JP7609966B2 - Wiring structure of control line, railway power converter having the same, and control line laying method - Google Patents
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Description
本発明は、制御線の配線構造、それを有する鉄道用電力変換器、制御線敷設方法に関する。 The present invention relates to a wiring structure for a control line, a railway power converter having the same, and a method for laying a control line.
近年、鉄道や電気自動車、風力発電等のパワーエレクトロニクス機器には交流と直流、あるいは交流と交流の間で電力を変換する電力変換器が広く使われている。この電力変換器には高電圧・大電流の制御が可能なパワーデバイスと呼ばれる半導体素子が使われており、特に高電圧の電力変換器にはIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)と呼ばれるパワーデバイスが使われている。IGBTは、高速スイッチングが可能というMOSゲートデバイスの長所と、導通抵抗が小さいというバイポーラデバイスの長所を併せ持つ半導体素子である。In recent years, power converters that convert power between AC and DC, or between AC and AC, are widely used in power electronics equipment for railways, electric vehicles, wind power generation, etc. These power converters use semiconductor elements called power devices that are capable of controlling high voltages and large currents, and high-voltage power converters in particular use power devices called IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors). IGBTs are semiconductor elements that combine the advantages of MOS gate devices, such as high-speed switching, with the advantages of bipolar devices, such as low conduction resistance.
前述のIGBTの損失を低減する様々な技術も開発されている。例えば複数のゲート電極を設け、それらに所定のシーケンスで電圧を印加することにより、IGBTのスイッチング損失を低減する技術がある。これらの素子は、複数のゲートを有することからマルチゲート半導体素子とも呼ばれている。特許文献1ではデュアルゲートIGBTの記載がある。デュアルゲートIGBTは、1つのコレクタ端子と1つのエミッタ端子に対し、2つのゲート端子(スイッチングゲートGsおよびキャリア制御ゲートGc)を有するパワー半導体素子である。2つのゲート端子に入力するゲート信号を制御することによって、従来のIGBTよりもスイッチング損失を低減できる。もう一例としては、特許文献2に記載されているMOS制御ダイオードがある。ダイオード損失を低減するために、ダイオードにMOS構造の絶縁ゲートGdを設け、このゲート電圧を印加することで、内部の電荷量を制御できるようにしたのがMOS制御ダイオードである。 Various technologies have been developed to reduce the losses of the IGBT mentioned above. For example, there is a technology that reduces the switching losses of the IGBT by providing multiple gate electrodes and applying voltages to them in a specified sequence. These elements are also called multi-gate semiconductor elements because they have multiple gates. Patent Document 1 describes a dual-gate IGBT. A dual-gate IGBT is a power semiconductor element that has two gate terminals (a switching gate Gs and a carrier control gate Gc) for one collector terminal and one emitter terminal. By controlling the gate signals input to the two gate terminals, it is possible to reduce switching losses more than with conventional IGBTs. Another example is the MOS-controlled diode described in Patent Document 2. In order to reduce diode losses, a MOS-structured insulating gate Gd is provided in the diode, and the amount of charge inside can be controlled by applying a gate voltage to this gate. This is the MOS-controlled diode.
後述するようにIGBTではゲート配線のインダクタンス低減が必要である。そのため、ゲート配線と補助エミッタ配線(以下、両者を併せて「制御線」という)を近接させるほか、撚り合わせることもあった。さらに、マルチゲートIGBTの場合、ゲート配線が複数となるために補助エミッタ配線と単に隣接させただけでは、全てのゲート配線と補助エミッタ配線を同じ距離で近接させることがレイアウト上難しく、ゲート配線毎にインダクタンスの差が生じてしまう。As will be described later, in IGBTs, it is necessary to reduce the inductance of the gate wiring. For this reason, the gate wiring and auxiliary emitter wiring (hereinafter, both are referred to as "control lines") are often placed close to each other, and sometimes even twisted together. Furthermore, in the case of multi-gate IGBTs, since there are multiple gate wirings, simply placing them adjacent to the auxiliary emitter wiring makes it difficult in terms of layout to place all the gate wirings and auxiliary emitter wirings at the same distance, resulting in differences in inductance for each gate wiring.
インダクタンスに差が生じると複数あるゲートの動作遅延がばらついてしまい、マルチゲートIGBTを精度よく制御することが困難であるという問題があった。本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、インダクタンスを均等に低減するようにした制御線の配線構造を提供することにある。 When differences in inductance occur, the operational delay of multiple gates varies, making it difficult to control multi-gate IGBTs with precision. The present invention has been made to solve the above problem, and its purpose is to provide a wiring structure for control lines that reduces inductance evenly.
上記課題解決を解決する本発明は、主端子対と主端子対に流れる電流を制御する複数の制御端子とを有するマルチゲート半導体素子から、制御端子に印加する制御電圧で主端子対に流れる電流を制御するゲートドライバまでの間を接続する制御線の配線構造であって、制御端子を含む端子とゲートドライバとの間に接続された第1の電流経路と第2の電流経路を有し、第1の電流経路と第2の電流経路とは、それぞれに流れる電流により形成される電磁場を相殺するように隣接して敷設された。The present invention, which solves the above-mentioned problems, is a wiring structure of a control line connecting a multi-gate semiconductor element having a main terminal pair and a plurality of control terminals that control the current flowing through the main terminal pair to a gate driver that controls the current flowing through the main terminal pair with a control voltage applied to the control terminals, and has a first current path and a second current path connected between a terminal including the control terminal and the gate driver, and the first current path and the second current path are laid adjacent to each other so as to cancel out the electromagnetic fields formed by the currents flowing through them.
本発明によれば、インダクタンスを均等に低減するようにした制御線の配線構造を提供できる。 According to the present invention, a wiring structure for control lines can be provided that reduces inductance evenly.
図1~図3を参照して、本発明の適用対象となる電力変換器の構成を説明する。なお、以下に示す2レベルの三相インバータは一例に過ぎず、3レベルのほか単相インバータ、又はAC-DCコンバータにも本発明を適用できる。図1は、本発明が適用されるパワー半導体素子を用いたインバータの回路図である。 The configuration of a power converter to which the present invention is applicable will be described with reference to Figures 1 to 3. Note that the two-level three-phase inverter shown below is merely an example, and the present invention can also be applied to three-level as well as single-phase inverters or AC-DC converters. Figure 1 is a circuit diagram of an inverter using power semiconductor elements to which the present invention is applicable.
すなわち、図1は、電力変換器として、三相モータ003を可変速制御する2レベルの三相インバータを例示している。このような、高電圧・大電流の三相インバータは、パワー半導体素子として、IGBT 011g~032g及びダイオード011d~032dを使用することが一般的である。IGBT 011g~032gは、ゲート端子にオンオフ信号を入力することで導通状態と非導通状態を切替えることが可能であり、これによりインバータ主回路の電圧電流を制御する。 That is, Figure 1 shows an example of a two-level three-phase inverter as a power converter that performs variable speed control of a three-phase motor 003. Such high-voltage, high-current three-phase inverters generally use IGBTs 011g-032g and diodes 011d-032d as power semiconductor elements. The IGBTs 011g-032g can be switched between conductive and non-conductive states by inputting an on/off signal to the gate terminal, thereby controlling the voltage and current of the inverter's main circuit.
例えば、上アームIGBT 011gのゲート信号がオンとなり、下アームIGBT 012gがオフ状態であれば、上アームが導通状態であるので、インバータ出力(端子)010には、入力側のDC電圧と同じ電圧が出力される。IGBT 011gには並列にフライホイールダイオード011dが接続されている。例えば、上アームのIGBT 011gがオン状態でIGBT 011gからモータ側へ電流が流れている状態からIGBT 011gがオフに遷移すると、電流は下アームのフリーホイールダイオード012dに転流する。 For example, if the gate signal of the upper arm IGBT 011g is on and the lower arm IGBT 012g is off, the upper arm is conductive and so a voltage equal to the DC voltage on the input side is output to the inverter output (terminal) 010. A flywheel diode 011d is connected in parallel to the IGBT 011g. For example, when the upper arm IGBT 011g is on and current is flowing from the IGBT 011g to the motor side, when the IGBT 011g transitions to off, the current is commutated to the lower arm freewheel diode 012d.
つぎに、ゲートドライバ(ゲート駆動回路)とゲート配線(制御線)について説明する。IGBTのオンオフ信号は、制御論理部に搭載されているマイコン等からのPWM信号に基づきゲートドライバが出力する。このゲートドライバの信号をパワー半導体素子へ伝達する手段がゲート配線である。このゲート配線を実装する際には、つぎの点で注意を要する。例えば、ゲート配線が長い場合には、ゲート配線のインダクタンスが大きくなるので、ノイズ電流が流れた際に意図しないゲート電圧変動が生じる可能性がある。 Next, we will explain the gate driver (gate driving circuit) and gate wiring (control line). The gate driver outputs the IGBT on/off signal based on a PWM signal from a microcomputer or other device mounted in the control logic unit. The gate wiring is the means for transmitting this gate driver signal to the power semiconductor element. When implementing this gate wiring, care must be taken with the following points. For example, if the gate wiring is long, the inductance of the gate wiring will increase, which may result in unintended gate voltage fluctuations when noise current flows.
また、インバータにおける主回路配線の電流によって生じた磁界の影響を受けることでも不要なゲート電圧変動が生じ、IGBTの誤動作を引き起こしたりする。また、ゲート配線のインダクタンスが大きい場合には、このゲートドライバの信号がパワー半導体素子までを伝達される時間が長くなり、この信号遅延によって、所望のインバータ出力が得られないこともある。 In addition, the influence of magnetic fields generated by the current in the main circuit wiring of the inverter can also cause unnecessary gate voltage fluctuations, leading to malfunction of the IGBT. Furthermore, if the inductance of the gate wiring is large, it takes a long time for the gate driver signal to be transmitted to the power semiconductor element, and this signal delay can sometimes prevent the desired inverter output from being obtained.
図2は、本発明が適用されるデュアルゲートIGBT 011gd~032gdを採用したインバータの回路図である。図2のインバータに示すように、マルチゲート半導体素子、すなわちデュアルゲートIGBT 011gd~032gdの実用化が進められつつある。各IGBT 011gd~032gdには、スイッチングゲート(第1制御端子)Gsとキャリア制御ゲート(第2制御端子)Gcと補助エミッタEsと、これらに対応するそれぞれの端子を有している。これら各端子は、ゲートドライバ011k~032kに接続される。これらのゲート配線(制御線)221~223(図4)は、従来のIGBTを駆動するゲート配線と同様に、回路の誤動作や、信号遅延を抑制するために、低インダクタンスにする必要がある。 Figure 2 is a circuit diagram of an inverter that employs dual-gate IGBTs 011gd-032gd to which the present invention is applied. As shown in the inverter in Figure 2, the practical application of multi-gate semiconductor elements, i.e., dual-gate IGBTs 011gd-032gd, is progressing. Each IGBT 011gd-032gd has a switching gate (first control terminal) Gs, a carrier control gate (second control terminal) Gc, and an auxiliary emitter Es, as well as corresponding terminals. Each of these terminals is connected to gate drivers 011k-032k. These gate wirings (control lines) 221-223 (Figure 4) need to have low inductance to suppress circuit malfunctions and signal delays, just like the gate wiring that drives conventional IGBTs.
図3は、本発明が適用されるデュアルゲートIGBT 011gd~032gdとMOS制御ダイオード011dm~032dmを採用したインバータの回路図である。これにより、MOS制御ダイオード011dm~032dmも含めた実用化が進められつつある。図3に例示するデュアルゲートIGBT 011gd~032gdは、MOS制御ゲート(第3制御端子)Gdが加わることにより、各アームを構成する半導体素子と各ゲートドライバ011k~032kとを接続するゲート配線は各4本となる。これらのゲート配線(制御線)221~224(図6)も、図2に示したIGBTを駆動するゲート配線と同様に、低インダクタンスにする必要がある。 Figure 3 is a circuit diagram of an inverter that employs dual-gate IGBTs 011gd-032gd and MOS-controlled diodes 011dm-032dm to which the present invention is applied. This has led to the practical application of MOS-controlled diodes 011dm-032dm as well. The dual-gate IGBTs 011gd-032gd illustrated in Figure 3 have four gate wirings each connecting the semiconductor elements that make up each arm to each gate driver 011k-032k by adding the MOS-controlled gate (third control terminal) Gd. These gate wirings (control lines) 221-224 (Figure 6) also need to have low inductance, like the gate wirings that drive the IGBTs shown in Figure 2.
実施例1は、例えば、図2の回路構成でデュアルゲートIGBT 011gd,012gdを採用したインバータ装置を実現する制御線の配線構造である。図4は、本発明の実施例1に係る制御線の配線構造(以下、「実施例1の配線構造」ともいう)を示す斜視図及び断面模式図である。その斜視図は、電力変換器における上下アーム1対分、すなわち2レベル相当の1相分について、形状を説明するため支持基台等を除去した図である。また、図4において、破線丸囲み部は、A-A'線における断面構造を示した断面模式図であり、これも相互位置関係を説明するため、絶縁支持体等を除去した図である。 Example 1 is a wiring structure of a control line that realizes an inverter device using dual-gate IGBTs 011gd and 012gd in the circuit configuration of FIG. 2. FIG. 4 is a perspective view and a schematic cross-sectional view showing the wiring structure of a control line according to Example 1 of the present invention (hereinafter, also referred to as the "wiring structure of Example 1"). The perspective view is a view in which a support base and the like have been removed in order to explain the shape of one pair of upper and lower arms in a power converter, i.e., one phase equivalent to two levels. In FIG. 4, the area circled by a dashed line is a schematic cross-sectional view showing the cross-sectional structure at line A-A', and this is also a view in which insulating supports and the like have been removed in order to explain the relative positions.
図4の符号211は、2レベル変換装置の上アームを構成するデュアルゲートIGBT 011gdを内部に実装したモジュール(以下、「IGBTモジュール」という)211であり、符号11は、下アームを構成するデュアルゲートIGBT 012gdを内部に実装したモジュール(以下、「IGBTモジュール」という)11である。 In Figure 4, reference numeral 211 denotes a module (hereinafter referred to as the "IGBT module") 211 having implemented therein a dual-gate IGBT 011gd which constitutes the upper arm of the two-level conversion device, and reference numeral 11 denotes a module (hereinafter referred to as the "IGBT module") 11 having implemented therein a dual-gate IGBT 012gd which constitutes the lower arm.
IGBTモジュール11には、コレクタ主端子12とエミッタ主端子13が設けられ、主回路配線と接続する。主回路配線は、図示を省略しているが、板状の導体(ブスバー)で構成する場合が多い。例えば、IGBTモジュール11のコレクタ主端子12は、一枚のブスバーにより、IGBTモジュール211のエミッタ主端子213と接続し、エミッタ主端子13は別のブスバーにより、電源の負電位側に接続する。また、IGBTモジュール211のコレクタ主端子212も一枚のブスバーにより、電源の高電位側に接続する。The IGBT module 11 is provided with a collector main terminal 12 and an emitter main terminal 13, which are connected to the main circuit wiring. Although not shown in the figure, the main circuit wiring is often composed of a plate-shaped conductor (bus bar). For example, the collector main terminal 12 of the IGBT module 11 is connected to the emitter main terminal 213 of the IGBT module 211 by a bus bar, and the emitter main terminal 13 is connected to the negative potential side of the power supply by another bus bar. The collector main terminal 212 of the IGBT module 211 is also connected to the high potential side of the power supply by a bus bar.
IGBTモジュール11には、3つのゲート端子が設けられ、スイッチングゲートGsを構成するゲート端子121とキャリア制御ゲートGcを構成するゲート端子123と、これらの端子の基準電位となる補助エミッタEsを構成するエミッタ端子122を有している。The IGBT module 11 has three gate terminals: a gate terminal 121 constituting a switching gate Gs, a gate terminal 123 constituting a carrier control gate Gc, and an emitter terminal 122 constituting an auxiliary emitter Es that serves as a reference potential for these terminals.
これらの3つのゲート端子には、それぞれに対応する3つのゲート配線ブスバー221,222,223が接続されている。これらのゲート配線は、ゲートドライバ114に接続されており、ゲートドライバ114からの駆動信号をIGBTモジュール11に伝達する役割を担う。These three gate terminals are connected to three corresponding gate wiring bus bars 221, 222, and 223. These gate wirings are connected to the gate driver 114 and serve to transmit the drive signal from the gate driver 114 to the IGBT module 11.
この実施例1の特徴は、2つのゲート配線ブスバー221とゲート配線ブスバー223が補助エミッタ配線ブスバー222にそれぞれ対向して、反対側に配置されている点にある。補助エミッタ配線ブスバー222は、ゲート配線ブスバー221とゲート配線ブスバー223の双方に対して対向配置している。これらゲート配線は、対向配置している構造であるため、図5を用いて説明する原理によって、低インダクタンス化を実現できる。 The feature of this embodiment 1 is that two gate wiring bus bars 221 and gate wiring bus bar 223 are arranged on opposite sides, facing the auxiliary emitter wiring bus bar 222. The auxiliary emitter wiring bus bar 222 is arranged facing both the gate wiring bus bar 221 and the gate wiring bus bar 223. Because these gate wirings are arranged facing each other, low inductance can be achieved by the principle explained using Figure 5.
図5は、図4におけるA-A’方向に垂直な方向(ゲート配線の長手方向)でのゲート配線(制御線)221~223の断面構造を示したものであり、図4における矢印は、各ゲート配線ブスバー221~223を流れるゲート電流Igc,Igsを示している。IGBTのゲートを駆動する際に流れるゲート電流Igc,Igsは、インパルスに近い波形であるため、高周波成分を多く含んでいる。 Figure 5 shows the cross-sectional structure of the gate wiring (control lines) 221-223 in a direction perpendicular to the A-A' direction in Figure 4 (longitudinal direction of the gate wiring), and the arrows in Figure 4 indicate the gate currents Igc, Igs flowing through each gate wiring bus bar 221-223. The gate currents Igc, Igs that flow when driving the gate of the IGBT have a waveform close to an impulse and therefore contain many high-frequency components.
交流電流は周波数が高いほど表皮効果が顕著に作用して導体表面近くを流れる。この表皮効果と同様の原理により、平行配置の2本の導体に高周波成分が流れるとき、多くの電流が各導体断面の偏った位置に偏在して流れる。2本の導体相互における電流の偏在位置が、近接位置か遠隔位置かは、電流の相互方向によって決まる。相互に逆方向なら近接位置であり、同一方向なら遠隔位置である。 The higher the frequency of an alternating current, the more pronounced the skin effect is, causing it to flow closer to the surface of the conductor. Due to the same principle as the skin effect, when high-frequency components flow through two parallel conductors, most of the current flows unevenly at biased positions on the cross section of each conductor. Whether the uneven current distribution between the two conductors is close or distant depends on the relative direction of the currents. If the currents flow in opposite directions, it is a close position, and if they flow in the same direction, it is a distant position.
実施例1において、ゲート電流は、対向配置されたゲート配線(221,223)と補助エミッタ配線(222)を互いに往復方向に流される。すなわち、相互に逆方向のため、2本相互における電流の偏在位置は、近接位置となる。このような近接効果によって、それぞれの導体の電流は互いに近接する面の近くを流れる。また、スイッチングゲートGsを駆動するゲート電流Igsと、キャリア制御ゲートGcを駆動するためのゲート電流Igcは、両者間に介在する補助エミッタ配線(222)に対し、それぞれが互いに逆方向に流される。したがって、図5の矢印に示すように、各導体中で対向面に近接して偏った分布で流れる。In the first embodiment, the gate current flows in a reciprocating direction between the gate wiring (221, 223) and the auxiliary emitter wiring (222) arranged opposite each other. In other words, because the current flows in the opposite directions, the current is biased in the two wirings in the vicinity of each other. Due to this proximity effect, the current in each conductor flows near the surfaces that are adjacent to each other. In addition, the gate current Igs for driving the switching gate Gs and the gate current Igc for driving the carrier control gate Gc are each passed in the opposite direction to each other through the auxiliary emitter wiring (222) located between the two. Therefore, as shown by the arrows in Figure 5, the current flows in each conductor with a biased distribution near the opposing surfaces.
上述のように、ゲート配線ブスバー221のIgsと、補助エミッタ配線ブスバー222中のゲート電流Igsとは、近接して流れるために、これらの電流によって生じる磁束はキャンセルされる。同様にゲート配線ブスバー223のゲート電流Igcと、補助エミッタ配線ブスバー222中のゲート電流Igcとも、近接して流れるために、これらの電流によって生じる磁束はキャンセルされる。このように、何れのゲート電流に対しても、磁束がキャンセルされるために、実施例1の配線構造は低インダクタンスとなる。As described above, the Igs of gate wiring bus bar 221 and the gate current Igs in auxiliary emitter wiring bus bar 222 flow close to each other, so the magnetic flux generated by these currents is cancelled. Similarly, the gate current Igc of gate wiring bus bar 223 and the gate current Igc in auxiliary emitter wiring bus bar 222 flow close to each other, so the magnetic flux generated by these currents is cancelled. In this way, the magnetic flux is cancelled for both gate currents, so the wiring structure of Example 1 has low inductance.
なお、実施例1に近い効果を得るため、同様の原理によりゲート配線それぞれに対して補助エミッタ配線を設けて、それぞれを対向させることで磁束をキャンセルして低インダクタンス化を実現することも考えられる。その場合、ゲート配線それぞれに補助エミッタ配線を準備することで、配線数が多くなり、配線構造が複雑となる。 To obtain an effect similar to that of Example 1, it is also possible to provide auxiliary emitter wiring for each gate wiring using a similar principle, and to cancel the magnetic flux by opposing each other to achieve low inductance. In that case, providing auxiliary emitter wiring for each gate wiring increases the number of wirings and complicates the wiring structure.
これに対し、実施例1の配線構造を採用すれば、小型かつ省面積のブスバー構造で低インダクタンス化を実現し、ゲートの誤作動を遅延やノイズ混入を防ぐことが可能となる。また、実施例1の配線構造によれば、ゲート配線ブスバーGsと、ゲート配線ブスバーGcとは、補助エミッタ配線ブスバー222を介して遠くなる反対側に配置されたことで、これらの間の干渉も防ぐことが可能となり、ゲートの安定動作を実現できる。In contrast, by adopting the wiring structure of Example 1, a small, area-saving bus bar structure can be used to achieve low inductance, and it is possible to prevent delays in gate malfunctions and noise contamination. In addition, according to the wiring structure of Example 1, the gate wiring bus bar Gs and the gate wiring bus bar Gc are arranged on opposite sides, away from each other, via the auxiliary emitter wiring bus bar 222, which makes it possible to prevent interference between them and achieve stable gate operation.
なお、実施例1の配線構造は、それぞれが板状であって、各配線ブスバーの幅Wと、各配線間の距離dがW>dの条件を満たすことが望ましい。このような条件を満たすことで、配線のインダクタンス値を十分に低減することが可能である。In addition, it is desirable that the wiring structures of Example 1 are each plate-shaped, and that the width W of each wiring bus bar and the distance d between each wiring line satisfy the condition W>d. By satisfying such a condition, it is possible to sufficiently reduce the inductance value of the wiring.
また、各配線ブスバーの材質としては、高周波電流に対する表皮深さが小さい銅が望ましい(対向するブスバーの表面に、より電流が集中するので、磁束のキャンセル効果が大きく、インダクタンスが小さくなる)。しかしながら、軽量化の観点から、アルミニウムを採用した場合でも、銅と比較して効果が著しく損なわれることはない。 The material of each wiring bus bar is preferably copper, which has a small skin depth for high frequency currents (current is more concentrated on the surface of the opposing bus bars, resulting in a large magnetic flux cancellation effect and small inductance). However, even if aluminum is used from the standpoint of weight reduction, the effect is not significantly reduced compared to copper.
実施例2は、例えば、図3の回路構成でデュアルゲートIGBT 011gd~032gdとMOS制御ダイオード011dm~032dmを採用したインバータ装置を実現する制御線の配線構造である。実施例2は、実施例1の配線構造に対し、MOS制御ダイオード012dmを制御するゲート端子124とゲート配線ブスバー224を加えたものである。その他の点では実施例1と同様であるため、同一効果の部位には同一符号を付して説明の重複を避ける。 Example 2 is, for example, a control line wiring structure that realizes an inverter device that employs dual-gate IGBTs 011gd-032gd and MOS control diodes 011dm-032dm in the circuit configuration of Figure 3. Example 2 adds a gate terminal 124 and a gate wiring bus bar 224 that control the MOS control diode 012dm to the wiring structure of Example 1. Since other points are similar to Example 1, parts that have the same effect are given the same reference numerals to avoid duplication of explanation.
図6は、本発明の実施例2に係る制御線の配線構造(以下、「実施例2の配線構造」ともいう)を示す斜視図及び断面模式図である。その斜視図は、電力変換器における上下アーム1対分、すなわち2レベル相当の1相分について、形状を説明するため支持基台等を除去した図である。また、図6において、破線丸囲み部は、A-A'線における断面構造を示した断面模式図であり、これも相互位置関係を説明するため、絶縁支持体等を除去した図である。 Figure 6 is an oblique view and a schematic cross-sectional view showing the wiring structure of a control line according to Example 2 of the present invention (hereinafter also referred to as "wiring structure of Example 2"). The oblique view is a view of one pair of upper and lower arms in a power converter, i.e., one phase equivalent to two levels, with the support base etc. removed in order to explain the shape. Also, in Figure 6, the area circled by a dashed line is a schematic cross-sectional view showing the cross-sectional structure on line A-A', and again, with the insulating supports etc. removed in order to explain the relative positions.
この実施例2の特徴であるゲート配線ブスバー224は、実施例1のゲートブスバー配線221~223と同様の経路でゲートドライバ114,012kまで接続されている。実施例2のゲート配線ブスバー221~224の階層構造において、MOS制御ダイオード012dmのゲート配線ブスバー224は、デュアルゲートIGBT 012gdのゲート配線ブスバー223よりも外側 (紙面では上側)に配置されている。The gate wiring bus bar 224, which is a feature of this embodiment 2, is connected to the gate driver 114,012k via a path similar to that of the gate bus bar wiring 221-223 of embodiment 1. In the hierarchical structure of the gate wiring bus bars 221-224 of embodiment 2, the gate wiring bus bar 224 of the MOS control diode 012dm is arranged outside (above on the paper) the gate wiring bus bar 223 of the dual gate IGBT 012gd.
MOS制御ダイオード012dmを制御するゲート配線も、ノイズや誤作動を抑制するために、可能な限り、低インダクタンスであることが望まれる。そのため、このゲート配線224も、補助エミッタ配線222とラミネート化するように、並走させた構造である。しかしながら、ゲート配線224は、それと補助エミッタ配線222の中間に、デュアルゲートIGBT 012gdを駆動するゲート配線223が配置されている。そのため、ゲート配線224と補助エミッタ配線222とは、両者の配線間隔が開くことになる。したがって、ゲート配線224は、往復電流による磁束のキャンセル効果が小さく、インダクタンスがゲート配線223よりも大きくなる。しかし、その害は、つぎの理由により微小である。 It is desirable that the gate wiring that controls the MOS control diode 012dm also have as low an inductance as possible to suppress noise and malfunction. For this reason, this gate wiring 224 is also structured to run parallel to the auxiliary emitter wiring 222 so as to be laminated. However, between the gate wiring 224 and the auxiliary emitter wiring 222, the gate wiring 223 that drives the dual gate IGBT 012gd is arranged. As a result, the wiring space between the gate wiring 224 and the auxiliary emitter wiring 222 is widened. Therefore, the gate wiring 224 has a small effect of canceling the magnetic flux due to the round-trip current, and its inductance is larger than that of the gate wiring 223. However, the damage is minimal for the following reasons.
インバータ装置においてIGBT 011gd~032gdのゲート駆動タイミングとMOSダイオード制御タイミングを比較すると、つぎのとおりである。まず、IGBT 011gd~032gdのゲート信号のオンあるいはオフのタイミングでは、IGBTに印加される主回路電圧(あるいは主回路電流)が大きく変化する。これに対し、MOS制御ダイオード011dm~032dmのオンあるいはオフタイミングでは、これらのダイオードに印加される主回路電圧変化(あるいは電流の変化)は微小である。したがって、MOS制御ダイオード011dm~032dmのオンあるいはオフタイミングでゲート配線への誘起されるノイズ発生は微小である。 A comparison of the gate drive timing of IGBTs 011gd-032gd and the MOS diode control timing in an inverter device is as follows. Firstly, the on or off timing of the gate signals of IGBTs 011gd-032gd causes a large change in the main circuit voltage (or main circuit current) applied to the IGBTs. In contrast, the on or off timing of the MOS controlled diodes 011dm-032dm causes only a small change in the main circuit voltage (or current) applied to these diodes. Therefore, the noise induced in the gate wiring by the on or off timing of the MOS controlled diodes 011dm-032dm is very small.
このように、部分的なインダクタンスを比較するならば、IGBTのゲート配線223よりも、MOS制御ダイオード012dmのゲート配線224の方が大きくても問題ない。したがって、インダクタンスの低減を部分的に考慮する場合には、実施例2のように、IGBTのゲート配線223を補助エミッタ配線222となるべく近接することにより、こちらのインダクタンスを最小にすることが望ましい。 In this way, when comparing partial inductance, it does not matter if the gate wiring 224 of the MOS control diode 012dm is larger than the gate wiring 223 of the IGBT. Therefore, when considering partial reduction in inductance, it is desirable to minimize the inductance of the gate wiring 223 of the IGBT by placing it as close as possible to the auxiliary emitter wiring 222, as in Example 2.
すべてのゲート配線のインダクタンスを最小にするには、補助エミッタ配線をさらに増やすか、配線幅を追加して、そこにMOSダイオードのゲート配線を並走することも可能であるが、ゲート配線構造の面積や体積が大きくなってしまう。そうならいように、低インダクタンス化と小型化を両立できる実施例2の構造は有効である。 To minimize the inductance of all gate wiring, it is possible to further increase the auxiliary emitter wiring or to add wiring width and run the gate wiring of the MOS diode parallel to it, but this would increase the area and volume of the gate wiring structure. To prevent this from happening, the structure of Example 2, which can achieve both low inductance and compact size, is effective.
なお、実施例2では、デュアルゲートIGBT 011gd,012gdとMOS制御ダイオード011dm,012dmの併用を想定して、3本のゲート配線ブスバー221,223,224について説明した。これにとどまらず、さらに複数のゲート端子を有するパワー半導体素子を使用する場合においても、主回路電圧(あるいは主回路電流)が大きく変化させるゲート信号が入力されるゲート配線を補助エミッタ配線の近くに配置し、それ以外のゲート配線をその外側に配置すれば、ゲート配線の低インダクタンス化と小型化とは両立させることが可能である。In the second embodiment, three gate wiring bus bars 221, 223, and 224 were described assuming the combined use of dual gate IGBTs 011gd and 012gd and MOS control diodes 011dm and 012dm. Even when using a power semiconductor element having multiple gate terminals, it is possible to achieve both low inductance and compact size of the gate wiring by arranging the gate wiring to which the gate signal that significantly changes the main circuit voltage (or main circuit current) is input near the auxiliary emitter wiring and arranging the other gate wirings outside of that.
図7に示す実施例3は、図6に示す実施例2の制御線を絶縁材料225で封止している点に特徴があり、その他、同効の部位を同一符号で示すとおりである。図7は、本発明の実施例3に係る制御線の配線構造(以下、「実施例3の配線構造」ともいう)を示す斜視図及び断面模式図である。ゲート配線ブスバー221~224そのものは、実施例2と同様であり、銅バー等で構成されているが、実施例3の配線構造では、これらゲート配線ブスバー221~224が絶縁材料225によって封止されている。 Example 3 shown in Figure 7 is characterized in that the control lines of Example 2 shown in Figure 6 are sealed with insulating material 225, and other parts having the same effect are indicated with the same reference numerals. Figure 7 is a perspective view and a schematic cross-sectional view showing the wiring structure of the control lines according to Example 3 of the present invention (hereinafter also referred to as the "wiring structure of Example 3"). The gate wiring bus bars 221-224 themselves are similar to those of Example 2 and are made of copper bars, etc., but in the wiring structure of Example 3, these gate wiring bus bars 221-224 are sealed with insulating material 225.
ゲート配線ブスバー221~224は、薄い銅板等で構成されており、配線長が長くなる場合には、重力で変形することがあり、近接する銅板間がショートする可能性がある。そこで、図7に示すように、絶縁材225で封止して保持することで、導体間の距離を保ち、かつ支持部を設けて固定することにより、絶縁を確保するとともに部材の支持を行うことが有効である。 The gate wiring bus bars 221-224 are made of thin copper plates, etc., and if the wiring length is long, it may be deformed by gravity, which may cause a short circuit between adjacent copper plates. Therefore, as shown in Figure 7, it is effective to seal and hold them with insulating material 225 to maintain the distance between the conductors and to provide and fix them with a support part, ensuring insulation and supporting the components.
図8に示す実施例4は、図6に示す実施例2の変形例である。実施例2と比較すると、MOSダイオードのゲート配線を、他の配線とは積層せずに、補助エミッタ配線の隣に並走させている点に特徴があり、その他、同効の部位を同一符号で示すとおりである。図8は、本発明の実施例4に係る制御線の配線構造(以下、「実施例4の配線構造」ともいう)を示す斜視図及び断面模式図である。図8の破線丸囲み部は図8におけるA-A'における断面構造を示した図である。 Example 4 shown in Figure 8 is a modified version of Example 2 shown in Figure 6. Compared to Example 2, it is characterized in that the gate wiring of the MOS diode is not stacked with other wiring but runs parallel to the auxiliary emitter wiring, and other parts with the same effect are indicated with the same symbols. Figure 8 is a perspective view and a schematic cross-sectional view showing the wiring structure of the control line according to Example 4 of the present invention (hereinafter also referred to as the "wiring structure of Example 4"). The area circled by the dashed line in Figure 8 is a diagram showing the cross-sectional structure at A-A' in Figure 8.
図8に示す実施例4の配線構造は、図7の実施例3と同様に、IGBT側のゲート配線221,223側のインダクタンスは最小になるが、ダイオード側のゲート配線224のインダクタンスは、補助エミッタ配線の主面とは対向していないために、磁束のキャンセルが弱く、インダクタンスの低減は小さい。しかしながら実施例2でも述べたように、ダイオードのゲート配線のインダクタンスは最小にする必要がないので、この実施例4の配線構造でも効果を損ねることが少ない。 The wiring structure of Example 4 shown in Figure 8, like Example 3 in Figure 7, minimizes the inductance of the gate wiring 221, 223 on the IGBT side, but the inductance of the gate wiring 224 on the diode side is not opposed to the main surface of the auxiliary emitter wiring, so the magnetic flux cancellation is weak and the reduction in inductance is small. However, as described in Example 2, there is no need to minimize the inductance of the gate wiring of the diode, so the wiring structure of Example 4 does not reduce the effect.
図9は、本発明の実施例5に係る制御線の配線構造(以下、「実施例5の配線構造」ともいう)を示す斜視図である。実施例1(図4)から実施例4(図8)において、主に制御線の配線構造について説明したが、それらの応用形態である実施例5(図9)は、主回路側の配線構造まで例示している。すなわち、図9に示す実施例5のように、IGBTモジュール11と211の直上に、板金状の主回路配線311,312,313を結合することが可能である。 Figure 9 is a perspective view showing the wiring structure of the control line according to the fifth embodiment of the present invention (hereinafter also referred to as the "wiring structure of the fifth embodiment"). In the first embodiment (Figure 4) to the fourth embodiment (Figure 8), the wiring structure of the control line was mainly explained, but the fifth embodiment (Figure 9), which is an application of these, also illustrates the wiring structure on the main circuit side. That is, as in the fifth embodiment shown in Figure 9, it is possible to connect the sheet metal main circuit wiring 311, 312, 313 directly above the IGBT modules 11 and 211.
上アームモジュールのコレクタ端子は、電源の高電位側を構成する主回路配線311に接続される。上アームモジュールのエミッタ端子と下アームのコレクタ端子は、主回路配線312に接続され、インバータ出力(端子)010(図1~図3)としてモータ側に接続される。下アームモジュールのエミッタ端子は、電源の低電位側を構成する主回路配線313に接続される。これら主回路配線311,312,313により、インバータの一相分が構成される。 The collector terminal of the upper arm module is connected to main circuit wiring 311, which constitutes the high potential side of the power supply. The emitter terminal of the upper arm module and the collector terminal of the lower arm are connected to main circuit wiring 312, and connected to the motor side as inverter output (terminal) 010 (Figures 1 to 3). The emitter terminal of the lower arm module is connected to main circuit wiring 313, which constitutes the low potential side of the power supply. These main circuit wirings 311, 312, and 313 constitute one phase of the inverter.
主回路配線311,312,313には大電流が流れるので、その近傍には大きな磁束が生じる。この磁束が制御線に誘導電流を生じさせ、誤動作の原因となる可能性がある。例えば、銅線でなるゲート配線及び補助エミッタ配線が、ツイストペアされた制御線として用いられる場合がある。ツイストペアされた制御線には、各端子への接続箇所の近傍でツイストペアに撚られないだけでなく、フレキシブル構造が原因で撚りがほどける等により、2本の線間距離が大きく開く箇所が生じることがある。このような箇所は、磁束の影響を受けやすい。 A large current flows through the main circuit wiring 311, 312, 313, generating a large magnetic flux in the vicinity. This magnetic flux can generate induced currents in the control lines, potentially causing malfunctions. For example, gate wiring and auxiliary emitter wiring made of copper wires may be used as twisted pair control lines. Twisted pair control lines may not only not be twisted into a twisted pair near the connection points to each terminal, but may also have points where the distance between the two lines is large due to the flexible structure causing the twist to come undone. Such points are susceptible to the effects of magnetic flux.
ツイストペアされた制御線は、磁束の影響を避けるために、主回路配線から相当の距離が確保できるように、遠ざける必要がある。したがって、ツイストペアされた制御線を有するIGBTモジュール直上には、主回路配線を配置することが困難であった。そこで、制御線を剛性のある堅牢なブスバーで構成すれば、ゲート配線と補助エミッタ配線との線間距離を均等に小さく維持できる。実施例5は、そのような構成をより確実に実現するため、IGBTモジュール11,211の直上に、主回路配線311,312,313を配置した。その結果、ブスバーで構成された制御線は、主回路配線311,312,313に流れる大電流による磁束の影響を受けにくい。 The twisted pair control wires must be placed at a considerable distance from the main circuit wiring to avoid the effects of magnetic flux. Therefore, it has been difficult to place the main circuit wiring directly above an IGBT module having twisted pair control wires. Therefore, if the control wires are made of a rigid and sturdy bus bar, the distance between the gate wiring and the auxiliary emitter wiring can be kept small and uniform. In Example 5, to more reliably realize such a configuration, the main circuit wirings 311, 312, and 313 are placed directly above the IGBT modules 11 and 211. As a result, the control wires made of bus bars are less susceptible to the effects of magnetic flux caused by the large current flowing through the main circuit wirings 311, 312, and 313.
[補足]
ここで、実施例1~4の制御線や実施例5の配線構造と、ラミネートブスバーとを対比する。ラミネートブスバーとは、IGBTのほか、駆動回路等を内蔵したIPM(Intelligent Power Module)といったパワー半導体素子を用いたパワー回路(電力変換器)において、高速スイッチング時における異常電圧を抑制し、高速動作をさせるための特性改善を狙った積層配線構造である。このラミネートブスバーは、絶縁フィルムシートと金属導体とを積層ラミネートすることによって、数層複合構造を形成し、下記1~4の課題を解決できる。
[supplement]
Here, the control lines of Examples 1 to 4 and the wiring structure of Example 5 are compared with the laminated bus bar. The laminated bus bar is a laminated wiring structure that aims to improve the characteristics for high-speed operation by suppressing abnormal voltages during high-speed switching in power circuits (power converters) that use power semiconductor elements such as IPMs (Intelligent Power Modules) that incorporate drive circuits, etc., in addition to IGBTs. This laminated bus bar forms a multi-layer composite structure by laminating insulating film sheets and metal conductors, and can solve the following problems 1 to 4.
1.導体間インダクタンス低減による高速スイッチング化
2.組立スペースの縮小化
3.電気接続部の高信頼性
4.部品点数削減による配線の合理化と組立作業時間の短縮
1. High-speed switching due to reduced inductance between conductors 2. Reduced assembly space 3. High reliability of electrical connections 4. Rationalized wiring and reduced assembly time due to reduced number of parts
このように、ラミネートブスバーは、IGBTを用いたインバータにおいて、ゲート配線の低インダクタンスを実現する。ラミネートブスバーは、ゲート配線と補助エミッタ配線に板状の導体バーを採用し、これらの導体バー幅Wよりも、狭い間隔dで対向配置した構造を有する。すなわち、幅W>間隔dである。また、一般的な銅導体に代えて、アルミ導体を使った軽量ラミネートブスバーも実現できる。 In this way, the laminated bus bar achieves low inductance for the gate wiring in inverters that use IGBTs. The laminated bus bar employs plate-shaped conductor bars for the gate wiring and auxiliary emitter wiring, and is structured so that these conductor bars are arranged facing each other with a distance d that is narrower than their width W. In other words, width W > distance d. It is also possible to realize a lightweight laminated bus bar that uses an aluminum conductor instead of the typical copper conductor.
この構造により、ゲート配線と補助エミッタ配線を往復して流れる電流が発生させる磁束がキャンセルされるため、配線の低インダクタンスを実現できる。デュアルゲートIGBT 011gd~032gdを採用したインバータに適用するには、スイッチングゲートGsに一対のラミネートブスバーと、キャリア制御ゲートGcに一対のラミネートブスバーと、をそれぞれ設けることで、双方の配線のインダクタンスを低減することが可能である。 This structure cancels the magnetic flux generated by the current flowing back and forth between the gate wiring and the auxiliary emitter wiring, achieving low wiring inductance. To apply this to inverters that use dual-gate IGBTs 011gd to 032gd, it is possible to reduce the inductance of both wirings by providing a pair of laminated bus bars on the switching gate Gs and a pair of laminated bus bars on the carrier control gate Gc.
しかしながら、デュアルゲートIGBT 011gd~032gd及びMOS制御ダイオード011dm~032dm(マルチゲート半導体素子)で構成されたインバータは、そうでないIGBTインバータと比較すると、2倍以上の配線が必要になる。そのため、マルチゲート半導体素子によるインバータに、ラミネートブスバーを適用した場合は、配線構造に要する体積や面積が問題になる。また、配線数増加に伴いインバータ装置(電力変換器)も大型化してしまう。However, inverters consisting of dual-gate IGBTs 011gd-032gd and MOS control diodes 011dm-032dm (multi-gate semiconductor elements) require more than twice as much wiring as IGBT inverters that do not. Therefore, when laminated bus bars are applied to inverters using multi-gate semiconductor elements, the volume and area required for the wiring structure become an issue. Furthermore, an increase in the number of wires results in an increase in the size of the inverter device (power converter).
そこで、実施例1~5の配線構造は、マルチゲート半導体素子を採用した電力変換器において、ゲート配線構造の体積や面積の増加を抑制し、装置の大型化を回避するとともに、インダクタンスを低減して敷設できるようにしたものである。なお、マルチゲート半導体素子とは、デュアルゲートIGBT 011gd~032gdやMOS制御ダイオード011dm~032dm等、複数のゲート制御端子Gs,Gc,Gd,Esを有するパワー半導体素子をいう。Therefore, the wiring structures of Examples 1 to 5 are designed to suppress increases in the volume and area of the gate wiring structure in a power converter that employs a multi-gate semiconductor element, avoiding an increase in the size of the device, and enabling installation with reduced inductance. Note that a multi-gate semiconductor element refers to a power semiconductor element that has multiple gate control terminals Gs, Gc, Gd, and Es, such as dual-gate IGBTs 011gd to 032gd and MOS control diodes 011dm to 032dm.
本発明の実施形態に係る制御線の配線構造(以下、単に「配線構造」ともいう)は、つぎのように総括できる。
[1]この配線構造は、マルチゲート半導体素子からゲートドライバまでを接続するゲート配線及び補助エミッタ配線である。このマルチゲート半導体素子は、例えば、コレクタ・エミッタ、又ドレイン・ソース等の主端子対と、それに対応する複数の制御端子としてのゲート、とを備える。ゲートドライバは、制御端子に印加する制御電圧で主端子対に流れる制御電流を制御する。
The wiring structure of the control lines according to the embodiment of the present invention (hereinafter, simply referred to as the "wiring structure") can be summarized as follows.
[1] This wiring structure is a gate wiring and an auxiliary emitter wiring that connect a multi-gate semiconductor element to a gate driver. This multi-gate semiconductor element has a main terminal pair, such as a collector-emitter or a drain-source, and a plurality of gates as corresponding control terminals. The gate driver controls a control current flowing through the main terminal pair by a control voltage applied to the control terminal.
この配線構造は、制御電流がゲートドライバと制御端子との間を第1の電流経路と第2の電流経路で流通する制御線で構成される。これらの第1の電流経路と第2の電流経路とは隣接し、それぞれに流れる電流により形成される電磁場を相殺するように敷設される。この配線構造によれば、インダクタンスを均等に低減できる。This wiring structure is composed of a control line in which a control current flows between a gate driver and a control terminal via a first current path and a second current path. These first and second current paths are adjacent to each other and are laid so as to cancel out the electromagnetic fields formed by the currents flowing through each of them. This wiring structure allows the inductance to be reduced evenly.
その結果、指令に対して動作遅延のばらつきなく高精度にマルチゲート半導体素子を動作させることが可能となる。これにより1kV以上で駆動される鉄道用電力変換器電力変換器を高精度に制御することできるようになる。また、電力変換器を使った電源の安定化やモータの滑らかな駆動などに効果がある。また、複数のゲート配線を1本の配線に集約できるので、配線を敷設する空間を低減でき、電力変換器の小型化に貢献できる。 As a result, it is possible to operate multi-gate semiconductor elements with high precision without variation in operational delay in response to commands. This makes it possible to control railway power converters that operate at 1 kV or more with high precision. It is also effective in stabilizing power sources using power converters and driving motors smoothly. In addition, since multiple gate wiring can be consolidated into a single wiring, the space required for wiring can be reduced, contributing to the miniaturization of power converters.
[2]図6の実施例2に示すように、上記[1]の配線構造において、マルチゲート半導体素子011gd,012gd(図2)は、高電位側の第1主端子212と、低電位側の第2主端子213と、複数の制御端子Gs,Gc,Gdと、これら複数の制御端子Gs,Gc,Gdに印加する電圧の基準となる制御電圧基準端子Esと、を備える。 [2] As shown in Example 2 of Figure 6, in the wiring structure of [1] above, the multi-gate semiconductor elements 011gd, 012gd (Figure 2) have a first main terminal 212 on the high potential side, a second main terminal 213 on the low potential side, a plurality of control terminals Gs, Gc, Gd, and a control voltage reference terminal Es that serves as a reference for the voltages applied to these plurality of control terminals Gs, Gc, Gd.
この制御線221~224は、図3の回路図に示すデュアルゲートIGBT 011gd,012gd及びMOS制御ダイオード011dm,012dmを採用したインバータに好適である。各IGBTには、複数の制御端子Gs,Gc,Gd,Esとして、スイッチングゲート(第1制御端子)Gsと、キャリア制御ゲート(第2制御端子)Gcと、補助エミッタEsと、に加えてMOS制御ゲート(第3制御端子)Gdと、それぞれの端子を有している。これら各端子は、ゲートドライバ114に接続される。 These control lines 221-224 are suitable for an inverter using the dual-gate IGBTs 011gd, 012gd and MOS control diodes 011dm, 012dm shown in the circuit diagram of Figure 3. Each IGBT has multiple control terminals Gs, Gc, Gd, Es, including a switching gate (first control terminal) Gs, a carrier control gate (second control terminal) Gc, an auxiliary emitter Es, and a MOS control gate (third control terminal) Gd. Each of these terminals is connected to the gate driver 114.
複数の制御端子Gs,Gc,Gd,Esは、つぎのように接続される。まず、第1制御端子Gsは、板状の第1制御信号導体221でゲートドライバ114,011kに接続される。同様に、第2制御端子Gcも、板状の第2制御信号導体223でゲートドライバ114,011kに接続される。同様に、制御電圧基準端子Esも、板状の制御電圧基準導体222でゲートドライバ114,011kに接続される。これら第1制御信号導体221と第2制御信号導体223は、制御電圧基準導体222に近接して配置される。The multiple control terminals Gs, Gc, Gd, Es are connected as follows. First, the first control terminal Gs is connected to the gate driver 114,011k by a plate-shaped first control signal conductor 221. Similarly, the second control terminal Gc is connected to the gate driver 114,011k by a plate-shaped second control signal conductor 223. Similarly, the control voltage reference terminal Es is connected to the gate driver 114,011k by a plate-shaped control voltage reference conductor 222. The first control signal conductor 221 and the second control signal conductor 223 are arranged in close proximity to the control voltage reference conductor 222.
各導体221,223,222は板状であり、それぞれの広い面積の各主面は、つぎのような相互位置関係に配置される。まず全体的に、各導体221,223は、制御電圧基準導体222の主面と並行に配置される。また、制御電圧基準導体222は、第1制御信号導体221と第2制御信号導体223の中間に配置される。Each of the conductors 221, 223, and 222 is plate-shaped, and the principal surfaces of the respective large areas are arranged in the following mutual positional relationship. First, overall, each of the conductors 221 and 223 is arranged parallel to the principal surface of the control voltage reference conductor 222. In addition, the control voltage reference conductor 222 is arranged midway between the first control signal conductor 221 and the second control signal conductor 223.
この配線構造は、インバータ等の電力変換器に好適である。すなわち、図3の回路図に示すデュアルゲートIGBT 011gd~032gd及びMOS制御ダイオード011dm~032dmを採用したインバータにおいて、各アームを構成する半導体素子とゲートドライバを接続するゲート配線(制御線)は4本となるが、上述の制御電圧基準導体222を、第1制御信号導体221と第2制御信号導体223の中間に配置したことにより、大型化を避けられる。This wiring structure is suitable for power converters such as inverters. That is, in an inverter using the dual-gate IGBTs 011gd-032gd and MOS control diodes 011dm-032dm shown in the circuit diagram of Figure 3, there are four gate wirings (control lines) connecting the semiconductor elements constituting each arm to the gate driver, but by locating the above-mentioned control voltage reference conductor 222 between the first control signal conductor 221 and the second control signal conductor 223, it is possible to avoid an increase in size.
この配線構造において、ゲート電流は、対向配置されたゲート配線と補助エミッタ配線を互いに往復方向に流される。すなわち、相互に逆方向のため、相互配線間を近接して流れ、しかもこれらの電流によって生じる磁束はキャンセルされる。このように、何れのゲート電流に対しても、磁束がキャンセルされるために、この配線構造は低インダクタンスにできるので、回路の誤動作や、信号遅延を抑制できる。 In this wiring structure, the gate current flows in a reciprocating direction between the gate wiring and the auxiliary emitter wiring, which are arranged opposite each other. In other words, because the currents flow in opposite directions, they flow close to each other between the wirings, and the magnetic flux generated by these currents is cancelled. In this way, because the magnetic flux is cancelled for both gate currents, this wiring structure can have low inductance, thereby suppressing circuit malfunctions and signal delays.
[3]図6の実施例2に示すように、上記[1]の配線構造において、各IGBTには、スイッチングゲート(第1制御端子)Gsと、キャリア制御ゲート(第2制御端子)Gcと、補助エミッタEsと、に加えてMOS制御ゲート(第3制御端子)Gdと、それぞれの端子を有し、これら各端子は、ゲートドライバ114に接続される。 [3] As shown in Example 2 of Figure 6, in the wiring structure of [1] above, each IGBT has a switching gate (first control terminal) Gs, a carrier control gate (second control terminal) Gc, an auxiliary emitter Es, and a MOS control gate (third control terminal) Gd, and each of these terminals is connected to a gate driver 114.
複数の制御端子Gs,Gc,Gd,Esは、つぎのような相互位置関係に配置される。第3制御端子(MOS制御ゲート)Gdは、板状の第3制御信号導体224でゲートドライバ114,011kに接続される。第3制御信号導体224は、第1制御信号導体221もしくも第2制御信号導体223に近接し、それらの主面が並行となるように配置される。このように、板状の導電体どうしの広い主面が、相互に対面する配置であれば、近接する逆電流の磁束キャンセル効果で、より低インダクタンス化が図れる。 The multiple control terminals Gs, Gc, Gd, Es are arranged in the following mutual positional relationship. The third control terminal (MOS control gate) Gd is connected to the gate driver 114,011k by the plate-shaped third control signal conductor 224. The third control signal conductor 224 is arranged close to the first control signal conductor 221 or the second control signal conductor 223, with their main surfaces parallel. In this way, if the wide main surfaces of the plate-shaped conductors are arranged facing each other, the magnetic flux cancellation effect of nearby reverse currents can be used to further reduce inductance.
[4]図8の実施例4に示すように、上記[1]の配線構造において、複数の制御端子Gs,Gc,Gd,Esは、つぎのような相互位置関係に配置される。第3制御端子(MOS制御ゲート)Gdは板状の第3制御信号導体224で、ゲートドライバ114,011kに接続される。第3制御信号導体224は、制御電圧基準導体222に近接して配置される。しかし、第3制御信号導体224の主面は、他の導体の主面に対して並行に対向配置する必要は無い。したがって、第3制御信号導体224と、制御電圧基準導体222と、による逆電流は近接せず、これらの磁束キャンセル効果は少なく、低インダクタンス化も少ないがそれでも良い理由はつぎのとおりである。 [4] As shown in Example 4 of FIG. 8, in the wiring structure of [1] above, the multiple control terminals Gs, Gc, Gd, and Es are arranged in the following mutual positional relationship. The third control terminal (MOS control gate) Gd is a plate-shaped third control signal conductor 224, which is connected to the gate driver 114, 011k. The third control signal conductor 224 is arranged close to the control voltage reference conductor 222. However, the main surface of the third control signal conductor 224 does not need to be arranged parallel to and opposite the main surfaces of other conductors. Therefore, the reverse currents due to the third control signal conductor 224 and the control voltage reference conductor 222 are not close to each other, and the magnetic flux cancellation effect is small, and the inductance reduction is also small, but the reason why this is acceptable is as follows.
MOS制御ダイオード011dm~032dmのオンあるいはオフタイミングではダイオードに印加される主回路電圧変化(あるいは電流の変化)は微小である。したがって、MOS制御ダイオード011dm~032dmのオンあるいはオフタイミングでゲート配線への誘起されるノイズ発生は微小である。 When the MOS controlled diodes 011dm to 032dm are turned on or off, the change in the main circuit voltage (or current) applied to the diode is very small. Therefore, the noise induced in the gate wiring when the MOS controlled diodes 011dm to 032dm are turned on or off is very small.
複数のゲート端子Gs,Gc,Gd,Esを有するマルチゲート半導体素子011gd~032gd(図3)を使用する場合においても、主回路電圧(あるいは主回路電流)が大きく変化させるゲート信号が入力されるゲート配線を補助エミッタ配線の近くに配置し、それ以外のゲート配線、すなわち、第3制御端子(MOS制御ゲート)Gdに接続された板状の第3制御信号導体224をその外側に配置すれば、この配線構造(ゲート配線)の低インダクタンス化と小型化とは両立させることが可能である。Even when using multi-gate semiconductor elements 011gd to 032gd (Figure 3) having multiple gate terminals Gs, Gc, Gd, and Es, it is possible to achieve both low inductance and compactness in this wiring structure (gate wiring) by arranging the gate wiring to which the gate signal that significantly changes the main circuit voltage (or main circuit current) is input near the auxiliary emitter wiring and arranging the other gate wiring, i.e., the plate-shaped third control signal conductor 224 connected to the third control terminal (MOS control gate) Gd, outside it.
[5]図7の実施例3に示すように、上記[2]の配線構造において、第1制御信号導体221、第2制御信号導体223及び制御電圧基準導体222は、絶縁材(絶縁体)225によって電気的に隔てられるとともに、封止して保持されている。実施例3の配線構造は、線の長さ全体に及んで、平行に配置された導体間の距離を保ち、絶縁を確保するとともに確実な支持部により固定される。その結果、実施例3の配線構造、すなわち、薄い銅板等で構成されたゲート配線ブスバー221~224は、配線長が長くなる場合にも、重力で変形することなく、近接する銅板間がショートする危険も避けられる。 [5] As shown in Example 3 of FIG. 7, in the wiring structure of [2] above, the first control signal conductor 221, the second control signal conductor 223, and the control voltage reference conductor 222 are electrically separated by the insulating material (insulator) 225 and are sealed and held. The wiring structure of Example 3 maintains the distance between the conductors arranged in parallel over the entire length of the line, ensuring insulation and being fixed by a reliable support. As a result, the wiring structure of Example 3, i.e., the gate wiring bus bars 221-224 made of thin copper plates or the like, does not deform due to gravity even when the wiring length is long, and the risk of shorting between adjacent copper plates is avoided.
[6]図9の実施例5に示すように、上記[1]の配線構造において、第1主回路導体311と、第2主回路導体312と、をマルチゲート半導体素子011gd,012gd(図3)の直上に配置した。第1主回路導体311は板状であり、マルチゲート半導体素子011gdの第1主端子212に接続される。第2主回路導体312も板状であり、マルチゲート半導体素子011gdの第2主端子213に接続される。 [6] As shown in Example 5 of Figure 9, in the wiring structure of [1] above, the first main circuit conductor 311 and the second main circuit conductor 312 are arranged directly above the multi-gate semiconductor elements 011gd, 012gd (Figure 3). The first main circuit conductor 311 is plate-shaped and is connected to the first main terminal 212 of the multi-gate semiconductor element 011gd. The second main circuit conductor 312 is also plate-shaped and is connected to the second main terminal 213 of the multi-gate semiconductor element 011gd.
[7]上記[1]の配線構造において、これを形成する配線ブスバー221~224の幅Wと、各配線ブスバー221~224相互間の距離dとは、W>dの条件を満たすことが好ましい。このような条件を満たすことで、表皮効果や近接効果を高める作用が強められ、各配線ブスバー221~224のインダクタンス値を十分に低減できる。 [7] In the wiring structure of [1] above, it is preferable that the width W of the wiring bus bars 221-224 forming it and the distance d between each of the wiring bus bars 221-224 satisfy the condition W>d. By satisfying such a condition, the effect of enhancing the skin effect and the proximity effect is strengthened, and the inductance value of each of the wiring bus bars 221-224 can be sufficiently reduced.
[8]上記[1]~[7]の何れかの配線構造を1kV以上で駆動される鉄道用電力変換器に採用すると良い。その鉄道用電力変換器を搭載する鉄道車両は、高精度に制御できて、電源の安定化やモータの滑らかな駆動等のため、乗り心地を良くする効果が得られる。また、電力変換器そのものを小型化し、かつ品質性能を向上し、生産及び補修の容易さからコストダウンにもつながる。 [8] It is advisable to adopt any of the wiring structures [1] to [7] above for a railway power converter that operates at 1 kV or more. A railway vehicle equipped with such a railway power converter can be controlled with high precision, and the effect of improving the ride comfort due to the stabilization of the power supply and the smooth operation of the motor can be obtained. In addition, the power converter itself can be made smaller, and its quality and performance can be improved, leading to cost reduction due to the ease of production and repair.
001:電源、002:平滑コンデンサ、003:モータ、010,020,030:インバータ出力、011g~32g:IGBT、011d~032d:ダイオード、011k~032k,114,214:ゲートドライバ(ゲート駆動回路)、011gd~032gd:デュアルゲートIGBT、011dm~032dm:MOS制御ダイオード、11,211:デュアルゲートIGBT 011gd,012gdモジュール、12,212:コレクタ(第1)主端子、13,213:エミッタ(第2)主端子、121:スイッチングゲート端子、122:補助エミッタ端子、123:キャリア制御ゲート端子、124:MOS制御ダイオード011dm,012dmのゲート端子、221:スイッチングゲート配線ブスバー(制御線、導体バー)、222:補助エミッタ配線ブスバー(制御線、導体バー)、223:キャリア制御ゲート配線ブスバー(制御線、導体バー)、224:(MOS制御ダイオード011dm,012dmの)ゲート配線ブスバー(制御線、導体バー)、225:絶縁材、311,312,313:主回路配線、d:(各配線ブスバー221~224間の)距離、Gs:スイッチングゲート(第1制御端子)、Gc:キャリア制御ゲート(第2制御端子)、Es:補助エミッタ、W:(配線ブスバー221~224の)幅 001: Power supply, 002: Smoothing capacitor, 003: Motor, 010, 020, 030: Inverter output, 011g to 32g: IGBT, 011d to 032d: Diode, 011k to 032k, 114, 214: Gate driver (gate drive circuit), 011gd to 032gd: Dual gate IGBT, 011dm to 032dm: MOS controlled diode, 11, 211: Dual gate IGBT 011gd, 012gd module, 12, 212: collector (first) main terminal, 13, 213: emitter (second) main terminal, 121: switching gate terminal, 122: auxiliary emitter terminal, 123: carrier control gate terminal, 124: gate terminal of MOS control diodes 011dm, 012dm, 221: switching gate wiring bus bar (control line, conductor bar), 222: auxiliary emitter wiring bus bar (control line, conductor bar), 223: Carrier control gate wiring bus bar (control line, conductor bar), 224: (MOS control diode 011dm, 012dm) gate wiring bus bar (control line, conductor bar), 225: insulating material, 311, 312, 313: main circuit wiring, d: distance (between each wiring bus bar 221 to 224), Gs: switching gate (first control terminal), Gc: carrier control gate (second control terminal), Es: auxiliary emitter, W: width (of wiring bus bars 221 to 224)
Claims (9)
前記マルチゲート半導体素子は、
高電位側の第1主端子と、
低電位側の第2主端子と、
複数の制御端子と、
前記複数の制御端子に印加する電圧の基準となる制御電圧基準端子と、
を備え、
前記複数の制御端子のうち、
スイッチングゲートである第1制御端子は、板状の第1制御信号導体でゲートドライバに接続され、
キャリア制御ゲートである第2制御端子は、板状の第2制御信号導体でゲートドライバに接続され、
前記制御電圧基準端子は、板状の制御電圧基準導体でゲートドライバに接続され、
前記第1制御信号導体と前記第2制御信号導体は、前記制御電圧基準導体に近接され、
前記第1制御信号導体および前記第2制御信号導体の主面は、
制御電圧基準導体の主面と並行に配置され、
前記第1制御信号導体と前記第2制御信号導体の中間に、前記制御電圧基準導体が配置され、
前記複数の制御端子のうち、
MOS制御ゲートである第3制御端子は、板状の第3制御信号導体でゲートドライバに接続され、
前記第3制御信号導体は、第1制御信号導体もしくは第2制御信号導体に近接し、相互の主面が並行となるように配置される、または制御電圧基準導体と近接して配置される、の何れか一方であり、
前記制御端子を含む端子と前記ゲートドライバとの間に接続された第1の電流経路と第2の電流経路を有し、
前記第1の電流経路と前記第2の電流経路とは、それぞれに流れる電流により形成される電磁場を相殺するように隣接して敷設された、
制御線の配線構造。 A wiring structure of a control line connecting a multi-gate semiconductor element having a main terminal pair and a plurality of control terminals for controlling a current flowing through the main terminal pair to a gate driver that controls a current flowing through the main terminal pair by a control voltage applied to the control terminals,
The multi-gate semiconductor device comprises:
A first main terminal on a high potential side;
A second main terminal on the low potential side;
A plurality of control terminals;
a control voltage reference terminal that serves as a reference for voltages applied to the plurality of control terminals;
Equipped with
Among the plurality of control terminals,
The first control terminal, which is a switching gate , is connected to the gate driver by a plate-shaped first control signal conductor;
The second control terminal, which is a carrier control gate , is connected to the gate driver by a plate-shaped second control signal conductor,
The control voltage reference terminal is connected to a gate driver by a plate-shaped control voltage reference conductor;
the first control signal conductor and the second control signal conductor are adjacent to the control voltage reference conductor;
The main surfaces of the first control signal conductor and the second control signal conductor are
arranged parallel to a major surface of the control voltage reference conductor;
the control voltage reference conductor is disposed intermediate the first control signal conductor and the second control signal conductor;
Among the plurality of control terminals,
The third control terminal, which is a MOS control gate , is connected to the gate driver by a plate-shaped third control signal conductor;
the third control signal conductor is either adjacent to the first control signal conductor or the second control signal conductor so that their principal surfaces are parallel to each other, or adjacent to a control voltage reference conductor;
a first current path and a second current path connected between a terminal including the control terminal and the gate driver;
The first current path and the second current path are laid adjacent to each other so as to cancel out electromagnetic fields formed by currents flowing through the first current path and the second current path.
Wiring structure of control lines.
請求項1に記載の制御線の配線構造。 the first control signal conductor, the second control signal conductor and the control voltage reference conductor are electrically isolated by being sealed with an insulator;
The wiring structure of the control line according to claim 1 .
前記マルチゲート半導体素子の第2主端子と接続する板状の第2主回路導体と、
を前記マルチゲート半導体素子の直上に配置した、
請求項1に記載の制御線の配線構造。 a plate-shaped first main circuit conductor connected to a first main terminal of the multi-gate semiconductor device;
a plate-shaped second main circuit conductor connected to a second main terminal of the multi-gate semiconductor element;
is disposed directly above the multi-gate semiconductor element;
The wiring structure of the control lines according to claim 1 .
請求項1に記載の制御線の配線構造。 a width W of the wiring bus bar forming the control line and a distance d between the wiring bus bars satisfy the condition W>d;
The wiring structure of the control line according to claim 1 .
前記マルチゲート半導体素子は、複数の制御端子と、前記複数の制御端子に印加する電圧の基準となる制御電圧基準端子と、高電位側の第1主端子と、低電位側の第2主端子と、を備えたものを用い、
前記複数の制御端子のうち、
スイッチングゲートである第1制御端子は、板状の第1制御信号導体を用いてゲートドライバに接続し、
キャリア制御ゲートである第2制御端子は、板状の第2制御信号導体を用いてゲートドライバに接続し、
前記制御電圧基準端子は、板状の制御電圧基準導体を用いてゲートドライバに接続し、
前記第1制御信号導体と前記第2制御信号導体は、前記制御電圧基準導体に近接させ、
前記第1制御信号導体および前記第2制御信号導体の主面は、
制御電圧基準導体の主面と並行に配置し、
前記第1制御信号導体と前記第2制御信号導体の中間に、前記制御電圧基準導体を配置し、
前記複数の制御端子のうち、
MOS制御ゲートである第3制御端子は、板状の第3制御信号導体を用いてゲートドライバに接続し、
前記第3制御信号導体は、第1制御信号導体もしくも第2制御信号導体に近接させるとともに、相互の主面が並行になるように配置する、または制御電圧基準導体と近接させて配置する、の何れか一方であり、
前記制御端子を含む端子と、前記ゲートドライバと、の間を第1の電流経路と第2の電流経路で接続し、
前記第1の電流経路と前記第2の電流経路とは隣接し、それぞれに流れる電流により形成される電磁場を相殺するように敷設された、
制御線敷設方法。 A method for laying a control line connecting a multi-gate semiconductor element having a main terminal pair and a plurality of control terminals for controlling a current flowing through the main terminal pair to a gate driver that controls a current flowing through the main terminal pair by a control voltage applied to the control terminals, comprising:
The multi-gate semiconductor element includes a plurality of control terminals, a control voltage reference terminal that is a reference for voltages applied to the plurality of control terminals, a first main terminal on a high potential side, and a second main terminal on a low potential side;
Among the plurality of control terminals,
The first control terminal, which is a switching gate , is connected to the gate driver using a plate-shaped first control signal conductor;
The second control terminal, which is a carrier control gate , is connected to the gate driver using a plate-shaped second control signal conductor;
the control voltage reference terminal is connected to the gate driver using a plate-shaped control voltage reference conductor;
the first control signal conductor and the second control signal conductor are adjacent to the control voltage reference conductor;
The main surfaces of the first control signal conductor and the second control signal conductor are
arranged parallel to the main surface of the control voltage reference conductor;
The control voltage reference conductor is disposed intermediate the first control signal conductor and the second control signal conductor;
Among the plurality of control terminals,
The third control terminal, which is a MOS control gate , is connected to the gate driver using a plate-shaped third control signal conductor;
the third control signal conductor is arranged adjacent to the first control signal conductor or the second control signal conductor and arranged so that their main surfaces are parallel to each other, or the third control signal conductor is arranged adjacent to a control voltage reference conductor;
a first current path and a second current path are connected between the terminal including the control terminal and the gate driver;
The first current path and the second current path are adjacent to each other and are laid so as to cancel out electromagnetic fields formed by currents flowing through the first current path and the second current path.
Method of laying control lines.
請求項6に記載の制御線敷設方法。 the first control signal conductor, the second control signal conductor, and the control voltage reference conductor are sealed with an insulator to ensure electrical insulation and to be fixed.
The control line installation method according to claim 6 .
前記マルチゲート半導体素子の第2主端子と接続する板状の第2主回路導体と、
を前記マルチゲート半導体素子の直上に配置する、
請求項6に記載の制御線敷設方法。 a plate-shaped first main circuit conductor connected to a first main terminal of the multi-gate semiconductor device;
a plate-shaped second main circuit conductor connected to a second main terminal of the multi-gate semiconductor element;
directly above the multi-gate semiconductor device;
The control line installation method according to claim 6 .
請求項6に記載の制御線敷設方法。 a relationship between a width W of the wiring bus bar forming the control line and a distance d between each of the wiring bus bars satisfies the condition W>d;
The control line installation method according to claim 6 .
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