JP5531992B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体モジュールを冷却する冷却器を備えた電力変換装置に関する。

例えば、直流電力と交流電力との間で電力変換を行う電力変換装置として、図１５に示すごとく、半導体素子を内蔵した半導体モジュール９２と、平滑用のコンデンサ９６と、半導体モジュール９２およびコンデンサ９６を冷却する冷却器９３とを備えたものが知られている（下記特許文献１参照）。

この電力変換装置９では、冷却器９３は直方体形状を呈しており、冷媒が流れる流路９７が冷却器９３の内部に形成されている。冷却器９３の一方の主面９３１にはコンデンサ９６が搭載され、他方の主面９３２には半導体モジュール９２が搭載されている。流路９７に冷媒を流すことにより、コンデンサ９６と半導体モジュール９２とを冷却している。

半導体モジュール９２は、被制御電流を入出力するためのパワー端子９２１を備える。パワー端子９２１とコンデンサ９６とは、バスバー９５によって電気的に接続されている。また、コンデンサ９６、冷却器９３等は、収納ケース９０内に収納されている。

特開２００５−１５１７４７号公報

しかしながら、上記電力変換装置９においては、コンデンサ９６の冷却効率を向上させる余地がある。すなわち、コンデンサ９６は直方体形状を呈しているが、その６個の表面のうち１個の表面９６１のみが冷却器９３に接触しており、他の表面は冷却器９３に接触していない。それゆえ、コンデンサ９６と冷却器９３との接触面積を大きくし難いため、コンデンサ９６の冷却効率を向上し難いという問題があった。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、コンデンサをより効果的に冷却できる電力変換装置を提供しようとするものである。

本発明は、電力変換回路の一部を構成する半導体素子を内蔵した半導体モジュールと、
該半導体モジュールを冷却する冷却器と、
上記半導体モジュールに加わる電圧を平滑化するコンデンサと、
上記半導体モジュールと上記冷却器と上記コンデンサとを保持する金属製のフレームと、
上記コンデンサと上記半導体モジュールとを電気的に接続するバスバーとを備え、
上記フレームには、上記冷却器を固定する冷却器固定部と、上記コンデンサを収容する収容凹部とが形成されており、
上記コンデンサは、上記収容凹部内に設けたコンデンサ素子と、該コンデンサ素子を上記収容凹部内に封止する封止部材とを有し、
上記冷却器は、上記半導体モジュールを冷却する冷媒が流れる複数の冷媒流路からなり、複数の上記半導体モジュールと上記複数の冷媒流路とが積層されて積層体を構成しており、上記半導体モジュールは、上記半導体素子を内蔵する本体部と、該本体部から突出すると共に上記バスバーに接続されるパワー端子とを備え、上記収容凹部は、上記積層体に対して、上記冷媒流路の長手方向に隣接する位置に形成され、上記収容凹部は、上記パワー端子の突出方向に立設した側壁部によって囲まれると共に上記パワー端子の突出方向に開口してなり、上記バスバーは、上記パワー端子に接続した複数の端子接続部と、該複数の端子接続部に接続し該端子接続部よりも上記長手方向における上記収容凹部側に位置する共通部とを備えることを特徴とする電力変換装置にある（請求項１）。

上記電力変換装置においては、上記冷却器が固定された上記冷却器固定部を備えた上記フレームに、上記収容凹部を形成し、この収容凹部内にコンデンサを収容してある。そして、フレームは熱伝導率が高い金属製である。そのため、冷却器によって、フレームを介してコンデンサを冷却することができる。
また、コンデンサは、フレームの収容凹部内に収容されているため、フレームとの接触面積を大きくしやすい。そのため、コンデンサの冷却効率を高めることができる。

また、上記電力変換装置においては、半導体モジュールを冷却する冷却器を用いて、コンデンサを効果的に冷却できるため、コンデンサの冷却のために別途冷却手段を設ける必要がない。それゆえ、部品点数の増加や、電力変換装置の大型化を招くことなく、コンデンサの冷却効率を向上させることができる。

以上のごとく、本発明によれば、コンデンサをより効果的に冷却できる電力変換装置を提供することができる。

参考例１における、電力変換装置の平面図。 図１のＡ−Ａ断面図。 実施例１における、電力変換装置の平面図。 図３のＢ−Ｂ断面図。 実施例１における、フレームの平面図。 図５のＣ矢視図。 実施例１における、フレームに積層体を固定した状態の平面図。 実施例１における、図７のフレームにコンデンサ素子及び負極バスバーを取り付けた状態の平面図。 図８のＤ−Ｄ断面図。 実施例１における、半導体モジュールと冷媒流路とを一体化した例。 実施例２における、電力変換装置の平面図。 図１１のＦ−Ｆ断面図。 図１１のＥ−Ｅ断面図。 図１２の要部拡大図。 従来例における、電力変換装置の断面図。

上述した本発明における好ましい実施の形態につき説明する。
本発明において、上記冷却器は、上記半導体モジュールを搭載するモジュール搭載面を備え、上記冷却器内に設けられた流路を流れる冷媒によって上記半導体モジュールを冷却しており、上記収容凹部は、上記冷却器に対して、上記冷媒が上記流路内を流れる方向と上記モジュール搭載面の法線方向との双方に直交する横幅方向に隣接する位置に設けられ、上記収容凹部は、上記法線方向に立設した側壁部によって囲まれると共に上記法線方向に開口してなり、上記半導体モジュールは、上記収容凹部の開口部に対して、上記横幅方向に隣接する位置に配置され、上記半導体モジュールは、上記半導体素子を内蔵する本体部と、上記バスバーに接続されるパワー端子とを備え、該パワー端子は、上記本体部から上記横幅方向に向かって上記収容凹部側へ突出していてもよい。
この場合には、収容凹部の開口部に近接する位置に、半導体モジュールのパワー端子を配置することができる。そのため、収容凹部内に収容されたコンデンサとパワー端子とを接続するバスバーの長さを短くすることができる。これにより、バスバーのインダクタンスＬを小さくすることができ、半導体素子がスイッチング動作した場合に生じるサージ電圧Ｖ（＝−Ｌ・ｄＩ／ｄｔ）を低減することが可能になる（ここでｄＩ／ｄｔは電流Ｉの時間ｔによる微分係数を表す）。そのため、半導体素子として、耐圧が低く安価なものを使用することが可能になり、電力変換装置の製造コストを低減することができる。

また、上記冷却器は、上記半導体モジュールを冷却する冷媒が流れる複数の冷媒流路からなり、複数の上記半導体モジュールと上記複数の冷媒流路とが積層されて積層体を構成しており、上記半導体モジュールは、上記半導体素子を内蔵する本体部と、該本体部から突出すると共に上記バスバーに接続されるパワー端子とを備え、上記収容凹部は、上記積層体に対して、上記冷媒流路の長手方向に隣接する位置に形成され、上記収容凹部は、上記パワー端子の突出方向に立設した側壁部によって囲まれると共に上記パワー端子の突出方向に開口してなり、上記バスバーは、上記パワー端子に接続した複数の端子接続部と、該複数の端子接続部に接続し該端子接続部よりも上記長手方向における上記収容凹部側に位置する共通部とを備えている。
したがって、収容凹部を、積層体に対して、上記長手方向に隣接する位置に形成してあるため、積層体を構成する各半導体モジュールから収容凹部に設けられたコンデンサまでの距離を短くできると共に、該距離を、すべての半導体モジュールについて等しくすることができる。そのため、すべての上記端子接続部の、上記長手方向における長さを短くでき、かつ均一にすることができる。これにより、端子接続部のインダクタンスＬの総和を小さくすることができ、半導体素子がスイッチング動作した場合に生じるサージ電圧Ｖ（＝−Ｌ・ｄＩ／ｄｔ）を低減することが可能になる。そのため、半導体素子として、耐圧が低く安価なものを使用することが可能になり、電力変換装置の製造コストを低減することができる。

また、上記半導体モジュールは、上記本体部から上記パワー端子と同一方向に突出する出力端子を備え、該出力端子に出力用バスバーが接続しており、上記出力用バスバーには、該出力用バスバーに流れる電流を検出するための電流センサが設けられ、該電流センサは、上記長手方向において、上記積層体を挟んで上記コンデンサの反対側に配置されていることが好ましい（請求項２）。
この場合には、コンデンサと電流センサとの間に、上記冷却器を含む積層体が介在するため、コンデンサと電流センサとの熱干渉を防止することができる。例えば、コンデンサから発生した熱が電流センサに伝わって、電流センサの温度が上昇する不具合を防止できる。また、電流センサから発生した熱がコンデンサに伝わって、コンデンサの温度が上昇する不具合を防止できる。これにより、コンデンサや電流センサの温度上昇を抑制でき、これらの部品を長寿命化することができる。

また、個々の上記半導体モジュールは一対の上記パワー端子を備え、各々のパワー端子に上記バスバーが接続しており、一対の上記バスバーは、上記パワー端子の突出方向に所定間隔をおいて対向配置され、上記一対のバスバーのうち、上記本体部から遠い位置に配された遠方バスバーの上記共通部には、上記本体部から近い位置に配された近接バスバーの上記端子接続部に対応する位置に、板厚方向へ貫通した接続用開口部が形成されていることが好ましい（請求項３）。
この場合には、遠方バスバーの共通部に、上記接続用開口部が形成されているため、近接バスバーの端子接続部とパワー端子とを接続する作業を、接続用開口部を通して行うことができる。そのため、この接続作業を行いやすくなる。
また、電力変換装置の製造時は、遠方バスバーと近接バスバーとを、パワー端子に対して別々に接続する必要がなくなる。すなわち、遠方バスバーと近接バスバーとを、予めコンデンサ素子に接続した後、コンデンサ素子を収容凹部に収容し、これらのバスバーの端子接続部をそれぞれパワー端子に接続できる。そのため、接続作業を早く行うことが可能になり、スループットを向上させることができる。

（参考例１）
本発明の参考例にかかる電力変換装置につき、図１及び図２を用いて説明する。本例の電力変換装置１は、半導体モジュール２と、冷却器３と、コンデンサ６と、フレーム４と、バスバー５とを備える。
半導体モジュール２は、電力変換回路の一部を構成する半導体素子を内蔵する。冷却器３は、半導体モジュール２を冷却している。コンデンサ６は、半導体モジュール２に加わる電圧を平滑化する。

フレーム４は金属製であり、半導体モジュール２と冷却器３とコンデンサ６とを保持している。バスバー５は、コンデンサ６と半導体モジュール２とを電気的に接続している。
フレーム４には、冷却器３を固定する冷却器固定部４０と、コンデンサ６を収容する収容凹部４１とが形成されている。そして、コンデンサ６は、収容凹部４１内に設けたコンデンサ素子６０と、該コンデンサ素子６０を収容凹部４１内に封止する封止部材６１とによって構成されている。

フレーム４は、収容凹部４１の開口部４１０側から見た平面形状が、図１に示すごとく、略矩形状である。そして、この矩形における一つの長辺に沿って、その全長にわたり、収容凹部４１が略矩形状に形成されている。また、フレーム４における収容凹部４１が形成された領域以外の部分が、上記冷却器固定部４０となっている。収容凹部４１は、図２に示すごとく、矩形状のコンデンサ底壁部４０５と、コンデンサ底壁部４０５の周縁の４辺からそれぞれ開口方向へ立設した側壁部４６とによって形成されている。

冷却器固定部４０も、上記開口部４１０側から見た平面形状が略矩形状を呈しており、矩形状の冷却底壁部４００と、冷却底壁部４００の周縁の４辺からそれぞれ開口方向へ立設した冷却側壁部４９とによって形成され、収容凹部４１の開口方向と同一方向に開口している。

収容凹部４１と冷却器固定部４０とは、両者の間に配される一つの隔壁部４０９を、側壁部４６及び冷却側壁部４９として共有している。

コンデンサ６は、複数のコンデンサ素子６０と、該コンデンサ素子６０を収容凹部４１内において封止する封止部材６１とから構成されている。コンデンサ素子６０はフイルムコンデンサであり、その両端面が電極面６５になっている。また、封止部材４１はエポキシ樹脂等の合成樹脂からなる。
なお、本例では図１に示すごとく、複数のコンデンサ素子６０を収容凹部４１内に、ｘ方向の略全域にわたって、一列に並べて収容してある。ただし複数のコンデンサ素子６０は、二列以上に並べて収容してもよい。

冷却器３は、直方体形状を呈しており、図２に示すごとく、フレーム４の冷却底壁部４００に接触する底部３００と、底部３００の周縁から冷却器固定部４０の開口部に向かって立設し冷却側壁部４９に接触する側部３０１と、側部３０１のｚ方向における開口側端部を連結するように底部３００に対向配置された天井部３０２とを備え、冷媒１２が通る流路３１が内部に形成されている。天井部３０２の外面は、半導体モジュール２を搭載して冷却するためのモジュール搭載面３０になっている。また、天井部３０２の内面には、底部３００に向かって延びる複数のフィン３２が設けられている。このフィン３２によって冷媒１２との接触面積を増やし、半導体モジュール２の冷却効率を高めている。

モジュール搭載面３０は、フレーム４における冷却側壁部４９の開口側端面４９ａよりも冷却底壁部４００側に位置している。

図１に示すごとく、冷却器固定部４０を構成する冷却側壁部４９のうち、フレーム４の長手方向（ｘ方向）に直交する冷却側壁部４９ａ，４９ｂには、それぞれ導入パイプ１１ａ，導出パイプ１１ｂが設けられている。これら導入パイプ１１ａ、導出パイプ１１ｂは冷却器３の上記側部３０１から上記流路３１に連通している。導入パイプ１１ａから冷媒１２を導入すると、冷媒１２は流路３１内を通り、フレーム４の長手方向（ｘ方向）に流れて、導出パイプ１１ｂから導出される。これにより、冷媒１２が冷却器３の天井部３０２を通して半導体モジュール２と熱交換することによって、半導体モジュール２を冷却している。

収容凹部４１は、冷却器固定部４０に対して、冷媒１２の流れる方向（ｘ方向）とモジュール搭載面３０の法線方向（ｚ方向）との双方に直交する横幅方向（ｙ方向）に隣接する位置に設けられている。

半導体モジュール２は、ＩＧＢＴ素子等の半導体素子を内蔵した本体部２０と、パワー端子２１と、出力端子２３と、制御端子２２とを備える。本体部２０は直方体形状を呈しており、一方の主表面２０１が冷却器３のモジュール搭載面３０に接触している。図１に示すごとく、複数個の半導体モジュール２が、ｘ方向に一列に並んでいる。個々の半導体モジュール２は、本体部２０の長手方向がｙ方向を向き、また、出力端子２３の突出方向が、ｙ方向であってコンデンサ６と反対側を向いている。半導体モジュール２は、収容凹部４１の開口部４１０に対して、横幅方向（ｙ方向）に隣接する位置に配置されている。

本体部２０の他方の主表面２０２は、隔壁部４０９の開口側端面４０９ａを含めた冷却側壁部４９の開口側端面４９ａよりも、ｚ方向において、冷却底壁部４００から遠い位置に存在している。

パワー端子２１には、直流電源（図示しない）の正電極に接続される正極端子２１ａと、直流電源の負電極に接続される負極端子２１ｂとがある。正極端子２１ａと負極端子２１ｂとは、それぞれ板状である。上記出力端子２３は、交流負荷に接続される。図２に示すごとく、正極端子２１ａは、本体部２０の他方の主表面２０２に設けられており、負極端子２１ｂは、本体部２０の側面２０３に設けられている。負極端子２１ｂは、正極端子２１ａよりもモジュール搭載面３０側に位置している。正極端子２１ａと負極端子２１ｂとは、ｙ方向に突出し、隔壁部４０９を跨いで収容凹部４１の開口部４１０付近まで延びている。
なお、正極端子２１ａと負極端子２１ｂとは、互いの位置を逆にしてもよい。

半導体モジュール２の制御端子２２は、図示しない制御回路基板に接続されている。制御回路基板が半導体モジュール２内の半導体素子を制御することにより、正極端子２１ａと負極端子２１ｂとの間に印加される直流電圧を交流電圧に変換し、出力端子２３から出力している。

図２に示すごとく、正極端子２１ａには正極バスバー５ａが接続しており、負極端子２１ｂには負極バスバー５ｂが接続している。正極バスバー５ａは、コンデンサ素子６０の２つの電極面６５ａ，６５ｂのうち、開口部４１０に近い電極面６５ａに接続している。また、負極バスバー５ｂは、底壁４００に近い電極面６５ｂに接続している。

バスバー５ａ，５ｂは、それぞれコンデンサ接続部５２と、中間部５１と、端子接続部５０とを備える。コンデンサ接続部５２は、複数個のコンデンサ素子６０の電極面６５に接続しており、収容凹部４１の開口部４１０側から見た平面形状が、図１に示すごとく、略矩形状である。このコンデンサ接続部５２の、ｙ方向における冷却器３側の端縁から、複数の中間部５１が開口部４１０側へ立設している。また、中間部５１のｚ方向におけるコンデンサ接続部５２と反対側の端部から、端子接続部５０が半導体モジュール２側へ延出している。端子接続部５０は、隔壁部４０９を跨いで冷却器３側まで延びている。端子接続部５０の主面５００は、パワー端子２１の主面２１０に接続している。

本例の作用効果について説明する。本例の電力変換装置１においては、冷却器３が固定された冷却器固定部４０を備えたフレーム４に、収容凹部４１を形成し、この収容凹部４１内にコンデンサ６を収容してある。そして、フレーム４は熱伝導率が高い金属製である。そのため、冷却器３によって、フレーム４を介してコンデンサ６を冷却することができる。
また、コンデンサ６は、フレーム４の収容凹部４１内に収容されているため、フレーム４との接触面積を大きくしやすい。そのため、コンデンサ６の冷却効率を高めることができる。

また、本例の電力変換装置１においては、半導体モジュール２を冷却する冷却器３を用いて、コンデンサ６を効果的に冷却できるため、コンデンサ６の冷却のために別途冷却手段を設ける必要がない。それゆえ、部品点数の増加や、電力変換装置１の大型化を招くことなく、コンデンサ６の冷却効率を向上させることができる。

また、本例では図１に示すごとく、半導体モジュール２は、収容凹部４１の開口部４１０に対して、横幅方向（ｙ方向）に隣接する位置に配置されている。そして、半導体モジュール２のパワー端子２１は、本体部２０から横幅方向（ｙ方向）に向かって収容凹部４１側へ突出している。
このようにすると、収容凹部４１の開口部４１０に近接する位置に、半導体モジュール２のパワー端子２１を配置することができる。そのためバスバー５の、上記端子接続部５０のｙ方向における長さを短くすることができる。これにより、バスバー５のインダクタンスＬを小さくすることができ、半導体素子がスイッチング動作した場合に生じるサージ電圧Ｖ（＝−Ｌ・ｄＩ／ｄｔ）を低減することが可能になる。そのため、半導体素子として、耐圧が低く安価なものを使用することが可能になり、電力変換装置１の製造コストを低減することができる。

また、本例では、封止部材６１を使ってコンデンサ素子６０を収容凹部４１内に封止しているため、コンデンサ６をフレーム４に固定するためのボルト等が不要である。そのため、部品点数を少なくすることができ、電力変換装置１の製造コストを低減できる。

また、本例では、電力変換装置１の製造時に、収容凹部４１内にコンデンサ素子６０を収容したり、冷却器固定部４０に冷却器３を収納したりする作業を、Ｚ方向における開口部４１０からコンデンサ底壁部４０５に向かって、全て同一方向から行うことができる。そのため、製造作業を行う際に、フレーム４の向きを反転させる必要が無く、電力変換装置１を容易に製造することができる。

以上のごとく、本例によれば、コンデンサをより効果的に冷却できる電力変換装置を提供することができる。

（実施例１）
本例は、図３、図４に示すごとく、複数の冷却管３５によって冷却器３を構成した例である。この冷却管３５の内部に、半導体モジュール２を冷却するための冷媒１２が流れる冷媒流路３５０が形成されている。本例では、複数の半導体モジュール２と複数の冷却管３５（冷媒流路３５０）とが積層されて積層体１０を構成している。半導体モジュール２は、半導体素子を内蔵する本体部２０と、該本体部２０から突出すると共にバスバー５に接続されるパワー端子２１とを備える。収容凹部４１は、積層体１０に対して、冷媒流路３５０の長手方向（Ｙ方向）に隣接する位置に形成されている。収容凹部４１は、パワー端子２１の突出方向（Ｚ方向）に立設した側壁部４６によって囲まれると共にパワー端子２１の突出方向（Ｚ方向）に開口してなる。バスバー５は、パワー端子２１に接続した複数の端子接続部５６と、該複数の端子接続部５６に接続し端子接続部５６よりもＹ方向における収容凹部４１側に位置する共通部５５とを備える。

フレーム４は、収容凹部４１の開口部４１０側から見た平面形状が、図５に示すごとく、略矩形状である。そして、この矩形における一つの長辺に沿って、その全長にわたり、収容凹部４１が略矩形状に形成されている。また、フレーム４における収容凹部４１が形成された領域以外の部分が、冷却器固定部４０となっている。収容凹部４１は、図６に示すごとく、矩形状のコンデンサ底壁部４０５と、コンデンサ底壁部４０５の周縁の４辺からそれぞれ開口方向へ立設した側壁部４６とによって形成されている。

フレーム４の冷却器固定部４０は、板状の底部４５０と、底部４５０から該底部４５０の板厚方向（Ｚ方向）へ突出した固定用壁部４３及び載置壁部４２からなる。底部４５０とコンデンサ底壁部４０５とは略平行である。

底部４５０における固定用壁部４３と載置壁部４２との間の一部には、底部４５０の板厚方向に貫通する矩形状の穴部４５が形成されている。固定用壁部４３は穴部４５における載置壁部４２と反対側の辺に沿って、載置壁部４２と対向するように側壁部４６の立設方向と同一方向に立設している。載置壁部４２は、図５、図６に示すごとく、底部４５０のＸ方向における一方の端部から、Ｚ方向に向かって開口部４１０側およびコンデンサ底壁部４０５側の両方に突出し、Ｘ方向に垂直に形成されている。載置壁部４２には、パイプ１１が係合する凹部４４が形成されている。

半導体モジュール２は、半導体素子を内蔵した本体部２０と、該本体部２０から突出したパワー端子２１を備える。本体部２０は、直方体形状を呈する。参考例１と同様に、半導体モジュール２はパワー端子２１として、正極端子２１ａと負極端子２１ｂとを備える（図３、図４参照）。また、半導体モジュール２は、交流負荷に接続される出力端子２３を備える。図４に示すごとく、パワー端子２１および出力端子２３は、本体部２０の一方の側面２９０から、側壁部４６の立設方向と同一方向に突出している。また、本体部２０の他方の側面２９１から、複数の制御端子２２が、パワー端子２１及び出力端子２３とは反対方向に突出している。制御端子２２は、図示しない制御回路基板に接続される。

本体部２０の一方の側面２９０は、側壁部４６の開口側端縁４６ｂよりも、Ｚ方向においてコンデンサ底壁部４０５側に位置している。

正極端子２１ａは、負極端子２１ｂよりもＺ方向における開口部４１０側に突出している。負極端子２１ｂの先端面２１０ｂと、出力端子２３の先端面２３０とは、側壁部４６の開口側端縁４６ｂよりも、Ｚ方向においてコンデンサ底壁部４０５側に位置している。正極端子２１ａの先端面２１０ａは、側壁部４６の開口側端縁４６ｂよりも、Ｚ方向においてコンデンサ底壁部４０５から遠い位置に存在している。
なお、正極端子２１ａの先端面２１０ａは、側壁部４６の開口側端縁４６ｂよりも、Ｚ方向においてコンデンサ底壁部４０５側に位置していてもよい。また、正極端子２１aと負極端子２１bとは、互いの位置を逆としてもよい。

図３、図７に示すごとく、積層体１０の積層方向（Ｘ方向）に隣り合う２個の冷却管３５は、該冷却管３５の長手方向（Ｙ方向）の両端部において、連結管３６によって連結されている。また、複数の冷却管３５のうち、積層方向（Ｘ方向）の一端に位置する冷却管３５ａには、一対のパイプ１１が取り付けられている。一方のパイプ１１ａから冷媒１２を導入すると、冷媒１２は冷却管３５および連結管３６内を通り、他方のパイプ１１ｂから導出する。これにより、半導体モジュール２を冷却している。

また、冷却管３５ａと載置壁部４２との間であって、パイプ１１ａ，１１ｂの間には、ばね部材１４が設けられている。このばね部材１４を使って、積層体１０を固定用壁部４３へ向けて押圧することにより、積層体１０をフレーム４に固定している。
なお、本例では、載置壁部４２と冷却管３５ａとの間にばね部材１４を配置したが、固定用壁部４３と冷却管３５ｂとの間にばね部材１４を配置し、積層体１０を載置壁部４２側へ押圧してもよい。

図４に示すごとく、冷却器固定部４０の底部４５０の穴部４５内に、本体部２０の一部が位置している。また、冷却管３５のＹ方向における両端部は、底部４５０上に載置されている。

図３に示すごとく、Ｘ方向の他端に位置する冷却管３５ｂは、Ｘ方向に直交する面であって、半導体モジュール２と反対側の面において、固定用壁部４３に接触している。また、冷却管３５ｂを含めた少なくとも２つ以上の冷却管３５は、図４に示すごとく、Ｙ方向の両端部において、底部４５０に接触している。

本例では、参考例１と同様に、コンデンサ素子６０として、フイルムコンデンサを用いている。コンデンサ素子６０の両端面は、バスバー５と接続するための電極面６５になっている。２個の電極面６５ａ，６５ｂは、コンデンサ底壁部４０５と略平行である。正極バスバー５ａは、コンデンサ素子６０の電極面６５ａ，６５ｂのうち、収容凹部４１の開口部４１０に近い電極面６５ａに接続している。また、図９に示すごとく、負極バスバー５ｂは、コンデンサ底壁部４０５に近い電極面６５ｂに接続している。

上述したように、バスバー５ａ，５ｂは、共通部５５と、該共通部５５からＹ方向に延出した複数の端子接続部５６とを備える。図３、図４に示すごとく、正極バスバー５ａは、共通部５５ａを挟んで端子接続部５６と反対側に、複数のコンデンサ素子６０の電極面６５ａに接続したコンデンサ接続部５８ａと、折曲部５７ａとを備える。折曲部５７ａは、共通部５５ａとコンデンサ接続部５８ａとを接続すると共に、Ｚ方向へ凸となる状態で断面略コ字状に屈曲してなる。内側側壁部４６ａの開口側端縁４６ｂと折曲部５７ａとの間には、これらを電気的に絶縁するための絶縁部材１５が介在している。

絶縁部材１５は、図４に示すごとく、内側側壁部４６ａの開口側端縁４６ｂを内側に嵌入させるように断面コ字状に形成されている。また、図３に示すごとく、絶縁部材１５の、Ｘ方向における両端部には、Ｚ方向に突出した位置決め部１５０が形成されている。この一対の位置決め部１５０の間に、折曲部５７ａが位置している。

なお、本例では、正極バスバー５ａを４箇所折り曲げることにより折曲部５７ａを断面略コ字状に形成したが、内側側壁部４６ａの開口側端縁４６ｂを乗り越える部分を湾曲させて断面略Ｕ字状にしてもよい。

コンデンサ接続部５８ａは、図３に示すごとく、収納凹部４１の開口部４１０から見た平面形状が矩形状である。Ｙ方向において、共通部５５ａは内側側壁部４６ａから半導体モジュール２の負極端子２１ｂ付近までの長さを有する。また、Ｙ方向において、端子接続部５６ａの長さは、半導体モジュール２の正極端子２１ａと略同一である。個々の端子接続部５６ａは、Ｘ方向の一方を向く端面５６０において、正極端子２１ａの主面に接続している。

図４に示すごとく、共通部５５ａ及び端子接続部５６ａは、互いの主表面が面一である。

図８、図９に示すごとく、負極バスバー５ｂも正極バスバー５ａと同様の構造を有する。Ｘ方向における、負極バスバー５ｂの共通部５５ｂの長さは、正極バスバー５ａの共通部５５ａ（図３参照）と略同一である。また、Ｙ方向における、負極バスバー５ｂの端子接続部５６ｂの長さは、負極端子２１ｂと略同一である。負極バスバー５ｂのコンデンサ接続部５８ｂは、コンデンサ素子６０の、底部側の電極面６５ｂに接続している。Ｚ方向において、負極バスバー５ｂの共通部５５ｂ及び端子接続部５６ｂは、正極バスバー５ａ（図４参照）の共通部５５ａ及び端子接続部５６ａよりもコンデンサ底壁部４０５側に位置している。
なお、図８、図９は、電力変換装置１を製造する途中段階を表した図であって、収納凹部４１内に封止部材６１を注入していない状態の平面図および断面図である。

本例では、冷媒流路３５０を内部に有する複数の冷却管３５と、複数の半導体モジュール２とを積層して積層体１０を構成したが、図１０に示すごとく、半導体素子を内蔵した半導体モジュール２の本体部２０を、積層方向（Ｘ方向）に直交する方向から間に空間を設けつつ囲むと共に、本体部２０よりも積層方向（Ｘ方向）の幅の大きい枠部７０を本体部２０と一体に備えた冷却器一体型半導体モジュール７を積層することで、半導体モジュール２と冷媒流路３５０とが積層される構造にしてもよい。

次に、電力変換装置１の製造方法について説明する。まず、図５、図６に示すごとく、金属製のフレーム４を用意する。そして、図７に示すごとく、フレーム４に積層体１０を載置する。この際、フレーム４の穴部４５に半導体モジュール２の制御端子２２を差し入れ、冷却管３５のＹ方向における両端部を底部４５０上に載置させる。その後、冷却管３５ａと載置壁部４２との間の空間に、その空間のＸ方向の幅よりも全長が短くなるように圧縮変形させたばね部材１４を挿入する。そして、ばね部材１４の圧縮を解除することで、ばね部材１４の復元力を使って積層体１０を固定用壁部４３に向けて押圧する。これにより、積層体１０をフレーム４に固定する。また、内側側壁部４６ａの切欠部４７に絶縁部材１５を取り付ける。
なお、本例ではばね部材１４としてコイルばねを用いたが、板ばね等、他の種類のばねを用いてもよい。

次に、図８、図９に示すごとく、コンデンサ素子６０の電極面６５ｂに負極バスバー５ｂを接続した状態で、該コンデンサ素子６０を収容凹部４１内に収容すると共に、負極バスバー５ｂに形成した折曲部５７を絶縁部材１５に係合させる。その後、負極バスバー５ｂと負極端子２１ｂとを溶接する。

次いで、図３、図４に示すごとく、正極バスバー５ａに形成した折曲部５７を絶縁部材１５に係合させる。そして、正極バスバー５ａと正極端子２１ａとを溶接する。次いで、正極バスバー５ａをコンデンサ素子６０の電極面６５ａに溶接する。その後、流動状態の封止部材６１（合成樹脂）を収容凹部４１に入れ、固化させる。これにより、コンデンサ素子６０を封止する。

なお、本例では、コンデンサ素子６０と正極バスバー５ａを予め分離しておき、コンデンサ素子６０を収容凹部４１に収容した後に、正極バスバー５ａを取り付けたが、コンデンサ素子６０に正極バスバー５ａおよび負極バスバー５ｂを予め接続した状態で、コンデンサ素子６０を収容凹部４１に収容し、その後、正極バスバー５ａ及び負極バスバー５ｂをパワー端子２１に溶接してもよい。
その他、参考例１と同様の構成を備える。

本例の作用効果について説明する。本例では、収容凹部４１を、積層体１０に対して、長手方向（Ｙ方向）に隣接する位置に形成してあるため、積層体１０を構成する各半導体モジュール２から収容凹部４１に設けられたコンデンサ６までの、Ｙ方向の距離を短くできると共に、該距離を、すべての半導体モジュール２について等しくすることができる。そのため、すべての端子接続部５６のＹ方向の長さを短くでき、かつ均一にすることができる。これにより、端子接続部５６のインダクタンスＬの総和を小さくすることができ、半導体素子がスイッチング動作した場合に生じるサージ電圧Ｖ（＝−Ｌ・ｄＩ／ｄｔ）を低減することが可能になる。そのため、半導体素子として、耐圧が低く安価なものを使用することが可能になり、電力変換装置１の製造コストを低減することができる。
その他、参考例１と同様の作用効果を備える。

（実施例２）
本例は、図１１〜図１４に示すごとく、電流センサ８を設けた例である。本例の半導体モジュール２は、実施例１と同様に、本体部２０からパワー端子２１と同一方向（Ｚ方向）に突出する出力端子２３を備える。個々の出力端子２３に出力用バスバー７５が接続している。
図１１に示すごとく、複数の出力用バスバー７５が樹脂部材７６によって封止されている。この樹脂部材７６は、出力用バスバー７５の端子台７を構成している。出力用バスバー７５は、図１１、図１４に示すごとく、接続部７５１と、立設部７５２とを備える。接続部７５１は、出力端子２３に接続され、Ｙ方向におけるコンデンサ素子６の反対側へ延出している。立設部７５２は、接続部７５１の端部から、出力端子２３と同一方向（Ｚ方向）へ立設している。接続部７５１と立設部７５２の一部は、樹脂部材７６によって封止されている。複数の接続部７５１のうち、一部の接続部７５１は、樹脂部材７６内において、矩形状に屈曲している。

樹脂部材７６は、出力用バスバー７５と共に、該出力用バスバー７５に流れる電流を検出するための電流センサ８を封止している。電流センサ８は、図１３、図１４に示すごとく、磁性体からなるコア８０と、ホール素子８１と、電子回路基板８２と、配線８３とからなる。図１３に示すごとく、複数の出力用バスバー７５は、三相交流モータを駆動するための交流出力部（ＭＧ１，ＭＧ２）と、昇圧用バスバー７５５とを構成している。交流出力部ＭＧ１，ＭＧ２は、それぞれ三相交流モータのＵ相、Ｖ相、Ｗ相に対応した出力用バスバー７５からなる。交流出力部ＭＧ１，ＭＧ２の、Ｕ相及びＷ相に対応した出力用バスバー７５と、昇圧用バスバー７５５とに、コア８０及びホール素子８１が取り付けられている。

コア８０は、出力用バスバー７５の接続部７５１を取り囲むよう環状に形成されており、隙間８０ｄを備える。各々のコア８０の隙間８０ｄに、ホール素子８１が設けられている。配線８３は、電子回路基板８２とホール素子８１とを接続している。

電子回路基板８２は、ホール素子８１から送信されるセンサ信号に基づいて、出力用バスバー７５に流れる電流を検知する。電子回路基板８２は、上述した制御回路基板に接続している。制御回路基板は、電流センサ８によって検出した電流値を、半導体モジュール２の制御にフィードバックする。

また、図１１、図１２に示すごとく、個々の半導体モジュール２は、実施例１と同様に、正極端子２１ａと負極端子２１ｂとの、２個のパワー端子２１を備える。正極端子２１ａには正極バスバー５ａが接続され、負極端子２１ｂには負極バスバー５ｂが接続されている。正極バスバー５ａ及び負極バスバー５ｂは、実施例１と同様に、パワー端子２１に接続する端子接続部５６と、共通部５５と、折曲部５７と、コンデンサ接続部５８とを備える。正極バスバー５ａと負極バスバー５ｂとは、Ｚ方向に所定間隔をおいて対向配置されている。本例では、正極バスバー（遠方バスバー）５ａは、負極バスバー（近接バスバー）５ｂよりも本体部２０から離れた位置に配されている。正極バスバー（遠方バスバー）５ａの共通部５５ａには、負極バスバー（近接バスバー）５ｂの端子接続部５６ｂに対応する位置に、板厚方向（Ｚ方向）に貫通した接続用開口部５５０が形成されている。

本例の電力変換装置１を製造する際には、コンデンサ素子６０と、正極バスバー５ａと、負極バスバー５ｂとを予め接続したものを用意し、コンデンサ素子６０を収容凹部４１に収容すると共に、正極バスバー５ａの端子接続部５６ａを正極端子２１ａに接続する。また、負極バスバー５ｂの端子接続部５６ｂを負極端子２１ｂに接続する。この際、上記接続用開口部５５０から接続用の工具（溶接具や、はんだ接続用のこて）を挿入し、この工具を使って、端子接続部５６ｂと負極端子２１ｂを接続する。

なお、本例では、正極バスバー５ａを、負極バスバー５ｂよりも本体部２０から離れた位置に配置したが、これを逆にしてもよい。すなわち、負極バスバー５ｂを、本体部２０から離れた位置に配置した遠方バスバーとし、正極バスバー５ａを、本体部２０に近い位置に配置した近接バスバーとしてもよい。
その他、実施例１と同様の構成を備える。

本例の作用効果について説明する。本例では、出力用バスバー７５に流れる電流を測定するための電流センサ８を設けた。電流センサ８は、Ｙ方向において、積層体１０を挟んでコンデンサ６の反対側に配されている。
このようにすると、コンデンサ６と電流センサ８との間に、冷却器３（冷却管３５）を含む積層体１０が介在するため、コンデンサ６と電流センサ８との熱干渉を防止することができる。例えば、コンデンサ６から発生した熱が電流センサ８に伝わって、電流センサ８の温度が上昇する不具合を防止できる。また、電流センサ８から発生した熱がコンデンサ６に伝わって、コンデンサ６の温度が上昇する不具合を防止できる。これにより、コンデンサ６や電流センサ８の温度上昇を抑制でき、これらの部品を長寿命化することができる。

また、図１１、図１２に示すごとく、本例の電力変換装置１は、パワー端子２１ａ，２１ｂに接続した一対のバスバー５ａ，５ｂを備える。一対のバスバー５ａ，５ｂは、パワー端子２１の突出方向（Ｚ方向）に所定間隔をおいて対向配置されている。一対のバスバー５ａ，５ｂのうち、本体部２０から遠い位置に配された遠方バスバー５ａの共通部５５ａには、本体部２０から近い位置に配された近接バスバー５ｂの端子接続部５６ｂに対応する位置に、板厚方向へ貫通した接続用開口部５５０が形成されている。
このようにすると、遠方バスバー５ａの共通部５５ａに、接続用開口部５５０が形成されているため、近接バスバー５ｂの端子接続部５６ｂとパワー端子２１ｂとを接続する作業を、接続用開口部５５０を通して行うことができる。そのため、この接続作業を行いやすくなる。

また、電力変換装置１の製造時に、遠方バスバー５ａと近接バスバー５ｂとを、パワー端子２１に対して別々に接続する必要がなくなる。すなわち、遠方バスバー５ａと近接バスバー５ｂとを、予めコンデンサ素子６０に接続した後、コンデンサ素子６０を収容凹部４１に収容し、これらのバスバー５ａ，５ｂの端子接続部５６ａ，５６ｂをそれぞれパワー端子２１ａ，２１ｂに接続できる。そのため、接続作業を早く行うことが可能になり、スループットを向上させることができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を備える。

１ 電力変換装置
２ 半導体モジュール
３ 冷却器
４ フレーム
４０ 冷却器固定部
４１ 収容凹部
５ バスバー
６ コンデンサ
６０ コンデンサ素子
６１ 封止部材
７ 端子台
８ 電流センサ

Claims (3)

1. 電力変換回路の一部を構成する半導体素子を内蔵した半導体モジュールと、
   該半導体モジュールを冷却する冷却器と、
   上記半導体モジュールに加わる電圧を平滑化するコンデンサと、
   上記半導体モジュールと上記冷却器と上記コンデンサとを保持する金属製のフレームと、
   上記コンデンサと上記半導体モジュールとを電気的に接続するバスバーとを備え、
   上記フレームには、上記冷却器を固定する冷却器固定部と、上記コンデンサを収容する収容凹部とが形成されており、
   上記コンデンサは、上記収容凹部内に設けたコンデンサ素子と、該コンデンサ素子を上記収容凹部内に封止する封止部材とを有し、
   上記冷却器は、上記半導体モジュールを冷却する冷媒が流れる複数の冷媒流路からなり、複数の上記半導体モジュールと上記複数の冷媒流路とが積層されて積層体を構成しており、上記半導体モジュールは、上記半導体素子を内蔵する本体部と、該本体部から突出すると共に上記バスバーに接続されるパワー端子とを備え、上記収容凹部は、上記積層体に対して、上記冷媒流路の長手方向に隣接する位置に形成され、上記収容凹部は、上記パワー端子の突出方向に立設した側壁部によって囲まれると共に上記パワー端子の突出方向に開口してなり、上記バスバーは、上記パワー端子に接続した複数の端子接続部と、該複数の端子接続部に接続し該端子接続部よりも上記長手方向における上記収容凹部側に位置する共通部とを備えることを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置において、上記半導体モジュールは、上記本体部から上記パワー端子と同一方向に突出する出力端子を備え、該出力端子に出力用バスバーが接続しており、上記出力用バスバーには、該出力用バスバーに流れる電流を検出するための電流センサが設けられ、該電流センサは、上記長手方向において、上記積層体を挟んで上記コンデンサの反対側に配置されていることを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の電力変換装置において、個々の上記半導体モジュールは一対の上記パワー端子を備え、各々のパワー端子に上記バスバーが接続しており、一対の上記バスバーは、上記パワー端子の突出方向に所定間隔をおいて対向配置され、上記一対のバスバーのうち、上記本体部から遠い位置に配された遠方バスバーの上記共通部には、上記本体部から近い位置に配された近接バスバーの上記端子接続部に対応する位置に、板厚方向へ貫通した接続用開口部が形成されていることを特徴とする電力変換装置。

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