JPH06189524A - 半導体バルブ - Google Patents
半導体バルブInfo
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- H03K17/08—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage
- H03K17/081—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage without feedback from the output circuit to the control circuit
- H03K17/0814—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage without feedback from the output circuit to the control circuit by measures taken in the output circuit
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Abstract
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
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。
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。
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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
して説明する。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
形図。
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)
- 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP4336898A JPH06189524A (ja) | 1992-12-17 | 1992-12-17 | 半導体バルブ |
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EP19930309891 EP0602892B1 (en) | 1992-12-17 | 1993-12-08 | Semiconductor valve |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP4336898A JPH06189524A (ja) | 1992-12-17 | 1992-12-17 | 半導体バルブ |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH06189524A true JPH06189524A (ja) | 1994-07-08 |
Family
ID=18303666
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP4336898A Pending JPH06189524A (ja) | 1992-12-17 | 1992-12-17 | 半導体バルブ |
Country Status (4)
Country | Link |
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EP (1) | EP0602892B1 (ja) |
JP (1) | JPH06189524A (ja) |
CA (1) | CA2107934C (ja) |
DE (1) | DE69319076T2 (ja) |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CH674687A5 (ja) * | 1987-12-07 | 1990-06-29 | Bbc Brown Boveri & Cie | |
DD298719A5 (de) * | 1989-08-04 | 1992-03-05 | Institut Fuer Elektronenphysik,De | Schaltungsanordnung zur ausschaltentlastung mit energierueckspeisung fuer abschaltbare leistungsschaltbauelemente |
-
1992
- 1992-12-17 JP JP4336898A patent/JPH06189524A/ja active Pending
-
1993
- 1993-10-07 CA CA 2107934 patent/CA2107934C/en not_active Expired - Lifetime
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- 1993-12-08 EP EP19930309891 patent/EP0602892B1/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
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CA2107934A1 (en) | 1994-06-18 |
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