(57)【要約】【課題】双方向スイッチモジュールおよびそれを用いたシステムの小型化を図る。【解決手段】双方向スイッチモジュールは、炭化珪素（ＳｉＣ）からなるＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ１１ａ，１１ｂおよび炭化珪素からなるＳｉＣダイオード１２ａ，１２ｂにより構成された双方向スイッチ部１０と、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ１１ａ，１１ｂまたはＳｉＣダイオード１２ａ，１２ｂに接続されたスナバダイオード２１ａ，２２ａ，２１ｂ，２２ｂにより構成されたスナバダイオード部２０とを備える。双方向スイッチ部１０およびスナバダイオード部２０は、双方向スイッチモジュールの１つのパッケージに収められている。【選択図】図１
2017183957.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化珪素からなる１つ以上のスイッチング素子および炭化珪素からなる１つ以上のダイオードから構成された双方向スイッチ部と、
前記スイッチング素子またはダイオードに接続された１つ以上のスナバダイオードとを備える
ことを特徴とする双方向スイッチモジュール。
【請求項２】
前記ダイオードは、前記スイッチング素子に内在するボディダイオードである
請求項１に記載の双方向スイッチモジュール。
【請求項３】
前記スイッチング素子のうちの少なくとも１つは、主端子を流れる電流に対して予め定められた比率のセンス電流が流れるセンス端子を有している
請求項１または請求項２に記載の双方向スイッチモジュール。
【請求項４】
前記スイッチング素子、前記ダイオード、前記スナバダイオード、それらに接続する配線および外部接続端子が、平面視で点対称なレイアウトになるように配置されている
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の双方向スイッチモジュール。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の双方向スイッチモジュールを複数個用いて構成されたマトリクスコンバータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マトリクスコンバータなどに用いられる双方向スイッチモジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
双方向スイッチは、端子間に流れる電流の向きを切り替えることができるデバイスであり、例えば、インバータよりも効率の高い動作が期待されるマトリクスコンバータに必須のデバイスとして知られている（例えば特許文献１〜３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−１６５５３９号公報
【特許文献２】特開２０１３−１３２２４号公報
【特許文献３】特開２０１０−１１２５８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の双方向スイッチモジュールは、主にシリコン製のＩＧＢＴ（Ｓｉ−ＩＧＢＴ）チップとダイオードチップとから構成されていた。双方向スイッチモジュールでは、双方向スイッチの動作中にＩＧＢＴおよびダイオードで発生する熱を放熱するために、各チップのサイズや放熱構造（各チップを搭載する銅ベース板やセラミック絶縁基板など）の面積を大きくする必要があった。特に、マトリクスコンバータでは、双方向スイッチが９個使用されるため、双方向スイッチモジュールの小型化が望まれている。また、マトリクスコンバータのシステムの小型化を考慮すると、従来、双方向スイッチモジュールに外付けしていたスナバダイオードや入出力フィルタも含めた面積の縮小が課題となる。
【０００５】
本発明は以上のような課題を解決するためになされたものであり、双方向スイッチモジュールおよびそれを用いたシステムの小型化に寄与することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る双方向スイッチモジュールは、炭化珪素からなる１つ以上のスイッチング素子および炭化珪素からなる１つ以上のダイオードから構成された双方向スイッチ部と、前記スイッチング素子またはダイオードに接続された１つ以上のスナバダイオードとを備えるものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、双方向スイッチ部がＳｉＣ素子で構成されているため、その小型化が可能である。またそれにより、スナバダイオード部を双方向スイッチ部と同じパッケージに収めることが可能となり、双方向スイッチ部とスナバダイオード部とがワンパッケージ化された双方向スイッチモジュールを実現できる。また、マトリクスコンバータ等のシステムに用いるとき、スナバダイオードを外付けする必要がないため、システムの小型化にも寄与できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施の形態１に係る双方向スイッチモジュールの回路図である。
【図２】双方向スイッチ部の構成例を示す図である。
【図３】スナバダイオード部の構成例を示す図である。
【図４】スナバダイオード部の構成例を示す図である。
【図５】スナバダイオード部の構成例を示す図である。
【図６】センス端子付きのスイッチング素子を示す図である。
【図７】実施の形態２に係る双方向スイッチモジュールの回路図である。
【図８】実施の形態３に係る双方向スイッチモジュールの内部レイアウトを示す図である。
【図９】電流経路のインダクタンスに差に起因する問題を説明するための図である。
【図１０】双方向スイッチモジュールを用いたマトリクスコンバータの例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
＜実施の形態１＞
図１は、本発明の実施の形態１に係る双方向スイッチモジュールの回路図である。図１のように、当該双方向スイッチモジュールは、双方向スイッチ部１０とスナバダイオード部２０とを備えている。すなわち、双方向スイッチ部１０およびスナバダイオード部２０が１つのパッケージに収められて、双方向スイッチモジュールを構成している。図１では、回路の対称性を分かり易くするために、スナバダイオード部２０を２つに分けて記載している。また、太い点線および破線の矢印は、電流が流れる方向を示している。
【００１０】
図１のように、双方向スイッチ部１０は、炭化珪素（ＳｉＣ）からなるスイッチング素子としてのＭＯＳＦＥＴ（以下「ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ」）１１ａ，１１ｂと、ＳｉＣからなるダイオード（以下「ＳｉＣダイオード」）１２ａ，１２ｂとから構成されている。具体的には、双方向スイッチ部１０は、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ１１ａとそれに順方向で接続したＳｉＣダイオード１２ａとからなる第１の直列回路と、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ１１ｂとそれに順方向で接続したＳｉＣダイオード１２ｂとからなる第２の直列回路とが、Ｕ端子とＲ端子との間で、互いに反対向きに並列に接続された構成となっている。ここでは、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ１１ａのソースとＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ１１ｂのソースとを接続した構成（ソースコモン）としている。
【００１１】
図１において、端子Ｇ１，Ｓ１，Ｄｓ１は、それぞれＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ１１ａのゲート信号端子、ソース信号端子、ドレイン電圧モニタ用端子である。また、端子Ｇ２，Ｓ２，Ｄｓ２は、それぞれＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ１１ｂのゲート信号端子、ソース信号端子、ドレイン電圧モニタ用端子である。
【００１２】
ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ１１ａおよびＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ１１ｂは、大容量化（大電流化）を図るために、並列接続した複数のＭＯＳＦＥＴチップから構成されていてもよい。同様に、ＳｉＣダイオード１２ａおよびＳｉＣダイオード１２ｂも、並列接続した複数のダイオードチップから構成されていてもよい。また、ここでは、双方向スイッチ部１０を構成するスイッチング素子を、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴとしたが、ＳｉＣからなるＩＧＢＴ（ＳｉＣ−ＩＧＢＴ）を用いてもよい。また、本実施の形態では、ＳｉＣダイオード１２ａ，１２ｂは、ショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）とした。
【００１３】
スナバダイオード部２０は、４つのスナバダイオード２１ａ，２２ａ，２１ｂ，２２ｂを備えている。スナバダイオード２１ａは、アノードがＳｉＣダイオード１２ａのカソード（ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ１１ｂのドレインおよびＲ端子）に接続されている。スナバダイオード２２ａは、カソードがＳｉＣダイオード１２ａのアノード（ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ１１ａ，１１ｂのソースおよびＳｉＣダイオード１２ｂのアノード）に接続されている。スナバダイオード２１ｂは、アノードがＳｉＣダイオード１２ｂのカソード（ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ１１ａのドレインおよびＵ端子）に接続されている。スナバダイオード２２ｂは、カソードがＳｉＣダイオード１２ｂのアノード（ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ１１ａ，１１ｂのソースおよびＳｉＣダイオード１２ａのアノード）に接続されている。
【００１４】
スナバダイオード部２０のスナバダイオード２１ａ，２２ａ，２１ｂ，２２ｂは、ＳｉＣからなるものでもよいし、Ｓｉからなるものでもよい。ＳｉＣの場合はショットキーバリアダイオード、Ｓｉの場合はＰｉＮダイオードが用いられる。
【００１５】
双方向スイッチモジュールは、以上の双方向スイッチ部１０およびスナバダイオード部２０が１つのパッケージに収められて構成されている。
【００１６】
ＳｉＣは絶縁破壊電界強度がＳｉよりも高い（約１０倍）という特徴を持つ。そのため、ＳｉＣ素子は、高電流密度化が可能であり、それによって回路の集積化および小型化を図ることができる。本実施の形態では、双方向スイッチ部１０をＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ１１ａ，１１ｂおよびＳｉＣダイオード１２ａ，１２ｂで構成することで、双方向スイッチ部１０を小型化している。また、双方向スイッチ部１０の小型化により、スナバダイオード部２０を双方向スイッチ部１０と同じパッケージに収めることが可能となる。つまり、本実施の形態のように、双方向スイッチ部１０とスナバダイオード部２０とがワンパッケージ化された双方向スイッチモジュールを実現することができる。スナバダイオードを外付けする必要がなくなるため、マトリクスコンバータ等のシステムの小型化にも寄与できる。
【００１７】
また、ＳｉＣ素子はスイッチング損失が少ないという特徴もある。そのため、本実施の形態では、スイッチング損失の少ない双方向スイッチモジュールを実現でき、マトリクスコンバータ等のシステムの効率を改善することができる。
【００１８】
なお、双方向スイッチ部１０の構成は、図１に示したものに限られない。図２に、双方向スイッチ部の構成例を示す。図１では、図２（ａ）のように、２つのＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴのソースと共通にした構成（ソースコモン）としたが、図２（ｂ）のように、２つのＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴのソース間を接続しない構成（ソースオープン）としてもよい。図２（ａ）の構成では、ＳｉＣダイオードにＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴが並列接続することになるため、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴをオンさせることによって、電流がＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴとＳｉＣダイオードに分流するため、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴをオンさせない場合と比べて、ＳｉＣダイオードの順方向電圧降下（ＶＦ）を低減させることができる。
【００１９】
また、双方向スイッチ部１０は、図２（ｃ）のように、１つのＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴと４つのＳｉＣダイオードを用いて構成することもできる。図２（ｃ）の双方向スイッチ部１０は、アノード同士が接続した２つのダイオードからなる第１の直列回路と、カソード同士が接続した２つのダイオードからなる第２の直列回路とが並列に接続され、さらに、第１の直列回路の中間ノードと、第２の直列回路の中間ノードとの間にＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴが接続させることで構成されている。
【００２０】
さらに、図１の双方向スイッチ部１０において、ＳｉＣダイオード１２ａをＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ１１ｂのボディダイオード（内蔵ＰＮダイオード）で構成し、ＳｉＣダイオード１２ｂをＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ１１ａのボディダイオードで構成してもよい。その場合、図２（ｄ）または図２（ｅ）のように、２つのＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴのみ（ボディダイオードは不図示）で双方向スイッチ部１０を構成することができる。
【００２１】
また、スナバダイオード部２０におけるスナバダイオードの数も、図１に示したものに限られない。例えば、図３のように、スナバダイオード２１ａ，２１ｂを省略してもよいし、図４のようにスナバダイオード２２ａ，２２ｂを省略してもよい。また、図５のように、スナバダイオード２２ａ，２２ｂのうちの片方を省略してもよい（言い換えれば、スナバダイオード２２ａ，２２ｂを１つのダイオードとして統合してもよい）。
【００２２】
＜実施の形態２＞
ＭＯＳＦＥＴとしては、図６（ａ）に示すように、主端子間（ソース端子（Ｓ）とドレイン端子（Ｄ）との間）を流れる電流に対して予め定められた比率のセンス電流が流れるセンス端子（ＳＳ）を有するものがある。例えば、センス端子に抵抗素子を接続し、その抵抗素子に生じる電圧を検出することで、ＭＯＳＦＥＴに流れる電流を検出できる。一般的なＭＯＳＦＥＴチップでは、図６（ｂ）のように、センス端子（センスパッド）は、ソース端子（ソースパッド）と共に、ＭＯＳＦＥＴチップの上面側に設けられている。
【００２３】
実施の形態２では、図７のように、双方向スイッチ部１０のＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ１１ａ，１１ｂとして、センス端子を有するものを使用する。ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ１１ａ，１１ｂの各センス端子（図７の電流センス信号出力端子Ｒ１，Ｒ２）に、短絡保護回路（ＲＴＣ回路など）を接続させることで、短絡電流などの大電流に起因する双方向スイッチモジュールの破壊を防止することができる。
【００２４】
なお、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ１１ａおよびＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ１１ｂが、並列接続した複数のＭＯＳＦＥＴチップから構成されている場合、それらの全てがセンス端子を持つ必要はない。すなわち、並列接続した複数のＭＯＳＦＥＴチップのうちの少なくとも１つがセンス端子を有していればよく、電流検出の機能を果たすことができる。
【００２５】
＜実施の形態３＞
実施の形態３では、本発明に係る双方向スイッチモジュールの回路の好ましいレイアウトを示す。図８は、そのレイアウトを示す図であり、図７の回路構成を有する双方向スイッチモジュールの平面図である。図８においては、図７の回路図に示した要素と同様の要素には、それと同一の符号を付してある。
【００２６】
図８に示すように、実施の形態３に係る双方向スイッチモジュールの回路のレイアウトは、点対称（１８０度回転しても同じとなる）になっている。すなわち、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ１１ａ、ＳｉＣダイオード１２ａ、スナバダイオード２１ａ，２２ａ、それらに接続する配線および外部接続端子のレイアウトと、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ１１ｂ、ＳｉＣダイオード１２ｂ、スナバダイオード２１ｂ，２２ｂ、それらに接続する配線および外部接続端子のレイアウトとが、互いに点対称となっている。このようにレイアウトを点対称にすることで、対になる各素子（チップ）から外部接続端子までの配線のインダクタンスや抵抗成分を互いに同等にできる。
【００２７】
ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどのスイッチング素子を含む回路では、各スイッチング素子がターンオンまたはターンオフする際の電流変化（ｄｉ／ｄｔ）と、その電流の経路のインダクタンス（Ｌｓ）に応じたサージ電圧（Ｖ＝Ｌｓ×ｄｉ／ｄｔ）が発生する。このサージ電圧が各チップの耐圧を超えると、チップの破壊を引き起こす。サージ電圧による過電圧破壊を防止するためには、ｄｉ／ｄｔあるいはインダクタンスを低減させる必要がある。ただし、ｄｉ／ｄｔを低減させることは、スイッチング素子のスイッチング速度を遅くしてスイッチング損失を増加させることになるため、インダクタンスを低減させることが有効である。
【００２８】
ここで、図１のような対称性を有する回路を実現する際に、対になる回路間で配線の長さ、厚み、配置等に違いがあると、図９のように、双方向スイッチ部１０を構成する一対の回路でインダクタンスに差が生じる。その場合、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ１１ａ，１１ｂでスイッチング速度を揃えようとすると、インダクタンスが大きい方の回路に律速される形で、スイッチング速度の早い方のＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴのゲート抵抗などを調整してスイッチング速度を遅くする（ｄｉ／ｄｔを小さくする）必要があり、結果としてスイッチング損失の増加を招く。それに対し、図８のように回路のレイアウトを点対称にすると、対になる回路のインダクタンスが互いに同等になるため、そのような調整が不要となり、スイッチング損失の増加を抑えることができる。また、双方向スイッチモジュールがパッケージ内にスナバダイオード部２０を含むため、スナバダイオードを外付けする場合に比べて、スナバダイオードを含む点対称な回路を容易に実現できる。
【００２９】
双方向スイッチモジュールの回路のレイアウトを点対称にすることで得られる上記の効果は、双方向スイッチ部を有するモジュールであれば、各素子の材料や構造を問わず得られる。例えば、双方向スイッチ部がＳｉからなるスイッチング素子およびダイオードで構成されているものや、スナバダイオード部を内蔵しない構成の双方向スイッチモジュールにおいても、上記の効果は得られる。
【００３０】
なお、図８においては、チップ間の接続をワイヤステッチで直接行うのではなく、配線パターンを通して行うことで、チップの発熱がワイヤを通じて配線パターンに放熱されるので、チップ間の熱干渉の防止を図ることができる。
【００３１】
＜実施の形態４＞
図１０は、マトリクスコンバータの構成例を示す図である。図１０のように、マトリクスコンバータは、９個の双方向スイッチ１０１から構成されるスイッチ部１００と、キャパシタからなる入力フィルタ１１０と、リアクトルからなる出力フィルタ１２０とから構成される。実施の形態４では、各双方向スイッチ１０１に、本発明に係る双方向スイッチモジュールを使用する。実施の形態１〜３のいずれの双方向スイッチモジュールも、双方向スイッチ１０１に適用可能である。
【００３２】
実施の形態１で説明したように、本発明の双方向スイッチモジュールは小型化が可能である。マトリクスコンバータは９個もの双方向スイッチ１０１を必要とするため、それらを本発明の双方向スイッチモジュールにすることによって、システムの小型化に大きく貢献できる。
【００３３】
また、本発明の双方向スイッチモジュールは、双方向スイッチ部１０がＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ１１ａ，１１ｂおよびＳｉＣダイオード１２ａ，１２ｂで構成されているため、Ｓｉを用いて構成した従来の双方向スイッチモジュールに比べて、スイッチング損失が小さい。そのため、キャリア周波数を高く設定することが可能であり、出力フィルタ１２０のリアクトルのサイズを小さくでる。それにより、マトリクスコンバータのシステムの小型化にさらに寄与できる。
【００３４】
本発明の双方向スイッチモジュールは、マトリクスコンバータへの適用に限られず、双方向スイッチを用いるシステムに広く適用可能である。例えば、３レベルインバータのＡＣスイッチ部などにも適用可能である。
【００３５】
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
【符号の説明】
【００３６】
１０  双方向スイッチ部、２０  スナバダイオード部、１１ａ，１１ｂ  ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ、１２ａ，１２ｂ  ＳｉＣダイオード、２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂ  スナバダイオード、１００  スイッチ部、１０１  双方向スイッチ、１１０  入力フィルタ、１２０  出力フィルタ。
【図１】
2017183957.tif 000003
【図２】
2017183957.tif 000004
【図３】
2017183957.tif 000005
【図４】
2017183957.tif 000006
【図５】
2017183957.tif 000007
【図６】
2017183957.tif 000008
【図７】
2017183957.tif 000009
【図８】
2017183957.tif 000010
【図９】
2017183957.tif 000011
【図１０】
2017183957.tif 000012