JP4009056B2 - パワーモジュール - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はパワーモジュールに関するものであり、主として、パワーモジュールの冷却性能を向上させる技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図３４に第１の従来のパワーモジュール１０１Ｐの模式的な外観図を示す。パワーモジュール１０１Ｐでは、放熱フィンないしはヒートシンク２Ｐ上に熱伝導グリス（図示せず）を介して銅ベース板９Ｐが配置されており、ベース板９Ｐ上に絶縁基板５Ｐが配置されている。更に、絶縁基板５Ｐ上にフリーホイーリングダイオード（以下、単にダイオードとも呼ぶ）１ＡＰ及び絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（Insulated Gate Bipolar Transistor；以下、ＩＧＢＴとも呼ぶ）１ＢＰが配置されている。
【０００３】
従来のパワーモジュール１０１Ｐでは、絶縁基板５Ｐの両主面には銅箔６Ｐが形成されており、銅箔６Ｐとベース板９Ｐとが半田付けされており、又、ダイオード１ＡＰ及びＩＧＢＴ１ＢＰは銅箔６Ｐ上に半田付けされている。更に、ヒートシンク２Ｐ上に絶縁層４Ｐを介して電極３Ｐが設けられている。そして、ワイヤ７Ｐによって所定の電気的結線がなされている。なお、ヒートシンク２Ｐ，ダイオード１ＡＰ及びＩＧＢＴ１ＢＰ等を含む構成はケース（図示せず）内に収められている。
【０００４】
電極３Ｐにバスバーないしは配線９１Ｐが接続されており、バスバー９１Ｐは上記ケースの外に引き出されている。ケースの外においてバスバー９１Ｐに電流検出用の変流器ないしはカレント・トランスフォーマ９２Ｐが取り付けられている。また、円筒形の直流電流平滑用キャパシタ８Ｐが、ケースの外にヒートシンク２Ｐ等とは別個に設けられている（その接続形態の図示化は省略する）。
【０００５】
図３５に第２の従来のパワーモジュール１０２Ｐの模式的な外観図を示す。パワーモジュール１０２Ｐは上述のベース板９Ｐを有さず、絶縁基板５Ｐが熱伝導グリスを介してヒートシンク２Ｐ上に配置されている。パワーモジュール１０２Ｐのその他の構造は上述のパワーモジュール１０１Ｐと同様である。
【０００６】
図３６に第３の従来のパワーモジュール１０３Ｐの模式的な外観図を示す。パワーモジュール１０３Ｐは、いわゆる電力変換器である。パワーモジュール１０３Ｐでは、全てのダイオード１ＡＰ及びＩＧＢＴ１ＢＰが絶縁基板５Ｐ上に配置されている。なお、パワーモジュール１０３Ｐのヒートシンク２ＢＰは貫通孔２ＢＨＰを有しており、かかる貫通孔２ＢＨＰに冷媒が流される。パワーモジュール１０３Ｐのその他の構造は基本的には上述のパワーモジュール１０１Ｐと同様である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来のパワーモジュール１０１Ｐ〜１０３Ｐは以下の問題点を有している。まず、動作時の温度に対する信頼性が低いという問題点がある。
【０００８】
詳細には、ヒートシンク２Ｐ，２ＢＰとダイオード１ＡＰ及びＩＧＢＴ１ＢＰとの熱膨張率が異なる場合、上述の半田付け部分では半田の凝固点からの温度差に応じた熱応力が発生する。このため、パワーモジュール１０１Ｐ〜１０３Ｐの使用時（動作時）における熱サイクル（又は温度サイクル）及び／又は使用と停止との繰り返しによる熱サイクルによって半田付け部分に亀裂が発生・進行するという問題点がある。このような半田付け部分の亀裂はパワーモジュールの寿命を縮めてしまう。
【０００９】
このとき、上述の熱応力を小さくするためには例えば半田を厚く（例えば３００μｍ以上）することが考えられる。ところが、そのような厚さではダイオード１ＡＰ等とヒートシンク２Ｐ，２ＢＰとの間の熱抵抗が大きくなってしまい、ヒートシンク２Ｐ，２ＢＰを大型化しなければならないという別個の問題が惹起される。
【００１０】
更に、従来のパワーモジュール１０１Ｐ〜１０３Ｐでは、ダイオード１ＡＰ等の発熱によって絶縁基板５Ｐやベース板９Ｐ等に温度分布が生じると絶縁基板５Ｐ等に反りやうねりが発生する。このとき、温度差が大きい場合には、ヒートシンク２Ｐとベース板９Ｐとの間等に隙間が形成される。このため、ヒートシンク２Ｐ，２ＢＰと絶縁基板５Ｐ又はベース板９Ｐとの間が熱伝導グリスで満たされなくなり（空気が入り込み）、熱伝達が低下してしまうという問題点がある。また、上述の半田付け部分の亀裂の発生が助長される又は亀裂が進行するという問題点がある。かかる隙間が形成されると、パワーモジュールの信頼性が低下してしまう。
【００１１】
上述の隙間を発生させないようにするためには、例えば絶縁基板５Ｐ等内での温度分布を均一化したり、絶縁基板５Ｐ等を厚くして剛性を増大させることが考えられる。しかしながら、絶縁基板５Ｐ等を厚くすると絶縁基板５Ｐ等とヒートシンク２Ｐ，２ＢＰとの間の熱抵抗が大きくなってしまい、かかる場合にもヒートシンク２Ｐ，２ＢＰを大型化しなければならないという別個の問題が惹起される。
【００１２】
更に、ダイオード１ＡＰやＩＧＢＴ１ＢＰの発熱量が大きい場合、温度上昇によって素子の特性が変動してしまうので、信頼性を確保するためには電流量を制限しなければならないという問題点がある。
【００１３】
更に、従来のパワーモジュール１０１Ｐ〜１０３Ｐでは、変流器９２Ｐ及び円筒形のキャパシタ８Ｐをパワーモジュールのケースの外に別個に設けているので、モジュール全体が大型であるという問題点がある。また、変流器９２Ｐの特性は、測定する電流が直流成分を多く含む場合には大型化してしまうし、変流器９２Ｐによれば発熱による特性変動に起因した測定誤差（５％程度）を含んで測定が行われてしまう。
【００１４】
また、パワーモジュール１０３Ｐでは、ダイオード１ＡＰ及びＩＧＢＴ１ＢＰの各電力用半導体素子の配置位置によって、各電力用半導体素子と、電力変換器において低電位側に接続される電極６１Ｐ及び高電位側に接続される電極６２Ｐとの距離が異なっている。このため、ワイヤ７Ｐ等の配線のインダクタンスが電力用半導体素子毎に異なり、その結果、出力電圧がばらついてしまう。
【００１５】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであり、小型軽量で信頼性の高いパワーモジュールを提供することを主たる目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
（１）請求項１に記載の発明に係るパワーモジュールは、ヒートシンクと、前記ヒートシンク上に直に配置された第１の電力用半導体素子と、前記ヒートシンク上に直に配置されたキャパシタとを備え、前記ヒートシンクは導電性を有し、前記第１の電力用半導体素子の電極及び前記キャパシタの電極が前記ヒートシンクと直に接着されていることを特徴とする。
【００１７】
（２）請求項２に記載の発明に係るパワーモジュールは、請求項１に記載のパワーモジュールであって、前記ヒートシンクは複数の表面を有し、前記第１の電力用半導体素子と前記キャパシタとが前記ヒートシンクの異なる前記表面上に配置されていることを特徴とする。
【００１８】
（３）請求項３に記載の発明に係るパワーモジュールは、請求項１又は２に記載のパワーモジュールであって、前記ヒートシンクは冷媒の流路を有することを特徴とする。
【００２０】
（４）請求項４に記載の発明に係るパワーモジュールは、請求項１乃至３のいずれかに記載のパワーモジュールであって、前記ヒートシンク上に配置された絶縁基板と、前記絶縁基板を介して前記ヒートシンク上に配置された第２の電力用半導体素子とを更に備えることを特徴とする。
【００２１】
（５）請求項５に記載の発明に係るパワーモジュールは、請求項１乃至３のいずれかに記載のパワーモジュールと、他のヒートシンクと、前記他のヒートシンク上に直に配置された第２の電力用半導体素子とを備えることを特徴とする。
【００２２】
（６）請求項６に記載の発明に係るパワーモジュールは、請求項５に記載のパワーモジュールであって、前記他のヒートシンクは導電性を有し、前記他のヒートシンクに、前記第２の電力用半導体素子の電極が直に接着されており、前記パワーモジュールは、前記他のヒートシンクを前記ヒートシンク及び前記キャパシタの前記電極から絶縁する絶縁部材を更に備えることを特徴とする。
【００２３】
（７）請求項７に記載の発明に係るパワーモジュールは、請求項６に記載のパワーモジュールであって、前記絶縁部材上に配置された導電部材と、前記導電部材に接続されると共に、前記第１の電力用半導体素子と前記第２の電力用半導体素子との間を電気的に接続する可撓性の配線とを更に備えることを特徴とする。
【００２７】
（８）請求項８に記載の発明に係るパワーモジュールは、請求項４乃至７のいずれかに記載のパワーモジュールであって、前記第１の電力用半導体素子と前記第２の電力用半導体素子とは電気的に接続されて、前記第１の電力用半導体素子は電力変換器の下アームを成し、前記第２の電力用半導体素子は前記電力変換器の上アームを成すことを特徴とする。
【００２８】
（９）請求項９に記載の発明に係るパワーモジュールは、請求項８に記載のパワーモジュールであって、前記上アーム及び前記下アームを含む、前記電力変換器のアームの複数と、各前記下アームの各前記第１の電力用半導体素子に第１電圧を供給する第１電極及び各前記上アームの各前記第２の電力用半導体素子に第２電圧を供給する第２電極を含み、前記第１の電力用半導体素子又は前記第２の電力用半導体素子の配置面から突出して設けられた同軸線とを更に備え、複数の前記アームは、前記同軸線を取り囲んで同心円上に略等間隔で配置されていることを特徴とする。
【００３１】
【発明の実施の形態】
＜実施の形態１＞
図１に実施の形態１に係るパワーモジュール１０１の模式的な外観図を示す。
図１に示すように、パワーモジュール１０１は、例えばシリコン（Ｓｉ）基板に形成された電力用半導体素子（例えばフリーホイーリングダイオードやＩＧＢＴ）１と、ヒートシンク２Ａと、電極３と、絶縁層４と、ワイヤ７とを備える。なお、図面の煩雑化を避けるため、電力用半導体素子１の詳細な図示化は省略している。
【００３２】
特に、電力用半導体素子１はヒートシンク２Ａ上に直に配置されているないしは接している。電力用半導体素子１は、上記シリコン基板の両主面に対応する両主面１Ｓ１，１Ｓ２を有しており、各主面１Ｓ１，１Ｓ２にそれぞれ電極（図示せず）が形成されている。そして、一方の主面（以下、裏面とも呼ぶ）１Ｓ２が、換言すれば当該裏面１Ｓ２に形成された電極（以下、裏面電極とも呼ぶ）がヒートシンク２Ａの平面状の表面２ＡＳ上に例えば半田付けされている。
【００３３】
ここで、「電力用半導体素子１がヒートシンク２Ａ上に直に配置されている」とは、「従来のパワーモジュール１０１Ｐ〜１０３Ｐが有する絶縁基板５Ｐやベース板９Ｐ（図３４参照）を介することなく」の意味であり、電力用半導体素子１とヒートシンク２Ａとの間に両者を接着するための接着材料（例えば上述の半田）が存在している構成は上述の「直に配置」された形態に含まれる。なお、上記接着材料として、半田の代わりに、アルミニウムや銀等の導電性粉末を含んだエポキシ樹脂等の熱伝導性の良好な接着剤を用いても構わない。
【００３４】
ヒートシンク２Ａはシリコンと熱膨張率がほぼ等しい材料、例えばモリブデン（Ｍｏ），銅（Ｃｕ）−モリブデン（Ｍｏ）合金，タングステン（Ｗ），炭素繊維複合材料等を含む。或いは、ヒートシンク２Ａとして（シリコンと熱膨張率がほぼ等しい材料として）、炭素（Ｃ）やシリコン（Ｓｉ）を含有したアルミニウム（Ａｌ）等を適用する。ヒートシンク２Ａは表面２ＡＳの反対側にフィン形状を有している。
【００３５】
更に、ヒートシンク２Ａ上に絶縁層４が配置されており、絶縁層４上に電極３が配置されている。即ち、電極３は絶縁層４により絶縁されてヒートシンク２Ａ上に配置されている。電極３と、電力用半導体素子１の他方の主面（以下、表面とも呼ぶ）１Ｓ１に形成された電極（以下、表面電極とも呼ぶ）とがワイヤ７によって電気的に結線されている。なお、圧接や導電性接着剤等によって、電極３と電力用半導体素子１の表面電極とを電気的に接続しても構わない。
【００３６】
パワーモジュール１０１によれば以下の効果を得ることができる。即ち、電力用半導体素子１とヒートシンク２Ａとの熱膨張率がほぼ等しいので、従来のパワーモジュール１０１Ｐ〜１０３Ｐとは異なり、電力用半導体素子１とヒートシンク２Ａとの接合部分（半田付け部分）に熱サイクルに起因した亀裂が発生するのを格段に抑制することができる。このため、従来のパワーモジュール１０１Ｐ〜１０３Ｐとは異なり、半田を厚くする必要が無く、電力用半導体素子１とヒートシンク２Ａとの間の熱抵抗を小さくすることができる。これにより、ヒートシンクを小型軽量化することができる。
【００３７】
更に、電力用半導体素子１とヒートシンク２Ａとが直に接しているので、電力用半導体素子１とヒートシンク２Ａとの間の温度差を小さくすることができる。このため、従来のパワーモジュール１０１Ｐ〜１０３Ｐとは異なり、たとえ電力用半導体素子１の裏面１Ｓ２内に及び／又はヒートシンク２Ａの表面２ＡＳ内に温度分布が生じた場合であっても、裏面１Ｓ２と表面２ＡＳとの間に発生する或いは裏面１Ｓ２と表面２ＡＳとの間の接着材料に発生する熱応力が小さい。これにより、電力用半導体素子の信頼性を高められ、パワーモジュール１０１によれば高い信頼性を長期に得ることができる。
【００３８】
＜実施の形態２＞
図２に実施の形態２に係るパワーモジュール１０２の模式的な外観図を示す。図２に示すように、パワーモジュール１０２は、既述の電力用半導体素子１としてのフリーホイーリングダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂと、ヒートシンク２Ａと、電極３と、絶縁層４と、ワイヤ７とを備える。なお、既述の構成要素と同等のものには同一の符号を付してその説明を援用するに留める。
【００３９】
フリーホイーリングダイオード１Ａは、既述の各表面１Ｓ１及び裏面１Ｓ２に対応する表面１ＡＳ１及び裏面１ＡＳ２と、表面電極及び裏面電極（図示せず）とを有する。同様に、ＩＧＢＴ１Ｂも、既述の各表面１Ｓ１及び裏面１Ｓ２に対応する表面１ＢＳ１及び裏面１ＢＳ２と、表面電極及び裏面電極（図示せず）とを有する。
【００４０】
特に、パワーモジュール１０２のヒートシンク２Ａは導電性を有する材料、例えば上述の材料の内の銅−モリブデン合金等から成る。そして、ダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂが、裏面１ＡＳ２，１ＢＳ２をヒートシンク２Ａの表面２ＡＳに対面させて、ヒートシンク２Ａ上に直に配置されている。ダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂは、導電性を有する接着材料、例えば半田でヒートシンク２Ａ上に接着されている。これにより、ダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂの両裏面電極は半田及び導電性のヒートシンク２Ａを介して電気的に接続されている。他方、ダイオード１Ａの表面電極とＩＧＢＴ１Ｂの表面電極と電極３とが例えばワイヤ７によって電気的に接続されている。
【００４１】
このように、パワーモジュール１０２では、ヒートシンク２Ａが導電性を有するので、即ちヒートシンク２Ａが電極として働くので、電極３及び絶縁層４の個数を削減してパワーモジュールを小型軽量化することができる。
【００４２】
なお、パワーモジュール１０２のヒートシンク２Ａは、表面２ＡＳから続く突出部２ＡＴを有しており、絶縁層４及び電極３は突出部２ＡＴ上にも延在している。これにより、導電性のヒートシンク２Ａの突出部２ＡＴと突出部２ＡＴ上の電極３とをパワーモジュール１０２の端子として利用することができる。
【００４３】
なお、パワーモジュール１０２は主として複数の電力用半導体素子の各裏面電極が同一電位となる回路構成に適用されるが、ヒートシンク２Ａと電力用半導体素子との間に、銅箔等の導電層を有する絶縁基板（従来の絶縁基板５Ｐ（図３４参照）に相当）を設けることによって、裏面電極の電位が異なる複数の電力用半導体素子を搭載することができる。
【００４４】
＜実施の形態３＞
図３に実施の形態３に係るパワーモジュール１０３の模式的な外観図を示す。図３に示すように、パワーモジュール１０３は、２つのパワーモジュール１０２が絶縁部材１０を介して結合され一体化された構成を有する。絶縁部材１０として例えばエポキシ樹脂や射出成形プラスチック等が適用可能である。
【００４５】
パワーモジュール１０３では、各パワーモジュール１０２の電極３は、互いに他方のパワーモジュール１０２側へ延在して当該他方のパワーモジュール１０２のヒートシンク２Ａに電気的に接続されている、例えば半田付けされている（突出部３Ｔ参照）。
【００４６】
パワーモジュール１０３によれば、２つのパワーモジュール１０２を予め準備しておき、これらを組み合わせて回路を構成するので、モジュールを容易に形成することができる。このとき、小型軽量化が推進されたパワーモジュール１０２を用いるので、パワーモジュール１０３も小型軽量化される。なお、３つ以上のパワーモジュール１０２を組み合わせても構わない。
【００４７】
なお、電極３を介することなく、例えばダイオード１Ａとヒートシンク２Ａとの間を直接にワイヤ７で接続しても構わない。かかる場合には、電極３等を更に削減することができる。
【００４８】
＜実施の形態４＞
図４に実施の形態４に係るパワーモジュール１０４の模式的な外観図を示す。図４に示すように、パワーモジュール１０４は、フリーホイーリングダイオード１Ａと、ＩＧＢＴ１Ｂと、導電性のヒートシンク２Ｂと、電極３と、絶縁層４と、ワイヤ７とを備える。
【００４９】
ヒートシンク２Ｂは上述の導電性のヒートシンク２Ａと同様の材料から成り、上記表面２ＡＳに対応する平面状の表面２ＢＳを有する。そして、当該表面２ＢＳ上にダイオード１Ａ，ＩＧＢＴ１Ｂ及び絶縁層４が配置されている。
【００５０】
特に、パワーモジュール１０４のヒートシンク２Ｂは冷媒の流路としての２つの貫通孔（冷媒の流路）２ＢＨを有する。各貫通孔２ＢＨは表面２ＢＳから同程度離れた位置に、換言すれば図４において横方向に並べて設けられている。また、各貫通孔２ＢＨはダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂの下方を通過するように形成されている。なお、貫通孔２ＢＨは１つ或いは３つ以上であっても構わない。
【００５１】
パワーモジュール１０４では、貫通孔２ＢＨに冷媒、例えば空気，六フッ化硫黄（ＳＦ6），炭酸ガス等の気体や、水，油等の液体を流すことによって、ヒートシンク２Ｂを従ってダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂを強制的に冷却する。これにより、冷却能力を大幅に向上させることができる。その結果、従来のパワーモジュール１０１Ｐ〜１０３Ｐのように信頼性を確保するためになされていた電流量の制限を緩和或いは解除することができるし、又、ヒートシンクを、従ってパワーモジュールを小型軽量化することができる。
【００５２】
＜実施の形態４の変形例１＞
図５に実施の形態４の変形例１に係るパワーモジュール１０４Ａの模式的な外観図を示す。図５に示すように、パワーモジュール１０４Ａは上述のパワーモジュール１０４を２つ備え、ヒートシンク２Ｂの貫通孔２ＢＨ同士が配管２ＢＪで繋がれて、両パワーモジュール１０４が連結している。
【００５３】
このとき、（ｉ）両ヒートシンク２Ｂを同電位に設定する場合、換言すれば両ヒートシンク２Ｂ上のダイオード１Ａ等の裏面電極同士を同電位に設定する場合には、配管２ＢＪと冷媒との少なくとも一方に導電性の材料・物質を用い（以下、導電連結と呼ぶ）、（ｉｉ）逆に、両ヒートシンク２Ｂ間を絶縁する場合には、換言すれば両ヒートシンク２Ｂ上のダイオード１Ａ等同士を絶縁する場合には、配管２ＢＪ及び冷媒の双方に絶縁性の材料・物質を用いる（以下、絶縁連結と呼ぶ）。
【００５４】
このとき、（ｉｉｉ）上記（ｉ）のように配管２ＢＪと冷媒との少なくとも一方に導電性の材料・物質を用いた場合であっても、ヒートシンク２Ｂとダイオード１Ａ等との間に既述の絶縁基板５Ｐ（及び銅箔６Ｐ）（図３４参照）を設ければ、上記（ｉｉ）と同様に両ヒートシンク２Ｂ間でダイオード１Ａ等を絶縁することができる。逆に言えば、上述の導電連結及び絶縁連結によれば、絶縁基板５Ｐ等を用いる必要がない。
【００５５】
なお、３つ以上のパワーモジュール１０４を配管２ＢＪで連結してパワーモジュール１０４Ａを構成しても良い。このとき、導電連結の場合、同電位に設定する複数のパワーモジュール１０４を１グループとして、各グループ毎に、冷媒を流すためのポンプ（図示せず）を設ける。他方、絶縁連結の場合、パワーモジュール１０４Ａ全体に対して、１つのポンプを設ければ良い。
【００５６】
＜実施の形態４の変形例２＞
図６に実施の形態４の変形例２に係るパワーモジュール１０４Ｂの模式的な外観図を示す。図６に示すように、パワーモジュール１０４Ｂでは、２つの貫通孔２ＢＨが表面２ＢＳからの距離を違えて、換言すれば図６において上下に並べて形成されている。
【００５７】
上述のパワーモジュール１０４Ａと同様に、複数のパワーモジュール１０４Ｂの各貫通孔２ＢＨ同士を配管２ＢＪで連結して回路を構成しても構わない（図７参照）。このとき、上側の貫通孔２ＢＨ同士を及び下側の貫通孔２ＢＨ同士をそれぞれ配管２ＢＪでつなぐ。特に、ダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂに近い、上側の貫通孔２ＢＨから冷媒を流入し、その後、折り返して下側の貫通孔２ＢＨに流れるように配管することによって、上記パワーモジュール１０４と比較して、各ヒートシンク２Ｂでの冷媒の温度差が吸収され、より均一な冷却能力が得られる。
【００５８】
＜実施の形態４の変形例３＞
図８に実施の形態４の変形例３に係るパワーモジュール１０４Ｃの模式的な外観図を示す。図８に示すように、パワーモジュール１０４Ｃは上記パワーモジュール１０４を２つ備え、両パワーモジュール１０４がヒートシンク２Ｂの表面２ＢＳとは反対側の表面同士を接して配置されている。
【００５９】
＜実施の形態４の変形例４＞
図９に実施の形態４の変形例４に係るパワーモジュール１０４Ｄの模式的な外観図を示す。図９に示すように、パワーモジュール１０４Ｄは上記パワーモジュール１０４を２つ備え、両パワーモジュール１０４が支持部材１５を介して上下に積み重ねられている。このとき、（ｉ）少なくとも１つの支持部材１５に金属等の導電性部材を用いれば両ヒートシンク２Ｂを同電位に設定することができるし、（ｉｉ）全ての支持部材１５に樹脂等の絶縁部材を用いれば両ヒートシンク２Ｂ間を絶縁することができる。
【００６０】
＜実施の形態５＞
図１０及び図１１に、実施の形態５に係るパワーモジュール１０５の模式的な外観図（上面図及び側面図）を示す。なお、図１１は図１０中の矢印Ａの方向からパワーモジュール１０５を見た場合の外観図にあたり、図面の煩雑化を避けるために図１１では構成要素の一部の図示化を省略している。また、図１２に、パワーモジュール１０５の模式的な縦断面図を示す。
【００６１】
パワーモジュール１０５は、いわゆる３相の電圧型電力変換器を成す。なお、電力変換器とはインバータ及びコンバータを含む。電力変換器では、各相毎に、互いに対を成してアームを形成する上アームと下アームとが出力端子を介して直列に接続され、上アームは高電位（第２電圧に対応する）側と出力端子との間に接続され、下アームは出力端子と低電位（第１電圧に対応する）側との間に接続される（又は接地される）。即ち、電力変換器は、等価回路的には多相ブリッジ回路（ここでは、３相ブリッジ回路）を成している。
【００６２】
パワーモジュール１０５は、対向する円形の主面（表面）２ＣＳ１，２ＣＳ２を有する円柱形のヒートシンク２Ｃを備える。ヒートシンク２Ｃは導電性を有する。
【００６３】
ヒートシンク２Ｃの一方の主面２ＣＳ１上に例えばセラミック板より成る３つの絶縁基板５０Ｕ，５０Ｖ，５０Ｗが配置されている。各絶縁基板５０Ｕ，５０Ｖ，５０Ｗの両主面上に例えば銅箔が形成されており、絶縁基板５０Ｕ，５０Ｖ，５０Ｗは例えば半田により主面２ＣＳ１上に接着されている。このとき、ヒートシンク２Ｃと対面する上記銅箔は、絶縁基板５０Ｕ，５０Ｖ，５０Ｗとヒートシンク２Ｃとの間の接着を良好に行うためのものである。他方、各絶縁基板５０Ｕ，５０Ｖ，５０Ｗ上の、ヒートシンク２Ｃとは対面しない各銅箔は、電力変換器の出力端子にあたる各電極６０Ｕ，６０Ｖ，６０Ｗを成す。このため、電極６０Ｕ，６０Ｖ，６０Ｗとして銅箔以外の導電材料を用いても構わない。
【００６４】
特に、絶縁基板５０Ｕ，５０Ｖ，５０Ｗは、円形の主面２ＣＳ１の円周と同心の円周上に略等間隔に配置されている。換言すれば、円形の主面２ＣＳ１の中心に対して互いに同じ角度（ここでは１２０゜）を成して規定される放射線上に上記中心から同じ距離だけ離れて、絶縁基板５０Ｕ，５０Ｖ，５０Ｗが配置されている。
【００６５】
更に、各１つのダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂから成る電力用半導体素子の組が、３組、絶縁基板５０Ｕ，５０Ｖ，５０Ｗに隣接して主面２ＣＳ１上に直に配置されている。上述の電力用半導体素子の各組は、円形の主面２ＣＳ１の円周と同心の円周上に略等間隔に又上記各絶縁基板５０Ｕ，５０Ｖ，５０Ｗの配列間に配置されている。特に、かかるダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂの各裏面電極は例えば半田により主面２ＣＳ１上に直に接着されている。他方、ダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂの各表面電極は例えばワイヤ７により電極６０Ｕ，６０Ｖ，６０Ｗに電気的に接続されている。このようにヒートシンク２Ｃ上に直付けされている、３組のダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂの各組が電力変換器の下アームを構成する。
【００６６】
更に、例えばセラミック板より成る絶縁基板５が絶縁基板５０Ｕ，５０Ｖ，５０Ｗに近接して主面２ＣＳ１上に配置されている。各絶縁基板５は、円形の主面２ＣＳ１の円周と同心の円周上に略等間隔に又上記各絶縁基板５０Ｕ，５０Ｖ，５０Ｗの配列間に配置されている。各絶縁基板５の両主面上に例えば銅箔が形成されており、各絶縁基板５は例えば半田により主面２ＣＳ１に接着されている。ヒートシンク２Ｃと対面しない側の銅箔は導電層６を成す。
【００６７】
各絶縁基板５の導電層６上にダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂが配置されている。ダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂはそれぞれの裏面電極を導電層６と対面させて例えば半田により接着されている。また、隣接する導電層６と電極６０Ｕ，６０Ｖ，６０Ｗとが例えばワイヤ７によって接続されている。絶縁基板５を介してヒートシンク２Ｃ上に配置されている、３組のダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂそれぞれが電力変換器の上アームを構成する。
【００６８】
ダイオード１Ａ等のかかる配置によれば、パワーモジュール１０５が有する３つのアーム（上アーム及び下アームから成る）は、ヒートシンク２Ｃの円形の主面２ＣＳ１の当該円形の中心（後述のように電極６１が配置される）を取り囲んで同心円上に略等間隔で配置されている。
【００６９】
そして、円形の主面２ＣＳ１上に、当該円形の中心付近に例えばセラミック板より成る絶縁基板５０Ｃが配置されている。絶縁基板５０Ｃの両主面上には例えば例えば銅箔が形成されており、絶縁基板５０Ｃは例えば半田により主面２ＣＳ１に接着されている。ヒートシンク２Ｃと対面しない銅箔は導電層６０Ｃを成す。絶縁基板５上のダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂの各表面電極が例えばワイヤ７により導電層６０Ｃと電気的に接続されている。なお、絶縁基板５０Ｃや導電層６０Ｃ等の形状は、図１０等に図示された形状に限られない。
【００７０】
特に、ダイオード１Ａ等の設置面である円形の主面２ＣＳ１の略中心から絶縁基板５０Ｃを貫いて例えば棒状の電極６１が伸びている（図１２参照）。電極６１はヒートシンク２Ｃと電気的に接続されている。また、導電層６０Ｃと電気的に接続されて電極６２が配置されている。電極６２は例えば筒状の電極から成り、その筒状の内部に電極６１が挿入されている。電極６１，６２間には絶縁部材１１が配置されており、両電極６１，６２は絶縁されている。電極６１，６２はいわゆる同軸線を成す。なお、パワーモジュール１０５では、電極６１が「第１電極」にあたり、電極６２が「第２電極」にあたる。
【００７１】
このような構成により、パワーモジュール１０５は、５つの電極６０Ｕ，６０Ｖ，６０Ｗ，６１，６２を有する電力変換器を成している。
【００７２】
ここで、図１３にヒートシンク２Ｃが有する貫通孔２ＣＨを説明するための模式図を示す。なお、図１３は図１０に相当する図面であり、図面の煩雑化を避けるために図１０中の絶縁基板５等の図示化は省略している。図１３に示すように、ヒートシンク２Ｃには、主面２ＣＳ１の円周と同心の略リング状の貫通孔２ＣＨが３つ形成されている（それぞれを各種破線で示す）。各貫通孔２ＣＨに冷媒を流すことにより、パワーモジュール１０５の冷却を行う。貫通孔２ＣＨの個数は３つに限られないが、貫通孔２ＣＨを発熱体であるダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂの下方に設けることが好ましい。また、貫通孔２ＣＨをリング状でなく例えば渦巻き状に設けても構わない。また、パワーモジュール１０４Ｂ（図６参照）のように、主面２ＣＳ１，２ＣＳ２間に上下に重ねて貫通孔２ＣＨを設けても構わない。
【００７３】
パワーモジュール１０５によれば、上述のように電力変換器の３つのアームは上記同軸線を取り囲んで同心円上に略等間隔で配置されている。このため、電極６１，６２と各アームとの間の配線を同様に形成することができるので、各アームから取り出される各出力のばらつきを小さくすることができると共に、低電位側の変動を小さくできるため誤動作に強くすることができる。その結果、信頼性の高い電力変換器を提供することができる。
【００７４】
＜実施の形態５の変形例１＞
なお、パワーモジュール１０５ではヒートシンク２Ｃの主面２ＣＳ１上にダイオード１Ａ等を全て配置したが、その一部をシートシンク２Ｃの他方の主面２ＣＳ２上に配置しても構わない。例えば、３つの絶縁基板５及びそれの上に配置された構成要素を主面２ＣＳ２上に配置し、所定の配線を行っても構わない。
【００７５】
＜実施の形態６＞
図１４に実施の形態６に係るパワーモジュール１１１の模式的な外観図を示す。図１４に示すように、パワーモジュール１１１では、貫通孔２ＢＨを有する既述の導電性のヒートシンク２Ｂの表面２ＢＳ上に、ダイオード１Ａ，ＩＧＢＴ１Ｂ及び直流電流平滑用のコンデンサないしはキャパシタ２０が直に配置されている。なお、ダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂがそれぞれ「第１の電力用半導体素子」にあたる。
【００７６】
既述のように、ダイオード１Ａはシリコン基板の両主面に対応する両主面（表面１ＡＳ１及び裏面１ＡＳ２）を有しており、表面１ＡＳ１に表面電極が又裏面１ＡＳ２に裏面電極が形成されている。同様に、ＩＧＢＴ１Ｂにおいても、表面１ＢＳ１に表面電極が又裏面１ＢＳ２に裏面電極が形成されている。なお、図面の煩雑化を避けるため、図１４ではダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂそれぞれの表面電極及び裏面電極の詳細な図示化は省略している。
【００７７】
特に、従来の円筒形のキャパシタ８Ｐとは異なり、キャパシタ２０は、対向する２つの主面２０Ｓ１，２０Ｓ２を有する平板形のキャパシタから成る。そして、平板形の一方の主面（以下、裏面とも呼ぶ）２０Ｓ２に電極（図示せず；裏面電極とも呼ぶ）が形成されており、他方の主面（以下、表面とも呼ぶ）２０Ｓ１に電極（図示せず；表面電極とも呼ぶ）が形成されている。
【００７８】
ダイオード１Ａ，ＩＧＢＴ１Ｂ及びキャパシタ２０の各裏面電極はヒートシンク２Ｂに例えば半田により接着されている。これにより、各裏面電極同士が導電性のヒートシンク２Ｂを介して電気的に接続されている。他方、ダイオード１Ａ，ＩＧＢＴ１Ｂ及びキャパシタ２０の各表面電極（ヒートシンク２Ｂとは対面していない）同士はワイヤ７によって結線されている。なお、圧接や導電性接着剤等によって、各表面電極間を電気的に接続しても構わない。
【００７９】
パワーモジュール１１１によれば以下の効果を得ることができる。まず、小型軽量で信頼性の高いパワーモジュール１１１を提供することができる。
【００８０】
詳細には、ダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂ及びキャパシタ２０がヒートシンク２Ｂ上に直付けされている。このため、これらが別々に設けられている従来のパワーモジュール１０１Ｐ〜１０３Ｐよりも、パワーモジュールを小型化することができる。また、ヒートシンク２Ｃの放熱作用によってダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂの発熱のみならずキャパシタ２０の温度上昇をも抑制することができるため、キャパシタ２０の小型化、低インダクタンス化、長寿命化が図れる。
【００８１】
更に、ダイオード１Ａ，ＩＧＢＴ１Ｂ及びキャパシタ２０がヒートシンク２Ｂ上に直付けされているので、ダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂとキャパシタ２０との間を結ぶ配線の長さを従来のパワーモジュール１０１Ｐ〜１０３Ｐよりも短くすることができる。特に、ヒートシンク２Ｂは導電性を有するので、ダイオード１Ａ，ＩＧＢＴ１Ｂ及びキャパシタ２０はヒートシンク２Ｂを介して最短経路で電気的に結ばれている。このため、従来のパワーモジュール１０１Ｐ〜１０３Ｐよりも回路インダクタンスを低減することができる。従って、ダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂのスイッチング動作時に生じる跳ね上がり電圧（オーバーシュート）を低減でき、その結果、ダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂの耐圧及び損失を低減することができる。また、配線長が短くなることに起因して、電磁ノイズの発生を低減することができる。
【００８２】
また、パワーモジュール１１１によれば、ヒートシンク２Ｂが導電性を有するので、当該ヒートシンク２Ｂを電極として用いることができる。このため、例えば、絶縁性のヒートシンクの場合に必要な配線等の部品点数及びそれの形成工程を削減することができる。
【００８３】
なお、ヒートシンク２Ｂの貫通孔２ＢＨに冷媒を流すことによって、ヒートシンク２Ｂの冷却能力を向上することができる。
【００８４】
＜実施の形態６の変形例１＞
なお、ヒートシンク２Ｂに変えて、図１５に示すパワーモジュール１１１Ａのようにフィン構造を有する導電性のヒートシンク２Ａを適用しても、上述の効果を得ることができる。
【００８５】
＜実施の形態６の変形例２＞
また、キャパシタ２０，ダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂを、ヒートシンク２Ｂの異なる表面に配置しても構わない。具体的には、図１６に示すパワーモジュール１１１Ｂのように、ダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂをヒートシンク２Ｂの表面２ＢＳ上に配置する一方で、キャパシタ２０を上記表面２ＢＳと交わる他の表面（側面）２ＢＳ３上に配置しても構わない。また、上記表面２ＢＳと対向する表面２ＢＳ２上に配置しても構わない。このような構成はヒートシンク２Ａを用いる場合にも適用可能である。
【００８６】
パワーモジュール１１１Ｂによれば、上記パワーモジュール１１１と比較して、パワーモジュールを更に小型軽量化することができる。また、ダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂの放熱とキャパシタ２０の放熱との干渉が少なくなるので、放熱性を向上することができる。
【００８７】
＜実施の形態７＞
図１７に実施の形態７に係るパワーモジュール１１２の模式的な外観図を示す。図１７と既述の図１４とを比較すれば分かるように、パワーモジュール１１２は、キャパシタ２０（図１４参照）に変えて、キャパシタ用誘電体３３及びキャパシタ用電極３１を備える。詳細には、導電性のヒートシンク２Ｂとキャパシタ用電極３１とでキャパシタ用誘電体３３が挟み込まれており、ヒートシンク２Ｂとキャパシタ用誘電体３３とキャパシタ用電極３１とで以て上記キャパシタ２０に相当する平板形のキャパシタ３０が構成されている。その他の構成はパワーモジュール１１１と同様である。
【００８８】
このとき、キャパシタ用電極３１はキャパシタ２０の表面電極にあたり、ヒートシンク２Ｂは同裏面電極にあたる。このため、パワーモジュール１１２では、ダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂがキャパシタ３０の裏面電極上に配置されていると捉えることができる。
【００８９】
パワーモジュール１１２によれば、上述のパワーモジュール１１１と同様の効果が得られる。
【００９０】
＜実施の形態７の変形例１＞
なお、ヒートシンク２Ｂに変えて、図１８に示すパワーモジュール１１２Ａのようにフィン構造を有する導電性のヒートシンク２Ａを適用しても構わない。
【００９１】
＜実施の形態７の変形例２＞
図１９に実施の形態７の変形例２に係るパワーモジュール１１２Ｂの模式的な外観図を示す。パワーモジュール１１２Ｂでは、パワーモジュール１１１Ｂ（図１６参照）と同様に、キャパシタ用誘電体３３及びキャパシタ用電極３１が、表面２ＢＳとは異なる、ヒートシンク２Ｂの表面２ＢＳ２上や表面２ＢＳ３上に配置されている。このような構成はヒートシンク２Ａを用いる場合にも適用可能である。パワーモジュール１１２Ｂによれば、上述のパワーモジュール１１１Ｂと同様の効果が得られる。
【００９２】
＜実施の形態８＞
図２０に実施の形態８に係るパワーモジュール１１１Ｃの模式的な外観図を示す。パワーモジュール１１１Ｃは、いわゆる３相の電圧型電力変換器を成す。
【００９３】
パワーモジュール１１１Ｃでは、キャパシタ２０が、その裏面２０Ｓ２をヒートシンク２Ｂの上記表面２ＢＳ２と対面させて、ヒートシンク２Ｂ上に直に配置されている。
【００９４】
パワーモジュール１１１Ｃは電力変換器のアームを３つ備える。各アームの下アームを成す各１つのダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂは共に裏面電極をヒートシンク２Ｂに対面させてヒートシンク２Ｂの表面２ＢＳ上に直に配置されている。また、各下アームのダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂの各表面電極は、それぞれ電力変換器の出力端子を成す電極６０Ｕ，６０Ｖ，６０Ｗに例えばワイヤ７によって電気的に接続されている。なお、各電極６０Ｕ，６０Ｖ，６０Ｗは各絶縁基板（又は各絶縁層）５０Ｕ，５０Ｖ，５０Ｗを介してヒートシンク２Ｂの表面２ＢＳ上に配置されている。
【００９５】
他方、各アームの上アームを成す各１つのダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂ（それぞれが第２の電力用半導体素子にあたる）は、絶縁基板５を介してヒートシンク２Ｂの表面２ＢＳ上に配置されている。このとき、上アームのダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂの裏面電極は絶縁基板５上の導電層６と電気的に接続されている。各導電層６は各アーム用の電極６０Ｕ，６０Ｖ，６０Ｗに例えばワイヤ７により電気的に接続されている。上アームを成すダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂの各表面電極は全てのアームに共通の電極６１に例えばワイヤ７により電気的に接続される。
【００９６】
電極６１はヒートシンク２Ｂの表面２ＢＳからキャパシタ２０の表面２０Ｓ１にまで延在してキャパシタ２０の表面電極に電気的に接続されている。なお、電極６１は絶縁層５０によってキャパシタ２０の表面電極以外の部分及びヒートシンク２Ｂと絶縁されている。
【００９７】
なお、パワーモジュール１１１Ｃでは、電極６１が、高電位側に接続される「第２電極」にあたり、ヒートシンク２Ｂが、低電位側に接続される「第１電極」にあたる。
【００９８】
パワーモジュール１１１Ｃによれば、上アームのダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂは絶縁基板５を介してヒートシンク２Ｂ上に配置されている。このため、導電性のヒートシンク２Ｂ上に、裏面電極の電位が異なるダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂを混在させて回路を形成することができる。
【００９９】
＜実施の形態８の変形例１＞
図２１に実施の形態８の変形例１に係るパワーモジュール１１２Ｃの模式的な外観図を示す。上述のパワーモジュール１１１Ｃと同様に、パワーモジュール１１２Ｃは、いわゆる３相の電圧型電力変換器を成す。
【０１００】
図２１と既述の図２０とを比較すれば分かるように、パワーモジュール１１２Ｃは、パワーモジュール１１１Ｃのキャパシタ２０に変えて、キャパシタ用電極３１及びキャパシタ用誘電体３３を備える。詳細には、キャパシタ用誘電体３３はヒートシンク２Ｂの表面２ＢＳ２と対面して配置され、ヒートシンク２Ｂとキャパシタ用電極３１とで挟まれている。これにより、ヒートシンク２Ｂとキャパシタ用誘電体３３とキャパシタ用電極３１とで以て上述の平板形のキャパシタ３０が構成されている。その他の構成はパワーモジュール１１１Ｃと同様である。
【０１０１】
パワーモジュール１１２Ｃによれば、ダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂがキャパシタ３０の一方の電極上に配置されていると捉えられ、パワーモジュール１１２と同様の効果を得ることができる。また、上記パワーモジュール１１１Ｃと同様に、絶縁基板５によって裏面電極の電位が異なるダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂをキャパシタ３０の電極上に混在させることができる。
【０１０２】
＜実施の形態９＞
図２２及び図２３に実施の形態９に係るパワーモジュール１１３の模式的な外観図を示す。図２３は図２２中の矢印Ａの方向からパワーモジュール１１３を見た場合の外観図（側面図）に相当する。なお、図面の煩雑化を避けるため、図２３では、ダイオード１Ａ，ＩＧＢＴ１Ｂ及びワイヤ７の図示化を省略している。上述のパワーモジュール１１１Ｃと同様に、パワーモジュール１１３は、いわゆる３相の電圧型電力変換器を成す。
【０１０３】
図２２と既述の図２０とを比較すれば分かるように、パワーモジュール１１３では、電力変換器の全ての下アームのダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂが１つの下アーム用のヒートシンク２Ｂの表面２ＢＳ上に直に配置されている。そして、ヒートシンク２Ｂとキャパシタ２０とが表面２ＢＳ２と裏面２０Ｓ２とを対面させて配置されており、ヒートシンク２Ｂとキャパシタ２０の裏面電極とが電気的に接している。
【０１０４】
他方、電力変換器の各上アームのダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂは各上アーム用の導電性を有するヒートシンク（他のヒートシンク）２Ｂ上に直に配置されており、パワーモジュール１１１Ｃ（図２０参照）と同様に電極６１と電気的に接続されている。各上アーム用の３つのヒートシンク２Ｂは互いに絶縁連結されている（図２２では配管２ＢＪの図示化は省略している）と共に、下アーム用のヒートシンク２Ｂ及びキャパシタ２０の裏面電極とは絶縁部材１０によって絶縁されている。なお、絶縁部材１０で以て、４つのヒートシンク２Ｂとキャパシタ２０とが一体的に結合している。
【０１０５】
各上アーム用のヒートシンク２Ｂは各アーム用の電極６０Ｕ，６０Ｖ，６０Ｗと例えばワイヤ（可撓性の配線）７で電気的に接続されている。特に、当該ワイヤ７は、電極６０Ｕ，６０Ｖ，６０Ｗの内で絶縁部材１０上に配置された部分（導電部材）を中継点ないしは経由点として、上アームと下アームとを電気的に接続している。
【０１０６】
上述のように、パワーモジュール１１３では、絶縁部材１０で以て、４つのヒートシンク２Ｂが互いに絶縁されている。このため、既述のパワーモジュール１１１Ｃ（図２０参照）とは異なり、絶縁基板５を用いることなく、上アーム用のダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂの裏面電極と、下アーム用の同裏面電極との電位を違えることができる。このため、絶縁基板５の分だけ部品点数を削減できる。
【０１０７】
更に、パワーモジュール１１３では上アーム及び下アームの両構成が大略同等であるので、パワーモジュール全体の製造コストを低減することができる。その結果、安価なパワーモジュール１１３を提供することができる。
【０１０８】
また、上述のように上アームと下アームとを結線するワイヤ７は、電極６０Ｕ，６０Ｖ，６０Ｗの内で絶縁部材１０上に配置された部分（導電部材）に接続されている。このため、上記導電部材を介することなく直接に上アームと下アームとの間を接続する場合と比較して、当該配線の撓みないしは垂れを抑えることができる。その結果、配線の垂れによる短絡を防止することができる。
【０１０９】
＜実施の形態１０＞
図２４及び図２５に実施の形態１０に係るパワーモジュール１１１Ｄの模式的な外観図（側面図）及び縦断面図を示す。図２４と既述の図１１とを比較すれば分かるように、パワーモジュール１１１Ｄは基本的に既述のパワーモジュール１０５にキャパシタ２０を設けた構成を有するので、パワーモジュール１０５と同様の構成については既述の説明を援用するに留め、パワーモジュール１１１Ｄの特徴部分を中心に説明を進める。なお、図２４では図１１と同様に構成要素の一部の図示化を省略している。
【０１１０】
なお、電力変換器の３つの下アームはそれぞれヒートシンク２Ｃに直付けされているダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂで構成され、電力変換器の３つの上アームはそれぞれ絶縁基板５を介してヒートシンク２Ｃ上に配置されているダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂで構成される。
【０１１１】
パワーモジュール１１１Ｄは、導電性のヒートシンク２Ｃの円形の主面２ＣＳ２上にキャパシタ２０が直に配置されている。このとき、キャパシタ２０はその裏面２０Ｓ２をヒートシンク２Ｃに対面させて配置されており、キャパシタ２０の裏面電極２０Ｅ２（図２５参照）とヒートシンク２Ｃとが電気的に接続されている。
【０１１２】
特に、パワーモジュール１１１Ｄでは電極６１，６２の接続形態が既述のパワーモジュール１０５とは異なる。詳細には、図２５に示すように、棒状の電極６１はヒートシンク２Ｃ及びキャパシタ２０（表面電極２０Ｅ１を除く）を貫いて延在し、キャパシタ２０の表面電極２０Ｅ１と電気的に接続されている。このとき、電極６１と共に絶縁部材１１も伸長されており、電極６１がヒートシンク２Ｃ及びキャパシタ２０（表面電極２０Ｅ１を除く）から絶縁されている。他方、筒状の電極６２は絶縁基板５０Ｃを貫いて配置されており、ヒートシンク２Ｃと電気的に接続されている。
【０１１３】
パワーモジュール１１１Ｄでは、電極６１が、電力変換器の高電位側に接続される「第２電極」にあたり、電極６２が、低電位側に接続される「第１電極」にあたる。
【０１１４】
パワーモジュール１１１Ｄによれば、既述のパワーモジュール１０５と同様に、同軸線を取り囲む３つのアームの配置に起因して信頼性の高い電力変換器を提供することができると共に、従来のパワーモジュール１０３Ｐよりも小型軽量な電力変換器を提供することができる。
【０１１５】
＜実施の形態１０の変形例１＞
図２６及び図２７に実施の形態１０の変形例１に係るパワーモジュール１１２Ｄの模式的な外観図及び縦断面図を示す。上述のパワーモジュール１１１Ｄと同様に、パワーモジュール１１２Ｄは、いわゆる３相の電圧型電力変換器を成す。
【０１１６】
図２６と既述の図２４とを比較すれば分かるように、パワーモジュール１１２Ｄは、パワーモジュール１１１Ｄのキャパシタ２０に変えて、キャパシタ用電極３１及びキャパシタ用誘電体３３を備える。詳細には、キャパシタ用誘電体３３はヒートシンク２Ｃの主面２ＣＳ２と対面して配置され、ヒートシンク２Ｃとキャパシタ用電極３１とで挟まれている。これにより、ヒートシンク２Ｃとキャパシタ用誘電体３３とキャパシタ用電極３１とで以て上述の平板形のキャパシタ３０が構成されている。そして、パワーモジュール１１１Ｄと同様に、パワーモジュール１１２Ｄの棒状の電極６１は、ヒートシンク２Ｃ，キャパシタ用誘電体３３を貫いて延在し、キャパシタ用電極３１と電気的に接続されている。その他の構成はパワーモジュール１１１Ｄと同様である。このため、パワーモジュール１１１Ｄと同様の効果を得ることができる。
【０１１７】
また、パワーモジュール１１２Ｄでは、ダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂがキャパシタ３０の裏面電極上に配置されていると捉えられ、パワーモジュール１１２と同様の効果を得ることができる。
【０１１８】
＜実施の形態１１＞
図２８〜図３０に実施の形態１１に係るパワーモジュール１１１Ｅの模式図を示す。なお、パワーモジュール１１１Ｅは上述のパワーモジュール１１１Ｄを基本としているため、又、図面の煩雑化を避けるため、図２８では一部のワイヤ７の図示化を省略し又図２９及び図３０では電極６０Ｕ，６０Ｖ，６０Ｗ等の図示化を省略している。
【０１１９】
上述のモジュール１１１Ｄではダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂが全てヒートシンク２Ｃの一方の主面２ＣＳ１上に配置されているのに対して、パワーモジュール１１１Ｅではダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂがヒートシンク２Ｃの主面２ＣＳ１とキャパシタ２０の表面２０Ｓ１とに分散して配置されている。
【０１２０】
詳細には、導電性を有するヒートシンク２Ｃの主面２ＣＳ１上に、電力変換器の下アームを成すダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂが直に配置されている（図２９参照）。そして、当該ダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂの表面電極同士が接続されている。他方、キャパシタ２０の表面２０Ｓ１上に（詳細には表面電極上に）、絶縁基板５が配置されており、絶縁基板５の導電層６上に、電力変換器の上アームを成すダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂが配置されている（図３０参照）。絶縁基板５上のダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂの表面電極はキャパシタ２０の表面２０ＳＩに接続されている。
【０１２１】
更に、上アームのＩＧＢＴ１Ｂの裏面電極と導通する導電層６と下アームのＩＧＢＴ１Ｂの表面電極とが接続されて電力変換器のアームを成す（配線７Ｂ参照）。３つのアームにおける上記接続点が電極６０Ｕ，６０Ｖ，６０Ｗを成す。パワーモジュール１１１Ｅによっても、パワーモジュール１１１Ｄと同様の効果が得られる。
【０１２２】
なお、パワーモジュール１１１Ｅでは、ヒートシンク２Ｃが低電位側に接続され、キャパシタ２０の表面電極が高電位側に接続される。このとき、図２８〜図３０への図示化は省略しているが、パワーモジュール１１１Ｄと同様の接続形態を有する同軸線（図２５参照）によって給電しても構わず、かかる場合には電極６２が「第１電極」にあたり、電極６１が「第２電極」にあたる。
【０１２３】
また、上述のパワーモジュール１１１Ｄとパワーモジュール１１２Ｄとの関係のように、パワーモジュール１１１Ｅのキャパシタ２０をキャパシタ用誘電体３３及びキャパシタ用電極３１に変更しても構わない。
【０１２４】
＜実施の形態１２＞
図３１に実施の形態１２に係るパワーモジュール２０１の模式的な外観図を示す。パワーモジュール２０１は、２つの凹部（空間）２０２Ｋを有する絶縁性の筐体２０２を備える。筐体２０２の各凹部２０２Ｋ内には、ダイオード１Ａが直付けされたヒートシンク２ＢとＩＧＢＴ１Ｂが直付けされたヒートシンク２Ｂとが例えば交互に並べられて１列に収納されている。なお、図３１ではダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂの結線の図示化は省略している。
【０１２５】
この際、各凹部２０２Ｋ内において各ヒートシンク２Ｂは隙間２０３を空けて並べられており、各隙間２０３間がヒートシンク２Ｂの貫通孔２ＢＨで空間的に繋がれるように各ヒートシンク２Ｂ又は貫通孔２ＢＨの向きが定められている。また、各凹部２０２Ｋの内面とヒートシンク２Ｂとの間に隙間２０３以外の隙間ができないように、ヒートシンク２Ｂ及び凹部２０２Ｋの寸法が規定されている。
【０１２６】
各凹部２０２Ｋにおいてヒートシンク２Ｂの並びの両端には隙間２０３が設けられており、各筐体２０２には当該各隙間２０３と繋がる穴が形成されている。そして、各凹部２０２Ｋの各一方の穴にはそれぞれ配管２ＢＪが接続されており、各他方の穴は互いに配管２ＢＪで繋がれて凹部２０２Ｋ同士が連結されている。
【０１２７】
隙間２０３には、筐体２０２の一部である絶縁性の蓋（図示せず）が被せられおり、これにより両凹部２０２Ｋがいわば一続きの空間を成す。このため、パワーモジュール２０１では、一方の凹部２０２Ｋの上記一方の穴から冷媒を流し込み、両凹部２０２Ｋ内に冷媒を流すことができる。このとき、筐体２０２及び上記蓋が共に絶縁性なので、例えば絶縁性の冷媒を用いれば各ヒートシンク２Ｂ間を絶縁することができる（絶縁連結）。なお、絶縁性の冷媒として、例えば空気，六フッ化硫黄（ＳＦ6）等の気体や、油等の液体が挙げられる。また、例えば導電性の冷媒を用いれば導電性のヒートシンク２Ｂ同士を同電位に設定可能である（導電連結）。また、絶縁性のヒートシンク２Ｂと導電性のヒートシンク２Ｂとを組み合わせ、導電性の冷媒を用いれば所望の導電性のヒートシンク２Ｂのみを導電連結することができる。
【０１２８】
さて、ダイオード１Ａ及び／又はＩＧＢＴ１Ｂを絶縁基板５を介してヒートシンク２Ｂ上に配置しても良く、かかる場合には導電性のヒートシンク２Ｂを用いた場合であっても所望のダイオード１Ａ及び／又はＩＧＢＴ１Ｂを他から絶縁することができる。逆に言えば、上述のようにヒートシンク２Ｂの導電性／絶縁性によって絶縁基板５を不要としうる。なお、１つのヒートシンク２Ｂ上に複数の電力用半導体素子を配置しても構わない。
【０１２９】
上述のように各ヒートシンク２Ｂは隙間２０３を空けて並べられているので、冷媒は隙間２０３と隙間２０３よりも狭い貫通孔２ＢＨとを交互に通過する。このとき、冷媒が貫通孔２ＢＨを通る時、換言すれば発熱体であるダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂの下方を通る時は、隙間２０３を通る時よりも、冷媒は速く流れる。これにより、冷却効果を増大させることができる。他方、隙間部２０３における冷媒の流れは貫通孔２ＢＨにおけるそれよりも遅いので、圧力損失を抑えることができる。従って、パワーモジュール２０１によれば、より高い冷却性能をより低い圧力損失で以て実現することができる。
【０１３０】
また、上述のように、絶縁性の冷媒を用いることによって、絶縁基板５を用いることなく、換言すれば導電性のヒートシンク２Ｂ上にダイオード１Ａ及び／又はＩＧＢＴ１Ｂを直に配置する場合であっても、各電力用半導体素子を互いに絶縁することができる。このため、絶縁性の冷媒を用いることによって、絶縁基板５の分だけ部品点数を削減できる。更に、ダイオード１Ａ及び／又はＩＧＢＴ１Ｂを搭載した各ヒートシンク２Ｂはそれぞれ大略同等であるので、パワーモジュール全体の製造コスト及び価格を低減することができる。
【０１３１】
更に、上述の各電力用半導体素子が互いに絶縁されることに起因して、各電力用半導体素子を導電性のヒートシンク２Ｂ上に直に配置可能である。従って、パワーモジュールの放熱性能を向上することができ、その結果、信頼性を向上させることができる。
【０１３２】
＜実施の形態１３＞
図３２に実施の形態１３に係るパワーモジュール１１４の模式的な外観図を示す。図３２に示すように、パワーモジュール１１４は、既述の図２２に示すパワーモジュール１１３に対して電流測定用のシャント抵抗９０を更に備える。詳細には、シャント抵抗９０は電極６０Ｕ，６０Ｖ，６０Ｗの出力端にそれぞれ直接、接続されており、各シャント抵抗９０が電力変換器の各出力端子を成している。
【０１３３】
パワーモジュール１１４ではシャント抵抗９０により電流を計測するので、従来のパワーモジュール１０１Ｐ等で用いられる変流器９２Ｐとは異なり、制御電源が不要であるし、原理的にオフセットが無い。
【０１３４】
また、シャント抵抗９０は電極６０Ｕ，６０Ｖ，６０Ｗの出力端に直接に接続されているので、変流器９２Ｐがケースの外に別個に設けられている従来のパワーモジュール１０１Ｐ等と比較して、パワーモジュール全体を小型軽量化することができるし、電流計測用部品の点数を削減することができる。
【０１３５】
＜実施の形態１３の変形例１＞
図３３に実施の形態１３の変形例１に係るパワーモジュール１１４Ａの模式的な外観図を示す。図３３と上述の図３２とを比較すれば分かるように、パワーモジュール１１４Ａの各シャント抵抗９０はヒートシンク２Ｂの表面２ＢＳに対面する位置に設けられて各電極６０Ｕ，６０Ｖ，６０Ｗと直接に接続されている。
【０１３６】
パワーモジュール１１４Ａによれば、ヒートシンク２Ｂの作用によりシャント抵抗９０の温度上昇を抑制することができる。このため、温度変化に起因したシャント抵抗の特性変化を大幅に抑制することができ、その結果、電流量の検出精度をさらに向上することができる。また、シャント抵抗９０がヒートシンク２Ｂの上方に配置されているので、上述のパワーモジュール１１４と比較して更に小型化可能である。
【０１３７】
【発明の効果】
（１）請求項１に係る発明によれば、第１の電力用半導体素子及びキャパシタが共にヒートシンク上に直付けされている。このため、両者が別々に設けられている従来のパワーモジュールよりも、パワーモジュールを小型軽量化することができる。また、ヒートシンクの放熱作用によって第１の電力用半導体素子の発熱のみならずキャパシタの温度上昇をも抑制することができるため、キャパシタの小型化、低インダクタンス化、長寿命化が図れる。
【０１３８】
更に、第１の電力用半導体素子及びキャパシタが共にヒートシンク上に直付けされているので、両者の間を結ぶ配線の長さを上述の従来のパワーモジュールよりも短くすることができる。このため、回路インダクタンスを低減することができる。従って、第１の電力用半導体素子のスイッチング動作時に生じる跳ね上がり電圧（オーバーシュート）を低減でき、その結果、第１の電力用半導体素子の耐圧及び損失を低減することができる。また、配線長が短くなることに起因して、電磁ノイズの発生を低減することができる。
【０１３９】
従って、小型軽量で信頼性の高いパワーモジュールを提供することができる。
また、ヒートシンクは導電性を有するので、ヒートシンクを電極として用いることができる。このため、例えばヒートシンク上の配線等の部品点数及びそれの形成工程を削減することができる。
更に、第１の電力用半導体素子の電極及びキャパシタの電極がヒートシンクと直に接着されている。即ち、第１の電力用半導体素子とキャパシタとがヒートシンクを介して電気的に接続されている。このため、両電極間をワイヤ等の配線で接続する場合よりも更に両電極間の電気的接続を短くすることができる。その結果、回路インダクタンスの更なる低減により、上記跳ね上がり電圧（オーバーシュート）等を格段に低減することができる。
【０１４０】
（２）請求項２に係る発明によれば、第１の電力用半導体素子とキャパシタとはヒートシンクの異なる表面上に配置されているので、両者を同一表面上に配置する場合と比較して、パワーモジュールを更に小型軽量化することができる。また、第１の電力用半導体素子の放熱とキャパシタの放熱との干渉が少なくなるので、放熱性を向上することができる。
【０１４１】
（３）請求項３に係る発明によれば、ヒートシンクの流路に冷媒を流すことによって、ヒートシンクの冷却能力を更に向上することができる。
【０１４４】
（４）請求項４に係る発明によれば、第２の電力用半導体素子が絶縁基板を介してヒートシンク上に配置されている。このため、導電性のヒートシンク上に電位の異なる電力用半導体素子を配置して回路を構成することができる。
【０１４５】
（５）請求項５に係る発明によれば、他のヒートシンク上に配置された第２の電力用半導体素子を更に備える。このため、第１の電力用半導体素子と第２の電力用半導体素子とを組み合わせにより、回路を簡単に構成することができる。
【０１４６】
（６）請求項６に係る発明によれば、導電性の他のヒートシンクは、絶縁部材によって上記導電性のヒートシンク及びキャパシタの電極から絶縁されているので、絶縁基板を用いることなく、第１の電力用半導体素子と第２の電力用半導体素子との電位を違えることができる。このため、絶縁基板の分だけ部品点数を削減できる。更に、第１の電力用半導体素子及びヒートシンクを含む構成と、第２の電力用半導体素子及びヒートシンクを含む構成とは大略同等であるので、パワーモジュール全体の製造コストを低減することができる。その結果、安価なパワーモジュールを提供することができる。
【０１４７】
（７）請求項７に係る発明によれば、第１の電力用半導体素子と第２の電力用半導体素子とは、絶縁部材上に配置された導電部材を中継点とする可撓性の配線、例えばワイヤによって電気的に接続されている。このため、上記導電部材を介することなく直接に両電力用半導体素子間を可撓性の配線を電気的に接続する場合と比較して、当該配線の撓みないしは垂れを抑えることができる。その結果、配線の垂れによる短絡を防止することができる。
【０１５３】
（８）請求項８に係る発明によれば、信頼性の高い電力変換器を提供することができる。
【０１５４】
（９）請求項９に係る発明によれば、電力変換器の複数のアームは、同軸線を取り囲んで同心円上に略等間隔で配置されている。このため、第１電極及び第２電極と各アームとの間の配線を同様に形成することができるので、各アームから取り出される各出力のばらつきを小さくすることができると共に、第１電圧側の変動を小さくできるため誤動作に強くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施の形態１に係るパワーモジュールの模式的な外観図である。
【図２】 実施の形態２に係るパワーモジュールの模式的な外観図である。
【図３】 実施の形態３に係るパワーモジュールの模式的な外観図である。
【図４】 実施の形態４に係るパワーモジュールの模式的な外観図である。
【図５】 実施の形態４の変形例１に係るパワーモジュールの模式的な外観図である。
【図６】 実施の形態４の変形例２に係るパワーモジュールの模式的な外観図である。
【図７】 実施の形態４の変形例２に係るパワーモジュールの模式的な外観図である。
【図８】 実施の形態４の変形例３に係るパワーモジュールの模式的な外観図である。
【図９】 実施の形態４の変形例４に係るパワーモジュールの模式的な外観図である。
【図１０】 実施の形態５に係るパワーモジュールの模式的な外観図である。
【図１１】 実施の形態５に係るパワーモジュールの模式的な外観図である。
【図１２】 実施の形態５に係るパワーモジュールの模式的な縦断面図である。
【図１３】 実施の形態５に係るパワーモジュールが有する貫通孔を説明するための模式図である。
【図１４】 実施の形態６に係るパワーモジュールの模式的な外観図である。
【図１５】 実施の形態６の変形例１に係るパワーモジュールの模式的な外観図である。
【図１６】 実施の形態６の変形例２に係るパワーモジュールの模式的な外観図である。
【図１７】 実施の形態７に係るパワーモジュールの模式的な外観図である。
【図１８】 実施の形態７の変形例１に係るパワーモジュールの模式的な外観図である。
【図１９】 実施の形態７の変形例２に係るパワーモジュールの模式的な外観図である。
【図２０】 実施の形態８に係るパワーモジュールの模式的な外観図である。
【図２１】 実施の形態８の変形例１に係るパワーモジュールの模式的な外観図である。
【図２２】 実施の形態９に係るパワーモジュールの模式的な外観図である。
【図２３】 実施の形態９に係るパワーモジュールの模式的な外観図である。
【図２４】 実施の形態１０に係るパワーモジュールの模式的な外観図である。
【図２５】 実施の形態１０に係るパワーモジュールの模式的な縦断面図である。
【図２６】 実施の形態１０の変形例１に係るパワーモジュールの模式的な外観図である。
【図２７】 実施の形態１０の変形例１に係るパワーモジュールの模式的な外観図である。
【図２８】 実施の形態１１に係るパワーモジュールの模式図である。
【図２９】 実施の形態１１に係るパワーモジュールの模式図である。
【図３０】 実施の形態１１に係るパワーモジュールの模式図である。
【図３１】 実施の形態１２に係るパワーモジュールの模式的な外観図である。
【図３２】 実施の形態１３に係るパワーモジュールの模式的な外観図である。
【図３３】 実施の形態１３の変形例１に係るパワーモジュールの模式的な外観図である。
【図３４】 第１の従来のパワーモジュールの模式的な外観図である。
【図３５】 第２の従来のパワーモジュールの模式的な外観図である。
【図３６】 第３の従来のパワーモジュールの模式的な外観図である。
【符号の説明】
１ 電力用半導体素子、１Ａ フリーホイーリングダイオード（電力用半導体素子）、１Ｂ 絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（電力用半導体素子）、２Ａ，２Ｂ，２Ｃ ヒートシンク、２ＡＳ，２ＢＳ，２ＢＳ２，２ＢＳ３ 表面、２ＣＳ１，２ＣＳ２ 主面（表面）、２ＢＨ 貫通孔（流路）、４ 絶縁層、５，５０Ｃ，５０Ｕ，５０Ｖ，５０Ｗ 絶縁基板、６０Ｃ 導電層、６０Ｕ，６０Ｖ，６０Ｗ 電極（導電部材）、７ ワイヤ（可撓性の配線）、１０ 絶縁部材、２０，３０ キャパシタ、２０Ｅ１，２０Ｅ２ 電極、３１ キャパシタ用電極、３３ キャパシタ用誘電体、５０ 絶縁層（絶縁部材）、６１，６２ 電極、１０１〜１０５，１０４Ａ〜１０４Ｄ，１１１〜１１４，１１１Ａ〜１１１Ｅ，１１２Ａ〜１１２Ｄ，１１４Ａ，２０１ パワーモジュール、２０２ 筐体、２０２Ｋ 凹部（空間）。
【発明の属する技術分野】
この発明はパワーモジュールに関するものであり、主として、パワーモジュールの冷却性能を向上させる技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図３４に第１の従来のパワーモジュール１０１Ｐの模式的な外観図を示す。パワーモジュール１０１Ｐでは、放熱フィンないしはヒートシンク２Ｐ上に熱伝導グリス（図示せず）を介して銅ベース板９Ｐが配置されており、ベース板９Ｐ上に絶縁基板５Ｐが配置されている。更に、絶縁基板５Ｐ上にフリーホイーリングダイオード（以下、単にダイオードとも呼ぶ）１ＡＰ及び絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（Insulated Gate Bipolar Transistor；以下、ＩＧＢＴとも呼ぶ）１ＢＰが配置されている。
【０００３】
従来のパワーモジュール１０１Ｐでは、絶縁基板５Ｐの両主面には銅箔６Ｐが形成されており、銅箔６Ｐとベース板９Ｐとが半田付けされており、又、ダイオード１ＡＰ及びＩＧＢＴ１ＢＰは銅箔６Ｐ上に半田付けされている。更に、ヒートシンク２Ｐ上に絶縁層４Ｐを介して電極３Ｐが設けられている。そして、ワイヤ７Ｐによって所定の電気的結線がなされている。なお、ヒートシンク２Ｐ，ダイオード１ＡＰ及びＩＧＢＴ１ＢＰ等を含む構成はケース（図示せず）内に収められている。
【０００４】
電極３Ｐにバスバーないしは配線９１Ｐが接続されており、バスバー９１Ｐは上記ケースの外に引き出されている。ケースの外においてバスバー９１Ｐに電流検出用の変流器ないしはカレント・トランスフォーマ９２Ｐが取り付けられている。また、円筒形の直流電流平滑用キャパシタ８Ｐが、ケースの外にヒートシンク２Ｐ等とは別個に設けられている（その接続形態の図示化は省略する）。
【０００５】
図３５に第２の従来のパワーモジュール１０２Ｐの模式的な外観図を示す。パワーモジュール１０２Ｐは上述のベース板９Ｐを有さず、絶縁基板５Ｐが熱伝導グリスを介してヒートシンク２Ｐ上に配置されている。パワーモジュール１０２Ｐのその他の構造は上述のパワーモジュール１０１Ｐと同様である。
【０００６】
図３６に第３の従来のパワーモジュール１０３Ｐの模式的な外観図を示す。パワーモジュール１０３Ｐは、いわゆる電力変換器である。パワーモジュール１０３Ｐでは、全てのダイオード１ＡＰ及びＩＧＢＴ１ＢＰが絶縁基板５Ｐ上に配置されている。なお、パワーモジュール１０３Ｐのヒートシンク２ＢＰは貫通孔２ＢＨＰを有しており、かかる貫通孔２ＢＨＰに冷媒が流される。パワーモジュール１０３Ｐのその他の構造は基本的には上述のパワーモジュール１０１Ｐと同様である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来のパワーモジュール１０１Ｐ〜１０３Ｐは以下の問題点を有している。まず、動作時の温度に対する信頼性が低いという問題点がある。
【０００８】
詳細には、ヒートシンク２Ｐ，２ＢＰとダイオード１ＡＰ及びＩＧＢＴ１ＢＰとの熱膨張率が異なる場合、上述の半田付け部分では半田の凝固点からの温度差に応じた熱応力が発生する。このため、パワーモジュール１０１Ｐ〜１０３Ｐの使用時（動作時）における熱サイクル（又は温度サイクル）及び／又は使用と停止との繰り返しによる熱サイクルによって半田付け部分に亀裂が発生・進行するという問題点がある。このような半田付け部分の亀裂はパワーモジュールの寿命を縮めてしまう。
【０００９】
このとき、上述の熱応力を小さくするためには例えば半田を厚く（例えば３００μｍ以上）することが考えられる。ところが、そのような厚さではダイオード１ＡＰ等とヒートシンク２Ｐ，２ＢＰとの間の熱抵抗が大きくなってしまい、ヒートシンク２Ｐ，２ＢＰを大型化しなければならないという別個の問題が惹起される。
【００１０】
更に、従来のパワーモジュール１０１Ｐ〜１０３Ｐでは、ダイオード１ＡＰ等の発熱によって絶縁基板５Ｐやベース板９Ｐ等に温度分布が生じると絶縁基板５Ｐ等に反りやうねりが発生する。このとき、温度差が大きい場合には、ヒートシンク２Ｐとベース板９Ｐとの間等に隙間が形成される。このため、ヒートシンク２Ｐ，２ＢＰと絶縁基板５Ｐ又はベース板９Ｐとの間が熱伝導グリスで満たされなくなり（空気が入り込み）、熱伝達が低下してしまうという問題点がある。また、上述の半田付け部分の亀裂の発生が助長される又は亀裂が進行するという問題点がある。かかる隙間が形成されると、パワーモジュールの信頼性が低下してしまう。
【００１１】
上述の隙間を発生させないようにするためには、例えば絶縁基板５Ｐ等内での温度分布を均一化したり、絶縁基板５Ｐ等を厚くして剛性を増大させることが考えられる。しかしながら、絶縁基板５Ｐ等を厚くすると絶縁基板５Ｐ等とヒートシンク２Ｐ，２ＢＰとの間の熱抵抗が大きくなってしまい、かかる場合にもヒートシンク２Ｐ，２ＢＰを大型化しなければならないという別個の問題が惹起される。
【００１２】
更に、ダイオード１ＡＰやＩＧＢＴ１ＢＰの発熱量が大きい場合、温度上昇によって素子の特性が変動してしまうので、信頼性を確保するためには電流量を制限しなければならないという問題点がある。
【００１３】
更に、従来のパワーモジュール１０１Ｐ〜１０３Ｐでは、変流器９２Ｐ及び円筒形のキャパシタ８Ｐをパワーモジュールのケースの外に別個に設けているので、モジュール全体が大型であるという問題点がある。また、変流器９２Ｐの特性は、測定する電流が直流成分を多く含む場合には大型化してしまうし、変流器９２Ｐによれば発熱による特性変動に起因した測定誤差（５％程度）を含んで測定が行われてしまう。
【００１４】
また、パワーモジュール１０３Ｐでは、ダイオード１ＡＰ及びＩＧＢＴ１ＢＰの各電力用半導体素子の配置位置によって、各電力用半導体素子と、電力変換器において低電位側に接続される電極６１Ｐ及び高電位側に接続される電極６２Ｐとの距離が異なっている。このため、ワイヤ７Ｐ等の配線のインダクタンスが電力用半導体素子毎に異なり、その結果、出力電圧がばらついてしまう。
【００１５】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであり、小型軽量で信頼性の高いパワーモジュールを提供することを主たる目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
（１）請求項１に記載の発明に係るパワーモジュールは、ヒートシンクと、前記ヒートシンク上に直に配置された第１の電力用半導体素子と、前記ヒートシンク上に直に配置されたキャパシタとを備え、前記ヒートシンクは導電性を有し、前記第１の電力用半導体素子の電極及び前記キャパシタの電極が前記ヒートシンクと直に接着されていることを特徴とする。
【００１７】
（２）請求項２に記載の発明に係るパワーモジュールは、請求項１に記載のパワーモジュールであって、前記ヒートシンクは複数の表面を有し、前記第１の電力用半導体素子と前記キャパシタとが前記ヒートシンクの異なる前記表面上に配置されていることを特徴とする。
【００１８】
（３）請求項３に記載の発明に係るパワーモジュールは、請求項１又は２に記載のパワーモジュールであって、前記ヒートシンクは冷媒の流路を有することを特徴とする。
【００２０】
（４）請求項４に記載の発明に係るパワーモジュールは、請求項１乃至３のいずれかに記載のパワーモジュールであって、前記ヒートシンク上に配置された絶縁基板と、前記絶縁基板を介して前記ヒートシンク上に配置された第２の電力用半導体素子とを更に備えることを特徴とする。
【００２１】
（５）請求項５に記載の発明に係るパワーモジュールは、請求項１乃至３のいずれかに記載のパワーモジュールと、他のヒートシンクと、前記他のヒートシンク上に直に配置された第２の電力用半導体素子とを備えることを特徴とする。
【００２２】
（６）請求項６に記載の発明に係るパワーモジュールは、請求項５に記載のパワーモジュールであって、前記他のヒートシンクは導電性を有し、前記他のヒートシンクに、前記第２の電力用半導体素子の電極が直に接着されており、前記パワーモジュールは、前記他のヒートシンクを前記ヒートシンク及び前記キャパシタの前記電極から絶縁する絶縁部材を更に備えることを特徴とする。
【００２３】
（７）請求項７に記載の発明に係るパワーモジュールは、請求項６に記載のパワーモジュールであって、前記絶縁部材上に配置された導電部材と、前記導電部材に接続されると共に、前記第１の電力用半導体素子と前記第２の電力用半導体素子との間を電気的に接続する可撓性の配線とを更に備えることを特徴とする。
【００２７】
（８）請求項８に記載の発明に係るパワーモジュールは、請求項４乃至７のいずれかに記載のパワーモジュールであって、前記第１の電力用半導体素子と前記第２の電力用半導体素子とは電気的に接続されて、前記第１の電力用半導体素子は電力変換器の下アームを成し、前記第２の電力用半導体素子は前記電力変換器の上アームを成すことを特徴とする。
【００２８】
（９）請求項９に記載の発明に係るパワーモジュールは、請求項８に記載のパワーモジュールであって、前記上アーム及び前記下アームを含む、前記電力変換器のアームの複数と、各前記下アームの各前記第１の電力用半導体素子に第１電圧を供給する第１電極及び各前記上アームの各前記第２の電力用半導体素子に第２電圧を供給する第２電極を含み、前記第１の電力用半導体素子又は前記第２の電力用半導体素子の配置面から突出して設けられた同軸線とを更に備え、複数の前記アームは、前記同軸線を取り囲んで同心円上に略等間隔で配置されていることを特徴とする。
【００３１】
【発明の実施の形態】
＜実施の形態１＞
図１に実施の形態１に係るパワーモジュール１０１の模式的な外観図を示す。
図１に示すように、パワーモジュール１０１は、例えばシリコン（Ｓｉ）基板に形成された電力用半導体素子（例えばフリーホイーリングダイオードやＩＧＢＴ）１と、ヒートシンク２Ａと、電極３と、絶縁層４と、ワイヤ７とを備える。なお、図面の煩雑化を避けるため、電力用半導体素子１の詳細な図示化は省略している。
【００３２】
特に、電力用半導体素子１はヒートシンク２Ａ上に直に配置されているないしは接している。電力用半導体素子１は、上記シリコン基板の両主面に対応する両主面１Ｓ１，１Ｓ２を有しており、各主面１Ｓ１，１Ｓ２にそれぞれ電極（図示せず）が形成されている。そして、一方の主面（以下、裏面とも呼ぶ）１Ｓ２が、換言すれば当該裏面１Ｓ２に形成された電極（以下、裏面電極とも呼ぶ）がヒートシンク２Ａの平面状の表面２ＡＳ上に例えば半田付けされている。
【００３３】
ここで、「電力用半導体素子１がヒートシンク２Ａ上に直に配置されている」とは、「従来のパワーモジュール１０１Ｐ〜１０３Ｐが有する絶縁基板５Ｐやベース板９Ｐ（図３４参照）を介することなく」の意味であり、電力用半導体素子１とヒートシンク２Ａとの間に両者を接着するための接着材料（例えば上述の半田）が存在している構成は上述の「直に配置」された形態に含まれる。なお、上記接着材料として、半田の代わりに、アルミニウムや銀等の導電性粉末を含んだエポキシ樹脂等の熱伝導性の良好な接着剤を用いても構わない。
【００３４】
ヒートシンク２Ａはシリコンと熱膨張率がほぼ等しい材料、例えばモリブデン（Ｍｏ），銅（Ｃｕ）−モリブデン（Ｍｏ）合金，タングステン（Ｗ），炭素繊維複合材料等を含む。或いは、ヒートシンク２Ａとして（シリコンと熱膨張率がほぼ等しい材料として）、炭素（Ｃ）やシリコン（Ｓｉ）を含有したアルミニウム（Ａｌ）等を適用する。ヒートシンク２Ａは表面２ＡＳの反対側にフィン形状を有している。
【００３５】
更に、ヒートシンク２Ａ上に絶縁層４が配置されており、絶縁層４上に電極３が配置されている。即ち、電極３は絶縁層４により絶縁されてヒートシンク２Ａ上に配置されている。電極３と、電力用半導体素子１の他方の主面（以下、表面とも呼ぶ）１Ｓ１に形成された電極（以下、表面電極とも呼ぶ）とがワイヤ７によって電気的に結線されている。なお、圧接や導電性接着剤等によって、電極３と電力用半導体素子１の表面電極とを電気的に接続しても構わない。
【００３６】
パワーモジュール１０１によれば以下の効果を得ることができる。即ち、電力用半導体素子１とヒートシンク２Ａとの熱膨張率がほぼ等しいので、従来のパワーモジュール１０１Ｐ〜１０３Ｐとは異なり、電力用半導体素子１とヒートシンク２Ａとの接合部分（半田付け部分）に熱サイクルに起因した亀裂が発生するのを格段に抑制することができる。このため、従来のパワーモジュール１０１Ｐ〜１０３Ｐとは異なり、半田を厚くする必要が無く、電力用半導体素子１とヒートシンク２Ａとの間の熱抵抗を小さくすることができる。これにより、ヒートシンクを小型軽量化することができる。
【００３７】
更に、電力用半導体素子１とヒートシンク２Ａとが直に接しているので、電力用半導体素子１とヒートシンク２Ａとの間の温度差を小さくすることができる。このため、従来のパワーモジュール１０１Ｐ〜１０３Ｐとは異なり、たとえ電力用半導体素子１の裏面１Ｓ２内に及び／又はヒートシンク２Ａの表面２ＡＳ内に温度分布が生じた場合であっても、裏面１Ｓ２と表面２ＡＳとの間に発生する或いは裏面１Ｓ２と表面２ＡＳとの間の接着材料に発生する熱応力が小さい。これにより、電力用半導体素子の信頼性を高められ、パワーモジュール１０１によれば高い信頼性を長期に得ることができる。
【００３８】
＜実施の形態２＞
図２に実施の形態２に係るパワーモジュール１０２の模式的な外観図を示す。図２に示すように、パワーモジュール１０２は、既述の電力用半導体素子１としてのフリーホイーリングダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂと、ヒートシンク２Ａと、電極３と、絶縁層４と、ワイヤ７とを備える。なお、既述の構成要素と同等のものには同一の符号を付してその説明を援用するに留める。
【００３９】
フリーホイーリングダイオード１Ａは、既述の各表面１Ｓ１及び裏面１Ｓ２に対応する表面１ＡＳ１及び裏面１ＡＳ２と、表面電極及び裏面電極（図示せず）とを有する。同様に、ＩＧＢＴ１Ｂも、既述の各表面１Ｓ１及び裏面１Ｓ２に対応する表面１ＢＳ１及び裏面１ＢＳ２と、表面電極及び裏面電極（図示せず）とを有する。
【００４０】
特に、パワーモジュール１０２のヒートシンク２Ａは導電性を有する材料、例えば上述の材料の内の銅−モリブデン合金等から成る。そして、ダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂが、裏面１ＡＳ２，１ＢＳ２をヒートシンク２Ａの表面２ＡＳに対面させて、ヒートシンク２Ａ上に直に配置されている。ダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂは、導電性を有する接着材料、例えば半田でヒートシンク２Ａ上に接着されている。これにより、ダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂの両裏面電極は半田及び導電性のヒートシンク２Ａを介して電気的に接続されている。他方、ダイオード１Ａの表面電極とＩＧＢＴ１Ｂの表面電極と電極３とが例えばワイヤ７によって電気的に接続されている。
【００４１】
このように、パワーモジュール１０２では、ヒートシンク２Ａが導電性を有するので、即ちヒートシンク２Ａが電極として働くので、電極３及び絶縁層４の個数を削減してパワーモジュールを小型軽量化することができる。
【００４２】
なお、パワーモジュール１０２のヒートシンク２Ａは、表面２ＡＳから続く突出部２ＡＴを有しており、絶縁層４及び電極３は突出部２ＡＴ上にも延在している。これにより、導電性のヒートシンク２Ａの突出部２ＡＴと突出部２ＡＴ上の電極３とをパワーモジュール１０２の端子として利用することができる。
【００４３】
なお、パワーモジュール１０２は主として複数の電力用半導体素子の各裏面電極が同一電位となる回路構成に適用されるが、ヒートシンク２Ａと電力用半導体素子との間に、銅箔等の導電層を有する絶縁基板（従来の絶縁基板５Ｐ（図３４参照）に相当）を設けることによって、裏面電極の電位が異なる複数の電力用半導体素子を搭載することができる。
【００４４】
＜実施の形態３＞
図３に実施の形態３に係るパワーモジュール１０３の模式的な外観図を示す。図３に示すように、パワーモジュール１０３は、２つのパワーモジュール１０２が絶縁部材１０を介して結合され一体化された構成を有する。絶縁部材１０として例えばエポキシ樹脂や射出成形プラスチック等が適用可能である。
【００４５】
パワーモジュール１０３では、各パワーモジュール１０２の電極３は、互いに他方のパワーモジュール１０２側へ延在して当該他方のパワーモジュール１０２のヒートシンク２Ａに電気的に接続されている、例えば半田付けされている（突出部３Ｔ参照）。
【００４６】
パワーモジュール１０３によれば、２つのパワーモジュール１０２を予め準備しておき、これらを組み合わせて回路を構成するので、モジュールを容易に形成することができる。このとき、小型軽量化が推進されたパワーモジュール１０２を用いるので、パワーモジュール１０３も小型軽量化される。なお、３つ以上のパワーモジュール１０２を組み合わせても構わない。
【００４７】
なお、電極３を介することなく、例えばダイオード１Ａとヒートシンク２Ａとの間を直接にワイヤ７で接続しても構わない。かかる場合には、電極３等を更に削減することができる。
【００４８】
＜実施の形態４＞
図４に実施の形態４に係るパワーモジュール１０４の模式的な外観図を示す。図４に示すように、パワーモジュール１０４は、フリーホイーリングダイオード１Ａと、ＩＧＢＴ１Ｂと、導電性のヒートシンク２Ｂと、電極３と、絶縁層４と、ワイヤ７とを備える。
【００４９】
ヒートシンク２Ｂは上述の導電性のヒートシンク２Ａと同様の材料から成り、上記表面２ＡＳに対応する平面状の表面２ＢＳを有する。そして、当該表面２ＢＳ上にダイオード１Ａ，ＩＧＢＴ１Ｂ及び絶縁層４が配置されている。
【００５０】
特に、パワーモジュール１０４のヒートシンク２Ｂは冷媒の流路としての２つの貫通孔（冷媒の流路）２ＢＨを有する。各貫通孔２ＢＨは表面２ＢＳから同程度離れた位置に、換言すれば図４において横方向に並べて設けられている。また、各貫通孔２ＢＨはダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂの下方を通過するように形成されている。なお、貫通孔２ＢＨは１つ或いは３つ以上であっても構わない。
【００５１】
パワーモジュール１０４では、貫通孔２ＢＨに冷媒、例えば空気，六フッ化硫黄（ＳＦ6），炭酸ガス等の気体や、水，油等の液体を流すことによって、ヒートシンク２Ｂを従ってダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂを強制的に冷却する。これにより、冷却能力を大幅に向上させることができる。その結果、従来のパワーモジュール１０１Ｐ〜１０３Ｐのように信頼性を確保するためになされていた電流量の制限を緩和或いは解除することができるし、又、ヒートシンクを、従ってパワーモジュールを小型軽量化することができる。
【００５２】
＜実施の形態４の変形例１＞
図５に実施の形態４の変形例１に係るパワーモジュール１０４Ａの模式的な外観図を示す。図５に示すように、パワーモジュール１０４Ａは上述のパワーモジュール１０４を２つ備え、ヒートシンク２Ｂの貫通孔２ＢＨ同士が配管２ＢＪで繋がれて、両パワーモジュール１０４が連結している。
【００５３】
このとき、（ｉ）両ヒートシンク２Ｂを同電位に設定する場合、換言すれば両ヒートシンク２Ｂ上のダイオード１Ａ等の裏面電極同士を同電位に設定する場合には、配管２ＢＪと冷媒との少なくとも一方に導電性の材料・物質を用い（以下、導電連結と呼ぶ）、（ｉｉ）逆に、両ヒートシンク２Ｂ間を絶縁する場合には、換言すれば両ヒートシンク２Ｂ上のダイオード１Ａ等同士を絶縁する場合には、配管２ＢＪ及び冷媒の双方に絶縁性の材料・物質を用いる（以下、絶縁連結と呼ぶ）。
【００５４】
このとき、（ｉｉｉ）上記（ｉ）のように配管２ＢＪと冷媒との少なくとも一方に導電性の材料・物質を用いた場合であっても、ヒートシンク２Ｂとダイオード１Ａ等との間に既述の絶縁基板５Ｐ（及び銅箔６Ｐ）（図３４参照）を設ければ、上記（ｉｉ）と同様に両ヒートシンク２Ｂ間でダイオード１Ａ等を絶縁することができる。逆に言えば、上述の導電連結及び絶縁連結によれば、絶縁基板５Ｐ等を用いる必要がない。
【００５５】
なお、３つ以上のパワーモジュール１０４を配管２ＢＪで連結してパワーモジュール１０４Ａを構成しても良い。このとき、導電連結の場合、同電位に設定する複数のパワーモジュール１０４を１グループとして、各グループ毎に、冷媒を流すためのポンプ（図示せず）を設ける。他方、絶縁連結の場合、パワーモジュール１０４Ａ全体に対して、１つのポンプを設ければ良い。
【００５６】
＜実施の形態４の変形例２＞
図６に実施の形態４の変形例２に係るパワーモジュール１０４Ｂの模式的な外観図を示す。図６に示すように、パワーモジュール１０４Ｂでは、２つの貫通孔２ＢＨが表面２ＢＳからの距離を違えて、換言すれば図６において上下に並べて形成されている。
【００５７】
上述のパワーモジュール１０４Ａと同様に、複数のパワーモジュール１０４Ｂの各貫通孔２ＢＨ同士を配管２ＢＪで連結して回路を構成しても構わない（図７参照）。このとき、上側の貫通孔２ＢＨ同士を及び下側の貫通孔２ＢＨ同士をそれぞれ配管２ＢＪでつなぐ。特に、ダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂに近い、上側の貫通孔２ＢＨから冷媒を流入し、その後、折り返して下側の貫通孔２ＢＨに流れるように配管することによって、上記パワーモジュール１０４と比較して、各ヒートシンク２Ｂでの冷媒の温度差が吸収され、より均一な冷却能力が得られる。
【００５８】
＜実施の形態４の変形例３＞
図８に実施の形態４の変形例３に係るパワーモジュール１０４Ｃの模式的な外観図を示す。図８に示すように、パワーモジュール１０４Ｃは上記パワーモジュール１０４を２つ備え、両パワーモジュール１０４がヒートシンク２Ｂの表面２ＢＳとは反対側の表面同士を接して配置されている。
【００５９】
＜実施の形態４の変形例４＞
図９に実施の形態４の変形例４に係るパワーモジュール１０４Ｄの模式的な外観図を示す。図９に示すように、パワーモジュール１０４Ｄは上記パワーモジュール１０４を２つ備え、両パワーモジュール１０４が支持部材１５を介して上下に積み重ねられている。このとき、（ｉ）少なくとも１つの支持部材１５に金属等の導電性部材を用いれば両ヒートシンク２Ｂを同電位に設定することができるし、（ｉｉ）全ての支持部材１５に樹脂等の絶縁部材を用いれば両ヒートシンク２Ｂ間を絶縁することができる。
【００６０】
＜実施の形態５＞
図１０及び図１１に、実施の形態５に係るパワーモジュール１０５の模式的な外観図（上面図及び側面図）を示す。なお、図１１は図１０中の矢印Ａの方向からパワーモジュール１０５を見た場合の外観図にあたり、図面の煩雑化を避けるために図１１では構成要素の一部の図示化を省略している。また、図１２に、パワーモジュール１０５の模式的な縦断面図を示す。
【００６１】
パワーモジュール１０５は、いわゆる３相の電圧型電力変換器を成す。なお、電力変換器とはインバータ及びコンバータを含む。電力変換器では、各相毎に、互いに対を成してアームを形成する上アームと下アームとが出力端子を介して直列に接続され、上アームは高電位（第２電圧に対応する）側と出力端子との間に接続され、下アームは出力端子と低電位（第１電圧に対応する）側との間に接続される（又は接地される）。即ち、電力変換器は、等価回路的には多相ブリッジ回路（ここでは、３相ブリッジ回路）を成している。
【００６２】
パワーモジュール１０５は、対向する円形の主面（表面）２ＣＳ１，２ＣＳ２を有する円柱形のヒートシンク２Ｃを備える。ヒートシンク２Ｃは導電性を有する。
【００６３】
ヒートシンク２Ｃの一方の主面２ＣＳ１上に例えばセラミック板より成る３つの絶縁基板５０Ｕ，５０Ｖ，５０Ｗが配置されている。各絶縁基板５０Ｕ，５０Ｖ，５０Ｗの両主面上に例えば銅箔が形成されており、絶縁基板５０Ｕ，５０Ｖ，５０Ｗは例えば半田により主面２ＣＳ１上に接着されている。このとき、ヒートシンク２Ｃと対面する上記銅箔は、絶縁基板５０Ｕ，５０Ｖ，５０Ｗとヒートシンク２Ｃとの間の接着を良好に行うためのものである。他方、各絶縁基板５０Ｕ，５０Ｖ，５０Ｗ上の、ヒートシンク２Ｃとは対面しない各銅箔は、電力変換器の出力端子にあたる各電極６０Ｕ，６０Ｖ，６０Ｗを成す。このため、電極６０Ｕ，６０Ｖ，６０Ｗとして銅箔以外の導電材料を用いても構わない。
【００６４】
特に、絶縁基板５０Ｕ，５０Ｖ，５０Ｗは、円形の主面２ＣＳ１の円周と同心の円周上に略等間隔に配置されている。換言すれば、円形の主面２ＣＳ１の中心に対して互いに同じ角度（ここでは１２０゜）を成して規定される放射線上に上記中心から同じ距離だけ離れて、絶縁基板５０Ｕ，５０Ｖ，５０Ｗが配置されている。
【００６５】
更に、各１つのダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂから成る電力用半導体素子の組が、３組、絶縁基板５０Ｕ，５０Ｖ，５０Ｗに隣接して主面２ＣＳ１上に直に配置されている。上述の電力用半導体素子の各組は、円形の主面２ＣＳ１の円周と同心の円周上に略等間隔に又上記各絶縁基板５０Ｕ，５０Ｖ，５０Ｗの配列間に配置されている。特に、かかるダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂの各裏面電極は例えば半田により主面２ＣＳ１上に直に接着されている。他方、ダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂの各表面電極は例えばワイヤ７により電極６０Ｕ，６０Ｖ，６０Ｗに電気的に接続されている。このようにヒートシンク２Ｃ上に直付けされている、３組のダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂの各組が電力変換器の下アームを構成する。
【００６６】
更に、例えばセラミック板より成る絶縁基板５が絶縁基板５０Ｕ，５０Ｖ，５０Ｗに近接して主面２ＣＳ１上に配置されている。各絶縁基板５は、円形の主面２ＣＳ１の円周と同心の円周上に略等間隔に又上記各絶縁基板５０Ｕ，５０Ｖ，５０Ｗの配列間に配置されている。各絶縁基板５の両主面上に例えば銅箔が形成されており、各絶縁基板５は例えば半田により主面２ＣＳ１に接着されている。ヒートシンク２Ｃと対面しない側の銅箔は導電層６を成す。
【００６７】
各絶縁基板５の導電層６上にダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂが配置されている。ダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂはそれぞれの裏面電極を導電層６と対面させて例えば半田により接着されている。また、隣接する導電層６と電極６０Ｕ，６０Ｖ，６０Ｗとが例えばワイヤ７によって接続されている。絶縁基板５を介してヒートシンク２Ｃ上に配置されている、３組のダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂそれぞれが電力変換器の上アームを構成する。
【００６８】
ダイオード１Ａ等のかかる配置によれば、パワーモジュール１０５が有する３つのアーム（上アーム及び下アームから成る）は、ヒートシンク２Ｃの円形の主面２ＣＳ１の当該円形の中心（後述のように電極６１が配置される）を取り囲んで同心円上に略等間隔で配置されている。
【００６９】
そして、円形の主面２ＣＳ１上に、当該円形の中心付近に例えばセラミック板より成る絶縁基板５０Ｃが配置されている。絶縁基板５０Ｃの両主面上には例えば例えば銅箔が形成されており、絶縁基板５０Ｃは例えば半田により主面２ＣＳ１に接着されている。ヒートシンク２Ｃと対面しない銅箔は導電層６０Ｃを成す。絶縁基板５上のダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂの各表面電極が例えばワイヤ７により導電層６０Ｃと電気的に接続されている。なお、絶縁基板５０Ｃや導電層６０Ｃ等の形状は、図１０等に図示された形状に限られない。
【００７０】
特に、ダイオード１Ａ等の設置面である円形の主面２ＣＳ１の略中心から絶縁基板５０Ｃを貫いて例えば棒状の電極６１が伸びている（図１２参照）。電極６１はヒートシンク２Ｃと電気的に接続されている。また、導電層６０Ｃと電気的に接続されて電極６２が配置されている。電極６２は例えば筒状の電極から成り、その筒状の内部に電極６１が挿入されている。電極６１，６２間には絶縁部材１１が配置されており、両電極６１，６２は絶縁されている。電極６１，６２はいわゆる同軸線を成す。なお、パワーモジュール１０５では、電極６１が「第１電極」にあたり、電極６２が「第２電極」にあたる。
【００７１】
このような構成により、パワーモジュール１０５は、５つの電極６０Ｕ，６０Ｖ，６０Ｗ，６１，６２を有する電力変換器を成している。
【００７２】
ここで、図１３にヒートシンク２Ｃが有する貫通孔２ＣＨを説明するための模式図を示す。なお、図１３は図１０に相当する図面であり、図面の煩雑化を避けるために図１０中の絶縁基板５等の図示化は省略している。図１３に示すように、ヒートシンク２Ｃには、主面２ＣＳ１の円周と同心の略リング状の貫通孔２ＣＨが３つ形成されている（それぞれを各種破線で示す）。各貫通孔２ＣＨに冷媒を流すことにより、パワーモジュール１０５の冷却を行う。貫通孔２ＣＨの個数は３つに限られないが、貫通孔２ＣＨを発熱体であるダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂの下方に設けることが好ましい。また、貫通孔２ＣＨをリング状でなく例えば渦巻き状に設けても構わない。また、パワーモジュール１０４Ｂ（図６参照）のように、主面２ＣＳ１，２ＣＳ２間に上下に重ねて貫通孔２ＣＨを設けても構わない。
【００７３】
パワーモジュール１０５によれば、上述のように電力変換器の３つのアームは上記同軸線を取り囲んで同心円上に略等間隔で配置されている。このため、電極６１，６２と各アームとの間の配線を同様に形成することができるので、各アームから取り出される各出力のばらつきを小さくすることができると共に、低電位側の変動を小さくできるため誤動作に強くすることができる。その結果、信頼性の高い電力変換器を提供することができる。
【００７４】
＜実施の形態５の変形例１＞
なお、パワーモジュール１０５ではヒートシンク２Ｃの主面２ＣＳ１上にダイオード１Ａ等を全て配置したが、その一部をシートシンク２Ｃの他方の主面２ＣＳ２上に配置しても構わない。例えば、３つの絶縁基板５及びそれの上に配置された構成要素を主面２ＣＳ２上に配置し、所定の配線を行っても構わない。
【００７５】
＜実施の形態６＞
図１４に実施の形態６に係るパワーモジュール１１１の模式的な外観図を示す。図１４に示すように、パワーモジュール１１１では、貫通孔２ＢＨを有する既述の導電性のヒートシンク２Ｂの表面２ＢＳ上に、ダイオード１Ａ，ＩＧＢＴ１Ｂ及び直流電流平滑用のコンデンサないしはキャパシタ２０が直に配置されている。なお、ダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂがそれぞれ「第１の電力用半導体素子」にあたる。
【００７６】
既述のように、ダイオード１Ａはシリコン基板の両主面に対応する両主面（表面１ＡＳ１及び裏面１ＡＳ２）を有しており、表面１ＡＳ１に表面電極が又裏面１ＡＳ２に裏面電極が形成されている。同様に、ＩＧＢＴ１Ｂにおいても、表面１ＢＳ１に表面電極が又裏面１ＢＳ２に裏面電極が形成されている。なお、図面の煩雑化を避けるため、図１４ではダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂそれぞれの表面電極及び裏面電極の詳細な図示化は省略している。
【００７７】
特に、従来の円筒形のキャパシタ８Ｐとは異なり、キャパシタ２０は、対向する２つの主面２０Ｓ１，２０Ｓ２を有する平板形のキャパシタから成る。そして、平板形の一方の主面（以下、裏面とも呼ぶ）２０Ｓ２に電極（図示せず；裏面電極とも呼ぶ）が形成されており、他方の主面（以下、表面とも呼ぶ）２０Ｓ１に電極（図示せず；表面電極とも呼ぶ）が形成されている。
【００７８】
ダイオード１Ａ，ＩＧＢＴ１Ｂ及びキャパシタ２０の各裏面電極はヒートシンク２Ｂに例えば半田により接着されている。これにより、各裏面電極同士が導電性のヒートシンク２Ｂを介して電気的に接続されている。他方、ダイオード１Ａ，ＩＧＢＴ１Ｂ及びキャパシタ２０の各表面電極（ヒートシンク２Ｂとは対面していない）同士はワイヤ７によって結線されている。なお、圧接や導電性接着剤等によって、各表面電極間を電気的に接続しても構わない。
【００７９】
パワーモジュール１１１によれば以下の効果を得ることができる。まず、小型軽量で信頼性の高いパワーモジュール１１１を提供することができる。
【００８０】
詳細には、ダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂ及びキャパシタ２０がヒートシンク２Ｂ上に直付けされている。このため、これらが別々に設けられている従来のパワーモジュール１０１Ｐ〜１０３Ｐよりも、パワーモジュールを小型化することができる。また、ヒートシンク２Ｃの放熱作用によってダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂの発熱のみならずキャパシタ２０の温度上昇をも抑制することができるため、キャパシタ２０の小型化、低インダクタンス化、長寿命化が図れる。
【００８１】
更に、ダイオード１Ａ，ＩＧＢＴ１Ｂ及びキャパシタ２０がヒートシンク２Ｂ上に直付けされているので、ダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂとキャパシタ２０との間を結ぶ配線の長さを従来のパワーモジュール１０１Ｐ〜１０３Ｐよりも短くすることができる。特に、ヒートシンク２Ｂは導電性を有するので、ダイオード１Ａ，ＩＧＢＴ１Ｂ及びキャパシタ２０はヒートシンク２Ｂを介して最短経路で電気的に結ばれている。このため、従来のパワーモジュール１０１Ｐ〜１０３Ｐよりも回路インダクタンスを低減することができる。従って、ダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂのスイッチング動作時に生じる跳ね上がり電圧（オーバーシュート）を低減でき、その結果、ダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂの耐圧及び損失を低減することができる。また、配線長が短くなることに起因して、電磁ノイズの発生を低減することができる。
【００８２】
また、パワーモジュール１１１によれば、ヒートシンク２Ｂが導電性を有するので、当該ヒートシンク２Ｂを電極として用いることができる。このため、例えば、絶縁性のヒートシンクの場合に必要な配線等の部品点数及びそれの形成工程を削減することができる。
【００８３】
なお、ヒートシンク２Ｂの貫通孔２ＢＨに冷媒を流すことによって、ヒートシンク２Ｂの冷却能力を向上することができる。
【００８４】
＜実施の形態６の変形例１＞
なお、ヒートシンク２Ｂに変えて、図１５に示すパワーモジュール１１１Ａのようにフィン構造を有する導電性のヒートシンク２Ａを適用しても、上述の効果を得ることができる。
【００８５】
＜実施の形態６の変形例２＞
また、キャパシタ２０，ダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂを、ヒートシンク２Ｂの異なる表面に配置しても構わない。具体的には、図１６に示すパワーモジュール１１１Ｂのように、ダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂをヒートシンク２Ｂの表面２ＢＳ上に配置する一方で、キャパシタ２０を上記表面２ＢＳと交わる他の表面（側面）２ＢＳ３上に配置しても構わない。また、上記表面２ＢＳと対向する表面２ＢＳ２上に配置しても構わない。このような構成はヒートシンク２Ａを用いる場合にも適用可能である。
【００８６】
パワーモジュール１１１Ｂによれば、上記パワーモジュール１１１と比較して、パワーモジュールを更に小型軽量化することができる。また、ダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂの放熱とキャパシタ２０の放熱との干渉が少なくなるので、放熱性を向上することができる。
【００８７】
＜実施の形態７＞
図１７に実施の形態７に係るパワーモジュール１１２の模式的な外観図を示す。図１７と既述の図１４とを比較すれば分かるように、パワーモジュール１１２は、キャパシタ２０（図１４参照）に変えて、キャパシタ用誘電体３３及びキャパシタ用電極３１を備える。詳細には、導電性のヒートシンク２Ｂとキャパシタ用電極３１とでキャパシタ用誘電体３３が挟み込まれており、ヒートシンク２Ｂとキャパシタ用誘電体３３とキャパシタ用電極３１とで以て上記キャパシタ２０に相当する平板形のキャパシタ３０が構成されている。その他の構成はパワーモジュール１１１と同様である。
【００８８】
このとき、キャパシタ用電極３１はキャパシタ２０の表面電極にあたり、ヒートシンク２Ｂは同裏面電極にあたる。このため、パワーモジュール１１２では、ダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂがキャパシタ３０の裏面電極上に配置されていると捉えることができる。
【００８９】
パワーモジュール１１２によれば、上述のパワーモジュール１１１と同様の効果が得られる。
【００９０】
＜実施の形態７の変形例１＞
なお、ヒートシンク２Ｂに変えて、図１８に示すパワーモジュール１１２Ａのようにフィン構造を有する導電性のヒートシンク２Ａを適用しても構わない。
【００９１】
＜実施の形態７の変形例２＞
図１９に実施の形態７の変形例２に係るパワーモジュール１１２Ｂの模式的な外観図を示す。パワーモジュール１１２Ｂでは、パワーモジュール１１１Ｂ（図１６参照）と同様に、キャパシタ用誘電体３３及びキャパシタ用電極３１が、表面２ＢＳとは異なる、ヒートシンク２Ｂの表面２ＢＳ２上や表面２ＢＳ３上に配置されている。このような構成はヒートシンク２Ａを用いる場合にも適用可能である。パワーモジュール１１２Ｂによれば、上述のパワーモジュール１１１Ｂと同様の効果が得られる。
【００９２】
＜実施の形態８＞
図２０に実施の形態８に係るパワーモジュール１１１Ｃの模式的な外観図を示す。パワーモジュール１１１Ｃは、いわゆる３相の電圧型電力変換器を成す。
【００９３】
パワーモジュール１１１Ｃでは、キャパシタ２０が、その裏面２０Ｓ２をヒートシンク２Ｂの上記表面２ＢＳ２と対面させて、ヒートシンク２Ｂ上に直に配置されている。
【００９４】
パワーモジュール１１１Ｃは電力変換器のアームを３つ備える。各アームの下アームを成す各１つのダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂは共に裏面電極をヒートシンク２Ｂに対面させてヒートシンク２Ｂの表面２ＢＳ上に直に配置されている。また、各下アームのダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂの各表面電極は、それぞれ電力変換器の出力端子を成す電極６０Ｕ，６０Ｖ，６０Ｗに例えばワイヤ７によって電気的に接続されている。なお、各電極６０Ｕ，６０Ｖ，６０Ｗは各絶縁基板（又は各絶縁層）５０Ｕ，５０Ｖ，５０Ｗを介してヒートシンク２Ｂの表面２ＢＳ上に配置されている。
【００９５】
他方、各アームの上アームを成す各１つのダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂ（それぞれが第２の電力用半導体素子にあたる）は、絶縁基板５を介してヒートシンク２Ｂの表面２ＢＳ上に配置されている。このとき、上アームのダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂの裏面電極は絶縁基板５上の導電層６と電気的に接続されている。各導電層６は各アーム用の電極６０Ｕ，６０Ｖ，６０Ｗに例えばワイヤ７により電気的に接続されている。上アームを成すダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂの各表面電極は全てのアームに共通の電極６１に例えばワイヤ７により電気的に接続される。
【００９６】
電極６１はヒートシンク２Ｂの表面２ＢＳからキャパシタ２０の表面２０Ｓ１にまで延在してキャパシタ２０の表面電極に電気的に接続されている。なお、電極６１は絶縁層５０によってキャパシタ２０の表面電極以外の部分及びヒートシンク２Ｂと絶縁されている。
【００９７】
なお、パワーモジュール１１１Ｃでは、電極６１が、高電位側に接続される「第２電極」にあたり、ヒートシンク２Ｂが、低電位側に接続される「第１電極」にあたる。
【００９８】
パワーモジュール１１１Ｃによれば、上アームのダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂは絶縁基板５を介してヒートシンク２Ｂ上に配置されている。このため、導電性のヒートシンク２Ｂ上に、裏面電極の電位が異なるダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂを混在させて回路を形成することができる。
【００９９】
＜実施の形態８の変形例１＞
図２１に実施の形態８の変形例１に係るパワーモジュール１１２Ｃの模式的な外観図を示す。上述のパワーモジュール１１１Ｃと同様に、パワーモジュール１１２Ｃは、いわゆる３相の電圧型電力変換器を成す。
【０１００】
図２１と既述の図２０とを比較すれば分かるように、パワーモジュール１１２Ｃは、パワーモジュール１１１Ｃのキャパシタ２０に変えて、キャパシタ用電極３１及びキャパシタ用誘電体３３を備える。詳細には、キャパシタ用誘電体３３はヒートシンク２Ｂの表面２ＢＳ２と対面して配置され、ヒートシンク２Ｂとキャパシタ用電極３１とで挟まれている。これにより、ヒートシンク２Ｂとキャパシタ用誘電体３３とキャパシタ用電極３１とで以て上述の平板形のキャパシタ３０が構成されている。その他の構成はパワーモジュール１１１Ｃと同様である。
【０１０１】
パワーモジュール１１２Ｃによれば、ダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂがキャパシタ３０の一方の電極上に配置されていると捉えられ、パワーモジュール１１２と同様の効果を得ることができる。また、上記パワーモジュール１１１Ｃと同様に、絶縁基板５によって裏面電極の電位が異なるダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂをキャパシタ３０の電極上に混在させることができる。
【０１０２】
＜実施の形態９＞
図２２及び図２３に実施の形態９に係るパワーモジュール１１３の模式的な外観図を示す。図２３は図２２中の矢印Ａの方向からパワーモジュール１１３を見た場合の外観図（側面図）に相当する。なお、図面の煩雑化を避けるため、図２３では、ダイオード１Ａ，ＩＧＢＴ１Ｂ及びワイヤ７の図示化を省略している。上述のパワーモジュール１１１Ｃと同様に、パワーモジュール１１３は、いわゆる３相の電圧型電力変換器を成す。
【０１０３】
図２２と既述の図２０とを比較すれば分かるように、パワーモジュール１１３では、電力変換器の全ての下アームのダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂが１つの下アーム用のヒートシンク２Ｂの表面２ＢＳ上に直に配置されている。そして、ヒートシンク２Ｂとキャパシタ２０とが表面２ＢＳ２と裏面２０Ｓ２とを対面させて配置されており、ヒートシンク２Ｂとキャパシタ２０の裏面電極とが電気的に接している。
【０１０４】
他方、電力変換器の各上アームのダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂは各上アーム用の導電性を有するヒートシンク（他のヒートシンク）２Ｂ上に直に配置されており、パワーモジュール１１１Ｃ（図２０参照）と同様に電極６１と電気的に接続されている。各上アーム用の３つのヒートシンク２Ｂは互いに絶縁連結されている（図２２では配管２ＢＪの図示化は省略している）と共に、下アーム用のヒートシンク２Ｂ及びキャパシタ２０の裏面電極とは絶縁部材１０によって絶縁されている。なお、絶縁部材１０で以て、４つのヒートシンク２Ｂとキャパシタ２０とが一体的に結合している。
【０１０５】
各上アーム用のヒートシンク２Ｂは各アーム用の電極６０Ｕ，６０Ｖ，６０Ｗと例えばワイヤ（可撓性の配線）７で電気的に接続されている。特に、当該ワイヤ７は、電極６０Ｕ，６０Ｖ，６０Ｗの内で絶縁部材１０上に配置された部分（導電部材）を中継点ないしは経由点として、上アームと下アームとを電気的に接続している。
【０１０６】
上述のように、パワーモジュール１１３では、絶縁部材１０で以て、４つのヒートシンク２Ｂが互いに絶縁されている。このため、既述のパワーモジュール１１１Ｃ（図２０参照）とは異なり、絶縁基板５を用いることなく、上アーム用のダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂの裏面電極と、下アーム用の同裏面電極との電位を違えることができる。このため、絶縁基板５の分だけ部品点数を削減できる。
【０１０７】
更に、パワーモジュール１１３では上アーム及び下アームの両構成が大略同等であるので、パワーモジュール全体の製造コストを低減することができる。その結果、安価なパワーモジュール１１３を提供することができる。
【０１０８】
また、上述のように上アームと下アームとを結線するワイヤ７は、電極６０Ｕ，６０Ｖ，６０Ｗの内で絶縁部材１０上に配置された部分（導電部材）に接続されている。このため、上記導電部材を介することなく直接に上アームと下アームとの間を接続する場合と比較して、当該配線の撓みないしは垂れを抑えることができる。その結果、配線の垂れによる短絡を防止することができる。
【０１０９】
＜実施の形態１０＞
図２４及び図２５に実施の形態１０に係るパワーモジュール１１１Ｄの模式的な外観図（側面図）及び縦断面図を示す。図２４と既述の図１１とを比較すれば分かるように、パワーモジュール１１１Ｄは基本的に既述のパワーモジュール１０５にキャパシタ２０を設けた構成を有するので、パワーモジュール１０５と同様の構成については既述の説明を援用するに留め、パワーモジュール１１１Ｄの特徴部分を中心に説明を進める。なお、図２４では図１１と同様に構成要素の一部の図示化を省略している。
【０１１０】
なお、電力変換器の３つの下アームはそれぞれヒートシンク２Ｃに直付けされているダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂで構成され、電力変換器の３つの上アームはそれぞれ絶縁基板５を介してヒートシンク２Ｃ上に配置されているダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂで構成される。
【０１１１】
パワーモジュール１１１Ｄは、導電性のヒートシンク２Ｃの円形の主面２ＣＳ２上にキャパシタ２０が直に配置されている。このとき、キャパシタ２０はその裏面２０Ｓ２をヒートシンク２Ｃに対面させて配置されており、キャパシタ２０の裏面電極２０Ｅ２（図２５参照）とヒートシンク２Ｃとが電気的に接続されている。
【０１１２】
特に、パワーモジュール１１１Ｄでは電極６１，６２の接続形態が既述のパワーモジュール１０５とは異なる。詳細には、図２５に示すように、棒状の電極６１はヒートシンク２Ｃ及びキャパシタ２０（表面電極２０Ｅ１を除く）を貫いて延在し、キャパシタ２０の表面電極２０Ｅ１と電気的に接続されている。このとき、電極６１と共に絶縁部材１１も伸長されており、電極６１がヒートシンク２Ｃ及びキャパシタ２０（表面電極２０Ｅ１を除く）から絶縁されている。他方、筒状の電極６２は絶縁基板５０Ｃを貫いて配置されており、ヒートシンク２Ｃと電気的に接続されている。
【０１１３】
パワーモジュール１１１Ｄでは、電極６１が、電力変換器の高電位側に接続される「第２電極」にあたり、電極６２が、低電位側に接続される「第１電極」にあたる。
【０１１４】
パワーモジュール１１１Ｄによれば、既述のパワーモジュール１０５と同様に、同軸線を取り囲む３つのアームの配置に起因して信頼性の高い電力変換器を提供することができると共に、従来のパワーモジュール１０３Ｐよりも小型軽量な電力変換器を提供することができる。
【０１１５】
＜実施の形態１０の変形例１＞
図２６及び図２７に実施の形態１０の変形例１に係るパワーモジュール１１２Ｄの模式的な外観図及び縦断面図を示す。上述のパワーモジュール１１１Ｄと同様に、パワーモジュール１１２Ｄは、いわゆる３相の電圧型電力変換器を成す。
【０１１６】
図２６と既述の図２４とを比較すれば分かるように、パワーモジュール１１２Ｄは、パワーモジュール１１１Ｄのキャパシタ２０に変えて、キャパシタ用電極３１及びキャパシタ用誘電体３３を備える。詳細には、キャパシタ用誘電体３３はヒートシンク２Ｃの主面２ＣＳ２と対面して配置され、ヒートシンク２Ｃとキャパシタ用電極３１とで挟まれている。これにより、ヒートシンク２Ｃとキャパシタ用誘電体３３とキャパシタ用電極３１とで以て上述の平板形のキャパシタ３０が構成されている。そして、パワーモジュール１１１Ｄと同様に、パワーモジュール１１２Ｄの棒状の電極６１は、ヒートシンク２Ｃ，キャパシタ用誘電体３３を貫いて延在し、キャパシタ用電極３１と電気的に接続されている。その他の構成はパワーモジュール１１１Ｄと同様である。このため、パワーモジュール１１１Ｄと同様の効果を得ることができる。
【０１１７】
また、パワーモジュール１１２Ｄでは、ダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂがキャパシタ３０の裏面電極上に配置されていると捉えられ、パワーモジュール１１２と同様の効果を得ることができる。
【０１１８】
＜実施の形態１１＞
図２８〜図３０に実施の形態１１に係るパワーモジュール１１１Ｅの模式図を示す。なお、パワーモジュール１１１Ｅは上述のパワーモジュール１１１Ｄを基本としているため、又、図面の煩雑化を避けるため、図２８では一部のワイヤ７の図示化を省略し又図２９及び図３０では電極６０Ｕ，６０Ｖ，６０Ｗ等の図示化を省略している。
【０１１９】
上述のモジュール１１１Ｄではダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂが全てヒートシンク２Ｃの一方の主面２ＣＳ１上に配置されているのに対して、パワーモジュール１１１Ｅではダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂがヒートシンク２Ｃの主面２ＣＳ１とキャパシタ２０の表面２０Ｓ１とに分散して配置されている。
【０１２０】
詳細には、導電性を有するヒートシンク２Ｃの主面２ＣＳ１上に、電力変換器の下アームを成すダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂが直に配置されている（図２９参照）。そして、当該ダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂの表面電極同士が接続されている。他方、キャパシタ２０の表面２０Ｓ１上に（詳細には表面電極上に）、絶縁基板５が配置されており、絶縁基板５の導電層６上に、電力変換器の上アームを成すダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂが配置されている（図３０参照）。絶縁基板５上のダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂの表面電極はキャパシタ２０の表面２０ＳＩに接続されている。
【０１２１】
更に、上アームのＩＧＢＴ１Ｂの裏面電極と導通する導電層６と下アームのＩＧＢＴ１Ｂの表面電極とが接続されて電力変換器のアームを成す（配線７Ｂ参照）。３つのアームにおける上記接続点が電極６０Ｕ，６０Ｖ，６０Ｗを成す。パワーモジュール１１１Ｅによっても、パワーモジュール１１１Ｄと同様の効果が得られる。
【０１２２】
なお、パワーモジュール１１１Ｅでは、ヒートシンク２Ｃが低電位側に接続され、キャパシタ２０の表面電極が高電位側に接続される。このとき、図２８〜図３０への図示化は省略しているが、パワーモジュール１１１Ｄと同様の接続形態を有する同軸線（図２５参照）によって給電しても構わず、かかる場合には電極６２が「第１電極」にあたり、電極６１が「第２電極」にあたる。
【０１２３】
また、上述のパワーモジュール１１１Ｄとパワーモジュール１１２Ｄとの関係のように、パワーモジュール１１１Ｅのキャパシタ２０をキャパシタ用誘電体３３及びキャパシタ用電極３１に変更しても構わない。
【０１２４】
＜実施の形態１２＞
図３１に実施の形態１２に係るパワーモジュール２０１の模式的な外観図を示す。パワーモジュール２０１は、２つの凹部（空間）２０２Ｋを有する絶縁性の筐体２０２を備える。筐体２０２の各凹部２０２Ｋ内には、ダイオード１Ａが直付けされたヒートシンク２ＢとＩＧＢＴ１Ｂが直付けされたヒートシンク２Ｂとが例えば交互に並べられて１列に収納されている。なお、図３１ではダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂの結線の図示化は省略している。
【０１２５】
この際、各凹部２０２Ｋ内において各ヒートシンク２Ｂは隙間２０３を空けて並べられており、各隙間２０３間がヒートシンク２Ｂの貫通孔２ＢＨで空間的に繋がれるように各ヒートシンク２Ｂ又は貫通孔２ＢＨの向きが定められている。また、各凹部２０２Ｋの内面とヒートシンク２Ｂとの間に隙間２０３以外の隙間ができないように、ヒートシンク２Ｂ及び凹部２０２Ｋの寸法が規定されている。
【０１２６】
各凹部２０２Ｋにおいてヒートシンク２Ｂの並びの両端には隙間２０３が設けられており、各筐体２０２には当該各隙間２０３と繋がる穴が形成されている。そして、各凹部２０２Ｋの各一方の穴にはそれぞれ配管２ＢＪが接続されており、各他方の穴は互いに配管２ＢＪで繋がれて凹部２０２Ｋ同士が連結されている。
【０１２７】
隙間２０３には、筐体２０２の一部である絶縁性の蓋（図示せず）が被せられおり、これにより両凹部２０２Ｋがいわば一続きの空間を成す。このため、パワーモジュール２０１では、一方の凹部２０２Ｋの上記一方の穴から冷媒を流し込み、両凹部２０２Ｋ内に冷媒を流すことができる。このとき、筐体２０２及び上記蓋が共に絶縁性なので、例えば絶縁性の冷媒を用いれば各ヒートシンク２Ｂ間を絶縁することができる（絶縁連結）。なお、絶縁性の冷媒として、例えば空気，六フッ化硫黄（ＳＦ6）等の気体や、油等の液体が挙げられる。また、例えば導電性の冷媒を用いれば導電性のヒートシンク２Ｂ同士を同電位に設定可能である（導電連結）。また、絶縁性のヒートシンク２Ｂと導電性のヒートシンク２Ｂとを組み合わせ、導電性の冷媒を用いれば所望の導電性のヒートシンク２Ｂのみを導電連結することができる。
【０１２８】
さて、ダイオード１Ａ及び／又はＩＧＢＴ１Ｂを絶縁基板５を介してヒートシンク２Ｂ上に配置しても良く、かかる場合には導電性のヒートシンク２Ｂを用いた場合であっても所望のダイオード１Ａ及び／又はＩＧＢＴ１Ｂを他から絶縁することができる。逆に言えば、上述のようにヒートシンク２Ｂの導電性／絶縁性によって絶縁基板５を不要としうる。なお、１つのヒートシンク２Ｂ上に複数の電力用半導体素子を配置しても構わない。
【０１２９】
上述のように各ヒートシンク２Ｂは隙間２０３を空けて並べられているので、冷媒は隙間２０３と隙間２０３よりも狭い貫通孔２ＢＨとを交互に通過する。このとき、冷媒が貫通孔２ＢＨを通る時、換言すれば発熱体であるダイオード１Ａ及びＩＧＢＴ１Ｂの下方を通る時は、隙間２０３を通る時よりも、冷媒は速く流れる。これにより、冷却効果を増大させることができる。他方、隙間部２０３における冷媒の流れは貫通孔２ＢＨにおけるそれよりも遅いので、圧力損失を抑えることができる。従って、パワーモジュール２０１によれば、より高い冷却性能をより低い圧力損失で以て実現することができる。
【０１３０】
また、上述のように、絶縁性の冷媒を用いることによって、絶縁基板５を用いることなく、換言すれば導電性のヒートシンク２Ｂ上にダイオード１Ａ及び／又はＩＧＢＴ１Ｂを直に配置する場合であっても、各電力用半導体素子を互いに絶縁することができる。このため、絶縁性の冷媒を用いることによって、絶縁基板５の分だけ部品点数を削減できる。更に、ダイオード１Ａ及び／又はＩＧＢＴ１Ｂを搭載した各ヒートシンク２Ｂはそれぞれ大略同等であるので、パワーモジュール全体の製造コスト及び価格を低減することができる。
【０１３１】
更に、上述の各電力用半導体素子が互いに絶縁されることに起因して、各電力用半導体素子を導電性のヒートシンク２Ｂ上に直に配置可能である。従って、パワーモジュールの放熱性能を向上することができ、その結果、信頼性を向上させることができる。
【０１３２】
＜実施の形態１３＞
図３２に実施の形態１３に係るパワーモジュール１１４の模式的な外観図を示す。図３２に示すように、パワーモジュール１１４は、既述の図２２に示すパワーモジュール１１３に対して電流測定用のシャント抵抗９０を更に備える。詳細には、シャント抵抗９０は電極６０Ｕ，６０Ｖ，６０Ｗの出力端にそれぞれ直接、接続されており、各シャント抵抗９０が電力変換器の各出力端子を成している。
【０１３３】
パワーモジュール１１４ではシャント抵抗９０により電流を計測するので、従来のパワーモジュール１０１Ｐ等で用いられる変流器９２Ｐとは異なり、制御電源が不要であるし、原理的にオフセットが無い。
【０１３４】
また、シャント抵抗９０は電極６０Ｕ，６０Ｖ，６０Ｗの出力端に直接に接続されているので、変流器９２Ｐがケースの外に別個に設けられている従来のパワーモジュール１０１Ｐ等と比較して、パワーモジュール全体を小型軽量化することができるし、電流計測用部品の点数を削減することができる。
【０１３５】
＜実施の形態１３の変形例１＞
図３３に実施の形態１３の変形例１に係るパワーモジュール１１４Ａの模式的な外観図を示す。図３３と上述の図３２とを比較すれば分かるように、パワーモジュール１１４Ａの各シャント抵抗９０はヒートシンク２Ｂの表面２ＢＳに対面する位置に設けられて各電極６０Ｕ，６０Ｖ，６０Ｗと直接に接続されている。
【０１３６】
パワーモジュール１１４Ａによれば、ヒートシンク２Ｂの作用によりシャント抵抗９０の温度上昇を抑制することができる。このため、温度変化に起因したシャント抵抗の特性変化を大幅に抑制することができ、その結果、電流量の検出精度をさらに向上することができる。また、シャント抵抗９０がヒートシンク２Ｂの上方に配置されているので、上述のパワーモジュール１１４と比較して更に小型化可能である。
【０１３７】
【発明の効果】
（１）請求項１に係る発明によれば、第１の電力用半導体素子及びキャパシタが共にヒートシンク上に直付けされている。このため、両者が別々に設けられている従来のパワーモジュールよりも、パワーモジュールを小型軽量化することができる。また、ヒートシンクの放熱作用によって第１の電力用半導体素子の発熱のみならずキャパシタの温度上昇をも抑制することができるため、キャパシタの小型化、低インダクタンス化、長寿命化が図れる。
【０１３８】
更に、第１の電力用半導体素子及びキャパシタが共にヒートシンク上に直付けされているので、両者の間を結ぶ配線の長さを上述の従来のパワーモジュールよりも短くすることができる。このため、回路インダクタンスを低減することができる。従って、第１の電力用半導体素子のスイッチング動作時に生じる跳ね上がり電圧（オーバーシュート）を低減でき、その結果、第１の電力用半導体素子の耐圧及び損失を低減することができる。また、配線長が短くなることに起因して、電磁ノイズの発生を低減することができる。
【０１３９】
従って、小型軽量で信頼性の高いパワーモジュールを提供することができる。
また、ヒートシンクは導電性を有するので、ヒートシンクを電極として用いることができる。このため、例えばヒートシンク上の配線等の部品点数及びそれの形成工程を削減することができる。
更に、第１の電力用半導体素子の電極及びキャパシタの電極がヒートシンクと直に接着されている。即ち、第１の電力用半導体素子とキャパシタとがヒートシンクを介して電気的に接続されている。このため、両電極間をワイヤ等の配線で接続する場合よりも更に両電極間の電気的接続を短くすることができる。その結果、回路インダクタンスの更なる低減により、上記跳ね上がり電圧（オーバーシュート）等を格段に低減することができる。
【０１４０】
（２）請求項２に係る発明によれば、第１の電力用半導体素子とキャパシタとはヒートシンクの異なる表面上に配置されているので、両者を同一表面上に配置する場合と比較して、パワーモジュールを更に小型軽量化することができる。また、第１の電力用半導体素子の放熱とキャパシタの放熱との干渉が少なくなるので、放熱性を向上することができる。
【０１４１】
（３）請求項３に係る発明によれば、ヒートシンクの流路に冷媒を流すことによって、ヒートシンクの冷却能力を更に向上することができる。
【０１４４】
（４）請求項４に係る発明によれば、第２の電力用半導体素子が絶縁基板を介してヒートシンク上に配置されている。このため、導電性のヒートシンク上に電位の異なる電力用半導体素子を配置して回路を構成することができる。
【０１４５】
（５）請求項５に係る発明によれば、他のヒートシンク上に配置された第２の電力用半導体素子を更に備える。このため、第１の電力用半導体素子と第２の電力用半導体素子とを組み合わせにより、回路を簡単に構成することができる。
【０１４６】
（６）請求項６に係る発明によれば、導電性の他のヒートシンクは、絶縁部材によって上記導電性のヒートシンク及びキャパシタの電極から絶縁されているので、絶縁基板を用いることなく、第１の電力用半導体素子と第２の電力用半導体素子との電位を違えることができる。このため、絶縁基板の分だけ部品点数を削減できる。更に、第１の電力用半導体素子及びヒートシンクを含む構成と、第２の電力用半導体素子及びヒートシンクを含む構成とは大略同等であるので、パワーモジュール全体の製造コストを低減することができる。その結果、安価なパワーモジュールを提供することができる。
【０１４７】
（７）請求項７に係る発明によれば、第１の電力用半導体素子と第２の電力用半導体素子とは、絶縁部材上に配置された導電部材を中継点とする可撓性の配線、例えばワイヤによって電気的に接続されている。このため、上記導電部材を介することなく直接に両電力用半導体素子間を可撓性の配線を電気的に接続する場合と比較して、当該配線の撓みないしは垂れを抑えることができる。その結果、配線の垂れによる短絡を防止することができる。
【０１５３】
（８）請求項８に係る発明によれば、信頼性の高い電力変換器を提供することができる。
【０１５４】
（９）請求項９に係る発明によれば、電力変換器の複数のアームは、同軸線を取り囲んで同心円上に略等間隔で配置されている。このため、第１電極及び第２電極と各アームとの間の配線を同様に形成することができるので、各アームから取り出される各出力のばらつきを小さくすることができると共に、第１電圧側の変動を小さくできるため誤動作に強くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施の形態１に係るパワーモジュールの模式的な外観図である。
【図２】 実施の形態２に係るパワーモジュールの模式的な外観図である。
【図３】 実施の形態３に係るパワーモジュールの模式的な外観図である。
【図４】 実施の形態４に係るパワーモジュールの模式的な外観図である。
【図５】 実施の形態４の変形例１に係るパワーモジュールの模式的な外観図である。
【図６】 実施の形態４の変形例２に係るパワーモジュールの模式的な外観図である。
【図７】 実施の形態４の変形例２に係るパワーモジュールの模式的な外観図である。
【図８】 実施の形態４の変形例３に係るパワーモジュールの模式的な外観図である。
【図９】 実施の形態４の変形例４に係るパワーモジュールの模式的な外観図である。
【図１０】 実施の形態５に係るパワーモジュールの模式的な外観図である。
【図１１】 実施の形態５に係るパワーモジュールの模式的な外観図である。
【図１２】 実施の形態５に係るパワーモジュールの模式的な縦断面図である。
【図１３】 実施の形態５に係るパワーモジュールが有する貫通孔を説明するための模式図である。
【図１４】 実施の形態６に係るパワーモジュールの模式的な外観図である。
【図１５】 実施の形態６の変形例１に係るパワーモジュールの模式的な外観図である。
【図１６】 実施の形態６の変形例２に係るパワーモジュールの模式的な外観図である。
【図１７】 実施の形態７に係るパワーモジュールの模式的な外観図である。
【図１８】 実施の形態７の変形例１に係るパワーモジュールの模式的な外観図である。
【図１９】 実施の形態７の変形例２に係るパワーモジュールの模式的な外観図である。
【図２０】 実施の形態８に係るパワーモジュールの模式的な外観図である。
【図２１】 実施の形態８の変形例１に係るパワーモジュールの模式的な外観図である。
【図２２】 実施の形態９に係るパワーモジュールの模式的な外観図である。
【図２３】 実施の形態９に係るパワーモジュールの模式的な外観図である。
【図２４】 実施の形態１０に係るパワーモジュールの模式的な外観図である。
【図２５】 実施の形態１０に係るパワーモジュールの模式的な縦断面図である。
【図２６】 実施の形態１０の変形例１に係るパワーモジュールの模式的な外観図である。
【図２７】 実施の形態１０の変形例１に係るパワーモジュールの模式的な外観図である。
【図２８】 実施の形態１１に係るパワーモジュールの模式図である。
【図２９】 実施の形態１１に係るパワーモジュールの模式図である。
【図３０】 実施の形態１１に係るパワーモジュールの模式図である。
【図３１】 実施の形態１２に係るパワーモジュールの模式的な外観図である。
【図３２】 実施の形態１３に係るパワーモジュールの模式的な外観図である。
【図３３】 実施の形態１３の変形例１に係るパワーモジュールの模式的な外観図である。
【図３４】 第１の従来のパワーモジュールの模式的な外観図である。
【図３５】 第２の従来のパワーモジュールの模式的な外観図である。
【図３６】 第３の従来のパワーモジュールの模式的な外観図である。
【符号の説明】
１ 電力用半導体素子、１Ａ フリーホイーリングダイオード（電力用半導体素子）、１Ｂ 絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（電力用半導体素子）、２Ａ，２Ｂ，２Ｃ ヒートシンク、２ＡＳ，２ＢＳ，２ＢＳ２，２ＢＳ３ 表面、２ＣＳ１，２ＣＳ２ 主面（表面）、２ＢＨ 貫通孔（流路）、４ 絶縁層、５，５０Ｃ，５０Ｕ，５０Ｖ，５０Ｗ 絶縁基板、６０Ｃ 導電層、６０Ｕ，６０Ｖ，６０Ｗ 電極（導電部材）、７ ワイヤ（可撓性の配線）、１０ 絶縁部材、２０，３０ キャパシタ、２０Ｅ１，２０Ｅ２ 電極、３１ キャパシタ用電極、３３ キャパシタ用誘電体、５０ 絶縁層（絶縁部材）、６１，６２ 電極、１０１〜１０５，１０４Ａ〜１０４Ｄ，１１１〜１１４，１１１Ａ〜１１１Ｅ，１１２Ａ〜１１２Ｄ，１１４Ａ，２０１ パワーモジュール、２０２ 筐体、２０２Ｋ 凹部（空間）。
Claims (9)
- ヒートシンクと、
前記ヒートシンク上に直に配置された第１の電力用半導体素子と、
前記ヒートシンク上に直に配置されたキャパシタとを備え、
前記ヒートシンクは導電性を有し、
前記第１の電力用半導体素子の電極及び前記キャパシタの電極が前記ヒートシンクと直に接着されていることを特徴とする、
パワーモジュール。 - 請求項１に記載のパワーモジュールであって、
前記ヒートシンクは複数の表面を有し、
前記第１の電力用半導体素子と前記キャパシタとが前記ヒートシンクの異なる前記表面上に配置されていることを特徴とする、
パワーモジュール。 - 請求項１又は２に記載のパワーモジュールであって、
前記ヒートシンクは冷媒の流路を有することを特徴とする、
パワーモジュール。 - 請求項１乃至３のいずれかに記載のパワーモジュールであって、
前記ヒートシンク上に配置された絶縁基板と、
前記絶縁基板を介して前記ヒートシンク上に配置された第２の電力用半導体素子とを更に備えることを特徴とする、
パワーモジュール。 - 請求項１乃至３のいずれかに記載のパワーモジュールと、
他のヒートシンクと、
前記他のヒートシンク上に直に配置された第２の電力用半導体素子とを備えることを特徴とする、
パワーモジュール。 - 請求項５に記載のパワーモジュールであって、
前記他のヒートシンクは導電性を有し、
前記他のヒートシンクに、前記第２の電力用半導体素子の電極が直に接着されており、
前記パワーモジュールは、
前記他のヒートシンクを前記ヒートシンク及び前記キャパシタの前記電極から絶縁する絶縁部材を更に備えることを特徴とする、
パワーモジュール。 - 請求項６に記載のパワーモジュールであって、
前記絶縁部材上に配置された導電部材と、
前記導電部材に接続されると共に、前記第１の電力用半導体素子と前記第２の電力用半導体素子との間を電気的に接続する可撓性の配線とを更に備えることを特徴とする、
パワーモジュール。 - 請求項４乃至７のいずれかに記載のパワーモジュールであって、
前記第１の電力用半導体素子と前記第２の電力用半導体素子とは電気的に接続されて、前記第１の電力用半導体素子は電力変換器の下アームを成し、前記第２の電力用半導体素子は前記電力変換器の上アームを成すことを特徴とする、
パワーモジュール。 - 請求項８に記載のパワーモジュールであって、
前記上アーム及び前記下アームを含む、前記電力変換器のアームの複数と、
各前記下アームの各前記第１の電力用半導体素子に第１電圧を供給する第１電極及び各前記上アームの各前記第２の電力用半導体素子に第２電圧を供給する第２電極を含み、前記第１の電力用半導体素子又は前記第２の電力用半導体素子の配置面から突出して設けられた同軸線とを更に備え、
複数の前記アームは、前記同軸線を取り囲んで同心円上に略等間隔で配置されているこ とを特徴とする、
パワーモジュール。
Priority Applications (4)
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