WO2011077744A1 - 半導体スイッチング素子を有する電力変換器 - Google Patents

半導体スイッチング素子を有する電力変換器 Download PDF

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信夫 城川
英明 守屋
木下 学
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Definitions

  • the present invention relates to a power converter having a semiconductor switching element, and in particular, to provide an overvoltage protection means for the semiconductor switching element.
  • FIG. 6 is a partially extracted circuit configuration diagram showing an example of an overvoltage protection means of a semiconductor switching element shown in a conventional inverter power supply (see, for example, Patent Document 1).
  • the inverter power supply 30 is provided with a forced commutation circuit 31 having a voltage tolerance set lower than the voltage tolerance of the semiconductor switching element 3.
  • a forced commutation circuit 31 having a voltage tolerance set lower than the voltage tolerance of the semiconductor switching element 3.
  • the semiconductor switching element 3 Since the inverter power supply 30 shown in the figure is a resonance type, the semiconductor switching element 3 operates at a terminal voltage (collector voltage) of about 600V to 650V. Therefore, the set voltage of the forced commutation circuit 31 is set to about 800V to 900V in consideration of overshoot at the time of transition in the collector voltage.
  • the zener diode of the forced commutation circuit 31 does not forcibly commutate even if an overvoltage is applied to the semiconductor switching element 3 when a component with a high voltage specification with an incorrect setting voltage is mounted. There is a problem of pressure breakdown. On the other hand, when a component with a low voltage specification is mounted, the semiconductor switching element 3 intermittently and constantly forcibly commutates, so that there is a problem of thermal destruction.
  • connection polarity since the forced commutation circuit 31 has polarity, the connection polarity must be appropriately determined.
  • the present invention solves the above-mentioned conventional problems, and prevents voltage breakdown of the semiconductor switching element, and the applied voltage suppression circuit is securely mounted, and the set voltage is not destroyed to the IC of the peripheral circuit or the like.
  • An object of the present invention is to provide a power converter having a testable semiconductor switching element.
  • a power converter having a semiconductor switching element detects an applied voltage (Vce) of the semiconductor switching element, and when the applied voltage is equal to or higher than a predetermined voltage value, The difference signal based on this is fed back to the control terminal of the semiconductor switching element to forcibly commutate, and the applied voltage suppression circuit that suppresses the applied voltage in the vicinity of the predetermined voltage and the components of the drive circuit. Electrically and independently with one component on a second substrate (child substrate), a drive circuit excluding the at least one component, and a semiconductor switching element on the first substrate (parent substrate). Connected to and configured.
  • the connection with the first substrate is also polar.
  • the sub board is not limited to the form mounted on the printed board, but may be a separate unit configuration separated from the first board.
  • a power converter having a semiconductor switching element includes a semiconductor switching element, a driving circuit for the semiconductor switching element, a power control circuit, and an applied voltage to the semiconductor switching element.
  • a difference signal based on the voltage difference is fed back to the drive circuit to suppress the applied voltage in the vicinity of the predetermined voltage, the semiconductor switching element, and the drive circuit
  • a first board on which the power control circuit or the like is mounted, and a second board that is electrically connected to the first board in a configuration separated from the first board, and the applied voltage suppression circuit includes: At least one drive circuit disposed on the second substrate, newly provided and, if absent, connected to turn off the semiconductor switching element; Goods, or is it equivalent connecting means those disposed on the second substrate.
  • the applied voltage suppression circuit can be inspected separately from the first substrate, so that the polarity and voltage specifications of the power control unit and other circuits that handle small signals can be accurately detected without causing voltage breakdown. Can be checked and errors can be detected.
  • the applied voltage suppression circuit Forgetting to mount the applied voltage suppression circuit, the applied voltage suppression circuit is newly provided, and if it is absent, the operation of the drive circuit is at least one component connected so that the semiconductor switching element is turned off, or equivalent to it. Since the connection means is mounted on the second substrate, the semiconductor switching element is turned off and detection is performed in the form of stopping of the power converter.
  • the Zener diode of the applied voltage suppression circuit can be inspected separately from the first substrate (parent substrate) on which the power control unit, the drive circuit, the semiconductor switching element and the like are mounted. Therefore, without destroying the voltage of an IC or the like of a circuit that handles a small signal such as a power control unit, the polarity and voltage specification can be accurately inspected, and an error can be detected.
  • the voltage breakdown prevention function composed of the applied voltage suppression circuit and the semiconductor switching element operates reliably.
  • forgetting to mount the applied voltage suppression circuit may cause breakdown of the breakdown voltage of the semiconductor switching element.
  • it is a component of the applied voltage suppression circuit and the drive circuit and is missing, at least one of the semiconductor switching elements is turned off. Since the component (matching resistor) is mounted on the second board (child board), the semiconductor switching element is turned off, and detection is performed in the form of stopping the power converter. Therefore, the lack of the breakdown voltage preventing function of the switching element is prevented beforehand.
  • the breakdown voltage of the Zener diode of the applied voltage suppression circuit has a temperature characteristic, but the applied voltage suppression circuit is configured to feed back overvoltage information to the semiconductor switching element. There is little fluctuation.
  • the applied voltage of the semiconductor switching element is suppressed in the vicinity of the nominal Zener voltage, and a stable margin is secured with respect to the breakdown voltage, so that a reliable breakdown voltage prevention effect can be obtained.
  • the connection of the applied voltage suppression circuit is correctly made without error, and the desired overvoltage suppression effect can be obtained.
  • the applied voltage suppression circuit is not built in the semiconductor switching element, the breakdown voltage test of the semiconductor switching element is not hindered.
  • FIG. 2 is a partial circuit diagram of a power converter having a semiconductor switching element according to the first embodiment of the present invention.
  • Waveform diagram of each part of a power converter having a semiconductor switching element according to Embodiment 1 of the present invention Structure diagram of a partial excerpt of a power converter having a semiconductor switching element according to Embodiment 1 of the present invention
  • Circuit configuration diagram of a part of a power converter having a semiconductor switching element according to a second embodiment of the present invention Structure diagram of a part of a power converter having a semiconductor switching element according to a second embodiment of the present invention
  • the first invention detects a semiconductor switching element, a driving circuit of the semiconductor switching element, a power control circuit, and an applied voltage of the semiconductor switching element, and when the applied voltage is equal to or higher than a predetermined voltage value, a difference based on the difference between both voltages
  • An applied voltage suppression circuit that feeds back a signal to the drive circuit and suppresses the applied voltage in the vicinity of a predetermined voltage.
  • a semiconductor switching element, a drive circuit, a control circuit, and the like are mounted on the first substrate.
  • the substrate is provided with an applied voltage suppression circuit, is separated from and electrically connected to the first substrate, and the second substrate is a component of the drive circuit.
  • the set voltage of the applied voltage suppression circuit can be inspected in the state of the sub board, and the power accompanying this inspection It is possible to prevent voltage breakdown of the IC of the circuit dealing with small signals such as control circuit.
  • the power converter is detected in the form of stoppage, and the lack of the breakdown voltage preventing function of the switching element can be prevented beforehand.
  • connection between the sub-board and the main board has a polar structure, the connection of the applied voltage suppression circuit can be made correctly without any mistake, and the desired overvoltage suppression effect can be obtained.
  • the second invention detects a semiconductor switching element, a driving circuit of the semiconductor switching element, a power control circuit, and an applied voltage of the semiconductor switching element, and when the applied voltage is equal to or higher than a predetermined voltage value,
  • the applied voltage suppression circuit that feeds back a signal to the drive circuit and suppresses the applied voltage to a predetermined voltage, the first substrate on which the semiconductor switching element, the drive circuit, and the power control circuit are mounted, and the first substrate are separated.
  • the applied voltage suppression circuit is disposed on the second substrate, and when it is newly provided and absent, the drive circuit turns off the semiconductor switching element.
  • connection circuit equivalent to at least one component connected so that the semiconductor switching element is turned off is provided on the sub-board, the operation of the drive circuit is newly provided and absent, thereby applying the applied voltage suppression circuit.
  • Forgetting to mount the second board provided can be detected by turning off the semiconductor switching element and stopping the power converter, so that the lack of the breakdown resistance preventing function of the semiconductor switching element can be prevented beforehand. it can.
  • (Embodiment 1) 1 is a partial circuit diagram of a power converter having a semiconductor switching element according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the DC voltage Vdc obtained by converting the commercial power source 1 into the DC power source by the rectifying / smoothing circuit 2 is converted into a high frequency power source by the high frequency switching operation of the semiconductor switching element 3.
  • This high-frequency power source is input to the primary side of a high-voltage (step-up) transformer 5 to which a resonance capacitor 4 is connected in parallel.
  • the boosted secondary output is converted by the high voltage rectifier circuit 6 into a DC high voltage power source that energizes the magnetron 7.
  • the power control circuit 8 compares the input current information 10 detected by the current transformer 9 with the reference signal 11 for the input current from the commercial power source 1 and changes the pulse signal 12 so that the two substantially match. Input to the circuit 13.
  • the drive circuit 13 converts the impedance of the pulse signal 12 and inputs it to the control terminal of the semiconductor switching element 3 via the matching resistor 14.
  • the matching resistor 14 serves to limit the output current to the control terminal of the semiconductor switching element 3 so that the drive circuit 13 is not overloaded.
  • the applied voltage suppression circuit 15 monitors the applied voltage (Vce) of the semiconductor switching element 3, and when the voltage rises above a predetermined voltage (set voltage) value for some reason, the predetermined voltage (set voltage) and applied voltage (Vce) The difference signal (current signal) is fed back to the control terminal of the semiconductor switching element 3 and forcedly commutated. Thereby, the applied voltage suppression circuit 15 can suppress the applied voltage (Vce) of the semiconductor switching element 3 in the vicinity of the predetermined set voltage.
  • the applied voltage suppression circuit 15 is operated to forcibly commutate the semiconductor switching element 3, and the applied voltage (Vce) of the semiconductor switching element 3 is suppressed in the vicinity of a predetermined voltage (set voltage) value. It is each part waveform diagram in the case.
  • the semiconductor switching element 3 during normal operation operates according to the signal of the drive circuit 13 so as to switch the ON operation or the OFF operation at a resonance waveform as shown in FIG. 2 and below the set voltage of the applied voltage suppression circuit 15.
  • the generated voltage of the resonance waveform is determined by the time width of the previous ON operation.
  • the applied voltage suppression circuit 15 sets the applied voltage (Vce) as shown in FIG.
  • the applied voltage (Vce) that is commutated only during this period and is going to rise as shown by a dotted line is indicated by a solid line.
  • FIG. 3 is a structural diagram of a part of a power converter having the semiconductor switching element 3 according to the first embodiment of the present invention.
  • the sub board 16 (second board) in which the applied voltage suppression circuit 15 and the matching resistor 14 of the drive circuit 13 are transferred are arranged in the semiconductor switching element 3, the power control circuit 8, and the drive circuit. 13, which is a separate configuration from the parent substrate 17 (first substrate) on which the high-voltage transformer 5 and the like are mounted, but is electrically connected through the connection portions a, b, and c.
  • connection portions a, b, and c may be board-to-board connectors.
  • connection terminals a, b, and c may be board-to-board connectors.
  • the connection direction between the sub board 16 and the main board 17 is properly determined, and the polar applied voltage suppression circuit 15 and the semiconductor are connected.
  • the connection polarity with the switching element 3 is made correctly.
  • the matching resistor 14 to be interposed between the drive circuit 13 and the semiconductor switching element 3 is not connected because it is transferred to the sub board 16, and the semiconductor switching element 3 maintains the OFF state. For this reason, the applied voltage (Vce) of the semiconductor switching element 3 does not exceed the DC voltage Vdc converted into the DC power source by the rectifying / smoothing circuit 2.
  • the sub-board 16 is securely attached to the main board 17.
  • the high-frequency inverter power supply is configured to operate, and breakdown of the semiconductor switching element 3 due to forgetting to connect the applied voltage suppression circuit 15 can be prevented beforehand.
  • at least one component of the drive circuit 13 that turns off the semiconductor switching element 3 is the matching resistor 14.
  • the applied voltage suppression circuit 15 inspects the voltage specification by applying a minute DC voltage to determine whether the current flows or not, applying a current pulse, and measuring the limit voltage, for example. it can. Since these inspections can be performed by the sub board 16 alone, the IC used for the small signal circuit such as the power control circuit 8 is not destroyed. In addition, this inspection can be performed accurately because the sub-board 16 alone is used, and it is possible to sufficiently ensure the overvoltage breakdown of the semiconductor switching element 3 at the time of abnormality.
  • the applied voltage suppression circuit 15 is configured to feed back overvoltage information to the semiconductor switching element 3, the self-heating is small and the influence of the temperature characteristics of the breakdown voltage is small. Is suppressed. Therefore, a stable margin is ensured with respect to the breakdown voltage of the semiconductor switching element 3, so that a reliable breakdown resistance preventing effect can be obtained.
  • the semiconductor switching element 3 is used as a voltage absorbing element when an excessive voltage is applied, a reliable breakdown voltage preventing effect can be obtained only by adding the applied voltage suppressing circuit 15 without using a new voltage absorbing element. .
  • the applied voltage suppression circuit 15 is configured separately from the semiconductor switching element 3, there is no problem in the breakdown voltage test of the semiconductor switching element 3.
  • FIG. 4 is a circuit configuration diagram of a part of a high-frequency inverter power supply according to Embodiment 2 of the present invention
  • FIG. 5 is a structural diagram of a part of a high-frequency inverter power supply according to Embodiment 2 of the present invention.
  • the DC voltage Vdc obtained by converting the commercial power source 1 into a DC power source by the rectifying / smoothing circuit 2 is converted into a high frequency power source by the high frequency switching operation of the semiconductor switching element 3.
  • This high-frequency power source is input to the primary side of a high-voltage (step-up) transformer 5 to which a resonance capacitor 4 is connected in parallel.
  • the boosted secondary output is converted by the high voltage rectifier circuit 6 into a DC high voltage power source that energizes the magnetron 7.
  • the power control circuit 8 compares the input current information 10 detected by the current transformer 9 with the reference signal 11 for the input current from the commercial power source 1 and changes the pulse signal 12 so that the two substantially match, Input to the drive circuit 13.
  • the drive circuit 13 converts the impedance of the pulse signal 12 and inputs it to the control terminal of the semiconductor switching element 3 via the matching resistor 14.
  • the matching resistor 14 serves to limit the output current to the control terminal of the semiconductor switching element 3 so that the drive circuit 13 is not overloaded.
  • the applied voltage suppression circuit 15 monitors the applied voltage (Vce) of the semiconductor switching element 3, and when the voltage rises above a predetermined voltage (set voltage) value for some reason, the predetermined voltage (set voltage) and applied voltage (Vce) The difference signal (current signal) is fed back to the control terminal of the semiconductor switching element 3 and forcedly commutated. Thereby, the applied voltage suppression circuit 15 can suppress the applied voltage (Vce) of the semiconductor switching element 3 in the vicinity of the predetermined set voltage.
  • the semiconductor switching element 3 switches between the ON operation and the OFF operation with the resonance waveform as shown in FIG. 2 and the set voltage of the applied voltage suppression circuit 15 or less according to the signal of the drive circuit 13.
  • the generated voltage of the resonance waveform is determined by the time width of the previous ON operation.
  • the applied voltage suppression circuit 15 has the applied voltage (Vce) as A difference signal (current signal) with respect to the set voltage value is fed back to the control terminal of the semiconductor switching element 3, and an applied voltage (Vce) that is commutated only during this period and is going to rise as indicated by a dotted line is indicated by a solid line. Suppress.
  • the sub board 16 (second board) on which the applied voltage suppression circuit 15 and the matching resistor 14 of the driving circuit 13 are transferred are arranged on the semiconductor switching element 3, the power control circuit 8, and the driving circuit.
  • the circuit board 13 and the main board 17 (first board) on which the high-voltage transformer 5 and the like are mounted are configured separately, they are electrically connected via the connection portions a, b, and c, respectively.
  • the DC power source 18 is electrically connected to the drive circuit 13 via connection means 19 provided on the sub board 16.
  • connection portions d and e and the connection portions a, b, and c are indicated by the same reference numerals in FIG. 4, but may be a board-to-board connector or the like.
  • connection terminals a, b, c, d, and e are connected at unequal pitches, the connection direction between the sub board 16 and the main board 17 is properly determined, and the polar applied voltage is suppressed.
  • the connection polarity between the circuit 15 and the semiconductor switching element 3 is made correctly.
  • the operation of the drive circuit 13 which is newly provided and is absent is provided with the connection means 19 connected to the semiconductor substrate 16 so that the semiconductor switching element 3 is turned off.
  • the high-frequency inverter power supply is configured to operate only when it is securely attached to the circuit 17, so that breakdown of the semiconductor switching element 3 due to forgetting to connect the applied voltage suppression circuit 15 can be prevented.
  • connection means 19 may be a copper foil pattern or a jumper wire.
  • the applied voltage suppression circuit 15 applies the voltage specification by measuring the limit voltage by applying a current pulse by measuring whether the current flows by applying a minute DC voltage, for example, Can be inspected.
  • the applied voltage suppression circuit 15 is configured to feed back overvoltage information to the semiconductor switching element 3, the self-heating is small and the influence of the temperature characteristics of the breakdown voltage is small. Is suppressed. Therefore, a stable margin is ensured with respect to the breakdown voltage of the semiconductor switching element 3, so that a reliable breakdown voltage prevention effect can be obtained.
  • the semiconductor switching element 3 is used as a voltage absorbing element when an excessive voltage is applied, a reliable breakdown voltage preventing effect can be obtained only by adding the applied voltage suppressing circuit 15 without using a new voltage absorbing element. .
  • the applied voltage suppression circuit 15 is configured separately from the semiconductor switching element 3, there is no problem in the withstand voltage test of the semiconductor switching element 3.
  • the semiconductor switching element 3 is not limited to a transistor.
  • the power converter which has a semiconductor switching element demonstrated one Example in the high frequency inverter power supply (power converter) which drives the magnetron of a microwave oven
  • this application is a high frequency inverter power supply of an electromagnetic cooker
  • it can be applied to a means for preventing voltage breakdown of a semiconductor switching element used in an inverter drive circuit of a motor, and the semiconductor switching element is not limited to the illustrated transistor.
  • the power converter having the semiconductor switching element according to the present invention is also applied to the voltage destruction prevention means of the semiconductor switching element used in the high frequency inverter power source of the electromagnetic cooker or the inverter drive circuit of the motor. it can.

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Abstract

 半導体スイッチング素子の電圧破壊を防止する印加電圧抑制回路を確実に実装すると共に、その設定電圧を周辺回路のIC等を破壊することなく検査できる構成にする。半導体スイッチング素子3を有する電力変換器は、半導体スイッチング素子3、駆動回路13、制御回路等が実装された親基板とは分離した構成で、かつ電気的に接続される子基板16(別ユニット)に、半導体スイッチング素子3の印加電圧を抑制する印加電圧抑制回路15と、駆動回路13の構成部品で、欠如すると半導体スイッチング素子3がオフする少なくとも一つの部品とを移設して配置する。

Description

半導体スイッチング素子を有する電力変換器
 本発明は、半導体スイッチング素子を有する電力変換器に関するもので、特には半導体スイッチング素子の過電圧保護手段を提供するものである。
 近年、半導体技術の進歩により大電力を扱う電力変換器が比較的低価格で実用に供され得るようになり、電子レンジ等においては20k~50kHz程度の共振型高周波インバータ電源(電力変換器)を用いたものが実用化されている。このような半導体スイッチング素子を有する電力変換器において、半導体スイッチング素子の耐圧破壊防止を目的とする過電圧保護手段は、必須の構成である。
 図6は、従来のインバータ電源に示される半導体スイッチング素子の過電圧保護手段の一例を示す一部抜粋の回路構成図である(例えば、特許文献1参照)。
 図6において、インバータ電源30は、半導体スイッチング素子3の電圧耐量よりも低く設定した電圧耐量を持つ強制転流回路31を設けている。この設定電圧以上の過電圧が、半導体スイッチング素子3の端子間に発生した場合、半導体スイッチング素子3のベース(制御端子)にその情報(電圧信号)が帰還(入力)され、半導体スイッチング素子3をOFFからONに転流することで、過電圧を抑制するように構成されている。
 図示されたインバータ電源30は共振型のため、半導体スイッチング素子3はその端子間電圧(コレクタ電圧)が600Vから650V程度で動作するので、一般的に1000V耐圧の品種が選択される。したがって、強制転流回路31の設定電圧は、上記コレクタ電圧に過渡時のオーバーシュート等を考慮し、800Vから900V程度に設定される。
日本国特開平7-135076号公報
 しかしながら、前記従来の構成では、前記した強制転流回路31のツェナーダイオードが逆極性に実装された場合、わずかなコレクタ電圧であっても半導体スイッチング素子3を転流させて熱破壊させるという課題があるが、組立後にインサーキットテスター等の検査で除去可能である。
 しかし、強制転流回路31のツェナーダイオードは、その設定電圧を誤った高い電圧仕様の部品が実装されると、半導体スイッチング素子3には過電圧が印加されたにもかかわらず強制転流しないため、耐圧破壊するという課題がある。一方、低い電圧仕様の部品が実装されると、半導体スイッチング素子3は、断続的に常時強制転流するため、熱破壊するという課題がある。
 これは、前記した800Vから900V程度の高電圧をツェナーダイオードに印加することで、設定電圧を確認できるので、除去可能である。
 しかし、高電圧を印加するため、制御部32等の小信号を扱う回路のIC等を電圧破壊させてしまうという課題が新たに生じる。
 さらには、強制転流回路31が実装されない場合、半導体スイッチング素子3は過大電圧印加時に強制転流が成されずに破壊するという課題がある。
 また、強制転流回路31は有極性のため、接続極性が適正に定まる構成にしなければならない。
 本発明は、前記従来の課題を解決するもので、半導体スイッチング素子の電圧破壊を防止すると共に、印加電圧抑制回路は確実な実装がなされ、その設定電圧を周辺回路のIC等を破壊することなく検査可能な半導体スイッチング素子を有する電力変換器を提供することを目的とする。
 前記従来の課題を解決するために、本発明の半導体スイッチング素子を有する電力変換器は、半導体スイッチング素子の印加電圧(Vce)を検出し、印加電圧が所定電圧値以上の場合、両電圧差に基づく差信号を半導体スイッチング素子の制御端子に帰還して強制転流させ、印加電圧を所定電圧近傍に抑制する印加電圧抑制回路と、駆動回路の構成部品で、欠如すると半導体スイッチング素子がオフする少なくとも一つの部品と、を第2の基板(子基板)に、上記少なくとも一つの部品を除く駆動回路、半導体スイッチング素子等を第1の基板(親基板)に、それぞれ備えた独立構造でかつ電気的に接続して構成される。
 また、第2の基板の強制転流回路は有極性のため、第1の基板との接続も有極性の構成とする。
 上記において子基板はプリント基板に実装した形態に限定されるものでなく、第1の基板と分離した別ユニット構成であればよい。
 前記従来の課題を解決するために、本発明の半導体スイッチング素子を有する電力変換器は、半導体スイッチング素子と、前記半導体スイッチング素子の駆動回路と、電力制御回路と、前記半導体スイッチング素子の印加電圧を検出し印加電圧が所定電圧値以上の場合、両電圧差に基づく差信号を前記駆動回路に帰還して印加電圧を所定電圧近傍に抑制する印加電圧抑制回路と、前記半導体スイッチング素子、前記駆動回路、前記電力制御回路等が実装された第1の基板と、前記第1の基板とは分離した構成で、かつ電気的に接続される第2の基板と、を備え、前記印加電圧抑制回路は前記第2の基板に配設され、新たに設けられ、かつ欠如すると前記駆動回路は前記半導体スイッチング素子をオフするように接続される少なくとも一つの部品、あるいはそれと等価の接続手段を前記第2の基板に配設するものである。
 これによって、印加電圧抑制回路は、第1の基板と分離して検査できるため、電力制御部等の小信号を扱う回路のIC等を電圧破壊させること無く、またその極性、および電圧仕様を正確に検査でき、誤りは検出できる。
 また、印加電圧抑制回路の実装忘れは、印加電圧抑制回路と、新たに設けられ、かつ欠如すると駆動回路の動作は半導体スイッチング素子がオフするように接続される少なくとも一つの部品、あるいはそれと等価の接続手段と、を第2の基板に実装しているので、半導体スイッチング素子がオフして電力変換器の停止という形で検出される。
 本発明の半導体スイッチング素子を有する電力変換器は、印加電圧抑制回路のツェナーダイオードが、電力制御部、駆動回路、半導体スイッチング素子等を実装した第1の基板(親基板)と分離して検査できるため、電力制御部等の小信号を扱う回路のIC等を電圧破壊させること無く、また、その極性、および電圧仕様を正確に検査でき、誤りは検出できる。
 従って、印加電圧抑制回路と、半導体スイッチング素子とで構成される電圧破壊防止機能は、確実に動作する。
 また、印加電圧抑制回路の実装忘れは、半導体スイッチング素子の耐圧破壊を引き起こす危険性があるが、印加電圧抑制回路と、駆動回路の構成部品であって欠如すると半導体スイッチング素子がオフする少なくとも一つの部品(整合抵抗)とを第2の基板(子基板)に実装しているので、半導体スイッチング素子がオフして、電力変換器の停止という形で検出される。従って、スイッチング素子の耐圧破壊防止機能の欠如は、未然に防止される。
 また、印加電圧抑制回路のツェナーダイオードのブレークダウン電圧は、温度特性を有するが、印加電圧抑制回路は、半導体スイッチング素子に過電圧の情報を帰還する構成にしているため、自己発熱によるブレークダウン電圧の変動は少ない。
 従って、半導体スイッチング素子の印加電圧は公称ツェナー電圧近傍で抑制され、その耐圧に対し安定したマージンが確保されるため、確実な耐圧破壊防止効果が得られる。
 また、第1の基板と第2の基板とは有極性の接続構造のため、印加電圧抑制回路の接続も誤ることなく正しく成され、目的とする過大電圧抑制効果が得られる。当然のことながら、印加電圧抑制回路を半導体スイッチング素子に内蔵していないため、半導体スイッチング素子の耐圧検査に支障をきたさない。
本発明の実施の形態1による半導体スイッチング素子を有する電力変換器の一部抜粋の回路構成図 本発明の実施の形態1による半導体スイッチング素子を有する電力変換器の各部波形図 本発明の実施の形態1による半導体スイッチング素子を有する電力変換器の一部抜粋の構造図 本発明の実施の形態2による半導体スイッチング素子を有する電力変換器の一部抜粋の回路構成図 本発明の実施の形態2による半導体スイッチング素子を有する電力変換器の一部抜粋の構造図 従来の半導体スイッチング素子を有する電力変換器の一部抜粋の回路構成図
 第1の発明は、半導体スイッチング素子と、半導体スイッチング素子の駆動回路と、電力制御回路と、半導体スイッチング素子の印加電圧を検出し、印加電圧が所定電圧値以上の場合、両電圧差に基づく差信号を駆動回路に帰還して印加電圧を所定電圧近傍に抑制する印加電圧抑制回路と、を備え、第1の基板には、半導体スイッチング素子、駆動回路、制御回路等が実装され、第2の基板は、印加電圧抑制回路が配設され、第1の基板とは分離されかつ電気的に接続されており、第2の基板には、駆動回路の構成部品で、欠如すると半導体スイッチング素子がオフする少なくとも一つの部品を設けた半導体スイッチング素子を有することにより、印加電圧抑制回路の設定電圧は子基板の状態で検査できるようになり、この検査に伴う電力制御回路等の小信号を扱う回路のIC等の電圧破壊を防止することができる。
 また、駆動回路の構成部品で、欠如すると半導体スイッチング素子がオフする少なくとも一つの部品を子基板に移設することにより、印加電圧抑制回路を備えた子基板の実装忘れは、半導体スイッチング素子がオフして電力変換器の停止という形で検出されるようになり、スイッチング素子の耐圧破壊防止機能の欠如は、未然に防止することができる。
 また、子基板と親基板との接続は有極性構造とすることにより、印加電圧抑制回路の接続は誤ることなく正しく成されるようになり、目的とする過大電圧抑制効果を得ることができる。
 第2の発明は、半導体スイッチング素子と、半導体スイッチング素子の駆動回路と、電力制御回路と、半導体スイッチング素子の印加電圧を検出し、印加電圧が所定電圧値以上の場合、両電圧差に基づく差信号を駆動回路に帰還して印加電圧を所定電圧近傍に抑制する印加電圧抑制回路と、半導体スイッチング素子、駆動回路及び電力制御回路が実装された第1の基板と、第1の基板とは分離した構成で、かつ電気的に接続される第2の基板と、を備え、印加電圧抑制回路は第2の基板に配設され、新たに設けられかつ欠如すると駆動回路は半導体スイッチング素子をオフするように接続される少なくとも一つの部品と等価の接続手段を第2の基板に配設することにより、印加電圧抑制回路の設定電圧は第2の基板の状態で検査できるようになり、この検査に伴う電力制御回路等の小信号を扱う回路のIC等の電圧破壊を防止することができる。
 また、新たに設けられ、かつ欠如すると駆動回路の動作は半導体スイッチング素子がオフするように接続される少なくとも一つの部品と等価の接続手段を子基板に配設することにより、印加電圧抑制回路を備えた第2の基板の実装忘れは、半導体スイッチング素子がオフして電力変換器の停止という形で検出されるようになり、半導体スイッチング素子の耐圧破壊防止機能の欠如は未然に防止することができる。
 以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
(実施の形態1)
 図1は本発明の実施の形態1による半導体スイッチング素子を有する電力変換器の一部抜粋の回路構成図である。
 商用電源1を整流・平滑回路2で直流電源に変換された直流電圧Vdcは、半導体スイッチング素子3の高周波スイッチング動作で、高周波電源に変換される。この高周波電源は、共振コンデンサ4を並列接続された高圧(昇圧)トランス5の一次側に入力される。この昇圧された二次側出力は、高圧整流回路6により、マグネトロン7を付勢する直流高圧電源に変換される。
 電力制御回路8は、商用電源1からの入力電流をカレントトランス9で検出された入力電流情報10と基準信号11とを比較して、両者が略一致するべく、パルス信号12を変化させて駆動回路13に入力する。駆動回路13は、このパルス信号12をインピーダンス変換し、整合抵抗14を介して、半導体スイッチング素子3の制御端子に入力する。整合抵抗14は、駆動回路13が過負荷とならないように、半導体スイッチング素子3の制御端子への出力電流を制限する役割を有している。
 印加電圧抑制回路15は、半導体スイッチング素子3の印加電圧(Vce)を監視し、何らかの原因で所定電圧(設定電圧)値以上に上昇した時、当該所定電圧(設定電圧)と印加電圧(Vce)との差信号(電流信号)を半導体スイッチング素子3の制御端子に帰還して強制転流させる。これにより、印加電圧抑制回路15は、当該半導体スイッチング素子3の印加電圧(Vce)を所定の設定電圧の近傍に抑制することができる。
 図2は、印加電圧抑制回路15が動作して、半導体スイッチング素子3を強制転流させ、当該半導体スイッチング素子3の印加電圧(Vce)が、所定電圧(設定電圧)値の近傍に抑制された場合の各部波形図である。正常動作時の半導体スイッチング素子3は、駆動回路13の信号に従い、図2のような共振波形で、かつ印加電圧抑制回路15の設定電圧以下でON動作又はOFF動作を切り換えるように動作する。この共振波形の発生電圧は、直前のON動作の時間幅等で決定される。
 しかし、何らかの要因、例えば雷サージ印加等で設定電圧値以上に上昇した期間、図では時刻t1~t2の期間では、図2のように、印加電圧抑制回路15は、印加電圧(Vce)と設定電圧値との差信号(電流信号)を、半導体スイッチング素子3の制御端子に帰還することで、この期間のみ転流して点線のように上昇しようとする印加電圧(Vce)を、実線で示されるように抑制する。
 図3は、本発明の実施の形態1による半導体スイッチング素子3を有する電力変換器の一部抜粋の構造図である。図3のように、印加電圧抑制回路15と、駆動回路13の整合抵抗14を移設して配設した子基板16(第2の基板)は、半導体スイッチング素子3、電力制御回路8、駆動回路13、高圧トランス5等を搭載した親基板17(第1の基板)と別構成であるが、接続部a,b,cを介してそれぞれ電気的に接続される。
 図1にも同一符号で示されるが、接続部a,b,cは、基板対基板の接続用コネクタ等でよい。また、接続部a,b,cの各接続端子間を不等ピッチ等にすることで、子基板16と親基板17との接続方向は適正に定まり、有極性の印加電圧抑制回路15と半導体スイッチング素子3との接続極性は、正しく成される。
 ここで、印加電圧抑制回路15を配設した子基板16の親基板17への実装(電気的接続)を忘れた場合の高周波インバータ電源の振舞いについて説明する。
 当然であるが、強制転流の動作による半導体スイッチング素子3の過電圧抑制機能は成されない。
 しかし、駆動回路13と半導体スイッチング素子3との間に介在するべき整合抵抗14が、子基板16に移設されているため接続されず、半導体スイッチング素子3はオフ状態を維持する。このため、半導体スイッチング素子3の印加電圧(Vce)は整流・平滑回路2で直流電源に変換された直流電圧Vdc以上にならない。
 このように、欠如すると半導体スイッチング素子3がオフする駆動回路13の少なくとも一つの部品を子基板16に移設することで、子基板16の親基板17への装着が確実に成された場合のみ、高周波インバータ電源は動作するように構成され、印加電圧抑制回路15の接続忘れによる半導体スイッチング素子3の耐圧破壊は未然に防止することができる。この欠如すると半導体スイッチング素子3がオフする駆動回路13の少なくとも一つの部品とは、具体的には、整合抵抗14である。
 また、印加電圧抑制回路15は、例えば微小な直流電圧を印加して電流が流れるか否かでその極性を、また電流パルスを印加し、その制限電圧を計測することでその電圧仕様をそれぞれ検査できる。これら検査は、子基板16単独で実施できるため、電力制御回路8等の小信号回路に用いられるIC等を破壊することはない。また、この検査は、子基板16単独のため正確に行え、異常時等の半導体スイッチング素子3の過電圧破壊防止を十分担保できる。
 また、印加電圧抑制回路15は、半導体スイッチング素子3に過電圧の情報を帰還する構成にしているため、自己発熱は少なく、ブレークダウン電圧の温度特性の影響も少ないため、公称ツェナー電圧近傍で過大電圧は抑制される。従って、半導体スイッチング素子3の耐圧に対し安定したマージンが確保されるため、確実な耐圧破壊防止効果が得られる。
 また、半導体スイッチング素子3を、過大電圧印加時の電圧吸収素子に用いる構成のため、新たな電圧吸収素子を用いることなく、印加電圧抑制回路15の追加のみで確実な耐圧破壊防止効果が得られる。
 さらには、印加電圧抑制回路15は半導体スイッチング素子3と別構成のため、半導体スイッチング素子3の耐圧検査に支障は生じない。
(実施の形態2)
 図4は本発明の実施の形態2による高周波インバータ電源の一部抜粋の回路構成図、図5は、本発明の実施の形態2による高周波インバータ電源の一部抜粋の構造図である。
 同図において、商用電源1を整流・平滑回路2で直流電源に変換された直流電圧Vdcは、半導体スイッチング素子3の高周波スイッチング動作で高周波電源に変換される。この高周波電源は、共振コンデンサ4を並列接続された高圧(昇圧)トランス5の一次側に入力される。この昇圧された二次側出力は、高圧整流回路6により、マグネトロン7を付勢する直流高圧電源に変換される。
 電力制御回路8は、商用電源1からの入力電流をカレントトランス9で検出された入力電流情報10と基準信号11とを比較して、両者が略一致するべく、パルス信号12を変化させて、駆動回路13に入力する。駆動回路13は、このパルス信号12をインピーダンス変換し、整合抵抗14を介して、半導体スイッチング素子3の制御端子に入力する。
 整合抵抗14は、駆動回路13が過負荷とならないように、半導体スイッチング素子3の制御端子への出力電流を制限する役割を有している。印加電圧抑制回路15は、半導体スイッチング素子3の印加電圧(Vce)を監視し、何らかの原因で所定電圧(設定電圧)値以上に上昇した時、当該所定電圧(設定電圧)と印加電圧(Vce)との差信号(電流信号)を半導体スイッチング素子3の制御端子に帰還して強制転流させる。これにより、印加電圧抑制回路15は、当該半導体スイッチング素子3の印加電圧(Vce)を所定の設定電圧の近傍に抑制することができる。
 正常動作時の半導体スイッチング素子3は、駆動回路13の信号に従い、図2のような共振波形で、かつ印加電圧抑制回路15の設定電圧以下でON動作又はOFF動作を切り換える。この共振波形の発生電圧は、直前のON動作の時間幅等で決定される。
 しかし何らかの要因で、例えば雷サージ印加等で設定電圧以上に上昇した期間、図2における時刻t1~t2の期間は、図2に示すように、印加電圧抑制回路15は、印加電圧(Vce)と設定電圧値との差信号(電流信号)を、半導体スイッチング素子3の制御端子に帰還し、この期間のみ転流して点線のように上昇しようとする印加電圧(Vce)を実線で示されるように抑制する。
 図3に示すように、印加電圧抑制回路15と、駆動回路13の整合抵抗14を移設して配設した子基板16(第2の基板)は、半導体スイッチング素子3、電力制御回路8、駆動回路13、高圧トランス5等を搭載した親基板17(第1の基板)と別構成であるが、接続部a,b,cを介してそれぞれ電気的に接続される。また、直流電源18は、子基板16に設けられた接続手段19を介して、駆動回路13に電気的に接続される。
 この接続部d,e、および上記接続部a,b,cは、図4にも同一符号で示されるが、基板対基板の接続用コネクタ等でよい。また、接続部a,b,c,d,eの各接続端子間を不等ピッチ等にすることで、子基板16と親基板17との接続方向は適正に定まり、有極性の印加電圧抑制回路15と半導体スイッチング素子3との接続極性は、正しく成される。
 ここで、印加電圧抑制回路15を配設した子基板16の親基板17への実装(電気的接続)を忘れた場合の高周波インバータ電源の振舞いについて説明する。
 当然であるが、強制転流の動作による半導体スイッチング素子3の過電圧抑制機能は成されない。
 しかし、駆動回路13に接続されるべき直流電源18は、子基板16が実装されないため接続手段19を失い、接続部d,e間で電気的に遮断される。したがって、駆動回路13は、半導体スイッチング素子3の制御端子にON(:Hi(=High))の信号を出力できず、半導体スイッチング素子3のOFF状態を維持するため、印加電圧は整流・平滑回路2で直流電源に変換された直流電圧Vdc以上にならない。
 このように、新たに設けられ、かつ欠如すると駆動回路13の動作は半導体スイッチング素子3がオフするように接続される接続手段19を子基板16に配設することにより、子基板16の親基板17への装着が確実に成された場合のみ、高周波インバータ電源は動作するように構成され、印加電圧抑制回路15の接続忘れによる半導体スイッチング素子3の耐圧破壊は未然に防止することができる。
 また、直流電源18と駆動回路13との間が子基板16を介して接続される。この新たに設けられた接続手段19は、銅箔パターン、あるいはジャンパー線等であっても良い。
 また、印加電圧抑制回路15は、例えば微小な直流電圧を印加して電流が流れるか否かでその極性を、また電流パルスを印加し、その制限電圧を計測することでその電圧仕様を、それぞれ検査できる。
 これらの検査は、子基板16単独で実施できるため、電力制御回路8等の小信号回路に用いられるIC等を破壊することはない。また、この検査は子基板16単独のため正確に行え、異常時等の半導体スイッチング素子3の過電圧破壊防止を十分担保できる。
 また、印加電圧抑制回路15は、半導体スイッチング素子3に過電圧の情報を帰還する構成にしているため、自己発熱は少なく、ブレークダウン電圧の温度特性の影響も少ないので、公称ツェナー電圧近傍で過大電圧は抑制される。従って、半導体スイッチング素子3の耐圧に対し、安定したマージンが確保されるため、確実な耐圧破壊防止効果が得られる。
 また、半導体スイッチング素子3を、過大電圧印加時の電圧吸収素子に用いる構成のため、新たな電圧吸収素子を用いることなく、印加電圧抑制回路15の追加のみで確実な耐圧破壊防止効果が得られる。
 さらには、印加電圧抑制回路15は、半導体スイッチング素子3と別構成のため、半導体スイッチング素子3の耐圧検査に支障は生じない。
 なお、本実施の形態では、半導体スイッチング素子としてトランジスタの場合について説明したが、半導体スイッチング素子3はトランジスタに限定されるものではない。
 以上、図面を参照しながら各種の実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
 なお、本出願は、2009年12月24日出願の日本特許出願(特願2009-291724及び特願2009-291725)に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
 以上のように、半導体スイッチング素子を有する電力変換器は、電子レンジのマグネトロンを駆動する高周波インバータ電源(電力変換器)における一実施例を説明したが、本願は、電磁調理器の高周波インバータ電源、あるいはモータのインバータ駆動回路等に用いられている半導体スイッチング素子の電圧破壊防止手段にも応用でき、半導体スイッチング素子も図示したトランジスタに限定されるものではない。
 以上のように、本発明にかかる半導体スイッチング素子を有する電力変換器は、電磁調理器の高周波インバータ電源、あるいはモータのインバータ駆動回路等に用いられている半導体スイッチング素子の電圧破壊防止手段にも応用できる。
3半導体スイッチング素子
8電力制御回路
13駆動回路
14整合抵抗
15印加電圧抑制回路
16子基板(第2の基板) 
17親基板(第1の基板)
18直流電源
19接続手段

Claims (2)

  1.  半導体スイッチング素子と、前記半導体スイッチング素子の駆動回路と、制御回路と、前記半導体スイッチング素子の印加電圧を検出し、印加電圧が所定電圧以上の場合、両電圧差に基づく差信号を前記駆動回路に帰還して印加電圧を所定電圧近傍に抑制する印加電圧抑制回路と、を備え、
     第1の基板には、前記半導体スイッチング素子、前記駆動回路、前記制御回路等が実装され、第2の基板は、前記印加電圧抑制回路が配設され、前記第1の基板とは分離されかつ電気的に接続されており、
     前記第2の基板には、前記駆動回路の構成部品で、欠如すると半導体スイッチング素子がオフする少なくとも一つの部品を設けた半導体スイッチング素子を有する電力変換器。
  2.  半導体スイッチング素子と、前記半導体スイッチング素子の駆動回路と、電力制御回路と、前記半導体スイッチング素子の印加電圧を検出し印加電圧が所定電圧値以上の場合、両電圧差に基づく差信号を前記駆動回路に帰還して印加電圧を所定電圧近傍に抑制する印加電圧抑制回路と、前記半導体スイッチング素子、前記駆動回路、前記電力制御回路等が実装された第1の基板と、前記第1の基板とは分離した構成で、かつ電気的に接続される第2の基板と、を備え、
     前記印加電圧抑制回路は前記第2の基板に配設され、新たに設けられ、かつ欠如すると前記駆動回路は前記半導体スイッチング素子をオフするように接続される少なくとも一つの部品と等価の接続手段を前記第2の基板に配設した半導体スイッチング素子を有する電力変換器。
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