JPS594891B2 - power transistor switch device - Google Patents

power transistor switch device

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JPS594891B2
JPS594891B2 JP53111051A JP11105178A JPS594891B2 JP S594891 B2 JPS594891 B2 JP S594891B2 JP 53111051 A JP53111051 A JP 53111051A JP 11105178 A JP11105178 A JP 11105178A JP S594891 B2 JPS594891 B2 JP S594891B2
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JP
Japan
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transistor
voltage
current
capacitor
collector
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JP53111051A
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JPS5448474A (en
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昌彦 赤松
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Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Publication date
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Publication of JPS594891B2 publication Critical patent/JPS594891B2/en
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/08Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage
    • H03K17/081Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage without feedback from the output circuit to the control circuit
    • H03K17/0814Modifications 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
    • H03K17/08146Modifications 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 in bipolar transistor switches

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は電力トランジスタスイッチ装置に関し、特に
チョッパやインバータ等、比較的高電圧で使用される電
力トランジスタスイッチ装置のターンオフ時の降伏破壊
を防止したものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a power transistor switch device, and particularly to a power transistor switch device used at a relatively high voltage, such as a chopper or an inverter, to prevent breakdown during turn-off.

従来この種電力トランジスタスイッチは、第1図aに示
す如(、電源1と負荷2とを結ぶ電路に直列に挿入され
た該トランジスタ3を備える。
A conventional power transistor switch of this type includes a transistor 3 inserted in series in an electrical path connecting a power source 1 and a load 2, as shown in FIG. 1a.

もし、上記閉ループが純抵抗のみであれば、トランジス
タ30オン−オフ動作に伴うコレクタ電圧vcF、とコ
レクタ電流■cとに関するリサージュは第1図すの直線
Aの如くになる。
If the closed loop is only a pure resistance, the Lissajous regarding the collector voltage vcF and the collector current c due to the on-off operation of the transistor 30 will be as shown by the straight line A in FIG.

しかしながら、上記閉ループには配線インダクタンスや
負荷インダクタンスがあるため、実際には直線Aの如き
リサージュを描くことは、殊に電力スイッチング装置に
おいては皆無と云える。
However, since the closed loop has wiring inductance and load inductance, it is practically impossible to draw a Lissajous like straight line A, especially in a power switching device.

そして、負荷インダクタンスを無視できない通常の用途
においては、負荷電流を該トランジスタのオフ時に分路
(転流)させるためのダイオード4を附加することが多
い。
In normal applications where load inductance cannot be ignored, a diode 4 is often added to shunt (commutate) the load current when the transistor is off.

かかる場合においては、上記リサージュは第1図すの曲
線Bの如(になる。
In such a case, the Lissajous will look like curve B in Figure 1.

又、配線インダクタンスの作用により、該トランジスタ
がオフになって再印加電圧が上昇後、この再印加電圧の
オーバーシュートを発生するが、このオーバーシュート
電圧外を抑制する目的で、コンデンサ6と直列抵抗5と
からなるサージアブソーバ100を該トランジスタに並
列接続することが行われている。
Also, due to the effect of wiring inductance, after the transistor is turned off and the reapplied voltage increases, an overshoot of this reapplied voltage occurs, but in order to suppress this overshoot voltage, a series resistor is connected to the capacitor 6. 5 is connected in parallel to the transistor.

しかしながら、通常用いられている上記オーバーシュー
ト抑制目的のサージアブシーバー程度では、リサージュ
は第1図すのBと全く変らない。
However, with the normally used surge absorber for the purpose of suppressing overshoot, the Lissajous is no different from B in Figure 1.

もし強いて、リサージュ−を改善しようとすれば、サー
ジアブシーバーの定数を約1桁以上変える必要がある。
If you are forced to improve the Lissajous, it is necessary to change the constant of the surge absorber by about one order of magnitude or more.

特に、抵抗5の抵抗値を極端に下げる必要がある。In particular, it is necessary to extremely reduce the resistance value of the resistor 5.

今、このようにして、抵抗値を下げる場合の量的吟味を
行うと、次のようになる。
Now, if we quantitatively examine the case of lowering the resistance value in this way, we will get the following.

即ち、電源電圧をE、負荷電流を■Lとする時、オン状
態からオフ状態へのICVCE 軌跡を、純抵抗負荷並
みの直線A’(第1図C)にしようとすれば、サージア
ブゾーバの所要抵抗値R5はとなる。
In other words, when the power supply voltage is E and the load current is The resistance value R5 is as follows.

他方、上記により、オフ状態からオン状態へ移行する時
に、コンデンサ6の抵抗5を通して放電する電流が加わ
るため、そのICVCE 軌跡は第1図Cの曲線Cの
ようになり、コレクタ電流ピVc 。
On the other hand, due to the above, when transitioning from the OFF state to the ON state, a current is applied that discharges through the resistor 5 of the capacitor 6, so the ICVCE locus becomes like the curve C in FIG. 1C, and the collector current P Vc.

一りイ直■。I'm just straight.

Pは(IL+−)=2IL となる。と5 ころが、トランジスタは定格コレクタ電流近傍で、定格
コレクタ電流を越えると急激に電流増幅度の低下及びコ
レクタ電圧上昇をまねく。
P becomes (IL+-)=2IL. However, when the transistor's collector current is close to its rated collector current and exceeds the rated collector current, the current amplification degree suddenly decreases and the collector voltage increases.

このため、第1図Cのようなりサージュ条件では実用的
でなくなる。
Therefore, it is not practical under surge conditions as shown in FIG. 1C.

以上の理由から、従来はつまるところ、第1図すの曲線
Bのりサージュ条件、即ち、再印加電圧オーバーシュー
ト抑制作用のみを持つサージアブゾーバ100だげが使
用されていた。
For the above reasons, in the past, only the surge absorber 100 was used which had only the surge condition of curve B in FIG.

さて、次に電力スイッチ装置として、トランジスタを用
いる場合、二次降伏や、局部温度上昇および極短時間に
進行する局部降伏、局部集中、局部熱逸走などによる局
部熱破壊現象など(以下単に二次降伏と略+)により破
壊し易く、前述の如き従来回路では実用的には最大定格
コレクタ電流ヤ最大定格コレクタエミッタ間耐圧VCE
O(ベースエミッタ間開放や)やコレクタベース間耐圧
VCBO(ペースエミッタ間短絡又は若干の逆バイアス
時のコレクタエミッタ間耐圧VCESにはホ等しい)に
対して、大巾なディレーティング(実使用電流や電圧を
各々1 / 2〜1/4にする)する必要があった。
Next, when using a transistor as a power switch device, local thermal breakdown phenomena due to secondary breakdown, local temperature rise, local breakdown that progresses in a very short time, local concentration, local heat escape, etc. (hereinafter referred to simply as secondary breakdown) occur. It is easy to break down due to breakdown (abbreviated +), and in practical terms, the maximum rated collector current and the maximum rated collector-emitter breakdown voltage VCE are
A large derating (actual current and It was necessary to reduce the voltage by 1/2 to 1/4 respectively.

第2図aは従来装置の欠点を解消するためになされた、
この発明の技術的基礎となる回路接続図の一例で、ター
ンオフ時の降伏破壊を防止し、且つ大巾なディレーティ
ングを打わずに、トランジスタの最大定格を充分活用し
、もってその利用率を向上したものである。
Figure 2a is a diagram that was developed to eliminate the drawbacks of the conventional device.
This is an example of a circuit connection diagram that is the technical basis of this invention. It prevents breakdown breakdown at turn-off and fully utilizes the maximum rating of the transistor without extensive derating, thereby increasing its utilization rate. This is an improvement.

換言すれば、同一素子によって扱い得る実使用電力を向
上したものである。
In other words, the actual power usage that can be handled by the same element is improved.

図において、200はトランジスタ3がオン状態からオ
フ状態へ移行する過渡時の再印加電圧上昇速度を抑制す
る再印加電圧抑制手段である。
In the figure, reference numeral 200 denotes a re-applying voltage suppressing means for suppressing the rising speed of the re-applying voltage during a transition when the transistor 3 transitions from an on state to an off state.

これは図において、コンデンサ8とその直列ダイオード
9と、放電抵抗10とからなっている。
In the figure, it consists of a capacitor 8, a diode 9 in series with it, and a discharge resistor 10.

しかして、トランジスタ3がON状態からオフ状態へ移
行する時、そのコレクタ電流ICが実質的にほぼ遮断さ
れる時点t2における再印加電圧VCE(j2 )が、
電源1などから決まる定常レベルに達する時点t3の印
加電圧VCE(t3)よりも低(なるように、コンデン
サ8の静電容量を選ぶことができる。
Therefore, when the transistor 3 transitions from the ON state to the OFF state, the reapplied voltage VCE (j2) at the time t2 when the collector current IC is substantially cut off is:
The capacitance of the capacitor 8 can be selected so that the applied voltage VCE (t3) is lower than the applied voltage VCE (t3) at the time t3 when it reaches a steady level determined by the power source 1 or the like.

しかも、放電抵抗10はオン状態である期間中に放電を
完了する程度に選び、従来のサージアブゾーバ抵抗5に
比べて数倍〜数十倍の高抵抗でよい。
Moreover, the discharge resistor 10 is selected to complete the discharge during the on-state period, and may have a resistance several times to several tens of times higher than that of the conventional surge absorber resistor 5.

従って、オフ状態からオン状態への移行時のこの放電々
流は無視できる。
Therefore, this discharge flow during the transition from the OFF state to the ON state can be ignored.

従って、第2図すの曲線Eの軌跡を通ってオフになり、
同曲線Bの軌跡を通ってオンになる。
Therefore, it turns off through the locus of curve E in Figure 2,
It turns on through the locus of curve B.

他方、トランジスタの二次降伏破壊について実際使用状
態から考察を加えると、オフからオンへ移行する時の二
次降伏破壊限界は大きく、オンからオフ状態へ移行する
時の二次降伏破壊限界は小さい。
On the other hand, if we consider the secondary breakdown breakdown of transistors from actual usage conditions, the secondary breakdown breakdown limit when transitioning from off to on is large, and the secondary breakdown breakdown limit when transitioning from on to off is small. .

しかもこの差が大きい。例えば、後者の限界は前者の限
界に対比して、スイッチングパワー(瞬時電力)で表現
すると2〜3倍の開きがある。
Moreover, this difference is huge. For example, the latter limit is two to three times larger than the former limit when expressed in terms of switching power (instantaneous power).

かかる差異を生じる理由は、降伏現象自体がオフ状態か
らオン状態への移行である。
The reason for this difference is that the breakdown phenomenon itself is a transition from an OFF state to an ON state.

そしてオフ状態からオン状態へベース制御で移行させる
と、−担過渡的に二次降伏へ至る前兆である一次降伏現
象態様に突入しても、二次降伏態様へ発展する以前にベ
ースからのキャリア注入で順バイアスされ、正常ON状
態に入る。
When the base control is used to transition from the OFF state to the ON state, even if the state enters the primary breakdown state, which is a precursor to the secondary breakdown, carriers from the base are removed before the transition to the secondary breakdown state. It is forward biased upon injection and enters the normal ON state.

他方、オン状態から、オフ状態へ移行する時は、途中の
一次降伏態様から、サーマルランナウェイによって二次
降伏態様へ移行してしまう。
On the other hand, when transitioning from the on state to the off state, the primary breakdown state in the middle of the transition transitions to the secondary breakdown state due to thermal runaway.

即ち、前兆である一次降伏現象自体が、本来の目標状態
であるオフ状態への移行方向と、逆方向関係にある。
That is, the primary breakdown phenomenon itself, which is a precursor, is in an opposite direction to the direction of transition to the OFF state, which is the original target state.

そして、前述の状態転移方向による、破壊限界の差を生
じる。
Then, there is a difference in the fracture limit depending on the direction of the state transition described above.

又、ターンオフ時には、そのスイッチングパワにより接
合温度が上昇した直後において、電圧を阻止しなければ
ならず、最も条件が厳しいものとなる。
Furthermore, at turn-off, the voltage must be stopped immediately after the junction temperature rises due to the switching power, which is the most severe condition.

以上考察した理由から、第2図aの例によって、そのコ
レクタ電圧VCE−コレクタ電流ICリサージュが同図
すの如(なることにより、夫々の二次降伏限界の差との
協調バランスがとれる。
For the reasons discussed above, in the example of FIG. 2a, the collector voltage VCE-collector current IC Lissajous becomes as shown in the figure, thereby achieving a cooperative balance with the difference in the respective secondary breakdown limits.

そしてこれにより、オフからオンへの11スイツチオン
11と同等の電圧電流条件下でオフからオンへの11ス
イツチオノ11が可能となった。
As a result, the 11 switch 11 can be turned from off to on under the same voltage and current conditions as the 11 switch 11 can be turned from off to on.

そして、従来の第1図のトランジスタスイッチ装置に対
し電圧電流積にして2.5〜4倍の電力のスイッチング
が可能となった。
Furthermore, it has become possible to perform switching with 2.5 to 4 times the voltage-current product as compared to the conventional transistor switch device shown in FIG.

換言すれば、前記最大定格耐圧VCEO〜VCBOや電
流Icmaxに対して、殆んどディレィティングせずに
使用でき、サイリスタやダイオード並みのサージに対す
るディレーティングのみで使用できるようになった。
In other words, it can be used with almost no derating with respect to the maximum rated breakdown voltages VCEO to VCBO and current Icmax, and can be used only with derating against surges similar to those of thyristors and diodes.

即ち、従来の装置では、ターンオフ可能な再印加電圧定
常値VCE(OFF)(例えば第1図直流電源電圧E)
の最大限界は、電流遮断条件から、コレクターエミッタ
間維持電圧VcEC8US)ターオフ過程で達し得る最
大電圧)によって制約されE<’VCE(OFF)<V
CE(SUS)が、ターオフの絶対必要条件であった。
That is, in the conventional device, the reapplying voltage steady value VCE (OFF) that can be turned off (for example, the DC power supply voltage E in FIG. 1)
The maximum limit of is constrained by the collector-emitter sustaining voltage (VcEC8US) (maximum voltage that can be reached in the turn-off process) from the current cut-off condition, and E<'VCE(OFF)<V
CE (SUS) was an absolute requirement for tar-off.

これに対し、この発明では、電流遮断点電圧VCE(t
2)が維持電圧VcE(SUS)以下であれば、ターン
オフ可能である。
In contrast, in the present invention, the current cutoff point voltage VCE (t
2) is lower than the sustaining voltage VcE (SUS), turn-off is possible.

そして、再印加電圧定常値VcE(OFF)を制約する
ものは、静耐圧VcEo〜VcEs〜VcEB(Vcg
o:” −”−ミッタ開放、VCES:ベースエミッ
タ短絡、VCEB:ベース逆バイアス、各条件下のコレ
クターエミッタ間ffi止電圧〕で、実際上はvc B
O(エミッタ開放時のコレクターベース間阻止電圧〕
にほぼ等しい。
What restricts the steady value of the reapplied voltage VcE (OFF) is the static withstand voltage VcEo ~ VcEs ~ VcEB (Vcg
o: "-"-mitter open, VCES: base-emitter short circuit, VCEB: base reverse bias, collector-emitter ffi stop voltage under each condition], and in reality, vc B
O (blocking voltage between collector and base when emitter is open)
approximately equal to.

従って、ターンオフ可能なVCE(OFF)(第2図V
CE(t3)相当)を大巾に向上することができ、Vc
E (OFF)<VcBoが本来のターンオフ必要条件
となる。
Therefore, VCE (OFF) that can be turned off (Fig. 2 V
CE (t3) equivalent) can be greatly improved, and Vc
E(OFF)<VcBo is the original turn-off requirement.

VCBOは一般にvcE(SUS)の1.3〜2.5倍
に達し、実質的にターンオフ可能な限界を1.3〜2.
5倍に向上できることを意味する。
VCBO generally reaches 1.3 to 2.5 times as much as vcE (SUS), and has a practical turn-off limit of 1.3 to 2.
This means that it can be improved five times.

又、逆にVcE (SUS )の低いトランジスタでよ
いので、トランジスタの製造が容易となる。
Moreover, since a transistor with low VcE (SUS) can be used, the transistor can be manufactured easily.

更に又、これらのことから、電力用スイッチングトラン
ジスタとしてVcBo/vcE(SUS)の比が1.5
〜3のものも望ましいと言える。
Furthermore, from these reasons, the ratio of VcBo/vcE (SUS) is 1.5 as a power switching transistor.
~3 can also be said to be desirable.

これらのことは、後述の実施例により更に確実なものと
なる。
These matters will be further confirmed by the examples described below.

第2図において接合型トランジスタを例に説明したが、
第7図で示すように電界効果型トランジスタ3を使用し
たものにおいても同様に実施できることは言うまでもな
い。
In Fig. 2, the explanation was given using a junction transistor as an example.
It goes without saying that the same method can be implemented in a device using a field effect transistor 3 as shown in FIG.

以上の説明においても同様である 第3図a ”’−cは、従来装置の欠点を解消したこの
発明の技術的基礎となる他の例を示す接続図である。
FIGS. 3a" to 3c, which are the same in the above description, are connection diagrams showing another example serving as the technical basis of the present invention, which eliminates the drawbacks of the conventional device.

第3図aは前記第2図aの変形で、コンデンサ8の一端
の接続位置を直流電源の反トランジスタ側端子に接続し
、負荷と並列関係にしたものである。
FIG. 3a is a modification of FIG. 2a, in which one end of the capacitor 8 is connected to the terminal on the opposite side of the transistor of the DC power source, so that it is connected in parallel with the load.

この場合、トランジスタ3がオンである期間中にコンデ
ンサ8が図示極性に抵抗10を通してゆるやかに充電さ
れている。
In this case, capacitor 8 is slowly charged through resistor 10 to the illustrated polarity while transistor 3 is on.

そして、トランジスタ3がオフになる時、トランジスタ
3の負荷接続点電位が上昇しようとすると、その負荷電
流■Lがダイオード9−コンデンサ8〜負荷2を通って
供給され、やはりトランジスタ3への再印加電圧上昇速
度が抑制される。
Then, when the transistor 3 turns off, when the potential at the load connection point of the transistor 3 tries to rise, the load current ■L is supplied through the diode 9 - capacitor 8 - load 2, and is again applied to the transistor 3. The voltage increase speed is suppressed.

そして、電圧が定常値に達する以前に、トランジスタ3
のコレクタ電流を遮断させることができ、トランジスタ
3がオフ状態に回復してから高電圧まで上昇するように
することができる。
Then, before the voltage reaches a steady value, transistor 3
The collector current of the transistor 3 can be cut off, and the voltage can be increased to a high voltage after the transistor 3 returns to the off state.

従って、前記第2図と同様に、耐圧一杯までOFFする
ことができる。
Therefore, as in the case of FIG. 2, it is possible to turn off the power up to the maximum withstand voltage.

第3図す、cは低周波でオン−オフするスイッチ装置に
使用できる例で、ダイオード9とコンデンサ8の接続は
前述第2図aや第3図aと同様である。
Figures 3 and 3c show an example that can be used in a switch device that turns on and off at low frequencies, and the connection between the diode 9 and the capacitor 8 is the same as in Figures 2a and 3a.

他方、コンデンサ8の放電又は充電を抵抗10′で行い
、その接続を変形したものである。
On the other hand, the capacitor 8 is discharged or charged by a resistor 10', and the connection thereof is modified.

この場合、抵抗10′がトランジスタ3のオフ状態にお
ける分路になるので高抵抗となり、コンデンサ8に対す
る時定数が長く、従って低周波のスイッチ装置に使用で
きる。
In this case, the resistor 10' serves as a shunt for the transistor 3 in the off state, resulting in a high resistance and a long time constant for the capacitor 8, so that it can be used in low frequency switching devices.

又、トランジスタ3がオフの状態において、所定のベー
ス電流を通電してお(用途に適する。
Further, when the transistor 3 is in the off state, a predetermined base current is passed (suitable for the purpose).

例えば、トランジスタスイッチと主抵抗とを並列接続し
、平均実効的に可変抵抗調整式電力制御を行う場合に適
する。
For example, it is suitable for connecting a transistor switch and a main resistor in parallel to perform average effective variable resistance adjustable power control.

第4図は、この発明の技術的基礎となる更に改良された
例を示す図で、接合温度上昇に対する作用効果を更に確
実にし、再印加電圧上昇速度抑制手段の所要容量(コン
デンサ8の静電容量や抵抗10の消費電力など)を軽減
したものである。
FIG. 4 is a diagram showing a further improved example that forms the technical basis of the present invention. (capacitance, power consumption of the resistor 10, etc.) is reduced.

前記、第2図aの実施例において、コンデンサ8はトラ
ンジスタ3の電流遮断時電流減少速度(これを表られす
量記号としてコレクタ電流フォールタイムtf が用い
られる)に対して充分再印加電圧上昇速度(これを表ら
れす量記号として、コレクタ電圧ライズタイムtrvc
eと呼ぶこととする)を遅くするように選定する。
In the embodiment shown in FIG. 2a, the capacitor 8 has a voltage increase rate sufficient to compensate for the rate of current decrease when the transistor 3 cuts off the current (collector current fall time tf is used as a quantitative symbol to express this). (As a quantitative symbol representing this, collector voltage rise time trvc
e) is selected to be slow.

即ち、tf≦trvceとなるように、コンデンサ8の
静電容量を選定する。
That is, the capacitance of the capacitor 8 is selected so that tf≦trvce.

ところが、コレクタ電流フォールタイムtf は、接合
温度に対する依存性が高(、定格接合温度ではtf が
長くなり、ひいては所要再印加電圧上昇速度制御手段が
大きくなる欠点があった。
However, the collector current fall time tf has a high dependence on the junction temperature (tf becomes long at the rated junction temperature, and as a result, the means for controlling the required re-applying voltage increase rate becomes large).

又、スイッチング損失エネルギは時間積分値であるから
、コレクタ電流フォールタイムが遅延すると、同一損失
にするために益々再印加電圧を低く抑制しなければなら
ない。
Furthermore, since the switching loss energy is a time integral value, if the collector current fall time is delayed, the re-applied voltage must be suppressed even lower in order to maintain the same loss.

即ち、接合温度上昇に対して、相乗的に所要再印加電圧
抑制手段の所要容量が増大する。
That is, as the junction temperature rises, the required capacity of the required re-applying voltage suppressing means increases synergistically.

上記問題のベース電流I’bとコレクタ電流i′c と
コレクタ電圧V’CE との時間関係を第4図すの4
20の夫々点線で示す。
Figure 4 shows the time relationship between base current I'b, collector current i'c, and collector voltage V'CE in the above problem.
20 are each indicated by a dotted line.

即ち、コレクタ電流i′cの減少速度が遅(なれば、電
流遮断時点t′2における再印加電圧VCE(t’2)
が高電圧になることを図示している。
That is, the decreasing speed of collector current i'c is slow (if it becomes slow, the reapplied voltage VCE(t'2) at current cutoff time t'2)
The figure shows that the voltage becomes high.

第4図aの例は上記問題を解消したもので、図において
、ベース駆動回路29は、順方向ベース電流のIbを遮
断した直後より、所定時間以上のパルス逆バイアスeI
b1を与える。
The example shown in FIG. 4a solves the above problem, and in the figure, the base drive circuit 29 applies a pulsed reverse bias eI for a predetermined time or more immediately after cutting off the forward base current Ib.
Give b1.

そして、その後は通常の小さい逆バイアス0Ib2を与
える。
After that, a normal small reverse bias 0Ib2 is applied.

この関係を第4図すのイに実線で示す。This relationship is shown by the solid line in FIG.

尚ベース電流で示したが、ベース電圧で与えてもよい。Although the base current is shown, the base voltage may be used instead.

そして、ベース電流で与える場合は、そのベース回路の
逆バイアス源の電圧が高い場合、ダイオード11(又は
ツェナダイオード)をベースエミッタ間に逆並列接続す
ることが望ましい。
In the case where the base current is provided, if the voltage of the reverse bias source of the base circuit is high, it is desirable to connect the diode 11 (or Zener diode) in antiparallel between the base and emitter.

以上の例により、コレクタ電流ic とコレクタ電圧
VCE との時間関係は第4図すの口の実線のように
なる。
According to the above example, the time relationship between the collector current ic and the collector voltage VCE is as shown by the solid line at the beginning of FIG.

即ち、接合温度の上昇に基づくコレクタ電流ic のフ
ォールタイムtf の増大を喰い止めることができる。
That is, it is possible to prevent an increase in the fall time tf of the collector current ic due to an increase in junction temperature.

換言すれば、接合温度に関する依存性を実質的に排除す
ることができる。
In other words, dependence on junction temperature can be substantially eliminated.

しかして、再印加電圧抑制効果を相乗的且つ安定確実に
発揮できるように改良された。
Therefore, improvements have been made so that the effect of suppressing the reapplying voltage can be synergistically, stably and reliably exhibited.

即ち、単に、逆バイアスパルスによるスイッチングスピ
ードの短縮効果だけでな(、これと再印加電圧抑制との
マツチングをとることが実用的に容易(所要再印加電圧
抑制手段の軽減)となり、最大定格条件でのスイッチン
グを確実に実行できるようになつた。
In other words, it is not only the effect of reducing the switching speed due to the reverse bias pulse (but also the fact that it is practically easy to match this with the suppression of the re-applied voltage (reducing the required means of suppressing the re-applied voltage), and the maximum rated conditions Switching can now be performed reliably.

又、接合温度の依存性が解消されたため、スイッチング
直後の再反転スイッチング(オンにした直後に再びオフ
にするとか、オフにした直後に再びオンにするなど)が
可能となった。
Furthermore, since the dependence on junction temperature has been eliminated, re-inversion switching immediately after switching (such as turning off again immediately after being turned on, or turning on again immediately after turning off) is now possible.

これにより、オン時間の最小限度ton mやオフ時間
の最/」穢度toff−などが、大巾に改善され、極端
な時間比率のスイッチングが可能となった。
As a result, the minimum on-time tonm and the off-time maximum toff have been greatly improved, making it possible to switch at an extreme time ratio.

従って、チョッパやインバータを用いる場合、自由に時
間比制御(パルス巾変調、複雑な何重もの変調スイッチ
ング)を実行できるようになった。
Therefore, when using a chopper or an inverter, it has become possible to freely perform time ratio control (pulse width modulation, complex multiple modulation switching).

従来の装置では、時間比率を30〜70%にしておかな
いと、高周波最大定格下でのスイッチングをできなかっ
た。
In conventional devices, switching under the maximum high frequency rating was not possible unless the time ratio was set to 30 to 70%.

何故なら、従来の装置では、短時間(約数十μsec以
内)折り返えしスイッチングを行うと、たとえその繰返
し周期が長くても、先のスイッチング時に発生したスイ
ッチングパワーによる接合温度上昇、(局部的温度上昇
を含む)を伴う熱量が、上記時間々隔(数十μsee以
内)中に充分拡散しない。
This is because in conventional devices, when repeating switching is performed for a short period of time (within approximately several tens of microseconds), even if the repetition period is long, the junction temperature rises due to the switching power generated during the previous switching (local The amount of heat (including a significant temperature increase) is not sufficiently diffused during the time interval (within a few tens of μsees).

こ゛のため、先の温度上昇の上に更に引き続き生じるス
イッチングパワーによる接合温度上昇が重なり、二次降
伏破壊を引き起していた。
Therefore, on top of the previous temperature rise, the junction temperature rise due to the subsequent switching power overlaps, causing secondary breakdown failure.

これに対し、第4図の例では相当の接合温度上昇(通電
々流やスイッチングによる平均温度上昇)下においても
、オンからオフへのスイッチングパワが小さい(再印加
電圧上昇速度抑制とパルス逆バイアスを行っているので
)。
In contrast, in the example shown in Figure 4, the switching power from on to off is small even under a considerable junction temperature rise (average temperature rise due to current flow and switching). ).

そして、二つのスイッチング(オン→オフとオフ→オン
)が短時間中に折り返されても、一方のスイッチングパ
ワーが小さく抑制されているので、スイッチングによる
局部温度上昇の重畳加算量が小さい。
Even if the two switching operations (ON→OFF and OFF→ON) are repeated within a short time, one switching power is suppressed to a low level, so that the amount of superimposed local temperature rise due to switching is small.

従って、折り返しスイッチングに対して、顕著な効果を
生じ、ひいては自由な時間比制御を行えるようになる。
Therefore, a remarkable effect is produced on fold-back switching, and it becomes possible to freely control the time ratio.

尚、第4図において、定電圧的逆バイアス(逆バイアス
電圧vbO値をVb1tVb2のように変化させない)
をかける場合、その逆バイアス源20のインピーダンス
を適宜範囲の比較的インピーダンスにしておけば、トラ
ンジスタ3自身のキアリア放出に伴って、第4図aの如
く、自然に必要なパルス逆バイアス電流QIb1が流れ
、上記キアリア放出完了に伴って微小逆バイアス電流○
■b2になる。
In addition, in FIG. 4, constant voltage reverse bias (reverse bias voltage vbO value is not changed like Vb1tVb2)
In this case, if the impedance of the reverse bias source 20 is set to a relatively impedance within an appropriate range, the necessary pulsed reverse bias current QIb1 will naturally increase as shown in FIG. flow, and a minute reverse bias current ○ as the chiaria emission is completed.
■It becomes b2.

勿論この定電圧的逆バイアスの場合は、ダイオード11
を用いず、その電圧○vbをベースエミンタ間許容電圧
Vb0内にするものである。
Of course, in the case of this constant voltage reverse bias, the diode 11
is not used, and the voltage ○vb is kept within the allowable base-eminter voltage Vb0.

第5図aは、この発明の技術的基礎となる他の改良され
た例で、トランジスタをダーリングトン接続したもので
ある。
FIG. 5a shows another improved example which forms the technical basis of the present invention, in which transistors are connected in a Darlington manner.

第2トランジスタ3bは、第1トランジスタ3aに対し
て、はぼ同=定格かのである。
The second transistor 3b has almost the same rating as the first transistor 3a.

そして、特に第2トランジスタ3bのオンからオフへの
スイッチングに対する二次降伏破壊限界が、第1トラン
ジスタ3aのオフからオンへのスイッチングに対する二
次降伏破壊限界(再印加電圧抑制手段200を設げた条
件下での破壊限界)とほぼ一致するように協調を取るも
のである。
In particular, the secondary breakdown breakdown limit for switching from on to off of the second transistor 3b is different from the secondary breakdown breakdown limit for switching from off to on of the first transistor 3a (conditions in which the reapplying voltage suppressing means 200 is provided). This is done so that it almost coincides with the fracture limit (destruction limit below).

即ち、通常の電流増幅度を基準にし、駆動ベース電流を
第2トランジスタ3bの電流増幅率だけ軽減することを
目的としたものではない。
That is, the present invention is not intended to reduce the drive base current by the current amplification factor of the second transistor 3b, with the normal current amplification factor as a reference.

ダーリングトン接続は、スイッチングパソーの分担とそ
れによる高周波大電力スイッチング限度を向上させるた
めのものである。
The Darlington connection is intended to improve the sharing of switching power and the resulting high frequency, high power switching limits.

さて、第5図aの例において、同図すのイに波形を示す
如きベース駆動を行なう。
Now, in the example of FIG. 5A, base driving is performed as shown in the waveform shown in FIG.

パルス逆バイアスベース電流QIb1は、第1、第2両
トランジスタ3at 3b共通に与えている。
The pulsed reverse bias base current QIb1 is commonly applied to both the first and second transistors 3at and 3b.

従って、順バイアス電流■Ibよりも、逆バイアスパル
ス電流QIb1の方が、数倍〜十数倍以上大きい絶対値
を持っている。
Therefore, the reverse bias pulse current QIb1 has an absolute value several times to more than ten times larger than the forward bias current ■Ib.

又、定電圧源的逆バイアスを行う場合は、ダイオード1
1aを除去する。
Also, when performing reverse bias like a constant voltage source, diode 1
Remove 1a.

この時は、第4図の場合と同様に逆バイアス源のインピ
ーダンスナトテピーク値が制限されたパルス逆バイアス
電流○■b1が、トランジスタ3aのキャリア放出に伴
って流れる。
At this time, as in the case of FIG. 4, a pulsed reverse bias current ○■b1 whose impedance peak value of the reverse bias source is limited flows as carriers are discharged from the transistor 3a.

トランジスタ3bはトランジスタ3aのキャリア放出ベ
ース電流eより1によって逆バイアスされる。
Transistor 3b is reverse biased by 1 from the carrier emission base current e of transistor 3a.

しかして、オフからオンへ移行する時、先づ第2トラン
ジスタ3bが導通し、ターンオン初期負荷電路電流を分
担する。
Therefore, when transitioning from off to on, the second transistor 3b first conducts and shares the initial turn-on load current.

その後遅れて、第1トランジスタ3aが導通状態になり
、大部分の負荷電路電流を分担する。
After a delay, the first transistor 3a becomes conductive and shares most of the load current.

他方、オンからオフへ移行する時は、先づ第2トランジ
スタ3bが非導通となり、その後遅れて第1トランジス
タ3aが非導通状態へ移行し、コレクタ電圧が上昇し始
める。
On the other hand, when transitioning from on to off, the second transistor 3b becomes non-conductive, and then later the first transistor 3a becomes non-conductive, and the collector voltage begins to rise.

この時間関係を同図口、ハ、二に示す。This time relationship is shown in Figure 2.

以上の動作説明から理解されるように、ターンオン時に
は、第2トランジスタ3bが全負荷電流を一担分担する
As can be understood from the above explanation of the operation, when turned on, the second transistor 3b takes part in the entire load current.

そして、定常負荷電流とターンオフ時の負荷電流を第1
トランジスタ3aが分担する。
Then, the steady load current and the load current at turn-off are
Transistor 3a shares this responsibility.

即ち、第2トランジスタ3bがターンオン時のスイッチ
ングパワを分担し、定常オン状態コレクタ損失と前記案
で軽減されたターンオフスイッチングパワーとを第1ト
ランジスタが分担する。
That is, the second transistor 3b shares the switching power during turn-on, and the first transistor shares the steady-on state collector loss and the turn-off switching power reduced in the above-mentioned scheme.

一方、第2トランジスタ3bは、定常オン状態コレクタ
損失が小さいので、平均温度上昇が低く、従ってそれだ
け(最大定格容量の割に)大きなターンオンスイツチン
グパワを分担できる。
On the other hand, the second transistor 3b has a small steady-state collector loss, so the average temperature rise is low, and therefore it can share a large turn-on switching power (compared to its maximum rated capacity).

他方、第1トランジスタ3aは定常オン状態コレクタ損
失が大きいので、平均温度上昇が高いが、前記案により
ターンオフスイッチングパワを抑制しているので、やは
り大きな電力のターンオフが可能である。
On the other hand, since the first transistor 3a has a large collector loss in the steady on state, the average temperature rise is high, but since the turn-off switching power is suppressed by the above-mentioned scheme, it is still possible to turn off a large amount of power.

かくて、極めて協調のとれた、最適な電力トランジスタ
スイッチ装置が得られる。
A highly coordinated and optimal power transistor switching arrangement is thus obtained.

換言すれば、再印加電圧の抑制とダーリングトン接続に
よるスイッチングパワの分担とにより、相乗的効果を発
揮する。
In other words, a synergistic effect is achieved by suppressing the re-applied voltage and sharing the switching power through the Darlington connection.

この発明は前記案を更に改良するためになされたもので
、ターンオフスイッチングパワを無視でき、ターンオフ
時再印加電圧を完全に抑制することを目的としたもので
ある。
This invention was made in order to further improve the above-mentioned idea, and aims to make the turn-off switching power negligible and to completely suppress the re-applied voltage at turn-off.

第6図aはこの発明の一実施例を示す回路接続図で、同
図において、12.13はダイオード、14はコンデン
サ、15はインダクタンス、16は補助スイッチで、サ
イリスタ16又はトランジスタ16′である。
FIG. 6a is a circuit connection diagram showing one embodiment of the present invention, in which 12 and 13 are diodes, 14 are capacitors, 15 are inductances, and 16 is an auxiliary switch, which is a thyristor 16 or a transistor 16'. .

これは、半導体スイッチがターンオンに対して比較的許
容スイッチングパワが大きいことを活用し、ターンオフ
能力をターンオン能力相当まで向上させようとするもの
である。
This is an attempt to improve the turn-off ability to a level equivalent to the turn-on ability by taking advantage of the fact that the semiconductor switch has a relatively large allowable switching power for turn-on.

なお、第6図すにおいて、Ib、&まトランジスタ3の
ベース電流、1g16は補助スイッチ16の点弧パルス
、■cはトランジスタ3のコレクタ電流、■ はダイオ
ード12の電流、v14はコンデンサ2 14の電圧、114はコンデンサ14の電流、VCEは
トランジスタ3のコレクタ電圧の波形を示している。
In Fig. 6, Ib, & are the base current of transistor 3, 1g16 is the firing pulse of auxiliary switch 16, ■c is the collector current of transistor 3, ■ is the current of diode 12, and v14 is the current of capacitor 214. The voltage, 114, is the current of the capacitor 14, and VCE is the waveform of the collector voltage of the transistor 3.

さて、第6図aにおいて、トランジスタ3がオフである
期間中に、コンデンサ14は図示極性に充電されている
Now, in FIG. 6a, while the transistor 3 is off, the capacitor 14 is charged to the polarity shown.

そして、トランジスタ3をオンにすれば、負荷2の電流
を通電する。
Then, when the transistor 3 is turned on, the current of the load 2 is conducted.

そして、トランジスタ3をオフにする時ベース電流を遮
断又は逆バイアスにする時点より所定時間早めの時点t
2に補助スイッチ16を導通させる。
Then, when the transistor 3 is turned off, the base current is cut off or reverse biased at a time point t earlier than the time point when the base current is cut off or reverse biased.
2 to conduct the auxiliary switch 16.

コンデンサ14は、補助スイッチ16とインダクタンス
15とを通って振動し、図示逆極性に充電され、引き続
きダイオード12.13を通ってパルス電流を供給する
働きをする。
The capacitor 14 oscillates through the auxiliary switch 16 and the inductance 15, is charged to the opposite polarity shown, and subsequently serves to supply a pulsed current through the diode 12.13.

他方、トランジスタ3はコンデンサ14のパルス電流が
反転する時点の前後の時点t3において、ベース電流を
遮断又は逆バイアスされる。
On the other hand, the base current of the transistor 3 is cut off or reverse biased at time t3 before and after the pulse current of the capacitor 14 is reversed.

このタイミングt3は、補助スイッチ16をオンにした
時点t2からダイオード12が通電開始する時点t4
までの間である。
This timing t3 is from the time t2 when the auxiliary switch 16 is turned on to the time t4 when the diode 12 starts energizing.
Until then.

コンデンサ14は引き続き振動し、再び図示極性に充電
されると共に、ダイオード12が非導通となり、コレク
タ電圧が再印加される。
Capacitor 14 continues to vibrate and is charged again to the polarity shown, while diode 12 becomes non-conducting and the collector voltage is reapplied.

この再印加時点り、以前にトランジスタ3はオフ状態に
回復している。
At the time of this re-application, the transistor 3 had previously recovered to the off state.

従って、この時のターンオフスイッチングパワは無視で
き、この発明の電力トランジスタスイッチ装置は、トラ
ンジスタ3及び補助スイッチ16又は16′の夫々ター
ンオン時の許容破壊限界までスイッチングを行うことが
でき、トランジスタ3のターンオフ時の二次降伏破壊限
界によって低い値に制約されることがない。
Therefore, the turn-off switching power at this time is negligible, and the power transistor switching device of the present invention can perform switching up to the permissible breakdown limit when turning on each of the transistor 3 and the auxiliary switch 16 or 16', and turning off the transistor 3. is not constrained to a low value by the secondary yield failure limit.

またトランジスタのベース又はゲートへ逆バイアスをか
げること、またトランジスタをり゛−リフグトン接続す
ることは、この発明に応用できることは勿論である。
It goes without saying that applying a reverse bias to the base or gate of a transistor and connecting transistors in a differential manner can also be applied to the present invention.

以上のようにこの発明はトランジスタのエミッタ・コレ
クタ間又はドレンソース間に逆バイアスを与えるような
再印加電圧抑制手段を設け、逆バイアスが修了する以前
に上記トランジスタを非導通状態へ回復させるようにし
ているから、ターンオフスイッチングパワを無視できる
と共にターンオフ時の降伏破壊を阻止できる。
As described above, the present invention provides a reapplying voltage suppressing means that applies a reverse bias between the emitter and collector of the transistor or between the drain and source, and restores the transistor to a non-conducting state before the reverse bias is completed. Therefore, turn-off switching power can be ignored and breakdown breakdown at turn-off can be prevented.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は従来のトランジスタスイッチ装置を示す図、第
2図はこの抛明の技術的基礎となる一例を示す図、第3
図a〜Cは夫々この発明の技術的基礎となる他の例を示
す図、第4図、第5図は更に改良されたこの発明の技術
的基礎となる実施例を示す図、第6図はこの発明の一実
施例を示す図、第1図はこの発明の基礎となる他を例を
示す図である。 図において1は電源、2は負荷、3は電力トランジスタ
、3aは第1トランジスタ、3bは第2トランジスタ、
8,14はコンデンサ、9,12゜13はダイオード、
10は充放電抵抗、200は再印加電圧抑制手段、20
はベース駆動回路。
Fig. 1 is a diagram showing a conventional transistor switch device, Fig. 2 is a diagram showing an example of the technical basis of this operation, and Fig. 3 is a diagram showing a conventional transistor switch device.
Figures a to C are diagrams showing other examples that serve as the technical basis of this invention, respectively. Figures 4 and 5 are diagrams that illustrate a further improved embodiment that is the technical basis of this invention. Figure 6. 1 is a diagram showing one embodiment of this invention, and FIG. 1 is a diagram showing another example which is the basis of this invention. In the figure, 1 is a power supply, 2 is a load, 3 is a power transistor, 3a is a first transistor, 3b is a second transistor,
8, 14 are capacitors, 9, 12゜13 are diodes,
10 is a charging/discharging resistor, 200 is a re-applying voltage suppressing means, 20
is the base drive circuit.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 電源と負荷とを結ぶ電路に直列挿入されたトランジ
スタ、筆記トランジスタのベース又はゲートを制御して
上記トランジスタをスイッチングさせる制御手段を有す
るものにおいて、上記トランジスタがオフ期間中に充電
され該トランジスタをオンすれば上記負荷に電流を通電
するコンデンサと、このコンデンサに直列挿入されたイ
ンダクタンスと、上記コンデンサとインダクタンスとに
並列接続され上記トランジスタをオフする時ベース電流
を遮断又は逆バイアスする時点より所定時間早めの時点
で導通させる補助スイッチと、上記コンデンサとインダ
クタンスとに並列接続され且つ上記補助スイッチと閉電
路を形成するダイオードとから成り、上記トランジスタ
のエミッタ・コレクタ間又はドレンソース間を逆バイア
スする手段を備え、上記エミッタ・コレクタ間又はドレ
ンソース間の逆バイアスが終了する以前に上記トランジ
スタを非導通状態へ回復させることを特徴とする電力ト
ランジスタスイッチ装置。
1. A transistor inserted in series in an electric circuit connecting a power source and a load, and a control means for controlling the base or gate of a writing transistor to switch the transistor, and the transistor is charged during an off period to turn on the transistor. Then, a capacitor that conducts current to the load, an inductance inserted in series with this capacitor, and a parallel connection between the capacitor and the inductance, and a predetermined period of time earlier than the point at which the base current is cut off or reverse biased when the transistor is turned off. means for reverse biasing between the emitter and collector or between the drain and source of the transistor, comprising an auxiliary switch that is turned on at the time of , and a diode that is connected in parallel to the capacitor and inductance and forms a closed circuit with the auxiliary switch; A power transistor switching device, comprising: recovering the transistor to a non-conducting state before the reverse bias between the emitter and collector or between the drain and source ends.
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