(57)【要約】【課題】  ゲート電圧を負電位から正電位にさせる半導体スイッチ素子を多数直列接続してなる高電圧半導体装置に於て、その負電位のバイアス電圧と正電位のパルス電圧の伝達方式と、その小型化及び経済性に関するものである。【解決手段】  各スイッチ素子毎に、そのバイアス電圧とパルス電圧に、リングコア形パルストランス１４を使用し、その各１次導体を２本、又は２芯の高絶縁を施したケーブルで貫通連結し、一つをバイアス用、他方をパルス用として、各入力信号に同期したクロックパルス電流を互いに逆方向に流し、各パルストランスの２次電圧、整流・リセット回路４、５を通じて、負及び正電圧を発生させ、各スイッチ素子８を同時にスイッチングするものである。又、パルス信号伝達時にはバイアス信号を零にし、パルストランスのパルス及びバイアス用クロックパルス電流が重畳しないようにする。尚、図１に示すようにパルストランス１４をバイアスとパスス用の２個使用した方式でもよい。【選択図】「図２」
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１個又は２個以上並列に接続した半導体スイッチ素子ユニットを２ユニット以上直列に接続した高電圧半導体装置に於て、その各ユニットのゲート回路のバイアス電圧（負）と、パルス電圧（正）に２組のリングコア形パルストランスを使用し、その各々の１次導体を高絶縁を施したケーブル状のもので各パルストランスを貫通連結した信号源の、一つをバイアス用、他方をスイッチ用として、各々の２次電圧を各ユニットに供給して各ユニットのゲート電圧を、負電位から正電位に高速に立上げ各ユニットを同時にスイッチング動作させる方式で、その２組の各信号源の入力信号をゲート制御クロックパルス回路で、数１００ｋＨｚ以上のクロック信号とし、その信号を入力信号と同期させ、上記パルストランスの動作時間を短いパルス幅に分解した変調パルス信号を、各リングコア形パルストランスの１次導体のクロックパルス電流とし、各々の２次電圧を整流回・リセット回路を介して、元の入力信号に復元し、バイアス電圧とパルス電圧を各半導体スイッチユニットのゲート端子に同時に伝達する。入力信号はバイアス用には直流、スイッチ用にはパルス信号を使用し、パルス信号発生時にはバイアス直流信号が零になるべく、例えばチョプ回路等を設けることにより、上記２信号が重畳することなく各ユニットにゲート信号を伝達し、高電圧半導体装置をスイッチング動作させる高電圧半導体スイッチ。
【請求項２】
請求項１に記載した高電圧半導体スイッチ回路において、各ユニット２個のリングコア形パルストランスを１個にし、その１次導体を高絶縁を施したケーブル状のもの２本、又は２芯のもの１本で連結し２導体とし、一つをバイアス用、他方をスイッチ用とし、互いにそのクロックパルス電流を逆方向に流し、２個のパルストランスを使用した場合と同じ動作をさせ、各ユニットのゲート端子にバイアス直流及びパルス信号を伝達し、高電圧半導体装置をスイッチング動作させる高電圧半導体スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【産業上の利用分野】
【０００１】  本発明は、高電圧パルス発生器等に使用される直流高電圧スイッチの半導体化に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  従来、高電圧パルス発生器等に使用されるスイッチは、使用電圧が５ｋＶ以上では一般に電子管が使用されていたが、ヒータ電源の必要等により高電圧スイッチの半導体化が望まれていた。一般にその方式は多数の半導体スイッチ素子を直列接続しコンパクトに構成し、そのスイッチ駆動方式は多数のパルストランスを使用するか、光フアィバー方式を採用し、個々の半導体スイッチ素子を同時にスイッチング動作させていた。しかしながらパルストランス使用の場合は、均一な周波数特性をもつパルストランスの製作上の問題と小型化に難点があり、又光フアィバー方式では高圧側での光・電気変換回路用のフローテング電源の設置の問題が生じ、小型化と経済性に難点があった。これ等の問題を解決すべく一例として、本発明者による特開平５−３０４４５１が示されている。
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】  しかしながら、上記特開平５−３０４４５１に記述した方式は、使用する半導体スイッチ素子により、次のような問題が発生した。
【０００４】  この方式で、個々の半導体スイッチ素子に静電誘導トランジスタ（ＳＩＴ）、又は静電誘導サイリスタ（ＳＩＴｈｙ）素子で、ノーマリオン特性の使用の場合は、負電位から正電位に高速に立ち上げるゲート回路が必要となり、直列接続した各半導体スイッチ素子ユニット毎に、スイッチ用パルス電圧以外に負電位、即ちバイアス直流電源（負）の設置を必要とした。
【０００５】  その為には、直流電源を多数の絶縁変圧器を必要とし、且つその対地絶縁耐圧も直列半導体スイッチ素子毎に異なり製作上でも、又対地静電容量によるスイッチ特性でも問題で、その上スイッチの使用電圧に従って高くなり、電圧半導体スイッチとして小型化と経済性に難点が生じた。
【課題を解決するための手段】
【０００６】  前記課題を解決するために、本発明は、ゲート電圧を負電位から正電位にさせる半導体スイッチ素子を多数直列接続してなる高電圧半導体装置に於て、その各スイッチ素子のゲート負電位、即ちバイアス用電源も、正電位のスイッチ用のパルス伝達回路と同様に、各スイッチ素子毎にリングコア形パルストランス（以下パルストランスと称す）を使用し、その各１次導体を高絶縁を施したケーブル状のもので各パルストランスを貫通連結し、その入力（直流）信号を同期した短いパルスに分解したクロックパルス信号に変換し、そのクロックパルス電流を１次導体に流し、各パルストランスの２次側にパルス電圧を誘起させ、整流・リセット回路を介して元の入力（直流）信号に復帰させ、各スイッチ素子のゲート電圧を負電位にする。次に、既設のスイッチ用伝達回路に入力（パルス）信号を伝達し、各スイッチ素子のゲート電圧を同時に負電位から正電位に高速に立ち上がらせスイッチング動作させるものである。  尚、スイッチ用信号電圧の発生時には、バイアス用信号電圧を零にする機能を備え、両信号電圧が、重畳しないようにする。（請求項１記載の発明）
【０００７】  請求項１に記載した高電圧半導体スイッチ回路於て、各素子ユニットのバイアス用、スイッチ用の２個のパルトランスを１個にし、その貫通１次導体を２本、又は２芯のもの１本で、１次側を複線とする。その一つをバイアス用、他方をスイッチ用とし、各入力信号のクロック電流を、互いに重畳することなく逆方向に流すことにより、請求項１の記載と同様なスイッチング動作をさせることができる。（請求項２記載の発明）
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】  以下、本発明の実施の形態を図１、２で説明する。図１はバイアス用、及びスイッチ用電圧伝達方式をパルストランス２、３郡の２系列で構成した高電圧半導体スイッチ回路図を示す。図２は上記２電圧伝達方式を１個のパルストランス１４郡の１系列で構成した同回路図を示す。図１に於て、入力Ａに直流（ＤＣ）信号をゲート制御クロックパルス回路（以下クロックパルス回路と称す）１２に伝達し、数１００ｋＨｚ以上のクロックパルス信号に変換し、その出力信号は半導体素子１１のゲートに伝達する。尚、半導体素子１１のコレクタ端子は各スイッチ素子８の駆動用パルストランス２の貫通１次導体で直流電源１に接続されている。ゲートに伝達されたクロック信号により１次導体にクロックパルス電流が流れ、各パルストランス２の２次側に規定の巻数比に相当するパルス電圧が発生し、負整流・リセット回路４、抵抗６により負の直流電圧に復帰され、抵抗６を通じて規定のバイアス用負電位が各スイッチ素子８のゲート端子に伝達される。次に入力Ｂにパルス信号（正）を印加すれば、入力Ａに接続されたトランジスタ１３のベースに伝達され、そのパルス幅だけ入力Ａの直流（ＤＣ）信号は、チョプされ電圧は零となり上記動作回路を通じて、各スイッチ素子８のゲート電位も零となる。同時にパルス信号は、クロックパルス回路１２に伝達し、バイアス用負電位伝達方式と同様に半導体素子１１、パルストランス３、正整流・リセット回路５、直流阻止コンデンサ７を通じて、入力と同一パルス幅の規定パルス電圧を各スイッチ素子８のゲート端子に同時に伝達され、両信号電圧が重畳することなく、各スイッチ素子のゲート電圧が負電位から正電位に高速に立ち上がり、高圧端子＋、−間が導通状態となりスイッチング動作となる。尚、図中９、１０はスナバ回路と分圧抵抗でスイッチ素子８の保護回路である。【０００９】  図２は図１に示すバイアス用、スイッチ用電圧伝達回路のパルストランス２、３を１個の同トランス１４で代用し、その連結貫通１次導体を２本、又は２芯のもの１本で、１次側を複線とする。その一つをバイアス用、他方をスイッチ用とし、連結貫通方向を互いに逆向きにすれば、両入力信号のクロック電流による各パルストランスの２次電圧と整流・リセット回路４、５の出力（ゲート）電圧（バイアス用は直流、スイッチ用はパルス）の極性は、前者で負ならば後者は正になる。同時に、バイアス用入力Ａ信号（直流）を入力Ｂのパルス信号によりトランジスタ１３でチョプすれば、パルス幅時間内は零となり、各パルストランのバイアス用の貫通連結１次クロックパルス電流も電圧も零となり、バイアス電圧も零となる。同時にスイッチ用の同クロック電流も流れ、互いのクロック電流は、重畳することなく、各トランス２次電圧、正整流・リセット回路５、直流阻止コンデンサ７を通じて、スイッチ素子８のゲート端子にパルス電圧を伝達でき、図１の回路と同様のスイッチング動作ができる。【００１０】  尚、入力Ａ信号（ＤＣ）の入力Ｂ信号（パルス）よるチョプ機能は半導体１３の使用以外にＩＣディジタル回路構成でも可能である。又、パルストランス１４の１次側２導体に流れるクロック電流は、同時でなく且つ互いに逆方向故、使用上問題はない。
【発明の効果】
【００１１】  以上のごとく、本発明によれば、
（１）半導体スイッチ素子を多数直列接続した高電圧装置に於て、各素子のバイアス用負電源の絶縁に、各リングコア形パルストランスの貫通連結１次導体に高絶縁を施したケーブルを使用することにより、従来の各素子毎に汎用の絶縁変圧器に比較して、非常に小型で経済的てある。
（２）クロックパルスを高周波化（１ＭＨｚ以上）すれば、より一層なお小型化できる。
（３）図１に示すバイアス用、スイッチ用の各２個パルストランス２、３を図２に示す１個の同トランス１４で代用れば、小型化と経済性の効果はより著しい。尚、バイアス電圧値、及びパルス電圧値の設定は、同トランス１４の２次側にタップ端子を設ければよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のパルストランス各２個使用した高電圧半導体スイッチの回路図である。
【図２】本発明のパルストランス各１個使用した高電圧半導体スイッチの回路図である。
【符号の説明】
１  直流電源
２  リングコア形パルストランス
３  リングコア形パルストランス
４  負整流・リセット回路
５  正整流・リセット回路
６  抵抗
７  直流阻止コンデンサ
８  スイッチ素子
９  スナバ回路
１０  分圧抵抗
１１  半導体素子
１２  ゲート制御クロックパルス回路
１３  トランジスタ
１４  リングコア形パルストランス
【図１】
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【図２】
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