JP2010136089A - Ｉｇｂｔのサージ電圧抑制回路 - Google Patents

Abstract

【課題】電力変換装置のスイッチング素子として用いられるＩＧＢＴの、安全動作領域が欠けているような場合でも、サージ電圧の抑制ができるようにする。
【解決手段】ＩＧＢＴモジュールＩＧＢＴ１，２の主回路用エミッタ端子Ｅ１，Ｅ２と制御用ゲート端子との間に、複数のツェナーダイオードＺＤ１１，１２，２１，２２を相互に逆直列接続し、この逆直列接続回路とコンデンサＣｇ１，２との並列接続回路を挿入することで、コレクタ電流Ｉｃの変化率を緩和し、サージ電圧を抑制する。
【選択図】図１

Description

この発明は、電力変換装置に用いられるパワー半導体素子としてのＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）が、スイッチング時に発生するサージ電圧を抑制する抑制回路に関する。

この種の従来例として、例えば図５に示すような、特許文献１に記載のものがある。

図５では、ＩＧＢＴ１の主回路用エミッタ端子Ｅ１と制御用ゲート端子Ｇ１との間に、逆方向に直列接続されたツェナーダイオードＺＤ１１，ＺＤ１２が接続されたサージ電圧抑制回路が挿入されている。なお、ＧＤＵ１はゲート駆動回路、Ｌｅ１は配線インダクタンスを示す。

図５の回路では、ＩＧＢＴ１がターンオフする際、コレクタ電流Ｉｃの時間変化率（ｄｉ／ｄｔ）が過大になると、ＩＧＢＴ１の制御用エミッタ端子ｅ１と主回路用エミッタ端子Ｅ１との間の配線インダクタンスＬｅ１に発生する電圧が、ツェナーダイオードＺＤ１２のツェナー電圧を超えてツェナー降伏を起し、ＩＧＢＴ１が再びオンされる。その結果、コレクタ電流Ｉｃの時間変化率（ｄｉ／ｄｔ）が緩和されて、ＩＧＢＴ１のコレクタ−エミッタ間に発生するサージ電圧が、図６に示すように抑制される。
特開平０７−０９９４２９号公報

この発明によれば、インバータを含む電力変換装置のスイッチング素子として用いられるＩＧＢＴの安全動作領域が欠けているような場合でも、サージ電圧を抑制することができ、より大きな電圧および電流でのスイッチングが可能となる。その結果、装置の小型化，低コスト化が可能となる。

しかし、図５の回路では、ＩＧＢＴ１のターンオフ時にコレクタ電流Ｉｃのｄｉ／ｄｔが過大になり、ＩＧＢＴ１の制御用エミッタ端子ｅ１と主回路用エミッタ端子Ｅ１間の配線インダクタンスＬｅ１に発生する電圧が、ツェナーダイオードＺＤ１２のツェナー電圧を超えるまで、コレクタ電流Ｉｃのｄｉ／ｄｔは緩和されない。

そのため、例えば図７のように、ＩＧＢＴの安全動作領域が欠けているような場合には、この部分でのｄｉ／ｄｔの緩和、つまりサージ電圧の抑制ができず、ＩＧＢＴ１が破壊に至るという問題がある。

従って、この発明の課題は、ＩＧＢＴの安全動作領域が欠けている場合でもサージ電圧を抑制できるようにすることにある。

上記課題を解決するため、請求項１の発明では、絶縁ゲートバイポーラトランジスタと還流ダイオードとを逆並列接続したスイッチング回路を同一ケースに封入し、このケースの表面に主回路用コレクタ端子，主回路用エミッタ端子，制御用ゲート端子および制御用エミッタ端子を形成した半導体モジュールをスイッチング素子として用いる電力変換装置において、
前記半導体モジュールの主回路用エミッタ端子と制御用ゲート端子との間に、複数のツェナーダイオードを相互に逆直列接続し、この逆直列接続回路とコンデンサとの並列接続回路を挿入したことを特徴とする。

この請求項１の発明においては、前記複数のツェナーダイオードの逆直列接続回路とコンデンサとの並列接続回路は、前記電力変換装置を構成する複数の半導体モジュール毎に挿入することができる（請求項２の発明）。

図１はこの発明の実施形態を示す構成図で、負側にＩＧＢＴモジュールＩＧＢＴ１、正側にＩＧＢＴモジュールＩＧＢＴ２を接続した２レベルインバータに適用した例を示す。各ＩＧＢＴモジュールは、ここではＩＧＢＴと還流ダイオード（ＦＷＤ）とを逆並列接続したスイッチング回路を１つのケースに封入し、このケースの表面に主回路用コレクタ端子，主回路用エミッタ端子，制御用ゲート端子および制御用エミッタ端子を形成して構成される。

このような回路に対し、主回路用エミッタ端子Ｅ１と制御用ゲート端子ｅ１との間に、ツェナーダイオードＤＺ１１，ＤＺ１２の逆直列回路を接続するとともに、この逆直列接続回路と並列にコンデンサＣｇ１を接続してサージ電圧抑制回路が構成される。ここで、制御用エミッタ端子ｅ１と主回路用エミッタ端子Ｅ１との間の配線インダクタンスＬｅ１
は、モジュールＩＧＢＴの構造上存在する配線インダクタンスを示す。

図２に図１のＩＧＢＴモジュールＩＧＢＴ１側を拡大して示す。同図を参照して、その動作を以下に説明する。

いま、ゲート駆動回路ＧＤＵ１によりゲートが逆バイアスされ、ＩＧＢＴ１がターンオフしてコレクタ電流Ｉｃが遮断された後、ＩＧＢＴ１の主回路用コレクタ端子Ｃ１−エミッタ端子Ｅ１間の電圧Ｖｃｅが直流電源ＤＣの電圧Ｅｄｃに達すると、コレクタ電流Ｉｃが減少し始める。

上記コレクタ電流Ｉｃのｄｉ／ｄｔにより、制御用エミッタ端子ｅ１と主回路用エミッタ端子Ｅ１との間の配線インダクタンスＬｅ１に、電圧Ｖｅ＝Ｌｅ１＊ｄｉ／ｄｔが発生する。そして、この電圧Ｖｅにより、コンデンサＣｇ１にはＩＧＢＴ１のゲートを再充電するように、電流Ｉｃｇ１＝Ｃｇ１＊ｄＶｅ／ｄｔ＝Ｌｅ１＊Ｃｇ１＊ｄｉ²／ｄｔ²が流れる。その結果、ＩＧＢＴ１が再オンし、コレクタ電流Ｉｃのｄｉ／ｄｔが緩和され、サージ電圧が抑制される。これにより、安全動作領域が欠けている部分でも、ターンオフ時のコレクタ電流Ｉｃのｄｉ／ｄｔを緩和でき、サージ電圧が抑制できる。

図３は以上の動作を説明するもので、同図（ａ）はサージ電圧抑制回路が無い場合、同図（ｂ）はサージ電圧抑制回路を設けた場合の例を示す。すなわち、同図（ａ）では配線インダクタＬｅ１に発生する電圧を十分に抑制できず、安全動作領域を逸脱する場合があるのに対し、同図（ｂ）ではコレクタ−エミッタ間に発生する電圧が抑制され、安全動作領域内で動作するようになることが示されている。

また、ターンオフ時のコレクタ電流Ｉｃのｄｉ／ｄｔが大きく、Ｌｅ１にツェナーダイオードＤＺ１２のツェナー電圧を超える電圧が発生した場合には、ツェナーダイオードＤＺ１１，ＤＺ１２を介して瞬時にゲートが再充電され、再オンして過電圧が抑制される。

このときの様子を図４に示す。同図（ａ）はサージ電圧抑制回が無い場合、同図（ｂ）はサージ電圧抑制回路がある場合の例を示す。同図（ａ）では配線インダクタＬｅ１に発生する電圧を十分に抑制できず、安全動作領域を逸脱する場合があるのに対し、同図（ｂ）ではコレクタ−エミッタ間に発生する電圧の傾きや大きさが抑制され、安全動作領域を超えないようになる様子が示されている。

なお、ターンオフ時にコンデンサＣｇ１に充電された電荷は、次のターンオン時のゲート駆動回路ＧＤＵ１の順バイアスにより放電される。

以上では、負側ＩＧＢＴモジュールのターンオフ時の動作について説明したが、正側ＩＧＢＴモジュールのターンオフ時の動作も上記と全く同様なので、説明は省略する。

この発明の実施の形態を示す構成図 図１の負側ＩＧＢＴを拡大したもので、その動作を説明するための回路図 図１におけるコンデンサによるサージ電圧抑制機能の説明図 図１におけるコンデンサとツェナーダイオードによるサージ電圧抑制機能の説明図 従来例を示す構成図 図５でスイッチング軌跡が安全動作領域内に収まる場合の例を示す説明図 図５でスイッチング軌跡が安全動作領域を逸脱する場合の例を示す説明図

符号の説明

ＩＧＢＴ１，２…ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）モジュール、ＤＣ…直流電源、ＧＤＵ１，２…ゲート駆動回路、Ｃ１，２…主回路用コレクタ端子、Ｅ１，２…主回路用エミッタ端子、Ｇ１，２…制御用ゲート端子、ｅ１，２…制御用エミッタ端子、Ｌｅ１，２…制御用エミッタ端子−主回路用エミッタ端子間の配線インダクタンス、ＺＤ１１，１２、ＺＤ２１，２２…ツェナーダイオード、Ｃｇ１，２…コンデンサ。

Claims (2)

1. 絶縁ゲートバイポーラトランジスタと還流ダイオードとを逆並列接続したスイッチング回路を同一ケースに封入し、このケースの表面に主回路用コレクタ端子，主回路用エミッタ端子，制御用ゲート端子および制御用エミッタ端子を形成した半導体モジュールをスイッチング素子として用いる電力変換装置において、
   前記半導体モジュールの主回路用エミッタ端子と制御用ゲート端子との間に、複数のツェナーダイオードを相互に逆直列接続し、この逆直列接続回路とコンデンサとの並列接続回路を挿入したことを特徴とするＩＧＢＴのサージ電圧抑制回路。
2. 前記複数のツェナーダイオードの逆直列接続回路とコンデンサとの並列接続回路は、前記電力変換装置を構成する複数の半導体モジュール毎に挿入することを特徴とする請求項１に記載のＩＧＢＴのサージ電圧抑制回路。

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