過渡電圧スパイクやサージは、迷惑な軽度の障害から回路コンポーネントに損傷を与える壊滅的な結果に至るまで、電子回路にさまざまな程度の影響を与えます。これらの過渡現象の原因は、落雷、静電気、誘導放電など多岐にわたります (図 1)。
図 1. 過渡現象は落雷、静電気、誘導放電などによって発生する可能性があり、保護されていない電子機器に重大な損傷を与える可能性があります。画像出典：LitInc.）
このような過渡現象は、数百ボルトから数万ボルトの範囲のピーク電圧と最大キロアンペアの電流を伴うインパルスを生成し、数百ナノ秒からミリ秒持続します。
IC とプロセッサの小型化と供給電圧の低下により、それらは電気的過渡現象に対してより敏感になります。これは、エンジン、ステアリング、ブレーキ、エアコン、エンターテイメントなどの複数の電子システムによって制御される車両に特に当てはまります。
敏感な回路を保護するために、シールド配線、フィルター、アーク抑制、クランプ装置など、さまざまな設計戦略が開発されてきました。シールドとフィルタリングはパッシブですが、アーク抑制とクランプ保護はアクティブです。スパーク ギャップ、ガス放電管、サイリスタなどのアーク抑制装置は、過渡電流をグランドに分流して回路を保護します。消弧装置が作動している場合、保護された機器は動作しませんが、過渡現象が解消されると、機器は正常に動作できるようになります。
クランプ デバイスには、金属酸化物バリスタ (MOV)、ツェナー ダイオード、過渡電圧抑制 (TVS) アバランシェ ダイオードが含まれており、インピーダンスを変化させることで保護された機器の両端の電圧を一定に維持します。これらのテクノロジーは個別に使用することも、同時に使用することもできます。 TVS ダイオードは、応答が速く、消費電力が大きいため、クランプ デバイスとして広く使用されています。
過渡電圧抑制ダイオード
TVS ダイオードは、クランプ デバイスとして使用されるアバランシェ ダイオードです。印加された電圧がアバランシェ降伏電圧を超えると、過剰な電流が遮断され、電圧が一定の電位に保持またはクランプされます。印加電圧が降伏値以下になると自動的にリセットされます。
TVS ダイオードは、単極性の過渡現象を防止する単方向デバイスとして使用することも、両極性の過渡現象を防止する双方向デバイスとして使用することもできます (図 2)。双方向デバイスは、対称で同じ振幅の任意の極性電圧にクランプすることも、非対称で過渡現象の極性に応じて異なる電圧レベルにクランプすることもできます。
図 2: 3 つの TVS デバイスの電流-電圧破壊特性とその回路図記号。画像出典：LitInc.）
単方向 TVS ダイオードの動作原理は、単純なダイオードの動作原理と似ています。順バイアスが印加されるとオンになり、逆バイアスが印加されるとダイオードの降伏電圧 (VBR) を超えるまでオンになりません。印加電圧が VBR を超えるとダイオードがオンし、両端の電圧はクランプ電圧 (VC) に維持されます。このダイオードが消費できる最大電力は、ピーク パルス電流 (IPP) x VC です。
双方向 TVS ダイオードは、2 つのダイオードを背中合わせにしたものと同等です。どちらの方向でも降伏電圧 (VBR) を超えない場合、少量の逆漏れ電流 (IR) のみが流れます。降伏電圧の振幅が両方のバイアス条件で同じであるため、この動作は対称的です。
非対称 TVS ダイオードは双方向デバイスと同様に動作しますが、ブレークダウン電圧 (VBR1 と VBR2) は異なります。
非対称 TVS ダイオード
非対称 TVS ダイオードが必要な理由を知りたいかもしれません。これらのコンポーネントは、炭化ケイ素 (SiC) MOSFET 上のゲート ドライバーを保護するように設計されています。 SiC はスイッチング速度が速いため、これらのドライブは過電圧過渡現象による損傷を受けやすくなります。オンボード充電用の SiC MOSFET またはトラクション インバーターを見てみましょう (図 3)。