JP3649154B2 - 過電流保護装置 - Google Patents
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Description
【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)
- 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。 - 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。 - 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。
- 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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