JP2014175433A - パワーモジュール及びそれを用いた電力変換装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】
パワー半導体素子に対する磁界の影響を緩和する。
【解決手段】
絶縁基板１６と、絶縁基板１６に接合されたパワー半導体素子１４と、パワー半導体素子１４の制御信号用入力電極に電気的に接続された第一の制御電極１２と、パワー半導体素子１４の制御信号用基準電極に電気的に接続された第二の制御電極１１を備えるパワーモジュールにおいて、パワー半導体素子を流れる主電流によって発生して、第一の制御電極１２と第二の制御電極１１との間を貫通する磁界により、渦電流を誘起させる導電体１３を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、パワーモジュール及びそれを用いた電力変換装置に関する。
パワー半導体素子を搭載し、パワー半導体素子の制御電極に制御信号を供給するための制御信号配線にリードフレームを用いたパワーモジュールとしては、従来、特許文献１に開示されたものが知られている。本文献のパワーモジュールではリードフレームが半導体チップの制御電極に半田接合されている。
特開２００６−９３２５５号公報
高密度実装された数百アンペアクラスの小型・高出力電力変換装置では、パワーモジュール内のパワー半導体素子に流れる主電流により磁界が発生し、その磁界によりゲート制御電極に電流が誘起されて、スイッチング動作の妨げとなる。特に電源短絡などの異常時には数千アンペアの大電流が流れ、磁界が強くなると誘起されたゲート電流によりゲート電圧が急峻に変化し、激しい電流振動やサージ電圧振動が発生し、パワー半導体素子の破壊を誘発する。
上記文献のパワーモジュールは、ゲート制御端子であるリードフレームが磁界の影響を受けるので、高出力電力変換装置に使う場合、磁界による電流振動やサージ電圧破壊が懸念される。
本発明は、上記の問題点を考慮してなされたものであり、パワー半導体素子に対する磁界の影響を緩和できるパワーモジュールおよびそれを用いた電力変換装置を提供することを目的とする。
本発明によるパワーモジュールにおいては、上記課題を解決するために、パワー半導体素子の制御信号用電極と制御信号用基準電極に接続される各制御電極の間を貫通する磁界により渦電流を発生させる導電体を設け、この磁界の方向と逆方向の磁界を発生させて磁界をキャンセルすることにより、制御信号用電極または制御信号用基準電極あるいは各制御電極を磁気シールドする。
本発明の一態様であるパワーモジュールは、絶縁基板と、絶縁基板に接合されたパワー半導体素子と、パワー半導体素子の制御信号用入力電極に電気的に接続された第一の制御電極と、パワー半導体素子の制御信号用基準電極に電気的に接続された第二の制御電極とを備え、さらに、パワー半導体素子を流れる主電流によって発生し、第一の制御電極と前記第二の制御電極との間を貫通する磁界により渦電流を誘起させる導電体を備える。
本発明によれば、パワー半導体素子の主電流により発生する磁界が制御信号用電極または制御信号用基準電極あるいは各制御電極に与える影響を緩和できる。これにより、短絡時に発生する電流振動やサージ電圧を低減でき、高速スイッチング、低損失、高耐ノイズあるいは高信頼性のパワーモジュールを提供できる。
また、本発明によれば、電力変換手段として、本発明によるパワーモジュールを用いることにより、小型・高出力の電力変換装置を提供できる。
本実施例の１相分のアームの上側アームの平面図。 本実施例の１相分のアームの斜視図。 磁界キャンセルの動作を示す平面図。 磁界キャンセルの動作を示す斜視図。 本実施例のＵ相アームの電気的等価回路。 従来の短絡波形。 本実施例の短絡波形。 本実施例のインバータ装置の回路構成。 本実施例のパワーモジュールの外観図。
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
以下に説明する実施例では、本発明によるパワーモジュールが用いられる電力変換装置を例に挙げて説明する。
尚、以下に説明する構成は、ＤＣ／ＤＣコンバータや直流チョッパなどの直流−直流電力変換装置にも適用可能である。また、以下に説明する構成は、車載用、産業用や家庭用などの電力変換装置にも適用可能である。
本発明の実施例を図１乃至図８に基づいて説明する。
初めに、図８を用いて、本実施例のインバータ装置ＩＮＶの電気的な回路構成について説明する。
本実施例のインバータ装置ＩＮＶは、パワーモジュールＰＭＵ，駆動回路装置ＤＣＵ及び電動機制御装置ＭＣＵから構成されている。
パワーモジュールＰＭＵは電力変換用の主回路を構成しており、駆動回路装置ＤＣＵから出力された駆動信号を受けて動作し、高圧バッテリＢＡＴから供給された直流電力を三相交流電力に変換し、モータＭの固定子巻線に供給する。主回路は３相ブリッジ回路であり、３相分の直列回路が高圧バッテリＢＡＴの正極側と負極側との間に電気的に並列に接続されて構成されている。直列回路はアームとも呼ばれ、２つのパワー半導体素子によって構成されている。
アームは、上アーム側のパワー半導体素子と下アーム側のパワー半導体素子とが電気的に直列に接続されて構成されている。本実施例では、パワー半導体素子として、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）を用いている。ＩＧＢＴには、コレクタ電極とエミッタ電極との間にダイオード素子を電気的に逆並列に接続し、このダイオードに環流電流を流す。ＩＧＢＴはコレクタ電極とエミッタ電極の他にゲート電極を備えている。
パワー半導体素子としてはスイッチング半導体素子であるｎチャネルのＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ）を用いてもよい。ＭＯＳＦＥＴを構成する半導体チップは、ドレイン電極，ソース電極及びゲート電極の３つの電極を備えている。また、ドレイン電極とソース電極との間には、ソース電極からドレイン電極に向かう方向が順方向である寄生のダイオードが電気的に接続されている。
以下、図示されていない表記である、Ｍｐｕ，Ｍｐｖ，Ｍｐｗは、いずれも上アーム側のパワー半導体素子を示し、かつ、それぞれＵ相アーム，Ｖ相アーム，Ｗ相アームのパワー半導体素子であることを示す。同様の表記、Ｍｎｕ，Ｍｎｖ，Ｍｎｗは、いずれも下アーム側のパワー半導体素子を示し、かつ、それぞれＵ相アーム，Ｖ相アーム，Ｗ相アームのパワー半導体素子であることを示す。また、図示されていない表記である、Ｄｐｕ，Ｄｐｖ，Ｄｐｗは、いずれも上アーム側のダイオード素子を示し、かつ、それぞれＵ相アーム，Ｖ相アーム，Ｗ相アームのダイオード素子であることを示す。同様の表記、Ｄｎｕ，Ｄｎｖ，Ｄｎｗは、いずれも下アーム側のダイオード素子を示し、かつ、それぞれＵ相アーム，Ｖ相アーム，Ｗ相アームのダイオード素子であることを示す。
Ｕ相アームＡｕはパワー半導体素子Ｍｐｕのエミッタ電極とパワー半導体素子Ｍｎｕのコレクタ電極が電気的に直列に接続されて構成されている。Ｖ相アームＡｖ及びＷ相アームＡｗもＵ相アームＡｕと同様であり、パワー半導体素子Ｍｐｖ，Ｍｐｗのエミッタ電極とパワー半導体素子Ｍｎｖ，Ｍｎｗのコレクタ電極が電気的に直列に接続されて構成されている。
パワー半導体素子Ｍｐｕ，Ｍｐｖ，Ｍｐｗのコレクタ電極は高圧バッテリＢＡＴの高電位側（正極側（Ｐ））に電気的に接続されている。パワー半導体素子Ｍｎｕ，Ｍｎｖ，Ｍｎｗのエミッタ電極は高圧バッテリＢＡＴの低電位側（負極側（Ｎ））に電気的に接続されている。Ｕ相アームＡｕの中点（上アーム側パワー半導体素子のエミッタ電極と下アーム側パワー半導体素子のコレクタ電極との接続部分）はモータＭのＵ相の固定子巻線に電気的に接続されている。Ｖ相アームＡｖ，Ｗ相アームＡｗの中点もＵ相アームＡｕの中点と同様に、モータＭのＶ相，Ｗ相の固定子巻線に電気的に接続されている。
高圧バッテリＢＡＴの正極側と負極側との間には、パワー半導体素子の動作によって生じる直流電圧の変動を抑制するために、平滑用の電解コンデンサＳＥＣが電気的に接続されている。
パワーモジュールＰＭＵは、ケースによって囲われ金属ベース上に絶縁基板を介して半導体チップが実装され、三相ブリッジ回路が形成されるように、半導体チップ間、半導体チップと入力端子との間、半導体チップと出力端子との間がアルミワイヤや板状導体などの接続導体によって電気的に接続されて構成されている。ベースは、銅やアルミニウムなどの熱伝導性部材によって構成されている。ベースの下面は空気或いは冷却水などの冷却媒体によって冷却されるようになっている。ベースの下面には、冷却媒体による冷却効率を向上させるために、フィンなどが設けられている。絶縁基板は、窒化アルミニウムなどの絶縁部材からなるものであって、両面に配線パターンがメタライズされている。半導体チップは、前述したＩＧＢＴを構成するものであり、両面に電極を有している。ベースと絶縁基板との間、絶縁基板と半導体チップとの間は、半田などの接合部材によって接合されている。
駆動回路装置ＤＣＵはパワー半導体素子Ｍｐｕ，Ｍｐｖ，Ｍｐｗ，Ｍｎｕ，Ｍｎｖ，Ｍｎｗのゲート電極に電気的に接続されている。
電動機制御装置ＭＣＵから出力された上アーム側パワー半導体素子Ｍｐｕ，Ｍｐｖ，Ｍｐｗの制御信号Ｖｐｕ＊，Ｖｐｖ＊，Ｖｐｗ＊を受けて、受けた制御信号Ｖｐｕ＊，Ｖｐｖ＊，Ｖｐｗ＊を、上アーム側パワー半導体素子Ｍｐｕ，Ｍｐｖ，Ｍｐｗを駆動するための駆動信号Ｖｐｕ，Ｖｐｖ，Ｖｐｗとして、上アーム側パワー半導体素子Ｍｐｕ，Ｍｐｖ，Ｍｐｗのゲート電極に出力される。
なお、上記の各制御信号および駆動信号は、これらの表記における添え字（例えば、「ｐｕ」）と同じ添え字を有する表記のパワー半導体素子（例えば、Ｍｐｕ）を制御および駆動するための信号である。
電動機制御装置ＭＣＵから出力された下アーム側パワー半導体素子Ｍｎｕ，Ｍｎｖ，Ｍｎｗの制御信号Ｖｎｕ＊，Ｖｎｖ＊，Ｖｎｗ＊を受けて、受けた制御信号Ｖｎｕ＊，Ｖｎｖ＊，Ｖｎｗ＊を、下アーム側パワー半導体素子Ｍｎｕ，Ｍｎｖ，Ｍｎｗを駆動するための駆動信号Ｖｎｕ，Ｖｎｖ，Ｖｎｗとして、下アーム側パワー半導体素子Ｍｎｕ，Ｍｎｖ，Ｍｎｗのゲート電極に出力される。
電動機制御装置ＭＣＵは、パワーモジュールＰＭＵのパワー半導体素子を動作させるための制御値を、入力された複数の入力信号に基づいて演算し、演算された制御値を制御信号Ｖｐｕ＊〜Ｖｎｗ＊として駆動回路装置ＤＣＵに出力するものであり、制御値の演算を行うマイクロコンピュータ（以下、「マイコン」と称する）を備えている。
マイコンには、入力信号として、トルク指令信号（トルク指令値）τ＊，回転数指令信号（回転数指令値）ｎ＊，検知信号（ｕ相〜ｗ相の電流値）ｉｕ〜ｉｗ及び検知信号（回転子の磁極位置）θが入力される。
トルク指令信号（トルク指令値）τ＊及び回転数指令信号（回転数指令値）ｎ＊は、車両の運転モードに応じて、図示されない総合制御装置（ＧＣＵ）から出力される。検知信号（ｕ相〜ｗ相の電流値）ｉｕ〜ｉｗは電流センサＣｕ〜Ｃｗから出力される。検知信号（回転子の磁極位置）θは、図示されない磁極位置センサから出力される。
電流センサＣｕ〜Ｃｗは、インバータ装置ＩＮＶにおけるパワーモジュールＰＭＵからモータＭの固定子の固定子巻線に供給されるＵ相〜Ｗ相電流ｉｕ〜ｉｗを検知するためのものであり、シャント抵抗器，変流器（ＣＴ）などから構成されたものである。
磁極位置センサは、モータＭの回転子の磁極位置θを検出するためのものであり、レゾルバ，エンコーダ，ホール素子，ホールＩＣなどから構成されたものである。
マイコンは、ベクトル制御におけるｄ軸，ｑ軸の電流指令値Ｉｄ＊，Ｉｑ＊を入力信号に基づいて演算し、演算された電流指令値Ｉｄ＊，Ｉｑ＊に基づいて各相の電圧制御値を演算し、演算された電圧制御値を、パワーモジュールＰＭＵのパワー半導体素子を動作させるための制御信号（ＰＷＭ信号（パルス幅変調信号））Ｖｐｕ＊〜Ｖｎｗ＊として駆動回路装置ＤＣＵに出力する。
次に、図１〜４，９を用いて、本実施例のパワーモジュールＰＭＵの構成について詳細に説明する。
図１は、本実施例の上記パワーモジュールＰＭＵのうち、１相分のアーム（例えばＵ相アームＡｕ）の上側アームの平面図を示す。なお、本実施例においては、各相アームの各上下側アームとも、図１と同様の平面構成を有する。
絶縁基板１６は窒化アルミニウムなどの絶縁部材からなるものであって、配線パターンがメタライズされている。絶縁基板１６上に正極側コレクタ導体１９、正極側エミッタ導体１８が半田によって接合されている。正極側コレクタ導体１９上には１個の正極側ＩＧＢＴ素子１４（すなわち、上アーム側パワー半導体素子ＭｐｕまたはＭｐｖあるいはＭｐｗ）が実装され、ＩＧＢＴ素子１４のコレクタ電極が正極側コレクタ導体１９と半田によって電気的に接合されている。更に、正極側コレクタ導体１９上には１個の正極側ダイオード素子１５（すなわち、上アーム側ダイオード素子ＤｐｕまたはＤｐｖあるいはＤｐｗ）が実装され、ダイオード素子１５のカソード電極が正極側コレクタ導体１９と半田によって電気的に接合されている。
正極側ＩＧＢＴ素子１４のエミッタ電極及び正極側ダイオード素子１５のアノード電極は正極側エミッタ導体１８と複数本のアルミニウムワイヤ１７によって電気的に接合されている。また、正極側ＩＧＢＴ素子１４のゲート電極（制御信号用入力電極）はアルミニウムワイヤによって第一の制御電極１２に電気的に接続されている。正極側ＩＧＢＴ素子１４のエミッタ電極（制御信号用基準電極）はアルミニウムワイヤによって第二の制御電極１１に電気的に接続されている。さらに、絶縁基板１６の一部の領域上、かつ、ゲート電極（制御信号用入力電極）と第一の制御電極１２間に接続されるアルミニウムワイヤ、およびエミッタ電極（制御信号用基準電極）と第二の制御電極１１間に接続されるアルミニウムワイヤの下部には、電気的にフローティング状態の導電体１３が設けられる。
ＩＧＢＴ素子１４がスイッチング或いは短絡してＩＧＢＴ素子１４に主電流が流れることにより発生する磁界が、第一の制御電極１２に接続されたアルミニウムワイヤと第二の制御電極１１に接続されたアルミニウムワイヤとの間を貫通することより、導電体１３に渦電流が発生する。この渦電流により、貫通する磁界の方向と逆方向の磁界を発生させて、貫通する磁界をキャンセルすることにより、第一の制御電極１２，第二の制御電極１１，ゲート電極（制御信号用入力電極）およびエミッタ電極（制御信号用基準電極）のいずれか、あるいは複数電極を磁気シールドすることができる。
なお、導電体１３は、例えば銅などの配線パターンと同じ材質で良い。また、アルミニウムワイヤに代えて、銅ワイヤやリボン状部材など、他の配線部材を用いてもよい。
図２は、本実施例のパワーモジュールＰＭＵのうち、１相分のアーム（例えばＵ相アームＡｕ）の斜視図を示す。図中左側の絶縁基板１６上に構成される回路が上側アームであり、図中右側の絶縁基板２６上に構成される回路が下側アームである。
上側アームについては、図１を用いて上述した通りであるが、下側アームについては次の通りである。
絶縁基板２６は窒化アルミニウムなどの絶縁部材からなるものであって、配線パターンがメタライズされている。絶縁基板２６上に負極側コレクタ導体２９、負極側エミッタ導体２８が半田によって接合されている。正極側コレクタ導体２９上には１個の負極側ＩＧＢＴ素子２４（すなわち、下アーム側パワー半導体素子ＭｎｕまたはＭｎｖあるいはＭｎｗ）が実装され、ＩＧＢＴ素子２４のコレクタ電極が負極側コレクタ導体２９と半田によって電気的に接合されている。更に、負極側コレクタ導体２９上には１個の負極側ダイオード素子２５（すなわち下アーム側ダイオード素子Ｄｎｕ，Ｄｎｖ，Ｄｎｗ）が実装され、ダイオード素子２５のカソード電極が負極側コレクタ導体２９と半田によって電気的に接合されている。
負極側ＩＧＢＴ素子２４のエミッタ電極及び負極側ダイオード素子２５のアノード電極は負極側エミッタ導体２８と複数本のアルミニウムワイヤによって電気的に接合されている。また、正極側ＩＧＢＴ素子２４のゲート電極（制御信号用入力電極）はアルミニウムワイヤによって第三の制御電極２２に電気的に接続されている。正極側ＩＧＢＴ素子２４のエミッタ電極（制御信号用基準電極）はアルミニウムワイヤによって第四の制御電極２１に電気的に接続されている。さらに、絶縁基板２６上、かつ、ゲート電極（制御信号用入力電極）と第三の制御電極２２間に接続されるアルミニウムワイヤ、およびエミッタ電極（制御信号用基準電極）と第四の制御電極２１間に接続されるアルミニウムワイヤの下部には、電気的にフローティング状態の導電体２３が設けられる。
ＩＧＢＴ素子２４がスイッチング或いは短絡してＩＧＢＴ素子２４に主電流が流れることにより発生する磁界が、第三の制御電極２２に接続されたアルミニウムワイヤと第四の制御電極２１に接続されたアルミニウムワイヤとの間を貫通することより、導電体２３に渦電流が発生する。この渦電流により、貫通する磁界の方向と逆方向の磁界を発生させて、貫通する磁界をキャンセルすることにより、第三の制御電極２２，第四の制御電極２１，ゲート電極（制御信号用入力電極）およびエミッタ電極（制御信号用基準電極）のいずれか、あるいは複数を磁気シールドすることができる。
なお、導電体２３は、導電体１３と同様に、例えば銅などの配線パターンと同じ材質で良い。また、アルミニウムワイヤに代えて、銅ワイヤやリボン状部材など、他の配線部材を用いてもよい。
正極側入力端子１００（Ｐ）は正極側コレクタ導体１９と複数本のアルミニウムワイヤによって電気的に接続されている。負極側入力端子１０２（Ｎ）は負極側エミッタ導体２８と複数本のアルミニウムワイヤによって電気的に接続されている。正極側エミッタ導体１８及び負極側コレクタ導体２９は出力端子１０１（Ｕ，Ｖ，Ｗ）と複数本のアルミニウムワイヤによって電気的に接続されている。正極側入力端子１００（Ｐ）には高圧バッテリＢＡＴの正極端子が導体によって接続され、負極側入力端子１０２（Ｎ）には高圧バッテリＢＡＴの負極端子が導体によって接続され、正極側入力端子１００（Ｐ）と負極側入力端子１０２（Ｎ）との間に直流電圧が印加される。
出力端子１０１（Ｕ）にはモータＭのＵ相の固定子巻線が接続され、正極側ＩＧＢＴ素子及び負極側ＩＧＢＴ素子がオン・オフすると固定子巻線に電流が流れる。
第一の制御電極１２、第二の制御電極１１、第三の制御電極２２および第四の制御電極２１は正極側ＩＧＢＴ素子１４及び負極側ＩＧＢＴ素子２４を制御するためのドライバ基板１０の制御信号端子とそれぞれ電気的に接続されている。
図２ではＵ相アームＡｕの構成について記載したが、Ｖ相アームＡｖ及びＷ相アームＡｗも同様の構成である。
尚、本実施例ではパワー半導体素子にＩＧＢＴを用いているが、ＭＯＳＦＥＴを用いてもよく、ＭＯＳＦＥＴの場合、ダイオードとして内蔵ダイオードを用いることができる。ＩＧＢＴ及びダイオードを１個ずつ接続しているが、それらの個数は電力変換装置の容量に依存し、Ｎ個（Ｎ＞１）ずつ並列に接続される場合もあり得る。
次に本実施例における磁界キャンセルの動作について、図３及び図４に基づいて説明する。
図３は、図１に示した上側アームの平面図に磁界の方向を示したものである。ＩＧＢＴ素子１４に短絡などで主電流３０が流れると、その主電流により磁界３１が図面の表から裏に向かって発生する。その磁界３１により導電体１３に渦電流３２が同心円状に流れ、その渦電流により元の磁界３１をキャンセルする向きに磁界３３が誘起される。これにより、磁界キャンセル効果が発生するため、第一の制御電極１２，第二の制御電極１１，ゲート電極（制御信号用入力電極）およびエミッタ電極（制御信号用基準電極）のいずれか、あるいは複数電極が、実質、磁界からシールドされ、ゲート電流が誘起せず、短絡電流振動やサージ電圧振動が防止される。
図４は、図２の斜視図に磁界の方向を示したものである。正極側ＩＧＢＴ素子１４を含む上側アームについては、図３を用いて上述したとおりである。
図４においては、さらに、ＩＧＢＴ素子２４に短絡などで主電流４４が流れると、その主電流により磁界４５が図面の表から裏に向かって発生する。その磁界４５により導電体２３に渦電流４６が同心円状に流れ、その渦電流により元の磁界４５をキャンセルする向きに磁界４６が誘起される。これにより、磁界キャンセル効果が発生するため、第三の制御電極２２，第四の制御電極２１，ゲート電極（制御信号用入力電極）およびエミッタ電極（制御信号用基準電極）のいずれか、あるいは複数電極が、実質、磁界からシールドされ、ゲート電流が誘起せず、短絡電流振動やサージ電圧振動が防止される。
図９は、本実施例の上記パワーモジュールＰＭＵの外観図を示す。モジュールケース１０３、正極側入力端子１００（Ｐ）、負極側入力端子１０２（Ｎ）、出力端子１０１（Ｕ，Ｖ，Ｗ）、第一の制御電極１２、第二の制御電極１１、第三の制御電極２２、第四の制御電極２１で構成されている。モジュールケース１０３の直上にはドライバ回路１０が設置され、第一の制御電極１２、第二の制御電極１１、第三の制御電極２２および第四の制御電極２１が電気的にドライバ回路１０と接続されている。
ここで、図５を用いて、本実施例のパワーモジュールのＵ相アームＡｕの電気的動作について説明する。なお、Ｖ，Ｗ相アームＡｖ，Ａｗについても同様である。
図５は、本実施例のＵ相アームＡｕの電気的等価回路を示す。
正極側入力端子１００（Ｐ）は正極側ＩＧＢＴ素子１４のコレクタに接続され、正極側ＩＧＢＴ素子１４のエミッタは出力端子Ｕに接続されている。更に、このエミッタは負極側ＩＧＢＴ素子２４のコレクタ電極に接続されている。また、負極側ＩＧＢＴ素子２４のエミッタは負極側入力端子１０２（Ｎ）に接続されている。
正極側ダイオード素子１５のカソードは正極側ＩＧＢＴ素子１４のコレクタに接続され、正極側ダイオード素子１５のアノードは正極側ＩＧＢＴ素子１４のエミッタに接続されている。
負極側ダイオード素子２５のカソードは負極側ＩＧＢＴ素子２４のコレクタに接続され、負極側ダイオード素子２５のアノードは負極側ＩＧＢＴ素子２４のエミッタに接続されている。
正極側ＩＧＢＴ素子１４のゲートに接続されている第一の制御電極１２には電気的に寄生インダクタンスと寄生抵抗が含まれているが、説明の都合上抵抗成分は十分に小さいとして図示を省略した。同様に正極側ＩＧＢＴ素子１４のエミッタに接続されている第二の制御電極１１、負極側ＩＧＢＴ素子２４のゲートに接続されている第三の制御電極２２、負極側ＩＧＢＴ素子２４のエミッタに接続されている第四の制御電極２１にも電気的に寄生インダクタンスが含まれている。それぞれのインダクタンスをＬ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４とする。また、正極側ＩＧＢＴ素子１４や負極側ＩＧＢＴ素子２４の接続用ワイヤボンディング配線やコレクタ導体１９、２９などの寄生インダクタンスはＬ５、Ｌ６、Ｌ７、Ｌ８とした。
以下に短絡動作を説明する。
正極側ＩＧＢＴ素子１４と負極側ＩＧＢＴ素子２４が誤動作により同時オンし短絡した場合を想定する。短絡すると電流経路は正極側入力端子１００（Ｐ）→正極側ＩＧＢＴ素子→負極側ＩＧＢＴ素子→負極側入力端子１０２（Ｎ）となる。このときに流れる短絡電流５５により磁界５２、５３が同心円状に発生し、第一の制御端子１２と第二の制御端子１１に磁界が図面の表から裏向きに通過する。この磁界５２、５３により寄生インダクタンスＬ１に電流５４が誘起される。この誘起電流５４が通常スイッチングするときのゲート電流に加えて流れるため、通常スイッチングに影響を及ぼすだけでなく、短絡時には更に悪影響を与える。本実施例においては、渦電流を発生させる導電体１３により主電流により発生した磁界の方向と逆方向の磁界を発生させて磁界をキャンセルすることにより、第一の制御電極１２，第二の制御電極１１，ゲート電極（制御信号用入力電極）およびエミッタ電極（制御信号用基準電極）のいずれか、あるいは複数が、実質、磁気シールドすることができ、磁界の影響が緩和されるため誘起電流５４を低減できる。
図６は従来の短絡波形を示す。それぞれの波形はゲート電圧Ｖｇｅ６１、ゲート電流Ｉｇ６２、正極側ＩＧＢＴ素子１４のコレクタ電流Ｉｃ６３、正極側ＩＧＢＴ素子１４のコレクタ・エミッタ間電圧Ｖｃｅ６４である。短絡電流が流れ始めると磁界５２、５３により正極側ＩＧＢＴ素子１４のゲート電荷を引き抜く方向に電流５４が誘起されるためコレクタ電流が減り、コレクタ電流が減ると誘起電流５４が減ってコレクタ電流が増大するような電流振動が起こっている。同時にコレクタ電圧も振動し、このときのコレクタ電圧の時間変化ｄｖ／ｄｔと正極側ＩＧＢＴ素子１４の帰還容量によってゲートに電流が流れ、更にコレクタ電流振動を誘起する。
図７は本実施例での短絡波形を示す。それぞれの波形はゲート電圧Ｖｇｅ７１、ゲート電流Ｉｇ７２、正極側ＩＧＢＴ素子１４のコレクタ電流Ｉｃ７３、正極側ＩＧＢＴ素子１４のコレクタ・エミッタ間電圧Ｖｃｅ７４である。本実施例では磁界の影響が緩和されるため誘起電流５４を低減でき、短絡電流振動やサージ電圧振動が低減される。
尚、負極側ＩＧＢＴ素子２４についても同様である。また、Ｕ相アームＡｕに関して説明したが、Ｖ相アームＡｖ及びＷ相アームＡｗについても同様である。
以上詳述したように、本実施例によれば、パワー半導体素子の主電流により発生する磁界が制御電極に与える影響を低減できるので、短絡時に発生する電流振動やサージ電圧を低減でき、高速スイッチング、低損失、高耐ノイズ、高信頼性のパワーモジュールを提供できる。
また、パワーモジュールの小型化が可能になるためインバータ装置ＩＮＶの冷却装置を小型化、低コスト化できる。
尚、モジュール化にあたっては、各相単位（２ｉｎ１）で行ってもよい。或いは全てまとめた形（６ｉｎ１）で行ってもよい。
１０…ドライバ回路
１１…第二の制御電極
１２…第一の制御電極
１３，２３…導体板
１４…正極側ＩＧＢＴ素子
１５…正極側ダイオード素子
１６…絶縁基板
１７…アルミニウムワイヤ
１８…正極側エミッタ導体
１９…正極側コレクタ導体
２１…第四の制御電極
２２…第三の制御電極
２４…負極側ＩＧＢＴ素子
２５…負極側ダイオード素子
２８…負極側エミッタ導体
２９…負極側コレクタ導体
１００…正極側入力端子
１０１…出力端子
１０２…負極側入力端子
１０３…モジュールケース

Claims (3)

  1. 絶縁基板と、前記絶縁基板に接合されたパワー半導体素子と、前記パワー半導体素子の制御信号用入力電極に電気的に接続された第一の制御電極と、前記パワー半導体素子の制御信号用基準電極に電気的に接続された第二の制御電極と、
    を備えるパワーモジュールにおいて、
    前記パワー半導体素子を流れる主電流によって発生して、前記第一の制御電極と前記第二の制御電極との間を貫通する磁界により、渦電流を誘起させる導電体を備えることを特徴とするパワーモジュール。
  2. 請求項１に記載のパワーモジュールにおいて、
    前記導電体は、前記制御信号用入力電極と前記第一の制御電極を接続する配線部材と、前記制御信号用基準電極と前記第二の制御電極を接続する配線部材との下部に位置することを特徴とするパワーモジュール。
  3. 複数のアームを備え、前記複数のアームを駆動することにより直流電力を三相交流電力に変換する電力変換装置であって、
    前記複数のアームを、請求項１または請求項２に記載のパワーモジュールによって構成することを特徴とする電力変換装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN109768036A (zh) * 2018-10-14 2019-05-17 深圳市慧成功率电子有限公司 一种具有回流导电层的功率模块

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