JPH1189216A - ゲートターンオフサイリスタの保持電流を制限する装置 - Google Patents

ゲートターンオフサイリスタの保持電流を制限する装置

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JPH1189216A
JPH1189216A JP19688698A JP19688698A JPH1189216A JP H1189216 A JPH1189216 A JP H1189216A JP 19688698 A JP19688698 A JP 19688698A JP 19688698 A JP19688698 A JP 19688698A JP H1189216 A JPH1189216 A JP H1189216A
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gate
circuit
current
inductor
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JP19688698A
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Ard Coenraads
コーエンラーツ アルト
Horst Gruening
グリューニング ホルシュト
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ABB AB
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ABB Asea Brown Boveri Ltd
Asea Brown Boveri AB
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    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 GTOの保持電流を制限するための装置を提
供する。 【解決手段】 本装置は、GTO(14)をターンオン
及びターンオフするための駆動回路の一部であり、駆動
回路のターンオン回路とゲートターンオフサイリスタの
ゲートとの間の、またはカソードとの間の電流通路内に
接続されているトランジスタ(26)を含む。このトラ
ンジスタの制御電極は、ゲートターンオフサイリスタの
カソードに、またはゲートに接続される。第1の場合に
含まれるのはpnpトランジスタが好ましく、第2の場
合に含まれるのはnpnトランジスタが好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、電力エレクトロニ
クスの分野に関する。より詳しく述べれば、本発明は、
ゲートターンオフサイリスタの保持電流を制限する装置
に関する。
【0002】
【従来の技術】ゲートターンオフサイリスタ、即ちGT
Oをオン状態を維持するためには、かなりの保持電流を
ゲートに流す必要がある。例えば、3kA/4.5 kV型
のような極めて大電力のGTOの場合には、アノード電
流が降下した後、及びGTOと逆接続された並列ダイオ
ードとの間の転流動作の後であってさえも、ラッチング
状態を確実に再確立するために、オン状態で例えば4A
乃至8Aの保持電流が必要である。更に、再転流のため
に増加した電流サージを供給する必要があることが多
い。従来の技術では、この目的のために、ターンオンパ
ルスを再度印加する場合が多かった。そのために、駆動
回路の電力要求、物理的体積、及び冷却要求もかなり増
加する。
【0003】しかしながら、GTOをいわゆるハード駆
動する駆動回路をGTOの直近に配列できるように、で
きる限り小型の駆動回路を使用できることが望ましい。
ハード駆動GTOのための駆動回路に関しては、本願発
明者の欧州特許出願 EP 0 489 945 A1に開示されてい
る。ゲートターンオフサイリスタのハード駆動とは、G
TOをターンオフさせるために、普通の駆動より大き
く、極めて急峻な電流をゲートに印加することである。
ターンオン電流を生成する手段が設けられる。これらの
手段は、GTOをターンオンさせる電流と、オン状態に
維持するための保持電流とを生成する。何れの場合も、
これらの手段は、必要エネルギを貯蔵し、必要に応じて
スイッチによってエネルギが引き出されるようになって
いるコンデンサを含んでいる。
【0004】更に、本願の優先権主張日付以前に公開さ
れなかった同一発明者によるドイツ特許出願 197 08 87
3.2 は、駆動ユニットのための空間配列を開示してい
る。これは、ハード駆動を実現するために要求される極
めて低いインダクタンスの構造を有する配列である。こ
の目的のために、本願の優先権主張日付以前に公開され
なかった上記特許出願は、GTOの直近に成分を配列す
ることを提唱している。更に、大きい構造をGTOに近
接してリンクすると、電力コンバータは安定度及び物理
的体積の点から複雑になる。従って、特にハード駆動G
TOの場合には、小型で、信頼でき、そして高効率の駆
動回路を構成する必要がある。特定の場合には、オン状
態の電流が並列に逆接続されたダイオードに転流した場
合、GTOのアノード電圧はカソードに対して負にな
る。この電圧は、内部構造によってゲートに転送され
る。カソードに対してゲート電圧が負になると、もし適
当な措置が講じられていなければ、ゲートに流入する保
持電流は限りなく増加することになる。
【0005】
【発明の概要】従って、本発明の目的は、保持電流を制
限するための新しい装置を提供することであって、本装
置は構造が簡単であるにも拘わらず、確実に機能する。
更に、装置を小型で、信頼でき、そして高効率ならしめ
るような駆動回路を構成することを意図している。この
目的は、独立請求項の特色によって達成される。本発明
による装置は、駆動回路のターンオン回路とゲートター
ンオフサイリスタのゲートとの間の、またはカソードと
の間の電流通路内にトランジスタを接続し、このトラン
ジスタの制御電極をゲートターンオフサイリスタのカソ
ードに、またはゲートに接続することを特徴としてい
る。第1の場合に含まれるのはpnpトランジスタが好
ましく、第2の場合にはnpnトランジスタが好まし
い。
【0006】駆動回路は、ターンオン回路及びターンオ
フ回路からなる。ターンオン電流及び保持電流は、電圧
パルスを、電気エネルギ貯蔵手段によって電流に変換す
ることにより生成される。所要電圧パルスを、ターンオ
フ電流を生成するために必要なパルスと同一のエネルギ
源またはエネルギ貯蔵手段から引き出す場合には、この
駆動回路は特に有利である。保持電流は、電圧パルスの
繰り返しによって生成することが好ましい。これらの電
圧パルスの繰り返し周波数は、必要に応じて増減させる
ことができる。即ち、もしゲート・カソード電圧が負に
なれば、周波数を低下させ、この電圧が再度正になれば
再び高めるようになっている。本発明による駆動回路
は、ターンオン回路内に、電圧パルスを電流に変換する
少なくとも1つの電気エネルギ貯蔵手段を含む。ターン
オン電流のためと、保持電流のための共通のエネルギ貯
蔵手段を設けてもよいし、または分離したエネルギ貯蔵
手段を設けてもよい。所要エネルギは、誘導性結合また
は容量性結合の何れかによって、ターンオフ回路のエネ
ルギ貯蔵手段から、ターンオン回路のエネルギ貯蔵手段
へ転送することができる。特に好ましい駆動回路は、所
要論理ユニット及び他の構成要素への電力を上述したタ
ーンオフ回路のエネルギ貯蔵手段から供給するようにし
た回路である。
【0007】本発明による装置によれば、特に、GTO
のゲート電圧がカソード電圧に対して負になった場合で
あっても、実質的に何等の損失も生ずることなく保持電
流を確実に制限することができる。本発明による装置の
構造は極めて簡単である。本発明により構成された駆動
回路の回路消費は、極めて低く保つことができる。その
結果、駆動回路をGTOに極めて接近させて配列するこ
とが可能になり、インダクタンスを望み通りに低く維持
することができる。更なる有利な実施例は、対応する従
属請求項から明白である。以下の添付図面を参照しての
詳細な説明から、本発明はより完全に理解され、また本
発明の多くの付随する長所が容易に明白になるであろ
う。
【0008】
【実施例】添付図面を参照する。添付図面においては、
同一または対応する部品に対しては同一の番号を付して
ある。図1は、ゲートターンオフサイリスタ14のため
の駆動回路の回路図を示す。50及び51は、例えば 2
0 Vの出力電圧を有する電圧源の正及び負の端子を示し
ている。この電圧源はかターンオフ回路に属するエネル
ギ貯蔵手段3に給電する。エネルギ貯蔵手段3は、特定
的には電解コンデンサバンクの形状で設計することがで
きる。駆動回路は、ターンオフ回路の他に、ターンオン
回路をも含んでいる。ターンオフ回路は、本質的にター
ンオフ論理ユニット1と、エネルギ貯蔵手段3と、スイ
ッチ4とからなっている。スイッチ4は、GTO 14
のゲートと、エネルギ貯蔵手段3とに接続され、ターン
オフ論理ユニット1によって駆動される。ターンオフ論
理ユニット1は同相レギュレータ2(市販の電圧レギュ
レータ)から給電することが好ましい。ターンオフ論理
ユニット1は、例えば矢印で示す導光器、及びターンオ
フ論理ユニット1のブロックの左端に示すトランジスタ
を介して所要制御信号を受ける。導光器を介して送られ
るGTO 14をターンオフさせる命令は、論理ユニッ
ト1において増幅され、スイッチ4へ印加される電圧が
形成されるのでスイッチ4が導通し始める。エネルギ貯
蔵手段3の極性の故に、電流がGTO 14のゲートか
ら引き出される。その結果、GTOのゲートはカソード
に対して負になり、GTOはターンオフする。スイッチ
4は、特定的にはMOSFETの並列回路からなること
もできる。同じように、エネルギ貯蔵手段3は、複数の
電解コンデンサを並列接続することができる。
【0009】ターンオン回路も設けられている。この回
路は、ターンオフ論理ユニット1と同じようにエネルギ
貯蔵手段3から給電されるターンオン論理ユニット5を
含んでいる。対応する同相レギュレータは6で示されて
いる。2つの論理ユニット1及び5は、信号に関しては
互いに接続されている。もしターンオフ論理ユニット1
がGTO 14をターンオフさせる命令を受ければ、タ
ーンオン論理ユニット5の作動は阻止される。しかしな
がら、もし論理ユニット1がターンオン命令を受けれ
ば、ターンオン論理ユニット5はスイッチ7を駆動して
パルス動作を繰り返し遂行させる。スイッチ7も端子5
0と51との間に配列されている。このようにして生成
された電圧パルスは、スイッチ7と直列に接続されてい
る変成器巻線8、9によって整流用ダイオード10へ伝
送され、このダイオードは好ましくはインダクタ12で
ある電気エネルギ貯蔵手段へ給電する。配列全体を望ま
しく低インダクタンスに維持するために、変成器巻線
8、9のインダクタンスは、インタクタ12のインダク
タンスよりも小さくすべきである。構造的には、例えば
コイル8及び9を印刷回路基板上に統合し、それらをコ
アによって磁気的に結合することによって達成できる。
インダクタ12の所要のサイズに依存して、導体ループ
として印刷回路基板上に統合することも可能である。イ
ンダクタ12は、別のスイッチ13を通してGTO 1
4のゲートに接続されている。スイッチ13は、ターン
オフさせる時、及びターンオフ状態にある時に、ターン
オン回路をGTOのゲートから絶縁する。
【0010】図5は、変成器巻線8、9を介して伝送さ
れる種類の電圧パルスVT を示している。二次側で、電
圧パルスはダイオード10によって整流され、インダク
タ12への電流に変換される。電流は、正端子50とカ
ソードとの間に配列されたフリーホイーリングダイオー
ド11を介して振動することができる。図5に示すよう
にインダクタ12を通る電流は、ほぼ三角形である。3
kA、4.5 kVのGTOの場合、ターンオンさせるため
には約 200A乃至 400Aが必要であり、ほぼ5乃至 15
μsにわたって持続させるべきである。これは、インダ
クタ12が 100nH程度である場合の数値例である。G
TO 14は、ターンオン状態を維持するためにターン
オン後もある保持電流を必要とする。これを行う最も容
易な方法は、上述したターンオンパルスを特定の周波数
で繰り返すことである。
【0011】トリガリングのためと、トリガ状態を維持
するためにも極めて異なる電流が必要である。上述した
ように、極めて大電力のGTOをトリガするには約 200
Aが必要であるのに対して、保持電流は僅か約2Aでよ
い。この理由から、もしターンオンパルスを繰り返すよ
りも少ない電力で保持電流を生成することができれば有
利である。図2は、この要求に合致する実施例である。
第2のインダクタ24が設けられており、同様に変成器
の第2の二次巻線20を介して給電される。整流用ダイ
オードは21で示されており、フリーホイーリングダイ
オードは22で示されている。コンデンサ23をフリー
ホイーリングダイオードは22と並列に接続することが
好ましい。コンデンサ23は、エネルギをよりゆっくり
と引き出すことを可能にし、その結果、繰り返し周波数
をより低く維持できるにも拘わらず、保持電流は充分に
均一になる。その結果、インダクタ24はインタクタ1
2よりも大きく(例えば、 10 乃至 50 μH)選択する
ことができる。第2の二次巻線20の代わりに、専用変
成器及び専用論理ユニットを設けることもできる。この
保持電流をターンオンパルスの生成から分離して生成す
る場合、GTO 14のトリガリングの後にスイッチ1
3は開かれるので、インダクタ12はゲートから切り離
される。
【0012】保持電流を分離して生成する場合には、能
動限流手段25、26をGTO 14のゲートとカソー
ドとの間に接続する。どのような動作状態においても保
持電流を制限するためのこの手段は、図2の場合には、
ターンオン回路とカソードとの間の電流通路内に挿入さ
れたトランジスタ26を含んでいる。エミッタフォロア
接続されたバイポーラトランジスタ26及びベース直列
抵抗25を有する回路が好ましい。この装置は、GTO
のゲート・カソード電圧が負になった場合に、保持電流
が限りなく増大してしまうのを確実に防ぐ。即ち、負電
圧の場合にはダイオード22がターンオンし、それによ
って電流が限りなく増大できる。これは、本発明による
デバイスによって効果的に防がれる。保持電流を生成す
るために必要な電圧パルスは、第2の二次巻線を設けず
に、ダイオード10の下流の整流された電圧から直接取
り出すこともできる。図3にこのような実施例を示す。
整流用ダイオード10及びフリーホイーリングダイオー
ド11の共通節点は、第2のインダクタ24に接続され
ている。限流手段は、バイポーラトランジスタ27及び
直列抵抗28を含んでいる。この実施例では逆極性のp
npトランジスタ27がゲート電流通路内に接続されて
いる。この実施例の機能は、図2の実施例と実質的に同
一である。この実施例は次のように機能する。即ち、ゲ
ート・カソード電圧が正である場合、インダクタ24か
らの電流はトランジスタ27のベース電流と、コレクタ
電流とに分割される。ベース電流はトランジスタを導通
にスイッチさせる。その結果、インダクタ24はGTO
14のゲートに直接接続される。ゲート・カソード電圧
が負である場合、トランジスタは調整を開始する。即
ち、トランジスタがコレクタ電流を流すことができるよ
うになるためには、そのエミッタが順方向電圧だけ、即
ち約 0.7Vだけベースよりも正にならなければならな
い。インダクタ24は電流源として考えることができる
が、逆電圧として動作し続ける。転流動作、即ちGTO
によってこれが要求されると、直ちにコレクタ電圧は負
になる。それにも拘わらず、電流の大部分はインダクタ
24からエミッタ・コレクタ通路を介して流れ続ける。
調整条件Uon=UBE+UR (ここに、Uonはインダクタ
にまたがる電圧、UBEはエミッタ・ベース電圧、そして
R はベース直列抵抗にまたがる電圧である)によって
トランジスタがこれを防ぐので、この電流は効果的に制
限される。pnpトランジスタ27ではなく、npnト
ランジスタ26を用いている図2によるデバイスの機能
も同じように説明することができる。
【0013】トランジスタにより援助されて誘導的に結
合する代わりに、コンデンサによる容量性結合も可能で
ある。図4に、このような実施例を示す。ターンオン論
理ユニット5aは、端子50と51との間に配列されて
いる2つのトランジスタ31及び30を駆動する。トラ
ンジスタ31は正の電圧パルスを生成し、トランジスタ
30は再びリセットする。生成された電圧パルスは、結
合用コンデンサ32を通して整流用ダイオード10に供
給される。電荷反転用ダイオード33も設けられてい
る。このダイオード33は、GTOのカソードまたは電
圧源の正端子50と、整流用ダイオード10との間に接
続されている。図4の回路のその他の部分は、上述した
回路と同じように機能する。図6に、ゲートトリガ電流
の生成を援助するためにターンオフ回路を使用する本発
明の実施例を示す。明瞭化のために、論理回路1及び5
は図示してない。この回路は次のように機能する。即
ち、充電用トランジスタ36は、ターンオフトランジス
タ4がブロックされる前に、接続可能なトリガインダク
タ35を正端子50に接続する。その結果、インダクタ
35内には電流が確立され、この電流はスイッチ(トラ
ンジスタ)4がターンオフにされた後にゲートへ直接供
給されて所要のトリガパルスになる。インダクタ35
は、電流減衰が約5乃至 10 μsであるように選択する
ことができる。その後にインダクタ35の上流に接続さ
れている充電用ダイオード37がオフになり、充電用ト
ランジスタ36が再度ターノフされ得る。もし電流が減
衰する前にトランジスタ36がターンオフすれば、残留
エネルギはフリーホイーリングダイオード38を介して
エネルギ貯蔵手段3内へ戻ることができる。このように
して、特に短い、しかも完全に有効なトリガパルスが生
成される。保持電流を生成するために設計されたターン
オン回路の区分は、上述したように構成することも、ま
たはスイッチ7を繰り返してパルス化動作させることに
よって、貯蔵インダクタ34及び整流用ダイオード21
によって所要エネルギをエネルギ貯蔵手段3からエネル
ギ貯蔵手段24へ転送することもできる。スイッチ4の
作動によってゲートから電流が引き出され、GTO 1
4はスイッチオフさせられる。
【0014】以上に、個々の図面に基づいて、種々のエ
ネルギ結合及び供給方式を特定的に説明したが、勿論、
どの回路を強調するのかに依存して、望み通りに実質的
に互いに組合わせることが可能である。上述した駆動回
路及び駆動方法によれば、GTOのゲート・カソード電
圧が負になると、直ちに保持電流のための繰り返し周波
数f1 、または電圧パルスの幅を減少させることができ
る。その結果、特に極めて大電力の、即ち大きい保持電
流(>1A)を必要とするGTOの場合、限流手段のバ
イポーラトランジスタ内に発生する損失が減少する。G
TOのゲートとカソードとの間に正電圧が回復された時
には、繰り返し周波数またはパルス幅を増加させること
ができる。その結果、再びより大きいゲート電流が流さ
れ、従って間隙を生ずることなくGTOの再転流が確保
される。従って、今日では通例となっている形状の再ト
リガパルスは不要になる。これは不正時点に再トリガパ
ルスが発生する恐れを排除し、また正しい再トリガリン
グ時点の正確な検出に伴う他の全ての問題をも排除す
る。更に、このようにして、配列のEMCに対する免除
性を高めることができる。極めて一般的に言えば、電圧
パルスの繰り返し周波数を変化させることによって、ゲ
ート電流をセットすることができる。
【0015】前述したように、ターンオン電流または保
持電流を生成するために必要な電圧パルスは、ターンオ
フ電流のために必要なパルスと同一のエネルギ貯蔵手段
3から引き出される。代替として、この回路は、ターン
オン回路が専用の電源を有するように構成することもで
きる。この場合変成器巻線8、9は除去され、その代わ
りとして別の少なくとも1つの電源ライン及び別のエネ
ルギ貯蔵手段が必要になる。総合的に言えば、本発明に
よる装置は保持電流を確実に制限することが可能であ
る。この装置を組み入れた駆動回路は、小型で、極めて
効率的な構造であり、その結果回路配列のインダクタン
スは低くなる。従って、回路は、特にハード駆動GTO
にも適している。
【0016】明らかに、以上の説明から本発明の多くの
変更及び変形が可能である。従って、本発明は特許請求
の範囲内において以上の説明以外に実現することが可能
である。
【図面の簡単な説明】
【図1】GTOのための駆動ユニットの機能を説明する
回路図である。
【図2】本発明の一実施例の回路図である。
【図3】本発明の別の実施例の回路図である。
【図4】本発明の第3の実施例の回路図である。
【図5】電圧パルスと、それによって生成される電流を
示す図である。
【図6】本発明の第4の実施例の回路図である。
【符号の説明】
1 ターンオフ論理ユニット 2、6 同相レギュレータ 3 エネルギ貯蔵手段、ターンオフコンデンサバンク 4、7、13、30、31 スイッチ 5、5a ターンオン論理ユニット 8 変成器の一次巻線 9、20 変成器の二次巻線 10、21 整流用ダイオード 11、22、38 フリーホイーリングダイオード 12、24、34 貯蔵用インダクタ 14 GTO 23 貯蔵用コンデンサ 25、28 ベース抵抗 26、27 バイポーラトランジスタ 32 結合用コンデンサ 33 電荷反転用ダイオード 35 トリガインダクタ 36 充電用トランジスタ 37 充電用ダイオード 50 正端子 51 負端子

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ゲートターンオフサイリスタ(14)の
    保持電流を制限するための装置において、上記装置は上
    記ゲートターンオフサイリスタ(14)をターンオン及
    びターンオフさせるための駆動回路の一部であり、上記
    駆動回路はターンオフ回路及びターンオン回路を含んで
    いて上記ゲートターンオフサイリスタ(14)のゲート
    端子とカソード端子との間に配列され、上記ターンオン
    回路はトリガリング電流及び上記ゲートターンオフサイ
    リスタ(14)のオン状態を維持する保持電流を生成す
    るように設計されており、上記装置は、上記ターンオン
    回路と、上記ゲートターンオフサイリスタのゲートとの
    間の、またはカソードとの間の電流通路内に接続されて
    いるトランジスタ(26、27)を含み、上記トランジ
    スタの制御電極は上記ゲートターンオフサイリスタの上
    記カソードに、または上記ゲートに機能的に結合されて
    いることを特徴とする装置。
  2. 【請求項2】 上記ターンオン回路は、電圧パルスを、
    上記ターンオン電流及び上記保持電流に変換する少なく
    とも1つの電気エネルギ貯蔵手段(12、23、24)
    を含んでいる請求項1に記載の装置。
  3. 【請求項3】 上記ターンオフ回路は、ターンオフ電流
    を生成するために第1のスイッチ(4)によってエネル
    ギが引き出される容量性エネルギ貯蔵手段(3)を含
    み、上記ターンオン回路は、第2のスイッチ(7)と、
    少なくとも1つの変成器(8、9、20)と、結合コン
    デンサ(32)または貯蔵インダクタ(34)とを含
    み、これらによって、上記エネルギ貯蔵手段(3)から
    電圧パルスを引き出し、上記ターンオン回路の電気エネ
    ルギ貯蔵手段(12、23、24)へ供給して上記ター
    ンオン電流及び上記保持電流を生成させるようになって
    いる請求項2に記載の装置。
  4. 【請求項4】 上記ターンオン回路の電気エネルギ貯蔵
    手段(12、23、24)は、第3のスイッチ(13)
    を介して上記ゲートターンオフサイリスタ(14)のゲ
    ートに接続されている第1のインダクタ(12)からな
    る請求項3に記載の装置。
  5. 【請求項5】 上記ターンオン回路の電気エネルギ貯蔵
    手段(12、23、24)は、第2のインダクタ(2
    4)と、フリーホイーリングダイオード(22)が並列
    に接続されているコンデンサ(23)とからなり、上記
    インダンクタ(24)は上記ゲートターンオフサイリス
    タのゲートに接続されている請求項4に記載の装置。
  6. 【請求項6】 上記変成器(8、9、20)は、上記第
    1のインダクタ(12)に給電する第1の二次巻線
    (9)と、上記第2のインダクタ(24)に給電する第
    2の二次巻線とを含んでいる請求項5に記載の装置。
  7. 【請求項7】 上記ターンオフ回路は、ターンオフ電流
    を生成するために第1のスイッチ(4)によってエネル
    ギが引き出される容量性エネルギ貯蔵手段(3)を含
    み、上記ターンオン回路は、第2のスイッチ(7)と、
    貯蔵インダクタ(34)とを含み、これらによって、上
    記エネルギ貯蔵手段(3)から電圧パルスを引き出し、
    上記ターンオン回路の電気エネルギ貯蔵手段(12、2
    4)へ供給して上記保持電流を生成させるようになって
    おり、上記ターンオン回路は、上記トリガリング電流を
    生成するための接続可能なトリガリングインダクタ(3
    5)を含んでいる請求項2に記載の装置。
JP19688698A 1997-07-24 1998-07-13 ゲートターンオフサイリスタの保持電流を制限する装置 Pending JPH1189216A (ja)

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