JP2018182929A

JP2018182929A - 保護装置

Info

Publication number: JP2018182929A
Application number: JP2017080815A
Authority: JP
Inventors: 圭佑松浦; Keisuke Matsuura; 欣一戸田; Kinichi Toda
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2017-04-14
Filing date: 2017-04-14
Publication date: 2018-11-15

Abstract

【課題】サージ電圧から部品を保護することが可能な保護装置を提供する。【解決手段】保護装置１は、過電圧保護対象となる対象部品２の第１端子２Ａにカソード端子が接続されるダイオードＤと、対象部品２の第２端子２Ｂにカソード端子が接続され、ダイオードＤのアノード端子にアノード端子が接続される第１のツェナーダイオードＺＤ１と、第１のツェナーダイオードＺＤ１のカソード端子にカソード端子が接続され、接地電位にアノード端子が接続される第２のツェナーダイオードＺＤ２と、を備え、負サージ電圧の発生時に、サージ電流が接地電位から第２のツェナーダイオードＺＤ２、第１のツェナーダイオードＺＤ１、ダイオードＤの順に流れ、且つ、第１端子２Ａと第２端子２Ｂとの電位差が対象部品２の定格電圧以下となるように、第１のツェナーダイオードＺＤ１の降伏電圧が当該定格電圧とダイオードＤの順方向電圧とに基づいて設定されている。【選択図】図１

Description

本発明は、サージ電圧から部品を保護する保護装置に関する。

従来、電源と当該電源に接続される負荷との間には、負荷に流れる電流を制御するスイッチが設けられてきた。この種のスイッチとして、例えばトランジスタのような半導体スイッチやリレーが利用される。このようなスイッチを用いる場合には、サージ電圧が発生した場合や、電源の正負の端子を接続する際に誤って逆に接続された場合であっても、スイッチが破壊されないような対策が施されてきた（例えば特許文献１）。

特許文献１に記載の電源制御回路は、電源と負荷との間に設けられ、ドレーン端子とソース端子との間に形成されるボディダイオードが順方向となるように接続されたＭＯＳ−ＦＥＴと、電源からの給電停止時にＭＯＳ−ＦＥＴのオン状態を所定時間維持する保持回路とを備えて構成される。これにより、電源からの給電停止時にサージ電流が流れる経路を確保し、ＭＯＳ−ＦＥＴの破壊を防止している。

特開２００７−３１２５７２号公報

特許文献１に記載の技術は、電源からの給電が停止した場合であっても、所定時間に亘ってサージ電流が流れる経路を確保するため、給電停止時にＭＯＳ−ＦＥＴのオン状態を維持する回路が必要となる。したがって、部品点数が増加し、コストアップの要因となる。

そこで、安価でサージ電圧発生時にサージ電圧から部品を保護することが可能な保護装置が求められる。

本発明に係る保護装置の特徴構成は、電源ラインに直列に挿入された過電圧保護対象となる対象部品が有する端子のうち、定常動作時に前記電源ラインから電流が流れ込む第１端子にカソード端子が接続されるダイオードと、前記対象部品が有する端子のうち、定常動作時に前記電源ラインへ電流が流れ出る第２端子にカソード端子が接続され、前記ダイオードのアノード端子にアノード端子が接続される第１のツェナーダイオードと、前記第１のツェナーダイオードのカソード端子にカソード端子が接続され、接地電位にアノード端子が接続される第２のツェナーダイオードと、を備え、前記対象部品の定格電圧を超える負サージ電圧の発生時に、サージ電流が前記接地電位から前記第２のツェナーダイオード、前記第１のツェナーダイオード、前記ダイオードの順に流れ、且つ、前記第１端子と前記第２端子との電位差が前記対象部品の定格電圧以下となるように、前記第１のツェナーダイオードの降伏電圧が、前記定格電圧と前記ダイオードの順方向電圧とに基づいて設定されている点にある。

このような特徴構成とすれば、過電圧保護対象となる対象部品の定格電圧を超える負サージ電圧が発生した場合であっても、第２のツェナーダイオード、第１のツェナーダイオード、及びダイオードによりサージ電流が流れる経路を形成することができるので、対象部品にサージ電流が流れないようにすることができる。また、対象部品の第１端子と第２端子との間の電位差を第１のツェナーダイオードにより対象部品の定格電圧以下に低減できる。したがって、サージ電圧発生時にサージ電流及びサージ電圧から対象部品を保護することが可能となる。更に、このような保護装置は、第２のツェナーダイオード、第１のツェナーダイオード、及びダイオードを用いて構成することができるので、安価な構成で実現できる。

また、前記第１端子にバッテリの負端子が接続され、前記接地電位に前記バッテリの正端子が接続された場合に、前記接地電位からの電流が前記第２のツェナーダイオード及び前記第１のツェナーダイオードを介して前記ダイオードに流れ込まないように、前記第１のツェナーダイオードの降伏電圧が、前記バッテリの出力電圧と前記第２のツェナーダイオードの順方向電圧とに基づいて設定されていると好適である。

このような構成とすれば、バッテリの正負両端子を逆にして接続した場合（逆接続した場合）に生じる電圧値（逆電圧の電圧値）が、第２のツェナーダイオードの順方向電圧と第１のツェナーダイオードの降伏電圧との合計値以下とすることにより、第１のツェナーダイオードにおいてカソード側からアノード側に電流が流れないようにすることができる。したがって、保護装置により、バッテリの逆接続時の保護を行うことが可能となる。

保護装置の構成を示す回路図である。負サージ電圧の発生時の状態を示した図である。バッテリの逆接続時の状態を示した図である。

本発明に係る保護装置は、電源ラインに直列に挿入された部品を過電圧から保護する機能を備えている。以下、本実施形態の保護装置１について説明する。図１には、保護装置１の構成を示した回路図が示される。図１の例では、バッテリＢから負荷Ｌへの電力の供給や遮断を制御する半導体リレー２を保護装置１により保護する例が示される。

図１に示されるように、保護装置１はダイオードＤ、第１のツェナーダイオードＺＤ１、第２のツェナーダイオードＺＤ２を備えて構成される。ダイオードＤは、電源ライン３に直列に挿入された過電圧保護対象となる対象部品が有する端子のうち、定常動作時に電源ライン３から電流が流れ込む第１端子にカソード端子が接続される。電源ライン３とは、バッテリＢの正端子から出力される電力を負荷Ｌまで供給する供給路に相当する。過電圧保護対象となる対象部品とは、保護装置１により保護する対象となる部品である。本実施形態では、半導体リレー２が相当する。このような半導体リレー２は、本実施形態では、入力端子２Ａ、出力端子２Ｂ、制御端子２Ｃの３つの端子を備えている。定常動作時に電源ライン３から電流が流れ込む第１端子とは、半導体リレー２が導通状態となるように動作させた際に、電源ライン３から電流が流れ込む端子をいい、上述した入力端子２Ａが相当する。したがって、ダイオードＤはカソード端子が、半導体リレー２の入力端子２Ａに接続される。

第１のツェナーダイオードＺＤ１は、対象部品が有する端子のうち、定常動作時に電源ライン３へ電流が流れ出る第２端子にカソード端子が接続され、ダイオードＤのアノード端子にアノード端子が接続される。本実施形態では対象部品とは、半導体リレー２である。したがって、定常動作時に電源ライン３へ電流が流れ出る第２端子とは、出力端子２Ｂが相当する。第１のツェナーダイオードＺＤ１のカソード端子は、この出力端子２Ｂに接続され、アノード端子はダイオードＤのアノード端子に接続される。

したがって、ダイオードＤと第１のツェナーダイオードＺＤ１とは互いのアノード端子同士が接続された状態で直列に接続される。このように直列に接続されたダイオードＤと第１のツェナーダイオードＺＤ１とは、ダイオードＤのカソード端子が半導体リレー２の入力端子２Ａに接続され、第１のツェナーダイオードＺＤ１のカソード端子が半導体リレー２の出力端子２Ｂに接続されることになる。

第２のツェナーダイオードＺＤ２は、カソード端子が第１のツェナーダイオードＺＤ１のカソード端子に接続され、アノード端子が接地電位に接続される。

また、本実施形態では、電源ライン３にスイッチＳＷを介して制御部４が接続される。スイッチＳＷは上位システムから伝達される制御信号に応じて開閉制御される。スイッチＳＷが導通状態とされた場合、制御部４に電源が供給される。これにより、制御部４は半導体リレー２の制御端子２Ｃに入力される制御信号を出力する。この場合には、白抜き矢印で示されるように、バッテリＢからの出力は、半導体リレー２を介して負荷Ｌに供給される。

ここで、半導体リレー２が導通状態とされ、負荷Ｌに電力供給を行っている場合において、制御信号の入力の中止や中断等により半導体リレー２が遮断状態となると、入力端子２Ａが負電位となるサージ電圧（負サージ電圧）が発生する。この負サージ電圧に起因して半導体リレー２の入力端子２Ａと出力端子２Ｂとの間の電位差が、半導体リレー２の最大定格を上回った場合には、半導体リレー２が損傷する可能性がある。そこで、保護装置１は、この負サージ電圧により半導体リレー２が損傷しないように構成される。

具体的には、半導体リレー２の定格電圧を超える負サージ電圧の発生時に、サージ電流が接地電位から第２のツェナーダイオードＺＤ２、第１のツェナーダイオードＺＤ１、ダイオードＤの順に流れ、且つ、第１端子にあたる入力端子２Ａと第２端子にあたる出力端子２Ｂとの電位差が半導体リレー２の定格電圧以下となるように、第１のツェナーダイオードＺＤ１の降伏電圧が、半導体リレー２の定格電圧とダイオードＤの順方向電圧とに基づいて設定される。

スイッチＳＷに対する制御信号の入力が中止や中断されると、半導体リレー２の入力端子２Ａに負サージ電圧が発生する。この負サージ電圧が発生すると、サージ電流が接地電位から第２のツェナーダイオードＺＤ２に流れようとする。保護装置１は、図２の白抜き矢印で示されるように、このサージ電流が第２のツェナーダイオードＺＤ２、第１のツェナーダイオードＺＤ１、ダイオードＤの順に流れるように、第１のツェナーダイオードＺＤ１の降伏電圧が設定される。更に、半導体リレー２には定格電圧が予め設定されている。そこで、この上記電流が流れた際に、半導体リレー２の入力端子２Ａと出力端子２Ｂとの端子間電圧が半導体リレー２の定格電圧以下となるように第１のツェナーダイオードＺＤ１の降伏電圧が設定される。

また、本実施形態では保護装置１は、バッテリＢが逆接された時にも半導体リレー２が損傷しないように構成される。「バッテリＢが逆接された時」とは、図３に示されるように、半導体リレー２の入力端子２ＡにバッテリＢの負端子が接続され、接地電位にバッテリＢの正端子が接続された場合をいう。この場合には、保護装置１は、接地電位からの電流が第２のツェナーダイオードＺＤ２及び第１のツェナーダイオードＺＤ１を介してダイオードＤに流れ込まないように（図３の破線で示した矢印参照）、第１のツェナーダイオードＺＤ１の降伏電圧が、バッテリＢの出力電圧と第２のツェナーダイオードＺＤ２の順方向電圧とに基づいて設定される。

上述した関係を式で示すと以下のように表すことができる。ただし、ＶＳはサージ電圧（の電圧値）、ＶＡは半導体リレー２の定格電圧、ＶＢはバッテリＢの出力電圧、ＶＦＺＤ２は第２のツェナーダイオードＺＤ２の順方向電圧、ＶＦＤはダイオードＤの順方向電圧、ＶＺＺＤ１は第１のツェナーダイオードＺＤ１の降伏電圧である。

半導体リレー２の定格電圧を超える負サージ電圧の発生時に、入力端子２Ａと出力端子２Ｂとの電位差が半導体リレー２の定格電圧ＶＡ以下となるようには以下の式を具備する必要がある。

一方、半導体リレー２の定格電圧を超える負サージ電圧の発生時には、サージ電流が接地電位から第２のツェナーダイオードＺＤ２、第１のツェナーダイオードＺＤ１、ダイオードＤの順に流れるようにするため、以下の式を具備する必要がある。

よって、上記（１）式及び（２）式より、（３）式が導出される。

また、半導体リレー２の入力端子２ＡにバッテリＢの負端子が接続され、接地電位にバッテリＢの正端子が接続された場合には、接地電位からの電流が第２のツェナーダイオードＺＤ２及び第１のツェナーダイオードＺＤ１を介してダイオードＤに流れ込まないようにするため、以下の式を具備する必要がある。

上記（３）式及び（４）式を具備するように第１のツェナーダイオードＺＤ１の降伏電圧（ＶＺＺＤ１）を設定することにより、サージ電圧及びバッテリＢの逆接続から半導体リレー２を保護することが可能となる。

なお、第２のツェナーダイオードＺＤ２は、上述したように保護装置１の機能を実現する際にはＰＮ接合のダイオードやショットキーダイオードのようなダイオードとして使用する。しかしながら、半導体リレー２の導通状態において、入力端子２Ａ側から過電圧が入力された際に負荷Ｌを当該過電圧から保護するために、第２のツェナーダイオードＺＤ２の降伏電圧を負荷Ｌの定格電圧以下に設定すると良い。これにより、第２のツェナーダイオードＺＤ２の降伏電圧より高い電圧が負荷Ｌに印加されることを防止できる。

〔その他の実施形態〕
上記実施形態では、保護装置１の過電圧保護対象となる対象部品が半導体リレー２であるとして説明したが、半導体リレー２以外の部品であっても良い。

上記実施形態では、保護装置１は、バッテリＢが逆接続された場合に、接地電位からの電流が第２のツェナーダイオードＺＤ２及び第１のツェナーダイオードＺＤ１を介してダイオードＤに流れ込まないように、第１のツェナーダイオードＺＤ１の降伏電圧が、バッテリＢの出力電圧と第２のツェナーダイオードＺＤ２の順方向電圧とに基づいて設定されるとして説明したが、バッテリＢが逆接続された場合にでも、接地電位からの電流が第２のツェナーダイオードＺＤ２及び第１のツェナーダイオードＺＤ１を介してダイオードＤに流れ込むように構成することも可能であるし、他の構成により半導体リレー２を保護するように構成することも可能である。

本発明は、サージ電圧から部品を保護する保護装置に用いることが可能である。

１：保護装置
２：半導体リレー（対象部品）
２Ａ：入力端子（第１端子）
３：電源ライン
２Ｂ：出力端子（第２端子）
Ｂ：バッテリ
Ｄ：ダイオード
ＺＤ１：第１のツェナーダイオード
ＺＤ２：第２のツェナーダイオード

Claims

電源ラインに直列に挿入された過電圧保護対象となる対象部品が有する端子のうち、定常動作時に前記電源ラインから電流が流れ込む第１端子にカソード端子が接続されるダイオードと、
前記対象部品が有する端子のうち、定常動作時に前記電源ラインへ電流が流れ出る第２端子にカソード端子が接続され、前記ダイオードのアノード端子にアノード端子が接続される第１のツェナーダイオードと、
前記第１のツェナーダイオードのカソード端子にカソード端子が接続され、接地電位にアノード端子が接続される第２のツェナーダイオードと、を備え、
前記対象部品の定格電圧を超える負サージ電圧の発生時に、サージ電流が前記接地電位から前記第２のツェナーダイオード、前記第１のツェナーダイオード、前記ダイオードの順に流れ、且つ、前記第１端子と前記第２端子との電位差が前記対象部品の定格電圧以下となるように、前記第１のツェナーダイオードの降伏電圧が、前記定格電圧と前記ダイオードの順方向電圧とに基づいて設定されている保護装置。
前記第１端子にバッテリの負端子が接続され、前記接地電位に前記バッテリの正端子が接続された場合に、前記接地電位からの電流が前記第２のツェナーダイオード及び前記第１のツェナーダイオードを介して前記ダイオードに流れ込まないように、前記第１のツェナーダイオードの降伏電圧が、前記バッテリの出力電圧と前記第２のツェナーダイオードの順方向電圧とに基づいて設定されている請求項１に記載の保護装置。