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公開番号2025138105
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-09-25
出願番号2024036943
出願日2024-03-11
発明の名称過電圧保護回路および半導体装置
出願人富士電機株式会社
代理人弁理士法人扶桑国際特許事務所
主分類H02H 9/04 20060101AFI20250917BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】過電圧に対する段階的な保護を行って回路素子の破壊を防止する。
【解決手段】過電圧保護回路1は、過電圧検出回路1a、抵抗値選択回路1bおよびクランプ回路1cを有する。クランプ回路1cは、複数の抵抗値v1、v2、v3、・・・を有する抵抗器1c1と、トランジスタ1c2とを備えて、電圧Vinを定常状態の範囲にある所定電圧にクランプする。過電圧検出回路1aは、電源端子VCCに印加される電圧Vinが過電圧の状態にあるか否かを検出する。抵抗値選択回路1bは、過電圧の状態に応じて、複数の抵抗値のうちから所定の抵抗値を選択する。トランジスタ1c2は、選択された所定の抵抗値にもとづいて流れる駆動電流によりオンして、電源端子VCCと接地端子との間に電流経路を形成して電源端子VCCから電流を引き抜く。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
電源端子に印加される電圧が過電圧の状態にあるか否かを検出する過電圧検出回路と、
前記過電圧の状態に応じて複数の抵抗値のうちから所定の抵抗値を選択する抵抗値選択回路と、
前記複数の抵抗値を有する抵抗器と、選択された前記所定の抵抗値にもとづいて流れる駆動電流によりオンして前記電源端子と接地端子との間に電流経路を形成して前記電源端子から電流を引き抜くトランジスタと、を備えて前記電圧をクランプするクランプ回路と、
を有する過電圧保護回路。
続きを表示（約 3,700 文字）【請求項２】
前記過電圧検出回路は、前記電圧の大きさに応じて前記過電圧の複数の状態を検出し、前記抵抗値選択回路は、前記電圧が大きくなるにつれて、選択する前記所定の抵抗値を大きくする、請求項１記載の過電圧保護回路。
【請求項３】
前記過電圧検出回路は、前記電圧が第１の電圧値以上でありかつ第２の電圧値未満である第１の過電圧状態を検出し、前記電圧が前記第２の電圧値以上である第２の過電圧状態を検出する、請求項２記載の過電圧保護回路。
【請求項４】
前記抵抗器は、ポリイミドの材質を有し、前記クランプ回路は、前記抵抗器の第１の端部に逆直列に接続されたツェナーダイオードをさらに備え、
前記抵抗値選択回路は、
前記第１の過電圧状態が検出された場合に、前記第１の端部と、前記トランジスタのベースに接続される前記抵抗器の第２の端部との間に位置する所定ポイントに電流を流して、前記抵抗器の前記所定ポイントから前記第２の端部の間に形成される第１の抵抗値を選択し、
前記第２の過電圧状態が検出された場合に、前記第１の端部に電流を流して、前記抵抗器の前記第１の端部から前記第２の端部の間に形成される、前記第１の抵抗値よりも大きい第２の抵抗値を選択する、
請求項３記載の過電圧保護回路。
【請求項５】
前記トランジスタのコレクタは、前記電源端子に接続され、前記トランジスタのエミッタは、前記接地端子に接続され、
前記トランジスタは、
前記第１の過電圧状態のときに前記ツェナーダイオードが導通することで前記第１の抵抗値を有する前記抵抗器に流れる第１の駆動電流によりオンして前記電流経路を形成して第１の電流を引き抜き、
前記第２の過電圧状態のときに前記ツェナーダイオードが導通することで前記第２の抵抗値を有する前記抵抗器に流れる、前記第１の駆動電流よりも小さな第２の駆動電流によりオンして前記電流経路を形成して前記第１の電流よりも電流量が少ない第２の電流を引き抜く、
請求項４記載の過電圧保護回路。
【請求項６】
前記過電圧検出回路は、第１のコンパレータ、第１の分圧抵抗、第２の分圧抵抗、第１の基準電圧源、第２のコンパレータ、第３の分圧抵抗、第４の分圧抵抗、第２の基準電圧源、２入力１出力の論理積素子、およびインバータ素子を含み、
前記抵抗値選択回路は、第１のトランジスタおよび第１のベース抵抗を含む第１の抵抗値選択回路と、第２のトランジスタおよび第２のベース抵抗を含む第２の抵抗値選択回路とを備え、
前記第１のコンパレータの第１の非反転入力端子には、前記第１の分圧抵抗と前記第２の分圧抵抗で前記電圧が分圧された第１の電圧が入力し、前記第１のコンパレータの反転入力端子には、前記第１の基準電圧源から出力される第１の基準電圧が入力し、
前記第２のコンパレータの非反転入力端子には、前記第３の分圧抵抗と前記第４の分圧抵抗で前記電圧が分圧された第２の電圧が入力し、前記第２のコンパレータの反転入力端子には、前記第２の基準電圧源から出力される第２の基準電圧が入力し、
前記第１のトランジスタのコレクタと前記第２のトランジスタのコレクタは、前記電源端子に接続され、
前記第１のコンパレータの出力端子は、前記論理積素子の一方の入力端子に接続され、前記第２のコンパレータの出力端子は、前記第２のベース抵抗を介して、前記インバータ素子の入力端子と、前記第２のトランジスタのベースとに接続され、
前記インバータ素子の出力端子は、前記論理積素子の他方の入力端子に接続され、前記論理積素子の出力端子は、前記第１のベース抵抗を介して前記第１のトランジスタのベースに接続され、
前記第１のトランジスタのエミッタは、前記抵抗器の前記所定ポイントに接続され、前記第２のトランジスタのエミッタは、前記抵抗器の前記第１の端部と、前記ツェナーダイオードのカソードに接続され、
前記抵抗器の前記第２の端部は、前記トランジスタのべ―スに接続され、前記トランジスタのエミッタは、前前記ツェナーダイオードのアノードおよび前記接地端子に接続され、前記トランジスタのベースと前記接地端子との間にプルダウン抵抗が接続される、
請求項５記載の過電圧保護回路。
【請求項７】
前記抵抗器は、第１の抵抗と、第２の抵抗とを有し、前記クランプ回路は、前記第１の抵抗の一端と、前記第２の抵抗の一端とに逆直列に接続されたツェナーダイオードをさらに備え、
前記抵抗値選択回路は、
前記第１の過電圧状態が検出された場合に、前記第１の抵抗の第１の抵抗値を選択し、
前記第２の過電圧状態が検出された場合に、前記第１の抵抗値と前記第２の抵抗の抵抗値とを加算した第２の抵抗値を選択する、
請求項３記載の過電圧保護回路。
【請求項８】
前記トランジスタのコレクタは、前記電源端子に接続され、前記トランジスタのエミッタは、前記接地端子に接続され、
前記トランジスタは、
前記第１の過電圧状態のときに前記ツェナーダイオードが導通することで前記第１の抵抗値を有する前記第１の抵抗に流れる第１の駆動電流によりオンして前記電流経路を形成して第１の電流を引き抜き、
前記第２の過電圧状態のときに前記ツェナーダイオードが導通することで前記第２の抵抗値を有する前記第１の抵抗と前記第２の抵抗との直列合成抵抗に流れる、前記第１の駆動電流よりも小さな第２の駆動電流によりオンして前記電流経路を形成して前記第１の電流よりも電流量が少ない第２の電流を引き抜く、
請求項７記載の過電圧保護回路。
【請求項９】
前記過電圧検出回路は、第１のコンパレータ、第１の分圧抵抗、第２の分圧抵抗、第１の基準電圧源、第２のコンパレータ、第３の分圧抵抗、第４の分圧抵抗、第２の基準電圧源、２入力１出力の論理積素子、およびインバータ素子を含み、
前記抵抗値選択回路は、第１のトランジスタおよび第１のベース抵抗を含む第１の抵抗値選択回路と、第２のトランジスタおよび第２のベース抵抗を含む第２の抵抗値選択回路とを備え、
前記第１のコンパレータの第１の非反転入力端子には、前記第１の分圧抵抗と前記第２の分圧抵抗で前記電圧が分圧された第１の電圧が入力し、前記第１のコンパレータの反転入力端子には、前記第１の基準電圧源から出力される第１の基準電圧が入力し、
前記第２のコンパレータの非反転入力端子には、前記第３の分圧抵抗と前記第４の分圧抵抗で前記電圧が分圧された第２の電圧が入力し、前記第２のコンパレータの反転入力端子には、前記第２の基準電圧源から出力される第２の基準電圧が入力し、
前記第１のトランジスタのコレクタと前記第２のトランジスタのコレクタは、前記電源端子に接続され、
前記第１のコンパレータの出力端子は、前記論理積素子の一方の入力端子に接続され、前記第２のコンパレータの出力端子は、前記第２のベース抵抗を介して、前記インバータ素子の入力端子と、前記第２のトランジスタのベースとに接続され、
前記インバータ素子の出力端子は、前記論理積素子の他方の入力端子に接続され、前記論理積素子の出力端子は、前記第１のベース抵抗を介して前記第１のトランジスタのベースに接続され、
前記第１のトランジスタのエミッタは、前記第１の抵抗の一端、前記第２の抵抗の一端および前記ツェナーダイオードのカソードに接続され、前記第２のトランジスタのエミッタは、前記第２の抵抗の他端に接続され、前記第１の抵抗の他端は、前記トランジスタのベースに接続され、
前記トランジスタのエミッタは、前前記ツェナーダイオードのアノードおよび前記接地端子に接続され、前記トランジスタのベースと前記接地端子との間にプルダウン抵抗が接続される、
請求項８記載の過電圧保護回路。
【請求項１０】
駆動制御信号にもとづきスイッチングして負荷を作動するスイッチング素子と、
制御部から送信された駆動信号にもとづいて前記駆動制御信号を出力する駆動制御回路、および過電圧保護回路を含む駆動回路と、を備え、
前記過電圧保護回路は、
前記駆動回路の電源端子に印加される電圧が過電圧の状態にあるか否かを検出する過電圧検出回路と、
前記過電圧の状態に応じて複数の抵抗値のうちから所定の抵抗値を選択する抵抗値選択回路と、
前記複数の抵抗値を有する抵抗器と、選択された前記所定の抵抗値にもとづいて流れる駆動電流によりオンして前記電源端子と接地端子との間に電流経路を形成して前記電源端子から電流を引き抜くトランジスタとを含み前記電圧をクランプするクランプ回路と、を備える、
半導体装置。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、過電圧保護回路および半導体装置に関する。
続きを表示（約 1,900 文字）【背景技術】
【０００２】
ＩＰＭ（Intelligent Power Module）等の半導体装置には、パワー半導体素子を含む半導体チップが内蔵されており、半導体チップを駆動する制御ＩＣには過電圧から内部回路を保護する過電圧保護機能が備えられている。
【０００３】
関連技術としては、例えば、静電保護回路がトランジスタのバイアス電圧を設定し、切り替え回路がサージ電圧による電源の供給状態にもとづいてバイアス電圧を切り替える技術が提案されている（特許文献１）。また、内部ノードの電圧が静電気放電であることが検出された場合、静電気放電の電流を内部ノードからグランドノードに流して内部ノードの電圧をクランプする技術が提案されている（特許文献２）。さらに、静電気放電保護回路が被保護回路の動作・非動作に応じてパワートランジスタに接続されるプルダウン抵抗値を切り替える技術が提案されている（特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
特開２０１３－９８２６０号公報
特開２０２０－１５５５８６号公報
特開２０２２－１８０７５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、過電圧に対する段階的な保護を行って回路素子の破壊を防止した過電圧保護回路および半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、過電圧保護回路が提供される。過電圧保護回路は、過電圧検出回路、抵抗値選択回路およびクランプ回路を有する。過電圧検出回路は、電源端子に印加される電圧が過電圧の状態にあるか否かを検出する。抵抗値選択回路は、過電圧の状態に応じて複数の抵抗値のうちから所定の抵抗値を選択する。クランプ回路は、複数の抵抗値を有する抵抗器と、選択された所定の抵抗値にもとづいて流れる駆動電流によりオンして電源端子と接地端子との間に電流経路を形成して電源端子から電流を引き抜くトランジスタとを備えて電圧をクランプする。
【０００７】
また、上記課題を解決するために、半導体装置が提供される。半導体装置は、スイッチング素子、駆動回路および過電圧保護回路を有する。スイッチング素子は、駆動制御信号にもとづきスイッチングして負荷を作動する。駆動回路は、制御部から送信された駆動信号にもとづいて駆動制御信号を出力する駆動制御回路および過電圧保護回路を含む。過電圧保護回路は、過電圧検出回路、抵抗値選択回路およびクランプ回路を有する。過電圧検出回路は、駆動回路の電源端子に印加される電圧が過電圧の状態にあるか否かを検出する。抵抗値選択回路は、過電圧の状態に応じて複数の抵抗値のうちから所定の抵抗値を選択する。クランプ回路は、複数の抵抗値を有する抵抗器と、選択された所定の抵抗値にもとづいて流れる駆動電流によりオンして電源端子と接地端子との間に電流経路を形成して電源端子から電流を引き抜くトランジスタとを備えて電圧をクランプする。
【発明の効果】
【０００８】
１側面によれば、過電圧に対する段階的な保護を行って回路素子の破壊を防止することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
過電圧保護回路の一例を説明するための図である。
参考例の過電圧保護回路の構成の一例を示す図である。
本実施の形態の過電圧保護回路の構成の一例を示す図である。
抵抗器の一例を説明するための図である。
過電圧保護回路における過電圧発生時の第１の動作の一例を説明するための図である。
過電圧保護回路における過電圧発生時の第２の動作の一例を説明するための図である。
過電圧発生時にクランプされる電圧の波形の一例を示す図である。
過電圧保護回路の第１の構成の一例を示す図である。
過電圧保護回路の第２の構成の一例を示す図である。
半導体システムの構成の一例を示す図である。
半導体装置内のドライブ回路の回路構成の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本実施の形態について図面を参照して説明する。なお、本明細書および図面において実質的に同一の構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する場合がある。
（【００１１】以降は省略されています）

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