(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに反対側に向いたアノード電極とカソード電極とを有するとともに、外周に沿って張り出したリング板状のゲート端子を有するゲート転流型サイリスタと、
互いに反対側に向いたアノード電極とカソード電極とを有し、当該カソード電極が前記ゲート転流型サイリスタの前記アノード電極に向き合っているフライホイールダイオードと、
前記ゲート転流型サイリスタの前記アノード電極と前記フライホイールダイオードの前記カソード電極との間に挟まれて、これらの電極へ接続された第１主回路端子板と、
前記フライホイールダイオードの前記アノード電極へ向き合って当該アノード電極へ接続された第２主回路端子板と、
前記ゲート転流型サイリスタの前記カソード電極と前記フライホイールダイオードの前記アノード電極とを接続する中間接続端子板と、
を備える半導体スイッチング装置。
【請求項２】
前記第１主回路端子板は、前記ゲート転流型サイリスタの前記アノード電極と前記フライホイールダイオードの前記カソード電極へ圧接しており、
前記第２主回路端子板は、前記フライホイールダイオードの前記アノード電極へ圧接しており、
前記中間接続端子板は、前記第２主回路端子板と前記ゲート転流型サイリスタの前記カソード電極へ圧接している、請求項１に記載の半導体スイッチング装置。
【請求項３】
前記第２主電極端子と前記中間接続端子板とが、それぞれ、一体に連結した共通の端子板の一部である、請求項１に記載の半導体スイッチング装置。
【請求項４】
前記第１主回路端子板は、前記ゲート転流型サイリスタの前記アノード電極と前記フライホイールダイオードの前記カソード電極へ圧接しており、
前記共通の端子板は、前記フライホイールダイオードの前記アノード電極と前記ゲート転流型サイリスタの前記カソード電極へ圧接している、請求項３に記載の半導体スイッチング装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、GCTサイリスタ（リング板状のゲート端子を有するゲート転流型サイリスタ）を備えた半導体スイッチング装置に関し、特に、ターンオフにともなう発振を抑制するための改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
GTOサイリスタ（ゲート転流型サイリスタ）の中で、GCTサイリスタと称されるタイプのものが、従来より知られている。GCTサイリスタは、例えば、特開平9-201039号公報に開示されており、互いに反対側に向いたアノード電極とカソード電極とを有するとともに、外周に沿って張り出したリング板状のゲート端子を有することを特徴としている。
【０００３】
ゲート端子がリング板状であるために、ゲートドライバとGCTサイリスタとの間のインダクタンスが、それ以前のGTOサイリスタ（「旧タイプのGTOサイリスタ」と仮称する）に比べて大幅に低減されるという利点がある。このため、GCTサイリスタは、旧タイプのGTOサイリスタとは異なり、スナバ回路の接続を必要としないという利点を有している。スナバ回路が必要とされないので、電力損失を低く抑え、電力効率を改善することが可能となっている。
【０００４】
図６は、GCTサイリスタを備える従来の半導体スイッチング装置の主要部を示す側面図である。また、図７は、図６に主要部が示される半導体スイッチング装置１５０の等価回路を示す回路図である。図６が示すように、装置１５０は、各回路要素が互いに積層され、それらの回路要素の間に、必要に応じて端子板が介挿されて成るスタック型の半導体スイッチング装置として構成されている。
【０００５】
図６および図７が示すように、GCTサイリスタ５１にはフライホールダイオード５２が逆並列に接続されている。GCTサイリスタ５１のアノード電極Ａおよびカソード電極Ｋは、それぞれ、主回路端子板５５および主回路端子板５６へ接続されている。図６では図示を略されるが、GCTサイリスタ５１のカソード電極Ｋとゲート電極Ｇとには、ゲートドライバ（GDU）５３が接続されている。ゲートドライバ５３は、上記したリング板状のゲート端子（図示を略する）を通じて、ゲート電極Ｇへ接続される。ゲートドライバ５３は、外部から入力される制御信号に応答して、ゲート電圧を生成し、ゲート電極Ｇへ供給する。それによって、GCTサイリスタ５１が、外部信号に応答して、オン、オフ動作を行う。
【０００６】
さらに、GCTサイリスタ５１には、クランプダイオードＤｃ、クランプキャパシタＣｃ、および、クランプ抵抗素子Ｒｃを有するクランプ回路が接続されている。クランプ抵抗素子Ｒｃの一端は、クランプ回路端子板５７へ接続されている。クランプ回路は、旧タイプのGTOサイリスタに接続されるスナバ回路とは異なり、そのクランプキャパシタＣｃには、常時、一定の電源電圧が充電されている。クランプキャパシタＣｃでは、GCTサイリスタ５１のオン、オフ動作にともなう充放電がない。このため、クランプ回路ではスナバ回路とは異なり電力損失が低いという利点がある。
【０００７】
スナバ回路が、GTOサイリスタがターンオフしたときの主電極間電圧（アノード電極Ａとカソード電極Ｋの間の電圧）の時間変化率（ｄＶ／ｄｔ）をも抑制するのに対して、クランプ回路は、GCTサイリスタ５１の主電極間電圧が、電源電圧を超えてはね上がる現象のみを抑制する。GCTサイリスタでは、接続される保護回路として、スナバ回路よりも電力損失の少ないクランプ回路で足りるという利点がある。
【０００８】
図６が示すように、GCTサイリスタ５１とフライホールダイオード５２とは、GCTサイリスタ５１のアノード電極Ａとフライホールダイオード５２のカソード電極Ｋとが向き合うように、隣り合って積層されている。そして、GCTサイリスタ５１のアノード電極Ａとフライホールダイオード５２のカソード電極Ｋとの間に、主回路端子板５５が挟まれている。
【０００９】
主回路端子板５６は、GCTサイリスタ５１のカソード電極Ｋへ当接して接続されている。また、GCTサイリスタ５１のカソード電極Ｋとフライホールダイオード５２のアノード電極Ａとは、中間接続端子板５４を通じて互いに接続されている。中間接続端子板５４は、その一端が主回路端子板５６へ当接し、他端がフライホールダイオード５２のアノード電極Ａへ当接している。
【００１０】
互いに当接し合う電極と端子板の間、および、互いに当接し合う端子板どうしの間は、ろう付け等を介して固着されることなく、スタック電極５９およびスタック電極６０を通じて押圧力が付加されることによって圧接している。なお、中間接続端子板５４は、互いに離れた電極どうしを架橋状に接続するものであるために、図７が示すように、ある大きさのインダクタンスＬを持っている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
従来のGCTサイリスタを備える半導体スイッチング装置１５０は、以上のように構成されていたので、以下に述べるような問題点を有していた。
GCTサイリスタ５１をターンオフさせるためには、そのゲート電極Ｇとカソード電極Ｋとの間に、まず、数十Ｖの逆バイアス電圧が印加される。このとき、ゲートドライバ５３、中間接続端子板５４、フライホールダイオード５２、および、GCTサイリスタ５１を順に辿る経路である閉回路６５が形成される。そのため、GCTサイリスタ５１の内部の接合容量を充電するための微小な電流が、閉回路６５に沿って流れる。この微小な電流は、フライホールダイオード５２に対して順電流となる。
【００１２】
その後、GCTサイリスタ５１の動作が、オン状態からターンオフ動作へ移行する。それにともなって、GCTサイリスタ５１の主電極間に、一定の電源電圧が印加される。この電源電圧は、フライホールダイオード５２に対して、逆電圧となる。したがって、GCTサイリスタ５１のターンオフにともなって、フライホールダイオード５２の動作は、微小な順電流が流れる状態から逆回復へと向かう。
【００１３】
GCTサイリスタ５１では、上述したように、スナバ回路がなくてもその保護が達成されるので、その利点を生かして、スナバ回路を接続することなく使用され、それによって、電力損失の低減が図られている。しかしながら、スナバ回路がないために、GCTサイリスタ５１のターンオフにともなう電圧上昇率dV/dtは、高い値となる。したがって、フライホールダイオード５２は、低い順電流が流れる状態から、高い電圧上昇率dV/dtで逆電圧が印加されることによって、逆回復へと向かうよう強いられることとなる。
【００１４】
フライホールダイオード５２の順電流が少ないときには、その内部に蓄積されるキャリアも少なくなる。この状態から逆電圧が印加されると、フライホールダイオード５２は発振し易くなる。また、逆電圧の立ち上がりが急峻であるほど、すなわち、電圧上昇率dV/dtが高いほど、発振は起こり易くなる。したがって、少ない順電流から、高い電圧上昇率dV/dtで逆電圧が印加されるときには、特に、フライホールダイオード５２に発振が生じ易くなる。
【００１５】
図８は、装置１５０について、ターンオフ動作にともなう各部の信号波形を測定した結果を示す波形図である。図８が示すように、ゲートドライバ５３が供給する約20Vのゲート電圧ＶGが下降することにより、ターンオフ動作が開始される。ターンオフ動作が開始されると、主電流ＩTは、定常的な2000Aの値からゼロへ向かって減少すると同時に、主電極間電圧ＶDMは、約ゼロから約3000Vの電源電圧へと上昇する。この過程の中で、フライホールダイオード５２が発振し、還流電流ＩFWDに振動が現れる。還流電流ＩFWDの振動は、GCTサイリスタ５１へも影響し、ゲート電圧ＶG、主電流ＩT、および、主電極間電圧ＶDMのいずれにも、振動現象が出現する。
【００１６】
各部の信号に発生するこのような振動は、ノイズとして、装置１５０の周辺に設置される外部の回路へと伝搬する。このため、装置１５０では、ノイズ防止のための手だてが必要となるという問題点があった。さらに、GCTサイリスタ５１の各部の信号における振動のために、GCTサイリスタ５１それ自身が、円滑なターンオフ動作を妨げられることも起こり得る。
【００１７】
旧タイプのGTOサイリスタでは、スナバ回路が用いられることに加えて、GTOサイリスタとゲートドライバとの間のインダクタンスが、GCTサイリスタとゲートドライバとの間のインダクタンスに比べて、100倍ほども高いので、発振の問題は生じない。すなわち、発振は、GCTサイリスタに特有の問題である。
【００１８】
この発明は、従来の装置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、ターンオフにともなう発振を抑制して、ノイズの発生を抑制するとともに円滑なターンオフ動作を実現する半導体スイッチング装置を提供することを目的とする。
【００１９】
なお、本発明に関連した技術として、旧タイプのGTOサイリスタを備えた半導体スイッチング装置を開示する特開平10-75564号公報が知られている。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
第１の発明の装置は、半導体スイッチング装置であって、互いに反対側に向いたアノード電極とカソード電極とを有するとともに、外周に沿って張り出したリング板状のゲート端子を有するゲート転流型サイリスタと、互いに反対側に向いたアノード電極とカソード電極とを有し、当該カソード電極が前記ゲート転流型サイリスタの前記アノード電極に向き合っているフライホイールダイオードと、前記ゲート転流型サイリスタの前記アノード電極と前記フライホイールダイオードの前記カソード電極との間に挟まれて、これらの電極へ接続された第１主回路端子板と、前記フライホイールダイオードの前記アノード電極へ向き合って当該アノード電極へ接続された第２主回路端子板と、前記ゲート転流型サイリスタの前記カソード電極と前記フライホイールダイオードの前記アノード電極とを接続する中間接続端子板と、を備える。
【００２１】
第２の発明の装置では、第１の発明の半導体スイッチング装置において、前記第１主回路端子板が、前記ゲート転流型サイリスタの前記アノード電極と前記フライホイールダイオードの前記カソード電極へ圧接しており、前記第２主回路端子板が、前記フライホイールダイオードの前記アノード電極へ圧接しており、前記中間接続端子板が、前記第２主回路端子板と前記ゲート転流型サイリスタの前記カソード電極へ圧接している。
【００２２】
第３の発明の装置では、第１の発明の半導体スイッチング装置において、前記第２主電極端子と前記中間接続端子板とが、それぞれ、一体に連結した共通の端子板の一部である。
【００２３】
第４の発明の装置では、第３の発明の半導体スイッチング装置において、前記第１主回路端子板が、前記ゲート転流型サイリスタの前記アノード電極と前記フライホイールダイオードの前記カソード電極へ圧接しており、前記共通の端子板が、前記フライホイールダイオードの前記アノード電極と前記ゲート転流型サイリスタの前記カソード電極へ圧接している。
【００２４】
【発明の実施の形態】
（1. 装置の構成）
図１は、GCTサイリスタを備える実施の形態の半導体スイッチング装置の主要部を示す側面図である。また、図２は、図１に主要部が示される半導体スイッチング装置１０１の等価回路を示す回路図である。図１が示すように、装置１０１は、各回路要素が互いに積層され、それらの回路要素の間に、必要に応じて端子板が介挿されて成るスタック型の半導体スイッチング装置として構成されている。
【００２５】
図１および図２が示すように、GCTサイリスタ１にはフライホールダイオード２が逆並列に接続されている。すなわち、GCTサイリスタ１のアノード電極Ａがフライホールダイオード２のカソード電極Ｋへ接続され、GCTサイリスタ１のカソード電極Ｋがフライホールダイオード２のアノード電極Ａへ接続されている。GCTサイリスタ１のアノード電極Ａおよびカソード電極Ｋは、それぞれ、主回路端子板５および主回路端子板６へ接続されている。
【００２６】
図１では図示を略されるが、GCTサイリスタ１のカソード電極Ｋとゲート電極Ｇとには、ゲートドライバ（GDU）３が接続されている。ゲートドライバ３は、GCTサイリスタ１に備わる図示しないリング板状のゲート端子を通じて、ゲート電極Ｇへ接続される。ゲートドライバ３は、外部から入力される制御信号に応答して、ゲート電圧を生成し、ゲート電極Ｇへ供給する。それによって、GCTサイリスタ１が、外部信号に応答して、オン、オフ動作を行う。
【００２７】
さらに、GCTサイリスタ１には、好ましくは、クランプダイオードＤｃ、クランプキャパシタＣｃ、および、クランプ抵抗素子Ｒｃを有するクランプ回路が接続される。クランプ抵抗素子Ｒｃの一端は、クランプ回路端子板７へ接続される。
【００２８】
図１が示すように、GCTサイリスタ１とフライホールダイオード２とは、GCTサイリスタ１のアノード電極Ａとフライホールダイオード２のカソード電極Ｋとが向き合うように、隣り合って積層されている。そして、GCTサイリスタ１のアノード電極Ａとフライホールダイオード２のカソード電極Ｋの間に、主回路端子板５が挟まれている。
【００２９】
主回路端子板６は、フライホールダイオード２のアノード電極Ａへ当接して接続されている。また、GCTサイリスタ１のカソード電極Ｋとフライホールダイオード２のアノード電極Ａとは、中間接続端子板４を通じて互いに接続されている。中間接続端子板４は、その一端が主回路端子板６へ当接し、他端がGCTサイリスタ１のカソード電極Ｋへ当接している。
【００３０】
互いに当接し合う電極と端子板の間、および、互いに当接し合う端子板どうしの間は、ろう付け等を介して固着されることなく、スタック電極９およびスタック電極６０を通じて押圧力が付加されることによって圧接している。なお、中間接続端子板４は、互いに離れた電極どうしを架橋状に接続するものであるために、図２が示すように、ある大きさのインダクタンスＬを持っている。
【００３１】
図３は装置１０１の使用形態を例示する回路図である。図３の例では、一定の電源電圧ＶDを保持するキャパシタ２０に接続される正電源線２２と負電源線２３の間に、直列に接続された一対の装置１０１ａ，１０１ｂが介挿されている。装置１０１ａ，１０１ｂの各々は、装置１０１と同一に構成される。装置１０１ａに属するGCTサイリスタ１のアノード電極Ａは正電源線２２へ接続され、装置１０１ｂに属するGCTサイリスタ１のカソード電極Ｋは、負電源線２３へ接続されている。
【００３２】
装置１０１ａに属するGCTサイリスタ１のカソード電極Ｋと装置１０１ｂに属するGCTサイリスタ１のアノード電極Ａとの接続部には、負荷２１の一端が接続されている。負荷２１の他端は、例えば、負電源線２３へ接続される。装置１０１ａに属するGCTサイリスタ１と、装置１０１ｂに属するGCTサイリスタ１とが、例えば、交互にオンすることにより、負荷２１には、パルス状に負荷電流が供給される。
【００３３】
また、装置１０１ａに属するクランプ抵抗素子Ｒｃの一端は、負電源線２３へ接続され、装置１０１ｂに属するクランプ抵抗素子Ｒｃの一端は、正電源線２２へ接続されている。これにより、双方のクランプキャパシタＣｃには、定常的に電源電圧ＶDが充電される。
【００３４】
（2. 装置の動作）
装置１０１では、以上に述べたように、主回路端子板６が、フライホールダイオード２のアノード電極Ａには直接に接続されるのに対して、GCTサイリスタ１のカソード電極Ｋには、中間接続端子板４を介して接続される。したがって、図２が示すように、フライホールダイオード２のアノード電極Ａと主回路端子板６との間のインダクタンスは、十分に低いのに対して、GCTサイリスタ１のカソード電極Ｋと主回路端子板６との間には、中間接続端子板４のインダクタンスＬが介在する。これは、従来装置１５０（図７）において、GCTサイリスタ５１のカソード電極Ｋと主回路端子板５６との間のインダクタンスが十分に低いのに対して、フライホールダイオード５２のアノード電極Ａと主回路端子板５６との間には、中間接続端子板５４のインダクタンスＬが介在するのとは、対照的である。
【００３５】
GCTサイリスタ１のゲート電極Ｇとカソード電極Ｋとの間に、数十Ｖの逆バイアス電圧が印加されることにより、GCTサイリスタ１はターンオフを開始する。オン状態からオフ状態へ向かう過渡期、すなわちターンオフ動作の過程では、ゲートドライバ３、中間接続端子板４、フライホールダイオード２、および、GCTサイリスタ１を順に辿る閉回路１５に含まれるインダクタンスＬには、主電流ＩTが減衰しつつ流れる。すなわち、インダクタンスＬには、ゲートドライバ３によって供給され振動の発生原因となる微小な電流に比べて、はるかに大きな主電流ＩTが流れている。したがって、微小な電流の影響が相対的に弱められるので、従来装置１５０に見られたようなターンオフにともなう発振が抑制される。
【００３６】
図４は、この効果を実証するために行われた試験の結果を示す波形図であり、装置１０１のターンオフ動作にともなう各部の信号波形を示している。図４が示すように、ゲートドライバ３が供給する約20Vのゲート電圧ＶGが下降することにより、ターンオフ動作が開始される。ターンオフ動作が開始されると、主電流ＩTは、定常的な2000Aの値からゼロへ向かって減少すると同時に、主電極間電圧ＶDMは、約ゼロから約3000Vの電源電圧へと上昇する。
【００３７】
図４が示すように、ターンオフ動作の中で、発振現象は見られず、主電流ＩTおよび主電極間電圧ＶDMは、いずれも、オン状態の値からオフ状態の値へと、滑らかに遷移している。このように、装置１０１では、単に、スタック構造における各要素の配列を変更するだけで、従来装置１５０において出現していた発振現象が抑制される。
【００３８】
（3. 変形例）
図５は、変形例の半導体スイッチング装置の主要部を示す側面図である。この装置１０２は、主回路端子板６と中間接続端子板４とが、共通端子板１６として一体化されている点において、装置１０１（図１）とは特徴的に異なっている。主回路端子板６と中間接続端子板４は、それぞれ、一体に連結した共通端子板１６の互いに異なる一部であって、双方の端子板は単一の部品へと解消されている。このため、装置の組立て工程が容易化されるとともに、組立てに要するコストが節減されるという利点が得られる。発振が抑制されるという効果は、装置１０１と同様に得られる。
【００３９】
【発明の効果】
第１の発明の装置では、第２主回路端子板とフライホイールダイオードのアノード電極とが向き合っており、低インダクタンスで接続されているのに対し、このアノード電極とゲート転流型サイリスタのカソード電極とが互いに離れており、中間接続端子板のインダクタンスを介して互いに接続されている。このため、ターンオフ動作の過程で、中間接続端子板のインダクタンスを、主電流が減衰しつつ流れるので、発振の原因となるフライホールダイオードの微小な順電流の影響が相殺され、発振が抑制される。このように、第１の発明の装置では、GCTサイリスタを備える半導体スイッチング装置に特有の現象であるターンオフ動作にともなう発振現象が、抑制されるという、特開平10-75564号公報からは予期されない効果が得られる。
【００４０】
第２の発明の装置では、各端子板と各電極の接続部、各端子板どうしの接続部が圧接されているので、装置の組立、分解、変更が容易である。
【００４１】
第３の発明の装置では、第２主回路端子板と中間接続端子板とが共通の端子板へ一体化されているので、装置の組立て工程が容易化されるとともに、組立てに要するコストが節減される。
【００４２】
第４の発明の装置では、各端子板と各電極の接続部、各端子板どうしの接続部が圧接されているので、装置の組立、分解、変更が容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  実施の形態の装置の主要部の側面図である。
【図２】  実施の形態の装置の回路図である。
【図３】  実施の形態の装置の使用形態を例示する回路図である。
【図４】  実施の形態の装置のターンオフ特性を示す波形図である。
【図５】  変形例の装置の主要部の側面図である。
【図６】  従来の装置の主要部の側面図である。
【図７】  従来の装置の回路図である。
【図８】  従来の装置のターンオフ特性を示す波形図である。
【符号の説明】
１  GCTサイリスタ（ゲート転流型サイリスタ）、２  フライホールダイオード、４  中間接続端子板、５  主回路端子板（第１主回路端子板）、６  主回路端子板（第２主回路端子板）、１６  共通端子板、Ａ  アノード電極、Ｋ  カソード電極。
【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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