JP5169373B2 - Semiconductor switching device and method of using the same - Google Patents
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本発明は半導体スイッチング装置及びその使用方法に関し、特に誘導負荷に蓄えられたエネルギーを放出するための還流専用ダイオードを備える半導体スイッチング装置及びその使用方法に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor switching device and a method for using the semiconductor switching device, and more particularly to a semiconductor switching device including a freewheeling diode for discharging energy stored in an inductive load and a method for using the semiconductor switching device.
半導体スイッチング装置はIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)あるいはMOSFETなどのスイッチング素子を用いて誘導負荷のオンオフの切り替えを行い、昇降圧を行ったり、交流電流を生成したりするものである。半導体スイッチング装置には例えば、チョッパ回路を含むものや、Hブリッジ回路や3相インバータなどのインバータを含むものなどがある。(半導体スイッチング装置の他の例については特許文献1〜3に記載がある)。
A semiconductor switching device switches on and off an inductive load by using a switching element such as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) or a MOSFET, performs step-up / step-down or generates an alternating current. Examples of the semiconductor switching device include a device including a chopper circuit and a device including an inverter such as an H-bridge circuit and a three-phase inverter. (Other examples of the semiconductor switching device are described in
ここで、一般的に用いられている半導体スイッチング装置の一例として図10を参照してチョッパ回路について説明する。このチョッパ回路はスイッチング素子106のエミッタが直流電源100の低電位側に接続される。さらに、フリーホイールダイオード102のカソードは、直流電源100の高電位側および誘導負荷104の一端と接続される。そしてスイッチング素子106のコレクタと誘導負荷104の他端とが接続される。また、フリーホイールダイオード102のアノードは、スイッチング素子106のコレクタおよび誘導負荷104の他端と接続される。
Here, a chopper circuit will be described with reference to FIG. 10 as an example of a commonly used semiconductor switching device. In this chopper circuit, the emitter of the
このようなチョッパ回路において、スイッチング素子106をオン状態とすると、直流電源100、誘導負荷104、スイッチング素子106、直流電源100の経路で電流が流れる。次いでスイッチング素子106をオフ状態とすると、誘導負荷104に蓄えられたエネルギーが誘導負荷104とフリーホイールダイオード102の経路で放出される。この電流は還流電流とよばれ、図10において矢印で示す方向に流れるものである。
In such a chopper circuit, when the switching
次いで、スイッチング素子106を再度オン状態とすると、前述した通り直流電源100、誘導負荷104、スイッチング素子106、直流電源100の経路で電流が流れる。
Next, when the switching
前述したように、スイッチング素子106がオフ状態からオン状態に遷移すると、フリーホイールダイオード102は還流電流が流れる状態(順電流が流れる状態)から逆電圧が印加される状態に遷移する。そして、フリーホイールダイオード102に順電流を流した直後に逆電圧を印加すると、前述した還流電流とは逆方向に逆回復電流と呼ばれる電流が流れる。この逆回復電流は瞬間的なもので、一般に還流電流が大きければ大電流となる。
As described above, when the switching
このような逆回復電流は前述の遷移のタイミングにおける高dv/dtの要因となる。ゆえに、逆回復電流が原因でスイッチング損失やノイズが発生する問題があった。 Such a reverse recovery current causes high dv / dt at the timing of the transition described above. Therefore, there is a problem that switching loss and noise occur due to the reverse recovery current.
ここで、前述の問題を解決するためにフリーホイールダイオードの電流容量を低減しておくことが考えられる。例えば、フリーホイールダイオードの電流容量を例えば1アンペア程度にまで低減しておくと、逆回復電流も低減できるから、前述の問題を解決し得る。逆回復電流を低減する観点からはフリーホイールダイオードの電流容量は低いほど好ましい。しかしながら、フリーホイールダイオードに還流電流が流れる状態においては、フリーホイールダイオードに十分な電流が流れる必要があることからフリーホイールダイオードの電流容量は大きい方が好ましい。ゆえに還流電流を十分流すためにはフリーホイールダイオードの電流容量が大きいことが好ましく、逆回復電流を抑制するためにはフリーホイールダイオードの電流容量は小さい方が好ましい。したがって両者の関係はトレードオフであるため、還流電流を十分流しかつ逆回復電流を抑制することができない問題があった。 Here, in order to solve the above-mentioned problem, it is conceivable to reduce the current capacity of the free wheel diode. For example, if the current capacity of the freewheeling diode is reduced to, for example, about 1 ampere, the reverse recovery current can be reduced, so that the above-described problem can be solved. From the viewpoint of reducing the reverse recovery current, the free wheel diode has a lower current capacity. However, in the state where the freewheeling current flows through the freewheeling diode, a sufficient current capacity of the freewheeling diode is preferable because a sufficient current needs to flow through the freewheeling diode. Therefore, it is preferable that the current capacity of the freewheel diode is large in order to sufficiently flow the return current, and it is preferable that the current capacity of the freewheel diode is small in order to suppress the reverse recovery current. Therefore, since the relationship between the two is a trade-off, there is a problem in that the return current cannot be sufficiently passed and the reverse recovery current cannot be suppressed.
前述のような問題は、図10に示されるチョッパ回路だけで起こる訳ではない。すなわち前述の問題はフリーホイールダイオードに順電流が流れ、その直後にフリーホイールダイオードに逆バイアスが印加されるフリーホイールダイオードを備える半導体スイッチング装置において現れる問題である。 The above-described problem does not occur only in the chopper circuit shown in FIG. That is, the above-mentioned problem is a problem that appears in a semiconductor switching device including a freewheel diode in which a forward current flows through the freewheel diode and a reverse bias is applied to the freewheel diode immediately thereafter.
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、還流電流を十分流すことができ、しかも逆回復電流を抑制できる半導体スイッチング装置及びその使用方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a semiconductor switching device capable of sufficiently flowing a reflux current and suppressing a reverse recovery current and a method of using the semiconductor switching device. .
本願の発明にかかる半導体スイッチング装置は、誘導負荷に電流を供給する半導体スイッチング装置であって、直流電源の低電位側と該誘導負荷の一端との間に接続されるスイッチング素子と、カソードが該誘導負荷の他端および該直流電源の高電位側に接続される還流専用ダイオードと、該スイッチング素子と該誘導負荷が接続される配線上の所定位置と該還流専用ダイオードのアノードとの間に接続された還流用スイッチング素子と、カソードが該還流専用ダイオードのカソードに接続され、アノードが該誘導負荷の一端に接続されたフリーホイールダイオードと、を備え、該還流専用ダイオードの電流容量は該フリーホイールダイオードの電流容量よりも大きいことを特徴とする。 A semiconductor switching device according to the present invention is a semiconductor switching device that supplies current to an inductive load, wherein a switching element connected between a low potential side of a DC power source and one end of the inductive load, and a cathode A freewheeling diode connected to the other end of the inductive load and the high potential side of the DC power supply, and a connection between a predetermined position on the wiring to which the switching element and the inductive load are connected and the anode of the freewheeling diode A freewheeling diode whose cathode is connected to the cathode of the freewheeling diode and whose anode is connected to one end of the inductive load, and the current capacity of the freewheeling diode is the freewheeling diode. It is characterized by being larger than the current capacity of the diode .
本発明により、半導体スイッチング装置の還流電流を十分流すことができ、かつ逆回復電流を抑制できる。 According to the present invention, it is possible to sufficiently flow the return current of the semiconductor switching device and to suppress the reverse recovery current.
実施の形態1
本実施形態は還流電流を十分流すことができ、かつ逆回復電流を抑制できるチョッパ回路に関する。図1は本実施形態の半導体スイッチング装置の回路図を表す。以後図1を説明する。スイッチング素子16はエミッタ、コレクタ、ゲートを備えるIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)である。スイッチング素子16のエミッタは直流電源10の低電位側に接続される。一方スイッチング素子16のコレクタは誘導負荷18の一端と接続される。誘導負荷18は例えば、ソレノイドやモーターなどのコイル成分を持つ負荷である。
The present embodiment relates to a chopper circuit capable of sufficiently flowing a reflux current and suppressing a reverse recovery current. FIG. 1 is a circuit diagram of a semiconductor switching device according to this embodiment. Hereinafter, FIG. 1 will be described. The
さらに本実施形態のチョッパ回路は還流専用ダイオード12と還流用スイッチング素子14とを備える。還流専用ダイオード12は電流容量は100アンペアであり、チップサイズも比較的大きい。また、還流用スイッチング素子14はスイッチング素子16同様に、エミッタ、コレクタ、ゲートを備えるIGBTで構成される。そして、還流専用ダイオード12のカソードは、誘導負荷18の他端および直流電源10の高電位側に接続される。一方還流専用ダイオード12のアノードには還流用スイッチング素子14のエミッタに接続され、この還流用スイッチング素子14のコレクタは、スイッチング素子16のコレクタおよび誘導負荷18の一端と接続される。
Furthermore, the chopper circuit of this embodiment includes a
このようなチョッパ回路の用途は誘導負荷18の電流値又は電圧値の平均値を調整することにある。そして前述の調整を行うためにスイッチング素子16は任意の周期でオンオフを繰り返す。以後、本実施形態のチョッパ回路の動作(使用方法)について説明する。ここでは、前述したような任意の周期で繰り返されるオンオフの動作について、スイッチング素子16がオン状態、オフ状態、オン状態と遷移する場合について説明する。
The use of such a chopper circuit is to adjust the average value of the current value or voltage value of the
まず、スイッチング素子16、還流用スイッチング素子14ともにオン状態である状態から説明を始める。この状態では、直流電源10の高電位側、誘導負荷18、スイッチング素子16、直流電源10の低電位側との電流経路で電流が流れる。
First, the description starts from a state where both the
次いで、スイッチング素子16がオフ状態へと遷移される。そしてスイッチング素子16がオン状態からオフ状態へと遷移される際にも還流用スイッチング素子14はオン状態を維持する。この状態では前述の電流経路は遮断される。そして誘導負荷18に蓄えられたエネルギーは、誘導負荷18、還流用スイッチング素子14、還流専用ダイオード12からなる閉回路を還流することで放出される。このとき流れる電流は還流電流とよばれる。図1において矢印で示す通り、還流電流は還流専用ダイオード12の順方向に流れる。
Next, the
次いで、スイッチング素子16がオフ状態からオン状態へと遷移される。また、スイッチング素子16がオフ状態からオン状態に遷移する直前に還流用スイッチング素子14がオフ状態へと遷移される。ここで、スイッチング素子16がオフ状態となるのは少なくとも還流専用ダイオード12の逆回復電流発生前である。そして、一旦オフ状態となった還流用スイッチング素子14は所定期間経過後再度オン状態へと遷移される。この所定期間は、還流専用ダイオード12の逆回復電流がスイッチング素子16へ悪影響を与えるおそれのある期間以上の時間が設定される。図2には上述のオンオフのスイッチングを行うために還流用スイッチング素子14およびスイッチング素子16へ伝送される制御信号の波形を説明するタイミングチャートが示されている。図2に示される通りスイッチング素子16がオフ状態からオン状態へ遷移されるタイミング、すなわちスイッチング素子16のコレクタ電流(Ic)が立ち上がるタイミングでは、還流用スイッチング素子14がオフ状態となるように制御信号が伝送される。
Next, the
なお、図2においてオフ期間とは還流用スイッチング素子14のオフ状態を継続する期間のことで前述した所定期間に相当する。このオフ期間はスイッチング素子16のオフ状態からオン状態への遷移(図2においてAで示されている)のタイミングを含むように設定される。
In FIG. 2, the off period is a period during which the
前述したように、図10においてフリーホイールダイオード102に順方向電流が流れた直後にフリーホイールダイオード102に逆バイアス(逆電圧)が印加されるとフリーホイールダイオードの順方向とは逆の方向に逆回復電流が流れる。逆回復電流は瞬間的に大電流となるものでありスイッチング損失やノイズの発生要因である。したがって逆回復電流は抑制することが望ましい。そして、この逆回復電流はフリーホイールダイオード102の電流容量に、一般に比例するものであるから、逆回復電流を抑制するためにはフリーホイールダイオード102の電流容量が低いことが好ましい。他方、スイッチング素子16がオフ状態のときに還流電流を十分流れやすくして誘導負荷104のエネルギーを放出するためにはフリーホイールダイオード102の電流容量が高いことが好ましい。ゆえに、図10の構成のチョッパ回路では還流電流を十分流し、かつ逆回復電流を抑制することができないという問題があった。
As described above, when a reverse bias (reverse voltage) is applied to the
本実施形態によれば上述の問題を解決できる。スイッチング素子16がオフ状態となり図1中矢印で示す還流電流が流れる際には、還流用スイッチング素子14はオン状態である。本実施形態の還流専用ダイオード12はチップサイズが大きく電流容量が100アンペアであるため誘導負荷18のエネルギー放出が十分に行われる。その後、スイッチング素子16が再びオン状態となる際には、還流専用ダイオード12の逆回復電流を抑制するために還流用スイッチング素子14がオフ状態とされる。よって、瞬間的に大電流が流れる弊害である逆回復電流がスイッチング素子16に流れることはなく、エネルギー損失やノイズの悪影響を回避できる。
According to this embodiment, the above-mentioned problem can be solved. When the switching
ここで、特に大電流を扱うチョッパ回路などにおいては、大きな電流容量を備えるチップサイズが比較的大きなフリーホイールダイオードが用いられる。そのような場合はフリーホイールダイオードの逆回復電流が大きく過電圧サージやノイズの問題、エネルギー損失によるエネルギー効率の低下の問題が顕著であったが、本実施形態によれば還流専用ダイオードの電流容量を大きくしても逆回復電流の懸念はないからこれらの問題を解決できる。 Here, especially in a chopper circuit that handles a large current, a free wheel diode having a large current capacity and a relatively large chip size is used. In such a case, the reverse recovery current of the freewheel diode was large, and problems of overvoltage surge and noise, and a problem of a decrease in energy efficiency due to energy loss were remarkable. According to this embodiment, the current capacity of the freewheeling diode is reduced. Even if it is increased, these problems can be solved since there is no concern about reverse recovery current.
本実施形態ではチョッパ回路の例を説明したが本発明はこれに限定されない。すなわち、還流専用ダイオードに順方向電流が流れその後逆バイアスが印加され得る構成を備える回路においては逆回復電流に起因する問題が起こると考えられる。そして、還流専用ダイオードのアノード側とスイッチング素子との間に還流用スイッチング素子を配置し、前述した使用方法を実施することにより、どのような回路構成であっても逆回復電流を抑制できるから本発明の実施対象はチョッパ回路に限定されない。 In this embodiment, an example of a chopper circuit has been described, but the present invention is not limited to this. That is, it is considered that a problem caused by the reverse recovery current occurs in a circuit having a configuration in which a forward current flows through the freewheeling diode and then a reverse bias can be applied. In addition, since the switching element for reflux is arranged between the anode side of the dedicated diode for reflux and the switching element and the above-described usage method is performed, the reverse recovery current can be suppressed in any circuit configuration. The subject of the invention is not limited to chopper circuits.
本発明の効果は前述したスイッチング素子の配置および使用方法を実施することにより得られるからスイッチング素子16はIGBT以外のスイッチング素子であっても良い。また還流用スイッチング素子14はIGBTに限定されない。スイッチング素子16および還流用スイッチング素子14は回路に導通される電流や各素子に印加される電圧により適宜定めればよい。
Since the effects of the present invention can be obtained by implementing the above-described arrangement and usage of the switching elements, the switching
同様にして、本実施形態の還流専用ダイオード12の電流容量が100アンペアであるとの記載もこれに限定されるものではない。還流専用ダイオード12の電流容量は還流電流が流れるために必要な値を満たすように適宜定めれば本発明の効果を得られる。
Similarly, the description that the current capacity of the freewheeling
本実施形態ではスイッチング素子16がオフ状態からオン状態に遷移する直前に還流用スイッチング素子14がオフ状態となるとしたが本発明はこれに限定されない。すなわち、スイッチング素子16がオフ状態からオン状態へ遷移されるときには還流用スイッチング素子は確実にオフ状態となっていることが必要である。ここで、例えば本実施形態のように還流用スイッチング素子14として高速スイッチングが可能であるMOSFETなどを用いると、スイッチング素子16をオフ状態からオン状態へと遷移させると同時に還流用スイッチング素子14をオフ状態としても、逆回復電流を抑制する効果が得られる。従って還流用スイッチング素子をオフ状態とするタイミングは還流用スイッチング素子16の応答速度などを考慮して逆回復電流を抑制できるように適宜定めれば本発明の効果を得ることができる。
In the present embodiment, the
また、本実施形態の還流用スイッチング素子14のオンオフ切り替えを行うために還流用スイッチング素子14に伝送される制御信号は、スイッチング素子16への制御信号から決められる構成としても良い。より具体的には、スイッチング素子16がオフ状態からオン状態へ切り替わったことを検出して、それと同時に還流用スイッチング素子14へオフすべき制御指令を伝送することなどが考えられる。
Further, the control signal transmitted to the
実施の形態2
本実施形態は還流電流を十分流すことができ、かつ逆回復電流を抑制できるチョッパ回路に関し、特に還流電流の流れる経路に複数のダイオードを備えるチョッパ回路に関する。
The present embodiment relates to a chopper circuit capable of sufficiently flowing a return current and suppressing a reverse recovery current, and more particularly to a chopper circuit including a plurality of diodes in a path through which the return current flows.
本実施形態の構成は図3を用いて説明する。図3において図1と同じ符号が付される構成要素については図1と同様の意であるから説明を省略する。以後図3の図1と比較した場合の相違点について説明する。図3に示すチョッパ回路はフリーホイールダイオード20を備え、また、還流用スイッチング素子15は、エミッタ、コレクタ、ゲートを備えるIGBTで構成される。フリーホイールダイオード20のカソードは還流専用ダイオード12のカソードおよび誘導負荷18の他端と接続される。一方フリーホイールダイオード20のアノードは、スイッチング素子16のコレクタおよび誘導負荷18の一端、還流用スイッチング素子15のコレクタと接続され、この還流用スイッチング素子15のエミッタは還流専用ダイオード12のアノードに接続される。
The configuration of this embodiment will be described with reference to FIG. In FIG. 3, the same reference numerals as those in FIG. 1 are assigned to the same components as those in FIG. Hereinafter, the difference when compared with FIG. 1 of FIG. 3 will be described. The chopper circuit shown in FIG. 3 includes a
そして、フリーホイールダイオード20の電流容量は1アンペアであり、還流専用ダイオード12が100アンペアの大型チップであるのと比較して小型チップである。
The
還流専用ダイオード12と還流用スイッチング素子15とフリーホイールダイオード20は、還流電流を流す(循環させる)回路であるため、還流回路24と称する。
The freewheeling
本実施形態のスイッチング素子16および還流用スイッチング素子15はそれぞれ、実施形態1のスイッチング素子16および還流用スイッチング素子14と同様のスイッチングを行う。本実施形態における還流電流は還流専用ダイオード12およびフリーホイールダイオード20の2通りの経路で流れる。図3においては還流ダイオード12を経由する還流電流を還流電流28として表している。また、フリーホイールダイオード20を経由する還流電流を還流電流26として表している。
The switching
還流電流が流れた後は、実施形態1と同様にして、還流専用ダイオード12をオフ状態とし、スイッチング素子16をオン状態とする。このとき、フリーホイールダイオード20から逆回復電流が発生する。逆回復電流は図3において逆回復電流30として示されている。しかしながら、フリーホイールダイオード20の電流容量は1アンペアであるから逆回復電流は軽微あるいは無視し得る程度である。よって、本実施形態の構成を備えるチョッパ回路であってもスイッチング素子16がスイッチング損失やノイズの悪影響を受けることはない。
After the return current flows, the return dedicated
本実施形態の特徴は還流回路24に特徴がある。すなわち、本実施形態のように還流電流が流れる経路上に複数のダイオードが配置されている場合、電流容量を大きくして専ら還流電流を担う還流専用ダイオード12に対しては還流用スイッチング素子15を配置する。還流用スイッチング素子15は、還流専用ダイオード12のアノードとスイッチング素子16との間に接続される。これにより逆回復電流を抑制する。一方還流電流が流れる経路上のフリーホイールダイオード20はスイッチング素子16との間に還流用スイッチング素子が配置されないため、電流容量を低減して逆回復電流を抑制する。このようにすることで、還流電流を十分流すことと、逆回復電流の抑制の両立が可能である。
The feature of this embodiment is the
本実施形態においては、還流専用ダイオード12の電流容量が100アンペアでありフリーホイールダイオード20の電流容量を1アンペアとしたが本発明はこれに限定されない。すなわち、還流専用ダイオード12の電流容量は還流電流を十分流すことができる程度に高く、フリーホイールダイオードの電流容量は逆回復電流を許容できる程度に低くすると本発明の効果を得られるから電流容量は上述の値に限定されない。そして、本実施形態の効果を得るための必須の要件は、還流専用ダイオード12の電流容量がフリーホイールダイオード20の電流容量よりも大きいことである。すなわち、還流専用ダイオード12の電流容量をフリーホイールダイオード20の電流容量よりも大きくすると、還流専用ダイオードによって還流電流を十分流すことができ、かつ逆回復時、還流専用ダイオード側は遮断されるので逆回復電流を効果的に低減できる。
In the present embodiment, the current capacity of the freewheeling
また、本実施の形態におけるフリーホイールダイオード20のカソードは、還流専用ダイオード12のカソードと接続されるようにしたが、その接続先を還流専用ダイオード12のアノード(還流用スイッチング素子15のエミッタ)側に替えても良い。つまり、フリーホイールダイオードを還流用スイッチング素子15とは並列に、かつ還流専用ダイオード12とは直列に接続することでも、本実施の形態と同様の効果を奏し、そしてこの場合、フリーホイールダイオードに低耐圧の素子を使用することが可能となる。
In addition, the cathode of the
なお、フリーホイールダイオード20を備えることによって還流用スイッチング素子15は低耐圧の素子でも良いから、本実施の形態では還流用スイッチング素子15として、IGBTの代わりにMOSFET(Metal−Oxide−Semiconductor−FET)を用いても良く、これによりオン電圧特性を下げることができる。またMOSFETは高速なスイッチングが可能であるから、前述した還流用スイッチング素子14のオフ期間を精度よく設定するために好ましいものである。さらに、還流専用ダイオード12では逆回復電流が生じないため、オン電圧特性を下げることにより直列接続であっても発生損失を低減できる。このようにMOSFETを使用することで半導体スイッチング装置の低損失化ができる。
Since the freewheeling
本実施形態で図3を用いて説明した還流回路24は図4に示す還流回路40に置き換えが可能である。図4のチョッパ回路は、図3の還流回路24を還流回路40へ置き換えた点を除き、図3の構成と同様である。還流回路40は逆阻止スイッチング素子44を備える。逆阻止スイッチング素子44はエミッタが直流電源10の高電位側、および誘導負荷18の他端と接続される。逆阻止スイッチング素子44のコレクタは、誘導負荷18の一端およびスイッチング素子16のコレクタと接続される。ここで、逆阻止スイッチング素子の構造は周知の構造を採用するものとし詳細な説明は省略する。
The
逆阻止スイッチング素子44は、スイッチング素子とダイオードを直列接続したものと等価である。すなわち、本実施形態の逆阻止スイッチング素子44は図3における還流専用ダイオード12と還流用スイッチング素子15とを単一の素子に集約したものとみなせる。よって、スイッチング素子とダイオードとを別々のチップで製造していた場合と比較して素子をワンチップ化して装置を小型化できる。
The reverse blocking switching
ここで、図4で示すチョッパ回路の逆阻止スイッチング素子44を常時オン状態としたうえで、スイッチング素子16のオンオフを繰り返しオフ状態からオン状態に遷移するときの還流回路40の波形(電流―時間特性)を記録したグラフを図5に示す。一方、スイッチング素子16のオフ状態からオン状態への遷移の際に逆阻止スイッチング素子44をオフ状態とした場合の同波形を図6に示す。
Here, after the reverse blocking switching
図5では逆回復電流が確認できスイッチング損失やノイズが懸念される。しかしながら図6では逆回復電流が抑制されていることが確認できる。このような効果は本発明の半導体スイッチング装置に共通して得られるものである。上述のように、本実施形態の特徴部分である還流回路は本発明の効果を得ながら様々な変形が可能である。 In FIG. 5, the reverse recovery current can be confirmed, and there is a concern about switching loss and noise. However, it can be confirmed in FIG. 6 that the reverse recovery current is suppressed. Such an effect is commonly obtained in the semiconductor switching device of the present invention. As described above, the reflux circuit which is a characteristic part of the present embodiment can be variously modified while obtaining the effects of the present invention.
実施の形態3
本実施形態は還流電流を十分流すことができかつ逆回復電流を抑制できるインバータ、特にブリッジ回路に関し、還流電流の流れる経路に複数のダイオードを備えるブリッジ回路に関する。以後、本実施形態のブリッジ回路について図7を参照して説明する。
The present embodiment relates to an inverter that can sufficiently flow a return current and suppress a reverse recovery current, and more particularly to a bridge circuit, and relates to a bridge circuit that includes a plurality of diodes in a path through which the return current flows. Hereinafter, the bridge circuit of the present embodiment will be described with reference to FIG.
本実施形態のブリッジ回路はコレクタが直流電源50の高電位側に接続されたIGBT52を備える。IGBT52は上アームを構成するスイッチング素子であり、そのエミッタにおいて、下アームを構成するIGBT54のコレクタと接続される。IGBT54のエミッタは直流電源50の低電位側に接続される。さらに、前述したアーム(第1アームと称する)とは別のアーム(第2アームと称する)はIGBT56とIGBT58とを備える。IGBT56のコレクタはIGBT52のコレクタおよび直流電源50の高電圧側に接続される。また、IGBT56のエミッタとIGBT58のコレクタとが接続される。そして、IGBT58のエミッタはIGBT54のエミッタおよび直流電源50の低電位側に接続される。
The bridge circuit of this embodiment includes an
前述したIGBTそれぞれに対しフリーホイールダイオードが接続されている。例えばIGBT52のエミッタとフリーホイールダイオード62のアノードが接続され、IGBT52のコレクタとフリーホイールダイオード62のカソードとが接続される。図7におけるフリーホイールダイオード64、66、68についても同様である。さらに、本実施形態の第1アームの上アーム(IGBT52)には還流専用ダイオード70、還流用スイッチング素子72が接続される。すなわち、還流専用ダイオード70のカソードはIGBT52のコレクタと接続される。そして、還流専用ダイオード70のアノードは還流用スイッチング素子72のエミッタと接続される。また、還流用スイッチング素子72のコレクタはIGBT52のエミッタと接続される。本実施形態では還流用スイッチング素子72はIGBTとしたがMOSFETなどでもよい。
また、IGBT54、56、58に関してもIGBT52と同様に、還流専用ダイオードと還流用スイッチング素子が接続されている。
A free wheel diode is connected to each of the IGBTs described above. For example, the emitter of the
As for the
ここで、還流専用ダイオード70の電流容量は100アンペアであり、フリーホイールダイオード62の電流容量は1アンペアである。
Here, the current capacity of the freewheeling
誘導負荷60の一端は還流用スイッチング素子72のコレクタおよび、IGBT52のエミッタおよびIGBT54のコレクタと接続される。誘導負荷60の他端はIGBT56のエミッタおよびIGBT58のコレクタと接続される。
One end of the
以後本実施形態のブリッジ回路の使用方法について説明する。まず、誘導負荷60の前述した他端から一端方向への電流を流すべく、IGBT56とIGBT54とがオン状態とされる。このときIGBT52、IGBT58ともにオフ状態であるが、還流用スイッチング素子72はオン状態である。次いで、IGBT54がスイッチングされオフ状態とされる。そして、誘導負荷60のエネルギーは誘導負荷60、還流用スイッチング素子72、還流専用ダイオード70、IGBT56の経路で放出される。また、電流容量が1アンペアと小さいものの、フリーホイールダイオード62も還流電流の経路となる(図7矢印で示す)。
Hereinafter, a method of using the bridge circuit of the present embodiment will be described. First, the
次いで、再びIGBT54がオン状態とされる。このとき、還流用スイッチング素子72はオフ状態であるように制御指令が伝送される。従って、還流専用ダイオード70からの逆回復電流は発生せずIGBT54に悪影響を与えることはない。また、フリーホイールダイオード62からは逆回復電流が流れ得るが、フリーホイールダイオード62の電流容量が1アンペアと低く定められているから、この逆回復電流は微弱で弊害のない程度のものである。このように本実施形態の構成および使用方法によれば、還流電流を十分流し、かつ逆回復電流を抑制できる。
Next, the
本実施形態の特徴は還流電流を大電流容量(本実施形態では100アンペア)のダイオードで流すことを可能とし、当該大電流容量のダイオードを回路から切り離すことで逆回復電流を抑制するものである。従って還流用スイッチング素子はMOSFETに限定されないし、IGBT52、54、56、58もIGBTに限定されず他のスイッチング素子であっても良い。
The feature of the present embodiment is that the return current can be passed by a diode having a large current capacity (100 amperes in this embodiment), and the reverse recovery current is suppressed by separating the diode having the large current capacity from the circuit. . Therefore, the switching element for reflux is not limited to the MOSFET, and the
同じく、還流専用ダイオードの電流容量が100アンペアであり、フリーホイールダイオードの電流容量が1アンペアであることもこれに限定されない。前述の電流容量は例示であり、半導体スイッチング装置の電気的な特性を考慮して適宜定めればよい。しかしながら、還流専用ダイオードの電流容量はフリーホイールダイオードの電流容量よりも大きいことが本発明の効果を得るための必須要件である。 Similarly, the current capacity of the freewheeling diode is 100 amperes, and the current capacity of the freewheeling diode is 1 ampere. The above-described current capacity is an example, and may be determined as appropriate in consideration of the electrical characteristics of the semiconductor switching device. However, it is an essential requirement for obtaining the effect of the present invention that the current capacity of the freewheeling diode is larger than the current capacity of the freewheel diode.
本発明は様々なスイッチング装置への応用が可能である。例えば、図8に示すようなモータ98を駆動する3相インバータにも適用できる。図8では、IGBT73、74、75、76、77、78に並列にフリーホイールダイオード79、80、81、82、83、84が接続される。そして前述した各IGBTには還流用スイッチング素子85、87、89、91、93、95および還流専用ダイオード86、88、90、92、94、96が接続される。そして還流専用ダイオードの電流容量はフリーホイールダイオードの電流容量より大きいものである。このような3相インバータについても、還流専用ダイオードで還流電流を流し、また、逆回復電流が起こり得る期間は還流用スイッチング素子をオフ状態としておくことで本発明の効果を得られる。
The present invention can be applied to various switching devices. For example, the present invention can be applied to a three-phase inverter that drives a
前述した図8に示す3相インバータは還流専用ダイオードと還流用スイッチング素子(両者をまとめて、還流回路と称する)が、インバータ部分と同一パッケージに内蔵することとした。しかしながら、例えば図9に示されるように、還流回路99がインバータ部101とは別パッケージで形成されていても本発明の効果を失わない。このときの接続は図9に示されるとおりである。この場合、還流専用ダイオードを有さないインバータ部101は小型のままでありレイアウトの自由度が向上する。なお、還流回路99側には、還流用スイッチング素子と還流専用ダイオードに加え、フリーホイールダイオードを備えているが、還流回路99とインバータ部101との間の配線を十分短くできる場合や、高耐圧の還流用スイッチング素子を採用する場合は、必ずしも内蔵する必要はない。
In the three-phase inverter shown in FIG. 8 described above, a freewheeling diode and a freewheeling switching element (both are collectively referred to as a freewheeling circuit) are incorporated in the same package as the inverter portion. However, for example, as shown in FIG. 9, the effect of the present invention is not lost even if the
12 還流専用ダイオード
14 還流用スイッチング素子
16 スイッチング素子
18 誘導負荷
10 直流電源
44 逆阻止スイッチング素子
12 Diode for exclusive use of
Claims (8)
直流電源の低電位側と前記誘導負荷の一端との間に接続されるスイッチング素子と、
カソードが前記誘導負荷の他端および前記直流電源の高電位側に接続される還流専用ダイオードと、
前記スイッチング素子と前記誘導負荷が接続される配線上の所定位置と前記還流専用ダイオードのアノードとの間に接続された還流用スイッチング素子と、
カソードが前記還流専用ダイオードのカソードに接続され、アノードが前記誘導負荷の一端に接続されたフリーホイールダイオードと、を備え、
前記還流専用ダイオードの電流容量は前記フリーホイールダイオードの電流容量よりも大きいことを特徴とする半導体スイッチング装置。 A semiconductor switching device for supplying current to an inductive load,
A switching element connected between a low potential side of a DC power source and one end of the inductive load;
A freewheeling diode whose cathode is connected to the other end of the inductive load and the high potential side of the DC power supply;
A switching element for return connected between a predetermined position on the wiring to which the switching element and the inductive load are connected and an anode of the return dedicated diode ;
A free wheel diode having a cathode connected to the cathode of the freewheeling diode and an anode connected to one end of the inductive load ;
The semiconductor switching device according to claim 1, wherein a current capacity of the freewheeling diode is larger than a current capacity of the freewheel diode .
コレクタが直流電源の高電位側および前記誘導負荷の一端に接続される上アームスイッチング素子と、
コレクタが前記上アームスイッチング素子のエミッタおよび前記誘導負荷の他端と接続され、エミッタが前記直流電源の低電位側に接続される下アームスイッチング素子と、
カソードが前記上アームスイッチング素子の前記コレクタおよび前記誘導負荷の前記一端と接続される還流専用ダイオードと、
前記誘導負荷の前記他端および前記下アームスイッチング素子の前記コレクタが接続される配線上の所定位置と前記還流専用ダイオードのアノードとの間に接続される還流用スイッチング素子と、
カソードが前記上アームスイッチング素子の前記コレクタと接続され、アノードが前記上アームスイッチング素子の前記エミッタと接続されるフリーホイールダイオードと、を備え、
前記還流専用ダイオードの電流容量は前記フリーホイールダイオードの電流容量よりも大きいことを特徴とする半導体スイッチング装置。 A semiconductor switching device for supplying current to an inductive load,
An upper arm switching element whose collector is connected to the high potential side of the DC power supply and one end of the inductive load;
A lower arm switching element having a collector connected to an emitter of the upper arm switching element and the other end of the inductive load, and an emitter connected to a low potential side of the DC power supply;
A free-wheeling diode whose cathode is connected to the collector of the upper arm switching element and the one end of the inductive load;
A switching element for return connected between a predetermined position on the wiring to which the other end of the inductive load and the collector of the lower arm switching element are connected, and an anode of the return dedicated diode;
A freewheeling diode having a cathode connected to the collector of the upper arm switching element and an anode connected to the emitter of the upper arm switching element,
The semiconductor switching device according to claim 1, wherein a current capacity of the freewheeling diode is larger than a current capacity of the freewheel diode .
前記スイッチング素子をオンとして前記誘導負荷に通電した後に、前記スイッチング素子をオフとしかつ前記還流用スイッチング素子をオンとして前記還流専用ダイオードと前記フリーホイールダイオードに還流電流を流し、
前記スイッチング素子を再びオンするのと同時又はその前に前記還流用スイッチング素子をオフとする半導体スイッチング装置の使用方法。 A method of using the semiconductor switching device according to claim 1,
Wherein after energizing the inductive load switching elements as one, and the flow of the return current in the return-only diode and the freewheeling diode of the switching element off Toshikatsu the wheeling switching element as one,
A method of using a semiconductor switching device in which the switching element for reflux is turned off simultaneously with or before the switching element is turned on again .
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