JPH0633712Y2 - Semiconductor switch - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔考案の目的〕 （産業上の利用分野） 本考案は、数十キロボルト，数千アンペアの高電圧大電
流の半導体スイッチに係り、特にインダクタンスの低減
とスイッチングスピードの高速化を図った半導体スイッ
チに関する。[Detailed Description of the Invention] [Object of the Invention] (Industrial field of application) The present invention relates to a high-voltage and large-current semiconductor switch of several tens of kilovolts and several thousand amperes, and in particular, reduction of inductance and high switching speed. The present invention relates to an improved semiconductor switch.

（従来の技術） 近年パルス状の大電流を利用してガスレーザの励起を行
なったり、パルス磁場を形成したりするいわゆるパルス
パワー技術に対する産業上の需要が高まっている。パル
ス大電流を得る方法としては高電圧に充電されたコンデ
ンサ等の回路をスイッチングする方法が一般的であり、
スイッチとしては低圧の水素ガスを封入したサイラトロ
ンやガスキャップがよく使われてきた。しかしサイラト
ロンやガスギャップは放電作用を伴うため電極の消耗を
避けることができず、寿命が短いという欠点があった。
この欠点を解決するため最近では半導体により必要なス
イッチングを行なうという試みがなされている。(Prior Art) In recent years, industrial demand for so-called pulse power technology for exciting a gas laser and forming a pulsed magnetic field by utilizing a large pulsed current is increasing. As a method of obtaining a large pulse current, a method of switching a circuit such as a capacitor charged to a high voltage is generally used.
Thyratrons and gas caps filled with low-pressure hydrogen gas have often been used as switches. However, since the thyratron and the gas gap are accompanied by a discharge action, it is inevitable that the electrodes are consumed and the service life is short.
In order to solve this drawback, attempts have recently been made to perform necessary switching by using a semiconductor.

パルスパワー用のスイッチにはサブマイクロ秒での高速
スイッチングと数10キロボルト、数キロアンペアという
高電圧大電流を両立した定格が必要であるが、今のとこ
ろこのような定格を満たす単独の素子は存在しない。サ
イリスタ等の大電力デバイスは電流定格は満たすもの
の、スイッチングスピードが遅い。また、MOSFFT等の高
速デバイスは大電流を流すことができない。また、いず
れの素子も耐電圧がせいぜい数キロボルトしかない。A switch for pulse power requires a rating that is compatible with high-speed switching in sub-microseconds and high voltage and large current of several tens of kilovolts and several kiloamperes. not exist. High power devices such as thyristors meet the current rating, but have slow switching speeds. Also, high-speed devices such as MOSFFT cannot carry large currents. Moreover, the withstand voltage of each element is only several kilovolts at most.

これらの問題を解決する方法としてMOS系の高速素子を
複数個、一つのパッケージに封入したパワーモジュール
を直列にして使用する方法が考えられる。このようにす
ると、高速性と大電流、高電圧の全てを満たすことがで
きる。As a method for solving these problems, a method of using a plurality of high-speed MOS-type devices in a power module in a single package in series is conceivable. By doing so, it is possible to satisfy all of high speed, large current, and high voltage.

（考案が解決しようとする課題） ところが、パワーモジュールを直列に接続するためには
次のような問題点がある。すなわち、パワーモジュール
は第５図に示すように半導体素子のチップ１を基板上に
平面的に配列しエポキシレジン２によって封じたもので
あって筐体３の片面は放熱板４であり、アノード、カソ
ード等の電極５は全て一つの面上にある。このためパワ
ーモジュールを直列に接続する場合、サイリスタ等の平
形素子のように積み重ねることができず、配線距離が長
くならざるを得ない。そのために、配線に寄生する漂遊
インダクタンスが大きくなる。このような漂遊インダク
タンスは高速大電流のスイッチングを行なう場合には大
きな電流上昇率のために電磁誘導の法則に従って大きな
電圧を分担することになる。そのため、本来は負荷が分
担すべき電圧をスイッチが分担することになりエネルギ
ーの伝達効率が低下する。また、スイッチング時に於け
る過渡的な電圧の分布は配線によるインダクタンスの分
布によって決まり、定状態における電圧の分布とは異な
っているから、場合によっては直列接続されたパワーモ
ジュールの一部分に集中して電圧がかかり、素子の電圧
破壊を引き起こす危険性がある。(Problems to be solved by the invention) However, connecting the power modules in series has the following problems. That is, as shown in FIG. 5, the power module is one in which semiconductor chips 1 are arranged in a plane on a substrate and sealed by an epoxy resin 2. One side of a housing 3 is a heat dissipation plate 4, an anode, The electrodes 5 such as the cathode are all on one surface. Therefore, when the power modules are connected in series, they cannot be stacked like flat elements such as thyristors, and the wiring distance must be long. Therefore, the stray inductance parasitic on the wiring becomes large. Such a stray inductance shares a large voltage according to the law of electromagnetic induction because of a large current rising rate when high-speed and large-current switching is performed. Therefore, the switch shares the voltage that should be shared by the load, and the energy transfer efficiency decreases. In addition, the transient voltage distribution during switching is determined by the distribution of the inductance due to the wiring, and is different from the voltage distribution in the steady state, so in some cases the voltage is concentrated on a part of the series-connected power modules. There is a risk that it will cause a voltage breakdown of the device.

本考案は上に述べた従来の半導体スイッチの問題点を解
決するためになされたものであって、その目的は低イン
ダクタンスで高速スイッチングに適したパワーモジュー
ルによる半導体スイッチを得ることにある。The present invention has been made to solve the problems of the conventional semiconductor switch described above, and an object thereof is to obtain a semiconductor switch using a power module which has a low inductance and is suitable for high-speed switching.

〔考案の構成〕[Constitution of device]

〔課題を解決するための手段〕 上記目的を達成するため、本考案においては、複数のパ
ワーモジュールを直列に接続してスイッチングを行なう
半導体スイッチにおいて、複数のパワーモジュールを２
群に分割し、分割された各々を近接して対向させ、分割
されたモジュール群の電流が反対方向になるように直列
接続する。[Means for Solving the Problems] In order to achieve the above object, in the present invention, a plurality of power modules are connected in series in a semiconductor switch for switching by connecting a plurality of power modules in series.
The modules are divided into groups, and the divided modules are closely opposed to each other and connected in series so that the currents of the divided module groups are in opposite directions.

（作用） 前記直列接続されたパワーモジュール群に流れる電流に
よってつくり出される磁界が打ち消しあうためインダク
タンスが低減される。(Operation) Since the magnetic fields generated by the currents flowing through the series-connected power module groups cancel each other out, the inductance is reduced.

（実施例） 以下、本考案の実施例を図面を参照して説明する。Embodiment An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

第１図は本考案の一実施例における接続方法を示す構成
図である。簡単のためパワーモジュール６の内部回路に
ついてはMOSFFT1個の回路図で代用することとする。2n
個のパワーモジュール６はｎ個づつ２組の群はその極性
を第１の群とは反転させた上で、第１の群に分割され、
第１の群10及び第２群20の各々は直鎖状に接続される。
さらに第２の群と平行に近接して対向され、下部におい
て第１の群と接続される。このようにして全体で2n個の
パワーモジュールが直列に接続される。FIG. 1 is a block diagram showing a connection method in an embodiment of the present invention. For simplicity, the internal circuit of the power module 6 will be replaced with a circuit diagram of one MOSFFT. 2n
The power modules 6 are divided into the first group after inverting the polarity of the two groups of n power modules 6 from the first group,
Each of the first group 10 and the second group 20 is connected in a straight line.
Further, they are closely opposed to each other in parallel with the second group, and are connected to the first group at the lower part. In this way, a total of 2n power modules are connected in series.

このように構成した本考案の一実施例においては次に述
べるように低インダクタンス化を図ることができる。即
ち、本考案の一実施例における半導体スイッチが通電状
態となった場合、電流はアノードＡからカソードＫに向
かって第２図のように流れる。２組に分割されたパワー
モジュール群のうち、第１の群に流れる電流11は上から
下に向かって流れ、第２の群に流れる電流21は下から上
に向かって流れ、両者の大きさはまったく同じである。
即ち、反方向同大の電流が近接して流れることになる。
従って、これらの電流によって作られる磁束もまた反方
向同大となるので互いに打ち消しあうことになる。イン
ダクタンスとは電流によってつくり出される磁束の割合
ことであるから、結局、スイッチの端子Ａ、Ｋからみた
インダクタンスが低減されたことになる。In one embodiment of the present invention thus constructed, the inductance can be reduced as described below. That is, when the semiconductor switch according to the embodiment of the present invention is turned on, a current flows from the anode A to the cathode K as shown in FIG. Of the power module groups divided into two sets, the current 11 flowing in the first group flows from the top to the bottom, and the current 21 flowing in the second group flows from the bottom to the top. Are exactly the same.
That is, currents of the same magnitude in the opposite direction will flow closer together.
Therefore, the magnetic fluxes generated by these currents also have the same magnitude in the opposite direction, and thus cancel each other out. Since the inductance is the ratio of the magnetic flux generated by the electric current, the inductance seen from the terminals A and K of the switch is ultimately reduced.

以上説明したように本考案の一実施例によればパワーモ
ジュールを多数直列に接続してもインダクタンスが大き
くならず、高速スイッチングに適した半導体スイッチを
得ることができる。As described above, according to one embodiment of the present invention, even if a large number of power modules are connected in series, the inductance does not increase, and a semiconductor switch suitable for high speed switching can be obtained.

次に本考案の他の実施例について図面を参照しながら説
明する。なお第１の実施例と共通する部分についてはそ
の説明を省略する。第３図は本考案の第２の実施例にお
ける第１のパワーモジュール群の接続を説明する図であ
る。第１の群の中における各パワーモジュールは第３図
に示すごとく蛇行しながら直列に接続される。第２の群
も同様に接続され、第１の群と第２の群が極性を反転し
た上で水平に近接して接続されるのは第１の実施例とま
ったく同様である。このように構成すると１つの群の中
においても第４図のごとく反方向同大に電流が流れる部
分ができるため、磁束の打ち消しが行なわれる。さらに
また、第１の実施例同様に第１の群と第２の群との間で
も磁束の打ち消しが行なわれるのでよりいっそうの低イ
ンダクタンス化が図れる。Next, another embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The description of the same parts as those in the first embodiment will be omitted. FIG. 3 is a diagram for explaining the connection of the first power module group in the second embodiment of the present invention. The power modules in the first group are connected in series while meandering as shown in FIG. The second group is connected in the same manner, and the first group and the second group are reversed in polarity and connected horizontally close to each other, as in the first embodiment. With this structure, there is a portion in which current flows in the same direction in the opposite direction even in one group, so that the magnetic flux is canceled. Furthermore, as in the first embodiment, the magnetic flux is canceled between the first group and the second group, so that the inductance can be further reduced.

〔考案の効果〕[Effect of device]

以上、述べたように本考案によれば、低インダクタンス
で高速スイッチングに適したパワーモジュールによる半
導体スイッチを得ることができる。As described above, according to the present invention, it is possible to obtain a semiconductor switch using a power module that has low inductance and is suitable for high-speed switching.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第１図は本考案の一実施例における接続方法を説明する
図、第２図は本考案の一実施例における電流の流れを説
明する図、第３図は本考案の他の実施例における接続方
法を説明する図、第４図は第３図の電流の流れ方を説明
する図、第５図はパワーモジュールの構造を説明するた
めの図である。 ６…パワーモジュール 10…第１のパワーモジュール群 20…第２のパワーモジュール群 Ａ…アノード、Ｋ…カソードFIG. 1 is a diagram for explaining a connection method in one embodiment of the present invention, FIG. 2 is a diagram for explaining a current flow in one embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a connection in another embodiment of the present invention. FIG. 4 is a diagram for explaining the method, FIG. 4 is a diagram for explaining the flow of current in FIG. 3, and FIG. 5 is a diagram for explaining the structure of the power module. 6 ... Power module 10 ... First power module group 20 ... Second power module group A ... Anode, K ... Cathode

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】[Scope of utility model registration request] 【請求項１】複数のパワーモジュールを直列に接続した
半導体スイッチに於て、前記複数のパワーモジュールを
２群に分割し、分割された各々を対向させ、分割された
モジュール群の電流が反対方向になるように接続された
ことを特徴とする半導体スイッチ。1. In a semiconductor switch in which a plurality of power modules are connected in series, the plurality of power modules are divided into two groups, each of the divided modules is made to face each other, and the currents of the divided module groups are in opposite directions. A semiconductor switch characterized by being connected so that