JP2015139364A - 過電圧に対して回路を保護する保護装置および当該装置を有する電力供給メンバ - Google Patents

Abstract

【課題】過電圧の出現に関連する過剰エネルギの消散と、回路の端子を横切る電圧のクリッピングとを改善する過電圧に対して回路を保護できる装置を提供する。【解決手段】過電圧に対して回路14を保護する保護装置17は、非線形抵抗18とツェナダイオード22とを有する。非線形抵抗は回路の電力供給源16の端子に接続されるよう設計される。非線形抵抗及びツェナダイオードのそれぞれは第１の接続端部18a、22a及び第２の接続端部18b、22bを有する。ツェナダイオードの第１の接続端部22aは非線形抵抗の第１の接続端部18aに接続される。保護装置は非線形抵抗の第２の接続端部18bとツェナダイオードの第２の接続端部22bとの間に接続され、通過する電流の強度を制限できる電流リミッタコンポーネント20をさらに有する。【選択図】図１

Description

本発明は、過電圧に対して回路を保護する装置、すなわち、回路の端子を横切って印加される電圧をクリップするよう設計された装置と、当該装置を有する電力供給メンバと、に関する。

電気回路の分野における１つの問題は、過電圧に対する電気回路の保護により、電気回路および当該電気回路を構成するコンポーネントの適切な動作を確保することである。実際、電気回路の２つの端子間に印加される過電圧によって、回路が破壊されることがある。一般に、過電圧は、電気回路の端子を横切って印加されることがある静電放電により発生する。

過電圧に対する保護の分野において、非線形抵抗またはツェナダイオードなどのコンポーネントを使用することは、周知である。ツェナダイオードは、より詳細には、パワーツェナダイオードに対応し、その定格電力は、例えば、１０Ｗより大きい。

非線形抵抗は、例えば、過電圧に対して保護される回路と並列に接続される場合、過電圧に起因するエネルギを消散することができると同時に、回路の端子を横切る電圧を制限することができる。しかしながら、非線形抵抗によって提供される、電圧クリッピングとも呼ばれる電圧制限は制限される。

パワーツェナダイオードは、非常に良好に電圧をクリップすることができ、したがって、過電圧に対して保護される回路の端子を横切る電圧を制限することができる。しかしながら、パワーツェナダイオードが過電圧に起因する過剰エネルギを消散する容量は非常に制限される。このため、過電圧が出現したとき、パワーツェナダイオードの破壊を導くことがある。

図３において、グラフは、曲線１００上に非線形抵抗の電流−電圧特性と、曲線１０２上にパワーツェナダイオードの電流−電圧特性と、を示す。曲線１００、１０２は、非線形抵抗の制限された電圧クリップ容量を例示しており、パワーツェナダイオードは、非線形抵抗より良好な電圧クリップ容量を有することを示す。実際、負電流に対して、非線形抵抗およびパワーツェナダイオードの伝導領域１０４では、曲線１０２の傾きは、曲線１００の傾きより大きい。

また、非線形抵抗と並行に接続されたパワーツェナダイオードを有する装置を使用することは周知である。この場合、パワーツェナダイオードは、過電圧に対して保護される電気回路の端子を横切って接続される。しかしながら、この装置において、非線形抵抗の端子を横切る電圧が過電圧に起因して著しく増大したとき、パワーツェナダイオードの端子を横切る電圧もかなり増大し、このため、パワーツェナダイオードの破壊を導く。さらに、このタイプの装置では、パワーツェナダイオードに関して選ばれた第１の定格電圧値は、非線形抵抗に関して選ばれた第２の定格電圧値に依存する。

したがって、本発明の目的は、過電圧の出現に関連する過剰エネルギの消散と、回路の端子を横切る電圧のクリッピングと、を改善できる、過電圧に対して回路を保護する装置を提案することである。

この目的のため、本発明は、過電圧に対して回路を保護する装置であって、非線形抵抗と、ツェナダイオードと、を有し、ツェナダイオードおよび非線形抵抗のそれぞれは、第１の接続端部および第２の接続端部を有し、ツェナダイオードの第１の接続端部は、非線形抵抗の第１の接続端部に接続される、装置に関する。本発明によれば、この装置は、通過する電流の強度を制限することができる電流リミッタコンポーネントをさらに有し、電流リミッタコンポーネントは、非線形抵抗の第２の接続端部とツェナダイオードの第２の接続端部との間に接続される。

本発明によれば、過電圧が出現したとき、電流リミッタコンポーネントから来る電流の強度は限定されるので、これにより、ツェナダイオードを通過する電流の強度を、例えば、それを超えるとダイオードが破壊される可能性のある強度値より低く、限定することができる。これにより、過電圧が出現したとき、電流ピークが出現し、電流リミッタコンポーネントでは、電流の一部が通過する一方、非線形抵抗を通過する電流の他の部分をブロックする。このため、非線形抵抗は、過電圧に関連する余剰エネルギを消散できる。さらに、ツェナダイオードは、非常に高い電圧クリップ能力を有するので、この能力により、過電圧に対して回路を十分保護することができる。したがって、提案された装置によって、ツェナダイオードの破壊を回避すると同時に、過電圧に対して回路をより良好に保護することができる。

本発明の他の有利な態様によれば、この保護装置は、単独または任意の技術的に許容できる組み合わせで、以下の特徴の１つまたは複数をさらに有する。

ツェナダイオードは、回路の端子に接続される。

電流リミッタコンポーネントは、接合型電界効果トランジスタまたは金属酸化膜半導体型トランジスタを含む電界効果トランジスタを有する。

電界効果トランジスタは、シリコンまたは炭化シリコンに対応する、ワイドバンドギャップを有する材料から作成された半導体基板を有する。

電界効果トランジスタは、炭化シリコンから作成された基板を有する縦型接合型電界効果トランジスタである。

ツェナダイオードは、トランシルダイオードである。

非線形抵抗はバリスタである。

非線形抵抗の定格電圧は、電力供給源によって提供される電圧より大きく、好ましくは、電力供給源によって提供される電圧より少なくとも１．５倍大きい。

電流リミッタコンポーネントは、当該電流リミッタコンポーネントを通過する電流の強度を、閾値以下の値に制限することができ、ツェナダイオードを、強度が閾値以上である電流が通過することができる。

また、本発明は、電力供給源と、過電圧に対して回路を保護する装置と、を有する電力供給メンバに関する。本発明によれば、装置は、定義された装置であり、非線形抵抗は、電力供給源の端子に接続される。

過電圧から保護される電気回路に接続された、本発明に係る保護装置を有する電気システムの概略図である。 過電圧が出現したとき、図１の保護装置に属する電流リミッタコンポーネントの入力および出力として、それぞれ電流を時間の関数として示す２つの曲線のセットを示す図である。 ツェナダイオードおよび非線形抵抗の電流−電圧特性を、それぞれ示す２つの曲線セットの図である。

単に制限されない一例として与えられ図面を参照しながら行われる以下の説明を鑑みることによって、本発明はより良く理解され、本発明の他の利点は明らかになるであろう。

図１において、電気システム１０は、電力供給１２と、過電圧に対して保護される電気回路１４と、を有する。

電力供給回路１２は、電力供給源１６と、保護装置１７と、を有する。

電力供給源１６は、電圧供給源である。電力供給源１６は、回路１４の端子を横切って回路を破損せずに印加することができる電圧Ｖ１を供給するのに適合する。電圧Ｖ１は、一般に、２４Ｖ（Volts）と１５００Ｖとの間、好ましくは２４Ｖと１０００Ｖとの間である。

保護装置１７は、非線形抵抗１８と、電流リミッタコンポーネント２０と、ツェナダイオード２２と、を有する。ツェナダイオード２２は、一般に、定格電力が、例えば１０Ｗより大きいパワーツェナダイオードに対応する。

非線形抵抗１８は、電力供給源１６の端子に、すなわち、電力供給源１６と平行に接続される。非線形抵抗１８は、バリスタであることが好ましい。

非線形抵抗１８は、第１の接続端部１８ａと、第２の接続端部１８ｂと、を有する。

非線形抵抗１８ａの定格電圧Ｖｎは、電力供給源１６によって供給される電圧Ｖ１より大きい。定格電圧Ｖｎは、１ｍＡに等しい電流が通過するときの非線形抵抗の端子を横切る電圧に対応する。定格電圧Ｖｎは、電力供給源１６によって供給される電圧Ｖ１より少なくとも１．５倍大きいことが好ましい。これにより、電圧Ｖ１が１００Ｖに等しい場合、定格電圧Ｖｎは、例えば１５０Ｖに等しい。

電流リミッタコンポーネント２０は、第１の接続端部２０ａおよび第２の接続端部２０ｂを有する。リミッタコンポーネント２０の第１の端部２０ａは、非線形抵抗１８の第２の端部１８ｂに接続される。

電流リミッタコンポーネント２０は、それを通過する電流の強度を制限することができ、これにより第２の接続端部２０ｂで送出される電流の強度を制限することができる。

電流リミッタコンポーネント２０は、それを通過する電流の強度を閾値Ｓ１以下の値に制限できる。より詳細には、強度が閾値Ｓ１より大きい電流が電流リミッタコンポーネント２０の入力に到達したとき、コンポーネント２０は、それを通過する電流の強度を閾値Ｓ１に制限できる。閾値Ｓ１は、一般に、第２の端部２０ｂを通過する電流の強度が回路１４に関する最大許容強度Ｉｍａｘ以下になるよう選ばれる。最大強度Ｉｍａｘは、動作のダメージまたは変更を伴わずに回路１４を通過できる電流の最大強度に対応する。閾値Ｓ１は、例えば５Ａと２００Ａとの間である。

電流リミッタコンポーネント２０は、接合型電界効果トランジスタ（Junction Field Effect Transistor；ＪＦＥＴ）または金属酸化膜半導体型電界効果トランジスタ（Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor；ＭＯＳＦＥＴ）などの電界効果トランジスタ（図示省略）を有する。

トランジスタは、例えばシリコンまたは炭化シリコン（silicon carbide）に対応する、ワイドバンドギャップを有する材料から作成された半導体基板を有する。

電界効果トランジスタは、接合ゲート電界効果トランジスタとも呼ばれる接合型電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）であることが好ましい。

また、電界効果トランジスタは、基板がシリカ炭化物（silica carbide）である縦型接合型電界効果トランジスタ（Vertical Junction Field Effect Transistor；ＶＪＦＥＴ）であることが好ましい。

電流リミッタコンポーネント２０は、仏国特許出願公開第２９７５５４２号に記載されるようなものである。このため、トランジスタは、ドレイン電極、ソース電極およびゲート電極を有する。

代替として、電流リミッタコンポーネント２０は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Insulated Gate Bipolar Transistor；ＩＧＢＴ）などのバイポーラトランジスタ、または、通過する電流を制限すなわちクリップすることができる他の任意のタイプのコンポーネントを有する。ツェナダイオード２２は、第１の接続端部２２ａおよび第２の接続端部２２ｂを有する。ツェナダイオード２２は、回路１４の端子を横切って、すなわち、回路１４と平行に接続される。

第１の端部２２ａは、第１の端部１８ａに接続される。ツェナダイオードの第２の端部２２ｂは、電流リミッタコンポーネント２０の第２の端部２０ｂに接続される。

このため、電流リミッタコンポーネント２０は、非線形抵抗１８の第２の端部１８ｂとツェナダイオード２２の第２の端部２２ｂとの間に接続される。より詳細には、ソース電極は、非線形抵抗１８の第２の端部１８ｂに接続され、ドレイン電極は、ツェナダイオード２２の第２の端部２２ｂに接続され、ゲート電極は、閾値Ｓ１を予め定められた値に設定可能な制御メンバ（図示省略）に接続される。

ツェナダイオード２２は、トランシルダイオード（Transil diode）であることが好ましい。

ツェナダイオード２２は、強度が上記閾値Ｓ１以上である第１の電流Ｉ１によって通過されうる。第１の電流Ｉ１および閾値Ｓ１の値は、保護される回路１４とそれを通過する定格電流および電圧とに固有である。

代替として、ツェナダイオード２２は、一般に、強度が閾値Ｓ１と回路１４を通過可能な定格電流Ｉｎの強度との間の差より大きい第１の電流Ｉ１によって通過されてもよい。定格電流Ｉｎは、回路１４の最適な動作に必要な電流に対応する。

回路１４および供給源１６の正常動作中、すなわち、過電圧が全く出現しないとき、リミッタコンポーネント２０はそれを通過する電流を制限せず、非線形抵抗１８およびツェナダイオード２２を通過する電流は非常に低く無効とみなすことができるので、供給源１６は、電圧Ｖ１をそのまま回路１４に供給する。

図２において、曲線５０は、過電圧が出現したとき電力供給源１６で測定された第２の電流Ｉ２を時間の関数として示し、曲線５２は、過電圧が出現したとき電流リミッタコンポーネント２０の第２の端部２０ｂで測定された第３の電流Ｉ３を時間の関数として示す。

曲線５０は、過電圧が出現したとき、電力供給源１６の電流がかなり増大することを示す。曲線５２は、過電圧が出現したとき、第２の端部２０ｂで測定された電流が閾値Ｓ１に到達することを示す。これにより、ツェナダイオード２２の第２の端部２２ｂおよび回路１４に到達する電流は、閾値Ｓ１に制限される。この結果、ツェナダイオード２２および回路１４を通過する電流は、これらの動作に悪影響を及ぼさない。

実際、閾値Ｓ１は、ツェナダイオード２２を通過可能な第１の電流Ｉ１の強度以下になるよう選ばれる。さらに、閾値Ｓ１は、一般に、回路１４を通過可能な定格電流Ｉｎの強度より大きくなるよう選ばれる。このため、電流リミッタコンポーネント２０は、過電圧に対応する電流ピークが出現したときのみ、それを通過する電流を制限する。

過電圧が起きたとき、リミッタコンポーネント２０を通過する電流は、閾値Ｓ１に制限される。電流リミッタコンポーネント２０によってブロックされ、それを通過しない残りの電流Ｉｒに対応する電流は、非線形抵抗１８を通過する。残りの電流Ｉｒは、曲線５０の振幅（amplitude）が曲線５２より大きい場合、曲線５０の振幅と閾値Ｓ１との差に対応する。非線形抵抗１８によって、残りの電流Ｉｒに対応するエネルギを消散、すなわち、過電圧に関連するエネルギを消散することができる。

さらに、ツェナダイオード２２によって、回路１４の端子を横切る電圧のクリッピングを最適化することができる。

このため、装置１７によって、回路１４の端子を横切る電圧の最適なクリッピングと、過電圧に関連するエネルギの非線形抵抗１８による消散と、の両方が可能になる。

さらに、非線形抵抗１８は、エネルギ消散機能を有し、電圧クリッピング機能を有しない。このため、非線形抵抗１８の定格電圧Ｖｎの値は、電力供給源１６によって供給される電圧Ｖ１より高くてもよい。より詳細には、前に説明したように、定格電圧Ｖｎは、電圧Ｖ１より少なくとも１．５倍高い。これは、供給源１６の端子を横切る電圧が、電圧Ｖ１よりわずかに高く、例えば１．２倍高くなるのではなく、過電圧が閾値Ｓ１より大きい電流を生成したときのみ重大な電流が非線形抵抗１８を通過することを意味する。このため、非線形抵抗１８の耐用年数は最適化される。

Claims (10)

1. 過電圧に対して回路を保護する装置であって、
   非線形抵抗と、
   ツェナダイオードと、
   通過する電流の強度を制限することができる電流リミッタコンポーネントと、を有し、
   前記非線形抵抗は、前記回路の電力供給源の端子に接続されるよう設計され、
   前記ツェナダイオードおよび前記非線形抵抗のそれぞれは、第１の接続端部および第２の接続端部を有し、
   前記ツェナダイオードの前記第１の接続端部は、前記非線形抵抗の前記第１の接続端部に接続され、
   前記電流リミッタコンポーネントは、前記非線形抵抗の前記第２の接続端部と前記ツェナダイオードの前記第２の接続端部との間に接続される、ことを特徴とする装置。
2. 前記ツェナダイオードは、前記回路の端子に接続される、請求項１に記載の装置。
3. 前記電流リミッタコンポーネントは、接合型電界効果トランジスタまたは金属酸化膜半導体型トランジスタを含む電界効果トランジスタを有する、請求項１または２に記載の装置。
4. 前記電界効果トランジスタは、シリコンまたは炭化シリコンに対応する、ワイドバンドギャップを有する材料から作成された半導体基板を有する、請求項３に記載の装置。
5. 前記電界効果トランジスタは、炭化シリコンから作成された基板を有する縦型接合型電界効果トランジスタである、請求項３または４に記載の装置。
6. 前記ツェナダイオードは、トランシルダイオードである、請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置。
7. 前記非線形抵抗はバリスタである、請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置。
8. 前記非線形抵抗の定格電圧は、前記電力供給源によって提供される電圧より大きい、請求項１〜７のいずれか一項に記載の装置。
9. 前記電流リミッタコンポーネントは、当該電流リミッタコンポーネントを通過する電流の強度を、閾値以下の値に制限することができ、
   前記ツェナダイオードを、強度が前記閾値以上である電流が通過することができる、請求項１〜８のいずれか一項に記載の装置。
10. 電力供給源と、
    過電圧に対して回路を保護する装置と、を有する電力供給メンバであって、
    前記装置は、請求項１〜９のいずれか一項に記載された装置であり、
    前記非線形抵抗は、前記電力供給源の端子に接続される、ことを特徴とする電力供給メンバ。

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