JPH0993908A - 半導体スイッチ駆動回路 - Google Patents

半導体スイッチ駆動回路

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JPH0993908A
JPH0993908A JP7269181A JP26918195A JPH0993908A JP H0993908 A JPH0993908 A JP H0993908A JP 7269181 A JP7269181 A JP 7269181A JP 26918195 A JP26918195 A JP 26918195A JP H0993908 A JPH0993908 A JP H0993908A
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voltage
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switch element
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JP7269181A
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Keiichi Tsurumi
惠一 鶴見
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Denshi Seigyo Group Kk
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 任意のパルス幅で高速動作の高電圧半導体ス
イッチ駆動回路を極めて単純な回路構成で実現可能にす
る。 【解決手段】 高圧電流回路中に上記パルストランス２
から得られたパルス電圧をダイオード３を介して容量性
負荷のゲートに受ける高電圧用半導体スイッチ素子５を
接続し、上記ダイオード３に対して上記パルス電圧の立
ち上がり時に上記ゲートの容量に充電された電荷を上記
パルス電圧の立ち下がり時に放電させる第２のスイッチ
素子４を接続する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、高電圧を任意の
パルス幅でスイッチング可能とするものであり、高電圧
をコイルに印加してコイルの試験を行うインパルスコイ
ル試験機の高圧印加回路などに用いる半導体スイッチ駆
動回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来から、高電圧の半導体スイッチ素子
として、サイリスタ，ＭＯＳＦＥＴおよびＩＧＢＴ等が
すでに実用化されているが、それらの半導体スイッチ素
子の耐電圧は、通常１５００Ｖ程度であり、従って、そ
れ以上の電圧のスイッチングには複数個の上記半導体ス
イッチ素子が直列接続されて使用される。
【０００３】この場合のスイッチング性能は、上記各半
導体スイッチ素子のゲート電極を均等に駆動し、かつ絶
縁をいかに確保するかに大きく影響される。
【０００４】そこで、特に、５ＫＶ以上のスイッチ駆動
回路を構成しようとする場合には、絶縁と直列接続を容
易に実現できるフェライトのリングコアを使用したパル
ストランスを用いて、半導体スイッチ素子を駆動する方
法が広く提案されている。
【０００５】図４は、半導体スイッチ素子としてのサイ
リスタとフェライトのリングコアを用いて形成したかか
る従来の半導体スイッチ駆動回路を示すもので、この図
においては、電源１０から一次導体１５に流れる電流を
リングコアを用いた２つのパルストランス１１を貫通さ
せ、トランジスタ１２のオン・オフによりパルス状の電
流とする。
【０００６】このために、パルストランス１１の二次側
にはコイルの巻数比に相当する電圧が発生し、サイリス
タ１３をトリガし、同サイリスタ１３を急速に導通状態
にする。
【０００７】この場合において、高電圧の半導体スイッ
チ素子である各サイリスタ素子としての各サイリスタ１
３は、図示のように、複数個を直列接続することでより
高い電圧のスイッチングが可能となり、各素子間の絶縁
は、一次導体１５に高絶縁ケーブルを使用することで容
易に解決される。
【０００８】なお、一次導体１５に接続されるスイッチ
素子としては、同図のように、トランジスタ１２の他
に、サイリスタあるいはパワーＭＯＳＦＥＴを用いるこ
とができる。
【０００９】この場合において、一旦導通状態となった
サイリスタ１３が断となるのは、サイリスタ１３の特性
に依存し、高圧電流が完全に流れきり、ほぼこの電流が
ゼロとなった時に断の状態となる。
【００１０】ここで、抵抗１４は、各サイリスタ１３間
の電圧分担を均等化するために設けられている。
【００１１】図５は、高圧電流のスイッチングにパワー
ＭＯＳＦＥＴもしくはＩＧＢＴを用いた例を示すもの
で、この例でも、電源２０および一次導体２５に接続さ
れたスイッチ素子２２としてのトランジスタのオン・オ
フによりパルストランス２１の二次側にパルス電圧を発
生させている。
【００１２】この例では、高電圧の半導体スイッチ素子
としてパワーＭＯＳＦＥＴもしくはＩＧＢＴ２３を用い
ることで、この半導体スイッチ素子をパルストランス２
１の二次側に発生したパルスのパルス幅の時間帯だけ導
通させるようにしている。
【００１３】また、このパルス幅は、トランジスタ２２
のベースに加えるパルス信号のパルス幅に依存するが、
その幅はパルストランス２１の特性により制限される。
【００１４】なお、半導体スイッチ素子であるパワーＭ
ＯＳＦＥＴもしくはＩＧＢＴ２３の直列接続および素子
間の絶縁が容易であることは、図４について説明した場
合と同様である。
【００１５】また、２４は、各素子間の電圧分担を均等
価するための抵抗である。
【００１６】図６は、図５を改善したもので、この例で
は、アンドゲート３３において、パルス信号３４を高い
周波数の信号３５で変調し、パルストランス３１の一次
電流をパルス信号３４幅のクロックパルス３６の状態で
流すようにしている。
【００１７】このため、パルストランス３１の二次側に
はその巻数比に相当する電圧のクロックパルスが発生す
るが、ゲート回路３９ではそのクロックパルスを整流回
路およびリセット回路により元のパルス信号３４に復調
し、この復調を行った信号をＭＯＳＦＥＴもしくはＩＧ
ＢＴ３７のゲート電極に加えている。
【００１８】なお、この場合におけるクロック信号の周
波数としては、数ＭＨｚが実用的である。
【００１９】この例では、パルストランス３１の特性
は、クロック信号の周波数に対してのみ十分な伝達特性
があればよく、図５の例のように、パルストランス２１
の特性により制約されていたパルス信号幅の限界が除か
れ、任意の幅とすることができる。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
技術である図４および図５に示す半導体スイッチ駆動回
路での問題点は、高圧電流を導通の状態とする時間幅を
任意に設定できないことである。
【００２１】すなわち、図４の例では、高圧電流が流れ
ている時点で断とすることは不可能であり、高圧電流が
流れきってほぼゼロとなったとしても、もとの断の状態
を保証するために高圧電流源の動作を一次停止する等の
煩わしい処置が必要となる。
【００２２】また、図５の例では、高速動作させようと
するパルストランス２１を高周波域で良好な伝達特性と
なるよう設計しなくてはならず、一方、そのようなパル
ストランス２１は低周波域での伝達特性が悪化するた
め、スイッチングの時間幅が制限され、用途もきわめて
制限されたものとなるという課題があった。
【００２３】さらに、図６の例では、上記の問題点は解
決されているが、回路構成が複雑であり、経済性および
高電圧を扱う上での信頼性からも好ましくない。
【００２４】また、ゲート回路３９を容易に実現するた
め、一般のＩＣ素子を使用した回路が実用化されている
が、ＩＣの動作電圧である５Ｖがスイッチ素子３７のゲ
ート電圧として制限されるため、スイッチ素子３７の選
定が限定されたものとなるなどの課題があった。
【００２５】この発明は、上記のような従来の課題を解
決するためになされたものであり、簡単な回路構成にて
任意のパルス幅で高電用の半導体スイッチ素子を高速動
作させることができる半導体スイッチ駆動回路を提供す
ることを目的とする。
【００２６】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明にかかる
半導体スイッチ駆動回路は、パルス信号の入力タイミン
グに従って一次導体に流れる電流をオン・オフする第１
のスイッチ素子と、上記一次導体に流れるパルス電流を
検出して巻数比に相当するパルス電圧を二次側に誘起す
る高周波用のパルストランスと、高圧電流回路中に接続
されて上記パルストランスから得られたパルス電圧をダ
イオードを介して容量性負荷のゲートに受ける高電圧用
半導体スイッチ素子と、を設け、上記ダイオードに対し
て、上記パルス電圧の立ち上がり時に上記ゲートの容量
に充電された電荷を上記パルス電圧の立ち下がり時に放
電させる第２のスイッチ素子を並列接続したものであ
る。
【００２７】請求項２の発明にかかる半導体スイッチ駆
動回路は、複数の上記高電圧用半導体スイッチ素子を上
記高圧電流回路に直列接続するようにしたものである。
【００２８】
【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態を図
について説明すると、図１において、１は、直流の電
源、１ａは、電源１に接続された一次導体、７は、この
一次導体１ａの途中に接続された第１のスイッチ素子と
してのトランジスタで、このトランジスタ７のベースに
はスイッチング用のパルス信号が入力される。
【００２９】また、２は、上記一次導体１ａにこれを貫
通するように設けられたリングコアを有し、かつ入力パ
ルスの立ち上がり，立ち下がりに高速に応答するパルス
トランスで、このパルストランス２の二次側（コイル）
の一端には、ダイオード３を介して、高圧電流回路Ｌの
途中に接続された高電圧用半導体スイッチング素子とし
てのＭＯＳＦＥＴ５のゲートが接続されている。
【００３０】なお、このＭＯＳＦＥＴや他の高電圧用半
導体スイッチ素子であるＩＧＢＴの各ゲートは容量性負
荷で、上記パルストランス２からの立ち上がり信号を充
電するように機能する。
【００３１】さらに、４は、上記ダイオード３に逆並列
接続された第２のスイッチ素子としてのＮＰＮ型のトラ
ンジスタで、これのベースには、パルストランス２の二
次側（コイル）の他端が抵抗６を介して接続されてい
る。
【００３２】また、その二次側（コイル）の他端は、上
記ＭＯＳＦＥＴ５のソースに接続されている。
【００３３】８は、ＭＯＳＦＥＴ５のゲート電位を安定
化するための抵抗で、そのＭＯＳＦＥＴ５のゲート，ソ
ース間に接続されている。
【００３４】次に、動作について説明すると、パルスト
ランス２の一次導体１ａに対して、電源１の電流をトラ
ンジスタ７からの図２（ａ）に示すようなパルス電流を
流すことは従来の場合と同様であるが、パルストランス
２は、パルスの立ち上がりおよび立ち下がりがきわめて
高速に伝達されるよう設計されている。
【００３５】このため、幅の広いパルス信号は伝達でき
ず、パルストランス２の二次側の波形は、図２（ｂ）に
示すように、微分されたものになっている。
【００３６】そして、図２（ｂ）の微分された立ち上が
り信号は、ダイオード３を介してＭＯＳＦＥＴ５のゲ
ート電極容量を急速に充電し、このＭＯＳＦＥＴ５は導
通状態となる。
【００３７】ここで、ＭＯＳＦＥＴ５のゲート漏れ電流
はきわめて小さいため、パルス信号のほぼピーク電圧が
ゲート電極容量により保持され、図２（ｃ）のの状
態、すなわち、高電圧用半導体スイッチ素子としてのＭ
ＯＳＦＥＴ５の導通状態が継続する。
【００３８】次に、図２（ｂ）の微分された立ち下がり
信号では、ＮＰＮ型のトランジスタ４のベースがエミ
ッタに対して正の電位となり、コレクタとエミッタ間が
導通となる。
【００３９】このため、ＭＯＳＦＥＴ５のゲート電荷が
急速に抜き取られる。
【００４０】このとき、トランジスタ４のエミッタ電位
は、図２（ｂ）に示すように負の電位となっているた
め、ＭＯＳＦＥＴ５のゲート電位は急速に低下するとと
もに、図２（ｃ）に示すように負電位のピークが発生
する。
【００４１】この負電位のピークは、邪魔であればダ
イオードでクランプして取り除くことは容易であるが、
ＭＯＳＦＥＴ５を急速に断の状態とするには好都合であ
り、図２（ａ）に示すような任意幅のパルス信号に従っ
たＭＯＳＦＥＴ５の駆動信号としては理想的である。
【００４２】なお、上記抵抗６の値は、パルス信号の立
ち下がりの微分波形でトランジスタ４をオンとさせるた
めに十分に必要なベース電流を流せるものであればよ
い。
【００４３】さらに、上記抵抗８は、パルス信号の無い
状態でＭＯＳＦＥＴ５のゲート電位が不安定になること
を避けることができ、必要とする最大のパルス幅（図２
（ｃ）の）の時間内にゲート電位が下がり過ぎないよ
うな値を選ぶ。
【００４４】図３は、この発明の他の実施の形態を示す
回路図であり、ここでは、複数の高電圧用半導体スイッ
チ素子であるＭＯＳＦＥＴ４３を直列に接続することを
容易にするため、従来例と同様に複数のパルストランス
４１にはフェライトのリングコアを使用してある。
【００４５】なお、上記複数のパルストランス４１の一
次導体４４にパルス電流を流すスイッチ素子としてバイ
ポーラトランジスタを用いることができるが、ここで
は、パルスの立ち下がりでの高速動作が容易な高電流の
ＭＯＳＦＥＴ４３を使用している。
【００４６】また、抵抗４５は、各ＭＯＳＦＥＴ４３の
電圧分担を均等にするものであり、高速に電位が推移す
る場合にも電圧分担の均等を保つため、コンデンサ４６
をそのＭＯＳＦＥＴ４３にそれぞれ並列接続してある。
【００４７】通常、ＭＯＳＦＥＴ４３のゲートを駆動す
る電圧は、１０ボルトから１５ボルト程度で充分であ
り、ゲート容量に充電するためのダイオード４７は小信
号用のシリコンダイオードが用いられ、ゲート電荷を抜
き取るための第２のスイッチ素子としてのトランジスタ
４８は、小信号用のＮＰＮトランジスタが使用されて、
十分な動作速度が確保される。
【００４８】そして、このトランジスタ４８は、必要に
応じてＦＥＴに置き換えることもできる。
【００４９】従って、この実施の形態では、約２マイク
ロ秒から１００ミリ秒程度のパルス幅に対して安定に高
圧電流をスイッチング可能である。
【００５０】なお、このようなスイッチング特性は、こ
の回路の限界ではなく、必要であれば、ＭＯＳＦＥＴ４
３のゲートにコンデンサを並列に接続することによって
容量を増大することで、さらに長い時間でのスイッチン
グも可能となるものである。
【００５１】また、４９は、パルス立ち下がりの微分波
形でトランジスタ４８をオンとさせるための所定値の抵
抗、５０は、ＭＯＳＦＥＴ４３のゲート電位を安定化す
る抵抗、４２は、第１のスイッチ素子としてのＭＯＳＦ
ＥＴである。
【００５２】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、この発明に
よれば、パルス信号の入力タイミングに従って一次導体
に流れる電流をオン・オフする第１のスイッチ素子と、
上記一次導体に流れるパルス電流を検出して巻数比に相
当するパルス電圧を二次側に誘起する高周波用のパルス
トランスと、高圧電流回路中に接続されて上記パルスト
ランスから得られたパルス電圧をダイオードを介して容
量性負荷のゲートに受ける高電圧用半導体スイッチ素子
と、を設けて、上記ダイオードに対して、上記パルス電
圧の立ち上がり時に上記ゲートの容量に充電された電荷
を上記パルス電圧の立ち下がり時に放電させる第２のス
イッチ素子を並列接続するように構成したので、任意の
パルス幅で高速動作の高電圧の半導体スイッチ駆動回路
が極めて単純な回路構成で実現でき、このため、高圧の
インパルス電流をコイルに印加し、その応答波形により
良否を判定しようとするインパルスコイル試験を高精度
に実現できるほか、コイルの種類や試験の目的に応じ
て、広い分野で理想とするパルス幅での高圧電流の印加
を容易にできる。
【００５３】また、高圧静電気を利用した塗装やフィル
ムを巻き取るための装置では、高圧の帯電を抜き取るス
イッチとして高電圧用半導体スイッチ素子が用いられる
が、この発明によれば、トランジスタなどの第２のスイ
ッチ素子を用いることで、回路構成を簡素化し、タイミ
ング設計も容易なものにすることができる。
【００５４】さらに、この発明によれば、複数の上記高
電圧用半導体スイッチ素子を上記高圧電流回路に直列接
続するように構成したので、ＭＯＳＦＥＴなどの単一の
高電圧用半導体スイッチ素子の耐電圧を超える高圧電流
回路のスイッチングも任意かつ安全に実施できるものが
得られる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態による半導体スイッチ駆
動回路を示す回路図である。
【図２】図１における回路各部の信号波形図である。
【図３】この発明の他の実施の形態による半導体スイッ
チ駆動回路を示す回路図である。
【図４】従来の半導体スイッチ駆動回路を示す回路図で
ある。
【図５】従来の他の半導体スイッチ駆動回路を示す回路
図である。
【図６】従来の他の半導体スイッチ駆動回路を示す回路
図である。
【符号の説明】 １ａ，４４ 一次導体 ２，４１ パルストランス ３，４７ ダイオード ４，４８ 第２のスイッチ素子 ５，４３ 高電圧用半導体スイッチ素子 ７，４２ 第１のスイッチ素子

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 パルス信号の入力タイミングに従って一
    次導体に流れる電流をオン・オフする第１のスイッチ素
    子と、上記一次導体に流れるパルス電流を検出して巻数
    比に相当するパルス電圧を二次側に誘起する高周波用の
    パルストランスと、高圧電流回路中に接続されて上記パ
    ルストランスから得られたパルス電圧をダイオードを介
    して容量性負荷のゲートに受ける高電圧用半導体スイッ
    チ素子と、上記ダイオードに並列接続されて上記パルス
    電圧の立ち上がり時に上記ゲートの容量に充電された電
    荷を上記パルス電圧の立ち下がり時に放電させる第２の
    スイッチ素子と、を備えた半導体スイッチ駆動回路。
  2. 【請求項２】 複数の上記高電圧用半導体スイッチ素子
    が上記高圧電流回路に直列接続されていることを特徴と
    する請求項１の半導体スイッチ駆動回路。
JP7269181A 1995-09-22 1995-09-22 半導体スイッチ駆動回路 Pending JPH0993908A (ja)

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