JP4687414B2 - Power semiconductor module - Google Patents
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Description
この発明は、産業用交流モータドライブ向け電力変換装置、いわゆるインバータや無停電電源装置(UPS)などに用いるパワー半導体モジュールの構成に関する。 The present invention relates to a power semiconductor module used for an industrial AC motor drive power converter, a so-called inverter, uninterruptible power supply (UPS), and the like.
インバータやUPSなどでは、パワー半導体素子をスイッチングすることにより、電力変換を行なっている。電力変換装置の一般的な例を図4a,図4bに示す。これらは、いずれも多相電源の例として3相交流電源に接続された場合の例である。
すなわち、3相交流電源6は、ダイオード(8a〜8f)のブリッジ回路で一旦直流に変換される。整流された直流電源を、電力用半導体素子としての例えばIGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)10a〜10fにより、上下アーム交互にスイッチングして交流電力に変換し、負荷であるモータ3に交流電力を供給することにより、モータ3を可変周波数で駆動することができる。
In an inverter or UPS, power conversion is performed by switching a power semiconductor element. A typical example of a power converter is shown in FIGS. 4a and 4b. These are all examples when connected to a three-phase AC power source as an example of a multi-phase power source.
That is, the three-phase
なお、素子10a〜10fにはそれぞれ逆並列にダイオード(FWD)11a〜11fが接続されており、10a〜10fがオフした際には負荷電流を還流させる動作をすることが良く知られている。
IGBTのスイッチング方法としては、基準正弦波5aと出力電圧指令5bとの大小関係を比較演算部5cにて演算させて、スイッチングパターンを決定するPWM(パルス幅変調)制御が一般に行なわれ、その結果決定されるスイッチングパターンに基づき、駆動回路4を介してIGBT素子10a〜10fをスイッチングさせる。
It is well known that diodes (FWD) 11a to 11f are connected in reverse parallel to the
As a switching method of the IGBT, PWM (pulse width modulation) control for determining a switching pattern by causing the
一方、上記IGBTやFWDなどの電力用半導体素子(チップ)は、1つのモジュール容器2内に実装することで、装置構成・組み立ての簡素化や素子冷却の簡素化が図られている。図4a,4bでは、点線で示す部分がモジュール容器2内に実装されていることを示すが、整流部8a〜8fとインバータ回路部10a〜11fを分離して2つ以上のモジュールで構成しても良いし、整流部・インバータ部の中でも各相ごとに分割してモジュール化される場合もある。このモジュール容器2には、多相交流電源6からの入力接続端子2a、多相交流を直流に整流した直流出力端子2b、直流電源をインバータ回路側へ接続する端子2cおよび負荷3への接続端子2dが設けられている。
On the other hand, power semiconductor elements (chips) such as IGBTs and FWDs are mounted in one
図5に図4aまたは図4bの回路パターン例を示す。
15は放熱板、16a,16bは例えばセラミックス製の絶縁基板を示す。ここでは、絶縁基板16aには半導体素子8a〜8fからなる整流回路部が形成され、絶縁基板16bには半導体素子10a〜10f,11a〜11fからなるインバータ回路部が形成される。なお、71a〜71eは整流回路部の回路パターン、72a〜72eはインバータ回路部の回路パターンをそれぞれ示している。2a〜2dは上記の各端子である。
FIG. 5 shows an example of the circuit pattern of FIG. 4a or 4b.
電力変換装置およびパワーモジュールは以上のように構成されるが、これには下記のような問題がある。
すなわち、落雷などによる雷サージや、同系統に接続されている機器の動作に伴う商用電源側からの大きなコモンモードノイズ電流がインバータ機器に印加される場合があり、このコモンモードノイズによりインバータの制御回路が誤動作する場合が生じる。このようなノイズによる誤動作を防止するために、インバータの交流電源入力側にノイズ吸収用コンデンサ(Cin)を接続するのが一般的である。図4aでは、このようなコモンモードノイズ電流Isの経路を点線矢印Lで示し、コンデンサCinを符号14a〜14cで示している。
The power conversion device and the power module are configured as described above, but this has the following problems.
In other words, lightning surges caused by lightning strikes, etc., and large common mode noise current from the commercial power supply side due to the operation of equipment connected to the same system may be applied to the inverter equipment. There are cases where the circuit malfunctions. In order to prevent such malfunction due to noise, it is common to connect a noise absorbing capacitor (Cin) to the AC power supply input side of the inverter. In FIG. 4a, the path of such a common mode noise current Is is indicated by a dotted arrow L, and the capacitor Cin is indicated by
コンデンサ14a〜14cの容量は、産業用等において通常2200pFないし4700pF/相が適用され、その最大コンデンサ容量は、装置において許容される漏洩電流の上限値で規定され、漏洩電流の上限値は電気用品について技術基準を制定した、いわゆる電気用品安全法により1mA以内と規定されている。例えば、3相交流電源、線間電圧230V、電源周波数60Hzとすると、漏れ電流値iは、
i=√3×230×2π×60×Cin…(1)
により算出される。例えば、Cin=4700(pF)とすると、i=0.7mAとなる。
The capacities of the
i = √3 × 230 × 2π × 60 × Cin (1)
Is calculated by For example, when Cin = 4700 (pF), i = 0.7 mA.
一方、図4bには、交流モータ3側でのコモンモード高周波漏れ電流(Im)の、交流電源側への流出を防止するためのフィルタ回路が示されている。このフィルタ回路はコモンモード直流リアクトル12およびフィルタコンデンサ14d,14eから構成され、LCフィルタとして動作する。このフィルタ回路により、IGBTが高速スイッチングすることによって発生するモータ側浮遊容量を介する高周波漏れ電流(Im)を低減させ、多相交流電源6側に高周波電流が漏洩するのを抑制している。
On the other hand, FIG. 4b shows a filter circuit for preventing the common mode high-frequency leakage current (Im) on the AC motor 3 side from flowing out to the AC power supply side. This filter circuit is composed of a common
以上のように、主回路周辺に設置するフィルタコンデンサ類を、モジュール容器内に内蔵させることで小型化を図るようにしているが、これに類する技術として、例えば特許文献1,2に示すものがある。
上記特許文献1には、インバータ回路の直流回路部に設置される平滑コンデンサ部(図4a,4bの符号1に相当)をチップ形状のセラミックコンデンサとし、パワーモジュール内部に配置することにより、配線のインダクタンスを低減する技術が開示されている。しかし、この例では、コンデンサ部品を単にモジュール内に設置するもので、使用する部品点数が増加したり、部品を設置するスペースを必要とするため、パワーモジュール容器が大型化するという問題がある。
また、耐熱性の良い(半導体の使用温度は一般に最大150℃であるため、周辺に設置される部品も同じ温度仕様の部品が必要となる)高価なコンデンサが必要になるという問題もある。
In the above-mentioned
In addition, there is a problem that an expensive capacitor is required which has good heat resistance (the operating temperature of the semiconductor is generally a maximum of 150 ° C., so that the parts installed in the periphery also require parts having the same temperature specifications).
一方、上記特許文献2には、コンデンサ類をモジュール容器内に実装する技術が開示されているが、これも特許文献1と同様にコンデンサのためにパッケージ容器が大型化するという問題がある。
したがって、この発明の課題は、フィルタとして使用するコンデンサを不要とすることで、部品を削減し装置の小型化を図ることにある。
On the other hand,
Accordingly, an object of the present invention is to eliminate the need for a capacitor to be used as a filter, thereby reducing the number of parts and reducing the size of the apparatus.
このような課題を解決するため、請求項1の発明では、単相または多相交流電源に接続され、樹脂ケース内部に半導体素子を内蔵したパワー半導体モジュールであって、放熱用金属ベースと前記半導体素子とを一枚または複数枚の絶縁基板により絶縁する構造を備え、この絶縁基板上に配置される交流入力側回路パターンの交流各相の電極面積の大きさの差が互いに±10%以内に収まるようにするとともに、前記絶縁基板を、その表面と裏面にそれぞれ導電パターンを有するセラミックス基板とし、その表面と裏面の導電パターンで各相ごとにコンデンサを形成し、裏面の導電パターンにより各相コンデンサの一方の電極を共通に接続して接地し、コモンモードノイズ吸収用フィルタを形成することを特徴とする。
In order to solve such a problem, the invention of
請求項2の発明では、直流電源に接続され、樹脂ケース内部に半導体素子を内蔵したパワー半導体モジュールであって、放熱用金属ベースと前記半導体素子とを一枚または複数枚の絶縁基板により絶縁する構造を備え、この絶縁基板上に配置された回路パターンの直流入力の正極側電極および負極側電極面積の大きさの差が互いに±10%以内に収まるようにするとともに、前記絶縁基板を、その表面と裏面にそれぞれ導電パターンを有するセラミックス基板とし、その表面と裏面の導電パターンで各相ごとにコンデンサを形成し、裏面の導電パターンにより各相コンデンサの一方の電極を共通に接続して接地し、コモンモードノイズ吸収用フィルタを形成することを特徴とする。
上記請求項1および請求項2の発明に記載のパワー半導体モジュールを、共通の樹脂ケース内に収納することができる(請求項3の発明)。
According to a second aspect of the present invention, there is provided a power semiconductor module connected to a direct current power source and having a semiconductor element built in a resin case, wherein the heat radiating metal base and the semiconductor element are insulated by one or a plurality of insulating substrates. A difference in size of the positive electrode side electrode and the negative electrode side electrode area of the DC input of the circuit pattern disposed on the insulating substrate is within ± 10% of each other, and the insulating substrate is A ceramic substrate with conductive patterns on the front and back surfaces is formed, and a capacitor is formed for each phase with the conductive patterns on the front and back surfaces, and one electrode of each phase capacitor is connected in common with the conductive pattern on the back surface and grounded. A common mode noise absorbing filter is formed .
The power semiconductor module according to the first and second aspects of the invention can be housed in a common resin case (the third aspect of the invention).
この発明によれば、パワー半導体モジュールにおける絶縁基板のセラミック層の厚みや材料(比誘電率)を選び、電極パターン面積をほぼ同じとなるようにすることで、絶縁基板の浮遊容量をコンデンサとし各相ごとの容量アンバランスを無くすことにより、従来フィルタとして使用しているコンデンサを不要とし、部品の削減と装置の小型化を図ることができる。 According to the present invention, the thickness and material (relative permittivity) of the ceramic layer of the insulating substrate in the power semiconductor module are selected, and the electrode pattern areas are made substantially the same, whereby the stray capacitance of the insulating substrate is used as a capacitor. Eliminating the capacitance imbalance for each phase eliminates the need for a capacitor that has been used as a conventional filter, thereby reducing the number of parts and the size of the apparatus.
図1はこの発明の実施の形態を示す構成図、図1aはこの発明による3相インバータを示す回路図である。
図1は、先に図5で説明した3相インバータに対する回路パターン例のうち、特に3相交流電源入力部の回路パターンに特徴を持たせたものである。すなわち、3相交流電源入力部の回路パターン71b〜71dの面積を互いにほぼ等しくなるように、つまり互いの面積がコンデンサ部品の一般的な精度である±10%以内に収まるようにしたもので、このことは図5の3相交流電源入力部と比較すれば明瞭である。
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of the present invention, and FIG. 1a is a circuit diagram showing a three-phase inverter according to the present invention.
FIG. 1 shows the circuit pattern of the three-phase AC power input unit, among the circuit pattern examples for the three-phase inverter described in FIG. That is, the areas of the
これにより、この3相交流電源入力部の回路パターン71b〜71dと絶縁セラミックス基板16を挟んで対向する裏面の導体パターンとの間で、図1aに示すようにそれぞれコンデンサ91a〜91cが形成されることになる。裏面の導体パターンについては後述する。しかも、これらのコンデンサは一方の電極が、絶縁セラミックス基板16の裏面の導体パターンによって相互に接続された構成となるので、図4aに示すコンデンサ14a〜14cに相当する。したがって、これまで高価なコンデンサ部品としてモジュール内に設置していた図4aのコンデンサ14a〜14cが省略可能となる。なお、回路パターン71b〜71dの面積のばらつきが大きい場合は、各相のコンデンサの容量が不平衡となって漏洩電流が増大してしまうため、回路パターン面積は極力同一となるようにすることが望ましい。
As a result,
図3に図1または図2のパワーモジュールの断面図を示す。
図示のように、絶縁セラミックス基板16の表面には通常半導体素子を搭載する回路パターン71a,71b,71eが形成され、裏面にはベタパターン(導体パターン)19が形成され、このベタパターン19が放熱板15に接合されて用いられる。そして、回路パターン面17には、FWDチップ8a〜8dなどが実装され、各回路パターン71a,71b,71eと各チップとはアルミニウムワイヤ18などで接続(配線)されて、先の図1a,2aのような回路が構成される。
FIG. 3 shows a cross-sectional view of the power module of FIG. 1 or FIG.
As shown in the figure,
また、セラミック製絶縁基板16の裏面は、ベタパターン19を介して銅合金などからなる放熱板15に半田などにより、ろう付けされる。この放熱板15を図3のように冷却フィン20へ取り付けることにより、IGBTやFWDで生じる通電時の損失(=熱)を外気に放散させるようにしている。また、冷却フィン20は通常、アースラインEにより大地に接地されており、冷却フィン20または装置筺体への接触などによる感電を防止するようにしている。なお、裏面のベタパターンを厚くすることにより、放熱板を省略する場合もある。
Further, the back surface of the ceramic insulating
また、使用する絶縁セラミックス基板16のセラミックス材料としては、必要な容量を確保できるよう、比誘電率εrが大きな材料を用いることが望ましい。なお、絶縁基板16の浮遊容量Cは、次の(2)式で与えられる。
C=ε0×εr×S/d…(2)
ここで、ε0:8.854×10-12 εr:セラミックス材料固有の比誘電率
S:各回路パターンの面積 d:絶縁基板の厚さ
したがって、必要なC値が決まれば、上記(2)式に基づき必要材料特性・基板厚さ・回路パターン面積が決定される。因みに、Cin=4700pFとするためには、一般的なセラミックス材のεr≒10、基板厚さ0.2mmとすると、面積S=0.02m2=100cm2となる。
In addition, as the ceramic material of the insulating
C = ε 0 × ε r × S / d (2)
Here, ε 0 : 8.854 × 10 −12 ε r : Specific dielectric constant specific to ceramic material
S: Area of each circuit pattern d: Thickness of insulating substrate Accordingly, if a necessary C value is determined, necessary material characteristics, substrate thickness, and circuit pattern area are determined based on the above equation (2). Incidentally, in order to set Cin = 4700 pF, if ε r ≈10 of a general ceramic material and the substrate thickness is 0.2 mm, the area S = 0.02 m 2 = 100 cm 2 .
図2はこの発明の他の実施の形態を示す構成図、図2aはこの発明による3相インバータを示す回路図である。
図2は、直流回路部としてのフィルタコンデンサ機能を、インバータ用モジュールの正極,負極側に対する回路パターンに持たせたもので、特に正極および負極側の各回路パターン72aと72eの面積をほぼ同じとなるようにしたものである。こうすることで、正極および負極側の各回路パターン72a,72eと絶縁セラミックス基板16を挟んで対向する裏面の導体パターンとの間で、図2aに示すように、コンデンサ92a,92bが形成される。しかも、これらのコンデンサは、一方の電極が絶縁セラミックス基板16の裏面の導体パターンによって相互に接続された構成となるので、図4bに示すコンデンサ14d,14eに相当する。したがって、直流側に設けた直流リアクトル12とともにコモンモードフィルタを構成し、モータ側からの高周波漏洩電流を低減するようにしている。この場合の絶縁基板に必要な容量は、図1と同じく上記(2)式により導出することができる。これにより、これまで高価なコンデンサ部品としてモジュール内に設置していた図4bに示すコンデンサ14d,14eを省略することが可能となる。
FIG. 2 is a block diagram showing another embodiment of the present invention, and FIG. 2a is a circuit diagram showing a three-phase inverter according to the present invention.
FIG. 2 shows that the filter capacitor function as a DC circuit portion is provided in the circuit pattern for the positive and negative sides of the inverter module. In particular, the areas of the
なお、図1と図2を別々に説明したが、これらをまとめて1つにしても別々に構成する場合と同様の効果を期待することができる。なお、図2は出力側回路パターン72a〜72eだけでなく、入力側回路パターン71a〜71eにも特徴を持たせた例と言える。また、図1,図2では一枚の絶縁基板16上に整流回路部およびインバータ回路部を構成したが、回路パターン面積が等しければ、整流回路部,インバータ回路部ごとに絶縁基板を設けるようにしても良く、さらには各相ごとに設けるようにしても良いものである。
Although FIG. 1 and FIG. 2 have been described separately, even if they are combined into one, the same effect can be expected as when they are configured separately. 2 can be said to be an example in which not only the output
1…平滑コンデンサ、2…モジュール容器、2a〜2d…端子、3…モータ、4…駆動回路、5a…基準正弦波、5b…出力電圧指令、5c…比較演算部、6…3相交流電源、8a〜8d,11a〜11d…ダイオードチップ、10a〜10d…IGBT、12…フィルタリアクトル、14a〜14e…コンデンサ、15…放熱板、16,16a,16b…絶縁基板、71a〜71e,72a〜72e…回路パターン、18…配線、20…冷却フィン。
DESCRIPTION OF
Claims (3)
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