特開 2022-86574 保護回路

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022086574

(43)【公開日】2022-06-09

(54)【発明の名称】保護回路

(51)【国際特許分類】

   H02H 3/14 20060101AFI20220602BHJP

   H02H 7/00 20060101ALI20220602BHJP

   H03K 17/0812 20060101ALI20220602BHJP

   H03K 17/687 20060101ALI20220602BHJP

【ＦＩ】

H02H3/14

H02H7/00 B

H03K17/0812

H03K17/687 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020198659

(22)【出願日】2020-11-30

(71)【出願人】

【識別番号】000005290

【氏名又は名称】古河電気工業株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】391045897

【氏名又は名称】古河ＡＳ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】特許業務法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】風呂 直樹

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 健太

【テーマコード（参考）】

5G004

5G053

5J055

【Ｆターム（参考）】

5G004AA04

5G004BA05

5G004EA01

5G053AA07

5G053BA04

5G053CA02

5G053EC03

5J055AX32

5J055AX53

5J055BX16

5J055CX13

5J055CX20

5J055DX22

5J055DX61

5J055EY01

5J055EY12

5J055EY13

5J055EY17

5J055GX01

5J055GX02

(57)【要約】

【課題】例えば、スイッチング素子の誤作動を抑制することが可能な、改善された新規な保護回路を得る。
【解決手段】保護回路は、例えば、制御回路からゲートに印加した制御電圧に応じて電源端子と負荷端子との間の電気的な接続と遮断とを切り替える電界効果トランジスタを用いて構成された第一スイッチング素子と、グラウンド端子と電気的に接続された制御電極を有し、グラウンド端子の電位の負荷端子の電位に対する電位差が閾値未満である状態ではゲートと負荷端子との間を電気的に遮断し、電位差が閾値以上である状態ではゲートと負荷端子との間を電気的に接続する第二スイッチング素子と、を備える。第二スイッチング素子は、グラウンド端子の電位が通常のグラウンド電位よりも高くかつ電位差が閾値以上である状態でゲートと負荷端子との間を電気的に接続してもよい。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

制御回路からゲートに印加した制御電圧に応じて電源端子と負荷端子との間の電気的な接続と遮断とを切り替える電界効果トランジスタを用いて構成された第一スイッチング素子と、
グラウンド端子と電気的に接続された制御電極を有し、前記グラウンド端子の電位の前記負荷端子の電位に対する電位差が閾値未満である状態では前記ゲートと前記負荷端子との間を電気的に遮断し、前記電位差が閾値以上である状態では前記ゲートと前記負荷端子との間を電気的に接続する第二スイッチング素子と、
を備えた、保護回路。

【請求項2】

前記第二スイッチング素子は、前記グラウンド端子の電位が通常のグラウンド電位よりも高くかつ前記電位差が閾値以上である状態で前記ゲートと前記負荷端子との間を電気的に接続する、請求項１に記載の保護回路。

【請求項3】

前記第二スイッチング素子は、前記負荷端子の電位が通常のグラウンド電位よりも低くかつ前記電位差が閾値以上である状態で、前記ゲートと前記負荷端子との間を電気的に接続する、請求項１または２に記載の保護回路。

【請求項4】

前記負荷端子と前記グラウンド端子との間に介在したコンデンサを備えた、請求項１～３のうちいずれか一つに記載の保護回路。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、保護回路に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、過電流などの異常が検出された際の検出信号等に応じて負荷と当該負荷に対する電源との間を電気的に遮断するスイッチング素子を備えた保護回路が知られている（例えば、特許文献１～３）。これら特許文献では、スイッチング素子は、電界効果トランジスタを用いて構成されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平４－３７２５１７号公報

【特許文献2】特開２０００－２３６６２１号公報

【特許文献3】特開２０１８－１１４６７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

この種の保護回路では、例えば、何らかの原因によって制御回路のグラウンド電位が上昇し、ゲートドライバの動作停止が停止することで、これにより電界効果トランジスタを用いて構成されたスイッチング素子においてゲート電位が通常時より低下すると、スイッチング素子が高オン抵抗状態でオンとなり、熱破壊に至る虞があった。

【0005】

そこで、本発明の課題の一つは、例えば、スイッチング素子の誤作動を抑制することが可能な、改善された新規な保護回路を得ること、である。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の保護回路は、例えば、制御回路からゲートに印加した制御電圧に応じて電源端子と負荷端子との間の電気的な接続と遮断とを切り替える電界効果トランジスタを用いて構成された第一スイッチング素子と、グラウンド端子と電気的に接続された制御電極を有し、前記グラウンド端子の電位の前記負荷端子の電位に対する電位差が閾値未満である状態では前記ゲートと前記負荷端子との間を電気的に遮断し、前記電位差が閾値以上である状態では前記ゲートと前記負荷端子との間を電気的に接続する第二スイッチング素子と、を備える。

【0007】

前記保護回路にあっては、前記第二スイッチング素子は、前記グラウンド端子の電位が通常のグラウンド電位よりも高くかつ前記電位差が閾値以上である状態で前記ゲートと前記負荷端子との間を電気的に接続してもよい。

【0008】

前記保護回路にあっては、前記第二スイッチング素子は、前記負荷端子の電位が通常のグラウンド電位よりも低くかつ前記電位差が閾値以上である状態で、前記ゲートと前記負荷端子との間を電気的に接続してもよい。

【0009】

前記保護回路は、前記負荷端子と前記グラウンド端子との間に介在したコンデンサを備えてもよい。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、例えば、スイッチング素子の誤作動を抑制することが可能な、改善された新規な保護回路を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】図１は、実施形態の保護回路の例示的なブロック図である。

【図2】図２は、実施形態の保護回路の例示的な回路図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明の例示的な実施形態が開示される。以下に示される実施形態の構成、ならびに当該構成によってもたらされる作用および結果（効果）は、一例である。本発明は、以下の実施形態に開示される構成以外によっても実現可能である。また、本発明によれば、構成によって得られる種々の効果（派生的な効果も含む）のうち少なくとも一つを得ることが可能である。

【0013】

また、本明細書において、序数は、部品や、部材、部位等を区別するために便宜上付与されており、優先度や順番を示すものではない。

【0014】

［実施形態］
図１は、実施形態の保護回路１００の概略構成図である。

【0015】

保護回路１００は、電源２００と負荷３００との間に設けられている。保護回路１００は、負荷３００に対する過負荷を防止する過負荷保護素子１１０を有している。保護回路１００は、例えば、プリント配線基板のような回路基板（不図示）上に実装されている。

【0016】

電源２００は、例えば、直流電源であり、電源電圧は、例えば、１２［Ｖ］や４８［Ｖ］等である。電源２００は、負荷３００に対して電源電力を供給する。なお、Ｇ２は、電源２００のグラウンドである。

【0017】

負荷３００は、一例としては、モータのような、誘導性負荷である。なお、Ｇ３は、負荷３００のグラウンドである。

【0018】

保護回路１００は、電源端子ｔｓと、負荷端子ｔｌと、グラウンド端子ｔｇと、を有している。なお、Ｇ１は、保護回路１００のグラウンドである。

【0019】

電源端子ｔｓは、例えば、保護回路１００が実装された回路基板の端子であり、過負荷保護素子１１０と電源２００との間に設けられている。

【0020】

負荷端子ｔｌは、例えば、保護回路１００が実装された回路基板の端子であり、過負荷保護素子１１０と負荷３００との間に設けられている。

【0021】

グラウンド端子ｔｇは、例えば、保護回路１００が実装された回路基板の端子であり、保護回路１００とグラウンドＧ１との間、具体的には制御回路１２０および対策回路１４０とグラウンドＧ１との間に設けられている。グラウンド端子ｔｇは、保護回路１００や、回路基板上に実装された保護回路１００とは別の回路、回路基板上に実装された保護回路１００に含まれる素子とは別の素子等の間での共通グラウンドとする端子である。共通グラウンドは、一点アースとも称されうる。

【0022】

本明細書では、グラウンド端子ｔｇとグラウンドＧ１とがグラウンド線を介して電気的に接続されている正常状態におけるグラウンド端子ｔｇの電位を、通常のグラウンド電位と称する。

【0023】

保護回路１００は、過負荷保護素子１１０と、制御回路１２０と、サージ対策素子１３０と、を有している。

【0024】

過負荷保護素子１１０は、電源端子ｔｓと負荷端子ｔｌとの間に設けられている。過負荷保護素子１１０は、制御回路１２０からの制御信号に応じて、電源端子ｔｓと負荷端子ｔｌとの間の電気的な接続と遮断とを切り替える。

【0025】

過負荷保護素子１１０は、電界効果トランジスタを用いて構成されている。以下、過負荷保護素子１１０を、トランジスタＴ１（図２参照）と称する。過負荷保護素子１１０、すなわちトランジスタＴ１は、第一スイッチング素子の一例である。

【0026】

制御回路１２０は、センサや検出回路等（不図示）から取得した検出信号に応じて、トランジスタＴ１のオンとオフとを切り替える制御信号を出力する。

【0027】

制御回路１２０は、異常が検出されていない通常状態では、トランジスタＴ１のゲートＴｇ（図２参照）に制御信号としての制御電圧を印加することにより、トランジスタＴ１をオンとする。この状態では、電源端子ｔｓと負荷端子ｔｌとが電気的に接続され、電源２００から負荷３００へ、電源電力が印加される。制御回路１２０は、ゲートドライバとも称されうる。

【0028】

他方、制御回路１２０は、例えば、過熱や、過電流等の異常が検出された異常状態では、ゲートＴｇへの制御電圧の印加を停止することにより、トランジスタＴ１をオフとする。この状態では、電源端子ｔｓと負荷端子ｔｌとが電気的に遮断される。

【0029】

また、サージ対策素子１３０は、負荷３００のサージ電圧によりトランジスタＴ１が故障するのを抑制する。サージ対策素子１３０は、例えば、ツェナーダイオードである。以下、サージ対策素子１３０を、ダイオードＤ１（図２参照）と称する。

【0030】

上述した構成の保護回路１００において、グラウンド端子ｔｇとグラウンドＧ１との間のグラウンド線が断線したり、グラウンド端子ｔｇが当該グラウンド線から外れたりした場合には、グラウンド端子ｔｇの電位は、通常のグラウンド電位よりも上昇する。この場合のグラウンド端子ｔｇの電位は、回路基板上に実装された保護回路１００以外の回路も含む回路の構成や、各部の抵抗値等によって定まる。グラウンド電位が上昇すると、制御回路１２０が動作を停止、もしくは出力電圧が低下し、トランジスタＴ１のゲートＴｇに印加される制御電圧が低下し、これによりトランジスタＴ１が高オン抵抗状態でオンとなり熱破壊に至る虞がある。

【0031】

そこで、本実施形態の保護回路１００は、このようなトランジスタＴ１の誤作動を防止するため、対策回路１４０を有している。

【0032】

図２は、保護回路１００の回路図である。図２に示されるように、対策回路１４０は、トランジスタＴ２と、ダイオードＤ２と、抵抗Ｒ３と、を有している。

【0033】

トランジスタＴ２は、バイポーラトランジスタとして構成されている。トランジスタＴ２のベースＴｂは、グラウンド端子ｔｇと電気的に接続されている。また、トランジスタＴ２のコレクタは、トランジスタＴ１のゲートＴｇと電気的に接続され、トランジスタＴ２のエミッタは、負荷端子ｔｌと電気的に接続されている。トランジスタＴ２は、第二スイッチング素子の一例である。また、ベースＴｂは、制御電極の一例である。

【0034】

なお、トランジスタＴ２は、トランジスタＴ２と当該トランジスタＴ２の動作を安定化するバイアス抵抗とを内蔵した抵抗器内蔵型トランジスタ１４０ａとして構成されている。抵抗器内蔵型トランジスタ１４０ａは、デジタルトランジスタとも称されうる。

【0035】

ダイオードＤ２は、トランジスタＴ２と負荷端子ｔｌとの間に介在している。ダイオードＤ２の順方向は、トランジスタＴ２から負荷端子ｔｌへ向かう方向である。すなわち、ダイオードＤ２は、トランジスタＴ２から負荷端子ｔｌへの電流を許容し、負荷端子ｔｌからトランジスタＴ２への電流を阻止する。

【0036】

抵抗Ｒ１および抵抗Ｒ２は、制御回路１２０とトランジスタＴ１のゲートＴｇとの間に介在している。抵抗Ｒ１および抵抗Ｒ３は、制御回路１２０とトランジスタＴ２のコレクタとの間に介在している。また、抵抗Ｒ２および抵抗Ｒ３は、ゲートＴｇとトランジスタＴ２のコレクタとの間に介在している。これら抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３の大きさは、トランジスタＴ１，Ｔ２が適切に作動するよう、適宜に設定される。

【0037】

このような構成の対策回路１４０にあっては、トランジスタＴ２は、グラウンド端子ｔｇの電位の負荷端子ｔｌの電位に対する電位差が閾値電圧未満である状態では、オフ状態となり、ゲートＴｇと負荷端子ｔｌとを電気的に遮断する。閾値電圧は、トランジスタＴ２のベース－エミッタ間電圧（接合部不飽和電圧）に基づいて定まる。

【0038】

他方、トランジスタＴ２は、グラウンド端子ｔｇの電位の負荷端子ｔｌの電位に対する電位差が閾値電圧以上である状態では、オン状態となり、ゲートＴｇと負荷端子ｔｌとを電気的に接続する。

【0039】

よって、トランジスタＴ２は、例えば、グラウンド端子ｔｇの電位が通常のグラウンド電位よりも高くなり、これにより、グラウンド端子ｔｇの電位の負荷端子ｔｌの電位に対する電位差が閾値以上となった場合に、オン状態となって、ゲートＴｇと負荷端子ｔｌとの間を電気的に接続する。言い換えると、ベース電流Ｉ１が流れ、これによりコレクタ電流Ｉ２が流れる。この場合、ゲートＴｇの電荷を、トランジスタＴ２を介して負荷端子ｔｌに逃がすことができ、これにより、負荷端子ｔｌの電位に対するゲートＴｇの電位の低下によってトランジスタＴ１が高オン抵抗状態でオンとなり熱破壊に至るのを、防ぐことができる。すなわち、対策回路１４０によれば、例えば、グラウンド端子ｔｇとグラウンドＧ１との間のグラウンド線が断線したり、グラウンド端子ｔｇが当該グラウンド線から外れたりしたような場合に、ゲートＴｇのゲートソース間電圧Ｖｇｓをゲート閾値Ｖｔｈ以下に低下させることで、トランジスタＴ１が高オン抵抗状態でオンとなり熱破壊に至るのを抑制することができる。

【0040】

また、保護回路１００では、例えば、トランジスタＴ１を流れる電流の電流値が高い状態で、トランジスタＴ１がオンからオフに切り替わったような場合において、負荷端子ｔｌの電位が通常のグラウンド電位よりも低くなることがある。これを、負荷端子ｔｌにおける負サージと称する。この場合も、グラウンド端子ｔｇの電位の負荷端子ｔｌの電位に対する電位差が閾値以上となった場合には、トランジスタＴ２は、オン状態となり、ゲートＴｇと負荷端子ｔｌとの間を電気的に接続する。言い換えると、ベース電流Ｉ１が流れ、これによりコレクタ電流Ｉ２が流れる。この場合も、ゲートＴｇの電荷を、トランジスタＴ２を介して負荷端子ｔｌに逃がすことができ、これにより、負荷端子ｔｌの電位に対するゲートＴｇの電位の電位差によってトランジスタＴ１が不本意にオン状態となる、もしくは高オン抵抗状態でオンとなり熱破壊に至るのを、抑制することができる。この結果、トランジスタＴ１の不飽和作動によるショート故障を抑制することができる。

【0041】

また、対策回路１４０は、コンデンサＣ１を有している。コンデンサＣ１は、負荷端子ｔｌとグラウンド端子ｔｇとの間に介在するとともに、トランジスタＴ２のエミッタとグラウンド端子ｔｇとの間に介在している。負荷３００が、例えば、モータのような誘導性負荷であるような場合に、仮にコンデンサＣ１が設けられていないとすると、負荷端子ｔｌにおける電位の変動に応じてトランジスタＴ２のエミッタの電位の変動が生じ、トランジスタＴ２の作動が安定化しない虞がある。この点、コンデンサＣ１は、グラウンド端子ｔｇの電位を安定化させることができる。このようなコンデンサＣ１により、トランジスタＴ２の作動をより安定化することができる。

【0042】

以上、本発明の実施形態が例示されたが、上記実施形態は一例であって、発明の範囲を限定することは意図していない。上記実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、組み合わせ、変更を行うことができる。また、各構成や、形状、等のスペック（構造や、種類、方向、型式、大きさ、長さ、幅、厚さ、高さ、数、配置、位置、材質等）は、適宜に変更して実施することができる。

【符号の説明】

【0043】

１００…保護回路
１１０…過負荷保護素子（第一スイッチング素子）
１２０…制御回路
１３０…サージ対策素子
１４０…対策回路
１４０ａ…抵抗器内蔵型トランジスタ
２００…電源
３００…負荷
Ｃ１…コンデンサ
Ｄ１…ダイオード
Ｄ２…ダイオード
Ｇ１…グラウンド
Ｇ２…グラウンド
Ｇ３…グラウンド
Ｉ１…ベース電流
Ｉ２…コレクタ電流
Ｒ１…抵抗
Ｒ２…抵抗
Ｒ３…抵抗
Ｔ１…トランジスタ（第一スイッチング素子）
Ｔ２…トランジスタ（第二スイッチング素子）
Ｔｂ…ベース（制御電極）
Ｔｇ…ゲート
ｔｇ…グラウンド端子
ｔｌ…負荷端子
ｔｓ…電源端子

【図1】

【図2】