JP2013179104A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電力変換装置における放熱経路の熱伝達の向上を図る方法を提供する。
【解決手段】パワー半導体素子と、第１放熱板２６ａと、第２放熱板２６ｃと、前記パワー半導体素子と前記第１放熱板２６ａと前記第２放熱板２６ｃを封止する第１絶縁樹脂材と、前記第１絶縁樹脂材を覆って形成される第２絶縁樹脂材と、を有するパワー半導体モジュールと、絶縁性の冷却冷媒を収納する空間を形成するチャンバと、を備え、前記パワー半導体モジュールは、前記チャンバの前記冷却冷媒の収納空間内に配置され、前記第１放熱板２６ａは第１凸部２６ｄを有し、前記第２放熱板２６ｃは第２凸部２６ｅを有し、前記第２絶縁樹脂材は、前記第１凸部２６ｄを形成する側面部と前記第２凸部２６ｅを形成する側面部に接触しており、前記冷却冷媒と直接接触するとともに当該第１凸部２６ｄ及び当該第２凸部２６ｅに沸騰冷却面を有する電力変換装置。
【選択図】図９

Description

本発明は電力変換装置に関し、特に車両に用いられる電力変換装置に関する。

電気自動車あるいはハイブリッド自動車においては、搭載される部品の小型化や低コスト化が重要視されている。バッテリの直流電流をモータの交流電流に変換する電力変換装置も例外ではなく、小型化や低コスト化が求められおり、その結果発熱密度が大きくなるため冷却性能を向上させる必要がある。

電力変換装置を構成する電子部品の中でも最も発熱量が大きいものはパワーモジュールである。限られた体積内でパワーモジュールの冷却性能を向上させるために、半導体素子両面に放熱金属を接合する両面冷却構造が知られている。特許文献１や特許文献２の形態は、両面冷却構造の代表的な例であり、冷媒と素子の絶縁を確保するために、セラミックや樹脂などを代表とする絶縁部材を放熱金属と素子の間に介在させている。また特許文献３においては、絶縁性冷媒の気化熱により両面冷却モジュールを冷却する手法を示唆しており、モジュール内の樹脂をDiamond Like Carbonやセラミックなどを代表とする無機硬質膜で覆うことによって、樹脂の水分吸収を防止している。いずれの場合も、素子から冷媒への放熱経路の途中に、樹脂・セラミック・無機硬質膜など熱伝導率の小さい部材が介入している。素子の冷却性を向上させるために更なる放熱経路の熱伝達の向上が求められる。

特許第４０３９３３９号公報 特開２０１０−１１０１４３号公報 特開２００６−１２８２６０号公報

本発明が解決しようとする課題は、放熱経路の熱伝達の向上を図るとともに装置の信頼性を向上させることである。

上記課題を解決する本発明に係る電力変換装置は、直流電流を交流電流に変換するパワー半導体素子と、前記パワー半導体素子と対向するとともに当該パワー半導体素子と電気的に接続される金属製の第１放熱板と、前記パワー半導体素子を挟んで前記第１放熱板と対向するとともに当該パワー半導体素子と電気的に接続される金属製の第２放熱板と、前記パワー半導体素子と前記第１放熱板と前記第２放熱板を封止する第１絶縁樹脂材と、前記第１絶縁樹脂材を覆って形成される第２絶縁樹脂材と、を有するパワー半導体モジュールと、絶縁性の冷却冷媒を収納する空間を形成するチャンバと、気化された前記冷却冷媒を凝縮する凝縮器と、を備え、前記パワー半導体モジュールは、前記チャンバの前記冷却冷媒の収納空間内に配置され、前記第１放熱板は、前記パワー半導体素子が配置された側の面とは反対側の面に、第１凸部を有し、前記第２放熱板は、前記パワー半導体素子が配置された側の面とは反対側の面に、第２凸部を有し、前記第２絶縁樹脂材は、前記第１凸部を形成する側面部と前記第２凸部を形成する側面部に接触しており、前記第１凸部及び前記第２凸部は、前記冷却冷媒と直接接触するとともに当該第１凸部及び当該第２凸部に沸騰冷却面を有する。

本発明によれば、放熱経路の熱伝達を向上するとともに装置の信頼性を向上させることができる。

ハイブリッド自動車の制御ブロックを示す図である。 インバータ回路１４０の電気回路の構成を説明する図である。 電力変換装置２００の斜視図である。 電力変換装置２００の分解斜視図である。 図３のＡ−Ａ′で切断した断面図である。 パワーモジュール２０とフランジ２１とバスバ６の上面斜視図である。 パワーモジュール２０とフランジ２１とバスバ６の下面斜視図である。 パワーモジュール２０とフランジ２１のみを分解した図である。 図８に示したパワーモジュール２０をＢ−Ｂ′で切断した断面図である。 パワーモジュール２０の分解図である。 本実施例のパワーモジュール２０の製造方法を示す図である。 図１１（ｄ）で示した研磨プロセスを部分加工にした場合の実施形態を示す図である。 図１２をＣ−Ｃ′で切断した断面図である。 部分加工時にフィン加工も同時に実施する構造を示す図である。 図１４をＤ−Ｄ′で切断した断面図である。 パワーモジュール並列方向を変えた他の実施形態を示す図である。 図１６の分解斜視図である。 ゲート回路／制御回路基板５を鉛直方向に設置した実施形態を示す図である。 図１８の分解斜視図である。 強制循環沸騰冷却にした場合の実施形態を示す図である。 図２０の分解斜視図である。 第１凹部２６ｇの底面部の形状の例を示す図である。 車両内に配置される電力変換装置２００を示す図である。 車両内に配置される電力変換装置２００を示す図である。

（実施形態１）
以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。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ＥＧＮおよびモータジェネレータＭＧ１、モータジェネレータＭＧ２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ＭＧ１およびモータジェネレータＭＧ２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ＭＧ１あるいはモータジェネレータＭＧ２に外部から加えられる機械エネルギーを電力に変換する機能を有する。

モータジェネレータＭＧ１、ＭＧ２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ＭＧ１、ＭＧ２を自動車に搭載する場合には、小型で高出力を得ることが望ましく、ネオジウム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ＥＧＮの出力側及びモータジェネレータＭＧ２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ＭＧ１に伝達され、動力分配機構ＴＳＭからの回転トルクあるいはモータジェネレータＭＧ１が発生する回転トルクは、トランスミッションＴＭおよびデファレンシャルギアＤＩＦ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ＭＧ１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２００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ーとして使用される。また高電圧用のバッテリ１３６の蓄電している電力が少なくなった場合に、エンジンＥＧＮが発生する回転エネルギーをモータジェネレータＭＧ２により交流電力に変換し、次に交流電力を電力変換装置２００により直流電力に変換し、バッテリ１３６を充電することができる。エンジンＥＧＮからモータジェネレータＭＧ２への機械エネルギーの伝達は動力分配機構ＴＳＭによって行われる。

次に電力変換装置２００について説明する。インバータ回路１４０、１４２は、バッテリ１３６と直流コネクタ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、１４２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ＭＧ１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１３８を介してバッテリ１３６から供給された直流電力に基づき交流電力を発生し、交流端子１８８を介してモータジェネレータＭＧ１に供給する。モータジェネレータＭＧ１とインバータ回路１４０からなる構成は第１電動発電ユニットとして動作する。

同様にモータジェネレータＭＧ２をモータとして動作させる場合には、インバータ回路１４２は直流コネクタ１３８を介してバッテリ１３６から供給された直流電力に基づき交流電力を発生し、交流端子１５９を介してモータジェネレータＭＧ２に供給する。モータジェネレータＭＧ２とインバータ回路１４２からなる構成は第２電動発電ユニットとして動作する。

第１電動発電ユニットと第２電動発電ユニットは、運転状態に応じて両方をモータとしてあるいは発電機として運転する場合、あるいはこれらを使い分けて運転する場合がある。また片方を運転しないで、停止することも可能である。なお、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ＭＧ１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。

また、図１では省略したが、バッテリ１３６はさらに補機用のモータ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る。バッテリ１３６から直流電力が補機用パワーモジュールに供給され、補機用パワーモジュールは交流電力を発生して補機用のモータに供給する。補機用パワーモジュールはインバータ回路１４０と基本的には同様の回路構成および機能を持ち、補機用のモータに供給する交流の位相や周波数、電力を制御する。なお、電力変換装置２００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コンデンサモジュール５００を備えている。

電力変換装置２００は、上位の制御装置から指令を受けたりあるいは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コネクタ２１を備えている。電力変換装置２００は、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ＭＧ１やモータジェネレータＭＧ２、補機用のモ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、その制御パルスをドライバ回路１７４や補機用モジュールのドライバ回路へ供給する。ドライバ回路１７４は、供給された制御パルスに基づいて、インバータ回路１４０やインバータ回路１４２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やインバータ回路１４２の電気回路の構成を説明する。なお、インバータ回路１４０やインバータ回路１４２は回路構成も動作も極めて類似しているので、以下ではインバータ回路１４０で代表して説明する。また、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。

上アームのＩＧＢＴ３２８及びダイオード１５６と、下アームのＩＧＢＴ３３０及びダイオード１６６とで、上下アーム直列回路１５０が構成される。インバータ回路１４０は、この上下アーム直列回路１５０を、出力しようとする交流電力のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の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ＭＧ１の電機子巻線の３相の各相巻線に対応している。３相のそれぞれの上下アーム直列回路１５０は、直列回路の中点部分である中間電極１６９から交流電流を出力する。この中間電極１６９は、交流端子１５９及び交流端子１８８を通して、モータジェネレータＭＧ１への交流電力線である以下に説明の交流バスバー８０２と接続される。

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に電気的に接続されている。また、下アームのＩＧＢＴ３３０のエミッタ電極は、負極端子１５８を介して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を構成する各相の上下アーム直列回路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、各相の上下アーム直列回路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、この変換された電力はモータジェネレータＭＧ１に供給される。

上アームの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、下アームの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。上アームのダイオード１５６が、コレクタ電極１５３とエミッタ電極１５５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１６５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やダイオード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。

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、コンデンサモジュール５００の正極側のコンデンサ端子５０６および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やインバータ回路１４２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は、モータジェネレータＭＧ１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ＭＧ１に供給される電流値、及びモータジェネレータＭＧ１の回転子の磁極位置がある。

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による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ＭＧ１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ＭＧ１のｄ軸、ｑ軸の電流指令値を演算し、この演算されたｄ軸、ｑ軸の電流指令値と、検出されたｄ軸、ｑ軸の電流値との差分に基づいてｄ軸、ｑ軸の電圧指令値を演算し、この演算されたｄ軸、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、制御回路１７２内のマイコンは、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、各アームの信号用のエミッタ電極１５５及び信号用のエミッタ電極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ないし図５は本実施形態における電力変換装置２００の概略構成を示す図であり、図３は斜視図、図４は分解斜視図、図５は図３をＡ−Ａ′で切断した断面図である。図５に示すように、本実施形態の電力変換装置２００では、冷媒１０の気化熱を利用しパワーモジュール２０を冷却し、パワーモジュール２０の熱によって沸騰されて気泡１１から蒸気になった冷媒１０を蒸気通路管２内の蒸気進行方向１２に従い重力と逆方向に輸送する。蒸気は図示しないファンや走行風によって空気が流入する凝縮用フィン１ａを介して冷却され、凝縮液に戻される。凝縮液は、凝縮用管１ｂ内および凝縮液戻り管３内を凝縮液進行方向１３に従い重力方向に輸送され、再度パワーモジュール２０側に冷媒を輸送される。このような冷却システムは沸騰伝熱現象を利用している。冷媒１０は、重力によって駆動されるため、冷媒輸送用のポンプを必要としないため、省エネ（低燃費）、ランニングコスト低減の効果がある。

図３に示すように、電力変換装置２００は、複数のコンデンサ素子７ａから構成されるコンデンサモジュール７、パワーモジュール２０、パワーモジュールが収納される沸騰用チャンバ４、チャンバ４の上方に配置された蒸気通路管２、蒸気通路管に接続されている凝縮用フィン１ａおよび凝縮用管１ｂ、凝縮用管からチャンバ内部に接続されている凝縮液戻り管３、パワーモジュール２０とコンデンサモジュール７およびモータジェネレータＭＧ１を接続するバスバ６、パワーモジュール２０に接続されているゲート回路／制御回路基板５からなる。また図４に示すように、パワーモジュール２０をチャンバ４に挿入する際必要なチャンバ下部開口部を塞ぐフランジ２１を有する。

上述したドライバ回路１７４および制御回路１７２はゲート回路／制御回路基板５に実装されており、この基板は回路機能毎に複数に分けても良い。チャンバ４と蒸気通路管２と凝縮用管１ｂと凝縮液戻り管３の内部空間は冷媒が流れる流路となる。チャンバ４は多くの部材を支える構造部材としてだけでなく流路形成体としても機能する。パワーモジュール２０は上述のとおり冷媒１０の気化熱を利用して冷却され、コンデンサモジュール７とゲート回路／制御回路基板５とバスバ６は、ファンや走行風によって発生する空気の流れによって空冷される。これはパワーモジュール２０が電子部品の中でも最も発熱量が大きいためである。

なお、好ましくは、コンデンサモジュール７とゲート回路／制御回路基板５とバスバ６は、金属製の筺体内に実装し、その筺体をチャンバ４と熱的に接続することによって、金属製の筺体の熱伝導を利用して、チャンバ４内の冷媒１０へ熱を輸送することが良い。金属製の筺体は、多くの部材を支える構造部材としても機能する。

ゲート回路／制御回路基板５には図示していないが複数のコネクタが設けられている。コネクタはパワーモジュール２０からの異常検知信号（過電流、過電圧、過温度など）を制御端子８を介して受取り、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。本実施例では、１つのパワーモジュール２０内に上下アーム直列回路１５０が収納された場合を想定しており、図１および２に示したインバータ回路１４０、１４２（３相交流回路）を構成するために、図４に示すように、３つのパワーモジュール２０が必要である。１つのパワーモジュール内に３つの上下アーム全てを収納した構造も可能であり、その場合は、パワーモジュールは１つで良い。６つのアーム（３相×上下２アーム）を複数のパワーモジュールに分けるか１つにまとめるかは、１つあたりの製造歩留や製造装置のサイズによって判断する。

図６はパワーモジュール２０とフランジ２１とバスバ６のみを拡大した上面斜視図、図７は図６の組合せの下面斜視図を示す。上述のとおり、制御端子８はゲート回路／制御回路基板５に接続され、正極バスバ６ａと負極バスバ６ｂはコンデンサモジュール７に接続され、交流バスバ８０２はモータジェネレータＭＧ１に接続される。正極バスバ６ａと負極バスバ６ｂは互いに近接させ、重なり合う部分を設けることによって、相互インダクタンスを低減している。

図８は、パワーモジュール２０とフランジ２１のみを分解した図である。パワーモジュール２０には、ゲート回路／制御回路基板５に制御端子８を介して接続されるパワーモジュール側制御端子２４と、バスバ６にフランジ側主端子２２を介して接続されるパワーモジュール側主端子２３ａ〜２３ｃが設けられている。このパワーモジュール側主端子２３ａ〜２３ｃは、それぞれ、フランジ側正極端子２２ａ、フランジ側負極端子２２ｂ、フランジ側交流端子２２ｃを介して、正極バスバ６ａ、負極バスバ６ｂ、交流バスバ８０２へ金属接合されている。パワーモジュール２０を構成する部材の内、パワーモジュール側制御端子２４とパワーモジュール側主端子２３ａ〜２３ｃおよび第１放熱板２６ａ及び２６ｂの露出面以外は、耐薬品性絶縁材料２５で覆われている。耐薬品性絶縁材料２５は、冷媒１０の種類によって選択される。フランジ２１は、金属材フランジ２１ａと絶縁材フランジ２１ｂからなり、前記制御端子８とフランジ側主端子２２周辺に絶縁材フランジ２１ｂを設け、その周辺に金属材フランジ２１ａが設けられている。絶縁材フランジ２１ｂの材料は例えばガラスやセラミックなどがあり、金属材フランジ２１ａの材料は例えば銅やアルミやステンレス鋼がある。金属材フランジ２１ａは上述のチャンバ４に金属接合されている。

図９は、図８に示したパワーモジュール２０をＢ−Ｂ′で切断した断面図である。上アームのＩＧＢＴ３２８と上アームのダイオード１５６は、それぞれ上アームコレクタ側の第１放熱板２６ａと上アームエミッタ側の第２放熱板２６ｃに金属接合されている。上アームコレクタ側の第１放熱板２６ａはパワーモジュール側正極端子２３ａに電気的に接続される。上アームエミッタ側第２放熱板２６ｃは、後述する中間リードフレーム２７ｄおよび交流端子側リードフレーム２７ｃを介してパワーモジュール側交流端子２３ｃに電気的に接続される。上アームのＩＧＢＴ３２８と上アームのダイオード１５６の材料はシリコンを代表とする半導体であり、第１放熱板２６ａと第２放熱板２６ｃの材料は銅やアルミを代表とする金属である。半導体は金属よりも熱膨張係数が小さいため、熱サイクルを与えると半導体と金属を接合する界面にせん断応力が発生し、界面に亀裂が入ることによって寿命が低下する問題がある。よって、熱サイクルを与えても、膨張収縮の差を大きくしないよう拘束するために、界面周辺に樹脂２８を充填している。樹脂２８は充填方法がトランスファーモールドであれば熱硬化性樹脂としてエポキシを用いるのが一般的である。この熱硬化性樹脂の組成は三次元にポリマーが架橋されているため、ポリマー分子間に冷媒の分子が入り、ポリマー分子間の引力を弱めて、膨潤することがある。また、ポリマーの種類や構造によっては冷媒分子間にポリマー分子を分散し、樹脂の一部が冷媒に溶けることもありえる。極性をもつポリマーでは、極性溶媒に溶けやすく、非極性溶媒には溶けにくい傾向があり、一方、非極性のポリマーは逆の傾向になる。この溶けやすさを知る目安として溶解度パラメーター（ＳＰ値：Solubility Parameter値）があり、樹脂２８のＳＰ値と冷媒分子のＳＰ値が近いほど樹脂２８が冷媒に溶けやすくなる。故に、樹脂２８は冷媒の種類によっては水分を吸収し膨潤変質してしまい、樹脂２８の本来の機能である機械的性質（半導体と金属に熱サイクルを与える際、膨張収縮の差を大きくしないよう拘束すること）を損なう場合があるため、これを防止するために樹脂２８を耐薬品性絶縁材料２５で覆っている。例えば冷媒１０が水素化合物／フッ素化合物／炭素化合物を有する気液２相の熱媒体（アンモニア・Ｒ１２・Ｒ２２・Ｒ４１０・Ｒ４０７・イソブタン・ハイドロフルオロエーテル・パーフルオロカーボン混合物）の場合は、耐薬品性絶縁材料２５の樹脂としてアクリル・ポリエチレン・ポリプロピレン・ポリカーボネート・ポリエステル・エポキシ・メタクリル・ポリエチエンテレンテレフタレート・ＡＢＳ（アクリロニトル／ブタジエン／スチレン共重合合成樹脂）・ポリテトラフルオロエチレンなどが好適である。耐薬品性絶縁材料２５が冷媒に溶けないようにするためには、冷媒分子のＳＰ値と耐薬品性絶縁材料２５のＳＰ値が同じにならないよう耐薬品性絶縁材料２５の材料を選定する必要がある。

第１放熱板２６ａは、ＩＧＢＴ３２８やダイオード１５６のパワー半導体素子が配置された側の面とは反対側の面に第１凸部２６ｄを有する。また第２放熱板２６ｃは、パワー半導体素子が配置された側の面とは反対側の面に第２凸部２６ｅを有する。そして耐薬品性絶縁材料２５は、第１凸部２６ｄを形成する側面部と第２凸部２６ｅを形成する側面部に接触している。一方、第１凸部２６ｄ及び第２凸部２６ｅは、冷媒１０と直接接触するとともに第１凸部及び当該第２凸部に沸騰冷却面を有する。これにより、耐薬品性絶縁材料２５で樹脂２８を被覆する際、第１凸部及び当該第２凸部に沸騰冷却面まで覆わないようすることができるとともに樹脂２８を冷媒１０から保護することができる。また２つの放熱経路１４及び１５上に熱伝導率の小さい耐薬品性絶縁材料２５や樹脂２８が存在しないため、冷却性能を高くすることができる。なお、本実施形態において冷媒１０は不活性冷媒であり、耐薬品性絶縁材料２５は冷媒１０に対する抵抗性を有する樹脂材である。

図１０は、パワーモジュール２０の分解図を示す。本図は上下アームの直列回路１５０を構成することを説明するためのものであり、説明を簡略にするために、図９に示した耐薬品性絶縁材料２５と樹脂２８は省略する。図２に示した回路図の正極端子１５７に相当するパワーモジュール側正極端子２３ａは、上アームコレクタ側の第１放熱板２６ａを介して、上アームのＩＧＢＴ３２８と上アームのダイオード１５６のコレクタ側に金属接合される。ＩＧＢＴ３２８とダイオード１５６のエミッタ側は、第２放熱板２６ｃと金属接合され、第２放熱板２６ｃは放熱板２６ｂと金属接合される。パワーモジュール側交流端子２３ｃは図２に示した回路図の交流端子１５９に相当し、放熱板２６ｂと一体に構成される。パワーモジュール側負極端子２３ｂは図２に示した回路図の負極端子１５８に相当し、第１放熱板２６ａと一体に構成される。パワーモジュール２０の制御端子８は、各ＩＧＢＴ３２８、３３０や図示しない内部温度検知センサからアルミワイヤ９により電気的に接合されている。

図１１は本実施例のパワーモジュール２０の製造方法を示す図である。まず図１１（ａ）に示すように樹脂２８を充填する前の状態になるよう各リードフレーム２７と半導体素子（上アームのＩＧＢＴ３２８、下アームのＩＧＢＴ３３０、上アームのダイオード１５６、下アームのダイオード１６６）とパワーモジュール側主端子２３と制御端子８とアルミワイヤ９を接合する。この際、パワーモジュール側主端子２３と制御端子８は同一平面状になるようにする。

次に、図１１（ｂ）に示すように、第１凸部２６ｄ及び第２凸部２６ｅが樹脂２８から突出するように樹脂２８を充填（トランスファーモールド）する。ここで金型が、第１放熱板２６ａ及び第２放熱板２６ｃの形状に合わせてるように凹凸部を有する場合であっても若干量の残留樹脂２８ｂが第１放熱板２６ａ及び第２放熱板２６ｃ上に残る場合がある。

次に図１１（ｃ）に示すよう、樹脂２８を覆うように耐薬品性絶縁材料２５をトランスファーモールドもしくは表面コーティングする。

最後に図１１（ｄ）に示すよう、第１放熱板２６ａ及び第２放熱板２６ｃを研磨することによって、第１放熱板２６ａ及び第２放熱板２６ｃ上の残留樹脂２８ｂと耐薬品性絶縁材料２５を除去し、第１放熱板２６ａ及び第２放熱板２６ｃの冷却面をむき出しにする。またパワーモジュール側主端子２３と制御端子８を曲げ加工することによって、フランジ側主端子２２と制御端子８と位置合わせが可能となり、フランジ２１とパワーモジュール２０が接合可能になる。このプロセスによれば、放熱板２６を外側に向かって凸にすることで、樹脂２８が完全に耐薬品性絶縁材料２５で覆われ、かつ最終的に第１放熱板２６ａ及び第２放熱板２６ｃの上には残留樹脂２８ｂや耐薬品性絶縁材料２５が残らない様にすることができる。

また図４に示されるように、本実施形態に係る電力変換装置２２０は、車両を駆動するエンジン用のラジエータの側部に配置される。そして、電力変換装置２２０は、パワーモジュール２０は複数個設けられ、かつ複数のパワーモジュール２０のそれぞれは第１凸部２６ｄが形成された面と第２凸部２６ｅが形成された面が側面よりも大きくなるように形成される。さらに複数のパワー体モジュールは、それぞれの第１凸部２６ｄ及び第２凸部２６ｅが対向するように配置される。

これにより、電力変換装置２２０は矩形状に近い形状になるので、図２３に示されるように、電力変換装置２２０は、車両内においてエンジン冷却用ラジエータ６００のｓ側部に配置しやすくなる。結果としてファン７００は凝縮用フィン１ａとエンジン冷却用ラジエータ６００の両方に、外気に近い低温風を送ることができ、車両全体の小型化に繋がる。

（実施形態２）
図１２は、図１１（ｄ）で示した研磨プロセスを全体でなく、第１凸部２６ｄの一部のみを部分的にフライス加工した場合の体の実施形態を示す斜視図であり、図１３は図１２をＣ−Ｃ′で切断した断面図である。

第１凸部２６ｄは、ＩＧＢＴ３２８やダイオード１５６が配置された側に向かって形成される第１凹部２６ｇを形成する。そして第１凹部２６ｇの底面部は、ＩＧＢＴ３２８やダイオード１５６と対向して配置される。また第２凸部２６ｅは、ＩＧＢＴ３２８やダイオード１５６が配置された側に向かって形成される第２凹部２６ｈを形成する。そして第２凹部２６ｈの底面部は、ＩＧＢＴ３２８やダイオード１５６と対向して配置される。

本実施例によれば、図１１（ｄ）で示した全体研磨をする必要がなく、部分加工ですむため、研磨剤などの消耗品コストや加工時間を低減する効果がある。またＩＧＢＴ３２８やダイオード１５６と冷媒１０までの熱伝導率を向上させることができる。

（実施形態３）
図１４は、図１２に示した実施形態２における部分加工の際、突起部の加工も同時に実施する構造の例を示す斜視図であり、図１５は図１４をＤ−Ｄ′で切断した断面図を示す。

第１凹部２６ｇの底面部は、冷媒１０の沸騰を促進するための複数の突起部１００を有する。これにより、第１凹部２６ｇの底面部は伝熱面積が増加し、かつドライアウトすることなく沸騰現象を効率良く維持することができる。故に、本実施形態は、図１２、図１３に示した構造に比べ、冷却性能をさらに向上させることができる効果を有する。なお、本加工法であれば、沸騰冷却だけでなく、相変化のない単相強制対流に適した平板フィンやピンフィンなどにも適用できる。

図２２は第１凹部２６ｇの底面部の形状の例を示す。図２２（ａ）に示されるように、突起部１００は底面部１０１から立ち上がる。先端部１０２は突起部１００の先端から突起部１００の立ち上がり方向に対して角度を有するように突出する。突起部１００と先端部１０２により、トンネル部１０３が形成される。また屈曲する先端部１０２には切欠き部１０４が設けられる。トンネル部１０３は液相冷媒を保持しドライアウトさせないようにするためにあり、切欠き部１０４は、トンネル部１０３内で発生した気相冷媒（気泡）を効率的にトンネル部１０３の外に排出し安定的に沸騰現象を持続させるために適している。

図２２（ｂ）に示されるように、多孔質部１０６は、底面部１０１に金属粒子や繊維を層上に焼結／めっき／溶射することにより形成された多くの小孔１０５からなる。多孔質部１０６内にある小孔１０５も図２２（ａ）で説示されたようなトンネル構造と同様に、液相冷媒を保持しドライアウトさせず、かつ発生した気相冷媒（気泡）を効率的に多孔質外に排出し安定的に沸騰現象を持続させるために適している。

（実施形態４）
図１６は、図３〜図７に示した実装構造のパワーモジュール並列方向を変えた他の実施例であり、図１７は図１６の分解斜視図を示す。パワーモジュール２０は複数個設けられる。複数のパワーモジュール２０のそれぞれは、実施形態１にて説示した構成と同様であり、第１凸部２６ｄが形成された面と第２凸部２６ｅが形成された面が側面よりも大きくなるように形成される。さらに複数のパワーモジュールは、当該複数のパワーモジュールのそれぞれの第１凸部２６ｄが仮想同一面に重なるように一列に配置される。

これにより、図２４に示すように電力変換装置２００全体を薄型化することができ、既存のエンジン冷却用ラジエータ６００と同じ狭い空間内に高密度に実装することができる。

（実施形態５）
図１８は、図１６、図１７に示した本発明の第４実施形態に係る他の実装形態であり、図１９は図１８の分解斜視図を示す。本実施形態では、ゲート回路／制御回路基板５は、当該ゲート回路／制御回路基板５の回路の搭載面が複数のパワーモジュール２０の第１凸部２６ｄまたは第２凸部２６ｅと対向するように配置される。また、ゲート回路／制御回路基板５は、当該ゲート回路／制御回路基板５とチャンバ４の外壁と間に、凝縮用フィン１ａへ流れる対流を生じさせる空間を形成するように配置される。また、コンデンサモジュール７は、ゲート回路／制御回路基板５とチャンバ４の外壁と間の空間に配置される。

これにより、冷却風進行方向１６は、凝縮用フィン１ａを通過する風によりゲート回路／制御回路基板５やコンデンサモジュール７の冷却性能を向上することが可能となる。本実施例では、ゲート回路／制御回路基板５そのものによって冷却風進行方向１６を誘導させているが、ガイドベーンのような他部材を用いても良い。本実施例によるとゲート回路／制御回路基板５やコンデンサモジュール７の冷却性能が向上するため、電力変換装置２００全体の小型化が可能となる。

（実施形態６）
図２０は、ポンプや圧縮機を用いて冷媒を強制的に循環させる強制循環沸騰冷却にした場合の実施例であり、図２１は図２０の分解斜視図を示す。本実施例では図示していない、ポンプや凝縮器が配管されており閉ループを構成する。よって冷媒が絶縁性であれば、相変化を用いない単相液冷としても使用可能である。冷媒を強制的に循環させることによって、流量を調整可能になり、また装置全体を傾けてもドライアウトしにくくなるため、安定した冷却性能を得ることができる。また、比較的大きな面積を有する凝縮器の配置自由度が高まるため、自動車など高密度実装を要求される製品に適した構造である。本実施例では、チャンバ４に冷媒入口管３１と冷媒出口管３２が接続される。

チャンバ４は、複数のパワーモジュール２０を挟むとともに互いに対向する第１側面４ａと第２側面４ｂを有する。第１側面４ａは冷媒入口管３１と接続され第２側面４ｂは冷媒出口管３２と接続される。冷媒入口管３１内を低温液体が凝縮液進行方向１３に流れ、チャンバ４に冷媒が供給され、内部のパワーモジュール２０の放熱板２６付近から発生する気泡が混ざった気泡入り冷媒は、冷媒出口管３２内を気泡入り冷媒進行方向３０に従い排出される。排出された冷媒は、ポンプによって、図示しない凝縮器まで輸送され、熱を空気に放熱し、再度低温液体状態になり、冷媒入口管３１へ戻ってくる。ここで、冷媒入口管３１は冷媒出口管３２に比べて配管径は小さくし、また冷媒出口管３２は冷媒入口管３１に比べて管中心軸位置を高くすることで内部で発生した気泡が溜まらず効率良く排出される。

１４、１５ 放熱経路
２３ａ パワーモジュール側正極端子
２３ｂ パワーモジュール側負極端子
２５ 耐薬品性絶縁材料
２６ａ 第１放熱板
２６ｃ 第２放熱板
２６ｄ 第１凸部
２６ｅ 第２凸部
２８ 樹脂
１５６ ダイオード
３２８ ＩＧＢＴ

Claims (13)

1. 直流電流を交流電流に変換するパワー半導体素子と、前記パワー半導体素子と対向するとともに当該パワー半導体素子と電気的に接続される金属製の第１放熱板と、前記パワー半導体素子を挟んで前記第１放熱板と対向するとともに当該パワー半導体素子と電気的に接続される金属製の第２放熱板と、前記パワー半導体素子と前記第１放熱板と前記第２放熱板を封止する第１絶縁樹脂材と、前記第１絶縁樹脂材を覆って形成される第２絶縁樹脂材と、を有するパワー半導体モジュールと、
   絶縁性の冷却冷媒を収納する空間を形成するチャンバと、
   気化された前記冷却冷媒を凝縮する凝縮器と、を備え、
   前記パワー半導体モジュールは、前記チャンバの前記冷却冷媒の収納空間内に配置され、
   前記第１放熱板は、前記パワー半導体素子が配置された側の面とは反対側の面に、第１凸部を有し、
   前記第２放熱板は、前記パワー半導体素子が配置された側の面とは反対側の面に、第２凸部を有し、
   前記第２絶縁樹脂材は、前記第１凸部を形成する側面部と前記第２凸部を形成する側面部に接触しており、
   前記第１凸部及び前記第２凸部は、前記冷却冷媒と直接接触するとともに当該第１凸部及び当該第２凸部に沸騰冷却面を有する電力変換装置。
2. 請求項１に記載された電力変換装置であって、
   前記冷却冷媒は、不活性冷媒であり、
   前記第２絶縁樹脂材は、前記不活性冷媒に対する抵抗性を有する樹脂材である電力変換装置。
3. 請求項１または２に記載されたいずれかの電力変換装置であって、
   前記冷却冷媒は、水素化合物もしくはフッ素化合物もしくは炭素化合物を有する気液２相の媒体であり、
   前記第２絶縁樹脂材は、前記熱媒体に対する抵抗性を有する樹脂材である電力変換装置。
4. 請求項１ないし３に記載されたいずれかの電力変換装置であって、
   前記第２絶縁樹脂材のＳＰ値と前記冷却冷媒分子のＳＰ値の差が有限である電力変換装置。
5. 請求項１ないし４に記載されたいずれかの電力変換装置であって、
   前記第１凸部は、前記パワー半導体素子が配置された側に向かって形成される第１凹部を有し、
   前記第１凹部の底面部は、前記パワー半導体素子と対向する電力変換装置。
6. 請求項５に記載された電力変換装置であって、
   前記第２凸部は、前記パワー半導体素子が配置された側に向かって形成される第２凹部を有し、
   前記第２凹部の底面部は、前記パワー半導体素子と対向する電力変換装置。
7. 請求項５に記載された電力変換装置であって、
   前記第１凹部の底面部は、前記冷却冷媒の沸騰を促進する複数の突起部を有する電力変換装置。
8. 請求項７に記載された電力変換装置であって、
   前記複数の突起部のそれぞれは、前記第１凹部の底面部から立ち上がる本体部と、前記本体部の立ち上がり方向に対して角度を有するように屈曲させた状態で上面に開口部、を有し、
   前記本体部と前記先端部との間の空間には、前記冷却冷媒を保持する電力変換装置。
9. 請求項１ないし８に記載されたいずれかの電力変換装置であって、
   前記電力変換装置は、車両を駆動するエンジン用のラジエータの側部に配置され、
   前記パワー半導体モジュールは、複数個設けられ、
   前記複数のパワー半導体モジュールのそれぞれは、前記第１凸部が形成された面と前記第２凸部が形成された面が側面よりも大きくなるように形成され、
   さらに前記複数のパワー半導体モジュールは、それぞれの前記第１凸部及び前記第２凸部が対向するように配置される電力変換装置。
10. 請求項１ないし８に記載されたいずれかの電力変換装置であって、
    前記パワー半導体モジュールは、複数個設けられ、
    前記複数のパワー半導体モジュールのそれぞれは、前記第１凸部が形成された面と前記第２凸部が形成された面が側面よりも大きくなるように形成され、
    さらに前記複数のパワー半導体モジュールは、当該複数のパワー半導体モジュールのそれぞれの前記第１凸部が仮想同一面に重なるように一列に配置される電力変換装置。
11. 請求項１０に記載された電力変換装置であって、
    前記パワー半導体素子を駆動する駆動回路を搭載した駆動回路基板を備え、
    前記駆動回路基板は、当該駆動回路基板の前記駆動回路の搭載面が前記複数のパワー半導体モジュールの前記第１凸部と対向するように配置され、
    さらに前記駆動回路基板は、当該駆動回路基板と前記チャンバの外壁と間に、前記凝縮器へ流れる対流を生じさせる空間を形成するように配置される電力変換装置。
12. 請求項１１に記載された電力変換装置であって、
    前記直流電流を平滑化する平滑コンデンサを備え、
    前記平滑コンデンサは、当該駆動回路基板と前記チャンバの外壁と間の空間に配置される、
    前記凝縮器へ流れる対流は、前記平滑コンデンサの外面に接する電力変換装置。
13. 直流電流を交流電流に変換するパワー半導体素子と、前記パワー半導体素子と対向するとともに当該パワー半導体素子と電気的に接続される金属製の第１放熱板と、前記パワー半導体素子を挟んで前記第１放熱板と対向するとともに当該パワー半導体素子と電気的に接続される金属製の第２放熱板と、前記パワー半導体素子と前記第１放熱板と前記第２放熱板を封止する第１絶縁樹脂材と、前記第１絶縁樹脂材を覆って形成される第２絶縁樹脂材と、を有するパワー半導体モジュールと、
    絶縁性の冷却冷媒を収納する空間を形成するチャンバと、を備え、
    前記パワー半導体モジュールは、前記チャンバの前記冷却冷媒の収納空間内に配置され、
    前記第１放熱板は、前記パワー半導体素子が配置された側の面とは反対側の面に、第１凸部を有し、
    前記第２放熱板は、前記パワー半導体素子が配置された側の面とは反対側の面に、第２凸部を有し、
    前記第２絶縁樹脂材は、前記第１凸部を形成する側面部と前記第２凸部を形成する側面部に接触しており、
    前記第１凸部及び前記第２凸部は、前記冷却冷媒と直接接触するとともに当該第１凸部及び当該第２凸部に沸騰冷却面を有し、
    前記パワー半導体モジュールは、複数個設けられ、
    前記複数のパワー半導体モジュールのそれぞれは、前記第１凸部が形成された面と前記第２凸部が形成された面が側面よりも大きくなるように形成され、
    さらに前記複数のパワー半導体モジュールは、当該複数のパワー半導体モジュールのそれぞれの前記第１凸部が仮想同一面に重なるように一列に配置され、
    前記チャンバは、前記複数のパワー半導体モジュールを挟むとともに互いに対向する第１側面と第２側面を有し、
    前記チャンバの前記第１側面は、前記冷却冷媒を流入する入口部を有し、
    前記チャンバの前記第２側面は、前記冷却冷媒を流出する出口部を有する電力変換装置。