JPS62285659A - 半導体素子の保護回路 - 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】 ３、発明の詳細な説明 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、半導体素子の保護回路に関し、特に大電流の
スイッチ素子として使用されるパワー半導体素子におい
て、過電流から該パワー半導体素子を保護するための電
気回路に係わる。

（従来の技術） 大電流が流れる電気回路をオン・オフさせる機器として
は、有接点のスイッチが汎用されているが、近年、無接
点の半導体スーｒツチが無アーク、無騒音、無保守等の
利点を冑することから使用し始められている。かかる半
導体スイッチは、上述した利点を有する反面、過電流（
特に短絡電流等の異常電流）に対して非常に弱い。例え
ば、半導体スイッチを構成しているサイリスタに規定値
以上の電流が流れると、該サイリスタが破壊して常にオ
ン状態になってしまう問題があった。

このようなことから、電気回路に速断ヒユーズを挿入し
、過電流が電気回路に流れた際、回路を遮断して半導体
スイッチを保護することが行われている。しかしながら
、かかる速断ヒユーズを用いた場合には過電流によって
該速断ヒユーズが切れた後、回路を復帰させるために、
新品の速断ヒユーズと交換しなければならず、保守が煩
雑になるという問題があった。また、応答性も必ずしも
満足するものではなく、更に交換によるコスト面でも問
題があった。

一方、有接点のブレーカが一部半導体素子の保護に試み
られている。しかしながら、かかるブレーカは接点を開
くのに機械的動作を伴い、過電流の発生から該ブレーカ
の動作までに時間遅れが生じる。その結果、半導体素子
を保護するのに必要な応答性に関し、充分ではないとい
う問題があった。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明は、上記従来の問題点を解決するためになされた
もので、短絡電流等の過電流が流れても電気回路を迅速
にオフ状態にして半導体スイッチを確実に保護し、しか
も復帰を簡単に行なうことが可能な半導体素子の保護回
路を提供しようとするものである。

［発明の構成コ （問題点を解決するための手段） 本発明は、パワー半導体素子にブレーカ及び限流索子を
直列に組込んだことを特徴とする半導体素子の保護回路
である。

上記限流素子としては、温度上昇に伴って抵抗が急上昇
するセラミックス系のものが好ましい。

具体的には、（Ｖｌ　−Ｘ　ＡＸ　）　２０３　　［但
し、式中のＡはＣ「、Ａｌ２、Ｓｃのうちの少なくとも
一種、ＸはＯ≦Ｘ≦０．０２の範囲の数値を示す］にて
表わされる組成からなる限流素子が挙げられる。

こうした限流素子は、常温での抵抗が１０°３Ω・ａ以
下と小さく、通常の通電時における発熱ロスが小さく、
しかも約１００℃で抵抗が２桁増大し、非常に応答性が
高いという特性を有する。なお、温度上昇に伴って抵抗
が増大する素子としては従来よりＢａＴｉＯ３半導体素
子が知られているが、かかる素子は常温の抵抗が１０〜
１０２Ωαと大きく、本発明の保護回路の限流素子とし
ては適切ではない。

次に、上記一般式の組成からなる限流素子について説明
する。式中のＣｒ、Ａｌ２、Ｓｃは、温度上昇時に抵抗
を増大させる特性（ＰＴＣ特性）を発揮させるのに必要
な元素であり、がっＸの値はＯ≦Ｘ≦０．０２の範囲と
することが必要であり、より好ましい範囲は０．０００
５≦Ｘ≦０．０１５である。Ｘの値が０．０２を越える
と、限流素子は高抵抗状態を保ちＰＴＣ特性を示さなく
なる。

上記組成の限流素子において、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｎ　ｌ　ｓ
　Ｃｏ％Ｓｎを含有させることにより該限流素子の焼結
性を高めることが可能となる。これら金属のうち、少な
くとも一種を２０重量％以下添加することにより前記焼
結性の向上化を図ることができる。即ち、それら金属の
添加量が２０重ｆｆｉ％を越えると、ＰＴＣ倍率の低下
を招く。最も好ましい金属の添加範囲は、２〜１５重量
％である。なお、前記金属の中で特にＳｎは既述した焼
結性の向上の他に、ＰＴＣ特性を向上できるため有効で
ある。

Ｓｎは、１４００〜１６００℃の焼結温度及び焼結雰囲
気において金属として安定で上記式で表わされる金属酸
化物の粒子間に液相として介在し、焼結促進の効果を発
揮できる。また、焼結後の焼結体はＳｎ析出相がＰＴＣ
特性における低抵抗領域の比抵抗を低減し、かつ電流容
量を拡大する効果を有する。更に、Ｓｎを添加した限流
素子はＰＴＣ特性を示す転移温度の変数が少ないという
特徴も有する。

また、上記組成の限流索子において、Ｆｅ。

Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｓｎとは別にＷ又はＭｏを添加する
ことにより焼結体の結晶粒を小さくでき、過電流で急激
に加熱された場合においても充分な耐熱衝撃性を発揮で
きる。

以下、本発明の半導体素子の保護回路を第１図を参照し
て詳細に説明する。

図中の１は負荷、２は該負荷１をオン・オフするための
例えばサイリスクを有する半導体スイッチ、３は前記式
の組成からなる限流素子、４はブレーカであり、前記限
流素子３及びブレーカ４は夫々前記半導体スイッチ２に
直列に接続されている。

（作用） 上記第１図図示の電気回路において、負荷１に異常が生
じ、回路に過電流が流れ始めると、限流素子３が高速に
応答して動作を開始し、過電流を所定値以下に限流する
。前記式にて表わされる組成の限流素子３は、応答性が
極めて高いため１／４サイクル以内に限流効果を発揮す
る。こうした限流素子３のみでの過電流に対する限流を
続行させると、ジュール熱により更に温度が上昇し、抵
抗が減少して小さい値に限流された電流が再び増大する
、いわゆる限流効果がなくなる。しかしながら、該限流
素子３と共にブレーカ４を半導体スイッチ２に直列に接
続することによって、該限流素子３の抵抗が低下し始め
る、っまり限流効果がなくなり始める前に該ブレーカ４
が作動し始め、１／２サイクル以内で回路をオフ状態に
保ことかできる。従って、応答性の高い限流素子３と応
答性の比較的低い１／２サイクル以内で回路を遮断する
ブレーカ４とを組合わせることによって、それらの限流
遮断機能が良好に重畳されるため、過電流が流れた際に
非常に高速で限流して電流時間積（１２・ｔ）を大幅に
低減し、その結果電気回路を迅速にオフ状態にして半導
体スイッチ２を確実に保護できる。このように限流素子
３とブレーカ４の両者が半導体スイッチ２の保護の上で
必要であり、いずれか一方のみを使用しても半導体スイ
ッチ２を効果的に過電流から保護することが困難となる
。なお、ブレーカとして特に接点の解離速度が速い高速
限流遮断ブレーカを用いると、限流素子による限流作用
を一層効果的に発揮させることができる。

また、限流素子３とブレーカ４とを組合わせることによ
って、該ブレーカ４が定格遮断容量以上の電流を遮断で
きるという附随的な効果を達成できる。

更に、限流素子３が常温まで冷却された後、ブレーカ４
を投入することにより迅速に回路を復帰させることがで
き、速断ヒユーズを用いる従来の保護回路に比べて操作
性を向上できる。

（発明の実施例） 以下、本発明の実施例を前述した第１図を参照して説明
する。

実施例 半導体スイッチ（通電界Ｑ　；　４ＯＡ、許容電流時間
積；　Ｉ２・ｔ　＝３２０ＯＡ２ｓｅｃ　）　２、組成
が（Ｖ　　　　　　　ｅｒ Ｏ，９９７０，００３）２０３　＋”％Ｓｎからなる限
流素子（形状；　５Ｊ！ＩＩＸ　５ｍＸ３０ｍａ＋、抵
抗；約１０ｎΩ）３及び市販の高速限流遮断ブレーカ（
定格遮断容量；２２０　Ｖ−２，５ｋＡ）　４を夫々第
１図に示すように負荷１に対して組込んで電気回路を構
成した。

比較例 限流素子を除いた以外、上記実施例と同様な構成（高速
限流遮断ブレーカのみを組込んだ）電気回路を構成した
。

しかして、本実施例及び比較例の電気回路について２２
０　Ｖ、　３．５　ｋＡの短絡条件（第２図中のａに示
す推定短絡電流波形）で短絡試験を行なった。

その結果、比較例の電気回路では同第２図中のＣに示す
遮断電流波形となり、電流時間積（１２・ｔ）は８００
０Ａ　２　・ｓｅｅで回路に組込んだ半導体゛スイッチ
の許容電流時間積（３２００Ａ　２　・ｓｅｅ　）を大
幅に上回った。試験後に比較例の半導体スイッチを調べ
たところ、オン状態を示したままで破損していることが
確認された。これに対し、本実施例の電気回路では同第
２図中のｂに示す限流された遮断電流波形となり、電流
時間積（１２・ｔ）は１９００Ａ　２　・ｓｅｅで回路
に組込んだ半導体スイッチ２の許容電流時間積（３２０
０Ａ　２　・ｓｅｅ　）を充分に下回るものであった。

つまり、本実施例ではその遮断電流波形すと比較例の遮
断電流波形Ｃとの差（図中の斜線部）が限流素子３によ
る限流効果であることがわかる。試験後に本実施例の半
導体スイッチ２を調べたところ、損傷がなく健全であっ
た。また、本実施例の電気回路について短絡試験を繰返
し１０回行なったが、半導体スイッチ２の異常は全く認
められず、限流素子３及び高速限流遮断ブレーカ４によ
り過電流がら完全に保護されていることが確認された。

なお、上記実施例ではパワー半導体素子として半導体ス
イッチを例にして説明したが、半導体整流素子等の保護
にも同様に適用できるものである。

［発明の効果］ 以上詳述した如く、本発明によれば短絡電流等の過電流
が流れても電気回路を迅速にオフ状態にしてパワー半導
体素子を確実に保護し、しかも回路復帰を容易に行なう
ことが可能な半導体素子の保護回路を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の電気回路を示す説明図、第２図は本実
施例及び比較例の電気回路における短絡電流試験時の電
流を示す波形図である。 １・・・負荷、２・・・半導体スイッチ、３・・・限流
素子、４・・・ブレーカ、ａ・・・推定短絡電流波形、
ｂ・・・本実施例の電気回路の遮断電流波形、Ｃ・・・
ブレーカのみを組込んだ比較例の電気回路の遮断電流波
形。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第１図 第２図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）、パワー半導体素子にブレーカ及び限流素子を直
   列に組込んだことを特徴とする半導体素子の保護回路。
2. （２）、限流素子は、温度上昇に伴って抵抗が急上昇す
   るセラミックス系のものであることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の半導体素子の保護回路。
3. （３）、限流素子は、（Ｖ＿１＿−＿ｘＡｘ）＿２Ｏ＿
   ３［但し、式中のＡはＣｒ、Ａｌ、Ｓｃのうちの少なく
   とも一種、ｘは０≦Ｘ≦０．０２の範囲の数値を示す］
   にて表わされる組成からなることを特徴とする特許請求
   の範囲第２項記載の半導体素子の保護回路。