JP2581504B2 - ハーフ・ブリッジ装置 - Google Patents
ハーフ・ブリッジ装置Info
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- H01L25/00—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof
- H01L25/03—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes
- H01L25/10—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices having separate containers
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- H02M7/538—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a push-pull configuration
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ハーフ・ブリッジを形
成する少なくとも２つの半導体スイッチを直列に接続
し、各半導体スイッチは駆動手段に接続された制御入力
端子を備え、各第１の半導体スイッチのソース端子が高
電位にあり、各第２の半導体スイッチのドレイン端子が
低電位にあり、各第１の半導体スイッチのドレイン端子
を各第２の半導体スイッチのソース端子に接続して出力
端子を構成し、少なくとも１つのコンデンサ・アセンブ
リを高および低電位の間に配置して、電力をスイッチン
グするためのハーフ・ブリッジ装置に関する。
成する少なくとも２つの半導体スイッチを直列に接続
し、各半導体スイッチは駆動手段に接続された制御入力
端子を備え、各第１の半導体スイッチのソース端子が高
電位にあり、各第２の半導体スイッチのドレイン端子が
低電位にあり、各第１の半導体スイッチのドレイン端子
を各第２の半導体スイッチのソース端子に接続して出力
端子を構成し、少なくとも１つのコンデンサ・アセンブ
リを高および低電位の間に配置して、電力をスイッチン
グするためのハーフ・ブリッジ装置に関する。
【０００２】なお、本明細書の記述は本件出願の優先権
の基礎たるドイツ国特許出願第ＤＥ４２ ３０ ５１
０．１号の明細書の記載に基づくものであって、当該ド
イツ国特許出願の番号を参照することによって当該ドイ
ツ国特許出願の明細書の記載内容が本明細書の一部分を
構成するものとする。
の基礎たるドイツ国特許出願第ＤＥ４２ ３０ ５１
０．１号の明細書の記載に基づくものであって、当該ド
イツ国特許出願の番号を参照することによって当該ドイ
ツ国特許出願の明細書の記載内容が本明細書の一部分を
構成するものとする。
【０００３】
【従来の技術】このようなハーフ・ブリッジ装置は、Ｄ
Ｅ−４ ０２７ ０６９ Ｃ１に開示され、各種用途、
たとえば回転磁界モータ、永久磁石モータ等への電源供
給用のインバータの構成に用いられてきた。
Ｅ−４ ０２７ ０６９ Ｃ１に開示され、各種用途、
たとえば回転磁界モータ、永久磁石モータ等への電源供
給用のインバータの構成に用いられてきた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これに
関連して、電力密度、すなわち装置の容積に対する出力
電力が従来の装置においては比較的小さいという問題が
ある。さらに加えて、従来の装置の重量は比較的大き
い。
関連して、電力密度、すなわち装置の容積に対する出力
電力が従来の装置においては比較的小さいという問題が
ある。さらに加えて、従来の装置の重量は比較的大き
い。
【０００５】コンデンサおよび半導体スイッチを接続す
るのに用いる導体の分布インダクタンスの影響を低減す
るために、大面積の板状供給ラインを用いたインバータ
装置がＵＳ−ＰＳ５，１３２，８９６から知られてい
る。これによって、ライン・インダクタンスを補償する
ための大型のスナッバー（Ｓｎｕｂｂｅｒ）コンデンサ
の必要が無くなる。さらに、大面積の板状供給ラインは
放熱性を改善することができる。さらに、この板状供給
ラインは、板状供給ラインを流れる電流の大きさと方向
は、分布インダクタンスの影響を最小にするように設計
されている。
るのに用いる導体の分布インダクタンスの影響を低減す
るために、大面積の板状供給ラインを用いたインバータ
装置がＵＳ−ＰＳ５，１３２，８９６から知られてい
る。これによって、ライン・インダクタンスを補償する
ための大型のスナッバー（Ｓｎｕｂｂｅｒ）コンデンサ
の必要が無くなる。さらに、大面積の板状供給ラインは
放熱性を改善することができる。さらに、この板状供給
ラインは、板状供給ラインを流れる電流の大きさと方向
は、分布インダクタンスの影響を最小にするように設計
されている。
【０００６】しかしながら、このインバータ装置の場
合、大面積の供給ラインは、干渉インダクタンスの低減
の目的のみに役立ち、大型の電解コンデンサの供給ライ
ンとして用いられている。
合、大面積の供給ラインは、干渉インダクタンスの低減
の目的のみに役立ち、大型の電解コンデンサの供給ライ
ンとして用いられている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】これらの欠点を克服する
ため、上述したハーフ・ブリッジ装置は、前記駆動手段
により上記半導体スイッチを２０ｋＨｚより高いスイッ
チング周波数を有する制御信号によって駆動し；前記コ
ンデンサ・アセンブリを半導体スイッチを搭載した印刷
回路基板の少なくとも１つのシート・コンデンサおよび
／または中空円筒部材として構成された少なくとも１つ
のラップ・コンデンサによって構成し；前記半導体スイ
ッチを、中空円筒部材として構成された前記ラップ・コ
ンデンサ内に配置し；および中空円筒部材内に液体冷媒
を設けたことを特徴とする。
ため、上述したハーフ・ブリッジ装置は、前記駆動手段
により上記半導体スイッチを２０ｋＨｚより高いスイッ
チング周波数を有する制御信号によって駆動し；前記コ
ンデンサ・アセンブリを半導体スイッチを搭載した印刷
回路基板の少なくとも１つのシート・コンデンサおよび
／または中空円筒部材として構成された少なくとも１つ
のラップ・コンデンサによって構成し；前記半導体スイ
ッチを、中空円筒部材として構成された前記ラップ・コ
ンデンサ内に配置し；および中空円筒部材内に液体冷媒
を設けたことを特徴とする。
【０００８】
【作用】本発明では、高いスイッチング周波数に起因し
て、従来のハーフ・ブリッジの場合よりも低いコンデン
サ・アセンブリのキャパシタンスによって制御すること
が可能である。本発明の装置において、コンデンサ・ア
センブリは、従来のハーフ・ブリッジ装置で必要とされ
る容積の約３％を占めるのみである。従来のハーフ・ブ
リッジ装置のコンデンサが全容積の約４０％を占めるこ
とを考えると、これは大幅な容積低減となる。さらに、
従来のハーフ・ブリッジ装置のコンデンサは電解コンデ
ンサとして形成され、これは一方において寿命の低下に
つながり、他方において苛酷な条件下での使用が不可能
となる。
て、従来のハーフ・ブリッジの場合よりも低いコンデン
サ・アセンブリのキャパシタンスによって制御すること
が可能である。本発明の装置において、コンデンサ・ア
センブリは、従来のハーフ・ブリッジ装置で必要とされ
る容積の約３％を占めるのみである。従来のハーフ・ブ
リッジ装置のコンデンサが全容積の約４０％を占めるこ
とを考えると、これは大幅な容積低減となる。さらに、
従来のハーフ・ブリッジ装置のコンデンサは電解コンデ
ンサとして形成され、これは一方において寿命の低下に
つながり、他方において苛酷な条件下での使用が不可能
となる。
【０００９】さらに、その高いスイッチング周波数−ス
イッチング周波数は好ましくは１００ｋＨｚ−によっ
て、電流ドレインの曲線形状をさらに正確に選択するこ
とが可能となり、フィルタ費用を低減することができ
る。
イッチング周波数は好ましくは１００ｋＨｚ−によっ
て、電流ドレインの曲線形状をさらに正確に選択するこ
とが可能となり、フィルタ費用を低減することができ
る。
【００１０】高いスイッチング周波数によって、平滑コ
ンデンサとして所要のキャパシタンス値を得るためには
キャパシタンス保持部品として電源供給ラインを印刷回
路基板およびシュラウド内に形成することで十分である
から、所要のキャパシタンスを半導体スイッチに極めて
近く位置させることができ、以て最適な構成が確保され
る。
ンデンサとして所要のキャパシタンス値を得るためには
キャパシタンス保持部品として電源供給ラインを印刷回
路基板およびシュラウド内に形成することで十分である
から、所要のキャパシタンスを半導体スイッチに極めて
近く位置させることができ、以て最適な構成が確保され
る。
【００１１】加えて、コンデンサ・アセンブリの一部分
である中空円筒部材あるいは印刷回路基板上のコンパク
トな構造によって、スイッチング・プロセスの間の過電
圧に関連する問題が実質的に取除かれる。したがって、
それらの部品をその絶縁耐力（ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｓｔ
ｒｅｎｇｔｈ）の限界まで作動させることが可能とな
る。
である中空円筒部材あるいは印刷回路基板上のコンパク
トな構造によって、スイッチング・プロセスの間の過電
圧に関連する問題が実質的に取除かれる。したがって、
それらの部品をその絶縁耐力（ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｓｔ
ｒｅｎｇｔｈ）の限界まで作動させることが可能とな
る。
【００１２】スイッチング部品を取り囲むコンデンサ・
アセンブリの一部としてシュラウドを形成することによ
り、漂遊電界の放射を最小にすると共に、放射干渉に対
する抵抗力が最大となる。
アセンブリの一部としてシュラウドを形成することによ
り、漂遊電界の放射を最小にすると共に、放射干渉に対
する抵抗力が最大となる。
【００１３】容積の減少によって、多数の小型半導体ス
イッチを使用することが可能となり、少ない個数の大型
部品の場合と比較して個別の半導体スイッチの冷却が容
易となる。
イッチを使用することが可能となり、少ない個数の大型
部品の場合と比較して個別の半導体スイッチの冷却が容
易となる。
【００１４】さらに、多数の小型部品の使用によって、
非同期スイッチングが可能となり、それによって、実現
できるキャパシタンスのより有効な利用が可能となる。
非同期スイッチングが可能となり、それによって、実現
できるキャパシタンスのより有効な利用が可能となる。
【００１５】高いスイッチング周波数のために、ライン
に関連する干渉をさらに容易に瀘波して除去することが
できるので、干渉保護対策が従来技術の構成の場合より
簡単である。
に関連する干渉をさらに容易に瀘波して除去することが
できるので、干渉保護対策が従来技術の構成の場合より
簡単である。
【００１６】コンパクトな構造は高い電力密度とそれに
対応する冷却対策を必要とするので、選択的な液体冷却
を必要とする一方で、これによって装置のハーメチッ
ク、すなわち液密封止を可能とし、これは最も厳しい安
全条件に準拠している。この点から、小さい容積は、従
来技術の装置のような大容量の場合に比較して封入がさ
らに容易になるのに役立つことがわかる。
対応する冷却対策を必要とするので、選択的な液体冷却
を必要とする一方で、これによって装置のハーメチッ
ク、すなわち液密封止を可能とし、これは最も厳しい安
全条件に準拠している。この点から、小さい容積は、従
来技術の装置のような大容量の場合に比較して封入がさ
らに容易になるのに役立つことがわかる。
【００１７】好ましい実施例において、半導体スイッチ
は高速、低損失の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）ある
いは絶縁ゲート端子を有する高速、低損失のバイポーラ
・トランジスタ（ＩＧＢＴ）で形成される。特に、集積
化されたフリーホイール・ダイオードあるいは（付加的
な）外部フリーホイール・ダイオードを有するＭＯＳ−
ＦＥＴが用いることができる。
は高速、低損失の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）ある
いは絶縁ゲート端子を有する高速、低損失のバイポーラ
・トランジスタ（ＩＧＢＴ）で形成される。特に、集積
化されたフリーホイール・ダイオードあるいは（付加的
な）外部フリーホイール・ダイオードを有するＭＯＳ−
ＦＥＴが用いることができる。
【００１８】第一に、実効電流に関して所要の電力取扱
い容量を達成するために、これらの部品を並列接続する
ことが容易であり、第二に、駆動電力が小さいので、駆
動用電子回路が大きい最終段を必要としない。
い容量を達成するために、これらの部品を並列接続する
ことが容易であり、第二に、駆動電力が小さいので、駆
動用電子回路が大きい最終段を必要としない。
【００１９】各々が小さいスイッチング容量を持つが容
易に並列接続可能な多数の半導体スイッチング素子を用
いることにより、多数の個別部品が冷媒に容易に接触す
ることができるので、十分な冷却を達成することができ
る。
易に並列接続可能な多数の半導体スイッチング素子を用
いることにより、多数の個別部品が冷媒に容易に接触す
ることができるので、十分な冷却を達成することができ
る。
【００２０】簡単に縦続可能なモジュラー構造で、特に
コンパクトな設計を可能とするには、駆動手段を中空円
筒部材内に配置するのが有利である。
コンパクトな設計を可能とするには、駆動手段を中空円
筒部材内に配置するのが有利である。
【００２１】可及的最小の誘導性および容量性の供給ラ
インおよび配線形状を得るために、および印刷回路基板
アセンブリ内でできるだけ大きい容量を得るために、好
適実施例における印刷回路基板は、少なくとも第１の導
電層が高電位を伝え、第２の導電層が低電位を伝え、第
１および第２の導電層の間に絶縁層を配置した多層基板
で形成されている。
インおよび配線形状を得るために、および印刷回路基板
アセンブリ内でできるだけ大きい容量を得るために、好
適実施例における印刷回路基板は、少なくとも第１の導
電層が高電位を伝え、第２の導電層が低電位を伝え、第
１および第２の導電層の間に絶縁層を配置した多層基板
で形成されている。
【００２２】このように、実質的に電流供給ライン全体
によってコンデンサが構成され、ここで、絶縁耐力およ
び誘電率を適切に選定することにより、印刷回路基板の
あらかじめ定めた領域の容量特性を確立できる。
によってコンデンサが構成され、ここで、絶縁耐力およ
び誘電率を適切に選定することにより、印刷回路基板の
あらかじめ定めた領域の容量特性を確立できる。
【００２３】所要に応じて、平滑コンデンサとして動作
するコンデンサ・アセンブリを高容量とするためには、
中空円筒部材をさらに形成して複数層を構成し、少なく
とも１つの第１の導電層が高電位を伝え、少なくとも１
つの第２の導電層が低電位を伝え、第１および第２の導
電層の間に絶縁層を配置する。その容量に関しては、こ
こで印刷回路基板の場合と同様のことが適用される。し
かしながら、個々の層を数回ラッピングすることによっ
て、容量を意のままに増加することができる。
するコンデンサ・アセンブリを高容量とするためには、
中空円筒部材をさらに形成して複数層を構成し、少なく
とも１つの第１の導電層が高電位を伝え、少なくとも１
つの第２の導電層が低電位を伝え、第１および第２の導
電層の間に絶縁層を配置する。その容量に関しては、こ
こで印刷回路基板の場合と同様のことが適用される。し
かしながら、個々の層を数回ラッピングすることによっ
て、容量を意のままに増加することができる。
【００２４】多相動作用のハーフ・ブリッジ装置あるい
はいくつかの並列接続装置において、個々の印刷回路基
板上のアセンブリをたがいに適切に減結合するために
は、中空円筒部材が、第１および第２の層および絶縁層
よりなるいくつかのアセンブリを含み、個々のアセンブ
リを、円周方向にずらせた状態で中空円筒部材の内側に
延在させて、個々の第１および第２の導電層の領域およ
び絶縁された導電ストリップが露出するようにする。
はいくつかの並列接続装置において、個々の印刷回路基
板上のアセンブリをたがいに適切に減結合するために
は、中空円筒部材が、第１および第２の層および絶縁層
よりなるいくつかのアセンブリを含み、個々のアセンブ
リを、円周方向にずらせた状態で中空円筒部材の内側に
延在させて、個々の第１および第２の導電層の領域およ
び絶縁された導電ストリップが露出するようにする。
【００２５】このように、個々の同一構造の印刷回路基
板を積み重ねた形態で中空円筒部材内に挿入し、中空円
筒部材の内側のそれぞれの絶縁された導電ストリップ
を、たがいに僅かに回転させて、印刷回路基板の端子点
を介して接触させる。個々のコンデンサ・アセンブリ間
の電圧破壊を防ぎ、個々のコンデンサをたがいに減結合
するために、第１および第２の層ならびに絶縁層からな
る個々のアセンブリを、一のアセンブリの第１または第
２の導電層の各々が他のアセンブリの第１または第２の
導電層にそれぞれ近接して配置され、および個々のアセ
ンブリ間に薄い絶縁層が配置されるようにサンドイッチ
するのが好適である。これにより、個々のアセンブリ間
には電位差が存在しないので、絶縁層はひかえめの条件
のみを満たせばよいことになる。
板を積み重ねた形態で中空円筒部材内に挿入し、中空円
筒部材の内側のそれぞれの絶縁された導電ストリップ
を、たがいに僅かに回転させて、印刷回路基板の端子点
を介して接触させる。個々のコンデンサ・アセンブリ間
の電圧破壊を防ぎ、個々のコンデンサをたがいに減結合
するために、第１および第２の層ならびに絶縁層からな
る個々のアセンブリを、一のアセンブリの第１または第
２の導電層の各々が他のアセンブリの第１または第２の
導電層にそれぞれ近接して配置され、および個々のアセ
ンブリ間に薄い絶縁層が配置されるようにサンドイッチ
するのが好適である。これにより、個々のアセンブリ間
には電位差が存在しないので、絶縁層はひかえめの条件
のみを満たせばよいことになる。
【００２６】好ましくは、第１の導電層が少なくとも３
５〜７０μｍの厚みを有する銅の層であり、第２の導電
層が少なくとも３５〜７０μｍの厚みを有する銅の層で
あり、絶縁層がポリイミド樹脂の一種であるカプトン
（Ｋａｐｔｏｎ；商品名）製の少なくとも１０〜２０μ
ｍの厚みを有するプラスチック層である。しかしなが
ら、所要の容量および絶縁耐力に応じて、他の寸法およ
び材料も可能である。
５〜７０μｍの厚みを有する銅の層であり、第２の導電
層が少なくとも３５〜７０μｍの厚みを有する銅の層で
あり、絶縁層がポリイミド樹脂の一種であるカプトン
（Ｋａｐｔｏｎ；商品名）製の少なくとも１０〜２０μ
ｍの厚みを有するプラスチック層である。しかしなが
ら、所要の容量および絶縁耐力に応じて、他の寸法およ
び材料も可能である。
【００２７】ハーフ・ブリッジ装置または他の回路配置
を構成し、あるいは特に高いスイッチング容量を有する
ハーフ・ブリッジ装置を提供するためには、中空円筒部
材の内部に軸方向に間隔を置いた関係でハーフ・ブリッ
ジを有するいくつかの印刷回路基板を配置し、その上
に、高電位および低電位用、また各コンデンサ・アセン
ブリ用、または制御端子および出力端子用の個々の印刷
の回路基板の端子を、個々の印刷回路基板の周囲に配置
して、個々の第１および第２の導電層の露出した領域ま
たは絶縁された導体ストリップとそれぞれ接触させるの
が有利である。
を構成し、あるいは特に高いスイッチング容量を有する
ハーフ・ブリッジ装置を提供するためには、中空円筒部
材の内部に軸方向に間隔を置いた関係でハーフ・ブリッ
ジを有するいくつかの印刷回路基板を配置し、その上
に、高電位および低電位用、また各コンデンサ・アセン
ブリ用、または制御端子および出力端子用の個々の印刷
の回路基板の端子を、個々の印刷回路基板の周囲に配置
して、個々の第１および第２の導電層の露出した領域ま
たは絶縁された導体ストリップとそれぞれ接触させるの
が有利である。
【００２８】この構成によって、個々の印刷回路基板の
モジュラー化が可能となり、中空円筒部材の外部での接
続のみによって、スイッチング容量あるいは回路配置全
体を決定できる。
モジュラー化が可能となり、中空円筒部材の外部での接
続のみによって、スイッチング容量あるいは回路配置全
体を決定できる。
【００２９】たとえば鉱山での操作または他の危険な分
野で有効な安全条件に従うためには、中空円筒部材にシ
ュラウドを設けて、構造全体が約１５バールまでの圧力
に耐えるようにするのが有利である。このようにするこ
とよって、中空円筒部材の内部に発生した損傷が外部に
伝わらないようにすることができる。
野で有効な安全条件に従うためには、中空円筒部材にシ
ュラウドを設けて、構造全体が約１５バールまでの圧力
に耐えるようにするのが有利である。このようにするこ
とよって、中空円筒部材の内部に発生した損傷が外部に
伝わらないようにすることができる。
【００３０】これは、特に、液体冷却を液体フルオロカ
ーボンによる沸騰浴冷却とし、中空円筒部材内の圧力を
５０ミリバールから３バールまでとし、および半導体ス
イッチと中空円筒部材のまわりの雰囲気との温度差を約
１０℃とした場合にあてはまる。これに関連して、半導
体スイッチのまわりの液体フルオロカーボンは、環境に
対する半導体スイッチの封止部材として作用し、単にプ
ラスチックで覆われただけの従来の部品が、ハーメチッ
ク封止されたＭＩＬ部品と同等の寿命を持つようにな
る。
ーボンによる沸騰浴冷却とし、中空円筒部材内の圧力を
５０ミリバールから３バールまでとし、および半導体ス
イッチと中空円筒部材のまわりの雰囲気との温度差を約
１０℃とした場合にあてはまる。これに関連して、半導
体スイッチのまわりの液体フルオロカーボンは、環境に
対する半導体スイッチの封止部材として作用し、単にプ
ラスチックで覆われただけの従来の部品が、ハーメチッ
ク封止されたＭＩＬ部品と同等の寿命を持つようにな
る。
【００３１】冷却剤としてのフルオロカーボンは環境に
は比較的適合するが、高価であるために殆ど使われてい
ない。本発明によれば装置がコンパクトなので、僅かな
量のフルオロカーボンしか必要としないため、フルオロ
カーボンの価格はもはや決定的な重要性を持たない。
は比較的適合するが、高価であるために殆ど使われてい
ない。本発明によれば装置がコンパクトなので、僅かな
量のフルオロカーボンしか必要としないため、フルオロ
カーボンの価格はもはや決定的な重要性を持たない。
【００３２】中空円筒部材を耐圧封止しているので、沸
騰冷却はフルオロカーボンの蒸気圧曲線に沿って行なわ
れる。その結果、半導体スイッチにおける僅かな温度上
昇があっても冷却が直ちに始まる。
騰冷却はフルオロカーボンの蒸気圧曲線に沿って行なわ
れる。その結果、半導体スイッチにおける僅かな温度上
昇があっても冷却が直ちに始まる。
【００３３】半導体スイッチをできるだけ低い温度に保
つために、沸騰浴冷却は、中空円筒部材の外側表面に配
設した対流冷却手段を介して中空円筒部材内部からの熱
を除去する流下冷却熱交換器（ｄｏｗｎ−ｃｏｏｌｉｎ
ｇ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ）を備える。
つために、沸騰浴冷却は、中空円筒部材の外側表面に配
設した対流冷却手段を介して中空円筒部材内部からの熱
を除去する流下冷却熱交換器（ｄｏｗｎ−ｃｏｏｌｉｎ
ｇ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ）を備える。
【００３４】
【実施例】本発明ハーフ・ブリッジ装置の一応用例とし
て、図１は、同一構造の二つのハーフ・ブリッジ装置１
０，１０′を有する単相インバータを示す。したがっ
て、以下では、両ハーフ・ブリッジ装置の一方のみを詳
細に説明し、他方のハーフ・ブリッジ装置は同一参照番
号にアポストロフィを付して示す。
て、図１は、同一構造の二つのハーフ・ブリッジ装置１
０，１０′を有する単相インバータを示す。したがっ
て、以下では、両ハーフ・ブリッジ装置の一方のみを詳
細に説明し、他方のハーフ・ブリッジ装置は同一参照番
号にアポストロフィを付して示す。
【００３５】ハーフ・ブリッジ装置１０は、並列に接続
されて半導体スイッチとして動作する４組のｎ−チャン
ネルＭＯＳＦＥＴ対１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄを
有する。各対を形成するそれぞれ２つのｎ−チャンネル
ＭＯＳＦＥＴ１４，２１；１５，２０；１６，１９；１
７，１８は直列に接続されて、各対の第１のｎ−チャン
ネルＭＯＳＦＥＴ１４；１５；１６；１７のソース端子
は高電位ＶSSにあり、各対の第２のｎ−チャンネルＭＯ
ＳＦＥＴ２１；２０；１９；１８のドレイン端子は低電
位ＶDDにある。出力端子Ａを形成する目的で、第１のｎ
−チャンネルＭＯＳＦＥＴ１４；１５；１６；１７のそ
れぞれのドレイン端子を第２のｎ−チャンネルＭＯＳＦ
ＥＴ２１；２０；１９；１８のそれぞれのソース端子に
接続する。第１のｎ−チャンネルＭＯＳＦＥＴ１４；１
５；１６；１７の群あるいは第２のｎ−チャンネルＭＯ
ＳＦＥＴ２１；２０；１９；１８の群のそれぞれに対す
る駆動手段２３，２４を、第１および第２のｎ−チャン
ネルＭＯＳＦＥＴのそれぞれの群の並列に接続された制
御入力端子に接続する。ｎ−チャンネルＭＯＳＦＥＴの
ソースあるいはドレイン端子への高および低電位（ＶSS
およびＶDD）用の供給ラインは、それぞれヒューズ２
６，２７で個別に保護されている。
されて半導体スイッチとして動作する４組のｎ−チャン
ネルＭＯＳＦＥＴ対１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄを
有する。各対を形成するそれぞれ２つのｎ−チャンネル
ＭＯＳＦＥＴ１４，２１；１５，２０；１６，１９；１
７，１８は直列に接続されて、各対の第１のｎ−チャン
ネルＭＯＳＦＥＴ１４；１５；１６；１７のソース端子
は高電位ＶSSにあり、各対の第２のｎ−チャンネルＭＯ
ＳＦＥＴ２１；２０；１９；１８のドレイン端子は低電
位ＶDDにある。出力端子Ａを形成する目的で、第１のｎ
−チャンネルＭＯＳＦＥＴ１４；１５；１６；１７のそ
れぞれのドレイン端子を第２のｎ−チャンネルＭＯＳＦ
ＥＴ２１；２０；１９；１８のそれぞれのソース端子に
接続する。第１のｎ−チャンネルＭＯＳＦＥＴ１４；１
５；１６；１７の群あるいは第２のｎ−チャンネルＭＯ
ＳＦＥＴ２１；２０；１９；１８の群のそれぞれに対す
る駆動手段２３，２４を、第１および第２のｎ−チャン
ネルＭＯＳＦＥＴのそれぞれの群の並列に接続された制
御入力端子に接続する。ｎ−チャンネルＭＯＳＦＥＴの
ソースあるいはドレイン端子への高および低電位（ＶSS
およびＶDD）用の供給ラインは、それぞれヒューズ２
６，２７で個別に保護されている。
【００３６】高および低電位ＶSSおよびＶDDの間には、
平滑コンデンサとして動作するコンデンサ３０が配設さ
れている。コンデンサ３０の実際の設計については後述
する。各駆動手段２３，２４は、２０ｋＨｚ以上のスイ
ッチング周波数の制御信号でｎ−チャンネルＭＯＳＦＥ
Ｔの各群を駆動する。スイッチング周波数は、１００ｋ
Ｈｚ以下であることが好ましい。
平滑コンデンサとして動作するコンデンサ３０が配設さ
れている。コンデンサ３０の実際の設計については後述
する。各駆動手段２３，２４は、２０ｋＨｚ以上のスイ
ッチング周波数の制御信号でｎ−チャンネルＭＯＳＦＥ
Ｔの各群を駆動する。スイッチング周波数は、１００ｋ
Ｈｚ以下であることが好ましい。
【００３７】図２に示すように、コンデンサ・アセンブ
リ３０はＭＯＳＦＥＴを有する印刷回路基板３３におけ
る少なくとも１つのシート・コンデンサ３０ａによって
形成されている。２枚の７０μｍ厚さの銅層３４，３５
を、カプトン（Ｋａｐｔｏｎ；商品名）製の１０〜２０
μｍ厚さの絶縁層で互に分離する。銅層３４，３５に
は、高および低電位ＶSSおよびＶDDを印加する。
リ３０はＭＯＳＦＥＴを有する印刷回路基板３３におけ
る少なくとも１つのシート・コンデンサ３０ａによって
形成されている。２枚の７０μｍ厚さの銅層３４，３５
を、カプトン（Ｋａｐｔｏｎ；商品名）製の１０〜２０
μｍ厚さの絶縁層で互に分離する。銅層３４，３５に
は、高および低電位ＶSSおよびＶDDを印加する。
【００３８】第２に、図３および図４に示すように、コ
ンデンサ・アセンブリ３０を、中空円筒部材としての中
空コイル４０として設計されたラップ・コンデンサ３０
ｂによって形成する。わかりやすくするために、各コン
デンサ・アセンブリ３０ｂに対して、１つの層のみを示
し、全体として２つの層のみを示す。しかしながら、実
際には、各コンデンサ・アセンブリにいくつかの層を設
け、および各印刷回路基板に別個のコンデンサ・アセン
ブリ３０ｂを設けるものとする。
ンデンサ・アセンブリ３０を、中空円筒部材としての中
空コイル４０として設計されたラップ・コンデンサ３０
ｂによって形成する。わかりやすくするために、各コン
デンサ・アセンブリ３０ｂに対して、１つの層のみを示
し、全体として２つの層のみを示す。しかしながら、実
際には、各コンデンサ・アセンブリにいくつかの層を設
け、および各印刷回路基板に別個のコンデンサ・アセン
ブリ３０ｂを設けるものとする。
【００３９】上述の中空コイル４０は実質的に円筒形状
のものであり、それぞれ１つの絶縁層３６を有する数層
の銅層３４，３５を有する。個々のコンデンサ・アセン
ブリ間の絶縁耐力を改善し、良好な減結合を得るため
に、銅層３４，３５および１つの絶縁層３６を有する個
々のアセンブリを、一のアセンブリの第１または第２の
銅層３４，３５のそれぞれが、他方のアセンブリ３
４′，３５′，３６′の第１または第２の銅層３４′，
３５′のそれぞれに近接して配置されるようにサンドイ
ッチする。個々のアセンブリ３４，３５，３６と３
４′，３５′，３６との間には、薄い絶縁層３９を配置
する。換言すると、隣接するコンデンサ・アセンブリ３
０ｂ，３０ｂ′を互に隣接して反対方向に配置する。
のものであり、それぞれ１つの絶縁層３６を有する数層
の銅層３４，３５を有する。個々のコンデンサ・アセン
ブリ間の絶縁耐力を改善し、良好な減結合を得るため
に、銅層３４，３５および１つの絶縁層３６を有する個
々のアセンブリを、一のアセンブリの第１または第２の
銅層３４，３５のそれぞれが、他方のアセンブリ３
４′，３５′，３６′の第１または第２の銅層３４′，
３５′のそれぞれに近接して配置されるようにサンドイ
ッチする。個々のアセンブリ３４，３５，３６と３
４′，３５′，３６との間には、薄い絶縁層３９を配置
する。換言すると、隣接するコンデンサ・アセンブリ３
０ｂ，３０ｂ′を互に隣接して反対方向に配置する。
【００４０】中空コイル４０として形成されたラップ・
コンデンサ３０ｂの内部には、個々の半導体アセンブリ
を有するいくつかの印刷回路基板３３が互に積み重ねら
れている。
コンデンサ３０ｂの内部には、個々の半導体アセンブリ
を有するいくつかの印刷回路基板３３が互に積み重ねら
れている。
【００４１】中空コイル４０の一端を凸状エンド・キャ
ップ４２によって液密に封止する一方、同他端にびん状
にテーパーを付けて、接続片４３にまで延在させ、そこ
から供給電圧用端子４４、出力ライン、および制御ライ
ンを外側に突出させる。
ップ４２によって液密に封止する一方、同他端にびん状
にテーパーを付けて、接続片４３にまで延在させ、そこ
から供給電圧用端子４４、出力ライン、および制御ライ
ンを外側に突出させる。
【００４２】積み重ねられた印刷回路基板３３の各々に
別個のコンデンサ３０ｂ、別個の出力端子Ａ、ならびに
端子４４と簡単に接続可能な対応する制御端子を設ける
ことができるようにするために、中空コイル４０の構造
は、個々の銅層が中空コイル４０の内面に円周方向にず
れた状態で延在して、個々の第１および第２の銅層３
４，３５，３４′，３５′の領域３４ａ，３５ａ，３
４′ａ，３５′ａならびに絶縁された導電ストリップ４
５が出力端子Ａに対して露出するように工夫されてい
る。
別個のコンデンサ３０ｂ、別個の出力端子Ａ、ならびに
端子４４と簡単に接続可能な対応する制御端子を設ける
ことができるようにするために、中空コイル４０の構造
は、個々の銅層が中空コイル４０の内面に円周方向にず
れた状態で延在して、個々の第１および第２の銅層３
４，３５，３４′，３５′の領域３４ａ，３５ａ，３
４′ａ，３５′ａならびに絶縁された導電ストリップ４
５が出力端子Ａに対して露出するように工夫されてい
る。
【００４３】高および低電位用、それぞれのコンデンサ
・アセンブリ用あるいは制御端子および出力端子用の端
子を、外径が中空コイル４０の内径とほぼ対応する円形
ディスク形状の印刷回路基板３３の周囲に沿って配置し
て、これら端子が個々の第１および第２の銅層の露出し
た領域３４ａ，３５ａ，３４′ａ，３５′ａあるいは絶
縁された導電ストリップ４５にそれぞれ接触するように
する。
・アセンブリ用あるいは制御端子および出力端子用の端
子を、外径が中空コイル４０の内径とほぼ対応する円形
ディスク形状の印刷回路基板３３の周囲に沿って配置し
て、これら端子が個々の第１および第２の銅層の露出し
た領域３４ａ，３５ａ，３４′ａ，３５′ａあるいは絶
縁された導電ストリップ４５にそれぞれ接触するように
する。
【００４４】中空コイルは、装置全体が約１５バールま
での圧力に耐えるようにシュラウドを備えている。
での圧力に耐えるようにシュラウドを備えている。
【００４５】中空コイルの内部には液体フルオロカーボ
ンを充填して、この液体が半導体スイッチを覆うように
する。フルオロカーボンの気相が液相から逃げられるよ
うに、液面とキャップ４２との間には空所が設けられて
いる。中空コイル４０内のガス圧は、フルオロカーボン
の蒸気圧曲線にしたがって５０ミリバールから３バール
までの間に設定されて、動作状態において、ＭＯＳＦＥ
Ｔに僅かな温度上昇があっても、フルオロカーボンの液
相が直ちに沸騰を開始するようにする。したがって、半
導体スイッチと中空コイルのまわりの雰囲気との温度差
は、僅かに約１０℃となる。
ンを充填して、この液体が半導体スイッチを覆うように
する。フルオロカーボンの気相が液相から逃げられるよ
うに、液面とキャップ４２との間には空所が設けられて
いる。中空コイル４０内のガス圧は、フルオロカーボン
の蒸気圧曲線にしたがって５０ミリバールから３バール
までの間に設定されて、動作状態において、ＭＯＳＦＥ
Ｔに僅かな温度上昇があっても、フルオロカーボンの液
相が直ちに沸騰を開始するようにする。したがって、半
導体スイッチと中空コイルのまわりの雰囲気との温度差
は、僅かに約１０℃となる。
【００４６】中空コイル４０は、（模式的にのみ示され
ている）ファン冷却装置５０による対流冷却によって外
部冷却されるので、フルオロカーボンの気相は外部冷却
された中空コイルの内壁において凝縮し、液状態でＭＯ
ＳＦＥＴのまわりの液体フルオロカーボンへポンプ手段
（図示せず）を介して戻される。この構造は、中空コイ
ル４０の外側表面に配設された対流冷却手段５５を介し
て、中空コイル４０の内部から放熱する熱を除去する流
下冷却用熱交換器として機能する。
ている）ファン冷却装置５０による対流冷却によって外
部冷却されるので、フルオロカーボンの気相は外部冷却
された中空コイルの内壁において凝縮し、液状態でＭＯ
ＳＦＥＴのまわりの液体フルオロカーボンへポンプ手段
（図示せず）を介して戻される。この構造は、中空コイ
ル４０の外側表面に配設された対流冷却手段５５を介し
て、中空コイル４０の内部から放熱する熱を除去する流
下冷却用熱交換器として機能する。
【００４７】図４において、中空コイル４０が垂直に示
され、液体フルオロカーボン上方の自由空間は気相に対
して比較的小さく、凝縮が起こる内壁の面積もまた比較
的小さい。したがって、中空コイルを水平に配置し、そ
れに応じて、印刷回路基板を設計して取り付けて、充填
高さおよび中空コイル４０の長さおよび直径のある比に
対して大きい凝縮面積を作り出すようにするのが有利で
ある。
され、液体フルオロカーボン上方の自由空間は気相に対
して比較的小さく、凝縮が起こる内壁の面積もまた比較
的小さい。したがって、中空コイルを水平に配置し、そ
れに応じて、印刷回路基板を設計して取り付けて、充填
高さおよび中空コイル４０の長さおよび直径のある比に
対して大きい凝縮面積を作り出すようにするのが有利で
ある。
【００４８】
【発明の効果】本発明によれば、スイッチング周波数を
高くできるので、コンデンサ・アセンブリの容積を従来
の場合よりも大幅に低減させることができ、しかも所要
のキャパシタンスを半導体スイッチに極めて近く位置さ
せることができることによってハーフ・ブリッジ装置と
して最適な構成を確保できる。
高くできるので、コンデンサ・アセンブリの容積を従来
の場合よりも大幅に低減させることができ、しかも所要
のキャパシタンスを半導体スイッチに極めて近く位置さ
せることができることによってハーフ・ブリッジ装置と
して最適な構成を確保できる。
【図１】２つのハーフ・ブリッジ装置を有する単相イン
バータの回路図である。
バータの回路図である。
【図２】ハーフ・ブリッジ装置を搭載した印刷回路基板
の部分断面図である。
の部分断面図である。
【図３】中空コイルの縦方向部分断面図である。
【図４】中空コイル内にいくつかの印刷回路基板を有す
るハーフ・ブリッジ装置の縦方向部分断面図である。
るハーフ・ブリッジ装置の縦方向部分断面図である。
１０，１０′ 単相インバータ １２ａ〜１２ｄ ｎ−チャンネルＭＯＳＦＥＴ対 １４，２１；１５，２０；１６，１９；１７，１８ ｎ
−チャンネルＭＯＳＦＥＴ ２３，２４ 駆動手段 ２６，２７ ヒューズ ３０ コンデンサ・アセンブリ ３０ａ シート・コンデンサ ３０ｂ ラップ・コンデンサ ３３ 印刷回路基板 ３４，３４′，３５，３５′ 銅層 ３４ａ，３４´ａ，３５ａ，３５´ａ 領域 ３６ 絶縁層 ３９ 絶縁層 ４０ 中空コイル ４２ 凸状エンド・キャップ ４３ 接続片 ４４ 供給電圧用端子 ５０ ファン冷却装置 ５２ シュラウド ５５ 対流冷却手段 Ａ 出力端子
−チャンネルＭＯＳＦＥＴ ２３，２４ 駆動手段 ２６，２７ ヒューズ ３０ コンデンサ・アセンブリ ３０ａ シート・コンデンサ ３０ｂ ラップ・コンデンサ ３３ 印刷回路基板 ３４，３４′，３５，３５′ 銅層 ３４ａ，３４´ａ，３５ａ，３５´ａ 領域 ３６ 絶縁層 ３９ 絶縁層 ４０ 中空コイル ４２ 凸状エンド・キャップ ４３ 接続片 ４４ 供給電圧用端子 ５０ ファン冷却装置 ５２ シュラウド ５５ 対流冷却手段 Ａ 出力端子
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ベルンハルト ホフマン ドイツ連邦共和国 ディー−8130 シュ ターンベルグ ペータースブルンネル シュトラーセ ４
Claims (15)
- 【請求項１】 ハーフ・ブリッジ（１２ａ；１２ｂ；１
２ｃ；１２ｄ）を形成する少なくとも２つの半導体スイ
ッチ（１４，２１；１５，２０；１６，１９；１７，１
８）を直列に接続し； それぞれの半導体スイッチ（１４，２１；１５，２０；
１６，１９；１７，１８）は駆動手段（２３，２４）に
接続された制御入力端子（Ｇ）を備え； 各第１の半導体スイッチ（１４，１５；１６，１７）の
ソース端子（Ｓ）が高電位（ＶSS）にあり； 各第２の半導体スイッチ（１８；１９；２０；２１）の
ドレイン端子（Ｄ）が低電位（ＶDD）にあり； 各第１の半導体スイッチ（１４；１５；１６；１７）の
ドレイン端子（Ｄ）を各第２の半導体スイッチ（１８；
１９；２０；２１）のソース端子（Ｓ）に接続して出力
端子（Ａ）を構成し； 少なくとも１つのコンデンサ・アセンブリ（３０）を高
および低電位（ＶSS，ＶDD）の間に配置して、電力を切
り替えるためのハーフ・ブリッジ装置において、 前記駆動手段（２３，２４）により前記半導体スイッチ
（１４，２１；１５，２０；１６，１９；１６，１７）
を２０ｋＨｚより高いスイッチング周波数を有する制御
信号によって駆動し； 前記コンデンサ・アセンブリ（３０）を、半導体スイッ
チ（１４，２１；１５，２０；１６，１９；１７，１
８）を搭載した印刷回路基板（３３）の少なくとも１つ
のシート・コンデンサ（３０ａ）および／または中空円
筒部材（４０）として構成された少なくとも１つのラッ
プ・コンデンサ（３０ｂ）によって構成し； 前記半導体スイッチ（１４，２１；１５，２０；１６，
１９；１７，１８）を、中空円筒部材（４０）として構
成された前記ラップ・コンデンサ（３０ｂ）内に配置
し；および 前記中空円筒部材（４０）内に流体冷媒を設けたことを
特徴とするハーフ・ブリッジ装置。 - 【請求項２】 前記中空円筒部材（４０）を液密の形態
で封止したことを特徴とする請求項１記載のハーフ・ブ
リッジ装置。 - 【請求項３】 前記半導体スイッチ（１４，２１；１
５，２０；１６，１９；１７，１８）を高速低損失の電
界効果トランジスタ（ＦＥＴ）または絶縁ゲート端子付
きの高速低損失の電界効果トランジスタ（ＩＧＢＴ）に
よって形成したことを特徴とする請求項１記載のハーフ
・ブリッジ装置。 - 【請求項４】 前記直列に接続された半導体スイッチ
（１４，２１；１５，２０；１６，１９；１７，１８）
のいくつかの組を並列に接続したことを特徴とする請求
項１ないし３のいずれかに記載のハーフ・ブリッジ装
置。 - 【請求項５】 前記半導体スイッチ（１４，２１；１
５，２０；１６，１９；１７，１８）を、それぞれが小
さいスイッチング容量を有する多数の個別半導体スイッ
チング素子で構成したことを特徴とする請求項１ないし
４のいずれかに記載のハーフ・ブリッジ装置。 - 【請求項６】 前記駆動手段（２３，２４）の各々を前
記中空円筒部材（４０）内に配置したことを特徴とする
請求項１ないし５のいずれかに記載のハーフ・ブリッジ
装置。 - 【請求項７】 前記印刷回路板（３３）を、 高電位を伝える第１の導電層（３４）； 低電位を伝える第２の導電層（３５）；および 第１および第２の導電層（３４，３５）の間に配置され
た絶縁層（３６）を少なくとも有する多層板として形成
したことを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記
載のハーフ・ブリッジ装置。 - 【請求項８】 前記中空円筒部材（４０）を、 高電位を伝える少なくとも第１の導電層（３４）； 低電位を伝える少なくとも第２の導電層（３５）；およ
び 前記第１および第２の導電層（３４，３５）の間に配置
された絶縁層（３６）を有する複数の層で形成したこと
を特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載のハー
フ・ブリッジ装置。 - 【請求項９】 前記中空円筒部材（４０）は、第１およ
び第２の導電層（３４，３５；３４′，３５′）ならび
に絶縁層（３６，３６′）を有する複数のアセンブリを
備え； 個々のアセンブリを円周方向にずらせた状態で前記中空
円筒部材（４０）の内側に延在させて、個々の第１およ
び第２の導電層（３４，３５；３４′，３５′）の領域
（３４ａ，３５ａ；３４′ａ，３５′ａ）ならびに絶縁
された導電ストリップ（４５）が露出するようにしたこ
とを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載のハ
ーフ・ブリッジ装置。 - 【請求項１０】 一のアセンブリの第１または第２の導
電層（３５）を、それぞれ、他のアセンブリの第１また
は第２の導電層（３５′）に近接して配置し、および 個々のアセンブリの間に薄い絶縁層（３９）を配置し
て、第１および第２の層（３４，３５；３４′，３
５′）ならびに絶縁層（３６，３６′）からなる個々の
アセンブリがサンドイッチされるようにしたことを特徴
とする請求項９に記載のハーフ・ブリッジ装置。 - 【請求項１１】 前記第１の導電層（３４；３４′）が
少なくとも７０μｍの厚みを有する銅の層であり； 前記第２の導電層（３５；３５′）が少なくとも７０μ
ｍの厚みを有する銅の層であり； 前記絶縁層（３６；３６′）がカプトンで作られた少な
くとも１０−２０μｍの厚みを有するプラスチック層で
あることを特徴とする請求項７ないし１０のいずれかに
記載のハーフ・ブリッジ装置。 - 【請求項１２】 ハーフ・ブリッジ（１２，１２′）を
有する複数の印刷回路基板（３３）を前記中空円筒部材
（４０）の内部に軸方向に間隔を置いて配置し； 高および低電位用または関連するコンデンサ・アセンブ
リ（３０）用または制御端子および出力端子（Ａ）用の
それぞれの印刷回路基板の端子を、それらが前記個々の
第１および第２の導電層（３４，３５；３４′，３
５′）の露出領域あるいは前記絶縁された導電ストリッ
プ（４５）と接触するように、個々の印刷回路基板（３
３）の周囲に配置したことを特徴とする請求項９ないし
１１のいずれかに記載のハーフ・ブリッジ装置。 - 【請求項１３】 前記中空円筒部材（４０）はシュラウ
ド（５２）を備えて、全体の装置が約１５バールまでの
圧力に耐えるようにしたことを特徴とする請求項１ない
し１２のいずれかに記載のハーフ・ブリッジ装置。 - 【請求項１４】 流体冷却を、中空円筒部材（４０）内
の圧力が５０ミリバールから３バールまでで、および半
導体スイッチ（１４，２１；１５，２０；１６，１９；
１７，１８）と中空円筒部材（４０）のまわりの雰囲気
との間の温度差が約１０℃である液体フルオロカーボン
の沸騰浴冷却として行うことを特徴とする請求項１ない
し１３のいずれかに記載のハーフ・ブリッジ装置。 - 【請求項１５】 前記沸騰浴冷却は、中空円筒部材（４
０）の外側表面に配設された対流冷却手段（５５）を介
して中空円筒部材（４０）内部からの放散熱を除去する
流下冷却熱交換器を含むことを特徴とする請求項１４に
記載のハーフ・ブリッジ装置。
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