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TWI658686B - 功率半導體模組、緩衝電路及感應加熱電源裝置 - Google Patents

功率半導體模組、緩衝電路及感應加熱電源裝置 Download PDF

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TWI658686B
TWI658686B TW106128268A TW106128268A TWI658686B TW I658686 B TWI658686 B TW I658686B TW 106128268 A TW106128268 A TW 106128268A TW 106128268 A TW106128268 A TW 106128268A TW I658686 B TWI658686 B TW I658686B
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semiconductor module
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conductor layer
insulating substrate
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彦
Takahiko Kanai
杉本真人
Masato Sugimoto
吉田春樹
Haruki Yoshida
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日商高周波熱錬股份有限公司
Neturen Co., Ltd.
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Abstract

本發明提供一種功率半導體模組、用於該功率半導體模組的緩衝電路、及具有該功率半導體模組的感應加熱電源裝置。該功率半導體模組包含：功率半導體裝置，係構成為執行切換操作；殼體，內部設置有該功率半導體裝置；控制電路板，係設置在該殼體的上表面的上方，用於該功率半導體裝置的控制端子係設置在該殼體的該上表面並連接到該控制電路板；以及屏蔽板，係配置在該控制電路板和該殼體的該上表面之間，以覆蓋該殼體的該上表面並且覆蓋該殼體的至少一個側表面。

Description

功率半導體模組、緩衝電路及感應加熱電源裝置
本發明關於一種功率半導體模組、功率半導體模組用之緩衝電路及感應加熱電源裝置。
感應加熱已被使用作為金屬加工物(steel work)在熱處理中的加工物加熱方法。在感應加熱中，交流電(AC power)被供應至加熱線圈，而藉由感應電流來將加工物加熱，其中，該感應電流係由被放置在加熱線圈所形成的磁場中的加工物所感應而生成者。
用來對加熱線圈供應交流電之電源裝置，一般是藉由換流器(converter)將商用電源(Commercial power supply)的交流電轉換為直流電(DC power)，藉由電容器使直流電的脈衝電流平滑化，藉由逆變器(inverter)將平滑化後的直流電力轉換為交流電，以產生要對加熱線圈供應的高頻交流電(參照例如JP2009-277577A)。
逆變器一般構成為具有並聯連接的複數個臂部的全橋式電路，各臂部具有能夠執行切換操作且串聯 連接的兩個功率半導體。該逆變器藉由功率半導體的高速切換操作來產生高頻交流電。通常，形成橋式電路的各個臂部被個別地構成為模組。
根據相關技術，電性連接於臂部的一對正、負直流輸入端子係鄰接地設置在功率半導體模組的上表面(內部設置有功率半導體裝置的殼體的上表面)，輸出端子也設置在該模組的上表面(參照例如JPH8-33346A)。在根據其他相關技術的功率半導體模組中，一對直流輸入端子係鄰接地設置在模組的一個側表面(殼體的一個側表面)，而輸出端子係設置在該模組的相對側表面(殼體的相對側表面)(參照例如JP2004-135444A)。
在殼體的側表面設置有輸入及輸出端子的功率半導體模組中，殼體的上表面並未被連接到輸入及輸出端子之匯流排等配線構件所封閉。因此，在殼體的上表面的上方，可以設置安裝有用以控制功率半導體裝置的切換操作之控制電路的控制電路板，以使得電性連接到功率半導體裝置的控制端子能直接連接到控制電路板(參照例如JP2006-100327A)。
各個功率半導體裝置的高速切換操作會使施加到功率半導體裝置的電壓和流入功率半導體裝置的電流突然改變。由於電壓和電流的突然改變，會在功率半導體裝置的周圍發生雜訊(noise)。當該雜訊出現於安裝在該控制電路板的控制電路、或從控制電路板延伸的控制線，就會有該功率半導體裝置的切換操作可能受到妨礙之疑 慮。
在控制電路板設置於殼體上表面的上方的的情況下，控制線可縮短。因此，可以減少雜訊可能出現在控制線的可能性。另一方面，配置在功率半導體裝置附近的控制電路係容易暴露於雜訊中。因此，在根據JP2006-100327A的功率半導體模組中，係在殼體之上表面和控制電路板之間配置有屏蔽板(shield plate)。
在此，雜訊包含：傳播穿過鄰接的導體之間的雜散靜電電容的靜電感應雜訊、以及由鄰接的導體之間的電磁感應所引發的電磁感應雜訊。配置在殼體的上表面和控制電路板之間以覆蓋殼體的上表面的屏蔽板係被接地，以便能夠對靜電感應雜訊發揮相對較高的屏蔽效果。然而，產生電磁感應的磁通會繞行，因此會有僅覆蓋殼體的上表面之屏蔽板無法獲得令人滿意的對於電磁感應雜訊的屏蔽效果之疑慮。
由於功率半導體裝置和電壓源之間的導電路徑的寄生電感L，會使由功率半導體裝置的高速切換操作所引起的電流改變di/dt在功率半導體裝置的相對端之間產生突波電壓L×di/dt。會有過大的突波電壓可能使功率半導體裝置損壞的疑慮。為了保護功率半導體裝置，可對功率半導體模組增加用來吸收突波電壓的緩衝電路(參照例如JPH8-33346A)。
根據JPH8-33346A的用於功率半導體模組的緩衝電路是一種簡式封裝緩衝器(simple package snubber)，其連接在一對正、負直流輸入端子之間，並且被設置為用於功率半導體模組所包含的兩個功率半導體裝置的封裝件。在緩衝電路中，電容器和被連接到該電容之一對端子的一部分係藉由樹脂來模封而形成為模組，且該一對端子係直接連接到鄰接地設置在該功率半導體模組之上表面的一對正、負直流輸入端子。除了簡式封裝緩衝器之外，連接到功率半導體模組的直流輸入端子和輸出端子之間且分別針對功率半導體裝置設置的個別之緩衝器(snubber)也可作為緩衝電路使用。
在一對正、負直流輸入端子係鄰接地設置在模組的一個側表面且輸出端子係設置在該模組的相對側表面的功率半導體模組中，由於端子之間的間隔，例如電容器等電子元件和端子的一部分由樹脂模封之現有的緩衝器模組並不能直接連接到直流輸入端子和輸出端子。現有的緩衝器模組不適合被使用作為用於功率半導體模組的此種個別的緩衝器。
此外，在緩衝電路中，可以按照各功率半導體裝置的切換頻率等來選擇例如電容器之電子元件的常數。然而，實際上不可能改變電子元件被樹脂模封之現有的緩衝器模組的電子元件。因此，每當在逆變器的設計有所改變，例如功率半導體裝置的切換頻率有改變，就必須設計和製造電子元件被樹脂模封之緩衝器模組。當按現狀使用用於模封現有的緩衝器模組的模具時，設計的自由度就會受到限制。當製造新的模具時，就會增加製造模具的 成本。
此外，在電子元件由樹脂模封之緩衝器模組中，還有電子元件產生的熱的散逸受到妨礙的疑慮。因此，由於熱導致之電子元件的劣化也成為問題。
本發明的說明性態樣提供一種功率半導體模組和感應加熱電源裝置，其中，可增強用於控制電路的屏蔽以增進操作穩定性。
根據本發明的說明性態樣，功率半導體模組係包含：功率半導體裝置，係構成為執行切換操作；殼體，內部設置有該功率半導體裝置；控制電路板，係設置在該殼體的上表面的上方，用於該功率半導體裝置的控制端子係設置在該殼體的該上表面並連接到該控制電路板；以及屏蔽板，係配置在該控制電路板和該殼體的該上表面之間，以覆蓋該殼體的該上表面並且覆蓋該殼體的至少一個側表面。
本發明的說明性態樣還提供：一種可適用於功率半導體模組的緩衝電路，該功率半導體模組具有設置在第一側表面的一對正、負直流輸入端子和設置在與該第一側表面相對的一側的第二側表面的輸出端子，並且其通用特性和耐久性很優異；一種功率半導體模組；以及一種感應加熱電源裝置，其中，該緩衝電路用於增強功率半導體器件的保護。
根據本發明的說明性態樣，緩衝電路設置 為用於功率半導體模組，其中，該功率半導體模組係具有臂部，該臂部包含能夠執行切換操作並且串聯連接的兩個功率半導體裝置。該功率半導體模組具有電性連接到該臂部的一對正側和負側直流輸入端子和輸出端子，該一對正側和負側直流輸入端子設置在該功率半導體模組的第一側表面，該輸出端子設置在該功率半導體模組的與該第一側表面相對的一側的第二側表面。該緩衝電路包含：電路板，係具有絕緣基底和導體層，該絕緣基底沿著該功率半導體模組的側表面延伸，且橋接於對應的一個該直流輸入端子和對應的一個該輸出端子之間，該導體層設置在該絕緣基底的上表面和下表面中的至少一者，並且形成分別連接到該對應的直流輸入端子和該對應的輸出端子的電路圖案；以及電子元件，係以露出的方式安裝在該電路板。
根據本發明的說明性態樣，功率半導體模組係包含：臂部，包含能夠執行切換操作並且串聯連接的兩個功率半導體裝置；一對正側和負側直流輸入端子與輸出端子，係電性連接於該臂部；緩衝電路，係分別連接於該直流輸入端子與輸出端子之間。該一對正側和負側直流輸入端子係設置在該功率半導體模組的第一側表面，該輸出端子係設置在該功率半導體模組的與該第一側表面相對的一側的第二側表面。各個緩衝電路包含電路板和電子元件，該電路板具有絕緣基底和導體層，該絕緣基底沿著該功率半導體模組的側表面延伸，並橋接於對應的一個該直流輸入端子和對應的一個該輸出端子之間，該導體層設置 在該絕緣基底的上表面和下表面中的至少一者，並且形成分別連接到該對應的直流輸入端子和該對應的輸出端子的電路圖案，而該電子元件以露出的方式安裝在該電路板。
根據本發明的說明性態樣，感應加熱電源裝置係包含：逆變器，構成為將直流電轉換為交流電。該逆變器構成為橋式電路，該橋式電路具有複數個並聯連接的上述的功率半導體模組。
2‧‧‧商用交流電源
3‧‧‧轉換器部
4‧‧‧直流電源區段
5‧‧‧平滑區段
7‧‧‧加熱線圈
11a、11b‧‧‧輸入端子
12a、12b‧‧‧輸出端子
13a、13b‧‧‧控制端子
14‧‧‧殼體
14a‧‧‧第一側表面
14b‧‧‧第二側表面
14c‧‧‧第三側表面
14d‧‧‧第四側表面
14e‧‧‧上表面
15、15a、15b‧‧‧配線構件
16‧‧‧控制電路板
16a‧‧‧控制電路
17‧‧‧屏蔽板
18‧‧‧散熱器
20‧‧‧殼體固定部
21‧‧‧螺釘
22‧‧‧墊圈
24‧‧‧螺孔
25‧‧‧間隔件
27a、27b‧‧‧窗部
28‧‧‧通孔
29‧‧‧屏蔽板固定部
30、40‧‧‧電路板
31、41‧‧‧絕緣基底
32、32a、32b、42‧‧‧導體層
33a、33b、35、38a、38b、38c‧‧‧電子元件安裝部
34a、34b、36a、36b‧‧‧引線
37a、37b‧‧‧針腳
37c‧‧‧框架
39‧‧‧阻焊膜
100、200‧‧‧感應加熱電源裝置
106、206‧‧‧逆變器
110、210‧‧‧功率半導體模組
C‧‧‧電容器
D‧‧‧二極體
P1、P2‧‧‧串聯連接點
Q1、Q2、Q3、Q4‧‧‧功率半導體裝置
R‧‧‧電阻器
SC1、SC2、SC3、SC4‧‧‧緩衝電路
第1圖係顯示本發明之一實施態樣的感應加熱電源裝置的一例的電路圖。
第2圖係設置在第1圖的感應加熱電源裝置的逆變器中的功率半導體模組的一例的立體圖。
第3圖係第2圖的功率半導體模組的分解立體圖。
第4圖係顯示本發明另一實施態樣的感應加熱電源裝置的一例的電路圖。
第5圖係設置在第4圖的感應加熱電源裝置的逆變器中的功率半導體模組的一例的立體圖。
第6圖係第5圖之功率半導體模組的緩衝電路的一例的剖面圖。
第7圖係緩衝電路的另一例的剖面圖。
第8圖係緩衝電路的另一例的剖面圖。
第9圖係緩衝電路的另一例的剖面圖。
第1圖顯示出本發明之一實施態樣的感應加熱電源裝置100。
感應加熱電源裝置100具有直流電源區段4、平滑區段5、及逆變器106。直流電源區段4包含：轉換器部3，係將從商用交流電源2所供應之交流電轉換為直流電。平滑區段5使從直流電源區段4所輸出之直流電的脈衝電流平滑化。逆變器106將藉由平滑區段5平滑化後之直流電轉換為高頻交流電。
逆變器106構成為包含第一臂部和第二臂部之全橋式電路。第一臂部包含2個串聯連接之功率半導體裝置Q1、Q2。第二臂部包含2個串聯連接之功率半導體裝置Q3、Q4。第一臂部和第二臂部連接至平滑區段5且係並聯連接。在全橋式電路中，第一臂部中的功率半導體裝置Q1、Q2之間的串聯連接點P1與第二臂部中的功率半導體裝置Q3、Q4之間的串聯連接點P2係作為輸出端使用。加熱線圈7係經由變壓器8而連接於串聯連接點P1、P2之間。飛輪二極體(Freewheeling diode)分別與該等功率半導體裝置反並聯(antiparallel)連接。
例如，可以使用能夠執行切換操作的各種功率半導體裝置(例如絕緣閘雙極電晶體(IGBT)和金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET))作為各個功率半導體裝置。例如，使用矽(Si)的材料和使用碳化矽(SiC)的材料可以使用作為半導體材料。
在各個第一臂部和第二臂部中，連接到平 滑區段5的正側的一側被設定為高側，連接到平滑區段5的負側的一側被設定為低側。在第一臂部的高側的功率半導體裝置Q1和在第二臂部的低側的功率半導體裝置Q4被同步地導通(on)和關斷(off)。在第一臂部的低側的功率半導體裝置Q2和在第二臂部的高側的功率半導體裝置Q3被同步地導通和關斷。當功率半導體裝置Q1與Q4和功率半導體裝置Q2、Q3被交替地導通，就會向加熱線圈7供應高頻電力。
第一臂部的功率半導體裝置Q1、Q2和用於功率半導體裝置Q1、Q2的飛輪二極體係由模塑樹脂(mold resin)密封以形成模組。第二臂部的功率半導體裝置Q3、Q4和用於功率半導體裝置Q3、Q4的飛輪二極體也由模塑樹脂密封以形成模組。
包含第一臂部的功率半導體裝置Q1、Q2的功率半導體模組和包含第二臂部的功率半導體裝置Q3、Q4的功率半導體模組具有相同的構成。以下，參照第2圖和第3圖，敘述包含第一臂部的功率半導體裝置Q1、Q2的功率半導體模組。
第2圖和第3圖顯示功率半導體模組110的構成例。
功率半導體模組110具有一對正側直流輸入端子11a和負側直流輸入端子11b、輸出端子12a、12b和控制端子13a、13b作為外部連接端子。外部連接端子設置成露出於殼體14的外側。殼體14由用來密封功率半導 體裝置Q1、Q2和用於功率半導體裝置Q1、Q2的飛輪二極體的模塑樹脂製成。
正側直流輸入端子11a和負側直流輸入端子11b設置在殼體14的第一側表面14a。殼體14實質上形成為矩形體形狀。正側直流輸入端子11a電性連接到包含功率半導體裝置Q1、Q2的第一臂部的功率半導體裝置Q1側端部。負側直流輸入端子11b電性連接到第一臂部的功率半導體裝置Q2側端部。正側直流輸入端子11a使用由匯流排等製成的配線構件連接到平滑區段5的正側。負側直流輸入端子11b使用由匯流排等製成的配線構件連接到平滑區段5的負側。
輸出端子12a、12b設置在殼體14的與第一側表面14a相對的一側的第二側表面14b。輸出端子12a、12b皆電性連接於功率半導體裝置Q1、Q2之間的串聯連接點P1(參照第1圖)，該串聯連接點P1係第一臂部的輸出端。輸出端子12a、12b可以結合成為一個。輸出端子12a、12b使用由匯流排等製成的配線構件連接於加熱線圈7的一端。
控制端子13a、13b設置在殼體14的上表面14e。控制端子13a電性連接到功率半導體裝置Q1的閘極。控制端子13b電性連接到功率半導體裝置Q2的閘極。在圖示例中，控制端子13a配置在與殼體14的第三側表面14c連接的上表面14e的邊緣部，控制端子13b配置在與殼體14的第四側表面14d連接的上表面14e的邊緣部。
散熱器18配置在殼體14的下表面側。固定於散熱器18的殼體固定部20係設置在殼體14的第一側表面14a和第二側表面14b。插入孔形成在殼體固定部20中，使得螺釘21(用於將殼體固定部20固定於散熱器的緊固件的例子)可插通於插入孔。環狀墊圈22裝配到插入孔中。殼體固定部20分別藉由螺釘21固定於散熱器18。散熱器18與殼體14的下表面緊密接觸。
由設置在殼體14內部之功率半導體裝置Q1、Q2和用於功率半導體裝置Q1、Q2的飛輪二極體所產生的熱，係經由形成殼體14的模塑樹脂而傳遞到散熱器18。然後，熱會藉由散熱器18而散逸。鑑於雜訊電阻(noise resistance)和安全性的觀點，散熱器18經由支撐散熱器18的感應加熱電源裝置100的外殼框架等而接地。
功率半導體模組110更具有控制電路板16和屏蔽板17。
用於控制功率半導體裝置Q1、Q2之切換操作的控制電路係安裝在控制電路板16。用作為附接部而供控制電路板16附接的螺孔24分別設置在殼體14的上表面14e的四個角落。用作為用於附接控制電路板16的配件的間隔件25被鎖入螺孔24中。控制電路板16被支撐在間隔件25上，以便以在控制電路板16和上表面14e之間形成間隙之方式設置在上表面14e的上方。控制電路板16被鎖入於間隔件25以附接到殼體14。
設置在殼體14的上表面14e的控制端子 13a、13b，係分別經由設置在上表面14e之上的控制電路板16中的通孔而焊接到控制電路板16。
屏蔽板17由例如金屬之導體製成。屏蔽板17配置在殼體14的上表面14e和設置在上表面14e上方的控制電路板16之間。由此，屏蔽板17係覆蓋上表面14e。再者，屏蔽板17還覆蓋第三側表面14c和第四側表面14d。第三側表面14c連接到設置有控制端子13a之上表面14e的邊緣部。第四側表面14d連接到設置有控制端子13b之上表面14e的邊緣部。控制端子13a、13b分別經由形成在屏蔽板17之適當部位的窗部27a和27b而露出。
藉由用作為用於附接控制電路板16的配件的間隔件25，使屏蔽板17固定於殼體14。分別與位在殼體14的上表面14e之四個角落處的螺孔24重疊的通孔28係形成在屏蔽板17。間隔件25經由通孔28鎖入螺孔24。包圍通孔28的屏蔽板17的邊緣部係插設於包圍螺孔24的上表面14e的邊緣部和間隔件25之間。由此，屏蔽板17被固定於殼體14。
屏蔽板17係屏蔽安裝在控制電路板16的控制電路和從控制電路板16延伸的控制線，使其免受在設置於殼體14內部的功率半導體裝置Q1、Q2的周圍所產生的雜訊影響。控制線意指直接連接到控制電路板16的控制端子13a、13b。
控制電路板16設置在殼體14的上表面14e的上方。控制端子13a、13b也設置在上表面14e。覆蓋上 表面14e的屏蔽板17係利用控制端子13a、13b而插設於功率半導體裝置Q1、Q2和控制電路板16之間。因此，發生在功率半導體裝置Q1、Q2的周圍的靜電感應雜訊會經由功率半導體裝置Q1、Q2和屏蔽板17之間的雜散靜電電容流入屏蔽板17。
從增強屏蔽板17對於靜電感應雜訊的屏蔽效果的觀點而言，較佳為使屏蔽板17接地。在該例子中，緊密接觸殼體14的下表面的散熱器18係接地，而屏蔽板17經由散熱器18接地。屏蔽板固定部29設置在屏蔽板17。屏蔽板固定部29疊合在固定於散熱器18的殼體14的對應的一個殼體固定部20。屏蔽板固定部29插設於對應的殼體固定部20和將該對應的殼體固定部20固定到散熱器18的對應的一個螺釘21之間。墊圈22裝配於供螺釘21插通的殼體固定部20的插入孔中。屏蔽板固定部29經由對應的一個墊圈22和對應的螺釘21而電性連接於散熱器18。由此，屏蔽板17會經由散熱器18接地。由於屏蔽板17接地，安裝在控制電路板16的控制電路和用作為控制線的控制端子13a、13b會受到屏蔽，而免受靜電感應雜訊的影響。
再者，藉由屏蔽板17，安裝在控制電路板16的控制電路和用作為控制線的控制端子13a、13b會受到屏蔽，而也免受產生於設置在殼體14內部的功率半導體裝置Q1、Q2的周圍的電磁感應雜訊的影響。
產生電磁感應的磁通不僅會從殼體14的上 表面14e輻射，而且也會從殼體14的側表面輻射。從側表面輻射的磁通被佈置成會繞行者。結果，磁通與控制電路和控制端子13a、13b產生交鏈(interlinked)，從而產生電磁感應。針對如此從殼體14的側表面輻射且因而繞行的磁通，屏蔽板17不僅覆蓋殼體14的上表面14e，而且也覆蓋第三側表面14c和第四側表面14d。除了從上表面14e輻射的磁通之外，就連從第三側表面14c和第四側表面14d輻射的磁通也被屏蔽板17阻擋。由此，可以減少由控制電路和控制端子13a、13b引發的電磁感應雜訊。
具體而言，在該例子中，控制端子13a、13b設置在殼體14的上表面14e的邊緣部，連接到邊緣部的殼體14的第三側表面14c和第四側表面14d係被屏蔽板17覆蓋。因此，可以有效地減少由控制端子13a、13b引發的電磁感應雜訊。
屏蔽板17的板厚可以依據由於電磁感應而流入屏蔽板17的渦流(eddy current)的滲透深度(permeation depth)來設定。由於導體的電阻，流入置放在交流磁場(alternating field)之導體的渦流被轉換為熱。交流磁場的能量被轉換為熱並被屏蔽板17消耗，從而產生屏蔽板17對於電磁感應雜訊的屏蔽效果。由於集膚效應(skin effect)，渦流的主要部分流入導體的前表面。滲透深度是指，電流密度降低到前表面的0.37倍處之從前表面算起的深度。滲透深度可以用下式表示。
其中，δ：滲透深度(m)，ρ：導體的體積電阻率(×10-8Ωm)，μ：導體的相對導磁率(relative permeability)，f：頻率(Hz)
例如，假設屏蔽板17由銅製成(體積電阻率ρ=1.55，相對導磁率μ=1)，且各個功率半導體裝置Q1、Q2之切換操作的頻率f是200kHz。在這種情況下，依據上式，滲透深度δ等於0.14mm。已知磁場強度在板厚為滲透深度的三倍大時會衰減26db(95%)。因此，屏蔽板17的板厚可以設定為0.42mm至0.70mm，其為滲透深度δ的3至5倍大。
以這種方式，屏蔽板17不僅覆蓋上方放置有控制電路板16且其上設置有控制端子13a、13b的殼體14的上表面14e，而且還覆蓋殼體14的至少一些側表面。因此，可以使控制電路和用作為控制線的控制端子13a、13b的屏蔽增強，從而能夠改善功率半導體模組110和感應加熱電源裝置100的穩定性。
第4圖係顯示本發明另一實施態樣的感應加熱電源裝置200。在下面的敘述中，對與第1圖的感應加熱電源裝置100相似或相同的組成要素將分別對應地引用相同的符號，並且省略其重複的敘述。
感應加熱電源裝置200具有逆變器206，其有異於感應加熱電源裝置100的逆變器106。
各個功率半導體裝置Q1、Q2、Q3、Q4之高速的切換操作會使流入功率半導體裝置Q1、Q2、Q3、 Q4的電流突然改變。由於功率半導體裝置Q1、Q2、Q3、Q4與用作為電壓源的平滑區段5之間的導電路徑的寄生電感，在功率半導體裝置Q1、Q2、Q3、Q4的相對端之間會產生突波電壓。為了吸收突波電壓，對逆變器206的功率半導體裝置Q1、Q2、Q3、Q4個別地設置對應的緩衝電路SC1、SC2、SC3、SC4。
緩衝電路SC1、SC2、SC3、SC4是所謂的非放電型RCD緩衝電路，其在第4圖所示的例子中被構成為包含電阻器R、電容器C和二極體D。
在用於第一臂部的高側的功率半導體裝置Q1的緩衝電路SC1中，電容器C和二極體D串聯連接在功率半導體裝置Q1的相對端之間(在功率半導體裝置Q1是IGBT的情況下，為在集極和射極之間，或者，在功率半導體裝置Q1是MOSFET的情況下，為在汲極和源極之間)，並且電阻器R連接在電容器C與二極體D之間的串聯連接點和平滑區段5的負側之間。
此外，在用於第一臂部的低側的功率半導體裝置Q2的緩衝電路SC2中，電容器C和二極體D串聯連接在功率半導體裝置Q2的相對端之間，並且電阻器R連接在電容器C和二極體D之間的串聯連接點與平滑區段5的正側之間。
用於第二臂部的高側的功率半導體裝置Q3的緩衝電路SC3係構成為與緩衝電路SC1相似。用於第二臂部的低側的功率半導體裝置Q4的緩衝電路SC4係構成 為與緩衝電路SC2相似。
各緩衝電路SC1、SC2、SC3、SC4不限於上述之構成。例如，各緩衝電路SC1、SC2、SC3、SC4可以是所謂的充電-放電型RCD緩衝電路，其中電容器C和二極體D相對於功率半導體裝置的佈置與圖示例中相反，並且電阻器R與二極體D並聯連接；或者可以是所謂的RC緩衝電路，其中電阻器R和電容器C串聯連接在功率半導體裝置的相對端之間。
第一臂部的功率半導體裝置Q1、Q2和用於功率半導體裝置Q1、Q2的飛輪二極體設置在殼體內部而形成為模組。緩衝電路SC1、SC2連接到外部連接端子並設置在殼體外側。外部連接端子設置成露出於殼體外側。內部設置有功率半導體裝置Q1、Q2和用於功率半導體裝置Q1、Q2的飛輪二極體的殼體可以用模塑樹脂填充，從而使功率半導體裝置Q1、Q2和用於功率半導體裝置Q1、Q2的飛輪二極體可以被模塑樹脂密封。相似地，第二臂部的功率半導體裝置Q3、Q4和用於功率半導體裝置Q3、Q4的飛輪二極體也被設置在殼體內部而形成為模組。緩衝電路SC3、SC4連接到外部連接端子並且設置在殼體外側。外部連接端子被設置為露出於殼體外側。
第5圖係顯示包含第一臂部的功率半導體裝置Q1、Q2的功率半導體模組210的構成例。在下面的敘述中，對與第3圖的功率半導體模組110相似或相同的組成要素將分別對應地引用相同的符號，並且省其重複的 敘述。
與功率半導體模組110相似，功率半導體模組210具有輸入端子11a、11b、輸出端子12a、12b和複數個控制端子13。
輸入端子11a、11b設置在功率半導體模組210的第一側表面14a。正側直流輸入端子11a使用由匯流排等製成的配線構件15a連接到平滑區段5的正側。負側直流輸入端子11b使用配線構件15b連接到平滑區段5的負側。
輸出端子12a、12b設置在功率半導體模組210的與第一側表面14a相對的一側的第二側表面14b。輸出端子12a、12b使用配線構件15連接於變壓器8(參照第4圖)。
複數個控制端子13設置在功率半導體模組210的上表面14e。有一部分的控制端子13電性連接到功率半導體器件Q1的閘極，而另一部分的控制端子13電性連接到功率半導體器件Q2的閘極。控制端子13連接到控制功率半導體裝置Q1、Q2之切換操作的控制電路16a。在該例子中，控制電路16a被置放和配置在功率半導體模組210的上表面14e，且控制端子13係經由形成在控制電路16的電路板的通孔而焊接到控制電路16a。
如上述，用於功率半導體裝置Q1的緩衝電路SC1具有電阻器R、電容器C和二極體D。此外，緩衝電路SC1還具有電路板30，電子元件R、C、D以露出的 方式安裝在電路板30。電路板30具有絕緣基底31和導體層32。
絕緣基底31沿著功率半導體模組210的第一側表面14a、功率半導體模組210的第二側表面14b和功率半導體模組210的第三側表面14c延伸，且橋接於正側直流輸入端子11a和輸出端子12a之間。一對正側和負側直流輸入端子11a、11b設置在第一側表面14a。兩個輸出端子12a、12b設置在第二側表面14b。第三側表面14c配置在第一側表面14a和第二側表面14b之間。
導體層32設置在絕緣基底31的上表面，且其上設有電阻器R、電容器C和二極體D。導體層32形成分別連接到正側直流輸入端子11a和輸出端子12a的電路圖案。
導體層32通常由銅箔形成。例如，可以使用各種材料作為絕緣基底31，例如電木(Bakelite)，將紙以酚醛樹脂(phenol resin)固化而成的酚醛紙(paper phenol)、將玻璃纖維以環氧樹脂固化而成的玻璃環氧樹脂(glass epoxy)。然而，較佳為每單位厚度的彎曲剛度比銅高的材料。在列舉的材料中，較佳為玻璃環氧樹脂。
分別供電阻器R、電容器C和二極體D附接的電子元件安裝部係按照電路圖案設置在電路板30的適當部位。各個電子元件安裝部可以按照對應的電子元件的形式來形成。
第6圖顯示出緩衝電路SC1的構成。
第6圖顯示的例子中，電容器C為引線式(lead-type)的電容器。對應於電容器C的電子元件安裝部33a、33b形成為通孔。電容器C的兩個引線34a、34b分別插入到電子元件安裝部33a、33b，並焊接到由導體層32製成的焊墊。
電阻器R也是引線式的電阻器。對應於電阻器R的電子元件安裝部35形成為通孔。電阻器R的一個引線36a插入到電子元件安裝部35，並焊接到由導體層32製成的焊墊
二極體D具有針腳(pin)37a、37b和框架37c。針腳37a、37b電性連接到以模塑樹脂密封的二極體晶片的一端。框架37c電性連接到二極體晶片的另一端，並露出於封裝件的後表面。對應於針腳37a、37b的電子元件安裝部38a、38b形成為通孔。針腳37a、37b分別插入電子元件安裝部38a、38b，並焊接到由導體層32製成的焊墊。此外，對應於框架37c的電子元件安裝部38c也形成為通孔。然而，與由導體層32製成的焊墊接觸的框架37c係被鎖入電子元件安裝部38c。
上述電阻器R、電容器C和二極體D以及各自的電子元件安裝部的構成僅僅是例子，而可以適當地改變。例如，可以使用螺釘夾式(screw clamp type)的電阻器作為電阻器R，且可以使用螺旋釘式的電容器作為電容器C。此外，可以使用所有電連接部都由針腳設置而成的全模封裝式(full mold package type)的二極體、或引線式的 二極體作為二極體D。再者，可以使用表面安裝式(surface mount type)者作為電阻器R、電容器、或二極體D。在這種情況下，可由焊盤來取代通孔作為電路板30的電子元件安裝部。此外，在圖示例中，電阻器R、電容器C或二極體D是藉由焊接或螺鎖等直接附接並安裝在電路板30。然而，電阻器R、電容器C或二極體D可以經由連接端子或配線材料電性連接到電路板30、或者安裝在電路板30。例如，電阻器R可以如下述地安裝在電路板30。亦即，連接端子被壓接到電阻器R的引線36a，並且連接端子也被壓接到配線材料的兩端。配線材料的一個連接端子連接到電阻器R的連接端子，且配線材料的另一個連接端子鎖入電子元件安裝部35。由此，將電阻器R安裝在電路板30。
在如上述構成的緩衝電路SC1中，電路板30的一端部藉由螺釘與配線構件15a一起被緊固到正側直流輸入端子11a，電路板30的另一端部藉由螺釘與配線構件15一起被緊固到輸出端子12a。此外，電阻器R的引線36b電性連接到負側直流輸入端子11b並安裝於功率半導體模組210。
再次參照第5圖。用於功率半導體裝置Q2的緩衝電路SC2係具有如上述的電阻器R、電容器C和二極體D。此外，緩衝電路SC2還具有安裝有電子元件R、C、D的電路板40。
與緩衝電路SC1的電路板30相似，電路板40具有絕緣基底41和導體層42。絕緣基底41沿著功率半 導體模組210的第一側表面14a、第二側表面14b和第四側表面14d延伸，且橋接於負側直流輸入端子11b和輸出端子12b之間。第四側表面14d配置在第一側表面14a和第二側表面14b之間。
導體層42設置在絕緣基底41的上表面。導體層42形成分別連接到負側直流輸入端子11b和輸出端子12b的電路圖案。分別供電阻器R、電容器C和二極體D附接的電子元件安裝部係按照電路圖案設置在電路板40的適當部位。
在如上述構成的緩衝電路SC2中，電路板40的一端部藉由螺釘與配線構件15b一起被緊固到負側直流輸入端子11b，電路板40的另一端部藉由螺釘與配線構件15一起被緊固到輸出端子12b。此外，電阻器R的一個引線電性連接到正側直流輸入端子11a並安裝於功率半導體模組210。
根據前述的功率半導體模組210，按照功率半導體裝置Q1、Q2的切換操作而發生在功率半導體裝置Q1、Q2的相對端之間的突波電壓，會被針對功率半導體裝置Q1、Q2個別地設置之緩衝電路SC1、SC2所分別吸收。由此，可以抑制功率半導體器件Q1、Q2由於突波電壓而損壞。
緩衝電路SC1中所包含的電阻器R、電容器C和二極管D係以露出的方式安裝在電路板30。緩衝電路SC2中所包含的電阻器R、電容器C和二極管D也以 露出的方式安裝在電路板40。電子元件R、C、D可以容易地改變。由此，電路板30、40可以針對逆變器206的設計變更(例如功率半導體裝置Q1、Q2的切換頻率的變更)而一般化，並且可以使用具有適當常數的電子元件作為安裝在電路板30、40的電子元件R、C、D，以便有效地吸收突波電壓。
電阻器R、電容器C和二極體D以露出的方式安裝在電路板30、40。因此，緩衝電路在使電子元件R、C、D產生的熱散逸之方面係很優異，從而能夠抑制由熱引起的電子元件R、C、D的劣化。由此，可以增強緩衝電路的耐久性。
此外，也有配線電感(wiring inductance)存在於緩衝電路本身。緩衝電路SC1的電路板30設置成沿著功率半導體模組210的第一側表面14a、第三側表面14c和第二側表面14b延伸。電路板30直接連接到設置在第一側表面14a的正側直流輸入端子11a和設置在與第一側表面14a相對的一側的第二側表面14b的輸出端子12a。由此，緩衝電路SC1的導電路徑的長度可以盡可能地形成為較短。由此，可以減少緩衝電路SC1的電感以抑制突波電壓，從而可以抑制由於突波電流流入緩衝電路SC1而輻射的雜訊。
緩衝電路SC1的電路板30沿著功率半導體模組210的第一側表面14a、第三側表面14c和第二側表面14b延伸。因此，電路板30的形狀像是在厚度方向沒有 彎曲部分的平板。由此，導體層32可以容易地形成在絕緣基底31。
相似地，緩衝電路SC2的電路板40也設置成沿著功率半導體模組210的第一側表面14a、第四側表面14d和第二側表面14b延伸。電路板40直接連接到設置在第一側表面14a的負側直流輸入端子11b和設置在第一側表面14a的相對側的第二側表面14b的輸出端子12b。緩衝電路SC2的導電路徑的長度可以盡可能地形成為較短，從而可以減少電感。此外，電路板40形成為平板形狀，從而可以使導體層42容易地形成在絕緣基底41。
從減少緩衝電路SC1、SC2的電感的觀點而言，可以增加電路板30、40的導體層32、42的厚度、或者可以在電路板30、40的絕緣基底31、41的各個相對的上表面和下表面設置導體層。
第7圖顯示出緩衝電路SC1的另一例。
在第7圖所示的例子中，導體層32a、32b分別設置在絕緣基底31的相對的上表面和下表面。彼此相同的電路圖案形成在絕緣基底31的上表面側的導體層32a和絕緣基底31的下表面側的導體層32b。例如電容器C的電子元件係設置在導體層32a。
絕緣基底31的上表面側的導體層32a和絕緣基底31的下表面側的導體層32b係經由形成為通孔的電子元件安裝部33a、33b、35、38a、38b、38c而彼此電性連接和熱連接。
藉由設置在絕緣基底31的相對的上表面和下表面且具有彼此相同的圖案、且經由通孔彼此電性連接的導體層32a、32b，可以使電路板30的導電路徑的剖面區域更大，並且可以使緩衝電路SC1的電感比導體層32僅設置在絕緣基底31的上表面的情況更小。再者，導體層32a、32b也可以經由通孔彼此熱連接。因此，也可以使熱輻射的區域比導體層32僅設置在絕緣基底31的上表面的情況更大。因此，可以使由例如電容器C的電子元件產生的熱的散逸加速，從而可以抑制由熱引起的電子元件的劣化。由此，可以更大程度地增強緩衝電路SC1的耐久性。
從減少緩衝電路SC1的電感的觀點而言，較佳為，一個或多個導體層的總厚度(亦即，於導體層32僅設置在絕緣基底31的上表面時為導體層32的厚度、或者於導體層32a、32b設置在絕緣基底31的相對的上表面和下表面時為導體層32a、32b的總厚度)係等於或大於0.1mm。由於電路板30形成為平板形狀，所以即使該一個或多個導體層相對較厚，該一個或多個導體層也可以容易地形成在絕緣基底31。
此外，假設電容器C的引線34a、34b等係人工焊接到由導體層製成的焊墊。在這種情況下，當導體層的總厚度過大時，則需要耗費時間藉由烙鐵使各個焊墊的溫度升高到焊料熔化溫度。因此，考慮到焊接加工性時，導體層的總厚度較佳為小於2.0mm。
第8圖顯示出緩衝電路SC1的另一例。
在第8圖所示的例子中，阻焊膜39形成在導體層32的前表面且形成在供例如電容器C之元件焊接之電路板30的電子元件安裝部33a、33b、35、38a、38b的周圍。
如上述，電容器C的引線34a、34b分別插入到電子元件安裝部33a、33b，並且焊接到由導體層32製成的焊墊。各個電子元件安裝部33a、33b形成為通孔。對應的阻焊膜39環狀地形成在導體層32的前表面，以圍繞供引線34a、34b焊接的焊墊。
相似地，對應的環狀的阻焊膜39形成在導體層32的前表面且形成在供電阻器R之引線36a焊接的電子元件安裝部35的周邊，以及供二極體D之針腳37a、37b焊接的電子元件安裝部38a、38b的周圍。
以這種方式，阻焊膜39事先形成在導體層32的前表面且形成在供元件焊接之電子元件安裝部33a、33b、35、38a、38b的周圍。因此，可以抑制熱從電子元件安裝部的周圍的導體層32的前表面輻射出。由此，即使在導體層32的厚度增加時，也可以藉由烙鐵使用於各個電子元件安裝部33a、33b、35、38a、38b的焊墊的溫度有效率地增加，從而可以改善人工焊接工作的效率。
在第8圖所示的例子中，導體層32僅設置在絕緣基底31的上表面。然而，如第7圖所示，當導體層32a、32b設置在絕緣基底31的相對的上表面和下表面時，則阻焊膜39可以形成在絕緣基底31的上表面側的導體層 32a的前表面、絕緣基底31的下表面側的導體層32b的前表面、以及電子元件安裝部33a、33b、35、38a、38b的周圍之各者。
第9圖顯示出緩衝電路SC1的另一例。
在第9圖所示的例子中，阻焊膜39形成在除了電路板30的電子元件安裝部33a、33b、35、38a、38b、38c以外的導體層32的整個前表面，其中，該等電子元件安裝部33a、33b、35、38a、38b、38c係供例如電容器C之電子元件附接。在這種情況下，可將安裝有例如電容器C之待焊接元件的電路板30浸在焊料槽中來取代人工焊接，而可將元件一起焊接。由此，可以增進緩衝電路SC1的生產率。
本申請案是依據2016年8月22日提出的日本專利申請第2016-161885號和2016年9月28日提出的日本專利申請第2016-190345號者，並在此引用其全部內容。

Claims (12)

  1. 一種功率半導體模組，係包括：功率半導體裝置，係構成為執行切換操作；殼體，內部設置有該功率半導體裝置；控制電路板，係設置在該殼體的上表面的上方，用於該功率半導體裝置的控制端子係設置在該殼體的該上表面並連接到該控制電路板；屏蔽板，係配置在該控制電路板和該殼體的該上表面之間，以覆蓋該殼體的該上表面並且覆蓋該殼體的至少一個側表面；以及散熱器，與該殼體的下表面緊密接觸並且接地；其中該屏蔽板係具有屏蔽板固定部，該屏蔽板固定部係構成為固定於該殼體；在該屏蔽板固定部固定於該殼體時，該屏蔽板固定部係電性連接於該散熱器，該屏蔽板係接地。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之功率半導體模組，其中，該控制端子係設置在該殼體的該上表面的邊緣部；其中，該屏蔽板係覆蓋該殼體之該至少一個側表面，該至少一個側表面係連接到該殼體的該上表面的該邊緣部。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之功率半導體模組，其中，該殼體係具有構成為固定於該散熱器的殼體固定部；其中，該屏蔽板固定部設置在該殼體固定部的上方，從而使該屏蔽板固定部經由該殼體固定部和將該殼體固定部固定到該散熱器的緊固件中的至少一者而電性連接於該散熱器。
  4. 一種感應加熱電源裝置，係包括：逆變器，構成為將直流電轉換為交流電；其中，該逆變器構成為橋式電路，該橋式電路包含複數個互相連接的申請專利範圍第1項至第3項中任一項所述的功率半導體模組。
  5. 一種用於功率半導體模組之緩衝電路，其中，該功率半導體模組係具有臂部，該臂部包含能夠執行切換操作並且串聯連接的兩個功率半導體裝置；其中，該功率半導體模組具有電性連接到該臂部的一對正側和負側直流輸入端子和輸出端子，該一對正側和負側直流輸入端子設置在該功率半導體模組的第一側表面，該輸出端子設置在該功率半導體模組的與該第一側表面相對的一側的第二側表面；其中，該緩衝電路包含：電路板，係具有絕緣基底和導體層，該絕緣基底沿著該功率半導體模組的側表面延伸，且橋接於對應的一個該直流輸入端子和對應的一個該輸出端子之間，該導體層設置在該絕緣基底的上表面和下表面中的至少一者，並且形成分別連接到該對應的直流輸入端子和該對應的輸出端子的電路圖案；以及電子元件，係以露出的方式安裝在該電路板。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之緩衝電路，其中，該導體層設置在該絕緣基底之該上表面和該下表面之各者，且該絕緣基底的該上表面側的該導體層和該絕緣基底的該下表面側的該導體層之各者係形成相同的電路圖案；其中，該電路板的電子元件安裝部構成為通孔，從而使該絕緣基底的該上表面側的該導體層和該絕緣基底的該下表面側的該導體層經由該通孔而彼此電性連接和熱連接。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之緩衝電路，其中，該導體層的總厚度等於或大於0.1mm，但小於2.0mm。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之緩衝電路，其中，該導體層的總厚度等於或大於0.1mm，但小於2.0mm。
  9. 如申請專利範圍第5項至第8項中任一項所述之緩衝電路，其中，該電子元件包含經焊接的元件；其中，阻焊膜形成在該導體層的前表面上且形成在該電路板的焊接有該經焊接的元件之電子元件安裝部的周邊。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之緩衝電路，其中，該阻焊膜形成在除了該電路板的該電子元件安裝部以外的該導體層的該前表面上。
  11. 一種功率半導體模組，係包括：臂部，包含能夠執行切換操作並且串聯連接的兩個功率半導體裝置；一對正側和負側直流輸入端子與輸出端子，係電性連接於該臂部；緩衝電路，係分別連接於該直流輸入端子與該輸出端子之間；其中，該一對正側和負側直流輸入端子係設置在該功率半導體模組的第一側表面，該輸出端子係設置在該功率半導體模組的與該第一側表面相對的一側的第二側表面；其中，各個緩衝電路包括電路板和電子元件，該電路板具有絕緣基底和導體層，該絕緣基底沿著該功率半導體模組的側表面延伸，並橋接於對應的一個該直流輸入端子和對應的一個該輸出端子之間，該導體層設置在該絕緣基底的上表面和下表面中的至少一者，並且形成分別連接到該對應的直流輸入端子和該對應的輸出端子的電路圖案，而該電子元件以露出的方式安裝在該電路板。
  12. 一種感應加熱電源裝置，係包括：逆變器，構成為將直流電轉換為交流電；其中，該逆變器構成為橋式電路，該橋式電路具有複數個並聯連接的申請專利範圍第11項所述的功率半導體模組。
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