JPH04190623A - 半導体応用電子機器のサージ保護装置 - 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〕 この発明は、交流または直流の電源系から半導体応用電
子機器に移行する異常電圧サージにより、半導体応用電
子機器が誤動作したり、半導体素子が絶縁破壊する等の
トラブルを防止するために、半導体応用電子機器の線路
端に設けられるサージ保護装置の構成に関する。

〔従来の技術〕

近年エレクトロニクス技術の進歩により、ＩＣやマイコ
ンチップを搭載した半導体応用電子機器（以下電子機器
と略称する）が各方面で使用されるようになってきた。

電子機器に使用される半導体部品は高集積化され、機器
の小型化、軽量化。

機能拡大などの効果を発揮しているが、その反面異常電
圧サージ（以下サージと略称する）に対して必ずしも十
分な性能を保持していない、そこで、電子機器内部にサ
ージ保護装置を設けて上記トラブル彎防止する保護対策
が重要な課題となっている。

サージの発生源としては、雷放電により電源線。

制御線、計装線等の線路に発生する誘導サージ、電力系
統の遮断器、断路器、負荷開閉器の動作時に発生し、変
圧器、ＰＴ、ＣＴ等を介して低圧線路に侵入する移行サ
ージ、低圧線路の有接点機器で発生する開閉サージ、ト
ランジスタ、サイリスタなどのパワースイッチング素子
で発生するスイッチングサージなど種々あるが、これら
のサージが電子機器に侵入する経路としては、電子機器
に電力を供給する電源線や、機器間を接続する制御線、
計装線などの線路が土床であり、従って、電子機器の線
路端にサージ保護装置を設けて、電子機器に侵入するサ
ージの電圧レベルを低減することが有効とされている。

第５図は従来のサージ保護装置を示す接続図であり、保
護される電子機器ｌはその線路端子５が、線路２を介し
て交流電源または直流電源３に接続され、電圧■なる電
力が電子機器１０半導体応用電子回路に供給される。ま
た、電子機器１の線路端子５の近（には、サージ保護素
子１１が並列接続される。

サージ保護素子１１には、主として酸化亜鉛サージアブ
ソーバ（ＺｎＯバリスタとも呼ぶ）が用いられる。Ｚｎ
ＯバリスタＩｆはその電圧−電流特性線図を第６図に示
すように、クリンプ電圧■ｃ（−Ｖｃ）で不連続に導通
状態となる電圧クリップ特性を有する。したがって、ク
リップ電圧ＶＣが電源電圧■より若干高いＺｎＯバリス
タを選ぶことにより、電源電圧Ｖに重畳して侵入したサ
ージ電圧Ｖｓがクリップ電圧Ｖｃを超えるとサージ電流
ＩｓをＺｎＯバリスタ１１側に側路し、サージ電圧Ｖｓ
をクリップ電圧Ｖｃに抑制するよう機能するので、サー
ジの侵入による電子機器の誤動作や半導体素子の損傷等
を回避することができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

ＺｎＯバリスタは、その保護動作時に発生する損失が、
クランプ電圧Ｖｃと側路するサージ電流Ｉｓの積に比例
する。ところが、電源電圧Ｖが加わる保護装置の場合、
電源電圧■に比例してクランプ電圧Ｖｃが高くなるため
、サージ耐量の大きいＺｎＯバリスタを使用しなければ
ならず、サージ保護装置の大型化やコスト上昇を招くと
いう欠点があり、かつサージ電圧Ｖｓを電源電圧以下に
低減できないという問題がある。

また、負性抵抗特性を持ったサージ吸収能力の高いサー
ジ保護素子も開発されているが、−旦動作すると電源電
流が流れ続けるために、低インピーダンス電源の場合に
は、電源が短絡状態となってしまうという問題があり、
その解決が求められている。

この発明の目的は、電源電圧の影響ガ軽減されて高いサ
ージ電圧の抑制効果が得られ、かっ続流の遮断機能を有
する半導体応用電子機器のサージ保護装置を得ることに
ある。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するために、この発明によれば、被検！
！電子機器の線路端近傍に接続され、線路側から侵入す
るサージ電圧を所定のレベル以下に抑制するものにおい
て、直列コンデンサおよび分圧コンデンサの直列体から
なる静電容量分圧器と、前記分圧コンデンサに並列接続
された負性抵抗特性を有するサージ保護素子とを備えて
なるものとする。

また、サージ保護素子がシリコンサージアブソーバであ
るものとする。

さらに、線路端が被保護電子機器に電力を供給する電源
系の入力端であり、この線路端の線間に静電容量分圧器
が接続されてなるもの、あるいは、線路端が被保護電子
機器に電力を供給する非接地電源系の入力端であり、こ
の線路端と接地系との間に静電容量分圧器が接続されて
なるものとする。

〔作用〕

電源電圧およびサージ電圧をコンデンサ分圧器で分圧し
、分圧コンデンサが分担するサージ電圧を、これに並列
接続されたサージ保護素子２例えばシリコンサージアブ
ソーバの負性抵抗特性を利用して低減するよう構成した
ことにより、コンデンサ分圧器の分圧比と、サージ保護
素子がブレークオーバして負性抵抗特性を示す電圧Ｖｂ
ｒの決め方により、サージ電圧Ｖｓを電源電圧より低い
ブレークオーバ電圧Ｖｂｒに近いレベルまで低減する機
能が得られる。また、サージ保護素子の動作時に電源電
圧の大部分を直列コンデンサが分担して電源系の短絡を
阻止するので、電源電圧の変動が抑制されるとともに、
サージ保護素子に流れるサージ電流があるレベル以下に
減少するとサージ保護素子はターンオフして保護動作の
待機状態を回復する。

一方、コンデンサ分圧器を線路の線間に接続すれば、線
間に加わる電源電圧を保持してサージ電圧を低減でき。

また、非接地電源系と接地線との間に接続すれば、対地
に漏れる電流をコンデンサが阻止した状態でサージ電圧
を抑制する機能が得られる。

〔実施例〕

以下、この発明を実施例に基づいて説明する。

第１図はこの発明の実施例になる半導体応用電子機器の
サージ保護装置を示す接続図であり、従来の装置と同じ
部分には、同一参照符号が付しである０図において、サ
ージ保護装置２０は、直列コンデンサ２２と２分圧コン
デンサ２３の直列体からなる静電容量分圧器２４と、分
圧コンデンサ２３に並列接続された負性抵抗特性を有す
るサージ保護素子２１とで構成され、電子機器１内部の
線路端子５に近い位置に配され、非有効接地系の電源線
路２の線間に接続される。

第２図は負性抵抗特性を有するサージ保護素子の電流−
電圧特性をシリコンサージアブソーバを例に示す特性線
図であり、電圧を零から正負いずれかの方向に上昇する
と、はぼ一定値の微小電流が電圧Ｖｂｒ近傍で電流１ｈ
に増加する傾向を示し、Ｖｂｒに達した時点でターンオ
ンして電圧Ｖｒに急減し、その後は電圧Ｖ「をほぼ維持
して電流のみが増加する負性抵抗特性を示す、電気抵抗
が不連続に急減する電圧Ｖｂｒをブレークオーバ電圧と
呼んでいる。

第１図において、直列コンデンサ２２の静電容量および
分担電圧を０１．ｖｌ、分圧コンデンサ２３のそれをＣ
２，Ｖ２とすると、電源電圧が交流電圧である場合、電
源電圧Ｖおよびサージ電圧ＶＳは静電容量分圧の原理に
基づき、次の各式のようにそれぞれの静電容量に逆比例
して電圧を分担する。

Ｖｌ　＝ＶＸＣ２／ＣＩ　　＋Ｃ２−・−（１）Ｖ２　
＝ＶＸＣ１／ＣＩ　　＋Ｃ２・　・・　（２）Ｖ２　／
Ｖｌ　＝ＣＩ　／Ｃ２・・・・・　（３）また、電源電
圧■が直流電圧である場合、電圧印加当初は過渡的電圧
を静電容量分圧するが、時間の経過に伴って抵抗分圧に
移行する。すなわち、分圧コンデンサ２３の蓄積電荷は
シリコンサージアブソーバ２１に常時流れる微小電流に
より放電するので、直流電圧の大部分を直列コンデンサ
２２が分担することになり、分圧コンデンサ２３は静電
容量分圧されたサージ電圧ＶＳ２のみを分担する。

第３図は実施例になるサージ保護装置のサージ保護動作
を示すタイムチャートであり、電源電圧Ｖが直流電圧Ｖ
ｄである場合を例に示しである。

図において、サージ保護装置２０に線路２から直流電圧
Ｖｄが定常的に印加された状態では、直流電圧Ｖｄは前
述のようにその殆どを直列コンデンサ２２が分担するの
で、線路が短絡状態となる事態が回避される。この状態
で、１１時点にピーク値Ｖｓなるサージ電圧１０が直流
電圧Ｖｄに重畳して侵入したと仮定する。サージ電圧Ｖ
ｓは静電容量分圧器２４の分圧比に基づき、直列コンデ
ンサ２２にＶＳＩ、分圧コンデンサ２３にＶＳ２の割合
で分圧される。このとき、ＶＳ２の立ち上がりの電圧が
シリコンサージアブソーバ２１のブレークオーバ電圧Ｖ
ｂｒに到達すると、アブソーバ２１はターンオンして負
性抵抗特性を示し、分圧コンデンサ２３を短絡状態とす
るので、サージ電圧はｖｒに低下する。そして、ＶＳ２
がＶｒ以下に低下した時点でシリコンサージアブソーバ
２１はターンオフして元の状態を回復する。

その結果、電子機器１に侵入するサージ電圧■Ｓの最大
値は、ブレークオーバ電圧Ｖｂｒと直列コンデンサ２２
が分担するサージ電圧■Ｓｌのピーク値の一部分との和
の電圧となり、かつその持続時間が著しく短縮されるの
で、電子機器１の誤動作や半導体素子に与える悪影響を
大幅に軽減することができる。また、大きなサージ低減
効果を得るためには、前述の３式における分圧比Ｃ１／
Ｃ２を大きくして分圧コンデンサ２３のサージ分担電圧
を高くすること、およびブレークオーバ電圧をなるべく
低く選んでサージ電圧ＶＳ２の低減量を増すことの二つ
の条件を満たす必要がある。ところが、分圧コンデンサ
２３は直流電圧Ｖｄを殆ど分担しないので、ＶＳ２＞Ｖ
ｂｒ　　の条件を満たすことが容易であり、したがって
大きなサージ電圧の抑制効果が得られる。

電源電圧が交流電圧である場合、分圧コンデンサ２３が
交流電圧を分担するので、この分担電圧より若干高いブ
レークオーバ電圧を有するシリコンサージアブソーバを
選ぶ必要がある。

第４図はこの発明の異なる実施例を示す接続図であり、
非接地系線路端子５と、接地線９との間にサージ保護装
置２０を接続した点が前述の実施例と異なっており、対
地サージ電圧を前述の実施例と同様に抑制することがで
きるとともに、直列コンデンサ２２が線路と大地を絶縁
する機能を有するので、線路の地絡事故を未然に防止で
きる利点が得られる。なお、線路の線間、対地間の双方
にサージ保護装置を設けてよいことは言うまでも無いこ
とである。

〔発明の効果〕

この発明は前述のように、電源電圧およびサージ電圧を
コンデンサ分圧器で分圧し、分圧コンデンサが分担する
サージ電圧をミこれに並列接続された負性抵抗特性を有
するサージ保護素子１例えばシリコンサージアブソーバ
の資性抵抗特性を利用して低減するよう構成した。その
結果、静電容量分圧器の分圧比と、サージ保護素子がブ
レークオーバして負性抵抗特性を示す電圧Ｖｂｒの決め
方により、サージ電圧Ｖｓを電源電圧より低いブレーク
オーバ電圧Ｖｂｒにまで抑制できるサージ保護装置、こ
とに直流電源線路から侵入するサージに対する抑制効果
が高いサージ保護装置を備えた半導体応用電子機器を提
供することができる。

また、サージ保護素子の動作時に電源電圧の大部分を直
列コンデンサが分担して電源系の短絡を阻止し、サージ
保護素子に流れるサージ電流があるレベル以下に減少す
るとサージ保護素子はターンオフして保護動作の待機状
態を回復するので、負性抵抗特性を有するサージ保護素
子の実用化を阻害していた従来技術の問題点が排除され
、したがって、線路電圧の安定供給に悪影響を及ぼすこ
となくサージ電圧を効果的に抑制でき、半導体応用電子
機器に対する保護機能の高いサージ保護装置を提供する
ことができる。

一方、コンデンサ分圧器を線路の線間に接続すれば、線
間に加わる電源電圧を安定に保持してサージ電圧を低減
できる。また、非接地電源系と接地線との間に接続すれ
ば、対地に漏れる電流をコンデンサが阻止した状態でサ
ージ電圧を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例になる半導体応用電子機器の
サージ保護装置を示す接続図、第２図はサージ保護素子
としてのシリコンサージアブソーバの負性抵抗特性を示
す特性線図、第３図は実施例になるサージ保護装置の動
作を示すタイムチャート、第４図はこの発明の異なる実
施例を示す接続図、第５図は従来の装置を示す接続図、
第６図は従来のサージ保護素子の電圧クリップ特性を示
す電圧−電流特性線図である。 ■・・半導体応用電子機器、２・・線路、３・・電源、
４・・線路端子、９・・接地線、ｌＯ・・サージ、１１
・・サージ保護素子、２０サージ保護装置、２１・・資
性抵抗特性を有するサージ保護素子（シリコンサージア
ブソーバ）、２２・・直列コンデンサ、２３・・分圧コ
ンデンサ、２４・・静電容量分圧器、Ｖｓ　　・・サー
ジ電圧、■。 Ｖｄ　　・−電源電圧、Ｉｓ　　・・サージ電流、Ｖｂ
ｒ・・ブレークオーバ電圧、ＶＳＩ、　　ＶＳ２・・分
圧した第２図 第３図 第５目 第６図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）被保護半導体応用電子機器の線路端近傍に接続され
   、線路側から侵入するサージ電圧を所定のレベル以下に
   抑制するものにおいて、直列コンデンサおよび分圧コン
   デンサの直列体からなる静電容量分圧器と、前記分圧コ
   ンデンサに並列接続された負性抵抗特性を有するサージ
   保護素子とを備えてなることを特徴とする半導体応用電
   子機器のサージ保護装置。 ２）サージ保護素子がシリコンサージアブソーバである
   ことを特徴とする請求項１記載の半導体応用電子機器の
   サージ保護装置。 ３）線路端が被保護半導体応用電子機器に電力を供給す
   る電源系の入力端であり、この線路端の線間に静電容量
   分圧器が接続されてなることを特徴とする請求項１記載
   の半導体応用電子機器のサージ保護装置。 ４）線路端が被保護半導体応用電子機器に電力を供給す
   る非接地電源系の入力端であり、この線路端と接地系と
   の間に静電容量分圧器が接続されてなることを特徴とす
   る請求項１記載の半導体応用電子機器のサージ保護装置
   。