JP2005183776A - 半導体パワーモジュール - Google Patents
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Abstract
【解決手段】IGBT等の電力用半導体素子のスイッチングにより直流電力や交流電力の電力変換を行う電力変換装置用の半導体パワーモジュールを改良したものである。モジュールパッケージ21内の電力用半導体素子に接続された端子、例えば端子2a,2bを包囲するように環状磁性部材6cを配置する。これにより、電力用半導体素子のスイッチングに伴って端子2a,2bを流れるノイズ電流を効果的に抑制する。
【選択図】図1B
Description
図4は、この種の電力変換装置の回路図である。図4において、1は直流電源、2U,2V,2Wは還流ダイオードが逆並列接続された電力用半導体素子としてのIGBT(Insulated Gate Bi-polar Transistor)を2個直列に接続した半導体パワーモジュール、3は負荷としてのモータである。各相の半導体パワーモジュール2U,2V,2Wでは、上下アームのIGBTを交互にスイッチングすることにより、直流電源1の直流電力を交流電力に変換してモータ3に供給する。
なお、図4では、IGBTのゲート駆動回路の図示を省略してある。
また、近年では、IGBTや還流ダイオードのほかに、IGBTを駆動するための駆動回路4も含めて一つの容器内に実装したインテリジェントパワーモジュール(IPM)と称するパワーモジュールも開発されており、電力変換装置の構成を一層簡素化する努力が重ねられている。
第1番目のスイッチングノイズは、パワーモジュールと直流電源とからなる閉ループを流れるノーマルモードの高周波電流によるノーマルモードノイズである。図6Aに、このノーマルモードノイズ電流が流れる閉ループ10Nを示す。なお、図6Aにおいて、2は前述した半導体パワーモジュール2U,2V,2Wやインテリジェントパワーモジュール2Aにおける一相分のパワーモジュールを代表して示したパワーモジュールである。
このノーマルモードは、電力用半導体素子のスイッチングにより、前記閉ループ10Nを構成する配線の浮遊インダクタンスと電力用半導体素子の接合容量とによるLC共振が発生し、この共振による高周波ノイズ電流が閉ループ10Nを流れるモードである。
このコモンモードは、電力用半導体素子のスイッチングにより生じる高い電圧変化(dV/dt)によって浮遊容量7,8が高周波で充放電され、この高周波充放電電流がアースを経て閉ループ10Cを流れるモードである。このモードでは、直流電源1側にノイズ電流が流出したり、ノイズが電波となって放射されることもある。
また、図7Bは、コモンモードノイズ電流を抑制するために、パワーモジュール2の直流入力端子の正極側及び負極側を一括してインダクタンス6bを介し直流電源1の両端に接続した従来技術である。この従来技術によれば、図7Aにおける浮遊容量7,8を通ってアース側へ流れるノイズ電流に対し、前記インダクタンス6bがインピーダンス成分として働くため、ノイズ電流を抑制することができる。
この場合、ノイズ電流抑制用のインダクタンスを半導体素子に一層近接した位置に配置できれば、回路全体の小型化やパッケージングに有効であることから、以下に述べるような特許文献記載の技術が提供されている。
また、下記の特許文献2には、ダイオード等の各種半導体素子のリード部に外嵌され、または一体的にモールドされる非晶質磁性合金製のノイズ低減素子が開示されている。
通常、スイッチングノイズの周波数は外部回路条件(配線浮遊インダクタンスや浮遊容量)により様々である。このため、半導体素子にフィルタ素子を付加してノイズを低減する場合には、フィルタ素子をパッケージ外部に装着して必要に応じて交換できることが望ましいが、特許文献1ではこれが不可能である。
また、特許文献1の従来技術では、複合磁性材料がパッケージに内蔵されるため、パッケージが大型化するという問題がある。
また、本発明の他の目的は、パッケージの小型化を可能にした半導体パワーモジュールを提供することにある。
更に、本発明の別の目的は、個々の電力用半導体素子やモジュール全体の容量を問わず、また、上下アーム一相分の半導体パワーモジュールや駆動回路を内蔵したインテリジェントパワーモジュール等の区別なく適用可能な半導体パワーモジュールを提供することにある。
要するに、本発明は、モジュールパッケージに電力用半導体素子が内蔵され、かつ、電力用半導体素子に接続された端子がモジュールパッケージの外部に配置された半導体パワーモジュールであれば、いかなる機能、構造を有する半導体パワーモジュールであってもよい。
また、外部回路条件に依存するスイッチングノイズの周波数に応じて、フィルタ素子に要求されるインダクタンスも変化するので、外部回路条件が変化した場合には最適なインダクタンスを有する環状磁性部材に交換すれば良い。その際、環状磁性部材は端子に外嵌されているため、交換作業を容易に行うことができる。
まず、図1A,図1B,図1Cは、本発明をインテリジェントパワーモジュールに適用した場合の実施形態を示す斜視図である。
また、図1Cは、負極側の直流入力端子2bを包囲するように環状磁性部材6dを嵌入したインテリジェントパワーモジュール2Dを示している。この例は、環状磁性部材6dをノーマルモードノイズ除去用のインダクタンスとして動作させる例である。
勿論、環状磁性部材6dは、正極側の直流入力端子2aまたは他の端子を包囲するように嵌入しても良い。
なお、環状磁性部材6c,6dとしては、例えば環状に成型されたフェライト焼結体が使用される。
また、モジュールパッケージ21の外部に環状磁性部材を配置する構造であるから、ノイズ周波数に合わせた所望のインダクタンスを有する環状磁性部材を交換して装着することもできる。
なお、環状磁性部材のインダクタンス値を所望の値にするには、例えば、環状磁性部材の材質(比透磁率)を変更して、外形形状は同一のままにインダクタンス値を変更しても良いし、薄肉の環状磁性部材を用意して必要に応じて嵌入枚数を調整してインダクタンス値を変更しても良い。
この場合、図示するように、制御入力端子2gをモジュールパッケージ21の表面から若干突設させることにより、必然的に制御入力端子2gの周囲に磁性部材配置空間が形成されることになる。また、構造上、制御入力端子2gの高さがモジュールパッケージ21の表面とほぼ同一である場合には、制御入力端子2gの周囲に凹部を形成して磁性部材配置空間を形成すればよい。
制御入力端子2gの周囲に凹部を設けてこの凹部に環状磁性部材6eを嵌入すれば、図1Dに示した銅ブスバー9による配線やプリント板を用いた配線を行う場合に、環状磁性部材6eが邪魔になることもない。
また、図3Cは、正極側直流入力端子12aのみに環状磁性材料6gを嵌入した半導体パワーモジュール2Hを示しており、環状磁性材料6gによってノーマルモードノイズを抑制するための構造である。勿論、環状磁性材料6gを負極側直流入力端子12bに嵌入しても良い。
環状磁性材料6f,6gは各端子の上方の空間を開放した状態で嵌入可能であるから、各端子に銅ブスバー等を接続して配線を行う場合に、環状磁性材料6f,6gが邪魔になるおそれはなく、環状磁性材料6f,6gの絶縁も容易に行えるため、電極同士の短絡防止も容易に行うことができる。この場合、環状磁性材料6f,6gの絶縁方法としては、環状磁性材料6f,6gの表面を絶縁性の樹脂により覆う等の方法がある。
更に、ノーマルモードノイズ、コモンモードノイズ双方を同時に低減させる場合には、図3B、図3Cの構造を組み合わせたり、図3Eに示すような日の字形の環状磁性部材6h,6iを使用すればよい。
また、電力変換装置の機能(直流−直流変換、交流−直流変換等)に応じて、直流出力端子や交流入力端子に環状磁性体を嵌入してノイズ対策を施しても良い。
加えて、各実施形態では、環状磁性体として○形またはロ字形の一体成型された環状磁性体を図示してあるが、コ字形及びI形の磁性体を組み合わせてその全体を環状に形成しても同様の効果が得られるものである。
更に、前述した如く、本発明はモジュールパッケージの外部に配置された端子の周囲に磁性部材配置空間を形成すればよいから、端子の周囲に凹部を形成する構造、端子自体を突設する構造の何れも本発明の技術的範囲に属するものである。
2,2U,2V,2W,2F,2G,2H:半導体パワーモジュール
2A,2B,2C,2D,2E:インテリジェントパワーモジュール
2a,2b,12a,12b:直流入力端子
2c,2d,2e,12c:交流出力端子
2f:制動用抵抗の接続端子
2g,12g:制御入力端子
2h,12h:凹部
3:モータ
4:駆動回路
5:制御回路
5a:基準正弦波
5b:出力電圧指令
5c:比較演算部
6a,6b:インダクタンス
6c,6d,6e,6f,6g,6h,6i:環状磁性部材
7,8:浮遊容量
9,9a,9b:銅ブスバー
10C,10N:ノイズ電流経路
11:制動用抵抗
12,21:モジュールパッケージ
Claims (7)
- 電力用半導体素子がモジュールパッケージに内蔵され、かつ、前記電力用半導体素子に接続された端子が前記モジュールパッケージの外側に配置されてなる半導体パワーモジュールにおいて、
前記端子を包囲するように、この端子を流れるノイズ電流を低減させるための環状磁性部材を配置したことを特徴とする半導体パワーモジュール。 - 請求項1に記載した半導体パワーモジュールにおいて、
前記モジュールパッケージに、前記電力用半導体素子の駆動回路を内蔵したことを特徴とする半導体パワーモジュール。 - 請求項1または2に記載した半導体パワーモジュールにおいて、
前記端子の周囲に設けられた凹部により磁性部材配置空間を形成し、この磁性部材配置空間に前記環状磁性部材を配置したことを特徴とする半導体パワーモジュール。 - 請求項3に記載した半導体パワーモジュールにおいて、
前記端子を前記モジュールパッケージから突設させて前記端子の周囲に磁性部材配置空間を形成し、この磁性部材配置空間に前記環状磁性部材を配置したことを特徴とする半導体パワーモジュール。 - 請求項1〜4の何れか1項に記載した半導体パワーモジュールにおいて、
前記端子が、直流電力を伝達するための端子であることを特徴とする半導体パワーモジュール。 - 請求項1〜4の何れか1項に記載した半導体パワーモジュールにおいて、
前記端子が、交流電力を伝達するための端子であることを特徴とする半導体パワーモジュール。 - 請求項1〜4の何れか1項に記載した半導体パワーモジュールにおいて、
前記端子が、前記電力用半導体素子に対する制御信号を伝達するための制御端子であることを特徴とする半導体パワーモジュール。
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