JP5500536B2

JP5500536B2 - 電力用半導体モジュールおよびその電力用半導体モジュールを用いた電力変換器

Info

Publication number: JP5500536B2
Application number: JP2009045700A
Authority: JP
Inventors: 修碓井; 健史大井
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-02-27
Filing date: 2009-02-27
Publication date: 2014-05-21
Anticipated expiration: 2029-02-27
Also published as: JP2010197346A

Description

この発明は、ＩＧＢＴ（ｉｎｓｕｌａｔｅｄｇａｔｅｂｉｐｏｌａｒｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の電圧駆動型の半導体スイッチ素子からなる電力用半導体モジュールに関するものであり、特に過電流保護用の電流検出器を有する電力用半導体モジュールおよびその電力用半導体モジュールを用いた電力変換器に係るものである。

半導体モジュールでは、保護機能の一つとして過電流保護機能がある。これは、アーム短絡や負荷短絡などで発生した過剰な電流を検出して、半導体スイッチ素子をターンオフし、保護するための機能である。半導体スイッチ素子の過電流保護は、素子の短絡耐量を越えない範囲で検知・動作する必要があり、このため、過電流を正確により早く検出することは、半導体モジュールやこれを用いた電力変換器の信頼性向上に重要である。
従来の過電流検出方法として、２層の短冊状の導電層とこれらをスルーホールで連続的に接続することでトロイダル状のコイルを形成し、そのコイルの中間にリターン導体を形成した３層構造のプリント基板や、さらにこの周囲にシールド導体を形成したプリント基板を電流検出器とし、半導体スイッチ素子のエミッタ配線に取り付けた構造がある（例えば、特許文献１）。

特開２００３−５０２５４号公報（図１、図２、図６、図７）

しかしながら、上記特許文献１に示されている技術はトロイダル状のコイルと、返り導体（リターン導体）等を３層構造のプリント基板を採用し、さらに静電的な外乱を防止するため全体をシールド導体で覆う構造は高コストとなるという問題がある。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、外部の磁気的、静電的な外乱の影響を少なくした電流検出器構造の簡素化により低コスト化を図り、半導体モジュールの過電流を正確にいち早く検知して半導体モジュールを保護し、信頼性の高い電力用半導体モジュールおよびそれを用いた電力変換器を得ることを目的としている。

第１の発明は、トロイド状に巻線され形成されたトロイダルコイルが設けられた電流検出器を有する電力用半導体モジュールにおいて、電力用半導体モジュールの第１の主電流端子の上部に電流検出器のトロイダルコイルが設けられているとともに、第１の主電流端子がトロイダルコイルの平面投影形状を覆うような大きさを有しているものである。
また、第２の発明はトロイド状に巻線され形成されたトロイダルコイルが設けられた電流検出器を有する電力用半導体モジュールにおいて、電力用半導体モジュールの第１の主電流端子の上部に電流検出器のトロイダルコイルが設けられているとともに、トロイダルコイルの上部には電力用半導体モジュールの第１の主電流端子に接続された第１の外部配線がトロイダルコイルの平面投影形状を覆うような大きさを有しているものである。

第１の発明に係る電力用半導体モジュールは、上記のような構成であるので第１の主電源端子によって外部磁束を打ち消し、その結果半導体モジュールの過電流を正確に測定することが可能となり、半導体モジュールの保護性能の向上が小型な構造でかつ低コストで達成でき、また簡単な構造であるため、長期の使用が可能となるという効果がある。
また第２の発明に係る電力用半導体モジュールは、上記の構成を有しているので、第１の外部配線によって外部磁束を打ち消すことができ、前記第１の発明と同様の効果があり、第３の発明によれば低コストで信頼性の高い電力変換器が得られるという効果がある。

実施の形態１による電流検出器を示す平面図である。図１のＡ−Ａ部分の断面図である。電流検出器の出力を変換する回路図である。ＩＧＢＴモジュールと電流検出器の回路図である。電流検出器の中空部に外部磁束が鎖交した場合に発生する渦電流と磁束を示す図である。実施の形態１による他の電流検出器を示す平面図とその断面図を示す図である。実施の形態１による他の電流検出器を示す平面図とその断面図を示す図である。実施の形態２による、電流検出器を有するＩＧＢＴモジュールの構造を示す正面図である。実施の形態２による、電流検出器を有するＩＧＢＴモジュールの構造を示す側面図である。図９の断面を示す図である。実施の形態３による、電流検出器を有するＩＧＢＴモジュールの構造を示す正面図である。実施の形態３による、電流検出器を有するＩＧＢＴモジュールの構造を示す側面図である。実施の形態４による、電流検出器を有するＩＧＢＴモジュールの構造を示す正面図である。実施の形態４による、電流検出器を有するＩＧＢＴモジュールの構造を示す側面図である。実施の形態４の他の取付構造を示す正面図である。実施の形態５による、電流検出器を有するＩＧＢＴモジュールの構造を示す正面図である。実施の形態５による、電流検出器を有するＩＧＢＴモジュールの構造を示す側面図である。実施の形態５の電流検出器取り付け部分を示す断面図である。

実施の形態１．
以下この発明の一実施形態を図に基づいて説明する。図１はこの発明の実施の形態１による電流検出器１の構造を示す平面図、図２は電流検出器１のＡ−Ａ部分の断面図である。電流検出器１は、絶縁被覆された導体３などでトロイド状に等間隔で巻いて形成されたトロイダルコイル２と、トロイダルコイル２の上部に図２に示すように、トロイダルコイル２の平面投影形状を覆うような大きさの導電材５がトロイダルコイル２の一方の部位である上部に設けられている。図１に示すように導電材５はトロイダルコイル２の外径Ｄより大きい一辺Ｗの正方形状である。なおトロイダルコイル２は樹脂２ａなどによって固着されている。図３は電流検出器１の出力を変換する回路図である。トロイダルコイル２の両端は終端抵抗６で接続され、終端抵抗６の両端は積分器７に接続される。図４にＩＧＢＴモジュールと電流検出器１の回路図を示す。この回路の詳細は後述する。
図２，図３に示すトロイダルコイル２の中空部４に図示省略した通電路にパルス状の通電電流Ｉｃが流れるとトロイダルコイル２に磁束が鎖交して、トロイダルコイル２には次式に示す誘導起電力eが発生する。
ｅ＝Ｍ・（ｄＩｃ／ｄｔ）＝Ｌ・（ｄｉ／ｄｔ）＋Ｒ・ｉ
ここでＭは通電路とトロイダルコイル２の相互インダクタンス、Ｌはトロイダルコイル２の自己インダクタンス、Ｒは終端抵抗６の抵抗値、ｉはトロイダルコイル２に流れる電流である。さらに、ω・Ｌ≪Ｒとすると、終端抵抗６の両端には次式に示す電圧Ｖが発生する。
Ｖ＝Ｍ・（ｄＩｃ／ｄｔ）
上式より、終端抵抗６の両端に発生する電圧は、通電電流Ｉｃの微分値に比例することがわかる。このため、終端抵抗６の両端に積分器７を接続すると、積分器７から通電電流Ｉｃを測定することができる。

一方、半導体モジュールや複数の半導体モジュールで構成される電力変換装置は、大電流をスイッチングし、かつ配線構造が複雑なため、様々な箇所で磁束が発生している。トロイダルコイル２の外側に流れるパルス電流で発生した磁束による誘導起電力は、トロイダルコイル２内では相殺される。また、図５に示すように中空部４に外部磁束８が鎖交した場合、トロイダルコイル２の上部に配置した導電材５でも外部磁束８が鎖交し、渦電流９が発生する。渦電流９は外部磁束８と逆方向に磁束１０を発生させるので、外部磁束８による影響を打ち消すことができる。このため、電流検出器１は、中空部４を流れる電流のみを正確に測定することができる。この電流検出器１をＩＧＢＴモジュールに搭載した構成は後述する図８に示す。
導電材５は図１に示した正方形状に限ったものではなく、図６に示すトロイダルコイル２の直径Ｄを覆うような円板状や図７に示すトロイダルコイル２の平面投影形状を覆うドーナツ状でもよく、外部磁束８を打ち消す磁束１０を発生させる渦電流９が流れるような形状であればよい。さらには上部でなく下部でもよく、両方の部位でもよい。なお、図６、図７の（ａ）、（ｂ）は正面図、断面図を示す。
また、トロイダルコイル２をプリント基板化してもよく、２層の導体パターンをスルーホールで連続的に接続してトロイダル状に形成してもよい。

導電材５の厚さは以下のようにして設定している。導電材５の電流検出器１の外部磁束との鎖交により渦電流が発生する表皮厚さδは以下の式で求めることができる。
δ＝√｛２／（ω・σ・μ０・μｒ）｝＝√｛１／（π・ｆ・σ・μ０・μｒ）｝
ここで、ω：角振動数、σ：導体の導電率、μ０：真空の透磁率（＝４π×１０−７［Ｈ／ｍ］）、μｒ：導体の比透磁率、ｆ：周波数である。
導電材５の材質を銅とし、厚さを１ｍｍとすると、σ＝５．８×１０^７［Ｓ／ｍ］、μｒ＝１、δ＝１×１０^−３［ｍｍ］から、
ｆ＝４．４［ｋＨｚ｝
となる。
従って、導電材５を銅とし、厚さを少なくとも１ｍｍ以上とすると、周波数４．４ｋＨｚ以上の外部磁束は導電材５に発生する渦電流により打ち消すことができる。なお、導電材５の厚さは半導体モジュールを構成する他の部品との整合性、工作性、コスト等を考慮して、最適な厚さが設定される。また、材質を銅としたが、これに限らず、適宜選定してよい。
一般的にＩＧＢＴモジュールの主電流端子であるエミッタ端子やコレクタ端子、これらの端子につながる外部配線に使用される材質は銅であり、厚さは１ｍｍ程度である。また、ＩＧＢＴモジュールのスイッチング時の周波数は数１００ｋＨｚ〜数ＭＨｚであるので、これによって発生する外部磁束は導電材に発生する渦電流により打ち消すことができる。

実施の形態２．
図８は、この発明の実施の形態２による、電流検出器１を有するＩＧＢＴモジュール１１の構造を示す正面図、図９は側面図、図１０は電流検出器１の取り付け部分の図８のＡ−Ａ断面図である。
図８に示すように、半導体スイッチ素子であるＩＧＢＴチップ１２のコレクタ電極とダイオードチップ１３のカソード電極は絶縁基板１４ａ上の金属箔にはんだ付けされる。ＩＧＢＴモジュール１１の第２の主電流端子であるコレクタ端子１８は、コレクタ配線電極１６と絶縁基板１４ａ上の金属箔を介して、ＩＧＢＴチップ１２のコレクタ電極とダイオードチップ１３のカソード電極に接続される。ＩＧＢＴチップ１２のエミッタ電極とダイオードチップ１３のアノード電極は、エミッタワイヤ１５によって絶縁基板１４ｂ上の金属箔に接続される。ＩＧＢＴモジュール１１の第１の主電流端子であるエミッタ端子１９は、エミッタ配線電極１７と絶縁基板１４ｂ上の金属箔、エミッタワイヤ１５を介して、ＩＧＢＴチップ１２のエミッタ電極とダイオードチップ１３のアノード電極に接続される。第２の主電流端子のコレクタ端子１８には第２の外部配線であるコレクタ外部配線２０が接続され、図８，図９に示すように、電流測定器１のセンサ部であるトロイダルコイル２は、トロイダルコイル２の平面投影形状Ｄ^φを覆うような大きさのＷを有する第１の主電流端子であるエミッタ端子１９上に設置される。第１の外部配線であるエミッタ外部配線２１は、図１０に示すようにトロイダルコイル２の中空部４を通るエミッタ外部配線２１と一体化された円筒部２１ａを有しており、円筒部２１ａを介してエミッタ外部配線２１とエミッタ端子１９が接続される。また、ＩＧＢＴチップ１２のゲート電極はゲートワイヤ、ゲート配線電極を介してゲート端子に接続される（図示せず）。また、コレクタ外部配線２０はエミッタ外部配線２１上に配置される。これらエミッタ外部配線２１およびコレクタ外部配線２０は図９では同一寸法を示しているが、必ずしも同一寸法である必要はない。

ＩＧＢＴモジュール１１では、ＩＧＢＴチップ１２のスイッチ動作によって電流の通電・遮断が繰り返され、パルス電流がコレクタ端子１８からＩＧＢＴチップ１２を経由してエミッタ端子１９に、またはエミッタ端子１９からダイオードチップ１３を経由してコレクタ端子１８に流れる。さらにパルス電流はエミッタ端子１９からエミッタ外部配線２１の円筒部２１ａを経由してエミッタ外部配線２１に、またはエミッタ外部配線２１からエミッタ外部配線２１の円筒部２１ａを経由してエミッタ端子１９に流れる。

このように構成したことにより、ＩＧＢＴモジュール１１に流れるパルス電流は、エミッタ端子１９上に設置したセンサ部であるトロイダルコイル２で検知し、終端抵抗６、積分器７を経由して測定することができる。
また、電流測定器１を、トロイダルコイル２の平面投影形状より大きいエミッタ端子１９上に設置したため、中空部４に外部磁束が鎖交した場合、エミッタ端子１９に渦電流が発生し、更にこの渦電流によって発生する磁束が外部磁束を打ち消す。このため、円筒部２１ａを流れる電流を正確に測定することができるので、ＩＧＢＴモジュール１１の過電流も精度よく検知し、保護することができる。
また、センサ部であるトロイダルコイル２を第１の主電流端子であるエミッタ端子１９上に設置したため、電流測定器１をより簡素化して、低コスト化することができる。さらに、トロイダルコイル２の取外しや取付けが容易になる。
なお、本実施の形態２では、電流検出器１のセンサ部であるトロイダルコイル２をトロイダルコイル２の平面投影形状の大きいエミッタ端子１９上に設置したが、これに限ったものではなく、トロイダルコイル２の平面投影形状より大きいコレクタ端子１８上に設置しても同様な効果が得られる。すなわち、この実施の形態２ではエミッタを第１の主電流端子とし、コレクタを第２の主電流端子とし、これにつながる外部配線をそれぞれ第１，第２の外部配線としたが、これに替わりエミッタを第２の主電流端子、コレクタを第１の主電流端子、及びそれにつながる第２，第１の外部配線としてもよい。

実施の形態３．
図１１は、この発明の実施の形態３による、電流検出器１を有するＩＧＢＴモジュールの構造を示す正面図、図１２は側面図である。また、電流検出器１の取り付け部分のＡ−Ａ断面図は図１０と同様であり、ＩＧＢＴモジュールと電流検出器１の回路図は図４と同様である。
電流測定器１のセンサ部であるトロイダルコイル２は、第１の主電流端子のエミッタ端子１９上に設置される。第１の外部配線であるエミッタ外部配線２１および第２の外部配線であるコレクタ外部配線２０は、図１２に示すようにＷｂと同一寸法で、トロイダルコイル２の平面投影形状より大きいＷｂを有する。そしてトロイダルコイル２の中空部４を通るエミッタ外部配線２１と一体化された円筒部２１ａを有しており、円筒部２１ａを介してエミッタ外部配線２１とエミッタ端子１９が接続される。なお、エミッタ外部配線２１とコレクタ外部配線２０は同一寸法Ｗｂの例を示しているが、コレクタ外部配線２０の寸法形状Ｗｂはエミッタ外部配線２１と異なる形状寸法であってもよい。
このように構成したことにより、ＩＧＢＴモジュール１１に流れるパルス電流は、エミッタ端子１９上に設置したセンサ部であるトロイダルコイル２で検知し、終端抵抗６、積分器７を経由して測定することができる。
また、トロイダルコイル２を、トロイダルコイル２の平面投影形状より大きいエミッタ外部配線２１の下に設置したため、中空部４に外部磁束が鎖交した場合、エミッタ外部配線２１に渦電流が発生し、更にこの渦電流によって発生する磁束が外部磁束は打ち消す。このため、円筒部２１ａを流れる電流を正確に測定することができるので、ＩＧＢＴモジュール１１の過電流も精度よく検知し、保護することができる。
また、トロイダルコイル２をエミッタ外部配線２１の下に設置したため、電流測定器１をより簡素化して、低コスト化することができる。さらに、センサ部２の取外しや取付けが容易になる。
なお、本実施の形態では、電流検出器１のトロイダルコイル２をトロイダルコイル２の平面投影形状より大きい第１の外部配線のエミッタ外部配線２１の下に設置したが、これに限ったものではなく、トロイダルコイル２の平面投影形状より大きいＷｂを有する第２の外部配線のコレクタ外部配線２０の下に設置しても同様な効果が得られる。

実施の形態４．
図１３はこの発明の実施の形態４による、電流検出器１を有するＩＧＢＴモジュールの構造を示す正面図、図１４は側面図である。また、電流検出器１の取り付け部分のＡ−Ａ断面図は図１０と同様であり、ＩＧＢＴモジュールと電流検出器の回路図は図４と同様である。
電流測定器１のセンサ部であるトロイダルコイル２は、トロイダルコイル２の平面投影形状より大きい図１４に示すＷを有するエミッタ端子１９上に設置される。エミッタ外部配線２１およびコレクタ外部配線２０は、トロイダルコイル２の平面投影形状より大きいＷｂを有する。そしてトロイダルコイル２の中空部４を通るエミッタ外部配線２１と一体化された円筒部２１ａを有しており、円筒部２１ａを介してエミッタ外部配線２１とエミッタ端子１９が接続される。なお、エミッタ外部配線２１とコレクタ外部配線２０の形状寸法は実施の形態３と同様な関係を有している。
このように構成したことにより、ＩＧＢＴモジュール１１に流れるパルス電流は、エミッタ端子１９上に設置したセンサ部２であるトロイダルコイルで検知し、終端抵抗６、積分器７を経由して測定することができる。このような構成を採用したので、前記実施の形態３と同様の作用、効果を奏する。
なお、本実施の形態４では、電流検出器１をトロイダルコイル２の平面投影形状より大きい第１の主電流端子のエミッタ端子１９と第１の外部配線であるエミッタ外部配線２１に挟むように設置したが、これに限ったものではなく、図１５に示すように電流検出器１をトロイダルコイル２の平面投影形状寸法より大きいＷｂを有する第２の主電流端子であるコレクタ端子１８と第２の外部配線であるコレクタ外部配線２０に挟むように設置しても同様な効果が得られる。

実施の形態５．
図１６は、この発明の実施の形態５による、電流検出器１を有するＩＧＢＴモジュールの構造を示す正面図、図１７は側面図、図１８は電流検出器１の取り付け部分の図１６のＡ−Ａ断面図である。また、ＩＧＢＴモジュールと電流検出器の回路図は図４と同様である。
この実施の形態５は実施の形態４と同様にエミッタ端子１９上には電流測定器１のトロイダルコイル２が設置される。エミッタ外部配線２１は、トロイダルコイル２の中空部４を通るようにエミッタ外部配線２１と一体化された円筒部２１ａと、この実施の形態５の特有の構成であるトロイダルコイル２の外周部に沿ったエミッタ外部配線２１と一体化されたリング部２１ｂを有している。エミッタ外部配線２１と一体化した円筒部２１ａはエミッタ端子１９に接続されるが、リング部２１ｂはエミッタ端子１９に接続しない。なお、エミッタ端子１９の大きさＷ、トロイダルコイル外径Ｄ^φ、エミッタ外部配線２１、およびコレクタ外部配線２０の寸法Ｗｂは前記実施の形態４と同一である。
このように構成したことにより、実施の形態３と同様の作用、効果を奏し、さらにまた、トロイダルコイル２の外周部に沿ってリング部２１ｂを設けたことにより、センサ部であるトロイダルコイル２の周囲は、エミッタ電位であるエミッタ端子１９、エミッタ外部配線２１、円筒部２１ａ、リング部２１ｂで覆われ、静電シールドを形成する。これにより、外部からの容量性結合による静電ノイズを大幅に抑制することができるので、より正確に電流を測定することができるとともに低コスト化することができる。

さらに、実施の形態１〜実施の形態５で説明した電力用半導体モジュール（ＩＧＢＴモジュール）を用いた図示省略した電力変換器は、低コスト化が行え、かつ信頼性を向上させることができる。

１電流検出器、２トロイダルコイル、１１ＩＧＢＴモジュール、
１７エミッタ配線電極、１８コレクタ端子、１９エミッタ端子、
２０コレクタ外部配線、２１エミッタ外部配線、２１ｂリング部。

Claims

トロイド状に巻線され形成されたトロイダルコイルが設けられた電流検出器を有する電力用半導体モジュールにおいて、前記電力用半導体モジュールの第１の主電流端子の上部に前記電流検出器のトロイダルコイルが設けられているとともに、前記第１の主電流端子が前記トロイダルコイルの平面投影形状を覆うような大きさを有していることを特徴とする電力用半導体モジュール。
前記第１の主電流端子の材質を銅とし、かつその厚さを少なくとも１ｍｍ以上とすることを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体モジュール。
トロイド状に巻線され形成されたトロイダルコイルが設けられた電流検出器を有する電力用半導体モジュールにおいて、前記電力用半導体モジュールの第１の主電流端子の上部に前記電流検出器のトロイダルコイルが設けられているとともに、前記トロイダルコイルの上部には前記電力用半導体モジュールの第１の主電流端子に接続された第１の外部配線が前記トロイダルコイルの平面投影形状を覆うような大きさを有していることを特徴とする電力用半導体モジュール。
前記第１の主電流端子が前記トロイダルコイルの平面投影形状を覆うような大きさを有していることを特徴とする請求項３に記載の電力用半導体モジュール。
前記第１の主電流端子および前記第１の外部配線の材質を銅とし、かつその厚さを少なくとも１ｍｍ以上とすることを特徴とする請求項３に記載の電力用半導体モジュール。
前記第１の外部配線には、前記トロイダルコイルの外周に沿ってリング部が設けられていることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の電力用半導体モジュール。
前記リング部は前記第１の主電流端子と同電位であることを特徴とする請求項６に記載の電力用半導体モジュール。
前記請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の電力用半導体モジュールを用いたことを特徴とする電力変換器。