JP3551338B2 - 逆導通電圧クランプ回路 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ツェナーダイオードの機能を持ち、かつ電流容量の大きな逆導通特性を持つ電圧クランプ回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電圧をクランプする小信号回路にはツェナーダイオードが用いられ、雷サージなど瞬時高電圧のクランプにはバリスタなど酸化亜鉛を用いた半導体素子が使用されてきた。
一方、電力用半導体素子を使用した電力変換回路などでスナバ回路などツェナーダイオード特性を持つ回路には、図７［従来のダイオードクリッパ回路］に示すダイオード１１とコンデンサ１２を用いたダイオードクリッパと呼ばれる電圧クランプ回路が使用されてきた。
そして、電圧をクランプした結果、コンデンサ１２に蓄えられた電荷は、放電回路として接続された抵抗器１３で放電（ジュール熱として消費）していた［以下、これらを総称して『従来例１』という］。
さらに従来例２として、特開平３−２５０３１１・正負電圧出力切換回路がある。これは正負出力端を有する直流電源、前記直流電源の負出力端と接地との間にそのカソードが接地されるように接続される第１のツェナーダイオード、前記直流電源の正出力端と前記第１のツェナーダイオードのアノードとの間に接続される抵抗，レギュレータ回路および前記第１のツェナーダイオードより大きいツェナー電圧を有する第２のツェナーダイオードの直列回路、前記第２のツェナーダイオードのアノードと前記レギュレータ回路との接続点から引き出される出力端子、および前記第１および第２のツェナーダイオードのそれぞれのカソード間に接続されるバイアス抵抗を備える、正負電圧出力切換回路である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来例１の電圧クランプ回路はいずれも次に挙げるような欠点があり、電力変換装置の要求を満たすのではなかった。すなわち、ツェナーダイオードは図５［従来のツェナーダイオードのアノード・カソード間電圧に対応するアノード電流の特性図］のように、電圧クランプ特性は良いが容量が精々数Ｗで、複数個のツェナーダイオードを並列接続して使用しなければならない。しかもその場合、ツェナー電圧が揃ったものを組合せなければならない。
バリスタは図６［従来のバリスタのバリスタ電圧に対応するバリスタ電流の特性図］のように数１００Ｖの高電圧での電圧クランプ特性は良いが、吸収エネルギー量が小さく、連続使用ができない。また、両方向対称な動作特性であり、ツェナーダイオードのような逆導通性を持たせるには、逆並列接続のダイオードが必要である。
図７のダイオードクリッパ回路は電圧クランプ時の電力をダイオード１１を通してコンデンサ１２に蓄積するため、クランプ電圧が変動し特性上望ましくない。更に蓄積電力を瞬時に消費せず、電荷として蓄えていて抵抗１３で放電するので、逆導通特性を持たせるには図８［図７の回路構成にさらに逆導通機能を持たせたダイオードクリッパ回路］のように２個のダイオードが必要である。
さらに、従来例２は電子写真式複写機やレーザビームプリンタ等における現像器に所定の直流電圧（中圧電圧）を供給する正負電圧出力切換回路であって、瞬時高電圧が要求される回路には適切ではなく、しかも正負電圧出力切換を必要としない用途にはコスト的にも不利である。
本発明は上記問題点に鑑み、電力変換装置などに使用されるツェナーダイオードの特性を持った高電圧で、容量の大きい電圧クランプ回路を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の電圧クランプ回路は、半導体スイッチング素子と、その半導体スイッチング素子のコレクタとエミッタにそれぞれカソードとアノードを接続した逆並列接続のダイオードと、前記半導体スイッチング素子ＩＧＢＴのコレクタとゲートの間に第１の抵抗Ｒ１を接続し、ゲートとエミッタの間に第２の抵抗Ｒ２を接続し、第１の抵抗Ｒ１と第２の抵抗Ｒ２の抵抗値が、クランプ電圧である所要のコレクタ・エミッタ電圧ＶＣＥと前記半導体スイッチング素子ＩＧＢＴのコレクタ・エミッタ間を遮断状態から導通状態にするゲート・エミッタ間電圧の閾値ＶＧＥＳとの関係から、略ＶＣＥ＝ＶＧＥＳ×｛（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ２｝の関係を満たすように選んで所要のクランプ電圧を得るものである。また、半導体スイッチング素子ＩＧＢＴのコレクタとゲート間に第１の抵抗Ｒ１の代わりに、コレクタ・エミッタ電圧ＶＣＥとゲート・エミッタ間電圧の閾値ＶＧＥＳにより、ツェナー電圧ＶＤ≒ＶＣＥ−ＶＧＥＳとなるツェナーダイオードに置き換えたり、第１の抵抗Ｒ１，第２の抵抗Ｒ２のうち少なくとも一方を可変抵抗器に置き換えたり、第１の抵抗Ｒ１と第２の抵抗Ｒ２の間に可変抵抗器を挿入しその摺動部の端子を半導体スイッチング素子ＩＧＢＴのゲートに接続し、所要のコレクタ・エミッタ電圧ＶＣＥを調整可能にする手段である。すなわち、電力用半導体素子を使用した電力変換回路の高電圧、大容量電圧クランプ回路において、半導体スイッチング素子ＩＧＢＴと、その半導体スイッチング素子ＩＧＢＴのコレクタとエミッタにカソードとアノードを逆並列に接続したダイオードを備え、前記半導体スイッチング素子ＩＧＢＴのコレクタとゲート間に第１の抵抗Ｒ１を接続し、前記半導体スイッチング素子ＩＧＢＴのゲートとエミッタ間に第２の抵抗Ｒ２を接続し、前記半導体スイッチング素子ＩＧＢＴのクランプ電圧ＶＣＥと、前記半導体スイッチング素子ＩＧＢＴのコレクタ・エミッタ間を遮断状態から導通状態にするゲート・エミッタ間電圧の閾値ＶＧＥＳの関係が、略ＶＣＥ＝ＶＧＥＳ×｛（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ２｝になるように第１の抵抗Ｒ１と第２の抵抗Ｒ２を選んで回路を構成した逆導通電圧クランプ回路であり、またクランプ電圧ＶＣＥと閾値ＶＧＥＳにより、略ツェナー電圧ＶＤ＝ＶＣＥ−ＶＧＥＳとなるツェナーダイオードを第１の抵抗Ｒ１に置換した前項に記載の逆導通電圧クランプ回路であり、さらに第１の抵抗Ｒ１，第２の抵抗Ｒ２のうち少なくとも一方を、可変抵抗器に置換して回路を構成した前々項に記載の逆導通電圧クランプ回路であり、さらにまた第１の抵抗Ｒ１と第２の抵抗Ｒ２の間に可変抵抗器を挿入接続し、可変抵抗器の摺動部の端子を、半導体スイッチング素子のゲートに接続した第１項に記載の逆導通電圧クランプ回路である。
【０００５】
【作用】
本発明は、コレクタ・エミッタ電圧ＶＣＥ≒
ゲート・エミッタ電圧閾値ＶＧＥＳ×｛（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ２｝ そして
ツェナー電圧ＶＤ≒ＶＣＥ−ＶＧＥＳ の関係のクランプ電圧が得られ、従来例１のツェナーダイオードやバリスタに変わる高電圧大容量のツェナーダイオード特性が得られる。また、抵抗器を可変抵抗器に置き換え、所要のコレクタ・エミッタ電圧ＶＣＥを調整可能にして、従来例１にない高電圧大容量でかつ可変電圧のツェナーダイオード特性が得られる。
【０００６】
【実施例】
以下、本発明の各実施例を図面に基づいて説明する。なお、各図面において、同一符号は同一もしくは相当部材を表す。
図１は本発明の第１の実施例における電圧クランプ回路の回路構成を示すブロック図である。
この電圧クランプ回路は、半導体スイッチング素子［本実施例においては絶縁ゲート形バイポーラトランジスタ Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ（単に『ＩＧＢＴ』と称呼する）を適用する］・１と、その半導体スイッチング素子・１のコレクタとエミッタにそれぞれカソードとアノードを接続した逆並列接続のダイオード２と、半導体スイッチング素子・１のコレクタとゲートの間に第１の抵抗器３を接続し、ゲートとエミッタの間に第２の抵抗器４を接続する。
【０００７】
ここで、半導体スイッチング素子・１の電圧・電流特性を説明する。
ゲート・エミッタ間電圧を上昇させて、そのゲート・エミッタ間電圧が閾値電圧ＶＧＥＳを越えると、コレクタ・エミッタ間に電流が流れ始め、半導体スイッチング素子・１は遮断状態から導通状態に変化する。
回路のインピーダンスとの関係もあるが、導通状態になれば、半導体スイッチング素子・１のコレクタ・エミッタ電圧は低下する。
図１の回路で半導体スイッチング素子・１のコレクタ・エミッタ電圧を上昇させると、ゲート・エミッタ間電圧も略ＶＧＥＳ×Ｒ２／｛（Ｒ１＋Ｒ２）｝の関係で上昇する。ただし、Ｒ１とＲ２はそれぞれ第１の抵抗器３と第２の抵抗器４の抵抗値である。
【０００８】
半導体スイッチング素子・１のコレクタ・エミッタ間電圧の上昇により、ゲート・エミッタ間は遮断状態から導通状態になり、半導体スイッチング素子・１のコレクタ・エミッタ間電圧は低下する。それに伴いゲート・エミッタ間電圧も低下するので、半導体スイッチング素子・１は導通状態から遮断状態に戻ろうとする。
しかし、この領域ではゲート・エミッタ間電圧に対するコレクタ電流のゲインが有限であり、最終的にはゲート・エミッタ間電圧が閾値ＶＧＥＳになるコレクタ・エミッタ間電圧に収束する。
すなわち、コレクタ・エミッタ間電圧ＶＣＥは、略
ＶＣＥ＝ＶＧＥＳ×｛（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ２｝
を満たす値になる。
【０００９】
半導体スイッチング素子・１は電圧駆動素子であり、コレクタ・エミッタ間に逆電圧印加時は、ダイオード２によりダイオード特性となる。
半導体スイッチング素子・１は１０００Ｖ以上，数１００Ａ以上，数１００Ｗ以上の素子があり、上記回路により高電圧大容量のツェナーダイオード特性を持つ電圧クランプ回路が実現できる。
図１の半導体スイッチング素子・１のコレクタ・ゲート間の抵抗器３の代わりに、図２のようにコレクタ・エミッタ間電圧ＶＣＥとゲート・エミッタ間電圧が閾値ＶＧＥＳにより、ツェナー電圧ＶＤ≒ＶＣＥ−ＶＧＥＳとなるツェナーダイオード５に置き換えることも可能である。
また、図１の抵抗器３または抵抗器４もしくは両方を、図３のように可変抵抗器６と可変抵抗器７に置き換えもできる。
さらに、図１の抵抗器３と抵抗器４の間に可変抵抗器８を挿入し、図４のようにその摺動部の端子を半導体スイッチング素子・１のゲートに接続し、所要のコレクタ・エミッタ間電圧ＶＣＥを調整可能にすることも可能である。
【００１０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の電圧クランプ回路を使用すれば、従来例１のツェナーダイオードやバリスタに代わる高電圧大容量のツェナーダイオード特性を得、かつ抵抗器を可変抵抗器に置き換えれば、所要のコレクタ・エミッタ間電圧ＶＣＥを調整可能にして、従来例１にない高電圧大容量でかつ可変電圧のツェナーダイオード特性を得ることが可能という特段の効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例における回路構成を示すブロック図
【図２】本発明の第２の実施例［一方の抵抗器をツェナーダイオードに置換］の回路構成を示すブロック図
【図３】本発明の第３の実施例［一方の抵抗器または他方の抵抗器もしくは両方を可変抵抗器に置換］における回路構成を示すブロック図
【図４】本発明の第４の実施例［一方の抵抗器と他方の抵抗器の間に可変抵抗器を挿入し、その摺動部の端子を半導体スイッチング素子のゲートに接続］の回路構成を示すブロック図
【図５】従来例１のツェナーダイオードのアノード・カソード間電圧に対応するアノード電流の特性図
【図６】従来例１のバリスタのバリスタ電圧に対応するバリスタ電流の特性図
【図７】従来例１のダイオードクリッパ回路
【図８】図７の回路構成にさらに逆導通機能を持たせたダイオードクリッパ回路
【符号の説明】
１ 半導体スイッチング素子［例えばＩＧＢＴ・絶縁ゲート形バイポーラトランジスタ・ Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒをいう］
２，１１，１４ダイオード
３，４，１３ 抵抗器
５ ツェナーダイオード
６，７，８ 可変抵抗器
１２ コンデンサ

Claims (4)

1. 電力用半導体素子を使用した電力変換回路の高電圧、大容量電圧クランプ回路において、
   半導体スイッチング素子ＩＧＢＴと、前記半導体スイッチング素子ＩＧＢＴのコレクタとエミッタにカソードとアノードを逆並列に接続したダイオードを備え、
   前記半導体スイッチング素子ＩＧＢＴのコレクタとゲート間に第１の抵抗Ｒ１を接続し、前記半導体スイッチング素子ＩＧＢＴのゲートとエミッタ間に第２の抵抗Ｒ２を接続し、前記半導体スイッチング素子ＩＧＢＴのクランプ電圧ＶＣＥと、前記半導体スイッチング素子ＩＧＢＴのコレクタ・エミッタ間を遮断状態から導通状態にするゲート・エミッタ間電圧の閾値ＶＧＥＳの関係が、略
   ＶＣＥ＝ＶＧＥＳ×｛（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ２｝
   になるように前記第１の抵抗Ｒ１と前記第２の抵抗Ｒ２を選んで回路を構成したことを特徴とする逆導通電圧クランプ回路。
2. 前記クランプ電圧ＶＣＥと前記閾値ＶＧＥＳにより、略
   ツェナー電圧ＶＤ＝ＶＣＥ−ＶＧＥＳ
   となるツェナーダイオードを前記第１の抵抗Ｒ１に置換したことを特徴とする請求項１記載の逆導通電圧クランプ回路。
3. 前記第１の抵抗Ｒ１，前記第２の抵抗Ｒ２のうち少なくとも一方を、可変抵抗器に置換して回路を構成したことを特徴とする請求項１記載の逆導通電圧クランプ回路。
4. 前記第１の抵抗Ｒ１と前記第２の抵抗Ｒ２の間に可変抵抗器を挿入接続し、前記可変抵抗器の摺動部の端子を、前記半導体スイッチング素子ＩＧＢＴのゲートに接続したことを特徴とする請求項１記載の逆導通電圧クランプ回路。

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