知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
(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】P2024097660
(43)【公開日】2024-07-19
(54)【発明の名称】被クランプ装置、半導体遮断器
(51)【国際特許分類】
H03K 17/16 20060101AFI20240711BHJP
H01H 33/59 20060101ALI20240711BHJP
H03K 17/687 20060101ALI20240711BHJP
H03K 17/10 20060101ALI20240711BHJP
H03K 17/12 20060101ALI20240711BHJP
【ＦＩ】
H03K17/16 M
H01H33/59 H
H03K17/687 A
H03K17/10
H03K17/12
【審査請求】未請求
【請求項の数】4
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023001274
(22)【出願日】2023-01-06
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用申請有り （１） 発行日（公開日） 令和４年３月１８日（現地時間／日本時間） 刊行物 ２０２２ ＩＥＥＥ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｘｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＡＰＥＣ）論文集 Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ 発行 ＊参加者専用アドレスより公開（参加者のみ閲覧可） ＜資 料＞ （ＡＰＥＣ）論文集 掲載研究論文 ＜資 料＞ （ＡＰＥＣ）論文集 ダウンロードのご案内 （２） 公開日 令和４年３月２２日（現地時間）／令和４年３月２３日（日本時間） 集会名、開催場所 ２０２２ ＩＥＥＥ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｘｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＡＰＥＣ）（会期：令和４年３月２０日～２４日：現地時間） Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ 主催 Ｇｅｏｒｇｅ Ｒ． Ｂｒｏｗｎ Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎ Ｃｅｎｔｅｒ（１００１ Ａｖｅｎｉｄａ ｄｅ ｌａｓ Ａｍｅｒｉｃａｓ Ｈｏｕｓｔｏｎ， Ｔｅｘａｓ ７７０１０）で開催 ＜資 料＞ （ＡＰＥＣ）開催概要・プログラム抜粋 （３） 発行日（公開日） 令和４年８月２３日 刊行物 ２０２２年電気学会産業応用部門大会 論文集 一般社団法人電気学会 発行 ＊参加者専用アドレスより公開（参加者のみ閲覧可） ＜資 料＞ ２０２２年電気学会産業応用部門大会 掲載研究論文 （４） 公開日 令和４年９月１日 集会名、開催場所 ２０２２年電気学会産業応用部門大会 上智大学四谷キャンパス（千代田区紀尾井町７－１）で開催。（会期：令和４年８月３０日～９月１日） ＜資 料＞ ２０２２年電気学会産業応用部門大会 開催概要 ＜資 料＞ ２０２２年電気学会産業応用部門大会 プログラム
(71)【出願人】
【識別番号】305027401
【氏名又は名称】東京都公立大学法人
(74)【代理人】
【識別番号】100165179
【弁理士】
【氏名又は名称】田▲崎▼ 聡
(74)【代理人】
【識別番号】100175824
【弁理士】
【氏名又は名称】小林 淳一
(74)【代理人】
【識別番号】100152272
【弁理士】
【氏名又は名称】川越 雄一郎
(74)【代理人】
【識別番号】100181722
【弁理士】
【氏名又は名称】春田 洋孝
(72)【発明者】
【氏名】和田 圭二
(72)【発明者】
【氏名】▲高▼森 太郎
【テーマコード（参考）】
5G028
5J055
【Ｆターム（参考）】
5G028FB04
5G028FC02
5J055AX34
5J055AX56
5J055AX64
5J055BX16
5J055CX07
5J055DX13
5J055DX72
5J055DX73
5J055DX83
5J055EY12
5J055EY21
5J055EZ17
5J055EZ62
5J055GX05
(57)【要約】
【課題】パワー半導体で消費される遮断エネルギーをより少なくする。
【解決手段】パワー半導体により構成され、電流を遮断することができる遮断部と並列に接続され、前記遮断部よりもブレークダウン電圧が低く、前記遮断部による遮断時に生じる遮断エネルギーよりも大きい耐量を有し、電流が流れ入る側にカソードを配置したダイオードにより構成される、被クランプ装置。
【選択図】図１
【解決手段】パワー半導体により構成され、電流を遮断することができる遮断部と並列に接続され、前記遮断部よりもブレークダウン電圧が低く、前記遮断部による遮断時に生じる遮断エネルギーよりも大きい耐量を有し、電流が流れ入る側にカソードを配置したダイオードにより構成される、被クランプ装置。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
パワー半導体により構成され、電流を遮断することができる遮断部と並列に接続され、
前記遮断部よりもブレークダウン電圧が低く、
前記遮断部による遮断時に生じる遮断エネルギーよりも大きい耐量を有し、
電流が流れ入る側にカソードを配置したダイオードにより構成される、
被クランプ装置。
前記遮断部よりもブレークダウン電圧が低く、
前記遮断部による遮断時に生じる遮断エネルギーよりも大きい耐量を有し、
電流が流れ入る側にカソードを配置したダイオードにより構成される、
被クランプ装置。
【請求項2】
パワー半導体により構成され、電流を遮断することができる遮断部と、
前記遮断部と並列に接続され、前記遮断部よりもブレークダウン電圧が低く、前記遮断部による遮断時に生じる遮断エネルギーよりも大きい耐量を有し、電流が流れ入る側にカソードを配置したダイオードにより構成される被クランプ装置と、
を備える半導体遮断器。
前記遮断部と並列に接続され、前記遮断部よりもブレークダウン電圧が低く、前記遮断部による遮断時に生じる遮断エネルギーよりも大きい耐量を有し、電流が流れ入る側にカソードを配置したダイオードにより構成される被クランプ装置と、
を備える半導体遮断器。
【請求項3】
前記遮断部は、直列に接続されたパワー半導体により構成される、
請求項２に記載の半導体遮断器。
請求項２に記載の半導体遮断器。
【請求項4】
前記遮断部は、並列に接続されたパワー半導体により構成される、
請求項２又は３に記載の半導体遮断器。
請求項２又は３に記載の半導体遮断器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、被クランプ装置、半導体遮断器に関する。
【背景技術】
【0002】
直流電流を遮断する遮断器としては、機械接点を使用する機械式が広く使用されている。しかし、機械接点を使用する遮断器は遮断速度が遅い、繰り返し遮断回数に制約があるといった欠点がある。この欠点を解決するために、パワー半導体を用いる遮断器が研究開発されている。
【0003】
遮断器に使用されるパワー半導体にかかる負担を軽減するために、バリスタを並列に接続し遮断時にバリスタにエネルギーを消費させる方法がある（特許文献１）。バリスタではなく、キャパシタや抵抗などの受動素子を用いる方法もある（非特許文献１）
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開２０１９－１５３９７６号公報
【非特許文献】
【0005】
【非特許文献1】S. Zhao, R. Kheirollahi, Y. Wang, H. Zhang and F. Lu, "A Diode-Free MOV2-RC Snubber for Solid-State Circuit Breaker," 2022 IEEE Transportation Electrification Conference & Expo (ITEC), 2022, pp. 497-502, doi: 10.1109/ITEC53557.2022.9813936.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、特許文献１に記載の方法においてはパワー半導体で消費される遮断エネルギーも少なくない。そのため、パワー半導体への負担が大きい。
本発明の目的は、パワー半導体で消費される遮断エネルギーをより少なくすることができる被クランプ装置、半導体遮断器を提供することにある。これに加え、大電流化と高耐圧化するための技術を提供することにある。
本発明の目的は、パワー半導体で消費される遮断エネルギーをより少なくすることができる被クランプ装置、半導体遮断器を提供することにある。これに加え、大電流化と高耐圧化するための技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の一態様は、パワー半導体により構成され、電流を遮断することができる遮断部と並列に接続され、前記遮断部よりもブレークダウン電圧が低く、前記遮断部による遮断時に生じる遮断エネルギーよりも大きい耐量を有し、電流が流れ入る側にカソードを配置したダイオードにより構成される、被クランプ装置である。
【0008】
本発明の一態様は、パワー半導体により構成され、電流を遮断することができる遮断部と、前記遮断部と並列に接続され、前記遮断部よりもブレークダウン電圧が低く、前記遮断部による遮断時に生じる遮断エネルギーよりも大きい耐量を有し、電流が流れ入る側にカソードを配置したダイオードにより構成される被クランプ装置と、を備える半導体遮断器である。
【発明の効果】
【0009】
本発明によれば、電流遮断時に遮断器で消費される遮断エネルギーを軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】本実施形態に係る半導体遮断器１の構成を示す図である。
【図2】半導体遮断器１により電流が遮断されたときの波形を示す図である。
【図3】第１の実施形態に係る半導体遮断器１の構成の一例を示す図である。
【図4】第２の実施形態に係る遮断部２の構成の一例を示す図である。
【図5】第３の実施形態に係る遮断部２の構成の一例を示す図である。
【図6】複数の直列に接続されたダイオード３１から構成される被クランプ装置３の一例を示す図である。
【図7】並列及び直列に接続するパワー半導体２１から構成される遮断部２の一例を示す図である。
【図8】被クランプ装置３としてバリスタを使用した場合の遮断部２の特性値を示す図である。
【図9】被クランプ装置３としてダイオードを使用した場合の遮断部２の特性値を示す図である。
【図10】本実施形態に係る半導体遮断器１とインバータ６を組み込んだパワーモジュール７を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。
図１は、本実施形態に係る半導体遮断器１の構成を示す図である。半導体遮断器１は、流れる電流を遮断することができる。図１に示す例においては、半導体遮断器１は電源電圧４及びインダクタ５と直列に接続される。半導体遮断器１は、インダクタ５を流れる電流ｉＬを遮断することができる。半導体遮断器１は、遮断部２と被クランプ装置３とを備える。遮断部２と被クランプ装置３とは、互いに並列に接続される。
図１は、本実施形態に係る半導体遮断器１の構成を示す図である。半導体遮断器１は、流れる電流を遮断することができる。図１に示す例においては、半導体遮断器１は電源電圧４及びインダクタ５と直列に接続される。半導体遮断器１は、インダクタ５を流れる電流ｉＬを遮断することができる。半導体遮断器１は、遮断部２と被クランプ装置３とを備える。遮断部２と被クランプ装置３とは、互いに並列に接続される。
【0012】
遮断部２は、パワー半導体により構成される。パワー半導体は例えばSiC-MOSFETやSiC-JFETである。遮断部２は、例えばパワー半導体のゲートソース間の電圧を制御することで電流を遮断するか否かを切り替える。
【0013】
被クランプ装置３は、ダイオードにより構成される。ダイオードは例えばSiC MPS(Merged PIN Schottky)ダイオードである。被クランプ装置３を構成するダイオードは、カソードを高圧側、アノードを低圧側に設定される。そのため、遮断部２が電流を遮断していない及び電圧が被クランプ装置３のブレークダウン電圧以下であるとき、遮断部２に電流は流れるが、被クランプ装置３に電流は流れない。
【0014】
図２は、半導体遮断器１により電流が遮断されたときの波形を示す図である。
遮断部２を流れる電流をｉｄ、被クランプ装置３を流れる電流をｉＣｌａｍｐとすると、半導体遮断器１に入る電流ｉＬは、ｉｄとｉＣｌａｍｐとに分岐する。遮断部２が電流を遮断していないとき、被クランプ装置３に電流は流れないことから、ｉｄはｉＬとほとんど等しい。
遮断部２を流れる電流をｉｄ、被クランプ装置３を流れる電流をｉＣｌａｍｐとすると、半導体遮断器１に入る電流ｉＬは、ｉｄとｉＣｌａｍｐとに分岐する。遮断部２が電流を遮断していないとき、被クランプ装置３に電流は流れないことから、ｉｄはｉＬとほとんど等しい。
【0015】
被クランプ装置３のブレークダウン電圧は、遮断部２のブレークダウン電圧よりも小さくなるように設定される。例えば、遮断部２のブレークダウン電圧よりも小さいブレークダウン電圧を有するダイオードが、被クランプ装置３を構成するダイオードとして選択される。そのため、時刻ｔ１において遮断部２のゲート電圧がVgから０に切り替えられ、電流が遮断されている。時刻ｔ１において電流ｉｄの大きさは０になるが、電流ｉＣｌａｍｐの大きさは急峻に上昇し、徐々に小さくなる。つまり、被クランプ装置３に電流が流れ込む。これにより遮断部２に電流が流れるのを防ぐことができる。
【0016】
時刻ｔ１において遮断部２及び被クランプ装置にかかる電圧は上昇するが、被クランプ装置３には電流が流れ込むことから、遮断部２にかかる電圧よりも被クランプ装置３にかかる電圧が大きくなる。
【0017】
また、被クランプ装置３の耐量（アバランシェエネルギー）は、遮断部２による遮断時に生じる遮断エネルギーよりも大きくなるように設定される。遮断エネルギーＥＡＶは、理論的には式（１）により表される。
【数1】
【0018】
ここで、Ｌはインダクタ５のインダクタンス、ＶＢＤは遮断部２のブレークダウン電圧、ＶＤＤは遮断部２に接続される電源電圧である。
【0019】
遮断エネルギーＥＡＶは、実測値としては、式（２）により表される。
【数2】
【0020】
ここで、ｔ１及びｔ２は、遮断部２による遮断開始の時刻及び遮断終了の時刻であり、ｖbreakerは時刻ｔにおいて遮断部２にかかる電圧であり、ｉｄは遮断部２を流れる電流である。
【0021】
（第１の実施形態）
図３は、第１の実施形態に係る半導体遮断器１の構成の一例を示す図である。第１の実施形態において、遮断部２は１つのパワー半導体２１－１により構成され、被クランプ装置３は１つのダイオード３１－１により構成される。また、遮断部２は、パワー半導体２１－１のゲートソース間の電圧を制御するゲートドライバ２２－１を備えていてもよい。このとき、ダイオード３１－１のブレークダウン電圧は、パワー半導体２１－１のブレークダウン電圧よりも小さくなるようにダイオード３１－１及びパワー半導体２１－１が選択される。また、ダイオード３１－１の耐量は、パワー半導体２１－１による遮断時に生じる遮断エネルギーよりも大きくなるようにダイオード３１－１及びパワー半導体２１－１が選択される。
図３は、第１の実施形態に係る半導体遮断器１の構成の一例を示す図である。第１の実施形態において、遮断部２は１つのパワー半導体２１－１により構成され、被クランプ装置３は１つのダイオード３１－１により構成される。また、遮断部２は、パワー半導体２１－１のゲートソース間の電圧を制御するゲートドライバ２２－１を備えていてもよい。このとき、ダイオード３１－１のブレークダウン電圧は、パワー半導体２１－１のブレークダウン電圧よりも小さくなるようにダイオード３１－１及びパワー半導体２１－１が選択される。また、ダイオード３１－１の耐量は、パワー半導体２１－１による遮断時に生じる遮断エネルギーよりも大きくなるようにダイオード３１－１及びパワー半導体２１－１が選択される。
【0022】
遮断部２が開状態であるとき、電源電圧４から流れる電流は、遮断部２を流れる。遮断部２が閉状態に変化すると、遮断部２よりも被クランプ装置３の方がブレークダウン電圧が低いことから、遮断部２を流れていた電流はすべて被クランプ装置３を流れる。また、このとき被クランプ装置３の耐量は、遮断部２による遮断時に生じる遮断エネルギーよりも大きいため、遮断部２による遮断により被クランプ装置３は故障しない。また、ダイオードによる遮断電流のクランプ速度は実験により示すように特許文献１に記載の方法よりも速い。
このように、第１の実施形態によれば、遮断電流のクランプ速度が速いことから、パワー半導体で消費される遮断エネルギーをより少なくすることができる。
このように、第１の実施形態によれば、遮断電流のクランプ速度が速いことから、パワー半導体で消費される遮断エネルギーをより少なくすることができる。
【0023】
（第２の実施形態）
図４は、第２の実施形態に係る遮断部２の構成の一例を示す図である。第２の実施形態に係る遮断部２は、並列に接続される複数のパワー半導体２１を備える。図３に示す遮断部２は、並列に接続される３つのパワー半導体２１－１、２１－２、２１－３を備える。このとき、ダイオード３１－１のブレークダウン電圧は、いずれのパワー半導体２１のブレークダウン電圧よりも小さくなるようにダイオード３１－１及び複数のパワー半導体２１が選択される。
遮断部２において、並列に接続されているパワー半導体２１にアバランシェ降伏が発生している場合、パワー半導体２１間の電流バランスは、ブレークダウン電圧特性が近い必要がある。しかしながら、パワー半導体２１間の特性のばらつきを小さくすることは難しい。
第２の実施形態においては、遮断部２による遮断時の電流は被クランプ装置３に流れる。そのため、遮断時にパワー半導体２１間の電流のアンバランスを考慮する必要がなくなる。
図４は、第２の実施形態に係る遮断部２の構成の一例を示す図である。第２の実施形態に係る遮断部２は、並列に接続される複数のパワー半導体２１を備える。図３に示す遮断部２は、並列に接続される３つのパワー半導体２１－１、２１－２、２１－３を備える。このとき、ダイオード３１－１のブレークダウン電圧は、いずれのパワー半導体２１のブレークダウン電圧よりも小さくなるようにダイオード３１－１及び複数のパワー半導体２１が選択される。
遮断部２において、並列に接続されているパワー半導体２１にアバランシェ降伏が発生している場合、パワー半導体２１間の電流バランスは、ブレークダウン電圧特性が近い必要がある。しかしながら、パワー半導体２１間の特性のばらつきを小さくすることは難しい。
第２の実施形態においては、遮断部２による遮断時の電流は被クランプ装置３に流れる。そのため、遮断時にパワー半導体２１間の電流のアンバランスを考慮する必要がなくなる。
【0024】
（第３の実施形態）
図５は、第３の実施形態に係る遮断部２の構成の一例を示す図である。第３の実施形態に係る遮断部２は、直列に接続される複数のパワー半導体２１を備える。図４に示す遮断部２は、直列に接続される３つのパワー半導体２１－１、２１－２、２１－３を備える。このとき、ダイオード３１－１のブレークダウン電圧は、直列に接続されたパワー半導体２１のブレークダウン電圧よりも小さくなるようにダイオード３１－１及び複数のパワー半導体２１が選択される。このとき、パワー半導体は直列に接続されていることから、第１の実施形態と比較して、１つあたりのパワー半導体にかかる電圧の大きさが小さい。そのため、第３の実施形態においてはブレークダウン電圧が小さいパワー半導体２１も遮断部２に使用することができる。
また、第１の実施形態と比較して、１つあたりのパワー半導体にかかる耐量も小さく、耐量の小さいパワー半導体２１も遮断部２に使用することができる。
図５は、第３の実施形態に係る遮断部２の構成の一例を示す図である。第３の実施形態に係る遮断部２は、直列に接続される複数のパワー半導体２１を備える。図４に示す遮断部２は、直列に接続される３つのパワー半導体２１－１、２１－２、２１－３を備える。このとき、ダイオード３１－１のブレークダウン電圧は、直列に接続されたパワー半導体２１のブレークダウン電圧よりも小さくなるようにダイオード３１－１及び複数のパワー半導体２１が選択される。このとき、パワー半導体は直列に接続されていることから、第１の実施形態と比較して、１つあたりのパワー半導体にかかる電圧の大きさが小さい。そのため、第３の実施形態においてはブレークダウン電圧が小さいパワー半導体２１も遮断部２に使用することができる。
また、第１の実施形態と比較して、１つあたりのパワー半導体にかかる耐量も小さく、耐量の小さいパワー半導体２１も遮断部２に使用することができる。
【0025】
第３の実施形態の遮断部２同様、被クランプ装置３が複数の直列に接続されたダイオード３１から構成されてもよい。図６は、複数の直列に接続されたダイオード３１から構成される被クランプ装置３の一例を示す図である。図６に示す被クランプ装置３において、３つのダイオード３１－１、３１－２及び３１－３が直列接続されている。このとき、１つあたりのダイオードにかかる電圧の大きさを小さく、かかる耐量を小さくできる。そのため、ブレークダウン電圧や耐量の小さいダイオードを使用することができる。
【0026】
また、第２の実施形態と第３の実施形態とを組み合わせて、遮断部２は、並列及び直列に接続するパワー半導体２１から構成されてもよい。図７は、並列及び直列に接続するパワー半導体２１から構成される遮断部２の一例を示す図である。図７に示す遮断部２において、パワー半導体２１－１－１、２１－１－２及び２１－１－３が並列接続され、パワー半導体２１－２－１、２１－２－２及び２１－２－３が並列接続され、パワー半導体２１－３－１、２１－３－２及び２１－３－３が並列接続されている。
【0027】
また、図７に示す遮断部２において、パワー半導体２１－１－１、２１－１－２及び２１－１－３は、パワー半導体２１－２－１、２１－２－２及び２１－２－３と直列接続され、パワー半導体２１－２－１、２１－２－２及び２１－２－３は、パワー半導体２１－３－１、２１－３－２及び２１－３－３と直列接続されている。図７に示す遮断部２において、ゲートドライバ２２－１は、パワー半導体２１－１－１、２１－１－２及び２１－１－３のゲートソース間の電圧を制御し、ゲートドライバ２２－２は、パワー半導体２１－２－１、２１－２－２及び２１－２－３のゲートソース間の電圧を制御し、ゲートドライバ２２－３は、パワー半導体２１－３－１、２１－３－２及び２１－３－３のゲートソース間の電圧を制御する。このとき、パワー半導体２１の直列接続及び並列接続される数を調整することで、所望の電流電圧特性を有する遮断部２を作成することができる。図７に示す遮断部２において、ゲートドライバ２２－１、２２－２及び２２－３は複数のパワー半導体２１のゲートソース間の電圧を制御するがこれに限られない。例えば、遮断部２がパワー半導体２１の数と同じ数のゲートドライバ２２を備え、ゲートドライバ２２は対応する１つのパワー半導体のゲートソース間の電圧を制御してもよい。
【0028】
（実験例）
図１の回路において、VDD＝400V、L=300 uHとして、直流電流iLを50A流した状態で実験検証を行った。遮断部２を構成するパワー半導体として1.2 kV耐圧MOSFETを使用し、被クランプ装置３を構成するダイオードとして650 V耐圧SiC MPSダイオードを使用した。被クランプ装置３として、バリスタとダイオードとを使用して遮断部２により消費される遮断エネルギーの比較を行った。バリスタとしてはブレークダウン電圧が910VのMOV(Metal Oxide Varistor)を使用した。また、バリスタとダイオードはそれぞれ１つ使用して被クランプ装置３を作成した。ダイオード及びバリスタのブレークダウン電圧をそれぞれ650V、910Vとしたこの素子選定は、1.2 kV耐圧MOSFETがアバランシェ動作することを避けるための条件を満たしている。
実験には図３に示す遮断部２を使用した。遮断部２は３つのパワー半導体２１－１、２１－２、２１－３が並列に接続されている。遮断部２に入る電流ｉｄは、パワー半導体２１－１に入る電流ｉｄＡ、パワー半導体２１－２に入る電流ｉｄＢ、パワー半導体２１－３に入る電流ｉｄＣに分岐する。パワー半導体２１－１、２１－２、２１－３にはそれぞれゲートドライバ２２－１、２２－２、２２－３が接続されており、各パワー半導体２１のゲートソース間電圧ｖｇｓＡ、ｖｇｓＢ、ｖｇｓＣを制御することで、電流を遮断するか否かを切り替える。遮断部２による電流遮断時には、３つのゲートドライバ２２が同時に各パワー半導体２１のゲートソース間電圧を制御し、電流を遮断する。
図１の回路において、VDD＝400V、L=300 uHとして、直流電流iLを50A流した状態で実験検証を行った。遮断部２を構成するパワー半導体として1.2 kV耐圧MOSFETを使用し、被クランプ装置３を構成するダイオードとして650 V耐圧SiC MPSダイオードを使用した。被クランプ装置３として、バリスタとダイオードとを使用して遮断部２により消費される遮断エネルギーの比較を行った。バリスタとしてはブレークダウン電圧が910VのMOV(Metal Oxide Varistor)を使用した。また、バリスタとダイオードはそれぞれ１つ使用して被クランプ装置３を作成した。ダイオード及びバリスタのブレークダウン電圧をそれぞれ650V、910Vとしたこの素子選定は、1.2 kV耐圧MOSFETがアバランシェ動作することを避けるための条件を満たしている。
実験には図３に示す遮断部２を使用した。遮断部２は３つのパワー半導体２１－１、２１－２、２１－３が並列に接続されている。遮断部２に入る電流ｉｄは、パワー半導体２１－１に入る電流ｉｄＡ、パワー半導体２１－２に入る電流ｉｄＢ、パワー半導体２１－３に入る電流ｉｄＣに分岐する。パワー半導体２１－１、２１－２、２１－３にはそれぞれゲートドライバ２２－１、２２－２、２２－３が接続されており、各パワー半導体２１のゲートソース間電圧ｖｇｓＡ、ｖｇｓＢ、ｖｇｓＣを制御することで、電流を遮断するか否かを切り替える。遮断部２による電流遮断時には、３つのゲートドライバ２２が同時に各パワー半導体２１のゲートソース間電圧を制御し、電流を遮断する。
【0029】
図８は、被クランプ装置３としてバリスタを使用した場合の遮断部２の特性値を示す図である。図９は、被クランプ装置３としてダイオードを使用した場合の遮断部２の特性値を示す図である。ＷＡ、ＷＢ、ＷＣ及びＷＣｌａｍｐは、それぞれパワー半導体２１－１、２１－２、２１－３と被クランプ装置３の消費電力である。
【0030】
被クランプ装置３を流れる電流ｉＣｌａｍｐの時間当たりの電流の増加量は、被クランプ装置３としてバリスタを使用した場合においては0.348A/nsであるのに対し、被クランプ装置３としてダイオードを使用した場合においては0.970A/nsであった。また、各パワー半導体２１で消費される遮断エネルギーは、被クランプ装置３としてバリスタを使用した場合においては7.83mJ, 4.96mJ, 6.78mJであるのに対し、被クランプ装置３としてダイオードを使用した場合においては5.03mJ, 3.58mJ, 3.53mJであった。以上より、被クランプ装置３としてダイオードを使用する方が、被クランプ装置３としてバリスタを使用するよりも、遮断電流を速くクランプすることができ、それにより遮断部２で消費される遮断エネルギーを軽減できることが分かる。
【0031】
〈他の実施形態〉
以上、図面を参照してこの発明の一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。
例えば、上述した実施形態では半導体遮断器１は、電源電圧４に接続されているが、これに限られない。例えば、他の実施形態に係る半導体遮断器１は、自動車用インバータなどのパワーデバイスを複数備える回路の中に組み込むことで、遮断器とインバータを一体化することができる。図１０は、本実施形態に係る半導体遮断器１とインバータ６を組み込んだパワーモジュール７を示す図である。インバータ６は複数の半導体（ＩＧＢＴなど）を備える。自動車用インバータなどは機械式遮断器とは一体化されていないために大型化する。しかしながら、図１０に示す回路は遮断器とインバータをパワー半導体チップを配置したモジュール構造として一体化して構成されることができ、遮断器とインバータを小型化することができる。また、遮断器及びインバータの冷却装置は、パワー半導体チップの裏面に備えられればよいことから、冷却装置も一体化することができる。冷却装置は、遮断器が導通時に発生するMOSFETから発生する導通損失による熱を冷却する。
以上、図面を参照してこの発明の一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。
例えば、上述した実施形態では半導体遮断器１は、電源電圧４に接続されているが、これに限られない。例えば、他の実施形態に係る半導体遮断器１は、自動車用インバータなどのパワーデバイスを複数備える回路の中に組み込むことで、遮断器とインバータを一体化することができる。図１０は、本実施形態に係る半導体遮断器１とインバータ６を組み込んだパワーモジュール７を示す図である。インバータ６は複数の半導体（ＩＧＢＴなど）を備える。自動車用インバータなどは機械式遮断器とは一体化されていないために大型化する。しかしながら、図１０に示す回路は遮断器とインバータをパワー半導体チップを配置したモジュール構造として一体化して構成されることができ、遮断器とインバータを小型化することができる。また、遮断器及びインバータの冷却装置は、パワー半導体チップの裏面に備えられればよいことから、冷却装置も一体化することができる。冷却装置は、遮断器が導通時に発生するMOSFETから発生する導通損失による熱を冷却する。
【符号の説明】
【0032】
１ 半導体遮断器、２ 遮断部、３ 被クランプ装置、４ 電源電圧、５ インダクタ、６ インバータ、７ パワーモジュール、２１ パワー半導体、２２ ゲートドライバ
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】