JP4307698B2 - Gate drive device for gate commutation type turn-off thyristor element and gate commutation type turn-off thyristor device - Google Patents

Gate drive device for gate commutation type turn-off thyristor element and gate commutation type turn-off thyristor device Download PDF

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【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、大電力用半導体装置であるゲート転流型ターンオフ(Gate Commutated Turn−off:以下、GCTと称す)サイリスタ素子のゲート駆動装置に関するものであり、特に主回路電流がGCTサイリスタ素子の最大定格可制御オン電流を超えた過電流となった場合にGCTサイリスタ素子を過電流ターンオフから保護するための制御技術に関している。
【0002】
【従来の技術】
GCTサイリスタ素子はGTO(Gate Turn−off)サイリスタ素子の発展形であり、その構成及び動作原理については、例えば特開平9−201039号公報(米国特許第5777506号)や特開平8−330572号公報(米国特許第5777351号)に開示されている。その特徴を要約すれば、次の通りである。即ち、GCTサイリスタ素子においては、リングゲート電極に接し且つ絶縁筒の外部に引き出されるゲート端子の形状を、従来のGTOサイリスタ素子のリード状からリング状に置き換えると共に、GCTサイリスタ素子とゲート駆動回路との接続をも、GTOサイリスタ素子のリード線構成から積層基板による構成に改良している。これにより、ゲート端子及びゲート配線のインダクタンスをGTOサイリスタ素子のインダクタンスの約1/100迄に低減しており、ターンオフの際に流す逆方向ゲート電流をゲート電極の全円周面より等方的に供給することが可能となり、併せてターンオフ蓄積時間の短縮を可能としている。又、GCTサイリスタ素子のウェハ構造については、従来のGTOサイリスタ素子のウェハ構造と同様に、数千個のセグメントが同心円状に数段構成で並列的に配置され、その最外周部にゲート電極と界面を成すゲート電極領域が配置されている。
【0003】
従来より、GTOサイリスタ素子やGCTサイリスタ素子のゲート駆動装置の設計においては、同素子に流れる主回路電流が過電流状態になったときに同素子が過電流をそのままターンオフさせてしまう事態から同素子を保護するために、主回路電流が最大定格可制御オン電流未満となるように予め十分なマージンを取って使用条件を決定しておく方法が採用されている。
【0004】
又、他の従来技術としては、三相交流で主回路を駆動している場合において、主回路が短絡して或る一相の経路内のGCT(又はGTO)サイリスタ素子に短絡電流が流れた場合には、主回路側に設けたセンサで主回路の短絡状態を直ちに検出して、その検出結果に基づいた強制点弧により他の二相側のGCT(又はGTO)サイリスタ素子のゲート信号をオフ状態からオン状態に切り替えることで、過電流を他の二相側のGCT(又はGTO)サイリスタ素子側に分散させて、GCT(又はGTO)サイリスタ素子を過電流のターンオフから保護することも行われている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前者の従来技術に対しては、そもそもマージン設定を不要として、主回路電流が可制御オン電流の最大定格値程度になってもなおGCTサイリスタ素子がターンオフを行える様にしつつ、主回路電流が可制御オン電流の最大定格値を越える場合には自動的にGCTサイリスタ素子の保護が作動する様な制御の実現が要望されるに至っている。
【0006】
又、後者の従来技術に対しては、主回路側のセンサで過電流状態の発生を検出しているため保護のタイミングが遅れ易いという問題点があり、その様に保護のタイミングが遅れるときにはGCTサイリスタ素子が過電流をターンオフしてしまい、ターンオフ失敗により素子特性が著しく劣化してしまうことがあった。
【0007】
この発明は斯かる問題点を克服すべくなされたものであり、予めマージンを取っていなくても、GCTサイリスタ素子に流れる主回路電流が万一可制御オン電流の最大定格値を超えた場合には、保護のタイミングの遅れを生じさせることなく、自動的にGCTサイリスタ素子を過電流のターンオフから保護することを、その目的としている。
【0008】
【課題を解決するための手段】
請求項1に係る発明のゲート転流型ターンオフサイリスタ素子用ゲート駆動装置は、ゲート転流型ターンオフサイリスタ素子のターンオフ開始時の主回路電流を前記ターンオフ開始時以降のターンオフゲート電流の測定により直接にモニターすることにより、前記主回路電流が前記ゲート転流型ターンオフサイリスタ素子の可制御オン電流の最大定格値を越えたときを検出した場合には、前記可制御オン電流の最大定格値よりも小さく且つ前記ゲート転流型ターンオフサイリスタ素子をオフ状態に移行し得ない値に限定されたターンオフゲート電流を流し続け、その後にターンオン電流をも流し続けて前記ゲート転流型ターンオフサイリスタ素子をオン状態に移行させた後に、前記限定されたターンオフゲート電流のみをオフして前記ゲート転流型ターンオフサイリスタ素子をオン状態に保つことを特徴とする。
【0009】
請求項2に係る発明のゲート転流型ターンオフサイリスタ装置は、ゲート転流型ターンオフサイリスタ素子と、請求項1記載の前記ゲート駆動装置とを有することを特徴とする。
【0010】
【発明の実施の形態】
(着眼点)
GCTサイリスタ素子は、ターンオフ時に主回路電流の全てをゲート回路に転流させてターンオフする。従って、ターンオフ開始時にゲート駆動装置内を流れるゲート電流(ターンオン時に流れるゲート電流から見ればゲート逆電流に相当する)を測定することで、主回路電流の値を直接にモニターすることができる。この点を利用することにより、主回路電流がGCTサイリスタ素子の可制御オン電流の最大定格値を超えた過電流状態となったことをモニター結果から検出したときには、ゲート駆動装置は、ターンオフ動作を開始させて間がないGCTサイリスタ素子の状態を直ちにターンオフ動作からオン状態に切り替えることができ、過電流のターンオフからGCTサイリスタ素子を保護することができる。より具体的には、ゲート駆動装置は、モニター結果に応じて、ターンオフ開始時にオンに制御されたオフゲート信号を瞬時にオフにする一方、ターンオフ開始時にオフに制御されたオンゲート信号をオンに切り換えることで、GCTサイリスタ素子が過電流をターンオフしないようにしGCTサイリスタ素子の動作を制御する。この様に、主回路電流の値が過電流レベルとなるのを直接にモニターし、そのモニター結果に基づいてGCTサイリスタ素子のゲート駆動装置を瞬時に制御しているので、保護のタイミングを逸するという事態は生じない。
【0011】
以下、図面を参照しつつ、各実施の形態を説明する。
【0012】
(実施の形態1)
図1は、本実施の形態に係るGCTサイリスタ装置の構成を模式的に示す回路図である。本装置は、GCTサイリスタ素子1と、ゲート駆動回路乃至はゲート駆動装置2と、ゲート駆動回路用制御回路(図示せず)とに大別される。この内、GCTサイリスタ素子1は、主回路(図示せず)側に接続されたアノード端子1Aと、ゲート端子1Gと、カソード端子1Kとを有する。
【0013】
他方、ゲート駆動回路2は、オンゲート用MOSFET(第1スイッチング素子)21(Tr1)と、オンゲート用電源コンデンサ22と、オフゲート用MOSFET(第2スイッチング素子)23(Tr2)と、オフゲート用電源コンデンサ24と、オフゲート電流検出回路(電流センサ等)25と、オフゲート用MOSFET23(Tr2)と並列接続された限流回路26と、配線29とから成る。そして、オンゲート用MOSFET21(Tr1)とオンゲート用電源コンデンサ22と配線29とはオンゲート回路を構成しており、オフゲート電流検出回路25とオフゲート用MOSFET23(Tr2)及び限流回路26とオフゲート用電源コンデンサ24と配線29とはオフゲート回路を構成している。
【0014】
ここで、限流回路26は、限流回路用MOSFET(第3スイッチング素子)261(Tr3)と、限流回路26の入力インピーダンスが高インピーダンスとなる様にその値が設定された限流回路用抵抗262とから構成されている。
【0015】
尚、各スイッチング素子21、23、261をMOSFETに代えてバイポーラトランジスタで構成しても良い。
【0016】
又、ゲート駆動回路用制御回路(図示せず)はオフゲート電流検出回路25の出力端と各スイッチング素子21、23、261のゲート端子とに接続されており、予め設定された可制御オン電流の最大定格値と入力するオフゲート電流検出回路25のモニター結果とを比較して、その比較結果に応じて各スイッチング素子21、23、261のゲート信号を生成・出力する。
【0017】
既述した通り、主回路電流は、ターンオフ時にゲート駆動回路2内を流れるゲート電流(ターンオフゲート電流)iGを測定することでモニターできる。このターンオフゲート電流iGがGCTサイリスタ素子1の可制御オン電流の最大定格値を超えた場合、GCTサイリスタ素子1がこの過電流をターンオフしようとすると、ターンオフ失敗によりGCTサイリスタ素子1の特性が著しく劣化する場合がある。このため、GCTサイリスタ素子1がターンオフしない様に、GCTサイリスタ素子1の保護制御を行う必要がある。
【0018】
以下に、ターンオフ時に於ける図1のGCTサイリスタ装置の動作について説明する。
【0019】
先ず、ターンオフの開始時に、ゲート駆動回路2内でターンオフゲート電流iGをオフゲート電流検出回路25で測定し、主回路電流iAをモニターする。
【0020】
i)主回路電流iAが可制御オン電流の最大定格値以下の場合
この場合には、ゲート駆動回路用制御回路は図2に示す様に各トランジスタTr1、Tr2、Tr3を制御することで、GCTサイリスタ素子1は主回路電流iAをオフする。即ち、ゲート駆動回路用制御回路は、ターンオフ開始時t1に各トランジスタTr1、Tr2、Tr3のゲート信号をそれぞれオフ、オン、オンに制御し、ターンオフ動作期間中、各ゲート信号の上記レベルを維持し続ける。従って、ターンオフ動作期間中、ターンオフゲート電流IGMはオフゲート用MOSFET23(Tr2)と限流回路26とを介してオフゲ−ト回路内を流れる。
【0021】
尚、図2中のITはオン状態での主回路電流iAの値であり、VAKはアノード−カソード間電圧(アノード電圧とも称す)であり、ターンオフゲート電流IGMの絶対値は主回路電流ITに等しい。
【0022】
ii)主回路電流iAが可制御オン電流の最大定格値を超えた場合
この場合には、図3に示す様に、瞬時にオフゲ−ト回路のオフゲート用MOSFET23(Tr2)をオフ状態に制御して限流回路26のみにターンオフゲート電流IG1を流すこととする。もしオフゲート用MOSFET23(Tr2)が大電流のターンオフゲート電流IGM(=IT)をそのままターンオフすると、ターンオフ時のサージ電圧が大きくなり、MOSFET23(Tr2)及びGCTサイリスタ素子1の特性が著しく劣化する場合があるので、限流回路26はこれを防止する為に使用されている。ここで、限流回路26の入力インピーダンスを高インピーダンスに設定しているため、限流回路26に流れ得るターンオフゲート電流は著しく抑制され、ターンオフゲート電流IGM(=IT)よりも十分に小さなターンオフゲート電流IG1が限流回路26を介してオフゲ−ト回路内を流れるだけである。しかも、限流回路26をオフゲート用MOSFET23(Tr2)に並列に接続しているため、オフゲート用MOSFET23(Tr2)−限流回路26−オフゲート用MOSFET23(Tr2)のループインダクタンスLsを小さく設定している。その結果、オフゲート用MOSFET23(Tr2)がオフした時のサージ電圧を十分小さな値に抑えるようにしている。加えて、主回路電流iAが可制御オン電流の最大定格値を超えたときを検出した時点からオフゲート用MOSFET23(Tr2)をオフするタイミングt2までの時間T1を出来る限り小さく設定して、アノード電圧VAKが十分小さい内に、従ってGCTサイリスタ素子1に印加される瞬時損失が大きくならない内に、各トランジスタTr1、Tr2、Tr3のゲート信号を制御するようにしている。以下、図3のタイミングチャートに基づいて、動作を説明する。
【0023】
先ずターンオフ開始時t1のタイミングで、ゲート駆動回路用制御回路は各トランジスタTr1、Tr2、Tr3のゲート信号をそれぞれオフ、オン、オンに制御する。これにより、ターンオフゲート電流iGは急峻な勾配でオフゲ−ト回路内を流れることとなり、可制御オン電流の最大定格値を超えることとなる。このとき、オフゲート電流検出回路25が出力するモニター結果を受けて、ゲート駆動回路用制御回路は、主回路電流iAが可制御オン電流の最大定格値を超えていることを検出し、素早く時刻t2に於いてオフゲート用MOSFET23(Tr2)のゲート信号のみをオフに制御する。これにより、オフゲート回路内を電流値IGM(=IT)として流れていたターンオフゲート電流はそれ以後は限流回路26のみを介して流れざるを得なくなり、ターンオフゲート電流は急激に抑えられて、その電流値はIG1となる。更にゲート駆動回路用制御回路は、素早く時刻t3に於いてオンゲート用MOSFET21(Tr1)のゲート信号のみをオンに制御する。これにより、ターンオンゲート電流とターンオフゲート電流とが混在してゲート駆動回路2内を流れる様になる。時刻t2以降、GCTサイリスタ素子1の内部では、主回路電流iAと同じアノード電流がゲート駆動回路2の限流作用によりゲート駆動回路2側へ流れることが制限され、その結果、ゲート駆動回路2へ流れることができなくなった電流分(iA−IG1)がカソード1K側に流れて、急激にGCTサイリスタ素子1をオン状態にする。この場合、GCTサイリスタ素子1のほぼ全面で、即ち、各セグメントのゲート−カソード間が順バイアス状態となり、GCTサイリスタ素子1はオンする。この時に、GCTサイリスタ素子1には過電流が流れる。このタイミングt4(時間(t4−t3)は任意に設定される)で、ゲート駆動回路用制御回路は限流回路26をオフし、且つオンゲート回路をオンし続けることで、GCTサイリスタ素子1は安定したオン状態を維持することができる。
【0024】
尚、上記過電流がGCTサイリスタ素子1のサージオン電流の定格値以下となる様に主回路のインピーダンス(抵抗、インダクタンス等)を適切に設定しておくならば、GCTサイリスタ素子1は過電流に対して何ら問題を発生することはない。
【0025】
GCTサイリスタ素子1に過電流が流れた後、GCTサイリスタ素子1の接合温度が十分低くなり、GCTサイリスタ素子1が正常状態に復帰したと判明できた場合には、ゲート駆動回路用制御回路は再度各トランジスタTr1、Tr2、Tr3のゲート信号をそれぞれオフ、オン、オンに制御する。これにより、GCTサイリスタ素子1はオフ状態に復帰できる。
【0026】
以上の通り、図1の本装置によれば、ターンオフ開始後にゲート電流iGをオフゲート電流検出回路25で測定して主回路電流iAをモニターし、そのモニター結果より主回路電流iAがGCTサイリスタ素子1の可制御オン電流の最大定格値を超えたことを検出した場合には、瞬時にオフゲート用MOSFET23をオンからオフに切り替え且つオンゲート用MOSFET21をオフからオンに切り替えて、限流回路26の限流作用により、GCTサイリスタ素子1をターンオフさせることなくオン状態に移行させている。これにより、GCTサイリスタ素子1を過電流ターンオフさせない様に保護することが出来る。
【0027】
尚、上記説明では一相分のGCTサイリスタ素子1を自動的に過電流ターンオフから保護することを述べたが、例えば三相交流で主回路を駆動している場合には、各相のGCTサイリスタ素子毎に図1に示す様なGCTサイリスタ装置を設けて同様の方法で各GCTサイリスタ素子のターンオフ動作を制御することにすれば、過電流をオン状態に移行した各相のGCTサイリスタ素子に分散させることができると言う利点が得られる。この点は以下に述べる実施の形態2,3についても当てはまる。
【0028】
(実施の形態2)
図4は、実施の形態2に係るGCTサイリスタ装置を示す回路図である。本実施の形態では、ゲート駆動回路2内の電圧検出回路27によってオフゲート用MOSFET23(Tr2)のターンオフ時の両端のオン電圧を測定し、そのオン電圧を変換回路(図示せず)により電流に換算することで(図5参照)、主回路電流iAをモニターする。その他の構成は図1の装置と同様である。従って、モニター結果より主回路電流iAがGCTサイリスタ素子1の可制御オン電流の最大定格値を超えたことを検出した場合には、実施の形態1と同様の制御を行うことにより、GCTサイリスタ素子1を過電流ターンオフから保護することができる。
【0029】
(実施の形態3)
図6は、実施の形態3に係るGCTサイリスタ装置を示す回路図である。本実施の形態では、ゲート駆動回路2内の電圧検出回路28によってオフゲート用電源コンデンサ24のターンオフ時の両端電圧を測定し(図7参照)、この両端電圧の低減値ΔVCを変換回路(図示せず)により電流に換算することで(図8参照)、主回路電流iAをモニターする。その他の構成は図1の装置と同様である。従って、モニター結果より主回路電流iAがGCTサイリスタ素子1の可制御オン電流の最大定格値を超えたことを検出した場合には、実施の形態1と同様の制御を行うことにより、GCTサイリスタ素子1を過電流ターンオフより保護することができる。
【0030】
【発明の効果】
請求項1及び2に記載の発明によれば、GCTサイリスタ素子に流れる過電流からGCTサイリスタ素子を確実に且つ自動的に保護することができる制御方式を提供し得るという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施の形態1に係るGCTサイリスタ装置を示す回路図である。
【図2】 主回路電流がGCTサイリスタ素子の可制御オン電流の最大定格値以下の場合に於ける実施の形態1に係るGCTサイリスタ装置の動作を示す図である。
【図3】 主回路電流がGCTサイリスタ素子の可制御オン電流の最大定格値を超えた場合に於ける実施の形態1に係るGCTサイリスタ装置の動作を示す図である。
【図4】 本発明の実施の形態2に係るGCTサイリスタ装置を示す回路図である。
【図5】 オフゲ−ト用MOSFETの電圧及び電流特性を示す図である。
【図6】 本発明の実施の形態3に係るGCTサイリスタ装置を示す回路図である。
【図7】 オフゲート用電源コンデンサの電圧降下を示す図である。
【図8】 オフゲート用電源コンデンサの電圧降下とオフゲート電流との関係を示す図である。
【符号の説明】
1 GCTサイリスタ素子、2 ゲート駆動回路、21 オンゲート用MOSFET、22 オンゲート用電源コンデンサ、23 オフゲート用MOSFET(Tr2)、24 オフゲート用電源コンデンサ、25 オフゲート電流検出回路、26 限流回路、261 限流回路用MOSFET(Tr3)、262 限流回路用抵抗、27 オフゲート用MOSFETの電圧検出回路、28 オフゲート用電源コンデンサの電圧検出回路。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a gate drive device for a gate commutated turn-off (hereinafter referred to as GCT) thyristor element, which is a high power semiconductor device, and in particular, the main circuit current is the maximum of the GCT thyristor element. The present invention relates to a control technique for protecting a GCT thyristor element from an overcurrent turn-off when an overcurrent exceeding a rated controllable on-current is reached.
[0002]
[Prior art]
The GCT thyristor element is a development of the GTO (Gate Turn-off) thyristor element, and the configuration and operation principle thereof are disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-201039 (US Pat. No. 5,777,506) and Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-330572. (US Pat. No. 5,777,351). The characteristics are summarized as follows. That is, in the GCT thyristor element, the shape of the gate terminal that is in contact with the ring gate electrode and drawn out of the insulating cylinder is replaced with the ring shape from the lead shape of the conventional GTO thyristor element, and the GCT thyristor element and the gate drive circuit This connection is also improved from a GTO thyristor element lead wire configuration to a multilayer substrate configuration. As a result, the inductance of the gate terminal and the gate wiring is reduced to about 1/100 of the inductance of the GTO thyristor element, and the reverse gate current flowing at the time of turn-off is more isotropic than the entire circumferential surface of the gate electrode. This makes it possible to reduce the turn-off accumulation time. As for the wafer structure of the GCT thyristor element, in the same way as the wafer structure of the conventional GTO thyristor element, several thousand segments are arranged concentrically in parallel in several stages, and the gate electrode and A gate electrode region forming an interface is disposed.
[0003]
Conventionally, in designing a gate drive device for a GTO thyristor element or GCT thyristor element, when the main circuit current flowing through the element becomes an overcurrent state, the element causes the overcurrent to turn off as it is. In order to protect the circuit, a method is employed in which the use conditions are determined in advance with a sufficient margin so that the main circuit current is less than the maximum rated controllable on-current.
[0004]
As another conventional technique, when the main circuit is driven by three-phase alternating current, the main circuit is short-circuited, and a short-circuit current flows to the GCT (or GTO) thyristor element in a certain one-phase path. In this case, a short circuit state of the main circuit is immediately detected by a sensor provided on the main circuit side, and the gate signal of the other two-phase GCT (or GTO) thyristor element is obtained by forced firing based on the detection result. By switching from the off-state to the on-state, the overcurrent is distributed to the other two-phase GCT (or GTO) thyristor element side to protect the GCT (or GTO) thyristor element from the overcurrent turn-off. It has been broken.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, with respect to the former prior art, it is unnecessary to set a margin in the first place, and even if the main circuit current reaches the maximum rated value of the controllable on-current, the GCT thyristor element can still be turned off, while the main circuit current When the value exceeds the maximum rated value of the controllable on-current, it has been demanded to realize such control that the protection of the GCT thyristor element is automatically activated.
[0006]
Also, the latter prior art has a problem that the protection timing is likely to be delayed because the detection of the overcurrent state is detected by the sensor on the main circuit side, and when the protection timing is delayed like that, the GCT The thyristor element turns off the overcurrent, and the device characteristics may be significantly deteriorated due to the turn-off failure.
[0007]
The present invention has been made to overcome such a problem, and in the event that the main circuit current flowing through the GCT thyristor element exceeds the maximum rated value of the controllable on-current, even if no margin is taken in advance. Is intended to automatically protect the GCT thyristor element from an overcurrent turn-off without causing a delay in protection timing.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In the gate drive device for a gate commutation type turn-off thyristor element according to the first aspect of the present invention, the main circuit current at the start of turn-off of the gate commutation type turn-off thyristor element is directly measured by measuring the turn-off gate current after the start of the turn-off. by monitoring, when detecting when said main circuit current exceeds a maximum rated value of the controllable oN-state current of the gate commutated turn-off thyristor element is smaller than the maximum rated value of the controllable oN-state current In addition, the gate commutation type turn-off thyristor element is continuously turned on, and the gate commutation type turn-off thyristor element is turned on. After the transition, only the limited turn-off gate current is turned off and the gate is turned off. Characterized in that to keep the flow turn-off thyristor element to the ON state.
[0009]
A gate commutation type turn-off thyristor device according to a second aspect of the present invention includes a gate commutation type turn-off thyristor element and the gate driving device according to the first aspect.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(Viewpoints)
The GCT thyristor element is turned off by commutating all of the main circuit current to the gate circuit when turned off. Therefore, the value of the main circuit current can be directly monitored by measuring the gate current flowing in the gate driving device at the start of turn-off (corresponding to the gate reverse current when viewed from the turn-on). By utilizing this point, when it is detected from the monitoring result that the main circuit current is in an overcurrent state exceeding the maximum rated value of the controllable on-current of the GCT thyristor element, the gate drive device performs the turn-off operation. The state of the GCT thyristor element that has just been started can be immediately switched from the turn-off operation to the on state, and the GCT thyristor element can be protected from an overcurrent turn-off. More specifically, the gate driving device instantaneously turns off the off-gate signal controlled to be turned on at the start of turn-off, and switches on the on-gate signal controlled to be turned off at the start of turn-off according to the monitoring result. Thus, the operation of the GCT thyristor element is controlled such that the GCT thyristor element does not turn off the overcurrent. In this way, since the value of the main circuit current is directly monitored and the gate drive device of the GCT thyristor element is instantaneously controlled based on the monitoring result, the timing of protection is lost. This does not happen.
[0011]
Hereinafter, each embodiment will be described with reference to the drawings.
[0012]
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a circuit diagram schematically showing the configuration of the GCT thyristor device according to the present embodiment. This apparatus is roughly divided into a GCT thyristor element 1, a gate drive circuit or gate drive apparatus 2, and a gate drive circuit control circuit (not shown). Among these, the GCT thyristor element 1 has an anode terminal 1A, a gate terminal 1G, and a cathode terminal 1K connected to the main circuit (not shown) side.
[0013]
On the other hand, the gate drive circuit 2 includes an on-gate MOSFET (first switching element) 21 (Tr1), an on-gate power supply capacitor 22, an off-gate MOSFET (second switching element) 23 (Tr2), and an off-gate power supply capacitor 24. An off-gate current detection circuit (current sensor or the like) 25, a current-limiting circuit 26 connected in parallel with the off-gate MOSFET 23 (Tr2), and a wiring 29. The on-gate MOSFET 21 (Tr1), the on-gate power supply capacitor 22 and the wiring 29 constitute an on-gate circuit. The off-gate current detection circuit 25, the off-gate MOSFET 23 (Tr2), the current limiting circuit 26, and the off-gate power supply capacitor 24. The wiring 29 constitutes an off-gate circuit.
[0014]
Here, the current limiting circuit 26 is a current limiting circuit MOSFET (third switching element) 261 (Tr3) and a current limiting circuit whose value is set so that the input impedance of the current limiting circuit 26 becomes high impedance. And a resistor 262.
[0015]
Note that each of the switching elements 21, 23, and 261 may be formed of a bipolar transistor instead of the MOSFET.
[0016]
The gate drive circuit control circuit (not shown) is connected to the output terminal of the off-gate current detection circuit 25 and the gate terminals of the switching elements 21, 23, 261, and has a preset controllable on-current. The maximum rated value is compared with the monitor result of the input off-gate current detection circuit 25, and gate signals of the switching elements 21, 23, and 261 are generated and output according to the comparison result.
[0017]
As described above, the main circuit current can be monitored by measuring the gate current (turn-off gate current) iG flowing in the gate driving circuit 2 at the time of turn-off. When the turn-off gate current iG exceeds the maximum rated value of the controllable on-current of the GCT thyristor element 1, if the GCT thyristor element 1 tries to turn off this overcurrent, the characteristics of the GCT thyristor element 1 are significantly deteriorated due to the turn-off failure. There is a case. For this reason, it is necessary to perform protection control of the GCT thyristor element 1 so that the GCT thyristor element 1 is not turned off.
[0018]
The operation of the GCT thyristor device of FIG. 1 at the time of turn-off will be described below.
[0019]
First, at the start of turn-off, the turn-off gate current iG is measured by the off-gate current detection circuit 25 in the gate drive circuit 2 and the main circuit current iA is monitored.
[0020]
i) When the main circuit current iA is less than or equal to the maximum rated value of the controllable on-current In this case, the gate drive circuit control circuit controls each transistor Tr1, Tr2, Tr3 as shown in FIG. The thyristor element 1 turns off the main circuit current iA. That is, the gate drive circuit control circuit controls the gate signals of the transistors Tr1, Tr2, and Tr3 to be off, on, and on at the start of turn-off t1, respectively, and maintains the above levels of the gate signals during the turn-off operation period. to continue. Accordingly, during the turn-off operation period, the turn-off gate current IGM flows in the off-gate circuit through the off-gate MOSFET 23 (Tr2) and the current limiting circuit 26.
[0021]
2 is the value of the main circuit current iA in the on state, VAK is the anode-cathode voltage (also referred to as the anode voltage), and the absolute value of the turn-off gate current IGM is the main circuit current IT. equal.
[0022]
ii) When the main circuit current iA exceeds the maximum rated value of the controllable on-current In this case, as shown in FIG. 3, the off-gate MOSFET 23 (Tr2) of the off-gate circuit is instantaneously controlled to the off state. Therefore, the turn-off gate current IG1 is allowed to flow only through the current limiting circuit 26. If the off-gate MOSFET 23 (Tr2) turns off the large current turn-off gate current IGM (= IT) as it is, the surge voltage at turn-off increases, and the characteristics of the MOSFET 23 (Tr2) and the GCT thyristor element 1 may be significantly degraded. Therefore, the current limiting circuit 26 is used to prevent this. Here, since the input impedance of the current limiting circuit 26 is set to a high impedance, the turn-off gate current that can flow through the current limiting circuit 26 is remarkably suppressed, and the turn-off gate is sufficiently smaller than the turn-off gate current IGM (= IT). The current IG1 only flows in the off-gate circuit via the current limiting circuit 26. In addition, since the current limiting circuit 26 is connected in parallel to the off-gate MOSFET 23 (Tr2), the loop inductance Ls of the off-gate MOSFET 23 (Tr2) -current limiting circuit 26-off-gate MOSFET 23 (Tr2) is set small. . As a result, the surge voltage when the off-gate MOSFET 23 (Tr2) is turned off is suppressed to a sufficiently small value. In addition, the time T1 from the time when the main circuit current iA exceeds the maximum rated value of the controllable on-current to the timing t2 when the off-gate MOSFET 23 (Tr2) is turned off is set as small as possible, and the anode voltage The gate signals of the transistors Tr1, Tr2, and Tr3 are controlled while the VAK is sufficiently small, and thus the instantaneous loss applied to the GCT thyristor element 1 does not increase. The operation will be described below based on the timing chart of FIG.
[0023]
First, at the timing of the turn-off start time t1, the gate drive circuit control circuit controls the gate signals of the transistors Tr1, Tr2, and Tr3 to be off, on, and on, respectively. As a result, the turn-off gate current iG flows in the off-gate circuit with a steep slope and exceeds the maximum rated value of the controllable on-current. At this time, in response to the monitoring result output from the off-gate current detection circuit 25, the gate drive circuit control circuit detects that the main circuit current iA exceeds the maximum rated value of the controllable on-current, and quickly receives the time t2. In this case, only the gate signal of the off-gate MOSFET 23 (Tr2) is controlled to be turned off. As a result, the turn-off gate current that has flowed in the off-gate circuit as the current value IGM (= IT) is forced to flow only through the current limiting circuit 26 thereafter, and the turn-off gate current is rapidly suppressed. The current value is IG1. Furthermore, the gate drive circuit control circuit quickly controls to turn on only the gate signal of the on-gate MOSFET 21 (Tr1) at time t3. As a result, the turn-on gate current and the turn-off gate current are mixed and flow through the gate driving circuit 2. After time t2, in the GCT thyristor element 1, the same anode current as the main circuit current iA is restricted from flowing to the gate driving circuit 2 side by the current limiting action of the gate driving circuit 2, and as a result, to the gate driving circuit 2 The amount of current (iA-IG1) that can no longer flow flows to the cathode 1K side, and the GCT thyristor element 1 is suddenly turned on. In this case, almost the entire surface of the GCT thyristor element 1, that is, between the gate and the cathode of each segment is in a forward bias state, and the GCT thyristor element 1 is turned on. At this time, an overcurrent flows through the GCT thyristor element 1. At this timing t4 (time (t4-t3) is arbitrarily set), the gate drive circuit control circuit turns off the current limiting circuit 26 and keeps the on-gate circuit on, so that the GCT thyristor element 1 is stable. The ON state can be maintained.
[0024]
If the impedance (resistance, inductance, etc.) of the main circuit is appropriately set so that the overcurrent is less than the rated value of the surge-on current of the GCT thyristor element 1, the GCT thyristor element 1 Will not cause any problems.
[0025]
After the overcurrent flows through the GCT thyristor element 1, when the junction temperature of the GCT thyristor element 1 becomes sufficiently low and the GCT thyristor element 1 is found to have returned to the normal state, the gate drive circuit control circuit again The gate signals of the transistors Tr1, Tr2, and Tr3 are controlled to be off, on, and on, respectively. Thereby, the GCT thyristor element 1 can be returned to the OFF state.
[0026]
As described above, according to the present apparatus shown in FIG. 1, the gate current iG is measured by the off-gate current detection circuit 25 after the turn-off is started, and the main circuit current iA is monitored. When the maximum rated value of the controllable on-current is detected, the off-gate MOSFET 23 is instantaneously switched from on to off and the on-gate MOSFET 21 is switched from off to on, so that the current limiting circuit 26 By the action, the GCT thyristor element 1 is shifted to the on state without being turned off. Thereby, it is possible to protect the GCT thyristor element 1 from being overturned off.
[0027]
In the above description, the GCT thyristor element 1 for one phase is automatically protected from overcurrent turn-off. However, for example, when the main circuit is driven by three-phase AC, the GCT thyristor for each phase is used. If a GCT thyristor device as shown in FIG. 1 is provided for each element and the turn-off operation of each GCT thyristor element is controlled by the same method, the overcurrent is distributed to the GCT thyristor elements of each phase that has been turned on. The advantage that it can be made is obtained. This also applies to the second and third embodiments described below.
[0028]
(Embodiment 2)
FIG. 4 is a circuit diagram showing a GCT thyristor device according to the second embodiment. In this embodiment, the voltage detection circuit 27 in the gate drive circuit 2 measures the on-voltage at both ends when the off-gate MOSFET 23 (Tr2) is turned off, and the on-voltage is converted into a current by a conversion circuit (not shown). By doing so (see FIG. 5), the main circuit current iA is monitored. Other configurations are the same as those of the apparatus of FIG. Therefore, when it is detected from the monitoring result that the main circuit current iA exceeds the maximum rated value of the controllable on-current of the GCT thyristor element 1, the same control as in the first embodiment is performed, whereby the GCT thyristor element 1 can be protected from overcurrent turn-off.
[0029]
(Embodiment 3)
FIG. 6 is a circuit diagram showing a GCT thyristor device according to the third embodiment. In this embodiment, the voltage detection circuit 28 in the gate drive circuit 2 measures the voltage at both ends of the off-gate power supply capacitor 24 when it is turned off (see FIG. 7), and the reduced value ΔVC of the voltage at both ends is converted into a conversion circuit (not shown). The main circuit current iA is monitored by converting the current into a current (see FIG. 8). Other configurations are the same as those of the apparatus of FIG. Therefore, when it is detected from the monitoring result that the main circuit current iA exceeds the maximum rated value of the controllable on-current of the GCT thyristor element 1, the same control as in the first embodiment is performed, whereby the GCT thyristor element 1 can be protected from overcurrent turn-off.
[0030]
【The invention's effect】
According to the first and second aspects of the invention, it is possible to provide a control system that can reliably and automatically protect the GCT thyristor element from an overcurrent flowing through the GCT thyristor element.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram showing a GCT thyristor device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing the operation of the GCT thyristor device according to Embodiment 1 when the main circuit current is equal to or less than the maximum rated value of the controllable on-current of the GCT thyristor element.
FIG. 3 is a diagram showing the operation of the GCT thyristor device according to Embodiment 1 when the main circuit current exceeds the maximum rated value of the controllable on-current of the GCT thyristor element.
FIG. 4 is a circuit diagram showing a GCT thyristor device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing voltage and current characteristics of an off-gate MOSFET.
FIG. 6 is a circuit diagram showing a GCT thyristor device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram illustrating a voltage drop of an off-gate power supply capacitor.
FIG. 8 is a diagram illustrating a relationship between a voltage drop of an off-gate power supply capacitor and an off-gate current.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 GCT thyristor element, 2 Gate drive circuit, 21 On-gate MOSFET, 22 On-gate power supply capacitor, 23 Off-gate MOSFET (Tr2), 24 Off-gate power supply capacitor, 25 Off-gate current detection circuit, 26 Current limiting circuit, 261 Current limiting circuit MOSFET (Tr3), 262 current limiting circuit resistor, 27 off-gate MOSFET voltage detection circuit, 28 off-gate power supply capacitor voltage detection circuit.

Claims (2)

ゲート転流型ターンオフサイリスタ素子のターンオフ開始時の主回路電流を前記ターンオフ開始時以降のターンオフゲート電流の測定により直接にモニターすることにより、前記主回路電流が前記ゲート転流型ターンオフサイリスタ素子の可制御オン電流の最大定格値を越えたときを検出した場合には、前記可制御オン電流の最大定格値よりも小さく且つ前記ゲート転流型ターンオフサイリスタ素子をオフ状態に移行し得ない値に限定されたターンオフゲート電流を流し続け、その後にターンオン電流をも流し続けて前記ゲート転流型ターンオフサイリスタ素子をオン状態に移行させた後に、前記限定されたターンオフゲート電流のみをオフして前記ゲート転流型ターンオフサイリスタ素子をオン状態に保つことを特徴とする、
ゲート転流型ターンオフサイリスタ素子のゲート駆動装置。
By directly monitoring the main circuit current at the start of turn-off of the gate commutation type turn-off thyristor element by measuring the turn-off gate current after the start of the turn-off , the main circuit current can be used for the gate commutation type turn-off thyristor element. If it is detected that the maximum rated value of the control on-current is exceeded, the value is smaller than the maximum rated value of the controllable on-current and the gate commutation type turn-off thyristor element is limited to a value that cannot be turned off. The turned-off gate current continues to flow, and then the turn-on current continues to flow to shift the gate commutation type turn-off thyristor element to the on state, and then only the limited turn-off gate current is turned off to turn off the gate switching. The flow-type turn-off thyristor element is kept on ,
Gate drive device for gate commutation type turn-off thyristor element.
ゲート転流型ターンオフサイリスタ素子と、
請求項1記載の前記ゲート駆動装置とを有することを特徴とする、
ゲート転流型ターンオフサイリスタ装置。
A gate commutation type turn-off thyristor element;
The gate driving device according to claim 1,
Gate commutation type turn-off thyristor device.
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