WO2019244833A1 - パワーモジュール装置 - Google Patents

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WO2019244833A1
WO2019244833A1 PCT/JP2019/023871 JP2019023871W WO2019244833A1 WO 2019244833 A1 WO2019244833 A1 WO 2019244833A1 JP 2019023871 W JP2019023871 W JP 2019023871W WO 2019244833 A1 WO2019244833 A1 WO 2019244833A1
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parasitic capacitance
power module
resistor
insulating sheet
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PCT/JP2019/023871
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芸 鄭
熊谷　隆
山本　和也
虎翼 侯
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三菱電機株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a structure for securing a withstand voltage of a power module.
  • an insulating sheet is arranged between the power unit and the heat dissipation base plate.
  • the withstand voltage capability of the conventional power module is determined by the thickness of the insulating sheet disposed between the power unit and the heat dissipation base plate (for example, see Patent Document 1).
  • the dielectric strength voltage is the upper limit of the voltage that can be applied to an insulating member without causing dielectric breakdown.
  • Patent Document 1 has a problem that the withstand voltage of the power module depends on the thickness of the insulating sheet used. Specifically, in order to suppress the occurrence of dielectric breakdown, it is necessary to increase the thickness of the insulating sheet inside the power module, but the thicker the insulating sheet is, the larger the thermal resistance of the insulating sheet becomes. The heat radiation of the device deteriorates.
  • the present invention is to protect a power module even when a voltage exceeding the rated withstand voltage of the power module is applied to the power module without being affected by the withstand voltage of the insulating sheet inside the power module.
  • the purpose is to provide a technology that can do.
  • a power module device includes a power module having an in-module insulating sheet, a module base plate, and a module terminal, a wiring conductor that supplies power to the module terminal, and a heat sink that radiates heat generated by the power module.
  • An insulating sheet disposed between the module base plate and the heat sink, and insulating the module base plate and the heat sink; and a capacitance or a parasitic capacitance connected between the wiring conductor and the module base plate.
  • the parasitic capacitance of the insulating sheet in the module and the capacitance or parasitic capacitance of the member having the capacitance or the parasitic capacitance are connected in parallel, and the parasitic capacitance of the insulating sheet in the module is provided.
  • the parasitic capacitance of the insulation sheet are connected in series, the capacitance or the parasitic capacitance of the member having the capacitance or the parasitic capacitance and the parasitic capacitance of the insulation sheet are connected in series, and the resistor is connected to the insulation sheet in the module. Or in parallel with the parasitic capacitance of the insulating sheet.
  • the member having the capacitance or the parasitic capacitance is connected between the wiring conductor and the module base plate, the power using the capacitance or the parasitic capacitance of the member having the capacitance or the parasitic capacitance is used.
  • the power module can be protected even when a voltage exceeding the rated insulation withstand voltage of the module is applied to the power module.
  • the withstand voltage of the power module is determined by the capacitance or the parasitic capacitance of the member having the capacitance or the parasitic capacitance and the parasitic capacitance of the insulating sheet, it depends on the withstand voltage of the insulating sheet in the module. Can be suppressed.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the power module device according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a plan view of the power module device according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a perspective view of a capacitor included in the power module device according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a position of a resistor in the power module device according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a position of a resistor in the power module device according to the first embodiment. It is the schematic of the parasitic capacitance of the insulation sheet in a module, and the parasitic capacitance of an insulation sheet.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram for explaining FIG. 6.
  • FIG. 9 is an explanatory diagram for explaining FIG. 8.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of a power module device according to a second embodiment.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of a printed circuit board mounting structure included in the power module device according to the second embodiment.
  • FIG. 9 is a plan view of a printed circuit board included in the power module device according to the second embodiment.
  • FIG. 13 is a perspective view of a fixing part included in the power module device according to the second embodiment.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view of a power module device according to a third embodiment.
  • FIG. 14 is a sectional view of a power module device according to a fourth embodiment.
  • FIG. 13 is a perspective view of a first resistor included in a power module device according to a fourth embodiment.
  • FIG. 14 is a perspective view of a second resistor included in the power module device according to the fourth embodiment. It is the schematic of the parasitic capacitance of the insulation sheet in a module, the parasitic capacitance of an insulation sheet, and the resistance value of a 1st, 2nd resistor.
  • FIG. 19 is an explanatory diagram for explaining FIG. 18.
  • FIG. 15 is a plan view of a printed circuit board included in a power module device according to a fifth embodiment.
  • FIG. 14 is a sectional view of a power module device according to a fifth embodiment.
  • FIG. 21 is a cross-sectional view of another example of the power module device according to the fifth embodiment.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of the power module device according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a plan view of the power module device according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a perspective view of a capacitor included in the power module device according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing the position of resistor 13 in the power module device according to the first embodiment.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing the position of resistor 13a in the power module device according to the first embodiment.
  • the power module unit 24 includes a power module 23, a wiring conductor 1, a heat sink 11, an additional base plate 4, an insulating sheet 10, a capacitor 12, and a resistor 13.
  • the power module 23 includes a module terminal 22, a substrate 26, a chip 27, an in-module insulating sheet 2, and a module base plate 3.
  • the power module 23 includes a power unit 25.
  • the power unit 25 includes a module terminal 22, a conductor 28, a chip 27, a substrate 26, and an in-module insulating sheet 2.
  • the module terminal 22 and the chip 27 are electrically connected via the conductor 28.
  • the chip 27 is mounted on the substrate 26.
  • An in-module insulating sheet 2 that satisfies a required insulating distance is arranged between the substrate 26 and the module base plate 3.
  • the wiring conductor 1 is electrically connected to the module terminal 22 and supplies power to the chip 27 via the module terminal 22.
  • the additional base plate 4 is electrically and thermally connected to the module base plate 3.
  • the additional base plate 4 dissipates heat generated by the power module 23.
  • An insulating sheet 10 is arranged between the additional base plate 4 and the heat sink 11.
  • the insulating sheet 10 insulates the additional base plate 4 from the heat sink 11 and has a withstand voltage higher than the withstand voltage required in the withstand voltage test.
  • the heat sink 11 radiates heat of the additional base plate 4 via the insulating sheet 10.
  • the wiring conductor 1 is fixed to the power module 23 by fastening the screw 5 passing through the screw through hole 15 formed in the wiring conductor 1 to the module terminal 22.
  • the screw 6 passing through the screw through hole 17 formed in the module base plate 3 and the screw hole 18 formed in the additional base plate 4 to the screw hole 18 formed in the additional base plate 4 to the screw hole 18 formed in the additional base plate 4
  • the power module 23 is mechanically and electrically connected to the additional base plate 4. Fixed.
  • the screw 8 is screwed into the insulating bush 9.
  • the additional base plate 4 is fixed to the insulating sheet 10 and the heat sink 11 by passing through the through hole 19 and fastening to the screw hole 20 formed below the hole 20 a in the heat sink 11.
  • An insulating bush 9 is inserted into the screw hole 20 to secure a creepage distance between the additional base plate 4 and the screw 8.
  • the location where the creepage distance is required is indicated by an arrow in FIG.
  • the capacitor 12 is electrically connected between the wiring conductor 1 and the module base plate 3.
  • the capacitor 12 includes a main body 12a, one end 12b, and the other end 12c.
  • One end 12b and the other end 12c of the capacitor 12 are bent at a right angle.
  • the bent portion of one end 12b of the capacitor 12 is joined to the wiring conductor 1 by solder.
  • the bent portion of the other end 12c of the capacitor is joined to the spacer 7 by solder.
  • the main body 12a of the capacitor 12 is placed on the additional base plate 4, and the main body 12a of the capacitor 12 is mechanically fixed to the additional base plate 4 with a fixing agent.
  • the additional base plate 4 Since the additional base plate 4 has no electrically connected portion and has a floating potential, the module base plate electrically connected in parallel to a capacitance component formed between the module base plate 3 and the heat sink 11.
  • a resistor 13 see FIGS. 1, 4 and 7A
  • the end of the substrate 26, the module base plate 3 The electric charge stored in the capacitance component formed during is discharged. Further, when a DC voltage is applied in the dielectric strength test, the power module 23 is prevented from being broken.
  • a resistor 13a (see FIGS. 5 and 7B) may be added. Alternatively, the resistor 13 and the resistor 13a may be added.
  • FIG. 6 is a schematic diagram of the parasitic capacitance C1 of the power module 23 and the parasitic capacitance C2 of the insulating sheet 10.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram for explaining FIG. Specifically, FIG. 7A shows an example in which a resistor 13 is added, and FIG. 7B shows an example in which a resistor 13a is added.
  • FIG. 8 is a schematic diagram of the parasitic capacitance C1 of the power module 23, the parasitic capacitance C2 of the insulating sheet 10, and the capacitance C3 of the capacitor 12.
  • FIG. 9 is an explanatory diagram for explaining FIG. Specifically, FIG. 9A shows an example in which a resistor 13 is added, and FIG. 9B shows an example in which a resistor 13a is added.
  • Parasitic capacitance is generated when two conductive members are connected via an insulating layer.
  • the thickness of the insulating member disposed between the two conductive members is d (mm)
  • the area of the insulating member is S
  • the dielectric constant of the insulating member is ⁇ s
  • the parasitic capacitance C is given by the following equation. It becomes like (1).
  • ⁇ 0 is a dielectric constant in a vacuum of 8.855 ⁇ 10 ⁇ 12 .
  • the power module unit 24 has parasitic capacitances C1 and C2 as shown in FIG.
  • the insulative sheet 2 in the module needs to be thick.
  • the thermal resistance of the insulating sheet 2 in the module increases, and the heat dissipation of the power module 23 deteriorates. Therefore, it is not realistic to increase the insulation withstand voltage by increasing the thickness of the insulating sheet 2 in the module.
  • the parasitic capacitance C1 of the power module 23 is reduced.
  • the parasitic capacitance C2 of the insulating sheet 10 is in series.
  • the voltage is divided by the parasitic capacitance C1 of the in-module insulating sheet 2 and the parasitic capacitance C2 of the insulating sheet 10.
  • the parasitic capacitance C2 of the insulating sheet 10 is much larger than the parasitic capacitance C1 of the insulating sheet 2 in the module. Therefore, when the external high voltage is applied to both ends of the power module 23 and the heat sink 11, most of the external high voltage is applied to the module insulating sheet 2, and the power module 23 is deteriorated due to the deterioration of the module insulating sheet 2. Destroyed.
  • the parasitic capacitance C2 of the insulating sheet 10 can be made smaller than the parasitic capacitance C1 of the insulating sheet 2 in the module.
  • the thermal resistance of the insulating sheet 10 also increases, the heat dissipation of the power module 23 deteriorates, and a larger heat sink is required.
  • the heat sink 11 is connected to the module base plate 3 of the power module 23 via the additional base plate 4 and the insulating sheet 10, and By connecting the capacitor 12 between the wiring conductor 1 connected to the module terminal 22 and the module base plate 3, the power module 23 is protected from a voltage higher than the withstand voltage of the power module 23.
  • the capacitance of the capacitor 12 is C3
  • the parasitic capacitance C1 of the insulating sheet 2 in the module and the capacitance C3 of the capacitor are connected in parallel.
  • the parasitic capacitance C1 of the inner insulating sheet 2 and the parasitic capacitance C2 of the insulating sheet 10 are connected in series, and the capacitance C3 of the capacitor 12 and the parasitic capacitance C2 of the insulating sheet 10 are connected in series.
  • U is the external high voltage applied to the power module unit 24
  • Q is the total charge of the external high voltage U
  • U1 is the voltage applied to the capacitor 12
  • U2 is the voltage applied to the insulating sheet 10.
  • the capacitance C3 of the capacitor 12 is selected as follows.
  • a member having an electrostatic capacity is added between the module base plate 3 and the heat sink 11, which are electrically parallel to the parasitic capacitance C2 of the insulating sheet 10 and electrically in series with the capacitor 12.
  • the capacitance of the member having the capacitance is C4.
  • a capacitor having a withstand voltage higher than the voltage applied to the power module unit 24 is selected as the capacitance C4.
  • the resistor 13a is electrically connected in parallel with the capacitor 12, and is electrically connected to the wiring conductor 1 and the module base plate 3.
  • the body of the resistor 13 a is thermally and mechanically fixed to the heat sink 11.
  • a member having an electrostatic capacitance or a parasitic capacitance that is electrically parallel is the capacitor 12.
  • the impedance of the module insulating sheet 2 is set to Rz.
  • Rz 1 / 2 ⁇ fC
  • the frequency of the dielectric strength test is assumed to be 60 Hz.
  • the withstand voltage of the capacitor 12 is 3900V or more. That is, if the capacitance C3 of the capacitor 12 is set to 500 pF or more, the power module 23 can be protected from an external high voltage.
  • the high voltage applied to the power module device from the outside is a very short-time application such as a lightning surge.
  • the resistor 13a since the withstand voltage test is generally performed in one minute, the resistor 13a only needs to be able to withstand one minute of overload (overpower).
  • the voltage applied to the power module unit 24 in the withstand voltage test is about ten times higher than the voltage normally applied to the power module unit 24, and the heat generated by the resistor 13a during the withstand voltage test must be taken into consideration. No.
  • the withstand voltage of the exterior of the metal clad resistor and the main body inside it is 3000 V or more and 4500 V or less, and the market circulation is large. Therefore, the metal clad resistor can be used as the resistor 13a.
  • FIG. 16 shows an example of the exterior of the metal clad resistor.
  • the capacitance C3 and the parasitic capacitance C1 are added. Can be discharged.
  • the resistance value Rd of the resistor 13 is the same as the resistance value Rd of the resistor 13a.
  • the resistor 13a is eliminated, and the resistor that satisfies the insulation withstand voltage test between the module base plate 3 and the heat sink 11 electrically connected in parallel with the parasitic capacitance C2.
  • the resistance value Rd of the resistor 13 is the same as the resistance value Rd of the resistor 13a. Note that the main body of the resistor 13 is thermally and mechanically fixed to the heat sink 11.
  • the power module 23 is insulated even when the voltage applied to both ends of the power module unit 24 is twice or three times or more the insulation withstand voltage of the power module 23. It is possible to protect from destruction.
  • the power module 23 is rated using the capacitance C3 of the capacitor 12. Even when a voltage exceeding the withstand voltage is applied to the power module 23, the power module 23 can be protected.
  • the dielectric strength voltage of the power module 23 is determined by the capacitance C3 of the capacitor 12 and the parasitic capacitance C2 of the insulating sheet 10, it is possible to prevent the power module 23 from being influenced by the dielectric strength voltage of the insulating sheet 2 in the module.
  • the withstand voltage test of the AC voltage and the withstand voltage test of the DC voltage are included in the insulation withstand voltage test of the railway vehicle, when the DC voltage is applied, the resistor cannot be arranged in the power module unit 24, and If there is no discharge route of the electric discharge, the power module 23 may be destroyed. In order to suppress the possibility that the power module 23 is destroyed, not only the capacitor 12 but also the resistor 13a is required. Further, by eliminating the resistor 13a and adding the resistor 13 that satisfies the insulation withstand voltage test between the module base plate 3 and the heat sink 11, which are electrically connected in series, the capacitance C3 and the parasitic capacitance C1 are reduced. The stored charge can be discharged.
  • FIG. 10 is a sectional view of the power module device according to the second embodiment.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of the mounting structure of the printed circuit board 43 provided in the power module device according to the second embodiment.
  • FIG. 12 is a plan view of a printed circuit board 43 provided in the power module device according to the second embodiment.
  • FIG. 13 is a perspective view of a fixing part 52 included in the power module device according to the second embodiment.
  • the same components as those described in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description is omitted.
  • the capacitor 12 is replaced with a printed circuit board 43 in the first embodiment.
  • the printed circuit board 43 has a component surface 41 as a front surface and a solder surface 42 as a back surface.
  • a copper foil pattern 48 is attached to a part of the component surface 41 of the printed board 43 and etched.
  • a copper foil pattern 49 is attached to a part of the solder surface 42 of the printed board 43 and etched.
  • the printed circuit board 43 is fixed to the wiring conductor 1 and the module base plate 3 by using fixing parts 52 and 53 having conductivity.
  • the fixing parts 52 and 53 have the same structure.
  • a screw through hole 46 is formed at one end of the copper foil pattern 48, and the screw 50 passes through the screw through hole 58 and the screw through hole 46 at one end of the fixing part 52.
  • One end of the fixing part 52 is fixed to the printed circuit board 43 by being fastened to the nut 55.
  • a screw through hole is also formed at one end of the wiring conductor 1, and the screw 44 has a screw through hole 57 at the other end of the fixing part 52 and a screw through hole of the wiring conductor 1. And the other end of the fixing part 52 is fixed to the wiring conductor 1 by being fastened to the nut 54. Thus, the printed board 43 and the wiring conductor 1 are fixed via the fixing parts 52.
  • a screw through hole 47 is formed at one end of the copper foil pattern 49, and the screw 51 passes through the screw through hole 57 and the screw through hole 47 at one end of the fixing part 53.
  • One end of the fixing part 53 is fixed to the printed circuit board 43 by being fastened to the nut 56.
  • An insulation distance that satisfies the required withstand voltage is ensured between the head of the screw 51 and the copper foil pattern 48 attached to the component surface 41.
  • the screw 5 passes through the screw through hole 58 at the other end of the fixing part 53 and the spacer 7 and is fastened to the module base plate 3, so that the other parts of the fixing part 53 The end is fixed to the module base plate 3.
  • the printed board 43 and the power module 23 are fixed via the fixing parts 53.
  • the additional base plate 4 and the heat sink 11 are insulated via the insulating sheet 10, so that the parasitic capacitance C2 exists.
  • a parasitic capacitance exists between the copper foil pattern 48 attached to the component surface 41 and the copper foil pattern 49 attached to the solder surface 42 via the insulating layer 43 a of the printed circuit board 43.
  • the parasitic capacitance of the printed circuit board 43 is C3.
  • the area of the insulating layer 43a of the printed board 43 is defined as Sp
  • the distance between the copper foil pattern 48 affixed to the component surface 41 and the copper foil pattern 49 affixed to the solder surface 42 is defined as dp. Equation (7) holds when the dielectric constant of is assumed to be ⁇ sp .
  • ⁇ 0 is a dielectric constant in a vacuum of 8.855 ⁇ 10 ⁇ 12 .
  • the parasitic capacitance C3 of the printed board 43 is selected to be larger than the difference between the parasitic capacitance C2 of the insulating sheet 10 and the parasitic capacitance C1 of the in-module insulating sheet 2.
  • the parasitic capacitance C1 of the power module 23 is set to 100 pF
  • the parasitic capacitance C2 of the insulating sheet 10 is set to 1000 pF
  • the relative permittivity of the printed board 43 is set to 5
  • the distance between the component surface 41 and the solder surface 42 of the printed board 43 is 1 mm. Since the dielectric constant of air is 8.855 ⁇ 10 ⁇ 12 , the parasitic capacitance C3 of the printed circuit board 43 satisfies Expressions (8) and (9).
  • Equation (10) is established by equation (8) and equation (9).
  • the power module 23 is insulated even when the voltage applied to both ends of the power module unit 24 is twice or three times the withstand voltage of the power module 23 or more. It is possible to protect from destruction.
  • the resistor 13 is electrically connected between the module base plate 3 and the heat sink 11 electrically in parallel with the printed circuit board 43 or electrically in parallel with the insulating sheet 10. It is connected. Note that the resistance value Rd of the resistor 13 is selected in the same manner as in the first embodiment.
  • the body of the resistor 13 is thermally and mechanically fixed to the heat sink 11. By doing so, the heat dissipation of the resistor 13 is improved, so that the power rating of the resistor 13 may be designed for a short time, and the resistor 13 can be downsized.
  • a generally commercially available resistor 13 can be used.
  • the withstand voltage of the exterior of the metal clad resistor and the main body inside it is 3000 V or more and 4500 V or less, and the market circulation amount is large. Therefore, the metal clad resistor can be used as the resistor 13.
  • a member having an electrostatic capacitance or a parasitic capacitance that is electrically parallel is the printed circuit board 43.
  • the power module device since the printed circuit board 43 is electrically connected between the wiring conductor 1 and the module base plate 3, the power is utilized by utilizing the parasitic capacitance C3 of the printed circuit board 43.
  • the power module 23 can be protected even when a voltage exceeding the rated insulation withstand voltage of the module 23 is applied to the power module 23.
  • the dielectric strength voltage of the power module 23 is determined by the parasitic capacitance C3 of the printed circuit board 43 and the parasitic capacitance C2 of the insulating sheet 10, it is suppressed to be influenced by the dielectric strength voltage of the in-module insulating sheet 2 of the power module 23. it can.
  • the resistor cannot be arranged in the power module unit 24, and If there is no discharge route of the electric discharge, the power module 23 may be destroyed.
  • the resistor 13 is required to suppress the possibility that the power module 23 is broken.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view of the power module device according to the third embodiment.
  • the same components as those described in the first and second embodiments are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
  • the capacitor 12 is replaced with an insulating material 63 in the first embodiment.
  • the power module unit 24 includes a wiring conductor 61 instead of the wiring conductor 1, and includes an additional base plate 62 instead of the additional base plate 4.
  • One end of the wiring conductor 61 is formed to be thick, and one end of the additional base plate 62 is also formed to be thick.
  • An insulating material 63 is arranged between the thickened portion of the wiring conductor 61 and the thickened portion of the additional base plate 62, and these are fixed with an adhesive.
  • a parasitic capacitance C3 of the insulating material 63 exists between the thickened portion of the wiring conductor 61 and the thickened portion of the additional base plate 62.
  • the insulating material 63 whose parasitic capacitance C3 is larger than the difference between the parasitic capacitance C2 of the insulating sheet 10 and the parasitic capacitance C1 of the in-module insulating sheet 2 is selected.
  • the parasitic capacitance C1 of the insulating sheet 2 in the module is set to 100 pF
  • the parasitic capacitance C2 of the insulating sheet 10 is set to 1000 pF
  • the relative permittivity of the insulating material 63 is set to 5
  • the thicker portion of the wiring conductor 61 and the thicker portion of the additional base plate 62 When the distance from the portion is 1 mm, the dielectric constant of air is 8.85 ⁇ 10 ⁇ 12 , and thus the parasitic capacitance C3 of the insulating material 63 satisfies Expressions (8) and (9).
  • Equation (10) is established by equation (8) and equation (9).
  • the power module 23 is insulated even when the voltage applied to both ends of the power module unit 24 is twice or three times or more the withstand voltage of the power module 23. It is possible to protect from destruction.
  • the resistor 13 is connected between the module base plate 3 and the heat sink 11 electrically in parallel with the insulating material 63 or electrically in parallel with the insulating sheet 10. I have. Note that the resistance value Rd of the resistor 13 is selected in the same manner as in the first embodiment.
  • the body of the resistor 13 is thermally and mechanically fixed to the heat sink 11. By doing so, the heat dissipation of the resistor 13 is improved, so that the power rating of the resistor 13 may be designed for a short time, and the resistor 13 can be downsized.
  • a generally commercially available resistor 13 can be used.
  • the withstand voltage of the exterior of the metal clad resistor and the main body inside it is 3000 V or more and 4500 V or less, and the market circulation amount is large. Therefore, the metal clad resistor can be used as the resistor 13.
  • the member having an electrostatic capacitance or a parasitic capacitance that is electrically parallel is the insulating material 63.
  • the parasitic capacitance C3 of the insulating material 63 is used. Even when a voltage exceeding the rated insulation withstand voltage of the power module 23 is applied to the power module 23, the power module 23 can be protected.
  • the dielectric strength voltage of the power module 23 is determined by the parasitic capacitance C3 of the insulating material 63 and the parasitic capacitance C2 of the insulating sheet 10, it is suppressed that the power module 23 is affected by the dielectric strength voltage of the in-module insulating sheet 2 of the power module. it can.
  • the resistor cannot be arranged in the power module unit 24, and If there is no discharge route of the electric discharge, the power module 23 may be destroyed.
  • the resistor 13 is required to suppress the possibility that the power module 23 is broken.
  • FIG. 15 is a sectional view of the power module device according to the fourth embodiment.
  • FIG. 16 is a perspective view of a resistor 71 included in the power module device according to the fourth embodiment.
  • FIG. 17 is a perspective view of the resistor 72 included in the power module device according to the fourth embodiment.
  • FIG. 18 is a schematic diagram of the parasitic capacitance C1 of the in-module insulating sheet 2, the parasitic capacitance C2 of the insulating sheet 10, the resistance R71 of the resistor 71, and the resistance R72 of the resistor 72.
  • FIG. 19 is an explanatory diagram for explaining FIG.
  • the same components as those described in the first to third embodiments are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
  • the capacitor 12 is replaced with a resistor 71 in the first embodiment. Further, a resistor 72 is added between the module base plate 3 electrically connected in series with the resistor 71 and the heat sink 11.
  • the resistor 71 is connected between the wiring conductor 1 and the module base plate 3.
  • the resistor 71 includes a main body 73a, one end 74b, and the other end 74c.
  • One end 74b of the resistor 71 and the wiring conductor 1 are electrically connected.
  • the other end 74c of the resistor 71 and the module base plate 3 are electrically connected.
  • the resistor 72 is connected between the module base plate 3 and the heat sink 11.
  • the resistor 72 includes a main body 75a, one end 76b, and the other end 76c.
  • One end 76b of resistor 72 and module base plate 3 are electrically connected.
  • the other end 76c of the resistor 72 and the heat sink 11 are electrically connected.
  • the resistor 71 corresponds to a first resistor
  • the resistor 72 corresponds to a second resistor.
  • a main body 73a of the resistor 71 and a main body 75a of the resistor 72 are thermally and mechanically fixed on the heat sink 11 to dissipate the heat from the resistor 71 and the resistor 72. Further, the resistor 71, the resistor 72, and the power module 23 are placed on the heat sink 11 at a distance satisfying a required insulation distance.
  • the additional base plate 4 and the heat sink 11 are insulated from each other through the insulating sheet 10, so that the parasitic capacitance C2 exists. Since the conductor and the module base plate are insulated from each other via the insulating sheet in the power module, a parasitic capacitance C1 exists.
  • the impedance of the insulating sheet 2 in the module is Rz.
  • Rz 1 / 2 ⁇ fC, and the frequency of the dielectric strength test is assumed to be 60 Hz.
  • the resistor 71 and the resistor 72 are made of metal and placed on the heat sink 11 so that the heat of the resistor 71 and the resistor 72 can be reduced. Can diverge.
  • a resistor having a rated power of 76 W or more as the rated power of the resistor 71 and the resistor 72 and a withstand voltage higher than the withstand voltage required in the withstand voltage test is selected.
  • the rated power of the resistors 71 and 72 is determined in consideration of the heat generated by the resistors 71 and 72.
  • the high voltage applied to the power module device from the outside is an extremely short-time application such as a lightning surge.
  • the resistors 71 and 72 since the withstand voltage test is generally performed in one minute, the resistors 71 and 72 only need to be able to withstand an overload (overpower) for one minute.
  • the resistor By thermally coupling the resistor to the heat sink, the heat dissipation of the resistor is improved, and the voltage applied to the resistor is extremely short, so the rated power of the resistor 13a is reduced by the actual power consumption of the resistor.
  • the resistor can be downsized. Note that the voltage applied to the resistor during normal use of the power module device is sufficiently lower than that at the time of the withstand voltage test, so that the power consumption during steady state of the resistor is small and there is no problem.
  • the withstand voltage of the exterior of the metal clad resistor and the main body inside it is 3000 V or more and 4500 V or less, and the market circulation is large. Therefore, the metal clad resistor can be used as the resistors 71 and 72.
  • FIG. 16 shows an example of the exterior of the metal clad resistor.
  • the resistor 71 is connected between the wiring conductor 1 and the module base plate 3, and the resistor 72 is connected between the module base plate 3 and the heat sink 11. Therefore, the power module 23 can be protected even when a voltage exceeding the rated insulation withstand voltage of the power module 23 is applied to the power module 23 by using the resistance voltage division of the resistor 71 and the resistor 72.
  • the withstand voltage of the power module 23 is determined by the resistor 71 and the resistor 72, it is possible to prevent the power module 23 from being influenced by the withstand voltage of the in-module insulating sheet 2 of the power module 23. As a result, it is possible to use not a high withstand voltage and expensive power module for railway vehicles but a cheaper power module having a lower dielectric strength than the conventional one. Therefore, the manufacturing cost of the product can be reduced and the size can be reduced. Further, since the area of the additional base plate 4 is larger than the area of the module base plate 3, the additional base plate 4 functions as a heat spreader. Thereby, the heat radiation of the power module 23 is improved. Further, since the resistance partial voltage is used, the same effect as described above can be obtained even if the dielectric strength test is changed to a DC voltage.
  • FIG. 20 is a plan view of a printed circuit board 81 provided in the power module device according to the fifth embodiment.
  • FIG. 21 is a cross-sectional view of the power module device according to the fifth embodiment.
  • FIG. 22 is a sectional view of another example of the power module device according to the fifth embodiment.
  • the same components as those described in the first to fourth embodiments are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
  • the parasitic capacitance C2 of the insulating sheet 10 exists. I have.
  • the printed circuit board 81 replaces the wiring conductor 1 in the first embodiment.
  • a copper foil pattern 82a is attached to one side of a component surface 82 of a printed circuit board 81 and etched.
  • a copper foil pattern 82b is attached and etched on one side of the component surface 82 of the printed circuit board 81 at a distance from the other side.
  • a capacitor 84 is mounted between the copper foil pattern 82a and the copper foil pattern 82b.
  • the capacitor 84 has a main body 84a, one end 84b, and the other end 84c.
  • One end 84b of the capacitor 84 is electrically connected to the copper foil pattern 82a.
  • the other end 84c of the capacitor 84 is electrically connected to the copper foil pattern 82b.
  • the copper foil pattern 82 a of the printed board 81 is electrically connected to the module terminal 22 and supplies power to the chip 27 via the module terminal 22.
  • the copper foil pattern 82a corresponds to a first copper foil pattern
  • the copper foil pattern 82b corresponds to a second copper foil pattern.
  • the copper foil pattern 82a of the printed circuit board 81 is formed by fastening the screw 5 passing through the screw through-hole 83a formed in the copper foil pattern 82a to the module terminal 22, thereby forming the power module 23.
  • Fixed electrically and mechanically to the The copper foil pattern 82b of the printed board 81 is electrically connected to the additional base plate 4 by fastening the hexagonal spacer 87 passing through the screw through hole 83b formed in the copper foil pattern 82b to the additional base plate 4 via the module base plate 3. And are mechanically connected.
  • the power module 23 can be protected from a breakdown voltage.
  • the power module 23 is insulated even when the voltage applied to both ends of the power module unit 24 is twice or three times or more the insulation withstand voltage of the power module 23. It is possible to protect from destruction.
  • the resistor 13a is electrically parallel to the capacitance C3 of the capacitor 84 as shown in FIG. 21, or the resistor 13a is eliminated as shown in FIG.
  • the resistor 13 is connected between the module base plate 3 and the heat sink 11 electrically in parallel with the insulating sheet 10.
  • the resistance values Rd of the resistors 13a and 13 are selected in the same manner as in the first embodiment. Further, the main bodies of the resistors 13 a and 13 are thermally and mechanically fixed to the heat sink 11. By doing so, the heat dissipation of the resistors 13a and 13 is improved, so that the power rating of the resistors 13a and 13 may be designed to be a short-time rating, and the resistors 13a and 13 can be downsized.
  • Generally commercially available resistors 13a and 13 can be used.
  • the withstand voltage of the exterior of the metal clad resistor and the main body inside it is 3000 V or more and 4500 V or less, and the market circulation amount is large. Therefore, the metal clad resistor can be used as the resistors 13a and 13.
  • the resistor 13 and the resistor 13a can be arranged, and in this case, the same effect can be obtained.
  • a member having an electrostatic capacitance or a parasitic capacitance that is electrically parallel is the capacitor 84.
  • the copper foil pattern 82a of the printed board 81 is electrically and mechanically connected to the module terminal 22, and the copper foil pattern 82b of the printed board 81 is Since the capacitor 84 is electrically and mechanically connected to the power module 23 and the capacitor 84 is connected between the copper foil pattern 82a and the copper foil pattern 82b, the rated insulation withstand voltage of the power module 23 is reduced by using the capacitance C3 of the capacitor 84. Even when the excessive voltage is applied to the power module 23, the power module 23 can be protected.
  • the withstand voltage of the power module 23 is determined by the capacitance C3 of the capacitor 84 and the parasitic capacitance C2 of the insulating sheet 10, it is not affected by the withstand voltage of the in-module insulating sheet 2 of the power module 23. it can.
  • the withstand voltage test of the AC voltage and the withstand voltage test of the DC voltage are included in the insulation withstand voltage test of the railway vehicle, when the DC voltage is applied, the resistor cannot be arranged in the power module unit 24, and If there is no discharge route of the electric discharge, the power module 23 may be destroyed. In order to suppress the possibility that the power module 23 is destroyed, not only the capacitor 84 but also the resistor 13 is required.
  • each embodiment can be freely combined, or each embodiment can be appropriately modified or omitted within the scope of the invention.

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Abstract

パワーモジュール内部の絶縁シートの絶縁耐電圧に左右されることなく、パワーモジュールの定格絶縁耐電圧を超過した電圧がパワーモジュールに印加される場合にもパワーモジュールを保護することができる技術を提供することを目的とする。パワーモジュール装置は、パワーモジュール２３と、配線導体１と、ヒートシンク１１と、モジュールベースプレート３とヒートシンク１１とを絶縁する絶縁シート１０と、配線導体１とモジュールベースプレート３との間に接続された静電容量または寄生容量を有する部材とを備えている。モジュール内絶縁シート２の寄生容量Ｃ１と静電容量または寄生容量を有する部材の静電容量または寄生容量は並列接続され、モジュール内絶縁シート２の寄生容量Ｃ１と絶縁シート１０の寄生容量Ｃ２は直列接続され、静電容量または寄生容量を有する部材の静電容量または寄生容量と絶縁シート１０の寄生容量Ｃ２は直列接続されている。

Description

パワーモジュール装置
　本発明は、パワーモジュールの耐電圧を確保することを目的とした構造に関するものである。
　パワーモジュールにおいて、パワーユニットと放熱ベースプレートとの間に絶縁シートが配置されている。従来のパワーモジュールの耐電圧能力は、パワーユニットと放熱ベースプレートとの間に配置される絶縁シートの厚みで決まる（例えば、特許文献１参照）。
国際公開第２０１２／０８６４１７号
　パワーモジュールの定格絶縁耐電圧を超過した電圧がパワーモジュールに印加されるとき、パワーモジュール内部の絶縁シートの劣化により、パワーモジュールの絶縁破壊が発生する。なお、絶縁耐電圧とは、絶縁破壊を生じることなく絶縁部材に印加できる電圧の上限である。
　鉄道の異なる架線電圧に対して必要となる絶縁耐電圧も異なるため、鉄道車両の絶縁耐電圧試験では、それぞれの必要な絶縁耐電圧に応じて、パワーモジュールを選定する。例えば、架線電圧［Ｕ］が直流６００Ｖ以上１２００Ｖ以下の場合、鉄道に関する国際規格ＩＥＣ３００７７－１により、絶縁耐電圧が［２×Ｕ＋１５００］＝２７００Ｖ以上３９００Ｖ以下である。よって、絶縁耐電圧が３９００Ｖ以上を超えたパワーモジュールを選定しなければならない。
　鉄道車両に使用されるパワーモジュールでは、一般に絶縁耐電圧が高ければ高いほど、価格も高くなる。そのため、製品のコストを抑えるためには、より絶縁耐圧が低い安価なパワーモジュールを使用することが有効である。
　しかしながら、例えば、４ｋＶの鉄道車両の絶縁耐電圧試験が行われるときに、絶縁耐電圧が２．５ｋＶの安価なパワーモジュールが用いられる場合を想定する。このパワーモジュールに４ｋＶの電圧が印加されるとき、パワーモジュールの絶縁破壊が発生する。
　特許文献１に記載のパワーモジュールにおいては、使用する絶縁シートの厚みでパワーモジュールの絶縁耐電圧が左右されるという問題点がある。具体的には、絶縁破壊の発生を抑制するためには、パワーモジュール内部の絶縁シートを厚くする必要があるが、絶縁シートを厚くすればするほど、絶縁シートの熱抵抗が大きくなり、パワーモジュールの放熱性が悪化する。
　そこで、本発明は、パワーモジュール内部の絶縁シートの絶縁耐電圧に左右されることなく、パワーモジュールの定格絶縁耐電圧を超過した電圧がパワーモジュールに印加される場合にもパワーモジュールを保護することができる技術を提供することを目的とする。
　本発明に係るパワーモジュール装置は、モジュール内絶縁シートとモジュールベースプレートとモジュール端子とを有するパワーモジュールと、前記モジュール端子に電力を供給する配線導体と、前記パワーモジュールで発生した熱を放熱するヒートシンクと、前記モジュールベースプレートと前記ヒートシンクとの間に配置され、かつ、前記モジュールベースプレートと前記ヒートシンクとを絶縁する絶縁シートと、前記配線導体と前記モジュールベースプレートとの間に接続された静電容量または寄生容量を有する部材と、前記静電容量または寄生容量を有する部材と電気的に並列、もしくは、前記絶縁シートと電気的に並列に、前記モジュールベースプレートと、前記ヒートシンクとの間に接続され、かつ、熱的および機械的に前記ヒートシンクに固定された抵抗器とを備え、前記モジュール内絶縁シートの寄生容量と前記静電容量または寄生容量を有する部材の静電容量または寄生容量は並列接続され、前記モジュール内絶縁シートの寄生容量と前記絶縁シートの寄生容量は直列接続され、前記静電容量または寄生容量を有する部材の静電容量または寄生容量と前記絶縁シートの寄生容量は直列接続され、前記抵抗器は前記モジュール内絶縁シートの寄生容量と並列、もしくは、前記絶縁シートの寄生容量と並列に接続されたものである。
　本発明によれば、配線導体とモジュールベースプレートとの間に静電容量または寄生容量を有する部材が接続されたため、静電容量または寄生容量を有する部材の静電容量または寄生容量を利用し、パワーモジュールの定格絶縁耐電圧を超過した電圧がパワーモジュールに印加される場合にもパワーモジュールを保護することができる。また、パワーモジュールの絶縁耐電圧が静電容量または寄生容量を有する部材の静電容量または寄生容量と絶縁シートの寄生容量で決まることから、モジュール内絶縁シートの絶縁耐電圧に左右されることを抑制できる。
　この発明の目的、特徴、局面、および利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。
実施の形態１に係るパワーモジュール装置の断面図である。 実施の形態１に係るパワーモジュール装置の平面図である。 実施の形態１に係るパワーモジュール装置が備えるコンデンサの斜視図である。 実施の形態１に係るパワーモジュール装置における抵抗器の位置を示す断面図である。 実施の形態１に係るパワーモジュール装置における抵抗器の位置を示す断面図である。 モジュール内絶縁シートの寄生容量と絶縁シートの寄生容量の概略図である。 図６を説明するための説明図である。 モジュール内絶縁シートの寄生容量と絶縁シートの寄生容量とコンデンサの静電容量の概略図である。 図８を説明するための説明図である。 実施の形態２に係るパワーモジュール装置の断面図である。 実施の形態２に係るパワーモジュール装置が備えるプリント基板の取り付け構造の断面図である。 実施の形態２に係るパワーモジュール装置が備えるプリント基板の平面図である。 実施の形態２に係るパワーモジュール装置が備える固定用パーツの斜視図である。 実施の形態３に係るパワーモジュール装置の断面図である。 実施の形態４に係るパワーモジュール装置の断面図である。 実施の形態４に係るパワーモジュール装置が備える第１抵抗器の斜視図である。 実施の形態４に係るパワーモジュール装置が備える第２抵抗器の斜視図である。 モジュール内絶縁シートの寄生容量と絶縁シートの寄生容量と第１，第２抵抗器の抵抗値の概略図である。 図１８を説明するための説明図である。 実施の形態５に係るパワーモジュール装置が備えるプリント基板の平面図である。 実施の形態５に係るパワーモジュール装置の断面図である。 実施の形態５に係るパワーモジュール装置の他の例の断面図である。
　＜実施の形態１＞
　本発明の実施の形態１について、図面を用いて以下に説明する。図１は、実施の形態１に係るパワーモジュール装置の断面図である。図２は、実施の形態１に係るパワーモジュール装置の平面図である。図３は、実施の形態１に係るパワーモジュール装置が備えるコンデンサの斜視図である。図４は、実施の形態１に係るパワーモジュール装置における抵抗器１３の位置を示す断面図である。図５は、実施の形態１に係るパワーモジュール装置における抵抗器１３ａの位置を示す断面図である。
　パワーモジュール装置は、パワーモジュールユニット２４の構造であるため、パワーモジュールユニット２４について説明する。図１と図２に示すように、パワーモジュールユニット２４は、パワーモジュール２３、配線導体１、ヒートシンク１１、追加ベースプレート４、絶縁シート１０、コンデンサ１２、および抵抗器１３を備えている。
　パワーモジュール２３は、モジュール端子２２、基板２６、チップ２７、モジュール内絶縁シート２、およびモジュールベースプレート３を備えている。パワーモジュール２３はパワーユニット２５を含んでいる。具体的には、パワーユニット２５は、モジュール端子２２、導体２８、チップ２７、基板２６、およびモジュール内絶縁シート２を備えている。モジュール端子２２とチップ２７とが導体２８を介して電気的に接続されている。チップ２７は基板２６上に実装されている。基板２６とモジュールベースプレート３との間に、要求絶縁距離を満足するモジュール内絶縁シート２が配置されている。
　配線導体１は、モジュール端子２２に電気的に接続され、モジュール端子２２を介してチップ２７に電力を供給する。追加ベースプレート４は、モジュールベースプレート３とは電気的および熱的に接続されている。追加ベースプレート４は、パワーモジュール２３で発生した熱を放熱する。追加ベースプレート４とヒートシンク１１との間に絶縁シート１０が配置されている。絶縁シート１０は、追加ベースプレート４とヒートシンク１１とを絶縁し、絶縁耐電圧試験で必要とされる絶縁耐電圧以上の絶縁耐電圧を有している。ヒートシンク１１は、絶縁シート１０を介して追加ベースプレート４の熱を放熱する。
　図１と図２に示すように、配線導体１は、配線導体１に形成されたネジ貫通穴１５に通したネジ５をモジュール端子２２に締結することで、パワーモジュール２３に固定されている。モジュールベースプレート３に形成されたネジ貫通穴１７とスペーサ７に通したネジ６を追加ベースプレート４に形成されたネジ穴１８に締結することで、パワーモジュール２３は追加ベースプレート４に機械的および電気的に固定されている。
　追加ベースプレート４に形成されたネジ貫通穴２１、絶縁シート１０に形成されたネジ貫通穴およびヒートシンク１１に形成された穴２０ａに絶縁ブッシュ９を挿通した状態で、ネジ８を絶縁ブッシュ９内のネジ貫通穴１９に通して、ヒートシンク１１における穴２０ａの下側に形成されたネジ穴２０に締結することで、追加ベースプレート４は絶縁シート１０およびヒートシンク１１に固定されている。追加ベースプレート４とネジ８との沿面距離を確保するためにネジ穴２０に絶縁ブッシュ９が挿通されている。なお、沿面距離が必要な箇所は図４の矢印で示されている。
　図１に示すように、コンデンサ１２は、配線導体１とモジュールベースプレート３との間に電気的に接続されている。図３に示すように、コンデンサ１２は、本体部１２ａ、一端１２ｂおよび他端１２ｃを備えている。コンデンサ１２の一端１２ｂと他端１２ｃとが直角に折り曲げられている。コンデンサ１２の一端１２ｂの折り曲げ部は配線導体１にはんだで接合されている。コンデンサの他端１２ｃの折り曲げ部はスペーサ７にはんだで接合されている。コンデンサ１２の本体部１２ａが追加ベースプレート４の上に置かれ、固定剤でコンデンサ１２の本体部１２ａが追加ベースプレート４に機械的に固定されている。
　追加ベースプレート４は電気的に接続される箇所がなく、フローティング電位となるため、モジュールベースプレート３と、ヒートシンク１１との間に形成される容量成分に対して、電気的に並列に接続されるモジュールベースプレート３と、ヒートシンク１１との間に、絶縁耐圧試験を満足する抵抗器１３（図１、図４および図７（ａ）参照）を追加することで、基板２６の端部と、モジュールベースプレート３との間に形成される容量成分に蓄えた電荷が放電される。また、絶縁耐圧試験で直流電圧が印加された場合、パワーモジュール２３を破壊されることが抑制される。もしくは、配線導体１と、モジュールベースプレート３との間に形成される容量成分に対して、電気的に並列に接続された配線導体１と、モジュールベースプレート３との間に、絶縁耐電圧試験を満足する抵抗器１３ａ（図５と図７（ｂ）参照）を追加してもよい。もしくは、抵抗器１３と抵抗器１３ａとを追加してもよい。
　次に、実施の形態１に係るパワーモジュール２３の耐電圧構造の作用および効果について、従来技術の問題点と比較しながら説明する。図６は、パワーモジュール２３の寄生容量Ｃ１と絶縁シート１０の寄生容量Ｃ２の概略図である。図７は、図６を説明するための説明図である。具体的には、図７（ａ）は抵抗器１３を追加した場合の例であり、図７（ｂ）は抵抗器１３ａを追加した場合の例である。図８は、パワーモジュール２３の寄生容量Ｃ１と絶縁シート１０の寄生容量Ｃ２とコンデンサ１２の静電容量Ｃ３の概略図である。図９は、図８を説明するための説明図である。具体的には、図９（ａ）は抵抗器１３を追加した場合の例であり、図９（ｂ）は抵抗器１３ａを追加した場合の例である。
　寄生容量は、２つの導電性部材間が絶縁層を介して接続されることで発生する。２つの導電性部材間に配置されている絶縁性部材の厚みをｄ（ｍｍ）とし、絶縁性部材の面積をＳとし、絶縁性部材の誘電率をεsとしたとき、寄生容量Ｃは式（１）のようになる。ε0は真空の誘電率で８．８５５×１０-12である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　パワーモジュールユニット２４には、図６に示すように寄生容量Ｃ１，Ｃ２が存在している。パワーモジュール２３の絶縁耐電圧は、パワーモジュール２３の寄生容量Ｃ１によって決定される高い絶縁耐電圧が求められる場合、モジュール内絶縁シート２を厚くする必要がある。しかし、モジュール内絶縁シート２を厚くすればするほど、モジュール内絶縁シート２の熱抵抗が大きくなり、パワーモジュール２３の放熱性が悪化する。したがって、モジュール内絶縁シート２を厚くすることで絶縁耐電圧を稼ぐ手段は現実的ではない。
　図６と図７（ａ），（ｂ）に示すように、パワーモジュール２３のモジュールベースプレート３に絶縁シート１０を介してヒートシンク１１を熱的に接続することにより、パワーモジュール２３の寄生容量Ｃ１と絶縁シート１０の寄生容量Ｃ２とは直列になっている。外部高電圧がパワーモジュール２３とヒートシンク１１との両端に印加されるときモジュール内絶縁シート２の寄生容量Ｃ１と絶縁シート１０の寄生容量Ｃ２とで分圧される。
　印加される外部高電圧をＵとし、また、外部高電圧Ｕの総電荷をＱとし、モジュール内絶縁シート２に印加される電圧をＵ１とし、絶縁シート１０に印加される電圧をＵ２とすると、式（２）および式（３）が成立する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　式（２）および式（３）より、寄生容量（Ｃ１，Ｃ２）の容量が小さいほど印加される電圧（Ｕ１，Ｕ２）が高くなる。
　一般的に、絶縁シート１０の寄生容量Ｃ２がモジュール内絶縁シート２の寄生容量Ｃ１よりはるかに大きい。そのため、外部高電圧がパワーモジュール２３とヒートシンク１１との両端に印加されるときに、外部高電圧の大半がモジュール内絶縁シート２に印加され、モジュール内絶縁シート２の劣化により、パワーモジュール２３が破壊される。
　また、絶縁シート１０の厚みｄを厚くすることにより、絶縁シート１０の寄生容量Ｃ２をモジュール内絶縁シート２の寄生容量Ｃ１以下にすることができる。しかし、絶縁シート１０の厚みｄを厚くすることで絶縁シート１０の熱抵抗も大きくなり、パワーモジュール２３の放熱性が悪くなり、より大きなヒートシンクが必要になる。さらに、装置の小型化が求められている昨今では絶縁シート１０の厚みｄを厚くすることも難しい。
　これに対して本実施の形態１では、図１に示したように、パワーモジュール２３のモジュールベースプレート３に追加ベースプレート４と絶縁シート１０とを介してヒートシンク１１を接続し、かつ、パワーモジュール２３のモジュール端子２２に接続された配線導体１とモジュールベースプレート３との間にコンデンサ１２を接続することで、パワーモジュール２３の絶縁耐電圧より高い電圧からパワーモジュール２３を保護する。
　図８と図９（ａ），（ｂ）に示すように、コンデンサ１２の静電容量をＣ３とすると、モジュール内絶縁シート２の寄生容量Ｃ１とコンデンサの静電容量Ｃ３は並列接続され、モジュール内絶縁シート２の寄生容量Ｃ１と絶縁シート１０の寄生容量Ｃ２は直列接続され、コンデンサ１２の静電容量Ｃ３と絶縁シート１０の寄生容量Ｃ２は直列接続されている。
　パワーモジュールユニット２４に印加される外部高電圧をＵとし、また、外部高電圧Ｕの総電荷をＱとし、コンデンサ１２に印加される電圧をＵ１とし、絶縁シート１０に印加される電圧をＵ２とすると、式（４）および式（５）が成立する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　また、パワーモジュール２３がコンデンサ１２に並列されているため、パワーモジュール２３の両端にも電圧Ｕ１が印加される。式（４）および式（５）より、寄生容量が小さいほど印加される電圧が高くなる。
　モジュール内絶縁シート２の寄生容量Ｃ１が絶縁シート１０の寄生容量Ｃ２よりはるかに小さいため、コンデンサ１２が配置されない場合、サージ電圧が重畳したときに、外部高電圧の大半がパワーモジュール２３に印加され、パワーモジュール２３が破壊される。そのため、コンデンサ１２の静電容量Ｃ３を以下のように選定する。
　モジュール内絶縁シート２の寄生容量Ｃ１とコンデンサ１２の静電容量Ｃ３との和を絶縁シート１０の寄生容量Ｃ２より大きくする必要があるため、少なくともＣ３＞Ｃ２－Ｃ１が成り立つように選定する。そうすることで、パワーモジュール２３の絶縁耐電圧より高い電圧がパワーモジュールユニット２４に印加されるとき、モジュール内絶縁シート２の寄生容量Ｃ１と絶縁シート１０の寄生容量Ｃ２とコンデンサ１２の静電容量Ｃ３が上記の式（４）を満足し、寄生容量Ｃ１＋静電容量Ｃ３と寄生容量Ｃ２とで分圧することが可能である。
　また、絶縁シート１０の寄生容量Ｃ２に対して、電気的に並列となり、コンデンサ１２に対して、電気的に直列となるモジュールベースプレート３と、ヒートシンク１１との間に静電容量を有する部材を追加する場合を考える。静電容量を有する部材の静電容量をＣ４とする。この場合、Ｃ１＋Ｃ３≦Ｃ２＋Ｃ４であれば、静電容量Ｃ４として、静電容量Ｃ４の絶縁耐電圧がパワーモジュールユニット２４に印加される電圧より高いものを選定する。そうすることで、パワーモジュール２３の絶縁耐電圧より高い電圧がパワーモジュールユニット２４に印加されるとき、高電圧がＣ１＋Ｃ３とＣ２＋Ｃ４とで分圧され、パワーモジュール２３の絶縁耐電圧より高い電圧からパワーモジュール２３を保護することもできる。
　次に、抵抗器１３，１３ａの抵抗値Ｒｄの選定について説明する。ここでは抵抗器１３ａの場合について説明する。図９（ｂ）に示すように、抵抗器１３ａと電気的に並列となる静電容量または寄生容量を有する部材の絶縁抵抗値より小さい抵抗値Ｒｄを有する抵抗器１３ａを選定する。また、抵抗器１３ａに大電圧が印加されるため、適切な抵抗値Ｒｄを有する抵抗器１３ａを選定する必要がある。実施の形態１では、抵抗器１３ａは電気的にコンデンサ１２と並列に接続され、配線導体１およびモジュールベースプレート３と電気的に接続されている。また、抵抗器１３ａの本体部はヒートシンク１１に熱的および機械的に固定されている。ここで、電気的に並列となる静電容量または寄生容量を有する部材はコンデンサ１２である。
　例えば、モジュール内絶縁シート２の寄生容量Ｃ１＝５００ｐＦとした場合、モジュール内絶縁シート２のインピーダンスをＲｚとする。Ｒｚ＝１／２πｆＣ、また、仮に絶縁耐圧試験の周波数を６０Ｈｚとする。
　よって、Ｒｚ＝１／（２π×６０Ｈｚ×５００×１０-12Ｆ）＝５．３ＭΩとなる。絶縁シート１０の寄生容量Ｃ２＝１０００ｐＦとすると、コンデンサ１２の静電容量Ｃ３は式（６）のようになる。また、抵抗器１３ａの抵抗値Ｒｄ＜５．３ＭΩである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　仮に、外部高電圧が３９００Ｖとした場合、耐電圧が３９００Ｖ以上のコンデンサ１２を選定すれば問題ない。すなわち、コンデンサ１２の静電容量Ｃ３を５００ｐＦ以上にすれば、パワーモジュール２３を外部高電圧から保護することができる。
　また、３９００Ｖの外部高電圧がパワーモジュールユニット２４に印加された際、抵抗器１３ａの抵抗値Ｒｄを５０ｋΩとした場合、仮に、抵抗器１３ａに２０００Ｖが印加されたとすると、抵抗器１３ａにかかる電力Ｐ＝Ｖ2／Ｒｄ＝２０００2Ｖ／５０ｋΩ＝８０Ｗとなる。さらに、抵抗器１３ａはコンデンサ１２の静電容量Ｃ３とモジュール内絶縁シート２の寄生容量Ｃ１に蓄えた電荷を放電するため発熱する。仮に、コンデンサ１２の静電容量を５００ｐＦとした場合、放電時間τ＝ＲＣ＝５０ｋΩ×１０００ｐＦ＝５０μｓｅｃとなる。
　パワーモジュール装置に外部から印加される高電圧は雷サージ等、極めて短時間の印加である。また、絶縁耐電圧試験は一般的に１分間で行われるため、抵抗器１３ａは１分間の過負荷（過電力）に耐えることができればよい。しかし、耐電圧試験でパワーモジュールユニット２４に印加される電圧は、パワーモジュールユニット２４に通常印加される電圧より１０倍ほど大きく、耐電圧試験を行うときの抵抗器１３ａの発熱を考慮しなければならない。
　仮に、抵抗値が５０ｋΩの抵抗器で２０００Ｖの過負荷に耐えるためには、抵抗器を大型化する必要がある。抵抗器が大型化すれば、製造コストが増加するだけでなく耐振動性および重量も厳しくなる。しかし、本実施の形態１では、抵抗器１３ａの本体部をヒートシンク１１に熱的および機械的に固定することで抵抗器１３ａの放熱性が向上するため、抵抗器１３ａに印加する電圧は極めて短時間である。そのため、抵抗器１３ａの定格電力は抵抗器１３ａの消費電力で設計すればよく、抵抗器１３ａを小型化することができる。なお、パワーモジュール装置の定常使用時に、抵抗器１３ａに印加される電圧は、絶縁耐電圧試験時より十分に低い電圧であるから、抵抗器１３ａの定常時の消費電力は僅少となり、問題はない。
　例えば、メタルクラッド抵抗器の外装およびその内部の本体部の耐電圧は、３０００Ｖ以上４５００Ｖ以下であり、市場流通量も大きい。そのため、メタルクラッド抵抗器は抵抗器１３ａとして使用することができる。メタルクラッド抵抗器の外装の例としては、図１６に示している。
　また、抵抗器１３ａに対して、電気的に直列となるモジュールベースプレート３と、ヒートシンク１１との間に絶縁耐電圧試験を満足する抵抗器１３を追加することで、静電容量Ｃ３および寄生容量Ｃ１に蓄えた電荷を放電することができる。この場合、抵抗器１３の抵抗値Ｒｄは抵抗器１３ａの抵抗値Ｒｄと同じである。
　また、図９（ａ）に示すように、抵抗器１３ａをなくし、寄生容量Ｃ２に対して、電気的に並列となるモジュールベースプレート３と、ヒートシンク１１の間に絶縁耐電圧試験を満足する抵抗器１３を追加することで、静電容量Ｃ３および寄生容量Ｃ１に蓄えた電荷を放電することができる。この場合、抵抗器１３の抵抗値Ｒｄは抵抗器１３ａの抵抗値Ｒｄと同じである。なお、抵抗器１３の本体部はヒートシンク１１に熱的および機械的に固定されている。
　さらに、コンデンサ１２の静電容量Ｃ３を大きくすることにより、パワーモジュールユニット２４の両端に印加される電圧がパワーモジュール２３の絶縁耐電圧の２倍または３倍以上の場合においてもパワーモジュール２３を絶縁破壊から保護することが可能となる。
　以上のように、実施の形態１に係るパワーモジュール装置では、配線導体１とモジュールベースプレート３との間にコンデンサ１２が接続されたため、コンデンサ１２の静電容量Ｃ３を利用し、パワーモジュール２３の定格絶縁耐電圧を超過した電圧がパワーモジュール２３に印加される場合にもパワーモジュール２３を保護することができる。
　また、パワーモジュール２３の絶縁耐電圧がコンデンサ１２の静電容量Ｃ３と絶縁シート１０の寄生容量Ｃ２で決まることから、モジュール内絶縁シート２の絶縁耐電圧に左右されることを抑制できる。
　なお、鉄道車両の絶縁耐電圧試験には交流電圧の耐圧試験と直流電圧の耐圧試験があるため、直流電圧が印加される場合、抵抗器をパワーモジュールユニット２４に配置することができず、静電放電の放電ルートがなければ、パワーモジュール２３が破壊される恐れがある。パワーモジュール２３が破壊される恐れを抑制するために、コンデンサ１２だけでなく抵抗器１３ａも必要である。また、抵抗器１３ａをなくし、電気的に直列となるモジュールベースプレート３と、ヒートシンク１１との間に絶縁耐電圧試験を満足する抵抗器１３を追加することで、静電容量Ｃ３および寄生容量Ｃ１に蓄えた電荷を放電することができる。
　これにより、鉄道車両向けの高耐電圧かつ高価なパワーモジュールではなく、従来より絶縁耐圧が低くより安価なパワーモジュールを使用することが可能となる。よって、製品の製造コストを抑えるとともに小型化を図ることができる。また、追加ベースプレート４の面積が、モジュールベースプレート３の面積より大きくなるので、追加ベースプレート４がヒートスプレッダとして機能する。これにより、パワーモジュール２３の放熱性が向上する。なお、絶縁シート１０と追加ベースプレート４を数枚重ねたり、組み合わせたりすることで上記と同じ効果が得られる。
　＜実施の形態２＞
　次に、実施の形態２に係るパワーモジュール装置について説明する。図１０は、実施の形態２に係るパワーモジュール装置の断面図である。図１１は、実施の形態２に係るパワーモジュール装置が備えるプリント基板４３の取り付け構造の断面図である。図１２は、実施の形態２に係るパワーモジュール装置が備えるプリント基板４３の平面図である。図１３は、実施の形態２に係るパワーモジュール装置が備える固定用パーツ５２の斜視図である。なお、実施の形態２において、実施の形態１で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。
　図１０に示すように、実施の形態２では、実施の形態１に対してコンデンサ１２がプリント基板４３に置き換えられている。
　図１１に示すように、プリント基板４３は、表面である部品面４１と裏面であるはんだ面４２とを備えている。プリント基板４３の部品面４１の一部に銅箔パターン４８が貼り付けられ、エッチングされている。プリント基板４３のはんだ面４２の一部に銅箔パターン４９が貼り付けられ、エッチングされている。
　プリント基板４３は、導電性を有する固定用パーツ５２，５３を用いて配線導体１およびモジュールベースプレート３に固定される。なお、固定用パーツ５２，５３は同じ構造である。図１１～図１３に示すように、銅箔パターン４８の一端部にネジ貫通穴４６が形成され、ネジ５０が固定用パーツ５２の一端部のネジ貫通穴５８とネジ貫通穴４６とを貫通してナット５５に締結されることで、固定用パーツ５２の一端部がプリント基板４３に固定されている。
　ネジ５０の頭部とはんだ面４２に貼り付けられた銅箔パターン４９との間には、要求される絶縁耐電圧を満足する絶縁距離が確保されている。
　図１０～図１３に示すように、配線導体１の一端部にもネジ貫通穴が形成され、ネジ４４が固定用パーツ５２の他端部のネジ貫通穴５７と配線導体１のネジ貫通穴とを貫通してナット５４に締結されることで、固定用パーツ５２の他端部が配線導体１に固定されている。これにより、プリント基板４３および配線導体１は固定用パーツ５２を介して固定されている。
　図１１と図１２に示すように、銅箔パターン４９の一端部にネジ貫通穴４７が形成され、ネジ５１が固定用パーツ５３の一端部のネジ貫通穴５７とネジ貫通穴４７とを貫通してナット５６に締結されることで、固定用パーツ５３の一端部がプリント基板４３に固定されている。ネジ５１の頭部と部品面４１に貼り付けられた銅箔パターン４８との間には、要求される絶縁耐電圧を満足する絶縁距離が確保されている。
　図１０と図１３に示すように、ネジ５が固定用パーツ５３の他端部のネジ貫通穴５８とスペーサ７とを貫通してモジュールベースプレート３に締結されることで、固定用パーツ５３の他端部がモジュールベースプレート３に固定されている。これにより、プリント基板４３およびパワーモジュール２３は固定用パーツ５３を介して固定されている。
　次に、実施の形態２に係るパワーモジュール２３の耐電圧構造の作用および効果について、図８、図１０および図１１を用いて説明する。
　実施の形態１の場合と同様に、図８、図１０および図１１に示すように、絶縁シート１０を介して追加ベースプレート４とヒートシンク１１とが絶縁されているため、寄生容量Ｃ２が存在している。図１１に示すように、部品面４１に貼り付けられた銅箔パターン４８とはんだ面４２に貼り付けられた銅箔パターン４９とをプリント基板４３の絶縁層４３ａを介して寄生容量が存在している。ここで、プリント基板４３の寄生容量をＣ３とする。プリント基板４３の絶縁層４３ａの面積をＳｐとし、部品面４１に貼り付けられた銅箔パターン４８とはんだ面４２に貼り付けられた銅箔パターン４９との間の距離をｄｐとし、絶縁層４３ａの誘電率をεspとしたとき、式（７）が成り立つ。ε0は真空の誘電率で８．８５５×１０-12である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　プリント基板４３の寄生容量Ｃ３は、絶縁シート１０の寄生容量Ｃ２とモジュール内絶縁シート２の寄生容量Ｃ１との差より大きいものが選定される。例えば、パワーモジュール２３の寄生容量Ｃ１＝１００ｐＦとし、絶縁シート１０の寄生容量Ｃ２＝１０００ｐＦとし、プリント基板４３の比誘電率を５とし、プリント基板４３の部品面４１とはんだ面４２の距離を１ｍｍとした場合、空気の誘電率が８．８５５×１０-12であるため、プリント基板４３の寄生容量Ｃ３は式（８）および式（９）を満足する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
　式（８）および式（９）によって、式（１０）が成り立つ。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
　仮に、ｄｐ＝０．５ｍｍ、ｓｐ＝１００ｃｍ-2の場合、式（１０）により、銅箔パターン４８，４９が１０ｃｍ×１０ｃｍ、すなわち、銅箔パターン４８，４９の面積が１００ｃｍ2であれば、プリント基板４３の寄生容量Ｃ３は９００ｐＦになる。
　このような構造を採用することで、配線導体１を介してパワーモジュール２３とヒートシンク１１の両端に高電圧が印加されるときに、プリント基板４３の寄生容量Ｃ３とモジュール内絶縁シート２の寄生容量Ｃ１との合成寄生容量Ｃ１＋Ｃ３と絶縁シート１０の寄生容量Ｃ２で分圧されるため、パワーモジュール２３を絶縁破壊電圧から保護することが可能である。
　さらに、プリント基板４３の寄生容量Ｃ３を大きくすることにより、パワーモジュールユニット２４の両端に印加される電圧がパワーモジュール２３の絶縁耐電圧の２倍または３倍以上の場合においてもパワーモジュール２３を絶縁破壊から保護することが可能となる。
　実施の形態１の場合と同様に、抵抗器１３は、プリント基板４３と電気的に並列、もしくは、絶縁シート１０と電気的に並列に、モジュールベースプレート３と、ヒートシンク１１との間に電気的に接続されている。なお、抵抗器１３の抵抗値Ｒｄは実施の形態１の場合と同様に選定される。
　また、抵抗器１３の本体部はヒートシンク１１に熱的および機械的に固定されている。そうすることで抵抗器１３の放熱性が向上するため、抵抗器１３の電力定格を短時間定格で設計すればよく、抵抗器１３を小型化することができる。抵抗器１３として一般的に市販されているものを使用することができる。例えば、メタルクラッド抵抗器の外装およびその内部の本体部の耐電圧は、３０００Ｖ以上４５００Ｖ以下であり、市場流通量も大きい。そのため、メタルクラッド抵抗器は抵抗器１３として使用することができる。ここで、電気的に並列となる静電容量または寄生容量を有する部材はプリント基板４３である。
　以上のように、実施の形態２に係るパワーモジュール装置では、配線導体１とモジュールベースプレート３との間にプリント基板４３が電気的に接続されたため、プリント基板４３の寄生容量Ｃ３を利用し、パワーモジュール２３の定格絶縁耐電圧を超過した電圧がパワーモジュール２３に印加される場合にもパワーモジュール２３を保護することができる。
　また、パワーモジュール２３の絶縁耐電圧がプリント基板４３の寄生容量Ｃ３と絶縁シート１０の寄生容量Ｃ２で決まることから、パワーモジュール２３のモジュール内絶縁シート２の絶縁耐電圧に左右されることを抑制できる。
　なお、鉄道車両の絶縁耐電圧試験には交流電圧の耐圧試験と直流電圧の耐圧試験があるため、直流電圧が印加される場合、抵抗器をパワーモジュールユニット２４に配置することができず、静電放電の放電ルートがなければ、パワーモジュール２３が破壊される恐れがある。パワーモジュール２３が破壊される恐れを抑制するために、抵抗器１３が必要である。
　これにより、鉄道車両向けの高耐電圧かつ高価なパワーモジュールではなく、従来より絶縁耐圧が低くより安価なパワーモジュールを使用することが可能となる。よって、製品の製造コストを抑えるとともに小型化を図ることができる。また、追加ベースプレート４の面積が、モジュールベースプレート３の面積より大きくなるので、追加ベースプレート４がヒートスプレッダとして機能する。これにより、パワーモジュール２３の放熱性が向上する。
　＜実施の形態３＞
　次に、実施の形態３に係るパワーモジュール装置について説明する。図１４は、実施の形態３に係るパワーモジュール装置の断面図である。なお、実施の形態３において、実施の形態１，２で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。
　図１４に示すように、実施の形態３では、実施の形態１に対してコンデンサ１２を絶縁材料６３に置き換えられている。
　実施の形態１の場合と同様に、絶縁シート１０を介して追加ベースプレート４とヒートシンク１１とが絶縁されているため、絶縁シート１０の寄生容量Ｃ２が存在している。実施の形態３では、パワーモジュールユニット２４は、配線導体１に替えて配線導体６１を備え、追加ベースプレート４に替えて追加ベースプレート６２を備えている。配線導体６１の一端部の厚みは厚く形成され、追加ベースプレート６２の一端部の厚みも厚く形成されている。配線導体６１の厚くした部分と追加ベースプレート６２の厚くした部分との間に絶縁材料６３が配置され、これらは接着剤で固定されている。
　図８と図１４に示すように、配線導体６１の厚くした部分と追加ベースプレート６２の厚くした部分との間に絶縁材料６３の寄生容量Ｃ３が存在している。
　絶縁材料６３の寄生容量Ｃ３が、絶縁シート１０の寄生容量Ｃ２とモジュール内絶縁シート２の寄生容量Ｃ１との差より大きい絶縁材料６３を選定する。例えば、モジュール内絶縁シート２の寄生容量Ｃ１＝１００ｐＦとし、絶縁シート１０の寄生容量Ｃ２＝１０００ｐＦとし、絶縁材料６３の比誘電率を５とし、配線導体６１の厚くした部分と追加ベースプレート６２の厚くした部分との距離を１ｍｍとした場合、空気の誘電率が８．８５×１０-12であるため、絶縁材料６３の寄生容量Ｃ３は式（８）および式（９）を満足する。
　式（８）および式（９）によって、式（１０）が成り立つ。
　仮に、ｄｐ＝０．５ｍｍ、ｓｐ＝１００ｃｍ-2の場合、式（１０）により、配線導体６１の厚くした部分と追加ベースプレート６２の厚くした部分の面積が１００ｃｍ2であれば、絶縁材料６３の寄生容量Ｃ３は９００ｐＦになる。
　このような構造を採用することで、配線導体６１を介してパワーモジュール２３とヒートシンク１１の両端に高電圧が印加されるときに、絶縁材料６３の寄生容量Ｃ３とモジュール内絶縁シート２の寄生容量Ｃ１との合成寄生容量Ｃ１＋Ｃ３と絶縁シート１０の寄生容量Ｃ２で分圧されるため、パワーモジュール２３を絶縁破壊電圧から保護することが可能である。
　さらに、絶縁材料６３の寄生容量Ｃ３を大きくすることにより、パワーモジュールユニット２４の両端に印加される電圧がパワーモジュール２３の絶縁耐電圧の２倍または３倍以上の場合においてもパワーモジュール２３を絶縁破壊から保護することが可能となる。
　実施の形態１の場合と同様に、抵抗器１３は、絶縁材料６３と電気的に並列、もしくは、絶縁シート１０と電気的に並列に、モジュールベースプレート３と、ヒートシンク１１との間に接続されている。なお、抵抗器１３の抵抗値Ｒｄは実施の形態１の場合と同様に選定される。
　また、抵抗器１３の本体部はヒートシンク１１に熱的および機械的に固定されている。そうすることで抵抗器１３の放熱性が向上するため、抵抗器１３の電力定格を短時間定格で設計すればよく、抵抗器１３を小型化することができる。抵抗器１３として一般的に市販されているものを使用することができる。例えば、メタルクラッド抵抗器の外装およびその内部の本体部の耐電圧は、３０００Ｖ以上４５００Ｖ以下であり、市場流通量も大きい。そのため、メタルクラッド抵抗器は抵抗器１３として使用することができる。ここで、電気的に並列となる静電容量または寄生容量を有する部材は絶縁材料６３である。
　以上のように、実施の形態３に係るパワーモジュール２３の耐電圧構造では、配線導体１とモジュールベースプレート３との間に絶縁材料６３が接続されたため、絶縁材料６３の寄生容量Ｃ３を利用し、パワーモジュール２３の定格絶縁耐電圧を超過した電圧がパワーモジュール２３に印加される場合にもパワーモジュール２３を保護することができる。
　また、パワーモジュール２３の絶縁耐電圧が絶縁材料６３の寄生容量Ｃ３と絶縁シート１０の寄生容量Ｃ２で決まることから、パワーモジュール２３のモジュール内絶縁シート２の絶縁耐電圧に左右されることを抑制できる。
　なお、鉄道車両の絶縁耐電圧試験には交流電圧の耐圧試験と直流電圧の耐圧試験があるため、直流電圧が印加される場合、抵抗器をパワーモジュールユニット２４に配置することができず、静電放電の放電ルートがなければ、パワーモジュール２３が破壊される恐れがある。パワーモジュール２３が破壊される恐れを抑制するために、抵抗器１３が必要である。
　これにより、鉄道車両向けの高耐電圧かつ高価なパワーモジュールではなく、従来より絶縁耐圧が低くより安価なパワーモジュールを使用することが可能となる。よって、製品の製造コストを抑えるとともに小型化を図ることができる。また、追加ベースプレート４の面積が、モジュールベースプレート３の面積より大きくなるので、追加ベースプレート４がヒートスプレッダとして機能する。これにより、パワーモジュール２３の放熱性が向上する。
　＜実施の形態４＞
　次に、実施の形態４に係るパワーモジュール装置について説明する。図１５は、実施の形態４に係るパワーモジュール装置の断面図である。図１６は、実施の形態４に係るパワーモジュール装置が備える抵抗器７１の斜視図である。図１７は、実施の形態４に係るパワーモジュール装置が備える抵抗器７２の斜視図である。図１８は、モジュール内絶縁シート２の寄生容量Ｃ１と絶縁シート１０の寄生容量Ｃ２と抵抗器７１の抵抗値Ｒ７１と抵抗器７２の抵抗値Ｒ７２の概略図である。図１９は、図１８を説明するための説明図である。なお、実施の形態４において、実施の形態１～３で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。
　図１５に示すように、実施の形態４では、実施の形態１に対してコンデンサ１２が抵抗器７１に置き換えられている。また、抵抗器７１に対して、電気的に直列となるモジュールベースプレート３と、ヒートシンク１１との間に抵抗器７２を追加する。
　図１５と図１６に示すように、抵抗器７１は、配線導体１とモジュールベースプレート３との間に接続されている。抵抗器７１は、本体部７３ａ、一端７４ｂおよび他端７４ｃを備えている。抵抗器７１の一端７４ｂと配線導体１とは電気的に接続されている。抵抗器７１の他端７４ｃとモジュールベースプレート３とは電気的に接続されている。
　図１５と図１７に示すように、抵抗器７２は、モジュールベースプレート３とヒートシンク１１との間に接続されている。抵抗器７２は、本体部７５ａ、一端７６ｂおよび他端７６ｃを備えている。抵抗器７２の一端７６ｂとモジュールベースプレート３とは電気的に接続されている。抵抗器７２の他端７６ｃとヒートシンク１１とは電気的に接続されている。なお、抵抗器７１が第１抵抗器に相当し、抵抗器７２が第２抵抗器に相当する。
　抵抗器７１および抵抗器７２を放熱させるために抵抗器７１の本体部７３ａおよび抵抗器７２の本体部７５aがヒートシンク１１の上に熱的および機械的に固定されている。さらに、抵抗器７１と抵抗器７２とパワーモジュール２３とは要求絶縁距離を満足する距離でヒートシンク１１の上に置かれている。
　実施の形態１の場合と同様に、図１５～図１９に示すように、絶縁シート１０を介して追加ベースプレート４とヒートシンク１１とが絶縁されているため、寄生容量Ｃ２が存在している。パワーモジュール内絶縁シートを介して導体とモジュールベースプレートとが絶縁されているため、寄生容量Ｃ１が存在している。
　仮に、寄生容量Ｃ１を５００ｐＦとし、寄生容量Ｃ２を１０００ｐＦとした場合、モジュール内絶縁シート２のインピーダンスをＲｚとする。Ｒｚ＝１／２πｆＣ、また、仮に絶縁耐圧試験の周波数を６０Ｈｚとする。
　よって、Ｒｚ＝１／（２π×６０Ｈｚ×５００×１０-12Ｆ）＝５．３ＭΩとなる。また、抵抗器７１の抵抗値Ｒ７１および抵抗器７２の抵抗値Ｒ７２として５．３ＭΩ未満の抵抗値を選定する。
　例えば、３９００Ｖの外部高電圧がパワーモジュールユニット２４に印加された際、抵抗器７１の抵抗値Ｒ７１および抵抗器７２の抵抗値Ｒ７２を５０ｋΩとした場合、仮に、抵抗器７１および抵抗器７２に３９００Ｖが印加されたとすると、抵抗器７１および抵抗器７２にかかる電力Ｐ＝Ｖ2／（Ｒ７１＋Ｒ７２）＝３９００2Ｖ／（５０ｋΩ＋５０ｋΩ）＝１５２Ｗとなる。抵抗器７１および抵抗器７２に各７６Ｗがかかる。絶縁耐圧試験中に抵抗器７１および抵抗器７２からかなりの熱が発生するため、抵抗器７１および抵抗器７２を金属製にし、ヒートシンク１１の上に置くことで抵抗器７１および抵抗器７２の熱が発散できる。
　上記の場合、抵抗器７１および抵抗器７２の定格電力として７６Ｗ以上、かつ絶縁耐電圧試験で必要とされる絶縁耐電圧以上の絶縁耐電圧を有する抵抗器を選定する。また、抵抗器７１および抵抗器７２の発熱を考慮し、抵抗器７１および抵抗器７２の定格電力を決定する。パワーモジュール装置に外部から印加される高電圧は雷サージ等、極めて短時間の印加である。また、絶縁耐電圧試験は一般的に１分間で行われるため、抵抗器７１および抵抗器７２は１分間の過負荷（過電力）に耐えることができればよい。抵抗器をヒートシンクに熱的に結合することで抵抗器の放熱性が向上し、また、抵抗器に印加する電圧は極めて短時間であるため、抵抗器１３ａの定格電力を実際抵抗器の消費電力で設計すればよく、抵抗器を小型化することができる。なお、パワーモジュール装置の定常使用時に、抵抗器に印加される電圧は、絶縁耐電圧試験時より十分に低い電圧であるから、抵抗器の定常時の消費電力は僅少となり、問題はない。
　例えば、メタルクラッド抵抗器の外装およびその内部の本体部の耐電圧は、３０００Ｖ以上４５００Ｖ以下であり、市場流通量も大きい。そのため、メタルクラッド抵抗器は抵抗器７１，７２として使用することができる。メタルクラッド抵抗器の外装の例としては、図１６に示している。
　以上のように、実施の形態４に係るパワーモジュール装置では、配線導体１とモジュールベースプレート３との間に抵抗器７１が接続され、モジュールベースプレート３とヒートシンク１１との間に抵抗器７２が接続されたため、抵抗器７１および抵抗器７２の抵抗分圧を利用し、パワーモジュール２３の定格絶縁耐電圧を超過した電圧がパワーモジュール２３に印加される場合にもパワーモジュール２３を保護することができる。
　また、パワーモジュール２３の絶縁耐電圧が抵抗器７１と抵抗器７２で決まることから、パワーモジュール２３のモジュール内絶縁シート２の絶縁耐電圧に左右されることを抑制できる。これにより、鉄道車両向けの高耐電圧かつ高価なパワーモジュールではなく、従来よりも絶縁耐圧が低くより安価なパワーモジュールを使用することが可能となる。よって、製品の製造コストを抑えるとともに小型化を図ることができる。また、追加ベースプレート４の面積が、モジュールベースプレート３の面積より大きくなるので、追加ベースプレート４がヒートスプレッダとして機能する。これにより、パワーモジュール２３の放熱性が向上する。また、抵抗分圧を利用しているため、絶縁耐圧試験が直流電圧に変わったとしても、上記と同じ効果を得られる。
　＜実施の形態５＞
　次に、実施の形態５に係るパワーモジュール装置について説明する。図２０は、実施の形態５に係るパワーモジュール装置が備えるプリント基板８１の平面図である。図２１は、実施の形態５に係るパワーモジュール装置の断面図である。図２２は、実施の形態５に係るパワーモジュール装置の他の例の断面図である。なお、実施の形態５において、実施の形態１～４で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。
　図２１，２２に示すように、実施の形態１の場合と同様に、絶縁シート１０を介して追加ベースプレート４とヒートシンク１１とが絶縁されているため、絶縁シート１０の寄生容量Ｃ２が存在している。実施の形態５では、実施の形態１に対して配線導体１がプリント基板８１に置き換えられている。
　図２０に示すように、プリント基板８１の部品面８２の一方側に銅箔パターン８２ａが貼り付けられ、エッチングされている。プリント基板８１の部品面８２の一方側と距離を隔てた他方側に銅箔パターン８２ｂが貼り付けられ、エッチングされている。銅箔パターン８２ａと銅箔パターン８２ｂとの間にコンデンサ８４が実装されている。
　コンデンサ８４は、本体部８４ａ、一端８４ｂおよび他端８４ｃを備えている。コンデンサ８４の一端８４ｂは銅箔パターン８２ａに電気的に接続されている。コンデンサ８４の他端８４ｃは銅箔パターン８２ｂに電気的に接続されている。プリント基板８１の銅箔パターン８２ａは、モジュール端子２２に電気的に接続され、モジュール端子２２を介してチップ２７に電力を供給する。なお、銅箔パターン８２ａが第１銅箔パターンに相当し、銅箔パターン８２ｂが第２銅箔パターンに相当する。
　図２０と図２１に示すように、プリント基板８１の銅箔パターン８２ａは、銅箔パターン８２ａに形成されたネジ貫通穴８３ａに通したネジ５をモジュール端子２２に締結することで、パワーモジュール２３に電気的および機械的に固定されている。プリント基板８１の銅箔パターン８２ｂは、銅箔パターン８２ｂに形成されたネジ貫通穴８３ｂに通した六角スペーサ８７をモジュールベースプレート３を介して追加ベースプレート４に締結することで、追加ベースプレート４に電気的および機械的に接続されている。このような構造を採用することで、耐振動性もさらに強化される。
　また、このような構造を採用することで、プリント基板８１の銅箔パターン８２ａを介してパワーモジュール２３とヒートシンク１１の両端に高電圧が印加されるときに、コンデンサ８４の静電容量Ｃ３とモジュール内絶縁シート２の寄生容量Ｃ１との合成寄生容量Ｃ１＋Ｃ３と絶縁シート１０の寄生容量Ｃ２で分圧されるため、パワーモジュール２３を絶縁破壊電圧から保護することが可能である。
　さらに、コンデンサ８４の静電容量Ｃ３を大きくすることにより、パワーモジュールユニット２４の両端に印加される電圧がパワーモジュール２３の絶縁耐電圧の２倍または３倍以上の場合においてもパワーモジュール２３を絶縁破壊から保護することが可能となる。
　実施の形態１の場合と同様に、抵抗器１３ａは、図２１に示すように、コンデンサ８４の静電容量Ｃ３と電気的に並列、もしくは、図２２に示すように、抵抗器１３ａをなくし、抵抗器１３は、絶縁シート１０と電気的に並列に、モジュールベースプレート３と、ヒートシンク１１との間に接続されている。
　なお、抵抗器１３ａ，１３の抵抗値Ｒｄは実施の形態１の場合と同様に選定される。また、抵抗器１３ａ，１３の本体部はヒートシンク１１に熱的および機械的に固定されている。そうすることで抵抗器１３ａ，１３の放熱性が向上するため、抵抗器１３ａ，１３の電力定格は短時間定格で設計すればよく、抵抗器１３ａ，１３を小型化することができる。抵抗器１３ａ，１３として一般的に市販されているものを使用することができる。例えば、メタルクラッド抵抗器の外装およびその内部の本体部の耐電圧は、３０００Ｖ以上４５００Ｖ以下であり、市場流通量も大きい。そのため、メタルクラッド抵抗器は抵抗器１３ａ，１３として使用することができる。
　また、抵抗器１３と抵抗器１３ａとを配置することもでき、この場合同じ効果が得られる。ここで、電気的に並列となる静電容量または寄生容量を有する部材はコンデンサ８４である。
　以上のように、実施の形態５に係るパワーモジュール装置では、プリント基板８１の銅箔パターン８２ａはモジュール端子２２と電気的および機械的に接続され、プリント基板８１の銅箔パターン８２ｂはモジュールベースプレート３と電気的および機械的に接続され、銅箔パターン８２ａと銅箔パターン８２ｂとの間にコンデンサ８４が接続されたため、コンデンサ８４の静電容量Ｃ３を利用し、パワーモジュール２３の定格絶縁耐電圧を超過した電圧がパワーモジュール２３に印加される場合にもパワーモジュール２３を保護することができる。
　また、パワーモジュール２３の絶縁耐電圧がコンデンサ８４の静電容量Ｃ３と絶縁シート１０の寄生容量Ｃ２で決まることから、パワーモジュール２３のモジュール内絶縁シート２の絶縁耐電圧に左右されることを抑制できる。
　なお、鉄道車両の絶縁耐電圧試験には交流電圧の耐圧試験と直流電圧の耐圧試験があるため、直流電圧が印加される場合、抵抗器をパワーモジュールユニット２４に配置することができず、静電放電の放電ルートがなければ、パワーモジュール２３が破壊される恐れがある。パワーモジュール２３が破壊される恐れを抑制するために、コンデンサ８４だけでなく抵抗器１３も必要である。
　これにより、鉄道車両向けの高耐電圧かつ高価なパワーモジュールではなく、従来より絶縁耐圧が低くより安価なパワーモジュールを使用することが可能となる。よって、製品の製造コストを抑えるとともに小型化を図ることができる。また、追加ベースプレート４の面積が、モジュールベースプレート３の面積より大きくなるので、追加ベースプレート４がヒートスプレッダとして機能する。これにより、パワーモジュール２３の放熱性が向上する。
　この発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての局面において、例示であって、この発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。
　なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
　１　配線導体、２　モジュール内絶縁シート、３　モジュールベースプレート、４　追加ベースプレート、１０　絶縁シート、１１　ヒートシンク、１２　コンデンサ、１３，１３ａ　抵抗器、２２　モジュール端子、２３　パワーモジュール、４３　プリント基板、６３　絶縁材料、７１，７２　抵抗器、８１　プリント基板、８２ａ，８２ｂ　銅箔パターン、８４　コンデンサ。

Claims (6)

  1. 　モジュール内絶縁シートとモジュールベースプレートとモジュール端子とを有するパワーモジュールと、
    　前記モジュール端子に電力を供給する配線導体と、
    　前記パワーモジュールで発生した熱を放熱するヒートシンクと、
    　前記モジュールベースプレートと前記ヒートシンクとの間に配置され、かつ、前記モジュールベースプレートと前記ヒートシンクとを絶縁する絶縁シートと、
    　前記配線導体と前記モジュールベースプレートとの間に接続された静電容量または寄生容量を有する部材と、
    　前記静電容量または寄生容量を有する部材と電気的に並列、もしくは、前記絶縁シートと電気的に並列に、前記モジュールベースプレートと、前記ヒートシンクとの間に接続され、かつ、熱的および機械的に前記ヒートシンクに固定された抵抗器と、
    　を備え、
    　前記モジュール内絶縁シートの寄生容量と前記静電容量または寄生容量を有する部材の静電容量または寄生容量は並列接続され、前記モジュール内絶縁シートの寄生容量と前記絶縁シートの寄生容量は直列接続され、前記静電容量または寄生容量を有する部材の静電容量または寄生容量と前記絶縁シートの寄生容量は直列接続され、前記抵抗器は前記モジュール内絶縁シートの寄生容量と並列、もしくは、前記絶縁シートの寄生容量と並列に接続された、パワーモジュール装置。
  2. 　前記静電容量または寄生容量を有する部材はコンデンサであり、
    　前記コンデンサは静電容量を有する、請求項１に記載のパワーモジュール装置。
  3. 　前記静電容量または寄生容量を有する部材はプリント基板であり、
    　前記プリント基板は寄生容量を有する、請求項１に記載のパワーモジュール装置。
  4. 　前記静電容量または寄生容量を有する部材は絶縁材料であり、
    　前記絶縁材料は寄生容量を有する、請求項１に記載のパワーモジュール装置。
  5. 　モジュール内絶縁シートとモジュールベースプレートとモジュール端子とを有するパワーモジュールと、
    　前記モジュール端子に電力を供給する配線導体と、
    　前記パワーモジュールで発生した熱を放熱するヒートシンクと、
    　前記モジュールベースプレートと前記ヒートシンクとの間に配置され、かつ、前記モジュールベースプレートと前記ヒートシンクとを絶縁する絶縁シートと、
    　前記配線導体と前記モジュールベースプレートとの間に接続され、かつ、熱的および機械的に前記ヒートシンクに固定された第１抵抗器と、
    　前記モジュールベースプレートと前記ヒートシンクとの間に接続され、かつ、熱的および機械的に前記ヒートシンクに固定された第２抵抗器と、
    　を備え、
    　前記モジュール内絶縁シートの寄生容量と前記第１抵抗器は並列接続され、前記モジュール内絶縁シートの寄生容量と前記絶縁シートの寄生容量は直列接続され、前記第２抵抗器と前記絶縁シートの寄生容量は並列接続された、パワーモジュール装置。
  6. 　モジュール内絶縁シートとモジュールベースプレートとモジュール端子とを有するパワーモジュールと、
    　前記モジュール端子と電気的および機械的に接続された第１銅箔パターンと、前記モジュールベースプレートと電気的および機械的に接続された第２銅箔パターンとを有するプリント基板と、
    　前記パワーモジュールで発生した熱を放熱するヒートシンクと、
    　前記モジュールベースプレートと前記ヒートシンクとの間に配置され、かつ、前記モジュールベースプレートと前記ヒートシンクとを絶縁する絶縁シートと、
    　前記第１銅箔パターンと前記第２銅箔パターンとの間に接続されたコンデンサと、
    　前記コンデンサと電気的に並列、もしくは、前記絶縁シートと電気的に並列に、前記モジュールベースプレートと、前記ヒートシンクとの間に接続され、かつ、熱的および機械的に前記ヒートシンクに固定された抵抗器と、
    　を備え、
    　前記モジュール内絶縁シートの寄生容量と前記コンデンサの静電容量は並列接続され、前記モジュール内絶縁シートの寄生容量と前記絶縁シートの寄生容量は直列接続され、前記コンデンサの静電容量と前記絶縁シートの寄生容量は直列接続され、前記抵抗器は前記モジュール内絶縁シートの寄生容量と並列、もしくは、前記絶縁シートの寄生容量と並列に接続された、パワーモジュール装置。
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