JPH09284920A - 電力変換装置の漏洩電流低減装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】電力変換装置の高速、高周波のスイッチング操
作により、半導体装置から接地ラインへ流れる漏洩電流
がスイッチング周波数に比例して増加し、接地継電器を
誤動作させたり、通信線に障害を与えるので、この漏洩
電流の低減を図る装置を提供する。 【解決手段】半導体装置と筐体との間に絶縁物を挟み対
地静電容量を形成し、電力変換装置の高速、高周波のス
イッチング操作によって生ずる周波数帯域の漏洩電流を
低減できるような対地静電容量を選定することにより、
接地継電器を誤動作させたり、通信線に障害を与えるよ
うな漏洩電流を選択的に低減する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は電力変換装置に用い
られる半導体装置から接地ラインへの漏洩電流を低減す
る装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図５は電力変換装置（図示せず）に使用
する半導体装置の概略的な部分断面図であり、半導体素
子１の表面側で電極２との電気的な接続がなされ、裏面
側はセラミックや絶縁性樹脂などで形成した絶縁板３を
介在させて銅材など金属で形成した金属ケース４に固着
して電気的な絶縁をなし、この金属ケース４の側面から
電極２までの空間は半導体素子１を外気から保護するた
めに、セラミックや絶縁性樹脂で形成した絶縁ケース５
を設けてなる半導体装置を構成している。

【０００３】図３は図５に示すような半導体装置を電力
変換装置の筺体６に装着し、半導体素子１の通電による
発生熱を金属ケース４から空気中に輻射放熱するととも
に金属ケース４から筺体６に熱伝導させて放散する場合
を示す。

【０００４】図４は半導体装置の金属ケース４にフイン
７を密着させた構成にしてから筺体６に装着し、半導体
素子１の通電による発生熱を金属ケース４からフインに
熱伝導させて放散する例であり、半導体装置を複数適用
して設置したため（図では１個のみを示す）や、或い
は、大容量の半導体装置を適用したためにその通電によ
る発生熱が大きく、金属ケース４に蓄熱されて生ずる過
剰の温度上昇を抑えるようにして、空気による半導体装
置の冷却能力を高めた場合を示している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この種
の従来技術においては、次のような問題を生じるもので
あった。すなわち、半導体素子１の通電による発生熱を
効率よく熱放散させるために、半導体素子１と金属ケー
ス４との絶縁のために設けられる絶縁板３の厚さは、熱
伝導し易いように配慮され可能な限り薄く選定されてい
る。このため、半導体素子１と金属ケース４との間に、
誘電体である絶縁板３の厚さに反比例するような値の浮
遊静電容量が形成され、金属ケース４が筺体６を介して
接地されるので、図３および図４に点線で示すような電
気回路を構成し、半導体素子１から接地ラインに接続さ
れた筺体６に、浮遊静電容量による静電誘導により漏洩
電流が流れることとなる。

【０００６】また、半導体素子１の容量を大きく適用す
るときにはその体格が増すにともなって絶縁板３の面積
が増す程、或いは半導体装置を複数使用して設置する
程、半導体素子１と金属ケース４との間に形成される浮
遊静電容量９は大きな値となるので、この静電容量と、
半導体素子１と接地ライン間の電位差、との積に比例す
る漏洩電流は増加するものとなる。そして、電力変換装
置に半導体装置を使用するに当たり、半導体素子１に高
速、高周波電流のスイッチングがなされる場合には、こ
のスイッチング電流の周波数にも比例する漏洩電流は更
に増加するため、接地継電器（図示せず）を誤作動させ
たり、この漏洩電流の電磁誘導によるノイズ電流が通信
線に流れて障害を受ける不具合を発生させていた。

【０００７】このような場合、筺体６と接地ラインとの
間にコンデンサ（図示せず）を挿入して接続することに
より、半導体素子１と金属ケース４との間に形成された
静電容量９にコンデンサの静電容量を直接接続して、結
果として、対地静電容量を減して漏洩電流を低減する方
法が知られているが、この場合でも、筺体内の電力ケー
ブル等の配線に付随して表われる浮遊静電容量（図示せ
ず）が筺体６との間に介在しているときには、半導体装
置からの漏洩電流は筺体内の配線の浮遊静電容量を経由
して電力ケーブルに流れ再び電極２に環流する閉回路が
でき、この回路に流れる漏洩電流の電磁誘導により通信
線にノイズ電流が流れて障害を受けることがあり、不具
合点は依然解消しないものとなっていた。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は上述したような
点に鑑みなされたもので、つぎの如くに構成したもので
ある。すなわち、平板状の半導体素子の表面側で電極と
の接続がなされ、裏面側は絶縁板を介在させて金属ケー
スに固着し、この金属ケースの側面から電極までの空間
は前記半導体素子を外気から保護すべく絶縁ケースを設
けてなる半導体装置の、金属ケース側を、或いは、金属
ケースに密着させたフイン側を、接地ラインに接続した
筺体に装着する構成において、前記金属ケースと筺体と
の間、或いは、前記金属ケースに密着したフインと筺体
との間、に絶縁物を挟み静電容量を形成するようにした
ことを特徴とするものである。

【０００９】かかる解決手段により、つぎの如き作用効
果を奏し得る。すなわち、半導体素子と金属ケースとの
間には誘電体である絶縁板が介在するため従来どおりに
静電容量が形成されるが、金属ケースと筺体との間に、
或いは、金属ケースに密着したフインと筺体との間に、
いずれの場合にも誘電体である絶縁物が介在するので、
この部分にも静電容量が形成される。そして、前記半導
体装置内に形成された静電容量と、半導体装置と筺体間
に形成された静電容量は直列に接続されて合成の対地静
電容量として形成されて、この合成静電容量と、半導体
素子と接地ラインとの間の電位差と、その周波数との積
に比例する漏洩電流が流れることとなる。

【００１０】従って、電力変換装置の高速、高周波のス
イッチングによって生じる高周波周波数帯域の漏洩電流
を小さくするように合成静電容量を充分小さく選定する
ことにより、接地継電器を誤動作させたり、通信線に障
害を与えるような漏洩電流の低減を選択的に図ることが
できる。また、筺体内の電力ケーブル等に付随して表わ
れる浮遊静電容量が筺体との間に介在するため、半導体
装置からの漏洩電流が筺体から電力ケーブルに流れ再び
半導体装置に環流する場合にも、前記合成静電容量を更
に小さな値に選定することにより、半導体装置から筺体
に流出するすべての漏洩電流を低減することにより、前
記環流漏洩電流を容易に低減できるものとなる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施例を図面に基い
て説明する。図１は本発明の１実施例を示す断面図であ
り、従来どおりに構成された図５に示すような半導体装
置の金属ケース４と電力変換装置（図示せず）の筺体６
との間に、本発明要部であるセラミックや絶縁性樹脂で
形成した絶縁物８を介在させたことを示すものである。

【００１２】図２は本発明の他の実施例を示す断面図で
あり、図１に類して表したものであって、同一符号を付
した部分は図１に関して説明する同一部位であり同一の
機能を有し作用するものである。図２と図１とで相違す
る点は、図１では半導体装置の金属ケース４と絶縁物８
との間が相互に密着しているのに対して、図２では金属
ケース４と絶縁物８との間にフイン７を設けたことのみ
が異なる部分であって、これは半導体装置を複数使用し
て設置したり（図では１個のみを示す）、或いは、半導
体素子１の容量を大きなもので適用したため通電による
発生熱が大きく、金属ケース４に蓄熱されて生ずる過剰
の温度上昇を抑えるようにして、空気冷却能力を高めた
従来例である。そして、このフイン７と筺体６の間に本
発明要部である絶縁物８を介在させたことを示すもので
ある。

【００１３】すなわち、ＩＧＢＴなどに代表される平板
状の半導体素子１の表面側で電極２との電気的な接続が
なされ、裏面側はセラミックや絶縁性樹脂で形成した絶
縁板３を介在させて、銅材で形成した金属ケース４に固
着して半導体素子１と金属ケース４とを電気的に絶縁す
るとともに、半導体素子１の通電による発生熱を金属ケ
ース４に熱伝導させて効率良く熱放散させることが配慮
される。このため、絶縁板３は半導体素子１と接地ライ
ンとの間の対地絶縁抵抗を確保すると同時に、熱伝導性
を妨げないようにセラミック製の場合では厚さ０．２〜
０．５mm程度の薄いものが採用されている。そして、金
属ケース４の側面から電極２までの空間は半導体素子１
を外気から保護するためのセラミックや絶縁性樹脂で形
成した絶縁ケース５を設けてなる半導体装置を構成して
いる。

【００１４】かかる構成において、半導体素子１と金属
ケース４との間には絶縁物３の誘電体が介在するため、
第１の静電容量10が形成されるとともに、図１に示すよ
うに金属ケース４と筺体６との間に、或いは、図２に示
すように金属ケース４に密着したフイン７と筺体６との
間に、いずれも絶縁物８の誘電体が介在するため、それ
ぞれこの部分に第２の静電容量が形成されて、結局、図
１、図２に点線で示すような第１、第２の静電容量10，
11がそれぞれ直列に接続されてなる合成静電容量が半導
体素子１と接地ラインとの間に介在することとなる。

【００１５】ここで、複数の半導体装置を設置して使用
する場合には、半導体素子１と金属ケース４との間に第
１の静電容量10が複数並列に形成されるが、この場合は
これらを合成して１個の第１の静電容量が存在するもの
と見なし、また、第２の静電容量11についても金属ケー
ス４と接地ラインとの間に複数並列に形成されるばかり
でなく、図１に示すような場合の金属ケース４と筺体６
との間、或いは、図２に示すような場合のフイン７と筺
体６との間、には空気を誘電体とする静電容量（図示せ
ず）もそれぞれ複数並列に形成されるがこれらを合成し
た静電容量を１個の第２の静電容量に含めて存在するも
のとして見なすことにより、前述と同様に、この第１、
第２の静電容量10，11がそれぞれ直列に接続されてなる
合成静電容量が半導体素子１と接地ラインとの間に介在
すると見なせる。

【００１６】そして、この合成静電容量の値と、半導体
素子１と接地ラインとの間の電位差との積に比例する漏
洩電流が流れることとなり、この漏洩電流を低減するに
はこの合成静電容量を適当な値に低減すれば良いことと
なる。そのためには、合成静電容量を従来よりも小さな
値にすることになるが、第１の静電容量については前述
の如く、半導体素子１と金属ケース４との間の熱伝導を
効率良くすることに重きが置かれていて、静電容量の値
を変化させるための電極面積や電極距離および絶縁板３
の比誘電率を自由に選択できないという制約があるの
で、専ら、本発明に係る第２の静電容量11を適当な値に
選択することにより漏洩電流の低減対策を行うこととな
る。この第２の静電容量11の誘電体である絶縁物８は、
セラミックで形成する碍子や絶縁性樹脂で筒状等に形成
したものであり、電極間距離に相当する厚さや対向面積
および比電率は比較的自由に選択でき、所定の静電容量
を選択的に容易に製作できるものである。

【００１７】第２の静電容量の値は、次の手順で選定す
る。つまり、電力変換装置の高速・高周波のスイッチン
グによって生じる周波数帯域の漏洩電流を低減できるよ
うな合成静電容量を選定し、これから第１の静電容量10
を除いた残りを第２の静電容量11で分担することによ
り、接地継電器を誤動作させたり、通信線に障害を与え
るような漏洩電流を選択的に低減するように第２の静電
容量11の値を選定するものである。すなわち、第１、第
２の静電容量10，11をＣ１，Ｃ２ファラドとすれば、こ
れらの静電容量は半導体素子１と接地ラインに直列に接
続されるので、その合成静電容量Ｃ０ファラドは、Ｃ０
＝１／｛（１／Ｃ１）＋（１／Ｃ２）｝で表される。一
方、半導体素子１と接地ラインとの電位差がＶボルト、
漏洩電流の周波数がＦヘルツのとき、漏洩電流の値Ｉア
ンペアは、Ｉ＝２π×Ｆ×Ｃ０×Ｖ、と表されるので、
このときの合成静電容量の値Ｃ０ファラドは、Ｃ０＝Ｉ
／２π×Ｆ×Ｖ、と表される。従って、周波数Ｆヘルツ
の漏洩電流をＩアンペアの値に低減するに必要な第２の
静電容量11の値Ｃ２ファラドは、 Ｃ２＝１／｛（１／Ｃ０）−（１／Ｃ１）｝ ＝１／｛（２π×Ｆ×Ｃ０×Ｖ／Ｉ）−（１／Ｃ１）｝ ＝Ｉ×Ｃ１／（２π×Ｆ×Ｃ１−Ｉ） として表されるので、第１の静電容量10の値Ｃ１ファラ
ドを実測する等で求めて前式に代入することにより、第
２の静電容量11の値Ｃ２ファラドを計算で求めることが
できることとなる。

【００１８】そして、図１、図２に示す絶縁物８の部分
を平行板静電容量と見なし、絶縁物８の比誘電率をＥＳ
とし、真空の誘電率をＥ０（＝８．885 ×10のマイナス
12乗）ファラド／メートルとするとき、電極面積である
絶縁物８の平面面積Ｓ平方メートルと、電極間距離であ
る絶縁物８の厚さｄメートルとの比は、Ｓ／ｄ＝（Ｃ２
／Ｅ０×ＥＳ）平方メートル／メートルとして表される
ので、半導体装置と筺体６との装着強度等に考慮して、
適宜製作し易い絶縁物８の平面面積Ｓ平方メートルと厚
さｄメートルに選んで漏洩電流低減装置を形成できる。
また、絶縁物８の比誘電率ＥＳのの値は、碍子のような
セラミックでは５〜７、エンジニアプラスチックのよう
な絶縁性樹脂では４〜６、程度のものを選択して使用す
る。

【００１９】更に、電力変換装置の筺体内に閉回路を構
成して分流し、再び半導体素子１に環流するような漏洩
電流の低減が可能である。すなわち、筺体内の電力ケー
ブルに付随して表われる浮遊静電容量（図示せず）が筺
体６との間に介在するときには、半導体装置から流出し
た漏洩電流が筺体６から電力ケーブルの浮遊静電容量を
経由して電力ケーブルに流れ、再び半導体素子１に環流
し、この漏洩電流の電磁誘導により通信線にノイズ電流
を発生させる場合にも、第２の静電容量11を更に小さな
値に選定する等の手段を用いて容易に環流する漏洩電流
の低減を図ることができる。

【００２０】このように、本発明によれば、半導体装置
から筺体６に流出するすべての漏洩電流を低減すること
となるので、漏洩電流に係わる不具合を簡単な装置で解
消するものである。以上の説明は本発明の背景となった
利用分野である電力変換装置の漏洩電流の低減装置に適
用した場合について説明したが、それに限定されずＩＧ
ＢＴ等の半導体装置を用いたすべての電気機器に適用す
ることができるものである。

【００２１】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば簡単な
構成によって漏洩電流を低減できる装置を提供でき、以
下のような効果を奏する。すなわち、半導体装置と筺体
との間、或いは、半導体装置の金属ケースに密着したフ
インと筺体との間に絶縁物からなる誘電体を挟んで静電
容量を形成するようにし、電力変換装置の高速、高周波
のスイッチングによって生ずる周波数帯域における漏洩
電流を低減できるような前記静電容量の値を選定して、
接地継電器を誤動作させたり、通信線に障害を与えたり
する漏洩電流を選択的に低減できる。

【００２２】また、筺体内の電力ケーブルと筺体との間
に浮遊静電容量が介在するため、半導体装置からの漏洩
電流が筺体から浮遊静電容量を経由して電力ケーブルに
流れ、再び半導体素子に環流するために、この漏洩電流
による電磁誘導によって通信線にノイズ電流が発生する
場合にも、半導体装置と筺体との間の静電容量を更に小
さな値にすることにより、これらの漏洩電流を低減する
ことができる。このように本発明によれば、半導体装置
から筺体に流出するすべての漏洩電流を低減するので、
半導体装置から浮遊静電容量を経由して電力ケーブルに
環流する漏洩電流による不具合は防止でき、同時に接地
ラインへの漏洩電流の低減も確実なものとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明の一実施例を示す断面図である。

【図２】図２は本発明の他の実施例を示す断面図であ
る。

【図３】図３は従来例の断面図である。

【図４】図４は他の従来例を示す断面図である。

【図５】図５は半導体装置の断面図である。

【符号の説明】

１ 半導体素子 ２ 電極 ３ 絶縁板 ４ 金属ケース ５ 絶縁ケース ６ 筺体 ７ フイン ８ 絶縁物 ９ 静電容量 10 第１の静電容量 11 第２の静電容量

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 平板状の半導体素子の表面側で電極との
   接続がなされ、裏面側は絶縁板を介在させて金属ケース
   に固着し、この金属ケースの側面から電極までの空間は
   前記半導体素子を外気から保護すべく絶縁ケースを設け
   てなる半導体装置を、接地した筺体に装着する構成にお
   いて、前記金属ケースと筺体との間、或いは、前記金属
   ケースに密着したフインと筺体との間、に絶縁物を挟み
   静電容量を形成するようにしたことを特徴とする電力変
   換装置の漏洩電流低減装置。