JP3623181B2 - High voltage semiconductor switch device and high voltage generator - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気集塵用パルス電源装置等に使用する高電圧半導体スイッチ装置に係り、IGBT、FET等、ゲートターンオフ能力を有する電圧制御型素子を使用する高電圧半導体スイッチ装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の電気集塵用パルス電源装置の一例が、特願平9−17281号公報に開示され、このパルス荷電式電気集塵機は、集塵室の静電容量と共振インダクタンスとの直列共振を利用したものであり、高抵抗ダストの逆電離作用に対向して、集塵効率を上げることができ、しかも、共振エネルギが電源に帰還電流として回収されるので、効率が高い。
【0003】
図4は、従来の電気集塵用パルス電源装置100を示す回路図である。
【0004】
ここでは、通常の集塵電圧(以下、「ベース電圧」という)Vbを、−40kVとし、パルス電圧Vpを、−50kVとして説明する。
【0005】
従来の電気集塵用パルス電源装置100において、第1の直流電源1は、+30kVをパルス発生回路に与える。電流制限用のチョークコイル2が設けられ、高電圧半導体スイッチ装置3は、たとえば多数のサイリスタが直列接続された装置である。
【0006】
逆電流帰還手段4は、高電圧半導体スイッチ装置3と逆並列に接続されているダイオードであり、たとえば、高電圧半導体スイッチ装置3を構成する直列接続されたサイリスタのそれぞれに、逆並列に接続されているダイオードである。
【0007】
また、パルス波形を決定する共振回路の一要素である共振インダクタンス5と、静電容量Ccを有する結合コンデンサ6とが設けられ、放電電極と集塵電極とを備える集塵室7は、放電電極と集塵電極との間に、静電容量Cpを有している。静電容量Ccは、集塵室7の静電容量Cpよりも数倍大きく、たとえば3倍程度大きい。また、集塵室7の正極側である集塵電極は、接地されている。
【0008】
ベース電圧Vを供給する第2の直流電源8は、−40kVのベース電圧Vbを集塵室7に印加する。
【0009】
これらによって、パルス発生回路が構成されている。
【0010】
制御回路9は、定常運転状態において、商用電源周波数に同期した点弧信号を、高電圧半導体スイッチ装置3に送付する。たとえば60Hz地域では、120回/sの点弧信号を、高電圧半導体スイッチ装置3に送付する。なお、逆電圧阻止用ダイオード10は、集塵室7に印加されるパルス電圧が、第2の直流電源8に印加されるのを防止する。
【0011】
上記従来例では、高電圧半導体スイッチ装置3のアノードとゲートとの間に、スパーク時ターンオン回路11が接続されている。スパーク時に発生するサージ電圧が、定常時の高電圧半導体スイッチ装置3に加わる電圧に比べて高く設定されている所定電圧よりも、上昇しようとすると、高電圧半導体スイッチ装置3がオンすることによって、過電圧から保護し、また、結合コンデンサ6のエネルギを、回路内で消費するものである。
【0012】
ダイオード12と抵抗13とは、エネルギー消費回路であり、定常では、ダイオード12に逆電圧がかかり、直列共振に影響しないが、スパーク時に発生する共振逆電流によって、結合コンデンサ6の電圧が反転したときに、ダイオード12が導通し、抵抗13においてエネルギが消費される。
【0013】
ここで、共振インダクタンス5の値が、2.4mH、静電容量6の値が、0.64μF、集塵室7の静電容量が、0.2μFであるとする。定常のパルス動作では、共振インダクタンスLと結合コンデンサ6と集塵室7の静電容量Cpとの直列回路の共振周波数が、8.3kHzになり、スパーク(火花放電)が発生し、集塵室7の静電容量Cpが短絡されると、共振インダクタンス5と結合コンデンサ6とによる共振周波数が、4kHzになる。
【0014】
図5は、上記従来例において、定常運転状態にける信号波形を示す図である。
【0015】
図5において、Igは、高電圧半導体スイッチ装置3を構成するサイリスタのゲート信号である。
【0016】
Isは、高電圧半導体スイッチ装置3または逆電流帰還手段4を流れる電流であり、正方向が、サイリスタを流れる順電流であり、負方向が、ダイオード4を流れる逆電流である。
【0017】
Veは、集塵室7に印加されるパルス重畳集塵電圧であり、べース電圧Vbにパルス電圧Vpが重畳される。Vsは、高電圧半導体スイッチ装置3にかかる電圧である。
【0018】
次に、上記従来例における定常運転時の動作について説明する。
【0019】
集塵室7には、第2の直流電源8から、Vb=−40kVの電圧が印加され、第1の直流電源1から、+30kVが印加されると、結合コンデンサ6は、図4に示す極性で、70kVまで充電される。
【0020】
図5に示すように、時刻t0において、制御回路9から高電圧半導体スイッチ装置3へ点弧信号Igが送られると、高電圧半導体スイッチ装置3がオンし、期間T1において、結合コンデンサ6から、共振インダクタンス5と高電圧半導体スイッチ装置3とを介して、集塵室7へ、正方向の正弦半波状共振電流Is=I1が流れ、パルス発生回路3は、パルス電圧Vpを発生する。
【0021】
結合コンデンサ6の静電容量Ccが、集塵室7の静電容量Cpよりも大きいので、パルス電圧Vpは、第1の直流電源電圧のほぼ2倍である50kVになり、全パルス電圧Wのピークは、−90kVになる。厳密には、結合コンデンサ6の静電容量Ccと、集塵室7の静電容量Cpとの比率で定まる。共振周波数が8.3kHzであるので、期間T1は、60μsになる。
【0022】
次に、集塵室7の両端電圧である集塵電圧Veが、ピーク電圧(−90kV)を過ぎると、期間T2(60μs)において、結合コンデンサ6と集塵室7とから、逆電流帰還手段4と共振インダクタンス5とを介して、結合コンデンサ6へ、負方向の正弦半波状共振電流Is=I2が流れ、共振エネルギが結合コンデンサ6に帰還電流として回収される。
【0023】
高電圧半導体スイッチ装置3を、サイリスタで構成する場合、ターンオフ時間特性が、60μsよりも短いサイリスタ素子を選定し、たとえば20μsのターンオフ時間特性とすれば、この逆電流期間T2に、20μs以上の逆バイアスが印加されるので、順方向阻止能力を回復し、つまりターンオフする。
【0024】
以下、制御回路9からのゲート信号で、上記と同様の動作を繰り返す。
【0025】
上記のようにして、定常時、集塵室7には、−40kV〜−90kVのパルス重畳集塵電圧Veが印加され、高電圧半導体スイッチ装置3と逆電流帰還手段4とには、帰還電流終了直後である時点t2に、第1の直流電源1の+30kVの電圧をスイッチングすることによってターンオフ時にサージ電圧、たとえば約45kVが、印加される。
【0026】
次に、上記従来例において、集塵室7でスパークが発生した場合について説明する。
【0027】
時刻t3で、ゲート信号Igがサイリスタ3に与えられ、サイリスタ3がオンし、順電流I1を流してパルスを発生し、その後、逆電流が流れ始めたときに、時刻t4で、集塵室7にスパークが発生すれば、集塵室7が短絡され、時刻t5で、高電圧半導体スイッチ装置3に過電圧がかかる。
【0028】
この過電圧で、集塵室7におけるスパーク発生時に、ターンオン回路11が、高電圧半導体スイッチ装置3をトリガする。集塵室7におけるスパーク発生時に、共振コンデンサは、結合コンデンサ6のみとなり、4kHzの共振周波数になる。
【0029】
すなわち、電流期間T3が増大し、これと同時に、順電流I3のピークも定常の数倍に増加する。この場合、集塵室7におけるスパーク発生時に、サイリスタをトリガすれば、電流期間の増加にも自動的に対応し、逆電流I4の時間T4で、オフさせることができる。また、サイリスタは、短時間の過電流には、強い特性があり、スパーク電流に対応しやすい。
【0030】
時刻t6で、集塵室7におけるスパーク発生時の共振電流1サイクルが終了すると、結合コンデンサ6のエネルギーが、抵抗13で消費されたので、高電圧半導体スイッチ装置3にかかるターンオフ電圧のピーク値が、スパーク時に、ターンオン回路11をトリガすることがなく、共振電流は、1サイクルで終了する。
【0031】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、このパルス電源に使用する半導体スイッチとして、サイリスタが好都合である。つまり、サイリスタは、トリガパルスでオンし、しかも、共振電流周期の変化にも自動追従し、逆電流でオフする特性を有するので、パルス電源に使用する半導体スイッチとして、サイリスタが好都合である。
【0032】
しかし、サイリスタを使用した場合、集塵効率の向上が期待できる短時間パルスを発生させることが困難であるという問題がある.すなわち、たとえば、20μsの高電圧パルスを発生するためには、ターンオフ時間が10μsであることが保証されているサイリスタを必要とするが、このような高速サイリスタを入手することは困難であるという問題がある。
【0033】
また、近年、サイリスタは、生産中止の製品が多くなり、IGBT等への置き換えが望まれている。
【0034】
つまり、サイリスタをIGBTに置換する場合における解決すべき課題は
▲1▼パルス運転時と、スパーク発生時には変化するオン時間への自動追従、
▲2▼必要なタイミングでの電圧制御型素子のオフ信号の発生、
▲3▼直列接続された多数の電圧制御型素子への、経済性のある、同時に絶縁された信号伝達、
▲4▼スパーク時の過電圧に対する電圧制御型素子の保護
である。
【0035】
本発明は、IGBT、FET等、ゲートターンオフ能力を有する電圧制御型素子の直列回路で構成されている高電圧半導体スイッチ装置を提供することを目的とするものである。
【0036】
本発明は、高電圧半導体スイッチを、IGBT、FET等、ゲートターンオフ能力を有する電圧制御型素子の直列回路で構成し、より高周波で高電圧パルスの発生が可能である高電圧半導体スイッチ装置を提供することを目的とするものである。
【0037】
【課題を解決するための手段】
本発明は、直流電源と、直列共振回路と、上記直流電源に接続されている高電圧半導体スイッチと、上記高電圧半導体スイッチに逆並列に接続されている逆電流帰還手段と共振インダクタンスと結合コンデンサとによって構成されているパルス発生回路と、これに接続されている静電容量負荷とを具備し、上記高電圧半導体スイッチをオンし、上記共振インダクタンスと結合コンデンサと静電容量負荷とを直列共振させ、上記静電容量負荷にパルスを発生する高電圧半導体スイッチ装置であって、逆電流期間の初めにも、ゲート信号を与え、オン状態を保ち、スパークが発生しても、順電流にそのまま移行できるようにし、逆電流に切り替わってから、充分に逆電流が増加すれば、スパークが発生しても、その点から逆電流がゼロになるまでの時間が、ターンオフ時間よりも充分に長い時間、ターンオフ時間を確保できる。
【0038】
【発明の実施の形態および実施例】
図1は、本発明の第1の実施例である高電圧半導体スイッチ装置3を示す回路図である。
【0039】
高電圧半導体スイッチ装置3は、図4に示す従来の電気集塵用パルス電源装置100等に使用することができる。
【0040】
図1に示す高電圧半導体スイッチ装置3において、図4に示す部品と同一の部品には、同一符号を付し、その説明を省略する。
【0041】
高電圧半導体スイッチ装置3では、多数のIGBT21を直列接続して高電圧半導体スイッチを構成し、逆電流帰還手段4は、IGBT21と同数のダイオード22とを、それぞれのIGBT21と逆並列に接続して構成されている。
【0042】
各IGBT21には、直流電圧バランスを維持するために、並列抵抗23が接続され、ターンオフ時の電圧バランスを維持するために、ダイオード24と、抵抗25と、コンデンサ26とによって構成されているスナバ回路が接続されている。
【0043】
各IGBT21は、1次巻線27を直列接続した同数のパルストランス28の2次巻線29で駆動される。各パルストランス28の2次巻線29と、IGBT21のゲートとの間には、全波ブリッジ整流器30と、平滑コンデンサ31と、抵抗32と、ダイオード33と、PNPトランジスタ34とが接続されている。
【0044】
また、ブリッジ整流器30とIGBT21のコレクタとの間に、2端子トリガ素子35と直列抵抗36とによって構成されているスパーク時ターンオン回路である。
【0045】
IGBT21のコレクタに、一定値以上の電圧が印加されると、2端子トリガ素子35が、ブレークダウンし、導通状態になり、各IGBTのゲート回路に、電流を流す。
【0046】
パルストランス28の1次巻線27は、プッシュプルトランス36の2次巻線37に直列接続されている。直流制御電源38と、交互にオンする2つのFET39、40と、プッシュプルトランス36のセンタタップ付き1次巻線41とは、プッシュプル回路構成のFETインバータを構成する。高周波パルス発生器42は、FET39、40を交互にオンさせる互いに逆相である信号Q、を発生する高周波数(たとえば100kHz)のパルス発生器である。
【0047】
OR回路43は、高周波パルス発生器42のパルス発生を制御し、すなわち、高周波パルス発生器42が発生する信号を変調する。
【0048】
周期パルス発生器44は、高電圧半導体スイッチ装置3のオン繰り返しを決定する周期パルスを発生する。この周期パルスのパルス幅は、定常時の共振周期の1/2よりも短い。
【0049】
持続信号発生回路45は、スイッチ電流を検出する変流器(CT)46が出力する信号に基づいて、高電圧半導体スイッチ装置3のスイッチ電流が順方向であると判断すると、オン信号を発生し、OR回路43で周期パルスに加算される。また、高電圧半導体スイッチ装置3のスイッチ電流が反転し、逆電流になったときには、そのオン信号の発生を停止する。
【0050】
次に、上記実施例の動作について説明する。
【0051】
図2は、上記実施例の動作を示す図である。
【0052】
図2において、S1は、周期パルス発生器44のパルス信号であり、S2は、持続信号発生回路45の出力信号であり、Igは、パルストランス27の1次巻線電流であり、Vgは、各IGBTのゲート信号である。Isは、高電圧半導体スイッチ装置3または逆電流帰還手段4を流れる電流であり、その正方向が、IGBT21を流れる共振電流の順電流であり、その負方向が、ダイオード22を流れる共振電流の逆電流である。
【0053】
Veは、集塵室7に印加されるパルス重畳集塵電圧であり、べース電圧Vbにパルス電圧Vpが重畳される。Vsは、高電圧半導体スイッチ装置3に印加されている電圧である。
【0054】
次に、上記実施例の動作について説明する。
【0055】
周期パルス発生器44が、直列共振半周期T1の1/2よりも短いトリガオン信号S1を発生する。たとえば、直列共振半周期T1を60μsとすれば、トリガオン信号S1の時間は、それいよりも短い20μsであるとする。このトリガオン信号S1は、OR回路43を通して、高周波パルス発生器42の発振を開始させ、互いに逆相である100kHzのFETオン信号パルスQとを、それぞれ、FET39、40のゲートに与える。
【0056】
FET39、40が交互にオンすると、プッシュプルトランス36の2次巻線37に高周波電圧を誘導し、パルストランス28の1次巻線27に、100kHzの高周波電流Igを流す。この高周波電流Igは、パルストランス28の2次巻線29に、20V程度の100kHzの高周波電圧を誘導し、整流回路30で整流される。整流された電圧は、パルス状の脈動電圧であり、コンデンサ31で直流化され、抵抗32に電圧を生じる。この電圧は、ダイオード33を通して、IGBT21のゲート電圧Vgになる。
【0057】
ゲート電圧Vgの上昇によって、全てのIGBT21が同時にオンし、共振電流の順方向電流I1が流れる。この順方向電流I1は、変流器(CT)46で検出され、逆電流I2になるまで、持続信号発生回路45が、高周波パルス発生器42の発振を継続させ、IGBT21には、順電流I1の期間中、ゲート電圧Vgが与えられる。
【0058】
すなわち、IGBT21が、トリガオン信号S1でターンオンすれば、トリガオン信号が20μsで消滅しても、時間T1の間、持続信号発生回路45の出力信号で、オン信号S2が継続し、高周波パルス発生器42の発振を継続し、IGBT21には、ゲート電圧Vgが継続して印加される。
【0059】
次に、共振電流が反転し、逆電流I2になると、持続信号発生回路45が出力信号S2を発生しなくなり、高周波パルス発生器42の発振を終了し、FET39、40がオフする。これによって、パルストランス28の2次巻線29の誘導電圧が消滅し、抵抗32の両端電圧も消滅する。この結果、IGBT21のゲートに蓄積されている電荷による電位によって、PNPトランジスタ34のエミッタの電位が、ベースの電位よりも高電位になり、PNPトランジスタ34が、順バイアスされ、オンする。
【0060】
これによって、IGBT21のゲートに蓄積されていた電荷を、トランジスタ34が放電し、IGBT21のゲート信号が消滅し、IGBT21がオフする。このように、IGBT21が一旦、オンした後は、共振周期の変化に追従し、逆電流になるまで、オンを継続することができる。
【0061】
次に、上記実施例において、集塵室7でスパークが発生した場合について説明する。
【0062】
集塵室7におけるスパークは、高電圧半導体スイッチ装置3がオンしている期間に発生する場合と、高電圧半導体スイッチ装置3がオフしているときに発生する場合とがある。
【0063】
まず、上記実施例において、高電圧半導体スイッチ装置3がオンしているときに発生するスパークについて説明する。
【0064】
高電圧半導体スイッチ装置3がオンしている期間にスパークが発生すると、負荷の共振回路の集塵室7(静電容量Cp)が短絡され、共振周期と共振電流ピークとが増加する。共振周期の増加に対しては、持続信号発生回路45が自動的に順電流期間中、ゲート信号を継続するので、共振電流をターンオフすることはない。電流の増加については、高電圧半導体スイッチ装置3のIGBT21の短時間電流定格を選定するか、必要によっては、複数個並列接続すればよい。
【0065】
次に、上記実施例において、高電圧半導体スイッチ装置3がオフしているときに発生するスパークについて説明する。
【0066】
図2に示すように、逆電流期間の時刻t4で、スパークが発生する。時刻t4では、逆電流が流れ、時間T2、数μs以上経過しているので、IGBT21には、オフ信号が与えられている。したがって、逆電流が急速に減衰し、時刻t4では、オフしている高電圧半導体スイッチ装置3に、結合コンデンサ6の電圧である70kVが一気に印加される。
【0067】
高電圧半導体スイッチ装置3は、経済性の観点から、定常電圧におけるパルス運転時のオフ電圧の耐圧に、少し余裕をみた直列数の耐圧である約50kVで設計されている。
【0068】
各IGBT21のコレクタに接続された2端子トリガ素子35がターンオンし、抵抗36を通して、整流器30の出力側に電圧が注入される。この注入電圧によって、ダイオード33がオンし、IGBT21のゲートを充電すると、IGBT21がターンオンし、過電圧保護する。一旦、ターンオンすれば、共振順電流が流れ、持続信号発生回路45が、オンパルスを継続して発生する。
【0069】
共振逆電流によって、図4に示す結合コンデンサ6の両端電圧が反転すれば、図1に示すダイオード12が導通し、抵抗13に電流が流れ、結合コンデンサ6のエネルギが消費される。
【0070】
高電圧半導体スイッチ装置3がオフし、共振電流の1サイクルが終了すると、結合コンデンサ6のエネルギは減衰し、電圧が低下するので、集塵室7におけるスパークが継続しても、2端子トリガ素子35がオンしないように、抵抗13を選定すれば、図2に示すように、スパーク時の共振電流の1サイクル後におけるスイッチ電圧Vsは50kVになり、2端子トリガ素子35が再度オンせず、高電圧半導体スイッチ装置3は、オフできる。
【0071】
ここで、持続信号発生回路45は、逆電流I2が流れ始めても、後で説明する理由によって、持続信号発生回路45の出力信号S2を直ぐには止めずに、逆電流期間の初めの短時間T2(この例では数μs)、オン信号を継続させることが望ましい。
【0072】
次に、上記実施例において、持続信号の遅れ時間T2について、詳細に説明する。
【0073】
共振電流が反転するタイミングは、パルス電圧のピーク値に依存し、この付近のタイミングで、スパークが発生する確率が高い。このタイミングでスパークが発生したときに、その瞬間にIGBTをオフさせようとすると、全IGBTのターンオフ時間のばらつきによって、オンしているIGBTと、オフしているIGBTと、ターンオフ中のIGBTとが混在し、一部のIGBTに過電圧がかかったり、ターンオフ期間中の電流が増加する等、ターンオフが不安定になる。
【0074】
このために、危険なこのタイミングでのターンオフを避けるように、逆電流期間の初めにも、ゲート信号を与え、オン状態を保ち、スパークが発生しても、順電流にそのまま移行できるようにする。逆電流に切り替わってから充分に逆電流が増加すれば、スパークが発生しても、その点から逆電流がゼロになるまでの時間が、ターンオフ時間よりも充分に長い時間、ターンオフ時間を確保できる。普通、持続信号の遅れ時間T2は、1μs程度以上から、逆電流期間の2分の1の時間以下である。
【0075】
ここで、定常のパルス運転、特に、スパークでの共振電流の1サイクルが終了し、高電圧半導体スイッチ装置3がターンオフするときに、高電圧半導体スイッチ装置3にかかるサージ電圧で、スナバ回路を構成するコンデンサ26の充電電流I5が、図2に示すt6で流れ、これを持続信号発生回路45が、共振順電流と誤認識し、不要なオン信号を発生する可能性がある。
【0076】
この不要なオン信号の発生を防止するために、持続信号発生回路45は、上記逆電流の終了後に、スナバ充電が終わる期間T4以上、持続信号を発生することを禁止することが望ましい。
【0077】
図3は、上記実施例において、持続信号の発生を阻止する機能をもつ持続信号発生回路45の構成を示す回路図である。
【0078】
持続信号発生回路45は、変流器(CT)46が出力する検出電流に基づいて、順方向電流を検出する順電流検出回路51と、逆電流を検出する逆電流検出回路52と、順電流検出信号に応じて持続信号を作る持続回路53と、タイマ544と、ゲート回路55とを有する。
【0079】
持続回路53は、ダイオード61と、コンデンサ62と、抵抗63とを有する.持続回路53において、順電流検出信号の立ち上がり時に、ダイオード61によって結合コンデンサ62を高速充電し、遅れをなくし、順電流検出信号の立ち下がり時に、抵抗63によって放電し、遅れ時間を形成し、入力パルスの幅を、時間T2だけ延長している。
【0080】
タイマ回路54は、逆電流の消滅から所定時間T4の間、禁止パルスを発生する。ゲート回路55は、タイマ回路54が出力する禁止信号によって、持続信号の発生を阻止する。
【0081】
次に、持続信号発生回路45の動作について説明する。
【0082】
正常運転では、順電流検出回路51が、共振順電流を検出し、この検出と同時に、ダイオード61を通して、ゲート回路56に共振順電流が送られるが、逆電流の後ではないので、禁止信号がなく、持続信号として出力される。
【0083】
次に、共振順電流が、順電流から逆電流に反転すると、持続回路53の結合コンデンサ62に充電された電荷が、抵抗63を介してゆっくり放電するので、持続信号は、図2に示す期間T2だけ延長される。さらに、逆電流が消滅し、1サイクルが終了したときに、逆電流検出回路52の逆電流信号が消滅し、タイマ回路54が動作し、禁止時間T4だけ、ゲート回路56を閉じ、持続信号の発生を阻止する。
【0084】
次に、集塵室7におけるスパーク発生時にIGBT21をターンオンさせる回路の別の例について説明する。
【0085】
図1に破線で示すように、2端子トリガ素子35を、スナバコンデンサ26に接続する。このようにすれば、コンデンサ26の電圧と、IGBT21のコレクタ電圧とがほぼ同一であり、過電圧になったときに、ゲート電流が、このスナバコンデンサ26から、数μSの期間、供給することができる。IGBT21のコレクタに、直接接続した場合には、IGBT21がオンした瞬間に、2端子トリガ素子35からのゲート電流の供給がなくなり、持続信号発生回路45からの持続オン信号が遅れると、IGBT21が完全にオンできない可能性がある。
【0086】
なお、上記静電容量負荷は、高電圧半導体スイッチ装置3を用いる装置に接続されているコンデンサ、または生成される静電容量である。
【0087】
【発明の効果】
本発明によれば、従来のサイリスタとほぼ同一機能をもつ半導体スイッチ装置を、IGBT、FET等の電圧制御素子を使用してパルス電源を実現できるという効果を奏し、特に、IGBT、FET等の半導体素子は、本質的にサイリスタよりも高速であるので、より短時間幅の高圧パルスを発生させることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例を説明するための図である。
【図2】本発明の実施例のスイッチ部分の具体例を示す図である。
【図3】本発明の持続信号発生回路の実施例を示す図である。
【図4】従来のパルス電源装置の形態を説明するための図である。
【図5】従来のパルス電源装置の定常運転状態における動作を説明するための波形図である。
【符号の説明】
3…高電圧半導体スイッチ装置、
1…第1の直流電源、
4…逆電流帰還手段、
5…共振インダクタ、
6…結合コンデンサ、
7…集塵室(静電容量負荷)、
8…第2の直流電源、
21…IGBT、
28…パルストランス、
30…全波ブリッジ整流器、
31…平滑コンデンサ、
35…2端子トリガ素子、
36…プッシュプルトランス、
38…直流制御電源、
42…高周波パルス発生器、
43…OR回路、
44…周期パルス発生器、
45…持続信号発生回路、
46…変流器、
51…逆電流検出回路、
52…順電流検出回路、
53…持続回路、
54…タイマ、
55…ゲート回路。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a high voltage semiconductor switching device used for an electric dust collection pulse power supply device and the like, and more particularly to a high voltage semiconductor switching device using a voltage control type element having gate turn-off capability such as IGBT and FET.
[0002]
[Prior art]
An example of a conventional pulse power supply device for electrostatic dust collection is disclosed in Japanese Patent Application No. 9-17281, and this pulse charge type electrostatic dust collector utilizes series resonance between the capacitance of a dust collection chamber and a resonance inductance. The dust collection efficiency can be increased in opposition to the reverse ionization action of the high resistance dust, and the resonance energy is recovered as a feedback current by the power source, so that the efficiency is high.
[0003]
FIG. 4 is a circuit diagram showing a conventional pulse power supply device 100 for electrostatic dust collection.
[0004]
Here, a normal dust collection voltage (hereinafter referred to as “base voltage”) Vb is set to −40 kV, and a pulse voltage Vp is set to −50 kV.
[0005]
In the conventional electric dust collecting pulse power supply device 100, the first DC power supply 1 supplies +30 kV to the pulse generating circuit. The choke coil 2 for current limitation is provided, and the high voltage semiconductor switch device 3 is a device in which a large number of thyristors are connected in series, for example.
[0006]
The reverse current feedback means 4 is a diode connected in antiparallel with the high voltage semiconductor switch device 3. For example, the reverse current feedback means 4 is connected in antiparallel with each of the thyristors connected in series constituting the high voltage semiconductor switch device 3. It is a diode.
[0007]
A dust collection chamber 7 provided with a resonance inductance 5 which is an element of a resonance circuit for determining a pulse waveform and a coupling capacitor 6 having a capacitance Cc, and including a discharge electrode and a dust collection electrode, And a dust collecting electrode have a capacitance Cp. The electrostatic capacity Cc is several times larger than the electrostatic capacity Cp of the dust collection chamber 7, for example, about 3 times larger. Further, the dust collection electrode on the positive electrode side of the dust collection chamber 7 is grounded.
[0008]
The second DC power supply 8 that supplies the base voltage V applies a base voltage Vb of −40 kV to the dust collection chamber 7.
[0009]
These constitute a pulse generating circuit.
[0010]
The control circuit 9 sends an ignition signal synchronized with the commercial power supply frequency to the high voltage semiconductor switch device 3 in a steady operation state. For example, in the 60 Hz region, an ignition signal of 120 times / s is sent to the high voltage semiconductor switch device 3. The reverse voltage blocking diode 10 prevents the pulse voltage applied to the dust collection chamber 7 from being applied to the second DC power supply 8.
[0011]
In the conventional example, the spark turn-on circuit 11 is connected between the anode and gate of the high-voltage semiconductor switch device 3. When the surge voltage generated at the time of sparking is higher than a predetermined voltage set higher than the voltage applied to the high-voltage semiconductor switch device 3 in the steady state, the high-voltage semiconductor switch device 3 is turned on. It protects against overvoltage and consumes the energy of the coupling capacitor 6 in the circuit.
[0012]
The diode 12 and the resistor 13 are energy consuming circuits. In a steady state, a reverse voltage is applied to the diode 12 and does not affect the series resonance. However, when the voltage of the coupling capacitor 6 is inverted by a resonance reverse current generated during sparking. In addition, the diode 12 becomes conductive and energy is consumed in the resistor 13.
[0013]
Here, it is assumed that the value of the resonance inductance 5 is 2.4 mH, the value of the capacitance 6 is 0.64 μF, and the capacitance of the dust collection chamber 7 is 0.2 μF. In the steady pulse operation, the resonance frequency of the series circuit of the resonance inductance L, the coupling capacitor 6 and the electrostatic capacity Cp of the dust collection chamber 7 becomes 8.3 kHz, spark (spark discharge) occurs, and the dust collection chamber. When the capacitance Cp of 7 is short-circuited, the resonance frequency of the resonance inductance 5 and the coupling capacitor 6 becomes 4 kHz.
[0014]
FIG. 5 is a diagram showing signal waveforms in a steady operation state in the above-described conventional example.
[0015]
In FIG. 5, Ig is a gate signal of a thyristor constituting the high voltage semiconductor switch device 3.
[0016]
Is is a current flowing through the high-voltage semiconductor switch device 3 or the reverse current feedback means 4, the positive direction is a forward current flowing through the thyristor, and the negative direction is a reverse current flowing through the diode 4.
[0017]
Ve is a pulse superimposed dust collection voltage applied to the dust collection chamber 7, and the pulse voltage Vp is superimposed on the base voltage Vb. Vs is a voltage applied to the high voltage semiconductor switch device 3.
[0018]
Next, the operation during steady operation in the conventional example will be described.
[0019]
When the voltage of Vb = −40 kV is applied to the dust collection chamber 7 from the second DC power supply 8 and +30 kV is applied from the first DC power supply 1, the coupling capacitor 6 has the polarity shown in FIG. 4. The battery is charged up to 70 kV.
[0020]
As shown in FIG. 5, when the ignition signal Ig is sent from the control circuit 9 to the high voltage semiconductor switch device 3 at time t0, the high voltage semiconductor switch device 3 is turned on, and from the coupling capacitor 6 in the period T1, A positive sine half-wave resonance current Is = I1 flows into the dust collection chamber 7 via the resonance inductance 5 and the high-voltage semiconductor switch device 3, and the pulse generation circuit 3 generates a pulse voltage Vp.
[0021]
Since the capacitance Cc of the coupling capacitor 6 is larger than the capacitance Cp of the dust collection chamber 7, the pulse voltage Vp is 50 kV which is almost twice the first DC power supply voltage, and the total pulse voltage W is The peak is -90 kV. Strictly speaking, it is determined by the ratio between the capacitance Cc of the coupling capacitor 6 and the capacitance Cp of the dust collection chamber 7. Since the resonance frequency is 8.3 kHz, the period T1 is 60 μs.
[0022]
Next, when the dust collection voltage Ve, which is the voltage across the dust collection chamber 7, exceeds the peak voltage (−90 kV), the reverse current feedback means from the coupling capacitor 6 and the dust collection chamber 7 in the period T2 (60 μs). 4 and the resonant inductance 5, a negative sinusoidal resonance current Is = I2 flows to the coupling capacitor 6, and the resonance energy is recovered as a feedback current in the coupling capacitor 6.
[0023]
When the high-voltage semiconductor switch device 3 is formed of a thyristor, if a thyristor element having a turn-off time characteristic shorter than 60 μs is selected, for example, a turn-off time characteristic of 20 μs, the reverse current period T2 has a reverse of 20 μs or more. Since the bias is applied, the forward blocking ability is restored, that is, turned off.
[0024]
Thereafter, the same operation as described above is repeated with the gate signal from the control circuit 9.
[0025]
As described above, a pulse superimposed dust collection voltage Ve of −40 kV to −90 kV is applied to the dust collection chamber 7 in a steady state, and a feedback current is supplied to the high voltage semiconductor switch device 3 and the reverse current feedback means 4. A surge voltage, for example, about 45 kV, is applied at the time of turn-off by switching the voltage of +30 kV of the first DC power supply 1 at a time point t2, which is immediately after the end.
[0026]
Next, the case where a spark is generated in the dust collection chamber 7 in the conventional example will be described.
[0027]
At time t3, the gate signal Ig is supplied to the thyristor 3, the thyristor 3 is turned on, and a forward current I1 flows to generate a pulse. Thereafter, when a reverse current starts to flow, at time t4, the dust collection chamber 7 If a spark occurs, the dust collection chamber 7 is short-circuited, and an overvoltage is applied to the high-voltage semiconductor switch device 3 at time t5.
[0028]
With this overvoltage, the turn-on circuit 11 triggers the high-voltage semiconductor switch device 3 when a spark occurs in the dust collection chamber 7. When a spark is generated in the dust collection chamber 7, the resonance capacitor is only the coupling capacitor 6, and the resonance frequency is 4 kHz.
[0029]
That is, the current period T3 increases, and at the same time, the peak of the forward current I3 also increases several times the steady state. In this case, if a thyristor is triggered when a spark occurs in the dust collection chamber 7, it automatically responds to an increase in current period and can be turned off at time T4 of the reverse current I4. In addition, the thyristor has a strong characteristic with respect to a short-time overcurrent, and can easily cope with a spark current.
[0030]
When one cycle of resonance current at the time of occurrence of spark in the dust collection chamber 7 is completed at time t6, the energy of the coupling capacitor 6 is consumed by the resistor 13, so that the peak value of the turn-off voltage applied to the high voltage semiconductor switch device 3 is During the spark, the turn-on circuit 11 is not triggered, and the resonance current is completed in one cycle.
[0031]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, a thyristor is convenient as a semiconductor switch used for this pulse power supply. That is, the thyristor is advantageous as a semiconductor switch used for a pulse power supply because it has a characteristic that it is turned on by a trigger pulse, and also automatically follows a change in the resonance current period and is turned off by a reverse current.
[0032]
However, when thyristors are used, it is difficult to generate short-time pulses that can be expected to improve dust collection efficiency. That is, for example, in order to generate a high voltage pulse of 20 μs, a thyristor whose turn-off time is guaranteed to be 10 μs is required, but it is difficult to obtain such a high-speed thyristor. There is.
[0033]
In recent years, the number of thyristors that have been discontinued has increased, and replacement with IGBTs or the like is desired.
[0034]
In other words, the problem to be solved when replacing a thyristor with an IGBT is
(1) Automatic tracking of the on-time that changes during pulse operation and when a spark occurs,
(2) Generation of an off signal of a voltage controlled element at a necessary timing,
(3) Economical and simultaneously insulated signal transmission to a number of voltage-controlled elements connected in series,
(4) Protection of voltage controlled elements against overvoltage during spark
It is.
[0035]
An object of the present invention is to provide a high voltage semiconductor switch device composed of a series circuit of voltage controlled elements having gate turn-off capability such as IGBT, FET and the like.
[0036]
The present invention provides a high voltage semiconductor switch device in which a high voltage semiconductor switch is constituted by a series circuit of voltage controlled elements having gate turn-off capability such as IGBT, FET, etc., and high voltage pulses can be generated at a higher frequency. It is intended to do.
[0037]
[Means for Solving the Problems]
The present invention includes a DC power supply, a series resonance circuit, a high voltage semiconductor switch connected to the DC power supply, a reverse current feedback means connected in antiparallel to the high voltage semiconductor switch, a resonance inductance, and a coupling capacitor. And a capacitive load connected thereto, the high-voltage semiconductor switch is turned on, and the resonant inductance, the coupling capacitor, and the capacitive load are in series resonance. A high-voltage semiconductor switching device that generates a pulse in the capacitive load, and applies a gate signal at the beginning of the reverse current period to maintain the ON state, and even if a spark occurs, the forward current remains as it is. If the reverse current increases sufficiently after switching to the reverse current, even if a spark occurs, the reverse current becomes zero from that point. Time sufficiently longer than the turn-off time can be secured turn-off time.
[0038]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 is a circuit diagram showing a high voltage semiconductor switch device 3 according to a first embodiment of the present invention.
[0039]
The high-voltage semiconductor switch device 3 can be used for the conventional pulse power supply device 100 for electrostatic dust collection shown in FIG.
[0040]
In the high voltage semiconductor switch device 3 shown in FIG. 1, the same components as those shown in FIG.
[0041]
In the high voltage semiconductor switch device 3, a large number of IGBTs 21 are connected in series to form a high voltage semiconductor switch, and the reverse current feedback means 4 connects the same number of diodes 22 as the IGBTs 21 in antiparallel with the respective IGBTs 21. It is configured.
[0042]
A parallel resistor 23 is connected to each IGBT 21 in order to maintain a DC voltage balance, and a snubber circuit including a diode 24, a resistor 25, and a capacitor 26 in order to maintain a voltage balance at the time of turn-off. Is connected.
[0043]
Each IGBT 21 is driven by secondary windings 29 of the same number of pulse transformers 28 in which primary windings 27 are connected in series. A full-wave bridge rectifier 30, a smoothing capacitor 31, a resistor 32, a diode 33, and a PNP transistor 34 are connected between the secondary winding 29 of each pulse transformer 28 and the gate of the IGBT 21. .
[0044]
The spark turn-on circuit includes a two-terminal trigger element 35 and a series resistor 36 between the bridge rectifier 30 and the collector of the IGBT 21.
[0045]
When a voltage of a certain value or more is applied to the collector of the IGBT 21, the two-terminal trigger element 35 breaks down and becomes conductive, and a current flows through the gate circuit of each IGBT.
[0046]
The primary winding 27 of the pulse transformer 28 is connected in series to the secondary winding 37 of the push-pull transformer 36. The DC control power supply 38, the two FETs 39 and 40 that are alternately turned on, and the primary winding 41 with a center tap of the push-pull transformer 36 constitute a FET inverter having a push-pull circuit configuration. The high-frequency pulse generator 42 includes signals Q, which are in reverse phase with each other, turning on the FETs 39, 40 alternately. Q Is a high frequency (for example, 100 kHz) pulse generator.
[0047]
The OR circuit 43 controls the pulse generation of the high frequency pulse generator 42, that is, modulates the signal generated by the high frequency pulse generator 42.
[0048]
The periodic pulse generator 44 generates a periodic pulse that determines ON repetition of the high voltage semiconductor switch device 3. The pulse width of this periodic pulse is shorter than ½ of the resonance period in the steady state.
[0049]
When the continuous signal generation circuit 45 determines that the switch current of the high-voltage semiconductor switch device 3 is forward based on the signal output from the current transformer (CT) 46 that detects the switch current, it generates an ON signal. The OR circuit 43 adds the periodic pulse. Further, when the switch current of the high voltage semiconductor switch device 3 is reversed and becomes a reverse current, the generation of the ON signal is stopped.
[0050]
Next, the operation of the above embodiment will be described.
[0051]
FIG. 2 shows the operation of the above embodiment.
[0052]
In FIG. 2, S1 is a pulse signal of the periodic pulse generator 44, S2 is an output signal of the continuous signal generation circuit 45, Ig is a primary winding current of the pulse transformer 27, and Vg is This is a gate signal of each IGBT. Is is a current flowing through the high-voltage semiconductor switch device 3 or the reverse current feedback means 4, the positive direction is the forward current of the resonant current flowing through the IGBT 21, and the negative direction is the reverse of the resonant current flowing through the diode 22. Current.
[0053]
Ve is a pulse superimposed dust collection voltage applied to the dust collection chamber 7, and the pulse voltage Vp is superimposed on the base voltage Vb. Vs is a voltage applied to the high-voltage semiconductor switch device 3.
[0054]
Next, the operation of the above embodiment will be described.
[0055]
The periodic pulse generator 44 generates a trigger-on signal S1 shorter than ½ of the series resonance half period T1. For example, if the series resonance half cycle T1 is 60 μs, the time of the trigger on signal S1 is 20 μs, which is shorter than that. This trigger-on signal S1 starts oscillation of the high-frequency pulse generator 42 through the OR circuit 43, and a 100-kHz FET on-signal pulse Q having a phase opposite to each other. Q Are applied to the gates of the FETs 39 and 40, respectively.
[0056]
When the FETs 39 and 40 are alternately turned on, a high frequency voltage is induced in the secondary winding 37 of the push-pull transformer 36, and a high frequency current Ig of 100 kHz is supplied to the primary winding 27 of the pulse transformer 28. This high-frequency current Ig induces a 100 kHz high-frequency voltage of about 20 V in the secondary winding 29 of the pulse transformer 28 and is rectified by the rectifier circuit 30. The rectified voltage is a pulsed pulsating voltage, which is converted into a direct current by the capacitor 31 and generates a voltage at the resistor 32. This voltage becomes the gate voltage Vg of the IGBT 21 through the diode 33.
[0057]
Due to the rise of the gate voltage Vg, all the IGBTs 21 are simultaneously turned on, and the forward current I1 of the resonance current flows. The forward current I1 is detected by the current transformer (CT) 46, and the continuous signal generation circuit 45 continues the oscillation of the high-frequency pulse generator 42 until the current I2 becomes the reverse current I2, and the IGBT 21 has a forward current I1. During this period, the gate voltage Vg is applied.
[0058]
That is, if the IGBT 21 is turned on by the trigger on signal S1, even if the trigger on signal disappears at 20 μs, the on signal S2 is continued by the output signal of the continuous signal generating circuit 45 for the time T1, and the high frequency pulse generator 42 The gate voltage Vg is continuously applied to the IGBT 21.
[0059]
Next, when the resonance current is reversed and becomes the reverse current I2, the continuous signal generation circuit 45 does not generate the output signal S2, the oscillation of the high frequency pulse generator 42 is terminated, and the FETs 39 and 40 are turned off. As a result, the induced voltage of the secondary winding 29 of the pulse transformer 28 disappears, and the voltage across the resistor 32 also disappears. As a result, the potential of the emitter of the PNP transistor 34 becomes higher than the potential of the base due to the potential due to the charge accumulated in the gate of the IGBT 21, and the PNP transistor 34 is forward biased and turned on.
[0060]
As a result, the charges accumulated in the gate of the IGBT 21 are discharged by the transistor 34, the gate signal of the IGBT 21 disappears, and the IGBT 21 is turned off. Thus, once the IGBT 21 is turned on, it can follow the change in the resonance period and can be kept on until the reverse current is obtained.
[0061]
Next, the case where a spark occurs in the dust collection chamber 7 in the above embodiment will be described.
[0062]
The spark in the dust collection chamber 7 may occur when the high-voltage semiconductor switch device 3 is on or may occur when the high-voltage semiconductor switch device 3 is off.
[0063]
First, the spark generated when the high voltage semiconductor switch device 3 is turned on in the above embodiment will be described.
[0064]
When a spark occurs while the high-voltage semiconductor switch device 3 is on, the dust collection chamber 7 (capacitance Cp) of the resonance circuit of the load is short-circuited, and the resonance period and the resonance current peak increase. In response to an increase in the resonance period, the sustain signal generation circuit 45 automatically continues the gate signal during the forward current period, so that the resonance current is not turned off. For the increase in current, the short-time current rating of the IGBT 21 of the high-voltage semiconductor switch device 3 may be selected, or a plurality may be connected in parallel if necessary.
[0065]
Next, sparks that occur when the high-voltage semiconductor switch device 3 is off in the above embodiment will be described.
[0066]
As shown in FIG. 2, a spark occurs at time t4 in the reverse current period. At time t4, a reverse current flows and the time T2 and several μs or more have elapsed, so an off signal is given to the IGBT 21. Accordingly, the reverse current rapidly decays, and at time t4, 70 kV that is the voltage of the coupling capacitor 6 is applied to the high-voltage semiconductor switch device 3 that is turned off at once.
[0067]
The high-voltage semiconductor switch device 3 is designed with an approximately 50 kV series of withstand voltage with a slight margin from the withstand voltage of the off voltage during pulse operation at a steady voltage from the viewpoint of economy.
[0068]
The two-terminal trigger element 35 connected to the collector of each IGBT 21 is turned on, and a voltage is injected to the output side of the rectifier 30 through the resistor 36. When the diode 33 is turned on by this injection voltage and the gate of the IGBT 21 is charged, the IGBT 21 is turned on to protect against overvoltage. Once turned on, a resonant forward current flows, and the continuous signal generation circuit 45 continuously generates an on-pulse.
[0069]
If the voltage across the coupling capacitor 6 shown in FIG. 4 is reversed by the resonant reverse current, the diode 12 shown in FIG. 1 is turned on, a current flows through the resistor 13, and the energy of the coupling capacitor 6 is consumed.
[0070]
When the high-voltage semiconductor switch device 3 is turned off and one cycle of the resonance current is completed, the energy of the coupling capacitor 6 is attenuated and the voltage is lowered. Therefore, even if the spark in the dust collection chamber 7 continues, the two-terminal trigger element If the resistor 13 is selected so as not to turn on 35, as shown in FIG. 2, the switch voltage Vs after one cycle of the resonance current during spark becomes 50 kV, and the two-terminal trigger element 35 does not turn on again. The high voltage semiconductor switch device 3 can be turned off.
[0071]
Here, even if the reverse current I2 starts to flow, the continuous signal generating circuit 45 does not stop the output signal S2 of the continuous signal generating circuit 45 immediately for the reason described later, but for the short time T2 at the beginning of the reverse current period. It is desirable to continue the ON signal (several μs in this example).
[0072]
Next, in the embodiment described above, the delay time T2 of the continuous signal will be described in detail.
[0073]
The timing at which the resonance current is inverted depends on the peak value of the pulse voltage, and there is a high probability that a spark will occur at this timing. When a spark is generated at this timing and an attempt is made to turn off the IGBT at that moment, due to variations in the turn-off time of all IGBTs, the turned-on IGBT, the turned-off IGBT, and the IGBT being turned off The turn-off becomes unstable, such as being mixed, overvoltage applied to some IGBTs, and the current during the turn-off period increasing.
[0074]
For this reason, in order to avoid dangerous turn-off at this timing, a gate signal is given even at the beginning of the reverse current period so that the ON state can be maintained and even if a spark occurs, the current can be transferred to the forward current as it is. . If the reverse current increases sufficiently after switching to the reverse current, even if a spark occurs, the time from the point until the reverse current becomes zero can be secured for a time sufficiently longer than the turn-off time. . Usually, the delay time T2 of the continuous signal is about 1 μs or more and less than or equal to one half of the reverse current period.
[0075]
Here, when a steady pulse operation, in particular, one cycle of the resonance current in the spark is completed and the high voltage semiconductor switch device 3 is turned off, a snubber circuit is configured with a surge voltage applied to the high voltage semiconductor switch device 3. The charging current I5 of the capacitor 26 flowing at t6 shown in FIG. 2 may cause the sustain signal generating circuit 45 to misrecognize it as a resonance forward current and generate an unnecessary on signal.
[0076]
In order to prevent the generation of this unnecessary ON signal, it is desirable that the sustain signal generation circuit 45 prohibits the generation of the sustain signal for a period T4 or longer after the end of the reverse current.
[0077]
FIG. 3 is a circuit diagram showing a configuration of the continuous signal generation circuit 45 having a function of preventing the generation of the continuous signal in the above embodiment.
[0078]
The continuous signal generation circuit 45 includes a forward current detection circuit 51 that detects a forward current based on a detection current output from the current transformer (CT) 46, a reverse current detection circuit 52 that detects a reverse current, and a forward current. It has a sustain circuit 53 that generates a sustain signal in accordance with the detection signal, a timer 544, and a gate circuit 55.
[0079]
The sustain circuit 53 includes a diode 61, a capacitor 62, and a resistor 63. In the sustain circuit 53, when the forward current detection signal rises, the coupling capacitor 62 is charged at high speed by the diode 61 to eliminate the delay, and when the forward current detection signal falls, the resistor 63 discharges to form a delay time. The width of the pulse is extended by time T2.
[0080]
The timer circuit 54 generates a prohibition pulse for a predetermined time T4 from the disappearance of the reverse current. The gate circuit 55 prevents the generation of the sustain signal by the prohibit signal output from the timer circuit 54.
[0081]
Next, the operation of the continuous signal generating circuit 45 will be described.
[0082]
In normal operation, the forward current detection circuit 51 detects the resonance forward current, and simultaneously with this detection, the resonance forward current is sent to the gate circuit 56 through the diode 61. Output as a continuous signal.
[0083]
Next, when the resonant forward current is inverted from the forward current to the reverse current, the charge charged in the coupling capacitor 62 of the sustain circuit 53 is slowly discharged through the resistor 63, so that the sustain signal has a period shown in FIG. It is extended by T2. Furthermore, when the reverse current disappears and one cycle ends, the reverse current signal of the reverse current detection circuit 52 disappears, the timer circuit 54 operates, the gate circuit 56 is closed only for the prohibition time T4, and the continuous signal Prevent occurrence.
[0084]
Next, another example of a circuit for turning on the IGBT 21 when a spark occurs in the dust collection chamber 7 will be described.
[0085]
A two-terminal trigger element 35 is connected to the snubber capacitor 26 as indicated by a broken line in FIG. In this way, the voltage of the capacitor 26 and the collector voltage of the IGBT 21 are substantially the same, and when an overvoltage occurs, a gate current can be supplied from the snubber capacitor 26 for a period of several μS. . When the IGBT 21 is directly connected to the collector of the IGBT 21, the gate current is not supplied from the two-terminal trigger element 35 at the moment when the IGBT 21 is turned on. May not turn on.
[0086]
The capacitance load is a capacitor connected to a device using the high voltage semiconductor switch device 3 or a generated capacitance.
[0087]
【The invention's effect】
According to the present invention, a semiconductor switch device having substantially the same function as that of a conventional thyristor can achieve a pulse power supply by using a voltage control element such as IGBT or FET, and in particular, a semiconductor such as IGBT or FET. Since the element is essentially faster than the thyristor, there is an effect that a high-pressure pulse having a shorter duration can be generated.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram for explaining a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a specific example of a switch portion of an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing an embodiment of a continuous signal generating circuit according to the present invention.
FIG. 4 is a diagram for explaining a form of a conventional pulse power supply device.
FIG. 5 is a waveform diagram for explaining an operation in a steady operation state of a conventional pulse power supply device.
[Explanation of symbols]
3. High voltage semiconductor switch device,
1 ... 1st DC power supply,
4 ... Reverse current feedback means,
5 ... Resonant inductor,
6 ... coupling capacitor,
7 ... Dust collection chamber (capacitive load),
8: Second DC power supply,
21 ... IGBT,
28 ... pulse transformer,
30 ... Full-wave bridge rectifier,
31 ... smoothing capacitor,
35 ... 2 terminal trigger element,
36 ... Push-pull transformer,
38 ... DC control power supply,
42 ... high frequency pulse generator,
43. OR circuit,
44 ... periodic pulse generator,
45. Continuous signal generation circuit,
46 ... Current transformer,
51. Reverse current detection circuit,
52 ... Forward current detection circuit,
53. Sustain circuit,
54 ... Timer,
55: Gate circuit.

Claims (8)

ゲートターンオフ能力を具備する電圧制御型素子が直列接続されている高電圧半導体スイッチと;
上記高電圧半導体スイッチと逆並列に接続されている逆電流帰還手段と;
各1次巻線が互いに直列接続され、各2次巻線電圧を整流して上記電圧制御型素子のゲート信号を供給する複数のパルストランスと;
上記高電圧半導体スイッチのスイッチングによって共振する共振回路と;
上記パルストランスの1次巻線を、上記電圧制御型素子をターンオントリガするために、上記直列共振の半周期よりも短時間のトリガ信号を発生する周期パルス発生器と;
上記電圧制御型素子がターンオンした後に、上記電圧制御型素子に流れる直列共振電流の順方向電流を検出してから、逆方向電流を検出するまで、オン信号である持続信号を供給する持続信号発生回路と;
上記周期パルスの発生器の出力信号と、上記持続信号発生回路の出力信号とを合成するOR回路と;
を有し、上記OR回路が合成した高周波信号で、上記電圧制御型素子を駆動することによって、上記共振回路を共振させて高電圧パルスを発生することを特徴とする高電圧半導体スイッチ装置。
A high voltage semiconductor switch in which voltage controlled elements having gate turn-off capability are connected in series;
Reverse current feedback means connected in antiparallel with the high voltage semiconductor switch;
A plurality of pulse transformers in which each primary winding is connected in series, rectifies each secondary winding voltage and supplies a gate signal of the voltage controlled element;
A resonant circuit that resonates by switching of the high voltage semiconductor switch;
A periodic pulse generator for generating a trigger signal having a shorter time than a half period of the series resonance in order to turn on the primary winding of the pulse transformer for triggering the voltage controlled element;
After the voltage controlled element is turned on, a continuous signal is generated to supply a continuous signal that is an on signal from the detection of the forward current of the series resonance current flowing through the voltage controlled element until the reverse current is detected. With circuit;
An OR circuit for combining the output signal of the periodic pulse generator and the output signal of the continuous signal generation circuit;
And a high-frequency pulse generated by driving the voltage-controlled element with a high-frequency signal synthesized by the OR circuit to resonate the resonant circuit.
請求項1において、
上記電圧制御型素子は、IGBTまたはFETであることを特徴とする高電圧半導体スイッチ装置。
In claim 1,
The high-voltage semiconductor switch device, wherein the voltage control element is an IGBT or an FET.
請求項1において、
上記持続信号発生回路は、逆電流が流れ始めてからも、所要時間の間、オン信号を供給し、順電流と逆電流との切り替わり時に発生するスパークによって高電圧半導体スイッチ装置がターンオフすることを回避する回路であることを特徴とする高電圧半導体スイッチ装置。
In claim 1,
The continuous signal generation circuit supplies an ON signal for a required time even after the reverse current starts to flow, and prevents the high-voltage semiconductor switch device from turning off due to a spark generated when switching between the forward current and the reverse current. A high-voltage semiconductor switch device characterized by being a circuit to perform
請求項1〜請求項3のいずれか1項において、
上記電圧制御型素子のコレクタと、パルストランスの2次側の整流器出力端子との間に接続されている2端子トリガ素子を有し、
集塵室でスパークが発生したときの過電圧で、上記2端子トリガ素子が導通し、上記電圧制御型素子にトリガ信号を与え、以後は、上記持続信号発生回路が共振電流の逆方向電流を検出するまでの間、オン信号を供給することを特徴とする高電圧半導体スイッチ装置。
In any one of Claims 1-3,
A two-terminal trigger element connected between the collector of the voltage-controlled element and a rectifier output terminal on the secondary side of the pulse transformer;
When the spark is generated in the dust collection chamber, the two-terminal trigger element becomes conductive and gives a trigger signal to the voltage-controlled element. Thereafter, the continuous signal generation circuit detects the reverse current of the resonance current. A high-voltage semiconductor switch device that supplies an on signal until it is done.
請求項4において、
コンデンサと抵抗とを含み、上記電圧制御型素子に並列接続されているスナバ回路を有し、
上記スナバ回路を構成する上記コンデンサと、上記2次側パルス整流器の出力端子との間に、2端子トリガ素子が接続されていることを特徴とする高電圧半導体スイッチ装置。
In claim 4,
A snubber circuit including a capacitor and a resistor and connected in parallel to the voltage controlled element;
A high-voltage semiconductor switch device, wherein a two-terminal trigger element is connected between the capacitor constituting the snubber circuit and an output terminal of the secondary pulse rectifier.
請求項1において、
上記持続信号発生回路は、逆電流の消滅後に、正方向に再び流れる浮遊容量、または上記スナバ回路を構成する上記コンデンサの充電電流を、順方向共振電流と誤認識しないように、上記持続信号の発生を阻止する回路であることを特徴とする高電圧半導体スイッチ装置。
In claim 1,
The sustain signal generation circuit is configured to prevent a stray capacitance flowing again in the forward direction after the reverse current disappears or a charging current of the capacitor constituting the snubber circuit from being misrecognized as a forward resonance current. A high-voltage semiconductor switch device characterized by being a circuit that prevents generation.
ゲートターンオフ能力を具備する電圧制御型素子が直列接続されている高電圧半導体スイッチと、上記高電圧半導体スイッチと逆並列に接続されている逆電流帰還手段と、各1次巻線が互いに直列接続され、各2次巻線電圧を整流して上記電圧制御型素子のゲート信号を供給する複数のパルストランスと、上記高電圧半導体スイッチのスイッチングによって共振する共振回路と、上記パルストランスの1次巻線を、上記電圧制御型素子をターンオントリガするために、上記直列共振の半周期よりも短時間のトリガ信号を発生する周期パルス発生器と、上記電圧制御型素子がターンオンした後に、上記電圧制御型素子に流れる直列共振電流の順方向電流を検出してから、逆方向電流を検出するまで、オン信号である持続信号を供給する持続信号発生回路と、上記周期パルスの発生器の出力信号と、上記持続信号発生回路の出力信号とを合成するOR回路とを有し、上記OR回路が合成した高周波信号で、上記電圧制御型素子を駆動することによって、上記共振回路を共振させて高電圧パルスを発生する高電圧半導体スイッチ装置と;
直流電源と;
静電容量負荷と;
上記静電容量負荷と上記直流電源との間に直列接続された共振インダクタと結合コンデンサと;
を有し、上記高電圧半導体スイッチは、オンすると、上記直流電源に対して直列に接続され、しかも、上記静電容量負荷と上記共振インダクタと結合コンデンサとに対しても、直列に接続され、上記高電圧半導体スイッチ装置の上記共振回路は、上記共振インダクタと上記結合コンデンサと上記静電容量負荷の静電容量とによって構成されている回路であることを特徴とする高電圧発生装置。
A high voltage semiconductor switch in which voltage controlled elements having gate turn-off capability are connected in series, a reverse current feedback means connected in antiparallel with the high voltage semiconductor switch, and each primary winding are connected in series with each other. A plurality of pulse transformers that rectify each secondary winding voltage and supply a gate signal of the voltage controlled element, a resonance circuit that resonates by switching of the high-voltage semiconductor switch, and a primary winding of the pulse transformer. A periodic pulse generator for generating a trigger signal shorter than a half cycle of the series resonance to turn on the voltage controlled element, and the voltage control after the voltage controlled element is turned on. Persistence signal that supplies a continuation signal that is an on signal from the detection of the forward current of the series resonance current flowing through the mold element to the detection of the reverse current An OR circuit that synthesizes a raw circuit, an output signal of the periodic pulse generator, and an output signal of the sustained signal generator circuit, and the voltage controlled element is a high-frequency signal synthesized by the OR circuit. A high-voltage semiconductor switching device that generates a high-voltage pulse by driving the resonance circuit to resonate;
DC power supply;
With capacitive load;
A resonant inductor and a coupling capacitor connected in series between the capacitive load and the DC power source;
When the high voltage semiconductor switch is turned on, the high voltage semiconductor switch is connected in series with the DC power source, and is also connected in series with the capacitive load, the resonant inductor, and the coupling capacitor. The high-voltage generating device according to claim 1, wherein the resonant circuit of the high-voltage semiconductor switch device is a circuit constituted by the resonant inductor, the coupling capacitor, and a capacitance of the capacitive load.
請求項7において、
上記高電圧発生装置は、パルス荷電式電気集塵機に使用されている装置であることを特徴とする高電圧発生装置。
In claim 7,
The high voltage generator is an apparatus used in a pulse charge type electrostatic precipitator.
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