JP2006311669A - 過電圧保護回路 - Google Patents

Abstract

【課題】過電圧保護回路に使用する部品を小型化することである。
【解決手段】電源ライン間にパルス状の過電圧が印加されると、パルス状の過電圧の電圧変化に比例した電圧がコイルＬ１の両端に誘起される。コイルＬ１の両端に誘起された電圧が所定値を超えると、フォトカプラ１２がオン状態となり、ＭＯＳトランジスタＴＲ２のゲート・ソース間が短絡される。その結果、ＭＯＳトランジスタＴＲ２がオフ状態になり、過電圧から出力側の回路素子を保護できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電源ラインに印加されるパルス状の過電圧から回路部品を保護する過電圧保護回路に関する。

直流電圧をスイチッングして昇圧または降圧した電圧を電源電圧として供給する場合、配線のインダクタンス等により電源ラインに定常値より大きなパルス状の過電圧が重畳されることがある。その過電圧から回路部品を保護するために平滑用のフィルタや過電圧を抑制する保護回路が使用される。

特許文献１には、電池と直列にＦＥＴとコイルを接続し、過電流を検出してＦＥＴをオフ状態にして電池を保護する保護回路について記載されている。
また、特許文献２には、直流電圧安定化部の出力電圧が所定値を超えると、フォトカプラがオンし、電源と直流電圧安定化部との間に挿入されているＦＥＴＱ５がオフ状態となり過電圧が負荷に印加されるので防止することが記載されている。

また、電源ラインにＬＣフィルタを挿入して過電圧を抑制する場合、過電圧が印加されたときにコイルが飽和しないようにするためには、飽和電流値が大きいコイルを使用する必要がある。飽和電流値が大きいコイルは外径寸法も大きくなるのでＬＣフィルタを基板に実装したときに基板の実装部品の高さを低く抑えることが難しいという問題点があった。

特許文献１の発明の保護回路は、電池の出力端子が短絡して過大な電流が流れたとき、あるいは過負荷となったときの電流変動をコイルの電圧に変換する必要があるのでコイルは大電流で飽和しないような大きなインダクタンスを持つ必要がある。そのためコイルを小型化することは難しい。

特許文献２には、親電源と直流電圧安定化部との間にＦＥＴＱ５を挿入し、直流電源安定化部の出力電圧が所定値を超えたときＦＥＴＱ５をオフさせて直流電圧安定化部の主制御半導体素子の破壊を防止することが記載されている。しかしながら、所定値に達するまでの間は非常に大きな電流が流れるので、ＦＥＴＱ５の電流定格を大きくとる必要がある。即ちＦＥＴＱ５の大型化を招く。つまり、特許文献２の発明は、過電圧保護回路の部品の小型化を実現するものではない。
特開平８−２３６１６１号公報 特開２００２―１８６１７４号公報

本発明の課題は、過電圧保護回路に使用する部品を小型化することである。

本発明の過電圧保護回路は、電源ライン間に接続され、電源電圧を平滑する平滑用のキャパシタと、前記電源ラインに直列に接続された半導体スイッチと、前記電源ライン間に印加されるパルス状の電圧の電圧変化が所定値を超えたか否かを検出する過電圧検出回路と、前記過電圧検出回路により前記電源ライン間に印加される前記パルス状の電圧の電圧変化が所定値以下であると検出されたとき前記半導体スイッチをオン状態にし、前記パルス状の電圧の電圧変化が所定値を超えていることが検出されたとき前記半導体スイッチをオフ状態にするバイアス回路とを備える。

この発明によれば電源ライン間に印加されるパルス状の電圧の電圧変化を検出して電源ラインを遮断することで、大きなインダクタンスの平滑用のコイルを使用せずに過電圧から回路部品を保護することができる。

上記の発明の過電圧保護回路において、前記電源ラインに直列に接続されるコイルを有し、前記過電圧検出回路は、前記電源ライン間に印加される前記パルス状の電圧により前記コイルの両端に誘起される電圧が所定値を超えているか否かを検出し、前記バイアス回路は、前記過電圧検出回路により前記コイルの両端に誘起される電圧が所定値を超えていることが検出されたとき前記半導体スイッチをオフ状態にする。

このように構成することでコイルは過電圧を平滑するための大きなインダクタンスを持つ必要がなくなるのでインダクタンスが小さく外径寸法の小さいコイルを使用できる。
上記の発明の過電圧保護回路において、前記過電圧検出回路は、前記電源ライン間に直列に接続された電流検出素子とキャパシタからなり、前記電源ライン間に印加される前記パルス状の電圧により前記キャパシタに流れる充電電流が所定値を超えたか否かを検出し、前記バイアス回路は、前記過電圧検出回路により前記キャパシタの充電電流が所定値を超えたことが検出されたとき前記半導体スイッチをオフ状態にする。

このように構成することでコイルを使用せずに過電圧保護回路を構成できるので過電圧保護回路の部品を小型化できる。
上記の発明の過電圧保護回路において、前記過電圧検出回路は、前記コイルの両端に１次側が接続され、１次側と２次側が絶縁された絶縁型の回路素子を有し、該回路素子により前記コイルの両端に誘起される電圧が所定値を超えたことを検出すると、２次側をオンまたはオフ状態にする。

上記の発明の過電圧保護回路において、前記過電圧検出回路の電流検出素子は、１次側と２次側が絶縁された絶縁型のトランジスタからなり、該絶縁型のトランジスタは前記キャパシタの充電電流が所定値を超えたとき２次側をオンまたはオフ状態にする。

上記のように構成することでパルス状の電圧を検出する１次側とバイアス回路に検出結果を出力する２次側を絶縁できるので、バイアス回路の設計の自由度が高くなる。
上記の発明の過電圧保護回路において、前記コイル及びキャパシタは電源電圧を平滑するための平滑用のフィルタであり、前記コイル、キャパシタ、半導体スイッチ、過電圧検出回路及びバイアス回路は回路基板に実装される。

このように構成することでコイルのインダクタンスを小さくできるので回路基板に実装するコイルの高さを低くすることができる。

本発明によれば、過電圧保護回路に使用する部品を小型化することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態の過電圧保護回路１１の回路図である。
過電圧保護回路１１は、例えば、フォークリフト等のバッテリで駆動される車両において、バッテリの直流電圧を昇圧または降圧した直流の電源電圧が供給される回路基板に実装され、電源ライン間に重畳される過電圧から回路部品を保護するための回路である。

図１において、コイルＬ１は、入力電圧Ｖｉｎ＋が入力される電源ライン（以下、正の電源ラインという）に直列に接続され、そのコイルＬ１と並列にダイオードＤ１が接続されている。ダイオードＤ１はカソードがコイルＬ１の一方の端子ａに接続され、アノードがコイルＬ１の他方の端子ｂに接続されている。

コイルＬ１の端子ａには抵抗Ｒ１が接続され、その抵抗Ｒ１の他端はフォトカプラ１２の１次側の発光ダイオードＤ２のアノードに接続されている。発光ダイオードＤ２のカソードはコイルＬ１の他方の端子ｂに接続されている。フォトカプラ１２の１次側の発光ダイオードＤ２と２次側の受光トランジスタＴＲ１は電気的に絶縁されている。上記のコイルＬ１、ダイオードＤ１、抵抗Ｒ１及びフォトカプラ１２は過電圧検出回路に対応する。

すなわち、電源ライン間にパルス状の過電圧が印加され、コイルに流れる電流が変化し、その電流変化によりコイルＬ１の両端に誘起される電圧が所定値を超えると、発光ダイオードＤ２が発光して２次側の受光トランジスタＴＲ１がオン状態なる。受光トランジスタＴＲ１がオン状態となると、後述するＭＯＳトランジスタＴＲ２のゲート・ソース間が短絡されてＭＯＳトランジスタＴＲ２がオフ状態になり電源ラインが遮断される。

フォトカプラ１２の２次側の受光トランジスタＴＲ１のコレクタは抵抗Ｒ２とＲ３の接続点に接続され、そのエミッタは入力電圧Ｖｉｎ−が入力する電源ライン（以下、接地側の電源ラインという）に接続されている。入力電圧Ｖｉｎ−は、通常は接地電位になっている。

抵抗Ｒ２の他端はダイオードＤ３のカソードに接続され、ダイオードＤ３のアノードはコイルＬ１の端子ｂに接続されている。このダイオードＤ３は、電源ラインが逆の極性に接続された場合に、後述するＭＯＳトランジスタＴＲ２及び有極性のキャパシタＣ１を保護するためのものである。

抵抗Ｒ３の他端はＭＯＳトランジスタＴＲ２のゲートに接続されている。また、トランジスタＴＲ１のコレクタとエミッタと並列にツェナーダイオードＺＤ１が接続されている。ツェナーダイオードＺＤ１は、電源ライン間の電圧の変動に対してＭＯＳトランジスタＴＲ２のゲートに供給する電圧の上限値を抑えるためのものであり、この実施の形態ではツェナー電圧を約１０Ｖ程度に設計してある。

ＭＯＳトランジスタＴＲ２は過電圧が検出されたとき電源ラインを遮断するための半導体スイッチであり、接地側の電源ラインに直列に接続されている。正の電源ラインと接地側の電源ラインとの間に平滑用の有極性のキャパシタＣ１が接続されている。このキャパシタＣ１の両端の電圧Ｖｏｕｔ＋、Ｖｏｕｔ−の差電圧が電源電圧として回路基板の電源回路等に供給される。

次に、以上のような構成の過電圧保護回路１１の動作を説明する。電源ライン間の電圧が所定の範囲内に収まっている場合、つまりパルス状の過電圧が印加されていない場合には、コイルＬ１に流れる電流はあまり変化しないので、コイルＬ１の両端に誘起される電圧Ｌｄｉ／ｄｔ（Ｌ：コイルＬ１のインダクタンス）は０または小さい値となる。

従って、発光ダイオードＤ２には電流がほとんど流れず、２次側の受光トランジスタＴＲ１はオフ状態を維持する。受光トランジスタＴＲ１がオフ状態のとき、抵抗Ｒ２とＲ３の接続点の電圧はツェナーダイオードＺＤ１のツェナー電圧に保たれる。その結果、ＭＯＳトランジスタＴＲ２のゲート・ソース間電圧がしきい値電圧Ｖｔｈ以上となり、ＭＯＳトランジスタＴＲ２はオン状態となり、入力電圧Ｖｉｎ＋がキャパシタＣ１に供給される。

他方、電源ライン間に、図１に示すようなパルス状の過電圧が印加されると、そのパルス状の過電圧によりコイルＬ１に流れる電流が変化し、コイルＬ１の両端にはＬｄｉ／ｄｔで決まる電圧が誘起される。このコイルＬ１の両端に誘起される電圧（以下、この電圧をＶＬという）により抵抗Ｒ１と発光ダイオードＤ２に電流が流れ、発光ダイオードＤ２が発光する。発光ダイオードＤ２が発光すると、フォトカプラ１２の２次側の受光トランジスタＴＲ１がオン状態となり、抵抗Ｒ２とＲ３の接続点の電圧がＭＯＳトランジスタＴＲ２のソースと同電位になる。その結果、ＭＯＳトランジスタＴＲ２のゲート・ソース間電圧がしきい値電圧未満となり、ＭＯＳトランジスタＴＲ２はオフ状態となる。

従って、電源ライン間にパルス状の過電圧が印加されると、ＭＯＳトランジスタＴＲ２がオフ状態となり電源ラインが遮断されるのでキャパシタＣ１の両端にはパルス状の過電圧が印加されないことになる。よって、キャパシタＣ１及び回路基板に実装される電源回路の回路部品等に過電圧が印加されるのを防止できる。

電源ライン間に印加されるパルス状の過電圧の電圧変化が小さくなると、コイルＬ１の両端に誘起される電圧ＶＬも小さくなり、発光ダイオードＤ２に流れる電流が減少する。その結果、発光ダイオードＤ２の発光光量が減少し、あるいは発光しなくなり、２次側の受光トランジスタＴＲ１がオフ状態になる。受光トランジスタＴＲ１がオフ状態になると、抵抗Ｒ２とＲ３の接続点の電圧はツェナーダイオードＺＤ１のツェナー電圧と等しくなり、ＭＯＳトランジスタＴＲ２が再びオン状態となる。これにより入力電圧Ｖｉｎ＋がキャパシタＣ１に印加され、入力電圧Ｖｉｎ＋が出力電圧Ｖｏｕｔ＋として出力される。

上述した第１の実施の形態によれば、コイルＬ１の両端の電圧変化を検出し、電圧変化が所定値を超えた場合に、ＭＯＳトランジスタＴＲ２をオフ状態にすることで過電圧が回路基板に実装された回路部品に印加されるのを防止できる。この第１実施の形態の過電圧保護回路に使用するコイルＬ１は、過電圧により流れるサージ電流を抑制できるような大きなインダクタンスを持つ必要はなく、パルス状の過電圧の電圧変化を検出できる程度の小さいインダクタンスで良い。従って、従来のＬＣフィルタに使用されるコイルに較べてコイルＬ１の外径寸法を小さくできるので、回路基板に実装したときのコイルＬ１の高さを低くでき、コイルの実装面積も減らすことができる。さらに、パルスが最高点に達してから元の電圧に戻るまでは過電圧状態が続くが、遮断した回路を復帰させるまでには回路の遅れ時間（調整可能）があるため、元の電圧（近く）まで下がってこないとオン状態に復帰しない。そのため、回路には過電流も流れず、遮断手段（ＴＲ２）の発熱も抑えることができる。

次に、図２は、本発明の第２の実施の形態の過電圧保護回路２１の回路図である。この第２の実施の形態は、電源ライン間の過電圧を抵抗とフォトカプラとキャパシタにより検出するものである。以下の説明では、図１の回路と同じ部品には同じ符号をつけてそれらの説明は省略する。

図２において、抵抗Ｒ１１の一端は入力電圧Ｖｉｎ＋が入力する正の電源ラインに接続され、抵抗Ｒ１１の他端は抵抗Ｒ１２に接続されている。この抵抗Ｒ１２の他端は、入力電圧Ｖｉｎ−が入力する電源ライン（接地側の電源ライン）に接続されている。

抵抗Ｒ１１とＲ１２の接続点ｃにはダイオードＤ１１のアノードが接続され、そのダイオードＤ１１のカソードは、発光ダイオードＤ２のアノードに接続されている。発光ダイオードＤ２のカソードはキャパシタＣ１２に接続され、キャパシタＣ１２の他端は接地側の電源ラインに接続されている。また、ダイオードＤ１１のアノードにダイオードＤ１２のカソードが接続され、ダイオードＤ１２のアノードが発光ダイオードＤ２のカソードに接続されている。このダイオードＤ１２は、キャパシタＣ１２にチャージされる電荷を抵抗Ｒ１２を介して放電するためのものである。

ダイオードＤ１３のアノードは正の電源ラインに接続され、そのカソードは抵抗Ｒ１３とキャパシタＣ１の正極側の端子に接続されている。抵抗Ｒ１３の他端は抵抗Ｒ１４に接続され、抵抗Ｒ１４の他端はＭＯＳトランジスタＴＲ２のゲートに接続されている。ダイオードＤ１３は、電源ラインが逆に接続された場合に、有極性のキャパシタＣ１に逆電圧が印加されないよう保護するためのものである。上記の抵抗Ｒ１１、フォトカプラ１２等が電流検出素子に対応する。

次に、以上のような構成の第２の実施の形態の過電圧保護回路２１の動作を説明する。電源ライン間の電圧が通常の電圧範囲に収まっているときには、抵抗Ｒ１１とＲ１２で分圧されたｃ点の電圧は大きく変動しないので、キャパシタＣ１２にはほとんど電流が流れない。従って、発光ダイオードＤ２の発光光量は少なく、あるいは発光せず、フォトカプラ１２の２次側の受光トランジスタＴＲ１はオフ状態を維持する。

フォトカプラ１２の２次側がオフ状態のときには、抵抗Ｒ１３とＲ１４の接続点の電圧はツェナーダイオードＺＤ１のツェナー電圧に保たれる。その結果、ＭＯＳトランジスタＴＲ２のゲート・ソース間電圧がしきい値電圧以上となりＭＯＳトランジスタＴＲ２がオン状態となる。これにより、入力電圧Ｖｉｎ＋がキャパシタＣ１に印加される。

他方、電源ライン間にパルス状の過電圧が印加されると、そのパルス状の過電圧によりキャパシタＣ１２を充電する充電電流が流れ、その充電電流により発光ダイオードＤ２が発光する。発光ダイオードＤ２が発光すると、あるいは発光光量が所定値を超えると、フォトカプラ１２の２次側の受光トランジスタＴＲ１がオン状態になり、抵抗Ｒ１３とＲ１４の接続点の電位が接地側の電源ラインの電位とほぼ等しくなる。その結果、ＭＯＳトランジスタＴＲ２のゲート・ソース間電圧がしきい値電圧未満となり、ＭＯＳトランジスタＴＲ２はオフ状態となる。

従って、電源ライン間にパルス状の過電圧が印加され、その過電圧が所定値を超えたことが検出されると、電源ラインがＭＯＳトランジスタＴＲ２により遮断される。これにより、回路基板に実装されるキャパシタＣ１及び電源回路の回路部品を過電圧から保護することができる。

パルス状の過電圧の電圧変化が小さくなり、キャパシタＣ１２に流れる電流が減少すると、発光ダイオードＤ２が発光を停止し、あるいは発光光量が所定値以下となり、フォトカプラ１２の２次側の受光トランジスタＴＲ１がオフ状態となる。その結果、ＭＯＳトランジスタＴＲ２のゲート・ソース間電圧がしきい値電圧以上となり、ＭＯＳトランジスタＴＲ２が再びオン状態となる。

上述した第２の実施の形態によれば、パルス状の過電圧の電圧変化を抵抗Ｒ１１、Ｒ１２、フォトカプラ１２及びキャパシタ１２により検出し、電圧変化が所定値を超えた場合に、ＭＯＳトランジスタをオフ状態にすることで過電圧から回路基板に実装されている部品を保護することができる。また、コイルを使用せずに過電圧保護回路を構成できるので過電圧保護回路の部品を小型化できる。

さらに、パルスが最高点に達してから元の電圧に戻るまでに過電圧状態が続くが、遮断した回路を復帰させるまでには回路の遅れ時間（調整可能）があるため、元の電圧（近く）まで下がってこないとオン状態に復帰しない。そのため、回路には過電流も流れず、遮断手段（ＴＲ２）の発熱も抑えることができる。

次に、図３は、図２のツェナーダイオードＺＤ１の代わりに抵抗Ｒ１５を用いた第３の実施の形態の過電圧保護回路３１の回路図である。以下、図２の回路と異なる部分についてのみ説明する。

抵抗Ｒ１３に直列に抵抗Ｒ１５が接続され、抵抗Ｒ１５の他端は接地側の電源ラインに接続されている。電源ライン間に印加される電源電圧が所定の範囲に収まっている場合には、抵抗Ｒ１３とＲ１５の分圧比で決まる電圧がＭＯＳトランジスタＴＲ２のゲート・ソース間に印加され、ＭＯＳトランジスタＴＲ２がオン状態になる。

電源ライン間にパルス状の過電圧が印加され、フォトカプラ１２の２次側がオン状態になると、抵抗Ｒ１５の両端が接地側の電源ラインに接続され、ＭＯＳトランジスタＴＲ２のゲート・ソース間電圧がほぼゼロになる。その結果、ＭＯＳトランジスタＴＲ２がオフ状態となり、過電圧から回路部品が保護される。

この第３の実施の形態は、上述した第２の実施の形態と同様に、コイルを使用せずに過電圧保護回路を構成できるので過電圧保護回路の部品を小型化できる。さらに、パルスが最高点に達してから元の電圧に戻るまでは過電圧状態が続くが、遮断した回路を復帰させるまでには回路の遅れ時間（調整可能）があるため、元の電圧（近く）まで下がってこないとオン状態に復帰しない。そのため、回路には過電流も流れず、遮断手段（ＴＲ２）の発熱も抑えることができる。

本発明は上述した実施の形態に限らず、例えば、以下のように構成しても良い。
（１）パルス状の過電圧の変化を検出する過電圧検出回路とＭＯＳトランジスタＴＲ２のバイアス回路は必ずしも絶縁する必要はない。
（２）パルス状の過電圧を検出する過電圧検出回路はフォトカプラ１２を用いた回路に限らず、パルストランス等の他の絶縁型の回路素子でも良いし、絶縁型でない回路素子でも良い。
（３）電源ラインを遮断する半導体スイッチはＭＯＳトランジスタに限らず、サイリスタ、バイポーラトランジスタ等でも良い。

第１の実施の形態の過電圧保護回路の回路図である。 第２の実施の形態の過電圧保護回路の回路図である。 第３の実施の形態の過電圧保護回路の回路図である。

符号の説明

１２ フォトカプラ
Ｌ１ コイル
Ｃ１ キャパシタ
Ｄ２ 発光ダイオード
ＴＲ１ 受光トランジスタ
ＴＲ２ ＭＯＳトランジスタ

Claims (6)

1. 電源ライン間に接続され、電源電圧を平滑する平滑用のキャパシタと、
   前記電源ラインに直列に接続された半導体スイッチと、
   前記電源ライン間に印加されるパルス状の電圧の電圧変化が所定値を超えたか否かを検出する過電圧検出回路と、
   前記過電圧検出回路により前記電源ライン間に印加される前記パルス状の電圧の電圧変化が所定値以下であると検出されたとき前記半導体スイッチをオン状態にし、前記パルス状の電圧の電圧変化が所定値を超えていることが検出されたとき前記半導体スイッチをオフ状態にするバイアス回路とを備える過電圧保護回路。
2. 前記電源ラインに直列に接続されるコイルを有し、
   前記過電圧検出回路は、前記電源ライン間に印加される前記パルス状の電圧により前記コイルの両端に誘起される電圧が所定値を超えたか否かを検出し、
   前記バイアス回路は、前記過電圧検出回路により前記コイルの両端に誘起される電圧が所定値を超えていることが検出されたとき前記半導体スイッチをオフ状態にする請求項１記載の過電圧保護回路。
3. 前記過電圧検出回路は、前記電源ライン間に直列に接続された電流検出素子とキャパシタからなり、前記電源ライン間に印加される前記パルス状の電圧により前記キャパシタに流れる充電電流が所定値を超えたか否かを検出し、
   前記バイアス回路は、前記過電圧検出回路により前記キャパシタの充電電流が所定値を超えたことが検出されたとき前記半導体スイッチをオフ状態にする請求項１記載の過電圧保護回路。
4. 前記過電圧検出回路は、前記コイルの両端に１次側が接続され、１次側と２次側が絶縁された絶縁型の回路素子を有し、該回路素子により前記コイルの両端に誘起される電圧が所定値を超えたことを検出すると、２次側をオンまたはオフ状態にする請求項２記載の過電圧保護回路。
5. 前記過電圧検出回路の電流検出素子は、１次側と２次側が絶縁された絶縁型のトランジスタからなり、該絶縁型のトランジスタは前記キャパシタの充電電流が所定値を超えたとき、２次側をオンまたはオフ状態にする請求項３記載の過電圧保護回路。
6. 前記コイル及びキャパシタは電源電圧を平滑するための平滑用のフィルタであり、前記コイル、キャパシタ、半導体スイッチ、過電圧検出回路及びバイアス回路は回路基板に実装される請求項２記載の過電圧保護回路。
   
   

Images