JP7646483B2 - Overvoltage protection circuit and module equipped with overvoltage protection circuit - Google Patents
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Description
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。 The present invention relates to an overvoltage protection circuit and a module equipped with an overvoltage protection circuit, and is suitable as a protection technology for multi-gate semiconductor elements having multiple gates used in power conversion devices.
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。 In recent years, power electronics equipment has come to use semiconductor elements called power devices that are capable of controlling high voltages and large currents. In particular, high-voltage power converters mainly use power devices called IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors).
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。 IGBTs are semiconductor elements that combine the characteristics of MOS gate devices, which allow for high-speed switching, with the features of bipolar devices, such as low conduction resistance, and are mainstream for applications requiring DC voltages of 1.2 kV or more.
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。 The IGBTs used in power converters control the power supplied to a load, such as a motor, by switching (turning on and off) the current supplied to the load. When supplying a large amount of power to a load, it is necessary to switch a large current. In particular, when cutting off a large current, an overvoltage (surge voltage) is generated by the energy stored in the parasitic inductance present in the wiring of the power conversion circuit due to a sudden decrease in current. This surge voltage may be applied between the collector and emitter of the IGBT and destroy the IGBT. A collector clamp circuit, which suppresses the increase in collector voltage, is known as a preventative measure for this.
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。
FIG. 9 is a diagram showing a circuit configuration of an IGBT equipped with a collector clamp circuit as a conventional technique.
In FIG. 9, an
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。
A collector clamp circuit, which is a series circuit of
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。
Next, the operation will be described.
9, a current supplied to a load (not shown) flows between a
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。
When a large current is being supplied to a load and the current is to be cut off, the voltage applied to the
The above-mentioned technology is a well-known technology that has been widely used in the field of IGBTs.
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。
Furthermore, in recent years, various techniques for reducing losses in IGBTs have been developed.
For example, Patent Document 1 discloses a technique for reducing the switching loss of an IGBT by providing multiple gate electrodes and applying voltages to the gate electrodes in a predetermined sequence. These elements are also called multi-gate semiconductor elements because they have multiple gates. Multi-gate semiconductor elements can achieve low loss that could not be achieved with conventional IGBTs, and therefore are being actively developed for practical use.
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。
FIG. 10 is a diagram showing an example of a circuit of a multi-gate IGBT.
10 , the multi-gate IGBT has a configuration in which a parallel circuit of a
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。
Next, the operation of the multi-gate IGBT will be described.
FIG. 11 is a diagram showing voltage and current waveforms at various points during operation of the multi-gate IGBT.
At time t1, when an ON command is sent from a higher-level controller (not shown) to the first
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。
When each output voltage exceeds the threshold voltage that turns on the IGBT, the
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。
At time t2, the gate of the
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。
Next, at time t3 when it is originally desired to cut off the current, the input to the first
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。
In this way, the multi-gate IGBT is an element that controls multiple gates with a time difference. In the above example, during the period from when the
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。 As mentioned above, even with a multi-gate IGBT, a spike voltage occurs when current is interrupted. If the current being interrupted or the parasitic inductance of the wiring is large, the spike voltage increases, and if it exceeds the rated voltage of the IGBT, the IGBT will be destroyed by the overvoltage.
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。
To prevent this situation, it is possible to apply the above-mentioned collector clamp circuit to the multi-gate IGBT. However, this collector clamp circuit is a means of connecting a clamp diode between the gate and collector to cut off the current. In the configuration shown in FIG. 10, since the second
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。
However, if a collector clamp circuit is provided only to the first
As described above, the collector clamp circuit is a technology that suppresses overvoltage by turning the gate on again when the current is interrupted, slowing down the current interruption speed. However, since the current is interrupted slowly when a high voltage is applied, large losses occur.
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。 In a multi-gate IGBT, multiple gates are shut off in sequence with a time lag. For this reason, if the collector clamp circuit is connected only to the gate that is shut off last, the function of suppressing the collector voltage can be realized. However, since the large loss that occurs during clamping is borne only by the few elements performing the clamping operation, it has become clear that the breakdown resistance is lower than when a collector clamp circuit is applied to a conventional single-gate IGBT.
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。 The present invention aims to solve the above-mentioned problems and provide a technology for applying a collector clamp circuit to a multi-gate semiconductor element.
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複数の制御端子それぞれに対応した複数分備え、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ると共に、当該複数分のダイオード群それぞれの複数の第1のダイオードの直列数が異なり、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、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。
In order to solve the above-mentioned problems, one representative overvoltage protection circuit of the present invention is an overvoltage protection circuit connected to a multi-gate semiconductor element having a pair of main terminal pairs and a plurality of control terminals connected in parallel for controlling the current flowing through the main terminal pairs, the circuit comprising a plurality of diode groups, each of which has a plurality of first diodes connected in series in the same direction, corresponding to each of the plurality of control terminals, each of which has a cathode terminal connected to the high-voltage side terminal of the main terminal pair, and each of which has a different number of first diodes connected in series, and each of which has a plurality of second diodes corresponding to each of the plurality of control terminals, each of which has a cathode terminal connected to each of the plurality of diode groups , and each of which has an anode terminal connected to each of the plurality of diode groups.
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。
According to the present invention, when a collector clamp circuit is provided in a multi-gate IGBT, it is possible to prevent a decrease in breakdown resistance, which is a problem specific to multi-gate IGBTs, and by enabling overvoltage protection, it is possible to improve the reliability of the system.
Furthermore, if overvoltage protection is possible using collector clamping, the current can be increased, making it possible to increase the output of the system.
Furthermore, since overvoltage protection is possible even if the parasitic inductance of the wiring increases, the wiring length can be increased, allowing greater freedom in layout, and facilitating the design of the device.
Problems, configurations and effects other than those described above will become apparent from the description of the following embodiments.
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。 Below, with reference to the drawings, Examples 1 to 6 will be described as embodiments for carrying out the present invention. Note that the present invention is not limited to these embodiments. In addition, in the drawings, the same parts are denoted by the same reference numerals.
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。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a collector clamp circuit according to a first embodiment of an overvoltage protection circuit of the present invention.
In FIG. 1, the multi-gate IGBT is composed of a
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。
For the
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。
Similarly, for the
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。
The first
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。 The feature of the first embodiment is that a collector clamp diode is provided for each of the multiple gates of the multi-gate IGBT.
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。 As mentioned above, in a multi-gate IGBT, if a collector clamp circuit is provided only on the gate that actually blocks current, there is a problem in that the breakdown resistance is reduced. In response to this, as in Example 1, a collector clamp circuit is provided for each of the gates of the multi-gate, and current is passed through the IGBTs that are off, so that the energy when an overvoltage is applied can be shared by all the IGBTs. This makes it possible to prevent a decrease in breakdown resistance.
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。
Note that in FIG. 1, clamp
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。
FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a collector clamp circuit according to a second embodiment of an overvoltage protection circuit of the present invention.
2, the second
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。 In addition, instead of the number of stages of the collector clamp diodes connected in series, the number of stages of the first or second reverse blocking diodes connected in series may be made different.
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。 The feature of the second embodiment is that collector clamp diodes or reverse blocking diodes with different numbers of series stages are connected to each of the multiple IGBTs. By changing the number of series stages of these diodes, it is possible to change the starting voltage of overvoltage protection when an overvoltage is applied. This makes it possible to operate overvoltage protection at the appropriate timing even when IGBTs with different threshold values are combined to form a multi-gate IGBT, preventing a decrease in breakdown resistance.
図3は、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。
実施例3では、図3に示すように、コレクタクランプダイオード114を、逆阻止ダイオード109を介して第一のIGBT101のゲートと、また、逆阻止ダイオード110を介して第二のIGBT103のゲートと、の双方に接続した点が、実施例1および2と異なる。
FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a collector clamp circuit according to a third embodiment of an overvoltage protection circuit of the present invention.
The third embodiment differs from the first and second embodiments in that, as shown in FIG. 3 , the
実施例3の特徴は、コレクタクランプダイオードを一つに集約して逆阻止ダイオードにより二つのゲートに分配した点にある。これにより、一つのクランプダイオードで二つのゲートを制御可能となり、部品点数の増加を最小に抑えながら、マルチゲートIGBTの過電圧保護を可能とする。 The feature of the third embodiment is that the collector clamp diode is consolidated into one and distributed to two gates by a reverse blocking diode. This makes it possible to control two gates with one clamp diode, enabling overvoltage protection of the multi-gate IGBT while minimizing the increase in the number of parts.
また、一つのクランプダイオードで複数のゲートを制御する構成であるために、クランプダイオードの降伏電圧の製造ばらつきなどの影響を排除できる。これにより、複数のIGBTに対して同じタイミングでコレクタクランプ機能を動作させることが可能となり、クランプ電圧のばらつきによる破壊耐量のばらつきを防止できる。 In addition, because multiple gates are controlled by one clamp diode, the effects of manufacturing variations in the breakdown voltage of the clamp diode can be eliminated. This makes it possible to operate the collector clamp function at the same time for multiple IGBTs, preventing variations in breakdown resistance caused by variations in the clamp voltage.
図4は、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。
実施例4では、図4に示すように、第一の逆阻止ダイオード408を2直列とした点が、実施例3と異なる。
FIG. 4 is a diagram showing a configuration of a collector clamp circuit according to a fourth embodiment of an overvoltage protection circuit of the present invention.
As shown in FIG. 4, the fourth embodiment differs from the third embodiment in that two first
実施例4の特徴は、逆阻止ダイオードの直列数を接続するゲートにより変更した点にある。マルチゲートIGBTでは、複数のIGBTの閾値電圧が異なる場合がある。その場合、図3に示す回路構成とすると、それぞれのゲート電圧が同時に増加していくために、閾値電圧の低い方のIGBTが先にオンし、そのIGBTの損失が大きくなって破壊耐量が低下する問題が発生する。 The feature of the fourth embodiment is that the number of reverse blocking diodes connected in series is changed depending on the gate to which it is connected. In a multi-gate IGBT, the threshold voltages of the multiple IGBTs may differ. In that case, if the circuit configuration shown in Figure 3 is used, the gate voltages of each IGBT increase simultaneously, so the IGBT with the lower threshold voltage turns on first, causing a problem of increased loss in that IGBT and reduced breakdown resistance.
実施例4によれば、逆阻止ダイオードの直列数を変えることでゲート電圧の増加を調整し、異なる閾値電圧のIGBTに対して、適正なタイミングでコレクタクランプ機能を動作させることができる。
この際、逆阻止ダイオードの直列数を変えることでIGBTの閾値の差を変更した場合でも、タイミングを合わせることが可能となる。
According to the fourth embodiment, the increase in gate voltage can be adjusted by changing the number of reverse blocking diodes connected in series, and the collector clamp function can be operated at an appropriate timing for IGBTs with different threshold voltages.
In this case, even if the difference in threshold voltage of the IGBTs is changed by changing the number of reverse blocking diodes connected in series, it is possible to match the timing.
また、逆阻止ダイオードの種類を変えることによっても精度良く電圧を調整できる。例えば、pn接合ダイオードを使用する場合にはダイオード1段あたり約0.7Vの電位差を得られるが、ショットキーバリアダイオードを使用する場合には、その構造にもよるが、pn接合ダイオードよりも低い0.3V程度の電位差を得ることが可能となる。
さらに、マルチゲートIGBTが3つ以上あり、それぞれが異なる閾値の場合には、それぞれの段数、ダイオードの種類を変えて適切な電圧を設定することもできる。
The voltage can also be adjusted with precision by changing the type of reverse blocking diode. For example, when pn junction diodes are used, a potential difference of about 0.7 V can be obtained per diode stage, but when Schottky barrier diodes are used, it is possible to obtain a potential difference of about 0.3 V, which is lower than that of pn junction diodes, although this depends on the structure.
Furthermore, when there are three or more multi-gate IGBTs each having a different threshold value, it is possible to set an appropriate voltage by changing the number of stages and the type of diode.
図5は、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は、実装時の接続態様を示す図である。
図5では、プラス端子801、交流端子802およびマイナス端子803を備える2in1モジュール804に対して、コレクタクランプダイオードを搭載したクランプ基板805が取り付けられ、外部のゲートドライバユニット113と接続される。ここで、符号の数字(805と113)の末尾につけた「U」と「L」は、2in1モジュールの上アームと下アームをそれぞれ表すものである。
Fig. 5 is a diagram showing a fifth embodiment of the overvoltage protection circuit of the present invention, in which a collector clamp circuit and a gate driver unit are mounted on a 2-in-1 module, and Fig. 6 is a diagram showing a connection state when mounted.
5, a clamp substrate 805 having a collector clamp diode mounted thereon is attached to a 2-in-1
実施例5の特徴は、直列に接続されたマルチゲートIGBTを1つのパッケージに搭載した2in1モジュールに、実施例1から4のいずれかのコレクタクランプ回路のみを搭載し、ゲートドライバユニット本体はこのモジュールとは別置きにした点にある。 The feature of the fifth embodiment is that a 2-in-1 module, which has multi-gate IGBTs connected in series mounted in a single package, is equipped with only the collector clamp circuit of any of the first to fourth embodiments, and the gate driver unit itself is placed separately from this module.
1kV以上の高耐圧のパワーデバイスを搭載する2in1モジュールは、図5に示すように、プラス端子801とマイナス端子803とが隣接してモジュールの一端に配置され、その他端に交流端子802が配される。図6に示すように、2in1モジュール804の中には、上アーム(U側)と下アーム(L側)を構成するIGBTが収納され、上アームと下アームとの接続点は、交流端子802にてモジュール外部に引き出されている。実施例1から4で示すクランプダイオードおよび逆素子ダイオードは、クランプダイオード基板805に集約され、上アームと下アームとにそれぞれ接続されている。
As shown in FIG. 5, a 2-in-1 module equipped with a high-voltage power device of 1 kV or more has a
また、図5に示すように、マイナス端子803と交流端子802との間にはスペースが設けられている。従来のIGBTやSiC-MOSFETのモジュールの場合には、このスペースにコレクタクランプ回路とゲートドライバとを搭載していた。しかし、2in1モジュールにマルチゲートIGBTを搭載する場合には、ゲート端子の数が増えるために回路を搭載するスペースが不足し、クランプダイオードとゲートドライバの両方をモジュール上に搭載することが困難である。
As shown in FIG. 5, a space is provided between the
そこで、ゲートドライバの基板を切り離し、モジュールとは別のスペースにユニットとして配置することにより、十分な回路スペースを確保できる。また、実施例5ではマルチゲートIGBTの例としてゲートが2つの場合を示したが、ゲートが3つ以上の場合には、端子の増加によりさらにモジュール上のスペースが不足することになるが、実施例5によるゲートドライバの別置きとすることでそれらの問題を解決できる。 Therefore, by separating the gate driver substrate and placing it as a unit in a space separate from the module, sufficient circuit space can be secured. Also, in the fifth embodiment, a case where there are two gates is shown as an example of a multi-gate IGBT, but in the case of three or more gates, the space on the module becomes even more insufficient due to the increase in terminals, but by placing the gate driver separately as in the fifth embodiment, these problems can be solved.
図7は、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は、実施例6による動作態様を示す図である。図7に示すように、実施例6は、実施例1から4の回路構成にクランプ検知回路1001を追加した点が異なる。クランプ検知回路1001は、第一のIGBT101のゲートおよび第二のIGBT103のゲートにそれぞれ接続されている。図7では、クランプ検知回路1001をゲートドライバユニット113に含めているが、これに限定されるものではない。
Figure 7 is a diagram showing a circuit configuration according to a sixth embodiment of the overvoltage protection circuit of the present invention. Figure 8 is a diagram showing an operation mode according to the sixth embodiment. As shown in Figure 7, the sixth embodiment differs from the first to fourth embodiments in that a
実施例6の特徴は、クランプ検知回路1001によりクランプダイオードによる過電圧保護が機能したことを検知し、上位のコントローラに情報を伝達して適正に保護をかけるようにした点である。
The feature of the sixth embodiment is that the
図8を参照して実施例6による動作態様を説明する。
時刻t1で、第二のゲートドライバ回路106がオフとなり、第二のIGBT103の電流は遮断される。第二のIGBT103に流れていた電流は、第一のIGBT101に転流する。
The operation of the sixth embodiment will be described with reference to FIG.
At time t1, the second
時刻t2で、第一のゲートドライバ回路105がオフすると、第一のゲートドライバ回路105の出力、すなわち第一のIGBT101のゲート電圧が減少する。このゲート電圧が素子の閾値電圧付近まで低下すると、第一のIGBT101および第二のIGBT103のコレクタ電圧が増加する。
At time t2, when the first
時刻t3で、コレクタ電圧がクランプダイオードのツェナー電圧を超過すると、第二のIGBT103のゲート電圧を持ち上げてオンさせ、第二のIGBT103に電流が流れる。
At time t3, when the collector voltage exceeds the Zener voltage of the clamp diode, the gate voltage of the
時刻t4で、第一のゲートドライバ回路105の出力電圧がHiからLoに反転してから、所定時間以内に、第二のゲートドライバ回路106がオフしているにも拘わらず、第二のIGBT103のゲート電圧が持ち上がったら、クランプ検知回路1001においてクランプ機能が働いたと判定する。クランプ検知回路1001は、この判定情報を図示しない上位のコントローラに伝達する。
At time t4, if the gate voltage of the
以上の動作により、上位のコントローラにて適正な停止措置や再起動の禁止などの処理が可能となり、システムの信頼性を向上させることができる。
なお、上記の所定時間としては、マルチゲートIGBTのスペックにより変わるが、おおむね10μs以内に設定するのが望ましい。
The above operations enable the upper controller to take appropriate measures such as stopping the system and prohibiting restarts, thereby improving the reliability of the system.
The above-mentioned predetermined time period varies depending on the specifications of the multi-gate IGBT, but is preferably set to approximately 10 μs or less.
以上のとおり、本発明の実施例1から6として、ゲートの数が2つのマルチゲートIGBTの場合を説明したが、ゲートの数はこれに限られたものではなく、3つ以上の場合でも同様の効果を得ることができる。 As described above, in Examples 1 to 6 of the present invention, a multi-gate IGBT with two gates has been described, but the number of gates is not limited to this, and similar effects can be obtained even when there are three or more gates.
また、実施例1から6では、マルチゲートIGBT自体の構成について特に記載しなかったが、この点については、IGBT1とIGBT2とが異なるチップで、それらを並列にして1つのパッケージに実装した構成の場合や、一つのチップの中に2種類のIGBTを形成した構成の場合でも、本発明を適用して同様の効果を得ることができる。 In addition, in Examples 1 to 6, the configuration of the multi-gate IGBT itself was not specifically described, but in this regard, the present invention can be applied to a configuration in which IGBT1 and IGBT2 are different chips that are mounted in parallel in a single package, or a configuration in which two types of IGBTs are formed in a single chip, and similar effects can be obtained.
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。 Although the embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the above-mentioned embodiment, and various modifications are possible without departing from the gist of the present invention.
101:第一のIGBT、102:第一のフリーホイールダイオード、
103:第二のIGBT、104:第二のフリーホイールダイオード、
105:第一のゲートドライバ回路、106:第二のゲートドライバ回路、
107:第一のコレクタクランプダイオード、
108:第二のコレクタクランプダイオード、
108a:第二のコレクタクランプダイオード、
109:第一の逆阻止ダイオード、110:第二の逆阻止ダイオード、
111:コレクタ、112:エミッタ、113:ゲートドライバユニット、
114:コレクタクランプダイオード、408:第一の逆阻止ダイオード、
501:IGBTモジュール、502:IGBT、503:フリーホイールダイオード、
504:コレクタ、505:ゲート、506:エミッタ、507:クランプダイオード、
508:逆阻止ダイオード、509:ゲートドライバ、
801:プラス端子、802:交流端子、803:マイナス端子、
804:2in1モジュール、805U、805L:クランプ基板、
101U、101L:第一のIGBT、
102U、102L:第一のフリーホイールダイオード、
103U、103L:第二のIGBT、
104U、104L:第二のフリーホイールダイオード、
105U、105L:第一のゲートドライバ回路、
106U、106L:第二のゲートドライバ回路、
107U、107L:第一のコレクタクランプダイオード、
108U、108L:第二のコレクタクランプダイオード、
109U、109L:第一の逆阻止ダイオード、
110U、110L:第二の逆阻止ダイオード、
113U、113L:ゲートドライバユニット、
1001:クランプ検知回路
101: first IGBT; 102: first freewheeling diode;
103: second IGBT; 104: second freewheel diode;
105: first gate driver circuit; 106: second gate driver circuit;
107: first collector clamp diode;
108: second collector clamp diode;
108a: second collector clamp diode;
109: first reverse blocking diode; 110: second reverse blocking diode;
111: collector, 112: emitter, 113: gate driver unit,
114: collector clamp diode, 408: first reverse blocking diode,
501: IGBT module, 502: IGBT, 503: freewheel diode,
504: collector, 505: gate, 506: emitter, 507: clamp diode,
508: reverse blocking diode, 509: gate driver,
801: positive terminal, 802: AC terminal, 803: negative terminal,
804: 2-in-1 module, 805U, 805L: clamp board,
101U, 101L: first IGBT,
102U, 102L: first freewheel diode,
103U, 103L: second IGBT,
104U, 104L: second freewheel diode,
105U, 105L: first gate driver circuit,
106U, 106L: second gate driver circuit,
107U, 107L: first collector clamp diode,
108U, 108L: second collector clamp diode,
109U, 109L: first reverse blocking diode,
110U, 110L: second reverse blocking diode,
113U, 113L: gate driver unit,
1001: Clamp detection circuit
Claims (6)
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ると共に、当該複数分のダイオード群それぞれの前記複数の第1のダイオードの直列数が異なり、
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。 An overvoltage protection circuit connected to a multi-gate semiconductor device having a pair of main terminal pairs and a plurality of control terminals connected in parallel for controlling a current flowing through the main terminal pairs,
a plurality of diode groups, each of which includes a plurality of first diodes connected in series in the same direction, corresponding to the plurality of control terminals , each of which has a cathode terminal connected to a high-voltage side terminal of the main terminal pair, and each of which has a different number of first diodes connected in series ,
an overvoltage protection circuit including a plurality of second diodes corresponding to the plurality of control terminals, each of the second diodes having a cathode terminal connected to each of the plurality of control terminals, and each of the second diodes having an anode terminal connected to each of the anode terminals of the plurality of diode groups.
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。 2. The overvoltage protection circuit of claim 1,
The group of the plurality of first diodes connected in series with a larger number of the first diodes is connected to a control terminal of the multi-gate semiconductor device with a higher threshold voltage via the second diode.
1. An overvoltage protection circuit comprising:
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と共に、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。 An overvoltage protection circuit connected to a multi-gate semiconductor device having a pair of main terminal pairs and a plurality of control terminals connected in parallel for controlling a current flowing through the main terminal pairs,
a diode group, each of which includes a plurality of first diodes connected in series in the same direction, is provided corresponding to each of the plurality of control terminals, and a cathode terminal of the one diode group or each of the cathode terminals of the plurality of diode groups is connected to a high-voltage side terminal of the main terminal pair;
an anode terminal of each of the second diodes is connected in common to an anode terminal of one of the diode groups or is connected to each of the anode terminals of the plurality of diode groups; and the number of series connected in each of the plurality of second diodes is different, and the number of series connected to a control element having a lower threshold value of the multi-gate semiconductor element is greater than the number of series connected to the control element having a lower threshold value of the multi-gate semiconductor element.
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。 4. The overvoltage protection circuit according to claim 1,
the first diode is a clamp diode;
The second diode is a reverse blocking diode.
1. An overvoltage protection circuit comprising:
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。 5. An overvoltage protection circuit according to claim 1,
a clamp detection circuit that detects a voltage of each of the plurality of control terminals;
The clamp detection circuit detects that a control terminal other than the one control terminal has changed from an off state to an on state within a predetermined time after the one control terminal among the plurality of control terminals has changed from an on state to an off state, and transmits the detection result to a higher-level controller.
1. An overvoltage protection circuit comprising:
構成を有する過電圧保護回路を備えるモジュール。 A first substrate on which the overvoltage protection circuit according to any one of claims 1 to 4 is mounted is mounted on a module in which a plurality of the multi-gate semiconductor elements are housed in one package, a second substrate on which a gate driver that outputs a drive signal for each of the plurality of multi-gate semiconductor elements is mounted is disposed outside the module, and the first substrate and the second substrate are connected by wiring.
A module having an overvoltage protection circuit having a configuration .
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