JP3877428B2 - 絶縁ゲート型バイポーラトランジスタモジュールおよび駆動回路付絶縁ゲート型バイポーラトランジスタモジュール - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、インバータ装置、直流チョッパ装置等に使用される絶縁ゲート型バイポーラトランジスタモジュールおよび駆動回路付絶縁ゲート型バイポーラトランジスタモジュールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
インバータ装置、直流チョッパ装置等に使用される半導体として、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（Insulated Gate Bipolar Transistor：以下ＩＧＢＴという。）を集合した絶縁ゲート型バイポーラトランジスタモジュール（Insulated Gate Bipolar Transistor Modules：以下ＩＧＢＴモジュールという）は、例えば、図１６、図１８、図１９に示すものが市販されている。図１６は三菱半導体データブック１９９７（大電力用半導体／スタック偏）１０−９に示された３．３ｋＶ、１．２ｋＡのＩＧＢＴモジュールの外形図、図１７は図１６の構成の接続図である。図１８はＥｕｐｅｃ社製の３．３ｋＶ、１．２ｋＡのＩＧＢＴモジュールの外形図、図１９はＡＢＢ社製の３．３ｋＶ、１．２ｋＡのＩＧＢＴモジュールの外形図である。図１６、図１８、図１９の（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は正面図である。図において、１はコレクタ端子、２はエミッタ端子、３は駆動回路接続用エミッタ端子、４は駆動回路接続用ゲート端子、５は駆動回路接続用コレクタ端子、９はモジュールの取付穴である。図１６、図１８、図１９のＩＧＢＴモジュールは、複数のＩＧＢＴが図１７のように接続されている。
【０００３】
図１６、図１８、図１９を比較すると、各モジュールの取付穴９の位置およびモジュールの取付穴９に対するコレクタ端子１、エミッタ端子２および駆動回路接続用エミッタ端子３、駆動回路接続用ゲート端子４、および駆動回路接続用コレクタ端子５はそれぞれ同じ位置になっており、各メーカの寸法は互換性があるように製作されている。
【０００４】
このＩＧＢＴモジュールにより装置を構成する場合は、駆動回路をＩＧＢＴモジュールの周囲に配置し、ＩＧＢＴモジュールの各駆動回路接続用端子へ配線して接続する構成となる。
【０００５】
ＩＧＢＴモジュールの機能とＩＧＢＴを動作させる駆動回路を一体化したものとして、例えば、図２０に示す等価回路の三菱半導体データブック１９９８（パワーモジュールＭＯＳ偏）３−９７に示されたＩＰＭ（インテリジェントパワーモジュール）がある。ＩＰＭはＩＧＢＴモジュールの機能にＩＧＢＴの駆動回路を内蔵し、過電流、短絡、加熱および電源電圧の低下の検知、保護、エラー信号出力機能を加えてコンパクトに構成し、信号印加でＩＧＢＴをＯＮ、ＯＦＦ動作させることができる使い勝手のよい構成となっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来のＩＧＢＴモジュールは上記の図１６、図１８、図１９に示す外形寸法であり、このＩＧＢＴモジュールの駆動回路は離れた位置に配置してＩＧＢＴモジュールの端子へ配線する構成となって配線が長くなり、長くなった配線から周囲のノイズが入って誤動作することがあり、ノイズに対する配慮を必要とすることおよび駆動回路の設置スペースが必要であり、装置構成として大きくなる等の問題点があった。また、パッケージ内にＩＧＢＴの機能と、これを駆動する駆動回路の機能を有したＩＰＭでは、ノイズに対しては問題ないが、駆動条件が一定条件に設定されているので、ユーザサイドでのスイッチング速度、ＯＣレベルの調整等の微調整ができない問題点があった。
【０００７】
この発明は上記問題点を解消するためになされたものであり、従来のＩＧＢＴモジュールとの互換性を確保し、駆動回路が一体に装着できるＩＧＢＴモジュールを提供し、また、駆動回路をモジュール化した駆動回路モジュールをＩＧＢＴモジュールに配線をしないで装着でき、動作条件の調整が可能でＩＰＭと同等の機能を有する駆動回路付ＩＧＢＴモジュールを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明の請求項１に係るＩＧＢＴモジュールは、複数のＩＧＢＴを集合し、絶縁部材で封止して集合体に形成したＩＧＢＴモジュールとし、ＩＧＢＴモジュールのコレクタ端子またはエミッタ端子の側部に角形断面の空洞を設けて部材装着部とし、部材装着部に回路接続端子を配置したものである。
【０００９】
この発明の請求項２に係る駆動回路付ＩＧＢＴモジュールは、請求項１のＩＧＢＴモジュールと、該ＩＧＢＴモジュールの部材装着部内壁にシールドを設け、該部材装着部に装着された上記ＩＧＢＴモジュールを駆動する駆動回路が回路基板に組み込まれた駆動回路モジュールとで構成されたものである。
【００１０】
この発明の請求項３に係るＩＧＢＴモジュールは、複数のＩＧＢＴを集合し、絶縁部材で封止して集合体に形成したＩＧＢＴモジュールとし、絶縁部材のエミッタ端子の側部、コレクタ端子の側部およびコレクタ端子、エミッタ端子の一端側にコの字形の段差面を設けて部材装着スペースとし、部材装着スペースに回路接続端子を配置したものである。
【００１１】
この発明の請求項４に係る駆動回路付ＩＧＢＴモジュールは、請求項３のＩＧＢＴモジュールと、周囲からの誘導を遮蔽するシールドを設けたコの字形に形成された箱体内にＩＧＢＴモジュールを駆動する駆動回路を収容し、ＩＧＢＴモジュールのコの字形に形成された部材装着スペースに装着した駆動回路モジュールとで構成したものである。
【００１２】
この発明の請求項５に係るＩＧＢＴモジュールは、複数のＩＧＢＴを集合し、絶縁部材で封止して集合体に形成したＩＧＢＴモジュールであって、コレクタ端子またはエミッタ端子の引出部を周回する電流検出コイルを装着し、絶縁部材のコレクタ端子またはエミッタ端子の側部に段差面を設けて部材装着スペースとし、部材装着スペースに回路接続端子を配置したものである。
【００１３】
この発明の請求項６に係るＩＧＢＴモジュールは、複数のＩＧＢＴを集合し、絶縁部材で封止して集合体に形成したＩＧＢＴであって、絶縁部材のコレクタ端子またはエミッタ端子を周回する両端部および両側部に段差面を設けて部材装着スペースとし、部材装着スペースに回路接続端子を配置し、部材装着スペースの形状に合わせ、所定の位置に導電層を配置した複数の基板を積層して電流検出コイルを形成して部材装着スペースに装着したものである。
【００１４】
この発明の請求項７に係るＩＧＢＴモジュールは、請求項５または請求項６の構成の電流検出コイルが検出した電流に比例した電圧波形を電流波形に変換して回路接続端子に出力する電流波形変換手段を電流検出コイルと回路接続端子の間に付加したものである。
【００１５】
この発明の請求項８に係る駆動回路付ＩＧＢＴモジュールは、請求項５または請求項６のＩＧＢＴモジュールと、周囲からの誘導を遮蔽するシールドを設けた箱体内にＩＧＢＴモジュールを駆動する駆動回路と、電流に比例した電圧波形を電流波形に変換して回路接続端子に出力する電流波形変換手段を収容し、ＩＧＢＴモジュールの部材装着スペースに装着した駆動回路モジュールとで構成したものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
実施の形態１は、エミッタ端子の側部に角形断面の空洞を形成して駆動回路等を装着する部材装着部とした構成である。その構成を図１に示す。コレクタ端子１１、エミッタ端子１２、駆動回路接続用エミッタ端子１３、駆動回路接続用ゲート端子１４、駆動回路接続用コレクタ端子１５、および取付用穴１９は従来の図１６に示す構成と同じ位置に配置している。３１はコレクタ端子１１の側部に設けられた角形断面の空洞に形成した部材装着部であり、内側面に基板装着溝３１ａが設けられている。３２は部材装着部３１の内面に板状の導電体を貼着したシールド、３６は回路接続端子、３８はＩＧＢＴを封止し、所定の形状に形成する絶縁部材、３９は取付用穴である。４０は１１〜１５、３１、３２、３６、３８、３９で構成されたＩＧＢＴモジュールである。
【００１７】
図１のようにＩＧＢＴモジュールを構成すると、ＩＧＢＴの動作条件に合わせた駆動回路を駆動回路基板に組み込んだ駆動回路モジュールを部材装着部３１に挿入し、回路接続端子４６を回路接続端子３６に結合して接続することにより簡単に装着でき、駆動回路モジュールが基板に組み込んだ簡単な構成の駆動回路モジュールとなり、配線部分がなくなり配線部分から侵入するノイズの心配がないＩＧＢＴモジュールが構成できる。図４の構成は部材装着部３１をコレクタ端子の側部に配置した構成としたが、部材装着部は３１エミッタ端子の側部であっても同様の機能を有する構成となる。
【００１８】
図１の構成のＩＧＢＴモジュールに装着する駆動回路モジュールの構成例を図２に示す。図３に図１のＩＧＢＴモジュールに、図２の駆動回路モジュールを装着した駆動回路付ＩＧＢＴモジュールの構成を示す。図において、４１は駆動回路を組み込んだ駆動回路基板、４３は電源ケーブル、４４はＯＮ／ＯＦＦ指令用Ｏ／Ｅ素子、４５はエラー信号用Ｏ／Ｅ素子、４６は駆動回路基板４１に取り付けられた回路接続端子、４７は駆動回路モジュール４１が装着された駆動回路基板４１を固定する固定金具、４８は固定金具４７を係止するボルトである。５０は４１、４３〜４６で構成された駆動回路モジュールである。
【００１９】
ＩＧＢＴモジュール４０の部材装着部３１の内面にシールド３２を貼着して周囲からのノイズを遮蔽し、駆動回路基板４１に駆動回路を組み込み付属品が取り付けられた駆動回路モジュール５０を部材装着部３１の基板装着溝３１ａに挿入してＩＧＢＴモジュール４０の回路接続端子３６と駆動回路モジュールの回路接続端子４６を結合し、固定金具４７、固定ボルト４８により固定して駆動回路付ＩＧＢＴモジュール４０が組み立てられる。
【００２０】
このようにして駆動回路付ＩＧＢＴモジュールを構成すると、駆動回路モジュール５０は駆動回路および付属品を装着した駆動回路基板４１のみの構成となり、簡単に組立ができる駆動回路付ＩＧＢＴモジュールが得られ、従来のＩＧＢＴモジュールの寸法で、動作条件を任意に設定できる駆動回路を有し、ＩＧＢＴモジュール４０と駆動回路モジュール５０の間の配線がなく、配線からノイズの侵入のない駆動回路付ＩＧＢＴモジュールが得られる。
【００２１】
実施の形態２．
実施の形態２は、ＩＧＢＴモジュールの駆動回路の装着スペースを大きく必要とする場合にも適用可能なＩＧＢＴの構成である。その構成を図４に示す。コレクタ端子１１、エミッタ端子１２、駆動回路接続用エミッタ端子１３、駆動回路接続用ゲート端子１４、駆動回路接続用コレクタ端子１５、および取付穴５９は従来の図１６に示す構成と同じ位置に配置している。５６は回路接続端子、５７はコレクタ端子１１の側部およびエミッタ端子１２の側部と一端部のコの字状の段差を設けた部材装着スペースであり、複数の取付用穴５７ａが設けられている。５８は複数のＩＧＢＴを封止し、所定の形状に形成された絶縁部材、５９は取付用穴である。６０は１１〜１５、５６〜５９で構成されたＩＧＢＴモジュールである。
【００２２】
図４に示すように、ＩＧＢＴモジュール６０部材装着スペース５７をコの字状に形成したことにより、ＩＧＢＴモジュールを駆動する駆動回路モジュールの装着スペースを大きく必要とする場合にも対応できる。
【００２３】
図４の構成のＩＧＢＴモジュールに装着する駆動回路モジュールの構成例を図５、図６に示す。図５は駆動回路を組み込んだ駆動回路モジュールの構成を示し、図６は図４のＩＧＢＴモジュールに、図５の駆動回路モジュールを組み込んだ駆動回路を装着した状態を示す。図において、６１は駆動回路を収納するケース、６２はケース内面に設けられたシールド、６３は駆動回路を組み込む駆動回路基板、６４はＯＮ／ＯＦＦ指令用Ｏ／Ｅ素子、６５はエラー信号用Ｏ／Ｅ素子、６６は回路接続端子、６７は電源ケーブル、６８は駆動回路モジュールを固定する固定金具である。７０は６１〜６８で構成された駆動回路モジュールである。
【００２４】
ＩＧＢＴモジュール６０の部材装着スペース５７に駆動回路モジュール７０を装着し、ＩＧＢＴモジュール６０の回路接続端子５６に駆動回路モジュール７０の回路接続端子６６と結合し、固定金具６８を固定することにより駆動回路付ＩＧＢＴモジュールが構成される。
【００２５】
このようにして駆動回路付ＩＧＢＴモジュールを構成すると、駆動回路および付属品を組み込んだ駆動回路モジュール７０の寸法が大きくなる場合においても対応可能であり、実施の形態１と同様に、従来のＩＧＢＴモジュールの寸法で、動作条件を任意に設定できる駆動回路を有し、ＩＧＢＴモジュール６０と駆動回路モジュール７０との間の配線がなく、配線からのノイズ侵入がない駆動回路付ＩＧＢＴモジュールが得られる。
【００２６】
実施の形態３．
実施の形態３は、実施の形態１、２の構成のＩＧＢＴモジュールのエミッタ端子に流れる電流が検出できるように構成したものである。図７にその構成を示す。図７は実施の形態１、２の構成のエミッタ端子１２の周囲の部分構成図である。図において、７５は複数のエミッタ端子１２を周回するように配置した電流検出コイルである。７６は回路接続端子、７７は部材装着スペース、７８は絶縁部材である。８０は複数のＩＧＢＴを集合して付属品を設けたＩＧＢＴモジュールである。
【００２７】
電流検出コイル７５は、図８に示すように電線をコイル状に巻回し、リターン回路をコイル状に巻回した内径部をリターンする構成のロゴスキーコイルであり、これをエミッタ端子１１を周回するように配置し、コイル端部を回路接続端子７６に接続し、電流検出コイル７５を埋設した状態に絶縁部材７８で全体を封止して形成した構成である。８０は電流検出コイル７５を埋設したＩＧＢＴモジュールである。図８（ａ）はコイルの断面を示す。
【００２８】
電流検出コイル７５は、端子７６ａから電線をコイル状に巻回し、リターン回路をコイルの内径部に挿通して端子７６ｂにリターンする回路を形成し、巻回したコイルの全長でエミッタ端子を周回するように配置することにより、エミッタ端子に流れる電流が作る磁界のコイルに鎖交する磁束によりエミッタ電流に比例した電圧が検出できるものである。
【００２９】
電流検出コイル７５は次のようにして電流を検出することができる。導体に流れる電流Ｉによって生じた磁界の電流検出コイル７５に鎖交する総磁束φの変化量に比例した電圧が電流検出コイル７５の端子７６ａ、７６ｂの間に発生する。今、磁束密度をＢ、コイル断面積をＳ、巻数をＮ、磁界の強さをＨ、透磁率をμ、リングの直径をＤ、リングの全長をＬとすると、μ＝μ０ ＝４π×１０−７、Ｌ＝πＤであり、検出される電圧ＶＰ は、（式１）のようになる。
ＶＰ ＝−（ｄφ／ｄｔ）
φ＝ＢＳＮ
Ｂ＝μＨ
Ｈ＝Ｉ／（πＤ）＝Ｉ／Ｌ であり、
φ＝（４ＳＮＩ／Ｄ）×１０−７
ＶＰ ＝−（４ＳＮ／Ｄ）・（ｄＩ／ｄｔ）×１０−７・・・（式１）
電流検出コイル７５の端子７６ａ、７６ｂの間の電圧ＶＰ は、ｄＩ／ｄｔに比例した電圧であり、これを積分して増幅回路で増幅してゲイン調整すれば電流Ｉが得られる。
【００３０】
実施の形態１、２の図１、図４のエミッタ端子１２を周回するように電流検出コイル７５を埋設した構成にすると、エミッタ端子１２に流れる電流検出機能を備えたＩＧＢＴモジュールが得られる。電流検出コイル７５はエミッタ端子１２の１つに巻回してＶＰ を検出し、全体電流を推定しても同様に電流検出機能が得られる。図７の構成は電流検出コイル７５をエミッタ端子１２を周回するように配置したが、電流検出コイルをコレクタ端子１１を周回するように配置しても同様に電流検出機能が得られる。
【００３１】
このように電流検出機能を備えたＩＧＢＴモジュールとすると、電流の検出以外に、ｄｉ／ｄｔが検出できることから、ｄｉ／ｄｔを制御する駆動回路を構成する場合に駆動回路モジュールを容易に構成することもできる。
【００３２】
実施の形態４．
実施の形態３では、エミッタ電流の検出を電流検出コイルを埋設した構成としたが、この実施の形態４では、電流検出コイルを平板状に形成し、必要とするときに装着するように構成したものである。その構成のＩＧＢＴモジュールに電流検出コイルを装着した状態を図９、電流検出コイルの構成を図１０に示す。図において、８５は平板状に形成された電流検出コイル、８６は回路接続端子、８７はエミッタ端子１２の両側および両端部のエミッタ端子１２を周回する部分に段差を設けた部材装着スペース、８８はＩＧＢＴの周囲を封止し、所定の形状に成型された絶縁部材、８９は取付用穴である。
【００３３】
電流検出コイルは、図１０に示すように基板８３を４枚積層し、図中（ａ）に示すように４層に積層した構成とし、最下層に第１層基板８３ａ、最上層に第４層基板８３ｄを配置して絶縁層を形成し、第２層基板８３ｂ、第３層基板８３ｃは図示のように複数の挿通穴８３ｈを設け、第２層基板８３ｂの下面に周回方向の横の挿通穴８３ｈの相互間に導電層８４ａを形成し、第３層基板８３ｃの上面には図示のように斜め方向の挿通穴８３ｈの相互間に導電層８４ｂを形成し、第３層基板８３ｃの下面にはリターン回路の導電層８４ｃを形成し、初端部の回路接続端子８６ａから各挿通穴８３ｈに接続導体８４ｄをそれぞれ挿通して導電層８４ａと導電層８４ｂとの間をそれそれ接続し、終端部の導電層８４ｂからはリターン回路の導電層８４ｃに接続して初端部にリターンさせて回路接続端子８６ｂに接続して電流検出コイルを形成したものである。
【００３４】
ＩＧＢＴモジュール９０のエミッタ端子１２を周回する部分の部材装着スペース８７に平板状に形成された電流検出コイル８５を配置することにより、エミッタ端子１２の電流が検出できるＩＧＢＴモジュールとなる。図９の電流検出コイルはエミッタ端子１２を周回するように配置したが、コレクタ端子１１を周回するように配置しても同様に電流検出機能が得られる。
【００３５】
このように構成すると、駆動回路付ＩＧＢＴを構成するときに、電流検出機能を必要とするときのみに平板状に形成された電流検出コイル８５をＩＧＢＴの部材装着スペース８７に装着し、その上面に駆動回路モジュールを装着すれば、電流検出機能を備えた駆動回路付ＩＧＢＴモジュールが得られる。したがってこの構成では電流検出機能の必要性に応じて選択できる利点がある。
【００３６】
実施の形態５．
実施の形態３、４では電流検出コイルを備えた構成としたが、電流検出コイルのみでは電流値として検出できない。この実施の形態６では、電流検出コイルが検出した電流に比例した電圧波形を電流波形に変換する電流波形変換手段を付加したものである。実施の形態３の図７の構成に電流波形変換手段を付加した構成を図１１に示す。電流検出コイルを埋設したＩＧＢＴモジュールの構成は実施の形態４の図７に示すものである。図において、９１は電流波形変換手段であり、９６は回路接続端子である。電流波形変換手段９１の内部構成は図１５のように構成されており、９１ａの部分が積分回路であり、９１ｂの部分が増幅回路である。電流波形変換手段９１の入力端子９１ｉには電流検出コイル７５の出力回路を接続し、出力端子９１ｕは回路接続端子９６に接続されている。電流波形変換手段９１は電流検出コイル７５が検出した電流に比例した電圧波形、すなわち、実施の形態４に説明した（式１）のＶＰ を電流波形変換手段９１に入力すると、積分回路９１ａ、増幅回路９１ｂで電流波形に比例した電圧波形に変換されて回路接続端子９１ｕに出力される。
【００３７】
このように電流検出コイルと、電流波形変換手段９１を備えた構成にすると、電流検出機能が全てＩＧＢＴモジュール内に装備され、ＩＧＢＴモジュールの過電流保護、短絡保護の回路が簡単になり駆動回路に容易に組み込むことができ、電流波形変換手段９１に接続する部分が短く、周囲からのノイズの侵入がなくなり信頼性の高い駆動回路付ＩＧＢＴモジュールが得られる。
【００３８】
実施の形態６．
ＩＧＢＴには、メインチップの面積に対して数千分の１の面積を有し、コレクタ電流に対して、この比率で電流が流れるようになった電流センス用素子を備えるものが市販されている。実施の形態７は、複数のＩＧＢＴの１つを電流センス用素子付ＩＧＢＴを使用して電流検出機能を持たせたものである。その構成の接続図を図１３に示す。図において、１０１は電流センス用素子１０１ｍを備えた電流センス用素子付ＩＧＢＴ、１０２は通常の電流センス用素子がないＩＧＢＴである。１０３は回路の異常電圧からＩＧＢＴを保護するツェナーダイオードである。３つのＩＧＢＴは並列に接続され、例えば、ＩＧＢＴのチップとセンス用半導体のチップの比率が１／６０００に製作されているとすると、ＩＧＢＴモジュールのコレクタ電流に対して１／（６０００×３）の電流がセンス用素子に流れ、電流センス用素子のエミッタ端子を取り出しておくことにより、コレクタ電流を知ることができる。
【００３９】
ツェナーダイオード１０３は、ゲートと電流センス用素子のエミッタ端子間の靜電容量が非常に小さく異常電圧の吸収能力が小さく、モジュールの外部に取り出されることとなるので設けたものであり、保護対策として必要不可欠のものである。
【００４０】
このように集合するＩＧＢＴの１つを電流センス用素子付のＩＧＢＴにすることにより、別に電流検出手段を設けることなく電流検出機能を有するＩＧＢＴモジュールとなり構成が簡単になる。
【００４１】
実施の形態７．
実施の形態７は、ＩＧＢＴモジュールに温度検出手段を設けた構成である。ＩＧＢＴモジュールに温度検出手段を設けた部分の部分構成を図１４に示す。図において、１１１はＩＧＢＴモジュールの駆動回路モジュールの回路基板の銅ベース部分、１１２は絶縁基板、１１３はゲート中継基板である。１１５は温度検出手段である。１１６は回路接続端子である。図１４の構成はＩＧＢＴモジュールの駆動回路モジュールの回路基板には直接温度検出手段を付加することはできないので、駆動回路モジュールの銅基板１１１の上面のゲート中継基板１１２上の銅基板１１３に温度検出手段１１５を装着したものである。図１４は温度検出手段１１５として、サーミスタを装着した例を示したものである。
【００４２】
サーミスタは、温度変化に伴う抵抗値の変化を利用して通常の抵抗との組み合わせで、電圧レベルの変化を検出し、ある電圧になったときに駆動回路に信号として出力して温度を検出するものである。例えば電源電圧が５Ｖの場合、抵抗値Ｒの抵抗体とサーミスタを直列に接続して電源電圧の５Ｖを印加しておき、サーミスタの温度が２５℃のときに抵抗値がＲであるとするとサーミスタの分圧電圧は２．５Ｖであり、１００℃のときにはサーミスタの抵抗値がＲ／２になるものとするとサーミスタの分圧電圧は１．６７Ｖとなる。このように温度が変化することにより抵抗値Ｒが変化したことにより変わるサーミスタの分圧電圧を検出して温度を推定することができる。
【００４３】
温度検出手段としては温度変化に対して、抵抗の変化であっても、電圧の変化であってもよく、図１７では抵抗値の変化で温度を検出するサーミスタを使用したが、電圧の変化で温度を検出する例として温度センサ用ＩＣを使用した例を図１５に示す。図において、１１１、１１２、１１３、１１６は図１４の場合と同一のものであり、１２５が温度センサ用ＩＣであり、図１７と同様に駆動回路モジュール基板部分に装着したものである。温度センサ用ＩＣには、温度変化に比例した電圧を出力するものである。限界となる温度に設定しておき、その温度に達すると出力信号が反転するものなどがあり、使用目的に応じて適宜選択することができる。
【００４４】
このようにＩＧＢＴモジュールの使用中の温度を検出する構成にすると、運転時の運度上昇に対する保護が確実に行えるようになりＩＧＢＴモジュールの信頼性が高くなる。
【００４５】
【発明の効果】
この発明の請求項１に係るＩＧＢＴモジュールは、複数のＩＧＢＴを絶縁部材で封止して集合体に形成し、絶縁部材のＩＧＢＴモジュールのコレクタ端子またはエミッタ端子の側部に角形断面の空洞を設けて部材装着部とし、部材装着部に回路接続端子を配置し、複数のＩＧＢＴを絶縁部材で包囲して集合体に形成したので、駆動回路モジュールが回路基板に組み込んだだけの簡単な構成の駆動回路モジュールになり、配線部分がなくなり配線部分から侵入するノイズの心配がないＩＧＢＴモジュールが構成できる。
【００４６】
この発明の請求項２に係る駆動回路付ＩＧＢＴモジュールは、請求項１のＩＧＢＴモジュールと、このＩＧＢＴの部材装着部の内壁にシールドを設け、部材装着部に装着され、ＩＧＢＴモジュールを駆動する駆動回路を組み込んだ回路基板で構成した駆動回路モジュールとで構成したので、従来のＩＧＢＴモジュールの寸法で、動作条件を任意に設定できる駆動回路を有し、ＩＧＢＴモジュールと駆動回路モジュールとの間の配線がなく、配線からノイズの侵入のない構成となる。
【００４７】
この発明の請求項３に係るＩＧＢＴモジュールは、複数のＩＧＢＴを絶縁部材で封止して集合体に形成し、絶縁部材のＩＧＢＴモジュールのエミッタ端子の側部、コレクタ端子の側部およびコレクタ端子、エミッタ端子の一端側にコの字形の段差面を設けて部材装着スペースとし、部材装着スペースに回路接続端子を配置し、複数のＩＧＢＴを絶縁部材で包囲して集合体に形成したので、ＩＧＢＴを駆動する駆動回路モジュールの装着スペースが大きく必要とする場合にも対応できる。
【００４８】
この発明の請求項４に係る駆動回路付ＩＧＢＴモジュールは、請求項３のＩＧＢＴモジュールと、周囲からの誘導を遮蔽するシールドを設けたコの字形に形成されたケース内にＩＧＢＴモジュールを駆動する駆動回路を収容し、ＩＧＢＴモジュールのコの字形に形成された部材装着スペースに装着した駆動回路モジュールとで構成したので、従来のＩＧＢＴモジュールの寸法で、動作条件を任意に設定できる駆動回路を有し、ＩＧＢＴモジュールと駆動回路モジュールとの間の配線がなく、配線からのノイズ侵入のない構成となる。
【００４９】
この発明の請求項５に係るＩＧＢＴモジュールは、複数のＩＧＢＴを絶縁部材で封止して集合体に形成し、ＩＧＢＴモジュールのコレクタ端子またはエミッタ端子の引出部を周回する電流検出コイルを装着し、絶縁部材のエミッタ端子の側部に段差面を設けて部材装着スペースとし、部材載置スペースに回路接続端子を配置し、複数のＩＧＢＴおよび電流検出コイルを絶縁部材で包囲して集合体に形成したので、電流検出機能を備えたＩＧＢＴモジュールが得られ、電流の検出以外に、ｄｉ／ｄｔが検出できるので、ｄｉ／ｄｔを制御する駆動回路を構成する場合に駆動回路モジュールを容易に構成することもできる。
【００５０】
この発明の請求項６に係るＩＧＢＴモジュールは、複数のＩＧＢＴを絶縁部材で封止して集合体に形成し、絶縁部材のＩＧＢＴモジュールのコレクタ端子またはエミッタ端子を周回する両端部および両側部に段差面を設けて部材装着スペースとし、部材装着スペースに回路接続端子を配置し、部材装着スペースの形状に合わせ、所定の位置に導電層を配置した複数の基板を積層して電流検出コイルを形成して部材装着スペースに装着したので、駆動回路付ＩＧＢＴを構成するとき、電流検出機能を必要とするときに電流検出コイルをＩＧＢＴの部材装着スペースに装着し、その上面に駆動回路モジュールを装着すれば、電流検出機能を備えた駆動回路付ＩＧＢＴモジュールが得られ、電流検出機能の必要性に応じて選択できる利点がある。
【００５１】
この発明の請求項７に係るＩＧＢＴモジュールは、請求項５または請求項６の構成の電流検出コイルが検出した電流に比例した電圧波形を電流波形に変換して回路接続端子に出力する電流波形変換手段を電流検出コイルと回路接続端子の間に付加したので、電流検出機能が全てＩＧＢＴモジュール内に装備され、ＩＧＢＴモジュールの過電流保護、短絡保護の回路が簡単になり駆動回路に容易に組み込むことができ、波形変換手段に接続する部分が短く、周囲からのノイズの侵入が殆どなくなり信頼性の高い構成となる。
【００５２】
この発明の請求項８に係る駆動回路付ＩＧＢＴモジュールは、請求項５または請求項６のＩＧＢＴモジュールと、周囲からの誘導を遮蔽するシールドを設けた箱体内にＩＧＢＴモジュールを駆動する駆動回路と、電流に比例した電圧波形を電流波形に変換して回路接続端子に出力する電流波形変換手段を収容し、ＩＧＢＴモジュールの部材装着スペースに装着した駆動回路モジュールとで構成したので、電流検出機能が全てＩＧＢＴモジュール内に装備され、ＩＧＢＴモジュールの過電流保護、短絡保護の回路が簡単になり駆動回路に容易に組み込むことができ、波形変換手段に接続する部分が短く、周囲からのノイズの侵入が殆どなくなり信頼性の高い構成が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施の形態１のＩＧＢＴモジュールの構成図である。
【図２】 図１のＩＧＢＴモジュールの駆動回路モジュールの構成例を示す構成図である。
【図３】 図１の構成に図２の駆動回路モジュールを装着した状態を示す構成図である。
【図４】 実施の形態２のＩＧＢＴモジュールの構成図である。
【図５】 図４のＩＧＢＴモジュールの駆動回路モジュールの構成例を示す構成図である。
【図６】 図４の構成に図５の駆動回路モジュールを装着した状態を示す構成図である。
【図７】 実施の形態３のＩＧＢＴモジュールの電流検出コイルの装着部の部分構成図である。
【図８】 電流検出コイルの構造説明図である。
【図９】 実施の形態４のＩＧＢＴモジュールの電流検出コイルの装着状態を示す構成図である。
【図１０】 図９の電流検出コイルの構成を示す構成図である。
【図１１】 実施の形態５のＩＧＢＴモジュールの電流検出コイルの装着部の部分構成図である。
【図１２】 実施の形態５の電流波形変換手段の回路図である。
【図１３】 実施の形態６のＩＧＢＴモジュールの回路図である。
【図１４】 実施の形態７のＩＧＢＴモジュールの温度検出手段の装着部の構成を示す構成図である。
【図１５】 実施の形態７の図１４とは別の温度検出手段の装着部の構成図である。
【図１６】 従来のＩＧＢＴモジュールの外形寸法図である。
【図１７】 図１６のＩＧＢＴモジュールの回路図である。
【図１８】 従来のＩＧＢＴモジュールの図１７とは異なるメーカ製の外形寸法図である。
【図１９】 従来のＩＧＢＴモジュールの図１６、図１７とは異なるメーカ製の外形寸法図である。
【図２０】 従来のＩＧＢＴの機能と駆動回路の機能を一体化したパワーモジュールの回路図である。
【符号の説明】
１１ コレクタ端子、１２ エミッタ端子、
１３ 駆動回路接続用エミッタ端子、１４ 駆動回路接続用ゲート端子、
１５ 駆動回路接続用コレクタ端子、１６ 回路接続端子、
３０ 駆動回路モジュール、３１ 部材装着部、３２ シールド、３６ 回路接続端子、
３８ 絶縁部材、３９ 取付用穴、４０ ＩＧＢＴモジュール、４１ 駆動回路基板、
４３ 電源ケーブル、４４ ＯＮ／ＯＦＦ指令用Ｏ／Ｅ素子、
４５ エラー信号用Ｏ／Ｅ素子、４６ 回路接続端子、４７ 固定金具、
４８ 固定ボルト、５０ 駆動回路モジュール、５６ 回路接続端子、
５７ 部材取付スペース、５８ 絶縁部材、５９ 取付用穴、
６０ ＩＧＢＴモジュール、６１ ケース、６２ シールド、６３ 駆動回路基板、
６４ ＯＮ／ＯＦＦ指令用Ｏ／Ｅ素子、６５ エラー信号用０／Ｅ素子、
６６ 回路接続端子、６７ 電源ケーブル、６８ 固定金具、
７０ 駆動回路モジュール、７５ 電流検出コイル、７６ 回路接続端子、
７７ 部材取付スペース、７８ 絶縁部材、８０ ＩＧＢＴモジュール、
８２ 部材取付スペース、８３ａ，８３ｂ，８３ｃ，８３ｄ 基板、８３ｈ 挿通穴、
８４ａ，８４ｂ，８４ｃ 導電層、８４ｄ 接続導体、８５ 電流検出コイル、
８６ 回路接続端子、８７ 部材装着スペース、８８ 絶縁部材、
９０ ＩＧＢＴモジュール、９１ 電流波形変換手段、９１ａ 積分回路、
９１ｂ 増幅回路、９６ 回路接続端子、
１０１ 電流センス用素子付ＩＧＢＴモジュール、
１０２ ＩＧＢＴモジュール、１０３ ツェナーダイオード、
１０６ 回路接続端子、１１１ 銅ベース部分、１１２ 絶縁基板、
１１３ ゲート中継基板、１１５温度検出手段、１２５ 温度検出手段。
【発明の属する技術分野】
この発明は、インバータ装置、直流チョッパ装置等に使用される絶縁ゲート型バイポーラトランジスタモジュールおよび駆動回路付絶縁ゲート型バイポーラトランジスタモジュールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
インバータ装置、直流チョッパ装置等に使用される半導体として、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（Insulated Gate Bipolar Transistor：以下ＩＧＢＴという。）を集合した絶縁ゲート型バイポーラトランジスタモジュール（Insulated Gate Bipolar Transistor Modules：以下ＩＧＢＴモジュールという）は、例えば、図１６、図１８、図１９に示すものが市販されている。図１６は三菱半導体データブック１９９７（大電力用半導体／スタック偏）１０−９に示された３．３ｋＶ、１．２ｋＡのＩＧＢＴモジュールの外形図、図１７は図１６の構成の接続図である。図１８はＥｕｐｅｃ社製の３．３ｋＶ、１．２ｋＡのＩＧＢＴモジュールの外形図、図１９はＡＢＢ社製の３．３ｋＶ、１．２ｋＡのＩＧＢＴモジュールの外形図である。図１６、図１８、図１９の（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は正面図である。図において、１はコレクタ端子、２はエミッタ端子、３は駆動回路接続用エミッタ端子、４は駆動回路接続用ゲート端子、５は駆動回路接続用コレクタ端子、９はモジュールの取付穴である。図１６、図１８、図１９のＩＧＢＴモジュールは、複数のＩＧＢＴが図１７のように接続されている。
【０００３】
図１６、図１８、図１９を比較すると、各モジュールの取付穴９の位置およびモジュールの取付穴９に対するコレクタ端子１、エミッタ端子２および駆動回路接続用エミッタ端子３、駆動回路接続用ゲート端子４、および駆動回路接続用コレクタ端子５はそれぞれ同じ位置になっており、各メーカの寸法は互換性があるように製作されている。
【０００４】
このＩＧＢＴモジュールにより装置を構成する場合は、駆動回路をＩＧＢＴモジュールの周囲に配置し、ＩＧＢＴモジュールの各駆動回路接続用端子へ配線して接続する構成となる。
【０００５】
ＩＧＢＴモジュールの機能とＩＧＢＴを動作させる駆動回路を一体化したものとして、例えば、図２０に示す等価回路の三菱半導体データブック１９９８（パワーモジュールＭＯＳ偏）３−９７に示されたＩＰＭ（インテリジェントパワーモジュール）がある。ＩＰＭはＩＧＢＴモジュールの機能にＩＧＢＴの駆動回路を内蔵し、過電流、短絡、加熱および電源電圧の低下の検知、保護、エラー信号出力機能を加えてコンパクトに構成し、信号印加でＩＧＢＴをＯＮ、ＯＦＦ動作させることができる使い勝手のよい構成となっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来のＩＧＢＴモジュールは上記の図１６、図１８、図１９に示す外形寸法であり、このＩＧＢＴモジュールの駆動回路は離れた位置に配置してＩＧＢＴモジュールの端子へ配線する構成となって配線が長くなり、長くなった配線から周囲のノイズが入って誤動作することがあり、ノイズに対する配慮を必要とすることおよび駆動回路の設置スペースが必要であり、装置構成として大きくなる等の問題点があった。また、パッケージ内にＩＧＢＴの機能と、これを駆動する駆動回路の機能を有したＩＰＭでは、ノイズに対しては問題ないが、駆動条件が一定条件に設定されているので、ユーザサイドでのスイッチング速度、ＯＣレベルの調整等の微調整ができない問題点があった。
【０００７】
この発明は上記問題点を解消するためになされたものであり、従来のＩＧＢＴモジュールとの互換性を確保し、駆動回路が一体に装着できるＩＧＢＴモジュールを提供し、また、駆動回路をモジュール化した駆動回路モジュールをＩＧＢＴモジュールに配線をしないで装着でき、動作条件の調整が可能でＩＰＭと同等の機能を有する駆動回路付ＩＧＢＴモジュールを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明の請求項１に係るＩＧＢＴモジュールは、複数のＩＧＢＴを集合し、絶縁部材で封止して集合体に形成したＩＧＢＴモジュールとし、ＩＧＢＴモジュールのコレクタ端子またはエミッタ端子の側部に角形断面の空洞を設けて部材装着部とし、部材装着部に回路接続端子を配置したものである。
【０００９】
この発明の請求項２に係る駆動回路付ＩＧＢＴモジュールは、請求項１のＩＧＢＴモジュールと、該ＩＧＢＴモジュールの部材装着部内壁にシールドを設け、該部材装着部に装着された上記ＩＧＢＴモジュールを駆動する駆動回路が回路基板に組み込まれた駆動回路モジュールとで構成されたものである。
【００１０】
この発明の請求項３に係るＩＧＢＴモジュールは、複数のＩＧＢＴを集合し、絶縁部材で封止して集合体に形成したＩＧＢＴモジュールとし、絶縁部材のエミッタ端子の側部、コレクタ端子の側部およびコレクタ端子、エミッタ端子の一端側にコの字形の段差面を設けて部材装着スペースとし、部材装着スペースに回路接続端子を配置したものである。
【００１１】
この発明の請求項４に係る駆動回路付ＩＧＢＴモジュールは、請求項３のＩＧＢＴモジュールと、周囲からの誘導を遮蔽するシールドを設けたコの字形に形成された箱体内にＩＧＢＴモジュールを駆動する駆動回路を収容し、ＩＧＢＴモジュールのコの字形に形成された部材装着スペースに装着した駆動回路モジュールとで構成したものである。
【００１２】
この発明の請求項５に係るＩＧＢＴモジュールは、複数のＩＧＢＴを集合し、絶縁部材で封止して集合体に形成したＩＧＢＴモジュールであって、コレクタ端子またはエミッタ端子の引出部を周回する電流検出コイルを装着し、絶縁部材のコレクタ端子またはエミッタ端子の側部に段差面を設けて部材装着スペースとし、部材装着スペースに回路接続端子を配置したものである。
【００１３】
この発明の請求項６に係るＩＧＢＴモジュールは、複数のＩＧＢＴを集合し、絶縁部材で封止して集合体に形成したＩＧＢＴであって、絶縁部材のコレクタ端子またはエミッタ端子を周回する両端部および両側部に段差面を設けて部材装着スペースとし、部材装着スペースに回路接続端子を配置し、部材装着スペースの形状に合わせ、所定の位置に導電層を配置した複数の基板を積層して電流検出コイルを形成して部材装着スペースに装着したものである。
【００１４】
この発明の請求項７に係るＩＧＢＴモジュールは、請求項５または請求項６の構成の電流検出コイルが検出した電流に比例した電圧波形を電流波形に変換して回路接続端子に出力する電流波形変換手段を電流検出コイルと回路接続端子の間に付加したものである。
【００１５】
この発明の請求項８に係る駆動回路付ＩＧＢＴモジュールは、請求項５または請求項６のＩＧＢＴモジュールと、周囲からの誘導を遮蔽するシールドを設けた箱体内にＩＧＢＴモジュールを駆動する駆動回路と、電流に比例した電圧波形を電流波形に変換して回路接続端子に出力する電流波形変換手段を収容し、ＩＧＢＴモジュールの部材装着スペースに装着した駆動回路モジュールとで構成したものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
実施の形態１は、エミッタ端子の側部に角形断面の空洞を形成して駆動回路等を装着する部材装着部とした構成である。その構成を図１に示す。コレクタ端子１１、エミッタ端子１２、駆動回路接続用エミッタ端子１３、駆動回路接続用ゲート端子１４、駆動回路接続用コレクタ端子１５、および取付用穴１９は従来の図１６に示す構成と同じ位置に配置している。３１はコレクタ端子１１の側部に設けられた角形断面の空洞に形成した部材装着部であり、内側面に基板装着溝３１ａが設けられている。３２は部材装着部３１の内面に板状の導電体を貼着したシールド、３６は回路接続端子、３８はＩＧＢＴを封止し、所定の形状に形成する絶縁部材、３９は取付用穴である。４０は１１〜１５、３１、３２、３６、３８、３９で構成されたＩＧＢＴモジュールである。
【００１７】
図１のようにＩＧＢＴモジュールを構成すると、ＩＧＢＴの動作条件に合わせた駆動回路を駆動回路基板に組み込んだ駆動回路モジュールを部材装着部３１に挿入し、回路接続端子４６を回路接続端子３６に結合して接続することにより簡単に装着でき、駆動回路モジュールが基板に組み込んだ簡単な構成の駆動回路モジュールとなり、配線部分がなくなり配線部分から侵入するノイズの心配がないＩＧＢＴモジュールが構成できる。図４の構成は部材装着部３１をコレクタ端子の側部に配置した構成としたが、部材装着部は３１エミッタ端子の側部であっても同様の機能を有する構成となる。
【００１８】
図１の構成のＩＧＢＴモジュールに装着する駆動回路モジュールの構成例を図２に示す。図３に図１のＩＧＢＴモジュールに、図２の駆動回路モジュールを装着した駆動回路付ＩＧＢＴモジュールの構成を示す。図において、４１は駆動回路を組み込んだ駆動回路基板、４３は電源ケーブル、４４はＯＮ／ＯＦＦ指令用Ｏ／Ｅ素子、４５はエラー信号用Ｏ／Ｅ素子、４６は駆動回路基板４１に取り付けられた回路接続端子、４７は駆動回路モジュール４１が装着された駆動回路基板４１を固定する固定金具、４８は固定金具４７を係止するボルトである。５０は４１、４３〜４６で構成された駆動回路モジュールである。
【００１９】
ＩＧＢＴモジュール４０の部材装着部３１の内面にシールド３２を貼着して周囲からのノイズを遮蔽し、駆動回路基板４１に駆動回路を組み込み付属品が取り付けられた駆動回路モジュール５０を部材装着部３１の基板装着溝３１ａに挿入してＩＧＢＴモジュール４０の回路接続端子３６と駆動回路モジュールの回路接続端子４６を結合し、固定金具４７、固定ボルト４８により固定して駆動回路付ＩＧＢＴモジュール４０が組み立てられる。
【００２０】
このようにして駆動回路付ＩＧＢＴモジュールを構成すると、駆動回路モジュール５０は駆動回路および付属品を装着した駆動回路基板４１のみの構成となり、簡単に組立ができる駆動回路付ＩＧＢＴモジュールが得られ、従来のＩＧＢＴモジュールの寸法で、動作条件を任意に設定できる駆動回路を有し、ＩＧＢＴモジュール４０と駆動回路モジュール５０の間の配線がなく、配線からノイズの侵入のない駆動回路付ＩＧＢＴモジュールが得られる。
【００２１】
実施の形態２．
実施の形態２は、ＩＧＢＴモジュールの駆動回路の装着スペースを大きく必要とする場合にも適用可能なＩＧＢＴの構成である。その構成を図４に示す。コレクタ端子１１、エミッタ端子１２、駆動回路接続用エミッタ端子１３、駆動回路接続用ゲート端子１４、駆動回路接続用コレクタ端子１５、および取付穴５９は従来の図１６に示す構成と同じ位置に配置している。５６は回路接続端子、５７はコレクタ端子１１の側部およびエミッタ端子１２の側部と一端部のコの字状の段差を設けた部材装着スペースであり、複数の取付用穴５７ａが設けられている。５８は複数のＩＧＢＴを封止し、所定の形状に形成された絶縁部材、５９は取付用穴である。６０は１１〜１５、５６〜５９で構成されたＩＧＢＴモジュールである。
【００２２】
図４に示すように、ＩＧＢＴモジュール６０部材装着スペース５７をコの字状に形成したことにより、ＩＧＢＴモジュールを駆動する駆動回路モジュールの装着スペースを大きく必要とする場合にも対応できる。
【００２３】
図４の構成のＩＧＢＴモジュールに装着する駆動回路モジュールの構成例を図５、図６に示す。図５は駆動回路を組み込んだ駆動回路モジュールの構成を示し、図６は図４のＩＧＢＴモジュールに、図５の駆動回路モジュールを組み込んだ駆動回路を装着した状態を示す。図において、６１は駆動回路を収納するケース、６２はケース内面に設けられたシールド、６３は駆動回路を組み込む駆動回路基板、６４はＯＮ／ＯＦＦ指令用Ｏ／Ｅ素子、６５はエラー信号用Ｏ／Ｅ素子、６６は回路接続端子、６７は電源ケーブル、６８は駆動回路モジュールを固定する固定金具である。７０は６１〜６８で構成された駆動回路モジュールである。
【００２４】
ＩＧＢＴモジュール６０の部材装着スペース５７に駆動回路モジュール７０を装着し、ＩＧＢＴモジュール６０の回路接続端子５６に駆動回路モジュール７０の回路接続端子６６と結合し、固定金具６８を固定することにより駆動回路付ＩＧＢＴモジュールが構成される。
【００２５】
このようにして駆動回路付ＩＧＢＴモジュールを構成すると、駆動回路および付属品を組み込んだ駆動回路モジュール７０の寸法が大きくなる場合においても対応可能であり、実施の形態１と同様に、従来のＩＧＢＴモジュールの寸法で、動作条件を任意に設定できる駆動回路を有し、ＩＧＢＴモジュール６０と駆動回路モジュール７０との間の配線がなく、配線からのノイズ侵入がない駆動回路付ＩＧＢＴモジュールが得られる。
【００２６】
実施の形態３．
実施の形態３は、実施の形態１、２の構成のＩＧＢＴモジュールのエミッタ端子に流れる電流が検出できるように構成したものである。図７にその構成を示す。図７は実施の形態１、２の構成のエミッタ端子１２の周囲の部分構成図である。図において、７５は複数のエミッタ端子１２を周回するように配置した電流検出コイルである。７６は回路接続端子、７７は部材装着スペース、７８は絶縁部材である。８０は複数のＩＧＢＴを集合して付属品を設けたＩＧＢＴモジュールである。
【００２７】
電流検出コイル７５は、図８に示すように電線をコイル状に巻回し、リターン回路をコイル状に巻回した内径部をリターンする構成のロゴスキーコイルであり、これをエミッタ端子１１を周回するように配置し、コイル端部を回路接続端子７６に接続し、電流検出コイル７５を埋設した状態に絶縁部材７８で全体を封止して形成した構成である。８０は電流検出コイル７５を埋設したＩＧＢＴモジュールである。図８（ａ）はコイルの断面を示す。
【００２８】
電流検出コイル７５は、端子７６ａから電線をコイル状に巻回し、リターン回路をコイルの内径部に挿通して端子７６ｂにリターンする回路を形成し、巻回したコイルの全長でエミッタ端子を周回するように配置することにより、エミッタ端子に流れる電流が作る磁界のコイルに鎖交する磁束によりエミッタ電流に比例した電圧が検出できるものである。
【００２９】
電流検出コイル７５は次のようにして電流を検出することができる。導体に流れる電流Ｉによって生じた磁界の電流検出コイル７５に鎖交する総磁束φの変化量に比例した電圧が電流検出コイル７５の端子７６ａ、７６ｂの間に発生する。今、磁束密度をＢ、コイル断面積をＳ、巻数をＮ、磁界の強さをＨ、透磁率をμ、リングの直径をＤ、リングの全長をＬとすると、μ＝μ０ ＝４π×１０−７、Ｌ＝πＤであり、検出される電圧ＶＰ は、（式１）のようになる。
ＶＰ ＝−（ｄφ／ｄｔ）
φ＝ＢＳＮ
Ｂ＝μＨ
Ｈ＝Ｉ／（πＤ）＝Ｉ／Ｌ であり、
φ＝（４ＳＮＩ／Ｄ）×１０−７
ＶＰ ＝−（４ＳＮ／Ｄ）・（ｄＩ／ｄｔ）×１０−７・・・（式１）
電流検出コイル７５の端子７６ａ、７６ｂの間の電圧ＶＰ は、ｄＩ／ｄｔに比例した電圧であり、これを積分して増幅回路で増幅してゲイン調整すれば電流Ｉが得られる。
【００３０】
実施の形態１、２の図１、図４のエミッタ端子１２を周回するように電流検出コイル７５を埋設した構成にすると、エミッタ端子１２に流れる電流検出機能を備えたＩＧＢＴモジュールが得られる。電流検出コイル７５はエミッタ端子１２の１つに巻回してＶＰ を検出し、全体電流を推定しても同様に電流検出機能が得られる。図７の構成は電流検出コイル７５をエミッタ端子１２を周回するように配置したが、電流検出コイルをコレクタ端子１１を周回するように配置しても同様に電流検出機能が得られる。
【００３１】
このように電流検出機能を備えたＩＧＢＴモジュールとすると、電流の検出以外に、ｄｉ／ｄｔが検出できることから、ｄｉ／ｄｔを制御する駆動回路を構成する場合に駆動回路モジュールを容易に構成することもできる。
【００３２】
実施の形態４．
実施の形態３では、エミッタ電流の検出を電流検出コイルを埋設した構成としたが、この実施の形態４では、電流検出コイルを平板状に形成し、必要とするときに装着するように構成したものである。その構成のＩＧＢＴモジュールに電流検出コイルを装着した状態を図９、電流検出コイルの構成を図１０に示す。図において、８５は平板状に形成された電流検出コイル、８６は回路接続端子、８７はエミッタ端子１２の両側および両端部のエミッタ端子１２を周回する部分に段差を設けた部材装着スペース、８８はＩＧＢＴの周囲を封止し、所定の形状に成型された絶縁部材、８９は取付用穴である。
【００３３】
電流検出コイルは、図１０に示すように基板８３を４枚積層し、図中（ａ）に示すように４層に積層した構成とし、最下層に第１層基板８３ａ、最上層に第４層基板８３ｄを配置して絶縁層を形成し、第２層基板８３ｂ、第３層基板８３ｃは図示のように複数の挿通穴８３ｈを設け、第２層基板８３ｂの下面に周回方向の横の挿通穴８３ｈの相互間に導電層８４ａを形成し、第３層基板８３ｃの上面には図示のように斜め方向の挿通穴８３ｈの相互間に導電層８４ｂを形成し、第３層基板８３ｃの下面にはリターン回路の導電層８４ｃを形成し、初端部の回路接続端子８６ａから各挿通穴８３ｈに接続導体８４ｄをそれぞれ挿通して導電層８４ａと導電層８４ｂとの間をそれそれ接続し、終端部の導電層８４ｂからはリターン回路の導電層８４ｃに接続して初端部にリターンさせて回路接続端子８６ｂに接続して電流検出コイルを形成したものである。
【００３４】
ＩＧＢＴモジュール９０のエミッタ端子１２を周回する部分の部材装着スペース８７に平板状に形成された電流検出コイル８５を配置することにより、エミッタ端子１２の電流が検出できるＩＧＢＴモジュールとなる。図９の電流検出コイルはエミッタ端子１２を周回するように配置したが、コレクタ端子１１を周回するように配置しても同様に電流検出機能が得られる。
【００３５】
このように構成すると、駆動回路付ＩＧＢＴを構成するときに、電流検出機能を必要とするときのみに平板状に形成された電流検出コイル８５をＩＧＢＴの部材装着スペース８７に装着し、その上面に駆動回路モジュールを装着すれば、電流検出機能を備えた駆動回路付ＩＧＢＴモジュールが得られる。したがってこの構成では電流検出機能の必要性に応じて選択できる利点がある。
【００３６】
実施の形態５．
実施の形態３、４では電流検出コイルを備えた構成としたが、電流検出コイルのみでは電流値として検出できない。この実施の形態６では、電流検出コイルが検出した電流に比例した電圧波形を電流波形に変換する電流波形変換手段を付加したものである。実施の形態３の図７の構成に電流波形変換手段を付加した構成を図１１に示す。電流検出コイルを埋設したＩＧＢＴモジュールの構成は実施の形態４の図７に示すものである。図において、９１は電流波形変換手段であり、９６は回路接続端子である。電流波形変換手段９１の内部構成は図１５のように構成されており、９１ａの部分が積分回路であり、９１ｂの部分が増幅回路である。電流波形変換手段９１の入力端子９１ｉには電流検出コイル７５の出力回路を接続し、出力端子９１ｕは回路接続端子９６に接続されている。電流波形変換手段９１は電流検出コイル７５が検出した電流に比例した電圧波形、すなわち、実施の形態４に説明した（式１）のＶＰ を電流波形変換手段９１に入力すると、積分回路９１ａ、増幅回路９１ｂで電流波形に比例した電圧波形に変換されて回路接続端子９１ｕに出力される。
【００３７】
このように電流検出コイルと、電流波形変換手段９１を備えた構成にすると、電流検出機能が全てＩＧＢＴモジュール内に装備され、ＩＧＢＴモジュールの過電流保護、短絡保護の回路が簡単になり駆動回路に容易に組み込むことができ、電流波形変換手段９１に接続する部分が短く、周囲からのノイズの侵入がなくなり信頼性の高い駆動回路付ＩＧＢＴモジュールが得られる。
【００３８】
実施の形態６．
ＩＧＢＴには、メインチップの面積に対して数千分の１の面積を有し、コレクタ電流に対して、この比率で電流が流れるようになった電流センス用素子を備えるものが市販されている。実施の形態７は、複数のＩＧＢＴの１つを電流センス用素子付ＩＧＢＴを使用して電流検出機能を持たせたものである。その構成の接続図を図１３に示す。図において、１０１は電流センス用素子１０１ｍを備えた電流センス用素子付ＩＧＢＴ、１０２は通常の電流センス用素子がないＩＧＢＴである。１０３は回路の異常電圧からＩＧＢＴを保護するツェナーダイオードである。３つのＩＧＢＴは並列に接続され、例えば、ＩＧＢＴのチップとセンス用半導体のチップの比率が１／６０００に製作されているとすると、ＩＧＢＴモジュールのコレクタ電流に対して１／（６０００×３）の電流がセンス用素子に流れ、電流センス用素子のエミッタ端子を取り出しておくことにより、コレクタ電流を知ることができる。
【００３９】
ツェナーダイオード１０３は、ゲートと電流センス用素子のエミッタ端子間の靜電容量が非常に小さく異常電圧の吸収能力が小さく、モジュールの外部に取り出されることとなるので設けたものであり、保護対策として必要不可欠のものである。
【００４０】
このように集合するＩＧＢＴの１つを電流センス用素子付のＩＧＢＴにすることにより、別に電流検出手段を設けることなく電流検出機能を有するＩＧＢＴモジュールとなり構成が簡単になる。
【００４１】
実施の形態７．
実施の形態７は、ＩＧＢＴモジュールに温度検出手段を設けた構成である。ＩＧＢＴモジュールに温度検出手段を設けた部分の部分構成を図１４に示す。図において、１１１はＩＧＢＴモジュールの駆動回路モジュールの回路基板の銅ベース部分、１１２は絶縁基板、１１３はゲート中継基板である。１１５は温度検出手段である。１１６は回路接続端子である。図１４の構成はＩＧＢＴモジュールの駆動回路モジュールの回路基板には直接温度検出手段を付加することはできないので、駆動回路モジュールの銅基板１１１の上面のゲート中継基板１１２上の銅基板１１３に温度検出手段１１５を装着したものである。図１４は温度検出手段１１５として、サーミスタを装着した例を示したものである。
【００４２】
サーミスタは、温度変化に伴う抵抗値の変化を利用して通常の抵抗との組み合わせで、電圧レベルの変化を検出し、ある電圧になったときに駆動回路に信号として出力して温度を検出するものである。例えば電源電圧が５Ｖの場合、抵抗値Ｒの抵抗体とサーミスタを直列に接続して電源電圧の５Ｖを印加しておき、サーミスタの温度が２５℃のときに抵抗値がＲであるとするとサーミスタの分圧電圧は２．５Ｖであり、１００℃のときにはサーミスタの抵抗値がＲ／２になるものとするとサーミスタの分圧電圧は１．６７Ｖとなる。このように温度が変化することにより抵抗値Ｒが変化したことにより変わるサーミスタの分圧電圧を検出して温度を推定することができる。
【００４３】
温度検出手段としては温度変化に対して、抵抗の変化であっても、電圧の変化であってもよく、図１７では抵抗値の変化で温度を検出するサーミスタを使用したが、電圧の変化で温度を検出する例として温度センサ用ＩＣを使用した例を図１５に示す。図において、１１１、１１２、１１３、１１６は図１４の場合と同一のものであり、１２５が温度センサ用ＩＣであり、図１７と同様に駆動回路モジュール基板部分に装着したものである。温度センサ用ＩＣには、温度変化に比例した電圧を出力するものである。限界となる温度に設定しておき、その温度に達すると出力信号が反転するものなどがあり、使用目的に応じて適宜選択することができる。
【００４４】
このようにＩＧＢＴモジュールの使用中の温度を検出する構成にすると、運転時の運度上昇に対する保護が確実に行えるようになりＩＧＢＴモジュールの信頼性が高くなる。
【００４５】
【発明の効果】
この発明の請求項１に係るＩＧＢＴモジュールは、複数のＩＧＢＴを絶縁部材で封止して集合体に形成し、絶縁部材のＩＧＢＴモジュールのコレクタ端子またはエミッタ端子の側部に角形断面の空洞を設けて部材装着部とし、部材装着部に回路接続端子を配置し、複数のＩＧＢＴを絶縁部材で包囲して集合体に形成したので、駆動回路モジュールが回路基板に組み込んだだけの簡単な構成の駆動回路モジュールになり、配線部分がなくなり配線部分から侵入するノイズの心配がないＩＧＢＴモジュールが構成できる。
【００４６】
この発明の請求項２に係る駆動回路付ＩＧＢＴモジュールは、請求項１のＩＧＢＴモジュールと、このＩＧＢＴの部材装着部の内壁にシールドを設け、部材装着部に装着され、ＩＧＢＴモジュールを駆動する駆動回路を組み込んだ回路基板で構成した駆動回路モジュールとで構成したので、従来のＩＧＢＴモジュールの寸法で、動作条件を任意に設定できる駆動回路を有し、ＩＧＢＴモジュールと駆動回路モジュールとの間の配線がなく、配線からノイズの侵入のない構成となる。
【００４７】
この発明の請求項３に係るＩＧＢＴモジュールは、複数のＩＧＢＴを絶縁部材で封止して集合体に形成し、絶縁部材のＩＧＢＴモジュールのエミッタ端子の側部、コレクタ端子の側部およびコレクタ端子、エミッタ端子の一端側にコの字形の段差面を設けて部材装着スペースとし、部材装着スペースに回路接続端子を配置し、複数のＩＧＢＴを絶縁部材で包囲して集合体に形成したので、ＩＧＢＴを駆動する駆動回路モジュールの装着スペースが大きく必要とする場合にも対応できる。
【００４８】
この発明の請求項４に係る駆動回路付ＩＧＢＴモジュールは、請求項３のＩＧＢＴモジュールと、周囲からの誘導を遮蔽するシールドを設けたコの字形に形成されたケース内にＩＧＢＴモジュールを駆動する駆動回路を収容し、ＩＧＢＴモジュールのコの字形に形成された部材装着スペースに装着した駆動回路モジュールとで構成したので、従来のＩＧＢＴモジュールの寸法で、動作条件を任意に設定できる駆動回路を有し、ＩＧＢＴモジュールと駆動回路モジュールとの間の配線がなく、配線からのノイズ侵入のない構成となる。
【００４９】
この発明の請求項５に係るＩＧＢＴモジュールは、複数のＩＧＢＴを絶縁部材で封止して集合体に形成し、ＩＧＢＴモジュールのコレクタ端子またはエミッタ端子の引出部を周回する電流検出コイルを装着し、絶縁部材のエミッタ端子の側部に段差面を設けて部材装着スペースとし、部材載置スペースに回路接続端子を配置し、複数のＩＧＢＴおよび電流検出コイルを絶縁部材で包囲して集合体に形成したので、電流検出機能を備えたＩＧＢＴモジュールが得られ、電流の検出以外に、ｄｉ／ｄｔが検出できるので、ｄｉ／ｄｔを制御する駆動回路を構成する場合に駆動回路モジュールを容易に構成することもできる。
【００５０】
この発明の請求項６に係るＩＧＢＴモジュールは、複数のＩＧＢＴを絶縁部材で封止して集合体に形成し、絶縁部材のＩＧＢＴモジュールのコレクタ端子またはエミッタ端子を周回する両端部および両側部に段差面を設けて部材装着スペースとし、部材装着スペースに回路接続端子を配置し、部材装着スペースの形状に合わせ、所定の位置に導電層を配置した複数の基板を積層して電流検出コイルを形成して部材装着スペースに装着したので、駆動回路付ＩＧＢＴを構成するとき、電流検出機能を必要とするときに電流検出コイルをＩＧＢＴの部材装着スペースに装着し、その上面に駆動回路モジュールを装着すれば、電流検出機能を備えた駆動回路付ＩＧＢＴモジュールが得られ、電流検出機能の必要性に応じて選択できる利点がある。
【００５１】
この発明の請求項７に係るＩＧＢＴモジュールは、請求項５または請求項６の構成の電流検出コイルが検出した電流に比例した電圧波形を電流波形に変換して回路接続端子に出力する電流波形変換手段を電流検出コイルと回路接続端子の間に付加したので、電流検出機能が全てＩＧＢＴモジュール内に装備され、ＩＧＢＴモジュールの過電流保護、短絡保護の回路が簡単になり駆動回路に容易に組み込むことができ、波形変換手段に接続する部分が短く、周囲からのノイズの侵入が殆どなくなり信頼性の高い構成となる。
【００５２】
この発明の請求項８に係る駆動回路付ＩＧＢＴモジュールは、請求項５または請求項６のＩＧＢＴモジュールと、周囲からの誘導を遮蔽するシールドを設けた箱体内にＩＧＢＴモジュールを駆動する駆動回路と、電流に比例した電圧波形を電流波形に変換して回路接続端子に出力する電流波形変換手段を収容し、ＩＧＢＴモジュールの部材装着スペースに装着した駆動回路モジュールとで構成したので、電流検出機能が全てＩＧＢＴモジュール内に装備され、ＩＧＢＴモジュールの過電流保護、短絡保護の回路が簡単になり駆動回路に容易に組み込むことができ、波形変換手段に接続する部分が短く、周囲からのノイズの侵入が殆どなくなり信頼性の高い構成が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施の形態１のＩＧＢＴモジュールの構成図である。
【図２】 図１のＩＧＢＴモジュールの駆動回路モジュールの構成例を示す構成図である。
【図３】 図１の構成に図２の駆動回路モジュールを装着した状態を示す構成図である。
【図４】 実施の形態２のＩＧＢＴモジュールの構成図である。
【図５】 図４のＩＧＢＴモジュールの駆動回路モジュールの構成例を示す構成図である。
【図６】 図４の構成に図５の駆動回路モジュールを装着した状態を示す構成図である。
【図７】 実施の形態３のＩＧＢＴモジュールの電流検出コイルの装着部の部分構成図である。
【図８】 電流検出コイルの構造説明図である。
【図９】 実施の形態４のＩＧＢＴモジュールの電流検出コイルの装着状態を示す構成図である。
【図１０】 図９の電流検出コイルの構成を示す構成図である。
【図１１】 実施の形態５のＩＧＢＴモジュールの電流検出コイルの装着部の部分構成図である。
【図１２】 実施の形態５の電流波形変換手段の回路図である。
【図１３】 実施の形態６のＩＧＢＴモジュールの回路図である。
【図１４】 実施の形態７のＩＧＢＴモジュールの温度検出手段の装着部の構成を示す構成図である。
【図１５】 実施の形態７の図１４とは別の温度検出手段の装着部の構成図である。
【図１６】 従来のＩＧＢＴモジュールの外形寸法図である。
【図１７】 図１６のＩＧＢＴモジュールの回路図である。
【図１８】 従来のＩＧＢＴモジュールの図１７とは異なるメーカ製の外形寸法図である。
【図１９】 従来のＩＧＢＴモジュールの図１６、図１７とは異なるメーカ製の外形寸法図である。
【図２０】 従来のＩＧＢＴの機能と駆動回路の機能を一体化したパワーモジュールの回路図である。
【符号の説明】
１１ コレクタ端子、１２ エミッタ端子、
１３ 駆動回路接続用エミッタ端子、１４ 駆動回路接続用ゲート端子、
１５ 駆動回路接続用コレクタ端子、１６ 回路接続端子、
３０ 駆動回路モジュール、３１ 部材装着部、３２ シールド、３６ 回路接続端子、
３８ 絶縁部材、３９ 取付用穴、４０ ＩＧＢＴモジュール、４１ 駆動回路基板、
４３ 電源ケーブル、４４ ＯＮ／ＯＦＦ指令用Ｏ／Ｅ素子、
４５ エラー信号用Ｏ／Ｅ素子、４６ 回路接続端子、４７ 固定金具、
４８ 固定ボルト、５０ 駆動回路モジュール、５６ 回路接続端子、
５７ 部材取付スペース、５８ 絶縁部材、５９ 取付用穴、
６０ ＩＧＢＴモジュール、６１ ケース、６２ シールド、６３ 駆動回路基板、
６４ ＯＮ／ＯＦＦ指令用Ｏ／Ｅ素子、６５ エラー信号用０／Ｅ素子、
６６ 回路接続端子、６７ 電源ケーブル、６８ 固定金具、
７０ 駆動回路モジュール、７５ 電流検出コイル、７６ 回路接続端子、
７７ 部材取付スペース、７８ 絶縁部材、８０ ＩＧＢＴモジュール、
８２ 部材取付スペース、８３ａ，８３ｂ，８３ｃ，８３ｄ 基板、８３ｈ 挿通穴、
８４ａ，８４ｂ，８４ｃ 導電層、８４ｄ 接続導体、８５ 電流検出コイル、
８６ 回路接続端子、８７ 部材装着スペース、８８ 絶縁部材、
９０ ＩＧＢＴモジュール、９１ 電流波形変換手段、９１ａ 積分回路、
９１ｂ 増幅回路、９６ 回路接続端子、
１０１ 電流センス用素子付ＩＧＢＴモジュール、
１０２ ＩＧＢＴモジュール、１０３ ツェナーダイオード、
１０６ 回路接続端子、１１１ 銅ベース部分、１１２ 絶縁基板、
１１３ ゲート中継基板、１１５温度検出手段、１２５ 温度検出手段。
Claims (8)
- 複数の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタを絶縁部材で封止して集合体に形成した絶縁ゲート型バイポーラトランジスタモジュールであって、上記絶縁部材の上記絶縁ゲート型バイポーラトランジスタのコレクタ端子またはエミッタ端子の側部に角形断面の空洞を設けて部材装着部とし、該部材装着部に回路接続端子を配置したことを特徴とする絶縁ゲート型バイポーラトランジスタモジュール。
- 請求項１の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタモジュールと、該絶縁ゲート型バイポーラトランジスタモジュールの上記部材装着部内壁にシールドを設け、該部材装着部に装着された上記絶縁ゲート型バイポーラトランジスタモジュールを駆動する駆動回路が回路基板に組み込まれた駆動回路モジュールとで構成された駆動回路付絶縁ゲート型バイポーラトランジスタモジュール。
- 複数の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタを絶縁部材で封止して集合体に形成した絶縁ゲート型バイポーラトランジスタモジュールであって、上記絶縁部材の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタのエミッタ端子の側部、コレクタ端子の側部およびコレクタ端子、エミッタ端子の一端側にコの字形の段差面を設けて部材装着スペースとし、該部材装着スペースに回路接続端子を配置したことを特徴とする絶縁ゲート型バイポーラトランジスタモジュール。
- 請求項３の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタモジュールと、周囲からの誘導を遮蔽するシールドを設けたコの字形に形成されたケース内に上記絶縁ゲート型バイポーラトランジスタモジュールを駆動する駆動回路が収容され、上記絶縁ゲート型バイポーラトランジスタモジュールのコの字形に形成された部材装着スペースに装着された駆動回路モジュールとで構成された駆動回路付絶縁ゲート型バイポーラトランジスタモジュール。
- 複数の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタを絶縁部材で封止して集合体に形成した絶縁ゲート型バイポーラトランジスタモジュールであって、上記絶縁部材の上記絶縁ゲート型バイポーラトランジスタのコレクタ端子またはエミッタ端子の引出部を周回する電流検出コイルを装着し、上記絶縁部材のコレクタ端子またはエミッタ端子の側部に段差面を設けて部材装着スペースとし、該部材装着スペースには回路接続端子を配置し、上記電流検出コイルは絶縁部材で封止したことを特徴とする絶縁ゲート型バイポーラトランジスタモジュール。
- 複数の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタを絶縁部材で封止して集合体に形成した絶縁ゲート型バイポーラトランジスタモジュールであって、上記絶縁部材の上記絶縁ゲート型バイポーラトランジスタのコレクタ端子またはエミッタ端子の両端部および両側部の周回する位置に段差面を設けて部材装着スペースとし、該部材装着スペースには回路接続端子を配置し、上記部材装着スペースの形状に合わせ、所定の位置に導電層を配置した複数の基板を積層して平板状の電流検出コイルを形成し、上記部材装着スペースに装着したことを特徴とする絶縁ゲート型バイポーラトランジスタモジュール。
- 電流検出コイルが検出した電流に比例した電圧波形を電流波形に変換して回路接続端子に出力する電流波形変換手段を電流検出コイルと回路接続端子の間に付加したことを特徴とする請求項５または請求項６記載の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタモジュール。
- 請求項５または請求項６の絶縁ゲート型バイポーラトランジスタモジュールと、周囲からの誘導を遮蔽するシールドを設けた箱体内に上記絶縁ゲート型バイポーラトランジスタモジュールを駆動する駆動回路と、電流に比例した電圧波形を電流波形に変換して回路接続端子に出力する電流変換手段を収容し、上記絶縁ゲート型バイポーラトランジスタモジュールの部材装着スペースに装着された駆動回路モジュールとで構成された駆動回路付絶縁ゲート型バイポーラトランジスタモジュール。
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