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大電力光トリガサイリスタの開発と実用化

  • 写真なし大橋 弘通
  • 写真なし小林 淳男
  • 写真なし松田 秀雄
光トリガサイリスタペレットのカソード側パターン

写真1 光トリガサイリスタペレットのカソード側パターン

LEDとライトガイドを取付けた光トリガサイリスタの外観

写真2 LEDとライトガイドを取付けた光トリガサイリスタの外観

水冷式光トリガサイリスタモジュール

写真3 水冷式光トリガサイリスタモジュール

光トリガサイリスタモジュールを組み込んだ125kV-1200A水冷バルブ

写真4 光トリガサイリスタモジュールを組み込んだ125kV-1200A水冷バルブ

高電圧電力変換装置における点弧方式の比較

図1 高電圧電力変換装置における点弧方式の比較

サイリスタの高耐圧・大容量化の変遷

図2 サイリスタの高耐圧・大容量化の変遷

 昭和55年に4kV-1500A定格の光トリガサイリスタ(Light Triggered Thyristor)を開発、さらに同素子で電力変換装置への適応技術を開発し、6直列からなる光トリガサイリスタモジュールを完成させた。このモジュールを使用し、昭和56年から昭和57年にかけ世界で初めて大電力光トリガサイリスタの実用化試験を行い成功した。

 電源立地の遠隔化、電力の広域運営に伴い、世界的に直流送電(High Voltage Direct Current(HVDC) Transmission systems)技術がクローズアップされている。周波数変換装置(Frequency Conversion systems)や直流送電装置等の高電圧電力変換装置ではサイリスタが多数個直列接続されるため主回路と制御回路との絶縁が重要となる。光トリガサイリスタは高い耐ノイズ性・耐絶縁性を有するため、直流送電などの高電圧電力変換装置に光トリガサイリスタが適用されると、装置に使用される部品点数が約10%に激減し、システム全体の高信頼性化、小型化、保守の容易化等が図れる。

 サイリスタの高耐圧・大容量化は70年代までは一般の電気トリガサイリスタでなされてきたが、80年代以降は光トリガサイリスタで高耐圧・大容量化が進められた。これは、上記理由から、直流送電などの高電圧変換装置にはもっぱら光トリガサイリスタが採用されるようになったことによる。

 光トリガサイリスタの受光部(Light Sensitive Area)は、深いN-エミッタ構造と反射防止膜形成により、光トリガ感度は非常に高く、立上りの急峻な電圧などのノイズに対する耐量も高い。独自の特殊受光部構造と多段増幅ゲート構造(Multi Amplifying Gate Structure)により、光信号を受けてから主電流がウェーハ全面に流れるまでの時間が短く順電流上昇率に対する耐量が高い。光トリガサイリスタは、ライトガイドを介し取付けられているLEDからの信号で点弧する。二重の光信号で制御系の信頼性も高くなっている。

 15個の電気トリガサイリスタモジュールと1個の光トリガサイリスタモジュールにより構成された125kV-1200Aの水冷バルブを電源開発(株)佐久間周波数変換所でフィールドテストした。良好な結果が得られ実用化に成功した。

 光トリガサイリスタは、周波数変換装置や直流送電の他、無効電力補償装置(Static Var Compensators)や高電圧電動機ドライブ等他の電力変換装置・ドライブ装置への適用も期待できる。

 本研究の成果に対して、電気学会は、1984年、大橋 弘通((株)東芝) 、小林 淳男((株)東芝) 、松田 秀雄((株)東芝)に電気学術振興賞(進歩賞)を贈った。

文献

[1] 大橋弘通、松田秀雄、他、大容量光トリガサイリスタ、1980年、東芝レビュー、33巻、12号
[2] H.Ohashi, et al.、Novel gate structure for high voltage light-triggered thyristor、1981年、13回 固体素子コンファレンス
[3] 大橋弘通、松田秀雄、他、大電力光トリガサイリスタ、1981年、電子通信学会技報 ED81-1
[4] S.Kobayashi, et al.、Performance of high voltage light triggered thyristor valve、1983年、IEEE Trans. on PAS, PAS-102
[5] 松田秀雄、角田良明、他、6kV-1200A光トリガサイリスタ、1983年、東芝レビュー、38巻、5号
[6] 大橋弘通、小倉常雄、他、8kV-1.2kA光サイリスタ、1983年、電気学会全国大会
[7] 小倉常雄、大橋弘通、他、光サイリスタの高耐圧化、1983年、電気学会研究会 SPC-83-31
[8] H.Ohashi, et al.、Design consideration for high power overvoltage self-protected thyristor、1983年、IPEC-Tokyo '83
[9] 小林淳男、高橋忠、光サイリスタの直流送電への応用、1983年、東芝レビュー、38巻、5号
[10] 小林淳男、堀内恒郎、木田橋努、光サイリスタバルブの直流送電への応用、1983年、OHM 1983/8
[11] S. Kobayashi et al.、125Kv-1800A LIGHT-TRRIGERD THYRISTOR VALVE FOR HVDC TRANSMISSION、1984年、International conference on DC power transmission 84 Montreal, Quebec, Canada

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光トリガサイリスタ、耐絶縁性、高信頼性、パワーエレクトロニクス、直流送電
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