KR920004032B1 - 전력 변환용 반도체 소자의 스냅퍼 회로와 그 모듈장치 - Google Patents

전력 변환용 반도체 소자의 스냅퍼 회로와 그 모듈장치 Download PDF

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요시따까 후지와라
기요시 이이다
히로무 다꾸보
구니오 시바야마
신이찌 고바야시
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후지 덴끼 가부시끼가이샤
나까오 다께시
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Abstract

내용 없음.

Description

전력 변환용 반도체 소자의 스냅퍼 회로와 그 모듈장치
제 1 도는 본 발명의 스냅퍼 회로의 제 1 실시예를 나타낸 회로도.
제 2 도는 제 1 도에 도시하는 스냅퍼 회로의 제 1 실시예 회로에 사용하고 있는 전력 변환용 반도체 소자와 스냅퍼 1아암몫의 회로도.
제 3 도와 제 4 도는 제 2 도에 도시 하는 전력 변환용 반도체 소자 1아암몫의 동작을 도시한 파형도.
제 5 도는 본 발명의 스냅퍼 회로의 제 2 실시예를 나타낸 회로도.
제 6 도는 제 5 도에 도시하는 스냅퍼 회로의 제 2 실시예 회로에 사용하고 있는 전력 변환용 반도체 소자 1상몫과 스냅퍼의 회로도.
제 7 도는 본 발명의 스냅퍼 회로의 제 3 실시예를 나타낸 회로도.
제 8 도는 제 7 도에 도시하는 스냅퍼 회로의 제 3 실시예 회로에 사용하고 있는 전력 변환용 반도체 소자 1상몫과 스냅퍼의 회로도.
제 9 도는 본 발명의 스냅퍼 회로의 제 4 실시예를 나타낸 회로도.
제 10 도는 보 발명의 모듈장치의 제 1 실시에를 나타낸 구조도.
제 11 도는 반도체 부품만으로 모듈장치를 구성하는 경우의 회로도.
제 12 도는 제 11 도에 도시하는 회로로 구성한 전력 변환용 반도체 소자의 모듈장치의 종래 예를 도시한 외형도.
제 13 도는 제 12 도에 도시하는 종래의 모듈장치를 사용하여 전력 변환 장치의 1상몫을 형성한 조립도.
제 14 도는 본 발명의 모듈장치의 제 2 실시예를 나타낸 외형도.
제 15 도는 제 14 도에 도시하는 제 2 실시예의 모듈장치를 사용하여 전력 변환장치의 1상몫을 형성한 조립도.
제 16 도는 본 발명의 모듈장치의 제 3 실시예를 나타낸 외형도.
제 17 도는 단상 인버터를 나타낸 회로도.
제 18 도는 제 17 도에 도시하는 단상 인버터를 제 16 도에 도시하는 제 3 실시예의 모듈장치를 사용하여 형성한 조립도.
제 19 도는 전력 변환 장치에 부속하는 스냅퍼 회로의 제 1 종래 예를 도시한 회로도.
제 20 도는 전력 변환 장치에 부속하는 스냅퍼 회로의 제 2 종래 예를 도시한 회로도.
제 21 도는 전력 변환 장치에 속하는 스냅퍼 회로의 제 3 종래 예를 도시한 회로도.
제 22 도는 전력 변환 장치에 속하는 스냅퍼 회로의 제 4 종래 예를 도시한 회로도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1, 2, 3, 4, 5, 6 : 자기 소호형 전력용 반도체로서의 파워 트랜지스터
7, 8, 9, 10, 11, 12 : 프리피링 다이오드 13, 14, 15, 16, 17, 18, 30 : 콘텐서
19, 20, 21, 22, 23, 24, 29 : 비대칭 소자로서의 정전압 다이오드
25 : 직류전원 26, 29, 31, 32 : 부유 인덕턴스
27, 43, 44, 45, 46, 47, 48 : 다이오드 28, 33, 34, 35, 36, 37, 38 : 저항
50 : 도체판으로서의 구리베이스 51 : 절연기판으로서의 세라믹스 기판
52 : 도전 패턴으로서의 구리패턴 53 : 제 1 전극
54 : 제 2 전극(에미터단자) 55 : 콜렉터 단자
56 : 베이스 단자
60, 60P, 60N, 70, 70P, 70N, 80, 80U, 80V, 80X, 80Y : 모듈장치
61 : 냉각체 62P, 82P : 양극구리바
62N, 82N : 음극구리바 63, 73, 83R, 83S : 접속구리바
64 : 에미터단자 65 : 콜렉터단자
66 : 베이스단자 67 : 스냅퍼 회로단자
68P, 68N, 78, 78P, 78N : 스냅퍼 콘덴서 71 : 잘라낸 부분
81 : 凹부
본 발명은, 자기 소호형 전력용 반도체 소자로 구성하고 있는 전력 변환 장치가 동작할 때의, 이들 반도체 소자를 보호하기 위한 스냅퍼 회로와, 이 스냅퍼 회로를 포함하고 있는 전력 변환 장치용 반도체 소자의 모듈장치에 관한 것이다.
자기 소호형 전력용 반도체 소자로서, 예를들자면 파원 트랜지스터를 2개 직렬로 접속해서, 이 직렬 회로를 직류 전원의 정부극 사이에 접속하여, 한편의 파워 트랜지스터와 다른편의 파워 트랜지스터를 교대로 온과 오프를 되풀이시키는 것으로, 전력 변환을 할 수 있는 것은 주지이다. 거기에서, 3조의 이와 같은 파워 트랜지스터 직렬 회로를 서로 병렬 접속하여, 이들에게 직류 전원을 접속하므로서, 이 직류 전원으로부터의 직류 전력을, 3상 교류 전력으로 변환하는 3상 인버터를 예로하여, 종래의 기술 및 본 발명의 상세한 것을 다음에 기술한다.
파워 트랜지스터로 구성하고 있는 전압형 3상 인버터에서는, 각 파워 트랜지스터에는 각각 프리피링 다이오드를 역 병렬 접속하고 있다. 여기에서 파워 트랜지스터의 턴 오프시(혹은 프리피링 다이오드의 역 회복시)에, 회로의 부유 인덕턴스에 의해 생기는 싸지 전압이 파워 트랜지스터에 부가되면, 이 파워 트랜지스터를 파괴할 우려가 잇다. 또한, 이 턴 오프시에, 이 파워 트랜지스터의 콜렉터 에미터간 전압의 입상 속도(dv/dt)가 큰 경우는, 다른 파워 트랜지스터나 제어회로에 오동작을 발생시킬 우려가 있다. 거기에서, 이와 같은 불합리함이 발생하는 것을 회피하기 위해, 3상 인버터에 스냅퍼 회로를 부속시킨다.
제 19 도는 전력 변환 장치에 부속하는 스냅퍼 회로의 제 1 종래 예를 도시한 회로도이다.
이 제 19 도에 있어서, 부호 1 내지 6은 6개의 파워 트랜지스터, 부호 7 내지 12는 6개의 프리피링 다이오드이다. 이들 6개의 파워 트랜지스터의 각각에 프리피링 다이오드를 역 병렬 접속한 것을 3상 브릿지 접속하여, 각각의 파워 트랜지스터에, 콘덴서와 저항과의 직렬 접속으로 구성되어 있는 스냅퍼 회로를 병렬로 접속한다. 부호13 내지 18은 이 스냅퍼 회로를 구성하는 6개의 콘덴서, 부호 33 내지 38은 동일하게 스냅퍼 회로를 구성하는 저항이다. 또한, 부호(25)는 직류 전원, 부호(32)는 회로의 부유 인덕턴스이다.
저항과 콘덴서로 구성한 이와 같은 스냅퍼 회로는 R-C 스냅퍼라 통칭되고 있으며, 이 R-C 스냅퍼를 구성하고 있는 콘덴서는, 이 R-C 스냅퍼가 속하고 있는 파워 트랜지스터가 턴 오프한 때에 발생하는 싸지전압을 억제함과 동시에, 이 콘덴서로의 충전에 의해, 이 파워 트랜지스터의 콜렉터 에미터간 전압의 dv/dt를 억제하는 역할을 갖이나, 이 dv/dt 억제의 효과를 향상시키는 데에는, R-C 스냅퍼를 구성하고 있는 저항의 저항치를 적게 하는 것이 유효하다.
제 20 도는 전력 변환 장치에 부속하는 스냅퍼 회로의 제 2 종래 예를 도시한 회로도이다.
이 제 20 도에서 있어서, 6개의 파워 트랜지스터(1 내지 6), 6개의 프리피링 다이오드(7 내지 12), 직류 전원(25), 및 부유 인덕턴스(32)는 제 19 도의 경우와 같은 기능을 갖는다.
제 20 도에 도시하는 제 2 종래예 회로에서는, 저항(28)과 콘덴서(30) 및 다이오드(27)를 구성한 스냅퍼 회로(통칭 R-C-D 스냅퍼)를 직류 전원(25)의 양극과 음극사이에 접속하고 있으므로, 파워 트랜지스터가 턴 오프한 때에, 회로의 부유 인덕턴스(32)에 축적하고 있던 에너지를, 이 콘덴서(30)가 흡수하여, 싸지 전압을 억제한다. 여기에서, 스냅퍼 회로를 구성하고 있는 저항(28)이나 다이오드(27)를 제거하면, 싸지 전압 억제 효과를 증대한다.
제 21 도는 전력 변환 장치에 부속하는 스냅퍼 회로의 제 3 종래 예를 도시한 회로도이다.
이 제 21 도는, 상술한 제 19 도에 도시하는 제 1 종래예 회로와, 제 20 도에 도시하는 제 2 종래예 회로를 조합 시킨 것으로서, 3상 인버터를 구성하여 있는 6개의 트랜지스터에는, 각각 별개의 R-C 스냅퍼 병렬로 접속하여, 또한 양극과 음극사이에 R-C -D 스냅퍼를 접속한 것이다.
제 22 도는 전력 변환 장치에 부속하는 스냅퍼 회로의 제 4 종래예를 도시한 회로도로써, 3상 인버터를 구성하고 있는 6개의 트랜지스터에는, 각각 별개의 R-C -D 스냅퍼를 병렬로 접속하여, 또한 양극과 음극사이에도 R-C -D 스냅퍼를 접속하고 있다.
상술한 각 종래예 회로에 있어서, 스냅퍼 회로를 구성하고 있는 콘덴서에 직렬 접속하고 있는 다이오드, 혹은 저항을 제거하여, 콘덴서만의 스냅퍼 회로로하면, 파워 트랜지스터가 턴 오프한 때에, 이 콘덴서와 회로의 부유 인덕턴스(32)에 의해 공진 현상을 일으킨다. 이 공진 현상은, 노이즈의 발생이나 파워 트랜지스터의 책무 증대등의 불합리함을 유발하므로, 공진 억제의 필요상에서, 콘덴서에는 저항을 직렬로 접속하고 있다.
그런데, 상술한 R-C -D 스냅퍼나 R-C -D 스냅퍼에는 다음과 같은 각종의 결점이 있다.
즉, R-C -D 스냅퍼에서는, ① 콘덴서의 축적 전하를 저항을 통해서 방전시키기 위해, 이 저항이 대형으로 되는, ② 스냅퍼 회로의 다이오드가 역 회복할 때에, 높은 dv/dt를 발생하므로, 제어 회로에 오동작을 일으킬 우려가 있는, ③ 스냅퍼 회로가 복잡하여 부품 점수가 많아지는 등이다.
또한 R-C -D 스냅퍼에서는, ① 콘덴서의 축적 전하는 저항을 통해서 충방전하므로, 에너지 손실이 큰, ② 저항이 대형으로 되는 등이다.
또다시, 이들 스냅퍼 회로를 구성하는 각 부품을, 각각의 전력 변환용 반도체 소자에 그때그때 접속하는것은, 접속 작업에 번거로울 뿐만 아니라, 전력 변환 반도체 소자와 스냅퍼 회로 사이의 배선 인덕턴스, 혹은 전력 변환용 반도체 소자 상호간 의 배선 인덕턴스를 대로하는 불합리함이 있고, 스냅퍼 회로 부품 점수가 많고, 관리상의 번거로움이나, 장치의 소형화를 저해하는 등이 불합리함도 있다.
거기에서 본 발명의 복적은, 전력 변환용 반도체 소자에 부속하는 스냅퍼 회로의 구성을 간소하게 하여 부품 점수와 에너지 손실의 감소를 도모함과 함께, 이 전력 변환용 반도체 소자와 스냅퍼 회로와의 일체화에 의해, 이것을 사용하는 전력 변환 장치의 소형화와, 배선 인덕턴스의 저감을 도모하려는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 스냅퍼 회로는, 복수의 자기 소호형 전력용 반도체 소자의 직렬회로를 전원에 접속하여, 한편의 자기 소호형 전력용 반도체 소자와 다른편의 그것이, 교대로 온과 오프를 되풀이 하는 것으로 전력 변환을 하는 장치에 있어서, 순방향 전압 강하가 소로, 또한 역방향 전압 강하가 대인 비대칭 소자와 콘데서와의 직렬 회로를, 상기 자기 소호형 전력용 반도체 소자 끼리의 직렬 회로에 병렬로, 혹은 개개의 자기 소호형 전력용 반도체 소자에 병렬로 접속하는 것이다. 또다시 본 발명의 모듈장치는, 정전압 다이오드를 구성 요소를 하는 스냅퍼 회로를 병렬로 접속하고 있는 자기 소호형 전력용 반도체 소자에 있어서, 도체판에 고착한 절연 기판위에 도전재료에 의해 패턴을 형성하여, 이 도전 패턴 위에 상기 자기 소호형 전력용 반도체 소자의 애노드측과, 프리피링 다이오드의 캐소드극 및 상기 정전압 다이오드의 애노드극을 고착하여, 상기 절연 기판위에 상기 도전패턴은 격리한 제 1 전극과 제 2 전극을 서로 격리하여 고착하여, 콘덴서의 한편의 전극을 제 1 전극에, 다른편의 전극을 제 2 전극에 접속하여, 이을 제 1, 2 전극에 의해 이 콘덴서를 지지하여, 상기 정전압 다이오드의 캐소드극을 상기 제 1 전극에 접속하여, 상기 자기 소호형 전력용 반도체 소자의 캐소드측 및 상기 프리피링 다이오드의 애노드극을 상기 제 2 전극에 접속하여, 상기 도전 패턴과, 제 2 전극 및 자기 소호형 전력용 반도체 소자의 제어극을 외부로 인출하는 구조로 하거나, 혹은 상기 자기 소호형 전력용 반도체 소자와, 이에 역병렬 접속하고 있는 프리피링 다이오드와, 이 자기 소호형 전력용 반도체 소자에 한편의 극이 접속되어 있는 상기 정전압 다이오드를 합성 수지로 봉입 성형하여, 상기 자기 소호형 전력용 반도체 소자의 애노드극용 단자와 캐소드극용 단자와 제어극용 단자, 및 상기 정전압 다이오드의 다른편 극용 단자를 상기 성형체의 표면에 설치, 또한 이 정전압 다이오드의 다른편 극에 접속하는 스냅퍼 회로용 콘덴서를 수납하는 잘른 부분을 상기 성형체에 설치하는 구조로 하거나, 혹은 상기 자기 소호형 전력용 반도체 소자와, 이것에 역병렬 접속하고 있는 프리피링 다이오드와, 이자기 소호형 전력용 반도체 소자에 한편의 극이 접속되어 있는 상기 정전압 다이오드를 합성수지로 봉입하여 직방체 형상으로 성형하여, 상기 자기 소호형 전력용 반도체 소자의 애노드극용 단자를 상기 직방 성형체 표면의 일단에 설치, 이 자기 소호형 전력용 반도체 소자의 캐소드극용 단자를 상기 애노드극용 단자와 동일면 위의 반대끝에 설치해, 또한 이 직방 성형체의 애노드극용 단자와 캐소드극용 단자와의 중간 부분에 상기스냅퍼 회로용 콘덴서를 수납할 수 있는 凹부를 설치, 이 凹부에 상기 정전압 다이오드의 다른편 극용단자를 설치하는 구조로 하는 것이다.
본 발명은, 순방향 전압 강하가 작고, 또한 역방향 전압 강하가 큰 비대칭소자, 예를들자면 정전압 다이오드를, 콘덴서에 직렬 접속한 것을 스냅퍼 회로로서 사용하는 것으로, 전력 손실을 일으키는 저항을 제거하여, 또한 이 저항 제거에 의해, 콘덴서와 부유 인덕턴스에 의해 생기는 공진은, 상기 비대칭 소자로 소비하는 전력 손실에 의해, 급속히 수속시키는 것이다. 거기에서, 이들 정전압 다이오드와 콘덴서에 의한 스냅퍼 회로를, 자기 소호형 전력용 반도체 소자나, 이것에 역 병렬 접속하는 프리피링 다이오드와 함께 일체구조로 모듈화하므로서, 전력 변환용 반도체 소자와 그 스냅퍼 회로가 1개의 부품으로 간주할 수 있도록 소형이고 취급이 용이해진다. 더욱이, 반도체 소자만이, 즉 스냅퍼 회로중의 정전압 다이오드와 상기 자기 소호형 전력용 반도체 소자 및 프리피링 다이오드를 합성 수지로 봉입 성형하여 소요의 단자를 설치하는 것과 동시에, 스냅퍼 회로용 콘덴서를 설치하기 위한 잘라낸 부분을 이 성형체에 설치하는 것으로, 장치 전체의 소형과 배선 인덕턴스의 저감 및 부품수의 저감을 도모하는 것이다.
제 1 도는 본 발명의 스냅퍼 회로의 제 1 실시예를 나타낸 회로도이다.
이 제 1 도에 있어서, 자기 소호형 전력용 반도체 소자로서의 6개의 파워 트랜지스터(1 내지 6), 6개의 프리피링 다이오드(7 내지 12), 직류 전원(25)의 기능은, 제 19 도에서 기술한 제 1 종래예 회로의 경우와 동일하니까, 이들의 설명은 생략한다.
본 발명에 있어서는, 6개의 비대칭소자로서의 정전압 다이오드(19 내지 24)와, 6개의 콘덴서(13 내지 18)을, 각각 1 대 1로 직렬 접속한 것을, 스냅퍼 회로로서, 6개의 파워 트랜지스터(1 내지 6)의 각각에 병렬 접속하고 있다.
제 2 도는 제 1 도에도 도시하는 스냅퍼 회로의 제 1 실시예 회로에 사용하고 있는 전력 변환용 반도체 소자와 스냅퍼 1아암몫의 회로도이다.
이 제 2 도에 있어서, 전압 강하 비대칭소자로서의 정전압 다이오드(19)와 콘덴서(13)와의 직렬 회로를, 파워 트랜지스터(1)에 병렬 접속하는 것이나(부호 7은 프리피링 다이오드), 이때 정전압 다이오드(19)의 쎄나 전압은, 직류 전원(25)의 전압보다 낮은 값으로 설정한다.
파워 트랜지스터(1)가 턴 오프한 경우에 발생하는 싸지 전압은, 정전압 다이오드(19)를 거쳐서 콘덴서(13)에 흡수한다. 이제 콘덴서(13)의 정전용량을 C, 콘덴서(13)에 흐르는 전류를 Is라 하면, 이 전류 Is에 의한 정전압 다이오드(19)의 전압 강하는 무시되므로, 파워 트랜지스터(1)에 부가되는 dv/dt의 값은 Is/c로 되어, 이 dv/dt는 억제되어서, 파워 트랜지스터(1)의 턴오프 동작 책무를 경감할 수가 있다.
제 3 도와 제 4 도는 제 2 도에 도시하는 전력 변환용 반도체 소자 1아암몫의 동작을 도시한 파형도로서, 제 3 도는 파워 트랜지스터(1)콜렉터 전류 Ic, 및 콜렉터 에미터간 전압 VCE의 변화를 나타내고 있으며, 제 4 도는 콘덴서(13)에 흐르는 전류 Is의 변화를 나타내고 있다.
즉, 파워 트랜지스터(1)가 턴 오프하여, 그 콜렉터 에미터간 VCE이 직류 전원(25)의 전압치까지 상승하면(제 3 도 A점), 회로의 부유 인덕턴스(26)에 흐르고 있던 전류로, 콘덴서(13)와의 공진이 개시되어, 스냅퍼 회로에 공진 전류가 통한다. 이 공진 전류의 극성중, 정전압 다이오드(19)의 쎄나 전압이 발생하는 전류극성시는, 이 정전압 다이오드(19)가 에너지를 소비하므로, 비교적 단시간에 이 공진현상을 수속할 수 있다. 그 결과, 콘덴서(13)의 책무를 경감할 수가 있다.
또한, 이 정전압 다이오드(19)에서 발생하는 손실은 열로되나, 정전압 다이오드(19)는 반도체이므로, 이것의 냉각은 저항의 냉각에 비해서 용이하다.
제 5 도는 본 발명의 스냅퍼 회로의 제 2 실시예를 나타낸 회로도로서, 6개의 파워 트랜지스터(1 내지 6)와, 6개의 프리피링 다이오드(7 내지 12)로서 구성하고 있는 3상 인버터의 정부극간에, 비대칭소자로서의 정전압 다이오드(29) 콘덴서(30)와의 직렬 회로를 접속한 것이나, 이 정전압 다이오드(29)의 쎄나 전압은, 직류 전원(25)의 전압치보다 낮게 설정한다.
제 6 도는 제 5 도에 도시하는스냅퍼 회로의 제 2 실시예 회로에 사용하고 있는 전력 변환용 반도체 소자 1상몫과 스냅퍼 회로도이다.
정전압 다이오드(29)와 콘덴서(30)와의 직렬 회로로 구성하고 있는 스냅퍼 회로를, 파워 트랜지스터(1)와(4)와의 직렬 회로의 외측단자 사이에 접속하고 있으므로, 상술한 제 1 실시예와 같은, 콜렉터, 에미터간 전압의 상승률을 억제할 수는 없으나 파워 트랜지스터(1) 또는 (4)가 턴오프 할때에 발생하는 싸지 전압을 정전압 다이오드를 거쳐서 콘덴서(30)에 흡수하므로, 턴오프 하는 파워 트랜지스터가 싸지 전압으로 파괴하는 것을 방지할 수가 있다.
이 제 2 실시예에 도시하는 스냅퍼 회로도, 상술한 제 1 실시예의 경우와 같이, 회로의 부유 인덕턴스(31)와 콘덴서(30)로 공진현상을 일으키나, 정전압 다이오드(29)의 작용으로, 비교적 단시간에 수속해버리는 것도, 제 1 실시예의 경우와 같다.
제 7 도는 본 발명의 스냅퍼 회로의 제 3 실시예를 나타낸 회로도로써, 6개의 파워 트랜지스터(1 내지 6)과 6개의 프리피링 다이오드(7 내지 12)로 구성한 3상 인버터의 각 아암에, 상술한 제 1 도에 도시하는 제 1 실시예 회로와 같이, 정전압 다이오드와 콘덴서와의 직렬 회로를 병렬로 접속하여, 또한 양음극간에는 다이오드(27), 저항(28) 및 콘덴서(30)로 구성한 R-C -D 스냅퍼를 접속한 것이다.
제 8 도는 제 7 도에 도시하는 스냅퍼 회로의 제 3 실시예 회로에 사용하고 있는 전력 변환용 반도체 소자 1상몫과 스냅퍼의 회로도이다.
이 제 8 도에 있어서, 파워 트랜지스터(1)와 (4)에 각각 병렬 접속하고 있는 정전압 다이오드와 콘덴서로 형형되는 스냅퍼 회로의 동작은, 제 1 도와 제 2 도로 기술한 제 1 실시예 회로의 경우와 같으므로, 그 설명은 생략한다.
또한, 다이오드(27)와 저항(28) 및 콘덴서(30)로 형성되는 R-C-D 스냅퍼는, 예를들자면, 파워 트랜지스터(1)가 턴오프하여, 그 콜렉터 에미터간 전압이 직류전원(25)의 전압을 넣으면, 다이오드(27)가 도통하여, 부유 인덕턴스(29)에 의해 발생하는 싸지 전압을 콘덴서(30)에 흡수하여, 이 파워 트랜지스터(1)를 파손에서 보호한다.
또한, 파워 트랜지스터(1)의 턴오프뒤에, 콘덴서(30)에 축적된 전술한 싸지 전압에 의한 여잉전하는, 저항(28)을 통해서 방전하므로, 이 저항(28)의 저항치를 적절하게 선정하는 것으로, 콘덴서(30)와 부유 인덕턴스(29)와의 공진을 할 수가 있다.
제 9 도는 본 발명의 스냅퍼 회로의 제 4 실시예를 나타낸 회로도로서, 제 1 도와 제 2 도로 기술한 제 1 실시예회로와, 제 5 도와 제 6 도로 기술한 제 2 실시예 회로를 조합시킨 것이니까, 이것의 설명은 생략한다.
제 10 도는 본 발명의 모듈장치의 제 1 실시예를 나타낸 구조도로서, 제 2 도에 도시한 본 발명의 스냅퍼 회로의 구성을 나타내고 있다.
도체판으로서의 구리베이스(50) 위에는, 열전도에 뛰어난 세라믹스 기판(51)이 절연 기판으로서 접합되고 있으며, 이 세라믹스 기판(51)에는, 소요의 형상에로 가공된 도전패턴으로서의 구리패턴(52)과 제 1 전극(53), 제 2 전극(54), 및 베이스단자(56)가 서로 접속하지 아니하도록 하여 첨부되어 있으므로, 이들의 상호간은 전기적으로 절연되어 있다.
구리패턴(52)에는 자기 소호형 전력용 반도체 소자로서의 파워 트랜지스터(1)의 콜렉터와, 프리피링 다이오드(7) 및 정전압 다이오드(19)이 애노드가 밀착되어 설치되어 있으므로 이들은 전기적으로 같은 전위에 있다. 이와 같이 설치하므로서 파워 트랜지스터(1)와 프리피링 다이오드(7) 및 정전압 다이오드(19)에서 발생한 열은, 세라믹스 기판(51)을 거쳐서 구리베이스(50)에 전달한다. 따라서 이 구리베이스(50)를 냉각하므로서, 이들 반도체 소자내에서 발생한 손실은, 재빨리, 그리고 유효하게 제거할 수가 있다.
스냅퍼 회로를 구성하는 콘덴서(13)의 한편의 전극은 제 1 전극(53)에, 다른편의 전극은 제 2 전극(54)에 접속함과 동시에, 이 콘덴서(13)를 제 1 전극(53)과 제 2 전극(54)으로 받치도록 하면, 상술한 각 반도체 소자와 이 콘덴서(13)를 입체적으로 설치할 수 있으므로, 모듈 구조를 소형화 할 수 있게 된다.
구리패턴(52)위의 각 반도체 소자와, 세라믹스 기판(51)위의 각 전극이나 단자와의 접속, 즉, 정전압 다이오드(19)의 캐소드와 제 1 전극(53)과의 접속, 및 파워 트랜지스터(1)의 에미터와 제 2 전극(54)과의 접속, 프리피링 다이오드(7)의 애노드와 제 2 전극(54)과의 접속, 및 파워 트랜지스터(1)의 베이스와 베이스단자(56)와의 접속을, 각각 와이어 본딩에 의해 배선하는 것으로, 제 2 도에 도시한 1아암몫의 회로가 완성된다.
거기에서 구리패턴(52)위에 콜렉터단자(55)를 접속하여, 제 2 전극(54)을 에미터단자라하면, 상술한 베이스단자(56)와 함께, 이 모듈을 외선에 접속할 수가 있다.
또한, 제 10 도에 있어서는 구리베이스(50) 위에, 1아암몫의 모듈을 탑재하고 있으나, 복수몫을 탑재할 수 있는 것은 물론이다.
그런데, 제 10 도에 도시하는 모듈 장치의 제 1 실시예에서는, 스냅퍼 회로용의 콘덴서(13)를 포함한 구성으로 되어 있다. 이 콘덴서(13)는, 다른 부품에 비해서 비교적 대형일것, 또한 이 콘덴서(13)이외는 모두 반도체 부품이므로, 이들 반도체 부품만으로 모듈 장치를 구성하는 편이, 냉각등의 점에서도 좋은 형편이다.
제 11 도는 반도체 부품만으로 모듈 장치를 구성하는 경우의 회로도로서, 제 2 도에 도시한 회로에서 콘덴서(13)를 생략하고 있다. 이와 같은 회로 구성의 경우는, 에미터단자(64), 콜렉터단자(65), 베이스단자(66) 및 스냅퍼 회로단자(67)를 설치하게 된다.
제 12 도는 제 11 도에 도시하는 회로로 구성된 전력 변환용 반도체 소자의 모듈장치의 종래의 예를 도시한 외형도이다.
이 제 12 도에 있어서는, 자기 소호형 전력용 반도체 소자로서의 파워 트랜지스터(1)와, 이 파워 트랜지스터의 역 병렬 접속하고 있는 프리피링 다이오드(7)와, 파워 트랜지스터(1)의 콜렉터극에 그 애노드극을 접속하고 있는 정전압 다이오드(19)가, 합성수지에 의해 봉입 성형되어서 모듈장치(60)로 되어 있으며, 이 모듈장치(60)의 표면에는, 외선을 접속하기 위한 에미터단자(64E), 콜렉터단자(65C), 베이스단자(66B), 및 스냅퍼 회로단자(67K)를 구비하고 있다.
제 13 도는 제 12 도에 도시하는 종래의 모듈장치를 사용하여 전력 변환 장치의 1상몫을 형성한 조립도로서 (a)는 평면도, (b)는 측면도를 도시하고 있다.
이 제 13 도에 있어서는, 60P인 3개의 정측 모듈장치의 각각의 콜렉터단자를, 양극구리바(62P)를 써서 서로 병렬 접속하므로, 전력 변환 장치 1상몫의 상측 아암을 구성하고 있다. 또한 60N인 3개의 부측 모듈장치의 각각 에미터단자를, 음극구리바(62N)를 써서 서로 병렬 접속하는 것으로, 하측 아암을 구성하고 있다.
이들 상측 아암용에 병렬 접속한 3개의 모듈장치(60P)와, 하측 아암용에 병렬 접속한 3개의 모듈장치(60N)를 공통의 냉각체(61)에 장착하여, 상측 아암용의 각 에미터단자와, 하측 아암의 각 콜렉터단자를 접속구리바(63)로 접속하는 것이나, 상측 아암의 모듈장치(60P)에 설치되어 있는 스냅퍼 콘덴서(68P)의 설치 스페이스를 확보하기 위해, 이 접속구리바(63)는凸형상으로 가공할 필요가 있다.
이와 같이 가공하므로서 접속구리바(63)에 재료가 여분으로 필요하여, 장치의 치수, 중량을 증대시킬 뿐만 아니라, 배선 인덕턴스도 커지는 결점이 있다.
제 14 도는 본 발명의 모듈 장치의 제 2 실시예를 나타낸 외형도이다.
제 14 도에 도시하는 제 2 실시예도, 제 12 도에서 기술한 종래예와 같이 제 11 도에 도시하는 회로, 즉 파워 트랜지스터(1)와 프리피링 다이오드(7) 및 정전압 다이오드(19)로 구성한 회로를 합성 수지로 봉입 성형하므로서, 모듈장치(70)를 형태짓고 있다. 또한 이 모듈장치(70)에는 에미터단자(64), 콜렉터단자(65), 베이스단자(66) 및 스냅퍼 회로단자(67)를 설치하고 있는 것도 제 12 도의 종래예와 같다.
본 발명에 있어서는 모듈 장치(70)의 일부분을 잘라내어서(71), 이 잘라낸부분(71)에 스냅퍼 콘덴서(78)를 수납할 수 있도록 하고 있다.
제 15 도는 제 14 도에 도시하는 제 2 실시예의 모듈 장치를 사용하여 전력 변환 장치의 1상몫을 형성한 조립도로서, (a)는 평면도, (b)는 측면도를 도시하고 있다.
이 제 15 도에 있어서도, 3개의 양측 모듈 장치(70P)의 각 콜렉터단자를 양극구리바(62P)로 병렬 접속하여 1상몫의 상측 아암을 구성하여, 3개의 음측 모듈 장치(70N)의 각 에미터단자를 음극구리바(62N)로 병렬 접속하는 것을 아래측 아암을 구성하고 있다.
이들 6개의 모듈 장치를 냉각체(61)에 장착하여, 상측 아암과 하측 아암을 접속구리바(73)로 접속하는 것이나, 상측 아암용의 스냅퍼 콘덴서(78)는, 모두 모듈 장치(70)에 설치한 잘라낸부분(71)에 수납되게 되므로, 접속구리바(73)는 凸형에 가공할 필요가 없다.
제 16 도는 본 발명의 모듈 장치의 제 3 실시예를 나타낸 외형도이다.
이 제 16 도에 도시하는 제 3 실시예도, 제 11 도에 도시하는 회로, 즉 파워 트랜지스터(1)와, 프리피링 다이오드(7) 및 정전압 다이오드(19)로 구성한 회로를 합성수지로 봉입하여, 직방체 형상으로 성형하는 것으로 모듈 장치(80)를 형상을 짓고 있는 것이나, 이 직방체 형상의 모듈 장치(80)는, 그 중앙부분에 凹부(81)가 형성되어 있어, 이 凹부(81)에 스냅퍼 회로단자(67)를 설치, 또 다시 凹부(81)의 양측에 각각 에미터단자(64) 와 콜렉터단자(65)를 별개로 설치하고 있다.(또한, 베이스단자는, 본 발명과는 무관계에 따라, 기술을 생략하고 있다.)
제 17 도는 단상 인버터를 나타낸 회로도로서, 80U,80V,80X,80Y인 제 16 도에 도시하는 4개의 제 3 실시예 모듈 장치를 단상 브릿지 접속하여, 각각의 모듈 장치에는 스냅퍼 콘덴서를 접속하고 있다.
제 18 도는 제 17 도에 도시하는 단상 인버터를 제 16 도에 도시하는 제 3 실시예의 모듈 장치를 사용하여 형성한 조립도이다.
이 제 18 도에 도시하는 바와 같이, 2개의 모듈 장치 80U와 80V의 콜렉터단자를 양극구리바(82P)로 접속하여 2개의 모듈 장치 80X와 80Y의 에미터단자를 음극구리바(82N)로 접속함과 동시에, 접속구리바(83R)로 제 1 상 위측 아암과 아래측 아암과의 접촉을, 또한 접속구리바(83S)로 제 2 상 위측 아암과 아래측 아암과의 접속을 하여, 단상 인버터를 형성하고 있다.
이때 각 모듈 장치에 설치하는 스냅퍼 콘덴서(13, 14, 16, 17)는, 각각의 모듈 장치의 凹부(81)에 수납되므로, 이 단상 인버터에 무용의 돌출 부분이 없고, 전체가 소형으로 된다.
상술한 본 발명의 각 실시예는, 반도체 소자로하여 파워 트랜지스터를 사용한 경우로서 설명하고 있으나, 파워 트랜지스터 대신에, 다른 자기 소호형 전력용 반도체 소자, 예를들면 절연 게이트형 바이폴라 트랜지스터나, 전계효과 트랜지스터등을 사용한 경우에도 적용할 수 있는 것은 물론이다.
본 발명에 의하면, 콘덴서에 직렬로 정전압 다이오드와 같은 비대칭소자를 접속하여 구성한 스냅퍼 회로를, 전력 변환 장치를 구성하고 있는 개개의 자기 소호형 전력용 반도체 소자에 병렬로 접속하여, 혹은 이 전력 변환 장치의 양음극 사이에 접속하는 것으로, 스냅퍼 회로의 공진 전류를 재빨리 감쇄시킬 수가 있으므로, 스냅퍼용 콘덴서의 용량을 억제할 수가 있고, 스냅퍼용 저항을 생략하여 에너지 손실로 경감된다. 다시 스냅퍼용 콘덴서의 용량을 억제할 수가 있고, 스냅퍼용 저항을 생략하여 에너지 손실로 경감된다. 다시 스냅퍼용 저항의 생략에 의해, 부품 점수의 삭감과 회로의 간소화 및 소형화를 도모할 수가 있는등, 각종의 효과가 얻어지다. 또 다시 자기 소호형 전력용 반도체 소자와 프리피링 다이오드 및 정전압 다이오드를 도전패턴위에 설치하여, 이들 각 반도체 소자의 발열을 유효하게 회부로 외부로 방산시킴과 동시에, 다른 소자에 비교하여 대형으로 되는 콘덴서를 입체적으로 설치하는 구성에 의해 모듈화 하고 있으므로, 이 모듈이 소형으로 되어, 또한 1개의 부품으로서 취급할 수가 있으므로, 설치 배선이나 부품 관리의 번거로움이 생략되는 등의 효과가 얻어진다. 또 다시 스냅퍼 콘덴서를 제외한 반도체 부품만은 합성수지로 봉입 성형하여 모듈 장치를 모양 지울때에, 스냅퍼 콘덴서를 수납하는 공간을 이 모듈 장치에 잘라낸부분 혹은 凹부로서 설치하므로서, 이 모듈 장치를 집합하여 전력 변환 장치를 조립할때에, 스냅퍼 콘덴서가 배선을 저해하지 아니하므로, 직선적은 배선이 가능해지며, 그 때문에 배선 재료의 절약, 배선 인덕턴스의 저감, 장치의 소형화 경량화등의 각종의 효과가 얻어진다.

Claims (5)

  1. 복수의 자기 소호형 전력용 반도체 소자의 직렬 회로를 전원에 접속하여, 한편의 자기 소호형 전력용 반도체 소자와 다른편의 그것이 교대로 온과 오프를 되풀이하는 것으로 전력 변환을 하는 장치에 있어서, 순방향 전압 강하가 작고, 또한 역방향 전압 강하가 큰 비대칭 소자와 콘덴서와의 직렬 회로를, 상기 자기 소호형 전력용 반도체 소자끼리의 직렬 회로에 병렬로, 혹은 개개의 자기 소호형 전력용 반도체 소자에 병렬로 접속하는 것을 특징으로 하는 전력 변환용 반도체 소자의 스냅퍼 회로.
  2. 복수의 자기 소호형 전력용 반도체의 직렬 회로를 전원에 접속하여, 한편의 자기 소호형 전력용 반도체 소자와 다른편의 그것이, 교대로 온과 오프를 되풀이하는 것으로 전력 변환을 행하는 장치에 있어서, 정전압 다이오드와 콘덴서와의 직렬 회로를, 상기 자기 소호형 전력용 반도체 소자끼리의 직렬 회로로 병렬로, 혹은 개개의 자기 소호형 전력용 반도체 소자에 병렬로 접속하는 것을 특징으로 하는 전력 변환용 반도체 소자의 스냅퍼.
  3. 정전압 다이오드를 구성 요소로 하고 있는 스냅퍼 회로를 병렬로 접속하고 있는 자기 소호형 전력용 반도체 소자에 있어서, 도체판에 고착한 절연기판 위에 도전재료에 의해 패턴을 형성하여, 이 도전패턴 위에 상기 자기 소호형 전력용 반도체 소자의 애노드측과, 프리피링 다이오드의 캐소드극 및 상기한 정전압 다이오드의 애노드극을 고착하여, 상기 절연 기판위에 상기 도전패턴과는 격리한 제 1 전극과 제 2 전극을 서로 결리하여 고착하여, 콘덴서의 한편의 전극을 제 1 전극에, 다른편의 전극을 제 2 전극에 접속하여, 이들 제 1, 제 2 전극에 의해 이 콘덴서를 지지하여, 상기 정전압 다이오드의 캐소드극을 상기 제 1 전극에 접속하여, 상기 자기 소호형 전력용 반도체 소자의 캐소드측 및 상기 프리피링 다이오드의 애노드극을 상기 제 2 전극에 접속하여, 상기 도전패턴과, 제 2 전극 및 자기 소호형 전력용 반도체 소자의 제어극을 외부로 인출하는 구조로 하고 있는 것을 특징으로 하는 전력 변환용 반도체 소자의 모듈장치.
  4. 정전압 다이오드를 구성요소로 하고 있는 스냅퍼 회로를 병렬로 접속하고 있는 자기 소호형 전력용 반도체 소자에 있어서, 상기 자기 소호형 전력용 반도체 소자와, 이것에 역병렬 접속하고 있는 프리피링 다이오드와, 이 자기 소호형 전력용 반도체 소자에 한편의 극이 접속되어 있는 상기 정전압 다이오드를 합성수지로 봉입 성형하여, 상기 자기 소호형 전력용 반도체 소자의 애노드극용 단자와 캐소드극용 단자와 제어극용 단자, 및 상기 정전압 다이오드의 다른편 극용 단자를 상기 성형체의 표면에 설치, 또한 이 정전압 다이오드의 다른편극에 접속하는 스냅퍼 회로용 콘덴서를 수납하는 잘라낸 부분을 상기 성형체에 설치하고 있는 것을 특징으로 하는 전력 변환용 반도체 소자의 모듈 장치.
  5. 정전압 다이오드를 구성 요소로 하고 있는 스냅퍼 회로를 병렬로 접속하고 있는 자기 소호형 전력용 반도체 소자에 있어서, 상기 자기 소호형 전력용 반도체 소자와, 이것에 역병렬 접속하고 있는 프리피링 다이오드와, 이 자기 소호형 전력용 반도체 소자에 한편의 극이 접속되어 있는 상기 정전압 다이오드를 합성수지로 봉입하여 직방체 형상으로 성형하여, 상기 자기 소호형 전력용 반도체 소자의 애노드극용 단자를 상기 직방 성형체 표면의 일단에 설치, 이 자기 소호형 전력용 반도체 소자의 캐소드극용 단자를 상기 애노드극용 단자와 동일면위의 반대끝에 설치, 또한 이 직방 성형체의 애노드극용 단자와 캐소드극용 단자와의 중간 부분에 상기 스냅퍼 회로용 콘덴서를 수납할 수 있는 凹부를 설치, 이 凹부에 상기 정전압 다이오드의 다른편 극용 단자를 설치하는 것을 특징으로 하는 전력 변환용 반도체 소자의 모듈 장치.
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