(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゲート転流型ターンオフサイリスタ素子のターンオフ開始時の主回路電流を前記ターンオフ開始時以降のターンオフゲート電流の測定により直接にモニターすることにより、前記主回路電流が前記ゲート転流型ターンオフサイリスタ素子の可制御オン電流の最大定格値を越えたときを検出した場合には、前記可制御オン電流の最大定格値よりも小さく且つ前記ゲート転流型ターンオフサイリスタ素子をオフ状態に移行し得ない値に限定されたターンオフゲート電流を流し続け、その後にターンオン電流をも流し続けて前記ゲート転流型ターンオフサイリスタ素子をオン状態に移行させた後に、前記限定されたターンオフゲート電流のみをオフして前記ゲート転流型ターンオフサイリスタ素子をオン状態に保つことを特徴とする、
ゲート転流型ターンオフサイリスタ素子のゲート駆動装置。
【請求項２】
ゲート転流型ターンオフサイリスタ素子と、
請求項１記載の前記ゲート駆動装置とを有することを特徴とする、
ゲート転流型ターンオフサイリスタ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、大電力用半導体装置であるゲート転流型ターンオフ（Ｇａｔｅ  Ｃｏｍｍｕｔａｔｅｄ  Ｔｕｒｎ−ｏｆｆ：以下、ＧＣＴと称す）サイリスタ素子のゲート駆動装置に関するものであり、特に主回路電流がＧＣＴサイリスタ素子の最大定格可制御オン電流を超えた過電流となった場合にＧＣＴサイリスタ素子を過電流ターンオフから保護するための制御技術に関している。
【０００２】
【従来の技術】
ＧＣＴサイリスタ素子はＧＴＯ（Ｇａｔｅ  Ｔｕｒｎ−ｏｆｆ）サイリスタ素子の発展形であり、その構成及び動作原理については、例えば特開平９−２０１０３９号公報（米国特許第５７７７５０６号）や特開平８−３３０５７２号公報（米国特許第５７７７３５１号）に開示されている。その特徴を要約すれば、次の通りである。即ち、ＧＣＴサイリスタ素子においては、リングゲート電極に接し且つ絶縁筒の外部に引き出されるゲート端子の形状を、従来のＧＴＯサイリスタ素子のリード状からリング状に置き換えると共に、ＧＣＴサイリスタ素子とゲート駆動回路との接続をも、ＧＴＯサイリスタ素子のリード線構成から積層基板による構成に改良している。これにより、ゲート端子及びゲート配線のインダクタンスをＧＴＯサイリスタ素子のインダクタンスの約１／１００迄に低減しており、ターンオフの際に流す逆方向ゲート電流をゲート電極の全円周面より等方的に供給することが可能となり、併せてターンオフ蓄積時間の短縮を可能としている。又、ＧＣＴサイリスタ素子のウェハ構造については、従来のＧＴＯサイリスタ素子のウェハ構造と同様に、数千個のセグメントが同心円状に数段構成で並列的に配置され、その最外周部にゲート電極と界面を成すゲート電極領域が配置されている。
【０００３】
従来より、ＧＴＯサイリスタ素子やＧＣＴサイリスタ素子のゲート駆動装置の設計においては、同素子に流れる主回路電流が過電流状態になったときに同素子が過電流をそのままターンオフさせてしまう事態から同素子を保護するために、主回路電流が最大定格可制御オン電流未満となるように予め十分なマージンを取って使用条件を決定しておく方法が採用されている。
【０００４】
又、他の従来技術としては、三相交流で主回路を駆動している場合において、主回路が短絡して或る一相の経路内のＧＣＴ（又はＧＴＯ）サイリスタ素子に短絡電流が流れた場合には、主回路側に設けたセンサで主回路の短絡状態を直ちに検出して、その検出結果に基づいた強制点弧により他の二相側のＧＣＴ（又はＧＴＯ）サイリスタ素子のゲート信号をオフ状態からオン状態に切り替えることで、過電流を他の二相側のＧＣＴ（又はＧＴＯ）サイリスタ素子側に分散させて、ＧＣＴ（又はＧＴＯ）サイリスタ素子を過電流のターンオフから保護することも行われている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前者の従来技術に対しては、そもそもマージン設定を不要として、主回路電流が可制御オン電流の最大定格値程度になってもなおＧＣＴサイリスタ素子がターンオフを行える様にしつつ、主回路電流が可制御オン電流の最大定格値を越える場合には自動的にＧＣＴサイリスタ素子の保護が作動する様な制御の実現が要望されるに至っている。
【０００６】
又、後者の従来技術に対しては、主回路側のセンサで過電流状態の発生を検出しているため保護のタイミングが遅れ易いという問題点があり、その様に保護のタイミングが遅れるときにはＧＣＴサイリスタ素子が過電流をターンオフしてしまい、ターンオフ失敗により素子特性が著しく劣化してしまうことがあった。
【０００７】
この発明は斯かる問題点を克服すべくなされたものであり、予めマージンを取っていなくても、ＧＣＴサイリスタ素子に流れる主回路電流が万一可制御オン電流の最大定格値を超えた場合には、保護のタイミングの遅れを生じさせることなく、自動的にＧＣＴサイリスタ素子を過電流のターンオフから保護することを、その目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明のゲート転流型ターンオフサイリスタ素子用ゲート駆動装置は、ゲート転流型ターンオフサイリスタ素子のターンオフ開始時の主回路電流を前記ターンオフ開始時以降のターンオフゲート電流の測定により直接にモニターすることにより、前記主回路電流が前記ゲート転流型ターンオフサイリスタ素子の可制御オン電流の最大定格値を越えたときを検出した場合には、前記可制御オン電流の最大定格値よりも小さく且つ前記ゲート転流型ターンオフサイリスタ素子をオフ状態に移行し得ない値に限定されたターンオフゲート電流を流し続け、その後にターンオン電流をも流し続けて前記ゲート転流型ターンオフサイリスタ素子をオン状態に移行させた後に、前記限定されたターンオフゲート電流のみをオフして前記ゲート転流型ターンオフサイリスタ素子をオン状態に保つことを特徴とする。
【０００９】
請求項２に係る発明のゲート転流型ターンオフサイリスタ装置は、ゲート転流型ターンオフサイリスタ素子と、請求項１記載の前記ゲート駆動装置とを有することを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
（着眼点）
ＧＣＴサイリスタ素子は、ターンオフ時に主回路電流の全てをゲート回路に転流させてターンオフする。従って、ターンオフ開始時にゲート駆動装置内を流れるゲート電流（ターンオン時に流れるゲート電流から見ればゲート逆電流に相当する）を測定することで、主回路電流の値を直接にモニターすることができる。この点を利用することにより、主回路電流がＧＣＴサイリスタ素子の可制御オン電流の最大定格値を超えた過電流状態となったことをモニター結果から検出したときには、ゲート駆動装置は、ターンオフ動作を開始させて間がないＧＣＴサイリスタ素子の状態を直ちにターンオフ動作からオン状態に切り替えることができ、過電流のターンオフからＧＣＴサイリスタ素子を保護することができる。より具体的には、ゲート駆動装置は、モニター結果に応じて、ターンオフ開始時にオンに制御されたオフゲート信号を瞬時にオフにする一方、ターンオフ開始時にオフに制御されたオンゲート信号をオンに切り換えることで、ＧＣＴサイリスタ素子が過電流をターンオフしないようにしＧＣＴサイリスタ素子の動作を制御する。この様に、主回路電流の値が過電流レベルとなるのを直接にモニターし、そのモニター結果に基づいてＧＣＴサイリスタ素子のゲート駆動装置を瞬時に制御しているので、保護のタイミングを逸するという事態は生じない。
【００１１】
以下、図面を参照しつつ、各実施の形態を説明する。
【００１２】
（実施の形態１）
図１は、本実施の形態に係るＧＣＴサイリスタ装置の構成を模式的に示す回路図である。本装置は、ＧＣＴサイリスタ素子１と、ゲート駆動回路乃至はゲート駆動装置２と、ゲート駆動回路用制御回路（図示せず）とに大別される。この内、ＧＣＴサイリスタ素子１は、主回路（図示せず）側に接続されたアノード端子１Ａと、ゲート端子１Ｇと、カソード端子１Ｋとを有する。
【００１３】
他方、ゲート駆動回路２は、オンゲート用ＭＯＳＦＥＴ（第１スイッチング素子）２１（Ｔｒ１）と、オンゲート用電源コンデンサ２２と、オフゲート用ＭＯＳＦＥＴ（第２スイッチング素子）２３（Ｔｒ２）と、オフゲート用電源コンデンサ２４と、オフゲート電流検出回路（電流センサ等）２５と、オフゲート用ＭＯＳＦＥＴ２３（Ｔｒ２）と並列接続された限流回路２６と、配線２９とから成る。そして、オンゲート用ＭＯＳＦＥＴ２１（Ｔｒ１）とオンゲート用電源コンデンサ２２と配線２９とはオンゲート回路を構成しており、オフゲート電流検出回路２５とオフゲート用ＭＯＳＦＥＴ２３（Ｔｒ２）及び限流回路２６とオフゲート用電源コンデンサ２４と配線２９とはオフゲート回路を構成している。
【００１４】
ここで、限流回路２６は、限流回路用ＭＯＳＦＥＴ（第３スイッチング素子）２６１（Ｔｒ３）と、限流回路２６の入力インピーダンスが高インピーダンスとなる様にその値が設定された限流回路用抵抗２６２とから構成されている。
【００１５】
尚、各スイッチング素子２１、２３、２６１をＭＯＳＦＥＴに代えてバイポーラトランジスタで構成しても良い。
【００１６】
又、ゲート駆動回路用制御回路（図示せず）はオフゲート電流検出回路２５の出力端と各スイッチング素子２１、２３、２６１のゲート端子とに接続されており、予め設定された可制御オン電流の最大定格値と入力するオフゲート電流検出回路２５のモニター結果とを比較して、その比較結果に応じて各スイッチング素子２１、２３、２６１のゲート信号を生成・出力する。
【００１７】
既述した通り、主回路電流は、ターンオフ時にゲート駆動回路２内を流れるゲート電流（ターンオフゲート電流）ｉＧを測定することでモニターできる。このターンオフゲート電流ｉＧがＧＣＴサイリスタ素子１の可制御オン電流の最大定格値を超えた場合、ＧＣＴサイリスタ素子１がこの過電流をターンオフしようとすると、ターンオフ失敗によりＧＣＴサイリスタ素子１の特性が著しく劣化する場合がある。このため、ＧＣＴサイリスタ素子１がターンオフしない様に、ＧＣＴサイリスタ素子１の保護制御を行う必要がある。
【００１８】
以下に、ターンオフ時に於ける図１のＧＣＴサイリスタ装置の動作について説明する。
【００１９】
先ず、ターンオフの開始時に、ゲート駆動回路２内でターンオフゲート電流ｉＧをオフゲート電流検出回路２５で測定し、主回路電流ｉＡをモニターする。
【００２０】
ｉ）主回路電流ｉＡが可制御オン電流の最大定格値以下の場合
この場合には、ゲート駆動回路用制御回路は図２に示す様に各トランジスタＴｒ１、Ｔｒ２、Ｔｒ３を制御することで、ＧＣＴサイリスタ素子１は主回路電流ｉＡをオフする。即ち、ゲート駆動回路用制御回路は、ターンオフ開始時ｔ１に各トランジスタＴｒ１、Ｔｒ２、Ｔｒ３のゲート信号をそれぞれオフ、オン、オンに制御し、ターンオフ動作期間中、各ゲート信号の上記レベルを維持し続ける。従って、ターンオフ動作期間中、ターンオフゲート電流ＩＧＭはオフゲート用ＭＯＳＦＥＴ２３（Ｔｒ２）と限流回路２６とを介してオフゲ−ト回路内を流れる。
【００２１】
尚、図２中のＩＴはオン状態での主回路電流ｉＡの値であり、ＶＡＫはアノード−カソード間電圧（アノード電圧とも称す）であり、ターンオフゲート電流ＩＧＭの絶対値は主回路電流ＩＴに等しい。
【００２２】
ｉｉ）主回路電流ｉＡが可制御オン電流の最大定格値を超えた場合
この場合には、図３に示す様に、瞬時にオフゲ−ト回路のオフゲート用ＭＯＳＦＥＴ２３（Ｔｒ２）をオフ状態に制御して限流回路２６のみにターンオフゲート電流ＩＧ１を流すこととする。もしオフゲート用ＭＯＳＦＥＴ２３（Ｔｒ２）が大電流のターンオフゲート電流ＩＧＭ（＝ＩＴ）をそのままターンオフすると、ターンオフ時のサージ電圧が大きくなり、ＭＯＳＦＥＴ２３（Ｔｒ２）及びＧＣＴサイリスタ素子１の特性が著しく劣化する場合があるので、限流回路２６はこれを防止する為に使用されている。ここで、限流回路２６の入力インピーダンスを高インピーダンスに設定しているため、限流回路２６に流れ得るターンオフゲート電流は著しく抑制され、ターンオフゲート電流ＩＧＭ（＝ＩＴ）よりも十分に小さなターンオフゲート電流ＩＧ１が限流回路２６を介してオフゲ−ト回路内を流れるだけである。しかも、限流回路２６をオフゲート用ＭＯＳＦＥＴ２３（Ｔｒ２）に並列に接続しているため、オフゲート用ＭＯＳＦＥＴ２３（Ｔｒ２）−限流回路２６−オフゲート用ＭＯＳＦＥＴ２３（Ｔｒ２）のループインダクタンスＬｓを小さく設定している。その結果、オフゲート用ＭＯＳＦＥＴ２３（Ｔｒ２）がオフした時のサージ電圧を十分小さな値に抑えるようにしている。加えて、主回路電流ｉＡが可制御オン電流の最大定格値を超えたときを検出した時点からオフゲート用ＭＯＳＦＥＴ２３（Ｔｒ２）をオフするタイミングｔ２までの時間Ｔ１を出来る限り小さく設定して、アノード電圧ＶＡＫが十分小さい内に、従ってＧＣＴサイリスタ素子１に印加される瞬時損失が大きくならない内に、各トランジスタＴｒ１、Ｔｒ２、Ｔｒ３のゲート信号を制御するようにしている。以下、図３のタイミングチャートに基づいて、動作を説明する。
【００２３】
先ずターンオフ開始時ｔ１のタイミングで、ゲート駆動回路用制御回路は各トランジスタＴｒ１、Ｔｒ２、Ｔｒ３のゲート信号をそれぞれオフ、オン、オンに制御する。これにより、ターンオフゲート電流ｉＧは急峻な勾配でオフゲ−ト回路内を流れることとなり、可制御オン電流の最大定格値を超えることとなる。このとき、オフゲート電流検出回路２５が出力するモニター結果を受けて、ゲート駆動回路用制御回路は、主回路電流ｉＡが可制御オン電流の最大定格値を超えていることを検出し、素早く時刻ｔ２に於いてオフゲート用ＭＯＳＦＥＴ２３（Ｔｒ２）のゲート信号のみをオフに制御する。これにより、オフゲート回路内を電流値ＩＧＭ（＝ＩＴ）として流れていたターンオフゲート電流はそれ以後は限流回路２６のみを介して流れざるを得なくなり、ターンオフゲート電流は急激に抑えられて、その電流値はＩＧ１となる。更にゲート駆動回路用制御回路は、素早く時刻ｔ３に於いてオンゲート用ＭＯＳＦＥＴ２１（Ｔｒ１）のゲート信号のみをオンに制御する。これにより、ターンオンゲート電流とターンオフゲート電流とが混在してゲート駆動回路２内を流れる様になる。時刻ｔ２以降、ＧＣＴサイリスタ素子１の内部では、主回路電流ｉＡと同じアノード電流がゲート駆動回路２の限流作用によりゲート駆動回路２側へ流れることが制限され、その結果、ゲート駆動回路２へ流れることができなくなった電流分（ｉＡ−ＩＧ１）がカソード１Ｋ側に流れて、急激にＧＣＴサイリスタ素子１をオン状態にする。この場合、ＧＣＴサイリスタ素子１のほぼ全面で、即ち、各セグメントのゲート−カソード間が順バイアス状態となり、ＧＣＴサイリスタ素子１はオンする。この時に、ＧＣＴサイリスタ素子１には過電流が流れる。このタイミングｔ４（時間（ｔ４−ｔ３）は任意に設定される）で、ゲート駆動回路用制御回路は限流回路２６をオフし、且つオンゲート回路をオンし続けることで、ＧＣＴサイリスタ素子１は安定したオン状態を維持することができる。
【００２４】
尚、上記過電流がＧＣＴサイリスタ素子１のサージオン電流の定格値以下となる様に主回路のインピーダンス（抵抗、インダクタンス等）を適切に設定しておくならば、ＧＣＴサイリスタ素子１は過電流に対して何ら問題を発生することはない。
【００２５】
ＧＣＴサイリスタ素子１に過電流が流れた後、ＧＣＴサイリスタ素子１の接合温度が十分低くなり、ＧＣＴサイリスタ素子１が正常状態に復帰したと判明できた場合には、ゲート駆動回路用制御回路は再度各トランジスタＴｒ１、Ｔｒ２、Ｔｒ３のゲート信号をそれぞれオフ、オン、オンに制御する。これにより、ＧＣＴサイリスタ素子１はオフ状態に復帰できる。
【００２６】
以上の通り、図１の本装置によれば、ターンオフ開始後にゲート電流ｉＧをオフゲート電流検出回路２５で測定して主回路電流ｉＡをモニターし、そのモニター結果より主回路電流ｉＡがＧＣＴサイリスタ素子１の可制御オン電流の最大定格値を超えたことを検出した場合には、瞬時にオフゲート用ＭＯＳＦＥＴ２３をオンからオフに切り替え且つオンゲート用ＭＯＳＦＥＴ２１をオフからオンに切り替えて、限流回路２６の限流作用により、ＧＣＴサイリスタ素子１をターンオフさせることなくオン状態に移行させている。これにより、ＧＣＴサイリスタ素子１を過電流ターンオフさせない様に保護することが出来る。
【００２７】
尚、上記説明では一相分のＧＣＴサイリスタ素子１を自動的に過電流ターンオフから保護することを述べたが、例えば三相交流で主回路を駆動している場合には、各相のＧＣＴサイリスタ素子毎に図１に示す様なＧＣＴサイリスタ装置を設けて同様の方法で各ＧＣＴサイリスタ素子のターンオフ動作を制御することにすれば、過電流をオン状態に移行した各相のＧＣＴサイリスタ素子に分散させることができると言う利点が得られる。この点は以下に述べる実施の形態２，３についても当てはまる。
【００２８】
（実施の形態２）
図４は、実施の形態２に係るＧＣＴサイリスタ装置を示す回路図である。本実施の形態では、ゲート駆動回路２内の電圧検出回路２７によってオフゲート用ＭＯＳＦＥＴ２３（Ｔｒ２）のターンオフ時の両端のオン電圧を測定し、そのオン電圧を変換回路（図示せず）により電流に換算することで（図５参照）、主回路電流ｉＡをモニターする。その他の構成は図１の装置と同様である。従って、モニター結果より主回路電流ｉＡがＧＣＴサイリスタ素子１の可制御オン電流の最大定格値を超えたことを検出した場合には、実施の形態１と同様の制御を行うことにより、ＧＣＴサイリスタ素子１を過電流ターンオフから保護することができる。
【００２９】
（実施の形態３）
図６は、実施の形態３に係るＧＣＴサイリスタ装置を示す回路図である。本実施の形態では、ゲート駆動回路２内の電圧検出回路２８によってオフゲート用電源コンデンサ２４のターンオフ時の両端電圧を測定し（図７参照）、この両端電圧の低減値ΔＶＣを変換回路（図示せず）により電流に換算することで（図８参照）、主回路電流ｉＡをモニターする。その他の構成は図１の装置と同様である。従って、モニター結果より主回路電流ｉＡがＧＣＴサイリスタ素子１の可制御オン電流の最大定格値を超えたことを検出した場合には、実施の形態１と同様の制御を行うことにより、ＧＣＴサイリスタ素子１を過電流ターンオフより保護することができる。
【００３０】
【発明の効果】
請求項１及び２に記載の発明によれば、ＧＣＴサイリスタ素子に流れる過電流からＧＣＴサイリスタ素子を確実に且つ自動的に保護することができる制御方式を提供し得るという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態１に係るＧＣＴサイリスタ装置を示す回路図である。
【図２】  主回路電流がＧＣＴサイリスタ素子の可制御オン電流の最大定格値以下の場合に於ける実施の形態１に係るＧＣＴサイリスタ装置の動作を示す図である。
【図３】  主回路電流がＧＣＴサイリスタ素子の可制御オン電流の最大定格値を超えた場合に於ける実施の形態１に係るＧＣＴサイリスタ装置の動作を示す図である。
【図４】  本発明の実施の形態２に係るＧＣＴサイリスタ装置を示す回路図である。
【図５】  オフゲ−ト用ＭＯＳＦＥＴの電圧及び電流特性を示す図である。
【図６】  本発明の実施の形態３に係るＧＣＴサイリスタ装置を示す回路図である。
【図７】  オフゲート用電源コンデンサの電圧降下を示す図である。
【図８】  オフゲート用電源コンデンサの電圧降下とオフゲート電流との関係を示す図である。
【符号の説明】
１  ＧＣＴサイリスタ素子、２  ゲート駆動回路、２１  オンゲート用ＭＯＳＦＥＴ、２２  オンゲート用電源コンデンサ、２３  オフゲート用ＭＯＳＦＥＴ（Ｔｒ２）、２４  オフゲート用電源コンデンサ、２５  オフゲート電流検出回路、２６  限流回路、２６１  限流回路用ＭＯＳＦＥＴ（Ｔｒ３）、２６２  限流回路用抵抗、２７  オフゲート用ＭＯＳＦＥＴの電圧検出回路、２８  オフゲート用電源コンデンサの電圧検出回路。
【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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【図７】
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【図８】
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