JPH0638707B2 - 逆導通形ゲートターンオフ形サイリスタの制御方法 - Google Patents
逆導通形ゲートターンオフ形サイリスタの制御方法Info
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- JPH0638707B2 JPH0638707B2 JP58115484A JP11548483A JPH0638707B2 JP H0638707 B2 JPH0638707 B2 JP H0638707B2 JP 58115484 A JP58115484 A JP 58115484A JP 11548483 A JP11548483 A JP 11548483A JP H0638707 B2 JPH0638707 B2 JP H0638707B2
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- H03K17/51—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used
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- H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
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Description
【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、同一の半導体基体に形成されたゲートターン
オフ形サイリスタとダイオードとが、逆極性に並列接続
されて使用される逆導通形GTOの制御方法に関する。
オフ形サイリスタとダイオードとが、逆極性に並列接続
されて使用される逆導通形GTOの制御方法に関する。
通常、サイリスタ又はゲートターンオフ形サイリスタ
(以下GTOと称する)からなるインバータ又はコンバ
ータ回路のサイリスタ又はGTO素子には、フリーホイ
ーリング用のダイオードが逆極性に並列接続されてい
る。このようなサイリスタ又はGTOとダイオードが逆
極性に並列接続された半導体スイツチ回路は、同一のイ
ンバータ又はコンバータ回路に多数用いられている。
(以下GTOと称する)からなるインバータ又はコンバ
ータ回路のサイリスタ又はGTO素子には、フリーホイ
ーリング用のダイオードが逆極性に並列接続されてい
る。このようなサイリスタ又はGTOとダイオードが逆
極性に並列接続された半導体スイツチ回路は、同一のイ
ンバータ又はコンバータ回路に多数用いられている。
そこでこのような半導体回路を同一の半導体基体に一体
的に形成し、装置全体を小形化することが提案されてい
る。例えば、学会(Session 9Power Device(3),9−
4,975:Inter National Power Electronics Commi
ttee-TOKYO,March27〜31,1983)において、サイリスタ
とダイオードとを一体的に半導体装置が提案された。こ
れと同様に、GTOとダイオードにあつても、第1図に
示すような構成の逆導通形GTOとすることが考えられ
る。
的に形成し、装置全体を小形化することが提案されてい
る。例えば、学会(Session 9Power Device(3),9−
4,975:Inter National Power Electronics Commi
ttee-TOKYO,March27〜31,1983)において、サイリスタ
とダイオードとを一体的に半導体装置が提案された。こ
れと同様に、GTOとダイオードにあつても、第1図に
示すような構成の逆導通形GTOとすることが考えられ
る。
第1図は、逆導通形GTOの断面構造を模式的に示した
もので、図示の如く、ダイオード部1、GTO部2、及
びこれらダイオード部1とGTO部2とを隔離する隔離
部3とからなつている。ダイオード部1とGTO部2は
第1の導通形を有する第1ベース層4と、第2の導通形
を有する第2ベース層5とを共有している。これらベー
ス層4,5は隣接層となつており、GTO部2の第1ベ
ース層4の下層には、第2の導通形を有する第1エミツ
タ層6が、ダイオード部1と隔離部3の第1ベース層4
の下層には、高濃度の第1の導電形を有する電気的接触
層7が形成され、それらは第1電極8によつて共通に接
続されている。一方、第2ベース層5のGTO部2の主
表面の一部領域に第1の導電形を有する第2エミッタ層
9が形成され、その主表面に第2電極10が設けられて
いる。第2エミッタ層9に隣接する第2ベース層5の主
表面にゲート電極11が設けられている。また、ダイオ
ード部1の第2ベース層5の主表面には第2電極10が
設けられ、前記GTO部2の第2電極10とは引出線1
2によつて接続されている。なお電気的接触層7は第1
電極8との電気的接触を良好にするためのものである。
また、ダイオード部1の第1電極8はダイオードカソー
ドとして、第2電極10はダイオードアノードとして機
能し、GTO部2の第1電極8はGTOアノードとし
て、第2電極10はGTOカソードとして機能するもの
である。
もので、図示の如く、ダイオード部1、GTO部2、及
びこれらダイオード部1とGTO部2とを隔離する隔離
部3とからなつている。ダイオード部1とGTO部2は
第1の導通形を有する第1ベース層4と、第2の導通形
を有する第2ベース層5とを共有している。これらベー
ス層4,5は隣接層となつており、GTO部2の第1ベ
ース層4の下層には、第2の導通形を有する第1エミツ
タ層6が、ダイオード部1と隔離部3の第1ベース層4
の下層には、高濃度の第1の導電形を有する電気的接触
層7が形成され、それらは第1電極8によつて共通に接
続されている。一方、第2ベース層5のGTO部2の主
表面の一部領域に第1の導電形を有する第2エミッタ層
9が形成され、その主表面に第2電極10が設けられて
いる。第2エミッタ層9に隣接する第2ベース層5の主
表面にゲート電極11が設けられている。また、ダイオ
ード部1の第2ベース層5の主表面には第2電極10が
設けられ、前記GTO部2の第2電極10とは引出線1
2によつて接続されている。なお電気的接触層7は第1
電極8との電気的接触を良好にするためのものである。
また、ダイオード部1の第1電極8はダイオードカソー
ドとして、第2電極10はダイオードアノードとして機
能し、GTO部2の第1電極8はGTOアノードとし
て、第2電極10はGTOカソードとして機能するもの
である。
このように構成される逆導通形GTOは、ゲート電極1
1から第2電極(GTOカソード)10に電流を流すこ
とにより、GTO部2を導通(オン)させ、逆に第2電
極(GTOカソード)10からゲート電極11に電流を
流すことにより、GTO部2を遮断(オフ)させるとい
う周知のGTO機能と、第2電極10から第1電極8方
向には、常にダイオード部1より導通(オン)させる機
能とを具えているのである。
1から第2電極(GTOカソード)10に電流を流すこ
とにより、GTO部2を導通(オン)させ、逆に第2電
極(GTOカソード)10からゲート電極11に電流を
流すことにより、GTO部2を遮断(オフ)させるとい
う周知のGTO機能と、第2電極10から第1電極8方
向には、常にダイオード部1より導通(オン)させる機
能とを具えているのである。
ところが、このような構造の逆導通形GTOにあつて、
第1電極8と第2電極10間に印加される電圧が、GT
O部2の逆方向から順方向に切替わるときGTO部2が
誤点弧され、GTO部2のエミツタが破壊されてしまう
ことが考えられる。このことを第2図を参照しながら説
明する。第2図(a)はダイオード部1に流れるダイオー
ド電流IDの時間変化を、第2図(b)は第1電極8と第
2電極10間の電圧VAKの時間変化を示している。
第1電極8と第2電極10間に印加される電圧が、GT
O部2の逆方向から順方向に切替わるときGTO部2が
誤点弧され、GTO部2のエミツタが破壊されてしまう
ことが考えられる。このことを第2図を参照しながら説
明する。第2図(a)はダイオード部1に流れるダイオー
ド電流IDの時間変化を、第2図(b)は第1電極8と第
2電極10間の電圧VAKの時間変化を示している。
関連するアームの逆導通形GTOのGTO部2がオフさ
れると、第2図(a)に示すようにダイオード部1に順方
向の還流電流IDFが流れる。t1において対アームの逆
導通形GTOがオンされると、ダイオード電流IDは次
第に減少し、t3においてダイオード部1の電圧阻止能
力が回復されると、逆方向に流れt4にて零になる。こ
のときのVAKは第2図(b)に示す波形のように上昇さ
れ、次第に回路電圧に安定する。
れると、第2図(a)に示すようにダイオード部1に順方
向の還流電流IDFが流れる。t1において対アームの逆
導通形GTOがオンされると、ダイオード電流IDは次
第に減少し、t3においてダイオード部1の電圧阻止能
力が回復されると、逆方向に流れt4にて零になる。こ
のときのVAKは第2図(b)に示す波形のように上昇さ
れ、次第に回路電圧に安定する。
しかし、t2−t3間におけるダイオード部1の逆方向
電流が大きくなると、t3−t4間にて流れる逆方向電
流が大きくなり、これによつてVAKの上昇率dVAK/d
tが大きなものとなる。このdVAK/dtがある値以上
に達すると変位電流が発生し、これによつてGTO部2
が誤点弧されるのである。このような逆導通形GTOの
誤点弧を引き起すdVAK/dtは、通常の単体GTOの
dVAK/dt誤点弧耐量よりもかなり低い値になつてし
まうのである。また、通常の単体GTOの場合には、ゲ
ート電極とカソード電極間にコンデンサや抵抗を挿入接
続し、エミツタ層をバイパスさせて変位電流をゲート電
極に流し、これによつてdVAK/dt誤点弧耐量を増大
させることが知られている。しかし、逆導通形GTOの
場合の変位電流は極めて大きい(約10倍)ことから、
上記の方法によつてはdVAK/dt誤点弧耐量を向上さ
せることができない。つまり、変位電流の大部分とキヤ
リアはダイオード部1から第1ベース層4を介してGT
O部2に流れ込むものであると推定される。
電流が大きくなると、t3−t4間にて流れる逆方向電
流が大きくなり、これによつてVAKの上昇率dVAK/d
tが大きなものとなる。このdVAK/dtがある値以上
に達すると変位電流が発生し、これによつてGTO部2
が誤点弧されるのである。このような逆導通形GTOの
誤点弧を引き起すdVAK/dtは、通常の単体GTOの
dVAK/dt誤点弧耐量よりもかなり低い値になつてし
まうのである。また、通常の単体GTOの場合には、ゲ
ート電極とカソード電極間にコンデンサや抵抗を挿入接
続し、エミツタ層をバイパスさせて変位電流をゲート電
極に流し、これによつてdVAK/dt誤点弧耐量を増大
させることが知られている。しかし、逆導通形GTOの
場合の変位電流は極めて大きい(約10倍)ことから、
上記の方法によつてはdVAK/dt誤点弧耐量を向上さ
せることができない。つまり、変位電流の大部分とキヤ
リアはダイオード部1から第1ベース層4を介してGT
O部2に流れ込むものであると推定される。
そこで、隔離部3の幅を広げたり、第1ベース層4の少
数キヤリアのライフタイムを短縮することにより、ある
程度はdVAK/dt誤点弧耐量を向上させることができ
るが、それらの方法は素子を大形化させ、且つ製造上の
歩留りを悪化させるので好ましくない。
数キヤリアのライフタイムを短縮することにより、ある
程度はdVAK/dt誤点弧耐量を向上させることができ
るが、それらの方法は素子を大形化させ、且つ製造上の
歩留りを悪化させるので好ましくない。
本発明の目的は、逆導通形GTOのダイオード部が接合
を回復する時に発生するGT部の誤点弧を防止すること
ができる制御方法を提供することにある。
を回復する時に発生するGT部の誤点弧を防止すること
ができる制御方法を提供することにある。
本発明は、逆導通形GTOのGTO部がオフ状態におい
て、少くとも、前記逆導通形ゲートターンオフ形サイリ
スタのサイリスタ部のオンゲート信号が消滅したのちダ
イオード部順方向電流が0になったときから前記ダイオ
ード部に逆方向電流が流れなくなる期間に、GTO部の
ゲート電極と第2電極(以降、ゲートとカソードと略称
する)間に逆バイアス電圧を印加することにより、ダイ
オード部が電圧阻止能力を回復する時に流れる変位電流
を阻止して、GTO部に発生する誤点弧を防止しようと
するものである。
て、少くとも、前記逆導通形ゲートターンオフ形サイリ
スタのサイリスタ部のオンゲート信号が消滅したのちダ
イオード部順方向電流が0になったときから前記ダイオ
ード部に逆方向電流が流れなくなる期間に、GTO部の
ゲート電極と第2電極(以降、ゲートとカソードと略称
する)間に逆バイアス電圧を印加することにより、ダイ
オード部が電圧阻止能力を回復する時に流れる変位電流
を阻止して、GTO部に発生する誤点弧を防止しようと
するものである。
即ち、少くとも第3図(a)に示した、ダイオード部順
方向電流が0になったときから還流電流が打ち消されて
逆方向のみの電流が流れる期間t2−t4)に、GTO
部のゲートとカソード間に第3図(c)に示すような逆
バイアス電圧VGKを印加するのである。これによっ
て、ゲートとカソード間に流れる変位電流(順電流)が
阻止され、変位電流に起因する誤点弧を防止することが
できるのである。
方向電流が0になったときから還流電流が打ち消されて
逆方向のみの電流が流れる期間t2−t4)に、GTO
部のゲートとカソード間に第3図(c)に示すような逆
バイアス電圧VGKを印加するのである。これによっ
て、ゲートとカソード間に流れる変位電流(順電流)が
阻止され、変位電流に起因する誤点弧を防止することが
できるのである。
また、前記逆導通形GTOが、ブリッジ結線されたイン
バータもしくはコンバータを構成するスイッチング素子
であり、第5図に示されるように前記逆バイアス電圧と
して逆導通形GTOに与えるゲートオフ信号を用いると
き、所定のゲートオフ信号を与えた後、少くとも、ダイ
オード部の逆方向電流、すなわち、逆導通形GTO全体
としてみれば順方向に流れる電流が無くなるまで前記ゲ
ートオフ信号を連続して与えることによりGTO部の後
点弧が防止されるのである。
バータもしくはコンバータを構成するスイッチング素子
であり、第5図に示されるように前記逆バイアス電圧と
して逆導通形GTOに与えるゲートオフ信号を用いると
き、所定のゲートオフ信号を与えた後、少くとも、ダイ
オード部の逆方向電流、すなわち、逆導通形GTO全体
としてみれば順方向に流れる電流が無くなるまで前記ゲ
ートオフ信号を連続して与えることによりGTO部の後
点弧が防止されるのである。
以下、本発明を第4図に示すインバータ装置に適用した
具体的な一実施例に基づいて説明する。第4図に示すイ
ンバータ装置は、3相ブリツジ結線された逆導通形GT
O21〜26から形成され、電源27から供給される直
流電力を、所望の交流電力に変換して負荷(例えばイン
ダクシヨンモータ)28に供給するものである。
具体的な一実施例に基づいて説明する。第4図に示すイ
ンバータ装置は、3相ブリツジ結線された逆導通形GT
O21〜26から形成され、電源27から供給される直
流電力を、所望の交流電力に変換して負荷(例えばイン
ダクシヨンモータ)28に供給するものである。
このように構成されるインバータ装置の制御方法を、第
5図に示すタイムチヤートを参照しながら説明する。第
5図はU相上側アームの逆導通形GTO21と、U相下
側アームの逆導通形GTO22とに注目したものであ
り、同図(a)は逆導通形GTO21のオン信号、同図
(b),(c)はそれぞれ逆導通形GTO22のオン信号、オ
フ信号、同図(d)は逆導通形GTO21のGTO電流、
同図(e)は逆導通形GTO22のダイオード電流であ
る。
5図に示すタイムチヤートを参照しながら説明する。第
5図はU相上側アームの逆導通形GTO21と、U相下
側アームの逆導通形GTO22とに注目したものであ
り、同図(a)は逆導通形GTO21のオン信号、同図
(b),(c)はそれぞれ逆導通形GTO22のオン信号、オ
フ信号、同図(d)は逆導通形GTO21のGTO電流、
同図(e)は逆導通形GTO22のダイオード電流であ
る。
第5図において、t10以前は逆導通形GTO21のGT
O部がオフしたことによつて、負荷28−逆導通形GT
O24のGTO部一逆導通形GTO22のダイオード部
からなる回路に、フリーホイール電流(還流電流)が流
れている。t10において逆導通形GTO22にオフ信号
が出されてオフするが、ダイオード部には還流電流が流
れ続ける。その後相短絡を防止するため逆導通形GTO
22のオフ信号に遅れてt11において、逆導通形GTO
21にオン信号が出される。これにより逆導通形GTO
21がオンされそのGTO部に順方向電流が流れると、
その電流により打ち消されるまで逆導通形GTO22に
ダイオード電流が流れ、前述したと同様に逆導通形GT
O22のGTO部のdVAK/dt誤点弧耐量を低下させ
る条件が発生する。そこで本実施例では第5図(c)に示
すように逆導通形GTO22のオフ信号をt12まで連続
して出力している。即ち、対アームの逆導通形GTO2
1がオンしてから逆導通形GTO22ダイオード部の接
合が回復するまでの間、逆導通形GTO22のゲート・
カソード間に逆バイアスに相当するオフ電流を流し続
け、これにより変位電流を阻止して誤点弧を防止してい
るのである。
O部がオフしたことによつて、負荷28−逆導通形GT
O24のGTO部一逆導通形GTO22のダイオード部
からなる回路に、フリーホイール電流(還流電流)が流
れている。t10において逆導通形GTO22にオフ信号
が出されてオフするが、ダイオード部には還流電流が流
れ続ける。その後相短絡を防止するため逆導通形GTO
22のオフ信号に遅れてt11において、逆導通形GTO
21にオン信号が出される。これにより逆導通形GTO
21がオンされそのGTO部に順方向電流が流れると、
その電流により打ち消されるまで逆導通形GTO22に
ダイオード電流が流れ、前述したと同様に逆導通形GT
O22のGTO部のdVAK/dt誤点弧耐量を低下させ
る条件が発生する。そこで本実施例では第5図(c)に示
すように逆導通形GTO22のオフ信号をt12まで連続
して出力している。即ち、対アームの逆導通形GTO2
1がオンしてから逆導通形GTO22ダイオード部の接
合が回復するまでの間、逆導通形GTO22のゲート・
カソード間に逆バイアスに相当するオフ電流を流し続
け、これにより変位電流を阻止して誤点弧を防止してい
るのである。
なお、本発明は上記実施例の如きインバータに限定され
るものではなく、同一の動作条件下におかれる例えばコ
ンバータ等のものに対しても適用可能であり、同様の効
果が得られる。
るものではなく、同一の動作条件下におかれる例えばコ
ンバータ等のものに対しても適用可能であり、同様の効
果が得られる。
以上説明したように、本発明によれば、逆導通形GTO
のダイオード部が接合を回復するときGTO部に流れる
変位電流を阻止することができ、GTO部の誤点弧を防
止して素子の破壊を防ぐことができる。
のダイオード部が接合を回復するときGTO部に流れる
変位電流を阻止することができ、GTO部の誤点弧を防
止して素子の破壊を防ぐことができる。
第1図は本発明の適用可能な逆導通形GTOの断面構造
図、第2図は第1図図示逆導通形GTOの動作を説明す
るためのタイムチヤート、第3図は本発明の一実施例を
説明するためのタイムチヤート、第4図は本発明の適用
可能なインバータ装置の一実施例の構成図、第5図は第
4図図示実施例の動作を説明するためのタイムチヤート
である。 1……ダイオード部、2……GTO部、3……隔離部、
4……第1ベース層、5……第2ベース層、8……第1
電極、10……第2電極。
図、第2図は第1図図示逆導通形GTOの動作を説明す
るためのタイムチヤート、第3図は本発明の一実施例を
説明するためのタイムチヤート、第4図は本発明の適用
可能なインバータ装置の一実施例の構成図、第5図は第
4図図示実施例の動作を説明するためのタイムチヤート
である。 1……ダイオード部、2……GTO部、3……隔離部、
4……第1ベース層、5……第2ベース層、8……第1
電極、10……第2電極。
Claims (2)
- 【請求項1】共有層を有して同一の半導体基体に形成さ
れたゲートターンオフ形サイリスタ部とダイオード部と
を逆極性に並列接続してなる逆導通形ゲートターンオフ
形サイリスタの制御方法にあって、少くとも、前記逆導
通形ゲートターンオフ形サイリスタのサイリスタ部のオ
ンゲート信号が消滅したのちダイオード部順方向電流が
0になったときから前記ダイオード部に逆方向電流が流
れなくなる期間に、前記ゲートターンオフ形サイリスタ
部のゲートとカソード間に逆バイアス電圧を印加するこ
とを特徴とする逆導通形ゲートターンオフ形サイリスタ
の制御方法。 - 【請求項2】前記逆導通形ゲートターンオフ形サイリス
タが、ブリッジ結線されたインバータもしくはコンバー
タを構成するスイッチング素子であり、前記逆バイアス
電圧として前記逆導通形ゲートターンオフ形サイリスタ
に与えるゲートオフ信号を用い、前記逆導通形ゲートタ
ーンオフ形サイリスタに所定のゲートオフ信号を与えた
後、少くとも、前記逆導通形ゲートターンオフ形サイリ
スタに流れる順方向電流が無くなるまで連続して与える
ことを特徴とする特許請求の範囲第1項に記載の逆導通
形ゲートターンオフ形サイリスタの制御方法。
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---|---|---|---|
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