(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体スイッチング素子を駆動する駆動回路と、
前記駆動回路に対して駆動指令を入力する入力回路と、
第一の基板上に配置され、前記駆動指令を入力回路から前記駆動回路へ伝達する絶縁伝達回路と、
前記第一の基板とは異なる第二の基板上に配置され、前記駆動回路と入力回路とに電力を供給する電源回路と、
を含み、
前記絶縁伝達回路は、前記入力回路と前記駆動回路との間に配され、
前記第二の基板上に配置された前記電源回路は、前記絶縁伝達回路が配置されている部分の上方に予め規定された間隔閾値より広い間隔をおいて配置されていることを特徴とする半導体素子の駆動装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体素子の駆動装置であって、
前記駆動回路と、前記入力回路とは第一の基板に配置され、
前記第二の基板には、前記電源回路が供給する電源から、交流成分を除去する整流回路をさらに設けたことを特徴とする半導体素子の駆動装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の半導体素子の駆動装置であって、
前記駆動回路が、前記第一の基板上に複数設けられることを特徴とする半導体素子の駆動装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体素子の駆動装置であって、
前記半導体スイッチング素子は、ＩＧＢＴであることを特徴とする半導体素子の駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子の駆動装置に係り、特にそれを利用する装置内での実装の容易化に関する。
【背景技術】
【０００２】
高速にスイッチングが可能で、かつ大電力を制御できるＩＧＢＴ（Insulated Bipolar Transistor：絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）が、近年、家電用の小容量インバータから鉄道等で用いられる大容量のインバータまで、幅広く利用されている。
【０００３】
このＩＧＢＴを駆動する回路（ゲートドライバ）は、ＩＧＢＴのエミッタ電圧を基準電位として動作する。すなわち、インバータの上アームにおけるＩＧＢＴのエミッタ電圧は、上下アームの動作状態によって、接地電位近傍（≒０Ｖ）から、高圧側の電源電位まで変化し得る。このため、ゲートドライバをインバータの上アームに使う場合、接地電位から絶縁しておく必要がある。
【０００４】
そこで従来のゲートドライバでは、駆動指令等の信号についてはフォトカプラなどを用いて絶縁して、上アームのゲートドライバに入力することとしており、また電源は、絶縁トランスを用いて伝達することとしている。
【特許文献１】特開２００６−１０９６８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来のゲートドライバを基板上に実装する場合、各アーム毎に絶縁トランスを設ける必要があって、その設置面積が大きくなってしまうため、駆動装置を含む装置全体の中で、駆動装置の配置に自由度が低く、駆動装置を利用する装置内での実装が困難となっている場合がある。
【０００６】
また、絶縁トランスやフォトカプラ等、各絶縁のための回路のそれぞれを搭載するための絶縁スペースが必須であり、この絶縁のためのスペースを置くために、ゲートドライバのサイズはさらに大きくなっているのが現状である。
【０００７】
本発明は、上記実情に鑑みて為されたもので、それを利用する装置内での実装を容易にできる半導体素子の駆動装置を提供することを、その目的の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記従来例の問題点を解決するための本発明は、半導体素子の駆動装置であって、半導体スイッチング素子を駆動する駆動回路と、前記駆動回路に対して駆動指令を入力する入力回路と、第一の基板上に配置され、前記駆動指令を入力回路から前記駆動回路へ伝達する絶縁伝達回路と、前記第一の基板とは異なる第二の基板上に配置され、前記駆動回路と入力回路とに電力を供給する電源回路と、を含み、前記第一の基板と第二の基板とが、予め規定された間隔閾値より広い間隔をおいて配置されていることとしたものである。
【０００９】
ここで前記第一の基板と第二の基板とは、一方が他方の上方に予め規定された間隔閾値より広い間隔をおいて配置してもよい。このとき、前記絶縁伝達回路は、前記入力回路と、前記駆動回路の少なくとも一つとの間に配され、前記第二の基板は、前記第一の基板のうち、前記絶縁伝達回路が配置されている部分の上方に予め規定された間隔閾値より広い間隔をおいて配置されていてもよい。
【００１０】
さらに前記駆動回路と、前記入力回路とは第一の基板に配置され、前記第二の基板には、前記電源回路が供給する電源から、交流成分を除去する整流回路をさらに設けてもよい。
【００１１】
また、前記駆動回路が、前記第一の基板上に複数設けられてもよい。さらに前記半導体スイッチング素子は、ＩＧＢＴであってもよい。
【発明の効果】
【００１２】
電源回路と絶縁伝達回路とを別基板に配したことで、本発明の半導体素子の駆動装置を利用する装置全体内での実装を容易にできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。本発明の実施の形態に係る半導体素子の駆動装置は、図１に例示するように、電源トランス１と、入力回路２と、下アーム駆動回路３と、上アーム駆動回路４と、絶縁通信素子５と、第１、第２の整流素子６ａ，６ｂと、下アームフィルタ回路７と、上アームフィルタ回路８とを含んで構成される。また、図２，図３に例示するように、入力回路２と、下アーム駆動回路３と、上アーム駆動回路４と、絶縁通信素子５と、第１、第２の整流素子６ａ，６ｂと、下アームフィルタ回路７と、上アームフィルタ回路８とは、第一の基板１０に配され、電源トランス１は第二の基板２０に配されている。
【００１４】
本実施の形態では、第一の基板１０は、図３にその平面図を例示するように、下アーム回路形成部１１と、上アーム回路形成部１２と、これら下アーム回路形成部１１と上アーム回路形成部１２との間に挟まれた絶縁部１３とを含む。ここでは、上アーム回路と下アーム回路の間に数百ボルトないし数千ボルトの電位差が生じるために、中央の絶縁部１３で両者を絶縁したものである。
【００１５】
ここで入力回路２、下アーム駆動回路３、第１の整流素子６ａ、及び下アームフィルタ回路７が、下アーム回路形成部１１に配される。また、上アーム駆動回路４と第２の整流素子６ｂと上アームフィルタ回路８とは、上アーム回路形成部１２に配される。絶縁通信素子５は、絶縁部１３に配される。ここに絶縁部１３の絶縁通信素子５が配される部分には、穴Ｈが形成される。すなわち絶縁通信素子５は、この穴Ｈを跨ぐように配される。
【００１６】
さらに第二の基板２０は、第一の基板１０の絶縁部１３と略同じサイズの基板であり、第一の基板１０の絶縁部１３の上部に、予め規定された空隙をおいて配される。一例として第二の基板２０は、支柱により、第一の基板１０から絶縁された状態で、第一の基板１０の上側に配されてもよい。この第二の基板２０上の電源トランス１は、電源コネクタ（Ｃ）を備えて、この電源コネクタを介して接続されたゲートドライバ電源から供給される電力を変圧し、各部へ供給している。この電源トランス１からは、第一の基板１０上の整流素子６ａ，６ｂへ配線が延設されており、この整流素子６ａ，６ｂを介して、入力回路２や下アーム駆動回路３、上アーム駆動回路４等に対し、ＩＧＢＴのゲートを駆動する電力を供給する。
【００１７】
入力回路２は、外部から入力される駆動指令信号を受け入れる。そしてこの入力回路２は、下アーム駆動回路３及び上アーム駆動回路４に対してそれぞれ、駆動指令信号を入力する。下アーム駆動回路３と、上アーム駆動回路４とは、それぞれＩＧＢＴなどを駆動する回路であり、駆動指令信号によって駆動される。絶縁通信素子５は、例えばフォトカプラや光ファイバなどの光通信素子や、高耐圧の半導体スイッチング素子を用いて形成したレベルシフト回路、またはパルストランス等である。
【００１８】
図４は、本実施の形態の半導体素子の駆動装置の側面図である。図４を参照すると、電源トランス１を配した第二の基板２０が、支柱（スペーサ）を介して第一の基板１０から絶縁された状態となっており、第一の基板１０と、第二の基板２０とが二層の構造をなしている。
【００１９】
このように本実施の形態のある例は、上下アームを一体の基板（第一の基板１０）上に配する装置であって、電源トランス１を、この第一の基板１０とは別体の基板（第二の基板２０）に搭載し、この第二の基板２０を、第一の基板１０上に配した絶縁通信素子５の上方に予め定められた間隔閾値を超えて配置したものである。この間隔閾値は、絶縁通信素子５が伝達する信号と、電源トランス１が供給する電力とが、互いに絶縁される程度であればよく、実験的に定めることができる。
【００２０】
本実施の形態の半導体素子の駆動装置は、以上の構成を備えており、次のように動作する。この駆動装置では、入力回路２が外部からの駆動指令信号を受け入れる。入力回路２は上アーム駆動回路４への駆動指令信号（上アーム制御信号）を、下アームフィルタ回路７と、絶縁通信素子５と、上アームフィルタ回路８とを介して上アーム駆動回路４へ伝達する。そしてこの上アーム制御信号に基づいて、上アーム駆動回路４が、上アーム側のＩＧＢＴ等を駆動する。
【００２１】
このとき、ゲートドライバを駆動する電力は、電源トランス１によって供給される。この電源トランス１から供給される交流電力は、上アーム側の第２の整流素子６ｂによって直流に変換されて、上アーム駆動回路４や上アームフィルタ回路８に伝達されている。
【００２２】
また、この電源トランス１は、下アーム側のＩＧＢＴのゲート駆動電力も供給している。この電源トランス１から供給される交流電力は、下アーム側の第１の整流素子６ａによって直流に変換されて、下アーム駆動回路３や下アームフィルタ回路７に伝達されている。
【００２３】
このように配した半導体素子の駆動装置によると、従来、電源トランス１と絶縁通信素子５とのそれぞれに個別に必要であった絶縁領域を別体の基板に設けることでレイアウトを自由にでき、それを利用する装置内での実装を容易にできる。例えばここで示したように二層に設ければ、ゲートドライバの小型化を図ることができ、ゲートドライバのサイズの増加を最小限に抑制しながら、上下アームを一体化できる。
【００２４】
さらに、上下アームのそれぞれの駆動回路を搭載した基板とは別の基板に電源配線を直接接続できるために、電源配線間の浮遊容量を介して漏れるノイズを除去でき、インバータの信頼性を向上できる。また発熱の大きい電源回路を別基板としているので、発熱により誤動作しやすい駆動回路などへの熱の影響を抑制できる。また異なる電源電圧の回路に適用する場合には、電源基板のみ変更すればよい。
【００２５】
さらに、ここまでの説明においては、整流素子６ａ，６ｂを第一の基板１０上に搭載していたが、これに限られない。例えば、図５にその平面図を、図６に第一の基板１０の別の例を表す平面図を、図７にその側面図を例示するように、整流素子６ａ，６ｂを第二の基板２０上に搭載してもよい。この場合、第二の基板２０上に搭載された整流素子６ａから、直流に変換された電力が、下アーム駆動回路３や、下アームフィルタ回路７などへ供給される。また、第二の基板２０上に搭載された整流素子６ｂから、直流に変換された電力が上アーム駆動回路４や、上アームフィルタ回路８などへ供給される。
【００２６】
このようにすると、第一の基板１０へは、直流電力が供給されることとなるので、電源トランス１から整流素子６ａ，６ｂまでの配線と、基板の間の浮遊容量を介して基板に寄生電流が漏れることがなくなり、上アーム駆動回路４や下アーム駆動回路３の動作の安定性を向上できる。
【００２７】
また、電源トランス１や整流素子６ａ，６ｂなど発熱の大きい部品を別基板としているため、発熱により誤動作しやすい駆動回路などへの熱の影響を抑制でき、冷却効率も向上できる。
【００２８】
さらに、インバータのＵＶＷ各相の複数の駆動回路を第一の基板１０上に集積してもよい。この場合、図８はこの場合の平面図の例であり、図９は第一基板１０のレイアウト例である。図９に例示するように、この例では、各相に対応する下アーム回路形成部１１ｕ，ｖ，ｗと、各相に対応する上アーム回路形成部１２ｕ，ｖ，ｗと、絶縁部１３とが形成されている。
【００２９】
下アームの各相では電位差が比較的小さいので、各相の下アーム回路形成部１１ｕ，ｖ，ｗの間は、基板に切り込みなどを設けて絶縁をする必要が必ずしもない。
【００３０】
一方、各相の上アーム回路形成部１２ｕ，ｖ，ｗの間は、基板に切り込みを入れることで絶縁部１３を形成する。また、絶縁部１３のうち、各相の絶縁通信素子５が配される部分には、穴Ｈが形成される。すなわちそれぞれの絶縁通信素子５は、この穴Ｈを跨ぐように配される。
【００３１】
また、電源トランス１を搭載した第二の基板２０は絶縁通信素子５の上を跨ぐように配されており、この電源トランス１から供給する電力は、各アームの駆動回路に直接された配線を介して供給される。
【００３２】
この例によれば、６アームを一枚の基板に搭載しても電源トランスのための絶縁領域を確保する必要がないために、従来に比べてゲートドライバの面積を縮小できる。また、各駆動回路に電源トランスの出力を直接接続できるために、電源配線を介してノイズが漏れるのを防止できる。
【００３３】
また、この例においても、第一基板１０ではなく、第二基板２０上に、各相、各アームへの電力を直流に変換する整流素子６ａ，６ｂを配してもよい。
【００３４】
さらにここまでの説明では、ＩＧＢＴを駆動する装置を例として説明したが、これに限らず、半導体回路としてＭＯＳＦＥＴやバイポーラトランジスタを駆動することとしてもよい。
【００３５】
なお、本実施の形態においては、第１の基板１０と第２の基板２０とは必ずしも二層に配置されなくてもよく、絶縁通信素子５が伝達する信号と、電源トランス１が供給する電力とが、互いに絶縁される程度の間隔閾値だけ離隔していれば、どのように配されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施の形態に係る半導体素子の駆動装置の例を表す構成ブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る半導体素子の駆動装置の基板上での配置例を表す概略平面図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る半導体素子の駆動装置の第一基板の例を表す概略平面図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る半導体素子の駆動装置の基板上での配置例を表す概略側面図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る半導体素子の駆動装置の基板上での別の配置例を表す概略平面図である。
【図６】本発明の実施の形態に係る半導体素子の駆動装置の第一基板の別の例を表す概略平面図である。
【図７】本発明の実施の形態に係る半導体素子の駆動装置の基板上での別の配置例を表す概略側面図である。
【図８】本発明の実施の形態に係る半導体素子の駆動装置の基板上でのさらに別の配置例を表す概略平面図である。
【図９】本発明の実施の形態に係る半導体素子の駆動装置の第一基板のさらに別の例を表す概略平面図である。
【符号の説明】
【００３７】
１  電源トランス、２  入力回路、３  下アーム駆動回路、４  上アーム駆動回路、５  絶縁通信素子、６  整流素子、７  下アームフィルタ回路、８  上アームフィルタ回路、１０  第一基板、１１  下アーム回路形成部、１２  上アーム回路形成部、１３  絶縁部、２０  第二基板。
【図１】
0005015711.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
0005015711.tif 000006
【図６】
0005015711.tif 000007
【図７】
0005015711.tif 000008
【図８】
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【図９】
0005015711.tif 000010