功率转换器的制作方法

本发明涉及具有开关元件的功率转换器。

背景技术：

为了使功率转换器高效化与小型化而使用高速开关及低导通电阻的开关元件。然而，开关速度越快，则越容易受到电路寄生分量的影响，开关元件的振荡、误动作将成为问题。

例如，使用了gan(氮化镓)等宽带隙半导体的开关元件利用输入电容ciss、输出电容coss等浮游电容比si(硅)mosfet(metal-oxide-semiconductorfield-effecttransistor：金属氧化物半导体场效应晶体管)小一位的情况，来实现高速开关及低导通电阻的开关元件。

另一方面，由于浮游电容非常小，因此q值容易变高，在电路寄生电感与浮游电容的谐振频率下阻抗将变得极其低。由于浮游电容较小而带来的这两个特性，导致在开关的时刻在开关元件的漏极源极间、栅极源极间发生振荡，成为导致开关元件误动作、损坏的原因。

上述示例中，作为开关元件提出了gan，但只要是通过减小浮游电容来实现高速开关的开关元件，则对于simosfet、sic(碳化硅)mosfet等也相同。此外，在因电路图案、布线的走线等而导致电路寄生电感变大、q值变高的情况下也相同，而与开关元件的种类无关。

为了防止这样的开关元件的误动作、寄生振荡，提出了包括漏极与正侧电力端子相连接的第1misfet、以及漏极与输出端子相连接的第2misfet，在第1misfet的栅极与源极间，设置形成从源极向栅极导通的电流路径的控制电路(门二极管)。并且，为了减少漏极电压浪涌，还提出了在正侧电力端子与负侧电力端子间连接吸收电容器的方案。(参照专利文献1)

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2015－126342号公报

技术实现要素：

发明所要解决的技术问题

专利文献1中，通过在开关元件的栅极与源极间连接齐纳二极管、肖特基势垒二极管等门二极管来抑制振荡。然而，该方法存在如下问题：将引起二极管损耗的产生、开关元件的损耗增加，从而导致功率转换器效率低下、以及开关元件用冷却器大型化。

本发明是为了解决上述问题而完成的，其目的在于获得一种功率转换器，使得维持功率转换器的高效化、小型化，并抑制开关元件的振荡。

解决技术问题所采用的技术方案

本发明所涉及的功率转换器包括：开关元件；以及振荡抑制电路，该振荡抑制电路具有与该开关元件的端子进行电连接的短截线(stub)。

发明效果

根据本发明，通过将具有短截线的振荡抑制电路连接至开关元件的端子，由此能抑制开关元件的振荡、误动作，而不增加开关元件的损耗。

附图说明

图1是本发明实施方式1所涉及的功率转换器的基本结构图。

图2是包含了构成功率转换器的开关元件周边的寄生分量的等效电路图。

图3是基于本发明所涉及的短截线的振荡抑制的原理图。

图4是改变了本发明实施方式1所涉及的功率转换器的短截线的连接后得到的基本结构图。

图5是改变了本发明实施方式1所涉及的功率转换器的短截线的连接后得到的基本结构图。

图6是本发明实施方式2所涉及的功率转换器的基本结构图。

图7是本发明实施方式2所涉及的功率转换器的其他结构的基本结构图。

图8是本发明实施方式2所涉及的功率转换器的其他结构的基本结构图。

具体实施方式

实施方式1﹒

以下，基于图1至图3对本发明实施方式1所涉及的功率转换器进行说明。

图1示出在实施方式1的功率转换器中使用的开关元件的周边的结构图，逆变器、整流器等功率转换器构成为多个开关元件11在正侧电力端子与负侧电力端子间连接成半桥式结构或全桥式结构。

在图1中，开关元件11表示构成功率转换器的mosfet等开关元件之一，具备漏极端子d、源极端子s以及栅极端子g。通过印刷布线等在电路基板12上形成多个基板图案13，开关元件11的漏极端子d、源极端子s及栅极端子g的各端子通过焊接等与各个基板图案13进行电连接。短截线用的电线14的一端与开关元件11的漏极端子d进行电连接，短截线用的电线14的另一端未连接至任何地方，处于开放状态。此外，短截线用的电线14的长度是后述的振荡频率的1/4波长的奇数倍。

另外，短截线是与高频电路中的传输线路并联连接的分布常数线路，根据终端负载与线路长度相对于波长的比，从输入端观察时将成为电容或电感。

为了说明基于与开关元件11的漏极端子d相连接的短截线的振荡抑制原理，首先，对没有短截线时的振荡原理进行说明。

图2示出包含了寄生分量的开关元件11周边的等效电路。开关元件11具有开关元件的浮游电容21、以及开关元件的接合线、引线端子等的寄生电感22。基板图案13具有寄生电感23。

在开关元件11的漏极源极间的浮游电容21较小、开关元件11的寄生电感22与基板图案13的寄生电感23较大的情况下，q值变得较高，在开关的时刻在漏极源极间将产生振荡。

振荡频率f根据由开关元件11、基板图案13等构成的电路一周的寄生电感分量l、以及开关元件11的漏极源极间的浮游电容c来决定，利用以下的式(1)来求出。

【数学式1】

数学式1

此外，此时的振荡频率f的波长λ使用真空中的传播速度co通过以下的式(2)来求出。

【数学式2】

数学式2

接着，对基于短截线的振荡抑制原理进行说明。图3示出基于短截线的振荡抑制原理的示意图。

在图3中，31是短截线用的电线(左端的a点是短截线用的电线14与开关元件11的连接点，右端的b点是短截线用的电线14的前端部)，32是振荡频率的入射波，33是反射波。此外，短截线用的电线14的长度设为振荡频率的1/4波长。

若在上述开关元件11的漏极源极间产生振荡，则振荡频率的信号从开关元件11与短截线用的电线14的连接点a入射到短截线用的电线14内。由于短截线用的电线14的长度相当于振荡频率的1/4波长，因此，入射波前进1/4波长，并在短截线用的电线14的前端的b点反射。由于短截线用的电线14的前端开放，因此，反射波的相位与入射波相差180度，入射波与反射波相互抵消。基于以上原理，振荡频率被消除，从而能抑制开关元件11的振荡。

由此，短截线用的电线14抑制了开关元件11的振荡，起到了作为振荡抑制电路的作用。

另外，作为开关元件11，并不局限于mosfet，可以使用igbt等所有的功率电路用开关元件，特别优选为宽带隙半导体。

此外，开关元件11的原材料不仅仅是si(硅)，也可以是sic(碳化硅)、gan(氮化镓)等宽带隙半导体的情况。

上述内容中，短截线用的电线14与漏极端子d相连接，但如图4所示，也可以与开关元件11的源极端子s相连接。

此外，在开关元件11的栅极源极间浮游电容较小而导致在栅极源极间产生了振荡的情况下，如图5所示，将短截线用的电线14连接至开关元件11的栅极端子g也可得到同样的效果。

如上所述，实施方式1的发明中，仅通过将具有短截线用的电线14的振荡抑制电路连接至开关元件11的漏极、源极、栅极中的任意端子，就能抑制开关元件11的振荡、误动作，而不增加吸收损耗、开关元件的损耗。

实施方式2﹒

接着，基于图6至图8对本发明实施方式2所涉及的功率转换器进行说明。

图6至图8示出在实施方式2的功率转换器中使用的开关元件的周边的各结构图，逆变器、整流器等功率转换器构成为多个开关元件11在正侧电力端子与负侧电力端子间连接成桥式结构。另外，在图6至图8中，对与图1相同或相当的部分标注相同标号，并省略详细的说明。

首先，在图6中，开关元件11表示构成功率转换器的mosfet等开关元件之一，具备漏极端子d、源极端子s以及栅极端子g。在电路基板12上形成多个基板图案13，开关元件11的漏极端子d、源极端子s及栅极端子g的各端子通过焊接等与各个基板图案13进行电连接。上述结构与实施方式1的图1相同。

实施方式1的短截线由与开关元件11的端子进行电连接的电线14构成，但实施方式2的短截线在连接开关元件11的漏极端子d的基板图案13的一部分中作为短截线用的基板图案44而构成。

如图6所示，短截线用的基板图案44从连接漏极端子d的基板图案13延伸并呈旋涡状地形成电路图案来构成。

短截线用的基板图案44的前端处于开放状态，基板图案44的长度为振荡频率的1/4波长的奇数倍。

通过采用该结构，短截线用的基板图案44起到作为抑制开关元件11的振荡的振荡抑制电路的作用，并且由于构成为基板图案的一部分，因此，能抑制电路基板12上的占用面积，对于功率转换器的小型化是有效的。

此外，为了实现小型化，如图7所示，也可以设为使用多层来形成基板图案、并通过通孔等连接各层而构成的基板图案54。并且，如图7所示，基板图案54通过在基板内层叠多层旋涡状的电路图案来构成螺旋状的图案，从而抑制基板表面上的占用面积，对于功率转换器的小型化是有效的。

此外，在利用基板图案构成短截线的情况下，如图8所示，也可以构成为在安装有开关元件11的电路基板12以外的基板65上，作为短截线用的基板图案64来构成，并将短截线用的基板64与基板图案13进行电连接。

在其他基板65上构成短截线用的基板图案64的情况下，通过使用其他基板，从而使振荡频率的波长变短，能缩短短截线的长度，其中，该其他基板使用了具有比安装有开关元件11的电路基板12更高的介电常数的基材。由此，能抑制基板上的占用面积，对于功率转换器的小型化是有效的。振荡频率的波长λa使用振荡频率f、速度co、基材的有效相对介电常数εr，通过以下的式(3)来求出。

【数学式3】

数学式3

此外，在其他基板65上构成短截线用的基板图案64的情况下，通过使用与安装有开关元件11的电路基板12相比基材厚度更薄的基板，从而使振荡频率的波长变短，能缩短短截线的长度。由此，能抑制基板上的占用面积，对于功率转换器的小型化是有效的。

另外，图6至图8中，示出了短截线用的基板图案44、54、64与连接开关元件11的漏极端子d的基板图案13相连接的示例，但如实施方式1中所说明的那样，也可以与连接开关元件11的源极端子s或栅极端子g的基板图案13相连接。

以上，对本发明的实施方式进行了描述，但本发明并不限局于实施方式，可以进行各种设计变更，可以在其发明范围内对各实施方式自由进行组合，此外，可以对各实施方式适当进行变形、省略。