JP5588895B2 - パワー半導体モジュール，パワー半導体モジュールの製造方法及び電力変換装置 - Google Patents

パワー半導体モジュール，パワー半導体モジュールの製造方法及び電力変換装置 Download PDF

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Description

本発明は、直流電力を交流電力に、または交流電力を直流電力に変換するためのスイッチング動作を行うパワー半導体素子を有するパワー半導体装置，パワー半導体モジュールの製造方法及び電力変換装置に関する。
電力変換装置は、直流電源から供給された直流電力を回転電機などの交流電気負荷に供給するための交流電力に変換する機能、あるいは回転電機により発電された交流電力を直流電源に供給するための直流電力に変換する機能を備えている。この変換機能を果すため、電力変換装置はスイッチング動作を行うパワー半導体素子を有するパワー半導体装置を有している。パワー半導体素子が導通動作や遮断動作を繰り返すことにより、直流電力から交流電力へ、あるいは交流電力から直流電力への電力変換が行われる。
上記のようなパワー半導体装置には、パワー半導体素子へ直流電力を供給するための正極側端子および負極側端子が設けられている。特許文献１には、正極側端子と負極側端子とが積層された状態でパワー半導体素子を樹脂材料で封止し、ＣＡＮ状のケース内に収納したパワー半導体装置が記載されている。
パワー半導体装置においては、導通動作時にパワー半導体素子で発生する熱を、放熱部材を介して外部へ逃がす必要がある。そのため、パワー半導体素子とパワー半導体素子と接続される導体部材とを有する回路体を放熱部材と一体となった収納部材に実装する場合、両部材が接続部材を介して確実に接続され、放熱経路が確保されている必要がある。しかし、回路体を収納部材に収納し接続する際に、その接続部材に過大な残留応力が発生すると、接続部材内でのクラック発生や，接続界面でのはく離発生の恐れがある。接続部のクラックやはく離は、パワー半導体装置の放熱性能を低下させ、パワー半導体素子の破損につながる。つまり、パワー半導体装置の信頼性を大きく損ねるおそれがある。
特開２０１０−１１０１４３号公報
本発明の課題は、パワー半導体装置及びそれを用いた電力変換装置の信頼性を向上させることである。
本発明によるパワー半導体装置の一態様は、パワー半導体素子と、当該パワー半導体素子と接続される導体部材とを有する回路体と、前記回路体を収納する袋状の収納部材と、前記回路体と前記収納部材とを接続する接続部材と、を備えるパワー半導体モジュールであって、前記収納部材は、前記回路体を挟みかつ保持するように対向して配置された第１放熱部材及び第２放熱部材と、当該第１放熱部材と当該第２放熱部材と繋ぐ側壁と、当該第１放熱部材の周囲に形成されかつ当該側壁に接続される中間部材と、を備え、前記中間部材に、前記収納部材の収納空間に向かって凸となるように湾曲した部分を形成することで、湾曲部分のバネ力により、前記接続部材への残留応力を低減するものである。
本発明により、パワー半導体装置及びそれを用いた電力変換装置の信頼性を向上させることができる。
本発明の第一の実施形態に係るパワー半導体モジュールを示す図であり、（ａ）及び（ｂ）は斜視図、（ｃ）は断面図である。 本発明の第一の実施形態に係るパワー半導体モジュールの組立工程を示す図である。 本発明の第一の実施例におけるパワー半導体モジュールの、ケース５の第一の変形例を示す断面図であり、（ａ）は全体図、（ｂ）はケース５の中間部材５Ｄの拡大図である。 中間部材５Ｄの幅方向の中心位置から凸頂点部７までの距離と、第三の組立工程で発生する接合部材６の応力の関係を示した図である。 本発明の他の実施形態におけるパワー半導体モジュールの、ケース５の第二の変形例を示す断面図であり、（ａ）は全体図、（ｂ）はケース５の中間部材５Ｄの拡大図である。 中間部材５Ｄの幅方向の中心位置から凸頂点部７までの距離と、図２において示した第三工程で発生する側壁５Ｃの応力の関係を示した図である。 本発明の他の実施形態におけるパワー半導体モジュールの、ケース５の第三の変形例を示す断面図であり、（ａ）は全体図、（ｂ）はケース５の中間部材５Ｄの拡大図である。 接合部材６への残留応力低減効果を得るための、ケース５の中間部材５Ｄにおける凸変形領域５Ｆの配置を示したものである。 第二の組立工程を模擬した有限要素解析の結果であり、接合面に垂直な方向に発生する接合部材６の引張力の分布を示した図である。 本発明の第二の実施形態に係るパワー半導体モジュールの断面図である。 本発明の第三の実施形態に係るパワー半導体モジュールの断面図である。 本発明の第四の実施形態に係るパワー半導体モジュール３００の組立工程を示す図である。 図１３は、一般的なはんだ材の融点を示した図である。 回路体１００を模擬した部材をケース５に挿入し、押圧変形を与えた後、押圧を解除した際の収納部材の５の戻り量（スプリングバック量）と、その際の温度の関係を示した図である。 ハイブリッド自動車のシステムを示すシステム図である。 図１５に示す電気回路の構成を示す回路図である。 本発明に係る実施の形態としての電力変換装置２００の外観斜視図である。 本発明に係る実施の形態としての電力変換装置２００の外観斜視図である。 図１８に示す電力変換装置２００から蓋８，直流インターフェイス１３７および交流インターフェイス１８５を外した状態を示す図である。 図１９において流路形成体１２からハウジング１０を外した状態を示す図である。 電力変換装置２００の分解斜視図である。 流路形成体１２にパワーモジュール３００Ｕ〜３００Ｗ，コンデンサモジュール５００，バスバーアッセンブリ８００を組み付けた外観斜視図である。 流路形成体１２からバスバーアッセンブリ８００を外した状態を示す。 流路形成体１２の斜視図である。 流路形成体１２を裏面側から見た分解斜視図である。 図２６（ａ）は、本実施形態のパワーモジュール３００Ｕの斜視図である。図２６（ｂ）は、本実施形態のパワーモジュール３００Ｕを断面Ｄで切断して方向Ｅから見たときの断面図である。 図２７（ａ）は斜視図であり、図２７（ｂ）は図２６（ｂ）と同様に断面Ｄで切断して方向Ｅから見たときの断面図である。また、図２７（ｃ）はフィン３０５が加圧されて湾曲部３０４Ａが変形される前の断面図を示している。 図２８（ａ）は斜視図であり、図２８（ｂ）は図２６（ｂ），図２７（ｂ）と同様に断面Ｄで切断して方向Ｅから見たときの断面図である。 図２８に示す状態からさらに第一封止樹脂３４８および配線絶縁部６０８を取り除いたパワーモジュール３００Ｕの斜視図である。 モジュール一次封止体３０２の組立工程を説明するための図である。 コンデンサモジュール５００の外観斜視図である。 バスバーアッセンブリ８００の斜視図である。 開口部４０２ａ〜４０２ｃにパワーモジュール３００Ｕ〜３００Ｗが固定され、収納空間４０５にコンデンサモジュール５００が収納された流路形成体１２を示す図である。
以下、実施例について図面を用いて説明する。
図１（ａ）は本発明の第一の実施形態に係るパワー半導体モジュール３００の一方側の斜視図であり、図１（ｂ）はパワー半導体モジュール３００の他方側の斜視図であり、図１（ｃ）はパワー半導体モジュール３００を図１（ａ）及び（ｂ）に示された断面Ａで切断して方向Ｂから見たときの断面図である。
図１（ａ）及び（ｂ）に示されるように、パワー半導体モジュール３００は、後述する半導体素子１を内蔵する回路体１００を収納するケース５を有する。ケース５は、直方体形状を為しており、最も大きい面を形成する第１放熱部材５Ａ及び第２放熱部材５Ｂと、側面を形成する側壁５Ｃにより構成される。またケース５は、複数の側面のうちの一面に、回路体１００を挿入するための開口５Ｇを形成する。第１放熱部材５Ａ及び第２放熱部材５Ｂは、回路体１００を介して、互いに対向して形成される。中間部材５Ｄは、第１放熱部材５Ａを囲んで配置され、かつ当該第１放熱部材５Ａと側壁５Ｃを接続する。同様に、間部材５Ｅは、第２放熱部材５Ｂを囲んで配置され、かつ当該第２放熱部材５Ｂと側壁５Ｃを接続する。ケース５は、例えば熱伝導率の高いＡｌ，Ａｌ合金，Ｃｕ，Ｃｕ合金等を用いる。
なお、ケース５の内壁と回路体１００の間には、接合部材６が配置される。接合部材６は、例えば接着性と絶縁性の高い樹脂部材を用いる。このとき、接合部材６に、はんだ材，微細金属粒子を含んだ低温焼結接合材，微細金属粒子を含んだ導電性接着剤等を用いることも可能であるが、接合部材６が導電性の場合は、回路体１００とケース５の間には絶縁性の部材、例えば窒化アルミ，アルミナ，窒化珪素などのセラミック部材やセラミックと金属の積層材を挿入し、接合することが必要となる。
図１（ｃ）に示されるように、回路体１００は、半導体素子１と、半導体素子１の一方の電極面と接合部材２Ａを介して接続される導体板３Ａと、半導体素子１の他方の電極面と接合部材２Ｂと接続される導体板３Ｂと、半導体素子１と導体板３Ａと導体板３Ｂを封止する封止材４を有する。封止材４は、半導体素子１が配置された側とは反対側の導体板３Ａ及び導体板３Ｂの面が露出するように形成される。半導体素子１は、例えばＳｉ，ＳｉＣ，ＧａＮなどである。接合部材２Ａ及び２Ｂは、例えばはんだ材，微細金属粒子を含んだ低温焼結接合材，微細金属粒子を含んだ導電性接着剤等である。導体板３Ａ及び導体板３Ｂは、例えば電気伝導率や熱伝導率の高いＣｕ，Ｃｕ合金やＡｌ，Ａｌ合金等を用いる。
ケース５の中間部材５Ｄは、ケース５の収納空間に向かって凸となるように湾曲した部分が形成される。つまり、側壁５Ｃと中間部材５Ｄの接続部分を第１接続部５Ｈと定義し、かつ第１放熱部材５Ａと中間部材５Ｄの接続部分を第２接続部５Ｉと定義した場合、中間部材５Ｄに形成される凸部は、第１接続部５Ｈと第２接続部５Ｉを結ぶ線分の位置よりも回路体１００が配置された側に凸形状を為している。
図２（ａ）乃至（ｅ）は、本実施形態に関するパワー半導体モジュール３００の組立工程を示す図である。
図２（ａ）に示される第一の組立工程にて、接合部材６が取り付けられた回路体１００を、開口５Ｇからケース５内へ挿入する。なお接合部材６は、回路体１００の一面の全てないしは一部の領域において、例えば金属接合や接着，塗布などにより固定されており、双方位置ずれしない状態が好ましい。
次に、図２（ｂ）に示される第二の組立工程にて、第１放熱部材５Ａの面に対して略垂直方向に押圧力が加えられる。これにより中間部材５Ｄが変形させられ、接合部材６とケース５の内壁が密着する。また、第１放熱部材５Ａへの押圧力により、接合部材６と回路体１００との接着力も向上させる。このとき、中間部材５Ｄを変形させたことによる反力が発生してしまう。この反力は、第１放熱部材５Ａを回路体１００が配置された側とは反対側へ引っ張る方向に作用する。この状態では、接合部材６に、第１放熱部材５Ａを回路体１００が配置された側とは反対側へ引っ張っている残留応力が付加されてしまうことになる。図２（ｃ）は、第二の組立工程の終了後のパワー半導体モジュール３００の断面図である。
そこで、図２（ｄ）に示される第三の組立工程にて、ケース５の中間部材５Ｄを、ケース５の収納空間に向かって凸となるように変形させ、湾曲した部分を形成する。これにより、第二の組立工程で中間部材５Ｄに発生した反力が低減する。これは、中間部材５Ｄを収納空間に向かって凸となるように湾曲させると、その変形の反力が、第１放熱部材５Ａを回路体１００側へ押しつける方向に作用するためである。なお、中間部材５Ｄの凸部分は塑性変形させることにより、前記反力を十分に低減することができる。図２（ｅ）は、第三の組立工程の終了後のパワー半導体モジュール３００の断面図である。
図３（ａ）は本実施形態のパワー半導体モジュール３００の断面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）の点線囲み部の拡大図である。ここで、中間部材５Ｄに形成される凸部の頂点を凸頂点部７と定義する。さらに、第１放熱部材Ａの放熱面と平行な方向における第１接続部５Ｈと凸頂点部７との距離を５Ｊと定義し、放熱部材Ａと平行な面に投影した場合における第２接続部５Ｉと凸部頂点７との距離を５Ｋと定義する。図３（ｂ）に示される実施形態においては、距離５Ｋが距離５Ｊよりも大きくなるように、中間部材５Ｄの凸部が形成されている。
図４は、中間部材５Ｄの幅方向（第１接続部５Ｈと第２接続部５Ｉとの間）の中心位置から凸頂点部７までの距離と、第三の組立工程終了後における接合部材６の応力の関係を示した図である。
ここで、中間部材５Ｄの幅方向の中心位置から凸頂点部７までの距離がゼロの場合は、凸頂点部７は中間部材５Ｄの中央に形成されることになる。また中間部材５Ｄの幅方向の中心位置から凸頂点部７までの距離がマイナス側であれば、凸頂点部７は第１放熱部材５Ａに近い側に形成されることになる。また中間部材５Ｄの幅方向の中心位置から凸頂点部７までの距離がプラス側であれば、凸頂点部７は側壁５Ｃに近い側に形成されることになる。
なお、接合部材６の応力の値は、第三の組立工程を模擬した有限要素解析の結果であり、中間部材５Ｄの幅方向の中心位置から凸頂点部７までの距離がゼロの時の応力値を基準に正規化した値である。
これによれば、凸頂点部７が側壁５Ｃに近い側に形成さればされるほど、第三工程で接合部材６に発生する応力が小さくなっている。したがって、図３に示す実施形態のように、距離５Ｋに比べて距離５Ｊの方が長くなるように、中間材５Ｄの凸部が形成されることで、接合部材６や回路体１００の損傷を抑制することができる。
図５（ａ）は他の実施形態のパワー半導体モジュール３００の断面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）の点線囲み部の拡大図である。図５（ｂ）に示される実施形態においては、距離５Ｊが距離５Ｋよりも大きくなるように、中間部材５Ｄの凸部が形成されている。
図６は、中間部材５Ｄの幅方向の中心位置から凸頂点部７までの距離と、図２において示した第三工程で発生する側壁５Ｃの応力の関係を示した図である。ここも図４同様、図６は、中間部材５Ｄの幅方向（第１接続部５Ｈと第２接続部５Ｉとの間）の中心位置から凸頂点部７までの距離と、第三の組立工程終了後における接合部材６の応力の関係を示した図である。図６の縦軸，横軸及び解析方法は図４と同様である。
これによれば、凸頂点部７が第１放熱部材５Ａに近い側に形成さればされるほど、第三工程で側壁５Ｃに発生する応力が小さくなっている。したがって、図５に示す実施形態のように、距離５Ｊに比べて距離５Ｋの方が長くなるように、中間部材５Ｄの凸部が形成されることで、側壁５Ｃの損傷を防ぐことが可能となる。
図７（ａ）は他の実施形態のパワー半導体モジュール３００の断面図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）の点線囲み部の拡大図である。図７（ｂ）に示される実施形態においては、凸頂点部７は中間部材５Ｄの中央に形成されており、距離５Ｊと距離５Ｋは等しい。これにより第三の組立工程終了後に発生する接合部材６の応力と側壁５Ｃの応力の両者をバランスよく低減することが可能である。
なお、図３，図５及び図７に示されたそれぞれの実施形態は、応力を低減すべき箇所やケース５の形状に応じて適宜選択されることによりパワー半導体モジュール３００の損傷を抑制することができる。
図８は、接合部材６への残留応力を低減するための、ケース５の中間部材５Ｄにおける凸変形領域５Ｆの配置を示す。図９は、第二の組立工程後における接合部材６の引張応力を模擬した有限要素解析の結果を示した図である。
図９に示されるように、第二の組立工程の終了後において、接合部材６に発生する最大の引張応力は、接合部材６の角部６Ａに発生することが分かる。また、接合部材６の面内での引張応力の分布を見てみると、接合部材６の面の中央部よりも端部、つまり接合部材６の辺に近い方に大きな引張力は分布していることが分かる。また、接合部材６の辺上における引張応力の分布を見てみると、接合部材６の角部６Ａに近い場所ほど、大きな引張力が発生していることが分かる。
そこで図８（ａ）に示されるパワー半導体モジュール３００においては、接合部材６と対向する第１放熱部材５Ａを囲むように、凸変形領域５Ｆが形成される。これにより、凸変形領域５Ｆが比較的高い引張応力が発生している接合部材６の辺部近傍を全て囲うことになるので、残留応力の低減効果を最大限に得ることができる。
一方、図８（ｂ）及び（ｃ）に示されるパワー半導体モジュール３００においては、凸変形領域５Ｆを部分的に形成する場合について説明する。
図８（ｂ）に示されるように第１放熱部材５Ａの角部を角部９Ａと定義し、ケース５の角部を角部９Ｂと定義する。図８（ｂ）では凸変形領域５Ｆは、角部９Ａと角部９Ｂを結ぶ線分と重なるように形成される。つまり、第１放熱部材５Ａの放熱面と垂直方向から投影した場合に、凸変形領域５Ｆの投影部は、角部９Ａと角部９Ｂを結ぶ線分と重なることになる。なお、第１放熱部材５Ａの形状は、接合部材６の形状とほぼ同一又は相似な形状を為すので、第１放熱部材５Ａの角部９Ａと接合部材６の角部６Ａとは重なるか又は近い位置に配置されることなる。これにより、図９に説示した引張応力が大きい接合部材６の角部６Ａの領域を、中間部材５Ｄの変形を最小限に抑えながら、残留応力低減効果を得ることができる。したがって、ケース５の歪みや破壊を抑制することできる。
また、図８（ｃ）に示されるように、凸変形領域５Ｆは、第１放熱部材５Ａの角部９Ａの周辺において、略Ｌ字形状を為すように形成される。つまり、第１放熱部材５Ａの放熱面から投影した場合において、凸変形領域５Ｆの投影部は、第１放熱部材５Ａの角部９Ａを形成するための第１放熱部材５Ａの隣り合う２つの辺に沿って屈曲する形状を為している。なお、図８（ｂ）と同様に、第１放熱部材５Ａの形状は、接合部材６の形状とほぼ同一又は相似な形状を為すので、第１放熱部材５Ａの角部９Ａと接合部材６の角部６Ａとは重なるか又は近い位置に配置されることなる。これにより、中間部材５Ｄの変形量と残留応力低減効果のバランスをとることができる。
図１０は、本発明の第二の実施形態に係るパワー半導体モジュールの断面図である。本実施形態においては、中間部材５Ｄに加えて、中間部材５Ｄと対向する中間部材５Ｅにも、中間部材５Ｄと同様にケース５の収納空間に向かって凸となるように変形させた湾曲した部分を形成している。これにより、中間部材５Ｄによる第１放熱部材５Ａを回路体１００側へ押しつける力に加え、中間部材５Ｅによる第２放熱部材５Ｂを回路体１００側へ押しつける力が発生し、回路体１００及び接合部材６を第１放熱部材５Ａと第２放熱部材５Ｂによって挟み込む力が増大する。このような場合であっても、中間部材５Ｄと中間部材５Ｅの双方に実施例１にて説示した凸部が形成されるので、接合部材６の残留応力を低減することができる。なお、中間部材５Ｅ側においても、図３，図５，図７及び図８にて説示した凸部の形成位置や形成領域を適宜組み合わせて、実施例１と同様の効果を得ることができる。
図１１は、本発明の第三の実施形態に係るパワー半導体モジュールの断面図である。この形態においては、中間部材５Ｄは第１放熱部材５Ａよりも薄く形成されている。これにより、第二の組立工程（図２（ｂ））での中間部材５Ｄの反力が低減できるとともに、第三の組立工程（図２（ｄ））での加工性を向上させることが可能である。さらに、第三の組立工程では、第１放熱部材５Ａと回路体１００は接合部材６を介して密着しており、その状態で中間部材５Ｄを変形させる荷重を加えると、その荷重のおよそ半分は接合部材６と回路体１００に伝わり、他の半分は側壁５Ｃに伝わる。このとき、中間部材５Ｄを変形させる荷重が大き過ぎると、回路体１００や接合部材６に損傷を与えてしまうことが懸念される。そのため、第１放熱部材５Ａに比べて中間部材５Ｄの厚みが薄く形成することで、中間部材５Ｄを変形させる荷重を低減し、回路体１００や接合部材６の損傷を防ぐことも可能となる。
なお、図１０にて説示した中間部材５Ｅ側の厚さを第１放熱部材５Ａよりも小さくすることにより、上記と同様の効果を得ることができる。
図１２は、本発明の第四の実施形態に係るパワー半導体モジュール３００の組立工程を示す図である。本実施形態のパワー半導体モジュール３００においては、図２（ｄ）に示した第三の組立工程と同時ないしは後に、図１２（ｄ）に示す高温熱処理を施す点が異なる。この高温処理工程により、接合部材６には接続保持力を発現すると同時に、金属製のケース５の中間部材５Ｄの反力を低減させ，接続後に接合部材６に発生する残留応力を低減することができる。
図１３及び図１４を用いて、高温処理条件とその効果について説明する。
図１３は、一般的なはんだ材の融点を示した図である。例えば、接合部材６にはんだを用いた場合、一般的なはんだ材の融点は１３５℃以上であるため、それら一度溶融させ接続し、接続保持力を発現させるには１３５℃以上の熱処理を施す必要がある。また、その他の接着性シートや微細金属粒子を含んだ導電性接着剤など樹脂成分を含む接続部材については、高温下で材料内の架橋反応が進むため、製造段階で、一般的なパワー半導体モジュールの使用温度範囲である１２０℃以上の熱処理を行い、使用環境下で材料変化を起こりにくくするのが一般的である。よって、第三の工程において、接合部材６を高温熱処理する際には、１２０℃以上であることが必要である。
図１４は、回路体１００を模擬した部材をケース５に挿入し、押圧変形を与えた後、押圧を解除した際の収納部材の５の戻り量（スプリングバック量）と、その際の温度の関係を示した図である。温度を上げることによりケース５の戻り量が低減していることが分かる。この結果より、金属製ケース５の変形に対する反力を低減するには、高温処理の温度が高い方が好ましいことが分かる。
よって、変形させた状態の金属製のケース５と回路体１００に対して同時に高温処理を施し、接合部材６に接続保持力を発現させるとともに、金属製のケース５の中間部材５Ｄの押圧変形に対する反力を低減するためには、高温処理温度を１２０℃以上にとすることが必要であることが分かる。
本実施形態においては、実施例１乃至４のいずれかのパワー半導体モジュールを用いた電力変換装置について説明する。
本発明の実施形態に係る電力変換装置は、ハイブリッド用の自動車や純粋な電気自動車に適用可能であるが、代表例として、本発明の実施形態に係る電力変換装置をハイブリッド自動車に適用した場合の制御構成と電力変換装置の回路構成について、図１５と図１６を用いて説明する。
図１５は、ハイブリッド自動車（以下「ＨＥＶ」と記述する）の制御ブロックを示す図である。エンジンＥＧＮおよびモータジェネレータＭＧ１は車両の走行用トルクを発生する。また、モータジェネレータＭＧ１は回転トルクを発生するだけでなく、モータジェネレータＭＧ１に外部から加えられる機械エネルギーを電力に変換する機能を有する。
モータジェネレータＭＧ１は、例えば同期機あるいは誘導機であり、上述のごとく、運転方法によりモータとしても発電機としても動作する。モータジェネレータＭＧ１を自動車に搭載する場合には、小型で高出力を得ることが望ましく、ネオジウムなどの磁石を使用した永久磁石型の同期電動機が適している。また、永久磁石型の同期電動機は誘導電動機に比べて回転子の発熱が少なく、この観点でも自動車用として優れている。
エンジンＥＧＮの出力側の出力トルクは動力分配機構ＴＳＭを介してモータジェネレータＭＧ１に伝達され、動力分配機構ＴＳＭからの回転トルクあるいはモータジェネレータＭＧ１が発生する回転トルクは、トランスミッションＴＭおよびデファレンシャルギアＤＥＦを介して車輪に伝達される。一方、回生制動の運転時には、車輪から回転トルクがモータジェネレータＭＧ１に伝達され、供給されてきた回転トルクに基づいて交流電力を発生する。発生した交流電力は後述するように電力変換装置２００により直流電力に変換され、高電圧用のバッテリ１３６を充電し、充電された電力は再び走行エネルギーとして使用される。
次に電力変換装置２００について説明する。インバータ回路１４０は、バッテリ１３６と直流コネクタ１３８を介して電気的に接続されており、バッテリ１３６とインバータ回路１４０との相互において電力の授受が行われる。モータジェネレータＭＧ１をモータとして動作させる場合には、インバータ回路１４０は直流コネクタ１３８を介してバッテリ１３６から供給された直流電力に基づき交流電力を発生し、交流端子１８８を介してモータジェネレータＭＧ１に供給する。モータジェネレータＭＧ１とインバータ回路１４０からなる構成は第１電動発電ユニットとして動作する。
なお、本実施形態では、バッテリ１３６の電力によって第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ＭＧ１の動力のみによって車両の駆動ができる。さらに、本実施形態では、第１電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジン１２０の動力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。
また、図１５では省略したが、バッテリ１３６はさらに補機用のモータを駆動するための電源としても使用される。補機用のモータとしては例えば、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から直流電力が補機用パワー半導体モジュールに供給され、補機用パワー半導体モジュールは交流電力を発生して補機用のモータに供給する。補機用パワー半導体モジュールはインバータ回路１４０と基本的には同様の回路構成および機能を持ち、補機用のモータに供給する交流の位相や周波数，電力を制御する。なお、電力変換装置２００は、インバータ回路１４０に供給される直流電力を平滑化するためのコンデンサモジュール５００を備えている。
電力変換装置２００は、上位の制御装置から指令を受けたりあるいは上位の制御装置に状態を表すデータを送信したりするための通信用のコネクタ２１を備えている。電力変換装置２００は、コネクタ２１から入力される指令に基づいて制御回路１７２でモータジェネレータＭＧ１の制御量を演算し、さらにモータとして運転するか発電機として運転するかを演算し、演算結果に基づいて制御パルスを発生し、その制御パルスをドライバ回路１７４へ供給する。ドライバ回路１７４は、供給された制御パルスに基づいて、インバータ回路１４０を制御するための駆動パルスを発生する。
次に、図１６を用いてインバータ回路１４０の電気回路の構成を説明する。なお、以下で半導体素子として絶縁ゲート型バイポーラトランジスタを使用しており、以下略してＩＧＢＴと記す。上アームとして動作するＩＧＢＴ３２８及びダイオード１５６と、下アームとして動作するＩＧＢＴ３３０及びダイオード１６６とで、上下アームの直列回路１５０が構成される。インバータ回路１４０は、この直列回路１５０を、出力しようとする交流電力のＵ相，Ｖ相，Ｗ相の３相に対応して備えている。
これらの３相は、この実施の形態ではモータジェネレータＭＧ１の電機子巻線の３相の各相巻線に対応している。３相のそれぞれの上下アームの直列回路１５０は、直列回路の中点部分である中間電極１６９から交流電流を出力する。この中間電極１６９は、交流端子１５９及び交流端子１８８を通して、モータジェネレータＭＧ１への交流電力線である以下に説明の交流バスバー８０２や８０４と接続される。
上アームのＩＧＢＴ３２８のコレクタ電極１５３は、正極端子１５７を介してコンデンサモジュール５００の正極側のコンデンサ端子５０６に電気的に接続されている。また、下アームのＩＧＢＴ３３０のエミッタ電極は、負極端子１５８を介してコンデンサモジュール５００の負極側のコンデンサ端子５０４に電気的に接続されている。
上述のように、制御回路１７２は上位の制御装置からコネクタ２１を介して制御指令を受け、これに基づいてインバータ回路１４０を構成する各相の直列回路１５０の上アームあるいは下アームを構成するＩＧＢＴ３２８やＩＧＢＴ３３０を制御するための制御信号である制御パルスを発生し、ドライバ回路１７４に供給する。
ドライバ回路１７４は、上記制御パルスに基づき、各相の直列回路１５０の上アームあるいは下アームを構成するＩＧＢＴ３２８やＩＧＢＴ３３０を制御するための駆動パルスを各相のＩＧＢＴ３２８やＩＧＢＴ３３０に供給する。ＩＧＢＴ３２８やＩＧＢＴ３３０は、ドライバ回路１７４からの駆動パルスに基づき、導通あるいは遮断動作を行い、バッテリ１３６から供給された直流電力を三相交流電力に変換し、この変換された電力はモータジェネレータＭＧ１に供給される。
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１５５との間に電気的に接続されている。また、ダイオード１６６が、コレクタ電極１６３とエミッタ電極１６５との間に電気的に接続されている。
スイッチング用パワー半導体素子としては金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ（以下略してＭＯＳＦＥＴと記す）を用いてもよい、この場合はダイオード１５６やダイオード１６６は不要となる。スイッチング用パワー半導体素子としては、ＩＧＢＴは直流電圧が比較的高い場合に適していて、ＭＯＳＦＥＴは直流電圧が比較的低い場合に適している。
コンデンサモジュール５００は、正極側のコンデンサ端子５０６と負極側のコンデンサ端子５０４と正極側の電源端子５０９と負極側の電源端子５０８とを備えている。バッテリ１３６からの高電圧の直流電力は、直流コネクタ１３８を介して、正極側の電源端子５０９や負極側の電源端子５０８に供給され、コンデンサモジュール５００の正極側のコンデンサ端子５０６および負極側のコンデンサ端子５０４から、インバータ回路１４０へ供給される。
一方、交流電力からインバータ回路１４０によって変換された直流電力は、正極側のコンデンサ端子５０６や負極側のコンデンサ端子５０４からコンデンサモジュール５００に供給され、正極側の電源端子５０９や負極側の電源端子５０８から直流コネクタ１３８を介してバッテリ１３６に供給され、バッテリ１３６に蓄積される。
制御回路１７２は、ＩＧＢＴ３２８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。マイコンへの入力情報としては、モータジェネレータＭＧ１に対して要求される目標トルク値、直列回路１５０からモータジェネレータＭＧ１に供給される電流値、及びモータジェネレータＭＧ１の回転子の磁極位置がある。
目標トルク値は、不図示の上位の制御装置から出力された指令信号に基づくものである。電流値は、電流センサ１８０による検出信号に基づいて検出されたものである。磁極位置は、モータジェネレータＭＧ１に設けられたレゾルバなどの回転磁極センサ（不図示）から出力された検出信号に基づいて検出されたものである。本実施形態では、電流センサ１８０は３相の電流値を検出する場合を例に挙げているが、２相分の電流値を検出するようにし、演算により３相分の電流を求めても良い。
制御回路１７２内のマイコンは、目標トルク値に基づいてモータジェネレータＭＧ１のｄ軸，ｑ軸の電流指令値を演算し、この演算されたｄ軸，ｑ軸の電流指令値と、検出されたｄ軸，ｑ軸の電流値との差分に基づいてｄ軸，ｑ軸の電圧指令値を演算し、この演算されたｄ軸，ｑ軸の電圧指令値を、検出された磁極位置に基づいてＵ相，Ｖ相，Ｗ相の電圧指令値に変換する。そして、マイコンは、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の電圧指令値に基づく基本波（正弦波）と搬送波（三角波）との比較に基づいてパルス状の変調波を生成し、この生成された変調波をＰＷＭ（パルス幅変調）信号としてドライバ回路１７４に出力する。
ドライバ回路１７４は、下アームを駆動する場合、ＰＷＭ信号を増幅したドライブ信号を、対応する下アームのＩＧＢＴ３３０のゲート電極に出力する。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、制御回路１７２内のマイコンは、異常検知（過電流，過電圧，過温度など）を行い、直列回路１５０を保護している。このため、制御回路１７２にはセンシング情報が入力されている。例えば、各アームの信号用のエミッタ電極１５５及び信号用のエミッタ電極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。
直列回路１５０に設けられた温度センサ（不図示）からは直列回路１５０の温度の情報がマイコンに入力されている。また、マイコンには直列回路１５０の直流正極側の電圧の情報が入力されている。マイコンは、それらの情報に基づいて過温度検知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１７，図１８は本発明に係る実施の形態としての電力変換装置２００の外観斜視図であり、図１８は交流コネクタ１８７および直流コネクタ１３８を外した状態を示す。本実施の形態の電力変換装置２００は、平面形状がほぼ正方形の直方体形状としたことにより小型化が図れ、また、車両への取り付けが容易となるという効果を有している。８は蓋、１０はハウジング、１２は流路形成体、１３は冷却媒体の入口配管、１４は出口配管、４２０は下カバーである。コネクタ２１は、外部との接続のために設けられた信号用のコネクタである。
蓋８は、電力変換装置２００を構成する回路部品が収納されるハウジング１０の上部開口部に固定される。ハウジング１０の下部に固定される流路形成体１２は、後述するパワー半導体モジュール３００及びコンデンサモジュール５００を保持するとともに、冷却媒体によってこれらを冷却する。冷却媒体としては、例えば水が用いられる場合が多く、以下では冷媒として説明する。入口配管１３および出口配管１４は流路形成体１２の一側面に設けられ、入口配管１３から供給された冷媒は流路形成体１２内の後述する流路１９に流入し、出口配管１４から排出される。なお、冷媒の流入及び流出する方向を変更しても、冷却効率や圧力損失に対して大きな影響を与えない。つまり冷媒が出口配管１４側から流入し、入口配管１３から流出しても、冷却効率や圧力損失はほぼ変化はない。つまり、本実施形態に係る電力変換装置２００は、当該電力変換装置２００の中央部に対して入口配管１３と出口配管１４の配置が対称性を有しているので、車両の冷媒配管の配線の状況に応じて変更できるという利点を有している。
交流コネクタ１８７が装着される交流インターフェイス１８５および直流コネクタ１３８が装着される直流インターフェイス１３７は、ハウジング１０の側面に設けられている。交流インターフェイス１８５は配管１３，１４が設けられている側面に設けられており、交流インターフェイス１８５に装着された交流コネクタ１８７の交流配線１８７ａは配管１３，１４の間を通って下方に延びている。直流インターフェイス１３７は交流インターフェイス１８５が設けられた側面に隣接する側面に設けられており、直流インターフェイス１３７に装着された直流コネクタ１３８の直流配線１３５Ｊも電力変換装置２００の下方に延びている。
このように、交流インターフェイス１８５と配管１３，１４とが同一側面１２ｄの側に配置され、交流配線１８７ａが配管１３，１４の間を通るように下方に引き出されているので、配管１３，１４、交流コネクタ１８７および交流配線１８７ａの占める空間を小さくでき、装置全体の大型化を低減できる。また、配管１３，１４に対して交流配線１８７ａを下方に引き出しているので、交流配線１８７ａの取り回しが容易になり生産性が向上する。図１９は、図１８に示す電力変換装置２００から蓋８，直流インターフェイス１３７および交流インターフェイス１８５を外した状態を示す図である。ハウジング１０の一側面には交流インターフェイス１８５が固定される開口１０ａが形成され、隣接する他の側面には直流インターフェイス１３７が固定される開口１０ｂが形成されている。開口１０ａからは３本の交流バスバー８０２、すなわち、Ｕ相交流バスバー８０２Ｕ，Ｖ相交流バスバー８０２ＶおよびＷ相交流バスバー８０２Ｗが突出し、開口１０ｂからは直流側の電源端子５０８，５０９が突出している。図２０は、図１９において流路形成体１２からハウジング１０を外した状態を示す図である。ハウジング１０は２つの収納空間を有しており、隔壁１０ｃによって上部収納空間と下部収納空間とに区画されている。上部収納空間にはコネクタ２１が固定された制御回路基板２０が収納され、下部収納空間にはドライバ回路基板２２および後述するバスバーアッセンブリ８００が収納される。制御回路基板２０には図１６に示した制御回路１７２が実装され、ドライバ回路基板２２にはドライバ回路基板１７４が実装されている。制御回路基板２０とドライバ回路基板２２とは不図示のフラットケーブル（後述する図２１参照）によって接続されるが、そのフラットケーブルは隔壁１０ｃに形成されたスリット状の開口１０ｄを通って下部収納空間から上部収納空間へと引き出される。図２１は電力変換装置２００の分解斜視図である。蓋８の内側の、すなわちハウジング１０の上部収納空間には、上述したように制御回路１７２を実装した制御回路基板２０が配置されている。蓋８には、コネクタ２１用の開口５Ｊが形成されている。電力変換装置２００内の制御回路を動作させる低電圧の直流電力は、コネクタ２１から供給される。
詳細は後述するが、流路形成体１２には、入口配管１３から流入した冷媒が流れる流路が形成されている。流路は、流路形成体１２の３つの側面に沿って流れるようなコの字形状の流路を形成している。入口配管１３から流入した冷媒はコの字形状流路の一端から流路内に流入し、流路内を流れた後に、流路の他端に接続されている出口配管１４から流出される。
流路の上面には３つの開口部４０２ａ〜４０２ｃが形成されており、直列回路１５０（図１５参照）を内蔵したパワー半導体モジュール３００Ｕ，３００Ｖ，３００Ｗがそれらの開口部４０２ａ〜４０２ｃから流路内に挿入される。パワー半導体モジュール３００ＵにはＵ相の直列回路１５０が内蔵され、パワー半導体モジュール３００ＶにはＶ相の直列回路１５０が内蔵され、パワー半導体モジュール３００ＷにはＷ相の直列回路１５０が内蔵されている。これらパワー半導体モジュール３００Ｕ〜３００Ｗは同一構成になっており、外観形状も同一形状である。開口部４０２ａ〜４０２ｃは、挿入されたパワー半導体モジュール３００Ｕ〜３００Ｗのフランジ部によって塞がれる。
流路形成体１２には、コの字形状の流路によって囲まれるように、電装部品を収納するための収納空間４０５が形成されている。本実施形態では、この収納空間４０５にコンデンサモジュール５００が収納されている。収納空間４０５に収納されたコンデンサモジュール５００は、流路内を流れる冷媒によって冷却される。コンデンサモジュール５００の上方には、交流バスバー８０２Ｕ〜８０２Ｗが装着されたバスバーアッセンブリ８００が配置される。バスバーアッセンブリ８００は、流路形成体１２の上面に固定される。バスバーアッセンブリ８００には、電流センサ１８０が固定されている。
ドライバ回路基板２２は、バスバーアッセンブリ８００に設けられた支持部材８０７ａに固定されることにより、バスバーアッセンブリ８００の上方に配置される。上述したように、制御回路基板２０とドライバ回路基板２２とはフラットケーブル２３によって接続される。フラットケーブル２３は隔壁１０ｃに形成されたスリット状の開口１０ｄを通って下部収納空間から上部収納空間へと引き出される。
このように、パワー半導体モジュール３００Ｕ〜３００Ｗとドライバ回路基板２２と制御回路基板２０とが高さ方向に階層的に配置され、制御回路基板２０が強電系のパワー半導体モジュール３００Ｕ〜３００Ｗから最も遠い場所に配置されるので、制御回路基板２０側にスイッチングノイズ等が混入するのを低減することができる。さらに、ドライバ回路基板２２と制御回路基板２０とは隔壁１０ｃによって区画された別の収納空間に配置されるため、隔壁１０ｃが電磁シールドとして機能し、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することができる。なお、ハウジング１０はアルミ等の金属材で形成されている。
さらに、ハウジング１０に一体に形成された隔壁１０ｃに制御回路基板２０が固定されるため、外部からの振動に対して制御回路基板２０の機械的な共振周波数が高くなる。そのため、車両側からの振動の影響を受け難く、信頼性が向上する。
以下では、流路形成体１２と、流路形成体１２に固定されるパワー半導体モジュール３００Ｕ〜３００Ｗ、コンデンサモジュール５００およびバスバーアッセンブリ８００についてより詳しく説明する。図２２は、流路形成体１２にパワー半導体モジュール３００Ｕ〜３００Ｗ，コンデンサモジュール５００，バスバーアッセンブリ８００を組み付けた外観斜視図である。また、図２３は、流路形成体１２からバスバーアッセンブリ８００を外した状態を示す。バスバーアッセンブリ８００は、流路形成体１２にボルト固定される。
まず、図２４，図２５を参照しながら流路形成体１２について説明する。図２４は流路形成体１２の斜視図であり、図２５は流路形成体１２を裏面側から見た分解斜視図である。図２４に示すように、流路形成体１２は平面形状が略正方形の直方体を成し、その側面１２ｄに入口配管１３および出口配管１４が設けられている。なお、側面１２ｄは、配管１３，１４が設けられている部分が段差状に形成されている。図２５に示すように、流路１９は、残りの３つの側面１２ａ〜１２ｃに沿うようにコの字形状に形成されている。そして、流路形成体１２の裏面側には、流路１９の横断面形状とほぼ同一形状を有する、１つに繋がったコの字形状の開口部４０４が形成されている。この開口部４０４は、コの字形状の下カバー４２０によって塞がれる。下カバー４２０と流路形成体１２との間にはシール部材４０９ａが設けられ、気密性が保たれている。
コの字形状を成す流路１９は、冷媒の流れる方向によって３つの流路区間１９ａ，１９ｂ，１９ｃに分けられる。詳細は後述するが、第１の流路区間１９ａは、配管１３，１４が設けられた側面１２ｄと対向する位置の側面１２ａに沿って設けられ、第２の流路区間１９ｂは側面１２ａの一方の側に隣接する側面１２ｂに沿って設けられ、第３の流路区間１９ｃは側面１２ａの他方の側に隣接する側面１２ｃに沿って設けられている。冷媒は入口配管１３から流路区間１９ｂに流入し、破線矢印で示すように流路区間１９ｂ，流路区間１９ａ，流路区間１９ｃの順に流れ、出口配管１４から流出される。
図２４に示すように、流路形成体１２の上面側には、流路区間１９ａに対向する位置に側面１２ａに平行な長方形の開口部４０２ａが形成され、流路区間１９ｂに対向する位置に側面１２ｂに平行な長方形の開口部４０２ｂが形成され、流路区間１９ｃに対向する位置に側面１２ｃに平行な長方形の開口部４０２ｃが形成されている。これらの開口部４０２ａ〜４０２ｃを通して、パワー半導体モジュール３００Ｕ〜３００Ｗが流路１９内に挿入される。図２５に示すように、下カバー４２０には、上述した開口部４０２ａ〜４０２ｃと対向する位置に、流路１９の下側に向かって突出する凸部４０６がそれぞれ形成されている。これらの凸部４０６は流路１９側から見ると窪みとなっており、開口部４０２ａ〜４０２ｃから挿入されたパワー半導体モジュール３００Ｕ〜３００Ｗの下端部分が、これらの窪みに入り込む。流路形成体１２は、開口部４０４と開口部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。
図２４に示すように、流路形成体１２には、３辺を流路１９で囲まれるように形成され矩形状の収納空間４０５が設けられている。この収納空間４０５にコンデンサモジュール５００が収納される。流路１９で囲まれた収納空間４０５は直方体形状であるため、コンデンサモジュール５００を直方体形状にすることができ、コンデンサモジュール５００の生産性が良くなる。
図２６乃至図３０を用いてインバータ回路１４０およびインバータ回路１４２に使用されるパワー半導体モジュール３００Ｕ〜３００Ｗおよびパワー半導体モジュール３０１ａ〜３０１ｃの詳細構成を説明する。上記パワー半導体モジュール３００Ｕ〜３００Ｗおよびパワー半導体モジュール３０１ａ〜３０１ｃはいずれも同じ構造であり、代表してパワー半導体モジュール３００Ｕの構造を説明する。尚、図２６乃至図３０において信号端子３２５Ｕは、図２に開示したゲート電極１５４および信号用エミッタ電極１５５に対応し、信号端子３２５Ｌは、図１６に開示したゲート電極１６４およびエミッタ電極１６５に対応する。また直流正極端子３１５Ｂは、図１６に開示した正極端子１５７と同一のものであり、直流負極端子３１９Ｂは、図１６に開示した負極端子１５８と同一のものである。また交流端子３２０Ｂは、図１６に開示した交流端子１５９と同じものである。図２６乃至図３０を用いてインバータ回路１４０およびインバータ回路１４２に使用されるパワー半導体モジュール３００Ｕ〜３００Ｗおよびパワー半導体モジュール３０１ａ〜３０１ｃの詳細構成を説明する。図２６（ａ）は、本実施形態のパワー半導体モジュール３００Ｕの斜視図である。図２６（ｂ）は、本実施形態のパワー半導体モジュール３００Ｕを断面Ｄで切断して方向Ｅから見たときの断面図である。
図２７は、理解を助けるために、図２６に示す状態からネジ３０９および第二封止樹脂３５１を取り除いたパワー半導体モジュール３００Ｕを示す図である。図２７（ａ）は斜視図であり、図２７（ｂ）は図２６（ｂ）と同様に断面Ｄで切断して方向Ｅから見たときの断面図である。また、図２７（ｃ）はフィン３０５が加圧されて湾曲部３０４Ａが変形される前の断面図を示している。
図２８は、図２７に示す状態からさらにモジュールケース３０４を取り除いたパワー半導体モジュール３００Ｕを示す図である。図２８（ａ）は斜視図であり、図２８（ｂ）は図２６（ｂ），図２７（ｂ）と同様に断面Ｄで切断して方向Ｅから見たときの断面図である。
図２９は、図２８に示す状態からさらに第一封止樹脂３４８および配線絶縁部６０８を取り除いたパワー半導体モジュール３００Ｕの斜視図である。図３０は、モジュール一次封止体３０２の組立工程を説明するための図である。上下アームの直列回路１５０を構成するパワー半導体素子（ＩＧＢＴ３２８，ＩＧＢＴ３３０，ダイオード１５６，ダイオード１６６）が、図２８および図２９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３２０や導体板３１９によって、両面から挟んで固着される。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は図１４に示すように、多面体形状（ここでは略直方体形状）を有している。
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。
なお、実施例１乃至４にて説示したケース５は、本実施形態においてはモジュールケース３０４に対応する。また、実施例１乃至４にて説示した回路体１００は、本実施形態においてはモジュール一次封止体３０２に対応する。
モジュールケース３０４は、電気伝導性を有する部材、例えばアルミ合金材料（Ａｌ，ＡｌＳｉ，ＡｌＳｉＣ，Ａｌ−Ｃ等）で構成され、かつ、つなぎ目の無い状態で一体に成形される。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２６（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、これらの放熱面に対向するようにして、各パワー半導体素子（ＩＧＢＴ３２８，ＩＧＢＴ３３０，ダイオード１５６，ダイオード１６６）が配置されている。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。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２６（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製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。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。
なお、実施例１乃至４に説示された凸変形領域を湾曲部３０４Ａに形成することによって、絶縁シート３３３がモジュール一次封止体３０２やモジュールケース３０４から剥れてしまうことを抑制することができる。特に本実施形態のように、モジュールケース３０４の外面が冷却冷媒によって直接冷却される場合には、パワー半導体素子からモジュールケース３０４の外面までの伝熱経路の熱抵抗を低減することによって、ジュールケース３０４の外面からの放熱が促進される。それにより、パワー半導体素子に流す電流の増大や電力変換装置の冷却部の小型化を図ることができ、電力変換装置を体積当たりの出力電流量を大幅に増大することができる。
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３１５等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で吸収することができ、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。
モジュールケース３０４の外には、コンデンサモジュール５００と電気的に接続するための金属製の直流正極配線３１５Ａおよび直流負極配線３１９Ａが設けられており、その先端部に直流正極端子３１５Ｂ（１５７）と直流負極端子３１９Ｂ（１５８）がそれぞれ形成されている。また、モータジェネレータＭＧ１に交流電力を供給するための金属製の交流配線３２０Ａが設けられており、その先端に交流端子３２０Ｂ（１５９）が形成されている。本実施形態では、図２９に示す如く、直流正極配線３１５Ａは導体板３１５と接続され、直流負極配線３１９Ａは導体板３１９と接続され、交流配線３２０Ａは導体板３２０と接続される。
モジュールケース３０４の外にはさらに、ドライバ回路１７４と電気的に接続するための金属製の信号配線３２４Ｕおよび３２４Ｌが設けられており、その先端部に信号端子３２５Ｕ（１５４，１５５）と信号端子３２５Ｌ（１６４，１６５）がそれぞれ形成されている。本実施形態では、図１５に示す如く、信号配線３２４ＵはＩＧＢＴ３２８と接続され、信号配線３２４ＬはＩＧＢＴ３２８と接続される。
直流正極配線３１５Ａ，直流負極配線３１９Ａ，交流配線３２０Ａ，信号配線３２４Ｕおよび信号配線３２４Ｌは、樹脂材料で成形された配線絶縁部６０８によって相互に絶縁された状態で、補助モールド体６００として一体に成型される。配線絶縁部６０８は、各配線を支持するための支持部材としても作用し、これに用いる樹脂材料は、絶縁性を有する熱硬化性樹脂かあるいは熱可塑性樹脂が適している。これにより、直流正極配線３１５Ａ，直流負極配線３１９Ａ，交流配線３２０Ａ，信号配線３２４Ｕおよび信号配線３２４Ｌの間の絶縁性を確保でき、高密度配線が可能となる。補助モールド体６００は、モジュール一次封止体３０２と接続部３７０において金属接合された後に、配線絶縁部６０８に設けられたネジ穴を貫通するネジ３０９によってモジュールケース３０４に固定される。接続部３７０におけるモジュール一次封止体３０２と補助モールド体６００との金属接合には、たとえばＴＩＧ溶接などを用いることができる。
直流正極配線３１５Ａと直流負極配線３１９Ａは、配線絶縁部６０８を間に挟んで対向した状態で互いに積層され、略平行に延びる形状を成している。こうした配置および形状とすることで、パワー半導体素子のスイッチング動作時に瞬間的に流れる電流が、対向してかつ逆方向に流れる。これにより、電流が作る磁界が互いに相殺する作用をなし、この作用により低インダクタンス化が可能となる。なお、交流配線３２０Ａや信号端子３２５Ｕ，３２５Ｌも、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。
モジュール一次封止体３０２と補助モールド体６００が金属接合により接続されている接続部３７０は、第二封止樹脂３５１によりモジュールケース３０４内で封止される。これにより、接続部３７０とモジュールケース３０４との間で必要な絶縁距離を安定的に確保することができるため、封止しない場合と比較してパワー半導体モジュール３００Ｕの小型化が実現できる。
図２９に示されるように、接続部３７０の補助モジュール６００側には、補助モジュール側直流正極接続端子３１５Ｃ，補助モジュール側直流負極接続端子３１９Ｃ，補助モジュール側交流接続端子３２０Ｃ，補助モジュール側信号接続端子３２６Ｕおよび補助モジュール側信号接続端子３２６Ｌが一列に並べて配置される。一方、接続部３７０のモジュール一次封止体３０２側には、多面体形状を有する第一封止樹脂３４８の一つの面に沿って、素子側直流正極接続端子３１５Ｄ，素子側直流負極接続端子３１９Ｄ，素子側交流接続端子３２０Ｄ，素子側信号接続端子３２７Ｕおよび素子側信号接続端子３２７Ｌが一列に並べて配置される。こうして接続部３７０において各端子が一列に並ぶような構造とすることで、トランスファーモールドによるモジュール一次封止体３０２の製造が容易となる。
ここで、モジュール一次封止体３０２の第一封止樹脂３４８から外側に延出している部分をその種類ごとに一つの端子として見た時の各端子の位置関係について述べる。以下の説明では、直流正極配線３１５Ａ（直流正極端子３１５Ｂと補助モジュール側直流正極接続端子３１５Ｃを含む）および素子側直流正極接続端子３１５Ｄにより構成される端子を正極側端子と称し、直流負極配線３１９Ａ（直流負極端子３１９Ｂと補助モジュール側直流負極接続端子３１９Ｃを含む）および素子側直流負極接続端子３１５Ｄにより構成される端子を負極側端子と称し、交流配線３２０Ａ（交流端子３２０Ｂと補助モジュール側交流接続端子３２０Ｃを含む）および素子側交流接続端子３２０Ｄにより構成される端子を出力端子と称し、信号配線３２４Ｕ（信号端子３２５Ｕと補助モジュール側信号接続端子３２６Ｕを含む）および素子側信号接続端子３２７Ｕにより構成される端子を上アーム用信号端子と称し、信号配線３２４Ｌ（信号端子３２５Ｌと補助モジュール側信号接続端子３２６Ｌを含む）および素子側信号接続端子３２７Ｌにより構成される端子を下アーム用信号端子と称する。
上記の各端子は、いずれも第一封止樹脂３４８および第二封止樹脂３５１から接続部３７０を通して突出しており、その第一封止樹脂３４８からの各突出部分（素子側直流正極接続端子３１５Ｄ，素子側直流負極接続端子３１９Ｄ，素子側交流接続端子３２０Ｄ，素子側信号接続端子３２７Ｕおよび素子側信号接続端子３２７Ｌ）は、上記のように多面体形状を有する第一封止樹脂３４８の一つの面に沿って一列に並べられている。また、正極側端子と負極側端子は、第二封止樹脂３５１から積層状態で突出しており、モジュールケース３０４の外に延出している。このような構成としたことで、第一封止樹脂３４８でパワー半導体素子を封止してモジュール一次封止体３０２を製造する時の型締めの際に、パワー半導体素子と当該端子との接続部分への過大な応力や金型の隙間が生じるのを防ぐことができる。また、積層された正極側端子と負極側端子の各々を流れる反対方向の電流により、互いに打ち消しあう方向の磁束が発生されるため、低インダクタンス化を図ることができる。
補助モジュール６００側において、補助モジュール側直流正極接続端子３１５Ｃ，補助モジュール側直流負極接続端子３１９Ｃは、直流正極端子３１５Ｂ，直流負極端子３１９Ｂとは反対側の直流正極配線３１５Ａ，直流負極配線３１９Ａの先端部にそれぞれ形成されている。また、補助モジュール側交流接続端子３２０Ｃは、交流配線３２０Ａにおいて交流端子３２０Ｂとは反対側の先端部に形成されている。補助モジュール側信号接続端子３２６Ｕ，３２６Ｌは、信号配線３２４Ｕ，３２４Ｌにおいて信号端子３２５Ｕ，３２５Ｌとは反対側の先端部にそれぞれ形成されている。
一方、モジュール一次封止体３０２側において、素子側直流正極接続端子３１５Ｄ，素子側直流負極接続端子３１９Ｄ，素子側交流接続端子３２０Ｄは、導体板３１５，３１９，３２０にそれぞれ形成されている。また、素子側信号接続端子３２７Ｕ，３２７Ｌは、ボンディングワイヤ３７１によりＩＧＢＴ３２８，３３０とそれぞれ接続されている。図３１は、コンデンサモジュール５００の外観斜視図である。コンデンサモジュール５００内には複数のコンデンサセルが設けられている。コンデンサモジュール５００の上面には、コンデンサモジュール５００の流路１９に対向する面に近接して、コンデンサ端子５０３ａ〜５０３ｃが突出するように設けられている。コンデンサ端子５０３ａ〜５０３ｃは、各パワー半導体モジュール３００の正極端子１５７及び負極端子１５８に対応して形成される。コンデンサ端子５０３ａ〜５０３ｃは同一形状を成し、コンデンサ端子５０３ａ〜５０３ｃを構成する負極側コンデンサ端子５０４と正極側コンデンサ端子５０６との間には絶縁シートが設けられ、端子間の絶縁が確保されている。
コンデンサモジュール５００の側面５００ｄの側の上部には、突出部５００ｅ，５００ｆが形成されている。突出部５００ｅ内には放電抵抗が実装され、突出部５００ｆ内にはコモンモードノイズ対策用のＹコンデンサが実装されている。また、突出部５００ｆの上面から突出した端子５００ｇ，５００ｈに、図５に示した電源端子５０８，５０９が取り付けられる。図２４に示すように、開口４０２ｂ，４０２ｃと側面１２ｄとの間には凹部４０５ａ，４０５ｂが形成されており、コンデンサモジュール５００を流路形成体１２の収納空間４０５に収納すると、突出部５００ｅは凹部４０５ａに収納され、突出部５００ｆは凹部４０５ｂに収納される。
突出部５００ｅ内に実装された放電抵抗は、インバータ停止時にコンデンサモジュール５００内のコンデンサセルに溜まった電荷を放電するための抵抗である。突出部５００ｅが収納される凹部４０５ａは、入口配管１３から流入した冷媒の流路の直上に設けられているので、放電時の放電抵抗の温度上昇を抑えることができる。
図３２は、バスバーアッセンブリ８００の斜視図である。バスバーアッセンブリ８００は、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の交流バスバー８０２Ｕ，８０２Ｖ，８０２Ｗと、交流バスバー８０２Ｕ〜８０２Ｗを保持し固定するための保持部材８０３と、交流バスバー８０２Ｕ〜８０２Ｗを流れる交流電流を検出するための電流センサ１８０と、を備えている。交流バスバー８０２Ｕ〜８０２Ｗは、それぞれ幅広導体で形成されている。樹脂等の絶縁材料で形成された保持部材８０３には、ドライバ回路基板２２を保持するための複数の支持部材８０７ａが、保持部材８０３から上方に突出するように形成されている。
電流センサ１８０は、図２２に示すようにバスバーアッセンブリ８００を流路形成体１２上に固体したときに、流路形成体１２の側面１２ｄに近接した位置で側面１２ｄに平行となるように、バスバーアッセンブリ８００に配置されている。電流センサ１８０の側面には、交流バスバー８０２Ｕ〜８０２Ｗを貫通させるための貫通孔１８１がそれぞれ形成されている。電流センサ１８０の貫通孔１８１が形成されている部分にはセンサ素子が設けられており、電流センサ１８０の上面から各センサ素子の信号線１８２ａが突出している。各センサ素子は、電流センサ１８０の延在方向、すなわち流路形成体１２の側面１２ｄの延在方向に並んで配置されている。交流バスバー８０２Ｕ〜８０２Ｗは各貫通孔１８１を貫通し、その先端部分が平行に突出している。
図３２に示されるように、保持部材８０３には、位置決め用の突起部８０６ａ，８０６ｂが上方に向かって突出するように形成されている。電流センサ１８０はネジ止めにより保持部材８０３に固定されるが、その際に突起部８０６ａ，８０６ｂと電流センサ１８０の枠体に形成された位置決め孔とを係合させることで、電流センサ１８０の位置決めが行われる。さらに、ドライバ回路基板２２を支持部材８０７ａに固定する際に、ドライバ回路基板２２側に形成された位置決め孔に位置決め用の突起部８０６ａ，８０６ｂを係合させることで、電流センサ１８０の信号線１８２ａがドライバ回路基板２２のスルーホールに位置決めされる。信号線１８２ａ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及び突起部８０６ａ，８０６ｂは、樹脂で一体に形成される。このように、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。
交流バスバー８０２Ｕ〜８０２Ｗは幅広面が水平となるように保持部材８０３に固定され、パワー半導体モジュール３００Ｕ〜３００Ｗの交流端子１５９に接続される接続部８０５が垂直に立ち上がっている。接続部８０５は先端が凹凸形状をしており、溶接時にこの凹凸部分に熱が集中するような形状となっている。
上述したように電流センサ１８０は流路形成体１２の側面１２ｄに平行に配置されているので、電流センサ１８０の貫通孔１８１から突出した各交流バスバー８０２Ｕ〜８０２Ｗは、流路形成体１２の側面１２ｄに配置されることになる。各パワー半導体モジュール３００Ｕ〜３００Ｗは、流路形成体１２の側面１２ａ，１２ｂ，１２ｃに沿って形成された流路区間１９ａ，１９ｂ，１９ｃに配置されるので、交流バスバー８０２Ｕ〜８０２Ｗの接続部８０５は、バスバーアッセンブリ８００の側面１２ａ〜１２ｃに対応する位置に配置される。その結果、図２２に示すように、Ｕ相交流バスバー８０２Ｕは側面１２ｂの近傍に配置されたパワー半導体モジュール３００Ｕから側面１２ｄまで延接され、Ｖ相交流バスバー８０２Ｖは側面１２ａの近傍に配置されたパワー半導体モジュール３００Ｖから側面１２ｄまで延接され、Ｗ相交流バスバー８０２Ｗは側面１２ｃの近傍に配置されたパワー半導体モジュール３００Ｗから側面１２ｄまで延設される。
図３３は、開口部４０２ａ〜４０２ｃにパワー半導体モジュール３００Ｕ〜３００Ｗが固定され、収納空間４０５にコンデンサモジュール５００が収納された流路形成体１２を示す図である。図３３に示す例では、開口部４０２ｂにＵ相のパワー半導体モジュール３００Ｕが固定され、開口部４０２ａにＶ相のパワー半導体モジュール３００Ｖが固定され、開口部４０２ｃにＷ相のパワー半導体モジュール３００Ｗが固定される。その後、コンデンサモジュール５００が収納空間４０５に収納され、コンデンサ側の端子と各パワー半導体モジュールの端子とが溶接等により接続される。各端子は、流路形成体１２の上端面から突出しており、上方から溶接機をアプローチして溶接作業が行われる。
なお、コの字形状に配置された各パワー半導体モジュール３００Ｕ〜３００Ｗの直流正極端子３１５Ｂ及び直流負極端子３１９Ｂは、図３１に示される、コンデンサモジュール５００の上面に突出して設けられたコンデンサ端子５０３ａ〜５０３ｃと接続される。３つのパワー半導体モジュール３００Ｕ〜３００Ｗはコンデンサモジュール５００を囲むように設けられているため、コンデンサモジュール５００に対する各パワー半導体モジュール３００Ｕ〜３００Ｗの位置的関係が同等となり、同一形状のコンデンサ端子５０３ａ〜５０３ｃを用いてバランス良くコンデンサモジュール５００に接続することができる。そのため、コンデンサモジュール５００とパワー半導体モジュール３００Ｕ〜３００Ｗとの回路定数が３相の各相においてバランスし易くなり、電流の出し入れがし易い構造となっている。
以上の説明はあくまで一例であり、本発明は上記実施形態の構成に何ら限定されるものではない。
１ 半導体素子
２Ａ，２Ｂ，６ 接合部材
３Ａ，３Ｂ 導体板
４ 封止材
５ ケース
５Ａ 第１放熱部材
５Ｂ 第２放熱部材
５Ｃ 側壁
５Ｄ，５Ｅ 中間部材
５Ｆ 凸変形領域
５Ｇ 開口
５Ｈ 第１接続部
５Ｉ 第２接続部
５Ｊ，５Ｋ 距離
６Ａ，９Ａ，９Ｂ 角部
７ 凸頂点部
１００ 回路体
３００ パワー半導体モジュール

Claims (12)

  1. パワー半導体素子と、当該パワー半導体素子と接続される導体部材とを有する回路体と、
    前記回路体を収納するケースと、
    前記回路体と前記ケースとを接続する接続部材と、を備えるパワー半導体モジュールであって、
    前記ケースは、前記回路体を挟むように対向して配置された第１放熱部材及び第２放熱部材と、当該第１放熱部材と当該第２放熱部材と繋ぐ側壁と、当該第１放熱部材の周囲に形成されかつ当該側壁に接続される中間部材と、を備え、
    前記中間部材は、前記回路体の収納空間に向かって凸となるように湾曲した部分が形成されるパワー半導体モジュール。
  2. 請求項１に記載されたパワー半導体モジュールであって、
    前記第１放熱部材と前記中間部材との接続部を第１接続部と定義するとともに前記側壁と前記中間部材との接続部を第２接続部と定義した場合、前記中間部材に形成される凸部は、前記第１接続部と前記第２接続部を結ぶ線分の位置よりも前記回路体が配置された側に凸形状を為すパワー半導体モジュール。
  3. 請求項２に記載のパワー半導体モジュールであって、
    前記凸部の頂点が、前記第１接続部と前記第２接続部を結ぶ線分の中間部に形成されるパワー半導体モジュール。
  4. 請求項２に記載のパワー半導体モジュールであって、
    前記凸部の頂点が、前記第１接続部と前記第２接続部を結ぶ線分の中間部よりも前記第１接続部に近い側に形成されるパワー半導体モジュール。
  5. 請求項２に記載のパワー半導体モジュールであって、
    前記凸部の頂点が、前記第１接続部と前記第２接続部を結ぶ線分の中間部よりも前記第２接続部に近い側に形成されるパワー半導体モジュール。
  6. 請求項２に記載のパワー半導体モジュールであって、
    前記第１接続部は、前記第１放熱部材の角部であり、
    前記第２接続部は、前記中間部材の角部であるパワー半導体モジュール。
  7. 請求項６に記載のパワー半導体モジュールであって、
    前記第１放熱部材の放熱面から投影した場合において、前記中間部材に形成された凸部の投影部は、前記第１接続部の角部を形成するための前記第１放熱部材の隣り合う２つの辺に沿って屈曲する形状を為すパワー半導体モジュール。
  8. 請求項１に記載されたパワー半導体モジュールであって、
    前記中間部材の湾曲した部分は、塑性変形されているパワー半導体モジュール。
  9. 半導体素子と、前記半導体素子の電極面とはんだを介して接続される導体板とを有する回路体と、
    前記回路体の一方の面と対向する第１放熱板と、前記回路体の一方の面とは反対側の他方の面と対向する第２放熱板と、前記第１放熱板と前記第２放熱板を接続しかつ前記回路体を挿入するための開口を形成する中間部材とを有する金属製のケースと、を備えるパワー半導体モジュールの製造方法であって、
    前記ケースの開口から前記回路体を挿入する第１工程と、
    前記第１放熱板と前記第２放熱板によって前記回路体を挟むように、前記ケースの前記中間部材の一部を変形させる第２工程と、
    前記ケースの前記中間部材の一部を、前記回路体の収納空間に向かって凸となるように更に変形する第３工程と、
    前記ケース及び前記回路体に高温処理を施す第４工程と、を有するパワー半導体モジュールの製造方法。
  10. 請求項９に記載されたパワー半導体モジュールの製造方法であって、
    前記第４工程の前記高温処理は、１２０℃〜１８０℃であるパワー半導体モジュールの製造方法。
  11. 請求項９又は１０に記載されたいずれかのパワー半導体モジュールの製造方法であって、
    前記パワー半導体モジュールは、前記第１放熱板と前記第２放熱板の少なくとも一方と前記回路体とを接合する絶縁性のシートを有し、
    前記シートは、前記第３工程の前記高温処理によって接着力が増加するパワー半導体モジュールの製造方法。
  12. 直流電流を交流電流に変換するパワー半導体素子を備えるパワー半導体モジュールと、前記パワー半導体素子を冷却するための冷媒を流す流路を形成する流路形成体と、を備えた電力変換装置であって、
    前記パワー半導体モジュールは、前記パワー半導体素子と接続される導体部材を有する回路体と、前記回路体を収納するケースと、前記回路体と前記ケースとを接続する接続部材と、を有し、
    前記ケースは、前記回路体を挟むように対向して配置された第１放熱部材及び第２放熱部材と、当該第１放熱部材と当該第２放熱部材と繋ぐ側壁と、当該第１放熱部材の周囲に形成されかつ当該側壁に接続される中間部材と、を備え、
    前記中間部材は、前記回路体の収納空間に向かって凸となるように湾曲した部分が形成され、
    さらに前記ケースは、前記第１放熱部材及び第２放熱部材が前記冷媒と直接接触するように前記流路形成体に固定される電力変換装置。
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