｂは、下アームＩＧＢＴ３３０のコレクタ側及び下アームダイオード１６６のカソード側と、金属接合材料３３７によって固着される。図４（ｃ）に示される直流負極配線板３１６は、下アームＩＧＢＴ３３０のエミッタ側及び下アームダイオード１６６のアノード側と、金属接合材料３３７によって固着される。第二交流配線板７０５Ｂと負極配線板３１６は、下アームＩＧＢＴ３３０及び下アームダイオード１６６を挟んで略平行に対向して配置される。

第一交流配線板７０５Ａは、直流正極配線板３１４と対向することなく、克下アームＩＧＢＴ３３０側に伸びている部分配線板７０５Ａ１を有する。同様に、第二交流配線板７０５Ｂは、直流負極配線板３１６と対向することなく、かつ上アームＩＧＢＴ３２８側に伸びる部分配線板７０５Ｂ１を有する。部分配線板７０５Ａ１と部分配線板７０５Ｂ１は、互いに対向するように構成され、かつ中間金属板３７０を介して金属接合材料３３７で固着される。上アームＩＧＢＴ３２８及び下アームＩＧＢＴ３３０に設けられた信号電極は、ワイヤボンディング（不図示）により信号配線板３２０Ｕ，３２０Ｌと電気的に接続される。

次に、本実施形態に関するパワーモジュール３００の配線インダクタンス低減化について、図４（ｃ）及び図４（ｄ）を用いて説明する。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３９０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１６６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１６６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１６６に流れる電流であり、ダイオード１６６の順方向状態でダイオード１６６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７０６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上アームＩＧＢＴ３２８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１９２及び１９４（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１６６を介して還流電流が流れる。この還流電流はダイオード１６６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ＩＧＢＴ３２８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１６６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４（ｃ）及び図４（ｄ）で上下アーム直列回路の上アームＩＧＢＴ３２８がオフからオンに変化したとき、直流正極端子３１５から上アームＩＧＢＴ３２８，ダイオード１６６を通って直流負極端子３１７にダイオード１６６のリカバリ電流が流れる（図に矢印で示す）。なお、このとき、下アームＩＧＢＴ３３０は遮断状態にある。このリカバリ電流の流れをみると、図４（ｃ）に示すように、直流正極端子３１５と上アームＩＧＢＴ３２８とダイオード１６６から直流負極端子３１７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、直流正極端子３１５と直流負極端子３１７が接近して対向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。

さらに、図４（ｃ）に示すリカバリ電流の経路をみると、逆方向且つ平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、放熱ベース３０７には渦電流３９２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。なお、リカバリ電流の経路がループ形状に近ければ近いほど、このインダクタンス低減作用が増大する。本実施形態においては、直流正極端子３１５と直流負極端子３１７がラミネート状態であるため、電流の流れの始点と終点が一致する。また、上アームＩＧＢＴ３２８は、中間金属板３７０とダイオード１６６よりも上部に配置されている。これらによって、リカバリ電流の経路がループ形状に近づき、インダクタンス低減作用を増大させることができる。

以上のように、本実施形態に関するパワー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、本実施形態のパワーモジュールでは、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、パワー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。

図４（ｂ）に示される伝熱面３３４は、直流正極配線板３１４，直流負極配線板３１６，第一交流配線板７０５Ａ及び第二交流配線板７０５Ｂのパワー半導体素子との固着面とは反対側の面に形成される。図４（ｂ）に示される第一封止樹脂の平坦部３３８は、前述の伝熱面３３４と略同一面となるように構成される。圧着面３３９は、伝熱面３３４と平坦部３３８とで構成され、絶縁シート３３３が熱圧着により接着される。このように伝熱面３３４と平坦部３３８を略同一面となるように構成することにより、第一封止樹脂３５０と絶縁シート３３３との接着力を低下させず、かつ伝熱抵抗の増大を抑えることができる。なお、圧着面３３９は、モジュール一次封止体３００Ａの表面と裏面の両方に形成される。

絶縁シート３３３を備えたモジュール一次封止体３００Ａは、絶縁シート３３３とＣＡＮ型冷却器３０４の内部平面３０８が対向するように配置される。なお、ＣＡＮ型冷却器３０４の内部平面３０８は、少なくとも絶縁シート３３３と対向する面にアルマイト処理が施されている。ここで、絶縁シート３３３は、接着性を有し、エポキシ樹脂に熱伝導性のフィラーを混ぜ合わせた薄い絶縁シートである。また、絶縁シート３３３は、フィラー量の異なる複数の絶縁シートを組み合わせた構造のものでも良い。

そして、モジュール一次封止体３００ＡがＣＡＮ型冷却器３０４の対向した放熱ベース３０７によって挟まれるように、ＣＡＮ型冷却器３０４の放熱ベース３０７が押圧される。絶縁シート３３３とアルマイト処理された内部平面３０８が接触した状態で、パワーモジュール３００は真空下に置かれ、絶縁シート３３３と内部平面３０８が熱圧着されて接着される。これにより、絶縁シート３３３は樹脂絶縁層として機能する。また、発熱源であるパワー半導体素子と放熱ベース３０７との間は、金属接合材３３７，直流正極配線板３１４又は直流負極配線板３１６，絶縁シート３３３を介するのみであり、高熱抵抗であるグリース等を介することがない。このため、パワー半導体素子の放熱性を大幅に向上させることができる。よって、素子に大電流を流すことができるとともに、素子の大型化を抑制できる。したがって、パワーモジュール３００及び電力変換装置の小型化を促進することができる。

図５（ａ）乃至（ｃ）は、絶縁シート３３３と各電気配線板との接着界面、及び絶縁シート３３３とＣＡＮ型冷却器３０４の内部平面３０８との接着界面の詳細断面図である。

図５（ｂ）は、図５（ａ）のＢ部を拡大した詳細断面図である。図４（ｂ）に示された各電気配線板の伝熱面３３４は粗化処理層６００が形成されている。このため、伝熱面３３４と絶縁シート３３３との接着界面は接着力が増大している。なお、直流正極配線板３１４，直流負極配線板３１６，第一交流配線板７０５Ａ，第二交流配線板７０５ＢがＣｕ合金により構成される場合には、粗化処理層６００は一般的な粗化処理か黒化処理等の酸化処理が適当である。

一方、直流正極配線板３１４，直流負極配線板３１６，第一交流配線板７０５Ａ，第二交流配線板７０５ＢがＡｌ合金により構成される場合には、一般的な粗化処理又は無機酸系アルマイト処理等による孔径の大きい酸化処理が適当である。これにより、絶縁シート３３３を熱圧着する際に、溶け出した絶縁シート３３３の素材が、粗化処理層６００の粗化部に流動して入り込むので、各電気配線板と絶縁シート３３３との接着力が向上する。また、絶縁シート３３３の素材が粗化処理層６００の粗化部に流動して入り込むことにより、化学結合の複合力が発生することになるので、さらに各電気配線板と絶縁シート３３３との接着力が向上する。

前述のように、ＣＡＮ型冷却器３０４の内部平面３０８は、アルマイト層６０１が形成される。このアルマイト層６０１と絶縁シート３３３とが接合されているので、ＣＡＮ型冷却器３０４と絶縁シート３３３との接着力が向上している。

図５（ｃ）は、図５（ｂ）のＣ部を拡大した詳細断面図である。アルマイト層６０１は、絶縁シート３３３に近い側に形成される無機酸系アルマイト層６０１Ａと、この無機酸系アルマイト層６０１Ａを介して絶縁シート３３３とは反対側に形成される有機酸系アルマイト層６０１と、により構成される。また、アルマイト層６０１は封孔処理が為されていないので、無機酸系アルマイト層６０１Ａの孔径が３００〜４００Å程度であり、一方、有機酸系アルマイト層６０１Ｂの孔径が１００〜１７０Å程度である。

無機酸系アルマイト層６０１Ａの孔径が有機酸系アルマイト層６０１Ｂの孔径よりも大きいので、無機酸系アルマイト層６０１Ａと絶縁シート３３３との接着界面では、熱圧着によって絶縁シート３３３の素材が無機酸系アルマイト層６０１Ａの孔に入り込みやすい。これにより、無機酸系アルマイト層６０１Ａと絶縁シート３３３との接着界面において、アンカー効果と化学結合の複合力が発生して、接着力を向上させることができる。なお、無機酸系アルマイト層６０１Ａ及び有機酸系アルマイト層６０１Ｂが前述の孔径である場合には、無機酸系アルマイト層６０１Ａと絶縁シート３３３との接着界面の平均せん断接着強度は、２０Ｍｐａ以上となる。

また、図５（ｃ）に示すように、有機酸系アルマイト層６０１Ｂの厚みは、無機酸系アルマイト層６０１Ａの厚みよりも大きく構成される。これにより、有機酸系アルマイト層６０１Ｂによる絶縁耐圧を向上させている。また、絶縁シート３３３と有機酸系アルマイト層６０１Ｂが、無機酸系アルマイト層６０１Ａを介して、２層の絶縁層を形成しているので、パワー半導体素子の高電圧が印加されても絶縁性能を維持できる。

図６は、有機酸系アルマイト層６０１Ｂの厚みと絶縁耐圧の関係を示す実測データを示す図である。横軸は有機酸系アルマイト層６０１Ｂの厚さを示し、縦軸は有機酸系アルマイト層６０１Ｂ間の絶縁耐圧を示す。

図６に示されるように、有機酸系アルマイト層６０１Ｂの厚さが大きくなると、絶縁耐圧が向上する一方で、絶縁耐圧のバラツキも大きくなる。また、有機酸系アルマイト層６０１ＢをＣＡＮ型冷却器３０４に形成する際の処理時間も長くなってしまう。

本実施形態に係るパワーモジュール３００に印加される最大電圧を考慮すると５００Ｖ以上の絶縁耐圧が必要とされる。また、本実施形態の電力変換装置のように、３相モータの交流電流を生成するために３つのパワーモジュールを設ける必要あるので、パワーモジュールの生産性を向上させる必要がある。また、絶縁耐圧の信頼性向上のために、絶縁耐圧のバラツキは小さいことが望ましい。そこで、有機酸系アルマイト層６０１Ｂの厚さは、膜厚５０ｕｍが望ましい。

図７は、絶縁シート３３３から有機酸系アルマイト層６０１Ｂまでの絶縁耐圧の実測データを示す図である。本実測データの測定条件が、無機酸系アルマイト層６０１Ａの厚さは約０.５ｕｍであり、有機酸系アルマイト層６０１Ｂの厚さは約５０ｕｍであり、絶縁シート３３３の厚さは約１２０ｕｍである。なお、絶縁シート３３３と無機酸系アルマイト層６０１Ａとの間は、熱圧着されている。

図７に示される、総絶縁層の厚さが１２０ｕｍの絶縁耐圧は、厚さが１２０ｕｍである絶縁シート３３３単体における絶縁耐圧範囲を示す。これに対して、図７にプロットされた白抜き丸は、厚さが５０ｕｍである有機酸系アルマイト層６０１Ｂを追加した場合の絶縁耐圧を示す。これにより、絶縁シート３３３の厚さが１２０ｕｍであっても、絶縁耐圧範囲は約６２００〜７０００Ｖ程度まで向上しており、絶縁シート３３３単体の場合よりも５００Ｖ以上も向上している。

このように、高い絶縁耐圧を維持しながら、絶縁シート３３３の厚さを小さくできるので、絶縁シート３３３分の熱抵抗を低減させることができる。よって、パワー半導体素子からフィン３０５までの全体の熱抵抗を低く抑えられるので、パワー半導体素子で発生する熱を効率的にフィン３０５まで伝達できる。また、絶縁シート３３３の厚さを小さくすることで、前述の渦電流による低インダクタンス化の効果を向上させることもできる。

図８は、絶縁シート３３３を備えたモジュール一次封止体３００ＡをＣＡＮ型冷却器３０４に接着する熱圧着工程を説明する図である。

図８（１）に示すように、２つの絶縁シート３３３が、モジュール一次封止体３００Ａの両面にそれぞれ熱圧着によって接着される。

次に、図８（２）に示すように、モジュール一次封止体３００Ａは、ＣＡＮ型冷却器３０４に挿入口３０６から挿入され、絶縁シート３３３とアルマイト処理された内部平面３０８を対向するように配置される。

次に、図８（３）に示すように、真空高温下において、ＣＡＮ型冷却器３０４は、フィン３０５が形成された側からＣＡＮ型冷却器３０４に挿入されたモジュール一次封止体３００Ａ側に向かって加圧される。この加圧力により、湾曲部３０４Ａが僅かに変形して、絶縁シート３３３とアルマイト処理された内部平面３０８とが接触する。上述のようにＣＡＮ型冷却器３０４は、真空高温下に置かれているので、絶縁シート３３３と内部平面３０８との接触界面において接着力が発生することになる。

次に、図８（４）に示すように、ＣＡＮ型冷却器３０４内のモジュール一次封止体３００Ａと絶縁シート３３３によって占有されなかった空間は、第二封止樹脂３５１により充填される。

図９は、図８（３）に示された、真空高温下における絶縁シート３３３とＣＡＮ型冷却器３０４の内部平面３０８との接着工程の詳細を説明した図である。プレス機３６０は、内部にヒータ３６１が内蔵される。ＣＡＮ型冷却器３０４は、このプレス機３６０により加圧され、湾曲部３０４Ａが微小変形して、絶縁シート３３３とアルマイト処理された内部平面３０８とが接触する。この状態でヒータ３６１が発熱することにより、当該ヒータ３６１の発生熱が、絶縁シート３３３とアルマイト処理された内部平面３０８に伝達される。これにより、ＣＡＮ型冷却器３０４の加圧工程と絶縁シート３３３の熱圧着工程を連続して行えるので、生産性が大幅に向上する。

以上、本実施形態に係るパワーモジュール３００は、モジュール一次封止体３００Ａと絶縁シート３３３を、アルミ合金材料又は銅合金材料からなるつなぎ目の無いＣＡＮ型冷却器３０４に収納することで、モジュール一次封止体３００Ａと絶縁シート３３３及びそれらの接着界面に存在する粗化処理層６００とアルマイト層６０１を冷却媒体の浸透から守ることができる。これにより、接着界面の剥離や透湿による絶縁性の劣化を防ぎ、絶縁信頼性が確保できる。

加えて、上下アーム回路を封止して内蔵したモジュール一次封止体３００Ａを収納しており、パワーモジュール３００を複数個用いてインバータ装置１４１，１４２の電流容量を上下アーム回路を単位として増量可能であり、小型かつ電流容量増設性を備えている。これによりハイブリッド自動車の車種にあわせた電流容量の増設が可能となり、生産性が向上する。

図１０は、パワーモジュール３００を筺体１２へ組み付る工程を説明した図である。筺体１２は、冷却媒体が流れる流路１９が形成される冷却ジャケット１９Ａを備える。冷却ジャケット１９Ａは、その上部に開口４００が形成され、かつこの開口４００と対向する側に開口４０４が形成される。

パワーモジュール３００は、パワーモジュール３００のフィン３０５が形成された部分が流路１９に収納されるように開口４００から挿入される。シール材８００は、フランジ３０４Ｂと冷却ジャケット１９Ａにより挟まれ、流路１９のシール性を向上させている。

また、開口４０４は、シール材を介して流路裏蓋４２０により塞がる。流路裏蓋４２０は、パワーモジュール３００の湾曲部３０４Ａと勘合されるモジュール勘合部１９Ｂを形成する。湾曲部３０４Ａと勘合されるように形成されたモジュール勘合部１９Ｂによって、流路１９内に流れる冷却媒体はモジュール勘合部１９Ｂに流れにくくなり、冷却媒体はフィン３０５側に流れやすくなる。これにより、パワーモジュール３００の冷却効率を向上させることができる。

また、モジュール一次封止体３００Ａは、上下アーム回路を構成する上アームＩＧＢＴ３２８，下アームＩＧＢＴ３３０と上アームダイオード１５６，下アームダイオード１６６を内蔵する。そして、これらパワー半導体素子の両方の主電極面は、直流正極配線板３１４， 直流負極配線板３１６，第一交流配線板７０５Ａ，第二交流配線板７０５Ｂによって挟まれている。これら配線板は、そのパワー半導体素子が配置された側とは反対側の面に伝熱面３３４を形成する。この伝熱面３３４は第一封止樹脂３５０から露出させる。これにより、パワー半導体素子の発生熱は、パワー半導体素子の両方の主電極面から放熱させることができる。一方、伝熱面３３４には絶縁シート３３３が貼り付けられているので、伝熱面３３４とＣＡＮ型冷却器３０４との絶縁性を確保するとともに、ＣＡＮ型冷却器３０４のフィン３０５から冷却媒体に放熱が可能である。

これにより、パワーモジュール３００の熱抵抗が低下して小面積のパワー半導体素子でモータジェネレータ１９２，１９４の駆動が可能となるため、パワーモジュール３００が小型になる。

図１３乃至図１５を用いてパワーモジュール３００を用いた電力変換装置を説明する。

図１３乃至図１５において、２００は電力変換装置、１０は上部ケース、１１は金属ベース板、１２は筐体、１３は冷却水入口配管、１４は冷却水出口配管、４２０は流路裏蓋、１６は下部ケース、１７は交流ターミナルケース、１８は交流出力配線、１９は冷却水流路、２０は制御回路基板である。２１は外部との接続のためのコネクタ、２２は駆動回路基板でドライバ回路１７４を保持している。このように制御回路基板２０，制御回路１７２，駆動回路基板２２及びドライバ回路１７４から制御部は構成されている。３００はパワーモジュール（両面電極モジュール）で各インバータ回路部に３個設けられており、一方のパワーモジュール３００ではインバータ回路部１４２が構成され、他方のパワーモジュール３００ではインバータ回路部１４０が構成されている。７００は積層導体板、８００はシール材、３０４はＣＡＮ状放熱ベース、３１４は直流正極配線板、３１６は直流負極配線板、５００はコンデンサモジュール、５０４は正極側コンデンサ端子、５０６は負極側コンデンサ端子、５１４はコンデンサセル、をそれぞれ表す。

図１３は、本発明の実施形態に係る電力変換装置２００の外観斜視図を示す。電力変換装置２００の外観部品は、上面あるいは底面が略長方形の筺体１２と、筺体１２の短辺側の外周の１つに設けられた冷却水入口配管１３および冷却水出口配管１４と、筺体１２の上部開口を塞ぐための上部ケース１０と、前記筐体１２の下部開口を塞ぐための下部ケース１６とを備えている。筺体１２の底面側あるいは上面側の形状を略長方形としたことで、車両への取り付けが容易となり、また製造、特に量産し易い効果がある。

電力変換装置２００の長辺側の外周には、各モータジェネレータ１９２，１９４との接続に用いる交流ターミナルケース１７が設けられている。交流出力配線１８は、パワーモジュール３００とモータジェネレータ１９２，１９４とを電気的に接続する。

コネクタ２１は、筺体１２に内蔵された制御回路基板２０に接続される。外部からの各種信号は、コネクタ２１を介して制御回路基板２０に伝送される。直流負極側接続端子部５１０と直流正極側接続端子部５１２は、バッテリ１３６とコンデンサモジュール５００とを電気的に接続する。ここで本実施形態では、コネクタ２１は、筺体１２の短辺側の外周面の一方側に設けられる。一方、直流負極側接続端子部５１０と直流正極側接続端子部５１２は、コネクタ２１が設けられた面とは反対側の短辺側の外周面に設けられる。つまり、コネクタ２１と直流負極側接続端子部５１０が離れた配置となっている。これにより、直流負極側接続端子部５１０から筺体１２に侵入し、さらにコネクタ２１まで伝播するノイズを低減することでき、制御回路基板２０によるモータの制御性を向上させることができる。図２の直流コネクタ１３８が、これら直流負極側接続端子部５１０と直流正極側接続端子部５１２に対応する。

図１４は、本発明の実施形態に係る電力変換装置の断面図である。筺体１２の中ほどには、内部に流路１９が形成される冷却ジャケット１９Ａが設けられ、冷却ジャケット１９Ａの上部には流れの方向に並んで２組の開口４００と４０２が３列に形成され６個の開口部を構成する。各パワーモジュール３００が冷却ジャケット１９Ａの上面にシール材８００を介して固定されている。各パワーモジュール３００のフィン３０５は、それぞれ冷却ジャケット１９Ａの流路１９に流れる冷却媒体と直接接触する。

冷却ジャケット１９Ａの下面には、開口４０４が流路１９に沿って形成されており、開口４０４は流路裏蓋４２０で塞がれている。また冷却ジャケット１９Ａの下面には補機用の変換機４３が取り付けられ、かる冷却媒体により冷却されている。補機用の変換機４３は、内蔵しているパワーモジュール等（図示なし）の放熱金属面が冷却ジャケット１９Ａの下面に対向するようにして、流路裏蓋４２０の下面に固定されている。本実施形態ではシール材を液体シールとしているが、液体シールの代わりに樹脂材，ゴム製オーリングやパッキンなどを代用しても良く、特に液状シールを用いた場合には電力変換装置２００の組立性を向上させることができる。

さらに冷却ジャケット１９Ａの下方には、下部ケース１６が設けられ、下部ケース１６にはコンデンサモジュール５００が設けられている。コンデンサモジュール５００は、その金属製ケースの放熱面が下部ケース１６の底板内面に接するように、下部ケース１６の底板内面に固定されている。この構造により、冷却ジャケット１９Ａの上面と下面とを利用して、パワーモジュール３００および補機用の変換機４３を効率良く冷却することができ、電力変換装置全体の小型化に繋がる。

さらに冷却ジャケット１９Ａが設けられている筐体１２が冷却されることにより、筐体１２の下部に設けられた下部ケース１６が冷却される。その結果、コンデンサモジュール５００の熱が下部ケース１６および筐体１２を介して冷却水に熱的に伝導され、コンデンサモジュール５００が冷却される。

パワーモジュール３００の上方には、パワーモジュール３００とコンデンサモジュール５００とを電気的に接続するための積層導体板７００が配置される。この積層導体板７００は、各パワーモジュール３００の入力端子３１３に跨って、各パワーモジュール３００を並列接続している。さらに、積層導体板７００は、コンデンサモジュール５００の正極導体板５０７と接続される正極側導体板７０２と、コンデンサモジュール５００の負極導体板５０５と接続される負極側導体板７０４と、導体板７０２，７０４間に配置される絶縁シート７０００によって構成される。この導体板５０５，５０７は、冷却ジャケット１９Ａの流路１９が蛇行して作られた水路隔壁内を貫通するように配置されることにより、配線長を短くすることができることから各パワーモジュール３００からコンデンサモジュール５００までの寄生インダクタンスの低減を図ることができる。

積層導体板７００の上方には制御回路基板２０と駆動回路基板２２とが配置されている。駆動回路基板２２には図２に示すドライバ回路１７４が搭載され、制御回路基板２０には図２に示すＣＰＵを有する制御回路１７２が搭載されている。また、駆動回路基板２２と制御回路基板２０との間には金属ベース板１１が配置されている。金属ベース板１１は、両基板２２，２０に搭載される回路群の電磁シールドの機能を奏すると共に、駆動回路基板２２と制御回路基板２０とに発生する熱を逃がし、冷却する作用を有している。

このように筐体１２の中央部に冷却ジャケット１９Ａを設け、その一方の側にモータジェネレータ１９２，１９４駆動用のパワーモジュール３００を配置し、また他方の側に補機用のインバータ装置（パワーモジュール）４３を配置することで、少ない空間で効率良く冷却でき、電力変換装置全体の小型化が可能となる。冷却ジャケット１９Ａを、筐体１２と一体にアルミ鋳造で作ることにより、冷却ジャケット１９Ａは冷却効果に加え機械的強度を強くする効果がある。またアルミ鋳造により筐体１２と冷却ジャケット１９Ａとを一体成形構造としたので熱伝導が良くなり、冷却ジャケット１９Ａから遠い位置にある駆動回路基板２２，制御回路基板２０およびコンデンサモジュール５００に対する冷却効率が向上する。

駆動回路基板２２と制御回路基板２０には、金属ベース板１１を通り抜けて、各回路基板２０，２２の回路群の接続を行うフレキシブル配線２３が設けられている。このフレキシブル配線２３は、予め配線基板の中に積層された構造と配線基板の上部の配線パターンにはんだなどの接合材で固着された構造、さらには配線基板に予め設けたスルーホールにフレキシブル配線２３の電極を貫通させはんだなどの接合材で固着した構造であり、制御回路基板２０からインバータ回路のスイッチングタイミング信号がフレキシブル配線２３を介して駆動回路基板２２に伝達され、駆動回路基板２２はゲート駆動信号を発生してパワーモジュールのそれぞれのゲート電極に印加する。この様に、フレキシブル配線２３を用いることで、従来使用していたコネクタのヘッドが不要となり、配線基板の実装効率の改善，部品点数の削減が可能となり、インバータの小型化が実現できる。また、制御回路基板２０には外部との電気的接続を行うコネクタ２１に接続される。コネクタ２１を利用して、電力変換装置の外部に設けた車載バッテリ１３６、すなわちリチウム電池モジュールとの間で信号の伝送が行われる。リチウム電池モジュールから電池の状態を表す信号やリチウム電池の充電状態などの信号が制御回路基板２０に送られてくる。

筐体１２の上端部と下端部には開口が形成されている。これら開口は、それぞれ上部ケース１０と下部ケース１６を、例えばネジやボルト等の締結部品で筐体１２に固定することにより塞がれる。筐体１２の高さ方向のほぼ中央には、内部に流路１９が設けられる冷却ジャケット１９Ａが形成されている。冷却ジャケット１９Ａの上面開口を各パワーモジュール３００で覆い、下面開口を流路裏蓋４２０で覆うことにより、冷却ジャケット１９Ａの内部に流路１９が形成される。組み立て途中に流路１９の水漏れ試験を行う。そして、水漏れ試験に合格した後に、筐体１２の上部と下部の開口から基板やコンデンサモジュール５００を取り付ける作業を行うことになる。このように筐体１２の中央に冷却ジャケット１９Ａを配置し、次に筐体１２の上端部と下端部の開口から必要な部品を固定する作業が行える構造を採用しており、生産性が向上する。また流路１９を最初に完成させ、水漏れ試験の後その他の部品を取り付けることが可能となり、生産性と信頼性の両方が向上する。

図１５は、冷却ジャケット１９Ａを有する筐体１２のアルミ鋳造品に冷却水入口配管と出口配管を取り付けた断面斜視図である。図１５において、冷却水入口配管１３から流路１９に流入した冷却水は、矢印４１８の方向である長方形の長辺に沿って２つに分かれて流れ、長方形の短辺の他方側の側面の手前近傍のコーナー部１９Ｃで矢印４２１ａのように折り返し、再び長方形の長辺に沿って矢印４２２の方向に２つに分かれて流れ、更に長方形の長辺に沿って流れ矢印４２１ｂのように折り返し、下冷却水路蓋４２０に設けた出口配管に流入し折り返して出口孔から冷却水入口配管１４へ流出する。

冷却ジャケット１９Ａの上面には６つの開口４００が空けられている。各パワーモジュール３００が、それぞれの開口から冷却媒体の流れの中に突出し、ＣＡＮ型冷却器３０４に備えられた湾曲部３０４Ａ及び分流境界部１９Ｂによって、冷却水を２分割し圧力損失を低減できる。ＣＡＮ型冷却器３０４の湾曲部３０４Ａを曲面とすることで、冷却媒体を２分割し圧力損失を低減できるので、流路をＳ字状に蛇行させても圧力損失の上昇を低減でき冷却効率を改善できる。

図１１（ａ）は、他の実施例に係るパワーモジュール３００の断面図であり、図１１（ｂ）は、他の実施例に係るパワーモジュール３００の分解断面図である。第１実施例と異なる部分について以下に説明するが、第１実施例と同一符号を付した構成は同様な機能を有する。

本実施形態では、第１実施例に係る絶縁シート３３３の代わりに、アルミ絶縁板３４０を備える。アルミ絶縁板３４０の両主面に、接着性のある薄い樹脂絶縁層３４２が形成される。アルマイト板３４１は、２つの樹脂絶縁層３４２によって挟まれ、かつ全体をアルマイト処理されてアルマイト層６０１を表裏面に形成している。アルマイト板３４１と２つの樹脂絶縁層３４２とは、熱圧着により接着されている。

モジュール一次封止体３００Ａとアルミ絶縁板３４０は、アルミ絶縁板３４０に形成された樹脂絶縁層３４２によって強固に接着する。同様に、ＣＡＮ型冷却器３０４のアルマイト処理された内部平面３０８とアルミ絶縁板３４０は、アルミ絶縁板３４０に形成された樹脂絶縁層３４２によって強固に接着する。

図１２（ａ）乃至（ｄ）は、パワーモジュール３００におけるアルミ絶縁板３４０と各電気配線板及びＣＡＮ型冷却器３０４との接着界面の詳細断面図である。図１２（ｂ）は図１２（ａ）のＢ部を拡大した詳細断面図であり、図１２（ｃ）は図１２（ｂ）のＣ部を拡大した詳細断面図であり、図１２（ｄ）は図１２（ｂ）のＤ部を拡大した詳細断面図である。

図１２（ｂ）に示すように、アルマイト板３４１の両主面には、アルマイト層６０１及び６０２が形成される。図１２（ｃ）に示すように、アルマイト板３４１のパワー半導体素子に近い側のアルマイト層６０１には、無機酸系アルマイト層６０１Ａと有機酸系アルマイト層６０１Ｂの両方が形成される。無機酸系アルマイト層６０１Ａは樹脂絶縁層３４２に近い側に形成される。

一方、図１２（ｄ）に示すように、ＣＡＮ型冷却器３０４の内部平面３０８には、無機酸系アルマイト層６０１Ａのみが形成され、この無機酸系アルマイト層６０１Ａがアルミ絶縁板３４０の樹脂絶縁層３４２と接着している。

なお、いずれのアルマイト層６０１も封孔処理されていないので、接着界面では、熱圧着によって薄い樹脂絶縁層３４２が無機酸系アルマイト層６０１Ａの孔に入り込むことでアンカー効果と化学結合の複合力が発生し、強固に接着されている。

また、無機酸系アルマイト層６０１Ａの下に設けられた有機酸系アルマイト層６０１Ｂの厚みは、無機酸系アルマイト層６０１Ａの厚みよりも大きくので、絶縁耐圧が優れている。さらに、樹脂絶縁層３４２と有機酸系アルマイト層６０１Ｂの２層によって絶縁層を形成し、かつこの２層の絶縁層がアルミ絶縁板３４０の両面に形成されている。

以上、本実施形態によれば、アルミ絶縁板３４０には、有機酸系アルマイト層６０１Ｂが２層分備えられることになるので、絶縁耐圧を大幅に向上させることができる。また、機酸系アルマイト層６０１Ｂによって向上した絶縁耐圧分だけ、樹脂絶縁層３４２を薄くすることができるので、絶縁信頼性を維持しながら熱抵抗を大幅に下げることができる。また、ＣＡＮ型冷却器３０４の内部平面３０８に有機酸系アルマイト層６０１Ｂを形成する必要がない。つまり、ＣＡＮ型冷却器３０４とは別体のアルミ絶縁板３４０に、有機酸系アルマイト層６０１Ｂを形成させることができるので、生産性を大幅に向上させることができる。

図１６（ａ）は、他の実施例に係るパワーモジュール３００の断面図であり、図１６（ｂ）は、他の実施例に係るパワーモジュール３００の組立時の断面図である。第１実施例と異なる部分について以下に説明するが、第１実施例と同一符号を付した構成は同様な機能を有する。

本実施形態では、第１及び第２実施例に係るＣＡＮ型冷却器３０４の代わりに、内部に流路３８１を形成した流路形成体３８０Ａ及び３８０Ｂを用いる。図１６（ｂ）に示すように、流路形成体３８０Ａ及び３８０Ｂは、絶縁シート３３３と接触する面３８２Ａ及び３８２Ｂに、実施例１に説明したアルマイト処理が施される。

これにより、第１実施例に示されたＣＡＮ型冷却器３０４の内部平面３０８に有機酸系アルマイト層６０１Ｂを形成する必要がない。つまり、ＣＡＮ型冷却器３０４とは別体の流路形成体３８０Ａ及び３８０Ｂに、有機酸系アルマイト層６０１Ｂを形成させることができるので、冷却性能を低下させることなく、生産性を大幅に向上させることができる。

図１７（ａ）は、他の実施例に係るパワーモジュール３００の断面図であり、図１７（ｂ）は、他の実施例に係るパワーモジュール３００の組立時の断面図である。

本実施形態では、第３実施例に係る絶縁シート３３３の代わりに、第２実施例にて説明したアルミ絶縁板３４０を用いる。第２実施例にて説明したように、アルミ絶縁板３４０には有機酸系アルマイト層が２層設けられているので、流路形成体３８０Ａ側の面３８２Ａ及び３８２Ｂには、無機酸系アルマイト層のみが形成される。これにより、有機酸系アルマイト層をアルミ絶縁板３４０に形成するのみで良いので、生産性を大幅に向上させることができる。

１５６，１６６ ダイオード
３００Ａ モジュール一次封止体
３０４ ＣＡＮ型冷却器
３０４Ａ 湾曲部
３０５ フィン
３１４ 直流正極配線板
３１６ 直流負極配線板
３２０Ｌ，３２０Ｕ 信号端子
３２８ 上アーム用ＩＧＢＴ
３３０ 下アーム用ＩＧＢＴ
３３４ 伝熱面
３３３ 絶縁シート
３３７ 金属接合材料

Claims (8)

1. スイッチング動作によって直流電流を交流電流に変換させるための半導体素子と、
   一方の主面に前記半導体素子を配置し、かつ当該半導体素子と電気的接続される配線導体板と、
   前記配線導体板の他方の主面側に配置される樹脂製絶縁層と、
   前記樹脂製絶縁層を介して前記配線導体板とは反対側に配置され、かつ当該樹脂製絶縁層と接合するための無機層と、
   前記無機層を介して前記樹脂製絶縁層とは反対側に配置され、かつ前記半導体素子の電気的な絶縁を確保するための無機絶縁層と、
   前記無機絶縁層を介して前記無機層とは反対側に配置され、かつ前記半導体素子が発生する熱を前記配線導体板，前記樹脂製絶縁層，前記無機層及び前記無機絶縁層を介して放散するための金属製放熱部材と、を備え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であって、
   前記無機層は、前記金属製放熱部材に無機酸系のアルマイト処理が施されることによって当該金属製放熱部材に形成され、
   前記無機絶縁層は、前記金属製放熱部材に有機酸系のアルマイト処理が施されることによって当該金属製放熱部材に形成されるパワーモジュール。
3. 請求項１または２に記載のいずれかのパワーモジュールであって、
   前記無機絶縁層の膜厚は、前記無機層の膜厚よりも大きく形成されるパワーモジュール。
4. 請求項１ないし３に記載のいずれかのパワーモジュールであって、
   前記無機絶縁層に施されたアルマイト処理は、リン酸又はシュウ酸アルマイト処理であるパワーモジュール。
5. スイッチング動作によって直流電流を交流電流に変換させるための半導体素子と、
   前記半導体素子の一方の主電極と対向して配置され、かつ当該半導体素子と電気的接続される第１配線導体板と、
   前記半導体素子の他方の主電極と対向して配置され、かつ当該半導体素子と電気的接続される第２配線導体板と、
   前記第１配線導体板を介して前記半導体素子とは反対側に配置される第１樹脂製絶縁層と、
   前記第２配線導体板を介して前記半導体素子とは反対側に配置される第２樹脂製絶縁層と、
   前記第１樹脂製絶縁層を介して前記第１配線導体板とは反対側に配置され、かつ当該第１樹脂製絶縁層と接合するためのアルマイト処理が施された第１無機層と、
   前記第２樹脂製絶縁層を介して前記第２配線導体板とは反対側に配置され、かつ当該第２樹脂製絶縁層と接合するためのアルマイト処理が施された第２無機層と、
   前記第１無機層を介して前記第１樹脂製絶縁層とは反対側に配置され、かつ前記半導体素子の電気的な絶縁を確保するための第１無機絶縁層と、
   前記第２絶縁層を介して前記第２樹脂製絶縁層とは反対側に配置され、かつ前記半導体素子の電気的な絶縁を確保するための第１無機絶縁層と、
   前記第１無機絶縁層を介して前記第１無機層とは反対側に配置され、かつ前記半導体素子が発生する熱を前記第１配線導体板、前記第１樹脂製絶縁層、前記第１無機層及び前記第１無機絶縁層を介して放散するための第１金属製放熱部材と、
   前記第２無機絶縁層を介して前記第２無機層とは反対側に配置され、かつ前記半導体素子が発生する熱を前記第２配線導体板，前記第２樹脂製絶縁層，前記第２無機層及び前記第２無機絶縁層を介して放散するための第２金属製放熱部材と、を備えるパワーモジュール。
6. 請求項５に記載のパワーモジュールであって、
   前記第１無機層は、前記第１金属製放熱部材に無機酸系のアルマイト処理が施されることによって当該第１金属製放熱部材に形成され、
   前記第２無機絶縁層は、前記第２金属製放熱部材に無機酸系のアルマイト処理が施されることによって当該第２金属製放熱部材に形成され、
   前記第１無機絶縁層は、前記第１金属製放熱部材に有機酸系のアルマイト処理が施されることによって当該第１金属製放熱部材に形成され、
   前記第２無機絶縁層は、前記第２金属製放熱部材に有機酸系のアルマイト処理が施されることによって当該第２金属製放熱部材に形成されるパワーモジュール。
7. スイッチング動作によって直流電流を交流電流に変換させるための半導体素子と、
   前記半導体素子の一方の主電極と対向して配置され、かつ当該半導体素子と電気的接続される第１配線導体板と、
   前記半導体素子の他方の主電極と対向して配置され、かつ当該半導体素子と電気的接続される第２配線導体板と、
   前記半導体素子が配置された側とは反対側の前記第１配線導体板の面の一部と、前記半導体素子が配置された側とは反対側の前記第２配線導体板の面の一部とを露出するように、前記半導体素子と前記第１配線導体板と前記第２配線導体板を封止するための樹脂封止材と、
   前記樹脂封止材により封止された前記半導体素子と前記第１配線導体板と前記第２配線導体板を挿入するための開口を有する金属製ケースと、
   前記第１配線導体板及び前記第２配線導体板の露出面と前記金属製ケースの内壁との間に挿入される絶縁シートと、を備え、
   前記金属製ケースは、前記絶縁シートと当該金属製ケースとの対向面に、前記絶縁シートと接合するための無機層が形成されるとともに、当該無機層を介して前記絶縁シートとは反対側に無機絶縁層が形成されるパワーモジュール。
8. 請求項７に記載のパワーモジュールであって、
   前記無機層は、前記金属製ケースに無機酸系のアルマイト処理が施されることにより当該金属製ケースに形成され、
   前記無機絶縁層は、前記金属製ケースに有機酸系のアルマイト処理が施されることによって当該金属製ケースに形成されるパワーモジュール。

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