JP2552042B2

JP2552042B2 - Ｓｃｒの導電測定方法及び測定装置

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Publication number: JP2552042B2
Application number: JP3202235A
Authority: JP
Inventors: ジヨージ・ケイ・ウツドワース
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1990-08-28
Filing date: 1991-07-18
Publication date: 1996-11-06
Anticipated expiration: 2011-11-06
Also published as: EP0472902A3; EP0472902A2; JPH05312896A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、一般に、電源回路に関
するものであり、とりわけ、ＳＣＲ制御電源回路に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術及びその課題】シリコン制御整流素子（Ｓ
ＣＲ）を利用する用途において、ＳＣＲが実際にエネル
ギを伝導している時間を測定しなければならないことが
よくある。ＳＣＲがゲート制御でオンになると、ＳＣＲ
は、それが制御している“負荷”のエネルギ源からそれ
自体のゲート駆動信号を繰返し再生することができる。
負荷電流が中断するか、最低持続レベル未満のレベルに
減少するまで、ＳＣＲは、完全な導通状態であり続け
る。

【０００３】図１には、外部ゲート駆動が除去された後
ＳＣＲによって制御される直流回路の中断が示されてい
る。このテストの際、ごく短いため、ＳＣＲがその内部
ゲート電荷を失わずにすむ負荷の中断が導入されたが、
結果として、ＳＣＲの再生が可能であり、オフにはなら
なかった。下方のトレースが示すように、それぞれ、数
マイクロ秒ずつ、４回にわたる負荷の順次中断にもかか
わらず、陽極電流が６アンペア減少するが、ゼロにはな
らない。ＳＣＲをオフにするには、外部ゲート駆動信号
を除去して、負荷電流を中断し、ゲート・バイアスを低
レベルまで減衰させる必要がある。

【０００４】計測器を利用することによって、電源電圧
または負荷電圧をモニタし、ＳＣＲのターン・オフを見
越したゼロ・クロス・オーバ・ポイントを求めることが
できる。電源システムにおける電子電源、無効負荷、及
び、分散インダクタンスによって遅相電流が生じ、この
電流は、電源電圧がゼロを通過し、逆極性において増大
し始めた後も、流れ続ける。電圧のゼロ・クロス・オー
バ・ポイントと負荷電流の反転とのタイミングの間隔
は、１／４サイクルすなわち電気的に９０度にまで達す
る可能性があるので、この位相差のため、測定にエラー
の生じる可能性がある。

【０００５】“実ワールド”負荷電流は、多重調波周波
数を含む極めて急変性の波形を示すのが普通である。こ
うした分裂性の電流は、電源と負荷動作条件の関数であ
る。周波数成分が高くなるほど、電流波形の小振幅領域
が目立つことになるので、陽極・陰極間のゼロ電流検出
は、極めて困難になる。このため、ノイズ・レベルが大
幅に増大し、Ｓ／Ｎ比が低下して、ＳＣＲゼロ電流ター
ン・オフ・ポイントの測定のおいて大幅な計測エラーを
生じることになる。

【０００６】ＳＣＲのゲートを“調べる”ことによっ
て、デバイスが電流を伝導する能力を失うポイントを確
認できることが明らかになった。この特性は、タイミン
グの考慮が重要な回路において有効であることが確めら
れている。この“ノイズのない”ゲート信号は、陽極・
陰極間で負荷電流を流すことによって生じ、正ゲート電
圧信号が、ＳＣＲの陰極に関して測定されることにな
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、ＳＣＲ
のゲートを“調べる”ことによって、デバイスが電流を
伝導する能力を失うポイントを確認することができる。
この特性は、タイミングの考慮が重要な回路において有
効であることが確められている。この“ノイズのない”
ゲート信号は、負荷電流を流すことによって生じ、ＳＣ
Ｒの陰極に関して測定する場合、正のゲート電圧を発生
する。これは、陰極端子とゲート端子との間におけるＰ
Ｎ接合に順バイアスをかける電位である。ＳＣＲをトリ
ガして、導通させるのに必要なゲート電圧は、ほんの数
ボルトである。ＳＣＲがオンになった後、十分な負荷が
得られる場合には、ＳＣＲは、引続き、それ自体のゲー
ト駆動電圧を発生する。外部ゲート駆動が必要なのは、
典型的な応用例の場合、ターン・オン時のほんの数マイ
クロ秒にしかすぎず、その後は、除去することが可能で
ある。

【０００８】ゲート端子と陰極端子間における電圧電位
を検知することによって、ＳＣＲの導通状態を測定する
のが実際的である。電圧源と負荷によって、十分な電流
が生じる場合、ＳＣＲは、引続き電流を伝導し、陰極に
対するゲート電位は、外部駆動を行なわなくても、約
１.５ボルトになる。

【０００９】外部ゲート駆動信号が除去されて、負荷電
流が、ＳＣＲの最小持続電流未満にまで減少すると、Ｓ
ＣＲゲート電位も、ゼロ・ボルトに降下する。ゲート駆
動信号の除去と、数マイクロ秒かかる可能性のあるゲー
ト電圧の低電位への減衰との間において、遅延が生じ
る。この遅延は、ＳＣＲの接合内での電荷の再結合時間
であるため、ＳＣＲのターン・オフの測定にエラーを生
じさせることはない。この減衰時間に先立って、負荷電
圧を再び印加すると、ゲート・陰極接合に蓄積されたこ
の電荷のためにＳＣＲの導通が再開される。

【００１０】本発明は、ＳＣＲのゲート・陰極間電圧の
振幅を測定して、基準電圧レベルとの比較を行なう。ゲ
ート電圧が基準電圧未満の場合、これは、ＳＣＲが完全
にオフ状態にあり、印加される電位を阻止できるという
ことを表わしている。

【００１１】

【実施例】ＳＣＲは、それ自体のゲート信号を再生する
能力を備えており、全てのダイオード・デバイスと同
様、その接合内に電荷を蓄積することができる。時間期
間のために電荷の放出が生じていない限り、この電荷の
蓄積によって、負荷電流がゼロまで減少した後も、ＳＣ
Ｒは導通を継続することになる。クリティカルな用途の
場合、ＳＣＲが完全にオフになり、印加される電位を阻
止できる精確なポイントを知ることが重要な利点にな
る。

【００１２】本書に解説の測定技法の場合、ゲート端子
におけるＳＣＲ電圧の振幅が検知される。駆動ゲート信
号の除去後、陰極を基準としたゲート電圧の振幅がモニ
タされる。このアプローチの場合、ＳＣＲが完全にオフ
になると、その判定が行なえるように、０.１ボルトの
しきい電圧レベルが選択されている。コンパレータが、
ゲート電位をモニタし、ゲート電圧が直流しきいレベル
０.１ボルトを超えると、それを示す論理出力レベルを
送り出す。

【００１３】図２Ａ及び図２Ｂには、６アンペアの陽極
電流の除去が示される。上方トレースには、ゲート信号
の電圧減衰の遅延が示されている。これに示すところに
よれば、この特定のＳＣＲ内における電荷が０.１ボル
トのしきい値未満にまで降下するのに約３０マイクロ秒
必要になる。この時間差は、エラーではない、というの
は、ＳＣＲの接合が順電流の阻止能力を回復するのに必
要な再結合時間を表わしているからである。

【００１４】図３には、コンパレータと基準電圧を利用
して、ＳＣＲのゲートしきい電圧を検出する方法の１つ
に関する概要が示されている。この回路は、規定の電流
電圧プロットを作成するために利用された。図３では、
コンパレータＩＣ２の負の入力４６が抵抗器１８を介し
てＳＣＲ２４のゲート３２に接続されている。抵抗器
は、短絡から保護するために加えられたものであり、そ
れ以外には不要である。ＩＣ２の正の入力４８は、この
例の場合、直流０.１ボルトに設定された可調整しきい
レベルで送られる。ＳＣＲの陽極は抵抗を介して陽極電
圧源に接続され、ＳＣＲの陽極と陰極間を流れる負荷電
流（陽極電流）は陽極電圧源を調整することにより制御
される。ＳＣＲをオフする場合には、ゲ−ト駆動信号を
除去するとともに、この陽極電圧源からの負荷電流の供
給をオフする。

【００１５】ＳＣＲ駆動及び検出回路２０は、トランジ
スタＱ１を介してＳＣＲ１をオンにすることによって作
動する。Ｑ１は、オプト・アイソレータＩＣ１によって
制御される。ゲート駆動信号Ａが、アイソレータによっ
てオンになる毎に、光電流によって、トランジスタＩＣ
１がオンになり、トランジスタＱ１のゲートに電流が供
給される。この電流は、１６ボルトの電源から供給され
たものであり、該トランジスタをオンにする。次に、こ
の電流は、抵抗器Ｒ１３を介してＳＣＲ１のゲートに送
られる。Ｒ１３は、数オーム程度の極めて小形の抵抗器
であり、電流制御トランジスタＱ４が、Ｑ１に供給され
る駆動電流の量をモニタして、制御を加えることができ
るようにするのに十分な検知能力を提供するために用い
られるだけである。この構成では、Ｒ１３のしきい値に
よって設定され、Ｑ４の制御を受けるある値のＳＣＲの
ゲートに電流が送られる。これによって、ゲート電流を
供給する供給する１６ボルトの電源でデバイスをオンに
することが可能になる。ある時点でＳＣＲ１をオフにす
ると、フォトダイオードに対するゲート駆動信号Ａが即
座に電源から切り離されるのが望ましい。ＩＣ１がオフ
になると、Ｑ１に対する駆動電流が除去され、ＳＣＲ１
に供給されるゲート電流がオフになる。ただし、ＳＣＲ
１は、正弦波電源導通曲線の中間サイクル・ポイントに
あるかもしれないので、すぐにオフにならない可能性が
ある。この中間サイクル事象は、ＳＣＲ１が、電力線の
周波線に従って、何ミリ秒か後にオフになることを表わ
している。ＳＣＲ１がオフになる時間は、いくつかのデ
バイスを相互接続する際、極めて重要になることがよく
ある。この特定の用途において、数千オームの抵抗を有
する抵抗器Ｒ１８が、ＳＣＲ１のゲートにおける電圧を
モニタする。この電圧は、基準として用いられる１００
ミリボルトのしきい値が規定されたＩＣ２の基準電圧と
比較される。コンパレータＩＣ２は、ＳＣＲのゲート電
圧をモニタし、ＳＣＲのゲート電圧が１００ミリボルト
未満に低下するポイントで、ＩＣ２の出力は、論理的に
低になり、ＩＣ３のＬＥＤフォトダイオードを介して１
６ボルトの電源から電流を引き出す。次に、このＬＥＤ
が、オプト・アイソレータを介して出力電流を送り出
し、出力トランジスタＩＣ３をオンにする。これによっ
て、ＳＣＲ１がオフになると、それを判定する光学的に
分離したインターフェイスが得られる。この全てをモニ
タする方法は、ＳＣＲのゲート電流が除去されると、Ｓ
ＣＲは、その陽極対陰極の極性が反転する時点まで、導
通状態を続けるという事実を利用したものである。これ
が生じるには、電力線の周波数に応じて、数ミリ秒かか
ることになる。本実施例の場合、再生効果により、ＳＣ
Ｒによって内部的に供給されるゲート電圧が実際にモニ
タされる。負荷を受けるＳＣＲに適正な振幅及び極性が
存在する限り、この再生が行なわれることになる。この
ゲート電圧をモニタして、１００ミリボルト未満に降下
するのを確認することによって、確実にＳＣＲの状態を
モニタし、ＳＣＲの状態が適合しなくなって、約３０マ
イクロ秒内にオフになるのを確めることができた。これ
は、標準的な電流プローブの能力に比べて、数桁分精密
である。

【００１６】ＳＣＲが電流を伝導しておらず、外部ゲー
ト駆動電流が存在しない場合、コンパレータは、高出力
論理レベルを出力して、この状況を表示する。この信号
は、ＳＣＲが電流を阻止できるポイントに対応するもの
であり、オフとみなすことができる。この検出方法は、
その低コストであることに加え、その速度と精度によっ
て、ＳＣＲデバイスの状態をモニタする方法として魅力
あるものになっている。ＳＣＲゲートにおける信号は、
負荷電流に外乱の存在しないわずかな直流レベルであ
る。このノイズの少ない検出アプローチが、ゼロ電流検
知装置で負荷をモニタする必要をなくする。

【００１７】複数のＳＣＲを利用するＳＣＲ回路の場
合、このゲート検出アプローチは、各ＳＣＲのターン・
オフ・ポイントをより明確に示すことによって、システ
ム制御を改善することができる。前述のように、ＳＣＲ
ゲート負荷に対するこのゲート・モニタリングによっ
て、内部バイアスが示されることになり、ほとんど“負
荷ノイズはない”。この陰極を基準とした方法によっ
て、ＳＣＲデバイスの動作に関する共通の駆動及び検出
センス・ポイントが得られる。

【００１８】図１には、ＳＣＲ内において十分なターン
・オフ遅延時間を許容しなければならないことが示され
ている。陽極電源負荷が、接続をゆるめて、数回中断さ
せると、不安定な電流が生じる。ＳＣＲは、オフにはな
らず、上方のゲート電圧のトレースが示すように、リン
ギングの振幅が減衰する。接続が回復すると、電流は、
通常の値に戻るので、電力が除去される約１０マイクロ
秒の時間期間、ＳＣＲがオフ状態ではなかったことが明
らかである。

【００１９】図２Ａ及び図２Ｂには、ＳＣＲ構造に電流
が流れることによって生じる、内部的に再生されるゲー
ト電圧信号の減衰が示されている。各フォトにおける下
方のトレースは、６アンペアの直流負荷電流、及び、ゲ
ート電圧減衰曲線における中間の寄生リンギングの除去
を示している。図２Ａに示すように、０.０ボルトに達
する減衰時間は、約６０マイクロ秒必要であるが、図２
Ｂに示すように、１００ミリボルトのポイントには、約
３０マイクロ秒しかかからない。１００ミリボルトは、
ＳＣＲが十分にオフになり、瞬時のターン・オンが阻止
されるしきい値と考えられる。これらの室温測定値は、
いくつかの異なる電力レベルのＳＣＲについて一貫して
いる。

【００２０】ゲート検出器回路の実験室試験において、
いくつかの興味深い、これまで記録されたことのないＳ
ＣＲゲート応答が示された。極めて低電圧の直流電源に
よるＳＣＲの動作によって、内部ＳＣＲ再生電流が、デ
バイス内の導通状態を表わす電圧をゲート端子に発生す
ることが明らかになった。

【００２１】図４の上方トレースには、ＳＣＲのゲート
・陰極間電圧がプリセットされた１００ミリボルトのし
きい値未満まで減衰すると、高論理レベルを示すゲート
検出回路が示されている。下方のトレースは、陽極の負
荷が除去される際のＳＣＲを通る電流の中断が示されて
いる。ＳＣＲ電流がゼロまで減少して、検出器が高状態
にスイッチするポイントから経過する約３０マイクロ秒
の時間は、内部ＳＣＲゲート電荷が１００ミリボルトの
しきい値未満に減衰するのに必要な時間によるものであ
る。

【００２２】こうしたテスト中、ＳＣＲは、１５マイク
ロ秒の幅の、１.５アンペアの電流パルスをゲート電極
に加えて、オンにされた。陽極電圧源は、数アンペアの
電流を許容するように調整され、オンになると、ゲート
駆動電流が除去された。陽極電流は、ゲート減衰のタイ
ミングが陽極電流によっていかに影響されるかを判定す
るように調整された。まず、内部的に駆動電流が少なく
なるので、ごくわずかな陽極電流によって、減衰時間の
短縮が可能になるが、ＳＣＲ電流は０.１アンペアから
６.０アンペアの間で変化したので、減衰時間２０〜３
０マイクロ秒の間で変動するだけである。

【００２３】このゲート電圧の減衰によって、ＳＣＲ
が、導通状態を持続するのに十分な、内部再生駆動電流
の振幅を実際に失うと、これを示す信頼できるインジケ
ータが得られる。所定のデバイスにおける特定のゲート
電圧ポイントをモニタすることによって、特定のＳＣＲ
が不導通状態にあるとみなすことができるポイントが正
確に規定される。このポイントは、デバイス内部のダイ
の温度にしっかり追従する。タイミング・エラーは、こ
の方法で除去されるので、回路電流のゼロ値の通過につ
いて、ライン電流センサのモニタを行なう必要はない。
ＳＣＲのゼロ・ライン電流が生じる可能性があるが、Ｓ
ＣＲは、いぜんとして内部的に順バイアスが加えられて
おり、従って、外部ゲート・トリガ起動を追加しなくて
も、導通の再開が可能である。

【００２４】ＳＣＲが導通を持続する能力を失う時点に
おいて、ＳＣＲゲート領域内に利得の内部損失が生じ
る。この動作領域における特性データを収集するため、
直列抵抗負荷及び可変直流電源に対して、５００アンペ
アを定格とする３０００ＰＩＶＳＣＲが接続された。

【００２５】電源電圧は、約２ボルトに調整され、ゲー
ト電圧は、陰極端子に関して観測された。ＳＣＲは、ゲ
ート電流の短いパルスで導通させ、ゲート電源は、切断
した。電源は、ＳＣＲが電流を通さなくなるまで、ＳＣ
Ｒが得られる電圧を低下させるように調整された。

【００２６】図５の上方トレースには、ゲート電圧検出
器によって、残留ＳＣＲゲート電圧が１００ミリボルト
のしきい値未満まで減衰したことが示されるまで、高論
理レベルであることが示されている。下方のトレースに
は、ＳＣＲの陽極・陰極間における電流が完全な導通の
維持に不十分になった時点における、内部で再生される
ゲート電圧が示されている。この曲線の以前の部分は、
ＳＣＲ電流が減少して、利得がクリティカルな再生ポイ
ントである０.１ボルト未満にまで低下するため、ロー
ル・オフされる。

【００２７】下方のデバイスの電流の場合、ゲート・陰
極間領域に蓄積された電荷が、消散するにつれて、曲線
は、ピッチを変化させ、指数関数減衰曲線になる。ＳＣ
Ｒターン・オフ曲線のこの領域は、残留ゲート・バイア
ス電圧が、十分な導通を維持できなくなる時点におけ
る、デバイスの漏洩電流及び再結合電流によるものであ
る。

【００２８】この下方の波形は、負荷電流が、デバイス
の最小保持電流の限界未満にまで減少する際における、
ＳＣＲ内での動作点の変化を示している。このデータ
は、ＳＣＲの動作に対するより深い理解を可能にするも
のであり、ＳＣＲデバイスに対し十分なターン・オフ時
間を許容しなければならないことを表わしている。この
ポイントで、ＳＣＲに対して適正な極性の電圧が印加さ
れると、ＳＣＲは、簡単に、それ自体の駆動電圧の再生
に十分な電流の維持が可能になり、ゲート駆動を追加し
なくても、完全な導通を“再開”させることができる。
この所望されないターン・オンのための電位を見越し
て、適正な回路設計においては、それから保護できるよ
うにしなければならない。

【００２９】図示のように、ゲート駆動回路は、１０〜
２０マイクロ秒の持続時間にわたって、１.５アンペア
の範囲のゲート電流をＳＣＲゲートに供給する。持続ゲ
ート電流は、初期パルス波形の後、２５０ミリアンペア
に設定される。図６には、ＳＣＲのターン・オン・パル
ス時に印加されるゲート・陰極間電圧信号、及び、結果
生じるゲート電流波形が示されている。

【００３０】ＳＣＲ再生検出回路の評価は、８０〜５０
０ミリボルトの可変しきい値で行なわれた。ゲート・陰
極間の電圧検出レベルで得られる公称テスト結果は、望
ましいしきいレベルが１００ミリボルトであることを表
わしている。陽極電流の除去と、再生ゲート信号の減衰
との間の計時を行なうと、約３０マイクロ秒かかること
になる。この時間期間は、陽極電流がゼロまで減少した
後、ゲート信号がその再生しきい値未満まで弱まるのに
必要なＳＣＲターン・オフ遅延を表わしている。

【００３１】特定の実施例について開示したが、当業者
には明らかなように、本発明の範囲を逸脱することな
く、該特定の実施例に変更を加えることが可能である。

【００３２】

【発明の効果】本発明によれば、ＳＣＲのゲートを”調
べる”ことによって、デバイスが電流を伝導する能力を
失うポイントを確認することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】外部ゲート駆動電流が除去された後、ＳＣＲに
よって制御される直流回路の中断を示す図である。

【図２Ａ】ＳＣＲからの６アンペアの陽極電流の除去を
示す図である。

【図２Ｂ】ＳＣＲからの６アンペアの陽極電流の除去を
示す図である。

【図３】本発明に従ってＳＣＲのゲートしきい検出を行
なう回路を示す図である。

【図４】ゲート検出器の出力を示す図である。

【図５】遷移時における残留ＳＣＲゲート電圧を示す図
である。

【図６】ＳＣＲのターン・オン・パルス時に印加される
ゲート電圧信号、及び、結果生じるゲート電流の波形を
示す図である。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】駆動回路内にある、陽極、ゲート、及び陰
極を備えたシリコン制御整流素子ＳＣＲの導通状態の測
定を行なう方法であって、ＳＣＲの陽極と陰極の間を流れる負荷電流をオフするス
テップと、ＳＣＲのゲ−ト駆動信号のオフ状態を検出するステップ
と、ゲ−ト駆動信号のオフ状態が検出された場合に、ＳＣＲ
がオフ状態にあることを表わす所定電圧とＳＣＲのゲー
トおよび陰極間のゲート電圧を比較するステップと、ゲート電圧が所定電圧未満の場合に、ＳＣＲが完全にオ
フであることを表わす信号を出力するステップと、を含
む測定方法。
【請求項２】駆動回路内にある、陽極、ゲート、及び陰
極を備えたシリコン制御整流素子ＳＣＲの導通状態を測
定するための装置であって、ＳＣＲの陽極と陰極の間を流れる負荷電流を制御するた
めの陽極電圧源と、ＳＣＲのゲート駆動信号のオン、オフを検出する手段
と、ゲート駆動信号に応じてゲート電流を制御するための制
御手段と、ゲート駆動信号のオフが検出された場合に、ＳＣＲのゲ
ートおよび陰極間のゲ−ト電圧と、ＳＣＲがオフ状態に
あることを表わす所定電圧との比較を行なう比較手段
と、前記ゲ−ト電圧が前記所定電圧未満の場合には、ＳＣＲ
が完全にオフであることを表わす電気信号を出力する出
力手段と、を含む測定装置。