JPH06276072A - 半導体スイッチの駆動制御回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】半導体スイッチの保護を行う半導体スイッチの
駆動制御回路を提供する。 【構成】エミッタ接地され、負荷への電力を供給する半
導体スイッチＭ１と、前記半導体スイッチＭ１のゲート
にオン・オフ信号を供給する供給手段Ｍ３と、前記半導
体スイッチＭ１のコレクタに流れる電流を検出する異常
検出手段Ｍ２と、前記半導体スイッチＭ１のベースの電
流を徐々に引き抜く引抜手段Ｍ４と、前記異常検出手段
Ｍ２からの検出信号に基づいて半導体スイッチＭ１のコ
レクタに過電流が流れた場合、前記引抜手段Ｍ４を動作
させてベースの電流を徐々に引き抜く引抜制御手段Ｍ５
を備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体スイッチの駆動制
御回路に係り、詳しくは半導体スイッチの保護を行う半
導体スイッチの駆動制御回路に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、モータ等の負荷を制御する半導体
スイッチの駆動制御回路は図４に示すように構成されて
いる。

【０００３】電源１に対してモータ２及びＩＧＢＴ（イ
ンシュレーテッド・ゲート・バイポラ・トランジスタ）
タイプの半導体スイッチ３がそれぞれ直列接続されてい
る。そして、半導体スイッチ３のエミッタ及び電源１の
負極は接地されている。この半導体スイッチ３のゲート
に対して方形波の電圧を供給することにより、該半導体
スイッチ３がオン・オフされ、モータ２がチョッパ制御
される。

【０００４】又、前記半導体スイッチ３をオン・オフさ
せるための入力信号が印加される発光ダイオード４に対
応してフォトダイオード５が設けられている。このフォ
トダイオード５のカソードは接地されるとともに、アノ
ードはトランジスタ６のベースに接続されている。トラ
ンジスタ６のエミッタは電源ＶEEに接続されている。
又、トランジスタ６のコレクタは抵抗７を介してトラン
ジスタ８のベースに接続されるとともに、抵抗９を介し
て接地されている。前記トランジスタ８のコレクタは抵
抗１０を介して電源ＶCCに接続され、エミッタは電源Ｖ
EEに接続されている。

【０００５】前記トランジスタ８のコレクタは抵抗１１
を介してトランジスタ１２，１３のベースにそれぞれ接
続されている。前記トランジスタ１２のコレクタは電源
ＶCCに接続され、エミッタはトランジスタ１３のエミッ
タに接続されている。又、トランジスタ１３のコレクタ
は電源ＶEEに接続されている。そして、前記トランジス
タ１２，１３のエミッタは抵抗１４を介して前記半導体
スイッチ３のゲートに接続されている。

【０００６】発光ダイオード４が発光すると、フォトダ
イオード５がその光を受光するため、トランジスタ６が
オンする。このトランジスタ６のオンによってトランジ
スタ８のベースがＬレベル（低電位）となるため、該ト
ランジスタ８はオフとなる。トランジスタ８がオフであ
ることからトランジスタ１２，１３のベースはそれぞれ
Ｈレベル（高電位）となるので、トランジスタ１２がオ
ンとなり、トランジスタ１３がオフとなる。従って、半
導体スイッチ３のゲートが高電位となり、該半導体スイ
ッチ３がオンする。この半導体スイッチ３のオンにより
モータ２に電源により電流が供給される。

【０００７】又、発光ダイオード４の発光が停止する
と、フォトダイオード５が光を受光しなくなるため、ト
ランジスタ６はオフとなる。このトランジスタ６のオフ
によってトランジスタ８のベースがＨレベルとなるの
で、該トランジスタ８はオンとなる。前記トランジスタ
８のオンによってトランジスタ１２，１３のベースはＬ
レベルとなるため、トランジスタ１２がオフとなるとと
もに、トランジスタ１３がオンとなる。従って、半導体
スイッチ３のゲートがＬレベルとなり、該半導体スイッ
チ３がオフする。この半導体スイッチ３のオフにより電
源から供給される電流がモータ２へ供給されなくなる。

【０００８】即ち、発光ダイオード４に印加される信号
に基づいて半導体スイッチ３はオン・オフされてモータ
２が駆動制御される。コンパレータ１９のマイナス端子
には基準電圧Ｖref1が入力される。又、前記モータ２と
半導体スイッチ３のコレクタとの間は保護用のダイオー
ド２０及び抵抗２１を介してコンパレータ１９のプラス
端子に接続されている。そのため、コンパレータ１９は
半導体スイッチ３がオンしているときのコレクタ・エミ
ッタ間電圧ＶCEが基準電圧Ｖref1を越えるか否かを判断
する。

【０００９】更に、コンパレータ２２のプラス端子には
０〜電源ＶEE（低電位）の間で予め設定された基準電圧
Ｖref2が入力される。そして、前記トランジスタ６のコ
レクタは抵抗２３を介してコンパレータ２２のマイナス
端子に接続されている。又、抵抗２３に対してダイオー
ド２４が並列接続されている。更に、抵抗２３とコンパ
レータ２２のマイナス端子との間には電源ＶEEに接続さ
れたコンデンサ２５が接続されている。

【００１０】この抵抗２３とコンデンサ２５によって、
コンパレータ２２のマイナス端子に印加される電圧のタ
イミングと、半導体スイッチ３のゲートに印加される電
圧のタイミングの同期を取るようになっている。そし
て、コンパレータ２２は基準電圧Ｖref2がトランジスタ
６におけるコレクタの電圧が基準電圧Ｖref2より高いか
否かを判断するようになっている。

【００１１】前記コンパレータ１９，２２の出力端子は
抵抗２６を介して電源ＶCCに接続されるとともに、オー
プンコレクタとなるコンパレータ２７のマイナス端子に
接続されている。そして、コンパレータ２７のプラス端
子は接地されている。前記コンパレータ２７の出力端子
はトランジスタ８のコレクタと抵抗１１との間に接続さ
れている。

【００１２】そして、コレクタ・エミッタ間電圧ＶCEが
基準電圧Ｖref1を越えた場合、コンパレータ１９の出力
端子はＨレベルを出力する。又、トランジスタ６におけ
るコレクタの電圧が基準電圧Ｖref2を越えた場合、コン
パレータ２２の出力端子はＨレベルを出力する。

【００１３】そして、コンパレータ１９，２２の出力端
子からＨレベルが出力されると、コンパレータ２７のマ
イナス端子にはＨレベルの信号が入力される。すると、
コンパレータ２７は、該コンパレータ２７の出力端子を
接地する。

【００１４】ここで、半導体スイッチ３が正常にオン・
オフ動作を繰り返している場合、コンパレータ１９，２
２の出力端子から同時にＨレベルが出力されることはな
く、いずれかがＬレベルを出力している。そのため、コ
ンパレータ２７は該コンパレータ２７の出力端子を接地
することはない。ところが、何らかの原因で半導体スイ
ッチ３のコレクタに過電流が流れると、半導体スイッチ
３がオンしているにも拘らず、該半導体スイッチ３のコ
レクタ・エミッタ間電圧ＶCEが上昇する（図５のＡ矢印
にて示す部分）。すると、コンパレータ１９，２２の出
力端子から同時にＨレベルが出力されるため、コンパレ
ータ２７は出力端子を接地する。

【００１５】従って、トランジスタ１２，１３のベース
が接地されるので、トランジスタ１２はオフ、トランジ
スタ１３はオンする。そのため、半導体スイッチ３のゲ
ートは接地されるため、該半導体スイッチ３は直ちにオ
フする。

【００１６】この結果、過電流による半導体スイッチ３
の破損を防止できる。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、図５に示す
ように、半導体スイッチ３に過電流が流れていない正常
状態において、半導体スイッチ３をオフさせるべく、ト
ランジスタ６をオフしてトランジスタ８をオンさせる。
すると、トランジスタ１２がオフするとともに、トラン
ジスタ１３がオンする。従って、半導体スイッチ３のゲ
ートには電源ＶEEが印加され、該半導体スイッチ３がオ
フしてコレクタ電流が遮断される。そのため、コレクタ
・エミッタ間電圧ＶCEが上昇する。

【００１８】又、半導体スイッチ３のコレクタは配線に
よってモータ２と接続され、この配線による配線インダ
クタンスの影響により、半導体スイッチ３がオフすると
き、該半導体スイッチ３のコレクタ・エミッタ間に若干
のサージ電圧が発生する。

【００１９】そして、半導体スイッチ３のコレクタに過
電流が流れた状態で、上記と同様のスピードによりトラ
ンジスタ１２，１３のベースを接地し、半導体スイッチ
３のゲートを接地すると、半導体スイッチ３はオフす
る。このとき、半導体スイッチ３のコレクタに流れる過
電流によってｄｉ／ｄｔが大きくなり、配線インダクタ
ンスの影響により半導体スイッチ３のコレクタ・エミッ
タ間に大きなサージ電圧が発生する。

【００２０】そして、このサージ電圧が半導体スイッチ
３のコレクタ・エミッタ間の耐電圧を越え、該半導体ス
イッチ３を破損してしまいうという問題がある。本発明
は上記問題点を解決するためになされたものであって、
その目的は過電流が流れているとき、半導体スイッチを
強制的にオフしても、コレクタ・エミッタ間又はソース
・ドレイン間に発生するサージ電圧を抑制し、半導体ス
イッチの保護を行うことができる半導体スイッチの駆動
制御回路を提供することにある。

【００２１】

【課題を解決するための手段】図１は本発明の原理説明
図である。負荷へ電力を供給する半導体スイッチＭ１の
コレクタには過電流を検出するための異常検出手段Ｍ２
が設けられている。前記半導体スイッチＭ１のゲートに
はオン・オフ信号を供給する供給手段Ｍ３が接続されて
いる。前記半導体スイッチＭ１のゲートと供給手段Ｍ３
との間には、半導体スイッチＭ１のゲートを接地し、そ
の電位を徐々に引き抜く引抜手段Ｍ４が接続されてい
る。前記異常検出手段Ｍ２には半導体スイッチＭ１のコ
レクタに過電流が流れたり、過電圧が発生すると、引抜
手段を動作させて半導体スイッチＭ１のゲートを接地
し、該ゲートの電位を徐々に引き抜く引抜制御手段Ｍ５
が接続されている。

【００２２】

【作用】供給手段Ｍ３から半導体スイッチＭ１のゲート
にはオン・オフ信号が供給される。このオン・オフ信号
に基づいて半導体スイッチＭ１はオン・オフ動作し、こ
の半導体スイッチＭ１のオン・オフに基づいて負荷へ電
力が供給される。

【００２３】又、半導体スイッチＭ１のコレクタに過電
流が流れると、この異常を異常検出手段Ｍ２が検出す
る。異常検出手段Ｍ２からの検出信号に基づいて引抜制
御手段Ｍ５は引抜手段Ｍ４を動作させ、半導体スイッチ
Ｍ１のゲートを接地する。すると、半導体スイッチＭ１
のゲートの電位は引抜手段によって徐々に引き抜かれ、
該半導体スイッチＭ１はオフする。

【００２４】従って、半導体スイッチＭ１のゲートの電
位を徐々に引き抜くので、半導体スイッチＭ１のコレク
タ・エミッタ間電圧に発生するサージ電圧を抑制するこ
とができる。

【００２５】

【実施例】以下、本発明を具体化した一実施例を図２，
図３に基づいて説明する。尚、駆動制御回路の構成は基
本的には従来の構成と同じで、その一部のみが異なるだ
けなので、同一部分に付いては同一番号を付し、異なる
部分についてのみ説明する。

【００２６】図２に示すように、コンパレータ２７の出
力端子は抵抗２８を介してトランジスタ８のコレクタと
抵抗１１との間に接続されているところが前記従来の回
路と異なる部分である。

【００２７】又、抵抗７，１０，１１，１４、トランジ
スタ６，８，１２，１３、発光ダイオード４、フォトダ
イオード５によって供給手段Ｍ３が構成されている。そ
して、抵抗２６、コンパレータ１９，２２、ダイオード
２０，２４、コンデンサ２５によって異常検出手段Ｍ２
が構成されている。更に、コンパレータ２７によって引
抜手段Ｍ５が構成され、抵抗２８によって引抜制御手段
Ｍ４が構成されている。

【００２８】そして、半導体スイッチ３に過電流が流れ
ると、コンパレータ１９，２２からＨレベルの信号が出
力される。すると、コンパレータ２７は該コンパレータ
２７の出力端子を接地する。このとき、トランジスタ１
２，１３のベースは抵抗１１、２８を介して接地される
ことになる。従って、トランジスタ１２，１３のベース
の電位は抵抗２８の分だけ徐々に引き抜かれるので、半
導体スイッチ３のゲートは直ちに接地されることなく徐
々に接地される。そのため、半導体スイッチ３は直ちに
オフするのではなく、ゆっくりとオフするようになって
いる。

【００２９】さて、半導体スイッチ３をオン・オフ制御
するための方形波信号が発光ダイオード４に印加される
と、その方形波信号に基づいて発光ダイオード４が点滅
を行う。この点滅をフォトダイオード５が受光し、トラ
ンジスタ６がオン・オフされる。

【００３０】このトランジスタ６のオン・オフに基づい
てトランジスタ８がオン・オフし、トランジスタ１２，
１３がオン・オフされる。従って、発光ダイオード４が
発光すると、半導体スイッチ３をオンさせるべく増幅さ
れた電圧が半導体スイッチ３のゲートに印加される。
又、発光ダイオード４の発光が停止すると、半導体スイ
ッチ３をオフさせるべく逆バイアスとなる電圧が半導体
スイッチ３のゲートに印加される。

【００３１】半導体スイッチ３がオン・オフされている
とき、該半導体スイッチ３のコレクタに過電流が流れて
いない状態では、コンパレータ１９，２２の出力端子の
いずれかが必ずＬレベルを出力するので、コンパレータ
２７は該コンパレータ２７の出力端子を接地しない。

【００３２】逆に、半導体スイッチ３がオン・オフされ
ているとき、該半導体スイッチ３のコレクタに過電流が
流れている状態では、コンパレータ１９，２２の出力端
子からは同時にＨレベルが出力される。従って、コンパ
レータ２７は該コンパレータ２７の出力端子を接地す
る。

【００３３】このとき、トランジスタ１２，１３のベー
スは抵抗１１，２８を介して接地されるので、該トラン
ジスタ１２，１３のベースの電位は抵抗１１，２８によ
って徐々に引き抜かれる。そのため、トランジスタ１２
はやがてオフし、トランジスタ１３はやがてオンする。
すると、半導体スイッチ３のゲートはトランジスタ１３
及び抵抗１１，２８を介して接地される。

【００３４】このとき、抵抗１１，２８によって半導体
スイッチ３におけるゲートの電位は徐々に引き抜かれる
ため、半導体スイッチ３は直ちにオフすることなく、ゆ
っくりとした動作をもってオフすることになる。

【００３５】従って、半導体スイッチ３におけるコレク
タのｄｉ／ｄｔが小さく抑えられるので、半導体スイッ
チ３におけるコレクタ・エミッタ間に発生するサージ電
圧を抑えることができる。

【００３６】又、サージ電圧を抑えることにより、半導
体スイッチ３のコレクタ・エミッタ間に耐電圧を越える
電圧が印加されない。この結果、半導体スイッチ３の破
損防止を確実に行うことができる。

【００３７】更に、コンパレータ２７の出力端子に抵抗
２８を接続し、この抵抗２８をトランジスタ８のコレク
タと抵抗１１との間に接続しただけの簡単な構成により
半導体スイッチ３のコレクタ・エミッタ間に大きなサー
ジ電圧が発生しないようにすることができる。この結
果、従来の回路を大幅に変更することなく、最も簡単な
回路構成によって半導体スイッチ３の保護を行うことが
できる。

【００３８】本実施例においては、ＩＧＢＴタイプの半
導体スイッチ３に具体化したが、これに代えてＭＯＳ、
電流駆動型のＳＩＴ等の半導体スイッチを使用すること
も可能である。

【００３９】本実施例においては、半導体スイッチ３の
コレクタに過電流が流れた場合、コンパレータ２７によ
ってゲートを接地するようにしたが、この他にゲートを
マイナスの電位に接続してゲートの電位を徐々に引き抜
くように構成することも可能である。

【００４０】更に、本実施例においては、半導体スイッ
チ３がオンしてるにも拘らず、コレクタ・エミッタ間電
圧ＶCEがＶref1以下とならないとき、コレクタに過電流
が流れていると判断し、該半導体スイッチ３のゲートを
接地した。この他に、直接半導体スイッチ３のコレクタ
に過電流が流れているか否かを判断する電流センサ等を
設け、この検出信号に基づいて半導体スイッチ３のゲー
トを接地し、そのゲートの電位を徐々に引き抜くように
構成することも可能である。

【００４１】又、抵抗２８の代わりに抵抗とコンデンサ
を組み合わせた回路を設け、この回路によってトランジ
スタ１２，１３のベースの電位を徐々に引き抜くように
することも可能である。

【００４２】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、過
電流が流れた場合、半導体スイッチを強制的にオフして
も、コレクタ・エミッタ間又はソース・ドレイン間に発
生するサージ電圧を抑制し、半導体スイッチの保護を行
うことができる優れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る半導体スイッチの駆動制御回路の
原理ブロック図である。

【図２】本発明に係る半導体スイッチの駆動制御回路の
電気回路図である。

【図３】半導体スイッチのコレクタ・エミッタ間のサー
ジ電圧が抑制されること示す特性図である。

【図４】従来における半導体スイッチの駆動制御回路の
電気回路図である。

【図５】半導体スイッチのコレクタ・エミッタ間に過大
なサージ電圧が発生することを示す特性図である。

【符号の説明】

Ｍ１…半導体スイッチ、Ｍ２…異常検出手段、Ｍ３…供
給手段、Ｍ４…引抜手段、Ｍ５…引抜制御手段

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【手続補正書】

【提出日】平成６年１月１３日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００８

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００８】即ち、発光ダイオード４に印加される信号
に基づいて半導体スイッチ３はオン・オフされてモータ
２が駆動制御される。コンパレータ１９のマイナス端子
には基準電圧Ｖref1が入力される。又、前記モータ２と
半導体スイッチ３のコレクタとの間は保護用のダイオー
ド２０及び抵抗２１を介してコンパレータ１９のプラス
端子に接続されている。そのため、コンパレータ１９は
半導体スイッチ３がオンしているときのコレクタ・エミ
ッタ間電圧ＶCEが基準電圧Ｖref1を越えるか否かを判断
する。又、ダイオード２０と抵抗２１との間には抵抗５
０の一端が接続されている。該抵抗５０の他端は電源Ｖ
CCと抵抗１０との間に接続されている。この抵抗５０を
設けることによりコンパレータ１９はコレクタ・エミッ
タ間電圧ＶCEを安定して検出する。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３８

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３８】本実施例においては、ＩＧＢＴタイプの半
導体スイッチ３に具体化したが、これに代えてＭＯＳＦ
ＥＴ、電流駆動型のＳＩＴ等の半導体スイッチを使用す
ることも可能である。

【手続補正３】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図２

【補正方法】変更

【補正内容】

【図２】

【手続補正４】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図４

【補正方法】変更

【補正内容】

【図４】

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 エミッタ接地され、負荷への電力を供給
   する半導体スイッチと、 前記半導体スイッチのベースにオン・オフ信号を供給す
   る供給手段と、 前記半導体スイッチのコレクタに流れる電流を検出する
   異常検出手段と、 前記半導体スイッチのベースの電流を徐々に引き抜く引
   抜手段と、 前記異常検出手段からの検出信号に基づいて半導体スイ
   ッチのコレクタに過電流が流れた場合、前記引抜手段を
   動作させてベースの電流を徐々に引き抜く引抜制御手段
   とを備えた半導体スイッチの駆動制御回路。
2. 【請求項２】 ソース接地され、負荷への電力を供給す
   る半導体スイッチと、 前記半導体スイッチのゲートにオン・オフ信号を供給す
   る供給手段と、 前記半導体スイッチのドレインに流れる電流を検出する
   異常検出手段と、 前記半導体スイッチのゲートの電位を徐々に引き抜く引
   抜手段と、 前記異常検出手段からの検出信号に基づいて半導体スイ
   ッチのドレインに過電流が流れた場合、前記引抜手段を
   動作させてゲートの電位を徐々に引き抜く引抜制御手段
   とを備えた半導体スイッチの駆動制御回路。