JP6444719B2 - Semiconductor circuit breaker - Google Patents
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Description
本発明は、半導体遮断器に関する。 The present invention relates to a semiconductor circuit breaker.
特許文献1には、電源装置と負荷装置との間を導通状態と遮断状態に切り替える半導体スイッチ部と、電源装置から負荷装置に流れる電流を検出する電流検出部と、電流検出部によって検出された電流が所定の電流閾値以上であると判定した場合に、半導体スイッチ部を遮断状態にする遮断処理部とを備えた半導体遮断器が記載されている。
In
特許文献2には、各双方向スイッチ両端の電圧を検出し、各双方向スイッチの両端電圧に基づいて、各単方向半導体スイッチング素子をPWM開閉制御し、各双方向スイッチの両端電圧に基づいて、各双方向スイッチに対する過電圧を検出し、スイッチ過電圧保護信号を生成することが記載されている。
In
特許文献3には、半導体スイッチを組み合わせて構成される半導体双方向スイッチの2つを組みとして少なくとも1組設け、各半導体スイッチを構成する各半導体スイッチのゲート・コレクタ間にはツエナーダイオードとダイオードとの逆直列回路をそれぞれ接続するとともに、半導体双方向スイッチに両端の電圧を検出する電圧検出回路と、その検出値が設定値よりも大きくなった時にオン信号を発生する比較回路と、この比較回路の出力信号と半導体双方向スイッチの駆動信号とを入力とするAND回路と、このAND回路の出力信号と組をなす対向アームを駆動するゲート駆動回路とを各半導体双方向スイッチ対応に設け、オフする側の半導体双方向スイッチの両端の電圧が設定値よりも大きくなったとき、組をなす対向アームの半導体双方向スイッチをオンすることにより、半導体双方向スイッチに両方向に発生するスパイク電圧を抑制することが記載されている。
In
特許文献4には、U、V、W相の各相にそれぞれ3つの双方向スイッチを設けた三相/三相交流直接電力変換器の制御によって、交流電源から任意の電圧または周波数の三相変換出力することが記載されている。
特許文献に示されるように、半導体双方向スイッチの両端の電圧を検出し、オフする側の半導体双方向スイッチの両端の電圧が設定値よりも大きくなったとき、半導体双方向スイッチをオンすることにより、半導体双方向スイッチに両方向に発生するスパイク電圧を抑制するような制御をすることが知られている。 As shown in the patent literature, the voltage at both ends of the semiconductor bidirectional switch is detected, and when the voltage at both ends of the semiconductor bidirectional switch to be turned off becomes larger than the set value, the semiconductor bidirectional switch is turned on. Therefore, it is known to perform control so as to suppress the spike voltage generated in both directions in the semiconductor bidirectional switch.
本発明は、高速応答可能な半導体双方向スイッチを活用し、三相の各入力側電圧と出力側電圧とを計測し、計測電圧が取得された時に各双方向ACスイッチのON/OFF処理を相ごとに瞬時に行うように操作して突入電流をゼロにして半導体遮断器の開放、投入制御することを目的とする。 The present invention utilizes a semiconductor bidirectional switch capable of high-speed response, measures each of the three-phase input voltage and output voltage, and performs ON / OFF processing of each bidirectional AC switch when the measured voltage is acquired. The purpose is to control the opening and closing of the semiconductor circuit breaker by setting the inrush current to zero by operating it instantaneously for each phase.
本発明は、三相交流入力側装置から出力側装置に電力を供給する電力供給線に配置された半導体スイッチを備えた半導体遮断器において、
半導体スイッチが、各相の電力を供給する各電力供給線に設けられた三相交流の各相に対して独立に設置した3つのSiC−MOSFETによる双方向ACスイッチが備えられ、各双方向ACスイッチは、最大電流100Aで、20個以上並列接続されて、入力側と出力側の電圧が一致した計測瞬間にオンとされる高速応答可能な無電圧接点とした電流−電圧特性を備え、
各双方向ACスイッチの入力側および出力側の電圧を計測する計測装置が設けられ、
開閉指令信号と各双方向ACスイッチの電圧計測状態から各双方向ACスイッチのオン・オフ処理を行う制御回路を備え、
当該制御回路が、開閉指令信号がオンの時に、3つの双方向ACスイッチの各入力側と出力側の計測された瞬間にオンまたはオフし、所定の電圧差の時に対応相の双方向ACスイッチにオンまたはオフ状態を維持し、各相の双方向ACスイッチに形成されたオンまたはオフ状態の3つの状態から、電源装置と負荷装置との間に開放状態もしくは投入状態を形成すること
を特徴とする半導体遮断器を提供する。
The present invention relates to a semiconductor circuit breaker including a semiconductor switch arranged on a power supply line for supplying power from a three-phase AC input side device to an output side device.
A semiconductor switch is provided with a bidirectional AC switch by three SiC-MOSFETs installed independently for each phase of the three-phase alternating current provided in each power supply line for supplying power of each phase. The switch has a current-voltage characteristic that is a no-voltage contact capable of high-speed response that is turned on at the measurement moment when the input side voltage and the output side voltage are matched, with 20 or more switches connected in parallel at a maximum current of 100A.
A measuring device for measuring the voltage on the input side and output side of each bidirectional AC switch is provided,
A control circuit that performs ON / OFF processing of each bidirectional AC switch from the open / close command signal and the voltage measurement state of each bidirectional AC switch,
When the open / close command signal is on, the control circuit turns on or off at the measured moment of each input side and output side of the three bidirectional AC switches, and the corresponding phase bidirectional AC switch when a predetermined voltage difference exists The on or off state is maintained, and the open state or the on state is formed between the power supply device and the load device from the three states of the on or off state formed in the bidirectional AC switch of each phase. A semiconductor circuit breaker is provided.
本発明は、三相交流入力側装置から出力側装置に電力を供給する電力供給線に配置された半導体スイッチを備えた半導体遮断器において、
半導体スイッチが、各相の電力を供給する各電力供給線に設けられた三相交流の各相に対して独立に設置した3つのSiC−MOSFETによる双方向ACスイッチが備えられ、各双方向ACスイッチは、20個以上並列接続されて、入力側と出力側の電圧が一致した瞬間にオンとされる高速応答可能な無電圧接点とした電流−電圧特性を備え、
各双方ACスイッチの入力側および出力側の電圧を計測する計測装置が設けられ、
開閉指令信号と各双方向ACスイッチの入力側および出力側の電圧計測結果とから各双方向ACスイッチのオン・オフ処理を行う制御回路を備え、
当該制御回路が、開閉指令信号がオンの時で電源装置と負荷装置との間に投入状態にある時に、3つの双方向ACスイッチの入力側と出力側の電圧が同時に、もしくは時間遅れをおいて一致した瞬間の電圧が計測された時に各相の双方向ACスイッチにオンし、各相の計測された電圧差から、各双方向ACスイッチに流れている電流値を計算し、該電流値と規定値との比較によって該電流値が規定値を越える時にすべての双方向ACスイッチをオン状態からオフ状態にして、投入状態から開放状態を形成すること
を特徴とする半導体遮断器を提供する。
The present invention relates to a semiconductor circuit breaker including a semiconductor switch arranged on a power supply line for supplying power from a three-phase AC input side device to an output side device.
A semiconductor switch is provided with a bidirectional AC switch by three SiC-MOSFETs installed independently for each phase of the three-phase alternating current provided in each power supply line for supplying power of each phase. 20 or more switches are connected in parallel, and have a current-voltage characteristic that is a non-voltage contact capable of high-speed response that is turned on at the moment when the voltages on the input side and the output side match.
A measuring device for measuring the voltage on the input side and output side of each AC switch is provided,
A control circuit for performing ON / OFF processing of each bidirectional AC switch from the open / close command signal and the voltage measurement results on the input side and output side of each bidirectional AC switch,
When the control circuit is in the ON state between the power supply device and the load device when the open / close command signal is on, the voltages on the input side and output side of the three bidirectional AC switches may be simultaneously or with a time delay. When the voltage at the moment of coincidence is measured, the bidirectional AC switch of each phase is turned on, and the current value flowing through each bidirectional AC switch is calculated from the measured voltage difference of each phase. Provided is a semiconductor circuit breaker characterized in that when the current value exceeds a specified value by comparing the current value with a specified value, all bidirectional AC switches are turned off from the on state to form the open state from the on state. .
本発明は、三相交流入力側装置から出力側装置に電力を供給する電力供給線に配置された半導体スイッチを備えた半導体遮断器において、
半導体スイッチが、各相の電力を供給する各電力供給線に設けられた三相交流の各相に対して独立に設置した3つのSiC−MOSFETによる双方向ACスイッチが備えられ、各双方向ACスイッチは、最大電流100Aで、20個以上並列接続されて、入力側と出力側の電圧が一致した瞬間にオンとされる高速応答可能な無電圧接点とした電流−電圧特性を備え、各双方向ACスイッチの出力側は短絡され、
各相の双方ACスイッチの三相交流入力側および直流出力側の電圧を各計測する計測装置が設けられ、
開閉指令信号と電圧差計測結果から各双方向ACスイッチのオン・オッフ処理を行う制御回路を備え、
当該制御回路が、開閉指令信号がオンの時で投入状態にある時に、各相の双方向ACスイッチの入力側の電圧を計測し、最も高い電圧となっている相を選定し、直流出力側電圧を計測し、最も高い相電圧が直流出力電圧に一致した瞬間にオンし、最も高い相電圧>直流出力電圧の条件が成り立つ状態で、対応する相の双方向ACスイッチをオン状態継続し、直流出力側電圧を生成し、他の2相の双方向ACスイッチをオフ状態にして、正出力半波整流を行うこと
を特徴とする半導体遮断器を提供する。
The present invention relates to a semiconductor circuit breaker including a semiconductor switch arranged on a power supply line for supplying power from a three-phase AC input side device to an output side device.
A semiconductor switch is provided with a bidirectional AC switch by three SiC-MOSFETs installed independently for each phase of the three-phase alternating current provided in each power supply line for supplying power of each phase. The switch has a current-voltage characteristic that is a no-voltage contact that can be turned on at the moment when the input side voltage and the output side voltage coincide with each other with 20 or more connected in parallel at a maximum current of 100A. The output side of the direction AC switch is short-circuited,
A measuring device for measuring the voltages on the three-phase AC input side and DC output side of both AC switches for each phase is provided,
With a control circuit that performs on / off processing of each bidirectional AC switch from the open / close command signal and the voltage difference measurement result,
When the control circuit is in the ON state when the open / close command signal is ON, measure the voltage on the input side of the bidirectional AC switch of each phase, select the phase with the highest voltage, and select the DC output side The voltage is measured and turned on at the moment when the highest phase voltage matches the DC output voltage. In the state where the highest phase voltage> DC output voltage is satisfied, the bidirectional AC switch of the corresponding phase is kept on. Provided is a semiconductor circuit breaker which generates a DC output side voltage and performs a positive output half-wave rectification by turning off the other two-phase bidirectional AC switch.
本発明は、三相交流入力側装置から出力側装置に電力を供給する電力供給線に配置された半導体スイッチを備えた半導体遮断器において、
半導体スイッチが、各相の電力を供給する各電力供給線に設けられた三相交流の各相に対して独立に設置した3つのSiC−MOSFETによる双方向ACスイッチが備えられ、各双方向ACスイッチは、最大電流100Aで、20個以上並列接続されて、入力側と出力側の電圧が一致した瞬間にオンとされる高速応答可能な無電圧接点とした電流−電圧特性を備え、各双方向ACスイッチの出力側は短絡され、
各相の双方ACスイッチの三相交流入力側および直流出力側の電圧を各計測する計測装置が設けられ、
開閉指令信号と電圧差計測結果から各双方向ACスイッチのオン・オフ処理を行う制御回路を備え、
当該制御回路が、開閉指令信号がオンの時で投入状態にある時に、各相の双方向ACスイッチの入力側の電圧を計測し、最も低い電圧となっている相を選定し、直流出力側電圧を計測し、最も低い相電圧が直流出力電圧に一致した瞬間にオンし、最も低い相電圧<直流出力電圧の条件が成り立つ状態で、対応する相の双方向ACスイッチをオン継続し、他の2相の双方向ACスイッチをオフ状態にして、負出力半波整流を行うこと
を特徴とする半導体遮断器を提供する。
The present invention relates to a semiconductor circuit breaker including a semiconductor switch arranged on a power supply line for supplying power from a three-phase AC input side device to an output side device.
A semiconductor switch is provided with a bidirectional AC switch by three SiC-MOSFETs installed independently for each phase of the three-phase alternating current provided in each power supply line for supplying power of each phase. The switch has a current-voltage characteristic that is a no-voltage contact that can be turned on at the moment when the input side voltage and the output side voltage coincide with each other with 20 or more connected in parallel at a maximum current of 100A. The output side of the direction AC switch is short-circuited,
A measuring device for measuring the voltages on the three-phase AC input side and DC output side of both AC switches for each phase is provided,
It has a control circuit that performs on / off processing of each bidirectional AC switch from the open / close command signal and the voltage difference measurement result,
When the control circuit is in the on state when the open / close command signal is on, measure the voltage on the input side of the bidirectional AC switch of each phase, select the phase with the lowest voltage, and select the DC output side Measure the voltage, turn on at the moment when the lowest phase voltage matches the DC output voltage, keep the corresponding phase bi-directional AC switch on while the condition of the lowest phase voltage <DC output voltage is satisfied, etc. A two-phase bidirectional AC switch is turned off to perform negative output half-wave rectification.
半発明は、上述された正出力半波整流と負出力半波整流とを組み合わせることで全波整流を行うことを特徴とする半導体遮断器を提供する。 The half-invention provides a semiconductor circuit breaker that performs full-wave rectification by combining the positive output half-wave rectification and the negative output half-wave rectification described above.
本発明は、三相交流入力側装置から出力側装置に電力を供給する電力供給線に配置された半導体スイッチを備えた半導体遮断器において、
半導体スイッチが、各相の電力を供給する各電力供給線に設けられた三相交流の各相に対して独立に設置した3つのSiC−MOSFETによる双方向ACスイッチが備えられ、各双方向ACスイッチは、最大電流100Aで、20個以上並列接続されて、入力側と出力側の電圧が一致した瞬間にオンとされる高速応答可能な無電圧接点とした電流−電圧特性を備え、各双方向ACスイッチの出力側は短絡され、
各相の双方ACスイッチの三相交流入力側および直流出力側の電圧を各計測する計測装置が設けられ、
開閉指令信号と電圧差計測結果から各双方向ACスイッチのオン・オフ処理を行う制御回路を備え、
出力電圧設定値を制御回路に設定する出力電圧設定回路を備え、
当該制御回路が、開閉指令信号がオンの時で投入状態にある時に、各相の双方向ACスイッチの入力側の電圧を計測し、最も高い電圧となっている相を選定し、直流出力側電圧を計測し、最も高い相電圧>直流出力電圧の条件が成り立ち、直流出力電圧が出力設定電圧に一致する瞬間にオンし、直流出力電圧<出力設定電圧の状態で、オン継続し、オン直流出力側電圧を生成し、直流出力電圧>出力設定電圧の状態の時に、オフし、他の2相の双方向ACスイッチについても同一条件でオン・オフすることで、正出力半波整流を行うこと
を特徴とする半導体遮断器を提供する。
The present invention relates to a semiconductor circuit breaker including a semiconductor switch arranged on a power supply line for supplying power from a three-phase AC input side device to an output side device.
A semiconductor switch is provided with a bidirectional AC switch by three SiC-MOSFETs installed independently for each phase of the three-phase alternating current provided in each power supply line for supplying power of each phase. The switch has a current-voltage characteristic that is a no-voltage contact that can be turned on at the moment when the input side voltage and the output side voltage coincide with each other with 20 or more connected in parallel at a maximum current of 100A. The output side of the direction AC switch is short-circuited,
A measuring device for measuring the voltages on the three-phase AC input side and DC output side of both AC switches for each phase is provided,
It has a control circuit that performs on / off processing of each bidirectional AC switch from the open / close command signal and the voltage difference measurement result,
Equipped with an output voltage setting circuit that sets the output voltage setting value in the control circuit,
When the control circuit is in the ON state when the open / close command signal is ON, measure the voltage on the input side of the bidirectional AC switch of each phase, select the phase with the highest voltage, and select the DC output side The voltage is measured, and the condition of the highest phase voltage> DC output voltage is satisfied, and it turns on at the moment when the DC output voltage matches the output set voltage, and it keeps on when the DC output voltage <output set voltage. Generates output-side voltage, turns off when DC output voltage> output set voltage, and turns on / off the other two-phase bidirectional AC switches under the same conditions to perform positive output half-wave rectification A semiconductor circuit breaker is provided.
本発明は、三相交流入力側装置から出力側装置に電力を供給する電力供給線に配置された半導体スイッチを備えた半導体遮断器において、
半導体スイッチは、最大電流100Aで、20個以上並列接続されて、各相の電力を供給する各電力供給線に設けられた三相交流の各相に対して独立に設置した3つのSiC−MOSFETによる双方向ACスイッチが備えられ、各双方向ACスイッチは、入力側と出力側の電圧が一致した瞬間にオンとされる高速応答可能な無電圧接点とした電流−電圧特性を備え、
各双方向ACスイッチの出力側は短絡され、
各相の双方ACスイッチの三相交流入力側および直流出力側の電圧を各計測する計測装置が設けられ、
開閉指令信号と電圧差計測結果から各双方向ACスイッチのオン・オフ処理を行う制御回路を備え、
出力電圧設定値を制御回路に設定する出力電圧設定回路を備え、
当該制御回路が、開閉指令信号がオンの時で投入状態にある時に、各相の双方向ACスイッチの入力側の電圧を計測し、最も低い電圧となっている相を選定し、直流出力側電圧を計測し、最も低い相電圧<直流出力電圧の条件が成り立ち、直流出力電圧が出力設定電圧に一致した瞬間にオンし、直流出力電圧<出力設定電圧の状態で、オン継続して、オン直流出力側電圧を生成し、直流出力電圧>出力設定電圧の状態の時に、オフし、他の2相の双方向ACスイッチについても同一条件でオン・オフすること、負出力半波整流を行うこと
を特徴とする半導体遮断器を提供する。
The present invention relates to a semiconductor circuit breaker including a semiconductor switch arranged on a power supply line for supplying power from a three-phase AC input side device to an output side device.
The semiconductor switch has a maximum current of 100A, and is connected in parallel to 20 or more, and three SiC-MOSFETs installed independently for each phase of the three-phase alternating current provided in each power supply line that supplies the power of each phase Each bidirectional AC switch has a current-voltage characteristic that is a non-voltage contact capable of high-speed response that is turned on at the moment when the voltages on the input side and the output side match.
The output side of each bidirectional AC switch is short-circuited,
A measuring device for measuring the voltages on the three-phase AC input side and DC output side of both AC switches for each phase is provided,
It has a control circuit that performs on / off processing of each bidirectional AC switch from the open / close command signal and the voltage difference measurement result,
Equipped with an output voltage setting circuit that sets the output voltage setting value in the control circuit,
When the control circuit is in the on state when the open / close command signal is on, measure the voltage on the input side of the bidirectional AC switch of each phase, select the phase with the lowest voltage, and select the DC output side The voltage is measured, and the condition of the lowest phase voltage <DC output voltage is met, and it turns on at the moment when the DC output voltage matches the output setting voltage. Generates DC output voltage, turns off when DC output voltage> output set voltage, turns on / off other two-phase bidirectional AC switches under the same conditions, and performs negative output half-wave rectification A semiconductor circuit breaker is provided.
本発明は、上述された正出力半波整流と負出力半波整流とを組み合わせることで全波整流を行うことを特徴とする半導体遮断器を提供する。 The present invention provides a semiconductor circuit breaker that performs full-wave rectification by combining the above-described positive output half-wave rectification and negative output half-wave rectification.
制御回路が、開閉指令信号オンの時に、3つの双方向ACスイッチの各入力側と出力側の計測された瞬間にオンまたはオフし、所定の電圧差の時に対応相の双方向ACスイッチにオンまたはオフ状態を維持する。高速応答可能な半導体双方向スイッチを活用し、三相の各入力側電圧と出力側電圧とを計測し、計測電圧が取得された時に各双方向ACスイッチのオン・オフ処理を相ごとに瞬時に行うように操作して突入電流をゼロにして半導体遮断器の開放、投入制御することが出来る。 When the open / close command signal is on, the control circuit turns on or off at the measured moment of each input side and output side of the three bidirectional AC switches, and turns on the corresponding phase bidirectional AC switch when there is a predetermined voltage difference Or keep it off. Utilizing a semiconductor bidirectional switch capable of high-speed response, measure the input and output voltages of each of the three phases. When the measured voltage is acquired, the on / off processing of each bidirectional AC switch is instantaneous for each phase. In this way, the inrush current can be made zero to control the opening and closing of the semiconductor circuit breaker.
本発明者等は、本発明に好ましく採用可能なSiC双方向ACスイッチについて特許出願をした(特願2014−225000)。本発明の説明に先立って、このSiC双方向ACスイッチについて説明する。 The inventors have filed a patent application for a SiC bidirectional AC switch that can be preferably used in the present invention (Japanese Patent Application No. 2014-225000). Prior to the description of the present invention, this SiC bidirectional AC switch will be described.
本実施の形態の一態様によれば、第1ゲート、第1ソースおよび第1ドレインを有する第1SiC−MOSFETと、前記第1ゲートおよび前記第1ソースとそれぞれ短絡された第2ゲートおよび第2ソースを有し、かつ第2ドレインを有する第2SiC−MOSFETと、互いに短絡された前記第1ゲートおよび第2ゲートに印加されるゲート電圧を制御するゲート駆動回路と、を備えたセルが、m直列×n並列に接続された双方向ACスイッチであって、前記双方向ACスイッチのスイッチ出力端子間の通電時の定格電流が、前記第1ソース側に正電圧が印加された場合に前記第1SiC−MOSFETのチャネル部と前記第1SiC−MOSEFTのボディダイオード部に流れる電流を比較して、前記チャネル部側を流れる電流の方が大きくなる電流範囲内に設定された双方向ACスイッチが提供される。このSiC双方向ACスイッチは、最大電流100Aで、20個以上並列接続されて、各相の電力を供給する各電力供給線に設けられた三相交流の各相に対して独立に設置した3つのSiC−MOSFETによる双方向ACスイッチが備えられ、各双方向ACスイッチは、入力側と出力側の電圧が一致した瞬間にONとされる高速応答可能な無電圧接点とした電流−電圧特性を備える。 According to one aspect of the present embodiment, a first SiC-MOSFET having a first gate, a first source, and a first drain, a second gate and a second short-circuited with the first gate and the first source, respectively. A cell comprising a second SiC-MOSFET having a source and a second drain, and a gate driving circuit for controlling a gate voltage applied to the first gate and the second gate that are short-circuited to each other, A bidirectional AC switch connected in series and n in parallel, wherein the rated current when energized between the switch output terminals of the bidirectional AC switch is the first when the positive voltage is applied to the first source side. Comparing the current flowing through the channel part of the 1 SiC-MOSFET and the body diode part of the first SiC-MOS EFT, the current flowing through the channel part is larger. Bidirectional AC switches configured in Kunar current range is provided. This SiC bidirectional AC switch has a maximum current of 100A and is connected in parallel to 20 or more, and is installed independently for each phase of the three-phase AC provided on each power supply line that supplies power for each phase. Bi-directional AC switches with two SiC-MOSFETs are provided, and each bidirectional AC switch has a current-voltage characteristic that is a non-voltage contact capable of high-speed response that is turned on at the moment when the voltages on the input side and output side match. Prepare.
図面を参照して、実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。 Embodiments will be described with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, it should be noted that the drawings are schematic, and the relationship between the thickness and the planar dimensions, the ratio of the thickness of each layer, and the like are different from the actual ones. Therefore, specific thicknesses and dimensions should be determined in consideration of the following description. Moreover, it is a matter of course that portions having different dimensional relationships and ratios are included between the drawings.
また、以下に示す実施の形態は、このSiC双方向ACスイッチ発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、このSiC双方向ACスイッチ発明の実施の形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。 Further, the following embodiment exemplifies an apparatus and a method for embodying the technical idea of the SiC bidirectional AC switch invention, and the embodiment of the SiC bidirectional AC switch invention is described below. The material, shape, structure, arrangement, etc. of the component parts are not specified as follows.
なお、以下の説明において、無電圧接点とは接点接触抵抗値が電流値によらず一定の値を有する接点であり、また少なくとも0V近辺での電流一電圧特性に線形性があり、電圧の正負切り替え時の電圧、電流波形歪みがない特性をいう。
[比較例]
Siを材料とした比較例に係る双方向ACスイッチの個々のセルにおいて、逆並列ダイオードはMOS電界効果トランジスタ(FET:Field Effect Transistor)のソース側に正電圧が印加された場合に、MOSFET部でなく、動作電流に対するオン抵抗がより低いダイオード部に電流を流すことを目的として接続されている。
In the following description, a non-voltage contact is a contact whose contact contact resistance value has a constant value regardless of the current value, and has a linearity in current-voltage characteristics at least in the vicinity of 0 V, and the positive and negative of the voltage. This refers to the characteristics without distortion at the time of switching voltage and current waveform.
[Comparative example]
In each cell of the bidirectional AC switch according to the comparative example using Si as a material, an antiparallel diode is connected to the MOSFET portion when a positive voltage is applied to the source side of a MOS field effect transistor (FET). Instead, they are connected for the purpose of flowing a current through a diode portion having a lower on-resistance with respect to the operating current.
双方向ACスイッチの個々のセルにおいて、MOSFETのゲートをオン状態にしてスイッチ出力端子間に交流電圧を印加すると、逆並列ダイオードが順方向バイアスされる側について、逆並列ダイオードのバリアハイト(barrier height)に相当する電圧以下の電圧領域ではほぼMOSFETのみを電流が流れ、それ以上の電圧領域ではMOSFETと逆並列ダイオードの両方を電流が流れる。 In each cell of the bi-directional AC switch, when an AC voltage is applied between the switch output terminals with the MOSFET gate turned on, the barrier height of the anti-parallel diode on the side on which the anti-parallel diode is forward-biased (barrier height) In the voltage region below the voltage corresponding to, current flows only through the MOSFET, and in the voltage region above it, current flows through both the MOSFET and the antiparallel diode.
ここで、Si製のMOSFETは耐圧を確保するための構造によって一般にオン抵抗が高く、かつSi製の逆並列ダイオード(もしくはボディダイオード)のpn接合拡散電位がナローバンドギャップ半導体であるSiでは1V以下程度のためオン抵抗が低く抑えられることから、基本的に前記2つの動作モードはSi製双方向ACスイッチの定格電流範囲内に必ず存在する。 Here, a Si MOSFET generally has a high on-resistance due to a structure for ensuring a withstand voltage, and a Si antiparallel diode (or body diode) has a pn junction diffusion potential of about 1 V or less in Si, which is a narrow band gap semiconductor. Therefore, the on-resistance can be kept low, so that the two operation modes basically exist within the rated current range of the bidirectional AC AC switch.
したがって、Si製双方向ACスイッチはゼロ電圧付近において電流一電圧特性の線形性が崩れており、接点スイッチ特性以外の特性や制約を持っているという点で厳密には無電圧接点(ドライ接点)とは言えない。また、低抵抗を目的として逆並列ダイオードを接続させている分、素子点数が多くなりシステム全体の大型化、高コスト化を招く。
[第1の実施の形態]
第1の実施の形態に係る双方向ACスイッチ100の模式的回路構成は、図1に示すように表される。
Therefore, the linearity of the current-voltage characteristics of the Si bi-directional AC switch is broken near zero voltage, and strictly speaking, there are characteristics and restrictions other than the contact switch characteristics. It can not be said. In addition, since the antiparallel diode is connected for the purpose of low resistance, the number of elements increases, leading to an increase in the size and cost of the entire system.
[First embodiment]
A schematic circuit configuration of the
第1の実施の形態に係る双方向ACスイッチ100は、図1に示すように、第1ゲートG1ij(i=1、2、…、m、j=1、2、…、nであり、m、nは1以上の整数)、第1ソースS1ijおよび第1ドレインD1ijを有する第1SiC−MOSFET Q1ijと、第1ゲートG1ijおよび第1ソースS1ijとそれぞれ短絡された第2ゲートG2ijおよび第2ソースS2ijを有し、かつ第2ドレインD2ijを有する第2SiC−MOSFET Q2ijと、互いに短絡された第1ゲートG1ij・第2ゲートG2ijにゲート電圧を印加するゲート駆動回路13ijと、を備えたセル110ijが、m直列×n並列に接続されている。
As shown in FIG. 1, the
ここで、第1SiC−MOSFET Q1ijおよび第2SiC−MOSFET Q2ijのそれぞれのドレインD1ij・D2ijが接続されたスイッチ出力端子間の通電時の定格電流が、第1SiC−MOSFET Q1ijのソースS1ij側に正電圧が印加された場合に第1SiC−MOSFET Q1ijのチャネル部を流れるMOS電流IMOSと第1SiC−MOSEFT Q1ijのボディダイオード(BD1ij)部に流れるBD電流IBDを比較して、チャネル部側を流れるMOS電流IMOSの方が大きくなる電流範囲内に設定される。ここで、定格電流については、図7を参照して、後述する。 Here, the rated current during energization between the respective drains D1 ij · D2 ij is connected switch output terminal of the 1SiC-MOSFET Q1 ij and the SIC-MOSFET Q2 ij is the source of the 1SiC-MOSFET Q1 ij S1 When a positive voltage is applied to the ij side, the MOS current I MOS flowing through the channel portion of the first SiC-MOSFET Q1 ij and the BD current IBD flowing through the body diode (BD1 ij ) portion of the first SiC-MOSEFT Q1 ij are compared. The MOS current I MOS flowing through the channel portion side is set within a current range that becomes larger. Here, the rated current will be described later with reference to FIG.
第1の実施の形態に係る双方向ACスイッチ100を構成するセル110ijにおいて、ゲート駆動回路13ijは、図1に示すように、入力端子18A・18B間に印加する電圧を操作することで、オン・オフ制御可能な発光ダイオード(LED)8ijを備える。第1SiC−MOSFET Q1ijおよび第2SiC−MOSFET Q2ijの互いに短絡されたゲートG1ij・G2ijには、発光ダイオード(LED)8ijからの光を受光可能な受光素子と、受光素子に接続された充放電回路を少なくとも備えた光電変換回路などが接続されていても良いが、図示は省略する。すなわち、実施の形態に係る双方向ACスイッチ100を構成するセル110ijにおいては、発光ダイオード(LED)8ijを動作させ続け、これの動作を停止すれば、セル110ijの動作も停止するような構成を備えるため、図1においては、セル110ijのゲート制御部は、単にG1ij・G2ij間を短絡して示している。
In the cell 110 ij constituting the
第1の実施の形態に係る双方向ACスイッチ100を構成するセル110ijにおいては、SiC−MOSFET Q1ijの第1ソースS1ijとSiC−MOSFET Q2ijの第2ソースS2ijとが互いに接続されるように、1200V80mΩのSiC−MOSFET Q1ijとQ2ijを接続し、LED8ijからの光信号を受光する受光素子と充放電回路でゲート制御を行う接点定格AC(700×m)V/(5×n)Aの双方向ACスイッチが構成可能である。
In the cell 110 ij constituting a
第1の実施の形態に係る双方向ACスイッチを構成するセル110ijに適用可能なSiC−MOSFETの回路表現は、図2に示すように表される。図2の回路表現は、Si−MOSFETにおいても同様である。 A circuit representation of the SiC-MOSFET applicable to the cell 110 ij constituting the bidirectional AC switch according to the first embodiment is expressed as shown in FIG. The circuit representation of FIG. 2 is the same for the Si-MOSFET.
第1の実施の形態に係る双方向ACスイッチを構成するセル110ijに適用可能なSiC−MOSFETとSi-MOSFETの順方向および逆方向電流−電圧特性の説明図は、図3に示すように表される。 As shown in FIG. 3, the explanatory diagrams of the forward and reverse current-voltage characteristics of the SiC-MOSFET and the Si-MOSFET applicable to the cell 110 ij constituting the bidirectional AC switch according to the first embodiment. expressed.
ここで、Si-MOSFETでは、オン状態においても順方向のMOS電流IMOS(Si−MOS)は、図3の破線に示すように、一般にオン抵抗が高い。かつSi製の逆並列ダイオード(もしくはボディダイオード)のpn接合拡散電位がナローバンドギャップ半導体であるSiでは1V以下程度のため、逆方向特性は、例えば、約0.6Vまでは、逆方向のMOS電流IMOS(Si−MOS)特性に従い、さらに約0.6V以上の逆方向電圧が印加されると、ボディダイオードBDの順方向電流が重畳されて、図3の破線に示すように、IBD(Si−MOS)の特性が得られる。 Here, in the Si-MOSFET, the forward MOS current I MOS (Si-MOS) generally has a high on-resistance as shown by the broken line in FIG. 3 even in the on-state. In addition, since the pn junction diffusion potential of the Si parallel diode (or body diode) is about 1 V or less in Si, which is a narrow band gap semiconductor, the reverse direction characteristic is, for example, up to about 0.6 V. according I MOS (Si-MOS) characteristics, further about 0.6V or more reverse voltage is applied, are superimposed forward current of the body diode BD, as shown in broken line in FIG. 3, I BD ( Si-MOS) characteristics can be obtained.
一方、SiC−MOSFETは、Si−MOSFETに比べて、オン状態(例えばゲート電圧Vgs=18V)において順方向のMOS電流IMOS(SiC−MOS)は、図3の実線に示すように、オン抵抗が低い。かつSiC製のボディダイオードBDのpn接合拡散電位がワイドギャップ半導体であるSiCでは約3V以下程度のため、ボディダイオードBDの電気特性は、例えば、図3の(2)の曲線(SiC−MOS)のIBDに示されるように、約0.6Vまでは、ほぼ非導通である。このため、逆方向特性は、例えば、約0.6Vまでは、逆方向のMOS電流IMOS(SiC−MOS)特性に従い、さらに約0.6V以上の逆方向電圧が印加されると、印加電圧が大きくなるほどボディダイオードBDの順方向電流が大きく重畳されて、図3の(1)の実線に示すように、IMOS+IBD(SiC−MOS)の特性が得られる。 On the other hand, in the SiC-MOSFET, the forward MOS current I MOS (SiC-MOS) in the on state (for example, the gate voltage V gs = 18V) is on as shown in the solid line of FIG. Low resistance. In addition, since the pn junction diffusion potential of the SiC body diode BD is about 3 V or less in SiC which is a wide gap semiconductor, the electrical characteristics of the body diode BD are, for example, the curve (SiC-MOS) of (2) in FIG. as shown in I BD of up to about 0.6V is substantially non-conductive. Therefore, for example, the reverse characteristics follow the reverse MOS current I MOS (SiC-MOS) characteristics up to about 0.6 V, and when a reverse voltage of about 0.6 V or more is further applied, As the current increases, the forward current of the body diode BD increases and the characteristic of I MOS + I BD (SiC-MOS) is obtained as shown by the solid line in (1) of FIG.
第1の実施の形態に係る双方向ACスイッチ100を構成するセル110ijに適用可能なSiC−MOSFETの順方向および逆方向のドレイン電流−ドレイン電圧特性例は、図4に示すように表される。図4において、破線RAは、1個のSiC−MOSFETの空冷時の定格動作範囲の一例を示す。
An example of forward and reverse drain current-drain voltage characteristics of the SiC-MOSFET applicable to the cell 110 ij constituting the
図4において、ゲート電圧Vgs=0Vにおいて順方向のMOS電流IMOSはほぼ導通せず、逆方向電流は、ボディダイオードBDに導通する電流IBDが示されている。一方、ゲート電圧Vgs=18Vにおいては、SiC−MOSFETはオン(導通)状態となり、順方向および逆方向のMOS電流IMOSは破線RAの範囲内においてともに直線性の良好な電流一電圧特性が得られている。 In FIG. 4, the forward MOS current I MOS is not substantially conducted at the gate voltage V gs = 0 V, and the reverse current is a current I BD conducted to the body diode BD. On the other hand, at the gate voltage V gs = 18 V, the SiC-MOSFET is turned on (conductive), and the forward and reverse MOS currents I MOS both have current-voltage characteristics with good linearity within the range of the broken line RA. Has been obtained.
第1の実施の形態に係る双方向ACスイッチを構成するセル110ijに適用可能なSiC−MOSFETにおいて、ゲート電圧Vgs=18Vのオン状態におけるMOSFETのチャネル部を導通するMOS電流IMOSの順方向電流−電圧特性例、およびボディダイオ一ドBDを導通するBD電流IBDの順方向−電圧特性例は、図5に示すように表される。また、破線は、ボディダイオードBDに流れる電流割合IBD/(IBD+IMOS)(%)を表している。 In the SiC-MOSFET applicable to the cell 110 ij constituting the bidirectional AC switch according to the first embodiment, the order of the MOS current I MOS that conducts the channel portion of the MOSFET in the ON state of the gate voltage V gs = 18V. An example of the directional current-voltage characteristic and an example of the forward direction-voltage characteristic of the BD current I BD that conducts the body diode BD are expressed as shown in FIG. The broken line represents the ratio of current I BD / (I BD + I MOS ) (%) flowing through the body diode BD.
SiC−MOSFETのドレイン電流−ドレイン電圧特性(150度:定格ジャンクション温度)では、±5A以下の領域ではボディダイオードBDはほぼ動作せず、SiC−MOSFETのチャネル部の電気特性を反映した関係になっている。すなわち、図5に示すように、5A時のSiC−MOSFETのドレイン−ソース間オン電圧は0.68Vであるため、ソース側に正電圧が印加された場合のチャネル部とボディダイオードに流れる電流Dの比IBD/(IBD+IMOS)(%)は0.002%以下となり、ほぼ完全にMOSFET部にのみ電流が流れる。この傾向は25℃時では電流比は0.001%以下になり、同様の効果が得られる。 In the drain current-drain voltage characteristics (150 degrees: rated junction temperature) of the SiC-MOSFET, the body diode BD does not substantially operate in the region of ± 5 A or less, and the relationship reflects the electrical characteristics of the channel portion of the SiC-MOSFET. ing. That is, as shown in FIG. 5, since the drain-source on-voltage of the SiC-MOSFET at 5A is 0.68 V, the current D flowing in the channel portion and the body diode when a positive voltage is applied to the source side. The ratio I BD / (I BD + I MOS ) (%) is 0.002% or less, and current flows almost completely only in the MOSFET portion. As for this tendency, at 25 ° C., the current ratio becomes 0.001% or less, and the same effect can be obtained.
SiCはワイドバンドギャップ半導体であるが故に、pn接合を形成した場合の拡散電位はSiと比較して非常に大きい。このため、SiCを材料に使えば、ゲートオン状態においてMOSFETのソース側に正電圧が印加された場合にボディダイオードに流れる電流を抑制し、MOSFET部のみに選択的に電流を流すことができる。すなわち、SiCのpn接合拡散電位は3V程度と大きくボディダイオードが導通しにくいため、SiC−MOSFETのみで双方向スイッチ回路を作り、動作電流をボディダイオードを動かさずMOSFETのみに制限することで線形性の優れた双方向ACスイッチを作製することができる。 Since SiC is a wide band gap semiconductor, the diffusion potential when a pn junction is formed is very large compared to Si. For this reason, if SiC is used as a material, when a positive voltage is applied to the source side of the MOSFET in the gate-on state, the current flowing through the body diode can be suppressed, and the current can be selectively supplied only to the MOSFET portion. In other words, the pn junction diffusion potential of SiC is about 3V, and the body diode is difficult to conduct. Therefore, a bidirectional switch circuit is formed only by SiC-MOSFET, and the operating current is limited to only the MOSFET without moving the body diode. An excellent bidirectional AC switch can be manufactured.
図1に示される回路構成により、SiC−MOSFET Q1ij・Q2ijを、それぞれのソースS1ijとS2ijとが互いに接続するようにして構成された双方向ACスイッチ100によりセル110ijが形成される。ここでSiC−MOSFET Q1ij・Q2ijはボディダイオードBD1ij・BD2ijを内蔵しているが、そのpn接合の拡散電位はワイドバンドギャップ半導体であるSiCから形成されているため3V程度と高く、一方で絶縁破壊電界が高いためドリフト層の膜厚を薄く、キャリア濃度を高く設定でき、SiC−MOSFET Q1ij・Q2ijのドレイン−ソース間オン抵抗を低く設定することができる。例えば、SiC−MOSFET Q1ij・Q2ijは、耐圧1200V、入力容量2080pFで、ドレインーソース間オン抵抗は、約80mΩを実現可能である。
With the circuit configuration shown in FIG. 1, a cell 110 ij is formed by a
このため、SiC−MOSFET Q1ij・Q2ijのソースS1ij・S2ij側に正電圧が印加されたとき、チャネル側電流経路のオン抵抗値をボディダイオードBD1ij・BD2ij側電流経路のオン抵抗より低く設定できる範囲がSi−MOSFETと比較して飛躍的に拡張でき、チャネル側に優先的に電流を流しやすくなる。Si−MOSFETにおいても大量に並列数を増やせばチャネル部のみに流せる電流範囲を増大させることはできるが、その場合MOSFET素子数とその数に応じた制御回路が必要になるため、双方向ACスイッチ全体のシステムが大きくなり現実的でない。 For this reason, when a positive voltage is applied to the sources S1 ij and S2 ij of the SiC-MOSFETs Q1 ij and Q2 ij , the on-resistance value of the channel-side current path is set to the on-resistance of the body diode BD1 ij and BD2 ij- side current path. The range that can be set lower can be dramatically expanded as compared with the Si-MOSFET, and current can be preferentially passed through the channel side. Even in Si-MOSFETs, if the number of parallels is increased in a large amount, the current range that can be supplied only to the channel portion can be increased. In this case, however, a control circuit corresponding to the number of MOSFET elements and the number thereof is required. The whole system becomes large and is not realistic.
ここで、双方向ACスイッチの定格電流をチャネル側電流経路の電流が主になる範囲に制限すれば双方向ACスイッチの電流一電圧特性はSiC−MOSFETのチャネル部を通る電流の電流−電圧特性によって決まり、途中で主の電流経路が変化しないため電流−電圧特性の急峻な変曲点が現れなくなる。また、SiC−MOSFETはオン抵抗が低く、SiC−MOSFETのみに電流が流れる場合でも電圧降下がほとんどない。スイッチ出力部の接点接触抵抗はSiC−MOSFETのオン抵抗のみとなり、接触抵抗以外による電圧降下がほぼ発生しない無電圧接点の双方向ACスイッチを構成することができる。 Here, if the rated current of the bidirectional AC switch is limited to a range where the current in the channel-side current path is mainly, the current-voltage characteristic of the bidirectional AC switch is the current-voltage characteristic of the current passing through the channel portion of the SiC-MOSFET. Since the main current path does not change in the middle, a sharp inflection point of the current-voltage characteristic does not appear. Further, the SiC-MOSFET has a low on-resistance, and there is almost no voltage drop even when a current flows only in the SiC-MOSFET. The contact output resistance of the switch output section is only the on-resistance of the SiC-MOSFET, and a non-voltage contact bidirectional AC switch in which a voltage drop due to other than the contact resistance hardly occurs can be configured.
第1の実施の形態に係る双方向ACスイッチ100においては、SiC−MOSFETの線形領域特性のみを使用しているため、歪率の少なく線形性に優れた無電圧接点の双方向ACスイッチを構成することができる。また、逆並列接続されるボディダイオードとは別のダイオードがなく、部品点数が削減されるため、小型でかつ安価に製作でき、信頼性も向上する。
Since the
第1の実施の形態に係る双方向ACスイッチ100においては、図5に示すように、定格電流が、第1SiC−MOSFETのソース側に正電圧が印加された場合に第1SiC−MOSFET Q1のボディダイオードBD1側に流れる電流が全体の1%以下になる電流範囲内に設定されていても良い。
In the
すなわち、ボディダイオードBD側に流れる電流IBDをチャネル側に流れる電流IMOSと合わせた全体の電流値の1%以下になるように設定すれば、実質的にチャネル部のみに電流が流せるようになるため、電流一電圧特性の歪率が少なく線形性に優れた双方向ACスイッチを構成することができる。 That is, if the current I BD flowing on the body diode BD side is set to be 1% or less of the total current value combined with the current I MOS flowing on the channel side, the current can flow substantially only in the channel portion. Therefore, a bidirectional AC switch having a low current-voltage characteristic distortion rate and excellent linearity can be configured.
また、第1の実施の形態に係る双方向ACスイッチ100においては、図5に示すように、定格電流が流れた場合に、SiC−MOSFETのゲートをオンさせた状態におけるドレインーソース間に掛かる電圧の絶対値が1.0V以下になるように設定されていても良い。
Further, in the
すなわち、双方向ACスイッチの定格電流範囲内でSiC−MOSFETのゲートオン時のドレインーソース間オン電圧を1.0V以下にすることによって、実質的にほぼ完全にチャネル部のみに電流が流せるようになるため、電流−電圧特性の歪率が少なく線形性に優れた双方向ACスイッチを構成することができる。 That is, by setting the drain-source on-voltage when the gate of the SiC-MOSFET is turned on within the rated current range of the bidirectional AC switch to 1.0 V or less, the current can flow substantially only through the channel portion. Therefore, a bidirectional AC switch having a low current-voltage characteristic distortion rate and excellent linearity can be configured.
SiC−MOSFETのボディダイオードはそのチップ面積や集積量に関わらず順方向電圧が1.0V以下であればほぼ動作しないため、実質的にチャネル部のみに電流が流せるようになる。さらに、1.0V以下の微小電圧領域においてはMOSFETのチャネル部を通る電流経路の電流−電圧特性のうち、線形領域部分のみを使えるため、飽和領域特性の影響による出力電流波形の歪みも抑制され、電流−電圧特性の線形性の非常に優れた双方向ACスイッチを構成することができる。 Since the body diode of the SiC-MOSFET does not substantially operate if the forward voltage is 1.0 V or less regardless of the chip area and the amount of integration, a current can substantially flow only in the channel portion. Furthermore, in the minute voltage region of 1.0 V or less, since only the linear region part of the current-voltage characteristic of the current path passing through the channel part of the MOSFET can be used, distortion of the output current waveform due to the influence of the saturation region property is also suppressed. Thus, a bidirectional AC switch having a very excellent linearity of current-voltage characteristics can be configured.
第1の実施の形態に係る双方向ACスイッチを構成する単位セルの電流−電圧特性例であって、1200V80mΩのSiC−MOSFETの2並列接続回路から構成される双方向ACスイッチの電流−電圧特性は、図6に示すように表される。破線RAは、SiC−MOSFETの2並列接続回路から構成される双方向ACスイッチを構成する単位セルの定格動作範囲を示す。 It is an example of the current-voltage characteristic of the unit cell which comprises the bidirectional | two-way AC switch which concerns on 1st Embodiment, Comprising: The current-voltage characteristic of the bidirectional | two-way AC switch comprised from two parallel connection circuits of 1200V80m (ohm) SiC-MOSFET Is expressed as shown in FIG. A broken line RA indicates a rated operation range of a unit cell constituting a bidirectional AC switch composed of two parallel-connected circuits of SiC-MOSFETs.
第1の実施の形態に係る双方向ACスイッチを構成する単位セルの電流−電圧特性上における定格電流動作範囲の説明図は、図7に示すように表される。 An explanatory diagram of the rated current operating range on the current-voltage characteristics of the unit cells constituting the bidirectional AC switch according to the first embodiment is expressed as shown in FIG.
定格電流とは、第1の実施の形態に係る双方向ACスイッチを構成する単位セルに適用されるSiC−MOSFETおよびこれらのSiC−MOSFETを2個直列接続した双方向ACスイッチにおいて、いずれも同様に定義可能である。すなわち、定格電流は、発熱量、熱抵抗、および冷却方法に依存し、一定の冷却条件において、定格接合温度TjMAX以下になる最大の電流値で定義される。 The rated current is the same in the SiC-MOSFET applied to the unit cell constituting the bidirectional AC switch according to the first embodiment and in the bidirectional AC switch in which two of these SiC-MOSFETs are connected in series. Can be defined. That is, the rated current depends on the calorific value, the thermal resistance, and the cooling method, and is defined by the maximum current value that is not more than the rated junction temperature T jMAX under a certain cooling condition.
図7に示される第1の実施の形態に係る双方向ACスイッチを構成する単位セルの線形範囲の電流一電圧特性上、電流値IDが定格電流で表される。+IDと−ID間の電流範囲ΔIで、第1の実施の形態に係る双方向ACスイッチを構成する単位セルは、線形の電流−電圧特性を示す。例えば、一定の空冷条件において、定格接合温度TjMAX=150℃において、定格電流ID=5Aが得られている。 The current value ID is expressed as a rated current in terms of current-voltage characteristics in the linear range of the unit cell constituting the bidirectional AC switch according to the first embodiment shown in FIG. + In current range ΔI between I D and -I D, the unit cells constituting the bidirectional AC switch according to the first embodiment, the linear current - voltage characteristics thereof are shown. For example, under a constant air cooling condition, a rated current I D = 5 A is obtained at a rated junction temperature T jMAX = 150 ° C.
第1の実施の形態に係る双方向ACスイッチによれば、構成するそれぞれのMOSFETがボディダイオードとは別の逆並列ダイオードを有しない無電圧接点双方向ACスイッチを実現することができる。 According to the bidirectional AC switch according to the first embodiment, it is possible to realize a non-voltage contact bidirectional AC switch in which each of the constituting MOSFETs does not have an antiparallel diode different from the body diode.
第1の実施の形態に係る双方向ACスイッチによれば、所望の電流仕様範囲においてボディダイオードが動作しないようなSiC−MOSFETを適用可能であるため、電流−電圧特性の線形性が良好に保たれた無電圧接点双方向ACスイッチを実現することができる。 According to the bidirectional AC switch according to the first embodiment, it is possible to apply an SiC-MOSFET in which the body diode does not operate in a desired current specification range, and therefore, the linearity of the current-voltage characteristic is kept good. A sagging no-voltage contact bidirectional AC switch can be realized.
また、セルの直並列数は1以上の任意の値を取ってよく、この双方向ACスイッチを使ってシーケンスを組む場合には、無電圧接点であるために設計の複雑化を抑えることができる。例えば、設計の簡易化、設計期間の短縮、スイッチ部の電圧降下に基づく動作不良の回避が実現可能となる。なお一例として、図1におけるセルの直並列数の設定について説明する。各セルの直列接続数をiとし、印加される電圧の最大値をVMAXとした場合、最大印加電圧VMAXをセルの直列接続数iで除した各セルに加わる最大電圧が各セルの許容最大電圧を超えないように、セルの直列接続数iを設定する。また上記説明のように、ボディダイオードBD側に流れる電流IBDをチャネル側に流れる電流IMOSと合わせた全体の電流値の1%以下になるように設定するためには、各セルの定格電流ID=5Aが得られた場合に、負荷24を流れる最大電流IMAXを定格電流IDで除すことにより並列接続数jが設定される。例えばSiC−MOSFETのオン抵抗が40mΩであればドレイン−ソース間の電流値を5A以下に抑えることにより、ドレイン−ソース間の電圧が1Vを超えないようにすることができる。今負荷24を流れる最大電流IMAXを100Aとすると、最大電流IMAX=100Aを5Aで除した値20が、セルの並列の接続数となる。このようにすることで直線性に優れた双方向ACスイッチを得ることができる。並列接続数jが20以上において好ましく採用される。
In addition, the number of series-parallel cells can take an arbitrary value of 1 or more. When a sequence is formed using this bidirectional AC switch, the design complexity can be suppressed because it is a non-voltage contact. . For example, simplification of design, shortening of the design period, and avoiding malfunction due to voltage drop of the switch unit can be realized. As an example, the setting of the series / parallel number of cells in FIG. 1 will be described. And i the number of series connections each cell tolerance when the maximum value of the applied voltage was V MAX, the maximum voltage applied to each cell obtained by dividing the maximum applied voltage V MAX series connection number i of cells of each cell The number i of series connection of cells is set so as not to exceed the maximum voltage. Further, as described above, in order to set the current IBD flowing on the body diode BD side to be 1% or less of the total current value including the current IMOS flowing on the channel side, the rated current of each cell is set. When I D = 5A is obtained, the parallel connection number j is set by dividing the maximum current I MAX flowing through the
また、双方向ACスイッチのスイッチ出力端子の外側に直列に接続された電磁式スイッチ等による断路器をさらに備えていてもよい。半導体を使った双方向ACスイッチでは出力端子間の物理的接続は切れておらず、リーク電流を完全にゼロにすることは困難である。半導体を使った双方向ACスイッチの出力端子に直列に断路器が接続され、双方向ACスイッチが電流導通を遮断した後に断路器により電圧をオフにする順序を経ることで、高い安全性を確保するとともに、双方向ACスイッチオフ時の電力消費が抑制できる。双方向ACスイッチは電流遮断を1μ秒以内の短時間で完了できるため、電磁式スイッチ特有の放電現象による遮断時間の遅れとそれに伴う巨大事故電流発生の可能性を完全に排除する。このことは、系統に接続される配線や電子機器の電流許容設計の簡略化を実現する。 Moreover, you may further provide the disconnector by the electromagnetic switch etc. which were connected in series outside the switch output terminal of the bidirectional AC switch. In a bidirectional AC switch using a semiconductor, the physical connection between the output terminals is not broken, and it is difficult to make the leakage current completely zero. A disconnector is connected in series to the output terminal of a bi-directional AC switch using semiconductors. After the bi-directional AC switch cuts off current conduction, the voltage is turned off by the disconnector, ensuring high safety. In addition, power consumption when the bidirectional AC switch is off can be suppressed. Since the bidirectional AC switch can complete the current interruption in a short time within 1 μsec, it completely eliminates the delay of the interruption time due to the discharge phenomenon peculiar to the electromagnetic switch and the possibility of the occurrence of a huge accident current. This realizes simplification of the current allowable design of wiring and electronic equipment connected to the system.
第1の実施の形態に係る双方向ACスイッチによれば、電圧−電流特性の線形性に優れ、小型で安価、長寿命、高耐圧、大電流容量で高速応答可能な無電圧接点の双方向ACスイッチを提供することができる。
[第2の実施の形態]
第2の実施の形態に係る双方向ACスイッチ102の模式的回路構成は、図8に示すように、双方向ACスイッチ102の各セル111ijの第1ドレインD1ijおよび第2ドレインD2ij間に接続されたサージキラー回路26ijを備える。
According to the bidirectional AC switch according to the first embodiment, the voltage-current characteristic is linear, and it is a small-sized, inexpensive, long-life, high withstand voltage, large-current capacity, high-speed response and non-voltage contact bidirectional An AC switch can be provided.
[Second Embodiment]
As shown in FIG. 8, a schematic circuit configuration of the
サージキラー回路26iは、互いにカソードを向かい合わせに接続した第1アバランシェブレークダウンダイオード(ABD:Avalanche breakdown diode)ABD1ijおよび第2アバランシェブレークダウンダイオードABD2ijを備えていても良い。
The
第2の実施の形態に係る双方向ACスイッチ102は、図8に示すように、各段の出力端子間にABD1ij・ABD2ijを向かい合わせにしたサージキラー回路26iを接続している。この構成により、例えば、接点定格負荷AC(700×m)V/(5×n)Aの双方向ACスイッチ102を提供することができる。また、i段目に接続されたサージキラー回路26iにより、同じi段目のSiC−MOSFET Q1ij・Q2ijのドレイン−ソース間に掛かる電圧を制限することができる。
In the
SiC−MOSFETは材料であるSiCが高絶縁破壊電界であることを利用してドリフト層の膜厚を薄く、キャリア濃度を高く設定できる反面、ゲート絶縁膜に強い電界強度が掛かってしまう危険がある。これに対し、アバランシェ降伏電圧でなくゲート絶縁膜への電界集中緩和を目的としたドリフト層条件設定を行うため、デバイスのドレイン−ソース間定格電圧とアバランシェ降伏電圧が大きく乖離している特徴を持っていることが多い。 Although SiC-MOSFET can make the thickness of the drift layer thin and carrier concentration high by utilizing the fact that SiC, which is a material, has a high breakdown electric field, there is a risk that strong electric field strength is applied to the gate insulating film. . On the other hand, because the drift layer conditions are set not for the avalanche breakdown voltage but for the purpose of reducing the electric field concentration on the gate insulating film, the device drain-source rated voltage and the avalanche breakdown voltage are greatly different. There are many.
ここで仮にSiC−MOSFETにSiCショットキーバリアダイオード(SiC−SBD:Silicon Carbide Schottky Barrier Diode)を逆並列接続させていた場合は、SiC−SBDのアバランシェ降伏によって電圧が制限されるが、SiC−MOSFETのみで双方向ACスイッチを構成した場合は、意図せぬ巨大電圧が印加された場合に、アバランシェ降伏せずに印加電圧がデバイスのドレインーソース間定格電圧を継続的に超過する危険がある。 Here, if a SiC Schottky barrier diode (SiC-SBD: Silicon Carbide Schottky Barrier Diode) is connected in reverse parallel to the SiC-MOSFET, the voltage is limited by the avalanche breakdown of the SiC-SBD, but the SiC-MOSFET In the case where the bidirectional AC switch is configured only by this, when an unintended huge voltage is applied, there is a risk that the applied voltage continuously exceeds the drain-source rated voltage of the device without breakdown of the avalanche.
ここで、双方向ACスイッチの各段の出力端子間に向かい合わせに接続したABDを配置することで、双方向ACスイッチの各セルに掛かる電圧をABDのアバランシェ降伏電圧によって規定することができる。 Here, by arranging the ABDs connected in a face-to-face manner between the output terminals of each stage of the bidirectional AC switch, the voltage applied to each cell of the bidirectional AC switch can be defined by the avalanche breakdown voltage of the ABD.
また、SiC−MOSFETの中間点と向かい合わせにしたABDの中間点とを接続しないため、ABDの順方向特性による双方向ACスイッチの電流−電圧特性への影響をなくすことができるため、ABDの順方向特性をデバイス選定基準から外すことができ、設計の自由度が向上する。 In addition, since the intermediate point of the ABD opposite to the intermediate point of the SiC-MOSFET is not connected, the influence of the forward characteristic of the ABD on the current-voltage characteristic of the bidirectional AC switch can be eliminated. The forward characteristics can be removed from the device selection criteria, and the degree of design freedom is improved.
第2の実施の形態に係る双方向ACスイッチによれば、双方向ACスイッチの各セルに掛かる電圧をABDのアバランシェ降伏電圧によって規定することができ、電圧−電流特性の線形性に優れ、小型で安価、長寿命、高耐圧、大電流容量、高速応答可能で、大電圧や分圧バランスの不均一に起因するSiC−MOSFETの破壊の危険が軽減した無電圧接点の双方向ACスイッチを提供することができる。 According to the bidirectional AC switch according to the second embodiment, the voltage applied to each cell of the bidirectional AC switch can be defined by the avalanche breakdown voltage of the ABD, has excellent linearity of voltage-current characteristics, and is compact. Low voltage, long life, high withstand voltage, large current capacity, high speed response, non-voltage contact bidirectional AC switch with reduced risk of SiC-MOSFET breakdown due to large voltage and non-uniform voltage balance can do.
また、サージキラー回路は双方向スイッチの各段毎に1つ以上接続されていても良く、各セル毎に接続されていても良い。さらに、ABDの耐圧を確保する目的でABDの直列数を増加させても良い。 One or more surge suppressor circuits may be connected to each stage of the bidirectional switch, or may be connected to each cell. Further, the number of ABDs in series may be increased for the purpose of securing the ABD withstand voltage.
また、セルの直並列数は1以上の任意の値を取っても良く、この双方向ACスイッチを使ってシーケンスを組む場合には、無電圧接点であるために設計の複雑化を抑えることができる。例えば、設計の簡易化、設計期間の短縮、スイッチ部の電圧降下に基づく動作不良の回避を実現可能である。
[第3の実施の形態]
第3の実施の形態に係る双方向ACスイッチ104の模式的回路構成は、図9に示すように表され、双方向ACスイッチ104を構成するセル202ijの模式的回路構成は、図10に示すように表される。
In addition, the series / parallel number of cells may take an arbitrary value of 1 or more. When a sequence is formed using this bidirectional AC switch, since it is a non-voltage contact, design complexity can be suppressed. it can. For example, it is possible to simplify the design, shorten the design period, and avoid malfunction due to the voltage drop of the switch unit.
[Third embodiment]
A schematic circuit configuration of the
第3の実施の形態に係る双方向ACスイッチ104は、図9・図10に示すように、ソース同士が互いに接続された2つのMOSFET Q1ij・Q2ijと、MOSFET Q1ijのドレインD1ijとMOSFET Q2ijのドレインD2ij間に2つのABD1ij・ABD2ijを向かい合わせにしたサージキラー回路26iを備える構成を単位セル202ijとし、この単位セル202ijをm直列×n並列に接続した構成を備える。
As shown in FIGS. 9 and 10, the
また、ゲート駆動回路15iは、入力端子18A・18Bに接続されたE/O変換器22iと、直流電圧(DC+24V)が供給された絶縁型DC/DC変換器16iと、E/O変換器22iに接続された光ファイバー17iと、光ファイバー17iを介してE/O変換器22iと接続され、かつ絶縁型DC/DC変換器16iと接続されたO/E変換器14iと、O/E変換器14iに接続されたFETドライバ12i1とを備える。E/O変換器22iとO/E変換器14iの間には絶縁型DC/DC変換器16iと同等以上の耐圧が確保されている。
The
第3の実施の形態に係る双方向ACスイッチ104によれば、例えば、接点定格負荷AC(700×m)V/(5×n)Aの双方向ACスイッチを提供することができる。
According to the
第3の実施の形態によれば、光ファイバーによる十分な絶縁距離の確保によって、制御側のノイズ耐性を強化し、ゲート電圧低下による電流の低下や、ゲート過電圧によるゲート破壊、スイッチング特性の悪化を抑制した双方向ACスイッチを構成することができる。 According to the third embodiment, the noise resistance on the control side is enhanced by securing a sufficient insulation distance by the optical fiber, and the current drop due to the gate voltage drop, the gate breakdown due to the gate overvoltage, and the deterioration of the switching characteristics are suppressed. The bidirectional AC switch can be configured.
また、第3の実施の形態によれば、サージキラー回路による印加電圧の保証をすることで故障しにくく、電圧一電流特性の線形性に優れ、小型で安価、長寿命、高耐圧、大電流容量、高速応答可能で、大電圧や分圧バランスの不均一に起因するSiC−MOSFETの破壊の危険が軽減した無電圧接点の双方向ACスイッチを提供することができる。
(半導体デバイスの構成例)
−SiC−DIMOSFET−
第1〜第3の実施の形態に係る双方向ACスイッチに適用可能な半導体デバイス200の例であって、SiC−DI(Double Implanted)MOSFETの模式的断面構造は、図11に示すように表される。
In addition, according to the third embodiment, it is difficult to fail by guaranteeing the applied voltage by the surge killer circuit, excellent in linearity of voltage-current characteristics, small and inexpensive, long life, high withstand voltage, large current capacity. Thus, it is possible to provide a bidirectional AC switch having a non-voltage contact that is capable of high-speed response and reduces the risk of destruction of the SiC-MOSFET due to a large voltage or non-uniform balance of voltage division.
(Configuration example of semiconductor device)
-SiC-DIMOSFET-
11 is an example of a
第1〜第3の実施の形態に係る双方向ACスイッチに適用可能なSiC−DIMOSFETは、図11に示すように、n+SiC基板124と、n+SiC基板124上にエピタキシャル成長されたn−ドリフト層126と、n−ドリフト層126の表面側に形成されたpボディ領域128と、pボディ領域128の表面に形成されたn+ソース領域130と、pボディ領域128間のn−ドリフト層126の表面上に配置されたゲート絶縁層132と、ゲート絶縁層132上に配置されたゲート電極138と、n+ソース領域130およびpボディ領域128に電気的に接続されたソース電極134と、n+SiC基板124の、n−ドリフト層126と反対側の表面に電気的に接続されたドレイン電極136とを備える。
As shown in FIG. 11, the SiC-DIMOSFET applicable to the bidirectional AC switch according to the first to third embodiments includes an n + SiC substrate 124 and an n − epitaxially grown on the n + SiC substrate 124.
図11では、半導体デバイス200は、pボディ領域128と、pボディ領域128の表面に形成されたn+ソース領域130が、ダブルイオン注入(DI)で形成され、ソースパッド電極SPは、n+ソース領域130およびpボディ領域128に接続されたソース電極134に接続される。ゲートパッド電極GP(図示省略)は、ゲート絶縁層132上に配置されたゲート電極138に接続される。また、ソースパッド電極SP・ソース電極134およびゲートパッド電極GP(図示省略)は、図11に示すように、半導体デバイス200の表面を覆うパッシベーション用の層間絶縁膜144上に配置される。
−SiC−TMOSFET−
第1〜第3の実施の形態に係る双方向ACスイッチに適用可能な半導体デバイス200の例であって、SiC−TMOSFETの模式的断面構造は、図12に示すように表される。
In FIG. 11, in the
-SiC-TMOSFET-
It is an example of the
第1〜第3の実施の形態に係る双方向ACスイッチに適用可能なSiC−TMOSFETは、図12に示すように、n+SiC基板124と、n+SiC基板124上にエピタキシャル成長されたn−ドリフト層126Nと、n−ドリフト層126Nの表面側に形成されたpボディ領域128と、pボディ領域128の表面に形成されたn+ソース領域130と、pボディ領域128を貫通し、n−ドリフト層126Nまで形成されたトレンチの内にゲート絶縁層132および層間絶縁膜144U・144Bを介して形成されたトレンチゲート電極138TGと、ソース領域130およびPボディ領域128に接続されたソース電極134と、n+SiC基板124の、n−ドリフト層126Nと反対側の表面に電気的に接続されたドレイン電極136とを備える。
As shown in FIG. 12, the SiC-TMOSFET applicable to the bidirectional AC switch according to the first to third embodiments includes an n + SiC substrate 124 and an n − epitaxially grown on the n + SiC substrate 124.
図12では、半導体デバイス200は、pボディ領域128を貫通し、半導体基板126Nまで形成されたトレンチ内にゲート絶縁層132および層間絶縁膜144U・144Bを介して形成されたトレンチゲート電極138TGが形成され、ソースパッド電極SPは、ソース領域130およびPボディ領域128に接続されたソース電極134に接続される。ゲートパッド電極GP(図示省略)は、ゲート絶縁層132上に配置されたゲート電極138に接続される。また、ソースパッド電極SP・ソース電極134およびゲートパッド電極GP(図示省略)は、図12に示すように、半導体デバイス200の表面を覆うパッシベーション用の層間絶縁膜144U上に配置される。
In FIG. 12, in the
SiC−TMOSFETはドレイン電流経路にpボディ領域128から伸張するジャンクション抵抗が存在しないため、SiC−DMOSFETと比較してさらに低オン抵抗のFETを提供することが可能であり、1素子当たりに100A以上のドレインパルス電流を許容することも可能になる。
Since the SiC-TMOSFET does not have a junction resistance extending from the
また、第1〜第3の実施の形態に係る双方向ACスイッチに適用可能な半導体デバイス200には、SiC系MOSFETの代わりに、GaN系FETなどを適用することもできる。
Further, a GaN-based FET or the like can be applied to the
SiCデバイスは、高絶縁破壊電界(例えば、約3MV/cmであり、Siの約3倍)であることから、Siに比べてドリフト層の膜厚を薄くし、かつキャリア濃度を高く設定しても耐圧が確保できる。絶縁破壊電界の違いから、SiC−MOSFETのピーク電界強度は、Si−MOSFETのピーク電界強度よりも高く設定可能である。 Since the SiC device has a high breakdown electric field (for example, about 3 MV / cm and about 3 times that of Si), the drift layer is made thinner and the carrier concentration is set higher than that of Si. Can withstand pressure. Due to the difference in dielectric breakdown electric field, the peak electric field strength of the SiC-MOSFET can be set higher than the peak electric field strength of the Si-MOSFET.
SiC−MOSFETにおいては、キャリア濃度と膜厚の双方のメリットによって、n−ドリフト層126・126Nの抵抗値を低減し、オン抵抗を低くすることができ、チップ面積を縮小化(小チップ化)可能である。さらにユニポーラデバイスであるMOSFET構造のままで、Si−IGBTに匹敵し得る耐圧とオン抵抗を実現可能であることから、高耐圧でかつ高速スイッチングできるとされ、スイッチング損失の低減が期待できる。 In the SiC-MOSFET, the resistance value of the n − drift layers 126 and 126N can be reduced and the on-resistance can be lowered by the merit of both the carrier concentration and the film thickness, and the chip area can be reduced (smaller chip size). Is possible. Furthermore, since the withstand voltage and on-resistance comparable to Si-IGBT can be realized with the MOSFET structure that is a unipolar device, it is considered that high withstand voltage and high speed switching can be performed, and reduction of switching loss can be expected.
以上説明したように、本実施の形態によれば、電圧−電流特性の線形性に優れ、小型で安価、長寿命、高耐圧、大電流容量で高速応答可能な無電圧接点の双方向ACスイッチを提供することができる。
[その他の実施の形態]
上記のように、第1〜第3の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面は例示的なものであり、この発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
As described above, according to the present embodiment, the voltage-current characteristic linearity is excellent, and it is a compact, inexpensive, long-life, high withstand voltage, high-current capacity, non-voltage contact bidirectional AC switch. Can be provided.
[Other embodiments]
As described above, the first to third embodiments have been described. However, it should be understood that the description and drawings constituting a part of this disclosure are exemplary and limit the present invention. Absent. From this disclosure, various alternative embodiments, examples and operational techniques will be apparent to those skilled in the art.
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
[実施例1]
図13は、本発明の実施例1の形態を示す図である。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[Example 1]
FIG. 13 is a diagram showing a form of the first embodiment of the present invention.
図13において、半導体遮断器1(1A)は、入力側の三相交流入力部2のR1、S1、T1と出力側の三相交流出力部3のR2、S2、T2とを結ぶ電力供給線4、5、6に独立に設置した各SiC双方向ACスイッチR、SiC双方向ACスイッチSおよびSiC双方向ACスイッチTが備えられる。すなわち、この半導体遮断器1は、三相交流入力装置の電源装置から出力装置の負荷装置に電力を供給する電力供給線に配置された半導体スイッチを備えた半導体遮断器である。SiC双方向ACスイッチの典型的な事例についての詳細は後述されが、SiC双方向ACスイッチは、このm直列×n並列に接続され、ドレインとソースとの間に掛る電圧の絶対値が1.0V以下になるように設定される特徴を備える。また、このSiC双方向ACスイッチは、各相の電力を供給する各電力供給線に設けられた三相交流の各相に対して独立に設置した3つのSiC−MOSFETによる双方向ACスイッチが備えられ、各双方向ACスイッチは、最大電流100Aで、20個以上並列接続されて、入力側と出力側の電圧が一致した瞬間にオンとされる高速応答可能な無電圧接点とした電流−電圧特性を備える。
In FIG. 13, a semiconductor circuit breaker 1 (1A) is a power supply line that connects R1, S1, T1 of the three-phase
半導体遮断器1は、半導体スイッチが、各相の電力を供給する各電力供給線に設けられた三相交流の各相に対して独立に設置した3個のSiC−MOSFETによる双方向ACスイッチで構成される。
The
各双方向ACスイッチの入力側および出力側の電圧を計測する計測装置が設けられる。図面には、計測装置として入力側の電力供給線4、5、6に高電圧プローブR1、S1、T1が結線され、出力側の電力供給線4、5、6に高電圧プローブR2、S2、T2が結線される。
A measuring device for measuring the voltage on the input side and the output side of each bidirectional AC switch is provided. In the drawing, high-voltage probes R1, S1, and T1 are connected to input-side
開閉指令信号8と各双方向ACスイッチの電圧計測状態から各双方向ACスイッチのオン・オフ処理を行う制御回路Aを備える。高電圧プローブR1、S1、T1および高電圧プローブR2、S2、T2で計測された電圧は、制御回路Aに入力される。 A control circuit A is provided for performing ON / OFF processing of each bidirectional AC switch from the open / close command signal 8 and the voltage measurement state of each bidirectional AC switch. The voltages measured by the high voltage probes R1, S1, T1 and the high voltage probes R2, S2, T2 are input to the control circuit A.
制御回路Aで形成された制御信号は、配線11、12、13を介してSiC双方向ACスイッチR、SiC双方向ACスイッチSおよびSiC双方向ACスイッチTに伝達される。
動作の説明
1.初期状態では、半導体遮断器1は、開閉指令信号8がオフのときに「開放」状態になっており、制御回路Aは、3つのSiC双方向ACスイッチR、SiC双方向ACスイッチSおよびSiC双方向ACスイッチTをすべてオフさせている。
2.この状態で、開閉指令信号8がオフからオンになったとき、制御回路Aは、各相のSiC双方向ACスイッチR、SiC双方向ACスイッチSおよびSiC双方向ACスイッチTをオンさせる。
3.したがって、三相交流の歪みがない場合は、制御回路Aは、3つのSiC双方向ACスイッチR、SiC双方向ACスイッチSおよびSiC双方向ACスイッチTをすべて同時にオンさせることになる。歪みがある場合は、制御回路Aは、数十秒から数ミリ秒程度の時間遅れをおいて、3つのSiC双方向ACスイッチR、SiC双方向ACスイッチSおよびSiC双方向ACスイッチTを順次オンさせることになる。
4.3つのSiC双方向ACスイッチR、SiC双方向ACスイッチSおよびSiC双方向ACスイッチTがすべてオンになることで半導体遮断器1は、「投入」状態となる。
5.半導体遮断器1が「投入」状態にあるときは、制御回路Aは、各相の電圧計測結果から、各双方向ACスイッチに流れている電流値を計算する。例えば、その電流値が規定値を越えたような場合、「過電流トリップ操作」を行い、各双方向ACスイッチをすべてOFFさせることで、半導体遮断器1を「開放」状態にして、周辺機器の保護を行う。
6.あるいは、三相交流の各相に流れる電流値に規定値以上の偏差が検出された場合、相関短絡あるいは漏電が発生したものとして、やはり半導体遮断器1を「開放」状態にする。
The control signal formed by the control circuit A is transmitted to the SiC bidirectional AC switch R, the SiC bidirectional AC switch S, and the SiC bidirectional AC switch T via the
Description of operation In the initial state, the
2. In this state, when the open / close command signal 8 is turned on from off, the control circuit A turns on the SiC bidirectional AC switch R, the SiC bidirectional AC switch S, and the SiC bidirectional AC switch T of each phase.
3. Therefore, when there is no three-phase AC distortion, control circuit A turns on all three SiC bidirectional AC switches R, SiC bidirectional AC switch S, and SiC bidirectional AC switch T at the same time. When there is distortion, the control circuit A sequentially delays the three SiC bidirectional AC switches R, the SiC bidirectional AC switch S, and the SiC bidirectional AC switch T with a time delay of about several tens of seconds to several milliseconds. Will be turned on.
4. When all of the three SiC bidirectional AC switches R, the SiC bidirectional AC switch S, and the SiC bidirectional AC switch T are turned on, the
5). When the
6). Or when the deviation beyond a regulation value is detected in the value of the current flowing in each phase of the three-phase alternating current, the
このように、当該制御回路Aが、開閉指令信号8がオンの時に、3つの双方向ACスイッチの各入力側と出力側の計測された瞬間にオンまたはオフし、所定の電圧差で、対応相の双方向ACスイッチにオンまたはオフ状態を維持し、各相の双方向ACスイッチに形成されたオンまたはオフ状態の3つの状態から、電源装置と負荷装置との間に開放状態もしくは投入状態を形成する。 In this way, when the open / close command signal 8 is on, the control circuit A turns on or off at the measured moment on the input side and output side of the three bidirectional AC switches, and responds with a predetermined voltage difference. The bi-directional AC switch of the phase is kept on or off, and the open state or the on-state between the power supply device and the load device is selected from the three states of the bi-directional AC switch of each phase, which is the on or off state. Form.
また、当該制御回路Aが、開閉指令信号8がオンの時で電源装置と負荷装置との間に投入状態にある時に、3つの双方向ACスイッチの入力側と出力側の電圧が同時に、もしくは時間遅れをおいて一致した瞬間の電圧が計測された時に各相の双方向ACスイッチにオンし、各相の計測された電圧差から、各双方向ACスイッチに流れている電流値を計算し、該電流値と規定値との比較によって該電流値が規定値を越える時にすべての双方向ACスイッチをオン状態からオフ状態にして、投入状態から開放状態を形成する。 When the control circuit A is in the on state between the power supply device and the load device when the opening / closing command signal 8 is on, the voltages on the input side and the output side of the three bidirectional AC switches are simultaneously or When the voltage at the moment of coincidence is measured with a time delay, the bidirectional AC switch of each phase is turned on, and the current value flowing through each bidirectional AC switch is calculated from the measured voltage difference of each phase. When the current value exceeds the specified value by comparing the current value with the specified value, all the bidirectional AC switches are changed from the on state to the off state, thereby forming the open state from the on state.
本実施例による半導体遮断器1を用いることで、入力電圧と出力側電圧が完全に一致しているときに各相の双方向ACスイッチをオフからオンにするので、「投入」した瞬間の突入電流をゼロにすることが出来る。
By using the
例えば、受電設備の遮断器として適用した場合、容量性負荷の影響で負荷側に電圧が残っているような場合でも突入電流ゼロの「投入」操作が可能になる。 For example, when applied as a circuit breaker for a power receiving facility, a “rushing” operation with zero inrush current is possible even when a voltage remains on the load side due to the influence of a capacitive load.
例えば、発電機主遮断器として適用した場合、併入時の突入電流をゼロに出来る。 For example, when it is applied as a generator main circuit breaker, the inrush current at the time of insertion can be made zero.
本実施例になる半導体遮断器では、瞬時(100ns程度をいう。)のオンにすることが出来るため、入力側および出力側の電圧が厳密に一致したことを計測し、一致した時に瞬間に「開放」操作を行えるので、事故電流が発生する前に負荷を系統から切り離すことが可能になる。各相電流を常に計測監視できるので、過電流保護、地絡保護などのための保護継電器機能を安価に組み込むことが出来る。本実施例のSiC−MOSFETによる双方向ACスイッチは、自身がオン時に突入電流を抑制するインピーダンス特性を持っていることのため、バンプレス併入が可能になる。
[実施例2−1]
図14は、本発明の実施例2−1の形態を示す図である。
In the semiconductor circuit breaker according to the present embodiment, since it can be turned on instantaneously (which means about 100 ns), it is measured that the voltages on the input side and the output side are exactly the same. Since the “open” operation can be performed, the load can be disconnected from the system before the accident current occurs. Since each phase current can always be measured and monitored, a protective relay function for overcurrent protection, ground fault protection, etc. can be incorporated at low cost. Since the bidirectional AC switch using the SiC-MOSFET of this embodiment has an impedance characteristic that suppresses the inrush current when it is turned on, it can be used in combination with bumpless.
[Example 2-1]
FIG. 14 is a diagram showing a form of Example 2-1 of the present invention.
図14において、半導体遮断器1Bは、入力側の三相交流入力部2のR1、S1、T1と出力側の直流出力部3のDPとを結ぶ電力供給線4、5、6に独立に設置した各SiC双方向ACスイッチR、SiC双方向ACスイッチSおよびSiC双方向ACスイッチTが備えられる。すなわち、この半導体遮断器1は、三相交流入力装置の電源装置から出力装置の負荷装置に電力を供給する電力供給線に配置された半導体スイッチを備えた半導体遮断器である。SiC双方向ACスイッチの典型的な事例についての詳細は後述されるが、SiC双方向ACスイッチは、最大電流100Aで、20個以上並列接続されて、ドレインとソースとの間に掛かる電圧の絶対値が1.0V以下になるように設定される特徴を備える。また、このSiC双方向ACスイッチは、各相の電力を供給する各電力供給線に設けられた三相交流の各相に対して独立に設置した3つのSiC−MOSFETによる双方向ACスイッチが備えられ、各双方向ACスイッチは、入力側と出力側の電圧が一致した瞬間にオンとされる高速応答可能な無電圧接点とした電流−電圧特性を備える。
In FIG. 14, the
出力側の電力供給線4、5、6は、短絡され、電力供給線7とされる。
The
半導体遮断器1は、半導体スイッチが、各相の電力を供給する各電力供給線に設けられた三相交流の各相に対して独立に設置した3個のSiC−MOSFETによる双方向ACスイッチで構成される。
The
各双方向ACスイッチの入力側および出力側の電圧を計測する計測装置が設けられる。図面には、計測装置として入力側の電力供給線4、5、6に高電圧プローブR1、S1、T1が結線され、出力側の電力供給線7に高電圧プローブD2が結線される。
A measuring device for measuring the voltage on the input side and the output side of each bidirectional AC switch is provided. In the drawing, high-voltage probes R1, S1, and T1 are connected to input-side
開閉指令信号8と各双方向ACスイッチの電圧計測状態から各双方向ACスイッチのオン・オフ処理を行う制御回路Bを備える。高電圧プローブR1、S1、T1および高電圧プローブD2で計測された電圧は、制御回路Bに入力される。 A control circuit B is provided for performing ON / OFF processing of each bidirectional AC switch from the open / close command signal 8 and the voltage measurement state of each bidirectional AC switch. The voltages measured by the high voltage probes R1, S1, T1 and the high voltage probe D2 are input to the control circuit B.
制御回路Bで形成された制御信号は、配線11、12、13を介してSiC双方向ACスイッチR、SiC双方向ACスイッチSおよびSiC双方向ACスイッチTに伝達される。
動作の説明
1.初期状態では、半導体遮断器1Bは、開閉指令信号8がオフのときに「開放」状態になっており、制御回路Aは、3つのSiC双方向ACスイッチR、SiC双方向ACスイッチSおよびSiC双方向ACスイッチTをすべてオフさせている。
2.開閉指令信号8により「投入」状態になった時、制御回路Bは、まず各相の双方向ACスイッチ入力側の計測された電圧を入力し、最も高い電圧となっている相を選びだす。
3.次に、計測された「直流出力側電圧」を入力し、「最も高い相電圧」が「直流出力側電圧」に一致する瞬間にオンし、「最も高い相電圧」>「直流出力側電圧」の条件が成り立つ相の双方向ACスイッチをオン継続させる。
4.2.3.の操作を100ns程度のサンプリング周期で実施すると、出力電圧のDPの電圧値は、図15に示すように半波整流で得られる直流電圧値と同等の値となる。
The control signal formed by the control circuit B is transmitted to the SiC bidirectional AC switch R, the SiC bidirectional AC switch S, and the SiC bidirectional AC switch T via the
Description of operation In the initial state, the semiconductor circuit breaker 1B is in the “open” state when the switching command signal 8 is off, and the control circuit A has three SiC bidirectional AC switches R, SiC bidirectional AC switches S, and SiC. All bidirectional AC switches T are turned off.
2. When the control circuit B enters the “ON” state by the open / close command signal 8, the control circuit B first inputs the measured voltage on the bidirectional AC switch input side of each phase, and selects the phase having the highest voltage.
3. Next, input the measured “DC output side voltage” and turn it on at the moment when “the highest phase voltage” matches the “DC output side voltage”, then “the highest phase voltage”> “DC output side voltage” The bi-directional AC switch of the phase that satisfies the above condition is kept on.
4.2.3. When the above operation is performed with a sampling period of about 100 ns, the voltage value of the output voltage DP becomes equal to the DC voltage value obtained by half-wave rectification as shown in FIG.
このように、当該制御回路Bが、開閉指令信号8がオンの時に、3つの双方向ACスイッチの各入力側と出力側の計測された所定の電圧差で、対応相の双方向ACスイッチにオンまたはオフ状態を維持し、各相の双方向ACスイッチに形成されたオンまたはオフ状態の3つの状態から、電源装置と負荷装置との間に開放状態もしくは投入状態を形成する。 In this way, when the open / close command signal 8 is on, the control circuit B turns the corresponding phase bidirectional AC switch into a corresponding phase bidirectional AC switch with a predetermined voltage difference measured on the input side and output side of the three bidirectional AC switches. The on or off state is maintained, and the open state or the on state is formed between the power supply device and the load device from the three states of the on or off state formed in the bidirectional AC switch of each phase.
また、当該制御回路Bが、開閉指令信号がオンの時で投入状態にある時に、各相の双方向ACスイッチの入力側の電圧を計測し、最も高い電圧となっている相を選定し、直流出力側電圧を計測し、最も高い相電圧が直流出力電圧に一致する瞬間オンし、最も高い相電圧>直流出力電圧の条件が成り立つ状態で、対応する相の双方向ACスイッチをオン継続し、直流出力側電圧を生成し、他の2相の双方向ACスイッチをオフ状態にして、正出力半波整流を行う。
[実施例2−2]
図16は、本発明の実施例2−2の形態を示す図である。
In addition, when the control circuit B is in the on state when the open / close command signal is on, the voltage on the input side of the bidirectional AC switch of each phase is measured, and the phase having the highest voltage is selected, Measure the DC output side voltage, turn on the moment when the highest phase voltage matches the DC output voltage, and continue to turn on the bidirectional AC switch of the corresponding phase in the state where the highest phase voltage> DC output voltage is satisfied Then, the DC output side voltage is generated, the other two-phase bidirectional AC switch is turned off, and positive output half-wave rectification is performed.
[Example 2-2]
FIG. 16 is a diagram showing a form of Example 2-2 of the present invention.
図16において、半導体遮断器1Cは、入力側の三相交流入力部2のR1、S1、T1と出力側の直流出力部3のDNとを結ぶ電力供給線4、5、6に独立に設置した各SiC双方向ACスイッチR、SiC双方向ACスイッチSおよびSiC双方向ACスイッチTが備えられる。すなわち、この半導体遮断器1は、三相交流入力装置の電源装置から出力装置の負荷装置に電力を供給する電力供給線に配置された半導体スイッチを備えて半導体遮断器である。SiC双方向ACスイッチの典型的な事例についての詳細は後述されが、SiC双方向ACスイッチは、最大電流100Aで、20個以上並列接続されて、ドレインとソースとの間に掛る電圧の絶対値が1.0V以下になるように設定される特徴を備える。また、このSiC双方向ACスイッチは、各相の電力を供給する各電力供給線に設けられた三相交流の各相に対して独立に設置した3つのSiC−MOSFETによる双方向ACスイッチが備えられ、各双方向ACスイッチは、入力側と出力側の電圧が一致した瞬間にオンとされる高速応答可能な無電圧接点とした電流−電圧特性を備える。
In FIG. 16, the
出力側の電力供給線4、5、6は、短絡され、電力供給線7とされる。
The
半導体遮断器1は、半導体スイッチが、各相の電力を供給する各電力供給線に設けられた三相交流の各相に対して独立に設置した3個のSiC−MOSFETによる双方向ACスイッチで構成される。
The
各双方向ACスイッチの入力側および出力側の電圧を計測する計測装置が設けられる。図面には、計測装置として入力側の電力供給線4、5、6に高電圧分圧器R1、S1、T1が結線され、出力側の電力供給線7に高電圧分圧器D2が結線される。
A measuring device for measuring the voltage on the input side and the output side of each bidirectional AC switch is provided. In the drawing, high-voltage voltage dividers R1, S1, and T1 are connected to input-side
開閉指令信号8と各双方向ACスイッチの電圧計測状態から各双方向ACスイッチのオン・オフ処理を行う制御回路Cを備える。高電圧分圧器R1、S1、T1および高電圧分圧器D2で計測された電圧は、制御回路Cに入力される。 A control circuit C is provided for performing ON / OFF processing of each bidirectional AC switch from the open / close command signal 8 and the voltage measurement state of each bidirectional AC switch. The voltages measured by the high voltage dividers R1, S1, T1 and the high voltage divider D2 are input to the control circuit C.
制御回路Cで形成された制御信号は、配線11、12、13を介してSiC双方向ACスイッチR、SiC双方向ACスイッチSおよびSiC双方向ACスイッチTに伝達される。
動作の説明
1.初期状態では、半導体遮断器1は、開閉指令信号8がOFFのとき「開放」状態になっており、制御回路Aは、3つのSiC双方向ACスイッチR、SiC双方向ACスイッチSおよびSiC双方向ACスイッチTをすべてオフさせている。
2.開閉指令信号8により「投入」状態になった時、制御回路Cは、まず各相の双方向ACスイッチ入力側の計測された電圧を入力し、最も低い電圧となっている相を選びだす。
3.次に、計測された「直流出力側電圧」を入力し、「最も低い相電圧」が「直流出力側電圧」に一致する瞬間にONし、「最も低い相電圧」<「直流出力側電圧」の条件が成り立つ状態で、オン継続させる。
4.2.3.の操作を100ns程度のサンプリング周期で実施すると、出力電圧のDNの電圧値は、図17に示すように半波整流で得られる直流電圧値と同等の値となる。
A control signal formed by the control circuit C is transmitted to the SiC bidirectional AC switch R, the SiC bidirectional AC switch S, and the SiC bidirectional AC switch T via the
Description of operation In the initial state, the
2. When the control circuit C enters the “ON” state by the open / close command signal 8, the control circuit C first inputs the measured voltage on the bidirectional AC switch input side of each phase, and selects the phase having the lowest voltage.
3. Next, the measured “DC output side voltage” is input and turned ON at the moment when “lowest phase voltage” matches “DC output side voltage”, and “lowest phase voltage” <“DC output side voltage” Continue on in the state where
4.2.3. When the above operation is performed with a sampling period of about 100 ns, the voltage value DN of the output voltage becomes equal to the DC voltage value obtained by half-wave rectification as shown in FIG.
このように、当該制御回路Cが、開閉指令信号8がオンの時に、3つの双方向ACスイッチの各入力側と出力側の計測された電圧差に基づいて対応相の双方向ACスイッチにオンまたはオフ状態を形成し、各相の双方向ACスイッチに形成されたオンまたはオフ状態の3つの状態から、電源装置と負荷装置との間に開放状態もしくは投入状態を形成する。 Thus, when the open / close command signal 8 is turned on, the control circuit C turns on the bidirectional AC switch of the corresponding phase based on the measured voltage difference between the input side and the output side of the three bidirectional AC switches. Alternatively, an off state is formed, and an open state or an on state is formed between the power supply device and the load device from the three states of the on or off state formed in the bidirectional AC switch of each phase.
また、当該制御回路Cが、開閉指令信号8がオンの時で投入状態にある時に、各相の双方向ACスイッチの入力側の電圧を計測し、最も低い電圧となっている相を選定し、直流出力側電圧を計測し、最も低い相電圧が直流出力電圧に一致した瞬間にオンし、最も低い相電圧<直流出力電圧の条件が成り立つ状態で、対応する相の双方向ACスイッチをオン状態継続し、直流出力側電圧を生成し、他の2相の双方向ACスイッチをオフ状態にして、負出力半波整流を行う。
[実施例2−3]
正出力半波整流と負出力半波整流とを組み合わせることで全波整流を行うことを特徴とする半導体遮断器BCが提供され、図18に示すように直流出力端子間の電圧値は、全波整流と同等の値になる。
When the control circuit C is in the on state when the open / close command signal 8 is on, the voltage on the input side of the bidirectional AC switch of each phase is measured, and the phase having the lowest voltage is selected. Measure the DC output side voltage, turn on at the moment when the lowest phase voltage matches the DC output voltage, and turn on the bidirectional AC switch for the corresponding phase in the state where the lowest phase voltage <DC output voltage is satisfied The state continues, a DC output side voltage is generated, the other two-phase bidirectional AC switch is turned off, and negative output half-wave rectification is performed.
[Example 2-3]
A semiconductor circuit breaker BC characterized by performing full wave rectification by combining positive output half wave rectification and negative output half wave rectification is provided. As shown in FIG. The value is equivalent to wave rectification.
図19は、半導体全波整流器の構成を示す図である。 FIG. 19 is a diagram illustrating a configuration of a semiconductor full-wave rectifier.
図19において、半導体半波整流器21は、図14の構成を示し、半導体半波整流器22は、図16の構成を示す。
In FIG. 19, a semiconductor half-
制御回路Bが、開閉指令信号オンの時で投入状態にある時に、各相の双方向ACスイッチの入力側の電圧を計測し、最も高い電圧となっている相を選定し、直流出力側電圧を計測し、最も高い相電圧>直流出力電圧の条件が成り立つ状態の時に、対応する相の双方向ACスイッチをオンし、直流出力側電圧を生成し、他の2相の双方向ACスイッチをオフ状態にして、正出力半波整流を行う。 When the control circuit B is in the ON state when the open / close command signal is ON, measure the voltage on the input side of the bidirectional AC switch of each phase, select the phase with the highest voltage, and select the DC output side voltage When the condition of the highest phase voltage> DC output voltage is satisfied, the corresponding phase bidirectional AC switch is turned on, the DC output side voltage is generated, and the other two-phase bidirectional AC switch is turned on. Turn off and perform positive output half-wave rectification.
当該制御回路Cが、また開閉指令信号オンの時で投入状態にある時に、各相の双方向ACスイッチの入力側の電圧を計測し、最も低い電圧となっている相を選定し、直流出力側電圧を計測し、最も低い相電圧が直流出力電圧に一致する瞬間にオンし、最も低い相電圧<直流出力電圧の条件が成り立つ状態で、対応する相の双方向ACスイッチをオン継続し、直流出力側電圧を生成し、他の2相の双方向ACスイッチをオフ状態にして、負出力半波整流を行う。これを正出力半波整流に転換する。
[実施例3−1]
図20は、本発明の実施例3−1の形態を示す図である。
When the control circuit C is in the on state when the open / close command signal is ON, the voltage on the input side of the bidirectional AC switch of each phase is measured, the phase having the lowest voltage is selected, and the DC output Measure the side voltage, turn on at the moment when the lowest phase voltage coincides with the DC output voltage, continue to turn on the bidirectional AC switch of the corresponding phase in the state that the condition of the lowest phase voltage <DC output voltage is satisfied, A DC output side voltage is generated, the other two-phase bidirectional AC switch is turned off, and negative output half-wave rectification is performed. This is converted to positive output half-wave rectification.
[Example 3-1]
FIG. 20 is a diagram showing a form of Example 3-1 of the present invention.
図20において、半導体遮断器1Bは、入力側の三相交流入力部2のR1、S1、T1と出力側の直流出力部3のDPとを結ぶ電力供給線4、5、6に独立に設置した各SiC双方向ACスイッチR、SiC双方向ACスイッチSおよびSiC双方向ACスイッチTが備えられる。すなわち、この半導体遮断器1は、三相交流入力装置の電源装置から出力装置の負荷装置に電力を供給する電力供給線に配置された半導体スイッチを備えた半導体遮断器である。SiC双方向ACスイッチの典型的な事例についての詳細は後述されるが、SiC双方向ACスイッチは、最大電流100Aで、20個以上並列接続されて、ドレインとソースとの間に掛かる電圧の絶対値が1.0V以下になるように設定される特徴を備える。また、このSiC双方向ACスイッチは、各相の電力を供給する各電力供給線に設けられた三相交流の各相に対して独立に設置した3つのSiC−MOSFETによる双方向ACスイッチが備えられ、各双方向ACスイッチは、入力側と出力側の電圧が一致した瞬間にオンとされる高速応答可能な無電圧接点とした電流−電圧特性を備える。
In FIG. 20, the semiconductor circuit breaker 1B is independently installed on the
出力側の電力供給線4、5、6は、短絡され、電力供給線7とされる。
The
半導体遮断器1は、半導体スイッチが、各相の電力を供給する各電力供給線に設けられた三相交流の各相に対して独立に設置した3個のSiC−MOSFETによる双方向ACスイッチで構成される。
The
各双方向ACスイッチの入力側および出力側の電圧を計測する計測装置が設けられる。図面には、計測装置として入力側の電力供給線4、5、6に高電圧プローブR1、S1、T1が結線され、出力側の電力供給線7に高電圧プローブD2が結線される。
A measuring device for measuring the voltage on the input side and the output side of each bidirectional AC switch is provided. In the drawing, high-voltage probes R1, S1, and T1 are connected to input-side
開閉指令信号8と各双方向ACスイッチの電圧計測状態から各双方向ACスイッチのオン・オフ処理を行う制御回路Eを備える。高電圧プローブR1、S1、T1および高電圧プローブD2で計測された電圧は、制御回路Eに入力される。 A control circuit E is provided for performing ON / OFF processing of each bidirectional AC switch from the open / close command signal 8 and the voltage measurement state of each bidirectional AC switch. The voltages measured by the high voltage probes R1, S1, T1 and the high voltage probe D2 are input to the control circuit E.
制御回路Eで形成された制御信号は、配線11、12、13を介してSiC双方向ACスイッチR、SiC双方向ACスイッチSおよびSiC双方向ACスイッチTに伝達される。
The control signal formed by the control circuit E is transmitted to the SiC bidirectional AC switch R, the SiC bidirectional AC switch S, and the SiC bidirectional AC switch T via the
構成は、図14に示す構成とほぼ同等であるが、「出力電圧設定回路31」が追加され、出力電圧設定値が制御回路Eに設定される。
動作の説明
1.初期状態では、半導体遮断器1Eは、開閉指令信号8がオフのとき「開放」状態になっており、制御回路Eは、3つのSiC双方向ACスイッチR、SiC双方向ACスイッチSおよびSiC双方向ACスイッチTをすべてオフさせている。
2.開閉指令信号8により「投入」状態になった時、制御回路Bは、まず各相の双方向ACスイッチ入力側の計測された電圧を入力し、最も高い電圧となっている相を選びだす。
3.次に、計測された「直流出力側電圧」を入力し、「最も高い相電圧」>「直流出力側電圧」の条件が成り立つ相の双方向ACスイッチを選定し、「直流出力側電圧」が「出力電圧設定回路31」からの電圧設定値より高くなっているかを判定する。このとき、「直流出力側電圧」が「出力電圧設定回路31」からの電圧設定値より高い場合には、双方向ACスイッチのオン操作は行わない。逆に、「直流出力側電圧」が「出力電圧設定回路31」からの電圧設定値より低い場合には、選定した最も高い電圧となっている相の双方向ACスイッチをオンさせる。
4.2.および3.の操作を100ns程度のサンプリング周期で実施すると、出力電圧のDPの電圧値は、「出力電圧設定値」の電圧設定値の相当する直流電圧値とほぼ同等の値に維持できる。例えば、三相AC200Vラインに実施例3−1の半導体遮断器を挿入し、「出力電圧設定回路」からの電圧設定値をDC250Vに設定した場合、DP電圧値はDC250V前後に維持できる。実施例2−1では、DP電圧値は、DC283V程度に維持されることになる。
The configuration is substantially the same as the configuration shown in FIG. 14, but an “output
Description of operation In the initial state, the semiconductor circuit breaker 1E is in the “open” state when the switching command signal 8 is off, and the control circuit E has both the three SiC bidirectional AC switches R, the SiC bidirectional AC switches S and SiC. All the direction AC switches T are turned off.
2. When the control circuit B enters the “ON” state by the open / close command signal 8, the control circuit B first inputs the measured voltage on the bidirectional AC switch input side of each phase, and selects the phase having the highest voltage.
3. Next, input the measured “DC output side voltage”, select a phase AC switch that satisfies the condition “highest phase voltage”> “DC output side voltage”, and set the “DC output side voltage” to It is determined whether it is higher than the voltage set value from the “output
4.2. And 3. When the above operation is performed at a sampling period of about 100 ns, the voltage value of the output voltage DP can be maintained at a value substantially equal to the DC voltage value corresponding to the voltage setting value of the “output voltage setting value”. For example, when the semiconductor circuit breaker of Example 3-1 is inserted into a three-phase AC200V line and the voltage setting value from the “output voltage setting circuit” is set to DC250V, the DP voltage value can be maintained around DC250V. In Example 2-1, the DP voltage value is maintained at about DC283V.
このように、当該制御回路Eが、開閉指令信号8がONの時に、3つの双方向ACスイッチの各入力側と出力側の計測された電圧差に基づいて対応相の双方向ACスイッチにオンまたはオフ状態を形成し、各相の双方向ACスイッチに形成されたオンまたはオフ状態の3つの状態から、電源装置と負荷装置との間に開放状態もしくは投入状態を形成する。 In this way, when the control circuit E is ON, the corresponding phase bidirectional AC switch is turned on based on the measured voltage difference between the input side and the output side of the three bidirectional AC switches. Alternatively, an off state is formed, and an open state or an on state is formed between the power supply device and the load device from the three states of the on or off state formed in the bidirectional AC switch of each phase.
また、当該制御回路Eが、開閉指令信号8がオンの時で投入状態にある時に、各相の双方向ACスイッチの入力側の電圧を計測し、最も高い電圧となっている相を選定し、直流出力側電圧を計測し、最も高い相電圧>直流出力電圧の条件が成り立ち、直流出力電圧が出力設定電圧に一致する瞬間にオンし、直流出力電圧<出力設定電圧の状態で、対応する相の双方向ACスイッチをオン継続し、オン直流出力側電圧を生成し、直流出力電圧>出力設定電圧の状態の時に、オフし、他の2相の双方向ACスイッチについても同一条件でオン・オフすることで、正出力半波整流を行う。
[実施例3−2]
実施例3−1と同様にして、実施例2−2を参照して、当該制御回路が、開閉指令信号がオンの時で投入状態にある時に、各相の双方向ACスイッチの入力側の電圧を計測し、最も高い電圧となっている相を選定し、直流出力側電圧を計測し、最も低い相電圧<直流出力電圧の条件が成り立ち、直流出力電圧が出力設定電圧に一致する瞬間にオンし、直流出力電圧<出力設定電圧の状態で、対応する相の双方向ACスイッチをオン継続し、オン直流出力側電圧を生成し、直流出力電圧>出力設定電圧の状態の時に、オフし、他の2相の双方向ACスイッチについても同一条件でオン・オフすることで、負出力半波整流を行うようにすることができる。
[実施例3−3]
図19は、2つの半波整流器に実施例3−1および3−2を適用して半導体全波整流器の構成としている。正出力半波整流と負出力半波整流とを組み合わせることで全波整流を行うことを特徴とする半導体遮断器BCが提供され、直流出力端子間の電圧値は、出力設定電圧値と同等の値になる。
Further, when the control circuit E is in the on state when the open / close command signal 8 is on, the voltage on the input side of the bidirectional AC switch of each phase is measured, and the phase having the highest voltage is selected. Measure the DC output side voltage, turn on at the moment when the condition of the highest phase voltage> DC output voltage is met, and the DC output voltage matches the output set voltage, and respond in the state of DC output voltage <output set voltage The bi-directional AC switch of the phase is kept on, the on-DC output side voltage is generated, it is turned off when the DC output voltage> the output set voltage, and the other two-phase bi-directional AC switches are also turned on under the same conditions.・ By turning off, positive output half-wave rectification is performed.
[Example 3-2]
Similarly to Example 3-1, with reference to Example 2-2, when the control circuit is in the on state when the open / close command signal is on, the control circuit on the input side of the bi-directional AC switch of each phase Measure the voltage, select the phase with the highest voltage, measure the DC output side voltage, and at the moment when the condition of the lowest phase voltage <DC output voltage is satisfied and the DC output voltage matches the output setting voltage Turns on and continues to turn on the bidirectional AC switch of the corresponding phase in the state of DC output voltage <output set voltage, generates on DC output side voltage, and turns off when DC output voltage> output set voltage The other two-phase bidirectional AC switches can be turned on / off under the same conditions to perform negative output half-wave rectification.
[Example 3-3]
FIG. 19 shows a configuration of a semiconductor full-wave rectifier by applying Examples 3-1 and 3-2 to two half-wave rectifiers. A semiconductor circuit breaker BC is provided that performs full-wave rectification by combining positive output half-wave rectification and negative output half-wave rectification, and a voltage value between DC output terminals is equal to an output set voltage value. Value.
1、1A、1B,1C、1D、1E…半導体遮断器、2…三相交流出力部、3…出力部、4、5、6、7…電力供給線、8…開閉指令信号、A、B、C、D、E…制御回路、R、S、T…SiC双方向ACスイッチ、R1、R2、S1、S2、T1、T2…高電圧プローブ、電圧計測装置。
DESCRIPTION OF
Claims (8)
半導体スイッチが、各相の電力を供給する各電力供給線に設けられた三相交流の各相に対して独立に設置した3つのSiC−MOSFETによる双方向ACスイッチが備えられ、各双方向ACスイッチは、最大電流100Aで、20個以上並列接続されて、入力側と出力側の電圧が一致した計測瞬間にオンとされる高速応答可能な無電圧接点とした電流−電圧特性を備え、
各双方向ACスイッチの入力側および出力側の電圧を計測する計測装置が設けられ、
開閉指令信号と各双方向ACスイッチの電圧計測状態から各双方向ACスイッチのオン・オフ処理を行う制御回路を備え、
当該制御回路が、開閉指令信号オンの時に、3つの双方向ACスイッチの各入力側と出力側の計測された瞬間にオンまたはオフし、所定の電圧差の時に対応相の双方向ACスイッチにオンまたはオフ状態を維持し、各相の双方向ACスイッチに形成されたオンまたはオフ状態の3つの状態から、三相交流入力側装置と出力側装置との間に開放状態もしくは投入状態を形成すること
を特徴とする半導体遮断器。 In a semiconductor circuit breaker comprising a semiconductor switch arranged on a power supply line for supplying power from a three-phase AC input side device to an output side device,
A semiconductor switch is provided with a bidirectional AC switch by three SiC-MOSFETs installed independently for each phase of the three-phase alternating current provided in each power supply line for supplying power of each phase. The switch has a current-voltage characteristic that is a no-voltage contact capable of high-speed response that is turned on at the measurement moment when the input side voltage and the output side voltage are matched, with 20 or more switches connected in parallel at a maximum current of 100A.
A measuring device for measuring the voltage on the input side and output side of each bidirectional AC switch is provided,
A control circuit that performs ON / OFF processing of each bidirectional AC switch from the open / close command signal and the voltage measurement state of each bidirectional AC switch,
When the open / close command signal is on, the control circuit turns on or off at the measured moment of each input side and output side of the three bidirectional AC switches, and when the voltage difference is a predetermined voltage, An on or off state is maintained, and an open state or a closed state is formed between the three-phase AC input side device and the output side device from the three states of the on or off state formed in the bidirectional AC switch of each phase. A semiconductor circuit breaker characterized by
半導体スイッチが、各相の電力を供給する各電力供給線に設けられた三相交流の各相に対して独立に設置した3つのSiC−MOSFETによる双方向ACスイッチが備えられ、各双方向ACスイッチは、最大電流100Aで、20個以上並列接続されて、入力側と出力側の電圧が一致した瞬間にオンとされる高速応答可能な無電圧接点とした電流−電圧特性を備え、
各双方向ACスイッチの入力側および出力側の電圧を計測する計測装置が設けられ、
開閉指令信号と各双方向ACスイッチの入力側および出力側の電圧計測結果とから各双方向ACスイッチのオン・オフ処理を行う制御回路を備え、
当該制御回路が、開閉指令信号オンの時で三相交流入力側装置と出力側装置との間に投入状態にある時に、3つの双方向ACスイッチの入力側と出力側の電圧が同時に、もしくは時間遅れをおいて一致した瞬間の電圧が計測された時に各相の双方向ACスイッチにオンし、各相の計測された電圧差から、各双方向ACスイッチに流れている電流値を計算し、該電流値と規定値との比較によって該電流値が規定値を越える時にすべての双方向ACスイッチをオン状態からオフ状態にして、投入状態から開放状態を形成すること
を特徴とする半導体遮断器。 In a semiconductor circuit breaker comprising a semiconductor switch arranged on a power supply line for supplying power from a three-phase AC input side device to an output side device,
A semiconductor switch is provided with a bidirectional AC switch by three SiC-MOSFETs installed independently for each phase of the three-phase alternating current provided in each power supply line for supplying power of each phase. The switch has a current-voltage characteristic that is a no-voltage contact capable of high-speed response that is turned on at the moment when the input side voltage and the output side voltage match with each other with 20 or more connected in parallel at a maximum current of 100A.
A measuring device for measuring the voltage on the input side and output side of each bidirectional AC switch is provided,
A control circuit for performing ON / OFF processing of each bidirectional AC switch from the open / close command signal and the voltage measurement results on the input side and output side of each bidirectional AC switch,
When the control circuit is in the on state between the three-phase AC input side device and the output side device when the open / close command signal is ON, the voltages on the input side and the output side of the three bidirectional AC switches are simultaneously or When the voltage at the moment of coincidence is measured with a time delay, the bidirectional AC switch of each phase is turned on, and the current value flowing through each bidirectional AC switch is calculated from the measured voltage difference of each phase. The semiconductor circuit is characterized in that when the current value exceeds a specified value by comparing the current value with a specified value, all bidirectional AC switches are turned from the on state to the off state to form the open state from the on state. vessel.
半導体スイッチが、各相の電力を供給する各電力供給線に設けられた三相交流の各相に対して独立に設置した3つのSiC−MOSFETによる双方向ACスイッチが備えられ、各双方向ACスイッチは、20個以上並列接続されて、入力側と出力側の電圧が一致した瞬間にオンとされる高速応答可能な無電圧接点とした電流−電圧特性を備え、各双方向ACスイッチの出力側は短絡され、
各相の双方向ACスイッチの三相交流入力側および直流出力側の電圧を各計測する計測装置が設けられ、
開閉指令信号と電圧差計測結果から各双方向ACスイッチのオン・オフ処理を行う制御回路を備え、
当該制御回路が、開閉指令信号オンの時で投入状態にある時に、各相の双方向ACスイッチの入力側の電圧を計測し、最も高い電圧となっている相を選定し、直流出力側電圧を計測し、最も高い相電圧が直流出力電圧に一致した瞬間にオンし、最も高い相電圧>直流出力電圧の条件が成り立つ状態で、対応する相の双方向ACスイッチをオン状態継続し、直流出力側電圧を生成し、他の2相の双方向ACスイッチをオフ状態にして、正出力半波整流を行うこと
を特徴とする半導体遮断器。 In a semiconductor circuit breaker comprising a semiconductor switch arranged on a power supply line for supplying power from a three-phase AC input side device to an output side device,
A semiconductor switch is provided with a bidirectional AC switch by three SiC-MOSFETs installed independently for each phase of the three-phase alternating current provided in each power supply line for supplying power of each phase. 20 or more switches are connected in parallel, and have a current-voltage characteristic that is a non-voltage contact capable of high-speed response that is turned on at the moment when the voltages on the input side and the output side coincide with each other. The side is short-circuited,
A measuring device for measuring the voltages on the three-phase AC input side and DC output side of the bidirectional AC switch for each phase is provided,
It has a control circuit that performs on / off processing of each bidirectional AC switch from the open / close command signal and the voltage difference measurement result,
When the control circuit is in the on state when the open / close command signal is on, measure the voltage on the input side of the bi-directional AC switch of each phase, select the phase with the highest voltage, and select the DC output side voltage Is turned on at the moment when the highest phase voltage coincides with the DC output voltage, and the bidirectional AC switch of the corresponding phase is kept on in the state where the highest phase voltage> DC output voltage is satisfied. A semiconductor circuit breaker characterized by generating an output side voltage and turning off the other two-phase bidirectional AC switch to perform positive output half-wave rectification.
半導体スイッチが、各相の電力を供給する各電力供給線に設けられた三相交流の各相に対して独立に設置した3つのSiC−MOSFETによる双方向ACスイッチが備えられ、各双方向ACスイッチは、最大電流100Aで、20個以上並列接続されて、入力側と出力側の電圧が一致した瞬間にオンとされる高速応答可能な無電圧接点とした電流−電圧特性を備え、各双方向ACスイッチの出力側は短絡され、
各相の双方向ACスイッチの三相交流入力側および直流出力側の電圧を各計測する計測装置が設けられ、
開閉指令信号と電圧差計測結果から各双方向ACスイッチのオン・オフ処理を行う制御回路を備え、
当該制御回路が、開閉指令信号オンの時で投入状態にある時に、各相の双方向ACスイッチの入力側の電圧を計測し、最も低い電圧となっている相を選定し、直流出力側電圧を計測し、最も低い相電圧が直流出力電圧に一致した瞬間にオンし、最も低い相電圧<直流出力電圧の条件が成り立つ状態で、対応する相の双方向ACスイッチをオン継続し、他の2相の双方向ACスイッチをオフ状態にして、負出力半波整流を行うこと
を特徴とする半導体遮断器。 In a semiconductor circuit breaker comprising a semiconductor switch arranged on a power supply line for supplying power from a three-phase AC input side device to an output side device,
A semiconductor switch is provided with a bidirectional AC switch by three SiC-MOSFETs installed independently for each phase of the three-phase alternating current provided in each power supply line for supplying power of each phase. The switch has a current-voltage characteristic that is a no-voltage contact that can be turned on at the moment when the input side voltage and the output side voltage coincide with each other with 20 or more connected in parallel at a maximum current of 100A. The output side of the direction AC switch is short-circuited,
A measuring device for measuring the voltages on the three-phase AC input side and DC output side of the bidirectional AC switch for each phase is provided,
It has a control circuit that performs on / off processing of each bidirectional AC switch from the open / close command signal and the voltage difference measurement result,
When the control circuit is in the on state when the open / close command signal is on, measure the voltage on the input side of the bi-directional AC switch of each phase, select the phase with the lowest voltage, and select the DC output side voltage Is turned on at the moment when the lowest phase voltage matches the DC output voltage, and the bi-directional AC switch of the corresponding phase is kept on while the condition of the lowest phase voltage <DC output voltage is satisfied. A semiconductor circuit breaker characterized in that a two-phase bidirectional AC switch is turned off to perform negative output half-wave rectification.
半導体スイッチが、各相の電力を供給する各電力供給線に設けられた三相交流の各相に対して独立に設置した3つのSiC−MOSFETによる双方向ACスイッチが備えられ、各双方向ACスイッチは、最大電流100Aで、20個以上並列接続されて、入力側と出力側の電圧が一致した瞬間にオンとされる高速応答可能な無電圧接点とした電流−電圧特性を備え、各双方向ACスイッチの出力側は短絡され、
各相の双方向ACスイッチの三相交流入力側および直流出力側の電圧を各計測する計測装置が設けられ、
開閉指令信号と電圧差計測結果から各双方向ACスイッチのオン・オフ処理を行う制御回路を備え、
出力電圧設定値を制御回路に設定する出力電圧設定回路を備え、
当該制御回路が、開閉指令信号オンの時で投入状態にある時に、各相の双方向ACスイッチの入力側の電圧を計測し、最も高い電圧となっている相を選定し、直流出力側電圧を計測し、最も高い相電圧>直流出力電圧の条件が成り立ち、直流出力電圧が出力設定電圧に一致する瞬間にオンし、直流出力電圧<出力設定電圧の状態で、オン継続し、オン直流出力側電圧を生成し、直流出力電圧>出力設定電圧の状態の時に、オフし、他の2相の双方向ACスイッチについても同一条件でオン・オフすることで、正出力半波整流を行うこと
を特徴とする半導体遮断器。 In a semiconductor circuit breaker comprising a semiconductor switch arranged on a power supply line for supplying power from a three-phase AC input side device to an output side device,
A semiconductor switch is provided with a bidirectional AC switch by three SiC-MOSFETs installed independently for each phase of the three-phase alternating current provided in each power supply line for supplying power of each phase. The switch has a current-voltage characteristic that is a no-voltage contact that can be turned on at the moment when the input side voltage and the output side voltage coincide with each other with 20 or more connected in parallel at a maximum current of 100A. The output side of the direction AC switch is short-circuited,
A measuring device for measuring the voltages on the three-phase AC input side and DC output side of the bidirectional AC switch for each phase is provided,
It has a control circuit that performs on / off processing of each bidirectional AC switch from the open / close command signal and the voltage difference measurement result,
Equipped with an output voltage setting circuit that sets the output voltage setting value in the control circuit,
When the control circuit is in the on state when the open / close command signal is on, measure the voltage on the input side of the bi-directional AC switch of each phase, select the phase with the highest voltage, and select the DC output side voltage Is turned on at the moment when the condition of the highest phase voltage> DC output voltage is met, and the DC output voltage matches the output setting voltage, and the DC output voltage is less than the output setting voltage. Generates a side voltage, turns off when DC output voltage> output set voltage, and turns on / off the other two-phase bidirectional AC switches under the same conditions to perform positive output half-wave rectification A semiconductor circuit breaker characterized by
各双方向ACスイッチの出力側は短絡され、
各相の双方向ACスイッチの三相交流入力側および直流出力側の電圧を各計測する計測装置が設けられ、
開閉指令信号と電圧差計測結果から各双方向ACスイッチのオン・オフ処理を行う制御回路を備え、
出力電圧設定値を制御回路に設定する出力電圧設定回路を備え、
当該制御回路が、開閉指令信号オンの時で投入状態にある時に、各相の双方向ACスイッチの入力側の電圧を計測し、最も低い電圧となっている相を選定し、直流出力側電圧を計測し、最も低い相電圧<直流出力電圧の条件が成り立ち、直流出力電圧が出力設定電圧に一致した瞬間にオンし、直流出力電圧<出力設定電圧の状態で、オン継続して、オン直流出力側電圧を生成し、直流出力電圧>出力設定電圧の状態の時に、オフし、他の2相の双方向ACスイッチについても同一条件でオン・オフすること、負出力半波整流を行うこと
を特徴とする半導体遮断器。 In a semiconductor circuit breaker having a semiconductor switch arranged on a power supply line for supplying power from a three-phase AC input side device to an output side device, a semiconductor switch is provided on each power supply line for supplying power of each phase. In addition, two bidirectional AC switches by three SiC-MOSFETs installed independently for each phase of the three-phase alternating current are provided, and each of the bidirectional AC switches is connected in parallel at a maximum current of 100 A, and the input side It has a current-voltage characteristic that is a non-voltage contact that can be turned on at the moment when the output side voltage matches and
The output side of each bidirectional AC switch is short-circuited,
A measuring device for measuring the voltages on the three-phase AC input side and DC output side of the bidirectional AC switch for each phase is provided,
It has a control circuit that performs on / off processing of each bidirectional AC switch from the open / close command signal and the voltage difference measurement result,
Equipped with an output voltage setting circuit that sets the output voltage setting value in the control circuit,
When the control circuit is in the on state when the open / close command signal is on, measure the voltage on the input side of the bi-directional AC switch of each phase, select the phase with the lowest voltage, and select the DC output side voltage When the condition of the lowest phase voltage <DC output voltage is satisfied and the DC output voltage matches the output setting voltage, it is turned on at the moment when the DC output voltage is less than the output setting voltage. Generate output side voltage, turn off when DC output voltage> output set voltage, turn on / off other two-phase bidirectional AC switch under the same conditions, perform negative output half-wave rectification A semiconductor circuit breaker characterized by
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