(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御極付半導体スイッチが複数個、直列接続されている直列回路と、直流電圧バランス抵抗が同数個、直列接続されている直列回路とが並列接続され、初段以外の上記各制御極付半導体スイッチの制御極と、対応する抵抗の接続点とが接続され、上記初段の上記制御極付半導体スイッチの制御極を制御することによって、残りの上記制御極付半導体スイッチを従属制御する制御極付半導体スイッチの直列回路において、
初段の上記直流電圧バランス抵抗に並列接続されている定電圧素子であって、しかも、上記制御極付半導体スイッチのコレクタ・エミッタ極間の耐圧よりも低い値に設定されている定電圧素子を有することを特徴とする制御極付半導体スイッチの直列回路。
【請求項２】
請求項１において、
上記制御極付半導体スイッチは、ＦＥＴまたはＩＧＢＴであることを特徴とする制御極付半導体スイッチの直列回路。
【請求項３】
請求項１において、
上記定電圧素子は、ゼナーダイオードであることを特徴とする制御極付半導体スイッチの直列回路。
【請求項４】
請求項１において、
初段の上記直流電圧バランス抵抗以外の上記直流電圧バランス抵抗に、定電圧素子が並列接続されていることを特徴とする制御極付半導体スイッチの直列回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＦＥＴ、ＩＧＢＴ等制御極付半導体スイッチを複数個、直列接続して高電圧のスイッチングを行う制御極付半導体スイッチの直列回路に関し、特にターンオン、ターンオフ時における半導体スイッチの過電圧保護機能を有する制御極付半導体スイッチの直列回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図３は、従来の制御極付半導体スイッチの直列回路ＳＳ１１を示す図である。
【０００３】
従来の制御極付半導体スイッチの直列回路ＳＳ１１は、ＦＥＴ、ＩＧＢＴ等の制御極付半導体スイッチ（３個のＩＧＢＴ１、２、３）が、主端子４、５間に直列接続され、また、過渡電圧バランス用のコンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３と、抵抗Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６との直列回路が、同数の直流電圧バランス抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３と並列に接続され、これらが、主端子４、５間に接続されている。
【０００４】
また、各直列電流バランス抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３の各接続点を、初段のＩＧＢＴ１を除くＩＧＢＴ２、３の制御極（ゲート極）に接続し、初段のＩＧＢＴ１の制御極（ゲート極）を、制御回路１５に接続する。
【０００５】
なお、ＩＧＢＴコレクタ・エミッタ間の過電圧保護用定電圧素子（たとえばゼナーダイオード）Ｄ１１、Ｄ１２、Ｄ１３が設けられ、また、ＩＧＢＴ２、３のゲート・エミッタ過電圧保護用定電圧素子（たとえばゼナーダイオード）Ｄ４、Ｄ５が設けられている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の回路では、初段のＩＧＢＴ１を、制御回路１５の電圧信号でオンすれば、これに従属して他のＩＧＢＴ２、３もオンする。
【０００７】
また、制御回路１５の電圧信号を、０（またはマイナス）にし、初段のＩＧＢＴ１をオフすれば、他のＩＧＢＴ２、３もオフする。この回路は、原理的には、直列回路初段のＩＧＢＴ１のオフから、順次、上段のＩＧＢＴ２、続いてＩＧＢＴ３がオフするので、ターンオフ時では、最終段のＩＧＢＴ３に近い素子ほど、ターンオフが遅れ、初段のＩＧＢＴ１に過電圧がかかるという欠点がある。
【０００８】
したがって、過渡電圧バランス用のコンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３の値と、抵抗Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６の値とを適正に選定したとしても、過電圧を完全に除去することができない。
【０００９】
上記過電圧を完全に除去しようとするためには、さらに、各ＩＧＢＴ１、２、３のコレクタ・エミッタ極間に、並列にゼナーダイオード等の定電圧素子Ｄ１１、Ｄ１２、Ｄ１３を接続し、過電圧を受動的に制限し、吸収し、消費することが考えられる。
【００１０】
しかし、このようにした場合、スイッチング周波数が上昇すると、ゼナーダイオードの損失が増大し、また、ゼナーダイオード等にサージ電流が流れると、ゼナー電圧が上昇するので、ＩＧＢＴ等を過電圧保護できないという問題がある。
【００１１】
なお、ゼナーダイオードＤ４、Ｄ５は、初段ＩＧＢＴ１以外が過渡的な動作をするので、ＩＧＢＴ２、３のゲート・エミッタに過電圧が印加されることを防止するものである。
【００１２】
本発明は、直列半導体スイッチのターンオフ時において、従属段のスイッチ素子の動作遅れによって、初段の素子と初段に近い素子とに印加されるコレクタ・エミッタの過電圧を、能動的に制限することができる制御極付半導体スイッチの直列回路を提供することを目的とするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、制御極付半導体スイッチが複数個、直列接続されている直列回路と、直流電圧バランス抵抗が同数個、直列接続されている直列回路とが並列接続され、初段以外の上記各制御極付半導体スイッチの制御極と、対応する抵抗の接続点とが接続され、上記初段の上記制御極付半導体スイッチの制御極を制御することによって、残りの上記制御極付半導体スイッチを従属制御する制御極付半導体スイッチの直列回路において、初段の上記直流電圧バランス抵抗に並列接続されている定電圧素子であって、しかも、上記制御極付半導体スイッチのコレクタ・エミッタ極間の耐圧よりも低い値に設定されている定電圧素子を有する制御極付半導体スイッチの直列回路である。
【００１４】
【発明の実施の形態および実施例】
図１は、本発明の第１の実施例である制御極付半導体スイッチの直列回路ＳＳ１を示す回路図である。
【００１５】
制御極付半導体スイッチの直列回路ＳＳ１は、ＦＥＴ、ＩＧＢＴ等の制御極付半導体スイッチの複数個直列回路において、少なくとも初段、必要に応じて初段に近い２段目等の直流電圧バランス抵抗に、ゼナーダイオード等の定電圧素子Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３が並列接続されている回路である。
【００１６】
なお、図３において示した部品と同じ部品には、図１において、同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００１７】
ＩＧＢＴ１、２、３を過電圧から保護するために、ゼナーダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３が設けられ、これらのゼナー電圧は、ＩＧＢＴ１、２、３のそれぞれの耐圧よりも低い値に設定されている。たとえば、ＩＧＢＴの耐圧が１２００Ｖであるとすれば、ゼナー電圧を、１０００Ｖに設定してある。
【００１８】
次に、上記実施例の動作について説明する。
【００１９】
まず、全ＩＧＢＴ１、２、３がオフの状態である場合について説明する。
【００２０】
抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３の抵抗値は、互いに実質的に同じ値に設定され、したがって、各ＩＧＢＴの直流電圧バランスは、同じ電圧である。このバランスしている電圧は、上記例では、ゼナー電圧１０００Ｖを越えない。
【００２１】
次に、上記実施例において、ターンオンする場合の動作について説明する。
【００２２】
制御回路１５からの信号によって、初段のＩＧＢＴ１がオンすると、電圧バランス回路Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３の分圧電圧によって、ＩＧＢＴ２が、順バイアスされ、オンする。ＩＧＢＴ２がオンすることによって、これと同様の動作によって、ＩＧＢＴ３もオンする。
【００２３】
ＩＧＢＴ２、３のゲート電圧は、主端子４、５間に設けられている電圧バランス回路Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３で発生される分圧電圧であり、全ＩＧＢＴ１、２、３のコレクタ電圧は、原理的にはゼロにならない。つまり、過渡電圧バランス回路と直流電圧バランス抵抗との作用によって、ＩＧＢＴ１、２、３のゲート電圧は、最小オン電圧まで飽和する。
【００２４】
次に、上記実施例において、ターンオフする場合の動作について説明する。
【００２５】
制御回路１５からの信号によって、初段のＩＧＢＴ１がターンオフし、負荷電流Ｉを遮断すると、ＩＧＢＴ１のコレクタ電圧が上昇し、ＩＧＢＴ１のコレクタ電圧が、電圧バランス回路のゼナーダイオードＤ１のゼナー電圧１０００Ｖを越えると、２段目のＩＧＢＴ２のゲート・エミッタ極の充電電荷を放電しながら、負荷電流Ｉが、図１に破線で示すように、ゼナーダイオードＤ１に移り、ＩＧＢＴ１のコレクタ電圧を、ゼナー電圧に制限する。
【００２６】
これと同時に、上記ゲート電荷の放電電流によって、ＩＧＢＴ２のゲート極が、ゼナーダイオードＤ４の順方向電圧まで逆バイアスされ、ＩＧＢＴ２は、急速にターンオフする。ＩＧＢＴ２がオフすれば、ゼナーダイオードＤ１の電流は、継続しないので、電力損失が最小化される。
【００２７】
ＩＧＢＴ２がターンオフを開始し、そのコレクタ電位が上昇すると、これと同様に、３段目のＩＧＢＴ３のゲート・エミッタ極の充電電荷を放電しながら、負荷電流Ｉの一部が、ゼナーダイオードＤ２に移り、ＩＧＢＴ２のコレクタ電圧をゼナー電圧に制限する。
【００２８】
これと同時に、上記ゲート電荷の放電電流によって、ＩＧＢＴ３のゲート極が、ゼナーダイオードＤ５の順方向電圧まで逆バイアスされ、ＩＧＢＴ３は、急速にターンオフする。ＩＧＢＴ３がオフすれば、ゼナーダイオードＤ２の電流は、継続しないので、電力損失が最小化される。
【００２９】
上記動作の間に、過渡電圧バランス回路と直流電圧バランス抵抗との動作も同時に生じ、これらが複合的に動作する。
【００３０】
また、ゼナーダイオードＤ３は、上に従属するＩＧＢＴが存在しないので、ゼナーダイオードＤ３を省略することができる。しかし、ＩＧＢＴ３のコレクタ・ゲート間の電圧、実質的にコレクタ・エミッタの電圧を制限し、過電圧保護機能を持つためには、ゼナーダイオードＤ３を設けることが好ましい。
【００３１】
上記実施例によれば、電圧バランス回路に接続されているゼナーダイオード等の定電圧素子は、単にＩＧＢＴのコレクタ・エミッタ電圧を制限するだけでなく、ゼナー電流が、ゲート・エミッタ間を逆方向に流れ、ＩＧＢＴのゲート電荷を急速に放電し、ターンオフを高速化する作用がある。
【００３２】
また、ゼナーダイオードへの電流も、ＩＧＢＴがオフするまでの短時間であり、ゼナー損失が増加し難いという利点がある。
【００３３】
なお、ＩＧＢＴ２、３のゲート・エミッタ極に並列なゼナーダイオードＤ４、Ｄ５は、上記ターンオン、ターンオフ動作において、ＩＧＢＴ２、３のゲート・エミッタが過渡的に順方向過電圧または逆方向過電圧になることによって、ＩＧＢＴ２、３が絶縁破壊することを保護するものである。
【００３４】
図２は、本発明の第２の実施例である制御極付半導体スイッチング直列回路ＳＳ２を示す回路図である。
【００３５】
制御極付半導体スイッチング直列回路ＳＳ２は、制御極付半導体スイッチング直列回路ＳＳ１と基本的には同じであり、制御極付半導体スイッチング直列回路ＳＳ１において、ゼナーダイオードＤ２、Ｄ３が削除されている回路である。
【００３６】
つまり、制御極付半導体スイッチング直列回路ＳＳ２は、初段の直流電圧バランス抵抗のみに、定電圧素子が並列接続されている。
【００３７】
また、初段の直流電圧バランス抵抗と、２段目の直流電圧バランス抵抗とのみに、定電圧素子を並列接続するようにしてもよい。
【００３８】
すなわち、初段の直流電圧バランス抵抗に、定電圧素子が並列接続され、しかも、初段の上記直流電圧バランス抵抗以外の上記直流電圧バランス抵抗に、定電圧素子が並列接続されているようにしてもよい。
【００３９】
なお、上記実施例において、ＩＧＢＴ１、２、３の代わりに、ＦＥＴ等、ＩＧＢＴ以外の制御極付半導体スイッチを使用するようにしてもよい。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、半導体スイッチの直列回路のターンオフ時の過電圧を、ゼナーダイオード等定電圧素子を用いて能動的に保護することができ、しかも、確実かつ簡単に保護することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例である制御極付半導体スイッチの直列回路ＳＳ１を示す回路図である。
【図２】本発明の第２の実施例である制御極付半導体スイッチの直列回路ＳＳ２を示す回路図である。
【図３】従来の制御極付半導体スイッチの直列回路ＳＳ１１を示す回路図である。
【符号の説明】
ＳＳ１、ＳＳ２…制御極付半導体スイッチの直列回路、
１〜３…ＩＧＢＴ、
Ｄ１〜Ｄ５…ゼナーダイオード、
Ｒ１…初段の直流電圧バランス抵抗、
Ｒ２…２段目の直流電圧バランス抵抗、
Ｒ３…３段目の直流電圧バランス抵抗。
【図１】
0003761163.tif 000002
【図２】
0003761163.tif 000003
【図３】
0003761163.tif 000004