JPH08223013A - 電力用トランジスタの過電流保護装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】電力用トランジスタ10に対して過電流保護を温
度変動に影響されることなく正確に施せるようにする。 【構成】多数の単位構造からなる電力用トランジスタ10
の一部の単位構造を電流検出部10ａに振り当てて検出端
子Tdを導出し、検出端子Tdから検出抵抗20と負の温度依
存性をもつサーミスタ抵抗等の温度補償手段40に電流を
流して電流がもつ正の温度依存性を補償することにより
検出端子Tdの電位が温度変動の影響を受けないように
し、過電流検出手段50にこの電位が所定の基準値Vrを越
えたとき過電流信号Soを発生させて保護トランジスタ30
に与えさせ、そのオン動作により電力用トランジスタ10
の電流を遮断ないし制限するように制御端子Tcを制御し
て過電流から保護する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は絶縁ゲートバイポーラト
ランジスタ，バイポーラトランジスタ，電界効果トラン
ジスタ等の電力用トランジスタであって単位構造を複数
回繰り返してなる電力用トランジスタを過電流から保護
する装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】種々の負荷を駆動するため用いられる上
述の電力用トランジスタでは負荷側の異常等の原因で過
電流が流れた際にそれをできるだけ早く遮断ないしは制
限する必要があり、このため電力用トランジスタに流れ
る電流をふつうは抵抗で受けてその電圧降下が所定の限
界値を越えたときその入力端子を電流を絞るように制御
するのが通例である。図３はこのような従来の代表的な
過電流保護装置を電力用トランジスタに組み込んだ回路
例を示すものである。

【０００３】図示の電力用トランジスタ10は絶縁ゲート
バイポーラトランジスタであって、そのコレクタ側の一
方の主端子Toには負荷１を介して電源２の電圧が与えら
れており、他方の主端子Teと接地点の間に低い抵抗20が
電流検出のために接続され、その電力用トランジスタ10
を流れる電流による電圧降下がエミッタ接地形の保護ト
ランジスタ30のベース・エミッタ間に与えられている。
保護トランジスタ30は常時はもちろんオフ状態にある
が, 電力用トランジスタ10に流れる過電流により抵抗20
の電圧降下がその0.5V程度のベース・エミッタ間電圧を
越えるとオンして図示の例では制御端子Tcの電位を接地
電位まで強制的に下げることにより電力用トランジスタ
10をオフさせて過電流を遮断する。

【０００４】この図３の従来例における電流検出用の抵
抗20は常時の電圧降下が0.5V以下の低抵抗値であるが、
電力用トランジスタ10の定格電流が大きくなると電力損
失がそれに比例して増加して無視できなってくる問題が
ある。さらに、電力用トランジスタ10がその制御端子Tc
ないしゲートに受ける入力信号Siの信号値が抵抗20によ
る電圧降下分だけ実質上低下してくることになるので、
電圧降下を0.5V程度とすると入力信号Siの信号値が10Ｖ
のとき５％, 15Ｖのとき３％程度の制御誤差が発生する
不都合がある。図４はこのような問題を解消できる保護
装置の従来例を示すものである。

【０００５】図４の保護装置では電力用トランジスタ10
のエミッタ側の主端子Teを直接接地するとともに、補助
エミッタ10ｅを設けてそれから検出端子Tdを導出してそ
れと接地点の間に電流検出用の抵抗20を接続する。抵抗
20の電圧降下分を保護トランジスタ30のベース・エミッ
タ間に賦与するのは同じである。補助エミッタ10ｅに流
す電流を電力用トランジスタ10の主電流の数十〜数百分
の１に設定することにより、同じ0.5V程度の電圧降下で
保護トランジスタ30を動作させても抵抗20内の電力損失
は電流と同じ比率で減少する。また、主端子Teを直接に
接地して電力用トランジスタ10をエミッタ接地状態で動
作させるから、その制御端子Tcに受ける入力信号Siに対
する制御誤差は発生しなくなる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、電力用
トランジスタの過電流保護装置としては図４の従来例の
方が優れているが、その保護動作の基礎になる過電流検
出値が温度の変動によりかなり変化する問題がある。図
５にこの過電流検出値Ioが温度Ｔにより変化する様子を
示す。なお、この過電流検出値Ioは25℃の常温における
値を 100％として示されている。図からわかるように過
電流検出値Ioは温度Ｔとともに低下して、25℃〜 125℃
の温度範囲では約30％の検出誤差が発生している。

【０００７】抵抗20を流れる電流の測定結果から補助エ
ミッタ10ｅから流入する電流が温度上昇とともに増加
し、これが過電流検出値の誤差の原因であることが判明
した。図３の場合は電力用トランジスタ10の電流がすべ
て抵抗20に流れるのに対して、図４の場合は電流の一部
だけが補助エミッタ10ｅに分流し, その際の分流比率が
温度により変化するためと考えられる。本発明の目的は
かかる問題点を解決して温度変動に関せず正確な過電流
保護を施すことにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的は本発明によれ
ば、複数個の単位構造からなる電力用トランジスタの一
部の単位構造をその電流検出部として検出端子を導出
し、この電流検出部から検出抵抗および負の温度依存性
をもつ温度補償手段に電流を供給し、検出端子の電位が
所定の基準値を越えたとき過電流検出手段により過電流
信号を発生させ、これにより保護トランジスタをオンさ
せて電力用トランジスタの電流を絞るようその制御端子
を制御することによって達成される。

【０００９】なお、上記の構成にいう温度補償手段とし
ては抵抗値が負の温度依存性をもつサーミスタ抵抗を用
いてこれを検出抵抗に並列に接続し、あるいは順方向電
圧が負の温度依存性をもつダイオードを用いてこれを検
出抵抗に直列に接続するのが有利である。さらに、これ
らの温度補償手段により電流検出部から受ける電流がも
つ正の温度依存性を正確に補償するためには、サーミス
タ抵抗の場合はそれに直列抵抗を，ダイオードの場合は
それに並列抵抗をそれぞれ適宜に接続するのが望まし
い。温度補償手段としてのダイオードは電力用トランジ
スタとともに同じ半導体チップに組み込むのが有利であ
り、この場合はチップから検出端子のほかダイオード用
の補助端子を導出しておくのが便利である。

【００１０】また、前記の構成にいう過電流検出手段に
はコンパレータを用いて検出端子の電位値を基準値と比
較させ、あるいは演算増幅器を利用して検出端子の電位
値を基準値と比較させるとともに比較の結果を増幅させ
るのがよい。この過電流検出手段から過電流信号を受け
てオン動作する保護トランジスタにはふつうは電力用ト
ランジスタをオフ状態にしてそれに流れる電流を遮断さ
せるように制御させることでよいが、必要に応じて電流
を所定値にクランプするよう制御端子の電位を制御させ
ることができる。なお、本発明は絶縁ゲートバイポーラ
トランジスタ，ＭＯＳトランジスタ，バイポーラトラン
ジスタ等の種々な電力用トランジスタの過電流保護への
適用が可能である。

【００１１】

【作用】本発明は電力用トランジスタの電流検出部から
検出抵抗に流す電流の正の温度依存性を温度補償手段に
もたせる負の温度依存性により補償するとともに、電流
検出部に電力用トランジスタの電流を正確に分流させ，
電流検出部の検出端子の電位を過電流検出手段により基
準値と正確に比較させることにより過電流保護の精度を
従来より高めることに成功したものである。

【００１２】すなわち、本発明では電力用トランジスタ
がふつう複数個の単位構造からなる点に着目してまずそ
の一部の単位構造を電流検出部として割り当てて、それ
から検出端子を導出するほかは負荷側の主端子，制御端
子等は電力用トランジスタとすべて共通とすることによ
り、電力用トランジスタの電流を電流検出部に所定の分
流比で正確に分流させて検出端子から取り出す。

【００１３】この検出端子から検出抵抗が受ける電流は
正の温度依存性をもつので、電流の少なくとも一部をサ
ーミスタ抵抗やダイオードである負の温度依存性をもつ
温度補償手段に流すことにより温度の変動を補償して検
出端子から温度の影響を受けない電位を取り出す。さら
に、本発明では過電流検出手段によりこの検出端子の電
位の値を正確に設定された基準値と比較した結果から過
電流信号を発生させ、これに応じて保護トランジスタを
動作させる。

【００１４】従って、本発明装置では電力用トランジス
タの電流をその電流検出部に正確な分流比で分流させ、
この電流を受ける検出抵抗および温度補償手段により温
度に影響されない検出端子の電位を作り、かつこの電位
値を過電流検出手段に正確な基準値と比較させることに
より、過電流保護の精度を従来装置より格段に高めるこ
とができる。

【００１５】

【実施例】以下、図面を参照しながら本発明の実施例を
説明する。図１は温度補償手段にサーミスタ抵抗を用い
る実施例を，図２はダイオードを用いる実施例をそれぞ
れ示し、いずれも前に説明した図３や図４と対応する部
分に同じ符号が付けられているので重複部分に対する説
明は適宜省略することとする。

【００１６】図１の実施例に示す絶縁ゲートバイポーラ
トランジスタのような電力用トランジスタ10は多数個,
ふつうは数百〜数万の単位構造から構成される縦形の半
導体素子であり、本発明ではその電流検出部10ａとして
一部, 例えば１〜数個の単位構造を振り当てて電力用ト
ランジスタ10の電流を分流させ、この分流電流を取り出
すために検出端子Tdを本体の接地側主端子Teとは別に導
出する。なお、接地側主端子Teを直接接地する点は図４
と従来例と同じである。

【００１７】この電流検出部10ａは電力用トランジスタ
10と負荷１側の主端子To, ゲートに対する制御端子Tc,
およびベースを共有する小形のトランジスタなので、電
力用トランジスタ10の電流の分流比を所望値に正確に設
定することができる。例えばこの分流比を数十〜数千分
の１に設定して、検出端子Tdから数十mAの分流電流を取
り出すようにする。この電流検出部10ａから取り出す電
流は図５の過電流検出特性からわかるよう25〜 125℃の
温度範囲で30％程度変化する正の温度依存性をもち、従
ってその正の温度係数は約3000p.p.m.／℃である。

【００１８】電流検出部10ａから導出された検出端子Td
には検出抵抗20を接続するが、そのほか本発明ではそれ
から少なくとも電流の一部を受けるように負の温度依存
性をもつ温度補償手段40を接続して上述の電流の正の温
度依存性を補償する。図１に示す実施例ではこの温度補
償手段40として数千p.p.m.／℃の負の温度係数をもつサ
ーミスタ抵抗を用いて検出抵抗20と並列に接続する。検
出抵抗20に対するこのサーミスタ抵抗40の抵抗値比はも
ちろん電流の温度依存性をちょうど補償できるよう設定
され、さらには必要に応じサーミスタ抵抗40に適宜な抵
抗値をもつ直列抵抗を接続してもよい。また、両抵抗20
と40の並列回路の抵抗は過電流発生時に0.5〜1V程度の
低い電位が検出端子Tdに発生するように例えば数十Ωに
設定するのが上述の分流比を設定どおりにするため望ま
しく、サーミスタ抵抗40を電力用トランジスタ10用のヒ
ートシンクに取り付けてそれとの温度差を極力減少させ
るのが温度依存性を正確に補償する上で望ましい。

【００１９】図１ではブロックで示された過電流検出手
段50は検出端子Tdの電位値を所定の基準値Vrと比較して
前者が後者を越えたときに過電流信号Soを発生するもの
で、例えばコンパレータと図では外側に示された基準値
Vr用の正確な電圧源をこれに組み込むのがよい。基準値
Vrはこの実施例では前述の 0.5〜1V程度に設定する。保
護トランジスタ30はこの実施例では npn形のエミッタ接
地のバイポーラトランジスタであり、ベースに過電流検
出手段50から過電流信号Soを受けたときにオン動作して
電力用トランジスタ10の制御端子Tcを制御する。この
際、電力用トランジスタ10をオフさせて過電流を遮断し
てもよいが、この実施例では入力信号Siの一対の抵抗30
ａと30ｂによる分圧を制御端子Tcに与えて電力用トラン
ジスタ10に流れる電流を両抵抗の分圧比により設定した
過電流値よりもちろん低い所定値に制限ないしはクラン
プする。

【００２０】次の図２に示す二つの実施例では、温度補
償手段として順方向電圧が負の温度依存性をもつダイオ
ード41を用いて検出抵抗20と直列にかつ順方向に接続す
る。よく知られているようにダイオード41はふつう 0.5
〜0.6Vの順方向電圧をもち、その温度依存性は広い温度
範囲内で一定な−2mV ／℃である。この順方向電圧の負
の温度依存性は温度係数にすると約4000p.p.m.／℃であ
って、制御端子Tdから受ける電流の正の温度依存性とほ
ぼ同程度である。

【００２１】図２(a) の実施例では電力用トランジスタ
11は電界効果トランジスタであり、その一部である電流
検出部11ａから検出端子Tdを導出し、そのソースから接
地側主端子Teを, ゲートから制御端子Tcをそれぞれ導出
する。温度補償手段としてのダイオード41は検出抵抗20
とともに検出端子Tdと接地点の間に直列に接続する。な
お、温度補償用ダイオード41は図１のサーミスタ抵抗40
と同様に電力用トランジスタ11用のヒートシンクに取り
付けるのがよい。

【００２２】またこの実施例では、過電流検出手段に簡
単なコンパレータ51を, 保護トランジスタに電界効果ト
ランジスタ31をそれぞれ用いる。コンパレータ51に賦与
する基準値Vrは前の実施例よりダイオード41の順方向電
圧分だけ高く１〜1.5V程度に設定される。検出端子Tdの
電位が基準値Vrを越えたときコンパレータ51から出力さ
れる過電流信号Soにより電界効果トランジスタ31をオン
させるのは前実施例と同様であるが、この実施例ではそ
のオン動作により制御端子Tcを接地して電力用トランジ
スタ11をオフ動作させて過電流を遮断する。

【００２３】次の図２(b) の実施例では電力用トランジ
スタ12はバイポーラトランジスタであり、その電流検出
部12ａから検出端子Tdを, エミッタから接地側主端子Te
を,ベースから制御端子Tcをそれぞれ導出する。この実
施例では、温度補償手段用のダイオード41を電力用トラ
ンジスタ12とともに同じ半導体チップ内に組み込んでそ
れ用の補助端子Taを検出端子Tdと別に導出して検出抵抗
20をそれに接続する。また、過電流検出手段に演算増幅
器52を用いて検出端子Tdの電位の基準値Vrとの比較およ
び増幅動作を行なわせ、保護トランジスタ30に図１と同
じくバイポーラトランジスタを用いる。この実施例の回
路動作は図２(a) と同様であるが、ダイオード41を電力
用トランジスタ11用のチップ内に組み込むことにより温
度補償をより正確にすることができる。

【００２４】

【発明の効果】以上のとおり本発明では、電力用トラン
ジスタの一部の単位構造を電流検出部として検出端子を
導出し、それから検出抵抗と温度依存性が負の温度補償
手段に電流を供給し、検出端子の電位が基準値を越えた
とき過電流検出手段から過電流信号を発生させて保護ト
ランジスタをオン動作させ、電力用トランジスタの制御
端子を制御することにより、次の効果が得られる。

【００２５】(a) 検出抵抗が電流検出部から受ける電流
の正の温度依存性をその少なくとも一部を受ける温度補
償手段にもたせる負の温度依存性により補償して検出端
子の電位の温度係数を減少させることにより、従来は 1
00℃の温度変化に対して30％程度であった過電流値の検
出誤差を10％以下に減少させることができる。 (b) 電力用トランジスタの多数個の単位構造の一部を振
り当てて電流検出部を小形のトランジスタに構成して電
力用トランジスタの電流を電流検出部に正確な分流比で
流すことにより、過電流検出値が電力用トランジスタ製
造時のプロセス条件の変動の影響をほとんど受けないよ
うにすることができる。

【００２６】(c) 過電流検出手段を用いて温度依存性が
ごく少ない検出端子の電位を正確に設定された基準値と
比較した上で過電流信号を発生させ、これに応じて動作
する保護トランジスタに電力用トランジスタを保護させ
るので、過電流保護の精度を一層高めることができる。
なお、温度補償手段をサーミスタ抵抗として検出抵抗と
並列接続する本発明の実施態様は電流検出部による電流
の正の温度依存性を容易かつ正確に補償できる利点があ
り、温度補償手段をダイオードとして検出抵抗と直列接
続する態様では温度補償回路をごく簡単に構成でき、と
くにダイオードを電力用トランジスタのチップ内に組み
込む態様は保護対象との温度差をごく僅かにして保護精
度を一層高め得る利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の過電流保護装置用の温度補償手段にサ
ーミスタ抵抗を用いる実施例を示す回路図である。

【図２】本発明の過電流保護装置の温度補償手段にダイ
オードを用いる実施例を示し、同図(a) は電力用トラン
ジスタに対してダイオードを外付けとする実施例を示す
回路図、同図(b) はダイオードを電力用トランジスタと
同じチップ内に組み込む実施例を示す回路図である。

【図３】従来の過電流保護回路の代表例を示す回路図で
ある。

【図４】従来の過電流保護回路の異なる例を示す回路図
である。

【図５】過電流検出値が温度により変化する様子を示す
図である。

【符号の説明】 １ 電力用トランジスタの負荷 ２ 負荷用電源 10 電力用トランジスタないし絶縁ゲートバイポーラ
トランジスタ 10ａ 電流検出部 11 電力用トランジスタないし電界効果トランジスタ 11ａ 電流検出部 12 電力用トランジスタないしバイポーラトランジス
タ 12ａ 電流検出部 20 検出抵抗 30 保護トランジスタとしてのバイポーラトランジス
タ 31 保護トランジスタとしての電界効果トランジスタ 40 温度補償手段としてのサーミスタ抵抗 41 温度補償手段としてのダイオード 50 過電流検出手段 51 過電流検出手段としてのコンパレータ 52 過電流検出手段としての演算増幅器 Si 制御端子が受ける入力信号 So 過電流信号 Ta ダイオード用の補助端子 Tc 電力用トランジスタの制御端子 Td 電流検出部の検出端子 Te 電力用トランジスタの接地側の主端子 To 電力用トランジスタの負荷側の主端子 Vr 基準値

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】単位構造を複数回繰り返してなる電力用ト
   ランジスタを過電流から保護する装置であって、電力用
   トランジスタの一部の単位構造からなり検出端子が導出
   された電流検出部と、電流検出部から電流を受ける検出
   抵抗と、電流検出部から電流を受けて電流の正の温度依
   存性を補償する負の温度依存性をもつ温度補償手段と、
   検出端子の電位を受けてその値が基準値を越えたときに
   過電流信号を発する過電流検出手段と、過電流信号を受
   けてオン動作して電力用トランジスタの電流を絞るよう
   にその制御端子を制御する保護トランジスタとを備えて
   なることを特徴とする電力用トランジスタの過電流保護
   装置。
2. 【請求項２】請求項１に記載の装置において、温度補償
   手段として抵抗値が負の温度依存性をもつサーミスタ抵
   抗を検出抵抗に対して並列に接続するようにしたことを
   特徴とする電力用トランジスタの過電流保護装置。
3. 【請求項３】請求項１に記載の装置において、温度補償
   手段として順方向の電圧が負の温度依存性をもつダイオ
   ードを検出抵抗に対し直列に接続するようにしたことを
   特徴とする電力用トランジスタの過電流保護装置。
4. 【請求項４】請求項３に記載の装置において、温度補償
   ダイオードを電力用トランジスタとともに同じ半導体チ
   ップに組み込むようにしたことを特徴とする電力用トラ
   ンジスタの過電流保護装置。
5. 【請求項５】請求項１に記載の装置において、過電流検
   出手段としてコンパレータを用いて検出端子の電位値を
   基準値と比較させるようにしたことを特徴とする電力用
   トランジスタの過電流保護装置。
6. 【請求項６】請求項１に記載の装置において、過電流検
   出手段に演算増幅器を用いて検出端子の電位値の基準値
   との比較およびその結果の増幅動作を行なうようにした
   ことを特徴とする電力用トランジスタの過電流保護装
   置。
7. 【請求項７】請求項１に記載の装置において、保護トラ
   ンジスタのオン時に電力用トランジスタがオフ状態にな
   るようにその制御端子を制御するようにしたことを特徴
   とする電力用トランジスタの過電流保護装置。