JP5696628B2 - High pressure module - Google Patents

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Description

本発明は、高圧モジュールに関し、より詳しくは、高圧モジュール内部でゲル状の絶縁物に保護された半導体素子の絶縁保護機構に関するものである。   The present invention relates to a high voltage module, and more particularly to an insulation protection mechanism for a semiconductor element protected by a gel-like insulator inside the high voltage module.

高圧モジュールは、IGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)、 ダイオード、GTO(ゲートターンオフサイリスタ)、 トランジスタ等の高圧半導体素子を絶縁容器に密封して構成される半導体装置である。特に、IGBTは、制御が容易で、かつ、大電流かつ高周波の動作が可能なことから、様々な用途への適用が期待されている。近年、IGBT素子の大容量化に伴い、モジュール内部の高電圧化、及び半導体素子の大型化と多チップ化による高密集化により、モジュール内部の絶縁耐力向上が課題となっている。   The high-voltage module is a semiconductor device configured by sealing high-voltage semiconductor elements such as an IGBT (insulated gate bipolar transistor), a diode, a GTO (gate turn-off thyristor), and a transistor in an insulating container. In particular, the IGBT is expected to be applied to various applications because it is easy to control and can operate at a high current and a high frequency. 2. Description of the Related Art In recent years, with the increase in the capacity of IGBT elements, increasing the internal voltage of the module and increasing the density of semiconductor elements due to the increase in size and the increase in the number of chips have become issues for improving the dielectric strength inside the module.

一般的な高圧モジュールの内部絶縁構造について図12を用いて説明する。図12は、従来の高圧モジュールの構成例を示す模式断面図であり、図12(a)および図12(b)に2つの構成例を示している。   The internal insulation structure of a general high voltage module will be described with reference to FIG. FIG. 12 is a schematic cross-sectional view showing a configuration example of a conventional high-voltage module, and FIG. 12A and FIG. 12B show two configuration examples.

図12(a)に示した高圧モジュール101内部では、最下部からアース板6、裏面金属基板3、アルミナや窒化アルミ等のセラミックスからなる絶縁基板1、半導体素子4への主要機能回路パターンを形成する主要機能回路用表面金属基板部2A、半導体素子4の順で積層され、半導体素子4は接合部材15により主要機能回路用表面金属基板部2Aに接合されている。絶縁基板1、主要機能回路用表面金属基板部2Aおよび裏面金属基板3からなる基板部構造としては熱伝導率向上のためダイレクト接合構造であるDBC(Direct Bond Copper)基板が用いられている。   In the high voltage module 101 shown in FIG. 12A, main functional circuit patterns are formed on the ground plate 6, the back metal substrate 3, the insulating substrate 1 made of ceramics such as alumina and aluminum nitride, and the semiconductor element 4 from the bottom. The main functional circuit surface metal substrate portion 2A and the semiconductor element 4 are stacked in this order, and the semiconductor element 4 is bonded to the main functional circuit surface metal substrate portion 2A by the bonding member 15. A DBC (Direct Bond Copper) substrate, which is a direct bonding structure, is used as the substrate portion structure including the insulating substrate 1, the front surface metal substrate portion 2A for the main functional circuit, and the back surface metal substrate 3 in order to improve thermal conductivity.

図12(a)において、主要機能回路用表面金属基板部2Aは、半導体素子4を搭載する素子搭載用表面金属基板2a,中継用表面金属基板2b,2cからなる。高圧電源201と接続されたモジュール外部端子8はボンディングワイヤ10を介して中継用表面金属電極2bに接続され、さらに、中継用表面金属基板2bはボンディングワイヤ11を介して素子搭載用表面金属基板2aに接続され、この素子搭載用表面金属基板2aに半導体素子4が搭載されている。高圧モジュール101内部は、ゲル状絶縁物5を充填することで、高圧部品周辺の絶縁がなされている。なお、ゲル状絶縁物5としては例えばシリコーンゲルが用いられる。   In FIG. 12A, the main functional circuit surface metal substrate portion 2A includes an element mounting surface metal substrate 2a on which the semiconductor element 4 is mounted and relay surface metal substrates 2b and 2c. The module external terminal 8 connected to the high voltage power source 201 is connected to the relay surface metal electrode 2b via the bonding wire 10, and the relay surface metal substrate 2b is connected to the element mounting surface metal substrate 2a via the bonding wire 11. The semiconductor element 4 is mounted on the element mounting surface metal substrate 2a. The inside of the high voltage module 101 is filled with the gel insulator 5 to insulate the periphery of the high voltage component. As the gel insulator 5, for example, a silicone gel is used.

図12(b)に示した高圧モジュール101Aは、全体構造としては図12(a)の高圧モジュール101と類似しているが、絶縁基板1の表面上に設けられる主要機能回路用表面金属基板部が素子搭載用表面金属基板2aだけから構成されている点で異なっている。そして、高圧モジュール101Aでは、高圧電源201と接続されたモジュール外部端子8はボンディングワイヤ10を介して直接的に素子搭載用表面金属電極2aに接続されている。   The high-voltage module 101A shown in FIG. 12B is similar to the high-voltage module 101 shown in FIG. 12A in terms of the overall structure, but the main functional circuit surface metal substrate portion provided on the surface of the insulating substrate 1. Is different from the element mounting surface metal substrate 2a only. In the high voltage module 101A, the module external terminal 8 connected to the high voltage power supply 201 is directly connected to the element mounting surface metal electrode 2a via the bonding wire 10.

高圧モジュールにおいて、ゲル状絶縁物5、特にシリコーンゲルを絶縁に用いる理由としては、ある程度の機械強度を保持しつつ、温度変化や振動等による機械応力がボンディングワイヤ10,11,12などに加わらないように変形可能である(すなわち低弾性率である)ことが挙げられる。しかしながら、シリコーンゲル自体は通常の固体絶縁物に比べて、初期状態での絶縁耐圧が低く、部分放電(以下「PD」(Partial discharge)とも称する)の発生に伴い即座に絶縁性能が低下するという欠点を持つ。後者の原因は、シリコーンゲル中では部分放電発生によりシリコーンゲルと絶縁基板との界面上で空隙が生じて、その空隙部が新たな絶縁欠陥となるためである。この空隙部で持続的に部分放電が発生すると、最終的には絶縁破壊に至る。   In the high-voltage module, the reason why the gel-like insulator 5, particularly silicone gel is used for insulation is that mechanical stress due to temperature change or vibration is not applied to the bonding wires 10, 11, 12, etc. while maintaining a certain degree of mechanical strength. It can be deformed (that is, it has a low elastic modulus). However, the silicone gel itself has a lower withstand voltage in the initial state than a normal solid insulator, and the insulation performance immediately decreases with the occurrence of partial discharge (hereinafter also referred to as “PD” (Partial discharge)). Has drawbacks. The latter is because, in the silicone gel, a void is generated on the interface between the silicone gel and the insulating substrate due to the occurrence of partial discharge, and the void becomes a new insulation defect. If partial discharge is continuously generated in the gap, the dielectric breakdown is finally reached.

このような高圧モジュールの絶縁保護技術としては、(1)基板配置の最適化、(2)高圧部のコーティング、(3)充填用ゲル状絶縁物材料の最適化、の対策技術が提案されている。それらの例を下記に示す。   As such high voltage module insulation protection technology, (1) optimization of substrate arrangement, (2) high voltage coating, and (3) optimization of gel-like insulator material for filling have been proposed. Yes. Examples of these are shown below.

(1)基板配置の最適化(特許文献1参照)。
特許文献1に開示されている構成では、絶縁基板の表面と裏面とに設置された金属基板について、金属基板端部から絶縁基板端部までの距離を表裏金属基板で一致させる構造を用いている。この構造を用いることで、金属基板端部の電界集中度が緩和されるため、部分放電開始電圧及び絶縁破壊電圧が上昇するという効果を奏する。
(1) Optimization of substrate arrangement (see Patent Document 1).
The configuration disclosed in Patent Document 1 uses a structure in which the distance from the end of the metal substrate to the end of the insulating substrate is matched between the front and back metal substrates for the metal substrates installed on the front and back surfaces of the insulating substrate. . By using this structure, since the electric field concentration at the end of the metal substrate is relaxed, there is an effect that the partial discharge start voltage and the dielectric breakdown voltage are increased.

(2)高圧部のコーティング(特許文献2参照)。
特許文献2に開示されている構成では、絶縁基板端部を樹脂によりコーティングした上で、シリコーンゲルを充填させている。この構造により、絶縁基板端部はシリコーンゲルよりも絶縁耐圧の高い樹脂で保護されることになる。さらに、コーティングする樹脂の誘電率をシリコーンゲルよりも高くすれば、絶縁基板端部の電界強度自体も低下させることが出来る。以上のような作用により、部分放電開始電圧及び絶縁破壊電圧が上昇するという効果を奏する。
(2) Coating of the high pressure part (see Patent Document 2).
In the configuration disclosed in Patent Document 2, the end portion of the insulating substrate is coated with a resin and then filled with silicone gel. With this structure, the end portion of the insulating substrate is protected with a resin having a higher withstand voltage than silicone gel. Furthermore, if the dielectric constant of the resin to be coated is made higher than that of the silicone gel, the electric field strength itself at the edge of the insulating substrate can be lowered. With the above operation, the partial discharge start voltage and the dielectric breakdown voltage are increased.

(3)充填用ゲル状絶縁物材料の最適化(特許文献3参照)。
特許文献3に開示されている構成では、ベースポリマーの重量平均分子量が30000〜40000であるシリコーンゲルを使用している。重量平均分子量が30000未満であると、強度が不足してボイドやクラックが発生しやすくなり、40000を超えると粘度が高くなって作業性が劣るようになる。以上のような作用から、絶縁欠陥が生じにくいシリコーンゲルを使用することで、絶縁性能(部分放電開始電圧, 絶縁破壊電圧)が上昇するという効果を奏する。
(3) Optimization of the gel-like insulating material for filling (see Patent Document 3).
In the configuration disclosed in Patent Document 3, a silicone gel whose base polymer has a weight average molecular weight of 30000 to 40000 is used. If the weight average molecular weight is less than 30000, the strength is insufficient and voids and cracks are likely to occur, and if it exceeds 40000, the viscosity increases and the workability becomes poor. From the above-described actions, the use of silicone gel that is less likely to cause insulation defects produces an effect that the insulation performance (partial discharge start voltage, dielectric breakdown voltage) increases.

特開2001−332823号公報JP 2001-332823 A 特開2000−91472号公報JP 2000-91472 A 特開2010−34151号公報JP 2010-34151 A

上述した従来技術は、高圧モジュール内部で部分放電を発生させないことにより絶縁破壊を防止する技術であり、部分放電発生後に絶縁破壊を防止する技術ではない。上述のように、シリコーンゲルなどのゲル状絶縁物では部分放電発生により絶縁劣化部(空隙)が生じ、その後はこの絶縁劣化部が新たな絶縁欠陥となり、絶縁性能を即座に低下させる。つまり、瞬時的な高電圧、衝撃、加熱等の突発事象やゲル物性の経時変化により部分放電が一度でも発生したモジュールは、電圧レベルが低下しても部分放電が発生し続ける可能性があり、そのまま使用し続けると最終的には絶縁破壊にまで至る可能性がある。   The above-described prior art is a technique for preventing dielectric breakdown by not generating partial discharge inside the high-voltage module, and is not a technique for preventing dielectric breakdown after the occurrence of partial discharge. As described above, in a gel-like insulator such as silicone gel, an insulation deterioration portion (void) is generated due to the occurrence of partial discharge, and thereafter, this insulation deterioration portion becomes a new insulation defect, and the insulation performance is immediately reduced. In other words, a module in which partial discharge occurred even once due to sudden events such as instantaneous high voltage, impact, heating, etc. or changes in gel properties over time may cause partial discharge even if the voltage level decreases, If it continues to be used as it is, there is a possibility of eventually leading to dielectric breakdown.

このため、本発明は、高圧モジュール内のゲル状絶縁物中で発生した部分放電などを検出し、高圧モジュールの主要機能回路における絶縁破壊を未然に防ぐための機構を備えた高圧モジュールを提供することを目的とする。   For this reason, the present invention provides a high voltage module having a mechanism for detecting a partial discharge generated in a gel-like insulator in the high voltage module and preventing dielectric breakdown in the main functional circuit of the high voltage module. For the purpose.

上記目的を達成するために、本発明者は、上述の例えば図12(a)に示したような、絶縁基板1の表面および裏面にそれぞれ主要機能回路用表面金属基板部2Aおよび裏面金属基板3が接合され、主要機能回路用表面金属基板部2Aのうち素子搭載用表面金属基板2aには半導体素子4が搭載されるとともに、素子搭載用表面金属基板2aおよび裏面金属基板3はそれぞれ高圧電源および接地電位に接続され、絶縁基板1、主要機能回路用表面金属基板部2A、裏面金属基板3および半導体素子4がゲル状絶縁物5で封止された高圧モジュールにおける部分放電の発生機構について検討した。   In order to achieve the above object, the present inventor, on the surface and the back surface of the insulating substrate 1 as shown in FIG. And the semiconductor element 4 is mounted on the element mounting surface metal substrate 2a of the main functional circuit surface metal substrate portion 2A, and the element mounting surface metal substrate 2a and the back metal substrate 3 are respectively connected to a high-voltage power source and A mechanism for generating partial discharge in a high voltage module in which the insulating substrate 1, the front surface metal substrate portion 2A for the main functional circuit, the back surface metal substrate 3 and the semiconductor element 4 are sealed with the gel insulator 5 was connected to the ground potential. .

図1は、高圧モジュールにおけるゲル状絶縁物中での部分放電発生箇所を示す模式断面図である。図1には、絶縁基板1の表面および裏面にそれぞれ表面金属基板2および裏面金属基板3が接合され、表面金属基板2には接合部材15を介して半導体素子4が搭載されるとともに、裏面金属基板3は少なくとも裏面金属基板3よりも外周側まで延在するアース板6に接合され、絶縁基板1、表面金属基板2、裏面金属基板3および半導体素子4がゲル状絶縁物5で封止された高圧モジュール101Bを示している。高圧モジュール101Bにおける表面金属基板2に搭載された半導体素子4にはボンディングワイヤ13を介して図示されない高圧電源が接続される。   FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a location where partial discharge occurs in a gel-like insulator in a high-voltage module. In FIG. 1, a front surface metal substrate 2 and a back surface metal substrate 3 are bonded to the front surface and the back surface of an insulating substrate 1, respectively, and a semiconductor element 4 is mounted on the front surface metal substrate 2 via a bonding member 15. The substrate 3 is bonded to a ground plate 6 extending to at least the outer peripheral side of the back surface metal substrate 3, and the insulating substrate 1, the front surface metal substrate 2, the back surface metal substrate 3, and the semiconductor element 4 are sealed with a gel insulator 5. A high-pressure module 101B is shown. A high voltage power supply (not shown) is connected to the semiconductor element 4 mounted on the surface metal substrate 2 in the high voltage module 101B through the bonding wire 13.

高圧モジュール101Bのゲル状絶縁物5中では、図1に示す、ボンディングワイヤ13周辺(A1部)、表面金属基板2と絶縁基板1とゲル状絶縁物5との交点(三重点)(A2部)、裏面金属基板3と絶縁基板1とゲル状絶縁物5との交点(三重点)(A3部)で電界集中が起き、これらが主な部分放電の発生起点となる。このうち、ボンディングワイヤ13周辺(A1部)は、高電圧となるワイヤ13周辺に接地電位部がないことから、絶縁破壊にまで進展する可能性は小さい。また、裏面金属基板3と絶縁基板4とゲル状絶縁物5との交点(三重点)(A3部)は、裏面金属基板3自体が接地電位であることから、絶縁破壊にまで進展する可能性は小さい。そのため、高圧モジュールの絶縁破壊原因としては特に、表面金属基板2と絶縁基板1とゲル状絶縁物5との交点(三重点)(A2部)の部位から発生する部分放電に着目する必要がある。   In the gel-like insulator 5 of the high-voltage module 101B, as shown in FIG. 1, the periphery of the bonding wire 13 (A1 portion), the intersection of the surface metal substrate 2, the insulating substrate 1, and the gel-like insulator 5 (triple point) (A2 portion) ), Electric field concentration occurs at the intersection (triple point) (part A3) of the back metal substrate 3, the insulating substrate 1, and the gel insulator 5, and these are the main starting points of partial discharge. Of these, the periphery of the bonding wire 13 (A1 portion) has no ground potential portion around the wire 13 that becomes a high voltage, and therefore, the possibility of progressing to dielectric breakdown is small. In addition, the intersection (triple point) (part A3) of the back metal substrate 3, the insulating substrate 4, and the gel insulator 5 is likely to progress to dielectric breakdown because the back metal substrate 3 itself is at ground potential. Is small. Therefore, as a cause of dielectric breakdown of the high voltage module, it is particularly necessary to pay attention to partial discharge generated from the intersection (triple point) (part A2) of the surface metal substrate 2, the insulating substrate 1, and the gel insulator 5. .

検討対象を、金属基板周辺の表面金属基板2と絶縁基板1とゲル状絶縁物5との交点(三重点)(A2部)、裏面金属基板3と絶縁基板1とゲル状絶縁物5との交点(三重点)(A3部)に絞って考えると、金属基板の接合及び基板周辺のバリ除去が充分に行われている場合、金属基板周辺であって電界強度が最大となる箇所が部分放電発生箇所となる。   The object of examination is the intersection (triple point) (part A2) of the surface metal substrate 2, the insulating substrate 1 and the gel insulator 5 around the metal substrate, the back metal substrate 3, the insulating substrate 1 and the gel insulator 5 Focusing on the intersection (triple point) (part A3), if the bonding of the metal substrate and the removal of burrs around the substrate are sufficiently performed, the portion around the metal substrate where the electric field strength is maximum is the partial discharge. It becomes an occurrence point.

この表面金属基板2と絶縁基板1とゲル状絶縁物5との交点(三重点)(A2部)、および裏面金属基板3と絶縁基板1とゲル状絶縁物5との交点(三重点)(A3部)で発生した部分放電をセンサにより直接検出することは困難である。その理由として、音や光によるセンサの場合、部分放電発生の可能性が有る部位が金属基板全周にわたるため、センサを広範囲に取り付けなければならないこと、電気的なセンサの場合、半導体素子の通常動作により流れる電流が高周波かつ大電流であるため、部分放電の微細な高周波電流の弁別検出が困難であること、が挙げられる。   Intersection (triple point) of this surface metal substrate 2, insulating substrate 1 and gel insulator 5 (part A2), and intersection (triple point) of back metal substrate 3, insulating substrate 1 and gel insulator 5 (triple point) ( It is difficult to directly detect the partial discharge generated in (A3 part) with a sensor. The reason for this is that in the case of a sensor based on sound or light, there is a possibility that partial discharge occurs over the entire circumference of the metal substrate, so the sensor must be mounted over a wide area. Since the current flowing by the operation is a high frequency and a large current, it is difficult to detect the discrimination of the minute high frequency current of the partial discharge.

そこで、本発明では、高圧モジュールを例えば図2に示すように構成する。図2は、本発明による高圧モジュールの基本構成を例示する模式断面図である。図2に示したように、高圧モジュール101Cにおいて、絶縁基板1の表面に主要機能回路用表面金属基板部として素子搭載用表面金属基板2aを接合するとともに素子搭載用表面金属基板2aには接合部材15を介して半導体素子4を配置し、絶縁基板1の裏面に裏面金属基板3を接合するとともに裏面金属基板3は接地電位に接続して構成した主要機能基板部102を備えるとともに、更に主要機能基板部102とは別に部分放電発生用基板部103を設けている。また、高圧モジュール101C内部は、ゲル状絶縁物5を充填することで、高圧部品周辺の絶縁がなされている。   Therefore, in the present invention, the high voltage module is configured as shown in FIG. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view illustrating the basic configuration of a high-pressure module according to the present invention. As shown in FIG. 2, in the high voltage module 101C, the element mounting surface metal substrate 2a is bonded to the surface of the insulating substrate 1 as the main functional circuit surface metal substrate portion, and the element mounting surface metal substrate 2a is bonded to the bonding member. 15, the semiconductor element 4 is disposed, the back surface metal substrate 3 is bonded to the back surface of the insulating substrate 1, and the back surface metal substrate 3 includes a main function substrate portion 102 configured to be connected to the ground potential. In addition to the substrate unit 102, a partial discharge generating substrate unit 103 is provided. Further, the inside of the high voltage module 101 </ b> C is filled with the gel insulator 5 to insulate the periphery of the high voltage component.

なお、図2に示した高圧モジュール101Cは、主要機能基板部102における絶縁基板1の表面上に設けられる主要機能回路用表面金属基板部が素子搭載用表面金属基板2aだけから構成されている点で、上述の図12(b)に示した高圧モジュール101Aと対応している。一方、主要機能基板部102における絶縁基板1の表面には、素子搭載用表面金属基板2a以外にも、他の金属基板、例えば図12(a)におけるような中継用表面金属基板2b,2cなどが設けられる場合も有り、その場合は、素子搭載用表面金属基板2aと他の表面金属基板とから主要機能回路用表面金属基板部が構成される。   In the high-voltage module 101C shown in FIG. 2, the main functional circuit surface metal substrate portion provided on the surface of the insulating substrate 1 in the main functional substrate portion 102 is composed of only the element mounting surface metal substrate 2a. This corresponds to the high voltage module 101A shown in FIG. On the other hand, on the surface of the insulating substrate 1 in the main functional substrate 102, in addition to the element mounting surface metal substrate 2a, other metal substrates such as relay surface metal substrates 2b and 2c as shown in FIG. May be provided, in which case the surface metal substrate portion for the main functional circuit is constituted by the element-mounting surface metal substrate 2a and the other surface metal substrate.

図2において、主要機能基板部102における素子搭載用表面金属基板2aにはボンディングワイヤ10を介して高圧電源201が接続されており、主要機能基板部102において素子搭載用表面金属基板2aが最も電位の高い導体部となっている。また、部分放電発生用基板部103にも高圧電源201からの電圧が印加されるようにしている。なお、高圧電源201からは例えば1700V程度以上の高電圧が印加されるが、高圧電源201からの印加電圧の電圧レベルはこれに限定されるものではない。   In FIG. 2, a high-voltage power supply 201 is connected to the element mounting surface metal substrate 2 a in the main functional board portion 102 via the bonding wire 10, and the element mounting surface metal substrate 2 a has the highest potential in the main function board portion 102. It is a high conductor part. Further, the voltage from the high-voltage power supply 201 is also applied to the partial discharge generating substrate unit 103. Note that a high voltage of, for example, about 1700 V or more is applied from the high voltage power supply 201, but the voltage level of the applied voltage from the high voltage power supply 201 is not limited to this.

部分放電発生用基板部103は、絶縁基板103aの表面に表面金属基板103bを接合するとともに絶縁基板103aの裏面に裏面金属基板103cを接合して構成されている。表面金属基板103b側には部分放電検出機構103dが配置され、裏面金属基板103cはアース板6に接続される。そして、部分放電発生用基板部103における表面金属基板103bにはボンディングワイヤ14を介して高圧電源201が接続される。   The partial discharge generating substrate unit 103 is configured by bonding the front surface metal substrate 103b to the surface of the insulating substrate 103a and bonding the back surface metal substrate 103c to the back surface of the insulating substrate 103a. A partial discharge detection mechanism 103 d is arranged on the front surface metal substrate 103 b side, and the back surface metal substrate 103 c is connected to the ground plate 6. The high-voltage power supply 201 is connected to the surface metal substrate 103 b in the partial discharge generating substrate portion 103 through the bonding wire 14.

なお、部分放電発生用基板部103における部分放電検出機構103dの配置構成は、図2のような、表面金属基板103b上に搭載する構成に限定されるものではない。
また、部分放電発生用基板部103の絶縁基板103aは、主要機能基板部102の絶縁基板1と、図2のように別の構成部材であってもよく、一体の構成部材であってもよい。また、部分放電発生用基板部103の裏面金属基板103cも、主要機能基板部102の裏面金属基板3と、図2のように別の構成部材であってもよく、一体の構成部材であってもよい。一方、部分放電発生用基板部103の表面金属基板103bは主要機能基板部102における素子搭載用表面金属基板2aを含む主要機能回路用表面金属基板部とは電気的に分離された別体の構成部材とする。
In addition, the arrangement configuration of the partial discharge detection mechanism 103d in the partial discharge generation substrate unit 103 is not limited to the configuration mounted on the surface metal substrate 103b as shown in FIG.
Further, the insulating substrate 103a of the partial discharge generating substrate unit 103 may be a separate component as shown in FIG. 2 with the insulating substrate 1 of the main functional substrate unit 102, or may be an integral component. . In addition, the back surface metal substrate 103c of the partial discharge generating substrate portion 103 may be a separate component member as shown in FIG. 2 with the back surface metal substrate 3 of the main functional substrate portion 102, or an integral component member. Also good. On the other hand, the surface metal substrate 103b of the partial discharge generating substrate portion 103 is a separate structure electrically separated from the main functional circuit surface metal substrate portion including the element mounting surface metal substrate 2a in the main functional substrate portion 102. A member.

部分放電発生用基板部103における最大電界強度は主要機能基板部102における最大電界強度よりも10〜30%程度大きくなるように設計しておき、部分放電発生用基板部103で発生した部分放電を部分放電検出機構103dにより検出する。部分放電発生用基板部103で部分放電が発生し、部分放電検出機構103dにより検出された時点で、部分放電検出機構103dからの部分放電検出信号に基づき、例えば高圧モジュール101Cが装着された電力変換装置などのシステム側で警報(アラーム)を発し、当該高圧モジュール101Cの新品への取替えによりシステムへの影響を防止するなどの対策を行うことができる。   The maximum electric field strength in the partial discharge generating substrate portion 103 is designed to be about 10 to 30% larger than the maximum electric field strength in the main functional substrate portion 102, and the partial discharge generated in the partial discharge generating substrate portion 103 is reduced. Detection is performed by the partial discharge detection mechanism 103d. When partial discharge occurs in the partial discharge generating substrate 103 and is detected by the partial discharge detection mechanism 103d, based on the partial discharge detection signal from the partial discharge detection mechanism 103d, for example, power conversion in which the high voltage module 101C is mounted It is possible to take measures such as issuing an alarm on the system side such as an apparatus and preventing the influence on the system by replacing the high-voltage module 101C with a new one.

次に、本発明における「部分放電発生用基板部」について更に説明する。
部分放電発生用基板部103では、上述のように最大電界強度を主要機能基板部102における最大電界強度よりも10〜30%程度大きくする必要がある。このため、主要機能基板部102では、例えば、三重点の最大電界値が最小になるように表面金属基板の端部と裏面金属基板の端部との位置が一致するように構成する。
Next, the “partial discharge generating substrate portion” in the present invention will be further described.
In the partial discharge generating substrate unit 103, the maximum electric field strength needs to be larger by about 10 to 30% than the maximum electric field strength in the main functional substrate unit 102 as described above. For this reason, the main functional substrate unit 102 is configured such that, for example, the positions of the end portions of the front surface metal substrate and the back surface metal substrate coincide with each other so that the maximum electric field value at the triple point is minimized.

図3〜4は、表面金属基板2と裏面金属基板3の少なくともいずれかの端部位置を変化させた場合の電界強度変化を例示する模式断面図である。ここで、1は絶縁基板、2は表面金属基板、3は裏面金属基板、6はアース板である。図3に示したように表面金属基板2又は裏面金属基板3の端部位置を互いにずらすことで、最大電界強度は変化する。例えば、図3(a)のように表面金属基板2と裏面金属基板3の端部位置を一致させた状態での端部位置を基準位置とした場合に、図3(b)のように表面金属基板2の端部位置を基準位置より端部側に突出させれば、表面側の電界強度は低下し、裏面側の電界強度は上昇する。図3(c)のように裏面金属基板3の端部位置を基準位置より端部側に突出させれば、表面側の電界強度が上昇し、裏面側の電界強度が低下する。   3 to 4 are schematic cross-sectional views illustrating the change in electric field strength when the position of at least one of the front surface metal substrate 2 and the back surface metal substrate 3 is changed. Here, 1 is an insulating substrate, 2 is a front surface metal substrate, 3 is a back surface metal substrate, and 6 is a ground plate. As shown in FIG. 3, the maximum electric field strength is changed by shifting the end positions of the front surface metal substrate 2 or the back surface metal substrate 3 from each other. For example, when the end position in the state where the end positions of the front surface metal substrate 2 and the back surface metal substrate 3 are matched as shown in FIG. 3A is set as the reference position, the front surface as shown in FIG. If the end position of the metal substrate 2 is protruded from the reference position to the end side, the electric field strength on the front surface side decreases and the electric field strength on the back surface side increases. If the end position of the back surface metal substrate 3 protrudes from the reference position to the end side as shown in FIG. 3C, the electric field strength on the front surface side increases and the electric field strength on the back surface side decreases.

また、図4に示したように表面金属基板2と裏面金属基板3の端部位置を一致させた状態では、絶縁基板1の誘電率がゲル状絶縁物5よりも大きい場合は、表面金属基板2と絶縁基板1とゲル状絶縁物5との交点(三重点)、裏面金属基板3と絶縁基板1とゲル状絶縁物5との交点(三重点)での各電界強度は、図4(a)の基準位置に対して、図4(b)のように絶縁基板1を長くして端部までの距離が長くなれば低下し、図4(c)のように絶縁基板1を短くして端部までの距離が短くなれば上昇する。そして、絶縁基板1がアルミナや窒化アルミ等のセラミックスから形成されているとともに、ゲル状絶縁物5としてシリコーンゲルが用いられている構成では、アルミナの比誘電率が約8.3であり、窒化アルミの比誘電率が約8.8であるのに対して、シリコーンゲルの比誘電率が約2.9であることから、上述の場合に相当する。   As shown in FIG. 4, in the state where the end metal positions of the front surface metal substrate 2 and the back surface metal substrate 3 are matched, if the dielectric constant of the insulating substrate 1 is larger than that of the gel insulator 5, the front surface metal substrate The electric field strengths at the intersection (triple point) of 2, insulating substrate 1 and gel insulator 5 and at the intersection (triple point) of backside metal substrate 3, insulating substrate 1 and gel insulator 5 are shown in FIG. With respect to the reference position of a), when the insulating substrate 1 is lengthened as shown in FIG. 4B and the distance to the end portion is increased, the distance is lowered, and as shown in FIG. 4C, the insulating substrate 1 is shortened. As the distance to the edge becomes shorter, it rises. In the configuration in which the insulating substrate 1 is made of ceramics such as alumina or aluminum nitride, and the silicone gel is used as the gel-like insulator 5, the relative dielectric constant of alumina is about 8.3. The relative permittivity of aluminum is about 8.8, whereas the relative permittivity of silicone gel is about 2.9, which corresponds to the above case.

一方、図4において、絶縁基板1の誘電率がゲル状絶縁物5よりも小さい場合は、上述の場合とは逆に、表面金属基板2と絶縁基板1とゲル状絶縁物5との交点(三重点)、裏面金属基板3と絶縁基板1とゲル状絶縁物5との交点(三重点)での各電界強度は、図4(a)の基準位置に対して、図4(b)のように絶縁基板1を長くして端部までの距離が長くなれば上昇し、図4(c)のように絶縁基板1を短くして端部までの距離が短くなれば低下する。   On the other hand, in FIG. 4, when the dielectric constant of the insulating substrate 1 is smaller than that of the gel-like insulator 5, contrary to the above case, the intersection of the surface metal substrate 2, the insulating substrate 1 and the gel-like insulator 5 ( 3), each electric field strength at the intersection (triple point) of the back metal substrate 3, the insulating substrate 1 and the gel insulator 5 is as shown in FIG. 4B with respect to the reference position of FIG. In this way, if the insulating substrate 1 is lengthened and the distance to the end portion becomes long, it rises, and if the insulating substrate 1 is shortened and the distance to the end portion becomes short as shown in FIG.

このように、表面金属基板2と裏面金属基板3の位置を調整することで部分放電発生用基板部103の最大電界強度を任意に設定することができる。
「部分放電発生用基板部」において部分放電を発生させて検出する方式としては、大きく分けて2つの方式がある。第1の方式は、部分放電発生用基板部103における裏面金属基板側で絶縁破壊に至りにくい部分放電を発生させて、発生した部分放電をセンサで検出する方式である。第2の方式は、部分放電発生用基板部103における表面金属基板側で絶縁破壊に至りやすい部分放電を発生させて、部分放電発生用基板部での短絡をセンサで検出する方式である。上記2つの方式に対応した部分放電発生用基板部の具体的構造について説明する。
Thus, by adjusting the positions of the front surface metal substrate 2 and the back surface metal substrate 3, the maximum electric field strength of the partial discharge generating substrate portion 103 can be arbitrarily set.
There are roughly two methods for generating and detecting a partial discharge in the “partial discharge generating substrate”. The first method is a method in which a partial discharge that is unlikely to cause dielectric breakdown is generated on the back metal substrate side in the partial discharge generation substrate unit 103, and the generated partial discharge is detected by a sensor. The second method is a method in which a partial discharge that tends to cause dielectric breakdown is generated on the surface metal substrate side in the partial discharge generation substrate unit 103, and a short circuit in the partial discharge generation substrate unit is detected by a sensor. A specific structure of the partial discharge generating substrate portion corresponding to the above two methods will be described.

(本発明の構成)
本発明によれば、半導体素子への主要機能回路パターンを形成する主要機能回路用表面金属基板部が絶縁基板の表面に接合されるとともに、接地電位とされる裏面金属基板が前記絶縁基板の裏面に接合され、前記絶縁基板、前記主要機能回路用表面金属基板部、前記裏面金属基板および前記半導体素子がゲル状絶縁物で封止された高圧モジュールにおいて、 前記絶縁基板に主要機能回路用領域と部分放電発生用領域とを設け、前記絶縁基板の主要機能回路用領域の表面に前記主要機能回路用表面金属基板部を配設するとともに、前記絶縁基板の部分放電発生用領域の表面に前記主要機能回路用表面金属基板部とは分離して部分放電発生用表面金属基板を配設し、前記主要機能回路用表面金属基板部と、前記絶縁基板の主要機能回路用領域と、前記裏面金属基板のうち前記絶縁基板の主要機能回路用領域の裏面に配置されている部分とから、主要機能基板部を構成するとともに、前記部分放電発生用表面金属基板と、前記絶縁基板の部分放電発生用領域と、前記裏面金属基板のうち前記絶縁基板の部分放電発生用領域の裏面に配置されている部分とから、部分放電発生用基板部を構成し、前記部分放電発生用表面金属基板の電位は、前記主要機能回路用表面金属基板部のうち最も高い電位となる高電位表面金属基板と同電位とし、前記高電位表面金属基板、前記部分放電発生用表面金属基板および前記裏面金属基板の各端部と前記絶縁基板の端部とのそれぞれの距離同士の関係を、前記部分放電発生用基板部における最大電界強度が前記主要機能基板部における最大電界強度よりも大きくなるように設定し、前記部分放電発生用基板部で発生する部分放電または短絡を検出する手段を設けた構成とする(請求項1の発明)。
(Configuration of the present invention)
According to the present invention, the main functional circuit surface metal substrate portion for forming the main functional circuit pattern on the semiconductor element is bonded to the surface of the insulating substrate, and the back surface metal substrate to be grounded is the back surface of the insulating substrate. A high-voltage module in which the insulating substrate, the front surface metal substrate portion for the main functional circuit, the back surface metal substrate, and the semiconductor element are sealed with a gel-like insulator; A partial discharge generation region, the main functional circuit surface metal substrate portion is disposed on a surface of the main functional circuit region of the insulating substrate, and the main discharge circuit is provided on the surface of the partial discharge generation region of the insulating substrate. A surface metal substrate for partial discharge generation is disposed separately from the surface metal substrate portion for functional circuit, the surface metal substrate portion for main function circuit, and the region for main function circuit of the insulating substrate, A portion of the back surface metal substrate that is disposed on the back surface of the main functional circuit region of the insulating substrate constitutes a main function substrate portion, and the partial discharge generating surface metal substrate and a portion of the insulating substrate A partial discharge generating substrate portion is constituted by a discharge generating region and a portion of the back metal substrate disposed on the back surface of the partial discharge generating region of the insulating substrate, and the partial discharge generating surface metal substrate. Is the same potential as the high potential surface metal substrate which is the highest potential among the surface metal substrate parts for the main functional circuit, and the high potential surface metal substrate, the partial metal substrate for generating a partial discharge, and the back metal substrate The maximum electric field strength in the partial discharge generating substrate portion is larger than the maximum electric field strength in the main functional substrate portion. Set Kunar so, a structure in which a means for detecting the partial discharge or short-circuit occurring in the partial discharge generating substrate portion (first aspect of the present invention).

上記請求項1の発明によれば、主要機能基板部に比べて最大電界強度をより大きくした部分放電発生用基板部で発生する部分放電または短絡を検出するようにしていることにより、この部分放電または短絡の検出結果に基づき、当該高圧モジュールの主要機能回路における絶縁破壊が発生する前に、当該高圧モジュールの新品への取替えなどの対策を行うことができるので、電力変換装置などのシステムにおける使用状態にある高圧モジュールの主要機能回路における絶縁破壊を未然に防止することができるようになる。   According to the first aspect of the present invention, the partial discharge or short circuit generated in the partial discharge generating substrate portion having the maximum electric field strength larger than that of the main functional substrate portion is detected. Or, based on the detection result of the short-circuit, measures such as replacement of the high-voltage module with a new one can be taken before dielectric breakdown occurs in the main functional circuit of the high-voltage module. It becomes possible to prevent dielectric breakdown in the main functional circuit of the high-voltage module in the state.

次に、上記請求項1に記載の高圧モジュールにおいて、前記部分放電発生用表面金属基板の端部の位置は前記絶縁基板を挟んで対向する前記裏面金属基板の端部に対して絶縁基板端部側により突出した位置とし、前記裏面金属基板側で発生する部分放電を検出する部分放電検出手段を設けた構成とする(請求項2の発明)。   Next, in the high voltage module according to claim 1, the position of the end portion of the surface metal substrate for generating partial discharge is an end portion of the insulating substrate with respect to the end portion of the back surface metal substrate facing the insulating substrate. It is set as the position which protruded by the side, and was provided with the partial discharge detection means which detects the partial discharge which generate | occur | produces in the said back surface metal substrate side (Invention of Claim 2).

次に、上記請求項1に記載の高圧モジュールにおいて、前記絶縁基板は前記ゲル状絶縁物よりも大きな比誘電率を有する材料からなり、前記部分放電発生用表面金属基板の端部の位置は前記絶縁基板を挟んで対向する前記裏面金属基板の端部と一致した位置とするとともに、前記部分放電発生用表面金属基板の端部と前記絶縁基板の端部との距離は前記絶縁基板の表面に接合される全ての金属基板のうちで最も短い距離とし、前記部分放電発生用表面金属基板側で発生する部分放電に伴い生じる前記部分放電発生用表面金属基板と前記裏面金属基板との間の短絡を検出する短絡検出手段を設けた構成とする(請求項3の発明)。   Next, in the high voltage module according to claim 1, the insulating substrate is made of a material having a relative dielectric constant larger than that of the gel-like insulator, and the position of the end portion of the partial discharge generating surface metal substrate is The distance between the end portion of the surface metal substrate for generating partial discharge and the end portion of the insulating substrate is the same as the position of the end portion of the backside metal substrate facing each other across the insulating substrate. The shortest distance between the surface metal substrate for partial discharge generation and the back metal substrate that is generated along with the partial discharge generated on the side of the surface metal substrate for partial discharge generation with the shortest distance among all the metal substrates to be bonded. A short-circuit detecting means for detecting the above is provided (invention of claim 3).

次に、請求項2に記載の高圧モジュールにおいて、前記部分放電検出手段として、前記部分放電に伴い発生する電流を検出する電流検出素子を備えた電流式部分放電センサを設けたこと構成とする(請求項4の発明)。   Next, in the high-voltage module according to claim 2, a current-type partial discharge sensor provided with a current detection element for detecting a current generated in association with the partial discharge is provided as the partial discharge detection means ( Invention of Claim 4).

次に、請求項2に記載の高圧モジュールにおいて、前記部分放電検出手段として、前記部分放電に伴い発生する音を検出する音検出素子を備えた音響式部分放電センサを設けた構成とする(請求項5の発明)。   Next, in the high voltage module according to claim 2, an acoustic partial discharge sensor provided with a sound detection element for detecting a sound generated with the partial discharge is provided as the partial discharge detection means. Item 5).

次に、請求項2に記載の高圧モジュールにおいて、前記部分放電検出手段として、前記部分放電に伴い発生する光を検出する光検出素子を備えた光式部分放電センサを設けたこと構成とする(請求項6の発明)。   Next, in the high voltage module according to claim 2, an optical partial discharge sensor including a light detection element that detects light generated by the partial discharge is provided as the partial discharge detection unit ( Invention of Claim 6).

次に、請求項3に記載の高圧モジュールにおいて、前記短絡検出手段として、前記短絡による電流が通流する抵抗と、前記抵抗の両端の電位差を計測する電位差計測回路部とを備えた短絡センサを設けた構成とする(請求項7の発明)。   Next, in the high-voltage module according to claim 3, a short-circuit sensor including a resistor through which a current caused by the short-circuit flows and a potential difference measurement circuit unit that measures a potential difference between both ends of the resistor are used as the short-circuit detection unit. It is set as the structure provided (invention of Claim 7).

次に、請求項7に記載の高圧モジュールにおいて、前記抵抗と直列に電流遮断部を介装した構成とする(請求項8の発明)。
次に、請求項1ないし8のいずれか1項に記載の高圧モジュールにおいて、前記絶縁基板は、セラミックスからなる構成とする(請求項9の発明)。
Next, in the high voltage module according to claim 7, a current interrupting portion is interposed in series with the resistor (invention of claim 8).
Next, in the high voltage module according to any one of claims 1 to 8, the insulating substrate is made of ceramics (invention 9).

次に、請求項1ないし9のいずれか1項に記載の高圧モジュールにおいて、前記ゲル状絶縁物は、シリコーンゲルからなる構成とする(請求項10の発明)。   Next, in the high voltage module according to any one of claims 1 to 9, the gel-like insulator is made of silicone gel (invention of claim 10).

本発明によれば、高圧モジュールの主要機能回路における絶縁破壊を未然に防止することができる。   According to the present invention, it is possible to prevent dielectric breakdown in the main functional circuit of the high-voltage module.

高圧モジュールにおけるゲル状絶縁物中での部分放電発生箇所を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows the partial discharge generation | occurrence | production location in the gel-like insulator in a high voltage | pressure module. 本発明による高圧モジュールの基本構成を例示する模式断面図である。It is a schematic cross section which illustrates the basic composition of the high voltage module by the present invention. 表裏金属基板の端部位置を変化させた場合の電界強度変化の例を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows the example of the electric field strength change at the time of changing the edge part position of a front and back metal substrate. 表裏金属基板の端部位置を変化させた場合の電界強度変化の異なる例を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows the example from which the electric field strength change at the time of changing the edge part position of a front and back metal substrate is different. 本発明の実施例1による高圧モジュールの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the high voltage | pressure module by Example 1 of this invention. 本発明の実施例2による高圧モジュールの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the high voltage | pressure module by Example 2 of this invention. 本発明の実施例3による高圧モジュールの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the high voltage | pressure module by Example 3 of this invention. 本発明の実施例4による高圧モジュールの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the high voltage | pressure module by Example 4 of this invention. 本発明の実施例5による高圧モジュールの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the high voltage | pressure module by Example 5 of this invention. 瞬時的な高電圧に伴う部分放電に対する本発明の作用効果を模式的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows typically the effect of this invention with respect to the partial discharge accompanying an instantaneous high voltage. ゲル物性の経時変化に伴う部分放電に対する本発明の作用効果を模式的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows typically the effect of this invention with respect to the partial discharge accompanying a time-dependent change of a gel physical property. 従来の高圧モジュールの構成例を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows the structural example of the conventional high voltage | pressure module.

以下、本発明の実施形態を図5〜図9に示す実施例に基づいて説明する。同一の構成要素については、同一の符号を付け、重複する説明は省略する。なお、本発明は、下記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲内で適宜変形して実施することができるものである。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described based on examples shown in FIGS. About the same component, the same code | symbol is attached | subjected and the overlapping description is abbreviate | omitted. In addition, this invention is not limited to the following embodiment, In the range which does not change the summary, it can implement suitably.

図5は本発明の実施例1による高圧モジュール111の構成を示す図である。図5(a)に高圧モジュール111の断面構造を模式的に示すとともに、図5(b)には高圧モジュール111内における電気接続構成を模式的に示している。また、図5(c)には高圧モジュール111内における電流式部分放電センサ31の構成例を示している。   FIG. 5 is a diagram showing a configuration of the high voltage module 111 according to the first embodiment of the present invention. 5A schematically shows a cross-sectional structure of the high-voltage module 111, and FIG. 5B schematically shows an electrical connection configuration in the high-voltage module 111. As shown in FIG. FIG. 5C shows a configuration example of the current type partial discharge sensor 31 in the high voltage module 111.

実施例1による高圧モジュール111の内部絶縁構造は、図12(b)で説明した従来の高圧モジュール101Aと、基本的には同様であるが、絶縁基板1の表面上において、素子搭載用表面金属基板2aからなる主要機能回路用表面金属基板部とは分離された部分放電発生用表面金属基板21を更に設けた点で異なっている。すなわち、高圧モジュール111の内部絶縁構造は、図5(a)に示すように、最下部からアース板6、裏面金属基板3、絶縁基板1、「素子搭載用表面金属基板2aおよび部分放電発生用表面金属基板21」の順で積層された構成となっている。また、素子搭載用表面金属基板2aには半導体素子4が搭載されるとともに、部分放電発生用表面金属基板21には電流式部分放電センサ31が取り付けられている。なお、上述の図2で述べたように、絶縁基板1の表面上には、主要機能回路用表面金属基板部として、素子搭載用表面金属基板2aとともに、他の表面金属基板も設けられる場合があるが、以下では、主要機能回路用表面金属基板部が素子搭載用表面金属基板2aからなる構成例について説明する。   The internal insulation structure of the high voltage module 111 according to the first embodiment is basically the same as that of the conventional high voltage module 101A described with reference to FIG. This is different from the main functional circuit surface metal substrate portion made of the substrate 2a in that a separate partial discharge generating surface metal substrate 21 is further provided. That is, as shown in FIG. 5A, the internal insulation structure of the high-voltage module 111 is as follows: the ground plate 6, the back metal substrate 3, the insulation substrate 1, the “surface metal substrate for element mounting 2a and the partial discharge generation” from the bottom. The surface metal substrate 21 "is laminated in this order. Further, the semiconductor element 4 is mounted on the element mounting surface metal substrate 2a, and a current type partial discharge sensor 31 is attached to the partial discharge generating surface metal substrate 21. As described above with reference to FIG. 2, on the surface of the insulating substrate 1, another surface metal substrate may be provided together with the element mounting surface metal substrate 2 a as the main functional circuit surface metal substrate portion. However, in the following, a configuration example in which the main functional circuit surface metal substrate portion is composed of the element mounting surface metal substrate 2a will be described.

高圧モジュール111における絶縁基板1、素子搭載用表面金属基板2a、裏面金属基板3および部分放電発生用表面金属基板21からなる基板部構造としては、熱伝導率向上のためダイレクト接合構造であるDBC基板が用いられており、半導体素子4が搭載された素子搭載用表面金属基板2aはボンディングワイヤ10によりモジュール外部端子8と電気的に接続されている。また、裏面金属基板3は少なくとも裏面金属基板3よりも外周側まで延在するアース板6に接合され、アース板6と導電接続されている。また、部分放電発生用表面金属基板21に取り付けられた電流式部分放電センサ31はボンディングワイヤ14によりモジュール外部端子9と電気的に接続されている。   The substrate part structure comprising the insulating substrate 1, the element mounting surface metal substrate 2a, the back surface metal substrate 3 and the partial discharge generating surface metal substrate 21 in the high voltage module 111 is a DBC substrate having a direct bonding structure for improving thermal conductivity. The element mounting surface metal substrate 2 a on which the semiconductor element 4 is mounted is electrically connected to the module external terminal 8 by a bonding wire 10. Further, the back metal substrate 3 is joined to a ground plate 6 that extends at least to the outer peripheral side of the back metal substrate 3 and is conductively connected to the ground plate 6. The current type partial discharge sensor 31 attached to the partial discharge generating surface metal substrate 21 is electrically connected to the module external terminal 9 by the bonding wire 14.

高圧モジュール111内部は、ゲル状絶縁物5を充填することで、高圧部品周辺の絶縁がなされている。なお、絶縁基板1はアルミナや窒化アルミ等のセラミックスから形成されている。また、ゲル状絶縁物5としては特にシリコーンゲルが好適に用いられるが、これに限定されるものではない。また、絶縁基板1の両面に接合される各金属基板は例えば銅材から形成することができるが、これに限定されるものではない。また、アース板も例えば銅材から形成することができるが、これに限定されるものではない。なお、絶縁基板1、ゲル状絶縁物5、各金属基板およびアース板6の材料については、以下の実施例2〜5においても同様である。   The inside of the high voltage module 111 is filled with the gel insulator 5 to insulate the periphery of the high voltage component. The insulating substrate 1 is made of a ceramic such as alumina or aluminum nitride. In addition, silicone gel is particularly preferably used as the gel insulator 5, but is not limited thereto. Moreover, although each metal board | substrate joined to both surfaces of the insulated substrate 1 can be formed from a copper material, for example, it is not limited to this. The ground plate can also be formed from, for example, a copper material, but is not limited to this. In addition, about the material of the insulated substrate 1, the gel-like insulator 5, each metal substrate, and the earth board 6, it is the same also in the following Examples 2-5.

また、絶縁基板1の厚さは例えば0.5mm程度とすることができるが、これに限定されるものではない。また、更に、各金属基板の厚さは例えば0.1mm程度とすることができるが、これに限定されるものではない。なお、絶縁基板1および各金属基板の厚さについては、以下の実施例2〜5においても同様である。   Further, the thickness of the insulating substrate 1 can be set to, for example, about 0.5 mm, but is not limited thereto. Furthermore, the thickness of each metal substrate can be, for example, about 0.1 mm, but is not limited thereto. The thickness of the insulating substrate 1 and each metal substrate is the same in the following Examples 2 to 5.

高圧モジュール111において、図5(a)に示すように、絶縁基板1に主要機能回路用領域と部分放電発生用領域とを設け、絶縁基板1の主要機能回路用領域の表面に素子搭載用表面金属基板2aを配設するとともに、絶縁基板1の部分放電発生用領域の表面に素子搭載用表面金属基板2aとは分離して部分放電発生用表面金属基板21を配設している。そして、半導体素子4が搭載される素子搭載用表面金属基板2aと、絶縁基板1の主要機能回路用領域と、裏面金属基板3のうち絶縁基板1の主要機能回路用領域の裏面に配置されている部分とから、主要機能基板部112が形成されている。また、電流式部分放電センサ31が取り付けられる部分放電発生用表面金属基板21と、絶縁基板1の部分放電発生用領域と、裏面金属基板3のうち絶縁基板1の部分放電発生用領域の裏面に配置されている部分とから、部分放電発生用基板部113が形成されている。そして、主要機能基板部112とともに部分放電発生用基板部113も含めてゲル状絶縁物5で封止されている。   In the high-voltage module 111, as shown in FIG. 5A, a main functional circuit area and a partial discharge generation area are provided on the insulating substrate 1, and the element mounting surface is provided on the surface of the main functional circuit area of the insulating substrate 1. A metal substrate 2a is provided, and a partial discharge generating surface metal substrate 21 is provided on the surface of the partial discharge generating region of the insulating substrate 1 separately from the element mounting surface metal substrate 2a. The element mounting surface metal substrate 2 a on which the semiconductor element 4 is mounted, the main functional circuit region of the insulating substrate 1, and the back surface of the main metal circuit region of the insulating substrate 1 of the back metal substrate 3. The main functional board portion 112 is formed from the existing portion. Further, a partial discharge generating surface metal substrate 21 to which the current type partial discharge sensor 31 is attached, a partial discharge generating region of the insulating substrate 1, and a rear surface of the partial discharge generating region of the insulating substrate 1 among the back metal substrate 3. A partial discharge generating substrate portion 113 is formed from the disposed portion. The main functional substrate 112 and the partial discharge generating substrate 113 are also sealed with the gel insulator 5.

高圧モジュール111では、図5(a)に示すように、絶縁基板1の表面に素子搭載用表面金属基板2aとは分離して部分放電発生用表面金属基板21を設けるとともに、部分放電発生用表面金属基板21の電位は高圧電源201に接続された素子搭載用表面金属基板2aと同電位としている。なお、図5(b)では、素子搭載用表面金属基板2aに搭載された半導体素子4がIGBTである場合であって、半導体素子4のコレクタ側が素子搭載用表面金属基板2aに導電接続されている例を示している。また、図5(b)ではアース板6の図示は略している。   In the high voltage module 111, as shown in FIG. 5A, the surface metal substrate 21 for partial discharge generation is provided on the surface of the insulating substrate 1 separately from the surface metal substrate 2a for element mounting, and the surface for partial discharge generation is provided. The potential of the metal substrate 21 is the same as that of the element mounting surface metal substrate 2 a connected to the high voltage power source 201. In FIG. 5B, the semiconductor element 4 mounted on the element mounting surface metal substrate 2a is an IGBT, and the collector side of the semiconductor element 4 is conductively connected to the element mounting surface metal substrate 2a. An example is shown. In FIG. 5B, the ground plate 6 is not shown.

そして、部分放電発生用基板部113において、部分放電発生用表面金属基板21の端部の位置は絶縁基板1を挟んで対向する裏面金属基板3の端部に対して絶縁基板1の端部側により突出させている。この構造を用いることにより、部分放電発生用表面金属基板21と絶縁基板1とゲル状絶縁物5との交点(三重点)よりも、裏面金属基板3と絶縁基板1とゲル状絶縁物5との交点(三重点)の電界強度が高くなり、部分放電用基板部113における裏面金属基板3側で部分放電が発生する。   In the partial discharge generating substrate portion 113, the position of the end portion of the partial discharge generating front surface metal substrate 21 is the end portion side of the insulating substrate 1 with respect to the end portion of the back surface metal substrate 3 facing the insulating substrate 1 therebetween. It is made to protrude by. By using this structure, the back metal substrate 3, the insulating substrate 1, the gel insulator 5, and the intersection point (triple point) between the surface metal substrate 21 for partial discharge generation, the insulating substrate 1, and the gel insulator 5 The electric field intensity at the crossing point (triple point) increases, and partial discharge occurs on the back metal substrate 3 side in the partial discharge substrate portion 113.

そして、実施例1における絶縁基板1に接合される各金属基板の端部と絶縁基板1の端部とのそれぞれの距離L1〜L4は、各距離同士の関係が次の通りになるように設定しており、これにより、高圧モジュール111における各部の電界強度のうち、部分放電発生用基板部113の裏面金属基板3側での電界強度が最大となり、この部分から部分放電301が発生し始めるようにしている(図5(b)参照)。   And each distance L1-L4 of the edge part of each metal substrate joined to the insulated substrate 1 in Example 1 and the edge part of the insulated substrate 1 is set so that the relationship between each distance may become as follows. As a result, the electric field strength on the back metal substrate 3 side of the partial discharge generating substrate portion 113 among the electric field strengths of the respective portions in the high voltage module 111 is maximized, and the partial discharge 301 starts to be generated from this portion. (See FIG. 5B).

(a)L1=L2。
(b)L3<L1。
(c)L4>L3。
(A) L1 = L2.
(B) L3 <L1.
(C) L4> L3.

ここで、主要機能基板部112においては、素子搭載用表面金属基板2aの端部と絶縁基板1の端部との距離をL1とし、裏面金属基板3の端部と絶縁基板1の端部との距離をL2としている。また、部分放電発生用基板部113においては、部分放電発生用表面金属基板21の端部と絶縁基板1の端部との距離をL3とし、裏面金属基板3の端部と絶縁基板1の端部との距離をL4としている。このようなL1〜L4の意味付けは以下の実施例2〜5でも同様とする。   Here, in the main functional substrate 112, the distance between the end of the element mounting surface metal substrate 2a and the end of the insulating substrate 1 is L1, and the end of the back metal substrate 3 and the end of the insulating substrate 1 are Is the distance L2. In the partial discharge generating substrate portion 113, the distance between the end portion of the partial discharge generating surface metal substrate 21 and the end portion of the insulating substrate 1 is L3, and the end portion of the back surface metal substrate 3 and the end of the insulating substrate 1 are set. The distance to the part is L4. Such meanings of L1 to L4 are the same in the following Examples 2 to 5.

なお、実施例1における距離L3、L4は、例えばL3=5mm、L4=10mmとすることができるが、このような距離設定に限定されるものではない。また、上述のように、実施例1において、裏面金属基板3は少なくとも裏面金属基板3よりも外周側まで延在するアース板6に接合され、アース板6と導電接続されている。裏面金属基板3と絶縁基板1とゲル状絶縁物5との交点(三重点)の電界は、アース板6の存在により、裏面金属基板3の厚さにもよるが、ある程度緩和される。このため、実際には、上記のようなアース板6による電界緩和効果も考慮した上で、部分放電発生用基板部113における裏面金属基板3と絶縁基板1とゲル状絶縁物5との交点(三重点)の電界強度が部分放電発生用表面金属基板21と絶縁基板1とゲル状絶縁物5との交点(三重点)の電界強度よりも高くなるように、距離L3と距離L4とを設定する。   The distances L3 and L4 in the first embodiment can be set to L3 = 5 mm and L4 = 10 mm, for example, but are not limited to such distance settings. Further, as described above, in Example 1, the back surface metal substrate 3 is joined to the ground plate 6 that extends at least to the outer peripheral side of the back surface metal substrate 3 and is conductively connected to the ground plate 6. The electric field at the intersection (triple point) of the back metal substrate 3, the insulating substrate 1, and the gel insulator 5 is moderated to some extent due to the presence of the ground plate 6, depending on the thickness of the back metal substrate 3. For this reason, in actuality, the electric field relaxation effect by the ground plate 6 as described above is also taken into consideration, and the intersection of the back surface metal substrate 3, the insulating substrate 1, and the gel-like insulator 5 in the partial discharge generating substrate portion 113 ( The distance L3 and the distance L4 are set so that the electric field strength at the triple point is higher than the electric field strength at the intersection (triple point) of the surface metal substrate 21 for partial discharge generation, the insulating substrate 1 and the gel insulator 5. To do.

そして、高圧モジュール111では、部分放電発生用基板部113の裏面金属基板3側で部分放電301が発生したことを電流式部分放電センサ31で検出する。
高圧モジュール111では、図5(a)に示すように、絶縁基板1の表面上における部分放電発生用表面金属基板21に電流式部分放電センサ31を取り付け、この電流式部分放電センサ31によって部分放電301を検出する。電流式部分放電センサ31は、電気的には、図5(b)に示すように、高圧電源201に接続された外部端子9と部分放電発生用表面金属基板21との間に接続される。なお、電流式部分放電センサ31には、図5(a)に示すように、外部端子9からのボンディングワイヤ14が接合される。
In the high voltage module 111, the current-type partial discharge sensor 31 detects that the partial discharge 301 has occurred on the back metal substrate 3 side of the partial discharge generation substrate portion 113.
In the high voltage module 111, as shown in FIG. 5A, a current type partial discharge sensor 31 is attached to the surface metal substrate 21 for partial discharge generation on the surface of the insulating substrate 1, and the partial discharge is performed by the current type partial discharge sensor 31. 301 is detected. The electric current type partial discharge sensor 31 is electrically connected between the external terminal 9 connected to the high voltage power source 201 and the partial discharge generating surface metal substrate 21 as shown in FIG. Note that the bonding wire 14 from the external terminal 9 is joined to the current type partial discharge sensor 31 as shown in FIG.

電流式部分放電センサ31は、部分放電電流311を検出することにより部分放電検出を行うものであり、例えば、図5(c)に示すように、10kHz〜1MHzを検出可能な高周波変流器(CT)32と、高周波変流器32の電流検出出力に基づいて部分放電検出信号321を出力する信号処理回路部33とを備えた構成とすることができる。なお、本発明では、上記のような電流式部分放電センサの代わりに、例えばオペアンプからなる積分器を取り付けて部分放電電荷量を検出する方式の部分放電センサを適用することもできる。また、信号処理回路部33内にはノイズによる誤動作防止などのための閾値弁別回路などを備えるようにしている。   The current-type partial discharge sensor 31 performs partial discharge detection by detecting the partial discharge current 311. For example, as shown in FIG. 5C, the high-frequency current transformer (10) is capable of detecting 10 kHz to 1 MHz. CT) 32 and a signal processing circuit unit 33 that outputs a partial discharge detection signal 321 based on the current detection output of the high-frequency current transformer 32 can be provided. In the present invention, instead of the current-type partial discharge sensor as described above, a partial discharge sensor of a system that detects an amount of partial discharge charge by attaching an integrator made of, for example, an operational amplifier can also be applied. The signal processing circuit unit 33 includes a threshold discrimination circuit for preventing malfunction due to noise.

なお、図5(a)では、高圧モジュール111が高圧電源接続用端子として主要機能基板部112用の外部端子8と部分放電発生用基板部113用の外部端子9とを備え、高圧電源201が外部端子8、9の両方に接続される構成を示しているが、高圧モジュール111が高圧電源接続用端子として外部端子8だけを備え、高圧電源201が接続された外部端子8から高圧モジュール111内部の配線により主要機能基板部112と部分放電発生用基板部113とに分岐接続する構成とすることもできる。この点は以下の実施例2〜5においても同様である。   In FIG. 5A, the high-voltage module 111 includes the external terminal 8 for the main functional board 112 and the external terminal 9 for the partial discharge generation board 113 as high-voltage power connection terminals. Although the structure connected to both the external terminals 8 and 9 is shown, the high-voltage module 111 includes only the external terminal 8 as a high-voltage power supply connection terminal, and the internal terminal of the high-voltage module 111 is connected to the external terminal 8 to which the high-voltage power supply 201 is connected. The main functional board part 112 and the partial discharge generating board part 113 may be branched and connected by the wiring. This also applies to Examples 2 to 5 below.

実施例1による高圧モジュール111では、絶縁基板1の表面側において、部分放電発生用表面金属基板21は、半導体素子4を搭載した素子搭載用表面金属基板2aとは分離しているため、電流式部分放電センサ31により半導体素子4の通電電流やスイッチング電流の影響を受けずに部分放電電流の検出が可能である。   In the high voltage module 111 according to the first embodiment, the surface metal substrate 21 for partial discharge generation is separated from the element mounting surface metal substrate 2 a on which the semiconductor element 4 is mounted on the surface side of the insulating substrate 1. The partial discharge sensor 31 can detect the partial discharge current without being affected by the energization current and switching current of the semiconductor element 4.

図6は本発明の実施例2による高圧モジュール121の構成を示す図である。図6(a)に高圧モジュール121の断面構造を模式的に示すとともに、図6(b)には高圧モジュール121内における電気接続構成を模式的に示している。また、図6(c)には高圧モジュール121内における音響式部分放電センサ41の構成例を示している。   FIG. 6 is a diagram showing a configuration of the high voltage module 121 according to the second embodiment of the present invention. 6A schematically shows a cross-sectional structure of the high-voltage module 121, and FIG. 6B schematically shows an electrical connection configuration in the high-voltage module 121. FIG. 6C shows a configuration example of the acoustic partial discharge sensor 41 in the high voltage module 121.

高圧モジュール121において、図6(a)に示すように、絶縁基板1に主要機能回路用領域と部分放電発生用領域とを設け、絶縁基板1の主要機能回路用領域の表面に素子搭載用表面金属基板2aを配設するとともに、絶縁基板1の部分放電発生用領域の表面に素子搭載用表面金属基板2aとは分離して部分放電発生用表面金属基板21を配設している。そして、半導体素子4が搭載される素子搭載用表面金属基板2aと、絶縁基板1の主要機能回路用領域と、裏面金属基板3のうち絶縁基板1の主要機能回路用領域の裏面に配置されている部分とから、主要機能基板部122が形成されている。また、部分放電発生用表面金属基板21と、絶縁基板1の部分放電発生用領域と、裏面金属基板3のうち絶縁基板1の部分放電発生用領域の裏面に配置されている部分とから、部分放電発生用基板部123が形成されている。そして、主要機能基板部122とともに部分放電発生用基板部123も含めてゲル状絶縁物5で封止されている。なお、最下部からアース板6、裏面金属基板3、絶縁基板1、「素子搭載用表面金属基板2aおよび部分放電発生用表面金属基板21」の順で積層されてなる高圧モジュール121の内部絶縁構造は、図5(a)で説明した高圧モジュール111の内部絶縁構造と同様である。   In the high-voltage module 121, as shown in FIG. 6A, a main functional circuit region and a partial discharge generation region are provided on the insulating substrate 1, and the element mounting surface is provided on the surface of the main functional circuit region of the insulating substrate 1. A metal substrate 2a is provided, and a partial discharge generating surface metal substrate 21 is provided on the surface of the partial discharge generating region of the insulating substrate 1 separately from the element mounting surface metal substrate 2a. The element mounting surface metal substrate 2 a on which the semiconductor element 4 is mounted, the main functional circuit region of the insulating substrate 1, and the back surface of the main metal circuit region of the insulating substrate 1 of the back metal substrate 3. The main functional board portion 122 is formed from the portion. Further, a partial discharge generating surface metal substrate 21, a partial discharge generating region of the insulating substrate 1, and a portion of the back metal substrate 3 disposed on the back surface of the partial discharge generating region of the insulating substrate 1, A discharge generating substrate portion 123 is formed. The main function substrate portion 122 and the partial discharge generating substrate portion 123 are sealed with the gel-like insulator 5. Note that the internal insulation structure of the high-voltage module 121 is formed by laminating the ground plate 6, the back metal substrate 3, the insulating substrate 1, “element mounting surface metal substrate 2 a and partial discharge generating surface metal substrate 21” in this order from the bottom. These are the same as the internal insulation structure of the high voltage module 111 described in FIG.

高圧モジュール121における主要機能基板部122および部分放電発生用基板部123の構造、すなわち、絶縁基板1に接合される各金属基板の端部と絶縁基板1とのそれぞれの距離の設定の仕方は、上述の実施例1による高圧モジュール111における主要機能基板部112および部分放電発生用基板部113と同様である。すなわち、実施例2における絶縁基板1に接合される各金属基板の端部と絶縁基板1の端部とのそれぞれの距離L1〜L4は、各距離同士の関係が次の通りになるように設定しており、これにより、高圧モジュール121における各部の電界強度のうち、部分放電発生用基板部123の裏面金属基板3側での電界強度が最大となり、この部分から部分放電301が発生し始めるようにしている(図6(b)参照)。   The structure of the main functional substrate part 122 and the partial discharge generating substrate part 123 in the high-voltage module 121, that is, how to set the distance between the end of each metal substrate joined to the insulating substrate 1 and the insulating substrate 1 is as follows. This is the same as the main functional board 112 and the partial discharge generating board 113 in the high voltage module 111 according to the first embodiment. That is, the distances L1 to L4 between the end portions of the respective metal substrates and the end portions of the insulating substrate 1 bonded to the insulating substrate 1 in Example 2 are set so that the relationship between the distances is as follows. Thus, the electric field strength on the back metal substrate 3 side of the partial discharge generating substrate portion 123 among the electric field strengths of the respective portions in the high voltage module 121 is maximized, and the partial discharge 301 starts to be generated from this portion. (See FIG. 6B).

(a)L1=L2。
(b)L3<L1。
(c)L4>L3。
(A) L1 = L2.
(B) L3 <L1.
(C) L4> L3.

そして、高圧モジュール121では、部分放電発生用基板部123の裏面金属基板3側で部分放電301が発生したことを音響式部分放電センサ41で検出する。
高圧モジュール121では、例えば、図6(a)に示すように、部分放電発生用基板部123の部分放電発生用表面金属基板21上における裏面側での部分放電301の発生位置の真上に対応する位置、すなわち、裏面金属基板3とゲル状絶縁物5と絶縁基板1との交点(三重点)の上層にある部分放電発生用表面金属基板21上の位置に音響式部分放電センサ41を取り付け、この音響式部分放電センサ41によって部分放電301を検出する。
In the high voltage module 121, the acoustic partial discharge sensor 41 detects that the partial discharge 301 has occurred on the back metal substrate 3 side of the partial discharge generating substrate portion 123.
In the high-voltage module 121, for example, as shown in FIG. 6A, the partial discharge generating substrate portion 123 corresponds to the position immediately above the generation position of the partial discharge 301 on the back surface side on the partial discharge generating surface metal substrate 21. The acoustic partial discharge sensor 41 is attached to a position on the surface metal substrate 21 for generating partial discharge, which is an upper layer of the intersection (triple point) of the back surface metal substrate 3, the gel insulator 5 and the insulating substrate 1. The partial discharge 301 is detected by the acoustic partial discharge sensor 41.

音響式部分放電センサ41は、部分放電音312、すなわち部分放電301の発生に伴う音波を検出することにより部分放電検出を行うものであり、例えば、図6(c)に示すように、圧電式マイクなどの音検出素子42と、音検出素子42の音検出出力に基づいて部分放電検出信号322を出力する信号処理回路部43とを備えた構成とすることができる。なお、上記の音検出素子42としては、例えば、最大400kHz程度まで検出可能な接触式の高感度な圧電式マイクを用いることが好適である。また、信号処理回路部43内にはノイズによる誤動作防止などのための閾値弁別回路などを備えるようにしている。   The acoustic partial discharge sensor 41 performs partial discharge detection by detecting a partial discharge sound 312, that is, a sound wave accompanying the generation of the partial discharge 301. For example, as shown in FIG. A sound detection element 42 such as a microphone and a signal processing circuit unit 43 that outputs a partial discharge detection signal 322 based on the sound detection output of the sound detection element 42 can be provided. As the sound detection element 42, for example, a contact-type high-sensitivity piezoelectric microphone that can detect up to about 400 kHz is preferably used. The signal processing circuit unit 43 includes a threshold discrimination circuit for preventing malfunction due to noise.

なお、音響式部分放電センサ41の取り付け位置は、上述の図6(a)に示す位置に限定されるものではなく、部分放電音312を十分な感度で検出可能な位置であればよい。
実施例2による高圧モジュール121では、部分放電発生位置を特定できているため、音検出素子は1つで済み、かつ、音検出素子として指向特性を狭くしたマイクの適用も可能である。
Note that the mounting position of the acoustic partial discharge sensor 41 is not limited to the position shown in FIG. 6A described above, and may be a position where the partial discharge sound 312 can be detected with sufficient sensitivity.
In the high voltage module 121 according to the second embodiment, since the partial discharge occurrence position can be specified, only one sound detection element is required, and a microphone having a narrow directional characteristic can be applied as the sound detection element.

図7は本発明の実施例3による高圧モジュール131の構成を示す図である。図7(a)に高圧モジュール131の断面構造を模式的に示すとともに、図7(b)には高圧モジュール131内における電気接続構成を模式的に示している。また、図7(c)には高圧モジュール131内における光式部分放電センサ51の構成例を示している。   FIG. 7 is a diagram showing the configuration of the high voltage module 131 according to the third embodiment of the present invention. FIG. 7A schematically shows a cross-sectional structure of the high-voltage module 131, and FIG. 7B schematically shows an electrical connection configuration in the high-voltage module 131. FIG. 7C shows a configuration example of the optical partial discharge sensor 51 in the high voltage module 131.

高圧モジュール131において、図7(a)に示すように、絶縁基板1に主要機能回路用領域と部分放電発生用領域とを設け、絶縁基板1の主要機能回路用領域の表面に素子搭載用表面金属基板2aを配設するとともに、絶縁基板1の部分放電発生用領域の表面に素子搭載用表面金属基板2aとは分離して部分放電発生用表面金属基板21を配設している。そして、半導体素子4が搭載される素子搭載用表面金属基板2aと、絶縁基板1の主要機能回路用領域と、裏面金属基板3のうち絶縁基板1の主要機能回路用領域の裏面に配置されている部分とから、主要機能基板部132が形成されている。また、部分放電発生用表面金属基板21と、絶縁基板1の部分放電発生用領域と、裏面金属基板3のうち絶縁基板1の部分放電発生用領域の裏面に配置されている部分とから、部分放電発生用基板部133が形成されている。そして、主要機能基板部132とともに部分放電発生用基板部133も含めてゲル状絶縁物5で封止されている。なお、最下部からアース板6、裏面金属基板3、絶縁基板1、「素子搭載用表面金属基板2aおよび部分放電発生用表面金属基板21」の順で積層されてなる高圧モジュール131の内部絶縁構造は、図5(a)で説明した高圧モジュール111の内部絶縁構造と同様である。   In the high-voltage module 131, as shown in FIG. 7A, a main functional circuit area and a partial discharge generation area are provided on the insulating substrate 1, and the element mounting surface is provided on the surface of the main functional circuit area of the insulating substrate 1. A metal substrate 2a is provided, and a partial discharge generating surface metal substrate 21 is provided on the surface of the partial discharge generating region of the insulating substrate 1 separately from the element mounting surface metal substrate 2a. The element mounting surface metal substrate 2 a on which the semiconductor element 4 is mounted, the main functional circuit region of the insulating substrate 1, and the back surface of the main metal circuit region of the insulating substrate 1 of the back metal substrate 3. The main functional board portion 132 is formed from the portion. Further, a partial discharge generating surface metal substrate 21, a partial discharge generating region of the insulating substrate 1, and a portion of the back metal substrate 3 disposed on the back surface of the partial discharge generating region of the insulating substrate 1, A discharge generating substrate part 133 is formed. The main functional substrate portion 132 and the partial discharge generating substrate portion 133 are sealed with the gel-like insulator 5. The internal insulation structure of the high-voltage module 131 is formed by laminating the ground plate 6, the back surface metal substrate 3, the insulating substrate 1, “the element mounting surface metal substrate 2 a and the partial discharge generating surface metal substrate 21” in this order from the bottom. These are the same as the internal insulation structure of the high voltage module 111 described in FIG.

高圧モジュール131における主要機能基板部132および部分放電発生用基板部133の構造、すなわち、絶縁基板1に接合される各金属基板の端部と絶縁基板1とのそれぞれの距離の設定の仕方は、上述の実施例1による高圧モジュール111における主要機能基板部112および部分放電発生用基板部113と同様である。すなわち、実施例3における絶縁基板1に接合される各金属基板の端部と絶縁基板1の端部とのそれぞれの距離L1〜L4は、各距離同士の関係が次の通りになるように設定しており、これにより、高圧モジュール131における各部の電界強度のうち、部分放電発生用基板部133の裏面金属基板3側での電界強度が最大となり、この部分から部分放電301が発生し始めるようにしている(図7(b)参照)。   The structure of the main functional board part 132 and the partial discharge generating board part 133 in the high-voltage module 131, that is, how to set the respective distances between the end of each metal substrate bonded to the insulating substrate 1 and the insulating substrate 1 is as follows. This is the same as the main functional board 112 and the partial discharge generating board 113 in the high voltage module 111 according to the first embodiment. That is, the distances L1 to L4 between the end portions of the metal substrates and the end portions of the insulating substrate 1 bonded to the insulating substrate 1 in Example 3 are set so that the relationship between the distances is as follows. As a result, the electric field intensity on the back metal substrate 3 side of the partial discharge generating substrate part 133 among the electric field intensity of each part in the high voltage module 131 is maximized, and the partial discharge 301 starts to be generated from this part. (See FIG. 7B).

(a)L1=L2。
(b)L3<L1。
(c)L4>L3。
(A) L1 = L2.
(B) L3 <L1.
(C) L4> L3.

そして、高圧モジュール131では、部分放電発生用基板部133の裏面金属基板3側で部分放電301が発生したことを光式部分放電センサ51で検出する。
高圧モジュール131では、例えば、図7(a)に示すように、部分放電発生用基板部133の部分放電発生用表面金属基板21上における裏面側での部分放電301の発生位置の真上に対応する位置、すなわち、裏面金属基板3とゲル状絶縁物5と絶縁基板1との交点(三重点)の上層にある部分放電発生用表面金属基板21上の位置に光式部分放電センサ51を取り付け、この光式部分放電センサ51によって部分放電301を検出する。
In the high voltage module 131, the optical partial discharge sensor 51 detects that the partial discharge 301 has occurred on the rear metal substrate 3 side of the partial discharge generating substrate part 133.
In the high voltage module 131, for example, as shown in FIG. 7A, the partial discharge generating substrate portion 133 corresponds to the position immediately above the generation position of the partial discharge 301 on the back surface side on the partial discharge generating surface metal substrate 21. An optical partial discharge sensor 51 is attached at a position on the surface metal substrate 21 for generating partial discharge, which is an upper layer of the intersection (triple point) of the back surface metal substrate 3, the gel insulator 5 and the insulating substrate 1. The partial discharge 301 is detected by the optical partial discharge sensor 51.

光式部分放電センサ51は、部分放電光313、すなわち部分放電301の発生に伴う発光を検出することにより部分放電検出を行うものであり、例えば、図7(c)に示すように、光検出素子52と、光検出素子52の光検出出力に基づいて部分放電検出信号323を出力する信号処理回路部53とを備えた構成とすることができる。また、光検出素子52としては、例えばフォトカプラを用いて、部分放電発生に伴う発光を受光素子で検出する方式を適用することができる。光検出素子52がフォトカプラであれば、受信部および発信部共に絶縁されており、設置個所の自由度も高く、絶縁基板1の表面上における部分放電発生用金属基板21の周辺部に実装する上で好適である。また、信号処理回路部53内にはノイズによる誤動作防止などのための閾値弁別回路などを備えるようにしている。   The optical partial discharge sensor 51 performs partial discharge detection by detecting partial discharge light 313, that is, light emission accompanying generation of the partial discharge 301. For example, as shown in FIG. The element 52 and the signal processing circuit unit 53 that outputs the partial discharge detection signal 323 based on the light detection output of the light detection element 52 can be used. Further, as the light detection element 52, for example, a method of detecting light emission due to the occurrence of partial discharge with a light receiving element using a photocoupler can be applied. If the photodetecting element 52 is a photocoupler, both the receiving part and the transmitting part are insulated, and the degree of freedom of installation is high, and it is mounted on the peripheral part of the partial discharge generating metal substrate 21 on the surface of the insulating substrate 1. Preferred above. The signal processing circuit unit 53 is provided with a threshold discrimination circuit for preventing malfunction due to noise.

なお、光式部分放電センサ51の取り付け位置は、上述の図7(a)に示す位置に限定されるものではなく、部分放電光313を十分な感度で検出可能な位置であればよい。また、光検出素子52は、当該光検出素子52の焦点が部分放電発生用表面金属基板21の下層にある裏面金属基板3とゲル状絶縁物5と絶縁基板1との交点(三重点)となるように設置すると好適である。   The attachment position of the optical partial discharge sensor 51 is not limited to the position shown in FIG. 7A described above, and may be a position where the partial discharge light 313 can be detected with sufficient sensitivity. Further, the light detecting element 52 has an intersection (triple point) between the back surface metal substrate 3, the gel-like insulator 5, and the insulating substrate 1 in which the focus of the light detecting element 52 is below the surface metal substrate 21 for partial discharge generation. It is preferable to install as described above.

実施例3による高圧モジュール131では、光式部分放電センサ51を用いることから、ゲル状絶縁物5には十分に高い透光性を備えたゲルを適用することが必要であり、この点でシリコーンゲルが特に好適である。   In the high voltage module 131 according to the third embodiment, since the optical partial discharge sensor 51 is used, it is necessary to apply a gel having sufficiently high translucency to the gel insulator 5. Gels are particularly suitable.

図8は本発明の実施例4による高圧モジュール141の構成を示す図である。図8(a)に高圧モジュール141の断面構造を模式的に示すとともに、図8(b)には高圧モジュール141内における電気接続構成を模式的に示している。また、図8(c)には高圧モジュール141内に設ける短絡センサ61の構成例を示している。   FIG. 8 is a diagram showing a configuration of a high voltage module 141 according to the fourth embodiment of the present invention. FIG. 8A schematically shows a cross-sectional structure of the high-voltage module 141, and FIG. 8B schematically shows an electrical connection configuration in the high-voltage module 141. FIG. 8C shows a configuration example of the short circuit sensor 61 provided in the high voltage module 141.

高圧モジュール141において、図8(a)に示すように、絶縁基板1に主要機能回路用領域と部分放電発生用領域とを設け、絶縁基板1の主要機能回路用領域の表面に素子搭載用表面金属基板2aを配設するとともに、絶縁基板1の部分放電発生用領域の表面に素子搭載用表面金属基板2aとは分離して部分放電発生用表面金属基板21Aを配設している。そして、半導体素子4が搭載される素子搭載用表面金属基板2aと、絶縁基板1の主要機能回路用領域と、裏面金属基板3のうち絶縁基板1の主要機能回路用領域の裏面に配置されている部分とから、主要機能基板部142が形成されている。また、短絡センサ61が接続される部分放電発生用表面金属基板21Aと、絶縁基板1の部分放電発生用領域と、裏面金属基板3のうち絶縁基板1の部分放電発生用領域の裏面に配置されている部分とから、部分放電発生用基板部143が形成されている。そして、主要機能基板部142とともに部分放電発生用基板部143も含めてゲル状絶縁物5で封止されている。なお、絶縁基板1およびゲル状絶縁物5の各材料は、絶縁基板1の比誘電率がゲル状絶縁物5の比誘電率よりも大きくなるように選定しておく。また、最下部からアース板6、裏面金属基板3、絶縁基板1、「素子搭載用表面金属基板2aおよび部分放電発生用表面金属基板21A」の順で積層されてなる高圧モジュール141の内部絶縁構造は、後述の距離L1〜L4の設定以外の点では、図5(a)で説明した高圧モジュール111の内部絶縁構造と同様である。   In the high-voltage module 141, as shown in FIG. 8A, a main functional circuit area and a partial discharge generation area are provided on the insulating substrate 1, and the element mounting surface is provided on the surface of the main functional circuit area of the insulating substrate 1. A metal substrate 2a is provided, and a partial discharge generating surface metal substrate 21A is provided on the surface of the partial discharge generating region of the insulating substrate 1 separately from the element mounting surface metal substrate 2a. The element mounting surface metal substrate 2 a on which the semiconductor element 4 is mounted, the main functional circuit region of the insulating substrate 1, and the back surface of the main metal circuit region of the insulating substrate 1 of the back metal substrate 3. The main functional board part 142 is formed from the part. Further, the partial discharge generating surface metal substrate 21A to which the short circuit sensor 61 is connected, the partial discharge generating region of the insulating substrate 1, and the back surface of the partial discharge generating region of the insulating substrate 1 among the back metal substrate 3 are disposed. A partial discharge generating substrate portion 143 is formed from the portion that is present. The main functional substrate portion 142 and the partial discharge generating substrate portion 143 are sealed with the gel-like insulator 5. The materials of the insulating substrate 1 and the gel-like insulator 5 are selected so that the relative dielectric constant of the insulating substrate 1 is larger than that of the gel-like insulator 5. In addition, the internal insulation structure of the high voltage module 141 in which the ground plate 6, the back metal substrate 3, the insulating substrate 1, and the "element mounting surface metal substrate 2a and partial discharge generating surface metal substrate 21A" are laminated in this order from the bottom. Is the same as the internal insulation structure of the high voltage module 111 described with reference to FIG. 5A except for the setting of distances L1 to L4 described later.

高圧モジュール141では、図8(a)に示すように、絶縁基板1の表面に素子搭載用表面金属基板2aとは分離して部分放電発生用表面金属基板21Aを設けるとともに、部分放電発生用表面金属基板21Aの電位は高圧電源201に接続された素子搭載用表面金属基板2aと同電位としている。そして、部分放電発生用基板部143において、絶縁基板1の表面に接合された部分放電発生用表面金属基板21Aと絶縁基板1の裏面に接合された裏面金属基板3との端部位置を一致させるとともに、部分放電発生用表面金属基板21Aおよび裏面金属基板3の各端部と絶縁基板1の端部との距離を短くしている。この構造を用いることにより、部分放電発生用表面金属基板21Aと絶縁基板1とゲル状絶縁物5との交点(三重点)の電界強度が高くなり、部分放電用基板部143における部分放電発生用表面金属基板21A側で部分放電301が発生する。また、この構造では、部分放電発生用基板部143における部分放電発生用表面金属基板21Aと裏面金属基板3と間の沿面距離が短いため、部分放電301から絶縁破壊(短絡)302に進展し易くなっている。   In the high voltage module 141, as shown in FIG. 8A, the surface metal substrate 21A for partial discharge generation is provided on the surface of the insulating substrate 1 separately from the element mounting surface metal substrate 2a, and the surface for partial discharge generation is provided. The potential of the metal substrate 21A is the same as that of the element mounting surface metal substrate 2a connected to the high voltage power source 201. In the partial discharge generating substrate portion 143, the end positions of the partial discharge generating front surface metal substrate 21A bonded to the surface of the insulating substrate 1 and the back surface metal substrate 3 bonded to the back surface of the insulating substrate 1 are matched. At the same time, the distances between the end portions of the front discharge metal substrate 21A and the back metal substrate 3 and the end portions of the insulating substrate 1 are shortened. By using this structure, the electric field strength at the intersection (triple point) of the surface metal substrate 21A for partial discharge generation, the insulating substrate 1 and the gel insulator 5 is increased, and the partial discharge generation portion 143 in the partial discharge substrate portion 143 is used. A partial discharge 301 is generated on the surface metal substrate 21A side. Further, in this structure, since the creeping distance between the partial discharge generating front surface metal substrate 21A and the back surface metal substrate 3 in the partial discharge generating substrate portion 143 is short, the partial discharge 301 tends to progress to the dielectric breakdown (short circuit) 302. It has become.

そして、実施例4における絶縁基板1に接合される各金属基板の端部と絶縁基板1の端部とのそれぞれの距離L1〜L4は、各距離同士の関係が次の通りになるように設定しており、これにより、高圧モジュール141における各部の電界強度のうち、部分放電発生用基板部143の部分放電発生用表面金属基板21A側での電界強度が最大となり、この部分から部分放電301が発生し始めるようにしている(図8(b)参照)。   And each distance L1-L4 of the edge part of each metal substrate joined to the insulated substrate 1 in Example 4 and the edge part of the insulated substrate 1 is set so that the relationship between each distance may become as follows. Accordingly, the electric field strength on the partial discharge generating surface metal substrate 21A side of the partial discharge generating substrate portion 143 is maximized among the electric field strengths of the respective portions in the high voltage module 141, and the partial discharge 301 is generated from this portion. Generation is started (see FIG. 8B).

(a)L1=L2。
(b)L3=L4。
(c)L3<L1。
(A) L1 = L2.
(B) L3 = L4.
(C) L3 <L1.

なお、実施例4において、絶縁基板1の表面に接合された部分放電発生用表面金属基板21Aと絶縁基板1の裏面に接合された裏面金属基板3との端部位置を一致させているが、実施例4では、上述の実施例1と同様に、裏面金属基板3は少なくとも裏面金属基板3よりも外周側まで延在するアース板6に接合され、アース板6と導電接続されている。このため、部分放電発生用基板部143における裏面金属基板3と絶縁基板1とゲル状絶縁物5との交点(三重点)の電界は、アース板6の存在により、裏面金属基板3の厚さにもよるが、ある程度緩和される。これによって、実施例4では、部分放電発生用基板部143における部分放電発生用表面金属基板21と絶縁基板1とゲル状絶縁物5との交点(三重点)の電界強度が裏面金属基板3と絶縁基板1とゲル状絶縁物5との交点(三重点)の電界強度よりも高くなっている。   In Example 4, the end position of the partial discharge generating front surface metal substrate 21A bonded to the surface of the insulating substrate 1 and the back surface metal substrate 3 bonded to the back surface of the insulating substrate 1 are matched. In the fourth embodiment, as in the first embodiment, the back metal substrate 3 is joined to the ground plate 6 that extends at least to the outer peripheral side of the back metal substrate 3 and is conductively connected to the ground plate 6. For this reason, the electric field at the intersection (triple point) of the back surface metal substrate 3, the insulating substrate 1, and the gel insulator 5 in the partial discharge generating substrate portion 143 is caused by the thickness of the back surface metal substrate 3 due to the presence of the ground plate 6. Although it depends, it is eased to some extent. Thus, in Example 4, the electric field strength at the intersection (triple point) of the partial discharge generating surface metal substrate 21, the insulating substrate 1, and the gel insulator 5 in the partial discharge generating substrate portion 143 is different from that of the back surface metal substrate 3. It is higher than the electric field strength at the intersection (triple point) between the insulating substrate 1 and the gel-like insulator 5.

そして、高圧モジュール141では、部分放電発生用基板部143の部分放電発生用表面金属基板21A側で部分放電301が発生し、部分放電発生用表面金属基板21Aと裏面金属基板3と間で絶縁破壊(短絡)302に至ったことを短絡センサ61で検出する。   In the high voltage module 141, the partial discharge 301 is generated on the partial discharge generating surface metal substrate 21 A side of the partial discharge generating substrate portion 143, and the dielectric breakdown occurs between the partial discharge generating surface metal substrate 21 A and the back surface metal substrate 3. (Short circuit) 302 is detected by the short circuit sensor 61.

高圧モジュール141では、図8(a)に示すように、絶縁基板1の表面上における部分放電発生用表面金属基板21Aに隣接する位置に短絡センサ61を取り付け、この短絡センサ61によって部分放電301による絶縁破壊(短絡)302を検出する。短絡センサ61は、電気的には、図8(b)に示すように、高圧電源201に接続された外部端子9と部分放電発生用表面金属基板21Aとの間に接続される。なお、短絡センサ61には、図8(a)に示すように、外部端子9からのボンディングワイヤ14が接合される。   In the high voltage module 141, as shown in FIG. 8A, a short circuit sensor 61 is attached to a position adjacent to the partial discharge generating surface metal substrate 21 </ b> A on the surface of the insulating substrate 1. A dielectric breakdown (short circuit) 302 is detected. As shown in FIG. 8B, the short-circuit sensor 61 is electrically connected between the external terminal 9 connected to the high-voltage power supply 201 and the partial discharge generating surface metal substrate 21A. Note that the bonding wire 14 from the external terminal 9 is bonded to the short circuit sensor 61 as shown in FIG.

短絡センサ61は、基本的には抵抗と電位差計測回路とからなるものであり、例えば、図8(c)に示すように、抵抗値R1を有する抵抗62とR1よりも低い抵抗値R2を有する抵抗63との直列接続回路と、抵抗63両端の電位差を計測する差動電位計方式の電位差計測回路部64と、電位差計測回路部64の電位差検出出力に基づいて短絡検出信号324を出力する信号処理回路部65とを備えた構成とすることができる。また、信号処理回路部65内にはノイズによる誤動作防止などのための閾値弁別回路などを備えるようにしている。   The short-circuit sensor 61 basically includes a resistor and a potential difference measuring circuit. For example, as shown in FIG. 8C, the short-circuit sensor 61 has a resistor 62 having a resistance value R1 and a resistance value R2 lower than R1. A series connection circuit with the resistor 63, a differential potential meter type potential difference measurement circuit unit 64 that measures a potential difference between both ends of the resistor 63, and a signal that outputs a short circuit detection signal 324 based on the potential difference detection output of the potential difference measurement circuit unit 64 A configuration including a processing circuit unit 65 can be adopted. The signal processing circuit unit 65 is provided with a threshold discrimination circuit for preventing malfunction due to noise.

部分放電301に伴う絶縁破壊(短絡)302が発生する前は短絡電流314が流れないので抵抗63両端の電位差ΔVはゼロであるが、部分放電301に伴い部分放電発生用表面金属基板21Aと裏面金属基板3と間での絶縁破壊(短絡)302が発生すれば、短絡電流314が抵抗63を流れることによる電位差ΔVが電位差計測回路部64で検出され、これに基づき、信号処理回路部65より短絡検出信号324が出力される。ここで、絶縁破壊(短絡)302発生時の上記電位差ΔVは、ΔV=Is×R2=V×R2/(R1+R2)と表わすことができる。ここで、Vは高圧電源201からの印加電圧であり、Is=V/(R1+R2)は短絡電流314の電流値である。   Before the dielectric breakdown (short circuit) 302 caused by the partial discharge 301 occurs, the short circuit current 314 does not flow, so that the potential difference ΔV across the resistor 63 is zero. If a dielectric breakdown (short circuit) 302 occurs between the metal substrate 3 and the potential difference ΔV due to the short circuit current 314 flowing through the resistor 63, the potential difference measurement circuit unit 64 detects the potential difference ΔV. A short circuit detection signal 324 is output. Here, the potential difference ΔV when the dielectric breakdown (short circuit) 302 occurs can be expressed as ΔV = Is × R2 = V × R2 / (R1 + R2). Here, V is an applied voltage from the high-voltage power supply 201, and Is = V / (R1 + R2) is a current value of the short-circuit current 314.

実施例4による高圧モジュール141では、部分放電発生用表面金属基板21Aは、絶縁基板1の表面上において、半導体素子4を搭載した素子搭載用表面金属基板2aとは分離されているため、部分放電発生用表面金属基板21Aを備えた部分放電発生用基板部143側で絶縁破壊(短絡)302が起きても半導体素子4にはダメージを与えない。   In the high voltage module 141 according to the fourth embodiment, the partial discharge generating surface metal substrate 21A is separated on the surface of the insulating substrate 1 from the element mounting surface metal substrate 2a on which the semiconductor element 4 is mounted. Even if dielectric breakdown (short circuit) 302 occurs on the partial discharge generation substrate portion 143 side including the generation surface metal substrate 21A, the semiconductor element 4 is not damaged.

図9は本発明の実施例5による高圧モジュール151の構成を示す図である。図9(a)に高圧モジュール151の断面構造を模式的に示すとともに、図9(b)には高圧モジュール151内における電気接続構成を模式的に示している。また、図9(c)には高圧モジュール151内に設ける短絡センサ71の構成例を示している。   FIG. 9 is a diagram showing a configuration of a high voltage module 151 according to the fifth embodiment of the present invention. 9A schematically shows a cross-sectional structure of the high-voltage module 151, and FIG. 9B schematically shows an electrical connection configuration in the high-voltage module 151. FIG. 9C shows a configuration example of the short circuit sensor 71 provided in the high voltage module 151.

高圧モジュール151において、図9(a)に示すように、絶縁基板1に主要機能回路用領域と部分放電発生用領域とを設け、絶縁基板1の主要機能回路用領域の表面に素子搭載用表面金属基板2aを配設するとともに、絶縁基板1の部分放電発生用領域の表面に素子搭載用表面金属基板2aとは分離して部分放電発生用表面金属基板21Aを配設している。そして、半導体素子4が搭載される素子搭載用表面金属基板2aと、絶縁基板1の主要機能回路用領域と、裏面金属基板3のうち絶縁基板1の主要機能回路用領域の裏面に配置されている部分とから、主要機能基板部152が形成されている。また、短絡センサ71が接続される部分放電発生用表面金属基板21Aと、絶縁基板1の部分放電発生用領域と、裏面金属基板3のうち絶縁基板1の部分放電発生用領域の裏面に配置されている部分とから、部分放電発生用基板部153が形成されている。そして、主要機能基板部152とともに部分放電発生用基板部153も含めてゲル状絶縁物5で封止されている。なお、絶縁基板1およびゲル状絶縁物5の各材料は、絶縁基板1の比誘電率がゲル状絶縁物5の比誘電率よりも大きくなるように選定しておく。また、最下部からアース板6、裏面金属基板3、絶縁基板1、「素子搭載用表面金属基板2aおよび部分放電発生用表面金属基板21A」の順で積層されてなる高圧モジュール151の内部絶縁構造は、後述の距離L1〜L4の設定以外の点では、図5(a)で説明した高圧モジュール111の内部絶縁構造と同様である。   In the high-voltage module 151, as shown in FIG. 9A, a main functional circuit region and a partial discharge generation region are provided on the insulating substrate 1, and an element mounting surface is provided on the surface of the main functional circuit region of the insulating substrate 1. A metal substrate 2a is provided, and a partial discharge generating surface metal substrate 21A is provided on the surface of the partial discharge generating region of the insulating substrate 1 separately from the element mounting surface metal substrate 2a. The element mounting surface metal substrate 2 a on which the semiconductor element 4 is mounted, the main functional circuit region of the insulating substrate 1, and the back surface of the main metal circuit region of the insulating substrate 1 of the back metal substrate 3. The main functional board portion 152 is formed from the portion. The partial discharge generating surface metal substrate 21A to which the short-circuit sensor 71 is connected, the partial discharge generating region of the insulating substrate 1, and the back surface of the partial discharge generating region of the insulating substrate 1 among the back metal substrate 3. A partial discharge generating substrate portion 153 is formed from the portion that is present. The main functional substrate portion 152 and the partial discharge generating substrate portion 153 are sealed with the gel-like insulator 5. The materials of the insulating substrate 1 and the gel-like insulator 5 are selected so that the relative dielectric constant of the insulating substrate 1 is larger than that of the gel-like insulator 5. In addition, the internal insulation structure of the high voltage module 151 in which the ground plate 6, the back surface metal substrate 3, the insulating substrate 1, the “element mounting surface metal substrate 2 a and the partial discharge generating surface metal substrate 21 A” are stacked in this order from the bottom. Is the same as the internal insulation structure of the high voltage module 111 described with reference to FIG. 5A except for the setting of distances L1 to L4 described later.

高圧モジュール151における主要機能基板部152および部分放電発生用基板部153の構造、すなわち、絶縁基板1に接合される各金属基板の端部と絶縁基板1とのそれぞれの距離の設定の仕方は、上述の実施例4による高圧モジュール141における主要機能基板部142および部分放電発生用基板部143と同様である。すなわち、実施例5における絶縁基板1に接合される各金属基板の端部と絶縁基板1の端部とのそれぞれの距離L1〜L4は、各距離同士の関係が次の通りになるように設定しており、これにより、高圧モジュール151における各部の電界強度のうち、部分放電発生用基板部153の部分放電発生用表面金属基板21A側での電界強度が最大となり、この部分から部分放電301が発生し始めるようにしている(図9(b)参照)。   The structure of the main functional substrate portion 152 and the partial discharge generating substrate portion 153 in the high-voltage module 151, that is, how to set the respective distances between the end portions of the respective metal substrates joined to the insulating substrate 1 and the insulating substrate 1 are as follows. This is the same as the main functional board 142 and the partial discharge generating board 143 in the high voltage module 141 according to the fourth embodiment. That is, the distances L1 to L4 between the end portions of the respective metal substrates bonded to the insulating substrate 1 and the end portions of the insulating substrate 1 in Example 5 are set so that the relationship between the distances is as follows. Accordingly, the electric field strength on the partial discharge generating surface metal substrate 21A side of the partial discharge generating substrate portion 153 among the electric field strengths of the respective portions in the high voltage module 151 is maximized, and the partial discharge 301 is generated from this portion. The generation starts (see FIG. 9B).

(a)L1=L2。
(b)L3=L4。
(c)L3<L1。
(A) L1 = L2.
(B) L3 = L4.
(C) L3 <L1.

そして、高圧モジュール151では、部分放電発生用基板部153の部分放電発生用表面金属基板21A側で部分放電301が発生し、この部分放電301に伴い部分放電発生用表面金属基板21Aと裏面金属基板3と間で絶縁破壊(短絡)302に至ったことを短絡センサ71で検出する。   In the high voltage module 151, the partial discharge 301 is generated on the partial discharge generating surface metal substrate 21 A side of the partial discharge generating substrate portion 153, and the partial discharge generating surface metal substrate 21 A and the back metal substrate are generated along with the partial discharge 301. 3, the short circuit sensor 71 detects that a dielectric breakdown (short circuit) 302 has been reached.

また、高圧モジュール151における短絡センサ71の配置構成(図9(a)参照)および接続構成(図9(b)参照)も、上述の実施例4による高圧モジュール141における短絡センサ61と同様である。   Further, the arrangement configuration (see FIG. 9A) and the connection configuration (see FIG. 9B) of the short-circuit sensor 71 in the high-voltage module 151 are the same as those of the short-circuit sensor 61 in the high-voltage module 141 according to the fourth embodiment. .

短絡センサ71は、上述の実施例4における短絡センサ61と同様に、基本的には抵抗と電位差計測回路とからなるものであるが、さらに電流遮断部を備えている点が異なっている。短絡センサ71は、例えば、図9(c)に示すように、抵抗値R1を有する抵抗72とR1よりも低い抵抗値R2を有する抵抗73との直列接続回路と、抵抗73両端の電位差を計測する差動電位計方式の電位差計測回路部74と、電位差計測回路部74の電位差検出出力に基づいて短絡検出信号325を出力する信号処理回路部75とを備えるとともに、さらに、信号処理回路部75からの遮断指令信号77に基づき短絡電流314を遮断する電流遮断部76を、上記の抵抗72と抵抗73との直列接続回路に対して直列に接続して設けた構成とすることができる。また、信号処理回路部75内にはノイズによる誤動作防止などのための閾値弁別回路などを備えるようにしている。   The short-circuit sensor 71 is basically composed of a resistor and a potential difference measuring circuit, similarly to the short-circuit sensor 61 in the above-described fourth embodiment, but is different in that it further includes a current interrupting unit. For example, as shown in FIG. 9C, the short circuit sensor 71 measures a potential difference between both ends of the resistor 73 and a series connection circuit of a resistor 72 having a resistance value R1 and a resistor 73 having a resistance value R2 lower than R1. And a signal processing circuit unit 75 that outputs a short-circuit detection signal 325 based on the potential difference detection output of the potential difference measurement circuit unit 74, and further includes a signal processing circuit unit 75. The current cut-off unit 76 that cuts off the short-circuit current 314 based on the cut-off command signal 77 from can be configured to be connected in series to the series connection circuit of the resistor 72 and the resistor 73. The signal processing circuit unit 75 includes a threshold discrimination circuit for preventing malfunction due to noise.

部分放電301に伴う絶縁破壊(短絡)302が発生する前は短絡電流314が流れないので抵抗73両端の電位差ΔVはゼロであるが、部分放電301に伴い部分放電発生用表面金属基板21Aと裏面金属基板3と間での絶縁破壊(短絡)302が発生すれば、短絡電流314が抵抗73を流れることによる電位差ΔVが電位差計測回路部74で検出され、これに基づき、信号処理回路部75より短絡検出信号325が出力される。   Before the dielectric breakdown (short circuit) 302 caused by the partial discharge 301 occurs, the short circuit current 314 does not flow, so the potential difference ΔV between both ends of the resistor 73 is zero. When a dielectric breakdown (short circuit) 302 occurs between the metal substrate 3 and the potential difference ΔV due to the short circuit current 314 flowing through the resistor 73, the potential difference measurement circuit unit 74 detects the potential difference ΔV. A short circuit detection signal 325 is output.

短絡センサ71は、さらに、信号処理回路部75からの遮断指令信号77に基づき短絡電流314を遮断する電流遮断部76を備えているので、絶縁破壊(短絡)302の発生後に短絡電流314が流れ続けることを防止することができる。なお、信号処理回路部75から電流遮断部76への遮断指令信号77は、絶縁破壊(短絡)302が検出された時点で発令するようにしてもよく、また、絶縁破壊(短絡)302が検出された時点の後、別のタイミングで発令するようにしてもよい。   The short-circuit sensor 71 further includes a current interrupting unit 76 that interrupts the short-circuit current 314 based on the interrupt command signal 77 from the signal processing circuit unit 75, so that the short-circuit current 314 flows after the dielectric breakdown (short-circuit) 302 occurs. It can be prevented from continuing. The interruption command signal 77 from the signal processing circuit unit 75 to the current interruption unit 76 may be issued when the dielectric breakdown (short circuit) 302 is detected, or the dielectric breakdown (short circuit) 302 is detected. You may make it issue at another timing after the said time.

実施例5による高圧モジュール151では、上述の実施例4による高圧モジュール141と同様に、部分放電発生用表面金属基板21Aは、絶縁基板1の表面上において、半導体素子4を搭載した素子搭載用表面金属基板2aとは分離されているため、部分放電発生用表面金属基板21Aを備えた部分放電発生用基板部153側で絶縁破壊(短絡)302が起きても半導体素子4にはダメージを与えない。
[本発明による作用効果の具体例]
本発明による高圧モジュールは、上述のように、高圧モジュール内のゲル状絶縁物中で発生した部分放電を検出し、高圧モジュールの主要機能回路における絶縁破壊を未然に防ぐための機構として部分放電発生用基板部を備えているが、これによる作用効果の具体例を説明する。
(具体例1)
図10は、瞬時的な高電圧に伴う部分放電に対する本発明の作用効果を模式的に示す説明図である。なお、図10では横軸、縦軸をそれぞれ時間、電界強度としている。図10において、実線A1、破線B1、一点鎖線C1は、それぞれ、ゲルの絶縁破壊強さ、主要機能基板部における最大電界強度、部分放電発生用基板部における最大電界強度を示している。なお、部分放電発生用基板部における最大電界強度は、主要機能基板部における最大電界強度よりも例えば10〜30%程度大きくなるように設計しておく。
In the high voltage module 151 according to the fifth embodiment, as in the high voltage module 141 according to the fourth embodiment, the partial discharge generating surface metal substrate 21A is provided on the surface of the insulating substrate 1 on which the semiconductor element 4 is mounted. Since it is separated from the metal substrate 2a, the semiconductor element 4 is not damaged even if dielectric breakdown (short circuit) 302 occurs on the partial discharge generation substrate portion 153 side provided with the partial discharge generation surface metal substrate 21A. .
[Specific Examples of Effects of the Present Invention]
As described above, the high voltage module according to the present invention detects a partial discharge generated in the gel-like insulator in the high voltage module, and generates a partial discharge as a mechanism for preventing dielectric breakdown in the main functional circuit of the high voltage module. Although the board | substrate part is provided, the specific example of the effect by this is demonstrated.
(Specific example 1)
FIG. 10 is an explanatory view schematically showing the action and effect of the present invention with respect to a partial discharge accompanying an instantaneous high voltage. In FIG. 10, the horizontal axis and the vertical axis represent time and electric field strength, respectively. In FIG. 10, solid line A1, broken line B1, and alternate long and short dash line C1 indicate the dielectric breakdown strength of the gel, the maximum electric field strength in the main functional substrate portion, and the maximum electric field strength in the partial discharge generating substrate portion, respectively. The maximum electric field strength in the partial discharge generating substrate portion is designed to be, for example, about 10 to 30% larger than the maximum electric field strength in the main functional substrate portion.

図10では、高圧モジュールに接続された高圧電源の規定電圧値(定常レベル)からの瞬時的な電圧変動により高圧モジュールが、瞬時的な高電圧を受けて、主要機能基板部における最大電界強度および部分放電発生用基板部における最大電界強度がそれぞれ瞬時的に上昇した場合を想定しており、各基板部における最大電界強度がいずれも時間taで定常レベルから上昇を開始して時間tbで最高レベルに到達し、その後、低下して時間tcで定常レベルに復帰する態様を模式的に示している。なお、ゲルの絶縁破壊強さはゲル物性の経時変化により長期的には低下するが、瞬時的な高電圧の事象を対象とした図10のタイムスケールでは、ゲルの絶縁破壊強さの低下は現れていないものとしている。   In FIG. 10, the high voltage module receives an instantaneous high voltage due to instantaneous voltage fluctuations from the specified voltage value (steady level) of the high voltage power supply connected to the high voltage module, and the maximum electric field strength and It is assumed that the maximum electric field strength in the partial discharge generating substrate portion increases instantaneously, and the maximum electric field strength in each substrate portion starts rising from the steady level at time ta and reaches the highest level at time tb. A mode is schematically shown in which, after that, is lowered and then returned to the steady level at time tc. Note that the dielectric breakdown strength of the gel decreases in the long term due to the change in the physical properties of the gel over time, but in the time scale of FIG. 10 for an instantaneous high voltage event, the decrease in the dielectric breakdown strength of the gel is It is assumed that it has not appeared.

図10において、部分放電発生用基板部における最大電界強度が上昇し、時間t1でゲルの絶縁破壊強さのレベルを超えた場合、部分放電発生用基板部側で部分放電が発生する可能性があるが、この部分放電が検出された場合、その検出時点で、高圧モジュールから出力される部分放電検出信号に基づき、当該高圧モジュールが装着された電力変換装置などのシステム側で警報(アラーム)を発し、例えば当該高圧モジュールの新品への取替えによりシステムへの影響を防止するなどの対策を行うことができる。また、当該高圧モジュールを取り出して詳細検査を行い、継続使用の可否を判断するという対策も可能である。   In FIG. 10, when the maximum electric field strength in the partial discharge generating substrate portion increases and exceeds the level of the dielectric breakdown strength of the gel at time t1, the partial discharge may occur on the partial discharge generating substrate portion side. However, when this partial discharge is detected, an alarm is issued at the time of detection based on the partial discharge detection signal output from the high voltage module on the system side such as a power converter equipped with the high voltage module. For example, measures such as preventing the influence on the system by replacing the high-pressure module with a new one can be taken. Further, it is possible to take a measure of taking out the high-pressure module and conducting a detailed inspection to determine whether or not to continue use.

なお、瞬時的な高電圧の電圧レベルについては、主要機能基板部および部分放電発生用基板部における絶縁破壊、部分放電の事象に対応する各電圧レベルの間に次のような関係がある。   Note that the instantaneous high voltage level has the following relationship between the voltage levels corresponding to dielectric breakdown and partial discharge events in the main functional board part and the partial discharge generation board part.

VBDm>VPDm>VBDp>VPDp>VPDl
ここで、VBDmは主要機能基板部の絶縁破壊(BD)発生電圧であり、VPDmは主要機能基板部の部分放電(PD)発生電圧であり、VBDpは部分放電発生用基板部の絶縁破壊(BD)発生電圧であり、VPDpは部分放電発生用基板部の部分放電(PD)発生電圧であり、VPDlは部分放電発生用基板部でも部分放電(PD)が発生しない電圧である。
VBDm>VPDm>VBDp>VPDp> VPDL
Here, VBDm is a breakdown voltage (BD) generation voltage of the main functional board part, VPDm is a partial discharge (PD) generation voltage of the main function board part, and VBDp is a breakdown (BD) of the partial discharge generation board part. ) Generated voltage, VPDp is a partial discharge (PD) generation voltage of the partial discharge generation substrate portion, and VPD1 is a voltage at which partial discharge (PD) does not occur even in the partial discharge generation substrate portion.

まず、VPDl>Vなる電圧レベルVであれば、絶縁の問題はなく、部分放電発生用基板部は動作しない。
次に、VPDm>V≧VPDpなる電圧レベルVであれば、部分放電発生用基板部が動作し、主要機能基板部で部分放電による絶縁劣化が生じている可能性を警告する。しかしながら、この場合は、実際にはVPDmの電圧レベルには達していないので、主要機能基板部で部分放電は発生していない。このため、マージンを含めたリスクについて警告することになる。
First, if the voltage level V satisfies VPD1> V, there is no problem of insulation, and the partial discharge generating substrate portion does not operate.
Next, if the voltage level V satisfies VPDm> V ≧ VPDp, the partial discharge generating substrate unit operates and warns that there is a possibility of insulation deterioration due to partial discharge in the main functional substrate unit. However, in this case, since the voltage level of VPDm has not actually been reached, no partial discharge has occurred in the main functional board portion. For this reason, it warns about the risk including a margin.

次に、VBDm>V≧VPDmなる電圧レベルVであれば、部分放電発生用基板部が動作し、主要機能基板部で部分放電による絶縁劣化が生じている可能性を警告する。この場合は、実際に主要機能基板部で部分放電が発生している。ゲル状絶縁物において部分放電が発生した部分は絶縁欠陥となるので、通常電圧レベルに戻しても部分放電を発生し続ける可能性がある。   Next, if the voltage level V satisfies VBDm> V ≧ VPDm, the substrate portion for partial discharge generation operates to warn of the possibility of insulation deterioration due to partial discharge in the main function substrate portion. In this case, partial discharge actually occurs in the main functional board portion. Since the portion where the partial discharge is generated in the gel-like insulator becomes an insulation defect, the partial discharge may continue to be generated even when the normal voltage level is restored.

さらに、V≧VBDmなる電圧レベルVである場合は、主要機能基板部が絶縁破壊してしまい、対処できない。
なお、電圧領域としてはVBDm〜VPDmの範囲が広く、VPDm〜VPDpの範囲が狭くなるように設計する。
(具体例2)
図11は、ゲル物性の経時変化に伴う部分放電に対する本発明の作用効果を模式的に示す説明図である。なお、図11では横軸、縦軸をそれぞれ時間、電界強度としている。図11において、実線A2、破線B2、一点鎖線C2は、それぞれ、ゲルの絶縁破壊強さ、主要機能基板部における最大電界強度、部分放電発生用基板部における最大電界強度を示している。なお、部分放電発生用基板部における最大電界強度は、主要機能基板部における最大電界強度よりも例えば10〜30%程度大きくなるように設計しておく。
Furthermore, when the voltage level V satisfies V ≧ VBDm, the main functional board portion breaks down and cannot be dealt with.
The voltage region is designed so that the range of VBDm to VPDm is wide and the range of VPDm to VPDp is narrow.
(Specific example 2)
FIG. 11 is an explanatory diagram schematically showing the action and effect of the present invention on partial discharge accompanying a change in gel physical properties with time. In FIG. 11, the horizontal axis and the vertical axis represent time and electric field strength, respectively. In FIG. 11, solid line A2, broken line B2, and alternate long and short dash line C2 indicate the dielectric breakdown strength of the gel, the maximum electric field strength in the main functional substrate portion, and the maximum electric field strength in the partial discharge generating substrate portion, respectively. The maximum electric field strength in the partial discharge generating substrate portion is designed to be, for example, about 10 to 30% larger than the maximum electric field strength in the main functional substrate portion.

ここで、ゲルの絶縁破壊強さはゲル物性の経時変化により長期的に低下していくが、図11では、その低下の態様を模式的に一定の時間勾配での低下として示している。
ゲルの絶縁破壊強さがゲル物性の経時変化により低下し、時間t1で部分放電発生用基板部における最大電界強度がゲルの絶縁破壊強さより大きくなり、さらに時間t2では、主要機能基板部における最大電界強度もゲルの絶縁破壊強さより大きくなる。
Here, the dielectric breakdown strength of the gel decreases over time due to a change in the physical properties of the gel over time. In FIG. 11, the mode of the decrease is schematically shown as a decrease with a constant time gradient.
The dielectric breakdown strength of the gel decreases with the aging of the physical properties of the gel, the maximum electric field strength in the partial discharge generating substrate portion becomes larger than the dielectric breakdown strength of the gel at time t1, and the maximum in the main functional substrate portion at time t2. The electric field strength is also larger than the dielectric breakdown strength of the gel.

そして、本発明では、時間t1で部分放電発生用基板部における最大電界強度がゲルの絶縁破壊強さより大きくなった後、部分放電発生用基板部において部分放電が検出された時点で、高圧モジュールから出力される部分放電検出信号に基づき、当該高圧モジュールが装着された電力変換装置などのシステム側で警報(アラーム)を発し、例えば当該高圧モジュールの新品への取替えによりシステムへの影響を防止するなどの対策を行うことができる。また、当該高圧モジュールを取り出して詳細検査を行い、継続使用の可否を判断するという対策も可能である。   In the present invention, after the maximum electric field strength in the partial discharge generating substrate portion becomes larger than the dielectric breakdown strength of the gel at time t1, the partial discharge is detected in the partial discharge generating substrate portion. Based on the output partial discharge detection signal, an alarm is issued on the system side such as a power converter equipped with the high-voltage module, for example, to prevent the influence on the system by replacing the high-voltage module with a new one. Measures can be taken. Further, it is possible to take a measure of taking out the high-pressure module and conducting a detailed inspection to determine whether or not to continue use.

なお、バルクのゲル状絶縁物の絶縁破壊強さは材料の分子構造等により決定されるが、実際に使われるゲル状絶縁物の絶縁性能は高圧部位との密着、粘着および接着の状態により支配される。すなわち、高圧部位とゲル状絶縁物との間で空隙が出来にくくする特性が実際の絶縁破壊特性に繋がると考えられる。   The dielectric breakdown strength of bulk gel-like insulators is determined by the molecular structure of the material, but the insulation performance of gel insulators that are actually used is governed by the state of adhesion, adhesion, and adhesion to high-pressure sites. Is done. That is, it is thought that the characteristic which makes it difficult to form a space | gap between a high voltage | pressure site | part and a gel-like insulator leads to an actual dielectric breakdown characteristic.

また、図11においては、ゲル状絶縁物の特性の経年変化として、ゲルの絶縁破壊強さが低下しても比誘電率は変化しないと仮定して、主要機能基板部における最大電界強度(破線B2)、部分放電発生用基板部における最大電界強度(一点鎖線C2)がそれぞれ時間経過に対して一定である態様を示しているが、実際には界面に生じる微細欠陥などの影響により各最大電界強度も経時変化していく可能性がある。   Further, in FIG. 11, it is assumed that the relative dielectric constant does not change even if the dielectric breakdown strength of the gel is lowered as the change in the characteristics of the gel-like insulator, and the maximum electric field strength (dashed line) B2) shows a mode in which the maximum electric field strength (one-dot chain line C2) in the partial discharge generating substrate portion is constant with time, but each maximum electric field is actually affected by the influence of fine defects generated at the interface. Intensity may also change over time.

以上のように、本発明による高圧モジュールでは、高圧モジュール内部に備えた部分放電発生用基板部からの部分放電検出信号を電力変換装置などのシステム側で常時監視することにより、当該高圧モジュール内で部分放電が起きていないこと、すなわち、例えば、瞬時的な高電圧、ゲル物性の経時変化などに伴う絶縁劣化が起きていないことを保証することができる。
(具体例3)
なお、本発明が対象としている事象には、衝撃や加熱によりゲル状絶縁物の裂けや剥離が生じて部分放電が発生しやすくなることも含まれる。ここで、衝撃としては加減速や振動が想定され、加熱としてはチップ(半導体素子)の温度上昇が想定される。そして、主要機能基板部と部分放電発生用基板部とは高圧モジュール内においてゲル状絶縁物で封止された同じ環境条件に置かれるので、衝撃や加熱により主要機能基板部と部分放電発生用基板部とで部分放電が同程度に発生しやすい状態になったとしても、最大電界強度がより大きな部分放電発生用基板部の方から部分放電が発生し始めるため、この部分放電を検出することにより高圧モジュール内の絶縁劣化の検出ができ、これに基づき、当該高圧モジュールの新品への取替えなどの対策を行うことができる。
[本発明の変形例]
なお、上述の図5〜9により説明した各実施例では、いずれも、高圧モジュールにおける主要機能基板部として、絶縁基板1の表面に接合された素子搭載用表面金属基板2a上に1個の半導体素子4が搭載された構成例を示したが、本発明による高圧モジュールは上記構成に限定されるものではなく、絶縁基板の表面に接合された素子搭載用表面金属基板上に同一種類の複数個の半導体素子が搭載された構成の高圧モジュールや、絶縁基板の表面に接合された素子搭載用表面金属基板上に複数種類の半導体素子が搭載された構成の高圧モジュールにも適用することができる。
As described above, in the high voltage module according to the present invention, the partial discharge detection signal from the partial discharge generation substrate provided in the high voltage module is constantly monitored on the system side such as the power converter, so that It can be ensured that partial discharge has not occurred, that is, for example, there has been no insulation degradation due to, for example, instantaneous high voltage, gel property change with time, and the like.
(Specific example 3)
Note that the events targeted by the present invention include that the gel-like insulator is torn or peeled off by impact or heating, and partial discharge is likely to occur. Here, acceleration / deceleration and vibration are assumed as the impact, and temperature rise of the chip (semiconductor element) is assumed as the heating. Since the main functional board part and the partial discharge generating board part are placed in the same environmental conditions sealed with a gel-like insulator in the high voltage module, the main functional board part and the partial discharge generating board are caused by impact or heating. Even if the partial discharge is likely to occur at the same level, the partial discharge starts to be generated from the partial discharge generating substrate portion having a larger maximum electric field strength. Insulation deterioration in the high voltage module can be detected, and based on this, measures such as replacement of the high voltage module with a new one can be taken.
[Modification of the present invention]
In each of the embodiments described with reference to FIGS. 5 to 9 described above, one semiconductor is provided on the element mounting surface metal substrate 2a bonded to the surface of the insulating substrate 1 as the main functional substrate portion in the high-voltage module. Although the configuration example in which the element 4 is mounted is shown, the high-voltage module according to the present invention is not limited to the above-described configuration, and a plurality of the same type are provided on the surface metal substrate for element mounting bonded to the surface of the insulating substrate. The present invention can also be applied to a high-voltage module having a configuration in which the semiconductor elements are mounted and a high-voltage module having a configuration in which a plurality of types of semiconductor elements are mounted on an element mounting surface metal substrate bonded to the surface of an insulating substrate.

また、上述の図5〜9により説明した各実施例では、いずれも、部分放電発生用基板部の絶縁基板と主要機能基板部の絶縁基板とが一体の構成部材である構成例を示したが、本発明による高圧モジュールは上記構成に限定されるものではなく、部分放電発生用基板部の絶縁基板と主要機能基板部の絶縁基板とが別の構成部材であってもよい。   Moreover, in each Example demonstrated by the above-mentioned FIGS. 5-9, although all showed the structural example in which the insulated substrate of the partial discharge generation | occurrence | production board | substrate part and the insulated substrate of the main functional board | substrate part were integral components. The high-voltage module according to the present invention is not limited to the above configuration, and the insulating substrate of the partial discharge generating substrate portion and the insulating substrate of the main functional substrate portion may be separate components.

1:絶縁基板
2:表面金属基板
2A:主要機能回路用表面金属基板部
2a:素子搭載用表面金属基板
2b,2c:中継用表面金属基板
3:裏面金属基板
4:半導体素子
5:ゲル状絶縁物(シリコーンゲル)
6:アース板
7:ケース
8,9:外部端子
10,11,12,13,14:ボンディングワイヤ
15:接合部材
21,21A:部分放電発生用表面金属基板
31:電流式部分放電センサ
32:高周波変流器(高周波CT)
33:信号処理回路部
41:音響式部分放電センサ
42:音検出素子
43:信号処理回路部
51:光式部分放電センサ
52:光検出素子
53:信号処理回路部
61:短絡センサ
62:第1抵抗(R1)
63:第2抵抗(R2)
64:電位差計測回路部
65:信号処理回路部
71:短絡センサ
72:第1抵抗(R1)
73:第2抵抗(R2)
74:電位差計測回路部
75:信号処理回路部
76:電流遮断部
77:遮断指令信号
101,101A,101B,101C,111,121,131,141,151:高圧モジュール
102,112,122,132,142,152:主要機能基板部
103,113,123,133,143,153:部分放電発生用基板部(PD発生用基板部)
103a:絶縁基板
103b:表面金属基板
103c:裏面金属基板
103d:部分放電検出機構
201:高圧電源(HV)
301:部分放電(PD)
302:絶縁破壊(短絡)
311:部分放電電流
312:部分放電音
313:部分放電光
314:短絡電流
321,322,323:部分放電検出信号(PD検出信号)
324,325:短絡検出信号(PD検出信号)
1: Insulated substrate
2: Surface metal substrate 2A: Surface metal substrate portion 2a for main functional circuit: Surface metal substrate for element mounting 2b, 2c: Surface metal substrate for relay 3: Back surface metal substrate 4: Semiconductor element 5: Gel-like insulator (silicone gel )
6: Earth plate 7: Case 8, 9: External terminal 10, 11, 12, 13, 14: Bonding wire 15: Joining member 21, 21A: Surface metal substrate for generating partial discharge 31: Current type partial discharge sensor 32: High frequency Current transformer (high frequency CT)
33: Signal processing circuit unit 41: Acoustic partial discharge sensor 42: Sound detection element 43: Signal processing circuit unit 51: Optical partial discharge sensor 52: Photodetection element 53: Signal processing circuit unit 61: Short circuit sensor 62: First Resistance (R1)
63: Second resistance (R2)
64: Potential difference measurement circuit unit 65: Signal processing circuit unit 71: Short circuit sensor 72: First resistor (R1)
73: Second resistance (R2)
74: Potential difference measurement circuit unit 75: Signal processing circuit unit 76: Current cut-off unit 77: Cut-off command signals 101, 101A, 101B, 101C, 111, 121, 131, 141, 151 1: High voltage modules 102, 112, 122, 132, 142, 152: Main functional board portions 103, 113, 123, 133, 143, 153: Substrate portions for generating partial discharge (PD generating substrate portions)
103a: insulating substrate 103b: front surface metal substrate 103c: back surface metal substrate 103d: partial discharge detection mechanism 201: high voltage power supply (HV)
301: Partial discharge (PD)
302: Dielectric breakdown (short circuit)
311: Partial discharge current 312: Partial discharge sound 313: Partial discharge light 314: Short-circuit current 321, 322, 323: Partial discharge detection signal (PD detection signal)
324, 325: Short circuit detection signal (PD detection signal)

Claims (10)

半導体素子への主要機能回路パターンを形成する主要機能回路用表面金属基板部が絶縁基板の表面に接合されるとともに、接地電位とされる裏面金属基板が前記絶縁基板の裏面に接合され、
前記絶縁基板、前記主要機能回路用表面金属基板部、前記裏面金属基板および前記半導体素子がゲル状絶縁物で封止された高圧モジュールにおいて、
前記絶縁基板に主要機能回路用領域と部分放電発生用領域とを設け、
前記絶縁基板の主要機能回路用領域の表面に前記主要機能回路用表面金属基板部を配設するとともに、
前記絶縁基板の部分放電発生用領域の表面に前記主要機能回路用表面金属基板部とは分離して部分放電発生用表面金属基板を配設し、
前記主要機能回路用表面金属基板部と、前記絶縁基板の主要機能回路用領域と、前記裏面金属基板のうち前記絶縁基板の主要機能回路用領域の裏面に配置されている部分とから、主要機能基板部を構成するとともに、
前記部分放電発生用表面金属基板と、前記絶縁基板の部分放電発生用領域と、前記裏面金属基板のうち前記絶縁基板の部分放電発生用領域の裏面に配置されている部分とから、部分放電発生用基板部を構成し、
前記部分放電発生用表面金属基板の電位は、前記主要機能回路用表面金属基板部の高電位表面金属基板と同電位とし、
前記高電位表面金属基板、前記部分放電発生用表面金属基板および前記裏面金属基板の各端部と前記絶縁基板の端部とのそれぞれの距離同士の関係を、前記部分放電発生用基板部における最大電界強度が前記主要機能基板部における最大電界強度よりも大きくなるように設定し、
前記部分放電発生用基板部で発生する部分放電または短絡を検出する手段を設けた
ことを特徴とする高圧モジュール。
A main functional circuit surface metal substrate part for forming a main functional circuit pattern to the semiconductor element is bonded to the surface of the insulating substrate, and a back surface metal substrate to be grounded is bonded to the back surface of the insulating substrate,
In the high voltage module in which the insulating substrate, the front surface metal substrate portion for the main functional circuit, the back surface metal substrate and the semiconductor element are sealed with a gel-like insulator,
A region for main functional circuits and a region for partial discharge generation are provided on the insulating substrate,
While disposing the main functional circuit surface metal substrate portion on the surface of the main functional circuit region of the insulating substrate,
The surface metal substrate for partial discharge generation is disposed on the surface of the region for partial discharge generation of the insulating substrate separately from the surface metal substrate portion for the main functional circuit,
The main function from the surface metal substrate portion for the main function circuit, the main function circuit region of the insulating substrate, and the portion of the back surface metal substrate disposed on the back surface of the main function circuit region of the insulating substrate. While configuring the board part,
Partial discharge generation from the surface metal substrate for partial discharge generation, the partial discharge generation region of the insulating substrate, and the portion of the back metal substrate disposed on the back surface of the partial discharge generation region of the insulating substrate The board part for
The potential of the surface metal substrate for partial discharge generation is the same potential as the high potential surface metal substrate of the surface metal substrate portion for the main functional circuit,
The relationship between the distances between the end portions of the high potential surface metal substrate, the partial discharge generation surface metal substrate and the back surface metal substrate and the end portion of the insulating substrate is the maximum in the partial discharge generation substrate portion. The electric field strength is set to be larger than the maximum electric field strength in the main functional board part,
Means for detecting a partial discharge or a short circuit generated in the partial discharge generating substrate section is provided.
請求項1に記載の高圧モジュールにおいて、
前記部分放電発生用表面金属基板の端部の位置は前記絶縁基板を挟んで対向する前記裏面金属基板の端部に対して絶縁基板端部側により突出した位置とし、
前記裏面金属基板側で発生する部分放電を検出する部分放電検出手段を設けた
ことを特徴とする高圧モジュール。
The high pressure module according to claim 1,
The position of the end portion of the front discharge metal substrate for partial discharge generation is a position protruding from the end portion of the insulating substrate with respect to the end portion of the back metal substrate facing the insulating substrate,
A high-voltage module comprising a partial discharge detecting means for detecting a partial discharge generated on the back metal substrate side.
請求項1に記載の高圧モジュールにおいて、
前記絶縁基板は前記ゲル状絶縁物よりも大きな比誘電率を有する材料からなり、
前記部分放電発生用表面金属基板の端部の位置は前記絶縁基板を挟んで対向する前記裏面金属基板の端部と一致した位置とするとともに、前記部分放電発生用表面金属基板の端部と前記絶縁基板の端部との距離は前記絶縁基板の表面に接合される全ての金属基板のうちで最も短い距離とし、
前記部分放電発生用表面金属基板側で発生する部分放電に伴い生じる前記部分放電発生用表面金属基板と前記裏面金属基板との間の短絡を検出する短絡検出手段を設けた
ことを特徴とする高圧モジュール。
The high pressure module according to claim 1,
The insulating substrate is made of a material having a relative dielectric constant larger than that of the gel-like insulator,
The position of the end portion of the surface metal substrate for partial discharge generation is a position that coincides with the end portion of the back surface metal substrate facing the insulating substrate, and the end portion of the surface metal substrate for partial discharge generation and the The distance from the end of the insulating substrate is the shortest of all the metal substrates bonded to the surface of the insulating substrate,
A high-voltage device comprising a short-circuit detecting means for detecting a short circuit between the front-surface metal substrate for generating partial discharge and the back-surface metal substrate generated in association with a partial discharge generated on the front-surface metal substrate for generating partial discharge. module.
請求項2に記載の高圧モジュールにおいて、
前記部分放電検出手段として、前記部分放電に伴い発生する電流を検出する電流検出素子を備えた電流式部分放電センサを設けたことを特徴とする高圧モジュール。
The high pressure module according to claim 2,
A high-voltage module comprising a current-type partial discharge sensor provided with a current detection element for detecting a current generated by the partial discharge as the partial discharge detection means.
請求項2に記載の高圧モジュールにおいて、
前記部分放電検出手段として、前記部分放電に伴い発生する音を検出する音検出素子を備えた音響式部分放電センサを設けたことを特徴とする高圧モジュール。
The high pressure module according to claim 2,
A high voltage module comprising an acoustic partial discharge sensor provided with a sound detection element for detecting a sound generated with the partial discharge as the partial discharge detection means.
請求項2に記載の高圧モジュールにおいて、
前記部分放電検出手段として、前記部分放電に伴い発生する光を検出する光検出素子を備えた光式部分放電センサを設けたことを特徴とする高圧モジュール。
The high pressure module according to claim 2,
A high voltage module comprising an optical partial discharge sensor provided with a photodetecting element for detecting light generated by the partial discharge as the partial discharge detection means.
請求項3に記載の高圧モジュールにおいて、
前記短絡検出手段として、前記短絡による電流が通流する抵抗と、前記抵抗の両端の電位差を計測する電位差計測回路部とを備えた短絡センサを設けたことを特徴とする高圧モジュール。
The high pressure module according to claim 3,
A high-voltage module comprising a short-circuit sensor including a resistor through which a current due to the short circuit flows and a potential difference measurement circuit unit that measures a potential difference between both ends of the resistor as the short-circuit detecting unit.
請求項7に記載の高圧モジュールにおいて、
前記抵抗と直列に電流遮断部を介装したことを特徴とする高圧モジュール。
The high pressure module according to claim 7,
A high voltage module comprising a current interrupting unit in series with the resistor.
請求項1ないし8のいずれか1項に記載の高圧モジュールにおいて、
前記絶縁基板は、セラミックスからなることを特徴とする高圧モジュール。
The high pressure module according to any one of claims 1 to 8,
The high-voltage module, wherein the insulating substrate is made of ceramics.
請求項1ないし9のいずれか1項に記載の高圧モジュールにおいて、
前記ゲル状絶縁物は、シリコーンゲルからなることを特徴とする高圧モジュール。
The high-pressure module according to any one of claims 1 to 9,
The high-pressure module according to claim 1, wherein the gel-like insulator is made of silicone gel.
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