電子回路に対する過渡電圧スパイクやサージの影響は、迷惑な軽微な障害から、回路コンポーネントに損傷を引き起こす可能性のある壊滅的な結果まで多岐にわたります。このような過渡現象の原因は、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、または誘導放電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：リテルヒューズ株式会社)
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キロアンペアレベルに達する電流を持ち、持続時間は数百ナノ秒からミリ秒の範囲のパルスを生成する可能性があります。
IC とプロセッサの小型化、および電源電圧の低下により、それらは電気的過渡現象に対してより敏感になっています。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、クランプ装置などの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設計を採用し、アーク抑制とクランプ保護はアクティブ機構を採用しています。スパーク ギャップ、ガス放電管、サイリスタ、その他の消弧装置は、過渡電流をグランドに迂回させて回路を保護します。消弧装置がアクティブ状態の場合、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、および過渡電圧抑制 (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更することで保護されたデバイス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、応答速度が速く、電力損失が大きいため、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、過剰な電流が迂回され、電圧が一定の電位に維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、単極性過渡現象を防止する単方向デバイスとして使用できるほか、あらゆる極性の過渡現象を防止する双方向デバイスとしても使用できます (図 2)。双方向デバイスは、対称型で任意の極性の電圧を同じ振幅でクランプできる場合もあれば、非対称型で過渡現象の極性に基づいて異なる電圧レベルにクランプできる場合もあります。
図 2: 3 つの TVS デバイスの電流電圧破壊特性と回路図シンボル。 (画像出典：リテルヒューズ株式会社)
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。ダイオードのブレークダウン電圧 (VBR) を超えるまでは、順方向バイアスがかかると導通しますが、逆方向バイアスがかかると導通しません。印加電圧が VBR を超えると、ダイオードが導通し、その端子間の電圧をクランプ電圧 (VC) に維持します。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 つの連続したダイオードと同等です。いずれの方向においても降伏電圧 (VBR) を超えない場合、少量の逆漏れ電流 (IR) のみが流れます。 2 つのバイアス条件下での降伏電圧振幅が同じであるため、この動作は対称的です。
非対称 TVS ダイオードの機能は双方向デバイスの機能と似ていますが、ブレークダウン電圧 (VBR1 と VBR2) が異なります。
非対称 TVS ダイオード
なぜ非対称 TVS ダイオードが必要なのか疑問に思われるかもしれません。これらのコンポーネントは、炭化ケイ素 (SiC) MOSFET 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、これらのドライバは過電圧過渡現象によって損傷を受ける傾向があります。自動車の充電に使用される 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)。
図 3: SiC MOSFET スイッチ ゲート ドライバの保護に使用される非対称 TPSMB1505CA TVS。 (画像出典：リテルヒューズ株式会社)
非対称リテルヒューズ TPSMB1505CA TVS は、MOSFET のゲート ドライバーを保護するために使用されます。ゲート ドライバーには 2 つの状態があります。オン状態のゲート電圧は -5 ～ 10 V で、オフ状態のゲート電圧は -10 V 未満です。TPSMB1505CA の定格カソード (K) 対アノード (A) 耐圧は 16.7 ～ 18.5 V、最大クランプ電圧は 24.4 V です。この方向の Ipp は 24.6 A、過渡パルス幅は 10 ～ 1000 ms です。
A から K までの TVS のブレークダウン電圧は 6.8 ～ 7.4 V、最大クランプ電圧は 11.5 V です。この方向のピーク パルス電流は 60 A、過渡パルス幅も 10 ～ 1000 ms です。これは単一のコンポーネントを通じてのみ実現できることに注意してください。この非対称動作モードを実現するために独立したコンポーネントが使用される場合、複数のコンポーネントが連携して動作する必要があります。
リテルヒューズの TPSMB 非対称シリーズ TVS ダイオード (図 4) には、異なる K ～ A 降伏電圧を備えた 2 つの追加コンポーネントが含まれています。 TPSMB1805CA は、20.0 ～ 21.1 V の K ～ A 降伏電圧範囲を提供し、最大クランプ電圧は 29.2 V です。定格 Ipp は 20.6 A、パルス幅は 10 ～ 1000 ms です。 A ～ K 耐圧範囲は TPSMB1505CA と同じ (6.8 ～ 7.4 V)。