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JP2008125240A - 電力変換装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】
パワー半導体素子を制御するための駆動回路基板の放熱性及び耐ノイズ性を向上させた信頼性の高い電力変換装置を提供する。
【解決手段】
電力変換装置２０は、金属ケース６と、金属ケース６に搭載され、複数のパワー半導体素子を備えたパワーモジュール５と、パワーモジュール５の上に配置され、金属ケース６に固定された金属板４と、金属板４の上に配置された放熱シート３と、放熱シート３の上に配置され、パワー半導体素子を制御するための制御回路を備えた駆動回路基板１とから構成される。
【選択図】図７

Description

本発明は、電力変換装置に係り、特に、パワー半導体素子を制御するための駆動回路基板の放熱性を向上させた電力変換装置に関する。
一般に、電力変換装置において、パワー半導体素子を駆動する駆動回路は、配線に重曹するノイズによる誤作動の影響を低減するため、パワー半導体素子の近傍に搭載される。パワー半導体素子は、スイッチングを行うことにより多量の熱を発するため、駆動回路は、パワー半導体素子からの発生する熱の影響を受けやすい。また、近年、電力変換装置の環境温度が厳しくなる傾向があるため、駆動回路上の搭載部品の耐熱温度を上げる等の対策が必要となってきている。
駆動回路部品の耐熱温度を上げようとすると、使用部品が高コストとなり信頼性も落ちるため、問題となる。このような課題を解決するための構造が、特開２００４−282804号公報（特許文献１）に開示されている。ここでは、パワー半導体素子の真上に駆動回路が配置されている。この駆動回路を搭載した駆動回路基板は、接着材を用いて第１の伝熱板に接続される。この伝熱板は、パワー半導体素子の冷却器に固定される第２の伝熱板に接触される。このように、駆動回路の熱を高熱伝導の板を経由して冷却品に逃がすことにより、駆動回路の熱を低減しようとしている。
特開２００４−２８２８０４号公報
しかしながら、上記のような構造では、駆動回路基板と伝熱板を接続するために、接着剤を用いる必要がある。このため、接着剤の硬化時間等の長い工数が必要となる。また、駆動回路基板が伝熱板側へ固定されるため、駆動回路基板とパワー半導体素子との接続をフレキシブル基板等の余分な部材で配線する必要があり、組み立てが困難である。また、駆動回路基板をパワー半導体素子の真上に搭載しているため、パワー半導体素子のスイッチングノイズの影響を受けやすく、耐ノイズ性に問題がある。
本発明の目的は、信頼性の高い電力変換装置を提供することにある。より具体的な目的の一つは、組み立て性が良く、組み立て工数を低減可能な簡易な構造で、駆動回路基板に高シールド構造と高放熱構造を採用することにより、耐熱性能，耐ノイズ性能を向上させた電力変換装置を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明の電力変換装置のうち代表的な一つは、金属ケースと、金属ケースに搭載され、複数のパワー半導体素子を備えたパワーモジュールと、パワーモジュールに搭載され、金属ケースに固定された金属板と、金属板の上に配置された放熱シートと、放熱シートの上に配置され、パワー半導体素子を制御するための駆動回路基板とを有するものである。
好ましくは、金属板と放熱シートとの間には、絶縁シートが設けられているものである。また、放熱シートは、複数に分割されて、絶縁シートの上に設けられている。さらに、駆動回路基板には、放熱シートと接触する面において、電子部品が搭載されており、電子部品は、複数に分割された放熱シートの間に配置されている。
また、好ましくは、平滑化コンデンサを有し、平滑化コンデンサは、バスバを用いてパワーモジュールと電気的に接続されており、金属板は、屈曲することにより、その一部がバスバと駆動回路基板との間に位置しているものである。
本発明によれば、信頼性の高い電力変換装置を提供することができる。
以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態における電力変換装置２０を用いて構成した車載用電機システムと、内燃機関のエンジンシステムを組み合わせたハイブリッド電気自動車（以下、
「ＨＥＶ」という。）のブロック図である。
本実施形態のＨＥＶは、前輪ＦＲＷ，ＦＬＷ，後輪ＲＲＷ，ＲＬＷ，前輪車軸ＦＤＳ，後輪車軸ＲＤＳ，デファレンシャルギアＤＥＦ，変速機５７，エンジン５５，回転電機
１３０，１４０，電力変換装置２０，バッテリ７０，エンジン制御装置ＥＣＵ，変速機制御装置ＴＣＵ，回転電機制御装置ＭＣＵ，バッテリ制御装置ＢＣＵ，車載用ローカルエリアネットワークＬＡＮを備える。
本実施例では、駆動力は、エンジン５５と２つの回転電機１３０，１４０で発生し、変速機５７，デファレンシャルギアＤＥＦ，前輪車軸ＦＤＳを通じて前輪ＦＲＷ，ＦＬＷに伝わる。
変速機５７は、複数のギアから構成され、速度等の運転状態に応じてギア比を変えることができる装置である。
デファレンシャルギアＤＥＦは、カーブなどで左右の車輪ＦＲＷ，ＦＬＷに速度差があるときに、適切に左右に動力を分配する装置である。
エンジン５５は、インジェクタ，スロットルバルブ，点火装置，吸排気バルブ（いずれも図示省略）等の複数のコンポーネントで構成される。インジェクタは、エンジン５５の気筒内に噴射する燃料を制御する燃料噴射弁である。スロットルバルブは、エンジン５５の気筒内に供給される空気の量を制御する絞り弁である。点火装置は、エンジン５５の気筒内の混合気を燃焼させる火源である。吸排気バルブは、エンジン５５の気筒の吸気及び排気に設けられた開閉弁である。
回転電機１３０，１４０は、三相交流同期式、つまり永久磁石回転電機であるが、三相交流誘導式回転電機やリラクタンス式回転電機等を用いてもよい。
回転電機１３０，１４０は、回転する回転子と、回転磁界を発生する固定子からなる。
回転子は、鉄心の内部に複数の永久磁石を埋め込んで、または、鉄心の外周表面に複数の永久磁石を配置して構成する。固定子は、電磁鋼板に銅線を巻回して構成する。
固定子の巻線に三相交流電流を流すことにより、回転磁界が発生し、回転子が発生させるトルクにより、回転電機１３０，１４０を回転させることができる。
電力変換装置２０は、パワー半導体素子のスイッチング動作により、回転電機１３０，１４０に与える電流を制御するものである。すなわち、パワー半導体素子が、バッテリ
７０からの直流電流を、回転電機１３０,１４０に流したり（オン）,切ったり（オフ）することで、回転電機１３０，１４０を制御する。本実施例では、回転電機１３０，１４０は三相交流モータであるため、オン／オフスイッチングの時間幅の粗密により、三相交流電圧発生させ、回転電機１３０，１４０の駆動力を制御する（ＰＷＭ制御）。
電力変換装置２０は、スイッチング時に瞬時に電力を供給するコンデンサモジュール
１３，スイッチングするパワーモジュール５，パワーモジュール５を駆動する駆動回路装置ＤＣＵ、及び、スイッチングの時間幅の粗密を決める回転電機制御装置ＭＣＵから構成する。
回転電機制御装置ＭＣＵは、総合制御装置ＧＣＵからの回転数指令ｎ* 、トルク指令値τ* に基づいて回転電機１３０，１４０を駆動するため、パワーモジュール５のスイッチング動作を制御する。このため、回転電機制御装置ＭＣＵは、必要な演算を行うためのマイコン，データマップなどのメモリを搭載している。
駆動回路装置ＤＣＵは、回転電機制御装置ＭＣＵで決定されたＰＷＭ信号に基づいて、パワーモジュール５を駆動する。このため、パワーモジュール５の駆動に必要な、数Ａ，数十Ｖの駆動能力を持つ回路が搭載されている。また、高電位側のパワー半導体素子を駆動するために、制御信号を絶縁分離する回路を搭載している。
バッテリ７０は、直流電源で、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池などの電力密度の高い２次電池で構成する。バッテリ７０は、電力変換装置２０を介して、回転電機130，１４０に電力を供給し、または、逆に、回転電機１３０，１４０の発電力を電力変換装置２０で変換して貯蔵する。
変速機５７，エンジン５５，電力変換装置２０，バッテリ７０は、各々、変速機制御装置ＴＣＵ，エンジン制御装置ＥＣＵ，回転電機制御装置ＭＣＵ，バッテリ制御装置ＢＣＵにより制御される。これらの制御装置は、車載用ローカルエリアネットワークＬＡＮにより、総合制御装置ＧＣＵに接続され、総合制御装置ＧＣＵからの指令値に基づき統括されるとともに、総合制御装置ＧＣＵとの間での双方向通信も可能である。各制御装置は、総合制御装置ＧＣＵの指令信号（指令値），各種センサ，他の制御装置の出力信号（各種パラメータ値），予め記憶装置に記憶されているデータやマップ等に基づいて、機器を制御する。
例えば、総合制御装置ＧＣＵは、運転者の加速要求に基づいたアクセルの踏み込み量に応じて車両の必要トルク値を算出し、この必要トルク値を、エンジン５５の運転効率が良くなるように、エンジン５５側の出力トルク値と第１の回転電機１３０側の出力トルク値とに分配する。分配されたエンジン５５側の出力トルク値はエンジントルク指令信号としてエンジン制御装置ＥＣＵに伝達され、分配された第１の回転電機１３０側の出力トルク値はモータトルク指令信号として回転電機制御装置ＭＣＵに伝達され、各々、エンジン
５５，回転電機１３０を制御する。
次に、ハイブリッド自動車の運転モードを説明する。
まず、車両の発進時や低速走行時においては、主に回転電機１３０を回転電機として動作させ、回転電機１３０で発生した回転駆動力を、変速機５７及びデファレンシャルギアＤＥＦを介して前輪車軸ＦＤＳに伝達する。これにより、前輪車軸ＦＤＳが回転電機130の回転駆動力によって回転駆動されて前輪ＦＲＷ，ＦＬＷが回転駆動し、車両が走行する。このとき、回転電機１３０には、バッテリ７０からの出力電力（直流電力）が電力変換装置２０によって三相交流電力に変換され、供給される。
次に、車両の通常走行時（中速，高速走行時）においては、エンジン５５と回転電機
１３０を併用し、エンジン５５で発生した回転駆動力と、回転電機１３０で発生した回転駆動力とを、変速機５７及びデファレンシャルギアＤＦＦを介して前輪車軸ＦＤＳに伝達する。これにより、前輪車軸ＦＤＳがエンジン５５と回転電機１３０の回転駆動力によって前輪ＦＲＷ，ＦＬＷが回転駆動され、車両が走行する。また、エンジン５５で発生した回転駆動力の一部は、回転電機１４０に供給される。この動力の分配により、回転電機
１４０は、エンジン５５で発生した回転駆動力の一部によって回転駆動され、発電機として動作し、発電する。回転電機１４０によって発電された三相交流電力は、電力変換装置２０に供給され、一旦直流電力に整流された後、三相交流電力に変換して、回転電機130に供給する。これにより、回転電機１３０は回転駆動力を発生することが可能になる。
次に、車両の加速時、特にエンジン５５に供給される空気量を制御するスロットル弁の開度が全開になる急加速時（例えば、急勾配坂の登坂時で、アクセルの踏み込み量が大きい時）においては、前述した通常走行時の動作に加え、バッテリ７０からの出力電力を電力変換装置２０によって三相交流電力に変換して回転電機１３０に供給し、回転電機130によって発生する回転駆動力を増加する。
次に、車両の減速・制動時においては、前輪ＦＲＷ，ＦＬＷの回動による駆動車軸FDSの回転駆動力をデファレンシャルギアＤＦＦ，変速機５７を介して回転電機１３０に供給して、回転電機１３０を発電機として動作させ、発電させる。発電によって得られた三相交流電力（回生エネルギー）は、電力変換装置２０によって直流電力に整流され、バッテリ７０に供給される。これにより、バッテリ７０を充電することができる。
車両の停止時は、基本的にはエンジン５５及び回転電機１３０，１４０の駆動は停止するが、バッテリ７０の残量が少ない場合には、エンジン５５を駆動して回転電機１４０を発電機として動作させ、得られた発電電力を電力変換装置２０を介してバッテリ７０を充電する。
なお、１３０，１４０の発電，駆動の役割は、特に限定されず、効率によっては、上述と逆の役割で動作することも可能である。
本発明の実施形態における電力変換装置２０の主回路の回路図を図２に示す。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。
本実施形態の電力変換装置２０は、スイッチング時に瞬時に電力を供給するコンデンサモジュール１３，スイッチング動作を行うパワーモジュール５，パワーモジュール５のスイッチング電力を供給する駆動回路装置ＤＣＵ，回転電機を制御するためにパワーモジュール５のスイッチング動作を制御する回転電機制御装置ＭＣＵから構成される。
なお、図２では、第１の回転電機１３０に対する電力変換装置２０の構成のみを示しているが、図１の電力変換装置２０は、第２の回転電機１４０に対するパワーモジュール５，駆動回路装置ＤＣＵも備えており、それらの構成は、図２に示すものと同様である。
パワーモジュール５は、オン／オフのスイッチング動作を行うパワー半導体素子Ｍ
（Ｍｐｕ，Ｍｎｕ，Ｍｐｖ，Ｍｎｖ，Ｍｐｗ，Ｍｎｗ）を用いて、３相交流出力のための３個（Ａｕ，Ａｖ，Ａｗ）のブリッジ回路を構成する。
ブリッジ回路の両端は、接続端子部１５ａ及び接続端子部１６ａを通じて、コンデンサモジュール１３の接続端子部１５ｂ，１６ｂと接続される。また、コンデンサモジュール１３は、接続端子部１５ｃ，１６ｃを通じてバッテリ７０に接続される。
ブリッジ回路の中点は、接続端子部２４Ｕ，２４Ｖ，２４Ｗを通じて、回転電機１３０の３相入力接続端子部（Ｕ接続端子部，Ｖ接続端子部，Ｗ接続端子部）に接続される。
ブリッジ回路は、アームともよばれ、高電位側に接続されたパワー半導体素子を上アーム、低電位側に接続されたパワー半導体素子を下アームと呼ぶ。
３個のブリッジ回路（Ａｕ，Ａｖ，Ａｗ）のパワー半導体素子は、３相交流電圧を発生するようにそれぞれ１２０°の位相差を持たせてオン／オフのスイッチング動作を行い、高電位側（上アーム），低電位側（下アーム）の接続を切り替える。これにより、時間幅に粗密のあるパルス電圧波形の３相交流電圧を発生させる。
パワー半導体素子Ｍ（Ｍｐｕ，Ｍｎｕ，Ｍｐｖ，Ｍｎｖ，Ｍｐｗ，Ｍｎｗ）は、大電流によるスイッチングを行うため、パワー半導体素子を駆動するための駆動回路が必要となる。このため、パワーモジュール５に、パワー半導体素子を駆動するための駆動回路装置ＤＣＵが接続される。
また、駆動回路装置ＤＣＵには、回転電機制御装置ＭＣＵが接続される。駆動回路装置ＤＣＵは、回転電機制御装置ＭＣＵから、回転電機の回転数，トルクに応じたスイッチング時間幅，タイミング（パルス電圧の粗密幅）の各信号を受ける。
本実施例では、パワー半導体素子Ｍ(Ｍｐｕ，Ｍｎｕ，Ｍｐｖ，Ｍｎｖ,Ｍｐｗ,Ｍｎｗ)として、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）を用いている。このため、スイッチング時における電流を還流させるためのダイオードＤ（Ｄｐｕ，Ｄｎｕ，Ｄｐｖ，Ｄｎｖ，Ｄｐｗ，Ｄｎｗ）が、ＩＧＢＴに外付けで逆並列に接続されている。
また、本実施例では、各相の上／下アームのパワー半導体素子Ｍは、１つの素子で構成されている（ダイオードを入れると２つ）が、電流容量に合わせて、パワー半導体素子Ｍを並列接続させることもできる。
また、本実施例では、パワー半導体素子ＭとしてＩＧＢＴを用いたが、ＩＧＢＴに代えて、ＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ）を用いてもよい。この場合は、ＭＯＳＦＥＴにはその構造上、還流用ダイオードが内蔵されているため、ダイオードを外付けしなくてもよい。
図３は、本実施例における電力変換装置２０の分解斜視図であり、図４は、本実施例における電力変換装置２０の外観斜視図である。
電力変換装置２０は箱体の形状をなす金属ケース６を有し、金属ケース６の底部には、冷却水が循環する冷媒通路７を内部に有する水路形成体４８が設けられている。金属ケース６の底部には、冷媒通路７に冷却水を供給するための入口管７２および出口管７４が金属ケース６の外側へ突出している。水路形成体４８は冷媒通路を形成するものであり、本実施例では、冷媒としてエンジン冷却水が用いられる。
電力変換装置２０のパワーモジュール５は、金属ケース６内に並設される第１のパワーモジュール５Ａと第２のパワーモジュール５Ｂで構成されている。第１のパワーモジュール５Ａと第２のパワーモジュール５Ｂには、冷却用の放熱フィン（図示せず）がそれぞれ設けられている。一方、水路形成体４８には開口４９が設けられている。第１のパワーモジュール５Ａと第２のパワーモジュール５Ｂを水路形成体４８に固定することで、冷却用の放熱フィンがそれぞれ開口４９から冷媒通路７の内部に突出する。開口４９は、放熱フィンの周囲の金属壁で塞がれ、冷却水路が形成されると共に冷却水が漏れないように開口４９が塞がれる。
第１のパワーモジュール５Ａと第２のパワーモジュール５Ｂは、金属ケース６の冷却水の入口管７２および冷却水の出口管７４が形成された側壁面に直交する仮想の線分を境にして左右のそれぞれに配置されている。
水路形成体４８の内部に形成される冷却水路は、冷却水の入口管７２から金属ケース底部の長手方向に沿って他端まで延び、他端部でＵ文字状に折り返され、金属ケース６の底部の長手方向に沿って出口管７４まで延びている。上記長手方向に沿った並行する２組の水路が水路形成体４８内に形成され、水路形成体４８にはそれぞれの水路に貫通する形状の開口４９が形成されている。上記通路に沿って水路形成体４８に第１のパワーモジュール５Ａと第２のパワーモジュール５Ｂが固定される。
第１と第２のパワーモジュール５Ａ，５Ｂに設けられた放熱フィンが水路に突出することで効率の良い冷却が成されると共に、金属製の水路形成体４８に第１のパワーモジュール５Ａと第２のパワーモジュール５Ｂの放熱面が密着することで効率の良い放熱構造を実現できる。さらに、開口４９は、第１のパワーモジュール５Ａと第２のパワーモジュール５Ｂの放熱面でそれぞれ塞がれるため、構造が小型になるとともに、冷却効果が向上する。
第１のパワーモジュール５Ａと第２のパワーモジュール５Ｂにそれぞれ積層して、第１の駆動回路基板１Ａと第２の駆動回路基板１Ｂが並設されて配置されている。第１の駆動回路基板１Ａと第２の駆動回路基板１Ｂは、図１で示した駆動回路基板１を構成する。
第１のパワーモジュール５Ａの上方に配置される第１の駆動回路基板１Ａは、平面的に見たとき、第１のパワーモジュール５Ａよりやや小さく形成されている。同様に、前記第２のパワーモジュール５Ｂの上方に配置される第２の駆動回路基板１Ｂも、平面的に見たとき、第２のパワーモジュール５Ｂよりやや小さく形成されている。
金属ケース６の側面には、冷却水の入口管７２および出口管７４が設けられ、この側面にさらに孔８１に形成され、この孔８１に信号用のコネクタ８２が配置される。
第１の駆動回路基板１Ａと第２の駆動回路基板１Ｂの上方には、平滑用の複数のコンデンサを有するコンデンサモジュール１３が配置され、このコンデンサモジュール１３は、第１のコンデンサモジュール１３ａと第２のコンデンサモジュール１３ｂを有している。第１のコンデンサモジュール１３ａと第２のコンデンサモジュール１３ｂは、それぞれ、第１の駆動回路基板１Ａと第２の駆動回路基板１Ｂの上方に配置されている。
第１のコンデンサモジュール１３ａと第２のコンデンサモジュール１３ｂの上方には、平板状の保持板６２が、その周辺を金属ケース６の内壁面に密着して固定されて配置されている。この保持板６２は、パワーモジュールの側の面に、第１のコンデンサモジュール１３ａと第２のコンデンサモジュール１３ｂを支持するとともに、その反対側の面に、回転電機制御回路基板７５を保持し、固定している。そして、この保持板６２は金属材料から構成され、コンデンサモジュール１３ａとコンデンサモジュール１３ｂ、及び、回転電機制御装置ＭＣＵを搭載した制御回路基板７５の発熱した熱を金属ケース６に流し、放熱する。
上述のように、パワーモジュール５と駆動回路基板１とコンデンサモジュール１３と保持板６２と制御回路基板７５とを金属ケース６内に収納し、金属ケース６の上部の開口は金属製のカバー９０によって塞がれている。カバー９０は、ネジ５０を用いて金属ケース６に固定されている。
また、金属ケース６の冷却水の入口管７２及び出口管７４が設けられた側壁を正面とした場合、その側壁には、端子ボックス８０が取り付けられて配置されている。端子ボックス８０には、バッテリ７０からの直流電力をコンデンサモジュール１３の接続端子部15ｃ，１６ｃに供給するための直流電力用コネクタ９５，９６と、その内部に設けられた直流電力用の端子台８５と、第１の回転電機１３０及び第２の回転電機１４０に接続するための交流電力用コネクタ９１，９２と、その内部に設けられた交流用の端子台８３とが設けられている。
直流電力用の端子台８５は、バスバを介して第１のコンデンサモジュール１３ａと第２のコンデンサモジュール１３ｂの電極に電気的に接続され、交流用の端子台８３はパワーモジュール５を構成する複数のパワーモジュール５Ａ，５Ｂの端子とそれぞれバスバを介して電気的に接続されている。
なお、この端子ボックス８０は、その本体８４に直流電力用の端子台８５を配置させた底板部６４とカバー部６６とが取り付けられることによって構成されるようになっている。端子ボックス８０の組み立てを容易にするためである。
以上のように構成することにより、小型な電力変換装置２０を提供することができる。
図５に、本実施例におけるパワーモジュール５の斜視図を示す。
パワーモジュール５は、複数のパワー半導体素子Ｍ（Ｍｐｕ，Ｍｎｕ，Ｍｐｖ，Ｍｎｖ，Ｍｐｗ，Ｍｎｗ）を備えている。また、電流を還流させるためのダイオードＤ（Ｄｐｕ，Ｄｎｕ，Ｄｐｖ，Ｄｎｖ，Ｄｐｗ，Ｄｎｗ）が、パワー半導体素子Ｍと並列に設けられている。なお、本実施例では、パワー半導体素子Ｍ及びダイオードＤは、それぞれ同一の２つの素子が並列接続されて回路上の個々の素子を構成している。ただし、素子の個数は仕様等に応じて適宜変更が可能である。
パワーモジュール５の向かい合う長辺に沿って、コンデンサモジュール１３に接続される接続端子部が配置されている。正極側の接続端子部１６ａと負極側の接続端子部１５ａが複数個一列に並んで配置されている。また、パワーモジュール５の他の長辺には、回転電機１３０を駆動する交流電流を出力するための接続端子部２４Ｕ，２４Ｖ，２４Ｗが一列に配置されている。接続端子部２４Ｕ，２４Ｖ，２４ＷからそれぞれＵ相，Ｖ相，Ｗ相の三相交流電流を出力することにより、回転電機１３０が駆動制御される。パワー半導体素子Ｍ，ダイオードＤ、及び、各接続端子部の間は、アルミワイヤ８により電気的に接続されている。
また、パワーモジュール５には、駆動回路基板１から与えられた制御信号(ゲート信号)をパワー半導体素子Ｍ（Ｍｐｕ，Ｍｎｕ，Ｍｐｖ，Ｍｎｖ，Ｍｐｗ，Ｍｎｗ）のゲート端子に伝達するためのゲートピン２５が設けられている。パワー半導体素子Ｍは、駆動回路基板１からのゲート信号に基づいて制御される。パワー半導体素子Ｍは６組配置されているため、それぞれのパワー半導体素子Ｍに接続される６組のゲートピンが設けられている。
パワー半導体素子Ｍ及びダイオードＤは、窒化アルミ（ＡｌＮ）等の絶縁基板５６上に搭載されている。窒化アルミ（ＡｌＮ）は、良好な熱伝導性を有するため、好んで用いられる。また、窒化アルミ（ＡｌＮ）に代えて、窒化ケイ素（ＳｉＮ）を用いることも可能である。窒化ケイ素（ＳｉＮ）は靭性が高いため、絶縁基板５６を薄く形成することができる。
絶縁基板５６には、金属ベース２６側の面において、Ｎｉメッキした銅等で全面またはその一部にのみパターンが形成され、パワー半導体素子Ｍ等が配置される面には、Ｎｉメッキした銅等で配線パターンが形成されている。絶縁基板５６の両面に金属を貼り付けることにより、パワー半導体素子Ｍ等と金属ベース２６とのはんだ付けを可能にするとともに、絶縁基板５６を金属で挟んだサンドイッチ構造としている。このような構成により、温度変化したときに熱膨張係数の差による変形を抑制することができる。
このサンドイッチ構造を採用した結果、絶縁基板５６を薄くすると、パワー半導体素子Ｍのスイッチング時に、パワー半導体素子Ｍの搭載側の配線パターンに流れる電流変化に応じて、金属ベース２６側の全面パターンに誘導されるうず電流が多くなる。この結果、絶縁基板５６上の配線パターンの寄生インダクタンスを低減することができ、パワーモジュール５の低インダクタンス化に寄与する。
また、パワーモジュール５の下部には、銅等で形成された金属ベース２６が設けられている。金属ベース２６の下には、直線形状やピン形状の放熱フィン（図示せず）が形成されている。パワーモジュール５を金属ケース６に搭載することにより冷媒通路が形成され、金属ベース２６の下には、直接、冷却水が流れる。
図６は、直流電流端子の接続端子部１５ａ，１６ａの断面図である。
接続端子部１５ａ，１６ａは、樹脂ケース４６に固定されている。コンデンサモジュール１３と接続する端部において、正極の接続端子部１６ａ及び負極の接続端子部１５ａは、互いに反対方向に折れ曲がっている。また、正極の接続端子部１６ａ及び負極の接続端子部１５ａは、絶縁シート等の絶縁部材２８を介して積層されている。このような積層構造により、接続端子部１５ａ，１６ａに流れる電流は逆方向に流れることになるため、電流が作る磁場が打ち消しあい、インダクタンスを低減させることができる。
また、接続端子部１５ａ，１６ａに接続されるコンデンサモジュール１３との接続を容易にするため、樹脂ケース４６にはナット３２，３４が埋め込まれており、ネジを用いてコンデンサモジュール１３を取り付ける構造となっている。ただし、接続をさらに容易にするために、ネジの代わりに溶接等で接続させることも可能である。
（実施例１）
図７に、本発明の実施例１である電力変換装置２０の断面構造図を示す。図７において、１はパワー半導体素子を駆動するための駆動回路基板、２は駆動回路基板１上の電子部品、３は放熱シート、４は金属板、５はパワー半導体素子Ｍ及びダイオードＤを有するパワーモジュール、６は金属ケースである。
それぞれ、上から駆動回路基板１，放熱シート３，金属板４，パワーモジュール５，金属ケース６の順に組み立てられている。
駆動回路基板１には、パワーモジュール５のパワー半導体素子Ｍを駆動制御するための回路が搭載されている（駆動回路装置ＤＣＵ）。駆動回路基板１は、パワーモジュール５に固定され、駆動回路基板１とパワーモジュール５の制御端子は、半田付け等により電気的に接続されている。なお、本実施例の駆動回路基板１には、駆動回路装置ＤＣＵが搭載されているが、これに加えて、回転電機制御装置ＭＣＵを含めて搭載することも可能である。
駆動回路基板１上には、パワー半導体素子Ｍを駆動するためのドライバＩＣやホトカプラ，バッファトランジスタ，コンデンサ，マイコン等の発熱部品である電子部品２が複数搭載されている。
放熱シート３は、駆動回路基板１とシールド板としての機能を有する金属板４との間に配置されている。この放熱シート３は、駆動回路基板１の熱を、金属板４から金属ケース６に効率的に逃がすために用いられている。
また、駆動回路基板１には、パワー半導体素子Ｍと同電位の高電圧部が設けられているため、金属ケース６の電位に落とされている金属板４との間で絶縁性を確保する必要がある。このため、放熱シート３としての材料は、熱伝導率が高く、かつ、絶縁性を確保したものが用いられる。本実施例では、セラミックフィラを含有したシリコンシートを用いている。このシリコンシートの厚さは約２.７mm、熱伝導率は約１.２Ｗ／ｍＫ、絶縁破壊強さは約２６ｋＶである。セラミックフィラを含有したシリコンシートとしては、熱伝導率が１〜５Ｗ／ｍＫのものを用いることが好ましい。ただし、上記に限定されるものではなく、放熱シート３として、例えばＥＰＤＭゴム（エチレンプロピレンゴム）系のシートを用いることもできる。この場合には、熱伝導率が１Ｗ／ｍＫ以下のものを用いてもよい。また、他の材料を用いたものであってもよい。
金属板４は、アルミニウムで形成されており、駆動回路基板１及び放熱シート３から伝達された熱を効率よく逃がすため、その一端を冷却水を通流する金属ケース６に固定している。本実施例では、金属板４は、ネジを用いて金属ケース６に固定されている。ただし、これに限られず、溶接等の他の方法により固定されるものであってもよい。
また、金属板４は、パワーモジュール５のパワー半導体素子Ｍから放射されるノイズにより駆動回路基板１上の制御回路が誤動作を防止する機能を有する。本実施例の金属板４は、熱伝導率が高くシールド効果もあるアルミニウムを用いているが、銅等のその他の金属や、異方性カーボン等の材料、または、ヒートパイプ等を代わりに用いることも可能である。また、金属板４の表面にニッケルめっき等の処理を施すことにより、効果的に酸化を防止することができる。
パワーモジュール５は、金属ケース６に固定される。パワーモジュール５の内部に設けられているパワー半導体素子Ｍは、駆動回路基板１上の制御回路により駆動制御される。パワー半導体素子Ｍは、三相ブリッジ回路を形成するように、各パワー半導体素子Ｍ間，パワー半導体素子Ｍと入力端子との間、パワー半導体素子Ｍと出力端子との間を電気的に接続するためのアルミワイヤ８により電気的に接続される。ただし、アルミワイヤ８に代えて、板状導体等により接続することも可能である。
また、パワー半導体素子Ｍは、高電圧でスイッチング動作するため、自己発熱が大きい。このため、金属ケース６には冷媒通路７が設けられている。冷媒通路７は、パワー半導体素子Ｍからの発熱を冷却するための冷却水等が通流される。冷却効率を向上させるため、冷媒通路７には、冷媒との接触面積を増加させるための放熱フィンを設けることができる。放熱フィンとしては、直線形状やピン形状のものが用いられる。
なお、本実施例では、冷媒通路７は金属ケース６の内部に設けられているが、これに限られず、パワーモジュール５のベース部を冷媒に直接接触させる直接冷却構造を採用することもできる。本構造では、金属ケース６に冷媒通路７となる開口部を設け、その開口部の上にパワーモジュール５の金属ベース２６を直接配置することにより、冷媒通路７が形成されることになる。この場合、パワーモジュール５の金属ベース２６に、直線形状やピン形状の放熱フィンを設けることが可能である。
また、パワー半導体素子Ｍは、銅配線パターンが配置された絶縁基板５６上に設けられ、シリコンゲル等の樹脂により封止されている。このため、シリコンゲルがパワー半導体素子Ｍが発した熱により温度上昇する。この結果、この熱が金属板４や駆動回路基板１に伝達し、これらの温度を上昇させることになる。そこで、金属板４や駆動回路基板１の温度上昇を防ぐため、パワーモジュール５は、樹脂等で形成された蓋により封止されている。
以上のように、簡易な構成により、駆動回路基板１の熱は、駆動回路基板１から放熱シート３，金属板４，金属ケース６へと効率よく伝達される。このため、周囲温度が高い場合でも、駆動回路基板１を金属ケース６の温度と同様に低く保つことが可能となる。
また、パワー半導体素子Ｍから放射される電磁ノイズは、金属ケース６に接地された金属板４で遮断される。このため、駆動回路１が誤動作する危険性を低減することが可能となり、耐ノイズ性に優れた電力変換装置を提供することができる。
また、耐熱性及び耐ノイズ性を確保しながら、パワーモジュール５と駆動回路基板１との間の距離を小さくすることができるため、これらを接続するためのゲートピン２５（図５）が短くなり、この部分のインダクタンスを低減させることが可能である。
（実施例２）
次に、本発明の実施例２である電力変換装置について説明する。図８は実施例２の電力変換装置の断面構造図であり、図９は電力変換装置の要部の平面図及び断面図である。
図８に示すとおり、実施例２の電力変換装置は、実施例１と同様に、駆動回路基板１，放熱シート３，金属板４，パワーモジュール５、及び、金属ケース６を有する。ただし、実施例２では、放熱シート３を熱的に厳しい箇所にのみ配置している点で、実施例１の構成とは異なる。すなわち、本実施例では、放熱シート３は複数に分割されており、それぞれの放熱シート３は、ドライバＩＣやホトカプラ等の発熱部品の直下に選択的に配置されている。耐熱温度が１２５℃程度のドライバＩＣや耐熱温度が１００℃程度のホトカプラのような熱的に厳しい部品の直下に、選択的に放熱シート３を設けることにより、放熱シート３のコストを低減することができる。
また、熱的に比較的余裕のある箇所には、放熱シート３を配置しないため、金属ケース６に接地される金属板４との間での電気絶縁性を確保することができなくなる。このため、本実施例では、放熱シート３の下に、絶縁シート１０を設けることにより、電気絶縁性を確保している。
また、駆動回路基板１上には、放熱シート３と接触する面において、電子部品が搭載されている。すなわち、駆動回路基板１の両面側に電子部品が実装される両面実装構造となっている。このような構成を採用することにより、実装面積を小さくすることができる。ここで、放熱シート３と接触する面に搭載される電子部品は、複数に分割された放熱シート３の間に配置されている。放熱シート３は、ドライバＩＣやホトカプラ等の発熱部品の直下に配置されているため、これらの電子部品は、発熱部品の直下には配置されない。
本実施例の絶縁シート１０としては、ポリエステル系シート（ＰＥＴシート）が用いられる。このシートは、熱伝導率が約０.１６Ｗ／ｍＫ、厚さが約０.１mm、絶縁破壊強さが約１２.５ｋＶ という性質を有する。なお、絶縁シート１０としては、絶縁性だけでなく耐熱温度をも考慮する必要があるため、できるだけ耐熱温度の高いシートを用いることが好ましい。絶縁シート１０としては、ポリエステル系シート以外にも、例えば、ポリフェニルサルファイド系シート（ＰＰＳシート）やポリオレフィン系シート（ＰＰシート）等を採用することもできる。
絶縁シート１０の熱伝導率は、放熱シート３と比較して悪いが、放熱シート３より薄い絶縁シート１０を採用することにより、放熱性の劣化を抑制することができる。放熱シート３の厚さは、例えば２〜３mm程度のものが用いられるが、絶縁シート１０の厚さは、
０.１〜０.２mm前後のものが採用される。ただし、これらのシートの厚さは、必ずしも上記の範囲でなければならないというものではなく、使用環境やその他制限等により適宜変更することが可能である。
例えば、本実施例の駆動回路基板１には、放熱シート３と接触する面において、電子部品が搭載されている。この電子部品は、放熱シート３と絶縁シート１０に囲まれるように駆動回路基板１に搭載される。このため、少なくとも、放熱シート３の厚さを電子部品の高さより大きくする必要がある。
薄い放熱シート３を用いる場合には、面実装型の電子部品だけをこの面に配置して、コンデンサ等の比較的大きな部品については、放熱シート３との接触面とは反対側の面に搭載することが望ましい。ただし、面積の制約等により、ディスクリート部品等の大きな部品を放熱シート３との接触面に配置する場合には、放熱シート３の厚さをこのディスクリート部品等の高さより大きくすればよい。
また、高圧で電位の変動する駆動回路と金属ケース６に接地される金属板４との絶縁性を確実にするため、絶縁シート１０の面積を金属板４より広いものにすることが望ましい。ただし、全体に渡って金属板４より大きな絶縁シート１０を用いる必要はない。駆動回路基板１上の電子部品等と金属板４との間の絶縁距離を確保するため、駆動回路基板１や電子部品等の位置を考慮して、部分的に、絶縁シート１０が金属板４より外側に広がっている構成であればよい。
また、金属板４と絶縁シート１０は、パワーモジュール５との間の相対的な位置関係を決めるための位置決め用の穴１１を有する。この位置決め用の穴１１は、パワーモジュール５に設けられた位置決め用の突出部に通すように構成されている。このような位置決め用の穴１１が設けられていることにより、金属板４と絶縁シート１０をパワーモジュール５に搭載する際の組み立て性を向上させることができる。
さらに、本実施例では、金属板４の端部を折り曲げ、パワーモジュール５のベース材にネジを用いて固定している。このような構成を採用することにより、パワーモジュール５に組み立てる構成部分を予め組み立てておくことができるため、電力変換装置の組み立て性を容易にすることが可能になる。
なお、本実施例では、放熱シート３を分割して、ドライバＩＣやホトカプラ等の発熱部品の直下、すなわち熱的に厳しい箇所にのみ放熱シート３を配置した構成について説明したが、これに代えて、例えば、全体またはその一部をメッシュ状にした放熱シート３を採用することもできる。メッシュ状の放熱シート３は、必要に応じて、分割することもできる。このような構成でも、コストを低減させたうえで放熱性を確保することが可能である。
（実施例３）
次に、本発明の実施例３である電力変換装置について説明する。実施例３の電力変換装置の断面構造図を図１０に示す。
実施例３において、１３はパワー半導体素子Ｍのスイッチング時における電流を平滑化するためのコンデンサモジュールであり、１４はコンデンサモジュール１３に一体化されたバスバである。バスバ１４は、パワーモジュール５の端子にネジを用いて固定されている。
通常、パワー半導体素子Ｍの駆動時は、コンデンサモジュール１３からパワー半導体素子へ、急峻な電流が流れる。このため、駆動回路基板１がバスバ１４やパワー半導体素子Ｍの端子の近傍に位置すると、パワー半導体素子から電磁ノイズの影響を受け、誤動作するおそれがある。そこで、本実施例では、金属板４を屈曲させ、ノイズ源であるバスバ
１４と駆動回路基板１との間に金属板４を設けた構成としている。このような構成を採用することにより、駆動回路基板１を電磁ノイズから効果的にシールドすることが可能になる。
このように、上記実施例１乃至３の構成によれば、駆動回路基板の熱を、駆動回路基板から放熱シート，金属板，ケースへと効果的に逃がすことができる。また、接着剤の硬化や、フレキシブル基板といった余分な部材を必要としないため、電力変換装置の組み立てが容易になり、生産性を向上させることができる。
また、駆動回路基板１とパワー半導体素子Ｍの間に金属ケース６に接地した金属板４を配置することにより、パワー半導体素子Ｍから放射される電磁ノイズを遮断することが可能となり、駆動回路基板１の耐ノイズ性能を向上させることが可能となる。
以上、上記実施例によれば、簡易な構成で、耐ノイズ性と高放熱性能を併せ持つ構成を可能にし、耐ノイズ性と高放熱性能を有する電力変換装置を提供することができる。
本発明の一実施形態における車両構成図である。 本発明の一実施形態における電力変換装置の回路図である。 本発明の一実施形態における電力変換装置の外観斜視図である。 本発明の一実施形態における電力変換装置の分解斜視図である。 本発明の一実施形態におけるパワーモジュールの斜視図である。 本発明の一実施形態におけるパワーモジュールの要部断面図である。 本発明実施例１の構成の断面図である。 本発明実施例２の構成の断面図である。 本発明実施例２の放熱シートと金属板の構成を示す平面図である。 本発明実施例３の金属板の形状を示す断面図である。
符号の説明
１ 駆動回路基板
２ 電子部品
３ 放熱シート
４ 金属板
５ パワーモジュール
６ 金属ケース
７ 冷媒通路
８ アルミワイヤ
１０ 絶縁シート
１１ 位置決め用穴
１２ 金属板固定用穴
１３ コンデンサモジュール
１４ バスバ
２０ 電力変換装置

Claims (20)

  1. 金属ケースと、
    前記金属ケースに搭載され、複数のパワー半導体素子を備えたパワーモジュールと、
    前記パワーモジュールに搭載され、前記金属ケースに固定された金属板と、
    前記金属板の上に配置された放熱シートと、
    前記放熱シートの上に配置された、前記パワー半導体素子を制御するための駆動回路基板と、を有することを特徴とする電力変換装置。
  2. 請求項１記載の電力変換装置において、
    前記金属板と前記放熱シートとの間には、絶縁シートが設けられていることを特徴とする電力変換装置。
  3. 請求項２記載の電力変換装置において、
    前記放熱シートは、複数に分割されて、前記絶縁シートの上に設けられていることを特徴とする電力変換装置。
  4. 請求項３記載の電力変換装置において、
    前記放熱シートは、前記駆動回路基板の上に搭載された発熱部品の下部に配置されていることを特徴とする電力変換装置。
  5. 請求項３記載の電力変換装置において、
    前記駆動回路基板には、前記放熱シートと接触する面において、電子部品が搭載されており、
    前記電子部品は、複数に分割された前記放熱シートの間に配置されていることを特徴とする電力変換装置。
  6. 請求項２記載の電力変換装置において、
    前記放熱シートは、メッシュ状であることを特徴とする電力変換装置。
  7. 請求項５記載の電力変換装置において、
    前記金属板は、前記金属ケースにネジを用いて固定されていることを特徴とする電力変換装置。
  8. 請求項２記載の電力変換装置において、
    前記金属板及び前記絶縁シートは、前記パワーモジュールとの間の相対的位置関係を決めるための位置決め穴を有することを特徴とする電力変換装置。
  9. 請求項２記載の電力変換装置において、
    前記金属ケースは、前記パワーモジュールの下部において、冷媒通路を有することを特徴とする電力変換装置。
  10. 請求項１記載の電力変換装置において、
    さらに、コンデンサを有し、
    前記コンデンサは、バスバを用いて前記パワーモジュールと電気的に接続されており、
    前記金属板は、屈曲することにより、その一部が前記バスバと前記駆動回路基板との間に位置していることを特徴とする電力変換装置。
  11. バッテリから供給される直流電流を三相交流電流に変換するための複数のパワー半導体素子を備えたパワーモジュールと、
    前記直流電流を平滑化するための複数のコンデンサを備えたコンデンサモジュールと、
    前記パワーモジュールの上に搭載された金属板と、
    前記金属板の上に配置された放熱シートと、
    前記放熱シートの上に配置された、前記複数のパワー半導体素子に制御信号を供給するための回路を備えた駆動回路基板と、を有することを特徴とする電力変換装置。
  12. 請求項１１記載の電力変換装置において、
    前記金属板と前記放熱シートとの間には、絶縁シートが設けられていることを特徴とする電力変換装置。
  13. 請求項１１記載の電力変換装置において、
    前記パワーモジュールは、金属ケースに搭載されており、
    前記金属板は、前記金属ケースに固定されていることを特徴とする電力変換装置。
  14. 請求項１１記載の電力変換装置において、
    前記パワーモジュールは、前記コンデンサモジュールに接続するための正極側接続端子及び負極側接続端子を有し、
    前記正極側接続端子及び前記負極側接続端子は、絶縁部材を介して積層されていることを特徴とする電力変換装置。
  15. 請求項１４記載の電力変換装置において、
    前記正極側接続端子及び前記負極側接続端子は、前記コンデンサモジュールに接続される端部において、互いに反対方向に折れ曲がっていることを特徴とする電力変換装置。
  16. 請求項１４記載の電力変換装置において、
    前記パワーモジュールは、樹脂で形成された樹脂ケースを備えており、
    前記正極側接続端子及び前記負極側接続端子の少なくとも一部は、前記樹脂ケースの内部に固定されていることを特徴とする電力変換装置。
  17. 請求項１６記載の電力変換装置において、
    前記正極側接続端子及び前記負極側接続端子は、前記樹脂ケースの一辺に複数個並んで配置されていることを特徴とする電力変換装置。
  18. 請求項１７記載の電力変換装置において、
    前記パワーモジュールは、前記三相交流電流を出力するための交流接続端子を有し、
    前記交流接続端子は、前記正極側接続端子及び前記負極側接続端子が配置された前記樹脂ケースの一辺と対向する辺に複数個並んで配置されていることを特徴とする電力変換装置。
  19. 請求項１１記載の電力変換装置において、
    前記パワー半導体素子は、絶縁基板の上に配置されており、
    前記絶縁基板には、前記パワー半導体素子が搭載されている側の面及びその反対側の面の両面において、金属によるパターンが形成されていることを特徴とする電力変換装置。
  20. 請求項１９記載の電力変換装置において、
    前記絶縁基板は、窒化ケイ素（ＳｉＮ）からなることを特徴とする電力変換装置。
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