JP2001156607A - High voltage switch protection circuit - Google Patents

High voltage switch protection circuit

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JP2001156607A
JP2001156607A JP33529499A JP33529499A JP2001156607A JP 2001156607 A JP2001156607 A JP 2001156607A JP 33529499 A JP33529499 A JP 33529499A JP 33529499 A JP33529499 A JP 33529499A JP 2001156607 A JP2001156607 A JP 2001156607A
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JP
Japan
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voltage
transistor
switch
base
elements
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Pending
Application number
JP33529499A
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Japanese (ja)
Inventor
Tomoshi Yoshida
知史 吉田
Tomohiro Yoshichika
友宏 吉近
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Nissin High Voltage Co Ltd
Original Assignee
Nissin High Voltage Co Ltd
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Publication date
Application filed by Nissin High Voltage Co Ltd filed Critical Nissin High Voltage Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a high voltage switch protection circuit that prevents a voltage applied to semiconductor elements from being excessive so as to protect a switch circuit because the semiconductor elements may be employed for a high voltage switch placed between a high voltage power supply and a load, a voltage is not uniformly distributed to the elements due to a stray capacitance or the like in a transient-state such as transition from on to off and the voltage exceeding the rated voltage of the elements and damaging the elements. SOLUTION: Switching transistors(TRs) Qj are connected in series and equalization resistors Rj are connected between each collector and each emitter of each TR. A base current adjustment TR Qc is connected to a base Gj of the TR Qj of each stage. The equalization resistance is divided to connect a voltage division point Kj to a base of a base current adjustment TR Qc, and when the collector-emitter voltage of the switch TR Qj rises, a very small current flows from the base current adjustment TR Qc to the base of the switch TR Qj to decrease the collector-emitter voltage.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】この発明は、半導体スイッチ
素子を直列に多数接続してなる高電圧スイッチを用いた
直流電源の半導体スイッチ素子の保護の為の回路に関す
る。本発明が対象とする電源の電圧は数10kV〜数1
00kVの高い電圧である。高電圧の直流電源によっ
て、イオン源、高周波電子管、電子加速器などの高圧の
負荷が駆動される。負荷によるが電流値は数mA〜10
0mAになる。パルス駆動の場合は数Aの電流の場合も
ある。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a circuit for protecting a semiconductor switch element of a DC power supply using a high voltage switch formed by connecting a large number of semiconductor switch elements in series. The voltage of the power supply targeted by the present invention is several tens kV to several tens.
It is a high voltage of 00 kV. A high-voltage DC power supply drives a high-voltage load such as an ion source, a high-frequency electron tube, and an electron accelerator. Depending on load, current value is several mA-10
0 mA. In the case of pulse driving, the current may be several A.

【0002】高電圧の電源と高電圧用負荷をつなぐスイ
ッチを問題にする。金属片が開閉するような単純な機械
的スイッチではオフ時に困難がある。高電圧によって放
電がおこるので電流を遮断できない。高電圧が掛かって
いるから特別なスイッチが用いられる。高電圧を印加す
るだけであれば二つの金属球を対向させトリガー電圧に
よって金属球間に放電を起こさせてプラズマによりスイ
ッチ間を導通させるギャップスイッチなども用いること
ができる。電源に蓄えられた電荷が完全に放電すること
によって自然に閉じる。これはオンはできるがオフに困
難がある。印加の途中で電流を遮断できない。
A problem is a switch that connects a high-voltage power supply to a high-voltage load. A simple mechanical switch that opens and closes a piece of metal has difficulties when turned off. Discharge occurs due to high voltage, so current cannot be cut off. Special switches are used because of the high voltage. If only a high voltage is applied, a gap switch or the like may be used in which two metal spheres are opposed to each other to cause a discharge between the metal spheres by a trigger voltage and conduct between the switches by plasma. It closes spontaneously when the charge stored in the power supply is completely discharged. This can be turned on but difficult to turn off. Current cannot be interrupted during application.

【0003】スイッチを自在に開閉できるようにするに
は高耐圧の真空管素子を用いることもある。例えばサイ
ラトロンなどの真空電子管などである。しかし真空電子
管は嵩高く高価であるし寿命も短いという欠点がある。
そこで高耐圧の半導体のスイッチ素子が用いられること
がある。しかし高耐圧といっても本発明で問題にするよ
うな高い電圧に単独で耐えるような半導体素子は存在し
ない。そこで同等のスイッチ素子をシリーズにいくつも
接続して一つのスイッチとする。
In order to allow the switch to be freely opened and closed, a vacuum tube element having a high withstand voltage may be used. For example, it is a vacuum electron tube such as a thyratron. However, vacuum electron tubes have the disadvantage that they are bulky and expensive and have a short life.
Therefore, a high-voltage semiconductor switch element is sometimes used. However, there is no semiconductor element that can withstand a high voltage alone, which is a problem in the present invention, even if it has a high breakdown voltage. Therefore, a number of equivalent switch elements are connected in series to form one switch.

【0004】[0004]

【従来の技術】高電圧回路(数10kV〜数100k
V)に半導体素子を高電圧スイッチとして使用する場
合、半導体素子の耐圧が低いため、半導体素子を直列に
接続して一つのスイッチとしていた。ここで半導体素子
というのはトランジスタ、サイリスタ等である。サイリ
スタ、SCR(シリコン制御整流器)の耐圧は2kV〜
10kVの高いものもあるが、数10kV〜数100k
Vの電源の開閉にはなお不十分である。サイリスタの場
合はスイッチ動作(オン・オフ)だけでパワー制御でき
ない。パワートランジスタを用いると連続的にパワー制
御できる。トランジスタなら耐圧は1kV〜4kV程度
である。
2. Description of the Related Art High voltage circuits (several tens kV to several hundreds k)
When the semiconductor element is used as a high-voltage switch in V), the withstand voltage of the semiconductor element is low, so that the semiconductor elements are connected in series to form one switch. Here, the semiconductor element is a transistor, a thyristor, or the like. Thyristor, SCR (silicon controlled rectifier) withstand voltage 2kV ~
Some are as high as 10 kV, but several tens of kV to several hundred k
It is still insufficient to open and close the V power supply. In the case of a thyristor, power cannot be controlled only by a switch operation (on / off). When a power transistor is used, power can be continuously controlled. For a transistor, the breakdown voltage is about 1 kV to 4 kV.

【0005】半導体素子の耐圧をVsとして、電源電圧
をVqとすると、整数比m=[Vq/Vs]を求め、そ
れより大きい整数をnとして(m<n)n個の半導体素
子を直列に繋ぐことによって電源電圧Vqに耐えること
ができるようになる。ここで[x]はxの小数部を除き
整数部だけを表す記号である。例えば50kVの電源の
場合、耐圧が10kVの半導体素子を5つ直列につない
だものをスイッチとして用いることができる。或いは耐
圧が5kVの素子を10個直列につないだものを用い
る。
Assuming that the breakdown voltage of the semiconductor element is Vs and the power supply voltage is Vq, an integer ratio m = [Vq / Vs] is obtained, and n is a larger integer and (m <n) n semiconductor elements are connected in series. By connecting, it becomes possible to withstand the power supply voltage Vq. Here, [x] is a symbol representing only an integer part except a decimal part of x. For example, in the case of a 50 kV power supply, a switch in which five semiconductor elements with a withstand voltage of 10 kV are connected in series can be used as a switch. Alternatively, a device in which ten devices with a withstand voltage of 5 kV are connected in series is used.

【0006】半導体素子は制御端子(ゲート電極)を持
つ。制御端子にオン信号電圧が与えられた時は半導体素
子は導通(オン、閉成、閉じる)する。制御端子にオフ
信号が与えられると半導体素子は非導通に(開放、オ
フ、開く)なる。オン・オフの制御信号をゲート電極に
与えることによって半導体素子を閉じ(閉成、オン)た
り、開いたり(開放、オフ)したりすることができる。
全てのSCRがこのようにできるのではない。オフ信号
をゲートに導入して素子をオフにできる素子は限られて
いる。例えばターンオフ型のSCRなどが利用できる。
[0006] The semiconductor element has a control terminal (gate electrode). When an ON signal voltage is applied to the control terminal, the semiconductor element conducts (ON, closes, closes). When an off signal is given to the control terminal, the semiconductor element becomes non-conductive (open, off, open). By applying an on / off control signal to the gate electrode, the semiconductor element can be closed (closed, on) or opened (open, off).
Not all SCRs can do this. There are only a few devices that can turn off the device by introducing an off signal to the gate. For example, a turn-off type SCR can be used.

【0007】直列につないである半導体素子は同時に開
閉しなければならない。そのため全ての半導体素子の制
御端子には同時に制御信号を与える必要がある。制御信
号の時刻が異なると、いずれかの素子に耐圧以上の電圧
が掛かり、その素子が破壊される恐れがある。特にオフ
時が問題である。
Semiconductor devices connected in series must be opened and closed simultaneously. Therefore, it is necessary to simultaneously supply a control signal to the control terminals of all the semiconductor elements. If the time of the control signal is different, a voltage higher than the withstand voltage is applied to one of the elements, and the element may be destroyed. The problem is particularly when the switch is off.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】図1は従来例にかかる
スイッチ素子部分の概略の配線図である。直流電源1は
商用交流をトランスで昇圧し整流素子を組み合わせて高
圧を作るものである。だから直流電源1は、トランス、
整流器、コンデンサを多数含む集合的な装置である。電
源電圧は数十kV〜数百kVである。
FIG. 1 is a schematic wiring diagram of a switch element portion according to a conventional example. The DC power supply 1 boosts a commercial AC by a transformer and combines it with a rectifier to generate a high voltage. So DC power supply 1 is a transformer,
It is a collective device including many rectifiers and capacitors. The power supply voltage is several tens kV to several hundred kV.

【0009】電源1は大きい抵抗値を持つ抵抗2でバイ
パスされることもある。電源1は小さい抵抗値の抵抗3
を介して半導体素子列につながる。半導体素子列は、同
等の半導体スイッチ素子Q1、Q2、…、Qnを直列に
接続したものである。これらは例えばSCR(サイリス
タ)である。それぞれの素子のカソードが次の素子のア
ノードに接続してある。それぞれは制御端子(ゲート)
を持つ。制御端子には同時にオン、オフ信号が入力され
る。全ての素子が同時に開放、あるいは閉成する。素子
列は全体として一つのスイッチを構成している。最後の
素子Qnのカソードが負荷に直接に、或いはトランスを
介してつながる。
The power supply 1 may be bypassed by a resistor 2 having a large resistance value. Power supply 1 is a low resistance resistor 3
To the semiconductor element row via The semiconductor element array is obtained by connecting equivalent semiconductor switch elements Q1, Q2,..., Qn in series. These are, for example, SCRs (thyristors). The cathode of each device is connected to the anode of the next device. Each is a control terminal (gate)
have. On and off signals are simultaneously input to the control terminal. All elements open or close at the same time. The element array forms one switch as a whole. The cathode of the last element Qn is connected to a load directly or through a transformer.

【0010】制御端子G1、G2…、Gnへ同時にオン
信号を与えると、全ての素子Q1、Q2…、Qnが同時
に導通して電源1から電流が負荷に流れる。反対にG
1、G2…、Gnのゲート信号を除くと同時に全てのス
イッチ素子Q1、Q2…、Qnが同時にオフになる。半
導体素子は直列接続され電流は共通であるから同時に閉
成、開放されていれば常に電圧は均分に配分される。オ
フ時は電源電圧Vを、素子数nでわったV/nの電圧が
かかる筈である。
When an ON signal is simultaneously applied to the control terminals G1, G2,..., Gn, all the elements Q1, Q2,. Conversely G
, Gn are simultaneously turned off, and all the switching elements Q1, Q2,. Since the semiconductor elements are connected in series and have a common current, the voltage is always equally distributed if they are closed and opened at the same time. At the time of off, a voltage of V / n, which is obtained by dividing the power supply voltage V by the number n of elements, should be applied.

【0011】ここで二つの問題がある。オフへの変化
と、負荷閃絡の場合である。 (1)スイッチを切る時(オンからオフへ) 負荷駆動を中止するにはスイッチを一斉に遮断する必要
がある。n個の素子の制御端子G1、G2…、Gnにオ
フ信号を与える。といってもn個の素子に信号を与える
のだから時間的なずれが伴うことがある。例えば回路の
浮遊容量などのため時間的なずれが生じる。スイッチ素
子のオンからオフへの変化に時間的なずれがあると、速
くオフになったものには電圧がかかるが、遅れた素子に
はその分電圧が掛からない。速くオフになった素子は耐
圧以上の電圧のために破壊される恐れがある。
There are two problems here. In the case of a change to off and a load flash. (1) When the switch is turned off (from on to off) In order to stop the load drive, the switches must be shut off all at once. An off signal is given to the control terminals G1, G2,..., Gn of the n elements. However, since a signal is applied to n elements, a time lag may occur. For example, a time lag occurs due to a stray capacitance of a circuit. If there is a time lag in the change from ON to OFF of the switch element, a voltage is applied to the element that is quickly turned off, but the voltage is not applied to the element that is delayed. An element that is quickly turned off may be destroyed by a voltage higher than the withstand voltage.

【0012】(2)負荷閃絡の場合 負荷の内部で放電が起こったりして負荷抵抗が実質的に
0となることがある。スイッチが閉じ電流が流れている
ので負荷抵抗が0に近くなると半導体素子に流れる電流
が増える。この場合も半導体素子に掛かる電圧は一様で
なく不均一になることがある。回路の浮遊容量というの
は数pF程度の小さなものであるが、制御パルス信号が
鋭い場合浮遊容量によって影響を受けることがある。浮
遊容量だけでなく経年変化によってトランジスタの性能
にばらつきが現れるということもある。例えば電流増幅
率が違うと同じように制御電流をベースにいれてもコレ
クタ電流が異なりトランジスタに掛かる電圧が相違して
くる。
(2) In the case of load flashover In some cases, discharge may occur inside the load and the load resistance may become substantially zero. Since the switch is closed and a current is flowing, the current flowing through the semiconductor element increases when the load resistance approaches zero. Also in this case, the voltage applied to the semiconductor element may not be uniform but may be non-uniform. The stray capacitance of the circuit is as small as several pF, but may be affected by the stray capacitance when the control pulse signal is sharp. Variations in transistor performance may occur due to aging as well as stray capacitance. For example, if the current amplification factor is different, the collector current is different even if the control current is used as the base, and the voltage applied to the transistor is different.

【0013】オフ時に電圧を均等に掛けるために均圧抵
抗というものを半導体素子のアノード・カソード間に入
れるという改善がなされることもある。図1のR1〜R
nが均圧抵抗である。抵抗値は同一で、かなり高い抵抗
値を持つ。R1=R2=…=Rnであって、素子の前後
の点M0、M1、M2、…、Mnにつながっている。オ
フ時には半導体素子Q1〜Qnには電流が流れないか
ら、電源電圧Vをきれいにn等分した電圧がこれらの抵
抗に掛かっている。だから素子Qjにかかる電圧は同一
であり、V/nである。オフ時には均圧抵抗のために素
子にかかる電圧が均等になる。
In some cases, an equalizing resistor is inserted between the anode and the cathode of the semiconductor device in order to apply a voltage evenly when the semiconductor device is turned off. R1 to R in FIG.
n is an equalizing resistance. The resistance values are the same and have considerably higher resistance values. R1 = R2 =... = Rn and are connected to points M0, M1, M2,. Since no current flows through the semiconductor elements Q1 to Qn when the semiconductor device is turned off, a voltage obtained by equally dividing the power supply voltage V by n is applied to these resistors. Therefore, the voltage applied to the element Qj is the same, that is, V / n. When turned off, the voltage applied to the elements becomes equal because of the equalizing resistance.

【0014】しかし、均圧抵抗を通して電流が流れ、そ
れが損失になる。損失は少ない方が良いから均圧抵抗の
抵抗値は大きい。図1のような均圧抵抗はオフ時の電圧
異常を防ぐ事ができるが、前記の(1)オンからオフへ
の遷移、(2)負荷閃絡での電圧の不均等の問題には無
力という他はない。
However, a current flows through the equalizing resistor, which results in a loss. Since the smaller the loss, the better the resistance value of the equalizing resistance. Although the voltage equalizing resistor as shown in FIG. 1 can prevent the abnormal voltage at the time of off, it is ineffective for the above-mentioned (1) transition from on to off and (2) non-uniform voltage due to load flash. There is no other choice.

【0015】このように複数の直列半導体素子に均等に
電圧が掛からないということがある。電圧が不均等であ
ると、より大きい電圧の掛かった素子が破壊されるとい
う可能性がある。直列に半導体素子を接続した高電圧ス
イッチ回路において半導体素子に掛かる電圧を常に均一
にするようにする保護回路を提供することが本発明の目
的である。
As described above, a voltage may not be applied evenly to a plurality of series semiconductor elements. If the voltages are unequal, it is possible that the element with the higher voltage will be destroyed. SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a protection circuit for making a voltage applied to a semiconductor element always uniform in a high-voltage switch circuit in which semiconductor elements are connected in series.

【0016】[0016]

【課題を解決するための手段】本発明の高電圧スイッチ
保護回路は、直流電源と負荷の間において直列に接続さ
れている複数段のスイッチ用のトランジスタと、トラン
ジスタのコレクタ・エミッタ(ドレイン・ソース間)間
に接続される複数段の均圧抵抗とを含み、トランジスタ
のベース(ゲート)に同時にオン信号・オフ信号を印加
することによってトランジスタを同時に開閉するように
した高電圧スイッチ回路において、各段階のトランジス
タのベース(ゲート)に接続されたベース(ゲート電
圧)電流調整用トランジスタを設け、トランジスタのコ
レクタ・エミッタ間(ドレイン・ソース間)につながれ
た均圧抵抗を分圧し、分圧点の電圧をベース(ゲート電
圧)電流調整用トランジスタのベース(ゲート)につな
ぎ、均圧抵抗の分圧点電圧が上がるとベース(ゲート電
圧)電流調整用トランジスタから前記スイッチ用トラン
ジスタにベース電流を流し(ゲート電圧をかけ)、その
トランジスタのコレクタ・エミッタ間(ドレイン・ソー
ス間)電圧を下降させるようにしている。
A high-voltage switch protection circuit according to the present invention comprises a plurality of switching transistors connected in series between a DC power supply and a load, and a collector-emitter (drain-source) of the transistor. A high-voltage switch circuit including a plurality of stages of voltage-balancing resistors connected between them, and simultaneously opening and closing the transistors by simultaneously applying on-signals and off-signals to the bases (gates) of the transistors. A base (gate voltage) current adjusting transistor connected to the base (gate) of the transistor in the stage is provided, and a voltage equalizing resistor connected between the collector and the emitter (between the drain and the source) of the transistor is divided. The voltage is connected to the base (gate) of the base (gate voltage) current adjustment transistor, and the voltage is divided by the equalizing resistor. When the voltage rises, a base current is applied from the base (gate voltage) current adjusting transistor to the switching transistor (gate voltage is applied), and the collector-emitter (drain-source) voltage of the transistor is decreased. I have.

【0017】本発明において、スイッチ用半導体素子Q
jはトランジスタに限られる。負荷パワーを連続的に制
御するからである。先述したオン・オフ動作だけのSC
R(サイリスタ)などには使えない。トランジスタはバ
イポーラトランジスタであっても電界効果トランジスタ
(FET)であってもよい。
In the present invention, the switching semiconductor element Q
j is limited to a transistor. This is because the load power is controlled continuously. SC with only ON / OFF operation described above
It cannot be used for R (thyristor). The transistor may be a bipolar transistor or a field effect transistor (FET).

【0018】両者でアノード、カソード電極、制御電極
の呼び名が違うのでやや煩雑になる。バイポーラの場合
アノード・カソード間はコレクタ・エミッタ間と言うべ
きである。FETの場合はドレイン・ソース間と呼ぶべ
きである。制御電極はバイポーラではベースであり制御
手段はベース電流である。FETの場合、制御電極はゲ
ートで制御手段はゲート電圧である。本発明はいずれの
場合でも適用できる。つまりスイッチ素子=バイポー
ラ、調整素子=バイポーラの組と、スイッチ素子=FE
T、調整素子=FETの組が可能である。
Since the names of the anode, the cathode and the control electrode are different between the two, it is somewhat complicated. In the case of bipolar, the space between the anode and the cathode should be called the space between the collector and the emitter. In the case of FET, it should be called between drain and source. The control electrode is bipolar base and the control means is base current. In the case of an FET, the control electrode is a gate and the control means is a gate voltage. The present invention can be applied in any case. That is, a set of switch element = bipolar, adjustment element = bipolar, and switch element = FE
A set of T and adjustment element = FET is possible.

【0019】両方を含むように書いているが煩雑であ
る。そこでコレクタ・エミッタ間或いはドレイン・ソー
ス間という代わりにアノード・カソード間と包括表現す
る。そしてベース或いはゲートという代わりに制御電極
と呼ぶことにする。ベース電流調整用トランジスタ又
は、ゲート電圧調整用トランジスタは単に調整用トラン
ジスタと呼ぶ。すると、より一般的に本発明は次のよう
に表現することができる。
Although it is written to include both, it is complicated. Therefore, the term “between the collector and the emitter or between the drain and the source” is generically referred to as between the anode and the cathode. Then, it is called a control electrode instead of the base or the gate. The base current adjusting transistor or the gate voltage adjusting transistor is simply referred to as an adjusting transistor. Then, the present invention can be more generally expressed as follows.

【0020】本発明の高電圧スイッチ保護回路は、直流
電源と負荷の間において直列に接続されている複数段の
スイッチ用のトランジスタと、トランジスタのアノード
・カソード間に接続される複数段の均圧抵抗とを含み、
トランジスタの制御電極に同時に制御信号を印加するこ
とによってトランジスタを同時に開閉するようにした高
電圧スイッチ回路において、各段階のトランジスタの制
御電極に接続された調整用トランジスタを設け、スイッ
チ用トランジスタのアノード・カソード間につながれた
均圧抵抗を分圧し、分圧点の電圧を調整用トランジスタ
の制御電極につなぎ、均圧抵抗の分圧点電圧が上がると
調整用トランジスタから前記スイッチ用トランジスタの
制御電極に超過電流または電圧を加え、スイッチ用トラ
ンジスタのアノード・カソード間電圧を下降させるよう
にしたものである。
A high-voltage switch protection circuit according to the present invention comprises a plurality of stages of switch transistors connected in series between a DC power supply and a load, and a plurality of stages of voltage equalization connected between the anode and cathode of the transistor. Including resistance and
In a high-voltage switch circuit in which a transistor is simultaneously opened and closed by simultaneously applying a control signal to a control electrode of the transistor, an adjustment transistor connected to the control electrode of the transistor at each stage is provided, and an anode of the switching transistor is provided. The voltage dividing resistor connected between the cathodes is divided, and the voltage at the voltage dividing point is connected to the control electrode of the adjusting transistor.When the voltage dividing point voltage of the voltage equalizing resistor increases, the voltage from the adjusting transistor to the control electrode of the switching transistor is increased. An excess current or voltage is applied to lower the anode-cathode voltage of the switching transistor.

【0021】[0021]

【発明の実施の形態】本発明はスイッチ用の半導体素子
をトランジスタ(バイポーラ、FET)とし、連続パワ
ー制御できるような半導体スイッチを用いる。均圧抵抗
Rjを分圧してトランジスタにかかっている電圧を検出
し電圧が定格電圧以上にならないようにベース電流調整
用トランジスタからスイッチ用トランジスタの制御端子
(ベース、ゲート)に微小な電流を流すようにしてい
る。これによって半導体素子にかかる電圧が定格電圧を
越えるのを防ぐ。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The present invention employs a semiconductor element for a switch as a transistor (bipolar, FET) and uses a semiconductor switch capable of continuous power control. A voltage applied to the transistor is detected by dividing the equalizing resistor Rj, and a small current is caused to flow from the base current adjusting transistor to the control terminal (base, gate) of the switching transistor so that the voltage does not exceed the rated voltage. I have to. This prevents the voltage applied to the semiconductor element from exceeding the rated voltage.

【0022】オンからオフへの遷移においては速くオフ
になった素子には余分の電圧がかかるが、その時分圧点
の電圧が上がり、ベース電流調整用トランジスタから制
御電極(ベース、ゲート)に微小電流が流れ、オフへの
遷移を遅らせる。これによって、その素子を保護するこ
とができる。
In the transition from ON to OFF, an extra voltage is applied to the element which has been turned off quickly, but the voltage at the voltage dividing point rises at that time, and a minute voltage is applied from the base current adjusting transistor to the control electrodes (base, gate). Current flows, delaying the transition to off. Thereby, the element can be protected.

【0023】負荷閃絡の場合は、負荷での電圧降下が0
になり、電源電圧Vが全てn個の直列半導体素子に掛か
る。つまりV/nの電圧がかかる制御電流(ゲート信
号)が依然として流れているから素子は導通したまま
(オン)である。電流値は大きいから抵抗値の大きい均
圧抵抗によっては電圧を均一に戻す事ができない。
In the case of a load flash, the voltage drop at the load is zero.
, And all the power supply voltages V are applied to the n series semiconductor elements. That is, since the control current (gate signal) to which the voltage of V / n is applied still flows, the element remains conductive (ON). Since the current value is large, the voltage cannot be returned to a uniform value depending on the equalizing resistor having a large resistance value.

【0024】この場合平均電圧より大きい電圧(V/n
+Δ)がj番目の素子にかかったとするとベース電流調
整用トランジスタが制御電流を増やすように働く。だか
ら平均電圧V/nに戻る。つまり、負荷閃絡の場合も不
均一電圧を防ぐことができる。もちろん負荷閃絡を長く
放置してはいけないのであって、早急に制御電流を切っ
てトランジスタをオフにしなければならない。このよう
に本発明は、オンからオフへの変化や、負荷閃絡(短
絡)の場合に、その効果を発揮する。
In this case, a voltage higher than the average voltage (V / n)
+ Δ) is applied to the j-th element, the base current adjusting transistor works to increase the control current. Therefore, it returns to the average voltage V / n. That is, the non-uniform voltage can be prevented even in the case of a load flash. Of course, the load flash should not be left for a long time, and the control current must be cut off immediately to turn off the transistor. As described above, the present invention exerts its effects in the case of a change from ON to OFF or in the case of a load flash (short circuit).

【0025】[0025]

【実施例】図1の半導体素子を連結したスイッチ回路に
おいて、図2のような回路を全ての半導体素子にそれぞ
れ独立に設ける。図1において、n個の半導体素子Q
1、Q2、…Qnが直列に接続されている。直流電源1
は小抵抗値の抵抗3を経て、半導体素子の直列体Q1、
Q2、…Qnにつながっている。半導体素子はそれぞれ
制御電極G1、G2、…、Gnを持つ。半導体素子のア
ノードとカソードの間には均圧抵抗R1、R2、…、R
nが接続されている。制御電極G1、G2、…、Gnに
同時に同じ制御信号が与えられることによって全体がオ
ン・オフに変化する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS In a switch circuit connecting the semiconductor elements of FIG. 1, a circuit as shown in FIG. 2 is provided independently for all the semiconductor elements. In FIG. 1, n semiconductor elements Q
1, Q2,... Qn are connected in series. DC power supply 1
Is connected through a resistor 3 having a small resistance value to a series body Q1 of semiconductor elements,
Q2,... Qn. Each of the semiconductor elements has control electrodes G1, G2,..., Gn. .., R between the anode and the cathode of the semiconductor element.
n are connected. When the same control signal is applied to the control electrodes G1, G2,..., Gn at the same time, the whole is turned on / off.

【0026】半導体素子、抵抗はn段の構成であるが、
半導体素子と均分抵抗はそれぞれ同じものを使うから、
一つの段だけについて説明する。保護回路全体の作用を
理解するにはそれで充分である。
Although the semiconductor element and the resistor have an n-stage configuration,
Since the semiconductor element and the equalizing resistor use the same thing,
Only one stage will be described. That is enough to understand the operation of the whole protection circuit.

【0027】本発明では半導体素子のアノード・カソー
ド間に接続された均分抵抗Rjをさらに二つに分割す
る。RaとRbである。合成抵抗Rjが均分抵抗値とな
る(Rj=Ra+Rb)。これは素子Qjのアノード・
カソード間の電圧(Mj-1・Mj間電圧)を抵抗値の比
の割合で分割しているのである。分割点Kjから電圧信
号線を取り出してトランジスタQcのベースに接続す
る。トランジスタQcのコレクタは電圧VCCに接続して
ある。VDDは半導体素子Qjのエミッタ電位Mjから取
っている。VCCはそれより一定電圧高い電圧であり、V
DDからVCCの電圧を作るために適当な直流電源を必要と
する。
In the present invention, the equalizing resistor Rj connected between the anode and the cathode of the semiconductor device is further divided into two. Ra and Rb. The combined resistance Rj becomes an equalized resistance value (Rj = Ra + Rb). This is the anode of the element Qj.
The voltage between the cathodes (the voltage between Mj-1 and Mj) is divided by the ratio of the resistance value ratio. A voltage signal line is taken out from the division point Kj and connected to the base of the transistor Qc. The collector of transistor Qc is connected to voltage V CC . V DD is obtained from the emitter potential Mj of the semiconductor element Qj. V CC is a constant voltage higher than that,
An appropriate DC power supply is required to generate the voltage of V CC from DD .

【0028】半導体素子のゲート端子(ベース)にはダ
イオードD1のカソードが接続される。D1のアノード
からゲート信号Igが入力される。これは従来例でも同
じ事でゲート(ベース)へ制御信号を入力している。
The cathode of the diode D1 is connected to the gate terminal (base) of the semiconductor device. A gate signal Ig is input from the anode of D1. This is the same as in the conventional example, in which a control signal is input to the gate (base).

【0029】ここではスイッチ素子も調整用装置もバイ
ポーラの場合を例示する。FETであっても同様に回路
を構成できる。
Here, a case where both the switch element and the adjusting device are bipolar will be exemplified. A circuit can be similarly configured with an FET.

【0030】半導体素子QjのベースGjには第2のダ
イオードD2のカソードが接続されている。これに調整
用電流Icが流れる。そのため、新たにベース電流調整
用トランジスタQcを設けている。D1、D2は制御信
号と調整信号を分けるために必要である。ベース調整ト
ランジスタQcのコレクタはVCCに接続される。Qcの
エミッタは可変抵抗VR1を介してダイオードD2のア
ノードにつながっている。Qcのベースは抵抗Rcを介
して分圧点Kjにつないである。
The cathode of the second diode D2 is connected to the base Gj of the semiconductor element Qj. The adjustment current Ic flows through this. Therefore, a base current adjusting transistor Qc is newly provided. D1 and D2 are necessary to separate the control signal and the adjustment signal. The collector of the base adjustment transistor Qc is connected to V CC . The emitter of Qc is connected to the anode of diode D2 via variable resistor VR1. The base of Qc is connected to a voltage dividing point Kj via a resistor Rc.

【0031】Qjのコレクタ・エミッタ間電圧をVjと
する。これが抵抗Ra、Rbで分圧されるからKj点は
RaVj/Rbとなる。QjやD1での電圧降下をδと
すると、調整用トランジスタQjのベースへは、 Ib={(RaVj/Rb)−δ}/Rc の電流が流れる。
It is assumed that the collector-emitter voltage of Qj is Vj. Since this is divided by the resistors Ra and Rb, the point Kj becomes RaVj / Rb. Assuming that the voltage drop at Qj or D1 is δ, a current of Ib = {(RaVj / Rb) −δ} / Rc flows to the base of the adjustment transistor Qj.

【0032】電源電圧Vが均等に分配されている時(V
j=V/n)にベース電流Ibは0であるようにする。 (RaV/nRb)−δ<0 トランジスタのアノード・カソード間電圧VjがV/n
を越えるとベース電流が流れ、これがQcで増幅されて
QjのベースGjに入る。Qjのコレクタ電流が増え電
圧が下降する。ためにQjは破壊から免れるようにな
る。
When the power supply voltage V is evenly distributed (V
j = V / n), the base current Ib is set to 0. (RaV / nRb) −δ <0 When the voltage Vj between the anode and the cathode of the transistor is V / n
, A base current flows, which is amplified by Qc and enters the base Gj of Qj. The collector current of Qj increases and the voltage drops. Therefore, Qj is free from destruction.

【0033】QcからGjへ送られる調整電流Icの最
大値は、トランジスタの定格電圧Vm、負荷抵抗RL、
電源電圧Vによって適当に決められるが、D1を通して
印加される制御信号Igよりはずっと小さい。
The maximum value of the adjustment current Ic sent from Qc to Gj depends on the rated voltage Vm of the transistor, the load resistance RL,
It is appropriately determined by the power supply voltage V, but is much smaller than the control signal Ig applied through D1.

【0034】[0034]

【発明の効果】本発明の回路は、トランジスタを直列に
接続して、均圧抵抗を各トランジスタに並列に設けた半
導体スイッチ回路において、均圧抵抗を分割して分割点
から電圧を取り出すことによってトランジスタに掛かる
電圧を検知し、その電圧が異常に大きくならないように
ベース電流を追加するようにしている。ベース電流を増
やすとトランジスタのコレクタ・エミッタ間電圧が下が
り、トランジスタを保護することができる。高圧電源を
開閉するスイッチとして半導体素子を使う場合、耐圧が
足らないので数多くの素子を直列につなぐが、素子間の
バランスを維持するのが難しく素子が損傷を受け易い。
しかし、本発明によって半導体素子を保護し、回路を保
全することができる。
According to the circuit of the present invention, in a semiconductor switch circuit in which transistors are connected in series and an equalizing resistor is provided in parallel with each transistor, the equalizing resistor is divided and a voltage is taken out from a dividing point. The voltage applied to the transistor is detected, and a base current is added so that the voltage does not abnormally increase. When the base current is increased, the voltage between the collector and the emitter of the transistor decreases, and the transistor can be protected. When a semiconductor element is used as a switch for opening and closing a high-voltage power supply, a large number of elements are connected in series because the withstand voltage is insufficient. However, it is difficult to maintain a balance between the elements, and the elements are easily damaged.
However, the present invention can protect a semiconductor device and maintain a circuit.

【0035】図1の回路ではオフ時(開放、非導通)半
導体素子に掛かる電圧を一定値にするため均圧抵抗R1
〜Rnを用いている。それぞれ簡単に1本の波線で描い
ているが実際にはいくつかの抵抗体を直列に接続したも
のである。1本の抵抗では許容発熱量が充分でないから
である。だから均圧抵抗を分圧するといっても部品が増
えない。調整用トランジスタとそのための電源が増える
が、調整用トランジスタの耐圧は低くて良いし定格電流
も小さくて良いから安価なものである。また、新たに必
要な電源も小規模のものだから廉価である。本発明の保
護回路は従来例に比べてそれほどのコストアップになら
ない。
In the circuit of FIG. 1, in order to make the voltage applied to the semiconductor element in an off state (open, non-conductive) constant, a voltage equalizing resistor R1 is used.
To Rn. Each of them is simply drawn with one dashed line, but in reality, several resistors are connected in series. This is because the permissible heating value is not sufficient with one resistor. Therefore, the number of components does not increase even if dividing the equalizing resistance. Although the number of adjusting transistors and the number of power supplies therefor increase, the withstand voltage of the adjusting transistors may be low and the rated current may be small, so that they are inexpensive. In addition, the newly required power source is small and inexpensive. The protection circuit of the present invention does not significantly increase the cost as compared with the conventional example.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】従来例にかかる半導体高電圧スイッチ回路の概
略回路図。
FIG. 1 is a schematic circuit diagram of a semiconductor high-voltage switch circuit according to a conventional example.

【図2】図1の回路の各段において付加される本発明の
実施例にかかる保護回路図。
FIG. 2 is a protection circuit diagram according to an embodiment of the present invention, which is added at each stage of the circuit of FIG. 1;

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 直流電源 2 抵抗 3 抵抗 Q1〜Qn スイッチ用半導体素子 R1〜Rn 均圧抵抗 G1〜Gn 制御電極 Qc ベース電流調整用トランジスタ VR1 可変抵抗 D1、D2 ダイオード Ig 制御電流 Ic 調整電流 Ib 調整用トランジスタのベース電流 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 DC power supply 2 Resistance 3 Resistance Q1-Qn Switch semiconductor element R1-Rn Equalization resistance G1-Gn Control electrode Qc Base current adjustment transistor VR1 Variable resistance D1, D2 Diode Ig Control current Ic Adjustment current Ib Base of adjustment transistor Current

フロントページの続き Fターム(参考) 5J055 AX32 AX56 AX65 BX16 CX04 CX07 DX04 DX12 DX42 DX53 DX61 DX72 DX83 DX84 DX88 EX24 EY01 EY02 EY03 EY12 EY17 EY21 FX02 FX04 FX09 FX32 FX33 GX01 Continued on the front page F-term (reference) 5J055 AX32 AX56 AX65 BX16 CX04 CX07 DX04 DX12 DX42 DX53 DX61 DX72 DX83 DX84 DX88 EX24 EY01 EY02 EY03 EY12 EY17 EY21 FX02 FX04 FX09 FX32 FX33 GX01

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 直流電源と負荷の間において直列に接
続されている複数段のスイッチ用のトランジスタと、ト
ランジスタのアノード・カソード間に接続される複数段
の均圧抵抗とを含み、トランジスタの制御電極に同時に
制御信号を印加することによってトランジスタを同時に
開閉するようにした高電圧スイッチ回路において、各段
階のトランジスタの制御電極に接続された調整用トラン
ジスタを設け、スイッチ用トランジスタのアノード・カ
ソード間につながれた均圧抵抗を分圧し、分圧点の電圧
を調整用トランジスタの制御電極につなぎ、均圧抵抗の
分圧点電圧が上がると調整用トランジスタから前記スイ
ッチ用トランジスタの制御電極に超過電流または電圧を
加え、スイッチ用トランジスタのアノード・カソード間
電圧を下降させるようにした事を特徴とする高電圧スイ
ッチ保護回路。
1. A transistor control device comprising: a plurality of stages of switching transistors connected in series between a DC power supply and a load; and a plurality of stages of voltage equalizing resistors connected between an anode and a cathode of the transistors. In a high-voltage switch circuit that simultaneously opens and closes a transistor by simultaneously applying a control signal to the electrode, an adjusting transistor connected to the control electrode of the transistor in each stage is provided, and between the anode and cathode of the switching transistor. Divide the connected equalizing resistor, connect the voltage at the voltage dividing point to the control electrode of the adjusting transistor, and when the voltage at the dividing point of the equalizing resistor rises, the excess current or the excess current is applied to the control electrode of the switching transistor from the adjusting transistor. Voltage to reduce the anode-cathode voltage of the switch transistor. High voltage switch protection circuit characterized by the following.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US7990671B2 (en) 2006-03-31 2011-08-02 Samsung Electronics Co., Ltd. Overvoltage protection control circuits and overvoltage protection control methods
JP2012213294A (en) * 2011-03-31 2012-11-01 Meidensha Corp Voltage balance circuit of semiconductor switch circuit
CN114844347A (en) * 2022-06-30 2022-08-02 南京宏泰半导体科技有限公司 Circuit and method for reducing power consumption of high-voltage tester power supply

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7990671B2 (en) 2006-03-31 2011-08-02 Samsung Electronics Co., Ltd. Overvoltage protection control circuits and overvoltage protection control methods
JP2012213294A (en) * 2011-03-31 2012-11-01 Meidensha Corp Voltage balance circuit of semiconductor switch circuit
CN114844347A (en) * 2022-06-30 2022-08-02 南京宏泰半导体科技有限公司 Circuit and method for reducing power consumption of high-voltage tester power supply
CN114844347B (en) * 2022-06-30 2022-09-30 南京宏泰半导体科技有限公司 Circuit and method for reducing power consumption of high-voltage tester power supply

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