JPH06335233A

JPH06335233A - サイリスタスイッチ装置

Info

Publication number: JPH06335233A
Application number: JP11480193A
Authority: JP
Inventors: Fumio Mizohata; 文雄溝畑
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1993-05-17
Filing date: 1993-05-17
Publication date: 1994-12-02
Anticipated expiration: 2013-04-08
Also published as: JP2738262B2

Abstract

(57)【要約】【目的】両極のサイリスタ駆動回路間に接続した主回
路給電抵抗を介して流れる電流をゲート電流源としてサ
イリスタ素子を駆動するサイリスタスイッチ装置におい
て、上記主回路給電抵抗の抵抗値を小さくすることな
く、点弧遅れによる交流出力波形の歪みを減らし、サイ
リスタ素子間の点弧バラツキを抑制する。【構成】相手極性側のサイリスタ素子４の点弧時に流
れる負荷電流による可飽和形変流器１５の２次側電流で
自己極性側のコンデンサ２２を充電し、自己極性側のサ
イリスタ素子３の点弧時、コンデンサ２２に蓄えられた
電荷をトランジスタ２７、ゲート電流制限用抵抗１４を
通じサイリスタ素子３のゲート電流として放電させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は交流電源と負荷との間
に接続され、負荷の開閉を行うサイリスタスイッチ装置
に係り、特にそのサイリスタ素子の駆動回路に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】図８は例えばオーム社発行”ＯＨＭ”１
９９０年７月号Ｐ．４３〜４９に記載された従来のサイ
リスタスイッチ装置を示す回路構成図である。図におい
て、１は交流電源、２は負荷、３および４は互いに逆並
列接続されたサイリスタ素子で、以下便宜上必要な場合
は３を順方向サイリスタ素子ＴＨＦ、４を逆方向サイリ
スタ素子ＴＨＲと呼ぶ。５および６はそれぞれサイリス
タ素子３および４のゲートＧ，カソードＫ間に接続され
た順方向および逆方向のサイリスタ駆動回路（ＧＤ
Ｕ）、７は両サイリスタ駆動回路５，６の端子Ｐ間に接
続された主回路給電抵抗、８および９はサイリスタ素子
３，４をオンオフさせるための光によるスイッチング信
号を伝送する光ファイバーケーブルである。

【０００３】また、サイリスタ駆動回路５，６の内部構
成は同一で、サイリスタ駆動回路５で示すと、１０はバ
イパス用ダイオード、１１はスイッチング手段としての
フォトトランジスタ、１２は電圧降下発生用ダイオー
ド、１３は短絡用トランジスタ、１４はゲート電流制限
用抵抗である。

【０００４】次に動作について説明する。先ず、光ファ
イバーケーブル８，９から光有りの信号が送出されてい
る場合を考える。この光入力によりサイリスタ駆動回路
５，６内のフォトトランジスタ１１はオン状態となって
いる。この状態でサイリスタ素子３のカソードＫ側を正
とした極性で電圧が印加されている時を例にとると、交
流電源１→負荷２→サイリスタ素子３のカソード→サイ
リスタ駆動回路５の端子Ｋ→バイパス用ダイオード１０
→サイリスタ駆動回路５の端子Ｐ→主回路給電抵抗７→
サイリスタ駆動回路６の端子Ｐ→フォトトランジスタ１
１および電圧降下発生用ダイオード１２→短絡用トラン
ジスタ１３→サイリスタ駆動回路６の端子Ｋ→交流電源
１のルートで電流が流れる。この電流はサイリスタ素子
４にとっては点弧方向の電流であるが、そのゲートカソ
ード間はフォトトランジスタ１１、電圧降下発生用ダイ
オード１２および短絡用トランジスタ１３によってバイ
パスされておりサイリスタ素子４はゲート電流が供給さ
れず点弧しない。

【０００５】光信号は有のままで交流電源１の電圧極性
が反転すると、上記と全く逆極性で同様の現象となり、
点弧極性側のサイリスタ素子３は点弧せず、結果として
負荷２には交流電圧は印加されずサイリスタ素子３，４
はオフ動作を維持することになる。

【０００６】次に、光ファイバーケーブル８，９から光
無しの信号が送出されている場合を考える。このとき、
サイリスタ駆動回路５，６内のフォトトランジスタ１１
はオフ状態となっている。この状態でサイリスタ素子３
のカソードＫ側を正とした極性で電圧が印加されている
時を例にとると、交流電源１→負荷２→サイリスタ素子
３のカソード→サイリスタ駆動回路５の端子Ｋ→バイパ
ス用ダイオード１０→サイリスタ駆動回路５の端子Ｐ→
主回路給電抵抗７→サイリスタ駆動回路６の端子Ｐ→電
圧降下発生用ダイオード１２→ゲート電流制限用抵抗１
４→サイリスタ駆動回路６の端子Ｇ→サイリスタ素子４
のゲート→サイリスタ素子４のカソード→交流電源１の
ルートで電流が流れ、サイリスタ素子４にゲート電流が
供給されてサイリスタ素子４が点弧する。即ち、サイリ
スタ素子４がオン状態となって交流電圧が負荷２に印加
される。交流電源１の電圧極性が反転すると、上記と逆
極性の現象でサイリスタ素子３が点弧しオン状態となっ
て同様に交流電圧が負荷２に印加される。

【０００７】以上のように、光ファイバーケーブル８，
９を介して送出される光のスイッチング信号に応じてサ
イリスタ素子３，４がオンオフ動作を行い負荷２の開閉
を行う。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従来のサイリスタスイ
ッチ装置は以上のように構成されており、交流電源から
サイリスタ素子に印加される電圧を電圧源とし主回路給
電抵抗を介して流れる電流をゲート電流源としてサイリ
スタ素子を駆動していることから以下で示す問題点が存
在する。以下、これを図９に従って説明する。

【０００９】図９は、サイリスタ素子３，４をオン状態
とした場合に、交流電源１によって負荷２に印加される
電圧の波形を示すもので、ここでは、負荷２の力率を
１．０（抵抗負荷）としている。図から判る通り、電圧
零の位相の付近で無出力の状態が発生している。これ
は、上述した通り、サイリスタ素子に印加される電圧自
体を電源としてそのゲート電流を得ているため、サイリ
スタ素子の点弧に必要なエネルギーに相当する電圧降下
が発生するためである。この電圧無出力の時間帯が存在
する結果、交流電圧の波形が歪むことになる。

【００１０】今、例として、交流電源１の電圧を６．６
ＫＶ（ｒｍｓ）、主回路給電抵抗７の抵抗を１５ＫΩ、
サイリスタ素子３，４のゲートトリガ電流を９７ｍＡと
して上記電圧無出力の時間幅、即ち、点弧遅れを求める
と以下の通りとなる。主回路給電抵抗７に流れる電流を
Ｉｇとすると、Ｉｇ（ｒｍｓ）＝６．６ＫＶ／１５ＫΩ＝０．４４ＡＩｇ（ｐｅａｋ）＝６．６ＫＶ・√２／１５ＫΩ＝０．６２２Ａとなり、抵抗負荷（負荷力率（ｏｓφ＝１．０）のとき
の点弧遅れは、位相角Δθで表すと、 Δθ＝ｓｉｎ^-1（９７ｍＡ／６２２ｍＡ）＝９゜となり、また時間幅ΔＴで表すと、 ΔＴ＝１０⁶／５０×（９゜／３６０゜）＝５００μｓ
（５０Ｈｚベース）となる。そして、無出力部分の波高値は、６．６ＫＶ×√２×ｓｉｎ９゜＝１．４６ＫＶに達する。

【００１１】また、サイリスタ素子３，４がオフ状態で
は、主回路給電抵抗７に電流が継続的に流れ、その時の
発生損失ｐは、ｐ＝６．６²×１０³／１５ＫΩ＝２９００Ｗとなる。

【００１２】以上のように、点弧遅れによる波形歪みが
存在し、この歪みが大きくなると、各サイリスタ素子の
点弧電流のバラツキにより負荷に印加される交流電圧の
波形が正負で非対称となり、負荷が変圧器等の場合は偏
磁の問題にも発展する。一方、主回路給電抵抗の抵抗値
を小さくすれば、上述した電流Ｉｇが大きくなって点弧
遅れは小さくなるが、反面、抵抗損失ｐが増大すること
になる。

【００１３】この発明は以上のような問題点を解消する
ためになされたもので、抵抗損失を増大することなくサ
イリスタ素子の点弧遅れを小さくし各サイリスタ素子の
点弧バラツキを抑制することができるサイリスタスイッ
チ装置を得ることを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】この発明の請求項１に係
るサイリスタスイッチ装置は、一対のサイリスタ素子と
直列に挿入され上記各サイリスタ素子に対応して設けら
れた可飽和形変流器、この可飽和形変流器の２次側回路
に挿入された電圧降下用抵抗、およびこの電圧降下用抵
抗と直列に接続され上記可飽和形変流器の２次電流によ
り充電されるコンデンサを備えたものである。

【００１５】この発明の請求項２に係るサイリスタスイ
ッチ装置は、そのスイッチング手段の開閉動作に基づき
ゲート電流を出力してサイリスタ素子を点弧した後、当
該サイリスタ素子に供給されるゲート電流を利用して上
記スイッチング手段の動作状態を保持する正帰還手段を
備えたものである。

【００１６】

【作用】この発明の請求項１に係るサイリスタスイッチ
装置においては、相手極性側のサイリスタ素子に流れる
電流に基づき自己極性側のコンデンサに電荷を蓄え、自
己極性側のサイリスタ素子の点弧時、上記コンデンサに
蓄えられた電荷を自己極性側のサイリスタ素子のゲート
回路に放電させる。これによってサイリスタ素子の点弧
遅れが小さくなる。

【００１７】また、請求項２に係るサイリスタスイッチ
装置においては、サイリスタ素子点弧後、正帰還手段が
スイッチング手段の動作状態を保持するので、サイリス
タ素子を点弧させるスイッチング信号が立ち上げ直後に
消滅する過少点弧信号となる場合にも、サイリスタ素子
の点弧状態はそのサイクル内は維持され素子破壊が防止
される。

【００１８】

【実施例】実施例１．図１はこの発明の実施例１による
サイリスタスイッチ装置の全体を示す回路構成図であ
る。図において、１５は順方向サイリスタ素子３（ＴＨ
Ｆ）側の可飽和形変流器（ＣＴＦ）で、その１次側は負
荷２およびサイリスタ素子３，４と直列に挿入され、そ
の２次側はサイリスタ駆動回路５の端子Ｃ１，Ｋ１に接
続され、サイリスタ素子４（ＴＨＲ）が点弧して逆方向
電流が流れる時に動作する。１６は逆方向サイリスタ素
子４（ＴＨＲ）側の可飽和形変流器（ＣＴＲ）で、サイ
リスタ素子３（ＴＨＦ）が点弧して順方向電流が流れる
時に動作する。

【００１９】図２は、サイリスタ駆動回路の内部構成の
詳細を示すもので、順方向側のサイリスタ駆動回路５を
例にとって示している。図において、従来と同一部分は
同一符号を付して説明は省略する。１７はＣＴＦ１５の
２次側回路に挿入された電圧降下用抵抗、１８はＣＴＦ
１５のリセット電圧発生用ツェナーダイオード、１９は
ＣＴＦ１５の順電流阻止用ダイオード、２０は主回路給
電抵抗７の回路の整流ダイオード、２１はＣＴＦ１５の
回路の整流ダイオード、２２はゲートパルス発生用コン
デンサ、２３はコンデンサ２２の過電圧保護用ダイオー
ド、２４以降はゲートパルス発生のための前段回路を構
成するもので、このうち、２４はコンデンサ、２５，２
８は抵抗、２６はスイッチング電圧素子、２７，２９は
スイッチング手段としてのトランジスタである。

【００２０】次に動作について説明する。光ファイバー
ケーブル８，９から光有りの信号が送出されサイリスタ
素子３，４がオフ状態となる場合の動作は従来と特に変
わりがないので説明を省略し、以下、光ファイバーケー
ブル８，９から光無しの信号が送出されサイリスタ素子
３，４がオン状態となる場合の動作について説明する。

【００２１】光ファイバーケーブル８，９から光無しの
信号が送出されフォトトランジスタ１１がオフ状態とな
ると、従来の図８で説明した通り、逆方向側のサイリス
タ素子４（ＴＨＲ）が点弧し、逆方向に負荷電流が流れ
る。この状態において、ＣＴＦ１５の２次側には、端子
Ｃ１→ダイオード２１→コンデンサ２２→抵抗１７→端
子Ｋ１のルートで電流が流れ、コンデンサ２２を充電す
るとともに、ＣＴＦ１５は一定の電圧・時間積でその鉄
心が飽和しそれ以降２次側には電流が流れなくなる。

【００２２】この場合、以下に示す理由により、負荷電
流の大小にかかわらずコンデンサ２２に充電される電圧
はほぼ一定値となる。即ち、抵抗１７に発生する電圧降
下は、電圧降下＝（負荷電流）×（ＣＴＦ１５の巻数比）×
（抵抗１７の抵抗値）となり、負荷電流が大きい程抵抗１７に発生する電圧降
下が大きくなり、結果としてＣＴＦ１５の鉄心が飽和す
る迄の時間が短くなる。従って、コンデンサ２２への充
電時間も短くなり、その充電電圧はほぼ一定値となる。

【００２３】図３、図４はコンデンサ２２の充電特性を
示すもので、このうち、図３は負荷電流が最大の場合、
図４は規定のコンデンサ充電電圧を得るに必要な最小負
荷電流の場合を示す。この例は、それぞれＣＴＦ１５の
巻数比５００：１，飽和電圧・時間積約０．０５Ｖ・
Ｓ，抵抗１７の抵抗値１ＫΩ、コンデンサ２２の容量４
μＦとした場合で、コンデンサ２２の充電電圧として約
９Ｖの一定値を得ている。

【００２４】以上説明した現象により、相手極性側のサ
イリスタ素子４（ＴＨＲ）の点弧によって流れる負荷電
流に基づき自己極性側（サイリスタ素子３（ＴＨＦ）
側）のコンデンサ２２に一定の電荷を蓄えたことになる
ので、以下、この蓄えた電荷を利用して自己極性側のサ
イリスタ素子３（ＴＨＦ）を高速度に点弧させる動作に
ついて説明する。即ち、交流電圧の極性が反転してサイ
リスタ素子３に順方向の電圧が印加されると、交流電源
１→サイリスタ駆動回路６の端子Ｋ→バイパス用ダイオ
ード１０→サイリスタ駆動回路６の端子Ｐ→主回路給電
抵抗７→サイリスタ駆動回路５の端子Ｐ→電圧降下発生
用ダイオード１２→コンデンサ２４→サイリスタ駆動回
路５の端子Ｋ→負荷２→交流電源１のルートでコンデン
サ２４が充電される。そして、このコンデンサ２４の電
圧がスイッチング電圧素子２６の動作電圧とトランジス
タ２９のベース・エミッタ間電圧との和（今回の例で
は、８Ｖ＋０．７Ｖ＝８．７Ｖ）に達するとスイッチン
グ電圧素子２６が動作してコンデンサ２４の電荷が抵抗
２５を通して放電しトランジスタ２９がオン動作する。

【００２５】トランジスタ２９のオン動作によりコンデ
ンサ２２に蓄えられた電荷がトランジスタ２７、抵抗２
８、トランジスタ２９を経て放電してトランジスタ２７
が瞬時にオン動作し、コンデンサ２２に蓄えられた電荷
はゲート電流となってトランジスタ２７、ゲート電流制
限用抵抗１４を経てサイリスタ素子３に供給される。

【００２６】この場合、自己極性側のサイリスタ素子３
を点弧させるために必要なゲート電流のエネルギーは相
手極性側のサイリスタ素子４の通電時に既に自己極性側
のコンデンサ２２に蓄えているので、自己極性側のサイ
リスタ素子３の点弧にあたって主回路給電抵抗７を経て
供給する電流は前段回路のトランジスタ２９を動作させ
るためのコンデンサ２４を充電させるに必要な値で済
み、従来の直接ゲート電流としてサイリスタ素子３に供
給する場合に比較して十分小さい値でよく、従って主回
路給電抵抗７の抵抗値は大きく設定することができ抵抗
損失も低減することができる。また、点弧遅れのバラツ
キは、コンデンサ２４とスイッチング電圧素子２６との
値によって決定されるので、従来の場合に比較して十分
小さくなる。

【００２７】もっとも、負荷電流が小さく（図４で説明
した限界電流以下の時）、相手極性側の通電時にコンデ
ンサ２２がその規定値まで充電されていない場合には、
主回路給電抵抗７→ダイオード２０→コンデンサ２２の
ルートで自己極性側の点弧時に点弧エネルギーを補充す
る必要があるが、この場合も、既にコンデンサ２２に充
電されているエネルギー分だけ新たに注入すべきエネル
ギー量が少なくて済み、点弧遅れが減少する。

【００２８】実施例２．図５はこの発明の実施例２によ
るサイリスタスイッチ装置のサイリスタ駆動回路５を示
す回路構成図である。実施例１の図２の場合と異なるの
は、正帰還手段を構成するダイオード３０および抵抗３
１を追加した点のみであり、以下この動作を中心に説明
する。

【００２９】実施例１で説明した通り、光ファイバーケ
ーブル８からの光無し信号の入力につづく一連の動作で
トランジスタ２９、２７がオン動作してコンデンサ２２
からトランジスタ２７、ゲート電流制限用抵抗１４を経
てサイリスタ素子３にゲート電流が供給されると、コン
デンサ２２→トランジスタ２７→抵抗３１→ダイオード
３０→トランジスタ２９→コンデンサ２２の通電ルート
が形成され、そのサイクル中、コンデンサ２２からの電
流でトランジスタ２９のオン動作が保持される。従っ
て、光ファイバーケーブル８からの光無し信号、即ち点
弧信号が極めて短いパルスで途絶えた場合、この正帰還
手段３０，３１が存在しないとトランジスタ２９のゲー
ト電流も同時に途絶えてオフ動作となり、いわゆる過少
ゲートパルスでサイリスタ素子３が破壊する可能性があ
ったが、この実施例２では、トランジスタ２９のオン動
作が確実に保持され上記したサイリスタ素子の破壊の恐
れがなくなるという利点がある。

【００３０】もっとも、上記した正帰還作用はコンデン
サ２２の電荷を電源としているので、その放電によりコ
ンデンサ２２の電圧が低下していくと動作しなくなる
が、その時点では主回路給電抵抗７からの電流が供給さ
れこの電流によって上記作用を継続するので支障はな
い。

【００３１】実施例３．図６はこの発明の実施例３によ
るサイリスタスイッチ装置のサイリスタ駆動回路５を示
す回路構成図である。実施例２の図５の場合と異なるの
は、ＣＴＦ１５の２次側の整流回路を半波整流回路から
ダイオード３２，３３を追加した全波整流回路にした点
のみであり、以下この動作を中心に説明する。

【００３２】即ち、全波整流回路とすることにより、相
手極性側のサイリスタ素子４の点弧時のみならず自己極
性側のサイリスタ素子３の点弧による負荷電流によって
もコンデンサ２２の充電を行うので、負荷電流の図４で
説明した下限値を更に下げることができ、この発明の適
用範囲が拡大する利点がある。

【００３３】実施例４．図７はこの発明の実施例４によ
るサイリスタスイッチ装置のサイリスタ駆動回路５を示
す回路構成図である。図６の実施例３と異なるのは、コ
ンデンサ２４の短絡、開放をフォトトランジスタ１１で
直接行うこととして短絡用トランジスタ１３を省略した
点である。トランジスタ２９を駆動するベース電流が小
さくコンデンサ２４の容量も小さくて済むことに着目し
たもので、その分部品点数が減少して経済的となる利点
がある。

【００３４】

【発明の効果】以上のように、この発明の請求項１にお
いては、所定の可飽和形変流器、電圧降下用抵抗および
コンデンサを備え、相手極性側のサイリスタ素子に流れ
る電流に基づき自己極性側のコンデンサに蓄えた電荷を
自己極性側のサイリスタ素子を点弧させるゲート電流に
利用するようにしたので、抵抗損失を増大することな
く、点弧遅れの小さい安定した点弧特性のサイリスタス
イッチ装置が得られる。

【００３５】また、この発明の請求項２においては、更
に所定の正帰還手段を備え、サイリスタ素子に供給させ
るゲート電流を利用してスイッチング手段の動作状態を
保持するようにしたので、いわゆる過少ゲートパルスに
よるサイリスタ素子の破壊の恐れが解消される。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例１によるサイリスタスイッチ
装置の全体を示す回路構成図である。

【図２】図１のサイリスタ駆動回路の詳細を示す回路構
成図である。

【図３】この発明の実施例１におけるコンデンサの充電
特性を示す図である。

【図４】この発明の実施例１におけるコンデンサの充電
特性を示す図で、特に負荷電流が下限値にある場合の特
性を示すものである。

【図５】この発明の実施例２によるサイリスタスイッチ
装置のサイリスタ駆動回路を示す回路構成図である。

【図６】この発明の実施例３によるサイリスタスイッチ
装置のサイリスタ駆動回路を示す回路構成図である。

【図７】この発明の実施例４によるサイリスタスイッチ
装置のサイリスタ駆動回路を示す回路構成図である。

【図８】従来のサイリスタスイッチ装置を示す回路構成
図である。

【図９】従来のサイリスタスイッチ装置における出力電
圧波形を示す図である。

【符号の説明】

１交流電源２負荷３，４サイリスタ素子５，６サイリスタ駆動回路７主回路給電抵抗１１，２７，２９スイッチング手段としてのトランジ
スタ１５，１６可飽和形変流器１７電圧降下用抵抗２２コンデンサ３０，３１正帰還手段としてのそれぞれダイオードお
よび抵抗

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】互いに逆並列接続され更に負荷と直列に
交流電源に接続された一対のサイリスタ素子、上記各サ
イリスタ素子のゲートカソード間に接続されスイッチン
グ信号に応じて開閉動作するスイッチング手段を備えた
サイリスタ駆動回路、および上記両サイリスタ駆動回路
間に接続された主回路給電抵抗を備え、上記サイリスタ
素子に印加される電圧を電圧源とし上記スイッチング手
段の開閉条件に応じて上記主回路給電抵抗を介して流れ
る電流をゲート電流源として上記サイリスタ素子を駆動
するサイリスタスイッチ装置において、上記一対のサイリスタ素子と直列に挿入され上記各サイ
リスタ素子に対応して設けられた可飽和形変流器、この
可飽和形変流器の２次側回路に挿入された電圧降下用抵
抗、およびこの電圧降下用抵抗と直列に接続され上記可
飽和形変流器の２次電流により充電されるコンデンサを
備え、相手極性側のサイリスタ素子に流れる電流に基づ
き自己極性側のコンデンサに電荷を蓄え、自己極性側の
サイリスタ素子の点弧時、上記コンデンサに蓄えられた
電荷を自己極性側のサイリスタ素子のゲート回路に放電
させるようにしたことを特徴とするサイリスタスイッチ
装置。
【請求項２】スイッチング手段の開閉動作に基づきゲ
ート電流を出力してサイリスタ素子を点弧した後、当該
サイリスタ素子に供給されるゲート電流を利用して上記
スイッチング手段の動作状態を保持する正帰還手段を備
えたことを特徴とする請求項１記載のサイリスタスイッ
チ装置。