JPS587840Y2 - 半導体装置の過電圧保護装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は半導体装置の過電圧保護装置に係り、特に同期
機の界磁電流制御用のす゛イリスタ整流装置に界磁側か
ら加わる電圧上昇率の高い急峻な過電圧からの保護に好
適な半導体装置の過電圧保護装置に関する。

第１図は、発電機界磁整流回路と、その整流回路の過電
圧保護装置を示す図である。

第１図において、３相全波ブリツジ１は界磁コイル１１
への励磁電流を制御しているが、発電機出力側に事故、
例えば３相短絡、２相短絡、脱調等が発生すると、急峻
な立上りのサイリスタ素子耐圧を越える過電圧が界磁コ
イル１１に誘起される。

この過電圧は、そｍ間に対する電圧上昇率がサージアブ
ノーバ用抵抗３、放電抵抗４により制限されて、３相全
波ブリツジ１の各サイリスタに印加される。

過電圧保護装置１２は、上記のような過電圧からサイリ
スタ素子を保護するために設けられている。

すなわち過電圧保護装置１２では、印加された過電圧が
、検出回路５により検出され、３相ブリツジ１内の各サ
イリスタ耐圧以下の過電圧値でスイッチングサイリスタ
７が導通される。

そうすると変流器８を介してサイリスタスイッチ検出回
路１０が動作し、スイッチング、サイリスタ７の導通後
一定限時をもって３相ブリツジ１をインバータ運転に切
換え、過電圧保護装置１２の動作を停止させる。

ここで、リアクトル６はスイッチングサイリスタ７の導
通時の電流の時間変化率を制限するために、また抵抗９
はスイッチングサイリスタ７に流れる電流を制限するた
めに設けられており、さらに、正負両方向の過電圧に対
して保護できるように、スイッチングサイリスタ７およ
び検出回路５は逆並列に２個接続されている。

このような過電圧保護装置１２は、次に挙げるような条
件を満す必要がある。

（１） 過電圧検出電圧値は、スイッチングサイリス
タ７が常時動作したり誤動作したりしないように、サイ
リスタ素子耐圧以下でなるべく高い電圧値に設定する必
要がある。

（２）時間に対する電圧上昇率の大きな過電圧が加わっ
た場合、過電圧を検出してからスイッチングサイリスタ
が導通するまでの遅れ時間は、（１）の条件を考慮する
と、極力短かくなるようにする必要がある。

（３）同期機等の界磁側に発生する過電圧は大電力であ
るから、スイッチングサイリスタ７のホットスポット等
による故障が生じないように、十分大きなゲートパワー
を与える必要がある。

以上が過電圧保護装置の役割と具備すべき条件であるが
、本考案はこの装置の中で重要な役割りを果す過電圧の
検出回路５の改良に係るものであり、まずその従来の回
路例を第２図および第３図を用いて説明する。

第２図および第３図において、印加された過電圧Ｅは、
バリスタ３１．抵抗器３３，３６および４１、放電抵抗
器４８に分圧される。

バリスタ３１に加わる電圧がバリスタ電歪を越えると、
バリスタ３１の電圧電流特性で決まる放電電流２０が抵
抗器３３．３６，４１．放電抵抗器４８を介して流れ始
める。

そうすると、抵抗器３６（すなわちコンデンサ３４）の
両端に生ずる電Ｅｅ１は式（３）に示す時定数τにより
上昇する：Ｒ＝Ｒ３３＋Ｒ４８ 中Ｒ３３（Ｒ３３＞Ｒ４Ｂ ） ・・・・・・・
・・・・べ１）１／Ｃ＝１／Ｃ３４＋１／Ｃ３９ ＝（Ｃ３４＋Ｃ３９）／Ｃ３４Ｃ３９・・べ２）τ＝Ｒ
Ｃ・・・・・・・・・・・べ３） このようにして電８Ｅｅ１がトリガーダイオード３７の
ブレークオーバ電圧Ｖｉ以上になると、トリガーダイオ
ード３７は導通し、補助サイリスタ３２のゲートがトリ
ガされて補助サイリスタ３２は導通する。

そうすると抵抗器３３．３６に分圧されていた電圧はバ
リスタ３１に印加されることになり、バリスタ３１の電
圧電流特性により電流２０よりさらに大きな電流２１が
流れてコンデンサ３９を充電する。

コンデンサ３９の両端電圧ｅ２がトリガーダイオード４
２のブレークオーバ電圧ｖ２以上になると、補助サイリ
スタ４３は導通し、抵抗器４５で決まる電流２２により
スイッチングサイリスタ７のゲートがトリガされる。

このようにしてスイッチングサイリスタ７が導通し、過
電圧が抑制される。

しかるに、以上のような従来の検出回路には、次に述べ
るような欠点がある。

その第１として、スイッチングサイリスタ７のホットス
ポット等による故障を防ぐために、ゲートパワーを大き
くしようとしてコンデンサ３４゜３９の容量Ｃ３４’
Ｃ３９を大きくし、またコンデンサ３９を充電するア
ノード電流２１を大きくしようとして抵抗器３３の分担
電圧を大きくする、すなわち抵抗値Ｒ３３を大きくする
と、過電圧検出値Ｅ１より補助サイリスタ３２が導通す
る過電圧抑制値Ｅ２（第３図）までの遅れ時間ｔ□は、
式（３）の時定数τの形から明らかなように、大きくな
る。

したがって過電圧検出値Ｅ□を素子耐圧以下でなるべく
高い値に設定すると、遅れ時間ｔ１のため電圧上昇率の
大きな過電圧に対しては過電圧抑制値Ｅ２を素子耐圧以
下に押えることができなくなるという欠点がある。

例えば、Ｒ３＝１２にΩ。

Ｃ３４＝ Ｃ３９： ２．２μＦ サイリスタ耐圧＝２５００Ｖ Ｅ１＝１８７０Ｖ とすると、 τ＝１３２μｓ で許容される電圧変化率は （２５００−１ｓ ７０ ）／１３２＝＝４．ｓＶ／、
ｕｓで、これ以上の変化率を持つ過電圧に対しては半導
体素子の保護ができない。

しかるに、実際の同期機界磁巻線に誘起する過電圧の電
圧上昇率は２００Ｖ／μＳにも達する。

第２に、電圧上昇率の大きい過電圧に対して半導体素子
を保護できるようにするために、コンデンサ３４，３９
の容量を小さくして時定数τを小さくすると、補助サイ
リスタ３２，４３、およびスイッチングサイリスタ７の
ゲートパフ−が小さくなって、ホットスポット等のサイ
リスタ故障の要因となり、また温度によるターンオンタ
イムが大きく変化して過電圧抑制値Ｅ２が大幅に変動す
るため、過電圧抑制値Ｅ２の設計把握が困難となる。

さらに、コンデンサ３４，３９の容量が小さいため、ノ
イズに対する誤動作の可能性も増大するという欠点があ
る。

本考案の目的は、電圧上昇率の大きな大電力の過電圧を
も良好に素子耐圧以下に抑制できるような半導体装置の
過電圧保護装置を提供するにある。

上記の目的を達成するために、本考案においては、過電
圧検出回路に入力された過電圧が過電圧検出値を越える
と、その過電圧検出値を検出するための分圧抵抗を、該
分圧抵抗に並列接続したツェナーダイオードによりバイ
パスさせ、かくしてスイッチングサイリスタを導通させ
るための補助サイリスタ用のゲート回路のコンデンサの
充電時間を短縮するようにしたことを特徴としている。

以下、本考案の詳細を実施例により説明する。

第４図および第５図は、本考案になる過電圧保護装置の
検出回路の実施例を示す図、およびその動作波形を示す
図である。

第４図の構成が第２図の従来例と異なるのは、抵抗器３
３にツェナーダイオード５０が並列接続され、トリガー
ダイオード３７に直列にダイオード５１が挿入されてい
る点である。

第４図および第５図において、検出回路５に印加された
過電圧Ｅは、バリスタ３１．抵抗器３３゜３６．４１．
および放電抵抗器４８に分圧される。

バリスタ３１に印加される電圧がバリスタ電圧以上にな
ると、バリスタ３１の電圧電流特性で決まる放電電流２
０が抵抗器３３，３６，４１．および放電抵抗器４８を
介して流れ始める。

抵抗器３３０両端に生ずる電圧がツェナーダイオード５
０のツェナー電圧に達すると、放電電流２０はツェナー
ダイオード５０をバイパスして流れる。

したがって、コンデンサ３４０両端に生ずる電圧ｅ１は
、ツェナーダイオード５０をバイパスした放電電流２０
により抵抗器３３を介さないで直接充電されるから、バ
リスタ３１に印加される電圧とほぼ等しい電圧上昇率で
上昇する。

このようにしてコンデンサ３４の端子間電圧ｅ１がトリ
ガーダイオード３７のブレークオーバ電圧ｖ１以上にな
ると、トリガーダイオード３７が導通し、補助サイリス
タ３２がトリガされて導通状態となる。

補助サイリスタ３２が導通すると、今まで補助サイリス
タ３２のアノードとカソード間に加わっていた電圧がバ
リスタ３１に印加されることになり、バリスタ３１の電
圧電流特注によって電流２０よりさらに大きな電流２１
でコンデンサ３９力強、速充電される。

このコンデンサ３９０両端電圧ｅ２がトリガーダイオー
ド４２のブレークオーバ電圧Ｖ２以上となると、補助サ
イリスタ４，３が導通し、抵抗器４５で決まる電流２２
によりスイッチングサイリスタ７は導通し、過電圧が抑
制される。

以上述べたようにこの実施例によれば、次に述べるよう
な利点がある。

すなわち、ツェナーダイオード５０でバイパスされた電
流２０によりコンデンサ３４は充電されるから、ゲート
パワーを大きくするためコンデンサ３４，３９の容量を
大きくしても、コンデンサ３４０両端電圧の上昇には時
間遅れはほとんど生じない。

したがって、印加過電圧が過電圧検出値をこえるとすぐ
に補助サイリスタ３２をトリガできるから、ゲートパワ
ーを十分大きくとり、かつサイリスタ素子耐圧以内で高
い過電圧検出値および過電圧抑制値を設定することがで
き、さらに、これらの電圧値の設定も、ツェナーダイオ
ード５０のツェナー電圧値を適当に設定することにより
容易に行なえるという効果もある。

本考案によれば電圧上昇率の大きな大電力の過電圧に対
し半導体装置を保護できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は発電機界磁整流回路とその整流回路の半導体素
子を保護するための保護装置のブロック図、第２図およ
び第３図は従来の過電圧検出回路およびその各部動作波
形を示す図、第４図および第５図は本考案に用いる過電
圧検出回路およびその動作波形を示す図である。 ５・・・・・・過電圧検出回路、７・・・・・・サイリ
スタスイッチ、１１・・・・・・界磁コイル、１２・・
・・・・過電圧保護装置、３２・・・・・・補助サイリ
スタ、５０・・・・・・ツェナーダイオード。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. スイッチングサイリスタのアノード・カソード間に接続
   されるバリスタと、第１分圧抵抗器と、第１のコンデン
   サと第２のコンデンサの直列回路と、前記バリスタと前
   記第１分圧抵抗器の接続点と前記第１のコンデンサと前
   記第２のコンデンサの接続点との間に順方向に接続され
   る第１補助サイリスタと、前記第１分圧抵抗器と前記第
   １のコンデンサの接続点と前記第１補助サイリスタのゲ
   ートとの間に接続される第１のトリガーダイオードと、
   前記第１のコンデンサの端子間に接続される第２分圧抵
   抗器と、前記第１補助サイリスタのカソードと前記スイ
   ッチングサイリスタのゲートとの間に接続される順方向
   第２補助サイリスタと抵抗器との直列回路と、前記第２
   補助サイリスタのアノード・ゲート間に接続される第２
   のトリガーダイオードとによって構成される過電圧検出
   回路を備え、同期機の界磁コイルに並列に接続され、該
   界磁コイルに電流を供給する半導体装置の過電圧保護装
   置において、上記バリスタと上記第１分圧抵抗器の接続
   点と上記第１分圧抵抗器と第１のコンデンサの接続点と
   の間に逆方向に接続されるツェナーダイオードを設けた
   ことを特徴とする半導体装置の過電圧保護装置。