JP5286150B2 - Semiconductor device for power conversion - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、小型化でき、耐ノイズ性能に優れた電力変換用半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device for power conversion that can be downsized and has excellent noise resistance performance.
従来から、インバータ等に用いる電力変換用半導体装置が知られている(下記特許文献1)。この電力変換用半導体装置は図12に示すごとく、電極板91と、絶縁板92と、金属板93と、パワー素子94と、金属板95と、絶縁板96とを積層した構造を有しており、パワー素子94を制御するための制御回路97が絶縁板96上に形成されている。制御回路97は、パワー素子94に過電流が流れた場合に、素子を保護するため電流を遮断する等の制御を行う。
Conventionally, a semiconductor device for power conversion used for an inverter or the like is known (
一方の金属板95は、パワー素子94のエミッタ及びグランドに接続されており、他方の金属板93は、コレクタに接続されている。制御回路97は、グランド接続側の金属板95の近傍に形成され、コレクタ接続側の金属板93から離して設けられている。これは、コレクタ接続側の金属板93から電磁ノイズが放射されるため、この電磁ノイズの影響を低減するためである。
One
ところが、電力変換用半導体装置90は、上述のように電極板91〜制御回路97を積層して形成しているため、全体のサイズが大きくなるという問題がある。そのため、より小型化できる電力変換用半導体装置が望まれている。
However, since the power
しかしながら小型化すると、コレクタ接続側の金属板93と制御回路97とが接近し、金属板93から発生した電磁ノイズの影響を制御回路97が受けやすくなるという問題がある。そのため、小型化でき、かつ耐ノイズ性能に優れた電力変換用半導体装置が望まれている。
However, when the size is reduced, there is a problem that the
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、より小型化でき、耐ノイズ性能に優れた電力変換用半導体装置を提供しようとするものである。 The present invention has been made in view of such conventional problems, and an object of the present invention is to provide a power conversion semiconductor device that can be further reduced in size and has excellent noise resistance.
本発明は、所定間隔をおいて対向配置した一対の電極板と、
上記一対の電極板の間に設けられ、該一対の電極板に各々電気的に接続されたスイッチング素子と、
上記一対の電極板の間に設けられ、上記スイッチング素子を制御する制御回路が形成された制御回路基板とを備え、
上記制御回路基板は、上記一対の電極板のいずれか一方に、電磁ノイズを遮蔽する遮蔽手段を介して取り付けられ、
上記電極板に溝部が形成され、該溝部内には絶縁部材が設けられておらず、該溝部上に上記制御回路基板が配置されており、該溝部内の空間が上記遮蔽手段をなしていることを特徴とする電力変換用半導体装置にある(請求項1)。
The present invention includes a pair of electrode plates arranged to face each other at a predetermined interval;
A switching element provided between the pair of electrode plates and electrically connected to the pair of electrode plates,
A control circuit board provided between the pair of electrode plates and formed with a control circuit for controlling the switching element;
The control circuit board is attached to any one of the pair of electrode plates via shielding means for shielding electromagnetic noise ,
A groove is formed in the electrode plate, no insulating member is provided in the groove, the control circuit board is disposed on the groove, and the space in the groove serves as the shielding means . The power conversion semiconductor device is characterized by the above.
本発明の作用効果につき説明する。本発明によると、一対の電極板の間にスイッチング素子と、制御回路基板とを設けたので、従来のように電極板91〜制御回路97を順次積層した構造(図12参照)と比較して、全体の厚さを薄くすることができ、かつ小型化できる。
The function and effect of the present invention will be described. According to the present invention, since the switching element and the control circuit board are provided between the pair of electrode plates, the entire structure is compared with the conventional structure in which the
また、上記構成を採用すると、電磁ノイズを放射する電極板と、制御回路基板とが接近することになるが、本発明では上記遮蔽手段を設けたため、制御回路基板が電磁ノイズの影響を受けにくい。
遮蔽手段としては、制御回路基板と電極板との間に絶縁部材を設けたり、隙間(空間)をおいたりすることができる。例えば、遮蔽手段として絶縁部材を設けることにより、電極板と制御回路基板との間の間隔を広げて浮遊容量を低減することができ、電極板から放射される電磁ノイズを遮蔽することができる。これにより、制御回路基板の誤動作を防止できる。
Further, when the above configuration is adopted, the electrode plate that radiates electromagnetic noise and the control circuit board come close to each other. However, since the shielding means is provided in the present invention, the control circuit board is not easily affected by the electromagnetic noise. .
As the shielding means, an insulating member can be provided between the control circuit board and the electrode plate, or a gap (space) can be provided. For example, by providing an insulating member as a shielding means, the space between the electrode plate and the control circuit board can be widened to reduce stray capacitance, and electromagnetic noise radiated from the electrode plate can be shielded. Thereby, malfunction of the control circuit board can be prevented.
以上のごとく、本発明によると、より小型化でき、耐ノイズ性能に優れた電力変換用半導体装置を提供することができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide a power conversion semiconductor device that can be further downsized and has excellent noise resistance.
上述した本発明における好ましい実施の形態につき説明する。
本発明において、上記制御回路基板と上記電極板との間に絶縁部材が設けられており、該絶縁部材が上記遮蔽手段をなしていることが好ましい。
この場合には、絶縁部材によって、電極板と制御回路基板との間の絶縁性を高めることができる。また、絶縁部材を厚くすることにより、電極板から発生した電磁ノイズを効果的に遮蔽できる。
A preferred embodiment of the present invention described above will be described.
In the present invention, the insulating member is provided between the control circuit board and the electrode plate, not preferable that the insulating member is no said shielding means.
In this case, the insulation between the electrode plate and the control circuit board can be enhanced by the insulating member. In addition, by increasing the thickness of the insulating member, electromagnetic noise generated from the electrode plate can be effectively shielded.
また、上記一対の電極板のいずれか一方に切欠部が設けられ、該切欠部に上記絶縁部材が取り付けらており、該絶縁部材上に上記制御回路基板が設けられていることが好ましい。
このように切欠部を形成すると、電力変換用半導体装置の厚みを大きくすることなく絶縁部材を厚く形成することができる。これにより、電極板から照射される電磁ノイズを効果的に遮断できるとともに、電力変換用半導体装置を小型化することができる。
Further, the cutout portion in one of the pair of electrode plates is provided, the insulating member is attached, et al in the notch portion, not preferable that the control circuit board is provided on the insulating member .
When the notch is formed in this way, the insulating member can be formed thick without increasing the thickness of the power conversion semiconductor device. Thereby, the electromagnetic noise irradiated from the electrode plate can be effectively cut off, and the power conversion semiconductor device can be miniaturized.
また、上記電極板に溝部が形成され、該溝部内には絶縁部材が設けられておらず、該溝部上に上記制御回路基板が配置されており、該溝部内の空間が上記遮蔽手段をなしている。
この場合には、溝部内に絶縁部材を設ける必要がないため、製造工程を簡単にすることができる。また、溝部を深く形成するだけで、浮遊容量を簡単に減らすことができ、電磁ノイズを低減できる。
Also, a groove is formed in the electrode plate, no insulating member is provided in the groove, the control circuit board is disposed on the groove, and the space in the groove serves as the shielding means. Tei Ru.
In this case, since it is not necessary to provide an insulating member in the groove, the manufacturing process can be simplified. In addition, stray capacitance can be easily reduced and electromagnetic noise can be reduced simply by forming the groove deeply.
また、上記制御回路基板は、上記スイッチング素子のグランドに接続された金属層を有し、該金属層は上記電極板と上記制御回路基板上の電子素子との間に介在することによって、上記遮蔽手段をなしていることが好ましい(請求項2)。
この場合には、金属層の静電遮蔽効果により、電極板の電界を遮蔽することができる。そのため、電極板に切欠部を形成したり、絶縁部材を設けたりする必要はなく、上記金属層が予め形成された制御回路基板を電極板上に取り付けるだけで、電磁ノイズを低減することが可能となる。
The control circuit board has a metal layer connected to the ground of the switching element, and the metal layer is interposed between the electrode plate and the electronic element on the control circuit board, thereby It is preferable that a means is provided (Claim 2 ).
In this case, the electric field of the electrode plate can be shielded by the electrostatic shielding effect of the metal layer. Therefore, it is not necessary to form a notch in the electrode plate or provide an insulating member, and electromagnetic noise can be reduced simply by mounting a control circuit board on which the metal layer is formed in advance on the electrode plate. It becomes.
また、上記スイッチング素子はバイポーラトランジスタであり、上記一対の電極板のうち一方の電極板は上記バイポーラトランジスタのコレクタ電極に接続され、他方の電極板はエミッタ電極およびグランドに接続されており、上記一対の電極板のうちコレクタ接続側の上記電極板に上記制御回路基板が設けられていることが好ましい(請求項3)。
コレクタ接続側の電極板は、スイッチング素子の動作に伴って電位が大きく変動し、電磁ノイズが発生しやすい。このコレクタ接続側の電極板に制御回路基板を設けた場合には、本発明の適用によって得られる効果、すなわち、遮蔽手段を設けて電磁ノイズを遮蔽する効果が特に大きい。
The switching element is a bipolar transistor, and one electrode plate of the pair of electrode plates is connected to a collector electrode of the bipolar transistor, and the other electrode plate is connected to an emitter electrode and a ground. it is preferable that the control circuit board to the electrode plate of the collector connection side of the electrode plate is provided (claim 3).
The electrode plate on the collector connection side greatly varies in potential with the operation of the switching element, and electromagnetic noise is likely to occur. When the control circuit board is provided on the electrode plate on the collector connection side, the effect obtained by applying the present invention, that is, the effect of shielding electromagnetic noise by providing shielding means is particularly great.
(参考例1)
本発明の参考例にかかる電力変換用半導体装置につき、図1〜図6を用いて説明する。
図1、図2に示すごとく、本発明の電力変換用半導体装置1は、所定間隔をおいて対向配置した一対の電極板2(2a,2b)を備える。また、一対の電極板2に各々電気的に接続されたスイッチング素子3が、該一対の電極板2の間に設けられている。
さらに、スイッチング素子3を制御する制御回路が形成された制御回路基板4が、一対の電極板2の間に設けられている。
制御回路基板4は、一対の電極板2のいずれか一方に、電磁ノイズを遮蔽する遮蔽手段10を介して取り付けられている。
以下、詳説する。
( Reference Example 1)
A power conversion semiconductor device according to a reference example of the present invention will be described with reference to FIGS.
As shown in FIGS. 1 and 2, the power
Further, a
The
The details will be described below.
図2に示すごとく、本例では、制御回路基板4と電極板2との間に絶縁部材6が設けられており、この絶縁部材6が遮蔽手段10をなしている。
より詳しくは、一対の電極板2のいずれか一方に切欠部5が設けられ、切欠部5に絶縁部材6が取り付けらており、該絶縁部材6上に制御回路基板4が設けられている。
As shown in FIG. 2, in this example, an insulating
More specifically, a
図2に示すごとく、スイッチング素子3は一方の電極板2a上に配置されている。また、スイッチング素子3は銅ブロック14を介して他方の電極板2bに接続されている。銅ブロック14により、電極板2a−2b間の間隔を広げ、これにより、制御回路基板4とスイッチング素子3とを接続するワイヤ15が電極板2bに接触することを防止している。
一方、電極板2a,2bはパワー端子12,13を有する。このパワー端子12,13間に電圧(図3参照)が印加される。また、電力変換用半導体装置1は制御端子11を備えており、この制御端子11は制御回路基板4に接続されている。
As shown in FIG. 2, the switching
On the other hand, the
図3は、本例の電力変換用半導体装置1を用いたインバータ回路の一部である。同図に示すごとく、スイッチング素子3はバイポーラトランジスタ(IGBT素子)である。また、一対の電極板2のうち一方の電極板2aはバイポーラトランジスタのコレクタ電極に接続され、他方の電極板2bはエミッタ電極およびグランドに接続されている。そして図2に示すごとく、一対の電極板2a,2bのうちコレクタ接続側の電極板2aに制御回路基板4が設けられている。
FIG. 3 shows a part of an inverter circuit using the power
図3に示すごとく、インバータ回路では、一方の電力変換用半導体装置1aのエミッタ端子13と、他方の電力変換用半導体装置1bのコレクタ端子12とを接続している。そして、一方の電力変換用半導体装置1aのコレクタ端子12と、他方の電力変換用半導体装置1bのエミッタ端子13との間に直流電圧を印加し、スイッチング素子1a,1bをスイッチング動作させて、交流出力端子16から交流電圧を出力する。
As shown in FIG. 3, in the inverter circuit, the
制御回路基板4は、図3に示すごとく、スイッチング素子3(IGBT素子)へゲート信号を入力するゲート駆動回路41と、スイッチング素子3のエミッタに所定の値以上の電流が流れた場合にスイッチング素子3をオフする短絡保護回路42、過電流保護回路44を備える。短絡保護回路42は図3に示すごとく、抵抗R1〜R5、コンデンサC1、オペアンプOP、タイマ43から構成される。
As shown in FIG. 3, the
なお、図1〜図3の電力変換用半導体装置1では、1個のスイッチング素子3のみを搭載しているが、図4に示すごとく、1個の電力変換用半導体装置1内に2個のスイッチング素子3a,3bを搭載してもよい。また、図4の例では、一方のスイッチング素子3a用のパワー端子12a,13aと、他方のスイッチング素子3b用のパワー端子12b、13bとの、合計4個のパワー端子を設けてあるが、インバータ回路ではパワー端子13aと12bとを接続するため(図3参照)、このパワー端子13a,12bを一体化してもよい。
1 to 3, only one
なお、本例では図2に示すごとく切欠部5をテーパ状にしているが、図5に示すごとく断面四辺形状にしてもよい。また、図6に示すごとく、放熱部材2aを小さく形成し、放熱部材2aと制御回路基板4との間に存在する封止部材8を遮蔽手段10として用いてもよい。
In this example, the
次に、本例の作用効果について説明する。
本例によると、図2に示すごとく、一対の電極板2a,2bの間にスイッチング素子3と、制御回路基板4とを設けたので、従来のように電極板91〜制御回路97を順次積層した構造(図12参照)と比較して、全体の厚さを薄くすることができ、かつ小型化できる。
Next, the function and effect of this example will be described.
According to this example, as shown in FIG. 2, since the switching
また、上記構成を採用すると、電磁ノイズを放射する電極板2と、制御回路基板4とが接近することになるが、本例では遮蔽手段10を設けたため、制御回路基板4が電磁ノイズの影響を受けにくい。
遮蔽手段10としては、制御回路基板4と電極板2との間に絶縁部材を設けたり、隙間(空間)をおいたりすることができる。例えば、遮蔽手段10として絶縁部材を設けることにより、電極板2と制御回路基板4との間の間隔を広げて浮遊容量Ca(図3参照)を低減することができ、電極板2から放射される電磁ノイズを遮蔽することができる。これにより、制御回路基板4の誤動作を防止できる。
Further, when the above configuration is adopted, the
As the shielding means 10, an insulating member can be provided between the
また、本例では図2に示すごとく、制御回路基板4と電極板2との間に絶縁部材6が設けられており、絶縁部材6が遮蔽手段10をなしている。
この場合には、絶縁部材6によって、電極板2と制御回路基板4との間の絶縁性を高めることができる。また、絶縁部材6を厚くすることにより、電極板2から発生した電磁ノイズを効果的に遮蔽できる。
In this example, as shown in FIG. 2, an insulating
In this case, the insulating
また、本例では図2に示すごとく、一対の電極板2のいずれか一方に切欠部5が設けられ、切欠部5に絶縁部材6が取り付けらており、絶縁部材6上に制御回路基板4が設けられている。
このように切欠部5を形成すると、電力変換用半導体装置1の厚みを大きくすることなく絶縁部材6を厚く形成することができる。これにより、電極板2から照射される電磁ノイズを効果的に遮断できるとともに、電力変換用半導体装置1を小型化できる。
In this example, as shown in FIG. 2, a
When the
また、本例では図2、図3に示すごとく、一方の電極板2aはスイッチング素子3のコレクタ端子に接続され、他方の電極板2bはエミッタ端子及びグランドに接続され、制御回路基板4は、コレクタ接続側の電極板2aに設けられている。
コレクタ接続側の電極板2aは、スイッチング素子3の動作に伴って電位が大きく変動し、電磁ノイズが発生しやすい。このコレクタ接続側の電極板2aに制御回路基板4を設けた場合には、本発明の適用によって得られる効果、すなわち、遮蔽手段10を設けて電磁ノイズを遮蔽する効果が特に大きい。
In this example, as shown in FIGS. 2 and 3, one
The potential at the collector connection
すなわち、図3に示すごとく、制御回路基板4を構成する抵抗RやコンデンサC等の素子はグランドに接続されているが、制御回路基板4自体はコレクタと同電位の電極板2a上に配置されている(図2参照)。そのため、素子R,Cは電極板2aとの電位差が大きい。
ここで仮に、絶縁部材6(遮蔽手段10)を設けなかったとすると、制御回路基板4と電極板2aとの間隔が狭くなり、浮遊容量Ca0〜Ca3が大きくなる。そのため、電極板2aの電位変動に伴って生じた電磁ノイズが素子R,Cに入りやすくなる。
従って、本発明のように絶縁部材6(遮蔽手段10)を設け、電極板2aと制御回路基板4との間隔を広げて浮遊容量Ca〜Ca3を小さくすれば、電極板2aから放射される電磁ノイズを遮蔽でき、制御回路基板4の誤動作等を効果的に防止できる。
That is, as shown in FIG. 3, the elements such as the resistor R and the capacitor C constituting the
If the insulating member 6 (shielding means 10) is not provided here, the distance between the
Therefore, if the insulating member 6 (shielding means 10) is provided as in the present invention and the space between the
以上のごとく、本発明によると、より小型化でき、耐ノイズ性能に優れた電力変換用半導体装置1を提供することができる。
As described above, according to the present invention, it is possible to provide the power
(参考例2)
本例は、遮蔽手段10の構成を変更した例である。図7、図8に示すごとく、本例の制御回路基板4は、スイッチング素子3のグランドに接続された金属層45を有し、該金属層45は電極板2aと制御回路基板4上の電子素子46との間に介在することによって、遮蔽手段10をなしている。
すなわち、本例の制御回路基板4は多層プリント配線基板からなり、この多層プリント配線基板を構成する複数の導電層40の中に、少なくとも上記電子素子46が搭載された領域全体にわたって膜状、あるいはメッシュ状に形成された金属層45が形成されている。この金属層45はグランドに接続されている。
その他、参考例1と同様の構成を備える。
( Reference Example 2)
In this example, the configuration of the shielding means 10 is changed. As shown in FIGS. 7 and 8, the
That is, the
In addition, the same configuration as the reference example 1 is provided.
参考例2の作用効果につき説明する。上記構成にすると、金属層45の静電遮蔽効果により、電極板2aの電界を遮蔽することができる。そのため、電極板2aに切欠部を形成したり、絶縁部材を設けたりする必要はなく、金属層45が予め形成された制御回路基板4を電極板2a上に取り付けるだけで、電磁ノイズを低減することが可能となる。
その他、参考例1と同様の作用効果を有する。
The effect of the reference example 2 will be described. With the above configuration, the electric field of the
In addition, the same effects as those of Reference Example 1 are obtained.
(実施例1)
本例は、遮蔽手段10の構成を変更した例である。図9に示すごとく、本例の電力変換用半導体装置1は、電極板2に溝部7が形成され、溝部7内には絶縁部材6が設けられておらず、溝部7上に制御回路基板4が配置されており、溝部7内の空間Sが遮蔽手段10をなしている。
この場合には、溝部7内に絶縁部材6を設ける必要がないため、製造工程を簡単にすることができる。また、溝部7を深く形成するだけで、浮遊容量Caを簡単に減らすことができ、電磁ノイズを低減できる。
その他、参考例1と同様の構成および作用効果を備える。
(Example 1 )
In this example, the configuration of the shielding means 10 is changed. As shown in FIG. 9, in the power
In this case, since it is not necessary to provide the insulating
In addition, the configuration and operational effects similar to those of Reference Example 1 are provided.
(参考例3)
本例は、遮蔽手段10の構成を変更した例である。図10、図11に示すごとく、本例では制御回路基板4をエミッタ接続側の電極板2bに取り付けている。そしてコレクタ接続側の電極板2aに、制御回路基板4よりも面積が小さい小型絶縁部材60と小型金属部材47を積層形成し、小型金属部材47と制御回路基板4を配線48で接続した。また、小型金属部材47とスイッチング素子3とをワイヤ15で接続した。
その他、参考例1と同様の構成を備える。
( Reference Example 3 )
In this example, the configuration of the shielding means 10 is changed. As shown in FIGS. 10 and 11, in this example, the
In addition, the same configuration as the reference example 1 is provided.
参考例3の作用効果につき説明する。本例では、エミッタおよびグランドに接続された電極板2bに制御回路基板4を取り付けたので、制御回路基板4をコレクタ接続側の電極板2aから離して配置することができる。これにより、電極板2aから発生する電磁ノイズの影響を、制御回路基板4が受けにくくなる。
また、エミッタ接続側の電極板2bに制御回路基板4を取り付けた場合、この制御回路基板4とスイッチング素子3とを直接、ワイヤ15で接続するのは比較的困難であるが、図11に示すごとくコレクタ接続側の電極板2aの近傍に小型金属部材47を設けることにより、この小型金属部材47とスイッチング素子3とを簡単にワイヤボンディングできる。
その他、参考例1と同様の作用効果を有する。
The effects of Reference Example 3 will be described. In this example, since the
Further, when the
In addition, the same effects as those of Reference Example 1 are obtained.
1 電力変換用半導体装置
10 遮蔽手段
2a,2b 電極板
3 スイッチング素子
4 制御回路基板
5 切欠部
6 絶縁部材
7 溝部
8 封止部材
DESCRIPTION OF
Claims (3)
上記一対の電極板の間に設けられ、該一対の電極板に各々電気的に接続されたスイッチング素子と、
上記一対の電極板の間に設けられ、上記スイッチング素子を制御する制御回路が形成された制御回路基板とを備え、
上記制御回路基板は、上記一対の電極板のいずれか一方に、電磁ノイズを遮蔽する遮蔽手段を介して取り付けられ、
上記電極板に溝部が形成され、該溝部内には絶縁部材が設けられておらず、該溝部上に上記制御回路基板が配置されており、該溝部内の空間が上記遮蔽手段をなしていることを特徴とする電力変換用半導体装置。 A pair of electrode plates opposed to each other at a predetermined interval;
A switching element provided between the pair of electrode plates and electrically connected to the pair of electrode plates,
A control circuit board provided between the pair of electrode plates and formed with a control circuit for controlling the switching element;
The control circuit board is attached to any one of the pair of electrode plates via shielding means for shielding electromagnetic noise ,
A groove is formed in the electrode plate, no insulating member is provided in the groove, the control circuit board is disposed on the groove, and the space in the groove serves as the shielding means . A power conversion semiconductor device.
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