JP2674355B2 - パワー素子の過電流保護装置 - Google Patents

パワー素子の過電流保護装置

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JP2674355B2 JP3110260A JP11026091A JP2674355B2 JP 2674355 B2 JP2674355 B2 JP 2674355B2 JP 3110260 A JP3110260 A JP 3110260A JP 11026091 A JP11026091 A JP 11026091A JP 2674355 B2 JP2674355 B2 JP 2674355B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明はＩＧＢＴ、パワーＭＯ
ＳＳＦＥＴ、バイポーラトランジスタのごときパワー素
子を過電流から保護するパワー素子の過電流保護装置に
関するものである。
【０００２】
【従来の技術】図６は誘導電動機の速度制御を行なうイ
ンバータ等における負荷回路に挿入されたパワー素子を
過電流、もしくは短絡から保護するための従来の一般的
な過電流保護回路装置の回路図を示したものである。図
６に於て、１はパワー素子としてのＩＧＢＴであるが、
以下パワー素子１として記載する。２はパワー素子１を
駆動するための制御信号増幅手段としてのゲートアン
プ、３はゲートアンプ２に制御信号を出力する制御回路
を示す。４はパワー素子１に直列に接続された過電流検
出のためのシャント抵抗器、５はシャント抵抗器４の電
位差を絶縁して制御回路に伝達する絶縁回路を示す。
【０００３】一般に、パワー素子１の主回路と制御回路
３とはゲートアンプ２にて電気的に絶縁されている。負
荷回路、即ち、主回路の過電流保護はパワー素子１の主
電流ＩCをシャント抵抗４にて検出し、絶縁回路５にて
電気的に絶縁し、上記検出信号を制御回路３に伝達し、
上記検出信号が所定のレベルに達したらパワー素子１に
対して遮断をかける。
【０００４】図７は図６に示したパワー素子１を含む主
回路の過電流特に短絡時の等価回路であり、図８は図７
に示した回路の動作の説明図である。図７において、６
は主回路電源、７はパワー素子１のコレクタ、ゲート間
に寄生する寄生容量、８は短絡を等価的に生じせしめる
スイッチ（以下、ＳＷと記す）を示す。
【０００５】図７に示した回路において、ＳＷ８がＯＦ
Ｆの時、パワー素子１のコレクタ、エミッタ間電圧ＶCE
は０Ｖである。この状態で短絡、即ち、図８Ａに示すよ
うに、ＳＷ８がＯＮするとパワー素子１のコレクタ、エ
ミッタ間には主回路電源６の直流電圧ＶDCのステップ電
圧が印加され、パワー素子１には図８Ｂに示す如くコレ
クタ電流ＩCが流れる。
【０００６】パワー素子１には寄生容量７が存在するの
で、パワー素子１のゲート、エミッタ間電圧ＶGEは図８
Ｃの如く、標準の電圧ＶG1(V)より△ＶG1(V)上昇する。
この結果としてＶGEがゲートアンプ２の駆動用直流電源
の電圧を上まわり、コレクタ電流ＩCが更に増大する。
【０００７】図９は図７に示した制御信号増幅手段とし
てのゲートアンプ２の回路の詳細図である。図９におい
て、９はゲート駆動用直流電源、１０は制御回路３から
の制御信号を絶縁して入力するホトカプラでありＬＥＤ
１０Ａとホトトランジスタ１０Ｂにて構成されている。
１１、１３、１４は抵抗器、１２、１４、１６はトラン
ジスタを示す。１７はパワー素子１のゲートＧとゲート
駆動用直流電源９の正側端子との間に挿入されたダイオ
ードである。
【０００８】パワー素子１に過電流が流れたときにおけ
るパワー素子１のゲート電圧ＶGEの上昇を押える目的
で、従来は図９に示すようにパワー素子１のゲート端子
Ｇとゲートアンプ２のゲート駆動用電源９の正側端子
（ＶGのプラス側端子）との間にダイオード１７を接続
し、パワー素子１のゲート電圧ＶGEをＶG1(V)にクラン
プすることで短絡事故時のＩCのピーク値を減らしてい
た。この結果、短絡が開始してからパワー素子１が破壊
するまでの時間を長くすることができ、即ち、短絡耐量
が上げられる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】従来のパワー素子の過
電流保護装置は以上のように構成されており、図６に示
した従来例では負荷回路に挿入されたシャント抵抗器の
発熱が大きく、また、過電流検出のための絶縁回路も比
較的に高価であり、損失の増大、装置の大型化、コスト
アップとなり、また、図９に示した例ではパワー素子の
ピーク電流は減少し、その分短絡耐量（負荷回路の短絡
から上記パワー素子が破壊するまでの時間）は上がる
が、短絡を検知し、遮断をかけるためには別途図６に示
した従来例のごとき電流検出手段を必要とし、やはり装
置の大型化、コストアップとなるなどの問題点があっ
た。
【００１０】この発明は、上記のような問題点を解決す
るためになされたもので、比較的に簡単な回路構成で過
電流、短絡から上記パワー素子を保護するパワー素子の
過電流保護装置を得ることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】第１の発明に係わるパワ
ー素子の過電流保護装置は、負荷回路に挿入されたパワ
ー素子のゲートとゲート駆動用直流電源の正極間に入力
側が挿入され、過電流による上記パワー素子のゲート電
圧の上昇を制限すると共に、上記過電流に起因する入力
側の電流を絶縁して出力可能なホトカプラを備え、上記
ホトカプラの出力を上記過電流の検出信号として上記パ
ワー素子の過電流を遮断もしくは制限するものである。
【００１２】また、第２の発明に係わるパワー素子の過
電流保護装置は、負荷回路に挿入されたパワー素子をＯ
Ｎ／ＯＦＦ制御すべく制御信号を出力する制御回路と、
上記制御信号を入力し、増幅して上記パワー素子のゲー
トに供給する制御信号増幅手段と、上記パワー素子のゲ
ートと上記制御信号増幅手段のゲート駆動用直流電源の
正側間に入力側が挿入され、過電流による上記パワー素
子のゲート電圧の上昇を制限すると共に、上記過電流に
起因する入力側の電流を絶縁して出力可能なホトカプラ
とを備え、上記制御回路が上記パワー素子の過電流を遮
断もしくは制限する制御信号を出力するように上記ホト
カプラの出力を上記制御回路に入力するものである。
【００１３】また、第３の発明に係わるパワー素子の過
電流保護装置は、負荷回路に挿入されたパワー素子をＯ
Ｎ／ＯＦＦ制御すべく制御信号を入力し、増幅して上記
パワー素子のゲートに出力する制御信号増幅手段と、上
記パワー素子のゲートと上記制御信号増幅手段のゲート
駆動用直流電源の正側間に入力側が挿入され、過電流に
よる上記パワー素子のゲート電圧の上昇を制限すると共
に、上記過電流に起因する入力側の電流によりＯＮ／Ｏ
ＦＦ制御されるスイッチング手段を出力側に有するホト
カプラとを備え、上記パワー素子の過電流を遮断するよ
うに上記制御信号増幅手段への制御信号の入力を遮断す
べく、上記ホトカプラの出力側が上記制御信号増幅手段
の入力側に挿入されたものである。
【００１４】また、第４の発明に係わるパワー素子の過
電流保護装置は第３の発明に係わるパワー素子の過電流
保護装置において、ホトカプラはその出力側を上記パワ
ー素子のゲートとエミッタ間に接続され、上記パワー素
子の過電流を遮断するように上記パワー素子のゲートと
エミッタ間を短絡するものである。
【００１５】
【作用】第１の発明においては、ホトカプラはその入力
側が負荷回路に挿入されたパワー素子のゲートとゲート
駆動用直流電源の正極間に挿入され、過電流による上記
パワー素子のゲート電圧の上昇を制限すると共に、出力
側電流を上記過電流の検出信号として上記パワー素子の
過電流を遮断もしくは制限する。
【００１６】また、第２の発明においては、制御回路は
負荷回路に挿入されたパワー素子をＯＮ／ＯＦＦ制御す
べく制御信号を出力し、制御信号増幅手段は上記制御信
号を入力し、増幅して上記パワー素子のゲートに出力
し、ホトカプラは過電流による上記パワー素子のゲート
電圧の上昇を制限すると共に、上記制御回路から上記パ
ワー素子の通電を遮断もしくは制限する信号を出力すべ
く上記過電流の検出信号を上記制限回路に出力する。
【００１７】また、第３の発明においては、制御信号増
幅手段は制御信号を入力し、増幅してパワー素子のゲー
トに出力し、ホトカプラは過電流による上記パワー素子
のゲート電圧の上昇を制限すると共に、上記パワー素子
の通電を遮断するように上記制御信号の上記制御信号増
幅手段への入力を制御する。
【００１８】また、第４発明においては、制御信号増幅
手段は制御信号を入力し、増幅してパワー素子のゲート
に出力し、ホトカプラは過電流による上記パワー素子の
ゲート電圧の上昇を制限すると共に、上記パワー素子の
ゲートとエミッタ間を短絡し、過電流時における上記パ
ワー素子の通電を遮断する。
【００１９】
【実施例】実施例１．第１及び第２の発明の一実施例を
図１により説明する。図中、従来例と同じ符号で示され
たものは従来例のそれと同一もしくは同等なものを示
す。
【００２０】図１はパワー素子１の過電流保護装置とし
ての回路図である。図１において、１０は制御回路３か
らの制御信号を絶縁して入力するホトカプラ、１８は本
発明の主要な構成要素をなすホトカプラであり、その入
力側としてのＬＥＤ１８Ａと出力側としてのホトトラン
ジスタ１８Ｂから構成され、ＬＥＤ１８Ａはパワー素子
１のゲートとゲート駆動用直流電源９の正側端子間に、
図に示す向きに接続され、ホトトランジスタ１８Ｂは制
御回路３に接続されている。
【００２１】次に動作について説明する。ホトカプラ１
８を図１に示すように接続することによって、入力側と
してのＬＥＤ１８Ａは図９に示したダイオード１７と等
価な作用をなし、短絡時のごとき主回路の過電流に起因
するパワー素子１のゲート電圧ＶGEの上昇を制限するよ
うにクランプし、出力側としてのホトトランジスタ１８
Ｂは上記過電流の大小に応じて増減するＬＥＤ１８Ａの
通電電流に応じた電流を上記過電流の検出信号として出
力可能であり、制御回路はこの検出信号の入力により上
記パワー素子１の通電を遮断もしくは制限するように制
御信号を出力する。
【００２２】以上のように、ベースアンプ回路２にホト
カプラ１８を挿入、接続することにより、短絡時のパワ
ー素子１のゲート電圧ＶGEの上昇を抑えると共に、ホト
カプラ１８の入力電流が流れた際に過電流（短絡）と判
断して制御回路２に伝達する。即ち、ゲート電圧のクラ
ンプ、主回路と制御回路の絶縁、及び過電流の検知とい
う３つの動作をホトカプラ１８唯１個で実現することが
できる。
【００２３】実施例２．第３の発明の一実施例を図２に
より説明する。図２の回路構成は図１に示したものとほ
ぼ同一であり、ホトカプラ１８の出力側であるホトトラ
ンジスタ１８Ｂが制御回路３の制御信号出力側とホトカ
プラ１０の入力側としてのＬＥＤ１０Ａ間に挿入接続さ
れている点が異なる。
【００２４】図２において、ホトカプラ１０は制御回路
３と主回路を絶縁するためのものである。ホトカプラ１
８の入力は実施例１と同様であるが出力が上記絶縁のた
めのホトカプラ１０の入力に直接接続されているため過
電流の際、この過電流を検出して、ただちに制御信号の
入力を遮断し、より簡易的にパワー素子の遮断ができ
る。
【００２５】図３は図２に示した回路において、ホトカ
プラ１８の出力側のホトトランジスタ１８Ｂにトランジ
スタ１９をダーリントン接続し、ホトカプラ１８の出力
側を上記ダーリントン接続されたトランジスタ１９を介
してホトカプラ１０の１次側に接続した例である。この
ように、ホトカプラ１８の出力にトランジスタ１９をダ
ーリントン接続するとより電流容量を増すことができ、
制御信号の入力を確実に遮断できるる。
【００２６】実施例３．第４の発明の一実施例を図４に
より説明する。図４の回路構成は図１，図２に示したも
のとほぼ同一であり、ホトカプラ１８の出力側であるホ
トトランジスタ１８Ｂがパワー素子１のゲートＧ、エミ
ッタＥ間に接続されている点が異なる。
【００２７】動作は、過電流の際にパワー素子１のゲー
ト電圧ＶGEが上昇すると第２のホトラプラ１８がオン
し、パワー素子１のゲートエミッタ間の電圧ＶGEを下
げ、パワー素子１をオフする。
【００２８】図５は図３に示した回路と同様にホトカプ
ラ１８の出力にトランジスタ１９をダーリントン接続し
た例であり、電流容量を増大したもので、パワー素子１
のゲートエミッタ間の電圧ＶGEを確実に下げ、パワー素
子１を確実にオフする効果が得られる。
【００２９】実施例４．以上の実施例１〜３の説明では
パワー素子としてＩＧＢＴを例にとって説明したが、Ｉ
ＧＢＴだけに限定されるものでなく、パワーＭＯＳＦＥ
Ｔ、バイポーラトランジスタ等でも同様に短絡時にゲー
ト又はベース電圧が上昇するので第１〜第４の発明によ
り同様の効果が得られる。
【００３０】即ち、この発明によれば、ＩＧＢＴ、パワ
ーＭＯＳＦＥＴ、バイポーラトランジスタ等のパワー素
子１の過電流時のゲート電圧上昇をホトカプラ１８で検
出し、パワー素子１をオフするようにし、かつホトカプ
ラ１８の入力側ＬＥＤ１８Ａにてゲート電圧上昇を抑え
るようにした。よって、ゲート電圧のクランプ、絶縁、
過電流の検知という３つの動作をホトカプラ唯一個で可
能にしたので、安価で小型かつ損失の少ないパワー素子
１の過電流保護回路が実現できた。
【００３１】
【発明の効果】以上のように、第１の発明によれば、ホ
トカプラの入力側をパワー素子のゲートと制御信号増幅
手段のゲート駆動用直流電源の正側間に挿入して過電流
による上記パワー素子のゲート電圧の上昇を制限すると
共に、出力を上記過電流の検出信号とし、この検出信号
を用いて上記パワー素子の過電流を遮断もしくは制限す
るようにいたので、また、第２の発明によれば、出力を
上記過電流の検出信号とし、この検出信号を制御回路に
入力し、上記制御回路が上記パワー素子の過電流を遮断
もしくは制限する信号を出力するようにしたので、上記
パワー素子の短絡耐量を上げ、かつ、短絡検知できるも
のが比較的安価に得られる効果がある。
【００３２】また、第３の発明によれば、ホトカプラの
入力側をパワー素子のゲートと制御信号増幅手段のゲー
ト駆動用直流電源の正側間に挿入して過電流による上記
パワー素子のゲート電圧の上昇を制限すると共に、上記
ホトカプラの出力側を制御信号増幅手段の入力側に挿入
し、上記パワー素子の過電流を遮断するように上記制御
信号の入力を制御するようにしたので、また、第４の発
明によれば、第３の発明におけるホトカプラの出力側を
上記パワー素子のゲートとエミッタ間に挿入し、上記過
電流の検出時に上記ゲートとエミッタ間を短絡して上記
パワー素子の過電流を遮断するようにしたので、上記パ
ワー素子の過電流及び短絡耐量を上げるものが比較的安
価に得られる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１及び第２の発明の一実施例としてのパワー
素子の過電流保護装置の回路図である。
【図２】第３の発明の一実施例としてのパワー素子の過
電流保護装置の回路図である。
【図３】図２に示したホトカプラの出力例にトランジス
タをダーリント接続した例を示す図である。
【図４】第４の発明の一実施例としてのパワー素子の過
電流保護装置の回路図である。
【図５】図４に示したホトカプラの出力側にトランジス
タをダーリント接続した例を示す図である。
【図６】従来のパワー素子の過電流保護装置の回路図で
ある。
【図７】図６に示した回路の等価回路図である。
【図８】図７に示した等価回路図の動作説明である。
【図９】図６に示したゲートアンプの詳細回路図であ
る。
【符号の説明】
１ パワー素子 ２ ゲートアンプ ３ 制御回路 ９ ゲート駆動用直流電源 １８ ホトカプラ １８Ａ ＬＥＤ １８Ｂ ホトトランジスタ １９ トランジスタ

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 負荷回路に挿入されたパワー素子のゲー
    トとゲート駆動用直流電源の正極間に入力側が挿入さ
    れ、過電流による上記パワー素子のゲート電圧の上昇を
    制限すると共に、上記過電流に起因する入力側の電流を
    絶縁して出力可能なホトカプラを備え、上記ホトカプラ
    の出力を上記過電流の検出信号として上記パワー素子の
    過電流を遮断もしくは制限するパワー素子の過電流保護
    装置。
  2. 【請求項２】 負荷回路に挿入されたパワー素子をＯＮ
    ／ＯＦＦ制御すべく制御信号を出力する制御回路と、上
    記制御信号を入力し、増幅して上記パワー素子のゲート
    に供給する制御信号増幅手段と、上記パワー素子のゲー
    トと上記制御信号増幅手段のゲート駆動用直流電源の正
    側間に入力側が挿入され、過電流による上記パワー素子
    のゲート電圧の上昇を制限すると共に、上記過電流に起
    因する入力側の電流を絶縁して出力可能なホトカプラと
    を備え、上記制御回路が上記パワー素子の過電流を遮断
    もしくは制限する制御信号を出力するように上記ホトカ
    プラの出力を上記制御回路に入力することを特徴とする
    パワー素子の過電流保護装置。
  3. 【請求項３】 負荷回路に挿入されたパワー素子をＯＮ
    ／ＯＦＦ制御すべく制御信号を入力し、増幅して上記パ
    ワー素子のゲートに出力する制御信号増幅手段と、上記
    パワー素子のゲートと上記制御信号増幅手段のゲート駆
    動用直流電源の正側間に入力側が挿入され、過電流によ
    る上記パワー素子のゲート電圧の上昇を制限すると共
    に、上記過電流に起因する入力側の電流によりＯＮ／Ｏ
    ＦＦ制御されるスイッチング手段を出力側に有するホト
    カプラとを備え、上記パワー素子の過電流を遮断するよ
    うに上記制御信号増幅手段への制御信号の入力を遮断す
    べく、上記ホトカプラの出力側が上記制御信号増幅手段
    の入力側に挿入されたことを特徴とするパワー素子の過
    電流保護装置。
  4. 【請求項４】 請求項３記載のパワー素子の過電流保護
    装置において、ホトカプラはその出力側を上記パワー素
    子のゲートとエミッタ間に接続され、上記パワー素子の
    過電流を遮断するように上記パワー素子のゲートとエミ
    ッタ間を短絡することを特徴とするパワー素子の過電流
    保護装置。
JP3110260A 1991-05-15 1991-05-15 パワー素子の過電流保護装置 Expired - Lifetime JP2674355B2 (ja)

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DE4216177A DE4216177C2 (de) 1991-05-15 1992-05-15 Überstromschutzvorrichtung für ein Leistungselement
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