JP3918778B2 - 保護回路 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、スイッチング素子をオン、オフ制御するドライブ回路に過電圧が印加されることを防止する保護回路に関する。
【0002】
【従来の技術】
通常、例えば、図3に示すように、MOSFET(Metal‐Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)30と、そのMOSFET30をオン、オフ制御するドライブ回路31とは直接接続されている。
【0003】
また、このようなMOSFET30などのスイッチング素子に過電圧が印加されることによって、そのスイッチング素子が破損しないように、スイッチング素子を保護するための保護回路を備える構成も従来より考えられている(例えば、特許文献1参照)。この保護回路(ゲート回路2)は、スイッチング素子(IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)1)のコレクタ−エミッタ間に印加される電圧の電圧値を検出し、その電圧値が過電圧の場合、ゲート抵抗値を大きくするものである。これより、スイッチング素子に過電圧が印加されスイッチング素子が破損してしまうということを防止することができる。
【0004】
【特許文献1】
特開平5−336732号 (第2〜3頁、第1図)
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図3に示すように、MOSFET30とドライブ回路31とが直接接続されている場合で、例えば、MOSFET30のドレインDとゲートGとが短絡してしまった場合、MOSFET30からドライブ回路31に過電流Iが流れることにより、ドライブ回路31に過電圧が印加され、ドライブ回路31が破損してしまうおそれがあるという問題がある。すなわち、MOSFET30が破損してしまうことにより、MOSFET30のみならず、ドライブ回路31も破損させてしまうおそれがあるという問題がある。
【0006】
また、MOSFET30が破損し、ドライブ回路31に過電流Iが流れた場合、そのドライブ回路31が搭載される基板全体にまで悪影響を及ぼすおそれがあるという問題もある。
また、特許文献1に記載されるゲート回路2(保護回路)は、過電圧によりIGBT1(スイッチング素子)が破損されることを防止することができるが、何らかの影響により、IGBT1が破損してしまった場合、やはり、IGBT1から抵抗201及び抵抗200を介してゲートオフ用トランジスタ23やそれ以外の素子などに過電流が流れるおそれがある。従って、ゲートオフ用トランジスタ23やそれ以外の素子などに過電圧が印加され、ゲートオフ用トランジスタ23やそれ以外の素子を破損させてしまうおそれがあるという問題がある。すなわち、IGBT1が破損してしまうことにより、IGBT1のみならず、ゲートオフ用トランジスタ23やそれ以外の素子までも破損させてしまうおそれがあるという問題もある。
【0007】
そこで、本発明では、このような問題点を考慮し、スイッチング素子が破損した場合においても、そのスイッチング素子の駆動を制御するドライブ回路側に過電圧が印加されることを防止することが可能な保護回路を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために本発明では、以下のような構成を採用した。
すなわち、本発明の保護回路は、スイッチング素子とそのスイッチング素子の駆動を制御するドライブ回路との間に設けられる保護回路であって、カソードが前記スイッチング素子の制御端子に接続されると共にアノードが前記ドライブ回路に接続され、前記スイッチング素子の駆動を制御する駆動制御信号を前記ドライブ回路から前記スイッチング素子に伝えるダイオードと、前記スイッチング素子の制御端子と前記ドライブ回路との間に設けられ、自身がオンすると前記スイッチング素子から前記ドライブ回路へ流れる電流の経路を接続し、自身がオフすると前記スイッチング素子から前記ドライブ回路へ流れる電流の経路を遮断する電流経路用トランジスタと、前記電流経路用トランジスタの制御端子とグランドとの間に設けられ、前記スイッチング素子がオフしているとき自身がオンし前記電流経路用トランジスタをオンさせ、前記スイッチング素子がオンしているとき自身がオフし前記電流経路用トランジスタをオフさせるトランジスタと、互いに直列接続され、前記スイッチング素子の制御端子と前記グランドとの間に設けられる第1及び第2の抵抗と、前記トランジスタの制御端子と前記グランドとの間に設けられ、前記第1及び第2の抵抗の接続点の電圧が過電圧であるとき自身がオンし前記トランジスタを強制的にオフさせる過電圧防止用トランジスタとを備える。
【0009】
これにより、スイッチング素子が破損した場合においてもドライブ回路に過電流が流れることを防止させることができるので、ドライブ回路に過電圧が印加されることを防止することが可能となる。
【0010】
また、本発明の保護回路は、スイッチング素子とそのスイッチング素子の駆動を制御するドライブ回路との間に設けられる保護回路であって、前記スイッチング素子の制御端子と前記ドライブ回路との間に設けられ、自身がオンすると前記スイッチング素子と前記ドライブ回路との間の電流経路を接続し、自身がオフすると前記電流経路を遮断するトライアックと、前記トライアックの制御端子とグランドとの間に設けられ、前記スイッチング素子がオンまたはオフしているとき自身がオンし前記トライアックをオンさせ、自身がオフすると前記トライアックをオフさせるトランジスタと、互いに直列接続され、前記スイッチング素子の制御端子と前記グランドとの間に設けられる第1及び第2の抵抗と、前記トランジスタの制御端子と前記グランドとの間に設けられ、前記第1及び第2の抵抗の接続点の電圧が過電圧であるとき自身がオンし前記トランジスタを強制的にオフさせる過電圧防止用トランジスタとを備える。
また、上記第1及び第2の抵抗のそれぞれの抵抗値は、前記スイッチング素子のゲート−ソース間電圧が最大許容電圧となったときに前記第1及び第2の抵抗の接続点にかかる電圧と前記過電圧防止用トランジスタのスレッショルド電圧が等しくなるように設定されていることが望ましい。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
図1は、本発明の実施形態の保護回路10を示す図である。なお、図3と同様な構成については、同様な符号を付けている。
【0012】
図1に示すように、保護回路10は、カソードがMOSFET30(スイッチング素子)のゲート(制御端子)に接続されると共にアノードがドライブ回路31に接続され、MOSFET30の駆動を制御する駆動制御信号S1をドライブ回路31からMOSFET30に伝えるダイオード11と、エミッタがMOSFET30のゲートに接続されると共にコレクタがドライブ回路31に接続され、MOSFET30にたまった電荷をドライブ回路31側に引き抜くためのバイポーラトランジスタ12とを備える。
【0013】
また、保護回路10は、ドレインがバイポーラトランジスタ12のベースに抵抗13を介して接続されると共にゲートが抵抗14を介して制御回路15に接続されるFET16と、ドレインが抵抗14を介して制御回路15と接続されると共にFET16のゲートと接続され、ゲートが抵抗17と抵抗18との間に接続されるFET19(スイッチ制御手段)とを備える。また、抵抗17の一端は、図1のA点と接続されると共に他端が抵抗18の一端に接続され、抵抗18の他端は、グランドに接続されている。また、FET16のソースとFET19のソースとが接続されると共にグランドに接続されている。なお、ダイオード11とバイポーラトランジスタ12と抵抗13とFET16とにより特許請求の範囲に記載されるスイッチ手段(図1の破線枠B)を構成している。また、抵抗17と抵抗18とにより特許請求の範囲に記載される電圧検出手段(図1の破線枠C)を構成している。
【0014】
また、上記MOSFET30は、例えば、三相交流モータに交流電力を供給するためのインバータ回路の各相を構成するために使用される。また、上記制御回路15は、例えば、ドライブ回路31に入力される駆動制御指令信号S0の信号レベルを反転させる論理回路としてのインバータが1個で構成されてもよい。
【0015】
例えば、駆動制御指令信号S0がハイレベルのとき、駆動制御信号S1はダイオード11を介してMOSFET30のゲート電圧を上昇させ、MOSFET30をオンさせる。一方、駆動制御指令信号S0がローレベルのとき、バイポーラトランジスタ12がオンとなりMOSFET30からドライブ回路31に所定の電流を流してゲート電圧を下降させる。このバイポーラトランジスタ12のオン、オフを制御する制御信号S2は、制御回路15から出力される。まず、この制御信号S2に基づいてFET16のオン、オフが制御されることにより、バイポーラトランジスタ12のベースに流れる電流が制御され、バイポーラトランジスタ12がオン、オフする。
【0016】
また、保護回路10は、MOSFET30とバイポーラトランジスタ12との間のA点の電圧を抵抗17を介して検出すると共に、抵抗17及び抵抗18により分圧し、その分圧された電圧がFET19のゲートに印加され、その印加される電圧の電圧値(D点の電圧値)がFET19のスレッショルド電圧値よりも大きいか否かに基づいて、FET19がオン、オフする。
【0017】
また、抵抗17及び抵抗18のそれぞれの抵抗値は、例えば、MOSFET30のゲートとグランドとの間の電圧(ゲート−ソース間電圧)が、その許容しうる最大電圧(それを超えると過電圧と言えるような電圧)となった時のD点の電圧がFET19のスレッショルド電圧と等しくなるように設定されている。
【0018】
図2(a)は、駆動制御信号S1の信号波形を、図2(b)は、制御信号S2の信号波形を、図2(c)は、FET16のタイミングチャートを、図2(d)は、バイポーラトランジスタ12のタイミングチャートを、図2(e)は、D点の電圧値とFET19のスレッショルド電圧値(閾値)との関係を、図2(f)は、FET19のタイミングチャートを、それぞれ示している。なお、図2(a)〜(f)の横軸は、同一のタイムスケールとなっている。
【0019】
図2(a)及び(b)に示すように、例えば、制御信号S2は、駆動制御指令信号S0を反転したものと同じになるように生成される。すなわち、駆動制御指令信号S0がハイレベルのときは、ローレベルとなるように、また、駆動制御指令信号S0がローレベルのときは、ハイレベルとなるように、駆動制御指令信号S0のハイレベル又はローレベルに同期して制御信号2のハイレベル又はローレベルが制御される。
【0020】
また、図2(c)に示すように、FET16は、正常時は図2(b)に示す制御信号S2に基づいて、オン、オフする。すなわち、例えば、FET16は、制御信号S2がハイレベルのとき、オンし、制御信号S2がローレベルのとき、オフする。
【0021】
また、図2(d)に示すように、バイポーラトランジスタ12は、図2(c)に示すFET16のオン、オフに基づいてオン、オフする。すなわち、例えば、バイポーラトランジスタ12は、FET16がオンするとき、オンし、FET16がオフするとき、オフする。
【0022】
そして、図2(e)に示すように、例えば、ある時点でMOSFET30のドレインとゲートがショートし、D点の電圧値がFET19のスレッショルド電圧値よりも大きくなると、図2(f)に示すように、FET19がオンになる。すると、FET16には制御信号S2が入力されなくなるので、図2(c)に示すように、FET16がオフすると共に、図2(d)に示すように、バイポーラトランジスタ12もオフする。
【0023】
このように、D点の電圧値がFET19のスレッショルド電圧値よりも大きくなると、強制的にバイポーラトランジスタ12をオフさせるので、MOSFET30のゲートとドライブ回路31との間の電流経路が遮断される。これより、MOSFET30のドレインとゲートとが短絡した場合であっても、MOSFET30のゲートからドライブ回路31に過電流が流れることを防止することができる。
【0024】
そして、このように、MOSFET30のゲートからドライブ回路31に過電流が流れなくなるので、ドライブ回路31に過電圧が印加されることを防止することができ、MOSFET30のみならず、ドライブ回路31も破損させてしまうことを防止することが可能となる。
【0025】
また、ドライブ回路31が搭載される基板上の他の素子などに過電圧が印加されることも防止することができる。
<その他の実施形態>
本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、請求項に記載した範囲において、種々の構成を採用可能である。例えば、以下のような構成変更も可能である。
【0026】
(1)上記実施形態では、ドライブ回路31が生成する駆動制御信号S1により駆動が制御されるスイッチング素子として、MOSFET30が使用されているが、そのスイッチング素子は、例えば、IGBTやGTO(Gate Turn Off thyristor)など、特に限定されない。
【0027】
(2)また、上記実施形態では、D点の電圧値がFET19のスレッショルド電圧値(閾値)も大きくなった場合に、FET16に制御信号S2を入力させないようにするためFET19が使用されているが、D点の電圧値と所定の閾値とを比較し、その比較結果に基づいてFET16に制御信号S2が入力されないようにすることが可能であれば、特にFET19に限定されない。
【0028】
(3)また、上記実施形態では、MOSFET30からドライブ回路31に流れる電流を制御するためのスイッチ手段として、ダイオード11とバイポーラトランジスタ12と抵抗13とFET16とが組み合わされて構成されているが、そのスイッチ手段の構成は、D点の電圧値と所定の閾値との比較結果に基づいてMOSFET30のゲートとドライブ回路31との間の電流経路の接続と遮断を切り換えることが可能な構成であれば、ダイオード11とバイポーラトランジスタ12と抵抗13とFET16との組み合わせ以外の素子で構成されてもよい。
【0029】
(4)また、上記実施形態では、図2(b)の制御信号S2は、図2(a)の駆動制御指令信号S0と同期して、駆動制御指令信号S0がローレベルのときハイレベルとなるように制御されているが、正常時では制御信号S2が常にハイレベルとなるようにし、MOSFET30のゲートからドライブ回路31へ過電圧が印加される場合のみローレベルとなるように制御してもよい。
【0030】
(5)また、上記実施形態におけるダイオード11とバイポーラトランジスタ12とが並列に接続される回路の代わりに、例えば、トライアックを設け、ドライブ回路31へ過電圧が印加される場合のみ、両方向の電流経路を強制的に遮断するように構成してもよい。
【0031】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、電圧検出手段においてスイッチング素子の制御端子からドライブ回路に印加される電圧が検出され、その電圧が過電圧である場合、スイッチ手段を強制的にオフしてスイッチング素子の制御端子からドライブ回路へかけての電流経路を遮断することができる。これより、たとえ、スイッチング素子が破損してもドライブ回路に過電流が流れることを防止させることができるので、ドライブ回路に過電圧が印加されることを防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態の保護回路を示す図である。
【図2】タイミングチャートを示す図である。
【図3】従来のスイッチング素子及びドライブ回路を示す図である。
【符号の説明】
10 保護回路
11 ダイオード
12 バイポーラトランジスタ
13、14 抵抗
15 制御回路
16 FET
17、18 抵抗
19 FET
30 スイッチング素子
31 ドライブ回路
Claims (3)
- スイッチング素子とそのスイッチング素子の駆動を制御するドライブ回路との間に設けられる保護回路であって、
カソードが前記スイッチング素子の制御端子に接続されると共にアノードが前記ドライブ回路に接続され、前記スイッチング素子の駆動を制御する駆動制御信号を前記ドライブ回路から前記スイッチング素子に伝えるダイオードと、
前記スイッチング素子の制御端子と前記ドライブ回路との間に設けられ、自身がオンすると前記スイッチング素子から前記ドライブ回路へ流れる電流の経路を接続し、自身がオフすると前記スイッチング素子から前記ドライブ回路へ流れる電流の経路を遮断する電流経路用トランジスタと、
前記電流経路用トランジスタの制御端子とグランドとの間に設けられ、前記スイッチング素子がオフしているとき自身がオンし前記電流経路用トランジスタをオンさせ、前記スイッチング素子がオンしているとき自身がオフし前記電流経路用トランジスタをオフさせるトランジスタと、
互いに直列接続され、前記スイッチング素子の制御端子と前記グランドとの間に設けられる第1及び第2の抵抗と、
前記トランジスタの制御端子と前記グランドとの間に設けられ、前記第1及び第2の抵抗の接続点の電圧が過電圧であるとき自身がオンし前記トランジスタを強制的にオフさせる過電圧防止用トランジスタと、
を備えることを特徴とする保護回路。 - スイッチング素子とそのスイッチング素子の駆動を制御するドライブ回路との間に設けられる保護回路であって、
前記スイッチング素子の制御端子と前記ドライブ回路との間に設けられ、自身がオンすると前記スイッチング素子と前記ドライブ回路との間の電流経路を接続し、自身がオフすると前記電流経路を遮断するトライアックと、
前記トライアックの制御端子とグランドとの間に設けられ、前記スイッチング素子がオンまたはオフしているとき自身がオンし前記トライアックをオンさせ、自身がオフすると前記トライアックをオフさせるトランジスタと、
互いに直列接続され、前記スイッチング素子の制御端子と前記グランドとの間に設けられる第1及び第2の抵抗と、
前記トランジスタの制御端子と前記グランドとの間に設けられ、前記第1及び第2の抵抗の接続点の電圧が過電圧であるとき自身がオンし前記トランジスタを強制的にオフさせる過電圧防止用トランジスタと、
を備えることを特徴とする保護回路。 - 請求項1または請求項2に記載の保護回路であって、
前記第1及び第2の抵抗のそれぞれの抵抗値は、前記スイッチング素子のゲート−ソース間電圧が最大許容電圧となったときに前記第1及び第2の抵抗の接続点にかかる電圧と前記過電圧防止用トランジスタのスレッショルド電圧が等しくなるように設定されている、
ことを特徴とする保護回路。
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