JP5506749B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は直流電力を交流電力に変換しあるいは交流電力を直流電力に変換するために使用する電力変換装置に関する。

電力変換装置の一例は特開２００８−１９３８６７号公報に開示されている。

特開２００８−１９３８６７号公報においては、半導体モジュールは両側に冷却金属を有し冷却金属の間に上アーム用の半導体チップと下アーム用の半導体チップとを挟み込み、半導体モジュールを水路筐体本体部に挿入される構成が開示されている。

特開２００８−１９３８６７号公報

しかしながら、上記特許文献では、半導体モジュールを挿入するための開口は、水路筐体の上面側に設けられており、そのため、半導体のモジュールの高さ方向にある程度スペースを設ける必要が生じ、結果としてインバータ全体寸法が（特に高さ方向）が大型化してしまうという問題があった。

そこで、本発明の目的は、従来の電力変換装置に対し、寸法の縮小（低背化）・低コスト化が可能な電力変換装置を提供することである。

上記課題を解決するために、例えば、冷却媒体を流すための冷媒流路を形成する流路形成体に、直流電力を交流電力に変換するインバータ回路を構成するための半導体チップを少なくとも１つ内蔵する複数のパワー半導体モジュールを、流路形成体の側面からパワー半導体モジュールの放熱面が上面及び下面となるように流路形成体内部に配置する。さらに、平滑用のコンデンサモジュールは流路形成体の下面側に配置し、交流バスバーアッセンブリとドライバ回路を流路形成体の上面側に配置したものを流路形成体モジュールとし、電力変換装置のハウジング内に納めるように構成すればよい。

本発明によれば、電力変換装置の寸法の縮小（低背化）が可能となり、さらに低コストを実現できる。

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１に示す電気回路の構成を示す回路図である。 電力変換装置の構成を説明するための分解斜視図である。 流路形成体１２、及びパワー半導体モジュール３００の構成を説明するための分解斜視図である。 電力変換モジュール２００の全体構成を説明するために構成要素に分解した斜視図である。 （ａ）は、入口配管１３及び出口配管１４近傍の締結構成を説明するための断面斜視図である。（ｂ）は、出入口配管が取り付けられる面の対面側の締結構成を説明するための断面斜視図である。 （ａ）は、流路カバー４２０を流路形成体１２の開口面４００と接触する側から見た斜視図である。（ｂ）は、流路カバー４２０を流路形成体１２上面から見た斜視図である。 （ａ）は、パワー半導体モジュール３００ａの外観を示す斜視図である。（ｂ）は、パワー半導体モジュール３００ａの断面図である。 （ａ）は、理解を助けるために、モジュールケース３０４と絶縁シート３３３と第一封止樹脂３４８と第二封止樹脂３５１を取り除いたパワー半導体モジュール３００ａの内部断面図である。（ｂ）は、パワー半導体モジュール３００ａの内部構成を説明するための斜視図である。 （ａ）は、図９（ｂ）の構造の理解を助けるための分解図である。（ｂ）は、パワー半導体モジュール３００の回路図である。 （ａ）は、インダクタンスの低減効果を説明する回路図である。（ｂ）は、インダクタンスの低減作用を説明するための説明図である。 （ａ）は補助モールド体６００の斜視図である。（ｂ）は補助モールド体６００の透過図である。 平滑コンデンサモジュール５００の内部構造を説明するための分解斜視図である。 コネクタモジュール１２０の全体構成を説明するために構成要素に分解した斜視図である。 電気変換装置１００からカバー８を外した状態の上面からの図である。 図１５に示した電気変換装置１００の側面に取り付けた部品を見易く示した斜視図である。 流路形成体とパワー半導体モジュール３００の冷却媒体通路の断面図である。（ａ）は、従来の構成の断面図であり、（ｂ）は、本実施の形態の断面図である。

以下に説明する本発明が適用された実施の形態に記載の電力変換装置およびこの装置を使用したシステムは、製品化のために解決することが望ましい色々な課題を解決している。これら実施の形態が解決している色々な課題の一つに、上述の発明が解決しようとする課題の欄に記載した生産性向上の課題があり、また上述の発明の効果の欄に記載した生産性向上の効果がある。

また、上述の課題を解決するための手段の欄に記載した構成だけで無く、他の構成によっても上記課題が解決でき、上記効果を得ることができる。

すなわち低背化及び低コスト化の課題や効果に関して上述した構成以外の構成によって、大きくは低背化及び低コスト化に関する課題解決や効果達成につながるが、より具体的に見れば異なっている観点において課題が解決され、効果が得られている。以下その代表的なものを幾つか列挙する。さらにそれ以外については実施の形態の説明の中で述べる。

より低背化及び低コスト化が望ましい課題を解決するための構成１を次に記載する。構成１は、冷媒通路の側面からパワー半導体モジュールを挿入し、冷媒通路の下面に平滑用のコンデンサモジュールを配置し、冷媒通路の上面に交流バスバー、さらに回路基板を配置したものを組付けてモジュール化し、そのモジュールをハウジングに組付け、電気配線・冷媒配管・信号配線を組付ける構成である。

この構成により、電力変換装置の全体構成をより整然とした状態で配置でき、電力変換装置の小型化が可能となる。また冷媒流路を横切る横方向における、すなわち、電力変換装置の縦方向のサイズをより小さくできる低背化の効果を得ることができる。

上記効果は特にインバータの上下のアームの直列回路を内蔵したパワー半導体モジュールを使用する場合に大きな効果が得られるが、上下のアームのどちらか１つのアームを挿入したパワー半導体モジュールを使用する場合であっても効果が達成できる。

ただし、１つのアームを挿入したパワー半導体モジュールを使用する場合には、インバータの上アーム用と下用のパワー半導体モジュールを別々に使用するため、これらアーム接続するためのバスバー構成が増加する。

さらに上述の構成１において、平滑コンデンサモジュールの上面に沿って冷媒流路を形成する流路形成体を設け、前記平滑コンデンサモジュールを前記流路形成体に固定することで、前記冷媒流路により前記パワー半導体モジュールと前記平滑コンデンサモジュールとを合わせて冷却できる。さらに交流バスバーや回路基板を冷媒通路側に寄せて配置できるので効率的に冷却できる。

次に、図面を使用して本発明に係る実施の形態を説明する。

図１は、本発明に係る電力変換装置を、エンジンとモータの両方を使用して走行するいわゆるハイブリッド用自動車に適用したシステムである。本発明に係る電力変換装置はハイブリッド用車両のみならず、モータのみで走行するいわゆる電気自動車にも適用可能であり、また一般産業機械に使用されているモータを駆動する為の電力変換装置としても使用可能である。

しかし上述あるいは以下に説明のとおり、本発明に係る電力変換装置は特に上記ハイブリッド用自動車や上記電気自動車に適用すると、小型化の観点あるいは信頼性の観点、その他、いろいろの観点で優れた効果が得られる。ハイブリッド用自動車に適用した電力変換装置は電気自動車に適用した電力変換装置と略同じ構成であり、代表例としてハイブリッド自動車に適用した電力変換装置について説明する。

図１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（ＥＮＧ）及びモータジェネレータ（ＭＧ）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に外部から加えられる機械エネルギを電力に変換する機能を有する。

モータジェネレータは、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を自動車に搭載する場合に、小型で高出力を得ることが望ましく、ネオジム（Ｎｄ）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伝達され、動力分配機構からの回転トルクあるいはモータジェネレータが発生する回転トルクは、トランスミッションＴＭ及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１００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として使用される。

次に、電力変換装置１００について説明する。インバータ回路１４０は、バッテリ１３６と直流コネクタ部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は直流コネクタ部１３８を介してバッテリ１３６から供給された直流電力を交流電力に変換し、交流コネクタ部１８８を介してモータジェネレータに供給する。

なお、本実施形態では、バッテリ１３６の電力によって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、電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジンの動力或いは車輪からの動力によってモータジェネレータを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。

なお、電力変換装置１００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平滑コンデンサモジュール５００を備えている。

電力変換装置１００は図示しない上位の制御装置から指令を受けたり、あるいは前記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信号コネクタ２１を備えている。信号コネクタ２１からの指令に基づいて制御回路１７２でモータジェネレータの制御量を演算し、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、ドライバ回路１７４へ上記制御パルスを供給する。上記制御パルスに基づいてドライバ回路１７４がインバータ回路１４０を制御するための駆動パルスを発生する。

次に、図２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。インバータ回路１４０は、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、からなる上下アームの直列回路１５０を、出力しようとする交流電力のＵ相、Ｖ相、Ｗ相からなる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の電機子巻線の３相の各相巻線に対応している。３相のＩＧＢＴのそれぞれの上下アームの直列回路１５０は、前記直列回路の中点部分である中間電極１６９から交流電流が出力され、この交流電流は交流端子１５９及び交流コネクタ部１８８を通して、モータジェネレータへの交流電力線であるバスバー保持部材８０２と接続され伝達される。

上アームのＩＧＢＴ３２８のコレクタ電極１５３は正極端子１５７を介して平滑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、下アームのＩＧＢＴ３３０のエミッタ電極は負極端子１５８を介して平滑コンデンサモジュール５００の負極側のコンデンサ端子５０４にそれぞれ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信号コネクタ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３相交流電力に変換し、この制御変換された交流電力はモータジェネレータに供給される。

ＩＧＢＴ３２８は、コレクタ電極１５３と、信号用エミッタ電極１５５と、ゲート電極１５４を備えている。また、ＩＧＢＴ３３０は、コレクタ電極１６３と、信号用のエミッタ電極１６５と、ゲート電極１６４を備えている。ダイオード１５６が、コレクタ電極１５３とエミッタ電極との間に電気的に接続されている。また、ダイオード１６６が、コレクタ電極１６３とエミッタ電極１５５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、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。

平滑コンデンサモジュール５００は、複数の正極側のコンデンサ端子５０６と複数の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、直流コネクタ部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、平滑コンデンサモジュール５００の複数の正極側のコンデンサ端子５０６や複数の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から平滑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から直流コネクタ部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、モータジェネレータ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に供給される電流値、及びモータジェネレータの回転子の磁極位置がある。目標トルク値は、図示されない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によって検出し、指令通りの電流になっているかフィードバックされたものである。磁極位置は、モータジェネレータ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）信号としてドライバ回路１７４に出力する。ドライバ回路１７４は、下アームを駆動する場合、ＰＷＭ信号を増幅したドライブ信号を、対応する下アームのＩＧＢＴ３３０のゲート電極に出力する。

また、ドライバ回路１７４は、上アームを駆動する場合、ＰＷＭ信号の基準電位のレベルを上アームの基準電位のレベルにシフトしてからＰＷＭ信号を増幅し、これをドライブ信号として、対応する上アームのＩＧＢＴ３２８のゲート電極にそれぞれ出力する。

また、制御部１７０は、異常検知（過電流、過電圧、過温度など）を行い、上下アーム直列回路１５０を保護している。このため、制御回路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エミッタ電極１５５及び信号用エミッタ電極１６５からは各ＩＧＢＴ３２８とＩＧＢＴ３３０のエミッタ電極に流れる電流の情報が、対応する駆動部（ＩＣ）に入力されている。これにより、各駆動部（ＩＣ）は過電流検知を行い、過電流が検知された場合には対応するＩＧＢＴ３２８、ＩＧＢＴ３３０のスイッチング動作を停止させ、対応するＩＧＢＴ３２８、ＩＧＢＴ３３０を過電流から保護する。上下アーム直列回路１５０に設けられた温度センサ（不図示）からは上下アーム直列回路１５０の温度の情報がマイコンに入力されている。

また、マイコンには上下アーム直列回路１５０の直流正極側の電圧の情報が入力されている。マイコンは、それらの情報に基づいて過温度検知及び過電圧検知を行い、過温度或いは過電圧が検知された場合には全てのＩＧＢＴ３２８、ＩＧＢＴ３３０のスイッチング動作を停止させる。

図３は、本発明に係る実施の形態としての電力変換装置１００の分解斜視図を示す。
電力変換装置１００は、後述する電力変換モジュール２００を核として、電力変換モジュール２００を固定及び保護するハウジング１０とカバー８とを有し、外部との接続は、直流電源の入力部及び交流電源の出力部であるコネクタモジュール１２０及び制御回路への信号を伝送する信号コネクタ２１及び冷却媒体を流路形成体１２へ導入・排出するための入口配管１３及び出口配管１４で構成される。流路形成体１２とハウジング１０は、図示の如く別部品である。電力変換装置１００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。なお、以下実施例では、ハウジング１０の底面からカバー８への方向を上向き、その逆を下向きとし、上下方向を高さ方向とする。

流路形成体１２は、後述するパワー半導体モジュール３００及び平滑コンデンサモジュール５００及び第１交流バスバー８０１及び回路基板２０等の構成部品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。

ハウジング１０は、電力変換モジュール２００を構成する回路部品を収納し、ハウジング１０の側壁には開口部が設けられ、前記信号コネクタ２１が固定される。開口を介して前記信号コネクタ２１が外部の制御装置と接続され、回路基板２０に設けられた制御回路１７２と上位の制御装置などの外部の制御装置との間で信号伝送を行う。電力変換装置１００内の制御回路を動作させる低電圧の直流電力は、前記信号コネクタ２１から供給される。

さらにハウジング１０の側壁に設けられた他の開口部には、外部と直流及び交流電源を接続するためのコネクタモジュール１２０が固定される。コネクタモジュール１２０には、バッテリ１３６との間で直流電力を送受するための直流コネクタ部１３８が設けられており、電力変換装置１００内部に高電圧直流電力を供給するための負極側電力線１３９ｂと正極側電力線１３９ａは、バッテリ１３６と平滑コンデンサモジュール５００などとを電気的に接続する。さらにコネクタモジュール１２０には、モータジェネレータとパワー半導体モジュール３００との間で交流電流を送受するための交流コネクタ部１８８が設けられており、モータジェネレータに高電圧交流電力を供給するための交流配線１８９ａ〜１８９ｃは、モータジェネレータとパワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃとを電気的に接続する。

図４は、電力変換モジュール２００の構成部品である流路形成体１２に組込まれる構成部品及び水路構成の理解を助けるために分解した斜視図である。流路形成体１２は、上下方向の寸法は他の方向の寸法に比べ小さく平たい形状を成しており、側面には入口配管１３を接続する入口配管接続部１２ａと出口配管１４を接続する出口配管接続部１２ｂが設けられ、２つの配管を繋ぐ様に冷却流路１９がＵ字形状に形成されており、冷却流路１９の一方側の上面は開口している。

冷却媒体は入口配管１３から流入し、パワー半導体モジュール３００ａが挿入される流路１９ａ、パワー半導体モジュール３００ｂが挿入される流路１９ｂ、折り返し流路部１９ｃ、パワー半導体モジュール３００ｃが挿入される流路１９ｄ、流路１９ｅを経て出口配管１４で排出される。

前記開口面４００は、流路カバー４２０及び流路カバー部シール部材４０５によって塞がれる。さらに流路形成体１２の側面には、開口部４０２ａ〜４０２ｃが冷媒の流れに沿って形成されている。開口部４０２ａ〜４０２ｃは、挿入されたパワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃ及びフランジ部シール部材４０６ａ〜４０６ｃによって塞がれ、パワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃは、冷却流路１９を流れる冷却媒体によって冷却される。

本実施の形態によれば、パワー半導体モジュール３００を収容する流路形成体１２の高さ方向の寸法は、パワー半導体モジュール３００に具備された後述するフランジ３０４Ｂの幅に流路カバー４２０の板厚を加えた寸法に押さえられるので低背化が可能となる。

また、流路１９の上面に開口面４００を設けることで、流路内に折り返し流路部１９ｃを設けられ、冷却性能を低下させることなくパワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃのレイアウトの自由度が増し、小型化も可能となる。図４においては、往路である冷媒の流れ方向４１８ａの冷却流路１９にパワー半導体モジュール３００ａ及び３００ｂを設け、復路である冷媒の流れ方向４１８ｃの冷却流路１９にパワー半導体モジュール３００ｃを設けている。

また前記の構成のみならず、冷却冷媒の流れる方向を逆にした場合や、パワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃを一方の面に配置した構成や、パワー半導体モジュール３００ｂを入口配管接続部１２ａおよび出口配管接続部１２ｂの面と対向する面から挿入し冷却流路１９ｃの位置に配置した構成や、パワー半導体モジュール３００を３個を一方の面に配置し、さらに対向する面にパワー半導体モジュール３００を３個を配置するモータジェネレータ２個を使用する構成でも、低背化及びそれに関わる効果は同様である。

また流路形成体１２の冷却流路１９の主構造を流路形成体１２と一体にアルミ材の鋳造で作ることにより、冷却流路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流路形成体１２と冷却流路１９とが一体構造となり、熱伝導が良くなり冷却効率が向上する。なお、パワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃを冷却流路１９に固定することで冷却流路１９を完成させ、水路の水漏れ試験を行う。

図５は、電力変換モジュール２００の構成を理解を助けるために分解した斜視図である。流路形成体１２には、パワー半導体モジュール３００が収容されている。流路形成体１２の下面に近接した位置に平滑コンデンサモジュール５００が組付けられている。

さらに、流路形成体１２の流路１９ｅの部分は、パワー半導体モジュール３００が組付けられていないため、流路１９ｅの部分は流路の深さを抑えることができ、流路形成体１２の下面は凹んだ形状を成しており、その凹んだ部分に抵抗器４５０が固定されている。流路形成体１２の上面を形成する流路カバー４２０の上面には、電流センサ１８０が固定され、さらにバスバーアッセンブリ８００が固定されている。

バスバーアッセンブリ８００は、交流電源を伝送するバスバー本体８０１ａ、８０１ｂ及び８０１ｃ、伝熱部材８０３、バスバー保持部材８０２から構成されており、その下部において流路カバー４２０と固定されており、その上部において回路基板２０と固定されている。平滑コンデンサモジュール５００に設けられた端子及び交流バスバー８０１ａ〜８００ｃは、パワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃに電気的に接続されており、接続部は溶接にて接合されている。

本実施の形態によれば、流路形成体１２の表面を構成する面において、上面及び下面、つまり面積が広い面の両面に発熱する部品を近接して配置することができるので、従来の構成に対し冷却効率が大幅に向上する。

また、平滑コンデンサモジュール５００がレイアウトに使用できる面積は、流路形成体１２と同等の面積を使用できるため、インバータ性能を確保するために必要なコンデンサ容量を確保しつつ高さ方向の寸法を抑えることができ低背化が可能となる。

また、回路基板２０においても、従来の構成では基板をレイアウトに使用できる面積が小さかったため、ドライバ回路１７４の基板と制御回路１７２の基板を同一面に配置することができなかったが、本実施の形態によれば、ドライバ回路１７４と制御回路１７２を同一の回路基板２０に配置でき低背化が可能となる。

さらに図５に示した電力変換モジュール２００を構成する全ての部品は、全てハウジング１０へ組込む前にサブアッシー状態で組立作業を行うことができるので、溶接を含めた組み立て作業は電力変換モジュール２００の全方向から可能となり、結果として設計の自由度が増すので小型化及びコスト低減が可能となり、生産部署では生産性が向上する。

図３で説明した様に、流路形成体１２とハウジング１０は別部品のため、生産現場では電力変換モジュール２００の状態で、検査を実施することができるので、検査で不合格となった場合に、ハウジング１０等の部品を廃棄することがないので歩留低減に貢献することが可能となる。

図６は、流路形成体１２をハウジング１０に固定する手段について説明したものである。図６（ａ）は、入口配管１３及び出口配管１４近傍を断面した図である。また図６（ｂ）は、出入口配管が取り付けられる面の対面側を断面した図である。

図６（ａ）において、流路形成体１２には、図４で示す入口配管接続部１２ａと出口配管接続部１２ｂが設けられ、さらに両接続部を含んだフランジ１２ｃが形成されている。またハウジング１０は流路形成体フランジ１２ｃに合わせた開口部１０ａを備えている。このことにより冷却媒体は、入口配管１３から直接流路形成体１２に入り、冷却流路１９を経て、直接出口配管１４から排出される。

よって、冷却媒体がハウジング１０には触れないこととなるので、ハウジング１０への要求仕様が従来のハウジングに対し低くなる。例えば、アルミダイカストでハウジングを製作する場合、従来は冷却媒体の漏れを防ぐためにハウジングに機械加工や含浸処理などを施していたが、本実施の形態では不要となるのでコスト低減が可能となる。また本実施の形態ではハウジング１０を、樹脂等の代替材を選択することもできるので、軽量化やコスト低減が可能となる。

先に述べた流路形成体１２に設けられたフランジ１２ｃにはめねじが設けられており、フランジ形状に合わせたシール部材４０７を組付けた後に、締結用ねじ３１を用いてフランジ１２ｃに垂直の方向から締付けることで、ハウジング１０に固定される。一方、図６（ｂ）出入口配管が取り付けられる面の対面側は、ハウジング１０にはめねじ１０ｃが設けられており、流路形成体１２のフランジ１２ｅを締結用ねじ３２を用いて上下方向に締付ける。

出入口配管が取り付けられるフランジ１２ｃ側のねじ締結用ねじ３１と対面側の締結用ねじ３２の締付け方向が直角のため、車両で振動が加わると締結用ねじ３１にはせん断方向の応力が発生し破断する恐れがある。破断を防止するために、フランジ１２ｃの下部に支持部１２ｄを設け、相対するハウジング１０に支持部１０ｂを設けることで上下方向の荷重を指示部１２ｄ及び支持部１０を受ける構造とし、締結用ねじ３１に発生するせん断方向の応力を抑制する働きをもつ。

図７は、理解を助けるために前記流路カバー４２０について説明したものである。図７（ａ）は、流路カバー４２０を流路形成体１２の開口面４００と接触する側から見た斜視図である。流路カバー４２０には、冷却流路１９及びパワー半導体モジュール３００に合わせて凸部４２０ａが形成されており、パワー半導体モジュール３００に設けられた放熱部とのクリアランスを均一かつ適正にできるため冷却効率が向上する。

図７（ｂ）は、流路カバー４２０を流路形成体１２上面から見た斜視図である。流路カバー４２０は、前記凸部４２０ａに合わせて凹ませた形状４２０ｂを持ち、その凹んだ部分に交流バスバー保持部材取付ボス４２０ｃが設けられている。凹んだ部分に取付ボス４２０ｃを設けているため、ボスの高さを抑制することができ低背化が可能となる。

また、図７（ｂ）で示した流路カバー４２０の流路形成体１２上面から見た面には、回路基板用取付ボス４２０ｄが設けられている。この取付ボス４２０ｄは任意の位置に配置が可能なので、機械的な振動が発生した場合の支持点間の距離を短くでき、共振周波数を高くできるので信頼性が向上する。また、流路カバー４２０はパワー半導体モジュール３００と回路基板２０の間に位置するため、電磁シールドの効果も得ることができる。従来の構成では専用の金属板を用いていたが、本実施の形態では流路カバー４２０に統合できるので、コスト低減の効果がある。電磁シールド・基板冷却の効果が低い場合には、前記バスバーアッセンブリ８００と回路基板２０の間に薄い導電性の金属板を配置すれば電磁シールド・基板冷却が可能となるので、金属板を追加してもコスト低減の効果を得ることができる。

図８乃至図１２を用いてインバータ回路１４０に使用されるパワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃの詳細構成を説明する。上記パワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃ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３００ａの構造を説明する。尚、図７乃至図１１において信号端子３２５Ｕは、図２に開示したゲート電極１５４及び信号用エミッタ電極１５５に対応し、信号端子３２５Ｌは、図２に開示したゲート電極１６４及びエミッタ電極１６５に対応する。また直流正極端子３１５Ｂは、図２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２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３２１は、図２に開示した交流端子１５９と同じものである。

図８（ａ）は、本実施形態のパワー半導体モジュール３００ａを説明し易い様に端子形状を変更した斜視図である。図８（ｂ）は、本実施形態のパワー半導体モジュール３００ａの断面図である。

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９乃至図１１に示す如く、導体板３１５や導体板３１８によって、あるいは導体板３１６や導体板３１９によって、両面から挟んで固着される。これら導体板には、信号端子３２５Ｕや信号端子３２５Ｌである信号配線を一体成型して成る補助モールド体６００が組付けられる。導体板３１５等は、その放熱面が露出した状態で第一封止樹脂３４８によって封止され、当該放熱面に絶縁シート３３３が熱圧着される。第一封止樹脂３４８により封止されたモジュール一次封止体３０２は、モジュールケース３０４の中に挿入して絶縁シート３３３を挟んで、ＣＡＮ型冷却器であるモジュールケース３０４の内面に熱圧着される。ここで、ＣＡＮ型冷却器とは、一面に挿入口３０６と他面に底を有する筒形状をした冷却器である。

モジュールケース３０４は、アルミ合金材料例えばＡｌ、ＡｌＳｉ、ＡｌＳｉＣ、Ａｌ−Ｃ等から構成され、一体もしくは複数の部品を接合し作成される。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８（ａ）に示されるように、他の面より広い面を有する第１放熱面３０７Ａ及び第２放熱面３０７Ｂがそれぞれ対向した状態で配置され、当該対向する第１放熱面３０７Ａと第２放熱面３０７Ｂと繋ぐ３つの面は、当該第１放熱面３０７Ａ及び第２放熱面３０７Ｂより狭い幅で密閉された面を構成し、残りの一辺の面に挿入口３０６が形成される。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８（ａ）に示す如く曲面を成していても良い。

このような形状の金属性のケースを用いることで、モジュールケース３０４を水や油などの冷媒が流れる冷却流路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。

モジュールケース３０４の内部に残存する空隙には、第二封止樹脂３５１を充填される。また、図９及び図１０に示されるように、平滑コンデンサモジュール５００と電気的に接続するための直流正極配線３１５Ａ及び直流負極配線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）が形成されている。モータジェネレータあるいは１９４に交流電力を供給するための交流配線３２０が設けられており、その先端に交流端子３２１（１５９）が形成されている。本実施形態では、直流正極配線３１５Ａは導体板３１５と一体成形され、直流負極配線３１９Ａは導体板３１９と一体成形され、交流配線３２０は導体板３１６と一体成形される。

上述のように導体板３１５等を絶縁シート３３３を介してモジュールケース３０４の内壁に熱圧着することにより、導体板とモジュールケース３０４の内壁の間の空隙を少なくすることができ、パワー半導体素子の発生熱を効率良くフィン３０５へ伝達できる。さらに絶縁シート３３３にある程度の厚みと柔軟性を持たせることにより、熱応力の発生を絶縁シート３３３で吸収することができ、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。

図９（ａ）は、理解を助けるために、モジュールケース３０４と絶縁シート３３３と第一封止樹脂３４８と第二封止樹脂３５１を取り除いた内部断面図である。図９（ｂ）は、内部斜視図である。

図１０（ａ）は、図９（ｂ）の構造の理解を助けるための分解図である。図１０（ｂ）は、パワー半導体モジュール３００の回路図である。また、図１１（ａ）は、インダクタンスの低減効果を説明する回路図であり、図１１（ｂ）は、インダクタンスの低減作用を説明するための電流の流れを示す斜視図である。

まず、パワー半導体素子（ＩＧＢＴ３２８、ＩＧＢＴ３３０、ダイオード１５６、ダイオード１６６）と導体板の配置を、図１０（ｂ）に示された電気回路と関連付けて説明する。図９（ｂ）に示されるように、直流正極側の導体板３１５と交流出力側の導体板３１６は、略同一平面状に配置される。導体板３１５には、上アーム側のＩＧＢＴ３２８のコレクタ電極と上アーム側のダイオード１５６のカソード電極が固着される。導体板３１６には、下アーム側のＩＧＢＴ３３０のコレクタ電極と下アーム側のダイオード１６６のカソード電極が固着される。

同様に、交流導体板３１８と導体板３１９は、略同一平面状に配置される。交流導体板３１８には、上アーム側のＩＧＢＴ３２８のエミッタ電極と上アーム側のダイオード１５６のアノード電極が固着される。導体板３１９には、下アーム側のＩＧＢＴ３３０のエミッタ電極と下アーム側のダイオード１６６のアノード電極が固着される。各パワー半導体素子は、各導体板に設けられた素子固着部３２２に、金属接合材１６０を介してそれぞれ固着される。金属接合材１６０は、例えばはんだ材や銀シート及び微細金属粒子を含んだ低温焼結接合材、等である。

各パワー半導体素子は板状の扁平構造であり、当該パワー半導体素子の各電極は表裏面に形成されている。図９（ａ）に示されるように、パワー半導体素子の各電極は、導体板３１５と導体板３１８、または導体板３１６と導体板３１９によって挟まれる。つまり、導体板３１５と導体板３１８は、ＩＧＢＴ３２８及びダイオード１５６を介して略平行に対向した積層配置となる。同様に、導体板３１６と導体板３１９は、ＩＧＢＴ３３０及びダイオード１６６を介して略平行に対向した積層配置となる。また、導体板３１６と導体板３１８は中間電極３２９を介して接続されている。この接続により上アーム回路と下アーム回路が電気的に接続され、上下アーム直列回路が形成される。

直流正極配線３１５Ａと直流負極配線３１９Ａは、樹脂材料で成形された補助モールド体６００を介して対向した状態で略平行に延びる形状を成している。信号端子３２５Ｕや信号端子３２５Ｌは、補助モールド体６００に一体に成形されて、かつ直流正極配線３１５Ａ及び直流負極配線３１９Ａと同様の方向に向かって延びている。補助モールド体６００に用いる樹脂材料は、絶縁性を有する熱硬化性樹脂かあるいは熱可塑性樹脂が適している。

これにより、直流正極配線３１５Ａと直流負極配線３１９Ａと信号端子３２５Ｕと信号端子３２５Ｌとの間の絶縁性を確保でき、高密度配線が可能となる。さらに、直流正極配線３１５Ａと直流負極配線３１９Ａを略平行に対向するように配置したことにより、パワー半導体素子のスイッチング動作時に瞬間的に流れる電流が、対向してかつ逆方向に流れる。これにより、電流が作る磁界が互いに相殺する作用をなし、この作用により低インダクタンス化が可能となる。

低インダクタンス化が生じる作用について、図１１（ａ）を用いて説明する。図１１（ａ）において、下アーム側のダイオード１６６が順方向バイアス状態で導通している状態とする。この状態で、上アーム側ＩＧＢＴ３２８がＯＮ状態になると、下アーム側のダイオード１６６が逆方向バイアスとなりキャリア移動に起因するリカバリ電流が上下アームを貫通する。

このとき、各導体板３１５、３１６、３１８、３１９には、図１１（ｂ）に示されるリカバリ電流３６０が流れる。リカバリ電流３６０は、点線で示されるとおり、直流負極端子３１９Ｂ（１５８）と対向に配置された直流正極端子３１５Ｂ（１５７）を通り、続いて各導体板３１５、３１６、３１８、３１９により形成されるループ形状の経路を流れ、再び直流正極端子３１５Ｂ（１５７）と対向に配置された直流負極端子３１９Ｂ（１５８）を介して実線に示すように流れる。

ループ形状経路を電流が流れることによって、モジュールケース３０４の第１放熱面３０７Ａ及び第２放熱面３０７Ｂに渦電流３６１が流れる。この渦電流３６１の電流経路に等価回路３６２が発生する磁界相殺効果によって、ループ形状経路における配線インダクタンス３６３が低減する。

なお、リカバリ電流３６０の電流経路がループ形状に近いほど、インダクタンス低減作用が増大する。本実施形態では、ループ形状の電流経路は点線で示す如く、導体板３１５の直流正極端子３１５Ｂ（１５７）側に近い経路を流れ、ＩＧＢＴ３２８及びダイオード１５６内を通る。そしてループ形状の電流経路は実線で示す如く、導体板３１８の直流正極端子３１５Ｂ（１５７）側より遠い経路を流れ、その後、点線で示す如く導体板３１６の直流正極端子３１５Ｂ（１５７）側より遠い経路を流れ、ＩＧＢＴ３３０及びダイオード１６６内を通る。さらにループ形状の電流経路は実線で示す如く、導体板３１９の直流負極配線３１９Ａ側に近い経路を流れる。このようにループ形状の電流経路が、直流正極端子３１５Ｂ（１５７）や直流負極端子３１９Ｂ（１５８）に対して、近い側や遠い側の経路を通ることで、よりループ形状に近い電流経路が形成される。

図１２（ａ）は補助モールド体６００の斜視図、図１２（ｂ）は補助モールド体６００の透過図である。

補助モールド体６００は、信号導体３２４をインサート成形により一体化している。ここで、信号導体３２４は、上アーム側のゲート電極端子１５４やエミッタ電極端子１５５及び上アーム側のゲート電極端子１６４やエミッタ電極端子１６５（図２参照）、さらにはパワー半導体素子の温度情報を伝達するための端子が含まれる。本実施形態の説明では、これらの端子を総称して、信号端子３２５Ｕ、３２５Ｌと表現する。

信号導体３２４は、一方の端部に信号端子３２５Ｕや３２５Ｌを形成し、他方の端部に素子側信号端子３２６Ｕや３２６Ｌを形成する。素子側信号端子３２６Ｕや３２６Ｌは、パワー半導体素子の表面電極に設けられた信号パッドと、例えばワイヤにより接続される。第１封止部６０１Ａは、図１０（ａ）に示された直流正極配線３１５Ａや直流負極配線３１９Ａあるいは交流配線３２０の形状の長軸に対してこれを横切る方向に延びる形状を成す。

一方、第２封止部６０１Ｂは、直流正極配線３１５Ａや直流負極配線３１９Ａあるいは交流配線３２０の形状の長軸に対して略平行な方向に延びる形状を成す。また、第２封止部６０１Ｂは、上アーム側の信号端子３２５Ｕを封止するための封止部と、下アーム側の信号端子３２５Ｌを封止するための封止部とにより構成される。

補助モールド体６００は、その長さが、横に並べられた導体板３１５と３１６との全体の長さ、あるいは横に並べられた導体板３１９と３２０との全体の長さより長く形成される。つまり、横に並べられた導体板３１５と３１６の長さ、あるいは横に並べられた導体板３１９と３２０の長さが、補助モールド体６００の横方向の長さの範囲内に入っている。

第１封止部６０１Ａは、窪み形状を成しておりかつ当該窪みに直流負極配線３１９Ａを嵌合するための配線嵌合部６０２Ｂを形成する。また第１封止部６０１Ａは、窪み形状を成しておりかつ当該窪みに直流正極配線３１５Ａを嵌合するための配線嵌合部６０２Ａを形成する。さらに第１封止部６０１Ａは、配線嵌合部６０２Ａの側部に配置されており、かつ窪み形状を成し、さらに当該窪みに交流配線３２０を嵌合するための配線嵌合部６０２Ｃを形成する。これら配線嵌合部６０２Ａ〜６０２Ｃに各配線が嵌合されることにより、各配線の位置決めが為される。これにより、各配線を強固に固定した後に樹脂封止材の充填作業を行うことが可能となり、量産性が向上する。

また、配線絶縁部６０８が、配線嵌合部６０２Ａと配線嵌合部６０２Ｂの間から、第１封止部６０１Ａから遠ざかる方向に突出する。板形状を成す配線絶縁部６０８が直流正極配線３１５Ａと直流負極配線３１９Ａの間に介在することにより、絶縁性を確保しながら、低インダクタンス化のための対向配置が可能となる。

また、第１封止部６０１Ａには、樹脂封止する際に用いられる金型と接触する金型押圧面６０４が形成され、かつ金型押圧面６０４は、樹脂封止する際の樹脂漏れを防止するための突起部６０５が第１封止部６０１の長手方向の外周を一周して形成される。突起部６０５は、樹脂漏れ防止効果を高めるために、複数設けられる。さらに、これら配線嵌合部６０２Ａと配線嵌合部６０２Ｂにも突起部６０５が設けられているので、直流正極配線３１５Ａ及び直流負極配線３１９Ａの周囲から樹脂封止材が漏れるのを防止できる。ここで、第１封止部６０１Ａ、第２封止部６０１Ｂ、及び突起部６０５の材料としては、１５０〜１８０℃程度の金型に設置されることを考慮すると、高耐熱性が期待できる熱可塑性樹脂の液晶ポリマーやポリブチレンテレクタレート（ＰＢＴ）やポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）が望ましい。

また、第１封止部６０１Ａの短手方向のパワー半導体素子側には、図１２（ｂ）に示される貫通孔６０６が長手方向に複数設けられる。これにより、貫通孔６０６に第一封止樹脂３４８が流入して硬化することにより、アンカー効果が発現して、補助モールド体６００は第一封止樹脂３４８に強固に保持され、温度変化や機械的振動によって応力がかかっても両者は剥離しない。貫通孔の変わりに凸凹の形状としても剥離しがたくなる。また、第１封止部６０１Ａにポリイミド系のコート剤を塗布するか、あるいは表面を粗化することでもある程度の効果が得られる。

モジュール一次封止体３０２における第１封止樹脂３４８の封止工程では、まず各配線を支持した補助モールド体６００を、１５０〜１８０℃程度に余熱された金型に挿入する。本実施形態では、補助モールド体６００、直流正極配線３１５Ａ、直流負極配線３１９Ａ、交流配線３２０、導体板３１５、導体板３１６、導体板３１８、導体板３１９が、それぞれ強固につながっているため、補助モールド体６００を所定の位置に設置することで主要回路及びパワー半導体素子が所定の位置に設置される。従って生産性が向上すると共に、信頼性が向上する。

また、第２封止部６０１Ｂは、モジュールケース３０４近傍からドライバ回路基板近傍まで延ばされるように形成される。これにより、強電配線の間をかいくぐってドライバ回路基板との配線を行う際に、高電圧にさらされても正常にスイッチング制御信号を伝達できるようになる。また、直流正極配線３１５Ａ、直流負極配線３１９Ａ、交流配線３２０、信号端子３２５Ｕ及び信号端子３２５Ｌが、モジュールケース３０４から同一方向に突出しても、電気的絶縁を確保することができ、信頼性を確保できる。

図１３は、平滑コンデンサモジュール５００の内部構造を説明するための分解斜視図である。積層導体板５０１は、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（不図示）により構成されている。積層導体板５０１は以下に説明の如く、各相の上下アームの直列回路１５０を流れる電流に対して磁束を互いに相殺しあうので、上下アームの直列回路１５０を流れる電流に関して低インダクタンス化が図られる。積層導体板５０１は、略四角形形状を成す。負極側の電源端子５０８及び正極側の電源端子５０９は、積層導体板５０１の一辺から立ち上げられた状態で形成され、それぞれ正極導体板５０７と負極導体板５０５に接続されている。正極側の電源端子５０９及び負極側の電源端子５０８には、図２で説明した如く、直流コネクタ部１３８を介して直流電力が供給される。

コンデンサ端子５０３ｃは、負極側の電源端子５０８及び正極側の電源端子５０９と同じ一方の辺から立ち上げられ、コンデンサ端子５０３ａ及び５０３ｂは、コンデンサ端子５０３ｃとの対辺から立ち上げられ状態で、各パワー半導体モジュール３００の正極端子１５７（３１５Ｂ）及び負極端子１５８（３１９Ｂ）に対応して形成される。コンデンサ端子５０３ａ〜５０３ｃは、パワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃ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（不図示）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及び５０３ｃ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、上下アームの直列回路１５０を流れる電流に対してインダクタンス低減の効果を有する。

コンデンサセル５１４は、積層導体板５０１の下方である平滑コンデンサモジュール５００の内部側に、複数個設けられる。本実施の形態では、４個のコンデンサセル５１４が積層導体板５０１の一方の辺に沿って一列に並べられ、かつさらに別の１２個のコンデンサセル５１４が積層導体板５０１の他方の辺に沿って四列に並べられ、合計１６個のコンデンサセルが設けられる。本実施形態では、平滑コンデンサモジュール５００の上面に近接した状態で冷媒流路が設けられており、冷却効率が向上する。

コンデンサセル５１４は、平滑コンデンサモジュール５００の蓄電部の単位構造体であり、片面にアルミなどの金属を蒸着したフィルムを２枚積層し巻回して、２枚の金属の各々を正極、負極としたフィルムコンデンサを用いる。コンデンサセル５１４の電極は、巻回した軸面がそれぞれ、正極、負極電極となり、スズなどの導電体を吹き付けて製造される。

コンデンサケース５０２は、コンデンサセル５１４を収納するための収納部５１１を備え、上記収納部５１１は、図に記載の上面及び下面が略長方形状を成す。コンデンサケース５０２には、平滑コンデンサモジュール５００を流路形成体１２に固定するための固定手段例えば螺子を貫通させるための孔５２０ａ〜５２０ｄが設けられる。収納部５１１の底面部５１３は、円筒形のコンデンサセル５１４の表面形状に合わせるように、なめらかな凹凸形状若しくは波形形状を成している。これにより、積層導体板５０１とコンデンサセル５１４が接続されたモジュールをコンデンサケース５０２に位置決めさせ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と負極側の電源端子５０８及び正極側の電源端子５０９を除いて、積層導体板５０１が覆われるようにコンデンサケース５０２内に充填材（不図示）が充填される。底面部５１３がコンデンサセル５１４の形状に合わせて波形形状となっていることにより、充填材がコンデンサケース５０２内に充填される際に、コンデンサセル５１４が所定位置からずれることを防止できる。

また、コンデンサセル５１４は、スイッチング時のリップル電流により、内部のフィルム上に蒸着された金属薄膜、内部導体の電気抵抗により発熱する。そこで、コンデンサセル５１４の熱を、コンデンサケース５０２を介して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。

パワー半導体モジュール３００の交流端子３２１（１５９）の先端は交流バスバー８０１ａ〜ｃの先端とは溶接により接続される。

バスバーアッセンブリ８００は、交流バスバー８０１ａ〜ｃ、伝熱部材８０３、バスバー保持部材８０２によって構成される。交流バスバー８０１ａ〜ｃ、伝熱部材８０３は、バスバー保持部材８０２によって流路カバー４２０に固定される。交流バスバー８０１ａ〜ｃの通電によって発生した熱は、伝熱部材８０３を介し流路形成体１２に伝達されるので、交流バスバー８０１ａ〜ｃの冷却の効果がある。

図１４は、コネクタモジュール１２０の全体構成を説明するために構成要素に分解した斜視図である。

直流バスバー８１４ａ、８１４ｂは、直流バスバー保持部材８１８によって保持され、コネクタハウジング１２１に固定される。直流バスバー８１４ａ、８１４ｂの一端は、平滑コンデンサモジュール５００に具備された、正極側の電源端子５０９及び負極側の電源端子５０８にそれぞれ接続される。

第２交流バスバー８０４ａ〜ｃは、交流バスバー保持部材８１７によって保持され、コネクタハウジング１２１に固定されている。第２交流バスバー８０４ａ〜ｃの一端は、電力変換モジュール２００に具備された、第１交流バスバー８０１ａ〜ｃにそれぞれ接続される。

前述の直流バスバー８１４ａ、８１４ｂ及び第２交流バスバー８０４ａ〜ｃの他端は、一般的には車両側に具備された直流配線１３９及び交流配線１８９に接続される。本実施の形態では、直流配線１３９をコネクタハウジング１２１の直流コネクタ部１３８に挿入後に、直流バスバー８１４と直流配線１３９を、図１５で示す締結用ねじ３６で締結し、直流コネクタカバー８２２で封止する。同様に、交流配線１８９をコネクタハウジング１２１の交流コネクタ部１８８に挿入後に、第２交流バスバー８０４と交流配線１８９を、図１５で示す締結用ねじ３５ねじで締結し、交流コネクタカバー８２１で封止する構成としている。尚、本実施の形態ではコネクタモジュール１２０は、直流コネクタ部１３８と交流コネクタ部１８８は一体となっているが、それぞれ別体で製作しハウジング１０に固定してもよいし、また、本実施の形態では直流配線１３９及び交流配線１８９の接続はねじで締結しているが、金属のスプリング力を利用し電気的接触を確保する方法でも、上記で説明した効果を同様に得ることができる。

図１５は、電力変換装置１００からカバー８を外した状態の上面からの図である。また、図１６は、図１５に示した電力変換装置１００の側面に取り付けた部品を見易く示した斜視図である。電力変換モジュール２００は、構成部品はモジュールの状態で組み立てられ、ハウジング１０に締結用ねじ３１、３２で固定される。締結用ねじ３２は、ハウジング１０の開口部より締結作業を行い、締結用ねじ３１は、外部側面から締結作業を行う。本実施の形態によれば、電力変換モジュール２００変えずに、ハウジング１０のみを変更することで、例えばハウジング１０の車両への固定位置を自在に設定することができるので、部品の標準化、ハウジング１０を製作するときの型の費用低減、生産設備の標準化、設計工数の低減等の効果を得ることができる。

さらに、入口配管１３、出口配管１４、コネクタモジュール１２０、信号コネクタ２１を、締結用ねじ３３、３４、３７にて締結し、直流バスバー８１４と電源端子５０８、５０９を締結用ねじ３６にて、第１交流バスバー８０１と第２交流バスバー８０４を締結用ねじ３５で接続する。さらに、信号コネクタ２１の基板用コネクタ３８を回路基板２０に挿入することで、各部の接続が完了する。本実施の形態によれば、上記の効果に加え、外部とのインターフェースである冷却媒体の接続用配管１３、１４、信号コネクタ２１、直流コネクタ部１３８、交流コネクタ部１８８のみを変更することで、幅広い対応をすることができるので、部品の標準化、構成部品の型の費用低減、生産設備の標準化、設計工数の低減等の効果を得ることができる。

図１７は、流路形成体とパワー半導体モジュール３００の冷却媒体通路の断面図である。図１７（ａ）は、従来の構成の断面図であり、図１７（ｂ）は、本実施の形態の断面図である。流路形成体は、強度・放熱性・冷却冷媒のシール性、コスト等を考慮して一般的にはダイカストのアルミニウムを使用する。ダイカストは、金属製の金型に溶融したアルミニウムを高圧で射出し、冷却後に金型から製品を取り出す製法である。よって、製品を取り出す際に金型と製品を分離し易いように、型の抜き方向に平行な面にテーパを付けている。

図１７（ａ）に示した従来の構成は、パワー半導体モジュール３００は、流路形成体９０１の上面から挿入し、流形成体９０１の下面は、下カバー９０２で封止される構成となっている。この構成において、流路形成体９０１をダイカストで製作する場合、型の抜きは型分割面９１１を境に上方向のダイカスト型抜き方向９１２と下方向のダイカスト型抜き方向９１３の方向に抜かれる。この時、抜き方向と平行な面は金型との分離を容易にするため、テーパー面９１４が必要となる。この状態で、パワー半導体モジュール３００を流路形成体９０１に組付けると、パワー半導体モジュール３００に設けられた放熱用のフィン３０５とテーパー面９１４の間のクリアランス９１６は場所によって違うため、クリアランス９１６が大きい部分を冷却冷媒が通過するので、冷却性能が不均一となりパワー半導体モジュール３００の性能低下の懸念があった。性能低下を防ぐ為、テーパー面９１４に機械加工を施しクリアランス９１６を均一にすることは可能であるが、機械加工が必要となるためコストアップの要因となっていた。

一方、図１７（ｂ）に示した本実施の形態の構成は、パワー半導体モジュール３００は、流路形成体１２の側面から挿入し、流路形成体１２の上面は、流路カバー４２０で封止される構成となっている。この構成において、流路形成体１２をダイカストで製作する場合、型の抜きは、上方向のダイカスト型抜き方向９２２の方向に抜かれる。この時、抜き方向と平行な面であるテーパー面９２４は、パワー半導体モジュール３００の放熱用のフィン３０５と直角を成す面であるパワー半導体モジュール３００の側面に近接する。一方、パワー半導体モジュール３００に設けられた放熱用のフィン３０５と近接する面は、テーパーを必要としない面９２５となるので、均一かつ最小の値のクリアランス９２６を確保することができる。このことは、パワー半導体モジュール３００の性能向上、および機械加工が不要のためコスト低減の効果も得ることができる。

８ カバー
１０ ハウジング
１２ 流路形成体
１３ 入口配管
１４ 出口配管
１９ 冷却流路
２０ 回路基板
２１ 信号コネクタ
１００ 電力変換装置
１２０ コネクタモジュール
１２１ コネクタハウジング
１３６ バッテリ
１３８ 直流コネクタ部
１４０ インバータ回路
１５０ 上下アームの直列回路
１５０Ａ 上アーム半導体モジュール
１５０Ｂ 下アーム半導体モジュール
１７４ ドライバ回路
１８０ 電流センサ
１８８ 交流コネクタ部
２００ 電力変換モジュール
３００ パワー半導体モジュール
４２０ 流路カバー
４５０ 抵抗器
５００ 平滑コンデンサモジュール
５０４ 負極側のコンデンサ端子
５０６ 正極側のコンデンサ端子
５０８ 負極側の電源端子
５０９ 正極側の電源端子
５１４ コンデンサセル
８００ バスバーアッセンブリ
８０１ 第１交流バスバー
８０２ バスバー保持部材
８０３ 伝熱部材
８０４ 第２交流バスバー
８１４ 直流バスバー

Claims (15)

1. 直流電流を交流電流に変換するパワー半導体素子を有するパワー半導体モジュールと、
   前記直流電流を平滑化する平滑コンデンサモジュールと、
   前記パワー半導体素子の交流電流出力を伝達するための交流バスバーと、
   前記パワー半導体素子を制御する制御回路部と、
   冷媒を流す流路を形成する流路形成体とを備える電力変換装置であって、
   前記パワー半導体モジュールは、第１放熱部と前記パワー半導体素子を介して当該第１放熱部と対向する第２放熱部と、を有し、
   前記流路形成体は、前記パワー半導体モジュールを前記流路内に挿入するための開口部と、
   前記パワー半導体モジュールの前記第１放熱部と前記流路を介して対向する第１上面壁と、
   前記パワー半導体モジュールの前記第２放熱部と前記流路を介して対向する第２下面壁と、により構成され、
   前記流路形成体の前記開口部は、前記第１上面壁と前記第２下面壁と繋ぐ側壁に形成され、
   前記平滑コンデンサモジュールは、前記流路形成体の前記第１上面壁又は前記第２下面壁を形成する流路形成体外形部と向き合う位置に配置され、
   前記パワー半導体素子の交流電流出力を接続するための交流バスバーは、前記流路形成体の前記第１上面壁又は前記第２下面壁を形成する流路形成体外形部と向き合う位置に配置され、
   前記制御回路部は、前記流路形成体の前記第１上面壁又は前記第２下面壁を形成する流路形成体外形部と向き合う位置に配置されることを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   前記流路形成体は、ハウジングとは物理的に分離して形成されるとともに固定具により前記ハウジングに固定された構造を特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   前記パワー半導体モジュールと前記平滑コンデンサモジュールと前記交流バスバーと前記制御回路部とが前記流路形成体に組付けられた状態で、前記ハウジングに組付けられることを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   前記流路形成体の流路部及び外部との接続部分は、前記ハウジングを介することなく外部に露出されていることを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   前記流路形成体の外部との接続部分を具備するフランジ部は、
   筐体となるケースと接触する部分にシール部材を備えることを特徴とする電力変換装置。
6. 請求項５に記載の電力変換装置において、
   前記フランジ部は、
   流路形成体の長辺方向に対し垂直な面で構成され、流路形成体をハウジングに収容した際にハウジングの底面に近い側のフランジの近傍に、流路形成体を支持するための支持部を備え、フランジ面を締結部材を用いてフランジ面に垂直な方向からハウジングに固定し、流路形成体の前記フランジに対面する部分に設けられた固定用の孔は、締結部材を用いてフランジ面に平行な方向からハウジングに固定することを特徴とする電力変換装置。
7. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   前記流路形成体の前記第１上面壁又は前記第２下面壁の一方が開口部となり、
   開口部を塞ぐために他方の前記第１上面壁又は前記第２下面壁を備えた流路カバーを構成とすることを特徴とする電力変換装置。
8. 請求項７に記載の電力変換装置において、
   流路カバーの流路の内部側は、流路形成体の内部の形状とパワー半導体モジュールの外形に沿った形の凸の形状を持つことを特徴とする電力変換装置。
9. 請求項８に記載の電力変換装置において、
   流路カバーの流路外部側は、前記凸形状に合わせて凹ませた形状を持ち、凹ませた部分に交流バスバーを固定するためのボスを備えたことを特徴とする電力変換装置。
10. 請求項１に記載の電力変換装置において、
    流路形成体に、電流センサを取り付けるためのボスを備えたことを特徴とする電力変換装置。
11. 請求項１に記載の電力変換装置において、
    流路形成体に、回路基板を取り付けるためのボスを備えたことを特徴とする電力変換装置。
12. 請求項１に記載の電力変換装置において、
    制御回路部は、ドライバ回路と制御回路を構成するそれぞれの部品が、一枚の基板上に配置されたことを特徴とする電力変換装置。
13. 請求項１に記載の電力変換装置において、
    前記流路形成体の前記開口部を備える面の最小高さは、パワー半導体モジュールのケースに具備されたフランジの寸法と略同一であることを特徴とする電力変換装置。
14. 請求項１記載の電力変換装置において、
    前記流路形成体は所定の物質を型に鋳込む製法で製作され、
    前記側壁は傾斜を持ったテーパー面で、
    前記第１上面壁と第２下面壁はテーパーを必要としない面で構成されたことを特徴とする電力変換装置。
15. モータと接続された電力変換装置において、
    前記電力変換装置は、
    直流電流を交流電流に変換するパワー半導体素子を有するパワー半導体モジュールと、
    前記直流電流を平滑化するコンデンサモジュールと、
    前記パワー半導体素子の交流電流の出力を前記モータへ伝達するためのバスバーと、
    前記パワー半導体素子のスイッチング処理を制御する制御回路部と、
    冷媒を流す流路を形成する流路形成体とを備え、
    前記パワー半導体モジュールは、第１放熱部と前記パワー半導体素子を介して前記第１放熱部と対向する第２放熱部と、を有し、
    前記流路形成体の流路は、隔壁を設けることでＵ字形状の流路を形成し、Ｕ字形状により形成される第１及び第２の流路に流れる冷却媒体の流れ方向と垂直の方向に前記パワー半導体モジュールを前記流路内に挿入するための開口部を、前記流路形成体の側面に設け、
    前記パワー半導体モジュールは、第１放熱部と第２放熱部が上下になる配置関係で前記開口部に挿入されることを特徴とする電力変換装置。