JP2008294216A

JP2008294216A - スイッチングモジュール

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Publication number: JP2008294216A
Application number: JP2007137999A
Authority: JP
Inventors: Tamiko Sasaki; 達見子佐々木; Michio Tamate; 道雄玉手; Hiroshi Takubo; 拡田久保; Pasan Fernando; パサンフェルナンド; Kenji Okamoto; 健次岡本
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2007-05-24
Filing date: 2007-05-24
Publication date: 2008-12-04
Anticipated expiration: 2027-05-24
Also published as: JP5119741B2

Abstract

【課題】コモンモード電流の原因となる浮遊容量のさらなる低減を図ることで、伝導ノイズや放射ノイズを低減する。
【解決手段】冷却用の銅ベース１０上には絶縁性基板１１が搭載され、絶縁性基板１１上には、互いに分離された銅パターン１２、１３、１８が形成され、絶縁性基板１１には、銅パターン１８の配置位置に対応して凸部１９が形成され、銅パターン１８が形成された領域の絶縁性基板１１における厚みが、銅パターン１２、１３が形成された領域の絶縁性基板１１における厚みよりも厚くなるように構成する。
【選択図】図１

Description

本発明はスイッチングモジュールに関し、特に、スイッチング素子とこれに逆並列に接続されたダーオードとを１アームとして構成された上下２アーム直列回路の実装方法に適用して好適なものである。

商用交流電源などから得られた入力電力を半導体スイッチング素子にて所定の周波数の電力に変換して出力するために、インバータなどの電力変換装置が用いられている。
図６は、インバータを用いた電力変換装置の一例を示す図である。
図６において、三相交流電源４１は、整流器４２および平滑コンデンサＣ４を介してインバータ４３に接続され、インバータ４３はモータ４４に接続されている。そして、三相交流電源４１の各相は、コモンモードノイズを低減するために、接地コンデンサＣ１〜Ｃ３をそれぞれ介して接地されている。ここで、整流器４２には、整流ダイオードＤ１〜Ｄ６が設けられるとともに、インバータ４３には、スイッチング素子Ｍ１１〜Ｍ１６およびスイッチング素子Ｍ１１〜Ｍ１６にそれぞれ逆並列接続された帰還ダイオードＤ１１〜Ｄ１６が設けられている。

なお、スイッチング素子Ｍ１１〜Ｍ１６としては、例えば、ＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）やパワーＭＯＳＦＥＴを用いることができる。
そして、三相交流電源４１にて生成された交流電圧は整流器４２および平滑コンデンサＣ４にて直流電圧に変換され、その直流電圧はインバータ４３にて交流電圧に変換されてモータ４４に供給される。

ここで、各スイッチング素子Ｍ１１〜Ｍ１６と各帰還ダイオードＤ１１〜Ｄ１６の組で基本回路（アーム）が構成され、インバータ４３は、このアームを６個用いることで構成することができる。そして、各スイッチング素子Ｍ１１〜Ｍ１６とこれに逆並列に接続された各帰還ダイオードＤ１１〜Ｄ１６とを１アームとすると、スイッチング素子Ｍ１１、Ｍ１４にて上下２アーム直列回路を構成し、スイッチング素子Ｍ１２、Ｍ１５にて上下２アーム直列回路を構成し、スイッチング素子Ｍ１３、Ｍ１６にて上下２アーム直列回路を構成することができる。そして、これら３組の上下２アーム直列回路を３並列接続することでインバータ４３を構成することができる。

なお、インバータモジュールは、上下２アーム分を１組（２ｉｎ１タイプ）とするか、あるいは６アーム分を１組（６ｉｎ１タイプ）として構成することができ、３相インバータでは、２アームの組を３並列接続するか、６アームの組をそのまま用いることができる。
また、インバータモジュールは、冷却のためにヒートシンク４５上に設置され、このヒートシンク４５は、安全のためにアース電位に接続される。

図７は、上下２アーム直列回路が搭載されたスイッチングモジュールの外観構成を示す斜視図である。
図７において、冷却用の銅ベース１０１上には封止樹脂１０２が設けられ、負荷側に接続される出力電極１０３、直流の負側出力電極１０４、直流の正側出力電極１０５、上アーム側および下アーム側のＩＧＢＴのゲート／エミッタ端子１０６が封止樹脂１０２から取り出されている。ここで、銅ベース１０１は、図４のヒートシンク４５と接するように配置され、ヒートシンク４５と同電位に設定することができる。

図８は、図７のスイッチングモジュールに搭載されたＩＧＢＴの実装状態を示す平面図、図９は、図７のスイッチングモジュールに搭載されたＩＧＢＴの実装状態を示す断面図である。
図８および図９において、各半導体チップ１１４、１１５には、スイッチング素子とこれに逆並列に接続された帰還ダイオードとを形成することができる。なお、以下の説明では、スイッチング素子としてＩＧＢＴを用いる方法について説明する。

そして、上アーム側の半導体チップ１１４は、ＩＧＢＴのエミッタが上側、コレクタが下側を向くようにして銅パターン１１２上に半田付けにて実装され、下アーム側の半導体チップ１１５は、ＩＧＢＴのエミッタが上側、コレクタが下側を向くようにして銅パターン１１３上に半田付けにて実装されている。そして、半導体チップ１１４の上側の端子と銅パターン１１３とをボンディングワイヤ１１６にて接続することで、半導体チップ１１４に搭載されたＩＧＢＴのエミッタと半導体チップ１１５に搭載されたＩＧＢＴのコレクタとを接続し、上下２アーム直列回路を形成することができる。
ここで、銅パターン１１２、１１３はセラミック基板１１１を介して銅ベース１０１と向き合うため、銅パターン１１２、１１３と銅ベース１０１との間には浮遊容量が形成される。すなわち、上アーム側のＩＧＢＴのコレクタと銅ベース１０１との間および下アーム側のＩＧＢＴのコレクタと銅ベース１０１との間に浮遊容量が形成される。

図１０は、図６の２素子構成のインバータを用いた場合におけるコモンモード電流経路を示す図である。
図１０において、インバータモジュールは、アース電位と同電位のヒートシンク４５上に実装され、上アーム側のＩＧＢＴのコレクタと銅ベース１０１との間および下アーム側のＩＧＢＴのコレクタと銅ベース１０１との間に形成される浮遊容量Ｃ５、Ｃ６もアース電位に接続される。そして、コモンモード電流は、浮遊容量C５、Ｃ６を通るコモンモード電流経路ＲＣを介して主に流れる。

ただし、ＩＧＢＴが実際にスイッチング動作した場合、浮遊容量Ｃ５では理想的には電位変動がないため充放電電流が流れることはなく、主として浮遊容量Ｃ６に流れる充放電電流がコモンモード電流となる。そして、このコモンモード電流に起因して生じる電位変動が伝導ノイズとして他の装置に伝わると、誤動作の原因となる。また、このコモンモード電流は通常は高周波電流であるため、このコモンモード電流が流れると、コモンモード電流経路ＲＣがループアンテナとなって不要な電磁波が放射ノイズとして放射され、他の装置の誤動作の原因となる。

ここで、伝導ノイズや放射ノイズはコモンモード電流の大きさに依存し、コモンモード電流の大きさはＩＧＢＴの浮遊容量に比例することから、ＩＧＢＴの浮遊容量が大きくなるに従って、伝導ノイズや放射ノイズも大きくなる。
このようなコモンモード電流に起因する伝導ノイズや放射ノイズの対策として、インバータモジュール外の部分について、配線とアース電極とのラミネート化や、接地コンデンサＣ１〜Ｃ３を設けるなどの方法がとられる。また、コモンモード電流を小さくすることで、放射ノイズを低減する方法も提案されている（特許文献１）。
さらに、本出願人による先願（特願２００５−３７８７４３）には、上アームの低電位側端子と下アームの高電位側端子とを接続する実装パターンの面積を小さくすることで、コモンモード電流量を低減し、伝導ノイズや放射ノイズを低減する方法が提案されている。

図４は、先願のスイッチングモジュールの概略構成を示す断面図、図５は、図４のスイッチングモジュールの概略構成を示す平面図である。
図４および図５において、銅ベース３０上には絶縁性基板３１が搭載され、絶縁性基板３１上には、互いに分離された銅パターン３２、３３、３８が形成されている。また、半導体チップ３４、３５には、ＩＢＧＴとこれに逆並列に接続された帰還ダイオードとがそれぞれ形成されている。

そして、上アーム側の半導体チップ３４は、ＩＧＢＴのエミッタが上側、コレクタが下側を向くようにして銅パターン３２上に半田付けにて実装され、下アーム側の半導体チップ３５は、ＩＧＢＴのコレクタが上側、エミッタが下側を向くようにして銅パターン３３上に半田付けにて実装されている。そして、半導体チップ３４の上側の端子と銅パターン３８とをボンディングワイヤ３６にて接続するとともに、半導体チップ３５の上側の端子と銅パターン３８とをボンディングワイヤ３７にて接続することで、半導体チップ３４に搭載されたＩＧＢＴのエミッタと半導体チップ３５に搭載されたＩＧＢＴのコレクタとを接続し、上下２アーム直列回路を形成することができる。

ここで、銅パターン３８は、ボンディングワイヤ３６、３７を接続するための最小限の面積に設定することで、図１０の浮遊容量Ｃ６を小さくすることができ、コモンモード電流量を低減することができる。
また、特許文献２には、実装基板に形成されたグランド電極と高周波回路との間に生じる寄生容量を低減し、良好な高周波特性を得ることができるようにするために、ダイパッド部にグランド電位が印加される高周波スイッチＩＣパッケージにおいて、高周波スイッチＩＣをダイパッド部にエポキシ樹脂から成るスペーサを介して搭載する方法が開示されている。
特開２００４−７８８８号公報特開２００６−２３７４５０号公報

しかしながら、図４および図５の先願のスイッチングモジュールでは、銅パターン３２、３３、３８が絶縁性基板３１の同一面上に形成されているため、図１０の浮遊容量Ｃ６を小さくするには限界があり、コモンモード電流量を低減するには限界があった。
そこで、本発明の目的は、コモンモード電流の原因となる浮遊容量のさらなる低減を図ることで、伝導ノイズや放射ノイズを低減することが可能なスイッチングモジュールを提供することである。

上述した課題を解決するために、請求項１記載のスイッチングモジュールによれば、少なくとも１相分の上下アームを構成するスイッチング素子と、前記スイッチング素子を実装する実装基板と、前記実装基板に実装されたスイッチング素子を冷却するベース板とを備え、前記スイッチング素子を動作させた時に電位変動がある端子と前記ベース板との距離が、理想的には電位変動がない端子と前記ベース板との距離よりも大きくなるように前記スイッチング素子が実装されていることを特徴とする。

また、請求項２記載のスイッチングモジュールによれば、少なくとも１相分の上下アームを構成するスイッチング素子と、上アームを構成するスイッチング素子の高電位側端子が対向するように前記スイッチング素子が配置された第１の実装パターンと、下アームを構成するスイッチング素子の低電位側端子が対向するように前記スイッチング素子が配置された第２の実装パターンと、前記上アームを構成するスイッチング素子の低電位側端子および前記下アームを構成するスイッチング素子の高電位側端子が接続され、前記スイッチング素子が配置された前記第１の実装パターンおよび前記第２の実装パターンよりも高い位置に形成された第３の実装パターンとを備えることを特徴とする。

また、請求項３記載のスイッチングモジュールによれば、前記第１から第３の実装パターンが形成された絶縁性基板を備え、前記第３の実装パターンが形成された領域の前記絶縁性基板における厚みが、前記第１および第２の実装パターンが形成された領域の前記絶縁性基板における厚みよりも厚いことを特徴とする。
また、請求項４記載のスイッチングモジュールによれば、前記第１および第２の実装パターンが形成された絶縁性基板と、前記絶縁性基板上に配置され、前記第３の実装パターンが表面に形成された絶縁性スペーサとを備えることを特徴とする。
また、請求項５記載のスイッチングモジュールによれば、前記絶縁性スペーサは前記絶縁性基板よりも比誘電率が小さいことを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、スイッチング素子を動作させた時に電位変動がある端子とベース板との距離を、理想的には電位変動がない端子とベース板との距離よりも大きくなるようにスイッチング素子を実装することができ、スイッチング素子の放熱性を確保しつつ、コモンモード電流の原因となる浮遊容量のさらなる低減を図ることが可能となる。このため、スイッチング素子を安定的に動作させつつ、スイッチングモジュールから発生する伝導ノイズや放射ノイズを低減することが可能となり、外部装置の誤動作を低減することが可能となるとともに、伝導ノイズや放射ノイズの規格を容易に満足させることができ、スイッチングモジュールの設計を効率よく行うことができる。

以下、本発明の実施形態に係るスイッチングモジュールについて図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係るスイッチングモジュールの概略構成を示す断面図、図２は、図１の凸部が設けられた絶縁性基板の概略構成を示す斜視図である。
図１および図２において、冷却用の銅ベース１０上には絶縁性基板１１が搭載され、絶縁性基板１１上には、互いに分離された銅パターン１２、１３、１８が形成されている。ここで、絶縁性基板１１には、銅パターン１８の配置位置に対応して凸部１９が形成され、銅パターン１８が形成された領域の絶縁性基板１１における厚みが、銅パターン１２、１３が形成された領域の絶縁性基板１１における厚みよりも厚くなるように構成されている。

また、半導体チップ１４、１５には、ＩＢＧＴとこれに逆並列に接続された帰還ダイオードとがそれぞれ形成されている。
そして、上アーム側の半導体チップ１４は、ＩＧＢＴのエミッタが上側、コレクタが下側を向くようにして銅パターン１２上に半田付けにて実装され、下アーム側の半導体チップ１５は、ＩＧＢＴのコレクタが上側、エミッタが下側を向くようにして銅パターン１３上に半田付けにて実装されている。そして、半導体チップ１４の上側の端子と銅パターン１８とをボンディングワイヤ１６にて接続するとともに、半導体チップ１５の上側の端子と銅パターン１８とをボンディングワイヤ１７にて接続することで、半導体チップ１４に搭載されたＩＧＢＴのエミッタと半導体チップ１５に搭載されたＩＧＢＴのコレクタとを接続し、上下２アーム直列回路を形成することができる。

ここで、上アーム側の半導体チップ１４のＩＧＢＴのコレクタと銅ベース１０との間には図１０の浮遊容量Ｃ５が形成され、下アーム側の半導体チップ１５のＩＧＢＴのコレクタと銅ベース１０との間には、図１０の浮遊容量Ｃ６が形成される。
ただし、半導体チップ１４、１５のＩＧＢＴが実際にスイッチング動作した場合、浮遊容量Ｃ５では理想的には電位変動がないため充放電電流が流れることはなく、主として浮遊容量Ｃ６に流れる充放電電流がコモンモード電流となる。

そして、銅ベース１０との間で浮遊容量Ｃ６を構成する銅パターン１８は、ボンディングワイヤ１６、１７を接続するための最小限の面積に設定することで、図８の浮遊容量Ｃ６を小さくすることができ、コモンモード電流量を低減することができる。
また、銅パターン１８が形成された領域の絶縁性基板１１における厚みを、銅パターン１２、１３が形成された領域の絶縁性基板１１における厚みよりも厚くなるように構成することで、ＩＧＢＴを動作させた時に電位変動がある銅パターン１８と銅ベース１０との距離を、電位変動がほとんどない銅パターン１２、１３と銅ベース１０との距離よりも大きくすることができる。

このため、銅パターン１８とベース板１０との距離を大きくして、コモンモード電流の原因となる浮遊容量Ｃ６のさらなる低減を図ることが可能となるとともに、コモンモード電流量をほとんど増大させることなく、銅パターン１２、１３とベース板１０との距離を小さくして、半導体チップ１４、１５から発生する熱を銅ベース１０に効率よく逃がすことが可能となる。このため、半導体チップ１４、１５の放熱性を確保しつつ、スイッチングモジュールから発生する伝導ノイズや放射ノイズを低減することが可能となり、外部装置の誤動作を低減することが可能となるとともに、伝導ノイズや放射ノイズの規格を容易に満足させることができ、スイッチングモジュールの設計を効率よく行うことができる。

図３は、本発明の第２実施形態に係るスイッチングモジュールの概略構成を示す断面図である。
図３において、冷却用の銅ベース２０上には絶縁性基板２１が搭載され、絶縁性基板２１上には、互いに分離された銅パターン２２、２３が形成されている。また、絶縁性基板２１には、絶縁性スペーサ２９が配置され、絶縁性スペーサ２９上には、銅パターン２８が形成されている。なお、絶縁性スペーサ２９は、接着剤などによって絶縁性基板２１上に固定することができる。また、絶縁性スペーサ２９は絶縁性基板２１と比誘電率が同じ材料を用いるようにしてもよいし、絶縁性基板２１よりも比誘電率が小さい材料を用いるようにしてもよい。

また、半導体チップ２４、２５には、ＩＢＧＴとこれに逆並列に接続された帰還ダイオードとがそれぞれ形成されている。
そして、上アーム側の半導体チップ２４は、ＩＧＢＴのエミッタが上側、コレクタが下側を向くようにして銅パターン２２上に半田付けにて実装され、下アーム側の半導体チップ２５は、ＩＧＢＴのコレクタが上側、エミッタが下側を向くようにして銅パターン２３上に半田付けにて実装されている。そして、半導体チップ２４の上側の端子と銅パターン２８とをボンディングワイヤ２６にて接続するとともに、半導体チップ２５の上側の端子と銅パターン２８とをボンディングワイヤ２７にて接続することで、半導体チップ２４に搭載されたＩＧＢＴのエミッタと半導体チップ２５に搭載されたＩＧＢＴのコレクタとを接続し、上下２アーム直列回路を形成することができる。

これにより、半導体チップ２４、２５のＩＧＢＴを動作させた時に電位変動がある銅パターン２８と銅ベース２０との距離を、理想的には電位変動がない銅パターン２２、２３と銅ベース２０との距離よりも大きくなるように半導体チップ２４、２５を実装することができ、半導体チップ２４、２５の放熱性を確保しつつ、コモンモード電流の原因となる浮遊容量Ｃ６のさらなる低減を図ることが可能となる。このため、ＩＧＢＴを安定的に動作させつつ、スイッチングモジュールから発生する伝導ノイズや放射ノイズを低減することが可能となり、外部装置の誤動作を低減することが可能となるとともに、伝導ノイズや放射ノイズの規格を容易に満足させることができ、スイッチングモジュールの設計を効率よく行うことができる。

また、絶縁性スペーサ２９として、絶縁性基板２１よりも比誘電率が小さい材料を用いることで、コモンモード電流の原因となる浮遊容量Ｃ６のより一層の低減を図ることが可能となり、スイッチングモジュールから発生する伝導ノイズや放射ノイズをより一層低減することが可能となる。
なお、上述した実施形態では、２ｉｎ１タイプのＩＧＢＴが搭載されたインバータモジュールを例にとって説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、アーム数やスイッチング素子の種類を問わずに適用することができる。

本発明の第１実施形態に係るスイッチングモジュールの概略構成を示す断面図である。図１の凸部が設けられた絶縁性基板の概略構成を示す斜視図である。本発明の第２実施形態に係るスイッチングモジュールの概略構成を示す断面図である。先願のスイッチングモジュールの概略構成を示す断面図である。図４のスイッチングモジュールの概略構成を示す平面図である。上下２アーム直列回路が搭載されたインバータを用いた電力変換装置の一例を示す図である。スイッチングモジュールの外観構成を示す斜視図である。図７のスイッチングモジュールに搭載されたＩＧＢＴの実装状態を示す平面図である。図７のスイッチングモジュールに搭載されたＩＧＢＴの実装状態を示す断面図である。図６の２素子構成のインバータを用いた場合におけるコモンモード電流経路を示す図である。

符号の説明

１０、２０銅ベース
１１、２１絶縁性基板
１２、１３、１８、２２、２３、２８銅パターン
１４、１５、２４、２５半導体チップ
１６、１７、２６、２７ボンディングワイヤ
１９凸部
２９絶縁性スペーサ

Claims

少なくとも１相分の上下アームを構成するスイッチング素子と、
前記スイッチング素子を実装する実装基板と、
前記実装基板に実装されたスイッチング素子を冷却するベース板とを備え、
前記スイッチング動作に伴う電位変動が大きい端子と前記ベース板との距離が、スイッチング動作に伴う電位変動が小さい端子と前記ベース板との距離よりも大きくなるように前記スイッチング素子が実装されていることを特徴とするスイッチングモジュール。
少なくとも１相分の上下アームを構成するスイッチング素子と、
上アームを構成するスイッチング素子の高電位側端子が対向するように前記スイッチング素子が配置された第１の実装パターンと、
下アームを構成するスイッチング素子の低電位側端子が対向するように前記スイッチング素子が配置された第２の実装パターンと、
前記上アームを構成するスイッチング素子の低電位側端子および前記下アームを構成するスイッチング素子の高電位側端子が接続され、前記スイッチング素子が配置された前記第１の実装パターンおよび前記第２の実装パターンよりも高い位置に形成された第３の実装パターンとを備えることを特徴とするスイッチングモジュール。
前記第１から第３の実装パターンが形成された絶縁性基板を備え、
前記第３の実装パターンが形成された領域の前記絶縁性基板における厚みが、前記第１および第２の実装パターンが形成された領域の前記絶縁性基板における厚みよりも厚いことを特徴とする請求項２記載のスイッチングモジュール。
前記第１および第２の実装パターンが形成された絶縁性基板と、
前記絶縁性基板上に配置され、前記第３の実装パターンが表面に形成された絶縁性スペーサとを備えることを特徴とする請求項２記載のスイッチングモジュール。
前記絶縁性スペーサは前記絶縁性基板よりも比誘電率が小さいことを特徴とする請求項４記載のスイッチングモジュール。