JP2010016947A

JP2010016947A - 電力変換装置のパワーモジュール

Info

Publication number: JP2010016947A
Application number: JP2008173510A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Takubo; 拡田久保; Michio Tamate; 道雄玉手; Tamiko Sasaki; 達見子佐々木; Pasan Fernando; パサンフェルナンド; Kenji Okamoto; 健次岡本
Original assignee: Fuji Electric Device Technology Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2008-07-02
Filing date: 2008-07-02
Publication date: 2010-01-21
Anticipated expiration: 2028-07-02
Also published as: JP5407198B2

Abstract

【課題】パワーモジュール出力端子部の浮遊容量を低減し、これによる充放電電流の抑制を図る。
【解決手段】ＩＧＢＴ３ａとＦＷＤ４ａ、ＩＧＢＴ３ｂとＦＷＤ４ｂを互いに逆並列に接続し、これらが直列接続となるように積層配置する。回路パターン１０ａは上アーム側の正極であり、ＩＧＢＴチップ３ａのコレクタ電極およびＦＷＤ４ａのカソード電極が固着されている。また、ＩＧＢＴ３ａのエミッタ電極側には、出力端子となる電極２ｃが固着または圧着されており、これがモジュール２から直接に外部電極として取り出される構造になっている。これにより、絶縁基板１０を介することなく直接外部と配線されるため、浮遊容量が低減されその充放電電流が抑制される。
【選択図】図１

Description

この発明は、電力変換装置に用いられるパワー半導体素子を内蔵したパワーモジュール、特にその内部のチップ配置構造の改良に関する。

インバータや無停電電源装置（ＵＰＳ）などの電力変換装置は、一般的に直流電源の正負極間にブリッジ接続されたＭＯＳ−ＦＥＴ（金属酸化物型電界効果トランジスタ），ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）などのパワー半導体素子（スイッチング素子）を交互にスイッチングすることにより、電力変換を行なっている。

図７に、電力変換装置の例として、モータを駆動する単相インバータの例を示す。１は直流電源、２はＩＧＢＴ３ａ，３ｂおよびＦＷＤ（還流ダイオードまたはフリーホイーリングダイオード）４ａ，４ｂからなるパワーモジュール（単相インバータ）、５はモータ、７は接地、１０ｅは浮遊コンデンサである。また、２ａ〜２ｄは端子を示す。

また、出力が数百Ｗ以上の電力変換装置では、樹脂容器内に複数、例えば上下に直列接続された１アーム分のパワー半導体チップを実装した、いわゆるパワーモジュールを使用することによって、装置の小型化や回路構成の簡略化が図られている。パワーモジュールの外観例を図８に示す。ここでは、パワーモジュール２の表面に電極端子２ａ、２ｂ、２ｃ、および半導体チップをオンオフさせるための制御端子（ゲート端子）２ｄが設けられている。
以下、直流電源正極に接続される側を上アーム、電源負極に接続される側を下アームと呼ぶことにする。

従来のパワーモジュールの断面概略図を図９に、また内部構成を説明する説明図を図１０に示す。
図９および図１０では、表面に回路パターン１０ａ、１０ｂ、１０ｃが形成されたセラミックなどからなる絶縁基板１０の回路パターン面（上面側）に、上アーム側ＩＧＢＴ３ａチップとＦＷＤ４ａチップおよび下アーム側ＩＧＢＴ３ｂチップとＦＷＤ４ｂチップが半田などのろう材により固着されている。各回路パターン１０ａ〜１０ｃと各チップとはアルミニウムワイヤ９ａ，９ｂによってボンディング接続され、図１０のような回路が構成される。

また、セラミック製絶縁基板１０の裏面にもベタパターン１０ｄが設けられており、銅合金などの放熱板８に半田などでろう付けされる。半導体チップ３，４や回路パターン１０ａ〜１０ｃなどの電気回路側と放熱板８は、セラミック製絶縁基板１０で絶縁されているので、冷却フィン６および放熱板８を接地することにより、感電を防止することができる。

パワーモジュールは以上のように構成されるが、出力端子２ｃの電位変動に伴う浮遊容量１０ｅ（図９参照）の充放電電流が、伝導ノイズや放射ノイズの要因となることが、例えば特許文献１において指摘されている。そのため、スイッチングノイズの小さなパワーモジュール、すなわち浮遊容量の小さなパワーモジュールの出現が望まれている。

このようなパワーモジュールの浮遊容量を低減する先行技術として、特許文献２，３に示すものがある。
特許文献２には、半導体チップ（モジュール）を複数積層しスタック構成とすることで静電容量を低減させ、スイッチングノイズを低減する技術が示されている。しかし、この技術は相互に接続されたモジュール間の駆動信号に対するノイズの影響を低減するためのものであり、この発明のように接地（アース）への漏れ電流低減のためになされたものではない。また、どの部分の容量を低減できるのか不明瞭なだけでなく、接地についての記述も特になされていない。

また、特許文献３には、積層された電極間にチップをサンドイッチ状に重ねる構造とすることにより、配線インダクタンスの低減およびそれに伴うスイッチング時のスパイク電圧抑制，ノイズ抑制技術が示されている。これも、積層母線間のインダクタンスの低減を目的としており、交流の出力端子と母線間の浮遊容量に関する記述は見当たらない。

特開２００７−１８１３５１号公報特開２００５−３３２８６４号公報特開２００１−２１７３８９号公報

従って、この発明の課題は、コモンモード電流を抑制することにより、伝導ノイズや放射ノイズを低減することにある。

上記課題を解決するため、請求項１の発明では、第１のスイッチング素子とこれに逆並列に接続された第１のダイオードとの第１逆並列回路と、第２のスイッチング素子とこれに逆並列に接続された第２のダイオードとの第２逆並列回路とを直列に接続したアームを１相とし、少なくとも１相分を内蔵する電力変換装置のパワーモジュールであって、
前記第１逆並列回路を絶縁基板上に配置し、その上側に前記第２逆並列回路を積層配置することを特徴とする。
この請求項１の発明においては、前記第１逆並列回路と第２逆並列回路との接続中点を負荷接続点とすることができる（請求項２の発明）。

請求項１または２の発明においては、前記絶縁基板上に直流電源用の回路パターンを形成し、この回路パターン上に前記第１逆並列回路の高圧側電極および直流電源用の第１の端子を形成し、第１逆並列回路の低圧側電極に第２の端子を形成し、この第２の端子に前記第２逆並列回路の高圧側電極を形成し、第２逆並列回路の低圧側電極から直流電源への第３の端子を形成することができる（請求項３の発明）。
上記請求項３の発明においては、前記第２の端子を負荷接続点とすることにより、前記絶縁基板を介することなく出力を外部に取り出し得るようにすることができ（請求項４の発明）、請求項３または４の発明においては、前記第２逆並列回路の低圧側電極に、別の絶縁基板を配置することができる（請求項５の発明）。

この発明によれば、接地された冷却体に取り付けられ、内部の絶縁基板で電気回路との絶縁を保つ構造としたパワーモジュールにおいて、上アーム側および下アーム側を上下に積層し、その接続中点を負荷への出力点として直接取り出す構成としたので、出力端子部の浮遊容量が低減し、ノイズ源となる浮遊容量の充放電電流を抑制することができる。なお、この発明は、電源間に２つのスイッチング素子を接続した２レベルインバータだけでなく、３レベル以上の多レベルインバータにおいても、半導体チップを積層することで出力端子部の容量を低減させ、同様の効果が得られるのは明らかである。

図１はこの発明の実施形態を示すパワーモジュールの断面図で、図９と同様にＩＧＢＴ３ａ，３ｂおよびＦＷＤ４ａ，４ｂが直列に接続されている。ＩＧＢＴ３ａとＦＷＤ４ａ、ＩＧＢＴ３ｂとＦＷＤ４ｂは互いに逆並列に接続されており、これらが直列接続となるように積層されている。回路パターン１０ａは上アーム側の正極であり、ＩＧＢＴチップ３ａのコレクタ電極およびＦＷＤ４ａのカソード電極が固着されている。また、ＩＧＢＴ３ａのエミッタ電極側には、出力端子となる電極２ｃが固着または圧着されており、これがパワーモジュール２から直接に外部電極として取り出され、負荷接続点となる構造になっている。この電極２ｃ上には、さらに下アーム側ＩＧＢＴ３ｂのコレクタ電極側およびＦＷＤ４ｂのカソード電極側が固着される。

なお、ＩＧＢＴチップとＦＷＤチップとで厚さが異なる場合、例えばＦＷＤチップの方が薄い場合、図１のようにスペーサ４１ａ，４１ｂをＦＷＤチップ側に挿入し、高さを揃えるようにすることができる。
以上のような構成とすることにより、出力端子２ｃは絶縁基板１０を介することなく直接外部に引き出されるため、浮遊容量は低減され接地７へ漏洩する漏れ電流を低減することができる。なお、下アーム側電極２ｂは、ＩＧＢＴ３ｂのエミッタおよびＦＷＤ４ｂのアノードに固着されており、負側直流電極としてパワーモジュール２から引き出される構成となっている。

通常、ＩＧＢＴチップは片側がコレクタ面であり、もう一方の面がエミッタ面およびＩＧＢＴのオンオフを制御するためのゲート端子が設置される。その様子を、図２に示している。また、このＩＧＢＴチップのエミッタ面に固着される出力端子電極２ｃの平面図を、図３に示す。図３では、ＩＧＢＴのゲート部分に切り欠きを設け、ゲート端子を別に取り出せるようにしている。

図４に図１の第１変形例を示す。
これは、図１の出力端子２ｃをアルミニウムワイヤ９により、延長して取り出せるようにしたものである。なお、正極端子２ａや負極端子２ｂをアルミニウムワイヤ９により、延長して引き出すようにしても良い。この場合も図１と同様、出力端子２ｃが絶縁基板１０を介することなく直接外部に引き出されるため、浮遊容量を低減することができる。

図５に図１の第２変形例を示す。
これは、図１の負側端子２ｂを、アルミニウムワイヤ９ｂにより下アーム側ＩＧＢＴ３ｂのエミッタ電極から配線して形成したものである。この場合も図１と同様、出力端子２ｃが絶縁基板１０を介することなく直接外部に引き出されるため、浮遊容量を低減することができる。

図６にこの発明の別の実施形態を示す。
これは、上記各実施例と同じく、上下アームの半導体チップを上下にほぼ同一線上に積層させる構造となっており、上層に配置された下アーム側半導体素子の負側電極（ＩＧＢＴ３ｂのエミッタ電極）を、絶縁基板１０１を介して接続するように構成した点が特徴である。また、上層チップの放熱のために放熱板８１および冷却フィン６１を設け、下層に設置された上アーム側半導体チップとは別の冷却構造を構成する。このようにすることで、出力端子２ｃは接地（アース７１）と電磁的に結合することが無く、浮遊容量を小さく保持することができる。

なお、上記いずれの実施例においても、半導体チップをほぼ同一線上に積層させる構成としているが、同一線上からずらして配置しても同一の効果を得ることができる。また、ＩＧＢＴチップ，ＦＷＤチップ，スペーサは半田による固着ではなく、電極により圧接構造とする構造でも、同一の効果を得られることは明らかである。

また、半導体チップの裏面（下側）をコレクタ電極、表面（上側）をエミッタ電極として説明したが、チップを反転させたり、または上層側を上アーム側半導体チップとし、層側を上アーム側半導体チップとしたりしても、効果は変わらないものである。
外部接続端子２ａ〜２ｃに関しても、上記では半田などにより絶縁基板の回路パターンまたは半導体チップに固着させているが、端子をパワーモジュール２に固定した上で、回路パターンとワイヤボンディングなどにより接続しても、同様の効果を奏することが可能である。

この発明の実施形態を示す断面構造図図１で用いられる電極構造を説明する斜視図図１で用いられる電極構造を示す平面図図１の第１変形例を示す断面構造図図１の第２変形例を示す断面構造図この発明の別の実施形態を示す断面構造図インバータによるモータ駆動回路例を示す回路図パワーモジュール例を示す概観図図８の断面構造図図９の回路パターン例を示す上面図

符号の説明

１…直流電源、２…パワーモジュール、２ａ，２ｂ，２ｃ…端子、３ａ，３ｂ…ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）、４ａ，４ｂ…ＦＷＤ（還流ダイオード）、４１ａ，４１ｂ…スペーサ、６，６１…冷却フィン、７，７１…接地、８，８１…放熱板、９ａ，９ｂ…アルミニウムワイヤ、１０，１０１…絶縁基板。

Claims

第１のスイッチング素子とこれに逆並列に接続された第１のダイオードとの第１逆並列回路と、第２のスイッチング素子とこれに逆並列に接続された第２のダイオードとの第２逆並列回路とを直列に接続したアームを１相とし、少なくとも１相分を内蔵する電力変換装置のパワーモジュールであって、
前記第１逆並列回路を絶縁基板上に配置し、その上側に前記第２逆並列回路を積層配置することを特徴とする電力変換装置のパワーモジュール。
前記第１逆並列回路と第２逆並列回路との接続中点を負荷接続点とすることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置のパワーモジュール。
前記絶縁基板上に直流電源用の回路パターンを形成し、前記第１逆並列回路の高圧側電極および直流電源用の第１の端子を前記回路パターン上に形成し、第１逆並列回路の低圧側電極に第２の端子を形成し、前記第２逆並列回路の高圧側電極を前記第２の端子に形成し、第２逆並列回路の低圧側電極から直流電源への第３の端子を形成した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のパワーモジュール。
前記第２の端子を負荷接続点とすることにより、前記絶縁基板を介することなく出力を外部に取り出し得るようにしたことを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置のパワーモジュール。
前記第２逆並列回路の低圧側電極に、別の絶縁基板を配置したことを特徴とする請求項３または４に記載の電力変換装置のパワーモジュール。