JP2006339222A - Semiconductor switch structure - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、電力変換回路に用いられる半導体スイッチの構造に関する。 The present invention relates to a structure of a semiconductor switch used in a power conversion circuit.
電力変換回路において、1アームが複数個の半導体素子(以下、単に素子とも言う)で構成されている場合について考える。
図5に、例えば特許文献1に記載の、素子を4直列接続して構成される2レベルインバータ(1相分)の例を示す。この回路で、素子はIGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)であり、Q11〜Q14,Q21〜Q24で示している。また、M11〜M22はIGBTモジュールで、各モジュールはQ11〜Q24のうちの2つの素子(Q11とQ12,Q13とQ14,Q21とQ22,Q23とQ24)と、絶縁材IB12〜IB22と金属ベース板B11〜B22とから構成されている。
Consider a case where one arm is composed of a plurality of semiconductor elements (hereinafter also simply referred to as elements) in a power conversion circuit.
FIG. 5 shows an example of a two-level inverter (for one phase) configured by connecting four elements in series as described in
C1,E1C2,E2は各モジュールの端子である。冷却体HS11〜HS22は各モジュールに対して1つずつ設置し、これら冷却体の電位は、それぞれの冷却体に設置している素子の端子電圧最大値または最小値、すなわちC1またはE2端子と同電位となるようにしている。
上記回路において、各絶縁材IB12〜IB22に印加される電圧(素子の各端子−金属ベース板および冷却体間電圧)を考える。
C1, E1C2, and E2 are terminals of each module. One cooling body HS11 to HS22 is installed for each module, and the potential of these cooling bodies is the same as the terminal voltage maximum value or minimum value of the elements installed in each cooling body, that is, the C1 or E2 terminal. The electric potential is set.
In the above circuit, the voltage applied to each of the insulating materials IB12 to IB22 (each terminal of the element—the voltage between the metal base plate and the cooling body) is considered.
図6(a)は図5の上アーム素子(Q11〜Q14)がオンの場合を示し、この場合は4つの素子が短絡状態となっており、C1,E1C2,E2端子は全てC1電位となるため、絶縁材IB11に印加される電位はほぼ0になる。一方、図6(b)の上アーム素子(Q11〜Q14)がオフの場合は、下アーム素子(Q21〜Q24)はオンとなるため、直流電源電圧Edは全て上アーム素子に印加される。 FIG. 6A shows the case where the upper arm elements (Q11 to Q14) of FIG. 5 are on. In this case, the four elements are short-circuited, and the C1, E1C2, and E2 terminals are all at the C1 potential. Therefore, the potential applied to the insulating material IB11 is almost zero. On the other hand, when the upper arm elements (Q11 to Q14) in FIG. 6B are off, the lower arm elements (Q21 to Q24) are on, so that all the DC power supply voltage Ed is applied to the upper arm elements.
ここで、素子特性が全て同じとすると、4つの素子に印加される電圧は、それぞれEd/4となる。冷却体の電位は端子C1と同じくEd、E1C2端子は3Ed/4、E2端子はEd/2であるため、絶縁材IB11に印加される最大電圧はE2−冷却体の電圧であり、Ed/2となる。絶縁材に印加される最大電圧Eins.は、一般的に次式で求められる。
Eins.=Ed/(1アーム当りの冷却体数)
このことから、上記Eins.が絶縁耐量を超えないように冷却体の分割数を決定すれば、素子の多数個直列接続回路を実現することができる。
Here, assuming that the element characteristics are all the same, the voltages applied to the four elements are each Ed / 4. Since the potential of the cooling body is the same as the terminal C1, Ed, the E1C2 terminal is 3Ed / 4, and the E2 terminal is Ed / 2, the maximum voltage applied to the insulating material IB11 is the voltage of the E2-cooling body, and Ed / 2 It becomes. Maximum voltage Eins. Is generally determined by the following equation.
Eins. = Ed / (Number of cooling bodies per arm)
From this, the Eins. If the number of divisions of the cooling body is determined so as not to exceed the dielectric strength, it is possible to realize a series connection circuit of a large number of elements.
上述のように、半導体モジュールを適用して素子を多数個直列接続する場合、冷却体を分割することで半導体モジュール内部の絶縁耐量を確保することができるが、
(1)冷却体の数が増加する。
(2)冷却体の電圧が対地電位に対して異なる電位を持つため、碍子等によって浮かす必要がある。
などの理由により、構造が複雑化するという問題がある。
したがって、この発明の課題は、冷却体を分割することなく素子の多数個直列接続、または素子の並列,直並列接続や回路の組み立てなどを容易にすることにある。
As described above, when a large number of elements are connected in series by applying a semiconductor module, the dielectric strength inside the semiconductor module can be ensured by dividing the cooling body,
(1) The number of cooling bodies increases.
(2) Since the voltage of the cooling body has a different potential with respect to the ground potential, it needs to be floated by an insulator or the like.
For this reason, there is a problem that the structure becomes complicated.
Therefore, an object of the present invention is to facilitate the series connection of a large number of elements without dividing the cooling body, or the parallel or series-parallel connection of elements, circuit assembly, or the like.
このような課題を解決するため、請求項1の発明では、複数個の半導体スイッチモジュールを同一の金属ベース板に設置し、各半導体スイッチモジュールとベース板との間に絶縁材を挿入し、これを1つの半導体スイッチとして冷却体に設置する。この半導体スイッチ上で回路を構成することにより、構造が複雑化しないようにする。また、請求項2の発明では、絶縁材の絶縁耐圧を、半導体スイッチモジュールに内蔵されている全半導体スイッチ素子の素子耐圧の合計電圧を考慮した値に設定することで、あらゆる組み合わせの直・並列接続が可能となり、冷却体も分割する必要がない。
In order to solve such a problem, in the invention of
この発明によれば、冷却体を分割することなく素子の多数個直列接続、または素子の並列,直並列接続や回路の組み立てなどが容易となる。 According to the present invention, it becomes easy to connect a large number of elements in series without dividing the cooling body, or to connect the elements in parallel or series-parallel or to assemble a circuit.
図1はこの発明の実施の形態を示す構成図、図2は図1の上アームの構造例である。
図1の回路も図5と同じく、素子を4直列接続して構成された2レベルインバータの1相分を示す。ここで、M11a〜M22aは2素子内蔵の半導体(ここではIGBT)モジュール、IB1a〜IB2aは絶縁材、B1a〜B2aは金属ベース板、HS1aは冷却体である。この回路の各アームの構造は、2つの半導体モジュール(例えばM11aとM12a)を同一の金属ベース板(B1a)に設置し、これら半導体モジュールと金属ベース板の間に絶縁材(IB1a)を挟み、1つの半導体スイッチとして用いるようにするものである。
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a structural example of the upper arm of FIG.
The circuit of FIG. 1 also shows one phase portion of a two-level inverter configured by connecting four elements in series as in FIG. Here, M11a to M22a are two-element built-in semiconductor (IGBT) modules, IB1a to IB2a are insulating materials, B1a to B2a are metal base plates, and HS1a is a cooling body. The structure of each arm of this circuit is that two semiconductor modules (for example, M11a and M12a) are installed on the same metal base plate (B1a), and an insulating material (IB1a) is sandwiched between these semiconductor modules and the metal base plate. It is intended to be used as a semiconductor switch.
上記のようにするに当り、絶縁材の絶縁耐圧を、モジュールを構成する全半導体スイッチ素子(ここではQ11a〜Q14aまたはQ21a〜Q24a)の耐圧の合計電圧が印加されることを想定して設定することとする。これにより、半導体スイッチ内において、全素子直列接続することや、その他の接続(並列または直並列接続)が可能である。このとき、冷却体を分割したり、碍子で浮かしたりすることなく接地することができ、回路の簡素化が可能となる。 In the above-described manner, the withstand voltage of the insulating material is set on the assumption that the total voltage of the withstand voltages of all the semiconductor switch elements (here, Q11a to Q14a or Q21a to Q24a) constituting the module is applied. I will do it. Thereby, all the elements can be connected in series in the semiconductor switch, and other connections (parallel or series-parallel connection) are possible. At this time, the cooling body can be grounded without being divided or floated by an insulator, and the circuit can be simplified.
図3,図4に図2の構造を持つ半導体モジュールを用いた回路例を示す。図3は素子4直列接続、図4は2直列2並列接続の例である。このように配線を変更することにより、回路の変更も可能となる。 3 and 4 show circuit examples using the semiconductor module having the structure of FIG. FIG. 3 shows an example of element 4 series connection, and FIG. By changing the wiring in this way, the circuit can be changed.
Ed…直流電源、M11〜M24…IGBTモジュール、Q11〜Q24…半導体素子(IGBT)、C1,E1C2,E2…端子、IB1a,IB2a…絶縁材、B1a,B2a…金属ベース板、HS1a…冷却体。 Ed: DC power source, M11 to M24: IGBT module, Q11 to Q24 ... Semiconductor element (IGBT), C1, E1C2, E2 ... Terminal, IB1a, IB2a ... Insulating material, B1a, B2a ... Metal base plate, HS1a ... Cooling body.
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