(57)【要約】【課題】  降伏電圧が低いツェナーダイオードを用いて、スイッチング素子に印加されるサージ電圧を抑制することを可能とする。【解決手段】  スイッチングモジュールであって、高電位端子と低電位端子と制御端子を有し、前記制御端子の電位が閾値を超えたときに前記高電位端子と前記低電位端子の間がオンするスイッチング素子と、前記低電位端子と前記制御端子の間に直列に接続されているダイオードとツェナーダイオードを有する。前記ダイオードが、そのカソードが前記制御端子側を向くとともにそのアノードが前記低電位端子側を向く向きで接続されている。前記ツェナーダイオードが、そのカソードが前記低電位端子側を向くとともにそのアノードが前記制御端子側を向く向きで接続されている。【選択図】図１
2018088772.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチングモジュールであって、
高電位端子と低電位端子と制御端子を有し、前記制御端子の電位が閾値を超えたときに前記高電位端子と前記低電位端子の間がオンするスイッチング素子と、
前記低電位端子と前記制御端子の間に直列に接続されているダイオードとツェナーダイオード、
を有し、
前記ダイオードが、そのカソードが前記制御端子側を向くとともにそのアノードが前記低電位端子側を向く向きで接続されており、
前記ツェナーダイオードが、そのカソードが前記低電位端子側を向くとともにそのアノードが前記制御端子側を向く向きで接続されている、
スイッチングモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示の技術は、スイッチングモジュールに関する。
【０００２】
特許文献１には、ｎ型のＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）と、そのドレイン‐ゲート間に直列に接続されたダイオードとツェナーダイオードを有するスイッチングモジュールが開示されている。ダイオードは、そのアノードがドレイン側を向き、そのカソードがゲート側を向く向きで接続されている。ツェナーダイオードは、そのアノードがゲート側を向き、そのカソードがドレイン側を向く向きで接続されている。
【０００３】
ＭＯＳＦＥＴをオフするときに、ＭＯＳＦＥＴのドレイン‐ソース間にサージ電圧（オフのタイミングに瞬間的に印加される高電圧）が印加される。特許文献１のスイッチングモジュールは、サージ電圧が過大であるときに、ＭＯＳＦＥＴをオンさせて、サージ電圧を低減する。つまり、ＭＯＳＦＥＴにサージ電圧が印加されると、ドレインの電位が上昇する。ドレインとゲートの電位差が所定値（ツェナーダイオードの降伏電圧にダイオードの順方向電圧降下を加算した値）を超えると、ツェナーダイオードとダイオードがオンする。すると、ドレインから、ツェナーダイオードとダイオードを介して、ゲートへ電流が流れる。このようにゲートに電流が流れると、ゲートの電位が上昇する。このため、ＭＯＳＦＥＴのドレイン‐ソース間の抵抗が低下し、ドレイン‐ソース間に電流が流れ易くなる。その結果、コレクタ‐ソース間の電圧（サージ電圧）が低減される。したがって、ＭＯＳＦＥＴに過大なサージ電圧が印加されることが防止される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−０４６９３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一般に、ＭＯＳＦＥＴの通常動作時（サージ電圧が印加されていないとき）のドレイン−ゲート間の電位差は大きい。通常動作時にツェナーダイオードはオフしている必要があるので、ツェナーダイオードの降伏電圧は通常動作時のドレイン‐ゲート間電圧よりも高い必要がある。例えば、通常動作時にドレイン‐ゲート間電圧が７００Ｖ以上となる場合には、ツェナーダイオードの降伏電圧も７００Ｖ以上である必要がある。このように高い降伏電圧を実現するためには、大型のツェナーダイオードを用いたり、直列に複数のツェナーダイオードを用いたりする必要があり、スイッチングモジュールが大型化する。なお、特許文献１では、スイッチング素子としてｎ型のＭＯＳＦＥＴが使用されているが、他のスイッチング素子（例えば、ＩＧＢＴ等）を用いる場合にも、同様の問題が生じる。したがって、本明細書では、降伏電圧が低いツェナーダイオードを用いて、スイッチング素子に印加されるサージ電圧の抑制を可能とする技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本明細書が開示するスイッチングモジュールは、スイッチング素子とダイオードとツェナーダイオードを有する。前記スイッチング素子は、高電位端子と低電位端子と制御端子を有し、前記制御端子の電位が閾値を超えたときに前記高電位端子と前記低電位端子の間がオンする。前記ダイオードと前記ツェナーダイオードは、前記低電位端子と前記制御端子の間に直列に接続されている。前記ダイオードが、そのカソードが前記制御端子側を向くとともにそのアノードが前記低電位端子側を向く向きで接続されている。前記ツェナーダイオードが、そのカソードが前記低電位端子側を向くとともにそのアノードが前記制御端子側を向く向きで接続されている。
【０００７】
スイッチング素子をオフすると、スイッチング素子の高電位端子と低電位端子の間にサージ電圧が生じる。このとき、スイッチング素子に流れる電流が低下するので、低電位端子とツェナーダイオードのカソードの間の配線に存在する寄生インダクタンスの起電力によって、ツェナーダイオードのカソードの電位が制御端子の電位に対して上昇する。これによってツェナーダイオードに印加される電圧が降伏電圧を超えると、ツェナーダイオードとダイオードがオンする。すると、低電位端子から、ツェナーダイオードとダイオードを介して、制御端子へ電流が流れる。その結果、制御端子の電位が上昇する。このため、高電位端子と低電位端子の間の抵抗が低くなり（すなわち、スイッチング素子がオン状態に近い状態となり）、高電位端子と低電位端子の間に電流が流れ易くなる。その結果、高電位端子と低電位端子の間の電圧（サージ電圧）が低減される。したがって、スイッチング素子に過大なサージ電圧が印加されることが防止される。また、スイッチング素子の低電位端子と制御端子の間の通常動作時（サージ電圧が印加されていないとき）の電位差は小さい。したがって、低電位端子と制御端子の間を接続するツェナーダイオードとして、降伏電圧が低いツェナーダイオードを用いることができる。以上に説明したように、このスイッチングモジュールによれば、降伏電圧が低いツェナーダイオードを用いて、スイッチング素子に印加されるサージ電圧を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】スイッチングモジュールの回路図。
【図２】スイッチング素子がオフする時の各値を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１に示すスイッチングモジュール１０は、高電位配線１２と低電位配線１４の間に直列に接続されたＩＧＢＴ２０ａとＩＧＢＴ２０ｂを有している。ＩＧＢＴ２０ａのコレクタｃ１が高電位配線１２に接続されており、ＩＧＢＴ２０ａのエミッタｅ１がＩＧＢＴ２０ｂのコレクタｃ２に接続されており、ＩＧＢＴ２０ｂのエミッタｅ２が低電位配線１４に接続されている。ＩＧＢＴ２０ａのエミッタｅ１とＩＧＢＴ２０ｂのコレクタｃ２には、中間配線１６が接続されている。中間配線１６の電位は変動するが、中間配線１６の平均電位は、高電位配線１２の電位よりも引く、低電位配線１４の電位よりも高い。ＩＧＢＴ２０ａのゲートｇ１は、ゲート抵抗３０ａを介してゲート駆動回路３２ａに接続されている。ゲート駆動回路３２ａは、ゲートｇ１を充放電することで、ゲートｇ１の電位を制御する。ＩＧＢＴ２０ｂのゲートｇ２は、ゲート抵抗３０ｂを介してゲート駆動回路３２ｂに接続されている。ゲート駆動回路３２ｂは、ゲートｇ２を充放電することで、ゲートｇ２の電位を制御する。スイッチングモジュール１０は、ＤＣ−ＤＣコンバータやインバータの一部として使用される。ＩＧＢＴ２０ａとＩＧＢＴ２０ｂは、交互にオンする。これによって、高電位配線１２の電位や、中間配線１６の電位が制御される。
【００１０】
ＩＧＢＴ２０ａのエミッタｅ１とゲートｇ１の間に、ツェナーダイオード４０ａとダイオード４２ａの直列回路が接続されている。ツェナーダイオード４０ａのカソードがＩＧＢＴ２０ａのエミッタｅ１に接続されており、ツェナーダイオード４０ａのアノードがダイオード４２ａのアノードに接続されており、ダイオード４２ａのカソードがＩＧＢＴ２０ａのゲートｇ１に接続されている。また、ＩＧＢＴ２０ａのエミッタｅ１には、配線の寄生インダクタンス５０ａが存在する。図１に示す寄生インダクタンス５０ａは、ＩＧＢＴ２０ａのエミッタｅ１とツェナーダイオード４０ａのカソードとの間の寄生インダクタンスを表している。寄生インダクタンス５０ａは、ボンディングワイヤ、リード、コネクタ、バスバー等が有するインダクタンスである。
【００１１】
ＩＧＢＴ２０ｂのエミッタｅ２とゲートｇ２の間に、ツェナーダイオード４０ｂとダイオード４２ｂの直列回路が接続されている。ツェナーダイオード４０ｂのカソードがＩＧＢＴ２０ｂのエミッタｅ２に接続されており、ツェナーダイオード４０ｂのアノードがダイオード４２ｂのアノードに接続されており、ダイオード４２ｂのカソードがＩＧＢＴ２０ｂのゲートｇ２に接続されている。また、ＩＧＢＴ２０ｂのエミッタｅ２には、配線の寄生インダクタンス５０ｂが存在する。図１に示す寄生インダクタンス５０ｂは、ＩＧＢＴ２０ｂのエミッタｅ２とツェナーダイオード４０ｂのカソードとの間の寄生インダクタンスを表している。寄生インダクタンス５０ｂは、ボンディングワイヤ、リード、コネクタ、バスバー等が有するインダクタンスである。
【００１２】
なお、本実施形態では、ツェナーダイオード４０ａ、４０ｂの降伏電圧は、約６Ｖであり、ダイオード４２ａ、４２ｂの順方向電圧降下は、約０．６Ｖであるが、これらの値は回路設計時に任意に選択することができる。
【００１３】
次に、ＩＧＢＴをスイッチングするときのスイッチングモジュール１０の動作について説明する。なお、ＩＧＢＴ２０ａの動作とＩＧＢＴ２０ｂの動作は等しいので、以下ではＩＧＢＴ２０ｂの動作について説明する。
【００１４】
ＩＧＢＴ２０ｂをオフするときには、ゲート駆動回路３２ｂは、ゲートｇ２の電位（エミッタｅ２に対する電位）を閾値以下の電位（本実施形態では、エミッタｅ２の電位と略同電位）に制御する。また、ＩＧＢＴ２０ｂをオンするときには、ゲート駆動回路３２ｂが、ゲートｇ２の電位を閾値より高い電位（例えば、数Ｖ）に制御する。このように、通常動作（すなわち、サージ電圧が印加されていない状態）においては、エミッタｅ２の電位はゲートｇ２の電位と同程度かそれより低い。ツェナーダイオード４０ｂの降伏電圧はそれほど高くないが、エミッタｅ２の電位はゲートｇ２の電位と同程度かそれより低いので、通常動作においてツェナーダイオード４０ｂはオフしている。また、通常動作においてダイオード４２ｂはオフしている。
【００１５】
次に、ＩＧＢＴ２０ｂのターンオフ時に高いサージ電圧が生じるときのスイッチングモジュール１０の動作について説明する。図２のタイミングｔ１よりも前の期間では、ＩＧＢＴ２０ｂのゲート電圧Ｖｇｅ（ゲートｇ２のエミッタｅ２に対する電位）は、ゲート駆動回路３２ｂによって高い電位に維持されている。したがって、この期間では、ＩＧＢＴ２０ｂがオンしており、ＩＧＢＴ２０ｂのコレクタ−エミッタ間電流Ｉｃｅ（以下、コレクタ電流Ｉｃｅという）が高い。
【００１６】
タイミングｔ１において、ゲート駆動回路３２ｂが、ゲート電圧Ｖｇｅの引き下げを開始する。タイミングｔ２においてゲート電圧Ｖｇｅがミラー電圧Ｖｍｒｒまで低下すると、ＩＧＢＴ２０ｂのコレクタｃ２とエミッタｅ２の間が高抵抗となり、コレクタ電流Ｉｃｅが低下し始める。タイミングｔ２の後にゲート電圧Ｖｇｅはミラー電圧Ｖｍｒｒに維持されるが、この間もゲートｇ２が放電されている。また、タイミングｔ２以降において、コレクタｃ２とエミッタｅ２の間が高抵抗化するのに伴って、コレクタ電流Ｉｃｅが急激に減少する。このため、スイッチングモジュール１０の回路に存在する寄生インダクタンス（寄生インダクタンス５０ｂ以外の配線の寄生インダクタンス）の起電力によって、ＩＧＢＴ２０ｂのコレクタｃ２とエミッタｅ２の間の電圧Ｖｃｅ（以下、コレクタ電圧Ｖｃｅという）が急激に上昇する。すなわち、サージ電圧Ｖｓが発生する。また、寄生インダクタンス５０ｂに流れる電流（すなわち、コレクタ電流Ｉｃｅ）が急激に減少するので、寄生インダクタンス５０ｂに生じる誘導電圧ＶＬが急激に上昇する。このため、ツェナーダイオード４０ｂのカソードの電位が急激に上昇し、ツェナーダイオード４０ｂに印加される電圧Ｖｚｄ（カソードのアノードに対する電位）も急激に上昇する。タイミングｔ３で電圧Ｖｚｄが降伏電圧Ｖｚに達すると（より詳細には、ツェナーダイオード４０ｂのカソードのダイオード４２ｂのカソードに対する電位がツェナーダイオード４０ｂの降伏電圧Ｖｚにダイオード４２ｂの順方向電圧降下を加算した電圧値に達すると）、ツェナーダイオード４０ｂとダイオード４２ｂがオンし、エミッタｅ２からゲートｇ２に向かって電流が流れる。ゲートｇ２へ流れた電流は、ゲート抵抗３０ｂとゲート駆動回路３２ｂを介してグランドへ流れる。このため、タイミングｔ３において、ゲート電圧Ｖｇｅがミラー電圧Ｖｍｒｒよりも少し高い電圧Ｖｇｅ１まで上昇する。このため、タイミングｔ３以降に、ＩＧＢＴ２０ｂがオン状態に近い状態（すなわち、コレクタｃ２とエミッタｅ２の間が比較的低抵抗の状態）となり、コレクタ電流Ｉｃｅの減少率が小さくなる。ＩＧＢＴ２０ｂのコレクタｃ２とエミッタｅ２間に電流が流れ易くなるので、タイミングｔ３以降にコレクタ電圧Ｖｃｅが低下する。したがって、それ以上サージ電圧Ｖｓが高くなることが防止される。タイミングｔ３以降に寄生インダクタンス５０ｂの誘導電圧ＶＬが徐々に小さくなるので、ツェナーダイオード４０ｂに印加される電圧Ｖｚｄもタイミングｔ３以降に徐々に小さくなる。タイミングｔ４で電圧Ｖｚｄが降伏電圧Ｖｚを下回ると、ツェナーダイオード４０ｂがオフする。したがって、タイミングｔ４において、ゲート電圧Ｖｇｅがミラー電圧Ｖｍｒｒまで低下し、ＩＧＢＴ２０ｂがオフ状態（すなわち、コレクタｃ２とエミッタｅ２の間が高抵抗の状態）となる。したがって、タイミングｔ４以降に、コレクタ電流Ｉｃｅが急激に減少する。タイミングｔ５でコレクタ電流Ｉｃｅが略ゼロとなると、サージ電圧Ｖｓと寄生インダクタンス５０ｂの誘導電圧ＶＬが略ゼロとなり、コレクタ電圧Ｖｃｅが一定値で安定する。その後、ゲート電圧Ｖｇｅが略０Ｖとなり、ＩＧＢＴ２０ｂのターンオフが完了する。
【００１７】
以上に説明したように、このスイッチングモジュール１０によれば、ＩＧＢＴ２０ｂのターンオフ時に、サージ電圧Ｖｓが過大となることを防止することができる。また、ゲートｇ２とエミッタｅ２の間に接続されているツェナーダイオード４０ｂには通常動作時に高い電圧が印加されないので、ツェナーダイオード４０ｂとして降伏電圧が低いツェナーダイオードを用いることができる。したがって、スイッチングモジュール１０の小型化が可能である。
【００１８】
なお、上述した実施形態では、スイッチング素子としてＩＧＢＴが用いられていたが、ＭＯＳＦＥＴをスイッチング素子に用いてもよい。
【００１９】
また、上述した実施形態において、ダイオード４２ｂとツェナーダイオード４０ｂの位置を入れ替えてもよい。すなわち、ツェナーダイオード４０ｂのアノードがゲートｇ２に接続されており、ツェナーダイオード４０ｂのカソードがダイオード４２ｂのカソードに接続されており、ダイオード４２ｂのアノードがエミッタｅ２（すなわち、寄生インダクタンス５０ｂ）に接続されていてもよい。
【００２０】
以上、実施形態について詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独あるいは各種の組み合わせによって技術有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの１つの目的を達成すること自体で技術有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００２１】
１０：スイッチングモジュール
１２：高電位配線
１４：低電位配線
１６：中間配線
３０ａ，３０ｂ：ゲート抵抗
３２ａ，３２ｂ：ゲート駆動回路
４０ａ，４０ｂ：ツェナーダイオード
４２ａ，４２ｂ：ダイオード
５０ａ，５０ｂ：寄生インダクタンス
【図１】
2018088772.tif 000003
【図２】
2018088772.tif 000004