スイッチ両端の電圧を制限するためのシステム、方法、および装置
【課題】電圧クランプ回路構成を用いてスイッチ両端の電圧を制限するためのシステム、方法、および装置を提供する。
【解決手段】電圧クランプ回路構成１２５は、入力２２７および出力２２９を備えた整流器回路２２５であって、入力２２７は動作回路構成に渡って並列に連絡する整流器回路２２５と、整流器回路２２５の出力２２９と並列に連絡する電子能動スイッチング素子２０５と、電子能動スイッチング素子２０５と並列に連絡する少なくとも１つのツェナー・ダイオード２１０と、を備えていても良い。電子能動スイッチング素子２０５およびツェナー・ダイオード２１０に渡る電圧が所定の値を満たすかまたは超えた場合には、電流が電子能動スイッチング素子２０５を通って流れて、動作回路構成に渡る電圧を電圧クランプ回路構成１２５の電圧制限内に制限する。
【解決手段】電圧クランプ回路構成１２５は、入力２２７および出力２２９を備えた整流器回路２２５であって、入力２２７は動作回路構成に渡って並列に連絡する整流器回路２２５と、整流器回路２２５の出力２２９と並列に連絡する電子能動スイッチング素子２０５と、電子能動スイッチング素子２０５と並列に連絡する少なくとも１つのツェナー・ダイオード２１０と、を備えていても良い。電子能動スイッチング素子２０５およびツェナー・ダイオード２１０に渡る電圧が所定の値を満たすかまたは超えた場合には、電流が電子能動スイッチング素子２０５を通って流れて、動作回路構成に渡る電圧を電圧クランプ回路構成１２５の電圧制限内に制限する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は一般的に、電子回路構成に関し、より具体的には、スイッチ両端の電圧を制限するためのシステム、方法、および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
スイッチが、誘導負荷に対する交流（ＡＣ）または直流（ＤＣ）電力をオフにしたとき、スイッチを通って流れる電流がなくなり、スイッチ両端の電圧が著しいレベルにまで上昇することが、誘導負荷によって電圧が発生する結果、起こる可能性がある。したがって、回路構成部品は、過電圧から保護しないと、損傷を受けやすい場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第４，６５８，２０３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、スイッチ両端の電圧を制限するためのシステム、方法、および装置を提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の実施形態は、前述した必要性の一部または全部に対処することができる。一実施形態によれば、電圧クランプ電子回路素子が提供される。本素子は、電源から誘導負荷への電流を選択的にスイッチングするように動作可能なスイッチング回路構成と、スイッチング回路構成と並列に連絡する電圧クランプ回路構成と、を備えていても良い。電圧クランプ回路構成は、入力および出力を備えた整流器回路であって、入力はスイッチング回路構成に渡って並列に連絡する整流器回路と、整流器回路の出力と並列に連絡する電子能動スイッチング素子と、電子能動スイッチング素子と並列に連絡する少なくとも１つのツェナー・ダイオードと、を備えていても良い。スイッチング回路構成が開接続状態にあり、スイッチング回路構成、電子能動スイッチング素子、およびツェナー・ダイオードに渡る電圧が所定の値を満たすかまたは超えた場合には、電流は、電子能動スイッチング素子を通って流れて、スイッチング回路構成に渡る電圧を電圧クランプ回路構成の電圧制限内に制限する。
【０００６】
別の実施形態によれば、スイッチ両端の電圧を制限するための方法が提供される。本方法は、電源から誘導負荷への電流を選択的にスイッチングするように動作可能なスイッチング回路構成を用意することと、スイッチング回路構成と並列に連絡する電圧クランプ回路構成を用意することと、スイッチング回路構成を開いて、電流が電源から誘導負荷へ流れないようにすることと、電流を整流器回路を用いて整流することと、スイッチング回路構成に渡る電圧を電圧クランプ回路構成制限内に、整流器回路の出力と並列に連絡する電子能動スイッチング素子および電子能動スイッチング素子と並列に連絡する少なくとも１つのツェナー・ダイオードを用いて制限することと、を含んでいても良い。スイッチング回路構成が開接続状態にあり、スイッチング回路構成、電子能動スイッチング素子、およびツェナー・ダイオードに渡る電圧が所定の値を満たすかまたは超えた場合には、電流は、電子能動スイッチング素子を通って流れて、スイッチング回路構成に渡る電圧を電圧クランプ制限内に制限する。
【０００７】
さらに別の実施形態によれば、電圧クランプ回路構成が提供される。電圧クランプ回路構成は、入力および出力を備えた整流器回路であって、入力は動作回路構成に渡って並列に連絡する整流器回路と、整流器回路の出力と並列に連絡する電子能動スイッチング素子と、電子能動スイッチング素子と並列に連絡する少なくとも１つのツェナー・ダイオードと、を備えていても良い。電子能動スイッチング素子およびツェナー・ダイオードに渡る電圧が所定の値を満たすかまたは超えた場合には、電流は、電子能動スイッチング素子を通って流れて、動作回路構成に渡る電圧を電圧クランプ回路構成の電圧制限内に制限する。
【０００８】
他の実施形態、態様、および特徴が、以下の詳細な説明、添付図面、および添付の請求項から当業者には明らかである。
【０００９】
次に添付図面について言及する。添付図面は必ずしも一定の比率では描かれていない。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】１つの実施形態例によるスイッチ回路構成および電圧クランプ回路構成の機能図表現である。
【図２】１つの実施形態例によるスイッチ回路構成および電圧クランプ回路構成の概略図である。
【図３】１つの実施形態例によるスイッチ回路構成および電圧クランプ回路構成の概略図である。
【図４】１つの実施形態例によるスイッチ回路構成および電圧クランプ回路構成の概略図である。
【図５】１つの実施形態例によるスイッチ回路構成および電圧クランプ回路構成の概略図である。
【図６】１つの実施形態例によるスイッチ回路構成および電圧クランプ回路構成の概略図である。
【図７】１つの実施形態例によるスイッチ回路構成および電圧クランプ回路構成の概略図である。
【図８】１つの実施形態例によるスイッチ回路構成および電圧クランプ回路構成の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
次に本発明の例示的な実施形態について、添付図面を参照して以下により十分に説明する。添付図面では、本発明の実施形態の一部（しかし全部ではない）を示す。実際には、本発明は、多くの異なる形態で具体化しても良く、本明細書で述べる実施形態に限定されると解釈してはならない。むしろ、これらの実施形態は、適用される法的要件を本開示が満たすように与えられている。全体を通して、同様の番号は同様の要素を指す。
【００１２】
本明細書で説明するシステムおよび方法の実施形態によって、スイッチ両端の電圧を制限するためのシステム、方法、および装置、特に、電圧クランプ回路構成を用いたスイッチ回路構成が提供される。誘導負荷に電力を送るスイッチを開いたときに回路構成部品に損傷が加わることを回避するために、電圧をクランプして、スイッチが開いた後の誘導負荷内の誘導電圧上昇によって生じる電圧スパイクを回避または抑制する。電圧クランプ回路構成実施形態によって、ＤＣまたはＡＣ電源とともに用いる双方向の電圧クランプが提供される。
【００１３】
従来のクランプ回路構成では、金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）素子、ツェナー・ダイオードのみの回路、またはスナバ回路を用いている。ＭＯＶ素子は、多くの場合において望ましくない場合がある。なぜならば、ＭＯＶの使用電圧とクランピング電圧とは、２つの間に十分に大きな隔たりがあるからである。ＭＯＶ素子は、使用電圧と大きなクランピング電圧との間の典型的な大きな隔たりのために、通常は、高電圧を取り扱うスイッチ素子も必要となる。スイッチ素子は高価であるため望ましくない。加えて、ＭＯＶ素子は通常、ある特定の量のエネルギーが放散された後に交換する必要がある。ツェナー・ダイオードのみの回路（たとえばシャント・レギュレータ）は通常、本明細書で説明する電圧クランプ回路構成実施形態が取り扱うことができる高エネルギー、ならびにスイッチング回路構成および電力供給すべき誘導負荷に対して必要な高エネルギーを、取り扱うことができない。同様に、スナバ回路または素子は通常、付随するコストが高いだけでなく、回路が複雑で望ましくない。またスナバ回路は、スイッチが開状態のときに小さいリークが生じることが多い。
【００１４】
したがって、本明細書で説明する本発明の種々の実施形態には、スイッチ回路構成と並列に連絡する電圧クランプ回路構成が含まれる。一実施形態によれば、電圧クランプ回路構成は、整流器回路と、整流器回路と並列に連絡する電子能動スイッチング素子と、電子能動スイッチング素子と連絡する少なくとも１つのダイオード（たとえば、限定することなく、ツェナー・ダイオード）と、を備える。整流器回路は、単一のクランプ回路を用いて双方向電流を取り扱うことができる。電子能動スイッチング素子は、エネルギーを所望のレベルで選択的に放散することができる。種々の実施形態によれば、電子能動スイッチング素子は、限定することなく、以下であってもよい。金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）、ダーリントン・ペア・トランジスタ、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）などである。
【００１５】
本明細書においてより詳細に説明するように、さらなる回路構成部品を備えていても良い。たとえば、１または複数のさらなるダイオード（たとえばツェナー・ダイオード）を用いて、電子能動スイッチング素子が作動してエネルギーの放散を開始する電圧を変えても良い。スイッチを１または複数のさらなるダイオードと並列に用いることもできる。その結果、クランピング電圧を選択的に調整することが、それぞれのスイッチングされたダイオードを通る電流のスイッチングによって可能になる。加えて、１または複数の可変抵抗素子を備えて、電子能動スイッチング素子を通って流れる電流を選択的に調整または制限するようにしても良い。
【００１６】
図１に、１つの実施形態例による単純化したスイッチ回路構成および電圧クランプ回路構成の機能図表現を例示する。この実施形態によれば、システム例１００（たとえば、回路構成部品の組み合わせ）は、スイッチ回路構成１０５、電源１１０、および誘導負荷１１５を備えている。スイッチ回路構成１０５を、スイッチ制御１２０を用いて、任意の手段（たとえば、電子的、機械的、電気機械的、プロセッサ・ベースのコントローラなど）に従って制御しても良い。スイッチ回路構成１０５はさらに、電圧クランプ回路構成１２５と並列に連絡している。電圧クランプ回路構成１２５は、電子能動スイッチング素子１３０、クランプ検出および作動回路構成１３５、および任意的に、整流器回路構成１４０を備えている。これらの部品のそれぞれに関するさらなる詳細を、図２〜８に例示する実施形態例を参照して示す。
【００１７】
さらに、当然のことながら、他の実施形態においては、スイッチ回路構成、電源、および／または誘導負荷の代わりにまたはそれらに加えて、他の種々の動作回路構成が、電圧クランプ回路構成１２５を用いて、動作回路構成における過電圧または電圧スパイクを、本明細書の例が説明する方法と同じかまたは同様の方法で制限しても良い。
【００１８】
図２に、１つの実施形態例によるスイッチ回路構成および電圧クランプ回路構成を備える回路構成２００の概略図を例示する。この実施形態によれば、電圧クランプ回路構成１２５は、ＭＯＳＦＥＴ素子２０５として具体化された電子能動スイッチング素子を備える。
【００１９】
加えて、クランプ検出および作動回路構成は、第１のツェナー・ダイオード２１０を備えていても良い。第１のツェナー・ダイオード２１０は、ＭＯＳＦＥＴ２０５のゲートおよびドレイン間と連絡するとともに、整流器回路構成の出力と連絡する。第１のツェナー・ダイオード２１０のツェナー電圧（または降伏電圧）によって、ＭＯＳＦＥＴ２０５が作動するときの電圧（本明細書では交換可能に「作動電圧」とも言う）の制御が容易になる。したがって、第１のツェナー・ダイオード２１０は、クランプ回路構成１２５の所望のクランピング電圧に影響を及ぼす。またクランピング電圧は、整流器回路構成から生じる任意の電位差とＭＯＳＦＥＴ２０５の閾値電圧（たとえば、ゲート・ソース間閾値電圧）とに影響される。当然のことながら、ここでは簡単にするために第１のツェナー・ダイオード２１０を例示しているが、他の実施形態によれば、複数のダイオードを設けても良く、および／またはツェナー・ダイオードに限定されない他のダイオードまたはシャント部品を、クランプ検出および作動回路構成用に設けても良い。たとえば、図３〜５に、単一の第１のツェナー・ダイオード２１０の代わりに適用しても良い他の種々の回路構成の構成を例示する。
【００２０】
またこの実施形態で例示しているのは、ＭＯＳＦＥＴ２０５のゲートおよびソース間と並列に連絡する第１の抵抗器２１５および第２のツェナー・ダイオード２２０である。第２のツェナー・ダイオード２２０は、ＭＯＳＦＥＴ２０５を、最大ゲート・ソース間電圧を超えることから保護するために選択されている。第１の抵抗器２１５は、任意の必要なバイアスまたはゲート電圧をＭＯＳＦＥＴ２０５のゲートに与えるために選択されている。バイアスまたはゲート電圧は一般的に、ＭＯＳＦＥＴ２０５の設計によって決定される。
【００２１】
この実施形態による整流器回路構成は、ＡＣをＤＣに整流することができるダイオード・ブリッジ整流器回路２２５を含んでいる。それゆえ、ダイオード・ブリッジ整流器回路構成２２５は、入力２２７および出力２２９を備えている。入力はスイッチ回路構成１０５と並列に連絡している。スイッチ回路構成１０５は、電源１１０から誘導負荷１１５へ送出される電流をスイッチングするように動作する。加えて、ダイオード・ブリッジ整流器回路２２５の構成であるために、クランプ回路構成は、電流の方向に関係なくＡＣ電流を取り扱うことができる。当然のことながら、いくつかの実施形態によれば、整流器回路構成は、本明細書で例によって例示されるものと異なっていても良い。たとえば、電源１１０がＤＣ電源である実施形態では、整流器回路構成は、図２に例示したものと異なっていても良いし、全く含まれていなくても良い。なぜならば、電圧を整流する必要がないからである。
【００２２】
加えて、クランプ回路構成１２５はスイッチ回路構成１０５とは独立に動作し、ダイオード・ブリッジ２２５のツェナー電圧と第１のツェナー・ダイオード２１０のツェナー電圧とが、クランプ回路構成１２５の残りの部分の作動に影響を及ぼす。クランプ回路構成１２５部品の値を選ぶために、第１のツェナー・ダイオード２１０のツェナー電圧は、スイッチ回路１０５が制御する動作回路構成の動作または使用電圧よりも大きくなくてはならない。ＭＯＳＦＥＴ２０５の値、または任意の他の電子能動スイッチング回路構成の値は、誘導負荷１１５の挙動に基づいて、ならびにスイッチ回路１０５が制御する回路構成の動作または使用電圧に基づいて、選択しなければならない。ＭＯＳＦＥＴ２０５（または任意の他の電子能動スイッチング回路構成）は、予想される大きなエネルギー放散に適応する安全な動作領域を有するように選択されている。当然のことながら、これらの実際の値の選択は、スイッチ回路構成１０５およびクランプ回路構成１２５を設けるべき状況に依存し、また請求項の範囲は回路構成部品の値に依存しない。
【００２３】
したがって、次に、図２を参照して例示した回路構成２００の例示的な動作について説明する。スイッチ回路構成１０５は、誘導負荷１１５に対する電源１１０をスイッチ・オンおよびオフするように動作する。一例では、スイッチ制御１２０を用いてスイッチ回路構成１０５を制御しても良い。スイッチ回路構成１０５が開くと、電流は電源１１０から誘導負荷１１５へは流れない。しかし、スイッチ回路構成１０５が開くとエネルギーが誘導負荷１１５から発生して、スイッチ回路構成１０５に渡る電圧が生じる。たとえば、スイッチ回路構成１０５内の中性ＡＣまたはＤＣ接地に接続されている点は、接地に接続された対点に対してマイナスとなる。したがって、スイッチ回路構成１０５（これらの２つの点）に渡る電圧は、ＤＣ電圧に誘導負荷１１５から発生した電圧を加えた値まで増加する。この電圧増加がスイッチ回路構成１０５の最大電圧定格を超え得る可能性がある。これは、本明細書において交換可能に「電圧スパイク」または「過電圧」とも言う。そのため、前述したクランプ回路構成１２５は、スイッチ回路構成１０５における（または動作回路構成内の任意の他のポイントにおける）任意の過電圧または電圧スパイクを保護する働きをする。
【００２４】
電源１１０がＡＣ電源である実施形態においては、ダイオード・ブリッジ整流器回路２２５が、スイッチ回路構成１０５に渡って（同様に、ダイオード・ブリッジ整流器回路２２５の入力２２７に渡って）生じるＡＣ過電圧をＤＣに変換する。スイッチ回路構成１０５に渡って生じる過電圧が、ダイオード・ブリッジ整流器回路２２５に渡って増加すると、過電圧は、ＭＯＳＦＥＴ２０５を作動させるある特定の電圧レベルに達する。その作動電圧レベルは、この実施形態によれば、ダイオード・ブリッジ２２５における任意の電圧降下、第１のツェナー・ダイオード２１０のツェナー電圧、およびＭＯＳＦＥＴ２０５のゲート・ソース間電圧閾値に依存する。この作動電圧レベルにおいて、ＭＯＳＦＥＴ２０５は作動して電流が流れる。ＭＯＳＦＥＴ２０５（または任意の他の電子能動スイッチング素子）は能動的であるが、電流は、電源１１０から、クランプ回路構成を通って（ＭＯＳＦＥＴ２０５を通って）、そして誘導負荷１１５を通って接地まで流れる。したがって、クランピング電圧（Ｖｃｌａｍｐｌ）（電圧クランプ回路構成１２５が与える電圧制限を指す）は、整流器回路構成（もしあれば）の設計および値、第１のツェナー・ダイオード２１０の設計および値、ならびにＭＯＳＦＥＴ２０５の設計および値に依存する。
【００２５】
説明例として、最大動作電圧が２００ボルトのスイッチ回路構成１０５を、公称上の動作電圧が１２５ボルトの回路構成とともに用いるために設けることができる。第１のツェナー・ダイオード２１０のツェナー電圧が約１６０ボルトで、ＭＯＳＦＥＴ２０５のゲート・ソース間電圧閾値が約４ボルトである場合、クランピング電圧は１６４ボルトまたはその付近（に加えて、ダイオード・ブリッジ整流器回路２２５（もし使用されていれば）によって生じる任意の付加的な電圧降下）である。当然のことながら、前述の値は、単に説明を目的として与えたものであり、限定を意図してはいない。任意の部品設計および値を、必要に応じて選択しても良く、これらは、一つには、電源、負荷、スイッチ回路構成、および／または任意の他の動作回路構成もしくは負荷であって、電圧クランプ回路構成１２５が適用されるものに依存しても良い。
【００２６】
図３に、別の実施形態例によるスイッチ回路構成および電圧クランプ回路構成を備える回路構成３００の概略図を例示する。この実施形態によれば、電圧クランプ回路構成１２５はまた、ＭＯＳＦＥＴ素子２０５として具体化された電子能動スイッチング素子と、ダイオード・ブリッジ整流器回路２２５とを備えている。これは、図２を参照して説明した通りである（しかし当然のことながら、図３を参照して説明する特徴も同様に、本明細書で説明する他の任意の実施形態に適用しても良い）。しかし、この実施形態によれば、クランプ検出および作動回路構成は、少なくとも２つのツェナー・ダイオード３０５、３１０を直列に連絡させてＭＯＳＦＥＴ２０５のゲートおよびドレイン間に接続させて備えている。加えて、スイッチ３１５、３２０が、各ツェナー・ダイオード３０５、３１０とそれぞれ並列に連絡している。
【００２７】
ツェナー・ダイオード３０５、３１０を直列に備えることによって、クランプ回路１２５（ＭＯＳＦＥＴ２０５（または他の電子能動スイッチング素子）を作動させる）のクランピング電圧の調整が、ツェナー・ダイオード３０５、３１０のツェナー電圧値を調整することによって可能である。それらの直列関係の結果、ツェナー・ダイオード３０５、３１０のツェナー電圧が合計されて、ＭＯＳＦＥＴ２０５を作動させる作動電圧に、したがって電圧クランプ回路構成１２５のクランピング電圧に影響を与える。
【００２８】
スイッチ３１５、３２０を、対応するツェナー・ダイオード３０５、３１０と並列に備えることによって、対応するツェナー電圧の相加効果を制御することができる。たとえば、２つのダイオード３０５、３１０および２つのスイッチ３１５、３２０の場合、以下の状態が得られても良い。第１の状態では、両スイッチ３１５、３２０が開くことで、電流が両ツェナー・ダイオード３０５、３１０を通って流れ、その結果、両ダイオードに対するツェナー電圧の相加効果がクランピング電圧に寄与して、少なくとも両ダイオードに対するツェナー電圧の合計に達しない限りはＭＯＳＦＥＴが作動しないようになる。第２の状態では、第１のスイッチ３１５が開いて第２のスイッチ３２０が閉じることで、電流は、第１のツェナー・ダイオード３０５を通って、しかし第２のツェナー・ダイオード３１０の代わりに第２のスイッチ３２０を通って流れる。その結果、クランピング電圧は、第１のツェナー・ダイオード３０５のツェナー電圧のみに依存する。同様に、第３の状態では、第２のスイッチ３２０のみが開くことで、クランピング電圧は第２のツェナー・ダイオード３１０のみに依存する。第４の状態では、両スイッチ３１５、３２０が閉じており、クランピング電圧はツェナー・ダイオード３０５、３１０に全く依存しない。なぜならば、電流は、代わりに、両スイッチを通ってＭＯＳＦＥＴ２０５のゲートまで流れるからである。この第４の状態では、クランピング電圧は、ゲート・ソース間閾値電圧、およびダイオード・ブリッジ２２５における任意の降下に依存する。
【００２９】
したがって、ツェナー・ダイオード３０５、３１０値の選択は、対応するスイッチ３１５、３２０の選択動作によってクランプ回路１２５のクランピング電圧に所望の変化が生じるように、行なうことができる。当然のことながら、これらのツェナー電圧値は、必要に応じて、同じツェナー電圧であっても良いし、異なるツェナー電圧であっても良い。またさらに当然のことながら、図３では２つのツェナー・ダイオード３０５、３１０およびスイッチ３１５、３２０を例示しているが、任意の数の部品を用いて、クランピング電圧を、必要に応じて、より感度高くおよび／またはより広範囲に選択することができる。
【００３０】
種々の実施形態によれば、スイッチ３１５、３２０は、手動で操作しても良いし（たとえば、機械スイッチ）、電子スイッチであっても良いし、または電子機械スイッチであっても良い。たとえば、電子または電気機械スイッチ３１５、３２０の制御を、コンピュータ・プロセッサ・ベースの素子を用いて、動作ロジックとして、いくつかの実施形態において、ユーザ設定もしくはコマンド、環境条件、および／または回路条件を用いてスイッチ３１５、３２０を選択的に制御しても良い動作ロジックを取り入れて、行なっても良い。
【００３１】
図４に、別の実施形態例によるスイッチ回路構成および電圧クランプ回路構成を備える回路構成４００の概略図を例示する。この実施形態によれば、電圧クランプ回路構成１２５はまた、ＭＯＳＦＥＴ素子２０５として具体化された電子能動スイッチング素子と、ダイオード・ブリッジ整流器回路２２５とを備えている。これについては、図２を参照して説明した（しかし当然のことながら、図４を参照して説明する特徴も同様に、本明細書で説明する他の任意の実施形態に適用しても良い）。しかし、この実施形態によれば、さらなる可変抵抗素子４０５が、ダイオード・ブリッジ整流器回路２２５の出力およびＭＯＳＦＥＴ２０５のソースと連絡している。
【００３２】
このさらなる可変抵抗素子４０５は、限定することなく、バリスタ、電位差計などであっても良い。しかし、いくつかの実施形態においては、可変抵抗素子の代わりに固定抵抗器を設けても良い。可変抵抗素子４０５が形成するさらなる抵抗は、クランプ回路１２５の中をＭＯＳＦＥＴ２０５（または任意の他の電子能動スイッチング素子）まで流れる電流を制限するように動作する。たとえば、過電圧が第１のツェナー・ダイオード２１０のツェナー電圧を超えると、電流は可変抵抗素子４０５（または任意の他の抵抗器）を通って流れる。電圧は、ほぼ第１のツェナー・ダイオード２１０のツェナー電圧と第２のツェナー・ダイオード２２０のツェナー電圧との合計まで増える。可変抵抗素子４０５を通る電流がその閾値に達すると、可変抵抗素子４０５での電圧降下とＭＯＳＦＥＴ２０５のゲート・ソース間閾値電圧とが、第２のツェナー・ダイオード２２０のツェナー電圧に達し、その結果、クランプ回路構成１２５を通る電流は、最大電流レベルに達する。電流がその最大値レベルを越えて増加しようと試みた場合、ＭＯＳＦＥＴ２０５は、十分なゲート・ソース間電圧閾値に達せずに、停止またはスイッチ・オフを試みる。作動停止を試みたとき、可変抵抗素子４０５を通る電流が減って、電流レベルが制御される間に電圧クランプ挙動が続く。
【００３３】
可変抵抗素子４０５の代わりに固定抵抗器を用いる実施形態においては、電流保護制限は、固定抵抗、ＭＯＳＦＥＴ２０５のゲート・ソース間電圧閾値、および第２のツェナー・ダイオード２２０のツェナー電圧に基づいて固定される。しかし可変抵抗素子４０５（たとえば、限定することなく、電位差計）を用いることによって、電流保護レベルの調整を、可変抵抗素子４０５がクランプ回路構成１２５内で発生する電力レベルに耐えられると仮定して、行なうことができる。図３を参照して説明したスイッチと同様に、可変抵抗素子４０５は手動で制御しても良いし（たとえば機械的に）、または電子的に制御しても良い。電子的制御は、たとえばコンピュータ・プロセッサ・ベースの素子を用いて、動作ロジックとして、いくつかの実施形態において、ユーザ設定もしくはコマンド、環境コマンド、および／または回路条件を用いて抵抗を制御しても良い動作ロジックを取り入れて、行なっても良い。
【００３４】
図５に、別の実施形態例によるスイッチ回路構成および電圧クランプ回路構成を備える回路構成５００の概略図を例示する。この実施形態によれば、電圧クランプ回路構成１２５は、一連のツェナー・ダイオード３０５、３１０および並列スイッチ３１５、３２０の両方（図３を参照して説明した）に加えて、可変抵抗素子４０５（図４を参照して説明した）を備えることで、クランピング電圧を調整可能に、また電流保護制限を調整可能にしている。
【００３５】
図６に、別の実施形態例によるスイッチ回路構成および電圧クランプ回路構成を備える回路構成６００の概略図を例示する。この実施形態によれば、電圧クランプ回路構成１２５は、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）素子６０５として具体化された電子能動スイッチング素子を備える。この実施形態によれば、整流器回路構成とクランプ検出および作動回路構成とは、本明細書の他の実施形態を参照して説明したように設けても良い。加えて、調整可能なクランピング電圧回路構成（たとえば図３を参照して説明したもの）および／または調整可能な電流保護回路構成（たとえば図４を参照して説明したもの）を任意的に備えていても良い。
【００３６】
図７に、別の実施形態例によるスイッチ回路構成および電圧クランプ回路構成を備える回路構成７００の概略図を例示する。この実施形態によれば、電圧クランプ回路構成１２５は、バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）素子７０５として具体化された電子能動スイッチング素子を備える。前述した整流器回路構成とクランプ検出および作動回路構成とに加えて、ＢＪＴ素子７０５と直列に配置した１または複数のさらなる抵抗器を設けて、ベースおよび／またはエミッタを流れる電流を制限しても良い。たとえば、この実施形態によれば、少なくとも１つの第２の抵抗器７１０をベースと直列に設け、少なくとも１つの第３の抵抗器７１５をエミッタと直列に設ける。第２の抵抗器７１０および第３の抵抗器７１５をもたらす抵抗値および／または部品の選択は、スイッチ回路構成１０５およびクランプ回路構成１２５を設けるべき状況に依存する。さらに当然のことながら、調整可能なクランピング電圧回路構成（たとえば図３を参照して説明したもの）および／または調整可能な電流保護回路構成（たとえば図４を参照して説明したもの）を、任意的に、ＢＪＴ素子７０５に付属させても良い。
【００３７】
図８に、別の実施形態例によるスイッチ回路構成および電圧クランプ回路構成を備える回路構成８００の概略図を例示する。この実施形態によれば、電圧クランプ回路構成１２５は、ダーリントン・ペア・トランジスタ素子８０５として具体化された電子能動スイッチング素子を備えている。図７を参照して説明したＢＪＴ素子と同様に、ダーリントン・ペア・トランジスタ素子８０５はさらに、１または複数のさらなる抵抗器を直列に連絡したものを備えて、ベースおよび／またはエミッタを通って流れる電流を制限しても良い。たとえば、この実施形態によれば、少なくとも１つの第２の抵抗器８１０をベースと直列に設け、少なくとも１つの第３の抵抗器８１５をエミッタと直列に設ける。第２の抵抗器８１０および第３の抵抗器８１５をもたらす抵抗値および／または部品の選択は、スイッチ回路構成１０５およびクランプ回路構成１２５を設けるべき状況に依存する。さらに当然のことながら、調整可能なクランピング電圧回路構成（たとえば図３を参照して説明したもの）および／または調整可能な電流保護回路構成（たとえば図４を参照して説明したもの）を、任意的に、ダーリントン・ペア・トランジスタ素子８０５に付属させても良い。
【００３８】
当然のことながら、図１〜８を参照して例示および説明したシステムおよび対応する回路構成は、単に説明を目的として示したものであり、他の多くのシステム、回路構成、および／またはシステム・コンポーネント数を、同様に設けることができる。たとえば、誘導負荷をスイッチングするように動作可能なスイッチ回路構成に渡る電圧を制限することに加えて、本明細書で説明したクランプ回路構成実施形態を過渡サプレッサ回路構成として同様に用いることを、他の動作回路構成に対して急速に生じる電圧スパイクまたは過電圧を制限するために、および／または対応する過渡エネルギーが制限されたときに行なっても良い。当然のことながら、本明細書で説明した電圧クランプ回路構成の他の使用方法として、必ずしもスイッチ保護用には利用されないが、代わりに他の動作回路構成またはエレクトロニクス用に利用される使用方法が、前述の説明から明らかである。
【００３９】
したがって、本明細書で説明した種々の実施形態によって、電圧クランプ回路構成として、電子能動スイッチング素子、クランプ検出および作動回路構成、および任意的に整流器回路構成を備え、ＡＣ電流を整流して双方向電流を取り扱うものが提供される。これらの実施形態によって、電子能動スイッチング素子とクランプ検出および作動回路構成との選択および設計によって電圧スパイクまたは過電圧を制限する技術的効果が得られる。さらなる技術的効果を実現することができる。たとえば複数のダイオードおよびスイッチ対を用いて選択的または調整可能なクランピング電圧を実現すること、ならびに調整可能な抵抗素子（または固定抵抗器）を用いて選択的または調整可能な電流制限保護を実現することである。
【００４０】
本明細書で述べた典型的な説明の多くの変更および他の実施形態であって、これらの説明が属するものが、前述の説明および付随する図面に示した教示の利益を受けて、想起される。その結果、当然のことながら、発明を多くの形態で具体化しても良く、前述した典型的な実施形態に限定してはならない。したがって、当然のことながら、本発明は、開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、変更および他の実施形態も添付の請求項の範囲に含まれることが意図されている。本明細書では特定の用語を用いているが、それらは単に一般的および記述的な意味で用いており、限定を目的としたものではない。
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は一般的に、電子回路構成に関し、より具体的には、スイッチ両端の電圧を制限するためのシステム、方法、および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
スイッチが、誘導負荷に対する交流（ＡＣ）または直流（ＤＣ）電力をオフにしたとき、スイッチを通って流れる電流がなくなり、スイッチ両端の電圧が著しいレベルにまで上昇することが、誘導負荷によって電圧が発生する結果、起こる可能性がある。したがって、回路構成部品は、過電圧から保護しないと、損傷を受けやすい場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第４，６５８，２０３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、スイッチ両端の電圧を制限するためのシステム、方法、および装置を提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の実施形態は、前述した必要性の一部または全部に対処することができる。一実施形態によれば、電圧クランプ電子回路素子が提供される。本素子は、電源から誘導負荷への電流を選択的にスイッチングするように動作可能なスイッチング回路構成と、スイッチング回路構成と並列に連絡する電圧クランプ回路構成と、を備えていても良い。電圧クランプ回路構成は、入力および出力を備えた整流器回路であって、入力はスイッチング回路構成に渡って並列に連絡する整流器回路と、整流器回路の出力と並列に連絡する電子能動スイッチング素子と、電子能動スイッチング素子と並列に連絡する少なくとも１つのツェナー・ダイオードと、を備えていても良い。スイッチング回路構成が開接続状態にあり、スイッチング回路構成、電子能動スイッチング素子、およびツェナー・ダイオードに渡る電圧が所定の値を満たすかまたは超えた場合には、電流は、電子能動スイッチング素子を通って流れて、スイッチング回路構成に渡る電圧を電圧クランプ回路構成の電圧制限内に制限する。
【０００６】
別の実施形態によれば、スイッチ両端の電圧を制限するための方法が提供される。本方法は、電源から誘導負荷への電流を選択的にスイッチングするように動作可能なスイッチング回路構成を用意することと、スイッチング回路構成と並列に連絡する電圧クランプ回路構成を用意することと、スイッチング回路構成を開いて、電流が電源から誘導負荷へ流れないようにすることと、電流を整流器回路を用いて整流することと、スイッチング回路構成に渡る電圧を電圧クランプ回路構成制限内に、整流器回路の出力と並列に連絡する電子能動スイッチング素子および電子能動スイッチング素子と並列に連絡する少なくとも１つのツェナー・ダイオードを用いて制限することと、を含んでいても良い。スイッチング回路構成が開接続状態にあり、スイッチング回路構成、電子能動スイッチング素子、およびツェナー・ダイオードに渡る電圧が所定の値を満たすかまたは超えた場合には、電流は、電子能動スイッチング素子を通って流れて、スイッチング回路構成に渡る電圧を電圧クランプ制限内に制限する。
【０００７】
さらに別の実施形態によれば、電圧クランプ回路構成が提供される。電圧クランプ回路構成は、入力および出力を備えた整流器回路であって、入力は動作回路構成に渡って並列に連絡する整流器回路と、整流器回路の出力と並列に連絡する電子能動スイッチング素子と、電子能動スイッチング素子と並列に連絡する少なくとも１つのツェナー・ダイオードと、を備えていても良い。電子能動スイッチング素子およびツェナー・ダイオードに渡る電圧が所定の値を満たすかまたは超えた場合には、電流は、電子能動スイッチング素子を通って流れて、動作回路構成に渡る電圧を電圧クランプ回路構成の電圧制限内に制限する。
【０００８】
他の実施形態、態様、および特徴が、以下の詳細な説明、添付図面、および添付の請求項から当業者には明らかである。
【０００９】
次に添付図面について言及する。添付図面は必ずしも一定の比率では描かれていない。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】１つの実施形態例によるスイッチ回路構成および電圧クランプ回路構成の機能図表現である。
【図２】１つの実施形態例によるスイッチ回路構成および電圧クランプ回路構成の概略図である。
【図３】１つの実施形態例によるスイッチ回路構成および電圧クランプ回路構成の概略図である。
【図４】１つの実施形態例によるスイッチ回路構成および電圧クランプ回路構成の概略図である。
【図５】１つの実施形態例によるスイッチ回路構成および電圧クランプ回路構成の概略図である。
【図６】１つの実施形態例によるスイッチ回路構成および電圧クランプ回路構成の概略図である。
【図７】１つの実施形態例によるスイッチ回路構成および電圧クランプ回路構成の概略図である。
【図８】１つの実施形態例によるスイッチ回路構成および電圧クランプ回路構成の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
次に本発明の例示的な実施形態について、添付図面を参照して以下により十分に説明する。添付図面では、本発明の実施形態の一部（しかし全部ではない）を示す。実際には、本発明は、多くの異なる形態で具体化しても良く、本明細書で述べる実施形態に限定されると解釈してはならない。むしろ、これらの実施形態は、適用される法的要件を本開示が満たすように与えられている。全体を通して、同様の番号は同様の要素を指す。
【００１２】
本明細書で説明するシステムおよび方法の実施形態によって、スイッチ両端の電圧を制限するためのシステム、方法、および装置、特に、電圧クランプ回路構成を用いたスイッチ回路構成が提供される。誘導負荷に電力を送るスイッチを開いたときに回路構成部品に損傷が加わることを回避するために、電圧をクランプして、スイッチが開いた後の誘導負荷内の誘導電圧上昇によって生じる電圧スパイクを回避または抑制する。電圧クランプ回路構成実施形態によって、ＤＣまたはＡＣ電源とともに用いる双方向の電圧クランプが提供される。
【００１３】
従来のクランプ回路構成では、金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）素子、ツェナー・ダイオードのみの回路、またはスナバ回路を用いている。ＭＯＶ素子は、多くの場合において望ましくない場合がある。なぜならば、ＭＯＶの使用電圧とクランピング電圧とは、２つの間に十分に大きな隔たりがあるからである。ＭＯＶ素子は、使用電圧と大きなクランピング電圧との間の典型的な大きな隔たりのために、通常は、高電圧を取り扱うスイッチ素子も必要となる。スイッチ素子は高価であるため望ましくない。加えて、ＭＯＶ素子は通常、ある特定の量のエネルギーが放散された後に交換する必要がある。ツェナー・ダイオードのみの回路（たとえばシャント・レギュレータ）は通常、本明細書で説明する電圧クランプ回路構成実施形態が取り扱うことができる高エネルギー、ならびにスイッチング回路構成および電力供給すべき誘導負荷に対して必要な高エネルギーを、取り扱うことができない。同様に、スナバ回路または素子は通常、付随するコストが高いだけでなく、回路が複雑で望ましくない。またスナバ回路は、スイッチが開状態のときに小さいリークが生じることが多い。
【００１４】
したがって、本明細書で説明する本発明の種々の実施形態には、スイッチ回路構成と並列に連絡する電圧クランプ回路構成が含まれる。一実施形態によれば、電圧クランプ回路構成は、整流器回路と、整流器回路と並列に連絡する電子能動スイッチング素子と、電子能動スイッチング素子と連絡する少なくとも１つのダイオード（たとえば、限定することなく、ツェナー・ダイオード）と、を備える。整流器回路は、単一のクランプ回路を用いて双方向電流を取り扱うことができる。電子能動スイッチング素子は、エネルギーを所望のレベルで選択的に放散することができる。種々の実施形態によれば、電子能動スイッチング素子は、限定することなく、以下であってもよい。金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）、ダーリントン・ペア・トランジスタ、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）などである。
【００１５】
本明細書においてより詳細に説明するように、さらなる回路構成部品を備えていても良い。たとえば、１または複数のさらなるダイオード（たとえばツェナー・ダイオード）を用いて、電子能動スイッチング素子が作動してエネルギーの放散を開始する電圧を変えても良い。スイッチを１または複数のさらなるダイオードと並列に用いることもできる。その結果、クランピング電圧を選択的に調整することが、それぞれのスイッチングされたダイオードを通る電流のスイッチングによって可能になる。加えて、１または複数の可変抵抗素子を備えて、電子能動スイッチング素子を通って流れる電流を選択的に調整または制限するようにしても良い。
【００１６】
図１に、１つの実施形態例による単純化したスイッチ回路構成および電圧クランプ回路構成の機能図表現を例示する。この実施形態によれば、システム例１００（たとえば、回路構成部品の組み合わせ）は、スイッチ回路構成１０５、電源１１０、および誘導負荷１１５を備えている。スイッチ回路構成１０５を、スイッチ制御１２０を用いて、任意の手段（たとえば、電子的、機械的、電気機械的、プロセッサ・ベースのコントローラなど）に従って制御しても良い。スイッチ回路構成１０５はさらに、電圧クランプ回路構成１２５と並列に連絡している。電圧クランプ回路構成１２５は、電子能動スイッチング素子１３０、クランプ検出および作動回路構成１３５、および任意的に、整流器回路構成１４０を備えている。これらの部品のそれぞれに関するさらなる詳細を、図２〜８に例示する実施形態例を参照して示す。
【００１７】
さらに、当然のことながら、他の実施形態においては、スイッチ回路構成、電源、および／または誘導負荷の代わりにまたはそれらに加えて、他の種々の動作回路構成が、電圧クランプ回路構成１２５を用いて、動作回路構成における過電圧または電圧スパイクを、本明細書の例が説明する方法と同じかまたは同様の方法で制限しても良い。
【００１８】
図２に、１つの実施形態例によるスイッチ回路構成および電圧クランプ回路構成を備える回路構成２００の概略図を例示する。この実施形態によれば、電圧クランプ回路構成１２５は、ＭＯＳＦＥＴ素子２０５として具体化された電子能動スイッチング素子を備える。
【００１９】
加えて、クランプ検出および作動回路構成は、第１のツェナー・ダイオード２１０を備えていても良い。第１のツェナー・ダイオード２１０は、ＭＯＳＦＥＴ２０５のゲートおよびドレイン間と連絡するとともに、整流器回路構成の出力と連絡する。第１のツェナー・ダイオード２１０のツェナー電圧（または降伏電圧）によって、ＭＯＳＦＥＴ２０５が作動するときの電圧（本明細書では交換可能に「作動電圧」とも言う）の制御が容易になる。したがって、第１のツェナー・ダイオード２１０は、クランプ回路構成１２５の所望のクランピング電圧に影響を及ぼす。またクランピング電圧は、整流器回路構成から生じる任意の電位差とＭＯＳＦＥＴ２０５の閾値電圧（たとえば、ゲート・ソース間閾値電圧）とに影響される。当然のことながら、ここでは簡単にするために第１のツェナー・ダイオード２１０を例示しているが、他の実施形態によれば、複数のダイオードを設けても良く、および／またはツェナー・ダイオードに限定されない他のダイオードまたはシャント部品を、クランプ検出および作動回路構成用に設けても良い。たとえば、図３〜５に、単一の第１のツェナー・ダイオード２１０の代わりに適用しても良い他の種々の回路構成の構成を例示する。
【００２０】
またこの実施形態で例示しているのは、ＭＯＳＦＥＴ２０５のゲートおよびソース間と並列に連絡する第１の抵抗器２１５および第２のツェナー・ダイオード２２０である。第２のツェナー・ダイオード２２０は、ＭＯＳＦＥＴ２０５を、最大ゲート・ソース間電圧を超えることから保護するために選択されている。第１の抵抗器２１５は、任意の必要なバイアスまたはゲート電圧をＭＯＳＦＥＴ２０５のゲートに与えるために選択されている。バイアスまたはゲート電圧は一般的に、ＭＯＳＦＥＴ２０５の設計によって決定される。
【００２１】
この実施形態による整流器回路構成は、ＡＣをＤＣに整流することができるダイオード・ブリッジ整流器回路２２５を含んでいる。それゆえ、ダイオード・ブリッジ整流器回路構成２２５は、入力２２７および出力２２９を備えている。入力はスイッチ回路構成１０５と並列に連絡している。スイッチ回路構成１０５は、電源１１０から誘導負荷１１５へ送出される電流をスイッチングするように動作する。加えて、ダイオード・ブリッジ整流器回路２２５の構成であるために、クランプ回路構成は、電流の方向に関係なくＡＣ電流を取り扱うことができる。当然のことながら、いくつかの実施形態によれば、整流器回路構成は、本明細書で例によって例示されるものと異なっていても良い。たとえば、電源１１０がＤＣ電源である実施形態では、整流器回路構成は、図２に例示したものと異なっていても良いし、全く含まれていなくても良い。なぜならば、電圧を整流する必要がないからである。
【００２２】
加えて、クランプ回路構成１２５はスイッチ回路構成１０５とは独立に動作し、ダイオード・ブリッジ２２５のツェナー電圧と第１のツェナー・ダイオード２１０のツェナー電圧とが、クランプ回路構成１２５の残りの部分の作動に影響を及ぼす。クランプ回路構成１２５部品の値を選ぶために、第１のツェナー・ダイオード２１０のツェナー電圧は、スイッチ回路１０５が制御する動作回路構成の動作または使用電圧よりも大きくなくてはならない。ＭＯＳＦＥＴ２０５の値、または任意の他の電子能動スイッチング回路構成の値は、誘導負荷１１５の挙動に基づいて、ならびにスイッチ回路１０５が制御する回路構成の動作または使用電圧に基づいて、選択しなければならない。ＭＯＳＦＥＴ２０５（または任意の他の電子能動スイッチング回路構成）は、予想される大きなエネルギー放散に適応する安全な動作領域を有するように選択されている。当然のことながら、これらの実際の値の選択は、スイッチ回路構成１０５およびクランプ回路構成１２５を設けるべき状況に依存し、また請求項の範囲は回路構成部品の値に依存しない。
【００２３】
したがって、次に、図２を参照して例示した回路構成２００の例示的な動作について説明する。スイッチ回路構成１０５は、誘導負荷１１５に対する電源１１０をスイッチ・オンおよびオフするように動作する。一例では、スイッチ制御１２０を用いてスイッチ回路構成１０５を制御しても良い。スイッチ回路構成１０５が開くと、電流は電源１１０から誘導負荷１１５へは流れない。しかし、スイッチ回路構成１０５が開くとエネルギーが誘導負荷１１５から発生して、スイッチ回路構成１０５に渡る電圧が生じる。たとえば、スイッチ回路構成１０５内の中性ＡＣまたはＤＣ接地に接続されている点は、接地に接続された対点に対してマイナスとなる。したがって、スイッチ回路構成１０５（これらの２つの点）に渡る電圧は、ＤＣ電圧に誘導負荷１１５から発生した電圧を加えた値まで増加する。この電圧増加がスイッチ回路構成１０５の最大電圧定格を超え得る可能性がある。これは、本明細書において交換可能に「電圧スパイク」または「過電圧」とも言う。そのため、前述したクランプ回路構成１２５は、スイッチ回路構成１０５における（または動作回路構成内の任意の他のポイントにおける）任意の過電圧または電圧スパイクを保護する働きをする。
【００２４】
電源１１０がＡＣ電源である実施形態においては、ダイオード・ブリッジ整流器回路２２５が、スイッチ回路構成１０５に渡って（同様に、ダイオード・ブリッジ整流器回路２２５の入力２２７に渡って）生じるＡＣ過電圧をＤＣに変換する。スイッチ回路構成１０５に渡って生じる過電圧が、ダイオード・ブリッジ整流器回路２２５に渡って増加すると、過電圧は、ＭＯＳＦＥＴ２０５を作動させるある特定の電圧レベルに達する。その作動電圧レベルは、この実施形態によれば、ダイオード・ブリッジ２２５における任意の電圧降下、第１のツェナー・ダイオード２１０のツェナー電圧、およびＭＯＳＦＥＴ２０５のゲート・ソース間電圧閾値に依存する。この作動電圧レベルにおいて、ＭＯＳＦＥＴ２０５は作動して電流が流れる。ＭＯＳＦＥＴ２０５（または任意の他の電子能動スイッチング素子）は能動的であるが、電流は、電源１１０から、クランプ回路構成を通って（ＭＯＳＦＥＴ２０５を通って）、そして誘導負荷１１５を通って接地まで流れる。したがって、クランピング電圧（Ｖｃｌａｍｐｌ）（電圧クランプ回路構成１２５が与える電圧制限を指す）は、整流器回路構成（もしあれば）の設計および値、第１のツェナー・ダイオード２１０の設計および値、ならびにＭＯＳＦＥＴ２０５の設計および値に依存する。
【００２５】
説明例として、最大動作電圧が２００ボルトのスイッチ回路構成１０５を、公称上の動作電圧が１２５ボルトの回路構成とともに用いるために設けることができる。第１のツェナー・ダイオード２１０のツェナー電圧が約１６０ボルトで、ＭＯＳＦＥＴ２０５のゲート・ソース間電圧閾値が約４ボルトである場合、クランピング電圧は１６４ボルトまたはその付近（に加えて、ダイオード・ブリッジ整流器回路２２５（もし使用されていれば）によって生じる任意の付加的な電圧降下）である。当然のことながら、前述の値は、単に説明を目的として与えたものであり、限定を意図してはいない。任意の部品設計および値を、必要に応じて選択しても良く、これらは、一つには、電源、負荷、スイッチ回路構成、および／または任意の他の動作回路構成もしくは負荷であって、電圧クランプ回路構成１２５が適用されるものに依存しても良い。
【００２６】
図３に、別の実施形態例によるスイッチ回路構成および電圧クランプ回路構成を備える回路構成３００の概略図を例示する。この実施形態によれば、電圧クランプ回路構成１２５はまた、ＭＯＳＦＥＴ素子２０５として具体化された電子能動スイッチング素子と、ダイオード・ブリッジ整流器回路２２５とを備えている。これは、図２を参照して説明した通りである（しかし当然のことながら、図３を参照して説明する特徴も同様に、本明細書で説明する他の任意の実施形態に適用しても良い）。しかし、この実施形態によれば、クランプ検出および作動回路構成は、少なくとも２つのツェナー・ダイオード３０５、３１０を直列に連絡させてＭＯＳＦＥＴ２０５のゲートおよびドレイン間に接続させて備えている。加えて、スイッチ３１５、３２０が、各ツェナー・ダイオード３０５、３１０とそれぞれ並列に連絡している。
【００２７】
ツェナー・ダイオード３０５、３１０を直列に備えることによって、クランプ回路１２５（ＭＯＳＦＥＴ２０５（または他の電子能動スイッチング素子）を作動させる）のクランピング電圧の調整が、ツェナー・ダイオード３０５、３１０のツェナー電圧値を調整することによって可能である。それらの直列関係の結果、ツェナー・ダイオード３０５、３１０のツェナー電圧が合計されて、ＭＯＳＦＥＴ２０５を作動させる作動電圧に、したがって電圧クランプ回路構成１２５のクランピング電圧に影響を与える。
【００２８】
スイッチ３１５、３２０を、対応するツェナー・ダイオード３０５、３１０と並列に備えることによって、対応するツェナー電圧の相加効果を制御することができる。たとえば、２つのダイオード３０５、３１０および２つのスイッチ３１５、３２０の場合、以下の状態が得られても良い。第１の状態では、両スイッチ３１５、３２０が開くことで、電流が両ツェナー・ダイオード３０５、３１０を通って流れ、その結果、両ダイオードに対するツェナー電圧の相加効果がクランピング電圧に寄与して、少なくとも両ダイオードに対するツェナー電圧の合計に達しない限りはＭＯＳＦＥＴが作動しないようになる。第２の状態では、第１のスイッチ３１５が開いて第２のスイッチ３２０が閉じることで、電流は、第１のツェナー・ダイオード３０５を通って、しかし第２のツェナー・ダイオード３１０の代わりに第２のスイッチ３２０を通って流れる。その結果、クランピング電圧は、第１のツェナー・ダイオード３０５のツェナー電圧のみに依存する。同様に、第３の状態では、第２のスイッチ３２０のみが開くことで、クランピング電圧は第２のツェナー・ダイオード３１０のみに依存する。第４の状態では、両スイッチ３１５、３２０が閉じており、クランピング電圧はツェナー・ダイオード３０５、３１０に全く依存しない。なぜならば、電流は、代わりに、両スイッチを通ってＭＯＳＦＥＴ２０５のゲートまで流れるからである。この第４の状態では、クランピング電圧は、ゲート・ソース間閾値電圧、およびダイオード・ブリッジ２２５における任意の降下に依存する。
【００２９】
したがって、ツェナー・ダイオード３０５、３１０値の選択は、対応するスイッチ３１５、３２０の選択動作によってクランプ回路１２５のクランピング電圧に所望の変化が生じるように、行なうことができる。当然のことながら、これらのツェナー電圧値は、必要に応じて、同じツェナー電圧であっても良いし、異なるツェナー電圧であっても良い。またさらに当然のことながら、図３では２つのツェナー・ダイオード３０５、３１０およびスイッチ３１５、３２０を例示しているが、任意の数の部品を用いて、クランピング電圧を、必要に応じて、より感度高くおよび／またはより広範囲に選択することができる。
【００３０】
種々の実施形態によれば、スイッチ３１５、３２０は、手動で操作しても良いし（たとえば、機械スイッチ）、電子スイッチであっても良いし、または電子機械スイッチであっても良い。たとえば、電子または電気機械スイッチ３１５、３２０の制御を、コンピュータ・プロセッサ・ベースの素子を用いて、動作ロジックとして、いくつかの実施形態において、ユーザ設定もしくはコマンド、環境条件、および／または回路条件を用いてスイッチ３１５、３２０を選択的に制御しても良い動作ロジックを取り入れて、行なっても良い。
【００３１】
図４に、別の実施形態例によるスイッチ回路構成および電圧クランプ回路構成を備える回路構成４００の概略図を例示する。この実施形態によれば、電圧クランプ回路構成１２５はまた、ＭＯＳＦＥＴ素子２０５として具体化された電子能動スイッチング素子と、ダイオード・ブリッジ整流器回路２２５とを備えている。これについては、図２を参照して説明した（しかし当然のことながら、図４を参照して説明する特徴も同様に、本明細書で説明する他の任意の実施形態に適用しても良い）。しかし、この実施形態によれば、さらなる可変抵抗素子４０５が、ダイオード・ブリッジ整流器回路２２５の出力およびＭＯＳＦＥＴ２０５のソースと連絡している。
【００３２】
このさらなる可変抵抗素子４０５は、限定することなく、バリスタ、電位差計などであっても良い。しかし、いくつかの実施形態においては、可変抵抗素子の代わりに固定抵抗器を設けても良い。可変抵抗素子４０５が形成するさらなる抵抗は、クランプ回路１２５の中をＭＯＳＦＥＴ２０５（または任意の他の電子能動スイッチング素子）まで流れる電流を制限するように動作する。たとえば、過電圧が第１のツェナー・ダイオード２１０のツェナー電圧を超えると、電流は可変抵抗素子４０５（または任意の他の抵抗器）を通って流れる。電圧は、ほぼ第１のツェナー・ダイオード２１０のツェナー電圧と第２のツェナー・ダイオード２２０のツェナー電圧との合計まで増える。可変抵抗素子４０５を通る電流がその閾値に達すると、可変抵抗素子４０５での電圧降下とＭＯＳＦＥＴ２０５のゲート・ソース間閾値電圧とが、第２のツェナー・ダイオード２２０のツェナー電圧に達し、その結果、クランプ回路構成１２５を通る電流は、最大電流レベルに達する。電流がその最大値レベルを越えて増加しようと試みた場合、ＭＯＳＦＥＴ２０５は、十分なゲート・ソース間電圧閾値に達せずに、停止またはスイッチ・オフを試みる。作動停止を試みたとき、可変抵抗素子４０５を通る電流が減って、電流レベルが制御される間に電圧クランプ挙動が続く。
【００３３】
可変抵抗素子４０５の代わりに固定抵抗器を用いる実施形態においては、電流保護制限は、固定抵抗、ＭＯＳＦＥＴ２０５のゲート・ソース間電圧閾値、および第２のツェナー・ダイオード２２０のツェナー電圧に基づいて固定される。しかし可変抵抗素子４０５（たとえば、限定することなく、電位差計）を用いることによって、電流保護レベルの調整を、可変抵抗素子４０５がクランプ回路構成１２５内で発生する電力レベルに耐えられると仮定して、行なうことができる。図３を参照して説明したスイッチと同様に、可変抵抗素子４０５は手動で制御しても良いし（たとえば機械的に）、または電子的に制御しても良い。電子的制御は、たとえばコンピュータ・プロセッサ・ベースの素子を用いて、動作ロジックとして、いくつかの実施形態において、ユーザ設定もしくはコマンド、環境コマンド、および／または回路条件を用いて抵抗を制御しても良い動作ロジックを取り入れて、行なっても良い。
【００３４】
図５に、別の実施形態例によるスイッチ回路構成および電圧クランプ回路構成を備える回路構成５００の概略図を例示する。この実施形態によれば、電圧クランプ回路構成１２５は、一連のツェナー・ダイオード３０５、３１０および並列スイッチ３１５、３２０の両方（図３を参照して説明した）に加えて、可変抵抗素子４０５（図４を参照して説明した）を備えることで、クランピング電圧を調整可能に、また電流保護制限を調整可能にしている。
【００３５】
図６に、別の実施形態例によるスイッチ回路構成および電圧クランプ回路構成を備える回路構成６００の概略図を例示する。この実施形態によれば、電圧クランプ回路構成１２５は、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）素子６０５として具体化された電子能動スイッチング素子を備える。この実施形態によれば、整流器回路構成とクランプ検出および作動回路構成とは、本明細書の他の実施形態を参照して説明したように設けても良い。加えて、調整可能なクランピング電圧回路構成（たとえば図３を参照して説明したもの）および／または調整可能な電流保護回路構成（たとえば図４を参照して説明したもの）を任意的に備えていても良い。
【００３６】
図７に、別の実施形態例によるスイッチ回路構成および電圧クランプ回路構成を備える回路構成７００の概略図を例示する。この実施形態によれば、電圧クランプ回路構成１２５は、バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）素子７０５として具体化された電子能動スイッチング素子を備える。前述した整流器回路構成とクランプ検出および作動回路構成とに加えて、ＢＪＴ素子７０５と直列に配置した１または複数のさらなる抵抗器を設けて、ベースおよび／またはエミッタを流れる電流を制限しても良い。たとえば、この実施形態によれば、少なくとも１つの第２の抵抗器７１０をベースと直列に設け、少なくとも１つの第３の抵抗器７１５をエミッタと直列に設ける。第２の抵抗器７１０および第３の抵抗器７１５をもたらす抵抗値および／または部品の選択は、スイッチ回路構成１０５およびクランプ回路構成１２５を設けるべき状況に依存する。さらに当然のことながら、調整可能なクランピング電圧回路構成（たとえば図３を参照して説明したもの）および／または調整可能な電流保護回路構成（たとえば図４を参照して説明したもの）を、任意的に、ＢＪＴ素子７０５に付属させても良い。
【００３７】
図８に、別の実施形態例によるスイッチ回路構成および電圧クランプ回路構成を備える回路構成８００の概略図を例示する。この実施形態によれば、電圧クランプ回路構成１２５は、ダーリントン・ペア・トランジスタ素子８０５として具体化された電子能動スイッチング素子を備えている。図７を参照して説明したＢＪＴ素子と同様に、ダーリントン・ペア・トランジスタ素子８０５はさらに、１または複数のさらなる抵抗器を直列に連絡したものを備えて、ベースおよび／またはエミッタを通って流れる電流を制限しても良い。たとえば、この実施形態によれば、少なくとも１つの第２の抵抗器８１０をベースと直列に設け、少なくとも１つの第３の抵抗器８１５をエミッタと直列に設ける。第２の抵抗器８１０および第３の抵抗器８１５をもたらす抵抗値および／または部品の選択は、スイッチ回路構成１０５およびクランプ回路構成１２５を設けるべき状況に依存する。さらに当然のことながら、調整可能なクランピング電圧回路構成（たとえば図３を参照して説明したもの）および／または調整可能な電流保護回路構成（たとえば図４を参照して説明したもの）を、任意的に、ダーリントン・ペア・トランジスタ素子８０５に付属させても良い。
【００３８】
当然のことながら、図１〜８を参照して例示および説明したシステムおよび対応する回路構成は、単に説明を目的として示したものであり、他の多くのシステム、回路構成、および／またはシステム・コンポーネント数を、同様に設けることができる。たとえば、誘導負荷をスイッチングするように動作可能なスイッチ回路構成に渡る電圧を制限することに加えて、本明細書で説明したクランプ回路構成実施形態を過渡サプレッサ回路構成として同様に用いることを、他の動作回路構成に対して急速に生じる電圧スパイクまたは過電圧を制限するために、および／または対応する過渡エネルギーが制限されたときに行なっても良い。当然のことながら、本明細書で説明した電圧クランプ回路構成の他の使用方法として、必ずしもスイッチ保護用には利用されないが、代わりに他の動作回路構成またはエレクトロニクス用に利用される使用方法が、前述の説明から明らかである。
【００３９】
したがって、本明細書で説明した種々の実施形態によって、電圧クランプ回路構成として、電子能動スイッチング素子、クランプ検出および作動回路構成、および任意的に整流器回路構成を備え、ＡＣ電流を整流して双方向電流を取り扱うものが提供される。これらの実施形態によって、電子能動スイッチング素子とクランプ検出および作動回路構成との選択および設計によって電圧スパイクまたは過電圧を制限する技術的効果が得られる。さらなる技術的効果を実現することができる。たとえば複数のダイオードおよびスイッチ対を用いて選択的または調整可能なクランピング電圧を実現すること、ならびに調整可能な抵抗素子（または固定抵抗器）を用いて選択的または調整可能な電流制限保護を実現することである。
【００４０】
本明細書で述べた典型的な説明の多くの変更および他の実施形態であって、これらの説明が属するものが、前述の説明および付随する図面に示した教示の利益を受けて、想起される。その結果、当然のことながら、発明を多くの形態で具体化しても良く、前述した典型的な実施形態に限定してはならない。したがって、当然のことながら、本発明は、開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、変更および他の実施形態も添付の請求項の範囲に含まれることが意図されている。本明細書では特定の用語を用いているが、それらは単に一般的および記述的な意味で用いており、限定を目的としたものではない。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧クランプ電子回路素子であって、
電源（１１０）から誘導負荷（１１５）への電流を選択的にスイッチングするように動作可能なスイッチング回路構成（１０５）と、
前記スイッチング回路構成（１０５）と並列に連絡する電圧クランプ回路構成（１２５）と、を備え、
前記電圧クランプ回路構成（１２５）は、
入力（２２７）および出力（２２９）を備えた整流器回路（２２５）であって、前記入力（２２７）は前記スイッチング回路構成（１０５）に渡って並列に連絡する整流器回路（２２５）と、
前記整流器回路（２２５）の前記出力（２２９）と並列に連絡する電子能動スイッチング素子（１３０）と、
前記電子能動スイッチング素子（１３０）と並列に連絡する少なくとも１つのツェナー・ダイオード（２１０）と、を備え、
前記スイッチング回路構成（１０５）が開接続状態にあり、前記スイッチング回路構成（１０５）、前記電子能動スイッチング素子（１３０）、および前記少なくとも１つのツェナー・ダイオード（２１０）に渡る電圧が所定の値を満たすかまたは超えた場合には、前記電流は、前記電子能動スイッチング素子（１３０）を通って流れて、前記スイッチング回路構成（１０５）に渡る電圧を電圧クランプ回路構成の電圧制限（Ｖｃｌａｍｐ）内に制限する素子。
【請求項２】
前記電子能動スイッチング素子（１３０）は金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）（２０５）を含む請求項１に記載の素子。
【請求項３】
前記少なくとも１つのツェナー・ダイオード（２１０）は、前記ＭＯＳＦＥＴ（２０５）と前記ＭＯＳＦＥＴ（２０５）のドレインおよびゲート間で連絡する請求項２に記載の素子。
【請求項４】
前記整流器回路（２２５）の１つの出力（２２９）と連絡するとともに、前記ＭＯＳＦＥＴ（２０５）と前記ＭＯＳＦＥＴ（２０５）の前記ゲートおよび前記ソース間で連絡する少なくとも１つの抵抗器（２１５）であって、バイアス電圧を前記ＭＯＳＦＥＴ（２０５）の前記ゲートに供給するように動作する少なくとも１つの抵抗器（２１５）と、
前記整流器回路（２２５）の１つの出力（２２９）に連絡するとともに、前記ＭＯＳＦＥＴ（２０５）と前記ＭＯＳＦＥＴ（２０５）の前記ゲートおよび前記ソース間で連絡する保護ツェナー・ダイオード（２２０）であって、前記ＭＯＳＦＥＴ（２０５）の前記ゲートおよび前記ソース間の電圧を制限するように動作する少なくとも１つの保護ツェナー・ダイオード（２２０）と、をさらに含む請求項２に記載の素子。
【請求項５】
Ｖｃｌａｍｐは、前記少なくとも１つのツェナー・ダイオード（２１０）のツェナー電圧と前記ＭＯＳＦＥＴ（２０５）のゲート・ソース間電圧との合計に依存する請求項２に記載の素子。
【請求項６】
前記Ｖｃｌａｍｐは、前記少なくとも１つのツェナー・ダイオード（２１０）のツェナー電圧と前記電子能動スイッチング素子（１３０）の電圧制限との合計に依存する請求項１に記載の素子。
【請求項７】
前記少なくとも１つのツェナー・ダイオード（２１０）は、直列に接続された少なくとも２つのツェナー・ダイオード（３０５）、（３１０）を含む請求項１に記載の素子。
【請求項８】
少なくとも２つのスイッチ（３１５）、（３２０）であって、前記少なくとも２つのツェナー・ダイオード（３０５）、（３１０）とそれぞれ並列に連絡する少なくとも２つのスイッチ（３１５）、（３２０）をさらに備える請求項７に記載の素子。
【請求項９】
前記少なくとも２つのツェナー・ダイオード（３０５）、（３１０）はそれぞれ、前記Ｖｃｌａｍｐに寄与するツェナー電圧を有し、前記少なくとも２つのスイッチ（３１５）、（３２０）をそれぞれ開くことによって、前記Ｖｃｌａｍｐは、前記開いたスイッチと並列に連絡する対応するツェナー・ダイオードのツェナー電圧だけ増加する請求項８に記載の素子。
【請求項１０】
前記整流器回路（２２５）の１つの出力（２２９）と並列に連絡するとともに、前記電子能動スイッチング素子（１３０）の前記ソースと直列に連絡する少なくとも１つの抵抗器（４０５）をさらに備え、前記少なくとも１つの抵抗器（４０５）は、前記電子能動スイッチング素子（１３０）に流れ込む電流を制限するように動作する請求項１に記載の素子。
【請求項１】
電圧クランプ電子回路素子であって、
電源（１１０）から誘導負荷（１１５）への電流を選択的にスイッチングするように動作可能なスイッチング回路構成（１０５）と、
前記スイッチング回路構成（１０５）と並列に連絡する電圧クランプ回路構成（１２５）と、を備え、
前記電圧クランプ回路構成（１２５）は、
入力（２２７）および出力（２２９）を備えた整流器回路（２２５）であって、前記入力（２２７）は前記スイッチング回路構成（１０５）に渡って並列に連絡する整流器回路（２２５）と、
前記整流器回路（２２５）の前記出力（２２９）と並列に連絡する電子能動スイッチング素子（１３０）と、
前記電子能動スイッチング素子（１３０）と並列に連絡する少なくとも１つのツェナー・ダイオード（２１０）と、を備え、
前記スイッチング回路構成（１０５）が開接続状態にあり、前記スイッチング回路構成（１０５）、前記電子能動スイッチング素子（１３０）、および前記少なくとも１つのツェナー・ダイオード（２１０）に渡る電圧が所定の値を満たすかまたは超えた場合には、前記電流は、前記電子能動スイッチング素子（１３０）を通って流れて、前記スイッチング回路構成（１０５）に渡る電圧を電圧クランプ回路構成の電圧制限（Ｖｃｌａｍｐ）内に制限する素子。
【請求項２】
前記電子能動スイッチング素子（１３０）は金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）（２０５）を含む請求項１に記載の素子。
【請求項３】
前記少なくとも１つのツェナー・ダイオード（２１０）は、前記ＭＯＳＦＥＴ（２０５）と前記ＭＯＳＦＥＴ（２０５）のドレインおよびゲート間で連絡する請求項２に記載の素子。
【請求項４】
前記整流器回路（２２５）の１つの出力（２２９）と連絡するとともに、前記ＭＯＳＦＥＴ（２０５）と前記ＭＯＳＦＥＴ（２０５）の前記ゲートおよび前記ソース間で連絡する少なくとも１つの抵抗器（２１５）であって、バイアス電圧を前記ＭＯＳＦＥＴ（２０５）の前記ゲートに供給するように動作する少なくとも１つの抵抗器（２１５）と、
前記整流器回路（２２５）の１つの出力（２２９）に連絡するとともに、前記ＭＯＳＦＥＴ（２０５）と前記ＭＯＳＦＥＴ（２０５）の前記ゲートおよび前記ソース間で連絡する保護ツェナー・ダイオード（２２０）であって、前記ＭＯＳＦＥＴ（２０５）の前記ゲートおよび前記ソース間の電圧を制限するように動作する少なくとも１つの保護ツェナー・ダイオード（２２０）と、をさらに含む請求項２に記載の素子。
【請求項５】
Ｖｃｌａｍｐは、前記少なくとも１つのツェナー・ダイオード（２１０）のツェナー電圧と前記ＭＯＳＦＥＴ（２０５）のゲート・ソース間電圧との合計に依存する請求項２に記載の素子。
【請求項６】
前記Ｖｃｌａｍｐは、前記少なくとも１つのツェナー・ダイオード（２１０）のツェナー電圧と前記電子能動スイッチング素子（１３０）の電圧制限との合計に依存する請求項１に記載の素子。
【請求項７】
前記少なくとも１つのツェナー・ダイオード（２１０）は、直列に接続された少なくとも２つのツェナー・ダイオード（３０５）、（３１０）を含む請求項１に記載の素子。
【請求項８】
少なくとも２つのスイッチ（３１５）、（３２０）であって、前記少なくとも２つのツェナー・ダイオード（３０５）、（３１０）とそれぞれ並列に連絡する少なくとも２つのスイッチ（３１５）、（３２０）をさらに備える請求項７に記載の素子。
【請求項９】
前記少なくとも２つのツェナー・ダイオード（３０５）、（３１０）はそれぞれ、前記Ｖｃｌａｍｐに寄与するツェナー電圧を有し、前記少なくとも２つのスイッチ（３１５）、（３２０）をそれぞれ開くことによって、前記Ｖｃｌａｍｐは、前記開いたスイッチと並列に連絡する対応するツェナー・ダイオードのツェナー電圧だけ増加する請求項８に記載の素子。
【請求項１０】
前記整流器回路（２２５）の１つの出力（２２９）と並列に連絡するとともに、前記電子能動スイッチング素子（１３０）の前記ソースと直列に連絡する少なくとも１つの抵抗器（４０５）をさらに備え、前記少なくとも１つの抵抗器（４０５）は、前記電子能動スイッチング素子（１３０）に流れ込む電流を制限するように動作する請求項１に記載の素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−３４３５９（Ｐ２０１２−３４３５９Ａ）
【公開日】平成２４年２月１６日（２０１２．２．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１５７３３４（Ｐ２０１１−１５７３３４）
【出願日】平成２３年７月１９日（２０１１．７．１９）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年２月１６日（２０１２．２．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月１９日（２０１１．７．１９）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【Ｆターム（参考）】
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