JP2013105871A - 直列接続されたデバイスのためのシャント保護モジュールおよび方法 - Google Patents

Abstract

【課題】直列接続されたデバイスのためのシャント保護モジュールおよび方法を提供する。
【解決手段】シャント保護モジュール１０は、複数のシャント半導体と１つの制御部を使用する。シャント半導体は、複数のターゲットデバイス２０，３０に対応し、該ターゲットデバイスに並列に接続する。制御部は、シャント半導体のトリガー端子と接続する。各シャント半導体は、より高い電圧がトリガー端子に入力されるほどシャント端子間の電位差がより低くなる特性を有し、制御部は、故障したターゲットデバイスに対応するシャント半導体に、少なくとも２つの隣接したターゲットデバイス上の電位差に等しいトリガー電圧を出力するので、動作時にはシャント半導体上の電位差は低い。シャント保護モジュールは、故障したターゲットデバイスに対応するシャント半導体に高いトリガー電圧を提供することを確実にするので、シャント保護モジュールの電力消失は低減される。
【選択図】図１

Description

本発明は、直列接続されたデバイスのためのシャント保護モジュールおよび方法に関し、より特定には、低い電力消失を有するシャント保護モジュールおよび方法に関する。

従来のシャント保護装置は、もし直列接続されたＬＥＤの1つが故障したとしても、複数の直列接続されたＬＥＤのような直列接続されたデバイスが通常通りに動作することを確かなものとするように発明された。しかしながら、低い電力消失を有するシャント保護装置を設計することは、解決すべき重要な問題であった。米国特許第7,564,666号（これ以降の関連従来技術）は解決策を開示している。

図７を参照すると、関連する従来技術はシャント保護回路を開示している。各シャント保護回路は、１つのＬＥＤに対応し接続されており、第一の端子５１と、第二の端子５２と、酸化半導体（ＭＯＳ）でゲートされたシリコン制御された整流器（ＳＣＲ）５３と、２つのダイオード５４、５５と、抵抗５６を有している。第一の端子５１は対応するＬＥＤの陰極に接続されており、第二の端子５２は対応するＬＥＤの陽極に接続されている。ＭＯＳゲートされたＳＣＲ５３のドレイン端子は第一の端子５１に接続され、ＭＯＳゲートされたＳＣＲ５３のソース端子は第二の端子５２に接続されている。２つのダイオード５４、５５はお互いに背を向けて接続されている。２つのダイオード５４の１つの陽極は第一の端子５１に接続され、もう１つのダイオード５５の陽極はＭＯＳゲートされたＳＣＲ５３のゲート端子に接続されている。抵抗５６は、ＭＯＳゲートされたＳＣＲ５３のゲート端子と第二の端子５２の間に接続されている。

上述したシャント保護回路は対応するＬＥＤが通常通り動作する時には働かないので、シャント保護回路は実質的にゼロの電流しか導電していない。対応するＬＥＤが故障し、対応するＬＥＤの故障が直列接続されたＬＥＤのループ中の開回路に結果としてなる時には、シャント保護回路中のＭＯＳゲートされたＳＣＲ５３が、ＭＯＳゲートされたＳＣＲ５３を通した電流を遮断するようにオンにされる。従って、１つの故障したＬＥＤがある直列接続されたＬＥＤは通常通り動作し続ける。

図８は、関連する従来技術に開示された別の例を示す。ゾナーダイオード５７がシャント保護回路となるように適用されている。ゾナーダイオード５７の陽極が第一の端子５１に接続され、ゾナーダイオード５７の陰極が第二の端子５２に接続されている。ゾナーダイオード５７は、対応するＬＥＤが通常通り動作している時には、実質的にゼロの電流しか導電しない。対応するＬＥＤが故障し対応するＬＥＤの故障が直列接続されたＬＥＤのループ中の開回路に結果としてなる時には、ゾナーダイオード５７が、ゾナーダイオード５７を通した電流を遮断するように導電する。従って、１つの故障したＬＥＤがある直列接続されたＬＥＤは通常通り動作し続ける。

関連する従来技術の明細書の欄６によると、ＭＯＳゲートされたＳＣＲ５３またはゾナーダイオード５７の最大電力消失は、ＭＯＳゲートされたＳＣＲ５３がオンにされるかゾナーダイオード５７が導電する時の対応するＬＥＤの電力消失の４分の１である。例えば、もし３５０ミリアンペア（ｍＡ）の電流が対応するＬＥＤを通して流れ、対応するＬＥＤが通常通りに動作する時のＬＥＤの前方電圧が３．５ボルトであれば、対応するＬＥＤの電力消失はおよそ１．２ワットなので、対応するＬＥＤが故障した時のＭＯＳゲートされたＳＣＲ５３またはゾナーダイオード５７の最大電力消失はおよそ０．３ワットである。

しかしながら、関連する従来技術に開示されたシャント保護装置の電力消失は、対応するＬＥＤの電力消失の４分の１より低くはできない。その理由は、ゲートとＭＯＳゲートされたＳＣＲ５３のソース端子の間の電位差が、ＭＯＳゲートされたＳＣＲ５３をオンにするように切り替えるための閾値電圧より大きくなければならないからである。しかし、図７に示されたＭＯＳゲートされたＳＣＲ５３の接続に基づくと、ＭＯＳゲートされたＳＣＲ５３のドレインおよびソース端子の間の電位差は、ゲートおよびソース端子の間の電位差よりも低くなることはない。従って、関連する従来技術は、ＭＯＳゲートされたＳＣＲ５３またはゾナーダイオード５７の電力消失が好ましくは対応するＬＥＤの電力消失のおよそ１０分の１より大きくないことを開示しているが、それは関連する従来技術に開示された発明では達成することが実用的に困難である。

発明の主な目的は、低い電力消失を有するシャント保護モジュールおよび方法を提供することである。

直列接続されたデバイスのためのシャント保護モジュールおよび方法は、複数のシャント半導体と１つの制御部を使用する。シャント半導体は、複数のターゲットデバイスにそれぞれ対応する。各シャント半導体は、対応するターゲットデバイスに並列に接続する。制御部は、シャント半導体のトリガー端子と接続する。各シャント半導体は、より高い電圧がトリガー端子に入力されればされるほどシャント端子間の電位差がより低くなるという特性を有し、制御部は、故障したターゲットデバイスに対応するシャント半導体に、少なくとも２つの隣接したターゲットデバイス上の電位差に等しいトリガー電圧を出力するので、動作時にはシャント半導体上の電位差は低い。シャント保護モジュールおよび方法は、故障したターゲットデバイスに対応するシャント半導体に高いトリガー電圧を提供することを確かなものとするので、本発明のシャント保護モジュールの電力消失は可能な限り低く低減されることができ、従来のシャント保護装置のそれよりも低くすることができる。

図１は、直列接続されたＬＥＤの列中の２つのＬＥＤに接続している本発明に従ったシャント保護モジュールの実施形態の機能的ブロック図である。 図２は、図１に示されたシャント保護モジュールの機能的ブロック図である。 図３は、図２に示された制御部によって実行される動作プロセスのフローチャートである。 図４は、図２のＬＥＤを通して流れる電流の経路を示す機能的ブロック図である。 図５は、故障したＬＥＤを通して電流が流れることができないことを示す機能的ブロック図である。 図６は、対応するＬＥＤの１つが故障した時の、本発明に従ったシャント保護モジュールを通したシャント経路を示す機能的ブロック図である。 図７は、従来のシャント保護回路の回路図である。 図８は、別の従来のシャント保護回路の回路図である。

本発明に従ったシャント保護モジュールは、複数のターゲットデバイスに接続するのに使われ、複数のシャント半導体と１つの制御部からなる。

図１を参照すると、本発明のシャント保護モジュール１０の実施形態が、直列に接続された複数のＬＥＤを含むＬＥＤ列に適用されているが、それに限定はされない。各シャント保護モジュールは、この実施形態におけるＬＥＤ列中の２つの隣接したＬＥＤに接続するように、複数の隣接したターゲットデバイスに接続する。２つの隣接したＬＥＤは以降、第一のＬＥＤ２０と第二のＬＥＤ３０として例示される。第二のＬＥＤ３０の陽極は、ノード４０中で第一のＬＥＤ２０の陰極に接続している。

シャント半導体の量は、ターゲットデバイスの量に対応する。図２を更に参照すると、
第一のシャント半導体１１と第二のシャント半導体１２である２つのシャント半導体がこの実施形態では実装され、第一のＬＥＤ２０と第二のＬＥＤ３０にそれぞれ対応する。もしシャント保護モジュールが３つまたは４つの隣接したＬＥＤに接続していれば、３つまたは４つのシャント半導体がシャント保護モジュール中に実装され、３つまたは４つの隣接したＬＥＤにそれぞれ対応する。

第一のシャント半導体１１は第一のＬＥＤ２０に対応し、１つのトリガー端子１１１と２つのシャント端子１１２、１１３を有する。第一のシャント半導体１１のシャント端子１１２、１１３は、第一のＬＥＤ２０の陽極とノード４０にそれぞれ接続しているので、第一のシャント半導体１１は第一のＬＥＤ２０に並列に接続している、更に、第一のシャント半導体１１は、より高い電圧がトリガー端子１１１に入力されればされるほどシャント端子１１２、１１３間の電位差がより低くなるという特性を有する。第一のシャント半導体１１は金属酸化半導体（ＭＯＳ）であっても良く、トリガー端子１１１はＭＯＳのゲート端子であって、シャント端子１１２、１１３はそれぞれＭＯＳのドレイン端子およびソース端子である。

第二のシャント半導体１２は第二のＬＥＤ３０に対応し、１つのトリガー端子１２１と２つのシャント端子１２２、１２３を有する。第二のシャント半導体１２のシャント端子１２２、１２３は、ノード４０と第二のＬＥＤ３０の陰極にそれぞれ接続しているので、第二のシャント半導体１２は第二のＬＥＤ３０に並列に接続している、また、第二のシャント半導体１２は、より高い電圧がトリガー端子１２１に入力されればされるほどシャント端子１２２、１２３間の電位差がより低くなるという特性を有する。第二のシャント半導体１２はＭＯＳであっても良く、トリガー端子１２１はＭＯＳのゲート端子であって、シャント端子１１２、１２３はそれぞれＭＯＳのドレイン端子およびソース端子である。

制御部１３は第一および第二のシャント半導体１１、１２のトリガー端子１１１、１２１に接続し、第一または第二のＬＥＤ２０、３０が故障しているかどうかを検出する。制御部１３はまた、故障したＬＥＤ２０、３０に対応するシャント半導体１１，１２のトリガー端子１１１、１２１にトリガー電圧を出力するので、故障したＬＥＤ２０、３０に対応するシャント半導体１１、１２がオンに切り替えられる。トリガー電圧は、少なくとも２つの隣接したターゲットデバイス上の電位差に等しい。図１および２に示された実施形態では、トリガー電圧は、第一のＬＥＤ２０の陽極と第二のＬＥＤ３０の陰極の間の電位差に等しい。

更に図２を参照すると、制御部１３は、ターゲットデバイス検出器１３１とトリガー電圧生成器１３２からなっていても良い。

ターゲットデバイス検出器１３１は、第一のＬＥＤ２０または第二のＬＥＤ３０のどちらかが故障したかどうかを検出する。

トリガー電圧発生器１３２は、ターゲットデバイス検出器１３１と第一および第二の半導体１１，１２のトリガー端子１１１、１２１に接続している。トリガー電圧発生器１３２は、トリガー電圧を出力することが可能である。

更に図３を参照すると、制御部１３によって実行される動作プロセスは、全ての接続されたターゲットデバイスの状態を取得するステップ３０１と、接続されたターゲットデバイスのいずれかが故障したかどうかを決定するステップ３０２と、対応するシャント半導体をオンにするように切り替えるために故障したターゲットデバイスに対応するシャント半導体にトリガー電圧を出力するステップ３０３と、からなる。

全ての接続されたターゲットデバイスの状態を取得するステップ３０１では、ターゲットデバイス検出器１３１が全ての接続されたターゲットデバイスの状態を取得する。
接続されたターゲットデバイスのいずれかが故障したかどうかを決定するステップ３０２では、ターゲットデバイス検出器１３１が接続されたターゲットデバイスのいずれかが故障したかどうかを決定する。

接続されたターゲットデバイスのいずれもが故障していなかった場合には、制御部１３は動作プロセスを繰り返すように全ての接続されたターゲットデバイスの状態を取得するステップを再実行する。上述した実施形態では、図４を参照すると、全ての接続されたＬＥＤ２０、３０が通常通り動作する時には、ターゲットデバイス検出器１３１は接続されたＬＥＤ２０、３０のいずれもが故障していないことを検出するので、トリガー電圧発生器１３２はトリガー電圧を出力せず、第一および第二のシャント半導体１１、１２はオンに切り替えられず、オフの状態のままとなる。

もしターゲットデバイス検出器１３１が接続されたターゲットデバイスのいずれかが故障したことを検出すれば、制御部１３は、故障したターゲットデバイスに対応するシャント半導体１１、１２に電圧生成器１３２からのトリガー電圧を出力するために、対応するシャント半導体をオンにするように切り替えるために故障したターゲットデバイスに対応するシャント半導体にトリガー電圧を出力するステップ３０３を実行する。以下の記載では、図５と６が上述した実施形態を使うことによってステップ３０３を説明することを例示する。

図５を更に参照すると、例えば第一のＬＥＤ２０が故障したことのように、ターゲットデバイス検出器１３１が接続されたＬＥＤ２０、３０の１つが故障したことを検出すると、トリガー電圧生成器１３２が、故障した第一のＬＥＤ２０に対応する第一のシャント半導体１１にトリガー電圧を出力する。第一のＬＥＤ２０が丁度故障した瞬間に、第一のＬＥＤ２０の陽極と第二のＬＥＤ３０の陰極の間の電位差が鋭く上昇し、トリガー電圧も上昇する。トリガー電圧はＭＯＳの閾値よりも大きいので、第一のシャント半導体１１が引き続いてオンにされて飽和モードで動作する。この状態では、電流は第一のシャント半導体１１のシャント端子を通して流れることが許容される。

図６を参照すると、第一のシャント半導体１１がオンにされた後、元々第一のＬＥＤ２０を通して流れていた電流は、シャント端子１１２、第一のシャント半導体１１、シャント端子１１３、ノード４０および第二のＬＥＤ３０を通して流れる。第一のシャント半導体１１がシャント経路を提供するので、ＬＥＤ列は通常通り動作し続ける。第一のＬＥＤ２０が故障した後は第二のＬＥＤ３０だけが通常通り動作するが、第二のＬＥＤ３０の前方電圧が３．５ボルトなので第一のシャント半導体１１はオンにされたままに留まり、制御部１３は３．５ボルトのトリガー電圧を出力する。

ＭＯＳの特性に従って、ＭＯＳが飽和モードで動作する時には、ＭＯＳのドレインおよびソース端子の間の電位差は非常に低い。例えば、もし１００ミリアンペア（ｍＡ）の電流がＭＯＳ通して流れれば、ＭＯＳのドレインおよびソース端子の間の電位差はおよそ０．１ボルトである。従って、第一のＬＥＤ２０が故障して第一のシャント半導体１１がオンにされた時には、第一のシャント半導体１１の電力消失は０．０１ワットである。

前述した記載に基づくと、各シャント半導体は、より高い電圧がトリガー端子に入力されればされるほどシャント端子１１２、１１３間の電位差がより低くなるという特性を有し、制御部１３は、故障したターゲットデバイスに対応するシャント半導体に、少なくとも２つの隣接したターゲットデバイス上の電位差に等しいトリガー電圧を出力するので、動作時にはシャント半導体上の電位差は低い。従って、本発明のシャント保護モジュールおよび方法は、故障したターゲットデバイスに対応するシャント半導体に高いトリガー電圧を提供することを確かなものとするので、本発明のシャント保護モジュールの電力消失は可能な限り低く低減されることができる。

Claims (5)

1. 直列に接続された複数のターゲットデバイスに接続するように適応されている、直列接続されたデバイスのためのシャント保護モジュールであって、
   ターゲットデバイスにそれぞれ対応する複数のシャント半導体であって、各シャント半導体は、１つのトリガー端子と２つのシャント端子を有し、対応するターゲットデバイスに並列にシャント端子で接続され、より高い電圧がトリガー端子に入力されればされるほどシャント端子間の電位差がより低くなるという特性を有するものと、
   少なくとも２つの隣接したターゲットデバイス上の電位差に等しいトリガー電圧を出力し、シャント半導体のトリガー端子に接続し、ターゲットデバイスのいずれかが故障したかどうかを検出し、対応するシャント半導体をオンにするように切り替えるために故障したターゲットデバイスに対応するシャント半導体にトリガー電圧を出力することが可能とされている制御部と、
   を含むシャント保護モジュール。
2. 制御部は、
   ターゲットデバイスのいずれかが故障したかどうかを検出するターゲットデバイス検出器と、
   ターゲットデバイス検出器とシャント半導体のトリガー端子に接続されたトリガー電圧生成器であって、トリガー電圧生成器は、ターゲットデバイスのいずれかが故障したことをターゲットデバイス検出器が検出した時に、対応するシャント半導体をオンにするように切り替えるために故障したターゲットデバイスに対応するシャント半導体にトリガー電圧を出力するものと、
   を含む、請求項１記載のモジュール。
3. 第一のターゲットデバイスと第二のターゲットデバイスに接続された請求項１または２記載のモジュールであって、各ターゲットデバイスは１つの入力と１つの出力を有し、第一のターゲットデバイスの出力はノードにおいて第二のターゲットデバイスの入力に接続されており、
   第一のシャント半導体と第二のシャント半導体が実装されており、
   第一のシャント半導体は第一のターゲットデバイスに対応し、
   １つのトリガー端子と、
   第一のターゲットデバイスの入力とノードにそれぞれ接続された２つのシャント端子を有し、
   第二のシャント半導体は第二のターゲットデバイスに対応し、
   １つのトリガー端子と、
   ノードと第二のターゲットデバイスの出力にそれぞれ接続された２つのシャント端子を有し、
   制御部は、第一のターゲットデバイスの入力と第二のターゲットデバイスの出力の間の電位差に等しいトリガー電圧を出力し、第一および第二のシャント半導体のトリガー端子に接続し、第一および第二のターゲットデバイスのいずれかが故障したかどうかを検出し、対応するシャント半導体をオンにするように切り替えるために故障したターゲットデバイスに対応するシャント半導体にトリガー電圧を出力することが可能である、
   請求項１または２記載のモジュール。
4. 制御部によって実行される、直列接続されたデバイスのためのシャント保護方法であって、
   直列に接続された少なくとも２つのターゲットデバイスにそれぞれ少なくとも２つのシャント半導体を接続するステップであって、少なくとも２つのシャント半導体の各々は、１つのトリガー端子と２つのシャント端子を有し、対応するターゲットデバイスに並列にシャント端子で接続され、より高い電圧がトリガー端子に入力されればされるほどシャント端子間の電位差がより低くなるという特性を有するステップと、
   全ての接続されたターゲットデバイスの状態を取得するステップと、
   接続されたターゲットデバイスのいずれかが故障したかどうかを決定するステップと、
   接続されたターゲットデバイスのいずれかが故障した時に、対応するシャント半導体をオンにするように切り替えるために故障したターゲットデバイスに対応するシャント半導体にトリガー電圧を出力するステップと、
   を含む方法。
5. 接続されたターゲットデバイスのいずれもが故障していなかった場合には、全ての接続されたターゲットデバイスの状態を取得するステップを再実行する、請求項４記載の方法。

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