JP3649154B2 - 過電流保護装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気モータ等の負荷への電力供給を実行・停止するように切り替える駆動素子の過電流による破壊を防止するようにした過電流保護装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気モータ等の負荷に対する電力の供給・停止を切り替える目的で、スイッチング機能を有する駆動素子が用いられる。駆動素子としては、パワーＭＯＳＦＥＴや絶縁ゲートバイポーラ型トランジスタ（以下、ＩＧＢＴという）といった絶縁ゲート素子がよく利用される。これらの絶縁ゲート素子は、ゲート印加電圧の有無でオン、オフ駆動するが、ゲートが絶縁膜を介して伝導チャンネルを形成するように構成されているため、高入力抵抗という点では優れているものの、負荷短絡等による過電流に対しては破壊しやすい。
【０００３】
そこで、例えば特開平５−２１８８３６号公報には、過電流による駆動素子の破壊を防止するため、駆動素子を流れる電流を検出し、この電流が所定値を越えたとき駆動素子のゲート電圧を下げることにより過電流を制限し、駆動素子本体を保護するようにした過電流保護装置を備える駆動回路が提案されている。
この駆動回路を図３を用いて説明する。図示しない負荷への電力を供給・遮断するための駆動素子としてのＩＧＢＴ１はそのゲートが補助ＩＧＢＴ２１のゲートと接続されている。補助ＩＧＢＴ２１のゲートは、信号電圧Ｖｉｎにより切替えられる補助トランジスタ８、９に抵抗７を介して接続されている。補助ＩＧＢＴ２１のエミッタには電流検出抵抗３１が接続されている。補助ＩＧＢＴ２１と電流検出抵抗３１の接続点には、補助トランジスタ５のベースが接続され、この補助トランジスタ５のエミッタにはツェナダイオード６のカソードが接続されている。
【０００４】
次にこの駆動回路の動作を説明すると、ＩＧＢＴ１をオンさせるために信号電圧ＶｉｎがＨ（ハイ）レベルになると、補助トランジスタ９、８がそれぞれオン、オフとなり、補助ＩＧＢＴ２１およびＩＧＢＴ１がそれぞれオンする。このとき、ＩＧＢＴ１には駆動電流Ｉｃが流れる。この駆動電流Ｉｃが流れると、駆動電流Ｉｃに比例した電流が補助ＩＧＢＴ２１を介して電流検出抵抗３１に流れ、この電流検出抵抗３１の両端には駆動電流Ｉｃに対応した電圧が生じることになる。
ここで、例えば負荷が短絡した等の理由によって、駆動電流Ｉｃとしての主回路電流が増加し、電流検出抵抗３１の両端の電圧がツェナダイオード６のツェナ電圧と補助トランジスタ５のベース・エミッタ間電圧との和よりも大きくなると、補助トランジスタ５がオン状態となり、ＩＧＢＴ１のゲート電圧は、ほぼツェナダイオード６のツェナ電圧まで降下する。
【０００５】
すなわち、電流検出抵抗３１にはＩＧＢＴ１を流れる駆動電流に応じた微少電流（センス電流Ｉｓ）が流れ、駆動素子を流れる電流が過大になると電流検出抵抗３１の接続点の電位（センス電圧Ｖｓ）が高くなって、補助トランジスタ５がオンする。これにより、ＩＧＢＴ１のゲート電位がツェナダイオード６のツェナ電圧に制限されて、過大電流が低減される。
なお、ここでは電流検出抵抗３１がＩＧＢＴ１を流れる駆動電流に応じた微少電流を検出する電流センス手段を形成しているが、このような電流センス機能は、上記のＩＧＢＴに対する外付け抵抗に限らず、ＩＧＢＴ本体に流れる電流に比例したセンス電流が流れる電流センス素子をＩＧＢＴ自体に組み込んだ形態でも容易に得られる。この場合も同様に抵抗に流してセンス電圧が求められる。
【０００６】
一方、上記のような負荷短絡等による過電流の対策とは別に、駆動素子のターンオフ時におけるサージ電圧の対策として、駆動素子のゲート電極からの電荷の引き抜きを、高抵抗を介することによりその引き抜き速度をゆっくりとさせるようにすることで、サージ電圧の発生を抑制する技術も知られており、図３に示した回路の場合では、抵抗７の抵抗値を高く設定することによりゲート電荷の引き抜き速度が低下される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような過電流対策とサージ電圧対策の組み合わせを考えると、特開平５−２７６７６１号公報に記載される原理によって、駆動素子であるＩＧＢＴ１のターンオフ時にセンス電流（あるいはセンス電圧）の跳ね上がりが生じると、過電流と判断して過電流防止機能が作用し、ＩＧＢＴ１のゲート電極から電荷を急激に引き抜くように作用する。この結果、サージ電圧の抑制効果を得ることができなくなってしまう。
【０００８】
これを図４を用いて説明する。図４は上記回路におけるＩＧＢＴ１のターンオフの際の電圧、電流の変化状態を示す。
Ｖｉｎは制御回路から出力されて駆動素子へ電力を供給・遮断させるための信号電圧、Ｖｇ１’はＩＧＢＴのゲート電圧、ＩｃはＩＧＢＴのコレクタ電流、ＶｃｅはＩＧＢＴのコレクタ〜エミッタ間の電圧、Ｖｓは補助トランジスタ５のベース電圧である。
【０００９】
信号電圧Ｖｉｎが時刻ｔ１でＨ（ハイ）レベルからＬ（ロウ）レベルに切り替えられてＩＧＢＴ１がターンオフされた場合に、時刻ｔ２でセンス電流Ｉｓに跳ね上がりが生じると、ベース電圧Ｖｓの上昇で補助トランジスタ５がオンとなることによりＩＧＢＴのゲート電荷が放電され、ゲート電圧Ｖｇ１はツェナダイオード６のツェナ電圧まで急速に低下する。これにより、ＩＧＢＴ１のコレクタ電流Ｉｃの遮断が急峻となる。この結果、ＩＧＢＴのコレクタ〜エミッタ間の電圧Ｖｃｅには大きなサージ電圧Ｚが発生してしまう。
【００１０】
これは、高抵抗にした抵抗７を通してゲート電荷を放電することにより、遮断速度を緩慢にしようとするサージ電圧対策を無効にしてしまうことを意味する。
したがって本発明は、上記の問題点に鑑み、過電流による駆動素子の過電流による破壊を防止するとともに、駆動素子のターンオフ時にはサージ電圧が発生するのを確実に抑制することができるようにした過電流保護装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１の本発明は、駆動素子に流れる電流の大きさに比例して微少電流を流す電流センス手段と、該電流センス手段の微少電流に基づき、駆動素子に過電流が流れた時に駆動素子のゲート電荷を放電する過電流保護回路と、該過電流保護回路と駆動素子のゲートとの間に設けられ過電流保護回路側からゲート側への電流の流れを阻止するダイオードと、該ダイオードと過電流保護回路の接続点とグラウンドとの間に設けたコンデンサと、駆動素子をターンオフしたときそのゲート電荷を放電する緩慢放電回路とを有するものとした。
【００１２】
負荷の短絡等で駆動素子に過電流が流れたときは、電流センス手段で得られる微少電流（センス電流）も上昇する結果、これを検知して過電流保護回路により駆動素子のゲート電荷を放電することで、駆動素子を流れる駆動電流を低下させる。
一方、駆動素子をターンオフさせたときセンス電流に跳ね上がりが生じた場合には、コンデンサに充電された電圧により駆動素子のゲート電荷が過電流保護回路を通じて放電されるのを阻止して、緩慢放電回路からゆっくりした速さでゲート電荷を放電させる。この放電でゲート側電圧が低下していくが、この間コンデンサ側からゲート側へ電流が流れ込むのをダイオードが阻止している。したがって、駆動素子を流れる電流も緩やかに遮断される。
【００１３】
請求項２の発明は、過電流保護回路が、ダイオードとコンデンサの接続点をグラウンドへ導通、遮断するように切り替える第１のトランジスタと、該第１のトランジスタのベースとグラウンドとの間に設けた第１の抵抗とを有し、該第１の抵抗に上記の微少電流を流すように構成されているものとした。
【００１４】
電流センス手段で得た微少電流を第１の抵抗により電圧（センス電圧）に変え、このセンス電圧を第１のトランジスタのベースに印加することにより、過電流が駆動素子を流れたとき第１のトランジスタがオンになり、このトランジスタを介して駆動素子のゲート電荷がグラウンドへ放電される。
電流センス手段は、請求項３のように、駆動素子に組み込まれた電流センス素子とすることができる。
【００１５】
請求項４の発明は、緩慢放電回路が、駆動素子のゲートをグラウンドへ接続させて駆動素子をターンオフさせる第２のトランジスタと、該第２のトランジスタによる駆動素子のゲートとグラウンドの接続経路に設けられた第２の抵抗とで形成されているものとした。
【００１６】
駆動素子のターンオフ時に、センス電流に跳ね上がりが生じた場合、駆動素子のゲート電荷は第２のトランジスタと第２の抵抗を介してグラウンドへ放電され、駆動素子はターンオフする。第２の抵抗の設定に応じて緩慢化された放電速度で放電され、ターンオフの際に発生するサージ電圧を抑制することができる。
【００１７】
【発明の効果】
請求項１の発明は、短絡等による過電流発生時には、電流センス手段により過電流保護回路を通じて駆動素子のゲート電圧が低下され、駆動素子の破壊を防止することができる。
また、駆動素子をターンオフしたときに電流センス手段で検出した微少電流に跳ね上がりが生じても、駆動素子のゲート電荷が過電流保護回路へ放電されるのは阻止され、緩慢放電回路を介してに放電されることで、駆動素子の電流遮断を緩慢にしてサージ電圧の発生を防止することができる。
また、ダイオードやコンデンサなど簡単な構成部品による回路で上記効果を達成できる。
【００１８】
請求項２の発明では、過電流保護装置をトランジスタと抵抗による簡単な回路で構成することができる。
請求項３の発明では、電流センス手段を駆動素子に組み込まれた電流センス素子とすることにより、さらに構成部品が簡単となる。
また、請求項４の発明でも、緩慢放電回路をトランジスタと抵抗による簡単な回路で構成することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を実施例に基づき説明する。
図１は、本発明の実施例に係る過電流保護装置を備えた負荷駆動回路である。
電気モータ等の負荷１０１にはダイオードＤ２が並列配置されて電源ＶＢから電力が供給可能とされ、駆動素子としてのＩＧＢＴＱ１により駆動制御される。
ＩＧＢＴＱ１は、コレクタが負荷１０１に、エミッタがグラウンド（ＧＮＤ）にそれぞれ接続される。また、ＩＧＢＴＱ１のゲートは、抵抗Ｒ２を介してＮＰＮトランジスタＱ３により充電可能とされるとともに、抵抗Ｒ３を介してＰＮＰトランジスタＱ４により放電可能とされている。
ここで、トランジスタＱ４と抵抗Ｒ３とで、緩慢放電回路を構成している。
【００２０】
トランジスタＱ３、Ｑ４は、それぞれ制御回路１０２からの出力信号により制御される。すなわち、制御回路１０２から出力され各トランジスタＱ３、Ｑ４のベースに印加される信号がＨレベルであるときはトランジスタＱ３がオン、トランジスタＱ４がオフとなり、上記信号がＬレベルであるときはトランジスタＱ３がオフ、トランジスタＱ４がオンとなるように構成されている。
制御回路１０２とトランジスタＱ３のコレクタへは、電源ＶＣＣから電力が供給される一方、トランジスタＱ４のコレクタはグラウンド接続されている。
【００２１】
ＩＧＢＴＱ１には、ＩＧＢＴＱ１のコレクタに流れる電流Ｉｃの大きさに比例する微少な電流が流れる電流センス素子が設けられ、その出力であるセンス電流Ｉｓがグラウンド接続した抵抗Ｒ１に流れるようにすることでセンス電圧Ｖｓを得ることができ、このセンス電圧ＶｓがＮＰＮトランジスタＱ２のベースに印加される。
したがって、センス電圧Ｖｓが所定値以上になると、トランジスタＱ２がオンすることになる。
【００２２】
トランジスタＱ２のコレクタとＩＧＢＴＱ１のゲートとの間にはダイオードＤ１が介在されて、上記コレクタ側がカソード、上記ゲート側がアノードとなる方向に設けられ、ゲート側からトランジスタＱ２のコレクタ側への電流の流れは許容するものの、この逆方向の流れは阻止するようにしてある。
また、ダイオードＤ１とトランジスタＱ２のコレクタの接続点とグラウンドとの間には、コンデンサＣ１が設けられる。
ここで、トランジスタＱ２と抵抗Ｒ１とは、過電流保護回路を構成する。
【００２３】
次に、上記のように構成した駆動回路の作用につき、説明する。
負荷１０１を駆動すべく、ＩＧＢＴＱ１をターンオンさせるには、制御回路１０２からの信号電圧ＶｉｎをＨレベルとする。
この信号電圧によりトランジスタＱ３がオンするものの、トランジスタＱ４はオフのままである。
オンとなったトランジスタＱ３は、電源ＶＣＣからコレクタへ印加している電流をエミッタへ通じさせ、これを抵抗Ｒ２を介してＩＧＢＴＱ１のゲート電極へ流し込む。同時に、上記電流は抵抗Ｒ２からさらにダイオードＤ１を介して、コンデンサＣ１に流れる。
【００２４】
ＩＧＢＴＱ１のゲート容量が充電されると、ＩＧＢＴＱ１がオンとなり電源ＶＢから電流Ｉｃを負荷１０１へ流し、これを駆動させる。
ＩＧＢＴＱ１に過電流が流れないときは、電流センス素子に流れるセンス電流Ｉｓが小さく、抵抗Ｒ１で生じるセンス電圧Ｖｓが所定値より小さいので、トランジスタＱ２はオフのままであり電流を流さない。
一方、コンデンサＣ１は、ダイオードＤ１の順方向電圧分下がった状態で充電され、電圧Ｖｇ２となる。
【００２５】
つぎに、ＩＧＢＴＱ１のターンオン時、ＩＧＢＴＱ１に過電流が流れたとする。この場合、電流センス素子から得られたセンス電流が大きくなって抵抗Ｒ１で生じるセンス電圧Ｖｓが所定値以上になり、トランジスタＱ２がオンとなる。これにより、ＩＧＢＴＱ１のゲートの電荷とコンデンサＣ１に充電されている電荷とが、トランジスタＱ２を介してグラウンドへ放電されて、ＩＧＢＴＱ１のゲート電圧を低下させる。したがって、ＩＧＢＴＱ１のコレクタ電流も低下するので、ＩＧＢＴＱ１の過電流による破壊を防止することができる。
【００２６】
また、制御回路１０２の出力がＨレベルのときは、コンデンサＣ１の電圧Ｖｇ２とＩＧＢＴＱ１のゲート電圧Ｖｇ１は次の関係にある。
Ｖｇ２＜Ｖｇ１
すなわち、コンデンサＣ１の電圧Ｖｇ２はダイオードＤ１の順方向電圧分だけ低下している。
ここで、負荷１０１の短絡等によりＩＧＢＴＱ１に過電流が流れると、この場合も同様に、電流センス素子から出力されるセンス電流Ｉｓが上昇し、抵抗Ｒ１におけるセンス電圧Ｖｓが所定値以上となる。これにより、ＩＧＢＴＱ１のゲート電荷がダイオードＤ１を通って、コンデンサＣ１の電荷とともにトランジスタＱ２を介して放電される。したがって、ゲート電圧Ｖｇ１が低下しコレクタ電流Ｉｃの上昇を抑制するので、ＩＧＢＴＱ１の破壊を防止することができる。
【００２７】
ＩＧＢＴＱ１がオンしている状態からターンオフするには、制御回路１０２からの信号電圧ＶｉｎをＬレベルとする。
図２は、このＨレベルからＬレベルへの信号電圧切り替え時における信号電圧Ｖｉｎ、ＩＧＢＴＱ１のゲート電圧Ｖｇ１、コンデンサＣ１の電圧Ｖｇ２、ＩＧＢＴＱ１のコレクタ電流Ｉｃ、ＩＧＢＴＱ１のコレクタ〜エミッタ間の電圧Ｖｃｅ、抵抗Ｒ１で発生するセンス電圧Ｖｓの時間変化を示す。
【００２８】
切り替え前の信号電圧ＶｉｎがＨレベルのときには、ゲート電圧Ｖｇ１、コンデンサ電圧Ｃ１がともに充電されＨレベルにあるものの、後者が前者よりダイオードＤ１の順方向電圧分だけ低くなっている。
また、負荷１０１、ＩＧＢＴＱ１に駆動電流（コレクタ電流Ｉｃ）が流れており、ＩＧＢＴＱ１のコレクタ〜エミッタ間の電圧Ｖｃｅはゼロに近くなっている。センス電圧Ｖｓは発生しているものの過電流発生時より低いレベルにある。
【００２９】
時刻ｔ１において信号電圧ＶｉｎをＨレベルからＬレベルに切り替えると、トランジスタＱ３がオフとなり、電源ＶＣＣからの電流の流れを遮断する。これに対し、トランジスタＱ４がオンとなるので、ＩＧＢＴＱ１のゲートの電荷は、抵抗Ｒ３、トランジスタＱ４を介してグラウンドへ放電され、電圧Ｖｇ１が低下していく。
このとき、コンデンサＣ１の電荷は、トランジスタＱ２がオフであり、かつダイオードＤ１が存在することにより、ＩＧＢＴＱ１のゲートへも、抵抗Ｒ３側へも流れることができないので、放電されない。したがって、ターンオフ初期はゲート電圧Ｖｇ１のみが低下していく。
【００３０】
時刻ｔ２に至って、ゲート電荷Ｖｇ１がＩＧＢＴＱ１をオフにすることができるレベルまで低下すると、コレクタ電流Ｉｃが低下し始める。最終的にはＩＧＢＴＱ１がオフとなり、電源ＶＢからの負荷１０１への電力供給は停止され負荷１０１は駆動されなくなる。
この間、電流センス素子からのセンス電流Ｉｓが小さいままであるときは、トランジスタＱ２がオフしたままであり、かつダイオードＤ１が逆方向の電流を流さないことから、コンデンサＣ１は、放電しないままである。
【００３１】
一方、上記ターンオフ時にセンス電流Ｉｓが跳ね上がった場合には、抵抗Ｒ１で生じたセンス電圧Ｖｓが所定値以上となってトランジスタＱ２をオンにする。
トランジスタＱ２がオンになった時点では、コンデンサＣ１が充電された状態にあり、コンデンサＣ１の電圧Ｖｇ２とゲート電圧Ｖｇ１は、
Ｖｇ２＞Ｖｇ１
となっていることから、ＩＧＢＴＱ１のゲート側の電荷がダイオードＤ１を通じてコンデンサＣ１およびトランジスタＱ２側へ流れることはない。
【００３２】
またこの場合、上記とは逆の流れ、すなわちコンデンサＣ１側からゲート側への電流の流れはダイオードＤ１により阻止されるので、オンとなったトランジスタＱ２はコンデンサＣ１に充電された電荷のみをグラウンドへ放電する。
したがって、ゲート電圧Ｖｇ１の降下は、センス電流Ｉｓの跳ね上がりの影響を受けることなく、抵抗Ｒ３で規定される速度でゲート電荷が徐々に引き抜かれるので、緩やかなカーブとなる。
この結果、図中点線で示した従来の場合と比較して、コレクタ電流Ｉｃは緩やかに遮断され、ターンオフ時にＩＧＢＴＱ１のコレクタ〜エミッタ間に発生するサージ電圧を確実に抑制することができる。
【００３３】
なお、実施例にあっては、駆動素子としてＩＧＢＴを用いたが、これに限ることなく、パワーＭＯＳＦＥＴなどを用いるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示す図である。
【図２】 実施の形態におけるターンオフ時の作動を示す波形図である。
【図３】従来例を示す図である。
【図４】従来例におけるターンオフ時の作動を示す波形図である。
【符号の説明】
１０１ 負荷
１０２ 制御回路
Ｃ１ コンデンサ
Ｄ１、Ｄ２ ダイオード
Ｑ１ ＩＧＢＴ（駆動素子）
Ｑ２ トランジスタ（第１のトランジスタ）
Ｑ３ トランジスタ（第２のトランジスタ）
Ｑ４ トランジスタ
Ｒ１ 抵抗（第１の抵抗）
Ｒ２ 抵抗
Ｒ３ 抵抗（第２の抵抗）
ＶＢ、ＶＣＣ 電源

Claims (4)

1. 駆動素子に流れる電流の大きさに比例して微少電流を流す電流センス手段と、
   該電流センス手段の微少電流に基づき、前記駆動素子に過電流が流れた時に駆動素子のゲート電荷を放電する過電流保護回路と、
   該過電流保護回路と前記駆動素子のゲートとの間に設けられ前記過電流保護回路側からゲート側への電流の流れを阻止するダイオードと、
   該ダイオードと前記過電流保護回路の接続点とグラウンドとの間に設けたコンデンサと、
   前記駆動素子をターンオフしたとき前記ゲート電荷を放電する緩慢放電回路とを有することを特徴とする過電流保護装置。
2. 前記過電流保護回路は、
   前記ダイオードとコンデンサの接続点をグラウンドへ導通、遮断するように切り替える第１のトランジスタと、
   該第１のトランジスタのベースとグラウンドとの間に設けた第１の抵抗とを有し、
   該第１の抵抗に前記微少電流を流すように構成されていることを特徴とする請求項１記載の過電流保護装置。
3. 前記電流センス手段が前記駆動素子に組み込まれた電流センス素子であることを特徴とする請求項１または２記載の過電流保護装置。
4. 前記緩慢放電回路が、
   前記駆動素子のゲートをグラウンドへ接続させて前記ターンオフさせる第２のトランジスタと、
   該第２のトランジスタによる前記駆動素子のゲートとグラウンドの接続経路に設けられた第２の抵抗とで形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の過電流保護装置。

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