特開 2024-178741 電気回路体および電力変換装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024178741

(43)【公開日】2024-12-25

(54)【発明の名称】電気回路体および電力変換装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/36 20060101AFI20241218BHJP

   H01L 25/07 20060101ALI20241218BHJP

   H02M 7/48 20070101ALI20241218BHJP

【ＦＩ】

H01L23/36 D

H01L25/04 C

H02M7/48 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023097115

(22)【出願日】2023-06-13

(71)【出願人】

【識別番号】509186579

【氏名又は名称】日立Ａｓｔｅｍｏ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002365

【氏名又は名称】弁理士法人サンネクスト国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】吉武 勇一郎

(72)【発明者】

【氏名】楠川 順平

(72)【発明者】

【氏名】露野 円丈

(72)【発明者】

【氏名】志村 隆弘

(72)【発明者】

【氏名】高木 佑輔

【テーマコード（参考）】

5F136

5H770

【Ｆターム（参考）】

5F136BC05

5F136CB06

5F136DA22

5F136DA27

5F136FA02

5F136FA03

5F136FA22

5H770AA21

5H770BA01

5H770CA06

5H770DA03

5H770DA41

5H770HA02Y

5H770JA10X

5H770PA11

5H770PA26

5H770PA28

5H770QA04

5H770QA06

5H770QA08

5H770QA38

5H770QA40

(57)【要約】

【課題】従来では、高電圧化を考慮した場合に、絶縁信頼性に課題があった。
【解決手段】半導体素子が接合された導体板と、前記導体板と対向して配置され、前記半導体素子による発熱を冷却する冷却部材と、前記導体板と前記冷却部材との間に配置される絶縁シートと、を備え、前記絶縁シートは、前記導体板と対向する中間導体を内蔵し、前記中間導体は、前記半導体素子の一つに対応する前記導体板に対して複数個に分割して配置され、前記導体板に対して電気的に並列となる電気容量を形成する電気回路体。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体素子が接合された導体板と、前記導体板と対向して配置され、前記半導体素子による発熱を冷却する冷却部材と、前記導体板と前記冷却部材との間に配置される絶縁シートと、を備え、
前記絶縁シートは、前記導体板と対向する中間導体を内蔵し、
前記中間導体は、前記半導体素子の一つに対応する前記導体板に対して複数個に分割して配置され、前記導体板に対して電気的に並列となる電気容量を形成する電気回路体。

【請求項2】

請求項１に記載の電気回路体において、
前記中間導体は、前記導体板の端部と対向する領域において複数個に分割して配置される電気回路体。

【請求項3】

請求項１に記載の電気回路体において、
前記中間導体は、前記導体板の端部と対向する領域の分割数が前記導体板の中央部と対向する領域の分割数よりも多い電気回路体。

【請求項4】

請求項１に記載の電気回路体において、
前記中間導体は、格子状に分割される電気回路体。

【請求項5】

請求項１に記載の電気回路体において、
前記絶縁シートは、前記中間導体を前記絶縁シートの厚み方向に複数本内蔵する電気回路体。

【請求項6】

請求項１に記載の電気回路体において、
前記絶縁シートは、セラミックを用いた電気回路体。

【請求項7】

請求項１に記載の電気回路体において、
前記絶縁シートは、前記絶縁シートの断面において前記中間導体が占める面積の割合が２０％以上である電気回路体。

【請求項8】

請求項１から請求項７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、前記半導体素子の両面に形成され、
前記冷却部材は、前記各導体板と対向して両面に配置され、
前記絶縁シートは、前記導体板と前記冷却部材との間にそれぞれ配置される電気回路体。

【請求項9】

請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載の電気回路体を備え、直流電力と交流電力を相互に変換する電力変換装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電気回路体および電力変換装置に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体素子のスイッチング動作により直流電力と交流電力とを相互に変換する電力変換装置は、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。電力変換装置は、半導体素子による発熱を冷却する冷却部材と、半導体素子と冷却部材との間に配置される絶縁シートと、を備えた電気回路体をインバータとして動作するように組み込んで構成される。インバータとして用いられる電気回路体は、小型化および軽量化が要求される他、高電圧化の要望に応えるべく絶縁信頼性の向上が求められる。

【0003】

特許文献１には、上アーム側の第１パワー半導体素子及び下アーム側の第２パワー半導体素子と、交流電流を伝達する第１導体部と、直流電流を伝達する第２導体部と、導電性の放熱部と、第１導体部と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、第２導体部と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、第２中間導体層は、第１中間導体層と分離して構成され、第１中間導体層は、第１導体部と放熱部との間の電圧を分担する容量回路を形成するパワーモジュールが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１６－０５９１４７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に記載の装置では、高電圧化を考慮した場合に、絶縁信頼性に課題があった。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明による電気回路体は、半導体素子が接合された導体板と、前記導体板と対向して配置され、前記半導体素子による発熱を冷却する冷却部材と、前記導体板と前記冷却部材との間に配置される絶縁シートと、を備え、前記絶縁シートは、前記導体板と対向する中間導体を内蔵し、前記中間導体は、前記半導体素子の一つに対応する前記導体板に対して複数個に分割して配置され、前記導体板に対して電気的に並列となる電気容量を形成する。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、電気回路体の絶縁信頼性が向上する。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】電気回路体の平面図である。

【図2】電気回路体のＸ－Ｘ線における断面図である。

【図3】電気回路体のＹ－Ｙ線における断面図である。

【図4】電気回路体の断面拡大図である。

【図5】半導体モジュールの半透過平面図である。

【図6】半導体モジュールの回路図である。

【図7】変形例１における電気回路体の断面拡大図である。

【図8】変形例２における絶縁シートの平面図である。

【図9】変形例３における絶縁シートの平面図である。

【図10】変形例４における絶縁シートの平面図である。

【図11】変形例５における電気回路体の断面拡大図である。

【図12】半導体モジュールを用いた電力変換装置の回路図である。

【図13】電力変換装置の外観斜視図である。

【図14】電力変換装置のＸＶ－ＸＶ線における断面斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

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。

【0010】

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。

【0011】

図１は、本発明の実施形態における電気回路体４００の平面図である。
電気回路体４００は、半導体モジュール３００、冷却部材３４０等よりなる。図１に示す例では、電気回路体４００は、半導体モジュール３００を３個並列に設けてなる。

【0012】

半導体モジュール３００は、半導体素子１５５、１５７を封止材３６０により封止して、これを内蔵している。半導体モジュール３００の両面は半導体素子１５５、１５７のスイッチング動作による熱を放熱する。さらに、半導体モジュール３００は、半導体素子１５５、１５７と接続されている端子が半導体モジュール３００の側面の封止材３６０より導出される。これらの端子は、直流回路のコンデンサモジュール５００（図１２参照）に連結する正極側端子３２５Ｐおよび負極側端子３２５Ｍ、交流回路のモータジェネレータ１９２、１９４（図１２参照）に連結する交流側端子３２５Ａ等の大電流が流れるパワー端子である。なお、半導体素子１５５、１５７は、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラートランジスター）やＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ）などのスイッチング素子を用いることができる。

【0013】

また、半導体モジュール３００の側面の封止材３６０より導出される端子は、下アームゲート端子３２５Ｌ、コレクタセンス端子３２５Ｃ、エミッタセンス端子３２５Ｅ、上アームゲート端子３２５Ｕなどの端子である。半導体モジュール３００より導出されるこれらの端子は、図示省略した基板の配線パターンなどの配線に接続される。半導体モジュール３００を３個並列に設けた電気回路体４００は、半導体素子１５５、１５７のスイッチング動作により直流電力と交流電力を相互に変換する電力変換装置２００（図１２参照）として機能する。なお、電気回路体４００が有する半導体モジュール３００の個数は３個に限らず、電気回路体４００の種々の形態に合わせて任意に設定される。

【0014】

冷却部材３４０は、半導体モジュール３００と対向して配置され、半導体素子１５５、１５７のスイッチング動作による発熱を冷却する。具体的には、冷却部材３４０は、内部に冷媒が流通する流路が形成され、流路を流通する冷媒により半導体素子１５５、１５７からの発熱を冷却する。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。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。

【0015】

図２、図３は、電気回路体４００の断面図である。図２は、図１に示す電気回路体４００のＸ－Ｘ線における断面図である。図３は、図１に示す電気回路体４００のＹ－Ｙ線における半導体モジュール３００の一個分の断面図である。

【0016】

図２に示すように、電力変換装置２００の上アーム回路を形成する第１半導体素子として、能動素子１５５、ダイオード１５６を備える（後述の図５、図６参照）。能動素子としては、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、別付けのダイオードを省略してもよい。図３に示すように、第１半導体素子１５５のコレクタ側は、第２導体板４３１に接合されている。この接合には、はんだを用いてもよいし、焼結金属を用いてもよい。第１半導体素子１５５のエミッタ側には第１導体板４３０が接合されている。

【0017】

図２、図３に示すように、下アーム回路を形成する第２半導体素子として、能動素子１５７、ダイオード１５８を備える（後述の図５、図６参照）。第２半導体素子１５７のコレクタ側は、第４導体板４３３に接合されている。第２半導体素子１５７のエミッタ側には第３導体板４３２が接合されている。

【0018】

導体板４３０、４３１、４３２、４３３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。

【0019】

導体板４３０、４３１、４３２、４３３は、電流を通電する役割の他に、半導体素子１５５、１５６、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はたしている。半導体素子１５５、１５６、１５７、１５８と接合されている面と反対側の面が導体板４３０、４３１、４３２、４３３の放熱面となる。そして、導体板４３０、４３１、４３２、４３３と冷却部材３４０は電位が異なるため、放熱面との間に絶縁シート４４３を配置する。すなわち、絶縁シート４４３は導体板４３０、４３１、４３２、４３３から冷却部材３４０等へ電流が導通するのを防止し、電気的に絶縁するのが目的である。絶縁シート４４３は電力変換装置２００において半導体モジュール３００の主要な絶縁を形成する部位である。

【0020】

絶縁シート４４３は、一方面において導体板４３０、４３１、４３２、４３３を覆って導体板４３０、４３１、４３２、４３３の放熱面に接着される。絶縁シート４４３は、所定の絶縁性が確保できるのであれば有機物でも無機物でも適用することができる。一般的には、絶縁シート４４３は、樹脂絶縁層と呼ばれエポキシ樹脂であることが多いが、セラミックを用いてもよい。セラミックを用いた絶縁シート４４３の製作法は、例えば、セラミックコンデンサなどと同じようにグリーンシートを焼成し、中間導体４４０としてシート状の電極を入れる。セラミックを用いることにより部分放電が発生しても熱劣化が生じにくくなる。絶縁シート４４３は、熱伝導性を向上するためにフィラー粒子などを入れることがある。

【0021】

絶縁シート４４３の詳細は後述するが、絶縁シート４４３は、導体板４３０、４３１、４３２、４３３と対向する中間導体４４０を内蔵し、中間導体４４０は、半導体素子１５５、１５７の一つに対応する導体板４３０、４３１、４３２、４３３にして複数個に分割して配置され、導体板４３０、４３１、４３２、４３３に対して電気的に並列となる電気容量を形成する。
絶縁シート４４３の他方面には、表面導体層４４４が接着され、半導体モジュール３００の表面に露出し、熱伝導部材４５３と接する。表面導体層４４４は、例えば金属箔である。

【0022】

半導体素子１５５、１５６、１５７、１５８、導体板４３０、４３１、４３２、４３３は、絶縁シート４４３、表面導体層４４４と共に、トランスファーモールド成型により封止材３６０で封止され、半導体モジュール３００を構成する。封止材３６０はエポキシ樹脂であることが多いが、絶縁性があれば種類を選ばず適用するものとする。

【0023】

冷却部材３４０は、半導体モジュール３００の両面に配置され、図示省略した固定部材により半導体モジュール３００に固定されている。なお、本実施形態では、冷却部材３４０を半導体モジュール３００の両面に配置した電気回路体４００で説明するが、冷却部材３４０を半導体モジュール３００の片面に配置した電気回路体４００であってもよい。この場合は、半導体モジュール３００の他の片面には、筐体や取り付け部材が配置され、この筐体や取り付け部材に、半導体モジュール３００の他の片面が、固定部材により固定される。

【0024】

熱伝導部材４５３は、半導体モジュール３００と冷却部材３４０との間に、接触熱抵抗を低減するために配置される。熱伝導部材４５３は、グリースや、ゲルグリース、フェーズチェンジシートなどを用いる。

【0025】

図４は、電気回路体４００の断面拡大図であり、図３のＡ部分を示す。
図４に示すように、絶縁シート４４３は、導体板４３３と対向する中間導体４４０を内蔵している。導体板４３３は、半導体素子１５７（図３参照）に対応している。中間導体４４０は、導体板４３３に対して複数個に分割して配置されている。その結果、複数個に分割された中間導体４４０は、導体板４３３との間で電気的に並列となる電気容量を形成する。なお、絶縁シート４４３の厚さは、中間導体４４０と絶縁シート４４３を挟む導体板４３０、４３２あるいは冷却部材３４０との間の距離が、通常動作時において、部分放電が発生しない厚さにする。

【0026】

絶縁シート４４３と封止材３６０と導体板４３３が接する部分Ｐは、電気的な観点から一般的に三重点と呼ばれる。この三重点は、比誘電率が異なる部材の境界となるため、電位集中などが発生しやすく、絶縁信頼性を高めることが要求される。また三重点は、機械的な力が加わることからもボイド、クラック、剥離などの空隙が発生しやすく、絶縁信頼性を高めることが要求される。また、三重点に限らず、導体板４３３の端部と対向する絶縁シート４４３の領域は、電力変換装置２００の稼働時に熱応力などに起因した剥離等が生じやすく、絶縁信頼性を高めることが要求される。

【0027】

絶縁シート４４３は、導電性の中間導体４４０を内蔵しているので、絶縁シート４４３内に空隙が発生した場合にその誘電率の低さにより電位が集中しても、中間導体２によりボイド等への電位集中を分担することができる。絶縁シート４４３は、絶縁シート４４３の断面において中間導体４４０が占める面積の割合が２０％以上であることが望ましい。

【0028】

図４に示すように、中間導体４４０は、絶縁シート４４３内において同じ幅で複数個に分割され、同じ間隔で配置されている。なお、中間導体４４０の分割配置される幅や間隔は一例であり、半導体モジュール３００の構造、構成、電気的特性に応じて適宜決定することができる。例えば、中間導体４４０は、少なくとも導体板４３３の端部と対向する領域において複数個に分割して配置される構成であればよい。

【0029】

絶縁シート４４３の中間導体４４０を複数個に分割しているので、仮にボイドなどにより分割された中間導体４４０が部分的に短絡しても中間導体４４０の全体が同電位にならず、短絡部以外の中間導体４４０への電位の集中を抑制することができる。

【0030】

例えば、部分Ｐで示す三重点において、電位集中や機械的な力により、ボイド、クラック、剥離などが発生したとしても、中間導体４４０の全体への電位の集中を抑制でき、絶縁信頼性を高めることができる。この結果、駆動電圧の電圧値に応じて、絶縁シート４４３の薄肉化により半導体モジュール３００の放熱性が向上し、小型化も図れる。ひいては電力変換装置２００の絶縁性能が向上し、電力変換装置２００の出力密度向上に寄与できる。

【0031】

また、三重点に限らず、導体板４３３の端部と対向する絶縁シート４４３の領域で熱応力などに起因した剥離等が発生しても、この領域で中間導体４４０を複数個に分割して配置することにより、絶縁信頼性を高めることができる。

【0032】

図５は、半導体モジュール３００の半透過平面図である。図６は、半導体モジュール３００の回路図である。

【0033】

図５、図６に示すように、正極側端子３２５Ｐ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。上アームゲート端子３２５Ｕは、上アーム回路の能動素子１５５のゲートから出力している。負極側端子３２５Ｍ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。下アームゲート端子３２５Ｌは、下アーム回路の能動素子１５７のゲートから出力している。交流側端子３２５Ａ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。

【0034】

上アームのエミッタセンス端子３２５Ｅは、上アーム回路の能動素子１５５のエミッタから、下アームのエミッタセンス端子３２５Ｅは、下アーム回路の能動素子１５７のエミッタから出力される。上アームのコレクタセンス端子３２５Ｃは、上アーム回路の能動素子１５５のコレクタから、下アームのコレクタセンス端子３２５Ｃは、下アーム回路の能動素子１５７のコレクタから出力される。

【0035】

また、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の上下に導体板（上アーム回路エミッタ側）４３０、導体板（上アーム回路コレクタ側）４３１が配置される。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の上下に導体板（下アーム回路エミッタ側）４３２、導体板（下アーム回路コレクタ側）４３３が配置される。

【0036】

本実施形態の半導体モジュール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、半導体モジュール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。

【0037】

図７は、変形例１における電気回路体４００の断面拡大図であり、図４と同様に、図３のＡ部分に相当する。図４と同一の箇所には同一の符号を付してその説明を簡略に行う。

【0038】

図４では、中間導体４４０は、絶縁シート４４３内において同じ幅で複数個に分割され、同じ間隔で配置されている例を示した。変形例１では、図７に示すように、中間導体４４０の分割数は、導体板４３３の端部と対向する領域の分割数が導体板４３３の中央部と対向する領域の分割数よりも多い。

【0039】

導体板４３３の端部と対向する絶縁シート４４３の領域は、電力変換装置２００の稼働時に熱応力などに起因した剥離等が生じやすいが、この領域で中間導体４４０の分割数を多くすることにより、絶縁信頼性を高めることができる。

【0040】

図８は、変形例２における絶縁シート４４３の平面図である。絶縁シート４４３内の中間導体４４０を斜線網掛けで、導体板４３０、４３２の端部周囲を破線で示す。なお、図５の半透過平面図に示す絶縁シート４４３、導体板４３０、４３２とはその形状が同じではないが、図８、および以下に示す図９、図１０では、分かり易くするために、模式的に図示する。

【0041】

図８に示すように、絶縁シート４４３の導体板４３０、４３２の端部周囲に位置する部分には、分割した中間導体４４０のうち面積が小さい中間導体４４０を配置する。さらに、絶縁シート４４３の端部周囲に位置する部分には、分割した中間導体４４０のうち面積が小さい中間導体４４０を配置する。

【0042】

変形例２によれば、分割された中間導体４４０が絶縁シート４４３を挟む導体板４３０、４３２あるいは冷却部材３４０のいずれかと部分的に短絡しても中間導体４４０の全体が同電位にならず、短絡部以外の中間導体４４０への電位の集中を抑制することができる。

【0043】

図９は、変形例３における絶縁シート４４３の平面図である。絶縁シート４４３内の中間導体４４０を斜線網掛けで、導体板４３０、４３２の端部周囲を破線で示す。
図９に示すように、絶縁シート４４３の中間導体４４０は球形状の格子状に分割されている。球形状の面積は導体板４３０、４３２の領域の面積より小さく、半導体モジュール３００の構造、構成、電気的特性に応じて適宜決定する。導体板４３０、４３２の端部周囲に位置する部分には、分割した中間導体４４０が適宜配置される。なお、球形状に限らず、楕円形、半円形、その他の形状であってもよく、これらの形状を混在してもよい。また、同一の形状、異なる形状を問わず、分割した中間導体４４０の面積は、同一であっても、異なってもよい。

【0044】

変形例３によれば、導体板４３０、４３２の位置に応じて中間導体４４０の分割位置や面積などを設計する手間を省略できる。そのうえで、絶縁信頼性を高めることができる。

【0045】

図１０は、変形例４における絶縁シート４４３の平面図である。絶縁シート４４３内の中間導体４４０を斜線網掛けで、導体板４３０、４３２の端部周囲を破線で示す。
図１０に示すように、絶縁シート４４３の中間導体４４０は菱形形状の格子状に分割されている。菱形形状の面積は導体板４３０、４３２の領域の面積より小さく、半導体モジュール３００の構造、構成、電気的特性に応じて適宜決定する。導体板４３０、４３２の端部周囲に位置する部分には、分割した中間導体４４０が適宜配置される。なお、菱形形状に限らず、三角形、四角形、その他の多角形であってもよく、これらの形状を混在してもよい。また、同一の形状、異なる形状を問わず、分割した中間導体４４０の面積は、同一であっても、異なってもよい。

【0046】

変形例４によれば、導体板４３０、４３２の位置に応じて中間導体４４０の分割位置や面積などを設計する手間を省略できる。そのうえで、絶縁信頼性を高めることができる。

【0047】

図１１は、変形例５における電気回路体４００の断面拡大図であり、図７と同様に、図３のＡ部分に相当する。図７と同一の箇所には同一の符号を付してその説明を簡略に行う。

【0048】

図７では、絶縁シート４４３は、中間導体４４０を絶縁シート４４３の厚み方向に一本内蔵する例を示した。変形例５では、図１１に示すように、絶縁シート４４３は、中間導体４４０を絶縁シート４４３の厚み方向に二本内蔵する。二本に限らず、複数本設けてもよい。なお、中間導体４４０と絶縁シート４４３を挟む導体板４３０、４３２あるいは冷却部材３４０との間の距離は、絶縁シート４４３の混在させたフィラー粒子の径よりも大きくする。

【0049】

中間導体４４０の本数が増えることにより、中間導体４４０と絶縁シート４４３を挟む導体板４３０、４３２あるいは冷却部材３４０のいずれかとの電位分担がより効果的になる。これにより、短絡した場合における保護を多重化することが可能になる。

【0050】

図１２は、半導体モジュール３００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、半導体モジュール３００を複数個備えており、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、更に半導体モジュール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、半導体モジュール３００に内蔵している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。

【0051】

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。インバータ回路部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。

【0052】

上アーム回路は、スイッチング用の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。

【0053】

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６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。能動素子１５５、１５７は、例えばＩＧＢＴである。

【0054】

なお、能動素子としてはＭＯＳＦＥＴ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。

【0055】

各上・下アーム直列回路の正極側端子３２５Ｐと負極側端子３２５Ｍ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半導体モジュール３００の交流側端子３２５Ａに接続されている。各相の各半導体モジュール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。

【0056】

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、下アーム用の能動素子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、１８８はコネクタである。

【0057】

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。

【0058】

図１３は、図１２に示す電力変換装置２００の外観斜視図であり、図１４は、図１３に示す電力変換装置２００のＸＶ－ＸＶ線の断面斜視図である。

【0059】

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は冷却部材３４０へ流れる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媒流入管１３および冷媒流出管１４が突出している。下部ケース１１は、上部側が開口され、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、生産もし易い。

【0060】

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、冷媒流入管１３および冷媒流出管１４が導出された面には、コネクタ２１が設けられている。

【0061】

図１４に図示されるように、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３２５Ａは、電流センサ１８０を貫通してコネクタ１８８に接続されている。また、半導体モジュール３００の直流端子である、正極側端子３２５Ｐおよび負極側端子３２５Ｍは、それぞれ、コンデンサモジュール５００の正・負極端子３６２Ａ、３６２Ｂに接合される。

【0062】

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、半導体素子１５５、１５６、１５７、１５８が接合された導体板４３０、４３１、４３２、４３３と、導体板４３０、４３１、４３２、４３３と対向して配置され、半導体素子１５５、１５６、１５７、１５８による発熱を冷却する冷却部材３４０と、導体板４３０、４３１、４３２、４３３と冷却部材３４０との間に配置される絶縁シート４４３と、を備え、絶縁シート４４３は、導体板４３０、４３１、４３２、４３３と対向する中間導体４４０を内蔵し、中間導体４４０は、半導体素子１５５、１５６、１５７、１５８の一つに対応する導体板４３０、４３１、４３２、４３３に対して複数個に分割して配置され、導体板４３０、４３１、４３２、４３３に対して電気的に並列となる電気容量を形成する。これにより、電気回路体の絶縁信頼性が向上する。

【0063】

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変形例を組み合わせた構成としてもよい。

【符号の説明】

【0064】

１０・・・上部ケース、１１・・・下部ケース、１３・・・冷媒流入管、１４・・・冷媒流出管、１７、２１、１８１、１８２、１８８・・・コネクタ、１８・・・交流ターミナル、４３、１４０、１４２・・・インバータ回路、１５５、１５６、１５７、１５８・・・半導体素子、１７２・・・制御回路、１７４・・・ドライバ回路、１８０・・・電流センサ、１９２、１９４・・・モータジェネレータ、２００・・・電力変換装置、３００・・・半導体モジュール、３１０・・・回路体、３２５Ｐ・・・正極側端子、３２５Ｍ・・・負極側端子、３２５Ａ・・・交流側端子、３２５Ｃ・・・コレクタセンス端子、３２５Ｌ・・・下アームゲート端子、３２５Ｅ・・・エミッタセンス端子、３２５Ｕ・・・上アームゲート端子、３４０・・・冷却部材、３６０・・・封止材、４００・・・電気回路体、４３０、４３１、４３２、４３３・・・導体板、４４０・・・中間導体、４４３・・・絶縁シート、４４４・・・表面導体層、４５３・・・熱伝導部材、５００・・・コンデンサモジュール。

【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】