(57)【要約】【課題】コモンモードノイズを簡単かつ容易に低減できるようにする。【解決手段】コンバータモジュール３およびをインバータモジュール４を介するコモンループでノイズ対策が行なえるように、モジュールの絶縁基板（ここでは、高インピーダンス基板６３がこれに相当する）自体に交流的に或るインピーダンスを持たせる。これにより、例えばインバータとコンバータ間が一つのモジュールに内蔵されているＰＩＭタイプのモジュールでも対策が可能となる。なお、図１ではインバータとコンバータが別々の基板に配置された例を示す。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力用半導体素子を用いた電力変換装置のパワーモジュールにおいて、
前記パワーモジュールを搭載する絶縁基板自体にインピーダンスを持たせ、コモンモードのノイズ電流を抑制することを特徴とする電力変換装置のパワーモジュール。
【請求項２】
前記絶縁基板は、伝導性電磁波から放射ノイズにまたがる１Ｍ〜１００ＭＨｚ付近においてインピーダンスが大きいことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置のパワーモジュール。
【請求項３】
前記絶縁基板は、インピーダンスとして０．０５〜２４０Ωの抵抗値を持つことを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置のパワーモジュール。
【請求項４】
前記絶縁基板は、ｔａｎδとして１〜１０％の値を持つことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電力変換装置のパワーモジュール。
【請求項５】
前記絶縁基板は、エポキシ樹脂に無機材を充填した熱硬化性組成物であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電力変換装置のパワーモジュール。
【請求項６】
前記エポキシ樹脂に、低弾性のゴム成分を添加することを特徴とする請求項５に記載の電力変換装置のパワーモジュール。
【請求項７】
電力用半導体素子を用いた電力変換装置のパワーモジュールにおいて、
前記パワーモジュールを搭載する絶縁基板の下に敷くシート部材にインピーダンスを持たせ、コモンモードのノイズ電流を抑制することを特徴とする電力変換装置のパワーモジュール。
【請求項８】
前記シート部材は、伝導性電磁波から放射ノイズにまたがる１Ｍ〜１００ＭＨｚ付近においてインピーダンスが大きいことを特徴とする請求項７に記載の電力変換装置のパワーモジュール。
【請求項９】
前記シート部材は、インピーダンスとして０．０５〜２４０Ωの抵抗値を持つことを特徴とする請求項７また８に記載の電力変換装置のパワーモジュール。
【請求項１０】
前記シート部材は、ｔａｎδとして１〜１０％の値を持つことを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の電力変換装置のパワーモジュール。
【請求項１１】
前記シート部材は、エポキシ樹脂に無機材を充填した熱硬化性組成物であることを特徴とする請求項７〜１０のいずれか１項に記載の電力変換装置のパワーモジュール。
【請求項１２】
前記エポキシ樹脂に、低弾性のゴム成分を添加することを特徴とする請求項１１に記載の電力変換装置のパワーモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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ノイズを低減するための構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＥＭＣ（電磁両立性に関する規則）規制が厳しくなる中、汎用インバータを始め、様々な産業分野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ノイズについては、これを低減する対策が必要とされている。
汎用インバータ等でＥＭＣ対策を行なう際に多用されているのは、入力へのフィルタ挿入であり、これは主にモータや、その他の主回路構成部品との間の接地ラインを介する、コモンモードノイズの電流を抑制するものである。ただし、入力フィルタによってノイズを抑制できるのは、入力ラインを介するコモンループによるノイズであり、入力ライン以外のコモンループ間で発生するノイズは、抑制することが難しい。
【０００３】
図８，図９に従来例を示す。なお、図８の１は入力フィルタ、２はバリスタ、３はコンバータモジュール、４はインバータモジュール、５は負荷、６５は絶縁基板、７は冷却フィンである。また、図９の符号６はモジュール、６１はチップ、６２は導体パターン、６４はベース金属板を示す。
すなわち、従来は絶縁基板６５としてセラミック（Ａｌ2Ｏ3）基板を用いているが、これは誘電正接（ｔａｎδ）が０．１以下（１Ｍ〜１００ＭＨｚ）であり、そのため交流に対する抵抗値が非常に小さい。
【０００４】
そのため、各コモンループでの対策が行なわれている。例えば特許文献１では、主回路系統の中での接地ラインとして、電力変換器のフィンやＡＣリアクトル、および負荷であるモータの接地線に、ダンピングインピーダンスを設けて対策を施している。
また、特許文献２では、電力用インバータモジュールについて、回路パターンに抵抗率の低い主配線と、抵抗率および透磁率の高い表皮配線を形成し、表皮配線部でノイズを抑制するようにしている。
加えて、特許文献３では、モータ駆動回路一体型電動圧縮機において、ハウジングと車体間に存在する配管等にゴム等の絶縁材料を用いることにより、インピーダンスを増加させてノイズを低減することを付帯的効果として挙げている。
【０００５】
しかし、特許文献１における電力変換器のコモン対策については、フィンから接地に落とすラインにのみダンピングインピーダンスを設けているが、実際にはインバータモジュールとコンバータモジュール間のコモンループにもノイズ電流が流れるため、このループのノイズ対策ができていないことになる。つまり、ダンピングインピーダンスの対策では、同一フィンにインバータとコンバータを搭載している場合に対処することができない。また、仮にインバータとコンバータを搭載しているフィンを分離し、別々にしても、インバータとコンバータ間が一つのモジュールに内蔵されているPIM（Power Integrated Module）タイプのモジュールを用いた場合には対処することができない。
【０００６】
その上、インピーダンスの追加は機能的・構造的にはノイズ抑制に効果があるものと推定されるが、ダンピングインピーダンスの大きさが不明である。また、ノイズを低減したい周波数、すなわち対象とする周波数を明確にし、その周波数でダンピングインピーダンスを持つものを選定しなければ、ノイズ低減量を制御できない。さらに、インピーダンスの挿入は、構成を煩雑にする。特に電力変換器のフィンとアースの間では、一般にフィンを接着またはねじ止めして直接筺体に接続してアースに落とすため、フィンを浮かせ、なおかつ抵抗を介して接地するのは、基板構造や筺体構造を複雑にし、工数が増えて煩雑となる。
【０００７】
一方、特許文献２では、電力用インバータモジュールに関する回路パターンの配線に、抵抗率および透磁率の高い表皮配線を施してノイズ低減を図っているが、これはノルマルループに対する対策であり、対策箇所が根本的に異なっている。また、表皮効果による高周波での高抵抗化を狙っているが、効果が見られる１０ＭＨｚでも、平板状配線部材の抵抗率は１０-1Ω／ｃｍと小さいため、コモンモード対策に要する抵抗値を稼ぐには、表皮効果のみでは困難である。
【０００８】
さらに、特許文献３では、ＩＧＢＴ等のモジュールが内蔵された駆動回路が組み込まれた、モータ駆動回路一体型電動圧縮機のハウジングと車体との間にインピーダンスを追加しているが、筺体と車体によってできるループは、ここで対象としているモジュール周辺でできるループに比べて大きいため、この対策によって抑制できるノイズの周波数帯域が大きく異なる。特許文献３では、モジュール周辺のインバータ・コンバータ間のループは対象としておらず、インバータもコンバータも全て組み込まれたハウジングからアースに落とす際の車体との影響を検討しているため、最も大きなノイズを出すモジュール周辺の対策がなされていないだけでなく、対象とする周波数も明確でない。
【０００９】
【特許文献１】特開２００６−０２５４６７号公報
【特許文献２】特開２００１−３２６３００号公報
【特許文献３】特開２００６−０２７３１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
この発明は上述の点に鑑みなされたもので、その課題は、モジュールの基板を介するコモンループに対し、不要なスペースや工数を増やすことなく、適切にインピーダンスが追加できるようにすることにある。その際、“どの周波数範囲の”ノイズについて、“どのようなインピーダンス追加”で低減するかを明確にすることが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
このような課題を解決するため、請求項１の発明では、電力用半導体素子を用いた電力変換装置のパワーモジュールにおいて、
前記パワーモジュールを搭載する絶縁基板自体にインピーダンスを持たせ、コモンモードのノイズ電流を抑制することを特徴とする。
上記請求項１の発明においては、前記絶縁基板は、伝導性電磁波から放射ノイズにまたがる１Ｍ〜１００ＭＨｚ付近においてインピーダンスを大きすることができ（請求項２の発明）、これら請求項１または２の発明においては、前記絶縁基板は、インピーダンスとして０．０５〜２４０Ωの抵抗値を持たせることができる（請求項３の発明）。
また、上記請求項１〜３のいずれかの発明においては、前記絶縁基板は、ｔａｎδとして１〜１０％の値を持つことができ（請求項４の発明）、請求項１〜４のいずれかの発明においては、前記絶縁基板は、エポキシ樹脂に無機材を充填した熱硬化性組成物であることができる（請求項５の発明）。この請求項５の発明においては、前記エポキシ樹脂に、低弾性のゴム成分を添加することができる（請求項６の発明）。
【００１２】
請求項７の発明では、電力用半導体素子を用いた電力変換装置のパワーモジュールにおいて、
前記パワーモジュールを搭載する絶縁基板の下に敷くシート部材にインピーダンスを持たせ、コモンモードのノイズ電流を抑制することを特徴とする。
上記請求項７の発明においては、前記シート部材は、伝導性電磁波から放射ノイズにまたがる１Ｍ〜１００ＭＨｚ付近においてインピーダンスを大きすることができ（請求項８の発明）、これら請求項７または８の発明においては、前記シート部材は、インピーダンスとして０．０５〜２４０Ωの抵抗値を持たせることができる（請求項９の発明）。
また、上記請求項７〜９のいずれかの発明においては、前記シート部材は、ｔａｎδとして１〜１０％の値を持つことができ（請求項１０の発明）、請求項７〜１０のいずれかの発明においては、前記シート部材は、エポキシ樹脂に無機材を充填した熱硬化性組成物であることができる（請求項１１の発明）。この請求項１１の発明においては、前記エポキシ樹脂に、低弾性のゴム成分を添加することができる（請求項１２の発明）。
【発明の効果】
【００１３】
この発明によれば、これまで入力フィルタの対策で困難であったインバータ・コンバータ間のように、モジュールが一体の構造をとる場合のコモンモードノイズであっても対策できるように、モジュールとフィンとの間に高インピーダンスの材料を配置する。従来のダンピングインピーダンスを挿入するものでは、フィンを浮かせて筺体と絶縁するなど複雑な構造と工数の増加が避けられないが、この発明によれば基板を変更または追加するだけで済み、簡単な改良でコモンモードノイズの抑制に大きな効果がもたらされることになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
まず、インバータモジュールおよびコンバータモジュールを介するコモンループで対策が行なえるように、モジュールの絶縁基板（以下、これを高インピーダンス基板とも言う）自体にインピーダンスを持たせる。この観点に基づく実施の形態を図１，図２に示す。
図１の１は入力フィルタ、２はバリスタ、３はコンバータモジュール、４はインバータモジュール、５は負荷、６３は高インピーダンス基板（絶縁基板）、７は冷却フィンである。また、図２の符号６はモジュール、６１はチップ、６２は導体パターン、６４はベース金属板を示す。
【００１５】
図１において、コンバータモジュール３，インバータモジュール４は略記されているが、実際は、高インピーダンス基板６３上に半導体整流素子あるいは半導体スイッチ素子であるチップ６１が１個搭載された１ｉｎ１モジュール、２個搭載された２ｉｎ１モジュール、６組搭載された６ｉｎ１モジュール、７組搭載された７ｉｎ１モジュールとして構成されており、適用用途や電流/電圧のクラスによって上記モジュールを組み合わせて使用している。
【００１６】
さらに、この方法によれば、インバータとコンバータが１つの高インピーダンス基板６３上に配置されたPIMモジュールや、コンバータ部分を１つの高インピーダンス基板６３に搭載し、インバータ部分を他の１つの高インピーダンス基板６３に搭載し、これら高インピーダンス基板を１つのベース金属板６４に搭載した場合でも対策が可能である。
ただ、一体型のものでない場合は、絶縁基板の下に同様の効果をもたらす部材（以下、高インピーダンスシートとも言う）を敷くようにしても良く、このような観点に基づく別の実施の形態を図３，図４に示す。
【００１７】
図８，図９に示した従来例では絶縁基板６５としてセラミック（Ａｌ2Ｏ3）基板を用いているが、これは誘電正接（ｔａｎδ）が０．１以下（１Ｍ〜１００ＭＨｚ）であり、そのため交流に対する抵抗値が非常に小さい。
これに対し、図１，図２に示す高インピーダンス基板（絶縁基板）６３および図３，図４に示す高インピーダンスシート６６は、ｔａｎδが１以上（１Ｍ〜１００ＭＨｚ）で従来のものに比べて高い抵抗値を持つため、これらを介して流れるノイズ電流を抑制できることになる。つまり、図３，図４ではモジュール下のフィン７との間に高インピーダンスシート６６を敷くことで、コモンループの等価回路としては、直列に抵抗と部材のキャパシタンスが入ることになる。従って、この部材が高インピーダンス部材であれば、コモンループのノイズ電流を抑制することができる。
【００１８】
図１では、一般的な例としてインバータとコンバータのモジュールを別々に構成した例を示したが、これらを同一のベース金属板に搭載されているPIMモジュールでも良い。また、図１，３，８などに示す回路の入力フィルタ１とバリスタ２の位置関係は、どちらが入力電源側でも良く、さらには整流ダイオードの右側に入る場合もあり、構造上の都合や回路定数の設定の仕方により配置場所が異なる。加えて、フィルタ内の接地ＣおよびバリスタのＣの配置の仕方も図１，３，８に限らず、回路定数の設定の仕方により配置を変えることができる。コンバータモジュールのバリスタは接地Ｃでも良く、省略されることもある。
【００１９】
対象とする周波数は、インバータ等で用いられている一般的なフィルタ設計では対策効果が低い、１Ｍ〜１００ＭＨｚとする。フィルタでは、雑音端子電圧において最もノイズが大きくなる１５０ｋＨｚ付近をメインとし、この周波数でインピーダンスの大きな材料を用いるが、このような従来のフィルタを用いた場合、多くは１５０ｋＨｚのノイズは低減できるが、１ＭＨｚ以降の周波数領域では効果が薄れる。
【００２０】
この領域に発生するノイズは、規格が厳しい条件になればなるほど（例えば、ＣＩＳＰＲ（国際電気標準会議）でＣｌａｓｓＡやＣｌａｓｓＢ相当）、マージンが小さくなってしまい、対策として十分でない。この１Ｍ〜１００ＭＨｚに発生するノイズのループは、モジュールの基板を介するものが回路構成上多いため、対策箇所としても有効である。従って、この発明では、一般的なフィルタでは対策が難しい１Ｍ〜１００ＭＨｚを対象とし、この周波数で大きなインピーダンスを呈するようにする。
【００２１】
さらに、この発明では、高抵抗絶縁基板を実用化する上で、実現可能な抵抗値として０．０５〜２４０Ωと定めた。その根拠について、以下に説明する。
まず、基板において、或る周波数ｆの抵抗値Ｒは、次の（１）式で示される。
ｔａｎδ＝ωＣＲより、Ｒ＝ｔａｎδ／ωＣ＝ｔａｎδ／２πｆＣ    …（１）
（１）式において、Ｒを決定するパラメータとしてはｔａｎδ，周波数ｆおよびキャパシタンスＣが挙げられる。
【００２２】
周波数については、低減したいノイズが存在する範囲として１Ｍ〜１００ＭＨｚと定める。続いて、キャパシタンスＣはＳをモジュールの基板面積、ｄを基板厚さとして、次の（２）式で示すことができる。
Ｃ＝ε0εrＳ／ｄ    …（２）
ε0：真空の誘電率  εr：モジュールの比誘電率
【００２３】
面積Ｓについては、インバータモジュールおよびコンバータモジュールを用いてモータドライブを行なう場合に、小容量〜大容量クラスのモジュールを用いるが、これらを実用する場合に取り得る基板の面積の範囲として、ここではＳ＝２．３×１０-4〜１．９×１０-2［ｍ2］と定めた。また、高インピーダンス基板およびモジュールの下に敷く高インピーダンスシートの厚さとしては、熱伝導度および絶縁性を確保しつつ半導体パワーモジュール用途で使用可能な範囲としてｄ＝０．１〜３ｍｍと定め、この条件下で取り得る容量値として、上記（２）式よりキャパシタンスＣを５〜６０００ｐＦと定めた。
【００２４】
また、ｔａｎδは周波数特性および温度依存特性を保有している。従って、１Ｍ〜１００ＭＨｚの周波数で半導体パワーモジュールの使用環境として、−４０〜１５０℃の温度範囲にある場合、ｔａｎδが実質的に取り得る値としては、１〜１０［％］の範囲に存在する。
以上より、抵抗Ｒのパラメータとなる周波数ｆ，キャパシタンスＣおよびｔａｎδの範囲が定まるので、この条件下で高インピーダンス基板として活用できる範囲を上記（１）式より計算すると、０．０５Ω＜抵抗値＜２４０Ωとなる。これらの結果をまとめて示すのが、表１である。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
図５ａ〜図５ｅは、図１，２のように高インピーダンス基板を挿入することにより、ノイズ抑制効果があるコモンループ例を示す。フィルタ１やバリスタ２を備えた図１の回路に対しては、図５ａ〜図５ｅに矢印で示す５個のコモンループ１〜５が存在する。なお、このことは、図３，４のように高インピーダンスシートを挿入するものについても同様である。また、インバータモジュールおよびコンバータモジュールにおいて、コモンループが存在しなければ、高インピーダンス基板や高インピーダンスシートを配置しなくても良いのは勿論である。
【００２７】
また、インバータモジュールの基板に高インピーダンス材料を用い、図６のような一般的な回路構成でインバータを動作させた場合の、雑音端子電圧の測定結果を表２に示す。
【表２】
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【００２８】
表２は、実施例１として１０ＭＨｚで抵抗４．８Ωを示すもの、実施例２として１０ＭＨｚで抵抗２２Ωを示すものをそれぞれ用いた例を示している。比較の対象としてセラミック基板を用いたモジュールを用い、その結果、実施例１では−５ｄＢの低減効果、実施例２では−１１ｄＢの低減効果が得られたことを示している。また、−１１ｄＢの低減効果が得られた実施例２の場合の雑音端子電圧の測定結果を、図７に従来例と対比させてグラフ表示した。
【００２９】
次に、高インピーダンス基板または高インピーダンスシートの、材質や製造方法の具体例について説明する。
高インピーダンス基板または高インピーダンスシートとしては、エポキシ樹脂に無機充填材を配合させた熱可塑性組成物で、誘電正接ｔａｎδの高いものを用いる。無機充填材の充填量は、全組成物の６０〜９０ｗｔ％程度で、この範囲内で必要な熱伝導率に応じて
配合量をコントロールする。また、エポキシ樹脂としてはビスフェノールＡ型エポキシ樹脂，ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂，フェノールノボラック型エポキシ樹脂，クレゾールノボラック型エポキシ樹脂が用いられる。各樹脂は単独または２種類以上を併用しても良い。
【００３０】
ここで、ｔａｎδを高めるために、上述のエポキシ樹脂に低弾性のゴム成分を添加する。ゴム状成分にはシリコーンゴム，アクリルゴム，アクリロニトリルブタジエンゴムなどを用いる。
また、エポキシ樹脂自体を柔軟な構造とするため、ゴム系の材料を反応させる。このゴム成分は、交流電場が印加されたときに双極子が電界に追従しづらくロス成分が発生し、ｔａｎδが高くなる。なお、ロス成分は熱エネルギーに変換される。こうすることで、−６０℃から１８０℃までの広い温度範囲で、高いｔａｎδ特性を持つ絶縁層を構成することができる。
【００３１】
一方、無機充填材としては酸化珪素，酸化アルミニウム，窒化珪素，窒化アルミニウム，窒化ホウ素等の低熱伝導率のものが用いられる。これらも、単独系または混合系で良い。充填量は全組成物の６０〜９０ｗｔ％程度である。なお、無機充填材とエポキシ樹脂との密着性を高めるため、シランカップリング剤を樹脂に添加する。上記樹脂は過熱により硬化させるが、このとき反応を進めるため、硬化促進剤としてイミダゾールを用いる。上記樹脂組成物にメチルエチルケトンＭＥＫ等の溶媒を加えて混合し、定粘度の樹脂溶液にする。この樹脂溶液を厚みが１８〜１７５μｍのロール状銅箔シートに、コータで任意の厚さにコーティングする。厚みは５０〜２００μｍである。ロール状銅箔には、幅が１ｍまたは１．５ｍ幅のものが通常用いられる。長さは、数十ｍから数百ｍになる。
【００３２】
次に、コーティングされた樹脂溶液の溶剤を揮発させて、プリプレグを作製しておく。このプリプレグを１〜１．５ｍｍ程度の長さに切断し、１枚のシートにする。次いで、プリプレグを金属ベース上に配置して真空加熱成形機で加熱成形し、完全に硬化させる。これにより、絶縁層の熱伝導率は１．６Ｗ／ｍ・Ｋ以上となる。また、厚さは１００μｍ以上とする。
【００３３】
ここで、樹脂の比誘電率εrは５．０以下とする。絶縁層の厚みは１００μｍ以上でありεrは５．０以下なので、部分放電特性や耐マイグレーション性などの絶縁特性に優れたものができる。
また、ベース金属板６４の材質としては、アルミニウム，銅，鉄，ＳｉＣおよびこれらの合金、またはこれらのクラッド材等からなり、厚みは０．５〜３．０ｍｍが一般的である。熱放散性と経済性からアルミニウムが一般的に用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】この発明の実施の形態を示す回路図
【図２】図１のモジュール構成を示す概要図
【図３】この発明の別の実施の形態を回路図
【図４】図３のモジュール構成を示す概要図
【図５ａ】コモンループの第１例を説明する説明図
【図５ｂ】コモンループの第２例を説明する説明図
【図５ｃ】コモンループの第３例を説明する説明図
【図５ｄ】コモンループの第４例を説明する説明図
【図５ｅ】コモンループの第５例を説明する説明図
【図６】雑音端子電圧評価に供するインバータ回路図
【図７】図６の場合の雑音端子電圧のスペクトル例図
【図８】一般的なインバータ回路を示す回路図
【図９】図８に対応するモジュール構成を示す概要図
【符号の説明】
【００３５】
１…入力フィルタ、２…バリスタ、３…コンバータモジュール、４…インバータモジュール、５…負荷、６１…チップ、６２…導体パターン、６３…高インピーダンス基板（絶縁基板）、６４…ベース金属板、６５…絶縁基板、６６…高インピーダンスシート、７…冷却フィン。
【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５ａ】
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【図５ｂ】
2008035657.tif 000010
【図５ｃ】
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【図５ｄ】
2008035657.tif 000012
【図５ｅ】
2008035657.tif 000013
【図６】
2008035657.tif 000014
【図７】
2008035657.tif 000015
【図８】
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【図９】
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