JP5286150B2 - 電力変換用半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、小型化でき、耐ノイズ性能に優れた電力変換用半導体装置に関する。

従来から、インバータ等に用いる電力変換用半導体装置が知られている（下記特許文献１）。この電力変換用半導体装置は図１２に示すごとく、電極板９１と、絶縁板９２と、金属板９３と、パワー素子９４と、金属板９５と、絶縁板９６とを積層した構造を有しており、パワー素子９４を制御するための制御回路９７が絶縁板９６上に形成されている。制御回路９７は、パワー素子９４に過電流が流れた場合に、素子を保護するため電流を遮断する等の制御を行う。

一方の金属板９５は、パワー素子９４のエミッタ及びグランドに接続されており、他方の金属板９３は、コレクタに接続されている。制御回路９７は、グランド接続側の金属板９５の近傍に形成され、コレクタ接続側の金属板９３から離して設けられている。これは、コレクタ接続側の金属板９３から電磁ノイズが放射されるため、この電磁ノイズの影響を低減するためである。

特開２００３−１７６５８号公報

ところが、電力変換用半導体装置９０は、上述のように電極板９１〜制御回路９７を積層して形成しているため、全体のサイズが大きくなるという問題がある。そのため、より小型化できる電力変換用半導体装置が望まれている。

しかしながら小型化すると、コレクタ接続側の金属板９３と制御回路９７とが接近し、金属板９３から発生した電磁ノイズの影響を制御回路９７が受けやすくなるという問題がある。そのため、小型化でき、かつ耐ノイズ性能に優れた電力変換用半導体装置が望まれている。

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、より小型化でき、耐ノイズ性能に優れた電力変換用半導体装置を提供しようとするものである。

本発明は、所定間隔をおいて対向配置した一対の電極板と、
上記一対の電極板の間に設けられ、該一対の電極板に各々電気的に接続されたスイッチング素子と、
上記一対の電極板の間に設けられ、上記スイッチング素子を制御する制御回路が形成された制御回路基板とを備え、
上記制御回路基板は、上記一対の電極板のいずれか一方に、電磁ノイズを遮蔽する遮蔽手段を介して取り付けられ、
上記電極板に溝部が形成され、該溝部内には絶縁部材が設けられておらず、該溝部上に上記制御回路基板が配置されており、該溝部内の空間が上記遮蔽手段をなしていることを特徴とする電力変換用半導体装置にある（請求項１）。

本発明の作用効果につき説明する。本発明によると、一対の電極板の間にスイッチング素子と、制御回路基板とを設けたので、従来のように電極板９１〜制御回路９７を順次積層した構造（図１２参照）と比較して、全体の厚さを薄くすることができ、かつ小型化できる。

また、上記構成を採用すると、電磁ノイズを放射する電極板と、制御回路基板とが接近することになるが、本発明では上記遮蔽手段を設けたため、制御回路基板が電磁ノイズの影響を受けにくい。
遮蔽手段としては、制御回路基板と電極板との間に絶縁部材を設けたり、隙間（空間）をおいたりすることができる。例えば、遮蔽手段として絶縁部材を設けることにより、電極板と制御回路基板との間の間隔を広げて浮遊容量を低減することができ、電極板から放射される電磁ノイズを遮蔽することができる。これにより、制御回路基板の誤動作を防止できる。

以上のごとく、本発明によると、より小型化でき、耐ノイズ性能に優れた電力変換用半導体装置を提供することができる。

参考例１における、電力変換用半導体装置の横断面図であって、図２のＢ−Ｂ断面図に制御端子、ワイヤ等を追加した図。 図１のＡ−Ａ断面図。 参考例１における、電力変換用半導体装置を用いたインバータの回路図。 参考例１における、スイッチング素子を２個搭載した電力変換用半導体装置。 参考例１における、絶縁部材を四角形状にした電力変換用半導体装置の断面図。 参考例１における、電極板の形状を変えた例。 参考例２における、電力変換用半導体装置の断面図。 図７の要部拡大図。 実施例１における、電力変換用半導体装置の断面図。 参考例３における、電力変換用半導体装置の断面図。 図１０の要部拡大図。 従来例における、電力変換用半導体装置の断面図。

上述した本発明における好ましい実施の形態につき説明する。
本発明において、上記制御回路基板と上記電極板との間に絶縁部材が設けられており、該絶縁部材が上記遮蔽手段をなしていることが好ましい。
この場合には、絶縁部材によって、電極板と制御回路基板との間の絶縁性を高めることができる。また、絶縁部材を厚くすることにより、電極板から発生した電磁ノイズを効果的に遮蔽できる。

また、上記一対の電極板のいずれか一方に切欠部が設けられ、該切欠部に上記絶縁部材が取り付けらており、該絶縁部材上に上記制御回路基板が設けられていることが好ましい。
このように切欠部を形成すると、電力変換用半導体装置の厚みを大きくすることなく絶縁部材を厚く形成することができる。これにより、電極板から照射される電磁ノイズを効果的に遮断できるとともに、電力変換用半導体装置を小型化することができる。

また、上記電極板に溝部が形成され、該溝部内には絶縁部材が設けられておらず、該溝部上に上記制御回路基板が配置されており、該溝部内の空間が上記遮蔽手段をなしている。
この場合には、溝部内に絶縁部材を設ける必要がないため、製造工程を簡単にすることができる。また、溝部を深く形成するだけで、浮遊容量を簡単に減らすことができ、電磁ノイズを低減できる。

また、上記制御回路基板は、上記スイッチング素子のグランドに接続された金属層を有し、該金属層は上記電極板と上記制御回路基板上の電子素子との間に介在することによって、上記遮蔽手段をなしていることが好ましい（請求項２）。
この場合には、金属層の静電遮蔽効果により、電極板の電界を遮蔽することができる。そのため、電極板に切欠部を形成したり、絶縁部材を設けたりする必要はなく、上記金属層が予め形成された制御回路基板を電極板上に取り付けるだけで、電磁ノイズを低減することが可能となる。

また、上記スイッチング素子はバイポーラトランジスタであり、上記一対の電極板のうち一方の電極板は上記バイポーラトランジスタのコレクタ電極に接続され、他方の電極板はエミッタ電極およびグランドに接続されており、上記一対の電極板のうちコレクタ接続側の上記電極板に上記制御回路基板が設けられていることが好ましい（請求項３）。
コレクタ接続側の電極板は、スイッチング素子の動作に伴って電位が大きく変動し、電磁ノイズが発生しやすい。このコレクタ接続側の電極板に制御回路基板を設けた場合には、本発明の適用によって得られる効果、すなわち、遮蔽手段を設けて電磁ノイズを遮蔽する効果が特に大きい。

（参考例１）
本発明の参考例にかかる電力変換用半導体装置につき、図１〜図６を用いて説明する。
図１、図２に示すごとく、本発明の電力変換用半導体装置１は、所定間隔をおいて対向配置した一対の電極板２（２ａ，２ｂ）を備える。また、一対の電極板２に各々電気的に接続されたスイッチング素子３が、該一対の電極板２の間に設けられている。
さらに、スイッチング素子３を制御する制御回路が形成された制御回路基板４が、一対の電極板２の間に設けられている。
制御回路基板４は、一対の電極板２のいずれか一方に、電磁ノイズを遮蔽する遮蔽手段１０を介して取り付けられている。
以下、詳説する。

図２に示すごとく、本例では、制御回路基板４と電極板２との間に絶縁部材６が設けられており、この絶縁部材６が遮蔽手段１０をなしている。
より詳しくは、一対の電極板２のいずれか一方に切欠部５が設けられ、切欠部５に絶縁部材６が取り付けらており、該絶縁部材６上に制御回路基板４が設けられている。

図２に示すごとく、スイッチング素子３は一方の電極板２ａ上に配置されている。また、スイッチング素子３は銅ブロック１４を介して他方の電極板２ｂに接続されている。銅ブロック１４により、電極板２ａ−２ｂ間の間隔を広げ、これにより、制御回路基板４とスイッチング素子３とを接続するワイヤ１５が電極板２ｂに接触することを防止している。
一方、電極板２ａ，２ｂはパワー端子１２，１３を有する。このパワー端子１２，１３間に電圧（図３参照）が印加される。また、電力変換用半導体装置１は制御端子１１を備えており、この制御端子１１は制御回路基板４に接続されている。

図３は、本例の電力変換用半導体装置１を用いたインバータ回路の一部である。同図に示すごとく、スイッチング素子３はバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ素子）である。また、一対の電極板２のうち一方の電極板２ａはバイポーラトランジスタのコレクタ電極に接続され、他方の電極板２ｂはエミッタ電極およびグランドに接続されている。そして図２に示すごとく、一対の電極板２ａ，２ｂのうちコレクタ接続側の電極板２ａに制御回路基板４が設けられている。

図３に示すごとく、インバータ回路では、一方の電力変換用半導体装置１ａのエミッタ端子１３と、他方の電力変換用半導体装置１ｂのコレクタ端子１２とを接続している。そして、一方の電力変換用半導体装置１ａのコレクタ端子１２と、他方の電力変換用半導体装置１ｂのエミッタ端子１３との間に直流電圧を印加し、スイッチング素子１ａ，１ｂをスイッチング動作させて、交流出力端子１６から交流電圧を出力する。

制御回路基板４は、図３に示すごとく、スイッチング素子３（ＩＧＢＴ素子）へゲート信号を入力するゲート駆動回路４１と、スイッチング素子３のエミッタに所定の値以上の電流が流れた場合にスイッチング素子３をオフする短絡保護回路４２、過電流保護回路４４を備える。短絡保護回路４２は図３に示すごとく、抵抗Ｒ１〜Ｒ５、コンデンサＣ１、オペアンプＯＰ、タイマ４３から構成される。

なお、図１〜図３の電力変換用半導体装置１では、１個のスイッチング素子３のみを搭載しているが、図４に示すごとく、１個の電力変換用半導体装置１内に２個のスイッチング素子３ａ，３ｂを搭載してもよい。また、図４の例では、一方のスイッチング素子３ａ用のパワー端子１２ａ，１３ａと、他方のスイッチング素子３ｂ用のパワー端子１２ｂ、１３ｂとの、合計４個のパワー端子を設けてあるが、インバータ回路ではパワー端子１３ａと１２ｂとを接続するため（図３参照）、このパワー端子１３ａ，１２ｂを一体化してもよい。

なお、本例では図２に示すごとく切欠部５をテーパ状にしているが、図５に示すごとく断面四辺形状にしてもよい。また、図６に示すごとく、放熱部材２ａを小さく形成し、放熱部材２ａと制御回路基板４との間に存在する封止部材８を遮蔽手段１０として用いてもよい。

次に、本例の作用効果について説明する。
本例によると、図２に示すごとく、一対の電極板２ａ，２ｂの間にスイッチング素子３と、制御回路基板４とを設けたので、従来のように電極板９１〜制御回路９７を順次積層した構造（図１２参照）と比較して、全体の厚さを薄くすることができ、かつ小型化できる。

また、上記構成を採用すると、電磁ノイズを放射する電極板２と、制御回路基板４とが接近することになるが、本例では遮蔽手段１０を設けたため、制御回路基板４が電磁ノイズの影響を受けにくい。
遮蔽手段１０としては、制御回路基板４と電極板２との間に絶縁部材を設けたり、隙間（空間）をおいたりすることができる。例えば、遮蔽手段１０として絶縁部材を設けることにより、電極板２と制御回路基板４との間の間隔を広げて浮遊容量Ｃａ（図３参照）を低減することができ、電極板２から放射される電磁ノイズを遮蔽することができる。これにより、制御回路基板４の誤動作を防止できる。

また、本例では図２に示すごとく、制御回路基板４と電極板２との間に絶縁部材６が設けられており、絶縁部材６が遮蔽手段１０をなしている。
この場合には、絶縁部材６によって、電極板２と制御回路基板４との間の絶縁性を高めることができる。また、絶縁部材６を厚くすることにより、電極板２から発生した電磁ノイズを効果的に遮蔽できる。

また、本例では図２に示すごとく、一対の電極板２のいずれか一方に切欠部５が設けられ、切欠部５に絶縁部材６が取り付けらており、絶縁部材６上に制御回路基板４が設けられている。
このように切欠部５を形成すると、電力変換用半導体装置１の厚みを大きくすることなく絶縁部材６を厚く形成することができる。これにより、電極板２から照射される電磁ノイズを効果的に遮断できるとともに、電力変換用半導体装置１を小型化できる。

また、本例では図２、図３に示すごとく、一方の電極板２ａはスイッチング素子３のコレクタ端子に接続され、他方の電極板２ｂはエミッタ端子及びグランドに接続され、制御回路基板４は、コレクタ接続側の電極板２ａに設けられている。
コレクタ接続側の電極板２ａは、スイッチング素子３の動作に伴って電位が大きく変動し、電磁ノイズが発生しやすい。このコレクタ接続側の電極板２ａに制御回路基板４を設けた場合には、本発明の適用によって得られる効果、すなわち、遮蔽手段１０を設けて電磁ノイズを遮蔽する効果が特に大きい。

すなわち、図３に示すごとく、制御回路基板４を構成する抵抗ＲやコンデンサＣ等の素子はグランドに接続されているが、制御回路基板４自体はコレクタと同電位の電極板２ａ上に配置されている（図２参照）。そのため、素子Ｒ，Ｃは電極板２ａとの電位差が大きい。
ここで仮に、絶縁部材６（遮蔽手段１０）を設けなかったとすると、制御回路基板４と電極板２ａとの間隔が狭くなり、浮遊容量Ｃａ０〜Ｃａ３が大きくなる。そのため、電極板２ａの電位変動に伴って生じた電磁ノイズが素子Ｒ，Ｃに入りやすくなる。
従って、本発明のように絶縁部材６（遮蔽手段１０）を設け、電極板２ａと制御回路基板４との間隔を広げて浮遊容量Ｃａ〜Ｃａ３を小さくすれば、電極板２ａから放射される電磁ノイズを遮蔽でき、制御回路基板４の誤動作等を効果的に防止できる。

以上のごとく、本発明によると、より小型化でき、耐ノイズ性能に優れた電力変換用半導体装置１を提供することができる。

（参考例２）
本例は、遮蔽手段１０の構成を変更した例である。図７、図８に示すごとく、本例の制御回路基板４は、スイッチング素子３のグランドに接続された金属層４５を有し、該金属層４５は電極板２ａと制御回路基板４上の電子素子４６との間に介在することによって、遮蔽手段１０をなしている。
すなわち、本例の制御回路基板４は多層プリント配線基板からなり、この多層プリント配線基板を構成する複数の導電層４０の中に、少なくとも上記電子素子４６が搭載された領域全体にわたって膜状、あるいはメッシュ状に形成された金属層４５が形成されている。この金属層４５はグランドに接続されている。
その他、参考例１と同様の構成を備える。

参考例２の作用効果につき説明する。上記構成にすると、金属層４５の静電遮蔽効果により、電極板２ａの電界を遮蔽することができる。そのため、電極板２ａに切欠部を形成したり、絶縁部材を設けたりする必要はなく、金属層４５が予め形成された制御回路基板４を電極板２ａ上に取り付けるだけで、電磁ノイズを低減することが可能となる。
その他、参考例１と同様の作用効果を有する。

（実施例１）
本例は、遮蔽手段１０の構成を変更した例である。図９に示すごとく、本例の電力変換用半導体装置１は、電極板２に溝部７が形成され、溝部７内には絶縁部材６が設けられておらず、溝部７上に制御回路基板４が配置されており、溝部７内の空間Ｓが遮蔽手段１０をなしている。
この場合には、溝部７内に絶縁部材６を設ける必要がないため、製造工程を簡単にすることができる。また、溝部７を深く形成するだけで、浮遊容量Ｃａを簡単に減らすことができ、電磁ノイズを低減できる。
その他、参考例１と同様の構成および作用効果を備える。

（参考例３）
本例は、遮蔽手段１０の構成を変更した例である。図１０、図１１に示すごとく、本例では制御回路基板４をエミッタ接続側の電極板２ｂに取り付けている。そしてコレクタ接続側の電極板２ａに、制御回路基板４よりも面積が小さい小型絶縁部材６０と小型金属部材４７を積層形成し、小型金属部材４７と制御回路基板４を配線４８で接続した。また、小型金属部材４７とスイッチング素子３とをワイヤ１５で接続した。
その他、参考例１と同様の構成を備える。

参考例３の作用効果につき説明する。本例では、エミッタおよびグランドに接続された電極板２ｂに制御回路基板４を取り付けたので、制御回路基板４をコレクタ接続側の電極板２ａから離して配置することができる。これにより、電極板２ａから発生する電磁ノイズの影響を、制御回路基板４が受けにくくなる。
また、エミッタ接続側の電極板２ｂに制御回路基板４を取り付けた場合、この制御回路基板４とスイッチング素子３とを直接、ワイヤ１５で接続するのは比較的困難であるが、図１１に示すごとくコレクタ接続側の電極板２ａの近傍に小型金属部材４７を設けることにより、この小型金属部材４７とスイッチング素子３とを簡単にワイヤボンディングできる。
その他、参考例１と同様の作用効果を有する。

１ 電力変換用半導体装置
１０ 遮蔽手段
２ａ，２ｂ 電極板
３ スイッチング素子
４ 制御回路基板
５ 切欠部
６ 絶縁部材
７ 溝部
８ 封止部材

Claims (3)

1. 所定間隔をおいて対向配置した一対の電極板と、
   上記一対の電極板の間に設けられ、該一対の電極板に各々電気的に接続されたスイッチング素子と、
   上記一対の電極板の間に設けられ、上記スイッチング素子を制御する制御回路が形成された制御回路基板とを備え、
   上記制御回路基板は、上記一対の電極板のいずれか一方に、電磁ノイズを遮蔽する遮蔽手段を介して取り付けられ、
   上記電極板に溝部が形成され、該溝部内には絶縁部材が設けられておらず、該溝部上に上記制御回路基板が配置されており、該溝部内の空間が上記遮蔽手段をなしていることを特徴とする電力変換用半導体装置。
2. 請求項１において、上記制御回路基板は、上記スイッチング素子のグランドに接続された金属層を有し、該金属層は上記電極板と上記制御回路基板上の電子素子との間に介在することによって、上記遮蔽手段をなしていることを特徴とする電力変換用半導体装置。
3. 請求項１または請求項２において、上記スイッチング素子はバイポーラトランジスタであり、上記一対の電極板のうち一方の電極板は上記バイポーラトランジスタのコレクタ電極に接続され、他方の電極板はエミッタ電極およびグランドに接続されており、上記一対の電極板のうちコレクタ接続側の上記電極板に上記制御回路基板が設けられていることを特徴とする電力変換用半導体装置。

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