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JP5258706B2 - Gate drive circuit for semiconductor power converter - Google Patents
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Description

この発明は、例えばターンオフサイリスタなどの電力用の半導体素子を主回路素子として用いた半導体電力変換装置のゲート駆動回路に関する。   The present invention relates to a gate drive circuit of a semiconductor power conversion device using a power semiconductor element such as a turn-off thyristor as a main circuit element.

ターンオフサイリスタを主回路素子として使用した電力変換装置のゲート駆動回路は通常、ターンオフ回路とターンオン回路とから構成される。これらの各々の回路は、例えばコンデンサに蓄えられた電荷を、スイッチによって放電させるように構成し、ターンオフサイリスタのゲート・カソード間に電流を注入してターンオフ乃至ターンオンを達成する。ターンオフとターンオンでは電流の向きは逆となる。   A gate drive circuit of a power conversion device using a turn-off thyristor as a main circuit element is usually composed of a turn-off circuit and a turn-on circuit. Each of these circuits is configured so that, for example, the electric charge stored in the capacitor is discharged by a switch, and current is injected between the gate and cathode of the turn-off thyristor to achieve turn-off or turn-on. The direction of current is reversed between turn-off and turn-on.

そして上記ターンオン回路に付随して、ターンオフサイリスタがオンすべき期間全域に渡ってターンオン電流を保持するための保持回路が上記ターンオン回路とは別に設けられているのが普通である(例えば、特許文献1参照。)。   Along with the turn-on circuit, a holding circuit for holding the turn-on current over the entire period during which the turn-off thyristor is to be turned on is usually provided separately from the turn-on circuit (for example, Patent Documents). See 1.)

ところで、ターンオフサイリスタはターンオン指令中にもかかわらず、ゲート・カソード電圧が負になる場合がある。これはターンオフサイリスタの内部構造によるためであり、具体的にはゲート・アノード間に等価的に存在する寄生ダイオードに起因する。すなわち、オン指令によりゲート電流が与えられたときターンオフサイリスタのアノードからカソードに主電流が流れて、アノード・カソード電圧は正側に発生するが、ターンオフサイリスタと逆並列に接続されたフライホイールダイオードに電流が流れると、その順方向電圧が発生するため、アノード・カソード電圧が負電圧になる。このとき寄生ダイオードの順方向電圧がフライホイールダイオードの順方向電圧より小さければゲート・カソード電圧は負電圧となる。   By the way, the turn-off thyristor may have a negative gate-cathode voltage even when a turn-on command is being issued. This is because of the internal structure of the turn-off thyristor, and specifically, due to a parasitic diode that exists equivalently between the gate and the anode. That is, when a gate current is given by an ON command, the main current flows from the anode to the cathode of the turn-off thyristor, and the anode-cathode voltage is generated on the positive side, but the flywheel diode connected in reverse parallel to the turn-off thyristor When a current flows, the forward voltage is generated, so the anode / cathode voltage becomes a negative voltage. At this time, if the forward voltage of the parasitic diode is smaller than the forward voltage of the flywheel diode, the gate-cathode voltage becomes a negative voltage.

特許第4083299号公報(全体)Japanese Patent No. 4083299 (Overall)

特許文献1に示された回路例において、ターンオフサイリスタのゲート・カソード電圧が負になった場合に、保持電流が限りなく増大するのを防止する回路についての記載はあるが、ターンオン回路については保持電流期間と比較して、時間が短くなるために、ターンオン電流が増大することを防止するような保護が行なわれることはなかった。   In the circuit example disclosed in Patent Document 1, there is a description of a circuit that prevents the holding current from increasing as much as possible when the gate-cathode voltage of the turn-off thyristor becomes negative. Since the time is shorter than that of the current period, no protection was provided to prevent the turn-on current from increasing.

しかしながらターンオン電流の増大は、回路内のダイオード、またはスイッチのロスの増大を引き起こす。そのため、高調波の低減や、トルクリプルの低減を実現する目的で、インバータ出力電流波形をより正弦波に近づけるためキャリア周波数を高周波化するような装置の場合、熱対策のためにゲート駆動回路が大型化するという問題が生じていた。   However, an increase in turn-on current causes an increase in diode or switch losses in the circuit. Therefore, in the case of a device that increases the carrier frequency to make the inverter output current waveform closer to a sine wave for the purpose of reducing harmonics and torque ripple, the gate drive circuit is large for heat countermeasures. There has been a problem of conversion.

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ターンオフサイリスタのゲート・カソード電圧が負になった場合でもターンオン電流が増大するのを防止することのできる半導体電力変換装置のゲート駆動回路を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a semiconductor power conversion device that can prevent an increase in turn-on current even when the gate-cathode voltage of a turn-off thyristor becomes negative. It is to provide a gate driving circuit.

上記目的を達成するために、本発明の半導体電力変換装置のゲート駆動回路は、ターンオフサイリスタをオンオフするため、制御電源から給電されるエネルギー貯蔵手段を備えたターンオフ回路と、エネルギー蓄積手段を備えたターンオン回路とを有する半導体電力変換装置のゲート駆動回路であって、前記ターンオン回路は、前記エネルギー蓄積手段の正極から第1のスイッチを介して前記ターンオフサイリスタのゲートに接続されたリアクトルと、前記ターンオフサイリスタのカソードと前記エネルギー蓄積手段の負極間に接続された第2のスイッチと、前記エネルギー蓄積手段の負極と、前記第1のスイッチと前記リアクトルの接続点間に設けられた第1のフライホイールダイオードと、前記エネルギー蓄積手段の負極と前記エネルギー貯蔵手段の負極間に設けられた第2のフライホイールダイオードと、前記第1及び第2のスイッチをオンオフさせるためのターンオン制御手段とを具備し、前記ターンオン制御手段は、前記第2のスイッチがオンで且つ前記ターンオフサイリスタのゲート・カソード電圧が負になったとき、前記第1及び第2のスイッチをオフさせるようにしたことを特徴としている。   In order to achieve the above object, a gate drive circuit of a semiconductor power conversion device according to the present invention includes a turn-off circuit including an energy storage unit supplied with power from a control power source and an energy storage unit in order to turn on and off the turn-off thyristor. A turn-on circuit including a reactor connected to a gate of the turn-off thyristor via a first switch from a positive electrode of the energy storage means; and a turn-on circuit. A second switch connected between a cathode of the thyristor and a negative electrode of the energy storage means; a first flywheel provided between a connection point of the negative electrode of the energy storage means; the first switch and the reactor; A diode, a negative electrode of the energy storage means and the energy A second flywheel diode provided between the negative electrodes of the storage means; and a turn-on control means for turning on and off the first and second switches. The turn-on control means includes the second switch When the gate-cathode voltage of the turn-off thyristor becomes negative, the first and second switches are turned off.

本発明によれば、ターンオフサイリスタのゲート・カソード電圧が負になった場合でもターンオン電流が増大するのを防止することのできる半導体電力変換装置のゲート駆動回路を提供することが可能となる。   According to the present invention, it is possible to provide a gate drive circuit of a semiconductor power conversion device that can prevent an increase in turn-on current even when the gate-cathode voltage of the turn-off thyristor becomes negative.

本発明の実施例1に係る半導体電力変換装置のゲート駆動回路の回路構成図及びターンオン論理回路の内部構成図。The circuit block diagram of the gate drive circuit of the semiconductor power converter device which concerns on Example 1 of this invention, and the internal block diagram of a turn-on logic circuit. 本発明の実施例1に係る半導体電力変換装置のゲート回路のターンオン時のタイムチャート。The time chart at the time of turn-on of the gate circuit of the semiconductor power converter device concerning Example 1 of the present invention. 本発明の実施例1に係る半導体電力変換装置のゲート回路の電流ルート説明図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Current route | root explanatory drawing of the gate circuit of the semiconductor power converter device which concerns on Example 1 of this invention. 本発明の実施例2に係る半導体電力変換装置のゲート回路のターンオン論理回路の内部構成図。The internal block diagram of the turn-on logic circuit of the gate circuit of the semiconductor power converter device which concerns on Example 2 of this invention. 本発明の実施例1に係る半導体電力変換装置のゲート回路のターンオン時のタイムチャート(VGは負)。The time chart at the time of turn-on of the gate circuit of the semiconductor power converter device concerning Example 1 of the present invention (VG is negative). 本発明の実施例2に係る半導体電力変換装置のゲート回路の電流ルート説明図。Current route explanatory diagram of the gate circuit of the semiconductor power conversion device according to the second embodiment of the present invention. 本発明の実施例1に係る半導体電力変換装置のゲート回路のターンオン時のタイムチャート(VGは負から正)。The time chart at the time of turn-on of the gate circuit of the semiconductor power converter device concerning Example 1 of the present invention (VG is from negative to positive).

以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

図1(a)は、本発明の実施例1に係る半導体電力変換装置のゲート駆動回路の回路構成図である。この回路構成図において、前述したターンオン電流を保持するための保持回路についてはその図示を省略している。   FIG. 1A is a circuit configuration diagram of a gate drive circuit of the semiconductor power conversion device according to the first embodiment of the present invention. In the circuit configuration diagram, the holding circuit for holding the turn-on current described above is not shown.

ターンオフサイリスタ14がゲート駆動の対象となる素子である。このターンオフサイリスタ14と逆並列にフライホイールダイオード15が接続されている。また、ターンオフサイリスタ14のゲート・アノード間の寄生ダイオード16は前述した等価ダイオードである。   The turn-off thyristor 14 is an element to be gate-driven. A flywheel diode 15 is connected in antiparallel with the turn-off thyristor 14. The parasitic diode 16 between the gate and the anode of the turn-off thyristor 14 is the above-described equivalent diode.

ターンオフサイリスタ14をゲート駆動するため、正端子+20及び負端子−20を有する制御電源から制御エネルギーが供給されてエネルギー貯蔵手段3に充電される。ターンオフ回路に属するエネルギー貯蔵手段3は、例えば電解コンデンサなどのコンデンサバンクで設計することができる。ターンオフ回路はターンオフ論理回路1と、エネルギー貯蔵手段3と、スイッチ4とから構成されている。スイッチ4は、ターンオフサイリスタ14のゲートと、エネルギー貯蔵手段3との間に接続され、ターンオフ論理回路1によって駆動される。ターンオフ論理回路1は、ターンオフ論理回路1と直列に接続された直列コントローラ2(例えば市販の低電圧回路)から給電される。   In order to drive the turn-off thyristor 14 with gate, control energy is supplied from a control power source having a positive terminal +20 and a negative terminal −20 to charge the energy storage means 3. The energy storage means 3 belonging to the turn-off circuit can be designed by a capacitor bank such as an electrolytic capacitor. The turn-off circuit includes a turn-off logic circuit 1, energy storage means 3, and a switch 4. The switch 4 is connected between the gate of the turn-off thyristor 14 and the energy storage means 3 and is driven by the turn-off logic circuit 1. The turn-off logic circuit 1 is powered by a series controller 2 (eg, a commercially available low voltage circuit) connected in series with the turn-off logic circuit 1.

ターンオフ論理回路1は、例えば矢印で示す光ファイバからターンオフ論理回路1のブロックの左端に示すトランジスタを介して所要制御信号を受信する。ターンオフサイリスタ14をターンオフさせるために光ファイバを介して送信される制御信号は、ターンオフ論理回路1において増幅され、電圧が形成されてスイッチ4へ印加されるのでスイッチ4がオンする。スイッチ4がオンすると、エネルギー貯蔵手段3の極性により、電流はターンオフサイリスタ14のゲートから引き出される。その結果、ターンオフサイリスタ14のゲートはカソードに対して負になり、ターンオフサイリスタ14はターンオフする。   The turn-off logic circuit 1 receives a required control signal from an optical fiber indicated by an arrow, for example, via a transistor shown at the left end of the block of the turn-off logic circuit 1. The control signal transmitted through the optical fiber to turn off the turn-off thyristor 14 is amplified in the turn-off logic circuit 1 and a voltage is formed and applied to the switch 4 so that the switch 4 is turned on. When the switch 4 is turned on, current is drawn from the gate of the turn-off thyristor 14 due to the polarity of the energy storage means 3. As a result, the gate of the turn-off thyristor 14 becomes negative with respect to the cathode, and the turn-off thyristor 14 is turned off.

次にターンオン回路は、ターンオフ論理回路1と同じようにエネルギー貯蔵手段3から給電されるターンオン制御手段であるターンオン論理回路5を含んでいる。このターンオン論理回路5はやはり直列に接続された直列コントローラ6を介して給電される。また、ターンオン論理回路5にはターンオフサイリスタ14のゲート・カソード電圧VGがフィードバック信号として与えられている。   Next, the turn-on circuit includes a turn-on logic circuit 5 which is a turn-on control means fed from the energy storage means 3 in the same manner as the turn-off logic circuit 1. The turn-on logic circuit 5 is powered through a serial controller 6 also connected in series. The turn-on logic circuit 5 is supplied with the gate-cathode voltage VG of the turn-off thyristor 14 as a feedback signal.

ターンオン回路用のエネルギーは、エネルギー変換手段11から与えられるエネルギーをエネルギー蓄積手段12に蓄積することによって得られている。エネルギー変換手段11としては、例えば制御電源と並列に高周波でスイッチングするスイッチ素子と変流器の1次巻線との直列接続体を接続して構成する。そしてエネルギー蓄積手段12としては例えば変流器の2次巻線を整流し、その出力電荷をコンデンサに蓄えるようにする。尚、このターンオン回路用のエネルギーは、必ずしも制御電源あるいはエネルギー貯蔵手段3からエネルギーを得る必要はなく、絶縁された他の電源から得るように構成しても良い。   The energy for the turn-on circuit is obtained by storing the energy given from the energy conversion means 11 in the energy storage means 12. As the energy conversion means 11, for example, a series connection body of a switching element that switches at high frequency in parallel with the control power source and the primary winding of the current transformer is connected. As the energy storage means 12, for example, the secondary winding of the current transformer is rectified and the output charge is stored in the capacitor. The energy for the turn-on circuit does not necessarily have to be obtained from the control power source or the energy storage means 3, and may be configured to be obtained from another insulated power source.

このエネルギー蓄積手段12に蓄えられたエネルギーはスイッチ10及びリアクトル13を介してターンオフサイリスタ14のゲートに与えられ、ターンオフサイリスタ14のカソードからスイッチ8を経由してエネルギー蓄積手段12に戻る電流ループを形成する。スイッチ8及びスイッチ10にはフライホイールダイオード7及び9が接続され、環流が可能な構成となっている。即ち、フライホイールダイオード7はエネルギー貯蔵手段3の負極からエネルギー蓄積手段12の負極に向かって接続され、フライホイールダイオード9はエネルギー蓄積手段12の負極からリアクトル13とスイッチ10の接続点に向かって接続されている。   The energy stored in the energy storage means 12 is applied to the gate of the turn-off thyristor 14 via the switch 10 and the reactor 13, and a current loop is formed from the cathode of the turn-off thyristor 14 to the energy storage means 12 via the switch 8. To do. The flywheel diodes 7 and 9 are connected to the switch 8 and the switch 10 so that recirculation is possible. That is, the flywheel diode 7 is connected from the negative electrode of the energy storage means 3 toward the negative electrode of the energy storage means 12, and the flywheel diode 9 is connected from the negative electrode of the energy storage means 12 toward the connection point of the reactor 13 and the switch 10. Has been.

ターンオフ論理回路1とターンオン論理回路5の2つの論理回路は、信号に関しては互いに接続され、もし、ターンオフ論理回路1がターンオフサイリスタ14をターンオフさせる指令を受ければ、ターンオン論理回路5の動作は阻止される構成となっている。   The two logic circuits of the turn-off logic circuit 1 and the turn-on logic circuit 5 are connected to each other in terms of signals. If the turn-off logic circuit 1 receives a command to turn off the turn-off thyristor 14, the operation of the turn-on logic circuit 5 is prevented. It is the composition which becomes.

図1(b)にターンオン論理回路5の内部構成図を示す。   FIG. 1B shows an internal configuration diagram of the turn-on logic circuit 5.

ターンオン指令が入力されると、ワンショット回路51と52がワンショット動作を開始する。ワンショット動作によりスイッチ8とスイッチ10がオンしてターンオン電流が流れ始める。ここで、ワンショット回路51のワンショット時間は例えば3usと比較的短く、ワンショット回路52のワンショット時間は例えば70usと比較的長く設定されている。ワンショット回路のワンショット時間とは、リセット信号が与えられない限りその間は継続して1を出力するパルス幅を言う。   When the turn-on command is input, the one-shot circuits 51 and 52 start the one-shot operation. The switch 8 and the switch 10 are turned on by the one-shot operation, and a turn-on current starts to flow. Here, the one-shot time of the one-shot circuit 51 is relatively short, for example, 3 us, and the one-shot time of the one-shot circuit 52 is relatively long, for example, 70 us. The one-shot time of the one-shot circuit refers to a pulse width that continuously outputs 1 unless a reset signal is given.

ターンオフサイリスタ14のゲート電圧は正負判定回路53に与えられる。そして正負判定回路53の出力はNAND回路54によってワンショット回路52の出力とのNAND論理が演算され、この出力は立下り遅延回路55を介してワンショット回路51と52のリセット端子に与えられる。立ち下がり遅延回路55は、0が入力されたときには遅延時間T1だけ遅れて0を出力するが、1が入力されたときには直ちに1を出力する。   The gate voltage of the turn-off thyristor 14 is given to the positive / negative judgment circuit 53. The NAND logic 54 calculates the NAND logic of the output of the positive / negative determination circuit 53 and the output of the one-shot circuit 52, and this output is applied to the reset terminals of the one-shot circuits 51 and 52 via the falling delay circuit 55. The falling delay circuit 55 outputs 0 after a delay time T1 when 0 is input, but immediately outputs 1 when 1 is input.

ゲート・カソード電圧VGが負のとき正負判定回路53の出力を1、ゲートオン指令でワンショット回路51、52の出力を1とすれば、ワンショット回路52が1を出力中にゲート・カソード電圧VGが負となったとき、NAND回路54の出力は0となるので、立下り遅延回路55の遅延時間T1後にワンショット回路51、52はリセットされる。   If the output of the positive / negative judgment circuit 53 is 1 when the gate-cathode voltage VG is negative, and the output of the one-shot circuits 51, 52 is 1 by the gate-on command, the one-shot circuit 52 outputs 1 while the gate-cathode voltage VG is being output. When becomes negative, the output of the NAND circuit 54 becomes 0, so that the one-shot circuits 51 and 52 are reset after the delay time T1 of the falling delay circuit 55.

ここで、ターンオフサイリスタ14側に流れる主電流モードの場合であっても、ターンオン論理回路5がターンオン指令を行い、スイッチ8、10がターンオン電流を流して、はじめてゲート・カソード電圧VGが正極性になるため、立下り遅延回路55は、スイッチ8、10がターンオン作動した後T1時間の間は、スイッチ8をオフしないようにするために設けられている。この遅れ時間T1は概略0.5us程度である。   Here, even in the case of the main current mode flowing to the turn-off thyristor 14 side, the turn-on logic circuit 5 issues a turn-on command, and the switches 8 and 10 cause the turn-on current to flow, so that the gate-cathode voltage VG becomes positive only. Therefore, the falling delay circuit 55 is provided so as not to turn off the switch 8 for the time T1 after the switches 8 and 10 are turned on. This delay time T1 is about 0.5 us.

次に、ターンオン論理回路5がターンオン命令を受けたときのターンオンの動作を図2のタイムチャートと図3の電流ルート図も参照して説明する。   Next, the turn-on operation when the turn-on logic circuit 5 receives a turn-on command will be described with reference to the time chart of FIG. 2 and the current route diagram of FIG.

図2において、ターンオン論理回路5が時刻t=0でターンオン命令を受ければ、ターンオン論理回路5はワンショット回路51、52の動作によって夫々スイッチ8、10を同時に駆動する。ターンオフサイリスタ14のターンオン電流IGは、図2にルートAとして実線で示したように、エネルギー蓄積手段12からスイッチ10、リアクトル13を介してターンオフサイリスタ14のゲートに与えられ、ターンオフサイリスタ14のカソードからスイッチ8を介してエネルギー蓄積手段12に戻るループに従って流れ、時間と共に増大して行く。   In FIG. 2, when the turn-on logic circuit 5 receives a turn-on command at time t = 0, the turn-on logic circuit 5 simultaneously drives the switches 8 and 10 by the operation of the one-shot circuits 51 and 52, respectively. A turn-on current IG of the turn-off thyristor 14 is given from the energy storage means 12 to the gate of the turn-off thyristor 14 via the switch 10 and the reactor 13 as shown by a solid line in FIG. It follows a loop returning to the energy storage means 12 via the switch 8 and increases with time.

次に、図2に示したように、時刻t=0で既にゲート・カソード電圧VGは負であるので、立下り遅延回路55の出力によって時刻t=T1においてワンショット回路51、52は共にリセットされ、スイッチ8、10はオフする。このとき、ターンオン電流IGはリアクトル13の作用によって流れ続けることになるが、そのルートは図3にルートBとして破線で示したように、リアクトル13からターンオフサイリスタ14のゲートに流入し、ターンオフサイリスタ14のカソードから流出してエネルギー貯蔵手段3、フライホイールダイオード7、フライホイールダイオード9を経てリアクトル13に戻る還流ループとなる。これによってターンオン電流IGは図示したような三角波形となり、時刻t=T1からルートBによって環流しながら減衰させることができる。   Next, as shown in FIG. 2, since the gate-cathode voltage VG is already negative at time t = 0, the one-shot circuits 51 and 52 are both reset at time t = T1 by the output of the falling delay circuit 55. Then, the switches 8 and 10 are turned off. At this time, the turn-on current IG continues to flow due to the action of the reactor 13, but the route flows from the reactor 13 to the gate of the turn-off thyristor 14 as indicated by the broken line as the route B in FIG. , And then returns to the reactor 13 through the energy storage means 3, the flywheel diode 7, and the flywheel diode 9. As a result, the turn-on current IG has a triangular waveform as shown in the figure, and can be attenuated while circulating through the route B from time t = T1.

ターンオフサイリスタ14が定格3kA、4.5kVのGTOサイリスタの場合、ターンオンさせるためのターンオン電流は約200Aから400A必要であり、ほぼ5から15usにわたって維持されるのが通常である。これは、リアクトル13が100nH程度の場合の数値例である。   When the turn-off thyristor 14 is a GTO thyristor rated at 3 kA and 4.5 kV, the turn-on current for turning on requires about 200 A to 400 A, and is normally maintained for about 5 to 15 us. This is a numerical example when the reactor 13 is about 100 nH.

尚、図2に2本の破線でターンオン電流IGの波形が示してある。その1つはゲート・カソード電圧VGが負となってもワンショット回路51、52をリセットさせない場合の比較波形である。この場合t=3usまでルートAに従ってIGは増大し、スイッチ10がオフしたあと、後述する図6のルートCの還流ループに従って減衰し、t=70usでスイッチ8がオフすると、その後ルートBに従って減衰する。このようにかなり大きいターンオン電流を長い時間に渡って流すこととなってしまう。   In FIG. 2, the waveform of the turn-on current IG is shown by two broken lines. One of them is a comparative waveform when the one-shot circuits 51 and 52 are not reset even when the gate-cathode voltage VG becomes negative. In this case, IG increases according to the route A until t = 3 us, and after the switch 10 is turned off, it is attenuated according to the return loop of the route C in FIG. 6 to be described later. To do. Thus, a considerably large turn-on current is allowed to flow for a long time.

そしてもう一つの破線は本実施例でゲート・カソード電圧VGが負とならない場合のターンオン電流IGの波形である。この場合は図示したようにVG>0の影響で図示のルートAより緩い傾きで立ち上がり、t=3usでスイッチ10がオフしたあと、図示のルートCより急な傾きで減衰する。このようにVG>0であればゲート電流IGはそれほど大きくはならず、また継続時間も短い。   The other broken line is the waveform of the turn-on current IG when the gate-cathode voltage VG is not negative in this embodiment. In this case, as shown in the figure, VG> 0 causes a rise with a gentler slope than the route A shown in the figure, and after the switch 10 is turned off at t = 3 us, it attenuates with a steeper slope than the route C shown. Thus, when VG> 0, the gate current IG does not increase so much and the duration time is short.

以上説明したように、この実施例1によればゲート・カソード電圧VGが負となってもターンオン電流IGが増大するのを防止することが可能となる。   As described above, according to the first embodiment, it is possible to prevent the turn-on current IG from increasing even when the gate-cathode voltage VG becomes negative.

図4は、本発明の実施例2に係る半導体電力変換装置のゲート駆動回路のターンオン論理回路の内部構成図である。   FIG. 4 is an internal configuration diagram of a turn-on logic circuit of the gate drive circuit of the semiconductor power conversion device according to the second embodiment of the present invention.

この実施例2の各部について、図1(b)の本発明の実施例1に係る半導体電力変換装置のゲート駆動回路のターンオン論理回路の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例2が実施例1と異なる点は、立下り遅延回路55に代えて立下がり遅延回路55Aを設け、その出力でワンショット回路51、52をリセットするようにした点、NAND回路54の出力を入力とする立下り遅延回路56を設けた点、またAND回路57を設け、立下り遅延回路56の出力とワンショット回路51の出力の論理積が最終的にスイッチ10のオン指令となるようにターンオン論理回路5Aを構成した点である。   In the second embodiment, the same parts as those in the turn-on logic circuit of the gate drive circuit of the semiconductor power conversion device according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. . The second embodiment is different from the first embodiment in that a falling delay circuit 55A is provided instead of the falling delay circuit 55, and the one-shot circuits 51 and 52 are reset by the output thereof. The point where the falling delay circuit 56 for inputting the output is provided, and the AND circuit 57 is provided, and the logical product of the output of the falling delay circuit 56 and the output of the one-shot circuit 51 finally becomes the ON command of the switch 10. In this way, the turn-on logic circuit 5A is configured.

以下、本実施例の作用効果を図5に示すゲート・カソード電圧VGが負のときのタイムチャート、図6に示す電流ルート、そして図7に示すゲート・カソード電圧VGが負から正に変化したときのタイムチャートも参照して説明する。   In the following, the operation and effect of the present embodiment are shown in the time chart when the gate-cathode voltage VG shown in FIG. 5 is negative, the current route shown in FIG. 6, and the gate-cathode voltage VG shown in FIG. This will be described with reference to the time chart.

図5において、ターンオン論理回路5Aが時刻t=0でターンオン指令を受ければ、ターンオン論理回路5Aはワンショット回路51、52の動作によって夫々スイッチ8、10を同時に駆動する。そして、ターンオフサイリスタ14のターンオン電流IGがt=T1までの間ルートAに従って増大するのは図2の実施例1の場合と同じである。そして時刻t=T1となったとき、t=0でVGが負であったので、立下り遅延回路56の出力が反転して0となる。このため、AND回路57の出力は0となってスイッチ10はオフされる。一方、スイッチ8はこの段階ではオンのままであるので、リアクトル13に流れていた電流IGの電流ルートは、図6にルートCとして示したように、リアクトル13からターンオフサイリスタ14のゲートに流入し、ターンオフサイリスタ14のカソードから流出してスイッチ8、フライホイールダイオード9を経てリアクトル13戻る環流ループとなる。   In FIG. 5, when the turn-on logic circuit 5A receives a turn-on command at time t = 0, the turn-on logic circuit 5A drives the switches 8 and 10 simultaneously by the operations of the one-shot circuits 51 and 52, respectively. The turn-on current IG of the turn-off thyristor 14 increases according to the route A until t = T1, as in the case of the first embodiment shown in FIG. At time t = T1, since VG is negative at t = 0, the output of the falling delay circuit 56 is inverted to zero. Therefore, the output of the AND circuit 57 becomes 0 and the switch 10 is turned off. On the other hand, since the switch 8 remains on at this stage, the current route of the current IG flowing to the reactor 13 flows from the reactor 13 to the gate of the turn-off thyristor 14 as shown as route C in FIG. , A recirculation loop that flows out from the cathode of the turn-off thyristor 14, returns to the reactor 13 through the switch 8 and the flywheel diode 9.

そして更に時間が経過し、時刻t=T2となったとき、立下り遅延回路55Aの動作によってワンショット回路51、52はリセットされ、スイッチ8はオフする。スイッチ8がオフすると、ゲート電流IGは実施例1で説明したようにルートBに従って環流しながら減衰して行く。   Then, when further time elapses and time t = T2, the one-shot circuits 51 and 52 are reset by the operation of the falling delay circuit 55A, and the switch 8 is turned off. When the switch 8 is turned off, the gate current IG attenuates while circulating along the route B as described in the first embodiment.

図7は、ターンオン後にゲート・カソード電圧VGが負から正に変化したときのタイムチャートである。t=0の時点ではゲート・カソード電圧VGは負であるので、t=T1に至るルートAによるターンオン電流IGの推移、また、その後、ルートCによる環流動作の推移も図5の場合と同一となる。しかし、図示したようにt=TPにおいてゲート・カソード電圧VGが負から正に変化すると、直ちに立下り遅延回路56の出力は反転して1となる。従ってAND回路57の出力は1となってスイッチ10は再びオンする。スイッチ10がオンすると再びルートAによってターンオン電流IGは増大して行く。このときはVG>0の影響により図示の当初のルートAより緩い傾きでターンオン電流IGは増大して行くことになる。そしてt=3usとなったとき、ワンショット回路51のワンショット時間に到達し、ワンショット回路51の出力は0となる。これによってAND回路57の出力も0となってスイッチ10はオフする。スイッチ10がオフすると、図示したようにルートCの還流ループに従ってVG>0における傾きで減衰して行く。尚、スイッチ8については、t=0においてVG<0を検出した時点では立下り遅延回路55Aが動作して遅延時間T2後にワンショット回路52をリセットしてオフする動きを開始するが、t=TPの時点でVG>0となるため、この動きはキャンセルされる。   FIG. 7 is a time chart when the gate-cathode voltage VG changes from negative to positive after turn-on. Since the gate-cathode voltage VG is negative at the time of t = 0, the transition of the turn-on current IG by the route A up to t = T1, and the transition of the reflux operation by the route C thereafter are the same as in FIG. Become. However, when the gate-cathode voltage VG changes from negative to positive at t = TP as shown in the figure, the output of the falling delay circuit 56 is immediately inverted and becomes 1. Accordingly, the output of the AND circuit 57 becomes 1, and the switch 10 is turned on again. When the switch 10 is turned on, the turn-on current IG increases again by the route A. At this time, the turn-on current IG increases with a gentler slope than the initial route A shown in the figure due to the influence of VG> 0. When t = 3 us, the one-shot time of the one-shot circuit 51 is reached, and the output of the one-shot circuit 51 becomes zero. As a result, the output of the AND circuit 57 is also zero, and the switch 10 is turned off. When the switch 10 is turned off, it attenuates with a slope at VG> 0 according to the return loop of route C as shown. As for the switch 8, when VG <0 is detected at t = 0, the falling delay circuit 55A operates to reset the one-shot circuit 52 after the delay time T2 and start to turn off, but t = Since VG> 0 at the time of TP, this movement is cancelled.

このようにしてT1時間以内にゲート・カソード電圧VGが正となったときには、再度スイッチ10のターンオン動作を行うことができる。高電圧回路においてはゲート電圧検出手段へのノイズが問題になる場合があるため、ターンオンを即停止するより、時間T1の範囲内であれば再度ターンオン電流を上昇させ、ターンオフサイリスタの均一なターンオン動作をさせ、時間T2が経過した後に停止させるようにした方がターンオン動作として安全である。   In this way, when the gate-cathode voltage VG becomes positive within T1 time, the switch 10 can be turned on again. In a high voltage circuit, noise to the gate voltage detection means may be a problem. Therefore, the turn-on current is increased again within the time T1 range rather than immediately stopping the turn-on, and the turn-off thyristor is uniformly turned on. It is safe for the turn-on operation to stop after the time T2 has elapsed.

よって、この実施例2によれば、ターンオン期間中、最初はゲート・カソード電圧VGが負で、その後、正になった場合にターンオンの電流が必要となっても十分な電流を流すことが可能となる。   Therefore, according to the second embodiment, during the turn-on period, the gate-cathode voltage VG is initially negative, and if it becomes positive thereafter, sufficient current can flow even if turn-on current is required. It becomes.

尚、上記説明において立下り遅延回路55の遅延時間と立下り遅延回路56の遅延時間を同一のT1としていたが、必ずしも同一とする必要はない。   In the above description, the delay time of the falling delay circuit 55 and the delay time of the falling delay circuit 56 are set to the same T1, but it is not necessarily required to be the same.

1 ターンオフ論理回路
2、6 直列コントローラ
3 エネルギー貯蔵手段
4、8、10 スイッチ
5、5A ターンオン論理回路
7、9 フライホイールダイオード
11 エネルギー変換手段
12 エネルギー蓄積手段
13 リアクトル
14 ターンオフサイリスタ
15 フライホイールダイオード
16 寄生ダイオード
51、52 ワンショット回路
53 正負判定回路
54 NAND回路
55、55A、56 立下り遅延回路
57 AND回路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Turn-off logic circuit 2, 6 Series controller 3 Energy storage means 4, 8, 10 Switch 5, 5A Turn-on logic circuit 7, 9 Flywheel diode 11 Energy conversion means 12 Energy storage means 13 Reactor 14 Turn-off thyristor 15 Flywheel diode 16 Parasitic Diode 51, 52 One-shot circuit 53 Positive / negative judgment circuit 54 NAND circuit 55, 55A, 56 Fall delay circuit 57 AND circuit

Claims (5)

ターンオフサイリスタをオンオフするため、制御電源から給電されるエネルギー貯蔵手段を備えたターンオフ回路と、エネルギー蓄積手段を備えたターンオン回路とを有する半導体電力変換装置のゲート駆動回路であって、
前記ターンオン回路は、
前記エネルギー蓄積手段の正極から第1のスイッチを介して前記ターンオフサイリスタのゲートに接続されたリアクトルと、
前記ターンオフサイリスタのカソードと前記エネルギー蓄積手段の負極間に接続された第2のスイッチと、
前記エネルギー蓄積手段の負極と、前記第1のスイッチと前記リアクトルの接続点間に設けられた第1のフライホイールダイオードと、
前記エネルギー蓄積手段の負極と前記エネルギー貯蔵手段の負極間に設けられた第2のフライホイールダイオードと、
前記第1及び第2のスイッチをオンオフさせるためのターンオン制御手段と
を具備し、
前記ターンオン制御手段は、
前記第2のスイッチがオンで且つ前記ターンオフサイリスタのゲート・カソード電圧が負になったとき、前記第1及び第2のスイッチをオフさせるようにしたことを特徴とする半導体電力変換装置のゲート駆動回路。
A gate drive circuit for a semiconductor power conversion device having a turn-off circuit having an energy storage means fed from a control power source and a turn-on circuit having an energy storage means for turning on and off the turn-off thyristor,
The turn-on circuit is
A reactor connected from the positive electrode of the energy storage means to the gate of the turn-off thyristor via a first switch;
A second switch connected between the cathode of the turn-off thyristor and the negative electrode of the energy storage means;
A negative electrode of the energy storage means, a first flywheel diode provided between connection points of the first switch and the reactor;
A second flywheel diode provided between the negative electrode of the energy storage means and the negative electrode of the energy storage means;
Turn-on control means for turning on and off the first and second switches;
The turn-on control means includes
The gate drive of the semiconductor power conversion device, wherein the first switch and the second switch are turned off when the second switch is on and the gate-cathode voltage of the turn-off thyristor becomes negative. circuit.
前記エネルギー蓄積手段は、
前記エネルギー貯蔵手段に接続されたエネルギー変換手段から与えられるエネルギーを絶縁して受けるようにしたことを特徴とする請求項1に記戴の半導体電力変換装置のゲート駆動回路。
The energy storage means includes
2. The gate drive circuit for a semiconductor power conversion device according to claim 1, wherein the energy supplied from the energy conversion means connected to the energy storage means is insulated and received.
前記ターンオン制御手段は、
前記第2のスイッチがオンで且つ前記ターンオフサイリスタのゲート・カソード電圧が負になっても、所定時間の間は前記第1及び第2のスイッチをオフさせないようにしたことを特徴とする請求項1または請求項2に記戴の半導体電力変換装置のゲート駆動回路。
The turn-on control means includes
The first and second switches are not turned off for a predetermined time even when the second switch is on and the gate-cathode voltage of the turn-off thyristor becomes negative. A gate drive circuit for a semiconductor power conversion device according to claim 1 or 2.
前記ターンオン制御手段は、
装置からオン指令を受けて前記第1及び第2のスイッチに夫々オンオフ指令を与える第1のワンショット回路及び第2のワンショット回路と、
ゲート・カソード電圧が負になったとき1を出力する正負判定回路と、
前記第2のワンショット回路の出力と前記正負判定回路の出力を入力とするNAND回路と、
前記NAND回路の出力を所定時間遅らせる第1の立下り遅延回路と
から構成され、
前記第1の立下り遅延回路の出力を前記第1及び第2のワンショット回路のリセット信号としたことを特徴とする請求項3に記戴の半導体電力変換装置のゲート駆動回路。
The turn-on control means includes
A first one-shot circuit and a second one-shot circuit which receive an on command from the apparatus and give an on / off command to the first and second switches, respectively;
A positive / negative judgment circuit that outputs 1 when the gate-cathode voltage becomes negative;
A NAND circuit having inputs of the output of the second one-shot circuit and the output of the positive / negative determination circuit;
A first falling delay circuit for delaying the output of the NAND circuit for a predetermined time;
4. The gate drive circuit for a semiconductor power conversion device according to claim 3, wherein the output of the first falling delay circuit is used as a reset signal for the first and second one-shot circuits.
前記ターンオン制御手段は、
装置からオン指令を受けて前記第1及び第2のスイッチに夫々オン指令を与える第1のワンショット回路及び第2のワンショット回路と、
ゲート・カソード電圧が負になったとき1を出力する正負判定回路と、
前記第2のワンショット回路の出力と前記正負判定回路の出力を入力とするNAND回路と、
前記NAND回路の出力が0となったときT1時間遅らせて0を出力する第2の立下り遅延回路と、
前記NAND回路の出力が0となったときT1より長いT2時間遅らせて0を出力する第3の立下り遅延回路と、
前記第2の立下り遅延回路の出力と前記第1のワンショット回路を入力とするAND回路と
から構成され、
前記第3の立下り遅延回路の出力を前記第1及び第2のワンショット回路のリセット信号とし、且つ前記AND回路の出力を最終的な前記第1のスイッチのオンオフ指令としたことを特徴とする請求項3に記戴の半導体電力変換装置のゲート駆動回路。
The turn-on control means includes
A first one-shot circuit and a second one-shot circuit which receive an on command from the device and give an on command to the first and second switches, respectively;
A positive / negative judgment circuit that outputs 1 when the gate-cathode voltage becomes negative;
A NAND circuit having inputs of the output of the second one-shot circuit and the output of the positive / negative determination circuit;
A second falling delay circuit that delays T1 time and outputs 0 when the output of the NAND circuit becomes 0;
A third falling delay circuit that outputs 0 with a delay of T2 longer than T1 when the output of the NAND circuit becomes 0;
An AND circuit having the output of the second falling delay circuit and the first one-shot circuit as inputs;
The output of the third falling delay circuit is used as a reset signal for the first and second one-shot circuits, and the output of the AND circuit is used as a final on / off command for the first switch. A gate drive circuit for a semiconductor power conversion device according to claim 3.
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