JP2017099083A - Overcurrent protection circuit - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an inexpensive current protection circuit of extremely small power loss which prevents breakdown of a switching element by detecting and interrupting an excessive current generated in the switching element at high speed.SOLUTION: When placing a current detection inductor 101 at a certain position for the electrode of a switching element Q5, an induction electromotive force of the current detection inductor 101 is generated by mutual induction when an overcurrent occurs, and a voltage is induced in the R12. When the base-emitter potential of a switching element Q1 exceeds the diffusion potential, a base current begins to flow, and a collector current of hfe times thereof begins to flow. When the voltage drop in the R5 exceeds -0.6 V, base current of a switching element Q3 begins to flow. When the switching element Q3 is turned ON, the base current also flows to a switching element Q2 which is thereby turned ON, and short-circuiting the gate-source of the switching element Q5 thus turning the switching element Q5 OFF.SELECTED DRAWING: Figure 7

Description

本発明は、太陽光発電や蓄電池システムなどに用いられるインバータ回路などが誤動作した場合の過電流を高速に検出し、スイッチング素子の破損防止する過電流保護回路に関する。   The present invention relates to an overcurrent protection circuit that detects an overcurrent at a high speed when an inverter circuit or the like used in solar power generation or a storage battery system malfunctions, and prevents breakage of a switching element.

太陽光発電や定置型蓄電池システムにおける系統連系インバータは、例えば単相2線の場合、図8のようなHブリッジ回路で構成され、スイッチング素子Q1〜Q4を適切にスイッチすることでAC−DC変換と回生−力行動作が可能となる。このような構成では、同一アーム上のスイッチング素子Q1とQ2もしくはスイッチング素子Q3とQ4が同時にONになると、平滑コンデンサC1に貯められている電荷が短絡されることになる。そのため、一瞬たりとも同一アーム上のスイッチング素子が同時ONすることが無いように制御回路801−1、801−2によって制御される。   For example, in the case of a single-phase two-wire system, a grid-connected inverter in a photovoltaic power generation or stationary storage battery system is configured by an H-bridge circuit as shown in FIG. 8, and an AC-DC by appropriately switching the switching elements Q1 to Q4. Conversion and regenerative-powering operations are possible. In such a configuration, when the switching elements Q1 and Q2 or the switching elements Q3 and Q4 on the same arm are simultaneously turned on, the charge stored in the smoothing capacitor C1 is short-circuited. Therefore, the control circuits 801-1 and 801-2 are controlled so that the switching elements on the same arm are not simultaneously turned on even for a moment.

ところが、出力に商用電力系統804など長い電線が接続される場合やモーター負荷などが接続される場合においては、雷やノイズなどのサージ電圧が侵入しやすく、制御回路801−1、801−2やゲート駆動回路802−1〜802−4が誤動作することがある。いかに制御側の論理信号が同時ONしないように設計されていても、こういった外乱に起因する誤動作によってアーム短絡が引き起こされるとスイッチング素子が破損してしまう。   However, when a long electric wire such as the commercial power system 804 is connected to the output or when a motor load or the like is connected, a surge voltage such as lightning or noise is likely to enter, and the control circuits 801-1, 801-2, The gate drive circuits 802-1 to 802-4 may malfunction. No matter how the control side logic signal is designed to be turned on simultaneously, if the arm short circuit is caused by such a malfunction caused by such disturbance, the switching element is damaged.

そのため、このようなインバータ回路においては短絡時の過大な電流を何らかの手段で検出し、スイッチング素子のゲートを強制的にOFFへ遷移させる保護回路を設けることが一般的である。   Therefore, in such an inverter circuit, it is general to provide a protection circuit that detects an excessive current at the time of a short circuit by some means and forcibly switches the gate of the switching element to OFF.

G. Castino, A. Dubashi, S. Clemente, B. Pelly, 「IGBTの短絡保護」, International Rectifier, Application Notes, AN-984JG. Castino, A. Dubashi, S. Clemente, B. Pelly, “IGBT Short-Circuit Protection”, International Rectifier, Application Notes, AN-984J

電流を検出する手段としては電流経路にシャント抵抗Rを挿入する方法が良く知られているが、電流Iが流れる際の電圧降下を読み取るためI2Rのジュール損失が発生し、回路の電力損失が増大してしまう欠点がある。 As a means for detecting the current, a method of inserting a shunt resistor R in the current path is well known. However, in order to read a voltage drop when the current I flows, an I 2 R joule loss occurs, resulting in a circuit power loss. Has the disadvantage of increasing.

また別の方法として、過電流が流れた際にスイッチング素子の正極−負極間の飽和電圧が異常に上昇することを利用した過電流検出方式がある。しかしながらこの方法は、スイッチング素子のON/OFFに連動して検出機能もON/OFFしなければならない。そのため、回路が複雑化し、誤動作し易く、反応速度を速くしにくい。また、スイッチング素子の正極−負極間の飽和電圧は温度の影響を受け易く、スイッチング素子ごとのバラツキも大きいため、適正な保護電流設定が難しい。このため、調整の手段を講じなければならない場合もあり、コスト高やスペース増大を招きやすいという欠点がある。   As another method, there is an overcurrent detection method that utilizes the fact that the saturation voltage between the positive electrode and the negative electrode of the switching element rises abnormally when an overcurrent flows. However, in this method, the detection function must be turned ON / OFF in conjunction with the ON / OFF of the switching element. For this reason, the circuit becomes complicated, it is easy to malfunction, and it is difficult to increase the reaction speed. In addition, since the saturation voltage between the positive electrode and the negative electrode of the switching element is easily affected by temperature and varies widely from switching element to switching element, it is difficult to set an appropriate protection current. For this reason, there is a case where adjustment means must be taken, and there is a drawback that the cost is increased and the space is likely to increase.

さらに、例えばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などにおいては、短絡許容時間を規定している場合があるが、保護回路を組む際には、その短絡許容時間を考慮して設計する必要がある。しかし、この短絡許容時間は、正極−負極間電圧やゲート駆動電圧に大きな影響を受けるので、その影響を考慮して的確に保護を行うにはどうしても回路は複雑なものとなるという課題がある。   Further, for example, in an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) or the like, there is a case where a short circuit allowable time is specified. However, when a protection circuit is assembled, it is necessary to design in consideration of the short circuit allowable time. However, this short circuit allowable time is greatly affected by the voltage between the positive electrode and the negative electrode and the gate drive voltage, and therefore there is a problem that the circuit is inevitably complicated in order to properly protect in consideration of the influence.

そこで、同じ条件であればIGBTよりも短絡耐量の時間が長いとされてきたMOSFET(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)を使用する構成も考えられる。しかし、近年、高速・高耐圧・低損失が特徴で、スイッチング素子に多用されつつあるトレンチ構造のスーパージャンクションMOSFETやSiCのMOSFETなどにおいては、同定格のIGBTより短絡耐量時間がむしろ短く、定格に規定されていないことが多い。そのため、MOSFETを用いたとしても、回路を単純化することは容易ではない。   Therefore, a configuration using a MOSFET (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) that has been considered to have a longer short-circuit withstand time than the IGBT under the same conditions is also conceivable. However, in recent years, the characteristics of high speed, high withstand voltage, and low loss, and the trench junction super junction MOSFETs and SiC MOSFETs that are frequently used for switching elements, have a shorter short-circuit withstand time than the same rated IGBT, Often not stipulated. Therefore, even if a MOSFET is used, it is not easy to simplify the circuit.

このように、回路は複雑化せざるを得ず、回路サイズの拡大を招くので、電力回路においては放熱設計を難しくし、小型化やスイッチングの高速化、低コスト化に大きな障害となるという課題がある。   In this way, the circuit must be complicated and the circuit size is increased, which makes it difficult to design heat dissipation in the power circuit, and is a major obstacle to miniaturization, high-speed switching, and low cost. There is.

そのため、構造や放熱、高速化設計に影響しづらく、過電流に対して誤動作しにくい、高速でシンプルな保護回路が求められていた。   Therefore, there has been a demand for a high-speed and simple protection circuit that does not easily affect the structure, heat dissipation, and high-speed design, and does not easily malfunction due to overcurrent.

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、スイッチング素子に発生する過大な電流を、高速に検出して遮断することによりスイッチング素子の破損を防止する、電力損失が極めて小さく、かつ安価な過電流保護回路を提供することにある。   The present invention has been made in view of such problems, and the object of the present invention is to prevent damage to the switching element by detecting and shutting off an excessive current generated in the switching element at a high speed. An object of the present invention is to provide an inexpensive overcurrent protection circuit with extremely low power loss.

上記の課題を解決するために、本発明は、過電流保護回路であって、スイッチング素子の負極もしくは正極近傍、あるいは前記スイッチング素子の負極もしくは正極に接続された配線近傍に配置された磁路が閉じていないインダクタであって、前記インダクタの磁路解放方向が前記スイッチング素子に流れた電流によって発生する磁束の向きとなるように配置された、前記インダクタと、前記インダクタに生じた誘導起電力が所定の値を超えた場合、前記スイッチング素子をオフするオフ回路と、を備えたことを特徴とする。   In order to solve the above problems, the present invention provides an overcurrent protection circuit, wherein a magnetic path disposed in the vicinity of a negative electrode or a positive electrode of a switching element, or in a vicinity of a wiring connected to the negative electrode or the positive electrode of the switching element. An inductor that is not closed, the inductor being arranged such that a magnetic path releasing direction of the inductor is a direction of a magnetic flux generated by a current flowing through the switching element, and an induced electromotive force generated in the inductor And an off circuit that turns off the switching element when a predetermined value is exceeded.

請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の過電流保護回路において、前記オフ回路は、前記インダクタに生じた誘導電流を整流する全波整流回路を含むことを特徴とする。   According to a second aspect of the present invention, in the overcurrent protection circuit according to the first aspect, the off-circuit includes a full-wave rectifier circuit that rectifies the induced current generated in the inductor.

請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記載の過電流保護回路において、前記オフ回路は、NPNトランジスタとPNPトランジスタをサイリスタ接続した回路を使用して前記スイッチング素子をオフした状態を維持することを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, in the overcurrent protection circuit according to the first or second aspect, the off circuit has a state in which the switching element is turned off using a circuit in which an NPN transistor and a PNP transistor are thyristor-connected. It is characterized by maintaining.

請求項4に記載の発明は、請求項1乃至3のいずれかに記載の過電流保護回路において、前記オフ回路は、前記スイッチング素子のゲート電極とソース電極を短絡することにより前記スイッチング素子をオフすることを特徴とする。   According to a fourth aspect of the present invention, in the overcurrent protection circuit according to any one of the first to third aspects, the off circuit turns off the switching element by short-circuiting the gate electrode and the source electrode of the switching element. It is characterized by doing.

請求項5に記載の発明は、請求項1乃至4のいずれかに記載の過電流保護回路において、前記インダクタは、前記スイッチング素子と同一のプリント配線板に実装したことを特徴とする。   According to a fifth aspect of the present invention, in the overcurrent protection circuit according to any of the first to fourth aspects, the inductor is mounted on the same printed wiring board as the switching element.

本発明は、以下の効果を奏する。   The present invention has the following effects.

1.本発明によれば、シャント抵抗やカレントトランスなどの電流検出素子を使用しないので、スイッチング素子の配線に影響を与えることなく電流を検出することが可能となる。このため、スイッチング素子の放熱構造最適化や配線インダクタンスの悪影響を最小限にすることができる。   1. According to the present invention, since a current detection element such as a shunt resistor or a current transformer is not used, it is possible to detect a current without affecting the wiring of the switching element. For this reason, the adverse effect of the heat dissipation structure optimization of the switching element and the wiring inductance can be minimized.

2.本発明によれば、電流検出感度はスイッチング素子と電流検出インダクタの位置関係に依存するため、機械的位置関係を固定化することにより、電流検出感度のバラツキを最小限に抑えることができる。   2. According to the present invention, since the current detection sensitivity depends on the positional relationship between the switching element and the current detection inductor, the variation in the current detection sensitivity can be minimized by fixing the mechanical positional relationship.

3.本発明によれば、電流検出インダクタの巻方向を考慮することなく検出可能となり、電流検出インダクタに安価な汎用インダクタを使用することができ、過電流検出回路を安価かつシンプルに実現することができる。   3. According to the present invention, detection can be performed without considering the winding direction of the current detection inductor, an inexpensive general-purpose inductor can be used as the current detection inductor, and an overcurrent detection circuit can be realized inexpensively and simply. .

4.本発明によれば、過電流などの急峻な電流変化の検出を非常に高速に行うことができ、また検出感度は正の温度係数を持つため、スイッチング素子の最大定格が温度上昇と共に減じる特性に好適な過電流検出回路を構成することができる。   4). According to the present invention, a steep current change such as an overcurrent can be detected at a very high speed, and the detection sensitivity has a positive temperature coefficient, so that the maximum rating of the switching element decreases with increasing temperature. A suitable overcurrent detection circuit can be configured.

本発明の過電流保護回路が備える電流検出インダクタの第1の実装例を示す図である。It is a figure which shows the 1st mounting example of the current detection inductor with which the overcurrent protection circuit of this invention is provided. 本発明の過電流保護回路が備える電流検出インダクタの第2の実装例を示す図である。It is a figure which shows the 2nd mounting example of the current detection inductor with which the overcurrent protection circuit of this invention is provided. 本発明の過電流保護回路が備える電流検出インダクタの第3の実装例を示す図である。It is a figure which shows the 3rd mounting example of the current detection inductor with which the overcurrent protection circuit of this invention is provided. 本発明の過電流保護回路で電流検出インダクタとして用いる汎用インダクタの例を示す図である。It is a figure which shows the example of the general purpose inductor used as a current detection inductor in the overcurrent protection circuit of this invention. 本発明の過電流保護回路で電流検出インダクタとして用いる汎用インダクタの例を示す図である。It is a figure which shows the example of the general purpose inductor used as a current detection inductor in the overcurrent protection circuit of this invention. スイッチング素子の正極と負極が同一方向から取り出されている場合の電流検出インダクタの配置を説明する図である。It is a figure explaining arrangement | positioning of the current detection inductor in case the positive electrode and negative electrode of a switching element are taken out from the same direction. 本発明の一実施形態に係る過電流保護回路の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the overcurrent protection circuit which concerns on one Embodiment of this invention. 典型的なHブリッジ回路で構成された系統連系インバータの構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the grid connection inverter comprised by the typical H bridge circuit.

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.

図1〜3に、本発明の過電流保護回路が備える電流検出インダクタの実装例をそれぞれ示す。電流検出インダクタ101には、図4、5のような磁路が閉じていない構造のものが特に好適である。また、図7に、本発明の一実施形態に係る過電流保護回路の構成例を示す。   1 to 3 show mounting examples of a current detection inductor provided in the overcurrent protection circuit of the present invention. As the current detection inductor 101, a structure in which the magnetic path is not closed as shown in FIGS. FIG. 7 shows a configuration example of an overcurrent protection circuit according to an embodiment of the present invention.

<電流検出>
スイッチング素子202の正極もしくは負極に電流iが流れると、電極の周囲には磁束φが発生する。電極の持つインダクタンス成分をLとすると、マックスウェルの法則から
φ=L・i
の関係が成り立ち、電流に比例した磁束φが発生する。そのため、図6のように、スイッチング素子202の電極に対して一定の位置、例えば電極から10mm程度の位置に電流検出インダクタ101を配置すれば磁気結合回路となり、相互誘導作用によって式(1)の関係が成り立つ。
v=(L2−M)・di2/dt+M・d(i1+i2)/dt (1)
<Current detection>
When the current i flows through the positive electrode or the negative electrode of the switching element 202, a magnetic flux φ is generated around the electrode. Assuming that the inductance component of the electrode is L, from Maxwell's law, φ = L · i
Thus, a magnetic flux φ proportional to the current is generated. Therefore, as shown in FIG. 6, if the current detection inductor 101 is arranged at a fixed position with respect to the electrode of the switching element 202, for example, about 10 mm from the electrode, a magnetic coupling circuit is formed. A relationship is established.
v = (L2−M) · di 2 / dt + M · d (i 1 + i 2 ) / dt (1)

ここで、vは電流検出インダクタ101の誘導起電力、L2は電流検出インダクタ101のインダクタンス、i1はスイッチング素子の電極電流、i2は電流検出インダクタ電流、Mは、スイッチング素子202の電極インダクタンスL1と電流検出インダクタ101のインダクタンスL2の相互インダクタンスである。つまり、スイッチング素子202の電極と電流検出インダクタ101の間には、結合係数k=M/(L1・L2)0.5のトランスを挿入したことと等価とみなすことができる。 Here, v is the induced electromotive force of the current detection inductor 101, L2 is the inductance of the current detection inductor 101, i 1 is the electrode current of the switching element, i 2 is the current detection inductor current, and M is the electrode inductance L1 of the switching element 202. And the mutual inductance of the inductance L2 of the current detection inductor 101. That is, it can be regarded as equivalent to inserting a transformer having a coupling coefficient k = M / (L 1 · L 2) 0.5 between the electrode of the switching element 202 and the current detection inductor 101.

本発明では、電流検出インダクタ101として、図4、5に示すような磁路が閉じていない構造のものを用いる。更に、その磁路開放方向が、スイッチング素子202の電極に流れる電流によって発生する磁束の向きとなるように配置する。これにより、結合係数kを大きくすることができ、スイッチング回路の過電流のように大きな過渡電流を検出するには十分な感度を得ることができる。図4に示すインダクタ101は、モールド樹脂111、電極112、フェライトコア113、マグネットワイア114からなり、図5に示すインダクタ101は、フェライトコア115、セラミック116、マグネットワイア117、電極118からなる。   In the present invention, a current detection inductor 101 having a structure in which the magnetic path is not closed as shown in FIGS. Furthermore, the magnetic path opening direction is arranged so as to be the direction of the magnetic flux generated by the current flowing through the electrode of the switching element 202. Thereby, the coupling coefficient k can be increased, and sufficient sensitivity can be obtained for detecting a large transient current such as an overcurrent of the switching circuit. 4 includes a mold resin 111, an electrode 112, a ferrite core 113, and a magnet wire 114. The inductor 101 illustrated in FIG. 5 includes a ferrite core 115, a ceramic 116, a magnet wire 117, and an electrode 118.

検出感度は結合係数kに大きく依存するが、スイッチング素子202と電流検出インダクタ101を同一プリント配線板201に実装することで結合係数kを一定の値に保ち易くでき、個体ごとのバラツキを抑えることができる。更に、表面実装部品の自動マウンタは高い位置精度で部品をマウントできるため、例えば図2、図3のようにスイッチング素子202や電流検出インダクタ101が表面実装部品の場合、スイッチング素子202直下のプリント配線板201の裏面やスイッチング素子202の近傍に配置することで安定かつ十分な結合を得ることが可能となる。   The detection sensitivity largely depends on the coupling coefficient k. However, by mounting the switching element 202 and the current detection inductor 101 on the same printed wiring board 201, the coupling coefficient k can be easily maintained at a constant value, and variation among individuals is suppressed. Can do. Further, since the surface mount component automatic mounter can mount the component with high positional accuracy, for example, when the switching element 202 and the current detection inductor 101 are surface mount components as shown in FIGS. 2 and 3, the printed wiring just below the switching element 202 is used. Stable and sufficient coupling can be obtained by disposing it near the back surface of the plate 201 or in the vicinity of the switching element 202.

また図6のように、スイッチング素子202の正極と負極が同一方向から取り出されているパッケージの場合は正極電流と負極電流は逆向きとなるため、正極と負極からの距離が同じ位置においては磁束が打ち消し合ってしまう。このようなパッケージに対しては正極と負極からの距離比率がなるべく大きくなるような位置に電流検出インダクタ101を配置することで感度を高めることができる。   In the case of a package in which the positive electrode and the negative electrode of the switching element 202 are taken out from the same direction as shown in FIG. 6, the positive electrode current and the negative electrode current are reversed, so that the magnetic flux is at the same distance from the positive electrode and the negative electrode. Will cancel each other. For such a package, the sensitivity can be increased by arranging the current detection inductor 101 at a position where the distance ratio from the positive electrode to the negative electrode is as large as possible.

<汎用インダクタの利用>
汎用インダクタを電流検出素子として使用するにあたっての課題にコイルの巻方向の管理がある。元々、汎用インダクタは、外部からの磁束をとらえる目的で製作されていないため、コイルの巻方向は一般的に表示されていない。このため、汎用インダクタで検出した電流の向きがどちらになるかは一般に特定できない。
<Use of general-purpose inductor>
One of the problems in using a general-purpose inductor as a current detection element is management of the coil winding direction. Originally, general-purpose inductors are not manufactured for the purpose of capturing magnetic flux from the outside, and therefore the winding direction of the coil is not generally displayed. For this reason, it cannot generally be specified which direction of the current detected by the general-purpose inductor is.

そこで、本発明の一実施形態では、図7に示すように、電流検出インダクタ101の出力をダイオードブリッジCR1〜CR4にて構成された全波整流回路により全波整流し、電流検出インダクタ101の巻方向がどちらであっても同一の向きで電流出力を得られるようにした。   Therefore, in one embodiment of the present invention, as shown in FIG. 7, the output of the current detection inductor 101 is full-wave rectified by a full-wave rectifier circuit constituted by diode bridges CR1 to CR4, and the winding of the current detection inductor 101 is performed. The current output can be obtained in the same direction regardless of the direction.

<過電流保護回路>
相互誘導によって発生する電流検出インダクタ101の誘導起電力vは、相互インダクタンスM、電流検出インダクタ101のインダクタンスL2、結合係数kが一定のため、式(1)に従えば流れる電流値i1、i2のみが変数となる。
<Overcurrent protection circuit>
Induced electromotive force v of the current detection inductor 101 generated by mutual induction, the mutual inductance M, the inductance L2 of the current detection inductor 101, since the coupling coefficient k is constant, the current value i 1 flowing according to equation (1), i Only 2 are variables.

従って、電流検出インダクタ101の負荷抵抗R12の両端電圧V1は、電流検出インダクタ101の出力にダイオードCR1〜CR4が挿入されたとしてもダイオードの順方向電圧Vfやその非線形の影響をほとんど受けることなく誘起され、V1≒vとなる。   Therefore, the voltage V1 across the load resistor R12 of the current detection inductor 101 is induced without being substantially affected by the forward voltage Vf of the diode or its nonlinear effect even if the diodes CR1 to CR4 are inserted into the output of the current detection inductor 101. V1≈v.

次に、検出した過電流に比例した電圧V1を、高速で誤動作を起こさず、かつシンプルにスイッチング素子保護につなげるかが課題となる。   Next, the problem is whether the voltage V1 proportional to the detected overcurrent can be simply connected to protection of the switching element without causing malfunction at high speed.

スイッチング素子の電極インダクタンスに対して電流検出インダクタ101のインダクタンスL2の値が十分に大きいとすると、相互インダクタンスMの値はインダクタンスL2に対してほとんど無視できるので、過電流を検出した瞬間からR12に誘起される電圧E1は時間tの経過とともに、式(2)で示された値のように変化する。
E1=V1・e―(R12・t/L2) (2)
If the value of the inductance L2 of the current detection inductor 101 is sufficiently large with respect to the electrode inductance of the switching element, the value of the mutual inductance M is almost negligible with respect to the inductance L2, so that it is induced in R12 from the moment the overcurrent is detected. The applied voltage E1 changes as shown by the equation (2) with the lapse of time t.
E1 = V1 ・ e ― (R12 ・ t / L2) (2)

ここで、tは過電流を検出した瞬間からの経過時間、V1はt=0時のR12に誘起された電圧である。例えばR12=18[Ω]、L2=15[uH]であった場合、t=0のときの電圧V1が1Vあったとしても、1μs後には約0.3Vまで減少する。   Here, t is an elapsed time from the moment when the overcurrent is detected, and V1 is a voltage induced in R12 when t = 0. For example, when R12 = 18 [Ω] and L2 = 15 [uH], even if the voltage V1 at t = 0 is 1V, the voltage decreases to about 0.3V after 1 μs.

このため、保護回路はこの細いパルス状の電圧に対して確実に応答でき、かつ不要な雑音などに対しては反応しないよう動作しなければならない。このことからR12の定数は100Ω以下であることが望ましい。   For this reason, the protection circuit must be able to respond reliably to this fine pulse voltage and operate so as not to react to unnecessary noise. Therefore, it is desirable that the constant of R12 is 100Ω or less.

本発明の一実施形態では、細いパルス状の信号に反応させるため、図7に示すように、PNPトランジスタであるスイッチング素子Q3のコレクタをNPNトランジスタであるスイッチング素子Q1のベースに、スイッチング素子Q1のコレクタをスイッチング素子Q3のベースに接続した、いわゆるサイリスタ接続によって正帰還をかけている。尚、PN接合の拡散電位はシリコンの場合およそ0.6Vであり、−2mV/℃程度の温度係数を持っている。   In one embodiment of the present invention, in order to react to a thin pulse signal, as shown in FIG. 7, the collector of the switching element Q3, which is a PNP transistor, is used as the base of the switching element Q1, which is an NPN transistor. Positive feedback is applied by so-called thyristor connection in which the collector is connected to the base of the switching element Q3. The diffusion potential of the PN junction is about 0.6 V in the case of silicon, and has a temperature coefficient of about −2 mV / ° C.

スイッチング素子Q1のベース・エミッタ間電位が拡散電位の約0.6Vを超えるとベース電流IbQ1が流れ始め、そのhfe倍のコレクタ電流IcQ1が流れ始める。コレクタ電流IcQ1によって発生するR5における電圧降下が−0.6Vを超えるとスイッチング素子Q3のベース電流IbQ3が流れ始め、スイッチング素子Q3のコレクタ電流IcQ3がR9→R10→R12を通じて流れる。R5で発生する電圧降下をスイッチング素子Q3のベース・エミッタ間の拡散電位以上になるように、またR10+R12で発生する電圧降下をスイッチング素子Q1のベース・エミッタ間の拡散電位以上になるように定数設定しておけば、正帰還がかかりスイッチング素子Q1、Q3は飽和領域での動作となって完全にON状態になる。飽和領域での動作ではコレクタ・エミッタ間電位はほぼ0Vとなり、各々のコレクタ電流は流れ続ける。 When the base-emitter potential of the switching element Q1 exceeds about 0.6 V of the diffusion potential, the base current I bQ1 starts to flow, and the collector current I cQ1 that is hfe times starts to flow. When the voltage drop in R5 generated by the collector current I cQ1 exceeds −0.6 V, the base current I bQ3 of the switching element Q3 starts to flow, and the collector current I cQ3 of the switching element Q3 flows through R9 → R10 → R12. Constants are set so that the voltage drop generated at R5 is equal to or greater than the diffusion potential between the base and emitter of switching element Q3, and the voltage drop generated at R10 + R12 is equal to or greater than the diffusion potential between the base and emitter of switching element Q1. Then, positive feedback is applied, and the switching elements Q1 and Q3 are operated in the saturation region and are completely turned on. In operation in the saturation region, the collector-emitter potential is almost 0 V, and each collector current continues to flow.

スイッチング素子Q3がON状態になると、NPNトランジスタであるスイッチング素子Q2にもベース電流IbQ2が流れ始めON状態となり、ローサイド側のスイッチング素子Q5のゲート・ソースを短絡させて強制的にスイッチング素子Q5をOFFさせて短絡電流を遮断する。 When the switching element Q3 is turned on, the base current IbQ2 begins to flow also to the switching element Q2 which is an NPN transistor, and the switching element Q5 is forcibly turned on by short-circuiting the gate and the source of the switching element Q5 on the low side. Turn off to cut off short circuit current.

この回路例はハーフブリッジのアーム短絡保護回路であるため、回路はスイッチング素子Q5もしくはQ4のいずれか一方に入れれば目的は達成できる。スイッチング素子Q4およびQ5の両方に保護回路を入れれば、アーム短絡だけでなく出力電流の過電流からも電流の向きに関わらず保護することができる。   Since this circuit example is a half-bridge arm short circuit protection circuit, the object can be achieved if the circuit is placed in either the switching element Q5 or Q4. If a protection circuit is inserted in both switching elements Q4 and Q5, it is possible to protect not only the arm short circuit but also the overcurrent of the output current regardless of the direction of the current.

尚、通常、バイポーラトランジスタは完全にON状態の飽和領域での動作では、OFFへの移行に時間が必要となるが、OFF状態からON状態への移行は非常に速い。図7に示す一実施形態に係る過電流保護回路100では、過電流を検出してからスイッチング素子Q5をOFFさせるまでのスイッチング素子Q1〜Q3の動作がすべてOFF→ONの方向であるため、トランジション周波数fTが100MHz程度の安価なトランジスタであっても200ns程度の短時間でQ5のゲートを遮断することができる。 Normally, in the operation in the saturation region where the bipolar transistor is completely in the ON state, it takes time to shift to the OFF state, but the transition from the OFF state to the ON state is very fast. In the overcurrent protection circuit 100 according to the embodiment shown in FIG. 7, all the operations of the switching elements Q1 to Q3 from the detection of the overcurrent until the switching element Q5 is turned off are in the direction of OFF → ON. Even an inexpensive transistor having a frequency f T of about 100 MHz can cut off the gate of Q5 in a short time of about 200 ns.

また、スイッチング素子Q1〜Q3のOFF方向への移行が遅いことは何らデメリットにはならず、一旦ON状態となった後に不要な寄生振動などが起こりづらいため、むしろ安定な保護性能を発揮できる。   Further, the slow transition of the switching elements Q1 to Q3 in the OFF direction is not a demerit, and unnecessary parasitic vibration or the like hardly occurs after the ON state is once turned on, so that stable protection performance can be exhibited rather.

また、サイリスタ接続されたスイッチング素子Q1やQ3の電流経路と、スイッチング素子Q5やQ6の制御回路や駆動回路とにフォトカプラPC1などを挿入しておくことで、過電流の事象が発生した情報を絶縁して制御回路や駆動回路に渡すことができる。図7に示す一実施形態に係る過電流保護回路100では、直接駆動回路701−1の駆動電流を遮断する構成としている。   Further, by inserting the photocoupler PC1 or the like into the current path of the switching elements Q1 and Q3 connected to the thyristor and the control circuit and driving circuit of the switching elements Q5 and Q6, information on the occurrence of an overcurrent event can be obtained. It can be isolated and passed to the control circuit or drive circuit. The overcurrent protection circuit 100 according to the embodiment shown in FIG. 7 is configured to cut off the drive current of the direct drive circuit 701-1 directly.

<保護動作からの自動復帰>
遮断されている時間および保護動作から自動復帰するか否かは、抵抗R4、コンデンサC1、およびスイッチング素子Q1とQ3に流れるコレクタ電流IcQ1、IcQ3によって決定される。
<Automatic return from protection operation>
The shut-off time and whether to automatically recover from the protection operation are determined by the resistor R4, the capacitor C1, and the collector currents I cQ1 and I cQ3 flowing through the switching elements Q1 and Q3.

まず保護回路が待機監視状態のときはスイッチング素子Q1、Q3のコレクタ電流IcQ1、IcQ3がいずれもゼロであるため、コンデンサC1の電圧VC1は抵抗R4を通じて充電され、電源B1に漸近する。 First, when the protection circuit is in the standby monitoring state, since the collector currents I cQ1 and I cQ3 of the switching elements Q1 and Q3 are both zero, the voltage V C1 of the capacitor C1 is charged through the resistor R4 and gradually approaches the power supply B1.

次に保護動作したときのスイッチング素子Q1のコレクタ電流IcQ1およびQ3のコレクタ電流IcQ3
cQ1=(VC1−VbeQ3−VAKPC1−VceQ1)/R6
cQ3=(VC1−VbeQ1−VceQ3)/R9
となり、コンデンサC1にチャージされた電圧を徐々に放電していく。ここで、VbeQ1はスイッチング素子Q1のベース、エミッタ間拡散電位、VbeQ3はスイッチング素子Q3のベース、エミッタ間拡散電位、VAKPC1はフォトカプラPC1のダイオードの順方向電圧、VceQ1はスイッチング素子Q1のコレクタ、エミッタ間の飽和電圧、VceQ3はスイッチング素子Q3のコレクタ、エミッタ間の飽和電圧である。
Next, the collector current I cQ1 of the switching element Q1 and the collector current I cQ3 of Q3 when the protection operation is performed are I cQ1 = (V C1 −V beQ3 −V AKPC1 −V ceQ1 ) / R6
I cQ3 = (V C1 −V beQ1 −V ceQ3 ) / R9
Thus, the voltage charged in the capacitor C1 is gradually discharged. Here, V BEQ1 the base of the switching element Q1, emitter diffusion potential, V beQ3 the base of the switching element Q3, emitter diffusion potential, V AKPC1 the forward voltage of the diode of the photocoupler PC1, V ceQ1 the switching element Q1 V ceQ3 is a saturation voltage between the collector and the emitter of the switching element Q3.

コンデンサC1の電圧が低下してくるとIcQ1、IcQ3の電流も低下し、スイッチング素子Q1またはQ3のベース、エミッタ間電圧が拡散電位を維持できなくなるとスイッチング素子Q1およびQ3はOFFへと移行する。この時定数が監視状態に自動復帰するまでの時間となる。 When the voltage of the capacitor C1 decreases, the currents of I cQ1 and I cQ3 also decrease. When the voltage between the base and emitter of the switching element Q1 or Q3 cannot maintain the diffusion potential, the switching elements Q1 and Q3 shift to OFF. To do. This time constant is the time until automatic return to the monitoring state.

ここでIcQ1、IcQ3によってスイッチング素子Q1、Q3のベース、エミッタ間電圧を、各々の拡散電位以上となるように抵抗R4の値を設定しておけば、自動復帰することなく保護状態を維持するようにもできる。 Here, if the value of the resistor R4 is set so that the base-emitter voltages of the switching elements Q1 and Q3 become equal to or higher than the respective diffusion potentials by I cQ1 and I cQ3 , the protection state is maintained without automatic recovery. You can also

以上のように、本発明による保護回路の保護動作に移行する閾値はスイッチング素子Q1とQ3のベース、エミッタ間の拡散電位に依存するので、およそ−2mV/℃の負の温度係数を持つ。このため電流検出インダクタのインダクタンスL2や負荷抵抗R12を適切な値に選び、スイッチング素子Q1、Q3の温度をスイッチング素子Q4、Q5に連動させることで、温度上昇に伴って低下するスイッチング素子の最大定格に合わせ、保護電流の閾値を追従させることが可能となる。   As described above, since the threshold value for shifting to the protection operation of the protection circuit according to the present invention depends on the diffusion potential between the bases and emitters of the switching elements Q1 and Q3, it has a negative temperature coefficient of about −2 mV / ° C. For this reason, the maximum rating of the switching element that decreases as the temperature rises is selected by selecting the inductance L2 and load resistance R12 of the current detection inductor to appropriate values and linking the temperature of the switching elements Q1 and Q3 with the switching elements Q4 and Q5. Accordingly, it is possible to follow the threshold value of the protection current.

100 過電流保護回路
101 電流検出インダクタ
111 モールド樹脂
112、118 電極
113、115 フェライトコア
114、117 マグネットワイア
116 セラミック
201 プリント配線板
202 スイッチング素子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Overcurrent protection circuit 101 Current detection inductor 111 Mold resin 112, 118 Electrode 113, 115 Ferrite core 114, 117 Magnet wire 116 Ceramic 201 Printed wiring board 202 Switching element

上記の課題を解決するために、本発明は、過電流保護回路であって、スイッチング素子の負極もしくは正極近傍、あるいは前記スイッチング素子の負極もしくは正極に接続された配線近傍に配置された磁路が閉じていないインダクタであって、前記インダクタの磁路解放方向が前記スイッチング素子に流れた電流によって発生する磁束の向きとなるように配置された、前記インダクタと、トランジスタおよび前記トランジスタのゲート電極とエミッタ電極との間に接続された抵抗とを含むオフ回路であって、前記インダクタに生じた誘導起電力によって発生した前記抵抗における電圧降下が前記トランジスタの拡散電位を超えた場合、前記スイッチング素子をオフとしてオフした状態を維持するオフ回路と、を備えたことを特徴とする。 In order to solve the above problems, the present invention provides an overcurrent protection circuit, wherein a magnetic path disposed in the vicinity of a negative electrode or a positive electrode of a switching element, or in a vicinity of a wiring connected to the negative electrode or the positive electrode of the switching element. An inductor that is not closed, and is arranged such that a magnetic path releasing direction of the inductor is a direction of a magnetic flux generated by a current flowing through the switching element, the transistor, and a gate electrode and an emitter of the transistor An off circuit including a resistor connected to the electrode, and the switching element is turned off when a voltage drop in the resistor generated by an induced electromotive force generated in the inductor exceeds a diffusion potential of the transistor. And an off circuit for maintaining the off state .

請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記載の過電流保護回路において、前記トランジスタは、NPNトランジスタとPNPトランジスタを含み、前記オフ回路は、前記NPNトランジスタと前記PNPトランジスタをサイリスタ接続した回路を使用して前記スイッチング素子をオフした状態を維持することを特徴とする。 The invention according to claim 3, in the overcurrent protection circuit according to claim 1 or 2, wherein the transistor comprises a NPN transistor and a PNP transistor, the off-circuit thyristor connecting the PNP transistor and the NPN transistor The above-described circuit is used to maintain the switching element in an off state.

Claims (5)

スイッチング素子の負極もしくは正極近傍、あるいは前記スイッチング素子の負極もしくは正極に接続された配線近傍に配置された磁路が閉じていないインダクタであって、前記インダクタの磁路解放方向が前記スイッチング素子に流れた電流によって発生する磁束の向きとなるように配置された、前記インダクタと、
前記インダクタに生じた誘導起電力が所定の値を超えた場合、前記スイッチング素子をオフするオフ回路と、
を備えたことを特徴とする過電流保護回路。
A magnetic path disposed in the vicinity of the negative electrode or positive electrode of the switching element, or in the vicinity of the wiring connected to the negative electrode or positive electrode of the switching element, wherein the magnetic path release direction of the inductor flows to the switching element. The inductor arranged to be in the direction of the magnetic flux generated by the current,
An off circuit for turning off the switching element when the induced electromotive force generated in the inductor exceeds a predetermined value;
An overcurrent protection circuit comprising:
前記オフ回路は、前記インダクタに生じた誘導電流を整流する全波整流回路を含むことを特徴とする請求項1に記載の過電流保護回路。   The overcurrent protection circuit according to claim 1, wherein the off circuit includes a full-wave rectifier circuit that rectifies an induced current generated in the inductor. 前記オフ回路は、NPNトランジスタとPNPトランジスタをサイリスタ接続した回路を使用して前記スイッチング素子をオフした状態を維持することを特徴とする請求項1又は2に記載の過電流保護回路。   3. The overcurrent protection circuit according to claim 1, wherein the off circuit maintains a state in which the switching element is turned off using a circuit in which an NPN transistor and a PNP transistor are thyristor-connected. 前記オフ回路は、前記スイッチング素子のゲート電極とソース電極を短絡することにより前記スイッチング素子をオフすることを特徴とする、請求項1乃至3のいずれかに記載の過電流保護回路。   4. The overcurrent protection circuit according to claim 1, wherein the off circuit turns off the switching element by short-circuiting a gate electrode and a source electrode of the switching element. 5. 前記インダクタは、前記スイッチング素子と同一のプリント配線板に実装したことを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の過電流保護回路。   The overcurrent protection circuit according to claim 1, wherein the inductor is mounted on the same printed wiring board as the switching element.
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