JP2008228398A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の電力変換器を有する電力変換装置において、各電力変換器を構成する半導体素子の温度上昇を抑制する。
【解決手段】インバータモジュール１５０Ａは、第１の電気負荷を駆動する第１のインバータと第２の電気負荷を駆動する第２のインバータとが共通の絶縁基板２１０上に搭載されてなる。第１のインバータにおいて、Ｕ，Ｖ，Ｗ相のアームは、絶縁基板２１０上に、図面左右方向に隣接するアームが同図上下方向に互いにずらされて配置される。第２のインバータにおいて、Ｕ，Ｖ，Ｗ相のアームは、絶縁基板２１０上に、同図左右方向に隣接するアームが同図上下方向に互いにずらされて配置される。さらに、第１のインバータのアームと第２のインバータのアームとは、同図左右方向に沿って隣接するように配置される。かかる配置構成により、絶縁基板２１０の占有面積を増やすことなく、面内方向における温度分布を均一化できる。
【選択図】図４

Description

この発明は、電力変換装置に関し、より特定的には、複数の電力変換器を備えた電力変換装置に関する。

最近、環境に配慮した自動車として、ハイブリッド自動車（Hybrid Vehicle）および電気自動車（Electric Vehicle）が注目されている。ハイブリッド自動車は、従来のエンジンに加え、インバータを介して直流電源により駆動されるモータを動力源とする自動車である。つまり、エンジンを駆動することにより動力源を得るとともに、直流電源からの直流電圧をインバータによって交流電圧に変換し、その変換した交流電圧によりモータを回転することによって動力源を得るものである。また、電気自動車は、インバータを介して直流電源によって駆動されるモータを動力源とする自動車である。

このようなハイブリッド自動車または電気自動車に搭載されるインテリジェントパワーモジュール（ＩＰＭ）は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の半導体スイッチング素子（パワー半導体素子）を高速スイッチングすることにより、直流電源から供給される直流電力を交流電力に変換してモータを駆動するものである。

たとえば特開２００３−３０９９９５号公報（特許文献１）は、多相交流モータの各相に電力を供給するモータ駆動用インバータを開示する。これによれば、インバータモジュールは、電源の高電位側に接続される上アームに接続された素子形成領域と電源の低電位側に接続される下アームに接続された素子形成領域を、多相交流モータの各相ごとに並列接続して構成される。そして、各素子形成領域内には複数の素子部が形成される。インバータモジュールは、各素子形成領域内の素子部の間隔である第１素子部間隔、同相で異なるアームに接続された素子形成領域間における素子部の間隔である第２素子部間隔、および、異相で同じアームに接続されて隣接する素子形成領域間における素子部の間隔である第３素子部間隔の関係を、第１素子部間隔を第３素子部間隔よりも大きくし、第１素子部間隔を第２素子部間隔よりも大きくしたことを特徴とする。

このように、特開２００３−３０９９９５号公報では、同時に通電して発熱する同一相の同一アーム内に配設された素子部の間隔である第１素子部間隔を、第２素子部間隔および第３素子部間隔よりも大きくするように各素子形成領域の配置位置を最適化している。これにより、素子形成領域間の熱干渉による温度上昇の増大を最大限低減できるので小型化を図ることができる。
特開２００３−３０９９９５号公報 特開２００６−２１０６０５号公報 特開２００６−１５８１７３号公報

ここで、ハイブリッド自動車および電気自動車の駆動システムにおいては、複数のモータが搭載され、各モータを互いに独立したインバータで駆動するものが存在する。たとえば特開２００６−１５８１７３号公報（特許文献３）には、エンジン、発電機およびモータの間で動力を分配するように構成されたハイブリッド自動車の駆動システムが開示されている。かかる構成において、発電機およびモータはそれぞれ、対応するインバータを構成する半導体素子のスイッチング制御を行なうことによって駆動される。

そして、このような駆動システムに適用されるＩＰＭにおいては、実装時のスペース制約から課されている小型化の要求を受けて、発電機を制御するインバータとモータを制御するインバータとを共通の素子基板上に一体化して形成した構成が採用されている。本構成の下で発電機およびモータを駆動した場合には、対応するインバータの半導体素子に発生する熱を受けて素子基板が高温になる。そのため、素子基板の下にはこれを冷却するための冷却機構が設けられている。

しかしながら、発電機およびモータに供給される駆動電流は、各々への要求出力に応じて独立に変化する可変値であることから、発電機を制御するインバータの発熱量とモータを制御するインバータの発熱量との間には相対的な大小関係が生じる。これにより、素子基板においては、面内方向における温度分布に、相対的に発熱量が大きいインバータを搭載した領域が他の領域に比べて高温になるといった偏差が生じる。その結果、高温となった領域では冷却機構の冷却能力が不足し、当該領域内に位置する半導体素子の温度上昇を抑えることが困難となるという問題があった。

このような一部の半導体素子の温度上昇を抑えるための手段としては、発熱量が最大となるときに要求される冷却能力に固定して冷却機構を制御する方法が挙げられる。しかしながら、かかる方法では、冷却機構の消費電力を無駄に増加させることとなるため、ＩＰＭを搭載した車両においては、燃費を悪化させる要因となる。

また、冷却能力がより高い大型の冷却機構を設けた場合には、ＩＰＭの体格およびコストを増大させることとなり、実装時のスペース制約からＩＰＭに課されている小型化の要求に相反する結果となる。

しかしながら、上述した特開２００３−３０９９９５号公報には、単一のインバータを搭載したインバータモジュールにおける半導体素子の温度上昇を抑制する手段を開示するに留まり、複数のインバータを搭載した場合に生じる素子基板の温度分布の偏差に対する解決手段については開示していない。

それゆえ、この発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、その目的は、複数の電力変換器を有する電力変換装置において、各電力変換器を構成する半導体素子の温度上昇を抑制することである。

この発明によれば、電力変換装置は、複数の第１の半導体素子のスイッチング制御により第１の電気負荷を駆動する第１の電力変換器と、複数の第２の半導体素子のスイッチング制御により第２の電気負荷を駆動する第２の電力変換器とを備える。複数の第１の半導体素子は、各々が、少なくとも１つの第１の半導体素子を含んで構成される複数の第１の半導体素子群に編成される。複数の第２の半導体素子は、各々が、少なくとも１つの第２の半導体素子を含んで構成される複数の第２の半導体素子群に編成される。複数の第１の半導体素子群は、基板上に、第１の方向に整列配置されるとともに、少なくとも一部において、第１の方向に隣接する第１の半導体素子群が第１の方向に垂直な第２の方向に互いにずらされて配置される。複数の第２の半導体素子群は、基板上に、第１の方向に整列配置されるとともに、少なくとも一部において、第１の方向に隣接する第２の半導体素子群が第２の方向に互いにずらされて配置され、かつ、第１の方向に沿って第１の半導体素子群と隣接するように配置される。

上記の電力変換装置によれば、各々が、対応する電気負荷に供給される通電電流に応じた熱を発生する第１および第２の半導体素子を整列配置した基板において、小型化と面内方向における温度分布の均一化とを両立することができる。これにより、冷却機構の冷却能力を増大させることなく、半導体素子の温度が上昇するのを抑制することができる。その結果、電力変換装置の小型化が実現される。

好ましくは、第１の電力変換器は、電源および第１の電気負荷の間で電力変換を行なう第１のインバータであって、複数の第１の半導体素子群は、各々が、第１のインバータにおける各相を構成する。第２の電力変換器は、電源および第２の電気負荷の間で電力変換を行なう第２のインバータであって、複数の第２の半導体素子群は、各々が、第２のインバータにおける各相を構成する。

上記の電力変換装置によれば、第１および第２のインバータの各々において、整列方向に隣接する相を千鳥状に配列するとともに、整列方向に沿って異なるインバータの相が隣接するように配置することによって、基板の占有面積を増加させることなく、面内方向における温度分布を均一化できる。

好ましくは、第１の電力変換器は、電源および第１の電気負荷の間で電力変換を行なう第１のインバータであって、複数の第１の半導体素子群は、各々が、第１のインバータにおける各相のアームを構成する。第２の電力変換器は、電源および第２の電気負荷の間で電力変換を行なう第２のインバータであって、複数の第２の半導体素子群は、各々が、第２のインバータにおける各相のアームを構成する。

上記の電力変換装置によれば、第１および第２のインバータの各々において、整列方向に隣接する同一相のアームを千鳥状に配列するとともに、整列方向に沿って異なるインバータのアームが隣接するように配置することによって、基板の占有面積を増加させることなく、面内方向における温度分布を均一化できる。

好ましくは、電力変換装置は、複数の第３の半導体素子のスイッチング制御により電源と第１および第２の電力変換器との間で電圧変換を行なう第３の電力変換器をさらに備える。複数の第３の半導体素子は、各々が、少なくとも１つの第３の半導体素子を含んで構成される複数の第３の半導体素子群に編成される。各複数の第３の半導体素子群は、基板上に、第１の方向に整列配置されるとともに、少なくとも一部において、第１の方向に隣接する第３の半導体素子群が第２の方向に互いにずらされて配置され、かつ、第１の方向に沿って第１の半導体素子群または第２の半導体素子群と隣接するように配置される。

上記の電力変換装置によれば、コンバータを構成する第３の半導体素子をさらに同一基板上に整列配置した場合においても、小型化と面内方向における温度分布の均一化とを両立することができる。

この発明の他の局面によれば、電力変換装置は、電源から第１電源線および第２電源線間に受けた電力を電力変換するための電力変換装置である。電力変換装置は、第１電源線と出力導体との間に並列接続される複数の第１の半導体素子と、第２電源線と出力導体との間に並列接続される複数の第２の半導体素子とを備える。複数の第１の半導体素子は、基板上に、第１の方向に整列配置されるとともに、少なくとも一部において、第１の方向に隣接する第１の半導体素子が第１の方向に垂直な第２の方向に互いにずらされて配置される。複数の第２の半導体素子は、第１の方向に整列配置されるとともに、少なくとも一部において、第１の方向に隣接する第２の半導体素子が第２の方向に互いにずらされて配置され、かつ、第１の方向に沿って第１の半導体素子と隣接するように配置される。

上記の電力変換装置によれば、同時に通電されて発熱する複数の半導体素子を搭載した基板において、小型化と面内方向における温度分布の均一化とを両立することができる。これにより、冷却機構の冷却能力を増大させることなく、半導体素子の温度が上昇するのを抑制することができる。その結果、電力変換装置の小型化が実現される。

好ましくは、電力変換装置は、第１電源線および第２電源線間に受けた直流電力および電気負荷との間で授受される交流電力の間で電力変換を行なうインバータである。

上記の電力変換装置によれば、インバータの同相の同一アームを構成する複数の半導体素子間の熱干渉が緩和されることにより、基板の面内方向における温度分布を均一化できる。

好ましくは、電力変換装置は、第１電源線および第２電源線間に受けた直流電力の電圧変換を行なうコンバータである。

上記の電力変換装置によれば、コンバータの同一アームを構成する複数の半導体素子間の熱干渉が緩和されることにより、基板の面内方向における温度分布を均一化できる。

好ましくは、電力変換装置は、基板と熱交換可能に設けられた冷却機構をさらに備える。

上記の電力変換装置によれば、冷却機構の冷却能力を増大させる必要がないため、冷却機構の省電力化が可能となる。その結果、電力変換装置を搭載した車両の燃費を向上することができる。また、冷却機構の体格が増大するのを抑制できるため、小型の電力変換装置を実現することができる。

この発明によれば、複数の電力変換器を有する電力変換装置において、各電力変換器を構成する半導体素子の温度上昇を抑制することができる。その結果、半導体素子の冷却性能を確保しながら素子基板の占有面積を小さくすることが可能となり、電力変換装置の小型化を実現することができる。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一符号は同一または相当部分を示す。

［実施の形態１］
図１は、この発明に従う電力変換装置の搭載例として示されるハイブリッド自動車の全体構成を示す概略ブロック図である。

図１を参照して、ハイブリッド自動車５は、バッテリ１０と、ＰＣＵ（Power Control Unit）２０と、動力出力装置３０と、ディファレンシャルギア（ＤＧ：Differential Gear）４０と、前輪５０Ｌ，５０Ｒと、後輪６０Ｌ，６０Ｒと、フロントシート７０Ｌ，７０Ｒと、リアシート８０とを備える。

バッテリ１０は、リアシート８０の後方部に配置される。そして、バッテリ１０は、ＰＣＵ２０に電気的に接続される。ＰＣＵ２０は、たとえば、フロントシート７０Ｌ，７０Ｒの下部領域、すなわちフロア下領域を利用して配置される。動力出力装置３０は、ダッシュボード９０よりも前側のエンジンルームに配置される。ＰＣＵ２０は、動力出力装置３０と電気的に接続される。動力出力装置３０は、ＤＧ４０と連結される。

直流電源であるバッテリ１０は、たとえば、ニッケル水素またはリチウムイオン等の二次電池から成り、直流電圧をＰＣＵ２０へ供給するとともに、ＰＣＵ２０からの直流電圧によって充電される。

ＰＣＵ２０は、バッテリ１０からの直流電圧を昇圧し、その昇圧した直流電圧を交流電圧に変換して動力出力装置３０に含まれるモータジェネレータを駆動制御する。また、ＰＣＵ２０は、動力出力装置３０に含まれるモータジェネレータが発電した交流電圧を直流電圧に変換してバッテリ１０を充電する。すなわち、ＰＣＵ２０は、バッテリ１０によって供給される直流電力と、モータを駆動制御する交流電力およびジェネレータによって発電される交流電力との間で電力変換を行なう「電力変換装置」に相当する。

動力出力装置３０は、エンジンおよび／またはモータジェネレータによる動力をＤＧ４０を介して前輪５０Ｌ，５０Ｒに伝達して前輪５０Ｌ，５０Ｒを駆動する。また、動力出力装置３０は、前輪５０Ｌ，５０Ｒの回転力によって発電し、その発電した電力をＰＣＵ２０へ供給する。あるいは、モータおよびジェネレータの機能を併せ持つモータジェネレータを動力出力装置３０に設けることも可能である。

ＤＧ４０は、動力出力装置３０からの動力を前輪５０Ｌ，５０Ｒに伝達するとともに、前輪５０Ｌ，５０Ｒの回転力を動力出力装置３０へ伝達する。

図２は、図１に示されたＰＣＵ２０の主要部を示す電気回路図である。
図２を参照して、ＰＣＵ２０は、昇圧コンバータ１００と、コンデンサ１４０と、インバータモジュール１５０とを含む。

非絶縁型の昇圧チョッパを構成する昇圧コンバータ１００は、リアクトル１２０および昇圧パワーモジュール１３０を含む。昇圧パワーモジュール１３０は、電力スイッチＱ１，Ｑ２とダイオードＤ１，Ｄ２とを含む。この実施の形態において、電力スイッチとしては、代表的にはＩＧＢＴが適用される。

電力スイッチＱ１，Ｑ２は、電源ライン１０３とアースライン１０２との間に直列に接続される。電力スイッチＱ１は、コレクタが電源ライン１０３に接続され、エミッタが電力スイッチＱ２のコレクタに接続される。また、電力スイッチＱ２のエミッタはアースライン１０２に接続される。また、ダイオードＤ１，Ｄ２は、各電力スイッチＱ１，Ｑ２の逆並列ダイオードとして設けられる。

リアクトル１２０は、一方端が電源ライン１０１に接続され、他方端が各電力スイッチＱ１およびＱ２の接続ノードに接続される。コンデンサ１４０は、電源ライン１０３とアースライン１０２との間に接続される。

インバータモジュール１５０は、２つのインバータ１５１，１５２から構成される。インバータ１５１は、Ｕ相アーム１５３、Ｖ相アーム１５４およびＷ相アーム１５５からなる。Ｕ相アーム１５３、Ｖ相アーム１５４およびＷ相アーム１５５は、電源ライン１０３とアースライン１０２との間に並列に接続される。

Ｕ相アーム１５３は、直列に接続された電力スイッチＱ１３，Ｑ１４からなり、Ｖ相アーム１５４は、直列に接続された電力スイッチＱ１５，Ｑ１６からなり、Ｗ相アーム１５５は、直列に接続された電力スイッチＱ１７，Ｑ１８からなる。また、各電力スイッチＱ１３〜Ｑ１８には、逆並列ダイオードＤ１３〜Ｄ１８がそれぞれ接続されている。

各相アームの中間点に相当する出力導体１６０ｕ，１６０ｖ，１６０ｗは、モータジェネレータＭＧ１の各相コイルの各相端に接続されている。すなわち、モータジェネレータＭＧ１は、３相の永久磁石モータであり、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の３つのコイルの一端が中点に共通接続されて構成され、Ｕ相コイルの他端が出力導体１６０ｕに、Ｖ相コイルの他端が出力導体１６０ｖに、Ｗ相コイルの他端が出力導体１６０ｗにそれぞれ接続されている。

インバータ１５２は、インバータ１５１と同じ構成からなる。すなわち、インバータ１５２において、Ｕ相アーム１５３は、直列に接続された電力スイッチＱ２３，Ｑ２４からなり、Ｖ相アーム１５４は、直列に接続された電力スイッチＱ２５，Ｑ２６からなり、Ｗ相アーム１５５は、直列に接続された電力スイッチＱ２７，Ｑ２８からなる。また、各電力スイッチＱ２３〜Ｑ２８には、逆並列ダイオードＤ２３〜Ｄ２８がそれぞれ接続されている。

そして、インバータ１５２の各相アームの中間点に相当する出力導体１６５ｕ，１６５ｖ，１６５ｗは、モータジェネレータＭＧ２の各相コイルの各相端に接続されている。すなわち、モータジェネレータＭＧ２も、３相の永久磁石モータであり、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の３つのコイルの一端が中点に共通接続されて構成され、Ｕ相コイルの他端が出力導体１６５ｕに、Ｖ相コイルの他端が出力導体１６５ｖに、Ｗ相コイルの他端が出力導体１６５ｗにそれぞれ接続されている。

昇圧コンバータ１００は、電源ライン１０１とアースライン１０２との間にバッテリ１０から供給された直流電圧を受け、電力スイッチＱ１，Ｑ２がスイッチング制御されることにより直流電圧を昇圧してコンデンサ１４０に供給する。

コンデンサ１４０は、昇圧コンバータ１００からの直流電圧を平滑化してインバータ１５１，１５２へ供給する。インバータ１５１は、コンデンサ１４０からの直流電圧を交流電圧に変換してモータジェネレータＭＧ１を駆動する。インバータ１５２は、コンデンサ１４０からの直流電圧を交流電圧に変換してモータジェネレータＭＧ２を駆動する。

また、インバータ１５１は、モータジェネレータＭＧ１が発電した交流電圧を直流電圧に変換してコンデンサ１４０に供給する。インバータ１５２は、モータジェネレータＭＧ２が発電した交流電圧を直流電圧に変換してコンデンサ１４０に供給する。

コンデンサ１４０は、モータジェネレータＭＧ１またはＭＧ２からの直流電圧を平滑化して昇圧コンバータ１００へ供給する。昇圧コンバータ１００は、コンデンサ１４０からの直流電圧を降圧してバッテリ１０または図示しないＤＣ／ＤＣコンバータへ供給する。

電力スイッチおよびダイオードで構成される昇圧パワーモジュール１３０およびインバータモジュール１５０は、一体化されてこの発明による半導体モジュールを構成する。なお、昇圧コンバータ１００に含まれるリアクトル１２０および平滑用のコンデンサ１４０は、比較的大きな部品であるため、半導体モジュールの外部に別途配置される。
［この発明による半導体モジュールの構成］
この発明による半導体モジュールの全体構成を説明するにあたっては、最初に比較のために、従来より一般的に採用されている半導体モジュールの構成例について説明する。

図３は、図２におけるインバータモジュール１５０の一般的なレイアウトを説明するための図である。なお、以下の説明では、便宜上、図３の上下方向を縦方向、同左右方向を横方向として説明する。

図３を参照して、インバータモジュール１５０では、インバータ１５１および１５２を構成する電力スイッチＱ１３〜Ｑ１８，Ｑ２３〜Ｑ２８およびダイオードＤ１３〜Ｄ１８，Ｄ２３〜Ｄ２８がそれぞれ横方向に沿って規則的に配列される。

インバータ１５１の各電力スイッチＱ１３〜Ｑ１８および各ダイオードＤ１３〜Ｄ１８は、２個ずつの半導体スイッチング素子およびダイオード素子の並列接続によって構成される。なお、以下においては、半導体スイッチング素子とダイオード素子とを総じて半導体素子とも称する。また、電力スイッチとしてＩＧＢＴが適用されるので、各半導体スイッチング素子をＩＧＢＴ素子とも称する。

たとえば、Ｖ相上アームの電力スイッチＱ１５は、２つのＩＧＢＴ素子１８１および１８２の並列接続によって構成され、ダイオードＤ１５は、ダイオード素子１９１および１９２の並列接続によって構成されている。

インバータ１５２は、インバータ１５１と同じ構成からなる。すなわち、インバータ１５２の各電力スイッチＱ２３〜Ｑ２８および各ダイオードＤ２３〜Ｄ２８は、２個ずつのＩＧＢＴ素子およびダイオード素子の並列接続によって構成される。

これらのＩＧＢＴ素子およびダイオード素子は、絶縁基板２１０上に搭載される。絶縁基板２１０の下面には、下部アルミ電極（図示せず）を介して放熱板２００が取り付けられている。放熱板２００は、インバータモジュール１５０からの熱を冷却器（図示せず）へ伝熱することにより、インバータモジュール１５０の冷却を行なうものである。

絶縁基板２１０上には、金属電極２２０，２３０，２４０が形成される。金属電極２２０は、図２における電源ライン１０３に対応するＰ電極であり、金属電極２３０は、図２におけるアースライン１０２に相当するＮ電極である。また、金属電極２４０は、図２に示した出力導体１６０ｕ〜１６０ｖ，１６５ｕ〜１６５ｖとそれぞれ電気的に接続される出力電極である。これらのＰ電極２２０、Ｎ電極２３０および出力電極２４０は、インバータ１５１および１５２の各々について、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相にそれぞれ対応して３個ずつ繰返し配置されている。

各ＩＧＢＴ素子およびダイオード素子は、図２に示した電気的接続を実現するように、Ｐ電極２２０、Ｎ電極２３０および出力電極２４０と、ワイヤボンディング等によって電気的に接続される。

たとえば、インバータ１５１の電力スイッチＱ１５を構成するＩＧＢＴ素子１８１，１８２は、出力導体１６０ｖへ接続される出力電極２４０とＰ電極２２０との間に、ワイヤボンディングによって並列接続されている。

図３に示したように、従来の半導体モジュールでは、インバータ１５１およびインバータ１５２を共通の絶縁基板２１０上に一体化して形成することにより、インバータモジュール全体の占有面積の縮小を実現している。また、このようなモジュール構成は、インバータ１５１およびインバータ１５２の間で冷却機構を共通化できるため、半導体モジュール全体を小型化できるという利点を有する。

しかしながら、その一方で、モータジェネレータＭＧ１およびＭＧ２に供給される駆動電流は、各々への要求出力に応じて独立に変化する可変値であることから、インバータ１５１の発熱量とインバータ１５２の発熱量との間には相対的な大小関係が生じる。本実施の形態では、モータジェネレータＭＧ１は主に発電用途に用いられ、モータジェネレータＭＧ２は主に車両駆動力発生用に用いられるため、インバータ１５２の発熱量はインバータ１５１の発熱量よりも大きくなる傾向がある。

このような発熱量の違いを受けて、絶縁基板２１０においては、面内方向における温度分布に、インバータ１５２を搭載した領域がインバータ１５１を搭載した領域に比べて高温になるといった偏差が発生する。その結果、高温となった領域に位置する半導体素子の冷却性能を確保できず、素子温度の上昇を抑制できないという問題があった。

ここで、素子温度の上昇を抑えるための手段としては、発熱量が最大となるときに要求される冷却能力に固定して冷却機構を制御する方法が挙げられる。しかしながら、かかる方法では、冷却機構の消費電力を無駄に増加させることとなるため、半導体モジュールを搭載した車両においては、燃費を悪化させる要因となる。

また、冷却能力がより高い大型の冷却装置を設けた場合には、電力変換装置の体格を増大させることとなり、実装時のスペース制約から電力変換器に課されている小型化の要求に相反する結果となる。

そこで、この発明の実施の形態１による半導体モジュールは、配置構成において、インバータ１５１の各相のアームとインバータ１５２の各相のアームとを、それぞれ千鳥状に配列し、かつ、横方向に沿って異なるインバータのアームが隣接するように配置することを特徴的な構成とする。このような配置構成は、例えば図４に示されるように、インバータ１５１および１５２において、横方向に隣接するアーム（上アームおよび下アーム）を縦方向に互いにずらして配置することによって実現される。

図４は、この発明の実施の形態１による半導体モジュールの代表例であるインバータモジュール１５０Ａのレイアウト図である。

図４を参照して、インバータモジュール１５０Ａでは、インバータ１５１を構成する電力スイッチＱ１３〜Ｑ１８およびダイオードＤ１３〜Ｄ１８は、絶縁基板２１０上に千鳥状に配置される。具体的には、同一相の異なるアームを構成する電力スイッチおよびダイオードは、縦方向に互いにずらされて配置される。

また、インバータ１５２を構成する電力スイッチＱ２３〜Ｑ２８およびダイオードＤ２３〜Ｄ２８についても、絶縁基板２１０上に千鳥状に配置される。このとき、インバータ１５２の各電力スイッチおよび各ダイオードは、インバータ１５１の各電力スイッチおよび各ダイオードと横方向に隣接するように配置される。

ここで、図４に示すインバータモジュール１５０Ａを、図３に示したインバータモジュール１５０に対比すると、図３の横方向に一列に配置されていたインバータ１５２の電力スイッチＱ２３〜Ｑ２８は、隣り合う電力スイッチが同縦方向に交互にずれるように配置されていることが分かる。これにより、相対的に発熱量の大きいインバータ１５２の電力スイッチＱ２３〜Ｑ２８およびダイオードＤ２３〜Ｄ２８を絶縁基板２１０の面内方向に沿って均一に配置することが実現されている。

また、横方向に隣り合うインバータ１５２の電力スイッチＱ２３〜Ｑ２８およびダイオードＤ２３〜Ｄ２８の間には、相対的に発熱量の小さいインバータ１５１の電力スイッチＱ１３〜Ｑ１８およびダイオードＤ１３〜Ｄ１８がそれぞれ配置されている。これにより、電力スイッチＱ１３〜Ｑ１８およびダイオードＤ１３〜Ｄ１８においても絶縁基板２１０の面内方向に沿って均一に配置することができる。

すなわち、本実施の形態によるインバータモジュール１５０Ａは、インバータモジュール１５０と同程度の基板占有面積を保ちながら、基板の面内方向における温度分布の均一化を実現している。

これにより、インバータ１５１および１５２のスイッチング制御を行なった場合において、従来のインバータモジュール１５０（図３）で生じていた偏差が低減される。したがって、相対的に高温となるインバータ１５２の半導体素子においても冷却性能が確保されるため、素子温度の上昇を抑制することができる。その結果、半導体素子の冷却性能を確保するために冷却機構の冷却能力を高める必要がないことから、冷却機構の省電力化が可能となり、インバータモジュール１５０Ａを搭載した車両の燃費を向上することができる。また、冷却機構が大型化するのを防止することができる。

なお、インバータ１５１は「第１の電力変換器」を構成し、インバータ１５１を構成する半導体スイッチング素子およびダイオード素子は「第１の半導体素子」を構成する。そして、インバータ１５１の各相のアームを構成する電力スイッチＱ１３〜Ｑ１８およびダイオードＤ１３〜Ｄ１８は、各々が、少なくとも１つの第１の半導体素子からなる「第１の半導体素子群」を構成する。

また、インバータ１５２は「第２の電力変換器」を構成し、インバータ１５２を構成する半導体スイッチング素子およびダイオード素子は「第２の半導体素子」を構成する。そして、インバータ１５２の各相のアームを構成する電力スイッチＱ２３〜Ｑ２８およびダイオードＤ２３〜Ｄ２８は、各々が、少なくとも１つの第２の半導体素子からなる「第２の半導体素子群」を構成する。

［変形例］
上述した実施の形態１は、インバータ１５１および１５２の各相のアームを構成する電力スイッチおよびダイオードを、少なくとも１つの半導体素子により編成された半導体素子群とし、当該半導体素子群を絶縁基板上に千鳥状に配置することによって、絶縁基板２１０の面内方向における温度分布の均一化を図るものであった。

なお、本願発明の効果は、本変形例で述べるように、インバータ１５１および１５２の各相を半導体素子群とし、当該相を千鳥状に配置した構成においても得ることができる。

図５は、この発明による半導体モジュールの変形例であるインバータモジュール１５０Ｂのレイアウト図である。

図５を参照して、インバータモジュール１５０Ｂでは、インバータ１５１を構成するＵ相アーム１５３（電力スイッチＱ１３，Ｑ１４およびダイオードＤ１３，Ｄ１４）、Ｖ相アーム１５４（電力スイッチＱ１５，Ｑ１６およびダイオードＤ１５，Ｄ１６）およびＷ相アーム１５５（電力スイッチＱ１７，Ｑ１８およびダイオードＤ１７，Ｄ１８）は、絶縁基板２１０上に千鳥状に配置される。具体的には、横方向に隣接する相が縦方向に互いにずらされて配置される。

また、インバータ１５２を構成するＵ相アーム１５３（電力スイッチＱ２３，Ｑ２４およびダイオードＤ２３，Ｄ２４）、Ｖ相アーム１５４（電力スイッチＱ２５，Ｑ２６およびダイオードＤ２５，Ｄ２６）およびＷ相アーム１５５（電力スイッチＱ２７，Ｑ２８およびダイオードＤ２７，Ｄ２８）は、絶縁基板２１０上に千鳥状に配置される。このとき、インバータ１５２の各相は、横方向に沿ってインバータ１５１の各相と隣り合うように配置される。

ここで、図５に示すインバータモジュール１５０Ｂを、図３に示したインバータモジュール１５０に対比すると、横方向に一列に配置されていたインバータ１５２の３相のアーム１５３〜１５５は、隣り合う相が縦方向に交互にずれるように配置されていることが分かる。これにより、相対的に発熱量の大きいインバータ１５２の電力スイッチＱ２３〜Ｑ２８およびダイオードＤ２３〜Ｓ２８を、絶縁基板２１０の面内方向に沿って均一に配置することが実現されている。

また、横方向に隣り合うインバータ１５２の３相のアーム１５３〜１５５の間には、相対的に発熱量の小さいインバータ１５１の３相のアーム１５３〜１５５がそれぞれ配置される。これにより、電力スイッチＱ１３〜Ｑ１８およびダイオードＤ１３〜Ｄ１８においても絶縁基板２１０の面内方向に沿って均一に配置されている。さらに、インバータモジュール１５０Ｂの絶縁基板２１０の占有面積は、インバータモジュール１５０（図３）の絶縁基板２１０の占有面積と略同等に保たれている。

インバータモジュール１５０Ｂを図５のような配置構成としたことにより、インバータ１５１および１５２のスイッチング制御を行なった場合において、絶縁基板２１０の面内方向における温度分布が均一となる。したがって、相対的に高温となるインバータ１５２の半導体素子の冷却性能が確保されて温度上昇を抑制することができる。その結果、半導体素子の冷却性能を確保するために冷却機構の冷却能力を高める必要がないことから、冷却機構の省電力化が可能となり、インバータモジュール１５０Ａを搭載した車両の燃費を向上することができる。また、冷却機構が大型化するのを防止することができる。

本変更例において、インバータ１５１の３相アーム１５３〜１５５は、各々が、少なくとも１つの第１の半導体素子からなる「第１の半導体素子群」を構成する。また、インバータ１５２の３相アーム１５３〜１５５は、各々が、少なくとも１つの第２の半導体素子からなる「第２の半導体素子群」を構成する。

なお、インバータモジュール１５０Ａ（または１５０Ｂ）とともに半導体モジュールを構成する昇圧パワーモジュール１３０（図２）については、図６に示すように、昇圧コンバータ１００の上アーム（電力スイッチＱ１およびダイオードＤ１）と、昇圧コンバータ１００の下アーム（電力スイッチＱ２およびダイオードＤ２）とを、図６の縦方向に互いにずらして配置するとともに、横方向に沿ってインバータ１５１または１５２のアームと隣接するように配置する構成とする。このような配置構成としたことにより、絶縁基板２１０の面内方向における温度分布をより均一化することができる。

具体的には図６を参照して、電力スイッチＱ１およびダイオードＤ１はインバータモジュール１５０ＣのＵ相側に配置され、電力スイッチＱ２およびダイオードＤ２はインバータモジュール１５０ＣのＷ相側に配置される。

［実施の形態２］
図７は、この発明の実施の形態２による半導体モジュールの代表例であるインバータモジュール１５０Ｄのレイアウト図である。なお、図７では、簡単のため、図３に示したインバータモジュール１５０からＵ相アームのみを抽出して図示するとともに、これと同様の構成からなるＶ相アームおよびＷ相アームについてはその図示および説明を省略する。

図７を参照して、インバータモジュール１５０Ｄでは、同相の同一アームを構成する２つの半導体素子（ＩＧＢＴ素子およびダイオード素子）は、絶縁基板２１０上を千鳥状に配置される。

具体的には、インバータ１５１のＵ相上アームの電力スイッチＱ１３は、ＩＧＢＴ素子１８１および１８２の並列接続によって構成される。当該構成において、隣接するＩＧＢＴ素子１８１とＩＧＢＴ素子１８２とは、図７の横方向にずれるように配置される。なお、２つのＩＧＢＴ素子をこのような配置としたことに伴なって、図３で示したＰ電極２２０、Ｎ電極２３０および出力電力２４０は、それぞれ２分割され、かつ横方向にずれるように配置されている。

同様に、インバータ１５１のＵ相下アームの電力スイッチＱ１４を構成する２つのＩＧＢＴ素子は、図７の横方向に互いにずれるように配置される。このとき、電力スイッチＱ１３を構成するＩＧＢＴ素子の一方と、電力スイッチＱ１４を構成するＩＧＢＴ素子の一方とは図７の縦方向に隣接するように配置される。

また、Ｕ相上アームのダイオードＤ１３およびＵ相下アームのダイオードＤ１４の各々を構成する２つのダイオード素子１９１および１９２についても、ＩＧＢＴ素子１８１および１８２とそれぞれ一体となって千鳥状に配置される。

このような配置構成は、インバータ１５２のＵ相上アームの電力スイッチＱ２３およびダイオードＤ２３とＵ相下アームの電力スイッチＱ２４およびダイオードＤ２４との間においても同様に適用される。

本実施の形態によれば、このように同相の同一アームを構成する複数の半導体素子を千鳥状に配置するとともに、各々を同相の異なるアームを構成する半導体素子と隣接するように配置したことによって、絶縁基板２１０の占有面積を増やすことなく、絶縁基板２１０の面内方向における温度分布を均一化できる。

すなわち、インバータ１５１および１５２のスイッチング制御を行なった場合において、同時に通電されて発熱する素子間の距離が長くなることから、半導体素子間における熱干渉が緩和される。よって、絶縁基板２１０の面内方向における温度分布が均一化されるため、半導体素子の冷却性能を確保して素子温度の上昇を抑制することができる。その結果、冷却機構の冷却能力を高める必要がないことから、冷却機構の省電力化が可能となり、インバータモジュール１５０Ｄを搭載した車両の燃費を向上することができる。また、冷却機構が大型化するのを防止することができる。

なお、本実施の形態に係る配置構成は、図３のインバータモジュール１５０だけでなく、図５で示したインバータモジュール１５０Ｂにも適用することができる。特に、インバータモジュール１５０Ｂに当該配置構成を適用した場合には、絶縁基板２１０の面内方向における温度分布を更に均一化することができるため、素子温度の上昇をより効果的に抑制することが可能となる。

また、本実施の形態に係る配置構成は、昇圧パワーモジュール１３０についても適用することができる。この場合は、昇圧コンバータ１００の同一アームを構成する複数の半導体素子を千鳥状に配置するとともに、各々を異なるアームを構成する半導体素子と隣接させて配置する構成とすればよい。

上述したように、この発明の実施の形態１および２では、実装時のスペース制約から半導体モジュールの小型化の要求が強い用途の代表例として、ハイブリッド自動車の電源装置（ＰＣＵ）にこの発明による半導体モジュールが用いられる構成例を示した。しかしながら、この発明の適用は、このような構成に限定されるものではなく、少なくとも１つの電力変換器が共通の素子基板上に一体化して形成した構造の半導体モジュールにおいて、この発明を共通に適用することが可能である。

また、半導体スイッチング素子としてＩＧＢＴ素子を用いた場合について説明したが、これに限らず、ＭＯＳトランジスタなどを用いて構成してもよい。ＭＯＳトランジスタを半導体スイッチング素子に用いた場合には、ＭＯＳトランジスタ内部に寄生的に形成されるダイオードが逆並列ダイオードとして機能するため、半導体素子からダイオード素子が省略される。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明は、複数の電力変換器を備えた電力変換装置に適用することができる。

この発明に従う電力変換装置の搭載例として示されるハイブリッド自動車の全体構成を示す概略ブロック図である。 図１に示されたＰＣＵの主要部を示す電気回路図である。 図２におけるインバータモジュールの一般的なレイアウトを説明するための図である。 この発明の実施の形態１による半導体モジュールの代表例であるインバータモジュールのレイアウト図である。 この発明による半導体モジュールの変形例であるインバータモジュールのレイアウト図である。 この発明による半導体モジュールの変形例であるインバータモジュールのレイアウト図である。 この発明の実施の形態２による半導体モジュールの代表例であるインバータモジュールのレイアウト図である。

符号の説明

５ ハイブリッド自動車、１０ バッテリ、３０ 動力出力装置、５０Ｌ，５０Ｒ 前輪、６０Ｌ，６０Ｒ 後輪、７０Ｌ，７０Ｒ フロントシート、８０ リアシート、９０ ダッシュボード、１００ 昇圧コンバータ、１０１ 電源ライン、１０２ アースライン、１０３ 電源ライン、１２０ リアクトル、１３０ 昇圧パワーモジュール、１４０ コンデンサ、１５０，１５０Ａ〜１５０Ｄ インバータモジュール、１５１，１５２ インバータ、１５３ Ｕ相アーム、１５４ Ｖ相アーム、１５５ Ｗ相アーム、１６０ｕ，１６０ｖ，１６０ｗ 出力導体、１８１，１８２ ＩＧＢＴ素子、１９１，１９２ ダイオード素子、２００ 放熱板、２１０ 絶縁基板、２２０，２３０，２４０ 金属電極、Ｄ１，Ｄ２，Ｄ１３〜Ｄ１８，Ｄ２３〜Ｄ２８ ダイオード、ＭＧ１，ＭＧ２ モータジェネレータ、Ｑ１，Ｑ２，Ｑ１３〜Ｑ１８，Ｑ２３〜Ｑ２８ 電力スイッチ。

Claims (8)

1. 複数の第１の半導体素子のスイッチング制御により第１の電気負荷を駆動する第１の電力変換器と、
   複数の第２の半導体素子のスイッチング制御により第２の電気負荷を駆動する第２の電力変換器とを備え、
   前記複数の第１の半導体素子は、各々が、少なくとも１つの第１の半導体素子を含んで構成される複数の第１の半導体素子群に編成され、
   前記複数の第２の半導体素子は、各々が、少なくとも１つの第２の半導体素子を含んで構成される複数の第２の半導体素子群に編成され、
   前記複数の第１の半導体素子群は、基板上に、第１の方向に整列配置されるとともに、少なくとも一部において、前記第１の方向に隣接する第１の半導体素子群が前記第１の方向に垂直な第２の方向に互いにずらされて配置され、
   前記複数の第２の半導体素子群は、前記基板上に、前記第１の方向に整列配置されるとともに、少なくとも一部において、前記第１の方向に隣接する第２の半導体素子群が前記第２の方向に互いにずらされて配置され、かつ、前記第１の方向に沿って前記第１の半導体素子群と隣接するように配置される、電力変換装置。
2. 前記第１の電力変換器は、電源および前記第１の電気負荷の間で電力変換を行なう第１のインバータであって、前記複数の第１の半導体素子群は、各々が、前記第１のインバータにおける各相を構成し、
   前記第２の電力変換器は、前記電源および前記第２の電気負荷の間で電力変換を行なう第２のインバータであって、前記複数の第２の半導体素子群は、各々が、前記第２のインバータにおける各相を構成する、請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記第１の電力変換器は、電源および前記第１の電気負荷の間で電力変換を行なう第１のインバータであって、前記複数の第１の半導体素子群は、各々が、前記第１のインバータにおける各相のアームを構成し、
   前記第２の電力変換器は、前記電源および前記第２の電気負荷の間で電力変換を行なう第２のインバータであって、前記複数の第２の半導体素子群は、各々が、前記第２のインバータにおける各相のアームを構成する、請求項１に記載の電力変換装置。
4. 複数の第３の半導体素子のスイッチング制御により前記電源と前記第１および第２の電力変換器との間で電圧変換を行なう第３の電力変換器をさらに備え、
   前記複数の第３の半導体素子は、各々が、少なくとも１つの第３の半導体素子を含んで構成される複数の第３の半導体素子群に編成され、
   各前記複数の第３の半導体素子群は、前記基板上に、前記第１の方向に整列配置されるとともに、少なくとも一部において、前記第１の方向に隣接する第３の半導体素子群が前記第２の方向に互いにずらされて配置され、かつ、前記第１の方向に沿って前記第１の半導体素子群または前記第２の半導体素子群と隣接するように配置される、請求項２または請求項３に記載の電力変換装置。
5. 電源から第１電源線および第２電源線間に受けた電力を電力変換するための電力変換装置であって、
   前記第１電源線と出力導体との間に並列接続される複数の第１の半導体素子と、
   前記第２電源線と前記出力導体との間に並列接続される複数の第２の半導体素子とを備え、
   前記複数の第１の半導体素子は、基板上に、第１の方向に整列配置されるとともに、少なくとも一部において、前記第１の方向に隣接する第１の半導体素子が前記第１の方向に垂直な第２の方向に互いにずらされて配置され、
   前記複数の第２の半導体素子は、前記第１の方向に整列配置されるとともに、少なくとも一部において、前記第１の方向に隣接する第２の半導体素子が前記第２の方向に互いにずらされて配置され、かつ、前記第１の方向に沿って前記第１の半導体素子と隣接するように配置される、電力変換装置。
6. 前記電力変換装置は、前記第１電源線および前記第２電源線間に受けた直流電力および電気負荷との間で授受される交流電力の間で電力変換を行なうインバータである、請求項５に記載の電力変換装置。
7. 前記電力変換装置は、前記第１電源線および前記第２電源線間に受けた直流電力の電圧変換を行なうコンバータである、請求項６に記載の電力変換装置。
8. 前記基板と熱交換可能に設けられた冷却機構をさらに備える、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の電力変換装置。

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