JP3371070B2 - 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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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 and a power conversion device using the semiconductor switching 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 FIG. 40 shows an example of a circuit configuration of a conventional semiconductor switching device. In the figure, reference numeral 3
P is a semiconductor switching element, here it is a GTO (gate turn-off thyristor). GT
A gate driver 4P that generates a gate turn-on control current I GP is connected between the gate and the cathode of O3P, and the driver 4P applies the gate turn-on control current I GP to the gate of the GTO 3P, thereby allowing GT
Turn on O3P. Furthermore, the driver 4P is
A gate reverse current I GQP given with a current change rate dI GQP / dt of 20 to 50 A / μs is applied from the gate to the cathode. The gate reverse current I GQP is a shunt of the anode current I AP . At this time, the turn-off gain has a value within the range of 2 to 5, and the GTO 3P 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, the voltage V between the anode electrode and the cathode electrode
A snubber circuit is generally used to suppress the rate of increase in AKP (dV AKP / dt) and the surge voltage. Here, the snubber circuit is configured as follows. That is, the snubber capacitor Cs and the snubber diode D S are connected in parallel to the GTO 3P, and the snubber resistor R S causes the snubber diode R S to discharge the charge stored in the snubber capacitor Cs when the GTO 3P is turned off. 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。Further, the inductance 1P is the rate of increase dI of the anode current I AP flowing when the GTO 3P is turned on.
AP / dt is to be suppressed to 1000 A / μs or less, and the free wheeling diode 2P connected in parallel with the inductance 1P is to return 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 wiring of the snubber circuit.
【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。A measured waveform obtained by performing a turn-off test on the circuit of the semiconductor switching device described above is
It shows in FIG. In the figure, waveforms C1P, C2P, and C3P are waveforms showing the anode current I AP , the voltage V AKP between the anode electrode and the cathode electrode, and the gate reverse current I GQP , respectively, 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 the turn-on state and the gate reverse current I GQP is in the 0 state. At this time, the rate of increase d of the gate reverse current I GQP
The gate reverse current I GQP is raised with the absolute value of I GQP / dt set to 20 to 50 A / μs, and the turn-off gain (absolute value of the ratio given by the anode current I AP / gate reverse current I GQP ) of the GTO3P itself is measured. When the turn-off gain reaches the threshold value (time tP2), the anode current I AP begins to decrease, and the voltage V between the anode electrode and the cathode electrode of the GTO 3P becomes V.
AKP begins to rise. At this time, the current I S also flows out to the snubber circuit side described above, and a voltage is generated by the rate of increase of this current I S and the inductance (snubber inductance) Ls of the snubber circuit. 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 00A flows, the power loss becomes several MW. Therefore, it is necessary to suppress this spike voltage V DSP to a value as low as possible, and efforts have been continued to reduce the snubber inductance L S than before.
【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 spike voltage V DSP is generated.
t changes abruptly, the maximum value is generated in the anode current I AP (time tP4), and after that, the tail current is generated. Therefore, by the product of this tail current and the voltage V AKP ,
Further power loss occurs. 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
In order to suppress the above, the snubber capacitor C S described above is required. The capacitance value is represented by I AP / (dV AKP / dt), and is usually selected so as to satisfy the relational expression of dV AKP / dt ≦ 1000 V / μs.
【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。42 and 43 show the 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), and both figures are shown including a 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. Also, FIG.
FIG. 43 is a plan view of a portion excluding the stack electrode 27Pa when viewing the GTO 3P 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。42 and 43, each reference numeral indicates the following member. 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 wire) and a cathode external lead (gate lead wire) each of which is a coaxial shield wire or twisted lead wire. (Cathode extraction line). Then, the gate terminal 25P of the GTO element 20P and one end of the gate external lead 21P are welded or soldered to the metallic connecting member 23P or are fitted to each other to integrate the two 25P and 21P, and The cathode terminal 26P and one end of the cathode external lead 22P are welded, soldered, or fitted to the metallic connecting member 24P to integrate the two 26P and 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 are 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 is a semiconductor substrate on which a GTO segment is formed, and the gate electrode 2 of A1 (aluminum) is formed on the outermost peripheral portion of the upper surface of the semiconductor substrate 28P.
9 Pa 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 cathode strain buffer plates and cathode post electrodes, which are sequentially stacked and arranged 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 (in the back surface,
The cathode electrode 29Pb is an anode strain buffer plate and an anode post electrode, which are sequentially stacked on a surface located on the opposite side).
【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。Further, 34P is a ring-shaped gate electrode which is in contact with the upper surface of the gate electrode 29Pa of the semiconductor substrate 28P and 3
5P is a ring-shaped gate electrode 3 via an annular insulator 36P.
Disc spring for pressing 4P against the gate electrode 29Pa, 37P
The ring-shaped gate electrode 34P to the cathode strain buffer plate 30.
38P is an insulating sheet for insulating from P and the post electrode 31P. One end of 38P is the ring-shaped gate electrode 34.
P is a gate lead fixed to P by brazing or welding and the other end is electrically connected to the gate terminal 25P. One of 39P is fixed to the cathode post electrode 31P and the other end is the cathode terminal 26P. 40P is a second flange whose one end is fixed to the anode post electrode 33P, and 41P is a projection in which the gate terminal 25P is arranged on the inner surface of the opening. Both ends 43P are insulating cylinders having a portion 42P and projecting from the upper and lower surfaces of the insulating cylinder 41P.
a and 43Pb are the first and second flanges 39P, respectively.
And 40P are airtightly fixed, which allows 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 are roughly divided into 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, the first is that the lead 21P for extracting the 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 taken out in one direction. As a result, at turn off,
The non-uniformity of the cathode current occurs, and the power loss such as the spike loss and the loss due to the tail current described above is locally concentrated on a part of the cathode surface inside the GTO, and the local temperature rise causes each element of the GTO. Also, there is a high probability that each segment will be destroyed and brought into conduction, resulting in a failure in turn-off, resulting in a problem with 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。This point is schematically explained with a plan view of the GTO element of FIG. 44 and a sectional view of the GTO element of FIG. 45. 45 is a vertical cross-sectional view taken along the line CSA-CSB shown in FIG. That is, in each of the GTO elements formed in the cylindrical wafer, the ring-shaped gate electrode 34P is formed.
Closer to, for example, a region formed in the region REO, the gate reverse current thereof is more inward than the region REI.
It will be pulled out much sooner than in the case of the GTO element in and will therefore be turned off sooner. On the other hand, the segment of the GTO formed in the region REC in the central portion of the wafer requires the longest time to be turned off most, and the segment of the GTO in the central region REC toward the cathode electrode Since the cathode current I K will flow in from each of the surrounding segments, current concentration will occur in a part of the inside of the GTO 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 due to the presence of the snubber circuit, especially the snubber capacitor. That is, as described above, the snubber capacitor Cs is turned off at the time of turn-off.
It is necessary to completely discharge the electric charge charged up in (FIG. 40) by the next turn-off. Therefore, when the GTO 3P is turned on, the charges are discharged through the snubber resistor R S , which causes a large power loss. At this time, the capacity of the power consumption generated in the snubber resistor R S is PW = 1/2 * Cs * f (V DD 2 + (V
DM- V DD ) 2 ). Here, V DD is a power supply voltage, and V DM is a voltage when the snubber capacitor CS is charged up at turn-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。When a snubber resistor having such a power capacity is connected, only the amount of power generated by the snubber resistor becomes a loss in the power that should be originally transmitted, resulting in a decrease in efficiency and the above-mentioned. This requires the installation of a cooling device, which is a very big problem in simplifying and downsizing 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。Therefore, in order to solve these problems, the first electrode has the first, second and third electrodes, and when it is turned on in response to the turn-on control current applied to the third electrode, the first electrode is turned on. Is connected between the semiconductor switching element for directly flowing a main current flowing into the first electrode to the second electrode and the third electrode and the second electrode, and generates the turn-on control current to generate the turn-on control current. Drive control means for applying to three electrodes, and at the time of turn-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 allowed us to solve the problem. However, as a result of further study in order to commercialize the actual product, when supplying the turn-off current from the gate driver to the semiconductor switching element via the current path,
It has been found that how the current can be applied to the gate terminal in a uniform distribution is an extremely important issue for the semiconductor switching device to exhibit its full performance.
【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。The present invention has been made to solve the above problems, and prevents power loss from locally concentrating on a part of semiconductor switching elements in a semiconductor wafer to prevent element destruction. In a semiconductor switching device or the like for preventing the above and improving the reliability of the device, a semiconductor switching device in which current is uniformly supplied to a gate terminal, a semiconductor stack device and a power conversion device using the same are provided. The purpose is to get.
【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 comprising a gate terminal extending in the circumferential direction of a semiconductor switching element, and a current path is provided at a plurality of places where the turn-off current is the gate terminal. It is a parallel current path that flows in parallel with.
【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 another aspect of the semiconductor switching device of the present invention, the semiconductor switching element is provided with a gate terminal extending in the circumferential direction, a current path is formed by a conductor region and an insulating region, and the turn-off current is the gate terminal. Is a parallel current path that flows 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。A semiconductor switching device according to a third aspect of the present invention is the 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. Is formed of a wiring board laminated via an insulating layer, the conductive layers are used as conductor areas, and slits having a predetermined pattern are formed in the wiring board to form an insulating area.
【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 another aspect of the semiconductor switching device of the present invention, the semiconductor switching element is provided with a gate terminal extending in the circumferential direction, and a turn-off current flows in parallel in a current path in a plurality of positions of the gate terminal. And a means for reducing the impedance difference 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, there is provided a semiconductor switching device comprising a semiconductor switching element having a gate terminal extending in a circumferential direction, and a turn-off current flows in parallel in a current path in a plurality of positions 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 gate driver is a different voltage so as to reduce the difference in current in each current path of the parallel current paths. It is what
【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 another aspect of the semiconductor switching device of the present invention, the semiconductor switching element is provided with a gate terminal extending in the circumferential direction, and the gate driver is composed of a plurality of gate drivers. The gate driver is disposed before and after the switching element, and the gate driver close to the semiconductor switching element is located far from the gate terminal, and the gate driver far from the semiconductor switching element is located near the gate terminal via current paths. 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。A semiconductor switching device according to a seventh aspect is the semiconductor switching device according to the sixth 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. And a turn-off current that flows through the current path in parallel at a plurality of positions of the gate terminal by forming a slit of a predetermined pattern on the wiring board A gate driver near the semiconductor switching element is a current path, and a gate driver far from the semiconductor switching element is connected to a location near the gate terminal via a current path connected to a location 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。According to an eighth aspect of the present invention, there is provided a semiconductor switching device according to the sixth 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. A plurality of pairs, the wiring board is formed by alternately laminating both conductive layers with an insulating layer interposed therebetween, and the gate driver close to the semiconductor switching element has the gate terminal through the some conductive layers of the plurality of pairs. The gate driver farther from the semiconductor switching element is connected to a portion farther away from the semiconductor switching element to a portion closer to the gate terminal through the remaining conductive layers of the pairs.
【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 comprises a gate control device for controlling the gate of the semiconductor switching element to perform power conversion. 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 in various power conversion devices such as a vehicle power conversion device, a UPS (Uninterruptible Power System), and an industrial power conversion device. , A power device.
【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. 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。In the following, as such a semiconductor switching element, a gate turn-off thyristor (hereinafter, referred to as G
An example using (TO) will be shown. In this case, GTO
The first, second and third electrodes of the anode electrode,
It corresponds to the cathode electrode and the gate electrode. The semiconductor switching element is not limited to the one 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 using the NPN transistor, the first, second, and third electrodes correspond to the collector electrode, the emitter electrode, and the base electrode, respectively.
When using a PNP transistor, 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 the first embodiment of the present invention. In the figure, each reference numeral indicates the following circuit element. That is, 3 is a GTO as a semiconductor switching element, and the 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 its driving power source 4a.
(Power supply voltage V GD (for example, 20 V)), capacitor 4b,
It is composed of an inductance 4C and a transistor 4d. still,
The detailed configuration is shown in FIG. 2 described later.
【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。The gate driver 4 generates a turn-on control current I G for turning on the GTO 3, and applies this current I G to the gate electrode 3G via the wiring path or the line L1. In response to this, the GTO 3 is turned on. Reference numeral 11 is a node, and 9 is 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。On the other hand, 1 is the rate of increase dI A / dt of the main current or anode current I A flowing when the GTO 3 is turned on.
Is an inductance for suppressing the
This is a free-wheeling diode for freeing the energy generated in the inductance 1 when 3 is turned off.
【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。Reference numeral 5 is connected in parallel to the GTO 3 between the node 11 of the anode electrode 3A and the node 12 of the cathode electrode 3K, and when the GTO 3 is turned off, the voltage V AK between the anode and the cathode electrode rises. It is a peak voltage suppression circuit for suppressing only the peak voltage generated due to. As will be described later, the circuit 5 has a function of holding or clamping the voltage V AK at a predetermined voltage value determined according to the voltage blocking capability of the GTO 3 for a predetermined time when the voltage V AK is turned 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。Here, at turn-off, the rate of change or rate of rise (gradient) dI GQ / of the gate reverse current I GQ , which has conventionally been shunted from the main current I A and flowed into the gate driver 4 side.
Make the absolute value of dt as large as possible (ideally, |
dI GQ / dt | is ∞), and all of the main current I A is passed to the node 12 via the gate driver 4 as the gate reverse current I GQ . That is, the turn-off gain G (= | I A / determined by the absolute value of the ratio of the main current I A and the gate reverse current I GQ
I GQ |) is set to 1 or less (G ≦ 1), so that all of the main current I A flows in the opposite direction to the turn-on control current I G from the anode electrode 3A through the gate electrode 3G. And the commutation to the node 12 side, thereby turning off the GTO 3. At this time, the cathode current I K flowing directly inside the GTO 3 from the anode electrode 3A toward 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, the value of the rate of increase dI GQ / dt can be changed according to the relationship between the power supply voltage value V GD of the driving power supply (main power supply) 4a of the gate driver 4 and the inductance value of the loop R1. Therefore, by appropriately setting the values of both 4 (4a) and R1, by setting the increase rate | dI GQ / dt | to an extremely large value close to the infinite value,
All of the main current I A can be commutated to the gate driver 4 side in an extremely short time.
【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 commutation of the gate reverse current I GQ by the gate driver 4 alone because the power supply voltage V GD that the drive power supply 4a of the driver 4 can have is limited. However, on the other hand, on the other hand, the absolute value of the rate of increase dI GQ / dt necessary to set the gate turn-off gain G to 1 or less is set by setting the driving power supply voltage V GD of the gate driver 4 to a practical value that can be set. Possible 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。Therefore, the line L1 from the gate electrode 3G to the gate driver 4, the gate driver 4, the line L2 from the gate driver 4 to the cathode electrode 3K via the node 13, and the GTO3 between the gate and the cathode electrode.
It is required to reduce the value of the (floating) internal inductance in the loop consisting of the internal path or the path R1 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。However, the gate driver 4 must be set so as to have a capacitance enough to allow the gate reverse current I GQ having a value equal to or higher than the main current I A to flow.
【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 increase dI GQ / dt is set to about 8000 A / μs, the inductance of the loop R1 is set. The value is preferably 2.5 nH or less, and the internal inductance value of the gate driver 4 is preferably 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。A specific circuit diagram of the gate driver 4 having such capacitance is shown in FIG. In the figure, a drive power source 50 is a main power source for driving the gate driver 4, a sub power source 51 is a power source for a turn-on gate current, and a sub power source 52 is a turn-on transistor Tr.
1, a power supply for a drive circuit 56 for driving Tr2, a sub power supply 53 is a power supply for a turn-off gate current, a sub power supply 54
Is a power supply for the drive circuit 57 for driving the turn-off transistor Tr3, and the sub power supply 55 is a circuit section 58 for generating a turn-on signal and a turn-off signal from the control signal 62.
The transistor Tr1 is a switch for supplying the turn-on high gate current I G1 shown in FIG. 3, the transistor Tr2 is a switch for supplying the turn-on / steady gate current I G2 , and the transistor Tr3. Is a switch for supplying a turn-off gate current I GQ (gate reverse current). The currents I G1 and I G2 are collectively referred to as the turn-on control current I G. C1 is a capacitor for the turn-on gate current I G , and C2 is a capacitor for the 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 the control signal 62 is given from the outside, the noise cut circuit 59 is provided.
Removes a noise component included in the control signal 62 from the control signal 62, receives the noise-removed control signal, and outputs the turn-on signal generation circuit 60 and the turn-off signal generation circuit 61.
Respectively generate a turn-on signal 63 and a turn-off signal 64 and supply the signals 63 and 64 to the corresponding drive circuits 56 and 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 which have received the signals 63 and 34 operate as follows. That is, at the time t 01 , the drive circuit 56 generates a signal that can drive the transistor Tr1 and supplies it to the base of the transistor Tr1. Where both capacitors C1 and C2
Are charged by the sub power source 51 and the sub power source 53, respectively, so that the turn-on high gate current I G1 flows from the capacitor C1 to the GTO3 through the transistor Tr1. Then, at time t 02 , the drive circuit 56 stops the supply of the base current of the transistor Tr1 and this time,
A base current that can drive the transistor Tr2 is generated and supplied to the base of the transistor Tr2. As a result, the transistor Tr1 is turned off, the transistor Tr2 is turned on instead, and the turn-on / steady gate current I G2 flows from the capacitor C1 to the GTO3 through the transistor Tr2.
【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 the supply of the base current of the transistor Tr2, and the drive circuit 5
7 generates a base current required to turn on the transistor Tr3 according to the signal 64 and supplies the base current to the base of the transistor Tr3. As a result, the transistor Tr2 is turned off, and instead the transistor Tr3 is turned on. As a result, the electric charge charged in the capacitor C2 is discharged to the GTO3 side via the transistor Tr3, and thus the turn-off gate current I GQ is generated. GTO3
Through the transistor Tr3 to the node 13 of the cathode electrode 3K of GTO3. Moreover, this current I GQ becomes equal to or greater than the absolute value of the main current I A in a very short time, and conversely, the cathode current decreases to 0 value in a very short time.
【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 rate of increase dI GQ / dt such that the turn-off gain G is 1 or less, the loop R1 including the wiring route inside the gate driver 4 is used.
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 of the GTO element or the package structure.
【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 package structure of the conventional GTO 3P has the structure as shown in FIGS. 42 and 43, the internal inductance (lead 21P-ring-shaped gate electrode 34P-cathode electrode 30P) of the GTO element 20P. ~ Inductance of the path to the lead 22P)
Was a large value, for example, about 50 nH. At this value, the rate of increase dI GQ / d is about 8000 A / μs.
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, the gate-side connecting portion 23P and the cathode-side connecting portion 24P, the gate terminal 25P of the GTO element 20P, and the like. 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 and gate lead 3
It is necessary to reduce the inductance value of 8P, and further, the inductance value of each of the external lead wires 21P and 22P of the gate and the cathode which occupy 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 studied the package structure of the GTO element from the above viewpoint and decided to improve it. As a result, the pressure contact type semiconductor element having the following structure was realized.
【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 pressure contact type GTO element 20,
Stack electrodes 27a, 27 for pressing it from above and below
5 is a cross-sectional view showing the GTO element 20 in the direction of the arrow D1 shown in FIG. 4 (excluding the stack electrode 27a). Therefore, the line SA-S in FIG.
FIG. 4 is a vertical cross-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 both 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, and 28 is a semiconductor substrate on which each GTO segment is formed.
A gate electrode 29a of A1 (aluminum) is formed on the surface located on the outer peripheral side of the upper surface of 8, and 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 similar to 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 respectively denote the semiconductor substrate 28.
On the upper surface of the cathode electrode 29b are the cathode strain buffer plate and the cathode post electrode, which are sequentially stacked on the upper surface of the cathode electrode 29b, while 32 and 33 are the semiconductor substrate 8 respectively.
An anode strain buffer plate and an anode post electrode, which are sequentially stacked on the surface (a surface opposite to the cathode electrode 29b) of an anode electrode (not shown) formed on the back surface of
Reference numeral 34 is a ring-shaped gate electrode that is in contact with the upper surface of the gate electrode 29a of the semiconductor substrate 28, and 38 is a ring-shaped gate terminal made of an annular metal plate, and an inner peripheral plane 25 thereof.
Are slidably contacted with and arranged on the ring gate electrode 34. Reference numeral 35 is 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 through the annular insulator 36, and 37 is
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, and 26 is a first flange whose one end is fixed to the cathode post electrode 31. And
40 is a second flange whose one end is fixed to the anode post electrode 33, 41 is an insulating cylinder which is made of ceramic or the like and is divided into upper and lower parts with the ring-shaped gate terminal 38 in between and which has a protrusion 42. is there. The outer peripheral portion 23 of the ring-shaped gate terminal 38 projects outward from the side surface of the insulating tube 41, and a plurality of mounting holes 21 are provided at a predetermined interval at a position closer to the inner peripheral side than the other end 38E. . The portion 43 a protruding upward from the upper surface of the upper insulating cylinder 41 is the other end portion 2 of the first flange 26.
6E is airtightly fixed, and the portion 43b protruding downward from the back surface of the lower insulating cylinder 41 is airtightly fixed to the other end of the second flange 40, whereby the pressure contact type semiconductor element 20 is hermetically sealed. It has a package structure.
The inside 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 the mechanical portion of the gate driver 4, and FIG. 7 shows the GTO element 20 (stack electrodes 27a and 27b in the gate driver 4 having the structure shown in FIGS. 4 and 5). It is a longitudinal cross-sectional view showing a state in which (pressurized) is mounted. In both FIGS. 6 and 7, reference numeral 4A
Shows a case for covering the gate driver main body 4C, 4B shows a case which becomes a seat of the gate driver main body 4C, and 70 shows the gate driver main body 4 and the GTO.
The whole board | substrate in which the circuit pattern for electrically connecting with the element 20 was formed is shown. The substrate 70 is just the gate lead wires 21P and 22P of the conventional package.
(FIG. 42) and has a strength enough to support the weight of the GTO element 20. Reference numeral 71 denotes a cathode electrode connected by pressure contact with 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.
The mounting holes are provided at 0, and in order to connect the gate driver 4 and the GTO element 20, for example, about 6 mounting holes 21A are required.
【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-mentioned substrate 70 has the following two circuit pattern substrates facing each other with the 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.
And have. The multilayer substrate structure is provided in order to reduce the internal inductance on the gate driver 4 side. The GTO element body 20 has 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 airtight package of this GTO 3 has the internal gate electrode 29 formed on the semiconductor substrate.
It has a ring-shaped or disk-shaped gate electrode 38 extending from the side a toward the side of the gate driver body 4C,
Moreover, in the package (20), the outer peripheral portion of the ring-shaped gate electrode 38 is directly connected to the main body 4C of the gate driver 4.
Connected to the extended board 70 via the mounting hole 21A.
It is connected to the gate driver 4 only by fixing it. Therefore, no gate lead wire is used for the connection. Therefore, all the problems in the conventional configuration are improved. That is, the coupling loss that has conventionally been caused by the coupling between the internal gate lead portion of the GTO element and the gate terminal and cathode terminal of the GTO element is
As described above, by taking out the gate lead with the disk-shaped structure, it is significantly reduced, and the power loss corresponding to the coupling loss conventionally generated by the coupling between the external gate lead wire and the gate driver is reduced by the present invention. In this case, since the entire disc-shaped gate lead portion or the gate electrode 38 is directly connected to the gate current conducting substrate 70 of the gate driver 4, it is significantly reduced. Furthermore, the inductance of the external gate leads themselves, which conventionally occupied 90% of the total inductance of the loop R1, does not exist because they are not used in the present invention.
【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, the connection between the GTO element 20 and the gate driver 4 is further devised as described above (FIG. 7), so that the GTO element 3 is provided with a turn-off gain G ≦ 1. Rate of rise d that can be turned off
It has become possible to actually generate the I GQ / dt region.
【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 directions or four directions diagonally located by using the substrate 70A shown in the plan view of FIG. You may make it take out an electric current.
【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 circuit structure and mechanism will be described with reference to FIGS. 9 and 10. Note that FIG. 9 shows operation waveforms, and FIG.
An equivalent model in which TO3 is replaced with 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。In FIG. 9, when the GTO 3 is turned on and the anode current I A is flowing (time t 1 ), the gate driver 4 rapidly changes the gate reverse current I GQ in response to the control signal 62 (FIG. 2). If the gate reverse current I GQ reaches a current value whose absolute value is equal to the absolute value of the anode current I A in an extremely short time (I GQ =
-I A) (time T 2). In this state, all the anode current I A flowing into the anode electrode 3A of the GTO 3 is the gate electrode 3
G, commutated to the gate driver 4 via the wiring path L1,
The relational expression of anode current I A | ≦ | gate reverse current I GQ | of | GTO 3 is established, and the cathode current I K = 0.
After that, the gate reverse current I GQ continues to maintain the state of | I A | ≦ | I GQ | until the GTO 3 is completely turned off.
【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 the recovery current of the NPN transistor 81 shown in FIG. This is caused by the following phenomenon. That is, in FIG. 10, when the GTO 3 is turned on and the anode current I A is flowing in the semiconductor substrate, the current I A is separated from the anode electrode 3A of the GTO 3 into the loop 82 and the loop 83, and the cathode electrode 3K. Is flowing to. From this state, when GTO3 is turned off,
All of the anode current I A is strongly pulled by the gate driver 4 and flows to the loop 84 and the loop 85. At this time, the base current of the NPN transistor 81 is inverted from the positive direction to the negative direction, the NPN transistor 81 is suddenly turned off, and its internal carrier becomes a recovery current and flows in a superimposed manner. The increase in the recovery current is expressed as the above-mentioned 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。In this way, the gate reverse current | I GQ |> | anode current I A | results and the NPN transistor 8 of FIG.
When 1 is turned off, 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。When the voltage blocking function of the PNP transistor 80 starts to recover (time T 3 ), the anode-cathode electrode voltage V AK shown in FIG. 9 starts to rise, and the anode-cathode electrode voltage V AK becomes the power supply voltage. When the value equal to V DD is reached (time T 4 ), the anode current I A begins to decrease and GTO3
Turns into a turn-off state. At this time, the rising rate dV AK / dt of the voltage V AK between the anode and the cathode electrode is G
It is determined only by the speed at which the voltage blocking function of TO3 is restored, not by the external connection circuit or the like. In this respect, the present invention is clearly different from the prior art in which the increase rate of the voltage between the anode and the cathode electrode is determined depending on the snubber capacitor C S.
【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。In FIG. 9, the peak voltage (surge voltage) V P of the present invention means the main circuit (loop from the power supply 9 to the node 11, GTO 3, node 12 to the power supply 9) when the GTO 3 is turned off. Stray inductance L
Electromotive force generated due to (the energy is E = 1 /
2 * L * I 2 ) is a voltage obtained by superimposing it on the power supply voltage V DD . If this peak voltage V P is GTO
If the voltage blocking capability of 3 is exceeded, the GTO 3 will be destroyed. Therefore, the peak voltage suppressing circuit 5 that suppresses the anode-cathode electrode voltage V AK that continues to increase toward the peak voltage V P when the GTO 3 is turned off so as not to exceed the voltage blocking capability of the GTO 3 is provided at the node 1 of the GTO 3.
It is necessary to connect GTO3 between 1 and 12 in parallel. The peak voltage suppression circuit 5 of 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 that continues to rise when the GTO is turned off reaches a predetermined voltage value V SP set within a range that does not exceed the voltage blocking capability of the GTO 3, the circuit 5 is
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 The peak voltage after suppression is kept at V SP . Therefore, the peak voltage V P is not generated, and the GTO3 element is never 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, at the time of turn-off, the GTO 3 is turned off by controlling the GTO 3 in the region RA of the rate of increase dI GQ / dt shown in FIG. In the figure, the point PA on the curve CA is the main current I A.
Is a commutation point where commutation of the
In this case, it is in an ideal state when it is considered that there is no recovery current described above. In reality, since the recovery current is superimposed on the commutated main current, the turn-off gain G <1
The turn-off of GTO3 is realized in the area of.
【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。FIG. 12 and FIG. 13 are diagrams relatively showing the flow of the main current I A at turn-off in the prior art and the present invention, respectively. Prior art, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 5-
No. 111262 (Swiss application number 9110619)
19) and Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-188411 (German application No. P4227063).
As shown in, the cathode current I K is flowing in the GTO 3P even at turn-off. That is, the main current I A is
At the time of turn-off, the cathode current is divided into I K and I GQP . However, in this case, even if the cathode current I K flowing through each segment is a small value, they will intensively flow into some of the segments, so 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|)。On the other hand, in the present invention, as shown in FIG. 13, at the time of turn-off, the cathode current I K does not flow at all, and all the main current I A commutates to the path on the side of the gate driver 4 to generate the recovery current. Gate reverse current I GQ
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。As described above, according to the present invention, the novel gate commutation system in which | anode current I A | ≦ | gate reverse current I GQ | is employed during the turn-off mode period is adopted. The current I K = 0,
The cathode current does not flow into the cathode surface inside the GTO 3P at all, and localized current concentration on the cathode surface, which has conventionally been a cause of turn-off failure, cannot occur at all. Therefore, in the present invention, there is no possibility of element destruction due to turn-off failure, and the reliability of the device is significantly improved. It can be said that this effect is the core effect of the present invention and is an advantage that cannot be obtained even by the combination of the techniques shown in the above-mentioned respective 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 voltage V between the anode and cathode electrodes
Since the circuit 5 for suppressing the rise in AK and suppressing the surge voltage is provided, the spike voltage is cut by the circuit 5 and is not generated at all. Therefore, the snubber capacitor C S , which was conventionally required to discharge the electric charge accumulated at the time of turn-off, can be eliminated. That is, the snubber circuit, which is indispensable in the prior art, can be dispensed with, and the device can be made compact, simple, low cost, and highly efficient.
【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 which employs a peak voltage protection circuit different from that of FIG. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same components. As the package structure of the GTO 3 and the mechanism of the gate driver 4, those described in FIG. 1 are used. Each of the reference numbers 6 to 8 is G
It is an element that constitutes a protection circuit that suppresses or reduces power loss due to a spike voltage or a peak voltage (surge voltage) that occurs when TO3 is turned off, and shows a diode, a resistance element, and a capacitor in order. In particular,
Here, one end 15 of the capacitor 8 (capacitance element) included in the bypass line BL arranged in parallel with the GTO 3 between the node 11 and the node 12 includes the resistance element 7 and is connected to the power supply 9 at the node 14. It is characterized in that it is connected to the power supply 9 through the formed wiring route 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.
Or, 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 shown in FIG.
1 is the same as the operation in the device of FIG. 1, and only the peak voltage suppressing operation of the voltage V AK between the anode and the cathode electrode is different from the case of FIG. The measured waveform of 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 shows the measured waveforms of the anode current I A , the anode-cathode electrode voltage V AK , the gate reverse current I GQ , and the gate voltage V G , respectively.
【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。In FIG. 14, the capacitor 8 is constantly charged to the power supply voltage V DD through the resistance element 7, and during the turn-off operation, the generated spike voltage V DSP and peak voltage V P exceed the power supply voltage V DD . 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 to the capacitor 8 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.
The capacitor 8 does not function until the voltage V AK between the anode and the cathode electrode reaches the power supply voltage V DD , and this period (t 2
The rate of increase dV AK / dt of −t 1 ) is determined by the capability of the GTO 3 (at this time, the total main current I A is commutated to the gate driver 4 side). Then, when the anode-cathode voltage V AK reaches the power supply voltage V DD and the anode current I A starts to decrease (time t 2 ), at the same time, the node 1
The main current flowing into 1 starts flowing to the capacitor 8 side through the diode 6, that is, to the bypass path BL. At this time, the rate of increase di / dt of the bypass current i flowing in and G
An electromotive voltage is generated by the closed circuit composed of TO3, the diode 6 and the capacitor 8 or the inductance (L f1 ) floating in the first loop R2. This is
Is the spike voltage V DSP shown at (time t 3 ). After that, until time t 5 , the voltage V between the anode and the cathode electrode is
The difference between the peak voltage V P of AK and the power supply voltage V DD is absorbed by the capacitor 8. At that time, the amount of overcharge absorbed by the capacitor 8 should be equal to or lower than the voltage blocking capability of the GTO 3.
The capacitance value of the capacitor 8 is appropriately determined. That is, it is determined by the capacitance value of the capacitor 8 so that the peak value V P of the anode-cathode electrode voltage V AK that rises from the time t 4 to the time t 5 becomes equal to or lower than the voltage blocking ability of the GTO 3.
【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 overcharged portion of the peak voltage absorbed by the capacitor 8 is discharged through the resistance element 7 to the power source 9 side by 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 blocked 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 due to the stray inductance (L A2 ) in the second loop R3 and the capacitance value 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, the energy stored in the capacitor 8 of the peak voltage suppression circuit or the protection circuit of the semiconductor switching device 10A is entirely reduced to zero by the snubber resistance like the snubber capacitor in the prior art. Instead of being discharged, only the overcharged portion is discharged, and the discharge loss of the snubber circuit, which has been a problem in the past, can be significantly reduced. Moreover, this semiconductor switching device 10A
Then, by simply using the members used in the snubber circuit of the related art 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 route R4, Since the structure can be simplified, that is, the conventional snubber circuit can be used as it is to sufficiently reduce the discharge loss, there is an advantage that a highly realizable device can be realized. Of course, also in the device 10A, like the device 10 of FIG. 1, it is possible to completely prevent the element breakdown of the GTO 3 at the time of turn-off.
【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, in addition to the structure, workability at the time of manufacturing and maintenance, as well as implementation of peripheral devices and parts It is necessary to consider it, and it is necessary to solve the problems raised in these embodiments.
【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. In the examples shown in FIGS. 6 and 7, the gate driver and the gate are used. 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 because of the arrangement of the gate driver, a good and uniform current distribution cannot always be obtained. In the following, a semiconductor switching device that solves the above-mentioned problems newly appearing when embodying these products will be described. In the following, since the contents described with reference to FIGS. 1 to 15 are different from the main points of interest, the same or corresponding parts will be described with 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 path to the gate driver and the semiconductor switching element is the center, attention is focused on them and moreover, the following FIG.
16 will be described in a simplified manner. In the figure, GCT is a flat semiconductor switching element which is on / off controlled by gate control of a gate turn-off thyristor or transistor having the ring-shaped gate terminal RG shown in FIGS. 4 and 5, A is its anode electrode, K
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
And CN are turn-off and turn-on capacitors, TrF is a turn-off transistor,
Tr1 and R1 are transistors and resistors for turn-on high gates, and Tr2 and R2 are transistors and resistors for turn-on steady gates.
【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。Although a detailed description of the operation is omitted, the transistors Tr1, Tr2, and TrF are sequentially turned on / off in a series of timing sequences determined by the one-shot circuit and the buffer by the input of the control signal, for example, as shown in FIG. 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。Now, FIG. 17 is a plan view showing a semiconductor switching device according to the first embodiment of the present invention, which solves the above-mentioned new problem. In the figure, the newly appearing codes will be described below. That is, BG is a plurality of output terminals P of this gate driver GD.
1, P2, ... Straight part BGD extending toward
It consists of and. An annular current path RP that surrounds the gate terminal RG is formed between the annular portion BGR and the gate terminal RG. K is the above-mentioned cathode electrode, which 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 is a turn-off gate current flowing from the gate terminal RG into the gate driver GD to turn off the semiconductor switching element GCT. These turn-off gate currents i1, i2 ,.
in is configured to flow in a number of parallel circuits between the gate driver GD and the ring-shaped gate terminal RG. That is, the current path width IW of the linear portion BGD of the plate-shaped connecting 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 set.
W and the length GDTL of the current take-in end GDT from the gate terminal RG of the gate driver GD are substantially the same. Therefore, the turn-off gate current at the end of the straight portion BGD of the plate-shaped connecting conductor BG, for example, i1 and i2, flows 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, the turn-off gate current in the ring-shaped gate terminal RG does not flow out from the whole outer circumference of the gate terminal RG and intensively flows out from one lead wire unlike the conventional one, and the turn-off gate current in the gate terminal RG does not flow. Are 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, and as a result, the turn-off time is about 1/10 of that of 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 extended, 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 configuration 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, respectively, which are sequentially arranged along the direction of the current path width IW. In the figure, this n
Of the individual pieces, only the first, second and n-th ones are extracted and shown. In the figure, C1, C2 and Cn are capacitors, TrF1, TrF2 and TrFn are turn-off transistors, P1, P2 and Pn are turn-off gate current output terminals from the respective transistors, G1P, G2P and G.
nP is each parallel current path on the gate side in the plate-shaped connecting conductor BG of FIG. 17, and K1P, K2P, KnP are each parallel current path on the cathode side of the plate-shaped connecting conductor BG of 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。Incidentally, in FIG. 18 (the same applies to drawings of the same type described later), the turn-on gate driver GT is shown.
Although the illustration of N is simplified, in the semiconductor switching device targeted by the present invention, the turn-on gate current is usually several tenths of the turn-off gate current, and there is no particular problem with the current supply. This is because the description is omitted. However, since both gate drivers GTF and GTN supply current to the gate terminal RG via 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 the figure, the turn-on gate driver G
Since the resistor R is inserted on the output side of the TN, there is no fear of that.
【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 capacitors C1, C2, Cn and turn-off transistor TrF in the circuit diagram of FIG.
1, TrF2, TrFn, semiconductor switching element GC
FIG. 6 is a plan view showing an example of mounting arrangement of T on the plate-shaped connecting conductor BG and a configuration of connection to the plate-shaped connecting conductor BG in plan view. Note that the turn-on gate driver GTN is not shown in FIG.
【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 capacitors C1, C2, Cn and 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 T-shaped connection conductor BG, and the structure of the connection to T-shaped connection conductor BG by the cross section.
In the figure, GR1 is a gate pressing ring, KR1 is a cathode spacer ring, B1 is a conductor plate, and the gate pressing ring GR1 and the conductor plate B are formed by a screw mechanism (not shown), for example.
The gate-side conductive layer (gate-side current path) GP formed on the surface of the plate-shaped connection conductor BG with the gate terminal RG sandwiching the plate-shaped connection conductor BG and the cathode spacer ring KR1 therebetween by pressure contact. , And the cathode electrode K is electrically connected to the cathode side conductive layer (cathode side current path) KP formed on the back surface of the plate-shaped connecting conductor BG. The part (1) in the figure shows the connection structure between the transistor Tr and the capacitor C, which form a unit unit of the gate driver, and the plate-like connection conductor BG. The part (2) in the figure includes the power supply VDN. The circuit diagram is shown. Further, an enlarged view of the portion (1) of FIG. 20 is shown in FIG.
22 (1) and 22 (2) respectively show a cross section along line X1-X1 and a cross section along line X2-X2.
【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 the through hole H1.
Is electrically connected to the cathode side conductive layer KP on the lower surface. In addition, 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 a through hole H4. The negative side 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 side conductive layer GR and the cathode side 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 side and joined by soldering or the like from the lower surface side.
【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 (current paths G1P, G2P shown in FIG. 18,
GnP) and the cathode-side conductive layer KP (corresponding to the current paths K1P, K2P, and KnP shown in FIG. 18) are
Since the plate-shaped connecting conductor BG is formed on the front and back sides through the thin insulating layer, the turn-off gate currents become currents that flow in the current paths on the 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, it is possible to easily and surely supply a desired steep turn-off gate current based on the above-mentioned principle.
【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 the ring-shaped gate terminal R for the turn-off gate current in the embodiment shown in FIGS.
The detection is performed at 16 locations around G, and the horizontal axis in the figure indicates 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 the relative ratio), and Z is the time differential value di / dt of the turn-off gate current (however, the scale is the relative ratio). As shown in FIG. 23, it can be seen that the turn-off gate current i flows from the entire circumference 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 area of the internal gate electrode, and the current per unit area becomes small.
【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 shows a device for further reducing the turn-off gate current value in the vicinity of the central portion in FIG. 23, that is, in the vicinity of the side closest to the gate driver GD of the gate terminal RG. FIG. 6 is a plan view of the embodiment shown in FIG.
That is, the insulating region S is provided. This insulating region S is
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 one in which an insulator is embedded in the slit. In any case, the insulating region S is, for example, a pair of linear insulating regions SD extending in a straight line in parallel from the gate driver GD toward the semiconductor switching element GCT, and from the tip of the linear insulating region SD. Furthermore, semiconductor switching element GCT
And an inclined insulating region SE that extends obliquely along the outer periphery of the gate terminal RG. The pair of insulating regions S is near the central portion in FIG. 24, that is, the gate driver GD of the gate terminal RG.
Since the turn-off gate current in the vicinity of the side closest to is attracted 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, the current becomes difficult to flow. 24, the current value of the central current path GCP decreases, and
The current values of P and GRP increase, and the distribution of the turn-off gate current flowing in the gate terminal RG is more homogenized.
【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 is an example in which the insulating region S is only a simple linear shape, and the distance between the pair of insulating regions S, S is such that it becomes narrower as it gets closer to the gate terminal RG.
Since the insulating region S has a simple shape, it can be manufactured at low cost. Note that, also in the example of FIG. 25, the central current path G
The current value of CP decreases, and the current paths GLP, GR other than the center
The current value of P rises, and the distribution of the turn-off gate current flowing in the gate terminal RG is more homogenized.
【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 is a device for further reducing the turn-off gate current value in the vicinity of the central portion in FIG. 23, that is, in the vicinity of the side closest to the gate driver GD of the gate terminal RG. 3 is a connection diagram showing another embodiment, in which three gate side current paths GLP, GCP, GRP equivalently extending from the gate terminal RG to the gate driver GD are provided, and these gate side current paths GLP, GCP, GRP are provided. Inductances LL, LC, LR and resistance R that compose the impedance
The sizes of L, RC and RR are set to the central portion G of the gate terminal RG.
Both ends GL and GR of the gate terminal RG, which are separated from the gate driver GD, by the gate side current path GCP connected to C
The gate-side current paths GLP and GRP connected to are made smaller. The inductance LC and resistance RC of the gate side current path GCP connected to the central portion GC of the gate terminal RG are the inductances L of the gate side current paths GLP and GRP connected to the end portions GL and GR other than the central portion GC.
Since L, LR, and resistors RL, RR are larger, the vicinity of the central portion in FIG. 23, that is, the vicinity of the gate terminal RG closest to the gate driver GD, that is, the central current path G
The turn-off gate current value of CP can be further reduced. Therefore, the current values of the current paths GLP and GRP other than the center are increased, and the distribution of the turn-off gate current flowing in the gate terminal RG is further homogenized.
【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 figure, KP is a cathode side current path connecting between the cathode electrode K and the gate driver GD. Actually, it is shown separately from KLP, KCP and KRP. Therefore, it is displayed as a single KP. CL, CC and CR are capacitors and S
L, SC, and SR are turn-off transistors whose illustration is simplified in the form of a single-pole switch.
As shown in FIG. 7, n capacitors and transistors are 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 on the plate-shaped connecting conductor BG, and the turn-on gate driver is not shown. Six transistors TrF from the first to the n-th (n = 6 in this example)
1 to TrF6 and the like are arranged. Then, the first and second driver outputs are connected to the current path GLP via the resistor RL and the inductance LL, and the third and fourth driver outputs are connected to the current path GCP via the resistor RC and the inductance LC and the fifth. And the sixth driver output are respectively 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。Fourth Embodiment FIG. 28 is devised in order to further reduce the turn-off gate current value in the vicinity of the central portion in FIG. 23, that is, in the vicinity of the side closest to the gate driver GD of the gate terminal RG, and therefore to increase the current values in other portions. FIG. 3 is a connection diagram showing another embodiment, in which a gate terminal R
Equivalently, three gate side current paths GLP, GCP, GRP from G to the gate driver GD are provided, and respective power supply voltages of these respective gate side current paths GLP, GCP, GRP are connected to the central portion GC of the gate terminal RG. The gate side current path GCP connected to both ends GL and GR of the gate terminal RG which are separated from the gate driver GD.
It is a higher version of LP and GRP. In the figure,
CL, CC, and CR are capacitors, SL, SC, and SR are turn-off transistors, which are simplified in the form of single-pole switches, VDN1 is, for example, -18V turn-off DC power supply, and VDN2 is, for example, -2V turn-off DC power supply. , KP are cathode-side current paths that connect the cathode electrode K and the gate driver GD, and are shown in a simplified manner as 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 connected to the central portion GC of the gate terminal RG and the cathode side current path KP is 18 V, and the gate side current path GLP connected to both ends GL and GR, The voltage between GRP and the cathode side current path KP is 18 + 2 = 20V. Thus, the voltage between the gate side current path GCP connected to the central portion GC of the gate terminal RG and the cathode side current path KP is the gate side current path GLP connected to both ends GL, GR. G
Since the voltage is lower than the voltage between RP and the cathode side current path KP, the vicinity of the central portion in FIG. 23, that is, the vicinity of the side closest to the gate driver GD of the gate terminal RG, that is,
The turn-off gate current value of the central current path GCP can be further reduced. Therefore, the current paths GLP and GRP other than the center
Of the turn-off gate current flowing in the gate terminal RG is further homogenized.
【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 on the plate-shaped connecting conductor BG, and the turn-on gate driver is not shown. Six transistors TrF from the first to the n-th (n = 6 in this example)
1 to TrF6 and the like and DC power supplies VDN1 and VDN2 are arranged. The first and second drivers are connected to the power source V
The turn-off gate current output by the sum voltage (20V) of DN1 and VDN2 is output to the current path GLP, and the third and fourth drivers output the turn-off gate current output by the voltage (18V) of the power supply VDN1 to the current path GCP. The fifth and sixth drivers send 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, respectively.
【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. 30 shows a semiconductor switching device GCT having a gate driver for flowing a turn-off gate current between a gate terminal RG and a cathode electrode K via current paths GLP, GRP, GCP. Driver GT
F1 and GTF2, and each of these gate drivers GT
F1 and GTF2 are arranged before and after the semiconductor switching element GCT, and the semiconductor switching element GC is provided.
The gate driver GTF2 near T has current paths GLP and GR.
The semiconductor switching element G is provided at a portion (left part, right part, tip part in the drawing) far from the gate terminal RG via P.
The gate driver GTF1 far from CT is located near the gate terminal RG via the current path GCP (the central portion in the figure).
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 expressed by a capacitor and a single-pole switch of the gate driver GTF1, C
L1, CL2, CR1, CR2 and SL1, SL2,
SR1 and SR2 are turn-off transistors represented by a capacitor and a single-pole switch of the gate driver GTF2, respectively. In the figure, for convenience, the turn-on gate driver is omitted except for the power supply VDP.
【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 concrete example in which the circuit shown in FIG. 30 is mounted on the plate-shaped connecting conductor BG, and the turn-on gate driver is not shown. FIG. 1A is its plan view, and FIG. 2B is its side view. 32 is a sectional view taken along line X3-X3 of FIG. 31, and FIG. 33 is X4- of FIG.
It is sectional drawing of a X4 line. Here, it is assumed that the first conductive layer CC1 forming the gate side current path as the plate-shaped connecting conductor BG and the second conductive layer CC2 forming the cathode side current path are alternately stacked via the insulating layer, Furthermore, this first
The two conductive layers CC1 and the second conductive layer CC2 are provided, that is, two pairs of conductive layers are provided.
【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. 31 (1), as shown in FIG.
The slit S described in 4 and the like is provided so that the gate driver GTF1 supplies the turn-off gate current to the central portion GC of the gate terminal RG, and the gate driver GTF2 turns off the left portion GL and the right portion GR. The current paths are separated in plane so that the gate current is supplied. Further, as shown in FIG. 32, the gate driver GTF
Among the four conductive layers of the plate-shaped connecting conductor BG, the uppermost layer and the second conductive layer are used as the first conductive layer CC1-2 and the second conductive layer CC2-2, respectively. To the gate side terminal TG and the cathode side terminal CK. Then, the second conductive layer CC2-2 and the fourth conductive layer CC2-2 and the fourth conductive layer CC2-2 are formed by the through hole TH1 formed in the portion far from the gate terminal RG.
Electrically connects the conductive layer of the layer. As a result, the gate driver GTF2 close to the semiconductor switching element GCT is pressed against and electrically connected to the gate terminal RG and the cathode electrode K, which are located 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。In addition, as shown in FIG. 33, the gate driver GTF1 includes the third conductive layer and the fourth conductive layer of the four conductive layers of the plate-like connecting conductor BG, which are respectively 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 first conductive layer CC1- is formed by the through hole TH2 formed in the portion close to the gate terminal RG.
1 and the first conductive layer are electrically connected. As a result,
The gate driver GTF1 far from the semiconductor switching element GCT has a gate terminal RG located near the gate terminal RG.
And the cathode electrode K are 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。32 and 33, the gate drivers GTF1 and GTF2 are arranged such that the conductive layers used by the plate-shaped connecting conductors BG are used as upper and lower pairs. Of the gate drivers GTF1 and GTF2
In both cases, four conductive layers may be used to connect the gate terminal RG to the near portion and the far portion, respectively.
【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-shaped connecting conductor BG to form the parallel current paths GCP, GLP, GRP, and the gate driver close to the semiconductor switching element GCT. The GTF2 passes through the current paths GLP and GRP, and the gate terminal R
Since the gate driver GTF1 far from the semiconductor switching element GCT is connected to the portion near the gate terminal RG via the current path GCP to the portion far from G, the vicinity of the central 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, the current paths GLP and GRP other than the center
Of the turn-off gate current flowing in the gate terminal RG is further homogenized.
【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。Sixth Embodiment FIG. 34 shows the fifth embodiment.
Similarly to the above, the gate driver is composed of two gate drivers GTF1 and GTF2 arranged in front and rear, respectively connected to a portion near the gate terminal RG and a portion far from the gate terminal RG. Is different from the form 5. That is, in the sixth embodiment, the parallel current paths are formed by distinguishing the used conductive layers of the plate-shaped connecting conductor BG, which 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 concrete example in which the circuit shown in FIG. 34 is mounted on the plate-shaped connecting conductor BG, and the turn-on gate driver is not shown. FIG. 1A is its plan view, and FIG. 2B is its side view. 36 is a sectional view taken along line X5-X5 of FIG. Here, the first conductive layer CC1 forming the gate side current path as the plate-shaped connecting conductor BG and the second conductive layer CC forming the cathode side current path.
2 and 2 are alternately stacked via an insulating layer, and further, the first conductive layer CC1 has two layers and the second conductive layer CC has two layers.
2 is provided with 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, the gate driver GT
The gate side terminal TG of F2 is electrically connected to the first conductive layer CC1-2 of the second layer of the plate-like connecting conductor BG, and the cathode side terminal CK of the gate driver GTF2 is 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 through a through hole TH3 formed at the tip of gate terminal RG, and this first conductive layer is connected to semiconductor switching element G.
The gate terminal RG of CT is pressure-contacted and electrically connected. Although not shown, the first and fourth conductive layers are electrically isolated from each other near the line connecting the left portion GL and the right portion 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 through the through hole TH4 formed at the tip of the gate terminal RG, and the fourth conductive layer is the semiconductor switching element GCT. Is pressed and electrically connected to the cathode electrode K of.
【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 side terminal TG of the gate driver GTF1 is the first conductive layer C of the first layer of the plate-like connecting conductor BG.
Gate driver GTF1 electrically connected to C1-1
The cathode side terminal CK of the second conductive layer CC2- of the fourth layer.
Electrically connected to 1. And both conductive layers CC1-1
And CC2-1 are directly pressed and electrically connected to the gate terminal RG and the cathode electrode K, respectively.
【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 the slit S and the like. In this example, among the four conductive layers, , The current paths FP for the gate driver GTF1 are formed by the outer conductive layers of the first layer and the fourth layer, and the current paths B for the gate driver GTF2 are formed by the inner conductive layers of the second layer and the third layer.
The gate driver GTF2, which forms P and is close to the semiconductor switching element GCT, passes through the current path BP and then the gate terminal RG.
Since the gate driver GTF1 farther from the semiconductor switching element GCT is connected to the nearer part of the gate terminal RG via the current path FP, the farther part of the gate terminal RG is located near the central part in FIG. 23, that is, the gate of the gate terminal RG. The turn-off gate current value of the current path GCP in the vicinity of the side closest to the driver GD, that is, the central current path GCP can be further reduced. Therefore, the current values of the current paths GLP and GRP other than the center are increased, and the distribution of the turn-off gate current flowing in the gate terminal RG is further homogenized.
【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 the slit of the fifth embodiment and the method of dividing a plurality of stacked conductive layers of the sixth embodiment are used in combination. 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。Seventh Embodiment In FIG. 37 (1), the turn-off gate current value in the vicinity of the central portion in FIG. 23, that is, in the vicinity of the side closest to the gate driver GD of the gate terminal RG is further reduced, and therefore the current values of other portions are increased. A plan view showing another embodiment devised for that purpose, FIG. 2B is a side view of the same, and two turn-off gate drivers GTF1 and GTF2 are provided, and these gate drivers G are provided.
A semiconductor switching element GCT is provided between TF1 and GTF2.
And a turn-off gate current flowing through the gate terminal RG is generated by the gate drivers GTF1 and GT2.
Divide and flow into F2. In addition, FIG. 24 shows the configuration between the gate terminal RG and the one gate driver GTF1 and between the gate terminal RG and the other gate driver GTF2.
An insulating region S similar to that of the embodiment of FIG. 25 is provided. Therefore, the current value of the gate terminal central portion GC on either side of the gate drivers GTF1 and GTF2 is suppressed, and the turn-off gate current is reduced by the gate drivers GTF1 and GTF of both gate drivers.
The distribution of the turn-off gate current flowing in the gate terminal RG is more surely equalized in combination with the shunting into two. The turn-on gate driver GTN1,
The GTN2 is also the gate drivers GTF1 and GTF2 described above.
The arrangement is similar to the arrangement.
【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。Eighth Embodiment FIG. 38 shows a structure in which a plurality of semiconductor switching devices described above are used and are assembled together with other peripheral components as a semiconductor stack device. FIG. 1A is its structural diagram, and FIG. 2B is its circuit block diagram. 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. Of these, the water cooling pipe PW is installed in the cooling fin FIN.
Are connected to radiate heat generated from the semiconductor switching element GCT and the freewheeling diode FD to the cooling water. The FLM is a mounting frame that stacks the above-mentioned components and tightens them from the top and bottom, and stores the components in a pressure contact state. Although the gate terminal RG in each of the above-described 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, in the circumferential direction of the semiconductor switching element GCT. A plurality of terminal strips TS are provided at equal intervals along the gate terminal RG1, which is, so to speak, discontinuously extending 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 for controlling the gates of these semiconductor switching elements to perform power conversion, as described above, the distribution of the turn-off gate current flowing to the gate terminal is uniform. Thus, it is possible to obtain a high-performance power converter such as an inverter that can pass 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 of the invention is provided with the gate terminal extending in the circumferential direction of the semiconductor switching element, and the current path has a plurality of turn-off currents having the gate terminals. Since the parallel current paths that flow in parallel to the points are provided, the turn-off current can flow in an even 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 another aspect of the semiconductor switching device of the present invention, the semiconductor switching element is provided with a gate terminal extending in the circumferential direction, a current path is formed of a conductor region and an insulating region, and the turn-off current is the gate terminal. Since the parallel current paths that flow in parallel to a plurality of points are formed, the parallel current paths can be formed easily and reliably.
【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 a third aspect of the present invention, the current path of the semiconductor switching device includes the first conductive layer forming the gate side current path and the second conductive layer forming the cathode side current path via the insulating layer. Since it is composed of a wiring board formed by stacking the conductive layers, the conductive layers are used as conductor areas, and slits having a predetermined pattern are formed in the wiring board to serve as an insulating area, so that a parallel current path of low impedance can be obtained easily and surely. To 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 another aspect of the semiconductor switching device of the present invention, the semiconductor switching element is provided with a gate terminal extending in the circumferential direction, and a parallel current in which a turn-off current flows in parallel at a plurality of locations of the gate terminal is provided in a current path. Since a means for reducing the impedance difference between the gate terminal and the gate driver in each current path of this parallel current path is provided as a path, the turn-off current of each parallel current path flowing in parallel to the gate terminal can be more reliably achieved. It can be in a uniform state.
【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 another aspect of the semiconductor switching device of the present invention, the semiconductor switching element is provided with a gate terminal extending in the circumferential direction, and a turn-off current flows in parallel in the current path in parallel at a plurality of positions 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 gate driver is a different voltage so as to reduce the difference in current in each current path 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 surely 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。According to another aspect of the semiconductor switching device of the present invention, the semiconductor switching element is provided with a gate terminal extending in the circumferential direction, and the gate driver is composed of a plurality of gate drivers. The gate driver is disposed before and after the switching element, and the gate driver close to the semiconductor switching element is located far from the gate terminal, and the gate driver far from the semiconductor switching element is located near the gate terminal via current paths. Since they are connected in parallel, the turn-off currents of the parallel current paths flowing in parallel to the gate terminals can be more surely 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。According to a seventh aspect of the semiconductor switching device of the present invention, a current path of the semiconductor switching device is a first conductive layer forming a gate side current path and a second conductive layer forming a cathode side current path via an insulating layer. And a parallel current path in which the turn-off current flows in parallel to a plurality of places of the gate terminal by forming slits of a predetermined pattern on the wiring board. A gate driver close to the semiconductor switching element is via a current path connected to a part far from the gate terminal, and a gate driver far from the semiconductor switching element is via a current path connected to a part close to the gate terminal,
Since they are connected to each other, the impedance of each parallel current path becomes substantially uniform, and the current distribution is 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 an eighth aspect, a plurality of pairs of the current paths are formed by a first conductive layer forming a gate side current path and a second conductive layer forming a cathode side current path. Both conductive layers are alternately laminated to form a wiring board that is laminated via an insulating layer, and the gate driver close to the semiconductor switching element is located at a distant portion of the gate terminal through a part of the conductive layers of the plurality of pairs, Since the gate driver far from the semiconductor switching element is connected to the portion close to the gate terminal via the remaining conductive layers of the plurality of pairs, the impedance of each parallel current path is substantially uniform without providing a slit. Therefore, the distribution of the current 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 semiconductor switching elements, 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. It is possible to obtain a high-performance semiconductor stack device and a power conversion device that can be performed.
【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 the 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 cross-sectional view showing a GTO device 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 a GTO device 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 external 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 for 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 gate reverse currents are taken out 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 increase rate of the voltage between the anode and the cathode electrode 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 in a conventional technique.
【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 main current flow at 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 a 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 measured waveforms 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 showing a schematic configuration of a semiconductor switching device according to a 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。FIG. 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。FIG. 19 is a diagram showing an example of mounting arrangement of the circuit configuration of FIG. 18 on a plate-shaped connecting 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。20 is a cross-sectional view showing an example of mounting arrangement of the circuit configuration of FIG. 18 on a plate-shaped connecting conductor.
【図21】 図20の(1)の部分を拡大して示す図で
ある。FIG. 21 is an enlarged view showing a portion (1) of FIG. 20.
【図22】 図21のX1−X1およびX2−X2の断
面図である。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 diagram showing an actual measurement result of a turn-off gate current in the 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 that of 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。FIG. 27 is a diagram showing an example of mounting arrangement of the circuit configuration of FIG. 26 on a plate-shaped connecting 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。FIG. 29 is a diagram showing an example of mounting arrangement of the circuit configuration of FIG. 28 on a plate-shaped connecting 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-shaped connecting conductor.
【図32】 図31のX3−X3の断面図である。32 is a cross-sectional view taken along line X3-X3 of FIG.
【図33】 図31のX4−X4の断面図である。33 is a cross-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。FIG. 35 is a diagram showing an example of mounting arrangement of the circuit configuration of FIG. 34 on a plate-shaped connecting conductor.
【図36】 図35のX5−X5の断面図である。36 is a cross-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 showing 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 modified example 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 of 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 device 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 device 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 diagram 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 diagram 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 gate driver, 5 peak voltage suppression circuit, R1 path, I A main current, I G turn-on control current, I GQ gate reverse current, GCT semiconductor switching device, 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-like connecting conductor as wiring board, CC1 first conductive layer, CC2 second conductive layer,
S slit, GLP, GCP, GRP, FP, BP
Current path, FIN cooling fins, FLM mounting frame, TS
Terminal piece.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平9−201039(JP,A) 特開 平8−330572(JP,A) 特開 昭61−227661(JP,A) 特開 平8−331835(JP,A) 実開 昭55−67685(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H02N 1/06 ─────────────────────────────────────────────────── --- Continuation of the front page (56) Reference JP-A-9-201039 (JP, A) JP-A-8-330572 (JP, A) JP-A-61-227661 (JP, A) JP-A-8- 331835 (JP, A) Actual development Sho 55-67685 (JP, U) (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) H02N 1/06
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 comprising a semiconductor switching element having a gate terminal extending in a circumferential direction, and the current path being a parallel current path in which the turn-off current flows in parallel to 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. A semiconductor switching device is provided with a gate terminal extending in the circumferential direction, the current path is formed by 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 characterized in that
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
Of the conductive layer and the second conductive layer forming the cathode side current path are laminated with an insulating layer in between, and both conductive layers are used as conductor regions, and a predetermined pattern is formed on the wiring board. The semiconductor switching device according to claim 2, wherein a slit is formed to form 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 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 device is provided with a gate terminal extending in the circumferential direction, and the current path is a parallel current path in which the turn-off current flows in parallel to a plurality of locations of the gate terminal, and each current path of the parallel current path. 2. A semiconductor switching device comprising means for reducing a difference in impedance between the gate terminal and the gate driver in.
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 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 is provided with a gate terminal extending in the circumferential direction, the current path is a parallel current path in which the turn-off current flows in parallel to a plurality of locations of the gate terminal, and a plurality of gate drivers are provided. The semiconductor switching device is characterized in that the voltage applied to the semiconductor switching element of each of the gate drivers is a different voltage so as to reduce the difference between the currents in the 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 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 the circumferential direction, the gate driver is composed of a plurality of gate drivers, and each of these gate drivers is arranged in front of and behind the semiconductor switching element. The gate driver near the semiconductor switching element is located far from the gate terminal, and the gate driver far from the semiconductor switching element is located near the gate terminal.
A semiconductor switching device, characterized in that each is connected through the current path.
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 are laminated on each other with an insulating layer in between, and a slit having a predetermined pattern is formed on the wiring substrate to form the current. The path is a parallel current path in which the turn-off current flows in parallel to a plurality of locations of the gate terminal,
The gate driver close to the semiconductor switching element, through the current path connected to the far part of the gate terminal,
7. The semiconductor switching device according to claim 6, wherein the gate driver far from the semiconductor switching element is connected 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. A first current path forming a gate side current path
A plurality of pairs of conductive layers and a second conductive layer forming the cathode side current path, and a wiring board formed by alternately stacking the conductive layers with an insulating layer interposed therebetween, and a gate close to the semiconductor switching element. The driver is distant from the gate terminal through a part of the conductive layers of the plurality of pairs, and the gate driver far from the semiconductor switching element is near the gate terminal through the remaining conductive layers of the plurality of pairs, 7. The semiconductor switching device according to claim 6, wherein they are connected to each other.
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. A semiconductor switching element and a cooling member for radiating heat generated from the semiconductor switching element are stacked and arranged in a mounting frame.
9. A semiconductor stack device using the semiconductor switching device according to any one of 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 the semiconductor switching device according to claim 1, further comprising a gate control device that gate-controls the semiconductor switching element to perform power conversion.
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JP07688997A JP3371070B2 (en) | 1997-03-28 | 1997-03-28 | Semiconductor switching device, semiconductor stack device and power conversion device using the same |
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JP07688997A JP3371070B2 (en) | 1997-03-28 | 1997-03-28 | Semiconductor switching device, semiconductor stack device and power conversion device using the same |
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JPH10271808A JPH10271808A (en) | 1998-10-09 |
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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 |
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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 |
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JP3199349B2 (en) * | 1995-05-30 | 2001-08-20 | 株式会社東芝 | Semiconductor element stack |
JP3291977B2 (en) * | 1995-05-31 | 2002-06-17 | 三菱電機株式会社 | Pressure contact type semiconductor element, method of manufacturing the same, and pressure contact type semiconductor device |
JP3191653B2 (en) * | 1996-01-17 | 2001-07-23 | 三菱電機株式会社 | Semiconductor switching equipment for power devices |
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1997
- 1997-03-28 JP JP07688997A patent/JP3371070B2/en not_active Expired - Lifetime
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