JP4815933B2

JP4815933B2 - Semiconductor power module.

Info

Publication number: JP4815933B2
Application number: JP2005223770A
Authority: JP
Inventors: 啓輔山城; 道雄岩堀
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2005-08-02
Filing date: 2005-08-02
Publication date: 2011-11-16
Anticipated expiration: 2025-08-02
Also published as: JP2007043797A

Description

この発明は、パワー半導体のスイッチング時に放出される放射ノイズを低減することを目的に、ノイズ電流が流れる回路にインピーダンスを追加または付加した半導体パワーモジュールに関する。 The present invention relates to a semiconductor power module in which impedance is added to or added to a circuit through which a noise current flows for the purpose of reducing radiation noise emitted during switching of a power semiconductor.

近年、ＥＭＣ（電磁的適合性または電磁両立性）規制が厳しくなる中、汎用インバータを始め、様々な産業機器で放射ノイズの低減が技術課題となっている。特に、これらの主部品であるパワー半導体、およびこれらを搭載したパワーモジュールがスイッチングすることにより発生する放射ノイズの低減については、対策が必要とされている。
その対策の１つとして、フェライトコアの挿入が挙げられ、例えば特許文献１に開示されている。 In recent years, while EMC (electromagnetic compatibility or electromagnetic compatibility) regulations have become stricter, reduction of radiated noise has become a technical issue in various industrial devices including general-purpose inverters. In particular, countermeasures are required for reducing radiation noise generated by switching power semiconductors, which are these main components, and power modules equipped with these power semiconductors.
One countermeasure is the insertion of a ferrite core, which is disclosed in Patent Document 1, for example.

その他、具体的なノイズ低減対策として、例えば以下のようなものがある。
１）チップと接続端子間をつなぐ電極に、ノイズ吸収剤として磁性材料（フェライト）のコアを挿入する、また、パッケージ内部に封入しているゲル材に磁性粉末を混入するもの（例えば特許文献２参照）。
２）全ての入出力配線、端子がノイズ吸収用磁性材を貫通させるようにすることでインダクタンスを発生させ、ノイズを低減させるもの（例えば特許文献３参照）。
３）ターンオフ時の電流振動を抑制するため、高周波損失素子を挿入するもの（例えば特許文献４参照）。 Other specific noise reduction measures include, for example, the following.
1) Inserting a core of magnetic material (ferrite) as a noise absorber into an electrode connecting a chip and a connection terminal, and mixing magnetic powder in a gel material enclosed in a package (for example, Patent Document 2) reference).
2) Inductance is generated by allowing all input / output wirings and terminals to pass through a magnetic material for absorbing noise, thereby reducing noise (see, for example, Patent Document 3).
3) A high-frequency loss element is inserted to suppress current oscillation during turn-off (see, for example, Patent Document 4).

特開平０９−１８５５９４号公報JP 09-185594 A 特開２００４−２０７４３２号公報JP 2004-207432 A 特開平０５−２９１７８３号公報Japanese Patent Laid-Open No. 05-291784 特開２００１−１８５６７９号公報JP 2001-185679 A

上記いずれのものも、“どこから発生するノイズについて、どの周波数帯をどのように低減するか”が明確でない。以下に、その詳細を説明する。
まず、“どこから発生するノイズか”という点について、特許文献２では、ノイズ発生のメカニズムとして、パワー半導体のスイッチングにより発生し、アンテナとなる部材を介して外部に放出されると考えられている。この考え方に基づき、特許文献２においては、アンテナとなりそうな部位（入出力端子，ゲル，パッケージなど）にフェライトコアや、磁性粉末コンパウンドのゲルおよび筺体などを用いている。しかし、アンテナと考える部位は、金属を使用している部分の殆ど全てが該当するため、磁性材料を多用することになり、不要な部分へ適用している可能性が高い。さらには、特許文献２のように、ケース内のゲル封止材に磁性粉末を含むと、絶縁性能が低下するため実用的でない。 In any of the above, it is not clear which frequency band and how to reduce noise generated from where. The details will be described below.
First, regarding the point of “where noise is generated”, in Patent Document 2, it is considered that noise is generated by switching of a power semiconductor as a mechanism of noise generation and is emitted to the outside through a member serving as an antenna. Based on this concept, in Patent Document 2, a ferrite core, a gel and a casing of a magnetic powder compound, or the like is used for a portion (input / output terminal, gel, package, etc.) that is likely to be an antenna. However, since almost all of the part using the metal corresponds to the part considered as an antenna, a magnetic material is frequently used, and there is a high possibility that it is applied to an unnecessary part. Furthermore, as in Patent Document 2, if the gel sealing material in the case contains magnetic powder, the insulation performance is lowered, which is not practical.

次に、“どの周波数帯のノイズか”という点についてであるが、上記いずれの文献も「どの周波数帯でノイズを低減するのか」明らかでない。放射ノイズの規格範囲は３０ＭＨｚ〜１ＧＨｚ（例えばＩＥＣ６１８００−３，ＲａｄｉａｔｅｄＥｍｉｓｓｉｏｎｓ，ＰＤＳ（ＰｏｗｅｒＤｒｉｖｅＳｙｓｔｅｍ）用）であるが、どの範囲内でどの周波数のノイズを抑えるのか明らかでない。また、対象周波数によって対処の方法が異なるため、どのようなメカニズムでノイズを低減するかを明確にすべきところ、それが明確でない。
つまり、対象とする周波数によって有効な手段、すなわちインピーダンスの付加または追加の仕方が変わってくるため、どのようなインピーダンスを適用すれば良いか分からず、適した手段を選定できない。 Next, as to “which frequency band is the noise”, none of the above-mentioned documents clearly reveals “in which frequency band the noise is reduced”. The standard range of radiation noise is 30 MHz to 1 GHz (for example, for IEC61800-3, Radiated Emissions, PDS (Power Drive System)), but it is not clear in which range the noise of which frequency is suppressed. In addition, since the handling method differs depending on the target frequency, it is not clear where the noise should be clarified by what mechanism.
In other words, since effective means, that is, how to add or add impedance changes depending on the target frequency, it is not known what impedance should be applied and a suitable means cannot be selected.

最後に“どのようにノイズを低減するか”であるが、特許文献３では、磁性粉末コンパウンド樹脂を用いてインダクタンスを発生させているが、インダクタンスのみでは放射ノイズのピークはシフトするが鋭度が増すため、局部的には減少しても放射ノイズのピークは大きくなる場合もある。よって、抵抗成分が無ければ放射ノイズのレベルを全体的に低減することができない。
また、特許文献４のように、電流振動を抑制するためのフェライトコアが損失成分のみをメインとしている場合には、抵抗によってロスが非常に大きくなるため発熱源となり、パッケージ内への挿入時の弊害となって実用的でない。 Finally, “How to reduce noise”, in Patent Document 3, the magnetic powder compound resin is used to generate the inductance, but the inductance alone shifts the peak of the radiated noise, but the sharpness is increased. Therefore, the peak of the radiation noise may increase even if it decreases locally. Therefore, if there is no resistance component, the level of radiation noise cannot be reduced as a whole.
Further, as in Patent Document 4, when the ferrite core for suppressing current vibration is mainly composed of the loss component, the loss becomes very large due to the resistance, so that it becomes a heat generation source and is inserted at the time of insertion into the package. It is harmful and impractical.

したがって、この発明の課題は、放射ノイズをその発生源と周波数を特定して低減可能とすることにある。 Therefore, an object of the present invention is to make it possible to reduce radiation noise by specifying its generation source and frequency.

このような課題を解決するため、この発明では、ノイズの発生源として、モジュールとスナバのループ間で発生するノイズに特定し、このノイズの低減を図るようにする。
また、ノイズを低減したい対象周波数は、放射ノイズの規格範囲３０ＭＨｚ〜１ＧＨｚの中、多くのインバータ等の電力変換用機器で最大値を取るのは３０ＭＨｚ付近であり、この周波数で必要なインピーダンスを持つ材料を用いる。
さらに、低減するための手段としては、上記ループ回路内であって、モジュールのＰ（正極）端子とスナバとの間、ならびにＮ（負極）端子とスナバとの間にインピーダンスを追加して実現する。インピーダンス追加手段は限定せず、例えば磁性材料であるフェライトなどのコアでも良いし、抵抗やインダクタンスの電子部品でも良い。ただし、インピーダンスとして追加する際には、抵抗成分とインダクタンス成分をともに追加することが重要である。
また、多くのインバータ等の電力変換用機器で最大値を取るノイズ（周波数）に対し、必要なインピーダンス値，材料を選定し、これを前記ループ内であってモジュールのＰ側あるいはＮ側の一方に追加すればよいのであるが、前記インピーダンスを２分割し、前記ループ内であってモジュールのP側，Ｎ側に均等に追加することが望ましい。 In order to solve such a problem, in the present invention, noise generated between a module and a snubber loop is specified as a noise generation source, and the noise is reduced.
In addition, the target frequency for which noise is desired to be reduced is within the range of 30 MHz to 1 GHz of radiated noise, and power conversion devices such as many inverters have a maximum value around 30 MHz, and have a necessary impedance at this frequency. Use materials.
Further, as means for reducing, it is realized in the loop circuit by adding impedance between the P (positive electrode) terminal and the snubber of the module and between the N (negative electrode) terminal and the snubber. . The impedance adding means is not limited, and may be, for example, a core made of magnetic material such as ferrite, or an electronic component having resistance or inductance. However, when adding as an impedance, it is important to add both a resistance component and an inductance component.
In addition, a necessary impedance value and material are selected for noise (frequency) that takes the maximum value in many inverters and other power conversion devices, and this is selected in the loop on either the P side or the N side of the module. However, it is desirable to divide the impedance into two parts and add them equally to the P side and N side of the module in the loop.

以上を、可視的に説明するのが図２である。
図示のように、放射ノイズ低減の対象となる周波数、すなわち３０ＭＨｚ付近のピークをインダクタンスによって低い方へシフトさせ（矢印ａ参照）、ピーク自体を抵抗により減衰させることで（矢印ｂ参照）、対象とする周波数のノイズを単独で活用する場合よりも、さらに低減できるようにしている（矢印ｃ参照）。 FIG. 2 visually explains the above.
As shown in the figure, the target frequency of radiation noise reduction, that is, the peak in the vicinity of 30 MHz is shifted to the lower side by the inductance (see arrow a), and the peak itself is attenuated by resistance (see arrow b). The noise can be further reduced as compared with the case where the noise of the frequency to be used is used alone (see arrow c).

放射ノイズが最大になるのはほぼ３０ＭＨｚであるため、この周波数を低減すべき対象としてインピーダンスを追加する。３０ＭＨｚに放射ノイズの最大値が存在する理由は、回路条件としてスナバとモジュールのインピーダンスを合計した、インピーダンスのＬＣＲ共振周波数が３０ＭＨｚ付近に存在するからである。ＬＣＲ共振回路の例を図３に示す。
ＬＣＲ共振回路の共振周波数ｆｃは次の（１）式で示され、インダクタンスを３５〜６０ｎＨ、静電容量を７５０〜３５０ｐＦ、抵抗を０〜１０Ωの場合に、ＬＣＲ共振回路の共振周波数ｆｃが３０ＭＨｚ前後となり、この共振周波数に対応して放射ノイズのピークが発生する。
ｆｃ＝１／（２π）・√［１／（ＬＣ）−[Ｒ／（２Ｌ）]²］ …（１） Since the radiation noise is maximized at about 30 MHz, impedance is added as an object to reduce this frequency. The reason why the maximum value of radiation noise exists at 30 MHz is that the LCR resonance frequency of the impedance, which is the sum of the impedances of the snubber and the module as circuit conditions, exists in the vicinity of 30 MHz. An example of the LCR resonance circuit is shown in FIG.
The resonance frequency fc of the LCR resonance circuit is expressed by the following equation (1). When the inductance is 35 to 60 nH, the capacitance is 750 to 350 pF, and the resistance is 0 to 10Ω, the resonance frequency fc of the LCR resonance circuit is 30 MHz. Before and after, a peak of radiation noise occurs corresponding to this resonance frequency.
fc = 1 / (2π) · √ [1 / (LC) − [R / (2L)] ² ] (1)

上記の条件で、放射ノイズを−９．５ｄＢ下げるために必要な追加インピーダンス、例えば図３の抵抗ＲａｄｄとインダクタンスＬａｄｄの比は、１．８×１０⁷〜１．８×１０⁹となり、この範囲にあるものを適用することでノイズを低減することができる。なお、
フェライトコアを使用する場合には、インダクタンス（２πｆｃＬ）と抵抗（Ｒ）の比を表わす材料特性値または複素透磁率の比μ” ／μ’（ｔａｎδ：誘電正接）を用いる。その関係式は、次の（２）式のようになる。この値が上記インダクタンスと抵抗を持った場合に取り得る値として、０．１〜１０の範囲の材料を選定する。
Ｒ／（２πｆｃＬ）＝μ” ／μ’ …（２） Under the above conditions, the additional impedance required to reduce the radiation noise by −9.5 dB, for example, the ratio of the resistance Radd to the inductance Ladd in FIG. 3 is 1.8 × 10 ^{7 to} 1.8 × 10 ⁹ , and this range Noise can be reduced by applying what is in the above. In addition,
When a ferrite core is used, a material characteristic value representing a ratio of inductance (2πfcL) to resistance (R) or a complex magnetic permeability ratio μ ″ / μ ′ (tan δ: dielectric loss tangent) is used. The following equation (2) is obtained: A material in the range of 0.1 to 10 is selected as a value that can be taken when this value has the above inductance and resistance.
R / (2πfcL) = μ ″ / μ ′ (2)

次に、インピーダンスを追加または挿入する箇所であるが、半導体パワーモジュールの正，負極（ＰＮ）端子のそれぞれに均等に挿入する。ＰＮのいずれか一方にのみ追加しても効果は得られるが、ＰＮのそれぞれに均等に追加または挿入する方が、高い効果が得られることが確かめられている。例えば、Ｐにのみ配置した場合には、Ｎ側のインピーダンスが低くなるため、この経路から発生する別ループがノイズ発生要因となる可能性がある。ＰＮ均等に追加すれば、インピーダンスが低い経路を少なくできるため、同じインピーダンスを追加しても、ノイズを低減しやすい。なお、ノイズ電流を低減させるためにインピーダンスを追加する場合は、絶縁耐力が低下する原因となり得る、ゲル材や筺体内への磁性粉末コンパウンドは使用しないこととする。 Next, it is a place where an impedance is added or inserted, and it is equally inserted into each of the positive and negative (PN) terminals of the semiconductor power module. An effect can be obtained even if only one of the PNs is added, but it has been confirmed that a higher effect can be obtained by adding or inserting each PN equally. For example, when it is arranged only at P, the impedance on the N side becomes low, so another loop generated from this path may be a cause of noise generation. If the PN is added equally, the number of paths with low impedance can be reduced. Therefore, even if the same impedance is added, noise can be easily reduced. When impedance is added to reduce the noise current, no gel material or magnetic powder compound in the casing, which can cause a decrease in dielectric strength, is used.

この発明によれば、インピーダンスとしてインダクタンスと抵抗の両方の成分を、スナバとモジュール間の経路に追加（挿入）することにより、最大値をとる３０ＭＨｚ付近の周波数での放射ノイズを効果的に低減できるという利点が得られる。 According to the present invention, by adding (inserting) both inductance and resistance components as impedance to the path between the snubber and the module, it is possible to effectively reduce radiation noise at a frequency around 30 MHz, which takes the maximum value. The advantage is obtained.

図１はこの発明の実施例を示す部分回路図、図４は半導体パワーモジュールの従来例を示す回路図である。
すなわち、この発明は、図４に示すような従来回路に対し、抵抗とインダクタンスの両方を持つインピーダンスを追加（挿入）し、放射ノイズの低減化を図るものである。図１（ａ）はインピーダンスをモジュール外の経路に、図１（ｂ）はモジュール内の経路にそれぞれ追加（挿入）した場合を示すが、機能的には全く同じである。なお、図３は追加（挿入）するインピーダンスを説明するものである。 FIG. 1 is a partial circuit diagram showing an embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a circuit diagram showing a conventional example of a semiconductor power module.
That is, the present invention adds (inserts) impedance having both resistance and inductance to the conventional circuit as shown in FIG. 4 to reduce radiation noise. FIG. 1 (a) shows the case where impedance is added (inserted) to the path outside the module, and FIG. 1 (b) shows the case where the impedance is added (inserted) to the path inside the module. FIG. 3 illustrates the impedance to be added (inserted).

図１では、対象周波数を３０ＭＨｚ近傍として、トータルの追加インピーダンス（Ｚ１＋Ｚ２）のうち、インダクタンスＬａｄｄとして６０〔ｎＨ〕、抵抗Ｒａｄｄとして１．８〔Ω〕をそれぞれ追加した。インピーダンスは、半分ずつ上下に加えた（Ｚ１＝Ｚ２）。追加インピーダンスは特に限定しないが、ここではフェライトコアを用い、その材料特性値または複素透磁率の比μ” ／μ’として、０．１の材料を選定した。
この発明のようにインピーダンスを追加した場合の放射ノイズスペクトルを図５に、また、そのようなインピーダンスを追加しない場合の放射ノイズスペクトルを図６にそれぞれ示す。図５と図６との比較から、この発明のようにすると放射ノイズを９．５ｄＢほど低減できることが分かる。なお、図７は暗ノイズ波形を示す。インピーダンスを追加した場合は、暗ノイズレベルまで低減していることが確認できる。 In FIG. 1, the target frequency is set to around 30 MHz, and among the total additional impedances (Z1 + Z2), 60 [nH] as inductance Ladd and 1.8 [Ω] as resistance Radd are added. Impedance was added in half up and down (Z1 = Z2). Although there is no particular limitation on the additional impedance, a ferrite core is used here, and a material of 0.1 is selected as the material characteristic value or the complex permeability ratio μ ″ / μ ′.
FIG. 5 shows a radiation noise spectrum when impedance is added as in the present invention, and FIG. 6 shows a radiation noise spectrum when no impedance is added. From the comparison between FIG. 5 and FIG. 6, it can be seen that the radiation noise can be reduced by about 9.5 dB according to the present invention. FIG. 7 shows a dark noise waveform. When impedance is added, it can be confirmed that the level is reduced to the dark noise level.

〔比較例１〕
図１と同じ回路で、抵抗のみ１．８〔Ω〕追加したときの放射ノイズを図８に示す。図６と比べて、３０ＭＨｚで約−５ｄＢしか放射ノイズは低減しない。
〔比較例２〕
図１と同じ回路で、インダクタンスのみ６０〔ｎＨ〕追加したときの放射ノイズを図９に示す。図６と比べて、３０ＭＨｚで約−４ｄＢしか放射ノイズは低減しない。
〔比較例３〕
図１と同じ回路で、大きな抵抗約５００〔Ω〕のみ追加したときの放射ノイズを図１０に示す。図６と比べて、放射ノイズは全く低減してない。 [Comparative Example 1]
FIG. 8 shows radiation noise when only the resistor is added by 1.8 [Ω] in the same circuit as FIG. Compared to FIG. 6, the radiation noise is reduced only by about -5 dB at 30 MHz.
[Comparative Example 2]
FIG. 9 shows radiation noise when only 60 [nH] of inductance is added in the same circuit as FIG. Compared to FIG. 6, the radiation noise is reduced only by about −4 dB at 30 MHz.
[Comparative Example 3]
FIG. 10 shows radiation noise when only a large resistance of about 500 [Ω] is added in the same circuit as FIG. Compared with FIG. 6, the radiation noise is not reduced at all.

なお、上記実施例と比較例１〜３の追加インピーダンスとノイズ低減量との関係をまとめると、表１のようになる。

Table 1 summarizes the relationship between the additional impedance and the amount of noise reduction in the above example and Comparative Examples 1 to 3.

この発明の実施例を示す部分回路図Partial circuit diagram showing an embodiment of the present invention この発明の原理を可視的に説明する説明図Explanatory drawing which explains the principle of this invention visually この発明による追加インピーダンス説明図Additional impedance explanatory diagram according to the present invention 従来例を示す全体構成図Overall configuration diagram showing a conventional example この発明によるインピーダンス追加時の放射ノイズ特性図Radiation noise characteristic diagram when impedance is added according to the present invention インピーダンス未追加時の放射ノイズ特性図Radiation noise characteristics when impedance is not added この発明によるインピーダンス追加時の暗ノイズ特性図Dark noise characteristic diagram when impedance is added according to the present invention １．８Ω抵抗のみ追加時の放射ノイズ特性図Radiation noise characteristics when only 1.8Ω resistor is added インダクタンスのみ追加時の放射ノイズ特性図Radiation noise characteristics when only inductance is added ５００Ω抵抗のみ追加時の放射ノイズ特性図Radiation noise characteristics when only 500Ω resistor is added

Explanation of symbols

Ｒ１，Ｒ２，Ｒａｄｄ…抵抗、Ｌ１，Ｌ２，Ｌａｄｄ…インダクタンス、Ｚ１，Ｚ２…インピーダンス、Ｍ…ＩＧＢＴモジュール。

R1, R2, Radd ... resistance, L1, L2, Ladd ... inductance, Z1, Z2 ... impedance, M ... IGBT module.

Claims

In a semiconductor power module using a power semiconductor element,
Between the module and the snubber whose noise current is to be reduced , both the resistance and inductance components are present at a frequency in the vicinity of 30 MHz, and the resistance-to-inductance ratio is in the range of 1.8 × 10 ⁷ to 1.8 × 10 ^9. A semiconductor power module characterized by inserting an impedance having

2. The semiconductor power module according to claim 1, wherein the impedance is equally inserted into each of positive and negative terminals of the semiconductor power module connecting the snubber and the module.

When a ferrite core is used as the impedance, the complex permeability ratio (μ ″ / μ ′ = tan δ) has a value in the range of 0.1 to 10 at a frequency in the vicinity of 30 MHz. 2. The semiconductor power module according to 2.