JP2004214452A - 電力用半導体モジュールおよび外部電極との結線方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電力用半導体素子(IGBT)とこれに逆並列接続されたダイオード(FWD)の直列接続回路からなる電力用半導体素子モジュールに対し、第1の電源電位出力電極8などに接続される電極バー32と、負荷電極(例えばU相)10などに接続される電極バー33と、第2の電源電位出力電極9などに接続される電極バー34とをそれぞれ板状に形成し、絶縁物を挟み互いに近接させて配置することにより、電力用半導体素子モジュール内部のインダクタンス値をほぼゼロとし、サージ電圧を著しく低減できるようにする。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、IGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)などの電力用半導体モジュール、および電力用半導体モジュールの外部電極との結線方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
図10にインバータの主回路図を示す。
1は商用の交流電源、2は交流から直流に変換するダイオード整流器モジュール、3は大容量のコンデンサ、4はモータなどの負荷、5は電力用半導体からなり直流を交流に変換するインバータモジュールである。インバータモジュール5の中で6がIGBT、7がこれと逆並列に接続されたダイオードであり、これらが6回路(6アーム)で構成されている。インバータモジュール5は通常、上下アーム2素子分を1組とするかまたは6素子分を1組としており、インバータを構成する場合は2素子入りのモジュールを3並列接続するか、若しくは6素子入りのものをそのまま用いている。
【0003】
図11に2素子入りのインバータモジュールの一般的な外観図を示す。8が直流の正側電源電位出力電極(P出力電極)、9が負側電源電位出力電極(N出力電極)、10が負荷側に接続される出力電極(U出力電極)、11,12,13,14が上アーム側および下アーム側IGBTのゲート端子およびエミッタ端子を示している。
【0004】
図12に2素子入りモジュールの概略断面図を示す。
15が銅ベース基板、16が絶縁用のセラミック基板、17,18,19が配線および半導体チップ接続用の銅パターン、20,21が上下アームのIGBTチップ(実際にはFWDチップも搭載されているが省略している)、22,23が半導体チップと銅パターン接続用の電極、24,25,26が各銅パターンと各出力電極P,U,Nとを接続する銅電極バーである。
【0005】
図13に図12のモジュールにおけるインダクタンス成分の等価回路を示す。27が上アーム側コレクタと正側電源電位出力電極間のインダクタンスL1、28が上アームのエミッタと接続点29(銅パターン18と銅電極バー25)間のインダクタンスL2、30が接続点29と下アーム側コレクタ間のインダクタンスL3、31が下アーム側エミッタと負側電源電位出力電極間のインダクタンスL4である。
【0006】
図10のインバータの回路では通常、IGBTは10kHz程度でスイッチングさせて運転するのが一般的である。その際、IGBTがターンオフするときのIGBTチップのコレクタ・エミッタ間に印加されるサージ電圧VCE(peak)は、次式のように表わされる。
VCE(peak)=Ed+(LI+L2+L3+L4)・di/dt… (1)
Ed :コンデンサ3の電圧(直流電圧)
di/dt:ターンオフ時のIGBTの電流変化率
【0007】
図14にIGBTターンオフ時のIGBTの電圧VCEとIC波形を示す。
直流電圧Edからのサージ電圧分ΔVはLI〜L4の値に起因し、上記(1)式からLI〜L4の値が大きいと、ターンオフ時にIGBTチップに印加されるピーク電圧値が高くなるため、IGBTチップおよび並列の接続されているFWD(フリーホイールダイオード)チップには電圧耐量の高いものが必要となる。電圧耐量の高いチップは通常、チップ面積が広くなるためモジュールの大型化およびコストアップにつながるという問題が生じる。また、サージ電圧が高いと外部へもたらすノイズも大きくなるため、外部機器の誤動作の原因となる。
そこで、第1,第2の電源端子に接続される第1,第2の配線パターンを、互いに近接して配置することでインダクタンスを低減する技術が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
【0008】
【特許文献1】
特許第2725952号明細書(第4−5頁、図1)
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の提案技術は図13のL1,L4の部分にのみ着目したもので、L2,L3の部分がそのまま残るため、スイッチング時にこの部分でサージ電圧が発生してしまう。
したがって、この発明の課題は、サージ電圧をより一層低減しモジュールの小型化および低価格化を図ることにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するため、請求項1の発明では、電力用半導体素子とこの素子に逆並列に接続されたダイオードとを1アームとして複数個直列接続したもの、またはこれらをさらに複数個並列に接続して構成される電力用半導体モジュールにおいて、
その内部電極を構成する第1の電源電位出力電極と負荷電極と第2の電源電位出力電極とをそれぞれ板状に形成し、互いに絶縁物を挟み近接して配置することを特徴とする。
【0011】
請求項2の発明では、電力用半導体素子とこの素子に逆並列に接続されたダイオードとを1アームとして複数個直列接続したもの、またはこれらをさらに複数個並列に接続して構成される電力用半導体モジュールにおいて、
その内部電極を構成する第1の電源電位出力電極と負荷電極、および第2の電源電位出力電極と負荷電極をそれぞれ板状に形成し、互いに絶縁物を挟み近接して配置することを特徴とする
【0012】
また、請求項3の発明では、電力用半導体素子とこの素子に逆並列に接続されたダイオードとを1アームとして複数個直列接続したもの、またはこれらをさらに複数個並列に接続して構成される電力用半導体モジュールにおいて、
その出力電極である第1の電源電位出力電極と第2の電源電位出力電極とをそれぞれ板状に形成し、或る空間距離をもってほぼ平行に配置することを特徴とする。
【0013】
上記請求項3の発明においては、前記第1の電源電位出力電極と第2の電源電位出力電極との間に、2枚が互いに近接配置された板状の外部配線電極バーを挿入して電気的に接続することができ(請求項4の発明)、この請求項4の発明においては、前記第1の電源電位出力電極と第2の電源電位出力電極との間に挿入された外部配線電極バーを、絶縁物からなるねじまたはこれと同等の部材を両電極間に貫通させて固定するか、もしくは絶縁物でコーティングされた導体のねじまたはこれと同等の部材を両電極間に貫通させて固定することができる(請求項5の発明)。
【0014】
【発明の実施の形態】
図1はこの発明の第1の実施の形態を示す構成図である。同図(a)は上面図、同(b)は斜視図(鳥瞰図)である。
これは、P出力電極8と上アームIGBTのコレクタ電位に接続されたP電極バー32と、上アームIGBTのエミッタ電位,下アームIGBTのコレクタ電位およびU出力電極10に接続されたU電極バー33と、下アームIGBTのエミッタ電位およびN出力電極9に接続されたN電極バー34とを重ね合わせ、ラミネート構造のように板状に形成し密接(近接)して配置したものである。ただし、各電極バー間には電気的な絶縁が必要なため、図1(b)に点線で示すように、絶縁物を挟む構成とされる。このように構成することにより、32,33,34の各電極バーの互いに重なり合う部分で、IGBTまたはFWDがスイッチングするときの電流が反対側に流れるため、そのときのインダクタンス値をほぼ0にすることができる。
【0015】
図2に図1の等価回路図を示す。
例えば、図1(a)で上アームのIGBTがオンしている場合、電流はP出力電極8からP電極バー32を介して、上アームIGBTのコレクタと同電位の銅パターンに流れ、IGBTのエミッタに接続されているU出力電極バー33を介しU出力電極10に流れる。このとき、電流は電極32と33の重なり合う部分で、同じ大きさの電流が互いに反対方向に流れていることになる。定常的には電流の変化率は非常に小さいためインダクタンス値を全く考慮する必要はないが、インダクタンス値の影響が出る電流変化率の大きいターンオフ時においては、同じ大きさの電流が互いに反対方向に流れることによって、各電極から発生する磁界を打ち消し合う作用が起こり、インダクタンス値はほぼゼロとなる。これは下アームIGBTの場合も同様である。つまり、図2のように、L1とL2(電極32と33)、L3とL4(電極33と34)のインダクタンスが互いに打ち消し合う構成である。
【0016】
図3にこの発明の第2の実施の形態を示す。同図(a)は上面図、同(b)は斜視図(鳥瞰図)である。
これは、各電極をラミネート構造のように板状に形成するとともに、U出力電極10と上アームIGBTのエミッタ電位と、下アームIGBTのコレクタ電位とを接続する電極バー35を、図示のようにP電極バー36とN電極バー37とにそれぞれ個別に重ね合わせ、互いに密接して配置したものである。これにより、電極バー35と36および電極バー35と37の重なり合う部分で、IGBTまたはFWDがスイッチングするときの電流が反対側に流れるため、そのときのインダクタンス値はほぼ0となる。
図4に図3の等価回路図を示す。L1とL2(電極35と36の重なる部分のインダクタンス)、L3とL4(電極35と37の重なる部分のインダクタンス)が互いに打ち消し合う構成となっている。
【0017】
ところで、従来の半導体モジュールでは、P側出力電極とN側出力電極とが離れているため、図15に示すように、その出力電極部と外部配線との結線は、ラミネート配線のような板状の近接配線ができない(図15の点線部参照)。その結果、この部分にインダクタンスが発生する。なお、図15において、3は大容量コンデンサ、38は正側電位の配線バー、39は負側電位の配線バー、40は6素子入り半導体モジュール、41は冷却用の放熱器である。
図15の構成でモジュールの内部まで含めた等価回路を示すと、図16のようになる。図16で、インダクタンスLa,LbおよびLc,Ldは板状の近接配線化でほぼゼロにできるが、出力電極部と外部配線との結線部のインダクタンス値Le,Lf(Le≒Lf=10nH程度)が残ってしまい、先の(1)式で説明したようにサージ電圧が発生することになる。
【0018】
図5はこのような問題に対処する別の実施の形態を示す。図5(a)はその斜視図、同(b)は断面図である。
これは、図5(a)のように、モジュール40のP側出力電極42とN側出力電極43を、それぞれラミネート構造のように板状に形成するとともに、図示のように或る空間距離を離して平行に配置したものである。
そのモジュール40の内部は図5(b)のように、電極42(P側)と電極43(N側)を絶縁物44を挟んで板状に近接配線して構成している。また、ここでは電極43(N側)を下アーム側IGBTチップ46のエミッタ側に、電極42(P側)を上アーム側IGBTチップ47のコレクタと同電位の銅パターン48に接続した例を示す。
なお、図5では電極の出力部分をモジュールに対して水平に形成しているが、図6のように垂直に形成することも可能である。
【0019】
図7に図5の応用例を示す。図7(a)はその斜視図、同(b)は断面図である。
図7(a),(b)からも明らかなように、モジュール40のP側出力電極42とN側出力電極43間に、2枚が互いに板状に近接配線された外部電極配線バー38,39を挿入し、そのP側どうしN側どうしを互いに接触させて電気的に短絡させた例である。
こうすることで、モジュールのP側出力電極部と外部電極配線バーとの結合部のインダクタンス値はほぼゼロとなるため、そのサージ分は(Le+Lf)・di/dt≒0となる。よって、IGBTに印加される電圧を、従来方式に対して約100V程度に低減することができる。
【0020】
図8に図5の別の応用例を示す。
図7では接触のみで電気的に短絡させているのに対し、ここでは電極42,38,39,43をねじ49により固定するようにした点が特徴である。ただし、P側電極とN側電極を電気的に絶縁するため、ねじ49は絶縁物とする。
図9に導体ねじを利用する例を断面図として示す。つまり、ねじ49を絶縁物とする代わりに、導体ねじに絶縁物50でコーティングして電気的な絶縁を図るものである。
【0021】
【発明の効果】
この発明によれば、IGBTやFWDがスイッチングする際に発生するサージ電圧をより低減できるため、電圧定格の低いIGBT,FWDを用いることが可能となり、小形で安価な電力用半導体モジュールを構成することができる。その結果、外部機器に影響を及ぼすノイズの発生量も低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の第1の実施の形態を示す構成図
【図2】図1の等価回路図
【図3】この発明の第2の実施の形態を示す構成図
【図4】図3の等価回路図
【図5】この発明の第3の実施の形態を示す構成図
【図6】図5の変形例を示す構成図
【図7】図5の第1の応用例を示す構成図
【図8】図5の第2の応用例を示す構成図
【図9】図8の変形例を示す断面図
【図10】一般的なインバータ主回路図
【図11】一般的なインバータモジュ−ル外観図
【図12】インバータモジュ−ル断面概略図
【図13】モジュ−ル内部等価回路図
【図14】IGBTのターンオフ波形図
【図15】インバータモジュ−ルと外部電極との配線構造例図
【図16】図15の等価回路図
【符号の説明】
1…交流電源、2…ダイオード整流器モジュ−ル、3…大容量コンデンサ、4…モータ(負荷)、5…インバータモジュ−ル、6…IGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)、7…ダイオード、8,42…P出力電極、9,43…N出力電極、10…U出力電極、11,13…ゲート端子、12,14…エミッタ端子、15…銅ベース基板、16…セラミック基板、17,18,19,48…銅パターン、20,21,46,47…IGBTチップ、22,23…接続用電極、24,25,26…銅電極バー、27,28,29,30,31,…インダクタンス、32,33,34,35,36,37…電極バー、38,39…外部電極配線バー、40…電力半導体モジュ−ル、41…放熱器、44,45…絶縁物、49…ねじ、50…絶縁物。
Claims (5)
- 電力用半導体素子とこの素子に逆並列に接続されたダイオードとを1アームとして複数個直列接続したもの、またはこれらをさらに複数個並列に接続して構成される電力用半導体モジュールにおいて、
その内部電極を構成する第1の電源電位出力電極と負荷電極と第2の電源電位出力電極とをそれぞれ板状に形成し、互いに絶縁物を挟み近接して配置することを特徴とする電力用半導体モジュール。 - 電力用半導体素子とこの素子に逆並列に接続されたダイオードとを1アームとして複数個直列接続したもの、またはこれらをさらに複数個並列に接続して構成される電力用半導体モジュールにおいて、
その内部電極を構成する第1の電源電位出力電極と負荷電極、および第2の電源電位出力電極と負荷電極をそれぞれ板状に形成し、互いに絶縁物を挟み近接して配置することを特徴とする電力用半導体モジュール。 - 電力用半導体素子とこの素子に逆並列に接続されたダイオードとを1アームとして複数個直列接続したもの、またはこれらをさらに複数個並列に接続して構成される電力用半導体モジュールにおいて、
その出力電極である第1の電源電位出力電極と第2の電源電位出力電極とをそれぞれ板状に形成し、或る空間距離をもってほぼ平行に配置することを特徴とする電力用半導体モジュール。 - 前記第1の電源電位出力電極と第2の電源電位出力電極との間に、2枚が互いに近接配置された板状の外部配線電極バーを挿入して電気的に接続することを特徴とする請求項3に記載の電力用半導体モジュールの外部電極との結線方法。
- 前記第1の電源電位出力電極と第2の電源電位出力電極との間に挿入された外部配線電極バーを、絶縁物からなるねじまたはこれと同等の部材を両電極間に貫通させて固定するか、もしくは絶縁物でコーティングされた導体のねじまたはこれと同等の部材を両電極間に貫通させて固定することを特徴とする請求項4に記載の電力用半導体モジュールの外部電極との結線方法。
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