JP6048164B2 - 過電流保護回路 - Google Patents

Description

本発明は、ＩＧＢＴの過電流保護回路に関するものである。

従来、例えば特許文献１に示されるように、ＩＧＢＴの短絡保護回路が提案されている。この短絡保護回路は、ＩＧＢＴを駆動するためのゲート駆動回路とＩＧＢＴのコレクタ端子との間に、コレクタ側にカソード電極が接続されたダイオードを有する。また、短絡保護回路は、ダイオードのアノード側の電圧を検出する検出回路と，検出回路の検出値が所定値以上となった場合にＩＧＢＴを強制的にオフさせる遮断回路と、を有する。

特開２０１０−２８８４１６号公報

上記したように、特許文献１に示されるＩＧＢＴの短絡保護回路では、ＩＧＢＴのコレクタ電圧を、ダイオードを介して検出している。そのため、検出される値は、コレクタ電圧から、ダイオードの順方向電圧Ｖｆを減算した値となる。ところで、Ｖｆ（室温で０．７Ｖ程度）の値は、ダイオードの温度特性及び製造ばらつきのために、０．５Ｖオーダーで誤差がある。そのため、ダイオードを介して検出されるコレクタ電圧も、０．５Ｖオーダーで誤差があり、高精度にＩＧＢＴを制御することができず、ＩＧＢＴの耐量を過大に取る必要があるためチップサイズが増大し、コストが高くなる課題があった。

そこで、本発明は上記問題点に鑑み、ＩＧＢＴを高精度に保護する過電流保護回路を提供することを目的とする。

上記した目的を達成するために、本発明は、ＩＧＢＴ（１０）の過電流保護回路であって、ＩＧＢＴの駆動回路（５０）と、ＩＧＢＴに印加される電圧が、駆動回路に直接印加されることを防止する電圧保護素子（３０）と、を有し、電圧保護素子は、ＩＧＢＴのコレクタ端子と駆動回路との間に設けられたＭＯＳＦＥＴであり、駆動回路は、オン状態における電圧保護素子を介したＩＧＢＴのコレクタ電圧が、所定値よりも大きい場合、ＩＧＢＴを遮断することを特徴とする。

このように本発明によれば、ＩＧＢＴ（１０）のコレクタ電圧が、ＭＯＳＦＥＴである電圧保護素子（３０）を介して検出される。そのため、検出される値は、コレクタ電圧から、ＭＯＳＦＥＴのオン抵抗分だけ電圧降下した値となるが、オン抵抗による電圧降下はダイオードＶｆと比較して極めて小さいため、その誤差は、０．００１Ｖ程度のオーダーである。そのため、本発明に記載の構成は、ダイオードを介して検出されるコレクタ電圧（０．５Ｖオーダーの誤差があるコレクタ電圧）に基づいて、ＩＧＢＴ（１０）を制御する構成と比べて、高精度にＩＧＢＴ（１０）を保護することができる。また、ＩＧＢＴ（１０）の耐量を過大に取る必要がなくなるので、ＩＧＢＴ（１０）のチップサイズを低減でき、コストの増大が抑制される。

第１実施形態に係る過電流保護回路の概略構成を示す回路図である。 過電流保護回路の変形例を示す回路図である。 過電流保護回路の変形例を示す回路図である。 過電流保護回路の変形例を示す回路図である。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１に基づいて、本実施形態に係る過電流保護回路を説明する。過電流保護回路１００は、ＩＧＢＴ１０に過電流が流れることを防止するものであり、電圧保護素子３０と、駆動回路５０と、を有する。図１に示すように、駆動回路５０は、電圧保護素子３０を介してＩＧＢＴ１０のコレクタ電圧を検出している。駆動回路５０は、ＩＧＢＴ１０がオン状態のときに、コレクタ電圧が所定値（後述する過電流閾値電圧）より大きいと、ＩＧＢＴ１０に過電流が流れている状態（過電流通電状態）と判断して、ＩＧＢＴ１０を遮断する。なお、ＩＧＢＴ１０には、還流ダイオード１１が逆並列接続されている。

電圧保護素子３０は、ＩＧＢＴ１０に印加される高電圧が、駆動回路５０に直接印加されることを防止するものである。電圧保護素子３０は、Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴであり、ＩＧＢＴ１０のコレクタ端子と駆動回路５０との間に設けられている。詳しく言えば、電圧保護素子３０のゲート電極が電源７０に接続され、ドレイン端子がＩＧＢＴ１０のコレクタ端子に接続されている。そして、電圧保護素子３０のソース端子が、抵抗７１を介して電源７０にプルアップ接続されている。これにより、ＩＧＢＴ１０のコレクタ電圧（コレクターエミッタ間電圧）が、電源７０の電圧から電圧保護素子３０の閾値を減算した値よりも低い場合、ゲート電極とソース端子との電圧差がゲート閾値電圧以上となるので、電圧保護素子３０は、オン状態となる。逆に言えば、ＩＧＢＴ１０のコレクタ電圧が、電源７０の電圧から電圧保護素子３０のゲート閾値電圧を減算した値よりも高い場合、電圧保護素子３０は、オフ状態になる。電圧保護素子３０がオフ状態になると、駆動回路５０に印可される電圧が、電源７０の電圧以下になる。なお、電圧保護素子３０には、寄生ダイオード３１が逆並列接続されている。

駆動回路５０は、駆動指令信号、及び、電圧保護素子３０を介したＩＧＢＴ１０のコレクタ電圧（以下、単にコレクタ電圧と示す）に基づいて、ＩＧＢＴ１０の駆動を制御するものである。駆動回路５０は、過電流閾値電圧を生成する電圧生成部５１と、コレクタ電圧と過電流閾値電圧とを比較する比較部５２と、比較部５２の出力信号に基づいて、ＩＧＢＴ１０に駆動信号を出力する信号生成部５３と、を有する。

信号生成部５３は、ＩＧＢＴ１０のゲート電極を駆動し、オン、オフ状態を制御するものである。信号生成部５３は、比較部５２で、ＩＧＢＴ１０に過電流が通電されていないと判断した場合、ＩＧＢＴ１０へ通電の駆動信号を出力する。これとは異なり、比較部５２で、ＩＧＢＴ１０に過電流が通電されていると判断した場合、信号生成部５３は、ＩＧＢＴ１０を強制的に遮断してオフ状態にする。

次に、本実施形態に係る過電流保護回路１００の作用効果を説明する。上記したように、ＩＧＢＴ１０のコレクタ電圧が、ＭＯＳＦＥＴである電圧保護素子１０を介して検出される。そのため、検出される値は、ＩＧＢＴ１０のコレクタ電圧から、ＭＯＳＦＥＴのオン抵抗分だけ電圧降下した値となるが、オン抵抗による電圧降下はダイオードＶｆと比較して極めて小さいため、その誤差は、０．００１Ｖ程度のオーダーである。そのため、本実施形態に記載の構成は、ダイオードを介して検出されるコレクタ電圧（０．５Ｖオーダーの誤差があるコレクタ電圧）に基づいて、ＩＧＢＴ１０を制御する構成と比べて、高精度にＩＧＢＴ１０を保護することができる。また、ＩＧＢＴ１０の耐量を過大に取る必要がなくなるので、ＩＧＢＴ１０のチップサイズを低減でき、コストの増大が抑制される。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。

本実施形態では、電圧保護素子３０のソース端子が、抵抗７１を介して電源７０に接続され、ソース端子が駆動回路５０に接続された例を示した。しかしながら、図２に示すように、電圧保護素子３０のソース端子が、２つの抵抗７１，７２を介して電源７０に接続され、直列接続された２つの抵抗７１，７２の中点が駆動回路５０に接続された構成を採用することができる。これによれば、還流ダイオード１１に電流が流れ、ＩＧＢＴ１０のコレクタ電圧が、グランドよりも低くなった（負になった）としても、比較部５２に入力される電圧（２つの抵抗７１，７２の中点電圧）が、グランドよりも高くなる。そのため、ＩＧＢＴ１０のコレクタ電圧が負になったとしても、比較部５２で、還流ダイオード１１の通電状態を判定して、ＩＧＢＴ１０の駆動状態を制御することができる。抵抗７１，７２それぞれの抵抗値は、電圧保護素子３０のオン抵抗よりも高い値となっている。

本実施形態では、駆動回路５０が、電圧生成部５１と比較部５２を有する例を示した。しかしながら、図３に示すように、駆動回路５０が、電圧生成部５１と比較部５２に代えて、ツェナーダイオード５５と、抵抗５６，５７と、スイッチ５８と、を有する構成を採用することもできる。スイッチ５８は、電圧保護素子３０を介した電圧によって開閉される。コレクタ電圧が、降伏電圧以下の場合、スイッチ５８がオフ状態になり、降伏電圧よりも大きい場合、スイッチ５８がオン状態になる。

ＩＧＢＴ１０のゲート電極と信号生成部５１の出力端子とを接続する出力配線５４に抵抗５７が設けられ、抵抗５７とＩＧＢＴ１０のゲート電極との間の中点とグランドとを接続する第１グランド配線５９に、Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴであるスイッチ５８が設けられている。そして、電圧保護素子３０のソース端子とグランドとを接続する第２グランド配線６０に、ツェナーダイオード５５と抵抗５６が直列接続され、ツェナーダイオード５５のカソード電極が、電圧保護素子３０の一端（ソース端子）に接続されている。また、ツェナーダイオード５５のアノード電極が、抵抗５６及びスイッチ５８の制御電極に接続されている。これにより、コレクタ電圧が、降伏電圧以下の場合、スイッチ５８はオフ状態であるが、ツェナーダイオード５５の降伏電圧を超えると、スイッチ５８がオン状態に移行する。そして、ＩＧＢＴ１０のゲート電極とエミッタ端子が短絡されて、オフ状態になる。以上示したように、この変形例では、ツェナーダイオード５５の降伏電圧が、本実施形態に記載の過電流閾値電圧としての機能を果たす。

上記したように、本実施形態では、電圧保護素子３０のゲート端子を電源７０に接続した例を示した。このとき、電圧保護素子３０は、コレクタ電圧が電源７０の電圧から電圧保護素子３０のゲート閾値電圧を減算した値よりも高くなることでオフされる。しかしながら、図４に示すように、電圧保護素子３０のゲート電極が、バッファ６１を介して出力配線５４に電気的に接続された構成とすることで、ＩＧＢＴ１０がオフ状態のときに、電圧保護素子３０をオフするようそのゲート電極を制御することもできる。この構成は、確実に電圧保護素子３０のオフ状態を維持することができ、電圧保護素子３０の誤動作（誤オン）による駆動回路５０への高電圧印可を防止できる。

本実施形態では、特に、電圧保護素子３０の耐圧について言及しなかった。しかしながら、電圧保護素子３０の故障を抑制するために、電圧保護素子３０の降伏電圧を、ＩＧＢＴ１０よりも高く設定してもよい。

本実施形態では、特に、電圧保護素子３０とＩＧＢＴ１０が形成されるチップについて言及しなかった。しかしながら、電圧保護素子３０とＩＧＢＴ１０とを同一のチップに形成してもよいし、別のチップに形成してもよい。更に言えば、過電流保護回路１００とＩＧＢＴ１０とを同一のチップに形成してもよいし、別のチップに形成してもよい。

１０・・・ＩＧＢＴ
３０・・・電圧保護素子
５０・・・駆動回路
１００・・・過電流保護回路

Claims (7)

1. ＩＧＢＴ（１０）の過電流保護回路であって、
   前記ＩＧＢＴの駆動回路（５０）と、
   前記ＩＧＢＴに印加される電圧が、前記駆動回路に直接印加されることを防止する電圧保護素子（３０）と、を有し、
   前記電圧保護素子は、前記ＩＧＢＴのコレクタ端子と前記駆動回路との間に設けられたＭＯＳＦＥＴであり、
   前記駆動回路は、オン状態における前記電圧保護素子を介した前記ＩＧＢＴのコレクタ電圧が、所定値よりも大きい場合、前記ＩＧＢＴを遮断することを特徴とする過電流保護回路。
2. 前記駆動回路は、前記電圧保護素子を介した電圧によって開閉されるスイッチ（５８）と、前記ＩＧＢＴに駆動信号を出力する信号生成部（５３）と、を有し、
   前記ＩＧＢＴのゲート電極と前記信号生成部の出力端子とを接続する出力配線（５４）とグランドとを接続する第１グランド配線（５９）に、前記スイッチが設けられており、
   前記駆動回路は、前記電圧保護素子と前記ＩＧＢＴのエミッタ端子の間に直列接続されたツェナーダイオード（５５）と抵抗（５６）を有し、
   前記ツェナーダイオードのカソード電極が、前記電圧保護素子の一端に接続され、
   前記ツェナーダイオードのアノード電極が、前記抵抗の一端に接続され、
   前記ツェナーダイオードと前記抵抗との間の中点が、前記スイッチの制御電極に接続されており、
   前記所定値が、前記ツェナーダイオードの降伏電圧であり、
   オン状態における前記電圧保護素子を介した前記ＩＧＢＴのコレクタ電圧が、前記降伏電圧以下の場合、前記スイッチがオフ状態になり、前記降伏電圧よりも大きい場合、前記スイッチがオン状態になることを特徴とする請求項１に記載の過電流保護回路。
3. 前記電圧保護素子は、Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴであり、
   前記電圧保護素子のゲート電極が電源（７０）に接続され、ドレイン端子が前記ＩＧＢＴのコレクタ端子に接続され、ソース端子が抵抗（７１）を介して電源に接続されており、
   前記ソース端子が前記駆動回路に接続されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の過電流保護回路。
4. 前記電圧保護素子は、Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴであり、
   前記電圧保護素子のゲート電極が電源（７０）に接続され、ドレイン端子が前記ＩＧＢＴのコレクタ端子に接続され、ソース端子が直列接続された２つの抵抗（７１，７２）を介して前記電源に接続されており、
   直列接続された２つの前記抵抗の中点が前記駆動回路に接続されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の過電流保護回路。
5. 前記電圧保護素子は、Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴであり、
   前記ＩＧＢＴがオフ状態であれば、前記電圧保護素子のゲート電極を制御してオフ状態とすることを特徴とする請求項１〜４いずれか１項に記載の過電流保護回路。
6. 前記電圧保護素子の降伏電圧が、前記ＩＧＢＴの降伏電圧よりも高いことを特徴とする請求項１〜５いずれか１項に記載の過電流保護回路。
7. 前記電圧保護素子と、前記ＩＧＢＴが同一のチップに形成されていることを特徴とする請求項１〜６いずれか１項に記載の過電流保護回路。

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