CN102638188A - 半导体开关 - Google Patents

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泷本和靖
饼川宏
中泽洋介
田井裕通
葛卷淳彦
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Toshiba Corp
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Abstract

一种半导体开关(7)，具备：具有开关元件(1)以及反向并联二极管(2)的主元件(3)、和反向电压施加电路(6)。上述反向电压施加电路(6)具有辅助电源(12)、高速回流二极管(4)、辅助元件(5)、和电容器(13)。上述高速回流二极管(4)由串联连接的多个二极管(15)形成。

Description

半导体开关
本申请基于2011年2月15日在日本申请的No.2011-030131号专利，主张其优先权，将其所有内容援引到本说明书中。
技术领域
本发明涉及半导体开关。
背景技术
近年来，正在不断开发与各种电力变换装置有关的技术。例如，在电力变换装置具有逆变电路的情况下，逆变电路由多个半导体开关形成。半导体开关应用了电力用开关元件。半导体开关的主元件具有电力用的开关元件、和与开关元件反向并联连接的反向并联二极管。对反向并联二极管的反向恢复特性进行改善的技术的开发也在发展。
除了主元件之外，半导体开关还具有反向电压施加电路。反向电压施加电路用于对反向并联二极管施加比主元件的耐电压小的反向电压，构成了电桥电路的1个臂。
反向电压施加电路具备：电压值比主元件的耐电压低的辅助电源、在反向并联二极管反向恢复时导通且耐压比主元件低的辅助元件、反向恢复时间比反向并联二极管短且反向恢复电荷比反向并联二极管小的高速回流二极管、和与辅助电源并联连接的电容器。辅助电源、辅助元件以及高速回流二极管构成为串联连接。
通过在死区时间(dead time)的期间中辅助元件导通，基于来自被辅助电源充电后的电容器的能量的供给，主电流从反向并联二极管向高速回流二极管流转。在高速回流二极管发生回流的状态下，由于相反臂的主元件的控制端子被输入导通信号，所以高速回流二极管取代反向并联二极管发生反向恢复。因此，与以往的方法相比能够大幅降低因反向恢复引起的浪涌电流(surge current)。
发明内容
一个实施方式涉及的半导体开关具备：
主元件，其具有电压驱动型的开关元件以及与上述开关元件反向并联连接的反向并联二极管；和
反向电压施加电路，其对上述反向并联二极管施加比上述主元件的耐电压小的反向电压；
上述反向电压施加电路具有：
电压值比上述主元件的耐电压低的辅助电源；
反向恢复时间比上述反向并联二极管短、反向恢复电荷比上述反向并联二极管小的高速回流二极管；
连接在上述辅助电源以及高速回流二极管间、在上述反向并联二极管反向恢复时导通、耐压比上述主元件低的辅助元件；和
与上述辅助电源并联连接的电容器，
上述高速回流二极管由串联连接的多个二极管形成。
另外，一个实施方式涉及的半导体开关具备：
主元件，其具有电压驱动型的开关元件以及与上述开关元件反向并联连接的反向并联二极管；和
反向电压施加电路，其对上述反向并联二极管施加比上述主元件的耐电压小的反向电压；
上述反向电压施加电路具有：
电压值比上述主元件的耐电压低的辅助电源；
反向恢复时间比上述反向并联二极管短、反向恢复电荷比上述反向并联二极管小的高速回流二极管；
连接在上述辅助电源以及高速回流二极管间、在上述反向并联二极管反向恢复时导通、耐压比上述主元件低的辅助元件；
与上述辅助电源并联连接的电容器；以及
包括与上述辅助电源的负极端子连接的阳极、和与上述辅助元件的负极端子连接的阴极的二极管。
另外，一个实施方式涉及的半导体开关具备：
主元件，其具有电压驱动型的开关元件以及与上述开关元件反向并联连接的反向并联二极管；和
反向电压施加电路，其对上述反向并联二极管施加比上述主元件的耐电压小的反向电压；
上述反向电压施加电路具有：
电压值比上述主元件的耐电压低的辅助电源；
反向恢复时间比上述反向并联二极管短、反向恢复电荷比上述反向并联二极管小的高速回流二极管；
连接在上述辅助电源以及高速回流二极管间、在上述反向并联二极管反向恢复时导通、耐压比上述主元件低的辅助元件；
与上述辅助电源并联连接的电容器；以及
与上述辅助元件反向并联连接的其他反向并联二极管。
附图说明
图1是表示具备第1实施方式涉及的半导体开关的电力变换装置的电路图。
图2是表示上述第1实施方式涉及的半导体开关的电路图。
图3是表示第2实施方式涉及的半导体开关的电路图。
图4是表示第3实施方式涉及的半导体开关的电路图。
图5是表示第4实施方式涉及的半导体开关的电路图。
图6是表示第5实施方式涉及的半导体开关的一部分的概略图，是表示被组装成模块的高速回流二极管、辅助元件以及电容器的图。
图7是表示第6实施方式涉及的半导体开关的一部分的概略图，是表示在图6所示的框体上连接了主元件模块的状态的图。
具体实施方式
以下，参照附图对第1实施方式涉及的半导体开关详细进行说明。在该实施方式中，针对具备多个半导体开关的电力变换装置进行说明。该实施方式的电力变换装置是大容量的电力变换装置。
如图1所示，电力变换装置具备直流电压源31、平滑电容器32、和作为逆变电路的两级逆变电路33。两级逆变电路33与未图示的冷却器连接而被冷却。
直流电压源31对3相交流电源进行整流。在直流电压源31的正侧直流母线25与负侧直流母线26之间，连接着电容器32以及两级逆变电路33。两级逆变电路33由三个半导体开关组34、35、36形成。半导体开关组34、35、36相互并联连接。
半导体开关组34包括在负电位侧的端子N以及正电位侧的端子P之间串联连接的第1半导体开关7a以及第2半导体开关7b。半导体开关组35包括在负电位侧的端子N以及正电位侧的端子P之间串联连接的第1半导体开关7c以及第2半导体开关7d。半导体开关组36包括在负电位侧的端子N以及正电位侧的端子P之间串联连接的第1半导体开关7e以及第2半导体开关7f。
两级逆变电路33将从负电位侧的端子N以及正电位侧的端子P输入的直流电力变换成交流电力，并将交流电力从输出端子U、V、W提供给负载M。
接下来，对半导体开关7(7a至7f)进行说明。
如图2所示，半导体开关7具备主元件3和反向电压施加电路6。主元件3具有电压驱动型的开关元件1以及反向并联二极管2。
开关元件1具有正极端子8、负极端子9以及控制端子10。在该实施方式中，开关元件1由IGBT(绝缘栅型晶体管)形成。对开关元件1而言，控制端子10被赋予控制信号，由此切换成导通状态或者非导通状态。例如，对开关元件1而言，控制端子10(栅极)被从未图示的栅极驱动电路赋予栅极信号，由此切换成导通(ON)状态或者非导通(OFF)状态。
反向并联二极管2与开关元件1反向并联连接。
反向电压施加电路6具有与正极端子8电连接的正极端子20以及与负极端子9电连接的负极端子21。反向电压施加电路6能够对反向并联二极管2施加比主元件3的耐电压小的反向电压。
反向电压施加电路6具有辅助电源12、高速回流二极管4、辅助元件5、电容器13和充电电阻14。
辅助电源12的负极侧与负极端子21电连接。辅助电源12的电压值是比主元件3的耐电压低的值。高速回流二极管4的阴极侧与正极端子20电连接。
高速回流二极管4的反向恢复时间比反向并联二极管2短，反向恢复电荷比反向并联二极管2小。
辅助元件5连接在辅助电源12的正极侧、与高速回流二极管4的阳极侧之间。辅助元件5具有控制端子11，可通过向控制端子11赋予控制信号而切换成导通状态或者非导通状态。例如，对辅助元件5而言，通过从未图示的栅极驱动电路向控制端子11(栅极)赋予栅极信号而切换成导通状态或者截止状态。辅助元件5在反向并联二极管2反向恢复时导通，耐压比主元件3低。
充电电阻14电连接在辅助电源12以及辅助元件5之间。其中，高速回流二极管4、辅助元件5、充电电阻14以及辅助电源12串联连接。
电容器13与辅助电源12、详细而言与串联连接的辅助电源12以及充电电阻14并联连接。
高速回流二极管4由串联连接的多个二极管15形成。二极管15是低耐压用的二极管。
半导体开关7等、电力变换装置如上述那样形成。
如图1以及图2所示，如果着眼于半导体开关组34，则第1半导体开关7a以及第2半导体开关7b的开关元件1存在成为截止状态的死区时间的期间。
在第1半导体开关7a中，通过在死区时间的期间中辅助元件5导通，基于来自被辅助电源12充电后的电容器13的能量的供给，主电流从反向并联二极管2向高速回流二极管4流转。在高速回流二极管4发生回流的状态下，由于第2半导体开关7b的开关元件1被切换成导通状态，所以高速回流二极管4取代反向并联二极管2发生反向恢复。因此，能够大幅降低因反向恢复而引起的浪涌电流。
根据具备如上述那样构成的第1实施方式涉及的半导体开关7的电力变换装置，半导体开关7具备：具有开关元件1以及反向并联二极管2的主元件3、和对反向并联二极管2施加比主元件3的耐电压小的反向电压的反向电压施加电路6。
反向电压施加电路6具有：电压值比主元件3的耐电压低的辅助电源12；反向恢复时间比反向并联二极管2短、反向恢复电荷比反向并联二极管2小的高速回流二极管4；连接在辅助电源12以及高速回流二极管4间、在反向并联二极管2反向恢复时导通、耐压比主元件3低的辅助元件5；和与辅助电源12并联连接的电容器13。由于高速回流二极管4取代反向并联二极管2发生反向恢复，所以能够大幅降低因反向恢复引起的浪涌电流。
高速回流二极管4通过将多个低耐压用的二极管15串联连接而形成。由于可以由多个二极管15分担施加于高速回流二极管4的电压、即能够实现高速回流二极管4的高耐压化，所以即便电力变换装置是大容量的电力变换装置，也能够抑制高速回流二极管4的破坏等、高速回流二极管4中发生的不良情况。
高耐压用的元件与低耐压用的元件相比大多制作困难。高速回流二极管4由串联连接的多个二极管15形成。因此，可以利用比主元件3耐压低的、制作比较容易的二极管(低耐压用的二极管)来实现高速回流二极管4的高耐压化。
综上所述，可以得到能够改善主元件3的反向并联二极管2的反向恢复特性、且能够实现构成元件(高速回流二极管4)的耐电压化的半导体开关7以及具备半导体开关7的电力变换装置。
接下来，对第2实施方式涉及的半导体开关进行说明。其中，在该实施方式中，其他的构成与上述的第1实施方式相同，对同一部分赋予同一附图标记而省略其详细说明。
如图3所示，反向电压施加电路6还具备平衡电容器16。平衡电容器16具有彼此电容相等的多个电容器27。各电容器27与形成高速回流二极管4的二极管15一对一地并联连接。
根据如上述那样构成的第2实施方式涉及的半导体开关7，半导体开关7具备：具有开关元件1以及反向并联二极管2的主元件3、和对反向并联二极管2施加比主元件3的耐电压小的反向电压的反向电压施加电路6。因此，与第1实施方式同样，由于高速回流二极管4取代反向并联二极管2发生反向恢复，所以可以大幅降低因反向恢复而引起的浪涌电流。
反向电压施加电路6具有与多个二极管15一对一地并联连接、且彼此电容相等的多个电容器27。因此，能够可靠地实现施加于多个二极管15的电压分担的均匀化。由此，可以进一步抑制高速回流二极管4(二极管15)中发生的不良情况。
综上所述，可以获得能够改善主元件3的反向并联二极管2的反向恢复特性、且能够实现构成元件(高速回流二极管4)的耐电压化的半导体开关7。
接下来，对第3实施方式涉及的半导体开关进行说明。其中，在该实施方式中，其他的构成与上述的第1实施方式相同，对同一部分赋予同一附图标记而省略其详细说明。
如图4所示，反向电压施加电路6具有二极管15。二极管15包括与辅助电源12的负极端子(负极端子21)连接的阳极、和与辅助元件5的负极端子连接的阴极。
根据如上述那样构成的第3实施方式涉及的半导体开关7，半导体开关7具备：具有开关元件1以及反向并联二极管2的主元件3、和对反向并联二极管2施加比主元件3的耐电压小的反向电压的反向电压施加电路6。因此，与第1实施方式相同，由于高速回流二极管4取代反向并联二极管2发生反向恢复，所以可以大幅降低因反向恢复而引起的浪涌电流。
二极管15包括与辅助电源12的负极端子连接的阳极、和与辅助元件5的负极端子连接的阴极。因此，可以防止对辅助元件5施加辅助电源12的电压以上的过电压。由此，能够抑制辅助元件5的破坏等、辅助元件5中发生的不良情况。
综上所述，可以获得能够改善主元件3的反向并联二极管2的反向恢复特性、且能够实现构成元件(辅助元件5)的耐电压化的半导体开关7。
接下来，对第4实施方式涉及的半导体开关进行说明。其中，在该实施方式中，其他的构成与上述的第1实施方式相同，对同一部分赋予同一附图标记而省略其详细说明。
如图5所示，反向电压施加电路6具有与辅助元件5反向并联连接的反向并联二极管28作为另一反向并联二极管。
根据如上述那样构成的第4实施方式涉及的半导体开关7，半导体开关7具备：具有开关元件1以及反向并联二极管2的主元件3、和对反向并联二极管2施加比主元件3的耐电压小的反向电压的反向电压施加电路6。因此，与第1实施方式同样，由于高速回流二极管4取代反向并联二极管2发生反向恢复，所以能够大幅降低因反向恢复而引起的浪涌电流。
反向电压施加电路6具有与辅助元件5反向并联连接的反向并联二极管28。因此，可以防止辅助元件5被施加反向电压。由此，能够抑制辅助元件5的破坏等、辅助元件5中发生的不良情况。
综上所述，可以获得能够改善主元件3的反向并联二极管2的反向恢复特性、且能够实现构成元件(辅助元件5)的耐电压化的半导体开关7。
接下来，对第5实施方式涉及的半导体开关进行说明。其中，在该实施方式中，其他的构成与上述的第1实施方式相同，针对同一部分赋予同一附图标记而省略其详细说明。
如图6所示，半导体开关7具备框体(封装)23。反向电压施加电路6具有绝缘性的基板22。高速回流二极管4(半导体晶片)以及辅助元件5(半导体晶片)被安装在同一基板22上。高速回流二极管4、辅助元件5、基板22以及电容器13被收容于框体23。辅助元件5以及电容器13以电连接的状态被收容于框体23。如上所述，高速回流二极管4、辅助元件5以及电容器13被组装成模块。
正极端子20、负极端子21、电容器13的正极端子17及负极端子19、控制端子11、以及辅助元件5的负极端子18(与高速回流二极管4连接一侧的端子)被设在框体23的外部，能够进行外部连接。
另外，在该实施方式中，高速回流二极管4及辅助元件5利用分立半导体(discrete semiconductor)形成。
根据如上述那样构成的第5实施方式涉及的半导体开关7，半导体开关7具备：具有开关元件1以及反向并联二极管2的主元件3、和对反向并联二极管2施加比主元件3的耐电压小的反向电压的反向电压施加电路6。因此，与第1实施方式相同，由于高速回流二极管4取代反向并联二极管2发生反向恢复，所以能够大幅降低因反向恢复而引起的浪涌电流。
由于通过将高速回流二极管4、辅助元件5以及电容器13组装成模块而使之紧凑，能够实现电路电感的降低，所以可抑制因浪涌电压的产生而在开关元件1以及辅助元件5等中可能发生的破坏等不良情况。
另外，由于能够以模块单位操作高速回流二极管4、辅助元件5以及电容器13，所以操作变得容易。例如，在将高速回流二极管4、辅助元件5以及电容器13组装到装置中的情况下，能够简单地对它们进行安装。
综上所述，可以获得能够改善主元件3的反向并联二极管2的反向恢复特性、且能够实现构成元件(开关元件1及辅助元件5等)的耐电压化的半导体开关7。
接下来，对第6实施方式涉及的半导体开关进行说明。其中，在该实施方式中，其他的构成与上述的第5实施方式相同，对同一部分赋予同一附图标记而省略其详细说明。
如图7所示，半导体开关7具备另一框体(封装)24。主元件3(开关元件1以及反向并联二极管2)被收容于框体24。如上所述，开关元件1以及反向并联二极管2被组装成模块。正极端子8、负极端子9以及控制端子10被设在框体24的外部，能够进行外部连接。
框体23与框体24连接。详细而言，设在框体24外部的正极端子8以及负极端子9上连接着设在框体23外部的正极端子20以及负极端子21。
根据如上述那样构成的第6实施方式涉及的半导体开关7，半导体开关7具备：具有开关元件1以及反向并联二极管2的主元件3、和对反向并联二极管2施加比主元件3的耐电压小的反向电压的反向电压施加电路6。因此，与第1实施方式同样，由于高速回流二极管4取代反向并联二极管2发生反向恢复，所以可以大幅降低因反向恢复而引起的浪涌电流。
由于通过框体23的外部所设置的端子与框体24的外部所设置的端子连接，使半导体开关7整体紧凑，能够实现电路电感的降低，所以可抑制因浪涌电压的产生而在开关元件1以及辅助元件5等中可能发生的破坏等不良情况。
另外，由于可以模块单位操作主元件3，所以操作变得容易。例如，在将主元件3组装到装置中的情况下，能够简单地对主元件3进行安装。
综上所述，可以获得能够改善主元件3的反向并联二极管2的反向恢复特性、且能够实现构成元件(开关元件1以及辅助元件5等)的耐电压化的半导体开关7。
此外，本发明不限定于上述实施方式，在实施阶段可以在不脱离其主旨的范围对构成要素进行变形。另外，通过上述实施方式中公开的多个构成要素的适当组合，可以形成各种发明。例如，可以从实施方式所示的所有构成要素中删除几个构成要素。并且，也可以将不同实施方式中的构成要素适当进行组合。
例如，上述的半导体开关不限于在上述电力变换装置中利用，也可以在各种电力变换装置、其他的电子设备中利用。

Claims (7)

1.一种半导体开关，其特征在于，具备：
主元件，该主元件具有电压驱动型的开关元件以及与上述开关元件反向并联连接的反向并联二极管；以及
反向电压施加电路，该反向电压施加电路对上述反向并联二极管施加比上述主元件的耐电压小的反向电压；
上述反向电压施加电路具有：
电压值比上述主元件的耐电压低的辅助电源；
反向恢复时间比上述反向并联二极管短、反向恢复电荷比上述反向并联二极管小的高速回流二极管；
连接在上述辅助电源以及高速回流二极管间、在上述反向并联二极管反向恢复时导通、耐压比上述主元件低的辅助元件；以及
与上述辅助电源并联连接的电容器，
上述高速回流二极管由串联连接的多个二极管形成。
2.根据权利要求1所述的半导体开关，其特征在于，
上述反向电压施加电路还具有与形成上述高速回流二极管的多个二极管一对一地并联连接、彼此电容相等的多个电容器。
3.一种半导体开关，其特征在于，具备：
主元件，该主元件具有电压驱动型的开关元件以及与上述开关元件反向并联连接的反向并联二极管；以及
反向电压施加电路，该反向电压施加电路对上述反向并联二极管施加比上述主元件的耐电压小的反向电压；
上述反向电压施加电路具有：
电压值比上述主元件的耐电压低的辅助电源；
反向恢复时间比上述反向并联二极管短、反向恢复电荷比上述反向并联二极管小的高速回流二极管；
连接在上述辅助电源以及高速回流二极管间、在上述反向并联二极管反向恢复时导通、耐压比上述主元件低的辅助元件；
与上述辅助电源并联连接的电容器；以及
包括与上述辅助电源的负极端子连接的阳极、和与上述辅助元件的负极端子连接的阴极的二极管。
4.一种半导体开关，其特征在于，具备：
主元件，该主元件具有电压驱动型的开关元件以及与上述开关元件反向并联连接的反向并联二极管；以及
反向电压施加电路，该反向电压施加电路对上述反向并联二极管施加比上述主元件的耐电压小的反向电压；
上述反向电压施加电路具有：
电压值比上述主元件的耐电压低的辅助电源；
反向恢复时间比上述反向并联二极管短、反向恢复电荷比上述反向并联二极管小的高速回流二极管；
连接在上述辅助电源以及高速回流二极管间、在上述反向并联二极管反向恢复时导通、耐压比上述主元件低的辅助元件；
与上述辅助电源并联连接的电容器；以及
与上述辅助元件反向并联连接的另一反向并联二极管。
5.根据权利要求1所述的半导体开关，其特征在于，
还具备对上述高速回流二极管、辅助元件以及电容器进行收容的框体，
上述反向电压施加电路还具有安装有上述高速回流二极管及辅助元件并被收容于上述框体的基板，
上述辅助元件以及电容器以电连接的状态被收容于上述框体。
6.根据权利要求5所述的半导体开关，其特征在于，
上述高速回流二极管及辅助元件利用分立半导体形成。
7.根据权利要求5所述的半导体开关，其特征在于，
还具备收容上述主元件的另一框体，
上述框体与上述另一框体连接。
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