JP2006351986A - パワー半導体モジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】ノイズ電流抑制用の磁性部材の交換を容易にし、モジュール全体の小型化を可能にする。モジュールケースに対して確実に嵌合させることができ、構造が比較的簡単であって製造も容易な磁性部材を備えたパワー半導体モジュールを提供する。
【解決手段】電力用半導体素子がモジュールパッケージに内蔵されたパワー半導体モジュールにおいて、モジュールパッケージ2Aの周囲に、IGBT等の電力用半導体素子チップ8を包囲するように環状の磁性部材6aを嵌合する。あるいは、環状の磁性部材6eを、その表面がモジュールパッケージ2Bの外周面と面一になるようにモジュールパッケージ2Bに組み込む。
【選択図】図3

Description

本発明は、電力用半導体素子をスイッチングして電力変換を行う電力変換装置に使用されるパワー半導体モジュールにおいて、スイッチングに伴うスイッチングノイズを低減させる技術に関するものである。
交流電動機駆動装置(いわゆるインバータ)や無停電電源装置(Uninterruptible Power Supply:UPS)等の電力変換装置では、電力用半導体素子をスイッチングすることにより電力変換を行っている。
図13は、この種の電力変換装置の回路図である。図13において、1は直流電源、2U,2V,2Wは還流ダイオードが逆並列接続された電力用半導体素子としてのIGBT(Insulated Gate Bi-polar Transistor)を2個直列に接続したパワー半導体モジュール、3は負荷としてのモータ、4はパワー半導体モジュール2U,2V,2Wの駆動回路である。各相のパワー半導体モジュール2U,2V,2Wでは、上下アームのIGBTを交互にスイッチングすることにより、直流電源1の直流電力を交流電力に変換してモータ3に供給する。
IGBTのスイッチング方法としては、外部の制御回路5において、出力電圧指令5a及びキャリア5bの大小関係を比較演算部5cにより比較してスイッチングパターンを決定するPWM(Pulse Width Modulation)制御方法が良く知られている。上記スイッチングパターンは駆動回路4に送られ、IGBTのゲート信号に変換されて各モジュール2U,2V,2Wに出力される。
ここで、上記IGBTや還流ダイオード等の電力用半導体素子は、各相ごとに一つのパッケージ内に実装して半導体パワーモジュール2U,2V,2Wをそれぞれ構成することにより、装置構造の簡素化、組立作業や配線作業の容易化、素子冷却の容易化が図られている。
図14は、パワー半導体モジュール2U,2V,2Wの使用状態における概略的な断面構造を示している。なお、各モジュール2U,2V,2Wの構造は同一であるため、図14ではパワー半導体モジュールを符号「2」として表記してある。
図14において、セラミック製の絶縁基板16の表面には回路パターン9が形成されており、これらの回路パターン9の上にIGBTや還流ダイオードの各半導体チップ8がそれぞれ実装されている。また、各回路パターン9と半導体チップ8との間は、アルミニウム等からなる導電性ワイヤ7によって接続されている。
更に、回路パターン9には、直流電源1に接続される入力端子2a,2bが接続されている。なお、6yは後述するインピーダンス素子であり、このインピーダンス素子6yは入力端子2a,2bに取り付けられている。
絶縁基板16は、銅合金などからなる放熱板10の上面に取り付けられており、この放熱板10の裏面に冷却フィン11を取り付けることで、半導体チップ8から発生する通電時の損失(熱)を冷却フィン11を介して外気に放散させている。
なお、冷却フィン11は、通常はアースライン12によって大地に接地されており、冷却フィン11への接触による感電を防止している。
上述した従来のパワー半導体モジュール2を備えた電力変換装置では、IGBT等の電力用半導体素子がスイッチングすると過大なスイッチングノイズが生じ、電力変換装置の周囲に設置された他の機器が誤動作したり、雑音が混入する等の障害が発生するおそれがあった。
ここで、上記スイッチングノイズは、主に二種類に分類することができる。
第1番目のスイッチングノイズは、パワー半導体モジュール2と直流電源1とからなる閉ループを流れるノーマルモードの高周波電流によるノーマルモードノイズである。図15(a)に、このノーマルモードノイズ電流が流れる閉ループ13aを示す。
このノーマルモードは、電力用半導体素子のスイッチングにより、前記閉ループ13aを構成する配線の浮遊インダクタンスと電力用半導体素子の接合容量とによるLC共振が発生し、この共振による高周波ノイズ電流が閉ループ13aを流れるモードである。
第2番目のスイッチングノイズは、パワー半導体モジュール2及び電力変換装置内部の浮遊容量(または接地容量)を通してアースライン12を流れるノイズ電流によるコモンモードノイズである。図15(b)は、このコモンモードノイズ電流が流れる閉ループ13bを示しており、14は電力変換装置内部の配線による浮遊容量、15a,15bはパワー半導体モジュール2の浮遊容量である。
このコモンモードは、電力用半導体素子のスイッチングにより生じる高い電圧変化(dV/dt)によって浮遊容量14,15a,15bが高周波で充放電され、この高周波充放電電流がアースライン12を経て閉ループ13bを流れるモードである。このモードでは、直流電源1側にノイズ電流が流出したり、ノイズが電波となって放射されることもある。
上述したノーマルモードノイズ電流やコモンモードノイズ電流を抑制するために、従来から、ノイズ電流のループ内にインダクタンス等のインピーダンス素子を追加することが一般的に行われている。
前述した図14では、ノーマルモードノイズ電流を抑制するために半導体チップ8に直列にインピーダンス素子6yが接続されている。
上記のように、ノイズ電流の経路にインピーダンス素子を設ければ、ノーマルモードノイズ電流やコモンモードノイズ電流を一応抑制することが可能である。この場合、ノイズ電流抑制用のインピーダンス素子を電力用半導体素子等にできるだけ近接させて配置できれば、回路全体の小型化やパッケージングにも有効である。
なお、各種ノイズ電流やスイッチングに伴う電磁波を抑制するための先行技術は、以下に述べる各種の特許文献に開示されている。
まず、後述する特許文献1には、コモンモードノイズ電流を抑制するための手段が開示されている。すなわち、その手段は、直流電源に接続された半導体デバイス(ICチップ)の直流電源供給用インナーリード(接続線)の正負極の周囲を、フィルタ素子としての環状の複合磁性材料により包囲し、これをパッケージ内に封入するものである。
特許文献2には、ダイオード等の各種半導体素子のリード部に外嵌され、または一体的にモールドされる非晶質磁性合金製のノイズ低減素子が開示されている。
また、特許文献3には、非晶質または微細結晶構造の磁性合金からなるリング状軟磁性体を半導体装置の周囲に装着することが開示されている。
更に、特許文献4には、半田ボールの溶融、接合によってプリント基板上に実装される半導体パッケージ基板の周囲端部を、フェライト等からなるキャップや電磁波吸収性樹脂からなるモールド材、テープ等の電磁波吸収材により包囲し、半田ボールとプリント基板との接合部を放射源とする電磁波を吸収するようにした電磁シールド構造が記載されている。
特開2000−58740号公報(請求項1、図1等) 特開平9−121016号公報(請求項1,請求項4、図1、図2等) 特開平11−238844号公報(請求項8〜10、図7等) 特開2001−160605号公報([0021]〜[0040]、図1〜図5等)
特許文献1に記載された従来技術では、フィルタ素子として使用される複合磁性材料がパッケージ内に封入されているので、複合磁性材料を交換(インダクタンス値を変更)することができない。
通常、スイッチングノイズの周波数は周囲の回路条件(配線浮遊インダクタンスや浮遊容量)により様々である。このため、半導体素子にフィルタ素子を付加してノイズを低減する場合には、フィルタ素子をパッケージ外部に装着して必要に応じて交換できることが望ましいが、特許文献1ではこれが不可能である。
また、特許文献1の従来技術では、複合磁性材料がパッケージに内蔵されるため、パッケージが大型化するという問題がある。
これらの問題は、図14に示した従来技術にも当てはまる。
特許文献2に記載された従来技術は、リード線を有する比較的小容量の半導体素子への適用を想定しており、中・大容量のパワーモジュールにそのまま適用することは不可能である。特に、パワーモジュールの端子には、大電流を流せるように面積の大きい銅バー等の大型配線部品を接続するのが一般的であるため、特許文献2に記載されているようなノイズ低減素子をパワーモジュールの端子に外嵌することは不可能であった。
また、特許文献3の従来技術は、特許文献1とほぼ同様に半導体装置の周囲にリング状軟磁性体を装着する構成であるため、周囲の回路条件によっては所望のノイズ低減効果が得られない場合がある。
更に、特許文献4の従来技術において、キャップを用いて電磁シールドを行う場合には、複数の半田ボールの溶融状態にばらつきがあるため、キャップの内面高さを設定する際に余裕を持たせなくてはならず、寸法管理や設計上の煩雑さがある。また、キャップ自体の構造も、窓部を有する蓋状であって製造工程数が多く、製造コストが高くなるおそれがある。
一方、この特許文献4において、電磁波吸収材としてモールド材やテープを用いる場合には、吸収するべきノイズの周波数に応じて電磁波吸収材を交換する必要が生じたときに、その交換が困難であるという問題がある。
そこで本発明の目的は、磁性部材の交換を容易にし、しかも小型化を可能にしたパワー半導体モジュールを提供することにある。
また、本発明の別の目的は、モジュールケースに対して磁性部材を確実に嵌合できるようにしたパワー半導体モジュールを提供することにある。
更に本発明の目的は、構造が比較的簡単であって製造も容易な磁性部材を備えたパワー半導体モジュールを提供することにある。
上記の目的を達成するため、請求項1に記載した発明は、電力用半導体素子のスイッチングにより電力変換を行う電力変換装置用の半導体パワーモジュールにおいて、モジュールパッケージの周囲に、電力用半導体素子を包囲するように環状の磁性部材を嵌合するものである。ここで、環状の磁性部材は、低減するべきノイズ電流の周波数に応じて所定のリアクタンス値が得られるように、比透磁率や断面積等を選択し、所定のインダクタンス値を持たせるようにする。
また、請求項2に記載した発明は、電力用半導体素子を包囲する環状の磁性部材を、その表面がモジュールパッケージの外周面と面一になるようにモジュールパッケージに組み込んだものである。すなわち、モジュールパッケージの外周面に別部材からなる環状の磁性部材を組み込んでパッケージ内部の電力用半導体素子を包囲する。
なお、請求項3に記載したように、環状の磁性部材は、周波数に応じてインダクタンス値が異なる複数の磁性部材を同軸上に配置して構成しても良い。
また、請求項4に記載したように、環状の磁性部材は、環状かつ薄板状の磁性部材を同軸上に複数積層して構成しても良い。
更に、請求項5に記載したごとく、環状の磁性部材の周方向の一部にエアギャップを設けることにより、磁性部材のインダクタンス値を調整することができる。
なお、磁性部材モジュールパッケージに嵌合するに当たっては、請求項6に記載したように、モジュールパッケージの側面に突起を形成し、この突起に係止するように磁性部材を嵌合させれば、振動などによる磁性部材の移動を防ぐことができる。
本発明によれば、モジュールパッケージの周囲に環状の磁性部材を嵌合することにより、パッケージを大型化させずに前記磁性部材によってノイズ電流を抑制することができ、パワー半導体モジュールの小型化に寄与することができる。
また、磁性部材をモジュールパッケージに外嵌する構造により、周囲の回路条件に依存するノイズ周波数に応じて最適なインダクタンス値を有する磁性部材に交換することも容易になる。
更に、磁性部材の構造が単純であるため製造も容易であり、コストの低減が期待できると共に、モジュールパッケージに形成した突起等を利用して嵌合させることにより、磁性部材が振動によってずれたり脱落するおそれもない。
以下、図に沿って本発明を実施するための最良の形態を説明する。
まず、図1は本発明の第1実施形態を示す全体的な斜視図、図2はパワー半導体モジュール2の斜視図である。これらの図において、パワー半導体モジュール2の構造自体は従来と変わりなく、全体的にほぼ直方体状に形成されていると共に、樹脂等の絶縁体からなるモジュールパッケージ2Aの内部には、図13に示したように一相分上下アームの電力用半導体素子としてのIGBTや還流ダイオードが収納されている。また、パッケージ2Aの上面には、直流入力端子2a,2b、交流出力端子2cが適宜配置されており、前記IGBTと外部の駆動回路とを接続するための制御端子2dも設けられている。
この実施形態では、パッケージ2Aの平面外形を受容する矩形環状(枠状)の磁性部材6aを、図1に示す如くパッケージ2Aの底部周囲に嵌合したことに特徴を有する。これにより、パッケージ2Aの内部に収容された電力用半導体素子は磁性部材6aによって包囲されることになる。
なお、磁性部材6aとしては、フェライトのように高透磁率を有して高周波特性が良好な材質を使用することが望ましく、磁性部材6aのインダクタンスにより、低減させるべきノイズ電流の周波数において十分に大きいリアクタンス値が得られるような材質を選択する。これにより、ノイズ電流に対し高インピーダンス素子として動作させ、ノイズ電流を低減させることが可能である。逆に、低減するべきノイズ電流の周波数が低い場合には、鋼板等の材料を使用しても良い。
図3は、第1実施形態の使用状態における断面図である。なお、パワー半導体モジュール2の各端子の配置構造などは本発明の要旨ではないため、例えば図3における直流入力端子2a,2b等の配置等は図1、図2と必ずしも一致していない。
パワー半導体モジュール2の内部構造や周辺の放熱手段の構成は図14と同様であり、図3において、9は回路パターン、16はセラミック製の絶縁基板、10は放熱板、11は冷却フィン、12はアースラインである。
図3に示すように磁性部材6aをパッケージ2Aの底部近傍に外嵌することにより、抑制するべきノイズ電流の周波数に応じた磁性部材を嵌合させる際に、その着脱、交換が容易になる。
ここで、磁性部材6aをパワー半導体モジュール2に固定するには、磁性部材6aをパッケージ2Aの底部に単に圧入することが考えられるが、その場合には各部の寸法精度に必要以上の厳密さが要求されるほか、上下方向の振動によってずれたりパッケージ2Aとの嵌合が外れて上方の端子と接触してしまうおそれもある。
このため、図4に示すように、パッケージ2Aの磁性部材6aとの嵌合部近傍に爪状の突起2eを複数設け、磁性部材6aをパッケージ2Aの底部に挿入した上で突起2eに係止させ、突起2eと冷却フィン11の上面とによって磁性部材6aを挟み込むようにすれば良い。
これにより、パッケージ2Aに対する磁性部材6aの相対的な上下動が抑制されることになり、振動による磁性部材6aの上下方向のずれを未然に防止することができる。
あるいは、図5に示す如く、パッケージ2Aの底部側面に突起2fを複数設け、これらの突起2fに対応する位置の磁性部材6a内周面に凹部を形成して突起2fを凹部に嵌合させても良い。また、図示されていないが、磁性部材6aの内周面に突起を設け、パッケージ2A側の対応する位置に凹部を形成して両者を嵌合させても良い。なお、図5のような構造を採る場合には、例えば二分割した磁性部材6aをパッケージ2Aの左右両側から嵌合し、その後に各磁性部材の端面を密着させる等の方法をとれば良い。
なお、図4,図5において、パッケージ2Aの内部は一部を省略して示してある。
図6は、本実施形態の回路構成図であり、前述したごとくパッケージ2Aの周囲に磁性部材6aを嵌合させることにより、パワー半導体モジュール2とアースライン12(冷却フィン11)との間の浮遊容量15a,15bに対してほぼ直列に磁性部材6aを挿入した状態と等価になる。このため、磁性部材6aは、図15(b)のコモンモードノイズ電流の閉ループ13bにおけるインピーダンス素子(インダクタンス)として作用する。これにより、当該閉ループ13bのインピーダンス値を増加させ、ノイズ電流を低減することができる。
ここで、環状の磁性部材6aのインダクタンス値は数式1によって与えられる。
[数1]
L=(μ×μ)×N×(S/l)
なお、μ:真空の透磁率、μ:磁性部材の比透磁率、N:巻数(=1)、S:磁路断面積、l:磁路長である。
従って、比透磁率の大きい材質を用いて磁性部材6aを構成することによりインダクタンス値が大きくなり、高周波ノイズ電流の周波数帯域である数100[kHz]〜数10[MHz]にわたってリアクタンス値(インピーダンス値)の大きいコモンモードリアクトルを実現することが可能になる。
次に、図7は本発明の第2実施形態を示す全体的な斜視図である。
この実施形態は、第1実施形態における矩形環状の磁性部材6aの周方向の一部にエアギャップ6cを設けて磁性部材6bを形成し、この磁性部材6bをパッケージ2Aの底部周囲に嵌合したものである。なお、磁性部材6bの固定方法としては、第1実施形態と同様に図4,図5に示した方法を採ることができる。
本実施形態においては、エアギャップ6cの長さを調整することで磁性部材6bのインダクタンス値を最適値に調整することが可能である。
図8は、本発明の第3実施形態を示す全体的な斜視図である。
この実施形態は、非晶質合金や微罪結晶構造を有する磁性合金であって、ノイズ電流の周波数に対し高透磁率であるような環状かつ薄板状の膜軟磁性金属を同軸上に多数積層することにより、磁性部材6dを形成したものである。なお、磁性部材6dの全体形状は第1実施形態と同様に矩形環状であるが、第2実施形態の如く周方向の一部にエアギャップを設けても良い。
この実施形態においても、磁性部材6dをパッケージ2Aの底部周囲に嵌合することにより、所定周波数におけるノイズ電流経路のインピーダンス値を増加させてノイズ電流を低減させることができる。
図9は、本発明の第4実施形態を示す全体的な斜視図である。
この実施形態では、パッケージ2Bの一部に別部材からなる磁性部材6eを組み込むことにより、パワー半導体モジュール21が形成されている。上記磁性部材6eは、第1実施形態と同様にフェライト等によって矩形環状に構成されており、その表面がパッケージ2Bの外周面(各側面)と面一になるような大きさとなっている。
図10は、上記第4実施形態の使用状態における断面図であり、モジュール21の内部構造は第1〜第3実施形態と同一である。
なお、図示されていないが、パッケージ2Bの外周面を一巡するような溝を形成し、この溝に環状の磁性部材を埋設しても良い。
次いで、図11は本発明の第5実施形態を示す全体的な斜視図である。
この実施形態のパワー半導体モジュール22は、パッケージ2Cの表面に磁性体粉末を環状に塗布して磁性部材6fを形成したものであり、これによってパッケージ2C内の電力用半導体素子を磁性部材6fにより包囲して第1〜第4実施形態と等価なリアクトルを実現することができる。ここで、磁性体粉末は、パッケージ2Cの外周面に1ターン状に塗布することによって図9に示す外観を呈するようにしても良い。
なお、磁性体粉末のは、有機溶剤や油などの溶剤中に分散させた上でパッケージ2Cの表面に塗布すれば良く、磁性体粉末の材質や粒径、量、塗布膜の厚さなどは、ノイズ電流の周波数に応じて適宜決定される。
図12は、本発明の第6実施形態における使用状態の断面図である。
この実施形態は、材質(周波数に応じたインダクタンス値)が異なる矩形環状の磁性部材6a,6gを形成し、これらを同軸上に積層してパッケージ2Aの底部近傍に嵌合したものである。この場合にも、図4と同様にパッケージ2Aに突起2eを形成して磁性部材6a,6gを固定することができる。
前述した如く、磁性部材のインダクタンスは数式1により与えられるが、磁性部材の比透磁率μには周波数依存性がある。すなわち、周波数が高いほどμは小さくなるので、高周波数になるほどインダクタンス値が小さくなってノイズの抑制が困難になる。
そこで、本実施形態では、低周波数において所定の透磁率を有する材質の磁性材料6aと、高周波数においても所定の透磁率が得られる材質の磁性材料6gとを組み合わせて積層し、これらをパッケージ2Aの底部近傍に嵌合することにより、低周波数から高周波数までの広汎な周波数領域にわたって所定のインダクタンス値を持たせ、これによってノイズ低減作用が得られるようにした。
なお、図12において、パッケージ2Aの内部は一部を省略して示してある。
上記各実施形態において、各磁性部材6a,6b,6d,6e,6gは必ずしも単一部材により形成する必要はなく、例えば、平面から見てコ字形の部材とI字型の部材とを組合わせて密着させることにより、全体としてロ字形(環状)の磁性部材を形成しても良い。
以上のように、第1〜第6実施形態によれば、電力用半導体素子のスイッチングに伴って発生するノイズ電流を効果的に抑制することができる。また、磁性部材をパッケージ内に収容する必要がないため、パワー半導体モジュールの大型化を招く恐れもない。
更に、磁性部材の交換等も容易なため、周囲の回路条件に応じて抑制するべきノイズ電流の周波数が異なる場合でも、最適な材質の磁性部材を選択してノイズ低減対策をとることが可能である。
なお、本発明は、上述した各実施形態のように、電力変換装置を構成する上下アーム一相分の電力用半導体素子をモジュールパッケージに内蔵したものを始めとして、電力用半導体素子及びその駆動回路をモジュールパッケージに内蔵したパワーモジュール(いわゆるインテリジェントパワーモジュール)にも適用することができる。
本発明の第1実施形態を示す全体的な斜視図である。 第1実施形態におけるパワー半導体モジュールの斜視図である。 第1実施形態の使用状態における断面図である。 第1実施形態における磁性部材の嵌合構造の説明図である。 第1実施形態における磁性部材の嵌合構造の説明図である。 第1実施形態の回路構成図である。 本発明の第2実施形態を示す全体的な斜視図である。 本発明の第3実施形態を示す全体的な斜視図である。 本発明の第4実施形態を示す全体的な斜視図である。 第4実施形態の使用状態における断面図である。 本発明の第5実施形態を示す全体的な斜視図である。 本発明の第6実施形態の使用状態における断面図である。 従来の半導体パワーモジュールを有する電力変換装置の回路図である。 従来の半導体パワーモジュールの使用状態における概略的な断面図である。 ノーマルモードノイズ電流及びコモンモードノイズ電流の経路を示す図である。
符号の説明
1:直流電源
2,2U,2V,2W,21,22:パワー半導体モジュール
2A,2B,2C:モジュールパッケージ
2a,2b:直流入力端子
2c:交流出力端子
2d:制御端子
2e,2f:突起
3:モータ
4:駆動回路
5:制御回路
5a:出力電圧指令
5b: キャリア
5c:比較演算部
6a,6b,6d,6e,6f,6g:磁性部材
6c:エアギャップ
7:導電性ワイヤ
8:半導体チップ
14,15a,15b:浮遊容量

Claims (6)

  1. 電力用半導体素子がモジュールパッケージに内蔵されたパワー半導体モジュールにおいて、
    前記モジュールパッケージの周囲に、前記電力用半導体素子を包囲するように環状の磁性部材を嵌合したことを特徴とするパワー半導体モジュール。
  2. 電力用半導体素子がモジュールパッケージに内蔵されたパワー半導体モジュールにおいて、
    前記電力用半導体素子を包囲する環状の磁性部材を、その表面が前記モジュールパッケージの外周面と面一になるように前記モジュールパッケージに組み込んだことを特徴とするパワー半導体モジュール。
  3. 請求項1または2に記載したパワー半導体モジュールにおいて、
    前記磁性部材を、周波数に応じてインダクタンス値が異なる複数の磁性部材を同軸上に配置して構成したことを特徴とするパワー半導体モジュール。
  4. 請求項1〜3の何れか1項に記載したパワー半導体モジュールにおいて、
    前記磁性部材を、薄板状の磁性部材を同軸上に複数積層して構成したことを特徴とするパワー半導体モジュール。
  5. 請求項1〜4の何れか1項に記載したパワー半導体モジュールにおいて、
    前記磁性部材の周方向の一部にエアギャップを設けたことを特徴とするパワー半導体モジュール。
  6. 請求項1〜5の何れか1項に記載したパワー半導体モジュールにおいて、
    前記モジュールパッケージの側面に突起を形成し、この突起に係止するように前記磁性部材を嵌合させたことを特徴とするパワー半導体モジュール。
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