JPH06504423A - 過電流保護装置 - Google Patents

過電流保護装置

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JPH06504423A
JPH06504423A JP4502170A JP50217092A JPH06504423A JP H06504423 A JPH06504423 A JP H06504423A JP 4502170 A JP4502170 A JP 4502170A JP 50217092 A JP50217092 A JP 50217092A JP H06504423 A JPH06504423 A JP H06504423A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 過電流保護装置 本発明は、電気回路を、過電流、例えば機器の故障や、静電放電や、他の脅威と なるものによって生ずる過電流から保護するための回路配置および装置に関する ものである。
なお、本明細書の記述は本件出願の優先権の基礎たる英国特許出願筒91002 83.2号の明細書の記載に基づ(ものであって、当該英国特許出願の番号を参 照することによって当該英国特許出願の明細書の記載内容が本明細書の一部分を 構成するものとする。
比較的簡単な形態の回路保護装置の1つがヴイツクマンーヴエルケ社(Wick mann−Werke GmbH)による1987年7月31日付けのドイツ国 特許出願第3725390号に記載されている。この装置は回路電流を制御する 直列のスイッチングトランジスタと、このスイッチングトランジスタのベースま たはゲートを制御する制御トランジスタとを具えている。制御トランジスタのベ ースまたはゲート電圧はスイッチングトランジスタを跨ぐ分圧器によって設定さ れるため、保護装置が過電流を受ける場合に、制御トランジスタは導通するよう にバイアスされ、またスイッチングトランジスタはターン・オフするようになる 。このような保護装置はとりわけ簡単ではあるが、通常の作動時に保護装置が通 電する前にこの装置間に常にかなりの電圧降下があるという欠点があり、この電 圧降下はバイポーラトランジスタによる装置の場合、スイッチングトランジスタ のベース−エミッタ接合電圧にベース抵抗間の電圧降下が加わるからである。エ ンハンスメントモードのFETに基づいて構成した装置の場合における電圧降下 はスイッチングトランジスタのしきい値電圧によるものである。このような電圧 降下は上述した形態の回路保護装置を多数の用途に使用するのを妨げ、しかも高 電流の用途にとっては熱発生の問題を招くことになる。
シーメンス社(Siemens AG)による1987年2月18日付けのドイ ツ国特許出願第3705177号には他の回路保護装置が記載されている。この 保護装置は回路の線路にパワーMO3FETを具えており、この1IIO3FE Tのゲートをバッテリによりバイアスしている。トランジスタのゲートと、この トランジスタのソース側における回路の線路との間にサイリスクを接続し、これ によりMOSFETと直列に接続した抵抗間にて線路の電圧降下を測定する。抵 抗間の電圧降下が0.7v以上になると、サイリスクが点弧して、MOSFET がスイッチ・オフする。
この回路の利点はMOSFETに電流が流れるようになる前に初期電圧降下がな いという点にある。しかし、保護装置が一旦阻止状態に切り換わると、この装置 はその状態にラッチされたままとなり、それを導通状態にリセットするには、サ イリスクの陽極と陰極とを短絡するスイッチによってしかできない。さらに、保 護装置が阻止状態にトリップしてから、この保護装置を手動でリセットするまで ずっとサイリスタをオン状態に維持するためにバッテリが1mA程度の電流を供 給し得るようにする必要がある。
本発明は、回路の線路に直列に接続するものとし、線路電流を制御する直列のス イッチングトランジスタと、このスイッチングトランジスタのベースまたはゲー ト電圧を制御すると共に該スイッチングトランジスタを流れる過電流に応答する 制御トランジスタとを具えている回路保護装置であって、この保護装置が、通常 の作動時に前記スイッチングトランジスタを導通状態または導通方向にバイアス する電圧を前記スイッチングトランジスタのベースまたはゲートに供給する電圧 源を具えていることを特徴とする回路保護装置にある。
本発明による装置の利点は、スイッチングトランジスタが導通する前のこのスイ ッチングトランジスタ間の初期電圧降下を低減させるか、またはなくすことさえ もでき、またあらゆる条件下においてスイッチングトランジスタの導通と同時に このトランジスタが電圧源から引出す電流が比較的低いという点にある。さらに 、例えば電圧源または負荷を短期間取り外すことによって装置を遠く離れてリセ ットさせることが可能である。電圧源または負荷を取り外せば装置は直ちに低抵 抗状態にリセットされる。
初期電圧降下を低減またはなくすことができるため、通常の作動時におけるスイ ッチングトランジスタ間の電圧降下は、このトランジスタのコレクタ抵抗または チャネル抵抗によるものだけとすることができる。電圧源の値はスイッチングト ランジスタを導通状態にバイアスするのに必要な値とするか、またはそれ以上と することができ、この電圧源の電位が高くなるにつれてスイッチングトランジス タ間の初期電圧降下は低下する。
電圧源は多数の装置のいずれかによって形成することができ、その特定の選択は 電圧源から引出す電流を含む多数のファクタに依存する。例えば、電圧源はバッ テリとすることができる。バッテリは制御トランジスタおよび抵抗(この値は少 なくとも保護装置の漏れ電流の一部を決定する)に直列とする。この抵抗の値は 比較的高(、例えばIMΩ以上、場合によっては10 MΩ以上とすることがで き、この場合に、保護装置がトリップした時にバッテリから引出される最大電流 は5μA程度、好ましくは500nA程度とする。制御トランジスタがオフして いる保護装置の通常の状態では、バッテリから引出される電流が通常数ピコアン ペア程度、例えば1oopA以上である。従って、バッテリは容量が極めて小さ く、例えば集積回路パッケージに組込むことができ、しかも寿命が長い1mAl 程度の小形リチウム電池として形成することができる。電圧源は、特にバッテリ を用いる場合には、過電流を受けて、制御トランジスタがターン・オフされる時 にバッテリが放電しないようにするために、限流抵抗と直列に接続するのが好適 である。
使用できる他の形態の電圧源としてはゼーベックデバイスの如き熱電デバイスが ある。このようなデバイスはスイッチングトランジスタが発生する熱がこのデバ イスに流れるようにスイッチングトランジスタと熱接触させて位置付けるのが好 適である。このようにして形成する保護装置の利点は、熱電デバイスが帰還回路 を形成し、スイッチングトランジスタ間の電圧降下によりこのトランジスタに発 生する熱が増すことにより、ベースまたはゲートオフセット電圧が増大するため 、電圧降下が低くなることにある。回路電流の周波数変化が比較的低い場合、こ の帰還はスイッチングトランジスタのチャネル抵抗値を有効に下げることができ る。
使用し得るさらに他の電圧源としてはDC−DC変換器がある。この種の変換器 は低電圧の直流入力を受電して、高い直流電圧の出力を発生する2−ボートの回 路網である。変換器は上述したゼーベックデバイスの如き他の電圧源からの電圧 を増大させるのに用いたり、またはスイッチングトランジスタ間の電圧降下が逓 倍されて、そのトランジスタのベースまたはゲートに供給されるようにスイッチ ングトランジスタの両端に接続することもできる。
使用できる他の形態の電圧源には光起電デバイスおよび例えばスイッチングトラ ンジスタがオフする時に電圧増倍によるか、またはトップ−アップ充電により充 電されるコンデンサがある。電圧源としては、例えば整流幹線電源を用いること もできる。
所要に応じ、制御トランジスタのベースまたはゲート電圧がスイッチングトラン ジスタを跨ぐ分圧器により決定されて、保護装置のトリップ電流がスイッチング トランジスタのチャネル抵抗と、制御トランジスタのゲートに供給されるスイッ チングトランジスタ間の電圧降下分の割合とによって決定されるようにすること ができる。あるいはまた、制御トランジスタのベースまたはゲートをスイッチン グトランジスタのコレクタまたはドレインに直接接続して、スイッチングトラン ジスタ間の過電流による電圧降下が制御トランジスタのターン・オン電圧以上と なる場合に保護装置がトリップするようにすることもできる。
保護装置を交流回路に用いる場合には、これを整流ブリッジ回路を介して線路に 接続することができる。
また、本発明による同じ回路保護装置を2個用い、これらの装置が交流信号の異 なるサイクルを取り扱えるようにすることもできる。このようにすれば、使用す るダイオードの個数が減るために、保護装置の両端間における総電圧降下が低減 するという利点がある。
過電流保護装置にはバイポーラ接合トランジスタか、電界効果トランジスタのい ずれをも用いることができるが、バイポーラスイッチングトランジスタは電圧源 により供給されるかなりのベース電流を必要とするから、FETを用いるのが好 適である。なお、「トランジスタ」なる用語は、例えばダーリントン構成の多数 のトランジスタのスイッチング特性に匹敵し得る1個以上のトランジスタを用い る回路素子を含むものとする。バイポーラトランジスタによる保護装置の場合に は、スイッチングトランジスタのベース電流を低くするためにダーリントン構成 のトランジスタを用いるのが好適である。このトランジスタのベース電流は電圧 源だけでなく、スイッチングトランジスタのベースとコレクタとの間に接続した 抵抗を経て供給する必要がある。回路が阻止状態に切り換わると、スイッチング トランジスタのベース電流は制御トランジスタ(この際オンする)の方へと流れ 、漏れ電流となる。しかし、装置が阻止状態にある場合には、抵抗間の電圧降下 が非常に高いから、漏れ電流はスイッチングトランジスタのベース電流よりも太 き(なる。ダーリントンペアまたはトリブレットをスイッチングトランジスタと して用いる場合には、実効直流電流利得が極めて高くなるため、非常に高い抵抗 を用いることができる。
バイポーラ制御トランジスタは電界効果スイッチングトランジスタと相俟って有 利に用いることができる。このような保護装置の利点は、トリップ電圧がpn接 合の電圧降下分にまで下がり、これによりチャネル抵抗の低いスイッチングトラ ンジスタを使用できるので、消費電力が低減するということにある。
電界効果トランジスタを用いる場合には、エンハンスメントモードのMOSFE Tを用いる必要がある。保護装置は集積回路として形成することができ、この場 合にはスイッチング回路に用いる抵抗を、例えばゲートおよびドレインをn個の MOSロジックとなるように接続するMOSFETで形成することができる。限 流抵抗は制御トランジスタと相補対を成す別のFETと置換えることができる。
本発明はさらに、電圧または電流源、負荷およびこれら電圧または電流源と負荷 とを接続する電流搬送線路を具えている電気回路であって、この電気回路が、前 記電流搬送線路に直列に接続されると共に線路電流を制御する直列のスイッチン グトランジスタと、このスイッチングトランジスタのベースまたはゲート電圧を 制御し、かつこのスイッチングトランジスタを流れる過電流に応答する制御トラ ンジスタとを具えている回路保護装置を含み、この回路保護装置が、通常の作動 時に前記スイッチングトランジスタを導通状態に、または導通方向にバイアスす る電圧を前記スイッチングトランジスタのベースまたはゲートに供給する電圧源 を含むようにしたことを特徴とする電気回路にある。
本発明のさらに他の形態は、回路の線路に直列に接続するものとし、線路電流を 制御する直列のスイッチングトランジスタと、このスイッチングトランジスタの ベースまたはゲート電圧を制御すると共に該スイッチングトランジスタを流れる 過電流に応答する制御トランジスタとを具えている回路保護装置であって、この 保護装置が、通常の作動時に前記スイッチングトランジスタを導通状態または導 通方向にバイアスする電圧を前記スイッチングトランジスタのベースまたはゲー トに供給する電圧源を具えていることを特徴とする回路保護装置にある。
以下、図面を参照して本発明を実施例につき説明する。
第1図は本発明による回路保護装置の回路図であり ; 第2図は第1図の回路と従来の回路(Dε3725390)のI−V特性を示す グラフであり; 第3図は本発明による他の形態の装置の回路図であり ; 第4図および第5図は異なる電圧源を用いる本発明による他の形態の装置の回路 図であり;第6図は第5図の回路の変形例を示す回路図である。
図面を参照するに、第1図には過電流から回路を保護するための2端子装置の回 路を示しである。この装置はnチャネルエンハンスメントモードのスイッチング MOSFET 1を具えており、このトランジスタを装置の端子2と2′との間 に、このトランジスタが全回路電流を通すように接続する。スイッチングトラン ジスタ1のゲートは、ドレインからのゲート電圧をバッテリ電圧分だけオフセッ トするバッテリ3および限流抵抗5を介してそのスイッチングトランジスタ1の ドレインに接続する。
過電流を受ける時にスイッチングトランジスタ1をスイッチング・オフさせるた めに、スイッチングトランジスタ1のゲート−ソース接合間にエンハンスメント モードの制御MOSFET4を接続し、この制御トランジスタ4のゲートをスイ ッチングトランジスタ1のドレインに直接接続する。
回路の通常の作動に当り、回路の線路に電流が流れていない場合には、バッテリ 3がトランジスタ1のゲートをこのトランジスタのしきい値電圧よりも高目か、 または低目にオフセットするか、どうかに応じてスイッチングトランジスタ1が ターン・オンまたは2図に曲線Aで示すように電圧が増大するのでスイッチング トランジスタ1間の電圧は上昇し、この曲線Aの勾配はスイッチングトランジス タのチャネルの抵抗値に依存する。スイッチングトランジスタ1間の電圧は回路 の増大する負荷に応じて上昇し続け、これは上昇電圧がトリップ電圧V□にまで 達して、スイッチングトランジスタ1のドレイン−ソース電圧が制御トランジス タ4のしきい値電圧に等しくなって、制御トランジスタがスイッチングトランジ スタのゲートとソースを短絡するようになるまで続く。
保護回路が一旦切り換わると、過電流がな(なった後でも高い抵抗状態にラッチ されたままとなる。その理由はトランジスタ1の抵抗値が、全回路電流をこのト ランジスタ1間にて降下させるような値となるからである。従って保護回路がこ の回路そのものをリセットする前にこの保護回路を回路の電源または負荷からの 切り離さなければならない。限流抵抗5は保護回路がトリップした際にバッテリ 3の電圧が急速に流れるのを防止する。
比較のためにドイツ国特許出願第P3725390号による保護装置(FETを 用いている)のI−V特性を曲線Bとして示しである。この曲線は曲線Aと同じ 形状をしているが、この曲線は電圧降下が高い方へとオフセットしている。これ は、制御トランジスタのゲートがしきい値電圧に達する前にスイッチングトラン ジスタ間にて初期の電圧降下■1が起るようにしなければならないことに起因し ている。ドイツ国特許1P3705177号による保護装置のI−V特性は、過 電流が生じるまでは本発明のもの(曲線A)に似ており、過電流が生じた時点に てこの保護装置は、手動でリセットするまで電圧軸線上にあるI−V曲線に従っ て高抵抗状態にラッチする。
第3図はエンハンスメントモードのMOSFET 1が回路の作動電流を通す2 端子保護装置の変形例を示す。第1図につき述べたように、スイッチングトラン スタ1のゲートはバッテリ3(例えば約1.5V)およびIMΩの限流抵抗5を 介してこのスイッチングトランジスタのドレインに接続し、制御MOSFET4 はトランジスタ1のゲート−ソース接合間に接続する。しかし、この回路ではス イッチングトランジスタを跨ぐIMΩの抵抗6と1.22 MΩの抵抗7とで形 成される分圧器により剛固トランジスタ4のゲート電圧が保持される。作動に当 り、この回路はこれを切り換えるのに必要な電流の大きさが、トランジスタ4の しきい値電圧とスイッチングトランジスタ1のチャネル抵抗とによる以外に、分 圧抵抗6と7によって決定されるということを除けば、第1図に示した回路と同 じように作動する。
所要に応じ、スイッチングトランジスタの極性を変えれば、バッテリをこのトラ ンジスタのゲートとソースとの間に接続することができる。
第4図は第3図に示したものと同様な回路を示し、この場合にもスイッチングト ランジスタ1のゲート電圧を制御トランジスタ4により制御し、制御トランジス タ4のゲート電圧をスイッチングトランジスタ1を跨ぐ抵抗6と7により形成さ れる分圧器により設定する。
この回路ではスイッチングトランジスタのゲートをこのトランジスタと熱接触す るゼーベックデバイス43を介してスイッチングトランジスタ1のドレインに接 続して、スイッチングトランジスタ1に発生した熱がゼーベックデバイスの接合 間に温度差を生ゼしぬるようにする。
作動に当り、電流が先ず回路の線路に沿って流れる時にはスイッチングトランジ スタが低温状態にあり、ゼーベックデバイスが電圧を発生しないため、スイッチ ングトランジスタ1間には第2図に曲線Bで示すように1〜2ボルトの初期電圧 降下が生ずる。しかし、この電圧降下のためにスイッチングトランジスタ1に発 生する熱によりゼーベックデバイス43が電圧を発生し、この電圧がスイッチン グトランジスタのゲートをそのドレインの方へとバイアスするために、スイッチ ングトランジスタ間の電圧降下は低減する。か(して、スイッチングトランジス タにて消費される電力を低減する帰還メカニズムが確立される。
第3図に示す回路では、過電流が生ずる場合に、スイッチングトランジスタ1の 両端間の電圧降下がトランジスタ4のゲート−ソース電圧をそのしきい値にまで 高めるのに十分となる時に回路は非導通状態に切り換わる。
変形回路として、ゼーベックデバイスの出力を抵抗5と並列に接続することがで き、これはバイポーラスイッチングトランジスタと一緒に用いて、十分な初期ペ ース電流を与えることができるようにする場合に好適である。ゼーベックデバイ スの出力はスイッチングトランジスタのゲートとソースとの間に接続することも できる。
第5図は本発明による装置のさらに他の変形例を示す。この例の装置ではスイッ チングトランジスタ1を回路の線路に直列に接続すると共に、このトランジスタ のゲートとソースを制御トランジスタ4を介して共に接続する。
スイッチングトランジスタ1の両端間に現われる低電圧またはこの電圧の一部を 高目の電圧に変換して、スイッチングトランジスタ1のゲートをオフセットする ためにDC−DC変換器を設ける。この変換器の入力端子を抵抗57とトランジ スタ1および4のソースとの間に接続し、変換器の出力端子59をスイッチング トランジスタ1のゲートとソースとの間に限流抵抗60と直列に接続する。しか し、出力端子59をスイッチングトランジスタ1のゲートとドレインとの間に接 続することも当然可能である。
使用中にスイッチングトランジスタ1間に現われる電圧は増倍され、しかもDC −DC変換器により帰還されてスイッチングトランジスタ1のゲートをオフセッ トする。これによる効果は、トリップ電流に至るまでの全ての電流値に対してス イッチングトランジスタが相対的に一定の低い抵抗値を呈し、かつ0ボルトの初 期電圧降下(第2図のvl)を呈するということにある。
抵抗60は制御トランジスタ4のオン状態においてDC−DC変換器の出力端子 59に負荷がかからないようにする。
保護回路が過電流を受ける場合に、この回路はスイッチングトランジスタ1間の 電圧降下により制御トランジスタ4のゲート−ソース電圧をそのしきい値電圧に まで上昇させる際に高抵抗状態にトリップし、この際スイッチングトランジスタ 1を流れる電流がほぼ0に降下する。
この形態の保護回路の利点は、使用する全ての部品が比較的信頼でき、しかも取 り替える必要がな(、さらに全ての部品をモノリシックデバイスを形成すべ(集 積化することができる点にある。
DC−DC変換器によっては、電流入力を受けた後に電圧出力を発生するまでに 短い時間を要するものもある。このような遅延のために、制御トランジスタ4は スイッチングトランジスタ1よりも早くスイッチ・オンして、スイッチングトラ ンジスタのソース−ゲート接合を短絡し、これにより回路がスイッチ・オンされ ると直ぐにこの回路をトリップ状態にしてしまう。このような問題はFET60 を具えている始動回路を内蔵する第6図に示すような回路によって克服すること ができ、FET60は制御トランジスタ4のソースとゲート端子との間に接続し 、そのゲートはコンデンサ61と抵抗62により形成するRC分圧器にて保持す る。回路電流がスイッチ・オンすると、RC分圧器は微分器として作動し、FE T60のゲートを直ぐに高レベルにし、そしてコンデンサ61が充電するのでF ET60のゲートをそのソース電圧にまで降下させる。従って、FET60は最 初はオンして、DC−DC変換器が作動し始める量制御トランジスタ4をオフ状 態にする。
第6図に示すように、DC−DC変換器の入力はツェナーダイオード63により 調整し、その入力を例えば500Ωの抵抗64によって約2mAに制限する。抵 抗64およびツェナーダイオード63の代わりに限流ダイオード回路を用いるこ ともできる。
補正書の写しく翻訳文)提出書 (特許法第184条の8) 平成5年6月30日

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 1.回路の線路に直列に接続するものとし、線路電流を制御する直列のスイッチ ングトランジスタと、このスイッチングトランジスタのベースまたはゲート電圧 を制御すると共に該スイッチングトランジスタを流れる過電流に応答する制御ト ランジスタとを具えている回路保護装置であって、この保証装置が、通常の作動 時に前記スイッチングトランジスタを導通状態または導通方向にバイアスする電 圧を前記スイッチングトランジスタのベースまたはゲートに供給する電圧源を具 えていることを特徴とする回路保護装置。
  2. 2.前記スイッチングトランジスタおよび/または制御トランジスタをエンハン スメントモードの電界効果トランジスタとすることを特徴とする請求の範囲第1 項記載の保護装置。
  3. 3.前記制御トランジスタのゲートを前記スイッチングトランジスタのドレイン に直接接続して、スイッチングトランジスタ間の過電流による電圧降下が制御ト ランジスタのしきい値電圧以上となる場合に保護装置がトリップするようにした ことを特徴とする請求の範囲第2項記載の保護装置。
  4. 4.前記制御トランジスタのベースまたはゲート電圧がスイッチングトランジス タの両端間に接続した分圧器によって決定されるようにしたことを特徴とする請 求の範囲第4項ないし第6項のいずれかに記載の保護装置。
  5. 5.前記制御トランジスタをバイポーラトランジスタとし、かつ前記スイッチン グトランジスタを電界効果トランジスタとすることを特徴とする請求の範囲第1 項ないし第4項のいずれかに記載の保護装置。
  6. 6.前記スイッチングトランジスタと直列の抵抗部品をなくしたことを特徴とす る請求の範囲第4項ないし第7項のいずれかに記載の保護装置。
  7. 7.前記電圧源と直列に限流抵抗を設けたことを特徴とする請求の範囲第1項な いし第8項のいずれかに記載の保護装置。
  8. 8.前記電圧源が1個以上の電池を具えていることを特徴とする請求の範囲第1 項ないし第9項のいずれかに記載の保護装置。
  9. 9.前記電圧源がゼーベックデバイスを具え、これを前記スイッチングトランジ スタと熱接触させることを特徴とする請求の範囲第1項ないし第9項のいずれか に記載の保護装置。
  10. 10.前記電圧源が電圧増幅器を具え、この増倍器の入力をスイッチングトラン ジスタの両端から取出すことを特徴とする請求の範囲第1項ないし第9項のいず れかに記載の保護装置。
  11. 11.前記電圧源が電圧増倍器を具え、この増倍器の入力を1個以上の電池また はぜーベックデバイスから取出すことを特徴とする請求の範囲第1項ないし第9 項のいずれかに記載の保護装置。
  12. 12.電圧または電流源、負荷およびこれら電圧または電流源と負荷とを接続す る電流搬送線路を具えている電気回路であって、この電気回路が、前記電流搬送 線路に直列に接続されると共に線路電流を制御する直列のスイッチングトランジ スタと、このスイッチングトランジスタのベースまたはゲート電圧を制御し、か つこのスイッチングトランジスタを流れる過電流に応答する制御トランジスタと を具えている回路保護装置を含み、この回路保護装置が、通常の作動時に前記ス イッチングトランジスタを導通状態に、または導通方向にバイアスする電圧を前 記スイッチングトランジスタのベースまたはゲートに供給する電圧源を含むよう にしたことを特徴とする電気回路。
  13. 13.回路の線路に直列に接続するものとし、線路電流を制御する直列のスイッ チングトランジスタと、このスイッチングトランジスタのベースまたはゲート電 圧を制御すると共に該スイッチングトランジスタを流れる過電流に応答する制御 トランジスタとを具えている回路保護装置であって、この保護装置が、通常の作 動時に前記スイッチングトランジスタを導通状態または導通方向にバイアスする 電圧を前記スイッチングトランジスタのベースまたはゲートに供給する電圧源を 具えていることを特徴とする回路保護装置。
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