JP2017189015A

JP2017189015A - 入力過電圧保護回路

Info

Publication number: JP2017189015A
Application number: JP2016076030A
Authority: JP
Inventors: 修司工藤; Shuji Kudo; 美則坂井; Yoshinori Sakai
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2016-04-05
Filing date: 2016-04-05
Publication date: 2017-10-12
Also published as: CN107276059A; DE102017003272A1; US20170288393A1

Abstract

【課題】コストを抑えつつ、簡易な構成で、過電圧から被保護回路を保護する入力過電圧保護回路を提供する。
【解決手段】入力過電圧保護回路１０は、電圧を供給するために被保護回路２０に接続された第１配線１２ａおよび第２配線１２ｂと、第１配線１２ａに直列に挿入され、所定値以上の電流が流れると第１配線１２ａに流れる電流を遮断するヒューズ１４と、一端が第１配線１２ａ中のヒューズ１４と被保護回路２０との間に接続され、他端が第２配線１２ｂに接続されたシリコンサージアブソーバ１６と、シリコンサージアブソーバ１６と被保護回路２０との間で、第１配線１２ａと第２配線１２ｂとに接続された双方向性二端子サイリスタ１８と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、過電圧から被保護回路を保護する入力過電圧保護回路に関する。

下記に示す特許文献１には、ヒューズと、ブレークオーバー型半導体サージアブソーバとを用いて、被保護回路を保護する保護回路が開示されている（特許文献１の図１参照）。

下記に示す特許文献２には、部品の交換や修理を必要としない過電圧入力に対する保護装置が開示されている。簡単に説明すると、この保護装置は、外部電源と機器とを電気的に接続または遮断する双方向サイリスタおよびスイッチ部と、外部電源の電圧が定常的な過電圧である場合には双方向サイリスタを切断させる過電圧検出部と、外部電源の電圧が瞬時的な過電圧である場合にはスイッチ部を切断させる過渡電圧検出部とを備える。

特許平７−１８４３１９号公報特開平９−２１５１７６号公報

ブレークオーバー型半導体サージアブソーバは、ブレークオーバー電圧以上の電圧が印加されると導通する特性を有する。したがって、上記特許文献１のように、ヒューズと、ブレークオーバー型半導体サージアブソーバを用いた保護回路の場合は、瞬間的にエネルギーの小さい過電圧（ブレークオーバー電圧よりも高い過電圧）が発生すると、ブレークオーバー型半導体サージアブソーバが導通してしまい、ヒューズが切れてしまう。また、このような瞬間的な過電圧（サージ）は、他の回路動作などの影響によって頻繁に発生するため、その都度ヒューズを交換しなければならず、手間がかかるとともにコストもかかる。

一方で、サージアブソーバとして、シリコンサージアブソーバというものが知られている。このシリコンサージアブソーバは、クランプ電圧（クランピング電圧）以上の電圧が印加されても、それを吸収し、後段の回路にかかる電圧をクランプ電圧に抑制する。したがって、上記特許文献１の図１に示すブレークオーバー型半導体サージアブソーバをシリコンサージアブソーバに置き換えることによって、瞬間的なエネルギーの小さい過電圧の発生によってヒューズが切れてしまうことを防止することができる。しかしながら、シリコンサージアブソーバが吸収したエネルギーは、シリコンサージアブソーバの素子内で熱となる。瞬時的なエネルギーの小さい過電圧が発生してもシリコンサージアブソーバの素子の温度はあまり上昇しないが、エネルギーの大きい過電圧が発生するとシリコンサージアブソーバの素子の温度が上昇し易くなる。シリコンサージアブソーバは、素子内の温度が限界を超えると破損して短絡状態となり、それによりヒューズが切れてしまう。シリコンサージアブソーバが破損すると、ヒューズのみならずシリコンサージアブソーバも交換しなければならず、高コストとなる。

また、上記特許文献２の過電圧入力に対する保護装置は、双方向サイリスタ、スイッチ部、過電圧検出部、および、過渡電圧検出部などの様々な部品を必要とするため、コストがかかるとともに実装面積が増大し、大型化してしまう。

そこで、本発明は、コストを抑えつつ、簡易な構成で、過電圧から被保護回路を保護する入力過電圧保護回路を提供することを目的とする。

第１の本発明は、入力過電圧保護回路であって、電圧を供給するために被保護回路に接続された第１配線および第２配線と、前記第１配線に直列に挿入され、所定値以上の電流が流れると前記第１配線に流れる電流を遮断するヒューズと、一端が前記第１配線中の前記ヒューズと前記被保護回路との間に接続され、他端が前記第２配線に接続され、第１電圧より高い電圧が印加された場合は前記第１電圧に抑制して出力する第１のサージアブソーバと、前記第１のサージアブソーバと並列に接続され、前記第１のサージアブソーバと前記被保護回路との間で、前記第１配線と前記第２配線とに接続され、第２電圧より高い電圧が印加されると導通する第２のサージアブソーバと、を備える。

これにより、コストを抑えつつ、簡易な構成で、過電圧から被保護回路を保護することができる。詳しくは、瞬間的なエネルギーの小さい過電圧が発生した場合は、第１のサージアブソーバによって、ヒューズを切らすことなくエネルギーの小さい過電圧から被保護回路を保護することができる。また、エネルギーの大きい過電圧が印加された場合は、第２のサージアブソーバによって、ヒューズが切れてエネルギーの大きい過電圧から被保護回路を保護することができるとともに、第１のサージアブソーバの破損を防止することが可能となる。

第１の本発明は、前記入力過電圧保護回路であって、前記第１電圧は、前記第１のサージアブソーバの素子の温度の上昇に伴って高くなり、前記第２電圧は、前記素子の温度が上昇する前の前記第１電圧よりも高く、前記第１のサージアブソーバが破損して導通する前記素子の最大温度に対応する前記第１電圧よりも低く設定されている。

これにより、エネルギーの大きい過電圧が印加された場合であっても、第１のサージアブソーバが破損する前に、第２のサージアブソーバが導通してヒューズが切れるので、第１のサージアブソーバの破損を防止することができ、コストを抑えることができる。

第１の本発明は、前記入力過電圧保護回路であって、前記第１配線には、前記第２配線に印加される電位より高い電位が印加される。

第２の本発明は、入力過電圧保護回路であって、電圧を供給するために被保護回路に接続された第１配線および第２配線と、前記第１配線に直列に挿入され、所定値以上の電流が流れると前記第１配線に流れる電流を遮断するヒューズと、一端が前記第１配線中の前記ヒューズと前記被保護回路との間に接続され、他端が前記第２配線に接続されたシリコンサージアブソーバと、前記シリコンサージアブソーバと並列に接続され、前記シリコンサージアブソーバと前記被保護回路との間で、前記第１配線と前記第２配線とに接続された双方向性二端子サイリスタと、を備える。

これにより、コストを抑えつつ、簡易な構成で、過電圧から被保護回路を保護することができる。詳しくは、瞬間的なエネルギーの小さい過電圧が発生した場合は、シリコンサージアブソーバによって、ヒューズを切らすことなくエネルギーの小さい過電圧から被保護回路を保護することができる。また、エネルギーの大きい過電圧が印加された場合は、双方向性二端子サイリスタによって、ヒューズが切れてエネルギーの大きい過電圧から被保護回路を保護することができるとともに、シリコンサージアブソーバの破損を防止することが可能となる。

第２の本発明は、前記入力過電圧保護回路であって、前記シリコンサージアブソーバのクランプ電圧は、前記シリコンサージアブソーバのジャンクション温度の上昇に伴って高くなり、前記双方向性二端子サイリスタのブレークオーバー電圧は、前記ジャンクション温度が上昇する前の前記クランプ電圧よりも高く、前記ジャンクション温度の最大温度に対応する前記クランプ電圧よりも低く設定されている。

これにより、エネルギーの大きい過電圧が印加された場合であっても、シリコンサージアブソーバが破損する前に、双方向性二端子サイリスタが導通してヒューズが切れるので、シリコンサージアブソーバの破損を防止することができ、コストを抑えることができる。

本発明によれば、コストを抑えつつ、簡易な構成で、過電圧から被保護回路を保護することができる。詳しくは、瞬間的なエネルギーの小さい過電圧が発生した場合は、ヒューズを切らすことなくエネルギーの小さい過電圧から被保護回路を保護することができる。また、エネルギーの大きい過電圧が印加された場合は、ヒューズが切れてエネルギーの大きい過電圧から被保護回路を保護することができるとともに、サージアブソーバの破損を防止することが可能となる。

実施の形態の入力過電圧保護回路の回路構成を示す図である。図２Ａは、瞬間的に発生したエネルギーの小さい過電圧を含む入力電圧の波形を示す図であり、図２Ｂは、図２Ａに示す入力電圧が入力された場合のシリコンサージアブソーバの出力電圧の波形を示す図である。エネルギーの大きい過電圧が発生した場合のシリコンサージアブソーバの出力電圧の波形を示す図である。

本発明に係る入力過電圧保護回路について、好適な実施の形態を掲げ、添付の図面を参照しながら以下、詳細に説明する。

図１は、実施の形態の入力過電圧保護回路１０の回路構成を示す図である。入力過電圧保護回路１０は、過電圧（サージ）から被保護回路２０を保護するものである。入力過電圧保護回路１０は、電圧線１２（第１配線１２ａ、第２配線１２ｂ）と、ヒューズ１４と、シリコンサージアブソーバ１６と、双方向性二端子サイリスタ（ブレークオーバー型半導体サージアブソーバ）１８とを備える。

電圧線１２は、被保護回路２０に電圧を供給するために、被保護回路２０に接続されている。電圧線１２は、第１配線１２ａおよび第２配線１２ｂを有する。電圧線１２の第１配線１２ａの入力端子１３ａには、第２配線１２ｂの入力端子１３ｂに印加される電位より高い電位が印加されるものとする。本実施の形態では、第２配線１２ｂは接地（アース、グラウンド）されている。したがって、第２配線１２ｂの電位は基準電位（０Ｖ）となる。

ヒューズ１４は、第１配線１２ａに挿入されており、第１配線１２ａに所定値（規格）以上の電流が流れると第１配線１２ａに流れる電流を遮断する。シリコンサージアブソーバ（第１のサージアブソーバ）１６は、被保護回路２０と並列に接続されている。シリコンサージアブソーバ１６の一端は、第１配線１２ａ中のヒューズ１４と被保護回路２０との間に接続され、他端は、第２配線１２ｂに接続されている。つまり、シリコンサージアブソーバ１６と第１配線１２ａとの接続点Ａ１は、ヒューズ１４と被保護回路２０との間に位置する。なお、シリコンサージアブソーバ１６と第２配線１２ｂとの接続点をＡ２とする。

双方向性二端子サイリスタ（第２のサージアブソーバ）１８は、被保護回路２０およびシリコンサージアブソーバ１６の各々と並列に接続されている。双方向性二端子サイリスタ１８は、シリコンサージアブソーバ１６と被保護回路２０との間で、第１配線１２ａと第２配線１２ｂとに接続されている。具体的には、双方向性二端子サイリスタ１８の一端および他端は、第１配線１２ａおよび第２配線１２ｂ中のシリコンサージアブソーバ１６と被保護回路２０との間に接続されている。つまり、双方向性二端子サイリスタ１８と第１配線１２ａとの接続点Ｂ１は、接続点Ａ１と被保護回路２０との間に位置し、双方向性二端子サイリスタ１８と第２配線１２ｂとの接続点Ｂ２は、接続点Ａ２と被保護回路２０との間に位置する。

本実施の形態では、入力過電圧保護回路１０（入力端子１３ａ、１３ｂ間）に印加される入力電圧をＶｉｎとし、シリコンサージアブソーバ１６が双方向性二端子サイリスタ１８に印加（出力）する出力電圧をＶ１とする。

上述したように、シリコンサージアブソーバ１６は、クランプ電圧（クランピング電圧）ＣＶ以上の電圧が印加されると、それを吸収して、後段の回路にかかる電圧をクランプ電圧（第１電圧）ＣＶに抑制する特性を有する。また、シリコンサージアブソーバ１６が吸収したエネルギーは熱となって発生し、それによって、シリコンサージアブソーバ１６の素子内の温度（以下、ジャンクション温度と呼ぶ。）が上昇する。つまり、シリコンサージアブソーバ１６は、クランプ電圧ＣＶより高い電圧が印加されると、出力電圧Ｖ１をクランプ電圧ＣＶに抑制するため、シリコンサージアブソーバ１６内に電流が流れて、ジャンクション温度が上昇する。ジャンクション温度が上昇するとシリコンサージアブソーバ１６のクランプ電圧は高くなる。ジャンクション温度が上昇し、ジャンクション温度が最大ジャンクション温度（最大温度）に到達すると、シリコンサージアブソーバ１６は破損し短絡状態となる。本実施の形態では、このジャンクション温度が最大ジャンクション温度になったときのクランプ電圧ＣＶを最大クランプ電圧ＣＶｍと呼び、ジャンクション温度が上昇する前の温度（通常動作温度）のときのクランプ電圧ＣＶを初期クランプ電圧ＣＶｉと呼ぶ。また、双方向性二端子サイリスタ１８は、ブレークオーバー電圧（第２電圧）ＢＶ以上の電圧が印加されると、導通する特性を有する。

図２Ａは、瞬間的に発生したエネルギーの小さい過電圧を含む入力電圧Ｖｉｎの波形を示す図であり、図２Ｂは、図２Ａに示す入力電圧Ｖｉｎが入力された場合のシリコンサージアブソーバ１６の出力電圧Ｖ１の波形を示す図である。図２Ａに示すように入力電圧Ｖｉｎには、瞬間的に発生する過電圧（サージ）を含んでいる。図２Ａおよび図２Ｂ中の破線は、シリコンサージアブソーバ１６のクランプ電圧（クランピング電圧）ＣＶを示し、図２Ｂ中の一点鎖線は、双方向性二端子サイリスタ１８のブレークオーバー電圧ＢＶを示している。なお、ブレークオーバー電圧ＢＶは、初期クランプ電圧ＣＶｉより高く、最大クランプ電圧ＣＶｍよりは低く設定されている。

図２Ａおよび図２Ｂに示すように、入力電圧Ｖｉｎに瞬間的に過電圧が発生しても、シリコンサージアブソーバ１６によって、出力電圧Ｖ１はクランプ電圧ＣＶに抑制される。つまり、シリコンサージアブソーバ１６は、入力電圧Ｖｉｎがクランプ電圧ＣＶ以下の電圧の場合は、入力電圧Ｖｉｎを出力電圧Ｖ１として出力し、入力電圧Ｖｉｎがクランプ電圧ＣＶより高い場合は、出力電圧Ｖ１をクランプ電圧ＣＶに制限して出力する。瞬間的に発生したエネルギーの小さい過電圧では、シリコンサージアブソーバ１６のジャンクション温度はあまり上昇しないので、このときのクランプ電圧ＣＶは、ブレークオーバー電圧ＢＶより低い電圧となる。瞬間的に発生する過電圧の発生頻度にもよるが、瞬間的に発生したエネルギーの小さい過電圧の場合は、クランプ電圧ＣＶは、初期クランプ電圧ＣＶｉに等しいかまたは初期クランプ電圧ＣＶｉに近い電圧となる。したがって、瞬時的に発生するエネルギーの小さい過電圧を有する入力電圧Ｖｉｎが印加された場合は、シリコンサージアブソーバ１６によって、それを吸収するので、双方向性二端子サイリスタ１８が導通することはなく、ヒューズ１４が切れることもない。

図３は、エネルギーの大きい過電圧が発生した場合のシリコンサージアブソーバ１６の出力電圧Ｖ１の波形を示す図である。通常動作温度のときの初期クランプ電圧ＣＶｉより高い入力電圧Ｖｉｎが連続的または断続的に入力され続けると、つまり、エネルギーの大きい過電圧を含む入力電圧Ｖｉｎが入力されると、抑制するエネルギーが大きくなり、ジャンクション温度が上昇する。シリコンサージアブソーバ１６は、クランプ電圧ＣＶより大きい入力電圧Ｖｉｎをクランプ電圧ＣＶに抑制して出力電圧Ｖ１を出力するが、クランプ電圧ＣＶ自体がジャンクション温度の上昇に伴って高くなる。そのため、抑制される出力電圧Ｖ１も上昇する。しかしながら、双方向性二端子サイリスタ１８のブレークオーバー電圧ＢＶは、初期クランプ電圧ＣＶｉより高く、最大クランプ電圧ＣＶｍよりは低く設定されているため、出力電圧Ｖ１が最大クランプ電圧ＣＶｍに到達する前にブレークオーバー電圧ＢＶに到達することになる。出力電圧Ｖ１がブレークオーバー電圧ＢＶに到達すると、双方向性二端子サイリスタ１８が導通するので、ヒューズ１４に所定値以上の電流が流れてヒューズ１４が切れてしまう。これにより、シリコンサージアブソーバ１６の破損を防止することができる。つまり、エネルギーの大きい過電圧を有する入力電圧Ｖｉｎが印加された場合は、双方向性二端子サイリスタ１８によってシリコンサージアブソーバ１６を保護することができる。なお、ヒューズ１４が切れると出力電圧Ｖ１は、０になる。

このように、本実施の形態の入力過電圧保護回路１０は、電圧を供給するために被保護回路２０に接続された第１配線１２ａおよび第２配線１２ｂと、第１配線１２ａに直列に挿入され、所定値以上の電流が流れると第１配線１２ａに流れる電流を遮断するヒューズ１４と、一端が第１配線１２ａ中のヒューズ１４と被保護回路２０との間に接続され、他端が第２配線１２ｂに接続されたシリコンサージアブソーバ１６と、シリコンサージアブソーバ１６と並列に接続され、シリコンサージアブソーバ１６と被保護回路２０との間で、第１配線１２ａと第２配線１２ｂとに接続された双方向性二端子サイリスタ１８と、を備える。

これにより、コストを抑えつつ、簡易な構成で、過電圧から被保護回路２０を保護することができる。詳しくは、瞬間的なエネルギーの小さい過電圧が発生した場合は、シリコンサージアブソーバ１６によって、ヒューズ１４を切らすことなくエネルギーの小さい過電圧から被保護回路２０を保護することができる。また、エネルギーの大きい過電圧が印加された場合は、双方向性二端子サイリスタ１８によって、ヒューズ１４が切れてエネルギーの大きい過電圧から被保護回路２０を保護することができるとともに、シリコンサージアブソーバ１６の破損を防止することが可能となる。

双方向性二端子サイリスタ１８のブレークオーバー電圧ＢＶは、ジャンクション温度が上昇する前の初期クランプ電圧ＣＶｉよりも高く、ジャンクション温度の最大温度（シリコンサージアブソーバ１６が破損して短絡状態になる温度）に対応する最大クランプ電圧ＣＶｍよりも低く設定されている。したがって、エネルギーの大きい過電圧が印加された場合であっても、シリコンサージアブソーバ１６が破損する前に、双方向性二端子サイリスタ１８が導通してヒューズ１４が切れるので、シリコンサージアブソーバ１６の破損を防止することができ、コストを抑えることができる。

なお、上記実施の形態では、第１配線１２ａにヒューズ１４を挿入させるようにしたが、第２配線１２ｂにヒューズ１４を挿入してもよい。また、第１配線１２ａの入力端子１３ａに印加される電位より高い電位を第２配線１２ｂの入力端子１３ｂに印加してもよい。この場合は、第１配線１２ａを接地してもよい。さらに、接地される側の第２配線１２ｂ（または第１配線１２ａ）は、大地であってもよい。この場合は、接地される第２配線１２ｂ（または第１配線１２ａ）に接続される側のシリコンサージアブソーバ１６、双方向性二端子サイリスタ１８、および、被保護回路２０の端部を各々接地させればよい。

１０…入力過電圧保護回路１２…電圧線
１２ａ…第１配線１２ｂ…第２配線
１４…ヒューズ１６…シリコンサージアブソーバ
１８…双方向性二端子サイリスタ２０…被保護回路
Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２…接続点ＢＶ…ブレークオーバー電圧
ＣＶ…クランプ電圧ＣＶｉ…初期クランプ電圧
ＣＶｍ…最大クランプ電圧Ｖ１…出力電圧
Ｖｉｎ…入力電圧

Claims

電圧を供給するために被保護回路に接続された第１配線および第２配線と、
前記第１配線に直列に挿入され、所定値以上の電流が流れると前記第１配線に流れる電流を遮断するヒューズと、
一端が前記第１配線中の前記ヒューズと前記被保護回路との間に接続され、他端が前記第２配線に接続され、第１電圧より高い電圧が印加された場合は前記第１電圧に抑制して出力する第１のサージアブソーバと、
前記第１のサージアブソーバと並列に接続され、前記第１のサージアブソーバと前記被保護回路との間で、前記第１配線と前記第２配線とに接続され、第２電圧より高い電圧が印加されると導通する第２のサージアブソーバと、
を備えることを特徴とする入力過電圧保護回路。
請求項１に記載の入力過電圧保護回路であって、
前記第１電圧は、前記第１のサージアブソーバの素子の温度の上昇に伴って高くなり、
前記第２電圧は、前記素子の温度が上昇する前の前記第１電圧よりも高く、前記第１のサージアブソーバが破損して導通する前記素子の最大温度に対応する前記第１電圧よりも低く設定されている
ことを特徴とする入力過電圧保護回路。
請求項１または２に記載の入力過電圧保護回路であって、
前記第１配線には、前記第２配線に印加される電位より高い電位が印加される
ことを特徴とする入力過電圧保護回路。
電圧を供給するために被保護回路に接続された第１配線および第２配線と、
前記第１配線に直列に挿入され、所定値以上の電流が流れると前記第１配線に流れる電流を遮断するヒューズと、
一端が前記第１配線中の前記ヒューズと前記被保護回路との間に接続され、他端が前記第２配線に接続されたシリコンサージアブソーバと、
前記シリコンサージアブソーバと並列に接続され、前記シリコンサージアブソーバと前記被保護回路との間で、前記第１配線と前記第２配線とに接続された双方向性二端子サイリスタと、
を備えることを特徴とする入力過電圧保護回路。
請求項４に記載の入力過電圧保護回路であって、
前記シリコンサージアブソーバのクランプ電圧は、前記シリコンサージアブソーバのジャンクション温度の上昇に伴って高くなり、
前記双方向性二端子サイリスタのブレークオーバー電圧は、前記ジャンクション温度が上昇する前の前記クランプ電圧よりも高く、前記ジャンクション温度の最大温度に対応する前記クランプ電圧よりも低く設定されている
ことを特徴とする入力過電圧保護回路。