JP6962219B2 - インバータ保護回路 - Google Patents

Description

本発明は、直流と交流との間で電力を変換するインバータを構成するスイッチング素子をサージ電圧から保護するインバータ保護回路に関する。

特開２０１６−１２８０７号公報には、出力トランジスタ（Ｍ１）を静電気放電（ＥＳＤ：Electric Static Discharge）などによるサージから保護するために、ツェナーダイオード（ＺＤ１）及びダイオード（Ｄ１）を有するアクティブクランプ回路（２２）を備えた出力回路（１６）が開示されている（図２、［００４１］−［００４２］等）。尚、背景技術において括弧内の符号は参照する文献のものである。例えば、出力トランジスタ（Ｍ１）がオフ状態の際に、出力トランジスタ（Ｍ１）に接続された外部端子（Ｔ２）にサージが加わると、外部端子（Ｔ２）の電圧レベルが急激に上昇する。この電圧上昇によってツェナーダイオード（ＺＤ１）が逆降伏すると、ツェナーダイオード（ＺＤ１）及び順方向接続されたダイオード（Ｄ１）を通って電流が流れ、さらに、抵抗（Ｒ１）等（トランジスタ（Ｍ３）がオン状態であればトランジスタ（Ｍ３）及び抵抗（Ｒ２）も含む）を介して基準電位（ＧＮＤ）まで電流が流れる。その結果、ダイオード（Ｄ１）のカソードに接続されている出力トランジスタ（Ｍ１）のゲート端子の電圧がクランプされて出力トランジスタ（Ｍ１）がオン状態に遷移する。外部端子（Ｔ２）に加わるサージ電圧（電流）はオン状態の出力トランジスタ（Ｍ１）を介して外部端子（Ｔ４（＝ＧＮＤ））に流れるため、出力トランジスタ（Ｍ１）がサージから保護される。

ところで、図９に示すように、ツェナーダイオードの逆降伏電圧は、温度によって変動する。また、サージ保護のためのツェナーダイオードの逆降伏電圧は、個体差等によってバラツキがある。逆降伏電圧の中央値をＶｔｙｐとすると、最大値Ｖｍａｘ及び最小値Ｖｍｉｎと中央値をＶｔｙｐとの間には、それぞれ“δＶ”の差がある。また、ツェナーダイオードの逆降伏電圧は、ツェナーダイオードを流れる電流によっても変動し、電流が大きくなると逆降伏電圧も大きくなる傾向がある。ツェナーダイオードに流れる電流の大きさは、サージの状態によって異なるため、想定されるサージに応じた電流の大きさに相当する変動分“Ｖｚ”も考慮する必要がある。これら個体差、温度、電流を考慮すると逆降伏電圧の変動幅（クランプ電圧の変動幅）ΔＶは、図９に示すように大きなものとなる。

ここで、保護対象となるスイッチング素子（例えば上述した出力トランジスタ（Ｍ１）など）の耐圧から、変動幅ΔＶを減じた電圧が、当該スイッチング素子に印加されるシステム電圧よりも低い場合には以下のような問題が生じる可能性がある。例えば、低温時において、保護対象となるスイッチング素子に高いシステム電圧が印加されている状態では、サージが発生していなくても、ツェナーダイオードが逆降伏し、スイッチング素子が意図せずにオン状態となる可能性があると共に、ツェナーダイオードに大きな電流が流れ続けてツェナーダイオードの寿命を低下させるおそれがある。

例えば、直流と交流との間で電力を変換するインバータを構成するスイッチング素子をサージ電圧から保護するインバータ保護回路は、上述したようなツェナーダイオードを有するアクティブクランプ回路を用いて構成する場合がある。近年は、交流の回転電機を駆動するなど、大きな交流電力が要求される場合も多く、スイッチング素子に印加されるシステム電圧（直流側の電圧）が高くなり、スイッチング素子の耐圧に対する余裕が小さくなる傾向がある。このため、使用範囲におけるクランプ電圧の変動幅ΔＶは小さい方が好ましい。

特開２０１６−１２８０７号公報

上記背景に鑑みて、クランプ電圧の変動幅を低減して、適切にスイッチング素子をサージ電圧から保護できるインバータ保護回路を提供することが望まれる。

上記に鑑みた、直流と交流との間で電力を変換するインバータを構成するスイッチング素子をサージ電圧から保護するインバータ保護回路は、１つの態様として、前記スイッチング素子の正極側端子と制御端子との間に接続されるツェナーダイオードと、前記ツェナーダイオードを加熱する加熱部と、を備える。

ツェナーダイオードの逆降伏電圧は、温度によって変動し、温度が低くなるほど電圧が小さくなる。つまり、スイッチング素子の正極側端子と制御端子との間にツェナーダイオードを接続して構成されたアクティブクランプ回路のクランプ電圧も、温度が低くなるほど小さくなる。本構成によれば、加熱部によってツェナーダイオードを加熱することによって、クランプ電圧の低下を抑制することができる。つまり、温度に依存したクランプ電圧の変動幅を小さくすることができる。このように、本構成によれば、クランプ電圧の変動幅を低減して、適切にスイッチング素子をサージ電圧から保護できるインバータ保護回路を提供することができる。

インバータ保護回路のさらなる特徴と利点は、図面を参照して説明する実施形態についての以下の記載から明確となる。

インバータ及びインバータ保護回路の一例を示す模式的回路ブロック図 基板におけるインバータ及びその制御回路の配置の一例を示す平面図 基板の第１面から見たダイオード実装領域の一例を示す平面図 基板の第１面から第２面を見た発熱素子実装領域の一例を示す透視平面図 ダイオード実装領域及び発熱素子実装領域を含む基板の断面図 ダイオード実装領域及び発熱素子実装領域を含むビルドアップ基板の断面図 基板の第１面の他の構成例を示す平面図 基板の第２面の他の構成例を示す第１面側からの透視平面図 クランプ電圧の変動幅を示す特性図

以下、インバータ保護回路の実施形態を図面に基づいて説明する。図１の模式的回路ブロック図は、保護回路１（インバータ保護回路）を含むインバータ３０を中核としたインバータ駆動装置を示している。図１に示すように、インバータ駆動装置は、インバータ３０を構成するスイッチング素子３のスイッチング制御信号を生成してインバータ３０を駆動制御するインバータ制御装置（INV-CTRL）１０、インバータ制御装置１０からインバータ３０へスイッチング制御信号を中継するドライブ回路（DRV）２０、インバータ３０を構成するスイッチング素子３ごとに設けられるドライブ回路２０にそれぞれ独立して電力を供給する駆動電源回路（PW）７を備えている。

本実施形態では、インバータ３０は、正極Ｐ及び負極Ｎの電位を有する直流電源９と、不図示の交流機器（例えば回転電機やコンプレッサー、ポンプ等）に接続され、直流と複数相（ここでは３相）の交流との間で電力を変換する。交流機器が、車両の車輪を駆動する回転電機の場合、直流電源９の電源電圧は、数百ボルト（４００〜６００ボルト）である。尚、直流電源９は、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池などの二次電池（バッテリ）や、電気二重層キャパシタ二次電池などの電池のみではなく、これら電池の電圧を昇圧する直流コンバータが含まれていてもよい。また、インバータ３０と直流電源９との間には、インバータ３０の直流側の正負両極間電圧（直流リンク電圧Ｖｄｃ）を平滑化する平滑コンデンサ（直流リンクコンデンサ４）が備えられている。

インバータ３０は、複数のスイッチング素子３を有して構成される。スイッチング素子３には、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やパワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）やＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ（Silicon Carbide - Metal Oxide Semiconductor FET）やＳｉＣ−ＳＩＴ（SiC - Static Induction Transistor）、ＧａＮ−ＭＯＳＦＥＴ（Gallium Nitride - MOSFET）などのパワー半導体素子を適用すると好適である。図１に示すように、本実施形態では、スイッチング素子３としてＩＧＢＴを例示している。

インバータ３０は、よく知られているように複数相（ここでは３相）のそれぞれに対応する数のアーム３Ａを有するブリッジ回路により構成される。つまり、図１に示すように、インバータ３０の直流正極側と直流負極側との間に２つのスイッチング素子３（上段側スイッチング素子３１，下段側スイッチング素子３２）が直列に接続されて１つのアーム３Ａが構成される。３相交流の場合には、この直列回路（１つのアーム３Ａ）が３回線（３相）並列接続される（Ｕ相アーム３Ｕ、Ｖ相アーム３Ｖ、Ｗ相アーム３Ｗ）。また、各スイッチング素子３には、負極から正極へ向かう方向（下段側から上段側へ向かう方向）を順方向として、並列にフリーホイールダイオード３５が備えられている。

インバータ３０の各スイッチング素子３をスイッチング制御するインバータ制御装置１０は、マイクロコンピュータ等の論理回路を中核部材として構築されている。インバータ制御装置１０の電源電圧は、例えば５ボルトや３．３ボルトである。交流機器が車輪を駆動する回転電機であり、直流電源９が数百ボルトの高圧電源であるような場合、車両には、直流電源９の他に、直流電源９とは絶縁され、直流電源９よりも低電圧の電源である低圧直流電源（不図示）も搭載されている。低圧直流電源の電源電圧は、例えば１２〜２４［Ｖ］である。低圧直流電源は、インバータ制御装置１０に例えば電圧を調整するレギュレータ回路等を介して電力を供給する。

図１に示すように、インバータ３０を構成する各スイッチング素子３の制御端子（ＩＧＢＴやＦＥＴの場合はゲート端子）は、ドライブ回路２０を介してインバータ制御装置１０に接続されており、それぞれ個別にスイッチング制御される。上述したように、直流電源９に接続される高圧系回路と、マイクロコンピュータなどを中核とするインバータ制御装置１０などの低圧系回路とは、動作電圧（回路の電源電圧）が大きく異なる。このため、ドライブ回路２０は、各スイッチング素子３に対する駆動信号（スイッチング制御信号）の駆動能力（例えば電圧振幅や出力電流など、後段の回路を動作させる能力）をそれぞれ高めて中継する。ドライブ回路２０は、例えばフォトカプラやトランスなどの絶縁素子やドライバＩＣを利用して構成される。

上述したように、ドライブ回路２０に駆動電力を供給するために、駆動電源回路７が設けられている。駆動電源回路７は、例えば、絶縁トランスを用いて構成されている。図１では一部省略しているが、インバータ３０の６つのスイッチング素子３に対応した６つのドライブ回路２０に対応して、駆動電源回路７も６つ備えられている。６つの駆動電源回路は、それぞれ電気的に絶縁されたフローティング電源である（Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４，Ｖ５，Ｖ６）。尚、仕様上の電圧値は、“Ｖ１〜Ｖ６”の６つ全て同じである。但し、下段側のスイッチング素子３に対応する駆動電源回路７は、スイッチング素子３の負極側電位が共通であるため、同一の電源であってもよい。

図２は、保護回路１を含むインバータ３０、インバータ制御装置１０、ドライブ回路２０、駆動電源回路７を含むインバータ駆動装置が構成された基板５のレイアウトの一例を示している。インバータ３０を構成する各スイッチング素子３は、互いに絶縁されたスイッチング素子実装領域Ｅ１に実装される。本実施形態では、基板５にはスイッチング素子実装領域Ｅ１が６つ設けられている。また、基板５には、インバータ制御装置１０を含む制御回路が実装される制御回路実装領域Ｅ３も設けられている。スイッチング素子実装領域Ｅ１は上述した高圧系回路の実装領域であり、制御回路実装領域Ｅ３は上述した低圧系回路の実装領域である。このため、スイッチング素子実装領域Ｅ１と、制御回路実装領域Ｅ３との間には、絶縁領域Ｅ４が設けられている。また、隣接するスイッチング素子実装領域Ｅ１の間にも絶縁領域Ｅ４が設けられている。

上述したように、ドライブ回路２０は、インバータ制御装置１０とインバータ３０（スイッチング素子３）との間でスイッチング制御信号を中継する。このため、ドライブ回路２０は、絶縁領域Ｅ４を跨ぎ、スイッチング素子実装領域Ｅ１と制御回路実装領域Ｅ３とに亘って基板５に実装されている。同様に、駆動電源回路７も、絶縁領域Ｅ４を跨ぎ、スイッチング素子実装領域Ｅ１と制御回路実装領域Ｅ３とに亘って基板５に実装されている。ドライブ回路２０及び駆動電源回路７は、スイッチング素子実装領域Ｅ１に属する部分と、制御回路実装領域Ｅ３に属する部分とを有する。本実施形態では、特に、スイッチング素子実装領域Ｅ１においてドライブ回路２０が実装される領域を保護回路実装領域Ｅ２と称する。後述するように、この領域には、保護回路１の一部が実装される。

ところで、一般的に半導体素子は静電気などに起因するサージに対して注意が必要である。インバータ３０を構成するスイッチング素子３も半導体素子であり、サージへの対策が施されている。本実施形態では、図１に示すように、ツェナーダイオードＤＺを用いたアクティブクランプ回路を有する保護回路１が各スイッチング素子３に備えられている。具体的には、保護対象のスイッチング素子３の正極側端子（コレクタ端子／ドレイン端子）にツェナーダイオードＤＺのカソード端子が接続され、ツェナーダイオードＤＺのアノード端子に逆流防止ダイオードＤＲのアノード端子が接続され、逆流防止ダイオードＤＲのカソード端子が電流制限抵抗Ｒ３を介して当該保護対象のスイッチング素子３の制御端子（ゲート端子）に接続されている。

保護対象のスイッチング素子３がオフ状態のときに、当該スイッチング素子３にサージが加わり、正極側端子（コレクタ端子／ドレイン端子）の電位が上昇すると、ツェナーダイオードＤＺが逆降伏し、ツェナーダイオードＤＺに電流が流れる。逆流防止ダイオードＤＲは、ツェナーダイオードＤＺからスイッチング素子３の制御端子（ゲート端子）への方向を順方向として接続されているので、逆流防止ダイオードＤＲ及び電流制限抵抗Ｒ３を介して電流が流れ、スイッチング素子３の制御端子（ゲート端子）の電位が上昇する。これにより、保護対象のスイッチング素子３がオフ状態からオン状態へ遷移し、サージにより発生した電流は、保護対象のスイッチング素子３を介して流れる。その結果、サージ電圧は減少し、スイッチング素子３が保護される。尚、サージ電圧が低下すると、ツェナーダイオードＤＺが非通電状態となり、スイッチング素子３の制御端子（ゲート端子）の電位も低下して、保護対象のスイッチング素子３は再びオフ状態となる。

このように、ツェナーダイオードＤＺの逆降伏を利用して、クランプ電圧を生じさせるアクティブクランプ回路を構成してスイッチング素子３の制御端子（ゲート端子）を制御すること（アクティブゲートクランプ）によって、スイッチング素子３を適切にサージ等による過電圧から保護することができる。しかし、図９に示すように、ツェナーダイオードの逆降伏電圧は、温度によって変動する。また、サージ保護のためのツェナーダイオードの逆降伏電圧は、個体差等によってバラツキがある。逆降伏電圧の中央値をＶｔｙｐとすると、最大値Ｖｍａｘ及び最小値Ｖｍｉｎと中央値をＶｔｙｐとの間には、それぞれ“δＶ”の差がある。また、ツェナーダイオードの逆降伏電圧は、ツェナーダイオードを流れる電流によっても変動し、電流が大きくなると逆降伏電圧も大きくなる傾向がある。ツェナーダイオードに流れる電流の大きさは、サージの状態によって異なるため、想定されるサージに応じた電流の大きさに相当する変動分“Ｖｚ”も考慮する必要がある。これら個体差、温度、電流を考慮すると逆降伏電圧の変動幅（クランプ電圧の変動幅）ΔＶは、図９に示すように大きなものとなる。

ここで、保護対象となるスイッチング素子３の耐圧から、変動幅ΔＶを減じた電圧が、当該保護対象のスイッチング素子３に印加されるシステム電圧よりも低い場合を考える。例えば、“δＶ”を２０ボルト、“Ｖｚ”を５０ボルトとして温度変化を考慮したクランプ電圧の変動幅ΔＶを２１０ボルトとし、スイッチング素子３の耐圧を７００ボルトとした場合、システム電圧（直流リンク電圧Ｖｄｃ）が４５０ボルト程度であれば問題はない。しかし、システム電圧（直流リンク電圧Ｖｄｃ）が５００ボルトを超えると、低温時においてツェナーダイオードＤＺが逆降伏する可能性がある。その結果、スイッチング素子３が意図せずにオン状態となる可能性があると共に、ツェナーダイオードＤＺに大きな電流が流れ続けてツェナーダイオードの寿命を低下させるおそれがある。特に車両の車輪の駆動力源となる回転電機を駆動するような用途では、出力トルクを高くするために、システム電圧を高くすることが求められるようになっている。保護回路１がボトルネックとなって、出力トルクが制限されることは好ましくない。また、逆降伏電圧のバラツキが少ない素子や、温度特性に優れた素子を選択すると製品コストを上昇させる可能性がある。

このため、本実施形態の保護回路１は、ツェナーダイオードＤＺを加熱する加熱部（加熱用抵抗器Ｒ１）を備える。図９を参照して上述したように、ツェナーダイオードの逆降伏電圧は、温度によって変動し、温度が低くなるほど電圧が小さくなる。つまり、アクティブクランプ回路のクランプ電圧も、温度が低くなるほど小さくなる。加熱部（加熱用抵抗器Ｒ１）によってツェナーダイオードＤＺを加熱することによって、クランプ電圧の低下を抑制することができる。つまり、図９に示すように、温度を“Ｔ１”まで上昇させることによって、温度に依存したクランプ電圧の変動幅ΔＶを、“ΔＶ２”まで減少させることができる。

尚、本実施形態では加熱部として加熱用抵抗器Ｒ１（例えば１［Ｗ］等の高電力・数百［Ω］以下の低抵抗値）を用いる形態を例示している。しかし、電熱線など、他の発熱素子を用いることを妨げるものではない。

ところで、常に加熱用抵抗器Ｒ１がツェナーダイオードＤＺを加熱すると、低温時ではなく加熱を必要としない場合に、電力を不必要に消費することになる。従って、本実施形態の保護回路１は、加熱制御部１２を設け、加熱制御部１２が、温度に基づいて加熱用抵抗器Ｒ１による加熱を行うか否かを制御する。図１に示すように、加熱制御部１２は、温度を検出する温度センサとしてのサーミスタＲＳと、加熱を行うか否かの制御の中核となる制御用スイッチング素子Ｑ１（ここではｎチャネルＦＥＴ）とを備える。制御用スイッチング素子Ｑ１は、サーミスタＲＳの検出結果に基づいて、予め規定された設定温度以下の場合に加熱を行うように加熱用抵抗器Ｒ１を制御する。

本実施形態では、サーミスタＲＳは、ＮＴＣサーミスタ（Negative Temperature Coefficient Thermistor）であり、温度が低いほど抵抗値が高くなる。サーミスタＲＳは、駆動電源回路７の正極（“Ｖ１”等）側に分圧抵抗器Ｒ２が接続され、負極（それぞれのグラウンド）側にサーミスタＲＳが接続される形で、分圧抵抗器Ｒ２と直列接続されている。低温時には、サーミスタＲＳの端子間電圧が高くなり、負極（グラウンド）に対する、分圧抵抗器Ｒ２とサーミスタＲＳとの分圧点の電位が高くなる。尚、回路構成を変更することによって、サーミスタＲＳとしてＰＴＣサーミスタ（Positive Temperature Coefficient Thermistor）を用いることも可能である。詳細な説明は省略する。

加熱用抵抗器Ｒ１は、駆動電源回路７の正極（“Ｖ１”等）と制御用スイッチング素子Ｑ１の一方の入出力端子（図１の例ではドレイン端子）とに接続される。制御用スイッチング素子Ｑ１の他方の入出力端子（図１の例ではソース端子）は、駆動電源回路７の負極（それぞれのグラウンド）に接続されている。また、制御用スイッチング素子Ｑ１の制御端子（図１の例ではゲート端子）は、分圧抵抗器Ｒ２とサーミスタＲＳとの分圧点に接続されている。

分圧点の電位が高い場合（低温の場合）には、制御用スイッチング素子Ｑ１がオン状態となり、加熱用抵抗器Ｒ１に電流が流れて加熱用抵抗器Ｒ１が発熱する。つまり、判定対象となる温度が、サーミスタＲＳの仕様、及びサーミスタＲＳを含む分圧回路の分圧比によって予め規定された設定温度以下の場合に、加熱部（加熱用抵抗器Ｒ１）によってツェナーダイオードＤＺが加熱される。即ち、サーミスタＲＳを含む加熱制御部１２を備えることで、加熱が必要な場合に、適切に加熱用抵抗器Ｒ１を発熱させて、ツェナーダイオードＤＺを加熱し、加熱が必要ではない場合には、加熱用抵抗器Ｒ１による電力消費を抑制することができる。

尚、サーミスタＲＳにより検出される温度（判定対象となる温度）は、好ましくはツェナーダイオードＤＺの周辺温度である。後述するように、ツェナーダイオードＤＺとサーミスタＲＳとは、同一の基板５において互いに近傍に実装されている（例えば図７参照。）。

以下、基板５における保護回路１のレイアウトについて説明する。図３は、基板５の一方側の面である第１面５１から第１面５１を見た平面図を示しており、図４は、基板５の他方側の面である第２面５２を、第１面５１から見た透視平面図を示している。また、図５は、ツェナーダイオードＤＺが実装されるダイオード実装領域ＥＺ及び加熱部としての加熱用抵抗器Ｒ１が実装される発熱素子実装領域ＥＲを含む基板５の断面図を示している。第１面５１には、第１表面配線層ＳＬ１として部品実装用のランドや配線パターン等が形成されている。第２面には、第２表面配線層ＳＬ２として部品実装用のランドや配線パターン等が形成されている。

図３及び図５に示すように、本実施形態では、第１面５１にツェナーダイオードＤＺが実装される。図１に示すように、ツェナーダイオードＤＺのカソード端子は、スイッチング素子３の正極側端子に接続されており、例えば上段側スイッチング素子３１では直流電源９の正極Ｐに接続される。つまり、ツェナーダイオードＤＺのアノード端子は保護回路１が実装される保護回路実装領域Ｅ２において実装されるが、ツェナーダイオードＤＺのカソード端子は、直流電源９の正極Ｐなど、スイッチング素子実装領域Ｅ１のようにフローティングではない高電圧領域である電力線接続領域Ｅ５に接続される。本実施形態では、保護回路実装領域Ｅ２と電力線接続領域Ｅ５との間にも、絶縁領域Ｅ４が設けられている。ツェナーダイオードＤＺは、ドライブ回路２０と同様に、絶縁領域Ｅ４を跨ぎ、保護回路実装領域Ｅ２と電力線接続領域Ｅ５とに亘って基板５に実装されている。つまり、絶縁領域Ｅ４を跨ぎ、保護回路実装領域Ｅ２と電力線接続領域Ｅ５とに亘ってダイオード実装領域ＥＺが設けられている。

加熱部としての加熱用抵抗器Ｒ１は、図４及び図５に示すように、第２面５２に実装される。加熱用抵抗器Ｒ１は、保護回路実装領域Ｅ２に実装される。つまり、加熱用抵抗器Ｒ１が実装される発熱素子実装領域ＥＲは、保護回路実装領域Ｅ２に設けられている。図５に示すように、ダイオード実装領域ＥＺと発熱素子実装領域ＥＲとは、基板５の基板面に直交する方向視で重複している。

異なる部品であるツェナーダイオードＤＺと加熱用抵抗器Ｒ１を基板５の同じ面に実装する場合には、適切な絶縁距離を設ける必要がある。このため、ツェナーダイオードＤＺと加熱用抵抗器Ｒ１との距離を短くして、効率的に熱を伝えるには限界がある。基板５は、板状であるから、互いに絶縁された第１面５１と第２面５２との間の距離は比較的近い。ダイオード実装領域ＥＺと発熱素子実装領域ＥＲとが基板面に直交する方向視で重複していると加熱用抵抗器Ｒ１からツェナーダイオードＤＺに、適切に熱を伝えることができる。

但し、基板５の基材は、ガラスエポキシなどの樹脂材料であることが多く、熱伝導率は高くはない（熱抵抗が高い）。そこで、図５に示すように、本実施形態では、発熱素子実装領域ＥＲとダイオード実装領域ＥＺとの間に、基板５の基材よりも熱抵抗の小さい伝熱経路が設けられている。本実施形態では、この伝熱経路は、基板５に形成されたスルーホールの内壁が金属メッキされたサーマルビア（Thermal Via）Ｈを含む。サーマルビアＨは、保護回路実装領域Ｅ２に設けられている。サーマルビアＨも導電性を有するため、サーマルビアＨは、ツェナーダイオードＤＺのアノード実装パッドＰ１１と、加熱用抵抗器Ｒ１の実装パッドＰ２とが短絡しないように形成されている。

また、基板５が第１面５１及び第２面５２にのみパターンを形成可能な両面基板ではなく、内層にもパターンを形成可能な多層基板である場合には、内層パターンにも伝熱経路を設けると好適である。本実施形態では、基板５は６層基板であり、第１面５１に近い側から第１内層配線層ＩＬ１、第２内層配線層ＩＬ２、第３内層配線層ＩＬ３、第４内層配線層ＩＬ４の４つの内層配線層を有している。図５に示すようにツェナーダイオードＤＺが実装される第１面５１に最も近い第１内層配線層ＩＬ１に、内層伝熱経路Ｐ３を設け、第２面５２の側の第２表面配線層ＳＬ２と内層伝熱経路Ｐ３とをサーマルビアＨによって接続することによって、ツェナーダイオードＤＺを広範囲に加熱することができる。

尚、本実施形態では、サーマルビアＨや内層伝熱経路Ｐ３を設ける形態を例示したが、当然ながらこれらを設けることなく、単にダイオード実装領域ＥＺと発熱素子実装領域ＥＲとが、基板５の基板面に直交する方向視で重複している形態であってもよい。

ところで、図５では、基板５を貫通するサーマルビアＨ（貫通サーマルビアＨ１）によって第２表面配線層ＳＬ２から熱を伝える形態を例示している。しかし、基板５がビルドアップ基板の場合には、図６に示すように、基板５を貫通する貫通サーマルビアＨ１だけではなく、少なくとも一端が内層で留まる非貫通サーマルビアＨ２も用いて第２表面配線層ＳＬ２から熱を伝えると好適である。非貫通サーマルビアＨ２を用いると、加熱用抵抗器Ｒ１の実装パッドＰ２と短絡する内層伝熱経路Ｐ３（Ｐ３２）も設けることができ、より多くの熱を第２表面配線層ＳＬ２からツェナーダイオードＤＺに伝えることができる。

尚、加熱用抵抗器Ｒ１は、単一の抵抗器に限らず、複数の抵抗器によって構成されてもよい。図７及び図８に例示する形態では、１０個の抵抗器によって加熱用抵抗器Ｒ１を構成する形態を例示している。図７は、図３と同様に、基板５の第１面５１を、第１面５１から見た平面図を示しており、図８は、図４と同様に、基板５の第２面５２を、第１面５１から見た透視平面図を示している。

この形態では、第２面５２に第１抵抗器Ｒ１１〜第６抵抗器Ｒ１６の６つの抵抗器（Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ１３，Ｒ１４，Ｒ１５，Ｒ１６）が実装され、第１面５１に第７抵抗器Ｒ１７〜第１０抵抗器Ｒ２０の４つの抵抗器（Ｒ１７，Ｒ１８，Ｒ１９，Ｒ２０）が実装されている。第２面５２の側の６つの抵抗器は、ツェナーダイオードＤＺが実装されている側とは反対側が開放された馬蹄形（Ｕ字形）に配列されている。第１面５１の側の４つの抵抗器は、第２面５２の側の６つの抵抗器の中央の２つ（第１抵抗器Ｒ１１と第２抵抗器Ｒ１２）とを除く４つの抵抗器と、基板面に直交する方向視で重複するように、２つずつ２列が平行するように配列されている。

第３抵抗器Ｒ１３から第１０抵抗器Ｒ２０の８つの抵抗器が、第１抵抗器Ｒ１１及び第２抵抗器Ｒ１２を囲うように配置されることにより、いわゆる煽り熱も第１抵抗器Ｒ１１及び第２抵抗器Ｒ１２に加わる。これにより加熱用抵抗器Ｒ１を構成する１０個の抵抗器の内、第１抵抗器Ｒ１１及び第２抵抗器Ｒ１２の温度が最も高くなる。図７及び図８に示すように、第１抵抗器Ｒ１１及び第２抵抗器Ｒ１２は、ツェナーダイオードＤＺのアノード実装パッドＰ１１と基板面に直交する方向視で重複する位置に実装されている。従って、適切にツェナーダイオードＤＺを加熱することができる。

サーミスタＲＳは、第１面５１においてツェナーダイオードＤＺのアノード実装パッドＰ１１から伸びる配線パターンＰ４の近傍に配置されている。配線パターンＰ４は、導電性を有する金属であり、熱伝導率も高い。従って、アノード実装パッドＰ１１における熱が配線パターンＰ４を介してサーミスタＲＳの近傍に伝わる。これにより、サーミスタＲＳは、ツェナーダイオードＤＺの周辺温度を適切に検出することができる。

以上説明したように、アクティブクランプ回路を構成するツェナーダイオードＤＺを加熱する加熱部としての加熱用抵抗器Ｒ１を備えた本実施形態の保護回路１は、クランプ電圧の変動幅ΔＶを低減して、適切にスイッチング素子３をサージ電圧から保護することができる。

〔実施形態の概要〕
以下、上記において説明したインバータ保護回路（１）の概要について簡単に説明する。

直流と交流との間で電力を変換するインバータ（３０）を構成するスイッチング素子（３）をサージ電圧から保護するインバータ保護回路（１）は、１つの態様として、前記スイッチング素子（３）の正極側端子と制御端子との間に接続されるツェナーダイオード（ＤＺ）と、前記ツェナーダイオード（ＤＺ）を加熱する加熱部（Ｒ１）と、を備える。

ツェナーダイオードの逆降伏電圧は、温度によって変動し、温度が低くなるほど電圧が小さくなる。つまり、スイッチング素子（３）の正極側端子と制御端子との間にツェナーダイオード（ＤＺ）を接続して構成されたアクティブクランプ回路のクランプ電圧も、温度が低くなるほど小さくなる。本構成によれば、加熱部（Ｒ１）によってツェナーダイオード（ＤＺ）を加熱することによって、クランプ電圧の低下を抑制することができる。つまり、温度に依存したクランプ電圧の変動幅（ΔＶ）を小さくすることができる。このように、本構成によれば、クランプ電圧の変動幅（ΔＶ）を低減して、適切にスイッチング素子（３）をサージ電圧から保護できるインバータ保護回路（１）を提供することができる。

また、インバータ保護回路（１）は、前記加熱部（Ｒ１）を制御する加熱制御部（１２）を備え、前記加熱制御部（１２）は、温度に基づいて前記加熱部（Ｒ１）による加熱を行うか否かを制御すると好適である。

例えば、常に加熱部（Ｒ１）がツェナーダイオード（ＤＺ）を加熱すると、低温時ではなく加熱を必要としない場合に、電力を不必要に消費することになる。従って、加熱制御部（１２）を設け、加熱制御部（１２）が、温度に基づいて加熱部（Ｒ１）による加熱を行うか否かを制御すると好適である。

インバータ保護回路（１）が前記加熱制御部（１２）を備える場合、前記加熱制御部（１２）は、温度を検出する温度センサ（ＲＳ）を備え、前記加熱制御部（１２）は、前記温度センサ（ＲＳ）の検出結果に基づいて、予め規定された設定温度以下の場合に加熱を行うように前記加熱部（Ｒ１）を制御すると好適である。

このように、温度センサ（ＲＳ）を備えることで、加熱が必要な場合に、適切に加熱部（Ｒ１）を機能させて、ツェナーダイオード（ＤＺ）を加熱することができる。

また、前記加熱部（Ｒ１）は、発熱素子（Ｒ１）を備え、前記ツェナーダイオード（ＤＺ）及び前記発熱素子は、同一の基板（５）に実装され、前記ツェナーダイオード（ＤＺ）が実装されるダイオード実装領域（ＥＺ）と、前記発熱素子（Ｒ１）が実装される発熱素子実装領域（ＥＲ）とは、前記基板（５）の基板面に直交する方向視で重複していると好適である。

異なる部品であるツェナーダイオード（ＤＺ）と発熱素子（Ｒ１）を基板（５）の同じ面に実装する場合には、適切な絶縁距離を設ける必要がある。このため、ツェナーダイオード（ＤＺ）と発熱素子（Ｒ１）との距離を短くして、効率的に熱を伝えるには限界がある。一方、一般的に基板（５）は、板状であり、互いに絶縁された一方側の基板面（５１）と他方側の基板面（５２）との間の距離は比較的近い。従って、ダイオード実装領域（ＥＺ）と発熱素子実装領域（ＥＲ）とが基板面に直交する方向視で重複していると、互いの絶縁性を確保しつつ適切に熱を伝えることができる。

前記ダイオード実装領域（ＥＺ）と前記発熱素子実装領域（ＥＲ）とが、前記基板（５）の基板面に直交する方向視で重複している場合、前記基板（５）には、前記発熱素子実装領域（ＥＲ）と前記ダイオード実装領域（ＥＺ）との間に、前記基板（５）の基材よりも熱抵抗の小さい伝熱経路が設けられていると好適である。

基板（５）の基材は、ガラスエポキシなどの樹脂材料であることが多く、熱伝導率は高くない。発熱素子実装領域（ＥＲ）とダイオード実装領域（ＥＺ）との間に、基板（５）の基材よりも熱伝導率のよい伝熱経路が設けられていることによって、より適切に熱を伝えることができる。

尚、前記インバータ（３０）の使用温度範囲における前記ツェナーダイオード（ＤＺ）によるクランプ電圧の上限電圧と下限電圧との差であるクランプ電圧の変動幅（ΔＶ）は、前記スイッチング素子（３）の耐圧と前記インバータ（３０）の直流側の正負両極間電圧との差である保護対象電圧範囲よりも大きいと好適である。

例えば、保護対象となるスイッチング素子（３）の耐圧から、クランプ電圧の変動幅（ΔＶ）を減じた電圧が、当該スイッチング素子（３）に印加されるシステム電圧（インバータ（３０）の直流側の正負両極間電圧）よりも低い場合には、クランプ電圧が下限電圧に近い条件下では、サージ等が発生していなくてもツェナーダイオード（ＤＺ）が逆降伏する可能性がある。その場合、インバータ（３０）の動作を適切に行うことができなくなると共に、ツェナーダイオード（ＤＺ）に大きな電流が流れ続けることになり、ツェナーダイオード（ＤＺ）やインバータ（３０）の構成部品の寿命を低下させるおそれがある。従って、インバータ（３０）の使用温度範囲、ツェナーダイオード（ＤＺ）の特性、インバータ（３０）の直流側の正負両極間電圧の仕様等に応じて、上記のような関係が成立する場合には、加熱部（Ｒ１）を備えてクランプ電圧の変動幅（ΔＶ）を低減させると好適である。

１ ：保護回路（インバータ保護回路）
３ ：スイッチング素子
５ ：基板
１２ ：加熱制御部
３０ ：インバータ
ＤＺ ：ツェナーダイオード
ＥＲ ：発熱素子実装領域
ＥＺ ：ダイオード実装領域
Ｈ ：サーマルビア（伝熱経路）
Ｈ１ ：貫通サーマルビア（伝熱経路）
Ｈ２ ：非貫通サーマルビア（伝熱経路）
ＩＬ１ ：第１内層配線層
ＩＬ２ ：第２内層配線層
ＩＬ３ ：第３内層配線層
ＩＬ４ ：第４内層配線層
Ｎ ：負極
Ｐ ：正極
Ｐ３ ：内層伝熱経路（伝熱経路）
Ｐ４ ：配線パターン（伝熱経路）
Ｑ１ ：制御用スイッチング素子
Ｒ１ ：加熱用抵抗器（発熱素子、加熱部）
Ｒ２ ：分圧抵抗器
ＲＳ ：サーミスタ（温度センサ）
ΔＶ ：変動幅

Claims (5)

1. 直流と交流との間で電力を変換するインバータを構成するスイッチング素子をサージ電圧から保護するインバータ保護回路であって、
   前記スイッチング素子の正極側端子と制御端子との間に接続されるツェナーダイオードと、
   前記ツェナーダイオードを加熱する加熱部と、を備え、
   前記加熱部は、発熱素子を備え、
   前記ツェナーダイオード及び前記発熱素子は、同一の基板に実装され、
   前記ツェナーダイオードが実装されるダイオード実装領域と、前記発熱素子が実装される発熱素子実装領域とは、前記基板の基板面に直交する方向視で重複している、インバータ保護回路。
2. 前記加熱部を制御する加熱制御部を備え、
   前記加熱制御部は、前記ツェナーダイオードの周辺温度に基づいて前記加熱部による加熱を行うか否かを制御する請求項１に記載のインバータ保護回路。
3. 前記加熱制御部は、前記周辺温度を検出する温度センサを備え、
   前記加熱制御部は、前記温度センサの検出結果に基づいて、予め規定された設定温度以下の場合に加熱を行うように前記加熱部を制御する請求項２に記載のインバータ保護回路。
4. 前記基板には、前記発熱素子実装領域と前記ダイオード実装領域との間に、前記基板の基材よりも熱抵抗の小さい伝熱経路が設けられている請求項１から３の何れか一項に記載のインバータ保護回路。
5. 前記インバータの使用温度範囲における前記ツェナーダイオードによるクランプ電圧の上限電圧と下限電圧との差であるクランプ電圧の変動幅が、前記スイッチング素子の耐圧と前記インバータの直流側の正負両極間電圧との差である保護対象電圧範囲よりも大きい請求項１から４の何れか一項に記載のインバータ保護回路。

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