JP5241344B2 - パワーモジュール及び電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、パワーモジュール及び電力変換装置に関する。特に、Insulated Gate Bipolar Transistor（ＩＧＢＴ）等のパワー半導体素子を有するパワーモジュールの実装構造と、ハイブリッド車などに使用される電力変換装置に関する。

ハイブリッド車用モータ等の大出力モータを制御するインバータには、ＩＧＢＴモジュール等を内蔵したパワーモジュールが使用される。インバータ動作時には、ＩＧＢＴモジュールに搭載されているパワー半導体からの発熱が大きく、素子を安定に動作させるために大きな冷却能力が必要となるとともに、これに加えて車載スペースの低減のため、インバータ体積の小さいことが要求される。

車載用インバータは、高温環境下にあるエンジンルーム内搭載される。近年は更なる高信頼性が要求されている。例えば、パワー半導体素子の到達温度が１２５℃から１５０℃と上昇した場合に安定した動作保証が要求され、さらに瞬時の最大温度が１７５℃でも絶縁破壊しないインバータ用パワーモジュールが望まれている。これには、高温対応のＩＧＢＴ素子に加えて、パワー半導体素子からの発熱を速やかに系外に放熱させるための低熱抵抗パワーモジュールが求められる。

特許文献１では、冷却性能を向上させるため、パワー半導体素子の両面に一対の放熱板を、例えばはんだ層を介して接合する構成で、パワー半導体素子の両面から放熱させる両面冷却型のパワーモジュール構造が提案されている。上記した両面放熱型の半導体装置は、全体が樹脂でモールドされている。

さらに特許文献１には、冷熱繰り返し時に発生する素子両面と放熱板との接合に介するはんだ層への歪み量を低減するために、パワー半導体の素子厚さを２５０μｍ以下として、かつ素子両面に位置する放熱板の厚さならびにモールド樹脂の選定を行っている。

しかしながら、特許文献１に記載のパワー半導体モジュールの構造は、以下の問題がある。

導電部が露出しているため、冷却ジャケットとの間にセラミックス基板などの絶縁層を設ける必要があり、導体側とセラミックス基板およびセラミックス基板と冷却ジャケットとの両接触界面にグリースを介して支持する必要がある。そのためグリースの熱抵抗分だけ放熱性効率が低下する。

さらに、樹脂モールドを必須としているため、複数枚のパワー半導体素子を搭載した構造とすることが困難である。そのため、モータ制御および発電機用のパワーモジュールに代表される、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の３相を構成する場合には、前記パワーモジュールを相毎に複数個を組み立てる必要がある。結果として部品点数の増加，インバータ装置の組み立てプロセスの複雑化を招聘する。

特開２００５−１０９５２６号公報

本発明が解決しようとする課題は、高温環境下においても動作安定性を維持し、組み立てが容易なパワーモジュール及び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、本発明に係る車両用パワーモジュールは、電流をスイッチングするパワー半導体素子の厚さを１００μｍ以下とし、パワー半導体素子を接着する導体層を有する絶縁基板の種類および材料特性，絶縁体の表裏面に位置する導体層の材質と厚さの適正範囲に設定する。特に、半導体素子の厚さを１００μｍ以下に、絶縁基板の表裏面に配線される導体層の厚さの和を０.７mm以上２.０mm以下に、そして絶縁基板の厚さを０.１mm以上１.０mm以下に設定する。

また好ましくは、本発明に係る車両用パワーモジュールは、前記絶縁基板に接合されるベース板を有し、該ベース板の一方の面にフィンを形成する。これにより、冷却性能が向上し、大容量化に対応可能となる。

本発明のパワーモジュール及び電力変換装置は、高温環境下においても動作安定性を維持し、組立性を向上させることができる。

以下、図面に基づき、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

本発明の実施形態に係る電力変換装置について、図面を参照しながら以下詳細に説明する。本発明の実施形態に係る電力変換装置は、ハイブリッド用の自動車や純粋な電気自動車に適用可能であるが、代表例として、本発明の実施形態に係る電力変換装置をハイブリッド自動車に適用した場合の制御構成と電力変換装置の回路構成について、図１と図２を用いて説明する。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。

本発明の実施形態に係る電力変換装置では、自動車に搭載される車載電機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を例に挙げて説明する。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、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、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。

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こととする。

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ている。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（図示省略）が回転可能に軸支されている。後輪車軸の両端には１対の後輪が設けられている。本実施形態のＨＥＶ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。前輪車軸１１４は前輪側ＤＥＦ１１６の出力側に機械的に接続されている。前輪側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。前輪側ＤＥＦ１１６は、変速機１１８によって変速されて伝達された回転駆動力を左右の前輪車軸１１４に分配する差動式動力分配機構である。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。尚、モータジェネレータ１９２，１９４及び動力分配機構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１９２，１９４は、回転子に永久磁石を備えた同期機であり、固定子の電機子巻線に供給される交流電力がインバータ装置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の駆動が制御される。インバータ装置１４０，１４２にはバッテリ１３６が電気的に接続されており、バッテリ１３６とインバータ装置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及びインバータ装置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及びインバータ装置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場合において、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、同様の場合において、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。

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り、バッテリ１３６からインバータ４３装置に直流電力が供給され、インバータ装置４３で交流の電力に変換されてモータ１９５に供給される。前記インバータ装置４３はインバータ装置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。例えばモータ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。このようなインバータ装置４３の制御機能はインバータ装置１４０や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や１９４の容量より小さいので、インバータ装置４３の最大変換電力がインバータ装置１４０や１４２より小さいが、インバータ装置４３の回路構成は基本的にインバータ装置１４０や１４２の回路構成と同じである。

インバータ装置１４０や１４２およびインバータ装置４３さらにコンデンサモジュール５００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は、インバータ装置１４０や１４２およびインバータ装置４３さらにコンデンサモジュール５００を電力変換装置の筐体内に内蔵している。この構成により、小型で信頼性の高い装置が実現できる。

またインバータ装置１４０や１４２およびインバータ装置４３さらにコンデンサモジュール５００を一つの筐体に内蔵することで、配線の簡素化やノイズ対策で効果がある。またコンデンサモジュール５００とインバータ装置１４０や１４２およびインバータ装置４３との接続回路のインダクタンスを低減でき、スパイク電圧を低減できると共に、発熱の低減や放熱効率の向上を図ることができる。

次に、図２を用いてインバータ装置１４０や１４２あるいはインバータ装置４３の電気回路構成を説明する。尚、図１，図２に示す実施形態では、インバータ装置１４０や１４２あるいはインバータ装置４３をそれぞれ個別に構成する場合を例に挙げて説明する。インバータ装置１４０や１４２あるいはインバータ装置４３は同様の構成で同様の作用を為し、同様の機能を有しているので、ここでは、代表例としてインバータ装置１４０の説明を行う。

本実施形態に係る電力変換装置２００は、インバータ装置１４０とコンデンサモジュール５００とを備え、インバータ装置１４０はインバータ回路１４４と制御部１７０とを有している。また、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を複数有し（図２の例では３つの上下アーム直列回路１５０，１５０，１５０）、それぞれの上下アーム直列回路１５０の中点部分（中間電極１６９）から交流端子１５９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と接続する構成である。また、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。

上アームと下アームのＩＧＢＴ３２８や３３０は、スイッチング用パワー半導体素子であり、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。

インバータ回路１４４は３相ブリッジ回路により構成されており、３相分の上下アーム直列回路１５０，１５０，１５０がそれぞれ、バッテリ１３６の正極側と負極側に電気的に接続されている直流正極端子３１４と直流負極端子３１６の間に電気的に並列に接続されている。

本実施形態では、スイッチング用パワー半導体素子としてＩＧＢＴ３２８や３３０を用いることを例示している。ＩＧＢＴ３２８や３３０は、コレクタ電極１５３，１６３，エミッタ電極（信号用エミッタ電極端子１５５，１６５），ゲート電極（ゲート電極端子１５４，１６４）を備えている。ＩＧＢＴ３２８，３３０のコレクタ電極１５３，１６３とエミッタ電極との間にはダイオード１５６，１６６が図示するように電気的に接続されている。ダイオード１５６，１６６は、カソード電極及びアノード電極の２つの電極を備えており、ＩＧＢＴ３２８，３３０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、カソード電極がＩＧＢＴ３２８，３３０のコレクタ電極に、アノード電極がＩＧＢＴ３２８，３３０のエミッタ電極にそれぞれ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、この場合はダイオード１５６やダイオード１６６は不要となる。

上下アーム直列回路１５０は、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相分設けられている。３つの上下アーム直列回路１５０，１５０，１５０はそれぞれ、ＩＧＢＴ３２８のエミッタ電極とＩＧＢＴ３３０のコレクタ電極１６３を接続する中間電極１６９，交流端子１５９を介してモータジェネレータ１９２へのＵ相，Ｖ相，Ｗ相を形成している。上下アーム直列回路同士は電気的に並列接続されている。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の正極側コンデンサ電極に、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の負極側コンデンサ電極にそれぞれ電気的に接続（直流バスバーで接続）されている。各アームの中点部分（上アームのＩＧＢＴ３２８のエミッタ電極と下アームのＩＧＢＴ３３０のコレクタ電極との接続部分）にあたる中間電極１６９は、モータジェネレータ１９２の電機子巻線の対応する相巻線に交流コネクタ１８８を介して電気的に接続されている。

コンデンサモジュール５００は、ＩＧＢＴ３２８，３３０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平滑回路を構成するためのものである。コンデンサモジュール５００の正極側コンデンサ電極にはバッテリ１３６の正極側が、コンデンサモジュール５００の負極側コンデンサ電極にはバッテリ１３６の負極側がそれぞれ直流コネクタ１３８を介して電気的に接続されている。これにより、コンデンサモジュール５００は、上アームＩＧＢＴ３２８のコレクタ電極１５３とバッテリ１３６の正極側との間と、下アームＩＧＢＴ３３０のエミッタ電極とバッテリ１３６の負極側との間で接続され、バッテリ１３６と上下アーム直列回路１５０に対して電気的に並列接続される。

制御部１７０はＩＧＢＴ３２８，３３０を作動させるためのものであり、他の制御装置やセンサなどからの入力情報に基づいて、ＩＧＢＴ３２８，３３０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制御回路１７２と、制御回路１７２から出力されたタイミング信号に基づいて、ＩＧＢＴ３２８，３３０をスイッチング動作させるためのドライブ信号を生成するドライブ回路１７４とを備えている。

制御回路１７２は、ＩＧＢＴ３２８，３３０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。

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、これをドライブ信号として、対応する下アームのＩＧＢＴ３３０のゲート電極に、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。これにより、各ＩＧＢＴ３２８，３３０は、入力されたドライブ信号に基づいてスイッチング動作する。

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端子１５５，１６５からは各ＩＧＢＴ３２８，３３０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ＩＧＢＴ３２８，３３０のスイッチング動作を停止させ、対応するＩＧＢＴ３２８，３３０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ＩＧＢＴ３２８，３３０のスイッチング動作を停止させ、上下アーム直列回路１５０（引いては、この回路１５０を含む半導体モジュール）を過温度或いは過電圧から保護する。

インバータ回路１４４の上下アームのＩＧＢＴ３２８，３３０の導通および遮断動作が一定の順で切り替わり、この切り替わり時のモータジェネレータ１９２の固定子巻線の電流は、ダイオード１５６，１６６によって作られる回路を流れる。

上下アーム直列回路１５０は、図示するように、Positive端子（Ｐ端子，正極端子）１５７，Negative端子（Ｎ端子１５８，負極端子），上下アームの中間電極１６９からの交流端子１５９，上アームの信号用端子（信号用エミッタ電極端子）１５５，上アームのゲート電極端子１５４，下アームの信号用端子（信号用エミッタ電極端子）１６５，下アームのゲート端子電極１６４、を備えている。また、電力変換装置２００は、入力側に直流コネクタ１３８を有し、出力側に交流コネクタ１８８を有して、それぞれのコネクタ１３８と１８８を通してバッテリ１３６とモータジェネレータ１９２にそれぞれ接続される。また、モータジェネレータへ出力する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回路構成の電力変換装置であってもよい。

図３〜図７において、２００は電力変換装置、１０は上部ケース、１１は金属ベース板、１２は筐体、１３は冷却水入口配管、１４は冷却水出口配管、４２０はカバー、１６は下部ケース、１７は交流ターミナルケース、１８は交流ターミナル、１９は冷却水流路、２０は制御回路基板で制御回路１７２を保持している。２１は外部との接続のためのコネクタ、２２は駆動回路基板でドライバ回路１７４を保持している。３００はパワーモジュール（半導体モジュール部）で２個設けられており、それぞれのパワーモジュールにはインバータ回路１４４が内蔵されている。７００は平板積層バスバー、８００はＯリング、３０４は金属ベース、１８８は交流コネクタ、３１４は直流正極端子、３１６は直流負極端子、５００はコンデンサモジュール、５０２はコンデンサケース、５０４は正極側コンデンサ端子、５０６は負極側コンデンサ端子、５１４はコンデンサセル、をそれぞれ表す。

図３は、本発明の実施形態に係る電力変換装置の全体構成の外観斜視図を示す。本実施形態に係る電力変換装置２００の外観は、上面あるいは底面が略長方形の筐体１２と、前記筐体１２の短辺側の外周の１つに設けられた冷却水入口配管１３および冷却水出口配管１４と、前記筐体１２の上部開口を塞ぐための上部ケース１０と、前記筐体１２の下部開口を塞ぐための下部ケース１６とを固定して形成されたものである。筐体１２の底面図あるいは上面図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。

前記電力変換装置２００の長辺側の外周にはモータジェネレータ１９２や１９４との接続を助けるための２組の交流ターミナルケース１７が設けられる。交流ターミナル１８は、パワーモジュール３００とモータジェネレータ１９２，１９４とを電気的に接続して、該パワーモジュール３００から出力される交流電流を該モータジェネレータ１９２，１９４へ伝達する。

コネクタ２１は、筐体１２に内蔵された制御回路基板２０に接続されており、外部からの各種信号を該制御回路基板２０に伝送する。直流（バッテリ）負極側接続端子部５１０と直流（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。ここで本実施形態では、コネクタ２１は、前記筐体１２の短辺側の外周面の一方側に設けられる。一方、直流（バッテリ）負極側接続端子部５１０と直流（バッテリ）正極側接続端子部５１２は、前記コネクタ２１が設けられた面とは反対側の短辺側の外周面に設けられる。つまり、コネクタ２１と直流（バッテリ）負極側接続端子部５１０が離れた配置となっている。これにより、直流（バッテリ）負極側接続端子部５１０から筐体１２に侵入し、さらにコネクタ２１まで伝播するノイズを低減することでき、制御回路基板２０によるモータの制御性を向上させることができる。

図４は、本発明の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４に示すように、筐体１２の中ほどに冷却水流路１９が設けられ、該冷却水流路１９の上部には流れの方向に並んで２組の開口４００と４０２が形成されている。前記２組の開口４００と４０２がそれぞれパワーモジュール３００で塞がれる様に２個のパワーモジュール３００が前記冷却水流路１９の上面に固定されている。各パワーモジュール３００には放熱のためのフィン３０５が設けられており、各パワーモジュール３００のフィン３０５はそれぞれ前記冷却水流路１９の開口４００と４０２から冷却水の流れの中に突出している。

前記冷却水流路１９の下側にはアルミ鋳造を行いやすくするための開口４０４が形成されており、前記開口４０４はカバー４２０で塞がれている。また前記冷却水流路１９の下側には補機用のインバータ装置４３が取り付けられている。前記補機用のインバータ装置４３は、図２に示すインバータ回路１４４と同様の回路が内蔵されており、前記インバータ回路１４４を構成しているパワー半導体素子を内蔵したパワーモジュールを有している。補機用のインバータ装置４３は前記内蔵している前記パワーモジュールの放熱金属面が前記冷却水流路１９の下面に対向するようにして、前記冷却水流路１９の下面に固定されている。また、パワーモジュール３００と筐体１２との間には、シールをするためのＯリング８００が設けられ、さらにカバー４２０と筐体１２との間にもＯリング８０２が設けられる。本実施形態ではシール材をＯリングとしているが、Ｏリングの代わりに樹脂材・液状シール・パッキンなどを代用しても良く、特に液状シールを用いた場合には電力変換装置２００の組立性を向上させることができる。

さらに前記冷却水流路１９の下部に放熱作用を為す下部ケース１６が設けられ、前記下部ケース１６にはコンデンサモジュール５００が、コンデンサモジュール５００の金属材からなるケースの放熱面が前記下部ケース１６の面に対向するようにして前記下部ケース１６の面に固定されている。この構造により冷却水流路１９の上面と下面とを利用して効率良く冷却することができ、電力変換装置全体の小型化に繋がる。

冷却水入出口配管１３，１４からの冷却水が冷却水流路１９を流れることによって、併設されている２個のパワーモジュール３００が有する放熱フィンが冷却され、前記２個のパワーモジュール３００全体が冷却される。冷却水流路１９の下面に設けられた補機用のインバータ装置４３も同時に冷却する。

さらに冷却水流路１９が設けられている筐体１２が冷却されることにより、筐体１２の下部に設けられた下部ケース１６が冷却され、この冷却によりコンデンサモジュール５００の熱が下部ケース１６および筐体１２を介して冷却水に熱的伝導され、コンデンサモジュール５００が冷却される。

パワーモジュール３００の上方には、該パワーモジュール３００とコンデンサモジュール５００とを電気的に接続するための積層導体板７００が配置される。この積層導体板７００は、２つのパワーモジュール３００に跨って、２つのパワーモジュール３００の幅方向に幅広に構成されている。さらに、積層導体板７００は、コンデンサモジュール５００の正極側端子と接続される正極側導体板７０２と、負極側端子と接続される負極側導体板７０４と、該正極側端子と該負極側端子と間に配置される絶縁部材によって構成される。これにより積層導体板７００の積層面積を広げることができるので、パワーモジュール３００からコンデンサモジュール５００までの寄生インダクタンスの低減を図ることができる。また、一つの積層導体板７００を２つのパワーモジュール３００に載置した後、積層導体板７００とパワーモジュール３００とコンデンサモジュール５００との電気的な接続を行うことが出来るので、パワーモジュール３００を２つ備える電力変換装置であっても、その組立工数を抑えることができる。

積層導体板７００の上方には制御回路基板２０と駆動回路基板２２とが配置され、駆動回路基板２２には図２に示すドライバ回路１７４が搭載され、制御回路基板２０には図２に示すＣＰＵを有する制御回路１７２が搭載される。また、駆動回路基板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、金属ベース板１１は両基板２２，２０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駆動回路基板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。このように筐体１９の中央部に冷却水流路１９を設け、その一方の側に車両駆動用のパワーモジュール３００を配置し、また他方の側に補機用のパワーモジュール４３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。また筐体中央部の冷却水流路１９の主構造を筐体１２と一体にアルミ材の鋳造で作ることにより、冷却水流路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筐体１２と冷却水流路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。

駆動回路基板２２には、金属ベース板１１を通り抜けて、制御回路基板２０の回路群との接続を行う基板間コネクタ２３が設けられている。また、制御回路基板２０には外部との電気的接続を行うコネクタ２１が設けられている。コネクタ２１により電力変換装置の外の、例えばバッテリ１３６として車に搭載されているリチウム電池モジュールとの信号の伝送が行われ、リチウム電池モジュールから電池の状態を表す信号やリチウム電池の充電状態などの信号が送られてくる。前記制御回路基板２０に保持されている制御回路１７２との信号の授受を行うために前記基板間コネクタ２３が設けられており、図示を省略しているが図２に示す信号線１７６が設けられ、この信号線１７６と基板間コネクタ２３を介して制御回路基板２０からインバータ回路のスイッチングタイミングの信号が駆動回路基板２２に伝達され、駆動回路基板２２で駆動信号であるゲート駆動信号を発生し、パワーモジュールのゲート電極にそれぞれ印加される。

筐体１２の上部と下部には開口が形成され、これら開口はそれぞれ上部ケース１０と下部ケース１６が例えばネジ等で筐体１２に固定されることにより塞がれる。筐体１２の中央に冷却水流路１９が設けられ、前記冷却水流路１９にパワーモジュール３００やカバー４２０を固定する。このようにして冷却水流路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、次に前記筐体１２の上部と下部の開口から基板やコンデンサモジュール５００を取り付ける作業を行うことができる。このように中央に冷却水流路１９を配置し、次に前記筐体１２の上部と下部の開口から必要な部品を固定する作業が行える構造を為しており、生産性が向上する。また冷却水流路１９を最初に完成させ、水漏れ試験の後その他の部品を取り付けることが可能となり、生産性と信頼性の両方が向上する。

図５は冷却水流路１９を有する筐体１２のアルミ鋳造品に冷却水入口配管と出口配管を取り付けた図であり、図５（Ａ）は筐体１２の斜視図、図５（Ｂ）は筐体１２の上面図、図５（Ｃ）は筐体１２の下面図である。図５に示す如く筐体１２と前記筐体１２の内部に設けられた冷却水流路１９が一体に鋳造されている。筐体１２の上面あるいは下面は略長方形の形状を為し、長方形の短辺の一方側筐体側面に冷却水を取り入れるための冷却水入口配管１３が設けられ、同じ側面に冷却水入口配管１４が設けられている。

前記冷却水入口配管１３から冷却水流路１９に流入した冷却水は、矢印４１８の方向である長方形の長辺に沿って流れ、長方形の短辺の他方側の側面の手前近傍で矢印４２１ａ及び４２１ｂのように折り返し、再び長方形の長辺に沿って矢印４２２の方向に流れ、不図示の出口孔から流出する。冷却水流路１９の行き側と帰り側にそれぞれ２個ずつの開口４００と４０２とが形成されている。前記開口にはパワーモジュール３００がそれぞれ固定され、各パワーモジュール３００の放熱のためのフィンがそれぞれの開口から冷却水の流れの中に突出する構造となっている。前記筐体１２の流れの方向すなわち長辺の沿った方向にパワーモジュール３００が並べて固定され、この固定により前記各パワーモジュール３００により冷却水流路１９の開口を例えばＯリング８００などで完全に塞ぐことができるように、支持部４１０が筐体と一体成形されている。この支持部４１０は、筐体１２の略中央に位置し、支持部４１０に対して冷却水の出入り口側の方に１つのパワーモジュール３００が固定され、また前記支持部４１０に対して冷却水の折り返し側の方に他の１つのパワーモジュール３００が固定される。図５（Ｂ）に示す螺子穴４１２は前記出入り口側のパワーモジュール３００を冷却水流路１９に固定するために用いられ、この固定により開口４００が密閉される。また螺子穴４１４は前記折り返し側のパワーモジュール３００を冷却水流路１９に固定するために用いられ、この固定により開口４０２が密閉される。このように冷却水流路１９の行き側と帰り側両方を跨ぐようにパワーモジュール３００を配置することで、インバータ回路１４４を金属ベース３０４の上に高密度で集積できるため、パワーモジュール３００の小型化が可能となり電力変換装置２００の小型化にも大きく寄与する。

前記出入り口側のパワーモジュール３００は冷却水入口配管１３からの冷たい冷却水と、出口側に近く発熱部品からの熱によって暖められた冷却水とにより冷やされることとなる。一方、前記折り返し側のパワーモジュール３００は、少し温められた冷却水及び、出口孔４０３近くの冷却水よりは少し冷えた状態の冷却水によって冷却される。結果として折り返し冷却通路と２つのパワーモジュール３００の配置関係は、２つのパワーモジュール３００の冷却効率が均衡した状態となるメリットがある。

前記支持部４１０はパワーモジュール３００の固定のために使用され、開口４００や４０２の密閉のために必要である。さらに前記支持部４１０は筐体１２の強度の強化に大きな効果がある。冷却水流路１９は上述の通り折り返し形状であり、行き側流路と帰り側流路を隔てる隔壁４０８が設けられ、この隔壁４０８が前記支持部４１０と一体に作られている。隔壁４０８は単に行き側流路と帰り側流路を隔てる作用の他に、筐体の機械的な強度を高める作用をしている。また折り返し通路間の熱の伝達通路としての作用を為し、冷却水の温度を均一化する作用を為す。冷却水の入口側と出口側との温度差が大きいと冷却効率のムラが大きくなる。ある程度の温度差は仕方ないが、この隔壁４０８が前記支持部４１０と一体に作られていることで冷却水の温度差を抑える効果が有る。

図５（Ｃ）は前記冷却水流路１９の裏面を示しており、前記支持部４１０に対応した裏面に開口４０４が形成されている。この開口４０４は、筐体の鋳造により形成する前記支持部４１０と筐体１２一体構造の歩留まりを向上するためのものである。開口４０４の形成により、鋳造品では、前記支持部４１０と冷却水流路１９の底部との二重構造が無くなり、鋳造し易く、生産性が向上する。

また、前記冷却水流路１９の側部には貫通穴４０６が形成される。前記冷却水流路１９を挟んで両側に設置される電気部品（パワーモジュール３００及びコンデンサモジュール５００）同士を、この貫通穴４０６を介して接続される。

また、筐体１２は、冷却水流路１９と筐体１２との一体構造として製造できるので、鋳造生産特にアルミダイキャスト生産に適している。

冷却水流路１９の上面開口にパワーモジュール３００を固定し、さらに裏面開口にカバー４２０を固定した状態を図６に示す。筐体１２の長方形の一方の長辺側において、筐体１２の外に交流電力線１８６および交流コネクタ１８８が突出している。

図６において、筐体１２の長方形の他方の長辺側内部に前記貫通孔４０６が形成されており、前記貫通孔４０６を通してパワーモジュール３００と接続される積層導体板７００の一部が見えている。補機用インバータ装置４３は、直流正極側接続端子部５１２が接続された筐体１２の側面の近傍に配置される。また、この補機用インバータ装置４３の下方（冷却水流路１９がある側とは反対側）にコンデンサモジュール５００が配置される。補機用正極端子４４と補機用負極端子４５は、下方（コンデンサモジュール５００が配置された方向）に突出し、コンデンサモジュール５００側の補機用正極端子５３２と補機用負極端子５３４にそれぞれ接続される。これにより、コンデンサモジュール５００から補機用インバータ装置４３までの配線距離が短くなるので、コンデンサモジュール５００側の補機用正極端子５３２及び補機用負極端子５３４から金属製の筐体１２を介して制御回路基板２０に侵入するノイズを低減することができる。

また、補機用インバータ装置４３は冷却水流路１９とコンデンサモジュール５００との隙間に配置され、さらに該補機用インバータ装置４３の高さはカバー４２０の高さと同程度となっている。そのため、補機用インバータ装置４３を冷却するとともに電力変換装置２００の高さの増加を抑えることができる。

また図６には冷却水入口配管１３と冷却水出口配管１４が螺子により固定されている。図６の状態で冷却水流路１９の水漏れ検査を実施できる。この検査に合格したものに、上記補機用インバータ装置４３が取り付けられ、さらにコンデンサモジュール５００が取り付けられる。

図７は、電力変換装置２００の断面図（図６のＡ−Ａ断面基準）であり、基本的な構造は図３から図６に基づいて、既に説明したとおりである。

筐体１２の断面における上下方向の中央部には筐体１２と一体にアルミダイキャストで作られた冷却水流路１９（図７の点線部）が設けられ、冷却水流路１９の上面側に形成された開口にパワーモジュール３００（図７の一点鎖線部）が設置されている。図７の紙面に対して左側が冷却水の行き側の往路１９ａであり、紙面に対して右側が水路の折り返し側の復路１９ｂである。往路１９ａおよび復路１９ｂは、上述のとおりそれぞれ開口が設けられ、前記開口は、パワーモジュール３００の放熱のための金属ベース３０４により往路１９ａおよび復路１９ｂの両方に跨るように塞がれ、前記金属ベース３０４に設けられた放熱のためのフィン３０５が冷却水の流れのなかに前記開口から突出する。また、冷却水流路１９の下面側には補機用のインバータ装置４３が固定されている。

略中央が屈曲した板状の交流電力線１８６は、その一端がパワーモジュール３００の交流端子１５９と接続され、その他端が、電力変換装置２００内部から突出して交流コネクタを形成している。正極側コンデンサ端子５０４及び負極側コンデンサ端子５０６は、貫通孔４０６（図７の２点鎖線部）を介して、正極側導体板７０２及び負極側導体板７０４にそれぞれ電気的及び機械的に接続される。筐体１２の略中央を長方形の長辺方向に往復する冷却水流路１９が配置され、前記冷却水の流れ方向と略垂直の方向に、交流コネクタ１８８と正極側コンデンサ端子５０４及び負極側コンデンサ端子５０６が配置される。そのため電気配線が整然と配置され、電力変換装置２００の小型化に繋がっている。積層導体板７００の正極側導体板７０２及び負極側導体板７０４、さらに交流側電力線１８６がパワーモジュール３００の外に突出して接続端子を形成しているため構造がたいへん簡単で、また他の接続導体が使用されていないため小型化になっている。この構造により生産性が向上し、信頼性も向上する。

さらに前記貫通孔４０６は前記冷却水流路１９とは筐体１２内部の枠体で隔絶しており、かつ正極側導体板７０２及び負極側導体板７０４と正極側コンデンサ端子５０６及び負極側コンデンサ端子５０４との接続部が該貫通孔４０６内に存在するため、信頼性が向上する。

発熱量の大きいパワーモジュール３００を冷却水流路１９の一方の面に固定すると共にパワーモジュール３００のフィン３０５が冷却水流路１９の開口から水路内に突出するようにして効率良く冷却し、次に放熱量の大きい補機用インバータ装置４３を冷却水流路１９の他方の面で冷却し、さらに次に発熱量が大きいコンデンサモジュール５００を筐体１２および下部ケース１６を介して冷却する構造としている。このように放熱量の多さにあわせた冷却構造としているので、冷却効率や信頼性が向上すると共に、電力変換装置２００をより小型化することができる。

さらに補機用インバータ装置４３を冷却水流路１９のコンデンサモジュール５００側面に固定しているので、補機用インバータ装置４３の平滑用コンデンサとしてコンデンサモジュール５００を使用でき、この場合配線距離が短くなる効果がある。また配線距離が短いことからインダクタンスを小さくできる効果がある。

パワーモジュール３００の上方には、ドライバ回路１７４を実装した駆動回路基板２２が配置され、さらに駆動回路基板２２の上方には放熱および電磁シールドの効果を高める金属ベース板１１を介在させて制御回路基板２０が配置されている。なお制御回路基板２０には図２に示した制御回路１７２が搭載されている。上部ケース１０を筐体１２に固定することによって、本実施形態に係る電力変換装置２００が構成される。

上述のように、制御回路基板２０とパワーモジュール３００との間に駆動回路基板２２を配置しているので、制御回路基板２０からインバータ回路の動作タイミングが駆動回路基板２２に伝えられ、それに基づいて駆動回路基板２２でゲート信号が作られ、パワーモジュール３００のゲートにそれぞれ印加される。このように電気的な接続関係に沿って制御回路基板２０や駆動回路基板２２を配置しているので、電気配線が簡素化でき、電力変換装置２００の小型化に繋がる。また、駆動回路基板２２は、制御回路基板２０に対して、パワーモジュール３００やコンデンサモジュール５００よりも近い距離に配置される。そのため駆動回路基板２２から駆動回路基板２０までの配線距離は、他の部品（パワーモジュール３００等）と制御回路基板２０との配線距離よりも短くなる。よって直流正極側接続端子部５１２から伝わる電磁ノイズやＩＧＢＴ３２８，３３０のスイッチング動作による電磁ノイズが、駆動回路基板２２から駆動回路基板２０までの配線に侵入することを抑えることができる。

冷却水流路１９の一方の面にパワーモジュール３００を固定し、他方の面に補機用インバータ装置４３を固定することで、冷却水流路１９でパワーモジュール３００と補機用インバータ装置４３を同時に冷却する。この場合、パワーモジュール３００は放熱のためのフィンが冷却水流路１９の冷却水と直接、接するのでより冷却効果が大きい。さらに冷却水流路１９で筐体１２を冷却し、筐体１２に下部ケース１６や金属ベース板１１を固定することで下部ケース１６や金属ベース板１１を介して冷却する。下部ケース１６にはコンデンサモジュール５００の金属ケースが固定されるので下部ケース１６と筐体１２を介してコンデンサモジュール５００が冷却される。さらに金属ベース板１１を介して制御回路基板２０や駆動回路基板２２を冷却する。さらに、下部ケース１６も熱伝導性の良い材料でできていて、コンデンサモジュール５００からの発熱を受け、筐体１９に熱を伝導し、冷却水流路１９の冷却水で放熱される。また、冷却水流路１９の下部カバー１５側である他方の側には、車内用エアコン、オイルポンプ、他用途のポンプ用として用いる、比較的小容量の補機用インバータ装置４３を設置する。この補機用インバータ装置４３からの発熱は、前記筐体１２の中間枠体を通して冷却水流路１９の冷却水で放熱される。このように中央に冷却水流路１９を設け、一方に金属ベース板１１を設け、他方に下部ケース１６を設けることで、電力変換装置２００を構成するのに必要な部品を発熱量に応じ、効率良く冷却することができる。また電力変換装置２００の内部に部品が整然と配置されることとなり、小型化が可能となる。

電力変換装置の放熱機能を果たす放熱体は、第１に冷却水流路１９であるが、この他にも金属ベース板１１がその機能を奏している（放熱機能を果たすために金属ベース板１１を設けている）。金属ベース板１１は、電磁シールド機能を果たすとともに、制御回路基板２０や駆動回路基板２２からの熱を受けて、筐体１２に熱を伝導し、冷却水流路１９の冷却水で放熱される。

このように、本実施形態に係る電力変換装置は、放熱体が３層の積層体を形成しており、すなわち、金属ベース板１１，冷却水流路１９，下部ケース１６という積層構造であり、これらの放熱体はそれぞれの発熱体（パワーモジュール３００，制御回路基板２０，駆動回路基板２２，コンデンサモジュール５００）に隣接して階層的に設置される。階層構造の中央部には、主たる放熱体である冷却水流路１９が存在し、金属ベース板１１と下部ケース１６は筐体１２を通して冷却水流路１９の冷却水に熱を伝える構造となっている。筐体１２内に３つの放熱体（冷却水流路１９，金属ベース板１１，下部ケース１６）が収容されて、放熱性を向上させるとともに薄型化，小型化に寄与している。

図８（ａ）は、本実施形態に関するパワーモジュール３００の上方斜視図であり、図８（ｂ）は、当該パワーモジュール３００の上面図である。図９は、本実施形態に関するパワーモジュール３００の直流端子の分解斜視図である。図１０は、直流バスバーの構造を分かりやすくするため、パワーモジュールケース３０２を一部透明にした断面図である。図９（ａ）は、パワーモジュール３００の構成部品である金属ベース３０４及び３つの上下アーム直列回路のうち１つ、を抜き出した図である。図９（ｂ）は、金属ベース３０４、回路配線パターン及び絶縁基板３３４の分解斜視図である。

３０２はパワーモジュールケース、３０４は金属ベース、３０５はフィン（図１０参照）、３１４は直流正極端子、３１６は直流負極端子、３１８は絶縁紙（図９参照）、３２０Ｕ／３２０Ｌはパワーモジュールの制御端子、３２８は上アーム用のＩＧＢＴ、３３０は下アーム用のＩＧＢＴ、１５６／１６６はダイオード、３３４は絶縁基板（図１０参照）、３３４ｋは絶縁基板３３４上の回路配線パターン（図１０参照）、３３４ｒは絶縁基板３３４下の回路配線パターン３３７（図１０参照）、をそれぞれ表す。

パワーモジュール３００は、大きく分けて、例えば樹脂材料のパワーモジュールケース３０２内の配線を含めた半導体モジュール部と、金属材料例えばＣｕ，Ａｌ，ＡｌＳｉＣなどからなる金属ベース３０４と、外部との接続端子（直流正極端子３１４や制御端子３２０Ｕ等）と、から構成される。そして外部と接続する端子として、パワーモジュール３００は、モータと接続するためのＵ，Ｖ，Ｗ相の交流端子１５９と、コンデンサモジュール５００と接続する直流正極端子３１４及び直流負極端子３１６とを有している。

また、前記半導体モジュール部は、絶縁基板３３４の上に上下アームのＩＧＢＴ３２８，３３０，ダイオード１５６／１６６等が設けられて、レジン又はシリコンゲル（不図示）によって保護されている。絶縁基板３３４はセラミック基板であっても良いし、さらに薄い絶縁シートであってもよい。

図８（ｂ）は、金属ベース３０４に固着された熱伝導性の良いセラミックからなる絶縁基板３３４の上に、上下アーム直列回路が具体的にどのような配置で設置されているかを示す配置構成図とその機能を示す説明図である。図８（ｂ）に示すＩＧＢＴ３２８，３３０とダイオード３２７，３３２はそれぞれ２つのチップを並列接続して上アーム，下アームを構成し、上下アームに通電可能な電流容量を増やしている。

図９に示すように、パワーモジュール３００に内蔵された直流端子３１３は、絶縁紙３１８を挟んで、直流負極端子３１６，直流正極端子３１４の積層構造を為す（図９の点線部）。また、直流負極端子３１６，直流正極端子３１４の端部を互いに反対方向に屈曲させ、積層導体板７００とパワーモジュール３００とを電気的に接続するための負極接続部３１６ａ及び正極接続部３１４ａを形成する。積層導体板７００との接続部３１４ａ（又は、３１６ａ）が２つ設けられることにより、負極接続部３１６ａ及び正極接続部３１４ａから３つの上下アーム直列回路までの平均距離をほぼ等しくなるので、パワーモジュール３００内の寄生インダクタンスのバラツキを低減することができる。

また、直流正極端子３１４，絶縁紙３１８，直流負極端子３１６を積層して組み立てたときに、負極接続部３１６ａと正極接続部３１４ａが互いに反対方向に屈曲した構造を為す。絶縁紙３１８は、負極接続部３１６ａに沿って曲げ、正極，負極の端子の絶縁沿面距離を確保する。絶縁紙３１８は、耐熱が必要なときは、ポリイミドやメタ系アラミド繊維、トラッキング性を高めたポリエステルなどを複合したシートを用いる。また、ピンフォールなどの欠陥を考慮して、信頼性を高めるときは２枚重ねする。また、破れたり、裂けたりすることを防ぐために、コーナ部にアールを設けたり、端子のエッジが絶縁紙に触れないよう、打ち抜き時のダレ面を絶縁紙に面する方向にする。本実施例では、絶縁物として絶縁紙を用いたが、他の例として、端子に絶縁物をコーティングしてもよい。寄生インダクタンスを低減するため、例えば、６００Ｖ耐圧のパワーモジュールのときは、正極，負極間の距離を０.５mm以下とし、絶縁紙の厚さは、その半分以下とする。

また、直流正極端子３１４及び直流負極端子３１６は、回路配線パターン３３４ｋと接続するための接続端３１４ｋ，３１６ｋを有する。それぞれの接続端３１４ｋ，３１６ｋは、各相（Ｕ，Ｖ，Ｗ相）に対して２つ存在する。これにより、後述するように、各相のアーム毎に２つの小ループ電流経路を形成した回路配線パターンと接続することができる。また、各接続端３１４ｋ，３１６ｋは、回路配線パターン３３４ｋの方向に向かって突出し、かつ回路配線パターン３３４ｋとの接合面を形成するために、その先端部が屈曲している。接続端３１４ｋ，３１６ｋと回路配線パターン３３４ｋは、はんだなどを介して接続されるか、もしくは直接金属どうしを超音波溶接により接続される。

パワーモジュール３００、特に金属ベース３０４は、温度サイクルによって膨張及び収縮する。この膨張及び収縮によって、接続端３１４ｋ，３１６ｋと回路配線パターン３３４ｋの接続部は、亀裂又は破断するおそれが生じる。そこで、本実施形態に係るパワーモジュール３００では、図９に示すように、直流正極端子３１４と直流負極端子３１６が積層されることにより形成される積層平面部３１９が、絶縁基板３３４を搭載した側の金属ベース３０４の平面に対して、略平行となるように構成されている、これにより、積層平面部３１９は、前述の膨張及び収縮により発生する金属ベース３０４の反り返りに対応した反り返り動作が可能となる。そのため、積層平面部３１９に一体に形成された接続端３１４ｋ，３１６ｋの剛性は、金属ベース３０４の反り返りに対して、小さくすることができる。したがって、接続端３１４ｋ，３１６ｋと回路配線パターン３３４ｋとの接合面の垂直方向に加わる応力を緩和することができ、この接合面の亀裂又は破断を防止することができる。

なお、本実施形態に係る積層平面部３１９は、金属ベース３０４の幅方向及び奥行き方向の両方の反り返りに対応して反り返り動作が可能となるように、積層平面部３１９の幅方向の長さを１３０mm、奥行き方向の長さを１０mmとして、奥行き方向の長さを大きめにしている。また、直流正極端子３１４と直流負極端子３１６のそれぞれの積層平面部３１９の厚さは、反り返り動作をしやすいように１mmと比較的薄く設定されている。

図１０に示されるように、金属ベース３０４は、冷却水流路に浸されて冷却水へ効率良く放熱するために、絶縁基板３３４の反対側にフィンの形状３０５を有している。また、金属ベース３０４は、その一方の面にインバータ回路を構成するＩＧＢＴやダイオードを実装し、該金属ベース３０４の外周に樹脂製のパワーモジュールケース３０２を備える。金属ベース３０４の他方の面にフィン３０５がロウ付け又は、金属ベース３０４とフィン３０５が鍛造により一体成型される。金属ベース３０４とフィン３０５が鍛造により一体成型されることによって、パワーモジュール３００の生産性が向上するとともに、金属ベース３０４からフィン３０５までの熱伝導率を向上させ、ＩＧＢＴ及びダイオードの放熱性を向上させることができる。また、金属ベース３０４のビッカース硬度を６０以上とすることで、温度サイクルによって生ずる金属ベース３０４のラチェット変形を抑制し、金属ベース３０４と筐体１２とのシール性を向上させることができる。さらに、図１０に示す如く上下アームにそれぞれ対応してフィン３０５が設けられており、これらのフィン３０５は往復する冷却水流路１９の開口から水路内に突出する。金属ベース３０４のフィン３０５周辺の金属面は前記冷却水流路１９に設けられた開口を閉じるために使用される。

なお、本実施形態のフィン３０５形状はピン型であるが、他の実施形態として、冷却水の流れ方向に沿って形成されたストレート型であってもよい。フィン３０５形状にストレート型を用いた場合には、冷却水を流すための圧力を低減させることができ、一方ピン型を用いた場合には冷却効率を向上させることができる。

金属ベース３０４の一方の面には、絶縁基板３３４が固定され、絶縁基板３３４にはんだ３３７より、その上に上アーム用のＩＧＢＴ３２８や上アーム用のダイオード１５６さらに下アーム用のＩＧＢＴ３３０や下アーム用のダイオード１６６のチップが固定される。

図１１（ａ）に示すように、上下アーム直列回路１５０は、上アーム回路１５１，下アーム回路１５２、これら上下アーム回路１５１・１５２を結線するための端子３７０、及び交流電力を出力するための交流端子１５９を備える。また、図１１（ｂ）に示すように、上アーム回路１５１は、金属ベース３０４の上に、回路配線パターンを形成した絶縁基板３３４、さらに、この回路配線パターン３３４ｋの上にＩＧＢＴ３２８，ダイオード１５６を備える。

ＩＧＢＴ３２８及びダイオード１５６は、その裏面側の電極と、回路配線パターン３３４ｋとが、はんだにより接合される。回路配線パターンを形成した絶縁基板３３４は、回路配線パターン面と反対面（裏面）が、パターンの無い、いわゆるベタパターンを形成している。この絶縁基板の裏面のベタパターンと、金属ベース３０４とが、はんだで接合される。下アーム回路１５２も上アームと同様に、金属ベース３０４の上に配置された絶縁基板３３４と、この絶縁基板３３４の上に配線された回路配線パターン３３４ｋと、この回路配線パターン３３４ｋの上に実装されたＩＧＢＴ３３０，ダイオード１６６を備える。

また、ＩＧＢＴ３３０及びダイオード１６６の裏面側の電極も、回路配線パターン３３４ｋとはんだで接合される。なお、本実施形態における各相の各アームは、ＩＧＢＴ３２８とダイオード１５６を並列接続した回路部を一組として、この回路部を２組並列に接続して構成される。この回路を何組並列に接続するかは、モータ１９２に通電される電流量によって決定され、本実施形態に係るモータ１９２に通電される電流よりも大電流が必要な場合には、回路部を３組、もしくはそれ以上を並列接続して構成される。逆に、モータを小さい電流で駆動することができる場合には、各相の各アームは、回路部を一組のみで構成される。

図１１（ｂ）を用いてパワーモジュール３００の電流経路を説明する。パワーモジュール３００の上アーム回路に流れる電流の経路を以下に示す。

（１）不図示の直流正極端子３１４から接続導体部３７１Ｕ、（２）接続導体部３７１Ｕから素子側接続導体部３７２Ｕを介して上アーム用ＩＧＢＴ３２８及び上アーム用ダイオード１５６の一方側電極（素子側接続導体部３７２Ｕと接続された側の電極）、（３）上アーム用ＩＧＢＴ３２８及び上アーム用ダイオード１５６の他方側電極からワイヤ３３６を介して接続導体部３７３Ｕ、（４）接続導体部３７３Ｕから結線端子３７０の接続部３７４Ｕ，３７４Ｄを介して接続導体部３７１Ｄを流れる。なお、前述のように上アームは、ＩＧＢＴ３２８とダイオード１５６を並列接続した回路部を２組並列に接続して構成される。よって、上記（２）の電流経路において、電流は、素子側接続導体部３７２Ｕにて２つに分岐され、該分岐された電流は２組の回路部へそれぞれ流れる。

また、パワーモジュール３００の下アーム回路に流れる電流経路を以下に示す。

（１）接続導体部３７１Ｄから素子側接続導体部３７２Ｄを介して下アーム用ＩＧＢＴ３３０及び上アーム用ダイオード１６６の一方側電極（素子側接続導体部３７２Ｄと接続された側の電極）、（２）下アーム用ＩＧＢＴ３３０及び下アーム用ダイオード１６６の他方側電極からワイヤ３３６を介して接続導体部３７３Ｄ、（３）接続導体部３７３Ｄから不図示の直流負極端子３１６を流れる。なお、上アームと同様に下アームは、ＩＧＢＴ３３０とダイオード１６６を並列接続した回路部を２組並列に接続して構成されので、上記（１）の電流経路において、電流は、素子側接続導体部３７１Ｄにて２つに分岐され、該分岐された電流は２組の回路部へそれぞれ流れる。

ここで、上アーム回路のＩＧＢＴ３２８（及びダイオード１５６）と不図示の直流正極端子３１４とを接続するための接続導体部３７１Ｕは、絶縁基板３３４の一辺の略中央部付近に配置される。そして、ＩＧＢＴ３２８（及びダイオード１５６）は、接続導体部３７１Ｕが配設された絶縁基板３３４の前記一辺側とは反対側である他辺側の近傍に実装される。また、本実施形態においては、２つ備えられた接続導体部３７３Ｕは、前述の接続導体部３７１Ｕ挟んで、かつ絶縁基板３３４の前記一辺側に一列に配置される。

このような回路パターン及び実装パターン、すなわち、絶縁基板３３４上の回路配線パターンを、概Ｔ字形状の配線パターンと、概Ｔ字の縦棒（３７１Ｕ）の両側に、２つの配線パターン（３７１Ｕ）とし、接続端３７１Ｕ，３７３Ｕから端子を実装することで、ＩＧＢＴ３２８のスイッチング時の過渡的な電流経路は、図１１（ｂ）の矢印３５０（破線）に示すようなＭ字状の電流経路、すなわち２つの小ループ電流経路となる（矢印の方向は下アームターンオン時）。この２つの小ループ電流経路の周辺には、図１１（ｂ）の矢印３５０Ｈ方向（実線）の磁界３５０Ｈが発生する。この磁界３５０Ｈによって、絶縁基板３３４の下方に配置された金属ベース３０４に、誘導電流、いわゆる渦電流３４０が誘導される。この渦電流３４０は、前述の磁界３５０Ｈを打ち消す方向の磁界３４０Ｈを発生させ、上アーム回路で生じる寄生インダクタンスを低減させることができる。

また、上述の２つの小ループ電流は、絶縁基板３３４上に流れる電流どうしが打ち消し合うようなＵターン電流が２つできる。このため、図９（ｂ）の磁界３５０Ｈに示すように、パワーモジュール３００の内部に、より小さいループ磁界ができるため、寄生インダクタンスを低減できる。さらに、スイッチング時に生ずる磁界ループが小さく、パワーモジュール内部に磁界ループを閉じ込めることができるため、パワーモジュールの外の筐体への誘導電流を低減し、制御基板の誤動作や、電力変換装置の外部への電磁ノイズも防止できる。

下アーム回路側も前述の上アームと同様な回路配線パターン及び実装パターンとなる。すなわち、下アーム回路のＩＧＢＴ３３０（及びダイオード１６６）と不図示の直流負極端子３１６とを接続するための接続導体部３７１Ｄは、絶縁基板３３４の一辺の略中央部付近に配置される。そして、ＩＧＢＴ３３０（及びダイオード１６６）は、接続導体部３７１Ｄが配設された絶縁基板３３４の一辺側とは反対の他辺側の近傍に実装される。また、本実施形態においては、２つ備えられた接続導体部３７３Ｄは、前述の接続導体部３７１Ｄ挟んで、かつ絶縁基板３３４の一辺側に一列に配置される。

このような回路配線パターン及び実装パターンとすることにより、下アーム回路側においても、前述の寄生インダクタンスを低減させる効果を奏する。なお、本実施形態において、各相の各アームの電流経路の入口は、例えば２つの接続導体部３７３Ｕに挟まれた接続導体部３７１Ｕとなり、一方電流経路の出口は、前記２つの接続導体部３７３Ｕとなっている。しかし、これら入口と出口が逆となっても、各相の各アームにおいて前述の小ループ電流経路が形成される。そのため、前述と同様に、各相の各アームの寄生インダクタンス低減及び電磁ノイズ防止を図ることができる。

本実施形態のコンデンサモジュール５００の詳細構造について、図１２乃至図１４を参照しながら以下説明する。図１２は本実施形態に関するコンデンサモジュールの外観構成を示す斜視図である。図１３は、図１２に示すコンデンサモジュール５００の内部が分かるように、樹脂などの充填材５２２を充填する前の状態を示す斜視図である。図１３はさらにコンデンサモジュール５００の詳細構造である積層導体にコンデンサセル５１４を固定した構造を示す図である。

図１２乃至図１４において、５００はコンデンサモジュール、５０２はコンデンサケース、５０４は負極側コンデンサ端子、５０６は正極側コンデンサ端子、５１０は直流（バッテリ）負極側接続端子部、５１２は直流（バッテリ）正極側接続端子部、５３２は補機用正極端子、５３４は補機用負極端子、５１４はコンデンサセル、をそれぞれ表す。

図１２及び図１４に示されるように、負極導体板５０５と正極導体板５０７とからなる積層導体板が複数組、本実施形態では４組、直流（バッテリ）負極側接続端子部５１０と直流（バッテリ）正極側接続端子部５１２に対して電気的に並列に接続されている。前記負極導体板５０５と正極導体板５０７には、複数個のコンデンサセル５１４の正極と負極がそれぞれ並列接続されるための端子５１６と端子５１８が複数個設けられている。

図１４に示されるように、コンデンサモジュール５００の蓄電部の単位構造体であるコンデンサセル５１４は、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５１５で構成する。正極，負極の電極は、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５０８を吹き付けて製造される。

また、図１３に示されるように、負極導体板５０５と正極導体板５０７は、薄板状の幅広導体で構成し、絶縁紙５１７を介して積層構造をとり、寄生インダクタンスを低減する。積層導体の端部には、コンデンサセルの電極５０８と接続するための端子５１６，５１８が設ける。端子５１６，５１８は、２個のコンデンサセル５１４の電極５０８と、半田あるいは溶接により電気接続する。半田装置もしくは、溶接機がしやすく、検査しやすいように、接続面が外側になるコンデンサセル配置、導体構造をとり、添付のような２個のコンデンサセルを１つのコンデンサセル群とする単位を構成する。このようなセル群をつくることで、コンデンサ容量に応じて増減でき、量産に適する。寄生インダクタンスを低減するため、また、放熱のためにも、端子５１６，５１８を複数設けてもよい。

また、負極導体板５０５と正極導体板５０７は、その薄板状の幅広導体の端部を屈曲し、直流側導体板７００と接続するための負極側コンデンサ端子５０４，正極側コンデンサ端子５０６を構成する。また、負極導体５０５と正極導体５０７は、その薄板状の幅広導体の端部を屈曲し、バッテリ電力を受電する端子に接続する直流負極側接続端子５１０，直流正極側接続端子５１２を構成する。

図１３に示すように、コンデンサモジュール５００は、２個のセル群が４列縦に配置して合計８個のコンデンサセル５１４で構成する。コンデンサモジュール５００の外部との接続端子は、直流側導体板７００と接続する正負コンデンサ端子５０４，５０６は４対、バッテリ電力を受電する直流正負極側接続端子５１０，５１２，補機用インバータのパワーモジュールに給電する補機用正負極端子５３２，５３４がある。正負コンデンサ端子５０４，５０６には、パワーモジュール３００の直流正負極端子３１６，３１４とねじ固定できるように、ナットを埋め込んだ開口部５０９，５１１が形成される。

コンデンサケース５０２は、端子カバー５２０を備え、端子の位置を決めるとともに、電力変換装置の筐体との絶縁をとる。また、コンデンサケース５０２は、セル群の位置決めのための、仕切りがセル群とセル群の間に設ける。コンデンサケース５０２の材料としは、熱伝導性に優れた材料を用い、コンデンサセル群とコンデンサセル群の間の仕切りに放熱用の熱伝導性のよい材料を埋め込んでもよい。

コンデンサモジュール５００は、スイッチング時のリップル電流により、コンデンサセル内部のフィルム上に蒸着された金属薄膜，内部導体（端子）の電気抵抗により発熱する。コンデンサセルの耐湿のため、コンデンサセル，内部導体（端子）は、コンデンサケース５０２に樹脂で含浸（モールド）する。このため、コンデンサセルや内部導体は、樹脂を介してコンデンサケース５０２と密着した状態となり、コンデンサセルの発熱がケースに伝わりやすい構造になる。さらに本構造では、負極導体板５０５，正極導体板５０７とコンデンサセルの５０８と端子５１６，５１８を直接接続するため、コンデンサセルの発熱が負極，正極導体に直接伝わり、幅広導体によりモールド樹脂へ熱が伝わりやすい構造となる。このため、図７のように、コンデンサケース５０２から下部ケース１６、下部ケース１６から筐体１２さらに冷却水流路１９へ熱が良好に伝わり、放熱性を確保できる。

本実施形態においては図１３に示すように負極導体板５０５及び正極導体板５０７は、４列縦に独立して配置された構成を為すが、これら４列の負極導体５０５及び正極導体５０７を一体の幅広導体板として、全てのコンデンサセル５１４をこの幅広導体板に接続する構成としてもよい。これにより、部品点数を削減することができ、生産性を向上させることができるとともに、全てのコンデンサセル５１４の静電容量を略均等に使用することができ、コンデンサモジュール５００全体の部品寿命を伸ばすことができる。さらに、幅広導体板を使用することで、寄生インダクタンスを低減することができる。

図１５（ａ）は、パワーモジュール３００の上面図であり、図１５（ｂ）は同図（ａ）の点線ＡＡの断面模式図である。図１５に示されたパワーモジュール３００は、５０ｋＷクラスの水冷３相インバータに適用される。

まず、図１５（ａ）を用いて、パワーモジュール３００の寸法及びそれに収納されたＩＧＢＴ３２８等の寸法について説明する。各上下アームに対応する絶縁基板３３４の寸法は横３２mm×縦５２mmであり、各ＩＧＢＴ３２８の寸法は横１２.５mm×縦１３.０mmであり、各ダイオード３２７の寸法は横１２.５mm×縦７.０mmである。

各絶縁基板３３４上に、ＩＧＢＴ３２８とダイオード３２７をそれぞれ２つ実装し、ＩＧＢＴ３２８とダイオード３２７を一組として２並列接続させる。各素子（ＩＧＢＴ３２８とダイオード３２７）の電圧／電流定格は６００Ｖ／２００Ａであり、２並列接続されることにより、定格６００Ｖ／４００Ａのモジュールを構成する。

さらに、絶縁基板３３４には、ＩＧＢＴ３２８を並列駆動する場合の共振防止用ゲート抵抗素子、及び温度検出用サーミスタ（図示せず）がはんだにより接着されている。

ＩＧＢＴ３２８，ダイオード３２７、及び絶縁基板３３４上の回路配線パターン３３４ｋは、図１５（ａ）に示すように、ワイヤ３３６によりそれぞれ接続される。当該ワイヤ３３６ａの線経は４００μｍφである。制御端子３２０との接続も同じくワイヤ３３６ｂで行われる。このワイヤ３３６ｂの線経も４００μｍφである。

ワイヤ３３６ａは、素子（ＩＧＢＴ３２８とダイオード３２７）の表面にボンディングされるため、低ダメージに配慮する必要あり、ボンディング条件、例えば線径や接合方法の適正化が必要である。

図１５（ａ）に示されるように、絶縁基板３３４は、各相の各上下アームに対応して合計６枚備えられる。また、該６枚の絶縁基板３３４は、金属ベース３０４に、はんだ３３７ｂにより接合される。この金属ベース３０４は、横１２８.５mm×縦１４５mmであり、かつ平板部の厚さ４mmである。本実施形態においては、当該はんだ３３７ｂは、融点２１０℃以上の無鉛のはんだであり、その膜厚は、約０.１８mmである。

回路配線パターン３３４ｋと、交流端子１５９の接続部１５９ｋは、メタルボンディングによる超音波接合により接合される。

図１５（ｂ）に示されるように、ＩＧＢＴ３２８は、はんだ３３７ａにより回路配線パターン３３４ｋの表面に接着される。回路配線パターン３３４ｋ及び３３４ｒは、絶縁基板３３４の表面又は内部に配線される。なお、本実施形態では絶縁基板３３４の素材は、窒化ケイ素を用いている。また、回路配線パターン３３４ｋ及び３３４ｒの素材は、銅を用いている。《作用効果》回路配線パターン３３４ｒは、はんだ３３７ｂにより金属ベース３０４の表面に接着される。

一方、ＩＧＢＴ３２８の厚さは約０.０９mmであり、はんだ３３７ａの厚さは約０.１mmであり、図１５（ａ）及び図１５（ｂ）に示されるように、ＩＧＢＴ３２８は矩形状の薄板状であり、その厚さは約０.０９mmである。

電力変換装置２００に用いられるパワーモジュール３００における、高温環境下での信頼性を向上させる手段を以下に示す。

１）素子（ＩＧＢＴ３２８とダイオード３２７）の厚さを０.１mm以下、例えば本実施形態の０.０９mmのように薄型化させ、素子自身の展性を発現させる。これにより、ワイヤ３３６ａと素子（ＩＧＢＴ３２８とダイオード３２７）との接合面に対して通電時に生じる熱膨張係数差を抑制し、接合面の歪み量ならびに素子下のはんだ３３７ａの層の歪み量を低減することができる。その結果、パワーモジュール３００のパワーサイクル特性を向上させることができる。

２）金属ベース３０４は、例えば銅又は銅合金からなる。絶縁基板３３４に配線された回路配線パターン３３４ｋ及び３３４ｒも、例えば銅又は銅合金からなる。ここで、金属ベース３０４の熱膨張係数（約１７ppm／Ｋ）に近づけるように、回路配線パターン３３４ｋ及び３３４ｒの厚みを大きくする《具体的数値が必要》。すなわち、絶縁基板３３４の表裏面に厚い銅又は銅合金をろう付けあるいは直接接合した配線基板とすることで、絶縁基板３３４自身の見かけの熱膨張係数を増大させ、絶縁基板３３４と金属ベース３０４間に接合されたはんだ３３７ｂの歪み量を低減させることができる。一方、回路配線パターン３３４ｋ及び３３４ｒの厚さが増大することにより、素子（ＩＧＢＴ３２８とダイオード３２７）と絶縁基板３３４間に接合されたはんだ３３７ａの歪み量は、大きくなる傾向にある。これ対して上記１）にて説明した、素子（ＩＧＢＴ３２８とダイオード３２７）の薄型化による素子自身の展性によって、はんだ３３７ａの歪み量増大傾向を緩和させ、素子がはんだ３３７ａから剥離される等のはんだ層の寿命低下を抑制させた。その結果、パワーモジュール３００の熱衝撃特性を向上させることができる。

図１６（ａ）は、フィン３０５が形成された金属ベース３０４面の斜視図を示す。

上記パワーモジュール３００の放熱経路中で最も厚みが大きい部材は金属ベース３０４であるので、冷却能力を高めるためには金属ベース３０４およびフィン３０５の材料はできるだけ熱伝導率の高いものが望ましい。本実施形態では、金属ベース３０４およびフィン３０５を鍛造により一体成形された銅で作製する。温度サイクルに伴うラチェット変形を防止するためには、銅ベースのビッカース硬度は６０以上であることが望ましいが、本実施例の製造方法によれば、熱伝導率の高い高純度の銅材料を使用した場合にも鍛造の際の加工硬化によって金属ベース３０４の硬度を高く保つことができる。

図１５に示したように、本実施形態では、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相の上アームの素子（ＩＧＢＴ３２８とダイオード３２７）は、近接して実装されており、また、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相の下アームの素子（ＩＧＢＴ３２８とダイオード３２７）は、近接して実装されている。一方、上アームを構成する素子と下アームを構成する素子との間には、ある程度の間隔が存在する。本実施形態では、この空間に素子（ＩＧＢＴ３２８とダイオード３２７）に直流電流を供給するための直流端子３１３を配置する。

このような配置は、パワーモジュール３００を小型化するために有効なレイアウトであるが、一方、発熱物（ＩＧＢＴ３２８とダイオード３２７）が、上下アーム毎に集中するので発熱密度が大きくなる。このため、本実形態では、図１６（ａ）に示すように、フィン３０５が形成された領域は、素子（ＩＧＢＴ３２８とダイオード３２７）が配置された上・下アームに対応した２つの領域に集中的に配置される。すなわち、冷却する必要の無い直流端子３１３に対応する金属ベース３０４の領域には、フィンを形成しない領域３０７を設けている。このようなフィン配置により、冷却能力を高発熱領域のみに集中させることができる。なお、フィン３０５が形成された領域の一方の幅方向の長さは４０mmである。

図１６（ｂ）は、金属ベース３０４上に形成された複数のフィン３０４のうち一つを示す拡大図である。本実施形態においては、フィン３０５の平均直径ｄは２mmであり、高さＨは７.５mmである。これは、前述の鍛造の一体成形により、フィン３０５を形成する場合に、当該フィン３０５の先端が欠けることなく、フィン３０５を形成することが出来る直径及び高さである。

図１６（ｃ）は、複数のフィン３０５同士の配置を示した上面の模式図である。Ｆは、冷却水の流れ方向を示す。ここで、隣り合うフィン３０５同士における、流れ方向のフィンピッチＸは２.５mmであり、流れと垂直方向のフィンピッチＹは４.５mmである。

本実施形態においては、上記のようなフィン３０５を用いることにより、金属ベース３０４全体の熱伝達率は、冷却水７５℃において３８０００ｈ［Ｋ／（ｍ²Ｗ）］となる。一方、フィン３０５が形成された領域の冷却水流路１９の圧力損失は、冷却水５０℃において１０.６ｄＰｍ［ｋＰａ］となる。また、往路及び復路を含めた冷却水流路１９の圧力損失は、２６ｄＰｍ［ｋＰａ］となる。

図１７は、図１５に示されたパワーモジュール３００について、有限要素法による熱応力解析により算出したパワーサイクル特性評価結果である。本特性評価の素子温度の振幅条件は、ＩＧＢＴ３２８等の素子温度が５０℃から１５０℃までである。また、解析条件は、１アームの１素子（ＩＧＢＴ３２８が一つ）の通電として素子到達温度が１５０℃となるように制御した。図１７の縦軸はパワーサイクル寿命を素子温度の振幅回数で表し、図１７の横軸は素子、つまりＩＧＢＴ３２８の厚さを表す。白抜き四角は素子（ＩＧＢＴ３２８）とワイヤ３３６ａとの接合の寿命を表し、白抜き三角は素子（ＩＧＢＴ３２８）とはんだ３３７ａの接合の寿命を表す。

図１７から、素子厚さを低減することにより、素子上のワイヤ３３６ａの接合部と素子下のはんだ３３７ａの接合部の信頼性が向上する。したがって、目標値の１８０００サイクル以上となるためには、素子厚さを１００μｍ以下とすることが肝要であることが分かる。

図１８は、絶縁基板３３４に配線された回路配線パターン３３４ｋ及び３３４ｒの厚みに対するパワーサイクル特性評価結果である。図１８（ａ）は素子（ＩＧＢＴ３２８）の厚さが０.３mmの場合であり、図１８（ｂ）は、本実施形態に係り、厚さが０.０９mmの場合である。

図１８（ａ）及び（ｂ）の縦軸は、図１７と同様にパワーサイクル寿命を素子温度の振幅回数で表す。一方、横軸は、絶縁基板３３４の表面又は内部に配線される回路配線パターン３３４ｋ及び３３４ｒの厚みの和を表す。白抜き四角及び白抜き三角は図１７と同様である。

図１８（ａ）の結果から、素子（ＩＧＢＴ３２８）厚さが０.３mmの場合には、素子上のワイヤ３３６ａの接合部と素子下のはんだ３３７ａの接合部の寿命の両方を目標値以上とする回路配線パターン３３４ｋ及び３３４ｒの厚みは存在しないことが分かる。

また、図１８（ｂ）の結果から、素子（ＩＧＢＴ３２８）厚さが０.０９mmの場合には、目標値の１８０００サイクル以上となるための回路配線パターン３３４ｋ及び３３４ｒの厚みは、その和が０.９mm以上となる場合である。素子下のはんだ３３７ａの寿命は低下するものの、当該厚みが２.０mmまでは、素子上のワイヤ３３６ａの接合部と素子下のはんだ３３７ａの接合部の信頼性を両立できる範囲にある。したがって、配線厚さを０.７mm〜２.０mmの範囲に設計することが望ましい。

次に、図１９を用いて熱衝撃（ＴＦＴ）特性の解析結果について説明する。

図１９は、図１５に示されたパワーモジュール３００について、有限要素法による熱応力解析により算出した熱衝撃（ＴＦＴ）特性評価結果である。本特性評価の素子温度の振幅条件は、金属ベース３０４が５５℃から１２５℃までである。また、解析条件は、１アームを２素子（並列接続されたＩＧＢＴ３２８が一組）として当該アームを２つを一組とした一相分、すなわち４つの素子を発熱させ、金属ベース３０４の温度が５５℃から１２５℃となるように制御した。

図１９の縦軸は熱衝撃（ＴＦＴ）寿命を金属ベース３０４の温度の振幅回数で表し、図１９の横軸は回路配線パターン３３４ｋ及び３３４ｒの厚みの和を表す。白抜き四角及び白抜き三角は図１７と同様であり、白抜き丸は絶縁基板３３４と金属ベース３０４との接合の寿命を表す。図１９（ａ）は、素子（ＩＧＢＴ３２８）厚さが０.３mmの場合であり、図１９（ｂ）は、素子厚さが０.０９mmの場合である。

図１９（ａ）の結果から、素子厚さが０.３mmの場合には、上記の３つの接合界面の信頼性寿命が目標値を満足する回路配線パターン３３４ｋ及び３３４ｒの厚みは存在しないことが分かる。

図１９（ｂ）の結果から、素子厚さが０.０９mmの場合には、回路配線パターン３３４ｋ及び３３４ｒの厚みの和が０.７mm以上で、素子（ＩＧＢＴ３２８）とワイヤ３３６ａとの接合界面の信頼性寿命（白抜き四角）、及び絶縁基板３３４と金属ベース３０４との接合界面の信頼性寿命（白抜き丸）が目標値を満足する。一方、素子（ＩＧＢＴ３２８）とはんだ３３７ａの接合の信頼性寿命（白抜き三角）は、回路配線パターン３３４ｋ及び３３４ｒの厚みの増大に伴い低下する傾向にある。しかし、その厚みが２.０mm以下の範囲においては、目標値を満足する。したがって、上記の試験に条件におけるＴＦＴ寿命が目標値を満足するには、配線厚さを０.７mm〜２.０mmの範囲に設計することが必要である。

熱衝撃（ＴＦＴ）特性試験において、ＴＦＴ試験の熱履歴を与えるとパワーモジュール３００全体に渡って熱変化が生じる。この場合に、パワーモジュール３００全体の温度変化に伴う、反り変形により絶縁基板３３４の形状も変化する。この際に、回路配線パターン３３４ｋ及び３３４ｒと絶縁基板３３４に、応力集中が発生し、絶縁基板３３４自身にクラックが進展して、絶縁不良および熱抵抗の増大を招くおそれがある。特に、従来の回路配線パターンの厚さよりも大きい回路配線パターンを用いた本実施形態においては、パワーモジュール３００全体の温度変化に伴う、反り変形が大きい。

そこで、本実施形態における絶縁基板３３４の機械特性は、曲げ強度が６００ＭＰａ以上であり、さらに破壊靱性が５ＭＰａ.ｍ１／２以上であることが好ましい。この強度を達成するために、絶縁基板３３４は、セラミックス材を用いて、特に機械特性が優れる窒化ケイ素を用いることが望ましい。これにより、図１５から図１９までに説明したようなはんだ３３７ａ及び３３７ｂの信頼性向上を図りながら、絶縁基板３３４の絶縁不良および熱抵抗の増大を抑えることができる。

図２０は、図５に示された往復流路の一部（図５のＦ）の模式断面図である。本実施形態に係るパワーモジュール３００を、筐体１２にＭ６の締結用ボルト３５０を用いて取り付ける。金属ベース３０４をＡｌダイカスト製の筐体１２に接触させ、金属ベース３０４と筐体１２との間をＯリング８００によりシールしている。Ｏリング８００の線径は１.９mmφ、Ｏリング８００を挿入する溝８１０の深さは１.４mmである。また、締結用ボルト３５０の締付けトルクは２.４５Ｎ・ｍである。

図２０に示された流路１９に、エチレングリコール５０ｖｏｌ.％の冷却水を流量１０Ｌ／minで流入され、パワーモジュール３００の冷却性能を測定した。

まず、冷却性能の指標である、冷却水からＩＧＢＴチップジャンクションまでの熱抵抗，Ｒｔｈ（ｊ−ｗ）を評価した。更に、有限要素法を用いた熱応力解析を用いて、パワーサイクル寿命ならびに熱衝撃（ＴＦＴ）寿命を算出した。これらの結果を表１に示す。表１は素子，配線基板，冷却能力に対するパワーモジュール３００の特性を示した表である。

半導体モジュールの熱抵抗測定は、通電電流３８９Ａ−ＤＣ，通電時間３０sec後の飽和熱抵抗を評価した。また、本評価において、流路１９は搬水ポンプにより水量：０〜４０Ｌ／min，水圧：０〜５０ｋｐａの範囲で制御できるものを使用した。また、パワーサイクル特性評価試験は、図１５に示すパワーモジュール３００実機について行い、素子（ＩＧＢＴ３２８）温度が５０℃から１５０℃までの温度振幅を繰り返す条件において、評価したパワーサイクル特性結果である。測定条件は、１アームの１素子通電として素子到達温度が１５０℃となるように通電量を制御した。また、冷却水には５０％ＬＣＣを用いて加温・冷却循環装置を用いて５０℃とした。１サイクルの通電のオン時間およびオフ時間は、２secおよび３０secで実施した。パワーサイクル寿命は、ＩＧＢＴ素子のΔＶｃｅ値が初期値の１.２倍となった回数とした。

また、熱衝撃（ＴＦＴ）特性評価試験についても、図１５に示す金属ベース３０４の温度がパワーモジュール３００実機について行い、５５℃⇔１２５℃の温度振幅を繰り返す条件にて実施したＴＦＴ特性結果である。測定条件は、１アームの２素子通電として１相当たり４素子発熱させ、ベース温度が５５℃から１２５℃となるように通電量を制御した。また、冷却水には５０％ＬＣＣを用いて加温・冷却循環装置を用いて５０℃とした。１サイクルの通電のオン時間およびオフ時間は、４minおよび２min３０secで実施した。ＴＦＴ寿命は、ＩＧＢＴ素子のΔＶｃｅ値が初期値の１.２倍となった回数とした。

表１において、実施例Ｎo.１〜７として、絶縁基板３３４の配線回路パターン３３４ｋ及び３３４ｒの表裏面厚さの和を０.７mm〜２.０mmとした場合の半導体モジュールの熱抵抗を評価した。また、実施例Ｎo.８，９として、実施例Ｎo.２の導体層の材質をＣｕ合金に代えて評価を行った。また、実施例Ｎo.１０，１１として、実施例Ｎo.２の絶縁基板３３４の熱伝導率を７０Ｗ／ｍ.Ｋおよび１２０Ｗ／ｍ.Ｋのものを用いて評価を行った。

また、実施例Ｎo.１２，１３として、実施例Ｎo.２の絶縁基板３３４の破壊靱性を６.５ＭＰａ.ｍ１／２をそれぞれ６.５ＭＰａ.ｍ１／２および７.５ＭＰａ.ｍ１／２ものを用いて評価を行った。また、実施例Ｎo.１４，１５として、実施例Ｎo.２の絶縁基板３３４の曲げ強度をそれぞれ６００ＭＰａおよび９００ＭＰａものを用いて評価を行った。

また、実施例Ｎo.１６〜１８として、実施例Ｎo.２の絶縁基板３３４の厚さ、をそれぞれ０.１mm，０.６mmおよび１.０mmものを用いて評価を行った。

また、実施例Ｎo.１９〜２１として、実施例Ｎo.２のＩＧＢＴ３２８の厚さを、それぞれ０.１mm，０.０８mmおよび０.０５mmものを用いて評価を行った。実施例Ｎo.２２〜２４として、実施例Ｎo.２のＩＧＢＴ３２８のサイズを、それぞれ１３.５mm×１３.５mm、１４.０mm×１４.０mmおよび１５.０mm×１５.０mmものを用いて評価を行った。また、実施例Ｎo.２５〜２８として、実施例Ｎo.２のＩＧＢＴ３２８のサイズを１３.５×１２.５の一定にして、通電量を上昇することで通電密度を、それぞれ２９６Ａ／cm²，３２６Ａ／cm²，３５６Ａ／cm²および３８５Ａ／cm²のもの用いて評価を行った。

また、実施例Ｎo.２９〜３４として、実施例Ｎo.２の流路１９内の冷却水の水量，水圧を代えて、水圧を１２，１５，２０Ｌ／min、水圧を１０，２０，４０ｋｐａとしてそれぞれ評価を行った。また、実施例Ｎo.３５〜３７として、冷却水温度を代えて、それぞれ、２５℃，５０℃および６０℃として評価した。

この結果、実施例Ｎo.１〜３７では、熱抵抗値（Ｒｊ−ｗ）が０.１８℃／Ｗ以下が可能であり、また、パワーサイクル試験および熱衝撃（ＴＦＴ）試験の目標値１８０００サイクルを達成すること可能となり、放熱性に優れかつ高温環境下でのパワーサイクル特性ならびに熱衝撃特性（ＴＦＴ特性）に優れる半導体モジュールが得られた。

次に、表１の比較例のＮo.５１〜６２では、半導体モジュールの熱抵抗値（Ｒｊ−ｗ）が０.１８℃／Ｗ以下あるいはパワーサイクル特性あるいは熱衝撃（ＴＦＴ）特性を維持することはできなかった。

比較例Ｎo.５１〜Ｎo.５３では、実施例Ｎo.２の半導体モジュールにおいて、ＩＧＢＴ３２８の厚さを、変更し、それぞれ、０.３mm，０.５mmおよび０.０２mmとした。Ｎo.５１およびＮo.５２の場合は、パワーサイクル試験で目標仕様の１８０００サイクル未満となった。また、０.０２mmとした場合には、パワーサイクル試験およびＴＦＴ試験開始時にパワー半導体素子に微小クラックが発生し、絶縁不良が起きた。

比較例Ｎo.５４〜５６では、実施例Ｎo.２のＩＧＢＴ３２８サイズを代えて１０mm×１０mm，７mm×７mmおよび２０mm×２０mmとして評価を行った。Ｎo.５４およびＮo.５５では、熱抵抗の上昇ならびにワイヤー／素子間の信頼性寿命が低下する結果となった。

比較例Ｎo.５７、５８では、Ｎo.２のＩＧＢＴ３２８のサイズを１３.５×１２.５の一定にして、通電量を上昇することで通電密度を、それぞれ４１５Ａ／cm２および４７４Ａ／cm２のとして評価した。Ｎo.５７およびＮo.５８においてはワイヤー／素子間の信頼性寿命が低下する結果となった。

比較例Ｎo.５９〜６２では、実施例Ｎo.２の絶縁体の素材を窒化ケイ素に代えて窒化アルミおよびアルミナに代えて評価した。窒化アルミを用いた場合には、熱抵抗は０.１８℃／Ｗ以下が達成できるものの、熱衝撃（ＴＦＴ）試験の開始後５０サイクル程度で、導体層の剥離が認められた。また、アルミナを用いた場合には、上記の導体層の剥離に加えて、熱抵抗の上昇が認められた。

比較例Ｎo.６３および６４では、実施例Ｎo.２の絶縁基板３３４の厚さを０.０２mmおよび１.２mmとして評価した。Ｎo.６３の絶縁基板３３４の厚さが０.０２mmの場合には、配線基板の表裏間でリーク電流が発生して絶縁不良が生じた。また、Ｎo.６４の場合には、絶縁基板３３４の厚さが大きくなるため、パワーモジュール自身の熱抵抗値は、上昇し０.１８５℃／Ｗとなった。比較例Ｎo.６５，６６では、実施例Ｎo.２の絶縁基板３３４の曲げ強度が６００ＭＰａ未満となり、Ｎo.５９〜Ｎo.６２と同様に熱衝撃（ＴＦＴ）試験の開始後５０サイクル程度で、回路配線パターン３３４ｋ及び３３４ｒの剥離が認められパワーモジュールとしての機能を成さなかった。

比較例Ｎo.６７，６８では、実施例Ｎo.２の絶縁体の破壊靱性が５ＭＰａ・ｍ１／２の場合であり、Ｎo.５９〜Ｎo.６２と同様に熱衝撃（ＴＦＴ）試験の開始後５０サイクル程度で、回路配線パターン３３４ｋ及び３３４ｒの剥離がパワーモジュールとしての機能を成さなかった。比較例Ｎo.６９，７０では、絶縁基板３３４の熱伝導率が７０Ｗ／ｍ・Ｋ以下の場合であり、Ｎo.６９およびＮo.７０について、絶縁基板３３４の熱伝導率は６０Ｗ／ｍ・Ｋおよび３０Ｗ／ｍ・Ｋの場合であり、パワーモジュールの熱抵抗は、それぞれ０.１８５℃／Ｗおよび０.１９０℃／Ｗとなった。

比較例Ｎo.７１，７２では、回路配線パターン３３４ｋ及び３３４ｒの材質が純アルミおよびアルミ合金であり、それぞれの熱伝導率が、２２０Ｗ／ｍ・Ｋおよび１９５Ｗ／ｍ・Ｋであるため、パワーモジュールの熱抵抗は増大し、それぞれ、０.１８５℃／Ｗおよび０.１９２℃／Ｗとなった。

比較例Ｎo.７３，７４では、回路配線パターン３３４ｋ及び３３４ｒの表裏面の厚さの和が０.５mmおよび２.５mmの場合であり、Ｎo.７３の場合は、放熱性を支える回路配線パターン３３４ｋ及び３３４ｒの厚さが薄いため、モジュールの熱抵抗は、０.１８２℃／Ｗとなった。一方は、回路配線パターン３３４ｋ及び３３４ｒの表裏面の厚さが２.０mm超となると、モジュールの放熱性は向上するものの、素子下はんだ部の信頼性寿命が低下する。

比較例Ｎo.７５，７６は、流路１９内の冷却水量が５Ｌ／min未満であり、冷却不足のため熱抵抗が０.１８℃／Ｗ超となった。比較例Ｎo.７７は、流路１９内の冷却水量が３０Ｌ／min超であり、冷却水漏れを誘起するためパワーモジュールとしての機能を成さなかった。

Ｎo.７８は、流路内の冷却水の圧力が５０ｋＰａ超であり、冷却水漏れを誘起するため半導体モジュールとしての機能を成さなかった。Ｎo.７９は、冷却ジャケットの冷却水の圧力が５ｋＰａ未満であり、冷却不足のため熱抵抗が０.１８℃／Ｗ超となる。Ｎo.８０は、冷却ジャケットの冷却水の温度が７５℃超であり、冷却不足のため熱抵抗が０.１８℃／Ｗ超となる。

以上の結果から、パワー半導体素子の厚さは、０.０５mm以上０.１mm以下であることが好ましい。また、配線基板を構成する絶縁体の強度６００ＭＰａ以上、破壊靱性５ＭＰａ・ｍ１／２以上、熱伝導率７０Ｗ／ｍ.Ｋ以上が好ましい。さらに、配線基板を構成する導電体の厚さが０.７mm以上、２.０mm以下であることが望ましい。冷却ジャケットの冷却水量は、５Ｌ／min以上３０Ｌ／min以下、水圧は、５ｋＰａ以上４０ｋＰａ以下、冷却水温度は、２５℃以上から７５℃以下の範囲であることが望ましい。

本実施形態に係る電力変換装置２００を用いたハイブリッド自動車のエネルギー伝達経路のブロック図である。 本実施形態に係る電力変換装置２００の回路構成図を示す。 電力変換装置２００の全体構成の外観斜視図である。 本実施形態に係る電力変換装置内部の主要部品の分解斜視図である。 冷却水流路１９を有する筐体１２のアルミ鋳造品を示す図である。 コンデンサモジュール５００を除いた電力変換装置２００の下面図である。 電力変換装置２００の断面図（図６のＡ−Ａ断面基準）である。 （ａ）は、本実施形態に関するパワーモジュール（半導体装置）の上方斜視図であり、（ｂ）は、当該パワーモジュールの上面図である。 本実施形態に関するパワーモジュール（半導体装置）の直流端子の分解斜視図である。 パワーモジュールケース３０２を一部透明にした断面図である。 （ａ）は、パワーモジュール３００の構成部品である金属ベース３０４及び３つの上下アーム直列回路のうち１つ、を抜き出した図である。（ｂ）は、金属ベース３０４，回路配線パターン及び絶縁基板３３４の分解斜視図である。 本実施形態に関するコンデンサモジュールの外観構成を示す斜視図である。 コンデンサモジュール５００の内部が分かるように、樹脂などの充填材５２２を充填する前の状態を示す斜視図である。 積層導体５０７にコンデンサセル５１４を固定した構造を示す図である。 （ａ）は、本実施形態に関するパワーモジュール３００の上方斜視図であり、（ｂ）は、パワーモジュール３００の上面図である。 フィン３０５が形成された金属ベース３０４面の斜視図を示す。 パワーモジュール３００に関する、有限要素法による熱応力解析により算出したパワーサイクル特性評価結果である。 絶縁基板３３４に配線された回路配線パターン３３４ｋ及び３３４ｒの厚みに対するパワーサイクル特性評価結果である。 パワーモジュール３００に関する、有限要素法による熱応力解析により算出した熱衝撃（ＴＦＴ）特性の解析結果である。 図５に示された往復流路の一部（図５のＦ）の模式断面図である。

符号の説明

１５９ 交流端子
１５９ｋ 接続部
３００ パワーモジュール
３０４ 金属ベース
３０５ フィン
３２０Ｕ，３２０Ｌ 制御端子
３２７ ダイオード
３２８ ＩＧＢＴ
３３４ 絶縁基板
３３４ｋ，３３４ｒ 回路配線パターン
３３６ａ，３３６ｂ ワイヤ
３３７ａ，３３７ｂ はんだ

Claims (9)

1. セラミック材からなる絶縁基板と、
   前記絶縁基板の主面に形成され、銅または銅合金からなる第１導体層と、
   半田を介して前記第１導体層に接合される半導体素子と、
   前記絶縁基板の主面とは反対側の面に形成され、銅または銅合金からなる第２導体層と、
   前記第２導体層と接触し、銅または銅合金からなるベース板と、
   筐体と、
   冷却水路を形成する水路形成体と、を備え、
   前記半導体素子の厚さは、１００μｍ以下であり、前記第１導体層と前記第２導体層との厚さの和が０.７mm以上２.０mm以下であり、前記絶縁基板の靭性が５.８ＭＰａ・ｍ1/2以上６.６ＭＰａ・ｍ1/2以下であり、かつ該絶縁基板の厚さが０.１mm以上１.０mm以下であり、
   前記ベース板は、前記半導体素子が接合された面とは反対側の面にフィンを備え、
   前記水路形成体には開口が形成され、
   前記ベース板の前記フィンは前記開口から前記冷却水路内に突出し、該ベース板で開口を閉じるようにして、前記ベース板は前記水路形成体に保持され、
   前記冷却水路に流れる冷却水の温度は２５℃以上７５℃以下である車載用インバータ装置。
2. セラミック材からなる絶縁基板と、
   前記絶縁基板の主面に形成され、銅または銅合金からなる第１導体層と、
   半田を介して前記第１導体層に接合される半導体素子と、
   前記絶縁基板の主面とは反対側の面に形成され、銅または銅合金からなる第２導体層と、
   前記第２導体層と接触し、銅または銅合金からなるベース板と、を備え、
   前記半導体素子の厚さは１００μｍ以下であり、前記第１導体層と前記第２導体層との厚さの和が０.７mm以上２.０mm以下であり、前記絶縁基板の靭性が５.８ＭＰａ・ｍ1/2以上６.６ＭＰａ・ｍ1/2以下であり、かつ該絶縁基板の厚さが０.１mm以上１.０mm以下であり、
   前記半導体素子の面積に対する出力交流電流の密度が２２０Ａ／cm2以上，４００Ａ／cm2以下である車載用インバータ装置。
3. 請求項１又は２に記載のいずれかの車載用インバータ装置であって、
   前記絶縁基板は、窒化珪素からなる車載用インバータ装置。
4. 請求項１に記載の車載用インバータ装置であって、
   前記絶縁基板の熱伝導率は７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である車載用インバータ装置。
5. 請求項１に記載の車載用インバータ装置であって、
   前記半導体素子と前記第１導体層の接続面から、前記ベース板までの熱抵抗値が０.１８℃／Ｗ以下である車載用インバータ装置。
6. 請求項１に記載の車載用インバータ装置であって、
   前記半導体素子は複数のＩＧＢＴであり、該複数のＩＧＢＴにより３相ブリッジ回路が構成され、該３相ブリッジ回路の出力電力は車両駆動用電動機に出力され、該ＩＧＢＴの動作電流は３００Ａ以上でありかつ動作電圧が３００Ｖ以上である車載用インバータ装置。
7. 請求項２に記載の車載用インバータ装置であって、
   前記ベース板は、前記半導体素子が接合された面とは反対側の面にフィンを備える車載用インバータ装置。
8. 請求項７に記載の車載用インバータ装置であって、
   筐体と、
   冷却水路を形成する水路形成体とを備え、
   前記水路形成体には開口が形成され、
   前記ベース板の前記フィンは前記開口から前記冷却水路内に突出し、該ベース板で開口を閉じるようにして、前記ベース板は前記水路形成体に保持される車載用インバータ装置。
9. 請求項８に記載の車載用インバータ装置であって、
   前記冷却水路に流れる冷却水の温度は２５℃以上７５℃以下である車載用インバータ装置。

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