JPS585526B2 - ハンドウタイスイツチ - Google Patents

ハンドウタイスイツチ

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JPS585526B2
JPS585526B2 JP49082168A JP8216874A JPS585526B2 JP S585526 B2 JPS585526 B2 JP S585526B2 JP 49082168 A JP49082168 A JP 49082168A JP 8216874 A JP8216874 A JP 8216874A JP S585526 B2 JPS585526 B2 JP S585526B2
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JP
Japan
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transistor
pnpn
resistor
cathode
anode
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JP49082168A
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JPS5111360A (ja
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奥原真治
大日方一郎
徳永迪夫
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/51Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used
    • H03K17/56Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices
    • H03K17/72Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices having more than two PN junctions; having more than three electrodes; having more than one electrode connected to the same conductivity region
    • H03K17/73Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices having more than two PN junctions; having more than three electrodes; having more than one electrode connected to the same conductivity region for DC voltages or currents
    • HELECTRICITY
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    • H03K17/04Modifications for accelerating switching
    • H03K17/0403Modifications for accelerating switching in thyristor switches
    • HELECTRICITY
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    • H03K17/00Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/10Modifications for increasing the maximum permissible switched voltage
    • H03K17/105Modifications for increasing the maximum permissible switched voltage in thyristor switches

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  • Thyristor Switches And Gates (AREA)
  • Power Conversion In General (AREA)
  • Electronic Switches (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は制御装置などのスイッチ素子として用いられる
等価的にPNPN4層構造の3つのPN接合を有する半
導体スイッチに関するものである。
PNPN構造の半導体スイッチ(以下単にPNPNスイ
ッチという)にはアノードとカソード電極のみ取り出し
たPNPNダイオード、カソードゲート制御端子も取り
出した3端子サイリスク、さらにアノードゲート制御端
子をも取り出した4端子サイリスク等があり、自己保持
機能を持ったスイッチ素子として種々の制御装置等に使
用されている。
しかし乍ら、これらPNPNスイッチは遮断中にアノー
ドとカソード間に急激な順方向電圧が加わると閉成して
しまうという欠点を持っている。
これはdv/dt効果(あるいはレイト効果)と呼ばれ
るもので、この問題を避ける方法が種々提案されている
一般的にはPNPNスイッチのカソードゲートGKとカ
ソードK間に抵抗を接続する方法と、PNPNスイッチ
のアノードゲートGAに抵抗を接続し、その先を高電位
にしてアノードAとアノードゲートGA間を逆バイアス
する方法等が知られている。
しかしながら前者はカソードゲートとアノードゲート間
の接合容量を通して流れる変位電流が抵抗を流れても、
その電圧降下がカソードゲートGKとカソードK間のビ
ルトイン電圧を越えないよう抵抗値を低くしておかない
と効果がないために、大きなdv/dt耐量を得るため
には上記抵抗は非常に低い値にする必要がある。
例えば接合容量2pFとしても500V/μSのdv/
dt耐量を得ようとすると抵抗は600Ω以下としなけ
ればならない。
したがってゲート駆動電流および保持電流が抵抗に流れ
る電流分だけ大きくなり、上述の例では約1mAの余分
なゲート駆動電流が必要となる欠点がある。
また後者は抵抗の先をアノードより高いレベルにしてお
く必要があり、さらにアノ一ド側が高電位に変位する場
合は保護するがカソード側が低電位に変位する場合は保
護できないという欠点がある。
第1図および第2図は本発明の半導体スイッチに最も近
い公知例で、米国特許第3609413号明細書に記載
されている回路である。
尚、第1図、第2図は上記明細書のFig1、Fig3
を符号等を原文と同一のまま記載したものである。
第1図図示回路はトランジスタT3の一方のエミツタ1
9とベース間の接合容量を利用し、また第2図ではコン
デンサ34により、各々、アノードに印加される過渡電
圧を微分してトランジスタT3又はT5を動作させ、P
NPNスイッチ10(原文ではSCR10となっている
)のdv/dt効果を防止しようとするものである。
しかし、第1図の方法は、アノードとカソード間にトラ
ンジスタT3のエミツタ19,ベース、もう一方のエミ
ツタ18の回路が接続されているが、通常のベース・エ
ミツタ接合耐圧はせいぜい5〜10Vであり、この回路
は約5V以下でしか使えず、PNPNスイッチの機能の
一つである正負両方向に高い耐電圧を得られるという特
徴が消滅する欠点がある。
更には、第1図および第2図図示の回路は、たとえば周
期1mS程度の高速度でアノードに到来するパルス電圧
を1パルスおきに点弧,遮断,点弧,・・・・・・を繰
りかえす用途に適用すると、トランジスタT3又はT5
のベース内に無役な電荷が残留し、このためにdv/d
t耐量が大巾に低下する欠点も持っている。
本発明の目的は、アノードまたはカソードの電位の如何
に拘らずdv/dt耐量が大きく、かつ小さな制御電流
で閉成させ得るとともに、高速度スイツチングに適した
PNPN構造の半導体スイッチを提供するにある。
本発明は、等価的にPNPN4層構造のPNPNスイッ
チの3つのPN接合のうちの一方の端のPN接合を短絡
する如くトランジスタを接続するとともに、該トランジ
スタのベースに上記PNPNスイッチに比較的大きなd
v/dtが加わった時に該トランジスタを駆動せしめる
容量性素子を接続した半導体スイッチにおいて、上記ト
ランジスタと並列に比較的小さなdv/dtの保護を行
なう第1のインピーダンス素子を接続するとともに、上
記トランジスタのベースとエミツタ間に上記容量性素子
の電荷放電用の第2のインピーダンス素子を接続して構
成され,上記容量性素子に蓄積された電荷を上記第2の
インピーダンス素子にて速やかに放電せしめることによ
って高速スイッチングが可能なPNPNスイッチを実現
し、かつ、大きなdv/dtが加わった時は上記トラン
ジスタで保護し、小さなdv/dtが加わった時は上記
第1のインピーダンス素子で保護することにより、総合
的にdv/dt耐量が大きく、かつ小さなゲート制御電
流で閉成させ得るようになしたことを特徴とする。
ここで、dv/dt保護用のトランジスタは、アノード
側(アノード又はアノードゲート)またはカソード側(
カソード又はカソードゲート)主電流路から容量性素子
を介して駆動されるため、アノードまたはカソードの電
位に拘らずdv/dt保護をするものである。
以下図面を用いて本発明に係る半導体スイッチの一実施
例を詳細に説明する。
第3図は本発明に係る半導体スイッチの第1番目の実施
例の等価回路図を示す。
第3図において、Q1とQ2はPNPNスイッチ1を構
成するPNPトランジスタとNPNトランジスタ、R1
は小さなdv/dt保護用の抵抗、Q3は大きなdv/
dt保護用トランジスタ、C1はトランジスタQ3を過
渡的に駆動するコンデンサ、R2はコンデンサC1およ
びトランジスタQ3の蓄積電荷放電用抵抗である。
このPNPNスイッチ1はトランジスタQ2のベースー
トランジスタQaのコレクタートランジスタQ1のベー
ス−トランジスタQ1のコレクタ−トランジスタQ2の
ベースの正帰還ループをもつため、ゲートGKにゲート
電流が印加されるとトランジスタQ1とQ2が能動状態
になり、この正帰還ループのゲインが1以上になると急
速なスイッチング動作を示し、トランジスタQ1とQ2
が同時にオン状態になりアノードAとカソードK間が導
通状態となり、この状態が保持される。
次に、この回路では、大きなdv/dtがPNPNスイ
ッチ1のアノードA、カソードK間に加わわった時は、
コンデンサC1を通してトランジスタQ3が駆動され、
この時十分な駆動電流が供給されトランジスタQ3が飽
和領域において、PNPNスイッチ1のコレクタベース
接合Cj2の充電電流(過渡電流)を吸収するため、P
NPNスイッチ1は誤閉戎しない。
この関係を数式で表わすと次のようになる。
ここでβQ1+βQ3はそれぞれトランジスタQ1,Q
3のエミツタ接地電流増幅率、■BEQ3はトランジス
タQ3のペースエミツタ間順方向電圧である。
すなわちコンデンサC1を大きく、トランジスタQ3の
電流増幅率を大きくすればトランジスタQ3によるdv
/dt保護が可能になる。
もちろんこの時トランジスタQ3のコレクタ直列抵抗γ
CSはコレクタエミツタ間飽和電圧■CESQ3がトラ
ンジスタQ2のベースエミツタ間順方向電圧より低くな
るように小さな値にする必要がある。
小さなdυ/dtが加わった時、すなわちの時には、ト
ランジスタQ3は遮断状態となるが、この場合のdv/
dt保護は抵抗R1によって行なわれる。
すなわち、大きなdv/dtが加わった時はトランジス
タQ3で、小さなdv/dtが加わった時は抵抗R1で
保護するため、抵抗R1は高抵抗とすることができる。
勿論定常状態ではトランジスタQ3は遮断状態であるの
で、ゲート制御電流は高抵抗R1で決まることになり、
高感度にできる。
そして、この回路においてはコンデンサC1およびトラ
ンジスタQ3に高速スイッチング時に蓄積される電荷は
抵抗R2により放電されるため、高速スイッチング時に
dv/dt耐量が低下するようなことがない。
以上説明したように、第3図に示す回路は、次の如き有
用な効果を現わす。
(a)トランジスタQ3はアノードA、カソ一ドK間に
dv/diが加わった時には自動的にコンデンサC1を
通して駆動されるため、アノードA、カソードKの電位
の如何に拘らず非常に優れたdv/dt効果を示すこと
は勿論のこと、高速スイッチング時にコンデンサC1お
よびトランジスクQ3に残留蓄積される電荷は抵抗R2
により放電されるため、高速スイッチング時にdv/d
tが低下するようなことがない。
(b)抵抗R1を大巾に高抵抗とすることができるため
、トランジスタQ2のベースにゲート電流を印加してP
NPNスイッチ1をトリガする場合のゲート感度は非常
に高感度となる。
第4図は本発明に係る半導体スイッチの第2番目の実施
例の等価回路図で、第3図図示回路の抵抗R1と並列に
コンデンサC2を接続したものである。
このコンデンサC2は過渡電流のみ側流させ定常状態で
は高インピーダンスとなるから、第3図図示の例と同様
にdv/dt耐量が大きく、かつ高感度で動作するPN
PNスイッチが構成できる。
第5図は本発明に係る半導体スイッチの第3番目の実施
例の等価回路図で、第3図図示回路のコンデンサC1の
変りにダイオードD1を用いたもので、その動作は第3
図図示回路と全く同様である。
第6図は本発明に係る半導体スイッチの第4番目の実施
例の等価回路図で、第3図図示の実施例と相補的な構成
のものであり、アノードAとアノードゲートGA間にd
v/dt保護用トランジスタQ3と抵抗R1を接続しト
ランジスタQ3のベースとカソードK間に過渡時のみト
ランジスタQ3を駆動するコンデンサC1を接続したも
のである。
R2はコンデンサC1およびトランジスタQ3の蓄積電
荷放電用抵抗である。
この回路も大きなdv/dtに対してはトランジスタQ
3を飽和領域で動作させ、トランジスタQ3がONでき
ない小さなdv/dtに対しては抵抗R1で保護して、
PNPNスイッチを形成するトランジスタQ1のペース
エミツタ間を順バイアスさせないようにして誤閉成を防
止するものである。
抵抗R1は高抵抗にすることが可能でありトランジスタ
Q3は定常時は遮断状態であるため小さなゲート制御電
流で閉成させることができる。
なお上述のコンデンサC1はダイオードなどの他の容量
性素子を用いてもよい。
本発明者らの実験例によれば、第3図に示す回路におい
て、βQ1≒0.15,βQ2≒βQ3≒20,C≒C
j2≒2pF,R1≒20KΩ,R2≒50KΩ,でd
v/dt耐量500V/μS以上を得、この時のゲート
感度は約30μAであった。
このPNPNスイッチをカソードゲートGKとカソード
K間に抵抗を接続した従来の技術で同じゲート感度とし
た場合にはdv/dt耐量は約15V/μSと低く、本
発明に係る半導体スイッチを用いればそのd■/dt耐
量は従来の約30倍の改善ができる。
以上詳しく説明した如く、本発明によれば、dv/dt
時コンデンサC1に蓄積された電荷は第2のインピーダ
ンス素子R2により放電されるため、高速スイッチング
時にもdv/dt耐量の低下のない、言いかえると高速
スイッチングに適した半導体スイッチを提供することが
できる。
また大きなdv/dtが加わった時にトランジスタQ3
で保護し、小さなdv/dtが加わった時には第1のイ
ンピーダンス素子R1で保護するため、抵抗R1で保護
するため、抵抗R1を大幅に高抵抗とすることができ、
dv/dt耐量は大きいことは勿論のこと、高感度で動
作する半導体スイッチが得られるものである。
【図面の簡単な説明】
第1図および第2図は本発明に最も近い公知例の回路図
を示す。 第3図は本発明に係る半導体スイッチの第1番目の実施
例の等価回路図、第4図は本発明に係る半導体スイッチ
の第2番目の実施例の等価回路図、第5図は本発明に係
る半導体スイッチの第3番目の実施例の等価回路図、第
6図は本発明に係る半導体スイッチの第4番目の実施例
の等価回路図を示す。 T1,T2,Q1,Q3: PNPNスイッチを構成す
るトランジスタ、T3,T5,Q3:dv/dt保護ト
ランジスタ、34,C1,C2:コンデンサ、D1:ダ
イオード、R1,R2:抵抗。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 等価的にPNPN4層構造のPNPNスイッチの3
    つのPN接合のうちの一方の端のPN接合3を短絡する
    如くトランジスタを接続するとともに、該トランジスタ
    のベースに上記PNPNスイッチに比較的大きなdv/
    dtが加わった時に該トランジスタを駆動せしめる容量
    性素子を接続した半導体スイッチにおいて、上記トラン
    ジスタと並列に比較的小さなdv/dtの保護を行なう
    第1のインピーダンス素子を接続するとともに、上記ト
    ランジスタのベースとエミツク間に上記容量性素子の電
    荷放電用の第2のインピーダンス素子を接続して構成さ
    れたことを特徴とする半導体スイッチ。
JP49082168A 1974-07-19 1974-07-19 ハンドウタイスイツチ Expired JPS585526B2 (ja)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP49082168A JPS585526B2 (ja) 1974-07-19 1974-07-19 ハンドウタイスイツチ
US05/596,094 US4039865A (en) 1974-07-19 1975-07-15 Semiconductor switch

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JP49082168A JPS585526B2 (ja) 1974-07-19 1974-07-19 ハンドウタイスイツチ

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Publication Number Publication Date
JPS5111360A JPS5111360A (ja) 1976-01-29
JPS585526B2 true JPS585526B2 (ja) 1983-01-31

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ID=13766890

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US4039865A (en) 1977-08-02
JPS5111360A (ja) 1976-01-29

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