JP2735394B2 - 温度補償された過負荷トリップレベル半導体リレー - Google Patents

温度補償された過負荷トリップレベル半導体リレー

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JP2735394B2 JP2404687A JP40468790A JP2735394B2 JP 2735394 B2 JP2735394 B2 JP 2735394B2 JP 2404687 A JP2404687 A JP 2404687A JP 40468790 A JP40468790 A JP 40468790A JP 2735394 B2 JP2735394 B2 JP 2735394B2
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    • Y10S323/907—Temperature compensation of semiconductor

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【従来の技術】出力スイッチデバイスとして電力半導体
を用い、又、電流負荷又は回路短絡状態を検知するため
のシリコン制御整流器を用いた半導体リレー回路の様々
な種類が発明されている。例えば、米国特許出願第4、58
1、540 号にはこのような回路が開示されている。従来技
術の特許出願に開示されている回路は、通常状態におけ
る過負荷電流を制限するという目的は良好に完遂されて
はいるが、室温約２５度Ｃに於て約４５０ｍＶの比較的
高いトリップ電圧を有してはおらず、そのトリップ電圧
は動作環境における温度変化に敏感である。例えば、温
度が−５５度Ｃから１１５度Ｃ（例えば、航空機内動作
においては比較的通常の範囲である）に変化する環境に
於て回路を使用する場合、電流防御がスイッチデバイス
のカットオフをトリップするトリガレベルは、概ね４０
０％、１５０ｍＶから６００ｍＶへ変化する。目的が動
作的な増幅器と比較器回路を用いることによって解決さ
れ得るが、このような構成は、更なる電源の使用を必要
とし、入力の光学的分離を提供する能力を排除し、そし
て、しばしば入力電流の大きな増加を負担することにな
る。
【０００２】
【本件発明の要約】本件発明の目的は、過負荷防御をト
リガするための低いトリップ電圧を有する電流過負荷防
御を備えた改良された半導体リレーを提供することにあ
る。本件発明の他のさらなる特徴的な目的は、半導体リ
レー回路内の電流過負荷をトリガするためのトリップ電
圧レベルの温度変化を減少することにある。本件発明の
他の目的は、過負荷防御を有する半導体リレーの高イン
ピーダンスと低い電力消費を提供することにある。これ
ら、及び本件発明の他の目的は、電流をスイッチするた
めに負荷回路へ接続された金属酸化物電解効果トランジ
スタ、過負荷によって生じる電圧を検知するために及び
負荷回路における電流過負荷に応動して電解効果トラン
ジスタから電流を分路するために接続された第１及び第
２のトランジスタを含むラッチ回路、異なる温度におい
ては異なる電圧に応動してオンになるような温度特性を
持つ第１及び第２のトランジスタからなる半導体リレー
であって、過負荷回路の電流によって生じる電圧に応動
して電解効果トランジスタから電流を分路させるために
ラッチをオンにする第２の手段をさらに含み、該第２の
手段は、ラッチ回路の第１と第２のトランジスタの温度
特性をマッチングするための温度保証手段を含み、それ
によって、デバイスの典型的な動作範囲にわたって過負
荷回路における同じ電圧でラッチをオンにする半導体リ
レー回路で実現される。本件発明のこれら、及び他の目
的、並びに構成要素は、複数の概説を通して指定されて
いるように要素が参照されている図面と共に、詳細な説
明を参照することによって、よりよく理解されることで
あろう。
【０００３】
【発明の詳細な記述】図１に従来技術の半導体リレー回
路１０を示す。回路１０は限流器１２と、一対の発光ダ
イオード１３及び１４を有する入力部１１を含む。スイ
ッチ部１５は発光ダイオード１３及び１４によって発生
した光を感知するために配置される検出器アレー１７を
含み、それによって、要求される入力回路の回路分離を
提供する。検出器アレー１７は、限流抵抗器１９を通し
てスイッチデバイス１８（好ましくは金属酸化物電界効
果トランジスタ）のゲートへ接続されている。検出器ア
レー１７は又、抵抗器２１を通してスイッチデバイス１
８のソース端子へ接続されている。負荷回路２２と電源
２３はスイッチデバイス１８のドレイン端子と抵抗２１
を直列に接続するように配置されている。もう一つの抵
抗２４は検出器アレー１７と並列に接続されている。
【０００４】スイッチリレーの通常の動作において、回
路１０の入力部への入力信号の供給（回路へバッテリ２
６を接続するためスイッチ２５を閉（close ）にするこ
とによって例示される。）は、検出器アレー１７によっ
て検出される光出力を供給するための発光ダイオード１
３と１４による。検出器アレー１７は、スイッチデバイ
ス１８がオンになるスイッチデバイス１８のゲート端子
とソース端子の間に信号を供給し、十分足りると、スイ
ッチデバイス１８をオンにし、負荷２２に電流を供給す
る。入力信号が入力部１１から取り払われたとき、検出
器アレー１７はスイッチデバイス１８を動作するために
十分な信号をもはや発生しない。そして、デバイス１８
はオフになり、負荷２２から電流が取り払われる。
【０００５】負荷２２に過負荷電流が発生する種々の状
態が存在する。このような過負荷電流は、スイッチデバ
イス１８又は負荷２２を傷つけ又は破壊するであろう。
スイッチデバイス１８を通り負荷２２へ供給される電流
の範囲を制限するために、回路１０が提供され、それは
過負荷電流の存在するスイッチデバイスをオフにする配
置である。図１に示される特別の配置は、第１のトラン
ジスタ２８、及びスイッチデバイス１８から電流を分路
させるためのラッチ（latch ）を形成するよう接続され
た第２のトランジスタ２９を含む。抵抗３２は、スイッ
チデバイス１８のソース端子と抵抗２１の間に接続さ
れ、スイッチデバイス１８の動作中、抵抗２１とトラン
ジスタ２８のコレクタ及びトランジスタ２９のベースと
の間の電圧の測定を提供するために接続されている。
【０００６】ラッチ配置は一対の入力端子を効果的に提
供する。１つは抵抗２１の両端の電圧を測定し、第２は
トランジスタ２９のコレクタへの電流を測定する。負荷
２２を通る電流が非常に大きくなった場合、抵抗の両端
の電圧（この電流の測定値である）は、ラッチが有効に
なる点まで増加するように抵抗２１の値は選択され、ス
イッチデバイス１８のソース及びドレイン端子の入力を
短絡する。トランジスタ２９のベース及びエミッタ接合
間の電位差はトランジスタをオンにし、トランジスタ上
のエミッタ−ベース接合を通って引き出される電流を生
じる。トランジスタ２８はオンになり、ラッチをオン状
態に固定する。これは、スイッチデバイス１８を無能
（オフ）にし、負荷２２から電流を取り払う。
【０００７】図１に示された回路１０の主要な問題は、
動作中にトランジスタ２８及び２９からなるラッチをト
リガするために要求される電圧は温度と共に激しく変化
するということである。この電圧は抵抗２１の両端を測
定することによって決定されることから実質上、スイッ
チデバイス１８と負荷２２を通る電流の測定であり、こ
の値は温度と共に激しく変化することが認められる。よ
り詳細には、特別の配置１０において、ラッチを動作す
るため要求される負荷を通る電流の値は−５５度Ｃにお
いて１．３アンペアから２５度Ｃにおいて１アンペア、
１１５度Ｃにおいて０．３３アンペアまで変化する。さ
らに、トリップ電圧は同温度においても必然的に変化す
ることからより安定させるとしたら必要以上に高い標準
トリップ電圧を保持しなければならない。
【０００８】
【実施例】図２に本発明に従って設計されたスイッチ回
路４０を示す。回路４０は、電気的に分離された入力を
提供するための一対の発光タイオード１３及び１４に電
圧を加えるため、図１と基本的に同一の入力部１１の要
素を含む。スイッチ回路４０も又、回路１０の出力部１
５の要素全てを含む出力部１５を含み、これら全ても図
１と同一の部材によって成る。図２の出力部１５へいく
つかの要素が加えられ、これら要素はすでに説明したよ
うに回路４０に対し温度補償を提供するための動作に協
同する。
【０００９】これら要素はシリコンダイオード４３と並
列になるように配置された光検出ダイオード４２を含
む。光検出ダイオード４２は、入力部１１の入力信号の
存在を検知するため発光ダイオード１３及び１４の１つ
又は両方に光学的に結合されている。シリコンダイオー
ド４３と光検出ダイオード４２との並列配列が、コレク
タがトランジスタ２８のベースとトランジスタ２９のコ
レクタに接続されているＮＰＮトランジスタ４４のエミ
ッタへ接続されている。トランジスタ４４のベースはス
イッチデバイス１８と抵抗２１との間に抵抗４６によっ
て接続されている。コンデンサ４７はトランジスタ４４
のベースと電源２３の負側との間に接続されている。
【００１０】入力部１１のスイッチ２５が閉になること
によって入力が加えられたとすると、発光ダイオード１
３及び１４は検出器アレー１７と光検出ダイオード４２
へ検出可能な光を供給する。光検出ダイオード４２は回
路が開（open）のときは約１．１ボルトを発生するよう
に選択され、短絡状態では概ね２０マイクロアンペアを
提供する。しかしながら、光検出ダイオード４２はシリ
コンダイオード４３と並列に接続されており、その結果
として、光検出ダイオードの両端の電圧はダイオード４
３の両端の電圧になるように強いられる。ダイオード４
３の電圧は−５５度Ｃにおいて概ね０．５ボルト、２５
度Ｃにおいて０．３５０ボルト、１１５度Ｃにおいて
０．０５ボルトと温度と共に変化する。
【００１１】トランジスタ４４はラッチのトランジスタ
２８のベースの入力に接続されていることから、トラン
ジスタ４４がオンになった時、スイッチデバイス１８を
短絡するようにラッチの動作をトリガし、回路４０をオ
フにする。トランジスタ４４のベースとエミッタ端子の
間に加えられる電圧値が大きくなる程十分に抵抗２１の
電圧が十分大きくなった時、トランジスタ４４はオンに
なる。トランジスタ４４のベース−エミッタ端子のバイ
アスが本質的に抵抗２１の両端の電圧とダイオード４３
の両端の電圧によって生成される差であるように、抵抗
４６の値はほとんど電圧降下を提供しないよう、選択さ
れる。上記で示したように、トランジスタ（ラッチトラ
ンジスタ２８、２９のようなトランジスタ）がオンにな
るのに要求される電圧とダイオード４３の両端の電圧は
温度と共に変化する。従って、予期される温度範囲にわ
たってシリコンダイオード４３の両端の電圧にマッチン
グするようにして変化するターン・オン電圧を有するト
ランジスタ４４を選択することによって、抵抗２１の両
端の一定のターン・オン電圧が構成される。これは、２
つのトランジスタ２８及び２９からなるラッチの比較的
一定なトリッピングへと変換される。なぜならば、トリ
ップは電圧過敏な入力端子よりもむしろラッチの電流シ
ンク端子で生じるからである。結局、これは、スイッチ
デバイス１８を通る比較的一定なトリップ電流へ変換す
る。
【００１２】
【発明の効果】トランジスタ４４に０．４５ボルトのエ
ミッタ−ベース トリップ電圧の典型的な数値を用いる
と、２５度Ｃにおいて、ダイオード４３の両端の電圧
０．３５０ボルトは、トランジスタ４４をトリップする
ために抵抗２１の両端に０．１０ボルトを与える。５５
度Ｃにおいて、トランジスタ４４は０．６０ボルトを必
要とし、抵抗２１の両端の電圧が０．１０ボルトになる
ようにダイオード４３を０．５ボルトに電圧を降下す
る。１１５度Ｃにおいては、トランジスタ４４の両端の
電圧は０．１５ボルトであり、ダイオード４３の両端の
電圧は０．０５ボルト、及び抵抗２１の両端の電圧は
０．１０ボルトである。
【００１３】従って、スイッチデバイス１８を通るトリ
ップ電流は広範囲な温度変化と共に回路４０によって一
定に保たれることが解る。さらに、ラッチの動作をトリ
ガするために用いられるトリップ電流の比較的一定な値
は非常に小さい値にすることができ、従って、全体によ
り低い消費電力で済む。抵抗４６とコンデンサ４７の組
み合わせは、立ち上がりの早い温度電流によるトランジ
スタ４４の有害なトリップを除去するいずれかのわずか
な遅れを、タイミング回路に提供するように選択され
る。
【００１４】本件発明を実行するための他の方法が可能
であることを当業者は理解するであろう。例えば、シリ
コンダイオード４３と光検出ダイオード４２の並列配列
はシリコンダイオード４３及び光検出ダイオード４２と
同じ電圧−電流特性を有するＮＰＮトランジスタで置き
換えることができる。このような光感知トランジスタは
温度に伴うラッチのトリップ電圧の変化を補償するため
の温度変化に伴う要求される変化を提供するであろう。
図３にこのような回路が示されている。さらなる他の方
法は、光検出ダイオード４２のかわりに定電流ダイオー
ド又は類似の定電流デバイスをシリコンダイオード４３
と並列に接続するように置き換えることである。図４に
このような回路が示されている。
【００１５】本件発明は好ましい実施例によって述べら
れているが、本件発明の精神と研究からそれることなし
に当業者によって種々の変形と変更ができるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術の半導体リレー回路の配線略図であ
る。
【図２】本件発明に従ったスイッチ回路の配線略図であ
る。
【図３】図２の回路の改良である。
【図４】図２の回路の改良である。
【符号の説明】
１２ 限流器 １３、１４、６３ 発光ダイオード １７ 検出器アレー ４２ 光検出ダイオード ２１ 検知抵抗 ２４ クランプ ２７ ラッチ ６２ 光パイプ ７１ 定電流発生器 ７２ シリコンダイオード

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 負荷回路への電流をスイッチするために
    接続された半導体スイッチングトランジスタと、第１お
    よび第２のトランジスタから成るラッチ回路を含む半導
    体リレー回路であって、該第１および第２のトランジス
    タ各々のコレクタ端子は互いに他のトランジスタのベー
    ス端子に接続されており、該第１のトランジスタのベー
    ス−エミッタ端子は該負荷回路における電流によって抵
    抗の両端に生じる電圧を監視すべく接続されており、該
    負荷回路における電流の過負荷に応動して該ラッチ回路
    の２個のトランジスタをオンさせて該半導体スイッチン
    グトランジスタから電流を分路するようになっている半
    導体リレー回路において、 該抵抗の両端の電圧が所定の値に達したときはいつでも
    該第２のトランジスタのベースの電流経路をオンにする
    ための回路であって、温度整合された特性を有するよう
    に選択された第１および第２の素子を含む回路をさらに
    含み、該第１の素子は該抵抗の両端の電圧が所定の値に
    達したときにオンするよう接続された第１および第２の
    制御端子を有する第３のトランジスタから成り、そして
    該第２の素子は該抵抗ならびに該第３のトランジスタの
    該第１および第２の制御端子と直列に接続された、該第
    ３のトランジスタのためのバイアス素子から成り、これ
    により該電流経路をオンにする該抵抗の両端の電圧を該
    半導体リレー回路の動作範囲に渡って本質的に一定に留
    めるようにすることを特徴とする半導体リレー回路。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載の半導体リレー回路にお
    いて、該バイアス素子と該第３のトランジスタは半導体
    回路の動作の温度範囲に渡って同じ方向に等しく変化す
    るよう整合された温度特性を有することを特徴とする半
    導体リレー回路。
  3. 【請求項３】 請求項１に記載の半導体リレー回路にお
    いて、該バイアス素子は光検出ダイオードと並列に接続
    されたダイオードからなることを特徴とする半導体リレ
    ー回路。
  4. 【請求項４】 請求項１に記載の半導体リレー回路にお
    いて、該バイアス素子は光感知トランジスタデバイスか
    らなることを特徴とする半導体リレー回路。
  5. 【請求項５】 請求項１に記載の半導体リレー回路にお
    いて、該バイアス素子は定電流源と並列に接続されたダ
    イオードからなることを特徴とする半導体リレー回路。
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