JP6397861B2 - パワー半導体モジュール及び誘導加熱用電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、パワー半導体モジュール及び誘導加熱用電源装置に関する。

鋼製ワークの熱処理におけるワークの加熱方式として、加熱コイルに交流電力を供給し、加熱コイルによって形成される磁界に置かれたワークに誘起される誘導電流によってワークを加熱する誘導加熱が用いられている。

加熱コイルに交流電力を供給する電源装置は、一般に商用電源の交流電力をコンバータで直流電力に変換し、直流電力の脈流をコンデンサで平滑し、平滑後の直流電力をインバータで交流電力に逆変換して、加熱コイルに供給する高周波の交流電力を生成している（例えば、特許文献１参照）。

インバータは、一般に、４個のパワー半導体でフルブリッジ回路を構成し、パワー半導体素子の高速なスイッチング動作によって高周波の交流電力を生成する。そして、パワー半導体素子は、典型的にはモジュール化されている。

パワー半導体モジュールとしては、正負一対の直流入力端子がパワー半導体素子を収納したケースの上面に隣設され、さらに出力端子もケースの上面に設けられたものが知られている（例えば、特許文献２参照）。また、正負一対の直流入力端子がケースの一側面に隣設され且つ出力端子がケースの反対側面に設けられたものも知られている（例えば、特許文献３参照）。

そして、入出端子がケースの側面に設けられたパワー半導体モジュールでは、ケースの上面が入出力端子に接続されるブスバー等の配線部材によって塞がれないので、パワー半導体素子のスイッチング動作を制御する制御回路が実装された制御回路基板がケースの上面に重ねられ、パワー半導体素子に電気的に接続された制御端子が制御回路基板に直結される場合がある（例えば、特許文献４参照）。

特開２００９−２７７５７７号公報 特開平８−３３３４６号公報 特開２００４−１３５４４４号公報 特開２００６−１００３２７号公報

パワー半導体素子の高速なスイッチング動作はパワー半導体素子に印加される電圧及びパワー半導体素子に流れる電流を急激に変化させる。この電圧及び電流の急激な変化に起因して、パワー半導体素子の周囲にノイズが発生する。制御回路基板に実装された制御回路や制御回路基板から延びる制御線にノイズが乗ると、パワー半導体素子のスイッチング動作に支障をきたす虞がある。

制御回路基板がケースの上面に重ねられる場合に、制御線は短縮されるので、制御線にノイズが乗る可能性は低減される。一方で、パワー半導体素子の近傍に配置された制御回路はノイズに晒され易くなる。このため、特許文献４に記載されたパワー半導体モジュールでは、シールド板がケースの上面と制御回路基板との間に配置されている。

ここで、ノイズには、近接する導体間の浮遊静電容量を通じて伝わる静電誘導ノイズと、近接する導体間の電磁誘導によって誘起される電磁誘導ノイズが含まれる。ケースの上面と制御回路基板との間でケースの上面を覆うシールド板は、接地されることによって静電誘導ノイズに対して比較的高い遮蔽効果を発揮し得る。しかし、電磁誘導を生じさせる磁束は回り込みを生じ、ケースの上面を覆っただけのシールド板では、電磁誘導ノイズに対して十分な遮蔽効果を得られない虞がある。

本発明は、上述した事情に鑑みなされたものであり、制御回路のシールドを強化して動作の安定性を高めたパワー半導体モジュール及び誘導加熱用電源装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様のパワー半導体モジュールは、スイッチング動作可能なパワー半導体素子と、前記パワー半導体素子を収納したケースと、前記パワー半導体素子の制御端子が設けられている前記ケースの上面に重ねられ、前記制御端子が接続される制御回路基板と、前記制御回路基板と前記ケースの上面との間に配置されて前記ケースの上面を覆い、且つ前記ケースの少なくとも一つの側面を覆っているシールド板と、前記ケースの下面に密接して配置され、接地されるヒートシンクと、を備え、前記シールド板は、前記ケースに固定されるシールド板固定部を有し、前記シールド板固定部が前記ケースに固定されるのに伴い、前記シールド板固定部が前記ヒートシンクに電気的に接続され、前記シールド板が接地される。

また、本発明の一態様の誘導加熱用電源装置は、直流電力を交流電力に変換するインバータ部を備え、前記インバータ部は、前記パワー半導体モジュールが複数接続されてなるブリッジ回路によって構成される。

本発明によれば、制御回路のシールドを強化して動作の安定性を高めたパワー半導体モジュール及び誘導加熱用電源装置を提供することができる。

本発明の実施形態を説明するための、誘導加熱用電源装置の一例の回路図である。 図１の誘導加熱用電源装置のインバータ部に用いられるパワー半導体モジュールの構成例を示す斜視図である。 図２パワー半導体モジュールの分解斜視図である。

図１は、本発明の実施形態を説明するための、誘導加熱用電源装置の一例を示す。

図１に示す誘導加熱用電源装置１は、商用の交流電源２から供給される交流電力を直流電力に変換するコンバータ部３を含む直流電源部４と、直流電源部４から出力される直流電力の脈流を平滑する平滑部５と、平滑部５によって平滑化された直流電力を高周波の交流電力に逆変換するインバータ部６と、を備える。

インバータ部６は、直列に接続された２つのパワー半導体素子Ｑ１，Ｑ２からなる第１アームと、直列に接続された２つのパワー半導体素子Ｑ３，Ｑ４からなる第２アームとを含み、第１アーム及び第２アームが平滑部５に並列に接続され、第１アームのパワー半導体素子Ｑ１，Ｑ２の直列接続点Ｐ１及び第２アームのパワー半導体素子Ｑ３，Ｑ４の直列接続点Ｐ２を出力端としたフルブリッジ回路によって構成されている。そして、直列接続点Ｐ１，Ｐ２の間にトランス８を介して加熱コイル７が接続される。なお、各パワー半導体素子には還流ダイオードが逆並列接続されている。

パワー半導体素子としては、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）や、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）といったスイッチング動作可能な各種のパワー半導体素子が使用可能であり、半導体材料として、例えばＳｉ（シリコン）を用いたものや、ＳｉＣ（シリコンカーバイト）を用いたものがある。

第１アーム及び第２アームにおいて、平滑部５の正側に接続される側をハイサイドとし、平滑部５の負側に接続される側をローサイドとして、第１アームのハイサイドのパワー半導体素子Ｑ１と第２アームのローサイドのパワー半導体素子Ｑ４とが同期してオン・オフされ、第１アームのローサイドのパワー半導体素子Ｑ２と第２アームのハイサイドのパワー半導体素子Ｑ３とが同期してオン・オフされる。パワー半導体素子Ｑ１，Ｑ４とパワー半導体素子Ｑ２，Ｑ３とが交互にオンされることにより、加熱コイル７に高周波の電力が供給される。

第１アームのパワー半導体素子Ｑ１，Ｑ２及びそれらの還流ダイオードはモールド樹脂に封止されてモジュール化されており、第２アームのパワー半導体素子Ｑ３，Ｑ４及びそれらの還流ダイオードもまたモールド樹脂に封止されてモジュール化されている。第１アームのパワー半導体素子Ｑ１，Ｑ２を含むパワー半導体モジュールと、第２アームのパワー半導体素子Ｑ３，Ｑ４を含むパワー半導体モジュールとは同一の構成を備え、以下、図２及び図３を参照して、第１アームのパワー半導体素子Ｑ１，Ｑ２を含むパワー半導体モジュールについて説明する。

図２及び図３は、パワー半導体モジュールの構成例を示す。

パワー半導体モジュール１０は、外部接続端子として、正側直流入力端子１１ａ及び負側直流入力端子１１ｂと、出力端子１２ａ，１２ｂと、制御端子１３ａ，１３ｂとを有し、これらの外部接続端子は、パワー半導体素子Ｑ１，Ｑ２及びそれらの還流ダイオードを封止したモールド樹脂からなるケース１４の外側に露出して設けられている。

正側直流入力端子１１ａ及び負側直流入力端子１１ｂは、略直方体状に形成されたケース１４の第１側面１４ａに設けられており、正側直流入力端子１１ａは、パワー半導体素子Ｑ１，Ｑ２からなる第１アームのパワー半導体素子Ｑ１側の端に電気的に接続され、負側直流入力端子１１ｂは、第１アームのパワー半導体素子Ｑ２側の端に電気的に接続されている。そして、正側直流入力端子１１ａは、ブスバー等の配線部材を用いて平滑部５の正側に接続され、負側直流入力端子１１ｂはブスバー等の配線部材を用いて平滑部５の負側に接続される。

出力端子１２ａ，１２ｂは、ケース１４の第１側面１４ａとは反対側の第２側面１４ｂに設けられており、いずれも第１アームの出力端であるパワー半導体素子Ｑ１，Ｑ２の直列接続点Ｐ１（図１参照）に電気的に接続されている。なお、出力端子１２ａ，１２ｂは１つに纏められていてもよい。そして、出力端子１２ａ，１２ｂは、ブスバー等の配線部材を用いて加熱コイル７の一端に接続される。

制御端子１３ａ，１３ｂはケース１４の上面１４ｅに設けられており、制御端子１３ａはパワー半導体素子Ｑ１のゲートに電気的に接続され、制御端子１３ｂはパワー半導体素子Ｑ２のゲートに電気的に接続されている。図示の例では、制御端子１３ａは、ケース１４の第３側面１４ｃが接続している上面１４ｅの縁部に配置されており、制御端子１３ｂは、ケース１４の第４側面１４ｄが接続している上面１４ｅの縁部に配置されている。

ケース１４の下面側にはヒートシンク１５が配置されている。ケース１４の第１側面１４ａ及び第２側面１４ｂには、ヒートシンク１５に固定されるケース固定部２０が設けられている。ケース固定部２０には、ケース固定部２０をヒートシンクに固定する固定具としてのねじ２１が挿通可能な挿通孔が形成されており、挿通孔には環状の座金２２が嵌め込まれている。ケース固定部２０がねじ２１によってヒートシンク１５にそれぞれ固定され、ヒートシンク１５はケース１４の下面に密接して配置される。

ケース１４に収納されたパワー半導体素子Ｑ１，Ｑ２及びそれらの還流ダイオードに発生する熱は、ケース１４を形成しているモールド樹脂を介してヒートシンク１５に伝わり、ヒートシンク１５によって放散される。なお、ヒートシンク１５は、耐ノイズ性及び安全上の観点から、ヒートシンク１５を支持する誘導加熱用電源装置１の筐体フレームなどを介して接地される。

パワー半導体モジュール１０は、制御回路基板１６と、シールド板１７とをさらに備える。

制御回路基板１６には、パワー半導体素子Ｑ１，Ｑ２のスイッチング動作を制御する制御回路が実装されている。ケース１４の上面１４ｅの四隅には、制御回路基板１６が取り付けられる取付部としてのねじ孔２４がそれぞれ設けられており、ねじ孔２４には、制御回路基板１６の取付具としてのスペーサ２５がねじ止めされている。制御回路基板１６は、スペーサ２５に支持されることによって上面１４ｅとの間に隙間をあけた状態で上面１４ｅに重ねられ、スペーサ２５にねじ止めされてケース１４に取り付けられている。

ケース１４の上面１４ｅに設けられている制御端子１３ａ，１３ｂは、上面１４ｅに重ねられた制御回路基板１６のスルーホールを介して制御回路基板１６にそれぞれ半田付けされている。

シールド板１７は、金属などの導体からなり、ケース１４の上面１４ｅと上面１４ｅに重ねられている制御回路基板１６との間に配置されて上面１４ｅを覆っており、さらに、制御端子１３ａが設けられた上面１４ｅの縁部に接続している第３側面１４ｃ、及び制御端子１３ｂが設けられた上面１４ｅの縁部に接続している第４側面１４ｄを覆っている。なお、制御端子１３ａ，１３ｂは、シールド板１７の適宜な箇所に形成されている窓２７ａ，２７ｂを通してそれぞれ露出されている。

そして、シールド板１７は、制御回路基板１６の取付具としてのスペーサ２５によってケース１４に固定されている。シールド板１７には、ケース１４の上面１４ｅの四隅のねじ孔２４にそれぞれ重なる貫通孔２８が形成されている。スペーサ２５は、貫通孔２８を通じてねじ孔２４にねじ止めされており、ねじ孔２４を囲む上面１４ｅの縁部とスペーサ２５との間に貫通孔２８を囲むシールド板１７の縁部が挟み込まれることによってシールド板１７はケース１４に固定されている。

シールド板１７は、ケース１４に収納されたパワー半導体素子Ｑ１，Ｑ２の周囲に発生するノイズから、制御回路基板１６に実装された制御回路、及び制御回路基板１６から延びる制御線、すなわち制御回路基板１６に直結される制御端子１３ａ，１３ｂを遮蔽する。

制御回路基板１６はケース１４の上面１４ｅに重ねられており、制御端子１３ａ，１３ｂもまた上面１４ｅに設けられており、上面１４ｅを覆っているシールド板１７は、パワー半導体素子Ｑ１，Ｑ２と制御回路基板１６及び制御端子１３ａ，１３ｂとの間に介在している。そこで、パワー半導体素子Ｑ１，Ｑ２の周囲に発生する静電誘導ノイズはパワー半導体素子Ｑ１，Ｑ２とシールド板１７との間の浮遊静電容量を通じてシールド板１７に流れる。

シールド板１７の静電誘導ノイズに対する遮蔽効果を高める観点から、シールド板１７を接地することが好ましい。本例では、ケース１４の下面に密接して配置されているヒートシンク１５が接地されており、シールド板１７はヒートシンク１５を介して接地されている。シールド板１７にはシールド板固定部２９が設けられており、シールド板固定部２９は、ヒートシンク１５に固定されるケース１４のケース固定部２０に重ねられ、ケース固定部２０とケース固定部２０をヒートシンク１５に固定するねじ２１との間に挟み込まれている。ねじ２１が挿通されるケース固定部２０の挿通孔には座金２２が嵌め込まれており、シールド板固定部２９は座金２２及びねじ２１を介してヒートシンク１５に電気的に接続され、これにより、シールド板１７はヒートシンク１５を介して接地されている。シールド板１７が接地されていることにより、制御回路基板１６に実装された制御回路及び制御線としての制御端子１３ａ，１３ｂは静電誘導ノイズから遮蔽される。

さらに、制御回路基板１６に実装された制御回路及び制御線としての制御端子１３ａ，１３ｂは、シールド板１７によって、ケース１４に収納されたパワー半導体素子Ｑ１，Ｑ２の周囲に発生する電磁誘導ノイズからも遮蔽される。

電磁誘導を生じさせる磁束はケース１４の上面１４ｅだけでなくケース１４の側面からも放射され、側面から放射された磁束は回り込むようにして制御回路及び制御端子１３ａ，１３ｂに錯交し、電磁誘導を生じさせる。このようにケース１４の側面から放射される磁束の回り込みに対して、シールド板１７はケース１４の上面１４ｅだけでなく第３側面１４ｃ及び第４側面１４ｄも覆っており、上面１４ｅから放射される磁束に加えて第３側面１４ｃ及び第４側面１４ｄから放射される磁束もまたシールド板１７によって遮断され、制御回路及び制御端子１３ａ，１３ｂに誘導される電磁誘導ノイズが低減される。

特に、本例では、制御端子１３ａ，１３ｂがケース１４の上面１４ｅの縁部に設けられており、これらの縁部に接続しているケース１４の第３側面１４ｃ及び第４側面１４ｄがシールド板１７によって覆われていることから、制御端子１３ａ，１３ｂに誘導される電磁誘導ノイズが効果的に低減される。

シールド板１７の板厚は、電磁誘導によってシールド板１７に流れる渦電流の浸透深さに基づいて設定することができる。交番磁界に置かれた導体には渦電流が流れ、導体の電気抵抗によって熱に変換される。シールド板１７の電磁誘導ノイズに対する遮蔽効果は、交番磁界のエネルギーがシールド板１７によって熱に変換されて消費されることによって発現される。渦電流は表皮効果によって導体の表面に多く流れ、浸透深さとは、電流密度が表面の０．３７倍まで減少する表面からの深さであり、下式によって表される。

δ＝５０３√（ρ／μｆ）
δ：浸透深さ［ｍ］
ρ：導体の体積抵抗率［×１０^−８Ωｍ］
μ：導体の比透磁率
ｆ：周波数［Ｈｚ］

例えば、シールド板１７を銅製（体積抵抗率ρ＝１．５５、比透磁率μ＝１）とし、パワー半導体素子Ｑ１，Ｑ２のスイッチング動作の周波数ｆを２００ｋＨｚとした場合に、上式から浸透深さδは０．１４ｍｍとなる。そして、浸透深さδの３倍の板厚で２６ｄｂ（９５％）の磁界強度の減衰が得られることが知られており、そこでシールド板１７の板厚は、浸透深さδの３倍〜５倍として、０．５２ｍｍ〜０．７０ｍｍに設定することができる。

このように、制御回路基板１６が重ねられ、且つ制御端子１３ａ，１３ｂが設けられているケース１４の上面１４ｅだけでなくケース１４の少なくとも一部の側面をシールド板１７によって覆うことにより、制御回路及び制御線としての制御端子１３ａ，１３ｂのシールドを強化してパワー半導体モジュール１０及び誘導加熱用電源装置１の安定性を高めることができる。

１ 誘導加熱用電源装置
２ 交流電源
３ コンバータ部
４ 直流電源部
５ 平滑部
６ インバータ部
７ 加熱コイル
１０ パワー半導体モジュール
１１ａ 正側直流入力端子
１１ｂ 負側直流入力端子
１２ａ，１２ｂ 出力端子
１３ａ，１３ｂ 制御端子
１４ ケース
１４ａ 第１側面
１４ｂ 第２側面
１４ｃ 第３側面
１４ｄ 第４側面
１４ｅ 上面
１６ 制御回路基板
１７ シールド板
１８ ヒートシンク
２０ ケース固定部
２１ ねじ（固定具）
２２ 座金
２４ ねじ孔（取付部）
２５ スペーサ（取付具）
２６ａ，２６ｂ コネクタ
２７ａ，２７ｂ 窓
２８ 貫通孔
２９ シールド板固定部
Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４ パワー半導体素子

Claims (4)

1. スイッチング動作可能なパワー半導体素子と、
   前記パワー半導体素子を収納したケースと、
   前記パワー半導体素子の制御端子が設けられている前記ケースの上面に重ねられ、前記制御端子が接続される制御回路基板と、
   前記制御回路基板と前記ケースの上面との間に配置されて前記ケースの上面を覆い、且つ前記ケースの少なくとも一つの側面を覆っているシールド板と、
   前記ケースの下面に密接して配置され、接地されるヒートシンクと、
   を備え、
   前記シールド板は、前記ケースに固定されるシールド板固定部を有し、
   前記シールド板固定部が前記ケースに固定されるのに伴い、前記シールド板固定部が前記ヒートシンクに電気的に接続され、前記シールド板が接地されるパワー半導体モジュール。
2. 請求項１記載のパワー半導体モジュールであって、
   前記制御端子は、前記ケースの上面の縁部に設けられており、
   前記シールド板は、少なくとも前記ケースの上面の前記縁部に接続している前記ケースの側面を覆っているパワー半導体モジュール。
3. 請求項１又は２記載のパワー半導体モジュールであって、
   前記ケースは、前記ヒートシンクに固定されるケース固定部を有し、
   前記シールド板固定部は、前記ケース固定部に重ねられており、前記ケース固定部及び前記ケース固定部を前記ヒートシンクに固定している固定具の少なくとも一方を介して前記ヒートシンクに電気的に接続されるパワー半導体モジュール。
4. 直流電力を交流電力に変換するインバータ部を備え、
   前記インバータ部は、請求項１から３のいずれか一項記載のパワー半導体モジュールが複数接続されてなるブリッジ回路によって構成されている誘導加熱用電源装置。

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