高圧モジュール
【課題】高圧モジュール内のゲル状絶縁物中で発生した部分放電などを検出し、高圧モジュールの主要機能回路における絶縁破壊を未然に防ぐための機構を備えた高圧モジュールを提供する。
【解決手段】半導体素子４が搭載される素子搭載用表面金属基板２ａが絶縁基板１表面に接合されるとともに、接地電位とされる裏面金属基板３が絶縁基板１裏面に接合され、ゲル状絶縁物５で封止された高圧モジュールにおいて、絶縁基板１表面に素子搭載用表面金属基板２ａとは分離して部分放電発生用表面金属基板２１を設け、部分放電発生用表面金属基板２１の電位は素子搭載用表面金属基板２ａと同電位とし、部分放電発生用表面金属基板２１の端部の位置は絶縁基板１を挟んで対向する裏面金属基板３の端部に対して絶縁基板端部側により突出した位置とし、裏面金属基板３側で発生する部分放電を検出する部分放電検出手段３１を設ける。
【解決手段】半導体素子４が搭載される素子搭載用表面金属基板２ａが絶縁基板１表面に接合されるとともに、接地電位とされる裏面金属基板３が絶縁基板１裏面に接合され、ゲル状絶縁物５で封止された高圧モジュールにおいて、絶縁基板１表面に素子搭載用表面金属基板２ａとは分離して部分放電発生用表面金属基板２１を設け、部分放電発生用表面金属基板２１の電位は素子搭載用表面金属基板２ａと同電位とし、部分放電発生用表面金属基板２１の端部の位置は絶縁基板１を挟んで対向する裏面金属基板３の端部に対して絶縁基板端部側により突出した位置とし、裏面金属基板３側で発生する部分放電を検出する部分放電検出手段３１を設ける。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧モジュールに関し、より詳しくは、高圧モジュール内部でゲル状の絶縁物に保護された半導体素子の絶縁保護機構に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高圧モジュールは、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）、 ダイオード、ＧＴＯ（ゲートターンオフサイリスタ）、 トランジスタ等の高圧半導体素子を絶縁容器に密封して構成される半導体装置である。特に、ＩＧＢＴは、制御が容易で、かつ、大電流かつ高周波の動作が可能なことから、様々な用途への適用が期待されている。近年、ＩＧＢＴ素子の大容量化に伴い、モジュール内部の高電圧化、及び半導体素子の大型化と多チップ化による高密集化により、モジュール内部の絶縁耐力向上が課題となっている。
【０００３】
一般的な高圧モジュールの内部絶縁構造について図１２を用いて説明する。図１２は、従来の高圧モジュールの構成例を示す模式断面図であり、図１２（ａ）および図１２（ｂ）に２つの構成例を示している。
【０００４】
図１２（ａ）に示した高圧モジュール１０１内部では、最下部からアース板６、裏面金属基板３、アルミナや窒化アルミ等のセラミックスからなる絶縁基板１、半導体素子４への主要機能回路パターンを形成する主要機能回路用表面金属基板部２Ａ、半導体素子４の順で積層され、半導体素子４は接合部材１５により主要機能回路用表面金属基板部２Ａに接合されている。絶縁基板１、主要機能回路用表面金属基板部２Ａおよび裏面金属基板３からなる基板部構造としては熱伝導率向上のためダイレクト接合構造であるＤＢＣ（Direct Bond Copper）基板が用いられている。
【０００５】
図１２（ａ）において、主要機能回路用表面金属基板部２Ａは、半導体素子４を搭載する素子搭載用表面金属基板２ａ，中継用表面金属基板２ｂ，２ｃからなる。高圧電源２０１と接続されたモジュール外部端子８はボンディングワイヤ１０を介して中継用表面金属電極２ｂに接続され、さらに、中継用表面金属基板２ｂはボンディングワイヤ１１を介して素子搭載用表面金属基板２ａに接続され、この素子搭載用表面金属基板２ａに半導体素子４が搭載されている。高圧モジュール１０１内部は、ゲル状絶縁物５を充填することで、高圧部品周辺の絶縁がなされている。なお、ゲル状絶縁物５としては例えばシリコーンゲルが用いられる。
【０００６】
図１２（ｂ）に示した高圧モジュール１０１Ａは、全体構造としては図１２（ａ）の高圧モジュール１０１と類似しているが、絶縁基板１の表面上に設けられる主要機能回路用表面金属基板部が素子搭載用表面金属基板２ａだけから構成されている点で異なっている。そして、高圧モジュール１０１Ａでは、高圧電源２０１と接続されたモジュール外部端子８はボンディングワイヤ１０を介して直接的に素子搭載用表面金属電極２ａに接続されている。
【０００７】
高圧モジュールにおいて、ゲル状絶縁物５、特にシリコーンゲルを絶縁に用いる理由としては、ある程度の機械強度を保持しつつ、温度変化や振動等による機械応力がボンディングワイヤ１０，１１，１２などに加わらないように変形可能である（すなわち低弾性率である）ことが挙げられる。しかしながら、シリコーンゲル自体は通常の固体絶縁物に比べて、初期状態での絶縁耐圧が低く、部分放電（以下「ＰＤ」（Partial discharge）とも称する）の発生に伴い即座に絶縁性能が低下するという欠点を持つ。後者の原因は、シリコーンゲル中では部分放電発生によりシリコーンゲルと絶縁基板との界面上で空隙が生じて、その空隙部が新たな絶縁欠陥となるためである。この空隙部で持続的に部分放電が発生すると、最終的には絶縁破壊に至る。
【０００８】
このような高圧モジュールの絶縁保護技術としては、（１）基板配置の最適化、（２）高圧部のコーティング、（３）充填用ゲル状絶縁物材料の最適化、の対策技術が提案されている。それらの例を下記に示す。
【０００９】
（１）基板配置の最適化（特許文献１参照）。
特許文献１に開示されている構成では、絶縁基板の表面と裏面とに設置された金属基板について、金属基板端部から絶縁基板端部までの距離を表裏金属基板で一致させる構造を用いている。この構造を用いることで、金属基板端部の電界集中度が緩和されるため、部分放電開始電圧及び絶縁破壊電圧が上昇するという効果を奏する。
【００１０】
（２）高圧部のコーティング（特許文献２参照)。
特許文献２に開示されている構成では、絶縁基板端部を樹脂によりコーティングした上で、シリコーンゲルを充填させている。この構造により、絶縁基板端部はシリコーンゲルよりも絶縁耐圧の高い樹脂で保護されることになる。さらに、コーティングする樹脂の誘電率をシリコーンゲルよりも高くすれば、絶縁基板端部の電界強度自体も低下させることが出来る。以上のような作用により、部分放電開始電圧及び絶縁破壊電圧が上昇するという効果を奏する。
【００１１】
（３）充填用ゲル状絶縁物材料の最適化（特許文献３参照）。
特許文献３に開示されている構成では、ベースポリマーの重量平均分子量が30000〜40000であるシリコーンゲルを使用している。重量平均分子量が30000未満であると、強度が不足してボイドやクラックが発生しやすくなり、40000を超えると粘度が高くなって作業性が劣るようになる。以上のような作用から、絶縁欠陥が生じにくいシリコーンゲルを使用することで、絶縁性能（部分放電開始電圧, 絶縁破壊電圧）が上昇するという効果を奏する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００１−３３２８２３号公報
【特許文献２】特開２０００−９１４７２号公報
【特許文献３】特開２０１０−３４１５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上述した従来技術は、高圧モジュール内部で部分放電を発生させないことにより絶縁破壊を防止する技術であり、部分放電発生後に絶縁破壊を防止する技術ではない。上述のように、シリコーンゲルなどのゲル状絶縁物では部分放電発生により絶縁劣化部（空隙）が生じ、その後はこの絶縁劣化部が新たな絶縁欠陥となり、絶縁性能を即座に低下させる。つまり、瞬時的な高電圧、衝撃、加熱等の突発事象やゲル物性の経時変化により部分放電が一度でも発生したモジュールは、電圧レベルが低下しても部分放電が発生し続ける可能性があり、そのまま使用し続けると最終的には絶縁破壊にまで至る可能性がある。
【００１４】
このため、本発明は、高圧モジュール内のゲル状絶縁物中で発生した部分放電などを検出し、高圧モジュールの主要機能回路における絶縁破壊を未然に防ぐための機構を備えた高圧モジュール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】
【００１５】
上記目的を達成するために、本発明者は、上述の例えば図１２（ａ）に示したような、絶縁基板１の表面および裏面にそれぞれ主要機能回路用表面金属基板部２Ａおよび裏面金属基板３が接合され、主要機能回路用表面金属基板部２Ａのうち素子搭載用表面金属基板２ａには半導体素子４が搭載されるとともに、素子搭載用表面金属基板２ａおよび裏面金属基板３はそれぞれ高圧電源および接地電位に接続され、絶縁基板１、主要機能回路用表面金属基板部２Ａ、裏面金属基板３および半導体素子４がゲル状絶縁物５で封止された高圧モジュールにおける部分放電の発生機構について検討した。
【００１６】
図１は、高圧モジュールにおけるゲル状絶縁物中での部分放電発生箇所を示す模式断面図である。図１には、絶縁基板１の表面および裏面にそれぞれ表面金属基板２および裏面金属基板３が接合され、表面金属基板２には接合部材１５を介して半導体素子４が搭載されるとともに、裏面金属基板３は少なくとも裏面金属基板３よりも外周側まで延在するアース板６に接合され、絶縁基板１、表面金属基板２、裏面金属基板３および半導体素子４がゲル状絶縁物５で封止された高圧モジュール１０１Ｂを示している。高圧モジュール１０１Ｂにおける表面金属基板２に搭載された半導体素子４にはボンディングワイヤ１３を介して図示されない高圧電源が接続される。
【００１７】
高圧モジュール１０１Ｂのゲル状絶縁物５中では、図１に示す、ボンディングワイヤ１３周辺（Ａ１部）、表面金属基板２と絶縁基板１とゲル状絶縁物５との交点（三重点）（Ａ２部）、裏面金属基板３と絶縁基板１とゲル状絶縁物５との交点（三重点）（Ａ３部）で電界集中が起き、これらが主な部分放電の発生起点となる。このうち、ボンディングワイヤ１３周辺（Ａ１部）は、高電圧となるワイヤ１３周辺に接地電位部がないことから、絶縁破壊にまで進展する可能性は小さい。また、裏面金属基板３と絶縁基板４とゲル状絶縁物５との交点（三重点）（Ａ３部）は、裏面金属基板３自体が接地電位であることから、絶縁破壊にまで進展する可能性は小さい。そのため、高圧モジュールの絶縁破壊原因としては特に、表面金属基板２と絶縁基板１とゲル状絶縁物５との交点（三重点）（Ａ２部）の部位から発生する部分放電に着目する必要がある。
【００１８】
検討対象を、金属基板周辺の表面金属基板２と絶縁基板１とゲル状絶縁物５との交点（三重点）（Ａ２部）、裏面金属基板３と絶縁基板１とゲル状絶縁物５との交点（三重点）（Ａ３部）に絞って考えると、金属基板の接合及び基板周辺のバリ除去が充分に行われている場合、金属基板周辺であって電界強度が最大となる箇所が部分放電発生箇所となる。
【００１９】
この表面金属基板２と絶縁基板１とゲル状絶縁物５との交点（三重点）（Ａ２部）、および裏面金属基板３と絶縁基板１とゲル状絶縁物５との交点（三重点）（Ａ３部）で発生した部分放電をセンサにより直接検出することは困難である。その理由として、音や光によるセンサの場合、部分放電発生の可能性が有る部位が金属基板全周にわたるため、センサを広範囲に取り付けなければならないこと、電気的なセンサの場合、半導体素子の通常動作により流れる電流が高周波かつ大電流であるため、部分放電の微細な高周波電流の弁別検出が困難であること、が挙げられる。
【００２０】
そこで、本発明では、高圧モジュールを例えば図２に示すように構成する。図２は、本発明による高圧モジュールの基本構成を例示する模式断面図である。図２に示したように、高圧モジュール１０１Ｃにおいて、絶縁基板１の表面に主要機能回路用表面金属基板部として素子搭載用表面金属基板２ａを接合するとともに素子搭載用表面金属基板２ａには接合部材１５を介して半導体素子４を配置し、絶縁基板１の裏面に裏面金属基板３を接合するとともに裏面金属基板３は接地電位に接続して構成した主要機能基板部１０２を備えるとともに、更に主要機能基板部１０２とは別に部分放電発生用基板部１０３を設けている。また、高圧モジュール１０１Ｃ内部は、ゲル状絶縁物５を充填することで、高圧部品周辺の絶縁がなされている。
【００２１】
なお、図２に示した高圧モジュール１０１Ｃは、主要機能基板部１０２における絶縁基板１の表面上に設けられる主要機能回路用表面金属基板部が素子搭載用表面金属基板２ａだけから構成されている点で、上述の図１２（ｂ）に示した高圧モジュール１０１Ａと対応している。一方、主要機能基板部１０２における絶縁基板１の表面には、素子搭載用表面金属基板２ａ以外にも、他の金属基板、例えば図１２（ａ）におけるような中継用表面金属基板２ｂ，２ｃなどが設けられる場合も有り、その場合は、素子搭載用表面金属基板２ａと他の表面金属基板とから主要機能回路用表面金属基板部が構成される。
【００２２】
図２において、主要機能基板部１０２における素子搭載用表面金属基板２ａにはボンディングワイヤ１０を介して高圧電源２０１が接続されており、主要機能基板部１０２において素子搭載用表面金属基板２ａが最も電位の高い導体部となっている。また、部分放電発生用基板部１０３にも高圧電源２０１からの電圧が印加されるようにしている。なお、高圧電源２０１からは例えば１７００Ｖ程度以上の高電圧が印加されるが、高圧電源２０１からの印加電圧の電圧レベルはこれに限定されるものではない。
【００２３】
部分放電発生用基板部１０３は、絶縁基板１０３ａの表面に表面金属基板１０３ｂを接合するとともに絶縁基板１０３ａの裏面に裏面金属基板１０３ｃを接合して構成されている。表面金属基板１０３ｂ側には部分放電検出機構１０３ｄが配置され、裏面金属基板１０３ｃはアース板６に接続される。そして、部分放電発生用基板部１０３における表面金属基板１０３ｂにはボンディングワイヤ１４を介して高圧電源２０１が接続される。
【００２４】
なお、部分放電発生用基板部１０３における部分放電検出機構１０３ｄの配置構成は、図２のような、表面金属基板１０３ｂ上に搭載する構成に限定されるものではない。
また、部分放電発生用基板部１０３の絶縁基板１０３ａは、主要機能基板部１０２の絶縁基板１と、図２のように別の構成部材であってもよく、一体の構成部材であってもよい。また、部分放電発生用基板部１０３の裏面金属基板１０３ｃも、主要機能基板部１０２の裏面金属基板３と、図２のように別の構成部材であってもよく、一体の構成部材であってもよい。一方、部分放電発生用基板部１０３の表面金属基板１０３ｂは主要機能基板部１０２における素子搭載用表面金属基板２ａを含む主要機能回路用表面金属基板部とは電気的に分離された別体の構成部材とする。
【００２５】
部分放電発生用基板部１０３における最大電界強度は主要機能基板部１０２における最大電界強度よりも１０〜３０％程度大きくなるように設計しておき、部分放電発生用基板部１０３で発生した部分放電を部分放電検出機構１０３ｄにより検出する。部分放電発生用基板部１０３で部分放電が発生し、部分放電検出機構１０３ｄにより検出された時点で、部分放電検出機構１０３ｄからの部分放電検出信号に基づき、例えば高圧モジュール１０１Ｃが装着された電力変換装置などのシステム側で警報（アラーム）を発し、当該高圧モジュール１０１Ｃの新品への取替えによりシステムへの影響を防止するなどの対策を行うことができる。
【００２６】
次に、本発明における「部分放電発生用基板部」について更に説明する。
部分放電発生用基板部１０３では、上述のように最大電界強度を主要機能基板部１０２における最大電界強度よりも１０〜３０％程度大きくする必要がある。このため、主要機能基板部１０２では、例えば、三重点の最大電界値が最小になるように表面金属基板の端部と裏面金属基板の端部との位置が一致するように構成する。
【００２７】
図３〜４は、表面金属基板２と裏面金属基板３の少なくともいずれかの端部位置を変化させた場合の電界強度変化を例示する模式断面図である。ここで、１は絶縁基板、２は表面金属基板、３は裏面金属基板、６はアース板である。図３に示したように表面金属基板２又は裏面金属基板３の端部位置を互いにずらすことで、最大電界強度は変化する。例えば、図３（ａ）のように表面金属基板２と裏面金属基板３の端部位置を一致させた状態での端部位置を基準位置とした場合に、図３（ｂ）のように表面金属基板２の端部位置を基準位置より端部側に突出させれば、表面側の電界強度は低下し、裏面側の電界強度は上昇する。図３（ｃ）のように裏面金属基板３の端部位置を基準位置より端部側に突出させれば、表面側の電界強度が上昇し、裏面側の電界強度が低下する。
【００２８】
また、図４に示したように表面金属基板２と裏面金属基板３の端部位置を一致させた状態では、絶縁基板１の誘電率がゲル状絶縁物５よりも大きい場合は、表面金属基板２と絶縁基板１とゲル状絶縁物５との交点（三重点）、裏面金属基板３と絶縁基板１とゲル状絶縁物５との交点（三重点）での各電界強度は、図４（ａ）の基準位置に対して、図４（ｂ）のように絶縁基板１を長くして端部までの距離が長くなれば低下し、図４（ｃ）のように絶縁基板１を短くして端部までの距離が短くなれば上昇する。そして、絶縁基板１がアルミナや窒化アルミ等のセラミックスから形成されているとともに、ゲル状絶縁物５としてシリコーンゲルが用いられている構成では、アルミナの比誘電率が約８．３であり、窒化アルミの比誘電率が約８．８であるのに対して、シリコーンゲルの比誘電率が約２．９であることから、上述の場合に相当する。
【００２９】
一方、図４において、絶縁基板１の誘電率がゲル状絶縁物５よりも小さい場合は、上述の場合とは逆に、表面金属基板２と絶縁基板１とゲル状絶縁物５との交点（三重点）、裏面金属基板３と絶縁基板１とゲル状絶縁物５との交点（三重点）での各電界強度は、図４（ａ）の基準位置に対して、図４（ｂ）のように絶縁基板１を長くして端部までの距離が長くなれば上昇し、図４（ｃ）のように絶縁基板１を短くして端部までの距離が短くなれば低下する。
【００３０】
このように、表面金属基板２と裏面金属基板３の位置を調整することで部分放電発生用基板部１０３の最大電界強度を任意に設定することができる。
「部分放電発生用基板部」において部分放電を発生させて検出する方式としては、大きく分けて２つの方式がある。第１の方式は、部分放電発生用基板部１０３における裏面金属基板側で絶縁破壊に至りにくい部分放電を発生させて、発生した部分放電をセンサで検出する方式である。第２の方式は、部分放電発生用基板部１０３における表面金属基板側で絶縁破壊に至りやすい部分放電を発生させて、部分放電発生用基板部での短絡をセンサで検出する方式である。上記２つの方式に対応した部分放電発生用基板部の具体的構造について説明する。
【００３１】
（本発明の構成）
本発明によれば、半導体素子への主要機能回路パターンを形成する主要機能回路用表面金属基板部が絶縁基板の表面に接合されるとともに、接地電位とされる裏面金属基板が前記絶縁基板の裏面に接合され、前記絶縁基板、前記主要機能回路用表面金属基板部、前記裏面金属基板および前記半導体素子がゲル状絶縁物で封止された高圧モジュールにおいて、 前記絶縁基板に主要機能回路用領域と部分放電発生用領域とを設け、前記絶縁基板の主要機能回路用領域の表面に前記主要機能回路用表面金属基板部を配設するとともに、前記絶縁基板の部分放電発生用領域の表面に前記主要機能回路用表面金属基板部とは分離して部分放電発生用表面金属基板を配設し、前記主要機能回路用表面金属基板部と、前記絶縁基板の主要機能回路用領域と、前記裏面金属基板のうち前記絶縁基板の主要機能回路用領域の裏面に配置されている部分とから、主要機能基板部を構成するとともに、前記部分放電発生用表面金属基板と、前記絶縁基板の部分放電発生用領域と、前記裏面金属基板のうち前記絶縁基板の部分放電発生用領域の裏面に配置されている部分とから、部分放電発生用基板部を構成し、前記部分放電発生用表面金属基板の電位は、前記主要機能回路用表面金属基板部のうち最も高い電位となる高電位表面金属基板と同電位とし、前記高電位表面金属基板、前記部分放電発生用表面金属基板および前記裏面金属基板の各端部と前記絶縁基板の端部とのそれぞれの距離同士の関係を、前記部分放電発生用基板部における最大電界強度が前記主要機能基板部における最大電界強度よりも大きくなるように設定し、前記部分放電発生用基板部で発生する部分放電または短絡を検出する手段を設けた構成とする（請求項１の発明）。
【００３２】
上記請求項１の発明によれば、主要機能基板部に比べて最大電界強度をより大きくした部分放電発生用基板部で発生する部分放電または短絡を検出するようにしていることにより、この部分放電または短絡の検出結果に基づき、当該高圧モジュールの主要機能回路における絶縁破壊が発生する前に、当該高圧モジュールの新品への取替えなどの対策を行うことができるので、電力変換装置などのシステムにおける使用状態にある高圧モジュールの主要機能回路における絶縁破壊を未然に防止することができるようになる。
【００３３】
次に、上記請求項１に記載の高圧モジュールにおいて、前記部分放電発生用表面金属基板の端部の位置は前記絶縁基板を挟んで対向する前記裏面金属基板の端部に対して絶縁基板端部側により突出した位置とし、前記裏面金属基板側で発生する部分放電を検出する部分放電検出手段を設けた構成とする（請求項２の発明）。
【００３４】
次に、上記請求項１に記載の高圧モジュールにおいて、前記絶縁基板は前記ゲル状絶縁物よりも大きな比誘電率を有する材料からなり、前記部分放電発生用表面金属基板の端部の位置は前記絶縁基板を挟んで対向する前記裏面金属基板の端部と一致した位置とするとともに、前記部分放電発生用表面金属基板の端部と前記絶縁基板の端部との距離は前記絶縁基板の表面に接合される全ての金属基板のうちで最も短い距離とし、前記部分放電発生用表面金属基板側で発生する部分放電に伴い生じる前記部分放電発生用表面金属基板と前記裏面金属基板との間の短絡を検出する短絡検出手段を設けた構成とする（請求項３の発明）。
【００３５】
次に、請求項２に記載の高圧モジュールにおいて、前記部分放電検出手段として、前記部分放電に伴い発生する電流を検出する電流検出素子を備えた電流式部分放電センサを設けたこと構成とする（請求項４の発明）。
【００３６】
次に、請求項２に記載の高圧モジュールにおいて、前記部分放電検出手段として、前記部分放電に伴い発生する音を検出する音検出素子を備えた音響式部分放電センサを設けた構成とする（請求項５の発明）。
【００３７】
次に、請求項２に記載の高圧モジュールにおいて、前記部分放電検出手段として、前記部分放電に伴い発生する光を検出する光検出素子を備えた光式部分放電センサを設けたこと構成とする（請求項６の発明）。
【００３８】
次に、請求項３に記載の高圧モジュールにおいて、前記短絡検出手段として、前記短絡による電流が通流する抵抗と、前記抵抗の両端の電位差を計測する電位差計測回路部とを備えた短絡センサを設けた構成とする（請求項７の発明）。
【００３９】
次に、請求項７に記載の高圧モジュールにおいて、前記抵抗と直列に電流遮断部を介装した構成とする（請求項８の発明）。
次に、請求項１ないし８のいずれか１項に記載の高圧モジュールにおいて、前記絶縁基板は、セラミックスからなる構成とする（請求項９の発明）。
【００４０】
次に、請求項１ないし９のいずれか１項に記載の高圧モジュールにおいて、前記ゲル状絶縁物は、シリコーンゲルからなる構成とする（請求項１０の発明）。
【発明の効果】
【００４１】
本発明によれば、高圧モジュールの主要機能回路における絶縁破壊を未然に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】高圧モジュールにおけるゲル状絶縁物中での部分放電発生箇所を示す模式断面図である。
【図２】本発明による高圧モジュールの基本構成を例示する模式断面図である。
【図３】表裏金属基板の端部位置を変化させた場合の電界強度変化の例を示す模式断面図である。
【図４】表裏金属基板の端部位置を変化させた場合の電界強度変化の異なる例を示す模式断面図である。
【図５】本発明の実施例１による高圧モジュールの構成を示す図である。
【図６】本発明の実施例２による高圧モジュールの構成を示す図である。
【図７】本発明の実施例３による高圧モジュールの構成を示す図である。
【図８】本発明の実施例４による高圧モジュールの構成を示す図である。
【図９】本発明の実施例５による高圧モジュールの構成を示す図である。
【図１０】瞬時的な高電圧に伴う部分放電に対する本発明の作用効果を模式的に示す説明図である。
【図１１】ゲル物性の経時変化に伴う部分放電に対する本発明の作用効果を模式的に示す説明図である。
【図１２】従来の高圧モジュールの構成例を示す模式断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
以下、本発明の実施形態を図５〜図９に示す実施例に基づいて説明する。同一の構成要素については、同一の符号を付け、重複する説明は省略する。なお、本発明は、下記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲内で適宜変形して実施することができるものである。
【実施例１】
【００４４】
図５は本発明の実施例１による高圧モジュール１１１の構成を示す図である。図５（ａ）に高圧モジュール１１１の断面構造を模式的に示すとともに、図５（ｂ）には高圧モジュール１１１内における電気接続構成を模式的に示している。また、図５（ｃ）には高圧モジュール１１１内における電流式部分放電センサ３１の構成例を示している。
【００４５】
実施例１による高圧モジュール１１１の内部絶縁構造は、図１２（ｂ）で説明した従来の高圧モジュール１０１Ａと、基本的には同様であるが、絶縁基板１の表面上において、素子搭載用表面金属基板２ａからなる主要機能回路用表面金属基板部とは分離された部分放電発生用表面金属基板２１を更に設けた点で異なっている。すなわち、高圧モジュール１１１の内部絶縁構造は、図５（ａ）に示すように、最下部からアース板６、裏面金属基板３、絶縁基板１、「素子搭載用表面金属基板２ａおよび部分放電発生用表面金属基板２１」の順で積層された構成となっている。また、素子搭載用表面金属基板２ａには半導体素子４が搭載されるとともに、部分放電発生用表面金属基板２１には電流式部分放電センサ３１が取り付けられている。なお、上述の図２で述べたように、絶縁基板１の表面上には、主要機能回路用表面金属基板部として、素子搭載用表面金属基板２ａとともに、他の表面金属基板も設けられる場合があるが、以下では、主要機能回路用表面金属基板部が素子搭載用表面金属基板２ａからなる構成例について説明する。
【００４６】
高圧モジュール１１１における絶縁基板１、素子搭載用表面金属基板２ａ、裏面金属基板３および部分放電発生用表面金属基板２１からなる基板部構造としては、熱伝導率向上のためダイレクト接合構造であるＤＢＣ基板が用いられており、半導体素子４が搭載された素子搭載用表面金属基板２ａはボンディングワイヤ１０によりモジュール外部端子８と電気的に接続されている。また、裏面金属基板３は少なくとも裏面金属基板３よりも外周側まで延在するアース板６に接合され、アース板６と導電接続されている。また、部分放電発生用表面金属基板２１に取り付けられた電流式部分放電センサ３１はボンディングワイヤ１４によりモジュール外部端子９と電気的に接続されている。
【００４７】
高圧モジュール１１１内部は、ゲル状絶縁物５を充填することで、高圧部品周辺の絶縁がなされている。なお、絶縁基板１はアルミナや窒化アルミ等のセラミックスから形成されている。また、ゲル状絶縁物５としては特にシリコーンゲルが好適に用いられるが、これに限定されるものではない。また、絶縁基板１の両面に接合される各金属基板は例えば銅材から形成することができるが、これに限定されるものではない。また、アース板も例えば銅材から形成することができるが、これに限定されるものではない。なお、絶縁基板１、ゲル状絶縁物５、各金属基板およびアース板６の材料については、以下の実施例２〜５においても同様である。
【００４８】
また、絶縁基板１の厚さは例えば０．５ｍｍ程度とすることができるが、これに限定されるものではない。また、更に、各金属基板の厚さは例えば０．１ｍｍ程度とすることができるが、これに限定されるものではない。なお、絶縁基板１および各金属基板の厚さについては、以下の実施例２〜５においても同様である。
【００４９】
高圧モジュール１１１において、図５（ａ）に示すように、絶縁基板１に主要機能回路用領域と部分放電発生用領域とを設け、絶縁基板１の主要機能回路用領域の表面に素子搭載用表面金属基板２ａを配設するとともに、絶縁基板１の部分放電発生用領域の表面に素子搭載用表面金属基板２ａとは分離して部分放電発生用表面金属基板２１を配設している。そして、半導体素子４が搭載される素子搭載用表面金属基板２ａと、絶縁基板１の主要機能回路用領域と、裏面金属基板３のうち絶縁基板１の主要機能回路用領域の裏面に配置されている部分とから、主要機能基板部１１２が形成されている。また、電流式部分放電センサ３１が取り付けられる部分放電発生用表面金属基板２１と、絶縁基板１の部分放電発生用領域と、裏面金属基板３のうち絶縁基板１の部分放電発生用領域の裏面に配置されている部分とから、部分放電発生用基板部１１３が形成されている。そして、主要機能基板部１１２とともに部分放電発生用基板部１１３も含めてゲル状絶縁物５で封止されている。
【００５０】
高圧モジュール１１１では、図５（ａ）に示すように、絶縁基板１の表面に素子搭載用表面金属基板２ａとは分離して部分放電発生用表面金属基板２１を設けるとともに、部分放電発生用表面金属基板２１の電位は高圧電源２０１に接続された素子搭載用表面金属基板２ａと同電位としている。なお、図５（ｂ）では、素子搭載用表面金属基板２ａに搭載された半導体素子４がＩＧＢＴである場合であって、半導体素子４のコレクタ側が素子搭載用表面金属基板２ａに導電接続されている例を示している。また、図５（ｂ）ではアース板６の図示は略している。
【００５１】
そして、部分放電発生用基板部１１３において、部分放電発生用表面金属基板２１の端部の位置は絶縁基板１を挟んで対向する裏面金属基板３の端部に対して絶縁基板１の端部側により突出させている。この構造を用いることにより、部分放電発生用表面金属基板２１と絶縁基板１とゲル状絶縁物５との交点（三重点）よりも、裏面金属基板３と絶縁基板１とゲル状絶縁物５との交点（三重点）の電界強度が高くなり、部分放電用基板部１１３における裏面金属基板３側で部分放電が発生する。
【００５２】
そして、実施例１における絶縁基板１に接合される各金属基板の端部と絶縁基板１の端部とのそれぞれの距離Ｌ１〜Ｌ４は、各距離同士の関係が次の通りになるように設定しており、これにより、高圧モジュール１１１における各部の電界強度のうち、部分放電発生用基板部１１３の裏面金属基板３側での電界強度が最大となり、この部分から部分放電３０１が発生し始めるようにしている（図５（ｂ）参照）。
【００５３】
（ａ）Ｌ１＝Ｌ２。
（ｂ）Ｌ３＜Ｌ１。
（ｃ）Ｌ４＞Ｌ３。
【００５４】
ここで、主要機能基板部１１２においては、素子搭載用表面金属基板２ａの端部と絶縁基板１の端部との距離をＬ１とし、裏面金属基板３の端部と絶縁基板１の端部との距離をＬ２としている。また、部分放電発生用基板部１１３においては、部分放電発生用表面金属基板２１の端部と絶縁基板１の端部との距離をＬ３とし、裏面金属基板３の端部と絶縁基板１の端部との距離をＬ４としている。このようなＬ１〜Ｌ４の意味付けは以下の実施例２〜５でも同様とする。
【００５５】
なお、実施例１における距離Ｌ３、Ｌ４は、例えばＬ３＝５ｍｍ、Ｌ４＝１０ｍｍとすることができるが、このような距離設定に限定されるものではない。また、上述のように、実施例１において、裏面金属基板３は少なくとも裏面金属基板３よりも外周側まで延在するアース板６に接合され、アース板６と導電接続されている。裏面金属基板３と絶縁基板１とゲル状絶縁物５との交点（三重点）の電界は、アース板６の存在により、裏面金属基板３の厚さにもよるが、ある程度緩和される。このため、実際には、上記のようなアース板６による電界緩和効果も考慮した上で、部分放電発生用基板部１１３における裏面金属基板３と絶縁基板１とゲル状絶縁物５との交点（三重点）の電界強度が部分放電発生用表面金属基板２１と絶縁基板１とゲル状絶縁物５との交点（三重点）の電界強度よりも高くなるように、距離Ｌ３と距離Ｌ４とを設定する。
【００５６】
そして、高圧モジュール１１１では、部分放電発生用基板部１１３の裏面金属基板３側で部分放電３０１が発生したことを電流式部分放電センサ３１で検出する。
高圧モジュール１１１では、図５（ａ）に示すように、絶縁基板１の表面上における部分放電発生用表面金属基板２１に電流式部分放電センサ３１を取り付け、この電流式部分放電センサ３１によって部分放電３０１を検出する。電流式部分放電センサ３１は、電気的には、図５（ｂ）に示すように、高圧電源２０１に接続された外部端子９と部分放電発生用表面金属基板２１との間に接続される。なお、電流式部分放電センサ３１には、図５（ａ）に示すように、外部端子９からのボンディングワイヤ１４が接合される。
【００５７】
電流式部分放電センサ３１は、部分放電電流３１１を検出することにより部分放電検出を行うものであり、例えば、図５（ｃ）に示すように、１０ｋＨｚ〜１ＭＨｚを検出可能な高周波変流器（ＣＴ）３２と、高周波変流器３２の電流検出出力に基づいて部分放電検出信号３２１を出力する信号処理回路部３３とを備えた構成とすることができる。なお、本発明では、上記のような電流式部分放電センサの代わりに、例えばオペアンプからなる積分器を取り付けて部分放電電荷量を検出する方式の部分放電センサを適用することもできる。また、信号処理回路部３３内にはノイズによる誤動作防止などのための閾値弁別回路などを備えるようにしている。
【００５８】
なお、図５（ａ）では、高圧モジュール１１１が高圧電源接続用端子として主要機能基板部１１２用の外部端子８と部分放電発生用基板部１１３用の外部端子９とを備え、高圧電源２０１が外部端子８、９の両方に接続される構成を示しているが、高圧モジュール１１１が高圧電源接続用端子として外部端子８だけを備え、高圧電源２０１が接続された外部端子８から高圧モジュール１１１内部の配線により主要機能基板部１１２と部分放電発生用基板部１１３とに分岐接続する構成とすることもできる。この点は以下の実施例２〜５においても同様である。
【００５９】
実施例１による高圧モジュール１１１では、絶縁基板１の表面側において、部分放電発生用表面金属基板２１は、半導体素子４を搭載した素子搭載用表面金属基板２ａとは分離しているため、電流式部分放電センサ３１により半導体素子４の通電電流やスイッチング電流の影響を受けずに部分放電電流の検出が可能である。
【実施例２】
【００６０】
図６は本発明の実施例２による高圧モジュール１２１の構成を示す図である。図６（ａ）に高圧モジュール１２１の断面構造を模式的に示すとともに、図６（ｂ）には高圧モジュール１２１内における電気接続構成を模式的に示している。また、図６（ｃ）には高圧モジュール１２１内における音響式部分放電センサ４１の構成例を示している。
【００６１】
高圧モジュール１２１において、図６（ａ）に示すように、絶縁基板１に主要機能回路用領域と部分放電発生用領域とを設け、絶縁基板１の主要機能回路用領域の表面に素子搭載用表面金属基板２ａを配設するとともに、絶縁基板１の部分放電発生用領域の表面に素子搭載用表面金属基板２ａとは分離して部分放電発生用表面金属基板２１を配設している。そして、半導体素子４が搭載される素子搭載用表面金属基板２ａと、絶縁基板１の主要機能回路用領域と、裏面金属基板３のうち絶縁基板１の主要機能回路用領域の裏面に配置されている部分とから、主要機能基板部１２２が形成されている。また、部分放電発生用表面金属基板２１と、絶縁基板１の部分放電発生用領域と、裏面金属基板３のうち絶縁基板１の部分放電発生用領域の裏面に配置されている部分とから、部分放電発生用基板部１２３が形成されている。そして、主要機能基板部１２２とともに部分放電発生用基板部１２３も含めてゲル状絶縁物５で封止されている。なお、最下部からアース板６、裏面金属基板３、絶縁基板１、「素子搭載用表面金属基板２ａおよび部分放電発生用表面金属基板２１」の順で積層されてなる高圧モジュール１２１の内部絶縁構造は、図５（ａ）で説明した高圧モジュール１１１の内部絶縁構造と同様である。
【００６２】
高圧モジュール１２１における主要機能基板部１２２および部分放電発生用基板部１２３の構造、すなわち、絶縁基板１に接合される各金属基板の端部と絶縁基板１とのそれぞれの距離の設定の仕方は、上述の実施例１による高圧モジュール１１１における主要機能基板部１１２および部分放電発生用基板部１１３と同様である。すなわち、実施例２における絶縁基板１に接合される各金属基板の端部と絶縁基板１の端部とのそれぞれの距離Ｌ１〜Ｌ４は、各距離同士の関係が次の通りになるように設定しており、これにより、高圧モジュール１２１における各部の電界強度のうち、部分放電発生用基板部１２３の裏面金属基板３側での電界強度が最大となり、この部分から部分放電３０１が発生し始めるようにしている（図６（ｂ）参照）。
【００６３】
（ａ）Ｌ１＝Ｌ２。
（ｂ）Ｌ３＜Ｌ１。
（ｃ）Ｌ４＞Ｌ３。
【００６４】
そして、高圧モジュール１２１では、部分放電発生用基板部１２３の裏面金属基板３側で部分放電３０１が発生したことを音響式部分放電センサ４１で検出する。
高圧モジュール１２１では、例えば、図６（ａ）に示すように、部分放電発生用基板部１２３の部分放電発生用表面金属基板２１上における裏面側での部分放電３０１の発生位置の真上に対応する位置、すなわち、裏面金属基板３とゲル状絶縁物５と絶縁基板１との交点（三重点）の上層にある部分放電発生用表面金属基板２１上の位置に音響式部分放電センサ４１を取り付け、この音響式部分放電センサ４１によって部分放電３０１を検出する。
【００６５】
音響式部分放電センサ４１は、部分放電音３１２、すなわち部分放電３０１の発生に伴う音波を検出することにより部分放電検出を行うものであり、例えば、図６（ｃ）に示すように、圧電式マイクなどの音検出素子４２と、音検出素子４２の音検出出力に基づいて部分放電検出信号３２２を出力する信号処理回路部４３とを備えた構成とすることができる。なお、上記の音検出素子４２としては、例えば、最大４００ｋＨｚ程度まで検出可能な接触式の高感度な圧電式マイクを用いることが好適である。また、信号処理回路部４３内にはノイズによる誤動作防止などのための閾値弁別回路などを備えるようにしている。
【００６６】
なお、音響式部分放電センサ４１の取り付け位置は、上述の図６（ａ）に示す位置に限定されるものではなく、部分放電音３１２を十分な感度で検出可能な位置であればよい。
実施例２による高圧モジュール１２１では、部分放電発生位置を特定できているため、音検出素子は1つで済み、かつ、音検出素子として指向特性を狭くしたマイクの適用も可能である。
【実施例３】
【００６７】
図７は本発明の実施例３による高圧モジュール１３１の構成を示す図である。図７（ａ）に高圧モジュール１３１の断面構造を模式的に示すとともに、図７（ｂ）には高圧モジュール１３１内における電気接続構成を模式的に示している。また、図７（ｃ）には高圧モジュール１３１内における光式部分放電センサ５１の構成例を示している。
【００６８】
高圧モジュール１３１において、図７（ａ）に示すように、絶縁基板１に主要機能回路用領域と部分放電発生用領域とを設け、絶縁基板１の主要機能回路用領域の表面に素子搭載用表面金属基板２ａを配設するとともに、絶縁基板１の部分放電発生用領域の表面に素子搭載用表面金属基板２ａとは分離して部分放電発生用表面金属基板２１を配設している。そして、半導体素子４が搭載される素子搭載用表面金属基板２ａと、絶縁基板１の主要機能回路用領域と、裏面金属基板３のうち絶縁基板１の主要機能回路用領域の裏面に配置されている部分とから、主要機能基板部１３２が形成されている。また、部分放電発生用表面金属基板２１と、絶縁基板１の部分放電発生用領域と、裏面金属基板３のうち絶縁基板１の部分放電発生用領域の裏面に配置されている部分とから、部分放電発生用基板部１３３が形成されている。そして、主要機能基板部１３２とともに部分放電発生用基板部１３３も含めてゲル状絶縁物５で封止されている。なお、最下部からアース板６、裏面金属基板３、絶縁基板１、「素子搭載用表面金属基板２ａおよび部分放電発生用表面金属基板２１」の順で積層されてなる高圧モジュール１３１の内部絶縁構造は、図５（ａ）で説明した高圧モジュール１１１の内部絶縁構造と同様である。
【００６９】
高圧モジュール１３１における主要機能基板部１３２および部分放電発生用基板部１３３の構造、すなわち、絶縁基板１に接合される各金属基板の端部と絶縁基板１とのそれぞれの距離の設定の仕方は、上述の実施例１による高圧モジュール１１１における主要機能基板部１１２および部分放電発生用基板部１１３と同様である。すなわち、実施例３における絶縁基板１に接合される各金属基板の端部と絶縁基板１の端部とのそれぞれの距離Ｌ１〜Ｌ４は、各距離同士の関係が次の通りになるように設定しており、これにより、高圧モジュール１３１における各部の電界強度のうち、部分放電発生用基板部１３３の裏面金属基板３側での電界強度が最大となり、この部分から部分放電３０１が発生し始めるようにしている（図７（ｂ）参照）。
【００７０】
（ａ）Ｌ１＝Ｌ２。
（ｂ）Ｌ３＜Ｌ１。
（ｃ）Ｌ４＞Ｌ３。
【００７１】
そして、高圧モジュール１３１では、部分放電発生用基板部１３３の裏面金属基板３側で部分放電３０１が発生したことを光式部分放電センサ５１で検出する。
高圧モジュール１３１では、例えば、図７（ａ）に示すように、部分放電発生用基板部１３３の部分放電発生用表面金属基板２１上における裏面側での部分放電３０１の発生位置の真上に対応する位置、すなわち、裏面金属基板３とゲル状絶縁物５と絶縁基板１との交点（三重点）の上層にある部分放電発生用表面金属基板２１上の位置に光式部分放電センサ５１を取り付け、この光式部分放電センサ５１によって部分放電３０１を検出する。
【００７２】
光式部分放電センサ５１は、部分放電光３１３、すなわち部分放電３０１の発生に伴う発光を検出することにより部分放電検出を行うものであり、例えば、図７（ｃ）に示すように、光検出素子５２と、光検出素子５２の光検出出力に基づいて部分放電検出信号３２３を出力する信号処理回路部５３とを備えた構成とすることができる。また、光検出素子５２としては、例えばフォトカプラを用いて、部分放電発生に伴う発光を受光素子で検出する方式を適用することができる。光検出素子５２がフォトカプラであれば、受信部および発信部共に絶縁されており、設置個所の自由度も高く、絶縁基板１の表面上における部分放電発生用金属基板２１の周辺部に実装する上で好適である。また、信号処理回路部５３内にはノイズによる誤動作防止などのための閾値弁別回路などを備えるようにしている。
【００７３】
なお、光式部分放電センサ５１の取り付け位置は、上述の図７（ａ）に示す位置に限定されるものではなく、部分放電光３１３を十分な感度で検出可能な位置であればよい。また、光検出素子５２は、当該光検出素子５２の焦点が部分放電発生用表面金属基板２１の下層にある裏面金属基板３とゲル状絶縁物５と絶縁基板１との交点（三重点）となるように設置すると好適である。
【００７４】
実施例３による高圧モジュール１３１では、光式部分放電センサ５１を用いることから、ゲル状絶縁物５には十分に高い透光性を備えたゲルを適用することが必要であり、この点でシリコーンゲルが特に好適である。
【実施例４】
【００７５】
図８は本発明の実施例４による高圧モジュール１４１の構成を示す図である。図８（ａ）に高圧モジュール１４１の断面構造を模式的に示すとともに、図８（ｂ）には高圧モジュール１４１内における電気接続構成を模式的に示している。また、図８（ｃ）には高圧モジュール１４１内に設ける短絡センサ６１の構成例を示している。
【００７６】
高圧モジュール１４１において、図８（ａ）に示すように、絶縁基板１に主要機能回路用領域と部分放電発生用領域とを設け、絶縁基板１の主要機能回路用領域の表面に素子搭載用表面金属基板２ａを配設するとともに、絶縁基板１の部分放電発生用領域の表面に素子搭載用表面金属基板２ａとは分離して部分放電発生用表面金属基板２１Ａを配設している。そして、半導体素子４が搭載される素子搭載用表面金属基板２ａと、絶縁基板１の主要機能回路用領域と、裏面金属基板３のうち絶縁基板１の主要機能回路用領域の裏面に配置されている部分とから、主要機能基板部１４２が形成されている。また、短絡センサ６１が接続される部分放電発生用表面金属基板２１Ａと、絶縁基板１の部分放電発生用領域と、裏面金属基板３のうち絶縁基板１の部分放電発生用領域の裏面に配置されている部分とから、部分放電発生用基板部１４３が形成されている。そして、主要機能基板部１４２とともに部分放電発生用基板部１４３も含めてゲル状絶縁物５で封止されている。なお、絶縁基板１およびゲル状絶縁物５の各材料は、絶縁基板１の比誘電率がゲル状絶縁物５の比誘電率よりも大きくなるように選定しておく。また、最下部からアース板６、裏面金属基板３、絶縁基板１、「素子搭載用表面金属基板２ａおよび部分放電発生用表面金属基板２１Ａ」の順で積層されてなる高圧モジュール１４１の内部絶縁構造は、後述の距離Ｌ１〜Ｌ４の設定以外の点では、図５（ａ）で説明した高圧モジュール１１１の内部絶縁構造と同様である。
【００７７】
高圧モジュール１４１では、図８（ａ）に示すように、絶縁基板１の表面に素子搭載用表面金属基板２ａとは分離して部分放電発生用表面金属基板２１Ａを設けるとともに、部分放電発生用表面金属基板２１Ａの電位は高圧電源２０１に接続された素子搭載用表面金属基板２ａと同電位としている。そして、部分放電発生用基板部１４３において、絶縁基板１の表面に接合された部分放電発生用表面金属基板２１Ａと絶縁基板１の裏面に接合された裏面金属基板３との端部位置を一致させるとともに、部分放電発生用表面金属基板２１Ａおよび裏面金属基板３の各端部と絶縁基板１の端部との距離を短くしている。この構造を用いることにより、部分放電発生用表面金属基板２１Ａと絶縁基板１とゲル状絶縁物５との交点（三重点）の電界強度が高くなり、部分放電用基板部１４３における部分放電発生用表面金属基板２１Ａ側で部分放電３０１が発生する。また、この構造では、部分放電発生用基板部１４３における部分放電発生用表面金属基板２１Ａと裏面金属基板３と間の沿面距離が短いため、部分放電３０１から絶縁破壊（短絡）３０２に進展し易くなっている。
【００７８】
そして、実施例４における絶縁基板１に接合される各金属基板の端部と絶縁基板１の端部とのそれぞれの距離Ｌ１〜Ｌ４は、各距離同士の関係が次の通りになるように設定しており、これにより、高圧モジュール１４１における各部の電界強度のうち、部分放電発生用基板部１４３の部分放電発生用表面金属基板２１Ａ側での電界強度が最大となり、この部分から部分放電３０１が発生し始めるようにしている（図８（ｂ）参照）。
【００７９】
（ａ）Ｌ１＝Ｌ２。
（ｂ）Ｌ３＝Ｌ４。
（ｃ）Ｌ３＜Ｌ１。
【００８０】
なお、実施例４において、絶縁基板１の表面に接合された部分放電発生用表面金属基板２１Ａと絶縁基板１の裏面に接合された裏面金属基板３との端部位置を一致させているが、実施例４では、上述の実施例１と同様に、裏面金属基板３は少なくとも裏面金属基板３よりも外周側まで延在するアース板６に接合され、アース板６と導電接続されている。このため、部分放電発生用基板部１４３における裏面金属基板３と絶縁基板１とゲル状絶縁物５との交点（三重点）の電界は、アース板６の存在により、裏面金属基板３の厚さにもよるが、ある程度緩和される。これによって、実施例４では、部分放電発生用基板部１４３における部分放電発生用表面金属基板２１と絶縁基板１とゲル状絶縁物５との交点（三重点）の電界強度が裏面金属基板３と絶縁基板１とゲル状絶縁物５との交点（三重点）の電界強度よりも高くなっている。
【００８１】
そして、高圧モジュール１４１では、部分放電発生用基板部１４３の部分放電発生用表面金属基板２１Ａ側で部分放電３０１が発生し、部分放電発生用表面金属基板２１Ａと裏面金属基板３と間で絶縁破壊（短絡）３０２に至ったことを短絡センサ６１で検出する。
【００８２】
高圧モジュール１４１では、図８（ａ）に示すように、絶縁基板１の表面上における部分放電発生用表面金属基板２１Ａに隣接する位置に短絡センサ６１を取り付け、この短絡センサ６１によって部分放電３０１による絶縁破壊（短絡）３０２を検出する。短絡センサ６１は、電気的には、図８（ｂ）に示すように、高圧電源２０１に接続された外部端子９と部分放電発生用表面金属基板２１Ａとの間に接続される。なお、短絡センサ６１には、図８（ａ）に示すように、外部端子９からのボンディングワイヤ１４が接合される。
【００８３】
短絡センサ６１は、基本的には抵抗と電位差計測回路とからなるものであり、例えば、図８（ｃ）に示すように、抵抗値Ｒ１を有する抵抗６２とＲ１よりも低い抵抗値Ｒ２を有する抵抗６３との直列接続回路と、抵抗６３両端の電位差を計測する差動電位計方式の電位差計測回路部６４と、電位差計測回路部６４の電位差検出出力に基づいて短絡検出信号３２４を出力する信号処理回路部６５とを備えた構成とすることができる。また、信号処理回路部６５内にはノイズによる誤動作防止などのための閾値弁別回路などを備えるようにしている。
【００８４】
部分放電３０１に伴う絶縁破壊（短絡）３０２が発生する前は短絡電流３１４が流れないので抵抗６３両端の電位差ΔＶはゼロであるが、部分放電３０１に伴い部分放電発生用表面金属基板２１Ａと裏面金属基板３と間での絶縁破壊（短絡）３０２が発生すれば、短絡電流３１４が抵抗６３を流れることによる電位差ΔＶが電位差計測回路部６４で検出され、これに基づき、信号処理回路部６５より短絡検出信号３２４が出力される。ここで、絶縁破壊（短絡）３０２発生時の上記電位差ΔＶは、ΔＶ＝Ｉｓ×Ｒ２＝Ｖ×Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）と表わすことができる。ここで、Ｖは高圧電源２０１からの印加電圧であり、Ｉｓ＝Ｖ／（Ｒ１＋Ｒ２）は短絡電流３１４の電流値である。
【００８５】
実施例４による高圧モジュール１４１では、部分放電発生用表面金属基板２１Ａは、絶縁基板１の表面上において、半導体素子４を搭載した素子搭載用表面金属基板２ａとは分離されているため、部分放電発生用表面金属基板２１Ａを備えた部分放電発生用基板部１４３側で絶縁破壊（短絡）３０２が起きても半導体素子４にはダメージを与えない。
【実施例５】
【００８６】
図９は本発明の実施例５による高圧モジュール１５１の構成を示す図である。図９（ａ）に高圧モジュール１５１の断面構造を模式的に示すとともに、図９（ｂ）には高圧モジュール１５１内における電気接続構成を模式的に示している。また、図９（ｃ）には高圧モジュール１５１内に設ける短絡センサ７１の構成例を示している。
【００８７】
高圧モジュール１５１において、図９（ａ）に示すように、絶縁基板１に主要機能回路用領域と部分放電発生用領域とを設け、絶縁基板１の主要機能回路用領域の表面に素子搭載用表面金属基板２ａを配設するとともに、絶縁基板１の部分放電発生用領域の表面に素子搭載用表面金属基板２ａとは分離して部分放電発生用表面金属基板２１Ａを配設している。そして、半導体素子４が搭載される素子搭載用表面金属基板２ａと、絶縁基板１の主要機能回路用領域と、裏面金属基板３のうち絶縁基板１の主要機能回路用領域の裏面に配置されている部分とから、主要機能基板部１５２が形成されている。また、短絡センサ７１が接続される部分放電発生用表面金属基板２１Ａと、絶縁基板１の部分放電発生用領域と、裏面金属基板３のうち絶縁基板１の部分放電発生用領域の裏面に配置されている部分とから、部分放電発生用基板部１５３が形成されている。そして、主要機能基板部１５２とともに部分放電発生用基板部１５３も含めてゲル状絶縁物５で封止されている。なお、絶縁基板１およびゲル状絶縁物５の各材料は、絶縁基板１の比誘電率がゲル状絶縁物５の比誘電率よりも大きくなるように選定しておく。また、最下部からアース板６、裏面金属基板３、絶縁基板１、「素子搭載用表面金属基板２ａおよび部分放電発生用表面金属基板２１Ａ」の順で積層されてなる高圧モジュール１５１の内部絶縁構造は、後述の距離Ｌ１〜Ｌ４の設定以外の点では、図５（ａ）で説明した高圧モジュール１１１の内部絶縁構造と同様である。
【００８８】
高圧モジュール１５１における主要機能基板部１５２および部分放電発生用基板部１５３の構造、すなわち、絶縁基板１に接合される各金属基板の端部と絶縁基板１とのそれぞれの距離の設定の仕方は、上述の実施例４による高圧モジュール１４１における主要機能基板部１４２および部分放電発生用基板部１４３と同様である。すなわち、実施例５における絶縁基板１に接合される各金属基板の端部と絶縁基板１の端部とのそれぞれの距離Ｌ１〜Ｌ４は、各距離同士の関係が次の通りになるように設定しており、これにより、高圧モジュール１５１における各部の電界強度のうち、部分放電発生用基板部１５３の部分放電発生用表面金属基板２１Ａ側での電界強度が最大となり、この部分から部分放電３０１が発生し始めるようにしている（図９（ｂ）参照）。
【００８９】
（ａ）Ｌ１＝Ｌ２。
（ｂ）Ｌ３＝Ｌ４。
（ｃ）Ｌ３＜Ｌ１。
【００９０】
そして、高圧モジュール１５１では、部分放電発生用基板部１５３の部分放電発生用表面金属基板２１Ａ側で部分放電３０１が発生し、この部分放電３０１に伴い部分放電発生用表面金属基板２１Ａと裏面金属基板３と間で絶縁破壊（短絡）３０２に至ったことを短絡センサ７１で検出する。
【００９１】
また、高圧モジュール１５１における短絡センサ７１の配置構成（図９（ａ）参照）および接続構成（図９（ｂ）参照）も、上述の実施例４による高圧モジュール１４１における短絡センサ６１と同様である。
【００９２】
短絡センサ７１は、上述の実施例４における短絡センサ６１と同様に、基本的には抵抗と電位差計測回路とからなるものであるが、さらに電流遮断部を備えている点が異なっている。短絡センサ７１は、例えば、図９（ｃ）に示すように、抵抗値Ｒ１を有する抵抗７２とＲ１よりも低い抵抗値Ｒ２を有する抵抗７３との直列接続回路と、抵抗７３両端の電位差を計測する差動電位計方式の電位差計測回路部７４と、電位差計測回路部７４の電位差検出出力に基づいて短絡検出信号３２５を出力する信号処理回路部７５とを備えるとともに、さらに、信号処理回路部７５からの遮断指令信号７７に基づき短絡電流３１４を遮断する電流遮断部７６を、上記の抵抗７２と抵抗７３との直列接続回路に対して直列に接続して設けた構成とすることができる。また、信号処理回路部７５内にはノイズによる誤動作防止などのための閾値弁別回路などを備えるようにしている。
【００９３】
部分放電３０１に伴う絶縁破壊（短絡）３０２が発生する前は短絡電流３１４が流れないので抵抗７３両端の電位差ΔＶはゼロであるが、部分放電３０１に伴い部分放電発生用表面金属基板２１Ａと裏面金属基板３と間での絶縁破壊（短絡）３０２が発生すれば、短絡電流３１４が抵抗７３を流れることによる電位差ΔＶが電位差計測回路部７４で検出され、これに基づき、信号処理回路部７５より短絡検出信号３２５が出力される。
【００９４】
短絡センサ７１は、さらに、信号処理回路部７５からの遮断指令信号７７に基づき短絡電流３１４を遮断する電流遮断部７６を備えているので、絶縁破壊（短絡）３０２の発生後に短絡電流３１４が流れ続けることを防止することができる。なお、信号処理回路部７５から電流遮断部７６への遮断指令信号７７は、絶縁破壊（短絡）３０２が検出された時点で発令するようにしてもよく、また、絶縁破壊（短絡）３０２が検出された時点の後、別のタイミングで発令するようにしてもよい。
【００９５】
実施例５による高圧モジュール１５１では、上述の実施例４による高圧モジュール１４１と同様に、部分放電発生用表面金属基板２１Ａは、絶縁基板１の表面上において、半導体素子４を搭載した素子搭載用表面金属基板２ａとは分離されているため、部分放電発生用表面金属基板２１Ａを備えた部分放電発生用基板部１５３側で絶縁破壊（短絡）３０２が起きても半導体素子４にはダメージを与えない。
［本発明による作用効果の具体例］
本発明による高圧モジュールは、上述のように、高圧モジュール内のゲル状絶縁物中で発生した部分放電を検出し、高圧モジュールの主要機能回路における絶縁破壊を未然に防ぐための機構として部分放電発生用基板部を備えているが、これによる作用効果の具体例を説明する。
（具体例１）
図１０は、瞬時的な高電圧に伴う部分放電に対する本発明の作用効果を模式的に示す説明図である。なお、図１０では横軸、縦軸をそれぞれ時間、電界強度としている。図１０において、実線Ａ１、破線Ｂ１、一点鎖線Ｃ１は、それぞれ、ゲルの絶縁破壊強さ、主要機能基板部における最大電界強度、部分放電発生用基板部における最大電界強度を示している。なお、部分放電発生用基板部における最大電界強度は、主要機能基板部における最大電界強度よりも例えば１０〜３０％程度大きくなるように設計しておく。
【００９６】
図１０では、高圧モジュールに接続された高圧電源の規定電圧値（定常レベル）からの瞬時的な電圧変動により高圧モジュールが、瞬時的な高電圧を受けて、主要機能基板部における最大電界強度および部分放電発生用基板部における最大電界強度がそれぞれ瞬時的に上昇した場合を想定しており、各基板部における最大電界強度がいずれも時間ｔａで定常レベルから上昇を開始して時間ｔｂで最高レベルに到達し、その後、低下して時間ｔｃで定常レベルに復帰する態様を模式的に示している。なお、ゲルの絶縁破壊強さはゲル物性の経時変化により長期的には低下するが、瞬時的な高電圧の事象を対象とした図１０のタイムスケールでは、ゲルの絶縁破壊強さの低下は現れていないものとしている。
【００９７】
図１０において、部分放電発生用基板部における最大電界強度が上昇し、時間ｔ１でゲルの絶縁破壊強さのレベルを超えた場合、部分放電発生用基板部側で部分放電が発生する可能性があるが、この部分放電が検出された場合、その検出時点で、高圧モジュールから出力される部分放電検出信号に基づき、当該高圧モジュールが装着された電力変換装置などのシステム側で警報（アラーム）を発し、例えば当該高圧モジュールの新品への取替えによりシステムへの影響を防止するなどの対策を行うことができる。また、当該高圧モジュールを取り出して詳細検査を行い、継続使用の可否を判断するという対策も可能である。
【００９８】
なお、瞬時的な高電圧の電圧レベルについては、主要機能基板部および部分放電発生用基板部における絶縁破壊、部分放電の事象に対応する各電圧レベルの間に次のような関係がある。
【００９９】
ＶＢＤｍ＞ＶＰＤｍ＞ＶＢＤｐ＞ＶＰＤｐ＞ＶＰＤｌ
ここで、ＶＢＤｍは主要機能基板部の絶縁破壊（ＢＤ）発生電圧であり、ＶＰＤｍは主要機能基板部の部分放電（ＰＤ）発生電圧であり、ＶＢＤｐは部分放電発生用基板部の絶縁破壊（ＢＤ）発生電圧であり、ＶＰＤｐは部分放電発生用基板部の部分放電（ＰＤ）発生電圧であり、ＶＰＤｌは部分放電発生用基板部でも部分放電（ＰＤ）が発生しない電圧である。
【０１００】
まず、ＶＰＤｌ＞Ｖなる電圧レベルＶであれば、絶縁の問題はなく、部分放電発生用基板部は動作しない。
次に、ＶＰＤｍ＞Ｖ≧ＶＰＤｐなる電圧レベルＶであれば、部分放電発生用基板部が動作し、主要機能基板部で部分放電による絶縁劣化が生じている可能性を警告する。しかしながら、この場合は、実際にはＶＰＤｍの電圧レベルには達していないので、主要機能基板部で部分放電は発生していない。このため、マージンを含めたリスクについて警告することになる。
【０１０１】
次に、ＶＢＤｍ＞Ｖ≧ＶＰＤｍなる電圧レベルＶであれば、部分放電発生用基板部が動作し、主要機能基板部で部分放電による絶縁劣化が生じている可能性を警告する。この場合は、実際に主要機能基板部で部分放電が発生している。ゲル状絶縁物において部分放電が発生した部分は絶縁欠陥となるので、通常電圧レベルに戻しても部分放電を発生し続ける可能性がある。
【０１０２】
さらに、Ｖ≧ＶＢＤｍなる電圧レベルＶである場合は、主要機能基板部が絶縁破壊してしまい、対処できない。
なお、電圧領域としてはＶＢＤｍ〜ＶＰＤｍの範囲が広く、ＶＰＤｍ〜ＶＰＤｐの範囲が狭くなるように設計する。
（具体例２）
図１１は、ゲル物性の経時変化に伴う部分放電に対する本発明の作用効果を模式的に示す説明図である。なお、図１１では横軸、縦軸をそれぞれ時間、電界強度としている。図１１において、実線Ａ２、破線Ｂ２、一点鎖線Ｃ２は、それぞれ、ゲルの絶縁破壊強さ、主要機能基板部における最大電界強度、部分放電発生用基板部における最大電界強度を示している。なお、部分放電発生用基板部における最大電界強度は、主要機能基板部における最大電界強度よりも例えば１０〜３０％程度大きくなるように設計しておく。
【０１０３】
ここで、ゲルの絶縁破壊強さはゲル物性の経時変化により長期的に低下していくが、図１１では、その低下の態様を模式的に一定の時間勾配での低下として示している。
ゲルの絶縁破壊強さがゲル物性の経時変化により低下し、時間ｔ１で部分放電発生用基板部における最大電界強度がゲルの絶縁破壊強さより大きくなり、さらに時間ｔ２では、主要機能基板部における最大電界強度もゲルの絶縁破壊強さより大きくなる。
【０１０４】
そして、本発明では、時間ｔ１で部分放電発生用基板部における最大電界強度がゲルの絶縁破壊強さより大きくなった後、部分放電発生用基板部において部分放電が検出された時点で、高圧モジュールから出力される部分放電検出信号に基づき、当該高圧モジュールが装着された電力変換装置などのシステム側で警報（アラーム）を発し、例えば当該高圧モジュールの新品への取替えによりシステムへの影響を防止するなどの対策を行うことができる。また、当該高圧モジュールを取り出して詳細検査を行い、継続使用の可否を判断するという対策も可能である。
【０１０５】
なお、バルクのゲル状絶縁物の絶縁破壊強さは材料の分子構造等により決定されるが、実際に使われるゲル状絶縁物の絶縁性能は高圧部位との密着、粘着および接着の状態により支配される。すなわち、高圧部位とゲル状絶縁物との間で空隙が出来にくくする特性が実際の絶縁破壊特性に繋がると考えられる。
【０１０６】
また、図１１においては、ゲル状絶縁物の特性の経年変化として、ゲルの絶縁破壊強さが低下しても比誘電率は変化しないと仮定して、主要機能基板部における最大電界強度（破線Ｂ２）、部分放電発生用基板部における最大電界強度（一点鎖線Ｃ２）がそれぞれ時間経過に対して一定である態様を示しているが、実際には界面に生じる微細欠陥などの影響により各最大電界強度も経時変化していく可能性がある。
【０１０７】
以上のように、本発明による高圧モジュールでは、高圧モジュール内部に備えた部分放電発生用基板部からの部分放電検出信号を電力変換装置などのシステム側で常時監視することにより、当該高圧モジュール内で部分放電が起きていないこと、すなわち、例えば、瞬時的な高電圧、ゲル物性の経時変化などに伴う絶縁劣化が起きていないことを保証することができる。
（具体例３）
なお、本発明が対象としている事象には、衝撃や加熱によりゲル状絶縁物の裂けや剥離が生じて部分放電が発生しやすくなることも含まれる。ここで、衝撃としては加減速や振動が想定され、加熱としてはチップ（半導体素子）の温度上昇が想定される。そして、主要機能基板部と部分放電発生用基板部とは高圧モジュール内においてゲル状絶縁物で封止された同じ環境条件に置かれるので、衝撃や加熱により主要機能基板部と部分放電発生用基板部とで部分放電が同程度に発生しやすい状態になったとしても、最大電界強度がより大きな部分放電発生用基板部の方から部分放電が発生し始めるため、この部分放電を検出することにより高圧モジュール内の絶縁劣化の検出ができ、これに基づき、当該高圧モジュールの新品への取替えなどの対策を行うことができる。
［本発明の変形例］
なお、上述の図５〜９により説明した各実施例では、いずれも、高圧モジュールにおける主要機能基板部として、絶縁基板１の表面に接合された素子搭載用表面金属基板２ａ上に１個の半導体素子４が搭載された構成例を示したが、本発明による高圧モジュールは上記構成に限定されるものではなく、絶縁基板の表面に接合された素子搭載用表面金属基板上に同一種類の複数個の半導体素子が搭載された構成の高圧モジュールや、絶縁基板の表面に接合された素子搭載用表面金属基板上に複数種類の半導体素子が搭載された構成の高圧モジュールにも適用することができる。
【０１０８】
また、上述の図５〜９により説明した各実施例では、いずれも、部分放電発生用基板部の絶縁基板と主要機能基板部の絶縁基板とが一体の構成部材である構成例を示したが、本発明による高圧モジュールは上記構成に限定されるものではなく、部分放電発生用基板部の絶縁基板と主要機能基板部の絶縁基板とが別の構成部材であってもよい。
【符号の説明】
【０１０９】
１：絶縁基板
２：表面金属基板
２Ａ：主要機能回路用表面金属基板部
２ａ：素子搭載用表面金属基板
２ｂ，２ｃ：中継用表面金属基板
３：裏面金属基板
４：半導体素子
５：ゲル状絶縁物（シリコーンゲル）
６：アース板
７：ケース
８，９：外部端子
１０，１１，１２，１３，１４：ボンディングワイヤ
１５：接合部材
２１，２１Ａ：部分放電発生用表面金属基板
３１：電流式部分放電センサ
３２：高周波変流器（高周波ＣＴ）
３３：信号処理回路部
４１：音響式部分放電センサ
４２：音検出素子
４３：信号処理回路部
５１：光式部分放電センサ
５２：光検出素子
５３：信号処理回路部
６１：短絡センサ
６２：第１抵抗（Ｒ１）
６３：第２抵抗（Ｒ２）
６４：電位差計測回路部
６５：信号処理回路部
７１：短絡センサ
７２：第１抵抗（Ｒ１）
７３：第２抵抗（Ｒ２）
７４：電位差計測回路部
７５：信号処理回路部
７６：電流遮断部
７７：遮断指令信号
１０１,１０１Ａ，１０１Ｂ，１０１Ｃ，１１１，１２１，１３１，１４１，１５１：高圧モジュール
１０２，１１２，１２２，１３２，１４２，１５２：主要機能基板部
１０３，１１３，１２３，１３３，１４３，１５３：部分放電発生用基板部（ＰＤ発生用基板部）
１０３ａ：絶縁基板
１０３ｂ：表面金属基板
１０３ｃ：裏面金属基板
１０３ｄ：部分放電検出機構
２０１：高圧電源（ＨＶ）
３０１：部分放電（ＰＤ）
３０２：絶縁破壊（短絡）
３１１：部分放電電流
３１２：部分放電音
３１３：部分放電光
３１４：短絡電流
３２１，３２２，３２３：部分放電検出信号（ＰＤ検出信号）
３２４，３２５：短絡検出信号（ＰＤ検出信号）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧モジュールに関し、より詳しくは、高圧モジュール内部でゲル状の絶縁物に保護された半導体素子の絶縁保護機構に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高圧モジュールは、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）、 ダイオード、ＧＴＯ（ゲートターンオフサイリスタ）、 トランジスタ等の高圧半導体素子を絶縁容器に密封して構成される半導体装置である。特に、ＩＧＢＴは、制御が容易で、かつ、大電流かつ高周波の動作が可能なことから、様々な用途への適用が期待されている。近年、ＩＧＢＴ素子の大容量化に伴い、モジュール内部の高電圧化、及び半導体素子の大型化と多チップ化による高密集化により、モジュール内部の絶縁耐力向上が課題となっている。
【０００３】
一般的な高圧モジュールの内部絶縁構造について図１２を用いて説明する。図１２は、従来の高圧モジュールの構成例を示す模式断面図であり、図１２（ａ）および図１２（ｂ）に２つの構成例を示している。
【０００４】
図１２（ａ）に示した高圧モジュール１０１内部では、最下部からアース板６、裏面金属基板３、アルミナや窒化アルミ等のセラミックスからなる絶縁基板１、半導体素子４への主要機能回路パターンを形成する主要機能回路用表面金属基板部２Ａ、半導体素子４の順で積層され、半導体素子４は接合部材１５により主要機能回路用表面金属基板部２Ａに接合されている。絶縁基板１、主要機能回路用表面金属基板部２Ａおよび裏面金属基板３からなる基板部構造としては熱伝導率向上のためダイレクト接合構造であるＤＢＣ（Direct Bond Copper）基板が用いられている。
【０００５】
図１２（ａ）において、主要機能回路用表面金属基板部２Ａは、半導体素子４を搭載する素子搭載用表面金属基板２ａ，中継用表面金属基板２ｂ，２ｃからなる。高圧電源２０１と接続されたモジュール外部端子８はボンディングワイヤ１０を介して中継用表面金属電極２ｂに接続され、さらに、中継用表面金属基板２ｂはボンディングワイヤ１１を介して素子搭載用表面金属基板２ａに接続され、この素子搭載用表面金属基板２ａに半導体素子４が搭載されている。高圧モジュール１０１内部は、ゲル状絶縁物５を充填することで、高圧部品周辺の絶縁がなされている。なお、ゲル状絶縁物５としては例えばシリコーンゲルが用いられる。
【０００６】
図１２（ｂ）に示した高圧モジュール１０１Ａは、全体構造としては図１２（ａ）の高圧モジュール１０１と類似しているが、絶縁基板１の表面上に設けられる主要機能回路用表面金属基板部が素子搭載用表面金属基板２ａだけから構成されている点で異なっている。そして、高圧モジュール１０１Ａでは、高圧電源２０１と接続されたモジュール外部端子８はボンディングワイヤ１０を介して直接的に素子搭載用表面金属電極２ａに接続されている。
【０００７】
高圧モジュールにおいて、ゲル状絶縁物５、特にシリコーンゲルを絶縁に用いる理由としては、ある程度の機械強度を保持しつつ、温度変化や振動等による機械応力がボンディングワイヤ１０，１１，１２などに加わらないように変形可能である（すなわち低弾性率である）ことが挙げられる。しかしながら、シリコーンゲル自体は通常の固体絶縁物に比べて、初期状態での絶縁耐圧が低く、部分放電（以下「ＰＤ」（Partial discharge）とも称する）の発生に伴い即座に絶縁性能が低下するという欠点を持つ。後者の原因は、シリコーンゲル中では部分放電発生によりシリコーンゲルと絶縁基板との界面上で空隙が生じて、その空隙部が新たな絶縁欠陥となるためである。この空隙部で持続的に部分放電が発生すると、最終的には絶縁破壊に至る。
【０００８】
このような高圧モジュールの絶縁保護技術としては、（１）基板配置の最適化、（２）高圧部のコーティング、（３）充填用ゲル状絶縁物材料の最適化、の対策技術が提案されている。それらの例を下記に示す。
【０００９】
（１）基板配置の最適化（特許文献１参照）。
特許文献１に開示されている構成では、絶縁基板の表面と裏面とに設置された金属基板について、金属基板端部から絶縁基板端部までの距離を表裏金属基板で一致させる構造を用いている。この構造を用いることで、金属基板端部の電界集中度が緩和されるため、部分放電開始電圧及び絶縁破壊電圧が上昇するという効果を奏する。
【００１０】
（２）高圧部のコーティング（特許文献２参照)。
特許文献２に開示されている構成では、絶縁基板端部を樹脂によりコーティングした上で、シリコーンゲルを充填させている。この構造により、絶縁基板端部はシリコーンゲルよりも絶縁耐圧の高い樹脂で保護されることになる。さらに、コーティングする樹脂の誘電率をシリコーンゲルよりも高くすれば、絶縁基板端部の電界強度自体も低下させることが出来る。以上のような作用により、部分放電開始電圧及び絶縁破壊電圧が上昇するという効果を奏する。
【００１１】
（３）充填用ゲル状絶縁物材料の最適化（特許文献３参照）。
特許文献３に開示されている構成では、ベースポリマーの重量平均分子量が30000〜40000であるシリコーンゲルを使用している。重量平均分子量が30000未満であると、強度が不足してボイドやクラックが発生しやすくなり、40000を超えると粘度が高くなって作業性が劣るようになる。以上のような作用から、絶縁欠陥が生じにくいシリコーンゲルを使用することで、絶縁性能（部分放電開始電圧, 絶縁破壊電圧）が上昇するという効果を奏する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００１−３３２８２３号公報
【特許文献２】特開２０００−９１４７２号公報
【特許文献３】特開２０１０−３４１５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上述した従来技術は、高圧モジュール内部で部分放電を発生させないことにより絶縁破壊を防止する技術であり、部分放電発生後に絶縁破壊を防止する技術ではない。上述のように、シリコーンゲルなどのゲル状絶縁物では部分放電発生により絶縁劣化部（空隙）が生じ、その後はこの絶縁劣化部が新たな絶縁欠陥となり、絶縁性能を即座に低下させる。つまり、瞬時的な高電圧、衝撃、加熱等の突発事象やゲル物性の経時変化により部分放電が一度でも発生したモジュールは、電圧レベルが低下しても部分放電が発生し続ける可能性があり、そのまま使用し続けると最終的には絶縁破壊にまで至る可能性がある。
【００１４】
このため、本発明は、高圧モジュール内のゲル状絶縁物中で発生した部分放電などを検出し、高圧モジュールの主要機能回路における絶縁破壊を未然に防ぐための機構を備えた高圧モジュール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】
【００１５】
上記目的を達成するために、本発明者は、上述の例えば図１２（ａ）に示したような、絶縁基板１の表面および裏面にそれぞれ主要機能回路用表面金属基板部２Ａおよび裏面金属基板３が接合され、主要機能回路用表面金属基板部２Ａのうち素子搭載用表面金属基板２ａには半導体素子４が搭載されるとともに、素子搭載用表面金属基板２ａおよび裏面金属基板３はそれぞれ高圧電源および接地電位に接続され、絶縁基板１、主要機能回路用表面金属基板部２Ａ、裏面金属基板３および半導体素子４がゲル状絶縁物５で封止された高圧モジュールにおける部分放電の発生機構について検討した。
【００１６】
図１は、高圧モジュールにおけるゲル状絶縁物中での部分放電発生箇所を示す模式断面図である。図１には、絶縁基板１の表面および裏面にそれぞれ表面金属基板２および裏面金属基板３が接合され、表面金属基板２には接合部材１５を介して半導体素子４が搭載されるとともに、裏面金属基板３は少なくとも裏面金属基板３よりも外周側まで延在するアース板６に接合され、絶縁基板１、表面金属基板２、裏面金属基板３および半導体素子４がゲル状絶縁物５で封止された高圧モジュール１０１Ｂを示している。高圧モジュール１０１Ｂにおける表面金属基板２に搭載された半導体素子４にはボンディングワイヤ１３を介して図示されない高圧電源が接続される。
【００１７】
高圧モジュール１０１Ｂのゲル状絶縁物５中では、図１に示す、ボンディングワイヤ１３周辺（Ａ１部）、表面金属基板２と絶縁基板１とゲル状絶縁物５との交点（三重点）（Ａ２部）、裏面金属基板３と絶縁基板１とゲル状絶縁物５との交点（三重点）（Ａ３部）で電界集中が起き、これらが主な部分放電の発生起点となる。このうち、ボンディングワイヤ１３周辺（Ａ１部）は、高電圧となるワイヤ１３周辺に接地電位部がないことから、絶縁破壊にまで進展する可能性は小さい。また、裏面金属基板３と絶縁基板４とゲル状絶縁物５との交点（三重点）（Ａ３部）は、裏面金属基板３自体が接地電位であることから、絶縁破壊にまで進展する可能性は小さい。そのため、高圧モジュールの絶縁破壊原因としては特に、表面金属基板２と絶縁基板１とゲル状絶縁物５との交点（三重点）（Ａ２部）の部位から発生する部分放電に着目する必要がある。
【００１８】
検討対象を、金属基板周辺の表面金属基板２と絶縁基板１とゲル状絶縁物５との交点（三重点）（Ａ２部）、裏面金属基板３と絶縁基板１とゲル状絶縁物５との交点（三重点）（Ａ３部）に絞って考えると、金属基板の接合及び基板周辺のバリ除去が充分に行われている場合、金属基板周辺であって電界強度が最大となる箇所が部分放電発生箇所となる。
【００１９】
この表面金属基板２と絶縁基板１とゲル状絶縁物５との交点（三重点）（Ａ２部）、および裏面金属基板３と絶縁基板１とゲル状絶縁物５との交点（三重点）（Ａ３部）で発生した部分放電をセンサにより直接検出することは困難である。その理由として、音や光によるセンサの場合、部分放電発生の可能性が有る部位が金属基板全周にわたるため、センサを広範囲に取り付けなければならないこと、電気的なセンサの場合、半導体素子の通常動作により流れる電流が高周波かつ大電流であるため、部分放電の微細な高周波電流の弁別検出が困難であること、が挙げられる。
【００２０】
そこで、本発明では、高圧モジュールを例えば図２に示すように構成する。図２は、本発明による高圧モジュールの基本構成を例示する模式断面図である。図２に示したように、高圧モジュール１０１Ｃにおいて、絶縁基板１の表面に主要機能回路用表面金属基板部として素子搭載用表面金属基板２ａを接合するとともに素子搭載用表面金属基板２ａには接合部材１５を介して半導体素子４を配置し、絶縁基板１の裏面に裏面金属基板３を接合するとともに裏面金属基板３は接地電位に接続して構成した主要機能基板部１０２を備えるとともに、更に主要機能基板部１０２とは別に部分放電発生用基板部１０３を設けている。また、高圧モジュール１０１Ｃ内部は、ゲル状絶縁物５を充填することで、高圧部品周辺の絶縁がなされている。
【００２１】
なお、図２に示した高圧モジュール１０１Ｃは、主要機能基板部１０２における絶縁基板１の表面上に設けられる主要機能回路用表面金属基板部が素子搭載用表面金属基板２ａだけから構成されている点で、上述の図１２（ｂ）に示した高圧モジュール１０１Ａと対応している。一方、主要機能基板部１０２における絶縁基板１の表面には、素子搭載用表面金属基板２ａ以外にも、他の金属基板、例えば図１２（ａ）におけるような中継用表面金属基板２ｂ，２ｃなどが設けられる場合も有り、その場合は、素子搭載用表面金属基板２ａと他の表面金属基板とから主要機能回路用表面金属基板部が構成される。
【００２２】
図２において、主要機能基板部１０２における素子搭載用表面金属基板２ａにはボンディングワイヤ１０を介して高圧電源２０１が接続されており、主要機能基板部１０２において素子搭載用表面金属基板２ａが最も電位の高い導体部となっている。また、部分放電発生用基板部１０３にも高圧電源２０１からの電圧が印加されるようにしている。なお、高圧電源２０１からは例えば１７００Ｖ程度以上の高電圧が印加されるが、高圧電源２０１からの印加電圧の電圧レベルはこれに限定されるものではない。
【００２３】
部分放電発生用基板部１０３は、絶縁基板１０３ａの表面に表面金属基板１０３ｂを接合するとともに絶縁基板１０３ａの裏面に裏面金属基板１０３ｃを接合して構成されている。表面金属基板１０３ｂ側には部分放電検出機構１０３ｄが配置され、裏面金属基板１０３ｃはアース板６に接続される。そして、部分放電発生用基板部１０３における表面金属基板１０３ｂにはボンディングワイヤ１４を介して高圧電源２０１が接続される。
【００２４】
なお、部分放電発生用基板部１０３における部分放電検出機構１０３ｄの配置構成は、図２のような、表面金属基板１０３ｂ上に搭載する構成に限定されるものではない。
また、部分放電発生用基板部１０３の絶縁基板１０３ａは、主要機能基板部１０２の絶縁基板１と、図２のように別の構成部材であってもよく、一体の構成部材であってもよい。また、部分放電発生用基板部１０３の裏面金属基板１０３ｃも、主要機能基板部１０２の裏面金属基板３と、図２のように別の構成部材であってもよく、一体の構成部材であってもよい。一方、部分放電発生用基板部１０３の表面金属基板１０３ｂは主要機能基板部１０２における素子搭載用表面金属基板２ａを含む主要機能回路用表面金属基板部とは電気的に分離された別体の構成部材とする。
【００２５】
部分放電発生用基板部１０３における最大電界強度は主要機能基板部１０２における最大電界強度よりも１０〜３０％程度大きくなるように設計しておき、部分放電発生用基板部１０３で発生した部分放電を部分放電検出機構１０３ｄにより検出する。部分放電発生用基板部１０３で部分放電が発生し、部分放電検出機構１０３ｄにより検出された時点で、部分放電検出機構１０３ｄからの部分放電検出信号に基づき、例えば高圧モジュール１０１Ｃが装着された電力変換装置などのシステム側で警報（アラーム）を発し、当該高圧モジュール１０１Ｃの新品への取替えによりシステムへの影響を防止するなどの対策を行うことができる。
【００２６】
次に、本発明における「部分放電発生用基板部」について更に説明する。
部分放電発生用基板部１０３では、上述のように最大電界強度を主要機能基板部１０２における最大電界強度よりも１０〜３０％程度大きくする必要がある。このため、主要機能基板部１０２では、例えば、三重点の最大電界値が最小になるように表面金属基板の端部と裏面金属基板の端部との位置が一致するように構成する。
【００２７】
図３〜４は、表面金属基板２と裏面金属基板３の少なくともいずれかの端部位置を変化させた場合の電界強度変化を例示する模式断面図である。ここで、１は絶縁基板、２は表面金属基板、３は裏面金属基板、６はアース板である。図３に示したように表面金属基板２又は裏面金属基板３の端部位置を互いにずらすことで、最大電界強度は変化する。例えば、図３（ａ）のように表面金属基板２と裏面金属基板３の端部位置を一致させた状態での端部位置を基準位置とした場合に、図３（ｂ）のように表面金属基板２の端部位置を基準位置より端部側に突出させれば、表面側の電界強度は低下し、裏面側の電界強度は上昇する。図３（ｃ）のように裏面金属基板３の端部位置を基準位置より端部側に突出させれば、表面側の電界強度が上昇し、裏面側の電界強度が低下する。
【００２８】
また、図４に示したように表面金属基板２と裏面金属基板３の端部位置を一致させた状態では、絶縁基板１の誘電率がゲル状絶縁物５よりも大きい場合は、表面金属基板２と絶縁基板１とゲル状絶縁物５との交点（三重点）、裏面金属基板３と絶縁基板１とゲル状絶縁物５との交点（三重点）での各電界強度は、図４（ａ）の基準位置に対して、図４（ｂ）のように絶縁基板１を長くして端部までの距離が長くなれば低下し、図４（ｃ）のように絶縁基板１を短くして端部までの距離が短くなれば上昇する。そして、絶縁基板１がアルミナや窒化アルミ等のセラミックスから形成されているとともに、ゲル状絶縁物５としてシリコーンゲルが用いられている構成では、アルミナの比誘電率が約８．３であり、窒化アルミの比誘電率が約８．８であるのに対して、シリコーンゲルの比誘電率が約２．９であることから、上述の場合に相当する。
【００２９】
一方、図４において、絶縁基板１の誘電率がゲル状絶縁物５よりも小さい場合は、上述の場合とは逆に、表面金属基板２と絶縁基板１とゲル状絶縁物５との交点（三重点）、裏面金属基板３と絶縁基板１とゲル状絶縁物５との交点（三重点）での各電界強度は、図４（ａ）の基準位置に対して、図４（ｂ）のように絶縁基板１を長くして端部までの距離が長くなれば上昇し、図４（ｃ）のように絶縁基板１を短くして端部までの距離が短くなれば低下する。
【００３０】
このように、表面金属基板２と裏面金属基板３の位置を調整することで部分放電発生用基板部１０３の最大電界強度を任意に設定することができる。
「部分放電発生用基板部」において部分放電を発生させて検出する方式としては、大きく分けて２つの方式がある。第１の方式は、部分放電発生用基板部１０３における裏面金属基板側で絶縁破壊に至りにくい部分放電を発生させて、発生した部分放電をセンサで検出する方式である。第２の方式は、部分放電発生用基板部１０３における表面金属基板側で絶縁破壊に至りやすい部分放電を発生させて、部分放電発生用基板部での短絡をセンサで検出する方式である。上記２つの方式に対応した部分放電発生用基板部の具体的構造について説明する。
【００３１】
（本発明の構成）
本発明によれば、半導体素子への主要機能回路パターンを形成する主要機能回路用表面金属基板部が絶縁基板の表面に接合されるとともに、接地電位とされる裏面金属基板が前記絶縁基板の裏面に接合され、前記絶縁基板、前記主要機能回路用表面金属基板部、前記裏面金属基板および前記半導体素子がゲル状絶縁物で封止された高圧モジュールにおいて、 前記絶縁基板に主要機能回路用領域と部分放電発生用領域とを設け、前記絶縁基板の主要機能回路用領域の表面に前記主要機能回路用表面金属基板部を配設するとともに、前記絶縁基板の部分放電発生用領域の表面に前記主要機能回路用表面金属基板部とは分離して部分放電発生用表面金属基板を配設し、前記主要機能回路用表面金属基板部と、前記絶縁基板の主要機能回路用領域と、前記裏面金属基板のうち前記絶縁基板の主要機能回路用領域の裏面に配置されている部分とから、主要機能基板部を構成するとともに、前記部分放電発生用表面金属基板と、前記絶縁基板の部分放電発生用領域と、前記裏面金属基板のうち前記絶縁基板の部分放電発生用領域の裏面に配置されている部分とから、部分放電発生用基板部を構成し、前記部分放電発生用表面金属基板の電位は、前記主要機能回路用表面金属基板部のうち最も高い電位となる高電位表面金属基板と同電位とし、前記高電位表面金属基板、前記部分放電発生用表面金属基板および前記裏面金属基板の各端部と前記絶縁基板の端部とのそれぞれの距離同士の関係を、前記部分放電発生用基板部における最大電界強度が前記主要機能基板部における最大電界強度よりも大きくなるように設定し、前記部分放電発生用基板部で発生する部分放電または短絡を検出する手段を設けた構成とする（請求項１の発明）。
【００３２】
上記請求項１の発明によれば、主要機能基板部に比べて最大電界強度をより大きくした部分放電発生用基板部で発生する部分放電または短絡を検出するようにしていることにより、この部分放電または短絡の検出結果に基づき、当該高圧モジュールの主要機能回路における絶縁破壊が発生する前に、当該高圧モジュールの新品への取替えなどの対策を行うことができるので、電力変換装置などのシステムにおける使用状態にある高圧モジュールの主要機能回路における絶縁破壊を未然に防止することができるようになる。
【００３３】
次に、上記請求項１に記載の高圧モジュールにおいて、前記部分放電発生用表面金属基板の端部の位置は前記絶縁基板を挟んで対向する前記裏面金属基板の端部に対して絶縁基板端部側により突出した位置とし、前記裏面金属基板側で発生する部分放電を検出する部分放電検出手段を設けた構成とする（請求項２の発明）。
【００３４】
次に、上記請求項１に記載の高圧モジュールにおいて、前記絶縁基板は前記ゲル状絶縁物よりも大きな比誘電率を有する材料からなり、前記部分放電発生用表面金属基板の端部の位置は前記絶縁基板を挟んで対向する前記裏面金属基板の端部と一致した位置とするとともに、前記部分放電発生用表面金属基板の端部と前記絶縁基板の端部との距離は前記絶縁基板の表面に接合される全ての金属基板のうちで最も短い距離とし、前記部分放電発生用表面金属基板側で発生する部分放電に伴い生じる前記部分放電発生用表面金属基板と前記裏面金属基板との間の短絡を検出する短絡検出手段を設けた構成とする（請求項３の発明）。
【００３５】
次に、請求項２に記載の高圧モジュールにおいて、前記部分放電検出手段として、前記部分放電に伴い発生する電流を検出する電流検出素子を備えた電流式部分放電センサを設けたこと構成とする（請求項４の発明）。
【００３６】
次に、請求項２に記載の高圧モジュールにおいて、前記部分放電検出手段として、前記部分放電に伴い発生する音を検出する音検出素子を備えた音響式部分放電センサを設けた構成とする（請求項５の発明）。
【００３７】
次に、請求項２に記載の高圧モジュールにおいて、前記部分放電検出手段として、前記部分放電に伴い発生する光を検出する光検出素子を備えた光式部分放電センサを設けたこと構成とする（請求項６の発明）。
【００３８】
次に、請求項３に記載の高圧モジュールにおいて、前記短絡検出手段として、前記短絡による電流が通流する抵抗と、前記抵抗の両端の電位差を計測する電位差計測回路部とを備えた短絡センサを設けた構成とする（請求項７の発明）。
【００３９】
次に、請求項７に記載の高圧モジュールにおいて、前記抵抗と直列に電流遮断部を介装した構成とする（請求項８の発明）。
次に、請求項１ないし８のいずれか１項に記載の高圧モジュールにおいて、前記絶縁基板は、セラミックスからなる構成とする（請求項９の発明）。
【００４０】
次に、請求項１ないし９のいずれか１項に記載の高圧モジュールにおいて、前記ゲル状絶縁物は、シリコーンゲルからなる構成とする（請求項１０の発明）。
【発明の効果】
【００４１】
本発明によれば、高圧モジュールの主要機能回路における絶縁破壊を未然に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】高圧モジュールにおけるゲル状絶縁物中での部分放電発生箇所を示す模式断面図である。
【図２】本発明による高圧モジュールの基本構成を例示する模式断面図である。
【図３】表裏金属基板の端部位置を変化させた場合の電界強度変化の例を示す模式断面図である。
【図４】表裏金属基板の端部位置を変化させた場合の電界強度変化の異なる例を示す模式断面図である。
【図５】本発明の実施例１による高圧モジュールの構成を示す図である。
【図６】本発明の実施例２による高圧モジュールの構成を示す図である。
【図７】本発明の実施例３による高圧モジュールの構成を示す図である。
【図８】本発明の実施例４による高圧モジュールの構成を示す図である。
【図９】本発明の実施例５による高圧モジュールの構成を示す図である。
【図１０】瞬時的な高電圧に伴う部分放電に対する本発明の作用効果を模式的に示す説明図である。
【図１１】ゲル物性の経時変化に伴う部分放電に対する本発明の作用効果を模式的に示す説明図である。
【図１２】従来の高圧モジュールの構成例を示す模式断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
以下、本発明の実施形態を図５〜図９に示す実施例に基づいて説明する。同一の構成要素については、同一の符号を付け、重複する説明は省略する。なお、本発明は、下記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲内で適宜変形して実施することができるものである。
【実施例１】
【００４４】
図５は本発明の実施例１による高圧モジュール１１１の構成を示す図である。図５（ａ）に高圧モジュール１１１の断面構造を模式的に示すとともに、図５（ｂ）には高圧モジュール１１１内における電気接続構成を模式的に示している。また、図５（ｃ）には高圧モジュール１１１内における電流式部分放電センサ３１の構成例を示している。
【００４５】
実施例１による高圧モジュール１１１の内部絶縁構造は、図１２（ｂ）で説明した従来の高圧モジュール１０１Ａと、基本的には同様であるが、絶縁基板１の表面上において、素子搭載用表面金属基板２ａからなる主要機能回路用表面金属基板部とは分離された部分放電発生用表面金属基板２１を更に設けた点で異なっている。すなわち、高圧モジュール１１１の内部絶縁構造は、図５（ａ）に示すように、最下部からアース板６、裏面金属基板３、絶縁基板１、「素子搭載用表面金属基板２ａおよび部分放電発生用表面金属基板２１」の順で積層された構成となっている。また、素子搭載用表面金属基板２ａには半導体素子４が搭載されるとともに、部分放電発生用表面金属基板２１には電流式部分放電センサ３１が取り付けられている。なお、上述の図２で述べたように、絶縁基板１の表面上には、主要機能回路用表面金属基板部として、素子搭載用表面金属基板２ａとともに、他の表面金属基板も設けられる場合があるが、以下では、主要機能回路用表面金属基板部が素子搭載用表面金属基板２ａからなる構成例について説明する。
【００４６】
高圧モジュール１１１における絶縁基板１、素子搭載用表面金属基板２ａ、裏面金属基板３および部分放電発生用表面金属基板２１からなる基板部構造としては、熱伝導率向上のためダイレクト接合構造であるＤＢＣ基板が用いられており、半導体素子４が搭載された素子搭載用表面金属基板２ａはボンディングワイヤ１０によりモジュール外部端子８と電気的に接続されている。また、裏面金属基板３は少なくとも裏面金属基板３よりも外周側まで延在するアース板６に接合され、アース板６と導電接続されている。また、部分放電発生用表面金属基板２１に取り付けられた電流式部分放電センサ３１はボンディングワイヤ１４によりモジュール外部端子９と電気的に接続されている。
【００４７】
高圧モジュール１１１内部は、ゲル状絶縁物５を充填することで、高圧部品周辺の絶縁がなされている。なお、絶縁基板１はアルミナや窒化アルミ等のセラミックスから形成されている。また、ゲル状絶縁物５としては特にシリコーンゲルが好適に用いられるが、これに限定されるものではない。また、絶縁基板１の両面に接合される各金属基板は例えば銅材から形成することができるが、これに限定されるものではない。また、アース板も例えば銅材から形成することができるが、これに限定されるものではない。なお、絶縁基板１、ゲル状絶縁物５、各金属基板およびアース板６の材料については、以下の実施例２〜５においても同様である。
【００４８】
また、絶縁基板１の厚さは例えば０．５ｍｍ程度とすることができるが、これに限定されるものではない。また、更に、各金属基板の厚さは例えば０．１ｍｍ程度とすることができるが、これに限定されるものではない。なお、絶縁基板１および各金属基板の厚さについては、以下の実施例２〜５においても同様である。
【００４９】
高圧モジュール１１１において、図５（ａ）に示すように、絶縁基板１に主要機能回路用領域と部分放電発生用領域とを設け、絶縁基板１の主要機能回路用領域の表面に素子搭載用表面金属基板２ａを配設するとともに、絶縁基板１の部分放電発生用領域の表面に素子搭載用表面金属基板２ａとは分離して部分放電発生用表面金属基板２１を配設している。そして、半導体素子４が搭載される素子搭載用表面金属基板２ａと、絶縁基板１の主要機能回路用領域と、裏面金属基板３のうち絶縁基板１の主要機能回路用領域の裏面に配置されている部分とから、主要機能基板部１１２が形成されている。また、電流式部分放電センサ３１が取り付けられる部分放電発生用表面金属基板２１と、絶縁基板１の部分放電発生用領域と、裏面金属基板３のうち絶縁基板１の部分放電発生用領域の裏面に配置されている部分とから、部分放電発生用基板部１１３が形成されている。そして、主要機能基板部１１２とともに部分放電発生用基板部１１３も含めてゲル状絶縁物５で封止されている。
【００５０】
高圧モジュール１１１では、図５（ａ）に示すように、絶縁基板１の表面に素子搭載用表面金属基板２ａとは分離して部分放電発生用表面金属基板２１を設けるとともに、部分放電発生用表面金属基板２１の電位は高圧電源２０１に接続された素子搭載用表面金属基板２ａと同電位としている。なお、図５（ｂ）では、素子搭載用表面金属基板２ａに搭載された半導体素子４がＩＧＢＴである場合であって、半導体素子４のコレクタ側が素子搭載用表面金属基板２ａに導電接続されている例を示している。また、図５（ｂ）ではアース板６の図示は略している。
【００５１】
そして、部分放電発生用基板部１１３において、部分放電発生用表面金属基板２１の端部の位置は絶縁基板１を挟んで対向する裏面金属基板３の端部に対して絶縁基板１の端部側により突出させている。この構造を用いることにより、部分放電発生用表面金属基板２１と絶縁基板１とゲル状絶縁物５との交点（三重点）よりも、裏面金属基板３と絶縁基板１とゲル状絶縁物５との交点（三重点）の電界強度が高くなり、部分放電用基板部１１３における裏面金属基板３側で部分放電が発生する。
【００５２】
そして、実施例１における絶縁基板１に接合される各金属基板の端部と絶縁基板１の端部とのそれぞれの距離Ｌ１〜Ｌ４は、各距離同士の関係が次の通りになるように設定しており、これにより、高圧モジュール１１１における各部の電界強度のうち、部分放電発生用基板部１１３の裏面金属基板３側での電界強度が最大となり、この部分から部分放電３０１が発生し始めるようにしている（図５（ｂ）参照）。
【００５３】
（ａ）Ｌ１＝Ｌ２。
（ｂ）Ｌ３＜Ｌ１。
（ｃ）Ｌ４＞Ｌ３。
【００５４】
ここで、主要機能基板部１１２においては、素子搭載用表面金属基板２ａの端部と絶縁基板１の端部との距離をＬ１とし、裏面金属基板３の端部と絶縁基板１の端部との距離をＬ２としている。また、部分放電発生用基板部１１３においては、部分放電発生用表面金属基板２１の端部と絶縁基板１の端部との距離をＬ３とし、裏面金属基板３の端部と絶縁基板１の端部との距離をＬ４としている。このようなＬ１〜Ｌ４の意味付けは以下の実施例２〜５でも同様とする。
【００５５】
なお、実施例１における距離Ｌ３、Ｌ４は、例えばＬ３＝５ｍｍ、Ｌ４＝１０ｍｍとすることができるが、このような距離設定に限定されるものではない。また、上述のように、実施例１において、裏面金属基板３は少なくとも裏面金属基板３よりも外周側まで延在するアース板６に接合され、アース板６と導電接続されている。裏面金属基板３と絶縁基板１とゲル状絶縁物５との交点（三重点）の電界は、アース板６の存在により、裏面金属基板３の厚さにもよるが、ある程度緩和される。このため、実際には、上記のようなアース板６による電界緩和効果も考慮した上で、部分放電発生用基板部１１３における裏面金属基板３と絶縁基板１とゲル状絶縁物５との交点（三重点）の電界強度が部分放電発生用表面金属基板２１と絶縁基板１とゲル状絶縁物５との交点（三重点）の電界強度よりも高くなるように、距離Ｌ３と距離Ｌ４とを設定する。
【００５６】
そして、高圧モジュール１１１では、部分放電発生用基板部１１３の裏面金属基板３側で部分放電３０１が発生したことを電流式部分放電センサ３１で検出する。
高圧モジュール１１１では、図５（ａ）に示すように、絶縁基板１の表面上における部分放電発生用表面金属基板２１に電流式部分放電センサ３１を取り付け、この電流式部分放電センサ３１によって部分放電３０１を検出する。電流式部分放電センサ３１は、電気的には、図５（ｂ）に示すように、高圧電源２０１に接続された外部端子９と部分放電発生用表面金属基板２１との間に接続される。なお、電流式部分放電センサ３１には、図５（ａ）に示すように、外部端子９からのボンディングワイヤ１４が接合される。
【００５７】
電流式部分放電センサ３１は、部分放電電流３１１を検出することにより部分放電検出を行うものであり、例えば、図５（ｃ）に示すように、１０ｋＨｚ〜１ＭＨｚを検出可能な高周波変流器（ＣＴ）３２と、高周波変流器３２の電流検出出力に基づいて部分放電検出信号３２１を出力する信号処理回路部３３とを備えた構成とすることができる。なお、本発明では、上記のような電流式部分放電センサの代わりに、例えばオペアンプからなる積分器を取り付けて部分放電電荷量を検出する方式の部分放電センサを適用することもできる。また、信号処理回路部３３内にはノイズによる誤動作防止などのための閾値弁別回路などを備えるようにしている。
【００５８】
なお、図５（ａ）では、高圧モジュール１１１が高圧電源接続用端子として主要機能基板部１１２用の外部端子８と部分放電発生用基板部１１３用の外部端子９とを備え、高圧電源２０１が外部端子８、９の両方に接続される構成を示しているが、高圧モジュール１１１が高圧電源接続用端子として外部端子８だけを備え、高圧電源２０１が接続された外部端子８から高圧モジュール１１１内部の配線により主要機能基板部１１２と部分放電発生用基板部１１３とに分岐接続する構成とすることもできる。この点は以下の実施例２〜５においても同様である。
【００５９】
実施例１による高圧モジュール１１１では、絶縁基板１の表面側において、部分放電発生用表面金属基板２１は、半導体素子４を搭載した素子搭載用表面金属基板２ａとは分離しているため、電流式部分放電センサ３１により半導体素子４の通電電流やスイッチング電流の影響を受けずに部分放電電流の検出が可能である。
【実施例２】
【００６０】
図６は本発明の実施例２による高圧モジュール１２１の構成を示す図である。図６（ａ）に高圧モジュール１２１の断面構造を模式的に示すとともに、図６（ｂ）には高圧モジュール１２１内における電気接続構成を模式的に示している。また、図６（ｃ）には高圧モジュール１２１内における音響式部分放電センサ４１の構成例を示している。
【００６１】
高圧モジュール１２１において、図６（ａ）に示すように、絶縁基板１に主要機能回路用領域と部分放電発生用領域とを設け、絶縁基板１の主要機能回路用領域の表面に素子搭載用表面金属基板２ａを配設するとともに、絶縁基板１の部分放電発生用領域の表面に素子搭載用表面金属基板２ａとは分離して部分放電発生用表面金属基板２１を配設している。そして、半導体素子４が搭載される素子搭載用表面金属基板２ａと、絶縁基板１の主要機能回路用領域と、裏面金属基板３のうち絶縁基板１の主要機能回路用領域の裏面に配置されている部分とから、主要機能基板部１２２が形成されている。また、部分放電発生用表面金属基板２１と、絶縁基板１の部分放電発生用領域と、裏面金属基板３のうち絶縁基板１の部分放電発生用領域の裏面に配置されている部分とから、部分放電発生用基板部１２３が形成されている。そして、主要機能基板部１２２とともに部分放電発生用基板部１２３も含めてゲル状絶縁物５で封止されている。なお、最下部からアース板６、裏面金属基板３、絶縁基板１、「素子搭載用表面金属基板２ａおよび部分放電発生用表面金属基板２１」の順で積層されてなる高圧モジュール１２１の内部絶縁構造は、図５（ａ）で説明した高圧モジュール１１１の内部絶縁構造と同様である。
【００６２】
高圧モジュール１２１における主要機能基板部１２２および部分放電発生用基板部１２３の構造、すなわち、絶縁基板１に接合される各金属基板の端部と絶縁基板１とのそれぞれの距離の設定の仕方は、上述の実施例１による高圧モジュール１１１における主要機能基板部１１２および部分放電発生用基板部１１３と同様である。すなわち、実施例２における絶縁基板１に接合される各金属基板の端部と絶縁基板１の端部とのそれぞれの距離Ｌ１〜Ｌ４は、各距離同士の関係が次の通りになるように設定しており、これにより、高圧モジュール１２１における各部の電界強度のうち、部分放電発生用基板部１２３の裏面金属基板３側での電界強度が最大となり、この部分から部分放電３０１が発生し始めるようにしている（図６（ｂ）参照）。
【００６３】
（ａ）Ｌ１＝Ｌ２。
（ｂ）Ｌ３＜Ｌ１。
（ｃ）Ｌ４＞Ｌ３。
【００６４】
そして、高圧モジュール１２１では、部分放電発生用基板部１２３の裏面金属基板３側で部分放電３０１が発生したことを音響式部分放電センサ４１で検出する。
高圧モジュール１２１では、例えば、図６（ａ）に示すように、部分放電発生用基板部１２３の部分放電発生用表面金属基板２１上における裏面側での部分放電３０１の発生位置の真上に対応する位置、すなわち、裏面金属基板３とゲル状絶縁物５と絶縁基板１との交点（三重点）の上層にある部分放電発生用表面金属基板２１上の位置に音響式部分放電センサ４１を取り付け、この音響式部分放電センサ４１によって部分放電３０１を検出する。
【００６５】
音響式部分放電センサ４１は、部分放電音３１２、すなわち部分放電３０１の発生に伴う音波を検出することにより部分放電検出を行うものであり、例えば、図６（ｃ）に示すように、圧電式マイクなどの音検出素子４２と、音検出素子４２の音検出出力に基づいて部分放電検出信号３２２を出力する信号処理回路部４３とを備えた構成とすることができる。なお、上記の音検出素子４２としては、例えば、最大４００ｋＨｚ程度まで検出可能な接触式の高感度な圧電式マイクを用いることが好適である。また、信号処理回路部４３内にはノイズによる誤動作防止などのための閾値弁別回路などを備えるようにしている。
【００６６】
なお、音響式部分放電センサ４１の取り付け位置は、上述の図６（ａ）に示す位置に限定されるものではなく、部分放電音３１２を十分な感度で検出可能な位置であればよい。
実施例２による高圧モジュール１２１では、部分放電発生位置を特定できているため、音検出素子は1つで済み、かつ、音検出素子として指向特性を狭くしたマイクの適用も可能である。
【実施例３】
【００６７】
図７は本発明の実施例３による高圧モジュール１３１の構成を示す図である。図７（ａ）に高圧モジュール１３１の断面構造を模式的に示すとともに、図７（ｂ）には高圧モジュール１３１内における電気接続構成を模式的に示している。また、図７（ｃ）には高圧モジュール１３１内における光式部分放電センサ５１の構成例を示している。
【００６８】
高圧モジュール１３１において、図７（ａ）に示すように、絶縁基板１に主要機能回路用領域と部分放電発生用領域とを設け、絶縁基板１の主要機能回路用領域の表面に素子搭載用表面金属基板２ａを配設するとともに、絶縁基板１の部分放電発生用領域の表面に素子搭載用表面金属基板２ａとは分離して部分放電発生用表面金属基板２１を配設している。そして、半導体素子４が搭載される素子搭載用表面金属基板２ａと、絶縁基板１の主要機能回路用領域と、裏面金属基板３のうち絶縁基板１の主要機能回路用領域の裏面に配置されている部分とから、主要機能基板部１３２が形成されている。また、部分放電発生用表面金属基板２１と、絶縁基板１の部分放電発生用領域と、裏面金属基板３のうち絶縁基板１の部分放電発生用領域の裏面に配置されている部分とから、部分放電発生用基板部１３３が形成されている。そして、主要機能基板部１３２とともに部分放電発生用基板部１３３も含めてゲル状絶縁物５で封止されている。なお、最下部からアース板６、裏面金属基板３、絶縁基板１、「素子搭載用表面金属基板２ａおよび部分放電発生用表面金属基板２１」の順で積層されてなる高圧モジュール１３１の内部絶縁構造は、図５（ａ）で説明した高圧モジュール１１１の内部絶縁構造と同様である。
【００６９】
高圧モジュール１３１における主要機能基板部１３２および部分放電発生用基板部１３３の構造、すなわち、絶縁基板１に接合される各金属基板の端部と絶縁基板１とのそれぞれの距離の設定の仕方は、上述の実施例１による高圧モジュール１１１における主要機能基板部１１２および部分放電発生用基板部１１３と同様である。すなわち、実施例３における絶縁基板１に接合される各金属基板の端部と絶縁基板１の端部とのそれぞれの距離Ｌ１〜Ｌ４は、各距離同士の関係が次の通りになるように設定しており、これにより、高圧モジュール１３１における各部の電界強度のうち、部分放電発生用基板部１３３の裏面金属基板３側での電界強度が最大となり、この部分から部分放電３０１が発生し始めるようにしている（図７（ｂ）参照）。
【００７０】
（ａ）Ｌ１＝Ｌ２。
（ｂ）Ｌ３＜Ｌ１。
（ｃ）Ｌ４＞Ｌ３。
【００７１】
そして、高圧モジュール１３１では、部分放電発生用基板部１３３の裏面金属基板３側で部分放電３０１が発生したことを光式部分放電センサ５１で検出する。
高圧モジュール１３１では、例えば、図７（ａ）に示すように、部分放電発生用基板部１３３の部分放電発生用表面金属基板２１上における裏面側での部分放電３０１の発生位置の真上に対応する位置、すなわち、裏面金属基板３とゲル状絶縁物５と絶縁基板１との交点（三重点）の上層にある部分放電発生用表面金属基板２１上の位置に光式部分放電センサ５１を取り付け、この光式部分放電センサ５１によって部分放電３０１を検出する。
【００７２】
光式部分放電センサ５１は、部分放電光３１３、すなわち部分放電３０１の発生に伴う発光を検出することにより部分放電検出を行うものであり、例えば、図７（ｃ）に示すように、光検出素子５２と、光検出素子５２の光検出出力に基づいて部分放電検出信号３２３を出力する信号処理回路部５３とを備えた構成とすることができる。また、光検出素子５２としては、例えばフォトカプラを用いて、部分放電発生に伴う発光を受光素子で検出する方式を適用することができる。光検出素子５２がフォトカプラであれば、受信部および発信部共に絶縁されており、設置個所の自由度も高く、絶縁基板１の表面上における部分放電発生用金属基板２１の周辺部に実装する上で好適である。また、信号処理回路部５３内にはノイズによる誤動作防止などのための閾値弁別回路などを備えるようにしている。
【００７３】
なお、光式部分放電センサ５１の取り付け位置は、上述の図７（ａ）に示す位置に限定されるものではなく、部分放電光３１３を十分な感度で検出可能な位置であればよい。また、光検出素子５２は、当該光検出素子５２の焦点が部分放電発生用表面金属基板２１の下層にある裏面金属基板３とゲル状絶縁物５と絶縁基板１との交点（三重点）となるように設置すると好適である。
【００７４】
実施例３による高圧モジュール１３１では、光式部分放電センサ５１を用いることから、ゲル状絶縁物５には十分に高い透光性を備えたゲルを適用することが必要であり、この点でシリコーンゲルが特に好適である。
【実施例４】
【００７５】
図８は本発明の実施例４による高圧モジュール１４１の構成を示す図である。図８（ａ）に高圧モジュール１４１の断面構造を模式的に示すとともに、図８（ｂ）には高圧モジュール１４１内における電気接続構成を模式的に示している。また、図８（ｃ）には高圧モジュール１４１内に設ける短絡センサ６１の構成例を示している。
【００７６】
高圧モジュール１４１において、図８（ａ）に示すように、絶縁基板１に主要機能回路用領域と部分放電発生用領域とを設け、絶縁基板１の主要機能回路用領域の表面に素子搭載用表面金属基板２ａを配設するとともに、絶縁基板１の部分放電発生用領域の表面に素子搭載用表面金属基板２ａとは分離して部分放電発生用表面金属基板２１Ａを配設している。そして、半導体素子４が搭載される素子搭載用表面金属基板２ａと、絶縁基板１の主要機能回路用領域と、裏面金属基板３のうち絶縁基板１の主要機能回路用領域の裏面に配置されている部分とから、主要機能基板部１４２が形成されている。また、短絡センサ６１が接続される部分放電発生用表面金属基板２１Ａと、絶縁基板１の部分放電発生用領域と、裏面金属基板３のうち絶縁基板１の部分放電発生用領域の裏面に配置されている部分とから、部分放電発生用基板部１４３が形成されている。そして、主要機能基板部１４２とともに部分放電発生用基板部１４３も含めてゲル状絶縁物５で封止されている。なお、絶縁基板１およびゲル状絶縁物５の各材料は、絶縁基板１の比誘電率がゲル状絶縁物５の比誘電率よりも大きくなるように選定しておく。また、最下部からアース板６、裏面金属基板３、絶縁基板１、「素子搭載用表面金属基板２ａおよび部分放電発生用表面金属基板２１Ａ」の順で積層されてなる高圧モジュール１４１の内部絶縁構造は、後述の距離Ｌ１〜Ｌ４の設定以外の点では、図５（ａ）で説明した高圧モジュール１１１の内部絶縁構造と同様である。
【００７７】
高圧モジュール１４１では、図８（ａ）に示すように、絶縁基板１の表面に素子搭載用表面金属基板２ａとは分離して部分放電発生用表面金属基板２１Ａを設けるとともに、部分放電発生用表面金属基板２１Ａの電位は高圧電源２０１に接続された素子搭載用表面金属基板２ａと同電位としている。そして、部分放電発生用基板部１４３において、絶縁基板１の表面に接合された部分放電発生用表面金属基板２１Ａと絶縁基板１の裏面に接合された裏面金属基板３との端部位置を一致させるとともに、部分放電発生用表面金属基板２１Ａおよび裏面金属基板３の各端部と絶縁基板１の端部との距離を短くしている。この構造を用いることにより、部分放電発生用表面金属基板２１Ａと絶縁基板１とゲル状絶縁物５との交点（三重点）の電界強度が高くなり、部分放電用基板部１４３における部分放電発生用表面金属基板２１Ａ側で部分放電３０１が発生する。また、この構造では、部分放電発生用基板部１４３における部分放電発生用表面金属基板２１Ａと裏面金属基板３と間の沿面距離が短いため、部分放電３０１から絶縁破壊（短絡）３０２に進展し易くなっている。
【００７８】
そして、実施例４における絶縁基板１に接合される各金属基板の端部と絶縁基板１の端部とのそれぞれの距離Ｌ１〜Ｌ４は、各距離同士の関係が次の通りになるように設定しており、これにより、高圧モジュール１４１における各部の電界強度のうち、部分放電発生用基板部１４３の部分放電発生用表面金属基板２１Ａ側での電界強度が最大となり、この部分から部分放電３０１が発生し始めるようにしている（図８（ｂ）参照）。
【００７９】
（ａ）Ｌ１＝Ｌ２。
（ｂ）Ｌ３＝Ｌ４。
（ｃ）Ｌ３＜Ｌ１。
【００８０】
なお、実施例４において、絶縁基板１の表面に接合された部分放電発生用表面金属基板２１Ａと絶縁基板１の裏面に接合された裏面金属基板３との端部位置を一致させているが、実施例４では、上述の実施例１と同様に、裏面金属基板３は少なくとも裏面金属基板３よりも外周側まで延在するアース板６に接合され、アース板６と導電接続されている。このため、部分放電発生用基板部１４３における裏面金属基板３と絶縁基板１とゲル状絶縁物５との交点（三重点）の電界は、アース板６の存在により、裏面金属基板３の厚さにもよるが、ある程度緩和される。これによって、実施例４では、部分放電発生用基板部１４３における部分放電発生用表面金属基板２１と絶縁基板１とゲル状絶縁物５との交点（三重点）の電界強度が裏面金属基板３と絶縁基板１とゲル状絶縁物５との交点（三重点）の電界強度よりも高くなっている。
【００８１】
そして、高圧モジュール１４１では、部分放電発生用基板部１４３の部分放電発生用表面金属基板２１Ａ側で部分放電３０１が発生し、部分放電発生用表面金属基板２１Ａと裏面金属基板３と間で絶縁破壊（短絡）３０２に至ったことを短絡センサ６１で検出する。
【００８２】
高圧モジュール１４１では、図８（ａ）に示すように、絶縁基板１の表面上における部分放電発生用表面金属基板２１Ａに隣接する位置に短絡センサ６１を取り付け、この短絡センサ６１によって部分放電３０１による絶縁破壊（短絡）３０２を検出する。短絡センサ６１は、電気的には、図８（ｂ）に示すように、高圧電源２０１に接続された外部端子９と部分放電発生用表面金属基板２１Ａとの間に接続される。なお、短絡センサ６１には、図８（ａ）に示すように、外部端子９からのボンディングワイヤ１４が接合される。
【００８３】
短絡センサ６１は、基本的には抵抗と電位差計測回路とからなるものであり、例えば、図８（ｃ）に示すように、抵抗値Ｒ１を有する抵抗６２とＲ１よりも低い抵抗値Ｒ２を有する抵抗６３との直列接続回路と、抵抗６３両端の電位差を計測する差動電位計方式の電位差計測回路部６４と、電位差計測回路部６４の電位差検出出力に基づいて短絡検出信号３２４を出力する信号処理回路部６５とを備えた構成とすることができる。また、信号処理回路部６５内にはノイズによる誤動作防止などのための閾値弁別回路などを備えるようにしている。
【００８４】
部分放電３０１に伴う絶縁破壊（短絡）３０２が発生する前は短絡電流３１４が流れないので抵抗６３両端の電位差ΔＶはゼロであるが、部分放電３０１に伴い部分放電発生用表面金属基板２１Ａと裏面金属基板３と間での絶縁破壊（短絡）３０２が発生すれば、短絡電流３１４が抵抗６３を流れることによる電位差ΔＶが電位差計測回路部６４で検出され、これに基づき、信号処理回路部６５より短絡検出信号３２４が出力される。ここで、絶縁破壊（短絡）３０２発生時の上記電位差ΔＶは、ΔＶ＝Ｉｓ×Ｒ２＝Ｖ×Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）と表わすことができる。ここで、Ｖは高圧電源２０１からの印加電圧であり、Ｉｓ＝Ｖ／（Ｒ１＋Ｒ２）は短絡電流３１４の電流値である。
【００８５】
実施例４による高圧モジュール１４１では、部分放電発生用表面金属基板２１Ａは、絶縁基板１の表面上において、半導体素子４を搭載した素子搭載用表面金属基板２ａとは分離されているため、部分放電発生用表面金属基板２１Ａを備えた部分放電発生用基板部１４３側で絶縁破壊（短絡）３０２が起きても半導体素子４にはダメージを与えない。
【実施例５】
【００８６】
図９は本発明の実施例５による高圧モジュール１５１の構成を示す図である。図９（ａ）に高圧モジュール１５１の断面構造を模式的に示すとともに、図９（ｂ）には高圧モジュール１５１内における電気接続構成を模式的に示している。また、図９（ｃ）には高圧モジュール１５１内に設ける短絡センサ７１の構成例を示している。
【００８７】
高圧モジュール１５１において、図９（ａ）に示すように、絶縁基板１に主要機能回路用領域と部分放電発生用領域とを設け、絶縁基板１の主要機能回路用領域の表面に素子搭載用表面金属基板２ａを配設するとともに、絶縁基板１の部分放電発生用領域の表面に素子搭載用表面金属基板２ａとは分離して部分放電発生用表面金属基板２１Ａを配設している。そして、半導体素子４が搭載される素子搭載用表面金属基板２ａと、絶縁基板１の主要機能回路用領域と、裏面金属基板３のうち絶縁基板１の主要機能回路用領域の裏面に配置されている部分とから、主要機能基板部１５２が形成されている。また、短絡センサ７１が接続される部分放電発生用表面金属基板２１Ａと、絶縁基板１の部分放電発生用領域と、裏面金属基板３のうち絶縁基板１の部分放電発生用領域の裏面に配置されている部分とから、部分放電発生用基板部１５３が形成されている。そして、主要機能基板部１５２とともに部分放電発生用基板部１５３も含めてゲル状絶縁物５で封止されている。なお、絶縁基板１およびゲル状絶縁物５の各材料は、絶縁基板１の比誘電率がゲル状絶縁物５の比誘電率よりも大きくなるように選定しておく。また、最下部からアース板６、裏面金属基板３、絶縁基板１、「素子搭載用表面金属基板２ａおよび部分放電発生用表面金属基板２１Ａ」の順で積層されてなる高圧モジュール１５１の内部絶縁構造は、後述の距離Ｌ１〜Ｌ４の設定以外の点では、図５（ａ）で説明した高圧モジュール１１１の内部絶縁構造と同様である。
【００８８】
高圧モジュール１５１における主要機能基板部１５２および部分放電発生用基板部１５３の構造、すなわち、絶縁基板１に接合される各金属基板の端部と絶縁基板１とのそれぞれの距離の設定の仕方は、上述の実施例４による高圧モジュール１４１における主要機能基板部１４２および部分放電発生用基板部１４３と同様である。すなわち、実施例５における絶縁基板１に接合される各金属基板の端部と絶縁基板１の端部とのそれぞれの距離Ｌ１〜Ｌ４は、各距離同士の関係が次の通りになるように設定しており、これにより、高圧モジュール１５１における各部の電界強度のうち、部分放電発生用基板部１５３の部分放電発生用表面金属基板２１Ａ側での電界強度が最大となり、この部分から部分放電３０１が発生し始めるようにしている（図９（ｂ）参照）。
【００８９】
（ａ）Ｌ１＝Ｌ２。
（ｂ）Ｌ３＝Ｌ４。
（ｃ）Ｌ３＜Ｌ１。
【００９０】
そして、高圧モジュール１５１では、部分放電発生用基板部１５３の部分放電発生用表面金属基板２１Ａ側で部分放電３０１が発生し、この部分放電３０１に伴い部分放電発生用表面金属基板２１Ａと裏面金属基板３と間で絶縁破壊（短絡）３０２に至ったことを短絡センサ７１で検出する。
【００９１】
また、高圧モジュール１５１における短絡センサ７１の配置構成（図９（ａ）参照）および接続構成（図９（ｂ）参照）も、上述の実施例４による高圧モジュール１４１における短絡センサ６１と同様である。
【００９２】
短絡センサ７１は、上述の実施例４における短絡センサ６１と同様に、基本的には抵抗と電位差計測回路とからなるものであるが、さらに電流遮断部を備えている点が異なっている。短絡センサ７１は、例えば、図９（ｃ）に示すように、抵抗値Ｒ１を有する抵抗７２とＲ１よりも低い抵抗値Ｒ２を有する抵抗７３との直列接続回路と、抵抗７３両端の電位差を計測する差動電位計方式の電位差計測回路部７４と、電位差計測回路部７４の電位差検出出力に基づいて短絡検出信号３２５を出力する信号処理回路部７５とを備えるとともに、さらに、信号処理回路部７５からの遮断指令信号７７に基づき短絡電流３１４を遮断する電流遮断部７６を、上記の抵抗７２と抵抗７３との直列接続回路に対して直列に接続して設けた構成とすることができる。また、信号処理回路部７５内にはノイズによる誤動作防止などのための閾値弁別回路などを備えるようにしている。
【００９３】
部分放電３０１に伴う絶縁破壊（短絡）３０２が発生する前は短絡電流３１４が流れないので抵抗７３両端の電位差ΔＶはゼロであるが、部分放電３０１に伴い部分放電発生用表面金属基板２１Ａと裏面金属基板３と間での絶縁破壊（短絡）３０２が発生すれば、短絡電流３１４が抵抗７３を流れることによる電位差ΔＶが電位差計測回路部７４で検出され、これに基づき、信号処理回路部７５より短絡検出信号３２５が出力される。
【００９４】
短絡センサ７１は、さらに、信号処理回路部７５からの遮断指令信号７７に基づき短絡電流３１４を遮断する電流遮断部７６を備えているので、絶縁破壊（短絡）３０２の発生後に短絡電流３１４が流れ続けることを防止することができる。なお、信号処理回路部７５から電流遮断部７６への遮断指令信号７７は、絶縁破壊（短絡）３０２が検出された時点で発令するようにしてもよく、また、絶縁破壊（短絡）３０２が検出された時点の後、別のタイミングで発令するようにしてもよい。
【００９５】
実施例５による高圧モジュール１５１では、上述の実施例４による高圧モジュール１４１と同様に、部分放電発生用表面金属基板２１Ａは、絶縁基板１の表面上において、半導体素子４を搭載した素子搭載用表面金属基板２ａとは分離されているため、部分放電発生用表面金属基板２１Ａを備えた部分放電発生用基板部１５３側で絶縁破壊（短絡）３０２が起きても半導体素子４にはダメージを与えない。
［本発明による作用効果の具体例］
本発明による高圧モジュールは、上述のように、高圧モジュール内のゲル状絶縁物中で発生した部分放電を検出し、高圧モジュールの主要機能回路における絶縁破壊を未然に防ぐための機構として部分放電発生用基板部を備えているが、これによる作用効果の具体例を説明する。
（具体例１）
図１０は、瞬時的な高電圧に伴う部分放電に対する本発明の作用効果を模式的に示す説明図である。なお、図１０では横軸、縦軸をそれぞれ時間、電界強度としている。図１０において、実線Ａ１、破線Ｂ１、一点鎖線Ｃ１は、それぞれ、ゲルの絶縁破壊強さ、主要機能基板部における最大電界強度、部分放電発生用基板部における最大電界強度を示している。なお、部分放電発生用基板部における最大電界強度は、主要機能基板部における最大電界強度よりも例えば１０〜３０％程度大きくなるように設計しておく。
【００９６】
図１０では、高圧モジュールに接続された高圧電源の規定電圧値（定常レベル）からの瞬時的な電圧変動により高圧モジュールが、瞬時的な高電圧を受けて、主要機能基板部における最大電界強度および部分放電発生用基板部における最大電界強度がそれぞれ瞬時的に上昇した場合を想定しており、各基板部における最大電界強度がいずれも時間ｔａで定常レベルから上昇を開始して時間ｔｂで最高レベルに到達し、その後、低下して時間ｔｃで定常レベルに復帰する態様を模式的に示している。なお、ゲルの絶縁破壊強さはゲル物性の経時変化により長期的には低下するが、瞬時的な高電圧の事象を対象とした図１０のタイムスケールでは、ゲルの絶縁破壊強さの低下は現れていないものとしている。
【００９７】
図１０において、部分放電発生用基板部における最大電界強度が上昇し、時間ｔ１でゲルの絶縁破壊強さのレベルを超えた場合、部分放電発生用基板部側で部分放電が発生する可能性があるが、この部分放電が検出された場合、その検出時点で、高圧モジュールから出力される部分放電検出信号に基づき、当該高圧モジュールが装着された電力変換装置などのシステム側で警報（アラーム）を発し、例えば当該高圧モジュールの新品への取替えによりシステムへの影響を防止するなどの対策を行うことができる。また、当該高圧モジュールを取り出して詳細検査を行い、継続使用の可否を判断するという対策も可能である。
【００９８】
なお、瞬時的な高電圧の電圧レベルについては、主要機能基板部および部分放電発生用基板部における絶縁破壊、部分放電の事象に対応する各電圧レベルの間に次のような関係がある。
【００９９】
ＶＢＤｍ＞ＶＰＤｍ＞ＶＢＤｐ＞ＶＰＤｐ＞ＶＰＤｌ
ここで、ＶＢＤｍは主要機能基板部の絶縁破壊（ＢＤ）発生電圧であり、ＶＰＤｍは主要機能基板部の部分放電（ＰＤ）発生電圧であり、ＶＢＤｐは部分放電発生用基板部の絶縁破壊（ＢＤ）発生電圧であり、ＶＰＤｐは部分放電発生用基板部の部分放電（ＰＤ）発生電圧であり、ＶＰＤｌは部分放電発生用基板部でも部分放電（ＰＤ）が発生しない電圧である。
【０１００】
まず、ＶＰＤｌ＞Ｖなる電圧レベルＶであれば、絶縁の問題はなく、部分放電発生用基板部は動作しない。
次に、ＶＰＤｍ＞Ｖ≧ＶＰＤｐなる電圧レベルＶであれば、部分放電発生用基板部が動作し、主要機能基板部で部分放電による絶縁劣化が生じている可能性を警告する。しかしながら、この場合は、実際にはＶＰＤｍの電圧レベルには達していないので、主要機能基板部で部分放電は発生していない。このため、マージンを含めたリスクについて警告することになる。
【０１０１】
次に、ＶＢＤｍ＞Ｖ≧ＶＰＤｍなる電圧レベルＶであれば、部分放電発生用基板部が動作し、主要機能基板部で部分放電による絶縁劣化が生じている可能性を警告する。この場合は、実際に主要機能基板部で部分放電が発生している。ゲル状絶縁物において部分放電が発生した部分は絶縁欠陥となるので、通常電圧レベルに戻しても部分放電を発生し続ける可能性がある。
【０１０２】
さらに、Ｖ≧ＶＢＤｍなる電圧レベルＶである場合は、主要機能基板部が絶縁破壊してしまい、対処できない。
なお、電圧領域としてはＶＢＤｍ〜ＶＰＤｍの範囲が広く、ＶＰＤｍ〜ＶＰＤｐの範囲が狭くなるように設計する。
（具体例２）
図１１は、ゲル物性の経時変化に伴う部分放電に対する本発明の作用効果を模式的に示す説明図である。なお、図１１では横軸、縦軸をそれぞれ時間、電界強度としている。図１１において、実線Ａ２、破線Ｂ２、一点鎖線Ｃ２は、それぞれ、ゲルの絶縁破壊強さ、主要機能基板部における最大電界強度、部分放電発生用基板部における最大電界強度を示している。なお、部分放電発生用基板部における最大電界強度は、主要機能基板部における最大電界強度よりも例えば１０〜３０％程度大きくなるように設計しておく。
【０１０３】
ここで、ゲルの絶縁破壊強さはゲル物性の経時変化により長期的に低下していくが、図１１では、その低下の態様を模式的に一定の時間勾配での低下として示している。
ゲルの絶縁破壊強さがゲル物性の経時変化により低下し、時間ｔ１で部分放電発生用基板部における最大電界強度がゲルの絶縁破壊強さより大きくなり、さらに時間ｔ２では、主要機能基板部における最大電界強度もゲルの絶縁破壊強さより大きくなる。
【０１０４】
そして、本発明では、時間ｔ１で部分放電発生用基板部における最大電界強度がゲルの絶縁破壊強さより大きくなった後、部分放電発生用基板部において部分放電が検出された時点で、高圧モジュールから出力される部分放電検出信号に基づき、当該高圧モジュールが装着された電力変換装置などのシステム側で警報（アラーム）を発し、例えば当該高圧モジュールの新品への取替えによりシステムへの影響を防止するなどの対策を行うことができる。また、当該高圧モジュールを取り出して詳細検査を行い、継続使用の可否を判断するという対策も可能である。
【０１０５】
なお、バルクのゲル状絶縁物の絶縁破壊強さは材料の分子構造等により決定されるが、実際に使われるゲル状絶縁物の絶縁性能は高圧部位との密着、粘着および接着の状態により支配される。すなわち、高圧部位とゲル状絶縁物との間で空隙が出来にくくする特性が実際の絶縁破壊特性に繋がると考えられる。
【０１０６】
また、図１１においては、ゲル状絶縁物の特性の経年変化として、ゲルの絶縁破壊強さが低下しても比誘電率は変化しないと仮定して、主要機能基板部における最大電界強度（破線Ｂ２）、部分放電発生用基板部における最大電界強度（一点鎖線Ｃ２）がそれぞれ時間経過に対して一定である態様を示しているが、実際には界面に生じる微細欠陥などの影響により各最大電界強度も経時変化していく可能性がある。
【０１０７】
以上のように、本発明による高圧モジュールでは、高圧モジュール内部に備えた部分放電発生用基板部からの部分放電検出信号を電力変換装置などのシステム側で常時監視することにより、当該高圧モジュール内で部分放電が起きていないこと、すなわち、例えば、瞬時的な高電圧、ゲル物性の経時変化などに伴う絶縁劣化が起きていないことを保証することができる。
（具体例３）
なお、本発明が対象としている事象には、衝撃や加熱によりゲル状絶縁物の裂けや剥離が生じて部分放電が発生しやすくなることも含まれる。ここで、衝撃としては加減速や振動が想定され、加熱としてはチップ（半導体素子）の温度上昇が想定される。そして、主要機能基板部と部分放電発生用基板部とは高圧モジュール内においてゲル状絶縁物で封止された同じ環境条件に置かれるので、衝撃や加熱により主要機能基板部と部分放電発生用基板部とで部分放電が同程度に発生しやすい状態になったとしても、最大電界強度がより大きな部分放電発生用基板部の方から部分放電が発生し始めるため、この部分放電を検出することにより高圧モジュール内の絶縁劣化の検出ができ、これに基づき、当該高圧モジュールの新品への取替えなどの対策を行うことができる。
［本発明の変形例］
なお、上述の図５〜９により説明した各実施例では、いずれも、高圧モジュールにおける主要機能基板部として、絶縁基板１の表面に接合された素子搭載用表面金属基板２ａ上に１個の半導体素子４が搭載された構成例を示したが、本発明による高圧モジュールは上記構成に限定されるものではなく、絶縁基板の表面に接合された素子搭載用表面金属基板上に同一種類の複数個の半導体素子が搭載された構成の高圧モジュールや、絶縁基板の表面に接合された素子搭載用表面金属基板上に複数種類の半導体素子が搭載された構成の高圧モジュールにも適用することができる。
【０１０８】
また、上述の図５〜９により説明した各実施例では、いずれも、部分放電発生用基板部の絶縁基板と主要機能基板部の絶縁基板とが一体の構成部材である構成例を示したが、本発明による高圧モジュールは上記構成に限定されるものではなく、部分放電発生用基板部の絶縁基板と主要機能基板部の絶縁基板とが別の構成部材であってもよい。
【符号の説明】
【０１０９】
１：絶縁基板
２：表面金属基板
２Ａ：主要機能回路用表面金属基板部
２ａ：素子搭載用表面金属基板
２ｂ，２ｃ：中継用表面金属基板
３：裏面金属基板
４：半導体素子
５：ゲル状絶縁物（シリコーンゲル）
６：アース板
７：ケース
８，９：外部端子
１０，１１，１２，１３，１４：ボンディングワイヤ
１５：接合部材
２１，２１Ａ：部分放電発生用表面金属基板
３１：電流式部分放電センサ
３２：高周波変流器（高周波ＣＴ）
３３：信号処理回路部
４１：音響式部分放電センサ
４２：音検出素子
４３：信号処理回路部
５１：光式部分放電センサ
５２：光検出素子
５３：信号処理回路部
６１：短絡センサ
６２：第１抵抗（Ｒ１）
６３：第２抵抗（Ｒ２）
６４：電位差計測回路部
６５：信号処理回路部
７１：短絡センサ
７２：第１抵抗（Ｒ１）
７３：第２抵抗（Ｒ２）
７４：電位差計測回路部
７５：信号処理回路部
７６：電流遮断部
７７：遮断指令信号
１０１,１０１Ａ，１０１Ｂ，１０１Ｃ，１１１，１２１，１３１，１４１，１５１：高圧モジュール
１０２，１１２，１２２，１３２，１４２，１５２：主要機能基板部
１０３，１１３，１２３，１３３，１４３，１５３：部分放電発生用基板部（ＰＤ発生用基板部）
１０３ａ：絶縁基板
１０３ｂ：表面金属基板
１０３ｃ：裏面金属基板
１０３ｄ：部分放電検出機構
２０１：高圧電源（ＨＶ）
３０１：部分放電（ＰＤ）
３０２：絶縁破壊（短絡）
３１１：部分放電電流
３１２：部分放電音
３１３：部分放電光
３１４：短絡電流
３２１，３２２，３２３：部分放電検出信号（ＰＤ検出信号）
３２４，３２５：短絡検出信号（ＰＤ検出信号）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子への主要機能回路パターンを形成する主要機能回路用表面金属基板部が絶縁基板の表面に接合されるとともに、接地電位とされる裏面金属基板が前記絶縁基板の裏面に接合され、
前記絶縁基板、前記主要機能回路用表面金属基板部、前記裏面金属基板および前記半導体素子がゲル状絶縁物で封止された高圧モジュールにおいて、
前記絶縁基板に主要機能回路用領域と部分放電発生用領域とを設け、
前記絶縁基板の主要機能回路用領域の表面に前記主要機能回路用表面金属基板部を配設するとともに、
前記絶縁基板の部分放電発生用領域の表面に前記主要機能回路用表面金属基板部とは分離して部分放電発生用表面金属基板を配設し、
前記主要機能回路用表面金属基板部と、前記絶縁基板の主要機能回路用領域と、前記裏面金属基板のうち前記絶縁基板の主要機能回路用領域の裏面に配置されている部分とから、主要機能基板部を構成するとともに、
前記部分放電発生用表面金属基板と、前記絶縁基板の部分放電発生用領域と、前記裏面金属基板のうち前記絶縁基板の部分放電発生用領域の裏面に配置されている部分とから、部分放電発生用基板部を構成し、
前記部分放電発生用表面金属基板の電位は、前記主要機能回路用表面金属基板部の高電位表面金属基板と同電位とし、
前記高電位表面金属基板、前記部分放電発生用表面金属基板および前記裏面金属基板の各端部と前記絶縁基板の端部とのそれぞれの距離同士の関係を、前記部分放電発生用基板部における最大電界強度が前記主要機能基板部における最大電界強度よりも大きくなるように設定し、
前記部分放電発生用基板部で発生する部分放電または短絡を検出する手段を設けた
ことを特徴とする高圧モジュール。
【請求項２】
請求項１に記載の高圧モジュールにおいて、
前記部分放電発生用表面金属基板の端部の位置は前記絶縁基板を挟んで対向する前記裏面金属基板の端部に対して絶縁基板端部側により突出した位置とし、
前記裏面金属基板側で発生する部分放電を検出する部分放電検出手段を設けた
ことを特徴とする高圧モジュール。
【請求項３】
請求項１に記載の高圧モジュールにおいて、
前記絶縁基板は前記ゲル状絶縁物よりも大きな比誘電率を有する材料からなり、
前記部分放電発生用表面金属基板の端部の位置は前記絶縁基板を挟んで対向する前記裏面金属基板の端部と一致した位置とするとともに、前記部分放電発生用表面金属基板の端部と前記絶縁基板の端部との距離は前記絶縁基板の表面に接合される全ての金属基板のうちで最も短い距離とし、
前記部分放電発生用表面金属基板側で発生する部分放電に伴い生じる前記部分放電発生用表面金属基板と前記裏面金属基板との間の短絡を検出する短絡検出手段を設けた
ことを特徴とする高圧モジュール。
【請求項４】
請求項２に記載の高圧モジュールにおいて、
前記部分放電検出手段として、前記部分放電に伴い発生する電流を検出する電流検出素子を備えた電流式部分放電センサを設けたことを特徴とする高圧モジュール。
【請求項５】
請求項２に記載の高圧モジュールにおいて、
前記部分放電検出手段として、前記部分放電に伴い発生する音を検出する音検出素子を備えた音響式部分放電センサを設けたことを特徴とする高圧モジュール。
【請求項６】
請求項２に記載の高圧モジュールにおいて、
前記部分放電検出手段として、前記部分放電に伴い発生する光を検出する光検出素子を備えた光式部分放電センサを設けたことを特徴とする高圧モジュール。
【請求項７】
請求項３に記載の高圧モジュールにおいて、
前記短絡検出手段として、前記短絡による電流が通流する抵抗と、前記抵抗の両端の電位差を計測する電位差計測回路部とを備えた短絡センサを設けたことを特徴とする高圧モジュール。
【請求項８】
請求項７に記載の高圧モジュールにおいて、
前記抵抗と直列に電流遮断部を介装したことを特徴とする高圧モジュール。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれか１項に記載の高圧モジュールにおいて、
前記絶縁基板は、セラミックスからなることを特徴とする高圧モジュール。
【請求項１０】
請求項１ないし９のいずれか１項に記載の高圧モジュールにおいて、
前記ゲル状絶縁物は、シリコーンゲルからなることを特徴とする高圧モジュール。
【請求項１】
半導体素子への主要機能回路パターンを形成する主要機能回路用表面金属基板部が絶縁基板の表面に接合されるとともに、接地電位とされる裏面金属基板が前記絶縁基板の裏面に接合され、
前記絶縁基板、前記主要機能回路用表面金属基板部、前記裏面金属基板および前記半導体素子がゲル状絶縁物で封止された高圧モジュールにおいて、
前記絶縁基板に主要機能回路用領域と部分放電発生用領域とを設け、
前記絶縁基板の主要機能回路用領域の表面に前記主要機能回路用表面金属基板部を配設するとともに、
前記絶縁基板の部分放電発生用領域の表面に前記主要機能回路用表面金属基板部とは分離して部分放電発生用表面金属基板を配設し、
前記主要機能回路用表面金属基板部と、前記絶縁基板の主要機能回路用領域と、前記裏面金属基板のうち前記絶縁基板の主要機能回路用領域の裏面に配置されている部分とから、主要機能基板部を構成するとともに、
前記部分放電発生用表面金属基板と、前記絶縁基板の部分放電発生用領域と、前記裏面金属基板のうち前記絶縁基板の部分放電発生用領域の裏面に配置されている部分とから、部分放電発生用基板部を構成し、
前記部分放電発生用表面金属基板の電位は、前記主要機能回路用表面金属基板部の高電位表面金属基板と同電位とし、
前記高電位表面金属基板、前記部分放電発生用表面金属基板および前記裏面金属基板の各端部と前記絶縁基板の端部とのそれぞれの距離同士の関係を、前記部分放電発生用基板部における最大電界強度が前記主要機能基板部における最大電界強度よりも大きくなるように設定し、
前記部分放電発生用基板部で発生する部分放電または短絡を検出する手段を設けた
ことを特徴とする高圧モジュール。
【請求項２】
請求項１に記載の高圧モジュールにおいて、
前記部分放電発生用表面金属基板の端部の位置は前記絶縁基板を挟んで対向する前記裏面金属基板の端部に対して絶縁基板端部側により突出した位置とし、
前記裏面金属基板側で発生する部分放電を検出する部分放電検出手段を設けた
ことを特徴とする高圧モジュール。
【請求項３】
請求項１に記載の高圧モジュールにおいて、
前記絶縁基板は前記ゲル状絶縁物よりも大きな比誘電率を有する材料からなり、
前記部分放電発生用表面金属基板の端部の位置は前記絶縁基板を挟んで対向する前記裏面金属基板の端部と一致した位置とするとともに、前記部分放電発生用表面金属基板の端部と前記絶縁基板の端部との距離は前記絶縁基板の表面に接合される全ての金属基板のうちで最も短い距離とし、
前記部分放電発生用表面金属基板側で発生する部分放電に伴い生じる前記部分放電発生用表面金属基板と前記裏面金属基板との間の短絡を検出する短絡検出手段を設けた
ことを特徴とする高圧モジュール。
【請求項４】
請求項２に記載の高圧モジュールにおいて、
前記部分放電検出手段として、前記部分放電に伴い発生する電流を検出する電流検出素子を備えた電流式部分放電センサを設けたことを特徴とする高圧モジュール。
【請求項５】
請求項２に記載の高圧モジュールにおいて、
前記部分放電検出手段として、前記部分放電に伴い発生する音を検出する音検出素子を備えた音響式部分放電センサを設けたことを特徴とする高圧モジュール。
【請求項６】
請求項２に記載の高圧モジュールにおいて、
前記部分放電検出手段として、前記部分放電に伴い発生する光を検出する光検出素子を備えた光式部分放電センサを設けたことを特徴とする高圧モジュール。
【請求項７】
請求項３に記載の高圧モジュールにおいて、
前記短絡検出手段として、前記短絡による電流が通流する抵抗と、前記抵抗の両端の電位差を計測する電位差計測回路部とを備えた短絡センサを設けたことを特徴とする高圧モジュール。
【請求項８】
請求項７に記載の高圧モジュールにおいて、
前記抵抗と直列に電流遮断部を介装したことを特徴とする高圧モジュール。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれか１項に記載の高圧モジュールにおいて、
前記絶縁基板は、セラミックスからなることを特徴とする高圧モジュール。
【請求項１０】
請求項１ないし９のいずれか１項に記載の高圧モジュールにおいて、
前記ゲル状絶縁物は、シリコーンゲルからなることを特徴とする高圧モジュール。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１３−６５６９４（Ｐ２０１３−６５６９４Ａ）
【公開日】平成２５年４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２０３５１３（Ｐ２０１１−２０３５１３）
【出願日】平成２３年９月１６日（２０１１．９．１６）
【出願人】（０００００５２３４）富士電機株式会社 (3,146)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月１６日（２０１１．９．１６）
【出願人】（０００００５２３４）富士電機株式会社 (3,146)
【Ｆターム（参考）】
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