JP6117361B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置に関し、さらに詳細には、パワー半導体モジュールを冷却する冷却流路を備える電力変換装置に関する。

パワー半導体素子が内蔵されたパワー半導体モジュールを複数個、冷却流路を備えた装置ケース内に収容した電力変換装置が知られている。このような電力変換装置は、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等の電気車両に搭載される。

各パワー半導体モジュールは、冷却流路内で、装置ケースの内面から離間されて配置される。また、パワー半導体モジュールは、放熱板を対向して離間して配置される。冷却流路は、装置ケース内の内面と各パワー半導体モジュールの側面との間、および各パワー半導体モジュール間を連通するように形成されている。冷却水等の冷却媒体は、装置ケースの流入口から冷却流路内に流入され、パワー半導体モジュールを冷却して装置ケースの流出口から排出される。
冷却流路が形成された装置ケースは、一般的に、鋳造または樹脂成形により形成され、冷却流路の流入口と流出口とは、通常、装置ケースの同一側面に設けられている。

このような電力変換装置において、冷却流路の流路抵抗に起因する冷却媒体の流量の変動を抑えるために、冷却流路の断面積を流入口および流出口側と、冷却流路の最奥部側とで異なるようにした構造がある。この構造では、冷却流路の断面積が異なるので、各パワー半導体モジュールを冷却する冷却媒体の流量を調整することができ、効率的なパワー半導体素子の冷却が可能となることが記載されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１２−１６０７３号公報

特許文献１に記載された電力変換装置では、鋳造または樹脂成形により形成される装置ケースの内面の抜き勾配に起因する冷却効率の損失に対する配慮がなされていない。

本発明の電力変換装置は、内部にパワー半導体素子を内蔵するモジュールケースの少なくとも一面に放熱用フィンが設けられた第１パワー半導体モジュールと、内部にパワー半導体素子を内蔵するモジュールケースの少なくとも一面に放熱用フィンが設けられた第２パワー半導体モジュールと、第１パワー半導体モジュールを挿入する挿入口を有し、第１パワー半導体モジュールの少なくとも放熱用フィンが設けられたモジュールケースの領域が挿通される第１流路空間と、第２パワー半導体モジュールを挿入する挿入口を有し、第２パワー半導体モジュールの少なくとも放熱用フィンが設けられたモジュールケースの領域が挿通される第２流路空間とが連通して形成され、内部を冷却媒体が流通する冷却流路を備えた流路形成体と、を備え、流路形成体は、鋳造または樹脂成形により形成され、第１流路空間における放熱用フィンに対向する内壁または第２流路空間における放熱用フィンに対向する内壁の少なくとも一方の、流路形成体の底面側から挿入口側にかけて形成された抜き勾配が切除されている。

本発明によれば、冷却ジャケットの少なくとも１つが、鋳造または樹脂成形における内壁面の抜き勾配が切除されているので、パワー半導体モジュールと流路形成体の内壁面との間に流れる冷却効果が小さい冷却媒体の流れ、所謂、バイパス流が抑制され、この分、冷却効率を向上することができる。

本発明の一実施形態によるパワー半導体モジュールを用いた電力変換装置を搭載したハイブリッド自動車の制御ブロック図である。 本実施形態による電力変換装置の回路構成を示す図である。 本実施形態によるパワー半導体モジュールの斜視図である。 図３に図示されたパワー半導体モジュールの断面図である。 本実施形態によるパワー半導体モジュールの内部斜視図である。 図５に図示されたパワー半導体モジュールの断面図である。 本実施形態によるパワー半導体モジュールの分解図である。 本実施形態によるパワー半導体モジュールの回路図である。 本実施形態による表面側からのベース部材の斜視図である。 図９に図示されたベース部材の底面側からの斜視図である。 抜き勾配を有する冷却ジャケットにパワー半導体モジュールを取り付ける工程を説明するための図である。 図１１に続く工程を説明するための図である。 バイパス流の作用を説明するための断面図である。 抜き勾配が切除された冷却ジャケットにパー半導体モジュールが配置された状態の断面図である。 冷却ジャケット内壁の抜き勾配を切除する方法を説明するための図であり、（ａ）は抜き勾配を有する冷却ジャケットの断面図であり、（ｂ）、（ｃ）は抜き勾配が切除された冷却ジャケットの形成方法を示す断面図である。 抜き勾配切除ジャケットと抜き勾配付き冷却ジャケットの配置の選定方法の一実施の形態を示す図である。 図１６に図示された冷却ジャケットの配置に対応する電力変換装置の斜視図である。 本発明の実施形態２に係り、抜き勾配切除ジャケットと抜き勾配付き冷却ジャケットの配置の別の選定方法を示す図である。 図１８に図示された冷却ジャケットの配置に対応するベース部材の斜視図である。 本発明の実施形態３に係り、本発明の実施形態２に係り、抜き勾配切除ジャケットと抜き勾配付き冷却ジャケットの配置のさらに別の選定方法を示す図である。 図２０に図示された冷却ジャケットの配置に対応するベース部材の斜視図である。 本発明の実施形態４に係り、ベース部材の斜視図である。

--実施形態１--
［ハイブリッド自動車全体回路］
本発明に係る両面冷却型のパワー半導体モジュールとこれを用いた電力変換装置の一実施形態について、図面を参照しながら以下詳細に説明する。本発明によるパワー半導体モジュールおよび電力変換装置は、ハイブリッド用の自動車や純粋な電気自動車に適用可能である。以下では、代表例として、本発明によるパワー半導体モジュールおよび電力変換装置をハイブリッド自動車に適用した場合の実施形態について説明する。

以下の実施形態では、自動車に搭載される回転電機駆動システムの車載用電力変換装置、特に、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での適用例を説明する。車両駆動用インバータ装置は、車両駆動用電動機の駆動を制御する制御装置として車両駆動用電機システムに備えられ、車載電源を構成する車載バッテリ或いは車載発電装置から供給された直流電力を所定の交流電力に変換し、得られた交流電力を車両駆動用電動機に供給して車両駆動用電動機の駆動を制御する。また、車両駆動用電動機は発電機としての機能も有しているので、車両駆動用インバータ装置は、運転モードに応じて車両駆動用電動機の発生する交流電力を直流電力に変換する機能も有している。変換された直流電力は車載バッテリに供給される。

なお、以下の実施形態の構成は、自動車やトラックなどの車両を駆動するための電力変換装置として最適であるが、これ以外の電力変換装置に対しても適用可能である。例えば、電車、船舶、航空機などにおいて使用される電力変換装置や、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、あるいは、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。

図１は、本発明の一実施形態によるパワー半導体モジュールを用いた電力変換装置を搭載したハイブリッド自動車の制御ブロックを示す。ハイブリッド自動車（以下、ＨＥＶと記述する）１１０は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駆動システムである。もう１つは、モータジェネレータ１９２、１９４を動力源とする回転電機駆動システムである。回転電機駆動システムは、モータジェネレータ１９２、１９４を駆動源として備えている。モータジェネレータ１９２、１９４としては、同期機あるいは誘導機が使用される。モータジェネレータ１９２、１９４は、制御によりモータとしても、あるいは発電機としても動作する。そのため、この明細書ではこれらをモータジェネレータと記す。これらは代表的な使用例であり、モータジェネレータ１９２、１９４をモータのみあるいは発電機のみとして使用してもよい。以下に説明するインバータ回路１４０、１４２によりモータジェネレータ１９２、１９４が制御され、この制御においてモータとして動作したり発電機として動作したりする。

本発明は、図１に示すＨＥＶに使用できることは当然であるが、エンジン駆動システムを使用しない純粋な電気自動車にも適用できる。ＨＥＶの回転電機駆動システムも純粋な電気自動車の駆動システムも、本発明の関係する部分は、基本的な動作や構成が共通している。そのため、煩雑さを避けるために、以下では代表してＨＥＶの例で説明する。

車体のフロント部には一対の前輪１１２が設けられた前輪車軸１１４が回転可能に軸支されている。本実施の形態では、動力によって駆動される主輪を前輪１１２とし、連れ回される従輪を後輪とする、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には、デファレンシャルギア（以下ＤＥＦと記す）１１６が設けられている。前輪車軸１１４は、ＤＥＦ１１６の出力側に機械的に接続されている。ＤＥＦ１１６の入力側には、変速機１１８の出力軸が機械的に接続されている。ＤＥＦ１１６は、変速機１１８によって変速されたトルクを受け、左右の前輪車軸１１４に分配する。変速機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の出力側あるいは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。なお、モータジェネレータ１９２、１９４および動力分配機構１２２は、変速機１１８の筐体の内部に収納されている。

モータジェネレータ１９２および１９４は、誘導機でも良いが、本実施の形態ではより効率向上に優れている、回転子に永久磁石を備えた同期機が使用されている。誘導機や同期機の固定子が有する固定子巻線に供給される交流電力がインバータ回路１４０、１４２によって制御されることにより、モータジェネレータ１９２、１９４のモータあるいは発電機としての動作やその特性が制御される。つまり、インバータ回路１４０、１４２は力行用および回生用インバータを構成している。インバータ回路１４０、１４２には昇圧コンバータ１４４を介してバッテリ１３６が接続されており、バッテリ１３６とインバータ回路１４０、１４２との間において電力の授受が可能である。

本実施の形態では、ＨＥＶ１１０は、モータジェネレータ１９２およびインバータ回路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およびインバータ回路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。すなわち、エンジン１２０からの動力によって車両を駆動している状況において、車両の駆動トルクをアシストする場合には、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の動力によって作動させて発電させ、その発電によって得られた電力によって第１電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させる。また、同様の状況において車両の車速をアシストする場合には、第１電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジン１２０の動力によって作動させて発電させ、その発電によって得られた電力によって第２電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させる。

また、本実施の形態では、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電動発電ユニットまたは第２電動発電ユニットを、発電ユニットとしてエンジン１２０の動力ある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。

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。補機用のモータ１９５としては、たと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がある。バッテリ１３６から供給された直流電力は補機用の変換機４３で交流の電力に変換され、モータ１９５に供給される。補機用の変換機４３はインバータ回路１４０、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。たとえば、モータ１９５の回転子の回転に対し進み位相の交流電力を供給することにより、モータ１９５はトルクを発生する。一方、遅れ位相の交流電力を発生することで、モータ１９５は発電機として作用し、モータ１９５は回生制動状態の運転となる。このような補機用の変換機４３の制御機能は、インバータ回路１４０、１４２の制御機能と同様である。モータ１９５の容量がモータジェネレータ１９２、１９４の容量より小さいので、補機用の変換機４３の最大変換電力はインバータ回路１４０、１４２より小さいが、補機用の変換機４３の回路構成は基本的にインバータ回路１４０、１４２の回路構成と同じである。

図１の実施の形態では、定電圧電源を省略している。各制御回路や各種センサは図示していない定電圧電源からの電力で動作する。この定電圧電源は例えば１４ボルト系の電源であり、鉛バッテリなどの１４ボルト系、場合によっては２４ボルト系のバッテリを備え、正極あるいは負極の一方が車体と接続されており、車体が定電圧電源の電力供給用導体として使用される。

インバータ回路１４０、１４２および補機用の変換機４３と昇圧コンバータ１４４とコンデンサモジュール５００とは、電気的に密接な関係にある。さらに発熱に対する対策が必要な点が共通している。また装置の体積をできるだけ小さく作ることが望まれている。これらの点から以下で詳述する電力変換装置２００Ａは、インバータ回路１４０、１４２と、補機用の変換機４３と、昇圧コンバータ１４４と、コンデンサモジュール５００とを、電力変換装置２００Ａの筐体１２（図２参照）内に内蔵している。この構成により小型化が可能となる。さらにハーネスの数を低減できる、あるいは放射ノイズなどを低減できるなどの効果がある。この効果は小型化にもつながり、あるいは信頼性の向上にもつながる。また生産性の向上にもつながる。また、昇圧コンバータ１４４とコンデンサモジュール５００とインバータ回路１４０、１４２および補機用の変換機４３との接続回路が短くなり、あるいは以下に説明する構造が可能となり、インダクタンスを低減でき、その結果としてスパイク電圧を低減できる。さらに以下に説明する構造により、発熱の低減や放熱効率の向上を図ることができる。電力変換装置２００Ａは、直流コネクタ１３８を介してバッテリ１３６と接続されている。

〔電力変換装置の回路構成〕
図２を用いて、本実施形態による電力変換装置２００Ａの回路構成について説明する。図１に示したように、電力変換装置２００Ａは、インバータ回路１４０、１４２と、補機用の変換機４３と、昇圧コンバータ１４４と、コンデンサモジュール５００とを備えている。補機用の変換機４３は、ＨＥＶ１１０が備える補機類を駆動するための補機用のモータ１９５を制御するインバータ装置である。

インバータ回路１４０、１４２は、両面冷却構造を有するパワー半導体モジュール３００をそれぞれ複数台、この実施例では３個ずつ備えている。これらのパワー半導体モジュール３００を並列接続することにより、３相ブリッジ回路を構成している。電流容量が大きい場合には、更に複数のパワー半導体モジュール３００を並列接続してもよい。パワー半導体モジュール３００の並列接続を３相インバータ回路の各相に対応して行うことにより、電流容量の増大に対応できる。また、以下で説明の如くパワー半導体モジュール３００に内蔵している半導体素子を並列接続してもよい。これにより、複数のパワー半導体モジュール３００を並列接続しなくても、パワーの増大に対応できる。

後述するように、各パワー半導体モジュール３００は、パワー半導体素子とその接続配線を、図３、図４に示すモジュールケース３０４の内部に収納している。本実施の形態では、モジュールケース３０４は、開口が形成された開口部を有する缶状の放熱金属のベース等を備えている。このモジュールケース３０４は、対向する一対の放熱ベース３０７を有している。この実施例では、モジュールケース３０４の開口部を有する面以外の５つの面のうち、最も広い２つの面に放熱ベース３０７が形成されている。これらの両放熱ベース３０７と連続してその間をつなぐように、繋ぎ目の無い同一材質で、残りの各面に外壁が構成されている。直方体形状を成す上記缶状のモジュールケース３０４の一面には開口が形成されている。この開口からパワー半導体素子がモジュールケース３０４の内部に挿入されて保持される。

インバータ回路１４０、１４２と、昇圧コンバータ１４４は、ドライバ回路１７４によってそれぞれ駆動制御される。ドライバ回路１７４は制御回路１７２により制御される。制御回路１７２は、パワー半導体素子のスイッチングタイミングを制御するためのスイッチング信号を生成する。

インバータ回路１４０とインバータ回路１４２とは基本的な回路構成は同じであり、制御方法や動作も基本的には同じである。そのため、これらを代表してインバータ回路１４０を例に説明する。インバータ回路１４０は３相ブリッジ回路を基本構成として備えている。具体的には、Ｕ相のパワー半導体モジュール３００（符号Ｕ１で示す）、Ｖ相のパワー半導体モジュール３００（符号Ｖ１で示す）、Ｗ相のパワー半導体モジュール３００（符号Ｗ１で示す）を有している。なお、インバータ回路１４２についても同様に、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相のパワー半導体モジュール３００をそれぞれ符号Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２で示している。各相のパワー半導体モジュール３００は、上アーム回路と下アーム回路とが直列に接続された上下アーム直列回路で構成される。各相のパワー半導体モジュール３００は、上アーム回路に接続される直流正極端子３１５Ｂと、下アーム回路に接続される直流負極端子３１９Ｂと、上アーム回路と下アーム回路の接続部に接続される交流端子３２１とを有している。

各相のパワー半導体モジュール３００において、上アーム回路と下アーム回路の接続部にはそれぞれ交流電力が発生する。各相のパワー半導体モジュール３００の交流端子３２１は、交流出力コネクタ１８８に接続される。電力変換装置２００Ａにおいて、インバータ回路１４０、１４２の各相のパワー半導体モジュール３００で発生した交流電力は、この交流出力コネクタ１８８を介して、モータジェネレータ１９２あるいは１９４の固定子巻線に供給される。

ここで、インバータ回路１４０、１４２がそれぞれ有する各相のパワー半導体モジュール３００は基本的に同じ構造を有しており、動作も基本的に同じである。そのため、以下ではこれらを代表して、インバータ回路１４０のＵ相のパワー半導体モジュール３００、すなわちパワー半導体モジュールＵ１について説明する。

パワー半導体モジュールＵ１において、上アーム回路は、スイッチング用のパワー半導体素子として、上アームＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）１５５と、上アームダイオード１５６とを備えている。また下アーム回路は、スイッチング用のパワー半導体素子として、下アームＩＧＢＴ１５７と、下アームダイオード１５８とを備えている。上アーム回路に接続された直流正極端子３１５Ｂと、下アーム回路に接続された直流負極端子３１９Ｂは、コンデンサモジュール５００にそれぞれ接続される。

なお、前述のように、インバータ回路１４０のＶ相およびＷ相の各パワー半導体モジュールＶ１、Ｗ１については、上記のパワー半導体モジュールＵ１と略同じ回路構成となる。また、インバータ回路１４２の各相のパワー半導体モジュールＵ２、Ｖ２、Ｗ２は、インバータ回路１４０の場合と同様の構成である。そのため、パワー半導体モジュールＵ１以外については、図２において上記の各構成要素に対応する符号の図示を省略している。

上アームＩＧＢＴ１５５や下アームＩＧＢＴ１５７は、ドライバ回路１７４から出力された駆動信号を受けてスイッチング動作し、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。変換された電力はモータジェネレータ１９２の固定子巻線に供給される。なお、補機用の変換機４３はインバータ回路１４２と同様の構成を有しており、ここでは説明を省略する。

本実施の形態では、スイッチング用のパワー半導体素子として上アームＩＧＢＴ１５５、および下アームＩＧＢＴ１５７を用いた例を示している。上アームＩＧＢＴ１５５や下アームＩＧＢＴ１５７は、後で詳しく説明するように、コレクタ電極、エミッタ電極（信号用エミッタ電極端子）、およびゲート電極（ゲート電極端子）をそれぞれ備えている。上アームＩＧＢＴ１５５や下アームＩＧＢＴ１５７のコレクタ電極とエミッタ電極との間には、上アームダイオード１５６や下アームダイオード１５８が図示するように電気的に接続されている。上アームダイオード１５６と下アームダイオード１５８は、カソード電極およびアノード電極の２つの電極をそれぞれ備えている。上アームＩＧＢＴ１５５や下アームＩＧＢＴ１５７のエミッタ電極からコレクタ電極に向かう方向が順方向となるように、カソード電極は上アームＩＧＢＴ１５５や下アームＩＧＢＴ１５７のコレクタ電極に、アノード電極は上アームＩＧＢＴ１５５や下アームＩＧＢＴ１５７のエミッタ電極に、それぞれ電気的に接続されている。

制御回路１７２は、上アームＩＧＢＴ１５５や下アームＩＧＢＴ１５７のスイッチングタイミングを制御するためのタイミング信号を生成する。ドライバ回路１７４は、制御回路１７２から出力されたタイミング信号に基づいて、上アームＩＧＢＴ１５５、下アームＩＧＢＴ１５７をスイッチング動作させるための駆動信号を生成する。

制御回路１７２は、上アームＩＧＢＴ１５５や下アームＩＧＢＴ１５７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、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からモータジェネレータ１９２の固定子巻線に供給される電流値、モータジェネレータ１９２の回転子の磁極位置などが、入力情報として入力される。目標トルク値は、上位の制御装置（不図示）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。なお、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１９２のｄ軸やｑ軸の電流指令値を演算し、この演算されたｄ軸やｑ軸の電流指令値と、検出されたｄ軸やｑ軸の電流値との差分に基づいてｄ軸やｑ軸の電圧指令値を演算する。さらにマイコンは、この演算されたｄ軸や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相の各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、パルス状の変調波であるＰＷＭ（パルス幅変調）信号を生成し、これを前述のタイミング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、制御回路１７２からのタイミング信号すなわちＰＷＭ信号を増幅し、これをドライブ信号（ゲート信号）として、対応する下アームＩＧＢＴ１５７のゲート電極に出力する。一方、上アームを駆動する場合には、ドライバ回路１７４は、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（ゲート信号）として、対応する上アームＩＧＢＴ１５５のゲート電極にそれぞれ出力する。これにより、上アームＩＧＢＴ１５５、下アームＩＧＢＴ１５７は、入力されたドライブ信号（ゲート信号）に基づいてそれぞれスイッチング動作する。

また、ドライバ回路１７４や制御回路１７２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を保護している。このため、ドライバ回路１７４や制御回路１７２には各種のセンシング情報が入力されている。たとえば、上アームＩＧＢＴ１５５や下アームＩＧＢＴ１５７の信号用エミッタ電極端子からドライバ回路１７４には、エミッタ電極に流れる電流の情報が入力されている。これにより、ドライバ回路１７４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上アームＩＧＢＴ１５５または下アームＩＧＢＴ１５７のスイッチング動作を停止させて、そのＩＧＢＴを過電流から保護する。また、上下アーム直列回路から制御回路１７２には、温度センサ（不図示）からの温度の情報や、直流正極側の電圧情報が入力されている。制御回路１７２は、それらの情報に基づいて過温度検知および過電圧検知を行い、過温度や過電圧が検知された場合には全ての上アームＩＧＢＴ１５５、下アームＩＧＢＴ１５７のスイッチング動作を停止させて、上下アーム直列回路を過温度や過電圧から保護する。

インバータ回路１４０の各相において、上アームＩＧＢＴ１５５や下アームＩＧＢＴ１５７の導通および遮断動作は一定の順で切り替わる。この切り替わり時にモータジェネレータ１９２の固定子巻線に発生する電流は、ダイオード１５６、１５８を含む回路を流れる。なお、本実施の形態の電力変換装置２００Ａでは、インバータ回路１４０の各相に１つの上下アーム直列回路を設けたが、上述の通り、モータジェネレータ１９２へ出力する３相交流の各相の出力を発生する回路として、各相に２つの上下アーム直列回路を並列接続するようにした回路構成の電力変換装置であってもよい。

各パワー半導体モジュール３００の直流正極端子３１５Ｂおよび直流負極端子３１９Ｂは、積層配線板７００を介してコンデンサモジュール５００にそれぞれ接続されている。積層配線板７００は、各パワー半導体モジュール３００の配列方向に幅広な導電性板材から成る配線層７０２、７０４で絶縁シート（不図示）を挟持して構成された、３層構造の配線板である。積層配線板７００の配線層７０２、７０４は、コンデンサモジュール５００に設けられた積層配線板５０１が有する配線層５０７、５０５にそれぞれ接続されている。配線層５０７、５０５も配線層７０２、７０４と同様に、各パワー半導体モジュール３００の配列方向に幅広な導電性板材から成り、絶縁シートを挟持した３層構造の積層配線板５０１を構成している。

コンデンサモジュール５００には複数のコンデンサセル５１４が並列接続されている。コンデンサセル５１４の正極側が配線層５０７に接続され、コンデンサセル５１４の負極側が配線層５０５に接続されている。コンデンサモジュール５００は、上アームＩＧＢＴ１５５、下アームＩＧＢＴ１５７のスイッチング動作によって生じる直流電圧の変動を抑制するための平滑回路を構成している。

コンデンサモジュール５００の積層配線板５０１は、電力変換装置２００Ａの直流コネクタ１３８に接続された入力積層配線板２３０に接続されている。入力積層配線板２３０には、補機用の変換機４３も接続されている。入力積層配線板２３０と積層配線板５０１との間には、不図示のノイズフィルタが設けられている。

図２に示す電力変換装置２００Ａの構成において、コンデンサモジュール５００は、直流電源である昇圧コンバータ１４４を介してバッテリ１３６から直流電力を受けるために直流コネクタ１３８に接続される端子（符号省略）と、インバータ回路１４０あるいはインバータ回路１４２に接続される端子とを別々に有する。そのため、インバータ回路１４０あるいはインバータ回路１４２が発生するノイズがバッテリ１３６の方に及ぼす悪影響を低減できる。

また、コンデンサモジュール５００と各パワー半導体モジュール３００との接続に上述のように積層配線板７００を使用しているので、各パワー半導体モジュール３００の上下アーム直列回路を流れる電流に対するインダクタンスを低減できる。そのため、上記電流の急変に伴って跳ね上がる電圧を低減できる。

上記実施形態において、第１電動発電ユニットおよび第２電動発電ユニットの一方をモータ用とし、他方をジェネレータ用または回生用とすることができる。例えば、第１電動発電ユニットをモータ用とし、第２電動発電ユニットをジェネレータ用とする場合には、インバータ回路１４０を直流電力を交流電力に変換する力行用インバータとし、モータジェネレータ１９２をモータとする。この場合、モータジェネレータ１９４を取り除き、インバータ回路１４２を交流電力を直流電力に変換するジェネレータ用または回生用インバータとし、インバータ回路１４０のアシストとしたり、バッテリ１３６の充電用としたりしてもよい。

〔パワー半導体モジュール〕
インバータ回路１４０およびインバータ回路１４２に使用されるパワー半導体モジュール３００の詳細構成を説明する。図３は、本実施形態によるパワー半導体モジュールの斜視図であり、図４は、図３に図示されたパワー半導体モジュールの断面図である。図５は、本実施形態によるパワー半導体モジュールの内部斜視図である。
図６は、図４に示したパワー半導体モジュール３００の断面図から、モジュールケース３０４と絶縁シート３３３と第一封止樹脂３５０と第二封止樹脂３５１とを取り除いた、本実施形態によるパワー半導体モジュール３００の内部断面図である。図６は、図５に対応するパワー半導体モジュール３００の断面図である。図７は、図６の構造の理解を助けるためのパワー半導体モジュール３００の分解図である。図８は、パワー半導体モジュール３００の回路図である。

図５、図７等に示す如く、上下アーム直列回路を構成するパワー半導体素子のうち上アームＩＧＢＴ１５５および上アームダイオード１５６は、直流正極導体板３１５と第二交流導体板３１８に両面から挟まれた状態でこれらの導体板に固着される。また、下アームＩＧＢＴ１５７および下アームダイオード１５８は、直流負極導体板３１９と第一交流導体板３１６に両面から挟まれた状態でこれらの導体板に固着される。さらに、上アームＩＧＢＴ１５５および下アームＩＧＢＴ１５７は、補助モールド体６００にインサート成形された信号端子３２４Ｕ、３２４Ｌとそれぞれ接続される。これらの各パワー半導体素子、各導体板および各信号端子を、各導体板の伝熱面３２３を露出させて、封止材である第一封止樹脂３５０で一体的に封止することで、モジュール一次封止体３００ｍ（図４等参照）が形成される。このモジュール一次封止体３００ｍに絶縁シート３３３を熱圧着したものをモジュールケース３０４の中に挿入して、絶縁シート３３３と缶型の冷却器であるモジュールケース３０４の内面とを熱圧着した後、モジュールケース３０４の内部に残存する空隙に第二封止樹脂３５１を充填することで、パワー半導体モジュール３００が組み立てられる。

上述のように絶縁シート３３３を利用して、パワー半導体素子を支持している各導体板とモジュールケース３０４の内側とを固着する構造とすることにより、生産性が向上する。また、パワー半導体素子が発生する熱を効率良く放熱ベース３０７に形成されている放熱用フィン３０５へ伝達できるため、パワー半導体素子の冷却効果が向上する。さらにまた、温度変化などによる熱応力の発生を抑えることができるため、温度変化の激しい車両用のインバータに使用するのに良好である。

なお、図５、図７では、パワー半導体モジュール３００において、上アームＩＧＢＴ１５５、上アームダイオード１５６、下アームＩＧＢＴ１５７および下アームダイオード１５８の各パワー半導体素子が、それぞれ２個ずつ並列に接続された構成例を図示している。しかし、本願発明によるパワー半導体モジュールの構成はこれに限定されるものではない。たとえば、各パワー半導体素子を並列接続せずに１個ずつとしてもよいし、３個以上を並列接続してもよい。以下の実施形態では、これらの構成を全て含むものとして説明する。

パワー半導体モジュール３００には、コンデンサモジュール５００と接続するための直流バスバーとして、直流正極配線３１５Ａおよび直流負極配線３１９Ａが設けられており、その先端部に直流正極端子３１５Ｂと直流負極端子３１９Ｂがそれぞれ形成されている。また、モータジェネレータ１９２あるいは１９４に交流電力を供給するための交流バスバーとして交流配線３２０が設けられており、その先端に交流端子３２１が形成されている。本実施形態では、直流正極配線３１５Ａと直流正極導体板３１５、および直流負極配線３１９Ａと直流負極導体板３１９が、それぞれ一体的に成形されている。また、交流配線３２０と第一交流導体板３１６が一体的に整形されており、これと第二交流導体板３１８が中間電極１５９（図８参照）を介して接続されている。さらに、ドライバ回路１７４と接続するための信号端子３２４Ｕおよび３２４Ｌが設けられている。信号端子３２４Ｕの外部信号端子３２５Ｕおよび信号端子３２４Ｌの外部信号端子３２５Ｌのそれぞれは、図６に図示されるようにワイヤボンディング３２７を介して、上アームＩＧＢＴ１５５、下アームＩＧＢＴ１５７に接続されている。

モジュールケース３０４は、たとえばＡｌ、ＡｌＳｉ、ＡｌＳｉＣ、Ａｌ−Ｃ等のアルミ合金材料から構成されており、つなぎ目の無い一体成形された缶型の形状、すなわち所定の一面に挿入口３０６を備え、かつ有底の略直方体形状を為している。また、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る。挿入口３０６は、フランジ３０４Ｂにその外周を囲まれている。

モジュールケース３０４には、図３に示す如く、他の面よりも広い面積を有する２つの放熱面に放熱ベース３０７が互いに対向した状態で配置されている。これらの放熱面が有する四辺のうち３つの辺は、放熱面よりも狭い幅で密閉された面を構成しており、残りの一辺の面に挿入口３０６が形成されている。上記構造は正確な直方体である必要は無く、角の部分が図３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モジュールケース３０４とすることで、モジュールケース３０４を水や油などの冷却媒体が流れる流路内に挿入しても、冷却媒体に対するシールをフランジ３０４Ｂにて確保できる。そのため、冷却媒体がモジュールケース３０４の内部及び端子部分に侵入するのを、簡易な構成にて防ぐことができる。また、モジュールケース３０４の外壁には、対向した放熱ベース３０７に放熱用フィン３０５が均一に形成されており、その同一面の外周には、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、放熱用フィン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３００ｍが挿入された後の生産性が向上する。

パワー半導体モジュール３００は、パワー半導体素子の動作時の発熱が、その両面から導体板で拡散して絶縁シート３３３に伝わる。そして、モジュールケース３０４に形成された放熱ベース３０７と前記放熱ベース３０７に設けられた放熱用フィン３０５から冷却媒体に放熱される。そのため、高い冷却性能を実現できる。

ここで、パワー半導体素子と導体板の配置を、電気回路と関連付けて説明する。この実施の形態では、パワー半導体素子は前述のように、上アームＩＧＢＴ１５５、下アームＩＧＢＴ１５７、上アームダイオード１５６および下アームダイオード１５８である。直流正極導体板３１５と第一交流導体板３１６は略同一平面状に配置されている。直流正極導体板３１５には、上アームＩＧＢＴ１５５のコレクタ電極と上アームダイオード１５６のカソード電極が固着され、第一交流導体板３１６には、下アームＩＧＢＴ１５７のコレクタ電極と下アームダイオード１５８のカソード電極が固着される。また、第二交流導体板３１８と直流負極導体板３１９とは略同一平面状に配置されている。第二交流導体板３１８には、上アームＩＧＢＴ１５５のエミッタ電極と上アームダイオード１５６のアノード電極が固着され、直流負極導体板３１９には、下アームＩＧＢＴ１５７のエミッタ電極と下アームダイオード１５８のアノード電極が固着される。これらの各パワー半導体素子は、上記各導体板に設けられた固着領域３２２にそれぞれ固着される。すなわち、直流正極導体板３１５、直流負極導体板３１９、第一交流導体板３１６および第二交流導体板３１８は、固着領域３２２を含む固着面を有している。これらの各導体板において、固着面と反対側には、図５に示すように伝熱面３２３がそれぞれ設けられている。なお、図５では、表側に配置された直流負極導体板３１９および第二交流導体板３１８の伝熱面３２３のみが示されているが、裏側の直流正極導体板３１５および第一交流導体板３１６についても、同様に伝熱面３２３が設けられている。

各パワー半導体素子は板状の扁平構造を有しており、その表面または裏面に各電極が形成されている。そのため、図５の様に、直流正極導体板３１５と第二交流導体板３１８、および第一交流導体板３１６と直流負極導体板３１９は、各ＩＧＢＴ及びダイオードを介して、すなわちこれらのパワー半導体素子を挟むようにして、略平行に対向した積層状の配置となっている。第一交流導体板３１６と第二交流導体板３１８とは、中間電極１５９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。上アームＩＧＢＴ１５５、下アームＩＧＢＴ１５７のゲート電極は、内部信号端子（不図示）にそれぞれ接続されている。

各パワー半導体素子の電極と対応する各導体板とは、はんだ材や銀シート、微細金属粒子を含んだ低温焼結接合材等の金属接合材料１６０（図６参照）を用いて、電気的にかつ熱的に接合することで固着される。前述のように、直流正極配線３１５Ａは直流正極導体板３１５に一体で形成され、その先端に直流正極端子３１５Ｂが形成されている。直流負極配線３１９Ａも基本的構造は同じで、直流負極導体板３１９に一体で形成され、その先端に直流負極端子３１９Ｂが形成されている。

直流正極配線３１５Ａと直流負極配線３１９Ａの間には、樹脂材料で成形された補助モールド体６００が介在している。上記直流正極配線３１５Ａと直流負極配線３１９Ａは、対向した状態で略平行に、パワー半導体の位置に対して反対方向に延びる形状を成している。また、信号端子３２４Ｕや３２４Ｌは、補助モールド体６００に一体に成形されて、上記直流正極配線３１５Ａと直流負極配線３１９Ａと同様の方向であるモジュールの外に向かって延びており、その先に外部信号端子３２５Ｕ、３２５Ｌがそれぞれ設けられている。

補助モールド体６００に用いる樹脂材料には、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。外部信号端子３２５Ｌや３２５Ｕは、上記補助モールド体６００にインサート成形されている。このような構造により、直流正極配線３１５Ａと直流負極配線３１９Ａ間の絶縁性と、外部信号端子３２５Ｌ、３２５Ｕと各配線板との間の絶縁性とを確保できる。この構造により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で、パワー半導体素子のスイッチング動作時に瞬間的に流れる電流を、上記直流正極配線３１５Ａと上記直流負極配線３１９Ａに互いに逆方向に流れるようにすることができる。この互いに逆方向に流れる電流が作る磁界は、互いに相殺するように作用する。この作用により低インダクタンス化が可能となる。

[流路形成体]
パワー半導体モジュール３００は、電力変換装置２００Ａ（図１７参照）のベース部材に形成された冷却流路内に配置されて、冷却流路内を流通する冷却媒体により冷却される。 図９は、本実施形態によるベース部材の表面側からの斜視図であり、図１０は、図９に図示されたベース部材の底面側からの斜視図である。
電力変換装置２００Ａの筐体１２（図２参照）の一部を構成するベース部材（流路形成体）４００は、アルミニウム等の鋳造により形成される鋳造品または樹脂モールドにより形成される樹脂成形品であり、矩形の周壁４０１を有する薄型箱形状を有する。
ベース部材４００の上面４０２側には、コンデンサモジュール５００等が収納されるコンデンサ配置用凹部４３１と、インダクタ８００（図２参照）等が収納されるインダクタ配置用凹部４３２が形成されている。

ベース部材４００には、冷却流路４１０が形成されている。冷却流路４１０の一端側には、周壁４０１の短辺側の一側部４０１ａを貫通して設けられた冷却媒体入口配管４２１が連結され、冷却流路４１０の他端側には、周壁４０１の一側部４０１ａを貫通して設けられた冷却媒体出口配管４２２が連結されている。
冷却流路４１０は、ベース部材４００の裏面４０３側から凹状に形成されている。冷却流路４１０は、冷却媒体入口配管４２１側から周壁４０１の長辺側の一側部４０１ｂに沿って直線的に配置された第１冷却ジャケット４１１、第１冷却ジャケット４１１の周端部に形成された広い面積の第２冷却ジャケット４１２、第２冷却ジャケット４１２に連接する第３冷却ジャケット４１３、第３冷却ジャケット４１３に隣接する３つの第４冷却ジャケット４１４および第４冷却ジャケットと冷却媒体出口配管４２２との間に形成された３つの第５冷却ジャケット４１５を有している。ベース部材４００の裏面４０３は、不図示の蓋部材により外部から密封される。蓋部材により密封された状態で、第１冷却ジャケット４１１と第２冷却ジャケット４１２は比較的浅い凹部を形成する。また、第３〜第５冷却ジャケット４１３〜４１５は、裏面４０３から上面４０２まで貫通する凹部を形成する。

第３冷却ジャケット４１３、３つの第４冷却ジャケット４１４および３つの第５冷却ジャケット４１５のそれぞれは、第１冷却ジャケット４１１の長手方向に垂直な方向に延出されており、一端側が隣接する一方（例えば右）側の冷却ジャケットの他端側に接続され、他端側が隣接する他方（例えば左）側の冷却ジャケットの一端側に接続されている。つまり、第３〜第５冷却ジャケット４１３〜４１５は、ジグザグ状に蛇行して連接されている。このため、冷却媒体入口配管４２１から流入された冷却水などの冷却媒体は、図９および図１０に、点線の矢印で示されるように、第１冷却ジャケット４１１の長手方向に沿って流れ、第２冷却ジャケット４１２で折り返し、第３〜第５冷却ジャケット４１３〜４１５をジグザグ状に蛇行して流れて、冷却媒体出口配管４２２から流出する。つまり、第３〜第５冷却ジャケット４１３〜４１５は、上流側から下流側に向かって、第３冷却ジャケット４１３、第４冷却ジャケット４１４、第５冷却ジャケット４１５の順に配置されている。

ベース部材４００の上面４０２には、第１〜第５冷却ジャケット４１１〜４１５にパワー半導体モジュール３００をそれぞれ挿入するモジュール挿入口４４５が設けられている。各モジュール挿入口４４５の平面サイズは、パワー半導体モジュール３００のモジュールケース３０４が挿通可能であり、かつ、モジュールケース３０４のフランジ３０４Ｂより小さい。従って、パワー半導体モジュール３００は、モジュールケース３０４の底面側をモジュール挿入口４４５から挿入して、ベース部材４００の上面４０２上にフランジ３０４Ｂを密着した状態で、不図示の締結部材により固定可能となっている。

[抜き勾配付き冷却ジャケット]
図１１および図１２は、抜き勾配を有する冷却ジャケット（第１流路空間）にパワー半導体モジュールを取り付ける工程を説明するための図である。
鋳造または射出成形により形成されたジャケットには、抜き勾配が形成されている。抜き勾配を有する冷却ジャケット（以下、「抜き勾配付き冷却ジャケット」という）Ｊ_nは、モジュールケース３０４に形成された一対の放熱用フィン３０５のそれぞれに対面する内壁４４２を有する。各内壁４４２は、底部４４１側からモジュール挿入口４４５側に向かって、当該内壁４４２と対向する内壁との間の幅が大きくなる方向の傾斜面となっている。 パワー半導体モジュール３００は、モジュールケース３０４のフランジ３０４Ｂの根元に環状のシール材４６１が嵌合された状態で、ベース部材４００との間に環状のシール材４６２を介装して、フランジ３０４Ｂがベース部材４００の上面４０２に圧着されるようにベース部材４００に固着される。

図１３は、パワー半導体モジュール３００と抜き勾配付き冷却ジャケットＪ_nの内壁４４２との間を流れる冷却媒体を説明するための図である。
パワー半導体モジュール３００と抜き勾配付き冷却ジャケットＪ_nの内壁４４２との間の空間は、抜き勾配付き冷却ジャケットＪ_nの内壁４４２が傾斜しているために、図１３に点線で示すように、底部４４１側からモジュール挿入口側に向かって、漸次、幅広くなる。
放熱用フィン３０５が形成された領域を流れる冷却媒体は、放熱用フィン３０５から発生する熱を冷却する効果が大きい。しかし、放熱用フィン３０５の先端部から抜き勾配付き冷却ジャケットＪ_nの内壁４４２までの間の空間Ｓ_Bは、所謂、バイパス流が発生する空間であり、パワー半導体モジュール３００から発生する熱の冷却効果が小さい。
すなわち、抜き勾配付き冷却ジャケットＪ_nでは、冷却媒体のバイパス流が発生する空間Ｓ_Bが形成されてしまう。

[抜き勾配切除加工]
図１４は、抜き勾配を切除した冷却ジャケット（第２流路空間）にパワー半導体モジュール３００が挿通された状態を示す断面図である。
抜き勾配を切除した冷却ジャケット（以下、「抜き勾配切除ジャケット」という）Ｊ_wは、抜き勾配が切除された一対の内壁４４７を有している。抜き勾配切除ジャケットＪ_wにおける一対の内壁４４７間の幅は、底部４４１側からモジュール挿入口４４５側にまでの高さ全体に亘り、ほぼ同一とされている。各内壁４４７は、対面する放熱用フィン３０５の上面から僅かなギャップを有する位置に設けられている。この状態では、バイパス流が発生する空間Ｓ_Bは殆ど形成されない。
このため、冷却水の流量を同一と仮定したとき、抜き勾配切除ジャケットＪ_wを用いた場合の冷却効果は、抜き勾配付きジャケットＪ_nを用いた場合に比し、空間Ｓ_Bのバイパス流の流量を抑制する分だけ向上する。従って、冷却媒体を循環させるポンプの駆動効率を上昇し、冷却効率を向上することができる。

図１５は、流路空間内壁の抜き勾配を切除する方法を説明するための図であり、図１５（ａ）は抜き勾配を有する流路空間の断面図であり、図１５（ｂ）、図１５（ｃ）は抜き勾配が切除された流路空間の形成方法を示す断面図である。
図１５（ａ）は、ベース部材４００に、鋳造又は樹脂成形により形成された抜き勾配付き冷却ジャケットＪ_nの断面図である。上述した如く、抜き勾配付き冷却ジャケットＪ_nは、抜き勾配を有する一対の内壁４４２を有している。各内壁付４４２付近には、内壁４４２の抜き勾配に起因してバイパス流を発生する空間Ｓ_Bが形成されている。
抜き勾配切除ジャケットＪ_wは、図１５（ｂ）に図示されるように、モジュール挿入口４４５側が、抜き勾配付き冷却ジャケットＪ_nの底部４４１の幅Ｗ_Bと同一若しくはそれより少し小さくに形成される。すなわち、鋳造または樹脂成形によるベース部材４００の作製では、抜き勾配を切除する冷却ジャケットＪ_waのモジュール挿入口４４５の幅Ｗ_Tが抜き勾配付き冷却ジャケットＪ_nの底部４４１の幅Ｗ_Bと同一若しくはそれより少し小さくなるように形成される。

次に、抜き勾配を切除するジャケットＪ_waの各内壁４４７ａをドリル等の加工工具Ｔ_Dにより、モジュール挿入口４４５から底部４４１の上面まで垂直に加工し、抜き勾配を切除する。抜き勾配を切除するジャケットＪ_waの一対の内壁４４７ａの間隔が、形成しようとする抜き勾配切除ジャケットＪ_wの各内壁４４７ａと同一となるようにする。このようにして各内壁４４７ａの抜き勾配を切除した後、パワー半導体モジュール３００を抜き勾配切除ジャケットＪ_wに挿通する。これにより、図１４に図示されるように、抜き勾配切除ジャケットＪ_wにパワー半導体モジュール３００が取り付けられた、バイパス流を発生する空間Ｓ_Bが殆どなく、冷却効率が高い冷却装置が形成される。

[冷却ジャケットの配置]
図１６は、抜き勾配切除ジャケットＪ_wと抜き勾配付き冷却ジャケットＪ_nの配置の選定方法の一実施の形態を示す図である。
図１および図２に図示される電力変換回路２００は、昇圧コンバータ１４４用のパワー半導体モジュール３００Ｃ、インバータ回路１４０用のパワー半導体モジュール３００Ａ、およびインバータ回路１４２用のパワー半導体モジュール３００Ｂを備えている。パワー半導体モジュール３００Ａ、３００Ｂ、３００Ｃは、構造および外形サイズが同一である。 パワー半導体モジュール３００Ｃ、３００Ａ、３００Ｂの中では、昇圧コンバータ１４４用のパワー半導体モジュール３００Ｃが通電量および発熱量が最も大きい。このため、パワー半導体モジュール３００Ｃが取り付けられる第３冷却ジャケット３１３を抜き勾配切除ジャケットＪ_wとする。

通電量または通電量および発熱量がパワー半導体モジュール３００Ｃよりも小さいパワー半導体モジュール３００Ａ、３００Ｂを取り付ける冷却ジャケットは、共に、第５冷却ジャケット４１５の如く、抜き勾配付き冷却ジャケットＪ_nとする。あるいは、両者の中、通電量または通電量および発熱量が大きい方が取り付けられる冷却ジャケットのみを、第３冷却ジャケット３１３と同様に、抜き勾配切除ジャケットＪ_wとする。
例えば、インバータ回路１４０が、直流電力を交流電力に変換する力行用インバータを構成するパワー半導体モジュール３００Ｂであり、インバータ回路１４２が交流電力を直流電力に変換する発電用インバータまたは回生用インバータを構成するパワー半導体モジュール３００Ａである場合、パワー半導体モジュール３００Ａが取り付けられる冷却ジャケットを抜き勾配切除ジャケットＪ_wとする。そして、通電量または通電量および発熱量が最も小さいパワー半導体モジュール３００Ｂが取り付けられる冷却ジャケットを抜き勾配付き冷却ジャケットＪ_nとする。

第３〜第５冷却ジャケット４１３〜４１５のすべてを、抜き勾配切除ジャケットＪ_wとすることにより冷却効率を向上してもよい。しかし、通電量または通電量および発熱量に相違があるパワー半導体モジュール３００Ａ〜３００Ｃの冷却能力を同様に向上させることは、通電量または通電量および発熱量が小さいパワー半導体モジュールに対しては、過剰に冷却することになり、冷却系の電力の無駄となる。
冷却ジャケットの抜き勾配の切除には工数がかかるので、通電量または通電量および発熱量が小さいパワー半導体モジュールに対する抜き勾配の切除加工を省くことで、生産コストを低減しつつ、冷却性能を確保した電力変換装置２００Ａを得ることができる。

図１７は、図１６に図示された冷却ジャケットの配置に対応する電力変換装置の斜視図である。
ベース部材４００のコンデンサ配置用凹部４３１（図９参照）にはコンデンサモジュール５００が収納され、インダクタ配置用凹部４３２（図９参照）にはインダクタ８００が収納されている。
第３冷却ジャケット４１３には、昇圧コンバータ１４４を構成するパワー半導体モジュール３００Ｃが挿通されている。第３冷却ジャケット４１３は、抜き勾配切除ジャケットＪ_wであり、バイパス流を発生する空間Ｓ_Bが殆ど存在しない内壁４４７（図１５参照）を有している。

ベース部材４００の第５冷却ジャケット４１５には、通電量または通電量および発熱量が最も小さいパワー半導体モジュール３００Ｂが挿通されている。第５冷却ジャケット４１５は、抜き勾配付き冷却ジャケットＪ_nであり、鋳造または射出成形の抜き勾配を有する内壁４４２を有している。

ベース部材４００の第４冷却ジャケット４１４には、通電量または通電量および発熱量がパワー半導体モジュール３００Ｃとパワー半導体モジュール３００Ａとの中間のパワー半導体モジュール３００Ｂが挿通されている。第４冷却ジャケット４１４は、抜き勾配付き冷却ジャケットＪ_nであってもよいし、抜き勾配切除ジャケットＪ_wであってもよい。

上記本発明に係る電力変換装置の一実施の形態によれば、下記の効果を奏する。
（１）鋳造または樹脂成形により形成されたベース部材４００における冷却ジャケットＪ _waの内壁４４７ａの抜き勾配を切除してバイパス流の発生を抑制する抜き勾配切除ジャケットＪ_wとした。抜き勾配切除ジャケットＪ_wは、抜き勾配付きジャケットＪ_nに比し、冷却効率を向上することができる。

（２）発熱量が大きいパワー半導体モジュール３００Ｃを抜き勾配切除ジャケットＪ_wとし発熱量が小さいパワー半導体モジュール３００Ｂを抜き勾配付き冷却ジャケットＪ_nとした。つまり、複数の冷却ジャケット４１３〜４１５の一部のみを抜き勾配切除ジャケットＪ_wとした。このように、パワー半導体モジュールの特性に対応して適切な冷却能力の冷却ジャケットを適用するようにし、抜き勾配切除工数を最小にしたので、生産性の効率化と共に冷却に要する電力配分の最適化を図ることができる。

なお、上記一実施の形態では、抜き勾配切除ジャケットＪ_wを、抜き勾配付き冷却ジャケットＪ_nよりも冷却流路４１０の上流側に配した構造として例示した。しかし、抜き勾配切除ジャケットＪ_wを、抜き勾配付き冷却ジャケットＪ_nよりも冷却流路４１０の下流側に配する構造としてもよい。但し、冷却流路４１０の上流側の方が下流側に比して冷却媒体の温度が低く、冷却能力が大きい。このため、パワー半導体モジュール３００Ｃの発熱量がパワー半導体モジュール３００Ａ、３００Ｂに比して圧倒的に大きい場合には、抜き勾配切除ジャケットＪ_wを冷却流路４１０の上流側に配置するのが各冷却ジャケットの冷却能力の均一化を図るうえで有利である。

上記一実施の形態では、複数の冷却ジャケット４１３〜４１５の中、冷却ジャケット４１３（４１４）を抜き勾配切除ジャケットＪ_wとし、他の冷却ジャケット４１５（４１４）を抜き勾配付き冷却ジャケットＪ_nとした構造として例示した。しかし、すべての冷却ジャケット４１３〜４１５を、抜き勾配切除ジャケットＪ_wとしてもよい。

--実施形態２--
図１８は、本発明の実施形態２に係り、抜き勾配切除ジャケットＪｗと抜き勾配付き冷却ジャケットＪｎの配置の別の選択方法を示す図であり、図１９は、図１８に図示された冷却ジャケットの配置に対応するベース部材の斜視図である。
パワー半導体モジュール３００で発生された熱を冷却する過程において温度が上昇する。冷却流路４１０を流れる冷却媒体の温度は、上流から下流に行くにしたがって次第に上昇する。このため、冷却媒体の温度は、冷却流路４１０の下流側の冷却ジャケット１１５では、冷却流路４１０の上流側である冷却媒体入口側の冷却ジャケット４１３よりも高く、この分、冷却ジャケット４１５の冷却能力は低い。実施形態２では、冷却流路４１０の下流側の冷却ジャケット４１５の冷却能力を増大させることにより、各冷却ジャケットの冷却能力を平均化する。

図１９に図示されるように、実施形態２においては、冷却流路４１０の上流側の冷却ジャケット４１３が抜き勾配付き冷却ジャケットＪ_nとされ、下流側の冷却ジャケット４１５が抜き勾配切除ジャケットＪ_wとされている。冷却ジャケット４１３と冷却ジャケット４１５との間に配置されている冷却ジャケット４１４は、抜き勾配切除ジャケットＪ_wあるいは抜き勾配付き冷却ジャケットＪ_nのいずれであってもよい。
実施形態２においても、実施形態１と同様な効果を奏する。

--実施形態３--
図２０は、本発明の実施形態３に係り、抜き勾配切除ジャケットＪ_wと抜き勾配付き冷却ジャケットＪ_nの配置のさらに別の選択方法を示す図であり、図２１は、図２０に図示された冷却ジャケットの配置に対応するベース部材の斜視図である。
パワー半導体モジュール３００は、内蔵されるＩＧＢＴ１５５およびダイオード１５８（図３、図４等参照）等のパワー半導体素子のチップサイズを小さくすることにより、低コスト化を図ることができる。チップサイズを小型化すると、材料費および生産性の向上を図ることができ、コストを低減することができる。
しかし、パワー半導体モジュール３００の熱抵抗はパワー半導体素子のチップサイズと反比例する。

そこで、小型化されたチップが内蔵されたパワー半導体モジュールを取り付ける冷却ジャケットを抜き勾配切除ジャケットＪ_wとし、チップサイズ抑制がされていないチップが内蔵されたパワー半導体モジュールを取り付ける冷却ジャケットを抜き勾配付き冷却ジャケットＪ_nとする。
抜き勾配切除ジャケットＪ_wとするか否かの判断は、抜き勾配の切除加工費の増加分と、チップサイズ抑制がされていないチップが内蔵されたパワー半導体モジュールの作製費の増加分とを対比して行う。（抜き勾配の切除加工費の増加分）＜（チップサイズ抑制がされていないチップが内蔵されたパワー半導体モジュールの作製費とチップサイズを小さくした半導体モジュールの作製費の差）の条件を満たせば、抜き勾配切除ジャケットＪ_wとする。

図２１において、抜き勾配切除ジャケットＪ_wは、冷却流路４１０が上流側か、下流側に関係なく、冷却ジャケット４１３〜４１５のいずれに設定してもよい。
すべてのパワー半導体モジュール３００Ａ〜３００Ｃに対し、上記条件を満たす場合には、冷却ジャケット４１３〜４１５のすべてを抜き勾配切除ジャケットＪ_wとすることができる。
実施形態３においても実施形態１と同様な効果を奏する。

--実施形態４--
図２２は、本発明の実施形態４に係り、ベース部材の斜視図である。
実施形態４におけるベース部材４００Ａには、３つの冷却ジャケット４１６が形成されている。このように、冷却ジャケット４１６の数が少ない場合には、すべてを抜き勾配切除ジャケットＪ_wとしても、抜き勾配切除に要する加工費の増加分を比較的小さくすることができる。
すべてが抜き勾配切除ジャケットＪ_wである３つの冷却ジャケット４１６には、例えば、モータジェネレータ１９２に３相交流の各相の出力を発生するパワー半導体モジュールＵ１、Ｖ１、Ｗ１(図２参照)が取り付けられる。各パワー半導体モジュールＵ１、Ｖ１、Ｗ１は、力行用および回生用インバータを構成する。
実施形態４においては、すべての冷却ジャケット４１６を、抜き勾配切除ジャケットＪ _wとし、バイパス流を発生する空間Ｓ_Bがない構造とした。このため、冷却ジャケットによる冷却効率を向上することができる。

なお、上記各実施形態においては、第３〜第５冷却ジャケット４１３〜４１５を、一端側および他端側で隣接する冷却ジャケットの一方側のみと連接され、他方側とは連接されないジグザグ状に蛇行する冷却流路として例示した。しかし、第３〜第５冷却ジャケット４１３〜４１５を、両端側で、隣接する冷却ジャケットの両方側に連接される冷却流路としてもよい。また、冷却ジャケット４１３〜４１５を、第１冷却ジャケット４１１の長手方向に垂直な方向に延出された冷却流路として例示した。しかし、第３〜第５冷却ジャケット４１３〜４１５を、第１冷却ジャケット４１１の長手方向に平行な方向に延出された冷却流路としてもよく、第３〜第５冷却ジャケット４１３〜４１５の向きに制限はない。

上記実施形態においては、放熱用フィン３０５が表裏両面に設けられているパワー半導体モジュール３００として例示した。しかし、放熱用フィン３０５が一面のみに設けられているパワー半導体モジュール３００に対しても適用することができる。この場合には、放熱用フィン３０５に対面する側の内壁４４７ａのみ、抜き勾配を切除すればよい。

ベース部材４００の構造、大きさは実施形態に限られるものではなく、適宜、変更することが可能である。

上記実施形態では、ハイブリッド自動車に適用した電力変換装置２００Ａとして例示した。しかし、電気自動車等の車両に用いられる電力変換装置、電車、船舶、航空機などにおいて使用される電力変換装置や、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、あるいは、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。

その他、本発明は、本発明の趣旨の範囲内で、種々変形して適用することが可能である。 要は、流路形成体に設けられた複数の流路空間内のそれぞれに、放熱用フィンを有するパワー半導体モジュールを挿通した電力変換装置において、少なくとも１つの流路空間における、放熱用フィンに対面する内壁の抜き勾配を切除したものであればよい。

１４０、１４２ インバータ回路
１４４ 昇圧コンバータ
１５５、１５７ ＩＧＢＴ（パワー半導体素子）
１５６、１５８ ダイオード（パワー半導体素子）
１９２、１９４ モータジェネレータ
２００ 電力変換装置
３００、３００Ａ〜３００Ｃ パワー半導体モジュール
３００ｍ モジュール一次封止体
３０４ モジュールケース
３０５ 放熱用フィン
４００、４００Ａ ベース部材（流路形成体）
４１０ 冷却流路
４１１〜４１５ 冷却ジャケット
４２１ 冷却媒体入口配管
４２２ 冷却媒体出口配管
４４１ 底部
４４２ 内壁
４４５ モジュール挿入口
４４７ 内壁（抜き勾配切除）
４４７ａ 内壁（抜き勾配切除前）
Ｊ_n 抜き勾配付き冷却ジャケット
Ｊ_w 抜き勾配切除ジャケット
ＳＢ 空間（バイパス流発生部）
Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１ パワー半導体モジュール

Claims (14)

1. 内部にパワー半導体素子を内蔵するモジュールケースの少なくとも一面に放熱用フィンが設けられた第１パワー半導体モジュールと、
   内部にパワー半導体素子を内蔵するモジュールケースの少なくとも一面に放熱用フィンが設けられた第２パワー半導体モジュールと、
   前記第１パワー半導体モジュールを挿入する挿入口を有し、前記第１パワー半導体モジュールの少なくとも前記放熱用フィンが設けられた前記モジュールケースの領域が挿通される第１流路空間と、前記第２パワー半導体モジュールを挿入する挿入口を有し、前記第２パワー半導体モジュールの少なくとも前記放熱用フィンが設けられた前記モジュールケースの領域が挿通される第２流路空間とが連通して形成され、内部を冷却媒体が流通する冷却流路を備えた流路形成体と、を備え、
   前記流路形成体は、鋳造または樹脂成形により形成され、前記第１流路空間における前記放熱用フィンに対向する内壁または前記第２流路空間における前記放熱用フィンに対向する内壁の少なくとも一方の、前記流路形成体の底面側から前記挿入口側にかけて形成された抜き勾配が切除されている、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、
   前記第２パワー半導体モジュールは、前記第１パワー半導体モジュールより通電量が大きく、
   前記第２流路空間の前記内壁は、抜き勾配が切除され、
   前記第１流路空間の前記内壁は、抜き勾配を有している、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、
   前記第２パワー半導体モジュールは、前記第１パワー半導体モジュールより発熱量が大きく、
   前記第２流路空間の前記内壁は、抜き勾配が切除され、
   前記第１流路空間の前記内壁は、抜き勾配を有している、電力変換装置。
4. 請求項２または３に記載の電力変換装置において、
   前記第２パワー半導体モジュールは、前記第１パワー半導体モジュールよりも前記冷却流路の上流側に配置されている、電力変換装置。
5. 請求項４に記載の電力変換装置において、
   複数の前記第２パワー半導体モジュールを備え、
   前記流路形成体には、前記第２パワー半導体モジュールの各々が挿通される複数の前記第２流路空間が形成され、
   前記第１パワー半導体モジュールは、交流電力を直流電力に変換する発電用インバータまたは回生用インバータを構成し、
   前記第２パワー半導体モジュールは、直流電力を交流電力に変換する力行用インバータを構成する、電力変換装置。
6. 請求項４に記載の電力変換装置において、
   複数の前記第１パワー半導体モジュールを備え、
   前記流路形成体には、前記各第１パワー半導体モジュールが挿通される複数の前記第１流路空間が形成され、
   前記第１パワー半導体モジュールは、交流電力を直流電力に変換する発電用インバータまたは直流電力を交流電力に変換する力行用インバータを構成し、
   前記第２パワー半導体モジュールは、昇圧コンバータを構成する、電力変換装置。
7. 請求項６に記載の電力変換装置において、
   前記第１パワー半導体モジュールは、前記発電用インバータおよび前記力行用インバータを構成する、電力変換装置。
8. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   前記第２流路空間の前記内壁は、抜き勾配が切除され、
   前記第１流路空間の前記内壁は、抜き勾配を有しており、
   前記第２流路空間は、前記第１流路空間よりも前記冷却流路の下流側に配置されている、電力変換装置。
9. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   前記第２パワー半導体モジュールに内蔵された前記パワー半導体素子は、前記第１パワー半導体モジュールに内蔵された前記パワー半導体素子より小型であり、
   前記第２流路空間の前記内壁は、抜き勾配が切除され、
   前記第１流路空間の前記内壁は、抜き勾配を有している、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、
    前記第１パワー半導体モジュールの前記モジュールケースおよび前記第２パワー半導体モジュールの前記モジュールケースは、形状および外形サイズが同一である、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、
    前記第１パワー半導体モジュールの前記モジュールケースおよび前記第２パワー半導体モジュールの前記モジュールケースのそれぞれは、前記一面に対向する他面に放熱用フィンが設けられており、前記第１流路空間または前記第２流路空間における抜き勾配が切除された前記内壁に対向する内壁も、抜き勾配が切除されている、電力変換装置。
12. 請求項１１に記載の電力変換装置において、
    前記第１パワー半導体モジュールおよび前記第２パワー半導体モジュールのそれぞれに内蔵された前記パワー半導体素子は、一対の金属板間に配置され、
    前記金属板の一方は、前記モジュールケースの前記一面に熱伝導可能に配設され、
    前記金属板の他方は、前記モジュールケースの前記他面に熱伝導可能に配設されている、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、
    前記第１パワー半導体モジュールと前記第２パワー半導体モジュールとは、発電量または発熱量が異なり、
    前記第１流路空間の前記内壁および前記第２流路空間の前記内壁は、抜き勾配が切除されている、電力変換装置。
14. 請求項１に記載の電力変換装置において、
    さらに、一面に放熱用フィンが設けられた第３パワー半導体モジュールを備え、
    前記流路形成体には、前記第３パワー半導体モジュールが挿通され、前記第３パワー半導体モジュールの前記放熱用フィンに対向する内壁を有する第３流路空間が形成されており、
    前記第１流路空間、前記第２流路空間および前記第３流路空間のそれぞれの前記内壁は、抜き勾配が切除され、
    前記第１パワー半導体モジュール、前記第２パワー半導体モジュールおよび前記第３パワー半導体モジュールは、モータ制御用インバータを構成する、電力変換装置。

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