JPH01286779A - 半導体スイッチ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は半導体スイッチ装置に関し、更に詳述すればバ
イポーラトランジスタとＭＯＳＦＥＴとを直列゛接続し
た半導体スイッチを用いる半導体スイッチ装置を提案す
るものである。

〔従来の技術〕

第５図は例えばＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｒｅｃｔ
ｉｆｉｅｒ社が１９８２年に発行したｒＨＥＸＦＥＴ　
ＤＡＴＡＢＯＯＫ　ＪのＡ−１１３頁に示されている半
導体スイッチ装置の回路図である。バイポーラトランジ
スタ　（以下トランジスタという）１のエミッタＥは、
パワーＭＯＳＦＥＴ　（以下ＭＯＳＦＥＴという）２の
ドレインＤと接続されて半導体スイッチを構成している
。トランジスタ１のコレクタＣは変流器３の１次巻線３
ａの一端と接続され、１次巻線３ａの他端は一方の主回
路端子Ｐと接続されている。ＭＯＳＦＥＴ　２のソース
Ｓは他方の主回路端子Ｑと接続されている。変流器３の
２次巻線３ｂの両端は、ダイオード６とツェナーダイオ
ード５とを逆直列接続した直列回路の両端と接続され、
ダイオード６とツェナーダイオード５との接続中間点は
トランジスタ１のベースＢと接続されている。またツェ
ナーダイオード５のアノードはＭＯＳＦＥＴ　２のソー
スＳと接続されている。トランジスタ１のベースＢとＭ
ＯＳＦＥＴ　２のソースＳとの間にはコンデンサ４が接
続され、トランジスタ１のコレクタＣとベースＢとの間
には、アノードをコレクタＣ側としたダイオード７と抵
抗８との直列回路が接続されている。またトランジスタ
１のコレクタＣとＭＯＳＦＥＴ　２のソースＳとの間に
は、スナバコンデンサ１１が接続され、これらにより半
導体スイッチ装置を構成している。

そして、半導体スイッチ装置の主回路端子Ｐ。

９間には、直流電源９と負荷１０との直列回路を、直流
電源９の負極を主回路端子Ｑ側として接続されている。

この半導体スイッチ装置は第６図に示すようにスイッチ
ング動作をする。いま、トランジスタ１及びＭＯＳＦＥ
Ｔ　２がともにオフの場合は、コンデンサ４はダイオー
ド７及び抵抗８を介して直流電源９の電圧■、により充
電される。このコンデンサ４の電圧は例えば約１０Ｖと
なる。さて、ｔ０時点でＭＯＳＦＥＴ　２のゲート電圧
■、、３を負から正に反転させてＭＯＳＦＥＴ　２をタ
ーンオンさせると、コンデンサ４からトランジスタｌ及
びＭＯＳＦＥＴ　２を通って放電電流が流れてトランジ
スタ１は直ちにターンオンする。そうすると、直流電源
９から負荷ｌＯを介して負荷電流であるトランジスタ１
のコレクタ電流■ｃが流れ始める。このとき変流器３の
２次電流Ｉ　ＣＴｔはｌｃ／ｎ（ｎは変流器の巻数比）
の大きさで矢符の如くダイオード６、トランジスタ１　
、　ＭＯＳＦＥＴ２を通って流れる。そして変流器３に
よる正帰還作用によりトランジスタ１にベース電流１ｍ
を供給しトランジスタ１をオン状態に保持する。

次にｔ２時点において、ＭＯＳＦｌｉＴ　２のゲート電
圧ＶＧＳを負に反転させると直ちにＭＯＳＦＥＴ　２は
ターンオフする。そのため、トランジスタ１のエミッタ
側が開路状態になりコレクタ電流Ｉ、はトランジスタ１
のコレクタＣとベース８間を通ってコンデンサ４及びツ
ェナーダイオード５側へ流れる。このときコンデンサ４
はＭＯＳＦＥＴ　２のドレインＤとソースＳとの間のス
イッチングサージ電圧を抑制するように作用する。そし
てトランジスタ１のコレクタＣとベースＢとの間の電流
阻止力が回復するｔ３時点で、コレクタ電流■、が遮断
され、トランジスタ１とＭＯＳＦＥＴ　２との直列回路
の両端電圧Ｖ□は直流電源９の電圧ｖ１１のレベルに立
上る。このとき、スナバコンデンサ１１はトランジスタ
１とＭＯＳＦＥＴ　２間の回路に存在するインダクタン
ス成分により直流電源９の電圧■２以上に過充電される
。

そして、この過充電電圧成分Δ■アは変流器３を介して
直流電源９側へ放電するため、変流器３の２次巻線３ｂ
には、ｎ・Δ■７のリセット電圧■□ＳＥＴが逆極性で
誘起される。

次にこの半導体スイッチ装置をインバータに適用した場
合の動作を第７図により説明する。第７図はインバータ
を構成するブリッジ回路の半部を示しており、このブリ
ッジ回路は第５図に示した半導体スイッチ装置と同一の
回路からなり、その回路のスナバコンデンサ１１にフラ
イホイールダイオード１２を並列接続した半導体スイッ
チ装置ＩＰ及びＩＮを直列接続して構成されている。そ
して半導体スイッチ装置ＩＰ、　ＩＮの直列回路の両端
の主回路端子Ｐ、　Ｎ間には直流電源９が、その正極を
上回゛路端子Ｐ側として接続されている。

また半導体スイッチ装置ＩＮの主回路端子Ｑと主回路端
子Ｎとの間には負荷１０が接続されている。

いま、半導体スイッチ装置ＩＰがオンしている場合には
、直流電源９から半導体スイッチ装置ＩＰを介して負荷
１０に電流が流れる。次に半導体スイッチ装置ＩＰがタ
ーンオフすると、負荷１０の電流は半導体スイッチ装置
ＩＮを介して環流することになる。

この場合、半導体スイッチ装置ＩＮのＭＯＳＦＥＴ　２
のゲート電圧が負に保持されていると、コンデンサ４に
＋、−を付した極性で充電されていたコンデンサ４の電
荷はトランジスタ１のベースＢとコレクタＣとを通り、
変流器３の１次巻線３ａを介して放電する。その後、負
荷１０の電流はフライホイールダイオード１２を通り、
変流器３の１次巻線３ａを介して環流する。このときの
変流器３の２次巻線３ｂの電流Ｉ　Ｃ７０の方向は矢符
と逆向きとなり、ダイオード６で阻止されて、２次巻線
３ｂに過電圧が発生する。続いて、再び半導体スイッチ
装ｆｌＰがターンオンすると、半導体スイッチ装置ＩＮ
のフライホイールダイオード１２及びトランジスタ１の
コレクタＣとベースＢとの間に、逆回復電流が半導体ス
イッチ装置ＩＰを通って流れる。

〔発明が解決しようとする課題］ 前述した従来の半導体スイッチ装置は、負荷１０の電流
が変流器３の１次巻線３ａを通って環流するため、変流
器３の２次巻線３ｂに過電圧が発生する。

そのため２次巻線３ｂに過電圧抑制手段を付加する必要
がある。またターンオンする半導体スイッチ装置側のタ
ーンオン電流は負荷電流が環流している半導体スイッチ
装置のフライホイールダイオードの逆回復電流及びトラ
ンジスタのコレクタＣ。

ベース８間の逆回復電流が負荷電流に重畳して増大する
。そのためターンオンする半導体スイッチ装置のＭＯＳ
ＦＥＴ　２のドレインＤ１ソースＳ間の電圧降下が大き
くなって、ツェナーダイオード５のツェナー電圧以上に
なると、変流器３の２次巻線電流Ｉ、？２はツェナーダ
イオード５に流れて、トランジスタ１のベースＢに供給
されず、トランジスタ１のターンオン損失が増大すると
いう問題がある。

本発明は斯かる問題に鑑み、負荷の電流が環流すること
によって発生する過電圧を抑制するとともに、半導体ス
イッチ装置のターンオン損失を低減し得る半導体スイッ
チ装置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〕

本発明に係る半導体スイッチ装置は、変流器の１次巻線
と、バイポーラトランジスタ及びＭＯＳＦＥＴを直列接
続している第１の半導体スイッチとの直列回路に、第１
の半導体スイッチの順方向に設けているダイオードと、
前記バイポーラトランジスタにベース電流を供給すべく
設けている第２の半導体スイッチと、前記１次巻線、前
記ダイオード及び第１の半導体スイッチの直列回路に逆
並列接続したフライホイールダイオードとを備える。

〔作用〕

ダイオードは、バイポーラトランジスタのベース、コレ
クタ間を流れる逆回復電流を阻止する。

第２の半導体スイッチはバイポーラトランジスタをター
ンオンさせるベース電流を供給する。フライホイールダ
イオードは、環流する負荷の電流を変流器からバイパス
する。

これにより、環流する負荷の電流は変流器を流れない。

またバイポーラトランジスタのベース電流は第２の半導
体スイッチにより供給される。

〔実施例〕

以下に本発明をその実施例を示す図面によって詳述する
。第１図は本発明に係る半導体スイッチ装置を適用した
インバータのブリッジ回路の半部を示す回路図である。

半導体スイッチ装置ＩＰは主回路端子Ｐ、Ｑを、半導体
スイッチ装置１１Ｎは主回路端子Ｑ、　Ｎを備えており
、夫々の主回路端子Ｑ。

Ｑを接続して半導体スイッチ装置ＩＰとＩＮとが直列接
続されている。

そして半導体スイッチ装置ＩＰ及びＩＮの主回路端子Ｑ
と半導体スイッチ装置ＩＮの主回路端子Ｎとの間には負
荷１０が接続されており、半導体スイッチ装置ＩＰの主
回路端子Ｐと半導体スイッチ装ｆｌＮの主回路端子Ｎと
の間に直流電源９が、その正極を主回路端子Ｐ側として
接続されている。

これらの半導体スイッチ装置ＩＰ、　ＩＮはともに同一
構造となっており、以下に説明する如く構成されている
。バイポーラトランジスタ　（以下トランジスタという
）１のエミッタＥは、パワーＭＯ５ＦＥＴ（以下ＭＯＳ
Ｆｔ！Ｔという）２のドレインＤと接続されて第１の半
導体スイッチを構成している。トランジスタ１のコレク
タＣは、そのコレクタＣにカソードを接続しているダイ
オード１３を介して変流器３の１次巻線３ａの一端と接
続されており、１次巻線３ａの他端は一方の主回路端子
Ｐと接続されている。ＭＯＳＦＥＴ　２のソースＳは主
回路端子Ｑと接続されている。

変流器３の２次巻線３ｂの両端は、ダイオード６とツェ
ナーダイオード５とを逆直列接続した直列回路の両端と
接続され、ダイオード６と第１のツェナーダイオード５
との接続中間点はトランジスタ１のベースＢと接続され
ている。またツェナーダイオード５のアノードはＭＯＳ
ＦＥＴ　２のソースＳと接続されている。トランジスタ
１のベースＢとＭＯＳＦＥＴ　２のソースＳとの間には
コンデンサ４が接続され、トランジスタ１のコレクタＣ
、ベース８間には、アノードをコレクタＣ側としたダイ
オード７と抵抗８との直列回路が接続されている。また
変流器３の１次巻線３ａの他端と問５ＦＥＴ　２のソー
スＳとの間にはスナバコンデンサ１１が接続されており
、このスナバコンデンサ１１にはフライホイールダイオ
ード１２を、そのアノードをＭＯＳＦＥＴ　２のソース
Ｓ側として並列接続されている。更に、変流器３の１次
巻線３ａの他端はツェナーダイオード１４のカソードと
接続されており、そのツェナーダイオード１４のアノー
ドは第２の半導体スイッチたる間５ＦＥＴ１５のドレイ
ンＤ２と接続され、そのソースＳ２はトランジスタ１の
ベースＢと接続されて、これらにより半導体スイッチ装
置が構成されている。

なお、半導体スイッチ装置ＩＰ、　ＩＮにおけるＭＯＳ
ＦＥＴ２及び１５は連動してオン１オフ制御されるよう
になっている。

次にこのように構成した半導体スイッチ装置の動作を第
１図により説明する。半導体スイッチ装置ＩＰ、　ＩＮ
をターンオンさせる場合には、ＭＯＳＦＥＴ　２及びＭ
ＯＳＦＥＴ１５のゲートＧ及びＧｔに正の電圧を同時に
印加する。そうすると、それまで充電されていたコンデ
ンサ４と、ＭＯＳＦＥＴ１５とからトランジスタ１にベ
ース電流Ｉ、が流れる。そして、トランジスタ１のコレ
クタＣ，エミッタＥ間電圧が、ツェナーダイオード１４
のツェナー電圧より低下すれば？’ｌ０５ＦＥＴ１５か
らのベース電流Ｉ、の供給が停止する。しかるに、トラ
ンジスタ１のコレクタ電流Ｉ。

が流れ始めると、変流器３の２次巻線３ｂの２次巻線電
流Ｉ　ＣＴｔがベース電流■、となってベースＢに流れ
る。

したがって、ＭＯＳＦＥＴ１５はトランジスタ１のコレ
クタ電流■。が立上るまでの短い期間中、ベース電流ｌ
、を供給する。

さて、半導体スイッチ装置ｆＩＰがターンオフして、半
導体スイッチ装置ＩＮのコンデンサ４が放電して負荷１
０に電流が環流する場合、トランジスタ１のベースＢか
らコレクタＣを通って流れようとするコンデンサ４の放
電電流はダイオード１３によって阻止される。そのため
その放電電流はＭＯＳＦＥＴ１５及びツェナーダイオー
ド１４を通って放電することになる。その後、負荷１０
の電流はフライホイールダイオード１２を通って環流す
ることになり、変流器３の１次巻線３ａに負荷１０の電
流は環流しない。その結果、変流器３の２次巻線３ｂに
は過電圧が発生しない。

その後、再度、半導体スイッチ装置ＩＰがターンオンす
る場合には、そのターンオン電流は、負荷１０に流れる
電流に半導体スイッチ装置ＩＮのフライホイールダイオ
ード１２の逆回復電流が重畳された電流となり、従来生
じていたトランジスタ１のコレクタＣ，ベースＢ間の逆
回復電流分が消滅してトランジスタ１のターンオン損失
が低減する。

そしてＭＯＳＦＥＴ１５は、例えば半導体スイッチ装置
ＩＮにおいて、負荷１０の電流が環流している期間に、
負荷１０の電流方向が反転した場合に、コンデンサ４が
放電していれば、ＭＯＳＦＥＴ　２をオンさせてもトラ
ンジスタ１にベース電流が流れないため、半導体スイッ
チ装置ＩＮはターンオンせず半導体スイッチ装置ＩＰ側
へ電流を環流させる機能をも有する。

またこのとき半導体スイッチ装置ＩＮのトランジスタ１
のコレクタＣ，エミッタＥ間の電圧が上昇し、ツェナー
ダイオード１４のツェナー電圧を超えると、ＭＯＳＦＥ
Ｔ１５及びＭＯＳＦＥＴ　２がターンオンし、トランジ
スタ１にベース電流が流れて半導体スイッチ装置ＩＮが
ターンオンする。

なお、本実施例では、コンデンサ４の初期充電用の抵抗
８及びダイオード７を設けたが、ＭＯＳＦＥＴ１５によ
りトランジスタ１のベース電流が供給可能なため、それ
らを省いてもよい。またコンデンサ４を小容量にするこ
とができ、スイッチングサージ電圧を抑制するスナバコ
ンデンサ１１の機能のみ□を考慮してコンデンサ４の容
量を選定してもよい。

また第２の半導体スイッチとして第１図では間５ＦＥＴ
１５を使用したが、例えば第２図（ａ）、　（ｂ）に示
すようにＭＯＳＦＥＴ１５に替えてトランジスタ２０又
はＩＧＢＴ２１を用いてもよい。そしてこれらの場合も
ＭＯＳＦＥＴ１５である場合と同様に逆回復電流阻止用
のダイオード１６をトランジスタ２０又はＩＧＢＴ　２
１の順方向と同じ向きとして直列接続してもよい。

更に、本実施例では、スナバコンデンサ１１をフライホ
イールダイオード１２に並列接続したが、トランジスタ
１とＭＯＳＦＥＴ　２との直列回路に並列接続してもよ
く、またトランジスタ１のコレクタＣ。

エミンタＥ間に接続してもよい。

第３図及び第４図は本発明の他の実施例を示したもので
ある。第３図に示した半導体スイッチ装置ＩＰは、変流
器３をＭＯＳＦＥＴ　２のソースＳ側に設けており、ま
たＭＯＳＦＥＴ１５と２次巻線３ｂとの間にアノードを
２次巻線３ｂ側としたダイオード１６を介装させており
、その他の構成は第１図に示したものと同様となってい
る。

また第４図に示した半導体スイッチ装置は、ツェナーダ
イオード１４とＭＯＳＦＥＴ１５との直列回路を、ダイ
オード１３とトランジスタ１のコレクタＣとの接続中間
点と、トランジスタ１のベースとの間に介装させており
、その他の構成は第１図に示したものと同様となってい
る。そしてこの場合には第３図の半導体スイッチ装置１
Ｐに示している逆回復゛電流阻止用のダイオード１６を
省いてダイオード１３にその機能を兼ねさせることがで
きる。

なお、これらの他の実施例も前述した実施例と同様の効
果が得られる。

［発明の効果〕 以上詳述したように本発明によれば、負荷の電流が環流
した場合に、変流器の２次巻線に生じる過電圧を防止で
きる。

また、バイポーラトランジスタのスイッチング時のター
ンオン損失を低減できるとともに、確実にターンオン動
作する半導体スイッチ装置を提供できる優れた効果を奏
する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る半導体スイッチ装置を適用したイ
ンバータのブリッジ回路の半部を示す回路図、第２図は
第２の半導体スイッチを含む回路の他の実施例を示す回
路図、第３図及び第４図は本発明の他の実施例を示す半
導体スイッチ装置の回路図、第５図は従来の半導体スイ
ッチ装置の回路図、第６図はそのオン、オフ動作のタイ
ムチャート、第７図は従来の半導体スイッチ装置を適用
したインバータのブリッジ回路の半部の回路図である。 １・・・バイポーラトランジスタ　２・・・パワーＭＯ
ＳＦＥＴ３・・・変流器　４・・・コンデンサ　６・・
・ダイオード９・・・直流電源　１０・・・負荷　１１
・・・スナバコンデンサ１２・・・フライホイールダイ
オード　１５・・・第２の半導体スイッチ　ＩＰ、　Ｉ
Ｎ・・・半導体スイッチ装置なお、図中、同一符号は同
一、又は相当部分を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、バイポーラトランジスタ及びＭＯＳＦＥＴを直列接
   続してなる第１の半導体スイッチと、該第１の半導体ス
   イッチにその１次巻線を直列接続している変流器とを備
   え、該変流器の２次巻線の電流を、前記バイポーラトラ
   ンジスタのベースに供給しており、前記第１の半導体ス
   イッチのオン、オフ動作に関連して、前記変流器の１次
   巻線と第１の半導体スイッチとの直列回路に並列接続し
   てある負荷に電流を供給すべく構成してある半導体スイ
   ッチ装置において、 前記変流器の１次巻線と前記第１の半導体 スイッチとの直列回路に第１の半導体スイッチの順方向
   に設けているダイオードと、前記バイポーラトランジス
   タにベース電流を供給すべく設けている第２の半導体ス
   イッチと、前記１次巻線、ダイオード及び第１の半導体
   スイッチの直列回路に逆並列接続しているフライホィー
   ルダイオードとを備えていることを特徴とする半導体ス
   イッチ装置。