JP4503388B2 - ブリッジ装置及びそれを用いた電源装置 - Google Patents

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Description

この発明は、MOSFET又はIGBTのような半導体スイッチ素子で構成されるブリッジ装置などの構成、そのブリッジ装置をインバータ又はスイッチング整流器などとして用いてなる電源装置に関する。
電源装置の直流−交流変換部として用いられるインバータ回路、あるいは力率改善型コンバータとして働くスイッチング整流器、又は直流−交流変換部として用いられる整流回路は、電流容量が比較的大きな場合にはブリッジ構成で用いられることが多い。ブリッジ回路としてはフルブリッジ回路又はハーフブリッジ回路が広く知られている。フルブリッジ回路としては、4個のMOSFET又はIGBTのような半導体スイッチ素子をフルブリッジ構成に接続してなる単相用のインバータ回路、あるいは6個の半導体スイッチ素子をフルブリッジに接続してなる3相用のインバータ回路などがある。また、4個のMOSFET又はIGBTのような半導体スイッチ素子又は整流用ダイオードをブリッジに接続してなる単相用のスイッチング整流器又は整流回路、又は6個の半導体スイッチ素子又は整流用ダイオードをブリッジに接続して、3相交流を直流に変換する3相用のスイッチング整流器又は整流回路などがある。この場合、回路構成的に見ると、スイッチング整流器はインバータ回路の入力配線と出力配線とが逆になったものと考えることができる。
次に、ハーフブリッジ構成のものとしては、MOSFET又はIGBTのような半導体スイッチ素子2個と2個のコンデンサとをブリッジに接続してなる単相用のインバータ回路、2個の半導体スイッチ素子又は整流用ダイオードと2個のコンデンサとをブリッジに接続してなる単相用のスイッチング整流器又は整流回路、又は3個の半導体スイッチ素子又は整流用ダイオードと3個のコンデンサとをブリッジに接続して、3相交流を直流に変換する3相用のスイッチング整流器又は整流回路などがある。
このようなブリッジ構成の電流容量の比較的大きなインバータ装置の一例として、図示しないFETを樹脂モールドしてなる電流容量の大きなスイッチング用モジュールを用意し、これらを回路接続用導体やビスなどによってブリッジに組み立て、接続してなるブリッジインバータ装置が既に提案されている(例えば、特許文献1参照)。スイッチング整流器又は力率改善型コンバータや整流装置についても同様であり、作業者が個別に組み立てている。
特開平6−38548号公報
しかし、かかる従来の比較的大きなブリッジ構成のインバータ装置、あるいはスイッチング整流器又は力率改善型コンバータや、整流装置にあっては、その電流容量に見合った特別のスイッチング用モジュール、又は整流用モジュールを予め用意しなければならず、コストが高くなるという大きな欠点があり、また、それらは標準品でないので、部品自動搭載機によって自動的に搭載することができず、組み立てを作業者が個別に行わなければならず、製造に時間を要するという問題点もある。
更にまた、単に並列接続した複数の半導体スイッチ素子から構成された半導体スイッチをブリッジ構成に接続する場合には、直列接続される半導体スイッチ素子同士間の配線が長くなり、これに伴って配線インダクタンスが大きくなるために、半導体スイッチ素子のスイッチング時にサージ電圧が発生するという欠点がある。
本発明は、スイッチングを行う半導体スイッチ、整流素子として標準品である半導体スイッチ素子又はダイオードを複数並列接続したものをブリッジ構成にして、プリント基板上に搭載することができるようにし、この際に配線インダクタンスが増えないような実装構造にしたことを特徴としている。
第1の発明は、前記課題を解決するため、第1の入力配線、第2の入力配線と、前記第1の入力配線と前記第2の入力配線との間に互いに直列接続され第1、第2の半導体スイッチと、前記第1の入力配線と前記第2の入力配線との間に互いに直列接続され第3、第4の半導体スイッチと、
前記第1の半導体スイッチと前記第2の半導体スイッチの接続点と前記第3の半導体スイッチと前記第4の半導体スイッチの接続点とにそれぞれ接続され第1と第2の出力配線とを備えるフルブリッジ形のブリッジ装置であって、前記第1の半導体スイッチと前記第2の半導体スイッチは、それぞれ第1、第2の主電流端子と制御端子とを有する半導体スイッチ素子複数個を並列接続してなり、前記第1の半導体スイッチを構成する前記複数の半導体スイッチ素子と、前記第2の半導体スイッチを構成する前記複数の半導体スイッチ素子とは、それぞれ同一の方向で交互に相隣り合うように配置され、前記第1の半導体スイッチと前記第2の半導体スイッチにおける相隣り合う一対の前記半導体スイッチ素子の前記第1の主電流端子と前記第2の主電流端子とが前記第1の出力配線を介して直列接続され、プリント基板上の導体パターンで形成される前記第1の入力配線と前記第2の入力配線とは、同一の方向で交互に相隣り合うように配置される前記複数の半導体スイッチ素子に対して平行に延び、プリント基板上の導体パターンで形成される前記第1の出力配線と前記第2の出力配線とは、同一の方向で交互に相隣り合うように配置される前記複数の半導体スイッチ素子に対して平行に延び、前記第1の入力配線の一端と前記第2の入力配線の一端とがそれぞれ接続される第1の入力端子と第2の入力端子とを一対とし、前記第1の出力配線の一端と前記第2の出力配線の一端とがそれぞれ接続される第1の出力端子と第2の出力端子とを一対として配置されることを特徴とするブリッジ装置を提供する。
第2の発明は、請求項1において、前記第3の半導体スイッチと前記第4の半導体スイッチは、それぞれ第1、第2の主電流端子と制御端子とを有する半導体スイッチ素子複数個を並列接続してなり、前記第3の半導体スイッチを構成する前記複数の半導体スイッチ素子と、前記第4の半導体スイッチを構成する前記複数の半導体スイッチ素子とは、それぞれ同一の方向で交互に相隣り合うように配置され、前記第3の半導体スイッチと前記第4の半導体スイッチにおける相隣り合う一対の前記半導体スイッチ素子の前記第1の主電流端子と、前記第2の主電流端子とが前記第2の出力配線を介して直列接続されことを特徴とするブリッジ装置を提供する。
第3の発明は、第1の入力配線、第2の入力配線と、前記第1の入力配線と前記第2の入力配線との間に互いに直列接続され第1、第2の半導体スイッチと、前記第1の入力配線と前記第2の入力配線との間に互いに直列接続され第1、第2のコンデンサと、前記第1の半導体スイッチと前記第2の半導体スイッチの接続点と前記第1のコンデンサと前記第2のコンデンサの接続点とにそれぞれ接続され第1、第2の出力配線とを備えるハーフブリッジ形のブリッジ装置であって、前記第1の半導体スイッチと前記第2の半導体スイッチは、それぞれ第1、第2の主電流端子と制御端子とを有する半導体スイッチ素子複数個を並列接続してなり、前記第1の半導体スイッチを構成する前記複数の半導体スイッチ素子と、前記第2の半導体スイッチを構成する前記複数の半導体スイッチ素子とは、それぞれ同一方向で交互に相隣り合うように配置され、前記第1の半導体スイッチと前記第2の半導体スイッチにおける相隣り合う一対の前記半導体スイッチ素子の前記第1の主電流端子と前記第2の主電流端子とが前記第1の出力配線を介して直列接続され、プリント基板上の導体パターンで形成される前記第1の入力配線と前記第2の入力配線とは、同一の方向で交互に相隣り合うように配置される前記複数の半導体スイッチ素子に対して平行に延び、プリント基板上の導体パターンで形成される前記第1の出力配線と前記第2の出力配線とは、同一の方向で交互に相隣り合うように配置される前記複数の半導体スイッチ素子に対して平行に延び、前記第1の入力配線の一端と前記第2の入力配線の一端とがそれぞれ接続される第1の入力端子と第2の入力端子とを一対とし、前記第1の出力配線の一端と前記第2の出力配線の一端とがそれぞれ接続される第1の出力端子と第2の出力端子とを一対として配置されることを特徴とするブリッジ装置を提供する。
第4の発明は、第1の出力配線、第2の出力配線と、前記第1の出力配線と前記第2の出力配線との間に互いに直列接続され第1の半導体スイッチ又は整流素子と第2の半導体スイッチ又は整流素子と、前記第1の出力配線と前記第2の出力配線との間に互いに直列接続され第3の半導体スイッチ又は整流素子と第4の半導体スイッチ又は整流素子と、前記第1の半導体スイッチ又は整流素子と前記第2の半導体スイッチ又は整流素子の接続点と前記第3の半導体スイッチ又は整流素子と前記第4の半導体スイッチ又は整流素子の接続点とにそれぞれ接続される第1と第2の入力配線とを備えるフルブリッジ形のブリッジ装置であって、前記第1の半導体スイッチ又は整流素子と前記第2の半導体スイッチ又は整流素子は、それぞれ第1、第2の主電流端子を有する半導体スイッチ素子又は整流用ダイオード複数個を並列接続してなり、前記第1の半導体スイッチ又は整流素子を構成する複数の前記半導体スイッチ素子又は整流用ダイオードと、前記第2の半導体スイッチ又は整流素子を構成する複数の前記半導体スイッチ素子又は整流用ダイオードとは、それぞれ同の一方向で交互に相隣り合うように配置され、記第1の半導体スイッチ又は整流素子と前記第2の半導体スイッチ又は整流素子における相隣り合う一対の前記半導体スイッチ素子又は整流用ダイオードの前記第1の主電流端子と前記第2の主電流端子とが前記第1の入力配線を介して直列接続され、プリント基板上の導体パターンで形成される前記第1の入力配線と前記第2の入力配線とは、同一の方向で交互に相隣り合うように配置される前記複数の半導体スイッチ素子又は整流用ダイオードに対して平行に延び、プリント基板上の導体パターンで形成される前記第1の出力配線と前記第2の出力配線とは、同一の方向で交互に相隣り合うように配置される前記複数の半導体スイッチ素子又は整流用ダイオードに対して平行に延び、前記第1の入力配線の一端と前記第2の入力配線の一端とがそれぞれ接続される第1の入力端子と第2の入力端子とを一対とし、前記第1の出力配線の一端と前記第2の出力配線の一端とがそれぞれ接続される第1の出力端子と第2の出力端子とを一対として配置されることを特徴とするブリッジ装置を提供する。
第5の発明は、請求項4において、前記第3の半導体スイッチ又は整流素子と前記第4の半導体スイッチ又は整流素子は、それぞれ第1、第2の主電流端子と有する半導体スイッチ素子又は整流用ダイオード複数個を並列接続してなり、前記第3の半導体スイッチ又は整流素子を構成する前記複数の半導体スイッチ素子又は整流用ダイオードと、前記第4の半導体スイッチ又は整流素子を構成する前記複数の半導体スイッチ素子又は整流用ダイオードとは、それぞれ同一の方向で交互に相隣り合うように配置され、前記第3の半導体スイッチ又は整流素子と前記第4の半導体スイッチ又は整流素子とにおける相隣り合う一対の前記半導体スイッチ素子又は整流用ダイオードの前記第1の主電流端子と前記第2の主電流端子とが前記第2の入力配線を介して直列接続されことを特徴とするブリッジ装置を提供する。
第6の発明は、第1の出力配線、第2の出力配線と、前記第1の出力配線と前記第2の出力配線との間に互いに直列接続され第1、第2の半導体スイッチ又は整流素子と、前記第1の出力配線と前記第2の出力配線との間に互いに直列接続され第1、第2のコンデンサと、前記第1の半導体スイッチ又は整流素子と前記第2の半導体スイッチ又は整流素子の接続点と前記第1のコンデンサと前記第2のコンデンサの接続点とにそれぞれ接続される第1と第2の入力配線とを備えるハーフブリッジ形のブリッジ装置であって、前記第1の半導体スイッチ又は整流素子と前記第2の半導体スイッチ又は整流素子は、れぞれ第1、第2の主電流端子を有する半導体スイッチ素子又は整流用ダイオード複数個を並列接続してなり、前記第1の半導体スイッチ又は整流素子を構成する前記複数の半導体スイッチ素子又は整流用ダイオードと、前記第2の半導体スイッチ又は整流素子を構成する前記複数の半導体スイッチ素子又は整流用ダイオードとは、それぞれ同一方向で交互に相隣り合うように配置され、前記第1の半導体スイッチ又は整流素子と前記第2の導体スイッチ又は整流素子における相隣り合う一対の前記半導体スイッチ素子又は整流用ダイオードの前記第1の主電流端子と前記第2の主電流端子とが前記第1の入力配線を介して直列接続され、プリント基板上の導体パターンで形成される前記第1の入力配線と前記第2の入力配線とは、同一の方向で交互に相隣り合うように配置される前記複数の半導体スイッチ素子又は整流用ダイオードに対して平行に延び、プリント基板上の導体パターンで形成される前記第1の出力配線と前記第2の出力配線とは、同一の方向で交互に相隣り合うように配置される前記複数の半導体スイッチ素子又は整流用ダイオードに対して平行に延び、前記第1の入力配線の一端と前記第2の入力配線の一端とがそれぞれ接続される第1の入力端子と第2の入力端子とを一対とし、前記第1の出力配線の一端と前記第2の出力配線の一端とがそれぞれ接続される第1の出力端子と第2の出力端子とを一対として配置されることを特徴とするブリッジ装置を提供する。
第7の発明は、請求項1、請求項2、請求項4又は請求項5において、前記第1入力配線と前記第2の入力配線との間に又は前記第1出力配線と前記第2の出力配線との間に接続されるコンデンサを備えることを特徴とするブリッジ装置を提供する。
第8の発明は、請求項1請求項2、求項4請求項5又は請求項7に記載されたブリッジ装置と、該ブリッジ装置が前記半導体スイッチを備える場合は前記半導体スイッチ素子を制御する制御回路と、前記第1の半導体スイッチ若しくは整流素子を構成する前記半導体スイッチ素子若しくは整流用ダイオードの個数に又は前記第2の半導体スイッチ若しくは整流素子を構成する前記半導体スイッチ素子若しくは整流用ダイオードの個数に相当する個数のコンデンサとを備え、前記コンデンサは前記第1の入力配線前記第2の入力配線との間に又は前記第1出力配線と前記第2の出力配線との間に接続されことを特徴とする電源装置を提供する。
第9の発明は、請求項1ないし請求項3又は請求項7のいずれかに記載されたブリッジ装置をインバータとして備えことを特徴とする電源装置を提供する。
第10の発明は、請求項4ないし請求項7のいずれかに記載されたブリッジ装置を整流装置、又はスイッチング整流器、あるいは力率改善型コンバータとして備えことを特徴とする電源装置を提供する。
第11の発明は、請求項8から請求項10のいずれかにおいて、前記第1の入力配線と前記第2の入力配線は、プリント配線基板の一端から対向する他端側に互いに平行に延び、前記第1の出力配線と前記第2の出力配線は、前記プリント配線基板の記第1の入力配線と前記第2の入力配線とに平行に延びており、前記半導体スイッチ素子又は前記整流用ダイオードは前記プリント配線基板上に搭載されことを特徴とする電源装置を提供する。
前記第1、第2の発明によれば、ブリッジを構成する一対の組の直列接続される半導体スイッチ素子間の配線インダクタンスが小さくなるようにレイアウトされた構造のフルブリッジ装置を提供することができる。このフルブリッジ装置をインバータ回路として用いたとき、配線インダクタンスが小さいから半導体スイッチ素子のスイッチング時にサージ電圧が発生し難く、その分、半導体スイッチ素子の低耐圧化が可能となり、また、標準品である半導体スイッチング素子を用いて電流容量の比較的大きなブリッジ装置を構成することができるから、電流容量の比較的大きなブリッジ装置の低コスト化、標準化、回路の低ノイズ化が可能となる。
前記第3の発明によれば、ブリッジを構成する一対の組の直列接続される半導体スイッチ素子間の配線インダクタンスが小さくなるようにレイアウトされた構造のハーフブリッジ装置を提供することができる。このハーフブリッジ装置をインバータ回路として用いたとき、配線インダクタンスが小さいから半導体スイッチ素子のスイッチング時にサージ電圧が発生し難く、その分、半導体スイッチ素子の低耐圧化が可能となり、また、標準品である半導体スイッチング素子を用いて電流容量の比較的大きなブリッジ装置を構成することができるから、電流容量の比較的大きなブリッジ装置の低コスト化、標準化、回路の低ノイズ化が可能となる。
前記第4、第5の発明によれば、ブリッジを構成する一対の組の直列接続される整流用ダイオード間の配線インダクタンスが小さくなるようにレイアウトされた構造のフルブリッジ形のブリッジ装置を提供することができる。このブリッジ装置を全波整流回路として用いたとき、配線インダクタンスが小さいから半導体スイッチ素子のスイッチング時にサージ電圧が発生し難く、その分、整流用ダイオードの低耐圧化が可能となり、また、標準品である整流用ダイオードを用いて電流容量の比較的大きなブリッジ装置を構成することができるから、電流容量の比較的大きなブリッジ装置の低コスト化、標準化、回路の低ノイズ化が可能となる。
前記第6の発明によれば、ブリッジを構成する一対の組の直列接続される整流用ダイオード間の配線インダクタンスが小さくなるようにレイアウトされた構造のハーフブリッジ形のブリッジ装置を提供することができる。このハーフブリッジ装置を整流回路として用いたとき、配線インダクタンスが小さいから半導体スイッチ素子のスイッチング時にサージ電圧が発生し難く、その分、整流用ダイオードの低耐圧化となり、また、標準品である整流用ダイオードを用いて電流容量の比較的大きなブリッジ装置を構成することができるから、電流容量の比較的大きなブリッジ装置の低コスト化、標準化、回路の低ノイズ化が可能となる。
前記第7の発明ないし第11の発明によれば、低ノイズで、低価格、標準化し易い電源を得ることができる。
[実施形態1]
図1により本発明に係る第1の実施形態であるフルブリッジ形のブリッジ装置1について説明する。図1(A)は本発明に係るブリッジ装置1の回路構成を示す図であり、図1(B)は本発明に係るブリッジ装置1の配置及び構成を示す図であり、図1(C)は本発明を説明するための一般的なフルブリッジ形インバータ回路例を示す図である。図1(C)に示す通常のフルブリッジ構成のブリッジ回路1は、鎖線で示す4個の半導体スイッチ10、11、12、13をフルブリッジ構成に接続してなる。半導体スイッチ10〜13がそれぞれMOSFETのような半導体スイッチ素子からなる場合には、半導体スイッチ素子Qとこれに並列接続された内部ダイオードDとからなる。ブリッジ回路1は第1の入力配線14と第2の入力配線15とによって直流電源16、入力コンデンサ17とに接続される。互いに直列接続されている第1、第2の半導体スイッチ1011との接続点xに第1の出力配線18が接続され、互いに直列接続されている第3、第4の半導体スイッチ1213との接続点yに第2の出力配線19が接続されている。第1、第2の出力配線18と19との間に負荷装置20が接続される。なお、T1とT2とは入力端子、T3とT4とは出力端子である。負荷装置20は交流負荷である場合、あるいはトランスとその2次巻線に接続された整流器と直流負荷とからなる場合などがある。
電流容量が大きい場合には、前述したように、半導体スイッチ10〜13は特別のスイッチング用モジュールが用いられ、それでも電流容量が不足する場合には、前記スイッチング用モジュールを並列に配置して用いる。この発明では、近来では比較的電流容量の大きな電流にも対応できるプリント基板が市販されており、また電流容量の大きな半導体スイッチ素子も標準品として市販されているので、半導体スイッチとして、市販されている半導体スイッチ素子を電流容量に見合う個数だけプリント基板上に並列配置し、隣接する半導体スイッチ同士間の配線を極力短くして配線インダクタンスを小さくするような並列接続構成とすることを特徴としている。
図1(A)は、図1(C)と等価な回路であり、図1(C)で示した半導体スイッチ10は、並列接続した3個のMOSFETのような半導体スイッチ素子10A、10B、10Cからなり、半導体スイッチ素子11は同様な3個の半導体スイッチ素子11A、11B、11Cからなり、半導体スイッチ素子12は同様な3個の半導体スイッチ素子12A、12B、12Cからなり、半導体スイッチ13は同様な3個の半導体スイッチ素子13A、13B、13Cからなる。図1(A)ではそれぞれの半導体スイッチ素子の内部ダイオードを図示するのを省略している。図1(C)で示した入力コンデンサ17として、入力コンデンサ17の容量とほぼ等しい容量を6等分した容量をそれぞれ有するコンデンサ17A、17B、17C、17D、17E、17Fを並列配置とし、対応する直列の半導体スイッチ素子の接続点と至近距離で接続される。
図1(B)によって本発明に係る電源装置の配置及び構成を説明する。この実施形態1では、半導体スイッチ素子10A、10B、10C、半導体スイッチ素子11A、11B、11C、半導体スイッチ素子12A、12B、12C、半導体スイッチ素子13A、13B、13Cとして、TO3Pと称されている標準パッケージとして市販されているMOSFETデバイスを用いている。TO3P形のMOSFETデバイスの場合、直方体状のパッケージの一端からG、D、Sで示される制御端子としてのゲート用リード端子、第1の主電流端子となるドレイン用リード端子、第2の主電流端子となるソース用リード端子が整列されて延びており、これらがプリント基板21に搭載され、ハンダ付けされることになる。
プリント基板21は図面を見易くする都合上、鎖線で示されている。プリント基板21は、このブリッジ装置1を構成する半導体スイッチ素子とコンデンサとを搭載するだけの専用のものであっても良いし、他の装置の電子部品をも搭載する大面積プリント基板の一部分であっても良い。また、プリント基板21は、電流容量に見合った電流を担持し得る厚みを有する導電パターン(太線で示された)を有し、このような導電パターンによって入力配線14と15、出力配線18と19とが形成されている。図から分かるように、入力配線14、15の導電パターンはプリント基板21の一端から対向する他端側に延び、逆に出力配線18、19の導電パターンはプリント基板21の前記他端から対向する一端側に延びている。これら導電パターンは必ずしも直線状でなくともよく、部分的に曲線にしても隣接する半導体スイッチ素子同士の接続点間の長さを全体的に短くできればよい。
半導体スイッチ素子の特徴ある配置として、入力配線14と15との間に、図示のように互いに直列接続される半導体スイッチ10の半導体スイッチ素子10A〜10Cと半導体スイッチ11の半導体スイッチ素子11A〜11Cとを隣り合うように交互に配置し、他方では半導体スイッチ12の半導体スイッチ素子12A〜12Cと半導体スイッチ13の半導体スイッチ素子13A〜13Cとを隣り合うように交互に配置する。そして、半導体スイッチ素子10A〜11Cを一方の半導体スイッチ素子群とし、半導体スイッチ素子12A〜13Cを他方の半導体スイッチ素子群として、双方が相対するように配置する。これら半導体スイッチ素子間の距離は、放熱が行われ、電気絶縁が確保される程度でよく、それらの間隔は僅かで配置される。
そして、半導体スイッチ10の半導体スイッチ素子10A〜10Cのゲート用リード端子Gはプリント基板21の不図示のスルーホールを通してプリント基板21の裏面で、不図示の導電パターンにより共通に接続される。半導体スイッチ素子11A〜11C、半導体スイッチ素子12A〜12C、半導体スイッチ素子13A〜13Cのゲート用リード端子Gも同様である。これらゲート用リード端子Gは、このプリント基板が電源装置に組み込まれるとき、図示しない制御回路に接続され、その制御回路からの駆動信号で駆動されることになる。制御については、本発明の要件でなく、通常の制御方法、制御回路でよいので、図示しないし、説明を省略する。
図面から隣り合う半導体スイッチ素子10Aのソース用リード端子Sと半導体スイッチ素子11Aのドレイン用リード端子Dとは、出力配線18の導電パターンを介して最短距離で、ソース用リード端子Sとドレイン用リード端子Dとの長さにほぼ等しい長さ程度の線路で接続できることが分かる。他の隣り合う2組の半導体スイッチ素子10Bと11B、10Cと11Cとのソース用リード端子Sとドレイン用リード端子Dとについても同様である。また、隣り合う半導体スイッチ素子12Aのソース用リード端子Sと半導体スイッチ素子13Aのドレイン用リード端子Dとは、出力配線19の導電パターンを介して最短距離で、ソース用リード端子Sとドレイン用リード端子Dとの長さにほぼ等しい長さの線路で接続できることが分かる。半導体スイッチ素子12Bと13B、12Cと13Cとのソース用リード端子Sとドレイン用リード端子Dとについても同様である。
更にまた、この実施形態1では、前記のように入力コンデンサ17として、6個のコンデンサ17A、17B、17C、17D、17E、17Fを入力配線14の導電パターンと入力配線15の導電パターンとの間に並列配置して接続しているので、これらコンデンサの接続位置を適切にすることによって、コンデンサ17Aを半導体スイッチ素子10Aのドレイン用リード端子Dと半導体スイッチ素子11Aのソース用リード端子Sとに最短距離で接続することも可能である。同様に、コンデンサ17Bを半導体スイッチ素子10Bのドレイン用リード端子Dと半導体スイッチ素子11Bのソース用リード端子Sとに最短距離で、コンデンサ17Cを半導体スイッチ素子10Cのドレイン用リード端子Dと半導体スイッチ素子11Cのソース用リード端子Sとに最短距離で接続することも可能である。また、コンデンサ17Dを半導体スイッチ素子12Aのドレイン用リード端子Dと半導体スイッチ素子13Aのソース用リード端子Sとに最短距離で接続することも可能である。同様に、コンデンサ17Eを半導体スイッチ素子12Bのドレイン用リード端子Dと半導体スイッチ素子13Bのソース用リード端子Sとに最短距離で、コンデンサ17Fを半導体スイッチ素子12Cのドレイン用リード端子Dと半導体スイッチ素子13Cのソース用リード端子Sとに最短距離で接続することも可能である。
以上の記載から分かるように、この実施形態のフルブリッジ回路においては、上下に直列される一対の半導体スイッチ間の線路を最短で接続できるだけでなく、上下に直列される一対の半導体スイッチと入力コンデンサとの間の線路を最短で接続することができるので、ブリッジ装置を小型化でき、また配線インダクタンスを小さくできるので、半導体スイッチのスイッチング時に生じるサージ電圧を小さくでき、またこのブリッジ装置をインバータとして用いるときには高周波動作にするのに適したインバータ装置を得ることができる。
以上の実施形態1では、単相用のブリッジ装置について述べたが、上下直列接続された一対の半導体スイッチからなるアームを更に加えた3相用に適したブリッジ装置の変形例についても同様に構成することができる。図示しないが、各半導体スイッチが前述のように3個の半導体スイッチ素子を並列接続したものからなるものとすると、6個の半導体スイッチ素子と3個の入力コンデンサとが増えると共に、第3番目の出力配線の導電パターンが図1(B)に示された入力配線14、15の導電パターンの中央を図面右から左方向に延びるように付加される。これら6個の半導体スイッチ素子と3個の入力コンデンサとを前述したように、線路が最短になるように、それらのゲート用リード端子を前述のように接続し、レイン用リード端子とソース用リード端子を、図1の入力配線14、15、及び付加される第3の出力配線に接続すればよい。なお、以上の実施形態ではより好ましいブリッジ装置の構成について述べたが、コンデンサは直列接続される半導体スイッチ素子の組み数と必ずしも同じでなくともよい。
[実施形態2]
次に、図2によりハーフブリッジ構成のブリッジ装置2について説明する。図2において、図1で用いた記号と同一の記号は同じ名称の部材を示すものとする。図2(A)は典型的なハーフブリッジ形のインバータ電源を示し、ハーフブリッジ形のインバータ回路はMOSFETのような半導体スイッチ10、11を2個直列接続した第1のアームと2個のコンデンサ30、31を直列接続してなる第2のアームとを入力配線14と15との間に並列に接続すると共に、半導体スイッチ10と11との接続点xから一方の出力配線18、コンデンサ30と31との接続点yから他方の出力配線19をそれぞれ引き出した回路構成になっている。なお、16は直流電源、20は負荷装置である。半導体スイッチ10、11はそれぞれMOSFETQとその内部ダイオードDとで示されている。
この実施形態でも、図2(B)に示すように、半導体スイッチ10、11として、それぞれ3個のMOSFETのような半導体スイッチ素子10A、10B、10C、及び11A、11B、11Cを並列接続してなる。半導体スイッチ素子10A、10B、10C、及び11A、11B、11Cは標準品であるTO3P形のMOSFETデバイスなどである。また、コンデンサ30、31も前記半導体スイッチ素子の並列個数と同等な個数で、それら容量のほぼ1/3のコンデンサ30A、30B、30C、及び31A、31B、31Cを並列接続してなる。半導体スイッチ素子10A、10B、10C、及び11A、11B、11Cについては、前記第1のブリッジ装置1の場合と同じであるので説明を省略する。なお、コンデンサ30、31は必ずしも複数個用いる必要はなく、それぞれ単一であってもよい。
コンデンサについては、コンデンサ30Aと31Aとが最短で接続されるように、互いに隣接する位置にあり、コンデンサ30Aと31Aとの一方側のリード端子同士は出力配線19の導電パターンを通して最短で接続される。同様に、コンデンサ30Bと31Bとが隣接して位置し、また、コンデンサ30Cと31Cトが隣接して位置して、それらの一方側のリード端子同士は出力配線19の導電パターンを通して最短で接続される。
したがって、このハーフブリッジ構成のブリッジ装置2においても、従来のような特別製のスイッチングモジュールに替えて、その電流容量と同等な電流容量となる個数の標準品の半導体スイッチ素子を自動部品搭載機などによって、プリント基板に搭載し、その際に、直列配置の一対の半導体スイッチ素子同士の配線が最短になるようにレイアウトしているので、それらの間の配線インダクタンスを最小にでき、したがって、ブリッジ装置2をインバータ回路に用いた場合にサージ電圧の小さなインバータ電源を提供することができる。
[実施形態3]
以上述べた実施形態では、MOSFETのような半導体スイッチング素子をブリッジ構成に、あるいは半導体スイッチング素子とコンデンサとをブリッジ構成にしたが、整流用ダイオードをブリッジ構成して整流回路とする場合、特に、コンデンサ入力形整流回路の場合には、ダイオードのリカバリー電流の消滅時に発生するサージ電圧を抑制することができる。図3により本発明に係る実施形態3のブリッジ装置3について説明する。図3(A)は整流素子40〜43をフルブリッジ構成に接続した一般的な整流回路を示し、図3(B)は本発明に係るフルブリッジ回路の構成を示し、図3(C)は本発明に係る第3のブリッジ装置3を示す。なお、図3において、図1で用いた記号と同一の記号は同一の名称の部材を示すものとする。
プリント基板21の上面には入力配線14、15となる導体パターンが、その一端に形成された入力端子T1、T2からほぼ平行に相対する他端側に向けて延びている。その他端に形成された出力端子T3、T4から出力配線18、19となる導電パターンが前記一端側に向けてほぼ平行に形成されている。出力配線18、19となる導電パターンは、入力配線14、15となる導体パターンの内側に形成されている。入力配線14、15となる導体パターンと出力配線18、19となる導電パターンとの間の距離、及び出力配線18、19となる導電パターン間の距離は、電気的絶縁が確保できる程度である。
整流素子40は並列接続された3個の整流用ダイオード40A、40B、40Cで構成され、整流素子41は並列接続された3個の整流用ダイオード41A、41B、41Cで構成されている。また、整流素子42は並列接続された3個の整流用ダイオード42A、42B、42Cで構成され、整流素子43は並列接続された3個の整流用ダイオード43A、43B、43Cで構成されている。互いに直列接続される整流用ダイオード40A〜40Cと整流用ダイオード41A〜41Cとは互いに交互に位置するよう配置される。そして、整流用ダイオード40A〜40Cのアノード用リード端子Aは入力配線14となる導電パターンにハンダ付けされ、整流用ダイオード41A〜41Cのカソード用リード端子Cは入力配線14となる導電パターンにハンダ付けされる。したがって、例えば、整流用ダイオード40Aのアノード用リード端子Aは、入力配線14となる導体パターンを介して、整流用ダイオード41Aのカソード用リード端子Cに最短距離で接続される。整流用ダイオード40Bと41B、整流用ダイオード40Cと41Cとの間も同様である。
また、互いに直列接続される整流用ダイオード42A〜42Cと整流用ダイオード43A〜43Cとの各組みについても前述と同様に交互に位置するよう配置される。そして、整流用ダイオード42A〜42Cのアノード用リード端子Aは入力配線15となる導電パターンにハンダ付けされ、整流用ダイオード43A〜43Cのカソード用リード端子Cは入力配線15となる導電パターンにハンダ付けされる。したがって、例えば、整流用ダイオード42Aのアノード用リード端子Aは、入力配線15となる導体パターンを介して、整流用ダイオード43Aのカソード用リード端子Cに最短距離で接続される。整流用ダイオード42Bと43B、整流用ダイオード42Cと43Cとの間も同様であり、それらの線路を最短にすることが可能であるので、前記実施形態同様に配線インダクタンスを小さくすることができる。
出力コンデンサ45として、半導体スイッチを構成する半導体スイッチ素子の並列接続個数に相当する個数である6個を用いて、出力コンデンサ45の容量のほぼ1/6に等しい容量を有するコンデンサ45A〜45Fをプリント基板21上に搭載し、コンデンサ45A〜45Fのそれぞれのリード端子を出力配線18、19となる導電パターンにハンダ付けして接続する。例えば、コンデンサ45Aの一方のリード端子は出力配線18である導電パターンを介して整流用ダイオード40Aのカソード用リード端子Cに最短で接続され、また、コンデンサ45Aの他方のリード端子は出力配線19となる導電パターンを介して整流用ダイオード41Aのアノード用リード端子Aに最短で接続され得る。他のコンデンサ45B〜45Fも同様に僅かな配線距離で接続される。なお、出力コンデンサ45を必ずしも6個のコンデンサ45A〜45Fに分割して用いる必要は無く、プリント基板21に搭載可能な標準のコンデンサが市販されていれば、1個又は2個、あるいは他の個数であってもよい。
前記ブリッジ装置3は単相交流電力を直流電力に変換するのに用いられるコンデンサ入力形整流装置として最適であるが、3相交流電力を直流電力に変換するコンデンサ入力形3相ブリッジ装置も前述と同様にして得ることができる。コンデンサ入力形3相ブリッジ装置は良く知られているので、詳述しないが、前記ブリッジ装置3を展開するものとすれば、並列接続された3個の整流用ダイオードを2組直列接続した6個の整流用ダイオードをプリント基板21上に付加して搭載し、出力配線18、19となる導電パターン間に接続される。それら整流用ダイオードのアノード用リード端子、カソード用リード端子の接続は前述と同様に行えばよい。また、出力コンデンサについても前述と全く同様に考えることができる。逆方向電圧がダイオードに印加されるとき生じるサージ電圧を低減できる。
[実施形態4]
実施形態3では整流用ダイオードをブリッジ構成に接続した整流装置について説明したが、トランジスタやMOSFETのような半導体スイッチ素子を用いたスイッチング整流装置が広く知られている。図示しないが、本件出願人の特許出願に係る特開昭59−63975号公報、特開平7−308069号公報、特開平9−322542号公報などに開示されている発明から分かるように、それらスイッチング整流回路の構成は、図1及び図2に示したブリッジ回路と同様な構成を有し、異なる点は、図1及び図2に示したブリッジ回路の入力配線と出力配線とが逆になることである。つまり、図1及び図2に示したブリッジ回路の入力配線が出力配線になり、出力配線が入力配線になるというところが異なる。したがって、前記ブリッジ装置1、2の入力端子T1、T2を出力端子とし、出力端子T3、T4を入力端子とすることによって、図1及び図2に示した前記ブリッジ装置1、2をスイッチング整流装置に用いることができる。
なお、以上述べた実施形態では、半導体スイッチ素子としてMOSFETを用いたが、MOSFETの他にIGBT、又はトランジスタなど他の半導体スイッチ素子を用いることができ、内部ダイオードを備えない場合には別途ダイオードを逆並列に接続すれば足りる。また、半導体スイッチとして半導体スイッチ素子を3個並列接続した例、整流素子として整流用ダイオードを3個並列接続した例について述べたが、これに限られることは無く、半導体スイッチ素子又は整流用ダイオードが2個、あるいは4個以上並列接続したものを用いても勿論よい。このような構造のブリジ装置にあっては、標準化が容易であり、通信用電源、直流高電圧電源、溶接用電源など広範囲の電子機器のインバータ部、整流部などに適用できる。
本発明に係る実施形態1の第1ブリッジ装置1を説明するための図である。 本発明に係る実施形態2の第2ブリッジ装置2を説明するための図である。 本発明に係る実施形態3の第3ブリッジ装置3を説明するための図である。
符号の説明
1・・・第1のブリッジ装置
2・・・第2のブリッジ装置
3・・・第3のブリッジ装置
10〜13・・・半導体スイッチ
10A〜10C・・・半導体スイッチ素子
11A〜11C・・・半導体スイッチ素子
12A〜12C・・・半導体スイッチ素子
13A〜13C・・・半導体スイッチ素子
14、15・・・入力配線
16・・・直流電源
17・・・入力コンデンサ
18、19・・・出力配線
20・・・負荷装置
30、31・・・コンデンサ
40〜43・・・整流素子
45・・・出力コンデンサ
T1T2・・・入力端子
T3T4・・・出力端子

Claims (11)

  1. 第1の入力配線、第2の入力配線と、
    前記第1の入力配線と前記第2の入力配線との間に互いに直列接続され第1、第2の半導体スイッチと、前記第1の入力配線と前記第2の入力配線との間に互いに直列接続され第3、第4の半導体スイッチと、
    前記第1の半導体スイッチと前記第2の半導体スイッチの接続点と前記第3の半導体スイッチと前記第4の半導体スイッチの接続点とにそれぞれ接続され第1と第2の出力配線とを備えるフルブリッジ形のブリッジ装置であって
    前記第1の半導体スイッチと前記第2の半導体スイッチは、それぞれ第1、第2の主電流端子と制御端子とを有する半導体スイッチ素子複数個を並列接続してなり、
    前記第1の半導体スイッチを構成する前記複数の半導体スイッチ素子と、前記第2の半導体スイッチを構成する前記複数の半導体スイッチ素子とは、それぞれ同一の方向で交互に相隣り合うように配置され、
    前記第1の半導体スイッチと前記第2の半導体スイッチにおける相隣り合う一対の前記半導体スイッチ素子の前記第1の主電流端子と前記第2の主電流端子とが前記第1の出力配線を介して直列接続され
    プリント基板上の導体パターンで形成される前記第1の入力配線と前記第2の入力配線とは、同一の方向で交互に相隣り合うように配置される前記複数の半導体スイッチ素子に対して平行に延び、プリント基板上の導体パターンで形成される前記第1の出力配線と前記第2の出力配線とは、同一の方向で交互に相隣り合うように配置される前記複数の半導体スイッチ素子に対して平行に延び、
    前記第1の入力配線の一端と前記第2の入力配線の一端とがそれぞれ接続される第1の入力端子と第2の入力端子とを一対とし、前記第1の出力配線の一端と前記第2の出力配線の一端とがそれぞれ接続される第1の出力端子と第2の出力端子とを一対として配置されることを特徴とするブリッジ装置。
  2. 請求項1において、
    前記第3の半導体スイッチと前記第4の半導体スイッチは、それぞれ第1、第2の主電流端子と制御端子とを有する半導体スイッチ素子複数個を並列接続してなり、
    前記第3の半導体スイッチを構成する前記複数の半導体スイッチ素子と、前記第4の半導体スイッチを構成する前記複数の半導体スイッチ素子とは、それぞれ同一の方向で交互に相隣り合うように配置され、
    前記第3の半導体スイッチと前記第4の半導体スイッチにおける相隣り合う一対の前記半導体スイッチ素子の前記第1の主電流端子と、前記第2の主電流端子とが前記第2の出力配線を介して直列接続されことを特徴とするブリッジ装置。
  3. 第1の入力配線、第2の入力配線と、
    前記第1の入力配線と前記第2の入力配線との間に互いに直列接続され第1、第2の半導体スイッチと、前記第1の入力配線と前記第2の入力配線との間に互いに直列接続され第1、第2のコンデンサと、
    前記第1の半導体スイッチと前記第2の半導体スイッチの接続点と前記第1のコンデンサと前記第2のコンデンサの接続点とにそれぞれ接続され第1、第2の出力配線とを備えるハーフブリッジ形のブリッジ装置であって
    前記第1の半導体スイッチと前記第2の半導体スイッチは、それぞれ第1、第2の主電流端子と制御端子とを有する半導体スイッチ素子複数個を並列接続してなり、
    前記第1の半導体スイッチを構成する前記複数の半導体スイッチ素子と、前記第2の半導体スイッチを構成する前記複数の半導体スイッチ素子とは、それぞれ同一方向で交互に相隣り合うように配置され、
    前記第1の半導体スイッチと前記第2の半導体スイッチにおける相隣り合う一対の前記半導体スイッチ素子の前記第1の主電流端子と前記第2の主電流端子とが前記第1の出力配線を介して直列接続され
    プリント基板上の導体パターンで形成される前記第1の入力配線と前記第2の入力配線とは、同一の方向で交互に相隣り合うように配置される前記複数の半導体スイッチ素子に対して平行に延び、プリント基板上の導体パターンで形成される前記第1の出力配線と前記第2の出力配線とは、同一の方向で交互に相隣り合うように配置される前記複数の半導体スイッチ素子に対して平行に延び、
    前記第1の入力配線の一端と前記第2の入力配線の一端とがそれぞれ接続される第1の入力端子と第2の入力端子とを一対とし、前記第1の出力配線の一端と前記第2の出力配線の一端とがそれぞれ接続される第1の出力端子と第2の出力端子とを一対として配置されることを特徴とするブリッジ装置。
  4. 第1の出力配線、第2の出力配線と、
    前記第1の出力配線と前記第2の出力配線との間に互いに直列接続され第1の半導体スイッチ又は整流素子と第2の半導体スイッチ又は整流素子と、前記第1の出力配線と前記第2の出力配線との間に互いに直列接続され第3の半導体スイッチ又は整流素子と第4の半導体スイッチ又は整流素子と、
    前記第1の半導体スイッチ又は整流素子と前記第2の半導体スイッチ又は整流素子の接続点と前記第3の半導体スイッチ又は整流素子と前記第4の半導体スイッチ又は整流素子の接続点とにそれぞれ接続される第1と第2の入力配線とを備えるフルブリッジ形のブリッジ装置であって
    前記第1の半導体スイッチ又は整流素子と前記第2の半導体スイッチ又は整流素子は、それぞれ第1、第2の主電流端子を有する半導体スイッチ素子又は整流用ダイオード複数個を並列接続してなり、
    前記第1の半導体スイッチ又は整流素子を構成する複数の前記半導体スイッチ素子又は整流用ダイオードと、前記第2の半導体スイッチ又は整流素子を構成する複数の前記半導体スイッチ素子又は整流用ダイオードとは、それぞれ同の一方向で交互に相隣り合うように配置され、
    記第1の半導体スイッチ又は整流素子と前記第2の半導体スイッチ又は整流素子における相隣り合う一対の前記半導体スイッチ素子又は整流用ダイオードの前記第1の主電流端子と前記第2の主電流端子とが前記第1の入力配線を介して直列接続され
    プリント基板上の導体パターンで形成される前記第1の入力配線と前記第2の入力配線とは、同一の方向で交互に相隣り合うように配置される前記複数の半導体スイッチ素子又は整流用ダイオードに対して平行に延び、プリント基板上の導体パターンで形成される前記第1の出力配線と前記第2の出力配線とは、同一の方向で交互に相隣り合うように配置される前記複数の半導体スイッチ素子又は整流用ダイオードに対して平行に延び、
    前記第1の入力配線の一端と前記第2の入力配線の一端とがそれぞれ接続される第1の入力端子と第2の入力端子とを一対とし、前記第1の出力配線の一端と前記第2の出力配線の一端とがそれぞれ接続される第1の出力端子と第2の出力端子とを一対として配置されることを特徴とするブリッジ装置。
  5. 請求項4において、
    前記第3の半導体スイッチ又は整流素子と前記第4の半導体スイッチ又は整流素子は、それぞれ第1、第2の主電流端子と有する半導体スイッチ素子又は整流用ダイオード複数個を並列接続してなり、
    前記第3の半導体スイッチ又は整流素子を構成する前記複数の半導体スイッチ素子又は整流用ダイオードと、前記第4の半導体スイッチ又は整流素子を構成する前記複数の半導体スイッチ素子又は整流用ダイオードとは、それぞれ同一の方向で交互に相隣り合うように配置され、
    前記第3の半導体スイッチ又は整流素子と前記第4の半導体スイッチ又は整流素子とにおける相隣り合う一対の前記半導体スイッチ素子又は整流用ダイオードの前記第1の主電流端子と前記第2の主電流端子とが前記第2の入力配線を介して直列接続されことを特徴とするブリッジ装置。
  6. 第1の出力配線、第2の出力配線と、
    前記第1の出力配線と前記第2の出力配線との間に互いに直列接続され第1、第2の半導体スイッチ又は整流素子と、前記第1の出力配線と前記第2の出力配線との間に互いに直列接続され第1、第2のコンデンサと、
    前記第1の半導体スイッチ又は整流素子と前記第2の半導体スイッチ又は整流素子の接続点と前記第1のコンデンサと前記第2のコンデンサの接続点とにそれぞれ接続される第1と第2の入力配線とを備えるハーフブリッジ形のブリッジ装置であって
    前記第1の半導体スイッチ又は整流素子と前記第2の半導体スイッチ又は整流素子は、れぞれ第1、第2の主電流端子を有する半導体スイッチ素子又は整流用ダイオード複数個を並列接続してなり、
    前記第1の半導体スイッチ又は整流素子を構成する前記複数の半導体スイッチ素子又は整流用ダイオードと、前記第2の半導体スイッチ又は整流素子を構成する前記複数の半導体スイッチ素子又は整流用ダイオードとは、それぞれ同一方向で交互に相隣り合うように配置され、
    前記第1の半導体スイッチ又は整流素子と前記第2の導体スイッチ又は整流素子における相隣り合う一対の前記半導体スイッチ素子又は整流用ダイオードの前記第1の主電流端子と前記第2の主電流端子とが前記第1の入力配線を介して直列接続され
    プリント基板上の導体パターンで形成される前記第1の入力配線と前記第2の入力配線とは、同一の方向で交互に相隣り合うように配置される前記複数の半導体スイッチ素子又は整流用ダイオードに対して平行に延び、プリント基板上の導体パターンで形成される前記第1の出力配線と前記第2の出力配線とは、同一の方向で交互に相隣り合うように配置される前記複数の半導体スイッチ素子又は整流用ダイオードに対して平行に延び、
    前記第1の入力配線の一端と前記第2の入力配線の一端とがそれぞれ接続される第1の入力端子と第2の入力端子とを一対とし、前記第1の出力配線の一端と前記第2の出力配線の一端とがそれぞれ接続される第1の出力端子と第2の出力端子とを一対として配置されることを特徴とするブリッジ装置。
  7. 請求項1、請求項2、請求項4又は請求項5において、
    前記第1入力配線と前記第2の入力配線との間に又は前記第1出力配線と前記第2の出力配線との間に接続されるコンデンサを備えることを特徴とするブリッジ装置。
  8. 請求項1請求項2、求項4請求項5又は請求項7に記載されたブリッジ装置と、該ブリッジ装置が前記半導体スイッチを備える場合は前記半導体スイッチ素子を制御する制御回路と、前記第1の半導体スイッチ若しくは整流素子を構成する前記半導体スイッチ素子若しくは整流用ダイオードの個数に又は前記第2の半導体スイッチ若しくは整流素子を構成する前記半導体スイッチ素子若しくは整流用ダイオードの個数に相当する個数のコンデンサとを備え、前記コンデンサは前記第1の入力配線前記第2の入力配線との間に又は前記第1出力配線と前記第2の出力配線との間に接続されことを特徴とする電源装置。
  9. 請求項1ないし請求項3又は請求項7のいずれかに記載されたブリッジ装置をインバータとして備えことを特徴とする電源装置。
  10. 請求項4ないし請求項7のいずれかに記載されたブリッジ装置を整流装置、又はスイッチング整流器、あるいは力率改善型コンバータとして備えことを特徴とする電源装置。
  11. 請求項8から請求項10のいずれかにおいて、
    前記第1の入力配線と前記第2の入力配線は、プリント配線基板の一端から対向する他端側に互いに平行に延び、
    前記第1の出力配線と前記第2の出力配線は、前記プリント配線基板の記第1の入力配線と前記第2の入力配線とに平行に延びており、
    前記半導体スイッチ素子又は前記整流用ダイオードは前記プリント配線基板上に搭載されことを特徴とする電源装置。
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