JPH0736696B2 - 半導体素子の保護回路 - Google Patents
半導体素子の保護回路Info
- Publication number
- JPH0736696B2 JPH0736696B2 JP61124917A JP12491786A JPH0736696B2 JP H0736696 B2 JPH0736696 B2 JP H0736696B2 JP 61124917 A JP61124917 A JP 61124917A JP 12491786 A JP12491786 A JP 12491786A JP H0736696 B2 JPH0736696 B2 JP H0736696B2
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- Japan
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- current
- current limiting
- circuit
- limiting element
- breaker
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Description
【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。
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
点の半導体スイッチが無アーク、無騒音、無保守等の利
点を有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。
は、有接点のスイッチが汎用されているが、近年、無接
点の半導体スイッチが無アーク、無騒音、無保守等の利
点を有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、電気回路に速断ヒューズを挿入
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、かかる速断ヒューズを用いた場合には過電流によっ
て該速断ヒューズが切れた後、回路を復帰させるため
に、新品の速断ヒュ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。
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、かかる速断ヒューズを用いた場合には過電流によっ
て該速断ヒューズが切れた後、回路を復帰させるため
に、新品の速断ヒュ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。
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。
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］ （問題点を解決するための手段） 本発明は、パワー半導体素子と、この半導体素子に直列
に接続されたブレーカおよび一般式（Ｖ１−ＸＡＸ）2O
3［ただし、式中のＡはCr、Al、Scから選ばれる少なく
とも一つの金属、ｘは０≦ｘ≦0.02を示す」にて表わさ
れる組成からなる限流素子とを備えたことを特徴とする
半導体素子の保護回路である。
に接続されたブレーカおよび一般式（Ｖ１−ＸＡＸ）2O
3［ただし、式中のＡはCr、Al、Scから選ばれる少なく
とも一つの金属、ｘは０≦ｘ≦0.02を示す」にて表わさ
れる組成からなる限流素子とを備えたことを特徴とする
半導体素子の保護回路である。
前記一般式にて表わされる組成からなる限流素子は、常
温での抵抗が10-3Ω・cm以下と小さく、かつ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。
温での抵抗が10-3Ω・cm以下と小さく、かつ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
は常温の抵抗値が10〜102Ω・cmと大きく、本発明に係
わる保護回路に組み込まれる限流素子としては適切では
ない。
来よりBaTiO3半導体素子が知られているが、かかる素子
は常温の抵抗値が10〜102Ω・cmと大きく、本発明に係
わる保護回路に組み込まれる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、Al、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、かつｘの値は０≦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0.0005≦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。
する。式中のCr、Al、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、かつｘの値は０≦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0.0005≦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、Ni、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重量％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。
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重量％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、上記組成の限流素子において、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。
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。
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
例えばサイリスタ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を
直列に接続されている。
例えばサイリスタ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を
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。前記一般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、つ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
態に保ことができる。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（I2・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。
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。前記一般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、つ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
態に保ことができる。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（I2・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。
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、速断ヒュ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。
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、速断ヒュ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。
する。
実施例 半導体スイッチ（通電容量;40A、許容電流時間積;I2・
ｔ＝3200A2sec）２、組成が（Ｖ0.997Cr0.003）2O3＋５
％Snからなる限流素子（形状;5mm×5mm×30mm、抵抗；
約10mΩ）３及び市販の高速限流遮断ブレーカ（定格遮
断容量;220V−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。
ｔ＝3200A2sec）２、組成が（Ｖ0.997Cr0.003）2O3＋５
％Snからなる限流素子（形状;5mm×5mm×30mm、抵抗；
約10mΩ）３及び市販の高速限流遮断ブレーカ（定格遮
断容量;220V−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。
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220
V、3.5kA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（I2・ｔ）は8000A2・secで回路に組込んだ半
導体スイッチの許容電流時間積（3200A2・sec）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（I2・ｔ）は1900A2・secで回路に組込んだ半導体
スイッチ２の許容電流時間積（3200A2・sec）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ｂ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により過電流から完全に保護されている
ことが確認された。
V、3.5kA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（I2・ｔ）は8000A2・secで回路に組込んだ半
導体スイッチの許容電流時間積（3200A2・sec）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（I2・ｔ）は1900A2・secで回路に組込んだ半導体
スイッチ２の許容電流時間積（3200A2・sec）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ｂ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により過電流か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。
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。
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。
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。
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。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 飯田 昌史 三重県三重郡朝日町大字縄生2121番地 株 式会社東芝三重工場内 (72)発明者 森 貞明 三重県三重郡朝日町大字縄生2121番地 株 式会社東芝三重工場内 (56)参考文献 特開 昭62−164498（ＪＰ，Ａ)
Claims (1)
- 【請求項１】パワー半導体素子と、この半導体素子に直
列に接続されたブレーカおよび一般式（Ｖ１−ＸＡＸ）
2O3［ただし、式中のＡはCr、Al、Scから選ばれる少な
くとも一つの金属、ｘは０≦ｘ≦0.02を示す」にて表わ
される組成からなる限流素子とを備えたことを特徴とす
る半導体素子の保護回路。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61124917A JPH0736696B2 (ja) | 1986-05-30 | 1986-05-30 | 半導体素子の保護回路 |
| KR1019860011149A KR910001317B1 (ko) | 1985-12-23 | 1986-12-23 | 반도체소자의 보호회로 |
| US07/351,300 US4937696A (en) | 1985-12-23 | 1989-05-11 | Protection circuit for a semiconductor device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61124917A JPH0736696B2 (ja) | 1986-05-30 | 1986-05-30 | 半導体素子の保護回路 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62285659A JPS62285659A (ja) | 1987-12-11 |
| JPH0736696B2 true JPH0736696B2 (ja) | 1995-04-19 |
Family
ID=14897326
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61124917A Expired - Lifetime JPH0736696B2 (ja) | 1985-12-23 | 1986-05-30 | 半導体素子の保護回路 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0736696B2 (ja) |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS62164498A (ja) * | 1986-01-14 | 1987-07-21 | 松下電器産業株式会社 | 衣類乾燥機 |
-
1986
- 1986-05-30 JP JP61124917A patent/JPH0736696B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS62285659A (ja) | 1987-12-11 |
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