JP2011216755A - パワーモジュール、およびパワーモジュールを備えた電力変換装置 - Google Patents

パワーモジュール、およびパワーモジュールを備えた電力変換装置 Download PDF

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Kinya Nakatsu
欣也 中津
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俊也 佐藤
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Abstract

【課題】信頼性の高いパワーモジュール、およびパワーモジュールを備えた電力変換装置を提供する。
【解決手段】半導体チップと、一方の主面が前記半導体チップの一方の主面と接続される第１の接続導体と、一方の主面が前記半導体チップの他方の主面と接続される第２の接続導体と、直流電源から電力が供給される接続端子と、前記半導体チップを封止する樹脂材を有し、前記樹脂材は、前記第１及び第２の接続導体が対向して形成された空間から突出した突出部を有し、前記接続端子は前記突出部に固定され、前記第１又は第２の接続導体の少なくとも一方は、所定の温度で溶断する金属材を介して前記接続端子に接続されるようにパワーモジュール３００ａを作成する。
【選択図】図６

Description

本発明は、半導体素子を内蔵するパワーモジュール、およびパワーモジュールを備えた電力変換装置に関する。
近年電力変換装置では、大電流を流す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。上記電力変換装置で大電流を流そうとすると、半導体素子からの発熱が大きくなり、上記電力変換装置の熱容量を大きくしなければ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。そこで上記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のパワーモジュールが開発されている。
上記両面冷却型のパワーモジュールは半導体素子の両主面を板状導体であるリードフレームで挟み込み、半導体素子の主面と対向する面と反対側のリードフレームの面が冷却媒体と熱的に接続され、冷却される。
特許文献１にはパワー素子の一方の主面及び他方の主面にパワーリードが突出したヒートシンクが接続され、上記パワー素子及び上記ヒートシンクをモールド樹脂で封止し、そのモールド樹脂の外部に突出したパワーリードと端子部の間にヒューズ部材を設けるという発明が開示されている。しかし、１つのインバータに複数のパワーモジュールが搭載され、そのパワーモジュール１つ１つにヒューズを設ける場合には更なる信頼性の向上が求められる。
特開２００３−６８９６７号公報
信頼性の高いパワーモジュール、およびパワーモジュールを備えた電力変換装置を提供する。
上記課題を達成するための第１の発明は次のとおりである。
半導体チップと、一方の主面が前記半導体チップの一方の主面と接続される第１の接続導体と、一方の主面が前記半導体チップの他方の主面と接続される第２の接続導体と、
直流電源から電力が供給される接続端子と、前記半導体チップを封止する樹脂材を有し、前記樹脂材は、前記第１及び第２の接続導体が対向して形成された空間から突出した突出部を有し、前記接続端子は前記突出部に固定され、前記第１又は第２の接続導体の少なくとも一方は、所定の温度で溶断する金属材を介して前記接続端子に接続されることを特徴とするパワーモジュール。
上記課題を達成するための第２の発明は次のとおりである。
半導体チップと、前記半導体チップの主面に接続される板状導体と、直流電源に電気的に接続される接続端子と、前記板状導体を封止する樹脂材を有するパワーモジュールと、冷却媒体が流れる流路を有する流路形成体と、を有し、前記流路形成体は、所定の面に前記流路と接続される開口を有し、前記パワーモジュールは前記開口から前記流路内に浸漬され、前記樹脂材は、前記開口から突出する突出部を有し、前記接続端子は前記突出部に固定され、前記板状導体の一部は所定の温度で溶断する金属材を介して前記接続端子と接続されることを特徴とする電力変換装置。
上記課題を達成するための他の発明は次のとおりである。
パワー冷却器と、前記ケースに収納された第一と第二の導体板と、前記第一の導体板３１５に設けられた上アームスイッチ素子１５５等と、前記第二の導体板に設けられた下アームスイッチ素子と、前記上アームスイッチ素子１５５等と前記下アームスイッチ素子１５７等とを直列接続するための第一の導体と、直列接続された前記上アームスイッチ素子１５５等と前記下アームスイッチ素子１５７等とに直流電力を供給するための直流正極導体板３１５と直流負極導体板３１９と、前記上アームスイッチ素子１５５等と前記下アームスイッチ素子１５７等とを制御する制御信号を伝えるための複数の信号線３２６Ｕ，３２６Ｌと、を備え、前記開口を塞ぐための補助モールド体６００で形成された第１モールド体が更に開口部に設けられ、前記補助モールド体６００により直流正極導体板３１５と前記直流負極導体板３１９とが互いに対向した状態で並べて配置されるように支持され、前記上アームスイッチ素子１５５等と前記下アームスイッチ素子１５７等と前記第一の導体板３１５と前記第二の導体板３１９との間を、前記補助モールド体６００とは異なる材料からなる第一封止樹脂３５０で埋めていることを特徴とするパワーモジュール。
本発明により、パワーモジュール、およびパワーモジュールを備えた電力変換装置の信頼性が向上する。
本実施形態に係るハイブリット自動車の制御ブロック図である。 本実施形態に係るインバータ部の電気回路構成図である。 本実施形態に係る電力変換装置の分解斜視図である。 本実施形態に係る電力変換装置の詳細な分解斜視図である。 本実施形態に係る冷却ジャケットの分解斜視図である。 本実施形態に係るパワーモジュールの斜視図、および断面図である。 本実施形態に係るパワーモジュール内部の断面図、および斜視図である。 本実施形態に係るパワーモジュール内部の分解斜視図、および回路図である。 本実施形態に係るパワーモジュールにリカバリ電流が流れたときの電流経路を示す図である。 本実施形態に係る補助モールド体の斜視図、およびＡ−Ａ断面で補助モールド体を切断した断面図である。 本実施形態に係るパワーモジュールに過電流が流れた時の電流経路を示す回路図である。 本実施形態に係るヒューズ材の温度特性を説明する図である。 本実施形態に係るヒューズ材の形状の例を示す図である。 本実施形態に係るパワーモジュールの第１から第６の組立工程を示す図である。 本実施形態に係るパワーモジュールを冷却ジャケットへ組み付ける工程を説明する図である。 本実施形態に係るコンデンサモジュールの分解斜視図である。 本実施形態に係るパワーモジュール，コンデンサモジュールおよびバスバーモジュールを冷却ジャケットに組み付けた図である。 本実施形態に係るパワーモジュールおよびコンデンサモジュールを組み付けた冷却ジャケット、並びに分解したバスバーモジュールを示す図である。 本実施形態に係るバスバーモジュールの斜視図である。 本実施形態に係るパワーモジュール，コンデンサモジュール，バスバーモジュール、および補機用パワーモジュールを組み付けた冷却ジャケットの外観斜視図である。 本実施形態に係る制御回路基板および金属ベースを分離した電力変換装置の分解斜視図である。 図２１のＢ面で切り取った電力変換装置の断面図である。 第２の実施形態に係る補助モールド体の斜視図、および透過図である。 第３の実施形態に係るパワーモジュールの断面図である。 第４の実施形態に係るパワーモジュールの断面図、第５の実施形態に係るパワーモジュールの断面図である。
本実施形態に係る電力変換装置２００は、ハイブリッド用の自動車や純粋な電気自動車に適用可能であるが、代表例として、ハイブリッド自動車に適用した場合における制御構成と回路構成について、図１と図２を用いて説明する。
図１は、ハイブリッド自動車の制御ブロックを示す図である。
本実施形態に係る電力変換装置では、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。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ＨＥＶの駆動源として用いられる。もう１つは、モータジェネレータ１９２，１９４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ＨＥＶの駆動源及びＨＥＶの電力発生源として用いられる。モータジェネレータ１９２，１９４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。
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、前輪車軸１１４の両端には１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が回転可能に軸支され、後輪車軸の両端には１対の後輪が設けられている（図示省略）。本実施形態のＨＥＶでは、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。前輪側ＤＥＦ１１６の入力側にはトランスミッション１１８の出力軸が機械的に接続されている。トランスミッション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の出力側及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。
インバータ部１４０，１４２は、直流コネクタ１３８を介してバッテリ１３６と電気的に接続される。バッテリ１３６とインバータ部１４０，１４２との相互において電力の授受が可能である。本実施形態では、モータジェネレータ１９２及びインバータ部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及びインバータ部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。なお、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電動発電ユニット又は第２電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジン１２０の動力或いは車輪からの動力によって作動させて発電させることにより、バッテリ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。補機としては例えば、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である。バッテリ１３６からインバータ部４３に直流電力が供給され、インバータ部４３で交流の電力に変換されてモータ１９５に供給される。インバータ部４３は、インバータ部１４０や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。モータ１９５の容量がモータジェネレータ１９２や１９４の容量より小さいので、インバータ部４３の最大変換電力がインバータ部１４０や１４２より小さいが、インバータ部４３の回路構成は基本的にインバータ部１４０や１４２の回路構成と同じである。なお、電力変換装置２００は、インバータ部１４０，インバータ部１４２，インバータ部４３に供給される直流電流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。
次に、図２を用いてインバータ部１４０やインバータ部１４２あるいはインバータ部４３の電気回路構成を説明する。なお、図２では、代表例としてインバータ部１４０の説明を行う。
インバータ回路１４４は、上アームとして動作するＩＧＢＴ３２８（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）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。
制御部１７０は、インバータ回路１４４を駆動制御するドライバ回路１７４と、ドライバ回路１７４へ信号線１７６を介して制御信号を供給する制御回路１７２と、を有している。ＩＧＢＴ３２８やＩＧＢＴ３３０は、制御部１７０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。
ＩＧＢＴ３２８は、コレクタ電極１５３と、信号用エミッタ電極１５５と、ゲート電極１５４を備えている。また、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を備えている。ダイオード１５６が、コレクタ電極１５３とエミッタ電極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とエミッタ電極との間に電気的に接続されている。スイッチング用パワー半導体素子としてはＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ）を用いてもよいが、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、インバータ部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。
制御回路１７２は、ＩＧＢＴ３２８及び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。マイコンには入力情報として、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１５０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、及びモータジェネレータ１９２の回転子の磁極位置が入力されている。目標トルク値は、不図示の上位の制御装置から出力された指令信号に基づくものである。電流値は、電流センサ１８０から信号線１８２を介して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し、この演算されたｄ，ｑ軸の電圧指令値を、検出された磁極位置に基づいてＵ相，Ｖ相，Ｗ相の電圧指令値に変換する。そして、マイコンは、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の電圧指令値に基づく基本波（正弦波）と搬送波（三角波）との比較に基づいてパルス状の変調波を生成し、この生成された変調波をＰＷＭ（パルス幅変調）信号として、信号線１７６を介してドライバ回路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のゲート電極にそれぞれ出力する。
また、制御部１７０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１５０を保護している。このため、制御部１７０にはセンシング情報が入力されている。例えば各アームの信号用エミッタ電極１５５及び信号用エミッタ電極１６５からは各ＩＧＢＴ３２８と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。上下アーム直列回路１５０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、マイコンには上下アーム直列回路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及び過電圧検知を行い、過温度或いは過電圧が検知された場合には全てのＩＧＢＴ３２８，ＩＧＢＴ３３０のスイッチング動作を停止させる。
図３は、本実施形態に係る電力変換装置２００の設置場所を説明するための分解斜視図を示す。
本実施形態に係る電力変換装置２００は、トランスミッション１１８を収納するためのアルミニウム製の筐体１１９に固定される。電力変換装置２００は、底面及び上面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、また生産し易い効果がある。冷却ジャケット１２は、後述するパワーモジュール３００及びコンデンサモジュール５００を保持するとともに、冷却媒体によって冷却する。また、冷却ジャケット１２は、筐体１１９に固定され、かつ筐体１１９との対向面に入口配管１３と出口配管１４が形成されている。入口配管１３と出口配管１４が筐体１１９に形成された配管と接続されることにより、トランスミッション１１８を冷却するための冷却媒体が、冷却ジャケット１２に流入及び流出する。
ケース１０は、電力変換装置２００を覆って、かつ筐体１１９側に固定される。ケース１０の底は、制御回路１７２を実装した制御回路基板２０と対向するように構成される。またケース１０は、ケース１０の底から外部に繋がる第１開口２０２と第２開口２０４を、ケース１０の底面に形成する。コネクタ２１は、制御回路基板２０に接続されており、外部からの各種信号を当該制御回路基板２０に伝送する。バッテリ負極側接続端子部５１０とバッテリ正極側接続端子部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。
コネクタ２１とバッテリ負極側接続端子部５１０とバッテリ正極側接続端子部５１２は、ケース１０の底面に向かって延ばされ、コネクタ２１は第１開口２０２から突出し、かつバッテリ負極側接続端子部５１０及びバッテリ正極側接続端子部５１２は第２開口２０４から突出する。ケース１０には、その内壁の第１開口２０２及び第２開口２０４の周りにシール部材（不図示）が設けられる。
コネクタ２１等の端子の勘合面の向きは、車種により種々の方向となるが、特に小型車両に搭載しようとした場合、エンジンルーム内の大きさの制約や組立性の観点から勘合面を上向きにして出すことが好ましい。特に、本実施形態のように、電力変換装置２００が、トランスミッション１１８の上方に配置される場合には、トランスミッション１１８の配置側とは反対側に向かって突出させることにより、作業性が向上する。また、コネクタ２１は外部の雰囲気からシールする必要があるが、コネクタ２１に対してケース１０を上方向から組付ける構成となることで、ケース１０が筐体１１９に組付けられたときに、ケース１０と接触するシール部材がコネクタ２１を押し付けることができ、気密性が向上する。
図４は、本実施形態に係る電力変換装置の全体構成を各構成要素に分解した斜視図である。
冷却ジャケット１２には、流路１９が設けられ、該流路１９の上面には、開口部４００ａ〜４００ｃが冷媒の流れ方向４１８に沿って形成され、かつ開口部４０２ａ〜４０２ｃが冷媒の流れ方向４２２に沿って形成される。開口部４００ａ〜４００ｃがパワーモジュール３００ａ〜３００ｃによって塞がれる様に、かつ開口部４０２ａ〜４０２ｃがパワーモジュール３０１ａ〜３０１ｃによって塞がれる。
また、冷却ジャケット１２には、コンデンサモジュール５００を収納するための収納空間４０５が形成される。コンデンサモジュール５００は、収納空間４０５に収納されることにより、流路１９内に流れる冷媒によって冷やされることになる。コンデンサモジュール５００は、冷媒の流れ方向４１８を形成するための流路１９と、冷媒の流れ方向４２２を形成するための流路１９に挟まれるため、効率良く冷却することができる。
冷却ジャケット１２には、入口配管１３と出口配管１４と対向する位置に突出部４０７が形成される。突出部４０７は、冷却ジャケット１２と一体に形成される。補機用パワーモジュール３５０は、突出部４０７に固定され、流路１９内に流れる冷媒によって冷やされることになる。補機用パワーモジュール３５０の側部には、バスバーモジュール８００が配置される。バスバーモジュール８００は、交流バスバー１８６や電流センサ１８０等により構成されるが、詳細は後述する。
このように冷却ジャケット１２の中央部にコンデンサモジュール５００の収納空間４０５を設け、その収納空間４０５を挟むように流路１９を設け、それぞれの流路１９に車両駆動用のパワーモジュール３００ａ〜３００ｃ及びパワーモジュール３０１ａ〜３０１ｃを配置し、さらに冷却ジャケット１２の上面に補機用パワーモジュール３５０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。また冷却ジャケット１２の流路１９の主構造を冷却ジャケット１２と一体にアルミ材の鋳造で作ることにより、流路１９は冷却効果に加え機械的強度を強くする効果がある。またアルミ鋳造で作ることで冷却ジャケット１２と流路１９とが一体構造となり、熱伝導が良くなり冷却効率が向上する。
なお、パワーモジュール３００ａ〜３００ｃとパワーモジュール３０１ａ〜３０１ｃを流路１９に固定することで流路１９を完成させ、水路の水漏れ試験を行う。水漏れ試験に合格した場合に、次にコンデンサモジュール５００や補機用パワーモジュール３５０や基板を取り付ける作業を行うことができる。このように、電力変換装置２００の底部に冷却ジャケット１２を配置し、次にコンデンサモジュール５００，補機用パワーモジュール３５０，バスバーモジュール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。
ドライバ回路基板２２は、補機用パワーモジュール３５０及びバスバーモジュール８００の上方に配置される。また、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、ドライバ回路基板２２及び制御回路基板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、冷却する作用を有している。
図５は、流路１９を有する冷却ジャケット１２の下面図である。
冷却ジャケット１２と当該冷却ジャケット１２の内部に設けられた流路１９は、一体に鋳造されている。冷却ジャケット１２に下面には、１つに繋がった開口部４０４が形成されている。開口部４０４は、中央部に開口を有する下カバー４２０によって塞がれる。下カバー４２０と冷却ジャケット１２の間には、シール部材４０９ａ及びシール部材４０９ｂが設けられ気密性を保っている。
下カバー４２０には、一方の端辺の近傍であって当該端辺に沿って、入口配管１３を挿入するための入口孔４０１と、出口配管１４を挿入するための出口孔４０３が形成される。また下カバー４２０には、トランスミッション１１８の配置方向に向かって突出する凸部４０６が形成される。凸部４０６は、パワーモジュール３００ａ〜３００ｃ及びパワーモジュール３０１ａ〜３０１ｃ毎に設けられる。
冷媒は、流れ方向４１７のように、入口孔４０１を通って、冷却ジャケット１２の短手方向の辺に沿って形成された第１流路部１９ａに向かって流れる。そして冷媒は、流れ方向４１８のように、冷却ジャケット１２の長手方向の辺に沿って形成された第２流路部１９ｂを流れる。また冷媒は、流れ方向４２１のように、冷却ジャケット１２の短手方向の辺に沿って形成された第３流路部１９ｃを流れる。第３流路部１９ｃは折り返し流路を形成する。また、冷媒は、流れ方向４２２のように、冷却ジャケット１２の長手方向の辺に沿って形成された第４流路部１９ｄを流れる。第４流路部１９ｄは、コンデンサモジュール５００を挟んで第２流路部１９ｂと対向する位置に設けられる。さらに、冷媒は、流れ方向４２３のように、冷却ジャケット１２の短手方向の辺に沿って形成された第５流路部１９ｅ及び出口孔４０３を通って出口配管１４に流出する。
第１流路部１９ａ，第２流路部１９ｂ，第３流路部１９ｃ，第４流路部１９ｄ及び第５流路部１９ｅは、いずれも幅方向より深さ方向が大きく形成される。パワーモジュール３００ａ〜３００ｃが、冷却ジャケット１２の上面側に形成された開口部４００ａ〜４００ｃから挿入され（図４参照）、第２流路部１９ｂ内の収納空間に収納される。なお、パワーモジュール３００ａの収納空間とパワーモジュール３００ｂの収納空間との間には、冷媒の流れを澱ませないための中間部材４０８ａが形成される。同様に、パワーモジュール３００ｂの収納空間とパワーモジュール３００ｃの収納空間との間には、冷媒の流れを澱ませないための中間部材４０８ｂが形成される。中間部材４０８ａ及び中間部材４０８ｂは、その主面が冷媒の流れ方向に沿うように形成される。第４流路部１９ｄも第２流路部１９ｂと同様にパワーモジュール３０１ａ〜３０１ｃの収納空間及び中間部材を形成する。また、冷却ジャケット１２は、開口部４０４と開口部４００ａ〜４００ｃ及び４０２ａ〜４０２ｃ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。
下カバー４２０には、筐体１１９と当接し、電力変換装置２００を支持するための支持部４１０ａ及び支持部４１０ｂが設けられる。支持部４１０ａは下カバー４２０の一方の端辺に近づけて設けられ、支持部４１０ｂは下カバー４２０の他方の端辺に近づけて設けられる。これにより、電力変換装置２００を、トランスミッション１１８やモータジェネレータ１９２の円柱形状に合わせて形成された筐体１１９の側壁に強固に固定することができる。
また、支持部４１０ｂは、抵抗器４５０を支持するように構成されている。この抵抗器４５０は、乗員保護やメンテナンス時における安全面に配慮して、コンデンサセルに帯電した電荷を放電するためのものである。抵抗器４５０は、高電圧の電気を継続的に放電できるように構成されているが、万が一抵抗器もしくは放電機構に何らかの異常があった場合でも、車両に対するダメージを最小限にするように配慮した構成とする必要がある。つまり、抵抗器４５０がパワーモジュールやコンデンサモジュールやドライバ回路基板等の周辺に配置されている場合、万が一抵抗器４５０が発熱，発火等の不具合を発生した場合に主要部品近傍で延焼する可能性が考えられる。
そこで本実施形態では、パワーモジュール３００ａ〜３００ｃやパワーモジュール３０１ａ〜３０１ｃやコンデンサモジュール５００は、冷却ジャケット１２を挟んで、トランスミッション１１８を収納した筐体１１９とは反対側に配置され、かつ抵抗器４５０は、冷却ジャケット１２と筐体１１９との間の空間に配置される。これにより、抵抗器４５０が金属で形成された冷却ジャケット１２及び筐体１１９で囲まれた閉空間に配置されることになる。なお、コンデンサモジュール５００内のコンデンサセルに貯まった電荷は、図４に示されたドライバ回路基板２２に搭載されたスイッチング手段のスイッチング動作によって、冷却ジャケット１２の側部を通る配線を介して抵抗器４５０に放電制御される。本実施形態では、スイッチング手段によって高速に放電するように制御される。放電を制御するドライバ回路基板２２と抵抗器４５０の間に、冷却ジャケット１２が設けられているので、ドライバ回路基板２２を抵抗器４５０から保護することができる。また、抵抗器４５０は下カバー４２０に固定されているので、流路１９と熱的に非常に近い位置に設けられているので、抵抗器４５０の異常な発熱を抑制することができる。
図６乃至図１５を用いてインバータ部１４０およびインバータ部１４２に使用されるパワーモジュール３００ａの詳細構成を説明する。図６（ａ）は、本実施形態のパワーモジュール３００ａの斜視図である。図６（ｂ）は、本実施形態のパワーモジュール３００ａの断面図である。
上下アーム直列回路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）が、図７乃至図９に示す如く、導体板３１５や導体板３１８によって、あるいは導体板３１６や導体板３１９によって、両面から挟んで固着される。これら導体板には、外部信号端子３２５Ｕや外部信号端子３２５Ｌである信号配線を一体成型して成る補助モールド体６００が組みつけられる。導体板３１５等は、その放熱面が露出した状態で第一封止樹脂３４８によって封止され、当該放熱面に絶縁シート３３３が熱圧着される。第一封止樹脂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３０４の中に挿入して絶縁シート３３３を挟んで、ＣＡＮ型冷却器であるモジュールケース３０４の内面に熱圧着される。ここで、ＣＡＮ型冷却器とは、一面に挿入口３０６と他面に底を有する筒形状をした冷却器である。
モジュールケース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、つなぎ目の無い状態で一体に成形される。ここでモジュールケース３０４に使われている材料は具体的にアルミ合金材料を挙げているが、銅や銅合金材料などを用いることも考えられる。銅材料を用いた場合はアルミ合金材料を用いた場合に比べて安価にモジュールケース３０４を作成することができる。モジュールケース３０４は、挿入口３０６以外に開口を設けない構造であり、挿入口３０６は、フランジ３０４Ｂよって、その外周を囲まれている。また、図６（ａ）に示されるように、他の面より広い面を有する第１放熱面３０７Ａ及び第２放熱面３０７Ｂがそれぞれ対向した状態で配置され、当該対向する第１放熱面３０７Ａと第２放熱面３０７Ｂと繋ぐ３つの面は、当該第１放熱面３０７Ａ及び第２放熱面３０７Ｂより狭い幅で密閉された面を構成し、残りの一辺の面に挿入口３０６が形成される。この挿入口３０６から突出している補助モールド体６００の近傍にヒューズ材７００が配置されている。ヒューズ材７００を設けることによって、過電流によるパワーモジュールの破壊を防ぐことができる。また、モジュールケース３０４は、挿入口４００ａ，４００ｂ，４００ｃより直接水路の中に挿入され、モジュールケース３０４の外表面は冷却媒体と直接接触する。ヒューズ材７００をモジュールケース３０４の内部に配置すると、ヒューズ材７００が溶断するときにモジュールケース３０４が破壊され、さらには漏水による装置全体の破壊を引き起こす可能性がある。そこで本実施例のようにヒューズ材７００を挿入口３０６から突出している補助モールド体６００にヒューズ材を設けることによって、たとえヒューズ材７００が溶断した際であっても、モジュールケース３０４の破壊を防ぐことができ、信頼性が向上する。また、ヒューズ材７００は冷媒が直接接しているモジュールケースの近傍に設けられ、さらに直流負極配線３１９Ａ及び直流負極端子３１９Ｂと接続されている。直流負極配線３１９Ａの一方の面はＩＧＢＴ３２８，３３０及びダイオード１５６，１６６と接続され、他方の面は第一放熱面３０７Ａと樹脂絶縁層を介して接着している。上記構成によって直流負極配線３１９Ａ，直流負極端子３１９Ｂ及び半導体素子が熱的に接続されているのでそれぞれが冷却される。また、直流負極配線３１９Ａ及び直流負極端子３１９Ｂと接続されているヒューズ材７００も冷却され、通常の動作時にヒューズ材７００のノイズ電圧などによる発熱を防ぎ、ひいては通常の動作時にヒューズ材７００の溶断を防ぐことができるため、信頼性が向上する。さらに実際に過電流が発生した場合であっても、上記構成により半導体素子の発熱が直接ヒューズ材７００に伝わり、ヒューズ材７００の温度が半導体素子の温度に追従することができるため、パワーモジュールが破壊される前までに確実にヒューズ材７００を溶断させることができる。以上のことによって信頼性が向上する。なお、モジュールケース３０４の形状は、正確な直方体である必要が無く、角が図６（ａ）に示す如く曲面を成していても良い。
このような形状の金属性のケースを用いることで、モジュールケース３０４を水や油などの冷媒が流れる流路１９内に挿入しても、冷媒に対するシールをフランジ３０４Ｂにて確保できるため、冷却媒体がモジュールケース３０４の内部に侵入するのを簡易な構成で防ぐことができる。挿入口３０６の周縁にフランジ３０４Ｂが形成されることによって、ヒューズ材７００が発生する熱がフランジ３０４Ｂと水路形成体の間にあるシール材１０００及び１００１（図１５に図示）へ直接伝導することを防ぐことができるため、シール材１０００及び１００１が融解することによる漏水を防ぐことができ、信頼性が向上する。また、対向した第１放熱面３０７Ａと第２放熱面３０７Ｂに、フィン３０５がそれぞれ均一に形成される。さらに、第１放熱面３０７Ａ及び第２放熱面３０７Ｂの外周には、厚みが極端に薄くなっている湾曲部３０４Ａが形成されている。湾曲部３０４Ａは、フィン３０５を加圧することで簡単に変形する程度まで厚みを極端に薄くしてあるため、モジュール一次封止体３０２が挿入された後の生産性が向上する。
モジュールケース３０４の内部に残存する空隙には、第二封止樹脂３５１を充填される。また、図８及び図９に示されるように、コンデンサモジュール５００と電気的に接続するための直流正極配線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と直流負極端子３１９Ｂが形成されている。モータジェネレータ１９２あるいは１９４に交流電力を供給するための交流配線３２０が設けられており、その先端に交流端子３２１が形成されている。本実施形態では、直流正極配線３１５Ａは導体板３１５と一体成形され、交流配線３２０は導体板３１６と一体成形されているが、直流負極配線３１９Ａは直流負極端子３１９Ｂと別体に成形されている。直流負極端子３１９Ｂにおける直流負極配線３１９Ａ側は補助モールド体６００から露出しており、露出部７０２を形成している。また、同様に直流負極配線３１９Ａにおける直流負極端子側も補助モールド体６００から露出しており、露出部７０３を形成している。なお、ヒューズ材７００の一端は露出部７０２に接続され、他端は露出部７０３に接続され、直流負極配線３１９Ａと直流負極端子３１９Ｂとを接続されている。直流負極配線３１９Ａ及び直流負極端子３１９Ｂが補助モールド体６００に固定されることによって、ヒューズ材７００を露出部７０２及び露出部７０３に超音波溶接等で溶着させる際、特別な固定用治具が必要なくなるため、生産性が向上する。さらにヒューズ材７００を超音波溶接等で溶着させる際に、補助モールド体６００が土台の代わりとなり応力を受けることができるため、信頼性高くヒューズ材７００を組み付けることができる。
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３０４の内壁に熱圧着することにより、導体板とモジュールケース３０４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良くフィン３０５へ伝達できる。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で吸収するでき、温度変化の激しい車両用の電力変換装置に使用するのに良好となる。
図７（ａ）は、理解を助けるために、モジュールケース３０４と絶縁シート３３３と第一封止樹脂３４８と第二封止樹脂３５１を取り除いた内部断面図である。図７（ｂ）は、内部斜視図である。図８（ａ）は、図７（ｂ）の構造の理解を助けるための分解図である。図８（ｂ）は、パワーモジュール３００の回路図である。また、図９（ａ）は、インダクタンスの低減効果を説明する回路図であり、図９（ｂ）は、インダクタンスの低減作用を説明するための電流の流れを示す斜視図である。
まず、パワー半導体素子（ＩＧＢＴ３２８，ＩＧＢＴ３３０，ダイオード１５６，ダイオード１６６）と導体板の配置を、図８（ｂ）に示された電気回路と関連付けて説明する。図７（ｂ）に示されるように、直流正極側の導体板３１５と交流出力側の導体板３１６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３１６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、交流導体板３１８と導体板３１９は、略同一平面状に配置される。交流導体板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。各パワー半導体素子は、各導体板に設けられた素子固着部３２２に、金属接合材１６０を介してそれぞれ固着される。金属接合材１６０は、例えば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、等である。
各パワー半導体素子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。図７（ａ）に示されるように、パワー半導体素子の各電極は、導体板３１５と導体板３１８、または導体板３１６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及びダイオード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３１６と導体板３１９は、ＩＧＢＴ３３０及びダイオード１６６を介して略平行に対向した積層配置となる。また、導体板３１６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。
直流正極配線３１５Ａと直流負極配線３１９Ａは、樹脂材料で成形された補助モールド体６００を介して対向した状態で略平行に延びる形状を成している。外部信号端子３２５Ｕや外部信号端子３２５Ｌは、補助モールド体６００に一体に成形されて、かつ直流正極配線３１５Ａ及び直流負極配線３１９Ａと同様の方向に向かって延びている。補助モールド体６００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。これにより、直流正極配線３１５Ａと直流負極配線３１９Ａと外部信号端子３２５Ｕと外部信号端子３２５Ｌとの間の絶縁性を確保でき、高密度配線が可能となる。さらに、直流正極配線３１５Ａと直流負極配線３１９Ａを略平行に対向するように配置したことにより、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。
低インダクタンス化が起こる作用について、図９（ａ）を用いて説明する。なお、図９（ｂ）では電流の流れを見やすくするためにヒューズ材７０１は省略している。
図９（ａ）において、下アーム側のダイオード１６６が順方向バイアス状態で導通している状態とする。この状態で、上アーム側ＩＧＢＴ３２８がＯＮ状態になると、下アーム側のダイオード１６６が逆方向バイアスとなりキャリア移動に起因するリカバリ電流が上下アームを貫通する。このとき、各導体板３１５，３１６，３１８，３１９には、図９（ｂ）に示されるリカバリ電流３６０が流れる。リカバリ電流３６０は、点線で示されるとおり、直流負極端子３１９Ｂと対向に配置された直流正極端子３１５Ｂを通り、続いて各導体板３１５，３１６，３１８，３１９により形成されるループ形状の経路を流れ、再び直流正極端子３１５Ｂと対向に配置された直流負極端子３１９Ｂを介して実線に示すように流れる。ループ形状経路を電流が流れることによって、モジュールケース３０４の第１放熱面３０７Ａ及び第２放熱面３０７Ｂに渦電流３６１が流れる。この渦電流３６１の電流経路に等価回路３６２が発生する磁界相殺効果によって、ループ形状経路における配線インダクタンス３６３が低減する。
なお、リカバリ電流３６０の電流経路がループ形状に近いほど、インダクタンス低減作用が増大する。本実施形態では、ループ形状の電流経路は点線で示す如く、導体板３１５の直流正極端子３１５Ｂ側に近い経路を流れ、ＩＧＢＴ３２８及びダイオード１５６内を通る。そしてループ形状の電流経路は実線で示す如く、導体板３１８の直流正極端子３１５Ｂ側より遠い経路を流れ、その後、点線で示す如く導体板３１６の直流正極端子３１５Ｂ側より遠い経路を流れ、ＩＧＢＴ３３０及びダイオード１６６内を通る。さらにループ形状の電流経路は実線で示す如く、導体板３１９の直流負極配線３１９Ａ側に近い経路を流れる。このようにループ形状の電流経路が、直流正極端子３１５Ｂや直流負極端子３１９Ｂに対して、近い側や遠い側の経路を通ることで、よりループ形状に近い電流経路が形成される。
図１０（ａ）は補助モールド体６００の斜視図、図１０（ｂ）は図１０（ａ）のＡ−Ａで切った場合の断面図である。
補助モールド体６００は、信号導体３２４をインサート成形により一体化している。ここで、信号導体３２４は、上アーム側のゲート電極端子１５４やエミッタ電極端子１５５及び上アーム側のゲート電極端子１６４やエミッタ電極端子１６５（図２参照）、さらにはパワー半導体素子の温度情報を伝達するための端子が含まれる。本実施形態の説明では、これらの端子を総称して、外部信号端子３２５Ｕ，３２５Ｌと表現する。
信号導体３２４は、一方の端部に外部信号端子３２５Ｕや３２５Ｌを形成し、他方の端部に素子側信号端子３２６Ｕや３２６Ｌを形成する。素子側信号端子３２６Ｕや３２６Ｌは、パワー半導体素子の表面電極に設けられた信号パッドと、例えばワイヤにより接続される。封止部６０１は、図８（ａ）に示された直流正極配線３１５Ａや直流負極配線３１９Ａあるいは交流配線３２０の形状の長軸に対してこれを横切る方向に延びる形状を成す。
補助モールド体６００は、その長さが、横に並べられた導体板３１５と３１６との全体の長さ、あるいは横に並べられた導体板３１９と３２０との全体の長さより長く形成される。つまり、横に並べられた導体板３１５と３１６の長さ、あるいは横に並べられた導体板３１９と３２０の長さが、補助モールド体６００の横方向の長さの範囲内に入っている。
封止部６０１は、窪み形状を成しておりかつ当該窪みに直流負極配線３１９Ａを勘合するための配線勘合部６０２Ｂを形成する。また封止部６０１は、窪み形状を成しておりかつ当該窪みに直流正極配線３１５Ａを勘合するための配線勘合部６０２Ａを形成する。さらに封止部６０１は、配線勘合部６０２Ａの側部に配置されており、かつ窪み形状を成し、さらに当該窪みに交流配線３２０を勘合するための配線勘合部６０２Ｃを形成する。これら配線勘合部６０２Ａ〜６０２Ｃに各配線が勘合されることにより、各配線の位置決めが為される。これにより、各配線を強固に固定した後に樹脂封止材の充填作業を行うことが可能となり、量産性が向上する。
また、封止部６０１には、樹脂封止する際に用いられる金型と接触する金型押圧面６０４が形成され、かつ金型押圧面６０４は、樹脂封止する際の樹脂漏れを防止するための突起部６０５が封止部６０１の長手方向の外周を一周して形成される。突起部６０５は、樹脂漏れ防止効果を高めるために、複数設けられる。さらに、これら配線勘合部６０２Ａと配線勘合部６０２Ｂにも突起部６０５が設けられているので、直流正極配線３１５Ａ及び直流負極配線３１９Ａの周囲から樹脂封止材が漏れるのを防止できる。ここで、封止部６０１及び突起部６０５の材料としては、１５０〜１８０℃程度の金型に設置されることを考慮すると、高耐熱性が期待できる熱可塑性樹脂の液晶ポリマーやポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）やポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）が望ましい。
また、封止部６０１の短手方向のパワー半導体素子側には貫通孔６０６Ａが長手方向に複数設けられる。これにより、貫通孔６０６Ａに第一封止樹脂３４８が流入して硬化することにより、アンカー効果が発現して、補助モールド体６００は第一封止樹脂３４８に強固に保持され、温度変化や機械的振動によって応力がかかっても両者は剥離しなくなるので、信頼性が向上する。また、貫通孔の代わりに凹凸の形状としても剥離しがたくなる。さらに、第一封止樹脂６０１にポリイミド系のコート剤を塗布するか、あるいは表面を粗化することによってもある程度の効果を得ることができる。
モジュール一次封止体３０２における第１封止樹脂３４８の封止工程では、まず各配線を支持した補助モールド体６００を、１５０〜１８０℃程度に余熱された金型に挿入する。本実施形態では、補助モールド体６００，直流正極配線３１５Ａ，直流負極配線３１９Ａ，交流配線３２０，導体板３１５，導体板３１６，導体板３１８，導体板３１９が、それぞれ強固につながっているため、補助モールド体６００を所定の位置に設置することで主要回路およびパワー半導体素子が所定の位置に設置される。従って生産性が向上すると共に、信頼性が向上する。
図１１は回路に過電流１１００が流れたときの電流経路を示したものである。このように万が一、直流回路１５０が故障し、バッテリ１３６の間で過電流１１００が流れたとしても、パワー半導体素子から発せられる熱によって第一封止樹脂３４８がガス分解や融解する前に過電流を遮断することができる。
図１２を用いて、ヒューズ材７００の温度特性について詳細に説明する。図１２の横軸は回路に過電流が流れた時間、縦軸は過電流が流れたときに対応する温度である。さらに９００は封止樹脂温度で９０１はヒューズ材温度である。ＩＧＢＴの上下アーム短絡時の過電流１１００は、７０００〜１００００Ａの大電流である。従来、ドライバ回路１７４の短絡保護機能により約１０usec以内の短時間で過電流１１００は遮断される。しかし、万が一の故障により短絡保護機能が効かなくなった場合、ＩＧＢＴチップ近傍の封止樹脂温度９００は１００usecで２００〜３００℃にまで上昇する。このとき、ヒューズ材７００温度も比例して上昇し、ＩＧＢＴチップ近傍の封止樹脂温度９００と同じか、あるいは封止樹脂温度９００よりも早く上昇していく。封止型パワーモジュールの重大な破壊は、過熱による第一封止樹脂３４８のガス分解でモジュールケース内部へのガスが蓄積することによって発生するものと考えられる。そこで、ヒューズ溶断温度９０２を、封止樹脂のガス分解開始温度９０３と同程度かそれよりも低い温度とすることで、確実かつ内部発生ガスを最小限に抑えて過電流１１００に遮断が可能になる。封止樹脂のガス分解開始温度９０３は、３００℃程度から難燃材料であれば３５０℃以上まである。上述したように、補助モールド体６００や封止樹脂６０１はトランスファモールド時の機能的な面から、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）やポリフェニレンサルファイド樹脂系（ＰＰＳ）といった耐熱性のある熱可塑性樹脂が好ましい。これらのガス分解温度は、上記封止樹脂のガス分解開始温度９０３よりも高い場合が多く、３４０〜５００℃までシリーズがある。上記ヒューズ溶断温度９０２は、この補助モールド体６００のガス分解温度よりも確実に低くしておくことで、前記直流正極導体板３１５と直流正極負極板３１９の間の絶縁破壊による重大な破壊の連鎖を防止することが可能となる。
ヒューズ材７００の材料としては、Ａｌ合金（Ａｌ−Ｓｉ系・Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ），Ｓｎ合金（Ｓｎ−Ｃｕ系・Ｓｎ−Ｚｎ系・Ｓｎ−Ｉｎ系・Ｓｎ−Ｂｉ系・Ｓｎ−Ｃｄ系）等を用いることが考えられ、鉛フリー合金であることが望ましい。また、ヒューズ材７００にＳｎ合金を用いる場合、超音波溶接による金属接合は困難となるため、図１３に示すように、ヒューズ溶断部７０５をＳｎ合金で構成し、ヒューズ接合部７０６をＣｕ合金かあるいはＡｌ合金で構成するとよい。両者はロウ付けか或いはカシメ等で接合することができる。
パワーモジュールの組立工程について図１４（ａ）から（ｆ）を用いて説明する。第１の工程では、図１４（ａ）に示すように直流正極端子３１５Ｂと接続されている導体板３１５及び導体板３１６の上にＩＧＢＴ３２８，３３０及びダイオード１５６，１５８が搭載される。さらにその後、導体板３１９及び導体板３１８がＩＧＢＴ３２８，３３０及びダイオード１５６，１５８と接合される。
第２の工程では、図１４（ｂ）に示すように、補助モールド体６００が直流正極配線３１５Ａと直流負極配線３１９Ａの間に挿入され、直流正極配線３１５Ａと直流負極配線３１９Ａを位置決めするように固定される。
第３の工程では、図１４（ｃ）に示すように、信号導体３２４と各ＩＧＢＴ３２８，３３０のゲート電極とが、ワイヤボンディング３２７で接合される。
図１４（ｄ）に示す第４の工程では、図１４（ｃ）のように組み上げられたパワーモジュールを樹脂材で封止する、いわゆるトランスファモールドを行う工程である。
第５の工程では、図１４（ｅ）に示すように、ヒューズ材７００を組み付ける工程である。
第６の工程では、図１４（ｆ）に示すように、樹脂絶縁層３３３がトランスファモールドされたパワーモジュールの両面に接着される。
ヒューズ材７００は直流正極配線３１５Ａと直流正極端子３１５Ｂを別体に形成し正極側に設ける、もしくは正極側と負極側の両方に設けても問題ないが、負極側のみにヒューズ材７００を設けることによって、全工程を通して正極側が下になるように組み立てられるため、生産性が向上する。
全工程を通して正極側が下になるように組み立てる理由としては、ＩＧＢＴの構造に起因する。一般的にゲート電極はＩＧＢＴのエミッタ側に形成されている。上記パワーモジュールの組立工程で、負極側を下にしてパワーモジュールを組み立てた場合、ＩＧＢＴのエミッタ側からはんだで接合することになり、ＩＧＢＴのコレクタ側からはんだで接合する場合よりもＩＧＢＴと金属導体との接合面積が小さくなってしまい、組立工程で応力がかかった際にＩＧＢＴ等がはがれてしまったり、ＩＧＢＴ自体が組み立てた位置よりもずれてしまうため、信頼性が低下してしまうという課題がある。上記工程で、常に正極側が下になる、つまりＩＧＢＴのコレクタ側からはんだで接合されることによって、ＩＧＢＴと金属導体との接合面積が大きくなり、組立工程で応力がかかった際にＩＧＢＴ等の半導体素子がはがれにくくなり、さらにＩＧＢＴがずれにくくなるため、パワーモジュールの信頼性が向上する。
図１５は、パワーモジュール３００を電力変換装置の水冷ジャケット１２へ組み付ける工程を説明した図である。水冷ジャケット１２は、冷却媒体が流れる流路１９が形成される冷却部である。冷却ジャケット１２は、その上部に開口が形成され、かつ、この開口と対向する側に開口が形成される。上記開口からパワーモジュール３００が挿入され、シール１０００とモジュールケース３０４のフランジ３０４Ｂにより冷媒の漏れが防止される。冷媒としては例えば水が使用される。
上記説明の構造では、導体板３１５と３１８とに挟まれた上アーム回路と、導体板３１６と３１９とに挟まれた下アーム回路とが、冷媒の流れの方向に沿って並べて配置されており、モジュールのより小型化が実現できる。また厚みにおいて薄くなり、冷媒の流れに対する流体抵抗が抑えられる。
さらに上アーム回路あるいは下アーム回路がそれぞれ並列接続された２つのパワー半導体素子で作られており、上記並列接続された２つのパワー半導体素子は、上記導体板３１５と３１８との間に、あるいは上記導体板３１６と３１９との間に、冷媒の流れに沿った方向に並べて配置されており、この構造によりモジュール全体がより小型となる。
以上、説明した本実施例によれば、パワーモジュール３００は、上下アーム回路を内蔵したモジュール一次封止体３０２（図６（ｂ）に図示）と樹脂絶縁層３３３を、つなぎ目の無い全閉のモジュールケース３０４に収納することで、内蔵される上下アーム回路と樹脂絶縁層３３３を冷却媒体の浸透から守ることができる。
また、パワー半導体素子の動作時の発熱を、両面から導体板で拡散して絶縁シート３３３に伝え、モジュールケース３０４の放熱面３０７Ａ，３０７Ｂとフィン３０５から放熱するため、高い冷却性能を実現で、高信頼性でかつ高電流密度が可能な構造である。
直流正極配線３１５Ａと直流負極配線３１９Ａの間には、絶縁性樹脂材料からなる補助モールド体６００が介在して両者を勘合しており、絶縁性を確保しつつ直流正極配線３１５Ａと直流負極配線３１９Ａとを高い信頼性の基に略平行に対向配置できる。このため、絶縁信頼性を確保して低インダクタンス化ができ、電力変換装置の高速スイッチング動作に対応可能となって制御自由度が増すと共に、良好な電流バランスが得られるため、パワーモジュール３００の並列接続が可能となり、電流容量増設性を備えた電力変換装置の実現が可能となる。
また、ヒューズ材７００が溶断することで上記過電流８００が遮断され、パワーモジュール３００の内部の温度で封止樹脂のガス分解が進行するのを防ぐことができると共に、モジュールケース３０４と水路ジャケット１９Ａ外部で溶断が起こるため漏水の危険も無く、安定した重大な破壊を未然に防ぐことが可能となる。
図１６は、本実施形態のコンデンサモジュール５００の分解斜視図である。
積層導体板５０１は、薄板状の幅広導体で形成された負極導体板５０５及び正極導体板５０７、さらに負極導体板５０５と正極導体板５０７に挟まれた絶縁シート５１７により構成されているので、低インダクタンス化が図られている。積層導体板５０１は、略長方形形状を成す。バッテリ正極側端子５０８及びバッテリ負極側端子５０９は、積層導体板５０１の短手方向の一方の辺から立ち上げられた状態で形成される。
コンデンサ端子５０３ａ〜５０３ｃは、積層導体板５０１の長手方向の一方の辺から立ち上げられた状態で形成される。また、コンデンサ端子５０３ｄ〜５０３ｆは、積層導体板５０１の長手方向の他方の辺から立ち上げられた状態で形成される。なお、コンデンサ端子５０３ａ〜５０３ｆは、積層導体板５０１の主面を横切る方向に立ち上げられている。コンデンサ端子５０３ａ〜５０３ｃは、パワーモジュール３００ａ〜３００ｃとそれぞれ接続される。コンデンサ端子５０３ｄ〜５０３ｆは、パワーモジュール３０１ａ〜３０１ｃとそれぞれ接続される。コンデンサ端子５０３ａを構成する負極側コンデンサ端子５０４ａと正極側コンデンサ端子５０６ａとの間には、絶縁シート５１７の一部が設けられ、絶縁が確保されている。他のコンデンサ端子５０３ｂ〜５０３ｆも同様である。なお、本実施形態では、負極導体板５０５，正極導体板５０７，バッテリ正極側端子５０８，バッテリ負極側端子５０９，コンデンサ端子５０３ａ〜５０３ｆは、一体に成形された金属製板で構成され、インダクタンス低減及び生産性の向上を図っている。
コンデンサセル５１４は、積層導体板５０１の下方に複数個設けられる。本実施形態では、８つのコンデンサセル５１４が積層導体板５０１の長手方向の一方の辺に沿って一列に並べられ、かつさらに別の８つのコンデンサセル５１４が積層導体板５０１の長手方向の他方の辺に沿って一列に並べられ、合計１６個のコンデンサセルが設けられる。積層導体板５０１の長手方向のそれぞれの辺に沿って並べられたコンデンサセル５１４は、図１１に示される点線ＡＡを境にて対称に並べられる。これにより、コンデンサセル５１４によって平滑化された直流電流をパワーモジュール３００ａ〜３００ｃ及びパワーモジュール３０１ａ〜３０１ｃに供給する場合に、コンデンサ端子５０３ａ〜５０３ｃとコンデンサ端子５０３ｄ〜５０３ｆとの間の電流バランスが均一化され、積層導体板５０１のインダクタンス低減を図ることができる。また、電流が積層導体板５０１にて局所的に流れることを防止できるので、熱バランスが均一化されて耐熱性も向上させることができる。
また、バッテリ正極側端子５０８とバッテリ負極側端子５０９も、図１６に示される点線ＡＡを境にて対称に並べられる。同様に、コンデンサ端子５０３ａ〜５０３ｃとコンデンサ端子５０３ｄ〜５０３ｆとの間の電流バランスが均一化されて積層導体板５０１のインダクタンス低減を図ることができ、かつ熱バランスが均一化されて耐熱性も向上させることができる。
本実施形態のコンデンサセル５１４は、コンデンサモジュール５００の蓄電部の単位構造体であり、片面にアルミなどの金属を蒸着したフィルムを２枚積層し巻回して、２枚の金属の各々を正極，負極としたフィルムコンデンサを用いる。コンデンサセル５１４の電極は、巻回した軸面がそれぞれ、正極，負極電極となり、スズなどの導電体を吹き付けて製造される。
コンデンサケース５０２は、コンデンサセル５１４を収納するための収納部５１１を備え、当該収納部５１１は上面及び下面が略長方形状を成す。収納部５１１の長手方向の一方の辺にはフランジ部５１５ａが設けられ、他方の辺にはフランジ部５１５ｂが設けられる。フランジ部５１５ａには、モジュールケース３０４の挿入口３０６から延びる各端子を貫通させるための貫通孔５１９ａ〜５１９ｃが設けられる。同様に、フランジ部５１５ｂには、貫通孔５１９ｄ〜５１９ｆが設けられる。また、貫通孔５１９ａ〜５１９ｆのそれぞれの側部には、コンデンサモジュール５００を冷却ジャケット１２に固定する固定手段を貫通させるための孔５２０ａ〜５２０ｈが設けられる。パワーモジュールとの間に、孔５２０ｂ，孔５２０ｃ，孔５２０ｆ，孔５２０ｇが設けられることで、パワーモジュールと流路１９との気密性を向上させている。フランジ部５１５ａ及びフランジ部５１５ｂは、コンデンサケース５０２の軽量化と冷却ジャケット１２への固定強度を向上させるために、ハニカム構造を成している。
収納部５１１の底面部５１３は、円筒形のコンデンサセル５１４の表面形状に合わせるように、なめらかな凹凸形状若しくは波形形状を成している。これにより、積層導体板５０１とコンデンサセル５１４が接続されたモジュールをコンデンサケース５０２に位置決めさることが容易になる。また、積層導体板５０１とコンデンサセル５１４がコンデンサケース５０２に収納された後に、コンデンサ端子５０３ａ〜５０３ｆとバッテリ負極側端子５０８及びバッテリ負極側端子５０９を除いて、積層導体板５０１が覆われるようにコンデンサケース５０２内に充填材（不図示）が充填される。底面部５１３がコンデンサセル５１４の形状に合わせて波形形状となっていることにより、充填材がコンデンサケース５０２内に充填される際に、コンデンサセル５１４が所定位置からずれることを防止できる。
また、コンデンサセル５１４は、スイッチング時のリップル電流により、内部のフィルム上に蒸着された金属薄膜、内部導体の電気抵抗により発熱する。そこで、コンデンサセル５１４の熱をコンデンサケース５０２を逃がし易くするために、コンデンサセル５１４を充填材でモールドする。さらに樹脂製の充填材を用いることにより、コンデンサセル５１４の耐湿も向上させることができる。
さらに、本実施形態では、コンデンサモジュール５００は、収納部５１１の長手方向の辺を形成する側壁が流路１９に挟まれように配置されているので、コンデンサモジュール５００を効率良く冷やすことができる。また、コンデンサセル５１４は、当該コンデンサセル５１４の電極面の一方が収納部５１１の長手方向の辺を形成する内壁と対向するように配置されている。これにより、フィルムの巻回軸の方向に熱が伝達し易いので、熱がコンデンサセル５１４の電極面を介してコンデンサケース５０２に逃げやすくなっている。
図１７（ａ）は、冷却ジャケット１２にパワーモジュールとコンデンサモジュールとバスバーモジュールを組み付けた外観斜視図である。図１２（ｂ）は、図１２（ａ）の点線囲み部の拡大図である。
図１７（ｂ）に示されるように、直流正極端子３１５Ｂ，直流負極端子３１９Ｂ，交流端子３２１及び外部信号端子３２５Ｕ，３２５Ｌは、コンデンサケース５０２の貫通孔５１９を通って、フランジ部５１５ａの上方まで延びている。直流正極端子３１５Ｂ及び直流負極端子３１９Ｂの電流経路の面積は、積層導体板５０１の電流経路の面積より非常に小さい。そのため、電流が積層導体板５０１から直流正極端子３１５Ｂ及び直流負極端子３１９Ｂに流れる際には、電流経路の面積が大きく変化することになる。つまり、電流が直流正極端子３１５Ｂ及び直流負極端子３１９Ｂに集中することになる。また、直流正極端子３１５Ｂ及び直流負極端子３１９Ｂが積層導体板５０１を横切る方向に突出する場合、言い換えると、直流正極端子３１５Ｂ及び直流負極端子３１９Ｂが積層導体板５０１とねじれの関係にある場合、新たな接続用導体が必要になり生産性低下やコスト増大の問題が生じる。
そこで、本実施形態では、負極側コンデンサ端子５０４ａは、積層導体板５０１から立ち上がっている立上り部５４０と、当該立上り部５４０と接続されかつＵ字状に屈曲した折返し部５４１と、当該折返し部５４１と接続されかつ立上り部５４０とは反対側の面が直流負極端子３１９Ｂの主面と対向する接続部５４２とにより構成される。また、正極側コンデンサ端子５０６ａは、積層導体板５０１から立ち上がっている立上り部５４３と、折返し部５４４と、当該折返し部５４４と接続されかつ立上り部５４３とは反対側の面が直流正極端子３１５Ｂの主面と対向する接続部５４５と、により構成される。特に、折返し部５４４は、立上り部５４３と略直角に接続されかつ負極側コンデンサ端子５０４ａと直流正極端子３１５Ｂと直流負極端子３１９Ｂの側部を跨ぐように構成される。さらに、立上り部５４０の主面と立上り部５４３の主面は絶縁シート５１７を介して対向する。同様に、折返し部５４１の主面と折返し部５４４の主面は絶縁シート５１７を介して対向する。
これにより、コンデンサ端子５０３ａが接続部５４２の直前まで絶縁シート５１７を介した積層構造を成すため、電流が集中する当該コンデンサ端子５０３ａの配線インダクタンスを低減することができる。
また、折返し部５４４が負極側コンデンサ端子５０４ａと直流正極端子３１５Ｂと直流負極端子３１９Ｂの側部を跨ぐように構成される。さらに、直流負極端子３１９Ｂの先端と接続部５４２の側辺とは溶接により接続され、同様に直流正極端子３１５Ｂの先端と接続部５４５の側辺とは溶接により接続される。
これにより、直流負極端子３１９Ｂ及び直流正極端子３１５Ｂの溶接接続するための作業方向と折返し部５４４とが干渉することがなくなるので、低インダクタンスを図りながら生産性を向上させることができる。
また、交流端子３２１の先端は交流バスバー８０２ａの先端とは溶接により接続される。溶接をするための生産設備において、溶接機械を溶接対象に対して複数方向に可動できるように作ることは、生産設備を複雑化させることにつながり生産性及びコスト的な観点から好ましくない。そこで、本実施形態では、交流端子３２１の溶接箇所と直流負極端子３１９Ｂの溶接箇所は、冷却ジャケット１２の長手方向の辺に沿って一直線状に配置される。これにより、溶接機械を一方向に可動する間に、複数の溶接を行うことができ、生産性が向上する。
さらに、図４及び図１７（ａ）に示されるように、複数のパワーモジュール３００ａ〜３００ｃは、冷却ジャケット１２の長手方向の辺に沿って一直線状に配置される。これにより、複数のパワーモジュール３００ａ〜３００ｃを溶接する際に、更に生産性を向上させることができる。
図１８は、パワーモジュールとコンデンサモジュールを組み付けた冷却ジャケット１２とバスバーモジュール８００の分解斜視図である。図１９は、保持部材８０３を除いたバスバーモジュール８００の外観斜視図である。パワーモジュール３００に設けられたヒューズ材７００とコンデンサモジュール５００に設けられた正極導体板５０５及び負極導体板５０７の間には、図１６で示されたコンデンサケース５０２が配置されることになる。正極導体板５０５及び負極導体板５０７とヒューズ材７００の間にはコンデンサケース５０２のフランジ部５１５ａ，５１５ｂが存在している。直流正極端子３１５Ｂ及び直流負極端子３１９Ｂは、このコンデンサケース５０２のフランジ部５１５ａ，５１５ｂに形成された貫通孔５１９から突出し、かつ流路に形成された開口から遠ざかるように延びている。このような構成によって、正極導体板５０５及び負極導体板５０７がコンデンサケース５０２のフランジ部５１５ａ，５１５ｂによって保護されるため、たとえヒューズ材７００が溶断したとしても、正極導体板５０５及び負極導体板５０７にまで影響が及ぶことなく、破壊が最小限に抑えることができるため、信頼性が向上する。
図１８及び図１９に示されるように、第１交流バスバー８０２ａ〜８０２ｆは、電流センサ１８０ａ又は電流センサ１８０ｂの設置箇所まで、当該第１交流バスバー８０２ａ〜８０２ｆの主面がコンデンサモジュール５００の積層導体板５０１の主面と略垂直になるように形成される。また、第１交流バスバー８０２ａ〜８０２ｆは、電流センサ１８０ａの貫通孔又は電流センサ１８０ｂの貫通孔の直前で略直角に折り曲げられる。これにより、電流センサ１８０ａ又は電流センサ１８０ｂを貫通する第１交流バスバー８０２ａ〜８０２ｆの部分は、その主面が積層導体板５０１の主面と略平行になる。そして、第１交流バスバー８０２ａ〜８０２ｆの端部には、第２交流バスバー８０４ａ〜８０４ｆと接続する為の接続部８０５ａ〜８０５ｆが形成される（接続部８０５ｄ〜８０５ｆは不図示）。
第２交流バスバー８０４ａ〜８０４ｆは、接続部８０５ａ〜８０５ｆの近傍で、コンデンサモジュール５００側に向かって略直角に折り曲げられる。これにより、第２交流バスバー８０４ａ〜８０４ｆの主面がコンデンサモジュール５００の積層導体板５０１の主面と略垂直になるように形成される。さらに第２交流バスバー８０４ａ〜８０４ｆは、電流センサ１８０ａ又は電流センサ１８０ｂの近傍から、図１３に示された冷却ジャケット１２の短手方向の一方の辺１２ａに向かって延ばされ、当該辺１２ａを横切るように形成される。つまり、複数の第２交流バスバー８０４ａ〜８０４ｆの主面が向かい合った状態で、当該第２交流バスバー８０４ａ〜８０４ｆが辺１２ａを横切るように形成される。
これにより、装置全体を大型化させることなく、冷却ジャケット１２の短い辺側から複数の板状交流バスバーを外部に突出させることができる。そして、冷却ジャケット１２の一面側から複数の交流バスバーを突出させることで、電力変換装置２００の外部での配線の取り回しが容易になり、生産性が向上する。
図１８に示されるように、第１交流バスバー８０２ａ〜８０２ｆ，電流センサ１８０ａ〜１８０ｂ及び第２交流バスバー８０４ａ〜８０４ｆは、樹脂で構成された保持部材８０３によって、保持及び絶縁されている。この保持部材８０３により、第２交流バスバー８０４ａ〜８０４ｆが金属製の冷却ジャケット１２及び筐体１１９との間の絶縁性を向上させる。また保持部材８０３が冷却ジャケット１２に熱的に接触又は直接接触することにより、トランスミッション１１８側から第２交流バスバー８０４ａ〜８０４ｆに伝わる熱を、冷却ジャケット１２に逃がすことができるので、電流センサ１８０ａ〜１８０ｂの信頼性を向上させることができる。
図１８に示されるように、保持部材８０３は、図４に示されたドライバ回路基板２２を指示するための支持部材８０７ａ及び支持部材８０７ｂを設ける。支持部材８０７ａは、複数設けられ、かつ冷却ジャケット１２の長手方向の一方の辺に沿って一列に並べて形成される。また、支持部材８０７ｂは、複数設けられ、かつ冷却ジャケット１２の長手方向の他方の辺に沿って一列に並べて形成される。支持部材８０７ａ及び支持部材８０７ｂの先端部には、ドライバ回路基板２２を固定するための螺子穴が形成されている。
さらに、保持部材８０３は、電流センサ１８０ａ及び電流センサ１８０ｂが配置された箇所から上方に向かって延びる突起部８０６ａ及び突起部８０６ｂを設ける。突起部８０６ａ及び突起部８０６ｂは、それぞれ電流センサ１８０ａ及び電流センサ１８０ｂを貫通するように構成される。図１９に示されるように、電流センサ１８０ａ及び電流センサ１８０ｂは、ドライバ回路基板２２の配置方向に向かって延びる信号線１８２ａ及び信号線１８２ｂを設ける。信号線１８２ａ及び信号線１８２ｂは、ドライバ回路基板２２の配線パターンと半田によって接合される。本実施形態では、保持部材８０３，支持部材８０７ａ〜８０７ｂ及び突起部８０６ａ〜８０６ｂは、樹脂で一体に形成される。
これにより、保持部材８０３が電流センサ１８０とドライバ回路基板２２との位置決め機能を備えることになるので、信号線１８２ａとドライバ回路基板２２との間の組み付け及び半田接続作業が容易になる。また、電流センサ１８０とドライバ回路基板２２を保持する機構を保持部材８０３に設けることで、電力変換装置全体としての部品点数を削減できる。
本実施形態の電力変換装置２００はトランスミッション１１８を収納した筐体１１９に固定されるので、トランスミッション１１８からの振動の影響を大きく受ける。そこで、保持部材８０３は、ドライバ回路基板２２の中央部の近傍を指示するための支持部材８０８を設けて、ドライバ回路基板２２に加わる振動の影響を低減している。なお、保持部材８０３は、冷却ジャケット１２に螺子により固定される。
また、保持部材８０３は、補機用パワーモジュール３５０の一方の端部を固定するためのブラケット８０９を設ける。また図４に示されるように、補機用パワーモジュール３５０は突出部４０７に配置されることにより、当該補機用パワーモジュール３５０の他方の端部が当該突出部４０７に固定される。これにより、補機用パワーモジュール３５０に加わる振動の影響を低減するとともに、固定用の部品点数を削減することができる。
図２０は、パワーモジュールとコンデンサモジュールとバスバーモジュール８００と補機用パワーモジュール３５０を組み付けた冷却ジャケット１２の外観斜視図である。
電流センサ１８０は、約１００℃の耐熱温度以上に熱せられると破壊するおそれがある。特に車載用の電力変換装置では、使用される環境の温度が非常に高温になるため、電流センサ１８０を熱から保護することが重要になる。特に、本実施形態に係る電力変換装置２００はトランスミッション１１８に搭載されるので、当該トランスミッション１１８から発せられる熱から保護することが重要になる。
そこで、本実施形態では、電流センサ１８０ａ及び電流センサ１８０ｂは、冷却ジャケット１２を挟んでトランスミッション１１８とは反対側に配置される。これにより、トランスミッション１１８が発する熱が電流センサに伝達しづらくなり、電流センサの温度上昇を抑えられる。さらに、第２交流バスバー８０４ａ〜８０４ｆは、図５に示された第３流路１９ｃを流れる冷媒の流れ方向８１０を横切るように形成される。そして、電流センサ１８０ａ及び電流センサ１８０ｂは、第３流路部１９ｃを横切る第２交流バスバー８０４ａ〜８０４ｆの部分よりもパワーモジュールの交流端子３２１に近い側に配置される。これにより、第２交流バスバー８０４ａ〜８０４ｆが冷媒によって間接的に冷却され、交流バスバーから電流センサ、更にはパワーモジュール内の半導体チップに伝わる熱を和らげることができるため、信頼性が向上する。
図２０に示される流れ方向８１１は、図５にて示された第４流路１９ｄを流れる冷媒の流れ方向を示す。同様に、流れ方向８１２は、図５にて示された第２流路１９ｂを流れる冷媒の流れ方向を示す。本実施形態に係る電流センサ１８０ａ及び電流センサ１８０ｂは、電力変換装置２００の上方から投影したときに、電流センサ１８０ａ及び電流センサ１８０ｂの投影部が流路１９の投影部に囲まれるように配置される。これにより電流センサをトランスミッション１１８からの熱から更に保護することができる。
電流センサ１８０は、約１００℃の耐熱温度以上に熱せられると破壊するおそれがある。特に車載用の電力変換装置では、使用される環境の温度が非常に高温になるため、電流センサ１８０を熱から保護することが重要になる。特に、本実施形態に係る電力変換装置２００はトランスミッション１１８に搭載されるので、当該トランスミッション１１８から発せられる熱から保護することが重要になる。
そこで、本実施形態では、電流センサ１８０ａ及び電流センサ１８０ｂは、冷却ジャケット１２を挟んでトランスミッション１１８とは反対側に配置される。これにより、トランスミッション１１８が発する熱が電流センサに伝達しづらくなり、電流センサの温度上昇を抑えられる。さらに、第２交流バスバー８０４ａ〜８０４ｆは、図５に示された第３流路１９ｃを流れる冷媒の流れ方向８１０を横切るように形成される。そして、電流センサ１８０ａ及び電流センサ１８０ｂは、第３流路部１９ｃを横切る第２交流バスバー８０４ａ〜８０４ｆの部分よりもパワーモジュールの交流端子３２１に近い側に配置される。これにより、第２交流バスバー８０４ａ〜８０４ｆが冷媒によって間接的に冷却され、交流バスバーから電流センサ、更にはパワーモジュール内の半導体チップに伝わる熱を和らげることができるため、信頼性が向上する。
図２０に示される流れ方向８１１は、図５にて示された第４流路１９ｄを流れる冷媒の流れ方向を示す。同様に、流れ方向８１２は、図５にて示された第２流路１９ｂを流れる冷媒の流れ方向を示す。本実施形態に係る電流センサ１８０ａ及び電流センサ１８０ｂは、電力変換装置２００の上方から投影したときに、電流センサ１８０ａ及び電流センサ１８０ｂの投影部が流路１９の投影部に囲まれるように配置される。これにより電流センサをトランスミッション１１８からの熱から更に保護することができる。
図２１は、制御回路基板２０と金属ベース板１１を分離した電力変換装置２００の分割斜視図である。ドライバ回路基板２２はバスバーモジュール８００に形成された支持部材８０７ａおよび８０７ｂに固定されている。さらにドライバ基板２２は、コンデンサケース５０２のフランジ部５１５ａ，５１５ｂに形成された貫通孔５１９から突出した直流正極端子３１５Ｂ及び直流負極端子３１９Ｂよりも上方に配置されている。係る構成によって、ヒューズ材７００が溶断した際にドライバ回路基板２２が受ける熱の影響が少なくなるため、ドライバ回路基板２２が破壊されにくくなり、信頼性が向上する。
冷却ジャケット１２は支持部材１５を有しており、支持部材１５は冷却ジャケット１２に形成された開口部４００からはなれるように延びている。制御回路基板２０は、その支持部材１５に保持された金属ベース板１１に固定されており、金属ベース板１１は直流正極端子３１５Ｂ及び直流負極端子３１９Ｂよりも上方に配置されている。このように制御回路基板２０とヒューズ材７００の間に金属ベース板１１が配置されているため、ヒューズ材７００が溶断した際、制御回路基板２０に与える熱の影響が少なくなるため、破壊されにくくなり、信頼性が向上する。
図２０にて示されたように、電流センサ１８０は、コンデンサモジュール５００の上方に配置される。ドライバ回路基板２２は、電流センサ１８０の上方に配置され、かつ図１３に示されたバスバーモジュール８００に設けられる支持部材８０７ａ及び８０７ｂによって支持される。金属ベース板１１は、ドライバ回路基板２２の上方に配置され、かつ冷却ジャケット１２から立設された複数の支持部材１５によって支持される。制御回路基板２０は、金属ベース板１１の上方に配置され、かつ金属ベース板１１に固定される。
電流センサ１８０とドライバ回路基板２２と制御回路基板２０が高さ方向に一列に階層的に配置され、かつ制御回路基板２０が強電系のパワーモジュール３００及び３０１から最も遠い場所に配置されるので、スイッチングノイズ等が混入することを抑制することができる。さらに、金属ベース板１１は、グランドに電気的に接続された冷却ジャケット１２に電気的に接続されている。この金属ベース板１１によって、ドライバ回路基板２２から制御回路基板２０に混入するノイズを低減している。
本実施形態においては、流路１９に流れる冷媒の冷却対象が主に駆動用のパワーモジュール３００及び３０１であるので、当該パワーモジュール３００及び３０１は流路１９内に収納されて直接と冷媒と接触して冷却される。一方、補機用パワーモジュール３５０も、駆動用パワーモジュールほどではないが冷却することが求められる。
そこで、本実施形態では、補機用パワーモジュール３５０の金属ベースで形成された放熱面が、流路１９を介して、入口配管１３及び出口配管１４と対向するように形成される。特に、補機用パワーモジュール３５０を固定する突出部４０７が入口配管１３の上方に形成されているので、下方から流入する冷媒が突出部４０７の内壁に衝突して、効率良く補機用パワーモジュール３５０から熱を奪うことができる。さらに、突出部４０７の内部には、流路１９と繋がる空間を形成している。この突出部４０７内部の空間によって、入口配管１３及び出口配管１４近傍の流路１９の深さが大きくなっており、突出部４０７内部の空間に液溜りが生じることになる。この液溜りにより効率良く補機用パワーモジュール３５０を冷却することができる。
電流センサ１８０とドライバ回路基板２２を電気的に繋ぐ際に、配線コネクタを用いると接続工程の増大や、接続ミスの危険性を招くことになる。
そこで、図２１に示されるように、本実施形態のドライバ回路基板２２には、当該ドライバ回路基板２２を貫通する第１孔２４及び第２孔２６が形成される。また第１孔２４にはパワーモジュール３００の外部信号端子３２５Ｕ及び外部信号端子３２５Ｌが挿入され、外部信号端子３２５Ｕ及び外部信号端子３２５Ｌはドライバ回路基板２２の配線パターンと半田により接合される。さらに第２孔２６には電流センサ１８０の信号線１８２が挿入され、信号線１８２はドライバ回路基板２２の配線パターンと半田により接合される。なお、冷却ジャケット１２との対向面とは反対側のドライバ回路基板２２の面側から半田接合が行われる。
これにより、配線コネクタを用いることなく信号線が接続できるので生産性を向上させることができる。また、パワーモジュール３００の外部信号端子３２５と電流センサ１８０の信号線１８２を、同一方向から半田により接合されることにより、生産性を更に向上させることができる。また、ドライバ回路基板２２に、外部信号端子３２５を貫通させるための第１孔２４や、信号線１８２を貫通させるための第２孔２６をそれぞれ設けることにより接続ミスの危険性を少なくすることができる。
また、本実施形態のドライバ回路基板２２は、冷却ジャケット１２と対向する面側に、ドライバＩＣチップ等の駆動回路（不図示）を実装している。これにより、半田接合の熱がドライバＩＣチップ等に伝わることを抑制して、半田接合によるドライバＩＣチップ等の損傷を防止している。また、ドライバ回路基板２２に搭載されているトランスのような高背部品が、コンデンサモジュール５００とドライバ回路基板２２との間の空間に配置されるので、電力変換装置２００全体を低背化することが可能となる。
図２２は、図２１のＢ面で切り取った電力変換装置２００をＣ方向から見た断面図である。
モジュールケース３０４に設けられたフランジ３０４Ｂは、コンデンサケース５０２に設けられたフランジ５１５ａ又はフランジ５１５ｂによって冷却ジャケット１２に押し付けられる。つまり、コンデンサセル５１４を収納したコンデンサケース５０２の自重を利用して、冷却ジャケット１２にモジュールケース３０４を押しつけることにより、流路１９の気密性を向上させることができる。
パワーモジュール３００の冷却効率を向上させるために、流路１９内の冷媒をフィン３０５が形成された領域に流すようにする必要がある。モジュールケース３０４は湾曲部３０４Ａのスペースを確保するために、モジュールケース３０４の下部にはフィン３０５が形成されていない。そこで下カバー４２０は、モジュールケース３０４の下部が、当該下カバー４２０に形成された凹部４３０に勘合されるように形成される。これにより、冷却フィンが形成されていない空間に冷媒が流れ込むことを防止することができる。
図２２に示されるように、パワーモジュール３００とコンデンサモジュール５００とパワーモジュール３０１の配列方向は、制御回路基板２０とドライバ回路基板２２とトランスミッション１１８の配列方向を横切るように並べて配置されている。特に、パワーモジュール３００とコンデンサモジュール５００とパワーモジュール３０１は、電力変換装置２００の中では、最下層に並べて配置されている。これにより、電力変換装置２００全体の低背化が可能となるとともに、トランスミッション１１８からの振動の影響を低減することができる。
以上が第１の実施例である。
続いて第２の実施例について説明する。第２の実施例は補助モールド体６００の形状が変わったものである。それ以外の点については第１の実施例と同じである。
図２３（ａ）は第２の実施例で用いられる補助モールド体６６０の斜視図、図２３（ｂ）は補助モールド体６００の透過図である。
第１の実施例と大きく異なる点は直流正極端子３１５Ｂ，直流負極端子３１９Ｂ、および交流端子３２１が外部信号端子３２５Ｕと外部信号端子３２５Ｌの間に配置され、補助モールド体６６０に保持されている点である。このような配置にすることによって第１の実施例の補助モールド体６００を用いるよりも、直流正極端子３１５Ｂ，直流負極端子３１９Ｂ及び交流端子３２１を溶接する空間を大きくできる。また、溶接するための空間を大きく取れることによって、信号導体３２４が溶接時に熱の影響を受けにくくなり、溶接時に信号導体３２４の破壊を防ぐことができる。これらの構成によって生産性および信頼性が向上する。
封止部６０１Ａは、図２３（ａ）に示された直流正極配線３１５Ａや直流負極配線３１９Ａあるいは交流配線３２０の形状の長軸に対してこれを横切る方向に延びる形状を成す。一方、第２封止部６０１Ｂは、直流正極配線３１５Ａや直流負極配線３１９Ａあるいは交流配線３２０の形状の長軸に対して略平行な方向に延びる形状を成す。また、第２封止部６０１Ｂは、上アーム側の外部信号端子３２５Ｕを封止するための封止部と、下アーム側の外部信号端子３２５Ｌを封止するための封止部とにより構成される。信号配線３２４が第２封止部６０１Ｂによって覆われているため、たとえヒューズ材７００が溶断した際に信号配線３２４が破壊されずにすむため、信頼性が向上する。
また、第１の実施例同様、封止部６０１Ａは、窪み形状を成しておりかつ当該窪みに直流負極配線３１９Ａを勘合するための配線勘合部６０２Ｂを形成している。封止部６０１Ａは、窪み形状を成しておりかつ当該窪みに直流正極配線３１５Ａを勘合するための配線勘合部６０２Ａを形成する。さらに封止部６０１Ａは、配線勘合部６０２Ａの側部に配置されおり、かつ窪み形状を成し、さらに当該窪みに交流配線３２０を勘合するための配線勘合部６０２Ｃを形成する。これら配線勘合部６０２Ａ〜６０２Ｃに各配線が勘合されることにより、各配線の位置決めが為される。これにより、各配線を強固に固定した後に樹脂封止材の充填作業を行うことが可能となり、量産性が向上する。
また、配線絶縁部６０８が、配線勘合部６０２Ａと配線勘合部６０２Ｂの間から、封止部６０１Ａから遠ざかる方向に突出する。板形状を成す配線絶縁部６０８が直流正極配線３１５Ａと直流負極配線３１９Ａの間に介在することにより、絶縁性を確保しながら、低インダクタンス化のための対向配置が可能となる。
モジュール一次封止体３０２における第１封止樹脂３４８の封止工程では、まず各配線を支持した補助モールド体６００を、１５０〜１８０℃程度に余熱された金型に挿入する。本実施形態では、補助モールド体６００，直流正極配線３１５Ａ，直流負極配線３１９Ａ，交流配線３２０，導体板３１５，導体板３１６，導体板３１８，導体板３１９が、それぞれ強固につながっているため、補助モールド体６００を所定の位置に設置することで主要回路およびパワー半導体素子が所定の位置に設置される。従って生産性が向上すると共に、信頼性が向上する。
また、第２封止部６０１Ｂは、モジュールケース３０４近傍からドライバ回路基板２２近傍まで延ばされるように形成される。これにより、強電配線の間をかいくぐってドライバ回路基板２２との配線を行う際に、高電場にさらされても正常にスイッチング制御信号を伝達できるようになる。また、直流正極配線３１５Ａ，直流負極配線３１９Ａ，交流配線３２０，外部信号端子３２５Ｕ及び外部信号端子３２５Ｌが、モジュールケース３０４から同一方向に突出しても、電気的絶縁を確保することができ、信頼性を確保できる。
続いて第３の実施例について図２４を用いて説明する。
第一の実施例と異なる点は、第一の実施例では直流負極配線３１９Ａ，直流負極端子３１９Ｂ及びヒューズ材７００が一枚板ではない形状として組み立てられていたが、本実施例では直流負極配線３１９Ａ，直流負極端子３１９Ｂ及びヒューズ材７００を一枚板の形状としたものを新たなインサートバスバー７１１としたものを用いた点である。それ以外の構成は第１の実施例と同様のものである。
図２４（ａ）はパワーモジュール３００のモジュールケース３０４及び第一封止樹脂材３４８を除いた図で、図２４（ｂ）は図２４（ａ）のパワーモジュールをモジュールケース３０４に実装したものである。ヒューズ材７１０は直流負極端子３１９Ｂ及び直流負極配線３１９Ａにかしめられることによって接着している。第一の実施例では直流正極配線３１５Ａからヒューズ材７００が遠ざかるような配置になっていたため、直流正極配線と直流負極配線が一枚板で対向して配置されるよりもインダクタンスが若干上昇してしまうという問題があった。しかし、ヒューズ材７１０，インサートバスバー７１１及び直流負極配線７１２が負極導体板として一枚板で形成されることにより、直流正極配線３１５Ａから遠ざかることなく負極側の配線を対向させることができる。係る構成によって回路全体のインダクタンスが低減し、ヒューズ材が溶断するほどの温度上昇を未然に防ぐことができ、信頼性が向上する。
また補助モールド体６００にインサート成形された上記負極導体板におけるヒューズ材７１０の周辺部を陥没させた陥没部６２０を有することによって、発熱しやすいヒューズ材と補助モールド体６００が直接接触しなくなり、補助モールド体が余計な温度上昇をしなくなる。係る構成によって、異常な熱が発生した場合以外でのヒューズ材の溶断を防ぐことができるため、信頼性が向上する。
また、第３の実施例では第１の実施例の補助モールド体６００を用いて説明したが、第２の実施例で用いた補助モールド体６００を用いてもよい。
続いて第４の実施例及び第５の実施例について図２５を用いて説明する。
まずは第４の実施例から説明する。第１の実施例と異なる点は、第１の実施例では直流負極配線３１９Ａは厚みがほぼ一定であり、さらに直流負極端子３１９Ｂも厚みがほぼ一定であったが、第４の実施例では露出部１７０１及び１７０２の厚みを直流負極端子３１９Ｂ及び直流負極配線３１９Ａの厚みよりも薄くし、その部分にヒューズ材７００を組みつけているという点である。その図を図２５（ａ）に示す。係る構成によって第１の実施例よりもヒューズ材７００が直流正極配線３１５Ａに近づき、よりインダクタンスの上昇を抑えることができるため、サージ電圧の発生などによってヒューズ材７００が発熱し、前記発熱によるヒューズ材７００自体の溶断を防ぐことができるため、信頼性が向上する。
続いて第５の実施例について説明する。第１の実施例と異なる点は、直流負極配線３１９Ａと接続される露出部２７０２及び直流負極端子３１９Ｂと接続される露出部２７０１が折り曲げられて形成されているという点である。その図を図２５（ｂ）に示す。図２５（ｂ）のように露出部２７０２及び露出部２７０１を折り曲げて成型することによって、ヒューズ材７００が直流正極配線３１５Ａに近づけて接合できるようになる。係る構成によって第一の実施例よりもインダクタンスの上昇を抑えることができるため、サージ電圧の発生などによってヒューズ材７００が発熱し、前記発熱によるヒューズ材７００自体の溶断を防ぐことができるため、信頼性が向上する。
また、第４及び第５の実施例では、第１の実施例の補助モールド体６００を用いて説明したが、第２の実施例で用いた補助モールド体６００を用いてもよい。
以上の実施例で示したように、信頼性の高い半導体装置，パワーモジュール、およびパワーモジュールを備えた電力変換装置を提供することができる。
３００ パワーモジュール
３０４ モジュールケース
３０５ フィン
３０６ 挿入口
３０７ 放熱ベース
３１５Ｂ 直流正極端子
３１９Ｂ 直流負極端子
３２１ 交流端子
３２５Ｌ，３２５Ｕ 外部信号端子
６００ 補助モールド体

Claims (10)

  1. 半導体チップと、
    一方の主面が前記半導体チップの一方の主面と接続される第１の接続導体と、
    一方の主面が前記半導体チップの他方の主面と接続される第２の接続導体と、
    直流電源から電力が供給される接続端子と、
    前記半導体チップを封止する樹脂材を有し、
    前記樹脂材は、前記第１及び第２の接続導体が対向して形成された空間から突出した突出部を有し、
    前記接続端子は前記突出部に固定され、
    前記第１又は第２の接続導体の少なくとも一方は、所定の温度で溶断する金属材を介して前記接続端子に接続されることを特徴とす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、
    開口部を備える有底の構造で、かつ第１の冷却面および当該第１の冷却面と対向する第２の冷却面を有する冷却器を備え、
    前記第１の接続導体における他方の主面は前記第１の冷却面と対向して配置され、
    前記第２の接続導体における他方の主面は前記第２の冷却面と対向して配置され、
    前記突出部は前記開口部から前記冷却器の外部に突出しており、
    前記金属材は前記開口部から突出した前記突出部に配置されることを特徴とす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であって、
    前記第１の接続導体における他方の主面と、前記第１の冷却面との間に配置されている第１の絶縁部材と、
    前記第２の接続導体における他方の主面と、前記第２の冷却面との間に配置されている第２の絶縁部材を有することを特徴とするパワーモジュール。
  4. 請求項２乃至３に記載のいずれかのパワーモジュールであって、
    前記半導体チップはＩＧＢＴから構成され、かつ、前記ＩＧＢＴの一方の主面はコレクタ電極を形成し、前記ＩＧＢＴの他方の主面はエミッタ電極を形成し、
    前記接続端子は、第１の接続導体を介して前記ＩＧＢＴのコレクタ電極に電気的に接続される正極接続端子と、第２の接続導体を介して前記ＩＧＢＴのエミッタ電極に電気的に接続される負極接続端子と、を含んで構成され、
    前記第２の接続導体は、前記金属材を介して前記負極接続端子と接続されることを特徴とするパワーモジュール。
  5. 半導体チップと、前記半導体チップの主面に接続される板状導体と、直流電源に電気的に接続される接続端子と、前記板状導体を封止する樹脂材を有するパワーモジュールと、
    冷却媒体が流れる流路を有する流路形成体と、を有し、
    前記流路形成体は、所定の面に前記流路と接続される開口を有し、
    前記パワーモジュールは前記開口から前記流路内に浸漬され、
    前記樹脂材は、前記開口から突出する突出部を有し、
    前記接続端子は前記突出部に固定され、
    前記板状導体の一部は所定の温度で溶断する金属材を介して前記接続端子と接続されることを特徴とする電力変換装置。
  6. 請求項５に記載の電力変換装置であって、
    第１の冷却面と当該第１の冷却面と対向する第２の冷却面を有し、かつ、開口部を有する有底の冷却器を備え、
    前記冷却器は前記パワーモジュールを収納し、
    前記板状導体は、前記半導体チップの一方の主面と対向して配置される第１の板状導体と、前記半導体チップの他方の主面と対向して配置される第２の板状導体から構成され、かつ、当該第１の板状導体は第１の絶縁部材を介して前記第１の冷却面と対向して配置され、当該第２の板状導体は第２の絶縁部材を介して前記第２の冷却面と対向して配置されることを特徴とする電力変換装置。
  7. 請求項６に記載の電力変換装置であって、
    前記冷却器は、前記開口部が形成された当該冷却器の一面にフランジ部を有し、
    前記フランジ部の前記開口部が形成された面とは反対側の当該フランジ部の面が流路形成体に固定されることを特徴とする電力変換装置。
  8. 請求項６乃至７に記載のいずれかの電力変換装置であって、
    コンデンサセルと、当該コンデンサセルを収納するコンデンサケースを有するコンデンサモジュールを備え、
    前記コンデンサケースは孔が形成されたフランジ部を有し、
    前記パワーモジュールの前記接続端子は前記コンデンサケースの孔を貫通し、
    前記金属材は前記冷却器のフランジ部と前記コンデンサケースのフランジ部が対向して形成された空間に配置されていることを特徴とする電力変換装置。
  9. 請求項５乃至８のいずれかに記載の電力変換装置であって、
    前記半導体チップを駆動するドライバ回路基板を備え、
    前記接続端子は、当該接続端子の端部が前記流路形成体の前記開口から遠ざかる方向に延び、
    前記ドライバ回路基板の主面が前記開口と対向し、かつ、当該ドライバ回路基板は前記接続端子の端部より上方に配置されることを特徴とする電力変換装置。
  10. 請求項５乃至８のいずれかに記載の電力変換装置であって、
    前記半導体チップを制御するための制御信号を生成する制御回路基板と、
    前記制御回路基板を保持する金属ベースを有し、
    前記金属ベースは、前記流路形成体と前記制御回路基板の間に配置されることを特徴とする電力変換装置。
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