特開 2023-10163 過電圧保護回路および過電圧保護回路を備えるモジュール

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023010163

(43)【公開日】2023-01-20

(54)【発明の名称】過電圧保護回路および過電圧保護回路を備えるモジュール

(51)【国際特許分類】

   H03K 17/08 20060101AFI20230113BHJP

   H02M 1/00 20070101ALI20230113BHJP

   H02M 1/08 20060101ALI20230113BHJP

【ＦＩ】

H03K17/08 B

H02M1/00 E

H02M1/08 341B

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021114096

(22)【出願日】2021-07-09

(71)【出願人】

【識別番号】000005108

【氏名又は名称】株式会社日立製作所

(74)【代理人】

【識別番号】110000062

【氏名又は名称】特許業務法人第一国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】河野 恭彦

【テーマコード（参考）】

5H740

5J055

【Ｆターム（参考）】

5H740BA11

5H740BB02

5H740BB04

5H740BB07

5H740BB08

5H740BC01

5H740BC02

5H740HH01

5H740JA01

5H740JB01

5H740MM02

5H740NN17

5J055AX32

5J055BX16

5J055CX20

5J055DX09

5J055DX61

5J055EY13

5J055EZ62

5J055GX01

5J055GX02

5J055GX04

(57)【要約】

【課題】マルチゲート半導体素子の過電圧保護回路を提供する。
【解決手段】一対の主端子対を備え当該主端子対に流れる電流を制御する複数の制御端子を並列に接続したマルチゲート半導体素子に接続される過電圧保護回路として、複数の第１のダイオードを同方向に直列接続したダイオード群を１つまたは複数の制御端子それぞれに対応した複数分備え、当該１つのダイオード群のカソード端子または当該複数分のダイオード群のカソード端子それぞれが、主端子対の高圧側端子に接続され、複数の制御端子それぞれに対応した複数分の第２のダイオードを備え、当該第２のダイオードのカソード端子それぞれが、複数の制御端子それぞれに接続され、当該第２のダイオードのアノード端子それぞれが、１つのダイオード群のアノード端子に共通して接続されるかまたは複数分のダイオード群のアノード端子それぞれに接続される構成を有する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

一対の主端子対を備え当該主端子対に流れる電流を制御する複数の制御端子を並列に接続したマルチゲート半導体素子に接続される過電圧保護回路であって、
複数の第１のダイオードを同方向に直列接続したダイオード群を１つまたは前記複数の制御端子それぞれに対応した複数分備え、当該１つのダイオード群のカソード端子または当該複数分のダイオード群のカソード端子それぞれが、前記主端子対の高圧側端子に接続され、
前記複数の制御端子それぞれに対応した複数分の第２のダイオードを備え、当該第２のダイオードのカソード端子それぞれが、前記複数の制御端子それぞれに接続され、当該第２のダイオードのアノード端子それぞれが、前記１つのダイオード群のアノード端子に共通して接続されるかまたは前記複数分のダイオード群のアノード端子それぞれに接続される
構成を有する過電圧保護回路。

【請求項2】

請求項１に記載の過電圧保護回路であって、
前記ダイオード群を前記複数分備える場合に、当該ダイオード群それぞれは前記複数個の第１のダイオードの直列数が異なる
ことを特徴とする過電圧保護回路。

【請求項3】

請求項２に記載の過電圧保護回路であって、
前記複数の第１のダイオードの直列数が多い方の前記ダイオード群が、前記第２のダイオードを介して前記マルチゲート半導体素子の閾値の高い方の制御端子に接続される
ことを特徴とする過電圧保護回路。

【請求項4】

請求項１に記載の過電圧保護回路であって、
前記複数分の第２のダイオードそれぞれの直列数が異なり、前記マルチゲート半導体素子の閾値の低い方の制御素子に接続される前記第２のダイオードの直列数を多くする
ことを特徴とする過電圧保護回路。

【請求項5】

請求項１から４のいずれか１項に記載の過電圧保護回路であって、
前記第１のダイオードは、クランプダイオードであり、
前記第２のダイオードは、逆阻止ダイオードである
ことを特徴とする過電圧保護回路。

【請求項6】

請求項１から５のいずれか１項に記載の過電圧保護回路であって、
前記複数の制御端子それぞれの電圧を検知するクランプ検知回路を備え、
前記クランプ検知回路は、前記複数の制御端子の内の一つの制御端子がオン状態からオフ状態に反転後、所定時間以内に、前記一つの制御端子とは別の制御端子のオフ状態がオン状態に転じたことを検知し、上位のコントローラに伝達する
ことを特徴とする過電圧保護回路。

【請求項7】

請求項１から５のいずれか１項に記載の過電圧保護回路を実装した第１の基板が複数の前記マルチゲート半導体素子を１つのパッケージに収納したモジュールに搭載され、前記複数のマルチゲート半導体素子それぞれに対する駆動信号を出力するゲートドライバを実装した第２の基板が前記モジュール外に配置され、前記第１の基板と前記第２の基板とが配線で接続される
構成を有する過電圧保護回路を備えるモジュール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、過電圧保護回路および過電圧保護回路を備えるモジュールに関し、電力変換装置で使用する複数のゲートを有するマルチゲート半導体素子の保護技術として好適である。

【背景技術】

【0002】

近年、パワーエレクトロニクス機器には、高電圧・大電流の制御が可能なパワーデバイスと呼ばれる半導体素子が使われている。特に、高電圧の電力変換器には、主にＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ：Ｉｎｓｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）と呼ばれるパワーデバイスが使われている。

【0003】

ＩＧＢＴは、高速にスイッチングが可能であるＭＯＳゲートデバイスの特性と、導通抵抗が小さいと言うバイポーラデバイスの特長を併せ持つ半導体素子で、直流電圧１．２ｋＶ以上の用途では主流となっている。

【0004】

電力変換器に使われているＩＧＢＴは、モータ等の負荷に供給する電流をスイッチングする（オン・オフする）ことで、負荷に供給する電力を制御する。負荷に大きな電力を供給する場合には、大電流をスイッチングする必要がある。特に、大電流を遮断する際には、急激な電流の減少により電力変換回路の配線に存在する寄生インダクタンスに蓄積されたエネルギーによって、過電圧（サージ電圧）が発生する。このサージ電圧が、ＩＧＢＴのコレクタ・エミッタ間に印加されＩＧＢＴを破壊する場合がある。この防止策としては、コレクタ電圧の増加を抑制するコレクタクランプ回路が知られている。

【0005】

図９は、従来技術として、コレクタクランプ回路を搭載したＩＧＢＴの回路構成を示す図である。
図９において、ＩＧＢＴモジュール５０１は、ＩＧＢＴ５０２とフリーホイールダイオード５０３とから構成され、端子として、一対の主端子対に対応するコレクタ５０４およびエミッタ５０６と、制御端子に対応するゲート５０５とを有する。

【0006】

また、コレクタ５０４とゲート５０５との間に、複数のクランプダイオード５０７と逆阻止ダイオード５０８との直列回路であるコレクタクランプ回路は接続され、ゲート５０５にはゲートドライバ５０９からゲート信号が入力される。ここで、複数のクランプダイオード５０７と逆阻止ダイオード５０８との直列回路は、互いに自らのアノードを接続してコレクタクランプ回路を形成している。

【0007】

次に、動作態様を説明する。
図９では、図示しない負荷に供給される電流は、コレクタ５０４とエミッタ５０６トの間を流れる。この電流は、ゲート５０５に印加する電圧で制御される。具体的には、ゲート５０５に、素子をオンさせるために必要な閾値電圧以上の電圧、例えば＋１５Ｖが印加されると電流が流れ、ゲート５０５に、この閾値電圧以下の電圧、例えば－１５Ｖが印加されると電流が遮断される。

【0008】

大電流を負荷に供給している状態からこの電流を遮断する場合、ゲートドライバ５０９によりゲート５０５に印加されている電圧を＋１５Ｖから－１５Ｖに低下させる。ゲート５０５の電圧が上述した閾値電圧より低くなると、ＩＧＢＴの電流が遮断される。図示しないが、ＩＧＢＴにつながる配線に存在する寄生インダクタンスに蓄積されたエネルギーにより、ＩＧＢＴのコレクタに過電圧が発生する。この過電圧がクランプダイオード５０７の降伏電圧を超えると、コレクタ端子からゲート端子に電流が流れる。この電流がＩＧＢＴのゲート・エミッタ間容量、すなわち入力容量を充電することで、ゲート５０５の電圧が閾値以上に再び増加する。ゲート５０５の電圧が閾値電圧を超えると、ＩＧＢＴに再度電流が流れ始め、急峻な電流の低下を抑制することでコレクタ電圧の増加を抑制することにより、過電圧によるＩＧＢＴの破壊を防止する。
上述した技術は、従来からＩＧＢＴでは広く使われている公知の技術である。

【0009】

また近年、ＩＧＢＴの損失を低減する様々な技術が開発されている。
例えば、特許文献１には、複数のゲート電極を設けそれらに所定のシーケンスで電圧を印加することによりＩＧＢＴのスイッチング損失を低減する技術が開示されている。これらの素子は、複数のゲートを有することからマルチゲート半導体素子とも呼ばれている。マルチゲート半導体素子は、従来のＩＧＢＴでは達成できなかった低損失化を実現できることから、実用化に向けた開発が盛んに行われている。

【0010】

図１０は、マルチゲートＩＧＢＴの回路例を示す図である。
図１０において、マルチゲートＩＧＢＴは、コレクタ１１１とエミッタ１１２との間に、第一のフリーホイールダイオード１０２を有する第一のＩＧＢＴ１０１と、第二のフリーホイールダイオード１０４を有する第二のＩＧＢＴ１０３との並列回路が接続された構成を呈する。ゲートドライバユニット１１３を構成する、第一のゲートドライバ回路１０５および第二のゲートドライバ回路１０６から、第一のＩＧＢＴ１０１のゲートおよび第二のＩＧＢＴ１０３のゲートにゲート信号が入力される。

【0011】

次に、マルチゲートＩＧＢＴの動作態様を説明する。
図１１は、マルチゲートＩＧＢＴの動作時の各部の電圧・電流波形を示す図である。
時刻ｔ１において、図示しない上位のコントローラから、第一のゲートドライバ回路１０５および第二のゲートドライバ回路１０６にオンの指令が来ると、双方のゲートドライバ回路１０５および１０６は、ローからハイに信号が反転する。その結果として、第一のゲートドライバ回路１０５および第二のゲートドライバ回路１０６の出力電圧が増加する。

【0012】

各々の出力電圧がＩＧＢＴをオンする閾値電圧を超えると、第一のＩＧＢＴ１０５および第二のＩＧＢＴ１０６は、共にオンして電流が流れ始める。同時に、コレクタ１１１の電圧は下がり始め、数Ｖまで低下する。

【0013】

時刻ｔ２になると、時刻ｔ３で電流を遮断する準備として、第二のＩＧＢＴ１０６のゲートをオフする。

【0014】

次に、本来電流を遮断したい時刻ｔ３において、第一のゲートドライバ回路１０５の入力をオフして第一のゲートドライバ回路１０５の出力をオフさせ、電流を遮断する。この際、電流を短時間で遮断するため、急激な負の電流変化が発生する。コレクタ１１１に接続された配線にある寄生インダクタンスに蓄積されたエネルギーにより、コレクタ１１１に過電圧が発生し、図１１に示すように、コレクタ１１１の電圧にスパイク状の過電圧が発生する。

【0015】

このように、マルチゲートＩＧＢＴは、時間差をつけて複数のゲートを制御する素子である。以上の例では、第二のＩＧＢＴ１０６が時刻ｔ２で遮断されてから第一のＩＧＢＴ１０５が遮断される時刻ｔ３までの期間に、ＩＧＢＴ内部に蓄積された過剰電荷を排出して、時刻ｔ３での電流遮断時の損失を低減する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0016】

【特許文献1】特開２０１９－１６１７２０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0017】

マルチゲートＩＧＢＴでも、上述したように、電流遮断時にはスパイク電圧が発生し、遮断する電流や配線の寄生インダクタンスが大きい場合には、スパイク電圧が増大し、ＩＧＢＴの定格電圧を超過するとなると過電圧でＩＧＢＴが破壊する。

【0018】

この事態を防止するためには、上述したコレクタクランプ回路を、マルチゲートＩＧＢＴに適用する方法が考えられる。しかし、このコレクタクランプ回路は、電流を遮断するゲートとコレクタとの間にクランプダイオードを接続する手段である。図１０に示す構成では、第二のゲートドライバ回路１０６はすでにオフしているために、コレクタクランプ回路は、第一のゲートドライバ回路１０５とコレクタ１１１との間に接続することとなる。

【0019】

しかし、マルチゲートＩＧＢＴに対して第一のゲートドライバ回路１０５にだけコレクタクランプ回路を取り付けると、電流遮断時の破壊耐量が低下するという問題がある。
上述したように、コレクタクランプ回路は、電流遮断時に再度ゲートをオンさせて電流の遮断速度を落とし過電圧を抑制する技術であるが、高い電圧が掛かった状態でゆっくりと電流を遮断するために大きな損失が発生する。

【0020】

マルチゲートＩＧＢＴでは、複数のゲートが時間差を持って順次遮断される。このため、コレクタクランプ回路を最後に遮断されるゲートにだけ接続すれば、コレクタ電圧を抑制する機能は実現できる。しかし、クランプ時に発生する大きな損失をクランプ動作している一部の素子でのみ負担することとなるため、従来のシングルゲートＩＧＢＴにコレクタクランプ回路を適用した場合よりも破壊耐量が落ちるという問題が明らかとなった。

【0021】

そこで、本発明は、上述した課題を解決するものであり、マルチゲート半導体素子にコレクタクランプ回路を適用する技術を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0022】

上述した課題を解決するために、代表的な本発明の過電圧保護回路の一つは、一対の主端子対を備え当該主端子対に流れる電流を制御する複数の制御端子を並列に接続したマルチゲート半導体素子に接続される過電圧保護回路であって、複数の第１のダイオードを同方向に直列接続したダイオード群を１つまたは複数の制御端子それぞれに対応した複数分備え、当該１つのダイオード群のカソード端子または当該複数分のダイオード群のカソード端子それぞれが、主端子対の高圧側端子に接続され、複数の制御端子それぞれに対応した複数分の第２のダイオードを備え、当該第２のダイオードのカソード端子それぞれが、複数の制御端子それぞれに接続され、当該第２のダイオードのアノード端子それぞれが、１つのダイオード群のアノード端子に共通して接続されるかまたは複数分のダイオード群のアノード端子それぞれに接続される構成を有するものである。

【発明の効果】

【0023】

本発明によれば、マルチゲートＩＧＢＴにコレクタクランプ回路を設ける際に、マルチゲートＩＧＢＴ特有の問題である破壊耐量の低下を防止でき、過電圧保護を可能とすることで、システムの信頼性を向上させることができる。
また、コレクタクランプによる過電圧保護が可能となると、電流を増やすことができるために、システムの高出力化を図ることもできる。
更に、配線の寄生インダクタンスが増えても過電圧保護が可能となるため、配線の長さを長くするなどしてレイアウトの自由道が高まり、装置の設計の容易化を図ることができる。
上述した以外の課題、構成および効果は、以下の実施をするための形態における説明により明らかにされる。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】本発明の過電圧保護回路の実施例１に係るコレクタクランプ回路の構成を示す図である。

【図2】本発明の過電圧保護回路の実施例２に係るコレクタクランプ回路の構成を示す図である。

【図3】本発明の過電圧保護回路の実施例３に係るコレクタクランプ回路の構成を示す図である。

【図4】本発明の過電圧保護回路の実施例４に係るコレクタクランプ回路の構成を示す図である。

【図5】本発明の過電圧保護回路の実施例５として、コレクタクランプ回路およびゲートドライバユニットの２ｉｎ１モジュールへの実装を示す図である。

【図6】実施例５の実装時の接続態様を示す図である。

【図7】本発明の過電圧保護回路の実施例６に係る回路構成を示す図である。

【図8】実施例６による動作態様を示す図である。

【図9】従来技術として、コレクタクランプ回路を搭載したＩＧＢＴの回路構成を示す図である。

【図10】マルチゲートＩＧＢＴの回路例を示す図である。

【図11】マルチゲートＩＧＢＴの動作時の各部の電圧・電流波形を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0025】

以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態として実施例１から６について説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一部分には同一の符号を付して示している。

【実施例0026】

図１は、本発明の過電圧保護回路の実施例１に係るコレクタクランプ回路の構成を示す図である。
図１において、マルチゲートＩＧＢＴは、第一のフリーホイールダイオード１０２を有する第一のＩＧＢＴ１０１と、第二のフリーホイールダイオード１０４を有する第二のＩＧＢＴ１０３とから構成される。

【0027】

第一のＩＧＢＴ１０１に対して、第一のゲートドライバ回路１０５がゲートに接続され、ゲートとコレクタ１１１との間に第一のコレクタクランプダイオード１０７と第一の逆阻止ダイオード１０９との直列回路が接続される。具体的には、第一のコレクタクランプダイオード１０７のカソードが第一のＩＧＢＴ１０１のコレクタ１１１に接続され、第一の逆阻止ダイオード１０９のカソードが第一のＩＧＢＴ１０１のゲートに接続される。

【0028】

同様に、第二のＩＧＢＴ１０３に対して、第二のゲートドライバ回路１０６がゲートに接続され、ゲートとコレクタ１１１との間に第二のコレクタクランプダイオード１０８と第二の逆阻止ダイオード１１０との直列回路が接続される。具体的には、第二のコレクタクランプダイオード１０８のカソードが第二のＩＧＢＴ１０３のコレクタ１１１に接続され、第二の逆阻止ダイオード１１０のカソードが第二のＩＧＢＴ１０３のゲートに接続される。

【0029】

また、第一のゲートドライバ回路１０５と第二のゲートドライバ回路１０６とにより、ゲートドライバユニット１１３を構成する。

【0030】

実施例１の特徴は、マルチゲートＩＧＢＴの複数のゲート各々に対して、コレクタクランプダイオードを個別に設けた点にある。

【0031】

上述したように、マルチゲートＩＧＢＴでは、実際に電流を遮断するゲートにだけコレクタクランプ回路を設けると、破壊耐量が低下する問題があった。これに対して、実施例１のように、マルチゲートの全てのゲートに対してそれぞれコレクタクランプ回路を設け、オフしているＩＧＢＴにも電流を流すことにより、過電圧印加時のエネルギーを全てのＩＧＢＴで分担することが可能となる。これにより、破壊耐量の低下を防止できる。

【0032】

なお、図１では、クランプダイオード１０７および１０８が３直列のツェナーダイオードの場合を図示したが、このツェナーダイオードの段数は、適用するダイオードの種類とＩＧＢＴの耐圧に合わせて適宜に変更することが可能である。例えば、ダイオードがショットキーダイオードの場合には、ダイオードの降伏電圧が低くなるのでダイオードの直列数を増やす必要がある。一方、ＩＧＢＴの耐圧が低い場合には、この段数を減らすこととなる。

【実施例0033】

図２は、本発明の過電圧保護回路の実施例２に係るコレクタクランプ回路の構成を示す図である。
実施例２では、図２に示すように、第二のコレクタクランプダイオード１０８ａが、実施例１の第二のコレクタクランプダイオード１０８と比較してダイオード直列の段数を変え、第一のコレクタクランプダイオード１０７の直列の段数と異ならせている点が、実施例１と異なる。図２では、第二のＩＧＢＴが閾値の高い方と想定して、第二のコレクタクランプダイオード１０８ａのダイオード直列の段数を多くしている。

【0034】

また、コレクタクランプダイオードの直列の段数に替えて、第一または第二の逆阻止ダイオードの直列の段数を異ならせてもよい。

【0035】

実施例２の特徴は、直列の段数の異なるコレクタクランプダイオードまたは逆阻止ダイオードを複数のＩＧＢＴに各々接続した点にある。これらのダイオードの直列の段数を変えると、過電圧が印加された際の過電圧保護の開始電圧を変えることができる。これにより、閾値の異なるＩＧＢＴを組み合わせてマルチゲートＩＧＢＴを構成している場合にも、適切なタイミングで過電圧保護を動作させることが可能となり、破壊耐量の低下を防止できる。