JP6344106B2

JP6344106B2 - 半導体交流スイッチ

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Publication number: JP6344106B2
Application number: JP2014146940A
Authority: JP
Inventors: 田村　浩明; 浩明田村
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2014-07-17
Filing date: 2014-07-17
Publication date: 2018-06-20
Anticipated expiration: 2034-07-17
Also published as: JP2016025424A

Description

この発明は、平型素子として構成された半導体スイッチ素子であるサイリスタを逆並列接続して構成した半導体交流スイッチに係るもので、逆並列接続した各半導体スイッチ素子の電流を個別に検出することが可能な半導体交流スイッチに関するものである。

半導体スイッチ素子を逆並列接続して構成した半導体交流スイッチにおいて、この交流スイッチの故障を検出する等のために、図７に示すように、逆並列接続された２個の半導体スイッチ素子Ｓ１とＳ２のそれぞれに直列に電流検出器ＣＤ１、ＣＤ２を挿入して、各半導体スイッチ素子に流れる電流を検出することが行われている(特許文献１参照)。

このような半導体交流スイッチは、半導体スイッチ素子が平型素子で構成される場合は、図１０に示すように、半導体スイッチ素子Ｓ１、Ｓ２をそれぞれ両端に導電性冷却体Ｈ１１、Ｈ１２およびＨ２１、Ｈ２２を介して直列に積層し、相互に圧接してスタックとして構成されるのが一般的である。

このように構成された半導体交流スイッチスタックにおいて、半導体スイッチ素子Ｓ１とＳ２の間に配される導電性冷却体Ｈ１２とＨ２１は、通常は共通にできるが、半導体スイッチ素子Ｓ１、Ｓ２の電流を個別に検出するためには、導電性冷却体Ｈ１２とＨ２１との間に電気絶縁体ＥＩを挿入して導電性冷却体Ｈ１２とＨ２１とを互いに絶縁する必要がある。

積層された半導体スイッチ素子Ｓ１とＳ２を逆並列接続するために、導電性冷却体Ｈ１２とＨ２１を電源側の端子Ｕ１に接続し、導電性冷却体Ｈ２２を負荷側の端子Ｕ０に接続するとともに導電性冷却体Ｈ１１に接続する。そして、導電性冷却体Ｈ１１とＨ２２とを接続する。この導電性冷却体Ｈ１１とＨ２２とを接続する接続線に半導体スイッチ素子Ｓ１に流れる電流Ｉｓ１を検出する電流検出器ＣＤ１を挿入し、端子Ｕ１と導電性冷却体Ｈ２１とを接続する接続線に半導体スイッチ素子Ｓ２に流れる電流Ｉｓ２を検出する電流検出器ＣＤ２を挿入し、電流検出器ＣＤ１、ＣＤ２の出力を、それぞれ絶対値検出回路Ａｂｓ１、Ａｂｓ２を介して、同極性に揃えられた電流検出信号ＩＳ１、ＩＳ２として取り出す。

このような半導体交流スイッチＡＣＳの端子Ｕ１から図１１（ａ）に示すような交流電流Ｉｓを供給し、両方の半導体スイッチ素子Ｓ１、Ｓ２にゲート信号を加えて導通させ、交流スイッチＡＣＳをオンにすると、半導体スイッチ素子Ｓ１、Ｓ２が正常に動作している状態では、絶対値検出回路Ａｂｓ１、Ａｂｓ２から、それぞれ図１１（ｂ）、（ｃ）のｔ０時点からｔｎ時点間に示すように交流電流Ｉｓの半波の波形をした電流検出信号ＩＳ１、ＩＳ２が交互に出力される。図１１のｔｎ時点で交流スイッチＡＣＳの半導体スイッチ素子Ｓ２に素子が短絡し、逆阻止機能が喪失する故障が発生すると、図１１（ｃ）に示すように、電流検出器ＣＤ２に接続された絶対値検出回路Ａｂｓ２から取り出される電流検出信号ＩＳ２は、ｔｎ時点以降、交流電流Ｉｓを全波整流した波形となるので、このような電流検出信号ＩＳ２の波形の変化から半導体スイッチ素子Ｓ２に短絡故障が発生したことを検知することができる。

特開平０５‐２６０６４５号公報

前記のように、平型の半導体スイッチ素子Ｓ１、Ｓ２を、導電性冷却体を介して直列に積層圧接し、かつ半導体スイッチ素子Ｓ１、Ｓ２を逆並列接続して構成したスタック形の半導体交流スイッチの場合は、各半導体スイッチ素子の電流を個別に検出するためには、２つの半導体スイッチ素子の間の電導性冷却体を２分割し、間に電気絶縁体を挿入して絶縁する必要があるため、電気絶縁体を挿入した分、スタックの長さが長くなり大形になる不都合がある。

この発明は、このような不都合を解消するため、２つの平型半導体スイッチ素子を両端に導電性冷却体を介して直列に積層して圧接し、かつ複数の平型半導体スイッチ素子を逆並列接続して構成したスタック形交流スイッチにおいて、２つの半導体スイッチ素子の導電性冷却体間の電気絶縁体を省略しても各半導体スイッチ素子に流れる電流を個別に検出することのできる半導体交流スイッチを提供することを課題とするものである。

前記の課題を解決するため、この発明は、２組の半導体スイッチ素子を逆並列接続してなる半導体交流スイッチにおいて、前記２組の一方の組の半導体スイッチ素子に流れる電流を検出する第１の電流検出器と、前記２組の半導体スイッチ素子に流れる電流を一括して検出する第２の電流検出器と、この第２の電流検出器の検出出力から、前記第１の電流検出器の検出出力を減算して前記２組の他方の組の半導体スイッチ素子に流れる電流を求める電流演算手段とを設けたことを特徴とするものである。

この発明においては、前記の半導体スイッチ素子を平型半導体スイッチ素子とし、前記平型半導体スイッチ素子の電極と電気的および熱的に接触される導電性冷却体と２組の平型半導体スイッチ素子とを交互に積層圧接して一体的なスタックを構成し、このスタックの両端の導電性冷却体を第２の端子に接続し、かつ前記第１の電流検出器を前記両端の導電性冷却体を接続する接続線に挿入し、前記２組の平型半導体スイッチ素子の間の導電性冷却体と第１の端子とを接続する接続線に挿入した構成とすることができる。

この発明おいては、前記第１の電流検出器の出力の絶対値と前記電流演算手段の出力の絶対値とを比較し、両方の出力が同時にあることを検知して前記半導体スイッチ素子の導通故障を検出する異常検出回路を設けるのがよい。

さらに、前記２組の半導体スイッチ素子を逆並列接続してなる半導体交流スイッチを２組直列に接続して１極または１相分の切換え用半導体交流スイッチ回路を構成し、全部の半導体スイッチ素子を導電性冷却体と交互に圧接積層し、一体的なスタックを構成することもできる。

この発明によれば、２組の半導体スイッチ素子を逆並列接続してなる半導体交流スイッチにおいて、２組の一方の組の半導体スイッチ素子を流れる電流を検出する第１の電流検出器と、２組の半導体スイッチ素子を流れる電流を一括して検出する第２の電流検出器と、この第２の電流検出器の検出出力から第１の電流検出器の検出出力を減算して２組の他方の半導体スイッチ素子を流れる電流を求める電流演算手段を設けて、各組の半導体スイッチ素子を流れる電流を個別に検出するようにしているので、２組の半導体スイッチ素子を間に共通の導電性冷却体を介挿して電気的に接続することができるので、中間の導電性冷却体の分割用絶縁体が不要となり、スイッチ全体を小形にすることができる。

この発明の実施例１の半導体交流スイッチのスタック構成を示す概略構成図。この発明の実施例１の半導体交流スイッチの回路構成を示す回路図。この発明の半導体交流スイッチに用いる異常検出回路の例を示す回路構成図。この発明の半導体交流スイッチの電流検出回路における２組の半導体スイッチ素子の一方の組の半導体スイッチ素子に導通故障が生じたときの各電流検出信号の変化を示す波形図。この発明の半導体交流スイッチの電流検出装置における２組の半導体スイッチ素子の他方の組の半導体スイッチ素子に閉塞される導通故障が生じたときの各電流検出信号の変化を示す波形図。この発明の半導体スイッチにより構成した１相分の交流切換回路用半導体交流スイッチのスタック構成を示す構成図。この発明の半導体スイッチにより構成した１相分の交流切換回路用半導体交流スイッチの回路構成を示す回路図。この発明の半導体スイッチにより構成した電源切換回路用の３相半導体スイッチの回路構成を示す回路図。従来の半導体交流スイッチの回路構成を示す回路図。従来の半導体交流スイッチのスタック構成を示す構成図。従来の半導体交流スイッチの電流検出装置における２組の半導体スイッチ素子の正常な場合と他方の組の半導体スイッチ素子に閉塞される導通事故が生じたときの各検出電流出力の波形を示す波形図。

この発明の実施の形態を図に示す実施例について説明する。

図１はこの発明の第１の実施例の半導体交流スイッチＡＣＳを示すスッタク構成図である。

図１において、Ｓ１、Ｓ２は、平型素子で構成されたサイリスタ、ＧＴＯ，ＩＧＢＴ素子等からなる半導体スイッチ素子である。Ｈ１〜Ｈ３は、この半導体スイッチ素子Ｓ１，Ｓ２の電極に電気的および熱的に圧接接合された導電性冷却体である。導電性冷却体Ｈ１〜Ｈ３と半導体スイッチ素子Ｓ１、Ｓ２は交互に圧接して直列に積層して一体的なスタックを構成する。

このスタックの両端の導電性冷却体Ｈ１とＨ２は互いに電気的に接続されるとともに、負荷側の端子Ｕ０に接続される。２つの半導体スイッチ素子Ｓ１、Ｓ２の中間の導電性冷却体Ｈ２は、負荷側端子Ｕ１に接続する。これにより半導体スイッチ素子Ｓ１、Ｓ２は図２に示すように、端子Ｕ１とＵ０の間に逆並列接続される。導電性冷却体Ｈ１とＨ３を接続する接続線には、半導体スイッチ素子Ｓ１に流れる一方向の電流を個別に検出するための電流検出器ＣＤ１を挿入する。端子Ｕ０と中間の導電性冷却体Ｈ２とを接続する接続線には、２つの半導体スイッチ素子Ｓ１、Ｓ２に流れる電流を一括して検出するための電流検出器ＣＤ２を挿入する。

このため、電流検出器ＣＤ１によっては、半導体交流スイッチＡＣＳの第１の半導体スイッチ素子Ｓ１に流れる一方向の電流Ｉｓ１を検出することができるが、電流検出器ＣＤ２によっては、第１、第２の半導体スイッチ素子Ｓ１、Ｓ２を流れる電流Ｉｓ１、Ｉｓ２を一括した電流Ｉｓ（＝Ｉｓ１＋Ｉｓ２）しか検出することができない。

第２の半導体スイッチ素子Ｓ２の電流を検出するために、図３に示電流検出回路を使用する。

図３の電流検出回路は、電流演算器ＯＰを備える。この演算器ＯＰの加算入力側（＋）には、電流検出器ＣＤ２で検出した半導体スイッチ素子ＡＣＳの半導体スイッチ素子Ｓ１とＳ２の電流Ｉｓ１とＩｓ２とを一括(合計)した電流Ｉｓが加えられる。そして減算入力側（−）には、電流検出器ＣＤ１で検出した半導体スイッチ素子Ｓ１の電流Ｉｓ１が加えられる。このため、演算器ＯＰで、加算入力に加えられた半導体スイッチ素子Ｓ１、Ｓ２を流れる電流を一括して検出された電流Ｉｓ（＝Ｉｓ１＋Ｉｓ２）から、個別に検出された半導体スイッチ素子Ｓ１を流れる電流Ｉｓ１を減算する（１）式の演算処理が行われ、半導体スイッチ素子Ｓ２を流れる電流Ｉｓ２が求められる。

Ｉｓ−Ｉｓ１＝（Ｉｓ１＋Ｉｓ２）−Ｉｓ１＝Ｉｓ２（１）
図３の電流検出回路では、絶対値検出回路Ａｂｓ１およびＡｂｓ２により、それぞれ電流検出器ＣＤ１で検出された半導体スイッチ素子Ｓ１の電流Ｉｓ１の絶対値ＩＳ１および演算器ＯＰにより求められた半導体スイッチ素子Ｓ２の電流Ｉｓ２の絶対値ＩＳ２を求める。この半導体スイッチ素子Ｓ１およびＳ２の電流の絶対値ＩＳ１およびＩＳ２は、それぞれ波形成形回路ＷＳ１、ＷＳ２により波形成形して、矩形状の電流検出信号ＩＰ１、ＩＰ２に変換される。

半導体スイッチ素子の異常発生を監視するために、電流検出信号ＩＰ１、ＩＰ２は、半導体スイッチ素子Ｓ１、Ｓ２が導通故障を発生し常時閉路状態となる異常を検出する導通異常検出回路ＦＤａのアンド素子ＡＤに加えられる。異常検出回路ＦＤのフリップフロップ回路ＦＦは、アンド回路ＡＤの出力でセットされ、リセット処理が行われるまでアンド回路ＡＤの出力信号を保持する動作をする。

異常検出回路ＦＤのアンド回路ＡＤは、半導体スイッチ素子Ｓ１、Ｓ２のゲートにゲート（導通指令）信号が加えられ半導体交流スイッチが導通（オン）状態にあることを条件にして作動する。

この異常検出回路ＦＤによる異常検出動作を図４、図５を参照して説明する。

図４は、ｔ０時点からｔｎ時点では、半導体交流スイッチＡＣＳの半導体スイッチ素子Ｓ１、Ｓ２が正常にオン動作し、ｔｎ時点で半導体スイッチ素子Ｓ２に閉路状態となり逆阻止能力が喪失した導通故障が発生した状態を示している。

ここでは、半導体スイッチ素子Ｓ１は正常に動作しているので、半導体スイッチ素子Ｓ１の電流Ｉｓ１に基づく電流検出信号ＩＳ１およびＩＰ１は、一括電流Ｉｓの正の半波の期間だけに発生する。

半導体スイッチ素子Ｓ２にｔｎ時点で導通故障が発生するまでは、この半導体スイッチ素子Ｓ２の電流Ｉｓ２に基づく電流検出信号Ｉｓ２およびＩＰ２は、一括電流Ｉｓの負の半波の期間だけに発生するが、ｔｎ時点以降は、正の半波の期間にも発生する。

ｔｎ時点で半導体スイッチ素子Ｓ２に閉路状態となる導通故障が発生すると、ｔｎ時点後に一括電流Ｉｓが最初に正となる半波の期間に、波形成形回路ＷＳ１およびＷＳ２の出力信号ＩＰ１とＩＰ２がともにＨレベルとなるので、アンド回路ＡＤで、ＩＰ１とＩＰ２の両方の信号の一致が検出される。この結果。アンド回路ＡＤの出力がＨレベルとなり、これがフリップフロップ回路ＦＦに保持され、Ｈレベルの異常検出信号Ｆが出力される。これにより、半導体交流スイッチＡＣＳの半導体スイッチ素子に短絡故障の異常が発生したことが報知される。

図５は、半導体交流スイッチＡＣＳのもう一方の半導体スイッチ素子Ｓ１にｔｎ時点で同様に導通故障が発生した場合の各信号の変化を示す波形図である。

この場合は、図５（ｂ）、（ｃ）に示すように、ｔｎ時点において、半導体スイッチ素子Ｓ１の電流Ｉｓ１に基づく電流検出信号ＩＳ１およびＩＰ１が一括電流Ｉｓの負の半波の期間にＨレベルとなる。このため、ｔｎ時点において、アンド回路ＡＤにおいて、２つの電流検出信号ＩＰ１とＩＰ２の一致が検知され、アンド回路ＡＤからＨレベルの出力信号が出力され、フリップフロップ回路ＦＦａにより保持されて、Ｈレベルの異常検出信号Ｆが出力される。これによって、半導体交流スイッチＡＣＳの半導体スイッチ素子に導通故障の異常が発生したことが報知される。

このようにこの発明によれば、半導体交流スイッチＡＣＳの逆並列接続された半導体スイッチ素子Ｓ１、Ｓ２の電流Ｉｓ１、Ｉｓ２を個別に検出することができ、この個別の検出電流に基づく電流検出信号ＩＰ１、ＩＰ２がともにある（Ｈレベル）ことを監視することによって、半導体スイッチ素子の導通故障を検出することができる。

この発明の半導体交流スイッチは、簡単に１つの負荷を２つの電源や回路に切換接続するための切換用交流スイッチとすることができる。この切換用交流スイッチの例を実施例２として図６〜図８に示す。

図６は、単相の切換用半導体交流スイッチのスタック構成を示す。この切換用半導体交流スイッチスタックは、図１に示す実施例１の半導体交流スイッチスタックを２個直列に接合するだけで簡単に構成することができ、両スタックの中間の導電性冷却体Ｈ３は共用することにより構成の簡素化が図れる。

第１のスタックの第１の電流検出器ＣＤ１は、半導体スイッチ素子Ｓ１に流れる一方向の電流を個別に検出するために、導電性冷却体Ｈ１と導電性冷却体Ｈ３とを接続する接続線に挿入する。電流検出器ＣＤ２は、第１の電源側端子Ｕ１と導電性冷却体Ｈ２とを接続する接続線に挿入して、半導体スイッチ素子Ｓ１、Ｓ２に流れる電流を一括して検出する。

また、第２のスッタクの第３の電流検出器ＣＤ３は、第２の電源側端子Ｕ２と導電性冷却体Ｈ４とを接続する接続線に挿入して、半導体スイッチ素子Ｓ３、Ｓ４に流れる電流を一括して検出する。第４の電流検出器ＣＤ４は、半導体スイッチ素子Ｓ４に流れる電流を個別に検出するために、導電性冷却体Ｈ３とＨ５とを接続する接続線に挿入する。

図６の切換用半導体交流スイッチスタックの回路構成は、図７に示すとおりである。

図８は、図７に示す単相の切換用半導体スイッチを３相分組み合わせて、３相の２つの交流電源ＰＳ１，ＰＳ２から３相の負荷Ｌに切り替えて供給するための切換スイッチに適用した例を示す。

各相の半導体スイッチ素子Ｓ１、Ｓ２で構成された第１の半導体交流スイッチＡＣＳ１をオンにすると交流電源ＰＳ１から負荷Ｌに給電される。この半導体スイッチ素子Ｓ１、Ｓ２で構成される交流スイッチＡＣＳ１をオフにして、半導体スイッチ素子Ｓ３、Ｓ４で構成される第２の半導体交流スイッチＡＣＳ２をオンに切換えることにより、負荷Ｌへの給電を電源ＰＳ１から電源ＰＳ２に切り替えることができる。

このように、１相分の交流スイッチスタックを２つの交流スイッチスタックを結合して一体的に構成することにより、中間の導電性冷却体を共用し省略することができるので、スタックの構成を小形にできる効果が得られる。

ＡＣＳ、ＡＣＳ1、ＡＣＳ２：半導体交流スイッチ素子
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４：半導体スイッチ素子
ＣＤ１、ＣＤ２、ＣＤ３、ＣＤ４：電流検出器
ＯＰ：演算器
Ａｂｓ１，Ａｂｓ２：絶対値検出回路
ＷＳ１、ＷＳ２：波形成形回路
ＦＤ：異常検出回路
ＡＤ：アンド回路
ＦＦ：フリップフロップ回路(信号保持回路)

Claims

２組の半導体スイッチ素子を逆並列接続してなる半導体交流スイッチにおいて、前記２組の一方の組の半導体スイッチ素子に流れる電流を検出する第１の電流検出器と、前記２組の半導体スイッチ素子に流れる電流を一括して検出する第２の電流検出器と、この第２の電流検出器の検出出力から、前記第１の電流検出器の検出出力を減算して前記２組の他方の組の半導体スイッチ素子に流れる電流を求める電流演算手段とを設け、
前記半導体スイッチ素子を平型半導体スイッチ素子とし、前記平型半導体スイッチ素子の電極と電気的および熱的に接触される導電性冷却体と２組の平型半導体スイッチ素子とを交互に積層圧接して一体的なスタックを構成し、このスタックの両端の導電性冷却体を第２の端子に接続し、かつ前記第１の電流検出器を前記両端の導電性冷却体を接続する接続線に挿入し、前記２組の平型半導体スイッチ素子の間の導電性冷却体と第１の端子とを接続する接続線に挿入することを特徴とする半導体交流スイッチ。
請求項１記載の半導体交流スイッチにおいて、前記第１の電流検出器の出力の絶対値と前記電流演算手段の出力の絶対値とを比較し、両方の出力が同時にあることを検知して前記半導体スイッチ素子の導通故障を検出する異常検出回路を設けたことを特徴とする半導体交流スイッチ。
請求項１または２に記載の半導体交流スイッチにおいて、前記２組の半導体スイッチ素子を逆並列接続してなる半導体交流スイッチを２組直列に接続して１極または１相分の切換え用半導体交流スイッチ回路を構成し、全部の半導体スイッチ素子を導電性冷却体と交互に圧接積層し、一体的なスタックを構成したことを特徴とする半導体交流スイッチ。