JPH08308094A - ブレーカ装置 - Google Patents

ブレーカ装置

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JPH08308094A
JPH08308094A JP12702595A JP12702595A JPH08308094A JP H08308094 A JPH08308094 A JP H08308094A JP 12702595 A JP12702595 A JP 12702595A JP 12702595 A JP12702595 A JP 12702595A JP H08308094 A JPH08308094 A JP H08308094A
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JP
Japan
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current
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igbt
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output signal
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Pending
Application number
JP12702595A
Other languages
English (en)
Inventor
Tatsuya Murofushi
達也 室伏
Katsuhisa Kato
勝久 加藤
Toshihiko Onozawa
俊彦 小野沢
Shunichi Matsuda
俊一 松田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tektronix Japan Ltd
Original Assignee
Sony Tektronix Corp
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/12Modifications for increasing the maximum permissible switched current
    • H03K17/127Modifications for increasing the maximum permissible switched current in composite switches
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/10Modifications for increasing the maximum permissible switched voltage
    • H03K17/107Modifications for increasing the maximum permissible switched voltage in composite switches

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  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)
  • Protection Of Static Devices (AREA)
  • Electronic Switches (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 負荷の電流路に流れる電流を遮断する際に、
電流の急激な変化を防止して、スパイク・ノイズの発生
を防ぐ。 【構成】 IGBT10〜16の出力電流路が負荷20
の電流路に挿入されている。検出手段22〜26は、負
荷の電流路に所定電流以上が流れたことを検出すると、
出力信号状態を変化させる。制御手段28〜48は、通
常状態でIGBTを導通状態に制御し、検出手段が出力
信号状態が変化すると、IGBTを飽和状態にした後に
このIGBTを非導通状態に制御する。すなわち、IG
BTが飽和状態になると、このIGBTに流れる電流が
定電流となる。よって、負荷に過大電流が流れる場合、
その電流は、順次増加し、ある期間一定値となり、その
後減少するので、急激な変化を防止できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、負荷に過大電流が流れ
た際に、負荷の電流路を遮断するブレーカ装置に関す
る。
【0002】
【従来の技術】例えば、半導体測定装置において、パワ
ーMOSFETや、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジ
スタなどの大電流半導体素子の短絡試験を行う場合、コ
レクタ及びエミッタ間の電圧を順次上昇させ、コレクタ
及びエミッタ間が短絡する状態を試験する。ここで、被
試験半導体素子が短絡すると、過大電流が半導体測定装
置に流れ、半導体測定装置自体を破壊する可能性があ
る。なお、この場合、被試験半導体素子が、電流路にお
ける負荷となる。また、負荷がモータの場合、このモー
タの故障により主電流路の両端間が短絡すると、過大電
流が流れ、モータ制御回路を破壊する可能性がある。
【0003】このように種々の電気回路において、負荷
の短絡や地落(負荷の電流路が接地に落ちる)により過
大電流が流れると、負荷自体を更に破壊したり、負荷の
周辺回路や制御回路も破壊する可能性がある。よって、
負荷に過大電流が流れた場合、負荷の電流路を瞬時に遮
断するブレーカ装置が必要となる。なお、家庭用のブレ
ーカ装置は、電磁リレーを用いており、高速な遮断動作
には適さない。
【0004】過大電流に対して瞬時に遮断を行う従来の
ブレーカ装置の1つに、ラピット・ヒューズやスーパー
・ラピット・ヒューズがある。しかし、これら特殊なヒ
ューズは、高価であり、1回ずつの使い捨てとなる。特
に、半導体素子の短絡試験のように、その度毎に過大電
流が流れる場合は、非常に不経済となる。
【0005】従来の別の高速ブレーカ装置には、本願出
願人が提案している絶縁ゲート・バイポーラ・トランジ
スタ(IGBT)を用いたブレーカ装置がある。このI
GBTブレーカ装置では、N個のIGBTを並列に配置
し、各IGBTのコレクタ及びエミッタ間の主電流路を
負荷の電流路に挿入する。また、各IGBTのゲートに
は、制御回路からのゲート・バイアス電圧が供給され、
常態でIGBTを導通常態にする。よって、各IGBT
には、負荷に流れる電流の約N分の1の電流が流れるの
で、全体として大電流に耐えられる。負荷の電流路に挿
入された小抵抗器が負荷に流れる電流を電圧に変換し、
この電圧が基準値を超えた場合を過大電流として、制御
回路に各IGBTを非導通にさせる。なお、N個のIG
BTの組合せを複数組だけ直列接続にすれば、IGBT
全体としての耐圧を高くできる。このIGBTブレーカ
装置は、何度でも使用でき非常に経済的である。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】図4は、上述のIGB
Tブレーカ装置の動作を示す図である。なお、この図で
は、横軸が時間で、縦軸がIGBTブレーカ装置及び負
荷に流れる電流を示す。IGBTブレーカ装置が導通状
態で、負荷に電源電圧を供給すると通常電流Isが流れ
始める。時点t0にて負荷が短絡又は地絡すると、電流
路のインダクタンス成分や抵抗成分で決まる傾斜で電流
が増加し始める。時点t1にて、電流がIsat に達する
と、負荷電流路の電流検出用抵抗器の電圧降下も所定値
に達して、制御回路がIGBTを非導通にするので、電
流が急激に低下していく。
【0007】この従来のIGBTブレーカ装置の場合、
図4に示すように、遮断時点t1にて、電流が増加から
減少に急激に変換するため、スパイク・ノイズが発生し
て、負荷の制御回路や周辺回路を誤動作させたり、破壊
させる可能性がある。また、負荷がまだ破壊されていな
い場合は、その負荷自体が破壊される可能性もある。
【0008】したがって、本発明の目的は、負荷の電流
路に流れる電流を遮断する際に、電流の急激な変化を防
止するブレーカ装置の提供にある。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明は、負荷に過大電
流が流れた際に、負荷の電流路を遮断するブレーカ装置
であり、半導体素子の出力電流路が負荷の電流路に挿入
されている。検出手段は、負荷の電流路に所定電流以上
が流れたことを検出すると、出力信号状態を変化させ
る。制御手段は、通常状態で半導体素子を導通状態に制
御し、検出手段の出力信号状態が変化すると、半導体素
子を飽和状態にした後に半導体素子を非導通状態に制御
する。すなわち、半導体素子が飽和状態になると、この
半導体素子に流れる電流が定電流となる。よって、負荷
に過大電流が流れる場合、その電流は、順次増加し、あ
る期間一定値となり、その後減少することになるので、
図4に示すような急激な電流変化を防止できる。急激な
電流変化がなくなるため、スパイク・ノイズの発生も防
止できる。
【0010】
【実施例】図1は、本発明の好適な実施例のブロック図
である。この実施例では、半導体素子であるIGBTを
m行n列(m=2、n=2)に配置しており、IGBT
10及び12のコレクタ同士及びエミッタ同士を夫々相
互接続して、並列にする。また、IGBT14及び16
のコレクタ同士及びエミッタ同士も夫々相互接続して、
並列にする。IGBT10及び12のコレクタをIGB
T14及び16のエミッタに接続して、2組の並列回路
を直列接続する。よって、これらIGBT10〜16
は、全体として、単一のIGBTの場合の2倍の最大電
流及び最大耐圧となる。なお、IGBTのコレクタ及び
エミッタ間が半導体素子の主電流路となる。これらIG
BTの主電流路、電源18、負荷20及び電流検出用抵
抗器22を直列接続して、電源18より、負荷20に電
圧を印加する。負荷20は、上述のように、半導体測定
装置の被測定素子であっても、モータであってもよい。
半導体測定装置の場合は、負荷20に供給される電圧を
測定する手段と、抵抗器22の電圧降下を測定する手段
とを設けて、負荷20の電圧−電流特性を測定する。
【0011】差動増幅器24は、抵抗器22の両端の電
圧差、即ち、負荷20に流れる電流に比例する電圧を求
める。比較器26は、差動増幅器24の出力電圧と基準
電圧Vref とを比較し、負荷20に流れる電流が所定値
に達すると、その出力状態を変化する。よって、抵抗器
22、差動増幅器24及び比較器26は、負荷の電流路
に所定電流以上が流れたことを検出すると出力信号状態
を変化させる検出手段となる。
【0012】遅延回路28は、比較器26の出力信号を
遅延させ、光結合器30及び32を介して増幅器34及
び36に遅延比較出力信号を供給する。増幅器34は、
小抵抗器、例えば、100Ωの抵抗器38を介し、更
に、例えば、1KΩの抵抗器40及び42を介して、ゲ
ート制御信号をIGBT10及び12のゲートに夫々供
給する。同様に、増幅器36は、100Ωの小抵抗器4
4を介し、更に、1KΩの抵抗器46及び48を介し
て、ゲート制御信号をIGBT14及び16のゲートに
夫々供給する。これら素子28〜46が、IGBTの導
通及び非導通状態を制御する制御手段となる。光結合器
30及び32を用いており、また、増幅器34及び36
の基準電位がIGBT10(12)及び14(16)の
エミッタに結合しているため、IGBTのゲートの電位
が遅延回路28からフローティングしており、その電位
がエミッタを基準にしている点に留意されたい。
【0013】次に、図2及び図3を参照して、図1の動
作を説明する。なお、図2は、経過時間に対する負荷に
流れる電流(IGBTの総合電流)を示し、図3は、I
GBT10〜16の総合特性曲線(コレクタ・エミッタ
間電圧−コレクタ電流特性曲線)を示す。定常状態にお
いて、電源18から負荷20を介して流れる電流は、過
大基準値未満、例えば、Is であるので、抵抗器22の
電圧降下も基準電圧Vref 以下であるため、比較器26
は高レベル信号を持続する。この高レベル信号は、光結
合器30及び32を介して増幅器34及び36に夫々供
給される。増幅器34は、IGBT10及び12のエミ
ッタに対して順バイアスをゲートに供給するので、これ
らIGBT10及び12は導通状態になる。また、増幅
器36は、IGBT14及び16のエミッタに対して順
バイアスをゲートに供給するので、これらIGBTは導
通状態になる。
【0014】時点t0において、負荷20に短絡又は地
絡が生じると、負荷20を流れる電流が上昇し始める。
このとき、IGBTにおける動作点は、図3に示す点P
0である。負荷20の電流路のインダクタンス及び抵抗
により決まる傾き(上昇比率)で電流が次第に増えて、
時点t1にて、抵抗器22の電圧降下が基準電圧Vref
に達すると、比較器26の出力信号が低レベルに変化す
る。しかし、遅延回路28の作用により、この低レベル
は、直ちにはIGBT10〜16のゲートに供給されな
い。よって、これらIGBTは、依然として導通状態で
ある。
【0015】この時、負荷20の短絡のため、IGBT
に高電圧が印加されて、コレクタ電流が増えて、IGB
Tは動作点が変わり、この動作点がP1に達する。よっ
て、負荷20を流れる電流は、一定の電流Isat とな
る。なお、IGBTの動作点は、供給電圧が高くなるの
で、P1から動作曲線に沿って、右側に(電圧の高い
方)に移動し、電流が飽和状態になる。
【0016】遅延回路28の遅延作用により、時点t2
で、低レベルが増幅器34及び36に伝搬し、IGBT
10〜16のゲートに低レベルが供給されると、これら
IGBTは非導通状態に順次移行する。なお、時点t2
でIGBTの動作点はP2となる。よって、負荷20に
流れる電流は、図4に示すように、上昇状態から下降状
態に急激に変化することなく、図2に示す如く、上昇状
態から、一定状態を介して下降状態に緩やかに変化す
る。したがって、スパイク・ノイズなどを防止できる。
ところで、上述の実施例では、遅延回路として、専用の
ブロック28を設けているが、IGBTの入力容量と、
ゲート抵抗器38〜46とによる時定数回路を遅延回路
としてもよい。この場合、ゲート抵抗器の値を選択する
ことにより、遅延時間を調整できる。よって、実施例の
場合、専用の遅延回路と、ゲート抵抗器及びIGBTの
入力容量の時定数回路の遅延回路の2個を用いているこ
とになる。
【0017】上述は、本発明の好適な実施例について説
明したが、本発明の要旨を逸脱することなく種々の変形
及び変更が可能である。例えば、ブレーカ装置に用いる
半導体素子は、IGBT以外の高耐圧半導体でもよい。
さらに、実施例では、半導体素子を2行2列に配置した
が、所望の最大電流及び最大電圧に応じて、任意のm行
n列(m及びnは、1以上の整数)の配置にしてもよ
い。また、過大電流を検出する検出手段は、負荷の電流
路に流れる電流による磁界を検出する方式でもよい。
【0018】
【発明の効果】上述の如く、本発明によれば、負荷の電
流路に流れる電流を遮断する際に、電流の急激な変化を
防止するので、スパイク・ノイズの発生を防げる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の好適な実施例のブロック図である。
【図2】本発明の動作を説明する時間対電流の図であ
る。
【図3】本発明の動作を説明するための半導体素子の特
性図である。
【図4】従来のブレーカ装置の動作を説明する時間対電
流の図である。
【符号の説明】
10、12、14、16 半導体素子(IGBT) 18 電源 20 負荷 22 電流検出用抵抗器 24 差動増幅器 26 比較器 30、32 光結合器
フロントページの続き (72)発明者 松田 俊一 東京都品川区北品川5丁目9番31号 ソニ ー・テクトロニクス株式会社内

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 負荷に過大電流が流れた際に、負荷の電
    流路を遮断するブレーカ装置において、 出力電流路が上記負荷の電流路に挿入された半導体素子
    と、 上記負荷の電流路に所定電流以上が流れたことを検出す
    ると出力信号状態を変化する検出手段と、 通常状態で上記半導体素子を導通状態に制御し、上記検
    出手段の出力信号状態が変化すると、上記半導体素子を
    飽和状態にした後に上記半導体素子を非導通状態に制御
    する制御手段とを具えたブレーカ装置。
  2. 【請求項2】 上記半導体素子は、絶縁ゲート・バイポ
    ーラ・トランジスタであり、 上記制御手段は、上記検出手段の出力信号を遅延する遅
    延回路を含み、該遅延回路の出力信号を上記絶縁ゲート
    ・バイポーラ・トランジスタのゲートに供給して、非導
    通状態に制御することを特徴とする請求項1のブレーカ
    装置。
  3. 【請求項3】 上記半導体素子は、nの絶縁ゲート・バ
    イポーラ・トランジスタが並列接続され、該並列接続の
    n組が直列接続されたこと(n及びmは1以上の整数)
    を特徴とする請求項1のブレーカ装置。
JP12702595A 1995-04-27 1995-04-27 ブレーカ装置 Pending JPH08308094A (ja)

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JP12702595A JPH08308094A (ja) 1995-04-27 1995-04-27 ブレーカ装置
US08/639,180 US5637990A (en) 1995-04-27 1996-04-26 High speed, large-current power control apparatus

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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