JP5875402B2 - パワーモジュール及び空調装置 - Google Patents

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Description

本発明は、力率を改善するＰＦＣ（Power Factor Correction）機能を有するパワーモジュールと、それを備える空調装置に関するものである。
電力利用の効率化を向上させるための、力率を改善するＰＦＣ機能を有するパワーモジュールが知られている。
当該パワーモジュールにおいては、特許文献１に開示されている各素子間の接続関係に倣って、２相の半導体スイッチング素子（一対の半導体スイッチング素子）と、各相の半導体スイッチング素子に接続された一対のダイオードと、当該一対のダイオードに共通に接続された一の端子（Ｐ端子）とを備える構成が提案されている。
特開２００９−１１０９８１号公報
しかしながら、２相の半導体スイッチング素子に対して一つの端子（Ｐ端子）を共通に用いる上述の構成では、両相の半導体スイッチング素子の共通インピーダンスが比較的大きく、パワーモジュール内における発振現象も大きい。その結果、高速スイッチング時に、２相の半導体スイッチング素子のゲート−エミッタ間の、発振現象に起因するノイズが大きくなってしまうという問題があった。
そこで、本発明は、上記のような問題点を鑑みてなされたものであり、一対の半導体スイッチング素子に発生するノイズを抑制可能な技術を提供することを目的とする。
本発明に係るパワーモジュールは、ＰＦＣ（Power Factor Correction）機能を有するパワーモジュールであって、一対の半導体スイッチング素子と、前記一対の半導体スイッチング素子とそれぞれ接続され、逆導通素子を構成する一対の第１ダイオードと、前記一対の半導体スイッチング素子とそれぞれ接続され、整流機能を有する一対の第２ダイオードとを備える。そして、前記パワーモジュールは、前記一対の半導体スイッチング素子を駆動する駆動部と、前記一対の半導体スイッチング素子と、前記一対の第１ダイオードと、前記一対の第２ダイオードと、前記駆動部とを覆うパッケージと、前記一対の第１ダイオードの、前記一対の半導体スイッチング素子と接続された一端と逆の他端とそれぞれ接続され、前記パッケージの外部に互いに個別に設けられた一対の出力端子とを備える。
また、上記と別構成として、本発明に係るパワーモジュールは、インターリーブ方式に対応したＰＦＣ（Power Factor Correction）機能を有するパワーモジュールであって、一対の半導体スイッチング素子と、前記一対の半導体スイッチング素子とそれぞれ接続され、逆導通素子を構成する一対のダイオードとを備える。そして、前記パワーモジュールは、前記一対の半導体スイッチング素子を駆動する駆動部と、前記一対の半導体スイッチング素子と、前記一対のダイオードと、前記駆動部とを覆うパッケージと、前記一対のダイオードの、前記一対の半導体スイッチング素子と接続された一端と逆の他端とそれぞれ接続され、前記パッケージの外部に互いに個別に設けられた一対の出力端子とを備える。
本発明によれば、一対の半導体スイッチング素子は、一対の第１ダイオードを介して一対の端子と接続されている。したがって、一対の半導体スイッチング素子に作用する共通インピーダンスを低減することができ、その結果、一対の半導体スイッチング素子に発生するノイズを抑制することができる。
実施の形態１に係る空調装置の構成を示す回路図である。 実施の形態１に係るパワーモジュールの構成を示す平面図である。 実施の形態２に係る空調装置の構成を示す回路図である。 実施の形態２に係るパワーモジュールの構成を示す平面図である。 関連空調装置の構成を示す回路図である。 関連空調装置が備えるパワーモジュールの構成を示す平面図である。
＜実施の形態１＞
図１は、本発明の実施の形態１に係る空調装置の構成を示す回路図である。図１に示すように、空調装置は、力率を改善するＰＦＣ（Power Factor Correction）機能を有するパワーモジュール１と、交流電源２と、一対のインダクタンス３ａ，３ｂと、平滑コンデンサ４と、インバータ５と、抵抗６とを備えている。
図２は、本実施の形態に係るパワーモジュール１の構成を示す平面図である。このパワーモジュール１は、一対のＳｉ−ＩＧＢＴであるＩＧＢＴ１１ａ，１１ｂと、一対の第１ダイオード１２ａ，１２ｂと、一対の第２ダイオード１３ａ，１３ｂと、駆動ＩＣ１４と、一対のＰ端子２１ａ，２１ｂ（一対の端子）と、端子２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂ，２４とを備えている。なお、一対のＰ端子２１ａ，２１ｂは、パワーモジュール１の出力端子であり、互いに個別に設けられている。
一対のＰ端子２１ａ，２１ｂ、及び、端子２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂ，２４（以下「端子群２１ａ〜２４」）は、金属などからなるフレームで構成されている。ＩＧＢＴ１１ａ，１１ｂ、第１ダイオード１２ａ，１２ｂ、第２ダイオード１３ａ，１３ｂ、及び、駆動ＩＣ１４（以下「ＩＧＢＴ１１ａ等」）は、端子群２１ａ〜２４上に選択的に設けられている。そして、ＩＧＢＴ１１ａと、端子群２１ａ〜２４の一部と、それらの間を選択的に接続するワイヤ配線２６とは、パッケージ２７によって覆われている。
ＩＧＢＴ１１ａ，１１ｂ（半導体スイッチング素子）は、端子２２ａ，２２ｂ上にそれぞれ設けられており、ここでは、ＩＧＢＴ１１ａ，１１ｂのコレクタ電極が、端子２２ａ，２２ｂとそれぞれ接続されている。また、ＩＧＢＴ１１ａ，１１ｂのエミッタ電極は、ワイヤ配線２６を介して端子２３ａと接続され、ＩＧＢＴ１１ａ，１１ｂのゲート電極は、ワイヤ配線２６を介して駆動ＩＣ１４と接続されている。
第１ダイオード１２ａ，１２ｂのアノード（一端）は、ワイヤ配線２６及び端子２２ａ，２２ｂを介して、ＩＧＢＴ１１ａ，１１ｂのコレクタ電極とそれぞれ接続されており、パワーモジュール１内に逆導通素子を構成している。また、第１ダイオード１２ａ，１２ｂは、Ｐ端子２１ａ，２１ｂ上にそれぞれ設けられており、ここでは、第１ダイオード１２ａ，１２ｂのカソード（他端）が、Ｐ端子２１ａ，２１ｂとそれぞれ接続されている。つまり、本実施の形態では、Ｐ端子２１ａ，２１ｂは、第１ダイオード１２ａ，１２ｂのカソード（他端）とそれぞれ接続されている。
第２ダイオード１３ａ，１３ｂは、端子２２ａ，２２ｂ上にそれぞれ設けられており、ここでは、第２ダイオード１３ａ，１３ｂのカソードが、端子２２ａ，２２ｂとそれぞれ接続されている。本実施の形態では、第２ダイオード１３ａ，１３ｂのカソードと、ＩＧＢＴ１１ａ，１１ｂのコレクタ電極とは、端子２２ａ，２２ｂを介してそれぞれ接続されていることから、第２ダイオード１３ａ，１３ｂは、交流電力（ここではインダクタンス３ａ，３ｂを経由した交流電源２からの交流電力）を直流電力に変換する整流機能を有している。また、第２ダイオード１３ａ，１３ｂのアノードは、ワイヤ配線２６を介して電極２３ｂと接続されている。
駆動ＩＣ１４（駆動部）は、一対のＩＧＢＴ１１ａ，１１ｂのゲート電圧を制御することにより、一対のＩＧＢＴ１１ａ，１１ｂを駆動する。また、駆動ＩＣ１４は、端子２４と接続されている。
図１に戻って、交流電源２は、一対のインダクタンス３ａ，３ｂを介して、一対の端子２２ａ，２２ｂと接続されている。
平滑コンデンサ４（容量素子）は、Ｐ端子２１ａ，２１ｂとグランドＧとの間に設けられる。平滑コンデンサ４の端子２１ａ，２１ｂ側は＋電位となり、グランドＧ側は−電位となる。
インバータ５は、平滑コンデンサ４と並列接続されている。そして、平滑コンデンサ４とインバータ５との接続点８は、Ｐ端子２１ａ，２１ｂと接続されている。
次に、本実施の形態に係る空調装置に関連する空調装置（以下「関連空調装置」）について、図５及び図６を用いて説明する。関連空調装置が、本実施の形態に係る空調装置と異なる点は、一対のＩＧＢＴ１１ａ，１１ｂのコレクタ電極が、一対の第１ダイオード１２ａ，１２ｂを介して一のＰ端子２１と接続されている点と、平滑コンデンサ４とインバータ５との接続点８が一のＰ端子２１と接続されている点である。
さて、本実施の形態に係る空調装置、及び、関連空調装置において、ＩＧＢＴ１１ａ，１１ｂのいずれか一方においてスイッチング動作が行われた際には、他方のコレクタ電極の＋側に、ｄｉ／ｄｔと寄生インダクタンスとの積によるサージ電圧が印加される。そして、このサージ電圧を発端として、第１ダイオード１２ａ，１２ｂ及びＩＧＢＴ１１ａ，１１ｂの直列接合容量と、出力配線の共通インピーダンスとによる発振現象が、パワーモジュール１内において発生する。その結果、高速スイッチング時に、発振現象のｄｖ／ｄｔに起因するノイズがＩＧＢＴ１１ａ，１１ｂのゲート−エミッタ間に発生する。
ここで、関連空調装置では、一対の第１ダイオード１２ａ，１２ｂ同士の接続点９と、平滑コンデンサ４との間の出力配線（図５に二点鎖線で示される部分の配線）が、ＩＧＢＴ１１ａ，１１ｂの共通インピーダンスとして作用する。この共通インピーダンス（寄生インダクタンス）は比較的大きいことから上述のサージ電圧が大きくなり、その結果として、上述のノイズも大きくなる。
それに対して、本実施の形態に係る空調装置では、一対のＩＧＢＴ１１ａ，１１ｂのコレクタ電極は、一対の第１ダイオード１２ａ，１２ｂを介して一対のＰ端子２１ａ，２１ｂと接続されている。そして、平滑コンデンサ４とインバータ５との接続点８は一対のＰ端子２１ａ，２１ｂと接続されている。
このように構成された本実施の形態に係る空調装置においては、接続点８と、平滑コンデンサ４との間の出力配線（図１に二点鎖線で示される部分の配線）が、ＩＧＢＴ１１ａ，１１ｂの共通インピーダンスとして作用する。つまり、パッケージ２７内部及び外部の両方において、配線引き回しによって共通インピーダンスを低減することができる。したがって、上述の発振現象、ひいてはＩＧＢＴ１１ａ，１１ｂのゲート−エミッタ間に発生するノイズを抑制することができる。よって、ノイズによる誤動作の発生を抑制することができ、パワーモジュール１の駆動信頼性を向上させることができる。
なお、以上で説明したように、半導体スイッチング素子がＳｉ−ＩＧＢＴ（ＩＧＢＴ１１ａ，１１ｂ）である場合には、ゲート酸化膜形成プロセスが比較的容易となる。また、それだけでなく、チャネル抵抗が低く閾値電圧Ｖｔｈが高いので、上記ノイズによる誤動作に対する耐量を高くすることができる。
ただし、半導体スイッチング素子はＳｉ−ＩＧＢＴに限ったものではなく、ワイドバンドギャップ半導体からなる、ＭＯＳ（Metal-Oxide-Semiconductor）トランジスタを含んでもよい。例えば、半導体スイッチング素子に、ワイドバンドギャップ半導体の一種であるＳｉＣ（炭化珪素）のＭＯＳが適用された場合には、Ｓｉ−ＩＧＢＴよりも高速スイッチングが可能であることから、高周波動作が要求されるＰＦＣのパワーモジュール１に有効である。
なお、半導体スイッチング素子にＳｉＣのＭＯＳを適用した場合には、Ｓｉ−ＩＧＢＴよりもドリフト層濃度が濃く、出力容量が大きくなる（例えばＰＮ間接合容量が５〜１０倍程度高くなる）ことから、上述の発振現象がある程度強くなると考えられる。しかし、上述したように一対のＰ端子２１ａ，２１ｂを備える本実施の形態に係るパワーモジュール１及び空調装置によれば、発振現象を抑制することができることから、半導体スイッチング素子にＳｉＣのＭＯＳを用いることにより副次的に生じてしまう発振現象の増加を抑制することができる。
＜実施の形態２＞
図３は、本発明の実施の形態２に係る空調装置の構成を示す回路図であり、図４は、当該空調装置が備えるパワーモジュールの構成を示す平面図である。なお、本実施の形態に係るプローブ情報システムにおいて、実施の形態１で説明した構成要素と同一または類似するものについては同じ符号を付し、実施の形態１と異なる点を中心に説明する。
本実施の形態に係る空調装置は、実施の形態１に係る空調装置の構成において、交流電源２と一対のインダクタンス３ａ，３ｂとの間に設けられたダイオードブリッジ３１と、端子２３ａとグランドＧとの間に設けられた抵抗６ａとが追加された構成となっている。
また、本実施の形態に係るパワーモジュール１は、各相に位相差を持たせ、リップルなどを互いに打ち消しあうインターリーブ方式に対応したＰＦＣ機能を有している。このパワーモジュール１では、実施の形態１に係るパワーモジュール１の構成において、整流用の第２ダイオード１３ａ，１３ｂが取り除かれているとともに、ＩＧＢＴ１１ｂのエミッタ電極が、ワイヤ配線２６を介して端子２３ａではなく端子２３ｂと接続されたものとなっている。
以上のように構成された本実施の形態に係る空調装置においては、接続点８と、平滑コンデンサ４との間の出力配線（図３に二点鎖線で示される部分の配線）が、ＩＧＢＴ１１ａ，１１ｂの共通インピーダンスとして作用する。つまり、パッケージ２７内部及び外部の両方において、配線引き回しによって共通インピーダンスを低減することができる。したがって、実施の形態１に係る空調装置と同様に、上述の発振現象、ひいてはＩＧＢＴ１１ａ，１１ｂのゲート−エミッタ間に発生するノイズを抑制することができる。よって、ノイズによる誤動作の発生を抑制することができ、パワーモジュール１の駆動信頼性を向上させることができる。
なお、本実施の形態においても、半導体スイッチング素子はＩＧＢＴ（ＩＧＢＴ１１ａ，１１ｂ）に限ったものではなく、ＳｉＣ（炭化珪素）などのワイドバンドギャップ半導体からなる、ＭＯＳ（Metal-Oxide-Semiconductor）トランジスタを含んでもよい。この場合には、Ｓｉ−ＩＧＢＴよりも高速スイッチングが可能であることから、高周波動作が要求されるＰＦＣのパワーモジュール１に有効である。
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
１ パワーモジュール、４ 平滑コンデンサ、８ 接続点、１１ａ，１１ｂ ＩＧＢＴ、１２ａ，１２ｂ 第１ダイオード、１３ａ，１３ｂ 第２ダイオード、２１ａ，２１ｂ Ｐ端子。

Claims (5)

  1. ＰＦＣ（Power Factor Correction）機能を有するパワーモジュールであって、
    一対の半導体スイッチング素子と、
    前記一対の半導体スイッチング素子とそれぞれ接続され、逆導通素子を構成する一対の第１ダイオードと、
    前記一対の半導体スイッチング素子とそれぞれ接続され、整流機能を有する一対の第２ダイオードと、
    前記一対の半導体スイッチング素子を駆動する駆動部と、
    前記一対の半導体スイッチング素子と、前記一対の第１ダイオードと、前記一対の第２ダイオードと、前記駆動部とを覆うパッケージと、
    前記一対の第１ダイオードの、前記一対の半導体スイッチング素子と接続された一端と逆の他端とそれぞれ接続され、前記パッケージの外部に互いに個別に設けられた一対の出力端子と
    を備える、パワーモジュール。
  2. インターリーブ方式に対応したＰＦＣ（Power Factor Correction）機能を有するパワーモジュールであって、
    一対の半導体スイッチング素子と、
    前記一対の半導体スイッチング素子とそれぞれ接続され、逆導通素子を構成する一対のダイオードと、
    前記一対の半導体スイッチング素子を駆動する駆動部と、
    前記一対の半導体スイッチング素子と、前記一対のダイオードと、前記駆動部とを覆うパッケージと、
    前記一対のダイオードの、前記一対の半導体スイッチング素子と接続された一端と逆の他端とそれぞれ接続され、前記パッケージの外部に互いに個別に設けられた一対の出力端子と
    を備える、パワーモジュール。
  3. 請求項１または請求項２に記載のパワーモジュールであって、
    前記半導体スイッチング素子は、ワイドバンドギャップ半導体からなるＭＯＳ（Metal-Oxide-Semiconductor）トランジスタを含む、パワーモジュール。
  4. 請求項３に記載のパワーモジュールであって、
    前記ワイドバンドギャップ半導体は、ＳｉＣ（炭化珪素）を含む、パワーモジュール。
  5. 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のパワーモジュールと、
    容量素子と、
    前記容量素子と接続されたインバータと
    を備え、
    前記容量素子と前記インバータとの接続点は、前記一対の端子と接続されている、空調装置。
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