JP2008042124A - 半導体パワーモジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】半導体パワーモジュールにおける、主として３０ＭＨｚ以下の伝導性ノイズを低減できるようにする。
【解決手段】整流回路７とインバータ回路８とを一体的にパッケージ化した半導体パワーモジュール２に対し、金属ベース板１０ａ，１０ｂおよび冷却体５ａ，５ｂのように分離して構成するとともに、冷却体５ａ，５ｂ間をインピーダンス素子１５を介して接続することにより、特に周波数が３０ＭＨｚ以下の伝導ノイズを効率よく低減させる。
【選択図】図１

Description

この発明は、パワー半導体素子をスイッチングさせることによって電力変換を行なうインバータや無停電電源装置（ＵＰＳ）において、スイッチング動作に伴う高周波漏れ電流や、電磁ノイズを低減させる技術に関する。
インバータやＵＰＳなどの電力変換装置は、パワーモジュールに内蔵されたパワー半導体素子を、数ＫＨｚ〜数十ＫＨｚの周波数でスイッチングさせることにより、電力変換を行なっている。その電力変換装置の回路構成例を図７に示す。
図７は、多相電源として３相交流電源６に接続された代表的回路を示し、３相交流電源６はダイオードチップ７１〜７６からなるブリッジ回路部７で一旦直流電源（図では、直流平滑用電解コンデンサ１として示されている）に変換される。
整流された直流電源１を、パワー半導体素子としてのＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）８１〜８６により上下アームを交互にスイッチングすることにより、負荷であるモータ３に交流電力を供給しモータ３を可変周波数にて駆動する。なお、ＩＧＢＴ８１〜８６には逆並列に還流用ダイオード（ＦＷＤ）９１〜９６が接続されており、ＩＧＢＴオフ時にモータ電流を還流させる動作を行なう。
また、ＩＧＢＴのスイッチングは一般に、ＰＷＭ（パルス幅変調）方式で行なわれる。さらに、電力変換装置に適用されるパワーモジュールは、ＩＧＢＴチップやＦＷＤチップがモジュール容器２に収納されており、パワーチップの通電による熱は、モジュール容器２の底面に設置された金属ベース１０を介し、冷却体５により冷却されるように構成されていることが多い。
図８はパワーモジュールの構造を示す断面図である。
ここでは、絶縁基板１３の表面には回路パターン１２ａ，１２ｂが作製されており、パワーチップ７１，８１が半田などにより実装されている。また、パワーチップと回路パターンとは、アルミニウム・ワイヤ１１１などにより接続されている。絶縁基板１３の裏面は、アースとなる金属ベース１０と固着させるよう、ベタパターン１２ｃとなっている。モジュール底面に設けられた金属ベース１０は冷却体５へ取り付けられ、パワーチップが通電に伴って生じる電気的損失（＝熱）は、絶縁基板１３を介して金属ベース１０、冷却体５へ伝導されて放熱される。
一方、回路パターン１２ａ，１２ｂと金属ベース１０とは、セラミックなどの材質により構成される絶縁基板１３にて電気的に絶縁される。すなわち、図７のように、モジュール２が取り付けられる冷却体５と、電気回路部７，８とは電気的に絶縁されており、冷却体５への接触による感電や地絡事故を防止するために、冷却体５は接地されている（図７の符号４を参照）。また、パワーモジュール２には端子２ａ〜２ｄが設けられており、外部に設置されたコンデンサ１や交流電源６，モータ３へ配線される。
図９はパワーモジュールの内部構造を示す上面図である。
すなわち、絶縁基板１３の表面には、整流回路部７に相当する回路パターン１２ａ、インバータ回路部に相当する回路パターン１２ｂがそれぞれ形成されており、チップ７１〜７６，８１〜８６および９１〜９６は回路パターンとは半田やアルミニウム・ワイヤ１１２によってそれぞれ配線接続されている。
上述のような構成では、ＩＧＢＴなどのパワー半導体素子がスイッチングすることにより、高いｄｖ／ｄｔ（電圧変化）が発生し、接地４と主電気回路７，８間に高周波のコモンモード電流が流れるという現象が生じる。これは、主回路と冷却体（接地）が、絶縁基板の容量により結合しているためである。
前述のように、電気回路７，８と接地４間は絶縁基板１３により絶縁されているが、上記高周波の電流が流出することによって、当該電力変換装置近傍に設置されているラジオなどに通信障害を生じさせたり、同一電源装置に接続されている他装置に悪影響を与えたりするおそれがある。
上記のノイズ電流の経路を、図７に符号１６で示す。インバータ側のパワーチップ８１〜８６，９１〜９６がスイッチングすることに伴い、接地４に対しインバータ回路部８は電位変動するため、記高周波の電流が接地線に流れ、この電流が他の装置に悪影響を及ぼしたり、電磁ノイズとして輻射されたりする。
図６にこの場合の等価回路を示す。同図において、１３４はパワーチップがスイッチングすることにより生じるコモンモード起電力、１３２はインバータ回路部８の接地に対する浮遊容量、すなわち絶縁基板の容量を示している。また、１３１は整流回路部７側の接地に対する浮遊容量Ｃ、１３３は整流回路−インバータ回路間の配線上に存在する浮遊インダクタンスＬを示す。
ところで、図６のように流れるノイズ電流の抑制を目的とする先行技術として、例えば特許文献１のように、パワーモジュールの絶縁基板内に接地電極以外、すなわち主電気回路の電位の導電層を設け、ノイズ電流が接地ラインに流れないようにするもの、また、例えば特許文献２のように、冷却体を接地しなかったり、電位変動の小さい電極、例えば正極や負極電極を冷却体に接続したりして、伝導ノイズの低減を図るものがある。
しかし、特許文献１のものでは、主電気回路と接地ライン間の絶縁層膜の厚さが薄くなるため、回路と接地間の浮遊容量が増大し、接地ラインへの漏洩電流が増大してしまうという問題が生じる。
一方、特許文献２のものでは、冷却体を接地しない場合は、冷却フィンへの接触などによる感電を防止するための構造的な配慮が別途必要になる。また、一般に主電気回路と接地ライン間の浮遊容量は数１０ｐＦ〜数１００ｐＦであるのに対し、スイッチング素子の接合容量は１０００ｐＦ以上である。したがって、スイッチング時に生じるノイズ起電力は前者の容量に印加され、デバイス側の浮遊容量はほぼショートとみなせる。よって、接地ラインに対しては正極・負極ラインでも安定しているとは言えず、出力端子と同様に変動することがある。
そこで、出願人は、例えば特許文献３のように、インバータ装置１を整流器モジュールとインバータモジュールとに分離し、各モジュールには個別に放熱器を設け、これらの放熱器間をインピーダンス素子を介して接続することにより、ノイズを低減する方式を提案している（提案方式）。
特開２０００−０３１３２５号公報 特開２０００−２６０９３７号公報 特開２００６−１１５６４９号公報
しかし、上記提案方式は主として３０ＭＨｚ以上の周波数の放射性ノイズを低減するものであり、３０ＭＨｚ以下の周波数の伝導性ノイズを低減するものとは対象を異にするだけでなく、整流器モジュールと、インバータモジュールとに分離されたものにしか適用できないという問題がある。
従って、この発明の課題は、整流器回路とインバータ回路が一体的に構成されるモジュールにも適用できるようにし、特に３０ＭＨｚ以下の周波数の伝導ノイズを低減し得るようにすることにある。
このような課題を解決するため、請求項１の発明では、整流回路部とインバータ回路部とを一体的にパッケージ化した半導体モジュールに対し、前記整流回路部に対し絶縁された第１の金属ベース板と、前記インバータ回路部に対し絶縁された第２の金属ベース板とを個別に設け、第１の金属ベース板と第２の金属ベース板とを互いに絶縁することによりノイズを低減させることを特徴とする。
この請求項１の発明においては、前記第１の金属ベース板と、前記第２の金属ベース板との間を、インピーダンス素子を介して短絡することができる（請求項２の発明）。
また、上記請求項１の発明においては、前記第１の金属ベース板が取り付けられる第１の冷却体と、前記第２の金属ベース板が取り付けられる第２の冷却体とを、互いに分離することができる（請求項３の発明）。この請求項３の発明においては、前記第１の金属ベース板または前記第１の冷却体と、前記第２の金属ベース板または前記第２の冷却体との間を、インピーダンス素子を介して短絡することができる（請求項４の発明）。
この発明によれば、整流回路とインバータ回路が一体化されたパワーモジュールにおいて、これらパワー回路の冷却ベース板を分離することにより、特に伝導性ノイズを低減することが可能となる。その結果、ノイズフィルタを削減または軽減することができ、低コストにノイズ低減を図れるという利点が得られる。すなわち、低コスト化や省スペース化の観点から、パワーモジュールは一体化されることが多いが、この発明はこのような場合に適用して効果を奏するものと言える。
図１はこの発明の実施の形態を示す構成図、図２は図１の断面図、図４は図１の上面図である。
図１，図２および図４に示すように、絶縁基板１３の表面上に形成される回路パターン１２ａ，１２ｂやパワーチップ７１〜７６、８１〜８６、９１〜９６の配置は従来のパワーモジュールの構成と同じである。ここでは絶縁基板１３の裏面のアースパターン、およびこれが固定される金属ベース部を、整流回路側１０ａおよびインバータ回路側１０ｂに分割し、これらを１つのパワーモジュール２としてパッケージ化する構成にした点が特徴である。アースパターンは、図２のように１２ｃ，１２ｄに分割されている。
また、このパワーモジュールが取り付けられる冷却体も、整流回路７用およびインバータ回路８用のそれぞれに対し５ａ，５ｂとして設置され、これらの冷却体５ａ，５ｂ間にはフェライトコアや抵抗などからなるインピーダンス素子１５が接続される。
図４に示すように、整流回路部７とインバータ回路部８は同一絶縁基板１３上に配置されるとともに、金属ベース板は１０ａ，１０ｂに分割されてパッケージ化されている。また、整流回路７側の金属ベース１０ａが取り付けられる冷却体５ａと、インバータ回路８側の金属ベース１０ｂが取り付けられる冷却体５ｂとを分離して構成する。そして、冷却体５ａと５ｂの間には抵抗やフェライトコア、非晶質金属薄膜（アモルファス）磁性体に代表される軟磁性体などのインピーダンス１５が挿入されている。冷却体５ａ，５ｂのどちらか一方（図１では５ａの方）は、感電防止のため接地（４）される。
ここで、インピーダンス１５は、分割された金属ベース板１０ａ−１０ｂ間に接続してもよいし、分割された冷却体５ａ−５ｂ間に接続してもよい。あるいは、金属ベース１０ａ−冷却体５ｂ間，金属ベース１０ｂ−冷却体５ａ間に接続してもよい。
また、インピーダンス１５を接続するに当たり、整流回路およびインバータ回路を構成する半導体素子（ダイオード，ＩＧＢＴ）の直下およびその近傍は、半導体素子の発熱のため高温となる。半導体素子→金属ベース板→冷却体の方向に前記発熱の放熱路となるため、この妨げとならない箇所にインピーダンス１５を設けるとよい。
例えば、金属ベース板に抵抗素子を半田付けしてもよいし、冷却体にフェライトコアもしくはアモルファス磁性体をねじ留めしてもよい。
図１の等価回路を図５に示す。
図１のようにインピーダンス１５が挿入されることにより、図５に符号１６で示すノイズ電流は抑制，減衰されるため、図６に示す従来の場合よりも、ノイズを小さくすることができる。一方、フェライトやアモルファスは、低い周波数においてはインダクタンスであり、直流的には短絡とみなせるため、感電防止の観点からは望ましい。また、高い周波数においては等価的に抵抗と見なせるため、上記のようにノイズ電流の抑制効果を持つことになる。
図３はこの発明の別の実施の形態を示す断面図である。
図１と比較すれば明らかなように、図１の絶縁基板１３を整流回路用１３ａと、インバータ回路用１３ｂに分離した場合を示す。冷却体も図示のように分離して構成されるが、ノイズ電流が問題にならない（小さい）場合には、冷却体を１つにまとめても良い。これにより、図１，図２と同様の効果を期待することができる。
この発明の実施の形態を示す構成図 図１のモジュール断面図 この発明の別の実施の形態を示すモジュール断面図 図１の上面図 図１の場合のノイズ電流経路を示す等価回路図 従来例のノイズ電流経路を示す等価回路図 一般的な電力変換回路例を示す構成図 図７のモジュール断面図 図７の上面図
符号の説明
１…平滑コンデンサ（直流電源）、２…モジュール容器、２ａ〜２ｄ…端子、３…モータ（負荷）、４…接地、５ａ，５ｂ…冷却体、６…３相交流電源、７…整流回路部、７１〜７６，８１〜８６，９１〜９６…半導体チップ、８…インバータ回路部、１０ａ，１０ｂ…金属ベース板、１１１，１１２…ワイヤ、１２ａ，１２ｂ…回路パターン、１２ｃ，１２ｄ…アースパターン、１３，１３ａ，１３ｂ…絶縁基板、１３１，１３２…浮遊容量、１３３…浮遊インダクタンス、１３４…コモンモード起電力、１５…インピーダンス。

Claims (4)

  1. 整流回路部とインバータ回路部とを一体的にパッケージ化した半導体モジュールに対し、前記整流回路部に対し絶縁された第１の金属ベース板と、前記インバータ回路部に対し絶縁された第２の金属ベース板とを個別に設け、第１の金属ベース板と第２の金属ベース板とを互いに絶縁することによりノイズを低減させることを特徴とする半導体パワーモジュール。
  2. 前記第１の金属ベース板と、前記第２の金属ベース板との間を、インピーダンス素子を介して短絡することを特徴とする請求項１に記載の半導体パワーモジュール。
  3. 前記第１の金属ベース板が取り付けられる第１の冷却体と、前記第２の金属ベース板が取り付けられる第２の冷却体とを、互いに分離することを特徴とする請求項１に記載の半導体パワーモジュール。
  4. 前記第１の金属ベース板または前記第１の冷却体と、前記第２の金属ベース板または前記第２の冷却体との間を、インピーダンス素子を介して短絡することを特徴とする請求項３に記載の半導体パワーモジュール。
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