JP2013149755A

JP2013149755A - スイッチング素子装置

Info

Publication number: JP2013149755A
Application number: JP2012008338A
Authority: JP
Inventors: Kaoru Torii; 薫鳥居; Masayuki Sugita; 昌行杉田; Yoshihito Sawayama; 善仁澤山; Yoshikuni Hattori; 佳晋服部; Takashi Kojima; 崇小島; Koji Tsukada; 浩司塚田; Atsuhiro Takahashi; 篤弘高橋; Hiroya Tanaka; 宏哉田中
Original assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2012-01-18
Filing date: 2012-01-18
Publication date: 2013-08-01

Abstract

【課題】スイッチング素子のスイッチングによりコモンモードノイズが発生するのをより適正に抑制する。
【解決手段】Ｐ層３４およびＮ層３６を含む４層基板を収容する金属製の筐体２４を接地し、Ｐ層３４，Ｎ層３６のインダクタンスをそれぞれ「Ｌｐ」，「Ｌｎ」とし、Ｐ層３４，Ｎ層３６と筐体２４との間の浮遊容量をそれぞれ「Ｃｐ」，「Ｃｎ」としたときに、関係式Ｌｎ・Ｃｎ−Ｌｐ・Ｃｐ＝０が成立するよう、Ｐ層３４，Ｎ層３６と筐体２４との間の各距離の調整を伴って筐体２４内の４層基板の配置が行なわれていると共に、Ｐ層３４，Ｎ層３６の各表面積の調整を伴って４層基板のＰ層３４とＮ層３６との成形が行なわれているものとした。これにより、スイッチング素子装置２０の構造の等価回路においてスイッチング素子のスイッチングにより生じるコモンモード電流を理想的に値０とすることができる。
【選択図】図６

Description

本発明は、スイッチング素子装置に関し、詳しくは、半導体により形成されたスイッチング素子が搭載され正の電源線および負の電源線にそれぞれ接続された金属箔からなるＰ層およびＮ層を含む多層基板と、多層基板を収容する金属製の筐体と、を備えるスイッチング素子装置に関する。

従来、この種の装置としては、インバータとモータ等の電気機器との間にコモンモードチョークコイルを接続し、コモンモードチョークコイルとモータ間の三相の各線にコンデンサと抵抗との直列接続体の一方を接続し、その直列接続体の他方を共通接続し、共通接続された直列接続体の他端を交流電源より高い周波数成分に対して接地と同等の電位を持つ仮想接地電位部に接続するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この装置では、これにより、比較的小型のコモンモードチョークコイルとコンデンサを使用し、インバータのスイッチング素子のスイッチングによる高周波ノイズを低減すると共に、モータ等の電気機器の漏洩電流を低減するフィルタを構成している。

特開２００１−６９７６２号公報

しかしながら、上述の装置では、スイッチング素子のスイッチングによる高周波ノイズ（コモンモードノイズ）を低減するためにコモンモードチョークコイルやコンデンサを追加するため、スイッチング素子を含む装置の部品点数の増加や装置の大型化，電気的なシステムの複雑化などの不都合が生じたり、システムのインダクタンスや電気容量の変化により対策すべきノイズの周波数帯にＬＣ共振が発生する可能性が生じたり、インバータの出力側（モータ等の電気機器側）のインピーダンスが変化した場合にその都度コモンモードチョークコイルやコンデンサの定数調整の必要が生じたりしてしまう。

本発明のスイッチング素子装置は、スイッチング素子のスイッチングによりコモンモードノイズが発生するのをより適正に抑制することを主目的とする。

本発明のスイッチング素子装置は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明のスイッチング素子装置は、
半導体により形成されたスイッチング素子が搭載され正の電源線および負の電源線にそれぞれ接続された金属箔からなるＰ層およびＮ層を含む多層基板と、前記多層基板を収容する金属製の筐体と、を備えるスイッチング素子装置において、
前記筐体を接地し、前記Ｐ層，前記Ｎ層のインダクタンスをそれぞれＬｐ，Ｌｎとし、前記Ｐ層，前記Ｎ層と前記筐体との間の浮遊容量をそれぞれＣｐ，Ｃｎとしたときに、関係式Ｌｎ・Ｃｎ−Ｌｐ・Ｃｐ＝０が成立するよう、前記Ｐ層，前記Ｎ層と前記筐体との間の各距離の調整を伴って前記筐体内の前記多層基板の配置が行なわれていると共に、前記Ｐ層，前記Ｎ層の各表面積の調整を伴って前記多層基板の前記Ｐ層と前記Ｎ層との成形が行なわれている、
ことを特徴とする。

この本発明のスイッチング素子装置では、半導体により形成されたスイッチング素子が搭載され正の電源線および負の電源線にそれぞれ接続された金属箔からなるＰ層およびＮ層を含む多層基板を収容する金属製の筐体を接地し、Ｐ層，Ｎ層のインダクタンスをそれぞれＬｐ，Ｌｎとし、Ｐ層，Ｎ層と筐体との間の浮遊容量をそれぞれＣｐ，Ｃｎとしたときに、関係式Ｌｎ・Ｃｎ−Ｌｐ・Ｃｐ＝０が成立するよう、Ｐ層，Ｎ層と筐体との間の各距離の調整を伴って筐体内の多層基板の配置が行なわれていると共に、Ｐ層，Ｎ層の各表面積の調整を伴って多層基板のＰ層とＮ層との成形が行なわれている。これにより、装置の等価回路においてスイッチング素子のスイッチングにより生じるコモンモード電流を理想的に値０とすることができるから、コモンモードチョークコイルやコンデンサを追加することなくコモンモードノイズの発生を抑制することができる。即ち、スイッチング素子のスイッチングによりコモンモードノイズが発生するのをより適正に抑制することができる。

本発明の一実施例としてのスイッチング素子装置２０の構成の概略を示す構成図である。４層基板２２の構成の概略を示す構成図である。４層基板２２のＮ層３６の上面図である。４層基板２２のＰ層３４の上面図である。筐体２４内の４層基板２２を側面からみた様子を示す説明図である。スイッチング素子装置２０の構造の等価回路を示す説明図である。スイッチング素子装置２０の構造に適用する基本原理を示す説明図である。変形例のＰ層やＮ層の構成例を示す説明図である。

次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施例としてのスイッチング素子装置２０の構成の概略を模式的に示す構成図であり、図２は、４層基板２２の構成の概略を模式的に示す構成図であり、図３は、４層基板２２のＮ層３６を図１や図２中の上方向からみた上面図であり、図４は、４層基板２２のＰ層３４を図１や図２中の上方向からみた上面図である。

実施例のスイッチング素子装置２０は、例えば車載された三相交流モータを駆動するためにバッテリからの直流電力を交流電力に変換するスイッチング機器であるインバータの三相分や一相分を構成したり、バッテリからの直流電力を変圧して出力するスイッチング機器であるＤＣ／ＤＣコンバータを構成したりするものであり、図１に示すように、半導体により形成されたスイッチング素子が搭載（実装）された略直方体状のプリント配線板としての４層基板２２と、この４層基板２２を収容する金属製（例えば、アルミニウム製など）の略直方体状の筐体２４とにより構成されている。

４層基板２２は、図２に示すように、４層基板２２における図中の上面および下面をそれぞれ形成する２つの信号層３１，３２と、２つの信号層３１，３２にそれぞれ並行となるように挟まれた銅箔からなる電源層としてのＰ層３４およびグラウンド層としてのＮ層３６と、信号層３１とＰ層３４との間，Ｐ層３４とＮ層３６との間，Ｎ層３６と信号層３２との間に挟まれた絶縁体としての樹脂３９とを含む。信号層３１，３２は、それぞれ筐体２４の内壁面と対面している。

信号層３１には、例えばＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴなどのトランジスタとして構成されＰ型半導体およびＮ型半導体により形成された複数のスイッチング素子３０や、図示しないコンデンサ、抵抗、これらの集積回路（ＩＣ）などが搭載されている。また、信号層３２にも、図示しないコンデンサや抵抗、集積回路などが搭載されている。

Ｐ層３４は、装置外部の直流電源であるバッテリの正極に接続された正極母線（正の電源線）に接続されることによって電源層を構成し、Ｎ層３６は、このバッテリの負極に接続され且つ筐体２４を介して（筐体２４と共に）例えば車体アースに接続された（接地された）負極母線（負の電源線）に接続されることによってグラウンド層を構成している。

また、Ｎ層３６は、実施例では、図３に示すように、正方形状の銅箔として形成されている（即ち、４層基板２２の上面および下面を構成する信号層３１，３２も略正方形状に形成されている）。Ｐ層３４は、実施例では、図４に示すように、Ｎ層３６と同じ正方形状に対してその一辺中央から対向する他辺中央の手前まで延びたスリット３７が形成され且つ複数の丸穴３８が形成された形状となるように、例えば打ち抜き加工などによって成形されている。これにより、実施例のＰ層３４の表面積Ｓｐは、Ｎ層３６の表面積Ｓｎの半分（１／２）となるように調整されている。なお、Ｐ層３４のスリット３７は、４層基板２２の素子の配置などの設計上の理由に基づいて形成されているものであり、これにより、銅箔としてのＰ層３４の配線長は、Ｎ層３６の配線長の２倍となっている。

図５は、筐体２４内の４層基板２２を側面からみた様子を示す説明図である。図中、Ｐ層３４は、４層基板２２の上面（信号層３１）に対向する筐体２４の内壁面（以下、筐体２４の上面という）との間の距離が距離ｄｐ１となっており、４層基板２２の下面（信号層３２）に対向する筐体２４の内壁面（以下、筐体２４の下面という）との間の距離が距離ｄｐ２となっている。また、Ｎ層３６は、筐体２４の下面との間の距離が距離ｄｎ１となっており、筐体２４の上面との間の距離が距離ｄｎ２となっている。実施例では、筐体２４内の図中の上下方向の中央に４層基板２２を配置することによって、距離ｄｐ１と距離ｄｎ１とが等しくなると共に、距離ｄｐ２と距離ｄｎ２とが等しくなるように調整されているものとした。Ｐ層３４の表面積ＳｐがＮ層３６の表面積Ｓｎの半分となるように調整されている理由や、距離ｄｐ１と距離ｄｎ１とが等しく且つ距離ｄｐ２と距離ｄｎ２とが等しくなるように調整されている理由については、次に説明する。

図６は、スイッチング素子装置２０の構造の等価回路を示す説明図であり、図７は、スイッチング素子装置２０の構造に適用する基本原理を示す説明図である。図６中、「電源」は、装置外部の直流電源であるバッテリを示し、「ノイズ源」は、スイッチング素子３０のスイッチングにより発生するノーマルモードノイズのノイズ源を示す。図６の等価回路では、Ｐ層３４，Ｎ層３６のインダクタンス（寄生インダクタンス）がそれぞれ「Ｌｐ」，「Ｌｎ」として表されており、Ｐ層３４と筐体２４との間の浮遊容量（寄生容量）が「Ｃｐ」として表されており、Ｎ層３６と筐体２４との間の浮遊容量（寄生容量）が「Ｃｎ」として表されている。また、この等価回路では、Ｐ層３４とＮ層３６とが電源側でコンデンサを介して接続されており、Ｐ層３４とＮ層３６とが電源とは反対側でノイズ源を介して接続されている。なお、Ｐ層３４と信号層３１，３２との間の浮遊容量やＮ層３６と信号層３１，３２との間の浮遊容量などは、この等価回路ではノイズ源に含むものとして考えることができ、「Ｃｐ」や「Ｃｎ」には影響しない。

図６の等価回路は、高周波的にはブリッジ回路を用いて図７に示す等価回路として表現することができる。即ち、スイッチング素子装置２０は、浮遊容量成分「Ｃｐ」と浮遊容量成分「Ｃｎ」との接続点を接地すると共に、インダクタンス成分「Ｌｐ」とインダクタンス成分「Ｌｎ」との接続点を図６の電源側に対応するインピーダンス成分「Ｚｃ」に接続し、さらに、静電容量成分「Ｃｐ」およびインダクタンス成分「Ｌｐ」の接続点と静電容量成分「Ｃｎ」およびインダクタンス成分「Ｌｎ」の接続点とにノイズ源によるノーマルモード電圧「Ｖｄ」を接続したブリッジ回路として表現することができる。図７中、静電容量成分「Ｃｐ」と静電容量成分「Ｃｎ」との接続点の接地は、筐体２４の接地によって実現されており、インダクタンス成分「Ｌｐ」とインダクタンス成分「Ｌｎ」との接続は、図６の電源側のコンデンサによってこれらの接続点が高周波的には同電位になることに基づいている。また、図７のノイズ源の位置は、回路上どの位置を起点としてノイズの伝播が開始すると考えてもよいことに基づいている。こうして表現された図７のブリッジ回路の出力側（インピーダンス成分「Ｚｃ」側）のコモンモード電圧「Ｖｃ」については、次式（１）の関係が成立する。したがって、式（２）の関係が成立すれば、コモンモード電圧「Ｖｃ」を値０とすると共に、ブリッジ回路の出力側（インピーダンス成分「Ｚｃ」側）に流れるコモンモード電流「Ｉｃ」を値０とすることができる。

Vc=Vd・(Ln・Cn-Lp・Cp)/[(Lp+Ln)・(Cp+Cn)] (1)
Ln・Cn-Lp・Cp=0 (2)

そこで、実施例のスイッチング素子装置２０では、上述の式（２）が成立するように、Ｐ層３４，Ｎ層３６と筐体２４との間の各距離ｄｐ１，ｄｐ２，ｄｎ１，ｄｎ２の調整を伴って筐体２４内の４層基板２２の配置を行なうと共に、Ｐ層３４，Ｎ層３６の各表面積Ｓｐ，Ｓｎの調整を伴って４層基板２２のＰ層３４とＮ層３６との成形を行なうものとした。具体的には、実施例では、筐体２４内の上下方向の中央に４層基板２２を配置することによって、距離ｄｐ１と距離ｄｎ１とが等しく且つ距離ｄｐ２と距離ｄｎ２とが等しくなるように調整すると共に、設計上の理由でスリット３７が形成された銅箔としてのＰ層３４に対して複数の丸穴３８をあける成形を行なうことによって、Ｐ層３４の表面積ＳｐがＮ層３６の表面積Ｓｎの半分（１／２）となるように調整して、式（２）の成立を実現するものとした。なお、前述したように、Ｐ層３４の配線長はスリット３７のためにＮ層３６の配線長の２倍となっているから、Ｐ層３４のインダクタンス「Ｌｐ」は、Ｎ層３６のインダクタンス「Ｌｎ」の２倍となっている。また、静電容量「Ｃｐ」および「Ｃｎ」は、樹脂３９の厚さが各距離ｄｐ１，ｄｐ２，ｄｎ１，ｄｎ２と比べて十分に薄いとすると、空気の誘電率εを用いて次式（３）ないし式（５）により求めることができる。式（５）により計算される距離ｄｓｅｔを用いて式（３）および式（４）により「Ｃｐ」と「Ｃｎ」とを計算することができるのは、距離ｄｐ１と距離ｄｎ１とが等しく且つ距離ｄｐ２と距離ｄｎ２とが等しくなるように調整されていることに基づく。

Cp=(ε・Sp)/dp1+(ε・Sp)/dp2=(ε・Sp)/dset (3)
Cn=(ε・Sn)/dn1+(ε・Sn)/dn2=(ε・Sn)/dset (4)
dset=(dp1・dp2)/(dp1+dp2)=(dn1・dn2)/(dn1+dn2) (5)

ここで、実施例のスイッチング素子装置２０において、前述の式（２）が成立することについて検討すると、Ｐ層３４のインダクタンス「Ｌｐ」がＮ層３６のインダクタンス「Ｌｎ」の２倍であるから、式（２）が成立するためには、静電容量「Ｃｐ」が静電容量「Ｃｎ」の半分（１／２）となる必要がある。そこで、実施例では、前述の式（３）ないし式（５）から分かるように、距離ｄｐ１と距離ｄｎ１とが等しく且つ距離ｄｐ２と距離ｄｎ２とが等しくなるように調整すると共に、Ｐ層３４の表面積ＳｐがＮ層３６の表面積Ｓｎの半分（１／２）となるように調整することによって、静電容量「Ｃｐ」が静電容量「Ｃｎ」の半分（１／２）となるように調整されることになる。これにより、式（２）が成立することが分かる。

具体例として、Ｎ層３６の一辺が１０ｍｍの正方形状でその表面積Ｓｎが１００ｍｍ²であると共にそのインダクタンス「Ｌｎ」が１０ｎＨの場合を考える。この場合、Ｎ層３６に比して、Ｐ層３４の表面積Ｓｐは半分の５０ｍｍ²となると共にそのインダクタンス「Ｌｐ」は２倍の２０ｎＨとなる。また、空気の誘電率εは８．８５４×１０^-12Ｆ／ｍであるから、前述の距離ｄｓｅｔを２．５ｍｍとすると、「Ｌｐ」「Ｌｎ」「Ｃｐ」「Ｃｎ」は、それぞれ次式（６）ないし式（９）により計算されて、前述の式（２）が成立することが分かる。

Lp=20×10^-9[H] (6)
Ln=10×10^-9[H] (7)
Cp=(8.854×10^-12×50×10^-6)/(2.5×10^-3)=0.177×10^-12[F] (8)
Cn=(8.854×10^-12×100×10^-6)/(2.5×10^-3)=0.354×10^-12[F] (9)

以上説明した実施例のスイッチング素子装置２０によれば、半導体により形成されたスイッチング素子３０が搭載され正の電源線および負の電源線にそれぞれ接続された銅箔からなるＰ層３４およびＮ層３６を含む４層基板２２を収容する金属製の筐体２４を接地し、Ｐ層３４，Ｎ層３６のインダクタンスをそれぞれ「Ｌｐ」，「Ｌｎ」とし、Ｐ層３４，Ｎ層３６と筐体２４との間の浮遊容量をそれぞれ「Ｃｐ」，「Ｃｎ」としたときに、関係式Ｌｎ・Ｃｎ−Ｌｐ・Ｃｐ＝０が成立するよう、Ｐ層３４，Ｎ層３６と筐体２４との間の各距離ｄｐ１，ｄｐ２，ｄｎ１，ｄｎ２の調整を伴って筐体２４内の４層基板２２の配置が行なわれていると共に、Ｐ層３４，Ｎ層３６の各表面積Ｓｐ，Ｓｎの調整を伴って４層基板２２のＰ層３４とＮ層３６との成形が行なわれている。これにより、スイッチング素子装置２０の構造の等価回路においてスイッチング素子３０のスイッチングにより生じるコモンモード電流Ｉｃを理想的に値０とすることができるから、コモンモードチョークコイルやコンデンサを追加することなくコモンモードノイズの発生を抑制することができる。即ち、スイッチング素子のスイッチングによりコモンモードノイズが発生するのをより適正に抑制することができる。

また、実施例のスイッチング素子装置２０を、ハイブリッド自動車や電気自動車に搭載されたインバータやＤＣ／ＤＣコンバータを構成するのに用いた場合を考えると、こうした車両では、スイッチング素子のスイッチングにより発生するコモンモード電流が車体を通じて大きな閉ループを構成すると、ラジオノイズ性能が悪化することが知られている。これに対し、実施例のようにスイッチング素子装置２０を構築することによって、コモンモードチョークコイルやコンデンサなどの追加部品のために部品点数を増加させることなく且つ装置の大型化による車載スペースの確保に困難さを生じさせることなく、コモンモードノイズを低減することができる。さらに、出力側のインピーダンス成分「Ｚｃ」が変化しても、コモンモード電圧「Ｖｃ」を値０とすることによってコモンモード電流「Ｉｃ」を値０とすることができるから、出力側の構成によらずにコモンモードノイズを低減することができる。

実施例のスイッチング素子装置２０では、筐体２４内の上下方向の中央に４層基板２２を配置することによって、距離ｄｐ１と距離ｄｎ１とが等しく且つ距離ｄｐ２と距離ｄｎ２とが等しくなるように調整すると共に、設計上の理由でスリット３７が形成された銅箔としてのＰ層３４に対して複数の丸穴３８をあける成形を行なうことによって、Ｐ層３４の表面積ＳｐがＮ層３６の表面積Ｓｎの半分（１／２）となるように調整して、式（２）の成立を実現するものとしたが、式（２）が成立するように、Ｐ層３４，Ｎ層３６と筐体２４との間の各距離ｄｐ１，ｄｐ２，ｄｎ１，ｄｎ２の調整を伴って筐体２４内の４層基板２２の配置が行なわれていると共に、Ｐ層３４，Ｎ層３６の各表面積Ｓｐ，Ｓｎの調整を伴って４層基板２２のＰ層３４とＮ層３６との成形が行なわれているものであれば、如何なるものとしてもよい。例えば、図８の変形例のＰ層やＮ層の構成例に示すように、Ｐ層やＮ層に正方形の穴をあけるものとしたり（図８（ａ）参照）、Ｐ層やＮ層に長方形の穴をあけるものとしたり（図８（ｂ）参照）、Ｐ層やＮ層を正方形状を切り欠いたＨ形状としたり（図８（ｃ）参照）してもよいし、距離ｄｐ１と距離ｄｎ１とが異なる距離となると共に距離ｄｐ２と距離ｄｎ２とが異なる距離となるように筐体２４内に４層基板２２を配置するものとしてもよい。

実施例のスイッチング素子装置２０では、本発明を４層基板２２に適用して説明したが、６層基板や８層基板などの他の多層基板に適用するものとしてもよい。

実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施例では、スイッチング素子３０が「スイッチング素子」に相当し、Ｐ層３４が「Ｐ層」に相当し、Ｎ層３６が「Ｎ層」に相当し、４層基板２２が「多層基板」に相当し、筐体２４が「筐体」に相当する。

なお、実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施例が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施例は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。

以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、スイッチング素子装置の製造産業などに利用可能である。

２０スイッチング素子装置、２２４層基板、２４筐体、３０スイッチング素子、３１，３２信号層、３４Ｐ層、３６Ｎ層、３７スリット、３８丸穴、３９樹脂。

Claims

半導体により形成されたスイッチング素子が搭載され正の電源線および負の電源線にそれぞれ接続された金属箔からなるＰ層およびＮ層を含む多層基板と、前記多層基板を収容する金属製の筐体と、を備えるスイッチング素子装置において、
前記筐体を接地し、前記Ｐ層，前記Ｎ層のインダクタンスをそれぞれＬｐ，Ｌｎとし、前記Ｐ層，前記Ｎ層と前記筐体との間の浮遊容量をそれぞれＣｐ，Ｃｎとしたときに、関係式Ｌｎ・Ｃｎ−Ｌｐ・Ｃｐ＝０が成立するよう、前記Ｐ層，前記Ｎ層と前記筐体との間の各距離の調整を伴って前記筐体内の前記多層基板の配置が行なわれていると共に、前記Ｐ層，前記Ｎ層の各表面積の調整を伴って前記多層基板の前記Ｐ層と前記Ｎ層との成形が行なわれている、
ことを特徴とするスイッチング素子装置。