JP4118252B2 - Power semiconductor switching device - Google Patents
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Description
本発明は電力半導体スイッチング装置に関し、特にGCT(ゲート転流型ターンオフ)サイリスタ、GTO(ゲートターンオフ)サイリスタ、あるいは静電誘導サイリスタ(SITH)などのサイリスタを流れる高電流を遮断するゲートドライバに関する。 The present invention relates to a power semiconductor switching device, and more particularly to a gate driver that cuts off a high current flowing through a thyristor such as a GCT (gate commutation turn-off) thyristor, a GTO (gate turn-off) thyristor, or an electrostatic induction thyristor (SITH).
電力半導体スイッチング装置はサイリスタをターンオンおよびターンオフするゲートドライバを有する。このゲートドライバは並列に接続された複数のコンデンサとこれらのコンデンサにそれぞれ直列に接続された複数のスイッチング・トランジスタ(MOSFET)とを有する。 The power semiconductor switching device has a gate driver that turns on and off the thyristor. The gate driver includes a plurality of capacitors connected in parallel and a plurality of switching transistors (MOSFETs) connected in series to the capacitors.
サイリスタ211とゲートドライバとを備えた先行技術の電力半導体スイッチング装置の一例が図17aと17bに示されている。このゲートドライバは基板210に実装されたコンデンサ222とMOSFET223とを含んでいる。各コンデンサは220μF〜2200μFの静電容量を有するとともに、その一端から延びる2本の端末ワイヤを備えた円筒形状を有している。このため各コンデンサの大きさは厚く、基板210の表面から測ったコンデンサ222の高さTcは約15mm〜20mmである。基板210の表面から測ったサイリスタ211の高さTtは約15mm〜20mmである。このようにコンデンサ222の高さTcはサイリスタ211の高さTtと略同じである。コンデンサを十分な電荷で素早く充電してサイリスタ211を素早くターンオフするための十分な静電容量を得るにはこのような大型のコンデンサが必要である。このようなゲートドライバは2000年10月27日に発行された特許文献1に開示されている。
An example of a prior art power semiconductor switching device comprising a
動作中にサイリスタ211およびMOSFET223は発熱する。サイリスタの温度は高温、例えば100℃まで上昇する。このためアノードが配置されているサイリスタ211の上部にヒートシンクを設けることが好ましい。サイリスタ211の上部に平面ヒートシンクを設ける場合には、このようなヒートシンクをコンデンサの上部に非常に近接して配置することになる。またこのようなヒートシンクはサイリスタ211のアノードに対して電気的接続板としての役目もする。このためヒートシンクとコンデンサとの電圧差が数1000ボルトにまで高く上昇することになる。ヒートシンクとコンデンサの間の距離が短く、例えば10mm未満である場合には、ヒートシンクとコンデンサの間に望ましくない放電が発生して電力半導体スイッチング装置に深刻なダメージを与える。このためヒートシンクとコンデンサの間にエアギャップ絶縁を設けなければならない。図17aおよび17bの先行技術の電力半導体スイッチング装置では、サイリスタのアノード上に平面ヒートシンクを設けることはできない。その代わりカップ状ヒートシンクや皿状ヒートシンクが用いられた。
During operation, the
他の先行技術のゲートドライバは特許文献2に開示されている。この文献ではコンデンサおよびMOSFETがサイリスタの筐体の内部に設けられている。このため十分な合計静電容量を割り当てるために多くの厳しい問題に直面する。
先行技術のゲートドライバは大型のコンデンサを用いるという問題がある。小型のコンデンサを用いた場合、コンデンサを非常に短時間、例えば100μs〜200μsでリフレッシュできない、すなわち必要なレベルに充電できないという他の問題が生じる。またこのような大型のコンデンサはサイリスタ周囲の熱対流を妨げた。 Prior art gate drivers have the problem of using large capacitors. When a small capacitor is used, another problem arises that the capacitor cannot be refreshed in a very short time, for example, 100 μs to 200 μs, that is, cannot be charged to a required level. Also, such a large capacitor hindered the thermal convection around the thyristor.
本発明はセラミックコンデンサなどの小型のコンデンサを有するゲートドライバをそのコンデンサを素早く充電する充電器とともに提供することにより上記の問題を解決する。 The present invention solves the above problem by providing a gate driver having a small capacitor, such as a ceramic capacitor, along with a charger that quickly charges the capacitor.
本発明によれば、電力半導体スイッチング装置は、
アノードと、カソードと、ゲートとを有する圧接型パッケージに収容された電力半導体スイッチング素子と、
順バイアスドライバ手段と、
互いに並列に接続された複数のコンデンサと前記ゲートと前記コンデンサの間にそれぞれ直列に接続された複数のMOSFETとを有する逆バイアスドライバ手段と、
所定の短時間tCmin内に前記コンデンサを充電する高速充電回路と、
前記電力半導体スイッチング素子と、前記コンデンサと、前記MOSFETとを支持する実装基板とを含み、
前記コンデンサと前記MOSFETがそれぞれ薄型パルスコンデンサと薄型MOSFETであるとともに、上記スイッチング素子のカソードの表面により規定される平面から測定したコンデンサとMOSFETの高さが上記電力半導体スイッチング素子の高さより低くなるように上記電力半導体スイッチング素子の周囲に配置されており、
さらに最高特定ターンオフ電流および電圧条件で前記スイッチング素子のターンオフ中にコンデンサの電圧が1V以上の電圧降下を示すように前記コンデンサの合計静電容量が選択されている。
According to the present invention, a power semiconductor switching device comprises:
A power semiconductor switching element housed in a pressure contact type package having an anode, a cathode, and a gate;
Forward bias driver means;
Reverse bias driver means having a plurality of capacitors connected in parallel to each other and a plurality of MOSFETs connected in series between the gate and the capacitor, respectively.
A fast charging circuit for charging the capacitor within a predetermined short time tCmin;
A mounting substrate that supports the power semiconductor switching element, the capacitor, and the MOSFET;
The capacitor and the MOSFET are a thin pulse capacitor and a thin MOSFET, respectively, and the height of the capacitor and the MOSFET measured from a plane defined by the surface of the cathode of the switching element is lower than the height of the power semiconductor switching element. Are arranged around the power semiconductor switching element,
Further, the total capacitance of the capacitor is selected so that the voltage of the capacitor exhibits a voltage drop of 1 V or more during the turn-off of the switching element at the highest specific turn-off current and voltage condition.
薄型パルスコンデンサおよび薄型MOSFETを用いているため、電力半導体スイッチング素子上に平面ヒートシンクを設けた場合コンデンサと薄型MOSFETにわたって十分なエアギャップを提供することができる。 Since a thin pulse capacitor and a thin MOSFET are used, when a planar heat sink is provided on the power semiconductor switching element, a sufficient air gap can be provided between the capacitor and the thin MOSFET.
第1の実施形態
図1a、1b、1c、1d、および1eを参照すると、第1の実施形態による電力半導体スイッチング装置が示されている。この電力半導体スイッチング装置は上に電力半導体スイッチング素子1が実装された実装基板7を有する。この電力半導体スイッチング素子1は、例えばGCT(ゲート転流型ターンオフ)サイリスタ、GTO(ゲートターンオフ)サイリスタ、あるいは静電誘導サイリスタ(SITH)などのサイリスタである。この電力半導体スイッチング素子1はドラム状圧接型パッケージに収容されている。図1eに最も分かりやすく図示されているように、この電力半導体スイッチング素子1は一端のアノード18と、他端のカソード19と、パッケージの中央部から延出するゲート20とを有する。アノードとカソードの間で測定したこの電力半導体スイッチング素子1の全高HGCTは22mm〜27mmである。
First Embodiment Referring to FIGS. 1a, 1b, 1c, 1d, and 1e, a power semiconductor switching device according to a first embodiment is shown. This power semiconductor switching device has a mounting
またこの電力半導体スイッチング素子1の周囲に沿って実装基板7に実装されているのがコンデンサ4およびスイッチング・トランジスタ5である。このスイッチング・トランジスタ5が内輪に沿って一列に並ぶとともに、コンデンサ4が1つまたは複数の外輪に沿って一列に並んでいることが好ましい。
A
コンデンサ4は薄型パルスコンデンサであり、好ましくはタンタル電解コンデンサである。薄型のコンデンサであればセラミックコンデンサやフォイルコンデンサなど他のタイプのコンデンサを用いることもできる。薄型コンデンサはサイズが小さく、例えば高さTcが8mm未満、好適には4mmであり、さらに表面実装型であることが好ましい。1個の薄型コンデンサは10μF〜50μFの静電容量を有し、その定格電圧は20Vを超える。
The
スイッチング・トランジスタ5もMOSFETなどの薄型トランジスタである。薄型トランジスタとはサイズが小さく、例えば高さTMOSが8mm未満、好適には4mmであり、さらに好ましくは表面実装型であるトランジスタである。図1eに示した例はTc=4mmおよびTMOS=5mmになっている。
The switching
使用の際、この電力半導体スイッチング装置には、電力半導体スイッチング素子1に蓄積した熱を均一に除去するため、電力半導体スイッチング素子1のアノード18に取り付けられた平面ヒートシンク21が設けられる。ヒートシンク21は、この電力半導体スイッチング装置を製造する際この装置に不可欠の物ではないが、電力半導体スイッチング装置を電力変換装置等に搭載する場合には、ヒートシンク21を用いなければならない。
In use, the power semiconductor switching device is provided with a
平面ヒートシンク21は金属で構成されるとともに、スイッチング素子1のアノード18の電気コネクタとしての役目を果たす。除熱のために同様なシンク116が電力半導体スイッチング素子1のカソード19に取り付けられている。平面ヒートシンク116は金属で構成されるとともに、スイッチング素子1のカソード19の電気コネクタとしての役目を果たす。実装基板7の上面からヒートシンク116の上面の間の距離は、HPCBで示され、実装された素子4または5の最高点、図1eの例ではトランジスタ5の最高点、からヒートシンク116の上面までの距離は、Hoffで示される。
The
ヒートシンク21とコンデンサ4またはトランジスタ5との間に約数1000ボルトの電圧差DVが生じる場合がある。このためヒートシンク21とコンデンサ4またはトランジスタ5のどちらか高い方との間に十分なエアギャップを設けることが必要である。1.5mmのエアギャップが1000ボルトを遮断することができるため、エアギャップの高さTtは以下の式で算出することができる。
Tt=1.5×DV/1000
6500ボルトを遮断するためにはエアギャップは約9.75mmでなければならない。従って安全のためエアギャップTtは10mm〜15mmでなければならい。Ttはアノード18の表面からトランジスタ5またはコンデンサ4のどちらか高い方の測定距離である。
There may be a voltage difference DV of about several thousand volts between the
Tt = 1.5 × DV / 1000
The air gap must be about 9.75 mm to block 6500 volts. Therefore, for safety, the air gap Tt must be 10 mm to 15 mm. Tt is the higher measurement distance of the
図2aを参照すると第1の実施形態の電力半導体スイッチング装置の回路図が示されている。電力半導体スイッチング素子1はアノード18とカソード19とを有し、これらは負荷(図示せず)に接続されている。この電力半導体スイッチング素子1のゲート20とカソード19との間に複数の逆バイアスドライバユニット90が並列に接続されている。1個の逆バイアスドライバユニット90はスイッチング・トランジスタ5と、ゲート抵抗102と、コンデンサ4とを含んでいる。このスイッチング・トランジスタ5はスイッチング素子1のゲート20に接続されたドレインと、コンデンサ4に接続されたソースと、ゲート抵抗102に接続されたゲートとを有する。図1dに示すようにコンデンサ4は並列に接続された6個の薄型パルスコンデンサ4a、4b、4c、4d、4eおよび4fにより形成されている。1個の逆バイアスドライバユニットに含まれる薄型パルスコンデンサの数は6に限定されず、他の任意の数を選んでもよい。逆バイアスドライバユニット90の数は一実施形態によれば35ユニットである。設計によって逆バイアスドライバユニットの数を例えば5〜50の間で変えることができる。このため上記から明らかなように逆バイアスドライバユニットは互いに並列に接続された複数の薄型パルスコンデンサと、スイッチング素子1のゲートとコンデンサの間にそれぞれ直列に接続された複数のスイッチング・トランジスタ5、すなわちMOSFETとを有する。またMOSFETは互いに並列に接続されてMOSFETのアレイ101を規定する。
Referring to FIG. 2a, a circuit diagram of the power semiconductor switching device of the first embodiment is shown. The power
図2aに示したように本発明によれば、充電器6は1つの逆バイアスドライバユニットのコンデンサ4に接続され、2つの連続ターンオフ時点8、13間の最小時間より短い時間tCminでコンデンサ4を充電する。1つの逆バイアスドライバユニットのコンデンサ4は他の逆バイアスドライバユニットのコンデンサ4と並列に接続されている。このためすべてのコンデンサ4が並列に接続されて線111と112の間に接続されたコンデンサのアレイ100を構成する。充電器6は並列に接続されているすべてのコンデンサ4を同時に短時間tCminで充電する。充電器6はさらに外部電源に接続されている。充電器6の詳細は後述する。
As shown in FIG. 2a, according to the present invention, the
図2aに示したように、プリドライバを含む順バイアスドライバ2は線104および103を介してスイッチング素子1をターンオンおよびターンオフする制御信号を生成する。線104はスイッチング素子1のゲートに接続され、線103は各ゲート・抵抗102に接続されて次にスイッチング・トランジスタ5のゲートに接続されている。順バイアスドライバ2用の電力は線106を介して充電器6から供給される。制御信号を生成するタイミングを制御するために制御情報105が順バイアスドライバ2に加えられる。
As shown in FIG. 2 a, the
図1aを参照すると、順バイアスドライバ2および充電器6は実装基板7上のスイッチング素子1から離れた位置に設けられている。また図2aに示したような回路接続は図1eに示したような実装基板7内に設けられた多層回路により達成される。
Referring to FIG. 1 a, the
この電力半導体スイッチング装置の動作を図2b、2cおよび2dを参照して説明する。 The operation of this power semiconductor switching device will be described with reference to FIGS. 2b, 2c and 2d.
時刻t0においてスイッチング素子1、すなわちGCTがオン状態であるとともに、コンデンサ4が所定の電圧VCまで完全に充電されていると仮定する。時刻taにおいて順バイアスドライバ2によりターンオフ信号が生成され、この信号が線103と抵抗102とを介してMOSFET5のゲートに印加される。このためMOSFET5はすべてターンオンして放電電流IGをコンデンサ4からスイッチング素子1のゲートに供給する。このため時刻taでターンオフパルス9(図2c)がスイッチング素子1のゲートで観測されるとともに、電圧降下10(図2d)により示されるようにコンデンサ4が放電される。このため時刻taにおいて降下線8により示すようにGCTがターンオフされる。その後充電器6が充電電流を供給しているため、電圧上昇11および飽和12により示されるように、コンデンサ4は時刻taから所定の時間tCmin内に所定の電圧VCまで急速に充電される。
It is assumed that switching
時刻tbにおいて、順バイアスドライバ2によりターンオン信号が生成されて、これが線104を介してGCT1のゲートに印加される。このためGCT1は再度ターンオンされる。
At time tb, a turn-on signal is generated by the
そして時刻tcにおいて第2のターンオフ信号が生成されて上記と同様にGCTをターンオフする。なお順バイアスドライバ2からの2つの連続ターンオフ信号の間、例えば2つのターンオフパルス9および14の間の時間差は制御情報105によって変化するが、tCmin以上になるように設定される。
At time tc, a second turn-off signal is generated to turn off the GCT as described above. Note that the time difference between the two continuous turn-off signals from the
高速充電器6は第2のターンオフ・スイッチング13の要求が発生する前に第1のパルスコンデンサ電圧リセットプロセスの終了12に達するように設計されている。このように高速充電器6は次のターンオフ・スイッチングの要求が発生する前に間違いなくコンデンサ4を充電することができる。このような充電器6を用いることにより、薄型コンデンサ4の合計静電容量が小さいにもかかわらず間違いなく電力半導体スイッチング素子1のターンオフが達成される。
The
本発明によれば、電力半導体スイッチング素子1の周囲にはいかなるタイプの薄型MOSFET5および薄型パルスコンデンサ4でもよい。MOSFET5の数はコンデンサ4より少ないため、薄型MOSFET5は薄型パルスコンデンサ4より小さなスペースで足りる。そのため図1aおよび1dに示したように、素子4および5は同心円状の輪に配置されており、薄型MOSFET5は内輪に位置し、薄型パルスコンデンサ4は1つ又はそれ以上の外輪に位置している。
According to the present invention, any type of
薄型パルスコンデンサおよび薄型MOSFETを使用しているため、電力半導体スイッチング素子上に平面ヒートシンクを設けた場合、コンデンサおよび薄型MOSFET全体に十分なエアギャップを設けることができる。このためヒートシンクとコンデンサまたはMOSFETとの間の望ましくない放電を回避することができる。 Since a thin pulse capacitor and a thin MOSFET are used, when a planar heat sink is provided on the power semiconductor switching element, a sufficient air gap can be provided in the entire capacitor and the thin MOSFET. This avoids unwanted discharge between the heat sink and the capacitor or MOSFET.
第2の実施形態
電力半導体スイッチング装置を様々なタイプの電力半導体スイッチング回路、例えばDCチョッパ、電流源インバータおよび電圧源インバータに搭載することができる。時刻tCminは2つの連続ターンオフ時点8、13の間の最小時間より短いが、そうであればこのような電子回路の制御アルゴリズムに強く依存することになる。
Second Embodiment The power semiconductor switching device can be mounted on various types of power semiconductor switching circuits, such as a DC chopper, a current source inverter, and a voltage source inverter. The time tCmin is shorter than the minimum time between two successive turn-
例えばDCチョッパおよび電流源インバータにおいてアノード電流の上昇率は、一定のスイッチング周波数で規則的にターンオンおよびオフされる際、アノード電流が間違いなく電力半導体スイッチング装置の定格ターンオフ能力未満に維持できるようにインダクタにより制限される場合がある。このような場合、図2bから明らかなようにtCminをtCmin=1/スイッチング周波数以下の値に設定してもよい。 For example, in DC choppers and current source inverters, the rate of increase of the anode current is such that the anode current can definitely be maintained below the rated turn-off capability of the power semiconductor switching device when it is regularly turned on and off at a constant switching frequency. May be limited. In such a case, as is apparent from FIG. 2b, tCmin may be set to a value equal to or less than tCmin = 1 / switching frequency.
これと対照的に電圧源インバータにおいてはアノード電流の上昇率にはこのような強い制限はない。結果として、負荷の突発的な短絡の場合、コンバータを守るために電圧源インバータのコントローラが規則的ターンオフ動作の後非常に短時間のうちにターンオフ命令を生成するはずである。このような場合、tCminを500μs以下、好適には50μs〜200μsに設定してもよい。このように本発明よれば充電器6はtCminすなわち500μs未満以内に所定電圧VCでコンデンサ4を充電できる。
In contrast, in the voltage source inverter, there is no such strong limit on the rate of increase of the anode current. As a result, in the event of a sudden load short circuit, the voltage source inverter controller should generate a turn-off command in a very short time after a regular turn-off operation to protect the converter. In such a case, tCmin may be set to 500 μs or less, preferably 50 μs to 200 μs. Thus, according to the present invention, the
このため第2の実施形態は同様なタイミング要件のある電圧源インバータおよび回路での適用に好適である。 Therefore, the second embodiment is suitable for application in voltage source inverters and circuits having similar timing requirements.
第3の実施形態
図3a、3bおよび3cを参照すると、電力半導体スイッチング装置の第3の実施形態が示されている。図1a、1bおよび1cでは、薄型タンタル電解コンデンサ4を用いたが、図3a、3bおよび3cではセラミック多層大容量コンデンサ22を用いる。
Third Embodiment Referring to FIGS. 3a, 3b and 3c, a third embodiment of a power semiconductor switching device is shown. In FIGS. 1a, 1b and 1c, a thin tantalum
このようなセラミックコンデンサは寿命が長く高温に耐える。このため電力半導体スイッチング装置の第3の実施形態は高い安定性がある。 Such ceramic capacitors have a long life and withstand high temperatures. For this reason, the third embodiment of the power semiconductor switching device has high stability.
第4の実施形態
図4a、4b、4c、4d、4eおよび4fを参照すると、電力半導体スイッチング装置の第4の実施形態が示されている。第4の実施形態では、薄型MOSFET5が実装基板7の上側に実装されている一方、薄型パルスコンデンサ4は同基板の下側に実装されている。
Fourth Embodiment Referring to FIGS. 4a, 4b, 4c, 4d, 4e and 4f, a fourth embodiment of a power semiconductor switching device is shown. In the fourth embodiment, the
この配置はスペースの節約になる。加えてゲート回路の寄生インダクタンスが減少する。基板の上側の薄型MOSFET5のドレインを電力半導体スイッチング素子1のゲートに直接接続することが可能であり、薄型パルスコンデンサをスイッチング素子1のカソードに直接接続することが可能であり、さらに薄型パルスコンデンサ4と薄型MOSFET5のソースを接続することによって基板7内の貫通孔によりこのループを閉じる。
This arrangement saves space. In addition, the parasitic inductance of the gate circuit is reduced. The drain of the
第5の実施形態
図5a、5b、5cおよび5dを参照すると、電力半導体スイッチング装置の第5の実施形態が示されている。第5の実施形態では、充電器6の入力線17間にエネルギー蓄積手段23が接続されている。
Fifth Embodiment Referring to FIGS. 5a, 5b, 5c and 5d, a fifth embodiment of a power semiconductor switching device is shown. In the fifth embodiment, the energy storage means 23 is connected between the input lines 17 of the
図5bに示したように、GCT1は線8、13および24で示すように3回ターンオフされる。線8と13との間の時間をtCminとし、線13と24との間の時間をtCminとすることができる。このようなターンオフの素早い繰り返しが発生してコンバータを負荷の突発的な短絡から守ることができる。負荷の突発的な短絡が回復すると、GCT1の次のターンオフがより長い時間、例えば線24から1msで発生可能である。
As shown in FIG. 5b, GCT1 is turned off three times as indicated by
上記から明らかなように、エネルギー蓄積手段23は各サイクル時間がtCminという短い状態で少なくとも3つのフル充電サイクル8、13および24を維持することができる。この場合充電器6に接続された電源(図示せず)は、1ms〜4msである平均スイッチングサイクルタイムtCavとも呼ばれる規則的な充電時間でコンデンサ4を充電するのに十分な出力電力さえあればよい。
As is apparent from the above, the energy storage means 23 can maintain at least three
エネルギー蓄積手段23を第5の実施形態に設けたため、充電器6は瞬時に配電することが可能であり、このため最小時間tCminで繰り返して多数回、例えば3回確実にコンデンサ4を充電することができる。
Since the energy storage means 23 is provided in the fifth embodiment, the
第6の実施形態
図6a、6b、6cおよび6dを参照すると、電力半導体スイッチング装置の第6の実施形態が示されている。この実施形態では充電器6の詳細を説明する。
Sixth Embodiment Referring to FIGS. 6a, 6b, 6c and 6d, a sixth embodiment of a power semiconductor switching device is shown. In this embodiment, details of the
図6aに示したように、充電器6は線17とトランジスタ29との間に接続された電圧レギュレータ・コントローラ30を含んでいる。レギュレータ・コントローラ30およびトランジスタ29は高電流低ドロップアウト線形レギュレータを構成している。トランジスタ29およびレギュレータ・コントローラ30を使用すると、エネルギー蓄積手段23の始動電圧VES(線31で示す)は薄型パルスコンデンサ4の始動電圧VC(線32で示す)より大幅に高くなる。これにより回路(図示せず)の寄生インダクタンスの十分なdI/dtを生成するとともに薄型パルスコンデンサ4の高速充電を保証するのに十分な電圧差が維持される。
As shown in FIG. 6 a,
電力半導体スイッチング装置の第6の実施形態により、簡単な回路で充電器6を形成することができる。このため電力半導体スイッチング装置を費用効率よく作製することができる。
According to the sixth embodiment of the power semiconductor switching device, the
第7の実施形態
図7a、7b、7cおよび7dを参照すると、電力半導体スイッチング装置の第7の実施形態が示されている。この実施形態では、充電器6が変形されている。
Seventh Embodiment Referring to FIGS. 7a, 7b, 7c and 7d, a seventh embodiment of a power semiconductor switching device is shown. In this embodiment, the
図7aに示したように、充電器6はブースト・インダクタ33と、ブースト・スイッチング・トランジスタ34と、ブースト・ダイオード35と、電流感知抵抗113と、ブースト・コンバータ・コントローラ114とを含む高速タイプのブースト・コンバータ(昇圧コンバータ)により形成されている。ブースト・インダクタ33およびブースト・ダイオード35は線17のうちの1本で直列に接続されており、ブースト・スイッチング・トランジスタ34は線17間に接続されている。ブースト・コンバータ・コントローラ114は電流感知抵抗113を流れる電流を検出するとともに、スイッチング信号をトランジスタ34に供給して昇圧電圧を制御する。
As shown in FIG. 7 a, the
高電流ブーストタイプチョッパとしても知られる高速ブースト・コンバータにより、入力電圧VESは図7dに示すように出力電圧VC以下となることができる。十分なエネルギーがエネルギー蓄積手段23に蓄積される。このためターンオフ動作間に最小時間tCminを有する3回連続ターンオフ動作8、13および24の後でも、線26および27で示す第3のブーストリセット動作後にエネルギー蓄積手段23には線36で示す正の電圧がまだ残っている。
A high speed boost converter, also known as a high current boost type chopper, allows the input voltage VES to be below the output voltage VC as shown in FIG. 7d. Sufficient energy is stored in the energy storage means 23. For this reason, even after three consecutive turn-
図7aの高速ブースト・コンバータにより損失を低減することができる。このため回路素子が高度に加熱されることはなく、回路素子の寿命を延ばすことができる。 Loss can be reduced by the fast boost converter of FIG. For this reason, a circuit element is not heated highly and the lifetime of a circuit element can be extended.
第8の実施形態
図8a、8b、8cおよび8dを参照すると、電力半導体スイッチング装置の第8の実施形態が示されている。この実施形態では、充電器6がさらに変形されている。
Eighth Embodiment Referring to FIGS. 8a, 8b, 8c and 8d, an eighth embodiment of a power semiconductor switching device is shown. In this embodiment, the
図8aに示したように、充電器6はバックタイプチョッパとしても知られるバック・コンバータ(降圧コンバータ)により形成されている。このバック・コンバータはバック・スイッチング・トランジスタ38と、バック・ダイオード39と、バック・インダクタ40と、バック・スイッチング制御部37とを含んでいる。バック・スイッチング・トランジスタ38およびバック・インダクタ40は線17のうちの1本で直列に接続されており、バック・ダイオード39はカソードバス112とインダクタ40とに接続されている。バック・スイッチング制御部37はソースバス111とカソードバス112との間の電圧差と、バック・スイッチング・トランジスタ38およびバック・インダクタ40を流れる電流とを検出して、スイッチング信号をトランジスタ38に供給する。
As shown in FIG. 8a, the
線26および27で示す第3のバックリセット動作の後でもエネルギー蓄積手段23の電圧が薄型パルスコンデンサ4の電圧レベルより高いままであるようにエネルギー蓄積手段23を選択する。
The energy storage means 23 is selected so that the voltage of the energy storage means 23 remains higher than the voltage level of the
図8a〜8dの実施形態により、3つの連続ターンオフプロセスを実行することができる。 With the embodiment of FIGS. 8a-8d, three continuous turn-off processes can be performed.
第9の実施形態
図9a、9b、9c、9dおよび9eを参照すると、電力半導体スイッチング装置の第9の実施形態が示されている。この実施形態では、充電器6がなおさらに変形されている。
Ninth Embodiment Referring to FIGS. 9a, 9b, 9c, 9d and 9e, a ninth embodiment of a power semiconductor switching device is shown. In this embodiment, the
図9aに示した充電器6は図8aに示したものと同様であるが、インダクタ40と直列に挿入された電流感知抵抗42をさらに有する。電流感知抵抗42を流れる電流はバックタイミング電流コントローラ115により監視される。バックタイミング電流コントローラ115にはタイマが設けられている。他の構成は図8aに示したものと同一である。
The
バック・コンバータが連続モードで動作するため、電流制御部を適用すると好適であろう。この実施形態では、高速電流変化に適用可能な電流感知抵抗42により電流検出を行う。
Since the buck converter operates in continuous mode, it may be preferable to apply a current controller. In this embodiment, current detection is performed by the
電流感知抵抗42を使用することにより、バンバン制御を用いたチョッパ電流制御部が可能になる。しかし本実施形態による高速充電器6は100Aを超える電流および1μsより短いバック・スイッチング・トランジスタのオフタイムを制御する能力がある。このため簡単なバンバン制御は難題に直面することになる。第9の実施形態の動作モードによりこのような難題は確実な方法で解決される。
By using the
この動作は図9b〜9eに示されている。第1のパルスコンデンサ放電10により43において第1のスイッチングサイクルが始まる。そしてそれぞれインダクタ40を流れるインダクタ電流ILが立ち上がるとともに、抵抗42の両端の電圧V(RS)が上昇する。電圧V(RS)が所定レベルV1に達すると同時に、バック・スイッチング・トランジスタ38がターンオフされて、ILがバック・ダイオード39に方向転換される。結局ILが下降する。
This operation is illustrated in Figures 9b-9e. The first
第1のターンオフ44において、タイマが始動されて所定時間46後に第2のスイッチングサイクルを開始する。所定時間46はコンデンサ4の充電が遮断されるオフタイム時間である。このようにコンデンサはさい断電流により充電される。その後時点12の第1のパルスコンデンサ電圧リセットプロセスの終了までこのプロセスが繰り返される。
At the first turn-off 44, a timer is started to start a second switching cycle after a predetermined time 46. The predetermined time 46 is an off time when the charging of the
この実施形態では、充電器6内で充電電流が検出されるため、精度よく充電を実行することができる。
In this embodiment, since the charging current is detected in the
第10の実施形態
図10a、10b、10cおよび10dを参照すると、電力半導体スイッチング装置の第10の実施形態が示されている。この実施形態では、充電器6が変形されている。
Tenth Embodiment Referring to FIGS. 10a, 10b, 10c and 10d, a tenth embodiment of a power semiconductor switching device is shown. In this embodiment, the
図10aに示した充電器6は図8aに示したものと同様であるが、バック・スイッチング制御部37の代わりに固定タイミングコントローラ47が設けられている点が異なる。この固定タイミングコントローラ47はオンタイム時間49およびオフタイム時間50を計時する。他の構成は図8aに示したものと同一である。
The
電圧レベルV1(図9e)に達するには急速コンパレータが必要である。高速動作によりこのようなタイプのコンパレータは感度が制限される。このため電圧V1は非常に高レベル、例えばV1=100mVに設定しなければならない。大電流を伴う状態では電流感知抵抗42(図9a)は多量の損失を生じる。このため第10の実施形態では電流感知抵抗を設けていない。 A rapid comparator is required to reach the voltage level V1 (FIG. 9e). High speed operation limits the sensitivity of this type of comparator. Therefore, the voltage V1 must be set to a very high level, for example, V1 = 100 mV. In a state involving a large current, the current sensing resistor 42 (FIG. 9a) causes a large amount of loss. For this reason, the current sensing resistor is not provided in the tenth embodiment.
第10の実施形態によれば、固定タイミングコントローラ47がオンタイム時間49およびオフタイム時間50の両方を制御する。それぞれオンタイム時間は充電電流ILが増加する時間であり、オフタイム時間は充電電流ILがゼロと等しくなるまで減少するあるいは留まる時間である。パルスコンデンサ4の第1の放電10の後、固定タイミングコントローラ47はオン信号をバック・スイッチング・トランジスタ38へオンタイム時間49の間印加を始める。このように第1の充電パルス48が生成される。第1の充電パルス48のピーク電流52はバック・インダクタ40の値により与えられる。第1の充電パルス時間の間、すなわちオンタイム時間49の間の電圧差VES−VCは矢印51により示された量に略等しい。電圧差VES−VCは充電器6への入力電圧VESと充電器6の出力電圧VCとの差である。
According to the tenth embodiment, the fixed
第1の充電パルスのピーク電流52の値は、コンデンサ4の線11により示される電圧リセットに応じて選択される。
The value of the peak current 52 of the first charging pulse is selected in response to a voltage reset indicated by the
オンタイム時間49の後、固定タイミングコントローラ47がバック・スイッチング・トランジスタ38をターンオフすると、同時にオフタイム時間50が開始する。オフタイム時間50は、その時間50の間に電流ILがゼロにまで減少することができるように選択される。結局、不連続スイッチングモードが保証されてコンデンサ4がさい断電流により充電される。そして第2の充電パルス53がIL=0から開始することができる。
After the on-
オフタイム時間50を終了した後、固定タイミングコントローラ47はオンタイム時間49の間のバック・スイッチング・トランジスタ38をターンオンすることにより第2の充電パルス53を開始する。第2の充電パルスのピーク電流55はバック・インダクタ40の値により与えられる。第2の充電パルス時間の間、すなわちオンタイム時間49の間の電圧差VES−VCは矢印54により示された量に略等しい。
After finishing off-
VESの値が第1の充電パルス48における値と比較されて減少するとともに、電圧VCが上昇したため、第2の充電パルス(矢印54)での電圧差VES−VCは第1の充電パルス(矢印51)での電圧差より小さい。結果として、第2の充電パルスのピーク電流55は第1の充電パルスのピーク電流52より小さい。このコンデンサ4の充電は時点12で完了する。
Since the value of VES decreases compared with the value in the
本実施形態によれば、図9aの抵抗42などの抵抗を使用していないため、充電器6内の電力損失を改善することができる。
According to the present embodiment, since a resistor such as the
第11の実施形態
図11a、11b、11cおよび11dを参照すると、電力半導体スイッチング装置の第11の実施形態が示されている。この実施形態では、充電器6が変形されている。
Eleventh Embodiment Referring to FIGS. 11a, 11b, 11c and 11d, an eleventh embodiment of a power semiconductor switching device is shown. In this embodiment, the
図11aの充電器6は図10aのものと同様であるが、固定タイミングコントローラ47の代わりに電圧制御タイミングコントローラ56が設けられている点が異なる。他の構成は図10aに示したものと同一である。
The
第10の実施形態によれば急速充電を達成するために、電圧差VES−VCの最大対最小比をある率未満に維持しなければならない。例えば、第10の実施形態によれば以下の条件を満たさなければならない。
最大(VES−VC)/最小(VES−VC)≦2
よって第10の実施形態ではVESおよびVCの狭い範囲しか満足に取り扱うことができない。
According to the tenth embodiment, in order to achieve fast charging, the maximum to minimum ratio of voltage difference VES-VC must be kept below a certain rate. For example, according to the tenth embodiment, the following condition must be satisfied.
Maximum (VES-VC) / Minimum (VES-VC) ≦ 2
Therefore, in the tenth embodiment, only a narrow range of VES and VC can be handled satisfactorily.
第11の実施形態では、電圧制御タイミングコントローラ56が電圧差VES−VCを監視する。オンタイム時間tonは以下の関数により与えられるように電圧差VES−VCの逆数に略等しい。
ton≒k1×1/(VES−VC)
ここでk1は定数である。
In the eleventh embodiment, the voltage
ton≈k1 × 1 / (VES-VC)
Here, k1 is a constant.
この結果第1の充電パルスのオンタイム時間ton1は第2の充電パルスのオンタイム時間ton2より短くなる。第1のパルスコンデンサ電圧リセットの最終充電パルスのオンタイム時間ton5が最も長くなる。その関係は以下のようになる。
ton1<ton2<ton3<ton4<ton5
As a result, the on-time time ton1 of the first charging pulse is shorter than the on-time time ton2 of the second charging pulse. The on-time time ton5 of the last charge pulse of the first pulse capacitor voltage reset becomes the longest. The relationship is as follows.
ton1 <ton2 <ton3 <ton4 <ton5
一方、オンタイム時間中の電流上昇率dIL/dtは、損失を小さく維持するためにバック・スイッチング・トランジスタ38での電圧降下がVES−VCに比べて一般的に非常に小さくなるため基本的にVES−VCに正比例する。各パルスのピーク電流を
Ipeak=dIL/dt×ton
によって算出することができる。
On the other hand, the current rise rate dIL / dt during the on-time period is basically basically that the voltage drop at the
Can be calculated.
このため全充電パルスのピーク電流Ipeakが、以下に示すように同一の値に維持される。
第1の充電パルスのピーク電流60
≒第2の充電パルスのピーク電流64
≒最終充電パルスのピーク電流68
For this reason, the peak current Ipeak of all the charging pulses is maintained at the same value as shown below.
Peak current 60 of the first charging pulse
≒ Peak current 64 of second charge pulse
≒ Peak current 68 of the final charge pulse
この実施形態により充電器6は広範囲の入力電圧を低損失で供給することができる。
According to this embodiment, the
第12の実施形態
図12aおよび12bを参照すると、電力半導体スイッチングの第12の実施形態が示されている。この実施形態では、充電器6およびエネルギー蓄積手段23がそれぞれ別々の区画69および70に設けられている。
Twelfth Embodiment Referring to FIGS. 12a and 12b, a twelfth embodiment of power semiconductor switching is shown. In this embodiment, the
充電器6を含む区画69は実装基板7上に固着されているが、エネルギー蓄積手段23、すなわち1つまたは複数のコンデンサを含む区画70は実装基板7に着脱可能に実装されている。
The
区画70は電解コンデンサまたは電荷蓄積用の他のタイプのコンデンサを含んでもよい。このようなコンデンサは寿命に限りがある。ある動作時間後、通常の保守時に電力半導体スイッチング素子1および他の要素に影響を与えずにコンデンサ23を備えた区画70を容易に交換することができる。
区画70を同一の実装基板7上で区画69に隣接して配置してもよく、あるいは図13aおよび13bに示すように実装基板7の外側に配置してもよい。
The
この実施形態によりエネルギー蓄積手段23内のコンデンサを容易に交換することができる。 According to this embodiment, the capacitor in the energy storage means 23 can be easily replaced.
第13の実施形態
図14a、14bおよび14cを参照すると、電力半導体スイッチング装置の第13の実施形態が示されている。この実施形態では、抵抗102に連結された薄型MOSFET5のアレイが2つの半分部72および74に分割されている。第1の半アレイ72は電力半導体スイッチング素子1の周囲の第1の半円に沿って一列に並んでおり、第2の半アレイ74は同周囲の第2の半円に沿って一列に並んでいる。順バイアスドライバ2に含まれるプリドライバを順バイアスドライバ2の区画から取り出されて各半分部の端部に設けられている。第1の半アレイ72用のプリドライバ71および第2の半アレイ74用のプリドライバ73がそれぞれ反対側に沿って基板7上に設けられる。
Thirteenth Embodiment Referring to FIGS. 14a, 14b and 14c, a thirteenth embodiment of a power semiconductor switching device is shown. In this embodiment, the array of
この実施形態により、プリドライバに対する容量性負荷が50%に減少するとともに、低インダクタンスゲート接続の長さも約50%減少する。また全MOSFETの同時駆動および電力半導体スイッチング素子1の均質なターンオフ駆動も実現可能である。
This embodiment reduces the capacitive load on the pre-driver to 50% and reduces the length of the low inductance gate connection by about 50%. Further, simultaneous driving of all MOSFETs and homogeneous turn-off driving of the power
第14の実施形態
図15a、15b、15c、15dおよび15eを参照すると、電力半導体スイッチング装置の第14の実施形態が示されているが、これは第13の実施形態の変形例である。ねじ込み式のGCT1が採用されている。実装基板7はねじ込み式のGCT1を収容する穴を有する。ゲートリング77およびカソードリング76はGCT1のそれぞれゲートおよびカソードに固着されている。半径方向に延びるリング切断部78がカソードリング77の周囲に形成されている。また半径方向に延びるリング切断部78がゲートリング76の周囲に形成されている。
Fourteenth Embodiment Referring to FIGS. 15a, 15b, 15c, 15d and 15e, a fourteenth embodiment of a power semiconductor switching device is shown, which is a modification of the thirteenth embodiment. A screw-in type GCT1 is employed. The mounting
また実装基板7には上記の穴から実装基板7の縁部に延びる切断部79が形成されている。薄型MOSFETおよび薄型パルスコンデンサのアレイが第1の半アレイ72と第2の半アレイ74とに分割されているためこのような切断部79が可能である。
The mounting
GCT1を収容するために実装基板7に形成された穴はネジ部に合う大きさである。実装基板7が切断部79を有するとともにゲートリングおよびカソードリングが切断部78を有するため、実装基板7の切断縁部を介してカソードリング76の切断縁部を実装基板7の下で摺動させてGCTを360度回転させることにより、GCT1を実装基板7の穴にねじ込むことができる。
A hole formed in the mounting
この実施形態により電力半導体スイッチング素子、すなわちGCTを容易に実装することができる。 According to this embodiment, the power semiconductor switching element, that is, the GCT can be easily mounted.
第15の実施形態
図16を参照すると、電力半導体スイッチング装置の第15の実施形態が示されている。この実施形態では順バイアスドライバ2および高速充電器6が、GCT1および逆バイアスドライバユニット90を実装した実装基板7とは離れた実装基板80に実装されている。2つの基板の接続のために低インピーダンス接続81が設けられている。
Fifteenth Embodiment Referring to FIG. 16, a fifteenth embodiment of a power semiconductor switching device is shown. In this embodiment, the
この実施形態により、順バイアスドライバ2および/または高速充電器6の交換を容易に実現することができる。また電力半導体スイッチング素子1に直接接続する素子が非常に少なくて済む。またこれらの素子を非常に信頼性高く設計することができる。
According to this embodiment, the
上述のどの実施形態においても、GCTなどの電力半導体スイッチング素子1は以下の特徴の少なくとも1つを有する。
1)GCTの定格電流ITGQMは4kAまたは6kA以上である。
2)GCTのターンオフ中、ゲートピーク電流IGpeakは、IGpeak≧1.1×ITGQMである。
3)ゲートを介する充電率QGは2.5μC/A×ITGQ以上である。
4)ゲートドライバは、定格電流ITGQMで最大許容パルス周波数で少なくとも3回ターンオフすることができる。これは合計ΔVC≦1Vを意味する。
5)GCTは平面ヒートシンクを収容することが可能である。
6)ゲート電流IGの開始直後のゲート電流変化dIG/dtは、dIG/dt≧2×ITGQM/500nsであり、ここでITGQMはGCTの定格アノードターンオフ電流である。
7)主としてコンデンサの抵抗およびMOSFETの抵抗により構成されるゲートドライバの抵抗素子、Rinternalは、2V/Ipeak以下である。
8)ターンオフ電流の回路不均質性は±5%未満である。
9)GCTの寿命は50℃の温度で20年を超える。
In any of the above-described embodiments, the power
1) The rated current ITGQM of GCT is 4 kA or 6 kA or more.
2) During GCT turn-off, the gate peak current IGpeak is IGpeak ≧ 1.1 × ITGQM.
3) The charging rate QG through the gate is 2.5 μC / A × ITGQ or more.
4) The gate driver can be turned off at least three times at the maximum allowable pulse frequency with the rated current ITGQM. This means that the total ΔVC ≦ 1V.
5) The GCT can accommodate a planar heat sink.
6) The gate current change dIG / dt immediately after the start of the gate current IG is dIG / dt ≧ 2 × ITGQM / 500 ns, where ITGQM is the rated anode turn-off current of the GCT.
7) The resistance element of the gate driver composed mainly of the resistance of the capacitor and the resistance of the MOSFET, Rternal, is 2 V / Ipeak or less.
8) Circuit heterogeneity of turn-off current is less than ± 5%.
9) The lifetime of GCT exceeds 20 years at a temperature of 50 ° C.
本発明は電力半導体スイッチング装置に適用可能である。 The present invention is applicable to a power semiconductor switching device.
1:電力半導体スイッチング素子
2:順バイアス駆動回路および制御部
3:逆バイアス駆動回路
4:薄型パルスコンデンサ
5:薄型MOSFET
6:高速充電回路
7:実装基板
8:第1のターンオフ・スイッチング時点
9:第1のターンオフゲート電流パルス
10:第1のパルスコンデンサ放電
11:第1のパルスコンデンサ電圧リセット
12:第1のパルスコンデンサ電圧リセットプロセスの終了
13:第2のターンオフ・スイッチング時点
14:第2のターンオフゲート電流パルス
15:第2のパルスコンデンサ放電
16:第2のパルスコンデンサ電圧リセット
17:充電器電源接続
18:アノード端末
19:カソード端末
20:ゲート端末
21:ヒートシンクのエッジ
22:セラミック多層大容量コンデンサ
23:エネルギー蓄積手段
24:第3のターンオフ・スイッチング時点
25:第3のターンオフゲート電流パルス
26:第3のパルスコンデンサ放電
27:第3のパルスコンデンサ電圧リセット
28:第3のリセット後のパルスコンデンサ電圧
29:トランジスタ
30:レギュレータ
31:エネルギー蓄積手段の始動電圧
32:薄型パルスコンデンサの始動電圧
33:ブースト・インダクタ
34:ブースト・スイッチング・トランジスタ
35:ブースト・ダイオード
36:第3のブーストリセット動作後のエネルギー蓄積の電圧
37:バック・スイッチング・制御部
38:バック・スイッチング・トランジスタ
39:バック・ダイオード
40:バック・インダクタ
41:第3のバックリセット動作後のエネルギー蓄積の電圧
42:電流感知抵抗
43:第1のスイッチングサイクルの開始
44:第1のターンオフ
45:ゼロインダクタ電流
46:既定時間
47:固定タイミングコントローラ
48:第1の充電パルス
49:オンタイム
50:オフタイム
51:第1の充電パルスでのVES−VC
52:第1の充電パルスのピーク電流
53:第2の充電パルス
54:第2の充電パルスでのVES−VC
55:第2の充電パルスのピーク電流
56:電圧制御タイミングコントローラ
57:第1の充電パルス
58:第1の充電パルスでのVES−VC
59:第1の充電パルスのオンタイム
60:第1の充電パルスのピーク電流
61:第2の充電パルス
62:第2の充電パルスでのVES−VC
63:第2の充電パルスのオンタイム
64:第2の充電パルスのピーク電流
65:第1のパルスコンデンサ電圧リセットの最終充電パルス
66:最終充電パルスでのVES−VC
67:最終充電パルスのオンタイム
68:最終充電パルスのピーク電流
69:充電コンバータ
70:入力コンデンサバンク
71:左側プリドライバ
72:左側MOSFET半円
73:右側プリドライバ
74:右側MOSFET半円
75:ねじ込み式の筐体内の電力半導体素子
76:カソードリング
77:ゲートリング
78:リング切断部
79:実装基板切断部
80:第2の実装基板
81:低インピーダンス接続
90:逆バイアスドライバユニット
100:パルスコンデンサバンク
101:MOSFETバンク
102:MOSFETゲート抵抗
103:MOSFETゲートバス
104:順バイアス出力
105:制御部入力
106:電圧電源線
107、107a:カソード接触バイア
108、108a、108b:ソースバス接触バイア
109:MOSFETゲートバス接触バイア
110:カソード接続板
111:ソースバス
112:カソードバス
113:電流感知抵抗
114:ブースト・コンバータ・コントローラ
115:バックタイミング電流コントローラ
210:基板
211:サイリスタ
222:コンデンサ
223:MOSFET
1: Power semiconductor switching element 2: Forward bias drive circuit and control unit 3: Reverse bias drive circuit 4: Thin pulse capacitor 5: Thin MOSFET
6: Fast charging circuit 7: Mounting board 8: First turn-off switching time point 9: First turn-off gate current pulse 10: First pulse capacitor discharge 11: First pulse capacitor voltage reset 12: First pulse End of capacitor voltage reset process 13: Second turn-off switching time point 14: Second turn-off gate current pulse 15: Second pulse capacitor discharge 16: Second pulse capacitor voltage reset 17: Charger power supply connection 18: Anode Terminal 19: Cathode terminal 20: Gate terminal 21: Edge of heat sink 22: Ceramic multilayer large capacity capacitor 23: Energy storage means 24: Third turn-off switching time point 25: Third turn-off gate current pulse 26: Third pulse Capacitor discharge 27: No. 3 pulse capacitor voltage reset 28: Pulse capacitor voltage after third reset 29: Transistor 30: Regulator 31: Starting voltage of energy storage means 32: Starting voltage of thin pulse capacitor 33: Boost inductor 34: Boost switching Transistor 35: Boost diode 36: Voltage of energy storage after the third boost reset operation 37: Buck switching control unit 38: Buck switching transistor 39: Buck diode 40: Buck inductor 41: Third Energy storage voltage after back reset operation 42: Current sensing resistor 43: Start of first switching cycle 44: First turn-off 45: Zero inductor current 46: Default time 47: Fixed timing control -48: First charging pulse 49: On time 50: Off time 51: VES-VC in the first charging pulse
52: Peak current of the first charging pulse 53: Second charging pulse 54: VES-VC in the second charging pulse
55: Peak current of the second charging pulse 56: Voltage control timing controller 57: First charging pulse 58: VES-VC in the first charging pulse
59: On-time of the first charging pulse 60: Peak current of the first charging pulse 61: Second charging pulse 62: VES-VC in the second charging pulse
63: On-time of the second charge pulse 64: Peak current of the second charge pulse 65: Final charge pulse of the first pulse capacitor voltage reset 66: VES-VC at the final charge pulse
67: Final charge pulse on-time 68: Peak current of final charge pulse 69: Charge converter 70: Input capacitor bank 71: Left pre-driver 72: Left MOSFET half circle 73: Right pre-driver 74: Right MOSFET half circle 75: Screwing Power semiconductor element 76: cathode ring 77: gate ring 78: ring cutting part 79: mounting board cutting part 80: second mounting board 81: low impedance connection 90: reverse bias driver unit 100: pulse capacitor bank 101: MOSFET bank 102: MOSFET gate resistance 103: MOSFET gate bus 104: Forward bias output 105: Control unit input 106: Voltage
Claims (17)
前記電力半導体スイッチング素子をターンオンする順バイアスドライバ手段(2)と、
互いに並列に接続された複数のコンデンサ(4)と前記ゲートと前記コンデンサの間にそれぞれ直列に接続された複数のMOSFETとを有する、前記電力半導体スイッチング素子をターンオフする逆バイアスドライバ手段(3)と、
前記コンデンサを充電する充電器手段(6)と、
前記電力半導体スイッチング素子と、前記コンデンサと、前記MOSFETとを支持する実装基板(7)とを含み、
前記コンデンサと前記MOSFETは、それぞれ薄型パルスコンデンサと薄型MOSFETであるとともに、前記電力半導体スイッチング素子のカソードの表面により規定される平面から測定したコンデンサとMOSFETの高さが前記電力半導体スイッチング素子の高さより低くなるように前記電力半導体スイッチング素子の周囲に配置され、
さらに、前記コンデンサの合計静電容量は、前記電力半導体スイッチング素子のターンオフ後に前記コンデンサの電圧が1V以上の電圧降下を示すように設定され、
前記充電器手段は、前記電力半導体スイッチング素子のターンオフの後に前記コンデンサへの充電電流の供給を開始し、所定の短時間tCmin内に前記コンデンサに対して前記電圧降下分の充電を行う電力半導体スイッチング装置。
A power semiconductor switching element (1) housed in a pressure contact type package having an anode, a cathode, and a gate;
Forward bias driver means (2) for turning on the power semiconductor switching element;
Reverse bias driver means (3) for turning off the power semiconductor switching element, comprising a plurality of capacitors (4) connected in parallel to each other and a plurality of MOSFETs connected in series between the gate and the capacitors, respectively; ,
Charger means for charging the pre-Symbol capacitor (6),
A mounting substrate (7) that supports the power semiconductor switching element, the capacitor, and the MOSFET;
Wherein said capacitor MOSFET, together with a thin pulse capacitors and thin MOSFET respectively, the height of the capacitor and MOSFET measured from the plane defined by the surface of the cathode of the power semiconductor switching devices than the height of the power semiconductor switching devices Arranged around the power semiconductor switching element to be low ,
Further, the total capacitance of the capacitor, the voltage of the capacitor after the turn-off of the power semiconductor switching element is configured as shown above the voltage drop 1V,
The charger means starts the supply of a charging current to the capacitor after the power semiconductor switching element is turned off, and charges the capacitor for the voltage drop within a predetermined short time tCmin. apparatus.
The power semiconductor switching device according to claim 1, wherein the forward bias driver means (2) and the charger means (6) are mounted on a mounting board (80) remote from the mounting board (7).
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