JP2007295758A - サージ保護装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体素子に対する負サージ保護の機能を備えたサージ保護装置を提供すること。
【解決手段】イグニッション端子３０と各発光ダイオード４１Ａ〜４１Ｃのアノード（陽極側）との間には、逆方向電流が流れることを防止するための逆流阻止ダイオード５０が配されている。従って、逆流阻止ダイオード５０は、各発光ダイオード４１Ａ〜４１Ｃに対して直列接続されている。また、各発光ダイオード４１Ａ〜４１Ｃのアノード（陽極側）とグランドラインＧＮＤ（各発光ダイオード４１Ａ〜４１Ｃの陰極側）との間には、整流ダイオード６１（電圧制限回路６０）が各発光ダイオード４１Ａ〜４１Ｃに対して逆極性となるように接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体素子に対する負サージ保護機能を備えたサージ保護装置に関する。

例えば、車両用計器に備えられるインジケータ用の発光ダイオードを負サージから保護するためのサージ保護装置の構成としては、特許文献１に記載されたものが知られている。これは、発光ダイオードに直列接続された逆流阻止ダイオードで構成されており、電源ラインに負サージが侵入したとしても、逆流阻止ダイオードによって逆方向電流が発光ダイオードに流入することを規制することで、発光ダイオードに対するサージ保護を行うものである。
特開２００５−１４７５９号公報

ところで、負サージの発生源としては、車両に搭載されたリレーやモータ等の誘導性負荷が挙げられる。この誘導性負荷はイグニッションスイッチを介して車載電源に接続されており、イグニッションスイッチがオンからオフに切り替えられたときに、逆起電力を発生させるため、これが負サージとして電源ラインに侵入する。

従って、イグニッションスイッチがオンからオフに切り替えられた直後では、逆流阻止ダイオードの印加電圧は、車載電源による順方向電圧から負サージによる逆方向電圧に瞬時に切り替えられることとなる。このため、逆流阻止ダイオードは負サージの侵入時にはショート状態（低抵抗状態）となり、逆回復時間（通常、数μＳ）が経過した後に通常のダイオードの特性に復帰する。従って、負サージの侵入時から逆回復時間が経過するまでは、逆流阻止ダイオードは導通状態となるため、発光ダイオードに負サージによる逆方向電圧が印加される。印加される逆方向電圧が発光ダイオードの耐圧以上の電圧となった場合には、発光ダイオードがブレークダウンするため、劣化あるいは損傷することがある。

尚、従来では、インジケータランプとして電球を用いていたため、負サージによる逆方向電圧が瞬間的に印加されたとしても電球が破損することが無かったが、上述のように、インジケータランプとして発光ダイオード等の半導体素子を用いた場合には、瞬間的な逆方向電圧でも素子が劣化あるいは損傷するということが判明した。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、半導体素子に対する負サージ保護の機能を備えたサージ保護装置を提供することである。

上記目的を達成するために、請求項１の発明では、電源に接続されて作動する半導体素子を負サージから保護するためのサージ保護装置であって、半導体素子に直列接続されており、半導体素子への逆方向電流を阻止する逆流阻止ダイオードと、半導体素子の陽極側と負極側との間に接続されており、半導体素子に印加される逆方向電圧を半導体素子の耐圧以下に制限する電圧制限回路とを備えたことを特徴としている。

半導体素子が電源からの電源供給を受けているときに、負サージが電源に侵入した場合、逆流阻止ダイオードの印加電圧が順方向から逆方向に瞬間的に切り替わることとなる。そうすると、逆流阻止ダイオードがショート状態（低抵抗状態）となり、負サージ侵入時から逆回復時間経過後に通常のダイオードの特性に復帰する。逆流阻止ダイオードがショート状態とされているときには、半導体素子に過大な逆方向電圧が印加されることとなるが、電圧制限回路によって、半導体素子への逆方向電圧はこの半導体の耐圧以下に制限される。

従って、負サージの侵入時から逆流阻止ダイオードの逆回復時間が経過する前であっても、半導体素子に過大な逆方向電圧が印加されることが無いため、負サージによる逆方向電圧の印加によって半導体素子が劣化・損傷することを防止することができる。

また、逆回復時間経過後も、電圧制限回路によって半導体素子の逆方向電圧が耐圧以下に制限され続けるため、継続して半導体素子が負サージから保護される。

請求項２の発明では、電圧制限回路は、半導体素子に対して逆極性に接続される整流ダイオードにより構成されていることを特徴としている。

このようにすれば、整流ダイオードは負サージに対しては低抵抗状態となるため、半導体素子には、負サージによる逆方向電圧がほとんど印加されず、半導体素子への逆方向電圧の印加による劣化・損傷を効果的に防止することができる。また、逆回復時間経過後には逆流阻止ダイオードが通常のダイオードの特性に復帰するため、整流ダイオードに流入するサージ電流が遮断される。これによって、整流ダイオードの電力消費が低減されるため、発熱の問題を効果的に解消できる。

請求項３の発明では、整流ダイオードは複数設けられており、互いに並列接続されて構成されていることを特徴としている。このように構成すれば、負サージによる逆方向電流が各整流ダイオードに分流されることとなるため、個々の整流ダイオードの電力消費が低減され、発熱の問題を一層効果的に解消できる。

請求項４の発明では、整流ダイオードには抵抗素子が直列接続されていることを特徴としている。このようにすれば、逆流阻止ダイオードがショート状態となっているときに、整流ダイオードに流れる電流を制限することができるため、整流ダイオードの発熱を一層効果的に解消することができる。

請求項５の発明では、抵抗素子には、容量素子が並列接続されていることを特徴としている。本構成によれば、負サージによる逆方向電流が容量素子に充電されるため、整流ダイオードに流れる逆方向電流を低減することができる。

＜第１の実施形態＞
本発明に係るサージ保護装置を車両用計器装置に適用した一実施形態について図１ないし図３を参照して説明する。図１に示すように、車載電源１０には、イグニッションスイッチ２０を介して各車載機器が接続されている。図中には、イグニッション端子３０を介して車載電源１０に接続される車両用計器装置４０と、スタータモータ、リレースイッチ等の誘導性負荷１００とを示している。

車両用計器装置４０には、複数の発光ダイオード４１Ａ〜４１Ｃが備えられており、車載電源１０に対して順方向接続されている。また、車載電源１０から供給される駆動電流を調整するための電流制限抵抗４２Ａ〜４２Ｃが直列接続されている。

発光ダイオード４１Ａは、インジケータランプとして機能するものであり、入力端子４３Ａを介して外部スイッチ２００Ａが接続されている。従って、外部スイッチ２００Ａのオン・オフに連動して発光ダイオード４１Ａが点灯・消灯する。発光ダイオード４１Ｂは、４１Ａと同じくインジケータランプとして機能するものであり、スイッチング素子４５のオン・オフに連動して点灯・消灯する。尚、スイッチング素子４５は、入力端子４３Ｂを介して接続される外部スイッチ２００Ｂのオン・オフに連動して動作するＣＰＵ４６によってオン・オフされるようになっている。また、発光ダイオード４１Ｃは照明用のものであり、イグニッションスイッチ２０のオン・オフに連動して点灯・消灯する。

また、イグニッション端子３０と各発光ダイオード４１Ａ〜４１Ｃのアノード（陽極側）との間には、逆方向電流が流れることを防止するための逆流阻止ダイオード５０が配されている。従って、逆流阻止ダイオード５０は、各発光ダイオード４１Ａ〜４１Ｃに対して直列接続されている。この逆流阻止ダイオード５０は、一般の整流ダイオードにより構成されている。

各発光ダイオード４１Ａ〜４１Ｃのアノード（陽極側）とグランドラインＧＮＤ（各発光ダイオード４１Ａ〜４１Ｃの陰極側）との間には、電圧制限回路６０である整流ダイオード６１が各発光ダイオード４１Ａ〜４１Ｃに対して逆極性となるように接続されている。

本実施形態の構成は以上であり、続いてその動作について説明する。イグニッションスイッチ２０がオフからオンに切換えられることにより、車両用計器装置４０に電源が供給される。このとき、車両用計器装置４０内にある照明用の発光ダイオード４１Ｃが点灯するとともに、インジケータランプとして機能する発光ダイオード４１Ａ，４１Ｂは、それぞれ外部スイッチ４４Ａ，４４Ｂのオン・オフに連動して点灯・消灯する。また、イグニッションスイッチ２０がオンされた状態にあっては、上述した誘導性負荷１００に対しても車載電源１０から電源供給がなされることとなる。

イグニッションスイッチ２０がオンからオフに切り替えられると、車両用計器装置４０に対する電源供給が遮断されるため、各発光ダイオード４１Ａ〜４１Ｃが消灯する。また、誘導性負荷１００に対する電源供給も遮断される。イグニッションスイッチ２０がオンからオフに切り替えられたときには、誘導性負荷１００に蓄積されているエネルギーが放出されることで車載電源１０に対して逆極性となる負サージが発生する。

図２には負サージ発生時の等価回路を示す。（尚、図中には発光ダイオード４１Ｃのみを示す。）このうち、１１０は誘導性負荷１００による負サージの電圧源を示しており、ピーク電圧が−５００Ｖ、時定数が１０ｍｓとされている。１２０は電圧源１１０のインピーダンス成分を示しており、そのインピーダンスが３００（Ω）とされている。

負サージ侵入時には、逆流阻止ダイオード５０に負サージによる逆方向電圧が印加される。従って、イグニッションスイッチ２０がオンからオフに切り替えられたことにより、逆流阻止ダイオード５０への印加電圧は順方向から逆方向に瞬間的に切り替わるため、この瞬間は逆流阻止ダイオード５０がショート状態（低抵抗状態）となり、負サージ発生から逆回復時間経過後に通常のダイオードの特性に復帰する。

逆流阻止ダイオード５０がショート状態となっているときには、図２の矢印Ａに示すように、負サージによる逆方向電流が逆流阻止ダイオード５０及び整流ダイオード６１を流れる。逆方向電流が流れているときには、各発光ダイオード４１Ａ〜４１Ｃに印加される逆方向電圧は、整流ダイオード６１の順方向電圧に相当する電圧となる。通常整流ダイオード６１の順方向電圧は１Ｖ未満であるため、各発光ダイオード４１Ａ〜４１Ｃに印加される逆方向電圧も１Ｖ未満で有り、各発光ダイオード４１Ａ〜４１Ｃの耐圧（通常、４０Ｖ程度）よりも十分に低い。

そして、逆流阻止ダイオード５０の逆回復時間が経過した後には、逆流阻止ダイオード５０が正規のダイオードの特性に復帰するため、逆方向電流が規制される。このときにも、整流ダイオード６１の順方向電圧は１Ｖ未満であるため、各発光ダイオード４１Ａ〜４１Ｃへの逆方向電圧も１Ｖ未満に制限される。

図３には負サージの電圧波形と、図２の回路中に流れる逆方向電流の電流波形とを示す。図示のように、負サージの電圧はイグニッションスイッチ２０がオンからオフに切換えられた瞬間に約−５００Ｖのピーク電圧に達し、約１０ｍｓ後に０Ｖとなる。また、逆方向電流は、イグニッションスイッチ２０がオンからオフに切り替えられてから、逆流阻止ダイオード５０の逆回復時間（Ｔ１）が経過する前は流れる一方、逆回復時間（Ｔ１）経過後には略ゼロとなる。

従って、本実施形態では、負サージの侵入時から逆流阻止ダイオード５０の逆回復時間が経過するまでは、整流ダイオード６１によって各発光ダイオード４１Ａ〜４１Ｃへの逆方向電圧がその耐圧以下に制限されるため、逆方向電圧の印加による各発光ダイオード４１Ａ〜４１Ｃの劣化・損傷を防止することができる。また、逆回復時間経過後も、整流ダイオード６１によって各発光ダイオード４１Ａ〜４１Ｃの逆方向電圧がその耐圧以下に制限され続けるため、継続して各発光ダイオード４１Ａ〜４１Ｃは負サージから保護される。

また、逆回復時間経過後は逆流阻止ダイオード５０が通常のダイオードの特性に復帰するため、整流ダイオード６１に流れる電流が遮断される。このため、整流ダイオード６１の電力消費による発熱を抑制することができる。

また、電圧制限回路６０として整流ダイオード６１を用いているため、各発光ダイオード４１Ａ〜４１Ｃに印加される逆方向電圧を大幅に低減することができる。これにより、各発光ダイオード４１Ａ〜４１Ｃには負サージによる逆方向電圧がほとんど印加されないから、素子の劣化・損傷を一層効果的に防止することができる。

＜変形例＞
本実施形態では、電圧制限回路６０として整流ダイオード６１を用いているが、整流ダイオード６１を複数設け、これらを互いに並列接続して構成してもよい（図４参照）。このように構成すれば、逆流阻止ダイオード５０がショート状態であるときには、負サージによる電流が各整流ダイオード６１にそれぞれに分流されるため、個々の整流ダイオード６１の電力消費が低減されることとなり、発熱の問題を一層効果的に解消できる。

あるいは、整流ダイオード６１を複数設け、これらを直列接続して構成しても良い（図５参照）。

＜第２の実施形態＞
本発明の第２の実施形態について図６を参照して説明する。尚、第１の実施形態と同一の部分に関しては、重複する説明を省略し、相違点のみを説明する。本実施形態は、電圧制限回路６０を整流ダイオード６１と抵抗素子６２との直列回路で構成している。ここで、抵抗素子６２の抵抗値Ｒｐは下記の数式に基づいて決定する。

（数１）
サージピーク電圧×｛Ｒｐ／（Ｒｐ＋サージ発生源インピーダンス）≦発光ダイオード耐圧
ここで、サージピーク電圧（符号１１０のピーク電圧）を５００（Ｖ）、サージ発生源インピーダンス（符号１２０のインピーダンス）を３００（Ω）、発光ダイオードの耐圧を例えば２０（Ｖ）とした場合、抵抗素子６２の抵抗値Ｒｐは１２．５（Ω）以下に設定される。

この回路構成において、逆流阻止ダイオード５０が負サージ侵入時のショート状態となっているときには、抵抗素子６２によって整流ダイオード６１に流れる電流が制限されるから、この整流ダイオード６１の電力消費が低減される。また、抵抗素子６２によって各発光ダイオード４１Ａ〜４１Ｃの逆方向電圧が２０（Ｖ）以下に制限されるため、各発光ダイオード４１Ａ〜４１Ｃに耐圧を超える逆方向電圧の印加が防止され、素子の劣化・損傷を防止することができる。

＜変形例＞
本実施形態では、電圧制限回路６０を整流ダイオード６１と抵抗素子６２との直列回路により構成したが、例えば図７に示すように、抵抗素子６２のみで構成しても良い。この構成であっても、負サージが侵入した場合には、発光ダイオード４１Ａ〜４１Ｃに印加される逆方向電圧をその耐圧以下に制限することができる。

＜第３の実施形態＞
本発明の第３の実施形態について図８を参照して説明する。尚、第２の実施形態と同一の部分に関しては、重複する説明を省略し、相違点のみを説明する。本実施形態は、電圧制限回路６０を構成する抵抗素子６２に容量素子６３を並列に接続した構成とされている。

このように構成すれば、負サージによる逆方向電流が充電されるため、整流ダイオード６１に流れる電流が低減され、その電力消費を低減することができる。

＜他の実施形態＞
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。

上記実施形態では、半導体素子として発光ダイオード４１Ａ〜４１Ｃを示したが、例えば、トランジスタ、圧電素子等に本実施形態のサージ保護装置を適用しても良い。

また、上記実施形態では、共通の逆流阻止ダイオード５０を設けた構成を示したが、例えば、各発光ダイオード４１Ａ〜４１Ｃにそれぞれ逆流阻止ダイオード５０を設ける構成としても良い。

第１の実施形態に係る車両用計器装置の構成を示した回路図である。 負サージ発生時の等価回路を示した回路図である。 負サージの電圧波形と、図２の回路中に流れる逆方向電流の電流波形とを示した波形図である。 第１の実施形態における変形例を示した回路図である。 第１の実施形態における変形例を示した回路図である。 第２の実施形態に係るサージ保護装置を示した回路図である。 第２の実施形態における変形例を示した回路図である。 第３の実施形態に係るサージ保護装置を示した回路図である。

符号の説明

１０…車載電源（電源）
４１Ａ〜４１Ｃ…発光ダイオード（半導体素子）
５０…逆流阻止ダイオード
６０…電圧制限回路
６１…整流ダイオード
６２…抵抗素子
６３…容量素子

Claims (5)

1. 電源に接続されて作動する半導体素子を負サージから保護するためのサージ保護装置であって、
   前記半導体素子に直列接続されており、前記半導体素子への逆方向電流を阻止する逆流阻止ダイオードと、
   前記半導体素子の陽極側と負極側との間に接続されており、前記半導体素子に印加される逆方向電圧を前記半導体素子の耐圧以下に制限する電圧制限回路とを備えたことを特徴とするサージ保護装置。
2. 前記電圧制限回路は、前記半導体素子に対して逆極性に接続される整流ダイオードにより構成されていることを特徴とする請求項１に記載のサージ保護装置。
3. 前記整流ダイオードは複数設けられており、互いに並列接続されて構成されていることを特徴とする請求項２に記載のサージ保護装置。
4. 前記整流ダイオードには抵抗素子が直列接続されていることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のサージ保護装置。
5. 前記抵抗素子には、容量素子が並列接続されていることを特徴とする請求項４に記載のサージ保護装置。

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