JP2017017839A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、一般に半導体装置に関し、より詳細には、直流電源からの電力を変換する電力変換装置に用いられる半導体装置に関する。 The present invention generally relates to semiconductor devices, and more particularly to a semiconductor device used in a power conversion device that converts power from a DC power supply.
従来、直流電源からの電力を変換する電力変換装置が知られており、たとえば特許文献1に開示されている。特許文献1に記載の電力変換装置は、太陽光による直流電源の電圧を昇圧する昇圧回路と、昇圧回路をバイパスさせるバイパス回路とを備える。バイパス回路は、リレーからなる。
2. Description of the Related Art Conventionally, a power conversion device that converts power from a DC power source is known and disclosed in, for example,
この電力変換装置では、直流電源の電圧が所定の電圧を超えるとき、昇圧回路のスイッチのオン/オフ動作を停止して昇圧動作を停止すると共に、バイパス回路により昇圧回路をバイパスする。このように、この電力変換装置は、昇圧停止の際に昇圧回路を構成する部品の導通損失を低減して、変換効率の向上を図っている。 In this power conversion device, when the voltage of the DC power supply exceeds a predetermined voltage, the switch on / off operation of the booster circuit is stopped to stop the booster operation, and the booster circuit is bypassed by the bypass circuit. As described above, this power conversion device reduces the conduction loss of the components constituting the booster circuit when the boosting is stopped, thereby improving the conversion efficiency.
上記従来例において、昇圧回路(変換回路)を半導体装置として構成することが考えられる。ここで、上記従来例では、リレーからなるバイパス回路と、半導体装置からなる昇圧回路とを個別に構成した場合、昇圧回路をバイパスする経路(バイパス経路)の配線長が長くなり、配線インピーダンスが大きくなる可能性がある。この場合、配線インピーダンスが大きいことに起因して、バイパス経路で発生し得る損失やノイズが大きくなるという問題があった。 In the above conventional example, it is conceivable to configure the booster circuit (conversion circuit) as a semiconductor device. Here, in the above conventional example, when the bypass circuit composed of the relay and the booster circuit composed of the semiconductor device are individually configured, the wiring length of the path bypassing the booster circuit (bypass path) is increased, and the wiring impedance is increased. There is a possibility. In this case, there is a problem that loss and noise that may occur in the bypass path increase due to the large wiring impedance.
本発明は、上記の点に鑑みてなされており、変換回路をバイパスするバイパス経路で発生し得るノイズや損失を低減することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above points, and an object thereof is to reduce noise and loss that may occur in a bypass path that bypasses a conversion circuit.
本発明の半導体装置は、一対の第1端子間に入力される直流電圧を変換して一対の第2端子間に出力する変換回路の一部であって、スイッチング制御されるスイッチング素子と、前記一対の第1端子と前記一対の第2端子との間において、前記変換回路をバイパスするバイパス経路を開閉するバイパススイッチと、前記スイッチング素子および前記バイパススイッチが内蔵されるパッケージとを備えることを特徴とする。 The semiconductor device of the present invention is a part of a conversion circuit that converts a DC voltage input between a pair of first terminals and outputs the converted voltage between a pair of second terminals, the switching element being controlled for switching, A bypass switch that opens and closes a bypass path that bypasses the conversion circuit between the pair of first terminals and the pair of second terminals, and a package that includes the switching element and the bypass switch. And
本発明は、変換回路をバイパスするバイパス経路で発生し得るノイズや損失を低減することができる。 The present invention can reduce noise and loss that may occur in a bypass path that bypasses the conversion circuit.
本発明の実施形態に係る半導体装置1は、図1に示すように、電力変換装置10に用いられる。電力変換装置10は、一対の第1端子T11,T12と、一対の第2端子T21,T22と、スイッチング素子Q1を有する変換回路3と、バイパススイッチ4と、制御回路5とを備えている。
A
変換回路3は、一対の第1端子T11,T12間に入力される直流電圧を変換して一対の第2端子T21,T22間に出力する。ここで、「直流電圧を変換」とは、「電圧のレベルの変換」(昇圧、降圧)である。つまり、変換回路3は、一対の第1端子T11,T12間に入力される直流電圧を変換し、変換後の直流電圧を一対の第2端子T21,T22間に出力する。
The
スイッチング素子Q1は、変換回路3の一部であって、スイッチング制御される。バイパススイッチ4は、一対の第1端子T11,T12と一対の第2端子T21,T22との間において、変換回路3をバイパスするバイパス経路S1を開閉する。制御回路5は、変換回路3およびバイパススイッチ4を制御する。
The switching element Q1 is a part of the
本実施形態の半導体装置1は、図1,2に示すように、上記の変換回路3のスイッチング素子Q1と、バイパススイッチ4と、パッケージ1Aとを備えている。そして、パッケージ1Aには、スイッチング素子Q1およびバイパススイッチ4が内蔵される。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
<電力変換装置の構成>
まず、本実施形態の半導体装置1が用いられる電力変換装置10について、より詳細に説明する。以下の説明では、一対の第1端子T11,T12間に入力される直流電圧を「入力電圧V1」、一対の第1端子T11,T12を流れる電流を「入力電流」という。また、以下の説明では、一対の第2端子T21,T22間から出力される電圧を「出力電圧V2」という。さらに、「端子」は、必ずしも、電線を接続するための部品として実体を有しなくてもよく、たとえば電子部品のリードや、回路基板に含まれる導体の一部であってもよい。
<Configuration of power converter>
First, the
一対の第1端子T11,T12には、図1に示すように、直流電源6が接続されている。なお、端子や電子部品、電線等についての「接続」は、電気的な接続を含んでいる。このため、一対の第1端子T11,T12間には、直流電源6から直流電圧が入力される。ここでは、直流電源6として太陽電池を想定しているが、蓄電池や燃料電池などであってもよい。つまり、直流電源6は、直流電圧を発生する電源であればよい。
As shown in FIG. 1, a
一対の第2端子T21,T22には、インバータ回路7が接続されている。このため、一対の第2端子T21,T22から出力される直流電圧がインバータ回路7に入力される。インバータ回路7は、たとえば4つのスイッチング素子からなるフルブリッジ・インバータであり、出力電圧V2を交流電圧に変換する。インバータ回路7の出力する交流電圧は負荷8に供給される。
The
負荷8は、交流電圧を受けて動作する機器や、電力系統である。もちろん、負荷8は、直流電圧を受けて動作する機器であってもよい。この場合、インバータ回路7は不要である。負荷8が電力系統である場合、インバータ回路7は、電力系統の系統電圧の位相と同期した電流が流れるように制御される。
The
一対の第1端子T11,T12間には、入力キャパシタC1が接続されている。また、一対の第2端子T21,T22間には、出力キャパシタC2が接続されている。入力キャパシタC1は、入力電圧V1を安定化する機能を有する。出力キャパシタC2は、出力電圧V2を安定化する機能を有する。また、入力キャパシタC1および出力キャパシタC2は、バイパススイッチ4のスイッチング制御により生じるノイズを吸収する。
An input capacitor C1 is connected between the pair of first terminals T11 and T12. An output capacitor C2 is connected between the pair of second terminals T21 and T22. The input capacitor C1 has a function of stabilizing the input voltage V1. The output capacitor C2 has a function of stabilizing the output voltage V2. Further, the input capacitor C1 and the output capacitor C2 absorb noise generated by switching control of the
変換回路3は、昇圧型のDC/DCコンバータであり、リアクトルL1と、ダイオードD1と、スイッチング素子Q1とで構成されている。リアクトルL1の両端のうち、第1端は高電位側の第1端子T11に接続され、第2端はダイオードD1のアノードに接続されている。ダイオードD1のカソードは、高電位側の第2端子T21に接続されている。
The
スイッチング素子Q1は、エンハンスメント型のnチャネルMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)からなる。スイッチング素子Q1のソースは、低電位側の第1端子T12および第2端子T22に接続されている。スイッチング素子Q1のドレインは、リアクトルL1の第2端およびダイオードD1のアノードに接続されている。スイッチング素子Q1は、制御回路5から与えられる制御信号によりオン/オフする。なお、スイッチング素子Q1はMOSFETに限定されず、たとえばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor:絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)やバイポーラトランジスタなどの他の半導体スイッチ素子であってもよい。
The switching element Q1 is composed of an enhancement type n-channel MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor). The source of the switching element Q1 is connected to the first terminal T12 and the second terminal T22 on the low potential side. The drain of the switching element Q1 is connected to the second end of the reactor L1 and the anode of the diode D1. The switching element Q1 is turned on / off by a control signal supplied from the
変換回路3は、出力電圧V2が安定するように、入力電圧V1を昇圧して出力する。ここで、「出力電圧V2が安定する」とは、出力電圧V2の電圧値が大幅に変動しないように出力電圧V2の電圧値の変動が抑制されている状態を意味し、出力電圧V2が定電圧に維持される状態だけでなく、出力電圧V2がある範囲に収まる状態を含む。たとえば、負荷8が電力系統であれば、変換回路3は、出力電圧V2が基準電圧以上となるように(つまり、出力電圧V2が系統電圧よりも高くなるように)入力電圧V1を昇圧する。基準電圧は、たとえば330〔V〕である。
The
バイパススイッチ4は、エンハンスメント型のnチャネルMOSFETからなる。バイパススイッチ4のソースは、高電位側の第1端子T11およびリアクトルL1の第1端に接続されている。バイパススイッチ4のドレインは、高電位側の第2端子T21およびダイオードD1のカソードに接続されている。また、バイパススイッチ4のドレイン−ソース間には、ダイオード41が接続されている。ダイオード41は、アノードがバイパススイッチ4のソースに、カソードがバイパススイッチ4のドレインに接続されている。ここでは、ダイオード41は、バイパススイッチ4の寄生ダイオードである。
The
バイパススイッチ4は、変換回路3のリアクトルL1およびダイオードD1の直列回路と並列に接続されている。言い換えれば、バイパススイッチ4は、一対の第1端子T11,T12と一対の第2端子T21,T22との間において、変換回路3をバイパスするバイパス経路S1に設けられている。そして、バイパススイッチ4は、制御回路5から与えられる駆動信号によりオン/オフすることで、バイパス経路S1を開閉する。
The
なお、バイパススイッチ4はMOSFETに限定されず、たとえばIGBT、RB−IGBT(Reverse Blocking IGBT:逆阻止IGBT)、バイポーラトランジスタ、トライアックなどの他の半導体スイッチ素子であってもよい。その他、バイパススイッチ4は、GaN(窒化ガリウム)系の半導体スイッチング素子であってもよい。
The
制御回路5は、たとえばマイコン(マイクロコンピュータ)やDSP(Digital Signal Processor)を主構成としており、メモリに記憶されているプログラムを実行することにより各種処理を実行する。プログラムは、電気通信回線を通して提供されてもよく、記憶媒体に記憶されて提供されてもよい。制御回路5は、変換回路3のスイッチング素子Q1に制御信号を与え、オン/オフを切り替えることで変換回路3を制御する。この制御信号は、PWM(Pulse Width Modulation)信号である。なお、制御信号はPWM信号に限定されず、たとえばPFM(Pulse Frequency Modulation)信号やPAM(Pulse Amplitude Modulation)信号であってもよい。
The
制御回路5は、バイパススイッチ4に駆動信号を与え、オン/オフを切り替えることでバイパススイッチ4を制御する。具体的には、制御回路5は、一対の第1端子T11,T12間に入力される電圧(入力電圧V1)が目標範囲に収まっているときに、バイパススイッチ4をオンにする制御を実行する。ここで、目標範囲の上限は、有限ではなく無限大であってもよい。たとえば、制御回路5は、「入力電圧V1が目標電圧以上である」ときに「入力電圧V1が目標範囲に収まっている」として、バイパススイッチ4をオンにする。目標電圧は、出力電圧V2に応じて設定される。負荷8が電力系統であれば、出力電圧V2がたとえば330〔V〕以上となればよいので、目標電圧は330Vに設定されてもよい。
The
電力変換装置10は、インバータ回路7を含めてパワーコンディショナを構成している。このパワーコンディショナは、定常時、系統連系運転を行い、直流電源6から入力される直流電力を交流電力に変換し、負荷8である電力系統へ出力する。また、パワーコンディショナは、電力系統の停電等の異常時には、解列器を開放し、電力系統から解列された状態で交流電力を出力する自立運転を行うように構成されている。なお、電力変換装置10の用途は、パワーコンディショナに限定されるわけではない。
The
<電力変換装置の動作>
以下、電力変換装置10の動作について説明する。以下の説明では、直流電源6が太陽電池、負荷8が電力系統であると仮定する。また、以下の説明では、制御回路5が入力電圧V1を監視していると仮定する。
<Operation of power converter>
Hereinafter, the operation of the
入力電圧V1が目標電圧を下回っているとき、制御回路5は、変換回路3のスイッチング素子Q1を制御することで、入力電圧V1を昇圧させる。つまり、日射量が少ない場合など直流電源6の電源電圧が目標電圧を下回っているときは、変換回路3が動作する。このとき、制御回路5は、バイパススイッチ4がオフとなるように制御する。したがって、入力電圧V1が目標電圧を下回っているときは、バイパス経路S1が開くため、バイパス経路S1には電流が流れない。また、このときは、入力電圧V1が出力電圧V2よりも小さいので、ダイオード41には電流が流れない。
When the input voltage V1 is lower than the target voltage, the
入力電圧V1が目標電圧以上になったとき、入力電圧V1を昇圧させる必要がないため、制御回路5は、変換回路3のスイッチング素子Q1の制御を停止する。つまり、十分な日射量があるために直流電源6の電源電圧が目標電圧以上になったときは、変換回路3の動作が停止する。このとき、制御回路5は、バイパススイッチ4がオンとなるように制御する。したがって、入力電圧V1が目標電圧以上になったときは、バイパス経路S1が閉じ、バイパス経路S1に電流が流れる。そして、入力電流は、変換回路3のリアクトルL1およびダイオードD1の直列回路と、バイパス経路S1とに分かれて流れる。
When the input voltage V1 becomes equal to or higher than the target voltage, the
ここで、変換回路3の動作が停止しているときに、変換回路3(リアクトルL1およびダイオードD1)に電流が流れると、導通損失が生じて電力変換装置10の変換効率が低下する。そこで、電力変換装置10では、変換回路3の動作が停止しているときに、バイパス経路S1を閉じ、バイパス経路S1に電流を流して導通損失を低減することで、電力変換装置10の変換効率を向上させている。なお、バイパススイッチ4のオン抵抗は、変換回路3のリアクトルL1およびダイオードD1の直列回路の抵抗よりも小さいことが好ましい。この場合、入力電流の大部分がバイパス経路S1を流れるので、導通損失をより低減することができる。
Here, when the operation of the
<半導体装置の構成>
以下、本実施形態の半導体装置1について、より詳細に説明する。本実施形態の半導体装置1は、図1,2に示すように、変換回路3のスイッチング素子Q1と、変換回路3のダイオードD1と、バイパススイッチ4と、これらが内蔵されるパッケージ1Aとを備えた、いわゆるパワーモジュールである。なお、図2に示すパッケージ1Aの内部の構造は一例であり、この構造に限定する趣旨ではない。
<Configuration of semiconductor device>
Hereinafter, the
パッケージ1Aは、凹所を有し、凹所の底に複数の配線導体P1〜P5を有している。そして、パッケージ1Aは、たとえばシリコーン樹脂などの絶縁材を凹所に充填することで構成されている。パッケージ1Aの配線導体P1〜P5のうち配線導体P2,P3,P5には、それぞれスイッチング素子Q1、ダイオードD1、バイパススイッチ4がベアチップ実装されている。言い換えれば、パッケージ1Aには、スイッチング素子Q1と、ダイオードD1と、バイパススイッチ4とが内蔵されている。
The
配線導体P1〜P5は、たとえばセラミック、アルミニウム、銅などの熱抵抗の低い材料により形成されている。配線導体P2に実装されるスイッチング素子Q1と、配線導体P1,P3との間は、それぞれボンディングワイヤW1により接続されている。また、ダイオードD1およびバイパススイッチ4と、配線導体P4との間は、それぞれボンディングワイヤW1により接続されている。
The wiring conductors P1 to P5 are made of a material having a low thermal resistance such as ceramic, aluminum, or copper. The switching element Q1 mounted on the wiring conductor P2 and the wiring conductors P1 and P3 are respectively connected by bonding wires W1. The diode D1 and the
パッケージ1Aは、3つの入力端子11,12,13と、2つの出力端子21,22とを備えている。入力端子11は、高電位側の第1端子T11に接続されている。入力端子12は、リアクトルL1の第2端に接続されている。入力端子13は、低電位側の第1端子T12に接続されている。出力端子21は、高電位側の第2端子T21に接続されている。出力端子22は、低電位側の第2端子T22に接続されている。
The
入力端子11と出力端子21との間には、配線導体P4,P5およびボンディングワイヤW1を介して、バイパススイッチ4が接続されている。つまり、入力端子11と出力端子21との間は、バイパス経路S1の一部となっている。入力端子12と出力端子21との間には、配線導体P1,P3,P4およびボンディングワイヤW1を介して、スイッチング素子Q1およびダイオードD1の直列回路が接続されている。また、入力端子13と出力端子22との間は、配線導体P2により接続されている。
A
<比較例>
以下、比較例の半導体装置100について説明する。ただし、以下の説明では、実施形態の半導体装置1と共通する構成について説明を適宜省略する。比較例の半導体装置100は、図3に示すように、パッケージ1Aにバイパススイッチ4が内蔵されていない点で、本実施形態の半導体装置1と異なっている。
<Comparative example>
Hereinafter, the
パッケージ1Aは、2つの入力端子101,102と、2つの出力端子111,112とを備えている。入力端子101は、リアクトルL1の第2端に接続されている。入力端子102は、低電位側の第1端子T12に接続されている。出力端子111は、高電位側の第2端子T21に接続されている。出力端子112は、低電位側の第2端子T22に接続されている。
The
入力端子101と出力端子111との間には、配線導体P1,P3,P4およびボンディングワイヤW1を介して、スイッチング素子Q1およびダイオードD1の直列回路が接続されている。また、入力端子102と出力端子112との間は、配線導体P2により接続されている。
A series circuit of a switching element Q1 and a diode D1 is connected between the
バイパススイッチ4は、ディスクリート部品120で構成されている。ディスクリート部品120の第1端子は、パッケージ1Aの外側において、入力キャパシタC1およびリアクトルL1の接続点に接続されている。また、ディスクリート部品120の第2端子は、出力キャパシタC2および出力端子111の接続点に接続されている。
The
ここで、電力変換装置10は、たとえば、入力キャパシタC1、出力キャパシタC2、変換回路3、バイパススイッチ4などをプリント基板に実装することで構成される。そして、電力変換装置10に比較例の半導体装置100を用いる場合、バイパススイッチ4を含むバイパス経路S1を構成するには、比較例の半導体装置100を迂回してプリント基板上に配線を形成する必要がある。
Here, the
このため、比較例の半導体装置100を用いた電力変換装置10では、バイパス経路S1の配線長が長くなり、配線インピーダンスが大きくなる。そして、この場合、配線インピーダンスが大きいことに起因して、バイパス経路S1で発生し得る損失やノイズが大きくなる。
For this reason, in the
<効果>
本実施形態の半導体装置1では、変換回路3のスイッチング素子Q1とバイパススイッチ4とが1つのパッケージ1Aに内蔵されている。このため、本実施形態の半導体装置1では、半導体装置1を迂回せずともバイパス経路S1を構成することができるので、比較例の半導体装置100と比べて、バイパス経路S1の配線長を短くすることができる。その結果、本実施形態の半導体装置1では、比較例の半導体装置100と比べて、バイパス経路S1の配線インピーダンスを小さくすることができる。したがって、本実施形態の半導体装置1では、比較例の半導体装置100と比べて、変換回路3をバイパスするバイパス経路S1で発生し得る損失やノイズを低減することができる。
<Effect>
In the
また、本実施形態の半導体装置1では、熱抵抗が低いため、熱が分散し易く、一部の素子(たとえば、スイッチング素子Q1)のみが高温になるのを防止することができる。さらに、本実施形態の半導体装置1は、上述したように、熱が分散し易い構成であるため、パッケージ1Aに内蔵された複数の素子(たとえば、スイッチング素子Q1など)の温度にバラつきが生じ難い。したがって、本実施形態の半導体装置1では、たとえばサーミスタをパッケージ1Aに内蔵すれば、パッケージ1Aに内蔵された複数の素子の温度を一括して監視することができる。
Further, in the
また、本実施形態の半導体装置1では、パッケージ1Aは、出力キャパシタC2およびバイパススイッチ4の接続点が内蔵されている。したがって、本実施形態の半導体装置1では、パッケージ1Aの外側で出力キャパシタC2とバイパススイッチ4とを接続する場合と比べて、バイパス経路S1の配線が容易である。なお、当該構成を採用するか否かは任意である。
Further, in the
また、本実施形態の半導体装置1では、配線導体P1〜P4は、パッケージ1A内の短手方向の中央(図2における上下方向の中央)において、入力端子12、スイッチング素子Q1、ダイオードD1、出力端子21が並ぶ方向に沿って配置されている。また、配線導体P2は、パッケージ1A内の短手方向における入力端子13側(図2における下側)において、入力端子13と出力端子22とが並ぶ方向に沿って配置されている。さらに、配線導体P4,P5は、パッケージ1A内の短手方向における入力端子11側(図2における上側)において、入力端子11とバイパススイッチ4とが並ぶ方向に沿って配置されている。そして、配線導体P4は、パッケージ1Aの短手方向における入力端子11側の部分と、パッケージ1Aの短手方向における中央部分とが繋がっており、上述の出力キャパシタC2およびバイパススイッチ4の接続点となっている。
Further, in the
このため、本実施形態の半導体装置1では、パッケージ1A内におけるバイパス経路S1の配線長を短くすることができるので、結果として、バイパス経路S1全体の配線長を短くすることができる。
For this reason, in the
ところで、変換回路3では、スイッチング素子Q1のオン/オフを切り替える際にスイッチング損失が生じる。また、変換回路3では、スイッチング素子Q1に電流が流れる際に導通損失が生じる。そして、変換回路3では、スイッチング素子Q1のオン/オフを切り替える頻度が高いため、損失全体に占める割合は、スイッチング損失が導通損失よりも大きい。
Incidentally, in the
一方、バイパススイッチ4でも、オン/オフを切り替える際にスイッチング損失が、電流が流れる際に導通損失が生じる。そして、バイパス経路S1の開閉を頻繁に行うことが殆どないため、バイパススイッチ4は、変換回路3のスイッチング素子Q1と比べてオン/オフを切り替える頻度が低い。このため、バイパススイッチ4では、損失全体に占める割合は、導通損失がスイッチング損失よりも大きい。
On the other hand, also in the
そこで、本実施形態の半導体装置1において、変換回路3のスイッチング素子Q1は、バイパススイッチ4よりもスイッチング速度の速い素子であることが好ましい。この場合、スイッチング素子Q1のスイッチング損失を抑えることができるので、損失全体のうち支配的な損失を抑えることで高効率化を図ることができる。また、バイパススイッチ4には、スイッチング素子Q1と比べてスイッチング速度の遅い素子を用いることができるので、コストを低減することができる。なお、当該構成を採用するか否かは、任意である。
Therefore, in the
<キャパシタ>
ところで、電力変換装置10は、図4に示すように、キャパシタ42をさらに備えていてもよい。キャパシタ42は、バイパススイッチ4に並列に接続される。キャパシタ42は、通常、突入電流に対するインピーダンスが、バイパススイッチ4の突入電流に対するインピーダンスよりも小さい。したがって、この電力変換装置10では、突入電流をキャパシタ42に流すことができるので、バイパススイッチ4に突入電流が流れるのを防止することができる。
<Capacitor>
Incidentally, the
ここで、本実施形態の半導体装置1では、パッケージ1Aは、バイパススイッチ4に並列に接続されるキャパシタ42を含むサブ経路S11を有していてもよい。そして、サブ経路S11の少なくとも一部がパッケージ1Aに内蔵されていてもよい。
Here, in the
たとえば、図5に示すように、キャパシタ42が、パッケージ1Aに内蔵されていてもよい。この構成では、キャパシタ42をディスクリート部品としてパッケージ1Aの外側に配置する場合と比べて、キャパシタ42が接続される配線の長さを短くすることができる。このため、この構成では、キャパシタ42を通る経路の配線インピーダンスを小さくすることができ、バイパススイッチ4に突入電流が流れるのをより効果的に防止することができる。
For example, as shown in FIG. 5, the
また、サブ経路S11は、図6に示すように、接続端子14,15,16を含んでいてもよい。接続端子14,15,16は、その一端がパッケージ1Aに内蔵され、他端がパッケージ1Aの外側においてキャパシタ42に接続される。この構成では、キャパシタ42はディスクリート部品であり、接続端子14,15の間に接続される。また、接続端子16は、配線導体P2により、入力端子13および出力端子22と接続される。そして、接続端子15と接続端子16との間に、キャパシタ421が接続される。キャパシタ421もディスクリート部品である。
Further, the sub-path S11 may include
この構成では、突入電流が生じた際に、突入電流がループA1を流れる。ループA1は、入力端子11、配線導体P5、接続端子14、キャパシタ42、接続端子15、キャパシタ421、接続端子16、配線導体P2、入力端子13、キャパシタC1、入力端子11の順に電流が流れるループである。ループA1は、キャパシタC2を通るループA2よりも短くなる。ループA2は、入力端子11、配線導体P5、接続端子14、キャパシタ42、接続端子15、配線導体P4、出力端子21、キャパシタC2、出力端子22、配線導体P2、入力端子13、キャパシタC1、入力端子11を順に流れるループである。
In this configuration, when an inrush current occurs, the inrush current flows through the loop A1. The loop A1 is a loop in which current flows in the order of the
このように、この構成では、突入電流が生じた際に、突入電流がキャパシタ42を通って流れるループを短くすることができるので、当該ループにおける配線インピーダンスを小さくすることができる。つまり、この構成では、突入電流が生じた際に、配線インピーダンスの小さいキャパシタ42を通る経路に突入電流が流れ易くなるため、突入電流を抑制する効果を高めることができる。また、この構成では、配線導体P2のうち接続端子16と接続される部分は、バイパス経路S1の一部を構成する複数(ここでは2つ)の配線導体P4,P5の間に延びて配置されている。言い換えれば、配線導体P2は、配線導体P4,P5の間を通して、入力端子13と接続端子16との間の経路を構成している。したがって、この構成では、配線導体P2をパッケージ1Aの出力端子21,22側の一辺に沿わせて配置する場合と比較して、キャパシタ42を通る経路をより短くすることができる。
Thus, in this configuration, when an inrush current is generated, the loop in which the inrush current flows through the
なお、この構成では、キャパシタ421を備えているが、キャパシタ421を備えない構成においても、突入電流がキャパシタ42を通って流れるループを短くすることができる。
In this configuration, the
<ダイオード>
本実施形態の半導体装置1では、パッケージ1Aは、ダイオード41をさらに内蔵している。とくに、本実施形態の半導体装置1では、ダイオード41は、図1に示すように、バイパススイッチ4の寄生ダイオードである。既に述べたように、ダイオード41のアノードは、バイパススイッチ4のソースに接続されている。また、ダイオード41のカソードは、バイパススイッチ4のドレインに接続されている。つまり、ダイオード41は、バイパススイッチ4に並列に接続されている。
<Diode>
In the
本実施形態の半導体装置1では、制御回路5が、ダイオード41が導通してからバイパススイッチ4をオンに制御することで、いわゆる同期整流を実現することができる。また、ダイオード41が導通してからバイパススイッチ4がオンになるので、バイパススイッチ4の両端の電位差(ドレインとソースとの電位差)を小さくした状態でオンにでき、バイパススイッチ4に過大な電流が流れるのを防止することができる。
In the
また、本実施形態の半導体装置1がキャパシタ42をさらに備える構成であれば、バイパススイッチ4の寄生ダイオードと、キャパシタ42とが並列に接続される構成となる。言い換えれば、ダイオード41およびキャパシタ42が、バイパススイッチ4に並列に接続される。
Further, if the
もちろん、ダイオード41は、図7に示すように、寄生ダイオードの代わりに、バイパススイッチ4とは別の部品であってもよい。この場合、ダイオード41がバイパススイッチ4よりも突入電流に対する耐性が優れているのが好ましい。つまり、直流電源6の電源投入時や直流電源6の電源電圧の変動により生じる突入電流をダイオード41に流すことができるので、バイパススイッチ4に突入電流が流れるのを防止することができる。その他、本実施形態の半導体装置1は、バイパススイッチ4の寄生ダイオードと別に、さらにダイオード41を備えていてもよい。
Of course, as shown in FIG. 7, the
本実施形態の半導体装置1では、ダイオード41をディスクリート部品としてパッケージ1Aの外側に配置する場合と比べて、ダイオード41が接続される配線の長さを短くすることができる。このため、本実施形態の半導体装置1では、ダイオード41を通る経路の配線インピーダンスを小さくすることができ、バイパススイッチ4に過大な電流が流れるのをより効果的に防止することができる。なお、ダイオード41を備えるか否かは任意である。また、ダイオード41をパッケージ1Aに内蔵するか否かも任意である。
In the
<電流センサ>
また、本実施形態の半導体装置1では、パッケージ1Aは、図8Aに示すように、電流センサ43をさらに内蔵していてもよい。電流センサ43は、入力端子11とバイパススイッチ4との間に設けられており、バイパス経路S1を流れる電流を検出する機能を有している。電流センサ43は、たとえばシャント抵抗を用いて構成され、検出値(電流値)に応じた信号を、制御回路5に出力する。そして、制御回路5は、電流センサ43の検出結果に応じてバイパススイッチ4を制御する。
<Current sensor>
In the
具体的には、制御回路5は、電流センサ43の検出値を所定の電流値と比較する。そして、制御回路5は、バイパス経路S1に電流が流れているときに、当該検出値が所定の電流値を上回ると、バイパススイッチ4をオフに制御する。この構成では、電流センサ43により、バイパススイッチ4に過大な電流が流れるのを防止することができる。
Specifically, the
また、この構成では、バイパススイッチ4がダイオード41(寄生ダイオード)を備えていれば、制御回路5は以下の制御が可能である。変換回路3が動作しているとき、入力電圧V1が出力電圧V2を下回っているので、ダイオード41は非導通であり、バイパス経路S1に電流が流れない。一方、変換回路3の動作が停止しているとき、入力電圧V1が出力電圧V2以上となるので、ダイオード41が導通し、バイパス経路S1に電流が流れる。したがって、制御回路5は、電流センサ43の検出結果により、変換回路3の動作が停止しているときにバイパススイッチ4をオンに制御することができる。
In this configuration, if the
また、この構成では、制御回路5は、電流センサ43で検出される電流の向きが逆向きであれば、バイパススイッチ4に異常が発生していると判定することができる。つまり、電流センサ43で検出される電流の向きが逆向きとなるのは、変換回路3が動作しているにも関わらずバイパススイッチ4がオンになっている場合であり、バイパススイッチ4に異常が発生しているからである。
In this configuration, the
ここで、電流センサ43をパッケージ1Aの外側に配置する場合、電流センサ43に接続される配線の長さが長くなるため、当該配線に流れる電流により誘起される電磁ノイズが電流センサ43に影響を及ぼす可能性がある。このノイズ対策としてフィルタ回路を設けることが考えられる。しかし、この場合、フィルタ回路により電流センサ43で検出される電流波形が鈍り、検出に要する時間が長くなってしまう。
Here, when the
一方、上記のように電流センサ43をパッケージ1Aに内蔵すれば、電流センサ43に接続される配線の長さが短くなるので、配線インピーダンスを小さくすることができる。その結果、当該配線に流れる電流により誘起される電磁ノイズも低減されるので、ノイズ対策としてのフィルタ回路の容量を下げることができ、電流センサ43が検出に要する時間を短くすることができる。
On the other hand, if the
また、電流センサ43は、バイパススイッチ4と一体に構成されていてもよい。たとえば図8Bに示すように、バイパススイッチ4がIGBTで構成されている場合、IGBTのエミッタ端子に接続されるセンス端子ST1を設け、このセンス端子ST1を電流センサ43としてもよい。つまり、センス端子ST1には、バイパススイッチ4のコレクタ−エミッタ間を流れる電流に比例した微小な電流が流れる。このため、この微小な電流によって生じるセンス端子ST1の出力を監視することで、バイパス経路S1を流れる電流を間接的に検出することが可能である。
Further, the
なお、制御回路5とは別に、電流センサ43の検出結果に応じてバイパススイッチ4を制御する過電流検出回路を設けてもよい。この場合、過電流検出回路は、パッケージ1Aに内蔵されていてもよい。
In addition to the
<変換回路>
上述の電力変換装置10では、変換回路3は昇圧型のDC/DCコンバータで構成されているが、他の構成であってもよい。以下、変換回路3の種々の構成について図9〜図11を用いて説明する。なお、図9〜図11では、電力変換装置10の構成の一部の図示を省略している。
<Conversion circuit>
In the
変換回路3は、たとえば図9に示すように、2つの昇圧回路31,32からなる、いわゆるシンメトリ形のDC/DCコンバータで構成されていてもよい。昇圧回路31は、リアクトルL1と、ダイオードD1と、スイッチング素子Q1とで構成されている。昇圧回路32は、リアクトルL2と、ダイオードD2と、スイッチング素子Q2とで構成されている。
For example, as shown in FIG. 9, the
リアクトルL1およびダイオードD1の直列回路は、高電位側の第1端子T11と第2端子T21との間に接続されている。リアクトルL2およびダイオードD2の直列回路は、低電位側の第1端子T12と第2端子T22との間に接続されている。また、ダイオードD1,D2は、互いに逆向きとなっている。 A series circuit of the reactor L1 and the diode D1 is connected between the first terminal T11 and the second terminal T21 on the high potential side. The series circuit of the reactor L2 and the diode D2 is connected between the first terminal T12 and the second terminal T22 on the low potential side. The diodes D1 and D2 are opposite to each other.
一対の第1端子T11,T12間には、入力キャパシタC11,C12の直列回路が接続されている。入力キャパシタC11,C12の接続点は、一対の第1端子T11,T12の中間に位置する端子T13に接続されている。一対の第2端子T21,T22間には、出力キャパシタC21,C22の直列回路が接続されている。出力キャパシタC21,C22の接続点は、一対の第2端子T21,T22の中間に位置する端子T23に接続されている。また、端子T13および端子T23には、スイッチング素子Q1のソースと、スイッチング素子Q2のドレインとが接続されている。 A series circuit of input capacitors C11 and C12 is connected between the pair of first terminals T11 and T12. A connection point between the input capacitors C11 and C12 is connected to a terminal T13 located between the pair of first terminals T11 and T12. A series circuit of output capacitors C21 and C22 is connected between the pair of second terminals T21 and T22. A connection point between the output capacitors C21 and C22 is connected to a terminal T23 located between the pair of second terminals T21 and T22. Further, the source of the switching element Q1 and the drain of the switching element Q2 are connected to the terminal T13 and the terminal T23.
この電力変換装置10は、昇圧回路31をバイパスするバイパス経路S1と、昇圧回路32をバイパスするバイパス経路S2とを有している。バイパス経路S1には、バイパススイッチ4Aが設けられている。バイパス経路S2には、バイパススイッチ4Bが設けられている。バイパススイッチ4A,4Bは、いずれもバイパススイッチ4と同じ機能を有する。また、バイパススイッチ4A,4Bは、互いに逆向きとなっている。
The
この変換回路3は、制御回路5がスイッチング素子Q1,Q2を制御することにより、出力電圧V2が安定するように、入力電圧V1を昇圧して出力する。また、この電力変換装置10では、制御回路5は、一対の第1端子T11,T12間に入力される電圧(入力電圧V1)が目標範囲に収まっているときに、バイパススイッチ4A,4Bをオンにする制御を実行する。
The
上記の変換回路3を採用する電力変換装置10において、本実施形態の半導体装置1は、変換回路3の2つのスイッチング素子Q1,Q2と、変換回路3の2つのダイオードD1,D2と、2つのバイパススイッチ4A,4Bとを備える。また、本実施形態の半導体装置1は、これらが内蔵される1つのパッケージ1Aを備える。なお、ダイオードD1,D2をパッケージ1Aに内蔵するか否かは任意である。
In the
また、変換回路3は、たとえば図10に示すように、降圧型のDC/DCコンバータで構成されていてもよい。この変換回路3は、リアクトルL1と、ダイオードD1と、スイッチング素子Q1とで構成されている。リアクトルL1の両端のうち、第1端はダイオードD1のカソードに接続され、第2端は高電位側の第2端子T21に接続されている。ダイオードD1のアノードは、低電位側の第1端子T12および第2端子T22に接続されている。スイッチング素子Q1のソースは、リアクトルL1の第1端およびダイオードD1のカソードに接続されている。スイッチング素子Q1のドレインは、高電位側の第1端子T11に接続されている。
Further, the
バイパススイッチ4のソースは、高電位側の第2端子T21およびリアクトルL1の第2端に接続されている。バイパススイッチ4のドレインは、高電位側の第1端子T11およびスイッチング素子Q1のドレインに接続されている。また、ダイオード41(寄生ダイオード)は、アノードが高電位側の第2端子T21に、カソードが高電位側の第1端子T11に接続されている。
The source of the
この変換回路3は、制御回路5がスイッチング素子Q1を制御することにより、出力電圧V2が安定するように、入力電圧V1を降圧して出力する。また、この電力変換装置10では、制御回路5は、一対の第1端子T11,T12間に入力される電圧(入力電圧V1)が目標範囲に収まっているときに、バイパススイッチ4をオンにする制御を実行する。たとえば、制御回路5は、「入力電圧V1が目標電圧以下である」ときに「入力電圧V1が目標範囲に収まっている」として、バイパススイッチ4をオンにする。
This
上記の変換回路3を採用する電力変換装置10において、本実施形態の半導体装置1は、変換回路3のスイッチング素子Q1と、変換回路3のダイオードD1と、バイパススイッチ4と、これらが内蔵される1つのパッケージ1Aとを備える。なお、ダイオードD1をパッケージ1Aに内蔵するか否かは任意である。
In the
さらに、変換回路3は、たとえば図11に示すように、双方向チョッパ回路で構成されていてもよい。この変換回路3は、リアクトルL1と、2つのスイッチング素子Q1,Q2とで構成されている。リアクトルL1の両端のうち、第1端は高電位側の第1端子T11に接続され、第2端はスイッチング素子Q1のドレインおよびスイッチング素子Q2のソースに接続されている。スイッチング素子Q1のソースは、低電位側の第1端子T12および第2端子T22に接続されている。スイッチング素子Q2のドレインは、高電位側の第2端子T21に接続されている。
Furthermore, the
この変換回路3をバイパスするバイパス経路S1に設けられるバイパススイッチ4は、双方向スイッチである。ここでは、バイパススイッチ4はRB−IGBTであるが、たとえば双方向GaN、トライアックなどの他の双方向スイッチであってもよい。また、この電力変換装置10では、直流電源6が蓄電池61、負荷8が電力系統81であるが、直流電源6および負荷8を限定する趣旨ではない。
The
この変換回路3は、制御回路5がスイッチング素子Q1,Q2を制御することにより、一対の第1端子T11,T12間に入力される直流電圧を変換して一対の第2端子T21,T22間に出力する機能を有する。また、この変換回路3は、さらに、一対の第2端子T21,T22間に入力される直流電圧を変換して一対の第1端子T11,T12間に出力する機能も有する。したがって、この電力変換装置10では、蓄電池61の充電および放電を行うことが可能である。
In the
なお、一対の第2端子T21,T22間に入力される直流電圧を変換して一対の第1端子T11,T12間に出力する場合でも、上述の電力変換装置10の構成を採用することが可能である。この場合は、上述の電力変換装置10の説明において、一対の第1端子T11,T12と一対の第2端子T21,T22とを互いに読み替えればよい。
Even when the DC voltage input between the pair of second terminals T21 and T22 is converted and output between the pair of first terminals T11 and T12, the configuration of the
また、この変換回路3において、バイパススイッチ4は双方向スイッチでなくてもよく、MOSFETであってもよい。ここで、双方向の耐圧特性を有する双方向スイッチをバイパススイッチ4として用いる場合、変換回路3は、たとえば双方向型の昇降圧チョッパ回路で構成されているのが好ましい。
In the
上記の変換回路3を採用する電力変換装置10において、本実施形態の半導体装置1は、変換回路3の2つのスイッチング素子Q1,Q2と、バイパススイッチ4と、これらが内蔵される1つのパッケージ1Aとを備える。
In the
以上、本発明の実施形態に係る半導体装置1および電力変換装置10について詳細に説明した。ただし、以上に説明した構成は、本発明の一例に過ぎず、本発明は上記の実施形態に限定されることはなく、上記実施形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能である。
The
たとえば、本実施形態の半導体装置1では、変換回路3のダイオードD1をパッケージ1Aに内蔵する構成であるが、少なくとも変換回路3のスイッチング素子Q1が内蔵されていればよく、ダイオードD1は内蔵されていなくてもよい。また、本実施形態の半導体装置1は、変換回路3のスイッチング素子Q1およびバイパススイッチ4のみならず、インバータ回路7もパッケージ1Aに内蔵する構成であってもよい。また、電力変換装置10は、いわゆるマルチストリング方式のパワーコンディショナである場合、複数のストリングにそれぞれ対応する複数の変換回路3を備える。この場合、本実施形態の半導体装置1は、複数の変換回路3のスイッチング素子Q1を、1つのパッケージ1Aに内蔵する構成であってもよい。
For example, the
10 電力変換装置
1 半導体装置
14,15,16 接続端子
1A パッケージ
3 変換回路
4 バイパススイッチ
41 ダイオード
42 キャパシタ
43 電流センサ
5 制御回路
Q1,Q2 スイッチング素子
S1,S2 バイパス経路
S11 サブ経路
T11,T12 一対の第1端子
T21,T22 一対の第2端子
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記一対の第1端子と前記一対の第2端子との間において、前記変換回路をバイパスするバイパス経路を開閉するバイパススイッチと、
前記スイッチング素子および前記バイパススイッチが内蔵されるパッケージとを備えることを特徴とする半導体装置。 A part of a conversion circuit that converts a DC voltage input between the pair of first terminals and outputs the DC voltage between the pair of second terminals, the switching element being controlled to be switched;
A bypass switch that opens and closes a bypass path that bypasses the conversion circuit between the pair of first terminals and the pair of second terminals;
A semiconductor device comprising: a package in which the switching element and the bypass switch are built.
前記サブ経路の少なくとも一部が前記パッケージに内蔵される
ことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。 A sub-path including a capacitor connected in parallel to the bypass switch;
The semiconductor device according to claim 1, wherein at least a part of the sub-path is built in the package.
前記接続端子は、その一端が前記パッケージに内蔵され、他端が前記パッケージの外側において前記キャパシタに接続される
ことを特徴とする請求項2記載の半導体装置。 The sub-path includes a connection terminal;
3. The semiconductor device according to claim 2, wherein one end of the connection terminal is built in the package, and the other end is connected to the capacitor outside the package.
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