JP5152136B2 - Semiconductor power module - Google Patents

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Description

この発明は、電力用半導体素子のスイッチング時に生じるスイッチングノイズを抑制するようにした半導体パワーモジュールに関するものである。   The present invention relates to a semiconductor power module that suppresses switching noise generated during switching of a power semiconductor element.

交流電動機駆動装置(いわゆるインバータ)や無停電電源装置(Uninterruptible Power Supply:UPS)等の電力変換装置では、電力用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っている。
図4は、この種の電力変換装置の回路図である。図4において、1は直流電源、2U,2V,2Wは還流ダイオードが逆並列接続された電力用半導体素子としてのIGBT(Insulated Gate Bi-polar Transistor)を2個直列に接続した半導体パワーモジュール、3は負荷としてのモータである。各相の半導体パワーモジュール2U,2V,2Wでは、上下アームのIGBTを交互にスイッチングすることにより、直流電源1の直流電力を交流電力に変換してモータ3に供給する。
なお、図4では、IGBTのゲート駆動回路の図示を省略してある。
IGBTのスイッチング方法としては、外部の制御回路5において、基準正弦波5a及び出力電圧指令5bの大小関係を比較演算部5cにより比較してスイッチングパターンを決定するPWM(Pulse Width Modulation)制御方法が良く知られている。上記スイッチングパターンは駆動回路4に送られ、IGBTに対するゲート信号に変換されて各パワーモジュール2U,2V,2Wに出力される。なお、IGBTのゲート駆動回路は図示を省略してある。
In power converters such as an AC motor drive device (so-called inverter) and an uninterruptible power supply (UPS), power conversion is performed by switching power semiconductor elements.
FIG. 4 is a circuit diagram of this type of power converter. In FIG. 4, 1 is a DC power source, 2U, 2V, and 2W are semiconductor power modules in which two IGBT (Insulated Gate Bi-polar Transistors) are connected in series as power semiconductor elements in which freewheeling diodes are connected in antiparallel. Is a motor as a load. In the semiconductor power modules 2U, 2V, and 2W of each phase, the DC power of the DC power source 1 is converted into AC power and supplied to the motor 3 by alternately switching the IGBTs of the upper and lower arms.
In FIG. 4, the illustration of the IGBT gate drive circuit is omitted.
As a switching method of the IGBT, a PWM (Pulse Width Modulation) control method in which the external control circuit 5 determines the switching pattern by comparing the magnitude relationship between the reference sine wave 5a and the output voltage command 5b by the comparison operation unit 5c is good. Are known. The switching pattern is sent to the drive circuit 4, converted into a gate signal for the IGBT, and output to the power modules 2U, 2V, 2W. The IGBT gate drive circuit is not shown.

ここで、上記IGBTや還流ダイオード等の電力用半導体素子は、一つのパッケージ内に実装して半導体パワーモジュール2U,2V,2Wを構成することにより、装置構造の簡素化、組立作業や配線作業の容易化、素子冷却の容易化が図られている。
また、近年では、IGBTや還流ダイオードのほかに、IGBTを駆動するための駆動回路4も含めて一つの容器内に実装したインテリジェントパワーモジュール(IPM)と称するパワーモジュールも開発されており、電力変換装置の構成を一層簡素化する努力が重ねられている。
図5は、上記インテリジェントパワーモジュール2Aを有する電力変換装置の回路図である。このパワーモジュール2Aは、IGBT、還流ダイオード、ダイオード、駆動回路4等を内蔵しており、直流電源1に接続される直流入力端子2a,2b、負荷3に接続される交流出力端子2c,2d,2e、制動用抵抗11の接続端子2f、及び制御回路5に接続される制御入力端子2gを備えている。
上述した従来の半導体パワーモジュール2U,2V,2Wやインテリジェントパワーモジュール2Aを備えた電力変換装置では、電力用半導体素子がスイッチングすると過大なスイッチングノイズが生じ、電力変換装置の周囲に設置された他の機器が誤動作したり、雑音が混入する等の障害が発生するおそれがあった。
Here, the power semiconductor elements such as the IGBT and the freewheeling diode are mounted in one package to constitute the semiconductor power modules 2U, 2V, and 2W, thereby simplifying the device structure, assembling work, and wiring work. Simplification and element cooling are facilitated.
In recent years, in addition to IGBTs and freewheeling diodes, a power module called an intelligent power module (IPM) mounted in a single container including a drive circuit 4 for driving the IGBT has been developed. Efforts are being made to further simplify the configuration of the device.
FIG. 5 is a circuit diagram of a power conversion device having the intelligent power module 2A. This power module 2A includes an IGBT, a freewheeling diode, a diode, a drive circuit 4 and the like, and includes DC input terminals 2a and 2b connected to the DC power supply 1, AC output terminals 2c and 2d connected to the load 3, and so on. 2e, a connection terminal 2f of the braking resistor 11, and a control input terminal 2g connected to the control circuit 5.
In the power converter provided with the conventional semiconductor power modules 2U, 2V, 2W and the intelligent power module 2A described above, excessive switching noise occurs when the power semiconductor element is switched, and other power converters installed around the power converter are provided. There was a risk of malfunctions such as equipment malfunctioning and noise.

上記スイッチングノイズは、主に二種類に分類することができる。
第1番目のスイッチングノイズは、パワーモジュールと直流電源とからなる閉ループを流れるノーマルモードの高周波電流によるノーマルモードノイズである。図6Aに、このノーマルモードノイズ電流が流れる閉ループ10Nを示す。なお、図6Aにおいて、2は前述した半導体パワーモジュール2U,2V,2Wやインテリジェントパワーモジュール
2Aにおける一相分のパワーモジュールを代表して示したパワーモジュールである。
このノーマルモードは、電力用半導体素子のスイッチングにより、前記閉ループ10Nを構成する配線の浮遊インダクタンスと電力用半導体素子の接合容量とによるLC共振が発生し、この共振による高周波ノイズ電流が閉ループ10Nを流れるモードである。
第2番目のスイッチングノイズは、パワーモジュール及び電力変換装置内部の浮遊容量を通してアースを流れるノイズ電流によるコモンモードノイズである。図7Aに、このコモンモードノイズ電流が流れる閉ループ10Cを示す。
このコモンモードは、電力用半導体素子のスイッチングにより生じる高い電圧変化(dV/dt)によって浮遊容量7,8が高周波で充放電され、この高周波充放電電流がアースを経て閉ループ10Cを流れるモードである。このモードでは、直流電源1側にノイズ電流が流出したり、ノイズが電波となって放射されることもある。
The switching noise can be mainly classified into two types.
The first switching noise is normal mode noise due to a normal mode high-frequency current flowing in a closed loop composed of a power module and a DC power supply. FIG. 6A shows a closed loop 10N through which the normal mode noise current flows. In FIG. 6A, reference numeral 2 denotes a power module representative of the power modules for one phase in the semiconductor power modules 2U, 2V, 2W and the intelligent power module 2A described above.
In this normal mode, switching of the power semiconductor element causes LC resonance due to the stray inductance of the wiring constituting the closed loop 10N and the junction capacitance of the power semiconductor element, and a high-frequency noise current due to this resonance flows through the closed loop 10N. Mode.
The second switching noise is common mode noise due to a noise current flowing through the ground through the stray capacitance inside the power module and the power converter. FIG. 7A shows a closed loop 10C through which this common mode noise current flows.
This common mode is a mode in which the stray capacitances 7 and 8 are charged and discharged at a high frequency by a high voltage change (dV / dt) caused by switching of the power semiconductor element, and this high frequency charge / discharge current flows through the closed loop 10C through the ground. . In this mode, noise current may flow out to the DC power supply 1 side, or noise may be radiated as radio waves.

上述したノーマルモードノイズ電流やコモンモードノイズ電流を抑制するために、従来から、ノイズ電流のループ内にインダクタンス等のインピーダンスを追加することが一般的に行われている。
図6Bは、ノーマルモードノイズ電流を抑制するために、パワーモジュール2と直列にインダクタンス6aを設けた従来技術である。
また、図7Bは、コモンモードノイズ電流を抑制するために、パワーモジュール2の直流入力端子の正極側及び負極側を一括してインダクタンス6bを介し直流電源1の両端に接続した従来技術である。この従来技術によれば、図7Aにおける浮遊容量7,8を通ってアース側へ流れるノイズ電流に対し、前記インダクタンス6bがインピーダンス成分として働くため、ノイズ電流を抑制することができる。
これらの図6Bや図7Bの方法によれば、ノーマルモードノイズ電流やコモンモードノイズ電流を一応抑制することが可能である。
この場合、ノイズ電流抑制用のインダクタンスを半導体素子に一層近接した位置に配置できれば、回路全体の小型化やパッケージングに有効であることから、以下に述べるような特許文献記載の技術が提供されている。
In order to suppress the above-described normal mode noise current and common mode noise current, conventionally, an impedance such as an inductance is generally added to the noise current loop.
FIG. 6B shows a conventional technique in which an inductance 6a is provided in series with the power module 2 in order to suppress the normal mode noise current.
FIG. 7B shows a conventional technique in which the positive and negative sides of the DC input terminal of the power module 2 are collectively connected to both ends of the DC power source 1 via the inductance 6b in order to suppress the common mode noise current. According to this prior art, since the inductance 6b works as an impedance component with respect to the noise current flowing to the ground side through the stray capacitances 7 and 8 in FIG. 7A, the noise current can be suppressed.
6B and 7B, the normal mode noise current and the common mode noise current can be temporarily suppressed.
In this case, if the inductance for suppressing the noise current can be arranged at a position closer to the semiconductor element, it is effective for downsizing and packaging of the entire circuit. Therefore, the technology described in the patent document as described below is provided. Yes.

まず、下記の特許文献1には、コモンモードノイズ電流を抑制するための手段が開示されている。すなわち、その手段は、直流電源に接続された半導体デバイス(ICチップ)の直流電源供給用インナーリード(接続線)の正負極の周囲を、フィルタ素子としての環状の複合磁性材料により包囲し、これをパッケージ内に封入するものである。
また、下記の特許文献2には、ダイオード等の各種半導体素子のリード部に外嵌され、または一体的にモールドされる非晶質磁性合金製のノイズ低減素子が開示されている。
First, Patent Document 1 below discloses means for suppressing common mode noise current. That is, the means surrounds the periphery of the positive and negative electrodes of a DC power supply inner lead (connection line) of a semiconductor device (IC chip) connected to a DC power supply with an annular composite magnetic material as a filter element. Is enclosed in a package.
Patent Document 2 below discloses a noise reduction element made of an amorphous magnetic alloy that is externally fitted to a lead portion of various semiconductor elements such as a diode or molded integrally.

特開2000−58740号公報(請求項1、図1等)JP 2000-58740 A (Claim 1, FIG. 1, etc.) 特開平9−121016号公報(請求項1,請求項4、図1、図2等)JP-A-9-12116 (Claim 1, Claim 4, FIG. 1, FIG. 2, etc.)

しかし、特許文献1に記載された従来技術では、フィルタ素子として使用される複合磁性材料がパッケージ内に封入されているので、複合磁性材料を交換(インダクタンス値を変更)することができない。
通常、スイッチングノイズの周波数は外部回路条件(配線浮遊インダクタンスや浮遊容量)により様々である。このため、半導体素子にフィルタ素子を付加してノイズを低減する場合には、フィルタ素子をパッケージ外部に装着して必要に応じて交換できることが望
ましいが、特許文献1ではこれが不可能である。
また、特許文献1の従来技術では、複合磁性材料がパッケージに内蔵されるため、パッケージが大型化するという問題がある。
更に、特許文献2に記載された従来技術は、リード線を有する比較的小容量の半導体素子への適用を想定しており、中・大容量のパワーモジュールにそのまま適用することは不可能である。また、パワーモジュールの端子には、大電流を流せるように面積の大きい銅バー等の大型配線部品を接続するのが一般的であるため、特許文献2に記載されているようなノイズ低減素子をパワーモジュールの端子に外嵌することは不可能であった。
そこで本発明の目的は、フィルタ素子として使用される磁性部材を必要に応じて交換可能にした半導体パワーモジュールを提供することにある。
However, in the prior art described in Patent Document 1, since the composite magnetic material used as the filter element is sealed in the package, the composite magnetic material cannot be exchanged (inductance value changed).
Usually, the frequency of switching noise varies depending on external circuit conditions (wiring stray inductance and stray capacitance). For this reason, when a filter element is added to a semiconductor element to reduce noise, it is desirable that the filter element be mounted outside the package and replaced as necessary. However, this is not possible with Patent Document 1.
Moreover, in the prior art of patent document 1, since a composite magnetic material is incorporated in a package, there exists a problem that a package enlarges.
Furthermore, the prior art described in Patent Document 2 is assumed to be applied to a relatively small capacity semiconductor element having a lead wire, and cannot be applied to a medium / large capacity power module as it is. . Moreover, since it is common to connect large wiring components, such as a copper bar with a large area, to the terminal of a power module so that a big electric current can be sent, the noise reduction element as described in patent document 2 is used. It was impossible to fit the terminals of the power module.
Accordingly, an object of the present invention is to provide a semiconductor power module in which a magnetic member used as a filter element can be replaced as necessary.

また、本発明の他の目的は、パッケージの小型化を可能にした半導体パワーモジュールを提供することにある。
更に、本発明の別の目的は、個々の電力用半導体素子やモジュール全体の容量を問わず、また、上下アーム一相分の半導体パワーモジュールや駆動回路を内蔵したインテリジェントパワーモジュール等の区別なく適用可能な半導体パワーモジュールを提供することにある。
Another object of the present invention is to provide a semiconductor power module that enables a package to be miniaturized.
Furthermore, another object of the present invention is applicable regardless of the individual power semiconductor elements or the capacity of the entire module, and the semiconductor power module for one phase of the upper and lower arms, the intelligent power module with a built-in driving circuit, and the like. It is to provide a possible semiconductor power module.

本発明では、電力用半導体素子のスイッチングにより直流電力や交流電力の電力変換を行う電力変換装置用の半導体パワーモジュールにおいて、電力用半導体素子に接続された端子を包囲するように環状磁性部材を配置するものである。これにより、電力用半導体素子のスイッチングに伴って前記端子を流れるコモンモードノイズ電流やノーマルモードノイズ電流を効果的に抑制することができる。
本発明の半導体パワーモジュールは、例えば電力変換装置を構成する上下アーム一相分の電力用半導体素子をモジュールパッケージに内蔵した半導体パワーモジュールを始めとして、電力用半導体素子及びその駆動回路をモジュールパッケージに内蔵したパワーモジュール(いわゆるインテリジェントパワーモジュール)も含む。
要するに、本発明は、モジュールパッケージに電力用半導体素子が内蔵され、かつ、電力用半導体素子に接続された端子がモジュールパッケージの外部に配置された半導体パワーモジュールであれば、いかなる機能、構造を有する半導体パワーモジュールであってもよい。
環状磁性部材は、端子の周囲に形成された磁性部材配置空間に配置されるものであり、この磁性部材配置空間は、端子の周囲に凹部を形成したり、端子をモジュールパッケージから突設させることによって形成される。
In the present invention, in a semiconductor power module for a power conversion device that converts DC power or AC power by switching power semiconductor elements, an annular magnetic member is disposed so as to surround terminals connected to the power semiconductor elements. To do. Thereby, the common mode noise current and the normal mode noise current flowing through the terminal as the power semiconductor element is switched can be effectively suppressed.
The semiconductor power module of the present invention includes, for example, a semiconductor power module in which a power semiconductor element for one phase of an upper and lower arm constituting a power converter is built in a module package, and the power semiconductor element and its drive circuit in the module package Includes built-in power modules (so-called intelligent power modules).
In short, the present invention has any function and structure as long as the power semiconductor element is built in the module package and the terminal connected to the power semiconductor element is arranged outside the module package. It may be a semiconductor power module.
The annular magnetic member is arranged in a magnetic member arrangement space formed around the terminal, and this magnetic member arrangement space forms a recess around the terminal or projects the terminal from the module package. Formed by.

なお、環状磁性部材によって包囲される端子としては、直流入力端子等の直流電力を伝達するための端子、交流出力端子等の交流電力を伝達するための端子、更には、電力用半導体素子に対する制御信号を入力するための制御入力端子等の制御端子が該当する。   The terminals surrounded by the annular magnetic member include a terminal for transmitting DC power such as a DC input terminal, a terminal for transmitting AC power such as an AC output terminal, and a control for a power semiconductor element. This corresponds to a control terminal such as a control input terminal for inputting a signal.

本発明によれば、モジュールパッケージの外部に配置された端子に環状磁性部材を装着することにより、パッケージが大型化させずに、前記環状磁性部材によるコモンモードノイズ電流やノーマルモードノイズ電流を抑制することができる。
また、外部回路条件に依存するスイッチングノイズの周波数に応じて、フィルタ素子に要求されるインダクタンスも変化するので、外部回路条件が変化した場合には最適なインダクタンスを有する環状磁性部材に交換すれば良い。その際、環状磁性部材は端子に外嵌
されているため、交換作業を容易に行うことができる。
According to the present invention, by attaching the annular magnetic member to the terminals arranged outside the module package, the common mode noise current and the normal mode noise current due to the annular magnetic member are suppressed without increasing the size of the package. be able to.
In addition, since the inductance required for the filter element also changes according to the frequency of the switching noise that depends on the external circuit conditions, when the external circuit conditions change, it may be replaced with an annular magnetic member having an optimum inductance. . At that time, since the annular magnetic member is externally fitted to the terminal, the replacement work can be easily performed.

本発明をインテリジェントパワーモジュールに適用した場合の実施形態を示す斜視図である。It is a perspective view which shows embodiment at the time of applying this invention to an intelligent power module. 本発明をインテリジェントパワーモジュールに適用した場合の実施形態を示す斜視図である。It is a perspective view which shows embodiment at the time of applying this invention to an intelligent power module. 本発明をインテリジェントパワーモジュールに適用した場合の実施形態を示す斜視図である。It is a perspective view which shows embodiment at the time of applying this invention to an intelligent power module. 図1Cの側面図である。It is a side view of FIG. 1C. 本発明をインテリジェントパワーモジュールに適用した場合の実施形態を示す斜視図である。It is a perspective view which shows embodiment at the time of applying this invention to an intelligent power module. 図2Aにおけるノイズ電流の経路を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the path | route of the noise current in FIG. 2A. 本発明を半導体パワーモジュールに適用した場合の実施形態を示す斜視図である。It is a perspective view showing an embodiment at the time of applying the present invention to a semiconductor power module. 本発明を半導体パワーモジュールに適用した場合の実施形態を示す斜視図である。It is a perspective view showing an embodiment at the time of applying the present invention to a semiconductor power module. 本発明を半導体パワーモジュールに適用した場合の実施形態を示す斜視図である。It is a perspective view showing an embodiment at the time of applying the present invention to a semiconductor power module. 本発明を半導体パワーモジュールに適用した場合の実施形態を示す斜視図である。It is a perspective view showing an embodiment at the time of applying the present invention to a semiconductor power module. 本発明を半導体パワーモジュールに適用した場合の環状磁性部材の変形例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the modification of the annular magnetic member at the time of applying this invention to a semiconductor power module. 従来技術の半導体パワーモジュールを有する電力変換装置の回路図である。It is a circuit diagram of the power converter device which has a semiconductor power module of a prior art. 従来技術のインテリジェントパワーモジュールを有する電力変換装置の回路図である。It is a circuit diagram of the power converter device which has an intelligent power module of a prior art. 従来技術のノーマルモードノイズ電流のループを説明する回路図である。It is a circuit diagram explaining the loop of the normal mode noise current of a prior art. 従来技術のノーマルモードノイズ電流を抑制するための従来の回路図である。It is a conventional circuit diagram for suppressing the normal mode noise current of the prior art. 従来技術のコモンモードノイズ電流のループを説明する回路図である。It is a circuit diagram explaining the loop of the common mode noise current of a prior art. 従来技術のコモンモードノイズ電流を抑制するための従来の回路図である。It is the conventional circuit diagram for suppressing the common mode noise current of a prior art.

以下、図に沿って本発明を実施するための最良の形態を説明する。
まず、図1A,図1B,図1Cは、本発明をインテリジェントパワーモジュールに適用した場合の実施形態を示す斜視図である。
図1Aにおいて、2Bはインテリジェントパワーモジュールである。例えば樹脂製のモジュールパッケージ21には、例えば図5に示されるインテリジェントパワーモジュール2Aと同様に、IGBT、還流ダイオード、ダイオード、駆動回路が内蔵されている。また、モジュールパッケージ21の周囲には、内部の回路部品に接続された直流入力端子2a,2b、交流出力端子2c,2d,2e、制動用抵抗11の接続端子2f、及び制御入力端子2gが設けられている。なお、前記IGBT等の回路部品と前記端子2a〜2gとの接続状態は、図5のインテリジェントパワーモジュール2Aと同様である。
また、この実施形態では、端子2a〜2gをモジュールパッケージ21の表面よりも若干上方に突設し、また、端子2a〜2gの周囲に凹部2hを形成することにより、下記の環状磁性部材を嵌入するための磁性部材配置空間が形成される。
図1Bは、直流入力端子2a,2bを一括して包囲するように環状磁性部材6cを嵌入したインテリジェントパワーモジュール2Cを示している。この例は、環状磁性部材6cをコモンモードノイズ除去用のインダクタンスとして動作させる例である。
The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.
First, FIG. 1A, FIG. 1B, and FIG. 1C are perspective views showing an embodiment when the present invention is applied to an intelligent power module.
In FIG. 1A, 2B is an intelligent power module. For example, the resin module package 21 incorporates an IGBT, a freewheeling diode, a diode, and a drive circuit, as in the intelligent power module 2A shown in FIG. Further, around the module package 21, there are provided DC input terminals 2a, 2b, AC output terminals 2c, 2d, 2e connected to internal circuit components, a connection terminal 2f of the braking resistor 11, and a control input terminal 2g. It has been. The connection state between the circuit components such as the IGBT and the terminals 2a to 2g is the same as that of the intelligent power module 2A in FIG.
In this embodiment, the terminals 2a to 2g are projected slightly above the surface of the module package 21, and the recesses 2h are formed around the terminals 2a to 2g, thereby inserting the following annular magnetic members. A magnetic member arrangement space is formed for this purpose.
FIG. 1B shows an intelligent power module 2C in which an annular magnetic member 6c is inserted so as to collectively surround the DC input terminals 2a and 2b. In this example, the annular magnetic member 6c is operated as an inductance for removing common mode noise.

また、図1Cは、負極側の直流入力端子2bを包囲するように環状磁性部材6dを嵌入したインテリジェントパワーモジュール2Dを示している。この例は、環状磁性部材6dをノーマルモードノイズ除去用のインダクタンスとして動作させる例である。
勿論、環状磁性部材6dは、正極側の直流入力端子2aまたは他の端子を包囲するように嵌入しても良い。
なお、環状磁性部材6c,6dとしては、例えば環状に成型されたフェライト焼結体が使用される。
図1Dは、図1Cを横方向(端子2f,2a,2bに正対する方向)から見た側面図である。環状磁性部材6dは、端子2a,2b,2fを接続配線する銅ブスバー9とインテリジェントパワーモジュール2Dとの間に嵌入されることになる。
図1A〜図1Dに示したように、モジュールパッケージ21の外部に配置された各端子2a〜2gを包囲するように環状磁性部材6cまたは6dを嵌入することにより、モジュールパッケージ21が大型化することなくノイズ対策を実施することができる。
また、モジュールパッケージ21の外部に環状磁性部材を配置する構造であるから、ノイズ周波数に合わせた所望のインダクタンスを有する環状磁性部材を交換して装着することもできる。
FIG. 1C shows an intelligent power module 2D in which an annular magnetic member 6d is fitted so as to surround the DC input terminal 2b on the negative electrode side. In this example, the annular magnetic member 6d is operated as an inductance for removing normal mode noise.
Of course, the annular magnetic member 6d may be fitted so as to surround the DC input terminal 2a on the positive electrode side or other terminals.
As the annular magnetic members 6c and 6d, for example, a ferrite sintered body molded in an annular shape is used.
FIG. 1D is a side view of FIG. 1C viewed from the lateral direction (direction facing the terminals 2f, 2a, 2b). The annular magnetic member 6d is inserted between the copper bus bar 9 connecting the terminals 2a, 2b, and 2f and the intelligent power module 2D.
As shown in FIGS. 1A to 1D, the module package 21 is enlarged by inserting the annular magnetic member 6 c or 6 d so as to surround the terminals 2 a to 2 g arranged outside the module package 21. Noise countermeasures can be implemented.
Further, since the annular magnetic member is arranged outside the module package 21, the annular magnetic member having a desired inductance matched to the noise frequency can be replaced and mounted.

なお、環状磁性部材のインダクタンス値を所望の値にするには、例えば、環状磁性部材の材質(比透磁率)を変更して、外形形状は同一のままにインダクタンス値を変更しても良いし、薄肉の環状磁性部材を用意して必要に応じて嵌入枚数を調整してインダクタンス値を変更しても良い。
次に、図2Aは、制御入力端子2gにロ字形の環状磁性部材6eを嵌入したインテリジェントパワーモジュール2Eの斜視図である。
この場合、図示するように、制御入力端子2gをモジュールパッケージ21の表面から若干突設させることにより、必然的に制御入力端子2gの周囲に磁性部材配置空間が形成されることになる。また、構造上、制御入力端子2gの高さがモジュールパッケージ21
の表面とほぼ同一である場合には、制御入力端子2gの周囲に凹部を形成して磁性部材配置空間を形成すればよい。
図2Aにおけるコモンモードノイズ電流の経路を、図2Bに示す。なお、図2Bでは、モジュールパッケージ21内部の回路構成について、上下アーム一相分の電力用半導体素子のみを図示してある。
コモンモードノイズ電流は、インテリジェントパワーモジュール2Eの制御入力端子2gを通り、パワーモジュール・アース間や制御回路5・アース間の浮遊容量8を通して流れる場合があり、このノイズ電流経路10Cに環状磁性部材6eを挿入することにより、ノイズ電流を抑制することができる。
In order to set the inductance value of the annular magnetic member to a desired value, for example, the inductance value may be changed while changing the material (relative magnetic permeability) of the annular magnetic member and maintaining the same outer shape. Alternatively, a thin annular magnetic member may be prepared and the inductance value may be changed by adjusting the number of insertions as necessary.
Next, FIG. 2A is a perspective view of an intelligent power module 2E in which a round-shaped annular magnetic member 6e is inserted into the control input terminal 2g.
In this case, as shown in the figure, by slightly projecting the control input terminal 2g from the surface of the module package 21, a magnetic member arrangement space is inevitably formed around the control input terminal 2g. In addition, due to the structure, the height of the control input terminal 2g is the module package 21
If the surface is substantially the same, the recess may be formed around the control input terminal 2g to form the magnetic member arrangement space.
The path of the common mode noise current in FIG. 2A is shown in FIG. 2B. In FIG. 2B, only the power semiconductor elements for one phase of the upper and lower arms are shown in the circuit configuration inside the module package 21.
The common mode noise current may flow through the control input terminal 2g of the intelligent power module 2E and through the stray capacitance 8 between the power module and the earth or between the control circuit 5 and the earth, and the annular magnetic member 6e is connected to the noise current path 10C. The noise current can be suppressed by inserting.

制御入力端子2gの周囲に凹部を設けてこの凹部に環状磁性部材6eを嵌入すれば、図1Dに示した銅ブスバー9による配線やプリント板を用いた配線を行う場合に、環状磁性部材6eが邪魔になることもない。
次いで、図3A,図3B,図3Cは、上下アーム一相分の電力用半導体素子を内蔵した半導体パワーモジュールの実施形態を示す斜視図である。これらのパワーモジュールは、例えば、前述した図4における半導体パワーモジュール2U,2V,2Wに相当する。
図3Aに示す半導体パワーモジュール2Fにおいて、12aは正極側直流入力端子、12bは負極側直流入力端子、12cは交流出力端子、12gは制御入力端子であり、各端子の並び順や配置は任意に変更可能である。この実施形態でも、各端子12a,12b,12c,12gをモジュールパッケージ12から突設して各端子12a,12b,12c,12gの周囲に凹部12hを形成することにより、環状磁性部材を嵌入するための磁性部材配置空間が保有されている。
図3Bは、直流入力端子12a,12bを一括してこれらの周囲に環状磁性材料6fを嵌入した半導体パワーモジュール2Gを示しており、環状磁性材料6fによってコモンモードノイズを抑制するための構造である。
If a concave portion is provided around the control input terminal 2g and the annular magnetic member 6e is inserted into the concave portion, the annular magnetic member 6e can be used when wiring by the copper bus bar 9 shown in FIG. 1D or wiring using a printed board is performed. It won't get in the way.
Next, FIG. 3A, FIG. 3B, and FIG. 3C are perspective views showing an embodiment of a semiconductor power module that incorporates power semiconductor elements for one phase of the upper and lower arms. These power modules correspond to, for example, the semiconductor power modules 2U, 2V, and 2W in FIG. 4 described above.
In the semiconductor power module 2F shown in FIG. 3A, 12a is a positive side DC input terminal, 12b is a negative side DC input terminal, 12c is an AC output terminal, and 12g is a control input terminal. Arrangement order and arrangement of each terminal are arbitrary. It can be changed. Also in this embodiment, each terminal 12a, 12b, 12c, 12g protrudes from the module package 12 to form a recess 12h around each terminal 12a, 12b, 12c, 12g, thereby inserting the annular magnetic member. The magnetic member arrangement space is held.
FIG. 3B shows a semiconductor power module 2G in which the annular magnetic material 6f is fitted around the DC input terminals 12a and 12b together, and is a structure for suppressing common mode noise by the annular magnetic material 6f. .

また、図3Cは、正極側直流入力端子12aのみに環状磁性材料6gを嵌入した半導体パワーモジュール2Hを示しており、環状磁性材料6gによってノーマルモードノイズを抑制するための構造である。勿論、環状磁性材料6gを負極側直流入力端子12bに嵌入しても良い。
環状磁性材料6f,6gは各端子の上方の空間を開放した状態で嵌入可能であるから、各端子に銅ブスバー等を接続して配線を行う場合に、環状磁性材料6f,6gが邪魔になるおそれはなく、環状磁性材料6f,6gの絶縁も容易に行えるため、電極同士の短絡防止も容易に行うことができる。この場合、環状磁性材料6f,6gの絶縁方法としては、環状磁性材料6f,6gの表面を絶縁性の樹脂により覆う等の方法がある。
次に、図3Dは、複数の半導体パワーモジュール2Hの正極側直流入力端子12a同士、負極側直流入力端子12b同士を、銅ブスバー9a,9bによりそれぞれ接続した例である。これらの銅ブスバー9a,9bは、環状磁性材料6fの上面に載置した状態で各端子に接続可能であるから、銅ブスバー9a,9bの形状、構造を変更することなく従来の部品を使用することができる。
上記のように、図3A〜図3Dの実施形態においても、各端子を包囲するように環状磁性材料6f,6gを嵌入する構造であるため、モジュールパッケージにフィルタ素子を内蔵する場合に比べてパッケージの小型化が可能である。また、前記と同様な方法により、ノイズ周波数に応じた所望のインダクタンスを有する環状磁性部材を交換して装着することも容易である。
FIG. 3C shows the semiconductor power module 2H in which the annular magnetic material 6g is inserted only into the positive side DC input terminal 12a, and is a structure for suppressing normal mode noise by the annular magnetic material 6g. Of course, the annular magnetic material 6g may be fitted into the negative side DC input terminal 12b.
Since the annular magnetic materials 6f and 6g can be inserted with the space above each terminal open, the annular magnetic materials 6f and 6g are obstructive when wiring is performed by connecting a copper bus bar or the like to each terminal. There is no fear, and since the annular magnetic materials 6f and 6g can be easily insulated, it is possible to easily prevent the electrodes from being short-circuited. In this case, as an insulating method of the annular magnetic materials 6f and 6g, there is a method of covering the surfaces of the annular magnetic materials 6f and 6g with an insulating resin.
Next, FIG. 3D is an example in which the positive electrode side DC input terminals 12a and the negative electrode side DC input terminals 12b of the plurality of semiconductor power modules 2H are respectively connected by copper bus bars 9a and 9b. Since these copper bus bars 9a and 9b can be connected to the respective terminals while being placed on the upper surface of the annular magnetic material 6f, conventional parts are used without changing the shape and structure of the copper bus bars 9a and 9b. be able to.
As described above, the embodiment of FIGS. 3A to 3D also has a structure in which the annular magnetic materials 6f and 6g are fitted so as to surround each terminal. Can be miniaturized. It is also easy to replace and mount the annular magnetic member having a desired inductance corresponding to the noise frequency by the same method as described above.

更に、ノーマルモードノイズ、コモンモードノイズ双方を同時に低減させる場合には、図3B、図3Cの構造を組み合わせたり、図3Eに示すような日の字形の環状磁性部材6h,6iを使用すればよい。
なお、上述の各実施形態において、ノイズ電流経路が交流出力端子を含む場合には、交流出力端子を包囲するように環状磁性体を嵌入すればよい。
また、電力変換装置の機能(直流−直流変換、交流−直流変換等)に応じて、直流出力端子や交流入力端子に環状磁性体を嵌入してノイズ対策を施しても良い。
加えて、各実施形態では、環状磁性体として○形またはロ字形の一体成型された環状磁性体を図示してあるが、コ字形及びI形の磁性体を組み合わせてその全体を環状に形成しても同様の効果が得られるものである。
また、各実施形態では、パワーモジュールが有する全ての端子の周囲に磁性部材配置空間を形成してあるが、ノイズ電流が流れていてノイズ電流の抑制が必要な端子の周囲だけに磁性部材配置空間を形成すれば足りる。
更に、前述した如く、本発明はモジュールパッケージの外部に配置された端子の周囲に磁性部材配置空間を形成すればよいから、端子の周囲に凹部を形成する構造、端子自体を突設する構造の何れも本発明の技術的範囲に属するものである。
Furthermore, in order to reduce both normal mode noise and common mode noise at the same time, the structures shown in FIGS. 3B and 3C may be combined, or sun-shaped annular magnetic members 6h and 6i as shown in FIG. 3E may be used. .
In each of the above-described embodiments, when the noise current path includes an AC output terminal, an annular magnetic body may be inserted so as to surround the AC output terminal.
Further, depending on the function of the power converter (DC-DC conversion, AC-DC conversion, etc.), a countermeasure against noise may be taken by inserting an annular magnetic body into the DC output terminal or AC input terminal.
In addition, in each of the embodiments, an annular magnetic body integrally formed with a circle shape or a square shape is illustrated as the annular magnetic body. However, the U-shaped magnetic body and the I-shaped magnetic body are combined to form an annular shape as a whole. However, the same effect can be obtained.
In each embodiment, the magnetic member arrangement space is formed around all the terminals of the power module. However, the magnetic member arrangement space is provided only around the terminals where noise current flows and noise current needs to be suppressed. It is enough to form.
Furthermore, as described above, the present invention only needs to form a magnetic member arrangement space around the terminals arranged outside the module package, so that a structure in which a recess is formed around the terminals, and a structure in which the terminals themselves are projected. All belong to the technical scope of the present invention.

1:直流電源
2,2U,2V,2W,2F,2G,2H:半導体パワーモジュール
2A,2B,2C,2D,2E:インテリジェントパワーモジュール
2a,2b,12a,12b:直流入力端子
2c,2d,2e,12c:交流出力端子
2f:制動用抵抗の接続端子
2g,12g:制御入力端子
2h,12h:凹部
3:モータ
4:駆動回路
5:制御回路
5a:基準正弦波
5b:出力電圧指令
5c:比較演算部
6a,6b:インダクタンス
6c,6d,6e,6f,6g,6h,6i:環状磁性部材
7,8:浮遊容量
9,9a,9b:銅ブスバー
10C,10N:ノイズ電流経路
11:制動用抵抗
12,21:モジュールパッケージ1
1: DC power supply 2, 2U, 2V, 2W, 2F, 2G, 2H: Semiconductor power modules 2A, 2B, 2C, 2D, 2E: Intelligent power modules 2a, 2b, 12a, 12b: DC input terminals 2c, 2d, 2e 12c: AC output terminal 2f: Braking resistor connection terminal 2g, 12g: Control input terminal 2h, 12h: Recess 3: Motor 4: Drive circuit 5: Control circuit 5a: Reference sine wave 5b: Output voltage command 5c: Comparison Arithmetic units 6a, 6b: inductance 6c, 6d, 6e, 6f, 6g, 6h, 6i: annular magnetic member 7, 8: stray capacitance 9, 9a, 9b: copper bus bar 10C, 10N: noise current path 11: braking resistance 12, 21: Module package 1

Claims (4)

電力用半導体素子がモジュールパッケージに内蔵され、かつ、前記電力用半導体素子に接続された端子が前記モジュールパッケージの外側に配置されてなる半導体パワーモジュールにおいて、
前記端子の周囲に設けられた凹部により磁性部材配置空間を形成し、この磁性部材配置空間に前記端子を包囲するように、この端子を流れるノイズ電流を低減させるための環状磁性部材を配置し、
前記環状磁性部材は、比透磁率を変更して、外形形状が同一でノイズ周波数に応じたインダクタンスを有するものを交換して前記磁性部材配置空間に装着したものであることを特徴とする半導体パワーモジュール。
In a semiconductor power module in which a power semiconductor element is built in a module package, and a terminal connected to the power semiconductor element is disposed outside the module package,
A magnetic member arrangement space is formed by a recess provided around the terminal, and an annular magnetic member for reducing a noise current flowing through the terminal is arranged so as to surround the terminal in the magnetic member arrangement space.
A semiconductor power characterized in that the annular magnetic member is mounted in the magnetic member arrangement space by changing the relative permeability, exchanging the one having the same outer shape and having the inductance corresponding to the noise frequency. module.
電力用半導体素子がモジュールパッケージに内蔵され、かつ、前記電力用半導体素子に接続された端子が前記モジュールパッケージの外側に配置されてなる半導体パワーモジュールにおいて、
前記端子の周囲に設けられた凹部により磁性部材配置空間を形成し、この磁性部材配置空間に前記端子を包囲するように、この端子を流れるノイズ電流を低減させるための環状磁性部材を配置し、
前記環状磁性部材は、薄肉の環状磁性部材であり、ノイズ周波数に応じたインダクタンスとなるように嵌入枚数を調整して前記磁性部材配置空間に装着したものであることを特徴とする半導体パワーモジュール。
In a semiconductor power module in which a power semiconductor element is built in a module package, and a terminal connected to the power semiconductor element is disposed outside the module package,
A magnetic member arrangement space is formed by a recess provided around the terminal, and an annular magnetic member for reducing a noise current flowing through the terminal is arranged so as to surround the terminal in the magnetic member arrangement space.
The semiconductor magnetic module according to claim 1, wherein the annular magnetic member is a thin annular magnetic member, and is mounted in the magnetic member arrangement space with the number of insertions adjusted so as to have an inductance corresponding to a noise frequency .
請求項1または2に記載した半導体パワーモジュールにおいて、
前記端子を前記モジュールパッケージから突設させて前記端子の周囲に磁性部材配置空間を形成し、この磁性部材配置空間に前記環状磁性部材を配置したことを特徴とする半導体パワーモジュール。
In the semiconductor power module according to claim 1 or 2,
A semiconductor power module, wherein the terminal is protruded from the module package to form a magnetic member arrangement space around the terminal, and the annular magnetic member is arranged in the magnetic member arrangement space.
請求項1〜3の何れか1項に記載した半導体パワーモジュールにおいて、
前記端子は、少なくとも、直流電力を伝達するための端子,交流電力を伝達するための端子,前記電力用半導体素子に対する制御信号を伝達するための制御端子、の何れかであることを特徴とする半導体パワーモジュール。
In the semiconductor power module according to any one of claims 1 to 3,
The terminal is at least one of a terminal for transmitting DC power, a terminal for transmitting AC power, and a control terminal for transmitting a control signal for the power semiconductor element. Semiconductor power module.
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