JPS58130726A - パワ−トランジスタの保護回路 - Google Patents

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】 本発明は、トランジスタの制御区間に並列に接続された
保護スイッチと、トランジスタのスイッチング区間に並
列に接続された監視回路とを備え、前記トランジスタお
よび保１スイッチの両制御区間は共通の主端子に接続さ
れ、かつ同一の電流通流方向を待ち、前記保護スイッチ
はトランジスタのスイッチング区間に生じる電圧降下か
ら前記監視回路を介して導出されるスイッチング信号に
よって投入されるようなパワートランジスタ（バイポー
ラ・パワートランジスタまたは電界効果パワートランジ
スタ）２）保護回路に関するものである。

パワートランジスタ、例えばＳＩＰＭＯ８なる商品名で
市販されているような電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）
、の発達は、例えば直流電流調整器、インバータ、チョ
ッパ、あるいは他のスイッチング回路部分など、大容用
のスイッチングをトランジスタ技術で実現することを可
能にしている。

これらの機器内の故障１例えば後置された設備部分、例
えば後置された速度制御される回転磁界型回転な機にお
ける故障（例えば端子短絡）のような故障パルスによっ
て、パワートランジスタに許容限界値を超える電圧や電
流が負荷され、トランジスタの破壊に到ることがあり得
る。

第１図には、ドレ・イン・ソース間電圧１ＪＤ８を」１
昇させていったときのドレイン電流■。の変化を種々の
ゲート・ソース間電圧１工。８をパラメータとして示し
、第２図には、コレクタ・エミッタ間電圧ＵＣＦ、を上
昇させていったと、旭のコレクタ電死重。の変化を種々
のベース電流■８をパラメータとして示しである。これ
らの特性図から推察できることにつながることである。

それ故、トランジスタ保護のために対応する市圧降丁Ｕ
ａ−Ｕ、８ま”たは■Ｊｏ８を検出し、オン状態で過電
流または過電圧がトランジスタのスイッチング区間に加
わろうとするとき、トランジスタをブロックするのに利
用することは可能である。

ここでトランジスタのスイッチング区間とは。

バイポーラトランジスタではコレクタ拳エミッタ区間の
ことであり、ＦＥＴではドレイン・ソース区間のことで
ある。また制御区間というのは、バイポーラトランジス
タではベース・エミッタ区間のことをいい、ＦＥＴでは
ゲート・ソース区間のことをいう。これはサイリスタの
場合のゲート・カソード区間に泪当する。エミッタ、ソ
ース、カソードはそれぞれ対応する半導体素子の制御区
間の主′４Ａ″Ｆを形成する。制御区間の電流通流方向
とは％ｎｐｎ　）ランジスタではベースからエミッタへ
向かう方向であり、ＮチャネルＦＥＴではゲート・ソー
スの方向をいう。これらのトランジスタは正極性の制御
信号（−よってオンし、負碌性の制御信号によってオフ
する。これに対してｐｎｐ　　）ランジスタまたはＰチ
ャネルＦＥＴでは電流通流方向および制’ｌｌＴｌ　１
９号極性はそれぞれ逆になる。それに対応してサイリス
タで言えば制御区間の電流通流方向はゲートからカソー
ドへとい）ことになる。

第３図はｎｐｎ　　）ランジスタＴ１に対する保護回路
を示すものであり、この保護回路はトランジスタＴ１の
スイッチング区間（コレクタ・エミッタ区間ＣＩ−Ｅｌ
）二並列に接続された監視装置と、トランジスタＴ１の
制御区間（ベース・エミッタ区間Ｂｌ−Ｅｌ）に並列に
半ｑ体１宋隻スイッチとして接続された第２のｎｐｎ　
　）ランジスタＴ２とを含んでいる。両トランジスタの
制御区間は共通の主端子に接続されている。すなわち、
両トランジスタはｎｐｎ　　）ランジスタであるから。

両エミッタは集められ、かつ両制御区間が同じ通電方向
を持っていることを意味する。保護スイッチをオンにす
るためにはＩＦ正極性スイッチング信号が必要であり、
その場合、トランジスタＴＩの電圧時Ｆは同じ極性を持
−っているので、監視回路の対応するスイッチング信号
は、二の’ｌｔｊ：／ＩＥ降ドから導き出すことができ
る。

この監視回路においては、投入状態では、すなわチ、ト
ランジスタで１のペースＢｔ　に正の制御電圧Ｕ。が印
加されている場合、電圧降下Ｕ１はこの制御電圧よりも
十分低いという事実が利用される。それ故にＡ点には電
圧時ドＵａよりもダイオードＤのしきい値電圧分だけ高
い電圧が生じる。

この電圧から分圧器ＲＲを介して、第２のトランジスタ
Ｔ２が事実上オフ状態に保たれる程度に低い電圧を取り
出すことができる。

しかし、過「［流により電圧降下Ｕａが大幅に上昇する
と、トランジスタＴ２のペース電圧も上昇するので、そ
れによってトランジスタＴ２がオンし、制御電流をトラ
ンジスタＴＩのペースＢ１から取る。それによりトラン
ジスタＴＩは外部から正の駆動制御１１１号Ｕ８が与え
られているにもかかわらずオフになる。最後に監視回路
は分圧器原理に従い電圧Ｕａの監視により制御信号を形
成し。

その場合、保項スイッチの制御電流は保護すべきトラン
ジスタＴｌの制御回路から取り出される。

しかし、この制御回路は常に負荷されている。というの
は、抵抗Ｒ８，ダイオードＤ、およびトランジスタＴＩ
のスイッチング区間を介して常に電流が流れるからであ
る。

制御回路にかかるこのパワー負荷はしばしば障害の原因
となる。例えば特に電界効１４已トランジスタ１＠至る
ところで使用されるが、そのものでは実用上パワー負荷
のかからない制餌）方式が°枕木される。しかしそれは
第３図の保護回路によっては不可能である。

本発明の目的は、トランジスタの制６１ｉＩ回路に余分
に負荷をかけることなく、トランジスタを過電流または
過電王から保護し得る保護回路を提供することにある。

この目的は本発明によれば、保護すべきトランジスタの
コレクタないしソースど半す体１′ζ１（スイッチの制
御極端子とのＮ；］にココンノンが接続されることによ
って達１戊される。

ここで保護スインｔの機能は第３図の保護回路の場合と
同様であり、したがって保護すべきトランジスタと保護
スイッチの相対位置には何ら変わりがない。しかし監視
装置は別の原理で動作する。

コンデンーナおよび保護スイッチの制御区間はパワート
ランジスタに並列な直列回路として設けられ。

コンデン・すはパワートランジスタから制御すべき電圧
に充電される。いまパワートランジスタのオン状態でそ
の電流が限界の最大値に近づくと、まずその電ｒｆＪ１
’Ｕ、が極めて急激に増大し、コンデンサが半導体スイ
ッチの制御区間を介して再充電される。すなわち、保護
スイッチの制御極端子に電流が急激に流れ、保護スイッ
チがオンする。

コンデンサのキャパシタンスを適当に設計することによ
って常に確実にオンさせ得る十分なトリガ電流を得るこ
とができる。コンデンサに直列に抵抗を接続するのが有
利である。そうすることによってＲＣ回路が形成され、
これは電圧Ｕａに微分するように作用し、保、夏スイッ
チの制御極端子にオン制御電流を与える。その振幅およ
び長さはＲＣ回路の定数設定によって、用いられる’ｔ
’、導体保護スイッチ（二整合させることができる。

半導体保護スイッチの１ｈす御屯圧を安定１じするため
に、その保護スイッチの制御区間に逆並列にツェナーダ
イオードを接続するのがよい。さらに場合によっては並
列に保護用コンデンサを接読することもでき、このコン
デンサは１）ＩＩ述のコンデンサと共に電圧Ｕａに対す
るコンデンサ分圧ｚ４を形成する。このような保護用コ
ンデンサＣＩ＋は第３図の回路にも設けられているが、
これは本定明によリパワートランジスタのドレｒンもし
くはコレクタと半導体保護スイッチの制御極端子どの間
に接続されたコンデンサのｌＸ能とは何の団わりもない
ものである。

以下、第４図および第５図に〒、す実施１リリについて
本発明をさらに詳細に説明する。

保護スイッチの機能にとっては、トランジスタＴｌがオ
ン状態にあり（外部から与えられる制御電圧Ｕ　はそれ
に対応する極性を持っている）。

過電流が生じると、トランジスタＴＩの制御極端子はト
ランジスタをオフ状態に導く極性を持つようなトランジ
スタ主端子と導電的に接続されることが重要である。さ
らに、半導体保護スイッチは。

過電流の際トランジスタ制御区間にががる制御電圧を短
絡するために、前記トランジスタ主端子間の電圧の極性
、およびトランジスタオン動作時に外部から印加されて
いる制御電圧Ｕ８に応じて極性づけられていなければな
らない。

そうすることによって半導体保護回路の状態および電流
通流方向が与えられたトランジスタの導電型に応じて決
定される。さらに監視回路として主としてコンデン・す
が用いられることが考慮されるべきである。そしてその
コンデンサはトランジスタオンの状′虎でトランジスタ
スイッチング区間の電圧Ｕａに充電され、過電流により
電圧Ｕａが上昇するとき（Ｖ護スイッチの制御極端子を
介して再充電されることによってスイッチオン制御電流
を供給する。その結果、半導体スイッチがスイッチン冬
信号によって投入し得る状態になければならない。その
場合のスイッチング（ｌｊ’　６の極性は主端子の極性
に等しい。それにより半導体イラ；護スイッチの導電型
も決定される。

これらの要求は特許請求の範囲第＋　Ｑ’ｉに、１２載
した構成によって満たされる。通常はｎｐｎ　　）ラン
ジスタが用いられるけれども、第４図には説明の便宜上
ｐｎｐ型のパワートランジスタ用の保護回路が示されて
いる。当Ｙ台ならば第３図との比較からｎｐｎ　　）ラ
ンジスタ用の保護回路も容易に構成できる。

第４図においてトランジスタＴＩの弔−〇−１：端子（
エミッタＥｌ　　）は電圧Ｕａの＋Ｅ極に、また第二の
主端子（コレクタＣ１）はその負極にそれぞれ接続され
ている。トランジスタＴ１の制御区間はエミッタＥｌか
ら制ωｌｌ極ｉｉ＋ｉ’Ｆ　（ベースＢ１　　）へと向
かう電流通流方向を持っており、その結果エミッタＥ１
とベースＢ１　との間に保護スイッチＴ２が接続されて
いる。監視装置はコンデンサＣを含んでおり、このコン
デンサＣは保護スイッチ（トランジスタ）Ｔ２の制御極
端子Ｂ２と保護スイッチに接続されていないトランジス
タ主端子（コレクタＣ１）との間に接続され、その充電
電流を電圧Ｕａから取り、第４図に示されている極性で
充電される。過電流が流れることにより電圧が急上昇す
るとコンデンサに付加的に（正の）充電電流が突入する
が、それは保護スイッチＴ２の制御極端モ（ベースＢ２
）に対する（負の）オン制御電流として作用する。そこ
で保護スイッチＴ２はコレクタＣ１の極性のスイッチン
グ信号によって投入されることになる。

トランジスタＴＩは、トランジスタＴ１のオフ制御のた
めに保護スイッチＴ２の投入によって短絡されなければ
ならない負のベース電流によってオン制御されるので、
保護スイッチＴ２の電流通流方向はトランジスタＴＩの
電流通流方向に等しくなければならない。保護スイッチ
としてサイリスタが用いられる場合には、そのカソード
をベースＢｌに接続し、サイリスタは負の点弧′ｌｊｊ
流によって投入するようにしなければならないことにな
る。このようなサイリスタは実際上（ｆ白ニしないので
、以−りのことは制御区間を共＋ｌηの「ｒ’１ｔｔＴ
−に接続するという条件によって除外される。そのため
第４図では半導体保護スイッチとしてｐｎｐ　　）ラン
ジスタＴ２が設けられており、その制御区間を端子（エ
ミッタＥ２）がトランジスタＴｌのエミッタＥ１に接続
されている。

コンデンサＣに直列に抵抗Ｒが接続されている。

ベース・エミッタ区間Ｂ２−Ｅ２に逆並列にツェナーダ
イオード２が借続され、さらにこのツェナーダイオード
Ｚに並列に安定化コンデンサＣＩ＋が接続されている。

かくして両コンデンナｃ、ｃ１１は電圧Ｕａに対するコ
ンデンサ分圧器を形成している。電圧Ｕユが急ｈＪｊＩ
するとそれはＲＣ回路（−よって微分され、保護スイン
？Ｔ２を投入する制御電流を流す。

ｐｎｐ　　トランジスタのエミッタ、ベースおよびコレ
クタをＰチャネルＦＥＴのドレイン、ゲートおよびソー
スに置き換えれば、同様に本発明の保護回路が得られる
。

ｎｐｎ　　）ランジスタまたはＮチャネルＦＥＴを用い
るように変更する場合は（これは一般に有利である）、
第５図にＮチャネルＦＥＴの場合について示しているよ
うにほぼパワートランジスタと保護スイッチ／監視装置
との間の接続点を変更するだけでよい。市販のパワーＰ
ＥＴはゲート・ソース区間（制御区間）にかかるＮチャ
ネルを持っており、電流通流方向とは反対の方向（ソー
ス・ドレイン方向）にダイオード特性を持っている。

その様子を第５図にはパワーＦ’ＥＴ　ＬＴの図記号に
おいて対応する矢印によって示す。第４図の場合とは異
なり、ここでは正のトランジスタ端子Ｄ（ドレイン）つ
；ＲＣ回路に、負のトランジスタ端子Ｓ（ソース）が半
導体スイッチの対応する主端子に接続されている。半導
体スイッチとしては原理的１ニゲートとソース間に接続
したｎｐｎ　　）ランジスタな用いることができる。そ
の場合、そのｎｐｎ　　トランジスタのエミッタ（葭１
象スイッチの制御区間の主端子）は点Ｅを介してトラン
ジスタＬＴのソース端子に接続される。もちろん、保護
スイッチとしてはｎｐｎ　　トランジスタの代１月二Ｎ
チャネルＦＥＴを用いることもできる。しカル、この回
路ではコ／デンナからサイリスタＴ。のｉｌｉ制御極端
子Ｓｔ　　（ゲート）：二与えられる電流カー＋ＩＥ　
ｈ’ｆｉ性を持っているので、半導体スイッチとしては
第５図に示すようにカソードＫをトランジスタのノース
端子Ｓに接続したナイリスタＴｈを１１匹４ることもで
きる。

本発明においては、イラ；護スイツｔの制御ＨＩ　心力
が保護すべきトランジスタの電圧から得られるので。

トランジスタの制御ｉ駆動回路の負＜ＡＥが増えること
がない。トランジスタがオフ状態にあるときは。

コンデンサＣがドレイン、ゲート間もしく番まコレクタ
、ベース間を減結合ｒるので、第、３図σ）回路で必要
な高い阻］Ｅ電圧特性を有するダイオードＤが不要にな
る。このダイオードはトランジスタの全阻止重圧に対応
する１（ｚ圧に対して設計しなければならないので、高
価になるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は上界効果トランジスタのドレイン・ソース間゛
電圧とドレイン電流との関係を示す特性線図、第２図は
バイポーラトランジスタのコレクタ・エミッタ間′「１
圧とコレクタ電流との関係を示す特性線図、第３図は従
来のトランジスタ保護回路の接続図、第４図および第５
図は本発明の異なる実施例を示す接続図である。 ＴＩ・・・バイポーラトランジスタ、　ＬＴ−・電界効
果トランジスタ、　　Ｔ２．Ｔｈ・・・保護スイッチ、
　Ｃ・・・コンデンサ、　Ｒ・・・抵抗、　２・・・ツ
ェナーダイオード、Ｃ１１・・・安定化コンデンサＯ −１：

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）　トランジスタの制御区間に並列に接続された半導
   体保護スイッチと、トランジスタのスイッチング区間に
   並列に接続された監視回路され、かつ同一の電流通流方
   向を持ち、前記半導体保護スイッチはトランジスタのス
   イッチング区間に生じる電圧降下から前記監視回路を介
   して導出されるスイッチング信号によって投入される。 パワートランジスタの保護回路において、トランジスタ
   の半導体保護スイッチに接続されていない方の主端子と
   半導体保護スイン１の制御極・１子との間にコンデンサ
   が接続されていることを特徴とするパワートランジスタ
   の保護回路。 ２、特許請求の範囲第１項記載の保護回路において、コ
   ンデンサに直列に４１（抗が（ト１、ヒされていること
   を特徴とするパワートランジスタの保）＠回路。 ３）特許請求の範囲第１項または第２項記載の保護回路
   において、半導体保護スイッチはサイリスタであること
   を特徴とするパワートランジスタの保護回路。 ４）特許請求の範囲第１項ないし第；３頃のうちのいず
   れかに記載の保護回路において、半導体保護スイッチの
   制御用区間に逆並夕１１にツェナーダイオードが接続さ
   れていることを特徴とするパワートランジスタの保護回
   路。 ５）特許請求の範囲第１項ないし第１偵のうちのいずれ
   かに記載の保護回路において、半導体保護スイッチの側
   副区間に並列に７／デンサが接続されていることを特徴
   とするパワートランジスタの保挽回路。