電界放射低減構造
【課題】パワー半導体素子からの熱を放熱させると共に、筐体への漏れ電流を抑制して電界放射を低減することが可能な電界放射低減構造を提供すること。
【解決手段】パワー半導体素子２及びこのパワー半導体素子２が実装される基板３を収容する筐体４を備え、この筐体４にパワー半導体素子２で発生した熱を伝熱し、筐体４を用いて放熱させる構成とする。また、パワー半導体素子２から筐体４へ漏れ電流が流れる経路に電気的に接続され、筐体４を介さずに漏れ電流をパワー半導体素子２へ循環させる導電部材１１を備える構成とし、漏れ電流を循環させることで、筐体４へ流れる電流を減少させる。
【解決手段】パワー半導体素子２及びこのパワー半導体素子２が実装される基板３を収容する筐体４を備え、この筐体４にパワー半導体素子２で発生した熱を伝熱し、筐体４を用いて放熱させる構成とする。また、パワー半導体素子２から筐体４へ漏れ電流が流れる経路に電気的に接続され、筐体４を介さずに漏れ電流をパワー半導体素子２へ循環させる導電部材１１を備える構成とし、漏れ電流を循環させることで、筐体４へ流れる電流を減少させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワー半導体素子から発生する熱を筐体を用いて放熱すると共に、パワー半導体素子からの漏れ電流による電界放射を低減させる電界放射低減構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
パワー半導体素子から導出されたリード線を基板に接続固定する際に、高熱伝導性を有するセラミックス製の放熱スペーサーを用いることで、素子で発生した熱を放熱する技術がある。この放熱スペーサーでは、素子から発生するスパイクノイズを除去するため、リード線を貫通させる部分にフェライトビーズコアが埋め込まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平０２−６５１９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
例えば、人工衛星に搭載される冷凍機を駆動するインバータ回路で使用されるパワー半導体素子では、素子から発生した熱を筐体に伝達し、この筐体を用いて熱を放熱させるものである。このようなパワー半導体素子は、絶縁体を介して筐体に取り付けられているため、この絶縁体は、筐体との間に形成されたコンデンサーとして機能し、パワー半導体素子からの漏れ電流（高周波電流）は筐体へ流れることになる。
【０００５】
一方、筐体は金属で構成され、その材質、構成などにより制御が困難なインピーダンスを持ち、このインピーダンスに上記の高周波電流が流れることで、筐体に電圧が発生することとなる。筐体表面に生じた電界から電磁波が放射され、周辺機器に影響が及ぶおそれがあるため、放射される電磁波の抑制が求められている。
【０００６】
そして、筐体への漏れ電流を減少させるための絶縁性を向上させた場合には、伝熱性が低下し排熱が困難になるため、筐体への高周波電流の漏れ対策よりも排熱性の確保が優先されていた。また、特許文献１の技術は、パワー半導体素子からの熱を筐体を用いて放熱させるものではなく、筐体表面に生じた電界から電磁波が放射されることについて考慮されているものでもなかった。
【０００７】
本発明は、以上の課題を解決することを目的としており、パワー半導体素子からの熱を放熱すると共に、筐体への漏れ電流を抑制して電界放射を低減することが可能な電界放射低減構造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】
【０００８】
本発明は、スイッチングに用いられるパワー半導体素子と、パワー半導体素子が実装される基板と、パワー半導体素子及び基板を収容し、パワー半導体で発生した熱を放熱させる筐体と、パワー半導体素子から筐体へ漏れ電流が流れる経路に電気的に接続され、筐体を介さずに漏れ電流をパワー半導体素子へ循環させる導電部材と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
本発明に係る電界放射低減構造は、パワー半導体素子及びこのパワー半導体素子が実装される基板を収容する筐体を備え、この筐体にパワー半導体素子で発生した熱を伝熱して、筐体を用いて放熱させるものである。この電界放射低減構造は、パワー半導体素子から筐体へ漏れ電流が流れる経路に電気的に接続され、筐体を介さずに漏れ電流をパワー半導体素子へ循環させる導電部材を備えているため、漏れ電流を循環させることで、筐体へ流れる漏れ電流を減少させることができる。その結果、筐体表面での電界の発生を抑え、電磁波の放射を減少させることができる。
【００１０】
また、導電部材は、パワー半導体素子と筐体との間に配置され、パワー半導体素子で発生した熱を放熱させる放熱部材であることが好ましい。これにより、パワー半導体素子と筐体との間に配置された導電部材によって、パワー半導体素子で発生した熱を放熱させることができる。その結果、放熱性能の向上を図ることができる。
【００１１】
また、導電部材は、パワー半導体素子と基板との間に配置され、パワー半導体素子で発生した熱を放熱する放熱部材であることが好適である。パワー半導体素子で発生した熱を放熱させる放熱部材が、パワー半導体素子と基板との間に配置されているため、筐体での放熱に加え、放熱部材によって放熱を行うことができる。これにより放熱性能の向上を図ることができる。
【００１２】
また、パワー半導体素子で発生した熱を熱伝導によって筐体へ伝える熱伝導部材と、熱伝導部材に設けられ、パワー半導体素子のスイッチング周波数におけるインピーダンスを増大させるインピーダンス調整機構と、を更に備えることが好ましい。この電界放射低減構造は、パワー半導体素子で発生した熱を熱伝導によって筐体へ伝える熱伝導部材を備えているため、パワー半導体素子からの熱を筐体に伝熱し、筐体を用いて放熱を行うことができる。また、熱伝導部材には、パワー半導体素子のスイッチング周波数におけるインピーダンスを増大させるインピーダンス調整機構が設けられているため、熱伝導部材におけるインピーダンスを増大させることで、パワー半導体素子からの漏れ電流が熱伝導部材を通り筐体へ流れることが防止される。その結果、筐体表面での電界の発生を抑え、電磁波の放射を減少させることができる。
【００１３】
また、本発明は、スイッチングに用いられるパワー半導体素子と、当該パワー半導体素子が実装される基板と、パワー半導体素子及び基板を収容し、パワー半導体で発生した熱を放熱させる筐体と、パワー半導体素子で発生した熱を熱伝導によって筐体へ伝える熱伝導部材と、熱伝導部材に設けられ、パワー半導体素子のスイッチング周波数におけるインピーダンスを増大させるインピーダンス調整機構と、を備えることを特徴とする。
【００１４】
本発明に係る電界放射低減構造は、パワー半導体素子及びこのパワー半導体素子が実装される基板を収容する筐体を備え、この筐体にパワー半導体素子で発生した熱を伝熱して、筐体を用いて熱を放熱させるものである。この電界放射低減構造は、パワー半導体素子で発生した熱を熱伝導によって筐体へ伝える熱伝導部材を備えているため、パワー半導体素子からの熱を筐体に伝熱し、筐体を用いて放熱を行うことができる。また、熱伝導部材には、パワー半導体素子のスイッチング周波数におけるインピーダンスを増大させるインピーダンス調整機構が設けられているため、熱伝導部材におけるインピーダンスを増大させることで、パワー半導体素子からの漏れ電流が熱伝導部材を通り筐体へ流れることが防止される。その結果、筐体表面での電界の発生を抑え、電磁波の放射を減少させることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、パワー半導体素子からの熱を放熱させると共に、筐体への漏れ電流を抑制して電界放射を低減することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１実施形態に係る電界放射低減構造が適用されるパワー半導体素子を示す斜視図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る電界放射低減構造を示す断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る電界放射低減構造の等価回路図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る電界放射低減構造を示す断面図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る電界放射低減構造の等価回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明に係る電界放射低減構造の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。本実施形態の電界放射構造は、例えば人工衛星に搭載される冷凍機を駆動する冷凍機駆動用電源装置に採用されるものであり、宇宙環境で使用可能な構成とされている。この冷凍機駆動用電源装置は、太陽電池によって発電された直流の電力を交流に変換するインバータとしての機能を有する。そして、交流に変換された電力は、冷凍機の駆動に利用される。
【００１８】
（第１実施形態）
第１実施形態の電界放射低減構造について説明する。図１及び図２に示す電界放射低減構造１は、インバータ回路で使用されるパワー半導体素子（スイッチング素子）２を備えている。パワー半導体素子２は、配線が形成された回路基板３に搭載され、これらのパワー半導体素子２及び回路基板３は、金属製のシャシー（筐体）４内に収容されている。このシャシー４は、パワー半導体素子２から発生した熱が伝熱され、パワー半導体素子２からの熱を放熱させる機能を有する。
【００１９】
パワー半導体素子２は、プラスチック製のパッケージ２ａ内にトランジスタ２ｂなどの電子部品を有するものであり、パワー半導体素子２から導出されたリード端子２ｃは、回路基板３のグランドプレーンＧに電気的に接続されている。そして、パワー半導体素子２は、金属製のボルト５によって、シャシー４の側壁４ａに固定されている。
【００２０】
また、パッケージ２ａは箱形を成し、このパッケージ２ａの側壁４ａと対面する面には熱を放熱させる金属製の放熱フィン６が当接されて接着されている。この放熱フィン６は例えば銅製であり、放熱フィン６とパッケージ２ａとは面接触されて、熱伝導性が向上されている。また、放熱フィン６には、図示上下方向において、パッケージ２ａの上方まで張り出す張出部６ａが形成され、この張出部６ａには、ボルト５が挿通される貫通穴が形成されている。
【００２１】
放熱フィン６とシャシー４の側壁４ａとの間には、絶縁性を有する絶縁シート７が配置されている。この絶縁シート７は、対面する放熱フィン５と略同じ面積を有し、厚さ方向において略同じ形状とされている。また、絶縁シート７には、放熱フィン５の貫通穴に対応する位置に、ボルト５が挿通される貫通穴が形成されている。そして、ボルト５は、放熱フィン５の貫通穴、絶縁シート７の貫通穴に挿通され、シャシー４の側壁４ａに形成されたねじ穴４ｃに螺合されることで、放熱フィン５及び絶縁シート７をシャシー４に固定している。すなわち、絶縁シート７は、放熱フィン６及び側壁４ａに挟持され、対面する放熱フィン６及び側壁４ａと面接触している。また、ボルト５は、放熱フィン６との間に配置された絶縁ワッシャー８を介して取り付けられている。
【００２２】
一方、パワー半導体素子２を実装する基板３は、シャシー４の底板４ｂと対面して配置され、ボルト９によって、シャシー４の底板４ｂに固定されている。この底板４ｂには、ボルト９を螺合するねじ穴４ｄが設けられ、このねじ穴４ｄに対応する位置には、基板３を下方から支持する円筒状の支持部１０が設けられている。基板３には、ボルト９を挿通する貫通穴が設けられ、この貫通穴は、支持部１０に対応する位置に配置されている。そして、ボルト９は、基板３の貫通穴、支持部１０の貫通穴に挿通され、シャシー４の底板４ｄのねじ穴４ｄに螺合されることで、基板３をシャシー４に固定している。
【００２３】
ここで、電界放射低減構造１は、パワー半導体素子２をシャシー４の側壁４ａに固定するボルト５と、基板３のグランドプレーンＧとを電気的に接続するワイヤー１１を備えている。ワイヤー１１の一方の端部には、圧着端子１１ａが設けられ、この圧着端子１１ａは、絶縁ワッシャー８と放熱フィン６との間に挟まれて固定されている。ワイヤー１１により、パッケージ２ａから放熱フィン６へ漏れた電流を回路基板３のグランドプレーンＧへ流すことで、絶縁シート７からシャーシ４の側壁４ａへの電流の漏れを低減できる。
【００２４】
ワイヤー１１は、パワー半導体素子２からシャシー４へ漏れ電流が流れる経路に電気的に接続され、シャシー４を介さずに漏れ電流をパワー半導体素子２へ循環させる本発明の導電部材として機能するものである。また、ワイヤー１１は、パワー半導体素子２とシャシー４との間に配置され、パワー半導体素子２で発生した熱を放熱させる本発明の放熱部材として機能する。
【００２５】
次に、電界放射低減構造１の等価回路について説明する。図３は、電界放射低減構造の等価回路図である。パワー半導体素子２のトランジスタ２ｂは、その動作に伴い熱を発生させる共に、スイッチングノイズに起因する漏れ電流を生じさせる。ここで、トランジスタ２ｂからの漏れ電流の発生源は、高周波電源ｅｎとみなすことができる。パワー半導体素子２のパッケージ２ａは、絶縁性を有するプラスチックによって形成されているため、高周波電源ｅｎと直列に接続されたコンデンサーＣ１とみなすことができる。
【００２６】
パワー半導体素子２のパッケージ２ａは金属製の放熱フィン６と当接し、この放熱フィン６は絶縁性を有する絶縁シート７と当接している。これにより、絶縁シート７は、コンデンサーＣ１と直列に接続されたコンデンサーＣ２とみなすことができる。絶縁シート７と当接する金属製のシャシー４は、側壁４ａ及び底板４ｂにおいて所定の長さを有するため、コンデンサーＣ２と直列に接続されたインダクタンスＬ２及び電気抵抗Ｒ２とみなすことができる。
【００２７】
シャシー４の底板４ｂは、金属製のボルト９を介して基板３のグランドプレーンＧと電気的に接続されている。また、基板３は、所定の長さを有しパワー半導体素子２のトランジスタ２ｂと電気的に接続されているため、電気抵抗Ｒ２及び高周波電源ｅｎとの間で直列に接続された電気抵抗Ｒ３及びインダクタンスＬ３とみなすことができる。
【００２８】
すなわち、電界放射低減構造１には、高周波電源ｅｎ、コンデンサーＣ１，Ｃ２、インダクタンスＬ２、電気抵抗Ｒ２，Ｒ３、及びインダクタンスＬ３が直列に接続された電気回路が形成されているとみなすことができる。ここで、電界放射低減構造１は、ボルト５及び基板３のグランドプレーン３を電気的に接続するワイヤー１１を備えている。このワイヤー１１は、所定の長さを有するため、コンデンサーＣ１と直列に接続されたインダクタンスＬ１及び電気抵抗Ｒ１とみなすことができ、これらのインダクタンスＬ１及び電気抵抗Ｒ１は、コンデンサーＣ２、インダクタンスＬ２、電気抵抗Ｒ２，Ｒ３、及びインダクタンスＬ３と並列に接続されている。そして、ワイヤー１１のインダクタンスＬ１及び電気抵抗Ｒ１は、シャシー４のインダクタンスＬ２及び電気抵抗Ｒ２と比較して、小さくされている。ワイヤー１１のインダクタンスＬ１は、シャシー４のインダクタンスＬ２と比較して小さく、ワイヤー１１の電気抵抗Ｒ１は、シャシー４の電気抵抗Ｒ２と比較して小さい。これにより、漏れ電流をワイヤー１１に流れ易くすることで、シャシー４に流れる漏れ電流ｉｎを減少させることができる。そのため、シャシー４に発生する電圧ｅＲを減らし、シャシー４表面での電界の発生を抑えて、電磁波の放射を減少させることができる。
【００２９】
このような電界放射低減構造１では、パワー半導体素子２のパッケージ２ａが、放熱フィン６に当接され、この放熱フィン６が絶縁シート７を介して、シャシー４の側壁４ａに面接触されている。これにより、パワー半導体素子２で発生した熱は、放熱フィン６に伝達されてその一部が放熱され、残りの熱は、シャシー４に伝達されて放熱される。そのため、パワー半導体素子２からの熱を好適に放熱することができるので、排熱性を確保してパワー半導体素子２を冷却することができる。
【００３０】
また、電界放射低減構造１によれば、ワイヤー１１を備え、シャシー４を介さずに漏れ電流を循環させる経路を構成することができるため、シャシー４へ流れる漏れ電流ｉｎを抑制することができる。これにより、シャシー４に発生する電圧ｅＲを減らし、シャシー４表面での電界の発生を抑えて、電磁波の放射を減少させることが可能となる。その結果、電界放射低減構造１では、パワー半導体素子２からの熱を確実に放熱させると共に、シャシー４への漏れ電流を抑制して電界放射を低減することが可能とある。
【００３１】
電界放射低減構造１では、伝熱性を損なうことなく高周波での絶縁性能を向上させることができる。また、漏れ電流が流れる経路が制御され、シャシー４へ流れる漏れ電流を低減することができる。パワー半導体素子２のスイッチング周波数及びその高調波での放射が低減される。従って、パワー半導体素子２を冷却することで、装置の信頼性を向上させることができ、電磁波の放射を減少させることで、周辺機器へ影響を及ぼすおそれが低減されている。
【００３２】
（第２実施形態）
第２実施形態の電界放射低減構造について説明する。図４に示す電界放射低減構造２１は、インバータ回路で使用されるパワー半導体素子（スイッチング素子）２２を備えている。パワー半導体素子２２は、配線が形成された回路基板２３に搭載され、これらのパワー半導体素子２２及び回路基板２３は、金属製のシャシー（筐体）２４内に収容されている。このシャシー２４は、パワー半導体素子２２から発生した熱が伝熱され、パワー半導体素子２２からの熱を放熱させる機能を有する。
【００３３】
パワー半導体素子２２は、プラスチック製のパッケージ２２ａ内にトランジスタ２２ｂなどの電子部品を有するものであり、パワー半導体素子２２から導出されたリード端子２２ｃは、回路基板２３のグランドプレーンＧに電気的に接続されている。そして、パワー半導体素子２２は、金属製のボルト２５及びナット２５ｂによって、基板２３に固定されている。
【００３４】
また、パッケージ２２ａは箱形を成し、このパッケージ２２ａの基板２３と対面する面（底面）には熱を放熱させる金属製の放熱フィン２６が当接されて接着されている。この放熱フィン６は例えば銅製であり、放熱フィン２６とパッケージ２２ａとは面接触されて、熱伝導性が向上されている。また、放熱フィン２６には、図示左右方向において、パッケージ２２ａの上方まで張り出す張出部２６ａが形成され、この張出部２６ａには、ボルト２５が挿通される貫通穴が形成されている。
【００３５】
そして、放熱フィン２６は、基板２３の表面（天面）に形成されたグランドプレーンＧ上に配置されている。放熱フィン２６の底面は、基板２３のグランドプレーンＧと面接触した状態となっている。放熱フィン２６は、基板２３（ガラスエポキシ基板）に固定され、グランドプレーンＧと電気的に接続されている。また、放熱フィン２６の底面は、その全面においてグランドプレーンＧと電気的接続されている。
【００３６】
また、基板２３には、放熱フィン２６の貫通穴に対応する位置に、ボルト２５が挿通される貫通穴が形成されている。また、放熱フィン２６の張出部２６ａの天面（基板２３とは反対側の面）には、絶縁性を有する絶縁シート２７が配置されている。この絶縁シート２７は、例えばリング状に形成されその中央の開口は、放熱フィン２６の貫通穴に対応して配置されている。また、この絶縁シート２７と、放熱フィン２６との接触面積は、極力小さくすることが好ましい。
【００３７】
また、この絶縁シート２７上には、後述する熱パス３１の圧着端子３１ａ、及びこの圧着端子３１ａを上方から押し付けるワッシャー３２が配置されている。これらの基板２３、グランドプレーンＧ、放熱フィン２６、絶縁シート２７、圧着端子３１ａ、及びワッシャー３２は、この順で積層されてボルト２５及びナット２５ｂによって締結されている。
【００３８】
また、パワー半導体素子２２を実装する基板２３は、シャシー２４の底板２４ｂと対面して配置され、ボルト２９によって、シャシー２４の底板２４ｂに固定されている。この底板２４ｂには、ボルト２９を螺合するねじ穴２４ｄが設けられ、このねじ穴２４ｄに対応する位置には、基板２３を下方から支持する円筒状の支持部３０が設けられている。基板２３には、ボルト２９を挿通する貫通穴が設けられ、この貫通穴は、支持部３０に対応する位置に配置されている。そして、ボルト２９は、基板２３の貫通穴、支持部３０の貫通穴に挿通され、シャシー２４の底板２４ｄのねじ穴２４ｄに螺合されることで、基板２３をシャシー２４に固定している。
【００３９】
ここで、電界放射低減構造２１は、パワー半導体素子２２からの熱をシャシー４へ伝熱する熱パス（熱伝導部材）３１を備えている。この熱パス３１は、良好な伝熱性能を有する線材料によって形成されている。また、熱パス３１の両端に設けられた圧着端子３１ａ，３１ｂは、例えば線材料やグラファイトシートを用いて形成されている。そして、一方の圧着端子３１ａは、ボルト２５及びナット２５ｂによる締結力により、絶縁シート２７に押し付けられている。また、他方の圧着端子３１ｂは、ボルト３５によって締め付けられ、ワッシャー３６によって押圧され、シャシー２４の側壁２４ａと面接触している。側壁２４ａに設けられたねじ穴２４ｃにボルト３５を螺合させることで、圧着端子３１ｂは、側壁２４ａに押し付けられている。すわなち、放熱フィン２６に伝えられた熱は、熱パス３１における熱伝導により伝熱され、シャシー２４に伝達される。
【００４０】
また、この熱パス３１には、フェライトビーズ３３が取り付けられている。このフェライトビーズ３３は、熱パス３１のインピーダンスを増大させる機能を有するものであり、具体的には、パワー半導体素子２のスイッチング周波数におけるインピーダンスを増大させるものである。このフェライトビーズ３３が、本発明のインピーダンス調整機構に相当する。フェライトビーズ３３は、例えば円筒状を成し、その内部に熱パス３１を挿通させる。
【００４１】
次に、電界放射低減構造２１の等価回路について説明する。図５は、電界放射低減構造の等価回路図である。パワー半導体素子２２のトランジスタ２２ｂは、その動作に伴い熱を発生させる共に、スイッチングノイズに起因する漏れ電流を生じさせる。ここで、トランジスタ２２ｂからの漏れ電流の発生源は、高周波電源ｅｎとみなすことができる。パワー半導体素子２２のパッケージ２２ａは、絶縁性を有するプラスチックによって形成されているため、高周波電源ｅｎと直列に接続されたコンデンサーＣ１とみなすことができる。
【００４２】
パワー半導体素子２２のパッケージ２２ａは金属製の放熱フィン２６と当接し、この放熱フィン２６は絶縁性を有する絶縁シート２７と当接している。これにより、絶縁シート２７は、コンデンサーＣ１と直列に接続されたコンデンサーＣ２とみなすことができる。絶縁シート２７と接続された熱パス３１には、インピーダンスを増大させるフェライトビーズが取り付けられているため、コンデンサーＣ２と直列に接続されたインダクタンスＬ４とみなすことができる。熱パス３１と接続された金属製のシャシー２４は、側壁２４ａ及び底板２４ｂにおいて所定の長さを有するため、インダクタンスＬ４と直列に接続されたインダクタンスＬ２及び電気抵抗Ｒ２とみなすことができる。
【００４３】
シャシー２４の底板２４ｂは、金属製のボルト２９を介して基板２３のグランドプレーンＧと電気的に接続されている。また、基板２３は、所定の長さを有しパワー半導体素子２２のトランジスタ２２ｂと電気的に接続されているため、電気抵抗Ｒ２及び高周波電源ｅｎとの間で直列に接続された電気抵抗Ｒ３及びインダクタンスＬ３とみなすことができる。
【００４４】
すなわち、電界放射低減構造２１には、高周波電源ｅｎ、コンデンサーＣ１，Ｃ２、インダクタンスＬ４，Ｌ２、電気抵抗Ｒ２，Ｒ３、及びインダクタンスＬ３が直列に接続された電気回路が形成されているとみなすことができる。ここで、電界放射低減構造２１では、放熱フィン２６が基板２３のグランドプレーンＧに面接触され電気的に接続されている。これにより、グランドプレーンＧは、放熱フィン２６と当接して電気的に接続されているため、コンデンサーＣ１と直列に接続されたインダクタンスＬ１及び電気抵抗Ｒ１とみなすことができ、これらのインダクタンスＬ１及び電気抵抗Ｒ１は、コンデンサーＣ２、インダクタンスＬ４，Ｌ２、電気抵抗Ｒ２，Ｒ３、及びインダクタンスＬ３と並列に接続されている。そして、放熱フィン２６と面接触するグランドプレーンＧのインダクタンスＬ１及び電気抵抗Ｒ１は、シャシー４のインダクタンスＬ２及び電気抵抗Ｒ２と比較して、小さくされている。グランドプレーンＧのインダクタンスＬ１は、シャシー２４のインダクタンスＬ２と比較して小さく、グランドプレーンＧの電気抵抗Ｒ１は、シャシー２４の電気抵抗Ｒ２と比較して小さい。これにより、シャシー４を介さずに漏れ電流をトランジスタ２２ｂへ循環させる経路を形成することができるので、シャシー２４に流れる漏れ電流ｉｎを減少させることができる。そのため、シャシー２４に発生する電圧ｅＲを減らし、シャシー２４表面での電界の発生を抑えて、電磁波の放射を減少させることができる。
【００４５】
このような電界放射低減構造２１では、パワー半導体素子２２のパッケージ２２ａが、放熱フィン２６に当接され、この放熱フィン２６が絶縁シート２７、熱パス３１を介して、シャシー２４の側壁２４ａに接続されている。これにより、パワー半導体素子２２で発生した熱は、放熱フィン２６に伝達されてその一部が放熱され、残りの熱は、熱パス３３の熱伝導により伝熱され、シャシー２４に伝達されて放熱される。そのため、パワー半導体素子２２からの熱を好適に放熱することができるので、排熱性を確保してパワー半導体素子２２を冷却することができる。
【００４６】
また、電界放射低減構造２１によれば、放熱フィン２６とグランドプレーンＧとが面接触されて、互いの接触面積が大きく確保されるため、インダクタンスＬ１及び電気抵抗Ｒ１を小さくすることができ、シャシー２４を介さずに漏れ電流をトランジスタ２２ｂへ循環させる経路を構成することが可能となり、シャシー２４へ流れる漏れ電流ｉｎを抑制することができる。更に、電界放射低減構造２１では、インピーダンスを増大させるフェライトビーズ３３が熱パス３１に取り付けられ、インダクタンスＬ４を通ってシャシー２４へ流れる漏れ電流を効果的に抑制することができる。これらにより、シャシー２４に発生する電圧ｅＲを減らし、シャシー２４表面での電界の発生を抑えて、電磁波の放射を減少させることが可能となる。その結果、電界放射低減構造２１では、パワー半導体素子２２からの熱を確実に放熱させると共に、シャシー２４への漏れ電流を抑制して電界放射を低減することが可能とある。
【００４７】
また、電界放射低減構造２１では、絶縁シート２７と放熱フィン２６との接触面積、絶縁シート２７と熱パス３１の圧着端子３１ａとの接触面積を小さくすることで、コンデンサーＣ２を小さくして、シャシー２４へ流れる漏れ電流を抑制することができる。
【００４８】
電界放射低減構造２１では、伝熱性を損なうことなく高周波での絶縁性能を向上させることができる。また、漏れ電流が流れる経路が制御され、シャシー２４へ流れる漏れ電流を低減することができる。パワー半導体素子２２のスイッチング周波数及びその高調波での放射が低減される。従って、パワー半導体素子２２を冷却することで、装置の信頼性を向上させることができ、電磁波の放射を減少させることで、周辺機器へ影響を及ぼすおそれが低減されている。
【００４９】
以上、本発明をその実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態では、本発明の電界放射低減構造を人工衛星に搭載される冷凍機駆動用電源装置に適用しているが、その他のパワー半導体素子を備える装置に電界放射低減構造を適用してもよい。
【符号の説明】
【００５０】
１，２１…冷凍機駆動用電源装置、２，２２…パワー半導体素子、２ｂ，２２ｂ…トランジスタ、３，２３…基板、４，２４…シャシー（筐体）、６，２６…放熱フィン（熱伝導部材）、１１…ワイヤー（導電部材）、３１…熱パス（熱伝導部材）、３３…フェライトビーズ（インピーダンス調整機構）。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワー半導体素子から発生する熱を筐体を用いて放熱すると共に、パワー半導体素子からの漏れ電流による電界放射を低減させる電界放射低減構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
パワー半導体素子から導出されたリード線を基板に接続固定する際に、高熱伝導性を有するセラミックス製の放熱スペーサーを用いることで、素子で発生した熱を放熱する技術がある。この放熱スペーサーでは、素子から発生するスパイクノイズを除去するため、リード線を貫通させる部分にフェライトビーズコアが埋め込まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平０２−６５１９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
例えば、人工衛星に搭載される冷凍機を駆動するインバータ回路で使用されるパワー半導体素子では、素子から発生した熱を筐体に伝達し、この筐体を用いて熱を放熱させるものである。このようなパワー半導体素子は、絶縁体を介して筐体に取り付けられているため、この絶縁体は、筐体との間に形成されたコンデンサーとして機能し、パワー半導体素子からの漏れ電流（高周波電流）は筐体へ流れることになる。
【０００５】
一方、筐体は金属で構成され、その材質、構成などにより制御が困難なインピーダンスを持ち、このインピーダンスに上記の高周波電流が流れることで、筐体に電圧が発生することとなる。筐体表面に生じた電界から電磁波が放射され、周辺機器に影響が及ぶおそれがあるため、放射される電磁波の抑制が求められている。
【０００６】
そして、筐体への漏れ電流を減少させるための絶縁性を向上させた場合には、伝熱性が低下し排熱が困難になるため、筐体への高周波電流の漏れ対策よりも排熱性の確保が優先されていた。また、特許文献１の技術は、パワー半導体素子からの熱を筐体を用いて放熱させるものではなく、筐体表面に生じた電界から電磁波が放射されることについて考慮されているものでもなかった。
【０００７】
本発明は、以上の課題を解決することを目的としており、パワー半導体素子からの熱を放熱すると共に、筐体への漏れ電流を抑制して電界放射を低減することが可能な電界放射低減構造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】
【０００８】
本発明は、スイッチングに用いられるパワー半導体素子と、パワー半導体素子が実装される基板と、パワー半導体素子及び基板を収容し、パワー半導体で発生した熱を放熱させる筐体と、パワー半導体素子から筐体へ漏れ電流が流れる経路に電気的に接続され、筐体を介さずに漏れ電流をパワー半導体素子へ循環させる導電部材と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
本発明に係る電界放射低減構造は、パワー半導体素子及びこのパワー半導体素子が実装される基板を収容する筐体を備え、この筐体にパワー半導体素子で発生した熱を伝熱して、筐体を用いて放熱させるものである。この電界放射低減構造は、パワー半導体素子から筐体へ漏れ電流が流れる経路に電気的に接続され、筐体を介さずに漏れ電流をパワー半導体素子へ循環させる導電部材を備えているため、漏れ電流を循環させることで、筐体へ流れる漏れ電流を減少させることができる。その結果、筐体表面での電界の発生を抑え、電磁波の放射を減少させることができる。
【００１０】
また、導電部材は、パワー半導体素子と筐体との間に配置され、パワー半導体素子で発生した熱を放熱させる放熱部材であることが好ましい。これにより、パワー半導体素子と筐体との間に配置された導電部材によって、パワー半導体素子で発生した熱を放熱させることができる。その結果、放熱性能の向上を図ることができる。
【００１１】
また、導電部材は、パワー半導体素子と基板との間に配置され、パワー半導体素子で発生した熱を放熱する放熱部材であることが好適である。パワー半導体素子で発生した熱を放熱させる放熱部材が、パワー半導体素子と基板との間に配置されているため、筐体での放熱に加え、放熱部材によって放熱を行うことができる。これにより放熱性能の向上を図ることができる。
【００１２】
また、パワー半導体素子で発生した熱を熱伝導によって筐体へ伝える熱伝導部材と、熱伝導部材に設けられ、パワー半導体素子のスイッチング周波数におけるインピーダンスを増大させるインピーダンス調整機構と、を更に備えることが好ましい。この電界放射低減構造は、パワー半導体素子で発生した熱を熱伝導によって筐体へ伝える熱伝導部材を備えているため、パワー半導体素子からの熱を筐体に伝熱し、筐体を用いて放熱を行うことができる。また、熱伝導部材には、パワー半導体素子のスイッチング周波数におけるインピーダンスを増大させるインピーダンス調整機構が設けられているため、熱伝導部材におけるインピーダンスを増大させることで、パワー半導体素子からの漏れ電流が熱伝導部材を通り筐体へ流れることが防止される。その結果、筐体表面での電界の発生を抑え、電磁波の放射を減少させることができる。
【００１３】
また、本発明は、スイッチングに用いられるパワー半導体素子と、当該パワー半導体素子が実装される基板と、パワー半導体素子及び基板を収容し、パワー半導体で発生した熱を放熱させる筐体と、パワー半導体素子で発生した熱を熱伝導によって筐体へ伝える熱伝導部材と、熱伝導部材に設けられ、パワー半導体素子のスイッチング周波数におけるインピーダンスを増大させるインピーダンス調整機構と、を備えることを特徴とする。
【００１４】
本発明に係る電界放射低減構造は、パワー半導体素子及びこのパワー半導体素子が実装される基板を収容する筐体を備え、この筐体にパワー半導体素子で発生した熱を伝熱して、筐体を用いて熱を放熱させるものである。この電界放射低減構造は、パワー半導体素子で発生した熱を熱伝導によって筐体へ伝える熱伝導部材を備えているため、パワー半導体素子からの熱を筐体に伝熱し、筐体を用いて放熱を行うことができる。また、熱伝導部材には、パワー半導体素子のスイッチング周波数におけるインピーダンスを増大させるインピーダンス調整機構が設けられているため、熱伝導部材におけるインピーダンスを増大させることで、パワー半導体素子からの漏れ電流が熱伝導部材を通り筐体へ流れることが防止される。その結果、筐体表面での電界の発生を抑え、電磁波の放射を減少させることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、パワー半導体素子からの熱を放熱させると共に、筐体への漏れ電流を抑制して電界放射を低減することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１実施形態に係る電界放射低減構造が適用されるパワー半導体素子を示す斜視図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る電界放射低減構造を示す断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る電界放射低減構造の等価回路図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る電界放射低減構造を示す断面図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る電界放射低減構造の等価回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明に係る電界放射低減構造の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。本実施形態の電界放射構造は、例えば人工衛星に搭載される冷凍機を駆動する冷凍機駆動用電源装置に採用されるものであり、宇宙環境で使用可能な構成とされている。この冷凍機駆動用電源装置は、太陽電池によって発電された直流の電力を交流に変換するインバータとしての機能を有する。そして、交流に変換された電力は、冷凍機の駆動に利用される。
【００１８】
（第１実施形態）
第１実施形態の電界放射低減構造について説明する。図１及び図２に示す電界放射低減構造１は、インバータ回路で使用されるパワー半導体素子（スイッチング素子）２を備えている。パワー半導体素子２は、配線が形成された回路基板３に搭載され、これらのパワー半導体素子２及び回路基板３は、金属製のシャシー（筐体）４内に収容されている。このシャシー４は、パワー半導体素子２から発生した熱が伝熱され、パワー半導体素子２からの熱を放熱させる機能を有する。
【００１９】
パワー半導体素子２は、プラスチック製のパッケージ２ａ内にトランジスタ２ｂなどの電子部品を有するものであり、パワー半導体素子２から導出されたリード端子２ｃは、回路基板３のグランドプレーンＧに電気的に接続されている。そして、パワー半導体素子２は、金属製のボルト５によって、シャシー４の側壁４ａに固定されている。
【００２０】
また、パッケージ２ａは箱形を成し、このパッケージ２ａの側壁４ａと対面する面には熱を放熱させる金属製の放熱フィン６が当接されて接着されている。この放熱フィン６は例えば銅製であり、放熱フィン６とパッケージ２ａとは面接触されて、熱伝導性が向上されている。また、放熱フィン６には、図示上下方向において、パッケージ２ａの上方まで張り出す張出部６ａが形成され、この張出部６ａには、ボルト５が挿通される貫通穴が形成されている。
【００２１】
放熱フィン６とシャシー４の側壁４ａとの間には、絶縁性を有する絶縁シート７が配置されている。この絶縁シート７は、対面する放熱フィン５と略同じ面積を有し、厚さ方向において略同じ形状とされている。また、絶縁シート７には、放熱フィン５の貫通穴に対応する位置に、ボルト５が挿通される貫通穴が形成されている。そして、ボルト５は、放熱フィン５の貫通穴、絶縁シート７の貫通穴に挿通され、シャシー４の側壁４ａに形成されたねじ穴４ｃに螺合されることで、放熱フィン５及び絶縁シート７をシャシー４に固定している。すなわち、絶縁シート７は、放熱フィン６及び側壁４ａに挟持され、対面する放熱フィン６及び側壁４ａと面接触している。また、ボルト５は、放熱フィン６との間に配置された絶縁ワッシャー８を介して取り付けられている。
【００２２】
一方、パワー半導体素子２を実装する基板３は、シャシー４の底板４ｂと対面して配置され、ボルト９によって、シャシー４の底板４ｂに固定されている。この底板４ｂには、ボルト９を螺合するねじ穴４ｄが設けられ、このねじ穴４ｄに対応する位置には、基板３を下方から支持する円筒状の支持部１０が設けられている。基板３には、ボルト９を挿通する貫通穴が設けられ、この貫通穴は、支持部１０に対応する位置に配置されている。そして、ボルト９は、基板３の貫通穴、支持部１０の貫通穴に挿通され、シャシー４の底板４ｄのねじ穴４ｄに螺合されることで、基板３をシャシー４に固定している。
【００２３】
ここで、電界放射低減構造１は、パワー半導体素子２をシャシー４の側壁４ａに固定するボルト５と、基板３のグランドプレーンＧとを電気的に接続するワイヤー１１を備えている。ワイヤー１１の一方の端部には、圧着端子１１ａが設けられ、この圧着端子１１ａは、絶縁ワッシャー８と放熱フィン６との間に挟まれて固定されている。ワイヤー１１により、パッケージ２ａから放熱フィン６へ漏れた電流を回路基板３のグランドプレーンＧへ流すことで、絶縁シート７からシャーシ４の側壁４ａへの電流の漏れを低減できる。
【００２４】
ワイヤー１１は、パワー半導体素子２からシャシー４へ漏れ電流が流れる経路に電気的に接続され、シャシー４を介さずに漏れ電流をパワー半導体素子２へ循環させる本発明の導電部材として機能するものである。また、ワイヤー１１は、パワー半導体素子２とシャシー４との間に配置され、パワー半導体素子２で発生した熱を放熱させる本発明の放熱部材として機能する。
【００２５】
次に、電界放射低減構造１の等価回路について説明する。図３は、電界放射低減構造の等価回路図である。パワー半導体素子２のトランジスタ２ｂは、その動作に伴い熱を発生させる共に、スイッチングノイズに起因する漏れ電流を生じさせる。ここで、トランジスタ２ｂからの漏れ電流の発生源は、高周波電源ｅｎとみなすことができる。パワー半導体素子２のパッケージ２ａは、絶縁性を有するプラスチックによって形成されているため、高周波電源ｅｎと直列に接続されたコンデンサーＣ１とみなすことができる。
【００２６】
パワー半導体素子２のパッケージ２ａは金属製の放熱フィン６と当接し、この放熱フィン６は絶縁性を有する絶縁シート７と当接している。これにより、絶縁シート７は、コンデンサーＣ１と直列に接続されたコンデンサーＣ２とみなすことができる。絶縁シート７と当接する金属製のシャシー４は、側壁４ａ及び底板４ｂにおいて所定の長さを有するため、コンデンサーＣ２と直列に接続されたインダクタンスＬ２及び電気抵抗Ｒ２とみなすことができる。
【００２７】
シャシー４の底板４ｂは、金属製のボルト９を介して基板３のグランドプレーンＧと電気的に接続されている。また、基板３は、所定の長さを有しパワー半導体素子２のトランジスタ２ｂと電気的に接続されているため、電気抵抗Ｒ２及び高周波電源ｅｎとの間で直列に接続された電気抵抗Ｒ３及びインダクタンスＬ３とみなすことができる。
【００２８】
すなわち、電界放射低減構造１には、高周波電源ｅｎ、コンデンサーＣ１，Ｃ２、インダクタンスＬ２、電気抵抗Ｒ２，Ｒ３、及びインダクタンスＬ３が直列に接続された電気回路が形成されているとみなすことができる。ここで、電界放射低減構造１は、ボルト５及び基板３のグランドプレーン３を電気的に接続するワイヤー１１を備えている。このワイヤー１１は、所定の長さを有するため、コンデンサーＣ１と直列に接続されたインダクタンスＬ１及び電気抵抗Ｒ１とみなすことができ、これらのインダクタンスＬ１及び電気抵抗Ｒ１は、コンデンサーＣ２、インダクタンスＬ２、電気抵抗Ｒ２，Ｒ３、及びインダクタンスＬ３と並列に接続されている。そして、ワイヤー１１のインダクタンスＬ１及び電気抵抗Ｒ１は、シャシー４のインダクタンスＬ２及び電気抵抗Ｒ２と比較して、小さくされている。ワイヤー１１のインダクタンスＬ１は、シャシー４のインダクタンスＬ２と比較して小さく、ワイヤー１１の電気抵抗Ｒ１は、シャシー４の電気抵抗Ｒ２と比較して小さい。これにより、漏れ電流をワイヤー１１に流れ易くすることで、シャシー４に流れる漏れ電流ｉｎを減少させることができる。そのため、シャシー４に発生する電圧ｅＲを減らし、シャシー４表面での電界の発生を抑えて、電磁波の放射を減少させることができる。
【００２９】
このような電界放射低減構造１では、パワー半導体素子２のパッケージ２ａが、放熱フィン６に当接され、この放熱フィン６が絶縁シート７を介して、シャシー４の側壁４ａに面接触されている。これにより、パワー半導体素子２で発生した熱は、放熱フィン６に伝達されてその一部が放熱され、残りの熱は、シャシー４に伝達されて放熱される。そのため、パワー半導体素子２からの熱を好適に放熱することができるので、排熱性を確保してパワー半導体素子２を冷却することができる。
【００３０】
また、電界放射低減構造１によれば、ワイヤー１１を備え、シャシー４を介さずに漏れ電流を循環させる経路を構成することができるため、シャシー４へ流れる漏れ電流ｉｎを抑制することができる。これにより、シャシー４に発生する電圧ｅＲを減らし、シャシー４表面での電界の発生を抑えて、電磁波の放射を減少させることが可能となる。その結果、電界放射低減構造１では、パワー半導体素子２からの熱を確実に放熱させると共に、シャシー４への漏れ電流を抑制して電界放射を低減することが可能とある。
【００３１】
電界放射低減構造１では、伝熱性を損なうことなく高周波での絶縁性能を向上させることができる。また、漏れ電流が流れる経路が制御され、シャシー４へ流れる漏れ電流を低減することができる。パワー半導体素子２のスイッチング周波数及びその高調波での放射が低減される。従って、パワー半導体素子２を冷却することで、装置の信頼性を向上させることができ、電磁波の放射を減少させることで、周辺機器へ影響を及ぼすおそれが低減されている。
【００３２】
（第２実施形態）
第２実施形態の電界放射低減構造について説明する。図４に示す電界放射低減構造２１は、インバータ回路で使用されるパワー半導体素子（スイッチング素子）２２を備えている。パワー半導体素子２２は、配線が形成された回路基板２３に搭載され、これらのパワー半導体素子２２及び回路基板２３は、金属製のシャシー（筐体）２４内に収容されている。このシャシー２４は、パワー半導体素子２２から発生した熱が伝熱され、パワー半導体素子２２からの熱を放熱させる機能を有する。
【００３３】
パワー半導体素子２２は、プラスチック製のパッケージ２２ａ内にトランジスタ２２ｂなどの電子部品を有するものであり、パワー半導体素子２２から導出されたリード端子２２ｃは、回路基板２３のグランドプレーンＧに電気的に接続されている。そして、パワー半導体素子２２は、金属製のボルト２５及びナット２５ｂによって、基板２３に固定されている。
【００３４】
また、パッケージ２２ａは箱形を成し、このパッケージ２２ａの基板２３と対面する面（底面）には熱を放熱させる金属製の放熱フィン２６が当接されて接着されている。この放熱フィン６は例えば銅製であり、放熱フィン２６とパッケージ２２ａとは面接触されて、熱伝導性が向上されている。また、放熱フィン２６には、図示左右方向において、パッケージ２２ａの上方まで張り出す張出部２６ａが形成され、この張出部２６ａには、ボルト２５が挿通される貫通穴が形成されている。
【００３５】
そして、放熱フィン２６は、基板２３の表面（天面）に形成されたグランドプレーンＧ上に配置されている。放熱フィン２６の底面は、基板２３のグランドプレーンＧと面接触した状態となっている。放熱フィン２６は、基板２３（ガラスエポキシ基板）に固定され、グランドプレーンＧと電気的に接続されている。また、放熱フィン２６の底面は、その全面においてグランドプレーンＧと電気的接続されている。
【００３６】
また、基板２３には、放熱フィン２６の貫通穴に対応する位置に、ボルト２５が挿通される貫通穴が形成されている。また、放熱フィン２６の張出部２６ａの天面（基板２３とは反対側の面）には、絶縁性を有する絶縁シート２７が配置されている。この絶縁シート２７は、例えばリング状に形成されその中央の開口は、放熱フィン２６の貫通穴に対応して配置されている。また、この絶縁シート２７と、放熱フィン２６との接触面積は、極力小さくすることが好ましい。
【００３７】
また、この絶縁シート２７上には、後述する熱パス３１の圧着端子３１ａ、及びこの圧着端子３１ａを上方から押し付けるワッシャー３２が配置されている。これらの基板２３、グランドプレーンＧ、放熱フィン２６、絶縁シート２７、圧着端子３１ａ、及びワッシャー３２は、この順で積層されてボルト２５及びナット２５ｂによって締結されている。
【００３８】
また、パワー半導体素子２２を実装する基板２３は、シャシー２４の底板２４ｂと対面して配置され、ボルト２９によって、シャシー２４の底板２４ｂに固定されている。この底板２４ｂには、ボルト２９を螺合するねじ穴２４ｄが設けられ、このねじ穴２４ｄに対応する位置には、基板２３を下方から支持する円筒状の支持部３０が設けられている。基板２３には、ボルト２９を挿通する貫通穴が設けられ、この貫通穴は、支持部３０に対応する位置に配置されている。そして、ボルト２９は、基板２３の貫通穴、支持部３０の貫通穴に挿通され、シャシー２４の底板２４ｄのねじ穴２４ｄに螺合されることで、基板２３をシャシー２４に固定している。
【００３９】
ここで、電界放射低減構造２１は、パワー半導体素子２２からの熱をシャシー４へ伝熱する熱パス（熱伝導部材）３１を備えている。この熱パス３１は、良好な伝熱性能を有する線材料によって形成されている。また、熱パス３１の両端に設けられた圧着端子３１ａ，３１ｂは、例えば線材料やグラファイトシートを用いて形成されている。そして、一方の圧着端子３１ａは、ボルト２５及びナット２５ｂによる締結力により、絶縁シート２７に押し付けられている。また、他方の圧着端子３１ｂは、ボルト３５によって締め付けられ、ワッシャー３６によって押圧され、シャシー２４の側壁２４ａと面接触している。側壁２４ａに設けられたねじ穴２４ｃにボルト３５を螺合させることで、圧着端子３１ｂは、側壁２４ａに押し付けられている。すわなち、放熱フィン２６に伝えられた熱は、熱パス３１における熱伝導により伝熱され、シャシー２４に伝達される。
【００４０】
また、この熱パス３１には、フェライトビーズ３３が取り付けられている。このフェライトビーズ３３は、熱パス３１のインピーダンスを増大させる機能を有するものであり、具体的には、パワー半導体素子２のスイッチング周波数におけるインピーダンスを増大させるものである。このフェライトビーズ３３が、本発明のインピーダンス調整機構に相当する。フェライトビーズ３３は、例えば円筒状を成し、その内部に熱パス３１を挿通させる。
【００４１】
次に、電界放射低減構造２１の等価回路について説明する。図５は、電界放射低減構造の等価回路図である。パワー半導体素子２２のトランジスタ２２ｂは、その動作に伴い熱を発生させる共に、スイッチングノイズに起因する漏れ電流を生じさせる。ここで、トランジスタ２２ｂからの漏れ電流の発生源は、高周波電源ｅｎとみなすことができる。パワー半導体素子２２のパッケージ２２ａは、絶縁性を有するプラスチックによって形成されているため、高周波電源ｅｎと直列に接続されたコンデンサーＣ１とみなすことができる。
【００４２】
パワー半導体素子２２のパッケージ２２ａは金属製の放熱フィン２６と当接し、この放熱フィン２６は絶縁性を有する絶縁シート２７と当接している。これにより、絶縁シート２７は、コンデンサーＣ１と直列に接続されたコンデンサーＣ２とみなすことができる。絶縁シート２７と接続された熱パス３１には、インピーダンスを増大させるフェライトビーズが取り付けられているため、コンデンサーＣ２と直列に接続されたインダクタンスＬ４とみなすことができる。熱パス３１と接続された金属製のシャシー２４は、側壁２４ａ及び底板２４ｂにおいて所定の長さを有するため、インダクタンスＬ４と直列に接続されたインダクタンスＬ２及び電気抵抗Ｒ２とみなすことができる。
【００４３】
シャシー２４の底板２４ｂは、金属製のボルト２９を介して基板２３のグランドプレーンＧと電気的に接続されている。また、基板２３は、所定の長さを有しパワー半導体素子２２のトランジスタ２２ｂと電気的に接続されているため、電気抵抗Ｒ２及び高周波電源ｅｎとの間で直列に接続された電気抵抗Ｒ３及びインダクタンスＬ３とみなすことができる。
【００４４】
すなわち、電界放射低減構造２１には、高周波電源ｅｎ、コンデンサーＣ１，Ｃ２、インダクタンスＬ４，Ｌ２、電気抵抗Ｒ２，Ｒ３、及びインダクタンスＬ３が直列に接続された電気回路が形成されているとみなすことができる。ここで、電界放射低減構造２１では、放熱フィン２６が基板２３のグランドプレーンＧに面接触され電気的に接続されている。これにより、グランドプレーンＧは、放熱フィン２６と当接して電気的に接続されているため、コンデンサーＣ１と直列に接続されたインダクタンスＬ１及び電気抵抗Ｒ１とみなすことができ、これらのインダクタンスＬ１及び電気抵抗Ｒ１は、コンデンサーＣ２、インダクタンスＬ４，Ｌ２、電気抵抗Ｒ２，Ｒ３、及びインダクタンスＬ３と並列に接続されている。そして、放熱フィン２６と面接触するグランドプレーンＧのインダクタンスＬ１及び電気抵抗Ｒ１は、シャシー４のインダクタンスＬ２及び電気抵抗Ｒ２と比較して、小さくされている。グランドプレーンＧのインダクタンスＬ１は、シャシー２４のインダクタンスＬ２と比較して小さく、グランドプレーンＧの電気抵抗Ｒ１は、シャシー２４の電気抵抗Ｒ２と比較して小さい。これにより、シャシー４を介さずに漏れ電流をトランジスタ２２ｂへ循環させる経路を形成することができるので、シャシー２４に流れる漏れ電流ｉｎを減少させることができる。そのため、シャシー２４に発生する電圧ｅＲを減らし、シャシー２４表面での電界の発生を抑えて、電磁波の放射を減少させることができる。
【００４５】
このような電界放射低減構造２１では、パワー半導体素子２２のパッケージ２２ａが、放熱フィン２６に当接され、この放熱フィン２６が絶縁シート２７、熱パス３１を介して、シャシー２４の側壁２４ａに接続されている。これにより、パワー半導体素子２２で発生した熱は、放熱フィン２６に伝達されてその一部が放熱され、残りの熱は、熱パス３３の熱伝導により伝熱され、シャシー２４に伝達されて放熱される。そのため、パワー半導体素子２２からの熱を好適に放熱することができるので、排熱性を確保してパワー半導体素子２２を冷却することができる。
【００４６】
また、電界放射低減構造２１によれば、放熱フィン２６とグランドプレーンＧとが面接触されて、互いの接触面積が大きく確保されるため、インダクタンスＬ１及び電気抵抗Ｒ１を小さくすることができ、シャシー２４を介さずに漏れ電流をトランジスタ２２ｂへ循環させる経路を構成することが可能となり、シャシー２４へ流れる漏れ電流ｉｎを抑制することができる。更に、電界放射低減構造２１では、インピーダンスを増大させるフェライトビーズ３３が熱パス３１に取り付けられ、インダクタンスＬ４を通ってシャシー２４へ流れる漏れ電流を効果的に抑制することができる。これらにより、シャシー２４に発生する電圧ｅＲを減らし、シャシー２４表面での電界の発生を抑えて、電磁波の放射を減少させることが可能となる。その結果、電界放射低減構造２１では、パワー半導体素子２２からの熱を確実に放熱させると共に、シャシー２４への漏れ電流を抑制して電界放射を低減することが可能とある。
【００４７】
また、電界放射低減構造２１では、絶縁シート２７と放熱フィン２６との接触面積、絶縁シート２７と熱パス３１の圧着端子３１ａとの接触面積を小さくすることで、コンデンサーＣ２を小さくして、シャシー２４へ流れる漏れ電流を抑制することができる。
【００４８】
電界放射低減構造２１では、伝熱性を損なうことなく高周波での絶縁性能を向上させることができる。また、漏れ電流が流れる経路が制御され、シャシー２４へ流れる漏れ電流を低減することができる。パワー半導体素子２２のスイッチング周波数及びその高調波での放射が低減される。従って、パワー半導体素子２２を冷却することで、装置の信頼性を向上させることができ、電磁波の放射を減少させることで、周辺機器へ影響を及ぼすおそれが低減されている。
【００４９】
以上、本発明をその実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態では、本発明の電界放射低減構造を人工衛星に搭載される冷凍機駆動用電源装置に適用しているが、その他のパワー半導体素子を備える装置に電界放射低減構造を適用してもよい。
【符号の説明】
【００５０】
１，２１…冷凍機駆動用電源装置、２，２２…パワー半導体素子、２ｂ，２２ｂ…トランジスタ、３，２３…基板、４，２４…シャシー（筐体）、６，２６…放熱フィン（熱伝導部材）、１１…ワイヤー（導電部材）、３１…熱パス（熱伝導部材）、３３…フェライトビーズ（インピーダンス調整機構）。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチングに用いられるパワー半導体素子と、
前記パワー半導体素子が実装される基板と、
前記パワー半導体素子及び前記基板を収容し、前記パワー半導体で発生した熱を放熱させる筐体と、
前記パワー半導体素子から前記筐体へ漏れ電流が流れる経路に電気的に接続され、前記筐体を介さずに漏れ電流を前記パワー半導体素子へ循環させる導電部材と、を備えることを特徴とする電界放射低減構造。
【請求項２】
前記導電部材は、前記パワー半導体素子と前記筐体との間に配置され、前記パワー半導体素子で発生した熱を放熱させる放熱部材であることを特徴とする請求項１記載の電界放射低減構造。
【請求項３】
前記導電部材は、前記パワー半導体素子と前記基板との間に配置され、前記パワー半導体素子で発生した熱を放熱させる放熱部材であることを特徴とする請求項１記載の電界放射低減構造。
【請求項４】
前記パワー半導体素子で発生した熱を熱伝導によって前記筐体へ伝える熱伝導部材と、
前記熱伝導部材に設けられ、前記パワー半導体素子のスイッチング周波数におけるインピーダンスを増大させるインピーダンス調整機構と、を更に備えることを特徴とする請求項３に記載の電界放射低減構造。
【請求項５】
スイッチングに用いられるパワー半導体素子と、
前記パワー半導体素子が実装される基板と、
前記パワー半導体素子及び前記基板を収容し、前記パワー半導体で発生した熱を放熱させる筐体と、
前記パワー半導体素子で発生した熱を熱伝導によって前記筐体へ伝える熱伝導部材と、
前記熱伝導部材に設けられ、前記パワー半導体素子のスイッチング周波数におけるインピーダンスを増大させるインピーダンス調整機構と、を備えることを特徴とする電界放射低減構造。
【請求項１】
スイッチングに用いられるパワー半導体素子と、
前記パワー半導体素子が実装される基板と、
前記パワー半導体素子及び前記基板を収容し、前記パワー半導体で発生した熱を放熱させる筐体と、
前記パワー半導体素子から前記筐体へ漏れ電流が流れる経路に電気的に接続され、前記筐体を介さずに漏れ電流を前記パワー半導体素子へ循環させる導電部材と、を備えることを特徴とする電界放射低減構造。
【請求項２】
前記導電部材は、前記パワー半導体素子と前記筐体との間に配置され、前記パワー半導体素子で発生した熱を放熱させる放熱部材であることを特徴とする請求項１記載の電界放射低減構造。
【請求項３】
前記導電部材は、前記パワー半導体素子と前記基板との間に配置され、前記パワー半導体素子で発生した熱を放熱させる放熱部材であることを特徴とする請求項１記載の電界放射低減構造。
【請求項４】
前記パワー半導体素子で発生した熱を熱伝導によって前記筐体へ伝える熱伝導部材と、
前記熱伝導部材に設けられ、前記パワー半導体素子のスイッチング周波数におけるインピーダンスを増大させるインピーダンス調整機構と、を更に備えることを特徴とする請求項３に記載の電界放射低減構造。
【請求項５】
スイッチングに用いられるパワー半導体素子と、
前記パワー半導体素子が実装される基板と、
前記パワー半導体素子及び前記基板を収容し、前記パワー半導体で発生した熱を放熱させる筐体と、
前記パワー半導体素子で発生した熱を熱伝導によって前記筐体へ伝える熱伝導部材と、
前記熱伝導部材に設けられ、前記パワー半導体素子のスイッチング周波数におけるインピーダンスを増大させるインピーダンス調整機構と、を備えることを特徴とする電界放射低減構造。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−１８７７２９（Ｐ２０１１−１８７７２９Ａ）
【公開日】平成２３年９月２２日（２０１１．９．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５２１０６（Ｐ２０１０−５２１０６）
【出願日】平成２２年３月９日（２０１０．３．９）
【出願人】（０００００２１０７）住友重機械工業株式会社 (2,241)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月２２日（２０１１．９．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月９日（２０１０．３．９）
【出願人】（０００００２１０７）住友重機械工業株式会社 (2,241)
【Ｆターム（参考）】
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