JP7555261B2

JP7555261B2 - 電気回路体および電力変換装置

Info

Publication number: JP7555261B2
Application number: JP2020212046A
Authority: JP
Inventors: 円丈露野; 英一井出; 裕二朗金子
Original assignee: Hitachi Astemo Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2020-12-22
Filing date: 2020-12-22
Publication date: 2024-09-24
Anticipated expiration: 2040-12-22
Also published as: JP2022098583A; WO2022137692A1

Description

本発明は、電気回路体および電力変換装置に関する。

パワー半導体素子のスイッチングによる電力変換装置は、変換効率が高いため、民生用、車載用、鉄道用、変電設備等に幅広く利用されている。パワー半導体素子は通電により発熱するため、パワー半導体素子を内蔵した装置には冷却部材が設けられている。冷却部材は、フィンベースと、このフィンベースに立設された複数のフィンと、を備え、フィンの間に冷媒を流通することによってパワー半導体素子を冷却する。

特許文献１には、トランスファーモールド工程で封止部材が封止される半導体装置において、フィンの厚さ方向に貫通するスリットを形成し、成形金型には、スリットに対応する位置に衝立部を設けて、成形時の圧力に対して衝立部でフィンベースの変形を抑える技術が開示されている。

国際公開ＷＯ２０１３／１１４６４７号公報

特許文献１に記載された装置は、フィンベースのスリット部分にはフィンが形成できないため、放熱性が低下する課題があった。

本発明による電気回路体は、パワー半導体素子と、前記パワー半導体素子と接合される導体板と、前記導体板を挟んで前記パワー半導体素子と対向して配置される冷却部材と、前記導体板と前記冷却部材との間に挟まれて前記導体板に接着又は接合されるシート部材と、前記パワー半導体素子と前記導体板と前記シート部材と前記冷却部材とを封止する封止部材と、を備えた電気回路体であって、前記冷却部材は、一方面が前記封止部材から露出する所定厚さのフィンベースと、前記フィンベースの前記一方面上において立設する複数のフィンと、前記フィンベースの外周において前記封止部材に覆われる端部と、を備え、前記複数のフィンは、前記フィンベースの前記導体板と対向する導体板領域と前記導体板領域の外周の外周領域との境界上又は前記境界に隣接してそれぞれ配置された複数の境界フィンを含み、前記外周領域に配置されたフィン同士の間隔は、前記フィンベースの厚さの２倍以下であり、前記境界フィン同士の間隔は、前記フィンベースの厚さの２倍以下であり、かつ、前記複数のフィンのうち前記導体板領域内に配置されて前記境界フィンを除いた各フィン同士の間隔よりも狭い。

本発明によれば、フィンベースがフィン以外のスリットなどに占有されることを回避し、放熱性が低下することなくフィンベースの変形を抑えることができる。

電気回路体の平面図である。電気回路体のＸ－Ｘ線の断面図である。電気回路体のＹ－Ｙ線の断面図である。パワーモジュールの断面斜視図である。（ａ）～（ｃ）電気回路体の製造方法を示す断面図である。（ｄ）～（ｆ）電気回路体の製造方法を示す断面図である。（ａ）（ｂ）トランスファーモールド工程における拡大図である。（ａ）（ｂ）フィンの間隔とフィンベースの厚さとの関係を説明する図である。断面形状が長方形のフィンが立設されたフィンベースの平面図である。断面形状が円形のフィンが立設されたフィンベースの平面図である。断面形状が円形のフィンが境界上に立設されたフィンベースの平面図である。フィンが立設されたフィンベースの平面図を部分拡大した図である。パワーモジュールの半透過平面図である。パワーモジュールの回路図である。電気回路体を用いた電力変換装置の回路図である。電力変換装置の外観斜視図である。電力変換装置の断面斜視図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の記載および図面は、本発明を説明するための例示であって、説明の明確化のため、適宜、省略および簡略化がなされている。本発明は、他の種々の形態でも実施する事が可能である。特に限定しない限り、各構成要素は単数でも複数でも構わない。

図面において示す各構成要素の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。

図１は、電気回路体４００の平面図、図２は、電気回路体４００の図１に示すＸ－Ｘ線の断面図である。図３は、電気回路体４００の図１に示すＹ－Ｙ線の断面図である。
図１に示すように、電気回路体４００は、３個のパワーモジュール３００と冷却部材３４０よりなる。パワーモジュール３００は、パワー半導体素子を用い直流電流と交流電流とを変換する機能があり、通電により発熱する。このため、冷却部材３４０の中に冷媒を流通して冷却する構造としている。冷媒には、水や水にエチレングリコールを混入した不凍液等を用いる。なお、冷却部材３４０は、ピン状の複数のフィンが冷却部材３４０のフィンベースに立設されている。冷却部材３４０は、熱伝導率が高く軽量なアルミ系が望ましい。冷却部材３４０は、押し出し成型や、鍛造、ろう付け等で作製する。

パワーモジュール３００は、一方側に、直流回路のコンデンサモジュール５００(後述の図１５参照)に連結する正極側端子３１５Ｂおよび負極側端子３１９Ｂを備えている。正極側端子３１５Ｂおよび負極側端子３１９Ｂの他方側には、交流回路のモータジェネレータ１９２、１９４(後述の図１５参照)に連結する交流側端子３２０Ｂ等の大電流が流れるパワー端子を備えている。また、他方側には、下アームゲート信号端子３２５Ｌ、ミラーエミッタ信号端子３２５Ｍ、ケルビンエミッタ信号端子３２５Ｋ、上アームゲート信号端子３２５Ｕ等のパワーモジュール３００の制御に用いる信号端子等を備えている。

図２に示すように、上アーム回路を形成する第１パワー半導体素子として、能動素子１５５、ダイオード１５６を備える。能動素子１５５を構成する半導体材料としては、例えばSi、SiC、GaN、GaO、C等を用いることができる。能動素子１５５のボディダイオードを用いる場合は、ダイオード１５６を省略してもよい。能動素子１５５のコレクタ側およびダイオード１５６のカソード側は、第２導体板４３１に接合されている。能動素子１５５のエミッタ側およびダイオード１５６のアノード側には第１導体板４３０が接合されている。これらの接合には、はんだを用いてもよいし、焼結金属を用いてもよい。また、第１導体板４３０、第２導体板４３１は、電気伝導性と熱伝導率が高い材料であれば特に限定されないが、銅系又はアルミ系材料が望ましい。これらは、単独で用いてもよいが、はんだや、焼結金属との接合性を高めるためNiやAg等のめっきを施してもよい。

第１導体板４３０には、第１シート部材４４０を介して冷却部材３４０が密着される。第１シート部材４４０は、樹脂絶縁層と金属箔とを積層して構成される。第１シート部材４４０と冷却部材３４０との間には図示省略した熱伝導部材を設け、第１シート部材４４０の金属箔側が熱伝導部材に密着される。熱伝導部材は、熱伝導率が高い材料であれば特に限定されないが、金属、セラミックス、炭素系材料等の高熱伝導材料を樹脂材料と組み合わせて用いることが好ましい。

第２導体板４３１には、第２シート部材４４１を介して冷却部材３４０が密着される。第２シート部材４４１は、樹脂絶縁層と金属箔とを積層して構成される。第２シート部材４４１と冷却部材３４０との間には熱伝導部材を設け、第２シート部材４４１の金属箔側が熱伝導部材に密着される。なお、放熱性の観点から、冷却部材３４０の幅はシート部材４４０、４４１の幅より広いことが望ましい。

シート部材４４０、４４１は、導体板４３０、４３１と冷却部材３４０との間に挟まれて導体板４３０、４３１に接着又は接合される。パワー半導体素子１５５、１５６と導体板４３０、４３１とシート部材４４０、４４１と冷却部材３４０は一体的にトランスファーモールド工程により封止部材３６０で封止されて電気回路体４００を構成する。

冷却部材３４０は、導体板４３０、４３１を挟んでパワー半導体素子１５５、１５６と対向して配置される。冷却部材３４０は、一方面が封止部材３６０から露出する所定厚さのフィンベース３７１と、フィンベース３７１の一方面上において立設する複数のフィン３７０とを備える。フィンベース３７１の端部は、フィンベース３７１の外周において封止部材３６０に覆われる。詳細は後述するが、冷却部材３４０の導体板４３０、４３１と対向する導体板領域Ｓ１（図７（ａ）参照）と導体板領域Ｓ１の外周の外周領域Ｓ２（図７（ａ）参照）において、外周領域Ｓ２に配置されたフィン３７０同士の間隔は、フィンベース３７１の厚さの２倍以下である。

図３に示すように、第１導体板４３０、第２導体板４３１、第３導体板４３２、第４導体板４３３は、電流を通電する役割の他に、第１パワー半導体素子１５５、１５６、第２パワー半導体素子１５７、１５８が発する熱を冷却部材３４０に伝熱する伝熱部材としての役割を果たしている。各導体板４３０、４３１、４３２、４３３と冷却部材３４０とは電位が異なるため、図２に示すように、各導体板４３０、４３１、４３２、４３３と冷却部材３４０との間にシート部材４４０、４４１を介する。なお、第１パワー半導体素子１５５、１５６、第２パワー半導体素子１５７、１５８を単にパワー半導体素子１５９と称する場合がある。

シート部材４４０、４４１は、冷却部材３４０及び導体板４３０、４３１、４３２、４３３と接着性を有するものであれば特に限定されないが、粉末状の無機充填剤を分散したエポキシ樹脂系樹脂絶縁層が望ましい。これは、接着性と放熱性のバランスが良いためである。

導体板４３０、４３１、４３２、４３３は、電気伝導性が高く、熱伝導率が高い材料が望ましく、銅やアルミ等の金属系材料や、金属系材料と高熱伝導率のダイヤモンド、カーボンやセラミック等の複合材料等を用いることもできる。

図４は、図１に示すＸ－Ｘ線におけるパワーモジュール３００の断面斜視図である。図４に示すように、第１シート部材４４０の端部およびフィンベース３７１の端部は、封止部材３６０によって覆われている。第１導体板４３０の表面と重なる第１シート部材４４０は放熱面である。第１シート部材４４０の放熱面上に冷却部材３４０を密着して、冷却部材３４０との間の密着性を確保し、放熱性が損なわれないようにする。

冷却部材３４０は、熱伝導率が高く軽量なアルミ系が望ましい。押し出し成型や、鍛造、ろう付け等で作製する。冷却部材３４０はフィンベース３７１に図示していないシール部材を介して接着及び水密構造を形成している。フィンベース３７１の外周部には、トランスファーモールドの樹脂漏れを防止する薄肉部３７４を有し、ここがトランスファーモールド成型時に変形することで、厚さばらつきを吸収しつつ、トランスファーモールドの樹脂漏れを防止している。

図５（ａ）～（ｃ）、図６（ｄ）～（ｆ）は、電気回路体４００の製造方法を示す断面図である。図５（ａ）～（ｃ）、図６（ｄ）は、図１に示すＹ－Ｙ線における１パワーモジュール分の断面図、図６（ｅ）～（ｆ）は、図１に示すＸ－Ｘ線における１パワーモジュール分の断面図を示す。

図５（ａ）は、はんだ接続工程及びワイヤボンディング工程を示す図である。第２導体板４３１に、第１パワー半導体素子である能動素子１５５のコレクタ側を接続する。第１導体板４３０に能動素子１５５のエミッタ側を接続する。同様に、第４導体板４３３に、第２パワー半導体素子である能動素子１５７のコレクタ側を接続する。第３導体板４３２に能動素子１５７のエミッタ側を接続する。このようにして、回路体３１０を形成する。そして、回路体３１０の一方の面に、第１シート部材４４０、フィン３７０を備えたフィンベース３７１を、回路体３１０の他方の面に、第２シート部材４４１、フィン３７０を備えたフィンベース３７１を配置して、組み立て体３１１を設ける。

図５（ｂ）～図５（ｃ）は、トランスファーモールド工程を示す図である。
図５（ｂ）に示すように、トランスファーモールド装置６０１は、バネ機構６０２を備える。シート部材４４０、４４１等を金型に真空吸着するための真空脱気機構等は図示省略している。予め１７５℃の恒温状態に加熱した金型内に、あらかじめ１７５℃に予熱した組み立て体３１１を金型内に設置する。

次に、図５（ｃ）に示すように、金型を閉じて、封止部材３６０を金型キャビティに注入する。この時、フィンベース３７１の外周に設けた薄肉部３７４が金型で変形し、組み立て体３１１の厚さのばらつきを吸収し、また、封止部材３６０がフィン３７０側に流入するのを防止する蓋となる。また、金型を閉じた際に、フィン３７０の先端はバネ機構６０２により加圧され、この加圧はトランスファーモールド成型時における封止部材３６０の注入圧力より大きい。金型内の加熱に、バネ機構６０２による加圧力が加わることで、シート部材４４０、４４１は硬化反応が進行し、シート部材４４０、４４１はフィンベース３７１と導体板４３０、４３１、４３２、４３３に接着する。しかし、トランスファーモールド成型時における封止部材３６０の注入圧力でフィンベース３７１が変形する可能性がある。本実施形態では、後述するように、フィンベース３７１の変形を抑制する。

図６（ｄ）は、硬化工程を示す図である。トランスファーモールド装置６０１から封止部材３６０で封止したパワーモジュール３００を取り出し、常温で冷却し、２時間以上の硬化を行う。

図６（ｅ）は、冷却部材３４０の設置工程を示す図である。フィンベース３７１の周囲にシール部材３７２を配置し、蓋３７３をフィンベース３７１に接着して冷却部材３４０とする。

図６（ｆ）は、以上の工程により製造された電気回路体４００を示す図である。このようにして、パワーモジュール３００の両面に冷却部材３４０が設置されて電気回路体４００が製造される。

図７は、トランスファーモールド工程における図５（ｃ）の点線部分Ｈの拡大図である。図７（ａ）は、本実施形態を示し、図７（ｂ）は、本実施形態を適用しない比較例を示す。

図７（ａ）は、トランスファーモールド工程であり、金型を閉じてバネ機構６０２による加圧力Ｐが加わっている。そして、バネ機構６０２によりフィン３７０先端にも加圧力Ｐが加わる。また、封止部材３６０が注入されている状態では、注入圧力Ｑが静水圧としてフィンベース３７１と導体板４３２に加わる。バネ機構６０２による加圧力Ｐの方が注入圧力Ｑより大きくなるよう設定しているため、シート部材４４０は、フィンベース３７１と導体板４３２の間で加熱、加圧され接着する。本実施形態では、詳細は後述するように、フィンベース３７１の導体板４３２と対向する導体板領域Ｓ１と導体板領域Ｓ１の外周の外周領域Ｓ２において、外周領域Ｓ２に配置されたフィン３７０同士の間隔は、フィンベース３７１の厚さの２倍以下にする。これにより、フィンベース３７１の変形を抑制する。

図７（ｂ）に示す比較例では、フィン３７０の間隔が大きく、フィンベース３７１の厚さが薄い場合、注入圧力Ｑによりフィン３７０とフィン３７０との間でフィンベース３７１の変形Ｒが生じる。この場合、導体板４３２の端部で、フィンベース３７１がシート部材４４０から離れるため、シート部材４４０の接着が不良になる。フィンベース３７１の変形Ｒが生じた部位には、封止部材３６０が侵入するが、封止部材３６０は、金型への樹脂バリを抑制するため２０μｍ以下の隙間には侵入しない。その結果、フィンベース３７１の変形量により導体板４３２の端部でシート部材４４０に空気層を持つ剥離が生じる場合があり、この場合は電気回路体４００の絶縁性・放熱性が低下する。

図８（ａ）、図８（ｂ）は、フィン３７０の間隔とフィンベース３７１の厚さとの関係を説明する図である。フィン３７０とフィン３７０との間の距離（間隔）をＤ、フィン３７０とフィン３７０との間のフィンベース３７１の厚さをＴとする。
図８（ａ）は、Ｄ≦２Ｔの場合を示す。バネ機構６０２による加圧力Ｐは、まず、フィン３７０の先端に加わる。この加圧力Ｐは、フィンベース３７１の厚さＴを点線ｔで示すようにおよそ４５度の角度で広がる。Ｄ≦２Ｔの関係を満足する場合、フィンベース３７１の裏面の全域は、バネ機構６０２の加圧力Ｐにより面圧が高い領域Ｐ１となる。

図８（ｂ）は、Ｄ＞２Ｔの場合を示す。フィンベース３７１の裏面には、バネ機構６０２による加圧力Ｐによりフィンベース３７１の厚さＴを点線ｔで示すようにおよそ４５度の角度で広がる。この結果、フィンベース３７１の厚さＴが薄い場合や、間隔Ｄが大きい場合は、面圧が高い領域Ｐ１と、面圧が低い領域Ｐ２が形成される。面圧が低い領域Ｐ２では、トランスファーモールド工程での注入圧力Ｑに対抗できないため、フィンベース３７１に変形が生じる。このような原理から、トランスファーモールド工程において、フィン３７０の先端を金型で支持する場合、フィンベース３７１の変形を抑制するには、Ｄ≦２Ｔの関係を満足する必要があることが解明された。なお、この関係は、フィン３７０を設けた全ての領域で満たす必要はない。

図９は、フィン３７０が立設されたフィンベース３７１の平面図である。この図では、フィン３７０の断面形状が長方形の場合を例に説明する。
フィンベース３７１の導体板と対向する導体板領域Ｓ１では、フィン３７０の距離（間隔）Ｄとフィンベース３７１の厚さＴは、Ｄ≦２Ｔの関係を満足しなくてもよく、パワー半導体素子１５９の放熱に必要なフィン３７０を適宜配列すればよい。一方、導体板領域Ｓ１の外周の外周領域Ｓ２には、トランスファーモールド工程の注入圧力Ｑが封止部材３６０を介してフィンベース３７１に加わる。このため、Ｄ≦２Ｔの関係を満たすように、すなわち、外周領域Ｓ２に配置されたフィン３７０同士の間隔ｄ１は、フィンベース３７１の厚さの２倍以下にする。これにより、フィンベース３７１の変形を抑制することにより、シート部材４４０の剥離を防止し、電気回路体４００の絶縁性・放熱性を良好に保っている。

また、導体板領域Ｓ１に配置されたフィン３７０と、このフィン３７０に隣接して外周領域Ｓ２に配置されたフィン３７０との間隔ｄ２は、フィンベース３７１の厚さＴの２倍以下である。ここで、導体板領域Ｓ１に配置されたフィン３７０は、導体板領域Ｓ１と外周領域Ｓ２との境界上に配置されてもよい。フィン３７０が、導体板領域Ｓ１と外周領域Ｓ２との境界上にある方が、フィンベース３７１の変形をより抑制できる。

また、導体板領域Ｓ１と外周領域Ｓ２との境界上に配置されたフィン３７０同士の間隔ｄ３は、フィンベース３７１の厚さの２倍以下である。ここで、導体板領域Ｓ１と外周領域Ｓ２との境界上に配置されたフィン３７０同士の間隔ｄ３は、導体板領域Ｓ１内に配置されたフィン同士の間隔ｄ４よりも狭く配置されてもよい。
また、導体板領域Ｓ１と外周領域Ｓ２との境界上に配置されたフィン３７０と外周領域Ｓ２に配置されたフィン３７０との間隔ｄ５は、フィンベース３７１の厚さの２倍以下である。

冷却部材を流れる冷媒の流れＦに平行に配置されたフィン３７０の間隔ｄ１は冷媒の流れＦに垂直に配置されたフィン３７０の間隔ｄ３よりも狭い。

図１０は、フィン３７０が立設されたフィンベース３７１の平面図である。この図では、フィン３７０の断面形状が円形の場合を例に説明する。
フィンベース３７１の導体板と対向する導体板領域Ｓ１では、フィン３７０の距離（間隔）Ｄとフィンベース３７１の厚さＴは、Ｄ≦２Ｔの関係を満足しなくてもよく、パワー半導体素子１５９の放熱に必要なフィン３７０を適宜配列すればよい。一方、導体板領域Ｓ１の外周の外周領域Ｓ２には、トランスファーモールド工程での注入圧力Ｑが封止部材３６０を介してフィンベース３７１に加わる。このため、Ｄ≦２Ｔの関係を満たすように、すなわち、外周領域Ｓ２に配置されたフィン３７０同士の間隔ｄ１は、フィンベース３７１の厚さの２倍以下にする。これにより、フィンベース３７１の変形を抑制することにより、シート部材４４０の剥離を防止し、電気回路体４００の絶縁性・放熱性を良好に保っている。

図１１は、フィン３７０が立設されたフィンベース３７１の平面図である。この図では、フィン３７０の断面形状が円形の場合であり、フィン３７０が導体板領域Ｓ１と外周領域Ｓ２との境界上に配置されている場合を例に説明する。
導体板領域Ｓ１と外周領域Ｓ２との境界上に配置されたフィン３７０同士の間隔ｄ１、ｄ３は、フィンベース３７１の厚さの２倍以下にする。これにより、フィンベース３７１の変形を抑制することにより、シート部材４４０の剥離を防止し、電気回路体４００の絶縁性・放熱性を良好に保つ。

ここで、導体板領域Ｓ１と外周領域Ｓ２との境界上に配置されたフィン３７０同士の間隔ｄ１、ｄ３は、導体板領域Ｓ１内に配置されたフィン同士の間隔ｄ４よりも狭く配置されてもよい。
また、導体板領域Ｓ１と外周領域Ｓ２との境界上に配置されたフィン３７０と外周領域Ｓ２に配置されたフィン３７０との間隔ｄ５は、フィンベース３７１の厚さの２倍以下である。

図１２は、フィン３７０が立設されたフィンベース３７１の平面図を部分拡大した図である。
冷媒の流れＦに平行な方向のフィン間距離をＤｖ、冷媒の流れＦに垂直な方向のフィン間距離をＤｐとする。Ｄｐが小さいと、冷媒が流れにくく水路の圧損が高くなり、冷媒を流すのにポンプの出力を高くする必要が生じる。一方、Ｄｖを小さくしても、水路の圧損は上がらない。このため、Ｄｐ＞Ｄｖとすることで、水路の圧損の低下を抑制する。その上で、外周領域Ｓ２のフィン３７０の間隔Ｄｐ、ｄ１を小さくし、Ｄ≦２Ｔを満足させることができる。

本実施形態によれば、トランスファーモールド成型によるフィンベース３７１の変形を抑制し、導体板４３２の端部でシート部材４４０が剥離することを防止でき、電気回路体４００の絶縁性・放熱性を良好に保つことができる。

図１３は、本実施形態におけるパワーモジュール３００の半透過平面図である。図１４は、本実施形態におけるパワーモジュール３００の回路図である。

図１３、図１４に示すように、正極側端子３１５Ｂは、上アーム回路のコレクタ側から出力しており、バッテリ又はコンデンサの正極側に接続される。上アームゲート信号端子３２５Ｕは、上アーム回路の能動素子１５５のゲート及びエミッタセンスから出力している。負極側端子３１９Ｂは、下アーム回路のエミッタ側から出力しており、バッテリ若しくはコンデンサの負極側、又はＧＮＤに接続される。下アームゲート信号端子３２５Ｌは、下アーム回路の能動素子１５７のゲート及びエミッタセンスから出力している。交流側端子３２０Ｂは、下アーム回路のコレクタ側から出力しており、モータに接続される。中性点接地をする場合は、下アーム回路は、ＧＮＤでなくコンデンサの負極側に接続する。

また、第１パワー半導体素子（上アーム回路）の能動素子１５５およびダイオード１５６の上下に第１導体板（上アーム回路エミッタ側）４３０、第２導体板（上アーム回路コレクタ側）４３１が配置される。第２パワー半導体素子（下アーム回路）の能動素子１５７およびダイオード１５８の上下に第３導体板（下アーム回路エミッタ側）４３２、第４導体板（下アーム回路コレクタ側）４３３が配置される。

本実施形態のパワーモジュール３００は、上アーム回路及び下アーム回路の２つのアーム回路を、１つのモジュールに一体化した構造である２ｉｎ１構造である。この他に、複数の上アーム回路及び下アーム回路を、１つのモジュールに一体化した構造を用いてもよい。この場合は、パワーモジュール３００からの出力端子の数を低減し小型化することができる。

図１５は、電気回路体４００を用いた電力変換装置２００の回路図である。
電力変換装置２００は、インバータ回路１４０、１４２と、補機用のインバータ回路４３と、コンデンサモジュール５００とを備えている。インバータ回路１４０及び１４２は、パワーモジュール３００を複数個備えた電気回路体４００（図示省略）により構成されており、それらを接続することにより三相ブリッジ回路を構成している。電流容量が大きい場合には、更にパワーモジュール３００を並列接続し、これら並列接続を三相インバータ回路の各相に対応して行うことにより、電流容量の増大に対応できる。また、パワーモジュール３００に内蔵しているパワー半導体素子である能動素子１５５、１５７やダイオード１５６、１５８を並列接続することでも電流容量の増大に対応できる。

インバータ回路１４０とインバータ回路１４２とは、基本的な回路構成は同じであり、制御方法や動作も基本的には同じである。インバータ回路１４０等の回路的な動作の概要は周知であるため、ここでは詳細な説明を省略する。

上述のように、上アーム回路は、スイッチング用のパワー半導体素子として上アーム用の能動素子１５５と上アーム用のダイオード１５６とを備えており、下アーム回路は、スイッチング用のパワー半導体素子として下アーム用の能動素子１５７と下アーム用のダイオード１５８とを備えている。能動素子１５５、１５７は、ドライバ回路１７４を構成する２つのドライバ回路の一方あるいは他方から出力された駆動信号を受けてスイッチング動作し、バッテリ１３６から供給された直流電力を三相交流電力に変換する。

上述したように、上アーム用の能動素子１５５および下アーム用の能動素子１５７は、コレクタ電極、エミッタ電極、ゲート電極を備えている。上アーム用のダイオード１５６および下アーム用のダイオード１５８は、カソード電極およびアノード電極の２つの電極を備えている。図１３に示すように、ダイオード１５６、１５８のカソード電極が能動素子１５５、１５７のコレクタ電極に、アノード電極が能動素子１５５、１５７のエミッタ電極にそれぞれ電気的に接続されている。これにより、上アーム用の能動素子１５５および下アーム用の能動素子１５７のエミッタ電極からコレクタ電極に向かう電流の流れが順方向となっている。

なお、能動素子としてはＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ）を用いても良く、この場合は、上アーム用のダイオード１５６、下アーム用のダイオード１５８は不要となる。

各上・下アーム直列回路の正極側端子３１５Ｂと負極側端子３１９Ｂとはコンデンサモジュール５００のコンデンサ接続用の直流端子３６２Ａ、３６２Ｂにそれぞれ接続されている。上アーム回路と下アーム回路の接続部にはそれぞれ交流電力が発生し、各上・下アーム直列回路の上アーム回路と下アーム回路の接続部は各パワーモジュール３００の交流側端子３２０Ｂに接続されている。各相の各パワーモジュール３００の交流側端子３２０Ｂはそれぞれ電力変換装置２００の交流出力端子に接続され、発生した交流電力はモータジェネレータ１９２または１９４の固定子巻線に供給される。

制御回路１７２は、車両側の制御装置やセンサ（例えば、電流センサ１８０）などからの入力情報に基づいて、上アーム用の能動素子１５５、下アームの能動素子１５７のスイッチングタイミングを制御するためのタイミング信号を生成する。ドライバ回路１７４は、制御回路１７２から出力されたタイミング信号に基づいて、上アーム用の能動素子１５５、下アーム用の能動素子１５７をスイッチング動作させるための駆動信号を生成する。なお、１８１、１８２、１８８はコネクタである。

上・下アーム直列回路は、不図示の温度センサを含み、上・下アーム直列回路の温度情報が制御回路１７２に入力される。また、制御回路１７２には上・下アーム直列回路の直流正極側の電圧情報が入力される。制御回路１７２は、それらの情報に基づいて過温度検知および過電圧検知を行い、過温度或いは過電圧が検知された場合には全ての上アーム用の能動素子１５５、下アーム用の能動素子１５７のスイッチング動作を停止させ、上・下アーム直列回路を過温度或いは過電圧から保護する。

図１６は、図１５に示す電力変換装置２００の外観斜視図であり、図１７は、図１６に示す電力変換装置２００のＸＶ－ＸＶ線の断面斜視図である。
図１６に示すように、電力変換装置２００は、下部ケース１１および上部ケース１０により構成され、ほぼ直方体形状に形成された筐体１２を備えている。筐体１２の内部には、電気回路体４００、コンデンサモジュール５００等が収容されている。電気回路体４００は冷却流路を有しており、筐体１２の一側面からは、冷却流路に連通する冷却水流入管１３および冷却水流出管１４が突出している。下部ケース１１は、上部側（Ｚ方向）が開口され、上部ケース１０は、下部ケース１１の開口を塞いで下部ケース１１に取り付けられている。上部ケース１０と下部ケース１１とは、アルミニウム合金等により形成され、外部に対して密封して固定される。上部ケース１０と下部ケース１１とを一体化して構成してもよい。筐体１２を、単純な直方体形状としたことで、車両等への取り付けが容易となり、また、生産性も向上する。

筐体１２の長手方向の一側面に、コネクタ１７が取り付けられており、このコネクタ１７には、交流ターミナル１８が接続されている。また、冷却水流入管１３および冷却水流出管１４が導出された面には、コネクタ２１が設けられている。

図１７に示すように、筐体１２内には、電気回路体４００が収容されている。電気回路体４００の上方には、制御回路１７２およびドライバ回路１７４が配置され、電気回路体４００の直流端子側には、コンデンサモジュール５００が収容されている。コンデンサモジュールを電気回路体４００と同一高さに配置することで、電力変換装置２００を薄型化でき、車両への設置自由度が向上する。電気回路体４００の交流側端子３２０Ｂは、電流センサ１８０を貫通してバスバーに接合されている。また、電気回路体４００の直流端子である正極側端子３１５Ｂおよび負極側端子３１９Ｂは、それぞれ、コンデンサモジュール５００の正・負極端子（図１３の直流端子３６２Ａ、３６２Ｂ）に接合される。

以上説明した実施形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）電気回路体４００は、パワー半導体素子１５９と、パワー半導体素子１５９と接合される導体板４３０、４３１、４３２、４３３と、導体板４３０、４３１、４３２、４３３を挟んでパワー半導体素子１５９と対向して配置される冷却部材３４０と、導体板４３０、４３１、４３２、４３３と冷却部材３４０との間に挟まれて導体板４３０、４３１、４３２、４３３に接着又は接合されるシート部材４４０、４４１と、パワー半導体素子１５９と導体板４３０、４３１、４３２、４３３とシート部材４４０、４４１と冷却部材３４０とを封止する封止部材３６０と、を備えた電気回路体４００であって、冷却部材３４０は、一方面が封止部材３６０から露出する所定厚さのフィンベース３７１と、フィンベース３７１の一方面上において立設する複数のフィン３７０と、フィンベース３７１の外周において封止部材３６０に覆われる端部と、を備え、フィンベース３７１の導体板４３０、４３１、４３２、４３３と対向する導体板領域Ｓ１と導体板領域Ｓ１の外周の外周領域Ｓ２において、外周領域Ｓ２に配置されたフィン３７０同士の間隔は、フィンベース３７１の厚さの２倍以下である。これにより、フィンベースがフィン以外のスリットなどに占有されることを回避し、放熱性が低下することなくフィンベースの変形を抑えることができる。

本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の特徴を損なわない限り、本発明の技術思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。また、上述の実施形態と複数の例を組み合わせた構成としてもよい。

１５５・・・第１パワー半導体素子（上アーム回路能動素子）、１５６・・・第１パワー半導体素子（上アーム回路ダイオード）、１５７・・・第２パワー半導体素子（下アーム回路能動素子）、１５８・・・第２パワー半導体素子（下アーム回路ダイオード）、１５９・・・パワー半導体素子、１７２・・・制御回路、１７４・・・ドライバ回路、１８０・・・電流センサ、１８１、１８２、１８８・・・コネクタ、１９２、１９４・・・モータジェネレータ、２００・・・電力変換装置、３００・・・パワーモジュール、３１０・・・回路体、３１１・・・組み立て体、３１５Ｂ・・・正極側端子、３１９Ｂ・・・負極側端子、３２０Ｂ・・・交流側端子、３２５・・・信号端子、３２５Ｋ・・・ケルビンエミッタ信号端子、３２５Ｌ・・・下アームゲート信号端子、３２５Ｍ・・・ミラーエミッタ信号端子、３２５Ｕ・・・上アームゲート信号端子、３４０・・・冷却部材、３６０・・・封止部材、３７０・・・フィン、３７１・・・フィンベース、３７２・・・シール部材、４００・・・電気回路体、４３０・・・第１導体板（上アーム回路エミッタ側）、４３１・・・第２導体板（上アーム回路コレクタ側）、４３２・・・第３導体板（下アーム回路エミッタ側）、４３３・・・第４導体板（下アーム回路コレクタ側）、４４０・・・第１シート部材（エミッタ側）、４４１・・・第２シート部材（コレクタ側）、５００・・・コンデンサモジュール、６０１・・・トランスファーモールド装置、６０２・・・バネ機構、Ｄ・・・フィンの間隔、Ｐ・・・バネ機構による加圧力、Ｑ・・・封止部材の注入圧力、Ｓ１・・・導体板領域、Ｓ２・・・外周領域、Ｔ・・・フィンベースの厚さ。

Claims

パワー半導体素子と、前記パワー半導体素子と接合される導体板と、前記導体板を挟んで前記パワー半導体素子と対向して配置される冷却部材と、前記導体板と前記冷却部材との間に挟まれて前記導体板に接着又は接合されるシート部材と、前記パワー半導体素子と前記導体板と前記シート部材と前記冷却部材とを封止する封止部材と、を備えた電気回路体であって、
前記冷却部材は、一方面が前記封止部材から露出する所定厚さのフィンベースと、前記フィンベースの前記一方面上において立設する複数のフィンと、前記フィンベースの外周において前記封止部材に覆われる端部と、を備え、
前記複数のフィンは、前記フィンベースの前記導体板と対向する導体板領域と前記導体板領域の外周の外周領域との境界上又は前記境界に隣接してそれぞれ配置された複数の境界フィンを含み、
前記外周領域に配置されたフィン同士の間隔は、前記フィンベースの厚さの２倍以下であり、
前記境界フィン同士の間隔は、前記フィンベースの厚さの２倍以下であり、かつ、前記複数のフィンのうち前記導体板領域内に配置されて前記境界フィンを除いた各フィン同士の間隔よりも狭い電気回路体。
請求項１に記載の電気回路体において、
前記境界フィンは、前記導体板領域で前記境界に隣接して配置された第１フィンと、前記外周領域で前記境界に隣接して配置された第２フィンと、を含み、
前記第１フィンと前記第２フィンとの間隔は、前記フィンベースの厚さの２倍以下である電気回路体。
請求項１に記載の電気回路体において、
前記境界フィンは、前記境界上に配置されており、
前記境界フィンと前記外周領域に配置された前記フィンとの間隔は、前記フィンベースの厚さの２倍以下である電気回路体。
請求項１に記載の電気回路体において、
前記冷却部材を流れる冷媒の流れに平行に配置された前記フィンの間隔は冷媒の流れに垂直に配置された前記フィンの間隔よりも狭い電気回路体。
請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の電気回路体において、
前記導体板は、前記パワー半導体素子の両面に配置されて、前記配置された前記各導体板の一方面は前記パワー半導体素子に接合され、
前記シート部材は、前記各導体板の他方面にそれぞれ接着又は接合され、
前記冷却部材は、前記各シート部材を介して接着される電気回路体。
請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の電気回路体を備え、直流電力を交流電力に変換する電力変換装置。