特許 6200871 パワーモジュール及び電力変換装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6200871

(24)【登録日】2017年9月1日

(45)【発行日】2017年9月20日

(54)【発明の名称】パワーモジュール及び電力変換装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/48 20070101AFI20170911BHJP

   H01L 25/07 20060101ALI20170911BHJP

   H01L 25/18 20060101ALI20170911BHJP

   H01L 23/36 20060101ALI20170911BHJP

【ＦＩ】

   H02M7/48 Z

   H01L25/04 C

   H01L23/36 D

【請求項の数】14

【全頁数】24

(21)【出願番号】特願2014-182843(P2014-182843)

(22)【出願日】2014年9月9日

(65)【公開番号】特開2016-59147(P2016-59147A)

(43)【公開日】2016年4月21日

【審査請求日】2017年2月1日

(73)【特許権者】

【識別番号】509186579

【氏名又は名称】日立オートモティブシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100098660

【弁理士】

【氏名又は名称】戸田 裕二

(72)【発明者】

【氏名】露野 円丈

(72)【発明者】

【氏名】楠川 順平

(72)【発明者】

【氏名】徳山 健

(72)【発明者】

【氏名】諏訪 時人

【審査官】 佐藤 匡

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００７−４９８１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−３１３２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１３８４０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−２４４７５０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｍ ７／４８，１／００

Ｈ０１Ｌ ２３／３６，２５／０７，２５／１８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

直流電流を交流電流に変換するインバータ回路を構成する上アーム側の第１パワー半導体素子と、
前記インバータ回路を構成する下アーム側の第２パワー半導体素子と、
前記第１パワー半導体素子と電気的に接続されるとともに前記直流電流を伝達する第１導体部と、
前記第２パワー半導体素子と電気的に接続されるとともに前記交流電流を伝達する第２導体部と、
前記第２導体部を挟んで前記第２パワー半導体素子とは反対側に配置される導電性の第１放熱部と、
前記第１放熱部と前記第２導体部との間に配置される中間導体層と、を備え、
前記中間導体層と前記第２導体部の間及び前記中間導体層と前記第１放熱部の間には、絶縁層が配置されるパワーモジュール。

【請求項2】

請求項１に記載のパワーモジュールであって、
前記第１導体部は、前記第１パワー半導体素子と前記第１放熱部との間に配置され、
前記第２導体部と前記中間導体層の配列方向に沿って投影した場合、前記中間導体層は、当該中間導体層の射影部が前記第１導体部の射影部と重ならないように、配置されるパワーモジュール。

【請求項3】

請求項１に記載のパワーモジュールであって、
前記第１導体部は、前記第１パワー半導体素子と前記第１放熱部との間に配置され、
前記中間導体層は、前記第１放熱部と前記第１導体部との間に配置される第１中間導体層と、前記第１放熱部と前記第２導体部との間に配置される第２中間導体層と、を含み、
前記第２中間導体層は、前記第１中間導体層と分離して構成されるパワーモジュール。

【請求項4】

請求項３に記載のパワーモジュールであって、
前記第２導体部と電気的に接続される第３導体部を備え、
前記中間導体層はさらに、前記第１放熱部と前記第３導体部との間に配置される第３中間導体層を含み、
前記第３中間導体層と前記第３導体部の間及び前記第３中間導体層と前記第１放熱部の間には、絶縁層が配置され、
前記第３中間導体層は、前記第１中間導体層と分離して構成されるパワーモジュール。

【請求項5】

請求項２乃至４のいずれかに記載のパワーモジュールであって、
前記第２導体部と前記中間導体層の配列方向に沿って投影した場合、前記中間導体層は、前記第２導体部の射影部が当該中間導体層の射影部に包含されるように設けられるパワーモジュール。

【請求項6】

請求項１乃至５のいずれかに記載のパワーモジュールであって、
前記中間導体層は、前記第２導体部と前記中間導体層の配列方向に沿って複数設けられるパワーモジュール。

【請求項7】

請求項１乃至６のいずれかに記載のパワーモジュールであって、
前記第１パワー半導体素子を挟んで前記第１導体部とは反対側に配置されるとともに前記第１パワー半導体素子と電気的に接続される第３導体部と、
前記第２パワー半導体素子を挟んで前記第２導体部とは反対側に配置されるとともに前記第２パワー半導体素子と電気的に接続される第４導体部と、
前記第３導体部を挟んで前記第１パワー半導体素子とは反対側に配置される導電性の第２放熱部と、
前記第２放熱部と前記第３導体部との間に配置される第３中間導体層と、を備え、
前記第３導体部は、前記第２導体部と電気的に接続され、
前記第３中間導体層と前記第３導体部の間及び前記第３中間導体層と前記第２放熱部の間には、絶縁層が配置されるパワーモジュール。

【請求項8】

請求項７に記載のパワーモジュールであって、
前記第４導体部は、前記第２パワー半導体素子と前記第２放熱部との間に配置され、
前記第２放熱部と前記第４導体部との間には、第４中間導体層が配置され、
前記第３中間導体層は、前記第４中間導体層と分離して構成されるパワーモジュール。

【請求項9】

請求項８に記載のパワーモジュールであって、
前記第３導体部と前記第３中間導体層の配列方向に沿って投影した場合、前記第３中間導体層は、前記第３導体部の射影部が当該第３中間導体層の射影部に包含されるように設けられるパワーモジュール。

【請求項10】

請求項７乃至９のいずれかに記載のパワーモジュールであって、
前記第３中間導体層は、前記第３導体部と前記第３中間導体層の配列方向に沿って複数設けられるパワーモジュール。

【請求項11】

請求項１乃至１０のいずれかに記載のパワーモジュールであって、
前記中間導体層は、前記絶縁層上に形成された金属箔であるパワーモジュール。

【請求項12】

請求項１乃至１０のいずれかに記載のパワーモジュールであって、
前記中間導体層は、前記絶縁層上に形成された導電性材料の蒸着物であるパワーモジュール。

【請求項13】

請求項１乃至１０のいずれかに記載のパワーモジュールであって、
前記中間導体層は、前記絶縁層上に形成された導電性材料の印刷物であるパワーモジュール。

【請求項14】

請求項１乃至１３のいずれかに記載のパワーモジュールを備えた電力変換装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明はパワー半導体素子をモジュール化したパワーモジュールに関し、特に車両搭載用のパワーモジュールに関する。

【背景技術】

【0002】

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。このパワー半導体素子は通電により発熱するため、高い放熱性が求められる。通常、放熱には、フィンを有する金属製の放熱構造を用い、電位の安定化や、感電防止を目的としてグラウンド（ＧＮＤ）に接地する。このため、パワー半導体素子と放熱構造との間に配置される絶縁材は、優れた熱伝導性が必要とされる。しかしながら、変換する電圧が高い場合、絶縁性を向上するため絶縁材を厚く構成する必要が生じ、放熱性が悪化してしまう。

【0003】

放熱性を向上する手法としては、例えば特許文献１に示されるような、絶縁層と絶縁層の間に高熱伝導性材料である導体を挟む手法が知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１２−２４４７５０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１に記載されたパワーモジュールは、第１の絶縁材と第２の絶縁材の間に金属製のプレートを設ける事で、放熱性を向上させることはできるが、第１の絶縁材と第２の絶縁材とを合わせた絶縁材の総厚を低減できるものではない。

【0006】

本発明の課題は、高い絶縁性を満足しつつ、絶縁層の総厚を低減する事で放熱性にすぐれたパワーモジュールを提供する点である。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明に係るパワーモジュールは、直流電流を交流電流に変換するインバータ回路を構成する上アーム側の第１パワー半導体素子と、前記インバータ回路を構成する下アーム側の第２パワー半導体素子と、前記第１パワー半導体素子と電気的に接続されるとともに前記交流電流を伝達する第１導体部と、前記第２パワー半導体素子と電気的に接続されるとともに前記直流電流を伝達する第２導体部と、前記第１導体部及び前記第２導体部を挟んで前記第１パワー半導体素子及び前記第２パワー半導体素子とは反対側に配置される導電性の放熱部と、前記第１導体部と前記放熱部との間に絶縁層を介して配置される第１中間導体層と、前記第２導体部と前記放熱部との間に絶縁層を介して配置される第２中間導体層と、を備え、前記第２中間導体層は、前記第１中間導体層と分離して構成され、前記第１中間導体層は、前記第１導体部と前放熱部との間の電圧を分担する容量回路を形成する。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、絶縁層の総厚を低減でき、パワーモジュールを高放熱化できるため、電力変換装置を小型化することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施例１のパワーモジュールの回路図

【図2】実施例１のパワーモジュールの平面図

【図3】図２のパワーモジュールをＡ−Ｂ断面で切断した断面図

【図4】絶縁層と電極間に空気層がある場合の電圧分担のモデル

【図5】パッシェンの法則による部分放電発生電圧と気圧ｐ・電極間距離ｄの関係

【図6】最小部分放電電圧と絶縁層厚さの関係

【図7】標高による気圧の変化を考慮した最小部分放電電圧と絶縁層厚さの関係

【図8】温度による粒子密度の変化を考慮した最小部分放電電圧と絶縁層厚さの関係

【図9】最小部分放電電圧と絶縁層厚さの関係

【図10】パワーモジュールの交流電圧が加わる絶縁層部分からなる実験系の模式図

【図11】電圧分担率と周波数の関係

【図12】パワーモジュールの絶縁層部分からなる実験系の模式図

【図13】電圧分担率と周波数の関係

【図14】実施例２のパワーモジュールの平面図

【図15】図１４のパワーモジュールをＣ−Ｄ断面で切断した断面図

【図16(a)】実施例３のパワーモジュールの斜視図

【図16(b)】図１６（ａ）のパワーモジュールをＥ−Ｆ断面で切断した断面図

【図17】図１６（ａ）のＧ−Ｈ断面で切断したときの断面の模式図

【図18】実施例３のパワーモジュールにおける中間導体の配置を示す展開図

【図19】パワーモジュール及びその周辺の回路図

【図20(a)】低インダクタンス化の説明図を示す回路図

【図20(b)】低インダクタンス化の説明図を示すパワーモジュールの展開図

【図21】実施例４のパワーモジュールの断面図

【図22】中間導体を有する絶縁層の作製方法

【図23】中間導体を有する絶縁層の作製方法の変形例

【図24】電力変換装置の回路図

【図25】電力変換装置の外観を示す斜視図

【図26】ハイブリッド自動車の制御ブロック図

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、図面を参照して、本発明に係るパワーモジュールの実施の形態について説明する。なお、各図において同一要素については同一の符号を記し、重複する説明は省略する。

【0011】

まず、図１から図３を用いて、第１の実施形態に係るパワーモジュールの構成について説明する。

【0012】

図１は、本実施例のパワーモジュール３００の回路構成図である。パワーモジュール３００は、上アーム回路を構成するＩＧＢＴ３２８及びダイオード１５６と、下アーム回路を構成するＩＧＢＴ３３０及びダイオード１６６と、から構成される。ここでＩＧＢＴとは、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタの略称である。バッテリーの正極側に接続し、パワー半導体素子のスイッチングで交流波形を作成する回路が上アーム回路であり、バッテリーの負極側又はＧＮＤ側に接続し、交流波形を作成する回路が下アーム回路である。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。

【0013】

パワーモジュール３００は、導体板３１５、３１８、３２０及び３１９を備える。導体板３１５は、上アーム側のＩＧＢＴ３２８のコレクタ側に接続される。導体板３１８は、上アーム側のＩＧＢＴ３２８のエミッタ側に接続される。導体板３２０は、下アーム側のＩＧＢＴ３３０のコレクタ側に接続される。導体板導体板３１９は、下アーム側のＩＧＢＴ３３０のエミッタ側に接続される。

【0014】

パワーモジュール３００は、端子３１５Ｂ、３１９Ｂ、３２０Ｂ、３２５Ｕ及び３２５Ｌを備える。端子３１５Ｂは、導体板３１５に接続される。端子３１５Ｂは、直流バッテリー又は平滑コンデンサの正極側に接続される。端子３１９Ｂは、導体板３１９に接続される。端子３１９Ｂは、直流バッテリー若しくは平滑コンデンサの負極側又はグラウンド（ＧＮＤ）に接続される。端子３２０Ｂは、導体板３２０に接続される。端子３２０Ｂは、モータに接続される。端子３２５Ｕは、上アーム側のＩＧＢＴ３２８の制御端子である。端子３２５Ｌは、下アーム側のＩＧＢＴ３２５の制御端子である。

【0015】

端子３１５Ｂに接続される導体板３１５は、直流電流を伝達する。端子３１９Ｂに接続される導体板３１９は、直流電流を伝達する。端子３２０Ｂに接続される導体板３２０は、交流電流を伝達する。

【0016】

図２は、本実施例のパワーモジュール３００の構造を示す平面図である。ＩＢＧＴ３２８及びＩＧＢＴ３３０は、各々のエミッタ面が同じ方向を向くように配置されている。

【0017】

図３は、図２のパワーモジュール３００を、Ａ−Ｂ断面で切断したときの断面図である。パワーモジュール３００は、放熱のためのフィンが形成された放熱面３０７を有する。放熱面３０７は、導体板３２０及び導体板３１５を挟んで、ＩＧＢＴ３２８、３３０、ダイオード１５６、１６６とは反対側に配置される。放熱面３０７は、導電性の部材より形成され、電圧の安定化のためＧＮＤに接地される。

【0018】

また、パワーモジュール３００は、中間導体９１０及び中間導体９１１を有する。中間導体９１０は、導体板３２０と放熱面３０７との間に配置される。中間導体９１１は、導体板３１５と放熱面３０７との間に配置される。中間導体９１０と導体板３２０の間、中間導体９１０と放熱面３０７の間、中間導体９１１と導体板３１５の間、及び中間導体９１１と放熱面３０７の間には、絶縁層９００が形成される。

【0019】

本実施例のパワーモジュールにおいては、導体板３２０と中間導体９１０の配列方向に沿って投影した場合、中間導体９１０は、導体板３２０の射影部が当該中間導体９１０の射影部を包含するように、形成される。また、導体板３１５と中間導体９１１の配列方向に沿って投影した場合、中間導体９１１は、導体板３１９の射影部が当該中間導体９１１の射影部を包含するように、形成される。

【0020】

本実施例のパワーモジュールのように、上アーム回路と下アーム回路の２つのアーム回路を一体にモジュール化した構造を２ｉｎ１構造という。２ｉｎ１構造は、１つのアーム回路ごとにモジュール化する１ｉｎ１構造に比べ、出力端子の数を低減することができる。本実施例では、２ｉｎ１構造の例を示したが、３ｉｎ１構造、４ｉｎ１構造又は６ｉｎ１構造等にすることにより、さらに端子数を低減することができる。２ｉｎ１構造のパワーモジュールでは、上アーム回路と下アーム回路を並べ、絶縁層を介して金属平板と対向して配置することにより、磁界相殺効果で回路のインダクタンスを低減することができる。

【0021】

本実施例のパワーモジュールは、中間導体９１０を設けることにより、導体板３２０と放熱面３０７の間の電圧を、導体板３２０と中間導体９１０の間と中間導体９１０と放熱面３０７の間とに分担させる。これにより、本実施例のパワーモジュールは、絶縁性を満足しつつ、絶縁層厚を低減させることができる。その原理について、以下、図４から図１３を用いて説明をする。

【0022】

図４は、絶縁層と電極間に空気層がある場合の電圧分担のモデルを示す図である。電極間には、空気層８５０と、絶縁層８５１とが形成されている。電極間の全体に印加する交流電圧をＶとし、そのうち空気層に加わる電圧をＶ₁とすると、電圧Ｖは、次式で表される。ただし、Ｃ_eは空気層の容量を、Ｃ_fは絶縁層の容量を、ε₀は真空の誘電率を、εは絶縁層の比誘電率を、Ｓは電極面積を、ｄ_eは空気層の厚さを、ｄ_fは絶縁層の厚さを、それぞれ表す。
（数１） Ｖ＝Ｖ₁・（Ｃ_e＋Ｃ_f）／Ｃ_f＝Ｖ₁・（ｄ_f／（ε・ｄ_e）＋１）
（数２） Ｃ_e＝ε₀・Ｓ／ｄ_e
（数３） Ｃ_f＝ε₀・ε・Ｓ／ｄ_f
電極と絶縁層の間や、絶縁層内部において、ボイドや剥離による空気層が発生すると、電極に高電圧が印加されたときに部分放電が発生する。絶縁層は、常時部分放電する環境に晒されると、放電による火花で侵食され、耐久時間が著しく低下する。特に、樹脂製の絶縁体では、セラミックスに比べ耐熱性が低く、その影響が顕著となる。絶縁性を向上させるには、部分放電しない条件で使用をすることが有効である。

【0023】

また、放電現象は、直流電圧と交流電圧とで異なる。直流電圧下で、電極間に絶縁層がある場合、部分放電が発生する条件でも、１回放電した後は、絶縁層が帯電して空間の電界が低くなるため、放電は停止する。したがって、電圧を１回だけ放電するだけであるので、放電による絶縁層の劣化への影響は少ない。一方、交流電圧下では、絶縁層に加わる電圧は時間の経過で反転するため、放電が繰り返される。そのため、放電による絶縁層の劣化への影響が大きい。さらに、パワー半導体素子のスイッチングで交流波形を作る場合、サージ電圧が交流波形に重畳されるため、定格電圧よりも高い電圧が絶縁層に加わる。

【0024】

そのため、交流電圧が加わる絶縁層は、特に、部分放電が発生する環境に晒さないようにすることが重要である。部分放電を抑えるためには、電極間に空気層が存在しないよう絶縁体で完全に満たされるように製造し、かつ温度変化が加わる使用環境であってもその状態を維持できるようにするか、または、剥離等によって空気層が発生しても部分放電しないような絶縁層の厚さを設けるか、いずれかの手法が考えられる。本実施形態のパワーモジュールは、後者のアプローチを採るものである。

【0025】

図５を用いて、部分放電が発生する電圧について説明する。電極間に空隙がある場合、部分放電が開始する電圧は、気圧と電極間の空隙長の関数で示される事が、パッシェンによって示され、その後多くの研究者によって理論的、実験的に確認されている。図５は、気圧ｐにおいて、電極間距離ｄの電極に電圧を印加した際に、部分放電が発生する電圧を、気圧ｐと電極間距離ｄの積との関係で示したグラフである。図５は、２０℃において測定したものである。部分放電発生電圧は、図５に示されるように、気圧と電極間距離の積ｐ・ｄがある値のときに最小値を持つ。つまり、部分放電発生電圧の最小値であるその電圧を超える電圧が電極間の空隙に印加されたとき、ｐ・ｄ積の値によっては部分放電が発生することになる。

【0026】

パッシェンの法則による圧力は気体の粒子密度に換算できるため、気体の状態方程式を用いて、任意の温度、圧力での部分放電開始電圧を求めることができる。このようにして求めた部分放電開始電圧を式（１）中のＶ₁に代入すると、気圧ｐと空気層の厚さｄ_eとの関係で、放電が発生する電極間電圧Ｖの最小値を算出することができる。そのようにして算出した最小部分放電電圧の値を絶縁層の厚さｄ_fに対してプロットしたグラフを図６から図８に示す。

【0027】

図６は、２５℃、１ａｔｍでの最小部分放電電圧と絶縁層厚さｄ_fの関係を示す。絶縁層厚さｄ_fが厚くなると、電圧Ｖに対して絶縁層８５１が分担する電圧が高くなるため、空気層８５０が分担する電圧Ｖ₁が小さくなる。よって、絶縁層厚さｄ_fが大きくなるほど、最小部分放電開始電圧が高くなる。

【0028】

ここで注目すべき点は、絶縁層厚さｄ_fに対する最小部分放電電圧の関係が、比例ではない点である。すなわち、絶縁層厚さｄ_fが小さい領域におけるグラフの傾きが、絶縁層厚さｄ_fが大きい領域におけるグラフの傾きに比べて大きい。この特徴を利用することで、後述するように、絶縁性を確保しつつ、絶縁層厚の低減を実現することができる。また、図６からは、同じ最小部分放電電圧においては、絶縁層８５１の誘電率が低いほど、その厚さｄ_fを小さくすることができることがわかる。

【0029】

図７は、２５℃、絶縁層の比誘電率６での最小部分放電電圧と絶縁層厚さｄ_fの関係を示す。図７からは、同じ最小部分放電電圧にするには、標高が高いほど、すなわち気圧が低いほど、絶縁層厚さを厚くする必要がある事がわかる。特に４０００ｍを越えたあたりからこの影響が顕著となった。

【0030】

図８は、１ａｔｍ、絶縁層の比誘電率６での最小部分放電電圧と絶縁層厚さｄ_fの関係を示す。図８より、同じ最小部分放電電圧にするには、温度が高いほど、絶縁層厚さｄ_fを厚くする必要がある事がわかる。特に５０℃を越えたあたりからこの影響が顕著となった。

【0031】

図９は、２５℃、１ａｔｍ、比誘電率６での最小部分放電電圧と絶縁層厚さｄ_fの関係を示す。図９を用いて、部分放電を抑制しつつ、絶縁層８５１の総厚ｄ_fを低減する原理について説明する。

【0032】

例えば、電極間に最大１．６ｋＶｐの電圧が加わる場合を考える。図９より、絶縁層厚さｄ_fが３３０μｍのときの最小部分放電電圧が１．６ｋＶｐであるため、剥離等により空隙が生じても、絶縁層が３３０μｍより厚く形成されていれば、部分放電は発生しない。

【0033】

一方、電極間に加わる電圧が０．８ｋＶｐであるときは、絶縁層は８０μｍより厚ければ、部分放電は発生しない。これは、前述のように、最小部分放電電圧と絶縁層厚さｄ_fの関係は、比例関係ではなく、絶縁層厚ｄ_fが小さい領域での傾きが大きく、絶縁層厚さｄ_fが大きくなるにつれて傾きが小さくなっていることによる。

【0034】

そこで、１．６ｋＶｐの電圧であっても、その電圧を０．８ｋＶｐと０．８ｋＶｐに２分割することで、それぞれ８０μｍより厚い絶縁層を設ければ放電を抑制することができる。これにより、１層だけだと３３０μｍ必要な絶縁層の総厚を、１６０μｍに低減することができる。ここでは、２層の例を示したが、３層以上にする事でより薄肉化できる事は明らかである。絶縁層を薄肉化できれば、その分だけ熱抵抗が低減するため放熱性が向上する。さらに絶縁層が薄肉化する分、材料コストが低減できる効果がある。そこで続いて、パワーモジュールの絶縁層に加わる電圧を分割するための構造についてのモデルを、図１０から図１３を用いて説明をする。

【0035】

図１０は、中間導体を有する絶縁層部分に交流電圧を加える実験系の模式図である。上述したように、図３のパワーモジュールにおいて、導体板３１９には直流電流が流れるが、導体板３２０には交流電流が流れる。図１０は、交流電圧が加わるパワーモジュールの絶縁層における電圧分担モデルを表している。図１０の電極８００は図３の導体板３２０に、図１０の中間導体８０１は図３の中間導体９１０に、図１０の電極８０２は図３の放熱面３０７に、図１０の絶縁層８１０及び８１１は図３の絶縁層９００に、それぞれ対応する。

【0036】

発信器１００１には、電極８００及び８０１が接続される。中間導体８０１は、電極８００と電極８０１の間に配置される。絶縁層８１０は、電極８００と中間導体８０１の間に配置される。絶縁層８１１は、電極８０２と中間導体８０１の間に配置される。電極８０２は、ＧＮＤに接地される。中間導体８０１と電極８０２の間の電圧をＶ₂とし、電極８００と電極８０２の間の電圧をＶ₃とすると、交流電圧を印加した場合の容量回路の電圧分担は以下の式で算出することができる。
（数４） Ｖ₂＝Ｖ₃・Ｃ_a／（Ｃ_a＋Ｃ_b）
（数５） Ｃ_a＝ε₀・ε_a・Ｓ_a／ｄ_a
（数６） Ｃ_b＝ε₀・ε_b・Ｓ_b／ｄ_b
ただし、Ｃ_aは電極８００と中間導体８０１の間の容量を、Ｃ_bは中間導体８０１と電極８０２の間の容量を、ε₀は真空の誘電率を、ε_aは絶縁層８１０の比誘電率を、ε_bは絶縁層８１１の比誘電率を、Ｓ_aは電極８００と中間導体８０１の配置方向における投影面が重なり合う面積を、Ｓ_bは中間導体８０１と電極８０２の配置方向における投影面が重なり合う面積を、ｄ_aは絶縁層８１０の厚さを、ｄ_bは絶縁層８１１の厚さを、それぞれ表す。

【0037】

ここで、電圧分担モデルの構造と絶縁層の材質を調整し、ε_a＝ε_b、ｄ_a＝ｄ_b、Ｓ_a＝Ｓ_bとすることで、Ｃ_a＝Ｃ_bとなる。このとき、式（４）より、Ｖ₂をＶ₃で除した電圧分担率は、５０％となる。本モデルでは、Ｃ_a＝Ｃ_bとなるようにした。
（数７） Ｖ₂／Ｖ₃＝５０％
図１１は、図１０の発信器１００１の周波数を変化させたときの電圧分担率Ｖ₂／Ｖ₃を示すグラフである。電圧分担率は、中間導体８０１及び電極８０２間の電圧Ｖ₁と、電極８００及び電極８０２間の電圧Ｖ₂とを、カーブトレーサ１０００により測定することで、求めた。

【0038】

図１１より、電極８００及び電極８０２間に加わる電圧の周波数が高くなるにつれ、電圧分担率が５０％に近づく傾向が見られる。電圧分担率は、周波数が１００Ｈｚを超えると、ほぼ５０％となる。このような傾向は、正弦波及び矩形波でも同様であった。

【0039】

本モデルの結果からは、１００Ｈｚ以上の交流電圧が加わる電極間の絶縁層中に、中間導体を設けることで、容量に応じて絶縁層に加わる電圧を分担することができることが分かる。

【0040】

なお、ここではモデル評価のため、中間導体８０１から電流を出力したが、実際のパワーモジュールにおいては、中間導体から電流を取り出す必要がない。そのため、中間導体を絶縁層内に埋設することができる。中間導体を絶縁層に埋設すると、中間導体の端面が電極と近接するのを防止でき、端面からの放電を防止することができる。

【0041】

中間導体を絶縁層に埋設する場合、中間導体の上下層に同じ材質の絶縁層を用い、中間導体の外形寸法を対向するいずれかの電極にサイズを合わせると、他方の電極とはサイズが異なっても、中間導体の両側の容量を同等することができる。この場合、完全に同等に合わせる事は実質困難なので、位置合わせや寸法交差を考慮して、中間導体の方が、面積が小さい側の電極より若干大きい事が望ましい。これは、中間導体の方が小さいと、電圧が分担されない部分が生じ、剥離により部分放電する場合があるためである。本実施形態のパワーモジュールでは、導体板３２０及び３１５の面積よりわずかに面積が大きい中間導体９１０及び９１１を有する。

【0042】

なお、直流側の中間導体９１０は、後述する理由で、導体板３１５のサイズに制約されず、導体板より大きくしても、小さくしても良い。また、省略する事もできる。

【0043】

上下アーム回路をモジュール化した２ｉｎ１モジュール構造を有する本実施形態のパワーモジュールでは、直流電流を伝達する導体板と、交流電流を伝達する導体板とを有する。そのため、導電性の放熱面と導体板の間に配置される絶縁層には、直流電圧が加わる部分と、交流電圧が加わる部分とが存在する。図３のパワーモジュールでは、導体板３２０と放熱面３０７の間には交流電圧が加わり、導体板３１５と放熱面３０７の間には直流電圧が加わる。

【0044】

本実施例のパワーモジュールは、交流電圧が加わる側の絶縁層中に中間導体９１０を設け、直流電圧が加わる側の絶縁層中に中間導体９１１を設けている。そして、中間導体９１０と中間導体９１１とは、電気的に独立して配置される。このとき、交流電圧が加わる導体板３２０と放熱面３０７との間には、中間導体９１０が配置されることにより、各導体間に形成される容量に応じた電圧分担が生じる。その結果、図９で示した原理により、所定の耐圧を得る絶縁層の厚さを低減することができる。

【0045】

一方、直流電圧が加わる導体板３１５と放熱面３０７との間には、中間導体を配置しても、電圧分担は生じない。これは、直流電圧の周波数が０であるためである。

【0046】

続いて、比較例として、図１２及び図１３を用いて、中間導体９１０と中間導体９１１とが電気的に接続している場合の電圧分担について説明する。

【0047】

図１２は、直流導体を有する絶縁層部分に直流電圧及び交流電圧を加える実験系の模式図である。図１２の電極８０２は図３の放熱面３０７に、図１２の電極８０３は図３の導体板３２０に、図１２の電極８０４は図３の導体板３１５に、図１２の絶縁層８１０及び８１１は図３の絶縁層９００に、それぞれ対応する。図１２の中間導体８０１は、図３の中間導体９１０及び９１１を電気的に接続したものに相当する。

【0048】

発信器１００１には、電極８０３及び電極８０２が接続される。直流電源１００２には、電極８０４及び電極８０２が接続される。中間導体８０１は、絶縁層８１０を挟んで電極８０３と対向するとともに、同じく絶縁層８１０を挟んで電極８０４と対向するように、配置される。また、中間導体８０１は、絶縁層８１１を挟んで電極８０２と対向して、配置される。電極８０２は、ＧＮＤに接地される。中間導体８０１と電極８０２の間の電圧をＶ₄とし、電極８０３と電極８０２の間の電圧をＶ₅とする。電源回路１００２を介して電極８０４と中間導体８０１の間の容量が、中間導体８０１と電極８０２の間の容量に並列に加わるため、交流電圧を印加した場合の容量回路の電圧分担は以下の式で表される。
（数８） Ｖ₄＝Ｖ₅・Ｃ_c／（Ｃ_c＋Ｃ_d＋Ｃ_e）
（数９） Ｃ_c＝ε₀・ε_c・Ｓ_c／ｄ_c
（数１０） Ｃ_d＝ε₀・ε_d・Ｓ_d／ｄ_d
（数１１） Ｃ_e＝ε₀・ε_e・Ｓ_e／ｄ_e
ただし、Ｃ_cは交流側電極８０３と中間導体８０１の間の容量を、Ｃ_dは直流側電極８０４と中間導体８０１の間の容量を、Ｃ_eは中間導体８０１と電極８０２の間の容量を、ε₀は真空の誘電率を、ε_cは交流側電極８０３と中間導体８０１の間の絶縁層の比誘電率を、ε_dは直流側電極８０４と中間導体８０１の間の絶縁層の比誘電率を、ε_eは中間導体８０１と電極８０２の間の絶縁層の比誘電率を、Ｓ_cは交流側電極８０３と中間導体８０１の配置方向における投影面が重なり合う面積を、Ｓ_dは直流側電極８０４と中間導体８０１の配置方向における投影面が重なり合う面積を、Ｓ_eは中間導体８０１と電極８０２の配置方向における投影面が重なり合う面積を、ｄ_cは交流側電極８０３と中間導体８０１の間の絶縁層の厚さ、ｄ_dは直流側電極８０４と中間導体８０１の間の絶縁層の厚さを、ｄ_eは中間導体８０１と電極８０２の間の絶縁層の厚さを、それぞれ表す。

【0049】

ここで、容量が２．１Ｃ_C＝２．１Ｃ_d＝Ｃ_eとなるよう作製し、Ｖ₄をＶ₅で除した電圧分担率（％）を算出すると下記となる。
（数１２） Ｖ₄／Ｖ₅≒２４．４％
図１３は、図１２の発信器１００１の周波数を変化させたときの電圧分担率Ｖ₄／Ｖ₅を示すグラフである。電圧分担率は、中間導体８０１及び電極８０２間の電圧Ｖ₄と、電極８０３及び電極８０２間の電圧Ｖ₅とを、カーブトレーサ１０００により測定することで、求めた。

【0050】

図１３より、電極８０３及び電極８０２間に加わる電圧の周波数が高くなるにつれ、電圧分担率が２４．４％に近づく傾向が見られる。電圧分担率は、周波数が１００Ｈｚを超えると、計算値と等しいほぼ２４．４％となる。このような傾向は、正弦波及び矩形波でも同様であった。

【0051】

本モデルの結果から、交流側と直流側の中間導体が連結していると、交流電圧を電圧分担した際、電極８０３と中間導体８０１間に高い電圧が加わることが分かる。これは、中間導体８０１と電極８０２間の容量Ｃ_eに、電源経路を介して、電極８０４と中間導体８０１間の容量Ｃ_dが並列で加わるためである。

【0052】

このとき、電圧分担率が高い電極８０３と中間導体８０１の間において、部分放電が発生しないように、絶縁層厚を大きくしなければならない。図９からは、１．６ｋＶｐの７５％の電圧である１．２ｋＶｐの電圧が加わる場合には、絶縁層を１９０μｍより厚くしなければならないことが分かる。前述の通り、１．６ｋＶｐの電圧を０．８ｋＶｐと０．８ｋＶｐに均等に分担した場合には、放電を抑制するのに必要な絶縁層厚は１６０μｍであるので、電圧分担する片側だけでこの厚さを超えてしまう。

【0053】

また、絶縁層に加わる交流電圧を均等に分担させるようにする場合は、絶縁層の比誘電率や中間導体の上下層の絶縁層厚さを調整し次式を満足する必要がある。
（数１３） Ｃ_c／（Ｃ_c＋Ｃ_d＋Ｃ_e）≒０．５
すなわち、次式を満足する必要がある。
（数１４） Ｃ_c≒Ｃ_d＋Ｃ_e
Ｓ_dやＳ_eを小さくする場合、放熱性が低下する弊害がある。また、比誘電率で対応する場合、比誘電率は材料起因であり、大幅に変更する事が難しいため対応できる幅が制限される。このため、絶縁層厚さで対応する事が望ましい。しかし、Ｃ_cを構成する絶縁層の厚さを０．８ｋＶｐの電圧で部分放電しない８０μｍより大きくし、かつ上式を満足するようにするためには、絶縁層の総厚は、１６０μｍより小さくすることはできない。

【0054】

また、パワーモジュールと電源までの経路には、平滑コンデンサや、バスバーと筺体の寄生容量が存在する。これらの容量も重畳するため、パワーモジュール単独では絶縁層の設計が困難となる。

【0055】

したがって、２ｉｎ１構造のパワーモジュールでは、中間導体を直流側と交流側で電気的に分離して配置することで、絶縁層の薄層化を達成することができる。

【0056】

また、直流電圧が加わる側の中間導体は省略しても絶縁層に印加される電圧に変化は生じないため、直流側の中間導体を省略することも有効である。しかし、直流側にも中間導体を設けると絶縁層に対して熱伝導率が高い中間導体の層を有する事で熱を拡散し放熱性が向上することができる。

【0057】

また、絶縁層が絶縁シート等の接着性の材料の場合、直流側と交流側に同じ厚さの中間導体を設ける事で、圧着時の荷重を均等化し均一な圧着面を形成することができる。

【0058】

図１４及び図１５を用いて、第２の実施形態に係るパワーモジュールについて説明する。実施例２のパワーモジュールは、実施例１のパワーモジュールの変形例を示す。図１４は平面図であり、図１５は、図１４のＣ−Ｄ断面で切断した断面図である。

【0059】

本実施形態では、パワー半導体素子のエミッタ側の電極をワイヤで接続している。そして、下アーム側ＩＧＢＴ３３０のコレクタ側に接続される導体板３２０と、上アーム側ＩＧＢＴ３２８のエミッタ面とは、中間電極３９０を介して接続される。中間電極３９０は、導体板３２０及び３１５と同様に、絶縁層９００を介して放熱面３０７と対向するように、配置される。中間電極３９０と放熱面３０７の間には、中間導体９１２が配置される。中間導体９１２は、中間導体９１０及び９１１と同様に、絶縁層９００中に埋設される。

【0060】

中間電極３９０は、導体板３２０と同様に、交流電圧が加わるため、中間導体９１２により電圧分担することができる。

【0061】

図１６ないし図２０を用いて、第３の実施形態に係るパワーモジュールについて説明する。

【0062】

図１６（ａ）は、本実施形態のパワーモジュールの斜視図であり、図１６（ｂ）は、図１６（ａ）におけるＥ−Ｆ断面で切断したときの断面図である。本実施形態のパワーモジュール３００は、ＣＡＮ型冷却器である冷却体３０４にパワー半導体素子を収納した両面冷却構造である。冷却体３０４は、放熱フィン３０５が形成される第一放熱面３０７Ａ及び第二放熱面３０７Ｂ、放熱面と枠体を接続する薄肉部３０４Ａ、フランジ部３０４Ｂを有する。有底筒型形状に形成される冷却体３０４の挿入口３０６からパワー半導体素子や導体板からなる回路体を挿入し、封止材３５１で封止してパワーモジュール３００を形成する。本実施形態のパワーモジュールは、パワー半導体素子が第一放熱面３０７Ａ及び第二放熱面３０７Ｂの両面から冷却されるため、放熱性に優れる。

【0063】

図１７は、図１６（ａ）のＧ−Ｈ断面で切断したときの断面の模式図である。本実施形態のパワーモジュール３００は、パワー半導体素子の一方側に配置される絶縁層において中間導体９１０及び９１１を有する。そして、パワーモジュール３００は、パワー半導体素子の前記一方側とは反対側の他方側に配置される絶縁層において中間導体９１３及び９１４を有する。中間導体９１０は、交流電圧が加わる導体板３２０と放熱面３０７Ａの間に配置される。中間導体９１１は、直流電圧が加わる導体板３１５と放熱面３０７Ａの間に配置される。中間導体９１３は、交流電圧が加わる導体板３１８と放熱面３０７Ｂの間に配置される。中間導体９１４は、直流電圧が加わる導体板３１９と放熱面３０７Ｂの間に配置される。

【0064】

そして、各中間導体は、容量回路Ｃ１ないしＣ８を形成する。容量Ｃ１は、導体板３１５と中間導体９１１の間の容量である。容量Ｃ２は、中間導体９１１と放熱面３０７Ａの間の容量である。容量Ｃ３は、導体板３１８と中間導体９１３の間の容量である。容量Ｃ４は、中間導体９１３と放熱面３０７Ｂの間の容量である。容量Ｃ５は、導体板３２０と中間導体９１０の間の容量である。容量Ｃ６は、中間導体９１０と放熱面３０７Ａの間の容量である。容量Ｃ７は、導体板３１９と中間導体９１４の間の容量である。容量Ｃ８は、中間導体９１４と放熱面３０７Ｂの間の容量である。ただし、直流電圧が加わる導体板３１５と放熱面３０７Ａの間の容量Ｃ１、Ｃ２及び導体板３１９と放熱面３０７Ｂの間のＣ８、Ｃ９は、直流電圧が変化したときのみ容量回路が形成される。

【0065】

図１８は、本実施形態のパワーモジュールにおける中間導体の配置を説明するための展開図である。説明のため、一部の構成のみを図中に示している。

【0066】

図１９は、容量Ｃ１ないしＣ８をパワーモジュールの回路図に示した図である。容量Ｃ１、Ｃ２、Ｃ８及びＣ７は直流電圧が加わる部分である。よって、当該部分の中間導体９１１及び９１４は、省略する事ができる。容量Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５及びＣ６は交流電圧が加わる部分である。よって、当該部分の中間導体９１０及び９１３は、絶縁層に加わる電圧を分担することができる。

【0067】

本実施形態のパワーモジュールは、冷却性に優れた両面冷却構造のパワーモジュールにおいて、絶縁層に中間導体構造を設けることで、絶縁層が薄肉化でき、より放熱性に優れた高耐圧のパワーモジュールを得る事ができる。

【0068】

図２０（ａ）及び図２０（ｂ）を用いて、本実施形態のパワーモジュールにおけるインダクタンス低減について説明する。図２０（ａ）は、本実施形態のパワーモジュール３００の回路図である。図２０（ｂ）は、パワーモジュール３００の展開図である。

【0069】

下アーム側のダイオード１６６が順方向バイアス状態で導通している状態とする。この状態で、上アーム側のＩＧＢＴ３２８がＯＮ状態になると、下アーム側のダイオード１６６が逆方向バイアスとなりキャリア移動に起因するリカバリ電流が上下アームを貫通する。このとき、各導体板３１５、３３１８、３２０及び３１９には、図２０（ｂ）に示されるリカバリ電流３６０が流れる。リカバリ電流３６０は、直流負極端子３１９Ｂと対向して配置された直流正極端子３１５Ｂを流れる。続いて、各導体板３１５、３１８、３２０、３１９により形成されるループ形状の経路を流れる。そして、直流負極端子３１９Ｂを流れる。

【0070】

ループ形状経路を電流が流れることによって、冷却器３０４の第１放熱面３０７Ａ及び第２放熱面３０７Ｂに渦電流３６１が流れる。この渦電流３６１の電流経路に等価回路３６２が発生する磁界相殺効果によって、ループ形状経路における配線インダクタンス３６３が低減する。なお、リカバリ電流３６０の電流経路がループ形状に近いほど、インダクタンス低減作用が増大する。このように上アーム回路と下アーム回路を１セットでモジュール化した２ｉｎ１構造とする事で磁界相殺効果によってインダクタンスを低減することができる。これは、４ｉｎ１、６ｉｎ１と増やしても同じ効果を持たせることができる。

【0071】

図２１を用いて、第４の実施形態に係るパワーモジュールについて説明する。

【0072】

図２１は、本実施形態のパワーモジュールの断面図である。実施例３のパワーモジュールについての図１７に相当する。実施例３からの変更点は、中間導体の数を増やした点である。

【0073】

中間導体９１０ａおよび９１０ｂは、交流電圧が加わる導体板３２０と放熱面３０７Ａの間に配置される。中間導体９１１ａ及び９１１ｂは、直流電圧が加わる導体板３１５と放熱面３０７Ａの間に配置される。中間導体９１３ａ及び９１３ｂは、交流電圧が加わる導体板３１８と放熱面３０７Ｂの間に配置される。中間導体９１４ａ及び９１４ｂは、直流電圧が加わる導体板３１９と放熱面３０７Ｂの間に配置される。

【0074】

そして、各中間導体は、容量回路Ｃ１ないしＣ１２を形成する。容量Ｃ１は、導体板３１５と中間導体９１１ａの間の容量である。容量Ｃ２は、中間導体９１１ａと中間導体９１１ｂの間の容量である。容量Ｃ３は、中間導体９１１ｂと放熱面３０７Ａの間の容量である。容量Ｃ４は、導体板３１８と中間導体９１３ａの間の容量である。容量Ｃ５は、中間導体９１３ａと中間導体９１３ｂの間の容量である。容量Ｃ６は、中間導体９１３ｂと放熱面３０７Ｂの間の容量である。容量Ｃ７は、導体板３２０と中間導体９１０ａの間の容量である。容量Ｃ８は、中間導体９１０ａと中間導体９１０ｂの間の容量である。容量Ｃ９は、中間導体９１０ｂと放熱面３０７Ａの間の容量である。容量Ｃ１０は、導体板３１９と中間導体９１４ａの間の容量である。容量Ｃ１１は、中間導体９１４ａと中間導体９１４ｂの間の容量である。容量Ｃ１２は、中間導体９１４ｂと放熱面３０７Ｂの間の容量である。ただし、直流電圧が加わる導体板３１５と放熱面３０７Ａの間の容量Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３及び導体板３１９と放熱面３０７Ｂの間のＣ１０、Ｃ１１、Ｃ１２は、直流電圧が変化したときのみ容量回路が形成される。

【0075】

本実施例のパワーモジュールでは、絶縁層に加わる電圧を３つに分担することができるため、より絶縁層の総厚を薄くすることができる。

【0076】

図２２は、中間導体を有する絶縁層を作製する手順を示す図である。（１）銅箔をプレスで打ち抜く。銅箔の厚さは、例えば６μｍのものを用いることができる。また、ここでは銅箔の例を示しているが、金属箔であれば銅箔でなくてもよい。（２）銅箔の表裏面に絶縁シートをプレスで圧着する。（３）金型で打ち抜く位置を設定する。（４）金型で打ち抜く。

【0077】

このように作製する事で、複数のシートを一括して作製する事ができる。この場合、複数の中間導体をサポートしている導体の切断面は、絶縁シートから露出することになる。この端面が電極と近接しないように導体が露出する切断面は、圧着する電極に対してシート長に余裕を持たせておくことで、中間導体端面からの放電を防止する事ができる。

【0078】

図２３は、中間導体を有する絶縁層を作成する手順の変形例を示す図である。（１）絶縁シートを用意する。（２）中間導体形成部をくり抜いたマスキングを通して、アルミ蒸着でアルミ皮膜を絶縁シートに形成する。蒸着で形成したアルミ皮膜が内部になるように、パターン形成していない絶縁シートをプレスする。アルミ皮膜の厚さは、例えば０．１μｍとすることができる。また、ここではアルミ蒸着の例を示したが、導電性材料であればアルミ皮膜でなくてもよい。また、ここでは蒸着の例を示したが、マスキングして導電材料を形成できる形成方法であれば、印刷等による方法でも良い。（３）金型で打ち抜く位置を設定する。（４）金型で打ち抜く。

【0079】

このように作製する事で、薄い中間導体を形成する事ができる。薄い中間導体層を有する絶縁シートとすることで、絶縁シートを圧着する時に中間導体の段差による圧着圧力の不均一が生じるのを低減し、均一な圧着面を形成することができる。

【0080】

図２４ないし図２６を用いて、本発明のパワーモジュールを組み込んだ電力変換装置及び車両システムの構成例を説明する。図２４は、電力変換装置の回路図を示す。

【0081】

電力変換装置２００は、インバータ回路部１４０、１４２と、補機用のインバータ回路部４３と、コンデンサモジュール５００と、を備えている。インバータ回路部１４０及び１４２は、パワーモジュール３００を複数備えており、それらを接続することにより３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３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を並列接続することでも電流容量の増大に対応できる。

【0082】

インバータ回路部１４０とインバータ回路部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。ここでは代表してインバータ回路部１４０を例に説明する。インバータ回路部１４０は、３相ブリッジ回路を基本構成として備えている。具体的には、Ｕ相（符号Ｕ１で示す）やＶ相（符号Ｖ１で示す）やＷ相（符号Ｗ１で示す）として動作するそれぞれのアーム回路が、直流電力を送電する正極側および負極側の導体にそれぞれ並列に接続されている。なお、インバータ回路部１４２のＵ相、Ｖ相およびＷ相として動作するそれぞれのアーム回路を、インバータ回路部１４０の場合と同様に、符号Ｕ２、Ｖ２およびＷ２で示す。

【0083】

各相のアーム回路は、上アーム回路と下アーム回路とが直列に接続した上下アーム直列回路で構成されている。各相の上アーム回路は正極側の導体にそれぞれ接続され、各相の下アーム回路は負極側の導体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する。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の交流端子３２０Ｂに接続されている。各パワーモジュール３００の交流端子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あるいは１９４の固定子巻線に供給される。各相の各パワーモジュール３００は基本的に同じ構造であり、動作も基本的に同じであるので、代表してパワーモジュール３００のＵ相（Ｕ１）について説明する。

【0084】

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ＩＧＢＴ３２８と上アーム用ダイオード１５６とを備えている。また、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ＩＧＢＴ３３０と下アーム用ダイオード１６６とを備えている。各上下アーム直列回路の直流正極端子３１５Ｂおよび直流負極端子３１９Ｂは、コンデンサモジュール５００のコンデンサ接続用直流端子にそれぞれ接続される。交流端子３２０Ｂから出力される交流電力は、モータジェネレータ１９２、１９４に供給される。

【0085】

ＩＧＢＴ３２８、３３０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、バッテリー１３６から供給された直流電力を三相交流電力に変換する。変換された電力は、モータジェネレータ１９２の固定子巻線に供給される。なお、Ｖ相およびＷ相については、Ｕ相と略同じ回路構成となるので、符号３２８、３３０、１５６、１６６の表示を省略している。インバータ回路部１４２のパワーモジュール３００は、インバータ回路部１４０の場合と同様の構成であり、また、補機用のインバータ回路部４３はインバータ回路部１４２と同様の構成を有しており、ここでは説明を省略する。

【0086】

スイッチング用のパワー半導体素子について、上アーム用ＩＧＢＴ３２８および下アーム用ＩＧＢＴ３３０を用いて説明する。上アーム用ＩＧＢＴ３２８や下アーム用ＩＧＢＴ３３０は、コレクタ電極、エミッタ電極（信号用エミッタ電極端子）、ゲート電極（ゲート電極端子）を備えている。上アーム用ＩＧＢＴ３２８や下アーム用ＩＧＢＴ３３０のコレクタ電極とエミッタ電極との間には、上アーム用ダイオード１５６や下アーム用ダイオード１６６が図示のように電気的に接続されている。

【0087】

上アーム用ダイオード１５６や下アーム用ダイオード１６６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。上アーム用ＩＧＢＴ３２８や下アーム用ＩＧＢＴ３３０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、ダイオード１５６、１６６のカソード電極が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。なお、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）を用いても良く、この場合は上アーム用ダイオード１５６、下アーム用ダイオード１６６は不要となる。

【0088】

上下アーム直列回路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の温度情報がマイコンに入力される。また、マイコン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。マイコンは、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ＩＧＢＴ３２８、下アーム用ＩＧＢＴ３３０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。

【0089】

図２５は電力変換装置２００の外観を示す斜視図である。本実施の形態に係る電力変化装置２００の外観は、上面あるいは底面が略長方形の筐体１２と、筐体１２の短辺側の外周の一つに設けられた上部ケース１０と、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、車両への取付けが容易となり、また生産しやすい。

【0090】

図２６は、電力変換装置を搭載したハイブリッド自動車の制御ブロック図を示す。ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）１１０は２つの車両駆動用システムを備えている。１つはエンジン１２０を動力源としたエンジン駆動システムで、もう１つはモータジェネレータ１９２、１９４を動力源とする回転電機駆動システムである。本発明の電力変換装置２００は、バッテリー１３６、モータジェネレータ１９２、１９４、補機用モータ１９５間で、直流、交流の電力変換を行い車両の走行状態に応じて、モータへの駆動電力の供給や、モータからの電力回生を最適に制御し燃費の向上に貢献している。

【符号の説明】

【0091】

１０ 上部ケース
１２ 筺体
１６ 下部ケース
１８ 交流ターミナル
２２ 駆動回路基板
４３ インバータ回路
１１０ ハイブリッド自動車
１１２ 前輪
１１４ 前輪車軸
１１６ デファレンシャルギア
１１８ 変速機
１２０ エンジン
１２２ 動力配分機構
１３６ バッテリ
１３８ 直流コネクタ
１４０ インバータ回路
１４２ インバータ回路
１５６ ダイオード
１６６ ダイオード
１７２ 制御回路
１７４ ドライバ回路
１８０ 電流センサ
１９２ モータジェネレータ
１９４ モータジェネレータ
１９５ モータ
２００ 電力変換装置
２３０ 入力積層配線板
３００ パワーモジュール
３０４ 冷却体
３０４Ａ 冷却体の薄肉部
３０４Ｂ フランジ
３０５ 放熱フィン
３０６ 挿入口
３０７ 放熱面
３０７Ａ 第一放熱面
３０７Ｂ 第二放熱面
３１５ 直流正極導体板
３１５Ｂ 直流正極端子
３１９ 直流負極導体板
３１９Ｂ 直流負極端子
３１８ 導体板
３２０Ｂ 交流端子
３２８ ＩＧＢＴ
３３０ ＩＧＢＴ
３３３ 絶縁シート
３４８ 第一封止材
３５０ 冷却体の厚肉部
３５１ 第二封止材
３７０ 接続部
５００ コンデンサモジュール
８００ 電極
８０１ 中間導体
８０２ 電極
８０３ 電極
８０４ 電極
８１０ 絶縁層
８１１ 絶縁層
８５０ 空気層
８５１ 絶縁層
９００ 絶縁層
９１０ 交流側中間導体
９１１ 直流側中間導体
９１２ 交流側中間導体
９１３ 交流側中間導体
９１４ 直流側中間導体
１０００ カーブトレーサ
１００１ 発信器
１００２ 直流電源

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16(a)】

【図16(b)】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20(a)】

【図20(b)】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】