KR100977366B1

KR100977366B1 - 반도체 전력 변환 장치

Info

Publication number: KR100977366B1
Application number: KR1020070096626A
Authority: KR
Inventors: 슈지 가또; 도시히꼬 마쯔따; 다까시 이끼미; 히로시 나가따
Original assignee: 가부시키가이샤 히타치세이사쿠쇼
Priority date: 2006-09-27
Filing date: 2007-09-21
Publication date: 2010-08-20
Also published as: KR20080028807A; CN101154883A; US20100321847A1; US8213146B2; JP2008086096A; CN101154883B; JP4432953B2; US20080084642A1

Abstract

IGBT에 과전압이 인가되었을 때에, 충분한 게이트 전류를 IGBT의 게이트에 공급하여, IGBT를 과전압으로부터 보호한다. IGBT(1)의 컬렉터ㆍ게이트간에, 직렬 접속한 클램프 소자를 접속하고, 직렬로 접속한 클램프 소자의 서로 다른 접속점에 저항기를 각각 접속함으로써 IGBT를 과전압으로부터 보호한다.

IGBT, 클램프 다이오드, 전압원, 게이트 드라이버, 클램프 소자

Description

반도체 전력 변환 장치{SEMICONDUCTOR POWER CONVERSION EQUIPMENT}

본 발명은 반도체 소자를 이용한 반도체 전력 변환 장치에 관한 것으로, 특히 스위칭 동작시의 과전압의 억제를 행하는 반도체 전력 변환 장치에 관한 것이다.

IGBT 전력 변환 장치 등 MOS 게이트 반도체를 갖는 반도체 전력 변환 장치에서는，IGBT 소자를 스위칭함으로써, 교류 직류 전력 변환이나, 직류 전압 변환, 교류 전압ㆍ주파수 변환 등을 실시한다. 그러나，IGBT를 턴 오프하면, 전류 통류시에 배선의 기생 인덕턴스에 축적된 에너지에 의해, IGBT에 서지 전압이 인가된다. IGBT 턴 오프시의 서지 전압 등에 의해, IGBT에 과전압이 인가되고, IGBT 소자가 파괴되어 버리는 것을 방지하는 방법이, 예를 들면 특허 문헌 1에 개시되어 있다. 이 종래 기술에서는，IGBT의 CG간에 클램프 소자와 저항기의 직렬체를 설치하고, 그 IGBT의 전압이 그 클램프 소자 전압을 초과하면 클램프 소자로부터 IGBT의 게이트에 충전 전류를 공급하고, IGBT의 게이트 전압을 높게 함으로써, IGBT의 임피던스를 저하시켜, IGBT를 과전압으로부터 보호한다. 또한, 본 종래 기술에서는, 클램프 소자와 저항체로 이루어지는 직렬체를 복수 설치하고, 각각의 클램프 소자의 클램프 전압을 서로 다른 전압으로 설정함으로써, 컬렉터 전압이 높을수록 충전 전류를 보다 많이 공급하는 수단을 개시하고 있다. 일반적으로는, 클램프 소자로부터, 게이트 충전 전류를 공급하여도, 게이트 드라이버에 전류가 분류되어, 게이트의 충전 전류를 충분히 확보할 수 없지만, 본 종래예는 컬렉터 전압이 높아지면 더 큰 충전 전류를 공급할 수 있으므로, 과전압 인가시에 확실하게 IGBT를 보호한다고 하는 관점에서, 우수하다고 할 수 있다.

[특허 문헌 1] 일본 특허 공개 평11-17831호 공보

IGBT를 확실하게 과전압으로부터 보호하기 위해서는, IGBT에 과전압이 인가되었을 때에, 그 IGBT의 게이트에 신속하게 충전 전류를 공급하고, 게이트 전압을 높여, IGBT의 임피던스를 저하시킬 필요가 있다. 그를 위해서는, 상기 IGBT의 CG간을 접속하는 클램프 소자와 저항기의 배선의 인덕턴스를 극력 작게 할 필요가 있다. 배선의 인덕턴스를 작게 하기 위해서는, 배선의 길이를 작게 하면 된다. 따라서, 배선 거리를 짧게 하기 위해, IGBT의 CG간에 접속하는 클램프 소자와 저항기의 직렬체 등의 충전 전류 공급부를 극력 IGBT에 가깝게 설치한다. 클램프 소자와 저항기의 직렬체를 IGBT에 가깝게 실장하기 위해서는, 그 클램프 소자와 저항기의 직렬체 등의 충전 전류 공급부를 소형으로 할 필요가 있다. 그러나, 상기 종래 기술에서는, 클램프 소자와 저항기의 직렬체를 복수 실장할 필요가 있기 때문에, 충전 전류 공급부(과전압 보호 회로)가 대형화되어, IGBT의 바로 근처에 실장하는 것 이 곤란하게 된다. 본 발명은, 과전압 보호 회로의 소형화를 가능하게 하여, IGBT의 게이트에 충전 전류를 공급하여, IGBT를 과전압으로부터 보호하는 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 과제를 달성하기 위해, 본 발명은 MOS 게이트 반도체를 갖는 반도체 전력 변환 장치로서，

MOS 게이트 반도체의 컬렉터ㆍ게이트간에 접속된 과전압 보호 회로를 구비하고, 그 과전압 보호 회로는, 직렬 접속된 복수의 클램프 소자를 갖고, 그 클램프 소자 중, 복수의 클램프 소자의 애노드에 저항기가 각각 접속된 것을 특징으로 하는 것이다.

또한, 상기한 과제를 달성하기 위해, 본 발명은 MOS 게이트 반도체를 갖는 반도체 전력 변환 장치로서，

MOS 게이트 반도체의 컬렉터ㆍ게이트간에 접속된 과전압 보호 회로를 구비하고, 그 과전압 회로로부터 공급되는 전류가 클수록, 게이트 드라이버의 출력단의 반도체 소자의 포화 전류값이 작아지는 것을 특징으로 하는 것이다.

MOS 게이트 반도체의 컬렉터ㆍ게이트간에 접속된 과전압 보호 회로를 구비하고, 그 과전압 보호 회로와 게이트 드라이버 사이에 리액터가 접속된 것을 특징으로 하는 것이다.

MOS 게이트 반도체의 컬렉터ㆍ게이트간에 접속된 과전압 보호 회로를 구비하고, 그 과전압 보호 회로와 게이트 드라이버 사이의 배선의 길이가, 그 과전압 보호 회로와 IGBT의 게이트 사이의 거리보다도 긴 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 것이다.

MOS 게이트 반도체의 컬렉터ㆍ게이트간에 접속된 과전압 보호 회로를 구비하고, 게이트에 유입하는 전류값을 소정의 전류값으로 제한하는 것을 특징으로 하는 것이다.

IGBT의 CG간에 클램프 소자 전압을 초과하는 전압이 인가되면, 제1 저항기로부터 충전 전류가 공급되고, 또한 클램프 소자 전압 2개분의 전압을 초과하는 전압이 IGBT의 CG간에 인가되면, 제2 저항기로부터도 충전 전류가 공급되므로, 전압이 높을수록 보다 많은 게이트 충전 전류를 공급할 수 있다.

이에 의해, 종래예와 같이 클램프 소자를 병렬할 필요가 없어, 클램프 소자의 인원수를 적게 할 수 있으므로, 충전 전류 공급부(과전압 보호 회로)를 소형화할 수 있다.

또한, 게이트 드라이버에 분류하는 전류를 억제하면, 게이트에의 충전 전류 를 보다 많이 확보할 수 있으므로, 게이트 드라이버에 분류하는 전류를 억제함으로써, 과전압 보호 회로를 대형화하지 않아도, IGBT를 과전압으로부터 보호하는 것을 실현할 수 있게 된다.

이하, 본 발명의 실시예를 도면에 기초하여 상세하게 설명한다. 또한, 실시예를 설명하는 도면에서는, 동일한 기능을 갖는 것에는 동일한 부호를 붙였다. 또한, 전위는 각 IGBT의 에미터 전위를 기준으로 한다. 또한，IGBT의 컬렉터-에미터간에 과전압이 인가되도록 한 조건에서는, 컬렉터-에미터간 전압은, 게이트 에미터간 전압에 비해 충분히 높고, 컬렉터-에미터간 전압과 컬렉터-게이트간 전압은 거의 동일하다고 간주할 수 있으므로, 이후 양자 모두 컬렉터 전압이라고 부른다. 이하의 실시예에서는 IGBT를 예로 들어 설명하지만, IGBT를 IGBT 이외의 MOS 게이트 디바이스로 치환하여도 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.

(실시예 1)

우선, 도 1과 도 5를 이용하여 본 실시예의 IGBT 전력 변환 장치의 구성을 설명한다. 도 5는 본 발명을 적용하는 전력 변환 장치의 주요부를, 도 1은 도 5의 아암(20)의 주요부를 도시한다.

우선, 도 5를 이용하여, 제1 실시예의 전력 변환 장치의 구성에 대해 설명한다. 본 실시예의 전력 변환 장치는, 2 직렬 접속된 아암(20)이 3 병렬되고, 각각 배선(201), 배선(202)을 통해 직류 전압원(21)에 접속하고 있다. 배선(201, 202)을 배선으로 표현하였지만, 통상은 기생 인덕턴스를 작게 하기 위해, 아암(20)은 버스바 등을 통해, 직류 전압원(21)에 접속된다. 또한, 직류 전압원(21)은 직류 컨덴서라도 상관없다. 한편, 쌍을 이룬 아암의 각 중점(203)은, 전력 변환 장치가 교류 직류 변환 장치인 경우, 통상은 임피던스를 통해 교류 계통 혹은 교류 부하에 접속된다. 도 5에서는, 일례로서, 쌍을 이룬 아암의 각 중점(203)이 인덕턴스를 갖는 부하(22)에 접속된 구성을 도시하였다. 또한, 직류 전압원(21)이나, 직류 전압원(21)과 아암(20)을 접속하는 배선 등은, 기생 인덕턴스를 갖는다. 도 5에서는 그들 기생 인덕턴스를 P측에 통합하여, 기생 인덕턴스(23)로서 도시하였다. 또한, 도 5는, 3상의 교류 직류 변환의 변환 장치를 도시하였지만, 본 발명은 3상의 교류 직류 변환 장치에 한정되지 않고, 풀 브릿지 구성의 교류 직류 변환 IGBT 전력 변환 장치나, 쵸퍼 장치 등의 직류ㆍ직류 IGBT 전력 변환 장치에도 유효하다.

다음에 도 1을 이용하여, 아암(20)의 구성을 설명한다. 큰 점선으로 둘러싸인 부분을 IGBT 세트(600)라고 부르기로 한다. 본 실시예에서는, 도 5의 각 아암(20)의 구성은 도 1의 IGBT 세트(600)로 도시하는 구성으로 된다. 도 1의 배선(211)이나, 배선(212)은, 도 5의 배선(201) 혹은 배선(202), 혹은 쌍을 이룬 아암의 중점(203)과 접속된다. 여기서, 배선이라고 한 표현을 이용하였지만, 통상은 배선(211)이나 배선(212)은 기생 인덕턴스를 작게 하기 위해 버스바로 구성되고, 배선(201)이나 배선(202) 등과 일체화되어, 반드시 명확한 구분이 존재하는 것은 아니다.

배선(211)이나 배선(212)에는, IGBT(1)가 접속된다. 변환 장치가 교류 직류 변환 장치인 경우, IGBT(1)에 역병렬로 환류 다이오드(2)를 접속한다. 각 IGBT(1) 의 게이트는, 게이트 저항(8)을 경유하여, 게이트 드라이버(16)에 접속된다. 또한, 게이트 저항(8)은 게이트 드라이버(16)에 내장하여도 상관없다.

IGBT(1)의 컬렉터ㆍ게이트간에는, 과전압 보호 회로(65)를 접속한다. 과전압 보호 회로(65)는 클램프 소자(61a), 클램프 소자(61b), 저항기(62b)로 이루어지는 직렬체와, 접속점(63a)과 IGBT(1)의 게이트간에 접속한, 저항기(62a)로 구성된다.

다음에 본 실시예의 전력 변환 장치의 동작을 설명한다. 게이트 드라이버(16)는 상위 제어계로부터 전달된 신호(7)에 기초하여，IGBT(1)에 온 오프 펄스를 공급하여, IGBT(1)를 스위칭시킨다. IGBT(1)를 온 혹은 오프시킴으로써, 아암(20)을 온 오프하여, 교류 전압을 만들어 내어, 인덕턴스를 갖는 부하(22)에 인가한다. 쌍을 이룬 아암, 예를 들면 아암(20)(P)과 아암(20)(N)은 동시에 온으로 하지 않는다.

여기서 아암(20)(N)과 아암(20)(P)을 교대로 온 오프 제어하고, 아암(20)(P)에의 드라이브 신호가 온 상태, 아암(20)(N)이 오프 상태인 경우에 주목한다. 전류가 직류 전압원(21)으로부터 아암(20)(P), 인덕턴스를 갖는 부하(22)라고 하는 경로로 흐르고 있을 때에, 아암(20)(P)을 턴 오프시키면, 아암(20)(P)에는 주회로(직류 전압원(21) → 아암(20)(P) → 아암(20)(N) → 직류 전압원(21))의 경로에 존재하는 배선 인덕턴스(23)에 서지 전압이 발생하고, 직류 전압원(21)의 전압에 중첩되어, IGBT(1)에 컬렉터-에미터간 인가된다.

도 9를 사용하여, 턴 오프시의 IGBT(1)의 컬렉터 전압 및 게이트 전압 파형을 보다 상세하게 설명한다. 게이트 드라이버(16)가 오프 펄스를 출력하여, IGBT(1)가 턴 오프하는 상태를 상정한다. 게이트 드라이버(16)가 오프 펄스, 즉 IGBT(1)의 임계값 이하의 전위를 출력하면，IGBT(1)의 게이트에 축적된 전하가 게이트 저항(8)을 통해 뽑아내어져, IGBT(1)의 게이트 전압(32)이 저하하고, IGBT(1)는 턴 오프 상태로 이행하여, 컬렉터 전압(컬렉터ㆍ에미터간 전압)(31)이 상승한다. IGBT(1)의 컬렉터 전압(31)이 상승하고, 클램프 소자(61a)의 클램프 전압보다도 높아지면, 클램프 소자(61a)가 도통하여, 클램프 소자(61a) → 저항기(62a)의 경로로, IGBT(1)의 게이트에 충전 전류가 공급되어, 게이트 전압(32)이 상승한다. 또한, 일부의 전류는 분류하여, 게이트 드라이버(16)에 유입하게 되어, 게이트 전압의 상승에 충분히 기여하지 않는다. 그러나，IGBT(1)의 게이트 전압이 충분히 높아지기 전에, IGBT(1)의 컬렉터 전압이 더 상승하여, IGBT의 컬렉터 전압이 클램프 소자(61a)와 클램프 소자(61b)의 클램프 전압의 총합을 초과하면, 클램프 소자(61b)도 도통하여, 클램프 소자(61a) → 클램프 소자(61b) → 저항기(62b)라고 하는 경로로부터도 게이트 전류를 공급할 수 있으므로, IGBT(1)의 게이트 전압을 더 높여, IGBT(1)의 임피던스를 저하시킴으로써, IGBT(1)를 과전압으로부터 보호할 수 있다.

저항기(62b)의 저항값을 저항기(62a)보다 크게 설정하면，IGBT의 클램프 전압은 높아지지만, 확실하게 IGBT(1)를 과전압으로부터 보호할 수 있다. IGBT(1)의 과전압을 높게 하면 IGBT의 턴 오프 손실을 작게 할 수 있다고 하는 장점이 있다.

(실시예 2)

다음으로, 제2 실시예를 나타낸다. 본 실시예는, 클램프 소자로부터 게이트 드라이버에 분류하게 되는 전류를 제한하고, 클램프 소자로부터 IGBT(1)의 게이트에 보다 많은 게이트 충전 전류를 공급함으로써, IGBT(1)를 과전압으로부터 보호하는 것이다.

본 실시예에서는, 도 5의 각 아암(20)의 구성은 도 2의 IGBT 세트(600)로 도시하는 구성으로 된다. 제2 실시예에서는, 게이트 드라이버의 출력단의 MOSFET(9b)와 게이트 드라이버 저압측 전원 라인(4) 사이에 저항기(19)를 설치한다. MOSFET(9a)를 온으로, M0SFET(9b)를 오프로 하면, IGBT(1)의 게이트 전위가 게이트 드라이버(16)의 고압측 전원 라인의 전위로 되고, IGBT(1)의 게이트 전압이 임계값을 초과하여, IGBT가 온 상태로 된다. 한편，MOSFET(9a)를 오프로 MOSFET(9b)를 온으로 하면，IGBT(1)의 게이트로부터 전하가, 게이트 저항(8)을 경유하여 게이트 드라이버(16)에 뽑아내어져, IGBT(1)가 턴 오프하여 오프 상태로 된다. IGBT(1)가 턴 오프하면 IGBT(1)의 컬렉터 전압이 상승하여, 클램프 소자(61a)가 항복하여 전류가 통류하고, 게이트 드라이버(16)에도 전류가 유입한다. 이 때, 저항기(19)에 전류가 흐르면, 저항기(19)의 양단에 전위차가 발생한다. 저항기(19)의 양단에 전위차가 발생하면，MOSFET(9b)의 소스 전위가 상승하므로, MOSFET(9b)의 게이트ㆍ소스간의 전압이 내려간다. 게이트ㆍ소스간 전압이 내려가므로, MOSFET(9b)의 포화 전류가 작아진다. 클램프 소자(61a)로부터 유입하는 전류는, IGBT(1)의 게이트의 충전 전류와, MOSFET(9b)를 경유하여 게이트 드라이버(16)에 유입하는 전류로 분류되지만, 전술한 바와 같이 MOSFET(9b)의 포화 전류 가 작아지므로, 게이트 드라이버(16)에 유입하는 전류가 제한되어, 보다 많은 전류를 IGBT(1)의 게이트에 공급할 수 있다. 따라서，보다 확실하게 IGBT를 과전압으로부터 보호할 수 있다.

도 2에서는, 과전압 보호 회로(65)의 구성은, 클램프 소자(61a, 61b)와 저항기(62a)의 직렬체로 하였지만, 과전압 보호 회로(65)의 구성은 도 1의 과전압 보호 회로(65)와 같은 구성이라도 상관없다.

또한，MOSFET(9b)의 포화 전류값은 다음과 같이 설정하면 보다 바람직하다.

도 2의 IGBT 세트(600)와 마찬가지의 회로 구성에 의해, 과전압 보호 회로가 존재하지 않은 점만이 IGBT 세트(600)에서，IGBT 턴 오프시에 MOSFET(9b)를 흐르는 전류의 최대값의 전류값을 통상 턴 오프 전류값으로 임시로 정의한다. 도 2에서， MOSFET(9b)의 포화 전류값을 통상 턴 오프 전류값 이하로 하면, 보다 많은 충전 전류를 IGBT(1)의 게이트에 공급할 수 있다.

또한, 저항기(19)의 저항값이 충분히 작을 때는, 그 통상 턴 오프 전류값은, 온 게이트 전압과 오프 게이트 전압의 전위차(게이트 드라이버용의 전압원(13a, 13b)의 전압의 총합)를 게이트 저항(8)의 저항값으로 나눈 값에 대략 동등하게 된다.

(실시예 3)

다음으로, 제3 실시예에 대해 설명한다. 본 실시예도, 제2 실시예와 마찬가지로, 클램프 소자로부터 게이트 드라이버에 분류하는 전류를 제한하여, 클램프 소자로부터 IGBT(1)의 게이트에 보다 많은 게이트 충전 전류를 공급함으로써, IGBT(1)를 과전압으로부터 보호한다.

본 실시예에서는, 도 3의 각 아암(20)의 구성은 도 2의 IGBT 세트(600)로 도시하는 구성으로 된다. 제3 실시예에서는, 과전압 보호 회로(65)와 게이트 드라이버(16) 사이에 리액터(28)를 접속하는 것을 특징으로 한다.

게이트 드라이버(16)의 출력단(17)의 MOSFET(9a)를 온으로, MOSFET(9b)를 오프로 하면, IGBT(1)의 게이트 전위가 게이트 드라이버 고압측 전원 라인의 전위로 되고, IGBT(1)의 게이트 전압이 임계값을 초과하여, IGBT(1)가 온 상태로 된다. 한편，M0SFET(9a)를 오프로 MOSFET(9b)을 온으로 하면，IGBT(1)의 게이트로부터 전하가, 게이트 저항(8)을 경유하여 게이트 드라이버(16)에 뽑아내어져, IGBT(1)가 턴 오프하여 오프 상태로 된다. IGBT(1)가 턴 오프하면 IGBT(1)의 컬렉터 전압이 상승하고, 클램프 소자(61a)가 항복하여 전류가 통류하여, 게이트 드라이버(16)에도 전류가 유입한다.

이 때, 리액터(28)에 분류하는 전류도 증가하지만, 그 전류의 전류 상승률과 리액터(28)의 인덕턴스의 곱에 상당하는 전압이 리액터(28)의 양단에 인가되고, 리액터(28)를 경유하여 게이트 드라이버(16)에 분류하는 전류가 제한된다. 따라서, 보다 많은 전류를 IGBT(1)의 게이트에 공급할 수 있으므로, 보다 확실하게 IGBT를 전압으로부터 보호할 수 있다.

통상적으로，IGBT의 서지 전압이 인가되는 시간은 0.5㎲ 정도이다. 게이트 드라이버에 유입하는 전류를 8A 정도로 제한하면，V=L*di/dt이므로, 리액터에 인가되는 전압을 15V로 하면，15V=L*16A/1㎲ L≒1μH 정도로 된다. 따라서, 리액 터(28)의 인덕턴스를 1 μH 이상으로 하면，IGBT(1)의 과전압 보호에, 보다 효과가 있다.

도 3에서는, 과전압 보호 회로(65)의 구성은, 클램프 소자(61a, 61b)와 저항기(62a)의 직렬체로 하였지만, 과전압 보호 회로(65)의 구성은 도 1의 과전압 보호 회로(65)와 같은 구성이라도 상관없다.

(실시예 4)

제4 실시예에서는, 도 5의 각 아암(20)의 구성은 도 4의 IGBT 세트(600)로 도시하는 구성으로 된다. 제4 실시예에서는, 과전압 보호 회로(65)와 게이트 드라이버(16) 사이의 배선의 길이 501을, 과전압 보호 회로(65)와 IGBT(1)의 게이트 사이의 배선의 길이 500보다도 충분히 길게 한 것을 특징으로 한다. 과전압 보호 회로(65)와 게이트 드라이버(16) 사이의 배선(501)이 길면, 배선의 기생 인덕턴스가 제3 실시예의 리액터(28)와 마찬가지로 기능하여, 제3 실시예와 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.

도 7은 본 실시예의 IGBT 세트(600)를 실장한 경우의 모식도를 도시한다. 냉각 핀(101) 상에 IGBT(1)와 클램프 다이오드(2)를 내장한 패키지(10)(이후 IGBT 패키지(10)라고 칭함)를 탑재하고, IGBT 패키지(10) 상에 과전압 보호 회로(65)를 탑재한다. 컬렉터 단자(234)와 에미터 단자(233)에 접속되는 버스바는 생략하였지만, 각각의 버스바는 과전압 보호 회로(65) 상에 설치되는(버스바와 IGBT(1)의 패키지 사이에, 과전압 보호 회로(65)가 존재) 게이트 드라이버(16)와 IGBT 패키지(10) 사이는 배선(205, 206)으로 접속되고, 과전압 보호 회로(65)와 IGBT(1)의 게이트 사이의 배선의 길이 500보다, 배선(205, 206)의 길이, 즉 과전압 보호 회로(65)와 게이트 드라이버(16) 사이의 배선의 거리 501보다도 충분히 길어, 실시예 3과 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다. 과전압 보호 회로(65)와 게이트 드라이버(16) 사이의 배선의 길이 501을 왕복 1m 정도 이상으로 하면 인덕턴스가 1μH 정도 이상으로 되어, 보다 현저한 효과를 얻을 수 있다.

또한, 배선(205, 206)의 길이를 길게 할 수 있으므로 게이트 드라이버를 자유로운 위치에 실장할 수 있는 이점도 있다.

도 4에서는, 과전압 보호 회로(65)의 구성은, 클램프 소자(61a, 61b)와 저항기(62a)의 직렬체로 하였지만, 과전압 보호 회로(65)의 구성은 도 1의 과전압 보호 회로(65)와 같은 구성이라도 상관없다.

(실시예 5)

제5 실시예는, IGBT(1)가 직렬로 접속된 것을 특징으로 한다. 도 6은 본 실시예에서의 아암(20)의 구성을 도시한다. 본 실시예에서는, 도 5의 각 아암(20)의 구성은 도 6의 IGBT 세트(600)가 2 직렬된 구성으로 된다.

IGBT(1)를 직렬로 접속하면, 소자 특성 변동에 의해, 최초로 턴 오프한 소자가 직류 전압을 짊어져, 소자가 고장날 가능성이 있다. IGBT를 확실하게 과전압 보호할 수 있으면, IGBT를 직렬로 접속한 변환기에서 IGBT의 소자를 고장나게 하는 일 없이, 전력 변환 장치를 운전하는 것이 가능하다. 따라서, IGBT의 과전압 보호 기능은 IGBT(1)를 직렬로 접속한 구성을 갖는 변환기에 특히 필요성이 높다.

도 6의 IGBT 세트(600)의 구성은, 도 1의 IGBT(1)의 구성과 동일하므로 IGBT 를 과전압으로부터 보호하는 것이 가능하다.

또한，IGBT 세트(600)의 구성을 도 2∼도 4의 구성으로 치환하여도, 실시예 2∼4와 마찬가지로，IGBT(1)를 과전압 보호할 수 있으므로, IGBT를 직렬로 접속한 변환기에서 IGBT의 소자를 고장나게 하는 일 없이, 전력 변환 장치를 운전하는 것이 가능하다.

(실시예 6)

본 실시예의 전력 변환기의 상하 아암(25)의 구성을 도 8에 도시한다. 본 실시예는 전력 변환 장치가 3 레벨 변환기인 것을 특징으로 한다. 2 레벨 변환기에서는，P 아암과 N 아암의 도체를 서로 마주 본 구조로 함으로써 비교적 용이하게 소형화와 인덕턴스 저감을 양립하는 것이 가능하여, IGBT(1)의 바로 근처에 게이트 드라이버(16)를 비교적 쉽게 설치한다.

도 10은 본 실시예의 상하 아암(25)의 구성을 도시한다. 3 레벨 인버터는 도 11에 도시한 바와 같이, 클램프 다이오드(3)가 필요하게 되므로, 배선(211)이나 배선(212) 등 외의, 배선(213∼215)의 배선이 필요하여, 도체 실장이 복잡하게 되므로, 배선의 인덕턴스가 커져, IGBT에 서지 전압이 쉽게 인가된다. 따라서, IGBT(1)를 과전압으로부터 보호하기 위해서는, 2 레벨 변환기보다도, 보다 많은 충전 전류를 IGBT(1)의 게이트에 공급할 필요가 있다.

이를 위해, 도 10의 IGBT 세트(600)의 구성을 도 1∼도 4의 IGBT 세트(600)의 구성으로 하면 IGBT를 과전압으로부터 보호할 수 있다.

예를 들면, IGBT 세트(600)의 구성을 도 4의 구성으로 하면, 배선(501)의 길 이를 길게 하여, IGBT(1)의 게이트 드라이버(16)를 IGBT(1)로부터 떨어진 개소에 설치할 수 있으므로, 실장의 자유도가 증가하여, 도체의 인덕턴스 저감이 용이해져, IGBT를 과전압으로부터 쉽게 보호한다.

또한, 도 11과 같이, 전력 변환 장치가 3 레벨 변환기이며, 또한 IGBT(1)가 직렬로 접속된 전력 변환 장치에서도, IGBT 세트(600)의 구성을 도 1∼도 4의 구성으로 하면 IGBT를 과전압으로부터 보호할 수 있다.

본 발명에 따르면, 특히 스위칭 동작시의 과전압의 억제를 행하는 반도체 전력 변환 장치를 제공하는 것이 가능하게 된다.

도 1은, 본 발명의 제1 실시예인 IGBT 전력 변환 장치의 1 아암분의 주요부.

도 2는, 본 발명의 제2 실시예인 IGBT 전력 변환 장치의 1 아암분의 주요부.

도 3은, 본 발명의 제3 실시예인 IGBT 전력 변환 장치의 1 아암분의 주요부.

도 4는, 본 발명의 제4 실시예인 IGBT 전력 변환 장치의 1 아암분의 주요부.

도 5는, 본 발명의 실시예인 IGBT 전력 변환 장치의 주요부를 도시하는 도면.

도 6은, 본 발명의 제5 실시예인 IGBT 전력 변환 장치의 1 아암분의 주요부.

도 7은, 본 발명의 제4 실시예인 IGBT 전력 변환 장치의 1 아암분의 주요부의 실장 구조를 도시하는 도면.

도 8은, 본 발명의 제6 실시예인 IGBT 전력 변환 장치의 주요부를 도시하는 도면.

도 9는, 제1 실시예의 설명도.

도 10은, 본 발명의 제6의 실시예인 IGBT 전력 변환 장치의 상하 아암의 주요부.

도 11은, 본 발명의 제6 실시예인 IGBT 전력 변환 장치의 상하 아암의 주요부.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : IGBT

2 : 환류 다이오드

3 : 클램프 다이오드

4 : 게이트 드라이버 저압측 전원 라인

7 : 상위 제어계로부터 전달된 신호

8 : 게이트 저항

9a, 9b : MOSFET

10 : IGBT 패키지

13a, 13b : 전압원

16 : 게이트 드라이버

17 : 게이트 드라이버 출력단

18 : NOT 회로

19, 62a, 62b : 저항기

20(P), 20(N) : IGBT 반도체 전력 변환기의 아암

21 : 직류 전압원

22 : 부하

23 : 기생 인덕턴스

25 : 상하 아암

28 : 리액터

31 : IGBT의 턴 오프시 컬렉터 전압파형

32 : IGBT의 턴 오프시 게이트 전압파형

33 : IGBT의 턴 오프 시분압점의 전압파형

40 : 주배선

40(b) : 고압측 주배선

61a, 61b : 클램프 소자

63a, 63b : 접속점

65 : 과전압 보호 회로

101 : 냉각 핀

201, 202, 205, 206, 211, 212, 501 : 배선

203 : 아암의 중점

204 : 직류 전원의 중점

233 : 에미터 단자

234 : 컬렉터 단자

500 : 과전압 보호 회로와 IGBT의 게이트 사이의 배선 거리

600 : IGBT 세트

Claims

MOS 게이트 반도체를 갖는 반도체 전력 변환 장치로서,

상기 MOS 게이트 반도체는 3개의 단자를 포함하며, 3개의 단자 중 제1 단자에는 제어 신호가 입력되고, 3개의 단자 중 제2 및 제3 단자는 상기 제1 단자의 제어 신호에 따라 도통 상태가 변화하며,

상기 MOS 게이트 반도체의 상기 제1 단자와 상기 제2 단자 간에 접속된 과전압 보호 회로를 포함하고,

상기 과전압 보호 회로는, 직렬 접속된 복수의 클램프 소자를 갖고, 그 클램프 소자 중, 복수의 클램프 소자의 애노드에 저항기가 각각 접속되고,

상기 MOS 게이트 반도체의 상기 제1 단자와 상기 제2 단자 간 전압이, 클램프 소자에 있어서의 복수 중의 일부의 항복 전압을 초과하면, 클램프 소자를 서로 접속하는 접속 도체부와, 제1 저항기를 통해서, 상기 MOS 게이트 반도체의 상기 제1 단자 사이에 전류가 흐르고,

상기 MOS 게이트 반도체의 상기 제1 단자와 상기 제2 단자 간 전압이, 복수의 클램프 소자의 항복 전압을 초과하면, 상기 제1 저항기와 함께, 상기 제1 단자와 상기 제2 단자 간을 복수의 클램프 소자를 통해서 연결하는 전기로에 설치된 제2 저항기에 전류가 흐르고,

상기 제2 단자 전압이 높아질수록, 상기 제2 단자로부터 상기 제1 단자로 공급되는 전류 경로의 임피던스가 낮아지는 것을 특징으로 하는 반도체 전력 변환 장치.
MOS 게이트 반도체를 갖는 반도체 전력 변환 장치로서,

상기 MOS 게이트 반도체는 3개의 단자를 포함하며, 3개의 단자 중 제1 단자에는 제어 신호가 입력되고, 3개의 단자 중 제2 및 제3 단자는 상기 제1 단자의 제어 신호에 따라 도통 상태가 변화하며,

상기 MOS 게이트 반도체의 상기 제1 단자와 상기 제2 단자 간에 접속된 과전압 보호 회로를 포함하고,

상기 과전압 보호 회로로부터 공급되는 전류가 클수록, 제1 단자 드라이버의 출력단의 반도체 소자의 포화 전류값이 작아지고,

상기 제2 단자 전압이 높아질수록, 상기 제2 단자로부터 상기 제1 단자로 공급되는 전류 경로의 임피던스가 낮아지는 것을 특징으로 하는 반도체 전력 변환 장치.
제2항에 있어서,

상기 과전압 보호 회로는, 직렬 접속된 복수의 클램프 소자를 갖고, 그 클램프 소자 중, 복수의 클램프 소자의 애노드에 저항기가 각각 접속된 것을 특징으로 하는 반도체 전력 변환 장치.
MOS 게이트 반도체를 갖는 반도체 전력 변환 장치로서，

상기 MOS 게이트 반도체는 3개의 단자를 포함하며, 3개의 단자 중 제1 단자에는 제어 신호가 입력되고, 3개의 단자 중 제2 및 제3 단자는 상기 제1 단자의 제어 신호에 따라 도통 상태가 변화하며,

상기 MOS 게이트 반도체의 상기 제1 단자와 상기 제2 단자 간에 접속된 과전압 보호 회로를 포함하고,

상기 과전압 보호 회로와 제1 단자 드라이버 사이에 리액터가 접속되고,

상기 제2 단자 전압이 높아질수록, 상기 제2 단자로부터 상기 제1 단자로 공급되는 전류 경로의 임피던스가 낮아지는 것을 특징으로 하는 반도체 전력 변환 장치.
제4항에 있어서,

상기 과전압 보호 회로는, 직렬 접속된 복수의 클램프 소자를 갖고, 그 클램프 소자 중, 복수의 클램프 소자의 애노드에 저항기가 각각 접속된 것을 특징으로 하는 반도체 전력 변환 장치.
MOS 게이트 반도체를 갖는 반도체 전력 변환 장치로서，

상기 MOS 게이트 반도체는 3개의 단자를 포함하며, 3개의 단자 중 제1 단자에는 제어 신호가 입력되고, 3개의 단자 중 제2 및 제3 단자는 상기 제1 단자의 제어 신호에 따라 도통 상태가 변화하며,

상기 MOS 게이트 반도체의 상기 제1 단자와 상기 제2 단자 간에 접속된 과전압 보호 회로를 포함하고,

상기 과전압 보호 회로와 제1 단자 드라이버 사이의 배선의 길이가, 그 과전압 보호 회로와 상기 MOS 게이트 반도체의 상기 제1 단자 사이의 거리보다도 긴 구조를 갖고,

상기 제2 단자 전압이 높아질수록, 상기 제2 단자로부터 상기 제1 단자로 공급되는 전류 경로의 임피던스가 낮아지는 것을 특징으로 하는 반도체 전력 변환 장치.
제6항에 있어서,

상기 과전압 보호 회로는, 직렬 접속된 복수의 클램프 소자를 갖고, 그 클램프 소자 중, 복수의 클램프 소자의 애노드에 저항기가 각각 접속된 것을 특징으로 하는 반도체 전력 변환 장치.
MOS 게이트 반도체를 갖는 반도체 전력 변환 장치로서，

상기 MOS 게이트 반도체는 3개의 단자를 포함하며, 3개의 단자 중 제1 단자에는 제어 신호가 입력되고, 3개의 단자 중 제2 및 제3 단자는 상기 제1 단자의 제어 신호에 따라 도통 상태가 변화하며,

상기 MOS 게이트 반도체의 상기 제1 단자와 상기 제2 단자 간에 접속된 과전압 보호 회로를 포함하고,

상기 제1 단자에 유입하는 전류값을 소정의 전류값으로 제한하고,

상기 제2 단자 전압이 높아질수록, 상기 제2 단자로부터 상기 제1 단자로 공급되는 전류 경로의 임피던스가 낮아지는 것을 특징으로 하는 반도체 전력 변환 장치.
제8항에 있어서,

상기 소정의 전류값이, 온 제1 단자 전압과 오프 제1 단자 전압의 전위차를 제1 단자 저항값으로 나눈 값보다도 작은 것을 특징으로 하는 반도체 전력 변환 장치.
IGBT형 반도체를 갖는 반도체 전력 변환 장치로서,

IGBT형 반도체의 컬렉터·게이트 간에 접속된 과전압 보호 회로를 구비하고,

그 과전압 보호 회로는, 항복의 방향을 일치시켜 직렬 접속된 복수의 클램프 소자를 갖고, 상기 직렬 접속된 복수의 클램프 소자의 캐소드측 끝은 상기 IGBT형 반도체의 컬렉터에, 상기 직렬 접속된 복수의 클램프 소자의 애노드측 끝은 상기 IGBT형 반도체의 게이트에 접속되고,

상기 IGBT형 반도체의 컬렉터·게이트 간 전압이, 상기 IGBT형 반도체의 컬렉터측의 상기 복수의 클램프 소자의 일부의 클램프 소자에 걸리는 제1 항복 전압을 초과하면, 상기 직렬 접속된 복수의 클램프 소자를 서로 접속하는 접속 도체부로부터 전류가 흐르도록 상기 접속 도체부와 상기 IGBT형 반도체의 게이트 사이에 제1 저항기를 설치하고,

상기 IGBT형 반도체의 컬렉터·게이트 간 전압이 상기 복수의 클램프 소자에 걸리는 항복 전압의 합을 초과하면, 상기 제1 저항기의 전류 외에, 상기 IGBT형 반도체의 게이트측의 클램프 소자를 경유한 전류가 흐르도록 상기 접속 도체부와 상기 IGBT형 반도체의 게이트와의 상기 클램프 소자를 끼운 사이에 제2 저항기를 설치하는 반도체 전력 변환 장치.
IGBT형 반도체를 갖는 반도체 전력 변환 장치로서,

IGBT형 반도체의 컬렉터·게이트 간에 접속된 과전압 보호 회로를 구비하고,

그 과전압 보호 회로는, 항복의 방향을 일치시켜 직렬 접속된 복수의 클램프 소자를 갖고, 상기 직렬 접속된 복수의 클램프 소자의 캐소드측 끝은 상기 IGBT형 반도체의 컬렉터에, 상기 직렬 접속된 복수의 클램프 소자의 애노드측 끝은 상기 IGBT형 반도체의 게이트에 접속되고,

상기 IGBT형 반도체의 컬렉터·게이트 간 전압이, 상기 IGBT형 반도체의 컬렉터측의 상기 복수의 클램프 소자의 일부의 클램프 소자의 제1 항복 전압을 초과하면, 상기 직렬 접속된 복수의 클램프 소자를 서로 접속하는 접속 도체부로부터 전류가 흐르도록 상기 접속 도체부와 상기 IGBT형 반도체의 게이트 사이에 제1 저항기를 설치하고,

상기 IGBT형 반도체의 컬렉터·게이트 간 전압이 상기 복수의 클램프 소자의 항복 전압의 합을 초과하면, 상기 제1 저항기의 전류 외에, 상기 IGBT형 반도체의 게이트측의 클램프 소자를 경유한 전류가 흐르도록 상기 접속 도체부와 상기 IGBT형 반도체의 게이트와의 상기 클램프 소자를 끼운 사이에 제2 저항기를 설치하는 반도체 전력 변환 장치.
제1항, 제2항, 제4항, 제6항 또는 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 MOS 게이트 반도체는 IGBT(insulated gate bipolar transistor)인 것을 특징으로 하는 반도체 전력 변환 장치.