JPS62501393A - 並列接続された半導体スイッチ素子を動作させる方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、一般に電力スイッチング回路、特に２個以上の並列接続された半導 体スイッチを動作させる方法に関するものである。

背景技術 電力回路を設計する際には、一方の素子の定格電流処理容量を超える電流レベル が負荷へ供給され得るようｌこ、２個以上の半導体電力スイッチを並列に接続し かつ両方を同時に動作させるこさが時々必要である。

パッケージの制限が単一の大型半導体素子の使用を否定する時にも、電力スイッ チの並列動作は時々用いられる。しかしながら、並列動作は、並列接続された素 子の内部抵抗並びにターンオン時間およびターンオフ時間の変動に由来する電流 分担の問題に出会う。これら変動は、製造許容値すなわち種々の素子の相互接続 に関連した寄生パラメータの差および異なる接合温度での動作による素子電気特 性の差に由来し得る。

電流分担は、最適値よりも小さい回路動作を起させ、また並列接続された多数の 半導体素子のうちの１個以上を、素子による電流の不平等負担のせいで破壊さえ させ得る。不平等な電流分割は、最初のうち各素子によって扱われる小さな電流 差さして現われるが、１個以上の素子が電流の大部分を通電して上述した困難に なる点まで生成し得る。

過去においては、そのような問題は、注意深く整合された半導体素子を使って定 常状態電流と過渡電流が大体等分に分担されることを確保することにより、概小 にされた。並列素子は立上りが非常に速いパルスで同時にトリガされ、そして特 定化されたパッケージ技術は並列素子組の電気的かつ熱的インピーダンスを等し くするのに使用された。

上述した問題に対する別な解決策は、各素子に接続された結合リアクトルや別な インピーダンスを使用して素子特性の不整合を補償するこ吉だった。例えば米国 特許第３．６９９．３５８最明ｍ書には、複数個の並列接続されたトランジスタ のエミッタ回路に接続されたトランスを使用してトランジスタ間の等しい電流分 割を確実にすることが開示されている。他の解決策は米国特許第４．２０７、４ ７８号明細書に開示されており、これは複数個の並列接続されたトランジスタの べ・−ス・ドライブ回路にインピーダンス素子を使用して半導体素子のターンオ フ時にそのコレクク電流を等しくすることを教示する。

電流分担問題に対する上述の解決策は、それぞれ適正な整合を保証するのに素子 を試験する必要があり、またかさばり、雑音を発し、高価でかつ装置効率を下げ る別な構成部品を使用する必要があり、更には素子の電気的かつ熱的インピーダ ンスを等しくするのに特定のパッケージ技術を必要とするので、完全には満足で ないことが分った。

その上、並列接続のために整合された素子組を調達するのに要した時間と費用は ばく大である。整合した並列接続素子組の一方を取り替えることが必要である時 に、保守および修理の問題も起る。そのような場合に、同様な電流定格および電 圧定格の既製の標準素子は交換品として通常使用され得ないので、故障した素子 の電気特性に整合する素子を特別注文しなければなこの発明によれば、Ｎ個の並 列接続された半導体電力スイッチ素子から成る電力スイッチを動作させて平均出 力電流■ＡＶを生じる方法は電流分担問題を避けると同時Ｚこ、各電力スイッチ 素子が平均出力電流Ｔ、ＡＶよりも小さい平均電流を通電する。

電力スイッチが通電ずべき期間中、各電力スイッチ素子は一度に１個が動作され て一連のＮパルスを発生し、各スイッチは１シーケンス中に１パルスを発生ずる ように動作される。そのシーケンスは電力スイッチの全”オン“時間の間反復さ れる。スイッチ素子は成るデユティ・カイクルでピーク電流を通電し、これは各 スイッチ素子が各シーケンス中一度に１個動作されるので、２個以上の電力スイ ッチが同時に通電する期間が無く、従って電流分担の問題は避けられる。よって 、この発明の方法は、並列接続されたスイッチ素子の電気特性を整合させる必要 がない。その」＝、各スイッチ素子によって扱われるべき電流のレベルが予め分 っておりかつスイッチ素子の寿命にくらべて一定のま＼であるので、半導体素子 が並列に動作される時に必要である通常の定格下げを行うこ吉なく各スイッチは 上述の電流レベルに適合できるサイズにされ得る。

また、各スイッチ素子の動作周波数は各スイッチによって生じさせられた出力電 力の周波数よりも低いので、特定の出力周波数に対してより低い周波数のスイッ チ素子が使用され得る。

図面の簡単な説明 第１図は、Ｎ個の並列接続されたスイッチ素子杏共にスイッチ制御器のブロック 図である。

第２図および第４図は各々、並列接続された電力スイッチ素子を動作させる従来 の方法を例示する一組の波形図である。

第３図は、この発明Ｚこより２個の並列後続さイア、たスイッチ素子を動作させ て第２図に示したのき同じ出力電流波形を生じる方法を例示する一組の波形図で ある。

第５図は、この発明により２個の並列接続されたスイッチ素子を動作させて第４ 図の出力波形の周波数よりもかなり高い周波数で出力波形を生じる方法を例示す る一組の波形図である。

第６図は、各ス、インチが最媛のオフ時間で動作される２個の並列接続されたス イッチ素子を動作させる従来方法を例示する一組の波形図である。

第７図および第８図は各々、この発明により異なるデユティ・サイクルに対して 第４図に例示したのと同一の最短オフ時間で２個の並列接続された電力スイッチ 素子を動作させる方法を例示する一組の波形図である。

この発明を実施するための最良の態様 第１図を参照ずれば、そこには電力スイッチ１０が示されている。この電力スイ ッチ１０は、スイッチ制御器１２によって動作されると電源Ｖ÷から負荷１４へ 供給される出力電流を生じるＮ個の並列接続された電力スイッチ素子Ｑ１〜ＱＮ の形態をしている。スイッチ素子Ｑ１〜ＱＮは、バイポーラ・トランジスタとし て図示したが、サイリスク、ケートターンオフ・サイリスク（ＧＴＯ）、非対称 →ノ゛イリスタ、バイポーラ静止訪導トランジスタ、電界制御サイリスタ、絶縁 ゲート・トランジスタ、ＭＯＳＦＥＴまたは他の同様な電力半導体素子でも良い ことに注目されたい。

第２図は、Ｎ　：　２の場合に第１図１こボした並列接続スイッチ素子を動作さ せる従来方法を例示する。この場合、各スイッチ素子Ｑ１．Ｑ２はそ、１１ぞれ スイッチ素子電流１１．Ｉ２を生じ、２つのスイッチ素子電流が加算され°Ｃ出 力電流を生じる。

第２図から分るように、各スイッチぷ子Ｑ１．Ｑ２によって理想的に扱われるピ ーク電流は特定の電流ＩＰに等しく、総ピーク電流は２Ｉｐに等しい。しかしな がら、実際には、スイッチ素子Ｑ１とＱ２は完全には整合されないので、一方の スイッチ素子は他方のスイッチ素子よりも多い電流を扱う。そこで、土述した種 々の要因によって生じられる素子特性の避１づられない不整合を考慮するために 、スイッチ素子Ｑ、　（！：　Ｑ２の組み合わせの定格を約１０〜２０裂下げる 必要がある。

スイッチ素子によって扱われるピーク電流は組み合わされ、その平均値工ＡＶが スイッチ素子によって通電される平均電流の和に等しい出力電流を生じる。素子 平均電流は、各スイッチ素子によって扱われるピーク電流および出力波形の全周 期に対する′”オン゛時間の比すなわちデユティ・サイクルに依存する。この場 合、各スイッチ素子のデユティ・サイクルは電力スイッチの出力波形のデユティ ・サイクルに等しい。

第３図には、Ｎ個の並列接続されたスイッチ素子を動作させて第２図に例示した のと同一＝−の出力電流波形ＩＱを生じるための方法が例示されでいる。Ｎ個の スイッチ素子は、ブリッジへの入力電力によって自然転流させられるブリッジ型 コンバータの一部で良い。第３図はＮ−２の場合であるが、Ｎは所望ならば６以 上でも良いことに注目されたい。

出力波形■ｏは、１４個のスイッチ素子を一度に１個動作させ、各スイッチ素子 にＮ個の次々のパルスのうちの１パルス（その振幅が２工ｐに等しい）を発生さ せることにより、生じられる。換言すれば、第３図の例では、スイッチ素子Ｑ、 　４　Ｑ、２が交互に動作され、スイッチ素子出力は組み合わされて所望の出力 波彫工０を生じる。

第６図の波形を調べれば理解できるように、各スイッチ素子はｊ、／Ｎ　Ｘ出力 ＩＱの周波数で動作する。すなわち各スイッチ素子のデユティ・サイクルは出力 ＩＯのデユティ・サイクルよりも小さく、そして各スイッチ素子は１／Ｎ×平均 出力電流ＩＡＶに等しい平均電流を通電する。

スイッチ素子Ｑ１およびＱ２は慣用の方法で動作されても同一の平均電流工ＡＶ を生じるためにこれらスイッチ素子が通電するピーク電流よりも大きなピーク電 流を通電するこＬを要求される間、各スイッチ素子によって通電された平均電流 は各スイッチ素子がそれ相応に短い時間通電することのせいて従来の動作方法に よるのき同じのま＼である。各スイッチ素子によって通電された平均電流とピー ク電流のこの関係は）サイリスタ、ＧＴＯｌＭ　ＯＳ　Ｆ　Ｅ　Ｔ駆動用バイポ ーラ・トランジスタおよびその他同様な半導体素子のような大きなピーク電流対 平均電流比を有する素子に、この発明の方法を使用するのを特に適させる。もぢ ろん、各電流定格パラメータすなわち各素子の平均電流、ピーク電流およびＲＭ 　Ｓ電流は定格値内に確実に維持される必要がある。

この発明の方法は、」−述した慣用の動作方法にくらべて幾つかの利点をもって いる。慣用の方法の場合、熱的および電気的インピーダンスの差を最小にするた めに最適にパッケージされて注意深く整合された素子組は無力化するのを避ける ために定格が約１０〜２０％下げられて並列路間に完全な平衡を得る。しかしな がら、この発明の方法を利用する時に、回路は素子を特別に整合したり熱的およ び電気的インピーダンスを注意深く等しくさせたりする必要無しに１０〜２０係 多い電流を通電するように設計されることができる。換言すれば、相当な定格下 げは不要である。

第２の利点は、各並列素子のスイッチング周波数がスイ・ノチ素子の組み合わせ によって生じられた出力の周波数よりも本来低いこ吉による。事実、スイッチ素 子は一緒になって周波数Ｆの出力を発生できるが、各スイッチ素子は周波数Ｆ／ Ｎ　（Ｎは並列接続された素子の数）でスイッチングできることだけが必要であ る。

第４図は出力■ｏを発生するような仕方でＮ個の並列接続されたスイッチ素子を 動作させる従来方法を例示し、出カニ○は平均出力電流工Ａｖを生じるために各 パルスが振幅工ＰＫおよび持続時間ＴＤを有する一連のパルスを含む。第２図に ついて注目されたように、各スイッチ素子が１／２　、ＴＰＫ　、　１／２　Ｉ ＡＶに等しいそれぞれピーク電流、平均電流を通電しかつそのデユティ・サイク ルが出力ＩＱのデユティ・サイクルに等しいように、一対のスイッチ素子は慣用 の方法によって同時に動作される。

第５図は、波形ＩＱの周波数よりも高い周波数で工Ａｖに等しい平均値を有する 出力電流ＩＱを生じるために、この発明によりＮ個の並列接続されたスイッチ素 子を動作させる方法を例示する。出力電流波形は一連のＮパルスから成り、各パ ルスはパルス幅Ｔオフおよび振幅ＩｐＫを有する。各シーケンス内のパルスは、 各スイッチ素子が各シーケンス中１つの電流パルスを通電するように、スイッチ 素子を一度に１個動作させるこさによって発生される。持続時間Ｔオンは、スイ ッチ素子の個数Ｎおよび電力スイッチからの出力電流の所望のデユティ・サイク ルによって決定される。

例えば、第５図から分るように、出力電流Ｊｏ“の第１パルスＰ１は、スイッチ 素子Ｑ１が工ＰＫに等しいピーク電流を通電するように、Ｔオンに等しい期間ト ランジスタＱ１を導通状態にゲートすることにより、発生される。第１パルスＰ １に続くオフ時間Ｔオフ中どちらのトランジスタＱ１．Ｑ２もオンてはない。そ の後Ｉ・ランジスタＱ２はＴオンに等しい期間オンにゲートされ％　工ＰＫに等 しいピーク・レベルを有する電流パルスＰ２を通電させる。

パルスＰ２の後に別なオフ時間Ｔオフがあり、プロセスが反復することによって 平均レベルエＡＶおよび出力周波数（第２図について前述した従来方法を使って 生じられた電力の出力周波数の約２倍である）を有する出力電力を導出する。

第４図に示した波形は、最大デユティ・サイクルで各トランジスタＱ１　、　Ｑ ２のための一番速い実用スイッチング速度を表わすとしよう。第５図に示した波 形を発生させるために同一の素子が利用される時に、出力電力の周波数は２倍に されるのみならず、出力波形の正味のオフ時間が短くされる反面各素子のデユテ ィ・サイクルは増大される。これら利点は、スイッチ素子と一緒に使用される入 力フィルタおよび出力フィルタの設計を簡単にする。その上、各素子に関連した 損失は、従来の動作方法さ比較した時に大体同じにずべきである。

通電期間と通電期間の間に比較的長い遅延時間または休止時間を要する並列接続 素子の場合には別な利点が生じる。そのような素子の一例はＧＴＯであり、これ はクーンオン時間の５倍ないし１０倍程度の遅延時間ないし休止時間を要する。

そのような制限は慣用の高周波スイッチング回路におけるＧＴＯの有用さを抑１ ｕ１］する。第６図に例示したように、素子Ｑ１とＱ２がＧＴＯであり、これら がオン状態とオフ状態に切り換えられ、隣接するオン状態間に最短の遅延時間ま たはオフ時間が挿入されるさしよう。第７図はこの発明の方法を使用したＧＴＯ の動作を例示する。この場合、最短のオフ時間は各素子によって扱われた平均電 流および平均出力電流と同様に各素子毎に維持されるが、出力電力の周波数はそ れでも慣用のトリガ技術を使った時に生じられる周波数の約４倍である。この周 波数上昇は、電力回路全体の重量および容積をかなり低減させる。そのＪ：、Ｇ ＴＯまたは他の同様な素子は比較的高い周波数スイッチング回路に利用され得る 。

第７図に見られた出力電力のデユティ・サイクルは、第８図に示した波形に応じ て素子Ｑ１およびＱ２を制御するこさによって最大値まで増大され得るこ吉に注 目されたい。そのような場合、各素子Ｑ、１　、　Ｑ２によって扱われるピーク 電流は第７図に示した状態と比較して低減され、従・って平均出力電流丁Ａｖは 第７図および第８図に例示した波形の各々に対して等しい。

従来方法によって動作される回路の最適出力周波数とこの発明の方法を利用して 得られることができる出力周波数との間に下記の関係があることが分った。

Ｔ２：（Ｔ１／Ｔオフ広短）（Ｎ−１）ｆまたゾし、ｆｌは従来方法を利用する 回路の最適出力周波数であり、Ｔ２はこの発明の方法を利用する回路の出力周波 数てあり、Ｔ１はｆｌの周期に等しく、Ｔオン　ｍ短は選択した素子の許容最短 オフ時間に等しく、モしてＮは並列接続された素子の数に等しい。

要するに、Ｎ個の並列接続された電力スイッチ素子は持続時間Ｔオンの間一度に １個たけ動作されて平均電流Ｉ　Ａ　Ｖ／Ｎを生じ、各スイッチ素子によって生 じられた電流は加算されて平均レベルＩＡＶの出力電流を生じる。

事実、これは各素子のデユティ・（）・イクルが出力電力のデユティ・サイクル よりもかなり小さいことを意味する。

こ＼に例示した波形はＮ個の並列接続された素子が周期的に動作されて周期性出 力を生じるこきを示すが、制御電極における連続性電流によって閉状態に維持さ れるべきソリッドステート接触器の場合におけるように素子は連続性出力を生じ るように交互に動作されａＪるこ吉に注目されたい。

ＦＩＧ、　１ ＦＩＧ、　４従来技術 ＦＩＧ、　６ ＦｆＧ、　７　口Ｇ、　８ 補正書の翻訳文提出書（特許法第１８４条の７第１項）昭和６１年　８月２１日

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. １．電源に結合された電力スイッチを動作させて選択した出力デュティ・サイク ルで所望の平均レベルＩＡＶを有する出力を生じ、前記電力スイッチがＮ個の並 列接続された半導体スイッチ素子から成り、その各々がＩＡＶ／Ｎに等しい平均 電流を通電する方法において、Ｎ個のスイッチ素子の各々を時間Ｔオンの間動作 させるが残りのスイッチ素子をオフ状態に維持して−連のパルスを生じ、従って 各スイッチ素子が前記電力スイッチの選択した出力デュティ・サイクルよりも小 さいデュティ・サイクルで動作される、 ことを特徴とする動作方法。
2. ２．Ｎ個の並列接続された半導体スイッチ素子および平均出力電流を有する電力 スイッチを動作させる方法において、 半導体スイッチ素子の各々を一度に１個が導通するように動作させ、スイッチの 平均出力電流をＮで除した値に等しい平均電流を通電する、 ことを特徴とする動作方法。
3. ３．Ｎ個の並列接続された半導体スイッチ素子および選択したデュティ・サイク ルをもつ平均出力電流を有する電力スイッチを周期的に動作させる方法において 、前記電力スイッチの名サイクル毎に、半導体スイッチ素子の各々をスイッチの デュティ・サイクルよりも小さいデュティ・サイクルで一度に１個が導通するよ うに動作させ、スイッチの平均出力電流をＮで除した値に等しい平均電流を通電 する、 ことを特徴とする動作方法。
4. ４．電源に結合されたＮ個の並列接続されたスイッチ素子から成り、所望の平均 レベルをもつ一連のＮパルスを有する出力を生じるための電力スイッチを動作さ せる方法であって、 （ａ）第１スイッチ素子を閉じかつ残りの（Ｎ−１）個のスイッチ素子を開状態 に維持してＮパルスのうちの第１パルスを生じ、 （ｂ）１全てのスイッチ素子をターンオフし、（ｃ）スイッチ素子のうちの別な スイッチ素子を閉じかつ残りの（Ｎ−１）個のスイッチ素子を開状態に維持して Ｎパルスのうちの次のパルスを生じ、そして（ｄ）ステップ（ｂ）および（ｃ） を繰り返し、従ってＮ個のスイッチ素子の各々が出力の各サイクル中に１回動作 され、各スイッチ素子が所望の平均レベルをＮで除した値に等しい平均レベルを 生じる、 ことから成る動作方法。
5. ５．電力スイッチが選択したデュティ・サイクルを有し、そしてステップ（ａ） および（ｃ）の各々が電力スイッチのデュティ・サイクルよりも小さいデュティ ・サイクルで各スイッチ素子を動作させるステップを含む請求の範囲第４項記載 の動作方法。