JPH03284165A - 半導体装置の過電流保護装置 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、半導体素子の過電流保護装置に係り、特に、
ゲートブロッキングを確実に実施するようにした半導体
装置の過電流保護装置に関する。

（従来の技術） 半導体はその物性的な特性上瞬時ストレスに弱いため過
電流保護、過電圧保護を厳密に実施する必要がある。過
電流保護に関しては、従来から基本的にはフユーズが使
用されてきた。

すなわち故障電流が発生した場合、半導体に直列に接続
した半導体用高速限流フユーズによる故障電流を限流さ
せた後、しゃ断し半導体を保護していた。しかしながら
、半導体装置が高電圧化するに従いフユーズによる保護
は種々の面で難しくなってきた。例えば半導体を直列接
続して使用する高圧半導体装置の場合はフユーズを使用
することは出来ない。

これは、通常直列接続された高圧半導体装置では、リダ
ンダント（冗長用に積み増しすること）を設けるという
考え方をとるため半導体が１個故障した場合でも運転を
維持しなければならず、そのために、フユーズにより回
路を切り離してしまう事はできない。この様な高圧半導
体装置の過電流保護のために、従来はゲートブロッキン
グ（以下ＧＢと略す）による方法が採用されてきた。

ＧＢとは、故障等により過電流が発生した場合に、その
半導体素子（たとえばサイリスタ）の次に点弧予定のサ
イリスタにゲート信号を出力するのを停止し、次のサイ
リスタの点弧を停止することで過電流による事故を防止
する方法である。この方法は過電流保護として広く採用
され、とくに高圧半導体装置の過電流保護としては、主
流となっている。

しかしながら、このＧＢによる方法は、半導体素子その
もののＧＢ能力に依存しているため、故障電流によるサ
イリスタの接合部温度（以下Ｔ。

温度と略す）をＧＢ出来るＴ、温度以内に収める様に設
計しなければならない。従って故障時の過電流を解析し
、過電流時のＴ、温度の上昇を算出し、ＧＢ出来るＴ、
温度から逆算して定常時の許容Ｔ、湿温度決定される。

しかる後にこの許容Ｔ、湿温度ら定常時の許容電流を決
めている。

また、高電圧半導体装置の様に多数の半導体を直列接続
して使用する装置ではターンオフ時の逆電圧印加状況に
よっては、部分転流失敗が発生ずる。これを防止するた
め通常高圧半導体装置では、逆電圧を監視し半導体素子
がターンオフするのに充分な逆電圧が印加されない時に
はパルスを出力し半導体素子を強制的に点弧させて保護
する強制点弧保護パルス機能を持っている。

この場合も強制点弧保護パルスによって引起される過電
流に対して先にに説明した故障時の過電流と同様な協調
をもって定常時の許容電流を決める必要がある。この考
慮をおこたると強制点弧保護パルス後正常運転にもどる
ときにターンオフ出来ず半導体素子を破損するケースが
生ずる。

以上述べた様に、過電流保護としてＧＢ保護を採用する
半導体装置の場合には、故障、事故による過電流及び強
制点弧保護パルスにより発生する過電流等に対して、こ
れらの過電流が発生した場合にも半導体素子のＴ、温度
をＧＢ可能な温度に押さえる様に定常時の電流を制限し
て使用する様協調をとる必要がある。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、半導体装置が広く色々の装置に使用され
てくると、前述した故障時等の過電流を精度よく解析す
ることが難しい装置が現れて来た。この具体例を第２図
に示す、系統電圧安定化用無効電力補償装置（以下ＳＶ
Ｃと略す）の場合において説明する。

一般にＳＣｖは、第２図に示すように進み分を供給する
コンデンサ２３と、このコンデンサ２３を入切するサイ
リスタ式スイッチ（ＴＳＣと呼ぶ）２４及び遅れ分を供
給するりアクドル２５と、このリアクトル２５を位相制
御するサイリスタ式調整器（ＴＣＲと呼ぶ）２６とから
構成され、ＴＣＲの位相制御とＴＳＣの入／切制御によ
り任意の量の無効電力を系統に供給することが出来る。

この様なＳｖＣシステムにおいて、系統電圧が喪失した
場合（例えば地絡の発生）ＴＣＲは、第３図（ａ）に示
す様なりＣトラップと呼ばれる直流でバイアスされた状
態となり電流は一方向に流れ続ける。

そして、系統電圧が復帰回復した時、（Ａ点）、その時
の状況次第によっては振動してＢ点で「０」となる。Ｂ
点で印加される逆電圧により、次の順電圧印加時すなわ
ち０点でＧ、Ｂ出来れば自然回復して正常運転に戻るこ
とになる。この様な事故時の過電流を考慮する場合、第
３図（ｂ）に示すごとくＴ、温度を算出しＢ点における
Ｔ、温度がＣＢ出来る温度以内であることが必要となる
。また０点で逆電圧不足により強制点弧保護パルスを出
力した場合は、その結果による電流でＤ点におけるＴ、
温度がＧＢ出来る温度以内であることが必要となる。

この様にすべての事故、故障による過電流に対するＴ、
温度を正確に把握しないと、ＧＢによる保護は完全とな
らないが、系統条件の変化、事故、故障の条件が多岐に
渡るため、すべてのケースについて半導体素子のＴ、温
度を正確に把握することは非常に困難となる。

本発明は上述の問題点に鑑みてなされたもので、過電流
発生による半導体素子の状況に対応しゲートブロッキン
グを確実に実施してターンオフを可能とする半導体装置
の過電流保護装置を提供することを目的とする。

［発明の構成コ （課題を解決するための手段） 上記目的を達成するため半導体素子の接合部温度Ｔ、を
監視し、このＴ、に応じてゲートパルスを制御するよう
にしたもので、本発明の半導体装置の過電流保護回路は
、ターンオフするのに必要な逆電圧が印加されていない
とき半導体素子に強制点弧保護パルスを出力する半導体
装置の過電流保護回路において、前記逆電圧の印加を検
出する逆電圧印加時間検出回路と、前記半導体素子の接
合部温度を検出する温度検出回路と、この温度検出回路
と前記逆電圧印加時間検出回路の出力に基づき前記強制
点弧保護パルスを正規運転のゲート信号に切り換えて出
力するゲート回路とを備えたものである。

（作　用） 上記構成により、常に半導体素子のＴ、温度を監視しな
がら運転し、過電流発生時にそのＴ。

温度を検出しそのＴ、がゲートブロッキング可能範囲で
あればゲートブロッキングし、ゲートブロッキング不可
能な温度まで上昇している場合には、保護パルスを出力
して点弧させ、しかる後過電流が収まりＴ、が下がって
ゲートブロッキング可能範囲に戻ったときにゲートブロ
ッキングし、半導体素子をターンオフする。これにより
半導体装置の如何なる事故、故障のときでも、そのとき
発生する過電流を半導体素子のＴ、温度として把握する
ことができるため確実なゲートブロッキングのタイミン
グを決定することができる。また強制点弧保護パルス運
転から正規運転に復帰する場合でも逆電圧時間と共にＴ
、温度を知ることができるため強制点弧保護パルスの出
力を停止する適切な復帰タイミングを得ることができる
。

（実施例） 以下本発明の一実施例を第１図を用いて説明する。第１
図において１は半導体装置であり、半導体素子としては
高圧半導体装置にもっとも多く用いられる光点弧サイリ
スタ２を用いている。

光点弧サイリスタ２のアノード拳カソード間には、逆電
圧検出用の抵抗器３と逆電圧検出器４が設けられ、光点
弧サイリスタ２に印加される逆電圧を検出する。

逆電圧検出器４による逆電圧信号は、光ファイバー５に
より半導体装置１の主回路から絶縁されて、低圧側にあ
る受光アンプ６に入力される。受光アンプ６で光／電気
変換された逆電圧信号は、逆電圧印加時間検出回路７に
よりその逆電圧時間を予め設定するターンオフタイム設
定器８のターンオフタイムと比較されその結果、ターン
オフするのに充分な長さであれば、逆電圧充分信号９が
出力され不充分であれば逆圧不充分信号１０が出力され
る。

逆電圧不充分信号１０は、アンド回路２２を通りゲート
回路１１において、正規ゲート信号１２に強制点弧回路
１３で割り込み部分転流失敗保護用の強制点弧保護パル
スとして出力される。

接合部温度算出回路１４は種々の入力１５．１８．１７
に基づき接合部温度Ｔ、を連続的に算出する。本実施例
では、図示していないが半導体素子の冷却方式として水
冷方式を採用しており入力条件としては次のものがある
。冷却条件１５として周囲温度、水温、水量等の諸量が
入力される。次に、光点弧サイリスタ２に流れる電流値
１Ｂ、さらに部品データ１７として光点弧サイリスタ２
のロスデータ、熱抵抗値及び冷却フィンデータ等が入力
される。

接合部温度算出回路１４で算出されたＴ、温度は、接合
部温度検出回路１８においてＧＢ可能な温度と比較され
ＧＢ可能であればＧＢ充分信号１９、ＧＢ不可能であれ
ばＧＢ不充分信号２０が出力される。

ＧＢ不充分信号２０は、前述した逆電圧不充分信号ＩＯ
と同様にゲート回路１１において正規ゲート信号１２に
強制点弧回路１３で割り込みＴ、保護パルスとして出力
され半導体素子を点弧させる。

ＧＢ充分信号１９は逆電圧充分信号９と共にナンド回路
２１により、この２つの条件が共に満足された時のみア
ンド回路２２．２３からの各々の強制転流保護パルス出
力をロックする。すなわちＧＢ可能０ な逆電圧が充分印加されており、かつＴ、温度がＧＢ可
能な温度まで下っているときのみ強制点弧保護パルス及
びＴ」保護パルスをロックする。

本実施例によれば、第３図で説明したＳＶＣ用ＴＣＲの
ＤＣトラップの様に複雑でかつ様々な過電流が発生する
場合においても、常に半導体素子のＴ、温度を算出し把
握することが出来るためＢ点でのＴ、温度が自動的に求
まりＢ−Ｃ間の逆電圧印加時間が検出できるので、６点
でＧＢ可能か又は保護パルスを出力しなければならない
かの判断を正しく行うことが出来る。

なお、半導体素子のＴ、温度を連続的に算出する方法は
、第１図に述べた例に限定されず、他の方法でもよい。

例えば、直接半導体素子のポスト面に測温抵抗体を埋込
み検出してもよい。

本実施例によれば、半導体素子のＴ、温度を常時把握す
る事が出来るため、過電流発生時に適切なゲート運用に
よる保護を行うことが出来る。

すなわち、ＧＢ可能なＴ、温度以下であれば１ ＧＢＬ正常運転に復帰する。またＧＢ不可能なＴ、温度
まで上昇してしまっていれば、Ｔ、保護パルスを出力し
点弧させる事で半導体素子を保護しながら過電流のおさ
まるのを待ち、Ｔ、温度が下るのを検出してＧＢを行い
正常運転に復帰する。

これらのゲート運用により半導体装置として予１１１］
１されない過電流に対してもＴ、温度を検出して保護を
行うことが可能となっている。

［発明の効果］ 以上の説明から明らかなように本発明は半導体素子の接
合部温度を監視することにより過電流が生じた場合、半
導体素子の状態に適したゲート運用を行い信頼性の高い
過電流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図は本発明の実施例の構成を示すブロック図、第２
図は系統電圧安定化用無効電力補償装置の回路図、第３
図は第２図に示す装置の系統電圧喪失時の電流、Ｔ、温
度の変化を表す図である。 １・・・半導体装置、 　２ ２・・・光点弧サイリスタ、 ３・・・抵抗器、 ４・・・逆電圧検出器、 ５・・・光ファイバー ６・・・受光ランプ、 ７・・・逆電圧印加時間検出回路、 ８・・・ターンオフタイム設定器、 １１・・・ゲート回路、 １３・・・強制点弧回路、 １４・・・接合部温度算出回路、 １８・・・接合部温度検出回路、 ２１・・・ナンド回路、 ２２．２３・・・アンド回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ターンオフするのに必要な逆電圧が印加されていないと
   き半導体素子に強制点弧保護パルスを出力する半導体装
   置の過電流保護回路において、前記逆電圧の印加を検出
   する逆電圧印加時間検出回路と、前記半導体素子の接合
   部温度を検出する温度検出回路と、この温度検出回路と
   前記逆電圧印加時間検出回路の出力に基づき前記強制点
   弧保護パルスを正規運転のゲート信号に切り換えて出力
   するゲート回路とを備えたことを特徴とする半導体装置
   の過電流保護装置。