JP2018528607A - 供給ネットワークから動作されるユニットをサージから保護するための回路アセンブリ - Google Patents

Abstract

供給ネットワークから動作されるユニットを、サージから保護するための回路アセンブリであって、供給ネットワークに接続される第１および第２の入力接続を有する入力部と、保護されるユニットを接続することができる出力部と、印加される電圧を制限するために第１の入力接続と第２の入力接続の間に設けられた保護回路とを備え、前記保護回路が電力半導体デバイスを備える、回路アセンブリが提供される。電力半導体デバイスは、コレクタとゲートの間に少なくとも１つのツェナー素子を含み、またはデジタル／アナログ変換器が、電力半導体デバイスのコレクタとゲートの間に配置される。電力半導体デバイスに対するクランプ電圧を設定することによって、このタイプの保護回路の保護レベルを容易に調節することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、本願請求項１、２、３、および５に示すように、供給ネットワークから動作されるユニットをサージから保護するための回路アセンブリであって、供給ネットワークに接続される第１および第２の入力接続を有する入力部と、保護されるユニットを接続することができる出力部と、印加される電圧を制限するために第１の入力接続と第２の入力接続の間に配置された保護回路とを備え、前記保護回路が電力半導体を備える、回路アセンブリに関する。

接続解除可能なサイリスタを許容不可能な過電圧から保護するための方法および装置が、ＥＰ０４３１２１５Ａ１から既に知られている。この教示によれば、接続解除可能なサイリスタのアノード電圧が、そのカソード電圧に対して監視され、所定の閾値を超えたときに制御信号が生成され、これにより接続解除可能なサイリスタのゲートにおいてターンオンされた負電圧源がターンオフされ、ターンオン回路によってサイリスタがターンオンされる。

ＤＥ１０３３８９２１Ａ１は、サージ電圧から保護するための回路装置を示す。その課題は、例えば電圧源に対する落雷によって生じるサージ電圧からデバイスを保護するという問題に基づいている。提供される保護回路は、リミッタ・デバイスとは別にスイッチ装置を備える。スイッチ装置は、スイッチング素子、およびスイッチング素子のための駆動回路を備え、スイッチング素子は、充分に正確な寸法設計を確実にするために、半導体素子として形成される。スイッチ装置とリミッタ・デバイスは直列に接続され、所定の第１のトリガ規準が満たされたときにスイッチ装置が導通され、第２のトリガ規準において遮断されるように構成される。

過電圧から電気負荷を保護するための回路がＤＥ１０２０１００５４４０２Ａ１から既に知られており、制限電圧を増大させるために、第２のツェナーダイオードがシャント・コントローラに直列に接続される。第２のツェナーダイオードは、典型的な基準電圧をその降伏電圧だけ増大させる。

先行技術に関して、ＥＰ２３４０５９３Ｂ１がさらに参照されるべきであり、印加される動作電圧にそれ自体を自動的に適応させることができる多段階過電圧保護回路が開示されている。動作電圧が許容不可能な態様で超過されたときに、電圧レベルの制限が実行される。この点に関して既に知られている解決策では、そこに存在するトランジスタは、過渡過電圧が存在するときにハイパスを介した勾配に依存してターンオンされる。この目的のために、対応した電圧降下を生成してトランジスタを制御するために、直列抵抗が必要である。

したがって上述したことから、本発明の課題は、供給ネットワークから動作されるユニットを過電圧から保護するためのさらに発展した回路アセンブリを提案することであり、前記回路アセンブリは、電力半導体を含む保護回路、および電力半導体のそれぞれのクランプ動作に基づいて、ステップ式および非ステップ式の両方の態様、ならびに受動的または能動的な態様で、簡単に保護レベルを適応させることができる。

この課題の解決策は、連携した請求項１、２、３、および５の特徴によってそれぞれ実現され、従属請求項は、少なくとも適切な構成およびさらなる発展形態を含む。

本発明の教示は、電力半導体、特にＩＧＢＴにおいて、それ自体が知られているクランプ素子のツェナー電圧を変化させることによって、それぞれの保護レベルを定義することができるという事実に基づいており、電力半導体は過電圧制限素子として使用される。

第１の実施形態によれば、保護回路は電力半導体を備え、電力半導体のコレクタとゲートの間に少なくとも１つのツェナー素子、例えばＴＶＳダイオードが接続され、ツェナー電圧により電力半導体のためのクランプ電圧が生じる。本発明によれば、この実施形態では複数のツェナー素子が直列に接続され、供給ネットワークの電圧の瞬時値に応じて、ツェナー素子のうちの少なくとも１つが導通状態に入り、したがって保護レベルを自動的に適応させることが可能になる。

設定された反応勾配を越える勾配を有する過電圧が生じた場合、抵抗器Ｒ２にわたる電圧は増大することになり、電力半導体ＩＧＢＴが作動される。説明される実施形態は、勾配に依存した反応を、静的な保護レベル適応に組み合わせたものを表している。

本発明の第２の実施形態では、ツェナー素子は、電力半導体のゲートとコレクタの間に接続されたリニア・レギュレータの一体部分であり、供給電圧の電圧レベルに対する保護レベルを維持するように、供給ネットワークの電圧に追従する。

電圧レギュレータでは、速い過渡電圧が生じた場合に信号適応を遮断するように目標を定めたやり方で、デッド・タイムという観点からの慣性が実装される。その代わりに、電流は電力半導体のゲートに向かって流れ、電力半導体を駆動する。

本発明の第３の実施形態では、ツェナー素子に並列に接続することができるさらなるツェナー素子のグループが設けられ、それらの素子はドライバ・ユニットによって作動させることができる。ドライバ・ユニットは、それぞれの事例においてトランジスタ・スイッチの入力部に接続され、そのトランジスタ・スイッチに対して、それぞれの事例においてさらなるツェナー素子のうちの１つが出力側に関連付けられている。

この実施形態では、ドライバ・ユニットはマイクロコントローラによって制御され、マイクロコントローラは、供給ネットワークの電圧の瞬時値を判定し、ドライバ・ユニットを介してそれぞれの適切なトランジスタ・スイッチを制御しまたは作動させて、保護レベルを適応させる。

本発明の教示の第４の実施形態では、保護回路は同様に電力半導体を備え、電力半導体のコレクタとゲートの間にデジタル／アナログ変換器が配置され、そのデジタル入力部は、マイクロコントローラの出力部に接続されている。マイクロコントローラでは、供給ネットワークへの接続が入力側で生成され、回路の保護レベルを、デジタル／アナログ変換器のアナログ出力を介して定義することができる。
本発明は、例示的な実施形態に基づき、図面を参照しながら、より詳細に以下で説明される。

電子ステップ回路の観点から直列に接続された複数のツェナー素子ＴＶＳ１〜ＴＶＳｎを有する、本発明の第１の実施形態の概略図である。 保護レベルを設定するための制御可能な電圧源としてリニア・レギュレータを有する回路に関連した実施形態の概略図である。 本発明の第３の実施形態による回路アセンブリであって、さらなるツェナー素子を第１のツェナー素子に並列に接続することができ、これらのさらなるツェナー素子を、ドライバ・ユニットを介して作動させることができ、これに関してサイリスタ・スイッチが設けられる、回路アセンブリの概略図である。 電力半導体（ＩＧＢＴ）のゲートとコレクタの間に接続されており、そのデジタル入力部がマイクロコントローラに接続されているデジタル／アナログ変換器を用いた、能動的な非ステップ式の保護レベル適応を有する本発明の第４の実施形態のブロック図である。

図１による実施形態では、保護回路は電力半導体ＩＧＢＴを備える。複数のツェナー素子ＴＶＳ１〜ＴＶＳｎが、ＩＧＢＴのコレクタとゲートの間に設けられる。ツェナー素子ＴＶＳ１〜ＴＶＳｎのうちの１つまたは複数を、供給電圧の実際の瞬時値に応じて導通させ、それにより保護レベルを判定するように、直列接続の接合部に回路手段が設けられる。残りの例示的な実施形態でも、保護回路は、入力部Ｌ、Ｎに接続されたダイオード・ブリッジＤＢを介して給電され、それにより負と正の過電圧パルスを検出および放電することができる。実施形態のすべてにおいて、電力半導体ＩＧＢＴは、能動的な過電圧保護素子としても実装される。

その結果、勾配に依存した反応が生じ、図１による実施形態では静的な保護レベルの適応が実現される。

図２による実施形態では、保護レベルは、制御可能な電圧源ＳＱによって設定される。制御可能な電圧源は、図２による詳細図に示されるように、好ましくは、出力部がツェナー素子ＴＶＳに接続されたリニア・レギュレータとして実現され得る。

コレクタとゲートの間に接続されたリニア・レギュレータは、ネットワークＬ、Ｎの電圧に追従し、それにより保護レベルは常に供給電圧のレベルにあることになる。この回路の作動は、過渡電圧が変化したときに行なわれる。過渡過電圧時に適応されないように信号を遮断することを狙いとして、レギュレータを介してデッド・タイムが実装される。逆に電流は、電力半導体のゲートに向かって流れ、同半導体を駆動する。

図３および図４による描写は、インテリジェント・ドライバを使用することによって、特にマイクロコントローラμＣを用いて、ツェナー素子またはその特性をそれぞれ変化させることによって、実際の供給電圧に保護レベルを適応させるというオプションを示す。これは、図３に示される第１の変形形態、および図４に示される第２の変形形態によって可能になる。

図３による変形形態では、マイクロコントローラμＣは、供給電圧Ｌ、Ｎの瞬時値を判定し、ＩＧＢＴのコレクタとゲートの間にあるツェナー素子ＴＶＳ１、ＴＶＳ２、ＴＶＳｎのうちの１つを切り換える。例示的な保護レベルは、素子ＴＶＳ１〜ＴＶＳｎに隣接した電圧仕様によって示される。それぞれの素子ＴＶＳ１〜ＴＶＳｎの切換えは、トランジスタＴ１〜Ｔｎによって実行され、その基部は、それぞれの事例において、マイクロコントローラμＣの出力部、および対応したドライバ・ユニットに接続されており、ドライバ・ユニットはマイクロコントローラに一体化させることもできる。

図３による描写の動作は、以下の通りである。回路アセンブリがネットワークに接続されると、保護レベルは最初に最高値、例えば１ｋＶにプリセットされる。供給電圧の瞬時値が検出された後、保護レベルのうちの適切なレベルが、マイクロコントローラμＣおよびドライバを介して作動される。過電圧事象が発生すると、サージ電流はＩＧＢＴによって放電され、その後、保護回路は再び最高保護レベル段階にプリセットされる。過電圧事象の後、供給電圧の瞬時値が再び判定され、保護段階が供給電圧に適応される。

過電圧事象が発生せず、供給電圧がゆっくり、例えば１Ｖ／分で増加していることがわかったとき、このことはマイクロコントローラによって検出され、この場合、保護レベルはそれに応じて自動的にゆっくり増減されることになる。

図４による描写の通り、第４の実施形態は、ＩＧＢＴのコレクタとゲートの間にデジタル／アナログ変換器ＤＡを接続するという考えに基づいており、デジタル／アナログ変換器はマイクロコントローラによって駆動される。この変形形態では、保護レベルの反応および適応を、積分された供給電圧だけに基づいて設定するおよび適応させるというオプションがある。

Claims (6)

1. 供給ネットワークから動作されるユニットをサージから保護するための回路アセンブリであって、
   該供給ネットワークに接続される第１および第２の入力接続（Ｌ、Ｎ）を有する入力部と、
   保護される該ユニットを接続することができる出力部（Ａ）と、
   印加される電圧を制限するために該第１の入力接続と第２の入力接続（Ｌ、Ｎ）の間に設けられた保護回路とを備え、該保護回路が電力半導体（ＩＧＢＴ）を備え、
   さらに少なくとも１つのツェナー素子（ＴＶＳ）が、該電力半導体のコレクタとゲートの間に接続され、ツェナー電圧により該電力半導体（ＩＧＢＴ）のためのクランプ電圧が生じる、回路アセンブリにおいて、
   複数のツェナー素子（ＴＶＳ１〜ＴＶＳｎ）が直列に接続され、該供給ネットワークの電圧の瞬時値に応じて、該ツェナー素子のうちの１つが導通状態に入り、したがって該保護回路の保護レベルが自動的に適応されることを特徴とする、回路アセンブリ。
2. 供給ネットワークから動作されるユニットをサージから保護するための回路アセンブリであって、
   該供給ネットワークに接続される第１および第２の入力接続（Ｌ、Ｎ）を有する入力部と、
   保護される該ユニットを接続することができる出力部（Ａ）と、
   印加される電圧を制限するために該第１の入力接続と第２の入力接続（Ｌ、Ｎ）の間に設けられた保護回路とを備え、該保護回路が電力半導体（ＩＧＢＴ）を備え、
   さらに少なくとも１つのツェナー素子（ＴＶＳ）が、該電力半導体のコレクタとゲートの間に接続され、ツェナー電圧により該電力半導体（ＩＧＢＴ）のためのクランプ電圧が生じる、回路アセンブリにおいて、
   該ツェナー素子（ＴＶＳ）が、該電力半導体（ＩＧＢＴ）の該ゲートと該コレクタの間に接続されたリニア・レギュレータ（ＳＱ）の一体部分であり、供給電圧の電圧レベルに対する保護レベルを維持するように、該供給ネットワークの電圧に追従することを特徴とする、回路アセンブリ。
3. 供給ネットワークから動作されるユニットをサージから保護するための回路アセンブリであって、
   該供給ネットワークに接続される第１および第２の入力接続（Ｌ、Ｎ）を有する入力部と、
   保護される該ユニットを接続することができる出力部（Ａ）と、印加される電圧を制限するために該第１の入力接続と第２の入力接続（Ｌ、Ｎ）の間に設けられた保護回路とを備え、該保護回路が電力半導体（ＩＧＢＴ）を備え、
   さらに少なくとも１つのツェナー素子（ＴＶＳ）が、該電力半導体のコレクタとゲートの間に接続され、ツェナー電圧により該電力半導体（ＩＧＢＴ）のためのクランプ電圧が生じる、回路アセンブリにおいて、
   該ツェナー素子（ＴＶＳ）に並列に接続することができるさらなるツェナー素子（ＴＶＳ１〜ＴＶＳｎ）のグループが設けられ、該ツェナー素子はドライバ・ユニットによって作動させることができ、該ドライバ・ユニットが、それぞれの事例においてトランジスタ・スイッチ（Ｔ１〜Ｔｎ）の入力部に接続され、該トランジスタ・スイッチに対して、それぞれの事例において該さらなるツェナー素子（ＴＶＳ１〜ＴＶＳｎ）のうちの１つが関連付けられていることを特徴とする、回路アセンブリ。
4. 前記ドライバ・ユニットが、マイクロコントローラ（μＣ）によって制御され、該マイクロコントローラが、前記供給ネットワークの電圧の瞬時値を判定し、該ドライバ・ユニットを介してそれぞれの適切なトランジスタ・スイッチ（Ｔ１〜Ｔｎ）を作動させて、保護レベルを適応させることを特徴とする、請求項３に記載の回路アセンブリ。
5. 供給ネットワークから動作されるユニットをサージから保護するための回路アセンブリであって、
   該供給ネットワークに接続される第１および第２の入力接続（Ｌ、Ｎ）を有する入力部と、
   保護される該ユニットを接続することができる出力部（Ａ）と、
   印加される電圧を制限するために該第１の入力接続と第２の入力接続（Ｌ、Ｎ）の間に設けられた保護回路とを備え、該保護回路が電力半導体（ＩＧＢＴ）を備えた、回路アセンブリにおいて、
   該電力半導体（ＩＧＢＴ）のコレクタとゲートの間にデジタル／アナログ変換器（ＤＡ）が配置され、そのデジタル入力部が、マイクロコントローラ（μＣ）の出力部に接続され、該マイクロコントローラが、その入力側において該供給ネットワークに接続され、該回路の保護レベルを、該デジタル／アナログ変換器（ＤＡ）のアナログ出力を介して定義することができることを特徴とする、回路アセンブリ。
6. 前記保護回路が、前記入力部に接続されたダイオード・ブリッジ（ＤＢ）を介して給電され、それにより負と正の過電圧パルスを放電することができることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の回路アセンブリ。

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