JPS582550B2 - ゲ−トタ−ンオフサイリスタノホゴソウチ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯ）を電力
制御素子として使用する場合、ゲート、カソード間電圧
を監視してＧＴＯの動作状態を検知しその保護を行なう
ＧＴＯの保護装置に関する。

ＧＴＯは第１図ａのようにアノードＡ、カソードＫおよ
びゲートＧを持つ３端子４層ＰＮＰＮ構造の半導体素子
で、正のゲート信号によりターンオンし負のゲート信号
によりターンオフすることができるサイリスタで、電力
制御素子としても多用されている。

このＧＴＯの動作ゲインＧは、アノード電流をＩＡそし
てゲート電流ピーク値をＩＧＰとしたときＧ＝ＩＡ／Ｉ
ＧＰで示される。

このＧＴＯの動作において、１００アンペア級のＧＴＯ
では、その動作ゲインＧを２〜３倍に選んで運転してお
り、そのときの蓄積時間はおよそ３〜４μｓとなってい
る。

このＧＴＯを装置に組込んで動作させた場合、最適な動
作ゲインが存在し、その動作ゲインより大きなゲインで
動作させた場合には不必要に大きな蓄積時間を引き起し
、加えてターンオフ時のスイッチング損失の増大を招き
ＧＴＯの破損へとつながる場合がある。

ましてやゲートパルサの電圧変動或いは過負荷等により
動作ゲインが極端に大きくなった場合にはＧＴＯは電流
しゃ断能力を失ない、回路によっては電源短絡等を引き
起してＧＴＯを破損することがある。

従来、ＧＴＯの保獲はアノード電流の大きさを検出し、
その大きさがある値を超えたとき主回路のノーヒューズ
ブレーカを引外しさせるなどし保護を行なつている。

しかしこの方法は検出、制御を主回路強電部で行なうの
で取扱いが不便かつ面倒になっていた。

ところでＧＴＯにおいて、ゲート、キソード間の電気的
特性を監視すればＧＴＯの動作状態、つまりその動作ゲ
インの適、不適を判断することができる。

したがってゲート、カソード間の電気的特性の監視によ
りＧＴＯ保護が可能となる。

以下この点について、第１図ｂとｃにより考察してみる
。

ｂ図は動作回路で、ＥＢとＲＬは主回路を構成している
直流可変電源と負荷抵抗で、ＧＴＯＳのアノードＡとカ
ソードＫは図示極性にして負荷ＲＬに直列に挿入される
。

ＧＴＯＳのゲートＧとカソードＫは、ゲートＧ側を抵抗
ＲＯＮと図示極性のダイオードＤＯＮおよび抵抗ＲＯＦ
Ｆと図示極性のダイオードＤＯＦＦの並列回路を通しゲ
ートパルサＣＰに接続する制御回路に構成される。

ゲートＧとカソードＫ間の図示極性のダイオードＤＥと
定電圧ダイオードＺＢはゲートＧ、カソードＫの保護回
路である。

このｂ図回路で、ゲートパルサＧＰから正電圧のオンゲ
ートパルスＥＯＮを抵抗ＲＯＮ、ダイオードＤＯＮを通
しゲートＧに供給すればＧＴＯＳは導通し、またゲート
パルサＧＰから負電圧のオフゲートパルスＥＯＦＦを抵
抗ＲＯＦＦ、ダイオードＤＯＦＦを通しゲートＧに供給
すればＧＴＯＳは不導通となる。

ｃ図はこのＧＴＯの動作ゲインと蓄積時間の関係を模型
的に示したものである。

このｃ図により、動作ゲインが小さい曲線（１）の場合
を考察する。

いま時刻ｔ１でＧＴＯＳのゲートＧにオンゲートパルス
ＥＯＮを印加したとすると、ＧＴＯＳは導通状態となる
。

つぎに時刻ｔ２でＧＴＯＳのゲートＧにオフゲートパル
スＥＯＦＦを印加したとすると、このオフゲートパルス
ＥＯＦＦは時刻ｔ５まで持続する。

このパルス巾はゲートパルサＧＰによって決められ、お
よそ３０〜４０μｓにセットされる場合が多い。

オフゲートパルスが与えられている時刻ｔ３で、ａ図の
接合Ｊ１の逆極性が回復するが、このときにアノード電
流ＩＡは減少し始めており、さらにＧＴＯのゲートＧ、
カソードＫ間の電圧ＶＧＫの極性が反転する。

ここで時刻ｔ２−ｔ３間、つまりオフゲートパルスの印
加が開始されてからアノード電流ＩＡが減少し始めるま
での時間が蓄積時間であり、これをＴｓ・ｉｓｔ（１）
＝ｔ３−ｔ２と書くことにする。

時刻ｔ３でアノード電流ＩＡが減少を始めてから零にな
るまでの時間は図示していないがアノード電流ＩＡの立
下り時間Ｔｆとして知られており、このＴｆの間にター
ンオフ時のスイッチング損失が発生している。

この時間ＴｆもまたＧＴＯの動作がゲインに影響され、
動作ゲインが大きくなるにつれてＴｆは増加する傾向に
あることが知られている。

アノード電流ＩＡが零になったのちｔ５時刻までゲート
パルサＧＰはオフゲートパルスを印加しつづける。

つぎに曲線（２）の動作ゲインの大きい場合について考
察する。

この曲線（２）は、例えば負荷抵抗ＲＬを減少させてア
ノード電流ＩＡが増大した場合等がそれである。

この場合、時刻ｔ１からｔ２までは曲線（１）と同じで
ある。

時刻ｔ２でオフゲートパルスが印加されてからアノード
電流ＩＡが減少し始めるまでの時刻ｔ３３までがこの場
合の蓄積時間Ｔｓ・ｉｓｔ（２）＝ｔ３３−ｔ２である
。

図から明らかなように動作ゲインの大きいときの蓄積時
間は、動作ゲインの小さいときの蓄積時間より大きく、
Ｔｓ−ｉｓｔ（２）＞Ｔｓ・ｉＳｔ（１）である。

即ち、動作ゲインの大きいほど蓄積時間が長くなる傾向
にあり、さらに前述の電流立下り時間も長くなる傾向に
ある。

これらのことから、ＧＴＯの蓄積時間を監視すれば動作
ゲインの把握が可能であることが分る。

ここで、Ｃ図のゲート・カソード間電圧波形ＶＧＫに着
目する。

ＶＧＫの電圧の反転時機がほぼアノード電流ＩＡの立下
り開始時点と一致している。

従ってオフゲートパルスの印加時点ｔ２から、ＶＧＫの
電圧が反転する時点ｔ３（又はＴ３３）までの時間を監
視することによりＧＴＯの動作ゲインを間接的に把握す
ることができる。

この電圧ＶＧＫの電圧反転の時機は論理的な判断で検出
できるので、例えば３〜４μｓ程度の蓄積時間の検出が
可能である。

また電圧ＶＧＫは弱電部の電気量なので取扱いが簡単で
ある利点がある。

本発明はこのように、ＧＴＯのゲート、カソード間電圧
ＶＧＫを監視することによりＧＴＯの動作ゲインを検知
し、不適当な動作ゲインに起因するＧＴＯの破損を防止
するＧＴＯの保護装置を提供することを目的とする。

以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。

第２図において、１は直流電源、２は引外しコイル３を
備えたノーヒューズプレーカである。

なお、さし当り１Ａは除外されているものとする。

４は負荷そして５はＧＴＯで、これらは強電部の主回路
Ａを構成している。

ここでは、便宜上ＧＴＯ５はチョツパ回路に使用されて
いるものとする。

６は前記ＧＴＯ５のオン、オフゲートパルスを発生する
ゲートパルサ、制限抵抗７と図示極性のダイオード８は
ゲートパルサ６からのオンゲートパルスを通す回路、制
限抵抗９と図示極性のダイオード１０はゲートパルサ６
からのオフゲートパルスを通す回路、ダイオード１１と
定電圧ダイオード１２はＧＴＯ５のゲートＧとカソード
Ｋ間を保護する回路で、これらは弱電部の制御回路Ｂを
構成している。

前記ゲートパルサ６は第３図ａのようにＧＴＯ５のゲー
トＧに供給されるオン、オフのゲートパルスＶＧを発生
する他に、次に説明する蓄積時間比較回路Ｃのフリツプ
フロツプ１３からのセット出力１１６を割込みの入力と
したとき前記通常のオン、オフゲートパルスを停止し、
緊急のオンゲートパルス（またはオフゲートパルス）を
発生することができ、さらにＧＴＯ５のオフゲートパル
スＯＦＦ印加期間信号１０７およびその時間を越えたと
きＧＴＯの動作ゲインが不適であることを示す基準値の
ある一定の時間幅の最大蓄積時間Ｔｓ・ｓｏｌｌ信号１
１０を発生する機能を有するものである。

つぎに、論理回路構成の蓄積時間比較回路Ｃを説明する
。

１５はＧＴＯ５のゲートＧとカソードＫ間の電圧ＶＧＫ
の正電圧検出および波形成形回路で、前記電圧ＶＧＫを
入力しこの電圧ＶＧＫが正の場合論理“１”の出力信号
１０６を生ずる。

即ち、信号１０６は電圧ＶＧＫが正のとき論理“１”と
なる「ＶＧＫ正電圧信号」で、例えば第３図でオンゲー
トパルスＯＮの印加時ｔ１からＧＴＯ５のアノード電流
ＩＡが立下りを開始するｔ３時刻まで“１”となってい
る信号である。

この信号１０６は、前記信号１０７と共にアンド回路１
６に入力される。

信号１０７は第３図ｂのようにＧＴＯ５のオフゲートパ
ルスＯＦＦが発生している間“１”となる信号なので、
アンドゲート１６からは「実際の蓄積時間Ｔｓ・ｉｓｔ
信号」１０９が出力されることになる。

この信号１０９はＧＴＯ５の蓄積時間と一致するパルス
幅を有する論理信号である。

一方、最大蓄積時間Ｔｓ・ｓｏｌｌ信号１１０はインバ
ータ１７で反転され、前記「実際の蓄積時間Ｔｓ−ｉｓ
ｔ信号」１０９とアンド回路１８に入力される。

例えば第３図の左半部イの蓄積時間が所定内である定常
時においては、実際の蓄積時間Ｔｓ・ｉｓｔ信号１０９
は最大蓄積時間Ｔｓ・ｓｏｌｌ信号１１０の反転信号１
１２より小さいので、アンド回路１８から“１”出力を
生じることがない。

次に、蓄積時間が所定時間を越えた時の動作を説明する
。

ゲートパルサ６の電圧変動あるいは主回路部Ａの適負荷
等の原因により、動作ゲイン不適となり蓄積時間が増大
すると第３図の右半部ロの異常動作に示したように、実
際の蓄積時間Ｔｓ・ｉｓｔ信号１０９が最大蓄積時間Ｔ
ｓ・ｓｏｌｌ信号より大きくなり、信号１０９と信号１
１２の“１”信号が重なる状態が出現する（時点ｔ３０
）ので、アンド回路１８から第３図に示すようにＧＴＯ
５の動作ゲインが危険なほど過大になつていることを示
すＧＴＯ動作ゲイン過大信号１１４が出力される。

アンド回路１８から“１”出力１１４が出力されると、
フリップフロップ１３がセットされそのセット出力１１
６が前記ゲートパルサ６に割込入力として与えられる。

この割込み入力１１６が入力されると、ゲートパルサ６
は前記したように通常のオン、オフゲートパルス発生を
停止し、それに代ってＧＴＯ５のゲートＧに割込みによ
るオンゲートパルスを印加するようになる。

一方、割込みによるオンゲートパルス発生と同時に前記
アンド回路１８の“１”出力１１４はトリップ信号増幅
回路１９に与えられ、この回路１９で増幅されたのちノ
ーヒューズプレーカ２の引外しコイル３に与えられ、こ
のコイル３を励磁することによりノーヒューズプレーカ
２を引外す。

２０はリセット押ボタンスイツチで、フリツプフロツプ
１３にリセット信号を送る。

以上が回路構成である。

次にこの回路の動作を説明する。

前述の説明で明らかなように、ＧＴＯを不適当な動作ゲ
インで運転すると、ターンオフ時のスイッチング損失が
増大し、特性劣化又は破損する場合がある。

このためＧＴＯを使用するに当つては動作ゲインを最適
な（あるいは動作上安全な）範囲に保って運転する必要
があり、もし、運転中に動作ゲイン不適当と分ったら即
座に装置を停止してＧＴＯを保獲する必要がある。

この保護動作をＧＴＯのゲート・カソード間電圧を監視
して行おうとするのが第２図の回路である。

第３図において、時点ｔ１〜ｔ５では動作ゲインが適当
な範囲に入っており、この状態では運転を継続してよい
。

次に、時点ｔ２０でＧＴＯ５にオフゲーートパルスが印
加され、ターンオフ過程に入るが、動作ゲインが大きす
ぎるために蓄積時間が延び、そのために時点ｔ３０でＧ
ＴＯ動作ゲイン過大信号１１４が発生されている。

この状態ではＧＴＯを保護するために装置を停正しなけ
ればならない。

信号１１４の発生と同時に、ＧＴＯ５に印加されている
通常のオン、オフゲートパルスを停止させ、それに代え
て緊急のオンゲートパルスを割込み的に印加して、ター
ンオフ過程にあったＧＴＯを再点弧する。

こうすることにより、前述の説明からも明らかなように
、動作ゲインが適当でない状態でのターンオフ時の過犬
なスイッチング損失なＧＴＯに負わせなくて済むように
なる。

この時、ＧＴＯを再点弧したままでは電源１を通して継
続的な電流がＧＴＯ５に供給されるから、これを避ける
ために前述の信号１１４の発生と同時にノーヒューズプ
レーカ２を引外して電源１を切離すようにする。

かような一連の動作で、不適当な動作ゲインでＧＴＯが
運転されることを防止できる。

次に、第２図の主回路Ａにおいて電源１を整流器などで
構成した場合には電源１の電圧を平滑化する目的で平滑
用コンデンサ１Ａを挿入することがある。

このような構成の主回路に本発明を適用するには、前述
の説明とは違って、第３図の時点ｔ３０において動作ゲ
イン過大信号１１４発生と同時に通常のオン・オフゲー
トパルスを停止し、それに代ってＧＴＯ５に通常のオフ
ゲートパルス幅より時間幅の長い緊急のオフゲートパル
スを割込ませ、ＧＴＯをターンオフすると同時に、ノー
ヒューズブレーカ２を開放するとよい。

割込みのゲートパルスにオフゲートパルスを用いる理由
は次のようである。

即ち、もし仮に、動作ゲイン過大信号１１４発生と同時
にオンゲートパルスを割込ませると、例えノーヒューズ
ブレーカ２を引外したとしても、平滑コンデンサ１Ａの
蓄積電荷によりＧＴＯ５に電流が供給されるが、この電
流によるＧＴＯの破損を防ぐためである。

以上の説明から明らかなように、電圧ＶＧＫの検出から
ＧＴＯ５の動作が不適当であると判断するまでの処理が
、全てディジタル的に行われるためその動作が早いので
、ＧＴＯを確実に保護できる。

次に、第２図、第３図で説明した実施例ではＧＴＯのゲ
ート、カソード間電圧ＶＧＫ の正電圧を検出して信号
処理を行なっているが、電圧ＶＧＫの負電圧を検出する
ようにしても同様の目的を達することができる。

第４図と第５図はこの場合の蓄積時間比較回路Ｃと波形
図である。

第４図で第２図との相違は、電圧ＶＧＫの正電圧検出お
よび波形成形回路１５の代りに、電圧ＶＧＫの負電圧検
出および波形成形回路１５Ａを用い、その出力１０６Ａ
をインバータ２１を通して反転し信号１０６を得るよう
にしたものであり、他は第４図と同様であり、その動作
は第２図実施例と同様なのでその説明は省略する。

以上記載のように本発明では、ゲート、カソード間電圧
ＶＧＫを監視することによりＧＴＯ動作ゲインを検知し
、不適当な動作ゲインに起因するＧＴＯの破損を防止す
るようにしたので、検出動作が速くしかも取扱いが簡単
なＧＴＯの保護装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ、ｂ、ｃはＧＴＯの動作を説明するための構造
模形図、ＧＴＯチョッパ回路図そして動作ゲインと蓄積
時間との関係を示す各部波形図、第２図は本発明の一実
施例の回路図、第３図は第２図の動作を説明する各部波
形図、第４図と第５図は他実施例の要部回路図と各部波
形図である。 ２・・・ノーヒューズブレーカ、３・・・引外しコイル
、５・・・ゲートターンオフサイリスタ、６・・・ゲー
トパルサ、１３・・・フリツプフロップ、１５・・・ゲ
ート、カソード間正電圧検出及び波形成形回路、１５Ａ
・・・ゲート、カソード間負圧検出及び波形成形回路、
１６．１８・・・アンド回路、１７．２１・・・インパ
ータ、１９・・・トリップ信号増幅回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ アノードとカソードを主回路に接続されたゲートタ
   ーンオフサイリスタと、このサイリスタの導通，不導通
   を制御するオン、オフゲートパルスおよびこのサイリス
   タの動作ゲイン不適の基準値であるオフゲートパルス発
   生時点から発生され、一定時間継続する信号の最大蓄積
   時間信号を出力するゲートパルサと、前記オフゲートパ
   ルスが印加されてから、前記ゲートターンオフサイリス
   タのゲート・カソード間電圧が極性反転又は零になるま
   での時間のゲートターンオフサイリスタの実際の蓄積時
   間を検出する回路と、この検出回路で得た実際の蓄積時
   間信号と前記最大蓄積時間信号とを比較し実際の蓄積時
   間信号が大きくなったとき出力を生じる回路とを備え、
   この回路に出力が生じたときこの出力を前記ゲートパル
   サに割込ませてこのゲートパルサの通常のオン、オフゲ
   ートパルスを停止させると共に緊急のゲートパルスを出
   力させ且つ主回路を開路させるようにしたゲートターン
   オフサイリスタの保護装置。