JPS5949800B2

JPS5949800B2 - 交流静止型スイツチング装置

Info

Publication number: JPS5949800B2
Application number: JP49131238A
Authority: JP
Inventors: モンロ− デイマレストドナルド
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1973-11-16
Filing date: 1974-11-15
Publication date: 1984-12-05
Also published as: US3890561A; IT1025725B; CA1017406A; JPS5081667A

Description

【発明の詳細な説明】この発明は、１対のサイリスタ（又はサイリスタの群
）が逆並列回路に接続されていて、交流の交互の半サイ
クルを導電するように交互にトリガされるような半導体
形式の交流静止型スイッチに関する。

更に具体的に云えば、この発明はこのようなスイッチに
対するゲート・パルス電源に関し、特に、スイッチ回路
の各々の並列分岐路にある複数個のサイリスタで構成さ
れ、ゲート・パルス回路に相当量の電力を必要とする高
電圧大電流スイッチに適用し得る。出願人が知る従来技
術としては、米国特許第３４２３６６４号、同第３３６
５６１３号、同第３２４３６８９号及び同第２５５０６
２４号がある。米国特許第３４２３６６４号には、整流
器又はインバータとして使うように設計されたサイリス
タの高電圧マトリクス、即ち交互の半サイクルの間導電
し、交流の中間の半サイクルの間は非導電状態にとゞま
るサイリスタのマトリクス又は直列系列に対するゲート
・パルス電源が記載されている。この変換器回路では、
サイリスタが直流スイッチとして作用し、一方の極性の
電流だけを通す。反対ノの半サイクルの間、マトリタス
に逆電圧が現われ、この逆電圧を利用して、ゲート・パ
ルス電源として作用するコンデンサを充電する。これに
対して、交流スイッチでは、順電流サイリスタ・マトリ
クス又は分岐回路が逆電流サイリ丁スタ・マトリクスと
逆並列回路になるように接続され、スイッチが完全に導
電即ちオンである状態にある時、電流の順又は逆のいづ
れの半サイクルでも、スイツチには目立つた電圧がか・
らない。

交流静止型スイツチのサイリスタを導電期間即ちオン期
間の間に位相制御すると、各半サイクルの初期部分の間
、スイツチの端子間に瞬時線路電圧が現われるが、遅延
角が小さい場合、この電圧はゲート・パルス用コンデン
サを充電状態に保つのに十分ではない。勿諭、非導電状
態即ちオフ状態の時、スイツチ端子間に全線路電圧がか
・るが、オン期間即ち導電期間の間、スイツチ端子の電
圧は、ゲート・パルス貯蔵コンデンサを充電する為の源
としては頼りにならない。この為、スイツチをオンに転
じた後、即ち導電が開始された後、スイツチを導電状態
に保つのに他の何等かの充電エネルギ源が必要である。
従つて、この発明の主な目的は、両波交流サイリスタ・
スイツチに於て、オン期間、即ちスイツチが閉じている
期間の間、電力回路からゲート・パルス・エネルギを連
続的に取出す改良された手段を提供することである。

この発明の更に特定の目的は、交流静止型スイ．ツチに
対するコンデンサ貯蔵形ゲート・パルス電源に於て、開
閉動作の閉（即ちオン）及び開（即ちオフ）期間のいづ
れの間も、。

貯蔵コンデンサを充電する手段を提供することである。
この発明を実施した好ましい１実施例では、逆．並列の
分岐路として接続された少なくとも１対のゲート制御半
導体装置から成る形式の交流静止型スイツチのゲート・
パルス回路に対し、エネルギを供給する貯蔵コンデンサ
を利用する。

スイツチ動作の開即ちオフ期間の間、貯蔵コンデンサに
電．荷を保つ為、その時非導電である１つ又は更に多く
のサイリスタの両端に存在する端子電圧から充電エネル
ギを取出す手段を設ける。スイツチ動作の閉即ちオン期
間の間、スイツチに連続的にゲート・エネルギを供給す
るのに十分な状態にコンデ．ンサの電荷を維持する為、
スイツチによつて制御される電力回路を通る電流の流れ
から付加的な充電エネルギを取出す手段をも設ける。こ
の発明並びにその目的及び利点は、以下図面について詳
しく説明する所から、更によ＜理解されよう。

図面について説明すると、静止型交流電力スイツチＳが
変流器ＣＴの１次巻線１０と直列に端子Ｔ，及び丁。

の間に接続されている。スイツチＳは並列回路に接続さ
れた反対の極性を持つ２つのサイリスタ回路又はマトリ
クスを持ち各々のサイリスタ・マトリクスは同じ極性で
直列に接続された２つのサイリスタで構成される。１つ
のマトリクスが、端子Ｔ，が端子Ｔ。

に対して正である時、電流の半サイクルを通すように接
続されたサイリスタ１２，１３で構成され、他方のマト
リクスが端子Ｔ。が端子Ｔ，に対して正である時、電流
の半サイクルを通すような反対の極性に接続された２つ
のサイリスタ１４，１５で構成される。各々同じ極性で
直列に接続された２つのサイリスタから成るサイリスタ
・マトリクス又は並列分岐回路を図示したが、更に電圧
が高い用途では、各々のマトリクスの中で同じ極性の、
ずつと多数のサイリスタを直列に接続することがあるこ
とは、当業者に明らかであろう。大電流の用途では、各
々のマトリクス又は一方向性分岐回路は、同じ極性で並
列回路に接続された複数個の直列接続のサイリスタ回路
で構成することが出来る。また非常に電圧が高い用途で
は、スイツチＳのようなスイツチ集成体を何個か直列回
路に接続することが出来る。サイリスタ１２，１３，１
４，１５がゲート制御式シリコン半導体装置であつて、
いづれも、電流の流れに対し非常に高いインピーダンス
を呈する非導電状態又は阻止状態と、比較的僅かな電圧
降下で順方向電流を自由に通す導電状態又はオン転化状
態とを持つことは、当業者に明らかであろう。サイリス
タは夫々制御電極又はゲート電極１２Ａ，１３Ａ，１４
Ａ，１５Ａを持ち、その各々が、主電極に順バイアスが
存在する時（即ちサイリスタの陽極がその陰極に対して
正である時）、電流パルス又はゲート信号を加えられる
と、関連したサイリスタをその阻止状態からそのオン転
化状態に急激に切換えるのに有効である。周知のように
、このゲート信号は、この順バイアスが存在する半サイ
クル中の任意の時に、サイリスタを導電させるのに有効
である。任意の半サイクル中に一旦導電が開始されると
、ゲートの電圧とは無関係に、その電流が予定の保持レ
ベルより低くなるまで、サイリスタが順電流を通し続け
る。任意の半サイクル中で、サイリスタが導電している
時間をオン転化の時点から電気角で測つたものが、通電
角と呼ばれる。正のバイアス電圧を持つ任意の半サイク
ルの間、導電が開始されるまでの時間を、その前の電圧
がゼロの時から電気角で測つた値が、遅延角又はゲート
角と呼ばれる。希望によつては、順電圧の開始時に対す
るゲート・パルスの位相を制御することにより、ゲート
角を変え、こうしてサイリスタを通る平均電流の大きさ
を制．御することが出来る。スイツチＳに於て、各々の
サイリスタ１２，１３，１４，１５が抵抗２０及びコン
デンサ２１から成るＲＣ回路によつて分路されており、
サイリスタが阻止状態と導電状態との間で変わる際、１
各々のマトリクスの直列接続されたサイリスタの両端の
電圧を過渡的に安定化させる。

この安定化回路は米国特許第３４２３６６４号に詳しく
説明されている。静止型スイツチＳによつて制御される
電力回路，からサイリスタ用のゲート・パルスのエネル
ギを取出す為、エネルギ貯蔵コンデンサ２５を設ける。

コンデンサ２５は、これから説明する手段によつて電力
回路から充電され、１対のゲート・パルス発生器２６，
２７を付勢するように接続され，ている。ゲート・パル
ス発生器２６，２７は前掲米国特許第３４２３６６４号
に記載される形式のパルス形成回路として図示してある
。パルス形成回路の出力が交互の半サイタルに、夫々ゲ
ート・パルス変圧器３２，３３の１次巻線３０，３１に
供給される。ゲート・パルス変圧器３２が２次巻線３４
，３５を持ち、これらはスイツチＳにある一方のサイリ
スタ・マトリクスのゲート電極１５Ａ，１４Ａを夫々付
勢するように接続されている。反対の極性を持つサイリ
スタ・マトリタスのゲート電極１３Ａ，１２Ａが、ゲー
ト・パルス変圧器３３の２次巻線３６，３７によつて夫
々付勢される。貯蔵コンデンサ２５とパルス形成回路２
６，２７との間に、限流抵抗４０，４１と光作動点弧ス
イツチ４２，４３とを設ける。静止型スイツチＳの導電
期間の間、適当な点弧制御装置４５により点弧スイツチ
４２，４３を電力回路の周波数の交互の半サイクルの時
に同期的に交互に閉じる。点弧制御装置４５が静止型ス
イツチの主たる制御を行ない、希望によつては、スイツ
チの動作のオン即ち導電期間の間、サイリスタのゲート
の可変の位相制御をする手段を含めることが出来る。点
弧制御装置４５が米国特許３６９３０６９号に記載され
るゲート制御装置と同様であることが望ましい。フ図で
点弧制御装置４５と点弧スイツチ４２，４３との間に概
略的に示した光パイプ作動手段は随意選択によるもので
あるが、点弧制御装置が好ましくは低い電圧の所にある
のに対し、ゲート・パルス電源回路を大地より非常に高
い電圧の所に置かなければならない高電圧の用途では、
これを用いることが望ましい。

前に説明したように、スイツチの閉即ち導電期間の間、
ゲート・パルスの電力が必要であるが、この期間の間、
サイリスタが一杯に導電していれば、電力回路に流れる
電流のいづれの半サイクルでも、スイツチ端子Ｔｌ，Ｔ
２の間に殆んど電圧は現われない。

従つて、導電期間の間、スイツチ端子の電圧は貯蔵コン
デンサ２５に充電電流を供給する為に利用することが出
来ない。この期間の間、静止型スイツチＳを通る電力電
流の流れに応答する手段を介し、貯藏コンデンサ２５を
充電するエネルギを取出す。図にはこの充電源を変流器
ＣＴとして示してある。変流器の２次巻線１１が電力回
路に結合され、両波整流器ブリツジ５１を介して貯蔵コ
ンデンサ２５に直流を供給する。２次巻線１１の一方の
端子を隣接した１次巻線１０に接続し、整流器５１の一
方の入力端子を電力回路の電圧の選ばれた点に結合する
ことが好ましいｏ変流器ＣＴ及び整流器５１は、静止型スイツチＳの動作
中のオン即ち導電期間の間は、連続的なゲート・パルス
電源として作用するが、電力回路の電流に応答するこの
源は、スイツチの動作中の非導電即ちオフ期間の間は、
コンデンサ２５を充電した状態に保たない。

然し、この期間中は、スイツチ端子Ｔｌ，Ｔ２の間に線
路電圧が現われ、線路電圧のそれに比例する部分が各々
の安定化ＲＣ回路２０，２１の両端に現われる。この為
、この端子電圧源を利用して、スイツチ動作の開即ちオ
フ期間の間、コンデンサ２５を充電する。この目的の為
、両波整流器ブリツジ５５の入力端子を抵抗５７を介し
てスイツチ端子Ｔｌ，Ｔ２の間に接続すると共に、コン
デンサ２５を整流器の直流出力端子の間に接続する。整
流器ブリツジ５１及び５５の出力端子が並列回路として
接続され、貯蔵コンデンサ２５を充電し、各々の整流器
ブリツジの一方の入力端子が電力回路の共通点に接続さ
れる。

抵抗５７は、整流器５５の入力に印加される電圧を適切
に下げる。動作について説明すると、電力回路の電圧に
応答する充電源、即ち整流器５５を含む源が、静止型ス
イツチの動作中の開即ち非導電期間の間、コンデンサ２
５を一杯に充電した状態に保ち、この為点弧制御装置４
５に応答してスイツチの導電を開始させる為に連続的に
利用し得ることが理解されよう。スイツチ動作のこの後
の閉即ち導電期間の間、コンデンサ２５が、整流器５１
及び変流器ＣＴを含む電流応答充電源により、適切に充
電された状態に保たれる。電圧応答及び電流応答充電源
が両方共常にコンデンサ２５の両端に並列に接続されて
おり、この為電圧が高い方の源がコンデンサを充電する
のに有効である。前に述べた理由で、スイツチの動作中
の非導電期間の間は、電圧応答源だけが作用する。導電
期間の間、電流応答源が常に作用し得るが、サイリスタ
のゲート角が電気角で４０゜程度又はそれ以上である場
合、電圧応答源からも付加的にエネルギを取出すことが
出来る。この発明を実施すると、ゲート・パルス・エネ
ルギ貯蔵装置に対する電圧応答充電回路が、１つ又は更
に多くの直列接続されたサイリスタから成るスイツチの
端子間又はこの端子間にある緩衝インピーダンスの両端
の電圧のような、電力スイツ．チング回路の１つ又は更
に多くの素子の間に現われる電圧から、スイツチの動作
中の非導電（即ちオフ又は開）期間の間、エネルギを取
出すことが出来ることが理解されよう。

同様に、電流応答充電源がスイツチ回路内の任意の便利
な位置に設け．られた変流器又は電力回路の電流に応答
するその他の手段を介して、エネルギを受取ることが出
来る。この別の手段としては、例えば電力電流の加熱効
果に応答する手段であつてよい。然し、電流源が、電力
回路の内、交流の順及び逆の両方の半．サイクルを通す
部分に関連していることが好ましい。直列に多数のサイ
リスタ、例えば１０個或いはそれ以上のサイリスタを必
要とする様なこの発明のスイツチの用途では、このスイ
ツチを図示のスイツチＳと同様な幾つかの部分に分け、
各部分を直列回路に接続するのが望ましい。

このように組立てられた２つの部分からなるスイツチで
は、各々のスイツチ部分に対し、別々のゲート給電コン
デンサ及び関連した電流及び電圧充電回路を設けるのが
有利である。変流器ＣＴを直列接続されたスイツチの２
つの部分の間に設けることにより、ゲート・パルス電源
の部品の絶縁は最小限に抑えることが出米る。更に、別
々のゲート・パルス貯蔵コンデンサを持つ２つの部分か
ら成るスイツチにすると、冗長のゲート駆動回路を設け
て信頼性を高めるのが容易になる。例えば、各々の部分
の貯蔵コンデンサに付設されたゲート・パルス変圧器に
は、スイツチの両方の部分の同じ極性のサイリスタ・マ
トリクスに付設された２次巻線を設けることが出来る。
ｌ例として、この発明の好ましい実施例を説明したが、
当業者であれば、この発明の範囲内で種々の変更が可能
であることは云う迄もない。

この発明は特許請求の範囲の記載に関連して次の実施態
様をとり得る。（イ）スイツチの端子間にある各対の逆
並列分岐回路が反対の極性に接続されたサイリスタのマ
トリクスで構成され、各々のマトリクスが相等しい複数
個のサイリスタを直列回路に含んでいること。

（ロ）電力電流応答手段が半導体装置を通る両方の向き
の電流の流れに応答すること。

（−◆ 電圧応答手段が少なくとも１つの半導体装置の
両端に接続された入力回路を持つ整流器で構成されるこ
と。

亘スイツチの端子間に交流導体を設け、電流応答手段
が変流器で構成されていて、その２次巻線が前記導体に
結合され、両波整流器の入力回路を２次巻線の両端に接
続すること。

（ホ）各々の半導体装置の両端の安定化回路にコンデン
サ及び抵抗を直列に接続し、電圧応答手段が少な＜とも
１つの安定化インピーダンスの両端に接続された入力回
路を持つ両波整流器で構成されること。

【図面の簡単な説明】

図はこの発明を実施したゲート・パルス電源を含む静止
型スイツチの回路図である。主な符号の説明、１２，１３，１４，１５：サイリスタ
、１２Ａ，１３Ａ，１４Ａ，１５Ａ：ゲート電極、２５
：エネルギ貯蔵コンデンサ、２６，２７：ゲート・パル
ス発生器、３２，３３：パルス変圧器、５１，５５：両
波撃流器、ＣＴ：変流器。

Claims

【特許請求の範囲】

１１対のスイッチ端子の間に逆並列分岐回路として接
続された少なくとも１対のゲート制御半導体装置を有し
、各々の半導体装置は陽極、陰極及びゲート電極を持ち
、該半導体装置は電力交番電流の交互の半サイクルを導
電するように互いに反対の極性に接続されており、更に
、半導体装置の陽極及び陰極の間に順方向電圧が存在す
る交互の半サイクル中に、ゲート電極に夫々電流パルス
を供給するように接続されていて、半導体装置を交互に
導電させる同期ゲート・パルス発生手段と、選ばれた点
孤角でゲート・パレス発生手段を付勢する単一の電気エ
ネルギ貯蔵手段と、スイッチ端子の間の電圧に応答して
、次の半サイクルの際に用いるため、スイッチの動作の
非導電期間の間、前記単一のエネルギ貯蔵手段に充電電
流を供給する手段と、少なくとも１つの半導体装置に電
力電流が流れたことに応答して、次の半サイクルの際に
用いるため、スイッチ動作の導電期間の間、前記単一の
エネルギ貯蔵手段に充電電流を供給する手段とを有する
電力回路に対する交流静止型スイッチング装置。