JP5152136B2

JP5152136B2 - 半導体パワーモジュール

Info

Publication number: JP5152136B2
Application number: JP2009220721A
Authority: JP
Inventors: 拡田久保
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2009-09-25
Filing date: 2009-09-25
Publication date: 2013-02-27
Anticipated expiration: 2023-12-22
Also published as: JP2010011734A

Description

この発明は、電力用半導体素子のスイッチング時に生じるスイッチングノイズを抑制するようにした半導体パワーモジュール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４は、この種の電力変換装置の回路図である。図４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個直列に接続した半導体パワーモジュール、３は負荷としてのモータである。各相の半導体パワーモジュール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。
なお、図４では、ＩＧＢＴのゲート駆動回路の図示を省略してある。
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、基準正弦波５ａ及び出力電圧指令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に対するゲート信号に変換されて各パワーモジュール２Ｕ，２Ｖ，２Ｗに出力される。なお、ＩＧＢＴのゲート駆動回路は図示を省略してある。

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、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。
また、近年では、ＩＧＢＴや還流ダイオードのほかに、ＩＧＢＴを駆動するための駆動回路４も含めて一つの容器内に実装したインテリジェントパワーモジュール（ＩＰＭ）と称するパワーモジュールも開発されており、電力変換装置の構成を一層簡素化する努力が重ねられている。
図５は、上記インテリジェントパワーモジュール２Ａを有する電力変換装置の回路図である。このパワーモジュール２Ａは、ＩＧＢＴ、還流ダイオード、ダイオード、駆動回路４等を内蔵しており、直流電源１に接続される直流入力端子２ａ，２ｂ、負荷３に接続される交流出力端子２ｃ，２ｄ，２ｅ、制動用抵抗１１の接続端子２ｆ、及び制御回路５に接続される制御入力端子２ｇを備えている。
上述した従来の半導体パワーモジュール２Ｕ，２Ｖ，２Ｗやインテリジェントパワーモジュール２Ａを備えた電力変換装置では、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。

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、パワーモジュールと直流電源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６Ａに、このノーマルモードノイズ電流が流れる閉ループ１０Ｎを示す。なお、図６Ａにおいて、２は前述した半導体パワーモジュール２Ｕ，２Ｖ，２Ｗやインテリジェントパワーモジュール
２Ａにおける一相分のパワーモジュールを代表して示したパワーモジュールである。
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１０Ｎ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１０Ｎ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、パワーモジュール及び電力変換装置内部の浮遊容量を通してアース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７Ａに、このコモンモードノイズ電流が流れる閉ループ１０Ｃを示す。
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７，８が高周波で充放電され、この高周波充放電電流がアースを経て閉ループ１０Ｃ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を追加することが一般的に行われている。
図６Ｂは、ノーマルモードノイズ電流を抑制するために、パワーモジュール２と直列にインダクタンス６ａを設けた従来技術である。
また、図７Ｂは、コモンモードノイズ電流を抑制するために、パワーモジュール２の直流入力端子の正極側及び負極側を一括してインダクタンス６ｂを介し直流電源１の両端に接続した従来技術である。この従来技術によれば、図７Ａにおける浮遊容量７，８を通ってアース側へ流れるノイズ電流に対し、前記インダクタンス６ｂがインピーダンス成分として働くため、ノイズ電流を抑制することができる。
これらの図６Ｂや図７Ｂの方法によれば、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ダクタンスを半導体素子に一層近接した位置に配置できれば、回路全体の小型化やパッケージングに有効であることから、以下に述べるような特許文献記載の技術が提供されている。

まず、下記の特許文献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。
また、下記の特許文献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。

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）

しかし、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外部回路条件（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。
更に、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。また、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。
そこで本発明の目的は、フィルタ素子として使用される磁性部材を必要に応じて交換可能にした半導体パワーモジュールを提供することにある。

また、本発明の他の目的は、パッケージの小型化を可能にした半導体パワーモジュールを提供することにある。
更に、本発明の別の目的は、個々の電力用半導体素子やモジュール全体の容量を問わず、また、上下アーム一相分の半導体パワーモジュールや駆動回路を内蔵したインテリジェントパワーモジュール等の区別なく適用可能な半導体パワーモジュールを提供することにある。

本発明では、電力用半導体素子のスイッチングにより直流電力や交流電力の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、電力用半導体素子に接続された端子を包囲するように環状磁性部材を配置するものである。これにより、電力用半導体素子のスイッチングに伴って前記端子を流れるコモンモードノイズ電流やノーマルモードノイズ電流を効果的に抑制することができる。
本発明の半導体パワーモジュールは、例えば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半導体パワーモジュールを始めとして、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）も含む。
要するに、本発明は、モジュールパッケージに電力用半導体素子が内蔵され、かつ、電力用半導体素子に接続された端子がモジュールパッケージの外部に配置された半導体パワーモジュールであれば、いかなる機能、構造を有する半導体パワーモジュールであってもよい。
環状磁性部材は、端子の周囲に形成された磁性部材配置空間に配置されるものであり、この磁性部材配置空間は、端子の周囲に凹部を形成したり、端子をモジュールパッケージから突設させることによって形成される。

なお、環状磁性部材によって包囲される端子としては、直流入力端子等の直流電力を伝達するための端子、交流出力端子等の交流電力を伝達するための端子、更には、電力用半導体素子に対する制御信号を入力するための制御入力端子等の制御端子が該当する。

本発明によれば、モジュールパッケージの外部に配置された端子に環状磁性部材を装着することにより、パッケージが大型化させずに、前記環状磁性部材によるコモンモードノイズ電流やノーマルモードノイズ電流を抑制することができる。
また、外部回路条件に依存するスイッチングノイズの周波数に応じて、フィルタ素子に要求されるインダクタンスも変化するので、外部回路条件が変化した場合には最適なインダクタンスを有する環状磁性部材に交換すれば良い。その際、環状磁性部材は端子に外嵌
されているため、交換作業を容易に行うことができる。

本発明をインテリジェントパワーモジュールに適用した場合の実施形態を示す斜視図である。本発明をインテリジェントパワーモジュールに適用した場合の実施形態を示す斜視図である。本発明をインテリジェントパワーモジュールに適用した場合の実施形態を示す斜視図である。図１Ｃの側面図である。本発明をインテリジェントパワーモジュールに適用した場合の実施形態を示す斜視図である。図２Ａにおけるノイズ電流の経路を示す回路図である。本発明を半導体パワーモジュールに適用した場合の実施形態を示す斜視図である。本発明を半導体パワーモジュールに適用した場合の実施形態を示す斜視図である。本発明を半導体パワーモジュールに適用した場合の実施形態を示す斜視図である。本発明を半導体パワーモジュールに適用した場合の実施形態を示す斜視図である。本発明を半導体パワーモジュールに適用した場合の環状磁性部材の変形例を示す斜視図である。従来技術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。従来技術のインテリジェント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。従来技術のノーマルモードノイズ電流のループを説明する回路図である。従来技術のノーマルモードノイズ電流を抑制するための従来の回路図である。従来技術のコモンモードノイズ電流のループを説明する回路図である。従来技術のコモンモードノイズ電流を抑制するための従来の回路図である。

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１Ａ，図１Ｂ，図１Ｃは、本発明をインテリジェントパワーモジュールに適用した場合の実施形態を示す斜視図である。
図１Ａにおいて、２Ｂはインテリジェントパワーモジュールである。例えば樹脂製のモジュールパッケージ２１には、例えば図５に示されるインテリジェントパワーモジュール２Ａと同様に、ＩＧＢＴ、還流ダイオード、ダイオード、駆動回路が内蔵されている。また、モジュールパッケージ２１の周囲には、内部の回路部品に接続された直流入力端子２ａ，２ｂ、交流出力端子２ｃ，２ｄ，２ｅ、制動用抵抗１１の接続端子２ｆ、及び制御入力端子２ｇが設けられている。なお、前記ＩＧＢＴ等の回路部品と前記端子２ａ〜２ｇとの接続状態は、図５のインテリジェントパワーモジュール２Ａと同様である。
また、この実施形態では、端子２ａ〜２ｇをモジュールパッケージ２１の表面よりも若干上方に突設し、また、端子２ａ〜２ｇの周囲に凹部２ｈを形成することにより、下記の環状磁性部材を嵌入するための磁性部材配置空間が形成される。
図１Ｂは、直流入力端子２ａ，２ｂを一括して包囲するように環状磁性部材６ｃを嵌入したインテリジェントパワーモジュール２Ｃを示している。この例は、環状磁性部材６ｃをコモンモードノイズ除去用のインダクタンスとして動作させる例である。

また、図１Ｃは、負極側の直流入力端子２ｂを包囲するように環状磁性部材６ｄを嵌入したインテリジェントパワーモジュール２Ｄを示している。この例は、環状磁性部材６ｄをノーマルモードノイズ除去用のインダクタンスとして動作させる例である。
勿論、環状磁性部材６ｄは、正極側の直流入力端子２ａまたは他の端子を包囲するように嵌入しても良い。
なお、環状磁性部材６ｃ，６ｄとしては、例えば環状に成型されたフェライト焼結体が使用される。
図１Ｄは、図１Ｃを横方向（端子２ｆ，２ａ，２ｂに正対する方向）から見た側面図である。環状磁性部材６ｄは、端子２ａ，２ｂ，２ｆを接続配線する銅ブスバー９とインテリジェントパワーモジュール２Ｄとの間に嵌入されることになる。
図１Ａ〜図１Ｄに示したように、モジュールパッケージ２１の外部に配置された各端子２ａ〜２ｇを包囲するように環状磁性部材６ｃまたは６ｄを嵌入することにより、モジュールパッケージ２１が大型化することなくノイズ対策を実施することができる。
また、モジュールパッケージ２１の外部に環状磁性部材を配置する構造であるから、ノイズ周波数に合わせた所望のインダクタンスを有する環状磁性部材を交換して装着することもできる。

なお、環状磁性部材のインダクタンス値を所望の値にするには、例えば、環状磁性部材の材質（比透磁率）を変更して、外形形状は同一のままにインダクタンス値を変更しても良いし、薄肉の環状磁性部材を用意して必要に応じて嵌入枚数を調整してインダクタンス値を変更しても良い。
次に、図２Ａは、制御入力端子２ｇにロ字形の環状磁性部材６ｅを嵌入したインテリジェントパワーモジュール２Ｅの斜視図である。
この場合、図示するように、制御入力端子２ｇをモジュールパッケージ２１の表面から若干突設させることにより、必然的に制御入力端子２ｇの周囲に磁性部材配置空間が形成されることになる。また、構造上、制御入力端子２ｇの高さがモジュールパッケージ２１
の表面とほぼ同一である場合には、制御入力端子２ｇの周囲に凹部を形成して磁性部材配置空間を形成すればよい。
図２Ａにおけるコモンモードノイズ電流の経路を、図２Ｂに示す。なお、図２Ｂでは、モジュールパッケージ２１内部の回路構成について、上下アーム一相分の電力用半導体素子のみを図示してある。
コモンモードノイズ電流は、インテリジェントパワーモジュール２Ｅの制御入力端子２ｇを通り、パワーモジュール・アース間や制御回路５・アース間の浮遊容量８を通して流れる場合があり、このノイズ電流経路１０Ｃに環状磁性部材６ｅを挿入することにより、ノイズ電流を抑制することができる。

制御入力端子２ｇの周囲に凹部を設けてこの凹部に環状磁性部材６ｅを嵌入すれば、図１Ｄに示した銅ブスバー９による配線やプリント板を用いた配線を行う場合に、環状磁性部材６ｅが邪魔になることもない。
次いで、図３Ａ，図３Ｂ，図３Ｃは、上下アーム一相分の電力用半導体素子を内蔵した半導体パワーモジュールの実施形態を示す斜視図である。これらのパワーモジュールは、例えば、前述した図４における半導体パワーモジュール２Ｕ，２Ｖ，２Ｗに相当する。
図３Ａに示す半導体パワーモジュール２Ｆにおいて、１２ａは正極側直流入力端子、１２ｂは負極側直流入力端子、１２ｃは交流出力端子、１２ｇは制御入力端子であり、各端子の並び順や配置は任意に変更可能である。この実施形態でも、各端子１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｇをモジュールパッケージ１２から突設して各端子１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｇの周囲に凹部１２ｈを形成することにより、環状磁性部材を嵌入するための磁性部材配置空間が保有されている。
図３Ｂは、直流入力端子１２ａ，１２ｂを一括してこれらの周囲に環状磁性材料６ｆを嵌入した半導体パワーモジュール２Ｇを示しており、環状磁性材料６ｆによってコモンモードノイズを抑制するための構造である。

また、図３Ｃは、正極側直流入力端子１２ａのみに環状磁性材料６ｇを嵌入した半導体パワーモジュール２Ｈを示しており、環状磁性材料６ｇによってノーマルモードノイズを抑制するための構造である。勿論、環状磁性材料６ｇを負極側直流入力端子１２ｂに嵌入しても良い。
環状磁性材料６ｆ，６ｇは各端子の上方の空間を開放した状態で嵌入可能であるから、各端子に銅ブスバー等を接続して配線を行う場合に、環状磁性材料６ｆ，６ｇが邪魔になるおそれはなく、環状磁性材料６ｆ，６ｇの絶縁も容易に行えるため、電極同士の短絡防止も容易に行うことができる。この場合、環状磁性材料６ｆ，６ｇの絶縁方法としては、環状磁性材料６ｆ，６ｇの表面を絶縁性の樹脂により覆う等の方法がある。
次に、図３Ｄは、複数の半導体パワーモジュール２Ｈの正極側直流入力端子１２ａ同士、負極側直流入力端子１２ｂ同士を、銅ブスバー９ａ，９ｂによりそれぞれ接続した例である。これらの銅ブスバー９ａ，９ｂは、環状磁性材料６ｆの上面に載置した状態で各端子に接続可能であるから、銅ブスバー９ａ，９ｂの形状、構造を変更することなく従来の部品を使用することができる。
上記のように、図３Ａ〜図３Ｄの実施形態においても、各端子を包囲するように環状磁性材料６ｆ，６ｇを嵌入する構造であるため、モジュールパッケージにフィルタ素子を内蔵する場合に比べてパッケージの小型化が可能である。また、前記と同様な方法により、ノイズ周波数に応じた所望のインダクタンスを有する環状磁性部材を交換して装着することも容易である。

更に、ノーマルモードノイズ、コモンモードノイズ双方を同時に低減させる場合には、図３Ｂ、図３Ｃの構造を組み合わせたり、図３Ｅに示すような日の字形の環状磁性部材６ｈ，６ｉを使用すればよい。
なお、上述の各実施形態において、ノイズ電流経路が交流出力端子を含む場合には、交流出力端子を包囲するように環状磁性体を嵌入すればよい。
また、電力変換装置の機能（直流−直流変換、交流−直流変換等）に応じて、直流出力端子や交流入力端子に環状磁性体を嵌入してノイズ対策を施しても良い。
加えて、各実施形態では、環状磁性体として○形またはロ字形の一体成型された環状磁性体を図示してあるが、コ字形及びＩ形の磁性体を組み合わせてその全体を環状に形成しても同様の効果が得られるものである。
また、各実施形態では、パワーモジュールが有する全ての端子の周囲に磁性部材配置空間を形成してあるが、ノイズ電流が流れていてノイズ電流の抑制が必要な端子の周囲だけに磁性部材配置空間を形成すれば足りる。
更に、前述した如く、本発明はモジュールパッケージの外部に配置された端子の周囲に磁性部材配置空間を形成すればよいから、端子の周囲に凹部を形成する構造、端子自体を突設する構造の何れも本発明の技術的範囲に属するものである。

１：直流電源
２，２Ｕ，２Ｖ，２Ｗ，２Ｆ，２Ｇ，２Ｈ：半導体パワーモジュール
２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ，２Ｅ：インテリジェントパワーモジュール
２ａ，２ｂ，１２ａ，１２ｂ：直流入力端子
２ｃ，２ｄ，２ｅ，１２ｃ：交流出力端子
２ｆ：制動用抵抗の接続端子
２ｇ，１２ｇ：制御入力端子
２ｈ，１２ｈ：凹部
３：モータ
４：駆動回路
５：制御回路
５ａ：基準正弦波
５ｂ：出力電圧指令
５ｃ：比較演算部
６ａ，６ｂ：インダクタンス
６ｃ，６ｄ，６ｅ，６ｆ，６ｇ，６ｈ，６ｉ：環状磁性部材
７，８：浮遊容量
９，９ａ，９ｂ：銅ブスバー
１０Ｃ，１０Ｎ：ノイズ電流経路
１１：制動用抵抗
１２，２１：モジュールパッケージ１

Claims

電力用半導体素子がモジュールパッケージに内蔵され、かつ、前記電力用半導体素子に接続された端子が前記モジュールパッケージの外側に配置されてなる半導体パワーモジュールにおいて、
前記端子の周囲に設けられた凹部により磁性部材配置空間を形成し、この磁性部材配置空間に前記端子を包囲するように、この端子を流れるノイズ電流を低減させるための環状磁性部材を配置し、
前記環状磁性部材は、比透磁率を変更して、外形形状が同一でノイズ周波数に応じたインダクタンスを有するものを交換して前記磁性部材配置空間に装着したものであることを特徴とする半導体パワーモジュール。
電力用半導体素子がモジュールパッケージに内蔵され、かつ、前記電力用半導体素子に接続された端子が前記モジュールパッケージの外側に配置されてなる半導体パワーモジュールにおいて、
前記端子の周囲に設けられた凹部により磁性部材配置空間を形成し、この磁性部材配置空間に前記端子を包囲するように、この端子を流れるノイズ電流を低減させるための環状磁性部材を配置し、
前記環状磁性部材は、薄肉の環状磁性部材であり、ノイズ周波数に応じたインダクタンスとなるように嵌入枚数を調整して前記磁性部材配置空間に装着したものであることを特徴とする半導体パワーモジュール。
請求項１または２に記載した半導体パワーモジュールにおいて、
前記端子を前記モジュールパッケージから突設させて前記端子の周囲に磁性部材配置空間を形成し、この磁性部材配置空間に前記環状磁性部材を配置したことを特徴とする半導体パワーモジュール。
請求項１〜３の何れか１項に記載した半導体パワーモジュールにおいて、
前記端子は、少なくとも、直流電力を伝達するための端子，交流電力を伝達するための端子，前記電力用半導体素子に対する制御信号を伝達するための制御端子、の何れかであることを特徴とする半導体パワーモジュール。