JP2009027840A

JP2009027840A - 電力変換装置

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Publication number: JP2009027840A
Application number: JP2007188567A
Authority: JP
Inventors: Hirosuke Yamashiro; 啓輔山城; Kenji Okamoto; 健次岡本
Original assignee: Fuji Electric Device Technology Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2007-07-19
Filing date: 2007-07-19
Publication date: 2009-02-05

Abstract

【課題】不要なスペースや工数を増やすことなく、適切にインピーダンスが追加できるようにして、コモンモードノイズを簡単かつ容易に低減できるようにする。
【解決手段】絶縁基板７上に、導体パターン１０を介してチップ９等を配置して構成されるコンバータモジュール３（またはインバータモジュール４）と、フィン１１との間に高インピーダンス特性を持つオイルコンパウンド５を介在させる。これにより、モジュール３または４とフィン１１との間のコモンモードのノイズ電流を抑制できるようにする。
【選択図】図２

Description

この発明は、パワー半導体のスイッチング時に放出されるノイズを低減するための機能を備えた電力変換装置に関する。

近年、ＥＭＣ（Electromagnetic Compatibility:電磁両立性に関する規則）規制が厳しくなる中、汎用インバータを始め、様々な産業分野で放射ノイズの低減が技術課題となっている。特に、これらの主部品であるパワー半導体、およびこれらを搭載したパワーモジュールがスイッチングすることにより発生するノイズについては、これを低減する対策が必要とされている。

汎用インバータ等でＥＭＣ対策を行なう際に多用されているのは、入力へのフィルタ挿入であり、これは主にモータや、その他の主回路構成部品との間の接地ラインを介する、コモンモードノイズの電流を抑制するものである。ただし、入力フィルタによってノイズを抑制できるのは、入力ラインを介するコモンループによるノイズであり、入力ライン以外のコモンループ間で発生するノイズは、抑制することが難しい。

そのため、例えば特許文献１では、主回路系統の中での接地ラインとして、電力変換器のフィンやＡＣリアクトル、および負荷であるモータの接地線に、ダンピングインピーダンスを設けて対策を施している。
また、特許文献２では、電力用インバータモジュールについて、回路パターンに抵抗率の低い主配線と、抵抗率および透磁率の高い表皮配線を形成し、表皮配線部でノイズを抑制するようにしている。

さらに、特許文献３では、モータ駆動回路一体型電動圧縮機において、ハウジングと車体間に存在する配管等にゴム等の絶縁材料を用いることにより、インピーダンスを増加させてノイズを低減することを付帯的効果として挙げている。
加えて、特許文献４では、放熱機能と電磁波ノイズ抑制機能の２つの機能を備えた、電磁波ノイズ抑制体についての製造方法を開示している。

特開２００６−０２５４６７号公報特開２００１−３２６３００号公報特開２００６−０２７３１５号公報特開２００５−３２７９３０号公報

しかし、特許文献１における電力変換器のコモン対策については、フィンから接地に落とすラインにのみダンピングインピーダンスを設けているが、実際にはインバータモジュールとコンバータモジュール間のコモンループにもノイズ電流が流れるため、このループのノイズ対策ができていないことになる。つまり、ダンピングインピーダンスの対策では、同一フィンにインバータとコンバータを搭載している場合に対処することができない。

その上、インピーダンスの追加は機能的・構造的にはノイズ抑制に効果があるものと推定されるが、ダンピングインピーダンスの大きさが不明である。また、ノイズを低減したい周波数、すなわち対象とする周波数を明確にし、その周波数でダンピングインピーダンスを持つものを選定しなければ、ノイズ低減量を制御できない。さらに、インピーダンスの挿入は、構成を煩雑にする。特に電力変換器のフィンとアースの間では、一般にフィンを接着またはねじ止めして直接筺体に接続してアースに落とすため、フィンを浮かせ、なおかつ抵抗を介して接地するのは、基板構造や筺体構造を複雑にし、工数が増えて煩雑となる。

一方、特許文献２では、電力用インバータモジュールに関する回路パターンの配線に、抵抗率および透磁率の高い表皮配線を施してノイズ低減を図っているが、これはノルマルループに対する対策であり、対策箇所が根本的に異なっている。また、表皮効果による高周波での高抵抗化を狙っているが、効果が見られる１０ＭＨｚでも、平板状配線部材の抵抗率は１０^-1Ω／ｃｍと小さいため、コモンモード対策に要する抵抗値を稼ぐには、表皮効果のみでは困難である。

さらに、特許文献３では、ＩＧＢＴ等のモジュールが内蔵された駆動回路が組み込まれた、モータ駆動回路一体型電動圧縮機のハウジングと車体との間にインピーダンスを追加しているが、筺体と車体によってできるループは、ここで対象としているモジュール周辺でできるループに比べて大きいため、この対策によって抑制できるノイズの周波数帯域が大きく異なる。特許文献３では、モジュール周辺のインバータ・コンバータ間のループは対象としておらず、インバータもコンバータも全て組み込まれたハウジングからアースに落とす際の車体との影響を検討しているため、最も大きなノイズを出すモジュール周辺の対策がなされていないだけでなく、対象とする周波数も明確でない。

また、特許文献４では、放熱機能と電磁波ノイズ抑制機能の２つの機能を備えた、電磁波ノイズ抑制体の製造方法を提案しており、冷却用途とノイズ抑制用途の両立を狙ったものであるが、対象とする周波数が１ＧＨｚと桁違いに高く（大きく）、対象周波数を異にしている。その上、対象とする用途はＣＰＵ等の高密度集積回路であるため、磁性体の膜厚は数百ｎｍと薄く、インピーダンスを稼ぐことが困難である。つまり、ノイズ電流の発生回路へのインピーダンス追加による発生源自体を抑制する用途ではなく、発生した電波の反射または吸収を抑制するものと考えられる。

この発明は上述の点に鑑みなされたもので、その課題は、モジュールの基板を介するコモンループに対し、不要なスペースや工数を増やすことなく、適切にインピーダンスが追加できるようにすることにある。その際、“どの周波数範囲の”ノイズについて、“どのようなインピーダンス追加”で低減するかを明確にするものである。

このような課題を解決するため、請求項１の発明では、半導体パワーモジュールを用いた電力変換装置において、
前記モジュールと冷却フィンとの間に塗布され、モジュールの発熱を前記フィンに伝導するオイルコンパウンドに、インピーダンスを持たせことにより、モジュールと冷却フィンを介して流れるコモンモードのノイズ電流を抑制することを特徴とする。

上記請求項１の発明においては、前記オイルコンパウンドは、伝導性電磁波から放射ノイズにまたがる１〜１００ＭＨｚ付近でノイズを低減し得るインピーダンスを有することができ（請求項２の発明）、これら請求項１または２の発明においては、前記オイルコンパウンドは、インピーダンスとして０．０５〜２４０Ωの抵抗値を持つことができる（請求項３の発明）。また、上記請求項１〜３のいずれかの発明においては、前記オイルコンパウンドは、ｔａｎδとして０．１〜１０％の値を持つことができる（請求項４の発明）。

上記請求項１〜４のいずれかの発明においては、前記オイルコンパウンドは、亜鉛華，アルミナ，窒化アルミニウム，窒化ケイ素を含む金属化合物を１または２種類以上添加して冷却性能を持たせ、さらにｔａｎδを向上させるためにシリコーンゴム，アクリルゴム，アクリロニトリルブタジェンゴム，クロロスルフォン化ポリエチレンゴム，クロロプレンゴム，エチレンプロピレンゴム，ニトリルゴム，水素化ニトリルゴム，フッ素ゴム，ブチルゴム，ウレタンゴム，エピクロルヒドリンゴム，スチレンブタジェンゴム，ハイパロン（登録商標），天然ゴムを含むゴム成分と、塩化ビニル混和物，フッ素樹脂，エポキシ樹脂を含む樹脂材と、チタン酸バリウムの１または２種類以上を添加したものとすることができる（請求項５の発明）。

上記請求項１〜５のいずれかの発明においては、前記オイルコンパウンドは、水酸基含有オルガノポリシキロ酸１００重量部に対し、シリコーンゴム，アクリルゴム，アクリロニトリルブタジェンゴム，クロロスルフォン化ポリエチレンゴム，クロロプレンゴム，エチレンプロピレンゴム，ニトリルゴム，水素化ニトリルゴム，フッ素ゴム，ブチルゴム，ウレタンゴム，エピクロルヒドリンゴム，スチレンブタジェンゴム，ハイパロン（登録商標），天然ゴムを含むゴム成分と、塩化ビニル混和物，フッ素樹脂，エポキシ樹脂を含む樹脂材と、チタン酸バリウムの１または２種類以上を添加し、その比率を０．３〜１５００重量部とすることができる（請求項６の発明）。

この発明によれば、これまで入力フィルタの対策で困難であった、１〜１００ＭＨｚ付近に発生するノイズを簡単に低減することができる。すなわち、モジュールと冷却フィンとの間に塗布するオイルコンパウンドに高インピーダンス特性を持たせることにより、インバータとコンバータ間に発生するコモンモードノイズ電流を低減することができる。この発明によれば、オイルコンパウンドを変更するだけで済むため、工数を増やさずにコモンモードノイズ抑制に大きな効果がもたらされることになる。

図１はこの発明の実施の形態を示すインバータ回路図、図２は図１のモジュール構成を示す概要図である。
図１において、１は入力フィルタ、２はバリスタ、３はコンバータモジュール、４はインバータモジュール、５は高インピーダンスオイルコンパウンド、６はモジュール基板を介するコモンループである。また、図２の符号７は絶縁基板、８はベース金属板、９はチップ、１０は導体パターン、１１は冷却フィンを示す。

すなわち、この発明はモジュールを冷却フィンに取り付ける際に必須となる、オイルコンパウンド自体にインピーダンスを持たせることにより、コンバータモジュール３およびインバータモジュール４を介するコモンループ６で、確実に対処できるようにしたものである。
図３および図４に、高インピーダンスでない市販のオイルコンパウンド、例えば信越シリコーン（登録商標）を用いた場合のインバータ回路とそのモジュール構成を示す。

図３，４では、オイルコンパウンドは高インピーダンスではなく通常のもので、誘電正接（ｔａｎδ）が０．０５以下（周波数：１〜１００ＭＨｚ）であり、そのためインピーダンス値が低い。
これに対し、図１，２ではオイルコンパウンド５は高インピーダンスであり、ｔａｎδが０．１〜１０（周波数：１〜１００ＭＨｚ）で、従来のものに比べて高いインピーダンスを持つため、コモンループ６を介して流れるノイズ電流を抑制できると言うわけである。

なお、図１，３に示す回路の入力フィルタ１とバリスタ２の位置関係は、どちらが入力電源側でも良く、さらには整流ダイオードの右側に入る場合もあり、構造上の都合や回路定数の設定の仕方により配置場所が異なる。加えて、フィルタ内の接地ＣおよびバリスタのＣの配置の仕方も図１，３に限らず、回路定数の設定の仕方により配置を変えることができる。コンバータモジュールのバリスタは接地Ｃでも良く、省略されることもある。

また、対象とする周波数は、インバータ等で用いられている一般的なフィルタ設計では対策効果が低い、１Ｍ〜１００ＭＨｚとする。フィルタでは、雑音端子電圧において最もノイズが大きくなる１５０ｋＨｚ付近をメインとし、この周波数でインピーダンスの大きな材料を用いるが、このような従来のフィルタを用いた場合、多くは１５０ｋＨｚのノイズは低減できるが、１ＭＨｚ以降の周波数領域では効果が薄れる。

この領域に発生するノイズは、規格が厳しい条件になればなるほど（例えば、ＣＩＳＰＲ（国際電気標準会議）でＣｌａｓｓＡやＣｌａｓｓＢ相当）、マージンが小さくなってしまい、対策として十分でない。この１〜１００ＭＨｚに発生するノイズのループは、モジュールの基板を介するものが回路構成上多いため、対策箇所としても有効である。従って、この発明では、一般的なフィルタでは対策が難しい１〜１００ＭＨｚを対象とし、この周波数で大きなインピーダンスを呈するものを用いることとする。

次に、高インピーダンスのオイルコンパウンド抵抗値の、実現可能な範囲の求め方について以下に説明する。
まず、基板において、或る周波数ｆの抵抗値Ｒは、次の（１）式で示される。
ｔａｎδ＝ωＣＲより、Ｒ＝ｔａｎδ／ωＣ＝ｔａｎδ／２πｆＣ …（１）
（１）式において、Ｒを決定するパラメータとしてはｔａｎδ，周波数ｆおよびキャパシタンスＣが挙げられる。

周波数については、低減したいノイズが存在する範囲として１〜１００ＭＨｚと定める。続いて、キャパシタンスＣはＳをモジュールの基板面積、ｄを基板厚さとして、次の（２）式で示すことができる。
Ｃ＝ε₀ε_rＳ／ｄ …（２）
ε₀：真空の誘電率 ε_r：モジュールの比誘電率

面積Ｓについては、インバータモジュールおよびコンバータモジュールを用いてモータドライブを行なう場合に、小容量〜大容量クラスのモジュールを用いるが、これらを実用する場合に取り得る基板の面積の範囲として、ここではＳ＝２．３×１０^-4〜１．９×１０^-2［ｍ²］と定めた。また、オイルコンパウンドの厚さとして、熱伝導度および絶縁性を確保しつつ半導体パワーモジュール用途で使用可能な範囲として０．０５〜１ｍｍと定め、この条件下で取り得る容量値として、上記（２）式よりキャパシタンスＣを１５〜１２０００ｐＦと定めた。

また、ｔａｎδは周波数特性および温度依存特性を保有している。従って、１Ｍ〜１００ＭＨｚの周波数で半導体パワーモジュールの使用環境として、−４０〜１５０℃の温度範囲にある場合、ｔａｎδが実用的に取り得る値としては、０．１〜１０［％］の範囲に存在する。
以上より、抵抗Ｒのパラメータとなる周波数ｆ，キャパシタンスＣおよびｔａｎδの範囲が定まったので、この条件下で高インピーダンスのオイルコンパウンドとして活用できる範囲を上記（１）式より計算すると、０．０３Ω＜抵抗値＜２４０Ωとなる。

続いて、オイルコンパウンドの具体的な材料について説明する。
高インピーダンスをもつオイルコンパウンドとは、通常、冷却用途で用いられるもの（例えば信越シリコーン（Ｇ７４６：登録商標））に、損失成分ｔａｎδが高い材料を添加することにより実現する。具体的には、ゴム成分，樹脂材，セラミックス（例えばチタン酸バリウム）などを配合させた組成物である。

ゴム成分としては、シリコーンゴム，アクリルゴム，アクリロニトリルブタジェンゴム，クロロスルフォン化ポリエチレンゴム，クロロプレンゴム，エチレンプロピレンゴム，ニトリルゴム，水素化ニトリルゴム，フッ素ゴム，ブチルゴム，ウレタンゴム，エピクロルヒドリンゴム，スチレンブタジェンゴム，ハイパロン（登録商標），天然ゴムなどを用いる。
樹脂としては、塩化ビニル混和物，フッ素樹脂，エポキシ樹脂などの樹脂材やチタン酸バリウムなどはｔａｎδが高く、好適である。

上記の材料は、交流電場が印加されたときに双極子が電界に追従しづらく、ロス成分が発生しｔａｎδが高くなる。ロス成分は熱エネルギーに変換される。こうすることで、ｔａｎδの高い特性をもつ絶縁層を形成することができる。
通常の冷却用途で用いられるオイルコンパウンドは、水酸基含有オルガノポリシキロ酸１００重量部に対し、亜鉛華，アルミナ，窒化アルミニウム，窒化ケイ素などの金属化合物が、用途により１５０〜９００重量部程度配合されたものである（参考文献：特開平０２−２１２５５６号公報）。

次に、高ｔａｎδ材料をどれくらい配合すれば良いかについて述べる。金属化合物と高ｔａｎδ材と水酸基含有オルガノポリシキロ酸の占める容積比とによって、トータルのオイルコンパウンドのｔａｎδが決定される。すなわち、水酸基含有オルガノポリシキロ酸は比重が約１であるのに対し、上記金属化合物の比重は約３〜５である。従って、水酸基含有オルガノポリシキロ酸を「１」とした場合、比重と重量部の関係から容積換算すると、金属化合物は０．３（１５０重量部）〜最大３（１５００重量部）の範囲にある。

この状態で高ｔａｎδ材を添加し、ｔａｎδ＝０．１〜１０を実現するためには、水酸基含有オルガノポリシキロ酸の重量部１００に対し、０．３（金属化合物最小添加時）〜最大３（金属化合物最大添加時）重量部の高ｔａｎδ材が必要である。
この高ｔａｎδ材の添加重量部とオイルコンパウンドのｔａｎδ値との関係を、図５に示す。また、上記各条件と結果をまとめて、表１に示す。

図６Ａ〜図６Ｅは、図１，２のように高インピーダンスのオイルコンパウンドを塗布することにより、ノイズ抑制効果があるコモンループ例を示す。フィルタ１やバリスタ２を備えた図１の回路に対しては、図６Ａ〜図６Ｅに矢印で示す５個のコモンループ６ａ〜６ｅが存在するが、この発明のように、高インピーダンスのオイルコンパウンドを塗布することにより、これらのコモンループのノイズを抑制することが可能になる。

また、モジュールを冷却フィンに接続する際には、一般に使用される導電性を有するねじでは、その部分で導通して高インピーダンスの効果が失われるあるため、ポリカーボネイトやセラミックスなどの絶縁性のねじを用いることが必須である。そこで、この発明のように、高インピーダンスのオイルコンパウンドを塗布するような場合は、絶縁性ねじを用いることが望ましく、その例を図７に示す。図７では、符号１３にて絶縁性ねじが示されている。

この発明の実施の形態を示すインバータ回路図図１のモジュール構成を示す概要図一般的なインバータ回路図図３のモジュール構成を示す概要図高ｔａｎδ材の添加量とオイルコンパウンドのｔａｎδ値との関係説明図コモンループの第１例を説明する説明図コモンループの第２例を説明する説明図コモンループの第３例を説明する説明図コモンループの第４例を説明する説明図コモンループの第５例を説明する説明図この発明の変換装置への適用例を示す構造図

符号の説明

１…入力フィルタ、２…バリスタ、３…コンバータモジュール、４…インバータモジュール、５…高インピーダンスオイルコンパウンド、６ａ〜６ｅ…モジュール基板を介するコモンループ、７…絶縁基板、８…ベース金属板、９…チップ、１０…導電パターン、１１…冷却フィン、１２…オイルコンパウンド（低インピーダンス）、１３…絶縁性ねじ。

Claims

半導体パワーモジュールを用いた電力変換装置において、
前記モジュールと冷却フィンとの間に塗布され、モジュールの発熱を前記フィンに伝導するオイルコンパウンドに、インピーダンスを持たせことにより、モジュールと冷却フィンを介して流れるコモンモードのノイズ電流を抑制することを特徴とする電力変換装置。
前記オイルコンパウンドは、伝導性電磁波から放射ノイズにまたがる１〜１００ＭＨｚ付近でノイズを低減し得るインピーダンスを有することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
前記オイルコンパウンドは、インピーダンスとして０．０５〜２４０Ωの抵抗値を持つことを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
前記オイルコンパウンドは、ｔａｎδとして０．１〜１０％の値を持つことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の電力変換装置。
前記オイルコンパウンドは、亜鉛華，アルミナ，窒化アルミニウム，窒化ケイ素を含む金属化合物を１または２種類以上添加して冷却性能を持たせ、さらにｔａｎδを向上させるためにシリコーンゴム，アクリルゴム，アクリロニトリルブタジェンゴム，クロロスルフォン化ポリエチレンゴム，クロロプレンゴム，エチレンプロピレンゴム，ニトリルゴム，水素化ニトリルゴム，フッ素ゴム，ブチルゴム，ウレタンゴム，エピクロルヒドリンゴム，スチレンブタジェンゴム，ハイパロン（登録商標），天然ゴムを含むゴム成分と、塩化ビニル混和物，フッ素樹脂，エポキシ樹脂を含む樹脂材と、チタン酸バリウムの１または２種類以上を添加したものとすることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の電力変換装置。
前記オイルコンパウンドは、水酸基含有オルガノポリシキロ酸１００重量部に対し、シリコーンゴム，アクリルゴム，アクリロニトリルブタジェンゴム，クロロスルフォン化ポリエチレンゴム，クロロプレンゴム，エチレンプロピレンゴム，ニトリルゴム，水素化ニトリルゴム，フッ素ゴム，ブチルゴム，ウレタンゴム，エピクロルヒドリンゴム，スチレンブタジェンゴム，ハイパロン（登録商標），天然ゴムを含むゴム成分と、塩化ビニル混和物，フッ素樹脂，エポキシ樹脂を含む樹脂材と、チタン酸バリウムの１または２種類以上を添加し、その比率を０．３〜１５００重量部とすることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の電力変換装置。