(57)【要約】【課題】ＭＯＳゲート駆動型スイッチング半導体素子を使用したインバータパワーモジュールにおいて、スイッチング時の高周波電流振動を抑制する。【解決手段】６個のＭＯＳゲート駆動型スイッチング半導体素子を３相ブリッジ接続して構成したインバータ回路で構成されるインバータパワーモジュールにおいて、３個の下アームスイッチング素子のゲートに高周波損失素子を挿入する。【効果】高周波損失素子の挿入によりスイッチング時の高周波電流振動が抑制され、モジュールの誤動作や破壊を防止できる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
６個のＭＯＳゲート駆動型スイッチング半導体素子を３相ブリッジ接続して構成したインバータ回路と、前記スイッチング半導体素子に並列接続した還流ダイオードと、前記インバータ回路のドライブ回路を備えたインバータパワーモジュールにおいて、
前記スイッチング半導体素子のうち、下アームスイッチング用スイッチング半導体素子３個のゲート端子と、インバータドライブ回路の制御出力との間に高周波損失素子を挿入したことを特徴とするインバータパワーモジュール。
【請求項２】
高周波損失素子にフェライトを用いることを特徴とする、請求項１記載のインバータパワーモジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、たとえば空気調和機等の直流ブラシレスモータを駆動するためのインバータブリッジ回路で構成したパワーモジュールに係り、特にインバータ回路を構成するＭＯＳゲート駆動型スイッチング半導体素子の、高周波振動に起因する誤動作防止に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
インバータパワーモジュールの従来技術としては、例えば、特開２００２−２３３１６５号公報に記載の実施例に、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）とＰＡＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御を併用したパワーモジュールと、平滑コンデンサ等の周辺回路を一体構造としたものがある。
【０００３】
インバータには、従来から６個のスイッチング素子とこのスイッチング素子に並列に接続された６個のダイオードから３相ブリッジ回路を構成して、これらを１つのパッケージに収納した構成のパワーモジュールが広く使用されている。
【０００４】
前記パワーモジュールは６個のスイッチング素子を順次スイッチングすることによって、回転位相の電圧を３相電動機に印加し、回転磁界を与えるものである。この転流パターンとは別に一定ないしある範囲内の周波数でスイッチングを行い、スイッチングの通流率を変化させることで電動機の回転数を制御する方式をＰＷＭ方式という。ＰＡＭ制御については、本発明と直接関係ないので省略する。
【０００５】
ＰＡＭ制御を用いたインバータエアコンの従来例を図２および図３で説明する。
【０００６】
図２は従来のＰＡＭ制御の回路構成である。
【０００７】
図２において１は電源でブリッジダイオード２で整流されＰＡＭ制御回路３に接続され、３の出力はコンデンサ４で平滑される。５はＭＯＳゲート駆動型のインバータスイッチング素子で、並列に接続した還流ダイオード６と一対で３相ブリッジ回路を構成している。該スイッチング素子５はドライブ回路８で動作される。９は圧縮機用モータでＵＶＷ相の電圧を参照して磁極位置と回転数を得る位置検出回路１０でエアコンの室内機から送られる速度指令値との偏差をマイコン１１で演算して直流電圧指令をＰＡＭ制御回路３に、ＰＷＭ信号をドライブ回路８にそれぞれ転送する。
【０００８】
図３（ａ）、図３（ｂ）は図２の一点鎖線内のパワー部をモジュール化した斜視図と断面図である。図中金属基板１２に絶縁層１３を介して導体パターン１４が形成され、その上部にＰＡＭ制御パワー素子１５、インバータ素子１６を搭載してはんだ１７で該導体パターン１４と接合する。ＰＡＭ制御回路３およびドライブ回路８はハイブリッドＩＣ１８で高集積化したあとリード端子１９で金属基板１２の導体パターン１４と接合する。２０はケースでモジュールの外郭を形成してパワー端子２１をインサート成型で固定する。２２は周辺回路と電気的に接合する信号端子である。２３は成型基板用パワー端子で成型基板２４とネジ２５で固定できるように中央孔にタップを形成している。成型基板２４にはコンデンサ４および周辺回路２６等の大型部品を搭載し、接合ランド２７でパワーモジュールと電気的に接合させると同時にパワーモジュールのケース２０と安定に結合させている。かかる構成のパワーモジュールをエアコンの室外機に組み込んでインバータエアコンを動作させた場合、回路が集積化されるため配線等の電力搬送ラインおよび信号転送ラインが短縮されるため高調波ノイズの低減および小型実装に有利になる。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００２−２３３１６５号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
一般的にＭＯＳゲート駆動型スイッチング素子を使用する場合、スイッチング素子のゲート−エミッタ間に発生するサージ電圧の抑制や外部からの誘導ノイズを抑制するため、ドライブ回路とスイッチング素子との間の配線インピーダンスを出来る限り低くなるように設計する必要がある。
【００１１】
図３のパワーモジュールの構成であれば、配線長は短く抑えられ、前記の問題は回避されているものと思われていた。しかしながら図３のパワーモジュールにおいて出力容量を上げた場合、インバータのＰＷＭスイッチング動作において、約２００ＭＨｚ付近の高周波で電流振動する現象が発生し、インバータドライブ回路８やインバータ素子１６が破壊に至った。
【００１２】
ＭＯＳゲート駆動型スイッチング半導体素子を使用したモジュールにおいて、スイッチング時に電流振動が発生する現象は従来より報告されており、例えば特開２００１−１８５６７９号公報に記載のように、複数の半導体素子を並列に接続した場合に、これらが不均一にスイッチング動作をする事により各チップ間で振動する現象が発生し、これがスイッチングノイズとして素子の誤動作や破壊に至ることがあるという問題がある。この発振現象は、半導体素子が持つ静電容量と、各素子間の配線経路が有する浮遊インダクタンスによる共振回路に起因するものである為、前記の特開２００１−１８５６７９号においては、各半導体素子のゲート間やコレクタ間に抵抗や高周波損失素子を挿入することで高周波振動の発生を抑制している。これに対し、図３の構成は複数のスイッチング素子を搭載しているものの、素子のゲート同士を接続して並列スイッチングさせる構成ではない。よって、電流振動の原因は異なるものと推測され、その発生メカニズムや振動電流の経路に関しては明確とはなっていない。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、かかる問題を解消するための手段を提供するものである。すなわち、
６個のＭＯＳゲート駆動型スイッチング半導体素子を３相ブリッジ接続して構成したインバータ回路と、前記スイッチング半導体素子に並列接続した還流ダイオードと、前記インバータ回路のドライブ回路を備えたインバータパワーモジュールにおいて、
前記スイッチング半導体素子のうち、下アームスイッチング用スイッチング半導体素子３個のゲート端子と、インバータドライブ回路の制御出力との間に高周波損失素子を挿入したことを特徴とするインバータパワーモジュール。
【００１４】
該パワーモジュールにおいて、高周波損失素子にフェライトを用いることを特徴とするインバータパワーモジュール。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。図中、従来例で示した同一符号は同一物を示す。
【００１６】
図１において１は電源でブリッジダイオード２で整流されＰＡＭ制御回路３に接続され、３の出力はコンデンサ４で平滑される。５はＭＯＳゲート駆動型のインバータスイッチング素子で、並列に接続した還流ダイオード６と一対で３相ブリッジ回路を構成している。該スイッチング素子５はドライブ回路８で動作される。９は圧縮機用モータでＵＶＷ相の電圧を参照して磁極位置と回転数を得る位置検出回路１０でエアコンの室内機から送られる速度指令値との偏差をマイコン１１で演算して直流電圧指令をＰＡＭ制御回路３に、ＰＷＭ信号をドライブ回路８にそれぞれ転送する。７は高周波損失素子であり、インバータ回路のうちドライブ回路８とＭＯＳゲート駆動型スイッチング素子５の各下アーム回路の間のみに挿入している。
【００１７】
図４は本発明において適用される高周波損失素子であるフェライトのインピーダンス周波数特性の一例を示している。挿入したフェライトコアのインピーダンス成分中の抵抗特性は図３に示したように、高周波で抵抗値が大きくなる周波数特性をもつ。すなわち、２００ＭＨｚ付近の高周波振動に対してはスイッチング素子のゲート抵抗が大きくなるため、スイッチング速度が遅くなり、高周波振動の継続が抑制される。また、図４に示したように１０ＭＨｚ以下のインピーダンスは低いので、スイッチング素子の通常動作には影響を与えない。
【００１８】
また、インバータ回路においては、スイッチング動作は必ず何れかの上アームスイッチング素子と下アームスイッチング素子の組で通電するものであるため、片方のスイッチング素子のゲートのみに高周波損失素子を挿入すれば高周波振動の発生は抑制できる。本実施の形態では下アームスイッチング素子に挿入したが、スイッチング方式や配線インピーダンス等にあわせて最適な場所に挿入すればよい。
【００１９】
また、使用するスイッチング素子の耐圧や種類によって振動周波数は異なると考えられるが、その場合には周波数特性が最適となるようなフェライトを選定すればよい。
【００２０】
【発明の効果】
本発明の請求項１にかかわるインバータパワーモジュールは、６個のＭＯＳゲート駆動型スイッチング半導体素子を３相ブリッジ接続して構成したインバータ回路と、前記スイッチング半導体素子に並列接続した還流ダイオードと、前記インバータ回路のドライブ回路を備えたインバータパワーモジュールにおいて、前記スイッチング半導体素子のうち、下アームスイッチング用スイッチング半導体素子３個のゲート端子と、インバータドライブ回路の制御出力との間に高周波損失素子を挿入したので、高周波振動を抑制できる効果がある。
【００２１】
本発明の請求項２にかかわるインバータパワーモジュールは、６個のＭＯＳゲート駆動型スイッチング半導体素子を３相ブリッジ接続して構成したインバータ回路と、前記スイッチング半導体素子に並列接続した還流ダイオードと、前記インバータ回路のドライブ回路を備えたインバータパワーモジュールにおいて、前記スイッチング半導体素子のうち、下アームスイッチング用スイッチング半導体素子３個のゲート端子と、インバータドライブ回路の制御出力との間に挿入した高周波損失素子として低周波でインピーダンスが低いという特徴を持つフェライトコアを用いたので、インバータスイッチ素子のスイッチング特性に影響を与えないという効果がある。
【００２２】
以上の実施例では、モジュールの構成はＰＡＭ制御回路とインバータ回路を同居させたパワーモジュールで説明したが、モジュールの構成がインバータ回路のみの場合、マイコンや位置検出回路も取り込んだ場合、それぞれインバータスイッチング素子のゲートへの高周波損失素子の挿入により同様の効果を得るのはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるパワーモジュールの回路構成を示す回路図である。
【図２】従来の実施例によるパワーモジュールの回路構成を示す回路図である。
【図３】（ａ）は従来のパワーモジュールの一実施形態を示す斜視図、（ｂ）は断面図である。
【図４】本発明の実施の形態で適用されるフェライトの周波数特性を示す図である。
【符号の説明】
１…商用電源、２…整流回路、３…ＰＡＭ制御回路、４…平滑コンデンサ、５…ＭＯＳゲート型インバータスイッチング素子、６…リカバリーダイオード、７…高周波損失素子、８…インバータドライブ回路、９…圧縮機モータ、１０…磁極位置検出回路、１１…マイクロコンピュータ、１２…パワー基板、１３…絶縁層、１４…導体パターン、１５…ＰＡＭ制御用スイッチング素子、１６…インバータ用スイッチング素子、１７…はんだ、１８…ハイブリッドＩＣ、１９…リード端子、２０…ケース、２１…パワー端子、２２…信号端子、２３…パワーコネクター、２４…成型基板、２５…ネジ、２６・・・周辺部品、２７…接合ランド。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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