ПЕРЕКЛЮЧАЮЩАЯ СХЕМА И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ МОДУЛЬ Российский патент 2015 года по МПК H01L29/12 H03K17/16 H01L29/78 H02M1/08 H03K17/687 H03K17/695 

Область техники, к которой относится изобретение

[0001] Настоящее изобретение относится к переключающей схеме и полупроводниковому модулю.

Уровень техники

[0002] Известна схема инвертора с использованием устройства на основе SiC, которая: включает в себя конденсатор, вставленный между затвором и истоком полевого транзистора с управляющим р-n-переходом, служащий в качестве основного переключающего элемента; и за счет этого предотвращает ложное срабатывание посредством подавления изменения в виде повышения напряжения между затвором и истоком в ходе повышения напряжения между стоком и истоком.

Список библиографических ссылок

Непатентные документы

[0003] Непатентный документ 1. Robin Kelley, SemiSouth, USA, "Optimized Gate Driver for Enhancement-Mode SiC JFET Used in 480VAV SMPS and 1kV PV-Inverters", PCIM Europe 2009, 12-14 мая 2009 года, Nuremberg.

Сущность изобретения

[0004] Тем не менее, вышеуказанная схема инвертора имеет такую проблему, что нагрузка на схему формирователя сигналов управления затвором увеличивается, поскольку зарядные и разрядные токи для заряда и разряда конденсатора должны подаваться из схемы формирователя сигналов управления затвором, чтобы управлять переключением основного переключающего элемента.

[0005] Проблема, которая должна быть разрешена посредством настоящего изобретения, состоит в том, чтобы предоставлять переключающую схему и полупроводниковый модуль, которые уменьшают нагрузку на схему управления для управления переключением.

[0006] Переключающая схема согласно одному аспекту настоящего изобретения включает в себя: первый переключающий элемент; резистор, вставленный между управляющим электродом первого переключающего элемента и схемой управления, выполненной с возможностью выполнять управление переключением для первого переключающего элемента; и первый конденсатор и второй переключающий элемент, подключенные между управляющим электродом первого переключающего элемента и электродом на стороне с низким потенциалом первого переключающего элемента. Электрод на стороне с высоким потенциалом второго переключающего элемента подключается к управляющему электроду первого переключающего элемента. Электрод на стороне с низким потенциалом второго переключающего элемента подключается к одному электроду первого конденсатора. Другой электрод первого конденсатора электрически подключен к электроду на стороне с низким потенциалом первого переключающего элемента. Управляющий электрод второго переключающего элемента подключается к электроду резистора, подключенного к схеме управления.

Краткое описание чертежей

[0007] Фиг. 1 является блок-схемой, показывающей преобразователь постоянного тока в трехфазный переменный ток, который использует переключающую схему настоящего изобретения.

Фиг. 2 является принципиальной схемой, связанной с фиг. 1, показывающей схемы верхнего и нижнего плеча, которые соответствуют одной из трех фаз, показанных на фиг. 1.

Фиг. 3 является принципиальной схемой для пояснения первого сравнительного примера, показывающей схемы верхнего и нижнего плеча, которые соответствуют одной фазе.

Фиг. 4(a)-4(h) являются графиками, показывающими временные характеристики напряжений и токов в схемах верхнего и нижнего плеча первого сравнительного примера.

Фиг. 5(a)-5(h) являются графиками, показывающими временные характеристики напряжений и токов в схемах верхнего и нижнего плеча, показанных на фиг. 2.

Фиг. 6 является принципиальной схемой, показывающей схему верхнего плеча, показанную на фиг. 2, из которой исключаются представления схемы формирователя сигналов управления затвором и импеданса затвора.

Фиг. 7 является видом сверху внутренней структуры полупроводникового модуля, в которой конкретные кристаллы в принципиальной схеме, показанной на фиг. 6, к примеру, резистор затвора, переключающий элемент и конденсатор, размещаются на рисунках межсоединений платы.

Фиг. 8 является принципиальной схемой, показывающей схемы верхнего и нижнего плеча, составляющие переключающую схему второго варианта осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 9 является принципиальной схемой, показывающей схему верхнего плеча, показанную на фиг. 8, из которой исключаются представления схемы формирователя сигналов управления затвором и импеданса затвора.

Фиг. 10 является видом сверху внутренней структуры полупроводникового модуля, полученного посредством: размещения конкретных кристаллов в принципиальной схеме, показанной на фиг. 9, к примеру, резистора затвора, переключающего элемента и конденсатора, на рисунках межсоединений платы; и их объединения в модуль.

Фиг. 11 является принципиальной схемой, показывающей схему верхнего плеча в переключающей схеме третьего варианта осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 12(a)-12(c) являются графиками, показывающими временные характеристики напряжений и токов в схеме верхнего плеча, показанной на фиг. 11.

Фиг. 13 является принципиальной схемой, показывающей схему верхнего плеча в переключающей схеме четвертого варианта осуществления настоящего изобретения.

Фиг. 14(a)-14(c) являются графиками, показывающими временные характеристики напряжений и токов в схеме верхнего плеча, показанной на фиг. 13.

Фиг. 15 является принципиальной схемой, показывающей схему верхнего плеча в переключающей схеме второго сравнительного примера.

Фиг. 16(a)-16(c) являются графиками, показывающими временные характеристики напряжений и тока в схеме верхнего плеча, показанной на фиг. 15.

Подробное описание вариантов осуществления

[0008] Ниже предоставлены описания вариантов осуществления настоящего изобретения на основе чертежей.

[0009] Первый вариант осуществления

Фиг. 1 является блок-схемой, показывающей преобразователь постоянного тока в трехфазный переменный ток, который включает в себя переключающую схему настоящего изобретения. Хотя его подробная иллюстрация опускается, преобразователь электроэнергии, включающий в себя переключающую схему настоящего изобретения, применяется к системе бесперебойного питания переменного тока, инвертору общего назначения для вращения индукционной машины и т.п.

[0010] Преобразователь постоянного тока в трехфазный переменный ток, включающий в себя переключающую схему настоящего изобретения, включает в себя: нагрузку 103 трехфазного переменного тока; источник 101 питания постоянного тока; и инвертор 100, выполненный с возможностью преобразовывать электроэнергию постоянного тока источника 101 питания постоянного тока в электроэнергию переменного тока.

[0011] Источник 101 питания постоянного тока формируется, например, из солнечной батареи, топливного элемента, PFC-преобразователя или аккумуляторной батареи, такой как литий-ионный аккумулятор. Следует отметить, что, когда нагрузка 103 переменного тока работает в рекуперативном режиме, электроэнергия переменного тока нагрузки 103 переменного тока преобразуется в электроэнергию постоянного тока посредством инвертора 100, и полученная в результате электроэнергия постоянного тока вводится в источник 101 питания постоянного тока.

[0012] Инвертор 100 включает в себя: схемы 1041, 1043, 1045 верхнего плеча; схемы 1042, 1044, 1046 нижнего плеча; сглаживающий конденсатор 102; и контроллер 105. Инвертор 100 преобразует электроэнергию постоянного тока источника 101 питания постоянного тока в электроэнергию переменного тока и подает электроэнергию переменного тока в нагрузку 103 переменного тока. Основные конфигурации схем 1041, 1043, 1045 верхнего плеча являются схемами, в которых переключающие элементы Q1, Q3, Q5 в качестве силовых устройств и диоды D1, D3, D5 подключаются между собой параллельно, соответственно. Аналогично, основные конфигурации схем 1042, 1044, 1046 нижнего плеча являются схемами, в которых переключающие элементы Q2, Q4, Q6 в качестве силовых устройств и диоды D2, D4, D6 подключаются между собой параллельно, соответственно. В этом варианте осуществления, три пары схем, другими словами, три схемы, включающие в себя последовательно подключенные пары переключающих элементов, а именно, Q1 и Q2, Q3 и Q4 и Q5 и Q6, подключаются между линиями P, N источника питания и, таким образом, параллельно подключаются к источнику 101 питания постоянного тока. Соединительная точка между каждыми спаренными переключающими элементами электрически подключена к соответствующему одному из трехфазных входных фрагментов нагрузки 103 переменного тока. Например, любой из полевого транзистора с управляющим р-n-переходом (JFET), полевого транзистора на основе перехода металл-оксид-полупроводник (MOSFET-транзистор) и биполярного транзистора с изолированным затвором (IGBT), каждый из которых является полупроводниковым устройством с широкой запрещенной зоной (устройством на основе SiC, устройством на основе GaN или устройством на алмазной структуре) или устройством на основе Si, используется в качестве каждого из переключающих элементов Q1-Q6. Любой из FRD (диода с резким восстановлением), SBD (диода с барьером Шотки) и т.п. используется в качестве каждого из диодов D1-D6.

[0013] В примере, показанном на фиг. 1, схема 1041 верхнего плеча и схема 1042 нижнего плеча спариваются и подключаются между собой последовательно; схема 1043 верхнего плеча и схема 1044 нижнего плеча спариваются и подключаются между собой последовательно; и схема 1045 верхнего плеча и схема 1046 нижнего плеча спариваются и подключаются между собой последовательно. Соединительная точка между схемой 1041 верхнего плеча и схемой 1042 нижнего плеча подключается к U-фазе нагрузки 103 переменного тока; соединительная точка между схемой 1043 верхнего плеча и схемой 1044 нижнего плеча подключается к V-фазе нагрузки 103 переменного тока; и соединительная точка между схемой 1045 верхнего плеча и схемой 1046 нижнего плеча подключается к W-фазе нагрузки 103 переменного тока. Схемы 1041-1046 верхнего и нижнего плеча переключаются на высокой частоте под управлением контроллера 105. Контроллер 105 управляет выводом из инвертора 100 посредством перевода верхних и нижних схем 1041, 1042 во включенные и выключенные состояния почти комплементарным способом.

[0014] Схема 1041 верхнего плеча формируется из переключающего элемента Q1, диода D1 и схемы формирователя сигналов управления затвором, которая описывается ниже. В случае если, например, переключающий элемент Q1 формируется из униполярного транзистора, его электрод стока подключается к катодному контактному выводу диода D1, и электрод истока переключающего элемента Q1 подключается к анодному контактному выводу диода D1. Электрод затвора переключающего элемента Q1 подключается к контроллеру 105 через схему формирователя сигналов управления затвором, которая описывается ниже. Аналогично, другие схемы 1042-1046 верхнего и нижнего плеча подключаются к контроллеру 105.

[0015] Далее, с помощью фиг. 2, предоставляются описания подробных схемотехнических конфигураций схем 1041, 1042 верхнего и нижнего плеча, которые соответствуют переключающей схеме варианта осуществления. Фиг. 2 является принципиальной схемой схемы в U-фазе, которая извлечена из инвертора 100, показанного на фиг. 1. Следует отметить, что схемотехнические конфигурации схем 1043, 1044 верхнего и нижнего плеча и схемотехнические конфигурации схем 1045, 1046 верхнего и нижнего плеча являются идентичными схемотехническим конфигурациям схем 1041, 1042 верхнего и нижнего плеча. По этой причине, их описания исключаются.

[0016] Схема 1041 верхнего плеча включает в себя переключающий элемент Q1, диод D1, резистор 11 затвора, импеданс 12 затвора, схему 13 формирователя сигналов управления затвором, переключающий элемент 14 и конденсатор 15. Нижняя схема 1042 включает в себя переключающий элемент Q2, диод D2, резистор 21 затвора, импеданс 22 затвора, схему 23 формирователя сигналов управления затвором, переключающий элемент 24 и конденсатор 25. Переключающий элемент Q1 имеет емкость 16 обратной связи между стоком и затвором и входную емкость 17 между затвором и истоком. Переключающий элемент Q2 имеет емкость 26 обратной связи между стоком и затвором и входную емкость 27 между затвором и истоком. Емкости 16, 26 обратной связи и входные емкости 17, 27 являются паразитными емкостями, существующими в переключающих элементах Q1, Q2, соответственно.

[0017] Контактный вывод 1 положительного электрода подключается к положительному электроду источника 101 питания постоянного тока, и контактный вывод 2 отрицательного электрода подключается к отрицательному электроду источника 101 питания постоянного тока. Контактный вывод 3 переменного тока исходит из соединительной точки между электродом истока переключающего элемента Q1 и электродом стока переключающего элемента Q2 и подключается к U-фазе нагрузки 103 переменного тока.

[0018] Из трех контактных выводов переключающего элемента Q1 электрод стока, который является электродом на стороне с высоким потенциалом, подключается к контактному выводу 1 положительного электрода; электрод истока, который является электродом на стороне с низким потенциалом, подключается к контактному выводу 3 переменного тока и электроду стока переключающего элемента Q2; и электрод затвора, который является управляющим электродом, подключается к резистору 11 затвора. Резистор 11 затвора является резистором, выполненным с возможностью предотвращать паразитные колебания переключающего элемента Q1, и один конец резистора 11 затвора подключается к электроду затвора переключающего элемента Q1. Импеданс 12 затвора является эквивалентным внутреннему импедансу схемы 13 формирователя сигналов управления затвором и импедансу межсоединений и представляет собой импеданс, основным компонентом которого является индуктивность межсоединений.

[0019] Схема 13 формирователя сигналов управления затвором является схемой формирователя сигналов управления, выполненной с возможностью управлять операцией переключающего элемента Q1 посредством предоставления ее вывода на контактный вывод затвора переключающего элемента Q1 на основе управляющего сигнала из контроллера 105, показанного на фиг. 1. Сигнальная линия обратной связи схемы 13 формирователя сигналов управления затвором подключается к электроду на стороне с более низким потенциалом переключающего элемента Q1.

[0020] Переключающий элемент 14 является PNP-транзистором. Электрод эмиттера переключающего элемента 14 подключается между электродом затвора переключающего элемента Q1 и одним концом резистора 11 затвора; электрод коллектора переключающего элемента 14 подключается к одному концу конденсатора 15; и электрод базы переключающего элемента 14 подключается к другому концу резистора 11 затвора. Один конец конденсатора 15 подключается к электроду коллектора переключающего элемента 14, и другой конец конденсатора 15 подключается к электроду S истока переключающего элемента Q1. Вкратце, переключающий элемент 14 и конденсатор 15, которые подключаются между собой последовательно, подключаются между затвором и истоком переключающего элемента Q1.

[0021] Из трех контактных выводов переключающего элемента Q2, электрод стока, который является электродом на стороне с высоким потенциалом, подключается к электроду истока переключающего элемента Q1 и контактному выводу 3 переменного тока; электрод истока, который является электродом на стороне с низким потенциалом, подключается к отрицательному электроду 2; и электрод затвора, который является управляющим электродом, подключается к резистору 21 затвора. Резистор 21 затвора является резистором, выполненным с возможностью предотвращать паразитные колебания переключающего элемента Q2, и один конец резистора 21 затвора подключается к электроду затвора переключающего элемента Q2. Импеданс 22 затвора является эквивалентным внутреннему импедансу схемы 23 формирователя сигналов управления затвором и импедансу межсоединений и представляет собой импеданс, основным компонентом которого является индуктивность межсоединений.

[0022] Схема 23 формирователя сигналов управления затвором является схемой формирователя сигналов управления, выполненной с возможностью управлять переключением переключающего элемента Q2 посредством ввода напряжения затвора в электрод затвора на основе управляющего сигнала из контроллера 105. Схема 23 формирователя сигналов управления затвором подключается к контактному выводу 2 отрицательного электрода.

[0023] Переключающий элемент 24 является PNP-транзистором. Электрод эмиттера переключающего элемента 24 подключается между электродом затвора переключающего элемента Q2 и одним концом резистора 21 затвора; электрод коллектора переключающего элемента 24 подключается к одному концу конденсатора 25; и электрод базы переключающего элемента 24 подключается между другим концом резистора 21 затвора и выходным контактным выводом схемы 23 формирователя сигналов управления затвором. Один конец конденсатора 25 подключается к электроду коллектора переключающего элемента 24, и другой конец конденсатора 25 подключается к электроду S истока переключающего элемента Q2. Вкратце, переключающий элемент 24 и конденсатор 25 подключаются между собой последовательно, и последовательная схема, включающая в себя переключающий элемент 24 и конденсатор 25, подключается между затвором и истоком переключающего элемента Q2.

[0024] Каждая из схем 13, 23 формирователя сигналов управления затвором выводит надлежащее положительное напряжение, когда соответствующий управляющий сигнал в нее из контроллера 105, показанного на фиг. 1, представляет собой инструкцию включения, и выводит надлежащее отрицательное напряжение, когда соответствующий управляющий сигнал представляет собой инструкцию отключения.

[0025] Каждый из переключающих элементов Q1, Q2 переходит во включенное состояние, и сток и исток являются взаимопроводящими, когда напряжение между затвором и истоком превышает пороговое напряжение. Каждый из переключающих элементов Q1, Q2 переходит в отключенное состояние, и сток и исток разъединяются, когда напряжение между затвором и истоком ниже порогового напряжения. Пороговое напряжение является напряжением, внутренне присущим каждому устройству, и используется для переключения каждого из переключающих элементов Q1, Q2 между включенным состоянием и отключенным состоянием. В случае инструкции включения каждая из схем 13, 23 формирователя сигналов управления затвором подает положительное напряжение, которое существенно выше порогового напряжения. В случае инструкции отключения каждая из схем 13, 23 формирователя сигналов управления затвором подает отрицательное напряжение, которое существенно ниже порогового напряжения. Другими словами, каждый из переключающих элементов Q1, Q2 выключается из включенного состояния в выключенное состояние, когда напряжение между затвором и истоком переключается с напряжения, превышающего пороговое напряжение, на напряжение ниже порогового напряжения.

[0026] Здесь, с помощью фиг. 3 и фиг. 4, предоставляются описания ложного срабатывания, что представляет собой проблему, которая должна быть разрешена посредством настоящего изобретения. Фиг. 3 показывает принципиальную схему переключающей схемы первого сравнительного примера, которая соответствует одному плечу в U-фазе, показанной на фиг. 1. Фиг. 4 показывает формы сигналов напряжений и токов в схеме, показанной на фиг. 3. Фиг. 4(a) показывает форму сигнала выходного напряжения из схемы 13 формирователя сигналов управления затвором; фиг. 4(b) показывает форму сигнала выходного напряжения из схемы 23 формирователя сигналов управления затвором; фиг. 4(c) показывает форму сигнала напряжения между затвором и истоком переключающего элемента Q1; фиг. 4(d) показывает форму сигнала напряжения между затвором и истоком переключающего элемента Q2; фиг. 4(e) показывает форму сигнала напряжения между стоком и истоком переключающего элемента Q1; фиг. 4(f) показывает форму сигнала тока стока переключающего элемента Q1; фиг. 4(g) показывает форму сигнала напряжения между стоком и истоком переключающего элемента Q2; и фиг. 4(h) показывает форму сигнала тока стока переключающего элемента Q2. Времена проиллюстрированных форм сигналов синхронизируются друг с другом. Здесь, направление каждого тока нагрузки, выведенного на контактный вывод 3 переменного тока на фиг. 3, задается таким образом, что направление, в котором ток выводится из контактного вывода переменного тока, является положительным.

[0027] Как показано на фиг. 3, в переключающей схеме первого сравнительного примера, последовательная схема, включающая в себя переключающий элемент 14 и конденсатор 15, не подключается между затвором и истоком ни в одном из переключающих элементов Q1, Q2, в отличие от переключающей схемы варианта осуществления. Как показано на фиг. 4, схема 13 формирователя сигналов управления затвором выводит положительный импульс в период активации от времени T1 до времени T2, и схема 23 формирователя сигналов управления затвором выводит положительный импульс в период активации во и перед временем T3 и в период активации во и после времени T4. После того, как положительный импульс выводится из схемы 13 формирователя сигналов управления затвором во время T1, напряжение между затвором и истоком переключающего элемента Q1 постепенно повышается в ответ на ход заряда входной емкости 17. В течение этого времени каждое из вывода из схемы 23 формирователя сигналов управления затвором и напряжения между затвором и истоком переключающего элемента Q2 является отрицательным напряжением.

[0028] Во время ta, поскольку напряжение между затвором и истоком переключающего элемента Q1 достигает порогового напряжения, переключающий элемент Q1 включается из выключенного состояния во включенное состояние, и ток стока начинает протекать в переключающем элементе Q1. Соответственно, напряжение между стоком и истоком переключающего элемента Q1 падает. В ответ на понижение напряжения между стоком и истоком переключающего элемента Q1, напряжение между стоком и истоком переключающего элемента Q2 повышается.

[0029] Во время ta миграция зарядов возникает в канале, проходящем через емкость 26 обратной связи и входную емкость 27, вследствие повышения напряжения между стоком и истоком переключающего элемента Q2. Соответственно, напряжение между затвором и истоком переключающего элемента Q2 повышается. Повышение напряжения между затвором и истоком переключающего элемента Q2 становится выше по мере того, как скорость нарастания (dv/dt) напряжения между стоком и истоком переключающего элемента Q2 становится больше, и по мере того, как значение, полученное посредством деления емкости для емкости 26 обратной связи на емкость для входной емкости 27 (емкость для емкости обратной связи 26/емкость для входной емкости 27), становится большим. Помимо этого, более вероятно, что: во время tb, напряжение между затвором и истоком переключающего элемента Q2 становится выше порогового напряжения; и переключающий элемент Q2 ложно включается на основе управляющего сигнала из контроллера 105. В этом случае, поскольку переключающий элемент Q1 находится во включенном состоянии, короткое замыкание возникает между положительным контактным выводом 1 и отрицательным контактным выводом 2, и чрезмерное электростатическое напряжение прикладывается к переключающим элементам Q1, Q2. В частности, в случае, если устройство на основе SiC используется в качестве каждого из переключающих элементов Q1-Q6, устройство работает быстрее, и скорость нарастания (dv/dt) напряжения между стоком и истоком выше, чем в случае использования другого полупроводникового устройства (к примеру, устройства на основе Si) в качестве каждого из переключающих элементов Q1-Q6. Кроме того, емкости для емкостей 16, 26 обратной связи больше в этом случае. По этой причине, ложное срабатывание возникает с большей вероятностью.

[0030] Схемотехническая конфигурация, предназначенная для того, чтобы увеличивать фактическую емкость (входную емкость) между затвором и истоком в каждом из переключающих элементов Q1, Q2, показанных на фиг. 3, например, посредством дополнительного подключения конденсатора между затвором и истоком, известна как схемотехническая конфигурация, выполненная с возможностью предотвращать ложное срабатывание. Это может приводить к тому, что емкость для входной емкости 27 превышает емкость для емкости 26 обратной связи, в силу чего ложное срабатывание возникает с меньшей вероятностью. Тем не менее, эта схемотехническая конфигурация имеет такую проблему, что нагрузка на каждую схему 13, 23 формирователя сигналов управления затвором увеличивается, поскольку в этой схемотехнической конфигурации добавленные конденсаторы должны заряжаться и разряжаться при каждой операции переключения. Помимо этого, добавление конденсатора делает изменение в форме сигнала стробирующего сигнала резким, когда переключение управляется, и, соответственно, приводит к тому, что скорости переключения переключающих элементов Q1-Q6 уменьшаются. По этим причинам, данная схемотехническая конфигурация также имеет проблемы большей задержки во времени в ходе операции переключения и увеличения потерь на переключение.

[0031] Помимо этого, схемотехническая конфигурация, в которой только PNP-транзистор подключается между затвором и истоком каждого из переключающих элементов Q1-Q6, известна как другая схемотехническая конфигурация, выполненная с возможностью предотвращать ложное срабатывание (см. публикацию заявки на патент (Япония) номер 2003-324966). Когда напряжение между затвором и истоком каждого из переключающих элементов Q1-Q6 повышается, эта схемотехническая конфигурация включает PNP-транзистор. В силу этого, данная схемотехническая конфигурация допускает задание напряжения между затвором и истоком эквивалентным нулю и за счет этого предотвращение ложного срабатывания в каждом из переключающих элементов Q1-Q6. Тем не менее, в случае, если полупроводниковое устройство, пороговое напряжение которого является низким или отрицательным напряжением, используется в качестве каждого из переключающих элементов Q1-Q6 в этой схемотехнической конфигурации, напряжение между затвором и истока повышается посредством падения напряжения PNP-транзистора, даже если PNP-транзистор включен. Как результат, эта схемотехническая конфигурация ложно включает переключающие элементы Q1-Q6. Вкратце, эта схемотехническая конфигурация не может применяться к переключающей схеме с использованием полупроводниковых устройств с широкой запрещенной зоной, пороговое напряжение которых является низким или отрицательным напряжением.

[0032] В этом варианте осуществления, как описано выше, последовательная схема, включающая в себя соответствующий один из переключающих элементов 14, 24, в качестве PNP-транзистора и соответствующий один из конденсаторов 15, 25, подключается между затвором и истоком в каждом из переключающих элементов Q1-Q6. Помимо этого, электрод базы каждого из переключающих элементов 14, 24 подключается между соответствующим одним из резисторов 11, 21 затвора и соответствующей одной из схем 13, 23 формирователя сигналов управления затвором. По этим причинам включается переключающий элемент 24, когда напряжение между затвором и истоком переключающего элемента Q2 повышается в ответ на включение переключающего элемента Q1, и конденсатор 25, соответственно, становится подключенным между затвором и истоком переключающего элемента Q2. Зарядное напряжение конденсатора 25 допускает подавление повышения напряжения между затвором и истоком переключающего элемента Q2 и одновременно применения отрицательного смещения между затвором и истоком переключающего элемента Q2. Соответственно, можно предотвращать ложное включение переключающего элемента Q2.

[0033] Далее, с помощью фиг. 5, предоставляются описания того, как работает переключающая схема варианта осуществления. Фиг. 5 показывает формы сигналов напряжений и токов в переключающей схеме варианта осуществления. Фиг. 5(a) показывает форму сигнала выходного напряжения из схемы 13 формирователя сигналов управления затвором; фиг. 5(b) показывает форму сигнала выходного напряжения из схемы 23 формирователя сигналов управления затвором; фиг. 5(c) показывает форму сигнала напряжения между затвором и истоком переключающего элемента Q1; фиг. 5(d) показывает форму сигнала напряжения между затвором и истоком переключающего элемента Q2; фиг. 5(e) показывает форму сигнала напряжения между стоком и истоком переключающего элемента Q1; фиг. 5(f) показывает форму сигнала тока схемы 1041 верхнего плеча; фиг. 5(g) показывает форму сигнала напряжения между стоком и истоком переключающего элемента Q2; и фиг. 5(h) показывает форму сигнала тока схемы 1042 нижнего плеча. Времена проиллюстрированных форм сигналов синхронизируются друг с другом. Здесь, направление каждого тока нагрузки, выведенного на контактный вывод 2 переменного тока на фиг. 3, задается таким образом, что направление, в котором ток выводится из контактного вывода переменного тока, является положительным. Времена положительных импульсов, выведенных из схем 13, 23 формирователя сигналов управления затвором, показанных на фиг. 5(a) и 5(b), являются идентичными временам, показанным на фиг. 4(a) и 4(b), соответственно. По этой причине, описания этих времен исключаются.

[0034] После того, как положительный импульс выводится из схемы 13 формирователя сигналов управления затвором во время T1, напряжение между затвором и истоком переключающего элемента Q1 повышается. Во время ta, напряжение между затвором и истоком переключающего элемента Q1 достигает порогового напряжения, и переключающий элемент Q1 включается. В это время, ток стока переключающего элемента Q1 начинает протекать, и напряжение между стоком и истоком переключающего элемента Q1 падает. В ответ на понижение напряжения между стоком и истоком переключающего элемента Q1, напряжение между стоком и истоком переключающего элемента Q2 повышается. В течение этого времени напряжение отрицательного смещения выводится из схемы 23 формирователя сигналов управления затвором.

[0035] Во время ta миграция зарядов возникает в канале, проходящем через емкость 26 обратной связи и входную емкость 27, вследствие повышения напряжения между стоком и истоком переключающего элемента Q2. Соответственно, напряжение между затвором и истоком переключающего элемента Q2 повышается. Между тем, в варианте осуществления, формируется канал от электрода затвора переключающего элемента Q2 к выходному контактному выводу схемы 23 формирователя сигналов управления затвором через электрод эмиттера и электрод базы переключающего элемента 24. Соответственно, ток, возникающий вследствие повышения напряжения между затвором и истоком переключающего элемента Q2, протекает в этом канале, и переключающий элемент 24 включается. После того, как переключающий элемент 24 включается, конденсатор 25 становится параллельно подключенным между затвором и истоком переключающего элемента Q2. По этой причине, повышение напряжения между затвором и истоком переключающего элемента Q2 подавляется, и напряжение между затвором и истоком переключающего элемента Q2, которое достигает пика в точке времени tb, сохраняется ниже порогового напряжения. В силу этого, ложное срабатывание переключающего элемента 22 может предотвращаться. В последовательности операций, изменение напряжения контактного вывода конденсатора 25 является небольшим. Соответственно, ток конденсатора 25 почти никогда не становится лишней нагрузкой для схемы 23 формирователя сигналов управления затвором.

[0036] Далее, с помощью фиг. 6 и фиг. 7, предоставляются описания внутренней структуры полупроводникового модуля, в который включается переключающая схема варианта осуществления. Фиг. 6 является принципиальной схемой схемы 1041 верхнего плеча, извлеченной из фиг. 2, из которой удалены представления схемы 13 формирователя сигналов управления затвором и импеданса 12 затвора. Импеданс 12 затвора, основным компонентом которого является индуктивность, существует в межсоединении от электрода G затвора первого переключающего элемента Q1 к схеме 13 формирователя сигналов управления затвором и, соответственно, замедляет работу схемы настоящего изобретения. По этой причине, второй переключающий элемент 14, первый конденсатор 15 и т.п. должны размещаться непосредственно около первого переключающего элемента Q1. Фиг. 7 является видом сверху внутренней структуры полупроводникового модуля, показывающим то, как фактические кристаллы размещаются на рисунках межсоединений платы в модуле в целях осуществления схемы, показанной на фиг. 6. Область 200, обведенная пунктирной линией, представляет добавленный фрагмент, в котором второй переключающий элемент 14, первый конденсатор 15 и резистор 11 размещаются в компактной компоновке. Переключающий элемент Q1 и диод D1 монтируются на рисунке межсоединений, сформированном на плате (не проиллюстрирована) и включающем в себя контактный вывод A, при этом электроды задней стороны электрически подключены к рисунку межсоединений посредством использования припоя и т.п. Электроды с низким потенциалом на передних поверхностях переключающего элемента Q1 и диода D1 электрически подключены к межсоединению, включающему в себя контактный вывод B, посредством использования алюминиевых проводов, как показано на чертеже. Резистор 11 затвора, переключающий элемент 14 и конденсатор 15 монтируются при наложении на четыре рисунка межсоединений, как показано на чертеже, и составляют добавленный фрагмент 200 на фиг. 6. Таким образом, схема в добавленном фрагменте, показанном на фиг. 6, может быть компактно реализована непосредственно около переключающего элемента Q1 в фактическом модуле. Следует отметить, что элементы, включенные в каждую из других схем 1043, 1045 верхнего плеча и схем 1042, 1044, 1046 нижнего плеча, аналогично конструируются в качестве модуля. Поскольку эти модули являются идентичными модулю схемы 1041 верхнего плеча, описания модулей исключаются.

[0037] Между тем, может использоваться конфигурация, в которой только добавленный фрагмент 200 сконструирован как модуль и добавляется к модулю, включающему в себя только переключающий элемент Q1 и диод D1.

[0038] Как описано выше, вариант осуществления использует, например, схемотехническую конфигурацию, как показано на фиг. 2, в которой: конденсаторы 15, 25 и переключающие элементы 14, 24 подключаются между собой последовательно между электродами затвора и электродами истока переключающих элементов Q1, Q2, соответственно; электроды эмиттера переключающих элементов 14, 24 подключаются к электродам G затвора переключающих элементов Q1, Q2, соответственно; электроды коллектора переключающих элементов 14, 24 подключаются к электродам конденсаторов 15, 25, соответственно; другие электроды конденсаторов 15, 25 подключаются к электродам S истока переключающих элементов Q1, Q2, соответственно; и электроды базы переключающих элементов 14, 24 подключаются между резисторами 11, 21 затвора и схемами 13, 23 формирователя сигналов управления затвором, соответственно. В силу этого, вариант осуществления предотвращает ложное срабатывание, когда, например, в ответ на включение переключающего элемента Q1, напряжение в противном случае должно повышаться между затвором и истоком другого переключающего элемента Q2, поскольку мигрирующие заряды, которые должны в противном случае повышать потенциал электрода затвора, принудительно протекают в схему 23 формирователя сигналов управления затвором через эмиттер и базу переключающего элемента 24. После этого, переключающий элемент 24 включается, и контактный вывод затвора переключающего элемента Q2 является проводящим с конденсатором 25. Соответственно, эквивалентная входная емкость становится большей. Это подавляет повышение напряжения между затвором и истоком переключающего элемента Q2, и ложное срабатывание переключающего элемента Q2 может предотвращаться. Следует отметить, что операция для предотвращения ложного срабатывания переключающего элемента Q1 аналогично выполняется, когда переключающий элемент Q2 выключается, в то время как переключающий элемент Q1 находится в отключенном состоянии. Кроме того, аналогичное применимо, когда конфигурация является такой, как показано на фиг. 1.

[0039] Кроме того, в варианте осуществления с использованием конфигурации, как показано на фиг. 2, конденсаторы 15, 25 подключаются в целях предотвращения ложного срабатывания посредством приложения напряжения смещения между затворами и истоками переключающих элементов Q1, Q2, соответственно. По этой причине, конденсаторы 15, 25 не должны разряжаться каждый раз, когда соответствующие схемы 13, 23 формирователя сигналов управления затвором выполняют управление переключением. Поскольку конденсаторы 15, 25 не должны заряжаться или разряжаться каждый раз, когда выполняется управление переключением, вариант осуществления допускает: уменьшение нагрузок на схему 13, 23 формирователя сигналов управления затвором; предотвращение формирования резких форм выходных сигналов схем 13, 23 формирователя сигналов управления затвором; предотвращение возникновения задержки при операции переключения; и предотвращение снижения скорости переключения.

[0040] Более того, вариант осуществления аналогично функционирует в случае, если: полупроводниковое устройство с широкой запрещенной зоной, пороговое напряжение которого между затвором и истоком задается равным отрицательному напряжению, используется в качестве каждого из переключающих элементов Q1, Q2; и в ответ на включение переключающего элемента Q1, напряжение в противном случае должно повышаться между затвором и истоком переключающего элемента Q2, и переключающий элемент 24 в противном случае должен включаться, соответственно.

[0041] Следует отметить, что когда вариант осуществления использует конфигурацию, как показано на фиг. 1, биполярный транзистор может быть использован в качестве каждого из переключающих элементов Q1-Q6 посредством подключения электрода коллектора, электрода эмиттера и электрода базы таким образом, что они служат в качестве электрода на стороне с высоким потенциалом, электрода на стороне с низким потенциалом и управляющего электрода, соответственно. Вместо этого, когда вариант осуществления использует конфигурацию, как показано на фиг. 2, полевой транзистор с каналом p-типа может быть использован в качестве каждого из переключающих элементов 14, 24 посредством подключения электрода истока, электрода стока и электрода затвора таким образом, что они служат в качестве электрода на стороне с высоким потенциалом, электрода на стороне с низким потенциалом и управляющего электрода, соответственно.

[0042] Другими словами, при использовании конфигурации, как показано на фиг. 2, переключающая схема варианта осуществления включает в себя: резисторы 11, 21, подключенные между электродами затвора или электродами базы переключающих элементов Q1, Q2 и схем 13, 23 формирователя сигналов управления, выполненных с возможностью управлять переключающими затворами Q1, Q2, соответственно; конденсаторы 15, 25, подключенные между электродами затвора или электродами базы переключающих элементов Q1, Q2 и электродами истока или электродами эмиттера переключающих элементов Q1, Q2, соответственно; и переключающие элементы 14, 24, подключенные к конденсаторам 15, 25 последовательно, соответственно. Контактные выводы эмиттера или контактные выводы истока переключающих элементов 14, 24 подключаются к электродам затвора или электродам базы переключающих элементов Q1, Q2, соответственно. Контактные выводы коллектора или контактные выводы стока переключающих элементов 14, 24 электрически подключены к электродам истока или электродам эмиттера переключающих элементов Q1, Q2, соответственно. Электроды базы или электроды затвора переключающих элементов 14, 24 подключаются между резисторами и схемами управления, соответственно. Каждый из переключающих элементов 14, 24 может формироваться из PNP-транзистора или полевого транзистора с каналом p-типа.

[0043] Кроме того, в варианте осуществления, хотя конденсаторы 15, 25, соответственно, подключаются к электродам коллектора переключающих элементов 14, 24, концы конденсаторов 15, 25 могут, соответственно, подключаться к контактным выводам эмиттера переключающих элементов 14, 24, в то время как другие концы конденсаторов 15, 25 могут, соответственно, подключаться к контактным выводам затвора переключающих элементов Q1, Q2.

[0044] Каждый из переключающих элементов Q1, Q2 соответствует "первому переключающему элементу" в формуле настоящего изобретения; каждый из переключающих элементов 14, 24 соответствует "второму переключающему элементу"; каждый из конденсаторов 15, 25 соответствует "первому конденсатору"; каждая из схем 13, 23 формирователя сигналов управления затвором соответствует "схеме управления"; и резистор 11 затвора соответствует "резистору".

[0045] Второй вариант осуществления

Фиг. 8 является принципиальной схемой схемы в U-фазе, которая извлекается из инвертора, включающего в себя переключающую схему второго варианта осуществления настоящего изобретения. Этот вариант осуществления отличается от первого варианта осуществления тем, что конденсатор 18 и конденсатор 28 соединяются. Остальная часть конфигурации является идентичной остальной части конфигурации вышеописанного первого варианта осуществления. По этой причине, описания остальной части конфигурации исключаются.

[0046] В переключающей схеме этого варианта осуществления конденсатор 18 подключается между базой и коллектором переключающего элемента 14, в то время как конденсатор 28 подключается между базой и коллектором переключающего элемента 24. Ниже предоставлены описания функций соответствующих конденсаторов 18, 28.

[0047] После того, как переключающий элемент Q1 включается, и напряжение повышается между затвором и истоком переключающего элемента Q2, ток из электрода затвора протекает в конденсатор 28 через эмиттер и базу переключающего элемента 24. Таким образом, переключающий элемент 24 включается, и последовательная схема, включающая в себя переключающий элемент 24 и конденсатор 25, является проводящей между затвором и истоком переключения Q2. Соответственно, повышение напряжения между затвором и истоком переключающего элемента Q2 подавляется. В этом варианте осуществления, ток базы переключающего элемента 24 принудительно протекает в конденсатор 28 вместо импеданса 22 затвора. По этой причине, на ток базы может с меньшей вероятностью оказывать влияние импеданс 22 затвора. Емкости конденсаторов 18, 28 могут быть меньше емкостей конденсаторов 15, 25 на один разряд или больше.

[0048] Далее, с помощью фиг. 9 и фиг. 10, предоставляются описания варианта осуществления. Фиг. 9 является принципиальной схемой схемы 1041 верхнего плеча, извлеченной из фиг. 8, из которой удалено представление схемы 13 формирователя сигналов управления затвором. Импеданс 12 затвора, основным компонентом которого является индуктивность, существует в межсоединении от электрода G затвора первого переключающего элемента Q1 к схеме 13 формирователя сигналов управления затвором и, соответственно, замедляет работу схемы настоящего изобретения. По этой причине, второй переключающий элемент 14, первый конденсатор 15 и т.п. должны размещаться непосредственно около первого переключающего элемента Q1. Фиг. 10 является видом сверху внутренней структуры полупроводникового модуля, показывающим то, как фактические кристаллы размещаются на рисунках межсоединений платы в модуле в целях осуществления схемы, показанной на фиг. 9. Область 200, обведенная пунктирной линией, представляет добавленный фрагмент, в котором второй переключающий элемент 14, первый конденсатор 15, резистор 11 и второй конденсатор 18 размещаются в компактной компоновке. Следует отметить, что элементы, включенные в каждую из других схем 1043, 1045 верхнего плеча и схем 1042, 1044, 1046 нижнего плеча, аналогично конструируются в качестве модуля. Поскольку эти модули являются идентичными модулю схемы 1041 верхнего плеча, описания модулей исключаются.

[0049] Как описано выше, в этом варианте осуществления, конденсаторы 18, 28, емкости которых меньше емкостей конденсаторов 15, 25, подключаются между электродами базы и электродами коллектора переключающих элементов 14, 24, соответственно. Это позволяет предотвращать принудительное уменьшение протекания токов базы переключающих элементов 14, 24 вследствие импедансов 12, 22 затвора.

[0050] Каждый из конденсаторов 18, 28 соответствует "второму конденсатору" в формуле настоящего изобретения.

[0051] Третий вариант осуществления

С помощью фиг. 11 предоставляются описания переключающей схемы третьего варианта осуществления настоящего изобретения. Фиг. 11 является принципиальной схемой схемы 1041 верхнего плеча в U-фазе, которая извлекается из инвертора 100, показанного на фиг. 1. Схема верхнего плеча этого варианта осуществления дополнительно включает в себя переключающий элемент 34 и конденсатор 35 по сравнению со схемой 1041 верхнего плеча, показанной на фиг. 2. Остальная часть конфигурации является идентичной остальной части конфигурации схемы 1041 верхнего плеча, показанной на фиг. 2. Следует отметить, что конфигурация схемы 1042 нижнего плеча в U-фазе этого варианта осуществления является идентичной конфигурации схемы верхнего плеча в U-фазе, показанной на фиг. 11. Помимо этого, схемотехнические конфигурации схемы 1043 верхнего плеча и схемы 1044 нижнего плеча, а также схемотехнические конфигурации схемы 1045 верхнего плеча и схемы 1046 нижнего плеча, которые показаны на фиг. 1, являются идентичными схемотехническим конфигурациям схемы 1041 верхнего плеча и схемы 1042 нижнего плеча этого варианта осуществления. По этой причине, описания схемотехнических конфигураций схем 1043-1046 исключаются.

[0052] Схема верхнего плеча этого варианта осуществления включает в себя схему 13 формирователя сигналов управления затвором, импеданс 12 затвора и полупроводниковый модуль S1. Полупроводниковый модуль S1 является переключающей схемой третьего варианта осуществления настоящего изобретения, которая формируется как модуль.

[0053] Схема 13 формирователя сигналов управления затвором формирует напряжение с прямоугольной формой сигнала для возбуждения полупроводникового модуля S1 в качестве управляющего сигнала и выводит управляющий сигнал в полупроводниковый модуль SL.

[0054] Импеданс 12 затвора задается для удобства в пояснении операции схемы. Импеданс 12 затвора включает в себя: внутренний импеданс схемы 13 формирователя сигналов управления затвором; и импеданс межсоединения затвора для соединения схемы 13 формирователя сигналов управления затвором и полупроводникового модуля S1. Основным компонентом импеданса 12 затвора является индуктивность межсоединений.

[0055] Полупроводниковый модуль S1 включает в себя: конденсатор 35; конденсатор 15; переключающий элемент 34, выполненный с возможностью способствовать включению; переключающий элемент 14, выполненный с возможностью способствовать выключению; резистор 11 затвора; переключающий элемент Q1; диод D1; контактный вывод 1 положительного электрода; и контактный вывод отрицательного электрода. Контактный вывод отрицательного электрода подключается к контактному выводу 3 переменного тока и электроду стока переключающего элемента Q2, который не иллюстрируется. Входная емкость 17 паразитно существует между затвором и истоком переключающего элемента Q1. Входная емкость 17 возрастает пропорционально размеру кристалла переключающего элемента Q1.

[0056] Один конец конденсатора 35 подключается к коллектору переключающего элемента 34, в то время как другой конец конденсатора 35 подключается к одному концу конденсатора 15. Другой конец конденсатора 15 подключается к коллектору переключающего элемента 14. Соединительная точка между конденсатором 35 и конденсатором 15 подключается к истоку переключающего элемента Q1. Каждый из конденсатора 35 и конденсатора 15 имеет емкость, которая существенно (например, более чем в 10 раз) больше входной емкости 17.

[0057] Переключающий элемент 34 формируется из NPN-транзистора. Эмиттер переключающего элемента 34 подключается к соединительной точке между затвором переключающего элемента Q1 и резистором 11 затвора, в то время как база переключающего элемента 34 подключается к соединительной точке между выходным контактным выводом схемы 13 формирователя сигналов управления затвором и резистором 11 затвора. Переключающий элемент 34 имеет функцию заряда входной емкости 17 посредством подачи тока из конденсатора 35 во входную емкость 17 и, дополнительно, функцию заряда конденсатора 35. Более конкретно, конденсатор 35 заряжается положительным напряжением через p-n-переход между базой и коллектором переключающего элемента 34, когда положительное напряжение отправляется из схемы 13 формирователя сигналов управления затвором в конденсатор 35.

[0058] Переключающий элемент 14 формируется из PNP-транзистора. Эмиттер переключающего элемента 14 подключается к соединительной точке между затвором переключающего элемента Q1 и одним контактным выводом резистора 11 затвора, в то время как база переключающего элемента 14 подключается к соединительной точке между другим контактным выводом резистора 11 затвора и выходным контактным выводом схемы 13 формирователя сигналов управления затвором. Переключающий элемент 14 имеет функцию заряда и разряда входной емкости 17 посредством подачи тока из входной емкости 17 в конденсатор 15 и, дополнительно, функцию заряда конденсатора 15. Более конкретно, конденсатор 15 заряжается отрицательным напряжением через n-p-переход между базой и коллектором переключающего элемента 14, когда отрицательное напряжение отправляется из схемы 13 формирователя сигналов управления затвором в конденсатор 15.

[0059] Резистор 11 затвора является резистором, выполненным с возможностью предотвращать паразитные колебания в переключающем элементе Q1. Один конец резистора 11 затвора подключается к выходному контактному выводу схемы 13 формирователя сигналов управления затвором, в то время как другой конец резистора 11 затвора подключается к затвору переключающего элемента Q1.

[0060] Переключающий элемент Q1 является проводящим между стоком и истоком, когда напряжение между затвором и истоком равно или превышает пороговое напряжение. Переключающий элемент Q1 разъединяет сток и исток, когда напряжение между затвором и истоком меньше порогового напряжения. Пороговое напряжение является значением, внутренне присущим переключающему элементу Q1. Следует отметить, что хотя фиг. 11 показывает полевой MOS-транзистор (MOSFET-транзистор) в качестве переключающего элемента Q1, вместо этого биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) может быть использован в качестве переключающего элемента Q1.

[0061] Диод D1 предоставляется между электродом стока и электродом истока переключающего элемента Q1. Катод диода D1 подключается к электроду стока переключающего элемента Q1, в то время как анод диода D1 подключается к электроду истока переключающего элемента Q1.

[0062] Помимо этого, контактный вывод 1 положительного электрода исходит из стока переключающего элемента Q1, в то время как контактный вывод отрицательного электрода исходит из истока переключающего элемента Q1. Контактный вывод 1 положительного электрода подключается к стороне положительного электрода источника 101 питания постоянного тока, показанного на фиг. 1, в то время как контактный вывод отрицательного электрода подключается к U-фазе нагрузки 103 переменного тока, показанной на фиг. 1, через контактный вывод 3 переменного тока.

[0063] Далее, со ссылкой на схемы формы сигнала, показанные на фиг. 12(a)-12(c), предоставляются описания того, как схема верхнего плеча, показанная на фиг. 11, выполняет операцию переключения. Фиг. 12 показывает формы сигналов некоторых напряжений и токов в схеме, показанной на фиг. 11. Фиг. 12(a) показывает форму сигнала зарядного тока I(R2) входной емкости 17 и форму сигнала тока I(L30) схемы 13 формирователя сигналов управления затвором; фиг. 12(b) показывает форму сигнала напряжения V(gs0) сигнала, выведенного из схемы 13 формирователя сигналов управления затвором, и форму сигнала напряжения V(gs) сигнала, приложенного к затвору переключающего элемента Q1; и фиг. 12(c) показывает форму сигнала напряжения V(vdc1) на контактных выводах конденсатора 35 и форму сигнала напряжения V(vdc2) на контактных выводах конденсатора 15. Времена проиллюстрированных форм сигналов синхронизируются друг с другом.

[0064] Хотя напряжение V(gs0) сигнала, выведенное из схемы 13 формирователя сигналов управления затвором, является отрицательным, напряжение на контактных выводах входной емкости 17 также является отрицательным. Как показано на фиг. 12(b), когда напряжение V(gs0) сигнала, выведенное из схемы 13 формирователя сигналов управления затвором, изменяется с отрицательного на положительное во время этого состояния, напряжение на контактных выводах в прямом направлении формируется в резисторе 11 затвора. В ответ на это, положительное напряжение прикладывается между базой и эмиттером переключающего элемента 34, и переключающий элемент 34, соответственно, включается. В силу этого, ток протекает из конденсатора 35 во входную емкость 17, и входная емкость 17 заряжается. На заряд не оказывает влияние импеданс 12 затвора, поскольку ток не проходит через межсоединение затвора. Переключающий элемент 34 имеет пороговое значение для включения на основе разности потенциалов, которая возникает между двумя концами резистора 11 затвора в процессе изменения с отрицательного на положительное напряжения, приложенного к электроду затвора переключающего элемента Q1.

[0065] Кроме того, поскольку ток схемы 13 формирователя сигналов управления затвором является суммой тока резистора 11 затвора и тока базы переключающего элемента 34, пиковое значение тока схемы 13 формирователя сигналов управления затвором меньше зарядных и разрядных токов конденсатора 35.

[0066] Когда напряжение V(gs0) сигнала, выведенное из схемы 13 формирователя сигналов управления затвором, изменяется с положительного на отрицательное, напряжение на контактных выводах в обратном направлении формируется в резисторе 11 затвора. В ответ на это, отрицательное напряжение прикладывается между базой и эмиттером переключающего элемента 14, и переключающий элемент 14, соответственно, включается. Переключающий элемент 14 имеет пороговое значение для включения на основе разности потенциалов, которая возникает между двумя концами резистора 11 затвора в процессе изменения с положительного на отрицательное напряжения, приложенного к электроду затвора переключающего элемента Q1. В силу этого, ток протекает из конденсатора 15 во входную емкость 17, и входная емкость 17 заряжается. На этот заряд вообще не влияет импеданс 12 затвора, поскольку ток не проходит через межсоединение затвора.

[0067] Следует отметить, что полупроводниковый переключатель с большим коэффициентом (hfe) усиления постоянного тока используется в качестве каждого из переключающего элемента 34 и переключающего элемента 14. Это позволяет подавать больший ток в переключающий элемент Q1. По этой причине, можно уменьшать время, чтобы заряжать и разряжать входную емкость 17, сокращать задержку при операции переключения переключающего элемента Q1 и одновременно увеличивать скорость переключения. Следовательно, можно предоставлять переключающую схему и полупроводниковый модуль, которые имеют превосходную готовность.

[0068] Согласно результату измерения прототипной схемы, пиковое значение зарядного тока I(R2), показанного на фиг. 12(a), составляет, например, 7 A; и ток I(L30) схемы 13 формирователя сигналов управления затвором составляет, например, 300 мА.

[0069] Как показано на фиг. 12(a), пиковый ток I(L30) схемы 13 возбуждения затвора меньше пикового тока во втором сравнительном примере (см. фиг. 16(a)), который описывается ниже. Помимо этого, как показано на фиг. 12(b), когда напряжение V(gs), приложенное к затвору переключающего элемента Q1, изменяется с отрицательного на положительное, конденсатор 35 разряжается, но напряжение V(vdc1) на контактных выводах конденсатора 35 становится просто немного ниже в пределах времени в 41 мкс, как показано на фиг. 12(c). С другой стороны, когда напряжение V(gs), приложенное к затвору переключающего элемента Q1, изменяется с положительного на отрицательное, конденсатор 15 разряжается, и напряжение V(vdc2) на контактных выводах конденсатора 15 становится немного выше в пределах времени в 50 мкс, как показано на фиг. 12(c).

[0070] Как описано выше, переключающая схема и полупроводниковый модуль третьего варианта осуществления заряжают и разряжают входную емкость 17 посредством кратчайших каналов. По этой причине, периоды времени для повышения и падения напряжения V(gs), приложенного к затвору, могут быть заданы меньше в случае форм сигналов (см. фиг. 16(b)) второго сравнительного примера. Кроме того, можно уменьшать задержку во времени, требуемую для переключающего элемента Q1, чтобы начинать операцию переключения после активации схемы 13 формирователя сигналов управления затвором.

[0071] В этом варианте осуществления, конденсаторы 15, 35 подключаются к электродам коллектора переключающих элементов 14, 34, соответственно. Вместо этого, тем не менее, одни концы конденсаторов 15, 35 могут подключаться к контактным выводам эмиттера переключающих элементов 14, 34, в то время как другие концы конденсаторов 15, 35 могут подключаться к контактному выводу затвора переключающего элемента Q1.

[0072] Переключающий элемент 34 и конденсатор 35, которые описаны, соответствуют "третьему переключающему элементу" и "третьему конденсатору" в формуле настоящего изобретения.

[0073] Четвертый вариант осуществления

С помощью фиг. 13 предоставляются описания подробной конфигурации схемы верхнего плеча, включенной в переключающую схему этого варианта осуществления. Фиг. 13 является принципиальной схемой схемы 1041 верхнего плеча в U-фазе, которая извлекается из инвертора 100, показанного на фиг. 1. Схема верхнего плеча, показанная на фиг. 13, включает в себя схему 13 формирователя сигналов управления затвором, импеданс 12 затвора и полупроводниковый модуль ST. Полупроводниковый модуль S1′′, показанный на фиг. 13, дополнительно включает в себя конденсатор 41, диод 42, резистор 43, диод 44 и резистор 45 по сравнению с полупроводниковым модулем S1, показанным на фиг. 11. Помимо этого, переключающий элемент Q1′ формируется из полевого транзистора с управляющим р-n-переходом (JFET). Остальная часть конфигурации является идентичной остальной части конфигурации схемы верхнего плеча, показанной на фиг. 11. Ниже предоставлены описания, главным образом, того, что отличается от третьего варианта осуществления.

[0074] Конденсатор 41 предоставляется между базой переключающего элемента 34 и соединительной точкой между резистором 11 затвора и схемой 13 формирователя сигналов управления затвором. Один электрод конденсатора 41 подключается к базе переключающего элемента 34, в то время как другой электрод конденсатора 41 подключается к электроду резистора 11 затвора, который подключается к схеме 13 формирователя сигналов управления затвором. Предоставление конденсатора 41 позволяет инструктировать переключающему элементу 34 работать таким образом, что он является проводящим (включается) только во время перехода к включению переключающего элемента Q1′.

[0075] Один конец резистора 45 подключается к соединительной точке между резистором 11 затвора и выходным контактным выводом схемы 13 формирователя сигналов управления затвором, в то время как другой конец резистора 45 подключается к аноду диода 44. Катод диода 44 подключается к соединительной точке между коллектором переключающего элемента 34 и конденсатором 35. Резистор 45 и диод 44 выступают в качестве зарядной схемы, выполненной с возможностью положительно заряжать конденсатор 35.

[0076] Один конец резистора 43 подключается к соединительной точке между коллектором переключающего элемента 14 и конденсатором 15, в то время как другой конец резистора 43 подключается к аноду диода 42. Катод диода 42 подключается к соединительной точке между базой переключающего элемента 34 и конденсатором 41. Резистор 43 и диод 42 выступают в качестве разрядной схемы, выполненной с возможностью разряжать конденсатор 41.

[0077] Далее, со ссылкой на схемы формы сигнала, показанные на фиг. 14(a)-14(c), предоставляются описания того, как схема верхнего плеча, показанная на фиг. 13, выполняет операцию переключения. На фиг. 14(a), ссылка с номером I(R2) обозначает сумму тока затвора JFET и зарядного тока входной емкости 17, и ссылка с номером I(L30) обозначает ток схемы 13 формирователя сигналов управления затвором.

[0078] Операция выключения для изменения напряжения V(gs0) сигнала, выводимого из схемы 13 формирователя сигналов управления затвором, с положительного на отрицательное (операция в пределах времени в 50 мкс на фиг. 14), является идентичной операции, которая описана со ссылкой на фиг. 11 и фиг. 12. По этой причине, описание операции выключения опускается.

[0079] Операция включения, которая должна быть выполнена, когда напряжение V(gs0) сигнала, выведенное из схемы 13 формирователя сигналов управления затвором, изменяется с отрицательного на положительное, осуществляется следующим образом. Как показано на фиг. 14(b), когда напряжение V(gs0) сигнала, выведенное из схемы 13 формирователя сигналов управления затвором, изменяется с отрицательного на положительное, ток в прямом направлении формируется в резисторе 11 затвора.

[0080] В это время, ток протекает в базу переключающего элемента 34 через конденсатор 41, и переключающий элемент 34 в силу этого является проводящим. Таким образом, ток подается из конденсатора 35 в затвор переключающего элемента Q1′. После того, как напряжение на контактных выводах конденсатора 41 становится равным или превышающим определенное значение в результате заряда конденсатора 41, ток базы переключающего элемента 34 прекращает протекание. По этой причине, переключающий элемент 34 выключается. Конденсатор 35, который разряжен через переключающий элемент 34, заряжается посредством резистора 45 и диода 44.

[0081] Конденсатор 41 разряжается через конденсатор 41, диод 42, резистор 43 затвора, конденсатор 15 и схему 13 формирователя сигналов управления затвором, в то время как напряжение V(gs0), выведенное из схемы 13 формирователя сигналов управления затвором, является отрицательным.

[0082] Как показано на фиг. 14(a), пиковый ток I(L30) схемы 13 формирователя сигналов управления затвором меньше своего эквивалента второго сравнительного примера, показанного на фиг. 16. Кроме того, как показано на фиг. 14(b), когда напряжение V(gs), приложенное к затвору переключающего элемента Q1′, изменяется с отрицательного на положительное, конденсатор 35 разряжается, и напряжение V(vdc1) на контактных выводах конденсатора 35 становится немного ниже в пределах времени в 41 мкс, как показано на фиг. 14(c). С другой стороны, когда напряжение V(gs), приложенное к затвору переключающего элемента Q1′, изменяется с положительного на отрицательное, конденсатор 15 разряжается, и напряжение V(vdc2) на контактных выводах конденсатора 15 становится немного выше в пределах времени в 51 мкс, как показано на фиг. 14(c).

[0083] Как описано выше, когда переключающий элемент Q1′ включается, полупроводниковый модуль четвертого варианта осуществления подает достаточный ток импульса в качестве тока I(R2) затвора в затвор переключающего элемента Q1′, как показано на фиг. 14(a). Помимо этого, в это время, пиковый ток I(L30) схемы 13 формирователя сигналов управления затвором является очень небольшим.

Скорость изменения между затвором и истоком переключающего элемента Q1′ в силу этого повышается.

[0084] Как описано выше, четвертый вариант осуществления настоящего изобретения подавляет пиковый ток I(L30) схемы 13 формирователя сигналов управления затвором и, соответственно, допускает уменьшение нагрузки на схему 13 формирователя сигналов управления затвором. Следовательно, размер схемы 13 формирователя сигналов управления затвором может быть уменьшен. Кроме того, поскольку падение напряжения, которое возникает вследствие импеданса межсоединения затвора, существующего между схемой 13 формирователя сигналов управления затвором и полупроводниковым модулем S1′, становится меньшим, можно подавлять влияние импеданса межсоединения затвора.

[0085] Более того, поскольку скорость изменения напряжения между затвором и истоком переключающего элемента Q1′ может задаваться выше, можно осуществлять высокоскоростное переключение посредством переключающего элемента Q1′.

[0086] Конденсатор 41 соответствует "четвертому конденсатору"; диод 44 и резистор 45 соответствуют "зарядной схеме, выполненной с возможностью заряжать третий конденсатор"; и диод 42 и резистор 43 соответствуют "разрядной схеме, выполненной с возможностью разряжать четвертый конденсатор".

[0087] Второй сравнительный пример

Фиг. 15 является принципиальной схемой схемы верхнего плеча второго сравнительного примера. Схема плеча второго сравнительного примера включает в себя схему 13 формирователя сигналов управления затвором, импеданс 12 затвора и полупроводниковый модуль S0. Полупроводниковый модуль S0, показанный на фиг. 15, не включает в себя переключающий элемент 14, переключающий элемент 34, конденсатор 15 или конденсатор 35, показанные на фиг. 11. Остальная часть конфигурации является идентичной остальной части конфигурации полупроводникового модуля S1, показанного на фиг. 11. По этой причине, описания остальной части конфигурации исключаются.

[0088] Далее, со ссылкой на схемы формы сигнала, показанные на фиг. 16, предоставляются описания того, как схема плеча второго сравнительного примера выполняет операцию переключения. Схема 13 формирователя сигналов управления затвором выводит напряжение V(gs0) сигнала с прямоугольной формой сигнала, чтобы переключать переключающий элемент Q1. Напряжение V(gs0) сигнала прикладывается к затвору переключающего элемента Q1 через импеданс 12 затвора и резистор 11 затвора и тем самым становится напряжением V(gs) между затвором и истоком переключающего элемента Q1. Скорость изменения dv/dt напряжения V(gs) между затвором и истоком подавляется посредством заряда и разряда входной емкости 17. Скорость изменения зарядных и разрядных токов подавляется посредством импеданса 12 затвора. По причинам, когда изменение напряжения V(gs) между затвором и истоком задерживается, скорость переключения переключающего элемента Q1 замедляется одновременно с этим, как показано на фиг. 16(b).

[0089] В это время, как показано на фиг. 16(a), ток I(R2) схемы 13 формирователя сигналов управления затвором имеет пиковый ток, который почти равен 1 A. Поскольку этот пиковый ток должен быть подан из схемы 13 формирователя сигналов управления затвором, электростатическое напряжение схемы 13 формирователя сигналов управления затвором становится большим, и это требование одновременно ограничивает уменьшение размера схемы 13 формирователя сигналов управления затвором.

[0090] Хотя вышеприведенные описания предоставлены касательно содержания настоящего изобретения на основе вариантов осуществления, настоящее изобретение не ограничено тем, что описано, и специалистам в данной области техники должно быть очевидным, что различные модификации и улучшения могут осуществляться в настоящем изобретении.

[0091] Содержимое заявки на патент (Япония) № 2011-107171 (поданной 12 мая 2011 года) и содержимое заявки на патент (Япония) № 2011-200308 (поданной 14 сентября 2011 года) полностью содержится в данном документе по ссылке.

Промышленная применимость

[0092] Каждый из конденсаторов 15, 25 подключается таким образом, чтобы предотвращать ложное срабатывание посредством приложения напряжения смещения между затвором и истоком каждого из переключающих элементов Q1-Q6. По этой причине, конденсаторы 15, 25 не должны разряжаться каждый раз, когда каждая схема 13, 23 формирователя сигналов управления затвором выполняет управление переключением. Поскольку конденсаторы 15, 25 не должны заряжаться или разряжаться каждый раз, когда выполняется управление переключением, варианты осуществления допускают: уменьшение нагрузок на схемы 13, 23 формирователя сигналов управления затвором; предотвращение формирования резких форм сигналов выводов из схем 13, 23 формирователя сигналов управления затвором; предотвращение возникновения задержки при операции переключения; и предотвращение снижения скорости переключения. Следовательно, переключающая схема и полупроводниковый модуль вариантов осуществления настоящего изобретения являются промышленно применимыми.

Список ссылочных позиций

[0093] 100 - инвертор

101 - источник питания постоянного тока

102 - конденсатор

103 - нагрузка переменного тока

1041, 1043, 1045 - схема верхнего плеча

1042, 1044, 1046 - схема нижнего плеча

105 - контроллер

Q1-Q6, Q1′ - переключающий элемент

D1-D6, 42, 44 - диод

11, 21 - резистор затвора

12, 22 - импеданс затвора

13, 23 - схема формирователя сигналов управления затвором

14, 24, 34 - переключающий элемент

15, 18, 25, 28, 35, 41 - конденсатор

1 - контактный вывод положительного электрода

2 - контактный вывод отрицательного электрода

3 - контактный вывод переменного тока

200 - добавленный фрагмент

S1, S1′ - полупроводниковый модуль

43, 45 - резистор.

Изобретение относится к переключающимся схемам. Технический результат заключается в уменьшении нагрузки на схему формирователя сигналов управления затвором. Переключающая схема включает в себя: первый переключающий элемент; резистор, вставленный между управляющим электродом первого переключающего элемента и схемой управления, которая выполняет управление переключением для первого переключающего элемента; и первый конденсатор и второй переключающий элемент, подключенные между управляющим электродом первого переключающего элемента и электродом на стороне с низким потенциалом первого переключающего элемента. Электрод на стороне с высоким потенциалом второго переключающего элемента подключен к управляющему электроду первого переключающего элемента. Электрод на стороне с низким потенциалом второго переключающего элемента подключен к одному электроду первого конденсатора. Другой электрод первого конденсатора подключен к электроду на стороне с низким потенциалом первого переключающего элемента. Управляющий электрод второго переключающего элемента подключен к электроду резистора, подключенного к схеме управления. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 16 ил.

1. Переключающая схема, содержащая:
- первый переключающий элемент;
- резистор, вставленный между управляющим электродом первого переключающего элемента и выходным контактным выводом схемы управления, выполненной с возможностью выполнять управление переключением для первого переключающего элемента; и
- первый конденсатор и второй переключающий элемент, подключенные между управляющим электродом первого переключающего элемента и электродом на стороне с низким потенциалом первого переключающего элемента, при этом:
электрод на стороне с высоким потенциалом второго переключающего элемента подключен к управляющему электроду первого переключающего элемента,
электрод на стороне с низким потенциалом второго переключающего элемента подключен к одному электроду первого конденсатора,
другой электрод первого конденсатора подключен к электроду на стороне с низким потенциалом первого переключающего элемента, и
управляющий электрод второго переключающего элемента подключен к электроду резистора, при этом упомянутый электрод подключен к схеме управления.

2. Переключающая схема по п. 1, дополнительно содержащая второй конденсатор, вставленный между управляющим электродом второго переключающего элемента и электродом на стороне с низким потенциалом первого переключающего элемента, при этом второй конденсатор имеет емкость меньше, чем емкость первого конденсатора.

3. Переключающая схема по п. 1 или 2, в которой:
- первый переключающий элемент сформирован из полупроводникового устройства с широкой запрещенной зоной, и
- полупроводниковое устройство с широкой запрещенной зоной является любым из униполярного транзистора, электрод на стороне с высоким потенциалом которого служит в качестве электрода стока, а электрод на стороне с низким потенциалом служит в качестве электрода истока, и биполярного транзистора, электрод на стороне с высоким потенциалом которого служит в качестве электрода коллектора, а электрод на стороне с низким потенциалом служит в качестве электрода эмиттера.

4. Переключающая схема по п. 1 или 2, в которой:
- второй переключающий элемент является любым из PNP-транзистора, электрод на стороне с высоким потенциалом которого служит в качестве электрода эмиттера, а электрод на стороне с низким потенциалом служит в качестве электрода коллектора, и полевого транзистора с каналом p-типа, электрод на стороне с высоким потенциалом которого служит в качестве электрода истока, а электрод на стороне с низким потенциалом служит в качестве электрода стока.

5. Переключающая схема по п. 1 или 2, в которой пороговое напряжение для переключения первого переключающего элемента между включенным состоянием и отключенным состоянием является отрицательным напряжением.

6. Переключающая схема по п. 1, дополнительно содержащая третий конденсатор и третий переключающий элемент, подключенные между управляющим электродом первого переключающего элемента и электродом на стороне с низким потенциалом первого переключающего элемента, при этом:
электрод на стороне с низким потенциалом третьего переключающего элемента подключен к управляющему электроду первого переключающего элемента,
электрод на стороне с высоким потенциалом третьего переключающего элемента подключен к одному электроду третьего конденсатора,
другой электрод третьего конденсатора подключен к электроду на стороне с низким потенциалом первого переключающего элемента, и
управляющий электрод третьего переключающего элемента подключен к электроду резистора, при этом упомянутый электрод подключен к схеме управления.

7. Переключающая схема по п. 6, в которой:
- третий переключающий элемент имеет пороговое значение для включения на основе разности потенциалов, которая возникает между двумя концами резистора в процессе, посредством которого напряжение, приложенное к управляющему электроду первого переключающего элемента, изменяется с отрицательного на положительное, и
- второй переключающий элемент имеет пороговое значение для включения на основе разности потенциалов, которая возникает между двумя концами резистора в процессе, посредством которого напряжение, приложенное к управляющему электроду первого переключающего элемента, изменяется с положительного на отрицательное.

8. Переключающая схема по п. 6 или 7, дополнительно содержащая четвертый конденсатор, имеющий один электрод, подключенный к управляющему электроду третьего переключающего элемента, и другой электрод, подключенный к электроду резистора, который подключен к схеме управления.

9. Переключающая схема по п. 8, дополнительно содержащая:
- первый диод и второй резистор, подключенные между одним электродом четвертого конденсатора и одним электродом первого конденсатора, при этом первый диод и второй резистор подключены последовательно, анод первого диода размещен на стороне одного электрода первого конденсатора, а катод первого диода размещен на стороне одного электрода четвертого конденсатора; и
- второй диод и третий резистор, подключенные между одним электродом третьего конденсатора и электродом резистора, который подключен к схеме управления, при этом второй диод и третий резистор подключены последовательно, анод второго диода размещен на стороне электрода резистора, причем упомянутый электрод подключен к схеме управления, а катод второго диода размещен на стороне одного электрода третьего конденсатора.

10. Полупроводниковый модуль, в котором полупроводниковые кристаллы, емкостные элементы, резистивные элементы и металлические межсоединения подключены и встроены в полупроводниковый модуль таким образом, чтобы осуществлять переключающую схему по п. 1.