JPH06189524A - 半導体バルブ - Google Patents

半導体バルブ

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JPH06189524A
JPH06189524A JP4336898A JP33689892A JPH06189524A JP H06189524 A JPH06189524 A JP H06189524A JP 4336898 A JP4336898 A JP 4336898A JP 33689892 A JP33689892 A JP 33689892A JP H06189524 A JPH06189524 A JP H06189524A
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voltage
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series
snubber
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Nagataka Seki
長隆 関
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明の目的は、高速半導体デバイスを直列
接続して構成される半導体バルブのタ―ンオフ時の電圧
分担を所定値以内に収めることが出来る半導体バルブを
提供することにある。 【構成】 複数の直列接続された半導体デバイスのタ―
ンオフ時における電圧分担のバラツキを或る値以下に保
つために、テイル電荷のバラツキ、テイル電流のバラツ
キ、テイル時間のバラツキ、オン時間のバラツキのいず
れかが所定範囲内にある高速半導体デバイスを直列接続
して構成したことを特徴とする半導体バルフ。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、高速高電圧の自己消弧
半導体デバイス（以下単に、半導体デバイスと記す）を
直列接続した半導体バルブに関する。
【０００２】
【従来の技術】直流送電や周波数変換或いは無効電力調
整等で用いられるサイリスタバルブでは１個のサイリス
タの電圧定格は高々６ｋｖであるので、通常数十から１
００のオ―ダのサイリスタが直列に接続される。その場
合多数のサイリスタが同一の動作を行わないと過電圧で
破壊する恐れがあるので、サイリスタを選別して使用す
ることが一般に行われる。例えば今井孝二著「パワエレ
クトロニクス」電気書院昭和５２年発行の２。５節に直
列接続に関する留意事項としてタ―ンオフ時の電圧分担
のバラツキを所定値に抑えるためには、サイリスタの回
復電荷のバラツキを或る範囲に揃える必要があることが
示されている。
【０００３】また自己消弧形の半導体デバイスの場合の
例として、関 長隆他編「タ―ンオフサイリスタ」電気
書院、昭和５８年発行の５。４節に、ＧＴＯの直列接続
ではタ―ンオフ時の電圧分担のバラツキを所定値に抑え
る為には、蓄積時間のバラツキを管理することが示され
ている
【０００４】図３はＧＴＯのタ―ンオフ時の陽極電流
Ｉ、ゲ―ト電流Ｉg 及び陽極電圧Ｖの波形とそれぞれの
名称を説明した図である。２個のＧＴＯの直列接続時に
２個のＧＴＯの蓄積時間ｔs のバラツキをΔｔs 、遮断
電流をｉs 、電荷量のバラツキをΔＱ1 とすると近似的
には次式で表される。 ΔＱ1 ＝Δｔs ・ｉs ΔＱ1 はスナバコンデンサの電荷量のバラツキに等しい
ので、これから電圧分担のバラツキをΔＶとし、スナバ
コンデンサの容量をＣとすると ΔＶ＝ΔＱ1 ／Ｃ ……（１） となる。
【０００５】ＧＴＯではスナバコンデンサに電流を移し
て電流の遮断を行わせるので、スナバコンデンサの容量
は遮断電流の大きさとリンクしている。例えば３０００
Ａ素子はスナバコンデンサ容量６μＦの試験条件で３０
００Ａの遮断が保証されている。直列接続においては、
（１）式から求めるコンデンサ容量と、遮断電流から求
まるコンデンサ容量の値のいずれか大きい方を選ぶ。
【０００６】しかしながら、スナバコンデンサの容量が
大きいということは、損失が多くなることを意味する。
即ち、一回のスイッチングで１／２ＣＥ2 のエネルギが
失われるので（Ｅは直流電圧）、５００ＨZ のスイッチ
ング周波数で数ＭＷ級の変換器を動作させると、スナバ
による損失だけで変換器容量の５％程度発生する。従っ
て、スナバコンデンサの容量は出来るだけ小さくしてい
く努力が続けられている。
【０００７】スナバコンデンサの容量を減らす為の手段
として、一つはＧＴＯ自身の改良である。ＧＴＯの内部
は良く知られているように、数１００μを単位とする小
さなＧＴＯの集合であるが、この単位のＧＴＯを更に微
細化することでスナバコンデンサの容量が低減される。
例えば、東芝レビュ―，ＶＯＬ．４７，ＮＯ．１，２９
頁図７（１９９２年１月）に記載されている。さらに例
えばＭＣＴ（ＭOS Ｃontrolled Ｔhyristor）、ある
いはＳＩＴＨ（Ｓtatic Ｉnduction Ｔhyristor）と
言った新高速半導体デバイスが現在種々研究されてお
り、これが実現すると（１）式によるコンデンサ容量の
選定基準では不十分になる。以下それを説明する。
【０００８】新高速半導体デバイスは微細化によりスナ
バコンデンサの容量は小さくなり、ＩＧＢＴに代表され
るトランジスタ形の半導体デバイスでは、スナバコンデ
ンサは必ずしも必要としない。しかしながら新高速半導
体デバイスもＩＧＢＴも高電圧化を図ると、図３に示す
テイル時間ｔl 中に流れる電流（これをテイル電流と言
う）が支配的になることが予想される。テイル電流とは
ｎベ―スに蓄積されたキャリアが排出されたもので、耐
圧に比例してｎベ―スの厚みが増加するから、耐圧の高
い半導体デバイスほど蓄積キャリア即ちテイル電流が増
加する。一方、微細化によりスナバコンデンサの容量が
減り、高速化が進められても、タ―ンオフ時間が減少す
るのみでテイル時間の減少の度合いは少ない。即ち、タ
―ンオフ時間と言うのはＧＴＯではｐベ―スとｎエミッ
タ間のジャンクションが回復するまでの時間で図でｔgq
で示されている。従って、タ―ンオフ時間ｔgqの電荷Ｑ
1とテイル時間の電荷Ｑ2 の割合は微細化によって後者
の割合いが相対的に増加してくる。その結果（１）式に
よるコンデンサ容量の選定は不都合になってきた。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】上述のように、半導体
デバイスの高速化に伴って、直列接続時の電圧分担のバ
ラツキをいかに抑えるがが課題である。
【００１０】本発明の目的は、半導体デバイスの高速化
によりテイル電流が直列接続時の電圧分担を支配するこ
とに着目して、テイル時間中の電荷量或いはそれと相関
のある量を電圧分担の管理値とした半導体バルブを提供
することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の請求項１に記載の半導体バルブは、複数の直
列接続された半導体デバイスのタ―ンオフ時における電
圧分担のバラツキを或る値以下に保つために、少くとも
テイル電荷のバラツキを基準に選別された半導体デバイ
スが直列接続されたことを特徴としている。
【００１２】本発明の請求項２に記載の半導体バルブ
は、複数の直列接続された半導体デバイスのタ―ンオフ
時における電圧分担のバラツキを或る値以下に保つため
に、少くともテイル電流のバラツキを基準に選別された
半導体デバイスが直列接続されたことを特徴としてい
る。
【００１３】本発明の請求項３に記載の半導体バルブ
は、複数の直列接続された半導体デバイスのタ―ンオフ
時における電圧分担のバラツキを或る値以下に保つため
に、少くともテイル時間のバラツキを基準に選別された
半導体デバイスが直列接続されたことを特徴としてい
る。
【００１４】本発明の請求項４に記載の半導体バルブ
は、複数の直列接続された半導体デバイスのタ―ンオフ
時における電圧分担のバラツキを或る値以下に保つため
に、少くともオン時間のバラツキを基準に選別された半
導体デバイスが直列接続されたことを特徴としている。
【００１５】
【作用】前述のように構成することにより、直列接続さ
れた半導体デバイスの電圧分担が等しくなり、信頼性の
ある半導体バルブを提供できる。
【００１６】
【実施例】以下本発明の一実施例を図１の構成図を参照
して説明する。
【００１７】図１において、１は直流電源、２は半導体
バルブ、３は負荷、４は還流ダイオ―ドである。半導体
バルブ２内部の構成は添字ａ，ｂを付して区別される２
組の半導体デバイスと、それに付随する部品で構成され
た例を示している。１１は半導体デバイスでシンボルは
ＧＴＯのそれと同じであるが、自己消弧能力を有する高
速半導体デバイスを示す。
【００１８】ここでは総称としてＨＳＳＤと略称する。
１２はＨＳＳＤと逆並列に接続されるダイオ―ド、１３
はスナバコンデンサ、１４はスナバダイオ―ド、１５は
スナバ抵抗である。１６はバルブリアクトル、１７はダ
イオ―ド、１８はバルブリアクトル１６のエネルギを消
費する抵抗である。
【００１９】図１に示す半導体バルブの構成は従来から
実施されている回路であるが、本発明はこの種の回路に
おいて、スナバコンデンサの容量を増加させることなく
半導体デバイスのタ―ンオフ時の電圧分担のバラツキを
抑えるための半導体デバイスの選別基準に関するもので
ある。
【００２０】初めに、この回路の動作を図１及び図２を
用いて説明する。負荷３には直流電源１、バルブリアク
トル１６、ＨＳＳＤ１１ａ、１１ｂを介して電流ＩL が
流れているときに、ＨＳＳＤ１１ａ，１１ｂがタ―ンオ
フする過程を考える。時刻ｔ1 にＨＳＳＤ１１にオフ信
号が印加されると、ＨＳＳＤ１１に通流していた電流Ｉ
L はＨＳＳＤ自身を流れる電流Ｉ11と、スナバダイオ―
ド１４とスナバコンデンサ１３の直列回路を流れる電流
Ｉc に分流する。この電流Ｉc はスナバコンデンサ１３
を充電する。図１に示すＡ，Ｃ間の電圧ＶACが、これは
２個のスナバコンデンサ１３ａ，１３ｂの電圧の和に等
しいが、電源電圧Ｖを超えようとすると、ダイオ―ド４
が導通し、負荷３とダイオ―ド４の閉回路で電流ＩL が
流れ続ける。バルブリアクトル１６を流れる電流の一部
はダイオ―ド１７と抵抗１８の回路に分流し、他は引き
続きスナバコンデンサ１３を充電する。 ＶAC−Ｖ＝Ｒ・ＩL （ただし、Ｒは抵抗１８の抵抗値） に達すると、バルブリアクトル１６の電流ＩL の全ては
ダイオ―ド１７と抵抗１８の閉回路に移り、スナバコン
デンサ１３の充電は終了する。実際には図１には示して
いない漂遊インダクタンスの影響で、スナバコンデンサ
１３は更に僅かに充電されるが本発明の説明には詳細に
過ぎるので省略する。
【００２１】図２の各部波形におて、ＨＳＳＤ１１の電
圧分担に影響する要素は、ｔ1 からｔ3 までにＨＳＳＤ
１１とスナバコンデンサ１３に流れる電流の比率であ
る。一般にコンデンサの電圧はＱ／Ｃで表される。ここ
でＱは電荷でコンデンサに流れる電流の時間積分値であ
る。Ｃはコンデンサ容量である。コンデンサ１３ａ，１
３ｂの容量Ｃは等しいとすると、電圧のバラツキはコン
デンサ電流Ｉc のバラツキで生ずる。直列接続を流れる
電流Ｉはａ，ｂとも等しいので、コンデンサ電流のバラ
ツキの原因は２組のＨＳＳＤの内部を流れる電流のバラ
ツキによって生じ、この電流はＨＳＳＤ内部の電荷で決
まる。前述のようにＨＳＳＤのタ―ンオフ時間（図２の
ｔ1 とｔ2 の時間，図３のｔgq）は微細化によって短く
なったので、バラツキの程度は少いが、テイル時間は依
然として短くならないので、これが電流のバラツキを生
むことになる。例えば１０００ＡクラスのＨＳＳＤのテ
イル電流のバラツキを２０Ａ、テイル時間は５０μs で
等しいとすると、電荷ＱのバラツキΔＱは２０Ａ・５０
／２＝５００マイクロク―ロンとなる。スナバコンデン
サの容量を０．２μＦとすると、ΔＶ＝５００／０．２
＝２５００Ｖとなる。５０００Ｖの素子ではΔＶの許容
値は高々５００Ｖであるから、スナバコンデンサの容量
を１μＦ程度にえらばなければならなくなり、これでは
スイッチング周波数を上げることが出来なくなる。従っ
て、本発明はテイル電荷（このような用語はここで便宜
上に定義するもので、テイル時間中テイル電流として排
出される電荷の意味）のバラツキを直列接続時のデバイ
スの選別基準にしたものである。例えば、前述の例でテ
イル電流のバラツキを４Ａ以内とすれば、同様な計算で
スナバコンデンサの容量が０．２μＦでΔＶは５００Ｖ
となる。
【００２２】このように本発明により、スナバコンデン
サの容量を増やすこと無く、電圧分担を許容値内に容易
に揃えることが出来るため、ＨＳＳＤの持つ高速のオン
・オフ制御が可能となる。
【００２３】尚、テイル電荷と関連するものとして、テ
イル電流或いはテイル時間を直列接続する素子の選別基
準にすることが考えられる。又、オン電圧を選別基準に
することが出来る。即ち、オン電圧はｎベ―ス内部のキ
ャリアとの相関があり、キャリアの蓄積が多いほど電圧
は低くなる。従って、或る基準の電流，ゲ―ト，温度条
件を与えたときのオン電圧（トランジスタ動作の場合は
飽和電圧と呼ぶが、ここではそれを含めてオン電圧と称
する）を基準に、直列接続の素子の選別を行うことが出
来る。
【００２４】又、図１の半導体バルブでは半導体デバイ
スの直列数を２としたが、数は２以上であればいずれの
値でもよい。また逆並列のダイオ―ド１２の有無、スナ
バ回路の方式が図１に限定されないことは明らかであ
る。半導体バルブの適用回路は図１に限定するものでは
ない。更に又、ＨＳＳＤは更に改良されたＧＴＯやＩＧ
ＢＴも含むものである。
【００２５】
【発明の効果】以上述べたように本発明はＨＳＳＤの直
列接続を行うに当って、少くともテイル電荷、テイル電
流、テイル時間、オン電圧の一つを選別基準にすること
により、タ―ンオフ時の電圧分担のバラツキをスナバコ
ンデンサの容量を増やすことなく、所定の値に抑えるこ
とが可能となる。その結果コンデンサの容量を増やすこ
とで生ずるロスの増大と制御性の悪化を防止出来ると共
に、生産性の向上を図ることが出来るなど、工業的な価
値が高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す構成図。
【図２】本発明の半導体バルブのタ―ンオフ時の動作波
形図。
【図３】ＧＴＯのタ―ンオフ時の波形と記号の説明図。
【符号の説明】
１…直流電源 １３…スナバコン
デンサ ２…半導体バルブ １４…スナバダイ
オ―ド ３…負荷 １５…スナバ抵抗 ４…還流ダイオ―ド １６…バルブリア
クトル １１…半導体デバイス（ＨＳＳＤ） １７…ダイオ―
ド １２…ダイオ―ド １８…抵抗 ａ，ｂ…二組の半導体デバイスとその周辺回路を区別す
る為の記号

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 複数の直列接続された半導体デバイス
    のタ―ンオフ時における電圧分担のバラツキを或る値以
    下に保つために、少くともテイル電荷のバラツキを基準
    に選別された半導体デバイスが直列接続されたことを特
    徴とする半導体バルブ。
  2. 【請求項２】 複数の直列接続された半導体デバイス
    のタ―ンオフ時における電圧分担のバラツキを或る値以
    下に保つために、少くともテイル電流のバラツキを基準
    に選別された半導体デバイスが直列接続されたことを特
    徴とする半導体バルブ。
  3. 【請求項３】 複数の直列接続された半導体デバイス
    のタ―ンオフ時における電圧分担のバラツキを或る値以
    下に保つために、少くともテイル時間のバラツキを基準
    に選別された半導体デバイスが直列接続されたことを特
    徴とする半導体バルブ。
  4. 【請求項４】 複数の直列接続された半導体デバイス
    のタ―ンオフ時における電圧分担のバラツキを或る値以
    下に保つために、少くともオン時間のバラツキを基準に
    選別された半導体デバイスが直列接続されたことを特徴
    とする半導体バルブ。
JP4336898A 1992-12-17 1992-12-17 半導体バルブ Pending JPH06189524A (ja)

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DE1993619076 DE69319076T2 (de) 1992-12-17 1993-12-08 Halbleiterstromrichterventil
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JPS6098823A (ja) * 1983-11-02 1985-06-01 株式会社東芝 電力変換装置
CH674687A5 (ja) * 1987-12-07 1990-06-29 Bbc Brown Boveri & Cie
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CA2107934C (en) 2001-05-01
EP0602892A2 (en) 1994-06-22
EP0602892B1 (en) 1998-06-10
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