(57)【要約】  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。
2019244833.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２０１２／０８６４１７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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。【０００５】
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。【０００６】
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。【０００７】
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。【０００８】
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。【０００９】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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。
【発明の効果】
【００１１】
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。【００１２】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】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】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】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】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。
【図５】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。
【図６】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７】図６を説明するための説明図である。
【図８】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９】図８を説明するための説明図である。
【図１０】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】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。
【図１２】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。
【図１３】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。
【図１４】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。
【図１５】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】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。
【図１７】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。
【図１８】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１９】図１８を説明するための説明図である。
【図２０】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。
【図２１】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】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。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
＜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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
【数１】
2019244833.tif 000003
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
【数２】
2019244833.tif 000004
【００２９】
【数３】
2019244833.tif 000005
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
【数４】
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【００３７】
【数５】
2019244833.tif 000007
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
【数６】
2019244833.tif 000008
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
＜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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
【数７】
2019244833.tif 000009
【００６９】
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。
【００７０】
【数８】
2019244833.tif 000010
【００７１】
【数９】
2019244833.tif 000011
【００７２】
式（８）および式（９）によって、式（１０）が成り立つ。
【００７３】
【数１０】
2019244833.tif 000012
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
＜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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
式（８）および式（９）によって、式（１０）が成り立つ。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
【００９８】
＜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。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
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。
【０１１０】
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。
【０１１１】
＜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。
【０１１２】
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。
【０１１３】
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。
【０１１４】
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。
【０１１５】
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。
【０１１６】
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。
【０１１７】
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。
【０１１８】
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。
【０１１９】
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。
【０１２０】
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。
【０１２１】
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。
【０１２２】
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。
【０１２３】
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。
【０１２４】
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。
【０１２５】
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。
【０１２６】
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。
【符号の説明】
【０１２７】
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。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【手続補正書】
【提出日】令和2年6月16日(2020.6.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項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接続された抵抗器と、
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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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接続された抵抗器と、
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。
【請求項７】
前記抵抗器は、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電気的に接続され、かつ、前記ヒートシンクに熱的および機械的に接続された、請求項１または請求項６に記載のパワーモジュール装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
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接続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。
【国際調査報告】
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