(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
サイリスタ素子が作り込まれた半導体基板と、
前記半導体基板を挟むように配置された一組の主電極と、
前記半導体基板および前記一組の主電極の周囲を包囲する絶縁筒と、
前記サイリスタ素子のゲート電極に電気的に接続されるとともに前記絶縁筒の外周にリング状に張り出しているゲート端子板と、を有するゲート転流型ターンオフサイリスタと、
前記ゲート端子板にゲート電流を供給するための回路部と、
絶縁板と当該絶縁板の第１および第２主面にそれぞれ配設され前記回路部と電気的に接続される第１および第２導電層とを含む接続基板と、を有する駆動回路と、
前記一組の主電極の中の一方主電極に電気的に接続される導電性の主電極板と、
前記ゲート端子板を前記第１導電層に当接させるとともに、前記主電極板を前記第２導電層に当接させた状態で、前記ゲート端子板と前記主電極板とを挟むように配設される一組のリングと、
前記一組のリングを互いに締結するネジと、
前記ゲート端子板と当該ゲート端子板に接触する前記一組のリングの中の一方リング、または、前記主電極板と当該主電極板に接触する前記一組のリングの中の他方リングから、前記ネジを電気的に絶縁する絶縁体と、を備え、
前記一組のリングの平面形状は、リング状の前記ゲート端子板の端縁部と合致する大きさ、形状を有するように構成されるゲート転流型ターンオフサイリスタモジュール。
【請求項２】
前記絶縁体が、一端に前記ネジの頭部が当接するフランジを有し、前記ゲート端子板と前記一方リング、または、前記主電極板と前記他方リングを貫通するとともに、前記ネジを貫通させる筒体である、請求項１に記載のゲート転流型ターンオフサイリスタモジュール。
【請求項３】
前記筒体が、前記第１および第２導電層をも貫通する、請求項２に記載のゲート転流型ターンオフサイリスタモジュール。
【請求項４】
前記主電極板の材料が非磁性体である、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のゲート転流型ターンオフサイリスタモジュール。
【請求項５】
前記一方リングに覆われる前記ゲート端子板の環状の領域の中で、前記ネジが貫通する部分以外の部位において、切欠部が形成されている、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のゲート転流型ターンオフサイリスタモジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ゲート転流型ターンオフサイリスタモジュールに関し、特に、ゲート電流の経路の電気抵抗成分およびインダクタンス成分を低減するとともに、組み立てを容易化するための改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ゲートターンオフサイリスタ（以後、ＧＴＯサイリスタと称する）は、大容量パワーエレクトロニクスへの応用に適したデバイスとして幅広く利用されてきた。しかしながら、ＧＴＯサイリスタは、スナバ回路を必要とし、その動作電圧の増加に伴うスナバ損失の増加を抑制することが困難であるという問題点があった。これに代わる装置として開発されたゲート転流型ターンオフサイリスタ（以後、ＧＣＴサイリスタと称する）は、スナバ回路なしでの動作が可能であり、スナバ損失を解消し得るという利点を有している。
【０００３】
ＧＣＴサイリスタは、ゲート逆電流の上昇率をＧＴＯサイリスタの１００倍程度にまで高め、主電流をすべてゲート回路に流して（すなわち、転流して）ターンオフ動作を行うタイプのサイリスタである。この動作を可能にするために、ＧＣＴサイリスタとその駆動装置とが組み込まれて成るＧＣＴサイリスタモジュールでは、ＧＣＴサイリスタと駆動装置とは、ＧＣＴサイリスタにリング状に設けられたゲート端子板を通じて、互いに接続されている。
【０００４】
図９は本発明の背景となる従来のＧＣＴサイリスタの部分断面側面図である。図９が示すように、ＧＣＴサイリスタ９０には、半導体基板２８が備わっている。この半導体基板２８には、互いに並列に接続された複数（例えば数千個）のセグメントと称される微小なサイリスタ素子（図示を略する）が、複数段（例えば８段）にわたって同心円状に配列されている。各サイリスタ素子は、ゲート電流によってターンオンおよびターンオフが可能である。そして、半導体基板２８の下主面には、各セグメントに対応した位置に各カソード電極２９ｂが形成されており、下主面の外周部近傍にはゲート電極２９ａが形成されている。
【０００５】
カソード電極２９ｂの下方には、カソード歪緩衝板３０およびカソードポスト電極（主電極）３１が、順に配設されている。一方、半導体基板２８の上主面に形成されている図示しないアノード電極の上方には、アノード歪緩衝板３２およびアノードポスト電極（主電極）３３が、順に配設されている。
【０００６】
さらに、ゲート電極２９ａに接するようにリング状ゲート電極３４が配設されており、リング状金属板として構成されるゲート端子板１が、その内周端縁面においてリング状ゲート電極３４と摺動可能に接触するように、配設されている。ゲート端子板１およびリング状ゲート電極３４は、リング状の弾性体３５によって、ゲート電極２９ａへ押圧されている。弾性体３５は、リング状の皿バネあるいは波バネの形態を有しており、リング状絶縁体３６を介してゲート端子板１を押圧する。
【０００７】
カソード歪緩衝板３０およびカソードポスト電極３１の壁面に沿って、シート状の絶縁体３７が配設されている。絶縁体３７は、リング状ゲート電極３４を、カソード歪緩衝板３０およびカソードポスト電極３１から絶縁する役割を果たす。
【０００８】
カソードポスト電極３１の端縁部にはカソードフランジ２６が固着されており、アノードポスト電極３３にはアノードフランジ４０が固着されている。カソードフランジ２６とアノードフランジ４０との間には、ＧＣＴサイリスタ９０の主要部を包囲するように、セラミック等の絶縁物で構成された絶縁筒２が配設されている。絶縁筒２は、ゲート端子板１を挟んで上下に分割されており、さらに、沿面距離を長くするために突起部４２を有している。ゲート端子板１は、その外周部分が絶縁筒２の側面から外部にリング状に突出することにより、外部との接続を可能にしている。絶縁筒２はゲート端子板１の上面および下面に密着して固定されている。
【０００９】
絶縁筒２の下端面には、リング状の接続板４３ａが固着されており、この接続板４３ａは、さらに、リング状のカソードフランジ２６に固着されている。同様に、絶縁筒２の上端面には、リング状の接続板４３ｂが固着されており、この接続板４３ｂは、さらに、リング状のアノードフランジ４０に固着されている。このように、ＧＣＴサイリスタ９０は、半導体基板２８を収納し外部と気密に保持される収納室を内部に規定するパッケージ構造を成している。収納室の中の大気は、不活性ガスで置換されている。
【００１０】
ゲート端子板１の端縁部には、取り付け穴２１が所定の間隔で複数個設けられている。図示を略するが、ＧＣＴサイリスタ９０の外観は円盤形状であり、下面から視ると、カソードポスト電極３１、カソードフランジ２６、ゲート端子板１が順に同心円状に配列している。また上面から見ると、アノードポスト電極３３、アノードフランジ４０、および、ゲート端子板１が、順に同心円状に配列している。
【００１１】
図１０は、ＧＣＴサイリスタ９０と接続される駆動装置の平面図である。この駆動装置は、回路部であるゲートドライバ１５および接続基板７０を備えている。接続基板７０は、ゲートドライバ１５に属する回路基板（図示を略する）がゲートドライバ１５の側方外部へ延長された部分であり、配線パターン（図示を略する）を有しており、ゲートドライバ１５とＧＣＴサイリスタ９０とを電気的に中継する役割を果たす。
【００１２】
接続基板７０には、ＧＣＴサイリスタ９０を挿入するための開口部であるサイリスタ挿入部７１が形成されており、その周囲には、ＧＣＴサイリスタ９０のゲート端子板１を固定するためのネジを貫通させるための複数の貫通孔２１Ａが形成されている。ＧＣＴサイリスタ９０は、サイリスタ挿入部７１にカソードポスト電極３１が下側になるように挿入され、ネジによって接続基板７０へ固定される。それによって、ＧＣＴサイリスタモジュールが完成する。
【００１３】
図１１は、ＧＣＴサイリスタ９０が接続基板７０へ固定されることにより、ＧＣＴサイリスタモジュールが組み立てられた後におけるサイリスタ挿入部７１の周囲の一部を拡大して示す部分拡大平面図である。また、図１２は、図１１のＡ−Ａ接断線に沿った断面図であり、図１３は、Ｂ−Ｂ切断線に沿った断面図である。
【００１４】
図１１〜図１３が示すように、ＧＣＴサイリスタ９０は、２種類のネジ８Ａ，８Ｂ、３種類の金属リング７Ａ，７Ｂ，７Ｃ、および、金属のカソード電極板（主電極板）１０を介して、接続基板７０へ固定されている。金属リング７Ａ，７Ｂ，７Ｃ、および、カソード電極板１０は、いずれも、電気良導性である。
【００１５】
ロウ付け２ａによって絶縁筒２へ固着されているゲート端子板１は、上部の金属リング７Ａと中間の金属リング７Ｂとによって挟み込まれ、ネジ８Ｂによって固定されている。カソードポスト電極３１の下主面に当接するカソード電極板１０と接続基板７０は、中間の金属リング７Ｂと下部の金属リング７Ｃとによって挟み込まれ、ネジ８Ａによって固定されている。これによって、ＧＣＴサイリスタ９０と接続基板７０とが互いに固定される。
【００１６】
接続基板７０は、絶縁板４、絶縁板４の上主面に形成された第１メタライズ層（第１導電層）５、および、絶縁板４の下主面に形成された第２メタライズ層（第２導電層）６を有している。また、ネジ８Ａと金属リング７Ｂとの間には、絶縁体９が介在している。したがって、ゲート端子板１は金属リング７Ｂを通じて第１メタライズ層５へ電気的に接続され、カソードポスト電極３１は、カソード電極板１０を通じて第２メタライズ層６へ電気的に接続される。
【００１７】
ＧＣＴサイリスタモジュールは、図示しない一対の外部主電極によって、カソードポスト電極３１（直接には、カソード電極板１０）およびアノードポスト電極３３が挟み込まれ、さらに押圧された状態で、使用に供される。すなわち、ＧＣＴサイリスタ９０は、圧接型半導体装置の一種である。
【００１８】
ＧＣＴサイリスタ９０をターンオンさせるときには、ゲートドライバ１５は、ゲート電極２９ａ（図９）からカソード電極２９ｂへ向かって電流が流れるように、第１メタライズ層５からゲート端子板１へと電流を流す。このときのゲート電流の上昇率は、通常において１００Ａ／μｓ以上である。
【００１９】
一方、ＧＣＴサイリスタ９０をターンオフさせるときには、ゲートドライバ１５は、ゲート逆電流の上昇率を高めることにより、アノードポスト電極３３からカソードポスト電極３１へ流れる主電流の全てを、ゲート逆電流として、ゲート端子板１を通じてゲートドライバ１５へと転流させる。ゲート逆電流の上昇率は、通常において数千Ａ／μｓ程度であり、それによって、ＧＣＴサイリスタ９０の数千Ａもの主電流が、約１μｓの短時間でゲート端子板１へと転流する。
【００２０】
図９〜図１３に示したＧＣＴサイリスタモジュールでは、ゲート端子板１がリング状に形成され、ゲート端子板１と駆動装置との間の接触面積が大きく確保されるので、ゲート電流（ゲート逆電流を含む）の経路の抵抗成分およびインダクタンス成分が低く抑えられる。それによって、上記したターンオフ動作が達成されている。
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のＧＣＴサイリスタモジュールでは、ゲート端子板１と第１メタライズ層５との間に金属リング７Ｂが介在しているために、その分、ゲート電流の経路の抵抗成分およびインダクタンス成分が高く、主電流がさらに大きいＧＣＴサイリスタを駆動する上では、障害となっていた。さらに、金属リング７Ｂが介在するために、駆動装置の部品数が多く、ＧＣＴサイリスタモジュールの組み立てに、時間を要するという問題点があった。
【００２２】
本発明は、従来の技術における上記した問題点を解消するためになされたもので、ゲート電流の経路の抵抗成分およびインダクタンス成分を低減するとともに、組み立てを容易化し得るＧＣＴサイリスタモジュールを提供することを目的とする。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
第１の発明のモジュールは、ゲート転流型ターンオフサイリスタモジュールであって、サイリスタ素子が作り込まれた半導体基板と、前記半導体基板を挟むように配置された一組の主電極と、前記半導体基板および前記一組の主電極の周囲を包囲する絶縁筒と、前記サイリスタ素子のゲート電極に電気的に接続されるとともに前記絶縁筒の外周にリング状に張り出しているゲート端子板と、を有するゲート転流型ターンオフサイリスタと、前記ゲート端子板にゲート電流を供給するための回路部と、絶縁板と当該絶縁板の第１および第２主面にそれぞれ配設され前記回路部と電気的に接続される第１および第２導電層とを含む接続基板と、を有する駆動回路と、前記一組の主電極の中の一方主電極に電気的に接続される導電性の主電極板と、前記ゲート端子板を前記第１導電層に当接させるとともに、前記主電極板を前記第２導電層に当接させた状態で、前記ゲート端子板と前記主電極板とを挟むように配設される一組のリングと、前記一組のリングを互いに締結するネジと、前記ゲート端子板と当該ゲート端子板に接触する前記一組のリングの中の一方リング、または、前記主電極板と当該主電極板に接触する前記一組のリングの中の他方リングから、前記ネジを電気的に絶縁する絶縁体と、を備え、前記一組のリングの平面形状は、リング状の前記ゲート端子板の端縁部と合致する大きさ、形状を有するように構成される。
【００２４】
第２の発明のモジュールでは、第１の発明のゲート転流型ターンオフサイリスタモジュールにおいて、前記絶縁体が、一端に前記ネジの頭部が当接するフランジを有し、前記ゲート端子板と前記一方リング、または、前記主電極板と前記他方リングを貫通するとともに、前記ネジを貫通させる筒体である。
【００２５】
第３の発明のモジュールでは、第２の発明のゲート転流型ターンオフサイリスタモジュールにおいて、前記筒体が、前記第１および第２導電層をも貫通する。
【００２６】
第４の発明のモジュールでは、第１ないし第３のいずれかの発明のゲート転流型ターンオフサイリスタモジュールにおいて、前記主電極板の材料が非磁性体である。
【００２７】
第５の発明のモジュールでは、第１ないし第４のいずれかの発明のゲート転流型ターンオフサイリスタモジュールにおいて、前記一方リングに覆われる前記ゲート端子板の環状の領域の中で、前記ネジが貫通する部分以外の部位に、切欠部が形成されている。
【００２８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態によるＧＣＴサイリスタモジュールは、中間の金属リング７Ｂを除去し、ゲート端子板１と第１メタライズ層５とが直接に接続されるように構成される点において、従来のＧＣＴサイリスタモジュールとは、特徴的に異なる。なお、以下の図において、図９〜図１３に示したＧＣＴサイリスタモジュールと同一部分、ないし、同等の機能を果たす対応部分には、同一の符号を付して、その詳細な説明を略する。
【００２９】
図１は、実施の形態によるＧＣＴサイリスタモジュールの構成要素としての駆動装置の平面図である。実施の形態による駆動装置は、図１０に示した従来の駆動装置と、基本構成において変わりはない。図１は、サイリスタ挿入部７１の周囲に、図１０よりも多くの貫通孔２１Ａが形成された例を示しているが、本発明のＧＣＴサイリスタモジュールは、この例に限定されるものではない。
【００３０】
実施の形態によるＧＣＴサイリスタモジュールの構成要素としてのＧＣＴサイリスタは、例えば、図９に描かれるＧＣＴサイリスタ９０と同一に構成される。以下では、ＧＣＴサイリスタとして、図９のＧＣＴサイリスタ９０を採用した例を取り上げるが、本発明のＧＣＴサイリスタモジュールは、この例に限定されるものではない。
【００３１】
図２は、ＧＣＴサイリスタ９０が接続基板７０へ固定されることにより、ＧＣＴサイリスタモジュールが組み立てられた後におけるサイリスタ挿入部７１の周囲の一部を拡大して示す部分拡大平面図である。図２のＣ−Ｃ接断線に沿った断面図を図３に示す。
【００３２】
図２および図３が示すように、ＧＣＴサイリスタ９０は、１種類のネジ８、２種類の金属リング７Ａ，７Ｃ、および、カソード電極板１０を介して、接続基板７０へ固定されている。金属リング７Ａ，７Ｃ、および、カソード電極板１０は、いずれも、電気良導性である。接続基板７０は、ゲート端子板１とカソード電極板１０とに挟まれ、さらに、ゲート端子板１とカソード電極板１０は、上部の金属リング７Ａと下部の金属リング７Ｃとによって挟まれている。そして、上部の金属リング７Ａと下部の金属リング７Ｃとは、取り付け穴２１および貫通孔２１Ａを貫通するネジ８によって締結されている。これによって、ＧＣＴサイリスタ９０と接続基板７０とが互いに固定される。ネジ８は金属で形成されている。
【００３３】
接続基板７０は、絶縁板４、絶縁板４の上主面に形成された第１メタライズ層５、および、絶縁板４の下主面に形成された第２メタライズ層６を有している。また、ネジ８と金属リング７Ａとの間、および、ネジ８とゲート端子板１との間には、絶縁体９が介在している。したがって、ゲート端子板１は第１メタライズ層５へ直接に電気的に接続され、カソード電極板１０は第２メタライズ層６へ直接に電気的に接続される。
【００３４】
このように、従来のＧＣＴサイリスタモジュールとは異なり、ゲート端子板１と第１メタライズ層５との間に、金属リング７Ｂが介在しないので、ゲート電流の経路の抵抗成分およびインダクタンス成分を低減することができる。また、金属リング７Ｂが除去されるのに加えて、二種類のネジ８Ａ，８Ｂを必要とせず、一種類のネジ８で足りるので、従来のＧＣＴサイリスタモジュールに比べて、組み立て工程がより容易である。
【００３５】
さらに、絶縁体９は、一端に鍔（フランジ）を有する円筒体として構成されているので、組み立て工程において、複雑な作業を要することなく、ネジ８と金属リング７Ａとの間、および、ネジ８とゲート端子板１との間を、確実に絶縁することが可能である。また、カソード電極板１０は、好ましくは、非磁性の金属で構成される。それによって、ＧＣＴサイリスタモジュールが高周波動作を行う際に、外部の回路が生成する磁界により局部的に電磁誘導を受け、それにより発熱するという現象を、抑制することが可能となる。
【００３６】
図４が示すように、絶縁体９は、フランジ付きの円筒体であって、しかも、第１メタライズ層５および第２メタライズ層６をも貫通するように形成されてもよい。それによって、第１および第２メタライズ層５，６と、ネジ８との間の絶縁性をも高めることが可能となる。
【００３７】
図３および図４は、ネジ８が、下方の金属リング７Ｃに螺合し、絶縁体９によって上部の金属リング７Ａおよびゲート端子板１と電気的に絶縁される例を示した。これに対して、図５または図６が示すように、ネジ８は金属リング７Ａに螺合し、絶縁体９によって下部の金属リング７Ａおよびカソード電極板１０と電気的に絶縁されてもよい。図５の例では、絶縁体９は、フランジ付きの円筒体として形成され、下部の金属リング７Ｃ、および、カソード電極板１０を貫通しており、図６の例では、下部の金属リング７Ｃから第１メタライズ層５までを貫通している。
【００３８】
さらに、図７および図８が示すように、ゲート端子板１の外周に沿って、選択的に切欠部１１を形成することも可能である。この形態では、駆動装置の平面図は、図１に替えて、図１０と同等に描かれてもよい。図７は、ゲート端子板１に切欠部１１を有するＧＣＴサイリスタモジュールについて、サイリスタ挿入部７１の周囲の一部を拡大して示す部分拡大平面図である。図７のＣ−Ｃ接断線に沿った断面図は、図３と同一に描かれ、Ｄ−Ｄ切断線に沿った断面図は、図８で表される。
【００３９】
図７および図８が示すように、切欠部１１を、ネジ８が貫通する取り付け穴２１の部位を避けて形成することにより、ゲート端子板１と第１メタライズ層５との間の電気的接触を妨げることなく、ゲート端子板１の材料を節減することができる。ネジ８が貫通する取り付け穴２１から離れた部位では、ネジ８の締結力に由来してゲート端子板１と第１メタライズ層５との間に作用する押圧力は、比較的弱いので、この部位に切欠部１１を形成しても、ゲート電流の経路における抵抗成分およびインダクタンス成分への影響は、比較的緩やかである。
【００４０】
【発明の効果】
第１の発明のモジュールでは、ゲート端子板と第１導電層との間にリングが介在せず、それらが直接に接続されるので、ゲート電流の経路における抵抗成分およびインダクタンス成分が低減される。それにより、より大きな主電流を転流させることが可能となる。また、部品数が節減されるので、組み立てが容易化されるとともに、組み立てコストが節減される。
【００４１】
第２の発明のモジュールでは、絶縁体がフランジを有する筒体であるので、ゲート端子板または主電極板等と、ネジとの間の絶縁が、組み立て工程において、複雑な作業を要することなく、確実に達成される。
【００４２】
第３の発明のモジュールでは、絶縁体としての筒体が第１および第２導電層をも貫通するので、第１および第２導電層とネジとの間の絶縁性が高められる。
【００４３】
第４の発明のモジュールでは、主電極板の材料が非磁性体であるので、高周波動作にともなう発熱を抑えることができる。
【００４４】
第５の発明のモジュールでは、ゲート端子板のネジが貫通する部分以外の部位、すなわち、ゲート端子板と第１導電層との間に作用する押圧力が比較的弱い部位に、切欠部が形成されているので、ゲート電流の経路における抵抗成分およびインダクタンス成分に大きな影響を与えることなく、ゲート端子板の材料を節減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  実施の形態の駆動装置の平面図である。
【図２】  実施の形態のモジュールの部分平面図である。
【図３】  実施の形態のモジュールの部分断面側面図である。
【図４】  実施の形態のモジュールの別の例の部分断面側面図である。
【図５】  実施の形態のモジュールのさらに別の例の部分断面側面図である。
【図６】  実施の形態のモジュールのさらに別の例の部分断面側面図である。
【図７】  実施の形態のモジュールのさらに別の例の部分平面図である。
【図８】  図７のモジュールの部分断面側面図である。
【図９】  従来のＧＣＴサイリスタの部分断面側面図である。
【図１０】  従来の駆動装置の平面図である。
【図１１】  従来のモジュールの部分平面図である。
【図１２】  従来のモジュールの部分断面側面図である。
【図１３】  従来のモジュールの部分断面側面図である。
【符号の説明】
１  ゲート端子板、２  絶縁筒、４  絶縁板、５  第１メタライズ層（第１導電層）、６  第２メタライズ層（第２導電層）、７Ａ  金属リング（リング）、７Ｃ  金属リング（リング）、８  ネジ、９  絶縁体、１０  カソード電極板（主電極板）、１１  切欠部、１５  ゲートドライバ（回路部）、２８  半導体基板、３１  カソードポスト電極（主電極）、３３  アノードポスト電極（主電極）、７０  接続基板、９０  ゲート転流型ターンオフサイリスタ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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