JPH0633712Y2 - 半導体スイッチ - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔考案の目的〕 （産業上の利用分野） 本考案は、数十キロボルト，数千アンペアの高電圧大電
流の半導体スイッチに係り、特にインダクタンスの低減
とスイッチングスピードの高速化を図った半導体スイッ
チに関する。

（従来の技術） 近年パルス状の大電流を利用してガスレーザの励起を行
なったり、パルス磁場を形成したりするいわゆるパルス
パワー技術に対する産業上の需要が高まっている。パル
ス大電流を得る方法としては高電圧に充電されたコンデ
ンサ等の回路をスイッチングする方法が一般的であり、
スイッチとしては低圧の水素ガスを封入したサイラトロ
ンやガスキャップがよく使われてきた。しかしサイラト
ロンやガスギャップは放電作用を伴うため電極の消耗を
避けることができず、寿命が短いという欠点があった。
この欠点を解決するため最近では半導体により必要なス
イッチングを行なうという試みがなされている。

パルスパワー用のスイッチにはサブマイクロ秒での高速
スイッチングと数10キロボルト、数キロアンペアという
高電圧大電流を両立した定格が必要であるが、今のとこ
ろこのような定格を満たす単独の素子は存在しない。サ
イリスタ等の大電力デバイスは電流定格は満たすもの
の、スイッチングスピードが遅い。また、MOSFFT等の高
速デバイスは大電流を流すことができない。また、いず
れの素子も耐電圧がせいぜい数キロボルトしかない。

これらの問題を解決する方法としてMOS系の高速素子を
複数個、一つのパッケージに封入したパワーモジュール
を直列にして使用する方法が考えられる。このようにす
ると、高速性と大電流、高電圧の全てを満たすことがで
きる。

（考案が解決しようとする課題） ところが、パワーモジュールを直列に接続するためには
次のような問題点がある。すなわち、パワーモジュール
は第５図に示すように半導体素子のチップ１を基板上に
平面的に配列しエポキシレジン２によって封じたもので
あって筐体３の片面は放熱板４であり、アノード、カソ
ード等の電極５は全て一つの面上にある。このためパワ
ーモジュールを直列に接続する場合、サイリスタ等の平
形素子のように積み重ねることができず、配線距離が長
くならざるを得ない。そのために、配線に寄生する漂遊
インダクタンスが大きくなる。このような漂遊インダク
タンスは高速大電流のスイッチングを行なう場合には大
きな電流上昇率のために電磁誘導の法則に従って大きな
電圧を分担することになる。そのため、本来は負荷が分
担すべき電圧をスイッチが分担することになりエネルギ
ーの伝達効率が低下する。また、スイッチング時に於け
る過渡的な電圧の分布は配線によるインダクタンスの分
布によって決まり、定状態における電圧の分布とは異な
っているから、場合によっては直列接続されたパワーモ
ジュールの一部分に集中して電圧がかかり、素子の電圧
破壊を引き起こす危険性がある。

本考案は上に述べた従来の半導体スイッチの問題点を解
決するためになされたものであって、その目的は低イン
ダクタンスで高速スイッチングに適したパワーモジュー
ルによる半導体スイッチを得ることにある。

〔考案の構成〕

〔課題を解決するための手段〕 上記目的を達成するため、本考案においては、複数のパ
ワーモジュールを直列に接続してスイッチングを行なう
半導体スイッチにおいて、複数のパワーモジュールを２
群に分割し、分割された各々を近接して対向させ、分割
されたモジュール群の電流が反対方向になるように直列
接続する。

（作用） 前記直列接続されたパワーモジュール群に流れる電流に
よってつくり出される磁界が打ち消しあうためインダク
タンスが低減される。

（実施例） 以下、本考案の実施例を図面を参照して説明する。

第１図は本考案の一実施例における接続方法を示す構成
図である。簡単のためパワーモジュール６の内部回路に
ついてはMOSFFT1個の回路図で代用することとする。2n
個のパワーモジュール６はｎ個づつ２組の群はその極性
を第１の群とは反転させた上で、第１の群に分割され、
第１の群10及び第２群20の各々は直鎖状に接続される。
さらに第２の群と平行に近接して対向され、下部におい
て第１の群と接続される。このようにして全体で2n個の
パワーモジュールが直列に接続される。

このように構成した本考案の一実施例においては次に述
べるように低インダクタンス化を図ることができる。即
ち、本考案の一実施例における半導体スイッチが通電状
態となった場合、電流はアノードＡからカソードＫに向
かって第２図のように流れる。２組に分割されたパワー
モジュール群のうち、第１の群に流れる電流11は上から
下に向かって流れ、第２の群に流れる電流21は下から上
に向かって流れ、両者の大きさはまったく同じである。
即ち、反方向同大の電流が近接して流れることになる。
従って、これらの電流によって作られる磁束もまた反方
向同大となるので互いに打ち消しあうことになる。イン
ダクタンスとは電流によってつくり出される磁束の割合
ことであるから、結局、スイッチの端子Ａ、Ｋからみた
インダクタンスが低減されたことになる。

以上説明したように本考案の一実施例によればパワーモ
ジュールを多数直列に接続してもインダクタンスが大き
くならず、高速スイッチングに適した半導体スイッチを
得ることができる。

次に本考案の他の実施例について図面を参照しながら説
明する。なお第１の実施例と共通する部分についてはそ
の説明を省略する。第３図は本考案の第２の実施例にお
ける第１のパワーモジュール群の接続を説明する図であ
る。第１の群の中における各パワーモジュールは第３図
に示すごとく蛇行しながら直列に接続される。第２の群
も同様に接続され、第１の群と第２の群が極性を反転し
た上で水平に近接して接続されるのは第１の実施例とま
ったく同様である。このように構成すると１つの群の中
においても第４図のごとく反方向同大に電流が流れる部
分ができるため、磁束の打ち消しが行なわれる。さらに
また、第１の実施例同様に第１の群と第２の群との間で
も磁束の打ち消しが行なわれるのでよりいっそうの低イ
ンダクタンス化が図れる。

〔考案の効果〕

以上、述べたように本考案によれば、低インダクタンス
で高速スイッチングに適したパワーモジュールによる半
導体スイッチを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の一実施例における接続方法を説明する
図、第２図は本考案の一実施例における電流の流れを説
明する図、第３図は本考案の他の実施例における接続方
法を説明する図、第４図は第３図の電流の流れ方を説明
する図、第５図はパワーモジュールの構造を説明するた
めの図である。 ６…パワーモジュール 10…第１のパワーモジュール群 20…第２のパワーモジュール群 Ａ…アノード、Ｋ…カソード

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】複数のパワーモジュールを直列に接続した
   半導体スイッチに於て、前記複数のパワーモジュールを
   ２群に分割し、分割された各々を対向させ、分割された
   モジュール群の電流が反対方向になるように接続された
   ことを特徴とする半導体スイッチ。