JP2006148886A - パワートランジスタの保護 - Google Patents
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Abstract
【課題】 少なくとも部分的に誘導性の負荷の電源を制御するトランジスタを保護するための方法を提供する。
【解決手段】 第1の導電端子及び制御端子の間に、一方向導電素子と直列逆接続で挿入される少なくとも1つのブレイクオーバコンポーネントを有するトランジスタを保護するための回路であって、前記ブレイクオーバコンポーネントと直列の抵抗素子と、前記一方向導電素子の前記トランジスタと対向する端子及び該トランジスタの第2の導電端子の間の、制御可能な電流源とを有する。そして前記電流源は、前記トランジスタにおける電流によって制御されるようにしている。
【選択図】 図2
【解決手段】 第1の導電端子及び制御端子の間に、一方向導電素子と直列逆接続で挿入される少なくとも1つのブレイクオーバコンポーネントを有するトランジスタを保護するための回路であって、前記ブレイクオーバコンポーネントと直列の抵抗素子と、前記一方向導電素子の前記トランジスタと対向する端子及び該トランジスタの第2の導電端子の間の、制御可能な電流源とを有する。そして前記電流源は、前記トランジスタにおける電流によって制御されるようにしている。
【選択図】 図2
Description
本発明は、負荷供給電流が通過するトランジスタの、過電流に対する保護に関する。
本発明の応用例は、少なくとも部分的に誘導性の負荷を制御するために並列に接続されたトランジスタの保護に関する。より具体的には、誘導負荷の減磁の際にトランジスタを保護するための個々の回路の形成に関する。
図1は、供給電力Vbat(例えば、バッテリの電力)が印加される端子1と、電力を供給される負荷Qへ接続される端子2との間に並列に接続されており、負荷Qのもう一方の端が例えばグラウンド3に接続される、いくつかのMOSパワートランジスタM(M1...Mn)のアセンブリの従来例を示す。図1の例では、M1とMnとの2つのトランジスタのみが示される。実際には、並列接続されたトランジスタMの数nは、負荷が必要とする電力と各トランジスタが個々に耐えることのできる電流とによって決定される。
M1からMnの全てのトランジスタは、それら各々が、論理及びレベル調整ブロックB(B1からBn)(例えばチャージポンプ、セットアップ回路等)を介して各制御端子(ゲート)G(G1からGn)上で受信する同一の信号CTRLにより制御される。トランジスタMの各導電端子(ドレイン及びソース)は、端子1及び2に直接接続される。
各トランジスタMは、関与するトランジスタの端子1及びゲートGの間にダイオードD(D1...Dn)及び直列逆接続で挿入されるツェナーダイオードDZ(DZ1...DZn)により形成される保護回路に接続される。
トランジスタM1からMnが信号CTRLによりオンにされるよう制御されている場合、負荷Qに電圧Vbatが供給される。ダイオードDZ1からDZnは逆バイアスされる。ダイオードDZは、それらのしきい電圧が供給電圧より大きいため、導電フェーズにおいては機能を持たない。そのため、信号CTRLがトランジスタMをオンにするためにアクティブなときに、制御信号CTRL及び電圧Vbat間の電圧差がそれら(ダイオードDZ)をアバランシェにすることはない。
トランジスタM1からMnが、信号CTRLの状態切り換えによりオンになるよう制御される場合、従来では電流分布の問題が、パワートランジスタに生じていた。この問題は、減磁現象により、少なくとも部分的に誘導性の負荷の場合に顕著となる。この減磁により、端子2における電圧が端子3(グラウンド)における電圧より低くなるため、端子1及び2の間の電圧差が大きくなる。減磁電流を除去するために、トランジスタM1及びMnはこの電流が消えるまでオンになっていなければならない。これが、減磁電圧、つまり、電力供給時の減磁電流の除去において誘導負荷Qの両端の電圧を設定するダイオードDZ1からDZnの機能である。実際、減磁により端子2の電圧が下げられて、端子1及び2の間の電圧差がダイオードDZのしきい電圧を超えるとき、(トランジスタMのゲート−ソース電圧Vgs及び各順方向バイアスされたダイオードDの電圧低下VDは考慮しない)、これらのダイオードはアバランシェを開始し、対応するトランジスタMをオンにするためにそれらのゲート及びソース間にプラスの電圧を印加する。
制御信号CTRLがアクティブでないときは、減磁電圧Vdemag(負荷Qの両端の電圧)が、以下のように各トランジスタMについて書き込まれる。
Vdemag=Vbat−(VDZ+VD+Vgs)、
ここで、VDZは、ツェナーダイオードDZのしきい電圧を表す。
ここで、VDZは、ツェナーダイオードDZのしきい電圧を表す。
ダイオードDの順方向電圧降下VDは全て(0.6Vのオーダの大きさ)固定されており、同じように、異なるMOSトランジスタの電圧Vgs及びバッテリー電圧Vbatも近似的に固定されている。従って、上記の関係式において、負荷の減磁電圧Vdemagを条件付ける単一のパラメータが、ツェナーダイオードDZのしきい電圧であることが分かる。
よって、ツェナーダイオードDZ1からDZnは、アセンブリ全体について同一の減磁電圧を設定し、全ての分岐に電流を分配するために、全て同一の公称値を有するように選択されている。
図1の回路の問題点は、製造の許容差及び技術的なばらつきにより、トランジスタM1からMnの保護回路の異なるツェナーダイオードDZ1からDZnの各しきい電圧が分岐毎に異なってしまうということである。この問題は、各パワートランジスタMが、その他のトランジスタとは別の回路でその保護回路及びその論理ブロックと接続され、図1に示されるようなアセンブリで並列に接続される場合特に顕著となる。ブロックBの存在により、トランジスタMの全てのゲートの直接配線ができなくなるため、各分岐に1つの保護回路(ダイオードDZ及びD)を提供しなければならなくなる。
実際、最小のしきい電圧を有するツェナーダイオードDZが最初に導通状態になり、よって、減磁電流を除去するために、そのトランジスタにプラスの電圧Vgsを印加しオンになるようにする。その他のトランジスタMは、それらに関連する保護ツェナーダイオードDZのしきい値がより大きいためまだオンではなく、そのため、全ての電流が単一のトランジスタMを介して流れる。よって、トランジスタは全ての電流に耐えるように設計されてはいないので、損傷されてしまう。
本発明は、周知の回路の問題点を回避することを目的とする。
本発明は特に、ツェナー保護ダイオードに技術的なばらつきや製造の許容差があったとしても、誘導負荷の減磁の際に、並列に結合されたいくつかのトランジスタの異なる分岐における電流間のバランスを維持することを目的とする。
これら目的の一部又は全てを達成するために、本発明は、第1の導電端子及び制御端子の間に、一方向導電素子と直列逆接続で挿入される少なくとも1つのブレイクオーバコンポーネントを有するトランジスタを保護するための回路を提供し、その回路は、ブレイクオーバコンポーネントと直列の抵抗素子と、一方向導電素子のトランジスタと対向する端子及び該トランジスタの第2の導電端子の間の、制御可能な電流源とを有する。
本発明の実施形態によると、電流源は、トランジスタにおける電流によって制御される。
本発明の実施形態によると、前記トランジスタの第2の導電端子は、少なくとも部分的に誘導性の負荷に接続されるためのものであり、電流源は、ブレイクオーバコンポーネントにより設定される減磁電圧を低下させるための回路に属する。
本発明の実施形態によると、トランジスタにおける電流がしきい値より大きくなると前記減磁電圧が下げられる。
本発明の実施形態によると、ブレークオーバコンポーネントはツェナーダイオードである。
本発明の実施形態によると、トランジスタはMOSトランジスタである。
本発明はまた、供給電圧が印加される第1の端子及び負荷の第1の端子(2)の間に接続されるいくつかのトランジスタを負荷(Q)に提供するための回路であって、各トランジスタは保護回路と関連する。
本発明の実施形態によると、負荷は少なくとも部分的に誘導性である。
本発明はまた、前記少なくとも部分的に誘導性の負荷を提供するために制御トランジスタを保護する方法であって、その方法は、トランジスタの導電端子及び制御端子の間に接続されるブレイクオーバコンポーネントにより設定される減磁電圧について負荷の減磁電圧を低下させることを含む。
本発明の前述及びその他の目的、特徴、効果は、以下の限定しない具体的な実施形態において、添付図面に関連して詳述される。
異なる図面において、同一の要素は同一の符号により示される。明確にするために、本発明を理解するために必要な要素のみが示され、以下詳述される。具体的には、本発明は並列のトランジスタにより従来どおり制御される負荷と互換性があるため、いくつかの並列のパワートランジスタにより供給される負荷の構造は示されていない。更に、これらパワートランジスタの制御信号の生成は示されておらず、従来のシステムと互換性がある。
本発明は、MOSパワートランジスタへの応用例に関連して、以下に詳述される。しかし、本発明は、より一般的に、例えばバイポーラトランジスタ等、あらゆる性質のトランジスタに応用されることができる。
図2は、本発明によるMOSパワートランジスタ保護回路の実施形態をブロック図で概略的及び部分的に示す。
前述のように、いくつかの(n個の)MOSパワートランジスタM1からMnは、供給電圧Vbat(例えばバッテリのDC電圧)が印加される端子1と、負荷Qの端子の第1導電端子に接続され、もう一方の端が例えばグラウンド3に接続される、端子2との間で並列接続される。
示される実施形態によると、各トランジスタMの制御電極(ゲート)は、抵抗R(R1からRn)及びダイオードD(D1からDn)とツェナーダイオード(DZ1からDZn)の直列結合により端子1に接続される。各ダイオードDZのカソードが端子1に直接接続される一方で、各ダイオードDのカソードはそれが関連するトランジスタMのゲートG(G1からGn)と直接接続される。各ゲートGは従来のブロックB(B1からBn)を介して制御信号CTRLを受信する。他の選択肢として、抵抗RはダイオードDZのカソード及び端子1の間に挿入される。
抵抗Rは、ダイオードDZ及びダイオードDの各アノード間に挿入される。抵抗Rの機能は、ツェナーダイオードDZのしきい電圧を架空的に高めることにより、トランジスタMのソース電圧、つまり負荷の減磁電圧を低下させることである。
ダイオードDのアノードは、制御可能な電流源10により端子2に更に接続される。各ステージの電流源10は、そのステージと関連する回路11により個別に制御され、例示されるように、回路11は、各トランジスタのソースS(S1からSn)と端子2とを接続する抵抗RS(RS1からRSn)により(関連するトランジスタMにおける)主分岐の電流を計測する。
従来の実施形態のように、用いられる異なるツェナーダイオードは、同一の公称しきい電圧を有するよう設定されているが、技術的なばらつき及び/又は製造の許容差によりダイオード毎に実際のしきい電圧が異なることもある。
しかし、ここで、(最小の実際のしきい電圧を有する)第1のツェナーダイオードがアバランシェを開始し、それに関連するトランジスタMをオンにすると、このトランジスタを流れる電流が、回路11を介して対応する電流源10を開始させる。実際には、回路11は、例えばトランジスタMが耐えることのできる最大電流により選択されるしきい値について電流源10をトリガする。(抵抗RSにより計測される)トランジスタMの電流が高いほど、電流源10の電流が高くなる。
電流源10による供給電圧からノード2への電流の分散は、減磁電圧、つまり端子2の電圧を関数的に低下させる。ここで、端子2の電圧を低下させることにより、より高い対応ツェナーダイオードのしきい電圧を有する他の分岐の開始が加速される。よって、単一の分岐が全ての減磁電流を耐えねばならないということが回避される。
第1の段階では、最初に導通状態になるトランジスタMの電流が最大であること、つまり、それは、減磁電流全てを吸収することが分かる。この段階において、ツェナーダイオードDZの電流は、このダイオードが、そのしきい電圧に基づいて提供される公称電流に対応する。しかし、この第1の段階は続かない。電流源10による電流の分散の作用によるノード2での電流の低下のため他の分岐がオンとなり、そのことにより、全ての分岐が第2の段階に置かれる。第2の段階では、ツェナーダイオードの電流が公称値に対応し、また、電流が分岐されてトランジスタMにバランスよく分配される。
他の選択肢として、トランジスタMを流れる電流ではなくトランジスタMの温度が計測されてもよい。
図3は、本発明の実施形態によるパワートランジスタ(ここではMOSトランジスタSM)を含む集積回路20及び保護回路の詳細な例を示す。例えば、集積回路20は、制御信号CTRLを受信するためのブロックBの入力に接続される制御端子23を有し、且つ、いくつかの集積回路20を関連させる並列のアセンブリの端子1及び2にそれぞれ接続されるための2つの導電端子21及び22を有するトリポール(tripole)である。
図3の例において、ダイオードD(図2)の機能は、ダイオードDZのアノードに接続される導電端子を有し、且つ、もう一方の導電端子がトランジスタSMのゲートGに接続される補助トランジスタM’(例えばMOS)により保証される。この例における抵抗Rは、ダイオードDZとトランジスタM’のゲートとの間の抵抗R’により置換され(よってダイオードDZとはまだ直列のままであり)、トランジスタM’を保護する機能を有する補助ツェナーダイオードADZと並列である。ダイオードADZのしきい電圧は、ダイオードDZのしきい電圧より小さい。例えば、30ボルトの大きさのダイオードDZについては、数ボルトの大きさのダイオードADZで十分である。
図3の実施形態において、トランジスタM(図2)と直列の検出抵抗を用いることを避けるために、トランジスタSMを通過する電流のイメージを提供する補助端子25を有する電流計測トランジスタSM(「センスFET」)が用いられる。機能的に、そのようなトランジスタを用いると、端子21とブロック11(図2)の計測入力(端子S)との間に、そのゲートを主トランジスタのゲートに接続した更なるトランジスタ(補助端子25により表される)を接続することが必要になる。
端子25は、計測抵抗RSの第1の端子に接続され、計測抵抗RSのもう一方の端子は主端子22と接続される。抵抗RSの第1の端子は、カレントミラーの第1のトランジスタ26(例えばMOS)に更に接続され、トランジスタ26のもう一方の導電端子は一定の電流I0を受ける。この電流は、詳述される必要の無い従来の外部の電流源からもたらされる。トランジスタ26は、その制御端子(ゲート)を、もう1つのトランジスタ27(例えばMOS)のそれ(制御端子)と、電流I0を受けるその導電端子とに接続させる。トランジスタ27の2つの導電端子は、それぞれ、トランジスタM’のゲート及び端子22にそれぞれ接続される。トランジスタ26、27により形成されるカレントミラーの機能は、抵抗RSにより計測された電流から抵抗RS’により分散された電流を適合させる、制御可能な電流源を形成することである。
アセンブリが、2つ以上の並列の分岐を有するとき、第1の分岐が導通状態になれば、他の分岐が必ずしも同時に導通状態になる必要はない。それらの各導通時間は、それらの各ツェナーダイオードのしきい値によって決定される。しかし、分岐の1つの検出回路がこの分岐の主トランジスタにおいて、その許容されるしきい値(図2に示される回路11又は図3に示される回路11のカレントミラー26、27の構造により設定される)より大きい電流を検出する以上、それは端子2の電圧を低下させもう1つの分岐を開始しようとする。
本発明の利点は、並列に接続されたトランジスタの保護回路のツェナーダイオードのしきい電圧間に生じ得る差を補償することである。
本発明のもう1つの利点は、異なる並列回路が、他の(回路の)構造に自動的に適合するということである。その際、パワートランジスタに接続される各保護回路は、他の分岐と独立して形成されることが注目される。例えば、異なる分岐のトランジスタ毎の大きさが異なれば、それらの保護回路の各開始しきい値も異なる。しかし、保護回路のツェナーダイオードの公称しきい電圧は、全て同じ値を有するように選択されることが好ましい。
もちろん、本発明は、当業者が容易に思いつくことができる様々な改変、変更、改良があるであろう。具体的には、異なる構成要素の大きさはその応用によって決定され、上記提供された機能的な指示に基づいて当業者の技術範囲内である。更に、他の回路でも、その他の分岐のツェナーダイオードがトリガされる点まで減磁電圧のレベルを下げる機能を果たすことができるので、図3に示される電流源以外の電流源でもよい。更に、本発明はMOSトランジスタへの応用に関連して詳述されているが、より一般的に、どんな種類のトランジスタ(特にバイポーラ)にでも応用されることができ、それらを電流制御に変える(バイポーラの場合)ための電圧制御の適合は、当業者の技術範囲内である。
そのような改変、変更、及び改良は、本開示の一部であり、本発明の精神及び範囲内である。よって、上述の説明は例であって限定するものではない。本発明は、請求項及びその均等物によってのみ規定される。
1、2、21、22 導電端子
3 グラウンド
10、27 電流源
20 集積回路
23 制御端子
25 補助端子
11、26 回路
3 グラウンド
10、27 電流源
20 集積回路
23 制御端子
25 補助端子
11、26 回路
Claims (9)
- 第1の導電端子(1;21)及び制御端子(G)の間に、一方向導電素子(D1、Dn;M’)と直列逆接続で挿入される少なくとも1つのブレイクオーバコンポーネント(DZ1、DZn;DZ)を有するトランジスタ(M1、Mn;SM)を保護するための回路であって、
前記ブレイクオーバコンポーネントと直列の抵抗素子(R1、Rn;R’)と、
前記一方向導電素子の前記トランジスタと対向する端子及び該トランジスタの第2の導電端子の間の、制御可能な電流源と
を有することを特徴とする回路。 - 前記電流源(10;27)は、前記トランジスタ(M1、Mn;SM)における電流によって制御されることを特徴とする請求項1に記載の回路。
- 前記トランジスタ(M1、Mn;SM)の第2の導電端子(2;21)は、少なくとも部分的に誘導性の負荷(Q)に接続されるためのものであり、前記電流源(10;27)は、前記ブレイクオーバコンポーネントにより設定される減磁電圧を低下させるための回路(10、11;26、27)に属することを特徴とする請求項1に記載の回路。
- 前記トランジスタ(M1、Mn)における電流がしきい値より大きくなると前記減磁電圧が下げられることを特徴とする請求項1に記載の回路。
- 前記ブレイクオーバコンポーネントはツェナーダイオード(DZ1、DZn;DZ)であることを特徴とする請求項1に記載の回路。
- 前記第1のトランジスタ(M1、Mn;SM)はMOSトランジスタであることを特徴とする請求項1に記載の回路。
- 供給電圧(Vbat)が印加される第1の端子(1)及び前記負荷の第1の端子(2)の間に接続されるいくつかのトランジスタ(M1,Mn)を負荷(Q)に提供するための回路であって、
各トランジスタが請求項1に記載の前記保護回路と関連することを特徴とする回路。 - 前記少なくとも部分的に誘導性の負荷(Q)を提供することを特徴とする請求項7に記載の回路。
- 前記少なくとも部分的に誘導性の負荷(Q)を提供するために制御トランジスタ(M1、Mn;SM)を保護する方法であって、
前記トランジスタの導電端子(1、21)及び制御端子(G1、Gn;G)の間に接続される前記ブレイクオーバコンポーネント(DZ1、DZn;DZ)により設定される減磁電圧について負荷の減磁電圧を低下させることを含むことを特徴とする回路。
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