パワーモジュール及びそれを用いた電力変換装置
【課題】更なる耐腐食性を向上させたパワーモジュール及びそれを用いた電力変換装置を提供することである。
【解決手段】本発明の課題を解決するために、本発明に係るパワーモジュールは、上それぞれの主面が対向する２枚の金属ベースと、前記一方の金属ベースはケースの第１開口部を塞ぐように配置され、かつ前記他方の金属ベースは前記ケースの第２開口部を塞ぐように配置され、さらに前記ケースと前記２枚の金属ベースとの接合箇所には樹脂系接着剤が塗布されており、前記ケースの内壁と樹脂封止材との間には、前記樹脂系接着剤が露出するように形成された空隙部を有し、当該空隙部は前記第１開口部と連通する。
【解決手段】本発明の課題を解決するために、本発明に係るパワーモジュールは、上それぞれの主面が対向する２枚の金属ベースと、前記一方の金属ベースはケースの第１開口部を塞ぐように配置され、かつ前記他方の金属ベースは前記ケースの第２開口部を塞ぐように配置され、さらに前記ケースと前記２枚の金属ベースとの接合箇所には樹脂系接着剤が塗布されており、前記ケースの内壁と樹脂封止材との間には、前記樹脂系接着剤が露出するように形成された空隙部を有し、当該空隙部は前記第１開口部と連通する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両に用いられるパワーモジュール、及びそのパワーモジュールを備えた電力変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車やハイブリット自動車のモータを駆動するインバータ等、大電力を扱う半導体装置においては、自動車内での取り付けスペースが狭いので、消費電力が大きなＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の半導体素子を複数個ごとにパッケージ化したものが用いられている。このような電力用の半導体装置は、発熱量が大きいために、効率よく冷却することが必要となる。特に、近年の電力用の半導体装置はパワー密度が向上しているため、半導体装置を冷却液に直接浸漬して冷却を行う必要性が高まってきている。
【０００３】
特許文献１は、冷却液に直接浸漬して冷却をおこなう半導体装置を提案している。
【０００４】
特許文献１では半導体装置１３の電気素子収納容器１６をセラミック基板とはんだ等の金属接合材料で構成し、前記電気素子収納容器１６からの引き出し電極部１７ａをエポキシ樹脂，ポリイミド，ポリ塩化ビニル，セラミック等の被覆材６１で被覆し、引き出し電極部１７ａと配線導体４２との間に隙間がある場合は隙間を樹脂，ゲル，金属，ゴムなどによりシールし、引き出し電極部１７ａを電気素子収納容器１６から液密的に延設し、半導体装置内部に冷却液１１が侵入しないような試みが行われている。
【０００５】
また、仮に冷却液１１が半導体装置内に浸入しても、半導体装置内部を熱硬化性樹脂やシリコーンゲルで充填することにより、冷却液１１が電気素子１５や電極１７に接触しないような試みが行われている。
【０００６】
特許文献１では、半導体装置のケース構造のシール部を金属等の無機材料で構成し、前記シール部をロウ材で接着する構造が必要となる。ここで、ロウ材とは、銀，アルミ，銅、およびすず等で構成された金属材料を加熱溶融し用いるものである。しかしながら、無機材料および金属材料は一般に原材料価格が高く、高重量であり、成型時に７００℃以上の加熱を要するため、コスト高であり、耐腐食性に乏しい等の課題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−７３６６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、更なる耐腐食性を向上させたパワーモジュール及びそれを用いた電力変換装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために本発明に係るパワーモジュールは、それぞれの主面が対向する２枚の金属ベースと、前記２枚の金属ベースの間に挟まれるパワー半導体素子と、前記２枚の金属ベースの間に挟まれており、かつ前記半導体素子に電力供給するための端子と、前記２枚の金属ベースと前記半導体素子と前記端子の一部とを封止するための樹脂封止材と、前記樹脂封止材により封止された前記２枚の金属ベースを収納するためのケースと、を備え、前記ケースは、前記２枚の金属ベースのうち一方の金属ベースを冷媒に直接接触させる第１開口部と、前記２枚の金属ベースのうち他方の金属ベースを前記冷媒に直接接触させる第２開口部と、前記端子を当該ケースの外部に突出させる第３開口部と、当該第３開口部と対向する有底部と、を形成し、前記一方の金属ベースは前記ケースの前記第１開口部を塞ぐように配置され、かつ前記他方の金属ベースは前記ケースの前記第２開口部を塞ぐように配置され、さらに前記ケースと前記２枚の金属ベースとの接合箇所には樹脂系接着剤が塗布されており、前記ケースの内壁と前記樹脂封止材との間には、前記樹脂系接着剤が露出するように形成された空隙部を有し、当該空隙部は前記第１開口部と連通する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明により、パワーモジュール及びそれを用いた電力変換装置の耐腐食性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】ハイブリッド自動車の制御ブロックを示す図である。
【図２】ハイブリッド自動車に適用した場合における制御構成図と回路構成図である。
【図３】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。
【図４】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。
【図５】流路１９を有する冷却ジャケット１２の下面図である。
【図６】本実施形態におけるパワーモジュール３００の内部の構造を示す分解図である。
【図７】（ａ）は本実施形態のパワーモジュール３００の断面図であり、（ｂ）は（ａ）の点線部分の拡大図であり、（ｃ）は（ａ）の点線部分の拡大図である。
【図８】パワーモジュール３００のシール部の組み付け方法を示す工程図である。
【図９】本実施形態のパワーモジュール３００のシール部と封止樹脂の間に設けられた空隙部を示した部分断面図である。
【図１０】本実施形態におけるパワーモジュール３００の全体構成の外観を示す斜視図である。
【図１１】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。
【図１２】（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。（ｂ）は、（ａ）の点線囲み部の拡大図である。
【図１３】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１４】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。
【図１５】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。
【図１６】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。
【図１７】図１６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。
【図１８】本実施形態における実施例１に記載のパワーモジュール３００を冷却流路内に挿入する工程を示した図である。
【図１９】図本実施形態におけるパワーモジュール３００のシール部と封止樹脂の間に設けられた空隙部３７６に連続気泡をもった多孔質材料が挿入されていることを示した部分断面図である。
【図２０】本実施形態におけるパワーモジュール３００の封止樹脂とシール部の間の空隙部に面している封止樹脂の表面部分を封止樹脂よりも吸湿性の低い材料３８１で被覆していることを示した部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に説明する本実施形態の原理を説明する。そこで、これらの課題を解決するため、本実施形態のパワーモジュールはケース構造のシール部分を樹脂で構成しようとするものである。樹脂とはエポキシ樹脂，アクリル樹脂，ウレタン樹脂，ポリイミド，ポリ塩化ビニル，シリコーン，ブチルゴム，ニトリルゴム，スチレンブタジエン等のように４００℃以下の加熱，紫外線照射，空気中の酸素の遮断，空気中の水分、あるいは主剤に硬化剤を混合することによる化学反応で硬化させて用いるものであり、前記金属材料に比べて扱いやすく、硬化後に接着性を発現することから上記半導体装置のシール部に用いる材料として望ましい。
【００１３】
しかしながら、前記シール部を樹脂で構成する構造で検討したところ、短時間の試験では問題は見られなかったが、長時間の試験では冷却液と接する樹脂部が飽和状態まで吸湿した。シール部の樹脂と半導体を封止する封止樹脂が接している場合、上記樹脂が吸湿した水分は、半導体装置の封止樹脂にも拡散し、封止樹脂も飽和状態まで吸湿した。封止樹脂の内部には微細な気泡や剥離等の欠陥があるため、飽和した水分の一部が水となって溜まり、半導体素子電極や配線間の導電率が高くなった。信頼性試験では、前記欠陥リーク電流が流れ、金属イオンが移動して、半導体素子電極や配線間を短絡し、半導体装置の効率低下や破壊がおこった。
【００１４】
よって、取り扱いが簡便な樹脂によってシール部を構成するパワーモジュールが望まれてきたが、従来の技術では上記の欠点が存在し容易には達成されなかった。本実施形態は上記問題を解決したものである。
【００１５】
本実施形態では冷却液に直接浸漬するパワーモジュールにおいて、半導体素子周辺のリードフレームおよび配線を封止樹脂によって封止し、前記封止樹脂と冷却液はケース構造により隔離されており、前記ケース構造は金属製の放熱部と樹脂製のシール部からなり、前記樹脂製のシール部と封止樹脂との間に空隙部を設け、その空隙部が冷却液と隔離された半導体装置外部に開放されている。
【００１６】
本実施形態のシール部と封止樹脂との間の空隙部には連続気泡をもった多孔質材料が挿入されていても良い。連続気泡をもった多孔質材料とはセラミックまたはポリテトラフルオロエチレンやポリウレタン等によって構成される不織布のことである。
【００１７】
本実施形態の封止樹脂とシール部の間の空隙部に面している封止樹脂の表面部分は封止材よりも吸湿性の低い材料で被覆されていてもよい。封止樹脂よりも吸湿性の低い材料とはポリアミドイミド等で構成され、塗装後乾燥することで膜を生成する塗料や、金属イオンを含んだ溶液中に還元剤を添加することによって行う無電解めっきで析出される金属等のことである。
【００１８】
シール部と上記封止樹脂の間に空隙部を設け、その空隙部が外部に開放されていると、樹脂シール部が飽和状態まで吸湿しても内部の半導体封止樹脂には直接拡散しない。空隙部の湿度はシール樹脂が吸湿するため上昇するが、外部に開放されているため、外部の湿度に近づいていく。このように封止樹脂の吸湿を抑制できるため、封止樹脂にボイドや剥離等の欠陥があっても水がたまるほどの水分は拡散しない。これにより、封止樹脂の吸湿による半導体素子電極，リードフレーム間および配線間の短絡、およびパワーモジュールの効率低下や破壊を防ぐことができる。
【実施例１】
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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，ＩＧＢＴ３２８３３０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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
図６は本実施形態におけるパワーモジュール３００の内部の構造を示す分解図である。第１放熱面３０７Ａ及び第２放熱面３０７Ｂに絶縁シート（不図示）を介してリードフレーム３１６及び３１７（リードフレーム３１８及び３１９は、第１放熱面３０７Ａの裏面に隠れている）各種信号端子３２５Ｌ、３２５Ｕが接着されている。リードフレーム３１６及び３１７には、上アーム用ＩＧＢＴ３２８，下アーム用ＩＧＢＴ３３０，上アームのダイオード１５６，下アームのダイオード１６６が接合されている。上アーム用ＩＧＢＴ３２８と信号端子３２５Ｕは、ワイヤボンディング３２７によって電気的に導通している。また下アーム用ＩＧＢＴ３３０と信号端子３２５Ｌは、ワイヤボンディング３２７によって電気的に導通している。３１９Ｂは直流負極端子であり、３１５Ｂは直流正極端子であり、３２１は交流端子である。また、３０５は、冷却用のフィンである。
【００５６】
図７（ａ）は本実施形態のパワーモジュール３００の断面図であり、図７（ｂ）は（ａ）の点線部分の拡大図であり、図７（ｃ）は（ａ）の点線部分の拡大図である。対向する第１放熱面３０７Ａと第２放熱面３０７Ｂの間に、絶縁シート３３３，リードフレーム３１６及び３１８，信号端子３２５Ｌと３２５Ｕ，下アーム用ＩＧＢＴ３３０等、およびワイヤボンディング３２７は、封止樹脂３４８によって封止されている。１６０は、素子とリードフレームを接合する金属接合材であり、例えばはんだである。
【００５７】
図８は、パワーモジュール３００のシール部の組み付け方法を示す工程図である。
【００５８】
モジュール封止体３０２のフィン３０５がサイドシール部３７０，３７１の開口部３７２及び３７３から露出するように、サイドシール部３７０，３７１が後に示す接着用樹脂によって接着される。
【００５９】
続いてモジュール封止体３０２の封止樹脂３４８から露出している直流正極端子３１５Ｂや交流端子が、トップシール部３７４の開口部３７５から露出するようにトップシール部３７４がサイドシール部３７０，３７１に後に示す接着用樹脂で接着される。
【００６０】
図９は本実施形態のパワーモジュール３００のシール部と封止樹脂の間に設けられた空隙部を示した部分断面図である。
【００６１】
図９において、本実施形態における、パワーモジュール３００は、モジュール封止体３０２の封止樹脂３４８とサイドシール部３７０，３７１の間に空隙部３７６を有している。また、封止樹脂３４８と前記サイドシール部３７０，３７１の接着界面に存在している接着用樹脂３７７の表面を露出させるように空隙部３７６を有している。ここで、接着用樹脂３７７で接着されたサイドシール部３７０，３７１と封止樹脂３４８との間の空隙部３７６の幅は封止樹脂３４８の幅より大きく、奥行きは空気が導通する程度に大きければよい。
【００６２】
図１０は本実施形態におけるパワーモジュール３００の全体構成の外観を示す斜視図である。フィン３０５を、サイドシール部の開口部３７２及び３７３より露出するように、サイドシール部３７０，３７１を接着し、前記サイドシール部３７０，３７１に、各種信号端子３２５Ｌ，３２５Ｕ，交流端子３２１等をトップシール部３７４の開口部３７５より露出するように、トップシール部３７４を接着し、パワーモジュール３００を形成する。ここで、トップシール部３７４の開口部３７５は、図９に示す空隙部３７６は連通した構造となる。
【００６３】
図１１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。
【００６４】
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。バッテリ負極側端子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。
【００６５】
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，バッテリ負極側端子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。
【００６６】
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。
【００６７】
また、バッテリ負極側端子５０８とバッテリ負極側端子５０９も、図１１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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
図１２（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。
【００７４】
図１２（ｂ）に示されるように、直流負極端子３１５Ｂ及び直流正極端子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から直流負極端子３１５Ｂ及び直流正極端子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、電流が直流負極端子３１５Ｂ及び直流正極端子３１９Ｂに集中することになる。また、直流負極端子３１５Ｂ及び直流正極端子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、直流負極端子３１５Ｂ及び直流正極端子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。
【００７５】
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と直流負極端子３１５Ｂと直流正極端子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。
【００７６】
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。
【００７７】
また、折返し部５４４が負極側コンデンサ端子５０４ａと直流負極端子３１５Ｂと直流正極端子３１９Ｂの側部を跨ぐように構成される。さらに、直流正極端子３１９Ｂの先端と接続部５４２の側辺とは溶接により接続され、同様に直流負極端子３１５Ｂの先端と接続部５４５の側辺とは溶接により接続される。
【００７８】
これにより、直流正極端子３１９Ｂ及び直流負極端子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。
【００７９】
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の溶接箇所と直流正極端子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。
【００８０】
さらに、図４（ａ）及び図１２（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。
【００８１】
図１３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１４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。
【００８２】
図１３及び図１４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と接続するための接続部８０５ａ〜８０５ｆが形成される（接続部８０５ｄ〜８０５ｆは不図示）。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
図１３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。
【００８６】
図１３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。
【００８７】
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１４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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
図１５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。
【００９２】
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。
【００９３】
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ずらくなり、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。
【００９４】
図１５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。
【００９５】
図１６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。
【００９６】
図１５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。
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【０１０１】
そこで、図１６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の信号端子３２５Ｕ及び信号端子３２５Ｌが挿入され、信号端子３２５Ｕ及び信号端子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。
【０１０２】
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、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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
図１７は、図１６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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
図１７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。
【０１０８】
図１８は本実施形態における実施例１に記載のパワーモジュール３００を冷却流路内に挿入する工程を示した図である。
【０１０９】
図１８は、前記図１０と同様の工程で形成された本実施形態におけるパワーモジュール３００の冷却ジャケット１２への搭載状態を示す。本実施形態は、パワーモジュール３００を流路１９に上方から挿入していくスロットイン構造を採用したものであり、パワーモジュール３００は、位置決め部３７８に位置決めされ、冷却流路に挿入後、水路蓋３７９および図示しないボルトによって固定される。
【０１１０】
本実施形態におけるパワーモジュール３００は、一方の側にフィン３０５（なお、放熱フィンとは凹凸のあるフィン形状部分のみを称するのではなく、放熱金属の全体を称するものである。）を備え、また他方の側にも不図示の放熱フィンが備えられる。モジュール封止体３０２には接着用樹脂３７７によりサイドシール部３７０，３７１およびトップシール部３７４が接着され、パワーモジュール３００が構成される。ここで接着用樹脂３７７はフィン３０５、サイドシール部３７０，３７１、およびトップシール部３７４のそれぞれが接触している界面に存在している。また、空隙部３７６はトップシール部３７４のトップシール部開口部３７５と連通している。空隙部３７６はパワーモジュール３００の、水路から隔離された外部と連通している。よって、パワーモジュール３００を流路１９に挿入し、図示しない冷却液とサイドシール部３７０，３７１、トップシール部３７４、および接着用樹脂３７７が接触し、吸湿し、空隙部３７６の湿度が上昇しても、空隙部３７６は外部に開放されているため、外部の湿度に近づいてゆく。信頼性試験として、前記半導体素子をＩＧＢＴとした前記パワーモジュール３００を後に示す冷却ジャケット１２に挿入し、前記冷却ジャケット１２内に１００ｋＰａの圧力で冷却液を流し、ＩＧＢＴ素子のエミッタ−ゲート間を短絡し、コレクタ−エミッタ間に１４００Ｖの電圧をかけた結果、前記接着されたサイドシール部３７０，３７１と封止樹脂３４８の間に空隙部３７６を設けたため、封止樹脂の吸湿量が低下し、５００時間経過後もリーク電流の上昇はみられず、必要な特性を満足した。
【０１１１】
本実施形態におけるパワーモジュール３００のシール構造を用いることにより、シール部が樹脂製であっても、半導体装置を冷却流路へ直接浸漬した際、空隙部３７６によって封止樹脂３４８の吸湿量が低下するため、封止樹脂の吸湿による半導体装置の効率低下や破壊は起らない。
【実施例２】
【０１１２】
図１９は本実施形態におけるパワーモジュール３００のシール部と封止樹脂の間に設けられた空隙部３７６に連続気泡をもった多孔質材料が挿入されていることを示した部分断面図である。
【０１１３】
図１９においてパワーモジュール３００のモジュール封止体３０２は前記図６と同様の工程で形成される。モジュール封止体３０２にサイドシール部３７０，３７１を接着用樹脂３７７で接着する際、空隙部３７６に連続気泡をもった多孔質材料３８０が挟み込まれるように接着を行う。
【０１１４】
前記連続気泡をもった多孔質材料３８０がサイドシール部材５１１，５１２と封止樹脂３４８の間、およびトップシール部際５１０と封止樹脂３４８の間に挿入されていることにより、パワーモジュール３００が後に示す冷却ジャケット１２に挿入され、図示しない冷却液とサイドシール部３７０，３７１、トップシール部３７４、および接着用樹脂３７７が接触し、吸湿し、空隙部３７６の湿度が上昇するが、連続気泡をもった多孔質材料３８０は外部に暴露されていて、空隙部３７６も外部に開放されているため、空隙部３７６の湿度は外部の湿度から大きく上昇しなかった。特に多孔質材料を充填することにより、容器内部に水滴が付着しても、毛管現象で多孔質材料全体に広がり、揮発するため、空隙部３７６内に水がたまる現象を防止できた。信頼性試験として、半導体素子をＩＧＢＴとした前記パワーモジュール３００を後に示す冷却ジャケット１２に挿入し、前記冷却ジャケット１２内に１００ｋＰａの圧力で冷却液を流し、ＩＧＢＴ素子のエミッタ−ゲート間を短絡し、コレクタ−エミッタ間に１４００Ｖの電圧をかけた結果、前記空隙部３７６に連続気泡をもった多孔質材料３８０が挿入されているため、５００時間経過後もリーク電流の上昇はみられず、必要な特性を満足した。
【実施例３】
【０１１５】
図２０は本実施形態におけるパワーモジュール３００の封止樹脂とシール部の間の空隙部に面している封止樹脂の表面部分を封止樹脂よりも吸湿性の低い材料３８１で被覆していることを示した部分断面図である。図２０においてパワーモジュール３００のモジュール封止体３０２は前記図８と同様の工程で形成される。形成されたモジュール封止体３０２の封止樹脂３４８の表面に、ポリアミドイミドで構成された硬化後皮膜を生成する塗料を塗布した。その後サイドシール部３７０，３７１を接着用樹脂３７７でフィン３０５に接着し、トップシール部３７４を接着用樹脂３７７でサイドシール部３７０，３７１に接着し、パワーモジュール３００を形成した。封止樹脂の表面部分を封止樹脂よりも吸湿性の低い材料３８１で被覆することにより、封止樹脂の吸湿量を低下することができた。信頼性試験として、前記半導体素子をＩＧＢＴとした前記パワーモジュール３００を後に示す冷却ジャケット１２に挿入し、前記冷却ジャケット１２内に１００ｋＰａの圧力で冷却液を流し、ＩＧＢＴ素子のエミッタ−ゲート間を短絡し、コレクタ−エミッタ間に１４００Ｖの電圧をかけた結果、５００時間経過後もリーク電流の上昇はみられず、必要な特性を満足した。
【産業上の利用可能性】
【０１１６】
本発明のシール構造の適用分野は例えば、半導体装置の冷却構造に関し、特に半導体装置を冷却媒体に浸漬させることにより半導体装置の冷却を行う構造に関する。
【０１１７】
本実施形態に係る半導体装置の冷却構造の適用例としては、ハイブリッド車両や電動車両に搭載される例が挙げられる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両に用いられるパワーモジュール、及びそのパワーモジュールを備えた電力変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車やハイブリット自動車のモータを駆動するインバータ等、大電力を扱う半導体装置においては、自動車内での取り付けスペースが狭いので、消費電力が大きなＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の半導体素子を複数個ごとにパッケージ化したものが用いられている。このような電力用の半導体装置は、発熱量が大きいために、効率よく冷却することが必要となる。特に、近年の電力用の半導体装置はパワー密度が向上しているため、半導体装置を冷却液に直接浸漬して冷却を行う必要性が高まってきている。
【０００３】
特許文献１は、冷却液に直接浸漬して冷却をおこなう半導体装置を提案している。
【０００４】
特許文献１では半導体装置１３の電気素子収納容器１６をセラミック基板とはんだ等の金属接合材料で構成し、前記電気素子収納容器１６からの引き出し電極部１７ａをエポキシ樹脂，ポリイミド，ポリ塩化ビニル，セラミック等の被覆材６１で被覆し、引き出し電極部１７ａと配線導体４２との間に隙間がある場合は隙間を樹脂，ゲル，金属，ゴムなどによりシールし、引き出し電極部１７ａを電気素子収納容器１６から液密的に延設し、半導体装置内部に冷却液１１が侵入しないような試みが行われている。
【０００５】
また、仮に冷却液１１が半導体装置内に浸入しても、半導体装置内部を熱硬化性樹脂やシリコーンゲルで充填することにより、冷却液１１が電気素子１５や電極１７に接触しないような試みが行われている。
【０００６】
特許文献１では、半導体装置のケース構造のシール部を金属等の無機材料で構成し、前記シール部をロウ材で接着する構造が必要となる。ここで、ロウ材とは、銀，アルミ，銅、およびすず等で構成された金属材料を加熱溶融し用いるものである。しかしながら、無機材料および金属材料は一般に原材料価格が高く、高重量であり、成型時に７００℃以上の加熱を要するため、コスト高であり、耐腐食性に乏しい等の課題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−７３６６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、更なる耐腐食性を向上させたパワーモジュール及びそれを用いた電力変換装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために本発明に係るパワーモジュールは、それぞれの主面が対向する２枚の金属ベースと、前記２枚の金属ベースの間に挟まれるパワー半導体素子と、前記２枚の金属ベースの間に挟まれており、かつ前記半導体素子に電力供給するための端子と、前記２枚の金属ベースと前記半導体素子と前記端子の一部とを封止するための樹脂封止材と、前記樹脂封止材により封止された前記２枚の金属ベースを収納するためのケースと、を備え、前記ケースは、前記２枚の金属ベースのうち一方の金属ベースを冷媒に直接接触させる第１開口部と、前記２枚の金属ベースのうち他方の金属ベースを前記冷媒に直接接触させる第２開口部と、前記端子を当該ケースの外部に突出させる第３開口部と、当該第３開口部と対向する有底部と、を形成し、前記一方の金属ベースは前記ケースの前記第１開口部を塞ぐように配置され、かつ前記他方の金属ベースは前記ケースの前記第２開口部を塞ぐように配置され、さらに前記ケースと前記２枚の金属ベースとの接合箇所には樹脂系接着剤が塗布されており、前記ケースの内壁と前記樹脂封止材との間には、前記樹脂系接着剤が露出するように形成された空隙部を有し、当該空隙部は前記第１開口部と連通する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明により、パワーモジュール及びそれを用いた電力変換装置の耐腐食性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】ハイブリッド自動車の制御ブロックを示す図である。
【図２】ハイブリッド自動車に適用した場合における制御構成図と回路構成図である。
【図３】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。
【図４】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。
【図５】流路１９を有する冷却ジャケット１２の下面図である。
【図６】本実施形態におけるパワーモジュール３００の内部の構造を示す分解図である。
【図７】（ａ）は本実施形態のパワーモジュール３００の断面図であり、（ｂ）は（ａ）の点線部分の拡大図であり、（ｃ）は（ａ）の点線部分の拡大図である。
【図８】パワーモジュール３００のシール部の組み付け方法を示す工程図である。
【図９】本実施形態のパワーモジュール３００のシール部と封止樹脂の間に設けられた空隙部を示した部分断面図である。
【図１０】本実施形態におけるパワーモジュール３００の全体構成の外観を示す斜視図である。
【図１１】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。
【図１２】（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。（ｂ）は、（ａ）の点線囲み部の拡大図である。
【図１３】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１４】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。
【図１５】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。
【図１６】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。
【図１７】図１６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。
【図１８】本実施形態における実施例１に記載のパワーモジュール３００を冷却流路内に挿入する工程を示した図である。
【図１９】図本実施形態におけるパワーモジュール３００のシール部と封止樹脂の間に設けられた空隙部３７６に連続気泡をもった多孔質材料が挿入されていることを示した部分断面図である。
【図２０】本実施形態におけるパワーモジュール３００の封止樹脂とシール部の間の空隙部に面している封止樹脂の表面部分を封止樹脂よりも吸湿性の低い材料３８１で被覆していることを示した部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に説明する本実施形態の原理を説明する。そこで、これらの課題を解決するため、本実施形態のパワーモジュールはケース構造のシール部分を樹脂で構成しようとするものである。樹脂とはエポキシ樹脂，アクリル樹脂，ウレタン樹脂，ポリイミド，ポリ塩化ビニル，シリコーン，ブチルゴム，ニトリルゴム，スチレンブタジエン等のように４００℃以下の加熱，紫外線照射，空気中の酸素の遮断，空気中の水分、あるいは主剤に硬化剤を混合することによる化学反応で硬化させて用いるものであり、前記金属材料に比べて扱いやすく、硬化後に接着性を発現することから上記半導体装置のシール部に用いる材料として望ましい。
【００１３】
しかしながら、前記シール部を樹脂で構成する構造で検討したところ、短時間の試験では問題は見られなかったが、長時間の試験では冷却液と接する樹脂部が飽和状態まで吸湿した。シール部の樹脂と半導体を封止する封止樹脂が接している場合、上記樹脂が吸湿した水分は、半導体装置の封止樹脂にも拡散し、封止樹脂も飽和状態まで吸湿した。封止樹脂の内部には微細な気泡や剥離等の欠陥があるため、飽和した水分の一部が水となって溜まり、半導体素子電極や配線間の導電率が高くなった。信頼性試験では、前記欠陥リーク電流が流れ、金属イオンが移動して、半導体素子電極や配線間を短絡し、半導体装置の効率低下や破壊がおこった。
【００１４】
よって、取り扱いが簡便な樹脂によってシール部を構成するパワーモジュールが望まれてきたが、従来の技術では上記の欠点が存在し容易には達成されなかった。本実施形態は上記問題を解決したものである。
【００１５】
本実施形態では冷却液に直接浸漬するパワーモジュールにおいて、半導体素子周辺のリードフレームおよび配線を封止樹脂によって封止し、前記封止樹脂と冷却液はケース構造により隔離されており、前記ケース構造は金属製の放熱部と樹脂製のシール部からなり、前記樹脂製のシール部と封止樹脂との間に空隙部を設け、その空隙部が冷却液と隔離された半導体装置外部に開放されている。
【００１６】
本実施形態のシール部と封止樹脂との間の空隙部には連続気泡をもった多孔質材料が挿入されていても良い。連続気泡をもった多孔質材料とはセラミックまたはポリテトラフルオロエチレンやポリウレタン等によって構成される不織布のことである。
【００１７】
本実施形態の封止樹脂とシール部の間の空隙部に面している封止樹脂の表面部分は封止材よりも吸湿性の低い材料で被覆されていてもよい。封止樹脂よりも吸湿性の低い材料とはポリアミドイミド等で構成され、塗装後乾燥することで膜を生成する塗料や、金属イオンを含んだ溶液中に還元剤を添加することによって行う無電解めっきで析出される金属等のことである。
【００１８】
シール部と上記封止樹脂の間に空隙部を設け、その空隙部が外部に開放されていると、樹脂シール部が飽和状態まで吸湿しても内部の半導体封止樹脂には直接拡散しない。空隙部の湿度はシール樹脂が吸湿するため上昇するが、外部に開放されているため、外部の湿度に近づいていく。このように封止樹脂の吸湿を抑制できるため、封止樹脂にボイドや剥離等の欠陥があっても水がたまるほどの水分は拡散しない。これにより、封止樹脂の吸湿による半導体素子電極，リードフレーム間および配線間の短絡、およびパワーモジュールの効率低下や破壊を防ぐことができる。
【実施例１】
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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，ＩＧＢＴ３２８３３０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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
図６は本実施形態におけるパワーモジュール３００の内部の構造を示す分解図である。第１放熱面３０７Ａ及び第２放熱面３０７Ｂに絶縁シート（不図示）を介してリードフレーム３１６及び３１７（リードフレーム３１８及び３１９は、第１放熱面３０７Ａの裏面に隠れている）各種信号端子３２５Ｌ、３２５Ｕが接着されている。リードフレーム３１６及び３１７には、上アーム用ＩＧＢＴ３２８，下アーム用ＩＧＢＴ３３０，上アームのダイオード１５６，下アームのダイオード１６６が接合されている。上アーム用ＩＧＢＴ３２８と信号端子３２５Ｕは、ワイヤボンディング３２７によって電気的に導通している。また下アーム用ＩＧＢＴ３３０と信号端子３２５Ｌは、ワイヤボンディング３２７によって電気的に導通している。３１９Ｂは直流負極端子であり、３１５Ｂは直流正極端子であり、３２１は交流端子である。また、３０５は、冷却用のフィンである。
【００５６】
図７（ａ）は本実施形態のパワーモジュール３００の断面図であり、図７（ｂ）は（ａ）の点線部分の拡大図であり、図７（ｃ）は（ａ）の点線部分の拡大図である。対向する第１放熱面３０７Ａと第２放熱面３０７Ｂの間に、絶縁シート３３３，リードフレーム３１６及び３１８，信号端子３２５Ｌと３２５Ｕ，下アーム用ＩＧＢＴ３３０等、およびワイヤボンディング３２７は、封止樹脂３４８によって封止されている。１６０は、素子とリードフレームを接合する金属接合材であり、例えばはんだである。
【００５７】
図８は、パワーモジュール３００のシール部の組み付け方法を示す工程図である。
【００５８】
モジュール封止体３０２のフィン３０５がサイドシール部３７０，３７１の開口部３７２及び３７３から露出するように、サイドシール部３７０，３７１が後に示す接着用樹脂によって接着される。
【００５９】
続いてモジュール封止体３０２の封止樹脂３４８から露出している直流正極端子３１５Ｂや交流端子が、トップシール部３７４の開口部３７５から露出するようにトップシール部３７４がサイドシール部３７０，３７１に後に示す接着用樹脂で接着される。
【００６０】
図９は本実施形態のパワーモジュール３００のシール部と封止樹脂の間に設けられた空隙部を示した部分断面図である。
【００６１】
図９において、本実施形態における、パワーモジュール３００は、モジュール封止体３０２の封止樹脂３４８とサイドシール部３７０，３７１の間に空隙部３７６を有している。また、封止樹脂３４８と前記サイドシール部３７０，３７１の接着界面に存在している接着用樹脂３７７の表面を露出させるように空隙部３７６を有している。ここで、接着用樹脂３７７で接着されたサイドシール部３７０，３７１と封止樹脂３４８との間の空隙部３７６の幅は封止樹脂３４８の幅より大きく、奥行きは空気が導通する程度に大きければよい。
【００６２】
図１０は本実施形態におけるパワーモジュール３００の全体構成の外観を示す斜視図である。フィン３０５を、サイドシール部の開口部３７２及び３７３より露出するように、サイドシール部３７０，３７１を接着し、前記サイドシール部３７０，３７１に、各種信号端子３２５Ｌ，３２５Ｕ，交流端子３２１等をトップシール部３７４の開口部３７５より露出するように、トップシール部３７４を接着し、パワーモジュール３００を形成する。ここで、トップシール部３７４の開口部３７５は、図９に示す空隙部３７６は連通した構造となる。
【００６３】
図１１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。
【００６４】
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。バッテリ負極側端子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。
【００６５】
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，バッテリ負極側端子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。
【００６６】
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。
【００６７】
また、バッテリ負極側端子５０８とバッテリ負極側端子５０９も、図１１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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
図１２（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。
【００７４】
図１２（ｂ）に示されるように、直流負極端子３１５Ｂ及び直流正極端子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から直流負極端子３１５Ｂ及び直流正極端子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、電流が直流負極端子３１５Ｂ及び直流正極端子３１９Ｂに集中することになる。また、直流負極端子３１５Ｂ及び直流正極端子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、直流負極端子３１５Ｂ及び直流正極端子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。
【００７５】
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と直流負極端子３１５Ｂと直流正極端子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。
【００７６】
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。
【００７７】
また、折返し部５４４が負極側コンデンサ端子５０４ａと直流負極端子３１５Ｂと直流正極端子３１９Ｂの側部を跨ぐように構成される。さらに、直流正極端子３１９Ｂの先端と接続部５４２の側辺とは溶接により接続され、同様に直流負極端子３１５Ｂの先端と接続部５４５の側辺とは溶接により接続される。
【００７８】
これにより、直流正極端子３１９Ｂ及び直流負極端子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。
【００７９】
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の溶接箇所と直流正極端子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。
【００８０】
さらに、図４（ａ）及び図１２（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。
【００８１】
図１３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１４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。
【００８２】
図１３及び図１４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と接続するための接続部８０５ａ〜８０５ｆが形成される（接続部８０５ｄ〜８０５ｆは不図示）。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
図１３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。
【００８６】
図１３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。
【００８７】
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１４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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
図１５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。
【００９２】
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。
【００９３】
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ずらくなり、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。
【００９４】
図１５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。
【００９５】
図１６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。
【００９６】
図１５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。
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【０１０１】
そこで、図１６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の信号端子３２５Ｕ及び信号端子３２５Ｌが挿入され、信号端子３２５Ｕ及び信号端子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。
【０１０２】
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、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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
図１７は、図１６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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
図１７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。
【０１０８】
図１８は本実施形態における実施例１に記載のパワーモジュール３００を冷却流路内に挿入する工程を示した図である。
【０１０９】
図１８は、前記図１０と同様の工程で形成された本実施形態におけるパワーモジュール３００の冷却ジャケット１２への搭載状態を示す。本実施形態は、パワーモジュール３００を流路１９に上方から挿入していくスロットイン構造を採用したものであり、パワーモジュール３００は、位置決め部３７８に位置決めされ、冷却流路に挿入後、水路蓋３７９および図示しないボルトによって固定される。
【０１１０】
本実施形態におけるパワーモジュール３００は、一方の側にフィン３０５（なお、放熱フィンとは凹凸のあるフィン形状部分のみを称するのではなく、放熱金属の全体を称するものである。）を備え、また他方の側にも不図示の放熱フィンが備えられる。モジュール封止体３０２には接着用樹脂３７７によりサイドシール部３７０，３７１およびトップシール部３７４が接着され、パワーモジュール３００が構成される。ここで接着用樹脂３７７はフィン３０５、サイドシール部３７０，３７１、およびトップシール部３７４のそれぞれが接触している界面に存在している。また、空隙部３７６はトップシール部３７４のトップシール部開口部３７５と連通している。空隙部３７６はパワーモジュール３００の、水路から隔離された外部と連通している。よって、パワーモジュール３００を流路１９に挿入し、図示しない冷却液とサイドシール部３７０，３７１、トップシール部３７４、および接着用樹脂３７７が接触し、吸湿し、空隙部３７６の湿度が上昇しても、空隙部３７６は外部に開放されているため、外部の湿度に近づいてゆく。信頼性試験として、前記半導体素子をＩＧＢＴとした前記パワーモジュール３００を後に示す冷却ジャケット１２に挿入し、前記冷却ジャケット１２内に１００ｋＰａの圧力で冷却液を流し、ＩＧＢＴ素子のエミッタ−ゲート間を短絡し、コレクタ−エミッタ間に１４００Ｖの電圧をかけた結果、前記接着されたサイドシール部３７０，３７１と封止樹脂３４８の間に空隙部３７６を設けたため、封止樹脂の吸湿量が低下し、５００時間経過後もリーク電流の上昇はみられず、必要な特性を満足した。
【０１１１】
本実施形態におけるパワーモジュール３００のシール構造を用いることにより、シール部が樹脂製であっても、半導体装置を冷却流路へ直接浸漬した際、空隙部３７６によって封止樹脂３４８の吸湿量が低下するため、封止樹脂の吸湿による半導体装置の効率低下や破壊は起らない。
【実施例２】
【０１１２】
図１９は本実施形態におけるパワーモジュール３００のシール部と封止樹脂の間に設けられた空隙部３７６に連続気泡をもった多孔質材料が挿入されていることを示した部分断面図である。
【０１１３】
図１９においてパワーモジュール３００のモジュール封止体３０２は前記図６と同様の工程で形成される。モジュール封止体３０２にサイドシール部３７０，３７１を接着用樹脂３７７で接着する際、空隙部３７６に連続気泡をもった多孔質材料３８０が挟み込まれるように接着を行う。
【０１１４】
前記連続気泡をもった多孔質材料３８０がサイドシール部材５１１，５１２と封止樹脂３４８の間、およびトップシール部際５１０と封止樹脂３４８の間に挿入されていることにより、パワーモジュール３００が後に示す冷却ジャケット１２に挿入され、図示しない冷却液とサイドシール部３７０，３７１、トップシール部３７４、および接着用樹脂３７７が接触し、吸湿し、空隙部３７６の湿度が上昇するが、連続気泡をもった多孔質材料３８０は外部に暴露されていて、空隙部３７６も外部に開放されているため、空隙部３７６の湿度は外部の湿度から大きく上昇しなかった。特に多孔質材料を充填することにより、容器内部に水滴が付着しても、毛管現象で多孔質材料全体に広がり、揮発するため、空隙部３７６内に水がたまる現象を防止できた。信頼性試験として、半導体素子をＩＧＢＴとした前記パワーモジュール３００を後に示す冷却ジャケット１２に挿入し、前記冷却ジャケット１２内に１００ｋＰａの圧力で冷却液を流し、ＩＧＢＴ素子のエミッタ−ゲート間を短絡し、コレクタ−エミッタ間に１４００Ｖの電圧をかけた結果、前記空隙部３７６に連続気泡をもった多孔質材料３８０が挿入されているため、５００時間経過後もリーク電流の上昇はみられず、必要な特性を満足した。
【実施例３】
【０１１５】
図２０は本実施形態におけるパワーモジュール３００の封止樹脂とシール部の間の空隙部に面している封止樹脂の表面部分を封止樹脂よりも吸湿性の低い材料３８１で被覆していることを示した部分断面図である。図２０においてパワーモジュール３００のモジュール封止体３０２は前記図８と同様の工程で形成される。形成されたモジュール封止体３０２の封止樹脂３４８の表面に、ポリアミドイミドで構成された硬化後皮膜を生成する塗料を塗布した。その後サイドシール部３７０，３７１を接着用樹脂３７７でフィン３０５に接着し、トップシール部３７４を接着用樹脂３７７でサイドシール部３７０，３７１に接着し、パワーモジュール３００を形成した。封止樹脂の表面部分を封止樹脂よりも吸湿性の低い材料３８１で被覆することにより、封止樹脂の吸湿量を低下することができた。信頼性試験として、前記半導体素子をＩＧＢＴとした前記パワーモジュール３００を後に示す冷却ジャケット１２に挿入し、前記冷却ジャケット１２内に１００ｋＰａの圧力で冷却液を流し、ＩＧＢＴ素子のエミッタ−ゲート間を短絡し、コレクタ−エミッタ間に１４００Ｖの電圧をかけた結果、５００時間経過後もリーク電流の上昇はみられず、必要な特性を満足した。
【産業上の利用可能性】
【０１１６】
本発明のシール構造の適用分野は例えば、半導体装置の冷却構造に関し、特に半導体装置を冷却媒体に浸漬させることにより半導体装置の冷却を行う構造に関する。
【０１１７】
本実施形態に係る半導体装置の冷却構造の適用例としては、ハイブリッド車両や電動車両に搭載される例が挙げられる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれの主面が対向する２枚の金属ベースと、
前記２枚の金属ベースの間に挟まれるパワー半導体素子と、
前記２枚の金属ベースの間に挟まれており、かつ前記半導体素子に電力供給するための端子と、
前記２枚の金属ベースと前記半導体素子と前記端子の一部とを封止するための樹脂封止材と、
前記樹脂封止材により封止された前記２枚の金属ベースを収納するためのケースと、を備え、
前記ケースは、前記２枚の金属ベースのうち一方の金属ベースを冷媒に直接接触させる第１開口部と、前記２枚の金属ベースのうち他方の金属ベースを前記冷媒に直接接触させる第２開口部と、前記端子を当該ケースの外部に突出させる第３開口部と、当該第３開口部と対向する有底部と、を形成し、
前記一方の金属ベースは前記ケースの前記第１開口部を塞ぐように配置され、かつ前記他方の金属ベースは前記ケースの前記第２開口部を塞ぐように配置され、さらに前記ケースと前記２枚の金属ベースとの接合箇所には樹脂系接着剤が塗布されており、
前記ケースの内壁と前記樹脂封止材との間には、前記樹脂系接着剤が露出するように形成された空隙部を有し、当該空隙部は前記第１開口部と連通するパワーモジュール。
【請求項２】
請求項１に記載されたパワーモジュールであって、
前記ケースは、前記第１開口部が形成された第１ケース部材と、前記第２開口部が形成された第２ケース部材と、により構成され、
前記第１ケース部材と前記第２ケース部材との接合部には樹脂系接着剤が塗布されており、かつ当該第１ケース部材と当該第２ケース部材とを接合するための樹脂系接着剤は、前記空隙部に露出するように構成されるパワーモジュール。
【請求項３】
請求項１または２に記載されたいずれかのパワーモジュールであって、
前記空隙部には、連続気泡をもった多孔質材料が挿入されているパワーモジュール。
【請求項４】
請求項１または２に記載されたいずれかのパワーモジュールであって、
前記樹脂封止材の表面は、当該樹脂封止材よりも吸湿性の低い材料で被覆されているパワーモジュール。
【請求項１】
それぞれの主面が対向する２枚の金属ベースと、
前記２枚の金属ベースの間に挟まれるパワー半導体素子と、
前記２枚の金属ベースの間に挟まれており、かつ前記半導体素子に電力供給するための端子と、
前記２枚の金属ベースと前記半導体素子と前記端子の一部とを封止するための樹脂封止材と、
前記樹脂封止材により封止された前記２枚の金属ベースを収納するためのケースと、を備え、
前記ケースは、前記２枚の金属ベースのうち一方の金属ベースを冷媒に直接接触させる第１開口部と、前記２枚の金属ベースのうち他方の金属ベースを前記冷媒に直接接触させる第２開口部と、前記端子を当該ケースの外部に突出させる第３開口部と、当該第３開口部と対向する有底部と、を形成し、
前記一方の金属ベースは前記ケースの前記第１開口部を塞ぐように配置され、かつ前記他方の金属ベースは前記ケースの前記第２開口部を塞ぐように配置され、さらに前記ケースと前記２枚の金属ベースとの接合箇所には樹脂系接着剤が塗布されており、
前記ケースの内壁と前記樹脂封止材との間には、前記樹脂系接着剤が露出するように形成された空隙部を有し、当該空隙部は前記第１開口部と連通するパワーモジュール。
【請求項２】
請求項１に記載されたパワーモジュールであって、
前記ケースは、前記第１開口部が形成された第１ケース部材と、前記第２開口部が形成された第２ケース部材と、により構成され、
前記第１ケース部材と前記第２ケース部材との接合部には樹脂系接着剤が塗布されており、かつ当該第１ケース部材と当該第２ケース部材とを接合するための樹脂系接着剤は、前記空隙部に露出するように構成されるパワーモジュール。
【請求項３】
請求項１または２に記載されたいずれかのパワーモジュールであって、
前記空隙部には、連続気泡をもった多孔質材料が挿入されているパワーモジュール。
【請求項４】
請求項１または２に記載されたいずれかのパワーモジュールであって、
前記樹脂封止材の表面は、当該樹脂封止材よりも吸湿性の低い材料で被覆されているパワーモジュール。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
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【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【公開番号】特開２０１１−２１６７５４（Ｐ２０１１−２１６７５４Ａ）
【公開日】平成２３年１０月２７日（２０１１．１０．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−８４７７３（Ｐ２０１０−８４７７３）
【出願日】平成２２年４月１日（２０１０．４．１）
【出願人】（５０９１８６５７９）日立オートモティブシステムズ株式会社 (2,205)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月２７日（２０１１．１０．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月１日（２０１０．４．１）
【出願人】（５０９１８６５７９）日立オートモティブシステムズ株式会社 (2,205)
【Ｆターム（参考）】
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