JP2010166642A - スナバモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】浮遊インダクタンスを最小限に抑制するとともに、半導体スイッチ素子からスナバモジュールへの熱伝導を抑制したスナバモジュールを提供する。
【解決手段】電力変換回路に用いられる半導体スイッチ素子に、取付ネジによって接続されるスナバモジュールにおいて、前記スナバモジュールの端子２は、スナバ回路を収納するための筐体１から突設した突設部４と、前記突設部４の端部から折曲形成され、前記半導体スイッチ素子の主端子に接続される接続部６と、を備える。また、前記突設部４に形成された取付ネジ頭部を挿通するネジ頭部挿通孔７と、前記接続部６に形成された取付ネジ軸部を挿通するネジ軸部挿通孔３とを連通させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体スイッチ素子から成るインバータ等の電力変換回路に接続されるスナバモジュールに関する。

ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ等の半導体スイッチ素子から成るインバータ等の電力変換回路において、その半導体スイッチ素子のスイッチング時に発生するサージ電圧を抑制するためにスナバ回路が設けられている。近年では、回路の浮遊インダクタンスを小さくするためにモジュール化したものが多く採用されている。

図４（Ａ；平面図），（Ｂ；側面図），（Ｃ；右側側面図）は一般的なスナバモジュールの一例を示す概略図である。図４に示すように、スナバ回路は筐体（例えば、樹脂ケースから成る筐体）１内に収納され、そのスナバ回路の端子２は筐体１から突設している。前記半導体スイッチ素子とスナバモジュールとの接続方法としては、スナバモジュールの端子２に形成されたネジ軸部挿入孔３に取付ネジを挿通し、その取付ネジを半導体スイッチ素子の主端子に直接ネジ止めする方法等が挙げられる。

しかしながら、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ等の半導体スイッチ素子は、発生損失が大きいため発生する熱量も大きい。半導体スイッチ素子で発生した熱は半導体スイッチ素子の主端子とスナバモジュールの端子２とを介してスナバ回路に伝達され、スナバ回路の温度が上昇してしまう問題があった。

一般的に、スナバ回路の温度上昇を抑制する方法としては、スナバモジュールの端子と冷却フィンに接続された導体とを高絶縁性かつ高熱伝導性のシートを介して接続する方法（特許文献１）や、スナバモジュールと半導体スイッチ素子との間に所定の放熱面積を有する放熱バーを挿入する方法（特許文献２）や、抵抗率が銅よりも高い物質で、ブスバーやスナバコンデンサのリード部や圧着端子部を構成する方法（特許文献３）等が挙げられる。

特開２００８−１１３５１１号公報（段落［００１９］、図１） 特開平０８−１４０３３８号公報（段落［００１１］〜［００１３］、図１） 特開２００５―２０８６８号公報（段落［００２５］，図１）

本願発明者は、前記のように、スナバモジュールを半導体スイッチ素子に接続するには、以下に示す第１，第２課題があることに着目した。

すなわち、第１課題として、スナバモジュールと半導体スイッチ素子との接続は、半導体スイッチ素子とスナバモジュールとの間の浮遊インダクタンスをできるだけ小さくするために、スナバモジュールの端子２を半導体スイッチ素子の主端子に接続（例えば取付ネジで接続）する、いわゆる直付け構造とすることが好ましい。しかしながら、直付け構造を採用した場合、半導体スイッチ素子で発生した熱がスナバモジュールに伝達されやすいため、スナバモジュールがより高温になってしまう問題があった。そして、スナバモジュールの温度が上昇することにより、半導体スイッチ素子に印加する電流が制限されることや、スナバモジュールの寿命が短くなる等の問題があった。

第２課題として、スナバモジュールの破損等によりスナバモジュールの取り付けおよび取り外しが必要になった場合には、取付ネジを半導体スイッチ素子の主端子から完全に外さなければ作業を行うことができなかった。すなわち、通常は取付ネジによって、スナバモジュールの端子と主回路配線等とを半導体スイッチ素子に共締めしており、取付ネジを完全に外すと主回路配線等も半導体スイッチ素子から外れるため、作業が煩雑で迅速な作業が困難であった。

以上示したようなことから、本発明の第１の課題は、浮遊インダクタンスを最小限に抑制するとともに、半導体スイッチ素子からスナバモジュールへの熱伝導を抑制したスナバモジュールを提供することにある。

また、本発明の第２の課題は、半導体スイッチ素子に対して、容易に取り付けおよび取り外しできるスナバモジュールを提供することにある。

本発明は、前記の課題を解決すべく創作された技術的思想であって、請求項１〜３記載の発明は、スナバモジュールを半導体スイッチ素子に直付けするとともに、半導体スイッチ素子からスナバモジュールへの熱伝導を抑制することにより、第１課題を解決している。請求項１，３記載の発明は、スナバモジュールの端子において、突設部に形成されたネジ頭部挿通孔と、接続部に形成されたネジ軸部取付孔とが連通していることにより、第２課題を解決している。

より具体的に、請求項１記載の発明は、電力変換回路に用いられる半導体スイッチ素子に、取付ネジによって接続されるスナバモジュールであって、前記スナバモジュールの端子は、スナバ回路を収納するための筐体から突設された突設部と、前記突設部の端部から折曲形成され、前記半導体スイッチ素子の主端子に接続される接続部と、を備え、前記突設部に形成された取付ネジ頭部を挿通するネジ頭部挿通孔と、前記接続部に形成された取付ネジ軸部を挿通するネジ軸部挿通孔とが連通していることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、電力変換回路に用いられる半導体スイッチ素子に、取付ネジによって接続されたスナバモジュールであって、前記スナバモジュールの端子は、銅合金から成ることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記スナバモジュールの端子は、銅合金から成ることを特徴とする。

以上の説明で明らかなように、請求項１〜３記載の発明によれば、浮遊インダクタンスを増加させることなく、半導体スイッチ素子からスナバモジュールへの熱伝導を抑制することができ、スナバモジュールが高温になることを抑制することができる。その結果、従来よりも主回路電流（半導体スイッチ素子に印加される電流）を増加させることが可能となる。さらに、スナバモジュールから、半導体スイッチ素子への熱伝導も抑制することができる。

また、請求項１，３記載の発明によれば、スナバモジュールの取り付けおよび取り外しは、取付ネジを緩めた状態で行うことができる。そのため、取付ネジを完全に外す必要がなく、半導体スイッチ素子に接続された主回路配線等を外さずに作業を行うことができ、作業の簡略化を図ることができる。

実施形態１，３におけるスナバモジュールの構成図。 一般的なスナバ回路の回路構成図。 実施形態１，３におけるスナバモジュールの取付工程図。 一般的なスナバモジュールの一例を示す概略図。

〔実施形態１〕
本実施形態１におけるスナバモジュールを図１の（Ａ；平面図），（Ｂ；側面図），（Ｃ；右側側面図）および図２のスナバ回路の回路構成図を基に詳細に説明する。図１において、符号１はスナバモジュールの筐体（例えば、樹脂ケースから成る筐体）を示し、その筐体１内には、スナバ回路ＳＮＢが収められる。通常その筐体１内には、吸湿による絶縁劣化の防止や他部品との絶縁を保つためにモールド材が充填される。また、符号２はスナバ回路ＳＮＢの端子を示し、筐体１から突設して設けられる。

一般的にスナバ回路ＳＮＢは、図２に示すように、コンデンサのみで構成されたものと、コンデンサ，ダイオード，抵抗を組み合わせた構成のもの等が筐体１内に収められる。

図２（Ａ）のスナバ回路ＳＮＢは、コンデンサＣのみで構成され、そのコンデンサＣは半導体スイッチ素子Ｑ₁，Ｑ₂に並列接続される。

図２（Ｂ）のスナバ回路ＳＮＢは、コンデンサＣ_SとダイオードＤ_Sと抵抗Ｒ_Sとを組み合わせて構成され、半導体スイッチ素子Ｑ₁，Ｑ₂に、コンデンサＣ_SとダイオードＤ_Sとで構成された直列回路ＳＣが並列接続される。抵抗Ｒ_Sは一端がＰ側アームに接続され、他端はコンデンサＣｓとダイオードＤ_Sとの間に接続される。

図２（Ｃ）のスナバ回路ＳＮＢは、コンデンサＣ_S1，Ｃ_S2とダイオードＤ_S1，Ｄ_S2と抵抗Ｒ_S1，Ｒ_S2とを組み合わせて構成され、半導体スイッチ素子Ｑ₁，Ｑ₂に、コンデンサＣ_S1とダイオードＤ_S1とで構成された直列回路ＳＣ₁およびコンデンサＣ_S2とダイオードＤ_S2とで構成された直列回路ＳＣ₂がそれぞれ並列に接続される。抵抗Ｒ_S1は一端がＰ側アームに接続され、他端は直列回路ＳＣ₂におけるコンデンサＣ_S2とダイオードＤ_S2との間に接続される。また、抵抗Ｒ_S2は一端がＮ側アームに接続され、他端が直列回路ＳＣ₁におけるコンデンサＣ_S1とダイオードＤ_S1との間に接続される。

図２のように構成されたスナバ回路ＳＮＢは、図１に示すように筐体１内に収められ、このスナバモジュールの端子２を半導体スイッチ素子Ｑ₁，Ｑ₂に接続し、半導体スイッチ素子Ｑ₁，Ｑ₂で発生するサージ電圧を抑制する。

本実施形態１のスナバモジュールは、端子２が略Ｌ字状に形成され、その端子２は前記筐体１から突設した突設部４と、この突設部４の端部から折曲形成された接続部６と、を備えている。符号５は、突設部４と接続部６との間の折曲部を示す。そして、前記突設部４に取付ネジの頭部を挿通する挿通孔（以下、ネジ頭部挿通孔と称する）７が形成されるとともに、前記接続部６には取付ネジのネジ軸部を挿通する挿通孔（以下、ネジ軸部挿通孔）３が形成され、前記ネジ頭部挿通孔７とネジ軸部挿通孔３とは連通している。

前記ネジ軸部挿通孔３はｙ軸方向において、折曲部５から接続部６中央付近まで形成される。なお、ネジ軸部挿通孔３はｙ軸方向において、一端が折曲部５まで形成されていれば、他端の位置は取付ネジのネジ頭部径や半導体スイッチ素子Ｑ₁，Ｑ₂の主端子面積等に応じて適宜設計してよい。

また、ネジ軸部挿通孔３はｘ軸方向において、取付ネジのネジ軸部径よりも大きい幅とし、かつ取付ネジのネジ頭部径よりも狭い幅とする。なお、ネジ軸部挿通孔３におけるｘ軸方向の幅を大きくすることにより、半導体スイッチ素子Ｑ₁，Ｑ₂の主端子とスナバモジュールの端子２との接触面積を小さくでき、半導体スイッチ素子Ｑ₁，Ｑ₂の主端子からスナバモジュールの端子２への熱伝導を抑制することができる。ただし、半導体スイッチ素子Ｑ₁，Ｑ₂の主端子とスナバモジュールの端子２との接触面積が小さすぎると接触不良が生じてしまうため、ネジ軸部挿入孔３におけるｘ軸方向の幅は、半導体スイッチ素子Ｑ₁，Ｑ₂の主端子面積や取付ネジの座面面積等に応じて適宜設計される。

前記ネジ頭部挿入孔７は、ｚ軸方向において折曲部５を始点とし、その高さは少なくとも取付ネジ頭部の高さ以上に設計される。本実施形態１では、ネジ頭部挿入孔７はｚ軸方向において、折曲部５から筐体１との固定部まで形成される。

また、ネジ頭部挿通孔７におけるｘ軸方向の幅は、少なくとも取付ネジ頭部の幅よりも広い幅に設計される。なお、ネジ頭部挿通孔７におけるｘ軸方向の幅を大きくすることにより、突設部４のｘ―ｙ方向断面積が小さくなるため、半導体スイッチ素子Ｑ₁，Ｑ₂からスナバモジュールへの熱伝導を抑制することができる。そのため、ネジ頭部挿通孔７におけるｘ軸方向の幅は、スナバモジュールの重量や突設部４の厚み（ｙ軸方向の厚み）等に応じてできるだけ小さくすることが望ましい。

次に、スナバモジュールの取り付けおよび取り外しの工程について図３を基に詳細に説明する。まず、図３（Ａ）に示すように、半導体スイッチ素子Ｑ₁，Ｑ₂の主端子８に取付ネジ９を接続部６の厚さ以上残して途中まで螺入する。そして、スナバモジュールをｘ軸方向に調整し、ネジ頭部挿通孔７が取付ネジ頭部１０に位置するように配置するとともに、スナバモジュールをｚ軸方向に調整し、半導体スイッチ素子Ｑ₁，Ｑ₂の主端子８と取付ネジ９の座面１２との間に接続部６を配置させる。その状態でスナバモジュールをｙ方向に移動し、ネジ頭部挿入孔７に取付ネジ９を挿通させる。そして、ネジ頭部挿入孔７に取付ネジ９の頭部１０が挿通されている状態でスナバモジュールをｘ軸方向に微調整し、ネジ軸部挿通孔３を取付ネジ９の軸部１１の位置に配置させつつ、さらにｙ方向に移動し、図３（Ｂ）に示すように接続部６を半導体スイッチ素子Ｑ₁，Ｑ₂の主端子８上に配置させる。このとき、ネジ軸部挿通孔３には取付ネジ９の軸部１１が貫装されている状態となる。その状態で、図３（Ｃ）に示すように取付ネジ９を螺入して締め付け、取付ネジ９の座面１２と端子２の接続部６，端子２の接続部６と半導体スイッチ素子Ｑ₁，Ｑ₂の主端子８とを圧接させる。上記の取付工程を行うことによりスナバモジュールを半導体スイッチ素子Ｑ₁，Ｑ₂の主端子８に取り付けることができる。

また、スナバモジュールを半導体スイッチ素子Ｑ₁，Ｑ₂から取り外す場合は、前記の取付工程の逆の手順を行う。すなわち、取付ネジ９を緩め、スナバモジュールをｙ方向の反対側に移動し、取付ネジ９の頭部１０をネジ頭部挿通孔７に挿通させることにより、スナバモジュールを取り外すことができる。なお、スナバモジュールを取り外した後に、取付ネジ９は締め付ける。

本実施形態１のように、スナバモジュールの端子２を構成することにより、スナバモジュールの取り付けおよび取り外しの工程を、取付ネジ９を接続部６の厚み以上に緩めた状態で行うことができる。そのため、取付ネジ９を完全に外す必要がなく、半導体スイッチ素子Ｑ₁，Ｑ₂に接続された主回路配線等を外すことなく作業を行うことができ、作業の簡略化を図ることができる。

また、接続部６のネジ軸部挿入孔３が従来に比べて大きいため、半導体スイッチ素子Ｑ₁，Ｑ₂の主端子８と、スナバモジュールの端子２の接続部６との接触面積が小さくなり、半導体スイッチ素子Ｑ₁，Ｑ₂からスナバモジュールへの熱伝導を抑制することができる。さらに、スナバモジュール端子２の突設部４にネジ頭部挿入孔７が形成されているため、突設部４のｘ−ｙ方向断面積が小さくなり、熱伝導をさらに抑制することができる。その結果、スナバモジュールが高温になることを抑制でき、従来よりも主回路電流（半導体スイッチ素子Ｑ₁，Ｑ₂に印加する電流）を増加することが可能となる。また、スナバモジュールから半導体スイッチ素子Ｑ₁，Ｑ₂への熱伝導も抑制することができる。

さらに、本実施形態１のように半導体スイッチ素子Ｑ₁，Ｑ₂の主端子８と、スナバモジュールの端子２との接続を直付け構造とすることにより、浮遊インダクタンスによる影響を最小限に抑制することが可能となる。

〔実施形態２〕
次に、本実施形態２のスナバモジュールについて詳細に説明する。本実施形態２の形状は、図４に示した従来のスナバモジュールの形状と同様である。また、スナバモジュールの端子２の材質は、銅合金（例えば、真鋳）が適用される。なお、半導体スイッチ素子Ｑ₁，Ｑ₂の主端子８とスナバモジュールの端子２とは、取付ネジ９により直付けされる。

上記のように、スナバモジュールの端子２の材質に、銅よりも熱伝導率の低い銅合金を適用することにより、半導体スイッチ素子Ｑ₁，Ｑ₂が高温になっても、半導体スイッチ素子Ｑ₁，Ｑ₂からスナバモジュールへの熱伝導を抑制することが可能となる。その結果、スナバモジュールが高温になることを抑制でき、従来よりも主回路電流（半導体スイッチ素子Ｑ₁，Ｑ₂に印加する電流）を増加することが可能となる。なお、スナバモジュールから半導体スイッチ素子Ｑ₁，Ｑ₂への熱伝導も抑制することができる。

また、本実施形態２のように半導体スイッチ素子Ｑ₁，Ｑ₂の主端子８と、スナバモジュールの端子２とを直付け構造とすることにより、浮遊インダクタンスによる影響を最小限に抑制することが可能となる。

〔実施形態３〕
次に、本実施形態３のスナバモジュールについて説明する。本実施形態３のスナバモジュールの端子２は、形状が実施形態１と同様に形成されるとともに、材質は実施形態２と同様に銅合金（例えば、真鋳）が適用される。

スナバモジュールの端子２を実施形態１と同様の形状とすることにより、スナバモジュールの取り付けおよび取り外しの工程を、取付ネジ９をネジ接続部６の厚み以上に緩めた状態で行うことができる。そのため、取付ネジ９を完全に外す必要がなく、半導体スイッチ素子Ｑ₁，Ｑ₂に接続された主回路配線等を外さずに作業を行うことができ、作業の簡略化を図ることができる。

また、接続部６のネジ軸部挿入孔３が従来と比べて大きいため、半導体スイッチ素子Ｑ₁，Ｑ₂の主端子８と、スナバモジュール端子２の接続部６との接触面積が小さくなり、半導体スイッチ素子Ｑ₁，Ｑ₂からスナバモジュールへの熱伝導を抑制することができる。さらに、スナバモジュールの端子２の突設部４にネジ頭部挿入孔７が形成されているため、突設部４のｘ−ｙ方向断面積が小さくなり、熱伝導をさらに抑制することができる。さらに、銅合金は銅よりも熱伝導率が低いため、半導体スイッチ素子Ｑ₁，Ｑ₂が高温になっても半導体スイッチ素子Ｑ₁，Ｑ₂からスナバモジュールへの熱伝導を抑制することができる。その結果、スナバモジュールが高温になることをさらに抑制でき、実施形態１および実施形態２よりも主回路電流（半導体スイッチ素子Ｑ₁，Ｑ₂に印加する電流）を増加することが可能となる。

以上、本発明において、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変形および修正が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変形および修正が特許請求の範囲に属することは当然のことである。

例えば、実施形態では、特定の構成のネジ頭部挿入孔７およびネジ軸部挿入孔３について説明したが、ネジ頭部挿入孔７とネジ軸部挿入孔３とが連通していれば、ネジ頭部挿入孔７およびネジ軸部挿入孔３の形状は適宜変更可能である。

１…筐体
２…スナバモジュールの端子
３…ネジ軸部挿入孔
４…突設部
５…折曲部
６…接続部
７…ネジ頭部挿入孔
８…半導体スイッチ素子の主端子
９…取付ネジ
１０…ネジ頭部
１１…ネジ軸部
１２…座面
Ｑ₁，Ｑ₂…半導体スイッチ素子
ＳＮＢ…スナバモジュール

Claims (3)

1. 電力変換回路に用いられる半導体スイッチ素子に、取付ネジによって接続されるスナバモジュールであって、
   前記スナバモジュールの端子は、
   スナバ回路を収納するための筐体から突設された突設部と、
   前記突設部の端部から折曲形成され、前記半導体スイッチ素子の主端子に接続される接続部と、を備え、
   前記突設部に形成された取付ネジ頭部を挿通するネジ頭部挿通孔と、前記接続部に形成された取付ネジ軸部を挿通するネジ軸部挿通孔とが連通していることを特徴とするスナバモジュール。
2. 電力変換回路に用いられる半導体スイッチ素子に、取付ネジによって接続されたスナバモジュールであって、
   前記スナバモジュールの端子は、銅合金から成ることを特徴とするスナバモジュール。
3. 前記スナバモジュールの端子は、銅合金から成ることを特徴とする請求項１記載のスナバモジュール。

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