JP4700460B2 - 直列半導体スイッチ装置 - Google Patents
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Description
本発明においては、複数のスイッチング素子1i(i=1〜N)を直列接続した直列半導体スイッチ装置において、単位スイッチ回路両端に過電圧が印加される状態となったとき、簡易な構成によって過電圧となることを抑制する一方、当該単位スイッチ回路の異常状態を検出し直ちに全直列スイッチング素子をオフすることが重要となる。
過電圧抑制手段8i(i=1〜N)は、図2に示すように通電電流1aと両端電圧Vaと或る電圧しきい値Vthrとに対して、以下のような特性を持っている。
Va<Vthrの場合、Ia≒0A
Va>Vthrの場合、Ia≫0A
但し、Iaは単位スイッチ回路7i(i=1〜N)高圧側から過電圧抑制手段8i(i=1〜N)を通って低圧側に流れる電流、Vaは単位スイッチ回路7i(i=1〜N)の低圧側に接続されている側から高圧側に接続されている側をみたときの両端電圧である(図3参照)。ここで、単位スイッチ回路7i(i=1〜N)の高圧側とは、スイッチング素子1i(i=1〜N)がオフ状態であって、かつ、単位スイッチ回路7i(i=1〜N)両端に電圧が印加されている場合に高圧側となる側を示し、また単位スイッチ回路7i(i=1〜N)の低圧側とは、その逆の低圧側となる側を示す。
Vmax<Vthr<Vrat・sw ……(1)
このようにして(1)式に基づいて或る電圧しきい値Vthrを選定することにより、正常動作時(単位スイッチ回路7i(i=1〜N)両端電圧<Vmax<Vthr)には過電圧抑制手段8i(i=1〜N)には電流が通電せず、直列半導体スイッチ回路には何ら影響を与えない。一方、例えばスイッチング素子11が開放状態(スイッチング素子12〜1Nは導通状態)となり、単位スイッチ回路71の両端電圧が電圧しきい値Vthrまで上昇した時、過電圧抑制手段8i(i=1〜N)は導通状態となる。その結果、単位スイッチ回路71の両端電圧は、或る電圧しきい値Vthr(<Vrat・sw)程度に抑制され、単位スイッチ回路7i(i=1〜N)の許容最大電圧Vrat・sw以下となるので、過電圧による単位スイッチ回路71の構成用品の破損を未然に回避することが出来る。
従って、以上述べた(2)式のようなVthr、Vdet・maxを設定することにより、1つ(もしくは数個)のスイッチング素子が開放状態となる異常時、単位スイッチ回路の両端電圧を当該単位スイッチ回路の許容最大電圧Vrat・sw以下に抑制することが可能となる。
この実施の形態は、第1の実施の形態における過電圧抑制手段8i(i=1〜N)として、アバランシェ特性を有するアバランシェダイオード10i(i=1〜N)を用いた構成である。すなわち、単位スイッチ回路7i(i=1〜N)の高圧側にアバランシェダイオード10i(i=1〜N)のカソード側を接続したものであって、その他の構成は第1の実施の形態と同様である。従って、第1の実施の形態と同じ構成要素には同一の符号を付し、その詳しい説明を省略する。
Va<Vthrの場合、Ia≒0A
Va>Vthrの場合、Ia≫0A
上式において、Iaはアバランシェダイオード10i(i=1〜N)のカソードからアノードに流れる電流であり、またVaはアバランシェダイオード10i(i=1〜N)のアノード側からカソード側をみたときの両端電圧である。
この実施の形態は、第1の実施の形態における過電圧抑制手段8i(i=1〜N)として、電圧非直線特性を有する電圧依存性抵抗体11i(i=1〜N)を設けた構成である。
Va<Vthrの場合、Ia≒0A
Va>Vthrの場合、Ia≫0A
上式において、Iaは単位スイッチ回路7i(i=1〜N)の高圧側から電圧依存性抵抗体11i(i=1〜N)を通って低圧側に流れる電流であり、またVaは単位スイッチ回路7i(i=1〜N)の低圧側に接続されている側から高圧側に接続されている側をみたときの両端電圧である。
この実施の形態は、第1の実施の形態における過電圧抑制手段8i(i=1〜N)として、電圧依存性素子12i(i=1〜N)を設けた構成である。その他の構成は図1と同様であるので、詳しくは図1の説明に譲る。
Va<Vthrの場合、Ia≒0A
Va>Vthrの条件を満たしたときに導通状態となり、Ia≫0Aとなる。
なお、電圧依存性素子12i(i=1〜N)が導通した後、Va≒0Vとなる。
この実施の形態は、第1の実施の形態における過電圧抑制手段8i(i=1〜N)として、空隙13i(i=1〜N)を設けた構成である。その他の構成は図1と同様であるので、その詳しい説明は図1の説明に譲る。
Va<Vthrの場合、空隙13i(i=1〜N)の絶縁は保たれ、Ia≒0A
Va>Vthrの条件を満たすと、空隙13i(i=1〜N)の絶縁は破壊され当該空隙13i(i=1〜N)間で放電し、Ia≫0Aとなる。この空隙13i(i=1〜N)の放電中、Vaは数10Vのアーク電圧となる。
この実施の形態は、第1ないし第5の実施の形態の構成要素である電流検出手段9i(i=1〜N)を単位スイッチ回路7i(i=1〜N)の主回路電位に電位固定する一方、電流検出手段9i(i=1〜N)と素子異常検出手段21との間に絶縁手段14i(i=1〜N)を介挿させた構成である。つまり、第6の実施の形態は、電流検出手段9i(i=1〜N)で検出された電流検出信号を絶縁手段14i(i=1〜N)により電気的に絶縁し、検出信号のみを素子異常検出手段21に伝送する機能を有する。
この実施の形態は、第6の実施の形態における絶縁手段14i(i=1〜N)として、例えば変圧器15i(i=1〜N)を用いた構成である。従って、その他の構成は、図1及び図10と同様であるので、詳しくはそれらの図の説明に譲る。
この実施の形態は、第6の実施の形態における絶縁手段14i(i=1〜N)として、例えば光伝送媒体となる光ファイバ16i(i=1〜N)を用いた例である。その他の構成は、図1及び図10と同様であるので、詳しくはそれらの図の説明に譲る。
この実施の形態は、第8の実施の形態における電流検出手段9i(i=1〜N)として、以下のように構成したものである。すなわち、電流検出手段9i(i=1〜N)としては、過電圧抑制手段8i(i=1〜N)と直列にシャント抵抗17i(i=1〜N)を接続し、このシャント抵抗17i(i=1〜N)の両端には限流抵抗19i(i=1〜N)と発光素子18i(i=1〜N)との直列回路が並列に接続され、当該発光素子18i(i=1〜N)と光ファイバ16i(i=1〜N)とを光結合する構成である。
Claims (9)
- スイッチング素子と、このスイッチング素子と並列に接続され当該スイッチング素子のオン,オフに伴って発生する過渡的な電圧上昇を抑制するスナバ回路とで構成される単位スイッチ回路を、少なくとも2つ以上直列に接続した直列半導体スイッチ装置において、
前記単位スイッチ回路ごとにそれぞれ並列に接続され、所定の電圧が印加されたときに導通し、過電圧を抑制する過電圧抑制手段と、
各過電圧抑制手段と直列に接続され、当該過電圧抑制手段の導通時に流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記単位スイッチ回路ごとに設けられた前記電流検出手段のうち、何れか1つの電流検出手段から電流検出信号を受信すると、停止指令を出力する素子異常検出手段と、
この停止指令を受けたとき、前記全単位スイッチ回路の直列接続された前記全スイッチング素子をオフするスイッチング素子オフ手段と
を備えたことを特徴とする直列半導体スイッチ装置。 - 前記過電圧抑制手段は、アバランシェ特性を有するアバランシェダイオードとし、このダイオードのカソード側を前記単位スイッチ回路の高圧側に接続したことを特徴とする請求項1に記載の直列半導体スイッチ装置。
- 前記過電圧抑制手段は、電圧非直線特性を有する電圧依存性抵抗体としたことを特徴とする請求項1に記載の直列半導体スイッチ装置。
- 前記過電圧抑制手段は、所定の電圧が印加されたときに導通状態となる電圧依存性素子としたことを特徴とする請求項1に記載の直列半導体スイッチ装置。
- 前記過電圧抑制手段は、所定の電圧が印加されると絶縁破壊し導通状態となる空隙としたことを特徴とする請求項1に記載の直列半導体スイッチ装置。
- 請求項1ないし請求項5の何れか一項に記載の直列半導体スイッチ装置において、
前記各電流検出手段を対応する単位スイッチ回路の主回路電位に電位固定すると共に、各電流検出手段で検出される検出信号を電気的に絶縁して前記素子異常検出手段に伝送する絶縁手段を設けたことを特徴とする直列半導体スイッチ装置。 - 前記絶縁手段としては、前記各電流検出手段と素子異常検出手段との間にそれぞれ変圧器を設け、前記各電流検出手段で検出される検出信号を当該変圧器の1次側と2次側とで絶縁し伝送することを特徴とする請求項6に記載の直列半導体スイッチ装置。
- 前記絶縁手段としては、前記各電流検出手段と素子異常検出手段との間にそれぞれ光伝送媒体を設け、前記各電流検出手段で検出される検出信号を当該光伝送媒体を通して伝送することを特徴とする請求項6に記載の直列半導体スイッチ装置。
- 前記電流検出手段としては、前記過電圧抑制手段と直列に接続されるシャント抵抗と、このシャント抵抗と並列に接続された発光素子と、この発光素子と直列に接続され当該発光素子を流れる電流を限流する限流抵抗とで構成し、
前記過電圧抑制手段が導通状態となったとき、前記発光素子を発光させ、その発光信号を前記光伝送媒体に入射することを特徴する請求項8に記載の直列半導体スイッチ装置。
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