JPH10271808A - Semiconductor switching device, semiconductor stack device and power conversion device using the same - Google Patents
Semiconductor switching device, semiconductor stack device and power conversion device using the sameInfo
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 リング状のゲート端子を有する半導体スイッ
チング素子を備えた半導体スイッチング装置の製品化を
図る上において、ターンオフゲート電流をこのゲート端
子の周方向に均等に流すことは必ずしも容易でなかっ
た。
【解決手段】 半導体スイッチング素子GCTとゲート
ドライバBDとの間を接続する板状接続導体BGにスリ
ットSを設けて並列電流路GLP、GCP、GRPを形
成する。
【効果】 ゲート端子RGへのターンオフゲート電流
は、インピーダンスがほぼ等しくなる各並列電流路を経
てほぼ均等に流れる。
(57) [Problem] To commercialize a semiconductor switching device including a semiconductor switching element having a ring-shaped gate terminal, it is not always necessary to allow a turn-off gate current to flow evenly in a circumferential direction of the gate terminal. It was not easy. SOLUTION: A slit S is provided in a plate-shaped connection conductor BG connecting between a semiconductor switching element GCT and a gate driver BD to form parallel current paths GLP, GCP, GRP. [Effect] The turn-off gate current to the gate terminal RG flows almost uniformly through each parallel current path where the impedance is almost equal.
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】この発明は、ゲート電極を有
する半導体スイッチング素子、および電流路を介して上
記半導体スイッチング素子のゲート電極とカソード電極
との間にターンオフ電流を供給するゲートドライバを備
えた半導体スイッチング装置、この半導体スイッチング
装置を使用してなる半導体スタック装置および電力変換
装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor switching device having a gate electrode and a gate driver for supplying a turn-off current between a gate electrode and a cathode electrode of the semiconductor switching device via a current path. The present invention relates to a switching device, a semiconductor stack device using the semiconductor switching device, and a power conversion device.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来の半導体スイッチング装置の回路構
成の一例を、図40に示す。同図において、参照符号3
Pは半導体スイッチング素子であり、ここでは、それは
GTO(ゲートターンオフ・サイリスタ)である。GT
O3Pのゲートとカソード間には、ゲートターンオン制
御電流IGPを発生させるゲートドライバ4Pが接続され
ており、同ドライバ4Pは、上記ゲートターンオン制御
電流IGPをGTO3Pのゲートに印加することで、GT
O3Pをターンオンさせる。更に、同ドライバ4Pは、
電流変化率dIGQP/dtが20〜50A/μsで与え
られるゲート逆電流IGQPをゲートからカソードに向け
て通電する。このゲート逆電流IGQPは、アノード電流
IAPより分流したものである。このとき、ターンオフゲ
インは2〜5までの範囲内の値となり、GTO3Pはタ
ーンオフする。2. Description of the Related Art An example of a circuit configuration of a conventional semiconductor switching device is shown in FIG. In FIG.
P is a semiconductor switching element, here it is a GTO (gate turn-off thyristor). GT
Between the gate and cathode of O3P, gate driver 4P to generate the gate turn-on control current I GP is connected, the driver 4P, by applying the gate turn-on control current I GP to the gate of GTO3P, GT
Turn on O3P. Furthermore, the driver 4P
Current change rate dI GQP / dt is energized toward the cathode from the gate of the gate reverse current I GQP given by 20 to 50 A / .mu.s. The gate reverse current I GQP are those diverted from the anode current I AP. At this time, the turn-off gain becomes a value within the range of 2 to 5, and the GTO3P turns off.
【0003】又、アノード電極とカソード電極間電圧V
AKPの上昇率(dVAKP/dt)とサージ電圧とを抑える
ために、一般にスナバ回路が用いられる。ここでは、ス
ナバ回路は、次の通りに構成される。即ち、スナバコン
デンサCsとスナバダイオードDSとがGTO3Pに対
して並列に接続されており、また、GTO3Pのターン
オフ時にスナバコンデンサCsに充電された電荷を放電
するために、スナバ抵抗RSがスナバダイオードDSに対
して並列に接続されている。Further, a voltage V between an anode electrode and a cathode electrode is
In order to suppress the increase rate of the AKP and (dV AKP / dt) and a surge voltage, generally a snubber circuit is used. Here, the snubber circuit is configured as follows. That is, the snubber capacitor Cs and the snubber diode D S is connected in parallel to GTO3P, also to discharge the electric charge charged in the snubber capacitor Cs at turn-off of GTO3P, snubber resistor R S snubber diode It is connected in parallel to D S.
【0004】又、インダクタンス1Pは、GTO3Pが
ターンオンしたときに流れる陽極電流IAPの上昇率dI
AP/dtを1000A/μs以下に抑えるためのもので
あり、インダクタンス1Pに対して並列接続された還流
ダイオード2Pは、GTO3Pがターンオフした時にイ
ンダクタンス1Pに発生したエネルギーを還流させるた
めのものである。[0004] Also, inductance 1P is rising rate of the anode current I AP flowing when GTO3P is turned on dI
The feedback diode 2P connected in parallel to the inductance 1P is for returning the energy generated in the inductance 1P when the GTO 3P is turned off.
【0005】尚、インダクタンスLsは、上記スナバ回
路の配線の浮遊インダクタンスである。The inductance Ls is the stray inductance of the snubber circuit wiring.
【0006】上記の半導体スイッチング装置の回路に対
して、ターンオフ試験を実施して得られた実測波形を、
図41に示す。同図において、波形C1P、C2P及び
C3Pは、それぞれ陽極電流IAP、アノード電極とカソ
ード電極間電圧VAKP及びゲート逆電流IGQPを示す波形
であり、横軸は時間軸である。The measured waveform obtained by performing a turn-off test on the circuit of the semiconductor switching device is
As shown in FIG. In the figure, waveforms C1P, C2P and C3P are waveforms respectively showing the anode current I AP , the voltage V AKP between the anode electrode and the cathode electrode and the gate reverse current IGQP , and the horizontal axis is the time axis.
【0007】図41において、時刻tP1ではGTO3
Pはターンオン状態にあり、ゲート逆電流IGQPは0の
状態にある。この時に、ゲート逆電流IGQPの上昇率d
IGQP/dtの絶対値を20〜50A/μsとしてゲー
ト逆電流IGQPを立ち上げ、GTO3P自身が持つター
ンオフゲイン(陽極電流IAP/ゲート逆電流IGQPで与
えられる比の絶対値)のしきい値に当該ターンオフゲイ
ンが達すると(時刻tP2)、陽極電流IAPは減少し始
め、GTO3Pのアノード電極とカソード電極間電圧V
AKPが上昇し始める。この時、前述したスナバ回路側に
も電流ISが流れ出すこととなり、この電流ISの上昇率
とスナバ回路のインダクタンス(スナバインダクタン
ス)Lsにより電圧が発生し、この電圧がアノード電極
とカソード電極間電圧VAKPに重畳される結果、スパイ
ク電圧VDSPが発生する(時刻tP3)。このスパイク
電圧VDSPは、電力損失の原因となる。例えば、約40
00Aの電流が流れるときは、上記電力ロスは数MWに
もなる。そのため、このスパイク電圧VDSPを出来る限
り低い値に抑える必要があり、従来よりスナバインダク
タンスLSを低減する努力が続けられてきた。In FIG. 41, at time tP1, GTO3
P is in a turned-on state, and the gate reverse current IGQP is in a state of zero. At this time, the rate of rise d of the gate reverse current IGQP
The absolute value of I GQP / dt launch gate reverse current I GQP as 20 to 50 A / .mu.s, (absolute value of the ratio given by the anode current I AP / gate reverse current I GQP) turn-off gain with the GTO3P own bookmarks the turn-off gain threshold and reaches (time tP2), the anode current I AP starts decreasing, between the anode electrode and the cathode electrode of GTO3P voltage V
AKP starts to rise. At this time, the current I S also flows to the above-described snubber circuit side, and a voltage is generated by the rise rate of the current I S and the inductance (snubber inductance) Ls of the snubber circuit, and this voltage is generated between the anode electrode and the cathode electrode. As a result of being superimposed on the voltage V AKP , a spike voltage V DSP is generated (time tP3). This spike voltage V DSP causes power loss. For example, about 40
When a current of 00 A flows, the power loss becomes several MW. Therefore, it is necessary to keep the spike voltage V DSP as low as possible, and efforts have been made to reduce the snubber inductance L S conventionally.
【0008】又、スパイク電圧VDSPの発生後のアノー
ド電極とカソード電極間電圧VAKPの上昇率dVAKP/d
tが急峻に変化し、陽極電流IAPに極大値が発生し(時
刻tP4)、それ以後は、テール電流が発生する。その
ため、このテール電流と上記電圧VAKPとの積により、
電力損失が更に発生する。そして、上記電圧VAKPは、
時刻tP5において、ピーク電圧に達する。その後は、
上記電圧VAKPは、電源電圧VDDに到達する。Further, the rate of increase dV AKP / d of the voltage V AKP between the anode electrode and the cathode electrode after the generation of the spike voltage V DSP.
t is changed sharply, the anode current I AP maximum value is generated (time TP4), is thereafter it, the tail current is generated. Therefore, the product of this tail current and the voltage V AKP gives
Further power losses occur. The voltage V AKP is
At time tP5, the peak voltage is reached. After that,
The voltage V AKP reaches the power supply voltage V DD .
【0009】そこで、このような上昇率dVAKP/dt
を抑制するために、既述したスナバコンデンサCSが必
要となる。その容量値は、IAP/(dVAKP/dt)で
表され、通常は、dVAKP/dt≦1000V/μsの
関係式を満足するように選定されている。Therefore, such a rate of increase dV AKP / dt
To suppress, is required snubber capacitor C S already described. Capacitance value is represented by I AP / (dV AKP / dt ), usually it is selected to satisfy the dV AKP / dt ≦ 1000V / μs relationship.
【0010】図42及び図43は、図40で示した従来
の半導体スイッチング装置で用いられているGTO3P
の構造(同構造は、GTO素子のパッケージと2つのス
タック電極に大別される。)を示した図であり、両図
は、ゲートドライバ4Pを含めて図示されている。その
内、図42は、図43に示す矢印方向DP2から眺めた
GTO3Pの側面図を示すものであるが、その内の一部
分だけは断面図形式で以て表示されている。又、図43
は、図42に示す矢印方向DP1からGTO3Pを見た
ときのスタック電極27Paを除いた部分の平面図であ
る。FIGS. 42 and 43 show a GTO3P used in the conventional semiconductor switching device shown in FIG.
(The structure is roughly divided into a GTO element package and two stack electrodes.) Both figures include the gate driver 4P. 42 shows a side view of the GTO 3P viewed from the arrow direction DP2 shown in FIG. 43, but only a part of the GTO 3P is shown in a sectional view form. FIG. 43
43 is a plan view of a portion excluding the stack electrode 27Pa when the GTO3P is viewed from the arrow direction DP1 shown in FIG. 42.
【0011】両図42、43において、各参照符号は以
下の部材を示す。即ち、20PはGTO素子、4PLは
ゲートドライバ4Pの内部インダクタンス、21P及び
22Pは、それぞれ、共に同軸構成のシールド線もしく
はツイストされたリード線からなるゲート外部リード
(ゲート取り出し線)及びカソード外部リード(カソー
ド取り出し線)である。そして、GTO素子20Pのゲ
ート端子25Pとゲート外部リード21Pの一端とを金
属性の連結部材23Pに溶接又は半田付けすることによ
り、又は嵌合することにより、両者25P、21Pを一
体化すると共に、カソード端子26Pとカソード外部リ
ード22Pの一端とを金属性の連結部材24Pに溶接又
は半田付けして、又は嵌合して、両者26P、22Pを
一体化する。これにより、両端子25P、26Pは、そ
れぞれ上記リード21P、22Pを介してゲートドライ
バ4Pに接続される。In both FIGS. 42 and 43, reference numerals indicate the following members. That is, 20P is a GTO element, 4PL is an internal inductance of the gate driver 4P, and 21P and 22P are a gate external lead (gate lead-out line) and a cathode external lead (coaxially shielded or twisted lead, respectively). (Cathode take-out line). Then, by welding or soldering or fitting the gate terminal 25P of the GTO element 20P and one end of the gate external lead 21P to the metallic connecting member 23P, the two 25P and 21P are integrated, The cathode terminal 26P and one end of the cathode external lead 22P are welded, soldered, or fitted to the metal connecting member 24P to integrate the two 26P, 22P. As a result, both terminals 25P and 26P are connected to the gate driver 4P via the leads 21P and 22P, respectively.
【0012】参照符号27Pa、27Pbは、GTO素
子20Pを加圧するためのスタック電極である。Reference numerals 27Pa and 27Pb denote stack electrodes for pressing the GTO element 20P.
【0013】参照符号28PはGTOのセグメントが形
成された半導体基板であり、半導体基板28Pの上側表
面の最外周部上にA1(アルミニウム)のゲート電極2
9Paが形成され、そのゲート電極29Paよりも内側
の上記上側表面上にカソード電極29Pbが各セグメン
トに対応して形成されている。又、30P及び31P
は、それぞれ半導体基板28Pの上側表面上のカソード
電極29Pbの上側表面上に順次積載して配設されたカ
ソード歪緩衝板及びカソードポスト電極であり、他方、
32P及び33Pは、それぞれ半導体基板28Pの裏面
に形成されたアノード電極(図示せず)(上記裏面中、
カソード電極29Pbとは、反対側に位置する面に該当
している)上に順次積載されたアノード歪緩衝板及びア
ノードポスト電極である。Reference numeral 28P denotes a semiconductor substrate on which a GTO segment is formed, and an A1 (aluminum) gate electrode 2 is formed on the outermost peripheral portion of the upper surface of the semiconductor substrate 28P.
9Pa is formed, and a cathode electrode 29Pb is formed corresponding to each segment on the upper surface inside the gate electrode 29Pa. Also, 30P and 31P
Are a cathode strain buffer plate and a cathode post electrode, which are sequentially mounted on the upper surface of the cathode electrode 29Pb on the upper surface of the semiconductor substrate 28P, respectively.
32P and 33P are anode electrodes (not shown) formed on the back surface of the semiconductor substrate 28P, respectively (in the back surface,
The cathode electrode 29Pb corresponds to a surface located on the opposite side), and is an anode strain buffer plate and an anode post electrode sequentially stacked on the cathode electrode 29Pb.
【0014】又、34Pは半導体基板28Pのゲート電
極29Paの上側表面に接したリング状ゲート電極、3
5Pは環状絶縁体36Pを介してリング状ゲート電極3
4Pをゲート電極29Paに押圧する皿バネ、37P
は、リング状ゲート電極34Pをカソード歪緩衝板30
P及びポスト電極31Pから絶縁するための絶縁シート
であり、38Pは、その一端がリング状ゲート電極34
Pにろう付けあるいは溶接などによって固着され且つそ
の他端がゲート端子25Pに電気的に接続されたゲート
リードであり、39Pは、その一他がカソードポスト電
極31Pに固着され且つ他端がカソード端子26Pをな
した第1のフランジであり、40Pはアノードポスト電
極33Pにその一端が固着された第2のフランジであ
り、41Pは、その開口の内面上にゲート端子25Pが
配設された、しかも突起部42Pを有する絶縁筒であ
り、絶縁筒41Pの上下面より突出した両端部43P
a、43Pbはそれぞれ第1及び第2のフランジ39P
及び40Pと気密に固着されており、これによりGTO
素子20Pは密閉された構造となっている。A ring-shaped gate electrode 34P is in contact with the upper surface of the gate electrode 29Pa of the semiconductor substrate 28P.
5P is a ring-shaped gate electrode 3 via a ring insulator 36P.
Disc spring pressing 4P against gate electrode 29Pa, 37P
Connects the ring-shaped gate electrode 34P to the cathode strain buffer plate 30.
38P is an insulating sheet for insulating from the post electrode 31P.
P is a gate lead fixed to the gate terminal 25P by brazing or welding and the other end is electrically connected to the gate terminal 25P. The other end of the gate lead 39P is fixed to the cathode post electrode 31P and the other end is a cathode terminal 26P. 40P is a second flange having one end fixed to the anode post electrode 33P, and 41P is a gate flange 25P on which the gate terminal 25P is provided on the inner surface of the opening. End portions 43P protruding from the upper and lower surfaces of the insulating tube 41P.
a and 43Pb are the first and second flanges 39P, respectively.
And 40P are hermetically fixed with the GTO
The element 20P has a sealed structure.
【0015】[0015]
【発明が解決しようとする課題】従来の半導体スイッチ
ング装置には、大別して2つの問題点がある。The conventional semiconductor switching devices generally have two problems.
【0016】(1)先ず、その第一は、例えば図43に示
したように、ゲート逆電流の取り出しリード21Pがリ
ング状ゲート電極34Pの内の局所的な部分から取り出
されているという点である。このため、ゲート逆電流の
取り出しが一方向となる。その結果、ターンオフ時に、
カソード電流の不均一が発生し、上述したスパイク損失
やテール電流による損失という電力損失が全てGTO内
部のカソード面の一部に局部的に集中し、局部的な温度
上昇の発生によりGTOの各素子ないし各セグメントが
破壊されて導通状態となり、結果的にターンオフが失敗
するという事態が起こる蓋然性が高いという問題点があ
り、このため装置としての信頼性に問題が生じていた。(1) First, as shown in FIG. 43, for example, as shown in FIG. 43, the lead 21P for taking out a gate reverse current is taken out from a local portion of the ring-shaped gate electrode 34P. is there. Therefore, the gate reverse current is extracted in one direction. As a result, at turn-off,
Non-uniformity of the cathode current occurs, and the above-mentioned power loss such as the spike loss and the loss due to the tail current is all locally concentrated on a part of the cathode surface inside the GTO, and each element of the GTO is caused by the occurrence of a local temperature rise. In addition, there is a problem in that each segment is broken and becomes conductive, and as a result, there is a high probability that a turn-off failure will occur, which has caused a problem in the reliability of the device.
【0017】この点を模式的に説明するのが、図44の
GTO素子の平面図と、図45のGTO素子の断面図で
ある。図45は、図44に示す線CSA−CSBに関す
る縦断面図にあたる。即ち、円柱状のウェハ内に形成さ
れたGTOの各素子の内で、リング状ゲート電極34P
に近い領域、例えば領域REO内に形成されたものほ
ど、そのゲート逆電流は、それよりも内側の領域REI
にあるGTO素子の場合よりも、より一層早く引き抜か
れることとなり、従って、より早くターンオフされるこ
ととなる。それに対して、ウェハ中心部の領域REC内
に形成されたGTOのセグメントは最もターンオフする
のに長い時間を必要とすることとなり、この中心部領域
REC内の各セグメントのカソード電極へ向けて、その
周りの各セグメントからカソード電流IKが流入してく
ることとなるので、GTOのウェハ内部の一部に電流集
中が生じてしまうのである。FIG. 44 is a plan view of the GTO element, and FIG. 45 is a sectional view of the GTO element. FIG. 45 is a longitudinal sectional view of the line CSA-CSB shown in FIG. That is, among the GTO elements formed in the columnar wafer, the ring-shaped gate electrode 34P
, For example, in a region REO, the gate reverse current of the region formed in the region REI is larger.
Will be pulled out more quickly than in the case of the GTO element in FIG. On the other hand, the GTO segments formed in the central region REC of the wafer require a long time to turn off most, and the segments of the GTO are directed toward the cathode electrode of each segment in the central region REC. Since the cathode current I K flows in from each of the surrounding segments, current concentration occurs in a part of the GTO inside the wafer.
【0018】(2)第2の問題点は、スナバ回路、特にス
ナバコンデンサの存在に起因するものである。即ち、上
述したように、ターンオフ時にスナバコンデンサCs
(図40)にチャージアップされた電荷は、次回のター
ンオフ迄にこれを完全に放電しておく必要がある。そこ
で、GTO3Pのターンオン時にスナバ抵抗RSを通し
て上記電荷を放電しているが、このため、大きな電力損
失が生じている。この時のスナバ抵抗RSに生じる消費
電力の容量は、PW=1/2*Cs*f(VDD 2+(V
DM−VDD)2)の関係式で表される。ここで、VDDは電
源電圧、VDMはスナバコンデンサCSがターンオフ時に
チャージアップされたときの電圧である。そのため、装
置全体を冷却するための冷却装置を設ける必要性が生じ
る。(2) The second problem is caused by the presence of a snubber circuit, particularly a snubber capacitor. That is, as described above, at the time of turn-off, the snubber capacitor Cs
The charge charged up in FIG. 40 needs to be completely discharged before the next turn-off. Therefore, when the GTO3P is turned on, the charge is discharged through the snubber resistor R S , which causes a large power loss. At this time, the power consumption capacity generated in the snubber resistor R S is PW == * Cs * f (V DD 2 + (V
DM− V DD ) 2 ) Here, VDD is a power supply voltage, and VDM is a voltage when the snubber capacitor CS is charged up at the time of turning off. Therefore, it becomes necessary to provide a cooling device for cooling the entire device.
【0019】このような電力容量のスナバ抵抗を接続す
ることは、当該スナバ抵抗で生じる電力分だけが、本来
伝達すべき電力の内のロス分となってしまい、効率の低
下をもたらすと共に、上記冷却装置の設置の必要性を生
じさせるので、その点が、装置全体の簡素化、小形化を
すすめる上で大変大きな問題となっていた。Connecting a snubber resistor having such a power capacity as described above results in that only the power generated by the snubber resistor becomes a loss in the power to be transmitted, resulting in a reduction in efficiency and This necessitates the installation of a cooling device, which has been a very serious problem in simplifying and miniaturizing the entire device.
【0020】そこで、これら問題を解決するため、第
1、第2及び第3電極を有し、前記第3電極に印加され
たターンオン制御電流に応じてオン状態となったときは
前記第1電極に流れ込む主電流を前記第1電極から前記
第2電極へと直接に流す半導体スイッチング素子と、前
記第3電極と前記第2電極との間に接続され、前記ター
ンオン制御電流を生成して前記第3電極に印加する駆動
制御手段とを備え、ターンオフ時には、前記主電流の全
てを前記ターンオン制御電流とは逆方向に前記第1電極
から前記第3電極を介して前記駆動制御手段へと転流さ
せた半導体スイッチング装置を案出し、一応の解決を図
った。しかし、現実の製品化を図る上で更なる検討を加
えたところ、電流路を介してゲートドライバから半導体
スイッチング素子へターンオフ電流を供給する場合に、
その電流をゲート端子にいかに均一な分布で流し得るか
が、半導体スイッチング装置としての性能を十分発揮さ
せる上で極めて重要な課題であることが判明した。In order to solve these problems, first, second and third electrodes are provided. When the first electrode is turned on in response to a turn-on control current applied to the third electrode, the first electrode is turned off. A semiconductor switching element that allows a main current flowing into the first electrode to flow directly from the first electrode to the second electrode, and is connected between the third electrode and the second electrode, and generates the turn-on control current to generate the second current. Drive control means for applying to the three electrodes, when turning off, all of the main current is commutated from the first electrode to the drive control means via the third electrode in a direction opposite to the turn-on control current. We devised a semiconductor switching device that was designed to solve the problem. However, further studies have been made in order to achieve actual commercialization, and when a turn-off current is supplied from a gate driver to a semiconductor switching element via a current path,
It has been found that how uniform the current can be applied to the gate terminal is a very important issue in sufficiently exhibiting the performance as a semiconductor switching device.
【0021】この発明は、以上のような問題点を解決す
るためになされたもので、半導体ウエハ内の一部の半導
体スイッチング素子に電力損失が局部的に集中すること
を防止して素子破壊を防止し、以て装置の信頼性向上を
図るような半導体スイッチング装置等において、ゲート
端子への電流の供給が均一な分布でなされる半導体スイ
ッチング装置、これを使用した半導体スタック装置およ
び電力変換装置を得ることを目的とする。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-described problems, and it is possible to prevent power loss from being locally concentrated on some semiconductor switching elements in a semiconductor wafer and to prevent element destruction. In a semiconductor switching device or the like that prevents and thereby improves the reliability of the device, a semiconductor switching device in which current supply to a gate terminal is made with a uniform distribution, a semiconductor stack device and a power conversion device using the same. The purpose is to gain.
【0022】[0022]
【課題を解決するための手段】請求項1に係る半導体ス
イッチング装置は、半導体スイッチング素子を周方向に
延在するゲート端子を備えたものとし、電流路を、ター
ンオフ電流が上記ゲート端子の複数個所に並列に流れる
並列電流路としたものである。According to a first aspect of the present invention, there is provided a semiconductor switching device including a semiconductor switching element having a gate terminal extending in a circumferential direction, a current path having a turn-off current at a plurality of positions of the gate terminal. And a parallel current path flowing in parallel to the current path.
【0023】請求項2に係る半導体スイッチング装置
は、半導体スイッチング素子を周方向に延在するゲート
端子を備えたものとし、電流路を導体領域と絶縁領域と
で形成してターンオフ電流が上記ゲート端子の複数個所
に並列に流れる並列電流路としたものである。According to a second aspect of the present invention, the semiconductor switching device includes a gate terminal extending in a circumferential direction of the semiconductor switching element. Are parallel current paths flowing in parallel at a plurality of locations.
【0024】また、請求項3に係る半導体スイッチング
装置は、請求項2において、その電流路をゲート側電流
路を形成する第1の導電層とカソード側電流路を形成す
る第2の導電層とを絶縁層を介して積層してなる配線基
板で構成し、上記両導電層を導体領域とし、上記配線基
板に所定のパターンのスリットを形成して絶縁領域とし
たものである。According to a third aspect of the present invention, there is provided a semiconductor switching device according to the second aspect, wherein the current path includes a first conductive layer forming a gate side current path and a second conductive layer forming a cathode side current path. Are formed by laminating via an insulating layer, the two conductive layers are used as conductive regions, and a slit of a predetermined pattern is formed in the wiring substrate to form an insulating region.
【0025】請求項4に係る半導体スイッチング装置
は、半導体スイッチング素子を周方向に延在するゲート
端子を備えたものとし、電流路を、ターンオフ電流が上
記ゲート端子の複数個所に並列に流れる並列電流路と
し、この並列電流路の各電流路における上記ゲート端子
とゲートドライバとの間のインピーダンスの差を減じる
手段を備えたものである。According to a fourth aspect of the present invention, in the semiconductor switching device, the semiconductor switching element is provided with a gate terminal extending in a circumferential direction, and a current path includes a parallel current through which a turn-off current flows in parallel at a plurality of locations of the gate terminal. And a means for reducing a difference in impedance between the gate terminal and the gate driver in each current path of the parallel current path.
【0026】請求項5に係る半導体スイッチング装置
は、半導体スイッチング素子を周方向に延在するゲート
端子を備えたものとし、電流路を、ターンオフ電流が上
記ゲート端子の複数個所に並列に流れる並列電流路とす
るとともに、ゲートドライバを複数個のゲートドライバ
で構成し、これら各ゲートドライバの上記半導体スイッ
チング素子への印加電圧を、上記並列電流路の各電流路
における電流の差を減じるように異なる電圧としたもの
である。According to a fifth aspect of the present invention, in the semiconductor switching device, the semiconductor switching element is provided with a gate terminal extending in a circumferential direction, and a current path includes a parallel current in which a turn-off current flows in parallel at a plurality of locations of the gate terminal. And the gate driver is composed of a plurality of gate drivers, and the voltage applied to the semiconductor switching element of each of the gate drivers is set to a different voltage so as to reduce the difference between the currents of the parallel current paths. It is what it was.
【0027】請求項6に係る半導体スイッチング装置
は、半導体スイッチング素子を周方向に延在するゲート
端子を備えたものとし、ゲートドライバを複数個のゲー
トドライバで構成し、これら各ゲートドライバを上記半
導体スイッチング素子に対して前後に配設し、上記半導
体スイッチング素子に近いゲートドライバは上記ゲート
端子の遠い部位に、上記半導体スイッチング素子から遠
いゲートドライバは上記ゲート端子の近い部位に、各々
電流路を介して接続したものである。According to a sixth aspect of the present invention, a semiconductor switching device includes a semiconductor switching element having a gate terminal extending in a circumferential direction, a gate driver including a plurality of gate drivers, and each of the gate drivers is composed of the semiconductor driver. A gate driver close to the semiconductor switching element is disposed before and after the switching element, and a gate driver far from the gate terminal is located at a location far from the gate terminal, and a gate driver far from the semiconductor switching element is located at a location near the gate terminal via a current path. Connected.
【0028】また、請求項7に係る半導体スイッチング
装置は、請求項6において、その電流路をゲート側電流
路を形成する第1の導電層とカソード側電流路を形成す
る第2の導電層とを絶縁層を介して積層してなる配線基
板で構成するとともに、上記配線基板に所定のパターン
のスリットを形成することにより上記電流路を上記ター
ンオフ電流が上記ゲート端子の複数個所に並列に流れる
並列電流路とし、上記半導体スイッチング素子に近いゲ
ートドライバは上記ゲート端子の遠い部位に接続される
電流路を介して、上記半導体スイッチング素子から遠い
ゲートドライバは上記ゲート端子の近い部位に接続され
る電流路を介して、各々接続したものである。According to a seventh aspect of the present invention, in the semiconductor switching device according to the sixth aspect, the current path includes a first conductive layer forming a gate side current path and a second conductive layer forming a cathode side current path. And a wiring board formed by laminating via an insulating layer, and a slit of a predetermined pattern is formed in the wiring board so that the turn-off current flows in parallel at a plurality of locations of the gate terminal through the current path. A gate driver near the semiconductor switching element is a current path connected to a part near the gate terminal through a current path connected to a part far from the gate terminal. Are connected to each other.
【0029】また、請求項8に係る半導体スイッチング
装置は、請求項6において、その電流路をゲート側電流
路を形成する第1の導電層とカソード側電流路を形成す
る第2の導電層とを複数対、上記両導電層を交互に絶縁
層を介して積層してなる配線基板で構成し、上記半導体
スイッチング素子に近いゲートドライバは上記複数対の
一部の導電層を介して上記ゲート端子の遠い部位に、上
記半導体スイッチング素子から遠いゲートドライバは上
記複数対の残部の導電層を介して上記ゲート端子の近い
部位に、各々接続したものである。The semiconductor switching device according to claim 8 is the semiconductor switching device according to claim 6, wherein the current path comprises a first conductive layer forming a gate side current path and a second conductive layer forming a cathode side current path. A plurality of pairs, the above-mentioned two conductive layers are alternately laminated via an insulating layer, a wiring board is formed, and the gate driver close to the semiconductor switching element is connected to the gate terminal via the plurality of partial conductive layers. The gate driver far from the semiconductor switching element is connected to a portion near the gate terminal via the plurality of pairs of the remaining conductive layers.
【0030】請求項9に係る半導体スタック装置は、請
求項1ないし8のいずれかに記載の半導体スイッチング
装置を使用したもので、半導体スイッチング素子と上記
半導体スイッチング素子からの発熱を放熱する冷却部材
とを積み重ね取付枠内に配置してなるものである。A semiconductor stack device according to a ninth aspect uses the semiconductor switching device according to any one of the first to eighth aspects, and includes a semiconductor switching element and a cooling member for radiating heat generated from the semiconductor switching element. Are arranged in a stacking mounting frame.
【0031】請求項10に係る電力変換装置は、請求項
1ないし9のいずれかに記載の半導体スイッチング装置
を使用したもので、半導体スイッチング素子をゲート制
御して電力変換を行うゲート制御装置を備えたものであ
る。A power converter according to a tenth aspect uses the semiconductor switching device according to any one of the first to ninth aspects, and includes a gate control device that performs power conversion by gate-controlling the semiconductor switching element. It is a thing.
【0032】[0032]
【発明の実施の形態】本発明の半導体スイッチング装置
又は半導体スイッチング素子は、車両用電力変換装置
や、UPS(無停電電力システム)や、産業用電力変換
装置等の各種の電力変換装置に用いられる、パワーデバ
イスである。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The semiconductor switching device or semiconductor switching element of the present invention is used for various power converters such as a vehicle power converter, a UPS (uninterruptible power system), and an industrial power converter. , Power devices.
【0033】本発明が提案する、新規な半導体スイッチ
ング素子の制御方法の核心部は、オン状態にある半導体
スイッチング素子に流れる主電流の全てを、駆動回路へ
転流させ、これにより半導体スイッチング素子をターン
オフ状態とする点にある。The core of the novel method for controlling a semiconductor switching element proposed by the present invention is that all of the main current flowing through the semiconductor switching element in the ON state is diverted to the drive circuit, thereby switching the semiconductor switching element. The point is to turn off.
【0034】以下では、そのような半導体スイッチング
素子として、ゲートターンオフ・サイリスタ(以下、G
TOと称す)を用いた例を示す。この場合には、GTO
の第1、第2及び第3電極は、それぞれアノード電極、
カソード電極及びゲート電極にあたる。尚、上記半導体
スイッチング素子としては、GTOのような4層構造を
もつものに限られるわけではなく、3層構造を有するト
ランジスタを本発明の半導体スイッチング素子として用
いることも可能である。この場合には、NPNトランジ
スタ利用のときは、第1、第2、第3電極は、それぞれ
コレクタ電極、エミッタ電極及びベース電極にあたり、
又、PNPトランジスタ利用のときは、第1、第2及び
第3電極は、それぞれエミッタ電極、コレクタ電極及び
ベース電極に該当する。Hereinafter, as such a semiconductor switching element, a gate turn-off thyristor (hereinafter referred to as G
An example using “TO” is shown. In this case, GTO
The first, second and third electrodes are respectively an anode electrode,
They correspond to a cathode electrode and a gate electrode. The semiconductor switching element is not limited to a semiconductor switching element having a four-layer structure such as GTO, and a transistor having a three-layer structure can be used as the semiconductor switching element of the present invention. In this case, when the NPN transistor is used, the first, second, and third electrodes correspond to a collector electrode, an emitter electrode, and a base electrode, respectively.
When a PNP transistor is used, the first, second, and third electrodes correspond to an emitter electrode, a collector electrode, and a base electrode, respectively.
【0035】実施の形態1.図1は、本発明の実施の形
態1に係る半導体スイッチング装置10の回路構成を示
す。同図において、各参照符号は、それぞれ次の回路要
素を示す。即ち、3は半導体スイッチング素子としての
GTOであり、このGTO3のゲート電極3Gとカソー
ド電極3Kのノード13との間に、ゲートドライバ4
(駆動制御手段)が接続される。Embodiment 1 FIG. 1 shows a circuit configuration of a semiconductor switching device 10 according to Embodiment 1 of the present invention. In the figure, each reference numeral indicates the following circuit element. That is, reference numeral 3 denotes a GTO as a semiconductor switching element, and a gate driver 4 is provided between the gate electrode 3G of the GTO 3 and the node 13 of the cathode electrode 3K.
(Drive control means) is connected.
【0036】ゲートドライバ4は、その駆動電源4a
(電源電圧VGD(例えば20V))、コンデンサ4b、
インダクタンス4C、トランジスタ4dから成る。尚、
その詳細な構成を、後述する図2で示す。The gate driver 4 has a driving power supply 4a
(Power supply voltage V GD (for example, 20 V)), capacitor 4b,
It has an inductance 4C and a transistor 4d. still,
The detailed configuration is shown in FIG.
【0037】このゲートドライバ4は、GTO3をター
ンオンさせるためのターンオン制御電流IGを発生し
て、配線経路ないしラインL1を介してこの電流IGを
ゲート電極3Gに印加する。これに応じて、GTO3は
オン状態となる。又、11はノードであり、9は同装置
10を駆動するための電源、即ち同装置10の主回路用
電源(電源電圧VDD)である。[0037] The gate driver 4 generates a turn-on control current I G for turning on the GT03, wiring path or via the line L1 is applied to the current I G to the gate electrode 3G. In response, GTO3 is turned on. Reference numeral 11 denotes a node, and 9 denotes a power supply for driving the device 10, that is, a main circuit power supply (power supply voltage V DD ) of the device 10.
【0038】他方、1は、GTO3がターンオンした時
に流れる主電流ないし陽極電流IAの上昇率dIA/dt
を抑制するためのインダクタンスであり、2は、GTO
3がターンオフした時にインダクタンス1に発生するエ
ネルギーを還流させるための還流用ダイオードである。[0038] On the other hand, 1, increase rate of the main current to the anode current I A flows when the GTO3 is turned on dI A / dt
Is the inductance for suppressing the GTO, and 2 is the GTO
Reference numeral 3 denotes a return diode for returning the energy generated in the inductance 1 when the turn-off occurs.
【0039】5は、アノード電極3Aのノード11とカ
ソード電極3Kのノード12との間にGTO3に対して
並列に接続されており、かつGTO3がターンオフした
時にアノード・カソード電極間電圧VAKの上昇に伴って
発生するピーク電圧のみを抑制するためのピーク電圧抑
制回路である。同回路5は、後述するように、上記電圧
VAKがターンオフ時にGTO3の電圧阻止能力に応じて
定まる所定の電圧値に所定の時間だけ上記電圧VAKを保
持ないしクランプする機能を有する。5 is connected in parallel with the GTO 3 between the node 11 of the anode 3A and the node 12 of the cathode 3K, and increases the voltage V AK between the anode and the cathode when the GTO 3 is turned off. Is a peak voltage suppression circuit for suppressing only the peak voltage generated with the above. The circuit 5, as described later, has a function of the voltage V AK is held or clamped only the voltage V AK predetermined time to a predetermined voltage value determined in accordance with the voltage blocking capacity of GTO3 during turn-off.
【0040】ここでは、ターンオフ時に、従来、主電流
IAより分流してゲートドライバ4側へ流入していたゲ
ート逆電流IGQの変化率ないし上昇率(勾配)dIGQ/
dtの絶対値を出来る限り大きくして(理想的には、|
dIGQ/dt|は∞)、主電流IAの全てをゲート逆電
流IGQとしてゲートドライバ4を介してノード12へ流
すこととする。即ち、主電流IAとゲート逆電流IGQと
の比の絶対値で定まるターンオフゲインG(=|IA/
IGQ|)を1以下(G≦1)に設定することで、主電流
IAの全てを、ターンオン制御電流IGとは逆方向に、ア
ノード電極3Aからゲート電極3Gを介してゲートドラ
イバ4及びノード12側へと転流させ、以てGTO3を
ターンオフさせる。このとき、アノード電極3Aからカ
ソード電極3Kへ向けて直接GTO3内部を流れるカソ
ード電流IKは、直ちに全く流れなくなる。その意味
で、本方式は、主電流IAの分流ではなくて、「主電流
IAの転流」を実現しているのである。[0040] Here, when the turn-off, a conventional, rate of change or rate of rise of the gate reverse current I GQ had flowed to the gate driver 4 side shunts from the main current I A (slope) dI GQ /
Make the absolute value of dt as large as possible (ideally, |
dI GQ / dt | is ∞), and flowing all the main current I A through the gate driver 4 as the gate reverse current I GQ to node 12. That is, determined by the absolute value of the ratio of the main current I A and the gate reverse current I GQ turnoff gain G (= | I A /
I GQ |) to set it to 1 or less (G ≦ 1), the main current I all A, and turn-on control current I G in the reverse direction, the gate driver 4 from the anode electrode 3A via the gate electrode 3G And, it is commutated to the node 12 side, thereby turning off the GTO3. At this time, the cathode current I K flowing through the GTO 3 directly from the anode electrode 3A to the cathode electrode 3K immediately stops flowing at all. In that sense, this method, rather than the shunt of the main current I A, with each other to achieve a "commutation of the main current I A."
【0041】ここで、ゲートドライバ4の駆動電源(主
電源)4aの電源電圧値VGDと、ループR1のインダク
タンス値との関係に応じて、上昇率dIGQ/dtの値を
変化させることができるので、両者4(4a)、R1の
値を適切に設定することで、上昇率|dIGQ/dt|を
限りなく∞値に近い極めて大きな値に設定してやれば、
極めて短時間で主電流IAを全てゲートドライバ4側へ
転流させることができる。Here, depending on the relationship between the power supply voltage value V GD of the drive power supply (main power supply) 4a of the gate driver 4 and the inductance value of the loop R1, the value of the rise rate dI GQ / dt may be changed. It is possible to set the rise rate | dI GQ / dt | to an extremely large value close to the ∞ value by setting the values of both 4 (4a) and R1 appropriately.
Can be very short time it flows the main current I A rolling a to all gate driver 4 side.
【0042】他方、そのようなゲート逆電流IGQの転流
をゲートドライバ4単独で以て実現することは、当該ド
ライバ4の駆動電源4aがとりうる電源電圧値VGDに限
界があるため容易でないが、その反面、ゲートドライバ
4の駆動電源電圧VGDを設定可能な実用値に設定してお
き、ゲートターンオフゲインGを1以下とするために必
要な上昇率dIGQ/dtの絶対値を実現しうるループR
1の内部インダクタンスの値を設定することは、現実に
可能である。On the other hand, it is easy to realize such a commutation of the gate reverse current IGQ by the gate driver 4 alone because the power supply voltage value V GD that can be taken by the drive power supply 4a of the driver 4 is limited. However, on the other hand, the driving power supply voltage V GD of the gate driver 4 is set to a practical value that can be set, and the absolute value of the rate of rise dI GQ / dt required to set the gate turn-off gain G to 1 or less is set. Realizable loop R
It is actually possible to set the value of the internal inductance of 1.
【0043】そこで、ゲート電極3Gからゲートドライ
バ4までのラインL1と、ゲートドライバ4と、ゲート
ドライバ4からノード13を介してカソード電極3Kま
でのラインL2と、ゲート・カソード電極間のGTO3
内部の経路とからなるループないし経路R1内の(浮
遊)内部インダクタンスの値を、ターンオフゲインGを
1以下とするのに必要な値にまで低減させることが求め
られる。Accordingly, a line L1 from the gate electrode 3G to the gate driver 4, a gate driver 4, a line L2 from the gate driver 4 to the cathode electrode 3K via the node 13, and a GTO3 between the gate and the cathode electrode
It is required that the value of the (floating) internal inductance in the loop or the path R1 including the internal path be reduced to a value necessary for setting the turn-off gain G to 1 or less.
【0044】但し、ゲートドライバ4は、主電流IA以
上の値のゲート逆電流IGQを流せるだけのキャパシタン
スを有するように、設定されなければならない。[0044] However, the gate driver 4, so as to have a capacitance enough to carry the gate reverse current I GQ of the main current I A more values must be set.
【0045】例えば、ゲートドライバ4の主電源4aの
電源電圧VGDを20Vに設定し、上昇率dIGQ/dtの
絶対値を約8000A/μsに設定する場合には、上記
ループR1のインダクタンス値は2.5nH以下、ゲー
トドライバ4の内部インダクタンス値は1nH以下とす
るのが好ましい。For example, when the power supply voltage V GD of the main power supply 4 a of the gate driver 4 is set to 20 V and the absolute value of the rate of rise dI GQ / dt is set to about 8000 A / μs, the inductance of the loop R 1 Preferably, the value is 2.5 nH or less, and the internal inductance value of the gate driver 4 is 1 nH or less.
【0046】そのようなキャパシタンスを有するゲート
ドライバ4の具体的な回路図を、図2に示す。同図にお
いて、駆動電源50はゲートドライバ4を駆動するため
の主電源であり、副電源51はターンオンゲート電流用
の電源、副電源52はターンオン用トランジスタTr
1、Tr2を駆動するための駆動回路56用の電源、副
電源53はターンオフゲート電流用の電源、副電源54
はターンオフ用トランジスタTr3を駆動するための駆
動回路57用の電源、副電源55は制御信号62よりタ
ーンオン信号及びターンオフ信号を生成する回路部58
を駆動するための電源であり、トランジスタTr1は図
3に示すターンオン・ハイゲート電流IG1を供給するた
めのスイッチであり、トランジスタTr2はターンオン
・定常ゲート電流IG2を供給するためのスイッチ、トラ
ンジスタTr3はターンオフゲート電流IGQ(ゲート逆
電流)を供給するためのスイッチである。尚、上記電流
IG1、IG2を総称したのが、ターンオン制御電流IGで
ある。C1はターンオンゲート電流IG用のコンデンサ
であり、C2はターンオフゲート電流IGQ用のコンデン
サである。FIG. 2 shows a specific circuit diagram of the gate driver 4 having such a capacitance. In the figure, a driving power supply 50 is a main power supply for driving the gate driver 4, a sub-power supply 51 is a power supply for turn-on gate current, and a sub-power supply 52 is a turn-on transistor Tr.
1, a power supply for a drive circuit 56 for driving Tr2, and a sub power supply 53 are a power supply for a turn-off gate current and a sub power supply 54.
Is a power supply for a drive circuit 57 for driving the turn-off transistor Tr3, and a sub-power supply 55 is a circuit section 58 for generating a turn-on signal and a turn-off signal from a control signal 62.
A power supply for driving a transistor Tr1 is a switch for supplying a turn-on Highgate current I G1 shown in FIG. 3, a switch for the transistor Tr2 is to supply turn-constant gate current I G2, the transistor Tr3 Is a switch for supplying a turn-off gate current IGQ (gate reverse current). Incidentally, it was collectively the currents I G1, I G2 is a turn-on control current I G. C1 is a capacitor for turn-on gate current I G, C2 is a capacitor for turn-off gate current I GQ.
【0047】以上のゲートドライバ回路4において、外
部より制御信号62を与えると、ノイズカット回路59
は制御信号62より制御信号62に含まれるノイズ成分
を取り除き、ノイズ除去された制御信号を受けて、ター
ンオン信号生成回路60、ターンオフ信号生成回路61
は、それぞれターンオン用信号63とターンオフ用信号
64を生成して、各信号63、64を対応する駆動回路
56、57へ供給する。In the above gate driver circuit 4, when a control signal 62 is given from outside, a noise cut circuit 59 is provided.
Removes noise components included in the control signal 62 from the control signal 62, receives the control signal from which the noise has been removed, and receives a turn-on signal generation circuit 60 and a turn-off signal generation circuit 61.
Generates a turn-on signal 63 and a turn-off signal 64, respectively, and supplies the signals 63, 64 to the corresponding drive circuits 56, 57.
【0048】同信号63、34を受け取った両駆動回路
56、57は、次の通りに動作する。即ち、時刻t01に
おいて、駆動回路56は、トランジスタTr1を駆動で
きるだけの信号を生成し、これをトランジスタTr1の
ベースへと供給する。ここで、両コンデンサC1とC2
は、それぞれ副電源51と副電源53により充電されて
いるので、ターンオン・ハイゲート電流IG1がコンデン
サC1からトランジスタTr1を通してGTO3へと流
れる。そして、時刻t02において、駆動回路56は、ト
ランジスタTr1のベース電流の供給を止め、今度は、
トランジスタTr2を駆動できるだけのベース電流を発
生して、これをトランジスタTr2のベースへ供給す
る。これにより、トランジスタTr1はオフし、代わっ
てトランジスタTr2がオンし、ターンオン・定常ゲー
ト電流IG2がコンデンサC1からトランジスタTr2を
通してGTO3へと流れる。The drive circuits 56 and 57 that have received the signals 63 and 34 operate as follows. That is, at time t 01 , the drive circuit 56 generates a signal capable of driving the transistor Tr1 and supplies the signal to the base of the transistor Tr1. Here, both capacitors C1 and C2
Since it is charged, respectively and the sub power source 51 by the auxiliary power supply 53, turn-Highgate current I G1 flows into GTO3 through the transistor Tr1 from the capacitor C1. Then, at time t02 , the drive circuit 56 stops supplying the base current of the transistor Tr1, and this time,
A base current sufficient to drive the transistor Tr2 is generated and supplied to the base of the transistor Tr2. Thus, the transistor Tr1 is turned off, instead of the transistor Tr2 is turned on, turn-constant gate current I G2 flows into GTO3 through the transistor Tr2 from the capacitor C1.
【0049】また、時刻t1では、駆動回路56はトラ
ンジスタTr2のベース電流の供給を止め、駆動回路5
7が、信号64に応じて、トランジスタTr3をオンす
るのに必要なベース電流を生成して、これをトランジス
タTr3のベースへ供給する。これにより、トランジス
タTr2はオフし、代わってトランジスタTr3がオン
する結果、コンデンサC2に充電されている電荷がトラ
ンジスタTr3を介してGTO3側へと放電されること
となり、従って、ターンオフゲート電流IGQがGTO3
からトランジスタTr3を通してGTO3のカソード電
極3Kのノード13へ流れることとなる。しかも、この
電流IGQは、極めて短時間の間に主電流IAの絶対値と
等しいか、又はそれ以上の値となり、逆に、カソード電
流は極めて短時間の間に0値へ減少する。At time t 1 , the drive circuit 56 stops supplying the base current of the transistor Tr2 and the drive circuit 5
7 generates a base current required to turn on the transistor Tr3 in response to the signal 64, and supplies the base current to the base of the transistor Tr3. Thus, the transistor Tr2 is turned off, a result of the transistor Tr3 is turned on instead, becomes the electric charge charged in the capacitor C2 is discharged to GTO3 side via the transistor Tr3, therefore, is turn-off gate current I GQ GTO3
From the transistor Tr3 to the node 13 of the cathode electrode 3K of the GTO3. Moreover, the current I GQ is equal to the absolute value of the main current I A during a very short time, or becomes more values, conversely, the cathode current decreases during a very short time to zero value.
【0050】上述した通り、ターンオフゲインGが1以
下となるような上昇率dIGQ/dtを実現するために
は、ゲートドライバ4内部の配線経路を含むループR1
全体のインダクタンス値を低減することが必要である。
そして、この点は、GTO素子の配線ないしパッケージ
構造という機構部品の改良を以て実現することが望まれ
る。As described above, in order to realize the rise rate dI GQ / dt such that the turn-off gain G becomes 1 or less, the loop R1 including the wiring path inside the gate driver 4 is required.
It is necessary to reduce the overall inductance value.
It is desired to realize this point by improving the mechanical parts such as the wiring or the package structure of the GTO element.
【0051】しかるに、従来のGTO3Pのパッケージ
構造は、図42及び図43で示した様な構造となってい
るため、GTO素子20Pの内部のインダクタンス(リ
ード21P〜リング状ゲート電極34P〜カソード電極
30P〜リード22Pまでの経路のインダクタンス)
は、例えば50nH程度もの大きな値であった。この値
では、到底、約8000A/μsもの上昇率dIGQ/d
tを達成することはできない。従って、このGTO素子
20Pの内部インダクタンス値を、例えば2nH以下と
いうような所望値にまで低減するためには、ゲート側の
連結部23P及びカソード側の連結部24PとGTO素
子20Pのゲート端子25P及びカソード端子26Pと
のそれぞれの結合で生じるロスや、ゲート外部リード2
1P及びカソード外部リード22Pとゲートドライバ4
Pとのそれぞれの結合で生じるロスや、ゲートリード3
8Pのインダクタンス値や、更にはループR1中の全イ
ンダクタンス値の内の90%をも占めるゲート及びカソ
ードの各外部リード線21P、22P自体のインダクタ
ンス値を低減する必要がある。However, since the conventional GTO3P package structure has a structure as shown in FIGS. 42 and 43, the internal inductance of the GTO element 20P (lead 21P to ring-shaped gate electrode 34P to cathode electrode 30P). ~ Inductance of the path to the lead 22P)
Was a large value, for example, about 50 nH. This value, hardly, about 8000 A / .mu.s stuff increase rate dI GQ / d
t cannot be achieved. Therefore, in order to reduce the internal inductance value of the GTO element 20P to a desired value such as 2 nH or less, for example, the gate-side connection part 23P and the cathode-side connection part 24P and the gate terminal 25P of the GTO element 20P Loss caused by each coupling with the cathode terminal 26P and the gate external lead 2
1P and cathode external lead 22P and gate driver 4
Loss caused by each coupling with P, gate lead 3
It is necessary to reduce the inductance value of 8P, and furthermore, the inductance value of each of the external lead wires 21P and 22P of the gate and the cathode occupying as much as 90% of the total inductance value in the loop R1.
【0052】そこで、本願出願人は、上述した観点から
GTO素子のパッケージ構造を検討し、改良を加えるこ
ととし、その結果、つぎの様な構造を有する圧接型半導
体素子を実現した。Therefore, the applicant of the present application examined the package structure of the GTO element from the above viewpoint and made improvements, and as a result, realized a press-contact type semiconductor element having the following structure.
【0053】即ち、図4は、圧接型GTO素子20と、
それを上下方向から加圧するスタック電極27a、27
bとを示す断面図であり、又、図5は、図4に示す矢印
方向D1からGTO素子20を眺めた正面図(スタック
電極27aを除く)である。従って、図5の線SA−S
Bに関する縦断面図が図4にあたる。That is, FIG. 4 shows a press-contact type GTO element 20,
Stack electrodes 27a, 27 pressurizing it from above and below
FIG. 5 is a front view (excluding the stack electrode 27a) of the GTO element 20 viewed from the arrow direction D1 shown in FIG. Therefore, the line SA-S in FIG.
FIG. 4 is a longitudinal sectional view of B.
【0054】両図4、5において、各参照符号は、以下
の部材を示す。即ち、20は圧接型半導体素子、即ち、
ここではGTO素子の全体を示し、28はGTOの各セ
グメントが形成された半導体基板であり、半導体基板2
8の上側表面の内の外周部側に位置する面上にA1(ア
ルミニウム)のゲート電極29aが形成されており、さ
らにゲート電極29aよりも内側の半導体基板28の上
側表面上には、各セグメントの位置に対応して各カソー
ド電極29bが形成されている。各セグメントの構造な
いしGTO素子のウェハ構造は、図45の断面図に示し
た構造と同様である。In FIGS. 4 and 5, each reference numeral indicates the following member. That is, 20 is a pressure contact type semiconductor element, that is,
Here, the entire GTO element is shown. Reference numeral 28 denotes a semiconductor substrate on which each segment of the GTO is formed.
8, an Al (aluminum) gate electrode 29a is formed on a surface located on the outer peripheral side of the upper surface of the upper surface of the semiconductor substrate 28. Further, each segment is formed on the upper surface of the semiconductor substrate 28 inside the gate electrode 29a. Each cathode electrode 29b is formed corresponding to the position. The structure of each segment or the wafer structure of the GTO element is the same as the structure shown in the sectional view of FIG.
【0055】30及び31は、それぞれ半導体基板28
の上側表面上のカソード電極29bの上側表面上に順次
に積載されたカソード歪緩衝板及びカソードポスト電極
であり、他方、32及び33は、それぞれ半導体基板8
の裏面上に形成された図示しないアノード電極の表面
(カソード電極29bと反対側の面)上に順次に積載さ
れたアノード歪緩衝板及びアノードポスト電極であり、
34は半導体基板28のゲート電極29aの上側表面に
接するリング状ゲート電極であり、38は環状金属板か
らなるリング状ゲート端子であって、その内周平面25
がリングゲート電極34と摺動可能に同電極34に対し
て接触・配置されている。35は、環状絶縁体36を介
して、リング状ゲート端子38とともに、リング状ゲー
ト電極34をゲート電極29aに対して押圧するための
皿バネあるいは波バネのような弾性体であり、37は、
リング状ゲート電極34をカソード歪緩衝板30及びカ
ソードポスト電極31から絶縁するための絶縁シート等
からなる絶縁体であり、26は、その一端部分がカソー
ドポスト電極31に固着された第1のフランジであり、
40は、その一端部分がアノードポスト電極33に固着
された第2のフランジであり、41はセラミック等から
なり、リング状ゲート端子38を挟んで上下に分割され
且つ突起部42を有する絶縁筒である。そして、リング
状ゲート端子38の外周側部分23が絶縁筒41の側面
から外部に突出するとともに、その他端38Eよりも内
周側の位置に取り付け穴21が所定の間隔で複数個設け
られている。そして、上側の絶縁筒41の上面より上方
に突出した部分43aが第1のフランジ26の他端部2
6Eと気密に固着され、下側の絶縁筒41の裏面より下
方に突出した部分43bが第2のフランジ40の他端部
と気密に固着されており、これによって圧接型半導体素
子20は、密閉されたパッケージ構造になっている。
尚、この内部は、不活性ガスで置換されている。Reference numerals 30 and 31 denote semiconductor substrates 28, respectively.
A cathode strain buffer plate and a cathode post electrode sequentially mounted on the upper surface of the cathode electrode 29b on the upper surface of the semiconductor substrate 8;
An anode strain buffer plate and an anode post electrode which are sequentially stacked on the front surface (the surface opposite to the cathode electrode 29b) of the anode electrode (not shown) formed on the back surface of
Reference numeral 34 denotes a ring-shaped gate electrode in contact with the upper surface of the gate electrode 29a of the semiconductor substrate 28, and reference numeral 38 denotes a ring-shaped gate terminal made of a ring-shaped metal plate.
Are slidably contacted with and disposed on the ring gate electrode 34. Reference numeral 35 denotes an elastic body such as a disc spring or a wave spring for pressing the ring-shaped gate electrode 34 against the gate electrode 29a together with the ring-shaped gate terminal 38 via the annular insulator 36.
An insulator made of an insulating sheet or the like for insulating the ring-shaped gate electrode 34 from the cathode strain buffer plate 30 and the cathode post electrode 31. Reference numeral 26 denotes a first flange having one end fixed to the cathode post electrode 31. And
Reference numeral 40 denotes a second flange one end of which is fixed to the anode post electrode 33. Reference numeral 41 denotes an insulating cylinder made of ceramic or the like and divided into upper and lower portions with the ring-shaped gate terminal 38 interposed therebetween and having a projection 42. is there. The outer peripheral portion 23 of the ring-shaped gate terminal 38 protrudes outward from the side surface of the insulating cylinder 41, and a plurality of mounting holes 21 are provided at predetermined intervals at a position on the inner peripheral side of the other end 38E. . The portion 43a protruding above the upper surface of the upper insulating cylinder 41 is the other end 2 of the first flange 26.
6E, and a portion 43b protruding downward from the back surface of the lower insulating cylinder 41 is hermetically fixed to the other end of the second flange 40, whereby the press-contact type semiconductor element 20 is hermetically sealed. Package structure.
The interior is replaced with an inert gas.
【0056】又、図6は、ゲートドライバ4の機構部分
を示す平面図であり、図7は、ゲートドライバ4に図
4、図5に示した構造のGTO素子20(スタック電極
27a、27bで加圧されている)を装着した状態を示
す縦断面図である。両図6、7において、参照符号4A
はゲートドライバ本体4Cをカバーするためのケース
を、4Bはゲートドライバ本体4Cの座となるケースを
各々示しており、70はゲートドライバ本体4とGTO
素子20とを電気的に接続するための、回路パターンが
形成された基板全体を示している。同基板70は、丁
度、従来パッケージのゲートリード線21P、22P
(図42)に代わるものであって、GTO素子20の重
量をささえ得るだけの強度を有する。71は、GTO素
子20のカソード電極29bと圧接により接続されるカ
ソード電極であり、スタック電極27aにあたる。21
Aは、ゲートドライバ4の基板70に対応する取り付け
穴21を介してGTO素子20を接続する為の、基板7
0に設けられた取り付け穴であり、ゲートドライバ4と
GTO素子20とを接続する為には、例えば6つ程度の
取り付け穴21Aが必要となる。FIG. 6 is a plan view showing a mechanical portion of the gate driver 4. FIG. It is a longitudinal cross-sectional view showing a state where (pressurized) is mounted. 6 and 7, reference numeral 4A
Denotes a case for covering the gate driver main body 4C, 4B denotes a case serving as a seat for the gate driver main body 4C, and 70 denotes a gate driver main body 4 and a GTO.
1 shows an entire substrate on which a circuit pattern for electrically connecting to an element 20 is formed. The substrate 70 is formed of the gate lead wires 21P, 22P of the conventional package.
It is an alternative to (FIG. 42) and has sufficient strength to support the weight of the GTO element 20. Reference numeral 71 denotes a cathode electrode connected by pressure to the cathode electrode 29b of the GTO element 20, and corresponds to the stack electrode 27a. 21
A is a substrate 7 for connecting the GTO element 20 through the mounting hole 21 corresponding to the substrate 70 of the gate driver 4.
For example, about six mounting holes 21A are required to connect the gate driver 4 and the GTO element 20.
【0057】上述した基板70は、絶縁体を挟んで対向
した次の2つの回路パターン基板を有する。即ち、同基
板70は、ゲートリード基板72、カソードリード基板
73、両基板72と73とを絶縁するための絶縁体74
とを有している。このような多層基板構造を設けたの
は、ゲートドライバ4側の内部インダクタンスを低減す
るためである。GTO素子本体20は、ネジ75、76
又は溶接、かしめ等により、ゲートドライバ本体4Cと
接続される。The above-described substrate 70 has the following two circuit pattern substrates facing each other with an insulator interposed therebetween. That is, the substrate 70 includes a gate lead substrate 72, a cathode lead substrate 73, and an insulator 74 for insulating the two substrates 72 and 73 from each other.
And The reason why such a multilayer substrate structure is provided is to reduce the internal inductance on the gate driver 4 side. The GTO element body 20 includes screws 75 and 76
Alternatively, it is connected to the gate driver main body 4C by welding, caulking, or the like.
【0058】以上のように、本GTO3の気密パッケー
ジは、半導体基板上に形成された内部のゲート電極29
a側からゲートドライバ本体4C側へ向けて延長された
リング状ないし円盤状のゲート電極38を有しており、
しかも当該パッケージ(20)は、上記リング状ゲート
電極38の外周部分を直接ゲートドライバ4の本体4C
より延びた基板70に取り付け穴21Aを介して接続・
固定するだけで、ゲートドライバ4に接続される。その
ため、当該接続にあたっては、ゲートリード線は一切使
用されていない。従って、従来構成における問題点は全
て改善される。即ち、従来、GTO素子の内部ゲートリ
ード部とGTO素子のゲート端子及びカソード端子との
それぞれの結合で発生していた結合ロスというものは、
上述のようにゲートリードの取り出しを円盤状構造とす
ることにより大幅に低減されると共に、従来、外部ゲー
トリード線とゲートドライバとの結合により生じていた
結合ロスに相当する電力ロスは、この発明では円盤状の
ゲートリード部ないしゲート電極38の全体がゲートド
ライバ4のゲート電流通電用基板70に直接に接続され
るため、大幅に低減される。更に、従来、ループR1の
全インダクタンスの90%をも占めていた外部ゲートリ
ード線自体のインダクタンスは、この発明では、それら
自体が使用されないため、存在しない。As described above, the hermetic package of the present GTO3 uses the internal gate electrode 29 formed on the semiconductor substrate.
a ring-shaped or disk-shaped gate electrode 38 extending from the side a toward the gate driver main body 4C;
In addition, the package (20) directly connects the outer peripheral portion of the ring-shaped gate electrode 38 to the main body 4C of the gate driver 4.
Connected to the extended substrate 70 via the mounting hole 21A.
Just by fixing, it is connected to the gate driver 4. Therefore, no gate lead wire is used in the connection. Therefore, all the problems in the conventional configuration are improved. That is, the coupling loss that has conventionally occurred due to the coupling between the internal gate lead of the GTO element and the gate terminal and cathode terminal of the GTO element,
As described above, the take-out of the gate lead is greatly reduced by the disk-shaped structure, and the power loss corresponding to the coupling loss that has conventionally occurred due to the coupling between the external gate lead wire and the gate driver is reduced by the present invention. In this case, since the disk-shaped gate lead portion or the entire gate electrode 38 is directly connected to the substrate 70 for supplying the gate current of the gate driver 4, the number is greatly reduced. Furthermore, the inductance of the external gate leads themselves, which conventionally accounted for as much as 90% of the total inductance of loop R1, does not exist in the present invention, since they are not used themselves.
【0059】この様に、GTO素子20(3)の内部イ
ンダクタンスの低減とゲートドライバ4の内部インダク
タンスの低減とを実現することが可能となった。これら
の改善に加えて、更に、GTO素子20とゲートドライ
バ4との接続を既述したように工夫を行うことにより
(図7)、GTO素子3を、ターンオフゲインG≦1と
いう条件で以てターンオフさせることが可能な上昇率d
IGQ/dtの領域を現実に発生させることが可能となっ
た。As described above, it is possible to reduce the internal inductance of the GTO element 20 (3) and the internal inductance of the gate driver 4. In addition to these improvements, by further contriving the connection between the GTO element 20 and the gate driver 4 as described above (FIG. 7), the GTO element 3 is turned on under the condition that the turn-off gain G ≦ 1. Rate of increase d that can be turned off
It is now possible to actually generate an area of IGQ / dt.
【0060】尚、ゲート電流を、図8の平面図に示す基
板70Aを用いて、対角に位置する2方向、又は4方向
へと取り出すようにしても良く、更にそれ以上の方向へ
とゲート電流を取り出すようにしても良い。The gate current may be taken out in two or four diagonally located directions using the substrate 70A shown in the plan view of FIG. Current may be taken out.
【0061】以上の様な回路構成、機構を備える半導体
スイッチ装置の動作を、図9と図10に基づき説明す
る。尚、図9は、動作波形を示しており、図10は、G
TO3をPNPトランジスタ80とNPNトランジスタ
81とから成る回路構成に置き換えた場合の等価モデル
を示す。The operation of the semiconductor switch device having the above-described circuit configuration and mechanism will be described with reference to FIGS. 9 and 10. FIG. 9 shows the operation waveform, and FIG.
An equivalent model when TO3 is replaced by a circuit configuration including a PNP transistor 80 and an NPN transistor 81 is shown.
【0062】図9において、GTO3がターンオンして
陽極電流IAが流れている状態の時に(時刻t1)、制御
信号62(図2)に応じてゲートドライバ4がゲート逆
電流IGQを急激な上昇率ないし傾きで以て上昇させる
と、ゲート逆電流IGQは、その絶対値が極めて短時間に
陽極電流IAの絶対値と等しい電流値に達する(IGQ=
−IA)(時刻T2)。この状態で、GTO3のアノード
電極3Aに流れ込む陽極電流IAは全てゲート電極3
G、配線経路L1を介してゲートドライバ4に転流し、
|GTO3の陽極電流IA|≦|ゲート逆電流IGQ|の
関係式が成立し、カソード電流IK=0の状態となる。
これ以降、ゲート逆電流IGQは、GTO3が完全にター
ンオフするまで、|IA|≦|IGQ|の状態を維持し続
ける。[0062] In FIG. 9, in a state where GTO3 is anode current I A flows turned (time t 1), the control signal 62 rapidly gate driver 4 a gate reverse current I GQ according to (Fig. 2) increasing Te than at Do increase rate or gradient, the gate reverse current I GQ is the absolute value of a very short time reach the absolute value equal to the current value of the anode current I a (I GQ =
-I A) (time T 2). In this state, the anode current I A All gate electrode 3 flowing into the anode electrode 3A of GTO3
G, commutates to the gate driver 4 via the wiring path L1,
The relational expression of | GTO3 anode current I A | ≦ | gate reverse current I GQ | is satisfied, and the cathode current I K = 0.
Thereafter, the gate reverse current I GQ until GTO3 is completely turned off, | I A | ≦ | maintains the state | I GQ.
【0063】図9に示す電流差ΔIGQは、図10に示す
NPNトランジスタ81のリカバリー電流であるものと
考えられる。これは、次のような現象により生ずる。即
ち、図10において、GTO3がターンオンして陽極電
流IAが半導体基板内を流れている状態では、その電流
IAは、GTO3のアノード電極3Aからループ82と
ループ83とに別れてカソード電極3Kへと流れてい
る。この状態からGTO3がターンオフへ移行すると、
陽極電流IAの全ては強烈にゲートドライバ4へと引っ
張られ、ループ84とループ85へと流れていく。この
時、NPNトランジスタ81のベース電流は正方向から
負の方向へ反転し、NPNトランジスタ81は急激にタ
ーンオフしてしまい、その内部キャリアがリカバリ電流
となって重畳的に流れることとなる。このリカバリ電流
の増加分が上述の電流差ΔIGQとなって表われ、この
時、|ゲート逆電流IGQ|>|陽極電流IA|となる。The current difference ΔI GQ shown in FIG. 9 is considered to be a recovery current of the NPN transistor 81 shown in FIG. This is caused by the following phenomenon. That is, in FIG. 10, in the state where GTO3 is turned on anode current I A is flowing through the semiconductor substrate, its current I A, the cathode electrode 3K divided into the loop 82 and the loop 83 from the anode electrode 3A of GTO3 Flowing to When GTO3 turns off from this state,
All of the anode current I A is strongly pulled toward the gate driver 4, and flows into the loop 84 and loop 85. At this time, the base current of the NPN transistor 81 is reversed from the positive direction to the negative direction, and the NPN transistor 81 is rapidly turned off, so that its internal carrier flows as a recovery current in a superimposed manner. This increase in the recovery current is expressed as the above-described current difference ΔI GQ, and at this time, | gate reverse current I GQ |> | anode current I A |.
【0064】このように、ゲート逆電流|IGQ|>|陽
極電流IA|となって、図10のNPNトランジスタ8
1がターンオフしてしまうと、PNPトランジスタ80
のベース電流は0となり(IB=0)、PNPトランジ
スタ80はターンオフへと移行していく。As described above, the gate reverse current | I GQ |> | the anode current I A |
When 1 is turned off, the PNP transistor 80
The base current becomes zero (I B = 0), PNP transistor 80 will shift to the turn-off.
【0065】PNPトランジスタ80の電圧阻止機能が
回復し始めると(時刻T3)、図9に示すアノード・カ
ソード電極間電圧VAKが上昇し始め、このアノード・カ
ソード電極間電圧VAKが電源電圧VDDと等しい値に達し
た時(時刻T4)、陽極電流IAが減少し始め、GTO3
はターンオフ状態へと移行していく。この時のアノード
・カソード電極間電圧VAKの上昇率dVAK/dtは、G
TO3の電圧阻止機能の回復するスピードのみによって
決定されるものであり、外部接続回路等により決定され
るものではない。この点で、スナバコンデンサCSに依
存してアノード・カソード電極間電圧の上昇率が決定さ
れていた従来技術とは、本発明は明確に異なる。[0065] the voltage blocking capability and starts to recover (time T 3) of the PNP transistor 80, the voltage V AK between the anode and cathode electrode shown in FIG. 9 begins to rise, the anode-cathode voltage V AK is the power supply voltage upon reaching equal to V DD value (time T 4), the anode current I a starts to decrease, GT03
Shifts to the turn-off state. The rate of increase dV AK / dt of the voltage V AK between the anode and the cathode at this time is G
It is determined only by the speed at which the voltage blocking function of the TO3 recovers, and not by an external connection circuit or the like. In this regard, the prior art that the rate of increase in the anode-cathode voltage depending on the snubber capacitor C S has been determined, the present invention is clearly different.
【0066】図9において、本発明のピーク電圧(サー
ジ電圧)VPとは、GTO3がターンオフした時に主回
路(電源9からノード11、GTO3、ノード12を経
て電源9に至るまでのループ)の浮遊インダクタンスL
に起因して発生する起電圧(そのエネルギーはE=1/
2*L*I2で表される)が電源電圧VDDに重畳されて
得られる電圧である。このピーク電圧VPが仮にGTO
3の電圧阻止能力を超えると、GTO3は破壊されてし
まう。そこで、GTO3のターンオフ時に上記ピーク電
圧VPへ向けて上昇し続けるアノード・カソード電極間
電圧VAKを、GTO3の電圧阻止能力を超えないように
抑圧するピーク電圧抑制回路5を、GTO3のノード1
1、12間にGTO3に対して並列に接続しておく必要
がある。図1のピーク電圧抑制回路5は、そのような機
能をもったものであり、例えばツェナーダイオード、バ
リスタ、セレスタ、アレスタ等から成る、電圧クランプ
回路である。同回路5は、GTOのターンオフ時に上昇
し続ける電圧VAKが、GTO3の電圧阻止能力を越えな
い範囲内に設定された所定の電圧値VSPに達した後は、
もし同回路5がなかったならば同電圧VAKがピーク電圧
VPに達し、再び所定の電圧値VSPに戻るまでに要する
時間である所定の時間Δt(図9)だけ、電圧VAKを抑
制後のピーク電圧VSPに保持し続ける。従って、ピーク
電圧VPは発生せず、GTO3素子が破壊されることは
全くない。[0066] In FIG. 9, the peak voltage (surge voltage) V P of the present invention, GT03 main circuit when turned off (the power supply 9 node 11, GT03, loop up to the power supply 9 via the node 12) of the Stray inductance L
The electromotive voltage generated due to (the energy is E = 1 /
2 * L * I 2 ) is a voltage obtained by being superimposed on the power supply voltage V DD . If this peak voltage VP is GTO
If the voltage blocking capability exceeds 3, the GTO3 will be destroyed. Therefore, the anode-cathode voltage V AK continues to rise toward the peak voltage V P at the time of turn-off of GTO3, the peak voltage suppressing circuit 5 for suppressing so as not to exceed the voltage blocking capability of GTO3, node 1 GTO3
It is necessary to connect GTO3 in parallel between 1 and 12. The peak voltage suppression circuit 5 in FIG. 1 has such a function, and is a voltage clamp circuit including, for example, a Zener diode, a varistor, a celestor, and an arrester. After the voltage V AK, which continues to rise when the GTO is turned off, reaches a predetermined voltage value V SP set within a range not exceeding the voltage blocking capability of the GTO 3,
If If there is no same circuit 5 the voltage V AK reaches the peak voltage V P, a predetermined time Delta] t (Fig. 9) is the time required for the returns to a predetermined voltage value V SP, the voltage V AK It is kept at the peak voltage V SP after suppression. Therefore, without generating the peak voltage V P, there is no possible GTO3 element is destroyed.
【0067】以上の様に、この発明では、ターンオフ時
に、図11に示す上昇率dIGQ/dtの領域RAにおい
てGTO3を制御することで、GTO3をターンオフさ
せている。同図中、曲線CA上の点PAが、主電流IA
のゲートドライバ4側への転流が生じる転流点であり、
この場合は、前述のリカバリー電流が無いと考えた場合
の理想状態にある。現実的には、転流した主電流にリカ
バリー電流が重畳されるので、ターンオフゲインG<1
の領域内でGTO3のターンオフが実現されている。As described above, in the present invention, the GTO 3 is turned off by controlling the GTO 3 in the region RA of the rising rate dI GQ / dt shown in FIG. 11 at the time of turning off. In the figure, a point PA on the curve CA, main current I A
Is a commutation point where commutation to the gate driver 4 side occurs.
In this case, it is in an ideal state when it is considered that there is no recovery current. In reality, since the recovery current is superimposed on the commutated main current, the turn-off gain G <1
GTO3 is turned off in the region of FIG.
【0068】図12及び図13は、それぞれ、従来技術
及び本発明における主電流IAのターンオフ時の流れを
比較的に示した図である。従来技術、例えば特開平5−
111262号公報(スイス国出願番号9110619
19)や特開平6−188411号公報(ドイツ国出願
番号P4227063)に開示された技術では、図12
に示すとおり、ターンオフ時においても、カソード電流
IKがGTO3P内を流れている。即ち、主電流IAは、
ターンオフ時、カソード電流IKとIGQPとに分流してい
る。しかし、この場合は、個々のセグメントに流れるカ
ソード電流IKは小さな値であっても、それらが一部の
セグメントに集中的に流れ込むこととなるので、GTO
素子の破壊という問題点を内在している。[0068] FIGS. 12 and 13, respectively, a diagram shows flow a relatively turn-off of the main current I A in the prior art and the present invention. Conventional technology, for example,
No. 111262 (Swiss application no. 9110619)
19) and Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-188411 (German Patent Application No.
As shown in (2), even at the time of turn-off, the cathode current I K flows in the GTO3P. In other words, the main current I A,
At the time of turn-off, the current is divided into the cathode currents I K and IGQP . However, in this case, even if the cathode current I K flowing in each segment is a small value, they flow intensively into some segments, so that the GTO
The problem of element destruction is inherent.
【0069】これに対して、本発明では、図13に示す
通り、ターンオフ時、カソード電流IKは全く流れなく
なり、主電流IAは全てゲートドライバ4側の経路へ転
流し、リカバリー電流の発生によってゲート逆電流IGQ
の絶対値は主電流IAの絶対値とリカバリー電流の絶対
値との和となり、|IGQ|≧|IA|の関係式が成立し
ている(従来技術では、|IGQP|<|IA|)。[0069] In contrast, in the present invention, as shown in FIG. 13, during turn-off, the cathode current I K stops flowing at all, the main current I A is commutated to the path of all the gate driver 4 side, the recovery current generation Gate reverse current IGQ
Is the sum of the absolute value of the main current I A and the absolute value of the recovery current, and the relational expression | I GQ | ≧ | I A | holds (in the prior art, | I GQP | <| I A |).
【0070】以上のように、この発明では、ターンオフ
モード期間中にわたり|陽極電流IA|≦|ゲート逆電
流IGQ|となる、新規のゲート転流方式を採用している
ため、ターンオフ時にはカソード電流IK=0となり、
GTO3Pの内部のカソード面にカソード電流が流れ込
むという状態は全く発生せず、従来ターンオフ失敗の原
因となっていたカソード面への局在的な電流集中は全く
おこり得ない。よって、ターンオフ失敗による素子破壊
のおそれは、この発明では皆無となり、装置の信頼度は
格段に向上する。この効果は、本発明の核心的効果であ
って、上述した各文献に示された技術の組合せを以てし
ても得られない利点であると言える。[0070] As described above, in the present invention, over in the turn-off mode period | anode current I A | ≦ | gate reverse current I GQ | become, because it uses a new gate commutation, the time of turning off the cathode The current I K = 0,
A state in which a cathode current flows into the cathode surface inside the GTO3P does not occur at all, and local current concentration on the cathode surface which has conventionally caused a turn-off failure cannot occur at all. Therefore, there is no danger of element destruction due to turn-off failure in the present invention, and the reliability of the device is remarkably improved. This effect is a core effect of the present invention, and can be said to be an advantage that cannot be obtained even by the combination of the techniques shown in the above-mentioned documents.
【0071】加えて、アノード・カソード電極間電圧V
AKの上昇を抑制してサージ電圧を抑制する回路5を設け
ているので、スパイク電圧は、同回路5によりカットさ
れて全く発生しない。そのため、従来、ターンオフ時に
蓄積された電荷を放電させるために必要であったスナバ
コンデンサCSを不要とすることができる。即ち、従来
技術では必要不可欠であったスナバ回路を不必要とする
ことができ、これにより装置の小形化、簡素化、低コス
ト化、高効率化を実現することができる。In addition, the anode-cathode electrode voltage V
Since the circuit 5 for suppressing the surge voltage by suppressing the rise of the AK is provided, the spike voltage is cut off by the circuit 5 and no spike voltage is generated. Therefore, conventionally, the snubber capacitor C S was required to discharge the charges accumulated during the turn-off can be eliminated. That is, the snubber circuit, which is indispensable in the prior art, can be made unnecessary, thereby realizing the miniaturization, simplification, low cost, and high efficiency of the device.
【0072】図14は、図1のものとは異なるピーク電
圧保護回路を採用した半導体スイッチング装置の回路構
成を示す。同図において、図1中の参照符号と同一符号
のものは、同一のものを示す。そして、GTO3のパッ
ケージ構造やゲートドライバ4の機構も、図1で述べた
ものが用いられる。参照符号6から8のそれぞれは、G
TO3がターンオフ状態となったときに発生するスパイ
ク電圧やピーク電圧(サージ電圧)による電力ロスを抑
制ないし低減する、保護回路を構成する素子であり、順
番にダイオード、抵抗素子、コンデンサを示す。特に、
ここでは、ノード11とノード12間にGTO3に対し
て並列に配設されたバイパス線BLに含まれるコンデン
サ8(容量素子)の一端15が、抵抗素子7を含み且つ
ノード14において電源9と接続された配線経路R4を
介して、電源9に接続されている点に特徴点がある。FIG. 14 shows a circuit configuration of a semiconductor switching device employing a peak voltage protection circuit different from that of FIG. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 1 indicate the same components. The package structure of the GTO 3 and the mechanism of the gate driver 4 are the same as those described with reference to FIG. Each of the reference numerals 6 to 8 represents G
An element constituting a protection circuit for suppressing or reducing power loss due to a spike voltage or a peak voltage (surge voltage) generated when the TO3 is turned off, and indicates a diode, a resistance element, and a capacitor in order. Especially,
Here, one end 15 of capacitor 8 (capacitance element) included in bypass line BL arranged in parallel with GTO 3 between nodes 11 and 12 includes resistance element 7 and is connected to power supply 9 at node 14. There is a feature in that the power supply 9 is connected to the power supply 9 via the wiring path R4.
【0073】以上の様な半導体スイッチング装置10A
ないし、GTO3の動作を、実測波形を示す図15を基
に説明する。The semiconductor switching device 10A as described above
The operation of the GTO 3 will be described with reference to FIG.
【0074】この場合のGTO3の動作は既述した図1
の装置での動作と同等であり、アノード・カソード電極
間電圧VAKのピーク電圧抑制動作のみが図1の場合と異
なる。図15の実測波形は、IA=1000(A/
d)、VAK=1000(V/d)、IGQ=1200(A
/d)、VGD=20(V/d)、t=2(μs/d)と
した場合の例である。同図中、曲線C1、C2、C3、
C4は、それぞれ陽極電流IA、アノード・カソード電
極間電圧VAK、ゲート逆電流IGQ、ゲート電圧VGの実
測波形を示す。The operation of the GTO 3 in this case is described in FIG.
The operation is the same as that of the device of FIG. 1, and only the peak voltage suppressing operation of the anode-cathode electrode voltage V AK is different from that of FIG. The measured waveform in FIG. 15 is I A = 1000 (A /
d), V AK = 1000 (V / d), I GQ = 1200 (A
/ D), V GD = 20 (V / d), and t = 2 (μs / d). In the figure, curves C1, C2, C3,
C4 respectively show the anode current I A, the voltage V AK between the anode and cathode electrodes, the gate reverse current I GQ, the measured waveform of the gate voltage V G.
【0075】図14において、コンデンサ8は抵抗素子
7を通して常に電源電圧VDDに充電されており、ターン
オフ動作時においては、発生するスパイク電圧VDSP及
びピーク電圧VPから電源電圧VDDを超えた電圧部分
(VDSP−VDD、VP−VDD)による電流のみが、ダイオ
ード6を通してコンデンサ8に吸収される。従って、上
記超過した部分だけが、その超過する時間だけ、コンデ
ンサ8に新たに充電されるにすぎない。[0075] In FIG. 14, the capacitor 8 is always being charged to the power supply voltage V DD through a resistor element 7, at the time of turn-off operation, it exceeds the power supply voltage V DD from the generator to the spike voltage V DSP and the peak voltage V P Only the current due to the voltage portion (V DSP -V DD , V P -V DD ) is absorbed by the capacitor 8 through the diode 6. Therefore, only the excess portion is newly charged in the capacitor 8 only for the excess time.
【0076】以上の点を、図15に基づいて説明する。
アノード・カソード電極間電圧VAKが電源電圧VDDに達
するまでは、コンデンサ8は機能せず、この期間(t2
−t1)の上昇率dVAK/dtはGTO3の能力によ
り決定される(このとき、全主電流IAはゲートドライ
バ4側へ転流している)。そして、アノード・カソード
電極間電圧VAKが電源電圧VDDに達して陽極電流IAが
減少し始めると(時刻t2)、それと同時に、ノード1
1に流れ込む主電流はダイオード6を通してコンデンサ
8側へと、即ちバイパス経路BLへと流れ始める。この
時、流れ込むバイパス電流iの上昇率di/dtと、G
TO3とダイオード6とコンデンサ8とから成る閉回路
ないし第1ループR2に浮遊するインダクタンス
(Lf1)とによって起電圧が発生する。これが、図15
に示すスパイク電圧VDSPである(時刻t3)。これ以
後、時刻t5までは、アノード・カソード電極間電圧V
AKのピーク電圧VPと電源電圧VDDとの差はコンデンサ
8に吸収される。その際、コンデンサ8に吸収される過
充電分が、GTO3の電圧阻止能力以下となるように、
コンデンサ8の容量値は適切に決定されている。つま
り、時刻t4から時刻t5までに上昇するアノード・カソ
ード電極間電圧VAKのピーク値VPがGTO3の電圧阻
止能力以下となるように、コンデンサ8の容量値によっ
て決定される。The above points will be described with reference to FIG.
Until the anode-cathode electrode voltage V AK reaches the power supply voltage V DD , the capacitor 8 does not function, and during this period (t 2
Rise rate dV AK / dt of -t 1) is determined by the ability of GT03 (this time, all the main current I A is commutated to the gate driver 4 side). The anode-cathode interelectrode voltage V AK is the anode current I A reaches the power supply voltage V DD starts to decrease (time t 2), at the same time, node 1
The main current flowing into 1 starts flowing through the diode 6 to the capacitor 8 side, that is, to the bypass path BL. At this time, the rate of rise di / dt of the bypass current i flowing in and G
An electromotive voltage is generated by a closed circuit including the TO3, the diode 6, and the capacitor 8 or an inductance ( Lf1 ) floating in the first loop R2. This is shown in FIG.
A spike voltage V DSP shown in (time t 3). Since then, until the time t 5, the anode-cathode electrode voltage V
The difference between the peak voltage V P and the power supply voltage V DD of AK is absorbed in the capacitor 8. At this time, the overcharged amount absorbed by the capacitor 8 is equal to or less than the voltage blocking capability of the GTO 3.
The capacitance value of the capacitor 8 is appropriately determined. In other words, the peak value V P of the anode-cathode voltage V AK rise to from time t 4 to time t 5 is to be equal to or less than the voltage blocking capability of the GT03, it is determined by the capacitance value of the capacitor 8.
【0077】尚、コンデンサ8によって吸収されたピー
ク電圧の過充電分は、抵抗素子7を通して、次回ターン
オフまでに電源9側に放電される。一方、GTO3のタ
ーンオン時においてもコンデンサ8に充電された電圧な
いし電荷は、それが放電しようとしてもダイオード6に
阻止されるので、放電することはない。よって、コンデ
ンサ8は、常に電源電圧VDDと等しい電圧に充電されて
いることになる。The overcharge of the peak voltage absorbed by the capacitor 8 is discharged to the power supply 9 through the resistance element 7 until the next turn-off. On the other hand, even when the GTO 3 is turned on, the voltage or charge charged in the capacitor 8 is prevented from discharging by the diode 6 even if it tries to discharge, so that it is not discharged. Therefore, the capacitor 8 is always charged to a voltage equal to the power supply voltage V DD .
【0078】尚、時刻t4から時刻t5までのピーク電圧
VPは、第2ループR3内の浮遊インダクタンス
(LA2)とコンデンサ8の容量値とに起因して生ずる起
電力に基づく。The peak voltage V P from time t 4 to time t 5 is based on the electromotive force generated by the stray inductance (L A2 ) in the second loop R3 and the capacitance of the capacitor 8.
【0079】以上の様に、この半導体スイッチング装置
10Aのピーク電圧抑制回路ないし保護回路のコンデン
サ8に蓄積されるエネルギーについては、従来技術にお
けるスナバコンデンサのようにスナバ抵抗によって0値
に至るまで全てが放電されてしまうのではなくて、その
内の過充電分のみが放電されるに過ぎなく、従来問題と
なっていたスナバ回路の放電損失を格段に低減すること
ができる。しかも、この半導体スイッチング装置10A
では、従来技術のスナバ回路で用いられていた部材をそ
のまま用い、かつスナバ抵抗として用いられていた抵抗
素子の配線を配線経路R4として電源9のノード14に
直接接続するだけで、上記保護回路を簡単に構成できる
ため、即ち、従来のスナバ回路をそのまま利用して放電
損失を十分低減させることが可能となるため、非常に実
現性の高い装置を実現できる利点がある。勿論、同装置
10Aでも、図1の装置10と同様に、ターンオフ時の
GTO3の素子破壊を完全に阻止することができる。As described above, all of the energy stored in the capacitor 8 of the peak voltage suppression circuit or protection circuit of the semiconductor switching device 10A is reduced to zero value by the snubber resistor like the snubber capacitor in the prior art. Rather than being discharged, only the overcharged portion of it is discharged, and the discharge loss of the snubber circuit, which has conventionally been a problem, can be significantly reduced. Moreover, this semiconductor switching device 10A
In the above, the protection circuit is implemented by simply using the members used in the snubber circuit of the prior art as it is, and directly connecting the wiring of the resistance element used as the snubber resistance to the node 14 of the power supply 9 as the wiring path R4. Since the configuration can be simplified, that is, it is possible to sufficiently reduce the discharge loss by using the conventional snubber circuit as it is, and there is an advantage that a highly feasible device can be realized. Of course, also in the device 10A, the device destruction of the GTO 3 at the time of turn-off can be completely prevented as in the device 10 of FIG.
【0080】先の課題の項で触れたように、以上図1な
いし図15で説明した半導体スイッチング装置により、
従来からの課題は基本的には解決されるが、現実の製品
化を図るためには、構造は勿論、製造、保守時の作業性
等、更には周辺機器、部品を含めた具体化への検討が必
要となり、これら具体化の中で提起される問題点も解決
していかねばならない。As mentioned in the previous section, the semiconductor switching device described with reference to FIGS.
Although the conventional problems are basically solved, in order to achieve actual commercialization, not only the structure, but also the workability during manufacturing and maintenance, etc. Consideration is needed and the issues raised in these embodiments must be resolved.
【0081】即ち、リング状のゲート端子へターンオン
電流を供給する場合、その周方向の電流分布を均一にす
る必要があるが、先の図6、図7に示した例では、ゲー
トドライバとゲート端子とは広幅の板状の導体である基
板70で接続されている。従って、ゲート端子の周方向
の位置によってゲートドライバまでの距離が変化し、ま
た、ゲートドライバの配置とも関連し、必ずしも良好で
均等な電流分布が得られない。以下では、これら製品へ
の具体化に際して新たに現出した上記問題点を解決する
半導体スイッチング装置について説明する。なお、以下
では図1〜図15で説明した内容とその主たる着目点が
異なるので、同一または相当部分についても、新たな符
号を付して説明するものとする。That is, when the turn-on current is supplied to the ring-shaped gate terminal, it is necessary to make the current distribution in the circumferential direction uniform. However, in the examples shown in FIGS. The terminals are connected by a board 70 which is a wide plate-shaped conductor. Therefore, the distance to the gate driver changes depending on the position of the gate terminal in the circumferential direction, and also in relation to the arrangement of the gate driver, a good and uniform current distribution cannot always be obtained. In the following, a description will be given of a semiconductor switching device which solves the above-mentioned problems newly appearing when these products are embodied. In the following, since the main points of interest are different from the contents described in FIGS. 1 to 15, the same or corresponding parts will be described with the new reference numerals.
【0082】ここでは、ゲートドライバと半導体スイッ
チング素子までの電流路が中心となるので、これらに着
目し、しかも、以下の理解が容易となるよう、先の図2
を簡略化して示す図16の回路について説明する。図に
おいて、GCTは図4、図5で示したリング状のゲート
端子RGを有するゲートターンオフサイリスタやトラン
ジスタ等のゲート制御によりオン・オフ制御される平形
の半導体スイッチング素子、Aはそのアノード電極、K
はそのカソード電極である。GDはゲートドライバ、G
TFはその内ターンオフ用のゲートドライバ、GTNは
ターンオン用のゲートドライバ、VDNおよびVDPは
それぞれターンオフ用およびターンオン用の電源、CF
およびCNはそれぞれターンオフ用およびターンオン用
のコンデンサ、TrFはターンオフ用のトランジスタ、
Tr1およびR1はターンオンハイゲート用のトランジ
スタおよび抵抗、Tr2およびR2はターンオン定常ゲ
ート用のトランジスタおよび抵抗である。Here, since the current paths to the gate driver and the semiconductor switching element are centered, attention is paid to them, and the above-mentioned FIG.
Will be described with reference to FIG. In the figure, GCT is a flat semiconductor switching element whose on / off is controlled by gate control of a gate turn-off thyristor or a transistor having a ring-shaped gate terminal RG shown in FIGS.
Is the cathode electrode. GD is a gate driver, G
TF is a turn-off gate driver, GTN is a turn-on gate driver, VDN and VDP are turn-off and turn-on power supplies, CF, respectively.
And CN are turn-off and turn-on capacitors, respectively, TrF is a turn-off transistor,
Tr1 and R1 are transistors and resistors for a turn-on high gate, and Tr2 and R2 are transistors and resistors for a turn-on steady gate.
【0083】動作については、詳細な説明は省略する
が、制御信号の入力により、ワンショット回路およびバ
ッファから定まる一連のタイミングシーケンスでトラン
ジスタTr1、Tr2、TrFが順次オンオフし、例え
ば、図3で示したターンオンハイゲート電流、ターンオ
ン定常ゲート電流そしてターンオフゲート電流をゲート
端子RGとカソード電極Kとの間に供給する訳である。The operation is not described in detail, but the transistors Tr1, Tr2, TrF are sequentially turned on and off in a series of timing sequences determined from the one-shot circuit and the buffer by the input of the control signal. For example, as shown in FIG. That is, the turn-on high gate current, the turn-on steady gate current, and the turn-off gate current are supplied between the gate terminal RG and the cathode electrode K.
【0084】さて、図17は、上述した新たな問題点を
解決した、この発明の実施の形態1における半導体スイ
ッチング装置を示す平面図である。図において、新たに
登場する符号について説明すると以下の通りである。即
ち、BGはこのゲートドライバGDの複数の出力端P
1、P2、・・・Pnと前記ゲート端子RGとを電気的
及び機械的に接続する板状接続導体で、前記ゲート端子
RGを取り囲む環状部BGRと、この環状部BGRから
前記ゲートドライバGDに向けて延在する直線部BGD
とで構成されている。前記環状部BGRにおいて、前記
ゲート端子RGとの間にゲート端子RGを取り巻く環状
の電流路RPが形成されている。Kは前述したカソード
電極で、図17においては、前記アノード電極Aの裏側
に位置している。FIG. 17 is a plan view showing a semiconductor switching device according to the first embodiment of the present invention which has solved the above-mentioned new problem. In the figure, newly appearing symbols will be described as follows. That is, BG is a plurality of output terminals P of the gate driver GD.
, P2,... Pn and a plate-shaped connection conductor for electrically and mechanically connecting the gate terminal RG, an annular portion BGR surrounding the gate terminal RG, and from the annular portion BGR to the gate driver GD. Straight part BGD extending toward
It is composed of In the annular portion BGR, an annular current path RP surrounding the gate terminal RG is formed between the annular portion BGR and the gate terminal RG. K is the above-described cathode electrode, and is located on the back side of the anode electrode A in FIG.
【0085】i1、i2、・・・inは半導体スイッチ
ング素子GCTをターンオフするためにゲートドライバ
GDへゲート端子RGから流れ込むターンオフゲート電
流で、これらターンオフゲート電流i1、i2、・・・
inはゲートドライバGDとリング状ゲート端子RGと
の間を多数の並列回路をなして流れるように構成されて
いる。即ち、半導体スイッチング素子GCTのゲート端
子RGの直径Dより板状接続導体BGの直線部BGDの
電流路幅IWを大とし、且つ直線部BGDの電流路幅I
WとゲートドライバGDのゲート端子RGからの電流取
込端GDTの長さGDTLとはほぼ同一にしてある。従
って、前記板状接続導体BGの直線部BGDの端部にお
けるターンオフゲート電流、例えばi1、i2は前記環
状電流路RPを経て、前記ゲート端子RGの前記ゲート
ドライバGDから遠い部分から流れ出たものである。即
ち、円環状のゲート端子RGには、ターンオフゲート電
流が、ゲート端子RGの全外周から流れ出し、従来のも
ののようにリード線1本から集中的に流れ出すことがな
くなり、ゲート端子RGにおけるターンオフゲート電流
は内部のゲート電極の全領域に分配され、単位面積当た
りの電流が小さくなるので、大きなターンオフゲート電
流を流すことが出来、その結果として、ターンオフ時間
が、例えば従来のものに比べ約1/10と極めて短くな
る。また、半導体スイッチング素子GCTのゲート領域
の寿命、即ち半導体スイッチング素子GCTの寿命が長
くなり、信頼性が向上する。.., In are turn-off gate currents flowing from the gate terminal RG to the gate driver GD to turn off the semiconductor switching element GCT. These turn-off gate currents i1, i2,.
in is configured to flow between the gate driver GD and the ring-shaped gate terminal RG in a number of parallel circuits. That is, the current path width IW of the linear portion BGD of the plate-like connection conductor BG is made larger than the diameter D of the gate terminal RG of the semiconductor switching element GCT, and the current path width I of the linear portion BGD is increased.
W and the length GDTL of the current receiving end GDT from the gate terminal RG of the gate driver GD are substantially the same. Therefore, the turn-off gate currents at the end of the linear portion BGD of the plate-like connection conductor BG, for example, i1 and i2, flow out from the portion of the gate terminal RG far from the gate driver GD via the annular current path RP. is there. That is, in the annular gate terminal RG, the turn-off gate current flows out from the entire outer periphery of the gate terminal RG, and does not intensively flow out from one lead wire unlike the conventional one. Is distributed over the entire area of the internal gate electrode, and the current per unit area is small, so that a large turn-off gate current can flow. As a result, the turn-off time can be reduced, for example, by about 1/10 compared to the conventional one. Becomes extremely short. Further, the life of the gate region of the semiconductor switching element GCT, that is, the life of the semiconductor switching element GCT is increased, and the reliability is improved.
【0086】図18は図17に示す並列電流路を実現す
る回路構成図である。即ち、多数の並列電流路を形成す
るため、ゲートドライバGDを電流路幅IWの方向に沿
って順次配設されたそれぞれn個のトランジスタおよび
コンデンサから構成している。なお、同図では、このn
個の内、第1、第2および第n番目のもののみを抜粋し
て図示している。図において、C1、C2、Cnはコン
デンサ、TrF1、TrF2、TrFnはターンオフ用
トランジスタ、P1、P2、Pnは各トランジスタから
のターンオフゲート電流の出力端、G1P、G2P、G
nPは図17の板状接続導体BGにおけるゲート側の各
並列電流路、K1P、K2P、KnPは同じく図17の
板状接続導体BGにおけるカソード側の各並列電流路で
ある。FIG. 18 is a circuit diagram for realizing the parallel current path shown in FIG. That is, in order to form a large number of parallel current paths, the gate driver GD is composed of n transistors and capacitors arranged sequentially along the direction of the current path width IW. Note that in FIG.
Of these, only the first, second, and n-th are extracted and shown. In the drawing, C1, C2, and Cn are capacitors, TrF1, TrF2, and TrFn are turn-off transistors, P1, P2, and Pn are output terminals of turn-off gate currents from the transistors, G1P, G2P, and G1.
nP is a parallel current path on the gate side in the plate-shaped connection conductor BG of FIG. 17, and K1P, K2P and KnP are respective parallel current paths on the cathode side of the plate-shaped connection conductor BG in FIG.
【0087】なお、図18(後述する同種の図について
も同様)においては、ターンオン用ゲートドライバGT
Nに関しては図示を簡略化しているが、この発明で対象
とする半導体スイッチング素子では、通常、ターンオン
ゲート電流はターンオフゲート電流の数10分の1であ
り、その電流供給について特に問題は生じないためその
説明を省略しているためである。もっとも、両ゲートド
ライバGTF、GTN共、共通の電流路を介してゲート
端子RGへ電流を供給するので、ターンオン用ゲートド
ライバGTNの存在がターンオフゲート電流の並列電流
路における電流分布に悪影響を及ぼすことが懸念される
が、同図に示すように、ターンオン用ゲートドライバG
TNの出力側に抵抗Rが挿入されているので、その心配
はない。In FIG. 18 (the same applies to the same type of drawings described later), the turn-on gate driver GT
Although the illustration of N is simplified, the turn-on gate current is usually several tens of times smaller than the turn-off gate current in the semiconductor switching element of the present invention, and there is no particular problem with the current supply. This is because the description is omitted. However, since both the gate drivers GTF and GTN supply current to the gate terminal RG through a common current path, the presence of the turn-on gate driver GTN adversely affects the current distribution in the parallel current path of the turn-off gate current. However, as shown in FIG.
Since the resistor R is inserted on the output side of TN, there is no need to worry.
【0088】図19は図18の回路図におけるコンデン
サC1、C2、Cn、ターンオフ用トランジスタTrF
1、TrF2、TrFn、半導体スイッチング素子GC
Tの板状接続導体BGへの搭載配置例、および板状接続
導体BGへの接続の構成を平面的に示した平面図であ
る。なお、同図においては、ターンオン用ゲートドライ
バGTNは図示を省略している。FIG. 19 shows the capacitors C1, C2, Cn and the turn-off transistor TrF in the circuit diagram of FIG.
1, TrF2, TrFn, semiconductor switching element GC
It is the top view which showed planarly the example of mounting arrangement | positioning to the plate-shaped connection conductor BG of T, and the structure of connection to the plate-shaped connection conductor BG. In the figure, the illustration of the turn-on gate driver GTN is omitted.
【0089】図20は図18の回路図におけるコンデン
サC1、C2、Cn、ターンオフ用トランジスタTrF
1、TrF2、TrFn、半導体スイッチング素子GC
Tの板状接続導体BGへの搭載配置例、および板状接続
導体BGへの接続の構成を断面で示した断面図である。
図において、GR1はゲート押えリング、KR1はカソ
ードスペーサリング、B1は導体板で、図示しない例え
ば螺合機構により、ゲート押えリングGR1と導体板B
1とで板状接続導体BGおよびカソードスペーサリング
KR1を間に挟持して圧接することにより、ゲート端子
RGが板状接続導体BGの表面に形成されたゲート側導
電層(ゲート側電流路)GPに電気的に接続され、カソ
ード電極Kが板状接続導体BGの裏面に形成されたカソ
ード側導電層(カソード側電流路)KPに電気的に接続
される。同図で(1)で示す部分は、ゲートドライバの
単位ユニットを構成するトランジスタTrとコンデンサ
Cとの板状接続導体BGとの接続構造を示すもので、同
図(2)に電源VDNを含めた回路図を示す。更に、図
20の(1)の部分の拡大図を図21に、また、図21
のX1−X1線の断面およびX2−X2線の断面をそれ
ぞれ図22(1)および(2)に示す。FIG. 20 shows the capacitors C1, C2, Cn and the turn-off transistor TrF in the circuit diagram of FIG.
1, TrF2, TrFn, semiconductor switching element GC
It is sectional drawing which showed the example of mounting arrangement | positioning to the plate-shaped connection conductor BG of T, and the structure of the connection to the plate-shaped connection conductor BG in cross section.
In the drawing, GR1 is a gate holding ring, KR1 is a cathode spacer ring, B1 is a conductor plate, and the gate holding ring GR1 and the conductor plate B are connected by a screwing mechanism (not shown).
1, the gate terminal RG is formed on the surface of the plate-shaped connection conductor BG by pressing and holding the plate-shaped connection conductor BG and the cathode spacer ring KR1 therebetween. The cathode electrode K is electrically connected to a cathode-side conductive layer (cathode-side current path) KP formed on the back surface of the plate-shaped connection conductor BG. The portion indicated by (1) in the drawing shows the connection structure between the plate-shaped connection conductor BG of the transistor Tr and the capacitor C, which constitute the unit unit of the gate driver, and the power supply VDN is included in FIG. FIG. Further, FIG. 21 is an enlarged view of (1) of FIG.
22 (1) and (2) show a cross section taken along line X1-X1 and a cross section taken along line X2-X2, respectively.
【0090】コンデンサCのカソード側端子CKは、ゲ
ート側導電層GPと電気的に絶縁されスルーホールH1
により下面のカソード側導電層KPに電気的に接続され
ている。また、トランジスタTrのゲート側端子TG
は、カソード側導電層KPと電気的に絶縁されスルーホ
ールH4により上面のゲート側導電層GPに電気的に接
続されている。コンデンサCおよびトランジスタTrの
それぞれマイナス側端子CNおよびTNはゲート側導電
層GRおよびカソード側導電層KPの両者と電気的に絶
縁されたそれぞれスルーホールH2およびH3に接続さ
れている。なお、各端子CK、CN、TN、TGのリー
ドは、上面側から各スルーホールH1〜H4に挿通さ
れ、下面側から半田付等により接合する。The cathode side terminal CK of the capacitor C is electrically insulated from the gate side conductive layer GP and has a through hole H1.
Is electrically connected to the cathode-side conductive layer KP on the lower surface. Also, the gate side terminal TG of the transistor Tr
Are electrically insulated from the cathode-side conductive layer KP and are electrically connected to the gate-side conductive layer GP on the upper surface by through holes H4. The negative terminals CN and TN of the capacitor C and the transistor Tr are connected to through holes H2 and H3, respectively, which are electrically insulated from both the gate conductive layer GR and the cathode conductive layer KP. The leads of the terminals CK, CN, TN, and TG are inserted into the through holes H1 to H4 from the upper surface, and are joined by soldering or the like from the lower surface.
【0091】図20ないし図22から判るように、ゲー
ト側導電層GP(図18で示す電流路G1P、G2P、
GnPが相当する)とカソード側導電層KP(図18で
示す電流路K1P、K2P、KnPが相当する)とは、
薄い絶縁層を介して板状接続導体BGの表裏に形成され
ているので、ターンオフゲート電流はこれら表裏の電流
路を互いに逆方向に流れる電流となり、この部分におけ
るインダクタンスを極めて小さな値に抑えることがで
き、平面的に複数の並列電流路を形成する上述の対策と
相俟り、前述した原理にもとづく所望の急峻なターンオ
フゲート電流の供給が容易確実になされる訳である。As can be seen from FIGS. 20 to 22, the gate-side conductive layer GP (the current paths G1P, G2P,
GnP) and the cathode-side conductive layer KP (corresponding to the current paths K1P, K2P, and KnP shown in FIG. 18)
Since it is formed on the front and back of the plate-shaped connection conductor BG via a thin insulating layer, the turn-off gate current flows in the current paths on these front and back sides in opposite directions, and the inductance in this portion can be suppressed to an extremely small value. In combination with the above-described measures for forming a plurality of parallel current paths in a plane, the supply of a desired steep turn-off gate current based on the above-described principle can be easily and reliably performed.
【0092】図23は図17〜図22に示す実施形態に
おけるターンオフゲート電流をリング状のゲート端子R
Gの周囲16個所で検出して図示したもので、図中、横
軸はゲート端子RGの周囲の16個所の各部位を示す。
縦軸は検出値で、iはターンオフゲート電流(但し、ス
ケールは相対比率としている)、Zはターンオフゲート
電流の時間微分値di/dt(但し、スケールは相対比
率としている)である。図23に示すように、ターンオ
フゲート電流iはゲート端子RGの全周からゲートドラ
イバGDに向けて流れ出ていることが分かる。従って、
ゲート端子RGにおけるターンオフゲート電流は内部の
ゲート電極の全領域に分配され、単位面積当たりの電流
が小さくなることも分かる。FIG. 23 shows that the turn-off gate current in the embodiment shown in FIGS.
It is detected and shown at 16 locations around G, and in the figure, the horizontal axis represents each of the 16 locations around the gate terminal RG.
The vertical axis is the detected value, i is the turn-off gate current (however, the scale is a relative ratio), and Z is the time differential value di / dt of the turn-off gate current (however, the scale is a relative ratio). As shown in FIG. 23, it can be seen that the turn-off gate current i flows from the entire periphery of the gate terminal RG toward the gate driver GD. Therefore,
It can also be seen that the turn-off gate current at the gate terminal RG is distributed to the entire region of the internal gate electrode, and the current per unit area is reduced.
【0093】実施の形態2.図24は、図23における
中央の部位の近辺、即ちゲート端子RGのゲートドライ
バGDに最も近い側の近傍のターンオフゲート電流値を
更に小さく、従って、他の個所の電流値を大きくする為
に工夫された実施形態の平面図であり、前記板状接続導
体BGの直線部BGDに図示のような一対のスリット、
即ち絶縁領域Sが設けられている。この絶縁領域Sは、
直線部BGDを表裏に跨って貫通する長孔であってもよ
く、有底の溝であってもよく、或いはスリット内に絶縁
物を埋設したものであってもよい。何れにせよ、絶縁領
域Sは、その一例として、ゲートドライバGDから半導
体スイッチング素子GCTに向けて平行をなして直線上
に延びる一対の直線状絶縁領域SDと、この直線状絶縁
領域SDの先端から更に半導体スイッチング素子GCT
に向けてゲート端子RG外周に沿いながら傾斜して延び
る傾斜絶縁領域SEとで構成されたものが示されてい
る。これら一対の絶縁領域Sは、図24における中央の
部位の近辺、即ちゲート端子RGのゲートドライバGD
に最も近い側の近傍のターンオフゲート電流を、前記一
対の傾斜絶縁領域SE間の広い電流路GCWPから一対
の直線状絶縁領域SD間の狭い電流路GCNPに誘い込
むため、電流が流れにくくなり、図24に於ける中央の
電流路GCPの電流値が下がり、中央以外の電流路GL
P、GRPの電流値が上昇し、ゲート端子RG内を流れ
るターンオフゲート電流の分布は、より均質化される。Embodiment 2 FIG. 24 is devised to further reduce the turn-off gate current value near the central portion in FIG. 23, that is, near the gate terminal RG closest to the gate driver GD, and thus increase the current value at other locations. FIG. 10 is a plan view of the embodiment, in which a pair of slits as shown in FIG.
That is, the insulating region S is provided. This insulating region S
It may be a long hole penetrating the straight portion BGD across the front and back, may be a groove with a bottom, or may be a slit in which an insulator is embedded. In any case, the insulating region S is, for example, a pair of linear insulating regions SD extending linearly in parallel from the gate driver GD to the semiconductor switching element GCT, and a pair of linear insulating regions SD Further, the semiconductor switching element GCT
And an inclined insulating region SE extending obliquely along the outer periphery of the gate terminal RG. These paired insulating regions S are located near the central portion in FIG. 24, that is, the gate driver GD of the gate terminal RG.
Since the turn-off gate current near the side closest to the above is led from the wide current path GCWP between the pair of inclined insulating regions SE to the narrow current path GCNP between the pair of linear insulating regions SD, it becomes difficult for the current to flow. 24, the current value of the central current path GCP decreases, and the current path GL other than the central current path GL
The current values of P and GRP increase, and the distribution of the turn-off gate current flowing in the gate terminal RG becomes more uniform.
【0094】図25は、絶縁領域Sを単純な直線状のみ
とした例であり、一対の絶縁領域S、S間の間隔は、ゲ
ート端子RGに近くなるほど狭くなる構造としてある。
絶縁領域Sの形状が簡単であるので、安価に製作でき
る。なお、この図25の例においても、中央の電流路G
CPの電流値が下がり、中央以外の電流路GLP、GR
Pの電流値が上昇し、ゲート端子RG内を流れるターン
オフゲート電流の分布は、より均質化される。FIG. 25 shows an example in which the insulating region S has only a simple linear shape, and the interval between the pair of insulating regions S, S is narrower as it is closer to the gate terminal RG.
Since the shape of the insulating region S is simple, it can be manufactured at low cost. It should be noted that also in the example of FIG.
The current value of CP decreases, and the current paths GLP and GR other than the center
The current value of P increases, and the distribution of the turn-off gate current flowing in the gate terminal RG becomes more uniform.
【0095】実施の形態3.図26は、図23における
中央の部位の近辺、即ちゲート端子RGのゲートドライ
バGDに最も近い側の近傍のターンオフゲート電流値を
更に小さく、従って、他の個所の電流値を大きくする為
に工夫された他の実施形態を示す接続図で、ゲート端子
RGからゲートドライバGDに至る等価的に3つのゲー
ト側電流路GLP、GCP、GRPを設け、これら各ゲ
ート側電流路GLP、GCP、GRPのインピーダンス
を構成する各インダクタンスLL、LC、LR、抵抗R
L、RC、RRの大きさを、ゲート端子RGの中央部G
Cに接続されたゲート側電流路GCPより、ゲート端子
RGのゲートドライバGDから離れた両端部GL、GR
に接続されたゲート側電流路GLP、GRPの方を小さ
くしたものである。ゲート端子RGの中央部GCに接続
されたゲート側電流路GCPのインダクタンスLC、抵
抗RCは、中央部GC以外の端部GL、GRに接続され
たゲート側電流路GLP、GRPのインダクタンスL
L、LR、抵抗RL、RRより大きいので、図23にお
ける中央の部位の近辺、即ちゲート端子RGのゲートド
ライバGDに最も近い側の近傍、即ち、中央の電流路G
CPのターンオフゲート電流値を更に小さくできる。従
って、中央以外の電流路GLP、GRPの電流値が上昇
し、ゲート端子RG内を流れるターンオフゲート電流の
分布は、より均質化される。Embodiment 3 FIG. 26 shows a method for further reducing the turn-off gate current value near the central part in FIG. 23, that is, near the side closest to the gate driver GD of the gate terminal RG. In the connection diagram showing another embodiment, three equivalent gate-side current paths GLP, GCP, and GRP from the gate terminal RG to the gate driver GD are provided, and the respective gate-side current paths GLP, GCP, and GRP are provided. Inductances LL, LC, LR, and resistance R constituting the impedance
The size of L, RC, and RR is set at the center G of the gate terminal RG.
Both end portions GL and GR of the gate terminal RG separated from the gate driver GD from the gate side current path GCP connected to C.
Are smaller than the gate-side current paths GLP and GRP. The inductance LC and the resistance RC of the gate side current path GCP connected to the central part GC of the gate terminal RG are the inductances L of the gate side current paths GLP and GRP connected to the end parts GL and GR other than the central part GC.
L, LR and resistances RL, RR, the vicinity of the central portion in FIG. 23, that is, the vicinity of the gate terminal RG on the side closest to the gate driver GD, ie, the central current path G
The turn-off gate current value of the CP can be further reduced. Therefore, the current values of the current paths GLP and GRP other than the center increase, and the distribution of the turn-off gate current flowing in the gate terminal RG is made more uniform.
【0096】なお、図中、KPはカソード電極Kとゲー
トドライバGDとの間を接続するカソード側電流路であ
るが、実際にはKLP、KCP、KRPと分離して示す
ところ、図示の簡略化のためまとめた1本のKPで表示
している。また、CL、CC、CRはコンデンサ、S
L、SC、SRは単極スイッチの形に図示を簡略化した
ターンオフ用トランジスタで、実際には、後述する図2
7に示すように、それぞれn個のコンデンサおよびトラ
ンジスタを、各電流路GLP、GCP、GRPに対応し
て3群に分けて構成したものである。In the drawing, KP is a cathode side current path connecting between the cathode electrode K and the gate driver GD, but is actually shown separately from KLP, KCP and KRP. Therefore, it is indicated by one KP put together. CL, CC and CR are capacitors, S
L, SC, and SR are turn-off transistors whose illustrations are simplified in the form of a single-pole switch.
As shown in FIG. 7, each of n capacitors and transistors is divided into three groups corresponding to the current paths GLP, GCP, and GRP.
【0097】図27は、図26に示す回路を板状接続導
体BGに搭載配置した具体例を示すものであり、ターン
オン用ゲートドライバは図示を省略している。第1から
第n(この例ではn=6)の6個のトランジスタTrF
1〜TrF6等を配置している。そして、第1と第2の
ドライバ出力は、抵抗RL、インダクタンスLLを介し
て電流路GLPに、第3と第4のドライバ出力は、抵抗
RC、インダクタンスLCを介して電流路GCPに、第
5と第6のドライバ出力は、抵抗RR、インダクタンス
LRを介して電流路GRPにそれぞれ送出される。FIG. 27 shows a specific example in which the circuit shown in FIG. 26 is mounted and arranged on a plate-like connection conductor BG, and a gate driver for turn-on is not shown. First to n-th (n = 6 in this example) six transistors TrF
1 to TrF6 and the like are arranged. The first and second driver outputs are connected to a current path GLP via a resistor RL and an inductance LL, and the third and fourth driver outputs are connected to a current path GCP via a resistor RC and an inductance LC. And the sixth driver output are sent to the current path GRP via the resistor RR and the inductance LR.
【0098】実施の形態4.図28は図23における中
央の部位の近辺、即ちゲート端子RGのゲートドライバ
GDに最も近い側の近傍のターンオフゲート電流値を更
に小さく、従って、他の個所の電流値を大きくする為に
工夫された他の実施形態を示す接続図で、ゲート端子R
GからゲートドライバGDに至る等価的に3つのゲート
側電流路GLP、GCP、GRPを設け、これら各ゲー
ト側電流路GLP、GCP、GRPの各電源電圧を、ゲ
ート端子RGの中央部GCに接続されたゲート側電流路
GCPより、ゲート端子RGのゲートドライバGDから
離れた両端部GL、GRに接続されたゲート側電流路G
LP、GRPの方を高くしたものである。図において、
CL、CC、CRはコンデンサ、SL、SC、SRは単
極スイッチの形に図示を簡略化したターンオフ用トラン
ジスタ、VDN1は例えば−18Vのターンオフ用直流
電源、VDN2は例えば−2Vのターンオフ用直流電
源、KPはカソード電極KとゲートドライバGDとの間
を接続するカソード側電流路で、図24と同様、簡略化
して図示している。Embodiment 4 FIG. 28 is devised in order to further reduce the turn-off gate current value near the central portion in FIG. 23, that is, near the side closest to the gate driver GD of the gate terminal RG, and thus increase the current value at other points. In a connection diagram showing another embodiment, a gate terminal R
Equivalently, three gate-side current paths GLP, GCP, and GRP from G to the gate driver GD are provided, and each power supply voltage of each of the gate-side current paths GLP, GCP, and GRP is connected to the central part GC of the gate terminal RG. Gate-side current path G connected to both ends GL, GR of the gate terminal RG farther from the gate driver GD than the gate-side current path GCP thus set.
LP and GRP are higher. In the figure,
CL, CC, and CR are capacitors, SL, SC, and SR are turn-off transistors in the form of single-pole switches. VDN1 is, for example, a -18V turn-off DC power supply, and VDN2 is, for example, a -2V turn-off DC power supply. , KP are cathode-side current paths connecting between the cathode electrode K and the gate driver GD, and are simplified and shown in FIG.
【0099】ゲート端子RGの中央部GCに接続された
ゲート側電流路GCPとカソード側電流路KPとの間の
電圧は18Vであり、両端部GL、GRに接続されたゲ
ート側電流路GLP、GRPとカソード側電流路KPと
の間の電圧は18+2=20Vとなる。このように、ゲ
ート端子RGの中央部GCに接続されたゲート側電流路
GCPとカソード側電流路KPとの間の電圧の方が、両
端部GL、GRに接続されたゲート側電流路GLP、G
RPとカソード側電流路KPとの間の電圧より低いの
で、図23における中央の部位の近辺、即ちゲート端子
RGのゲートドライバGDに最も近い側の近傍、即ち、
中央の電流路GCPのターンオフゲート電流値を更に小
さくできる。従って、中央以外の電流路GLP、GRP
の電流値が上昇し、ゲート端子RG内を流れるターンオ
フゲート電流の分布は、より均質化される。The voltage between the gate-side current path GCP and the cathode-side current path KP connected to the central part GC of the gate terminal RG is 18 V, and the gate-side current paths GLP and GLP connected to both ends GL and GR are provided. The voltage between the GRP and the cathode side current path KP is 18 + 2 = 20V. As described above, the voltage between the gate-side current path GCP connected to the central part GC of the gate terminal RG and the cathode-side current path KP is higher than that of the gate-side current path GLP connected to both ends GL and GR. G
Since the voltage is lower than the voltage between RP and the cathode side current path KP, the vicinity of the central part in FIG. 23, that is, the vicinity of the gate terminal RG on the side closest to the gate driver GD, ie,
The turn-off gate current value of the central current path GCP can be further reduced. Therefore, current paths GLP, GRP other than the center
And the distribution of the turn-off gate current flowing in the gate terminal RG becomes more uniform.
【0100】図29は、図28に示す回路を板状接続導
体BGに搭載配置した具体例を示すものであり、ターン
オン用ゲートドライバは図示を省略している。第1から
第n(この例ではn=6)の6個のトランジスタTrF
1〜TrF6等および直流電源VDN1、VDN2を配
置している。そして、第1と第2のドライバは、電源V
DN1とVDN2の和の電圧(20V)により出力する
ターンオフゲート電流を電流路GLPに、第3と第4の
ドライバは、電源VDN1の電圧(18V)により出力
するターンオフゲート電流を電流路GCPに、第5と第
6のドライバは、電源VDN1とVDN2の和の電圧
(20V)により出力するターンオフゲート電流を電流
路GRPにそれぞれ送出する。FIG. 29 shows a specific example in which the circuit shown in FIG. 28 is mounted and arranged on a plate-like connection conductor BG, and a gate driver for turn-on is not shown. First to n-th (n = 6 in this example) six transistors TrF
1 to TrF6 and the like and DC power supplies VDN1 and VDN2 are arranged. The first and second drivers are connected to a power supply V.
A turn-off gate current output by the sum voltage (20 V) of DN1 and VDN2 is supplied to the current path GLP, and the third and fourth drivers supply a turn-off gate current output by the voltage (18 V) of the power supply VDN1 to the current path GCP. The fifth and sixth drivers send out a turn-off gate current, which is output by the sum voltage (20 V) of the power supplies VDN1 and VDN2, to the current path GRP.
【0101】実施の形態5.図30は、半導体スイッチ
ング素子GCTのゲート端子RGとカソード電極Kとの
間に電流路GLP、GRP、GCPを介してターンオフ
ゲート電流を流すゲートドライバを有するものにおい
て、前記ゲートドライバを複数個のゲートドライバGT
F1、GTF2で構成し、これら各ゲートドライバGT
F1、GTF2を前記半導体スイッチング素子GCTに
対して前後に配設し、前記半導体スイッチング素子GC
Tに近いゲートドライバGTF2は電流路GLP、GR
Pを介して前記ゲート端子RGの遠い部位(図示の左
部、右部、先端部)に、前記半導体スイッチング素子G
CTから遠いゲートドライバGTF1は電流路GCPを
介して前記ゲート端子RGの近い部位(図示の中央部)
に、各々接続したものである。Embodiment 5 FIG. FIG. 30 shows a semiconductor switching device having a gate driver for flowing a turn-off gate current between a gate terminal RG of a semiconductor switching element GCT and a cathode electrode K via current paths GLP, GRP, and GCP. Driver GT
F1 and GTF2, and each of these gate drivers GT
F1 and GTF2 are disposed before and after the semiconductor switching element GCT, and the semiconductor switching element GC
The gate driver GTF2 near T is connected to the current paths GLP and GR.
The semiconductor switching element G is located at a position (left, right, and front ends in the drawing) far from the gate terminal RG via P.
A gate driver GTF1 far from CT is located at a position near the gate terminal RG via the current path GCP (the central part in the drawing).
Are connected to each other.
【0102】図において、C1、C2およびS1、S2
はゲートドライバGTF1のそれぞれコンデンサおよび
単極スイッチで表現したターンオフ用トランジスタ、C
L1、CL2、CR1、CR2およびSL1、SL2、
SR1、SR2はゲートドライバGTF2のそれぞれコ
ンデンサおよび単極スイッチで表現したターンオフ用ト
ランジスタである。なお、本図では、便宜上、ターンオ
ン用ゲートドライバは電源VDPを除いて図示を省略し
ている。In the figure, C1, C2 and S1, S2
Is a turn-off transistor represented by a capacitor and a single-pole switch of the gate driver GTF1, respectively, C
L1, CL2, CR1, CR2 and SL1, SL2,
SR1 and SR2 are turn-off transistors represented by capacitors and single-pole switches of the gate driver GTF2, respectively. In the figure, the gate driver for turn-on is not shown except the power supply VDP for convenience.
【0103】図31は図30に示す回路を板状接続導体
BGに搭載配置した具体例を示すもので、ターンオン用
ゲートドライバは図示を省略している。同図(1)はそ
の平面図、同図(2)はその側面図である。図32は図
31のX3−X3線の断面図、図33は図31のX4−
X4線の断面図である。ここでは、板状接続導体BGと
してゲート側電流路を形成する第1の導電層CC1とカ
ソード側電流路を形成する第2の導電層CC2とを絶縁
層を介して交互に積み重ねたものとし、更に、この第1
の導電層CC1を2層、第2の導電層CC2を2層、即
ち、2対の導電層を備えたものとしている。FIG. 31 shows a specific example in which the circuit shown in FIG. 30 is mounted and arranged on a plate-like connection conductor BG, and a turn-on gate driver is not shown. FIG. 1A is a plan view thereof, and FIG. 2B is a side view thereof. 32 is a sectional view taken along line X3-X3 of FIG. 31, and FIG.
It is sectional drawing of the X4 line. Here, the first conductive layers CC1 forming the gate-side current paths and the second conductive layers CC2 forming the cathode-side current paths as the plate-shaped connection conductors BG are alternately stacked via an insulating layer. Furthermore, this first
The first conductive layer CC1 has two layers, and the second conductive layer CC2 has two layers, that is, two pairs of conductive layers.
【0104】そして、図31(1)に示すように、図2
4等で説明したスリットSを設けて、ゲート端子RGの
中央部GCにはゲートドライバGTF1からターンオフ
ゲート電流が供給されるように、また、左部GL、右部
GRにはゲートドライバGTF2からターンオフゲート
電流が供給されるよう、電流路を平面的に分離してい
る。更に、図32に示すように、ゲートドライバGTF
2は板状接続導体BGの4層の導電層の内、最上層と第
2層の導電層を、それぞれ第1の導電層CC1−2およ
び第2の導電層CC2−2として使用し、それぞれにそ
のゲート側端子TGおよびカソード側端子CKを接続す
る。そして、ゲート端子RGの遠い部位に形成されたス
ルーホールTH1により第2の導電層CC2−2と第4
層の導電層とを電気的に接続する。この結果、半導体ス
イッチング素子GCTに近いゲートドライバGTF2は
ゲート端子RGの遠い部位のゲート端子RGおよびカソ
ード電極Kにそれぞれ圧接されて電気的に接続されるこ
とになる。Then, as shown in FIG.
4, etc., so that a turn-off gate current is supplied from the gate driver GTF1 to the central portion GC of the gate terminal RG, and the left portion GL and the right portion GR are turned off from the gate driver GTF2. The current paths are separated in a plane so that a gate current is supplied. Further, as shown in FIG.
2 uses the uppermost layer and the second conductive layer among the four conductive layers of the plate-shaped connection conductor BG as the first conductive layer CC1-2 and the second conductive layer CC2-2, respectively. To the gate terminal TG and the cathode terminal CK. Then, the second conductive layer CC2-2 and the fourth conductive layer CC2-2 are formed by a through hole TH1 formed at a portion far from the gate terminal RG.
The layer is electrically connected to the conductive layer. As a result, the gate driver GTF2 near the semiconductor switching element GCT is pressed against and electrically connected to the gate terminal RG and the cathode electrode K at a position far from the gate terminal RG.
【0105】また、図33に示すように、ゲートドライ
バGTF1は板状接続導体BGの4層の導電層の内、第
3層と第4層の導電層を、それぞれ第1の導電層CC1
−1および第2の導電層CC2−1として使用し、それ
ぞれにそのゲート側端子TGおよびカソード側端子CK
を接続する。そして、ゲート端子RGの近い部位に形成
されたスルーホールTH2により第1の導電層CC1−
1と第1層の導電層とを電気的に接続する。この結果、
半導体スイッチング素子GCTから遠いゲートドライバ
GTF1はゲート端子RGの近い部位のゲート端子RG
およびカソード電極Kにそれぞれ圧接されて電気的に接
続されることになる。As shown in FIG. 33, the gate driver GTF1 includes the third conductive layer and the fourth conductive layer among the four conductive layers of the plate-shaped connection conductor BG, and the first conductive layer CC1.
-1 and the second conductive layer CC2-1, and their gate-side terminal TG and cathode-side terminal CK, respectively.
Connect. Then, the through hole TH2 formed at a position near the gate terminal RG causes the first conductive layer CC1-
1 is electrically connected to the first conductive layer. As a result,
A gate driver GTF1 far from the semiconductor switching element GCT is connected to a gate terminal RG at a position near the gate terminal RG.
And the cathode electrodes K are respectively pressed and electrically connected.
【0106】なお、図32、33の形態例では、ゲート
ドライバGTF1とGTF2とで、板状接続導体BGの
使用する導電層を上下対で使い分けるようにしたが、ス
リットSによる電流路の平面的な分離を徹底させること
により、いずれのゲートドライバGTF1、GTF2
共、4層の導電層を使用してそれぞれゲート端子RGの
近い部位および遠い部位に接続する構成としてもよい。In the embodiment of FIGS. 32 and 33, the gate drivers GTF1 and GTF2 use upper and lower pairs of conductive layers of the plate-shaped connection conductors BG. Thorough isolation ensures that any of the gate drivers GTF1, GTF2
In both cases, four conductive layers may be used to connect to a portion near and far from the gate terminal RG.
【0107】以上のようにこの実施の形態5において
は、板状接続導体BGにスリットSを形成することによ
り互いに並列な電流路GCP、GLP、GRPを形成
し、半導体スイッチング素子GCTに近いゲートドライ
バGTF2は電流路GLP、GRPを経てゲート端子R
Gの遠い部位に、半導体スイッチング素子GCTから遠
いゲートドライバGTF1は電流路GCPを経てゲート
端子RGの近い部位にそれぞれ接続する構成としたの
で、図23における中央の部位の近辺、即ちゲート端子
RGのゲートドライバGDに最も近い側の近傍、即ち、
中央の電流路GCPのターンオフゲート電流値を更に小
さくできる。従って、中央以外の電流路GLP、GRP
の電流値が上昇し、ゲート端子RG内を流れるターンオ
フゲート電流の分布は、より均質化される。As described above, in the fifth embodiment, the slits S are formed in the plate-like connection conductor BG to form current paths GCP, GLP, and GRP parallel to each other, so that the gate driver close to the semiconductor switching element GCT GTF2 is connected to the gate terminal R via the current paths GLP and GRP.
Since the gate driver GTF1 far from the semiconductor switching element GCT is connected to a portion near the gate terminal RG via the current path GCP at a portion far from G, the vicinity of the center portion in FIG. Near the side closest to the gate driver GD, that is,
The turn-off gate current value of the central current path GCP can be further reduced. Therefore, current paths GLP, GRP other than the center
And the distribution of the turn-off gate current flowing in the gate terminal RG becomes more uniform.
【0108】実施の形態6.図34は先の実施の形態5
と同様、ゲートドライバを前後に配置した2個のゲート
ドライバGTF1、GTF2で構成し、それぞれゲート
端子RGの近い部位およびゲート端子RGの遠い部位に
接続するものであるが、両者の電流路の構成が形態5と
異なる。即ち、この形態6では、板状接続導体BGの使
用導電層を区別することにより並列電流路を形成してお
り、以下、図35、36をも参照して説明する。Embodiment 6 FIG. FIG. 34 shows the fifth embodiment.
In the same manner as described above, the gate driver is composed of two gate drivers GTF1 and GTF2 arranged in front and behind and connected to a portion near the gate terminal RG and a portion far from the gate terminal RG, respectively. Is different from the fifth embodiment. That is, in the sixth embodiment, the parallel current paths are formed by distinguishing the conductive layers used of the plate-shaped connection conductor BG, and will be described below with reference to FIGS.
【0109】図35は図34に示す回路を板状接続導体
BGに搭載配置した具体例を示すもので、ターンオン用
ゲートドライバは図示を省略している。同図(1)はそ
の平面図、同図(2)はその側面図である。図36は図
35のX5−X5の断面図である。ここでは、板状接続
導体BGとしてゲート側電流路を形成する第1の導電層
CC1とカソード側電流路を形成する第2の導電層CC
2とを絶縁層を介して交互に積み重ねたものとし、更
に、この第1の導電層CC1を2層、第2の導電層CC
2を2層、即ち、2対の導電層を備えたものとしてい
る。FIG. 35 shows a specific example in which the circuit shown in FIG. 34 is mounted and arranged on a plate-like connection conductor BG, and a turn-on gate driver is not shown. FIG. 1A is a plan view thereof, and FIG. 2B is a side view thereof. FIG. 36 is a sectional view taken along line X5-X5 of FIG. Here, the first conductive layer CC1 forming the gate-side current path and the second conductive layer CC forming the cathode-side current path are used as the plate-shaped connection conductors BG.
2 are alternately stacked with an insulating layer interposed therebetween. Further, the first conductive layer CC1 is composed of two layers,
2 has two layers, that is, two pairs of conductive layers.
【0110】図36に示すように、ゲートドライバGT
F2のゲート側端子TGは板状接続導体BGの第2層の
第1の導電層CC1−2に電気的に接続され、ゲートド
ライバGTF2のカソード側端子CKは第3層の第2の
導電層CC2−2に電気的に接続される。そして、第1
の導電層CC1−2はゲート端子RGの先端部に形成さ
れたスルーホールTH3により、第1層の導電層と接続
され、この第1層の導電層が半導体スイッチング素子G
CTのゲート端子RGに圧接されて電気的に接続され
る。なお、図示は省略しているが第1層および第4層の
導電層は、半導体スイッチング素子GCTの左部GLと
右部GRを結ぶ線上近傍で互いに電気的に絶縁分離され
ている。As shown in FIG. 36, gate driver GT
The gate terminal TG of F2 is electrically connected to the first conductive layer CC1-2 of the second layer of the plate-shaped connection conductor BG, and the cathode terminal CK of the gate driver GTF2 is connected to the second conductive layer of the third layer. It is electrically connected to CC2-2. And the first
Conductive layer CC1-2 is connected to the first conductive layer by a through hole TH3 formed at the tip of the gate terminal RG, and the first conductive layer is connected to the semiconductor switching element G.
It is pressed into contact with the gate terminal RG of the CT and is electrically connected. Although not shown, the first and fourth conductive layers are electrically insulated and separated from each other near a line connecting the left part GL and the right part GR of the semiconductor switching element GCT.
【0111】また、第2の導電層CC2−2はゲート端
子RGの先端部に形成されたスルーホールTH4により
第4層の導電層と接続され、この第4層の導電層が半導
体スイッチング素子GCTのカソード電極Kに圧接され
て電気的に接続される。The second conductive layer CC2-2 is connected to the fourth conductive layer by a through hole TH4 formed at the tip of the gate terminal RG, and the fourth conductive layer is connected to the semiconductor switching element GCT. And is electrically connected to the cathode electrode K.
【0112】一方、ゲートドライバGTF1のゲート側
端子TGは板状接続導体BGの第1層の第1の導電層C
C1−1に電気的に接続され、ゲートドライバGTF1
のカソード側端子CKは第4層の第2の導電層CC2−
1に電気的に接続される。そして、両導電層CC1−1
およびCC2−1は、それぞれ直接、ゲート端子RGお
よびカソード電極Kに圧接されて電気的に接続される。On the other hand, the gate terminal TG of the gate driver GTF1 is connected to the first conductive layer C of the first layer of the plate-shaped connection conductor BG.
C1-1 is electrically connected to the gate driver GTF1.
Is connected to the fourth conductive layer CC2- of the fourth layer.
1 electrically. Then, both conductive layers CC1-1
And CC2-1 are directly in pressure contact with the gate terminal RG and the cathode electrode K, respectively, and are electrically connected.
【0113】以上のように、この実施の形態6において
は、スリットS等を設けることなく、ゲート側、カソー
ド側の複数対の導電層を区分し、この例では、4層の導
電層の内、第1層、第4層の外層の導電層でゲートドラ
イバGTF1用の電流路FPを形成し、第2層、第3層
の内層の導電層でゲートドライバGTF2用の電流路B
Pを形成し、半導体スイッチング素子GCTに近いゲー
トドライバGTF2は電流路BPを経てゲート端子RG
の遠い部位に、半導体スイッチング素子GCTから遠い
ゲートドライバGTF1は電流路FPを経てゲート端子
RGの近い部位にそれぞれ接続する構成としたので、図
23における中央の部位の近辺、即ちゲート端子RGの
ゲートドライバGDに最も近い側の近傍、即ち、中央の
電流路GCPのターンオフゲート電流値を更に小さくで
きる。従って、中央以外の電流路GLP、GRPの電流
値が上昇し、ゲート端子RG内を流れるターンオフゲー
ト電流の分布は、より均質化される。As described above, in the sixth embodiment, a plurality of pairs of conductive layers on the gate side and the cathode side are divided without providing a slit S or the like. In this example, of the four conductive layers, The current path FP for the gate driver GTF1 is formed by the first and fourth outer conductive layers, and the current path B for the gate driver GTF2 is formed by the second and third inner conductive layers.
P, the gate driver GTF2 close to the semiconductor switching element GCT passes through the current path BP to the gate terminal RG
23, the gate driver GTF1 far from the semiconductor switching element GCT is connected to a portion near the gate terminal RG via the current path FP. The turn-off gate current value in the vicinity of the side closest to the driver GD, that is, in the central current path GCP can be further reduced. Therefore, the current values of the current paths GLP and GRP other than the center increase, and the distribution of the turn-off gate current flowing in the gate terminal RG is made more uniform.
【0114】なお、先の実施の形態5のスリットを設け
て並列電流路群を形成する方法と、実施の形態6の積層
された複数対の導電層を区分する方法とを併用して同等
の電流分布の均質化を図るようにしてもよい。The method of forming a parallel current path group by providing slits according to the fifth embodiment and the method of dividing a plurality of pairs of conductive layers stacked in the sixth embodiment are equivalently used. The current distribution may be homogenized.
【0115】実施の形態7.図37(1)は、図23に
おける中央の部位の近辺、即ちゲート端子RGのゲート
ドライバGDに最も近い側の近傍のターンオフゲート電
流値を更に小さく、従って、他の個所の電流値を大きく
する為に工夫された他の実施形態を示す平面図、同図
(2)は同側面図で、2つのターンオフ用ゲートドライ
バGTF1、GTF2を設け、これらゲートドライバG
TF1、GTF2の間に半導体スイッチング素子GCT
を介在させたもので、ゲート端子RGを流れるターンオ
フゲート電流は、双方のゲートドライバGTF1、GT
F2に分流して流れ込む。また、ゲート端子RGと一方
のゲートドライバGTF1との間、ゲート端子RGと他
方のゲートドライバGTF2との間の何れにも図24、
図25の実施形態と同様な絶縁領域Sを設けてある。従
って、ゲートドライバGTF1、GTF2の何れの側の
ゲート端子中央部GCも電流値が抑制され、ターンオフ
ゲート電流が、双方のゲートドライバGTF1、GTF
2に分流されることと相まって、ゲート端子RG内を流
れるターンオフゲート電流の分布は、一層確実に均等化
される。なお、ターンオン用ゲートドライバGTN1、
GTN2も、前述のゲートドライバGTF1、GTF2
の配置と同様な配置になっている。Embodiment 7 FIG. FIG. 37A shows a further decrease in the turn-off gate current value in the vicinity of the central portion in FIG. 23, that is, in the vicinity of the gate terminal RG near the side closest to the gate driver GD. FIG. 2B is a plan view showing another embodiment devised for the purpose, and FIG. 2B is a side view thereof, in which two turn-off gate drivers GTF1 and GTF2 are provided.
A semiconductor switching element GCT between TF1 and GTF2;
, The turn-off gate current flowing through the gate terminal RG is reduced by the gate drivers GTF1 and GT2.
Divide and flow into F2. 24, between the gate terminal RG and one gate driver GTF1 and between the gate terminal RG and the other gate driver GTF2.
An insulating region S similar to the embodiment of FIG. 25 is provided. Therefore, the current value is also suppressed at the gate terminal central portion GC on either side of the gate drivers GTF1 and GTF2, and the turn-off gate current is reduced by the both gate drivers GTF1 and GTF2.
The distribution of the turn-off gate current flowing in the gate terminal RG is more reliably equalized in combination with the shunting into two. The turn-on gate driver GTN1,
GTN2 is also the gate driver GTF1, GTF2 described above.
The arrangement is similar to that of the above.
【0116】実施の形態8.図38は、以上で説明した
半導体スイッチング装置を複数個使用し他の周辺部品と
ともに半導体スタック装置として組み立てたものであ
る。同図(1)はその構造図、同図(2)はその回路ブ
ロック図である。図において、GCTは半導体スイッチ
ング素子、GDはゲートドライバ、FDは環流ダイオー
ド、SDはスナバダイオード、FINは冷却部材として
の冷却フィン、STはスタック電極、ISは絶縁スペー
サである。この内、冷却フィンFINには水冷配管PW
が接続され、半導体スイッチング素子GCTや環流ダイ
オードFDからの発熱を冷却水へ放熱する。FLMは以
上の各部品を積み重ね上下から締め付け、各構成部品を
圧接状態で格納する取付枠である。なお、上記各形態例
におけるゲート端子RGはいずれも半導体スイッチング
素子GCTの周方向に延在するリング状の形態のものと
して説明したが、図39に示すように、半導体スイッチ
ング素子GCTの周方向に沿って等間隔に複数の端子片
TSが設けられたもので、いわば、周方向に不連続に延
在する形態のゲート端子RG1であっても、この発明は
同様に適用することができ同等の効果を奏するものであ
る。また、この発明に係る半導体スイッチング素子を適
用し、更にこれら半導体スイッチング素子をゲート制御
して電力変換を行うゲート制御装置を備えることによ
り、上述した通り、ゲート端子へ流れるターンオフゲー
ト電流の分布が均等で大きなターンオフゲート電流を流
すことができる高性能な、例えばインバータ等の電力変
換装置を得ることができる。Embodiment 8 FIG. FIG. 38 shows a case where a plurality of the semiconductor switching devices described above are used and assembled together with other peripheral parts as a semiconductor stack device. FIG. 1A is a structural diagram thereof, and FIG. 2B is a circuit block diagram thereof. In the figure, GCT is a semiconductor switching element, GD is a gate driver, FD is a freewheeling diode, SD is a snubber diode, FIN is a cooling fin as a cooling member, ST is a stack electrode, and IS is an insulating spacer. Among them, the cooling fin FIN is provided with a water cooling pipe PW.
Is connected, and radiates heat generated from the semiconductor switching element GCT and the free-wheeling diode FD to the cooling water. The FLM is a mounting frame for stacking the above components, tightening the components from above and below, and storing the components in a pressed state. Although the gate terminal RG in each of the above embodiments has been described as having a ring shape extending in the circumferential direction of the semiconductor switching element GCT, as shown in FIG. 39, the gate terminal RG extends in the circumferential direction of the semiconductor switching element GCT. A plurality of terminal pieces TS are provided at equal intervals along the same direction. In other words, the present invention can be similarly applied to a gate terminal RG1 extending discontinuously in the circumferential direction. It is effective. Further, by applying the semiconductor switching elements according to the present invention, and further including a gate control device that performs power conversion by gate-controlling these semiconductor switching elements, the distribution of the turn-off gate current flowing to the gate terminal is uniform as described above. Thus, it is possible to obtain a high-performance power converter such as an inverter capable of flowing a large turn-off gate current.
【0117】[0117]
【発明の効果】以上のように、請求項1に係る半導体ス
イッチング装置は、半導体スイッチング素子を周方向に
延在するゲート端子を備えたものとし、電流路を、ター
ンオフ電流が上記ゲート端子の複数個所に並列に流れる
並列電流路としたので、ターンオフ電流を、ゲート端子
の周方向にわたって均等な分布で流すことができる。As described above, the semiconductor switching device according to the first aspect is provided with the semiconductor switching element having the gate terminal extending in the circumferential direction. Since the parallel current path flows in parallel at the location, the turn-off current can flow in a uniform distribution over the circumferential direction of the gate terminal.
【0118】請求項2に係る半導体スイッチング装置
は、半導体スイッチング素子を周方向に延在するゲート
端子を備えたものとし、電流路を導体領域と絶縁領域と
で形成してターンオフ電流が上記ゲート端子の複数個所
に並列に流れる並列電流路としたので、並列電流路の形
成が簡便確実になされる。According to a second aspect of the present invention, in the semiconductor switching device, the semiconductor switching element is provided with a gate terminal extending in a circumferential direction, and a current path is formed by a conductor region and an insulating region so that a turn-off current is reduced by the gate terminal. Are formed in parallel at a plurality of locations, so that the parallel current paths can be simply and reliably formed.
【0119】また、請求項3に係る半導体スイッチング
装置は、その電流路をゲート側電流路を形成する第1の
導電層とカソード側電流路を形成する第2の導電層とを
絶縁層を介して積層してなる配線基板で構成し、上記両
導電層を導体領域とし、上記配線基板に所定のパターン
のスリットを形成して絶縁領域としたので、低インピー
ダンスの並列電流路が簡便確実に得られる。In the semiconductor switching device according to the third aspect, the current path is formed by connecting the first conductive layer forming the gate side current path and the second conductive layer forming the cathode side current path via an insulating layer. Since both conductive layers are used as conductive regions and slits of a predetermined pattern are formed in the wiring substrate to form insulating regions, a low-impedance parallel current path can be easily and reliably obtained. Can be
【0120】請求項4に係る半導体スイッチング装置
は、半導体スイッチング素子を周方向に延在するゲート
端子を備えたものとし、電流路を、ターンオフ電流が上
記ゲート端子の複数個所に並列に流れる並列電流路と
し、この並列電流路の各電流路における上記ゲート端子
とゲートドライバとの間のインピーダンスの差を減じる
手段を備えたので、ゲート端子に並列に流れる各並列電
流路のターンオフ電流をより確実に均一な状態にするこ
とができる。According to a fourth aspect of the present invention, in the semiconductor switching device, the semiconductor switching element is provided with a gate terminal extending in a circumferential direction, and a current path includes a parallel current through which a turn-off current flows in parallel at a plurality of locations of the gate terminal. And a means for reducing the difference in impedance between the gate terminal and the gate driver in each current path of the parallel current path, so that the turn-off current of each parallel current path flowing in parallel to the gate terminal can be more reliably determined. A uniform state can be obtained.
【0121】請求項5に係る半導体スイッチング装置
は、半導体スイッチング素子を周方向に延在するゲート
端子を備えたものとし、電流路を、ターンオフ電流が上
記ゲート端子の複数個所に並列に流れる並列電流路とす
るとともに、ゲートドライバを複数個のゲートドライバ
で構成し、これら各ゲートドライバの上記半導体スイッ
チング素子への印加電圧を、上記並列電流路の各電流路
における電流の差を減じるように異なる電圧としたの
で、ゲート端子に並列に流れる各並列電流路のターンオ
フ電流をより確実に均一な状態にすることができる。According to a fifth aspect of the present invention, in the semiconductor switching device, the semiconductor switching element is provided with a gate terminal extending in a circumferential direction, and a current path includes a parallel current through which a turn-off current flows in parallel at a plurality of locations of the gate terminal. And the gate driver is composed of a plurality of gate drivers, and the voltage applied to the semiconductor switching element of each of the gate drivers is set to a different voltage so as to reduce the difference between the currents of the parallel current paths. Therefore, the turn-off current of each parallel current path flowing in parallel to the gate terminal can be more reliably made uniform.
【0122】請求項6に係る半導体スイッチング装置
は、半導体スイッチング素子を周方向に延在するゲート
端子を備えたものとし、ゲートドライバを複数個のゲー
トドライバで構成し、これら各ゲートドライバを上記半
導体スイッチング素子に対して前後に配設し、上記半導
体スイッチング素子に近いゲートドライバは上記ゲート
端子の遠い部位に、上記半導体スイッチング素子から遠
いゲートドライバは上記ゲート端子の近い部位に、各々
電流路を介して接続したので、ゲート端子に並列に流れ
る各並列電流路のターンオフ電流をより確実に均一な状
態にすることができる。A semiconductor switching device according to a sixth aspect of the present invention includes a semiconductor switching element having a gate terminal extending in a circumferential direction, a gate driver comprising a plurality of gate drivers, and each of the gate drivers being formed of the semiconductor driver. A gate driver close to the semiconductor switching element is disposed before and after the switching element, and a gate driver far from the gate terminal is located at a location far from the gate terminal, and a gate driver far from the semiconductor switching element is located at a location near the gate terminal via a current path. Connection, the turn-off current of each parallel current path flowing in parallel to the gate terminal can be more reliably made uniform.
【0123】また、請求項7に係る半導体スイッチング
装置は、その電流路をゲート側電流路を形成する第1の
導電層とカソード側電流路を形成する第2の導電層とを
絶縁層を介して積層してなる配線基板で構成するととも
に、上記配線基板に所定のパターンのスリットを形成す
ることにより上記電流路を上記ターンオフ電流が上記ゲ
ート端子の複数個所に並列に流れる並列電流路とし、上
記半導体スイッチング素子に近いゲートドライバは上記
ゲート端子の遠い部位に接続される電流路を介して、上
記半導体スイッチング素子から遠いゲートドライバは上
記ゲート端子の近い部位に接続される電流路を介して、
各々接続したので、各並列電流路のインピーダンスがほ
ぼ均一なものとなり、電流の分布がより確実に均一なも
のとなる。Further, in the semiconductor switching device according to claim 7, the current path is formed by connecting the first conductive layer forming the gate side current path and the second conductive layer forming the cathode side current path via an insulating layer. And a wiring board formed by laminating the wiring board, and forming a slit of a predetermined pattern in the wiring board to make the current path a parallel current path in which the turn-off current flows in parallel to a plurality of positions of the gate terminal. A gate driver close to the semiconductor switching element is via a current path connected to a portion far from the gate terminal, and a gate driver far from the semiconductor switching element is via a current path connected to a portion near the gate terminal,
Since they are connected to each other, the impedance of each parallel current path becomes substantially uniform, and the distribution of current becomes more surely uniform.
【0124】また、請求項8に係る半導体スイッチング
装置は、その電流路をゲート側電流路を形成する第1の
導電層とカソード側電流路を形成する第2の導電層とを
複数対、上記両導電層を交互に絶縁層を介して積層して
なる配線基板で構成し、上記半導体スイッチング素子に
近いゲートドライバは上記複数対の一部の導電層を介し
て上記ゲート端子の遠い部位に、上記半導体スイッチン
グ素子から遠いゲートドライバは上記複数対の残部の導
電層を介して上記ゲート端子の近い部位に、各々接続し
たので、スリットを設けることなく、各並列電流路のイ
ンピーダンスがほぼ均一なものとなり、電流の分布がよ
り確実に均一なものとなる。Further, in the semiconductor switching device according to claim 8, the current paths are formed by a plurality of pairs of a first conductive layer forming a gate side current path and a second conductive layer forming a cathode side current path. A gate driver close to the semiconductor switching element is formed on a wiring substrate formed by alternately laminating both conductive layers via an insulating layer, and a portion far away from the gate terminal via the plurality of pairs of conductive layers, A gate driver far from the semiconductor switching element is connected to a portion near the gate terminal via the remaining conductive layers of the plurality of pairs, so that the impedance of each parallel current path is substantially uniform without providing a slit. , And the current distribution becomes more surely uniform.
【0125】請求項9に係る半導体スタック装置および
請求項10に係る電力変換装置は、以上の半導体スイッ
チング素子を備えた、特にゲート端子へ流れるターンオ
フ電流の分布が均等で大きなターンオフ電流を流すこと
ができる高性能な半導体スタック装置および電力変換装
置が得られる。The semiconductor stack device according to the ninth aspect and the power conversion device according to the tenth aspect are provided with the above-described semiconductor switching element, and in particular, the distribution of the turn-off current flowing to the gate terminal is uniform and a large turn-off current can flow. A high-performance semiconductor stack device and power conversion device that can be obtained.
【図1】 本発明の実施の形態1に係る半導体スイッチ
ング装置の回路図である。FIG. 1 is a circuit diagram of a semiconductor switching device according to a first embodiment of the present invention.
【図2】 ゲートドライバ回路の具体的な構成を示す図
である。FIG. 2 is a diagram showing a specific configuration of a gate driver circuit.
【図3】 ゲート側に流れる電流の波形を示す図であ
る。FIG. 3 is a diagram showing a waveform of a current flowing to a gate side.
【図4】 本発明のGTO素子パッケージを示す断面図
である。FIG. 4 is a sectional view showing a GTO element package of the present invention.
【図5】 本発明のGTO素子パッケージの外観を示す
平面図である。FIG. 5 is a plan view showing the appearance of the GTO element package of the present invention.
【図6】 本発明のゲートドライバの外観を示す平面図
である。FIG. 6 is a plan view showing the appearance of the gate driver of the present invention.
【図7】 本発明のGTO素子パッケージとのゲートド
ライバとの接続方法を示す断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view showing a method of connecting a GTO element package of the present invention to a gate driver.
【図8】 多方向からゲート逆電流を取り出す場合のゲ
ートドライバーを示す平面図である。FIG. 8 is a plan view showing a gate driver when extracting a gate reverse current from multiple directions.
【図9】 本発明の実施の形態1に係る半導体スイッチ
ング装置の動作を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing an operation of the semiconductor switching device according to the first embodiment of the present invention.
【図10】 GTOの等価モデルを示す図である。FIG. 10 is a diagram showing an equivalent model of GTO.
【図11】 アノード・カソード電極間電圧の上昇率と
ターンオフゲインとの関係を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the rate of increase of the voltage between the anode and the cathode and the turn-off gain.
【図12】 従来技術におけるターンオフ時の主電流の
流れを示す図である。FIG. 12 is a diagram showing a flow of a main current at the time of turn-off according to the related art.
【図13】 本発明におけるターンオフ時の主電流の流
れを示す図である。FIG. 13 is a diagram showing a flow of a main current at the time of turn-off in the present invention.
【図14】 図1とは異なる、本発明の実施の形態1に
係る半導体スイッチング装置の回路図である。FIG. 14 is a circuit diagram of the semiconductor switching device according to the first embodiment of the present invention, which is different from FIG.
【図15】 図4の装置における実測波形を示す図であ
る。FIG. 15 is a diagram showing an actually measured waveform in the apparatus of FIG.
【図16】 図2を簡略化して示す本発明のゲートドラ
イバ回路を示す図である。FIG. 16 is a diagram showing a gate driver circuit of the present invention, which is a simplified version of FIG. 2;
【図17】 この発明の実施の形態1における半導体ス
イッチング装置の概略構成を示す図である。FIG. 17 is a diagram illustrating a schematic configuration of a semiconductor switching device according to the first embodiment of the present invention;
【図18】 図17に示す並列電流路を実現する回路構
成図である。18 is a circuit configuration diagram for realizing the parallel current path shown in FIG.
【図19】 図18の回路構成の板状接続導体への搭載
配置例を示す図である。19 is a diagram showing an example of mounting arrangement of the circuit configuration of FIG. 18 on a plate-like connection conductor.
【図20】 図18の回路構成の板状接続導体への搭載
配置例を断面で示す図である。FIG. 20 is a cross-sectional view showing an example of mounting arrangement of the circuit configuration of FIG. 18 on a plate-like connection conductor.
【図21】 図20の(1)の部分を拡大して示す図で
ある。21 is an enlarged view of a portion (1) in FIG.
【図22】 図21のX1−X1およびX2−X2の断
面図である。FIG. 22 is a sectional view taken along line X1-X1 and X2-X2 of FIG. 21;
【図23】 ゲート端子の周方向におけるターンオフゲ
ート電流の実測結果を示す図である。FIG. 23 is a view showing an actual measurement result of a turn-off gate current in a circumferential direction of a gate terminal.
【図24】 この発明の実施の形態2における半導体ス
イッチング装置を示す構成図である。FIG. 24 is a configuration diagram showing a semiconductor switching device according to a second embodiment of the present invention.
【図25】 この発明の実施の形態2における図24と
は異なる半導体スイッチング装置を示す構成図である。FIG. 25 is a configuration diagram showing a semiconductor switching device different from FIG. 24 in the second embodiment of the present invention.
【図26】 この発明の実施の形態3における半導体ス
イッチング装置を示す回路図である。FIG. 26 is a circuit diagram showing a semiconductor switching device according to a third embodiment of the present invention.
【図27】 図26の回路構成の板状接続導体への搭載
配置例を示す図である。27 is a diagram showing an example of mounting arrangement of the circuit configuration of FIG. 26 on a plate-like connection conductor.
【図28】 この発明の実施の形態4における半導体ス
イッチング装置を示す回路図である。FIG. 28 is a circuit diagram showing a semiconductor switching device according to a fourth embodiment of the present invention.
【図29】 図28の回路構成の板状接続導体への搭載
配置例を示す図である。29 is a diagram showing an example of mounting arrangement of the circuit configuration of FIG. 28 on a plate-like connection conductor.
【図30】 この発明の実施の形態5における半導体ス
イッチング装置を示す回路図である。FIG. 30 is a circuit diagram showing a semiconductor switching device according to a fifth embodiment of the present invention.
【図31】 図30の回路構成の板状接続導体への搭載
配置例を示す図である。31 is a diagram showing an example of mounting arrangement of the circuit configuration of FIG. 30 on a plate-like connection conductor.
【図32】 図31のX3−X3の断面図である。32 is a sectional view taken along line X3-X3 of FIG.
【図33】 図31のX4−X4の断面図である。FIG. 33 is a sectional view taken along line X4-X4 of FIG.
【図34】 この発明の実施の形態6における半導体ス
イッチング装置を示す回路図である。FIG. 34 is a circuit diagram showing a semiconductor switching device according to a sixth embodiment of the present invention.
【図35】 図34の回路構成の板状接続導体への搭載
配置例を示す図である。35 is a diagram showing an example of mounting arrangement of the circuit configuration of FIG. 34 on a plate-like connection conductor.
【図36】 図35のX5−X5の断面図である。36 is a sectional view taken along line X5-X5 of FIG.
【図37】 この発明の実施の形態7における半導体ス
イッチング装置を示す構成図である。FIG. 37 is a configuration diagram illustrating a semiconductor switching device according to a seventh embodiment of the present invention.
【図38】 この発明の実施の形態8における半導体ス
タック装置を示す構成図である。FIG. 38 is a configuration diagram showing a semiconductor stack device according to an eighth embodiment of the present invention.
【図39】 周方向に延在するゲート端子RGの変形例
を示す図である。FIG. 39 is a view showing a modification of the gate terminal RG extending in the circumferential direction.
【図40】 従来装置の回路を示す図である。FIG. 40 is a diagram showing a circuit of a conventional device.
【図41】 従来回路による実測波形を示す図である。FIG. 41 is a diagram showing measured waveforms by a conventional circuit.
【図42】 従来のGTO素子パッケージの断面図であ
る。FIG. 42 is a cross-sectional view of a conventional GTO element package.
【図43】 従来のGTO素子パッケージの外観を示す
平面図である。FIG. 43 is a plan view showing the appearance of a conventional GTO element package.
【図44】 従来の問題点を指摘するための図である。FIG. 44 is a view for pointing out a conventional problem.
【図45】 従来の問題点を指摘するための図である。FIG. 45 is a view for pointing out a conventional problem.
3 GTO、3A アノード電極、3K カソード電
極、3G ゲート電極、4 ゲートドライバ、5 ピー
ク電圧抑制回路、R1 経路、IA 主電流、IG ター
ンオン制御電流、IGQ ゲート逆電流、GCT 半導体
スイッチング素子、RG,RG1 ゲート端子、A ア
ノード電極、K カソード電極、GD ゲートドライ
バ、GTF ターンオフ用ゲートドライバ、VDN1,
VDN2 直流電源、BG 配線基板としての板状接続
導体、CC1 第1の導電層、CC2 第2の導電層、
S スリット、GLP,GCP,GRP,FP,BP
電流路、FIN 冷却フィン、FLM 取付枠、TS
端子片。3 GTO, 3A anode electrode, 3K cathode electrode, 3G gate electrode, 4 a gate driver, 5 peak voltage suppression circuit, R1 path, I A main current, I G turn control current, I GQ gate reverse current, GCT semiconductor switching element, RG, RG1 gate terminal, A anode electrode, K cathode electrode, GD gate driver, GTF turn-off gate driver, VDN1,
VDN2 DC power supply, BG plate-shaped connection conductor as wiring board, CC1 first conductive layer, CC2 second conductive layer,
S slit, GLP, GCP, GRP, FP, BP
Current path, FIN cooling fin, FLM mounting frame, TS
Terminal strip.
Claims (10)
素子、および電流路を介して上記半導体スイッチング素
子の上記ゲート電極とカソード電極との間にターンオフ
電流を供給するゲートドライバを備えた半導体スイッチ
ング装置において、 上記半導体スイッチング素子を周方向に延在するゲート
端子を備えたものとし、上記電流路を、上記ターンオフ
電流が上記ゲート端子の複数個所に並列に流れる並列電
流路としたことを特徴とする半導体スイッチング装置。1. A semiconductor switching device comprising: a semiconductor switching element having a gate electrode; and a gate driver for supplying a turn-off current between the gate electrode and the cathode electrode of the semiconductor switching element via a current path. A semiconductor switching device including a gate terminal extending in a circumferential direction, wherein the current path is a parallel current path in which the turn-off current flows in parallel at a plurality of locations of the gate terminal. .
素子、および電流路を介して上記半導体スイッチング素
子の上記ゲート電極とカソード電極との間にターンオフ
電流を供給するゲートドライバを備えた半導体スイッチ
ング装置において、 上記半導体スイッチング素子を周方向に延在するゲート
端子を備えたものとし、上記電流路を導体領域と絶縁領
域とで形成して上記ターンオフ電流が上記ゲート端子の
複数個所に並列に流れる並列電流路としたことを特徴と
する半導体スイッチング装置。2. A semiconductor switching device comprising: a semiconductor switching element having a gate electrode; and a gate driver for supplying a turn-off current between the gate electrode and the cathode electrode of the semiconductor switching element via a current path. The semiconductor switching element is provided with a gate terminal extending in a circumferential direction, the current path is formed of a conductor region and an insulating region, and the turn-off current flows in parallel at a plurality of positions of the gate terminal. A semiconductor switching device comprising:
の導電層とカソード側電流路を形成する第2の導電層と
を絶縁層を介して積層してなる配線基板で構成し、上記
両導電層を導体領域とし、上記配線基板に所定のパター
ンのスリットを形成して絶縁領域としたことを特徴とす
る請求項2記載の半導体スイッチング装置。3. A first current path forming a gate side current path.
And a second conductive layer forming a cathode-side current path is laminated with an insulating layer interposed therebetween, and the two conductive layers are used as conductive regions, and a predetermined pattern is formed on the wiring substrate. 3. The semiconductor switching device according to claim 2, wherein the slit is formed as an insulating region.
素子、および電流路を介して上記半導体スイッチング素
子の上記ゲート電極とカソード電極との間にターンオフ
電流を供給するゲートドライバを備えた半導体スイッチ
ング装置において、 上記半導体スイッチング素子を周方向に延在するゲート
端子を備えたものとし、上記電流路を、上記ターンオフ
電流が上記ゲート端子の複数個所に並列に流れる並列電
流路とし、この並列電流路の各電流路における上記ゲー
ト端子と上記ゲートドライバとの間のインピーダンスの
差を減じる手段を備えたことを特徴とする半導体スイッ
チング装置。4. A semiconductor switching device comprising: a semiconductor switching element having a gate electrode; and a gate driver for supplying a turn-off current between the gate electrode and the cathode electrode of the semiconductor switching element via a current path. The semiconductor switching element has a gate terminal extending in a circumferential direction, and the current path is a parallel current path in which the turn-off current flows in parallel at a plurality of locations of the gate terminal. A means for reducing a difference in impedance between the gate terminal and the gate driver.
素子、および電流路を介して上記半導体スイッチング素
子の上記ゲート電極とカソード電極との間にターンオフ
電流を供給するゲートドライバを備えた半導体スイッチ
ング装置において、 上記半導体スイッチング素子を周方向に延在するゲート
端子を備えたものとし、上記電流路を、上記ターンオフ
電流が上記ゲート端子の複数個所に並列に流れる並列電
流路とするとともに、上記ゲートドライバを複数個のゲ
ートドライバで構成し、これら各ゲートドライバの上記
半導体スイッチング素子への印加電圧を、上記並列電流
路の各電流路における電流の差を減じるように異なる電
圧としたことを特徴とする半導体スイッチング装置。5. A semiconductor switching device comprising: a semiconductor switching element having a gate electrode; and a gate driver for supplying a turn-off current between the gate electrode and the cathode electrode of the semiconductor switching element via a current path. The semiconductor switching element is provided with a gate terminal extending in a circumferential direction, the current path is a parallel current path in which the turn-off current flows in parallel at a plurality of locations of the gate terminal, and the plurality of gate drivers are provided. Wherein the applied voltage to the semiconductor switching element of each of the gate drivers is set to a different voltage so as to reduce a difference between currents in the respective current paths of the parallel current paths. .
素子、および電流路を介して上記半導体スイッチング素
子の上記ゲート電極とカソード電極との間にターンオフ
電流を供給するゲートドライバを備えた半導体スイッチ
ング装置において、 上記半導体スイッチング素子を周方向に延在するゲート
端子を備えたものとし、上記ゲートドライバを複数個の
ゲートドライバで構成し、これら各ゲートドライバを上
記半導体スイッチング素子に対して前後に配設し、上記
半導体スイッチング素子に近いゲートドライバは上記ゲ
ート端子の遠い部位に、上記半導体スイッチング素子か
ら遠いゲートドライバは上記ゲート端子の近い部位に、
各々上記電流路を介して接続したことを特徴とする半導
体スイッチング装置。6. A semiconductor switching device comprising: a semiconductor switching element having a gate electrode; and a gate driver for supplying a turn-off current between the gate electrode and the cathode electrode of the semiconductor switching element via a current path. The semiconductor switching element is provided with a gate terminal extending in a circumferential direction, the gate driver is composed of a plurality of gate drivers, and each of these gate drivers is disposed before and after the semiconductor switching element, A gate driver close to the semiconductor switching element is located far from the gate terminal, and a gate driver far from the semiconductor switching element is located near the gate terminal.
A semiconductor switching device, wherein the semiconductor switching devices are connected via the current paths.
の導電層とカソード側電流路を形成する第2の導電層と
を絶縁層を介して積層してなる配線基板で構成するとと
もに、上記配線基板に所定のパターンのスリットを形成
することにより上記電流路を上記ターンオフ電流が上記
ゲート端子の複数個所に並列に流れる並列電流路とし、
上記半導体スイッチング素子に近いゲートドライバは上
記ゲート端子の遠い部位に接続される電流路を介して、
上記半導体スイッチング素子から遠いゲートドライバは
上記ゲート端子の近い部位に接続される電流路を介し
て、各々接続したことを特徴とする請求項6記載の半導
体スイッチング装置。7. A first current path forming a gate side current path.
And a second conductive layer forming a cathode-side current path is laminated with an insulating layer interposed therebetween. Path is a parallel current path in which the turn-off current flows in parallel to a plurality of locations of the gate terminal,
A gate driver close to the semiconductor switching element is connected via a current path connected to a portion far from the gate terminal,
7. The semiconductor switching device according to claim 6, wherein the gate drivers far from the semiconductor switching element are connected to each other via a current path connected to a portion near the gate terminal.
の導電層とカソード側電流路を形成する第2の導電層と
を複数対、上記両導電層を交互に絶縁層を介して積層し
てなる配線基板で構成し、上記半導体スイッチング素子
に近いゲートドライバは上記複数対の一部の導電層を介
して上記ゲート端子の遠い部位に、上記半導体スイッチ
ング素子から遠いゲートドライバは上記複数対の残部の
導電層を介して上記ゲート端子の近い部位に、各々接続
したことを特徴とする請求項6記載の半導体スイッチン
グ装置。8. The first current path forming a gate side current path.
A plurality of pairs of conductive layers and a second conductive layer forming a cathode-side current path, and a wiring board formed by alternately laminating the two conductive layers via an insulating layer, and a gate close to the semiconductor switching element. The driver is located at a position far from the gate terminal via the plurality of pairs of conductive layers, and the gate driver far from the semiconductor switching element is located at a position near the gate terminal via the remaining conductive layers of the pairs. 7. The semiconductor switching device according to claim 6, wherein each is connected.
イッチング素子からの発熱を放熱する冷却部材とを積み
重ね取付枠内に配置してなることを特徴とする請求項1
ないし8のいずれかに記載の半導体スイッチング装置を
使用した半導体スタック装置。9. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor switching element and a cooling member for radiating heat generated from the semiconductor switching element are arranged in a stacked mounting frame.
A semiconductor stack device using the semiconductor switching device according to any one of claims 8 to 8.
して電力変換を行うゲート制御装置を備えたことを特徴
とする請求項1ないし9のいずれかに記載の半導体スイ
ッチング装置を使用した電力変換装置。10. A power conversion device using a semiconductor switching device according to claim 1, further comprising a gate control device for performing power conversion by gate-controlling the semiconductor switching device.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP07688997A JP3371070B2 (en) | 1997-03-28 | 1997-03-28 | Semiconductor switching device, semiconductor stack device and power conversion device using the same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP07688997A JP3371070B2 (en) | 1997-03-28 | 1997-03-28 | Semiconductor switching device, semiconductor stack device and power conversion device using the same |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10271808A true JPH10271808A (en) | 1998-10-09 |
| JP3371070B2 JP3371070B2 (en) | 2003-01-27 |
Family
ID=13618216
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP07688997A Expired - Lifetime JP3371070B2 (en) | 1997-03-28 | 1997-03-28 | Semiconductor switching device, semiconductor stack device and power conversion device using the same |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3371070B2 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2014168607A1 (en) * | 2013-04-09 | 2014-10-16 | Otis Elevator Company | Architecture of drive unit employing gallium nitride switches |
| JP2017118608A (en) * | 2015-12-21 | 2017-06-29 | 東芝三菱電機産業システム株式会社 | Power conversion device improved in on-characteristic of pressure-contact type semiconductor element |
| JP2021065098A (en) * | 2015-10-20 | 2021-04-22 | クリー ファイエットヴィル インコーポレイテッド | High-voltage power module |
| JP2022145741A (en) * | 2020-03-18 | 2022-10-04 | 富士電機株式会社 | Controller for uninterruptible power supply |
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1997
- 1997-03-28 JP JP07688997A patent/JP3371070B2/en not_active Expired - Lifetime
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|---|---|
| JP3371070B2 (en) | 2003-01-27 |
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