(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力用半導体素子を用いた半導体パワーモジュールにおいて、
ノイズ電流を低減したいモジュールとスナバとの間に、３０ＭＨｚ近傍の周波数において抵抗とインダクタンスの両方の成分を持ち、抵抗対インダクタンス比が１．８×１０7〜１．８×１０9の範囲の値を持つインピーダンスを挿入することを特徴とする半導体パワーモジュール。
【請求項２】
前記インピーダンスを、スナバとモジュール間をつなぐ半導体パワーモジュールの正，負極端子のそれぞれに均等に挿入することを特徴とする請求項１に記載の半導体パワーモジュール。
【請求項３】
前記インピーダンスとしてフェライトコアを用いる場合は、３０ＭＨｚ近傍の周波数において複素透磁率の比（μ”／μ’＝ｔａｎδ）が０．１〜１０の範囲の値を持つことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体パワーモジュール。
【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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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）。
【０００４】
【特許文献１】特開平０９−１８５５９４号公報
【特許文献２】特開２００４−２０７４３２号公報
【特許文献３】特開平０５−２９１７８３号公報
【特許文献４】特開２００１−１８５６７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。
【０００６】
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，Ｒａｄｉａｔｅｄ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ，ＰＤＳ（Ｐｏｗｅｒ  Ｄｒｉｖｅ  Ｓｙｓｔｅｍ）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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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。
【００１０】
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）。
【００１１】
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）
【００１２】
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）
【００１３】
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。
【発明の効果】
【００１４】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
〔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。
【００１８】
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。
【表１】
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【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】この発明の実施例を示す部分回路図
【図２】この発明の原理を可視的に説明する説明図
【図３】この発明による追加インピーダンス説明図
【図４】従来例を示す全体構成図
【図５】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
【図６】インピーダンス未追加時の放射ノイズ特性図
【図７】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
【図８】１．８Ω抵抗のみ追加時の放射ノイズ特性図
【図９】インダクタンスのみ追加時の放射ノイズ特性図
【図１０】５００Ω抵抗のみ追加時の放射ノイズ特性図
【符号の説明】
【００２０】
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。
【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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