JP2007214634A - Ac switch - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、交流回路に用いられる交流スイッチに関する。 The present invention relates to an AC switch used in an AC circuit.
図13に示すように、交流スイッチ101は、制御信号によりオン/オフして、交流電源Vac1の交流信号をオン/オフ制御することにより負荷105に電力を供給する。このような交流スイッチ101としては、図14に示すようなIGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)を用いた半導体で構成された交流スイッチが用いられている。
As shown in FIG. 13, the
図14に示す交流スイッチにおいて、IGBTQ11とダイオードD11との直列回路とIGBTQ12とダイオードD12との直列回路とが逆並列接続されている。制御回路110は、フォトダイオードPD1及びフォトトランジスタPT1からなるフォトカプラPC1のフォトダイオードPD1と、フォトダイオードPD2及びフォトトランジスタPT2からなるフォトカプラPC2のフォトダイオードPD2との各々に、制御信号を出力する。 In the AC switch shown in FIG. 14, the series circuit of IGBTQ11 and diode D11 and the series circuit of IGBTQ12 and diode D12 are connected in antiparallel. The control circuit 110 outputs a control signal to each of the photodiode PD1 of the photocoupler PC1 including the photodiode PD1 and the phototransistor PT1, and the photodiode PD2 of the photocoupler PC2 including the photodiode PD2 and the phototransistor PT2.
フォトカプラPC1のフォトトランジスタPT1のコレクタ及びエミッタは、駆動回路111の入力側に接続され、駆動回路111の出力側はIGBTQ11のゲートに接続されている。フォトカプラPC2のフォトトランジスタPT2のコレクタ及びエミッタは、駆動回路112の入力側に接続され、駆動回路112の出力側はIGBTQ12のゲートに接続されている。
The collector and emitter of the phototransistor PT1 of the photocoupler PC1 are connected to the input side of the drive circuit 111, and the output side of the drive circuit 111 is connected to the gate of the IGBT Q11. The collector and emitter of the phototransistor PT2 of the photocoupler PC2 are connected to the input side of the
このように構成された交流スイッチによれば、制御回路110の制御信号が正電圧の場合にフォトダイオードPD1がオンし、フォトトランジスタPT1に電流が流れる。このため、駆動回路111が作動して、駆動回路111からの駆動電圧がIGBTQ11のゲートに印加されて、IGBTQ11がオンする。 According to the AC switch configured as described above, when the control signal of the control circuit 110 is a positive voltage, the photodiode PD1 is turned on, and a current flows through the phototransistor PT1. For this reason, the drive circuit 111 operates, the drive voltage from the drive circuit 111 is applied to the gate of the IGBT Q11, and the IGBT Q11 is turned on.
また、制御信号が正電圧の場合にフォトダイオードPD2がオンし、フォトトランジスタPT2に電流が流れる。このため、駆動回路112が作動して、駆動回路112からの駆動電圧がIGBTQ12のゲートに印加されて、IGBTQ12がオンする。このため、制御信号が正電圧である期間で且つ第1端子P1に正電圧(第1端子P1の電位が第2端子P2の電位よりも高い場合)が印加されている時には、P1→D11→Q11→P2と電流が流れる。
Further, when the control signal is a positive voltage, the photodiode PD2 is turned on, and a current flows through the phototransistor PT2. For this reason, the
一方、制御信号が正電圧である期間で且つ第2端子P2に正電圧(第2端子P2の電位が第1端子P1の電位よりも高い場合)が印加されている時には、P2→D12→Q12→P1と電流が流れる。 On the other hand, when a positive voltage is applied to the second terminal P2 while the control signal is a positive voltage (when the potential of the second terminal P2 is higher than the potential of the first terminal P1), P2 → D12 → Q12. → P1 and current flow.
次に、零電圧の制御信号が、IGBTQ11及びIGBTQ12のゲートに印加された場合には、IGBTQ11及びIGBTQ12が共にオフする。このため、交流スイッチに電流が流れなくなる。 Next, when a zero voltage control signal is applied to the gates of IGBTQ11 and IGBTQ12, both IGBTQ11 and IGBTQ12 are turned off. For this reason, no current flows through the AC switch.
また、制御回路110とIGBTQ11,Q12の間に交流電圧が印加されるため、フォトカプラPC1,PC2により制御回路110とIGBTQ11,Q12の間を絶縁させている。 Further, since an AC voltage is applied between the control circuit 110 and the IGBTs Q11 and Q12, the control circuit 110 and the IGBTs Q11 and Q12 are insulated by the photocouplers PC1 and PC2.
なお、従来の技術の関連技術として例えば特許文献1が知られている。この特許文献1に記載された交流スイッチ回路は、MOS形トランジスタからなる双方向に導通可能な交流用スイッチ素子と、MOS形トランジスタのゲートの駆動電圧を制御するドライブ回路と、このドライブ回路へ駆動電圧を供給するコンデンサと、交流用スイッチ素子が接続された交流電源の変化する最低電位を検出するためのスイッチ素子及びダイオードと、最低電位を受け取りこの最低電位を基準にしてコンデンサを昇圧するブートストラップ回路とを有している。
しかしながら、図14に示す交流スイッチに用いられるフォトカプラPC1,PC2は、モノリシック集積回路(以下、MICと称する。)の中に組み込むことが困難である。即ち、図14に示す半導体を用いた交流スイッチは、複数の部品で構成されるため、小型化及び低コスト化を図ることが困難であった。 However, it is difficult to incorporate the photocouplers PC1 and PC2 used in the AC switch shown in FIG. 14 into a monolithic integrated circuit (hereinafter referred to as MIC). That is, since the AC switch using the semiconductor shown in FIG. 14 is composed of a plurality of components, it has been difficult to reduce the size and cost.
本発明は、MIC化を可能とし、小型化及び低コスト化を図ることができる交流スイッチを提供することにある。 An object of the present invention is to provide an AC switch that can be made MIC and can be reduced in size and cost.
前記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用した。請求項1の発明は、第1主電極と第2主電極と制御電極とを有し、前記制御電極に入力される信号によりオン/オフして、前記第1主電極及び前記第2主電極間に入力される交流信号をオン/オフさせる主スイッチと、前記主スイッチをオン/オフさせるための制御信号を生成する制御回路と、前記交流信号の電圧最小値に前記制御回路のグランド電位を固定するグランド固定手段と、前記グランド固定手段により固定されたグランド電位を基準として零電圧以上の電圧を第1伝達素子の制御電極に印加し、前記制御回路からの制御信号を前記第1伝達素子に直列に接続された第2伝達素子の制御電極に印加することにより動作して伝達信号を出力し、該伝達信号に基づき駆動信号を生成して該駆動信号により前記主スイッチをオン/オフ駆動させる信号伝達手段とを備えることを特徴とする。 In order to solve the above problems, the present invention employs the following means. The invention according to claim 1 has a first main electrode, a second main electrode, and a control electrode, and is turned on / off by a signal input to the control electrode, and the first main electrode and the second main electrode A main switch for turning on / off an AC signal input between the control circuit, a control circuit for generating a control signal for turning on / off the main switch, and a ground potential of the control circuit as a minimum voltage value of the AC signal. A ground fixing means for fixing, a voltage not lower than zero voltage with reference to the ground potential fixed by the ground fixing means is applied to the control electrode of the first transmission element, and a control signal from the control circuit is applied to the first transmission element. To the control electrode of the second transmission element connected in series to output a transmission signal, generate a drive signal based on the transmission signal, and turn on / off the main switch by the drive signal. Characterized in that it comprises a signal transmitting means for.
請求項2の発明は、第1主電極と第2主電極と制御電極とを有し、前記制御電極に入力される信号によりオン/オフして、前記第1主電極及び前記第2主電極間に入力される交流信号をオン/オフさせる主スイッチと、前記主スイッチをオン/オフさせるための制御信号を生成する制御回路と、前記交流信号の電圧最大値に前記制御回路のグランド電位を固定するグランド固定手段と、前記グランド固定手段により固定されたグランド電位を基準として零電圧以下の電圧を第1伝達素子の制御電極に印加し、前記制御回路からの制御信号を前記第1伝達素子に直列に接続された第2伝達素子の制御電極に印加することにより動作して伝達信号を出力し、該伝達信号に基づき駆動信号を生成して該駆動信号により前記主スイッチをオン/オフ駆動させる信号伝達手段とを備えることを特徴とする。
The invention according to
請求項3の発明は、請求項1記載の交流スイッチにおいて、前記グランド固定手段は、前記主スイッチの前記第1主電極にカソードが接続された第1ダイオードと、前記主スイッチの前記第2主電極にカソードが接続されアノードが前記第1ダイオードのアノードに接続された第2ダイオードとを有し、前記第1ダイオードのアノードと前記第2ダイオードのアノードとの接続点が前記制御回路のグランド電位に接続されていることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the AC switch according to the first aspect, the ground fixing means includes a first diode having a cathode connected to the first main electrode of the main switch, and the second main of the main switch. And a second diode having an anode connected to the anode and an anode connected to the anode of the first diode, and a connection point between the anode of the first diode and the anode of the second diode is a ground potential of the control circuit. It is characterized by being connected to.
請求項4の発明は、請求項2記載の交流スイッチにおいて、前記グランド固定手段は、前記主スイッチの前記第1主電極にアノードが接続された第1ダイオードと、前記主スイッチの前記第2主電極にアノードが接続されカソードが前記第1ダイオードのカソードに接続された第2ダイオードとを有し、前記第1ダイオードのカソードと前記第2ダイオードのカソードとの接続点が前記制御回路のグランド電位に接続されていることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the AC switch according to the second aspect, the ground fixing means includes a first diode having an anode connected to the first main electrode of the main switch, and the second main of the main switch. A second diode having an anode connected to the electrode and a cathode connected to the cathode of the first diode, and a connection point between the cathode of the first diode and the cathode of the second diode is a ground potential of the control circuit. It is characterized by being connected to.
請求項5の発明は、請求項1乃至請求項4のいずれか1項記載の交流スイッチにおいて、前記信号伝達手段及び前記制御回路は、集積回路に設けられることを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in the AC switch according to any one of the first to fourth aspects, the signal transmission means and the control circuit are provided in an integrated circuit.
請求項6の発明は、請求項5記載の交流スイッチにおいて、前記主スイッチは、前記集積回路に設けられることを特徴とする。 According to a sixth aspect of the present invention, in the AC switch according to the fifth aspect, the main switch is provided in the integrated circuit.
本発明によれば、グランド固定手段は、主スイッチに印加される交流信号の電圧最小値(又は電圧最大値)に、制御回路のグランド電位を固定させるので、信号伝達手段は、制御回路のグランド電位を基準として零電圧以上の電圧(又は零電圧以下の電圧)を第1伝達素子の制御電極に印加し、制御回路からの制御信号を第2伝達素子の制御電極に印加することにより動作して伝達信号を出力し、該伝達信号に基づき駆動信号を生成して該駆動信号により主スイッチをオン/オフ駆動させる。即ち、信号伝達手段に印加される電圧を零からプラス(+)(又はマイナス(−))方向のみとすることによって主スイッチに交流を流すことができる。従って、信号伝達手段及び制御回路のMIC化を可能とし、小型化及び低コスト化を図ることができる。 According to the present invention, the ground fixing means fixes the ground potential of the control circuit to the minimum voltage value (or maximum voltage value) of the AC signal applied to the main switch. It operates by applying a voltage higher than zero voltage (or a voltage lower than zero voltage) to the control electrode of the first transmission element with reference to the potential, and applying a control signal from the control circuit to the control electrode of the second transmission element. The transmission signal is output, a drive signal is generated based on the transmission signal, and the main switch is turned on / off by the drive signal. That is, an alternating current can be passed through the main switch by setting the voltage applied to the signal transmission means only from zero to the plus (+) (or minus (−)) direction. Therefore, the signal transmission means and the control circuit can be made MIC, and the size and cost can be reduced.
以下、本発明の交流スイッチのいくつかの実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, some embodiments of an AC switch of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
本発明は、ダイオードにより、主スイッチに印加される交流信号の電圧最小値(又は電圧最大値)に、制御回路のグランド電位を固定させることにより、信号伝達回路に印加される電圧を零からプラス(+)(又はマイナス(−))方向のみとし、信号伝達回路及び制御回路のMIC化を可能とし、小型化及び低コスト化を図ることを特徴とする。 According to the present invention, the voltage applied to the signal transmission circuit is increased from zero by fixing the ground potential of the control circuit to the minimum voltage value (or maximum voltage value) of the AC signal applied to the main switch by the diode. Only the (+) (or minus (-)) direction is used, and the signal transmission circuit and the control circuit can be made into MICs, and the size and cost can be reduced.
図1は本発明の実施例1の交流スイッチの基本回路図である。図1に示す交流スイッチ1は、一端が交流電源Vac1の一端に接続され、他端が負荷105の一端に接続されている。負荷105の他端は交流電源Vac1の他端に接続されている。
FIG. 1 is a basic circuit diagram of an AC switch according to Embodiment 1 of the present invention. The AC switch 1 shown in FIG. 1 has one end connected to one end of the AC power supply Vac1 and the other end connected to one end of the
交流スイッチ1は、交流スイッチ集積回路(交流スイッチIC)10と、ダイオードD1と、ダイオードD2とを有している。交流スイッチIC10は、IGBT又はFET等を有する主スイッチ11と、制御回路13と、信号伝達回路15とを有し、これらでICを構成している。
The AC switch 1 includes an AC switch integrated circuit (AC switch IC) 10, a diode D1, and a diode D2. The
主スイッチ11は、第1主電極(例えばエミッタ)と第2主電極(例えばコレクタ)と制御電極(例えばゲート)とを有し、制御電極に入力される信号によりオン/オフして、第1主電極及び第2主電極間に入力される交流信号をオン/オフさせる。制御回路13は、主スイッチ11をオン/オフさせるための制御信号を生成する。
The main switch 11 includes a first main electrode (for example, an emitter), a second main electrode (for example, a collector), and a control electrode (for example, a gate). The main switch 11 is turned on / off by a signal input to the control electrode. An AC signal input between the main electrode and the second main electrode is turned on / off. The
ダイオードD1,D2(本発明のグランド固定手段に対応)は、主スイッチ11に印加される交流信号の電圧最小値に、制御回路13のグランド電位(GND)を固定する。ここでは、ダイオードD1,D2により、交流信号の電圧最小値に、制御回路13のグランド電位が固定される。
Diodes D1 and D2 (corresponding to the ground fixing means of the present invention) fix the ground potential (GND) of the
ダイオードD1は、主スイッチ11の第1主電極にカソードが接続され、ダイオードD2は、主スイッチ11の第2主電極にカソードが接続されアノードがダイオードD1のアノードに接続されている。ダイオードD1のアノードとダイオードD2のアノードとの接続点が制御回路13のグランド電位aに接続されている。
The diode D1 has a cathode connected to the first main electrode of the main switch 11, the diode D2 has a cathode connected to the second main electrode of the main switch 11, and an anode connected to the anode of the diode D1. A connection point between the anode of the diode D 1 and the anode of the
図2は本発明の実施例1の交流スイッチ内の信号伝達回路の具体的な回路図である。信号伝達回路15(本発明の信号伝達手段に対応)は、ダイオードD1,D2により固定されたグランド電位aを基準として零電圧以上の電圧を直流電源VccによりMOSFETQ1,Q2,Q3,Q4(本発明の第1伝達素子に対応)のゲートに印加し、制御回路13からの制御信号をトランジスタTr1,Tr2(本発明の第2伝達素子に対応)のベースに印加することにより動作して伝達信号を信号伝達回路15に有する第1駆動回路17及び第2駆動回路19に出力する。
FIG. 2 is a specific circuit diagram of the signal transmission circuit in the AC switch according to the first embodiment of the present invention. The signal transmission circuit 15 (corresponding to the signal transmission means of the present invention) is a MOSFET Q1, Q2, Q3, Q4 (invention of the present invention) that uses a DC power source Vcc to apply a voltage of zero or more with reference to the ground potential a fixed by the diodes D1, D2. And the control signal from the
第1駆動回路17及び第2駆動回路19は、伝達信号に基づき駆動信号を生成して該駆動信号により主スイッチ11をオン/オフ駆動させる。
The
図2に示す信号伝達回路15において、直流電源Vccの正極には、NチャネルのMOSFETQ1〜Q4の各々のゲートが接続され、直流電源Vccの負極には、トランジスタTr1及びトランジスタTr2のエミッタと制御回路13のグランド電位aが接続されている。
In the
NPNタイプからなるトランジスタTr1及びトランジスタTr2のベースは、制御回路13に接続されている。トランジスタTr1のコレクタは、抵抗R1を介してMOSFETQ1のソースに接続され、トランジスタTr1のコレクタは、抵抗R3を介してMOSFETQ3のソースに接続されている。トランジスタTr2のコレクタは、抵抗R2を介してMOSFETQ2のソースに接続され、トランジスタTr2のコレクタは、抵抗R4介してMOSFETQ4のソースに接続されている。
The bases of the NPN transistor Tr1 and the transistor Tr2 are connected to the
MOSFETQ1のドレインは、R−Sフリップフロップ回路(図示せず)から構成される第1駆動回路17のセット端子Sに接続され、MOSFETQ2のドレインは、第1駆動回路17のリセット端子Rに接続されている。MOSFETQ3のドレインは、R−Sフリップフロップ回路(図示せず)から構成される第2駆動回路19のセット端子Sに接続され、MOSFETQ4のドレインは、第2駆動回路19のリセット端子Rに接続されている。
The drain of the MOSFET Q1 is connected to the set terminal S of the
第1駆動回路17は、MOSFETQ1からの信号をセット端子Sに入力してHレベルの駆動信号を生成して主スイッチ11内の一方のスイッチ(例えば図4に示すスイッチQ11)に出力して一方のスイッチをオンさせる。第1駆動回路17は、MOSFETQ2からの信号をリセット端子Rに入力してLレベルの駆動信号を生成し主スイッチ11内の一方のスイッチに出力して一方のスイッチをオフさせる。
The
第2駆動回路19は、MOSFETQ3からの信号をセット端子Sに入力してHレベルの駆動信号を生成して主スイッチ11内の他方のスイッチ(例えば図4に示すスイッチQ12)に出力して他方のスイッチをオンさせる。第2駆動回路19は、MOSFETQ4からの信号をリセット端子Rに入力してLレベルの駆動信号を生成して主スイッチ11内の他方のスイッチに出力して他方のスイッチをオフさせる。
The
図4は図1に示す交流スイッチ内のIGBTを使用した主スイッチの回路図である。図4に示す主スイッチにおいて、IGBTQ11(スイッチQ11)とダイオードD11との直列回路とIGBTQ12(スイッチQ12)とダイオードD12との直列回路とが逆並列接続されている。第1駆動回路17の駆動信号出力側はIGBTQ11のゲートに接続され、第2駆動回路19の駆動信号出力側はIGBTQ12のゲートに接続されている。
FIG. 4 is a circuit diagram of the main switch using the IGBT in the AC switch shown in FIG. In the main switch shown in FIG. 4, a series circuit of IGBT Q11 (switch Q11) and diode D11 and a series circuit of IGBT Q12 (switch Q12) and diode D12 are connected in antiparallel. The drive signal output side of the
次に、図2に示す信号伝達回路の動作を、図3に示す信号伝達回路の各部の信号のタイミングチャートを参照しながら説明する。 Next, the operation of the signal transmission circuit shown in FIG. 2 will be described with reference to timing charts of signals at respective parts of the signal transmission circuit shown in FIG.
まず、時刻t0において、制御回路13は、制御信号Csに基づき制御信号Csの上昇エッジにおいてパルスを生成し、生成された上昇エッジパルスをトランジスタTr1のベースに出力する。
First, at time t0, the
この上昇エッジパルスによりトランジスタTr1がオンすると、第1駆動回路17用の電源(図示せず)→Q1→R1→Tr1→Vcc負極(制御回路13のグランド電位a)の経路で、MOSFETQ1に電流Q1iが流れる。また、第2駆動回路19用の電源(図示せず)→Q3→R3→Tr1→Vcc負極(制御回路13のグランド電位a)の経路で、MOSFETQ3に電流Q3iが流れる。電流Q1i=電流Q3i=Vcc/Rである。ここで、R=R1=R2=R3=R4である。
When the transistor Tr1 is turned on by this rising edge pulse, the current Q1i is supplied to the MOSFET Q1 through the path of the power source for the first drive circuit 17 (not shown) → Q1 → R1 → Tr1 → Vcc negative electrode (the ground potential a of the control circuit 13). Flows. Further, a current Q3i flows through the MOSFET Q3 through a path of the power source (not shown) for the
この場合、ダイオードD1のアノードとダイオードD2のアノードとが制御回路13のグランド電位aに接続されているので、ダイオードD1とダイオードD2とにより、交流電源Vac1の入力電圧の最小値に、制御回路13のグランド電位aが固定される。即ち、入力電圧の最小値が零電圧にクランプされ、グランド電位aが直流電源Vccの負極に接続されているので、直流電源Vccの正極からMOSFETQ1〜Q4のゲートに正電圧が印加される。このため、電流Q1i,Q3iが流れて、第1駆動回路17及び第2駆動回路19に伝達される。
In this case, since the anode of the diode D1 and the anode of the diode D2 are connected to the ground potential a of the
そして、第1駆動回路17は、セット端子Sに電流Q1iが流れることによりHレベルの駆動信号Dsを生成してスイッチQ11に出力してスイッチQ11をオンさせる。また、第2駆動回路19は、セット端子Sに電流Q3iが流れることによりHレベルの駆動信号Dsを生成してスイッチQ12に出力してスイッチQ12をオンさせる。
The
このため、制御信号Csが正電圧である期間で且つ第1端子P1に正電圧(第1端子P1の電位が第2端子P2の電位よりも高い場合)が印加されている時には、P1→D11→Q11→P2と電流が流れる。 Therefore, when the control signal Cs is a positive voltage and a positive voltage is applied to the first terminal P1 (when the potential of the first terminal P1 is higher than the potential of the second terminal P2), P1 → D11. → Current flows as Q11 → P2.
一方、制御信号Csが正電圧である期間で且つ第2端子P2に正電圧(第2端子P2の電位が第1端子P1の電位よりも高い場合)が印加されている時には、P2→D12→Q12→P1と電流が流れる。 On the other hand, when the control signal Cs is a positive voltage and a positive voltage is applied to the second terminal P2 (when the potential of the second terminal P2 is higher than the potential of the first terminal P1), P2 → D12 → Current flows through Q12 → P1.
一方、時刻t1において、下降エッジパルスによりトランジスタTr2がオンすると、第1駆動回路17用の電源(図示せず)→Q2→R2→Tr2→Vcc負極(制御回路13のグランド電位a)の経路で、MOSFETQ2に電流Q2iが流れる。また、第2駆動回路19用の電源(図示せず)→Q4→R4→Tr2→Vcc負極(制御回路13のグランド電位a)の経路で、MOSFETQ4に電流Q4iが流れる。電流Q2i=電流Q4i=Vcc/Rである。このため、電流Q2i,Q4iが第1駆動回路17及び第2駆動回路19に伝達される。
On the other hand, when the transistor Tr2 is turned on by the falling edge pulse at the time t1, the power source (not shown) for the
そして、第1駆動回路17は、リセット端子Rに電流Q2iが流れることによりLレベルの駆動信号Dsを生成してスイッチQ11に出力してスイッチQ11をオフさせる。また、第2駆動回路19は、リセット端子Rに電流Q4iが流れることによりLレベルの駆動信号Dsを生成してスイッチQ12に出力してスイッチQ12をオフさせる。
The
このため、零電圧の駆動信号Dsが、IGBTQ11及びIGBTQ12のゲートに印加された場合には、IGBTQ11及びIGBTQ12が共にオフする。このため、交流スイッチ1に電流が流れなくなる。 For this reason, when the zero-voltage drive signal Ds is applied to the gates of the IGBT Q11 and the IGBT Q12, both the IGBT Q11 and the IGBT Q12 are turned off. For this reason, no current flows through the AC switch 1.
このように、ダイオードD1,D2により、主スイッチ11に印加される交流信号の電圧最小値に、制御回路13のグランド電位aを固定させることにより、信号伝達回路15に印加される電圧を零からプラス(+)方向のみとし、信号伝達回路15の電流により、第1駆動回路17及び第2駆動回路19のR−Sフリップフロップを動作させることにより、制御信号Csと同等な駆動信号Dsを生成することができる。これにより、第1駆動回路17及び第2駆動回路19を含む信号伝達回路15をMIC化できる。
Thus, by fixing the ground potential a of the
最近では、1000V以上の耐圧を有するFETをMIC内に集積できるので、通常使用される交流電圧である100V〜400Vまでの交流スイッチの制御回路13をMIC化できる。これにより、交流スイッチの小型化及び低コスト化を図ることができる。
Recently, FETs having a withstand voltage of 1000 V or more can be integrated in the MIC, so that the
また、信号伝達回路15内のMOSFETQ1〜Q4には、高電圧で電流を流す必要があるため、図3に示すように、電流のパルス幅を小さくして損失を減らすようにしている。
Further, since it is necessary to pass a current at a high voltage to the MOSFETs Q1 to Q4 in the
(交流スイッチ内の主スイッチの具体例)
図5は図1に示す交流スイッチ内の逆阻止IGBTを使用した主スイッチの回路図である。図5に示す主スイッチでは、逆阻止IGBTQ5と逆阻止IGBTQ6とが逆並列接続されている。第1駆動回路17の駆動信号出力側は逆阻止IGBTQ5のゲートに接続され、第2駆動回路19の駆動信号出力側は逆阻止IGBTQ6のゲートに接続されている。
(Specific example of main switch in AC switch)
FIG. 5 is a circuit diagram of a main switch using the reverse blocking IGBT in the AC switch shown in FIG. In the main switch shown in FIG. 5, the reverse blocking IGBT Q5 and the reverse blocking IGBT Q6 are connected in reverse parallel. The drive signal output side of the
このように、図5に示す主スイッチによれば、図4に示す主スイッチに比較して、ダイオード分の損失を低減することができる。 Thus, according to the main switch shown in FIG. 5, the loss of the diode can be reduced as compared with the main switch shown in FIG.
図6は図1に示す交流スイッチ内のMESFETを使用した主スイッチの回路図である。図6に示す主スイッチは、SiC、Ga等のワイドギャップ半導体を使用したMESFET(Metal Semiconductor Field Effect Transistor)が用いられている。MESFETは、ゲート電圧が零でオンする(ノーマリオン)素子である。 FIG. 6 is a circuit diagram of the main switch using the MESFET in the AC switch shown in FIG. The main switch shown in FIG. 6 uses a MESFET (Metal Semiconductor Field Effect Transistor) using a wide gap semiconductor such as SiC or Ga. The MESFET is an element that is turned on (normally on) when the gate voltage is zero.
図6に示すように、FETQ7のドレインはMESFETQ9のドレインに接続され、MESFETQ9のソースはFETQ8のドレインに接続されている。FETQ7のソースには抵抗R5の一端とダイオードD13のカソードが接続され、FETQ8のソースには抵抗R6の一端とダイオードD14のカソードが接続されている。抵抗R5の他端とダイオードD13のアノードと抵抗R6の他端とダイオードD14のアノードとはMESFETQ9のゲートに接続されている。 As shown in FIG. 6, the drain of the FET Q7 is connected to the drain of the MESFET Q9, and the source of the MESFET Q9 is connected to the drain of the FET Q8. One end of the resistor R5 and the cathode of the diode D13 are connected to the source of the FET Q7, and one end of the resistor R6 and the cathode of the diode D14 are connected to the source of the FET Q8. The other end of the resistor R5, the anode of the diode D13, the other end of the resistor R6, and the anode of the diode D14 are connected to the gate of the MESFET Q9.
このように構成されたMESFETを使用した主スイッチにおいて、直列に接続されたFETQ7のゲートG1とFETQ8のゲートG2とに正電位を印加させることにより、FETQ7とFETQ8とをオンさせ、MESFETQ9がオンして、第1端子P1及び第2端子P2間が導通する。 In the main switch using the MESFET configured as described above, by applying a positive potential to the gate G1 of the FET Q7 and the gate G2 of the FET Q8 connected in series, the FET Q7 and the FET Q8 are turned on, and the MESFET Q9 is turned on. Thus, the first terminal P1 and the second terminal P2 are electrically connected.
図7は図6に示す主スイッチの半導体モジュール構造図である。図7において、Cu−ステム21上には、MESFETQ9、SiからなるFETQ7、SiからなるFETQ8が配置されている。図8は図7に示すMESFETの断面構造図である。図8において、SiC基板31上には、n−チャネル層33が積層され、n−チャネル層33の右側と左側にはn+高濃度層35が積層され、中央部にはゲートGが設けられている。右側のn+高濃度層35上にはドレインDが設けられ、左側のn+高濃度層35上にはソースSが設けられている。ゲートGのゲート長さは0.5μmで、ゲート幅は50μmである。
FIG. 7 is a semiconductor module structure diagram of the main switch shown in FIG. In FIG. 7, on the Cu-
この種のMESFETQ9においては、高耐圧でオン抵抗が低いため、高電圧、大容量の交流スイッチを製作できる。 Since this type of MESFET Q9 has a high breakdown voltage and a low on-resistance, a high-voltage, large-capacity AC switch can be manufactured.
図9は本発明の実施例2の交流スイッチの基本回路図である。図10は本発明の実施例2の交流スイッチ内の信号伝達回路の具体的な回路図である。図9に示す交流スイッチ2は、図1に示す交流スイッチ1に対して、ダイオードD1とダイオードD2の向きを逆向きに接続した点が異なる。
FIG. 9 is a basic circuit diagram of an AC switch according to
また、ダイオードD1,D2(本発明のグランド固定手段に対応)は、主スイッチ11に印加される交流信号の電圧最大値に、制御回路13のグランド電位(GND)を固定する。ここでは、ダイオードD1,D2により、交流信号の電圧最大値に、制御回路13のグランド電位が固定される。
Diodes D1 and D2 (corresponding to the ground fixing means of the present invention) fix the ground potential (GND) of the
即ち、ダイオードD1のアノードが主スイッチ11の第1主電極に接続され、ダイオードD2のアノードが主スイッチ11の第2主電極に接続され、ダイオードD2のカソードがダイオードD1のカソードに接続されている。ダイオードD1のカソードとダイオードD2のカソードとの接続点が制御回路13のグランド電位aに接続されている。
That is, the anode of the diode D1 is connected to the first main electrode of the main switch 11, the anode of the diode D2 is connected to the second main electrode of the main switch 11, and the cathode of the diode D2 is connected to the cathode of the diode D1. . A connection point between the cathode of the diode D 1 and the cathode of the
また、図10に示す信号伝達回路16は、図2に示す信号伝達回路15に対して、Pチャネル型のFETQ1〜Q4を用い、直流電源Vccの正極が制御回路13のグランド電位aに接続され、直流電源Vccの負極がFETQ1〜Q4のゲートに接続されている点が異なる。また、トランジスタTr1及びトランジスタTr2の各々は、PNPタイプからなる。
Further, the
このような構成によれば、信号伝達回路16は、ダイオードD1,D2により固定されたグランド電位aを基準として零電圧以下の電圧(零からマイナス(−)方向のみの電圧)を直流電源VccによりMOSFETQ1,Q2,Q3,Q4のゲートに印加し、制御回路13からの制御信号をトランジスタTr1,Tr2のベースに印加することにより動作して伝達信号を信号伝達回路16に有する第1駆動回路17及び第2駆動回路19に出力することができる。
According to such a configuration, the
(交流スイッチの適用例)
図11は本発明の交流スイッチを単相力率改善回路に適用した回路図である。図11に示す単相力率改善回路において、交流電源Vac1の両端にはリアクトルL1と主スイッチ11との直列回路が接続されている。主スイッチ11とリアクトルL1との接続点には、ダイオードD3のアノードとダイオードD5のカソードとが接続され、ダイオードD3のカソードはコンデンサC1の一端に接続され、ダイオードD5のアノードはコンデンサC1の他端に接続されている。
(Application example of AC switch)
FIG. 11 is a circuit diagram in which the AC switch of the present invention is applied to a single-phase power factor correction circuit. In the single-phase power factor correction circuit shown in FIG. 11, a series circuit of a reactor L1 and a main switch 11 is connected to both ends of the AC power supply Vac1. The connection point between the main switch 11 and the reactor L1 is connected to the anode of the diode D3 and the cathode of the diode D5. The cathode of the diode D3 is connected to one end of the capacitor C1, and the anode of the diode D5 is the other end of the capacitor C1. It is connected to the.
主スイッチ11と交流電源Vac1との接続点には、ダイオードD4のアノードとダイオードD6のカソードとが接続され、ダイオードD4のカソードはコンデンサC1の一端に接続され、ダイオードD6のアノードはコンデンサC1の他端に接続されている。 The connection point between the main switch 11 and the AC power supply Vac1 is connected to the anode of the diode D4 and the cathode of the diode D6. The cathode of the diode D4 is connected to one end of the capacitor C1. Connected to the end.
主スイッチ11と制御回路13と信号伝達回路15とで交流スイッチIC10を構成し、交流スイッチは、ダイオードD5,D6及び交流スイッチIC10で構成される。
The main switch 11, the
以上の構成によれば、主スイッチ11がオンのときで交流が正電圧のとき、Vac1→L1→主スイッチ11→Vac1の経路でリアクトルL1にエネルギーが蓄えられる。また、交流が負電圧のとき、Vac1→主スイッチ11→L1→Vac1の経路でリアクトルL1にエネルギーが蓄えられる。 According to the above configuration, when the main switch 11 is on and the alternating current is a positive voltage, energy is stored in the reactor L1 through the path Vac1 → L1 → main switch 11 → Vac1. Further, when the alternating current is a negative voltage, energy is stored in the reactor L1 through a route of Vac1 → main switch 11 → L1 → Vac1.
次に、主スイッチ11がオフすると、交流電源Vac1の電圧とリアクトルL1の起電圧とがコンデンサC1に伝送される。即ち、交流が正電圧のときに、Vac1→L1→D3→C1→D6→Vac1の経路で電流が流れる。次に、交流が負電圧のときに、Vac1→D4→C1→D5→L1→Vac1の経路で電流が流れる。このため、力率を改善できるとともに、交流電圧を昇圧できる。 Next, when the main switch 11 is turned off, the voltage of the AC power supply Vac1 and the electromotive voltage of the reactor L1 are transmitted to the capacitor C1. That is, when the alternating current is a positive voltage, a current flows through a path of Vac 1 → L 1 → D 3 → C 1 → D 6 → Vac 1. Next, when the alternating current is a negative voltage, a current flows through a path of Vac 1 → D 4 → C 1 → D 5 → L 1 → Vac 1. Therefore, the power factor can be improved and the AC voltage can be boosted.
図12は本発明の交流スイッチを単相倍電圧力率改善回路に適用した回路図である。図12に示す単相倍電圧力率改善回路は、図11に示す単相力率改善回路に対して、ダイオードD4をコンデンサC2に置き換え、ダイオードD6をコンデンサC3に置き換え、図11に示すコンデンサC1を削除した点が異なる。 FIG. 12 is a circuit diagram in which the AC switch of the present invention is applied to a single-phase voltage doubler power factor correction circuit. The single-phase voltage doubler power factor correction circuit shown in FIG. 12 is different from the single-phase power factor correction circuit shown in FIG. 11 in that the diode D4 is replaced with a capacitor C2, the diode D6 is replaced with a capacitor C3, and the capacitor C1 shown in FIG. The point that was deleted is different.
以上の構成によれば、主スイッチ11がオンのときで交流が正電圧のとき、Vac1→L1→主スイッチ11→Vac1の経路でリアクトルL1にエネルギーが蓄えられる。また、交流が負電圧のとき、Vac1→主スイッチ11→L1→Vac1の経路でリアクトルL1にエネルギーが蓄えられる。 According to the above configuration, when the main switch 11 is on and the alternating current is a positive voltage, energy is stored in the reactor L1 through the path Vac1 → L1 → main switch 11 → Vac1. Further, when the alternating current is a negative voltage, energy is stored in the reactor L1 through a route of Vac1 → main switch 11 → L1 → Vac1.
次に、主スイッチ11がオフすると、交流電源Vac1の電圧とリアクトルL1の起電圧とがコンデンサC2,C3に伝送される。即ち、交流が正電圧のときに、Vac1→L1→D3→C2→Vac1の経路で電流が流れる。次に、交流が負電圧のときに、Vac1→C3→D5→L1→Vac1の経路で電流が流れる。このため、力率を改善できるとともに、コンデンサC2及びコンデンサC3の各々には、同一電圧が印加されるため、図11に示す構成に対して倍電圧の直流電圧が得られる。 Next, when the main switch 11 is turned off, the voltage of the AC power supply Vac1 and the electromotive voltage of the reactor L1 are transmitted to the capacitors C2 and C3. That is, when the alternating current is a positive voltage, a current flows through a path of Vac1, L1, D3, C2, and Vac1. Next, when the alternating current is a negative voltage, a current flows through a path of Vac1-> C3-> D5-> L1-> Vac1. Therefore, the power factor can be improved, and the same voltage is applied to each of the capacitor C2 and the capacitor C3, so that a DC voltage that is double the voltage shown in FIG. 11 can be obtained.
1 交流スイッチ
10 交流スイッチIC
11 主スイッチ
13 制御回路
15 信号伝達回路
17 第1駆動回路
19 第2駆動回路
105 負荷
Vac1 交流電源
Vcc 直流電源
Q1〜Q4 MOSFET
Q11,Q12 IGBT
Tr1,Tr2 トランジスタ
D1〜D6,D11〜D14 ダイオード
C1 コンデンサ
L1 リアクトル
Q9 MESFET
1
11
Q11, Q12 IGBT
Tr1, Tr2 Transistors D1-D6, D11-D14 Diode C1 Capacitor L1 Reactor Q9 MESFET
Claims (6)
前記主スイッチをオン/オフさせるための制御信号を生成する制御回路と、
前記交流信号の電圧最小値に前記制御回路のグランド電位を固定するグランド固定手段と、
前記グランド固定手段により固定されたグランド電位を基準として零電圧以上の電圧を第1伝達素子の制御電極に印加し、前記制御回路からの制御信号を前記第1伝達素子に直列に接続された第2伝達素子の制御電極に印加することにより動作して伝達信号を出力し、該伝達信号に基づき駆動信号を生成して該駆動信号により前記主スイッチをオン/オフ駆動させる信号伝達手段と、
を備えることを特徴とする交流スイッチ。 An AC signal having a first main electrode, a second main electrode, and a control electrode, which is turned on / off by a signal input to the control electrode and input between the first main electrode and the second main electrode A main switch for turning on / off,
A control circuit for generating a control signal for turning on and off the main switch;
Ground fixing means for fixing the ground potential of the control circuit to the minimum voltage value of the AC signal;
A voltage equal to or higher than zero voltage is applied to the control electrode of the first transmission element with reference to the ground potential fixed by the ground fixing means, and a control signal from the control circuit is connected in series to the first transmission element. A signal transmission means that operates by applying to the control electrode of the two transmission elements to output a transmission signal, generates a driving signal based on the transmission signal, and drives the main switch on / off by the driving signal;
An AC switch comprising:
前記主スイッチをオン/オフさせるための制御信号を生成する制御回路と、
前記交流信号の電圧最大値に前記制御回路のグランド電位を固定するグランド固定手段と、
前記グランド固定手段により固定されたグランド電位を基準として零電圧以下の電圧を第1伝達素子の制御電極に印加し、前記制御回路からの制御信号を前記第1伝達素子に直列に接続された第2伝達素子の制御電極に印加することにより動作して伝達信号を出力し、該伝達信号に基づき駆動信号を生成して該駆動信号により前記主スイッチをオン/オフ駆動させる信号伝達手段と、
を備えることを特徴とする交流スイッチ。 An AC signal having a first main electrode, a second main electrode, and a control electrode, which is turned on / off by a signal input to the control electrode and input between the first main electrode and the second main electrode A main switch for turning on / off,
A control circuit for generating a control signal for turning on and off the main switch;
Ground fixing means for fixing the ground potential of the control circuit to the maximum voltage value of the AC signal;
A voltage less than or equal to zero voltage is applied to the control electrode of the first transmission element with reference to the ground potential fixed by the ground fixing means, and a control signal from the control circuit is connected in series to the first transmission element. A signal transmission means that operates by applying to the control electrode of the two transmission elements to output a transmission signal, generates a driving signal based on the transmission signal, and drives the main switch on / off by the driving signal;
An AC switch comprising:
前記主スイッチの前記第1主電極にカソードが接続された第1ダイオードと、
前記主スイッチの前記第2主電極にカソードが接続されアノードが前記第1ダイオードのアノードに接続された第2ダイオードとを有し、
前記第1ダイオードのアノードと前記第2ダイオードのアノードとの接続点が前記制御回路のグランド電位に接続されていることを特徴とする請求項1記載の交流スイッチ。 The ground fixing means is
A first diode having a cathode connected to the first main electrode of the main switch;
A second diode having a cathode connected to the second main electrode of the main switch and an anode connected to the anode of the first diode;
2. The AC switch according to claim 1, wherein a connection point between the anode of the first diode and the anode of the second diode is connected to a ground potential of the control circuit.
前記主スイッチの前記第1主電極にアノードが接続された第1ダイオードと、
前記主スイッチの前記第2主電極にアノードが接続されカソードが前記第1ダイオードのカソードに接続された第2ダイオードとを有し、
前記第1ダイオードのカソードと前記第2ダイオードのカソードとの接続点が前記制御回路のグランド電位に接続されていることを特徴とする請求項2記載の交流スイッチ。 The ground fixing means is
A first diode having an anode connected to the first main electrode of the main switch;
A second diode having an anode connected to the second main electrode of the main switch and a cathode connected to the cathode of the first diode;
3. The AC switch according to claim 2, wherein a connection point between the cathode of the first diode and the cathode of the second diode is connected to a ground potential of the control circuit.
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