CN100524733C

CN100524733C - 半导体功率模块

Info

Publication number: CN100524733C
Application number: CN200410096536.4A
Authority: CN
Inventors: 田久保扩
Original assignee: Fuji Electric Device Technology Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2003-12-22
Filing date: 2004-11-30
Publication date: 2009-08-05
Anticipated expiration: 2024-11-30
Also published as: JP4423462B2; DE102004059353A1; DE102004059353B4; US20050156251A1; CN1638116A; JP2005183776A; US7425757B2

Abstract

本发明提供一种可以根据需要，更换作为滤波器元件使用的磁性部件，而且可使插件尺寸减少的半导体功率模块。可改良通过IGBT等电力用半导体元件的切换而进行直流电力和交流电力的电力变换的电变换装置用的半导体功率模块。配置环状磁性部件(6c)，以包围与模块包(21)内的电力用半导体元件连接的端子(2a、2b)。这样，随着电力用半导体元件的切换，可以有效地抑制在端子(2a、2b)中流动的噪声电流。

Description

半导体功率模块

技术领域

本发明涉及抑制电力用半导体元件开关时产生的切换噪声的半导体功率模块。

背景技术

在交流电动机驱动装置(所谓变换器)或无间断电源装置(UPS)等电力变换装置中，通过切换电力用半导体元件，进行电力变换。

图4为这种电力变换装置的电路图。在图4中，1为直流电源；2U、2V、2W为将二个与自由旋转二极管逆向并联连接的作为电力用半导体元件的IGBT(绝缘栅极双极性晶体管)加以串联连接的半导体功率模块；3为作为负载的电机。在各相的半导体功率模块2U、2V、2W中，通过交互地切换上下臂的IGBT，将直流电源1的直流电力变换为交流电力，供给电机3。

另外，在图4中，省略了IGBT的栅极驱动电路的图示。

作为IGBT的切换方法，已知有在外部的控制电路5中，利用比较计算部5c比较基准正弦波5a和输出电压指令5b的大小关系，决定切换脉冲的宽度的PWM(脉冲宽度调制)控制方法。将上述切换脉冲送至驱动电路4，变换为IGBT的栅极信号，输出至各个功率模块2U、2V、2W。图中省略了IGBT的栅极驱动电路的表示。

通过将上述IGBT或自由旋转二极管等电力用半导体元件安装在一个插件内，构成半导体功率模块2U、2V、2W，可使装置结构简单，装配作业和布线作业容易，元件冷却容易。

另外，近年来，除了IGBT或自由旋转二极管外，还开发了称为包含用于驱动IGBT的驱动电路4而安装在一个容器内的智能功率模块(IPM)的功率模块，可使电力变换装置的结构更简单。

图5为具有上述智能功率模块2A的电力变换装置的电路图。该功率模块2A内部装有IGBT、自由旋转二极管、二极管和驱动电路4等，它具有与直流电源1连接的直流输入端子2a、2b；与负载3连接的交流输出端子2c、2d、2e；制动用电阻11的连接端子2f和与控制电路5连接的控制输入端子2g。

在具有上述现有的半导体功率模块2U、2V、2W或智能功率模块2A的电力变换装置中，当电力用半导体元件切换时，产生过大的切换噪声，使设置在电力变换装置周围的其他机器误动作，会产生混入杂音等的危害。

上述切换噪声主要分为二类。

第一种切换噪声为在由功率模块和直流电源构成的闭环中流动的正常模式的高频电流引起的正常模式噪声。在图6A中表示该正常模式噪声电流流过的闭环10N。在图6A中，2为表示代表上述半导体功率模块2U、2V、2W或智能功率模块2A的一个相的功率模块的功率模块。

这种正常模式为通过电力用半导体元件的切换，产生构成上述闭环10N的线路的浮游电感和电力用半导体元件的接合电容造成的LC共振，该共振产生的高频噪声电流在闭环10N中流动的模式。

第二种切换噪声为通过功率模块和电力变换装置内部的浮游电容，流过大地的噪声电流引起的普通模式噪声。在图7A中表示这种普通模式噪声电流流过的闭环10C。

这种普通模式为浮游电容7、8在高频下由通过电力用半导体元件的切换产生的高的电压变化(dV/dt)充放电，该高频的充放电电流经过大地在闭环10C中流动的模式。利用这种模式，噪声电流从直流电源1侧流出，噪声变成电波放射出去。

为了抑制上述正常模式噪声电流或普通模式噪声电流，现有一般是在噪声电流环内追加电感等的阻抗。

图6B为为了抑制正常模式噪声电流，与功率模块2串联设置电感6a的现有技术。

图7B为为了抑制普通模式噪声电流，将功率模块2的直流输入端子的正极侧和负极侧统一地通电过电感6b，与直流电源1的两端连接的现有技术。采用这种现有技术，对于通过图7A的浮游电容量7、8流向大地侧的噪声电流，上述电感6b可作为阻抗成分工作，因此可以抑制噪声电流。

采用图6B图7B的方法，可以一次抑制正常模式噪声电流和普通模式噪声电流。

在这种情况下，如果将抑制噪声电流用的电感配置在更接近半导体元件的位置上，则可使全体电路尺寸减小和对电路整体的包装有效。为此提供如下所述的专利文献所述的技术。

首先，在下述的专利文献1中，说明了用于抑制普通模式噪声电流的装置。即：该装置为利用作为滤波器元件的环状复合磁性材料包围与直流电源连接的半导体器件(IC芯片)的直流电源供给用的内引线(连接线)的正负极周围，将它封入插件内。

另外，在下述的专利文献2中，说明了外嵌在二极管等各种半导体元件的引线部中，或整体地模制的非晶质磁性合金制的降低噪声元件。

专利文献1：特开平2000-58740号公报(发明方面1、图1等)；

专利文献2：特开平9-121016号公报(发明方面1、4、图1、图2等)。

然而，在专利文献1中所述的现有技术中，由于作为滤波器元件使用的复合磁性材料封入插件内，不可能更换复合磁性材料(改变电感值)。

通常，由于外部电路条件(线路浮游电感和浮游电容)影响，切换噪声的频率各种各样。由于这样，在将滤波器元件加在半导体元件上，降低噪声的情况下，希望将滤波器元件安装在插件外部，以根据需要可以更换；然而，利用专利文献1这不可能。

另外，在专利文献1的现有技术中，由于复合磁性材料装在插件内，插件尺寸大。

在专利文献2中所述的现有技术，可以适用在具有引线的较小电容量的半导体元件中，但不可能用在中等和大容量的半导体元件中，另外，由于一般是将面积大的铜棒等大型线路部件，与功率模块的端子进行端子连接，以便流过大电流；因此，专利文献2所述的噪声降低元件不可能外嵌在功率模块的端子上。

发明内容

本发明的目的，是要提供一种根据需要可以更换作为滤波器元件使用的磁性部件的半导体功率模块。

本发明的另一个目的是要提供可使插件为型化的半导体功率模块。

本发明的再一个目的是要提供一种不论各个电力用半导体元件或组件全体的容量如何，可以无区别地使用内部装有上下臂一个相的电力用半导体元件和驱动电路的智能功率模块等的半导体功率模块。

解决问题所用的方法

在本发明中，在利用电力用半导体元件的切换进行直流电力或交流电力的电力变换的电力变换装置用的半导体功率模块中，配置环状磁性部件，以包围与电力用半导体元件连接的端子。这样，可以有效地抑制随着电力用半导体元件的切换而在上述端子中流动的普通模式噪声电流或正常模式噪声电流。

本发明的半导体功率模块，例如从将构成电力变换装置的上下臂一个相的电力用半导体元件内装在模块包内的半导体功率模块开始，包含在模块包内装有电力用半导体元件及其驱动电路的功率模块(所谓智能功率模块)。

主要地，本发明只要是在模块包内装有电力用半导体元件，而且，与电力用半导体元件连接的端子配置在模块包的外部的半导体功率模块，则可以是具有任何功能和结构的半导体功率模块。

环状磁性部件配置在端子周围形成的磁性部件配置空间中。该磁性部件配置空间是通过在端子周围形成凹部，使端子从模块包突出设置而形成的。

作为被环状磁性部件包围的端子，相当于直流输入端子等的传递直流电力的端子、交流输出端子等的传递交流电力的端子、还有用于输入对电力用半导体元件的控制信号的控制输入端子等的控制端子。

采用本发明，通过将环状磁性部件安装在配置在模块包的外部的端子上，插件的尺寸不增大，可以抑制上述环状磁性部件引起的普通模式的噪声电流和正常模式的噪声电流。

另外，根据与外部电路条件有关的切换噪声的频率，由于滤波元件要求的电感变化，因此在外部电路条件变化的情况下，可以更换为具有最适当的电感的环状磁性部件。这时，由于环状磁性部件外嵌在端子上，更换作业容易进行。

附图说明

图1A为表示在智能功率模块中采用本发明时的实施方式的立体图。

图1B为表示在智能功率模块中采用本发明时的实施方式的立体图。

图1C为表示在智能功率模块中采用本发明时的实施方式的立体图。

图1D为图1C的侧视图。

图2A为表示在智能功率模块中采用本发明时的实施方式的立体图。

图2B为表示图2A的噪声电流的经过路径的电路图。

图3A为表示在半导体功率模块中采用本发明时的实施方式的立体图。

图3B为表示在半导体功率模块中采用本发明时的实施方式的立体图。

图3C为表示在半导体功率模块中采用本发明时的实施方式的立体图。

图3D为表示在半导体功率模块中采用本发明时的实施方式的立体图。

图3E为表示在半导体功率模块中采用本发明时的环状磁性部件的变形例的立体图。

图4为具有现有技术的半导体功率模块的电力变换装置的电路图。

图5为具有现有技术的智能功率模块的电力变换装置的电路图。

图6A为说明现有技术的正常模式噪声电流环的电路图。

图6B为用于抑制现有技术的正常模式噪声电流的现有的电路图。

图7A为说明现有技术的普通模式噪声电流环的电路图。

图7B为用于抑制现有技术的普通模式噪声电流的现有的电路图。

符号说明：1 直流电源；2、2U、2V、2W、2F、2G、2H 半导体功率模块；2A、2B、2C、2D、2E 智能功率模块；2a、2b、12a、12b直流输入端子；2c、2d、2e、12c 交流输出端子；2f制动用电阻的连接端子；2g、12g 控制输入端子；2h、12h 凹部；3 电机；4 驱动电路；5控制电路；5a 基准正弦波；5b 输出电压指令；5c 比较计算部；6a、6b电感；6c、6d、6e、6f、6g、6h、6i 环状磁性部件；7、8 浮游电容；9、9a、9b 铜母线；10C、10N 噪声电流经过路径；11 制动用电阻；12、21 模块包。

具体实施方式

以下，根据附图，说明实施本发明的优选实施方式。

首先，图1A、1B、1C为表示在智能功率模块中采用本发明时的实施方式的立体图。

在图1A中，2B为智能功率模块。与图5所示的智能功率模块2A同样，例如在树脂制的模块包21中内装有IGBT、自由旋转二极管、二极管和驱动电路。另外，在模块包21的周围设置：与内部的电路部件连接的直流输入端子2a、2b；交流输出端子2c、2d、2e；制动用电阻11的连接端子2f；和控制输入端子2g。上述IGBT等电路部件与上述端子2a～2g的连接状态，与图5所示的智能功率模块2A相同。

另外，在这个实施方式中，使端子2a～2g比模块包21的表面稍微向上方突出，通过在端子2a～2g的周围作出凹部2h，形成用于嵌入下述的环状磁性部件的磁性部件配置空间。

图1B表示将直流输入端子2a、2b统一包围起来地嵌入环状磁性部件6c的智能功率模块2C。这个例子为将环状磁性部件6c作为普通模式噪声除去用的电感而动作的例子。

图1C表示嵌入环状磁性部件6d以包围负极侧的直流输入端子2b的智能功率模块2D。这个例子为将环状磁性部件6d以作为正常模式噪声除去用的电感而动作的例子。

当然，嵌入环状磁性部件6d以包围正极侧的直流输入端子2a或其他端子也可以。

作为环状环性部件6c、6d，可以使用例如成型为环状的铁氧体烧结体。

图1D为从横方向(与端子2f、2a、2b正对的方向)看图1C的侧视图。环状磁性部件6d嵌入将端子2a、2b、2f连接布线的铜母线9和智能功率模块2D之间。

如图1A～1D所示，通过嵌入环状磁性部件6c或6d，以包围配置在模块包21的外部的各个端子2a～2g，可不增加模块包21的尺寸并实施抑制噪声的措施。

另外，因为是将环状磁性部件配置在模块包21外部的结构，可以更换安装具有与噪声频率一致的所希望的电感的环状磁性部件。

在将环状磁性部件的电感值作成所希望的值时，例如改变环状磁性部件的材质(透磁比率)，在外形形状保持同一形状时，可改变电感值。也可以采用薄壁的环状磁性部件并根据需要调整嵌入个数而改变电感值。

图2A为将口字形的环状磁性部件6e嵌入控制端子2g中的智能功率模块2E的立体图。

如图所示，在这种情况下，通过使控制输入端子2g从模块包21的表面突出一些，必然在控制输入端子2g的周围形成磁性部件的配置空间。另外，在结构上，当控制输入端子2g的高度与模块包21的表面大致相同时，只要在控制输入端子2g的周围形成凹部而形成磁性部件配置即可。

图2B表示图2A的普通模式噪声电流的经过路径。在图2B中，在模块包21内路的电路结构中，只表示了上下臂一个相的电力用半导体元件。

在普通模式噪声电流通过智能功率模块2E的控制输入端子2g，通过功率模块和大地之间或控制电路5和大地之间的浮游电容8流动的情况下，通过将环状磁性部件6e插入噪声电流路径10C中，可以抑制噪声电流。

如果在控制输入端子2g的周围设置凹部，将环状磁性部件6e嵌入该凹部中，则在使用由图1D所示的铜母线9的线路或印刷电路板进行布线的情况下，环状磁性部件6e不会成为障碍。

图3A、3B、3C为表示内部装有上下臂的一个相的电力用半导体元件的半导体功率模块中实施方式的立体图。这些功率模块与上述图4的半导体功率模块2U、2V、2W相当。

在图3A所示的半导体功率模块2F中，12a为正极侧直流输入端子，12b为负极侧直流输入端子，12c为交流输出端子，12g为控制输入端子。各个端子的并列顺序或配置可任意变更。在这个实施方式中，通过使各个端子12a、12b、12c、12g从模块包12突出，在各个端子12a、12b、12c、12g的周围形成凹部12h，可以为嵌入环状磁性部件而保有磁性部件配置空间。

图3B为表示总括直流输入端子12a、12b而将环状磁性部件6f嵌入其周围的半导体功率模块2G，利用环状磁性部件6f抑制普通模式噪声的结构。

图3C表示将环状磁性部件6g只嵌入在正极侧直流输入端子12a中的半导体功率模块2H，利用环状磁性部件6g抑制正常模式噪声的结构。当然，将环状磁性部件6g嵌入负极侧直流输入端子12b中也可以。

因为环状磁性部件6f、6g可在开放各个端子的上方的空间的状态下嵌入，因此在将铜母线等与各端子连接进线布线的情况下，环状磁性部件6f、6g不会成为障碍。由于容易进行环状磁性部件6f、6g的绝缘，因此可以容易地防止电极彼此短路。在这种情况下，作为环状磁性部件6f、6g的绝缘方法，可用绝缘性树脂覆盖环状磁性部件6f、6g的表面。

图3D为分别用铜母线9a、9b将多个半导体功率模块2H的正极侧直流输入端子12a和负极侧直流输入端子12b彼此加以连接的例子。因为这些铜母线9a、9b是在放置在环状磁性部件6f的上面的状态下与各端子连接的，因此不需改变铜母线9a、9b的形状和结构，可以使用现有的部件。

如上所述，在图3A～3D的实施方式中，由于为包围各个端子地嵌入环状磁性部件6f、6g的结构，因此，与将滤波元件装在模块包中的情况比较，可使插件尺寸减小。另外，利用与上述相同的方法，容易更换和安装具有与噪声频率相应的所希望的电感的环状磁性部件。

在同时降低正常模式噪声和普通模式噪声二者的情况下，可将图3B、3C的结构组合，也可以使用如图3E所示的日字形的环状磁性部件6h、6i。

另外，在上述各个实施方式中，在噪声电流经过的路径包含交流输出端子的情况下，嵌入环状磁性体，以包围交流输出端子也可以。

根据电力变换装置的功能(直流-直流变换、交流-直流变换等)，将环状磁性体嵌入直流输出端子或交流输入端子中，实行对付噪声的措施也可以。

另外，在各个实施方式中，作为环状磁性体，表示了○形或□字形的一体成型的环状磁性体，但将コ字形和I形的磁性体组合而整体作成环状，也可得到同样的效果。

另外，在各个实施方式中，虽然在功率模块具有的全部端子周围形成磁性部件配置空间，但只在噪声电流流过而有必要抑制噪声电流的端子周围形成磁性部件配置空间已足够。

如上所述，因为本发明是只要在配置在模块包的外部的端子周围形成磁性部件配置空间即可，所以在端子周围形成凹部的结构、将端子本身突出的结构都属于本发明的技术范围。

Claims

1、一种半导体功率模块，电力用半导体元件内置在模块包内，而且，与所述电力用半导体元件连接的端子配置在所述模块包的外侧，

其特征为，包围所述端子地配置有用于减少在该端子中流动的噪声电流的环状磁性部件。

2、如权利要求1所述的半导体功率模块，其特征为，

在所述模块包内，内置有所述电力用半导体元件的驱动电路。

3、如权利要求1或2所述的半导体功率模块，其特征为，

利用设置在所述端子周围的凹部形成磁性部件配置空间，将所述环状磁性部件配置在该磁性部件配置空间中。

4、如权利要求3所述的半导体功率模块，其特征为，

使所述端子从所述模块包突出出来而在所述端子周围形成磁性部件配置空间，将所述环状磁性部件配置在该磁性部件配置空间中。

5、如权利要求1或2所述的半导体功率模块，其特征为，

所述端子为传递直流电力的端子。

6、如权利要求1或2所述的半导体功率模块，其特征为，

所述端子为传递交流电力的端子。

7、如权利要求1或2所述的半导体功率模块，其特征为，

所述端子为传递对所述电力用半导体元件的控制信号的控制端子。