(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともゲート端子及びカソード端子を有するターンオフサイリスタをターンオン及びターンオフするための駆動方法であって、
(a) 前記ターンオフサイリスタのゲート端子及びカソード端子間に配置された容量性の第１エネルギ貯蔵手段の支援で前記ターンオフサイリスタをターンオフするためのターンオフ電流を生成するステップと、
(b) 前記ターンオフサイリスタをターンオンするためのターンオン電流を生成するステップと、
(c) 前記ターンオフサイリスタのターンオンされた状態を維持するための保持電流を生成するステップと、
を有し、
(d) 前記ターンオン電流を生成するステップは、少なくとも一つの第２エネルギ貯蔵手段の支援で、前記容量性の第１エネルギ貯蔵手段からの電圧パルスを電流に変換するステップを有し、且つ、前記保持電流を発生するステップは、前記少なくとも一つの第２エネルギ貯蔵手段の支援で、可変繰り返し周波数ｆ１を有する一連の電圧パルスを電流に変換するステップを有し、前記可変繰り返し周波数ｆ１は、前記ターンオフサイリスタのゲート・カソード電圧が負になると直ちに減少され、前記保持電流は、前記ターンオン電流を生成するために用いられる電圧パルスを繰り返すことによって生成され、且つ、前記可変繰り返し周波数ｆ１は、前記ターンオフサイリスタのゲート・カソード電圧が負の後に正になると直ちに増加されることを特徴とする方法。
【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。本発明は、特定的には、ＧＴＯをターンオン及びターンオフさせる方法及びデバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的な型の方法及びデバイスが、欧州特許出願 EP 0 489 945 に開示されている。この特許には、ターンオフサイリスタのいわゆるハード駆動が記載されており、この駆動方法は、普通の駆動に比してより大きく、遙かに急峻な電流をターンオフＧＴＯのゲートに印加する。ターンオン電流を生成するための手段が設けられる。これらの手段は、ＧＴＯをターンオンさせる電流と、ターンオン状態を維持するための保持電流とを生成する。これらの手段は何れの場合も、所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を引き出すコンデンサを含んでいる。
一般型の駆動ユニットのための空間配列が、本出願の優先権主張日付以前には公開されなかったドイツ特許出願 197 08 873.2 に開示されている。これは極めて低いインダクタンスを有するように設計された装置がハード駆動するために必要とされていたからである。この目的から、本出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。
【０００３】
極めて明白なことであるが、小型の電力コンバータの設計を可能にするためには、可能な限り少ない消費で回路及びエネルギを管理する駆動回路を有することが望ましい。
【０００４】
【発明の概要】
従って、本発明の目的は、極めて僅かな空間及びエネルギで、ハード駆動するのに特に適した新しい駆動方法、及び対応回路配列を提供することである。この目的は、独立請求項の特色によって達成される。
以上のように、本発明の核心は、電圧パルスからターンオン電流及び保持電流を生成することである。電圧パルスは、電気エネルギ貯蔵手段によって電流に変換される。このための回路は、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、即ち同一エネルギ貯蔵手段から、所要電圧パルスを引き出す場合に特に有利である。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、ゲート・カソード電圧が負になった時には周波数を低下させ、次いで再び新たな正電圧が発生した時に高めるようにする。
【０００５】
本発明による駆動回路では、ターンオン回路は、少なくとも１つの電気エネルギ貯蔵手段を備え、この電気エネルギ貯蔵手段が電圧パルスを電流に変換する。ターンオン電流のためと、保持電流のための共通エネルギ貯蔵手段を設けることも、または別々のエネルギ貯蔵手段を設けることもできる。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の所要エネルギの伝送は、誘導性結合、または容量性結合の何れかによって遂行することができる。特に好ましいのは、所要論理回路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得るようにした駆動回路である。
回路消費は、本発明による方法及び対応するデバイスによって極めて低く保つことができる。回路配列の効率は極めて高い。従って、駆動回路をＧＴＯの直近に配列し、インダクタンスを望む通り低く維持することが可能である。
【０００６】
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。
【０００７】
【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に、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 20 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。ターンオフ回路に属するエネルギ貯蔵手段３は、上記電圧源から給電される。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回路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、ターンオフ論理回路１によって駆動される。ターンオフ論理回路１は直列コントローラ２（市販の定電圧回路）から給電することが好ましい。ターンオフ論理回路１は、例えば矢印で示す光ファイバ、及びターンオフ論理回路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。光ファイバを介して送られるＧＴＯ  １４をターンオフさせる命令は、論理回路１において増幅され、電圧が形成されてスイッチ４へ印加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の極性のために、電流は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。
【０００８】
ターンオン回路も設けられている。この回路は、ターンオフ論理回路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回路５を含んでいる。対応する直列コントローラは６で示されている。２つの論理回路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回路１がＧＴＯ  １４をターンオフさせる命令を受ければ、ターンオン論理回路５の動作は阻止される。しかしながら、もし論理回路１がターンオン命令を受ければ、ターンオン論理回路５はスイッチ７をスイッチングモードで動作するように駆動する。スイッチ７も、端子５０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の一次巻線８、及び二次巻線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、インダクタ１２のインダクタンスよりも小さくすべきである。これは、構造を、例えば巻線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  １４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。
【０００９】
図５は、変成器８、９を介して伝送される電圧パルス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を介してリンギングすることができる。図５に示すようにインダクタ１２を通る電流は、概ね三角形である。３ｋＡ、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にわたって維持すべきである。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。ＧＴＯ  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。
【００１０】
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、最大電力クラスのＧＴＯをトリガするには約 200Ａ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。フリーホイーリングダイオード２２と並列にコンデンサ２３を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大きく（例えば、 10 乃至 15 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回路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１３は開かれるので、インダクタ１２はゲートから分離される。
【００１１】
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。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。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。この手段は、ＧＴＯ  １４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するのを確実に防ぐ。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大きくなり得るが、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ｐｎｐ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スイッチさせて導通させる。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、トランジスタを導通させてコレクタ電流を流させるためには、そのエミッタは順方向電圧だけ、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。制御条件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ＵR 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はこれを防ぐので、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。
【００１２】
トランジスタに支援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。ターンオン論理回路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のカソード及び電圧源の正端子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がブロック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がブロックされ、充電用トランジスタ３６が再度ブロックされ得る。もし電流が減衰する前にスイッチ（トランジスタ）３６が開けば、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、またはスイッチングモードでスイッチ７を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。ＧＴＯ  １４をターンオフさせるためには、スイッチ４を作動させることによってゲートから電流を引き出す。
【００１３】
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に特定して説明したが、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。
本発明による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、特に最高電力クラスの、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。ＧＴＯのゲートとカソードとの間の電圧が再度正になれば、繰り返し周波数またはパルス幅を再び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供給され、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、従来形状の再トリガパルスは不要になる。従って、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またはパルス幅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。
【００１４】
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。しかしながら、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、本発明による方法及びそれに基づく駆動回路は、小型で、頑丈で、低インダクタンスであり、そして特にハード駆動ＧＴＯのために大きい利点を有する設計をもたらす。駆動ユニットをＧＴＯの直近に構成することが可能になり、従って非常に小型の電力コンバータを得ることができる。この配列の効率は極めて高い。駆動ユニットは、冒頭に述べた本願の優先権主張日付より前に公開されなかったドイツ特許出願におけるように構成することができる。以上に特定した配列は、特に欠陥を生じた駆動ユニットの交換のために極めて有利である。
【００１５】
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】本発明の第１の実施例の回路図である。
【図２】本発明の第２の実施例の回路図である。
【図３】本発明の第３の実施例の回路図である。
【図４】本発明の第４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５の実施例の回路図である。
【符号の説明】
１  ターンオフ論理回路
２、６  直列コントローラ
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  ターンオン論理回路
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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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