JPWO2019244833A1 - Power module device - Google Patents
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Abstract
パワーモジュール内部の絶縁シートの絶縁耐電圧に左右されることなく、パワーモジュールの定格絶縁耐電圧を超過した電圧がパワーモジュールに印加される場合にもパワーモジュールを保護することができる技術を提供することを目的とする。パワーモジュール装置は、パワーモジュール23と、配線導体1と、ヒートシンク11と、モジュールベースプレート3とヒートシンク11とを絶縁する絶縁シート10と、配線導体1とモジュールベースプレート3との間に接続された静電容量または寄生容量を有する部材とを備えている。モジュール内絶縁シート2の寄生容量C1と静電容量または寄生容量を有する部材の静電容量または寄生容量は並列接続され、モジュール内絶縁シート2の寄生容量C1と絶縁シート10の寄生容量C2は直列接続され、静電容量または寄生容量を有する部材の静電容量または寄生容量と絶縁シート10の寄生容量C2は直列接続されている。Provided is a technology capable of protecting a power module even when a voltage exceeding the rated insulation withstand voltage of the power module is applied to the power module without being influenced by the insulation withstand voltage of the insulating sheet inside the power module. The purpose is. The power module device includes a power module 23, a wiring conductor 1, a heat sink 11, an insulating sheet 10 that insulates the module base plate 3 and the heat sink 11, and an capacitance connected between the wiring conductor 1 and the module base plate 3. It includes a member having a capacitance or a parasitic capacitance. The parasitic capacitance C1 of the insulating sheet 2 in the module and the capacitance or parasitic capacitance of the member having the capacitance or the parasitic capacitance are connected in parallel, and the parasitic capacitance C1 of the insulating sheet 2 in the module and the parasitic capacitance C2 of the insulating sheet 10 are in series. The capacitance or parasitic capacitance of a member that is connected and has a capacitance or parasitic capacitance and the parasitic capacitance C2 of the insulating sheet 10 are connected in series.
Description
本発明は、パワーモジュールの耐電圧を確保することを目的とした構造に関するものである。 The present invention relates to a structure for ensuring the withstand voltage of a power module.
パワーモジュールにおいて、パワーユニットと放熱ベースプレートとの間に絶縁シートが配置されている。従来のパワーモジュールの耐電圧能力は、パワーユニットと放熱ベースプレートとの間に配置される絶縁シートの厚みで決まる(例えば、特許文献1参照)。 In the power module, an insulating sheet is arranged between the power unit and the heat dissipation base plate. The withstand voltage capacity of a conventional power module is determined by the thickness of an insulating sheet arranged between the power unit and the heat dissipation base plate (see, for example, Patent Document 1).
パワーモジュールの定格絶縁耐電圧を超過した電圧がパワーモジュールに印加されるとき、パワーモジュール内部の絶縁シートの劣化により、パワーモジュールの絶縁破壊が発生する。なお、絶縁耐電圧とは、絶縁破壊を生じることなく絶縁部材に印加できる電圧の上限である。 When a voltage exceeding the rated insulation withstand voltage of the power module is applied to the power module, dielectric breakdown of the power module occurs due to deterioration of the insulating sheet inside the power module. The insulation withstand voltage is the upper limit of the voltage that can be applied to the insulating member without causing dielectric breakdown.
鉄道の異なる架線電圧に対して必要となる絶縁耐電圧も異なるため、鉄道車両の絶縁耐電圧試験では、それぞれの必要な絶縁耐電圧に応じて、パワーモジュールを選定する。例えば、架線電圧[U]が直流600V以上1200V以下の場合、鉄道に関する国際規格IEC30077−1により、絶縁耐電圧が[2×U+1500]=2700V以上3900V以下である。よって、絶縁耐電圧が3900V以上を超えたパワーモジュールを選定しなければならない。 Since the insulation withstand voltage required for different overhead wire voltages of railways is also different, in the insulation withstand voltage test of railway vehicles, the power module is selected according to each required insulation withstand voltage. For example, when the overhead line voltage [U] is DC 600 V or more and 1200 V or less, the insulation withstand voltage is [2 × U + 1500] = 2700 V or more and 3900 V or less according to the international standard IEC3007-1 regarding railways. Therefore, it is necessary to select a power module whose insulation withstand voltage exceeds 3900 V or more.
鉄道車両に使用されるパワーモジュールでは、一般に絶縁耐電圧が高ければ高いほど、価格も高くなる。そのため、製品のコストを抑えるためには、より絶縁耐圧が低い安価なパワーモジュールを使用することが有効である。 In power modules used in railroad vehicles, the higher the insulation withstand voltage, the higher the price. Therefore, in order to reduce the cost of the product, it is effective to use an inexpensive power module having a lower dielectric strength.
しかしながら、例えば、4kVの鉄道車両の絶縁耐電圧試験が行われるときに、絶縁耐電圧が2.5kVの安価なパワーモジュールが用いられる場合を想定する。このパワーモジュールに4kVの電圧が印加されるとき、パワーモジュールの絶縁破壊が発生する。 However, for example, it is assumed that an inexpensive power module having an insulation withstand voltage of 2.5 kV is used when an insulation withstand voltage test of a 4 kV railway vehicle is performed. When a voltage of 4 kV is applied to this power module, dielectric breakdown of the power module occurs.
特許文献1に記載のパワーモジュールにおいては、使用する絶縁シートの厚みでパワーモジュールの絶縁耐電圧が左右されるという問題点がある。具体的には、絶縁破壊の発生を抑制するためには、パワーモジュール内部の絶縁シートを厚くする必要があるが、絶縁シートを厚くすればするほど、絶縁シートの熱抵抗が大きくなり、パワーモジュールの放熱性が悪化する。 The power module described in Patent Document 1 has a problem that the insulation withstand voltage of the power module depends on the thickness of the insulating sheet used. Specifically, in order to suppress the occurrence of dielectric breakdown, it is necessary to make the insulating sheet inside the power module thicker, but the thicker the insulating sheet, the greater the thermal resistance of the insulating sheet, and the power module. The heat dissipation of is deteriorated.
そこで、本発明は、パワーモジュール内部の絶縁シートの絶縁耐電圧に左右されることなく、パワーモジュールの定格絶縁耐電圧を超過した電圧がパワーモジュールに印加される場合にもパワーモジュールを保護することができる技術を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention protects the power module even when a voltage exceeding the rated insulation withstand voltage of the power module is applied to the power module without being influenced by the insulation withstand voltage of the insulating sheet inside the power module. The purpose is to provide technology that can be used.
本発明に係るパワーモジュール装置は、モジュール内絶縁シートとモジュールベースプレートとモジュール端子とを有するパワーモジュールと、前記モジュール端子に電力を供給する配線導体と、前記パワーモジュールで発生した熱を放熱するヒートシンクと、前記モジュールベースプレートと前記ヒートシンクとの間に配置され、かつ、前記モジュールベースプレートと前記ヒートシンクとを絶縁する絶縁シートと、前記配線導体と前記モジュールベースプレートとの間に接続された静電容量または寄生容量を有する部材と、前記静電容量または寄生容量を有する部材と電気的に並列、もしくは、前記絶縁シートと電気的に並列に、前記モジュールベースプレートと、前記ヒートシンクとの間に接続され、かつ、熱的および機械的に前記ヒートシンクに固定された抵抗器とを備え、前記モジュール内絶縁シートの寄生容量と前記静電容量または寄生容量を有する部材の静電容量または寄生容量は並列接続され、前記モジュール内絶縁シートの寄生容量と前記絶縁シートの寄生容量は直列接続され、前記静電容量または寄生容量を有する部材の静電容量または寄生容量と前記絶縁シートの寄生容量は直列接続され、前記抵抗器は前記モジュール内絶縁シートの寄生容量と並列、もしくは、前記絶縁シートの寄生容量と並列に接続されたものである。 The power module device according to the present invention includes a power module having an in-module insulating sheet, a module base plate, and a module terminal, a wiring conductor that supplies power to the module terminals, and a heat sink that dissipates heat generated by the power module. , Capacitance or parasitic capacitance arranged between the module base plate and the heat sink and connected between the wiring conductor and the module base plate with an insulating sheet that insulates the module base plate and the heat sink. Is electrically connected to the member having a capacitance or a member having a parasitic capacitance, or electrically in parallel with the insulating sheet, and is connected between the module base plate and the heat sink, and has heat. The module is provided with a resistor physically and mechanically fixed to the heat sink, and the parasitic capacitance of the insulating sheet in the module and the capacitance or parasitic capacitance of the member having the capacitance or the parasitic capacitance are connected in parallel. The parasitic capacitance of the inner insulating sheet and the parasitic capacitance of the insulating sheet are connected in series, and the capacitance or the parasitic capacitance of the member having the capacitance or the parasitic capacitance and the parasitic capacitance of the insulating sheet are connected in series, and the resistor is connected. Is connected in parallel with the parasitic capacitance of the insulating sheet in the module, or in parallel with the parasitic capacitance of the insulating sheet.
本発明によれば、配線導体とモジュールベースプレートとの間に静電容量または寄生容量を有する部材が接続されたため、静電容量または寄生容量を有する部材の静電容量または寄生容量を利用し、パワーモジュールの定格絶縁耐電圧を超過した電圧がパワーモジュールに印加される場合にもパワーモジュールを保護することができる。また、パワーモジュールの絶縁耐電圧が静電容量または寄生容量を有する部材の静電容量または寄生容量と絶縁シートの寄生容量で決まることから、モジュール内絶縁シートの絶縁耐電圧に左右されることを抑制できる。 According to the present invention, since a member having a capacitance or a parasitic capacitance is connected between the wiring conductor and the module base plate, the capacitance or the parasitic capacitance of the member having the capacitance or the parasitic capacitance is used to generate power. The power module can be protected even when a voltage exceeding the rated insulation withstand voltage of the module is applied to the power module. In addition, since the insulation withstand voltage of the power module is determined by the capacitance or parasitic capacitance of the member having capacitance or parasitic capacitance and the parasitic capacitance of the insulation sheet, it depends on the insulation withstand voltage of the insulation sheet inside the module. Can be suppressed.
この発明の目的、特徴、局面、および利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。 Objectives, features, aspects, and advantages of the present invention will become more apparent with the following detailed description and accompanying drawings.
<実施の形態1>
本発明の実施の形態1について、図面を用いて以下に説明する。図1は、実施の形態1に係るパワーモジュール装置の断面図である。図2は、実施の形態1に係るパワーモジュール装置の平面図である。図3は、実施の形態1に係るパワーモジュール装置が備えるコンデンサの斜視図である。図4は、実施の形態1に係るパワーモジュール装置における抵抗器13の位置を示す断面図である。図5は、実施の形態1に係るパワーモジュール装置における抵抗器13aの位置を示す断面図である。<Embodiment 1>
Embodiment 1 of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view of the power module device according to the first embodiment. FIG. 2 is a plan view of the power module device according to the first embodiment. FIG. 3 is a perspective view of a capacitor included in the power module device according to the first embodiment. FIG. 4 is a cross-sectional view showing the position of the
パワーモジュール装置は、パワーモジュールユニット24の構造であるため、パワーモジュールユニット24について説明する。図1と図2に示すように、パワーモジュールユニット24は、パワーモジュール23、配線導体1、ヒートシンク11、追加ベースプレート4、絶縁シート10、コンデンサ12、および抵抗器13を備えている。
Since the power module device has the structure of the
パワーモジュール23は、モジュール端子22、基板26、チップ27、モジュール内絶縁シート2、およびモジュールベースプレート3を備えている。パワーモジュール23はパワーユニット25を含んでいる。具体的には、パワーユニット25は、モジュール端子22、導体28、チップ27、基板26、およびモジュール内絶縁シート2を備えている。モジュール端子22とチップ27とが導体28を介して電気的に接続されている。チップ27は基板26上に実装されている。基板26とモジュールベースプレート3との間に、要求絶縁距離を満足するモジュール内絶縁シート2が配置されている。
The
配線導体1は、モジュール端子22に電気的に接続され、モジュール端子22を介してチップ27に電力を供給する。追加ベースプレート4は、モジュールベースプレート3とは電気的および熱的に接続されている。追加ベースプレート4は、パワーモジュール23で発生した熱を放熱する。追加ベースプレート4とヒートシンク11との間に絶縁シート10が配置されている。絶縁シート10は、追加ベースプレート4とヒートシンク11とを絶縁し、絶縁耐電圧試験で必要とされる絶縁耐電圧以上の絶縁耐電圧を有している。ヒートシンク11は、絶縁シート10を介して追加ベースプレート4の熱を放熱する。
The wiring conductor 1 is electrically connected to the
図1と図2に示すように、配線導体1は、配線導体1に形成されたネジ貫通穴15に通したネジ5をモジュール端子22に締結することで、パワーモジュール23に固定されている。モジュールベースプレート3に形成されたネジ貫通穴17とスペーサ7に通したネジ6を追加ベースプレート4に形成されたネジ穴18に締結することで、パワーモジュール23は追加ベースプレート4に機械的および電気的に固定されている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the wiring conductor 1 is fixed to the
追加ベースプレート4に形成されたネジ貫通穴21、絶縁シート10に形成されたネジ貫通穴およびヒートシンク11に形成された穴20aに絶縁ブッシュ9を挿通した状態で、ネジ8を絶縁ブッシュ9内のネジ貫通穴19に通して、ヒートシンク11における穴20aの下側に形成されたネジ穴20に締結することで、追加ベースプレート4は絶縁シート10およびヒートシンク11に固定されている。追加ベースプレート4とネジ8との沿面距離を確保するためにネジ穴20に絶縁ブッシュ9が挿通されている。なお、沿面距離が必要な箇所は図4の矢印で示されている。
With the insulating
図1に示すように、コンデンサ12は、配線導体1とモジュールベースプレート3との間に電気的に接続されている。図3に示すように、コンデンサ12は、本体部12a、一端12bおよび他端12cを備えている。コンデンサ12の一端12bと他端12cとが直角に折り曲げられている。コンデンサ12の一端12bの折り曲げ部は配線導体1にはんだで接合されている。コンデンサの他端12cの折り曲げ部はスペーサ7にはんだで接合されている。コンデンサ12の本体部12aが追加ベースプレート4の上に置かれ、固定剤でコンデンサ12の本体部12aが追加ベースプレート4に機械的に固定されている。
As shown in FIG. 1, the
追加ベースプレート4は電気的に接続される箇所がなく、フローティング電位となるため、モジュールベースプレート3と、ヒートシンク11との間に形成される容量成分に対して、電気的に並列に接続されるモジュールベースプレート3と、ヒートシンク11との間に、絶縁耐圧試験を満足する抵抗器13(図1、図4および図7(a)参照)を追加することで、基板26の端部と、モジュールベースプレート3との間に形成される容量成分に蓄えた電荷が放電される。また、絶縁耐圧試験で直流電圧が印加された場合、パワーモジュール23を破壊されることが抑制される。もしくは、配線導体1と、モジュールベースプレート3との間に形成される容量成分に対して、電気的に並列に接続された配線導体1と、モジュールベースプレート3との間に、絶縁耐電圧試験を満足する抵抗器13a(図5と図7(b)参照)を追加してもよい。もしくは、抵抗器13と抵抗器13aとを追加してもよい。
Since the
次に、実施の形態1に係るパワーモジュール23の耐電圧構造の作用および効果について、従来技術の問題点と比較しながら説明する。図6は、パワーモジュール23の寄生容量C1と絶縁シート10の寄生容量C2の概略図である。図7は、図6を説明するための説明図である。具体的には、図7(a)は抵抗器13を追加した場合の例であり、図7(b)は抵抗器13aを追加した場合の例である。図8は、パワーモジュール23の寄生容量C1と絶縁シート10の寄生容量C2とコンデンサ12の静電容量C3の概略図である。図9は、図8を説明するための説明図である。具体的には、図9(a)は抵抗器13を追加した場合の例であり、図9(b)は抵抗器13aを追加した場合の例である。
Next, the operation and effect of the withstand voltage structure of the
寄生容量は、2つの導電性部材間が絶縁層を介して接続されることで発生する。2つの導電性部材間に配置されている絶縁性部材の厚みをd(mm)とし、絶縁性部材の面積をSとし、絶縁性部材の誘電率をεsとしたとき、寄生容量Cは式(1)のようになる。ε0は真空の誘電率で8.855×10-12である。Parasitic capacitance is generated by connecting two conductive members via an insulating layer. When the thickness of the insulating member arranged between the two conductive members is d (mm), the area of the insulating member is S, and the dielectric constant of the insulating member is ε s , the parasitic capacitance C is the formula. It becomes like (1). ε 0 is the permittivity of the vacuum, which is 8.855 × 10 -12 .
パワーモジュールユニット24には、図6に示すように寄生容量C1,C2が存在している。パワーモジュール23の絶縁耐電圧は、パワーモジュール23の寄生容量C1によって決定される高い絶縁耐電圧が求められる場合、モジュール内絶縁シート2を厚くする必要がある。しかし、モジュール内絶縁シート2を厚くすればするほど、モジュール内絶縁シート2の熱抵抗が大きくなり、パワーモジュール23の放熱性が悪化する。したがって、モジュール内絶縁シート2を厚くすることで絶縁耐電圧を稼ぐ手段は現実的ではない。
As shown in FIG. 6, the
図6と図7(a),(b)に示すように、パワーモジュール23のモジュールベースプレート3に絶縁シート10を介してヒートシンク11を熱的に接続することにより、パワーモジュール23の寄生容量C1と絶縁シート10の寄生容量C2とは直列になっている。外部高電圧がパワーモジュール23とヒートシンク11との両端に印加されるときモジュール内絶縁シート2の寄生容量C1と絶縁シート10の寄生容量C2とで分圧される。
As shown in FIGS. 6 and 7 (a) and 7 (b), the
印加される外部高電圧をUとし、また、外部高電圧Uの総電荷をQとし、モジュール内絶縁シート2に印加される電圧をU1とし、絶縁シート10に印加される電圧をU2とすると、式(2)および式(3)が成立する。
Assuming that the applied external high voltage is U, the total charge of the external high voltage U is Q, the voltage applied to the insulating
式(2)および式(3)より、寄生容量(C1,C2)の容量が小さいほど印加される電圧(U1,U2)が高くなる。 From the equations (2) and (3), the smaller the capacitance of the parasitic capacitances (C1, C2), the higher the applied voltage (U1, U2).
一般的に、絶縁シート10の寄生容量C2がモジュール内絶縁シート2の寄生容量C1よりはるかに大きい。そのため、外部高電圧がパワーモジュール23とヒートシンク11との両端に印加されるときに、外部高電圧の大半がモジュール内絶縁シート2に印加され、モジュール内絶縁シート2の劣化により、パワーモジュール23が破壊される。
Generally, the parasitic capacitance C2 of the insulating
また、絶縁シート10の厚みdを厚くすることにより、絶縁シート10の寄生容量C2をモジュール内絶縁シート2の寄生容量C1以下にすることができる。しかし、絶縁シート10の厚みdを厚くすることで絶縁シート10の熱抵抗も大きくなり、パワーモジュール23の放熱性が悪くなり、より大きなヒートシンクが必要になる。さらに、装置の小型化が求められている昨今では絶縁シート10の厚みdを厚くすることも難しい。
Further, by increasing the thickness d of the insulating
これに対して本実施の形態1では、図1に示したように、パワーモジュール23のモジュールベースプレート3に追加ベースプレート4と絶縁シート10とを介してヒートシンク11を接続し、かつ、パワーモジュール23のモジュール端子22に接続された配線導体1とモジュールベースプレート3との間にコンデンサ12を接続することで、パワーモジュール23の絶縁耐電圧より高い電圧からパワーモジュール23を保護する。
On the other hand, in the first embodiment, as shown in FIG. 1, the
図8と図9(a),(b)に示すように、コンデンサ12の静電容量をC3とすると、モジュール内絶縁シート2の寄生容量C1とコンデンサの静電容量C3は並列接続され、モジュール内絶縁シート2の寄生容量C1と絶縁シート10の寄生容量C2は直列接続され、コンデンサ12の静電容量C3と絶縁シート10の寄生容量C2は直列接続されている。
As shown in FIGS. 8 and 9 (a) and 9 (b), assuming that the capacitance of the
パワーモジュールユニット24に印加される外部高電圧をUとし、また、外部高電圧Uの総電荷をQとし、コンデンサ12に印加される電圧をU1とし、絶縁シート10に印加される電圧をU2とすると、式(4)および式(5)が成立する。
The external high voltage applied to the
また、パワーモジュール23がコンデンサ12に並列されているため、パワーモジュール23の両端にも電圧U1が印加される。式(4)および式(5)より、寄生容量が小さいほど印加される電圧が高くなる。
Further, since the
モジュール内絶縁シート2の寄生容量C1が絶縁シート10の寄生容量C2よりはるかに小さいため、コンデンサ12が配置されない場合、サージ電圧が重畳したときに、外部高電圧の大半がパワーモジュール23に印加され、パワーモジュール23が破壊される。そのため、コンデンサ12の静電容量C3を以下のように選定する。
Since the parasitic capacitance C1 of the insulating
モジュール内絶縁シート2の寄生容量C1とコンデンサ12の静電容量C3との和を絶縁シート10の寄生容量C2より大きくする必要があるため、少なくともC3>C2−C1が成り立つように選定する。そうすることで、パワーモジュール23の絶縁耐電圧より高い電圧がパワーモジュールユニット24に印加されるとき、モジュール内絶縁シート2の寄生容量C1と絶縁シート10の寄生容量C2とコンデンサ12の静電容量C3が上記の式(4)を満足し、寄生容量C1+静電容量C3と寄生容量C2とで分圧することが可能である。
Since it is necessary to make the sum of the parasitic capacitance C1 of the insulating
また、絶縁シート10の寄生容量C2に対して、電気的に並列となり、コンデンサ12に対して、電気的に直列となるモジュールベースプレート3と、ヒートシンク11との間に静電容量を有する部材を追加する場合を考える。静電容量を有する部材の静電容量をC4とする。この場合、C1+C3≦C2+C4であれば、静電容量C4として、静電容量C4の絶縁耐電圧がパワーモジュールユニット24に印加される電圧より高いものを選定する。そうすることで、パワーモジュール23の絶縁耐電圧より高い電圧がパワーモジュールユニット24に印加されるとき、高電圧がC1+C3とC2+C4とで分圧され、パワーモジュール23の絶縁耐電圧より高い電圧からパワーモジュール23を保護することもできる。
Further, a member having a capacitance is added between the
次に、抵抗器13,13aの抵抗値Rdの選定について説明する。ここでは抵抗器13aの場合について説明する。図9(b)に示すように、抵抗器13aと電気的に並列となる静電容量または寄生容量を有する部材の絶縁抵抗値より小さい抵抗値Rdを有する抵抗器13aを選定する。また、抵抗器13aに大電圧が印加されるため、適切な抵抗値Rdを有する抵抗器13aを選定する必要がある。実施の形態1では、抵抗器13aは電気的にコンデンサ12と並列に接続され、配線導体1およびモジュールベースプレート3と電気的に接続されている。また、抵抗器13aの本体部はヒートシンク11に熱的および機械的に固定されている。ここで、電気的に並列となる静電容量または寄生容量を有する部材はコンデンサ12である。
Next, selection of the resistance value Rd of the
例えば、モジュール内絶縁シート2の寄生容量C1=500pFとした場合、モジュール内絶縁シート2のインピーダンスをRzとする。Rz=1/2πfC、また、仮に絶縁耐圧試験の周波数を60Hzとする。
For example, when the parasitic capacitance C1 of the
よって、Rz=1/(2π×60Hz×500×10-12F)=5.3MΩとなる。絶縁シート10の寄生容量C2=1000pFとすると、コンデンサ12の静電容量C3は式(6)のようになる。また、抵抗器13aの抵抗値Rd<5.3MΩである。Therefore, Rz = 1 / (2π × 60Hz × 500 × 10 -12 F) = 5.3MΩ. Assuming that the parasitic capacitance C2 of the insulating
仮に、外部高電圧が3900Vとした場合、耐電圧が3900V以上のコンデンサ12を選定すれば問題ない。すなわち、コンデンサ12の静電容量C3を500pF以上にすれば、パワーモジュール23を外部高電圧から保護することができる。
If the external high voltage is 3900V, there is no problem if a
また、3900Vの外部高電圧がパワーモジュールユニット24に印加された際、抵抗器13aの抵抗値Rdを50kΩとした場合、仮に、抵抗器13aに2000Vが印加されたとすると、抵抗器13aにかかる電力P=V2/Rd=20002V/50kΩ=80Wとなる。さらに、抵抗器13aはコンデンサ12の静電容量C3とモジュール内絶縁シート2の寄生容量C1に蓄えた電荷を放電するため発熱する。仮に、コンデンサ12の静電容量を500pFとした場合、放電時間τ=RC=50kΩ×1000pF=50μsecとなる。Further, when an external high voltage of 3900 V is applied to the
パワーモジュール装置に外部から印加される高電圧は雷サージ等、極めて短時間の印加である。また、絶縁耐電圧試験は一般的に1分間で行われるため、抵抗器13aは1分間の過負荷(過電力)に耐えることができればよい。しかし、耐電圧試験でパワーモジュールユニット24に印加される電圧は、パワーモジュールユニット24に通常印加される電圧より10倍ほど大きく、耐電圧試験を行うときの抵抗器13aの発熱を考慮しなければならない。
The high voltage applied to the power module device from the outside is an extremely short time application such as a lightning surge. Further, since the insulation withstand voltage test is generally performed in 1 minute, it is sufficient that the
仮に、抵抗値が50kΩの抵抗器で2000Vの過負荷に耐えるためには、抵抗器を大型化する必要がある。抵抗器が大型化すれば、製造コストが増加するだけでなく耐振動性および重量も厳しくなる。しかし、本実施の形態1では、抵抗器13aの本体部をヒートシンク11に熱的および機械的に固定することで抵抗器13aの放熱性が向上するため、抵抗器13aに印加する電圧は極めて短時間である。そのため、抵抗器13aの定格電力は抵抗器13aの消費電力で設計すればよく、抵抗器13aを小型化することができる。なお、パワーモジュール装置の定常使用時に、抵抗器13aに印加される電圧は、絶縁耐電圧試験時より十分に低い電圧であるから、抵抗器13aの定常時の消費電力は僅少となり、問題はない。
If a resistor with a resistance value of 50 kΩ can withstand an overload of 2000 V, it is necessary to increase the size of the resistor. As the size of the resistor increases, not only the manufacturing cost increases, but also the vibration resistance and weight become severe. However, in the first embodiment, since the heat dissipation of the
例えば、メタルクラッド抵抗器の外装およびその内部の本体部の耐電圧は、3000V以上4500V以下であり、市場流通量も大きい。そのため、メタルクラッド抵抗器は抵抗器13aとして使用することができる。メタルクラッド抵抗器の外装の例としては、図16に示している。
For example, the withstand voltage of the exterior of the metal clad resistor and the main body inside the metal clad resistor is 3000 V or more and 4500 V or less, and the market distribution amount is large. Therefore, the metal clad resistor can be used as the
また、抵抗器13aに対して、電気的に直列となるモジュールベースプレート3と、ヒートシンク11との間に絶縁耐電圧試験を満足する抵抗器13を追加することで、静電容量C3および寄生容量C1に蓄えた電荷を放電することができる。この場合、抵抗器13の抵抗値Rdは抵抗器13aの抵抗値Rdと同じである。
Further, by adding a
また、図9(a)に示すように、抵抗器13aをなくし、寄生容量C2に対して、電気的に並列となるモジュールベースプレート3と、ヒートシンク11の間に絶縁耐電圧試験を満足する抵抗器13を追加することで、静電容量C3および寄生容量C1に蓄えた電荷を放電することができる。この場合、抵抗器13の抵抗値Rdは抵抗器13aの抵抗値Rdと同じである。なお、抵抗器13の本体部はヒートシンク11に熱的および機械的に固定されている。
Further, as shown in FIG. 9A, a resistor that eliminates the
さらに、コンデンサ12の静電容量C3を大きくすることにより、パワーモジュールユニット24の両端に印加される電圧がパワーモジュール23の絶縁耐電圧の2倍または3倍以上の場合においてもパワーモジュール23を絶縁破壊から保護することが可能となる。
Further, by increasing the capacitance C3 of the
以上のように、実施の形態1に係るパワーモジュール装置では、配線導体1とモジュールベースプレート3との間にコンデンサ12が接続されたため、コンデンサ12の静電容量C3を利用し、パワーモジュール23の定格絶縁耐電圧を超過した電圧がパワーモジュール23に印加される場合にもパワーモジュール23を保護することができる。
As described above, in the power module device according to the first embodiment, since the
また、パワーモジュール23の絶縁耐電圧がコンデンサ12の静電容量C3と絶縁シート10の寄生容量C2で決まることから、モジュール内絶縁シート2の絶縁耐電圧に左右されることを抑制できる。
Further, since the insulation withstand voltage of the
なお、鉄道車両の絶縁耐電圧試験には交流電圧の耐圧試験と直流電圧の耐圧試験があるため、直流電圧が印加される場合、抵抗器をパワーモジュールユニット24に配置することができず、静電放電の放電ルートがなければ、パワーモジュール23が破壊される恐れがある。パワーモジュール23が破壊される恐れを抑制するために、コンデンサ12だけでなく抵抗器13aも必要である。また、抵抗器13aをなくし、電気的に直列となるモジュールベースプレート3と、ヒートシンク11との間に絶縁耐電圧試験を満足する抵抗器13を追加することで、静電容量C3および寄生容量C1に蓄えた電荷を放電することができる。
Since the insulation withstand voltage test of a railway vehicle includes an AC voltage withstand voltage test and a DC voltage withstand voltage test, when a DC voltage is applied, the resistor cannot be arranged in the
これにより、鉄道車両向けの高耐電圧かつ高価なパワーモジュールではなく、従来より絶縁耐圧が低くより安価なパワーモジュールを使用することが可能となる。よって、製品の製造コストを抑えるとともに小型化を図ることができる。また、追加ベースプレート4の面積が、モジュールベースプレート3の面積より大きくなるので、追加ベースプレート4がヒートスプレッダとして機能する。これにより、パワーモジュール23の放熱性が向上する。なお、絶縁シート10と追加ベースプレート4を数枚重ねたり、組み合わせたりすることで上記と同じ効果が得られる。
This makes it possible to use a cheaper power module having a lower dielectric strength than the conventional one, instead of a high withstand voltage and expensive power module for railway vehicles. Therefore, the manufacturing cost of the product can be suppressed and the size can be reduced. Further, since the area of the
<実施の形態2>
次に、実施の形態2に係るパワーモジュール装置について説明する。図10は、実施の形態2に係るパワーモジュール装置の断面図である。図11は、実施の形態2に係るパワーモジュール装置が備えるプリント基板43の取り付け構造の断面図である。図12は、実施の形態2に係るパワーモジュール装置が備えるプリント基板43の平面図である。図13は、実施の形態2に係るパワーモジュール装置が備える固定用パーツ52の斜視図である。なお、実施の形態2において、実施の形態1で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。<
Next, the power module device according to the second embodiment will be described. FIG. 10 is a cross-sectional view of the power module device according to the second embodiment. FIG. 11 is a cross-sectional view of the mounting structure of the printed
図10に示すように、実施の形態2では、実施の形態1に対してコンデンサ12がプリント基板43に置き換えられている。
As shown in FIG. 10, in the second embodiment, the
図11に示すように、プリント基板43は、表面である部品面41と裏面であるはんだ面42とを備えている。プリント基板43の部品面41の一部に銅箔パターン48が貼り付けられ、エッチングされている。プリント基板43のはんだ面42の一部に銅箔パターン49が貼り付けられ、エッチングされている。
As shown in FIG. 11, the printed
プリント基板43は、導電性を有する固定用パーツ52,53を用いて配線導体1およびモジュールベースプレート3に固定される。なお、固定用パーツ52,53は同じ構造である。図11〜図13に示すように、銅箔パターン48の一端部にネジ貫通穴46が形成され、ネジ50が固定用パーツ52の一端部のネジ貫通穴58とネジ貫通穴46とを貫通してナット55に締結されることで、固定用パーツ52の一端部がプリント基板43に固定されている。
The printed
ネジ50の頭部とはんだ面42に貼り付けられた銅箔パターン49との間には、要求される絶縁耐電圧を満足する絶縁距離が確保されている。
An insulation distance that satisfies the required insulation withstand voltage is secured between the head of the
図10〜図13に示すように、配線導体1の一端部にもネジ貫通穴が形成され、ネジ44が固定用パーツ52の他端部のネジ貫通穴57と配線導体1のネジ貫通穴とを貫通してナット54に締結されることで、固定用パーツ52の他端部が配線導体1に固定されている。これにより、プリント基板43および配線導体1は固定用パーツ52を介して固定されている。
As shown in FIGS. 10 to 13, a screw through hole is also formed at one end of the wiring conductor 1, and the
図11と図12に示すように、銅箔パターン49の一端部にネジ貫通穴47が形成され、ネジ51が固定用パーツ53の一端部のネジ貫通穴57とネジ貫通穴47とを貫通してナット56に締結されることで、固定用パーツ53の一端部がプリント基板43に固定されている。ネジ51の頭部と部品面41に貼り付けられた銅箔パターン48との間には、要求される絶縁耐電圧を満足する絶縁距離が確保されている。
As shown in FIGS. 11 and 12, a screw through
図10と図13に示すように、ネジ5が固定用パーツ53の他端部のネジ貫通穴58とスペーサ7とを貫通してモジュールベースプレート3に締結されることで、固定用パーツ53の他端部がモジュールベースプレート3に固定されている。これにより、プリント基板43およびパワーモジュール23は固定用パーツ53を介して固定されている。
As shown in FIGS. 10 and 13, the
次に、実施の形態2に係るパワーモジュール23の耐電圧構造の作用および効果について、図8、図10および図11を用いて説明する。
Next, the operation and effect of the withstand voltage structure of the
実施の形態1の場合と同様に、図8、図10および図11に示すように、絶縁シート10を介して追加ベースプレート4とヒートシンク11とが絶縁されているため、寄生容量C2が存在している。図11に示すように、部品面41に貼り付けられた銅箔パターン48とはんだ面42に貼り付けられた銅箔パターン49とをプリント基板43の絶縁層43aを介して寄生容量が存在している。ここで、プリント基板43の寄生容量をC3とする。プリント基板43の絶縁層43aの面積をSpとし、部品面41に貼り付けられた銅箔パターン48とはんだ面42に貼り付けられた銅箔パターン49との間の距離をdpとし、絶縁層43aの誘電率をεspとしたとき、式(7)が成り立つ。ε0は真空の誘電率で8.855×10-12である。As in the case of the first embodiment, as shown in FIGS. 8, 10 and 11, the
プリント基板43の寄生容量C3は、絶縁シート10の寄生容量C2とモジュール内絶縁シート2の寄生容量C1との差より大きいものが選定される。例えば、パワーモジュール23の寄生容量C1=100pFとし、絶縁シート10の寄生容量C2=1000pFとし、プリント基板43の比誘電率を5とし、プリント基板43の部品面41とはんだ面42の距離を1mmとした場合、空気の誘電率が8.855×10-12であるため、プリント基板43の寄生容量C3は式(8)および式(9)を満足する。The parasitic capacitance C3 of the printed
式(8)および式(9)によって、式(10)が成り立つ。 Equation (10) is established by equations (8) and (9).
仮に、dp=0.5mm、sp=100cm-2の場合、式(10)により、銅箔パターン48,49が10cm×10cm、すなわち、銅箔パターン48,49の面積が100cm2であれば、プリント基板43の寄生容量C3は900pFになる。If dp = 0.5 mm and sp = 100 cm- 2 , the
このような構造を採用することで、配線導体1を介してパワーモジュール23とヒートシンク11の両端に高電圧が印加されるときに、プリント基板43の寄生容量C3とモジュール内絶縁シート2の寄生容量C1との合成寄生容量C1+C3と絶縁シート10の寄生容量C2で分圧されるため、パワーモジュール23を絶縁破壊電圧から保護することが可能である。
By adopting such a structure, when a high voltage is applied to both ends of the
さらに、プリント基板43の寄生容量C3を大きくすることにより、パワーモジュールユニット24の両端に印加される電圧がパワーモジュール23の絶縁耐電圧の2倍または3倍以上の場合においてもパワーモジュール23を絶縁破壊から保護することが可能となる。
Further, by increasing the parasitic capacitance C3 of the printed
実施の形態1の場合と同様に、抵抗器13は、プリント基板43と電気的に並列、もしくは、絶縁シート10と電気的に並列に、モジュールベースプレート3と、ヒートシンク11との間に電気的に接続されている。なお、抵抗器13の抵抗値Rdは実施の形態1の場合と同様に選定される。
As in the case of the first embodiment, the
また、抵抗器13の本体部はヒートシンク11に熱的および機械的に固定されている。そうすることで抵抗器13の放熱性が向上するため、抵抗器13の電力定格を短時間定格で設計すればよく、抵抗器13を小型化することができる。抵抗器13として一般的に市販されているものを使用することができる。例えば、メタルクラッド抵抗器の外装およびその内部の本体部の耐電圧は、3000V以上4500V以下であり、市場流通量も大きい。そのため、メタルクラッド抵抗器は抵抗器13として使用することができる。ここで、電気的に並列となる静電容量または寄生容量を有する部材はプリント基板43である。
Further, the main body of the
以上のように、実施の形態2に係るパワーモジュール装置では、配線導体1とモジュールベースプレート3との間にプリント基板43が電気的に接続されたため、プリント基板43の寄生容量C3を利用し、パワーモジュール23の定格絶縁耐電圧を超過した電圧がパワーモジュール23に印加される場合にもパワーモジュール23を保護することができる。
As described above, in the power module device according to the second embodiment, since the printed
また、パワーモジュール23の絶縁耐電圧がプリント基板43の寄生容量C3と絶縁シート10の寄生容量C2で決まることから、パワーモジュール23のモジュール内絶縁シート2の絶縁耐電圧に左右されることを抑制できる。
Further, since the insulation withstand voltage of the
なお、鉄道車両の絶縁耐電圧試験には交流電圧の耐圧試験と直流電圧の耐圧試験があるため、直流電圧が印加される場合、抵抗器をパワーモジュールユニット24に配置することができず、静電放電の放電ルートがなければ、パワーモジュール23が破壊される恐れがある。パワーモジュール23が破壊される恐れを抑制するために、抵抗器13が必要である。
Since the insulation withstand voltage test of a railway vehicle includes an AC voltage withstand voltage test and a DC voltage withstand voltage test, when a DC voltage is applied, the resistor cannot be arranged in the
これにより、鉄道車両向けの高耐電圧かつ高価なパワーモジュールではなく、従来より絶縁耐圧が低くより安価なパワーモジュールを使用することが可能となる。よって、製品の製造コストを抑えるとともに小型化を図ることができる。また、追加ベースプレート4の面積が、モジュールベースプレート3の面積より大きくなるので、追加ベースプレート4がヒートスプレッダとして機能する。これにより、パワーモジュール23の放熱性が向上する。
This makes it possible to use a cheaper power module having a lower dielectric strength than the conventional one, instead of a high withstand voltage and expensive power module for railway vehicles. Therefore, the manufacturing cost of the product can be suppressed and the size can be reduced. Further, since the area of the
<実施の形態3>
次に、実施の形態3に係るパワーモジュール装置について説明する。図14は、実施の形態3に係るパワーモジュール装置の断面図である。なお、実施の形態3において、実施の形態1,2で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。<
Next, the power module device according to the third embodiment will be described. FIG. 14 is a cross-sectional view of the power module device according to the third embodiment. In the third embodiment, the same components as those described in the first and second embodiments are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted.
図14に示すように、実施の形態3では、実施の形態1に対してコンデンサ12を絶縁材料63に置き換えられている。
As shown in FIG. 14, in the third embodiment, the
実施の形態1の場合と同様に、絶縁シート10を介して追加ベースプレート4とヒートシンク11とが絶縁されているため、絶縁シート10の寄生容量C2が存在している。実施の形態3では、パワーモジュールユニット24は、配線導体1に替えて配線導体61を備え、追加ベースプレート4に替えて追加ベースプレート62を備えている。配線導体61の一端部の厚みは厚く形成され、追加ベースプレート62の一端部の厚みも厚く形成されている。配線導体61の厚くした部分と追加ベースプレート62の厚くした部分との間に絶縁材料63が配置され、これらは接着剤で固定されている。
Since the
図8と図14に示すように、配線導体61の厚くした部分と追加ベースプレート62の厚くした部分との間に絶縁材料63の寄生容量C3が存在している。
As shown in FIGS. 8 and 14, there is a parasitic capacitance C3 of the insulating
絶縁材料63の寄生容量C3が、絶縁シート10の寄生容量C2とモジュール内絶縁シート2の寄生容量C1との差より大きい絶縁材料63を選定する。例えば、モジュール内絶縁シート2の寄生容量C1=100pFとし、絶縁シート10の寄生容量C2=1000pFとし、絶縁材料63の比誘電率を5とし、配線導体61の厚くした部分と追加ベースプレート62の厚くした部分との距離を1mmとした場合、空気の誘電率が8.85×10-12であるため、絶縁材料63の寄生容量C3は式(8)および式(9)を満足する。An insulating
式(8)および式(9)によって、式(10)が成り立つ。 Equation (10) is established by equations (8) and (9).
仮に、dp=0.5mm、sp=100cm-2の場合、式(10)により、配線導体61の厚くした部分と追加ベースプレート62の厚くした部分の面積が100cm2であれば、絶縁材料63の寄生容量C3は900pFになる。If, in the case of dp = 0.5mm, sp = 100cm -2 , the formula (10), the area of the thickened portion of the thickened portion an
このような構造を採用することで、配線導体61を介してパワーモジュール23とヒートシンク11の両端に高電圧が印加されるときに、絶縁材料63の寄生容量C3とモジュール内絶縁シート2の寄生容量C1との合成寄生容量C1+C3と絶縁シート10の寄生容量C2で分圧されるため、パワーモジュール23を絶縁破壊電圧から保護することが可能である。
By adopting such a structure, when a high voltage is applied to both ends of the
さらに、絶縁材料63の寄生容量C3を大きくすることにより、パワーモジュールユニット24の両端に印加される電圧がパワーモジュール23の絶縁耐電圧の2倍または3倍以上の場合においてもパワーモジュール23を絶縁破壊から保護することが可能となる。
Further, by increasing the parasitic capacitance C3 of the insulating
実施の形態1の場合と同様に、抵抗器13は、絶縁材料63と電気的に並列、もしくは、絶縁シート10と電気的に並列に、モジュールベースプレート3と、ヒートシンク11との間に接続されている。なお、抵抗器13の抵抗値Rdは実施の形態1の場合と同様に選定される。
As in the case of the first embodiment, the
また、抵抗器13の本体部はヒートシンク11に熱的および機械的に固定されている。そうすることで抵抗器13の放熱性が向上するため、抵抗器13の電力定格を短時間定格で設計すればよく、抵抗器13を小型化することができる。抵抗器13として一般的に市販されているものを使用することができる。例えば、メタルクラッド抵抗器の外装およびその内部の本体部の耐電圧は、3000V以上4500V以下であり、市場流通量も大きい。そのため、メタルクラッド抵抗器は抵抗器13として使用することができる。ここで、電気的に並列となる静電容量または寄生容量を有する部材は絶縁材料63である。
Further, the main body of the
以上のように、実施の形態3に係るパワーモジュール23の耐電圧構造では、配線導体1とモジュールベースプレート3との間に絶縁材料63が接続されたため、絶縁材料63の寄生容量C3を利用し、パワーモジュール23の定格絶縁耐電圧を超過した電圧がパワーモジュール23に印加される場合にもパワーモジュール23を保護することができる。
As described above, in the withstand voltage structure of the
また、パワーモジュール23の絶縁耐電圧が絶縁材料63の寄生容量C3と絶縁シート10の寄生容量C2で決まることから、パワーモジュール23のモジュール内絶縁シート2の絶縁耐電圧に左右されることを抑制できる。
Further, since the insulating withstand voltage of the
なお、鉄道車両の絶縁耐電圧試験には交流電圧の耐圧試験と直流電圧の耐圧試験があるため、直流電圧が印加される場合、抵抗器をパワーモジュールユニット24に配置することができず、静電放電の放電ルートがなければ、パワーモジュール23が破壊される恐れがある。パワーモジュール23が破壊される恐れを抑制するために、抵抗器13が必要である。
Since the insulation withstand voltage test of a railway vehicle includes an AC voltage withstand voltage test and a DC voltage withstand voltage test, when a DC voltage is applied, the resistor cannot be arranged in the
これにより、鉄道車両向けの高耐電圧かつ高価なパワーモジュールではなく、従来より絶縁耐圧が低くより安価なパワーモジュールを使用することが可能となる。よって、製品の製造コストを抑えるとともに小型化を図ることができる。また、追加ベースプレート4の面積が、モジュールベースプレート3の面積より大きくなるので、追加ベースプレート4がヒートスプレッダとして機能する。これにより、パワーモジュール23の放熱性が向上する。
This makes it possible to use a cheaper power module having a lower dielectric strength than the conventional one, instead of a high withstand voltage and expensive power module for railway vehicles. Therefore, the manufacturing cost of the product can be suppressed and the size can be reduced. Further, since the area of the
<実施の形態4>
次に、実施の形態4に係るパワーモジュール装置について説明する。図15は、実施の形態4に係るパワーモジュール装置の断面図である。図16は、実施の形態4に係るパワーモジュール装置が備える抵抗器71の斜視図である。図17は、実施の形態4に係るパワーモジュール装置が備える抵抗器72の斜視図である。図18は、モジュール内絶縁シート2の寄生容量C1と絶縁シート10の寄生容量C2と抵抗器71の抵抗値R71と抵抗器72の抵抗値R72の概略図である。図19は、図18を説明するための説明図である。なお、実施の形態4において、実施の形態1〜3で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。<
Next, the power module device according to the fourth embodiment will be described. FIG. 15 is a cross-sectional view of the power module device according to the fourth embodiment. FIG. 16 is a perspective view of a
図15に示すように、実施の形態4では、実施の形態1に対してコンデンサ12が抵抗器71に置き換えられている。また、抵抗器71に対して、電気的に直列となるモジュールベースプレート3と、ヒートシンク11との間に抵抗器72を追加する。
As shown in FIG. 15, in the fourth embodiment, the
図15と図16に示すように、抵抗器71は、配線導体1とモジュールベースプレート3との間に接続されている。抵抗器71は、本体部73a、一端74bおよび他端74cを備えている。抵抗器71の一端74bと配線導体1とは電気的に接続されている。抵抗器71の他端74cとモジュールベースプレート3とは電気的に接続されている。
As shown in FIGS. 15 and 16, the
図15と図17に示すように、抵抗器72は、モジュールベースプレート3とヒートシンク11との間に接続されている。抵抗器72は、本体部75a、一端76bおよび他端76cを備えている。抵抗器72の一端76bとモジュールベースプレート3とは電気的に接続されている。抵抗器72の他端76cとヒートシンク11とは電気的に接続されている。なお、抵抗器71が第1抵抗器に相当し、抵抗器72が第2抵抗器に相当する。
As shown in FIGS. 15 and 17, the
抵抗器71および抵抗器72を放熱させるために抵抗器71の本体部73aおよび抵抗器72の本体部75aがヒートシンク11の上に熱的および機械的に固定されている。さらに、抵抗器71と抵抗器72とパワーモジュール23とは要求絶縁距離を満足する距離でヒートシンク11の上に置かれている。
In order to dissipate heat from the
実施の形態1の場合と同様に、図15〜図19に示すように、絶縁シート10を介して追加ベースプレート4とヒートシンク11とが絶縁されているため、寄生容量C2が存在している。パワーモジュール内絶縁シートを介して導体とモジュールベースプレートとが絶縁されているため、寄生容量C1が存在している。
As in the case of the first embodiment, as shown in FIGS. 15 to 19, the
仮に、寄生容量C1を500pFとし、寄生容量C2を1000pFとした場合、モジュール内絶縁シート2のインピーダンスをRzとする。Rz=1/2πfC、また、仮に絶縁耐圧試験の周波数を60Hzとする。
Assuming that the parasitic capacitance C1 is 500 pF and the parasitic capacitance C2 is 1000 pF, the impedance of the insulating
よって、Rz=1/(2π×60Hz×500×10-12F)=5.3MΩとなる。また、抵抗器71の抵抗値R71および抵抗器72の抵抗値R72として5.3MΩ未満の抵抗値を選定する。Therefore, Rz = 1 / (2π × 60Hz × 500 × 10 -12 F) = 5.3MΩ. Further, a resistance value of less than 5.3 MΩ is selected as the resistance value R71 of the
例えば、3900Vの外部高電圧がパワーモジュールユニット24に印加された際、抵抗器71の抵抗値R71および抵抗器72の抵抗値R72を50kΩとした場合、仮に、抵抗器71および抵抗器72に3900Vが印加されたとすると、抵抗器71および抵抗器72にかかる電力P=V2/(R71+R72)=39002V/(50kΩ+50kΩ)=152Wとなる。抵抗器71および抵抗器72に各76Wがかかる。絶縁耐圧試験中に抵抗器71および抵抗器72からかなりの熱が発生するため、抵抗器71および抵抗器72を金属製にし、ヒートシンク11の上に置くことで抵抗器71および抵抗器72の熱が発散できる。For example, when an external high voltage of 3900 V is applied to the
上記の場合、抵抗器71および抵抗器72の定格電力として76W以上、かつ絶縁耐電圧試験で必要とされる絶縁耐電圧以上の絶縁耐電圧を有する抵抗器を選定する。また、抵抗器71および抵抗器72の発熱を考慮し、抵抗器71および抵抗器72の定格電力を決定する。パワーモジュール装置に外部から印加される高電圧は雷サージ等、極めて短時間の印加である。また、絶縁耐電圧試験は一般的に1分間で行われるため、抵抗器71および抵抗器72は1分間の過負荷(過電力)に耐えることができればよい。抵抗器をヒートシンクに熱的に結合することで抵抗器の放熱性が向上し、また、抵抗器に印加する電圧は極めて短時間であるため、抵抗器13aの定格電力を実際抵抗器の消費電力で設計すればよく、抵抗器を小型化することができる。なお、パワーモジュール装置の定常使用時に、抵抗器に印加される電圧は、絶縁耐電圧試験時より十分に低い電圧であるから、抵抗器の定常時の消費電力は僅少となり、問題はない。
In the above case, a resistor having an insulation withstand voltage of 76 W or more as the rated power of the
例えば、メタルクラッド抵抗器の外装およびその内部の本体部の耐電圧は、3000V以上4500V以下であり、市場流通量も大きい。そのため、メタルクラッド抵抗器は抵抗器71,72として使用することができる。メタルクラッド抵抗器の外装の例としては、図16に示している。
For example, the withstand voltage of the exterior of the metal clad resistor and the main body inside the metal clad resistor is 3000 V or more and 4500 V or less, and the market distribution amount is large. Therefore, the metal clad resistor can be used as
以上のように、実施の形態4に係るパワーモジュール装置では、配線導体1とモジュールベースプレート3との間に抵抗器71が接続され、モジュールベースプレート3とヒートシンク11との間に抵抗器72が接続されたため、抵抗器71および抵抗器72の抵抗分圧を利用し、パワーモジュール23の定格絶縁耐電圧を超過した電圧がパワーモジュール23に印加される場合にもパワーモジュール23を保護することができる。
As described above, in the power module apparatus according to the fourth embodiment, the
また、パワーモジュール23の絶縁耐電圧が抵抗器71と抵抗器72で決まることから、パワーモジュール23のモジュール内絶縁シート2の絶縁耐電圧に左右されることを抑制できる。これにより、鉄道車両向けの高耐電圧かつ高価なパワーモジュールではなく、従来よりも絶縁耐圧が低くより安価なパワーモジュールを使用することが可能となる。よって、製品の製造コストを抑えるとともに小型化を図ることができる。また、追加ベースプレート4の面積が、モジュールベースプレート3の面積より大きくなるので、追加ベースプレート4がヒートスプレッダとして機能する。これにより、パワーモジュール23の放熱性が向上する。また、抵抗分圧を利用しているため、絶縁耐圧試験が直流電圧に変わったとしても、上記と同じ効果を得られる。
Further, since the withstand voltage of the
<実施の形態5>
次に、実施の形態5に係るパワーモジュール装置について説明する。図20は、実施の形態5に係るパワーモジュール装置が備えるプリント基板81の平面図である。図21は、実施の形態5に係るパワーモジュール装置の断面図である。図22は、実施の形態5に係るパワーモジュール装置の他の例の断面図である。なお、実施の形態5において、実施の形態1〜4で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。<
Next, the power module device according to the fifth embodiment will be described. FIG. 20 is a plan view of the printed
図21,22に示すように、実施の形態1の場合と同様に、絶縁シート10を介して追加ベースプレート4とヒートシンク11とが絶縁されているため、絶縁シート10の寄生容量C2が存在している。実施の形態5では、実施の形態1に対して配線導体1がプリント基板81に置き換えられている。
As shown in FIGS. 21 and 22, since the
図20に示すように、プリント基板81の部品面82の一方側に銅箔パターン82aが貼り付けられ、エッチングされている。プリント基板81の部品面82の一方側と距離を隔てた他方側に銅箔パターン82bが貼り付けられ、エッチングされている。銅箔パターン82aと銅箔パターン82bとの間にコンデンサ84が実装されている。
As shown in FIG. 20, a
コンデンサ84は、本体部84a、一端84bおよび他端84cを備えている。コンデンサ84の一端84bは銅箔パターン82aに電気的に接続されている。コンデンサ84の他端84cは銅箔パターン82bに電気的に接続されている。プリント基板81の銅箔パターン82aは、モジュール端子22に電気的に接続され、モジュール端子22を介してチップ27に電力を供給する。なお、銅箔パターン82aが第1銅箔パターンに相当し、銅箔パターン82bが第2銅箔パターンに相当する。
The
図20と図21に示すように、プリント基板81の銅箔パターン82aは、銅箔パターン82aに形成されたネジ貫通穴83aに通したネジ5をモジュール端子22に締結することで、パワーモジュール23に電気的および機械的に固定されている。プリント基板81の銅箔パターン82bは、銅箔パターン82bに形成されたネジ貫通穴83bに通した六角スペーサ87をモジュールベースプレート3を介して追加ベースプレート4に締結することで、追加ベースプレート4に電気的および機械的に接続されている。このような構造を採用することで、耐振動性もさらに強化される。
As shown in FIGS. 20 and 21, the
また、このような構造を採用することで、プリント基板81の銅箔パターン82aを介してパワーモジュール23とヒートシンク11の両端に高電圧が印加されるときに、コンデンサ84の静電容量C3とモジュール内絶縁シート2の寄生容量C1との合成寄生容量C1+C3と絶縁シート10の寄生容量C2で分圧されるため、パワーモジュール23を絶縁破壊電圧から保護することが可能である。
Further, by adopting such a structure, when a high voltage is applied to both ends of the
さらに、コンデンサ84の静電容量C3を大きくすることにより、パワーモジュールユニット24の両端に印加される電圧がパワーモジュール23の絶縁耐電圧の2倍または3倍以上の場合においてもパワーモジュール23を絶縁破壊から保護することが可能となる。
Further, by increasing the capacitance C3 of the
実施の形態1の場合と同様に、抵抗器13aは、図21に示すように、コンデンサ84の静電容量C3と電気的に並列、もしくは、図22に示すように、抵抗器13aをなくし、抵抗器13は、絶縁シート10と電気的に並列に、モジュールベースプレート3と、ヒートシンク11との間に接続されている。
As in the case of the first embodiment, the
なお、抵抗器13a,13の抵抗値Rdは実施の形態1の場合と同様に選定される。また、抵抗器13a,13の本体部はヒートシンク11に熱的および機械的に固定されている。そうすることで抵抗器13a,13の放熱性が向上するため、抵抗器13a,13の電力定格は短時間定格で設計すればよく、抵抗器13a,13を小型化することができる。抵抗器13a,13として一般的に市販されているものを使用することができる。例えば、メタルクラッド抵抗器の外装およびその内部の本体部の耐電圧は、3000V以上4500V以下であり、市場流通量も大きい。そのため、メタルクラッド抵抗器は抵抗器13a,13として使用することができる。
The resistance values Rd of the
また、抵抗器13と抵抗器13aとを配置することもでき、この場合同じ効果が得られる。ここで、電気的に並列となる静電容量または寄生容量を有する部材はコンデンサ84である。
Further, the
以上のように、実施の形態5に係るパワーモジュール装置では、プリント基板81の銅箔パターン82aはモジュール端子22と電気的および機械的に接続され、プリント基板81の銅箔パターン82bはモジュールベースプレート3と電気的および機械的に接続され、銅箔パターン82aと銅箔パターン82bとの間にコンデンサ84が接続されたため、コンデンサ84の静電容量C3を利用し、パワーモジュール23の定格絶縁耐電圧を超過した電圧がパワーモジュール23に印加される場合にもパワーモジュール23を保護することができる。
As described above, in the power module apparatus according to the fifth embodiment, the
また、パワーモジュール23の絶縁耐電圧がコンデンサ84の静電容量C3と絶縁シート10の寄生容量C2で決まることから、パワーモジュール23のモジュール内絶縁シート2の絶縁耐電圧に左右されることを抑制できる。
Further, since the insulation withstand voltage of the
なお、鉄道車両の絶縁耐電圧試験には交流電圧の耐圧試験と直流電圧の耐圧試験があるため、直流電圧が印加される場合、抵抗器をパワーモジュールユニット24に配置することができず、静電放電の放電ルートがなければ、パワーモジュール23が破壊される恐れがある。パワーモジュール23が破壊される恐れを抑制するために、コンデンサ84だけでなく抵抗器13も必要である。
Since the insulation withstand voltage test of a railway vehicle includes an AC voltage withstand voltage test and a DC voltage withstand voltage test, when a DC voltage is applied, the resistor cannot be arranged in the
これにより、鉄道車両向けの高耐電圧かつ高価なパワーモジュールではなく、従来より絶縁耐圧が低くより安価なパワーモジュールを使用することが可能となる。よって、製品の製造コストを抑えるとともに小型化を図ることができる。また、追加ベースプレート4の面積が、モジュールベースプレート3の面積より大きくなるので、追加ベースプレート4がヒートスプレッダとして機能する。これにより、パワーモジュール23の放熱性が向上する。
This makes it possible to use a cheaper power module having a lower dielectric strength than the conventional one, instead of a high withstand voltage and expensive power module for railway vehicles. Therefore, the manufacturing cost of the product can be suppressed and the size can be reduced. Further, since the area of the
この発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての局面において、例示であって、この発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。 Although the present invention has been described in detail, the above description is exemplary in all aspects and the invention is not limited thereto. It is understood that a myriad of variations not illustrated can be envisioned without departing from the scope of the invention.
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。 In the present invention, each embodiment can be freely combined, and each embodiment can be appropriately modified or omitted within the scope of the invention.
1 配線導体、2 モジュール内絶縁シート、3 モジュールベースプレート、4 追加ベースプレート、10 絶縁シート、11 ヒートシンク、12 コンデンサ、13,13a 抵抗器、22 モジュール端子、23 パワーモジュール、43 プリント基板、63 絶縁材料、71,72 抵抗器、81 プリント基板、82a,82b 銅箔パターン、84 コンデンサ。 1 Wiring conductor, 2 Insulation sheet in module, 3 Module base plate, 4 Additional base plate, 10 Insulation sheet, 11 Heat sink, 12 Capacitor, 13, 13a resistor, 22 Module terminal, 23 Power module, 43 Printed circuit board, 63 Insulation material, 71,72 resistors, 81 printed circuit boards, 82a, 82b copper foil patterns, 84 capacitors.
本発明に係るパワーモジュール装置は、モジュール内絶縁シートとモジュールベースプレートとモジュール端子とを有するパワーモジュールと、前記モジュール端子に電力を供給する配線導体と、前記パワーモジュールで発生した熱を放熱するヒートシンクと、前記モジュールベースプレートと前記ヒートシンクとの間に配置され、かつ、前記モジュールベースプレートと前記ヒートシンクとを絶縁する絶縁シートと、前記配線導体と前記モジュールベースプレートとの間に接続された静電容量または寄生容量を有する部材と、前記静電容量または寄生容量を有する部材と電気的に並列、もしくは、前記絶縁シートと電気的に並列に接続された抵抗器とを備え、前記モジュール内絶縁シートの寄生容量と前記静電容量または寄生容量を有する部材の静電容量または寄生容量は並列接続され、前記モジュール内絶縁シートの寄生容量と前記絶縁シートの寄生容量は直列接続され、前記静電容量または寄生容量を有する部材の静電容量または寄生容量と前記絶縁シートの寄生容量は直列接続され、前記抵抗器は前記モジュール内絶縁シートの寄生容量と並列、もしくは、前記絶縁シートの寄生容量と並列に接続されたものである。
The power module device according to the present invention includes a power module having an insulating sheet inside the module, a module base plate, and a module terminal, a wiring conductor that supplies power to the module terminals, and a heat sink that dissipates heat generated by the power module. , Capacitance or parasitic capacitance arranged between the module base plate and the heat sink and connected between the wiring conductor and the module base plate with an insulating sheet that insulates the module base plate and the heat sink. A member having a capacitance or a resistor electrically connected in parallel with the member having a capacitance or a parasitic capacitance, or electrically connected in parallel with the insulating sheet, and the parasitic capacitance of the insulating sheet in the module. The capacitance or the parasitic capacitance of the member having the capacitance or the parasitic capacitance is connected in parallel, the parasitic capacitance of the insulating sheet in the module and the parasitic capacitance of the insulating sheet are connected in series, and the capacitance or the parasitic capacitance is connected. The capacitance or parasitic capacitance of the member to be held and the parasitic capacitance of the insulating sheet are connected in series, and the resistor is connected in parallel with the parasitic capacitance of the insulating sheet in the module or in parallel with the parasitic capacitance of the insulating sheet. It is a thing.
Claims (6)
前記モジュール端子に電力を供給する配線導体と、
前記パワーモジュールで発生した熱を放熱するヒートシンクと、
前記モジュールベースプレートと前記ヒートシンクとの間に配置され、かつ、前記モジュールベースプレートと前記ヒートシンクとを絶縁する絶縁シートと、
前記配線導体と前記モジュールベースプレートとの間に接続された静電容量または寄生容量を有する部材と、
前記静電容量または寄生容量を有する部材と電気的に並列、もしくは、前記絶縁シートと電気的に並列に、前記モジュールベースプレートと、前記ヒートシンクとの間に接続され、かつ、熱的および機械的に前記ヒートシンクに固定された抵抗器と、
を備え、
前記モジュール内絶縁シートの寄生容量と前記静電容量または寄生容量を有する部材の静電容量または寄生容量は並列接続され、前記モジュール内絶縁シートの寄生容量と前記絶縁シートの寄生容量は直列接続され、前記静電容量または寄生容量を有する部材の静電容量または寄生容量と前記絶縁シートの寄生容量は直列接続され、前記抵抗器は前記モジュール内絶縁シートの寄生容量と並列、もしくは、前記絶縁シートの寄生容量と並列に接続された、パワーモジュール装置。A power module having an in-module insulation sheet, a module base plate, and module terminals,
A wiring conductor that supplies power to the module terminals,
A heat sink that dissipates heat generated by the power module,
An insulating sheet that is arranged between the module base plate and the heat sink and that insulates the module base plate and the heat sink.
A member having a capacitance or a parasitic capacitance connected between the wiring conductor and the module base plate,
Electrically parallel to the member having capacitance or parasitic capacitance, or electrically parallel to the insulating sheet, connected between the module base plate and the heat sink, and thermally and mechanically. A resistor fixed to the heat sink and
With
The parasitic capacitance of the insulating sheet in the module and the capacitance or parasitic capacitance of the member having the capacitance or the parasitic capacitance are connected in parallel, and the parasitic capacitance of the insulating sheet in the module and the parasitic capacitance of the insulating sheet are connected in series. , The capacitance or parasitic capacitance of the member having the capacitance or parasitic capacitance and the parasitic capacitance of the insulating sheet are connected in series, and the resistor is parallel to the parasitic capacitance of the insulating sheet in the module, or the insulating sheet. A power module device connected in parallel with the parasitic capacitance of.
前記コンデンサは静電容量を有する、請求項1に記載のパワーモジュール装置。The member having the capacitance or parasitic capacitance is a capacitor.
The power module device according to claim 1, wherein the capacitor has a capacitance.
前記プリント基板は寄生容量を有する、請求項1に記載のパワーモジュール装置。The member having the capacitance or the parasitic capacitance is a printed circuit board.
The power module device according to claim 1, wherein the printed circuit board has a parasitic capacitance.
前記絶縁材料は寄生容量を有する、請求項1に記載のパワーモジュール装置。The member having a capacitance or a parasitic capacitance is an insulating material.
The power module device according to claim 1, wherein the insulating material has a parasitic capacitance.
前記モジュール端子に電力を供給する配線導体と、
前記パワーモジュールで発生した熱を放熱するヒートシンクと、
前記モジュールベースプレートと前記ヒートシンクとの間に配置され、かつ、前記モジュールベースプレートと前記ヒートシンクとを絶縁する絶縁シートと、
前記配線導体と前記モジュールベースプレートとの間に接続され、かつ、熱的および機械的に前記ヒートシンクに固定された第1抵抗器と、
前記モジュールベースプレートと前記ヒートシンクとの間に接続され、かつ、熱的および機械的に前記ヒートシンクに固定された第2抵抗器と、
を備え、
前記モジュール内絶縁シートの寄生容量と前記第1抵抗器は並列接続され、前記モジュール内絶縁シートの寄生容量と前記絶縁シートの寄生容量は直列接続され、前記第2抵抗器と前記絶縁シートの寄生容量は並列接続された、パワーモジュール装置。A power module having an in-module insulation sheet, a module base plate, and module terminals,
A wiring conductor that supplies power to the module terminals,
A heat sink that dissipates heat generated by the power module,
An insulating sheet that is arranged between the module base plate and the heat sink and that insulates the module base plate and the heat sink.
A first resistor connected between the wiring conductor and the module base plate and thermally and mechanically fixed to the heat sink.
A second resistor connected between the module base plate and the heat sink and thermally and mechanically fixed to the heat sink.
With
The parasitic capacitance of the insulating sheet in the module and the first resistor are connected in parallel, the parasitic capacitance of the insulating sheet in the module and the parasitic capacitance of the insulating sheet are connected in series, and the parasitic capacitance of the second resistor and the insulating sheet is connected. A power module device whose capacitance is connected in parallel.
前記モジュール端子と電気的および機械的に接続された第1銅箔パターンと、前記モジュールベースプレートと電気的および機械的に接続された第2銅箔パターンとを有するプリント基板と、
前記パワーモジュールで発生した熱を放熱するヒートシンクと、
前記モジュールベースプレートと前記ヒートシンクとの間に配置され、かつ、前記モジュールベースプレートと前記ヒートシンクとを絶縁する絶縁シートと、
前記第1銅箔パターンと前記第2銅箔パターンとの間に接続されたコンデンサと、
前記コンデンサと電気的に並列、もしくは、前記絶縁シートと電気的に並列に、前記モジュールベースプレートと、前記ヒートシンクとの間に接続され、かつ、熱的および機械的に前記ヒートシンクに固定された抵抗器と、
を備え、
前記モジュール内絶縁シートの寄生容量と前記コンデンサの静電容量は並列接続され、前記モジュール内絶縁シートの寄生容量と前記絶縁シートの寄生容量は直列接続され、前記コンデンサの静電容量と前記絶縁シートの寄生容量は直列接続され、前記抵抗器は前記モジュール内絶縁シートの寄生容量と並列、もしくは、前記絶縁シートの寄生容量と並列に接続された、パワーモジュール装置。A power module having an in-module insulation sheet, a module base plate, and module terminals,
A printed circuit board having a first copper foil pattern electrically and mechanically connected to the module terminals and a second copper foil pattern electrically and mechanically connected to the module base plate.
A heat sink that dissipates heat generated by the power module,
An insulating sheet that is arranged between the module base plate and the heat sink and that insulates the module base plate and the heat sink.
A capacitor connected between the first copper foil pattern and the second copper foil pattern,
A resistor connected between the module base plate and the heat sink and thermally and mechanically fixed to the heat sink, electrically in parallel with the capacitor or electrically in parallel with the insulating sheet. When,
With
The parasitic capacitance of the insulating sheet in the module and the capacitance of the capacitor are connected in parallel, the parasitic capacitance of the insulating sheet in the module and the parasitic capacitance of the insulating sheet are connected in series, and the capacitance of the capacitor and the insulating sheet are connected in series. A power module device in which the parasitic capacitances of the above are connected in series, and the resistor is connected in parallel with the parasitic capacitance of the insulating sheet in the module or in parallel with the parasitic capacitance of the insulating sheet.
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