JPH0318220A - 半導体回路を電源上の過渡現象から保護する装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、半導体回路を電源上の過渡現象力）ら保護す
る装置に関連する。

［従来の技術コ 電子回路をその電源ラインに生じる電圧ヒ゜ークなどの
過渡現象から保護するために、・ンエナーダイオードを
電源間に接続することにより、電圧をその電圧が供給さ
れる回路にとって危険でない値に制限する方法が知られ
てレ）る。この場合過渡現象が終了すると、ツエナーダ
イオードのその後の電圧は自動的に通常の値に戻る。

“ツェナー゜゜タイブと呼ばれるこの保護方法は、自分
自身を自動的にトリガーし、過渡現象の期間中電圧が供
給される側の回路の動イ乍を維持するとともに、過渡現
象が終了すると再び自動的に正常な電圧供給状態に回復
するとレ）う牙ＩＪ点がある。一方この方法では、・ン
エナーダイオ一ドによって瞬間的に高くなった電力を消
費させなければならず、これによってツエナーダイオー
ドが焼き切れる恐れがあるという欠点がある。更にツエ
ナーダイオードの動作インヒ゜−ダンスがゼロでないの
で、ツエナーダイオード内を大きな電流が流れた場合に
はその制限電圧が降伏電圧よりも高くなることがあり、
電圧が供給される側の回路に損傷を与える可能性がある
という欠点がある。

この他の保護方法としては゛クロー１＜　−（　ＣＲＯ
ＷＢＡＲ）　”タイプと呼ばれるものがあり、これは過
渡現象のエネルギーをアースへ放電し電源電圧を短絡さ
せる。かかる保護方法にはＳＣＲまたはトライアツクが
よく用いられ、これらは共に電圧自身によって、または
コントロール回路からコントロール電極にパルス信号が
与えられることによってトリガーされる。周知のように
これらは一旦トリガーされると、これらにかかる電圧が
反転するか、またはこれらを流れる電流が制限値以下に
下がるまでオフになることはない。通常かかる種類の保
護方法では１・ライアックやＳＣＲに長時間過剰の電流
か流れるのを防ぐために、電源゛に直列に接続されたヒ
ューズか切断される。

したがってクローバータイプの保護方法は、大きい、若
しくは長時間にわたる過渡現象に対しても安全度は高い
反面、オフにすることか困難であること、エネルキー量
が小さい過渡現象に対しても供給される側の回路動作が
中断すること、及びヒューズが切断されたときにはこれ
を交換する必要かあることなとの欠点がある。

［発明の目的］ 本発明の目的は、ツェナータイプとクローバータイプの
両方の長所を持つとともにこれらの欠点を持たず、過渡
現象の持続時間及ひ強さが小さいときには電源電圧を、
安全か確保される最大電圧値以下に制限し、またこれと
は逆に過渡現象か長時間続きエネルキー量も大きいとき
には電源電圧をアースに短絡させ、更にどの様な場合に
も過渡現象か終ったときには通常の動作状態に復帰する
ような、半導体回路を電源上の過渡現象から保護する装
置を提供することてある。

本発明は、半導体回路を電源上の過渡現象から保護する
装置によって、上記の目的及びこれ以外の目的を達成し
、以下に述へる説明において明らかとなる利点を有する
。

［目的を達成するための手段］ 本発明は、電源端子に接続され、電源から供給される電
圧が予めセットした値を越えたときには前記端子間の電
圧を一定に維持するよう電流を流し、そのインピーダン
スを非常に高い値と非常に低い値との間で変化するよう
コントロルされる第１の回路手段と： 前記第１の回路手段において消費されるエネルギーレベ
ルを検出し、前記レベルが予めセットした値を越えたと
きには信号を出力する第２の回路手段と 前記第２の回路手段の出力信号が入ってから所定の期間
にわたり前記第１の回路手段か非常に低いインピーダン
ス値となるよう前記第１の回路手段をコントロールする
如き、前記第２の回路手段の出力信号によってコントロ
ールされる第３の単安定回路手段と を具備することを特徴とする。

本発明のその他の有利な特徴としては、前記第１の回路
手段は、電源端子に接続された少なくとも一つのツエナ
ーダイオード２５からなるインピータンス、及び電源端
子に接続された電子スイッチ１８からなり、その抵抗値
が非常に高い値から非常に低い値まで変化するようコン
トロールされる。

本発明のその他の有利な特徴としては、前記第２の回路
手段は、電子パワースイッチにおいて消費されるエネル
ギーを計算する装置、及び前記計算する装置の出力を受
け取るよう接続されこの出力信号を前記第３の単安定回
路手段に供給する第１のスレッショルド装置からなる。

更に本発明のその他の有利な特徴としては、前記消費さ
れるエネルギーを計算するための装置は、前記電子スイ
ッチに直列に接続された抵抗、前記スイッチと抵抗の間
の接続点によって駆動される第１のスレッショルド装置
、前記第１のスレッショルド装置によってコントロール
される傾斜信号（ｒａｍｐ）発生器、前記傾斜信号発生
器の出力、上記スイッチと抵抗との間の接続点、及び供
給電圧に接続された乗算器からなる。

変形例としては、前記消費されるエネルギーを計算する
装置は前記電子スイッチの温度を検出するよう配置され
た熱センサからなる。

木発明のその他の有利な特徴としては、保護装置は更に
、パワースイッチと抵抗との間の接続点に接続された第
２のスレッショルド装置を有し、その出力はＯＲ（論理
和）モードで前記第３の単安定回路手段に供給される。

［発明の実施例］ 以下、本発明を具体化した例を添付図面を参照しつつ詳
しく説明するが、これらは限定的なものではない。

１０ 第１図のグラフは、本発明の目的に従う保護システムの
端子において、電流■と電圧Ｖが理想的には連続的でな
ければならないという法則をプロットしたものである。

保護装置の中の電流■が小さい場合にはＡに示す部分の
動作特性に従い、ツェナータイブとなる。一方、電流の
大きさ及び時間が安全なレベルを越えたとすると、シス
テムはＢの部分の特性にシフトして電圧Ｖを短絡させ、
クローバータイプの動作をしなければならない。

第２図に示す本発明の第１の具体例において、整流器ブ
リッジ１０には交流電圧が供給され、その出力である２
つの導線１２．１４には整流された電圧が生じる。この
導線の間には電解コンデンサ１６が接続され、安定化さ
れていない電圧Ｖｓを与える通常の連続電圧電源となる
。

導線１２．１４の間にはＩＧＢＴ（ゲート絶縁型バイボ
ーラ・トランジスタ）１８などの電子スイッチが接続さ
れ、導線１２と１４との問に小さい抵抗２０が直列に挿
入されている。

ＴＧＢＴ１８のコントロール電極（またはゲート）２２
は、一方で抵抗２４を介して導線１４と接続され、他方
で２つまたはそれ以上の直列に配置されたツェナーダイ
オード２５を介して導線１２に接続されている。ＩＧＢ
Ｔ１８のゲート２２はバッファ２８を介してフリップフ
ロップ２６の出力Ｑによってコントロールされる。

抵抗２０の両端にはＩ　ＧＢ７　１　８を通って流れる
電流レベルＩｖに対応する電圧が生じる。

この信号は第１のコンパレータ３０に供給され、コンパ
レータ３０はこの信号をツェナーダイオード３２により
発生される基準値と比較する。このコンパレータの出力
はＯＲゲート３４を介してフリップフロップ２６のセッ
ト入力をコントロールする。

電流Ｉｖは第２のコンパレータ３６の入力にも流れ、こ
のコンバレータによってツェナーダイオード３８により
発生される基準電圧（ツェ１１ １　２ ナーダイオード３２によって発生される基準電圧よりも
小さい）と比較される。第２のコンパレータ３６の出力
は傾斜信号発生器４０に接続され、出力信号によってこ
の動作を開始させる。したがって傾斜信号発生器４０の
出力電圧は、ＩＧＢＴ１８が導通を開始した瞬間以降の
時間の経過に比例する。

最後に、電流■。はまたアナログ乗算器４２の入力の一
つにも供給され、この乗算器には他に傾斜信号発生器４
０により発生する傾斜信号、及び導線１２と１４の間に
生じる整流された供給電圧ｖｓが供給される。したがっ
て乗算器４２の出力は、ＩＧＢＴ１Ｂ内の電流と供給電
圧の時間とを掛けた値を、傾斜信号が生じた瞬間、すな
わち電流工。が生じた瞬間を始点として積分したものに
比例する。したがってこの積分は、ＩＧＢＴが上記の瞬
間から吸収する全エネルギーＥＤを示すことになる。

その後エネルギー信号ＥＩ，は第３のコンパレータ４４
によってツェナーダイオード４６により発生される基準
電圧と比較される。この基準電圧はＩＧＢＴ１８がその
動作中にツェナーダイオードとして消費することのでき
る最大エネルギーに対応する。このスレッショルドが越
えられた場合にはコンパレータ４４は信号を発生し，Ｏ
Ｒゲート３４を介してフリップフロップ２６のセット入
力をコントロールする。

コンパレータ３０及びコンバレータ４４の出力信号はと
もにタイマー４８に供給される。このタイマー４８はＩ
ＧＢ７１Ｂが導通し続けることができる最大時間に対応
する所定の時間間隔をカウントするようにセットされて
いる。タイマー４８の出力はフリップフロップ２６のリ
セット入力に接続されている。

周知のように、ＩＧＢ７１８はゲートによって容易にオ
ン／オフ動作を行うことができる。

この点に関してはＭＯＳ型の素子と等価だからである。

同時に流せる電流の許容量はバイボーラトランジスタと
同程度に大きい。したがって上に説明した第２図の回路
の動作は以下のようになる。

［作　　　用］ 電圧■，において過渡現象が生じると、ツェナーダイオ
ード２５によってＩＧＢ７１８はオンとされ、そのゲー
トー卜レイン間電圧をツェナーダイオード２５の電圧の
合計の値に制限する。この段階でＩＧＢ７１８は、非常
に低い動作インピーダンスを持つツェナー・パワー・ダ
イオードのようにふるまう。もしも過渡現象の持続時間
又は／及びエネルギー量が小さいならば、ＩＧＢＴ内で
消費されるエネルギーは危険な値に達することはなく、
電流レベルＩＤの信号はツェナーダイオード３２のスレ
ッショルドもツエナーダイオード３８のスレッショルド
も越えない。過渡現象が終了するとＩＧＢＴは再びオフ
となり、回路全体は通常の動作状態に復帰する。

ところがもしも抵抗２０の端子において生じる信号Ｉ，
かツェナーダイオード３２のスレッショルドを越えると
、フリップフロップ２６がセットされる。この信号Ｉｏ
はコンパレータ３０をスイッチする程大きくはないが、
ツエナーダイオード３８のこれよりも小さいスレッショ
ルドを越える場合には、Ｉ　ＧＢＴ内で消費される全エ
ネルギーの計算がスタートし、このエネルギーがツェナ
ーダイオード４６によって規定されるスレッショルドを
越えるときには、上記と同様にフリップフロップ２６が
セットされる。理由は異なるが、これらのいずれの場合
も消費されるエネルギーがＩ　ＧＥＴ　１　Ｂにとって
危険な状態に対応し、Ｔ　ＧＢＴは低インピーダンスの
導通状態とされ、電源をアースに短絡させる。

別々にフリップフロップ２６をセットするコンパレータ
３０及び４４の出力信号はタイマー４８をもスタートさ
せ、これは所定の時間が経過したときにはいつでもフリ
ップフロップ２６をリセットしてＩ　ＧＢＴのゲートか
ら駆動信号を取り除く。この間に過渡現象が終了してい
ない場合には、ツェナーダイオード２５は再び１５ １６ ＩＧＢＴ１８を瞬間的にオンにスイッチングし、その後
は必要に応じて上で説明したサイクルを繰り返す。

このコントロール回路がＩＧＢＴのクローバー動作の期
間中においても動作できることを保証するために、保護
されなければならない時間が非常に短いことを考慮して
、この分野の専門家にとって明らかな方法で、電源に別
に電解コンデンサが設けられる。

第３図において第２図と等しい素子には同じ番号が付し
てある。同図は本発明の第２の具体例を示している。こ
の例は第２図に示すものとほとんど同じであるが、エネ
ルギー信号ＥＤを計算するための回路がなく、その代り
に熱センサー５０がＩＧＢ７１Ｂの温度を計ってその信
号ヲコンパレータ４４に供給するように配置されている
点が異なる。このような配置は、実際上の効果としては
エネルギーを計算することと同じであるかまたは非常に
近いものであり、回路の動作としては同様の結果となる
。

［変　　型　　例コ 上で説明した二つの具体例に対して別の変形を施すこと
もできる。例えば、ＩＧＢ７１８を他の電子パワースイ
ッチ、例えばＭＯＳトラジスタやバイボーラトランジス
タその他の等価な回路素子になどに置き換えたり、また
はタイマー４８の機能としてフリップフロップとタイマ
ーとを単安定手段その他のやり方に置き換えることがで
きる。まｋ傾斜信号発生器及び乗算器も、ＩＧＢＴのエ
ネルギー消費レベルを非常に近似的なものでもよいから
測定することのできる他の色々な手段に置き換えること
ができる。またコンパレータ３０やツェナーダイオード
３２その他の機能も、これら装置の有用性を全体的に保
持しておいて、排除することができる。

上で述べた全ての変型例やこれ以外のすべての変型例も
、本発明の概念の範囲内に含まれるものと考えられるべ
きである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の過渡現象保護装置に要求される理想的
な動作特性をプロットしたグラフ、第２図は本発明の過
渡現象保護装置の第１の好ましい具体例を示した回路図
、第３図は本発明装置の第２の好ましい具体例を示す回
路図である。 １２．１４・・・電源導線 １６・・・電解コンデンサ １８・・・Ｉ　ＧＢＴ ２５・・・ツェナーダイオード ３０．３６・・・コンパレータ ２６・・・フリップフロップ ３２．３８・・・ツェナーダイオード ４０・・・乗算器 ４４・・・コンパレータ ４Ｂ・・・タイマー ５０・・・熱センサー １ ９

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １電源端子に接続され、電源から供給される電圧が予め
   セットした値を越えたときには前記端子間の電圧を一定
   に維持するよう電流を流し、インピーダンスが非常に高
   い値と非常に低い値との間で変化するようコントロール
   される第１の回路手段（１８、２４、２５）と；前記第
   １の回路手段において消費されるエ ネルギーレベルを検出し、前記レベルが予めセットした
   値を越えたときには信号を出力する第２の回路手段（２
   ０、３６、３８、４０、４２、４４、４６、第２図；５
   ０、４４、４８、第３図）と； 前記第２の回路手段の出力信号が入ってか ら所定の期間にわたり前記第１の回路手段が非常に低い
   インピーダンス値となるよう前記第１の回路手段をコン
   トロールするよう前記第２の回路手段の出力信号によっ
   てコントロールされる第３の単安定回路手段（２６、２
   ８、４８）と： を具備することを特徴とする半導体回路を電源上の過渡
   現象から保護する装置。 ２、請求項１記載の保護装置において、前記第１の回路
   手段は、電源端子に接続された少なくとも一つのツェナ
   ーダイオード（２５）からなるインピーダンス、及び電
   源端子に接続された電子スイッチ（１８）からなり、そ
   の抵抗値が非常に高い値から非常に低い値まで変化する
   ようコントロールされることを特徴とする保護装置。 ３、請求項２記載の保護装置において、前記インピーダ
   ンスは、抵抗に直列に接続された少なくとも一つのツェ
   ナーダイオードからなることを特徴とする保護装置。 請求項３記載の保護装置において、前記少 なくとも一つのツェナーダイオードと前記抵抗との間の
   接続点が前記電子パワースイッチのコントロール電極に
   接続されていることを特徴とする保護装置。 ５請求項２乃至４記載のうちいずれか一つの保護装置に
   おいて、前記第２の回路手段は電子スイッチ内で消費さ
   れるエネルギーを計算する装置、及びこの計算装置の出
   力を受けるよう接続されその出力信号を前記第３の単安
   定回路手段に供給するようにしたスレッショルド装置（
   ４４、４６）からなることを特徴とする保護装置。 ６請求項５記載の保護装置において、前記散逸するエネ
   ルギーを計算する装置は、前記電子スイッチに直列に接
   続された抵抗（２０）、前記電子スイッチと前記抵抗と
   の間の接続点によって駆動される第１のスレッショルド
   装置（３６、３８）、前記第１のスレッショルド装置に
   よってコントロールされる傾斜信号発生器 （４０）、前記傾斜信号発生器の出力、前記接続点及び
   出力電圧に接続された乗算器からなることを特徴とする
   保護装置。 ７請求項５記載の保護装置において、前記消費エネルギ
   ー計算装置は、前記電子スイッチの温度を検出するよう
   配置された熱センサー（５０）からなることを特徴とす
   る保護装置。 ８請求項５記載の保護装置において、更に、電子スイッ
   チと抵抗との間の接続点に接続され、出力信号が前記第
   ２の単安定回路手段に供給される第２のスレッショルド
   装置（３０、３２）を有することを特徴とする保護装置
   。 ９請求項２乃至８記載のうちいずれかひとつの保護装置
   において、前記第３の単安定回路手段は、セット入力及
   びリセット入力を持つ双安定回路（２６、２８）、及び
   この双安定回路のリセット入力に接続された出力を持っ
   たタイマー（４８）からなることを特徴とし、前記第２
   の回路手段の出力信号がタイマーのコントロール人力及
   び双安定回路のセット入力に供給されることを特徴とす
   る保護装置。 １０請求項２乃至９記載のうちのいずれかひとつの保護
   装置において、前記電子スイッチがＩＧＢＴであること
   を特徴とする保護装置。