トランジスタインバータの構造

【課題】小型軽量化，低コスト化を図りつつ、トランジスタインバータに発生するノイズを低減する。
【解決手段】直流電源の正負ＰＮ極間に直列に接続される上側，下側半導体スイッチＱ１，Ｑ２のうち、例えばＱ１のコレクタ面を冷却体１に直接接続し、Ｑ２のコレクタ面を絶縁物２を介して同じ冷却体１に熱的に結合することで、Ｑ２のコレクタからケースまたは接地までの漂遊容量を低減し、ノイズの伝播を抑制する。

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、誘導加熱用，可変速駆動用，スイッチング電源用等として好適なトランジスタインバータの構造、特にノイズ低減、すなわち雑音端子電圧や、放射ノイズレベルの低減を図ったトランジスタインバータの構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、パワーエレクトロニクス分野でパワートランジスタがスイッチングするとき、トランジスタの冷却フィンを介してノイズが伝播することが知られている。この点について、図１３を参照して以下に説明する。図１３（ａ）は従来の構造および回路を示すもので、２つの冷却体１１，１２は構造的に、スイッチＱ１，Ｑ２などは回路図的に示している。従来、Ｑ２の冷却体からケースまたは接地までに漂遊する静電容量、すなわちストレイキャパシタンスＣｓｓは約３０ｐＦあり、これがノイズに大きく影響する。なお、具体的な数値は、装置の容量が数ｋＷのものの例である。
【０００３】図１３（ｂ）に電源からスイッチまでの一般的な回路例を示す。すなわち、ダイオードＤで整流し、平滑コンデンサＣＤで平滑した直流電圧源をＰＮ間に得、ＰからＮに向かって上下アームに２つの半導体スイッチＱ１，Ｑ２を直列に設け、その中点Ｏを出力点として、方形波電圧出力を得るようにしたもので、従来例というよりは極一般的な回路方式である。ここでは、スイッチングノイズが電源側に伝播するのを抑制するために、約２ｎＦの接地コンデンサＣＹ１，ノイズフィルタＦ，約１ｎＦの接地コンデンサＣＹ２などが設けられている。
【０００４】図１３（ｃ）は各部波形例を示し、３００Ｖの電圧源で、約３０ｋＨｚで運転中の例である。■は出力点Ｏに生じる方形波例をＯＮ間電圧ＶＱ２として示しており、スイッチング時Ｑ２オフの急峻な３００Ｖの立ち上がり、Ｑ１オフの立下りが見え、それぞれの直後の３ＭＨｚ数十Ｖの振動が見える。■はスイッチング時にＣＹ２に発生するノイズ電圧例であるＶＣＹ２を示し、およそ、ＣｓｓとＣＹ２の容量でＶＱ２の高周波ノイズ成分が分圧された値として現れ、約３００ＫＨｚ，数十Ｖ程度となる。数式で表現すると、次式のようになる。
ＶＣＹ２＝Ｃｓｓ＊ＶＱ２／ＣＹ２■は雑音端子電圧として観測，計測されるＶＣＹ１を示し、ＶＣＹ２からノイズフィルタを通過して減衰してくる３０ｋＨｚ〜数百ｋＨｚの成分と、空間伝播してくる１ＭＨｚ以上，３０ＭＨｚ以下の成分とがあり、数百ｍＶ，数ｍＶが問題となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】従来は、Ｑ２の冷却体がノイズを沢山含んだＯ点の電位にあり、Ｃｓｓが大きいことからＶＣＹ２に大きなノイズ電圧を発生し、ＦＣＣ（ＦｅｄｅｒａｌＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓＣｏｍｍｉｓｓｉｏｎ）やＣＩＳＰＲ（ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳｐｅｃｉａｌＣｏｍｍｉｔｔｅｅｏｎＲａｄｉｏＩｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）などの規格に合格するには大きなノイズフィルタを必要とする（大型化，コストアップ）。また、Ｑ２の冷却体が大きなアンテナとなって空間に高調波ノイズを放射するので、ノイズフィルタＦを飛び越えて電源側に数ＭＨｚ以上のノイズが観測され、電源端子部分を静電シールド金属容器で覆ったりする必要がある（大型化，コストアップ）。
【０００６】図１３（ａ）のようなシールド２０を設けるとすると、余分に大きな部品を追加することになるが、風の通路を開放するなどの配慮のため、Ｃｓｓの減少，ノイズ低減効果は僅か１／２程度、つまり−６ｄＢ程度しかない。また、ＣＹ１，ＣＹ２は対地の漏れ電流を抑えるため、数ｎＦ以上にはできない。したがって、この発明の課題は小型，低コストの低ノイズ型トランジスタインバータを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】このような課題を解決するため、請求項１の発明では、直流電源の正負極間に上下アームとして直列接続される上側，下側半導体スイッチ素子のうち、電位が変動しない側の半導体スイッチ素子のコレクタ面を冷却体に直接接合し、電位が変動する側の半導体スイッチ素子のコレクタ面を絶縁物を介して冷却体に熱的に結合することを特徴としている。この請求項１の発明においては、前記上側，下側半導体スイッチ素子の冷却体は共通とすることができ（請求項２の発明）、または、前記上側，下側半導体スイッチ素子の冷却体は個別とし、各冷却体間を低インピーダンスで結合することができる（請求項３の発明）。
【０００８】請求項４の発明では、直流電源の正負極間に上下アームとして直列接続される上側，下側半導体スイッチ素子をそれぞれ絶縁して個別の冷却体に接合し、冷却体のそれぞれを低インピーダンスで正電極または負電極に結合することを特徴としている。請求項５の発明では、直流電源の正負極間に上下アームとして直列接続される上側，下側半導体スイッチ素子を絶縁して金属ベースに接合して構成されるトランジスタモジュールを冷却体に設置し、この冷却体を低インピーダンスで正電極または負電極のいずれか一方に接合したことを特徴としている。請求項６の発明では、直流電源の正負極間に上下アームとして直列接続される上側，下側半導体スイッチモールド成形部品のうち、電位が変動しない側の半導体スイッチモールド成形部品のコレクタ面を冷却体に直接半田付けし、電位が変動する側の半導体スイッチモールド成形部品のコレクタ面を冷却体面に絶縁して設けられた回路パターンに半田付けすることを特徴としている。
【０００９】請求項７の発明では、直流電源の正負極間に上下アームとして直列接続される上側，下側半導体スイッチ素子チップのうち、電位が変動しない側の半導体スイッチ素子チップのコレクタ面を冷却体に直接半田付けし、電位が変動する側の半導体スイッチ素子チップのコレクタ面を冷却体面に絶縁して設けられた回路パターンに半田付けし、前記回路パターンと半導体スイッチ素子チップ相互間を電気的に接続し、樹脂封止したことを特徴としている。請求項８の発明では、直流電源の正負極間に上下アームとして直列接続される上側，下側半導体スイッチ素子のうち、電位が変動しない側の半導体スイッチ素子のコレクタ面を金属ベースに直接接合し、電位が変動する側の半導体スイッチ素子のコレクタ面を絶縁物を介して金属ベースに接合し、かつ、この金属ベースを他の絶縁物を介して冷却体に接合することを特徴としている。
【００１０】上記請求項１ないし３または６ないし８のいずれかの発明では、前記電位が変動する側の半導体スイッチ素子の面積またはチップ数を、前記電位が変動しない側の半導体スイッチ素子のそれよりも大とすることができる（請求項９の発明）。請求項１０の発明では、直流電源の正負極間に上下アームとして直列接続される上側，下側半導体スイッチ素子を絶縁して金属ベースに接合して構成されるトランジスタモジュールを絶縁物を介して冷却体に設置し、前記金属ベースを低インピーダンスで正電極または負電極のいずれか一方に接合したことを特徴としている。この請求項１０の発明においては、前記トランジスタモジュールを絶縁物を介して他の金属ベースに接合したのち前記冷却体に設置することができる（請求項１１の発明）。
【００１１】
【発明の実施の形態】図１は、この発明の第１の実施の形態を説明する説明図で、同（ａ）は構造断面図、同（ｂ）はその平面図（裏面側から見た平面図）、同（ｃ）はその構造および回路図である。同（ａ），（ｂ）からも明らかなように、冷却体１を一つにしてＱ２を絶縁シート等の絶縁物２により絶縁し、ネジ３で主回路基板４に取り付けるようにしたものである。Ｑ２は絶縁物２の熱抵抗が増加し、通電能力がダウンするので、同（ｂ），（ｃ）に示すように２個並列にしている。Ｑ２は２個以上とすることができ、複数個とする代りにその面積を大きくすることもできる。このようにするのはＱ１，Ｑ２の一方のみを絶縁する場合に共通である。Ｑ１は１つで、伝熱グリース５を介してネジ３で直接その冷却体１に取り付けられ、その結果、冷却体１はここではＰ電位に低インピーダンスで接続される。なお、図示の如き形状の一般的なトランジスタ，ＴＯ３Ｐ，ＴＯ２２０型などでは、冷却体１への取り付け面が金属ベースで、コレクタ電位となっている。最近は絶縁形もあるので、２種類を使い分けることで、絶縁する方も絶縁シートなしでそのまま利用することができる。
【００１２】図１（ｂ）に示すように、整流ダイオードＤもその冷却体１に取り付けられている。トランジスタとダイオードの口出し端子は素子の間近で直角に曲げられ、主回路基板４に最短で半田付けされる。主回路基板４のネジ３には、ネジの頭が十分通る大きな穴が明けられ、ネジ３の着脱ができるようになっている。図１（ｃ）は負荷が加熱コイルＬの例を示し、ノイズの多いＯ点は渦巻きの中心側につなぎ、できるだけノイズを放射しないようにしている。冷却体との静電容量Ｃｃｆは、薄い絶縁体で密着されるので、約１００ｐＦと大きなものになるが、問題のＣｓｓは約３ｐＦと１／１０に激減する。
【００１３】スイッチング素子として、上記ではＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）を想定しているが、ＦＥＴや他のトランジスタ等を用いることができる。また、図１のＱ１，Ｑ２をトランジスタとして見たときは、いわゆるＮＰＮ形ということになるが、例えば図２のようなＰＮＰ形のものを用いるとすれば、Ｑ１のコレクタが絶縁体を介して冷却体に接合されることになる。すなわち、電位が変動する側（Ｏ点）の半導体スイッチ素子のコレクタ面を絶縁物を介して冷却体に接合する。
【００１４】図１，図２のようにすることにより、下記１）〜４）のような効果を期待できる。
１）Ｃｓｓの値が一桁小さくなることで、ＶＣＹ２のノイズ電圧レベルが一桁小さく；−２０ｄＢとなり、ノイズフィルタを小さくできる。Ｃｓｓが小さくなっても、モータ駆動などのように出力導体Ｏが長大となるものについては、結果としてＣｓｓが小さくならないので効果が少ない。したがって、出力導体の短いまたは無い、電磁調理器やスイッチング電源などに効果が大である。
２）冷却体はノイズの少ない電位に接続され、Ｑ２のコレクタはその冷却体と主回路基板に覆われてノイズを放射することができなくなる。トランジスタから負荷に至る、出力導体Ｏの配線がノイズを放射するのを防止すれば、放射ノイズの影響も１／１０以下にすることができる。
３）Ｃｃｆは等価的に、図１３（ｂ）のＰＯ間にあるＣｏｓｓ（Ｑ１内の寄生容量）と同じ効果を持つものとなり、結果として、ＶＱ２の立ち上がり，立下りの傾斜を緩め、ノイズの低減に有効な容量となる。
４）冷却体が１つとなり、主回路基板に平面的に多数の点で安定して半田付け支持されるので、特別な冷却体の支持部品が不要となり、部品点数の削減，軽量化，低コスト化となる。この効果は、各図の上下アーム１組；ハーフブリッジのみでなく、２組のフルブリッジ、３組の3相ブリッジなどの各種インバータ回路にも及び、それぞれ１つの冷却体で構成できる利点がある。
【００１５】図３はこの発明の第２の実施の形態を示す構成図で、冷却体が１１，１２と２分割されている場合である。このような場合に冷却体１１，１２間を図示の如く低インピーダンス接続７で接続する。図４はこの発明の第３の実施の形態を示す構成図で、これも冷却体が１１，１２と２分割されている場合であり、図示の如く冷却体１１をＰ電位、冷却体１２をＮ電位に接続する。図４では冷却体１１をＰ電位、冷却体１２をＮ電位に接続したが、冷却体１１をＮ電位、冷却体１２をＰ電位に接続することもできる。図３，図４のようにする効果は、図１の場合と全く同様である。このとき、絶縁した冷却体を従来と同様にケース，接地電位などに接続するとかえってノイズを増やすことになるので、注意が肝要である。
【００１６】図５はこの発明の第４の実施の形態を示す構成図である。これは、標準構造のトランジスタモジュールＭの例を示し、金属ベース８はトランジスタ回路から絶縁されている。そして、絶縁された冷却体１は、従来は、ケースに接続するか、接地または開放とするものであった。このため、いずれの場合も大きなノイズを電源に伝えるノイズ伝達構造となっている。そこで、図示のように、冷却体１を例えばＮ電位に低インピーダンスで接続することにより、ノイズを低減するものである。このとき、内部結合Ｓ１と外部結合Ｓ２があるが、接続モジュールの内部で接続する内部結合Ｓ１の方が、より低インピーダンス構造となる。なお、ここでは冷却体１をＮ電位に接続したが、Ｐ電位に接続しても良いのは勿論である。この例では、冷却体とケースの絶縁があらためて必要であるが、ノイズフィルタの小型化，低コスト化が図られる。
【００１７】図６，図７はこの発明の第５の実施の形態を示す構成図で、冷却体１に例えばモールド成形された半導体スイッチモールド成形部品Ｑ１のコレクタを半田付け９をするようにした例を示す。半田付け９は冷却体を銅合金にすることで対処可能であるし、アルミに無電解メッキをすることでも可能である。半導体スイッチモールド成形部品Ｑ２側はＱ１に合わせて、半田付けが可能な絶縁取り付け構造とすることが望ましい。なお、図６R>６は主回路基板４で主回路配線をした例であり、図７は冷却体表面で主回路配線の一部を施した例を示す。また、３０は絶縁回路パターンまたはＤＢＣ（ＤｉｒｅｃｔＢｏｎｄｉｎｇＣｏｐｐｅｒ）基板を示している。図６，図７の例によれば、部品を冷却体に取り付けるためのネジが不要となり、さらなる部品点数の削減が可能となる。ネジがなくなることで冷却体の肉厚を極限まで薄くでき、例えば１ｍｍ以下の超軽量冷却体ができる。また、半田付けにより、電気，熱の結合も良くなる。
【００１８】図８，図９はこの発明の第６の実施の形態を示す構成図である。これは、トランジスタ半導体チップそのものを冷却体に直接半田付け９をし、ワイヤボンド１０などで主回路配線をした例で、上記半導体モールド成形部品を半導体チップに置き換えれば、図６，図７と殆ど同様である。なお、図９は冷却体が水冷式の例である。図８，図９の例によれば、図６，図７の例よりもさらに小型軽量化を図ることができる。
【００１９】これまでの例は、冷却体が主回路電位に接続されるようになっていて、接地することができなかったが、以下のように二重絶縁にすることで、冷却体をケースや大地または人体などの自由な電位に接続または接触させることができる。このとき、二重絶縁に挟まれる金属板はインバータ内の電位が変動しないＰまたはＮ電位に、低インピーダンスで接続されることが、ノイズ低減のために重要である。図１０は図1に絶縁物２１と金属ベース８１を付加したもので、冷却体１が接地可能となる例である。図１１は図5の標準構造のトランジスタモジュールＭと冷却体１との間に絶縁物２１を挿入し、金属ベース８をＮ電位に結合Ｓした例である。Ｐ電位に結合してもよいのは勿論である。図１２は図5の標準構造のトランジスタモジュールＭ内を二重絶縁構造にし、内部で金属ベース８をＮ電位に結合Ｓした特殊モジュールの例である。ノイズを低減した上で、どこにでも自由に取り付けられる、取り扱いやすいモジュールとなっており、冷却体１は金属ベース８１の上に設置される。金属ベース８をＰ電位に結合しても良いのは図１１の場合と同様である。
【００２０】
【発明の効果】この発明によれば、トランジスタインバータのスイッチング時に発生するノイズを小型軽量化，低コスト化を図りつつ低減し得るという利点が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施の形態を説明する説明図である。
【図２】図１でスイッチ素子の型が異なる場合の説明図である。
【図３】この発明の第２の実施の形態を示す概要図である。
【図４】この発明の第３の実施の形態を示す概要図である。
【図５】この発明の第４の実施の形態を示す概要図である。
【図６】この発明の第５の実施の形態を説明する説明図である。
【図７】図６の変形例を説明する説明図である。
【図８】この発明の第６の実施の形態を説明する説明図である。
【図９】図８の変形例を示す概要図である。
【図１０】この発明の第７の実施の形態を説明する説明図である。
【図１１】この発明の第８の実施の形態を示す概要図である。
【図１２】図１１の変形例を示す概要図である。
【図１３】従来例を説明するための説明図である。
【符号の説明】
１，１１，１２…冷却体、２，２１…絶縁物、３…ネジ、４…主回路基板、５…伝熱グリース、６…ケース、７…低インピーダンス接続、８，８１…金属ベース、９…半田付け、１０…ワイヤボンディング、２０…シールド、３０…絶縁回路パターン（またはＤＢＣ）、Ｍ…標準トランジスタモジュール。

【特許請求の範囲】
【請求項１】直流電源の正負極間に上下アームとして直列接続される上側，下側半導体スイッチ素子のうち、電位が変動しない側の半導体スイッチ素子のコレクタ面を冷却体に直接接合し、電位が変動する側の半導体スイッチ素子のコレクタ面を絶縁物を介して冷却体に熱的に結合することを特徴とするトランジスタインバータの構造。
【請求項２】前記上側，下側半導体スイッチ素子の冷却体は共通とすることを特徴とする請求項１に記載のトランジスタインバータの構造。
【請求項３】前記上側，下側半導体スイッチ素子の冷却体は個別とし、各冷却体間を低インピーダンスで結合することを特徴とする請求項１に記載のトランジスタインバータの構造。
【請求項４】直流電源の正負極間に上下アームとして直列接続される上側，下側半導体スイッチ素子をそれぞれ絶縁して個別の冷却体に接合し、冷却体のそれぞれを低インピーダンスで正電極または負電極に結合することを特徴とするトランジスタインバータの構造。
【請求項５】直流電源の正負極間に上下アームとして直列接続される上側，下側半導体スイッチ素子を絶縁して金属ベースに接合して構成されるトランジスタモジュールを冷却体に設置し、この冷却体を低インピーダンスで正電極または負電極のいずれか一方に接合したことを特徴とするトランジスタインバータの構造。
【請求項６】直流電源の正負極間に上下アームとして直列接続される上側，下側半導体スイッチモールド成形部品のうち、電位が変動しない側の半導体スイッチモールド成形部品のコレクタ面を冷却体に直接半田付けし、電位が変動する側の半導体スイッチモールド成形部品のコレクタ面を冷却体面に絶縁して設けられた回路パターンに半田付けすることを特徴とするトランジスタインバータの構造。
【請求項７】直流電源の正負極間に上下アームとして直列接続される上側，下側半導体スイッチ素子チップのうち、電位が変動しない側の半導体スイッチ素子チップのコレクタ面を冷却体に直接半田付けし、電位が変動する側の半導体スイッチ素子チップのコレクタ面を冷却体面に絶縁して設けられた回路パターンに半田付けし、前記回路パターンと半導体スイッチ素子チップ相互間を電気的に接続し、樹脂封止したことを特徴とするトランジスタインバータの構造。するトランジスタインバータの構造。
【請求項８】直流電源の正負極間に上下アームとして直列接続される上側，下側半導体スイッチ素子のうち、電位が変動しない側の半導体スイッチ素子のコレクタ面を金属ベースに直接接合し、電位が変動する側の半導体スイッチ素子のコレクタ面を絶縁物を介して金属ベースに接合し、かつ、この金属ベースを他の絶縁物を介して冷却体に接合することを特徴とするトランジスタインバータの構造。
【請求項９】前記電位が変動する側の半導体スイッチ素子の面積またはチップ数を、前記電位が変動しない側の半導体スイッチ素子のそれよりも大とすることを特徴とする請求項１ないし３または６ないし８のいずれかに記載のトランジスタインバータの構造。
【請求項１０】直流電源の正負極間に上下アームとして直列接続される上側，下側半導体スイッチ素子を絶縁して金属ベースに接合して構成されるトランジスタモジュールを絶縁物を介して冷却体に設置し、前記金属ベースを低インピーダンスで正電極または負電極のいずれか一方に接合したことを特徴とするトランジスタインバータの構造。
【請求項１１】前記トランジスタモジュールを絶縁物を介して他の金属ベースに接合したのち前記冷却体に設置することを特徴とする請求項１０に記載のトランジスタインバータの構造。

【図２】