JP2744015B2 - 半導体スイツチング装置 - Google Patents

半導体スイツチング装置

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JP2744015B2
JP2744015B2 JP63147024A JP14702488A JP2744015B2 JP 2744015 B2 JP2744015 B2 JP 2744015B2 JP 63147024 A JP63147024 A JP 63147024A JP 14702488 A JP14702488 A JP 14702488A JP 2744015 B2 JP2744015 B2 JP 2744015B2
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は自己消弧形半導体スイツチング装置に係り、
特に、低損失、高速化を可能とした半導体スイツチング
装置に関する。
[従来の技術] 半導体スイツチング装置に関する従来技術として、例
えば、特開昭52−60560号公報等に記載された技術が知
られている。
第2図は従来技術による半導体スイツチング装置の一
例を示す図である。第2図において、1は自己消弧形ス
イツチング素子(以下単に素子という)、2はトランジ
スタ、6はアノード端子、7はカソード端子、8はゲー
ト端子、9はベース端子、10はターンオン用電源、11は
ターンオフ用電源、12,12′はスイツチである。
第2図に示す従来技術の半導体スイツチング装置は、
素子1をターンオンするためのターンオン用電源10を、
素子1のゲート・カソード間に接続し、素子1をターン
オフするためのターンオフ用電源11を、素子1のゲート
端子8とトランジスタ2のベース端子9との間に接続
し、トランジスタ2のコレクタと素子1のアノードとを
アノード端子6に、トランジスタ2のエミツタと素子1
のカソードとをカソード端子7に接続して構成されてい
る。
このように構成される半導体スイツチング装置におい
て、スイツチ12が閉じられると、素子1のゲート端子8
に、ターンオン用電源10からゲート電流が供給され、素
子1がターンオンする。これにより、図示スイツチング
装置は、素子1を介してオン状態に制御される。
オン状態にある図示スイツチング装置をオフとする場
合、スイツチ12′が閉じられる。これにより、素子1の
ゲート端子8からゲート電流の引き抜きが行われ、素子
1は、オフ状態への移行される。このとき、ゲートの引
き抜き電流は、トランジスタ2のベースに流入するの
で、トランジスタ2がオン状態となる。これにより、素
子1のオフ状態への移行が急速に行われる。素子1がオ
フとなれば、素子1のゲート端子8から引き抜かれるベ
ース電流がなくなるので、トランジスタ2もオフ状態と
なり、図示スイツチング装置全体がオフ状態となる。
[発明が解決しようとする課題] 前記従来技術は、素子1のターンオン用電源10の負極
側と、ターンオフ用電源11の正極側とが、トランジスタ
2のベース、エミツタ接合を介して接続されているた
め、両電源をそれぞれ独立に装置内に設けなければなら
ないという問題点があつた。このため、ターンオン用電
源の負極側と、ターンオフ用電源の正極側とが共通電極
となつている、通常用いられているターンオン・ターン
オフ用ゲート回路を使用することができないという問題
点があつた。
本発明の目的は、前記従来技術の問題点を解決し、自
己消弧形スイツチング素子とトランジスタとを並列接続
した半導体スイツチング装置において、ターンオン用電
源の負極側とターンオフ用電源の正極側とが共通電極と
なつているターンオン、ターンオフ用ゲート回路を使用
できるようにしたオン電圧の低い、安全動作域の広い、
かつ、高速の半導体スイツチング装置を提供することに
ある。
[課題を解決するための手段] 本発明によれば、前記目的は、第2図に示す従来技術
において、ターンオン用電源の負極をトランジスタのベ
ース端子に接続して、ゲート回路におけるターンオン用
電源の負極と、ターンオフ用電源の正極とを共通電極と
できるようにし、かつ、トランジスタのベース端子と半
導体スイツチング装置のカソード端子との間、すなわ
ち、トランジスタのベース・エミツタ間に、ターンオン
用ゲート電流のバイパスを設けることにより達成され
る。
[作用] トランジスタのベース・エミツタ間にバイパスを設け
ると、ターンオン用のゲート電流は、スイツチング素子
のゲート端子に流入し、素子のカソードから流出し、バ
イパスを介して戻ることになり、素子をターンオンする
ことができる。もし、バイパスがない場合、ターンオン
用のゲート電流は、トランジスタのベース・エミツタ接
合により阻止されるので、素子をターンオンすることが
できない。
[実施例] 以下、本発明による半導体スイツチング装置の実施例
を図面により詳細に説明する。
第1図は本発明の第1の実施例を示す構成図である。
第1図において、3はターンオン、ターンオフ用ゲート
回路、4は抵抗、5はダイオードであり、他の符号は第
2図の場合と同一である。
第1図において、自己消弧形スイツチング素子1は、
ターンオン及びターンオフ特性の優れている、SIサイリ
スタ、ゲートターンオフサイリスタ(GTO)等であり、
また、トランジスタ2は、ターンオフ特性の優れている
バイポーラトランジスタ、SIトランジスタ等であり、ト
ランジスタ特性を有する自己消弧形スイツチング素子で
あつてよい。
本発明の第1の実施例は、素子1及びトランジスタ2
のそれぞれのアノード側をアノード端子6に、カソード
側をカソード端子7に電気的に低抵抗接続して並列接続
し、素子1のゲート端子8とトランジスタ2のベース端
子9との間に、素子1をターンオン及びターンオフする
ゲート回路3を接続し、さらに、ベース端子9とカソー
ド端子7との間にバイパス用の抵抗4あるいはダイオー
ド5を接続して構成される。ゲート回路3は、その内部
に、ターンオン用の電源とターンオフ用の電源を有し、
ターンオン用電源の負極とターンオフ用電源の正極とが
共通に接続されて、この共通の電極がトランジスタ2の
ベース端子9に接続されている。
次に、このように構成された本発明の第1の実施例の
動作を説明する。
ゲート回路3を用いて、ターンオン用ゲート電流を流
すと、このターンオン用ゲート電流は、素子1のゲート
端子8に流入し、素子1のカソード側、すなわち、カソ
ード端子7から流れ出し、抵抗4あるいはダイオード5
をバイパスしてゲート回路3に戻るように流れる。これ
により、素子1は、ターンオンする。この実施例のスイ
ツチング装置は、これにより、ターンオンが速く、しか
も、オン電圧が低い素子1を介して、アノード端子6及
びカソード端子7に接続される図示しない、電源に接続
された負荷に、負荷電流を流すことができる。
この負極電流の遮断は次のようにして行われる。
ゲート回路3を用いて、素子1のゲート端子8から素
子1のターンオフ用ゲート電流を流出させる。この電流
は、トランジスタ2のベースに流入し、そのエミツタか
ら流出するので、トランジスタ2がオン状態(低抵抗)
となる。一方、エミツタから流出した素子1のターンオ
フ用ゲート電流は、素子1のカソードに流入して、ゲー
ト端子8から流出してゲート回路3に戻る。このため、
素子1は、ゲート回路3によりゲート・カソード間が逆
バイアスされることになるので、素子1のゲート・カソ
ード間接合に空乏層が形成され、ターンオフ(高抵抗状
態)することになる。素子1を流れていた負荷電流は、
トランジスタ2に転流する。素子1がターンオフする
と、素子1のターンオフ用ゲート電流、すなわち、トラ
ンジスタ2のベース電流が流れなくなり、トランジスタ
2がオフ状態となつて、負荷電流が流れなくなる。
前述の本発明の第1の実施例において、バイパスとし
て、抵抗4あるいはダイオード5を用いるとしたが、大
きなターンオン用ゲート電流を必要とする場合、バイパ
スとしてダイオード5を用いるのがよい。また、本発明
の前述の実施例において、高速なターンオフ動作を実現
するために、トランジスタ2のオン電圧を大きくするこ
とも可能であり、この場合に、半導体スイツチング装置
のオン状態では、素子1のみが動作しているので特に問
題を生じることがない。
前記本発明の第1の実施例において、素子1とトラン
ジスタ2とは、同一の半導体基板内に、そのカソード側
を共通として形成することができる。
第3図は本発明の第2の実施例を示す構成図である。
第3図において、13は逆ベース電流源13であり、他の符
号は第1図の場合と同一である。
この第3図に示す本発明の第2の実施例は、逆ベース
電流源13の作用により、ターンオフ時における負荷電流
の減衰を速くすることができ、ターンオフ時の損失を著
しく低減させることができるものである。
この実施例における逆ベース電流源を具体的に示し、
かつ、ゲート回路内の電源を1つで済ませることのでき
る本発明の他の実施例を次に説明する。
第4図は本発明の第3の実施例を示す構成図である。
第4図において、14はSIサイリスタ、15,15′は直流電
源、16,16′はMOSFET,17はリアクトルであり、他の符号
は第3図の場合と同一である。
この実施例において、自己消弧形スイツチング素子1
として、静電誘導(SI)サイリスタ(耐圧1200V、実効
電流30A、オン電圧1.2V、ターンオン時間1μs)を用
いた。また、トランジスタ2として、pnpnの4層構造を
有し、pベース層のシート抵抗を従来のpnp形トランジ
スタに比較して、1桁以上小さくして、安全動作する電
圧、電流領域を大きく増大させた新しいトランジスタ
(耐圧1200V、実効電流10A)を用いた。
第4図において、素子1をターンオン及びターンオフ
制御するゲート回路3は、ノーマリオン形サイリスタ1
4、直流電源15、MOSFET16及びリアクトル17とにより構
成され、また、トランジスタ2のベース端子9とカソー
ド端子7との間に接続される逆ベース電流源13は、直流
電源15′とMOSFET16′とにより構成されている。
いま、SIサイリスタ14のゲート端子G2にゲート電圧が
印加されていない場合、このSIサイリスタ14はオン状態
となつており、素子1のゲート・カソード間には、電源
15により逆バイアス電圧(この実施例では、−15Vとす
る)が印加され、素子1は、オフ状態となつている。
この状態で、MOSFET16をオンとし、SIサイリスタ14→
リアクトル17→MOSFET16→直流電源15の閉回路に電流を
流しておき、SIサイリスタ14をオフにすると、リアクト
ル17に蓄積されていたエネルギーが、素子1のゲート端
子8→素子1のカソード→抵抗4(この実施例では、10
Ω)から成る回路を通つて放電されるので、素子1はタ
ーンオンする。
SIサイリスタ14をオンすると、前述したように、素子
1はターンオフし、負荷電流iLを遮断することができ
る。この場合、直流電源15′(この実施例では、−5V)
とMOSFET16とからなる逆ベース電流源13は、トランジス
タ2のターンオフを速くする作用を行い、トランジスタ
2のターンオフ損失(コレクタ電流×電圧)を小さくす
る。
第4図に示す本発明の第3の実施例を、アノード端子
6とカソード端子7との間にスナバ回路を接続せずに、
L負荷で用いた場合のターンオフ波形の例を第5図に示
している。第5図において、電流iSITHY,iTRSは、第4
図に示すように、それぞれ、素子1及びトランジスタ2
に流れる負荷電流である。また、iBは、トランジスタ2
のベース電流である。
第5図の例は、iL=150Aの場合を示しており、iB=−
20Aを流すことにより、iTRSの減衰を非常に速くできる
ことを示している。この例では、負荷電流iLが、素子1
の実効電流の5倍、トランジスタ2の実効電流の15倍と
極めて大きくなつているが、第4図に示す本発明の実施
例は、このような場合にも、オフ電圧VA=800Vで安全に
ターンオフさせることができる。
第4図に示す本発明の実施例の素子1と同一のチツプ
サイズ(7.5×6.2mm2)、耐圧1200V、実効電流30A、オ
ン電圧1.6V、ターンオン時間3μsのGTOを用いた従来
技術のスイツチング装置を、前述と同様にL負荷、スナ
バレスで用いた場合、オフ電圧V≦600V,iL≦30Aであつ
た。すなわち、本発明の実施例によるスイツチング装置
は、従来技術の場合に比較して、オン電圧が低く、か
つ、安全動作域が広く、高速スイツチング可能なもので
ある。
[発明の効果] 以上説明したように、本発明によれば、簡易な従来か
らあるゲート回路を用いて、オン電圧が低く、かつ、安
全動作域が広く、高速スイツチング可能な半導体スイツ
チング装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の第1の実施例を示す構成図、第2図は
従来技術の一例を示す構成図、第3図、第4図は本発明
の第2、第3の実施例を示す構成図、第5図は第3の実
施例のターンオフ特性を説明する波形図である。 1……自己消弧形スイツチング素子、2……トランジス
タ、3……ゲート回路、4……抵抗、5……ダイオー
ド、6……アノード端子、7……カソード端子、8……
ゲート端子、9……ベース端子、10……ターンオン用電
源、11……ターンオフ用電源、12,12′……スイツチ、1
3……逆ベース電流源、14……SIサイリスタ、15,15′…
…直流電源、16,16′……MOSFET、17……リアクトル。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭53−2089(JP,A) 特開 昭60−211981(JP,A) 特開 昭52−133549(JP,A) 特開 昭58−118147(JP,A) 特開 昭63−202122(JP,A) 特開 昭56−84033(JP,A) 特開 昭60−119130(JP,A) 特開 昭61−230519(JP,A) 特開 昭63−93218(JP,A) 特開 昭52−60560(JP,A) 実開 昭58−66735(JP,U) 実開 昭58−43188(JP,U)

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】自己消弧形スイッチング素子とトランジス
    タとを並列接続して構成される半導体スイッチング装置
    において、自己消弧形スイッチング素子のゲート電極に
    自己消弧形スイッチング素子をターンオンするためのタ
    ーンオン用ゲート電流及びターンオフするためのターン
    オフ用ゲート電流を流し、ターンオン用ゲート電流を流
    すためのターンオン用電源の負極とターンオフ用ゲート
    電流を流すためのターンオフ用電源の正極とが共通電極
    になっており、自己消弧形スイッチング素子のターンオ
    フ用ゲート電流をトランジスタのベース電極に流してト
    ランジスタをオンさせるゲート回路を、自己消弧形スイ
    ッチング素子のゲート電極とトランジスタのベース電極
    との間に接続し、前記トランジスタのベース電極とエミ
    ッタ電極との間に抵抗を接続し、かつ、前記自己消弧形
    スイッチング素子とトランジスタとのアノード電極、コ
    レクタ電極相互間、カソード電極、エミッタ電極相互間
    を低抵抗接続したことを特徴とする半導体スイッチング
    装置。
  2. 【請求項2】自己消弧形スイッチング素子とトランジス
    タとを並列接続して構成される半導体スイッチング装置
    において、自己消弧形スイッチング素子のゲート電極に
    自己消弧形スイッチング素子をターンオンするためのタ
    ーンオン用ゲート電流及びターンオフするためのターン
    オフ用ゲート電流を流し、ターンオン用ゲート電流を流
    すためのターンオン用電源の負極とターンオフ用ゲート
    電流を流すためのターンオフ用電源の正極とが共通電極
    になっており、自己消弧形スイッチング素子のターンオ
    フ用ゲート電流をトランジスタのベース電極に流してト
    ランジスタをオンさせるゲート回路を、自己消弧形スイ
    ッチング素子のゲート電極とトランジスタのベース電極
    との間に接続し、前記トランジスタのベース電極とエミ
    ッタ電極との間にダイオードを逆方向接続し、かつ、前
    記自己消弧形スイッチング素子とトランジスタとのアノ
    ード電極、コレクタ電極相互間、カソード電極、エミッ
    タ電極相互間を低抵抗接続したことを特徴とする半導体
    スイッチング装置。
  3. 【請求項3】前記トランジスタのベース電極とエミッタ
    電極との間に逆ベース電流源を接続したことを特徴とす
    る特許請求の範囲第1項または第2項記載の半導体スイ
    ッチング装置。
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JPS5684033A (en) * 1979-12-12 1981-07-09 Toyo Electric Mfg Co Ltd Gate circuit of gate turn-off thyristor
JPS60119130A (ja) * 1983-11-30 1985-06-26 Mitsubishi Electric Corp ゲ−トタ−ンオフサイリスタの駆動回路
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