JP2013074634A - Inverter device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an inverter device that allows suppressing an adverse effect due to interference of a voltage between a plurality of inverters by a space-saving device.SOLUTION: An inverter device includes a first inverter connected to PN bus lines, a second inverter connected to the PN bus lines, and a clamp circuit connected between the first inverter and the second inverter in the PN bus lines. The clamp circuit includes a Zener diode and a switching element. A cathode of the Zener diode is connected to the P bus line of the PN bus lines and an anode is connected to the N bus line of the PN bus lines. The switching element is interposed between the P bus line and the N bus line, and a control terminal is connected to the anode of the Zener diode.

Description

本発明は、インバータ装置に関する。   The present invention relates to an inverter device.

従来、例えば、特開平6−225516号公報に開示されているように、複数のインバータを共通のPN母線につなぎ、それらのインバータの間にダイオードクリップ回路を設けたインバータ装置が知られている。インバータにおいてスイッチング素子をオンまたはオフさせたときに、素子の両端にスイッチングサ―ジ電圧が発生する。この電圧が過大だと素子が破損したり、そのほかの機器に悪影響を与えたりするため、サ―ジ電圧の発生を抑制する必要がある。そこで、上記従来の技術では、ダイオ―ドクリッパ回路を利用して、このような過大なサージ電圧による悪影響を抑制している。   Conventionally, as disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-225516, an inverter device in which a plurality of inverters are connected to a common PN bus and a diode clip circuit is provided between the inverters is known. When the switching element is turned on or off in the inverter, a switching surge voltage is generated at both ends of the element. If this voltage is excessive, the device will be damaged and other devices will be adversely affected, so it is necessary to suppress the generation of surge voltage. Therefore, in the above conventional technique, a diode clipper circuit is used to suppress such an adverse effect due to an excessive surge voltage.

また、例えば、特開2000−92817号公報に開示されているように、電力変換装置等におけるスイッチのスイッチング時に発生するサージ電圧を抑制するためのスナバ装置が知られている。当該公報におけるスナバ装置は、電力変換装置における個々のスイッチング素子(IGBT等)にそれぞれスナバ装置を設けている。このスナバ装置は、電圧判定回路としてのツェナーダイオードと、スイッチング素子(IGBT等)とを備えている。ツェナーダイオードは、このスイッチング素子の制御端子に接続されている。電力変換装置におけるスイッチング素子がターンオフに応じてサージ電圧が発生した場合に、サージ電圧がツェナー電圧(Vz)に達するとスナバ装置のスイッチング素子のゲートに電圧が印加されて、スナバ装置のスイッチング素子が電圧を一定に維持しながら電流を流すことができる。   Further, as disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-92817, a snubber device for suppressing a surge voltage generated at the time of switching of a switch in a power conversion device or the like is known. The snubber device in the publication has a snubber device for each switching element (IGBT or the like) in the power converter. This snubber device includes a Zener diode as a voltage determination circuit and a switching element (IGBT or the like). The Zener diode is connected to the control terminal of this switching element. When a surge voltage is generated in response to turning off of the switching element in the power converter, when the surge voltage reaches the zener voltage (Vz), a voltage is applied to the gate of the switching element of the snubber device, and the switching element of the snubber device Current can be passed while maintaining the voltage constant.

特開平6−225516号公報JP-A-6-225516 特開2008−199788号公報JP 2008-199788 A 特開2000−92817号公報JP 2000-92817 A 特開2000−324797号公報JP 2000-324797 A 特開2001−245466号公報JP 2001-245466 A 特開2000−12780号公報JP 2000-12780 A

昨今は、インバータ装置における小型化の要求や低コスト化の要求が益々高まっている。このような要求に対し、上記従来の技術は未だ改善の余地がある。   In recent years, there has been an increasing demand for downsizing and cost reduction in inverter devices. In response to such a demand, there is still room for improvement in the conventional technology.

例えば、上記特開平6−225516号公報には、ダイオードクリッパ回路は、直流電源でスイッチング素子の極力近傍に接続し、素子がオフしたときに直流回路のインダクタンスが有するエネルギーをコンデンサで吸収する旨が記載されている。しかしながら、このようにサージ電圧対処目的としてのコンデンサをインバータとインバータとの間に入れる場合に、インバータとインバータの間にそのコンデンサを入れるための十分なスペースが要求される。これに起因して小型化が困難となるという問題が生じたり、立体配線を行う場合には接続用の端子スペースと配線のインダクタンスによる性能低下という問題が生じたりしてしまう。   For example, Japanese Patent Laid-Open No. 6-225516 discloses that a diode clipper circuit is connected as close as possible to a switching element with a DC power source, and absorbs the energy of the inductance of the DC circuit with a capacitor when the element is turned off. Have been described. However, when a capacitor for dealing with surge voltage is inserted between the inverter and the inverter as described above, a sufficient space for inserting the capacitor between the inverter and the inverter is required. Due to this, there is a problem that it is difficult to reduce the size, and when three-dimensional wiring is performed, there is a problem that performance is deteriorated due to the terminal space for connection and the inductance of the wiring.

また、上記特開2000−92817号公報にかかる従来技術(スナバ装置)のように、インバータのスイッチングサージ電圧抑制用回路を複数のスイッチング素子それぞれに取り付ける場合にも、スイッチング素子の個数に比例して設置スペースが増大してしまう。インバータにおいてはスイッチング素子を複数備えることが一般的であり、例えば三相インバータで6個のスイッチング素子が要求される。全スイッチング素子にスイッチングサージ電圧抑制用回路を取り付ける必要がある場合は、部材点数および組み立てコストも増大する。   In addition, when the switching surge voltage suppression circuit of the inverter is attached to each of the plurality of switching elements as in the prior art (snubber device) according to the above Japanese Patent Laid-Open No. 2000-92817, it is proportional to the number of switching elements. Installation space will increase. An inverter is generally provided with a plurality of switching elements. For example, a three-phase inverter requires six switching elements. When it is necessary to attach a switching surge voltage suppression circuit to all switching elements, the number of members and assembly cost also increase.

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、複数のインバータの間における電圧の干渉による悪影響の抑制を、省スペースな装置において実現することができるインバータ装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and provides an inverter device capable of suppressing adverse effects due to voltage interference among a plurality of inverters in a space-saving device. With the goal.

本発明にかかるインバータ装置は、
PN母線に接続された1つ以上の第1の主スイッチング素子を備える第1インバータと、
前記PN母線に接続された1つ以上の第2の主スイッチング素子を備える第2インバータと、
前記PN母線における前記第1インバータと前記第2インバータの間に接続されたクランプ回路であって、制御端子および前記制御端子により接続と遮断が切り替えられる2つの端子を備えかつ前記2つの端子のうち一方の端子が前記P母線と接続しかつ他方の端子が前記N母線と接続するスイッチング素子と、カソードが前記PN母線におけるP母線に接続しアノードが前記スイッチング素子の前記制御端子に接続するツェナーダイオードと、を含むクランプ回路と、
を備えることを特徴とする。
The inverter device according to the present invention is
A first inverter comprising one or more first main switching elements connected to a PN bus;
A second inverter comprising one or more second main switching elements connected to the PN bus;
A clamp circuit connected between the first inverter and the second inverter in the PN bus, comprising a control terminal and two terminals that are switched between connection and disconnection by the control terminal, and of the two terminals A switching element having one terminal connected to the P bus and the other terminal connected to the N bus; a Zener diode having a cathode connected to the P bus in the PN bus and an anode connected to the control terminal of the switching element A clamp circuit including:
It is characterized by providing.

本発明にかかるインバータ装置によれば、複数のインバータの間における電圧の干渉による悪影響の抑制を、省スペースな装置において実現することができる。   According to the inverter device of the present invention, it is possible to achieve suppression of adverse effects due to voltage interference among a plurality of inverters in a space-saving device.

本発明の実施の形態1にかかるインバータ装置の構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of the inverter apparatus concerning Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1にかかるインバータ装置で用いられるクランプ回路の構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of the clamp circuit used with the inverter apparatus concerning Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1にかかるインバータ装置の動作を示す図である。It is a figure which shows operation | movement of the inverter apparatus concerning Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態2にかかるインバータ装置で用いられるクランプ回路の構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of the clamp circuit used with the inverter apparatus concerning Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態2にかかるインバータ装置で用いられるクランプ回路の構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of the clamp circuit used with the inverter apparatus concerning Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態3にかかるインバータ装置で用いられるクランプ回路の構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of the clamp circuit used with the inverter apparatus concerning Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施の形態4にかかるインバータ装置で用いられるクランプ回路の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the clamp circuit used with the inverter apparatus concerning Embodiment 4 of this invention. 本発明の実施の形態5にかかるインバータ装置で用いられるクランプ回路の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the clamp circuit used with the inverter apparatus concerning Embodiment 5 of this invention. 本発明の実施の形態6にかかるインバータ装置で用いられるクランプ回路の構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of the clamp circuit used with the inverter apparatus concerning Embodiment 6 of this invention. 本発明の実施の形態7にかかるインバータ装置で用いられるクランプ回路の構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of the clamp circuit used with the inverter apparatus concerning Embodiment 7 of this invention. 本発明の実施の形態に対する変形例にかかるインバータ装置の構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of the inverter apparatus concerning the modification with respect to embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に対する変形例にかかるインバータ装置の動作を示す図である。It is a figure which shows operation | movement of the inverter apparatus concerning the modification with respect to embodiment of this invention.

実施の形態1.
[実施の形態1の構成]
図1は、本発明の実施の形態1にかかるインバータ装置の構成を示す回路図である。図1には、PN母線(P母線2およびN母線4)と接続する3つのインバータとして、インバータ10、インバータ20およびインバータ30を備えている。P母線2とN母線4との間には、フィルタコンデンサ6が挿入されている。インバータ10、インバータ20およびインバータ30は、その内部に、スイッチング素子SWを6つずつ備えた三相インバータ回路構成を備えている。インバータ10、インバータ20およびインバータ30は、同様の構成を備えている。
Embodiment 1 FIG.
[Configuration of Embodiment 1]
FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of an inverter device according to Embodiment 1 of the present invention. In FIG. 1, an inverter 10, an inverter 20 and an inverter 30 are provided as three inverters connected to the PN bus (P bus 2 and N bus 4). A filter capacitor 6 is inserted between the P bus 2 and the N bus 4. The inverter 10, the inverter 20, and the inverter 30 have a three-phase inverter circuit configuration including six switching elements SW therein. The inverter 10, the inverter 20, and the inverter 30 have the same configuration.

図1に示すように、インバータ10は、その内部にスイッチング素子SW1、SW2、SW3、SW4、SW5、およびSW6を備えている。また、インバータ20は、その内部にスイッチング素子SW7、SW8、SW9、SW10、SW11、およびSW12を備えている。図1の回路図に示すように、各スイッチング素子SW1〜12はそれぞれIGBTであり、個々のIGBTにフリーホイールダイオードが接続されている。スイッチング素子SW1〜12は、それぞれの制御端子(IGBTのゲート端子)へのパルス信号の幅が制御されることでPWM(Pulse Width Modulation)制御が実施される。以下、スイッチング素子SW1〜12を、「主スイッチング素子」とも称す。   As shown in FIG. 1, the inverter 10 includes switching elements SW1, SW2, SW3, SW4, SW5, and SW6 therein. The inverter 20 includes switching elements SW7, SW8, SW9, SW10, SW11, and SW12 therein. As shown in the circuit diagram of FIG. 1, each of the switching elements SW1 to 12 is an IGBT, and a free wheel diode is connected to each IGBT. The switching elements SW1 to SW12 perform PWM (Pulse Width Modulation) control by controlling the width of the pulse signal to each control terminal (the gate terminal of the IGBT). Hereinafter, the switching elements SW1 to SW12 are also referred to as “main switching elements”.

インバータ10において、スイッチング素子SW2、SW4およびSW6は、それぞれがフリーホイールダイオードを備える3つのローサイドスイッチング素子である。インバータ20におけるスイッチング素子SW8、SW10、SW12も同様である。一方、スイッチング素子SW1、SW3、SW5は、それぞれがフリーホイールダイオードを備え、それぞれが上記ローサイドスイッチング素子(スイッチング素子SW2、SW4、SW6)と接続したハイサイドスイッチング素子である。インバータ20におけるスイッチング素子SW7、SW9、SW11も同様である。
具体的には、ローサイドスイッチング素子は、制御端子(実施の形態1ではスイッチング素子SW2等のゲート端子)と、この制御端子によりオンとオフが制御される2つの端子とを備える主スイッチング素子である。ローサイドスイッチング素子は、その2つの端子のうち一方(実施の形態1ではスイッチング素子SW2等のエミッタ)がN母線と接続し、その2つの端子のうち他方(実施の形態1ではスイッチング素子SW2等のコレクタ)がハイサイドスイッチング素子と接続するものである。また、ハイサイドスイッチング素子は、制御端子(実施の形態1ではスイッチング素子SW1等のゲート端子)と、この制御端子によりオンとオフが制御される2つの端子とを備える主スイッチング素子である。ハイサイドスイッチング素子は、その2つの端子のうち一方(実施の形態1ではスイッチング素子SW1等のコレクタ)がP母線と接続し、その2つの端子のうち他方(実施の形態1ではスイッチング素子SW1等のエミッタ)がローサイドスイッチング素子と接続するものである。
In the inverter 10, the switching elements SW2, SW4, and SW6 are three low-side switching elements each including a free wheel diode. The same applies to the switching elements SW8, SW10, and SW12 in the inverter 20. On the other hand, each of the switching elements SW1, SW3, and SW5 is a high-side switching element that includes a free wheel diode and is connected to the low-side switching elements (switching elements SW2, SW4, and SW6). The same applies to the switching elements SW7, SW9, and SW11 in the inverter 20.
Specifically, the low-side switching element is a main switching element that includes a control terminal (a gate terminal such as the switching element SW2 in the first embodiment) and two terminals that are controlled to be turned on and off by the control terminal. . The low-side switching element has one of its two terminals (emitter such as switching element SW2 in the first embodiment) connected to the N bus, and the other of the two terminals (such as switching element SW2 in the first embodiment). Collector) is connected to the high-side switching element. The high-side switching element is a main switching element having a control terminal (a gate terminal such as the switching element SW1 in the first embodiment) and two terminals whose on and off are controlled by the control terminal. The high-side switching element has one of its two terminals (collector such as switching element SW1 in the first embodiment) connected to the P bus, and the other of the two terminals (switching element SW1 and the like in the first embodiment). Are connected to the low-side switching element.

モータM1の3つの端子(U相、V相、W相)は、スイッチング素子SW1とスイッチング素子SW2の間の端子と、スイッチング素子SW3とスイッチング素子SW4の間の端子と、スイッチング素子SW5とスイッチング素子SW6の間の端子とに、それぞれ接続している。
モータM2の3つの端子(U相、V相、W相)は、スイッチング素子SW7とスイッチング素子SW8の間の端子と、スイッチング素子SW9とスイッチング素子SW10の間の端子と、スイッチング素子SW11とスイッチング素子SW12の間の端子とに、それぞれ接続している。図示は省略するが、インバータ30も同様に6つの主スイッチング素子を備え、各スイッチング素子の間の端子がモータM3に接続している。
The three terminals (U phase, V phase, W phase) of the motor M1 are a terminal between the switching element SW1 and the switching element SW2, a terminal between the switching element SW3 and the switching element SW4, a switching element SW5, and a switching element. Each is connected to a terminal between SW6.
The three terminals (U phase, V phase, W phase) of the motor M2 are a terminal between the switching element SW7 and the switching element SW8, a terminal between the switching element SW9 and the switching element SW10, a switching element SW11 and a switching element. Each is connected to a terminal between SW12. Although not shown, the inverter 30 similarly includes six main switching elements, and terminals between the switching elements are connected to the motor M3.

インバータ10とインバータ20の間には、クランプ回路12が設けられている。また、インバータ20とインバータ30の間には、クランプ回路22が設けられている。クランプ回路12、22は、それぞれ、P端子がP母線2と接続し、N端子がN母線4と接続している。クランプ回路22は、クランプ回路12と同様の構成を備えているものとして、以下、説明を行う。   A clamp circuit 12 is provided between the inverter 10 and the inverter 20. A clamp circuit 22 is provided between the inverter 20 and the inverter 30. In the clamp circuits 12 and 22, the P terminal is connected to the P bus 2, and the N terminal is connected to the N bus 4. The clamp circuit 22 will be described below assuming that it has the same configuration as the clamp circuit 12.

図2は、本発明の実施の形態1にかかるインバータ装置で用いられるクランプ回路の構成を示す回路図であり、具体的には、クランプ回路12の回路図である。実施の形態1において、高電圧スイッチング素子14は、電界効果トランジスタ(MOS−FET)である。P端子には、高電圧スイッチング素子(MOSFET)14のドレイン端子と、高電圧ツェナーダイオード16のカソードとが接続している。高電圧ツェナーダイオード16のアノードは、高電圧スイッチング素子(MOSFET)14のゲートに接続している。また、高電圧ツェナーダイオード16のアノードは、コンデンサC1の一方の端子に接続している。コンデンサC1の他方の端子は、N端子に接続している。また、抵抗R1がコンデンサC1と並列に接続している。具体的には、抵抗R1の一方の端子は、コンデンサC1の一方の端子と高電圧ツェナーダイオード16のアノードとの接続点であって、かつ、当該接続点と高電圧スイッチング素子(MOSFET)14のゲートとの間に接続している。一方、抵抗R1の他方の端子は、高電圧スイッチング素子(MOSFET)14のソース端子とN端子との間に接続している。   FIG. 2 is a circuit diagram showing a configuration of a clamp circuit used in the inverter device according to the first embodiment of the present invention, and more specifically, a circuit diagram of the clamp circuit 12. In the first embodiment, the high voltage switching element 14 is a field effect transistor (MOS-FET). The P terminal is connected to the drain terminal of the high voltage switching element (MOSFET) 14 and the cathode of the high voltage Zener diode 16. The anode of the high voltage Zener diode 16 is connected to the gate of the high voltage switching element (MOSFET) 14. The anode of the high voltage Zener diode 16 is connected to one terminal of the capacitor C1. The other terminal of the capacitor C1 is connected to the N terminal. A resistor R1 is connected in parallel with the capacitor C1. Specifically, one terminal of the resistor R1 is a connection point between one terminal of the capacitor C1 and the anode of the high voltage Zener diode 16, and the connection point and the high voltage switching element (MOSFET) 14 are connected. Connected between the gate. On the other hand, the other terminal of the resistor R1 is connected between the source terminal and the N terminal of the high voltage switching element (MOSFET) 14.

[実施の形態1の動作]
図2に示す回路構成によれば、P母線2とN母線4との間の電圧(以下、「PN間電圧」とも称す)が下記の式にあるVpnとなった場合に、高電圧スイッチング素子(MOSFET)14がオン動作する。
Vpn= ツェナ電圧 + 高電圧スイッチング素子14のゲートオン電圧
一方、PN間電圧が低下すると、高電圧スイッチング素子(MOSFET)14が線形動作領域となるため、見かけ上は特定の電圧で保持されたPN電圧が観測される。
上記のVpnの下限電圧は、インバータ(インバータ10)のスイッチングサージ現象によるPN電圧の上昇を考慮した値とし、インバータ動作時にPN間電圧が取る値以上とする。一方、スイッチング素子を保護するために、Vpnの上限電圧は、インバータに使用する主スイッチング素子(スイッチング素子SW1〜12)の耐電圧以下に設定する。
[Operation of Embodiment 1]
According to the circuit configuration shown in FIG. 2, when the voltage between the P bus 2 and the N bus 4 (hereinafter also referred to as “inter-PN voltage”) becomes Vpn in the following equation, the high voltage switching element (MOSFET) 14 is turned on.
Vpn = Zener voltage + Gate-on voltage of high-voltage switching element 14 On the other hand, when the voltage between PNs decreases, the high-voltage switching element (MOSFET) 14 becomes a linear operation region, so that the PN voltage that is apparently held at a specific voltage Is observed.
The lower limit voltage of Vpn described above is a value that takes into account an increase in the PN voltage due to the switching surge phenomenon of the inverter (inverter 10), and is greater than or equal to the value taken by the PN voltage during inverter operation. On the other hand, in order to protect the switching elements, the upper limit voltage of Vpn is set to be equal to or lower than the withstand voltage of the main switching elements (switching elements SW1 to SW12) used for the inverter.

図3は、本発明の実施の形態1にかかるインバータ装置の動作を示す図である。図3は、電圧上昇時におけるクランプ回路12の動作時の様子を説明するための図である。スイッチング素子SW6がオンからオフに遷移(ターンオフ)した場合(つまり、モータM1のWL相がオンからオフへ遷移)、図1における符号Aを付した点の電圧は、図3(A)に示すように変化する。このとき、クランプ回路12の動作によって、図1における符号Bを付した点の電圧は図3(B)のように変化する。つまり、クランプ回路12により電圧上昇が抑制される。従って、サージ電圧が上昇した瞬間にスイッチング素子SW10がオンからオフに遷移(ターンオフ)したとしても、図3(C)のようにスイッチング素子SW10のオフ時のサージ電圧の上昇が抑制される。   FIG. 3 is a diagram illustrating the operation of the inverter device according to the first embodiment of the present invention. FIG. 3 is a diagram for explaining a state during operation of the clamp circuit 12 when the voltage rises. When the switching element SW6 transitions from on to off (turns off) (that is, the WL phase of the motor M1 transitions from on to off), the voltage at the point denoted by the symbol A in FIG. 1 is shown in FIG. To change. At this time, the voltage at the point marked with B in FIG. 1 changes as shown in FIG. 3B by the operation of the clamp circuit 12. That is, the clamp circuit 12 suppresses voltage increase. Therefore, even if the switching element SW10 transitions from on to off (turns off) at the moment when the surge voltage rises, the surge voltage rise when the switching element SW10 is off is suppressed as shown in FIG.

(実施の形態に対する比較例)
以下、実施の形態1にかかるインバータ装置における上記の効果を、比較例を用いて説明する。図11は、本発明の実施の形態に対する変形例にかかるインバータ装置の構成を示す回路図である。この比較例にかかるインバータ装置は、クランプ回路12を備えていない。図11においてL1〜L6はそれぞれ配線のインダクタンスを示す。図12は、図11に示した比較例にかかるインバータ装置の動作を示す図であり、サージ電圧の相互干渉についての例を説明するための図である。スイッチング素子SW6がオンからオフに遷移(ターンオフ)した場合(つまり、モータM1のWL相がオンからオフへ遷移)、図11における符号Aを付した点の電圧は、図12(A)に示すように変化する。図11における符号Bを付した点の電圧は図12(B)のように変化し、このように電圧が上昇した瞬間にスイッチング素子SW10がオンからオフに遷移(ターンオフ)すると(つまり、モータM2のVL相がオンからオフへ遷移)、図12(C)のように電圧が大きく上昇してしまう。
(Comparative example for the embodiment)
Hereinafter, the effects of the inverter device according to the first embodiment will be described using a comparative example. FIG. 11 is a circuit diagram showing a configuration of an inverter device according to a modification to the embodiment of the present invention. The inverter device according to this comparative example does not include the clamp circuit 12. In FIG. 11, L1 to L6 indicate wiring inductances. FIG. 12 is a diagram illustrating an operation of the inverter device according to the comparative example illustrated in FIG. 11 and is a diagram for describing an example of mutual interference of surge voltages. When the switching element SW6 transitions from on to off (turns off) (that is, the WL phase of the motor M1 transitions from on to off), the voltage at the point marked with the symbol A in FIG. 11 is shown in FIG. To change. The voltage at the point marked with B in FIG. 11 changes as shown in FIG. 12B, and when the switching element SW10 changes (turns off) from on to off at the moment when the voltage rises in this way (that is, the motor M2). VL phase of the transition from ON to OFF), the voltage rises greatly as shown in FIG.

図3(C)と図12(C)を比較するとわかるように、実施の形態1にかかるインバータ装置ではクランプによりサージ電圧の影響を軽減することができる。これにより、従来はサージ電圧への安全を見込んでスイッチング素子に高耐圧性能を必要としていたのに対し、実施の形態1によればスイッチング素子SWの耐圧を最適化することができる。その結果、耐圧性能という観点からの歩留まりが向上したり、V−TカーブにおけるVを低減できるため、装置の長寿命化にも貢献する。   As can be seen by comparing FIG. 3C and FIG. 12C, the influence of the surge voltage can be reduced by clamping in the inverter device according to the first embodiment. As a result, while the switching element has conventionally required high breakdown voltage performance in anticipation of safety against surge voltage, the breakdown voltage of the switching element SW can be optimized according to the first embodiment. As a result, the yield from the viewpoint of the pressure resistance performance can be improved and V in the VT curve can be reduced, which contributes to the extension of the life of the apparatus.

実施の形態1にかかるインバータ装置によれば、上記特開平6−225516号公報に記載されたダイオードクリップ回路のようにサージ電圧対処目的としてのコンデンサをインバータとインバータとの間に入れる場合と比べて、省スペースな装置(クランプ回路12)でサージ電圧に対処することができる。
また、実施の形態1にかかるインバータ装置においては、複数のスイッチング素子(スイッチング素子SW1〜SW12)に対して1つずつ保護回路を設けなくとも良い。具体的には、実施の形態1にかかるインバータ10、20のように1つのインバータに6個のスイッチング素子が備えられる場合であっても、インバータ10とインバータ20との間にクランプ回路12を設けることでサージ電圧の影響を抑制することができる。この点が、例えば、上記特開2000−92817号公報にかかるスナバ装置などのように各スイッチング素子に保護回路を設ける技術とは異なる。従って、全スイッチング素子にスイッチングサージ電圧抑制用回路を取り付ける場合と比べて、飛躍的に装置全体の小型化が可能となる。また、インバータ装置の設置スペースの省スペース化や、部材点数および組み立てコストも低減することができる。
According to the inverter device according to the first embodiment, as compared with the case where a capacitor as a surge voltage countermeasure object is inserted between the inverters as in the diode clip circuit described in the above-mentioned JP-A-6-225516. The surge voltage can be dealt with by a space-saving device (clamp circuit 12).
Further, in the inverter device according to the first embodiment, it is not necessary to provide one protection circuit for each of the plurality of switching elements (switching elements SW1 to SW12). Specifically, the clamp circuit 12 is provided between the inverter 10 and the inverter 20 even when six switching elements are provided in one inverter like the inverters 10 and 20 according to the first embodiment. Thus, the influence of the surge voltage can be suppressed. This is different from a technique in which a protection circuit is provided in each switching element, such as a snubber device according to Japanese Patent Laid-Open No. 2000-92817. Therefore, as compared with the case where the switching surge voltage suppression circuit is attached to all the switching elements, the entire apparatus can be greatly reduced in size. Further, the space for installing the inverter device can be saved, and the number of members and the assembly cost can be reduced.

また、クランプ回路12に使用するスイッチング素子(実施の形態1では、高電圧スイッチング素子(MOSFET)14)においては、電圧の上昇分が熱として消費される。このため、主たる損失は下記の式のとおりになる。

Figure 2013074634
ただし、Lは配線インダクタンスであり、Iは主電流であり、fは繰り返し回数である。クランプ電圧までのエネルギーは主コンデンサが吸収し、通常サージではクランプ動作せずかつサージが重なった場合のみ動作するようにクランプ動作電圧を定めるという設計を行うことにより、繰り返し回数fを極端に小さくすることができる。そのため、クランプ回路12に使用するスイッチング素子として、TO−3P規格サイズのものを用いたり、最適設計を実施すればTO−220規格サイズのものを用いたりしてもよくなり、小型の素子を用いることによる装置の小型化が期待できる。 Further, in the switching element (high voltage switching element (MOSFET) 14 in the first embodiment) used for the clamp circuit 12, the voltage increase is consumed as heat. For this reason, the main loss is as follows:
Figure 2013074634
Here, L is the wiring inductance, I is the main current, and f is the number of repetitions. The energy up to the clamp voltage is absorbed by the main capacitor, and the clamp operation voltage is set so that the normal capacitor does not perform the clamp operation and operates only when the surges overlap. be able to. For this reason, a switching element used in the clamp circuit 12 may be a TO-3P standard size, or if an optimum design is performed, a TO-220 standard size may be used, and a small element is used. This can be expected to reduce the size of the device.

なお、図示は省略するが、図1におけるインバータ30の右側に、さらに他のインバータを接続しても良い。その場合には、それぞれのインバータの間に、実施の形態1にかかるクランプ回路を取り付けてもよい。   Although not shown, another inverter may be connected to the right side of the inverter 30 in FIG. In that case, the clamp circuit according to the first embodiment may be attached between the respective inverters.

実施の形態2.
図4は、本発明の実施の形態2の第1実施例にかかるインバータ装置で用いられるクランプ回路の構成を示す回路図である。本発明の実施の形態2の第1実施例にかかるインバータ装置は、図1に示した実施の形態1にかかるインバータ装置のうちクランプ回路12を、図4に示すクランプ回路112に置換したものである。図4に示すクランプ回路112は、実施の形態1のクランプ回路12で高電圧スイッチング素子(MOSFET)14を用いていたのとは異なり、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)を高電圧スイッチング素子114として用いている。
P端子には、高電圧スイッチング素子(IGBT)114のコレクタ端子と、高電圧ツェナーダイオード116のカソードとが接続している。高電圧ツェナーダイオード116のアノードは、高電圧スイッチング素子(IGBT)114のゲートに接続している。また、高電圧ツェナーダイオード116のアノードは、コンデンサC11の一方の端子に接続している。コンデンサC11の他方の端子は、N端子に接続している。また、抵抗R1がコンデンサC1と並列に接続している。具体的には、抵抗R11の一方の端子は、コンデンサC11の一方の端子と高電圧ツェナーダイオード116のアノードとの接続点であって、かつ、当該接続点と高電圧スイッチング素子(IGBT)114のゲート端子との間に接続している。一方、抵抗R1の他方の端子は、高電圧スイッチング素子(IGBT)114のエミッタ端子とN端子との間に接続している。
IGBTは比較的、高電圧のものが多いため、MOS−FETで耐圧が不足する等の場合には、図4にかかるクランプ回路112を用いることが有効である。
Embodiment 2. FIG.
FIG. 4 is a circuit diagram showing a configuration of a clamp circuit used in the inverter device according to the first example of the second embodiment of the present invention. The inverter device according to the first example of the second embodiment of the present invention is obtained by replacing the clamp circuit 12 in the inverter device according to the first embodiment shown in FIG. 1 with the clamp circuit 112 shown in FIG. is there. The clamp circuit 112 shown in FIG. 4 uses an insulated gate bipolar transistor (IGBT) as the high voltage switching element 114, unlike the clamp circuit 12 of the first embodiment that uses the high voltage switching element (MOSFET) 14. ing.
The P terminal is connected to the collector terminal of the high voltage switching element (IGBT) 114 and the cathode of the high voltage Zener diode 116. The anode of the high voltage Zener diode 116 is connected to the gate of the high voltage switching element (IGBT) 114. The anode of the high voltage Zener diode 116 is connected to one terminal of the capacitor C11. The other terminal of the capacitor C11 is connected to the N terminal. A resistor R1 is connected in parallel with the capacitor C1. Specifically, one terminal of the resistor R11 is a connection point between one terminal of the capacitor C11 and the anode of the high voltage Zener diode 116, and the connection point and the high voltage switching element (IGBT) 114 are connected to each other. Connected to the gate terminal. On the other hand, the other terminal of the resistor R1 is connected between the emitter terminal and the N terminal of the high voltage switching element (IGBT) 114.
Since many IGBTs have a relatively high voltage, it is effective to use the clamp circuit 112 shown in FIG. 4 when the MOS-FET has insufficient breakdown voltage.

ところで、MOS−FETやIGBTをクランプ回路に使用する場合、誤作動防止の観点から、ゲートソース間(ゲートエミッタ間)に100kΩ以下の抵抗を接続する。これはすなわち、抵抗R1や抵抗R11である。この100kΩ以下という値は、高電圧ツェナーダイオードの漏れ電流から求めたものであり、具体的には下記の式から導かれる。
R=Voff/IZD
ただし、Voffは素子のオフ電圧であり、IZDはツェナーダイオードの漏れ電流の最大値である。
ゲートソース間(ゲートエミッタ間)のコンデンサは、急激で長期間にわたる電圧変化(例えばPN間の電源投入時において、P電圧が上昇することにより高電圧ツェナーダイオードの変位電流が流れること)に起因して、MOS−FETやIGBTの誤ったオン動作を防止するためのものである。
When a MOS-FET or IGBT is used for a clamp circuit, a resistor of 100 kΩ or less is connected between the gate and source (between the gate and emitter) from the viewpoint of preventing malfunction. That is, the resistor R1 and the resistor R11. This value of 100 kΩ or less is obtained from the leakage current of the high voltage Zener diode, and is specifically derived from the following equation.
R = V off / I ZD
However, V off is the off voltage of the element, and I ZD is the maximum value of the leakage current of the Zener diode.
The capacitor between the gate and source (between the gate and emitter) is caused by a rapid and long-term voltage change (for example, when the power supply between PN is turned on, the displacement current of the high-voltage Zener diode flows due to the rise of the P voltage). This is to prevent an erroneous ON operation of the MOS-FET or IGBT.

図5は、本発明の実施の形態2の第2実施例にかかるインバータ装置で用いられるクランプ回路の構成を示す回路図である。本発明の実施の形態2の第2実施例にかかるインバータ装置は、図1に示した実施の形態1にかかるインバータ装置のうちクランプ回路12を、図5に示すクランプ回路212に置換したものである。図5に示すクランプ回路212は、実施の形態1のクランプ回路12で高電圧スイッチング素子(MOSFET)14を用いていたのとは異なり、トランジスタ(バイポーラトランジスタ)を高電圧スイッチング素子214として用いている。
P端子には、高電圧スイッチング素子(バイポーラトランジスタ)214のコレクタ端子と、高電圧ツェナーダイオード216のカソードとが接続している。高電圧ツェナーダイオード216のアノードは、高電圧スイッチング素子(バイポーラトランジスタ)214のベース端子に接続している。また、高電圧ツェナーダイオード216のアノードは、コンデンサC2の一方の端子に接続している。コンデンサC2の他方の端子は、N端子に接続している。
なお、バイポーラトランジスタの場合、高電圧ツェナーダイオードの漏れ電流が非常に微小であれば、図5のように抵抗を備えない回路(図4の抵抗R11に相当する抵抗を有しない回路)としてもよい。また、バイポーラトランジスタを使用した場合には、素子自身のコストも比較的低廉であり、クランプ回路212を低コストに構成することができる。
FIG. 5 is a circuit diagram showing a configuration of a clamp circuit used in the inverter device according to the second example of the second embodiment of the present invention. The inverter device according to the second example of the second embodiment of the present invention is obtained by replacing the clamp circuit 12 in the inverter device according to the first embodiment shown in FIG. 1 with the clamp circuit 212 shown in FIG. is there. The clamp circuit 212 shown in FIG. 5 uses a transistor (bipolar transistor) as the high voltage switching element 214, unlike the high voltage switching element (MOSFET) 14 used in the clamp circuit 12 of the first embodiment. .
The P terminal is connected to the collector terminal of the high voltage switching element (bipolar transistor) 214 and the cathode of the high voltage Zener diode 216. The anode of the high voltage Zener diode 216 is connected to the base terminal of the high voltage switching element (bipolar transistor) 214. The anode of the high voltage Zener diode 216 is connected to one terminal of the capacitor C2. The other terminal of the capacitor C2 is connected to the N terminal.
In the case of a bipolar transistor, if the leakage current of the high-voltage Zener diode is very small, a circuit without a resistor as shown in FIG. 5 (a circuit without a resistor corresponding to the resistor R11 in FIG. 4) may be used. . In addition, when a bipolar transistor is used, the cost of the element itself is relatively low, and the clamp circuit 212 can be configured at a low cost.

実施の形態3.
図6は、本発明の実施の形態3にかかるインバータ装置で用いられるクランプ回路の構成を示す回路図である。本発明の実施の形態3にかかるインバータ装置は、図1に示した実施の形態1にかかるインバータ装置のうちクランプ回路12を、図6に示すクランプ回路312に置換したものである。図6に示すクランプ回路312は、実施の形態1のクランプ回路12で高電圧スイッチング素子(MOSFET)14を用いていたのとは異なり、SiC−MOSFETを高電圧スイッチング素子314として用いている。その他、クランプ回路312は、高電圧ツェナーダイオード16に対応する高電圧ツェナーダイオード316と、コンデンサC1に対応するコンデンサC3と、抵抗R1に対応する抵抗R3と、を備えている。これらの素子の接続関係は、図2のクランプ回路12と同様であるため、説明を省略する。
Embodiment 3 FIG.
FIG. 6 is a circuit diagram showing a configuration of a clamp circuit used in the inverter device according to the third embodiment of the present invention. The inverter device according to the third embodiment of the present invention is obtained by replacing the clamp circuit 12 in the inverter device according to the first embodiment shown in FIG. 1 with a clamp circuit 312 shown in FIG. The clamp circuit 312 shown in FIG. 6 uses a SiC-MOSFET as the high voltage switching element 314, unlike the high voltage switching element (MOSFET) 14 used in the clamp circuit 12 of the first embodiment. In addition, the clamp circuit 312 includes a high voltage Zener diode 316 corresponding to the high voltage Zener diode 16, a capacitor C3 corresponding to the capacitor C1, and a resistor R3 corresponding to the resistor R1. The connection relationship of these elements is the same as that of the clamp circuit 12 of FIG.

SiC−MOSFETは、半導体材料としてSiC(シリコンカーバイド)を用いたMOSFETである。SiC−MOSFETは高温特性に優れ、しかも耐圧特性も優れているという各種特徴を有している。実施の形態2にかかるクランプ回路は、SiC−MOSFETを用いていないので、放熱を考慮した設計および配置を行うことが必須となる。これに対し、実施の形態3ではSiC−MOSFETを用いているので、SiC−MOSFETを用いていない場合と比べて放熱性に対する重要度を下げることができる。また、SiC−MOSFETはその耐圧特性が優れていることから、特に、高電圧を使用するインバータ装置において使用されるのに適している。実施の形態3は、SiC−MOSFETのこれらの利点に着目して、クランプ回路312を高電圧スイッチング素子(SiC−MOSFET)314を用いて構成したものである。   The SiC-MOSFET is a MOSFET using SiC (silicon carbide) as a semiconductor material. SiC-MOSFET has various characteristics such as excellent high temperature characteristics and excellent breakdown voltage characteristics. Since the clamp circuit according to the second embodiment does not use a SiC-MOSFET, it is essential to perform design and arrangement in consideration of heat dissipation. On the other hand, since the SiC-MOSFET is used in the third embodiment, the importance of the heat dissipation can be reduced as compared with the case where the SiC-MOSFET is not used. Further, since the SiC-MOSFET has an excellent breakdown voltage characteristic, it is particularly suitable for use in an inverter device that uses a high voltage. In the third embodiment, focusing on these advantages of the SiC-MOSFET, the clamp circuit 312 is configured using a high-voltage switching element (SiC-MOSFET) 314.

実施の形態4.
図7は、本発明の実施の形態4にかかるインバータ装置で用いられるクランプ回路の構成を示す斜視図である。本発明の実施の形態4にかかるインバータ装置は、図1に示した実施の形態1にかかるインバータ装置のうちクランプ回路12を、下記に説明する実施の形態4にかかるクランプ回路に置換したものである。
Embodiment 4 FIG.
FIG. 7 is a perspective view illustrating a configuration of a clamp circuit used in the inverter device according to the fourth embodiment of the present invention. The inverter device according to the fourth embodiment of the present invention is obtained by replacing the clamp circuit 12 in the inverter device according to the first embodiment shown in FIG. 1 with the clamp circuit according to the fourth embodiment described below. is there.

実施の形態4にかかるクランプ回路は、モールド樹脂412で封止された複合モジュールとして提供される。モールド樹脂412の内部には、高電圧ツェナーダイオード、高電圧スイッチング素子、コンデンサ、抵抗およびこれらを結ぶ配線が、封止されている。実施の形態4では、一例として実施の形態1にかかるクランプ回路12(図2)がモールド樹脂412内部に封止されているものとして説明を行う。ただし本発明はこれに限られるものではなく、モールド樹脂412内部に封止すべきクランプ回路は、実施の形態1乃至3の回路(図2、図4、図5および図6の回路)からなる群から選択した1つの回路とすることができる。   The clamp circuit according to the fourth embodiment is provided as a composite module sealed with a mold resin 412. Inside the mold resin 412, a high-voltage Zener diode, a high-voltage switching element, a capacitor, a resistor, and a wiring connecting them are sealed. In the fourth embodiment, as an example, the clamp circuit 12 (FIG. 2) according to the first embodiment is described as being sealed inside the mold resin 412. However, the present invention is not limited to this, and the clamp circuit to be sealed inside the mold resin 412 includes the circuits of the first to third embodiments (the circuits of FIGS. 2, 4, 5, and 6). One circuit can be selected from the group.

実施の形態4では、モールド樹脂412の両面に電極が設けられている。図7(A)では紙面手前側に電極413が現れているが、モールド樹脂412における紙面の奥側(図7(A)の斜視図におけるモールド樹脂412の底面側)にも、電極413と同様に電極が設けられている。これらの両面の電極のうち一方が、P端子としてP母線に接続し、これらの両面の電極のうち他方が、N端子としてN母線に接続する。   In the fourth embodiment, electrodes are provided on both surfaces of the mold resin 412. In FIG. 7A, the electrode 413 appears on the front side of the paper surface, but the back side of the paper surface of the mold resin 412 (the bottom surface side of the mold resin 412 in the perspective view of FIG. 7A) is the same as the electrode 413. Are provided with electrodes. One of the electrodes on both sides is connected to the P bus as a P terminal, and the other of the electrodes on both sides is connected to the N bus as an N terminal.

図7(B)は、Pバスバー402およびNバスバー404でモールド樹脂412を挟み込む様子を図示したものである。図7(B)にかかるサンドイッチ構造に対してモールド樹脂による一体成型を行っても良い。これにより、組み立て工数の削減が可能となり、また、配置の自由度も大幅に向上する。
また、バスバーは、導電性の平面体であり、平面方向にある程度の広がりを有している。実施の形態4のごとくクランプ回路をバスバーに挟み込むことにより、バスバーの外側ではなく、バスバー面内にクランプ回路を配置することができる。実装場所がバスバーの設置場所となるため、専用の実装エリアを必要としなくなり、省スペース化が実現できる。
なお、図7(B)にかかるサンドイッチ構造は、モールド樹脂による一体成型ではなく、ケースを備えるIPMの内部に収納されても良い。
FIG. 7B illustrates a state in which the mold resin 412 is sandwiched between the P bus bar 402 and the N bus bar 404. You may perform integral molding by mold resin with respect to the sandwich structure concerning FIG. 7 (B). As a result, the number of assembly steps can be reduced, and the degree of freedom in arrangement can be greatly improved.
The bus bar is a conductive plane body and has a certain extent in the plane direction. By sandwiching the clamp circuit in the bus bar as in the fourth embodiment, the clamp circuit can be arranged not on the outside of the bus bar but on the bus bar surface. Since the mounting location is the bus bar installation location, a dedicated mounting area is not required and space saving can be realized.
Note that the sandwich structure according to FIG. 7B may be housed in an IPM including a case, instead of being integrally molded with a mold resin.

また、特に高電圧スイッチング素子としてSiC−MOSFETを使用することで(つまり、実施の形態3にかかるクランプ回路312をモールド樹脂412内に封止する構造とすることで)、熱に対する考慮をしなくとも良いか或いは放熱性に対する優先度を下げたうえでクランプ回路を設計することができる。その結果、クランプ回路の設計自由度が高まるという効果がある。   In particular, by using a SiC-MOSFET as a high voltage switching element (that is, a structure in which the clamp circuit 312 according to the third embodiment is sealed in the mold resin 412), no consideration is given to heat. Alternatively, the clamp circuit can be designed after lowering the priority for heat dissipation. As a result, there is an effect that the design freedom of the clamp circuit is increased.

実施の形態5.
図8は、本発明の実施の形態5にかかるインバータ装置で用いられるクランプ回路の構成を示す斜視図である。本発明の実施の形態5にかかるインバータ装置は、図1に示した実施の形態1にかかるインバータ装置のうちクランプ回路12を、下記に説明する実施の形態5にかかるクランプ回路に置換したものである。
Embodiment 5 FIG.
FIG. 8 is a perspective view illustrating a configuration of a clamp circuit used in the inverter device according to the fifth embodiment of the present invention. The inverter device according to the fifth embodiment of the present invention is obtained by replacing the clamp circuit 12 in the inverter device according to the first embodiment shown in FIG. 1 with the clamp circuit according to the fifth embodiment described below. is there.

実施の形態5にかかるクランプ回路は、保護チップ512として提供される。すなわち、保護チップ512には、高電圧ツェナーダイオード、高電圧スイッチング素子、コンデンサ、抵抗およびこれらを結ぶ配線が、形成されている。実施の形態5では、一例として実施の形態1にかかるクランプ回路12(図2)が保護チップ512に形成されているものとして説明を行う。ただし本発明はこれに限られるものではなく、保護チップ512に形成すべきクランプ回路は、実施の形態1乃至3の回路(図2、図4、図5および図6の回路)からなる群から選択した1つの回路とすることができる。   The clamp circuit according to the fifth embodiment is provided as a protection chip 512. That is, the protective chip 512 is formed with a high voltage Zener diode, a high voltage switching element, a capacitor, a resistor, and a wiring connecting them. In the fifth embodiment, as an example, a description will be given on the assumption that the clamp circuit 12 (FIG. 2) according to the first embodiment is formed on the protection chip 512. However, the present invention is not limited to this, and the clamp circuit to be formed on the protection chip 512 is a group consisting of the circuits of Embodiments 1 to 3 (the circuits of FIGS. 2, 4, 5, and 6). It can be a single selected circuit.

実施の形態5では、保護チップ512の両面に電極が設けられている。図8(A)では紙面手前側に電極513が現れているが、保護チップ512における紙面の奥側(図8(A)の斜視図における保護チップ512の底面側)にも、電極513と同様に電極が設けられている。これらの両面の電極のうち一方が、P端子としてP母線に接続し、これらの両面の電極のうち他方が、N端子としてN母線に接続する。実施の形態5では、特に、図8に示すように、保護チップ512の両面の電極が、保護チップ512の表面および裏面のおおむね全域を覆う程度の大きさに形成されている。   In the fifth embodiment, electrodes are provided on both surfaces of the protective chip 512. In FIG. 8A, the electrode 513 appears on the front side of the paper surface, but the back side of the paper surface of the protective chip 512 (the bottom surface side of the protective chip 512 in the perspective view of FIG. 8A) is the same as the electrode 513. Are provided with electrodes. One of the electrodes on both sides is connected to the P bus as a P terminal, and the other of the electrodes on both sides is connected to the N bus as an N terminal. In the fifth embodiment, in particular, as shown in FIG. 8, the electrodes on both surfaces of the protection chip 512 are formed to a size that covers the entire area of the front surface and the back surface of the protection chip 512.

図8(B)は、Pバスバー502およびNバスバー504で保護チップ512を挟み込む様子を図示したものである。Pバスバー502およびNバスバー504は、それぞれ、保護チップ512における電極部と接触する部位が、凸状に出張った形状を備えている。これにより、保護チップ512を局所的に挟み込むことができる。   FIG. 8B illustrates a state where the protection chip 512 is sandwiched between the P bus bar 502 and the N bus bar 504. Each of the P bus bar 502 and the N bus bar 504 has a shape in which a portion of the protective chip 512 that comes into contact with the electrode portion travels in a convex shape. Thereby, the protection chip 512 can be sandwiched locally.

図8(B)にかかるサンドイッチ構造に対してモールド樹脂による一体成型を行っても良い。これにより、組み立て工数の削減が可能となり、また、配置の自由度も大幅に向上する。また、実施の形態4と同様に、クランプ回路の実装場所がバスバーの設置場所となるため、専用の実装エリアを必要としなくなり、省スペース化が実現できる。なお、図8(B)にかかるサンドイッチ構造は、ケースを備えるIPMの内部に収納されても良い。   You may perform integral molding by mold resin with respect to the sandwich structure concerning FIG. 8 (B). As a result, the number of assembly steps can be reduced, and the degree of freedom in arrangement can be greatly improved. Further, as in the fourth embodiment, the mounting location of the clamp circuit is the installation location of the bus bar, so that a dedicated mounting area is not required and space saving can be realized. In addition, the sandwich structure concerning FIG. 8 (B) may be accommodated in the inside of IPM provided with a case.

また、バスバーのPN間隙間を非常に小さなものとすることが可能なため、バスバーインダクタンスを低減する効果や、保護チップ512に形成したクランプ回路にいたるインダクタンスも低減することができ、クランプ性能が向上する。また、放熱に関しても、バスバー経由で放熱できるなど、従来技術では得られなかった多くの効果を得ることができる。   In addition, since the gap between the PNs of the bus bar can be made extremely small, the effect of reducing the bus bar inductance and the inductance leading to the clamp circuit formed in the protective chip 512 can be reduced, and the clamp performance is improved. To do. Further, with respect to heat dissipation, many effects that cannot be obtained by the prior art, such as heat dissipation via the bus bar, can be obtained.

実施の形態6.
図9は、本発明の実施の形態6にかかるインバータ装置で用いられるクランプ回路の構成を示す回路図である。本発明の実施の形態6にかかるインバータ装置は、図1に示した実施の形態1にかかるインバータ装置のうちクランプ回路12を、図9に示すクランプ回路612に置換したものである。実施の形態6にかかるクランプ回路612は、コンデンサC61を除き、実施の形態1にかかるクランプ回路12と同様の回路構成を備えている。すなわち、クランプ回路612は、高電圧スイッチング素子(MOSFET)14に対応する高電圧スイッチング素子(MOSFET)614と、高電圧ツェナーダイオード16に対応する高電圧ツェナーダイオード316と、コンデンサC1に対応するコンデンサC3と、抵抗R1に対応する抵抗R3と、を備えている。これらの素子の接続関係は、図2のクランプ回路12と同様であるため、説明を省略する。
Embodiment 6 FIG.
FIG. 9 is a circuit diagram showing a configuration of a clamp circuit used in the inverter device according to the sixth embodiment of the present invention. The inverter device according to the sixth embodiment of the present invention is obtained by replacing the clamp circuit 12 in the inverter device according to the first embodiment shown in FIG. 1 with a clamp circuit 612 shown in FIG. The clamp circuit 612 according to the sixth embodiment has a circuit configuration similar to that of the clamp circuit 12 according to the first embodiment except for the capacitor C61. That is, the clamp circuit 612 includes a high voltage switching element (MOSFET) 614 corresponding to the high voltage switching element (MOSFET) 14, a high voltage Zener diode 316 corresponding to the high voltage Zener diode 16, and a capacitor C3 corresponding to the capacitor C1. And a resistor R3 corresponding to the resistor R1. The connection relationship of these elements is the same as that of the clamp circuit 12 of FIG.

クランプ回路612は、高電圧ツェナーダイオード616に対して並列に接続するコンデンサC61を備えている。コンデンサC61の容量の値は、高電圧スイッチング素子614のゲートオン電圧とPN間電圧との比から下記の式に基づいて決定する。
ゲートオン電圧:PN間電圧 ≒ コンデンサC61の容量:コンデンサC62の容量
瞬間的な電圧上昇の発生に応じて、コンデンサC61、C62を含む回路において分圧が行われる。その分圧の結果、高電圧スイッチング素子614のゲート電圧が上昇するものの、高電圧スイッチング素子614がオンしない程度のレベルにゲート電圧を維持することができる。一方、そのまま規定(ツェナ電圧)の電圧に達すると、高電圧スイッチング素子614が即時にオンすることができる。このため、ゲート電圧が高電圧スイッチング素子614のオンレベルに上昇するまでのタイムラグを抑制することができ、瞬間的な電圧上昇に対して適切に対応することができる。
The clamp circuit 612 includes a capacitor C61 connected in parallel to the high voltage Zener diode 616. The capacitance value of the capacitor C61 is determined based on the following formula from the ratio of the gate-on voltage of the high voltage switching element 614 to the PN voltage.
Gate-on voltage: PN voltage≈capacitance of capacitor C61: capacitance of capacitor C62 In response to the occurrence of an instantaneous voltage increase, voltage division is performed in a circuit including capacitors C61 and C62. As a result of the voltage division, the gate voltage of the high voltage switching element 614 increases, but the gate voltage can be maintained at a level that does not turn on the high voltage switching element 614. On the other hand, when the voltage reaches the specified voltage (the Zener voltage) as it is, the high voltage switching element 614 can be turned on immediately. For this reason, the time lag until the gate voltage rises to the on level of the high voltage switching element 614 can be suppressed, and it is possible to appropriately cope with an instantaneous voltage rise.

実施の形態7.
図10は、本発明の実施の形態7にかかるインバータ装置で用いられるクランプ回路の構成を示す回路図である。本発明の実施の形態7にかかるインバータ装置は、図1に示した実施の形態1にかかるインバータ装置のうちクランプ回路12を、図10に示すクランプ回路712に置換したものである。実施の形態7にかかるクランプ回路712は、「実施の形態1にかかるクランプ回路12におけるコンデンサC1」が「コンデンサC71およびコンデンサC72の直列回路」に置き換えられている点を除き、クランプ回路12と同様の回路構成を備えている。すなわち、クランプ回路712は、高電圧スイッチング素子(MOSFET)14に対応する高電圧スイッチング素子(MOSFET)714と、高電圧ツェナーダイオード16に対応する高電圧ツェナーダイオード716と、抵抗R1に対応する抵抗R7と、を備えている。これらの素子の接続関係は、図2のクランプ回路12と同様であるため、説明を省略する。
Embodiment 7 FIG.
FIG. 10 is a circuit diagram showing a configuration of a clamp circuit used in the inverter device according to the seventh embodiment of the present invention. The inverter device according to the seventh embodiment of the present invention is obtained by replacing the clamp circuit 12 in the inverter device according to the first embodiment shown in FIG. 1 with a clamp circuit 712 shown in FIG. The clamp circuit 712 according to the seventh embodiment is the same as the clamp circuit 12 except that the “capacitor C1 in the clamp circuit 12 according to the first embodiment” is replaced with “a series circuit of a capacitor C71 and a capacitor C72”. The circuit configuration is provided. That is, the clamp circuit 712 includes a high voltage switching element (MOSFET) 714 corresponding to the high voltage switching element (MOSFET) 14, a high voltage Zener diode 716 corresponding to the high voltage Zener diode 16, and a resistor R7 corresponding to the resistor R1. And. The connection relationship of these elements is the same as that of the clamp circuit 12 of FIG.

実施の形態7にかかるクランプ回路712は、高電圧ツェナーダイオード716とN端子との間に介在するコンデンサを、コンデンサC71およびコンデンサC72の直列回路としたものである。高信頼性の要求に応じて、2つのコンデンサの直列回路を用いるものである。
クランプ回路において故障率の高い部品は、コンデンサである。コンデンサが故障すると、相当に高い確率で短絡故障が起きる。この場合、回路が常にオフ状態となるため、故障に気づかないまま、サージ電圧によるスイッチング素子(SW1〜12)の故障を招くことにもなりかねない。そこで、実施の形態7では、クランプ回路内のコンデンサを2つ直列に接続し、一方のコンデンサC71が短絡故障した場合であっても、他方のコンデンサC72によってクランプ動作を継続できるようにした。
実施の形態7にかかるクランプ回路712を信頼性が特に求められる用途(例えば、自動車や電気鉄道)の複合インバータ装置に使用することにより、それらの用途で要求される高い信頼性を満足することができる。
In the clamp circuit 712 according to the seventh embodiment, a capacitor interposed between the high voltage Zener diode 716 and the N terminal is a series circuit of a capacitor C71 and a capacitor C72. A series circuit of two capacitors is used in response to a requirement for high reliability.
A component having a high failure rate in the clamp circuit is a capacitor. When a capacitor fails, a short circuit failure occurs with a fairly high probability. In this case, since the circuit is always turned off, the switching elements (SW1 to SW12) may fail due to the surge voltage without noticing the failure. Therefore, in the seventh embodiment, two capacitors in the clamp circuit are connected in series, and even when one capacitor C71 is short-circuited, the clamp operation can be continued by the other capacitor C72.
When the clamp circuit 712 according to the seventh embodiment is used in a composite inverter device for applications in which reliability is particularly required (for example, automobiles and electric railways), the high reliability required for those applications may be satisfied. it can.

なお、実施の形態1乃至7にかかるインバータ装置は、一般的なインバータ装置としての使用のみならず、信頼性が要求される自動車、電気鉄道等の運輸関連、産業用、民生用の複合インバータ装置として広く使用することができる。   The inverter device according to the first to seventh embodiments is not only used as a general inverter device, but also is a composite inverter device for transportation, industrial, and consumer use, such as automobiles, electric railways, and the like that require reliability. Can be widely used as.

なお、スイッチング素子SW1〜12は、Siパワー半導体素子、SiCパワー半導体素子、または、珪素(Si)以外の各種の化合物半導体材料を用いたパワー半導体素子であっても良い。珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体によって形成してもよい。ワイドバンドギャップ半導体としては、例えば、炭化珪素(SiC)、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドがある。このようなワイドバンドギャップ半導体によって形成されたスイッチング素子やダイオード素子は、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、スイッチング素子やダイオード素子の小型化が可能であり、これら小型化されたスイッチング素子やダイオード素子を用いることにより、これらの素子を組み込んだ半導体モジュールの小型化が可能となる。また耐熱性も高いため、ヒートシンクの放熱フィンの小型化や、水冷部の空冷化が可能であるので、それらの構成を含む半導体モジュールについて一層の小型化が可能になる。更に電力損失が低いため、スイッチング素子やダイオード素子の高効率化が可能であり、ひいては半導体モジュールの高効率化が可能になる。なお、その場合には、スイッチング素子SW1〜12やダイオード素子(フリーホイールダイオード)の両方がワイドバンドギャップ半導体によって形成されていることが望ましいが、いずれか一方の素子がワイドバンドギャップ半導体によって形成されていてもよい。   Switching elements SW1 to SW12 may be Si power semiconductor elements, SiC power semiconductor elements, or power semiconductor elements using various compound semiconductor materials other than silicon (Si). You may form with a wide band gap semiconductor with a large band gap compared with silicon. Examples of the wide band gap semiconductor include silicon carbide (SiC), a gallium nitride material, and diamond. Switching elements and diode elements formed by such wide band gap semiconductors have high voltage resistance and high allowable current density, so that switching elements and diode elements can be miniaturized. By using elements and diode elements, it is possible to reduce the size of a semiconductor module incorporating these elements. Further, since the heat resistance is also high, the heat sink fins of the heat sink can be miniaturized and the water cooling part can be air cooled, so that the semiconductor module including those configurations can be further miniaturized. Furthermore, since the power loss is low, it is possible to increase the efficiency of the switching element and the diode element, and consequently to increase the efficiency of the semiconductor module. In this case, it is desirable that both the switching elements SW1 to SW12 and the diode element (free wheel diode) are formed of a wide band gap semiconductor, but either one of the elements is formed of a wide band gap semiconductor. It may be.

2 P母線
4 N母線
6 フィルタコンデンサ
10、20、30 インバータ
12、22、112、212、312、612、712 クランプ回路
14、114、214、314、614、714 高電圧スイッチング素子
16、116、216、316、616、716 高電圧ツェナーダイオード
402、502 Pバスバー
404、504 Nバスバー
412 モールド樹脂
413、513 電極
512 保護チップ
C1、C2、C3、C11、C61、C62、C71、C72 コンデンサ
M1、M2、M3 モータ
R1、R11、R3、R7 抵抗
SW1〜12 スイッチング素子
2 P bus 4 N bus 6 Filter capacitor 10, 20, 30 Inverter 12, 22, 112, 212, 312, 612, 712 Clamp circuit 14, 114, 214, 314, 614, 714 High voltage switching elements 16, 116, 216 316, 616, 716 High voltage Zener diode 402, 502 P bus bar 404, 504 N bus bar 412 Mold resin 413, 513 Electrode 512 Protection chip C1, C2, C3, C11, C61, C62, C71, C72 Capacitors M1, M2, M3 Motors R1, R11, R3, R7 Resistance SW1-12 Switching element

Claims (10)

PN母線に接続された1つ以上の第1の主スイッチング素子を備える第1インバータと、
前記PN母線に接続された1つ以上の第2の主スイッチング素子を備える第2インバータと、
前記PN母線における前記第1インバータと前記第2インバータの間に接続されたクランプ回路であって、制御端子および前記制御端子により接続と遮断が切り替えられる2つの端子を備えかつ前記2つの端子のうち一方の端子が前記P母線と接続しかつ他方の端子が前記N母線と接続するスイッチング素子と、カソードが前記PN母線におけるP母線に接続しアノードが前記スイッチング素子の前記制御端子に接続するツェナーダイオードと、を含むクランプ回路と、
を備えることを特徴とするインバータ装置。
A first inverter comprising one or more first main switching elements connected to a PN bus;
A second inverter comprising one or more second main switching elements connected to the PN bus;
A clamp circuit connected between the first inverter and the second inverter in the PN bus, comprising a control terminal and two terminals that are switched between connection and disconnection by the control terminal, and of the two terminals A switching element having one terminal connected to the P bus and the other terminal connected to the N bus; a Zener diode having a cathode connected to the P bus in the PN bus and an anode connected to the control terminal of the switching element A clamp circuit including:
An inverter device comprising:
前記クランプ回路が、前記ツェナーダイオードおよび前記スイッチング素子を備える1つのクランプ装置として提供されたものであり、
前記クランプ装置の対向する2つの面の1つに前記P母線に接続すべき端子電極が形成され前記2つの面の他の1つに前記N母線に接続すべき端子電極が形成されたものであって、
前記モールド樹脂封止体の前記2つの面を挟み込む一対のバスバーを備え、
前記一対のバスバーのうち一方が前記P母線に接続され、前記一対のバスバーのうち他方が前記N母線に接続されたことを特徴とする請求項1に記載のインバータ装置。
The clamp circuit is provided as one clamp device including the Zener diode and the switching element,
A terminal electrode to be connected to the P bus is formed on one of two opposing surfaces of the clamping device, and a terminal electrode to be connected to the N bus is formed on the other one of the two surfaces. There,
A pair of bus bars sandwiching the two surfaces of the molded resin sealing body,
2. The inverter device according to claim 1, wherein one of the pair of bus bars is connected to the P bus, and the other of the pair of bus bars is connected to the N bus.
前記クランプ装置は、前記ツェナーダイオードおよび前記スイッチング素子を封止したつのモールド樹脂封止体であって、前記モールド樹脂封止体の対向する2つの面の1つに前記P母線に接続すべき端子電極が形成され前記2つの面の他の1つに前記N母線に接続すべき端子電極が形成されたものであることを特徴とする請求項2に記載のインバータ装置。   The clamp device is a mold resin sealing body that seals the Zener diode and the switching element, and is a terminal to be connected to the P bus on one of two opposing surfaces of the mold resin sealing body The inverter device according to claim 2, wherein an electrode is formed and a terminal electrode to be connected to the N bus is formed on the other one of the two surfaces. 前記クランプ装置は、前記ツェナーダイオードおよび前記スイッチング素子が形成された1つのチップであり、前記チップの対向する2つの面の1つに前記P母線に接続すべき端子電極が形成され前記2つの面の他の1つに前記N母線に接続すべき端子電極が形成されたものであることを特徴とする請求項2に記載のインバータ装置。   The clamp device is a single chip on which the Zener diode and the switching element are formed, and a terminal electrode to be connected to the P bus is formed on one of two opposing surfaces of the chip, and the two surfaces The inverter device according to claim 2, wherein a terminal electrode to be connected to the N bus is formed on the other one. 前記クランプ回路は、前記ツェナーダイオードと並列に接続するコンデンサを備えることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載のインバータ装置。   5. The inverter device according to claim 1, wherein the clamp circuit includes a capacitor connected in parallel with the Zener diode. 6. 前記クランプ回路は、第1の端子が前記ツェナーダイオードと前記スイッチング素子の制御端子との間に接続し、かつ第2の端子が前記N母線と接続する、2以上のコンデンサの直列接続回路をさらに備えることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載のインバータ装置。   The clamp circuit further includes a series connection circuit of two or more capacitors in which a first terminal is connected between the Zener diode and a control terminal of the switching element, and a second terminal is connected to the N bus. The inverter device according to claim 1, comprising the inverter device. 前記スイッチング素子は、IGBTまたはバイポーラトランジスタであることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載のインバータ装置。   The inverter device according to claim 1, wherein the switching element is an IGBT or a bipolar transistor. 前記スイッチング素子は、SiC−MOSFETであることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載のインバータ装置。   The inverter device according to claim 1, wherein the switching element is a SiC-MOSFET. 前記第1インバータは、
それぞれがフリーホイールダイオードを備える3つのローサイドスイッチング素子からなる第1ローサイドスイッチング素子群と、
それぞれがフリーホイールダイオードを備えそれぞれが前記3つのローサイドスイッチング素子と接続した3つのハイサイドスイッチング素子からなる第1ハイサイドスイッチング素子群と、
を前記1つ以上の第1の主スイッチング素子として備えた三相インバータであり、
前記第2インバータは、
それぞれがフリーホイールダイオードを備える3つのローサイドスイッチング素子からなる第2ローサイドスイッチング素子群と、
それぞれがフリーホイールダイオードを備え前記3つのローサイドスイッチング素子と接続した3つのハイサイドスイッチング素子からなる第2ハイサイドスイッチング素子群と、
を前記1つ以上の第2の主スイッチング素子として備えた三相インバータであり、
前記クランプ回路は、前記第1ローサイドスイッチング素子群のうち1つの主スイッチング素子におけるオンからオフへの遷移のタイミングであって、前記第2ローサイドスイッチング素子群のうち1つの主スイッチング素子におけるオンからオフへの遷移のタイミングにおいて、前記第1ハイサイドスイッチング素子群と前記P母線との接続部におけるスイッチングサージ電圧をクランプすることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載のインバータ装置。
The first inverter is
A first low-side switching element group consisting of three low-side switching elements each comprising a freewheel diode;
A first high-side switching element group comprising three high-side switching elements each comprising a freewheel diode and each connected to the three low-side switching elements;
Is a three-phase inverter comprising the one or more first main switching elements,
The second inverter is
A second low side switching element group comprising three low side switching elements each comprising a freewheel diode;
A second high-side switching element group comprising three high-side switching elements each having a freewheel diode and connected to the three low-side switching elements;
Is a three-phase inverter provided as the one or more second main switching elements,
The clamp circuit is a timing of transition from on to off in one main switching element of the first low side switching element group, and is on to off in one main switching element of the second low side switching element group. The inverter device according to any one of claims 1 to 8, wherein a switching surge voltage at a connection portion between the first high-side switching element group and the P bus is clamped at a timing of transition to the inverter. .
前記クランプ回路は、前記ツェナーダイオードのツェナ電圧と前記高電圧スイッチング素子のターンオン電圧との合計値であるVpnに前記P母線と前記N母線の間の電圧が達した場合に、前記クランプ回路の前記スイッチング素子がオンとなるものであり、
前記Vpnの下限の電圧値は、前記P母線と前記N母線との間における前記第1インバータまたは前記第2インバータのスイッチングサージ現象に応じた電圧の値に基づいて定めた値であり、
前記Vpnの上限の電圧値は、前記第1の主スイッチング素子および前記第2の主スイッチング素子の耐電圧以下であることを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1項に記載のインバータ装置。
When the voltage between the P bus line and the N bus line reaches Vpn which is a total value of the Zener voltage of the Zener diode and the turn-on voltage of the high voltage switching element, the clamp circuit The switching element is turned on,
The lower limit voltage value of Vpn is a value determined based on a voltage value corresponding to a switching surge phenomenon of the first inverter or the second inverter between the P bus and the N bus,
10. The inverter device according to claim 1, wherein an upper limit voltage value of the Vpn is equal to or lower than a withstand voltage of the first main switching element and the second main switching element. 11. .
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