JPS622894Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 この考案は、内燃機関等で駆動される交流発電
機の出力電圧を所定値に制御する半導体電圧調整
装置を、同一半導体基体に形成した集積化半導体
電圧調整装置に関するものである。

まず、内燃機関に用いられる交流発電機の出力
電圧を所定値に制御するための一連の電気回路図
を第１図に示す。

図において、１は交流発電機で、三相星形結線
された電機子コイル１０１と界磁コイル１０２を
有する。２は交流発電機１の交流出力を整流する
全波整流器で、２０１は第１正側出力端、２０２
は第２正側出力端、２０３は負側出力端である。
３は交流発電機１の出力電圧を所定値に制御する
半導体電圧調整装置で、３０１，３０２は分圧回
路を構成する分圧抵抗、その内３０１は出力電圧
調整用の調整抵抗、３０３は電圧検出用のゼナー
ダイオード、３０４はバイアス抵抗、３０５は負
帰還コンデンサ、３０６は第２の開閉素子である
制御用トランジスタ、３０８は初期励磁抵抗、３
０９は界磁コイル１０２に生じる誘導エネルギー
を吸収するサプレツシヨンダイオード、３１０は
ドライバートランジスタ、３１１は界磁電流を断
続する第１の開閉素子であるパワートランジス
タ、３０７はパワートランジスタ３１１のベース
回路を構成するベース抵抗、３２０は接地端子、
３２１は界磁コイル端子、３２２はランプ端子、
３２３は初期励磁端子である。４は内燃機関の点
火装置、５は蓄電池、６はキースイツチ、７は充
電表示用ランプである。

次に、上記半導体電圧調整装置３を同一半導体
基体に形成した従来装置の構造を第２図に示し説
明する。ただし、負帰還コンデンサ３０５は外付
としたため図付していない。

図において、３０１，３０２，３０４，３０
７，３０８はそれぞれ調整抵抗、分圧抵抗、バイ
アス抵抗、ベース抵抗、初期励磁抵抗の形成部で
ある。これらの抵抗はすべて同一形成方法のた
め、ここでは調整抵抗３０１についてのみ図示す
る。３０３はゼナーダイオード形成部、３０９は
サプレツシヨンダイオード形成部、３０６，３１
０，３１１はそれぞれ制御用トランジスタ、ドラ
イバートランジスタ、パワートランジスタの形成
部である。これらのトランジスタはすべて同一形
成方法のため、ここでは制御用トランジスタ３０
６についてのみ図示する。

３０は各素子を構成するためのＰ形半導体（シ
リコン）基体、３１は各素子を絶縁分離するため
のP⁺形拡散領域で、これらの領域３０，３１は
接地されている。３２はエピタキシヤル成長によ
り形成された高比抵抗のN^-形領域で、領域３
０，３１に囲まれた島状領域である。３０１ａは
調整抵抗３０１の抵抗領域となるP⁺形拡散領
域、３０３ａはゼナーダイオード３０３のカソー
ド側P⁺形拡散領域、３０３ｂは同じくアノード
側N⁺形拡散領域である。３０９ａはサプレツシ
ヨンダイオード３０９のカソード側N⁺形拡散領
域、３０９ｂは同じくアノード側P⁺形拡散領域
である。３０６ａは制御用トランジスタ３０６の
N⁺形コレクタ拡散領域、３０６ｂは同じくＰ形
ベース拡散領域、３０６ｃはN⁺形エミツタ拡散
領域である。

次に、第１図に示した一連の電気回路の定常状
態における回路動作について簡単に説明する。ま
ずキースイツチ６をONさせることにより、蓄電
池５からベース抵抗３０７を通してドライバーダ
イオード３１０およびパワートランジスタ３１１
にベース電流が流れ、これらのトランジスタ３１
０，３１１が導通し、充電表示用ランプ７および
初期励磁抵抗３０８を通して界磁コイル１０２に
界磁電流が流れ充電表示用ランプ７が点灯する。
これと同時に、点火装置４により内燃機関（図示
せず）が始動し、交流発電機１が駆動され、発電
を開始する。そして、交流発電機１の出力電圧が
上昇し、ランプ端子３２２の電圧も上昇すること
により、充電表示用ランプ７が消灯し、発電して
いることを表示する。交流発電機１の出力電圧が
所定値に達すると、調整抵抗３０１と分圧抵抗３
０２とで分圧された電圧によりゼナーダイオード
３０３が導通し、制御用トランジスタ３０６にベ
ース電流が流れてこのトランジスタ３０６に導通
する。制御用トランジスタ３０６が導通すると、
ドライバートランジスタ３１０とパワートランジ
スタ３１１のベース電流が阻止され、界磁電流が
遮断されることにより、交流発電機１の出力電圧
の上昇がおさえられる。この動作が繰り返される
ことにより、交流発電機１の出力電圧は所定値に
制御され、一定電圧でもつて蓄電池５への充電お
よび出力端子に接続された各電気負荷（図示せ
ず）への給電を行うわけである。

次に異常状態における回路動作について説明す
る。例えば、一定出力電圧14Vで定常動作中に、
何らかの原因で点火装置４以外の電気負荷（蓄電
池５を含む）が切り離された場合、第３図に示す
ようなサージ電圧（ピーク電圧約300V）が点火
装置４から発生し、半導体電圧調整装置３の初期
励磁端子３２３およびランプ端子３２２に印加さ
れる。また、交流発電機１が最大出力で運転され
ている時に、第１正側出力端２０１が外れた場
合、第４図に示すようなサージ電圧（ピーク電圧
約150V）が電機子コイル１０１から発生し、半
導体電圧調整装置３の初期励磁端子３２３および
ランプ端子３２２に印加される。このように異常
時には、定常時の約10倍〜20倍もの高いサージ電
圧が半導体電圧調整装置３に印加されることな
る。

第２図に示した従来の半導体電圧調整装置３の
場合、調整抵抗３０１、分圧抵抗３０２、ベース
抵抗３０７等の抵抗は、N^-形エピタキシヤル領
域３２の中に拡散形成したP⁺形領域３０１ａを
使用しているため、リニアな電圧−電流特性を示
す。したがつて、サージ電圧印加時、ベース抵抗
３０７には、第５図に示すようにサージ電圧に比
例した過大電流が流れ、ベース抵抗３０７が焼損
する欠点がある。また、制御用トランジスタ３０
６にも大電流が流れるため、制御用トランジスタ
３０６のコレクタ−エミツタ間の飽和電圧が、ド
ライバートランジスタ３１０とパワートランジス
タ３１１のベース−エミツタ間のバイアス電圧よ
り高くなり、通常動作とは逆に、ドライバートラ
ンジスタ３１０およびパワートランジスタ３１１
を導通させてしまい、パワートランジスタ３１１
に過大電流が流れてこれを破壊させてしまう欠点
がある。調整抵抗３０１および分圧抵抗３０２に
ついても、ベース抵抗３０７と同様、サージ電圧
に比例した過大電流が焼損する欠点がある。さら
にはゼナーダイオード３０３についても、第６図
に示すようにサージ電圧に比例して過大電流が流
れ、ゼナー電圧が変動し、結果的には半導体電圧
調整装置３の出力電圧が変動してしまうという欠
点がある。

この考案は、上記従来の欠点を除去するために
なされたもので、バルク抵抗を利用した電流制限
形抵抗体を同一半導体基体内に形成したことを特
徴とする半導体電圧調整装置である。

以下、この考案を実施例に基づいて詳細に説明
する。

第７図は、この考案の半導体電圧調整装置を使
用して交流発電機の出力電圧を所定値に制御する
ための一連の電気回路図を示すものである。図に
おいて、３０１，３１２はゼナーダイオード３０
３に流れる電流を制限する側の分圧抵抗、その内
３１２は調整抵抗３０１に直列に挿入した直列抵
抗である。その他については、第１図と同様であ
るので、ここでは説明を省略する。

第８図は上記の半導体電圧調整装置を同一半導
体基体に形成したもので、この考案の１実施例を
示すものである。図において、３０７，３１２は
それぞれベース抵抗、直列抵抗（分圧抵抗）の形
成部である。これらの抵抗は同一形成方法のた
め、ここではベース抵抗３０７についてのみ図示
する。３０１，３０２，３０４，３０８はそれぞ
れ調整抵抗、分圧抵抗、バイアス抵抗、初期励磁
抵抗の形成部である。これらの抵抗はすべて同一
形成方法のため、３０１の調整抵抗についてのみ
図示する。３０７ｂはベース抵抗３０７のオーミ
ツクコンタクト部であるN⁺形拡散領域、斜線部
分Ａはベース抵抗３０７の抵抗領域となるN^-形
エピタキシヤル領域３２中に生じる空乏層の広が
りを示す。その他については、第２図と同様であ
るので、ここでは省略する。第９図は、第８図
（断面図）のベース抵抗３０７の部分を半導体基
体の表面側から見た平面図である。（空乏層Ａは
図示していない）。

第７図の電気回路において、異常動作時には第
３図および第４図に示すようなサージ電圧が半導
体電圧調整装置３の初期励磁端子３２３およびラ
ンプ端子３２２に印加されることは前述のとおり
である。このようなサージ電圧印加時には、ベー
ス抵抗３０７のN⁺形オーミツクコンタクト部３
０７ｂとＰ（P⁺）形領域３０，３１（接地されて
いる）との間には逆方向に高電圧が印加されるこ
とになり、第８図に示したようにN^-形領域３２
に空乏層Ａが広がつてくる。サージ電圧が高くな
ればなる程、空乏層Ａは、Ｐ（P⁺）形領域３０，
３１側からN⁺形オーミツクコンタクト部３０７
ｂの方に大きく広がる。すなわち、N⁺形オーミ
ツクコンタクト部３０７ｂ−３０７ｂ間の抵抗領
域であるN^-形領域３２の幅（厚み）が狭めら
れ、ベース抵抗３０７の抵抗値が増大し、ベース
抵抗３０７に流れる電流は制限される。第１０図
は、ベース抵抗３０７の電流制限の状態を示すも
のである。図示するように、電流値は所望の水準
で飽和させることができる。直列抵抗３１２につ
いても同様である。

このような構造においては、ベース抵抗３０７
および直列抵抗３１２は、自らのもつ電流制限特
性により、異常動作時に発生するサージ電圧によ
り焼損することはない。調整抵抗３０１および分
圧抵抗３０２も、直列抵抗３１２の電流制限特性
により、サージ電圧により焼損することはない。

また、制御用トランジスタ３０６のコレクタ電
流もベース抵抗３０７の電流制限特性によつて異
常動作時にも一定水準以下に迎えられる。すなわ
ち、制御用トランジスタ３０６のコレクタ−エミ
ツタ間の飽和がドライバートランジスタ３１０お
よびパワートランジスタ３１１のベース−エミツ
タ間のバイアス電圧よりも高くなることはない。
したがつて、サージ電圧によつて、ドライバート
ランジスタ３１０およびパワートランジスタ３１
１が不所望に導通することがなくなり、パワート
ランジスタ３１１が破壊する事故が防止できる。

さらに、直列抵抗３１２の電流制限特性によ
り、ゼナーダイオード３０３に流れるゼナー電流
も、第１１図に示すように所望の水準で飽和す
る。したがつて、過大電流によるゼナー電圧の変
動が防止され、半導体電圧調整装置３の出力電圧
の変動が防止できる。

第１２図はこの考案の第２の実施例を示すもの
で、第８図の変形例である。

ベース抵抗３０７の部分の半導体基体の表面側
から見た平面図を第１３図に示す（空乏層Ａ，Ｂ
は図示していない）。この例では、２つのN⁺形オ
ーミツクコンタクト部の間にP⁺形拡散領域３３
が形成されており、図示していないが、Ｐ
（P⁺）形領域３０，３１とともに接地されてい
る。サージ電圧印加時には、空乏層Ａとともに
P⁺形領域３３から空乏層Ｂが広がり、ベース抵
抗３０７は空乏層Ａ，Ｂの広がりととともに第１
０図と同様の電流制限特性を示す。したがつて、
第８図と同様に、抵抗の焼損、パワートランジス
タの破壊、および出力電圧の変動が防止される。
なお、ベース抵抗３０７の形状として第８図と第
１２図のいずれの構造を採用するかは、島状領域
３２の比抵抗や寸法、あるいは要求される電流制
限特性等によつて適宜選択すればよい。ただし、
第１２図の構造は、第８図の構造に比べて、ベー
ス抵抗７の形成に必要な面積が大きくなるという
欠点がある。

第１４図は、この考案の第３の実施例で、第８
図の他の変形例である。この例では、N⁺形半導
体基体３４とN^-形エピタキシヤル層３５を形成
し、Ｐ形領域３０は拡散で形成している。３６は
N^-形領域３２と同時に形成したN^-形エピタキシ
ヤル領域である。このように特殊な構造の中でベ
ース抵抗３０７を形成することもあり、その効果
は第８図の例と同様である。

以上、実施例について説明したように、この考
案は半導体電圧調整装置を集積回路で構成するに
あたつて大きな効果を発揮するものである。すな
わち、抵抗の焼損による故障およびパワートラン
ジスタの破壊が確実に防止でき、しかも電圧検出
用素子の劣化による出力電圧の変動も防止でき
る。したがつて、高信頼性かつ高性能の集積化半
導体電圧調整装置を提供することができる。特
に、この考案による半導体電圧調整装置は、点火
装置を併用した用途、あるいは重負荷が遮断され
た場合にサージ電圧が発生するような用途におい
て効果が大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来装置による交流発電機の出力電圧
を制御するための電気回路図、第２図は従来の半
導体電圧調整装置の構造を示す構造図、第３図、
第４図はサージ電圧の波形を示す波形図、第５図
はサージ電圧とベース抵抗に流れる電流との関係
を示す図、第６図はサージ電圧とゼナー電流との
関係を示す図、第７図はこの考案装置による出力
電圧を制御するための電気回路図、第８図はこの
考案の半導体電圧調整装置の第一実施例を示す構
造図、第９図は第８図のベース抵抗部分を半導体
基体の表面側から見た平面図、第１０図はこの考
案装置におけるサージ電圧とベース抵抗に流れる
電流との関係を示す図、第１１図はこの考案装置
におけるサージ電圧とゼナー電流との関係を示す
図、第１２図はこの考案の第二実施例を示す構造
図、第１３図は第１２図のベース抵抗部分を半導
体基体の表面側から見た平面図、第１４図はこの
考案の第三実施例を示す構造図である。 図中、１は交流発電機、１０１は電機子コイ
ル，１０２は界磁コイル，２は全波整流器，２０
１は第１正側出力端，２０２は第２正側出力端，
２０３は負側出力端，３は半導体電圧調整装置，
３０１は調整抵抗，３０２は分圧抵抗，３０３は
ゼナーダイオード，３０４はバイアス抵抗，３０
５は負帰還コンデンサ，３０６は制御用トランジ
スタ，３０７はベース抵抗，３０８は初期励磁抵
抗，３０９はサプレツシヨンダイオード，３１０
はドライバートランジスタ，３１１はパワートラ
ンジスタ，３１２は直列抵抗，３２０は接地端
子，３２１は界磁コイル端子，３２２はランプ端
子，３２３は初期励磁端子，４は点火装置，５は
蓄電池、６はキースイツチ，７は充電表示用ラン
プ，３０はＰ形半導体基体，３１はP⁺形拡散領
域，３２はN^-形島状領域，３０１ａはP⁺形調整
抵抗領域，３０３ａはゼナーダイオードのカソー
ド側P⁺形拡散領域，３０３ｂはアノード側N⁺形
拡散領域，３０９ａはサプレツシヨンダイオード
のカソード側N⁺形拡散領域，３０９ｂはアノー
ド側P⁺形拡散領域，３０６ａは制御用トランジ
スタのN⁺形コレクタ拡散領域，３０６ｂはＰ形
ベース拡散領域，３０６ｃはN⁺形エミツタ拡散
領域，３０７ｂはベース抵抗のオーミツクコンタ
クト部であるN⁺形拡散領域，Ａは空乏層，３３
はP⁺形拡散領域，３４はN⁺形半導体基体，３５
はN^-形エピタキシヤル層，３６はN^-形エピタキ
シヤル領域である。尚、各図中、同一符号は同一
又は相当部分を示す。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 交流発電機の界磁コイルに流れる電流を断続制
   御するパワートランジスタと、該パワートランジ
   スタのベース回路を構成するベース抵抗と、前記
   パワートランジスタを断続制御する制御用トラン
   ジスタと、前記交流発電機の出力電圧を分圧する
   分圧抵抗と、該分圧抵抗の分圧電圧により導通し
   て前記制御用トランジスタを導通させる電圧検出
   用素子とを少なくとも含む半導体電圧調整装置を
   同一半導体基体に形成した構造において；１導電
   形の領域によつて絶縁分離されている反対導電形
   で高比抵抗の島状領域と、該島状領域に互いに分
   離して形成されている前記島状領域と同一導電形
   で低比抵抗の少なくとも２つの領域とから構成さ
   れ、前記低比抵抗領域相互の間に存在する前記島
   状領域のバルク抵抗を使用する電流制限形半導体
   素子を、前記ベース抵抗および前記分圧抵抗のう
   ち前記電圧検出素子に流れる電流を制限する側の
   抵抗の少なくとも一方に使用したことを特徴とす
   る集積化半導体電圧調整装置。