KR102039013B1 - 전력 변환기 - Google Patents

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KR102039013B1
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요시히로 기다
가오루 도리이
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도요타 지도샤（주）
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Abstract

전력 변환기(2;2a;2b;2c;2d)은, 2개의 스위칭 소자(6, 7)와, 정극 도전판(13;113)과, 부극 도전판(14;114)과, 중점 도전판(15)과 제 1 방열판(18;118;218;318;418)과, 제 2 방열판(19;119;219;319;419)을 구비하고 있다. 정극 도전판은, 2개의 스위칭 소자의 직렬 접속의 고전위단(3)과 접속되어 있으며, 부극 도전판은 직렬 접속의 저전위단(4)과 접속되어 있다. 중점 도전판은, 직렬 접속의 중점(5)에 접속되어 있다. 제 1 방열판은, 정극 도전판 및 부극 도전판과 제 1 절연층을 사이에 두고 대향하고 있음과 함께, 그라운드 단자(24)에 접속되어 있다. 제 2 방열판은, 중점 도전판과 절연층을 사이에 두고 대향하고 있음과 함께 그라운드 단자로부터 절연되고 있다.

Description

전력 변환기{POWER CONVERTER}
본 명세서는, 전력 변환기를 개시한다. 특히, 2개의 스위칭 소자의 직렬 접속과 스위칭 소자를 냉각하는 방열판을 구비하고 있는 전력 변환기를 개시한다.
쌍방향 DC-DC 컨버터나 인버터 등의 전력 변환기는, 2개의 스위칭 소자의 직렬 접속을 포함하고 있는 경우가 많다. 예를 들면, 삼상(三相) 교류용의 인버터의 경우, 2개의 스위칭 소자의 직렬 접속이 3세트 병렬로 접속된 회로를 구비하고 있다. 스위칭 소자는, 전형적으로는, Insulated Gate Bipolar Transistor(IGBT)나 Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor(MOSFET) 등의 트랜지스터이다.
스위칭 소자의 온 오프에 따라 노이즈가 발생한다. 온 오프에 따른 전압 변화는, 직렬 접속의 고전위단과 저전위단보다 중점(中點)에서 크다. 직렬 접속의 중점의 전압 변환에 기인하여 발생하는 노이즈가 다른 디바이스에 영향을 줄 수 있다.
커먼 모드 노이즈(common-mode noise)란, 중점의 전압 변동에 따른 노이즈가 전력 변환기를 포함하는 시스템의 그라운드 단자를 통하여 스위칭 소자까지 되돌아가는 것이며, 커먼 모드 노이즈의 전파 경로가 길면 방사 노이즈가 되어 다른 디바이스에 영향을 준다. 설명의 편의상, 이하에서는, 「커먼 모드 노이즈」라는 표현을, 직렬 접속의 중점의 전압 변동에 따른 노이즈가 그라운드를 통하여 전파되는 노이즈를 나타내는 것으로 하여 이용하는 것으로 한다.
한편, 전력 변환기의 스위칭 소자는 발열량이 크기 때문에, 전력 변환기는 방열판을 구비하는 경우가 많다. 스위칭 소자와 접속되어 있는 도전판은 열을 잘 전달하기 때문에, 방열판은 절연층을 사이에 두고 도전판과 대향하도록 배치되는 경우가 있다. 방열판에는 구리 등의 전열성이 높은 재료가 사용되지만, 그러한 재료는 도전성인 경우가 많다. 이 때문에, 절연층을 사이에 둔 방열판과 도전판이 콘덴서를 구성한다. 그러한 콘덴서는 부유 용량이라고 불린다. 도전성의 방열판을 그라운드 단자와 접속함으로써, 커먼 모드 노이즈는 전력 변환기의 케이싱과 상기한 부유 용량을 통하여 스위칭 소자로 환류할 수 있게 된다. 그 결과, 커먼 모드 노이즈의 경로가 작아져, 방사 노이즈를 저감할 수 있다.
일본공개특허 특개2008-294216에는, 또한, 커먼 모드 노이즈를 작게 하는 기술이 개시되어 있다. 그 기술은, 다음과 같다. 구리로 만들어진 방열판(냉각판)에 절연판을 사이에 두고 3개의 도전판(구리 패턴)이 대향하고 있다. 방열판은 그라운드 단자에 접속되어 있다. 제 1 도전판에 2개의 스위칭 소자의 직렬 접속의 고전위단이 접속되어 있으며, 제 2 도전판에 직렬 접속의 저전위단이 접속되어 있다. 제 3 도전판에 직렬 접속의 중점이 접속되어 있다. 절연판의 두께가 제 3 도전판의 개소만 크게 되어 있다. 이 때문에, 제 3 도전판과 방열판의 부유 용량, 즉, 중점과 그라운드의 사이의 부유 용량이 작아진다. 그 결과, 그라운드 단자에 전달되는 커먼 모드 노이즈가 억제된다.
일본공개특허 특개2008-294216의 전력 변환기에서는, 제 3 도전판과 방열판의 사이의 거리가 커져, 냉각 성능이 희생되고 있다. 본 명세서는, 일본공개특허 특개2008-294216의 기술과 비교해 냉각 성능을 희생하지 않고 커먼 모드 노이즈를 저감하는 기술을 제공한다.
본 발명의 양태는, 전력 변환기로서, 상기 전력 변환기는, 직렬로 접속된 2개의 스위칭 소자와, 정극 도전판과, 부극 도전판과, 중점 도전판과, 제 1 방열판과, 제 2 방열판을 구비한다. 상기 정극 도전판은, 2개의 상기 스위칭 소자의 직렬 접속의 고전위단에 접속되어 있다. 상기 부극 도전판은, 2개의 상기 스위칭 소자의 상기 직렬 접속의 저전위단에 접속되어 있다. 상기 중점 도전판은, 2개의 상기 스위칭 소자의 상기 직렬 접속의 중점에 접속되어 있다. 상기 제 1 방열판은, 도전성을 가진다. 상기 제 1 방열판은, 제 1 절연층을 사이에 두고 상기 정극 도전판과 대향하고 있다. 상기 제 1 방열판은, 상기 제 1 절연층을 사이에 두고 상기 부극 도전판과 대향하고 있다. 상기 제 1 방열판은 그라운드 전위로 보지(保持)되는 그라운드 단자에 접속되어 있다. 상기 제 2 방열판은, 도전성을 가진다. 상기 제 2 방열판은, 제 2 절연층을 사이에 두고 상기 중점 도전판과 대향하고 있다. 상기 제 2 방열판은 상기 그라운드 단자로부터 절연되고 있다. 이 전력 변환기에서는, 중점 도전판과 대향하고 있는 제 2 방열판을 그라운드 단자로부터 절연함으로써, 중점 도전판으로부터 그라운드 단자로 흐르는 커먼 모드 노이즈를 저감한다. 이 때문에, 중점 도전판과 제 2 방열판의 사이의 제 2 절연층을 두껍게 할 필요가 없어, 냉각 성능이 크게 떨어지는 경우가 없다. 또한, 제 1 절연층과 제 2 절연층은, 공통의 하나의 절연층이어도 된다.
상기 전력 변환기에 있어서, 제 1 방열판과 제 2 방열판이 절연재를 사이에 두고 연결되어 있어도 된다. 이 때, 절연재를 사이에 둔 제 1 방열판과 제 2 방열판에서 부유 용량이 발생한다. 한편, 제 2 절연층을 사이에 둔 중점 도전판과 제 2 방열판에서도 부유 용량이 발생한다. 제 1 절연층을 사이에 둔 정극 도전판과 제 1 방열판에서도 부유 용량이 발생하고, 제 1 절연층을 사이에 둔 부극 도전판과 제 1 방열판에서도 부유 용량이 발생한다. 중점 도전판으로부터 나오는 노이즈는, 제 2 방열판과 제 1 방열판과 정극 도전판(혹은 부극 도전판)을 통하여 스위칭 소자로 환류된다. 그 동안, 3개소의 부유 용량을 통과함으로써 노이즈가 감쇠된다.
상기 전력 변환기에 있어서, 상기 제 1 방열판과 상기 제 2 방열판의 사이에 냉매 유로를 구비해도 된다.
상기 전력 변환기에 있어서, 상기 제 1 방열판은, 2개의 상기 스위칭 소자와, 상기 제 1 절연층과, 상기 정극 전극판과, 상기 부극 전극판과, 상기 중점 전도판과, 제 2 절연층과, 상기 제 2 방열판과, 절연재를 둘러싸도록 배치되어 있어도 된다. 상기 제 2 방열판은, 상기 절연재를 사이에 두고 상기 제 1 방열판과 대향해도 된다.
본 발명의 예시적인 실시 형태의 특징, 이점, 및 기술적 그리고 산업적 중요성이 첨부 도면을 참조하여 하기에 기술될 것이며, 첨부 도면에서 동일한 도면 부호는 동일한 요소를 나타낸다.
도 1은 제 1 실시예의 전력 변환기의 등가 회로도이다.
도 2는 제 1 실시예의 전력 변환기의 단면도이다.
도 3은 제 2 실시예의 전력 변환기의 단면도이다.
도 4는 제 3 실시예의 전력 변환기의 단면도이다.
도 5는 제 4 실시예의 전력 변환기의 단면도이다.
도 6은 제 5 실시예의 전력 변환기의 단면도이다.
제 1 실시예
도 1과 도 2를 참조하여 제 1 실시예의 전력 변환기를 설명한다. 도 1은, 주변의 디바이스를 포함하는, 전력 변환기(2)의 등가 회로도이다. 도 2는, 전력 변환기(2)의 단면도이다. 전력 변환기(2)는, 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 인버터이다. 또한, 전력 변환기(2)는, 삼상 교류를 출력하지만, 도 1과 도 2는 교류 1상분의 구조(회로)만을 나타내고 있으며, 나머지 2상분의 구조(회로)는 도면에 나타내는 것을 생략했다. 나머지 2상분의 구조(회로)는, 도 1과 도 2에 나타낸 1상분의 구조(회로)와 동일하다.
먼저, 도 1을 참조하여 전력 변환기(2)의 등가 회로를 설명한다. 전력 변환기(2)는, 2개의 스위칭 소자(6, 7)와 2개의 환류 다이오드(8, 9)를 구비하고 있다. 스위칭 소자(6, 7)는, 예를 들면, Insulated Gate Bipolar Transistor(IGBT)이다. 2개의 스위칭 소자(6, 7)는, 직렬로 접속되어 있다. 환류 다이오드(8)는 스위칭 소자(6)에 역병렬로 접속되어 있으며, 환류 다이오드(9)는 스위칭 소자(7)에 역병렬로 접속되어 있다. 2개의 스위칭 소자(6, 7)의 직렬 접속(10)의 고전위단(3)과 저전위단(4)에 직류 전원(21)이 접속되어 있다. 고전위단(3)과 저전위단(4)에는, 평활 콘덴서(22)가 병렬로 접속되어 있다. 2개의 스위칭 소자(6, 7)의 직렬 접속(10)의 중점(5)과 저전위단(4)에 부하(23)가 접속되어 있다. 부하(23)는, 교류 전력에 의해 동작하는 디바이스이며, 예를 들면 전기 모터이다. 부하(23)와 중점(5)을 잇는 케이블을 출력 케이블(25)이라고 칭한다.
스위칭 소자(6, 7)를 적절하게 온 오프함으로써 중점(5)으로부터 교류가 출력된다. 전력 변환기(2)는, 스위칭 소자(6, 7)의 직렬 접속(10)과 동일한 구조를 2세트 더 구비하고 있으며, 그들은 직류 전원(21)에 병렬로 접속되어 있지만, 그들의 도시는 생략했다. 합계 3세트의 직렬 접속의 각각의 중점으로부터 교류가 출력된다. 3세트의 직렬 접속이 출력하는 3종류의 교류는 위상이 120도 어긋나 있으며, 그들의 교류가 삼상 교류가 되어 부하(23)에 공급된다.
도 1에 있어서의 부호 24는 그라운드 단자를 나타내고 있다. 또한, 파선으로 그려진 콘덴서(50a, 50b, 50c, 50d)는, 전력 변환기(2)에 발생하는 부유 용량을 나타내고 있다. 또한, 파선으로 그려진 콘덴서(51)는, 부하(23)와 그라운드 단자(24)의 사이에서 발생하는 부유 용량을 나타내고 있으며, 콘덴서(52)는, 직류 전원과 그라운드 단자(24)의 사이에서 발생하는 부유 용량을 나타내고 있다. 이하에서는, 콘덴서(50a-50d, 51, 52)를, 각각, 부유 용량(50a-50d, 51, 52)이라고 칭한다. 부유 용량은, 전자기기(전자 부품)의 물리적 구조에 기인하여 발생하는 용량 성분이며, 회로 설계자가 의도하지 않는 용량 성분이다. 부유 용량은 기생 용량이라고도 불린다.
도 1에 있어서의 부호 18과 19는, 스위칭 소자(6, 7)와 환류 다이오드(8, 9)를 수용하는 반도체 칩의 열을 방열하는 방열판을 나타내고 있다. 이어서, 도 2를 참조하여, 방열판(제 1 방열판(18)과 제 2 방열판(19))을 포함하는 전력 변환기(2)의 물리적 구조와, 앞서 서술한 부유 용량(50a-50d)에 대하여 설명한다. 등가 회로도(도 1)의 스위칭 소자(6)와 환류 다이오드(8)는, 반도체 칩(16)에 내장되어 있다. 반도체 칩(16)의 내부에서, 스위칭 소자(6)와 환류 다이오드(8)는 역병렬로 접속되어 있다. 반도체 칩(16)은 평판형이며, 일방의 면(도 2에 있어서의 하면)에 스위칭 소자(6)의 컬렉터 전극(6a)이 마련되어 있고, 타방의 면(도 2에 있어서의 상면)에 이미터 전극(6b)이 마련되어 있다. 등가 회로도(도 1)의 스위칭 소자(7)와 환류 다이오드(9)는, 반도체 칩(17)에 내장되어 있다. 반도체 칩(17)의 내부에서, 스위칭 소자(7)와 환류 다이오드(9)는 역병렬로 접속되어 있다. 반도체 칩(17)은 평판형이며, 일방의 면(도 2에 있어서의 상면)에 스위칭 소자(7)의 컬렉터 전극(7a)이 마련되어 있고, 타방의 면(도 2에 있어서의 하면)에 이미터 전극(7b)이 마련되어 있다. 또한, 도 2에서는, 반도체 칩(16, 17)의 내부 구조의 도시는 생략하고, 단순한 해칭을 실시하고 있다.
반도체 칩(16)의 컬렉터 전극(6a)이 노출되어 있는 하면에 정극 도전판(13)이 접합되어 있다. 컬렉터 전극(6a)과 정극 도전판(13)은 전기적으로 접속되어 있다. 반도체 칩(17)의 이미터 전극(7b)이 노출되어 있는 하면에 부극 도전판(14)이 접합되어 있다. 이미터 전극(7b)과 부극 도전판(14)은 전기적으로 접속되어 있다. 정극 도전판(13)과 부극 도전판(14)은, 절연층(31)을 사이에 두고 제 1 방열판(18)에 지지되어 있다. 환언하면, 정극 도전판(13)과 부극 도전판(14)은, 절연층(31)을 사이에 두고 제 1 방열판(18)과 대향하고 있다.
제 1 방열판(18)에는 관통 구멍(18a)이 마련되어 있다. 관통 구멍(18a)의 내주(內周)에 절연재(32)가 마련되어 있으며, 그 내측에 제 2 방열판(19)이 배치되어 있다. 제 2 방열판(19)은, 제 1 방열판(18)으로부터 절연되고 있다. 절연층(31)을 사이에 두고 제 2 방열판(19)에 중점 도전판(15)이 지지되어 있다. 환언하면, 중점 도전판(15)은, 절연층(31)을 사이에 두고 제 2 방열판(19)에 대향하고 있다. 중점 도전판(15)에는, 와이어 하니스(33)를 개재하여, 반도체 칩(16)의 이미터 전극(6b)과 반도체 칩(17)의 컬렉터 전극(7a)이 전기적으로 접속되어 있다.
중점 도전판(15)이, 2개의 반도체 칩(16, 17)(2개의 스위칭 소자(6, 7))의 직렬 접속의 중점(5)의 일례이다. 반도체 칩(16)(스위칭 소자(6))의 컬렉터 전극(6a)에 접속하고 있는 정극 도전판(13)이 직렬 접속의 고전위단(3)의 일례이다. 반도체 칩(17)(스위칭 소자(7))의 이미터 전극(7b)에 접속하고 있는 부극 도전판(14)이 직렬 접속의 저전위단(4)의 일례이다.(도 1 참조).
정극 도전판(13)과 부극 도전판(14)에는, 직류 전원(21)(도 1 참조)으로부터 연장되는 케이블이 접속되지만 그 도시는 생략하고 있다. 또한, 중점 도전판(15)과 부극 도전판(14)에는, 부하(23)(도 1 참조)로부터 연장되는 다른 케이블이 접속되지만, 그 케이블의 도시도 생략하고 있다.
제 1 방열판(18)과 제 2 방열판(19)은 구리제이며, 열을 잘 전달함과 함께, 도전성을 가지고 있다. 제 1 방열판(18)은, 그라운드 단자(24)에 전기적으로 접속되어 있다. 제 2 방열판(19)은, 제 1 방열판(18)으로부터 절연되고 있으므로, 제 2 방열판(19)은 그라운드 단자(24)로부터도 절연되고 있다.
반도체 칩(16)의 컬렉터 전극(6a)에 접합되어 있는 정극 도전판(13)이 절연층(31)을 사이에 두고 제 1 방열판(18)과 대향하고 있다. 그 제 1 방열판(18)은 그라운드 단자(24)에 접속되어 있다. 절연층(31)을 사이에 두고 대향하고 있는 정극 도전판(13)과 제 1 방열판(18)이 도 1에 나타낸 부유 용량(50a)을 구성한다. 반도체 칩(17)의 이미터 전극(7b)에 접합되어 있는 부극 도전판(14)이 절연층(31)을 사이에 두고 제 1 방열판(18)과 대향하고 있다. 절연층(31)을 사이에 두고 대향하고 있는 부극 도전판(14)과 제 1 방열판(18)이 도 1에서 나타낸 부유 용량(50b)을 구성한다. 2개의 반도체 칩(16, 17)(2개의 스위칭 소자(6, 7))의 직렬 접속의 중점에 상당하는 중점 도전판(15)이 절연층(31)을 사이에 두고 제 2 방열판(19)과 대향하고 있다. 절연층(31)을 사이에 두고 대향하고 있는 중점 도전판(15)과 제 2 방열판(19)이 도 1에 나타낸 부유 용량(50c)을 구성한다. 제 1 방열판(18)에 마련된 관통 구멍(18a)의 내주면과 제 2 방열판(19)의 외주면이 절연재(32)를 사이에 두고 대향하고 있다. 절연재(32)를 사이에 두고 대향하고 있는 제 1 방열판(18)과 제 2 방열판(19)이 도 1에 나타낸 부유 용량(50d)을 구성한다.
도 1에서 나타낸 부유 용량(51)은, 부하(23)와 그라운드 단자(24)의 사이에 존재한다. 부유 용량(51)은, 예를 들면, 그라운드 단자(24)에 접속되어 있는 케이싱(부하(23)의 케이싱)과, 그 케이싱에 근접하고 있는 부하(23)의 전기 부품과의 사이에 발생한다. 도 1에 나타낸 부유 용량(52)은, 직류 전원(21)과 그라운드 단자(24)의 사이에 존재한다. 부유 용량(52)은, 예를 들면, 그라운드 단자(24)에 접속되어 있는 케이싱(직류 전원(21)의 케이싱)과, 그 케이싱에 근접하고 있는 직류 전원(21)의 전기 부품과의 사이에 발생한다.
도 1로 되돌아가, 커먼 모드 노이즈의 전달 경로에 대하여 설명한다. 먼저 서술한 바와 같이, 본 명세서에서는, 커먼 모드 노이즈는, 2개의 스위칭 소자의 직렬 접속의 중점의 전압 변동에 따른 노이즈가 그라운드 단자를 통하여 전파되는 노이즈를 의미한다. 중점(5)으로부터 나온 커먼 모드 노이즈의 루트는, 부유 용량(50c, 50d)을 경유하는 루트와, 부유 용량(51)을 경유하는 루트가 있다. 전자는, 물리적으로는, 중점 도전판(15)과 절연층(31)과 제 2 방열판(19)과 절연재(32)와 제 1 방열판(18)을 경유하는 루트(도 1의 루트(R1))이다. 후자는, 물리적으로는, 출력 케이블(25)과 부하(23)를 경유하는 루트이다(도 1의 루트(R2)). 부유 용량(50c, 50d)을 경유하는 루트는, 또한, 부유 용량(50a 또는 50b)(제 1 방열판(18)과 정극 도전판(13) 또는 부극 도전판(14))을 경유하고, 스위칭 소자(6, 7)로 되돌아간다(도 1의 루트(R3)). 이 루트(R1 및 R3)에서는, 제 1 방열판(18)과 제 2 방열판(19)이 절연재(32)를 개재하여 연결되어 있음으로써, 3개의 부유 용량(50a-50d)을 경유하게 된다(부유 용량(50a, 50c, 50d)의 루트, 혹은, 부유 용량(50b, 50c, 50d)의 루트). 많은 부유 용량을 경유하므로, 커먼 모드 노이즈가 감쇠된다(커먼 모드 노이즈가 저감된다). 또한, 루트(R1, R3)를 통하여 스위칭 소자(6, 7)로 환류되는 루트는, 그라운드 단자(24) 그 자체는 통과하지 않지만, 이 루트의 노이즈는, 그라운드 단자(24)와 동(同)전위의 제 1 방열판(18)을 통과하므로, 커먼 모드 노이즈로서 취급된다.
한편, 부유 용량(51)을 경유하는 커먼 모드 노이즈는, 주로, 부유 용량(52)을 경유(도 1의 루트(R4))하는 것 보다, 부유 용량(50a, 50b)을 경유하여 스위칭 소자(6, 7)로 되돌아간다(도 1의 루트(R3, R5)). 이것은, 일반적으로, 부하(23)(모터)와 전력 변환기(2)의 사이의 그라운드 선의 거리가, 부하(23)(모터)와 직류 전원(21)과의 사이의 그라운드 선의 거리보다 짧기 때문이다. 루트(R5, R3)를 경유하는 커먼 모드 노이즈를 증가시키고, 그 만큼, 직류 전원(21)에 근접하는 부유 용량(52)을 경유하는 커먼 모드 노이즈를 저감한다. 이에 따라, 보다 작은 루프로 환류되는 커먼 모드 노이즈의 비율을 늘려, 방사 노이즈를 저감할 수 있다.
상기한 바와 같이, 실시예의 전력 변환기(2)는, 커먼 모드 노이즈를 억제할 수 있다. 한편, 전력 변환기(2)에서는, 중점 도전판(15)과 제 2 방열판(19)의 사이의 절연층(31)의 두께를 크게 할 필요가 없기 때문에, 냉각 성능을 희생하지 않는다.
제 2 실시예
도 3을 참조하여 제 2 실시예의 전력 변환기(2a)를 설명한다. 도 3은, 제 2 실시예의 전력 변환기(2a)의 단면도이다. 반도체 칩(16)에는, 제 1 실시예와 마찬가지로, 스위칭 소자(6)와 환류 다이오드(8)가 내장되어 있으며, 그들은 역병렬로 접속되어 있다. 반도체 칩(17)에는, 스위칭 소자(7)와 환류 다이오드(9)가 내장되어 있으며, 그들은 역병렬로 접속되어 있다. 반도체 칩(16)의 상면에는 스위칭 소자(6)의 컬렉터 전극이 마련되어 있으며, 하면에는 이미터 전극이 마련되어 있다. 반도체 칩(17)의 상면에는 이미터 전극이 마련되어 있으며, 하면에는 컬렉터 전극이 마련되어 있다.
반도체 칩(16)의 컬렉터 전극이 노출되어 있는 상면에 정극 도전판(113)이 접합되어 있다. 반도체 칩(16)(스위칭 소자(6))의 컬렉터 전극과 정극 도전판(113)은 전기적으로 접속되어 있다. 반도체 칩(17)의 이미터 전극이 노출되어 있는 상면에 부극 도전판(114)이 접합되어 있다. 반도체 칩(17)(스위칭 소자(7))의 이미터 전극과 부극 도전판(114)은 전기적으로 접속되어 있다. 정극 도전판(113)과 부극 도전판(114)은, 제 1 절연층(131)을 사이에 두고 제 1 방열판(118)에 지지되어 있다. 환언하면, 정극 도전판(113)과 부극 도전판(114)은, 제 1 절연층(131)을 사이에 두고 제 1 방열판(118)과 대향하고 있다.
제 1 방열판(118)은 반도체 칩(16, 17)의 반대측까지 돌아 들어가 있으며, 개구(118a)를 구비하고 있다. 개구(118a)의 내주에 절연재(132)가 마련되어 있으며, 그 내측에 제 2 방열판(119)이 배치되어 있다. 제 2 방열판(119)은, 제 1 방열판(118)으로부터 절연되어 있다. 제 1 방열판(118)과 제 2 방열판(119)으로, 반도체 칩(16, 17), 정극 도전판(113), 부극 도전판(114), 후술하는 제 1, 제 2 중점 도전판(115a, 115b)을 수용하는 용기를 구성한다. 제 1 방열판(118)과 제 2 방열판(119)으로 둘러싸인 공간은 도시 생략의 수지로 충전되어 있다. 즉, 반도체 칩(16, 17), 정극 도전판(113), 부극 도전판(114), 후술하는 제 1, 제 2 중점 도전판(115a, 115b)은 수지로 밀봉되어 있다.
반도체 칩(16)의 이미터 전극이 노출되어 있는 하면에 제 1 중점 도전판(115a)이 접합되어 있다. 반도체 칩(16)의 이미터 전극과 제 1 중점 도전판(115a)은 전기적으로 접속되어 있다. 반도체 칩(17)의 컬렉터 전극이 노출되어 있는 하면에 제 2 중점 도전판(115b)이 접합되어 있다. 반도체 칩(17)의 컬렉터 전극과 제 2 중점 도전판(115b)은 전기적으로 접속되어 있다.
제 2 절연층(133)을 사이에 두고 제 1 중점 도전판(115a)과 제 2 중점 도전판(115b)이 제 2 방열판(119)에 지지되어 있다. 환언하면, 제 1 중점 도전판(115a)과 제 2 중점 도전판(115b)은, 제 2 절연층(133)을 사이에 두고 제 2 방열판(119)에 대향하고 있다. 제 1 중점 도전판(115a)과 제 2 중점 도전판(115b)은 와이어 하니스(139)를 개재하여 접속되어 있다.
제 1 중점 도전판(115a)과 제 2 중점 도전판(115b)은 동전위이며, 2개의 반도체 칩(16, 17)(2개의 스위칭 소자(6, 7))의 직렬 접속의 중점(5)(도 1 참조)에 상당한다. 그리고, 반도체 칩(16)(스위칭 소자(6))의 컬렉터 전극에 접속되어 있는 정극 도전판(113)이 직렬 접속의 고전위단(3)(도 1 참조)에 상당하고, 반도체 칩(17)(스위칭 소자(7))의 이미터 전극에 접속되어 있는 부극 도전판(114)이 직렬 접속의 저전위단(4)(도 1 참조)에 상당한다. 또한, 정극 도전판(113)과 부극 도전판(114)에는, 직류 전원(21)(도 1 참조)으로부터 연장되는 케이블이 접속되지만 그 도시는 생략하고 있다. 또한, 제 1 중점 도전판(115a)과 제 2 중점 도전판(115b) 중 어느 일방과 부극 도전판(114)에는, 부하(23)(도 1 참조)로부터 연장되는 다른 케이블이 접속되지만, 그 케이블의 도시도 생략하고 있다.
제 1 방열판(118)과 제 2 방열판(119)은 구리제이며, 열을 잘 전달함과 함께, 도전성을 가지고 있다. 제 1 방열판(118)은, 그라운드 단자(24)에 전기적으로 접속되어 있다. 제 2 방열판(119)은, 제 1 방열판(118)으로부터 절연되고 있으므로, 제 2 방열판(119)은 그라운드 단자(24)로부터도 절연되고 있다.
반도체 칩(16)의 상면(컬렉터 전극)에 접합되어 있는 정극 도전판(113)이 제 1 절연층(131)을 사이에 두고 제 1 방열판(118)과 대향하고 있다. 그 제 1 방열판(118)은 그라운드 단자(24)에 접속되어 있다. 제 1 절연층(131)을 사이에 두고 대향하고 있는 정극 도전판(113)과 제 1 방열판(118)이 도 1에 나타낸 부유 용량(50a)을 구성한다. 반도체 칩(17)의 상면(이미터 전극)에 접합되어 있는 부극 도전판(114)이 제 1 절연층(131)을 사이에 두고 제 1 방열판(118)과 대향하고 있다. 제 1 절연층(131)을 사이에 두고 대향하고 있는 부극 도전판(114)과 제 1 방열판(118)이 도 1에 나타낸 부유 용량(50b)을 구성한다. 제 1 중점 도전판(115a)과 제 2 중점 도전판(115b)이 제 2 절연층(133)을 사이에 두고 제 2 방열판(119)과 대향하고 있다. 제 2 절연층(133)을 사이에 두고 대향하고 있는 제 1 및 제 2 중점 도전판(115a, 115b)과 제 2 방열판(119)이 도 1에 나타낸 부유 용량(50c)을 구성한다. 또한, 제 1 중점 도전판(115a)과 제 2 중점 도전판(115b)을 접속하는 와이어 하니스(139)에는 기생 리액턴스가 존재하므로, 반도체 칩(16)으로부터 제 1 중점 도전판(115a)을 경유하여 전파하는 커먼 모드 노이즈와 반도체 칩(17)으로부터 제 2 중점 도전판(115b)을 경유하여 전파되는 커먼 모드 노이즈는 각각 존재한다. 그러나 여기에서는, 양자를 일괄하여 취급하기로 한다.
제 1 방열판(118)에 마련된 개구(118a)의 내주면과 제 2 방열판(119)의 외주면이 절연재(132)를 사이에 두고 대향하고 있다. 절연재(132)를 사이에 두고 대향하는 제 1 방열판(118)과 제 2 방열판(119)이 도 1에 나타낸 부유 용량(50d)을 구성한다.
도 3의 전력 변환기(2a)도 도 1의 등가 회로도로 나타낸 회로 구성을 가진다. 이 때문에, 도 3의 전력 변환기(2a)도 커먼 모드 노이즈를 저감한다. 전력 변환기(2a)는, 반도체 칩(16, 17)의 양면에 방열판이 대향하고 있으므로, 반도체 칩(16, 17)에 대한 냉각 성능이 높다.
제 3 실시예
도 4에 제 3 실시예의 전력 변환기(2b)의 단면도를 나타낸다. 전력 변환기(2b)는, 제 1 방열판(218)과 제 2 방열판(219)의 내부에, 액체 냉매가 통과하는 냉매 유로(201)를 구비하고 있다. 그 외는 제 2 실시예의 전력 변환기(2a)의 구조와 동일하므로 설명은 생략한다. 또한, 도 4에 있어서, 도 3의 전력 변환기(2a)와 동일한 부품에는 동일한 부호를 부여하고 있다. 전력 변환기(2b)는, 제 2 실시예의 전력 변환기(2a)와 동일한 효과를 얻을 수 있다. 또한, 이 전력 변환기(2b)는, 냉매 유로(201)를 구비하고 있어, 제 2 실시예의 전력 변환기(2a)보다 반도체 칩(16, 17)의 냉각 성능이 높다.
제 4 실시예
도 5에 제 4 실시예의 전력 변환기(2c)의 단면도를 나타낸다. 제 4 실시예의 전력 변환기(2c)에서는, 그라운드 단자(24)에 접속되어 있는 제 1 방열판(318)에 대하여 제 2 방열판(319)이 완전히 이간되어 있다. 그 외는 제 2 실시예의 전력 변환기(2a)의 구조와 동일하므로 설명은 생략한다. 또한, 도 5에 있어서, 도 3의 전력 변환기(2a)와 동일한 부품에는 동일한 부호를 부여하고 있다. 전력 변환기(2c)에서는 제 2 방열판(319)은, 전기적으로 완전히 고립되어 있다. 이 때문에, 도 1의 등가 회로도 있어서의 부유 용량(50d)이 존재하지 않는다. 이 경우, 커먼 모드 노이즈는 모두 출력 케이블(25)과 부하(23)를 통하여 그라운드 단자(24)에 전파된다. 그라운드 단자(24)에 전파된 커먼 모드 노이즈는, 부유 용량(50a)(정극 도전판(113)과 제 1 방열판(118)으로 구성되는 부유 용량), 및, 부유 용량(50b)(부극 도전판(114)과 제 1 방열판(118)으로 구성되는 부유 용량)을 통하여 반도체 칩(16, 17)으로 되돌아간다. 이 경우에도, 직류 전원(21)을 경유하는 커먼 모드 노이즈를 저감시킬 수 있다.
제 5 실시예
도 6에 제 5 실시예의 전력 변환기(2d)의 단면도를 나타낸다. 도 6에 있어서, 도 3의 전력 변환기(2a)와 동일한 부품에는 동일한 부호를 부여하고 있다. 전력 변환기(2d)에서는, 제 1 방열판(418)은 반도체 칩(16, 17)을 둘러싸고 있다. 더 서술하면, 제 1 방열판(418)은, 반도체 칩(16, 17)과, 제 1 절연층(131)과, 정극 도전판(113)과, 부극 도전판(114)과, 제 1 중점 도전판(115a)과, 제 2 중점 도전판(115b)과, 제 2 절연층(133)과, 제 2 방열판(419)과, 절연재(432)를 둘러싸도록 배치되어 있다. 그리고, 도 6에 나타내는 바와 같이, 제 1 방열판(418)의 일부는, 제 2 절연층(133)과 대향하고 있다. 전력 변환기(2d)에서는 제 2 절연층(133)과, 이것과 대향하고 있는 제 1 방열판(418)의 일부와의 사이에, 제 2 방열판(419)과 절연재(432)를 사이에 둔다. 제 2 방열판(419)의 일방의 면에 제 2 절연층(133)이 접하고 있으며, 타방의 면에 절연재(432)가 접하고 있다. 제 2 방열판(419)은 절연재(432)를 사이에 두고 제 1 방열판(418)의 일부와 대향하고 있다. 도 6의 전력 변환기(2d)도, 각 부품의 접속 관계는 도 3의 전력 변환기(2a)와 동일하며, 전력 변환기(2a)와 동일한 작용 효과를 나타낸다.
실시예에서 설명한 기술에 관한 유의점을 서술한다. 제 1 실시예의 전력 변환기에서는, 절연층(31)이, 다른 실시예에 있어서의 제 1 절연층과 제 2 절연층을 겸하고 있다.
실시예의 전력 변환기의 특징을 정리하면 다음과 같다. 전력 변환기(2, 2a-2d)는, 2개의 반도체 칩(16, 17)과, 정극 도전판(13)(113)과, 부극 도전판(14)(114)과, 중점 도전판(15)(115, 115a, 115b)과, 제 1 방열판(18)(118)과, 제 2 방열판(19)(119)을 구비하고 있다. 반도체 칩(16)은 스위칭 소자(6)를 수용하고 있으며, 반도체 칩(17)은 스위칭 소자(7)를 수용하고 있다. 정극 도전판(13)(113)은, 일방의 반도체 칩(16)의 고전위단에 접합되어 있다. 부극 도전판(14)(114)은, 타방의 반도체 칩(17)의 저전위단에 접합되어 있다. 중점 도전판(15)(115, 115a, 115b)은, 일방의 반도체 칩(16)의 저전위단과 타방의 반도체 칩(17)의 고전위단에 접속되어 있다. 제 1 방열판(18)(118)은, 도전성을 가지고 있으며, 정극 도전판(13)(113) 및 부극 도전판(14)(114)과 절연층(31)(131)을 사이에 두고 대향하고 있음과 함께, 그라운드 전위로 보지되는 그라운드 단자(24)에 접속되어 있다. 제 2 방열판(19)(119)은, 도전성을 가지고 있으며, 중점 도전판(15)(115, 115a, 115b)과 절연층(31)(131)을 사이에 두고 대향하고 있음과 함께 그라운드 단자(24)로부터 절연되고 있다. 도 2, 도 3, 도 4, 도 6의 전력 변환기(2, 2a, 2b, 2d)는, 제 2 방열판(19)(119)은 절연재(32)(132)를 사이에 두고 제 1 방열판(18)(118)과 연결되어 있다.
도면에는, 1세트의 직렬 접속(2개의 스위칭 소자의 직렬 접속)만을 나타냈지만, 전력 변환기는 복수 세트의 직렬 접속을 구비하고 있어도 된다. 그 경우, 전력 변환기는, 각각이 스위칭 소자를 수용하는 2개의 반도체 칩의 세트를 복수 세트 구비하고 있으며, 각각의 세트가 도 2∼도 6에 나타내는 구조를 구비하고 있으면 된다.
이상, 본 발명의 구체예를 상세하게 설명했지만, 이들은 예시에 지나지 않고, 특허청구의 범위를 한정하는 것은 아니다. 특허청구의 범위에 기재된 기술에는, 이상에서 예시한 구체예를 다양하게 변형, 변경한 것이 포함된다. 본 명세서 또는 도면에 설명한 기술요소는, 단독으로 혹은 각종의 조합에 의해 기술적 유용성을 발휘하는 것이며, 출원 시 청구항의 조합에 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 명세서 또는 도면에 예시한 기술은 복수 목적을 동시에 달성할 수 있는 것이며, 그 중 하나의 목적을 달성하는 것 자체에 기술적 유용성을 가지는 것이다.

Claims (4)

  1. 전력 변환기(2;2a;2b;2c;2d)는,
    직렬로 접속된 2개의 스위칭 소자(6, 7)와;
    2개의 상기 스위칭 소자(6, 7)의 직렬 접속의 고전위단(3)에 접속되어 있는 정극 도전판과;
    2개의 상기 스위칭 소자(6, 7)의 상기 직렬 접속의 저전위단(4)에 접속되어 있는 부극 도전판과;
    2개의 상기 스위칭 소자(6, 7)의 상기 직렬 접속의 중점(5)에 접속되어 있는 중점 도전판과;
    도전성을 가지는 제 1 방열판 - 상기 제 1 방열판은 제 1 절연층을 사이에 두고 상기 정극 도전판과 대향하고 있고, 상기 제 1 방열판은 상기 제 1 절연층을 사이에 두고 상기 부극 도전판과 대향하고 있으며, 상기 제 1 방열판은 그라운드 전위로 보지되는 그라운드 단자(24)에 접속되어 있음 - 과;
    도전성을 가지는 제 2 방열판 - 상기 제 2 방열판은 제 2 절연층을 사이에 두고 상기 중점 도전판과 대향하고 있고, 상기 제 2 방열판은 상기 그라운드 단자(24)로부터 절연되고 있음 - 을 포함하는 전력 변환기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 방열판과 상기 제 2 방열판이 절연재(32;132;232;432)를 사이에 두고 연결되어 있는 전력 변환기.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 방열판과 상기 제 2 방열판의 사이에 냉매 유로(201)를 구비하는 전력 변환기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 방열판은, 2개의 상기 스위칭 소자(6, 7)와, 상기 제 1 절연층과, 상기 정극 도전판과, 상기 부극 도전판, 상기 중점 도전판과, 제 2 절연층과, 상기 제 2 방열판과, 절연재(432)를 둘러싸도록 배치되어 있으며,
    상기 제 2 방열판은, 상기 절연재(432)를 사이에 두고 상기 제 1 방열판과 대향하고 있는 전력 변환기.
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