JP3228043B2 - 平形半導体スイッチの並列接続構造 - Google Patents

平形半導体スイッチの並列接続構造

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、平形構造の半導体ス
イッチの複数を並列に接続して、各半導体スイッチが高
速で時間差を生じることなくオン・オフ動作できる平形
半導体スイッチの並列接続構造に関する。
【0002】
【従来の技術】半導体スイッチを使えば、直流を交流へ
の電力変換や交流を直流への電力変換を容易に且つ円滑
に行える。しかしながら半導体スイッチの容量には限度
がり、変換する電力も制限されてしまうため、半導体ス
イッチ単体の容量を増大させることあるいは、多数の半
導体スイッチを並列接続することで変換電力の容量増大
を図っている。
【0003】図5は複数の半導体スイッチを並列接続す
る回路の一般的な例を示した回路図であるが、この図5
の回路は、図6に示す半導体スイッチを3個(2a,2
b,2c)並列接続する場合を図示している。即ち各半
導体スイッチのドレイン極2D同士をドレイン線6で共
通に接続し、ソース極2S同士をソース線7で共通に接
続する。電力変換を行う際は、各半導体スイッチを同時
にオン・オフさせる必要があるので、そこで各半導体ス
イッチ2のゲート極2G同士をゲート線8で共通に接続
し、このゲート線8と前述のソース線7とをゲート駆動
回路5に接続する。ゲート駆動回路5が各半導体スイッ
チのゲート−ソース間にオン電圧を印加してゲート極か
らソース極へオン電流を流せば、これら各半導体スイッ
チは一斉にターンオンするし、オン電圧の印加を中止す
るあるいは逆方向の電圧を印加してオフ電流をソース極
からゲート極へ流せば、各半導体スイッチは一斉にター
ンオフする。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ところで、ゲート駆動
回路5と半導体スイッチ2a,2b,2cとが前述した
図5で図示した位置関係にあるとすると、ゲート駆動回
路5から半導体スイッチ2bのゲート極までのゲート線
8の長さは、ゲート駆動回路5から半導体スイッチ2a
のゲート極までの距離よりも長くなるし、ゲート駆動回
路5から半導体スイッチ2cまでのゲート線8の長さは
更に長い。
【0005】例えば、各半導体スイッチのゲート極同士
を接続するゲート線8の長さは数10cmとすると、ゲー
ト線,ソース線の配線インダクタンスLは数百nHとな
る。一方、数百ボルト,数百アンペアのような大容量の
半導体スイッチのゲートの静電容量Cは数百nF程度であ
る。ゲート駆動回路5から各ゲート極への信号(オン電
流)の伝達遅れ時間は、前述した線路インダクタンスL
とゲート静電容量Cとの積の平方根にほぼ等しい。従っ
て半導体スイッチの複数を並列に接続した場合に、ゲー
ト配線のインダクタンスLとゲート静電容量Cとが前述
した値のときの信号伝達遅れ時間は数百ナノ秒となる。
【0006】即ち図5に図示の半導体スイッチ並列接続
回路では、半導体スイッチ2aと半導体スイッチ2cと
は、インダクタンスの影響によって信号伝達時間に差が
生じるため、この信号伝達遅れ時間が原因で、半導体ス
イッチ2a,2cとはそのオン・オフ動作に数百ナノ秒
又はそれ以上の時間差を生じてしまう。オン状態からオ
フ状態へ移行する際に遅れてオフする半導体スイッチに
は電流が集中するので、その半導体スイッチにターンオ
フ損失が集中する。又、オフ状態からオン状態へ移行す
る際に、早くオンする半導体スイッチにターンオン損失
が集中することになる。
【0007】このようにオン・オフ動作に時間差がある
と、特定の半導体スイッチに損失が集中するので、多数
の半導体スイッチを並列接続することが無意味になって
しまい、半導体スイッチを並列接続しても変換電力があ
まり増加しない不都合を生じる。そこでゲート配線を大
きくしてそのインダクタンスを低減しようとすれば大き
な配線スペースが必要になるし、太い配線を接続するに
も大きなスペースが必要になる。又、太い配線の接続は
簡単にはできない。更に、大電力用半導体スイッチの主
回路導体(即ちアノード側導体とカソード側導体)のイ
ンダクタンスも小さくしなければならないので、半導体
スイッチ周辺に無駄な磁束を通す空間を設けることは許
されない。従って導体を接続するためのねじ締め作業用
やはんだ付け作業用の空間を確保することも困難とな
る。
【0008】この発明の目的は、複数の半導体スイッチ
を並列に接続する際の各制御極間の配線インダクタンス
を小さくして、各半導体スイッチの動作時間差を低減す
ることにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、この発明では、平形構造半導体スイッチの複数を
並列に接続する際に、各半導体スイッチの第1電極を板
状の第1導体に接触させ、この第1電極とは反対の面に
設けている各第2電極には帯状の第2電極用導体を接触
させ、且つ各第3電極と膜状の第3電極用導体とを接触
させるのであるが、これら第2電極用導体と第3電極用
導体との間には、幅が広くて薄い帯状の絶縁体を介在さ
せて重ね合わせる構造、所謂ラミネート構造とする。
【0010】あるいは、第2電極用導体と第3電極用導
体とを前記膜状の絶縁体を介して曲げて交互に重ね、前
記第2電極用導体の帯状部とは反対側の面に第3電極用
導体が露出する構造とする。
【0011】
【作用】先述の如く第2,第3電極用導体を構成するこ
とにより、第3電極用導体のインダクタンスが、従来よ
りも2桁以上小さくなる。
【0012】
【実施例】図1は、本発明の構成を図5と同様に示した
図であって、図3に示す半導体スイッチ20を複数個並
列に接続している。図5と相違する点は、ドレイン,ソ
ース,ゲートの各極の接続を面を持つドレイン導体1
1,ソース導体41,ゲート導体31によって行ってい
て、ソース導体41とゲート導体31とは膜状の絶縁体
51を介して所謂ラミネート構造としている。
【0013】図2は本発明の第1実施例を表した図であ
って、図3に図示の構造の半導体スイッチ20の複数を
並列接続した状態を表している。この図2で明らかなよ
うに、半導体スイッチのドレイン極21は、図示しない
加圧装置により矢印方向に加圧され、第1導体としての
板状のドレイン導体11に接触し、ソース極22も矢印
方向の加圧力によって帯状のソース導体41に接触して
いる。更にゲート極23は矢印方向の加圧力によって歪
み、この歪みを復元しようとするばね力によって帯状の
ゲート導体31に接触しているが、このゲート導体31
は薄い絶縁体51によりソース導体41と絶縁されてい
る。ここで、ソース導体41,ゲート導体31,絶縁体
51とで第2導体12が構成される。
【0014】第1実施例のように、1つの半導体スイッ
チ素子が複数のゲート極23を有する素子を用いる場
合、ゲート極23が同一の信号によって駆動されるので
あれば、ゲート導体31をその端部でゲート導体31と
同一の部材で共通に接続すること、つまり、ゲート導体
31を端部で共通に接続された形状に形成することによ
って、ゲート導体のインダクタンスが1/2に低減され
る。
【0015】複数のゲート極23が別の信号によって別
の動作をする場合、ゲート導体の端部での接続を行わな
ければ、別の信号による別の動作が可能なことはもちろ
んである。第1実施例では、ゲート導体31の端部を共
通に接続した構成とし、ソース導体41とゲート導体3
1との間にゲート駆動回路5を接続して、ゲート極23
へ信号を与えている。
【0016】ソース導体41とゲート導体31との間に
は膜状の絶縁体51が介在するため、ゲート導体のイン
ダクタンスは配線による接続に比べ小さい値となる。図
4は本発明の第2実施例を表した図であって、図3に図
示の構造の半導体スイッチの複数を並列接続した状態を
表している。この図4の第2実施例において、ソース導
体42はやや肉厚の帯状部42aと帯状部42aより薄
い膜状部42bからなり、膜状部42bと膜状のゲート
導体32とが折り曲げられ膜状の絶縁体52を介して交
互に重ね合わせられ、帯状部42aの加圧面とは反対
側、即ち膜状部42bが設けられた側ではゲート導体3
2の一面が露出するようにして第3導体13を構成して
いる。また、この重ね合わせ部は、半導体スイッチ20
のゲート極23の数と同数が設けられる。
【0017】第1実施例と同様に、図示しない加圧装置
により矢印の方向に加圧することにより、ソース導体の
帯状部42aはソース極22と、ドレイン導体11はド
レイン極21と、ゲート導体32の露出面がゲート極2
3とそれぞれ接触する。また、ソース導体42とゲート
導体32との間にゲート駆動回路5が接続されている。
【0018】第2実施例では、ソース導体42にやや肉
厚の帯状部42aと帯状部42aより薄い膜状部42b
を設け、膜状部42bと膜状のゲート導体32とが折り
曲げられ膜状の絶縁体52を介して交互に重ね合わせる
構成としたので、膜状部42b、ゲート導体32の磁路
が長くなるため、ゲート電流によって膜状部42bに発
生する起磁力とゲート導体32に発生する起磁力とが相
殺されることになり、配線による接続と比較して、ある
いは第1実施例と比較してインダクタンスの低減効果が
顕著である。
【0019】
【発明の効果】この発明によれば、ゲート駆動回路が出
力するオン・オフ信号がゲート導体とソース導体とを介
して半導体スイッチのゲート極へ流れるが、これらゲー
ト導体とソース導体とは極めて薄い絶縁体を介して密着
しており、且つ幅の広い導体であるから、ゲート電流に
よって発生する起磁力を相殺させることから、平形構造
の半導体スイッチを5〜10個並列に接続する場合でも
配線インダクタンスは数nH程度の小さな値にすることが
できる。
【0020】従ってゲート配線のインダクタンスに起因
する信号伝達の遅れ時間は数十ナノ秒以下に短縮できる
ので、従来の配線構造に比して大幅に遅れ時間を短縮で
き、各半導体スイッチのターンオン損失やターンオフ損
失を低減できる。その結果、変換電力を半導体スイッチ
の並列数にほぼ比例して増加させることができるので、
より大形の電力変換装置を実現できる効果が得られる。
【0021】ソース導体とゲート導体とが膜状の絶縁体
を介して対向する面積を増加させることにより、ゲート
配線のインダクタンスをより一層低減できるので、半導
体スイッチの損失をより低減できる効果が得られる。更
に、多数の半導体スイッチを並列接続する際に、ねじ締
め作業やはんだ付け作業をせずに圧接によって組み立て
ているので、余分な作業空間を必要としないので、装置
を小形にできるだけではなく、配線インダクタンスを低
減している。又、配線接続の手間も省略できる効果が合
わせて得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の構成を示す図
【図2】本発明の第1実施例を示す図
【図3】本発明の実施例に用いる半導体スイッチの構造
を示す図
【図4】本発明の第2実施例を示す図
【図5】従来の構成を示す図
【図6】従来例に用いる半導体スイッチの構造を示す図
【符号の説明】
2,20……半導体スイッチ、5……ゲート駆動回路、
6……ドレイン線、7……ソース線、8……ゲート線、
2D,21……ドレイン極、2S,22……ソース極、
2G,23……ゲート極、11……ドレイン導体、4
1,42……ソース導体、31,32……ゲート導体、
51,52……絶縁体
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭57−15453(JP,A) 特開 平7−312410(JP,A) 特開 平6−302734(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 25/04 - 25/075

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】平板状でその一方の平面には半導体スイッ
    チの第1電極を形成し、他方の平面には突出して形成さ
    れた第2電極と、この第2電極とは絶縁され且つ導電性
    弾性材料で形成された複数の第3電極とを備えている平
    形半導体スイッチの複数を並列に接続する構造におい
    て、 板状の第1導体と、 帯状の第2電極用導体と膜状で前記複数の第3電極に対
    応した第3電極用導体とこれら第2電極用導体と第3電
    極用導体との間に別個に挿入して両者を絶縁する膜状の
    絶縁体とで構成した第2導体とを備え、 前記第1導体と第2導体との間に複数の前記平形半導体
    スイッチを挿入し、各平形半導体スイッチの第1電極と
    第1導体とを接触させ,各平形半導体スイッチの第2電
    極と第2電極用導体とを接触させ,且つ各平形半導体ス
    イッチの複数の第3電極と複数の第3電極用導体とを別
    個に接触させ、これら第1導体と第2導体との間に圧力
    をかけて前記各電極と各導体とを圧接することを特徴と
    する平形半導体スイッチの並列接続構造。
  2. 【請求項2】請求項1に記載の平形半導体スイッチの並
    列接続構造において、前記第3電極用導体を、その端部
    で第3電極導体と同一部材で共通に接続することを特徴
    とする平形半導体スイッチの並列接続構造。
  3. 【請求項3】平板状でその一方の平面には半導体スイッ
    チの第1電極を形成し、他方の平面には突出して形成さ
    れた第2電極と、この第2電極とは絶縁され且つ導電性
    弾性材料で形成された複数の第3電極とを備えている平
    形半導体スイッチの複数を並列に接続する構造におい
    て、 板状の第1導体と、 帯状の部分と、膜状の部分をもつ第2電極用導体と膜状
    で前記複数の第3電極に対応した第3電極用導体と、第
    2電極用導体と第3電極用導体とを互いに絶縁するため
    の膜状の絶縁体とからなり、前記第2電極用導体の膜状
    部と前記第3電極用導体とを前記膜状の絶縁体を介して
    曲げて交互に重ね、前記第2電極用導体の帯状部とは反
    対側の面に第3電極用導体が露出するようにして第3導
    体を構成し、 前記第1導体と第3導体との間に複数の前記平形半導体
    スイッチを挿入し、各平形半導体スイッチの第1電極と
    第1導体とを接触させ,各平形半導体スイッチの第2電
    極と第2電極用導体とを接触させ,且つ各平形半導体ス
    イッチの複数の第3電極と複数の第3電極用導体とを別
    個に接触させ、これら第1導体と第3導体との間に圧力
    をかけて前記各電極と各導体とを圧接する ことを特徴
    とする平形半導体スイッチの並列接続構造。
  4. 【請求項4】請求項3に記載の平形半導体スイッチの並
    列接続構造において、前記第3電極用導体を、その端部
    で第3電極導体と同一部材で共通に接続することを特徴
    とする平形半導体スイッチの並列接続構造。
  5. 【請求項5】請求項1乃至請求項4に記載の平形半導体
    スイッチの並列接続構造において、 前記半導体スイッチはMOSFETであり、前記第1電
    極はドレイン極であり、前記第2電極はソース極であ
    り、前記第3電極はゲート極であることを特徴とする平
    形半導体スイッチの並列接続構造。
  6. 【請求項6】請求項1乃至請求項4に記載の平形半導体
    スイッチの並列接続構造において、 前記半導体スイッチはIGBTであり、前記第1電極は
    ドレイン極であり、前記第2電極はソース極であり、前
    記第3電極はゲート極であることを特徴とする平形半導
    体スイッチの並列接続構造。
  7. 【請求項7】請求項1乃至請求項4に記載の平形半導体
    スイッチの並列接続構造において、 前記半導体スイッチはサイリスタであり、前記第1電極
    はアノード極であり、前記第2電極はカソード極であ
    り、前記第3電極はゲート極であることを特徴とする平
    形半導体スイッチの並列接続構造。
  8. 【請求項8】請求項1乃至請求項4に記載の平形半導体
    スイッチの並列接構造において、 前記半導体スイッチはバイポーラトランジスタであり、
    前記第1電極はコレクタ極であり、前記第2電極はエミ
    ッタ極であり、前記第3電極はベース極であることを特
    徴とする平形半導体スイッチの並列接続構造。
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