JP2005251839A - Insulating substrate of power semiconductor module - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、電力変換装置から発生する放射ノイズの低減を図る半導体モジュール内部の絶縁基板構造に関する。 The present invention relates to an insulating substrate structure inside a semiconductor module for reducing radiation noise generated from a power converter.
図6に電力変換装置の代表的な装置であるインバータ主回路の例を示す。
11は商用の交流電源、12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、13は大容量の電解コンデンサ、14はモータなどの負荷、15は電力用スイッチングデバイスからなり、直流から交流に変換するインバータ用モジュール、16はスイッチングデバイスのスイッチング時に発生するサージ電圧を抑制するスナバコンデンサで、通常はインバータ用モジュール15の直近に設置される。17はダイオード整流器モジュール12とインバータモジュール15を冷却する放熱器である。また、インバータ用モジュール15はIGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)18と、逆並列に接続されているFWD(フリーホイールダイオード)ダイオード19の6回路で構成されており、通常はインバータを構成するために、2回路入りのモジュールを3台使用することが多い。
FIG. 6 shows an example of an inverter main circuit which is a typical device of the power conversion device.
11 is a commercial AC power source, 12 is a diode rectifier module that converts AC to DC, 13 is a large-capacity electrolytic capacitor, 14 is a load such as a motor, and 15 is a power switching device, and an inverter that converts DC to AC The
2回路入りのモジュールの外観を図7に、図8にモジュール内部の絶縁基板の構成例を示す。図8(a)は上面図、同(b)は側面図である。
図7の符号20は直流の正側出力電極(P)、21は負側出力電極(N)、22は負荷側に接続される出力電極(U)、23,24,25,26は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である。また、モジュールの下部27(ヒートシンクとの接続面)は銅の基板(銅ベース)で構成している。そのため、ヒートシンクと銅ベースは電気的には同電位(アース電位)となる。
FIG. 7 shows an external appearance of a module including two circuits, and FIG. 8 shows a configuration example of an insulating substrate inside the module. FIG. 8A is a top view and FIG. 8B is a side view.
Reference numeral 20 in FIG. 7 is a DC positive output electrode (P), 21 is a negative output electrode (N), 22 is an output electrode (U) connected to the load side, and 23, 24, 25 and 26 are upper arms. These are the gate terminal and emitter terminal of the side and lower arm IGBTs. Further, the lower part 27 (the connection surface with the heat sink) of the module is constituted by a copper substrate (copper base). Therefore, the heat sink and the copper base are electrically at the same potential (ground potential).
図8(b)の符号28は銅ベース27上に形成されている絶縁基板で、セラミックなどの絶縁材29と各電位(P,U,N)の銅パターン1,2,3より構成される。また、P電位銅はくパターン1の上には、上アーム側IGBTチップ33とFWDチップ34がマウントされており、U電位銅はくパターン2の上には、下アーム側IGBTチップ35とFWDチップ36がマウントされている。
さらに図8(a)のように、上アーム側IGBTチップ33およびFWDチップ34と、U電位銅はくパターン2との間はワイヤボンディング37,38で接続されており、下アーム側IGBTチップ35とFWDチップ36と、N電位銅はくパターン3との間はワイヤボンディング39,40で接続されている。
また、図9にインバータモジュール(1相分)内で、放射ノイズに影響を及ぼす浮遊容量41,42を示す。
Further, as shown in FIG. 8A, the upper arm
FIG. 9 shows stray capacitances 41 and 42 that affect radiation noise in the inverter module (for one phase).
以上のようなインバータ用モジュール(IGBTモジュール)の内部構造は、例えば特許文献1,非特許文献1に、また、インバータ用モジュールと平滑コンデンサを一体化する技術は例えば特許文献2,3などに開示されている。
通常、電力変換装置を製品化する場合、CISPR(国際無線障害特別委員会)規約などで規定されている雑音電界強度(放射ノイズ)を、或る規格値30MHz〜1GHz以内に抑える必要がある。
一般に、図6のIGBT18やFWD19は、高dv/dt(電圧変化率)によるスイッチングが行なわれる。その際、図9に示すIGBTやFWDの浮遊容量41,42は、U電位が変動するため充放電現象が起こり、それにより電流が流れる。その電流経路は多々存在するが、代表的な電流経路を図10に符号43(一点鎖線)で示す。
Usually, when a power converter is commercialized, it is necessary to suppress the noise electric field intensity (radiated noise) defined by CISPR (International Radio Interference Special Committee) regulations or the like within a certain standard value of 30 MHz to 1 GHz.
In general, the
上記電流経路43は、モジュール内の各電極,配線を介するIGBTチップ(またはFWDチップ)とスナバコンデンサ16との間となる。この経路43に流れる電流の波形は、その経路の配線抵抗値(図示していない)と各配線インダクタンス値の和(L=L1+L2+L3+L4+L5)、および浮遊容量41,42によって決まり、その電流スペクトルはその41または42の容量値(C)と電極および各配線インダクタンス値の和(L)とで決まる共振周波数(fr=1/√(L・C))でピークとなる。この電流が放射ノイズ源となり、空間に電磁波が放射される。
The
このような電磁波による或る空間距離地点での電界の最大値は、次の(1)式により求められる。
Epeak=1.32×10-14・S・Ed/(π2・T・tr・R) …(1)
Epeak:電界のピーク値 S:電流経路(図10では43)の空間的な面積
Ed:電解コンデンサの電圧 T:IGBTのスイッチング周期
tr:IGBTまたはFWDのスイッチング時の立ち上がり時間
R:電流経路(図10では43)の抵抗分
The maximum value of the electric field at a certain spatial distance point due to such electromagnetic waves is obtained by the following equation (1).
Epeak = 1.32 × 10 -14 · S · Ed / (
Epeak: An electric field peak value S: spatial area Ed current path (in FIG. 10 43): the voltage of the electrolytic capacitor T: switching period of the IGBT t r: Rise time during switching of the IGBT or FWD R: current path ( In FIG. 10, the resistance component 43)
一般に、インバータに適用するモジュールの場合、電流経路43の共振周波数frは30MHz付近になることが多く、そのため上記のような規格値をオーバするケースが多い。また、その周波数での電界強度も一般機器に比べて高いため、インバータの周辺機器が誤動作するなどの問題が発生する場合がある。その場合、上記(1)式のtrを大きくする、すなわちIGBTやFWDのスイッチング時のdv/dtを緩やかにする対策が講じられているが、トレードオフとしてスイッチング損失が増加するため放熱器の大型化や、素子定格をアップさせるなどの対策が必要となり、装置の大型化やコストアップを招くという問題がある。
したがって、この発明の課題は装置の大型化やコストアップを招くことなく、放射ノイズスペクトルのピーク値を低減することにある。
In general, in the case of a module applied to an inverter, the resonance frequency fr of the
Therefore, an object of the present invention is to reduce the peak value of the radiation noise spectrum without increasing the size of the apparatus and increasing the cost.
このような課題を解決するため、請求項1の発明では、電源からの電力を所定の電力に変換して負荷に供給する電力変換回路を構成する電力用半導体モジュール内部の絶縁基板において、
直流の正側電位となる銅はくパターンと直流の負側電位となる銅はくパターンとの間に、コンデンサまたはコンデンサと抵抗との直列回路を直接接続することを特徴とする。
この請求項1の発明においては、前記コンデンサおよび抵抗をチップタイプのものとすることができる(請求項2の発明)。
In order to solve such a problem, in the invention of
A capacitor or a series circuit of a capacitor and a resistor is directly connected between a copper foil pattern that is a positive DC potential and a copper foil pattern that is a negative DC potential.
In the first aspect of the present invention, the capacitor and the resistor can be of a chip type (the second aspect of the present invention).
すなわち、上記(1)式からも明らかなように、電流経路の空間的な面積Sが小さければ、放射ノイズスペクトルのピーク値Epeakを小さくできること、また、抵抗を直列に接続すれば、この抵抗で放射ノイズのエネルギを消費できることに着目している。具体的には、絶縁基板上にコンデンサおよび抵抗を配置することで、IGBTチップ,FWDチップおよびコンデンサで囲まれる面積Sを極小にしている。 That is, as is clear from the above equation (1), if the spatial area S of the current path is small, the peak value Epeak of the radiation noise spectrum can be reduced, and if a resistor is connected in series, this resistance We focus on the fact that the energy of radiation noise can be consumed. Specifically, by disposing a capacitor and a resistor on an insulating substrate, the area S surrounded by the IGBT chip, the FWD chip and the capacitor is minimized.
この発明によれば、放射ノイズ源となる高周波電流が流れる経路上の面積を減少させ、さらには抵抗を接続しその抵抗でノイズ放射エネルギを消費させることで、放射ノイズスペクトルのピーク値を低減することができる。その結果、外部機器への動作障害が減るとともに、雑音電界強度規格に容易に適合し、ノイズ対策費用を軽減することが可能になるという利点が得られる。 According to the present invention, the peak value of the radiation noise spectrum is reduced by reducing the area on the path through which the high-frequency current serving as the radiation noise source flows, and further connecting the resistor and consuming the noise radiation energy by the resistor. be able to. As a result, it is possible to obtain an advantage that operation troubles to external devices are reduced, noise electric field strength standards are easily adapted, and noise countermeasure costs can be reduced.
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。
これは、図8で説明した従来の絶縁基板において、P電位用銅はくパターン1と、N電位用銅はくパターン3との間にコンデンサ4を接続した例である。ここに、コンデンサ4としてはチップタイプのものを用い、各銅はくパターンと半田接合することで、放射ノイズ源と高周波電流経路との面積Sの低減効果を、より大きくすることができる。
FIG. 1 is a block diagram showing a first embodiment of the present invention.
This is an example in which a
図2はこの発明の第2の実施の形態を示す構成図である。
これは、図1に示すものに対し、N電位用銅はくパターン3とU電位用銅はくパターン2の形状を変更し、コンデンサを4a,4b,4cと複数(ここでは3個)に増やした例である。
図1,2はコンデンサのみを利用する例で、回路的には図4のように表わすことができる。
FIG. 2 is a block diagram showing a second embodiment of the present invention.
This is different from that shown in FIG. 1 in that the shapes of the N-potential
1 and 2 are examples using only capacitors, and can be expressed as shown in FIG.
図3はこの発明の第2の実施の形態を示す構成図である。
これは、図1,2がコンデンサのみを利用するのに対し、抵抗5を併用(直列接続)する例で、回路図は図5のようになる。このコンデンサや抵抗もチップタイプのものを用いれば、上記と同様の効果を得ることが可能となる。ここでは、コンデンサ4と抵抗5を接続するために新たな銅はくパターン6を用いたが、空間上で接続したり、または抵抗とコンデンサの直列回路が1チップになったものを用いても良い。
FIG. 3 is a block diagram showing a second embodiment of the present invention.
This is an example in which the
1…P電位用銅はくパターン、2…U電位用銅はくパターン、3…N電位用銅はくパターン、4,4a,4b,4c…コンデンサ、5…抵抗、6…銅はくパターン。
1 ... P-potential copper foil pattern, 2 ... U-potential copper foil pattern, 3 ... N-potential copper foil pattern, 4, 4a, 4b, 4c ... capacitor, 5 ... resistance, 6 ... copper foil pattern .
Claims (2)
直流の正側電位となる銅はくパターンと直流の負側電位となる銅はくパターンとの間に、コンデンサまたはコンデンサと抵抗との直列回路を直接接続することを特徴とする電力用半導体モジュールの絶縁基板。 In an insulating substrate inside a power semiconductor module that constitutes a power conversion circuit that converts power from a power source into predetermined power and supplies it to a load,
A power semiconductor module characterized in that a capacitor or a series circuit of a capacitor and a resistor is directly connected between a copper foil pattern that is a positive DC potential and a copper foil pattern that is a negative DC potential. Insulating substrate.
The insulating substrate of the power semiconductor module according to claim 1, wherein the capacitor and the resistor are of a chip type.
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