JP5178455B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は直流電力と交流電力を相互に変換する電力変換装置に関し、特に自動車の駆動用に適する電力変換装置に関する。

電気自動車やハイブリッド自動車などに搭載されている電力変換装置は、一般に発熱量が大きいため、効率よく冷却するための一つの手段として液体冷却が有効である。

液体冷却のための構造としては、冷媒を流す冷却水流路とパワーモジュールの間に、熱伝導グリースなどの物質を塗布することによって冷却する構造が知られている。ところがこの構造は、グリース部での熱抵抗が高いという欠点を有している。これに対して、より高い冷却能力を有する熱伝導グリースを介することなく冷却部に熱を伝達する直接冷却式の電力変換装置も知られている（特開２００７−２９５７６５号公報および特開２００５−１９１５０２号公報）。直接冷却式構造ではパワーモジュールのヒートシンク自体に放熱フィンが設けられ、かつ当該ヒートシンクに絶縁層を介してスイッチング素子を搭載している。一方、冷却水流路に開口を設けて、当該ヒートシンクで当該開口を塞いで、当該ヒートシンクに直接冷却水を接触させ発熱素子の冷却を行う。

このような直接冷却式構造では、更なる冷却性能の向上が求められている。

特開２００７−２９５７６５号公報 特開２００５−１９１５０２号公報

本発明が解決しようとする課題は、発熱素子を搭載した電力変換装置の冷却性能の向上である。

本発明に係る電力変換装置は、流体冷却媒体が流れる第１流路と第２流路と有し、該第１流路と第２流路とが並列に形成された流路形成体と、直流電力を交流電力に変換するための複数の半導体チップ及び該半導体チップに直流電力を供給するための接続導体板を搭載した金属製放熱板と、を備えたインバータ装置であって、前記第１流路及び前記第２流路には、それぞれ開口部が設けられ、該開口部は前記金属製放熱板によって塞がれ、前記複数の半導体チップは、該金属製放熱板を介して該第１流路及び該第２流路と対向するように分かれて配置され、前記接続導体板は、該金属製放熱板を介して前記第１流路と前記第２流路との間の反対側に配置される。

また好ましくは、前記第１流路及び前記第２流路を繋ぐＵターン部にピンフィンを放熱フィンとし、Ｕターン部のＵターンする曲率と逆の曲率を有する凹部を、前記第１冷却水流路と前記第２冷却水流路との間をターンする部位の先端に設ける。

本発明により、発熱素子を搭載した電力変換装置の冷却性能の向上を図ることができる。

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が、まず、はじめに、本実施形態に係る電力変換装置の小型化に関する技術の概要を次の３つの観点で説明する。

第１の観点はパワーモジュールの構造的な改善である。第２の観点はパワーモジュールの配線レイアウトと流路面積の高スペース効率化である。第３の観点は、冷却性能が低いとされていた流路曲がり部の冷却促進を実施することで、曲がり部にもパワーモジュールを配置することが可能とすることである。上記観点のそれぞれにおいて効果があり、またこれらの観点を組み合わせて実施することで、さらに大きな効果を得ることができる。

第１の観点であるパワーモジュールの小型化について説明する。後述する２組のパワーモジュールは同様の構造を有している。各パワーモジュールにはインバータ回路の上アームと下アームからなる直列回路を３相交流のＵ相とＶ相とＷ相とに対応させて設けている。上記直列回路を併設して設けているので、各直列回路の半導体チップが整然と並べて配置することが可能となり、パワーモジュールの小型化に繋がる。

また本発明の特徴として、冷却水流路の行き側と帰り側両方を跨ぐようにパワーモジュールを配置することで、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、パワーモジュールの小型化が可能となる。

第２の観点について説明する。パワーモジュールに接続される直流配線を、放熱用の金属ベースを介して、冷却水流路の行き側と帰り側の間の反対側に配置することにより、発熱している部位だけに冷媒液を送液することになるため、電力変換装置内での冷却水流路のスペース効率が向上し、電力変換装置の小型化が可能となる。

第３の観点は、冷却性能が低いとされていた冷却水流路の行き側と帰り側が繋がる流路曲がり部の冷却促進を向上させることで、曲がり部にもパワーモジュールを配置することが可能となり、結果として電力変換装置の小型化が可能となることである。流路曲がり部の冷却促進をする方法は大きく分けて２種類ある。１つ目の手段は、冷却水流路の行き側と帰り側の間に位置する隔壁上のシールを向上させバイパス流を防止することで、流路曲がり部まで冷媒液を送液することである。２つ目の手段は流路曲がり部の中でも液のよどみが起きやすいコーナー部への方向にベクトル成分を持つ冷媒液を送液することによって、局所的に冷却性能が落ちる部位の冷却促進をすることである。これら２つの手段を可能とする形状は以下実施例で詳細を述べる。

上述した発明の解決しようとする課題や目的効果とは異なる他の課題についても、以下に説明の実施の形態は解決すると共に新たな効果を奏する。以下新たな、解決しようとする課題についても説明する。

図１〜図５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は交流配線ケース、１８は交流配線、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は積層導体板、８００はＯリング、３０４は金属ベース、１８８は交流コネクタ、３１４は直流正極バスバー、３１６は直流負極バスバー、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。

本実施形態に係る電力変換装置２００は、大きく構成要素を分けると、直流電力と交流電力との変換を行うパワーモジュール（半導体モジュール部）３００と、直流電源の電圧平滑用のコンデンサモジュール５００と、パワーモジュール３００などを冷却するための冷却水流路１９とから構成される。図１に示すように、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３組の交流配線ケース１７が設けられている。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組の交流配線ケース１７が設けられる。交流配線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。直流負極側接続端子部５１０と直流正極側接続端子部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、直流負極側接続端子部５１０と直流正極側接続端子部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２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。筐体１２の中ほどに冷却水流路１９が設けられ、前記冷却水流路１９の上部には流れの方向に並んで２組の開口部４００と４０２が形成されている。前記２組の開口部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の開口部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部４０４が形成されており、前記開口部４０４はカバー４２０で塞がれている。前記カバー４２０は、発熱しない支持部４１０の位置で流路断面積を最大とし急激な断面積変化による圧力損失を低減させるため、テーパ形状となっており、圧力損失を下げることによって冷却効率を向上させている。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、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。

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。

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。

詳細は後述するが、本実施形態では、パワーモジュール３００の直流正極バスバー３１４，直流負極バスバー３１６は、コンデンサモジュール５００の正極側コンデンサ端子５０４，負極側コンデンサ端子５０６にそれぞれ電気的及び機械的に筐体１２内で接続されている。この接続のための貫通孔４０６が形成されている。

パワーモジュール３００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にはドライバ回路１７４が搭載され、制御回路基板２０には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。このように冷却水流路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インバータ装置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信号線と基板間コネクタ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が例えばねじ等で筐体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３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３（Ａ）は筐体１２の斜視図、図３（Ｂ）は筐体１２の上面図、図３（Ｃ）は筐体１２の下面図である。図３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、同じ側面に冷却水出口配管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側面の手前近傍で矢印４２１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、出口孔４０３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個ずつの開口部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に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３（Ｂ）に示すねじ穴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に固定するために使用され、この固定により開口部４００が密閉される。またねじ穴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に固定するために使用され、この固定により開口部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いため暖められた冷却水で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により冷却されるが、出口孔４０３近くの冷却水よりは温度が低くなる。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、開口部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、前記この隔壁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ある。

図３（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部４０４が形成されている。この開口部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。開口部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。

前記冷却水流路１９の側部と長方形の長辺との間に通路の上側と下側とを貫通する貫通孔４０６を形成している。前記冷却水流路１９を挟んで両側に電気部品が取り付けられるため、前記両側の電気部品の電気的な接続が必要となる。貫通孔４０６は冷却水流路１９の両側の電気部品の電気的な接続を行うための孔である。

図３に示す筐体構造は鋳造生産特にアルミダイキャスト生産に適した構造をしている。すなわち冷却水流路１９と筐体１２との一体構造を完成に近い形状で製造できる効果がある。矢印４２１で示す水路の折り返し部分を開口部４０２の一部としていることで折り返し部分の一体鋳造が可能となった。すなわち開口部４０２にパワーモジュール３００を固定することで折り返し通路が完成する。さらに折り返し通路を冷却に利用できることで、良い小型化が可能となっている。冷却水流路１９周辺は開口面に対して略垂直であり、前記隔壁４０８の側面も略垂直である。このような形状とすることで、上面に開口部４００および４０２にパワーモジュール３００を固定子、裏面にカバー４２０を固定することで水路が完成する。この時点で水路の水漏れの検査を行い、次に部品の取り付けを行うことで不良品を早く取り除き生産性を向上できる効果がある。

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、裏面開口にカバー４２０を固定した状態を図４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。

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４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４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４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５は必要な部品および配線を行った状態を示す電力変換装置２００の断面図（図４のＡ−Ａ断面基準）であり、基本的な構造は図１から図４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２つの冷却水流路１９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が設置されている。図５の左側が行き側の第１流路１９ａで右側が折り返し側の第２流路１９ｂである。行き側および折り返し側の冷却水流路１９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で行き側および折り返し側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している。前記冷却水流路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。

図５の左側に断面が直方体形状すなわちバスバー形状の交流電力線１８６がパワーモジュール３００内部から伸びて交流コネクタ１８８を形成している。図５の右側には貫通孔４０６が形成されており、パワーモジュール３００の直流正極／負極バスバー３１４，３１６が、直流用正極バスバー７０２と直流用負極バスバー７０６を介してコンデンサモジュール５００から伸びてきた正極導体板５０７と負極導体板５０５と直接に電気的及び機械的に接続している。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と直流正極／負極バスバー３１４，３１６が配置される構造となっているので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。さらにパワーモジュール３００の直流側の正極／負極導体板３１５，３１７および交流電力線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。パワーモジュール３００の直流正極／負極バスバー３１４，３１６とコンデンサモジュール５００の正極側／負極側コンデンサ端子５０４，５０６が接続する貫通孔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いる構造であり、信頼性が向上する。

筐体１２の下側開口には熱伝導性に優れるアルミ製の下部ケース１６が設けられている。下部ケース１６にはコンデンサモジュール５００の金属製コンデンサケース５０２が固定されている。前記下部ケース１６は筐体１２を介して冷却水流路１９を流れる冷却水で冷却されるため、コンデンサモジュール５００の内部で発生した熱は前記下部ケース１６を通して放熱する。

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。

冷却水流路１９の一方の面に固定された、この例では上方、パワーモジュール３００のさらに上方には、図２のドライバ回路１７４を保持した駆動回路基板２２が配置され、さらにその上方には放熱および電磁シールドの作用をする金属ベース板１１を介在させて制御回路基板２０がコネクタ２１を付設して配置されている。なお制御回路基板２０には図２の制御回路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。

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。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。

さらに中央部の冷却水流路１９にパワーモジュール３００を取り付けた状態で水漏れのテストを行うことが可能となり、テストを終えてから筐体１２の上と下とから必要な部品を固定できるので、生産性に優れている。

本発明の実施形態に係る電力変換装置の特徴についてさらに説明する。本実施形態に係る電力変換装置の全体積層構成と冷却構造では、主たる発熱体であるパワーモジュール３００は、冷却水流路１９を流れる冷却水によって直接冷却され、発熱体であるコンデンサモジュール５００は冷却水流路１９を間にしてパワーモジュール３００とサンドイッチ構造となっており、このサンドイッチの積層構造によって電力変換装置の薄型化，小型化が図られている。

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。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、冷却水流路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を設置してもよい。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、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，回路基板２０，２２，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１１（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１１（ｂ）は、当該パワーモジュール３００の上面図である。図１２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１３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１２（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１２（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１３参照）、３１４は直流正極バスバー、３１６は直流負極バスバー、３１８は絶縁紙（図１２参照）、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１３参照）、３３４ｋは絶縁基板３３４上の回路配線パターン（図１３参照）、３３４ｒは絶縁基板３３４下の回路配線パターン３３７（図１３参照）、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（直流正極バスバー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バスバー３１４及び直流負極バスバー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の上に上下アーム用の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１１（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１１（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１２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、直流負極バスバー３１６，直流正極バスバー３１４の積層構造を為す（図１２の点線部）。また、直流負極バスバー３１６，直流正極バスバー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、直流正極バスバー３１４，絶縁紙３１８，直流負極バスバー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、コーナー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、直流正極バスバー３１４及び直流負極バスバー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１２に示すように、直流正極バスバー３１４と直流負極バスバー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、直流正極バスバー３１４と直流負極バスバー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１３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１３（ａ）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６は冷却水流路の行き側と帰り側を繋ぐＵターン部における、半導体素子とフィンレイアウトの相対位置関係を示した図である。

図１５にて後述するが、パワーモジュール３００内のインバータ単相回路は、直流正極端子側にＩＧＢＴとダイオードの対で構成される上アーム，直流負極端子側に別のＩＧＢＴとダイオードの対で構成される下アームの２群からなり、上アームと下アームを繋げている中間電極から交流電力を取り出している。モータの制御などに用いられる３相回路の場合は、前記上下アームが３組存在し、３相それぞれに直流電力を供給している。そのため、パワーモジュール３００内に、上下アームを繋げるための配線や直流電力を前記ＩＧＢＴに供給するための配線等を配置するスペースが必要となる。

前述の配線は、ＩＧＢＴやダイオードに比して、冷却する必要性が乏しい。パワーモジュール３００内の部品においては、ＩＧＢＴやダイオードに対する冷却性能の向上が最も必要とされる。一方、冷却性能の低下を抑えながら電力変換装置の小型化を図る必要があり、特に冷却水が流れる流路面積を低減することができれば、電力変換装置の小型化かつ流路全体の圧力損失を低減することができる。

そこで本実施形態においては、前記ＩＧＢＴ３２８，３３０やダイオード１５６，１６６は、金属ベース３０４を介して第１流路及び第２流路と対向するように分かれて配置され、さらに直流正極バスバー３１４及び直流負極バスバー３１６は、金属ベース３０４を介して前記第１流路と前記第２流路との間の反対側に配置される。ここで本実施形態において、第１流路とは流路１９の入口からＵターン部４２４までの往路を意味し、一方、第２流路とはＵターン部４２４から流路１９の出口まで復路を意味する。なお、第１流路及び第２流路は、略直線状の流路が２つ並列に形成されたものであってもよい。

上記の配置関係となることにより、図６に示されるように、冷却水が流れない隔壁４０８と重なる位置に直流正極バスバー３１４及び直流負極バスバー３１６（図６の一点鎖線）が設置され、また冷却水と直接接触するフィン３０５と重なる位置にＩＧＢＴ及びダイオードが設置される。そのため、最も冷却する必要があるＩＧＢＴやダイオードの発生熱は当該ＩＧＢＴの直下に形成されたフィン３０５へ伝熱され、一方、直流正極バスバー３１４及び直流負極バスバー３１６の発生熱は金属ベース３０４を介してフィン３０５へ伝熱される。これにより、発熱素子の冷却性能の低下を抑えながら電力変換装置の小型化を図ることができる。さらに、流路面積の増大を抑えることができるので、電力変換装置の小型化かつ流路全体の圧力損失を低減することができる。

また、パワーモジュール３００の一辺側に形成された交流端子１５９は、フィン３０５と重なる位置に配置されておらず、流路形成体１９Ｃと重なる位置に設置される。これにより、発熱素子の冷却性能の低下を抑えながら電力変換装置の小型化を図ることができる。

Ｕ字型の冷却水流路を用いた場合、冷却水が流路入口からＵターン部まで流れる間に、図６に示されるようなバイパス流４２３が発生してしまうおそれがある。そのため、Ｕターン部付近に配置された発熱素子を冷やすための必要量の冷却水が輸送されず、当該発熱素子の冷却が十分でなくなるおそれがある。特に、冷却水流路の行き側と帰り側を跨ぐように形成された開口を板材（本実施形態においては金属ベース３０４）で塞ぐことにより完成される冷却水流路を用いた場合には、前述のバイパス流４２３が発生するおそれがある。

そこで本実施形態では、隔壁４０８にＯリング８００を設け、好ましくは図６に示されるようにＯリング８００をバイパス流４２３の流れ方向に対して二重構造となるように当該Ｏリング８００を折り曲げて隔壁４０８に設置する。これにより、シール性能が向上しバイパス流４２３を防止できるため、Ｕターン部まで冷却水を輸送して、Ｕターン部に配置された半導体素子の冷却促進することができる。なお本実施形態ではシール材をＯリング８００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い。

また、パワーモジュール固定用のねじ穴４１４ａを隔壁４０８に設けることにより、パワーモジュールの金属ベース３０４の許容たわみ量を上げ、ポンプの駆動による冷却水の水圧によるたわみ量を下げることができる。これにより、隔壁４０８と金属ベース３０４間のシール性が向上し、バイパス流４２３を抑制することができる。特に、バイパス流４２３の流れ方向に対して二重構造であるＯリング８００において、当該二重構造の間に挟まれるようにねじ穴４１４ａを形成すると、装置全体の大型化を抑えながらシール性能の向上を図ることができる。

本発明の実施形態は、ＩＧＢＴ３２８／３３０がダイオード１５６／１６６よりも隔壁４０８から離れた場所に配置されているため、Ｕターン部での流れの慣性力（遠心力）を利用することにより、Ｕターン下流部のベクトル４２１ｂがコーナー部への方向に成分を持つようになるため、局所的に冷却性能が落ちる部位の冷却促進をすることが可能となる。

さらに本実施形態では、図６に示されるように、隔壁４０８の末端部４２４に凹部を形成することで、Ｕターン上流部およびＵターン下流部のベクトル４２１ａ／４２１ｂがコーナー部への方向に成分を持つようになるため、液が淀みやすい部位でも冷却促進が可能となる。

また、本実施形態ではフィン３０５をピン型の形状とし、かつ当該フィン３０５を隔壁４０８の末端部４２４の近傍からＵターン部の端部の近傍まで形成している。つまり図６のＡＡ線よりも矢印方向側にフィン３０５を形成している。一方Ｕターン部末端にフィンが存在しない隙間を設けることにより、末端部４２４に向かって送液することが可能となる（Ｕターン上流部のベクトル４２１ａ）。これにより、Ｕターン部の冷却効率の低下を防ぎ、Ｕターン部にＩＧＢＴ３２８，３３０やダイオード１５６，１６６を配置することができる。そのため流路面積を低減することができ、その結果、電力変換装置の小型化かつ流路全体の圧力損失を低減することができる。

なお、Ｕターン部へ冷却水を送液するために、ピンフィンの代わりに平板フィンのようなガイドベーンを用いても良いが、平板フィンでは冷却性能が低いことと、行き側と帰り側を繋ぐためのスペース確保のために小型化が困難という課題があるため、ピンフィンのような無指向性のヒートシンクがＵターン部には有利である。

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１４と図１５を用いて説明する。図１４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１４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からインバータ装置４３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１５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１４，図１５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１５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バスバー３１４と直流負極バスバー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。

実施例１にて説示した電力変換装置を基本として、隔壁４０８と金属ベース３０４の間をバイパスする流れを防止のためのシール構造をラビリンスシールとした他の実施例を図７に示す。Ｏリングを用いる代わりにラビリンスシール構造を用いたもので、金属ベースにラビリンスシール用突起物３０６と筐体１２にラビリンスシール用窪み８０２を設け、両者の凹凸でシールをする。

凹凸部を設けることで隔壁上をバイパスする距離が長くなり、さらにバイパス流の向きが直角に曲がる箇所ができるため摩擦損失が増えバイパス流４２３を緩和できる。本構造により、Ｏリング８００の形状が実施例１と比較して簡略化できることを特徴としている。

金属ベース３０４に取り付けるフィンをピンフィン３０５ａだけでなく平板フィン３０５ｂも組み合わせて用いた場合の実施例を説明する。

図８にピンフィン３０５ａと平板フィン３０５ｂを組み合わせた場合のＵターン部の冷媒の流れを示す。Ｕターン部へ突入する寸前の部位、すなわち前記第１流路１９ａと第２流路１９ｂが完全に隔壁４０８で分離されている末端の部位の流路幅を局所的に狭くしてピンフィン３０５ａの代わりに平板フィン３０５ｂを用いることを特徴とする。

平板フィン部の流路幅３０７は、ＩＧＢＴ３２８／３３０とダイオード１５６／１６６の幅と金属ベース３０４の厚さを足し合わせた値に合わせることで、熱の広がりも含めて冷却が可能となる。

ここで平板フィン部の流路幅３０７ａがピンフィン部の流路幅３０７ｂよりも小さくする必要がある理由は、平板フィンはピンフィンに比べて熱伝達率および圧力損失が低い性質を持つためであり、平板フィン間の流速をピンフィン間の流速の約２倍にする必要があるためである。実施例１と比較して、強制的にＵターン上流部のベクトル４２１ａを半導体素子の方向に誘導できるため、実施例１よりも大きな冷却性能が得られる。

実施例１にて説示した電力変換装置を基本とし、図９に隔壁の末端部の形状を変えて、Ｕターン部の冷却性能を促進させた他の実施例を示す。隔壁４０８の先端を大きくすることによってＵターン上流部およびＵターン下流部のベクトル４２１ａ／４２１ｂがコーナー部への方向に成分を持つようになるため、液が淀みやすい部位でも冷却促進が可能となる。実施例１と比較して、強制的にＵターン上流部およびＵターン下流部のベクトル４２１ａ／４２１ｂを半導体素子の方向に誘導できるため、実施例１よりも大きな冷却性能が得られる。

実施例１にて説示した電力変換装置を基本とし、図１０に隔壁の末端部の形状を左右非対称にして、Ｕターン部の冷却性能を促進させた他の実施例を示す。隔壁の末端部４２４を流れの上流側のコーナー部への方向に曲げることによって、Ｕターン上流部およびＵターン下流部のベクトル４２１ａ／４２１ｂがコーナー部への方向に成分を持つようになるため、液が淀みやすい部位でも冷却促進が可能となる。

本実施例は、冷却水入口配管１３と冷却水出口配管１４が一意に決まり入口と出口を逆にして使用しない場合、および水路カバー固定用ねじ４１４が４本でも液漏れが起きない場合に特に好適である。実施例１と比較して、強制的にＵターン上流部のベクトル４２１ａを半導体素子の方向に誘導でき、Ｕターン下流部は遠心力を用いて冷却するため、冷却性能を向上させながらＵターン部の圧力損失を低減できる。

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である。 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。 本発明の実施形態に関する筐体、及び冷却水流路内の冷却水流れを示す図である。 本実施形態に関するパワーモジュールを搭載した筐体を下方からみた平面図である。 本実施形態に関する図１及び図２に示す電力変換装置の全体構成を切断したときの断面図である。 本実施形態に関する流路Ｕターン部形状と半導体素子とフィンレイアウトの相対位置関係を示した図である。 バイパス流防止のためのシール構造に、ラビリンスシール構造を示す図である。 ピンフィンと平板フィンを組み合わせた場合のＵターン部の冷媒の流れを表す図である。 隔壁の末端部を凹ませると同時に幅を大きくした図である。 末端部の形状を前記隔壁の末端部を流れの上流側のコーナー部の方向に曲げた場合の図である。 （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、当該パワーモジュール３００の上面図である。 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。 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。 ハイブリッド自動車の制御ブロックを示す図である。 装置１４０や１４２あるいはインバータ装置４３の電気回路構成を示す図である。

符号の説明

１０ 上部ケース
１１ 金属ベース板
１２ 筐体
１３ 冷却水入口配管
１４ 冷却水出口配管
１６ 下部ケース
１７ 交流配線ケース
１８ 交流配線
１９ 冷却水流路
１９ａ 第１流路
１９ｂ 第２流路
２０ 制御回路基板
２１ コネクタ
２２ 駆動回路基板
２３ 基板間コネクタ
４３ インバータ装置（パワーモジュールを含む補機用）
１４０，１４２ インバータ装置
１４４ インバータ回路
１５６ 上アーム用ダイオード
１５９ 交流端子
１６６ 下アーム用ダイオード
１６９ 中間電極
１７２ 制御回路
１７４ ドライバ回路
１８６ 交流電力線
１８８ 交流コネクタ
１９２，１９４ モータジェネレータ
１９５ モータ（補機用＝エアコン，オイルポンプ，冷却ポンプ）
２００ 電力変換装置
３００ パワーモジュール（半導体モジュール）
３０４ 金属ベース
３０５ フィン
３０５ａ ピンフィン
３０５ｂ 平板フィン
３０６ ラビリンスシール用突起物
３０７ａ 平板フィン部の流路幅
３０７ｂ ピンフィン部の流路幅
３１４ 直流正極バスバー
３１６ 直流負極バスバー
３１８，７０４ 絶縁紙
３２８ 上アーム用ＩＧＢＴ
３３０ 下アーム用ＩＧＢＴ
４００，４０２，４０４ 開口部
４０６ 貫通孔
４０８ 隔壁
４１０ 支持部
４１２，４１４ ねじ穴（パワーモジュール固定用）
４１６ ねじ穴（水路カバー固定用）
４１８ 冷媒の流れ（流入方向）
４２０ カバー
４２１ 冷媒の流れ（Ｕターン部）
４２１ａ Ｕターン上流部のベクトル
４２１ｂ Ｕターン下流部のベクトル
４２２ 冷媒の流れ（流出方向）
４２３ 冷媒の流れ（途中流路でのバイパス流方向）
４２４ 隔壁の末端部（Ｕターン部）
５００ コンデンサモジュール
５０２ コンデンサケース
５０４ 正極側コンデンサ端子
５０５ 負極導体板
５０６ 負極側コンデンサ端子
５０７ 正極導体板
５１０ 直流（バッテリ）負極側接続端子部
５１２ 直流（バッテリ）正極側接続端子部
５１４ コンデンサセル
５３２ 補機用正極端子
５３４ 補機用負極端子
７００ 積層導体板
７０２ 正極バスバー
７０６ 負極バスバー
８００ Ｏリング
８０１ Ｏリング用溝
８０１ａ パワーモジュール１のＯリング用溝
８０１ｂ パワーモジュール２のＯリング用溝
８０２ ラビリンスシール用窪み

Claims (4)

1. 流体冷却媒体が流れる第１流路と第２流路と有し、かつ該第１流路と第２流路とが並列に形成された流路形成体と、
   直流電力を交流電力に変換するための複数の半導体チップ及び該半導体チップに直流電力を供給するための接続導体板を搭載した金属製放熱板と、
   前記第１流路と前記第２流路を仕切る隔壁と、
   前記隔壁の端部の近傍に設けられ、かつ前記第１流路と前記第２流路を繋ぐターン部と、
   前記金属製放熱板に設けられ、かつ前記開口部から前記流路形成体の流路内に突出したフィンと、を備えた電力変換装置であって、
   前記第１流路及び前記第２流路には、それぞれ開口部が設けられ、該開口部は前記金属製放熱板によって塞がれ、
   前記複数の半導体チップは、該金属製放熱板を介して該第１流路及び該第２流路と対向するように分かれて配置され、
   前記接続導体板は、該金属製放熱板を介して前記第１流路と前記第２流路との間に対向するように配置され、
   前記フィンが設けられる領域の先端は、前記隔壁の端部よりも前記ターン部側に設けられる電力変換装置。
2. 流体冷却媒体が流れる第１流路と第２流路と有し、かつ該第１流路と第２流路とが並列に形成された流路形成体と、
   直流電力を交流電力に変換するための複数の半導体チップ及び該半導体チップに直流電力を供給するための接続導体板を搭載した金属製放熱板と、
   前記第１流路と前記第２流路を仕切る隔壁と、
   前記隔壁の端部の近傍に設けられ、かつ前記第１流路と前記第２流路を繋ぐターン部と、
   前記隔壁の先端部の近傍に設けられ、かつ前記第１流路または前記第２流路に向かって突出した突出部と、を備えた電力変換装置であって、
   前記第１流路及び前記第２流路には、それぞれ開口部が設けられ、該開口部は前記金属製放熱板によって塞がれ、
   前記複数の半導体チップは、該金属製放熱板を介して該第１流路及び該第２流路と対向するように分かれて配置され、
   前記接続導体板は、該金属製放熱板を介して前記第１流路と前記第２流路との間に対向するように配置され、
   前記第１流路内または前記第２流路内に流れる冷却水の流れ方向を変える電力変換装置。
3. 流体冷却媒体が流れる第１流路と第２流路と有し、かつ該第１流路と第２流路とが並列に形成された流路形成体と、
   直流電力を交流電力に変換するための複数の半導体チップ及び該半導体チップに直流電力を供給するための接続導体板を搭載した金属製放熱板と、
   前記第１流路と前記第２流路を仕切る隔壁と、
   前記隔壁の端部の近傍に設けられ、かつ前記第１流路と前記第２流路を繋ぐターン部と、
   前記隔壁の先端部に設けられ、かつ前記ターン部の曲率と逆の曲率で形成された凹部と、を備えた電力変換装置であって、
   前記第１流路及び前記第２流路には、それぞれ開口部が設けられ、該開口部は前記金属製放熱板によって塞がれ、
   前記複数の半導体チップは、該金属製放熱板を介して該第１流路及び該第２流路と対向するように分かれて配置され、
   前記接続導体板は、該金属製放熱板を介して前記第１流路と前記第２流路との間に対向するように配置された電力変換装置。
4. 流体冷却媒体が流れる第１流路と第２流路と有し、かつ該第１流路と第２流路とが並列に形成された流路形成体と、
   直流電力を交流電力に変換するための複数の半導体チップ及び該半導体チップに直流電力を供給するための接続導体板を搭載した金属製放熱板と、を備えた電力変換装置であって、
   前記第１流路及び前記第２流路には、それぞれ開口部が設けられ、該開口部は前記金属製放熱板によって塞がれ、
   前記複数の半導体チップは、該金属製放熱板を介して該第１流路及び該第２流路と対向するように分かれて配置され、
   前記接続導体板は、該金属製放熱板を介して前記第１流路と前記第２流路との間に対向するように配置され、
   前記第１流路又は前記第２流路のいずれか、若しくは双方に、当該流路の幅が局所的に狭く形成されており、
   さらに、当該局所的に狭く形成された部位に平板フィンを備える電力変換装置。

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