JP2007097261A - Serial semiconductor switch device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress overvoltage and protect all series switch elements when it falls in such a state that overvoltage is generated in a unit switch circuit. <P>SOLUTION: A series semiconductor switch device, where at least two or more unit switch circuits 7<SB>i</SB>which have switching elements 1<SB>i</SB>being connected in series and snubber circuits 5i for suppressing the transient voltage rise accompanying the ON-OFF of the switching switch concerned are connected in series, is provided with overvoltage suppressing means 8<SB>i</SB>which are connected in parallel separately for each unit switch circuit 7<SB>i</SB>and are energized when specified voltage is applied to it thereby suppressing the overvoltage, current detecting means 9<SB>i</SB>which detect the current flowing at energization of the overvoltage suppressing means, an element abnormality detecting means 21 which outputs a stop command when it receives a current detection signal from any one of these current detecting means, and a switching element switching-off means 23 which switches off all switching elements when it receives a stop command. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、過電圧が印加される状態となった際に単位スイッチ回路を過電圧から保護する直列半導体スイッチ装置に関する。   The present invention relates to a series semiconductor switch device for protecting a unit switch circuit from an overvoltage when an overvoltage is applied.

従来、自己消弧型半導体素子の故障状態を監視する場合、スイッチング素子両端の電圧検出信号とスイッチング素子へのゲート信号とを比較し、スイッチング素子の故障状態を検出している(特許文献1)。   Conventionally, when monitoring a failure state of a self-extinguishing semiconductor element, a voltage detection signal at both ends of the switching element is compared with a gate signal to the switching element to detect the failure state of the switching element (Patent Document 1). .

この特許文献1に記載されるスイッチング素子の故障検出について、図17及び図18を参照して説明する。図17はスイッチング素子故障検出回路の構成図、図18はスイッチング素子故障時のスイッチング素子故障検出回路の動作状態を示す図である。   The failure detection of the switching element described in Patent Document 1 will be described with reference to FIGS. 17 and 18. FIG. 17 is a configuration diagram of the switching element failure detection circuit, and FIG. 18 is a diagram illustrating an operation state of the switching element failure detection circuit when the switching element fails.

スイッチング素子故障検出回路は、スイッチング素子11と並列にスナバ回路51が接続され、このスナバ回路51は、スイッチング素子11のオン・オフに伴って発生する過度的な電圧上昇を抑制する機能を有し、スナバコンデンサ21とスナバダイオード31とスナバ抵抗41とで構成される。このスナバ回路51としては、RCDスナバ構成としているが、他の構成のスナバ回路(例えばRCスナバ構成など)であっても構わない。 Switching element fault detection circuit includes a switching element 1 1 snubber circuit 5 1 are connected in parallel, the snubber circuit 5 1 suppresses transient voltage increase generated with the on-off switching element 1 1 It has a function and is composed of a snubber capacitor 2 1 , a snubber diode 3 1, and a snubber resistor 4 1 . As the snubber circuit 5 1, although the RCD snubber configuration, may be a snubber circuit having another structure (for example, RC snubber configuration).

また、スイッチング素子11の両端には電圧検出手段311が並列に接続されている。この電圧検出手段311はスイッチング素子11の両端電圧を検出し、この電圧検出信号をコンパレータ321に送出する。コンパレータ321は、電圧検出手段31による電圧検出信号と予め定める電圧しきい値331とを比較し、電圧検出信号がしきい値以上であれば「H」レベル信号、しきい値以下であれば「L」レベル信号という素子状態検出信号341を出力する。 Further, voltage detection means 31 1 is connected in parallel to both ends of the switching element 1 1 . The voltage detecting unit 31 1 detects the voltage across the switching element 1 1, and sends the voltage detection signal to the comparator 32 1. Comparator 32 1 compares the voltage threshold 33 1 the predetermined voltage signal detected by the voltage detecting means 31 1, if the voltage detection signal is more than the threshold value "H" level signal, the threshold value or less If there is, an element state detection signal 34 1 called “L” level signal is output.

素子故障検出回路においては、スイッチング素子11へのゲート信号のオン「H」、オフ「L」と素子状態検出信号341の論理とが反対になれば正常である。つまり、スイッチング素子11が正常であれば、スイッチング素子11へのゲート信号がオン「H」のとき、素子状態検出信号341の論理は「L」となり、スイッチング素子11へのゲート信号がオフ「L」のとき、素子状態検出信号341の論理は「H」となる。 In the element failure detection circuit, it is normal if the gate signal ON “H” and OFF “L” to the switching element 1 1 and the logic of the element state detection signal 34 1 are opposite. That is, if the switching element 1 1 is normal, the logic of the element state detection signal 34 1 becomes “L” when the gate signal to the switching element 1 1 is on “H”, and the gate signal to the switching element 1 1 Is OFF “L”, the logic of the element state detection signal 34 1 is “H”.

従って、素子故障検出回路としては、図18に示すようにスイッチング素子11へのゲート信号が「L」で、かつ素子状態検出信号341の論理が「L」となったとき、スイッチング素子11が短絡故障であると検出し(同図(a)参照)、またスイッチング素子11へのゲート信号が「H」で、かつ素子状態検出信号341の論理が「H」となったとき、スイッチング素子11が開放故障であると検出する(同図(b)参照)。 Therefore, as shown in FIG. 18, when the gate signal to the switching element 1 1 is “L” and the logic of the element state detection signal 34 1 is “L”, the element failure detection circuit is switched to the switching element 1. When 1 is detected as a short-circuit failure (see FIG. 1A), the gate signal to the switching element 1 1 is “H”, and the logic of the element state detection signal 34 1 is “H” detects the switching element 1 1 is in an open fault (see FIG. (b)).

また、他の従来例として、高電圧パルス発生装置が提案されている。この高電圧パルス発生装置では、スイッチング素子の高圧側とゲート端子との間に非線形抵抗と発光素子とを直列に接続し、2個以上のスイッチング素子を直列に接続し、スイッチング素子を過電圧から保護する構成のものがある(特許文献2)。
特開2003−289755号 特開平5−103486号
As another conventional example, a high voltage pulse generator has been proposed. In this high voltage pulse generator, a non-linear resistance and a light emitting element are connected in series between the high voltage side of the switching element and the gate terminal, and two or more switching elements are connected in series to protect the switching element from overvoltage. There exists a thing of the structure to perform (patent document 2).
JP 2003-289755 A JP-A-5-103486

ところで、高圧の直列半導体スイッチ装置においては、1つのスイッチング素子当たりの電圧責務をスイッチング素子定格電圧以下とするために、複数のスイッチング素子を直列に接続し、これら直列接続されたスイッチング素子を同時にオン、オフする構成をとっている。   By the way, in a high-voltage series semiconductor switch device, a plurality of switching elements are connected in series and the switching elements connected in series are turned on at the same time in order to keep the voltage duty per switching element below the rated voltage of the switching element. , Take off configuration.

図19は2つ以上のスイッチング素子を直列接続した直列半導体スイッチ装置に、前記特許文献1に記載されるスイッチング素子故障検出回路を適用した構成図である。なお、この図において、図17と同一部分には同一符号を付して説明する。   FIG. 19 is a configuration diagram in which the switching element failure detection circuit described in Patent Document 1 is applied to a series semiconductor switch device in which two or more switching elements are connected in series. In this figure, the same parts as those in FIG.

この直列半導体スイッチ装置は、各スイッチング素子1(i=1〜N)の電圧分担を均等化させるために、各スイッチング素子1(i=1〜N)にそれぞれ並列に分圧抵抗6(i=1〜N)を接続すると共に、スイッチング素子1(i=1〜N)とスナバ回路5(i=1〜N)と分圧抵抗6(i=1〜N)とでそれぞれ単位スイッチ回路7(i=1〜N)を構成する。 In this series semiconductor switch device, in order to equalize the voltage sharing of each switching element 1 i (i = 1 to N), the voltage dividing resistor 6 i is parallel to each switching element 1 i (i = 1 to N). (I = 1 to N) and switching element 1 i (i = 1 to N), snubber circuit 5 i (i = 1 to N) and voltage dividing resistor 6 i (i = 1 to N) Each unit switch circuit 7 i (i = 1 to N) is configured.

また、直列接続された各スイッチング素子1(i=1〜N)ごとに電圧検出手段31(i=1〜N)及びコンパレータ32(i=1〜N)が設けられている。そして、各コンパレータ32(i=1〜N)は、電圧検出手段31(i=1〜N)の出力と電圧しきい値33(i=1〜N)とを比較し、素子状態検出信号34(i=1〜N)を出力する。 Further, a voltage detection means 31 i (i = 1 to N) and a comparator 32 i (i = 1 to N) are provided for each switching element 1 i (i = 1 to N) connected in series. Each comparator 32 i (i = 1 to N) compares the output of the voltage detection means 31 i (i = 1 to N) with the voltage threshold value 33 i (i = 1 to N) to determine the element state. The detection signal 34 i (i = 1 to N) is output.

図20は直列半導体スイッチ装置の動作中に例えばスイッチング素子11のみが開放状態となった場合の各部電流、電圧波形を示す図である。 Figure 20 is a diagram illustrating each part current, voltage waveforms in the case where only the switching element 1 1, for example during operation of the series semiconductor switch device is in an open state.

すなわち、スイッチング素子11が開放状態となった場合、スイッチング素子11に流れていた電流がスナバダイオード31を通してスナバコンデンサ21に転流するために、回路インダクタンスとスナバコンデンサ21の容量とで決まる共振周期による時間τ1により、単位スイッチ回路71の両端電圧が上昇する。一般的に、τ1は数μs〜十数μsであり、スイッチング素子11の開放状態検出から全スイッチング素子オフまでの時間遅れτ2は数十μs程度となるので、スイッチング素子11の開放状態を検出した後に全スイッチング素子1(i=1〜N)をオフさせた場合でも、単位スイッチ回路71の両端電圧は過電圧となり、アーク発生に至る可能性がある。通常、スイッチング素子11のみの開放状態は、1つのスイッチング素子11が開放故障した場合、或いはスイッチング素子11に誤オフゲート信号が入力された場合等の際に発生する。 That is, when the switching element 1 1 has an open state, since the current flowing in the switching element 1 1 is commutated in the snubber capacitor 2 1 through snubber diode 3 1, and the capacitance of the circuit inductance and the snubber capacitor 2 1 by the time tau 1 due to the resonance period determined by the voltage across the unit switch circuits 71 is increased. Generally, tau 1 is the number μs~ dozen .mu.s, since the time delay tau 2 to full switching element off from the open state detecting switching element 1 1 is several tens .mu.s about the opening of the switching element 1 1 even when all the switching elements 1 i a (i = 1 to N) is turned off after detecting the condition, the voltage across the unit switch circuits 71 becomes overvoltage can lead to arcing. Normally, the open state of only the switching element 1 1 occurs when one switching element 1 1 fails to open or when an erroneous off-gate signal is input to the switching element 1 1 .

このように複数のスイッチング素子1(i=1〜N)が直列接続された場合、これら直列接続したスイッチング素子1(i=1〜N)が同時にオン、オフせず、1つもしくは数個のスイッチング素子が開放状態(残りの直列スイッチング素子は導通状態)になると、その開放状態となったスイッチング素子に過電圧が印加され、アーク発生に至る可能性がある。 When such a plurality of switching elements 1 i (i = 1~N) are connected in series, the switching element 1 series-connected i (i = 1~N) is not simultaneously turned on, off, one or several When one switching element is in an open state (the remaining series switching elements are in a conductive state), an overvoltage is applied to the switching element in the open state, which may cause an arc.

また、直列半導体スイッチ装置では、単位スイッチ回路7(i=1〜N)と並列に電圧検出手段31(i=1〜N)が接続され、これら電圧検出手段31(i=1〜N)によって検出される電圧検出信号と電圧しきい値とから得られる素子状態検出信号とゲート信号とを比較し、各スイッチング素子1(i=1〜N)の開放状態を検出することから、以下のような問題点がある。 In the series semiconductor switch device, voltage detection means 31 i (i = 1 to N) is connected in parallel with the unit switch circuit 7 i (i = 1 to N), and these voltage detection means 31 i (i = 1 to 1). Since the element state detection signal obtained from the voltage detection signal detected by N) and the voltage threshold value are compared with the gate signal, the open state of each switching element 1 i (i = 1 to N) is detected. There are the following problems.

まず、コンパレータ32(i=1〜N)から出力される全ての素子状態検出信号34(i=1〜N)をスイッチング素子へのゲート指令と比較する必要があることから、スイッチング素子1(i=1〜N)の開放状態を検出する回路が煩雑化する問題がある。 First, since it is necessary to compare all element state detection signals 34 i (i = 1 to N) output from the comparator 32 i (i = 1 to N) with the gate command to the switching element, the switching element 1 There is a problem that the circuit for detecting the open state of i (i = 1 to N) becomes complicated.

また、前述した通り高速にスイッチング素子1(i=1〜N)の開放状態を検出する(τ2を小さくする)必要があるので、素子故障検出回路にノイズ除去に充分な時定数のフィルタ回路を入れることが難しくなり、結果としてノイズ耐量が小さくなってしまう。τ2は何れかのスイッチング素子開放状態検出から全スイッチング素子1(i=1〜N)オフまでの時間遅れを意味する。 Further, since it is necessary to detect the open state of the switching element 1 i (i = 1 to N) at a high speed (reducing τ 2 ) as described above, a filter having a time constant sufficient for noise removal in the element failure detection circuit. It becomes difficult to install a circuit, and as a result, noise immunity is reduced. τ 2 means a time delay from detection of any switching element open state to turning off of all switching elements 1 i (i = 1 to N).

そこで、スナバコンデンサ2(i=1〜N)の容量を大きくし、スイッチング素子の開放状態時に単位スイッチ回路両端に印加される電圧の上昇度を小さくするとか(τ1を大きくする)、或いはスイッチング素子1(i=1〜N)と並列に電圧依存性をもつ抵抗体(例えばZNR(登録商標)素子など)を接続することによってτ2の期間電圧を保持し、過電圧を抑制する方法などが考えられる。しかし、このような対策を講じた場合には、スナバコンデンサまたは電圧依存性抵抗体が大型化する問題がある。なお、τ1は何れかのスイッチング素子が開放状態となり、当該単位スイッチ回路両端電圧が上昇しきるまでの時間である。 Therefore, the capacity of the snubber capacitor 2 i (i = 1 to N) is increased and the degree of increase in voltage applied to both ends of the unit switch circuit when the switching element is open is decreased (τ 1 is increased), or Method of holding voltage during τ 2 and suppressing overvoltage by connecting a voltage-dependent resistor (eg, ZNR (registered trademark) element) in parallel with switching element 1 i (i = 1 to N) And so on. However, when such measures are taken, there is a problem that the snubber capacitor or the voltage-dependent resistor is enlarged. Note that τ 1 is the time until one of the switching elements is opened and the voltage across the unit switch circuit is fully increased.

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、直列半導体スイッチ素子の開放異常により、単位スイッチ回路に過電圧が印加される状態となった場合、過電圧を抑制し、かつ、簡易な構成により素子の異常を検出し全直列スイッチング素子を確実に保護する高信頼性の直列半導体スイッチ装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and when an overvoltage is applied to a unit switch circuit due to an abnormal opening of a series semiconductor switch element, the overvoltage is suppressed, and the element has a simple configuration. An object of the present invention is to provide a highly reliable series semiconductor switch device that detects an abnormality and reliably protects all series switching elements.

上記課題を解決するために、本発明は、スイッチング素子と、このスイッチング素子と並列に接続され当該スイッチング素子のオン,オフに伴って発生する過渡的な電圧上昇を抑制するスナバ回路とで構成される単位スイッチ回路を、少なくとも2つ以上直列に接続した直列半導体スイッチ装置であって、前記単位スイッチ回路ごとにそれぞれ並列に接続され、所定の電圧が印加されたときに導通し、過電圧を抑制する過電圧抑制手段と、各過電圧抑制手段と直列に接続され、当該過電圧抑制手段の導通時に流れる電流を検出する電流検出手段と、前記単位スイッチ回路ごとに設けられた前記電流検出手段のうち、何れか1つの電流検出手段から電流検出信号を受信すると、停止指令を出力する素子異常検出手段と、この停止指令を受けたとき、前記全単位スイッチ回路の直列接続された前記全スイッチング素子をオフするスイッチング素子オフ手段とを設けた直列半導体スイッチ装置である。   In order to solve the above-described problems, the present invention includes a switching element and a snubber circuit that is connected in parallel with the switching element and suppresses a transient voltage increase that occurs when the switching element is turned on / off. A series semiconductor switch device in which at least two unit switch circuits are connected in series, each unit switch circuit being connected in parallel, and conducting when a predetermined voltage is applied to suppress overvoltage One of an overvoltage suppression unit, a current detection unit connected in series with each overvoltage suppression unit and detecting a current flowing when the overvoltage suppression unit is conductive, and the current detection unit provided for each unit switch circuit When a current detection signal is received from one current detection means, an element abnormality detection means for outputting a stop command and receiving this stop command The in-line semiconductor switching device having a switching element off means for turning off the series connected the total switching elements of all the unit switching circuits.

本発明は以上のような構成とすることにより、各単位スイッチ回路の一部を構成するスイッチング素子が例えばボンディングワイヤの剥がれ等による開放故障した場合、過電圧抑制手段に所定の電圧が印加されて導通し、過電圧を抑制する働きを行うとともに、この過電圧抑制手段の導通によって流れる電流を電流検出手段で検出し、この検出信号を素子異常検出手段に送出する。その結果、素子異常検出手段から停止指令を送出し、スイッチング素子オフ手段を介して直列接続された全スイッチング素子をオフするので、例えばスイッチング素子の開放故障に伴い、単位スイッチ回路に加わる過電圧を抑制でき、全スイッチング素子のオフにより直列半導体スイッチ装置を確実に保護することができる。   The present invention is configured as described above, so that when a switching element that constitutes a part of each unit switch circuit fails to open due to, for example, peeling of a bonding wire, a predetermined voltage is applied to the overvoltage suppression means to make it conductive. In addition, the function of suppressing the overvoltage is performed, the current flowing by the conduction of the overvoltage suppressing means is detected by the current detecting means, and this detection signal is sent to the element abnormality detecting means. As a result, a stop command is sent from the element abnormality detection means, and all switching elements connected in series via the switching element off means are turned off. For example, an overvoltage applied to the unit switch circuit due to an open failure of the switching element is suppressed. The series semiconductor switch device can be reliably protected by turning off all the switching elements.

本発明によれば、直列半導体スイッチ素子の開放異常によって単位スイッチ回路両端に過電圧が印加される状態となったとき、簡易な構成により、過電圧を確実に抑制でき、また全単位スイッチ回路の何れか1つから異常が検出されたときに迅速に全スイッチング素子をオフできる信頼性の高い直列半導体スイッチ装置を提供できる。   According to the present invention, when an overvoltage is applied to both ends of the unit switch circuit due to an abnormal opening of the series semiconductor switch element, the overvoltage can be reliably suppressed with a simple configuration, and any one of all unit switch circuits can be suppressed. It is possible to provide a highly reliable series semiconductor switch device capable of quickly turning off all switching elements when an abnormality is detected from one.

以下、本発明の係る実施の形態について図面を参照して説明する。
本発明においては、複数のスイッチング素子1(i=1〜N)を直列接続した直列半導体スイッチ装置において、単位スイッチ回路両端に過電圧が印加される状態となったとき、簡易な構成によって過電圧となることを抑制する一方、当該単位スイッチ回路の異常状態を検出し直ちに全直列スイッチング素子をオフすることが重要となる。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
In the present invention, in a series semiconductor switch device in which a plurality of switching elements 1 i (i = 1 to N) are connected in series, when an overvoltage is applied to both ends of the unit switch circuit, On the other hand, it is important to detect an abnormal state of the unit switch circuit and immediately turn off all series switching elements.

図1は本発明に係る直列半導体スイッチ装置の第1の実施の形態を示す構成図である。なお、同図において、図19と同じ構成要素には同一の符号を付してその詳しい説明は省略する。   FIG. 1 is a block diagram showing a first embodiment of a series semiconductor switch device according to the present invention. In the figure, the same components as those in FIG. 19 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

この直列半導体スイッチ装置は、単位スイッチ回路7(i=1〜N)の両端には、過電圧抑制手段8(i=1〜N)と電流検出手段9(i=1〜N)との直列回路が並列に接続されている。 In this series semiconductor switch device, overvoltage suppression means 8 i (i = 1 to N) and current detection means 9 i (i = 1 to N) are connected to both ends of a unit switch circuit 7 i (i = 1 to N). Are connected in parallel.

各過電圧抑制手段8(i=1〜N)は、所定の電圧が印加されると導通状態となって過電圧を抑制する機能を持っている。各電流検出手段9(i=1〜N)は、対応する過電圧抑制手段8(i=1〜N)を通して流れる電流を検出し、電流検出信号を出力する機能を持っている。 Each overvoltage suppressing means 8 i (i = 1 to N) is in a conductive state when a predetermined voltage is applied and has a function of suppressing overvoltage. Each current detection means 9 i (i = 1 to N) has a function of detecting a current flowing through the corresponding overvoltage suppression means 8 i (i = 1 to N) and outputting a current detection signal.

各電流検出手段9(i=1〜N)の出力には当該各電流検出手段9(i=1〜N)の何れか1つの各電流検出手段から電流検出信号を受けたときに停止指令を出力する例えば論理和回路などで構成される素子異常検出手段21と、この素子異常検出手段21から停止指令を受けたとき、全スイッチング素子1(i=1〜N)をオフするスイッチング素子オフ手段23が設けられている。ゲート信号生成手段22はスイッチング素子ゲート指令に基づいてゲート信号を生成し、スイッチング素子オフ手段23を通して全スイッチング素子1(i=1〜N)のゲートに印加する。 Stop upon receiving a current detection signal from the current detecting means any one of the respective current detection means 9 i (i = 1~N) at the output of the current detecting means 9 i (i = 1~N) An element abnormality detection unit 21 configured by, for example, an OR circuit that outputs a command, and a switching that turns off all switching elements 1 i (i = 1 to N) when a stop command is received from the element abnormality detection unit 21 An element off means 23 is provided. The gate signal generation means 22 generates a gate signal based on the switching element gate command, and applies it to the gates of all the switching elements 1 i (i = 1 to N) through the switching element off means 23.

次に、以上のように構成された直列半導体スイッチ装置の動作について説明する。
過電圧抑制手段8(i=1〜N)は、図2に示すように通電電流1aと両端電圧Vaと或る電圧しきい値Vthrとに対して、以下のような特性を持っている。
Va<Vthrの場合、Ia≒0A
Va>Vthrの場合、Ia≫0A
但し、Iaは単位スイッチ回路7(i=1〜N)高圧側から過電圧抑制手段8(i=1〜N)を通って低圧側に流れる電流、Vaは単位スイッチ回路7(i=1〜N)の低圧側に接続されている側から高圧側に接続されている側をみたときの両端電圧である(図3参照)。ここで、単位スイッチ回路7(i=1〜N)の高圧側とは、スイッチング素子1(i=1〜N)がオフ状態であって、かつ、単位スイッチ回路7(i=1〜N)両端に電圧が印加されている場合に高圧側となる側を示し、また単位スイッチ回路7(i=1〜N)の低圧側とは、その逆の低圧側となる側を示す。
Next, the operation of the series semiconductor switch device configured as described above will be described.
As shown in FIG. 2, the overvoltage suppressing means 8 i (i = 1 to N) has the following characteristics with respect to the energizing current 1a, the both-end voltage Va, and a certain voltage threshold value Vthr.
When Va <Vthr, Ia≈0A
When Va> Vthr, Ia >> 0A
However, Ia is the unit switch circuit 7 i (i = 1 to N), the current flowing from the high voltage side to the low voltage side through the overvoltage suppression means 8 i (i = 1 to N), and Va is the unit switch circuit 7 i (i = 1 to N) is a voltage between both ends when the side connected to the high voltage side is viewed from the side connected to the low voltage side (see FIG. 3). Here, the high voltage side of the unit switch circuit 7 i (i = 1 to N) means that the switching element 1 i (i = 1 to N) is in an off state and the unit switch circuit 7 i (i = 1). ~ N) The side that becomes the high voltage side when a voltage is applied to both ends, and the low voltage side of the unit switch circuit 7 i (i = 1 to N) indicates the side that becomes the opposite low voltage side. .

この直列半導体スイッチ装置は、例えばスイッチング素子11が開放状態となり、他のスイッチング素子12〜1Nが導通状態となった時、単位スイッチ回路71の両端電圧は、当該単位スイッチ回路71のインダクタンスとスナバコンデンサ21とで決まる共振周期による時間に従って上昇する。そして、単位スイッチ回路71の両端電圧が電圧しきい値Vthrに達したとき、過電圧抑制手段81が導通状態となり、単位スイッチ回路71両端電圧の上昇は抑制される。また、このとき同時に電流検出手段91に電流が流れるために電流検出信号を出力し、スイッチング素子オフ手段23に停止指令を送信するので、全スイッチング素子1(i=1〜N)を同時にオフさせることができる。全スイッチング素子1(i=1〜N)がオフ状態となると、単位スイッチ回路7(i=1〜N)の両端電圧が分圧抵抗6(i=1〜N)で均等化される電圧分担となり、直列半導体スイッチを安全に停止させることができる。 The series semiconductor switch device, for example, the switching element 1 1 is opened, when the other switching elements 1 2 to 1 N has become conductive, the voltage across the unit switch circuits 7 1, the unit switch circuits 7 1 increases as the time by resonance period determined by the inductance and the snubber capacitor 2 1. Then, the voltage across the unit switch circuits 71 is when it reaches a voltage threshold Vthr, overvoltage suppression means 81 becomes conductive, the increase in the unit switch circuits 71 across voltage is suppressed. At this time and outputs a current detection signal to a current flowing through the current detection unit 9 1 simultaneously, and transmits a stop command to the switching element off means 23, all the switching elements 1 i a (i = 1 to N) at the same time Can be turned off. When all the switching elements 1 i (i = 1 to N) are turned off, the voltage across the unit switch circuit 7 i (i = 1 to N) is equalized by the voltage dividing resistor 6 i (i = 1 to N). The series semiconductor switch can be safely stopped.

この際、単位スイッチ回路7(i=1〜N)の許容最大電圧をVrat・sw、正常動作時における単位スイッチ回路7(i=1〜N)の最大電圧をVmaxとすると、或る電圧しきい値Vthrが以下の(1)式を満たすように過電圧抑制手段8(i=1〜N)を選定する。
Vmax<Vthr<Vrat・sw ……(1)
このようにして(1)式に基づいて或る電圧しきい値Vthrを選定することにより、正常動作時(単位スイッチ回路7(i=1〜N)両端電圧<Vmax<Vthr)には過電圧抑制手段8(i=1〜N)には電流が通電せず、直列半導体スイッチ回路には何ら影響を与えない。一方、例えばスイッチング素子11が開放状態(スイッチング素子12〜1Nは導通状態)となり、単位スイッチ回路71の両端電圧が電圧しきい値Vthrまで上昇した時、過電圧抑制手段8(i=1〜N)は導通状態となる。その結果、単位スイッチ回路71の両端電圧は、或る電圧しきい値Vthr(<Vrat・sw)程度に抑制され、単位スイッチ回路7(i=1〜N)の許容最大電圧Vrat・sw以下となるので、過電圧による単位スイッチ回路71の構成用品の破損を未然に回避することが出来る。
At this time, if the allowable maximum voltage of the unit switch circuit 7 i (i = 1 to N) is Vrat · sw and the maximum voltage of the unit switch circuit 7 i (i = 1 to N) during normal operation is Vmax, The overvoltage suppression means 8 i (i = 1 to N) is selected so that the voltage threshold Vthr satisfies the following expression (1).
Vmax <Vthr <Vrat · sw (1)
In this way, by selecting a certain voltage threshold value Vthr based on the equation (1), overvoltage is detected during normal operation (unit switch circuit 7 i (i = 1 to N), both-end voltage <Vmax <Vthr). No current is passed through the suppression means 8 i (i = 1 to N), and the series semiconductor switch circuit is not affected at all. On the other hand, for example, when the switching element 1 1 is in an open state (the switching elements 1 2 to 1 N are in a conductive state) and the voltage across the unit switch circuit 7 1 rises to the voltage threshold value Vthr, the overvoltage suppressing means 8 i (i = 1 to N) is in a conducting state. As a result, the voltage across the unit switch circuits 7 1, certain voltage threshold Vthr is suppressed (<Vrat · sw) extent allowable maximum voltage Vrat · sw unit switch circuit 7 i (i = 1~N) since become less, it is possible to avoid damage to the unit switch circuit 71 of the configuration goods by overvoltage in advance.

また、電流検出手段9(i=1〜N)に電流が流れて当該電流検出手段9(i=1〜N)の両端に電圧が発生する場合、電流通電時の電流検出手段9(i=1〜N)の両端最大電圧をVdet・maxとすると、下記(2)式を満たすような電圧しきい値Vthr、両端最大電圧Vdet・maxを設定する必要がある。 Also, if the voltage across the current detecting means 9 i (i = 1~N) current flows through the current detecting means 9 i (i = 1~N) occurs, when the current flowing current detecting means 9 i If the maximum voltage at both ends of (i = 1 to N) is Vdet · max, it is necessary to set a voltage threshold Vthr and a maximum voltage Vdet · max that satisfy the following equation (2).

Vthr+Vdet・max<Vrat・sw (2)
従って、以上述べた(2)式のようなVthr、Vdet・maxを設定することにより、1つ(もしくは数個)のスイッチング素子が開放状態となる異常時、単位スイッチ回路の両端電圧を当該単位スイッチ回路の許容最大電圧Vrat・sw以下に抑制することが可能となる。
Vthr + Vdet · max <Vrat · sw (2)
Therefore, by setting Vthr and Vdet · max as in the above-described equation (2), when one (or several) switching elements are in an open state, the voltage across the unit switch circuit is set to the unit. It becomes possible to suppress to the allowable maximum voltage Vrat · sw of the switch circuit.

図4は本発明に係る直列半導体スイッチ回路の第2の実施形態を示す構成図である。
この実施の形態は、第1の実施の形態における過電圧抑制手段8(i=1〜N)として、アバランシェ特性を有するアバランシェダイオード10(i=1〜N)を用いた構成である。すなわち、単位スイッチ回路7(i=1〜N)の高圧側にアバランシェダイオード10(i=1〜N)のカソード側を接続したものであって、その他の構成は第1の実施の形態と同様である。従って、第1の実施の形態と同じ構成要素には同一の符号を付し、その詳しい説明を省略する。
FIG. 4 is a block diagram showing a second embodiment of the series semiconductor switch circuit according to the present invention.
In the present embodiment, an avalanche diode 10 i (i = 1 to N) having avalanche characteristics is used as the overvoltage suppressing means 8 i (i = 1 to N) in the first embodiment. That is, the cathode side of the avalanche diode 10 i (i = 1 to N) is connected to the high voltage side of the unit switch circuit 7 i (i = 1 to N), and the other configuration is the first embodiment. It is the same. Accordingly, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

アバランシェダイオード10(i=1〜N)は、通電電流Iaと両端電圧Vaと或る電圧しきい値Vthrに対して、前述した図2と同様の特性を持っている。
Va<Vthrの場合、Ia≒0A
Va>Vthrの場合、Ia≫0A
上式において、Iaはアバランシェダイオード10(i=1〜N)のカソードからアノードに流れる電流であり、またVaはアバランシェダイオード10(i=1〜N)のアノード側からカソード側をみたときの両端電圧である。
The avalanche diode 10 i (i = 1 to N) has the same characteristics as those in FIG. 2 described above with respect to the energization current Ia, the both-end voltage Va, and a certain voltage threshold value Vthr.
When Va <Vthr, Ia≈0A
When Va> Vthr, Ia >> 0A
In the above equation, Ia is the current flowing from the cathode of the avalanche diode 10 i (i = 1 to N) to the anode, and Va is the cathode side viewed from the anode side of the avalanche diode 10 i (i = 1 to N). The voltage at both ends of

この直列半導体スイッチ装置においては、例えばスイッチング素子11が開放状態(スイッチング素子12〜1Nは導通状態)となり、単位スイッチ回路71の両端電圧が上昇することにより、或る電圧しきい値Vthrに達したとすると、アバランシェダイオード101は、アバランシェ状態となって導通することにより、単位スイッチ回路71の両端電圧の上昇は抑制される。 In this series semiconductor switch device, for example, the switching element 1 1 is in an open state (the switching elements 1 2 to 1 N are in a conducting state), and the voltage across the unit switch circuit 7 1 rises, thereby causing a certain voltage threshold value. When reached Vthr, avalanche diode 10 1, by conduction becomes avalanche state, increase in the unit switch circuits 71 of the voltage across is suppressed.

また、このとき同時に電流検出手段91に流れる電流を検出し、電流検出信号を出力することにより、素子異常検出手段21から停止指令をスイッチング素子オフ手段23に送信するので、全スイッチング素子1(i=1〜N)をオフさせることができる。全スイッチング素子1(i=1〜N)がオフ状態となると、単位スイッチ回路7(i=1〜N)の両端電圧が分圧抵抗6(i=1〜N)によって均等化される電圧分担となり、直列半導体スイッチ装置を安全に停止させることができる。 At this time detects the current flowing through the current detection unit 9 1 simultaneously, by outputting a current detection signal, and transmits a stop command from the element error detection unit 21 to the switching element off means 23, all the switching elements 1 i (I = 1 to N) can be turned off. When all the switching elements 1 i (i = 1 to N) are turned off, the voltage across the unit switch circuit 7 i (i = 1 to N) is equalized by the voltage dividing resistor 6 i (i = 1 to N). Thus, the series semiconductor switch device can be safely stopped.

通常、アバランシェダイオード10(i=1〜N)のアバランシェ耐量は小さいが、仮にアバランシェ耐量以上の責務が印加され、アバランシェダイオード101が逆阻止能力を失って短絡状態となった場合でも、本発明に係る技術は満足され、直列半導体スイッチ装置を安全に停止させることができる。 Usually, the avalanche withstand capability of the avalanche diode 10 i (i = 1~N) is small, if more responsibility avalanche resistance is applied, even when a short circuit state avalanche diode 10 1 loses reverse blocking capability, the The technology according to the invention is satisfied and the series semiconductor switch device can be safely stopped.

図5は本発明に係る直列半導体スイッチ装置の第3の実施の形態を示す構成図である。
この実施の形態は、第1の実施の形態における過電圧抑制手段8(i=1〜N)として、電圧非直線特性を有する電圧依存性抵抗体11(i=1〜N)を設けた構成である。
FIG. 5 is a block diagram showing a third embodiment of the series semiconductor switch device according to the present invention.
In this embodiment, a voltage-dependent resistor 11 i (i = 1 to N) having voltage non-linear characteristics is provided as the overvoltage suppressing means 8 i (i = 1 to N) in the first embodiment. It is a configuration.

この電圧依存性抵抗体11(i=1〜N)は、通電電流Iaと両端電圧Vaと或る電圧しきい値Vthrに対して、前述した図2と同様の以下の特性を有する。
Va<Vthrの場合、Ia≒0A
Va>Vthrの場合、Ia≫0A
上式において、Iaは単位スイッチ回路7(i=1〜N)の高圧側から電圧依存性抵抗体11(i=1〜N)を通って低圧側に流れる電流であり、またVaは単位スイッチ回路7(i=1〜N)の低圧側に接続されている側から高圧側に接続されている側をみたときの両端電圧である。
This voltage-dependent resistor 11 i (i = 1 to N) has the following characteristics similar to those of FIG. 2 described above with respect to the energization current Ia, the both-end voltage Va, and a certain voltage threshold value Vthr.
When Va <Vthr, Ia≈0A
When Va> Vthr, Ia >> 0A
In the above equation, Ia is a current that flows from the high voltage side of the unit switch circuit 7 i (i = 1 to N) to the low voltage side through the voltage-dependent resistor 11 i (i = 1 to N), and Va is This is the voltage across the unit switch circuit 7 i (i = 1 to N) when the side connected to the high voltage side is viewed from the side connected to the low voltage side.

電圧依存性抵抗体11(i=1〜N)の例としてはZNR(登録商標)素子が挙げられる。このZNR素子のV−I特性は図2に示す特性と同様であって、過電圧抑制手段としての特性を満たしている。また、一般に、例えばアバランシェダイオードのアバランシェ耐量と比べて、ZNR素子はエネルギー耐量が大きいので、異常検出動作で過電圧抑制手段としての特性を失うことなく、本発明の意図する機能を十分に発揮することができ、長期間にわたって繰返し使用することが可能である。 An example of the voltage-dependent resistor 11 i (i = 1 to N) is a ZNR (registered trademark) element. The V-I characteristic of this ZNR element is similar to the characteristic shown in FIG. 2, and satisfies the characteristic as an overvoltage suppressing means. In general, for example, a ZNR element has a large energy resistance compared to the avalanche resistance of an avalanche diode, so that the intended function of the present invention can be sufficiently exerted without losing the characteristics as an overvoltage suppressing means in an abnormality detection operation. Can be used repeatedly over a long period of time.

図6は本発明に係る直列半導体装置の第4の実施の形態を示す構成図である。
この実施の形態は、第1の実施の形態における過電圧抑制手段8(i=1〜N)として、電圧依存性素子12(i=1〜N)を設けた構成である。その他の構成は図1と同様であるので、詳しくは図1の説明に譲る。
FIG. 6 is a block diagram showing a fourth embodiment of a series semiconductor device according to the present invention.
In this embodiment, voltage-dependent elements 12 i (i = 1 to N) are provided as the overvoltage suppressing means 8 i (i = 1 to N) in the first embodiment. Since other configurations are the same as those in FIG. 1, the details will be given in the description of FIG.

この電圧依存性素子12(i=1〜N)は、当該電圧依存性素子12(i=1〜N)の通電電流1aと両端電圧Vaと或る電圧しきい値Vthrに対して、図7に示すような以下の特性を有する。
Va<Vthrの場合、Ia≒0A
Va>Vthrの条件を満たしたときに導通状態となり、Ia≫0Aとなる。
なお、電圧依存性素子12(i=1〜N)が導通した後、Va≒0Vとなる。
The voltage-dependent element 12 i (i = 1 to N) has a current threshold value Va of the voltage-dependent element 12 i (i = 1 to N), a voltage Va between both ends, and a certain voltage threshold value Vthr. It has the following characteristics as shown in FIG.
When Va <Vthr, Ia≈0A
When the condition Va> Vthr is satisfied, the conductive state is established, and Ia >> 0A.
Note that Va≈0V after the voltage dependent element 12 i (i = 1 to N) is turned on.

この特性式において、Iaは単位スイッチ回路7(i=1〜N)の高圧側から電圧依存性素子12(i=1〜N)を通って低圧側に流れる電流であり、またVaは単位スイッチ回路7(i=1〜N)の低圧側に接続されている側から高圧側に接続されている側をみたときの両端電圧である(図8参照)。 In this characteristic equation, Ia is a current that flows from the high voltage side of the unit switch circuit 7 i (i = 1 to N) to the low voltage side through the voltage dependent element 12 i (i = 1 to N), and Va is This is a voltage across the unit switch circuit 7 i (i = 1 to N) when the side connected to the high voltage side is viewed from the side connected to the low voltage side (see FIG. 8).

電圧依存性素子12(i=1〜N)の例としては例えばサイダック素子が挙げられるが、その他の素子であってもよい。 Examples of the voltage-dependent element 12 i (i = 1 to N) include a Sidac element, but other elements may be used.

この直列半導体スイッチ回路においては、例えばスイッチング素子11が開放状態(スイッチング素子12〜1Nは導通状態)となり、単位スイッチ回路71の両端電圧が上昇することにより、或る電圧しきい値Vthrに達したとすると、電圧依存性素子121が導通状態となるので、単位スイッチ回路71の両端電圧はほぼ0Vとなる。また、このとき同時に電流検出手段91に電流が流れるために電流検出信号を出力し、スイッチング素子オフ手段23に停止指令を送信する。その結果、スイッチング素子オフ手段23は、全スイッチング素子1(i=1〜N)をオフすることにより、直列半導体スイッチ装置を安全に停止させることができる。 In this series semiconductor switch circuit, for example, the switching element 1 1 is in an open state (the switching elements 1 2 to 1 N are in a conductive state), and the voltage across the unit switch circuit 7 1 rises, thereby causing a certain voltage threshold value. When reached Vthr, since the voltage dependent element 12 1 becomes conductive, the voltage across the unit switch circuits 71 becomes substantially 0V. At this time and outputs a current detection signal to a current flowing through the current detection unit 9 1 simultaneously transmits a stop command to the switching element off means 23. As a result, the switching element off means 23 can safely stop the series semiconductor switch device by turning off all the switching elements 1 i (i = 1 to N).

この実施の形態の利点とするところは、適切な電圧依存性素子12(i=1〜N)を選定することにより、電圧依存性素子12(i=1〜N)は異常検出動作で過電圧抑制手段としての特性を失うことなく、本発明の意図する機能を十分に発揮することができ、当該電圧依存性素子を長期間にわたって繰返し使用することができることである。 The advantage of this embodiment is that by selecting an appropriate voltage-dependent element 12 i (i = 1 to N), the voltage-dependent element 12 i (i = 1 to N) is in an abnormality detection operation. The function intended by the present invention can be sufficiently exhibited without losing the characteristics as overvoltage suppressing means, and the voltage-dependent element can be used repeatedly over a long period of time.

図9は本発明に係る直列半導体スイッチ装置の第5の実施の形態を示す構成図である。
この実施の形態は、第1の実施の形態における過電圧抑制手段8(i=1〜N)として、空隙13(i=1〜N)を設けた構成である。その他の構成は図1と同様であるので、その詳しい説明は図1の説明に譲る。
FIG. 9 is a block diagram showing a fifth embodiment of a series semiconductor switch device according to the present invention.
In this embodiment, a gap 13 i (i = 1 to N) is provided as the overvoltage suppressing means 8 i (i = 1 to N) in the first embodiment. Since other configurations are the same as those in FIG. 1, detailed description thereof will be given to the description of FIG.

この空隙13(i=1〜N)は、通電電流Iaと両端電圧Vaと或る電圧しきい値Vthrに対して、第4の実施の形態で説明した図7と同様となる以下の特性を有する。
Va<Vthrの場合、空隙13(i=1〜N)の絶縁は保たれ、Ia≒0A
Va>Vthrの条件を満たすと、空隙13(i=1〜N)の絶縁は破壊され当該空隙13(i=1〜N)間で放電し、Ia≫0Aとなる。この空隙13(i=1〜N)の放電中、Vaは数10Vのアーク電圧となる。
This gap 13 i (i = 1 to N) has the following characteristics similar to those of FIG. 7 described in the fourth embodiment with respect to the energization current Ia, the both-end voltage Va, and a certain voltage threshold value Vthr. Have
When Va <Vthr, the insulation of the air gap 13 i (i = 1 to N) is maintained, and Ia≈0A
When the condition of Va> Vthr is satisfied, the insulation of the gap 13 i (i = 1 to N) is broken and discharged between the gaps 13 i (i = 1 to N), so that Ia >> 0A. During the discharge of the gap 13 i (i = 1 to N), Va becomes an arc voltage of several tens of volts.

但し、この特性式において、Iaは単位スイッチ回路7(i=1〜N)の高圧側から空隙13(i=1〜N)を通って低圧側に流れる電流であり、またVaは単位スイッチ回路7(i=1〜N)の低圧側に接続されている側から高圧側に接続されている側をみたときの両端電圧である。 However, in this characteristic equation, Ia is a current flowing from the high voltage side of the unit switch circuit 7 i (i = 1 to N) to the low voltage side through the air gap 13 i (i = 1 to N), and Va is a unit. This is the voltage across the switch circuit 7 i (i = 1 to N) when the side connected to the high voltage side is viewed from the side connected to the low voltage side.

この空隙13(i=1〜N)のV−I特性は、図7に示すものと同様であって過電圧抑制手段としての特性を満たしている。また、空隙13(i=1〜N)の絶縁特性を利用して、過電圧を抑制する機能を満足させることから、非常に高い信頼性を有する。しかも、空隙13(i=1〜N)は、繰返しの故障検出動作に対しても過電圧抑制手段としての特性を失うことなく、繰返し使用することができる。 The V-I characteristics of the gap 13 i (i = 1 to N) are the same as those shown in FIG. 7 and satisfy the characteristics as overvoltage suppressing means. Moreover, by utilizing the insulating properties of the air gap 13 i (i = 1~N), since to satisfy the function of suppressing the overvoltage has a very high reliability. Moreover, the air gap 13 i (i = 1 to N) can be used repeatedly without losing the characteristics as the overvoltage suppressing means even for repeated failure detection operations.

図10は本発明に係る直列半導体スイッチ装置の第6の実施の形態を示す構成図である。
この実施の形態は、第1ないし第5の実施の形態の構成要素である電流検出手段9(i=1〜N)を単位スイッチ回路7(i=1〜N)の主回路電位に電位固定する一方、電流検出手段9(i=1〜N)と素子異常検出手段21との間に絶縁手段14(i=1〜N)を介挿させた構成である。つまり、第6の実施の形態は、電流検出手段9(i=1〜N)で検出された電流検出信号を絶縁手段14(i=1〜N)により電気的に絶縁し、検出信号のみを素子異常検出手段21に伝送する機能を有する。
FIG. 10 is a block diagram showing a sixth embodiment of a series semiconductor switch device according to the present invention.
In this embodiment, the current detection means 9 i (i = 1 to N), which is a component of the first to fifth embodiments, is changed to the main circuit potential of the unit switch circuit 7 i (i = 1 to N). While the potential is fixed, an insulating means 14 i (i = 1 to N) is interposed between the current detecting means 9 i (i = 1 to N) and the element abnormality detecting means 21. That is, in the sixth embodiment, the current detection signal detected by the current detection means 9 i (i = 1 to N) is electrically insulated by the insulation means 14 i (i = 1 to N), and the detection signal is detected. Only to the element abnormality detecting means 21.

このような構成とすることにより、電流検出手段9(i=1〜N)の全ての検出信号は素子異常検出手段21で同電位となるため、夫々電位の異なる単位スイッチ回路7(i=1〜N)から出力される検出信号を何らかの手段で電気的に絶縁をとる必要があるが、絶縁手段14(i=1〜N)がその役割を果たすことができる。 With such a configuration, all the detection signals of the current detection means 9 i (i = 1 to N) have the same potential in the element abnormality detection means 21, so that the unit switch circuits 7 i (i with different potentials are used. Although it is necessary to electrically insulate the detection signal output from = 1 to N) by some means, the insulating means 14 i (i = 1 to N) can play the role.

例えば電流検出手段9(i=1〜N)として、単位スイッチ回路7(i=1〜N)の主回路と電気的に接続されない変流器を考えてみる。各単位スイッチ回路7(i=1〜N)の電位は夫々異なるが、素子異常検出手段21を構成する例えば論理和回路の電位は同一であるので、変流器に対する要求耐圧は単位スイッチ回路7(i=1〜N)によって異なる。また、最も電位の高い単位スイッチ回路に取付けられる変流器への要求耐圧は、直列半導体スイッチ装置の最高電位と同等以上となり、現実的なものでなく、信頼性に欠ける。 For example, consider a current transformer that is not electrically connected to the main circuit of the unit switch circuit 7 i (i = 1 to N) as the current detection means 9 i (i = 1 to N). Although the potentials of the unit switch circuits 7 i (i = 1 to N) are different from each other, for example, the potentials of the OR circuits constituting the element abnormality detection means 21 are the same, so the required withstand voltage for the current transformer is the unit switch circuit. 7 i (i = 1 to N) varies. Further, the required withstand voltage of the current transformer attached to the unit switch circuit having the highest potential is equal to or higher than the maximum potential of the series semiconductor switch device, which is not realistic and lacks reliability.

この実施の形態の利点は、電流検出手段9(i=1〜N)で検出された電流検出信号を絶縁手段14(i=1〜N)を用いて単位スイッチ回路7(i=1〜N)の主回路と電気的に絶縁することにより、電流検出手段9(i=1〜N)を単位スイッチ回路7(i=1〜N)の主回路電位とし、単位スイッチ回路7(i=1〜N)と過電圧抑制手段8(i=1〜N)と電流検出手段9(i=1〜N)との構成を同一化できることである。 The advantage of this embodiment is that the current detection signal detected by the current detection means 9 i (i = 1 to N) is converted into the unit switch circuit 7 i (i = i = N) using the insulation means 14 i (i = 1 to N). 1 to N) is electrically insulated from the main circuit, and the current detection means 9 i (i = 1 to N) is set to the main circuit potential of the unit switch circuit 7 i (i = 1 to N), and the unit switch circuit 7 i (i = 1 to N), overvoltage suppressing means 8 i (i = 1 to N), and current detecting means 9 i (i = 1 to N) can be configured identically.

図11は本発明に係る直列半導体スイッチ装置の第7の実施の形態を示す構成図である。
この実施の形態は、第6の実施の形態における絶縁手段14(i=1〜N)として、例えば変圧器15(i=1〜N)を用いた構成である。従って、その他の構成は、図1及び図10と同様であるので、詳しくはそれらの図の説明に譲る。
FIG. 11 is a block diagram showing a seventh embodiment of the series semiconductor switch device according to the invention.
In this embodiment, a transformer 15 i (i = 1 to N), for example, is used as the insulating means 14 i (i = 1 to N) in the sixth embodiment. Accordingly, other configurations are the same as those in FIGS. 1 and 10, and details will be left to the description of those drawings.

この実施の形態においては、電流検出時に両端に電圧を発生するような電流検出手段9(i=1〜N)を用いた場合、第1の実施の形態で説明したように(2)式を満たす必要があるので、電流検出手段9(i=1〜N)の両端最大電圧Vdet・maxは極力小さいほうがよい。 In this embodiment, when current detection means 9 i (i = 1 to N) that generates a voltage at both ends at the time of current detection is used, as described in the first embodiment, equation (2) Therefore, the maximum voltage Vdet · max at both ends of the current detection means 9 i (i = 1 to N) should be as small as possible.

そして、電流検出手段9(i=1〜N)からの検出信号は、変圧器15(i=1〜N)を通して伝送することから、検出信号の電圧レベルを変圧器15(i=1〜N)の巻線比を変えることにより変化させることが可能となり、電流検出手段9(i=1〜N)の両端最大電圧Vdet・maxを小さく設定した場合であっても、素子異常検出手段21側で検出信号を確実に検出することが可能である。 And since the detection signal from the current detection means 9 i (i = 1 to N) is transmitted through the transformer 15 i (i = 1 to N), the voltage level of the detection signal is changed to the transformer 15 i (i = 1 to N) can be changed by changing the winding ratio, and even if the maximum voltage Vdet · max at both ends of the current detection means 9 i (i = 1 to N) is set small, element abnormality The detection signal can be reliably detected on the detection means 21 side.

図12は本発明に係る直列半導体スイッチ装置の第8の実施の形態を示す構成図である。
この実施の形態は、第6の実施の形態における絶縁手段14(i=1〜N)として、例えば光伝送媒体となる光ファイバ16(i=1〜N)を用いた例である。その他の構成は、図1及び図10と同様であるので、詳しくはそれらの図の説明に譲る。
FIG. 12 is a block diagram showing an eighth embodiment of a series semiconductor switch device according to the present invention.
This embodiment is an example in which, for example, an optical fiber 16 i (i = 1 to N) serving as an optical transmission medium is used as the insulating means 14 i (i = 1 to N) in the sixth embodiment. Other configurations are the same as those in FIGS. 1 and 10, and details will be left to the description of those drawings.

本実施の形態の利点とするところは、光ファイバ16(i=1〜N)の耐電圧は10kV/mm程度であることから、容易に絶縁をとることが可能なことである。また、電気的ノイズによる誤動作の影響もなくなり、より信頼性の高い直列半導体スイッチ装置を提供することが可能となる。 The advantage of the present embodiment is that the withstand voltage of the optical fiber 16 i (i = 1 to N) is about 10 kV / mm, so that it can be easily insulated. In addition, it is possible to provide a more reliable series semiconductor switch device without the influence of malfunction due to electrical noise.

図13は本発明に係る直列半導体スイッチ装置の第9の実施の形態を示す構成図である。
この実施の形態は、第8の実施の形態における電流検出手段9(i=1〜N)として、以下のように構成したものである。すなわち、電流検出手段9(i=1〜N)としては、過電圧抑制手段8(i=1〜N)と直列にシャント抵抗17(i=1〜N)を接続し、このシャント抵抗17(i=1〜N)の両端には限流抵抗19(i=1〜N)と発光素子18(i=1〜N)との直列回路が並列に接続され、当該発光素子18(i=1〜N)と光ファイバ16(i=1〜N)とを光結合する構成である。
FIG. 13 is a block diagram showing a ninth embodiment of a series semiconductor switch device according to the invention.
In this embodiment, the current detection means 9 i (i = 1 to N) in the eighth embodiment is configured as follows. That is, as the current detecting means 9 i (i = 1 to N), a shunt resistor 17 i (i = 1 to N) is connected in series with the overvoltage suppressing means 8 i (i = 1 to N). A series circuit of a current limiting resistor 19 i (i = 1 to N) and a light emitting element 18 i (i = 1 to N) is connected in parallel to both ends of 17 i (i = 1 to N). 18 i (i = 1 to N) and optical fiber 16 i (i = 1 to N) are optically coupled.

次に、図13のように構成された直列半導体スイッチ装置の動作について図14ないし図16を参照して説明する。なお、図14は過電圧抑制手段として例えば電圧依存性抵抗体11(i=1〜N)(図5参照)を用いた場合、図15は過電圧抑制手段として電圧依存性素子12(i=1〜N)(図6参照)、空隙13(i=1〜N)(図9参照)を用いた場合、図16は過電圧抑制手段としてアバランシェダイオード10(i=1〜N)(図4参照)を用いた場合の動作波形を示す図である。 Next, the operation of the series semiconductor switch device configured as shown in FIG. 13 will be described with reference to FIGS. 14 shows the case where, for example, the voltage-dependent resistor 11 i (i = 1 to N) (see FIG. 5) is used as the overvoltage suppressing means, FIG. 15 shows the voltage-dependent element 12 i (i = 1 to N) (see FIG. 6) and the air gap 13 i (i = 1 to N) (see FIG. 9), FIG. 16 shows an avalanche diode 10 i (i = 1 to N) (FIG. It is a figure which shows the operation | movement waveform at the time of using 4 reference).

今、例えばスイッチング素子11が図示(イ)のように開放状態となり(スイッチング素子12〜1Nは導通状態)、単位スイッチ回路71の両端電圧が上昇して或る電圧しきい値Vthrに達したとき(図示(ロ))、過電圧抑制手段81は導通状態となることにより、単位スイッチ回路71の両端電圧の上昇は抑制される(図示(ハ))。また、このとき同時に、過電圧抑制手段81が導通状態になると、シャント抵抗171と限流抵抗191との比で決まる電流が発光素子181に流れるので(図示(ニ))、発光素子181は発光する。単位スイッチ回路71の主回路電位と光で絶縁された電流検出信号は光ファイバ161を介して素子異常検出手段21に送信される。素子異常検出手段21は、光ファイバ161を通して電流検出信号を受信すると、停止指令をスイッチング素子オフ手段23に送出する。スイッチング素子オフ手段23は、停止指令を受けると、全スイッチング素子1(i=1〜N)をオフする。よって、直列半導体スイッチ装置を安全に停止させることができる。 Now, for example, the switching element 1 1 is in an open state as shown in FIG. 1A (the switching elements 1 2 to 1 N are in a conducting state), and the voltage across the unit switch circuit 7 1 rises to a certain voltage threshold Vthr. when reached (shown (b)), the over-voltage suppression means 81 be turned, increase in the unit switch circuits 71 of the voltage across is suppressed (shown (c)). At the same time, when the overvoltage suppressing means 8 1 becomes conductive, a current determined by the ratio of the shunt resistor 17 1 and the current limiting resistor 19 1 flows to the light emitting element 18 1 (illustration (D)). 18 1 emits light. A current detection signal insulated from the main circuit potential of the unit switch circuit 7 1 by light is transmitted to the element abnormality detecting means 21 through the optical fiber 16 1 . Element error detection unit 21 receives the current detection signal through the optical fiber 16 1, sends a stop command to the switching element off means 23. When receiving the stop command, the switching element off means 23 turns off all the switching elements 1 i (i = 1 to N). Therefore, the series semiconductor switch device can be stopped safely.

なお、シャント抵抗17(i=1〜N)は電流検出時両端に電圧を発生するため、前記(2)式(第1の実施の形態参照)の関係式を満たす必要がある。今、異常時にシャント抵抗17(i=1〜N)を流れる電流の最大値をImaxとし、シャント抵抗17(i=1〜N)の抵抗値をRsとした時、Vdet・max=Rs・Imaxとなることから、前記(2)式を満足するような抵抗値Rsのシャント抵抗17(i=1〜N)を選定すれば、異常時の単位スイッチ回路7(i=1〜N)両端電圧を単位スイッチ回路の許容最大電圧Vrat・sw以下に抑制することが可能となる。 Since the shunt resistor 17 i (i = 1 to N) generates a voltage at both ends at the time of current detection, it is necessary to satisfy the relational expression (2) (see the first embodiment). Now, when the maximum value of the current flowing through the shunt resistor 17 i (i = 1 to N) is Imax and the resistance value of the shunt resistor 17 i (i = 1 to N) is Rs, Vdet · max = Rs Since Imax, if the shunt resistor 17 i (i = 1 to N) having a resistance value Rs that satisfies the above equation (2) is selected, the unit switch circuit 7 i (i = 1 to 1) at the time of abnormality is selected. N) It is possible to suppress the voltage between both ends to be equal to or lower than the allowable maximum voltage Vrat · sw of the unit switch circuit.

このような構成によれば、複雑な構成をとることなく、異常時に過電圧抑制手段8(i=1〜N)を通流する電流から発光素子18(i=1〜N)を容易に発光させ、光ファイバ16(i=1〜N)の特性を利用しつつ、高信頼性の検出信号を素子異常検出手段21に伝送することができる。 According to such a configuration, the light-emitting element 18 i (i = 1 to N) can be easily obtained from the current flowing through the overvoltage suppressing means 8 i (i = 1 to N) at the time of abnormality without taking a complicated configuration. The highly reliable detection signal can be transmitted to the element abnormality detecting means 21 while emitting light and utilizing the characteristics of the optical fiber 16 i (i = 1 to N).

従って、以上のような第1ないし第9の実施の形態によれば、スイッチング素子1(i=1〜N)の故障もしくはスイッチング素子1(i=1〜N)に対する誤オフゲート信号等のために、単位スイッチ回路7(i=1〜N)のスイッチング素子1(i=1〜N)の何れか1個もしくは数個が開放状態となり、開放状態となったスイッチング素子に過電圧が印加される状態となった場合でも、開放状態となった素子両端に過電圧が印加されることを抑制することができ、また、スイッチング素子1(i=1〜N)の何れかの開放状態を検出し、停止指令をスイッチング素子オフ手段23に送信し、全スイッチング素子1(i=1〜N)をオフさせるので、速やかに開放状態となった素子両端に過電圧が印加される状態を解除することが可能となり、信頼性の高い直列半導体スイッチ装置を提供できる。 Therefore, according to the first to ninth embodiment described above, the off-gate signal or the like erroneously to the switching element 1 i (i = 1~N) failure or switching elements 1 i (i = 1~N) Therefore, any one or several of the switching elements 1 i (i = 1 to N) of the unit switch circuit 7 i (i = 1 to N) are in an open state, and an overvoltage is applied to the switching element in the open state. Even in the applied state, it is possible to suppress an overvoltage from being applied to both ends of the open element, and any one of the switching elements 1 i (i = 1 to N) is open. Is detected, and a stop command is transmitted to the switching element off means 23 to turn off all the switching elements 1 i (i = 1 to N). Cancel And a highly reliable series semiconductor switch device can be provided.

その他、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施できる。   In addition, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention.

本発明に係る直列半導体スイッチ装置の第1の実施の形態を示す構成図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The block diagram which shows 1st Embodiment of the series semiconductor switch apparatus which concerns on this invention. 図1に示す過電圧抑制手段を説明するV−I特性図。FIG. 5 is a VI characteristic diagram for explaining the overvoltage suppressing means shown in FIG. 1. 過電圧抑制手段における電圧と電流との関係を説明する図。The figure explaining the relationship between the voltage and electric current in an overvoltage suppression means. 本発明に係る直列半導体スイッチ装置の第2の実施の形態を示す構成図。The block diagram which shows 2nd Embodiment of the series semiconductor switch apparatus which concerns on this invention. 本発明に係る直列半導体スイッチ装置の第3の実施の形態を示す構成図。The block diagram which shows 3rd Embodiment of the series semiconductor switch apparatus which concerns on this invention. 本発明に係る直列半導体スイッチ装置の第4の実施の形態を示す構成図。The block diagram which shows 4th Embodiment of the series semiconductor switch apparatus which concerns on this invention. 図6に示す電圧依存性素子を説明するV−I特性図。FIG. 7 is a VI characteristic diagram illustrating the voltage dependent element shown in FIG. 6. 電圧依存性素子における電圧と電流との関係を説明する図。The figure explaining the relationship between the voltage and current in a voltage dependence element. 本発明に係る直列半導体スイッチ装置の第5の実施の形態を示す構成図。The block diagram which shows 5th Embodiment of the series semiconductor switch apparatus which concerns on this invention. 本発明に係る直列半導体スイッチ装置の第6の実施の形態を示す構成図。The block diagram which shows 6th Embodiment of the series semiconductor switch apparatus which concerns on this invention. 本発明に係る直列半導体スイッチ装置の第7の実施の形態を示す構成図。The block diagram which shows 7th Embodiment of the series semiconductor switch apparatus which concerns on this invention. 本発明に係る直列半導体スイッチ装置の第8の実施の形態を示す構成図。The block diagram which shows 8th Embodiment of the series semiconductor switch apparatus which concerns on this invention. 本発明に係る直列半導体スイッチ装置の第9の実施の形態を示す構成図。The block diagram which shows 9th Embodiment of the series semiconductor switch apparatus which concerns on this invention. 過電圧抑制手段として電圧依存性抵抗体を用い、かつ第9の実施の形態を用いた構成の直列半導体スイッチ回路の各部電流及び電圧波形図。FIG. 10 is a diagram illustrating current and voltage waveforms of each part of a series semiconductor switch circuit having a configuration using a voltage-dependent resistor as overvoltage suppressing means and using the ninth embodiment. 過電圧抑制手段として電圧依存性素子、空隙を用い、かつ第9の実施の形態を用いた構成の直列半導体スイッチ回路の各部電流及び電圧波形図。FIG. 25 is a diagram illustrating current and voltage waveforms of each part of a series semiconductor switch circuit having a configuration using a voltage-dependent element and a gap as overvoltage suppressing means and using the ninth embodiment. 過電圧抑制手段としてアバランシェダイオードを用い、かつ第9の実施の形態を用いた構成の直列半導体スイッチ回路の各部電流及び電圧波形図。FIG. 25 is a diagram showing current and voltage waveforms of each part of a series semiconductor switch circuit having a configuration using an avalanche diode as overvoltage suppressing means and using the ninth embodiment. 特許文献1に記載されているスイッチング素子故障検出回路の構成図Configuration diagram of switching element failure detection circuit described in Patent Document 1 特許文献1に記載されているスイッチング素子故障検出回路の動作模式図Operational schematic diagram of switching element failure detection circuit described in Patent Document 1 特許文献1に記載されているスイッチング素子故障検出回路を直列半導体スイッチ装置に適用した構成図The block diagram which applied the switching element failure detection circuit described in patent document 1 to the series semiconductor switch apparatus 図19に示す1個のスイッチング素子が開放状態となった場合の各部電流及び電圧波形図。FIG. 20 is a current waveform and voltage waveform diagram when each switching element shown in FIG. 19 is in an open state.

符号の説明Explanation of symbols

11〜1N…スイッチング素子、21〜2N…スナバコンデンサ、31〜3N…スナバダイオード、41〜4N…スナバ抵抗、51〜5N…スナバ回路、61〜6N…分圧抵抗、71〜7N…単位スイッチ回路、81〜8N…過電圧抑制手段、91〜9N…電流検出手段、101〜10N…アバランシェダイオード、111〜11N…電圧依存性抵抗体、121〜12N…電圧依存性素子、131〜13N…空隙、141〜14N…絶縁手段、151〜15N…変圧器、161〜16N…光ファイバ、171〜17N…シャント抵抗、181〜18N…発光素子、191〜19N…限流抵抗、21…素子異常検出手段(論理和回路)、22…ゲート信号生成手段、23…スイッチング素子オフ手段。 1 1 to 1 N ... switching element, 2 1 to 2 N ... snubber capacitor, 3 1 to 3 N ... snubber diode, 4 1 to 4 N ... snubber resistance, 5 1 to 5 N ... snubber circuit, 6 1 to 6 N ... Voltage divider resistor, 7 1 to 7 N ... Unit switch circuit, 8 1 to 8 N ... Overvoltage suppression means, 9 1 to 9N ... Current detection means, 10 1 to 10 N ... Avalanche diode, 11 1 to 11 N ... Voltage Dependent resistor, 12 1 to 12 N ... Voltage dependent element, 13 1 to 13 N ... Air gap, 14 1 to 14 N ... Insulation means, 15 1 to 15 N ... Transformer, 16 1 to 16 N ... Optical fiber , 17 1 to 17 N ... shunt resistance, 18 1 to 18 N ... light emitting element, 19 1 to 19 N ... current limiting resistance, 21 ... element abnormality detection means (logical sum circuit), 22 ... gate signal generation means, 23 ... Switching element off means.

Claims (9)

スイッチング素子と、このスイッチング素子と並列に接続され当該スイッチング素子のオン,オフに伴って発生する過渡的な電圧上昇を抑制するスナバ回路とで構成される単位スイッチ回路を、少なくとも2つ以上直列に接続した直列半導体スイッチ装置において、
前記単位スイッチ回路ごとにそれぞれ並列に接続され、所定の電圧が印加されたときに導通し、過電圧を抑制する過電圧抑制手段と、
各過電圧抑制手段と直列に接続され、当該過電圧抑制手段の導通時に流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記単位スイッチ回路ごとに設けられた前記電流検出手段のうち、何れか1つの電流検出手段から電流検出信号を受信すると、停止指令を出力する素子異常検出手段と、
この停止指令を受けたとき、前記全単位スイッチ回路の直列接続された前記全スイッチング素子をオフするスイッチング素子オフ手段と
を備えたことを特徴とする直列半導体スイッチ装置。
At least two or more unit switch circuits composed of a switching element and a snubber circuit that is connected in parallel with the switching element and suppresses a transient voltage increase generated when the switching element is turned on or off are connected in series. In the connected series semiconductor switch device,
Overvoltage suppression means connected in parallel for each of the unit switch circuits, conducting when a predetermined voltage is applied, and suppressing overvoltage,
A current detection means connected in series with each overvoltage suppression means and detecting a current flowing when the overvoltage suppression means is conductive;
An element abnormality detection means for outputting a stop command when receiving a current detection signal from any one of the current detection means provided for each unit switch circuit;
And a switching element off means for turning off all the switching elements connected in series of all the unit switch circuits when receiving the stop command.
前記過電圧抑制手段は、アバランシェ特性を有するアバランシェダイオードとし、このダイオードのカソード側を前記単位スイッチ回路の高圧側に接続したことを特徴とする請求項1に記載の直列半導体スイッチ装置。   2. The series semiconductor switch device according to claim 1, wherein the overvoltage suppressing means is an avalanche diode having an avalanche characteristic, and a cathode side of the diode is connected to a high voltage side of the unit switch circuit. 前記過電圧抑制手段は、電圧非直線特性を有する電圧依存性抵抗体としたことを特徴とする請求項1に記載の直列半導体スイッチ装置。   2. The series semiconductor switch device according to claim 1, wherein the overvoltage suppressing means is a voltage dependent resistor having a voltage non-linear characteristic. 前記過電圧抑制手段は、所定の電圧が印加されたときに導通状態となる電圧依存性素子としたことを特徴とする請求項1に記載の直列半導体スイッチ装置。   The series semiconductor switch device according to claim 1, wherein the overvoltage suppressing unit is a voltage-dependent element that becomes conductive when a predetermined voltage is applied. 前記過電圧抑制手段は、所定の電圧が印加されると絶縁破壊し導通状態となる空隙としたことを特徴とする請求項1に記載の直列半導体スイッチ装置。   2. The series semiconductor switch device according to claim 1, wherein the overvoltage suppressing means is a gap that breaks down and becomes conductive when a predetermined voltage is applied. 請求項1ないし請求項5の何れか一項に記載の直列半導体スイッチ装置において、
前記各電流検出手段を対応する単位スイッチ回路の主回路電位に電位固定すると共に、各電流検出手段で検出される検出信号を電気的に絶縁して前記素子異常検出手段に伝送する絶縁手段を設けたことを特徴とする直列半導体スイッチ装置。
In the series semiconductor switch device according to any one of claims 1 to 5,
Insulating means is provided for fixing each of the current detection means to the main circuit potential of the corresponding unit switch circuit, and for electrically isolating the detection signal detected by each current detection means and transmitting it to the element abnormality detection means. A series semiconductor switch device characterized by that.
前記絶縁手段としては、前記各電流検出手段と素子異常検出手段との間にそれぞれ変圧器を設け、前記各電流検出手段で検出される検出信号を当該変圧器の1次側と2次側とで絶縁し伝送することを特徴とする請求項6に記載の直列半導体スイッチ装置。   As the insulating means, a transformer is provided between each of the current detecting means and the element abnormality detecting means, and detection signals detected by the respective current detecting means are transmitted to the primary side and the secondary side of the transformer. The serial semiconductor switch device according to claim 6, wherein the serial semiconductor switch device is insulated and transmitted. 前記絶縁手段としては、前記各電流検出手段と素子異常検出手段との間にそれぞれ光伝送媒体を設け、前記各電流検出手段で検出される検出信号を当該光伝送媒体を通して伝送することを特徴とする請求項6に記載の直列半導体スイッチ装置。   As the insulating means, an optical transmission medium is provided between each of the current detecting means and the element abnormality detecting means, and a detection signal detected by each of the current detecting means is transmitted through the optical transmission medium. The series semiconductor switch device according to claim 6. 前記電流検出手段としては、前記過電圧抑制手段と直列に接続されるシャント抵抗と、このシャント抵抗と並列に接続された発光素子と、この発光素子と直列に接続され当該発光素子を流れる電流を限流する限流抵抗とで構成し、
前記過電圧抑制手段が導通状態となったとき、前記発光素子を発光させ、その発光信号を前記光伝送媒体に入射することを特徴する請求項8に記載の直列半導体スイッチ装置。
The current detecting means includes a shunt resistor connected in series with the overvoltage suppressing means, a light emitting element connected in parallel with the shunt resistor, and a current flowing in the light emitting element connected in series with the light emitting element. Consisting of current limiting resistance to flow,
9. The series semiconductor switch device according to claim 8, wherein when the overvoltage suppressing means is in a conductive state, the light emitting element emits light and the light emission signal is incident on the optical transmission medium.
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