JP4432953B2 - 半導体電力変換装置 - Google Patents
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Description
IGBTターンオフ時のサージ電圧などによって、IGBTに過電圧が印加され、IGBT素子が破壊してしまうのを防止する方法が、例えば、特開平11−17831号公報に開示されている。この従来技術では、IGBTのCG間にクランプ素子と抵抗器の直列体を設置して、該IGBTの電圧が該クランプ素子電圧を超えるとクランプ素子からIGBTのゲートに充電電流を供給し、IGBTのゲート電圧を高くすることにより、IGBTのインピーダンスを低下させ、IGBTを過電圧から保護する。さらに、本従来技術では、クランプ素子と抵抗体からなる直列体を複数設置し、それぞれのクランプ素子のクランプ電圧を異なる電圧に設定することにより、コレクタ電圧が高いほど充電電流をより多く供給する手段を開示している。一般には、クランプ素子から、ゲート充電電流を供給しても、ゲートドライバに電流が分流してしまい、ゲートの充電電流を十分確保できないが、本従来例は、コレクタ電圧が高くなるとさらに、大きな充電電流を供給できるので、過電圧印加時に確実にIGBTを保護するという観点において、優れているといえる。
MOSゲート半導体のコレクタ・ゲート間に接続された過電圧保護回路を備え、該過電圧保護回路は、直列接続された複数のクランプ素子を有し、該クランプ素子のうち、複数のクランプ素子のアノードに抵抗器がそれぞれ接続されたことを特徴とするものである。
MOSゲート半導体のコレクタ・ゲート間に接続された過電圧保護回路を備え、該過電圧回路から供給される電流が大きいほど、ゲートドライバの出力段の半導体素子の飽和電流値が小さくなることを特徴とするものである。
MOSゲート半導体のコレクタ・ゲート間に接続された過電圧保護回路を備え、該過電圧保護回路とゲートドライバの間にリアクトルが接続されたことを特徴とするものである。
MOSゲート半導体のコレクタ・ゲート間に接続された過電圧保護回路を備え、該過電圧保護回路とゲートドライバの間の配線の長さが、該過電圧保護回路とIGBTのゲート間の距離よりも長い構造を有することを特徴とするものである。
MOSゲート半導体のコレクタ・ゲート間に接続された過電圧保護回路を備え、ゲートに流れ込む電流値を所定の電流値に制限することを特徴とするものである。
CG間に印加されると、第2の抵抗器からも充電電流が供給されるので、電圧が高いほどより多くのゲート充電電流を供給できる。
まず、図1と図5を用いて本実施例のIGBT電力変換装置の構成を説明する。図5は本発明を適用する電力変換装置の主要部を、図1は図5のアーム20の主要部を示す。
次に、第2の実施例を示す。本実施例は、クランプ素子からゲートドライバに分流してしまう電流を制限し、クランプ素子からIGBT1のゲートにより多くのゲート充電電流を供給することにより、IGBT1を過電圧から保護するものである。
9bをオフにすると、IGBT1のゲート電位がゲートドライバ16の高圧側側電源ラインの電位となり、IGBT1のゲート電圧が閾値を越えて、IGBTがオン状態になる。一方、MOSFET9aをオフにMOSFET9bをオンにすると、IGBT1のゲートから電荷が、ゲート抵抗8を経由してゲートドライバ16に引き抜かれ、IGBT1がターンオフしてオフ状態となる。IGBT1がターンオフするとIGBT1のコレクタ電圧が上昇して、クランプ素子61aが降伏して電流が通流し、ゲートドライバ16にも電流が流れ込む。この時、抵抗器19に電流が流れると、抵抗器19の両端に電位差が発生する。抵抗器19の両端に電位差が発生すると、MOSFET9bのソース電位が上昇するので、MOSFET9bのゲート・ソース間の電圧が下がる。ゲート・ソース間電圧が下がるので、MOSFET9bの飽和電流が小さくなる。クランプ素子61aから流れ込む電流は、IGBT1のゲートの充電電流と、MOSFET9bを経由してゲートドライバ16に流れ込む電流に分流されるが、前述のようにMOSFET9bの飽和電流が小さくなるので、ゲートドライバ16に流れ込む電流が制限され、より多くの電流をIGBT1のゲートに供給できる。したがって、より確実にIGBTを過電圧から保護できる。
9bの飽和電流値を通常ターンオフ電流値以下にすると、より多くの充電電流をIGBT1のゲートに供給することができる。
次に、第3の実施例について説明する。本実施例も、第2の実施例と同様に、クランプ素子からゲートドライバに分流する電流を制限し、クランプ素子からIGBT1のゲートにより多くのゲート充電電流を供給することにより、IGBT1を過電圧から保護する。
28を接続することを特徴とする。
第4の実施例では、図5の各アーム20の構成は図4のIGBTセット600で示す構成となる。第4の実施例では、過電圧保護回路65とゲートドライバ16の間の配線の長さ501を、過電圧保護回路65とIGBT1のゲート間の配線の長さ500よりも十分に長くしたことを特徴とする。過電圧保護回路65とゲートドライバ16の間の配線501が長いと、配線の寄生インダクタンスが第3の実施例のリアクトル28と同様に機能して、第3の実施例と同様の効果を得ることができる。
101上にIGBT1とクランプダイオード2を内蔵したパッケージ10(以後IGBTパッケージ10と呼ぶ)搭載し、IGBTパッケージ10の上に過電圧保護回路65を搭載する。コレクタ端子234とエミッタ端子233に接続されるブスバーは省略したが、それぞれのブスバーは過電圧保護回路65の上に設置される(ブスバーとIGBT1のパッケージの間に、過電圧保護回路65が存在。)ゲートドライバ16とIGBTパッケージ10の間は、配線205及び206で接続され、過電圧保護回路65とIGBT1のゲート間の配線の長さ500より、配線205,206の長さ、すなわち、過電圧保護回路65とゲートドライバ16の間の配線の距離501よりも十分長く、実施例3と同様の効果をえることができる。過電圧保護回路65とゲートドライバ16の間の配線の長さ501を往復1m程度以上にするとインダクタンスが1μH程度以上となり、より顕著な効果を得ることができる。
第5の実施例は、IGBT1が直列に接続されたことを特徴とする。図6は本実施例でのアーム20の構成を示す。本実施例では、図5の各アーム20の構成は図6のIGBTセット600が2直列された構成となる。
本実施例の電力変換器の上下アーム25の構成を図8に示す。本実施例は電力変換装置が3レベル変換器であることを特徴とする。2レベル変換器では、PアームとNアームの導体を向い合せの構造とすることにより比較的容易に小型化とインダクタンス低減を両立することが可能であり、IGBT1の直近にゲートドライバ16を比較的設置しやすい。
2 環流ダイオード
3 クランプダイオード
4 ゲートドライバ低圧側電源ライン
7 上位制御計から伝達された信号
8 ゲート抵抗
9a,9b MOSFET
10 IGBTパッケージ
13a,13b 電圧源
16 ゲートドライバ
17 ゲートドライバ出力段
18 NOT回路
19,62a,62b 抵抗器
20(P),20(N) IGBT半導体電力変換器のアーム
21 直流電圧源
22 負荷
23 寄生インダクタス
25 上下アーム
28 リアクトル
31 IGBTのターンオフ時コレクタ電圧波形
32 IGBTのターンオフ時ゲート電圧波形
33 IGBTのターンオフ時分圧点の電圧波形
40 主配線
40(b) 高圧側主配線
41 ゲー
61a,61b クランプ素子
63a,63b 接続点
65 過電圧保護回路
101 冷却フィン
201,202,205,206,211,212,501 配線
203 アームの中点
204 直流電源の中点
233 エミッタ端子
234 コレクタ端子
500 過電圧保護回路とIGBTのゲート間の配線距離
600 IGBTセット
Claims (2)
- MOSゲート半導体を有する半導体電力変換装置において、
MOSゲート半導体のコレクタ・ゲート間に接続された過電圧保護回路を備え、
該過電圧保護回路は、降伏の方向を揃えて直列接続された複数のクランプ素子を有し、
前記直列接続された複数のクランプ素子のカソード側端は前記MOSゲート半導体のコレクタに、前記直列接続された複数のクランプ素子のアノード側端は前記MOSゲート半導体のゲートに接続され、
前記MOSゲートドライバー半導体のコレクタ・ゲート間電圧が、前記MOSゲート半導体のコレクタ側の前記複数のクランプ素子の一部のクランプ素子に係る第1の降伏電圧を超えると、前記直列接続された複数のクランプ素子を互いに接続する接続導体部から電流が流れるように前記接続導体部と前記MOSゲート半導体のゲートとの間に第1の抵抗を設け、
前記MOS半導体のコレクタ・ゲート間電圧が前記複数のクランプ素子に係る降伏電圧の和を超えると、前記第1の抵抗の電流のほか、前記MOSゲート半導体のゲート側のクランプ素子を経由した電流が流れるように前記接続導体部と前記MOSゲート半導体のゲートとの前記クランプ素子を挟んだ間に第2の抵抗を設けたことを特徴とする半導体電力変換装置。 - MOSゲート半導体を有する半導体電力変換装置において、
MOSゲート半導体のコレクタ・ゲート間に接続された過電圧保護回路を備え、
該過電圧保護回路は、降伏の方向を揃えて直列接続された複数のクランプ素子を有し、前記直列接続された複数のクランプ素子のカソード側端は前記MOSゲート半導体のコレクタに、前記直列接続された複数のクランプ素子のアノード側端は前記MOSゲート半導体のゲートに接続され、
前記MOSゲートドライバー半導体のコレクタ・ゲート間電圧が、前記MOSゲート半導体のコレクタ側の前記複数のクランプ素子の一部のクランプ素子の第1の降伏電圧を超えると、前記直列接続された複数のクランプ素子を互いに接続する接続導体部から電流が流れるように前記接続導体部と前記MOSゲート半導体のゲートとの間に第1の抵抗を設け、
前記MOS半導体のコレクタ・ゲート間電圧が前記複数のクランプ素子の降伏電圧の和を超えると、前記第1の抵抗の電流のほか、前記MOSゲート半導体のゲート側のクランプ素子を経由した電流が流れるように前記接続導体部と前記MOSゲート半導体のゲートとの前記クランプ素子を挟んだ間に第2の抵抗を設けたことを特徴とする半導体電力変換装置。
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