JP2005073445A - スナバ回路部品及びこれを用いた電力変換装置 - Google Patents

スナバ回路部品及びこれを用いた電力変換装置 Download PDF

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Abstract

【課題】 装置の部品数、組立て工数が削減可能で且つスナバ回路部品適用の自由度を損なわないスナバ回路部品及びこれを用いた電力変換装置を提供する。
【解決手段】 絶縁基板１と、この絶縁基板１の一方の表面に互いに離間して形成された第１、第２の導体パターン１２ａ、１２ｂと、この導体パターン１２ａ、１２ｂ上に載置され、互いが直列接続されたスナバダイオード２及びスナバコンデンサ３と、前記直列接続された回路のスナバダイオード２の一方の端子と第１の接続手段で接続された第1の端子Ｔ１と、前記直列接続された回路の中点と接続された第2の端子Ｔ２と、前記直列接続された回路のスナバコンデンサの他方の端子と第２の接続手段で接続された第３の端子Ｔ３とを具備するようにスナバ回路部品２０を構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電力変換用スイッチング半導体素子を対象としたスナバ回路部品及びこれを用いた電力変換装置に関する。
電力変換装置のインバータ回路に用いられるパワーデバイスは、電源側及び負荷側の高調波の抑制、電源力率の改善、装置の小型化等の種々要請から、ＧＴＯ（ゲートターンオフサイリスタ）、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）などの、いわゆる自己消弧型パワーデバイスが採用されることが多い。そして、これらのパワーデバイスは、通常パワーモジュールの構造が採用されている。
このパワーモジュールには、パワーデバイスのみを複数個同一の基板上に載置して１つの容器に収めたもの、またパワーデバイスとパワーデバイスに逆並列に接続されるフライホイールダイオードとを複数個組み合わせて同一の基板上に載置して１つの容器に収めたもの等が使用されてきた。
近年、これらのパワーモジュールに、ゲート制御回路や保護回路も一体化したＩＰＭ（Intelligent Power Module）が採用されてきており、また、パワーデバイスのサージ吸収用スナバ回路部品を含めて一体化したパワーモジュールも提案されている（例えば特許文献１参照。）。
特許第２５８０８０４号明細書（第５−６頁、第１図）
パワーデバイスのサージ吸収用スナバ回路部品としては、スナバダイオード、スナバコンデンサ、スナバ抵抗などが考えられるが、特許文献１に示されたように、このうちの一部を主回路パワーモジュールと一体化すれば、装置の組立て工数の削減が可能である。
しかしながらその反面、このような一体化構成を採用すると、主回路用パワーデバイス定格に対してスナバ回路の部品定格が一対一で決まってしまい、回路設計の自由度が損なわれてしまう。また、様々のスナバ回路方式に適用可能なスナバ回路部品を一体化構成することもひとつの課題である。
従って本発明は上記に鑑みて為されたもので、装置の部品数、組立て工数が削減可能で且つスナバ回路部品適用の自由度を損なわないスナバ回路部品及びこれを用いた電力変換装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明のスナバ回路部品は、絶縁基板と、この絶縁基板の一方の表面に互いに離間して形成された第1及び第２の導体パターンと、
この第1及び第２の導体パターン上に夫々載置され、互いが直列接続されたスナバダイオード及びスナバコンデンサと、前記直列接続された回路のスナバダイオードの一方の端子と第１の接続手段で接続された第1の端子と、前記直列接続された回路の中点と接続された第2の端子と、前記直列接続された回路のスナバコンデンサの他方の端子と第２の接続手段で接続された第３の端子とを具備したことを特徴としている。
本発明によれば、スナバダイオード及びスナバコンデンサのみを一体化し、また直列回路の中点に接続する第2の端子を設けるようにしたので、装置の部品数、組立て工数が削減可能で且つスナバ回路部品適用の自由度を損なわないスナバ回路部品を提供することができる。
以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
以下に本発明によるスナバ回路部品の実施例１を図１乃至図３を参照して説明する。図１は本発明のスナバ回路部品の断面図である。
図１において、１はベース基板であり、窒化アルミなどのセラミックスを材料とした絶縁基板１１と、絶縁基板１１の一方の表面に互いに離間して密着形成された銅パターン１２ａ，１２ｂ及び他方の面に密着形成された銅パターン１２ｃにより構成されている。銅パターン１２ａの上部には、スナバダイオード２が、また銅パターン１２ｂの上部にはスナバコンデンサ３が、はんだ等の金属接合４ａ、４ｂにより夫々電気的及び機械的に固定されている。また、絶縁基板１１の銅パターン１２ｃは放熱面を形成し、金属接合４ｃにより金属性の放熱板５に機械的に固定することにより、絶縁基板１１から放熱板５に至る熱抵抗を低減している。
端子Ｔ１はベース基板１の銅パターン１２ａと接合している。スナバダイオード２のアノード側も銅パターン１２aと接合しているのでこの端子Ｔ１はスナバダイオード２のアノード電極となる。スナバダイオード２のカソード側はボンディングワイヤ６を介してスナバコンデンサ３の一方の電極と接続され、スナバダイオード２とスナバコンデンサ３は直列回路を形成している。この直列回路の中点となる銅パターン１２ｂに端子Ｔ２が接続されている。スナバコンデンサ３の他方の電極は端子Ｔ３に接続されている。そして、スナバダイオード２及びスナバコンデンサ３を覆うように絶縁材のケース７がベース基板１を起点として設けられ、ケースの内部にはゲル状の充填物８が充填されている。尚、このケース７及び充填物８は省略しても良い。
以下に、図１に示した本発明に係るスナバ回路部品を電力変換器に適用した例について述べその動作を説明する。図２は図１のスナバ回路部品が適用されたパワーデバイスの回路構成図の一例である。
パワーデバイス９は自己消弧型のパワーデバイスであり、逆並列に接続されたフライホイールダイオード１０とともに、図示していないインバータ等の変換ブリッジの一部を形成している。そしてパワーデバイス９のアノード側にスナバ回路部品２０のＴ１端子が、カソード側にスナバ回路部品２０のＴ３端子が接続され、スナバ回路部品２０の端子Ｔ１と端子Ｔ２間にはスナバ抵抗３１が接続されている。
スナバ回路部品２０のスナバダイオード２とスナバコンデンサ３、及びスナバ抵抗３１で形成されるスナバ回路３０即ち充放電型のＲＣＤスナバ回路は、パワーデバイス９が電流遮断を行う時に発生するサージ電圧を吸収する。
図３に示す回路は、図１に示した本発明に係るスナバ回路部品２０の他の適用例を示す回路構成図である。図３の回路構成図の各部について、図２の回路構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。この図３の回路構成図が図２の充放電型スナバ回路の回路構成図と異なる点は、スナバ抵抗３１の一方の端子をパワーデバイス９のカソード端子に直流電源４０を介して接続するようにし、また他方の端子をスナバ回路部品２０の端子Ｔ２に接続した点である。このように、スナバ回路３０に加わるサージ電圧を直流電源４０で決まるある一定の電圧以上にならないようにした所謂電圧クランプ型スナバ回路は、前述の充放電型スナバ回路に比べて、サージ電圧の吸収という面では簡易型であるが、損失が少なく、従って高周波で使用する用途に適している。
このように、図１に示した本発明に係るスナバ回路部品は、端子Ｔ２を設けた構成としているので、図２に示した充放電型スナバ回路にも図３に示した電圧クランプ型スナバ回路にも適用可能であり、回路設計の自由度が広い。また端子Ｔ２を、スナバ抵抗３１の放熱電位としてパワーデバイス９の冷却器を共用すること、あるいは、この端子Ｔ２からベース基板１を介して放熱板５に至る放熱ルートをスナバ抵抗３１の冷却に利用することも可能であり、スナバ回路全体の小型化の達成が容易な構造となっている。
次に、スナバダイオード２の動作上の特性について考える。例えば図１の充放電型スナバ回路で図示しないパワーデバイス９がオフ状態のとき、他の相のパワーデバイスがオンまたはオフするなどしてパワーデバイス９のアノードカソード間電圧が変動すると、スナバコンデンサ３にはスナバダイオード２を介して電荷がチャージされる。この時パワーデバイス９がオンすると、スナバダイオード２の逆回復電荷に見合った電流が時パワーデバイス９に流れ、場合によってはパワーデバイス９が過電流で破壊する恐れがある。このため、スナバダイオード２には、逆回復電荷の少ない例えばＳｉｃなどに代表されるワイドギャップバンド半導体を用いるのが良い。
以上説明したように、本発明のスナバ回路部品によれば、装置の部品数、組立て工数が削減可能で且つスナバ回路部品適用の自由度を損なわないスナバ回路部品を提供することができる。
図４は、本発明の実施例２に係るスナバ回路部品の断面図である。この実施例２の各部について、図１の実施例１に係るスナバ回路部品の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。この実施例２が、実施例１と異なる点は、放熱板５を省き、またベース基板１の放熱板側の銅パターン１２ｃ及び金属接合４ｃを省いた点である。
このようにスナバ回路部品２は必ずしも金属製の放熱板を持つ必要はない。例えば、小容量のダーオード２及びスナバコンデンサ３で構成されるようなスナバ回路部品の場合は、図４のように放熱板を持たない構造で、ベース基板１の下面を直接冷却すれば良く、従って放熱板の熱抵抗を低減でき、且つスナバ回路部品２０の組立て工数の削減が可能となる。
また、上述のように小容量のダーオード２及びスナバコンデンサ３で構成されるようなスナバ回路部品の場合は、部品の発熱によるストレスが少ないので、ケース７の内部に充填する充填物８を省くこともできる。
図５は、本発明の実施例３に係るスナバ回路部品の断面図である。この実施例３の各部について、図１の実施例１に係るスナバ回路部品の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。この実施例３、実施例１と異なる点は、図１におけるスナバダーオード２をスナバダーオード２ａ及びスナバダーオード２ｂの直列回路で構成し、夫々を金属接合４ａ１、４ａ２を介しベース基板１の銅パターン１２ａに接続した点、また、端子Ｔ１接続用の銅パターン１２ｄを設け、スナバダイオード２ａのアノードを、ボンディングワイヤ６により端子Ｔ１と接続するようにした点、更に、端子Ｔ３をスナバコンデンサ３の電極に直接接合せずに、端子Ｔ３用の銅パターン１２ｅに接合し、この銅パターン１２ｅとスナバコンデンサ２の電極をボンディングワイヤ６で接続するようにした点である。端子Ｔ２からスナバダイオード２ａ、２ｂの直列回路とスナバコンデンサ３の接続部の電位と電流を取り出せる構造となっているのは図１と同様である。
このように例えば、耐電圧特性向上のためスナバダイオード２を直列接続する構造に変形しても、また、端子Ｔ１、あるいは端子Ｔ３の取付け位置を変更しても本発明の目的は達成可能である。
図６は、本発明の実施例４に係るスナバ回路部品の断面図である。この実施例４の各部について、図５の実施例３に係るスナバ回路部品の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。この実施例４が、実施例３と異なる点は、放熱板５を省き、またベース基板１の放熱板側面の銅パターン１２ｃ及び金属接合４ｄを省いた点である。
このようにすれば、実施例２で説明したように、ベース基板１の下面を直接冷却することが可能となり、放熱板を持たない簡易構造が実現できる。
図７は、本発明の実施例５に係るスナバ回路部品の断面図である。この実施例５の各部について、図１の実施例１に係るスナバ回路部品の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。この実施例５が、実施例１と異なる点は、図１のケース７を貫通する形の端子Ｔ１を除去し、その代わりとして電極１２ａをベース基板１内に設けたスルーホール貫通導体５０を介して銅パターン１２ｄと接合し、銅パターン１２ｄを端子Ｔ１とした点である。 従って、ベース基板１の銅パターン１２ｄは、スナバダイオード２とスナバコンデンサ３の発生損失を放熱する役割と端子Ｔ１としての機能の両方を兼ねる構成となる。
このように、本発明の実施例５に係るスナバ回路部品によれば、放熱面が端子１を兼ねる構成としているので、図１に示したパワーデバイス９のアノード電極を共有する冷却部品に直接取り付けることが可能となり、更に組み立て工数を削減できる。
図８は、本発明の実施例６に係るスナバ回路部品の断面図である。この実施例６の各部について、図１の実施例１に係るスナバ回路部品の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。この実施例６が、実施例１と異なる点は、図１のケース７を貫通する形の端子Ｔ３を除去し、Ｔ３の端子を、銅パターン１２ｂをベース基板１内に設けたスルーホール貫通導体５０を介して銅パターン１２ｄと接合して構成することにより、銅パターン１２ｄを端子Ｔ３とした点、また、端子Ｔ１用の銅パターン１２ｅを設け、この銅パターン１２ｅとスナバコンデンサ２のアノード電極をボンディングワイヤ６で接続するようにした点、更に端子Ｔ２はスナバダイオード２のカソード電極と金属接合４ａで接合されている銅パターン１２ａに接続するようにした点、及び銅パターン１２ａとスナバコンデンサ３の電極をボンディングワイヤ６で接続するようにした点である。従って、ベース基板１の銅パターン１２ｄは、スナバダイオード２とスナバコンデンサ３の発生損失を放熱する放熱面の役割と端子Ｔ３としての機能を兼ねる構成となる。
このように、本発明の実施例６に係るスナバ回路部品によれば、放熱面が端子３を兼ねる構成としているので、図１に示したパワーデバイス９のカソード電極を共有する冷却部品に直接取り付けることが可能となり、更に組立て工数を削減できる。
図９は、本発明によるスナバ回路部品２０を使用した電力変換装置の一例を示す回路図である。商用三相入力６０をコンバータ６１で直流に変換し、これをコンデンサ６２で平滑してインバータ６３に供給する。インバータ６３は、複数個のパワーデバイス９と、これと逆並列に接続されたフライホイールダイオード１０とから構成されるアームがブリッジ接続され、これにより任意の周波数の三相出力を得ている。そして夫々のパワーデバイス９に並列に、本発明に係るスナバ回路部品２０が接続され、更にスナバ抵抗３１を接続して充放電型スナバ回路を構成している。
このようにインバータ６３の主変換器を構成するパワーデバイス９用スナバとして本発明に係るスナバ回路部品２０を適用することにより、小型で、経済性の良い電力変換装置を提供することができる。
本発明の実施例１に係るスナバ回路部品の断面図。 本発明のスナバ回路部品が適用される回路図。 本発明のスナバ回路部品が適用される他の回路図。 本発明の実施例２に係るスナバ回路部品の断面図。 本発明の実施例３に係るスナバ回路部品の断面図。 本発明の実施例４に係るスナバ回路部品の断面図。 本発明の実施例５に係るスナバ回路部品の断面図。 本発明の実施例６に係るスナバ回路部品の断面図。 本発明の実施例７に係る電力変換装置の回路図。
符号の説明
１ ベース基板
２ スナバダイオード
３ スナバコンデンサ
４ａ、４ｂ、４ｃ、 金属接合
５ 放熱板
６ ボンディングワイヤ
７ ケース
８ 充填物
９ パワーデバイス
１０ フライホイールダイオード
１１ 絶縁基板
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ 電極
２０ スナバ回路部品
３０ スナバ回路
３１ スナバ抵抗
４０ 直流電源
５０、５１ スルーホール貫通導体
６０ 商用三相入力
６１ コンバータ
６２ 平滑コンデンサ
６３ インバータ

Claims (7)

  1. 絶縁基板と、
    この絶縁基板の一方の表面に互いに離間して形成された第1及び第２の導体パターンと、
    この第1及び第２の導体パターン上に夫々載置され、互いが直列接続されたスナバダイオード及びスナバコンデンサと、
    前記直列接続された回路のスナバダイオードの一方の端子と第１の接続手段で接続された第1の端子と、
    前記直列接続された回路の中点と接続された第2の端子と、
    前記直列接続された回路のスナバコンデンサの他方の端子と第２の接続手段で接続された第３の端子とを
    具備したことを特徴とするスナバ回路部品。
  2. 前記絶縁基板の他方の表面に沿って金属製の放熱板が配置されている請求項１記載のスナバ回路部品。
  3. 前記スナバダイオードは、複数個のスナバダイオードを直列接続して成ることを特徴とする請求項１記載のスナバ回路部品。
  4. 前記第１の端子及び前記第３の端子の少なくとも１つは、前記絶縁基板の他方の表面に形成された導体パターンであることを特徴とする請求項１記載のスナバ回路部品。
  5. 前記第１の接続手段及び前記第２の接続手段のすくなくとも１つは、前記絶縁基板に設けられたスルーホールを貫通する接続導体によることを特徴とする請求項１記載のスナバ回路部品。
  6. 前記スナバダイオードをワイドギャップ半導体製としたことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のスナバ回路部品。
  7. ブリッジ接続されたパワーデバイスと、
    前記パワーデバイスに並列に接続されたスナバ回路
    とから構成され、
    前記スナバ回路は、
    絶縁基板と、
    この絶縁基板の一方の表面に互いに離間して形成された第1及び第２の導体パターンと、
    この第1及び第２の導体パターン上に夫々載置され、互いが直列接続されたスナバダイオード及びスナバコンデンサと、
    前記直列接続された回路のスナバダイオードの一方の端子と第１の接続手段で接続された第1の端子と、
    前記直列接続された回路の中点と接続された第2の端子と、
    前記直列接続された回路のスナバコンデンサの他方の端子と第２の接続手段で接続された第３の端子とを
    具備したスナバ回路部品を使用したことを特徴とする電力変換装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2010206106A (ja) * 2009-03-05 2010-09-16 Nissan Motor Co Ltd 半導体装置、電力変換装置及び半導体装置の製造方法
CN110896070A (zh) * 2018-09-12 2020-03-20 三菱电机株式会社 半导体装置以及半导体装置的制造方法

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