CN102725643A - 电压检测装置 - Google Patents
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Abstract
电压检测装置(100)具备：与IGBT(11)的集电极连接的散热板(13)；在与散热板(13)之间形成电容器(22)的检测用引线框(21)；及基于电容器(22)中蓄积的电荷的变化量检测IGBT(11)的集电极电压的集电极电压检测电路(30)。根据该电压检测装置(100)，即使在高电压状况下也能够不使装置大型化而检测IGBT(11)的集电极电压。
Description
技术领域
本发明涉及用于检测功率半导体元件的端子电压的电压检测装置。
背景技术
一直以来，作为使用功率半导体元件的装置，例如周知专利文献1所记载的半导体电力变换装置。该半导体电力变换装置具有作为功率半导体元件的绝缘栅双极型晶体管(以下称为IGBT(Insulated GateBipolar Transistor))、用于将IGBT的集电极电压分压的分压电阻、及与该分压电阻并联连接的电容器。
专利文献1：JP特开2002-44934号公报
发明内容
在上述的现有的半导体电力变换装置中，能够使用分压电阻及与该分压电阻并联连接的电容器来检测IGBT的集电极电压。近年来，要求在直流600V～900V程度的高电压的状况下使用这种半导体电力变换装置。
但是，为了在上述的高电压的状况下使用上述的现有的半导体电力变换装置，需要使用于将集电极电压分压的分压电阻为瓦特数较高的大型的分压电阻，或为将多个电阻串联连接的分压电阻，哪一种情况均不能避免该装置的大型化。
因此，本发明为了解决这种问题而创立，其目的在于，提供即使在高电压的状况下也不使装置大型化且能够检测功率半导体元件的端子电压的电压检测装置。
本发明的电压检测装置，用于检测功率半导体元件的第一端子和第二端子之间的电压，其特征在于，包括：电极板，与功率半导体元件的第一端子连接；检测用电极，靠近电极板配置以在所述检测用电极与电极板之间形成第一电容器；及电压检测电路，基于第一电容器中蓄积的电荷的变化检测功率半导体元件的第一端子与第二端子之间的电压。
该电压检测装置靠近与功率半导体元件的第一端子连接的电极板而配置检测用电极，在电极板和检测用电极之间形成第一电容器。并且，基于该第一电容器中蓄积的电荷的变化检测功率半导体元件的第一端子和第二端子之间的电压(以下称为端子电压)。因此，能够不设置用于将端子电压分压的电阻而检测端子电压。因此，在高电压的状况下也能够避免装置的大型化。
另外，电压检测电路也可以为如下方式，即具有：运算放大器，其反相输入端子与第一电容器连接且非反相输入端子与规定的电压源连接；及第二电容器，连接在运算放大器的反相输入端子与输出端子之间。该情况下，第一电容器中蓄积的电荷的变化量向与运算放大器的反相输入端子和输出端子之间连接的第二电容器移动。其结果是，第一电容器中蓄积的电荷的变化被反映在运算放大器的输出电压中，因此，能够通过运算放大器的输出电压而检测功率半导体元件的端子电压。
另外，电压检测电路也可以为如下方式，即具有：第三电容器，与第一电容器连接；二极管，从第一电容器与第三电容器之间分支而与第三电容器并联连接；及第四电容器，在二极管的下游侧与二极管的负极串联连接。该情况下，在端子电压的上升时，第三电容器和第四电容器并联，端子电压通过第一电容器、第三电容器和第四电容器被分压。另一方面，在端子电压下降时，通过设置在第四电容器的上游的二极管保持第四电容器的电荷。因此，在端子电压下降时，端子电压通过第一电容器和第三电容器被分压，因此与端子电压上升时相比，与第一电容器之间的分压比变小。其结果是，能够正确地检测端子电压的变化。
发明效果
根据本发明，能够提供即使在高电压状况下也不会使装置大型化而能够检测功率半导体元件的端子电压的电压检测装置。
附图说明
图1是表示本实施方式的功率模块的构成的图。
图2是表示电压检测装置的电路构成的图。
图3是表示电压检测装置的电路构成的图。
图4是表示图3所示的电压检测装置的动作的时间图。
具体实施方式
以下，参照附图详细说明本发明的实施方式。此外，在附图的说明中对同一要素标注同一标号，省略重复的说明。
(第1实施方式)
图1是表示使用了本实施方式的电压检测装置的功率模块的构成的图。图1(a)是该功率模块的概略的俯视图。图1(b)是沿图1(a)的I-I线的概略剖视图。图1(c)是沿图1(a)的II-II线的概略剖视图。此外，在图1(a)中，省略了图1(b)、(c)所示的模压树脂M。
功率模块10具备IGBT11作为功率半导体元件。IGBT11的背面11a的至少一部分为集电极(第一端子)。在IGBT11的背面11a上通过焊锡12安装有散热板(电极板)13。散热板13由具有导电性的材料构成，经由焊锡12与IGBT11的集电极电连接。
在散热板13上通过焊锡14安装有电力线引线框15。因此，电力线引线框15经由焊锡14、散热板13及焊锡12与IGBT11的集电极电连接。电力线引线框15为了针对直流高电压的耐压设计而形成为宽度大的平板状。
IGBT11的上表面11b的至少一部分形成发射极(第二端子)。在该IGBT11的上表面11b上通过焊锡16安装有电力线引线框17。电力线引线框17经由焊锡16与IGBT11的发射极电连接。电力线引线框17为了针对直流高电压的耐压设计而形成为宽度大的平板状。
在IGBT11的上表面11b上形成多个(此处为4个)用于向IGBT11的门输入控制信号的门连接区域18。各个门连接区域18上，经由电线19连接有控制信号线引线框20。因此，各个控制信号线引线框20经由电线19及门连接区域18与IGBT11的门电连接。
这样，功率模块10能够使用电力线引线框15、17而在IGBT11的集电极-发射极间施加电压，并且能够使用控制信号线引线框20控制IGBT11的门电位而使IGBT11通/断。该功率模块10例如能够组合多个而构成逆变器电路，并用作半导体电力变换装置。此外，功率模块10具备以覆盖IGBT11、散热板13等的方式形成的模压树脂M。
此处，功率模块10还具备检测用引线框21。检测用引线框21由电极部分(检测用电极)21a和连接部分21b构成。电极部分21a形成大致矩形平板形状，靠近散热板13配置。因此，电极部分21a和散热板13形成与IGBT11的集电极连接的平行平板电容器(第一电容器)22。该电容器22蓄积与施加在IGBT11的集电极-发射极之间的电压(以下称为集电极电压)相对应的电荷量。此外，在散热板13和检测用引线框21的电极部分21a之间配置有模压树脂M。
检测用引线框21的连接部分21b从电极部分21a的一端部延伸，与电极部分21a一体地形成。连接部分21b用于将电容器22与后述的集电极电压检测电路连接。散热板13、检测用引线框21及集电极电压检测电路构成用于检测IGBT11的集电极电压的电压检测装置。
图2是概略地表示本实施方式的电压检测装置的电路构成的图。如图2(a)所示，电压检测装置100具备电容器22(散热板13及检测用引线框21的电极部分21a)和集电极电压检测电路30。集电极电压检测电路30与电容器22连接。集电极电压检测电路30是用于基于在电容器22中蓄积的电荷的变化而检测IGBT11的集电极电压的电路。集电极电压检测电路30将表示IGBT11的集电极电压的检测结果的检测电压信号S1向后述的门驱动/控制电路40输出。
门驱动/控制电路40与IGBT11的门G连接。对于门驱动/控制电路40，从集电极电压检测电路30输入检测电压信号S1，并且从外部输入用于控制IGBT11的门电位的控制信号S2。并且，门驱动/控制电路40基于检测电压信号S1和控制信号S2来控制IGBT11的门电位而使IGBT11通/断。
接着，对于集电极电压检测电路30进行详细说明。图2(b)是表示集电极电压检测电路30的构成的电路图。集电极电压检测电路30如图2(b)所示，具有运算放大器31、电压源32、电容器(第二电容器)33及开关34。运算放大器31的反相输入端子与电容器22连接，非反相输入端子与电压源32连接。电容器33与运算放大器31的反相输入端子和输出端子之间连接。开关34相对于电容器33并联连接。此外，IGBT11的发射极E与电压源32一起接地。
接着，对电压检测装置100的作用/效果进行说明。在使IGBT11通/断前，使开关34暂时接通。由此，将电容器33中蓄积的电荷暂时重置。并且，使开关34断开。此时，将未与电容器22的集电极C连接的一侧的电压通过运算放大器31的作用固定为电压源32的电压Vref(假想接地)。因此，此后使IGBT11接通或断开而使IGBT11的集电极电压变化时，在电容器22中蓄积的电荷产生变化。该电荷的变化量向电容器33移动而反映在运算放大器31的输出电压中。因此，根据电压检测装置100，能够基于运算放大器31的输出电压而检测IGBT11的集电极电压。
(第2实施方式)
接着，参照图3对电压检测装置的第2实施方式进行说明。该电压检测装置也与第1实施方式的电压检测装置100同样地，适用于功率模块10。电压检测装置200如图3所示，具备电容器22(散热板13及检测用引线框21的电极部分21a)和集电极电压检测电路50。集电极电压检测电路50与集电极电压检测电路30同样地，是用于基于电容器22中蓄积的电荷的变化而检测IGBT11的集电极电压的电路。
集电极电压检测电路50具有电容器(第三电容器)51、开关52、二极管53、电容器(第四电容器)54及开关55。
电容器51连接于电容器22和接地之间。二极管53从电容器22和电容器51之间分支而与电容器51并联连接。电容器54在二极管53的下游侧与二极管53的负极串联连接。开关52从电容器22和电容器51之间分支而与电容器51并联连接。开关55从二极管53和电容器54之间分支而与电容器54并联连接。
接着，对于电压检测装置200的作用/效果进行说明。此外，在以下的说明中，除了图3之外还参照图4。图4是表示伴随IGBT11的开关的电压的变化的时间图。图4(a)表示集电极电压。图4(b)的虚线表示分压点电压V1，实线表示分压点电压V2。另外，图4(c)表示IGBT11的开关的定时。并且，图4(d)表示比较例的电压检测装置中的分压点电压。该比较例的电压检测装置在不具备开关52、55及二极管53的方面与电压检测装置200不同。
首先，对开关52、54按断开、接通、断开的顺序进行操作。由此，将电容器51、54中蓄积的电荷重置。然后，使IGBT11断开时，集电极电压上升。此时，设***电压为Vh、浪涌电压为Vs时，集电极电压上升至Vh+Vs。
并且，伴随着集电极电压上升至Vh+Vs，分压点电压V1上升至C1·(Vh+Vs)/(C1+C2+C3)。此处、C1、C2及C3分别是电容器22、电容器51及电容器54的电容值。另外，未考虑二极管53产生的电压效果。
然后，集电极电压降低至***电压Vh而稳定。伴随着集电极电压的降低，分压点电压V1也发生变化(降低)。对于此时的分压点电压V1的变化量ΔV1，由于通过二极管53的效果而保存了电容器54的电荷，因此成为-C1·Vs/(C1+C2)。
另一方面，图4(d)所示的比较例的电压检测装置不具备二极管53，因此该比较例的分压点电压的变化量成为-C1·Vs/(C1+C2+C3)。
这样，根据本实施方式的电压检测装置200，在集电极电压上升时，电容器51和电容器54成为并联，集电极电压利用电容器22、电容器51和电容器54而被分压。另外，在集电极电压下降时，通过在电容器54的上游设置的二极管53，电容器54的电荷被保持。因此，在集电极电压下降时，集电极电压通过电容器22和电容器51被分压，因此与集电极电压上升时相比，与电容器22的分压比减小。因此，与不具备二极管53的比较例的电压检测装置相比，分压点电压V1的变化量ΔV1增大。其结果是，通过将C1、C2及C3设定为适当的值，能够使分压点电压V1的电压变化范围处于期望的范围内，并较大地检测出浪涌电压Vs作为分压点电压V1的电压变化。因此，能够正确地检测集电极电压的变化(浪涌电压Vs)。
如以上说明，根据第1实施方式的电压检测装置100及第2实施方式的电压检测装置200，能够基于电容器22中蓄积的电荷的变化来检测IGBT11的集电极电压。因此，能够不设置用于将集电极电压分压的电阻而检测集电极电压。因此，即使在高电压状况下也能够避免装置的大型化。
另外，第1实施方式的电压检测装置100及第2实施方式的电压检测装置200使用利用功率模块10的散热板13而形成的电容器22，因此不需要单独设置用于检测集电极电压的电容器。
此外，在上述的实施方式中，作为功率半导体元件例示了IGBT，但不限于此，例如也可以作为功率MOSFET(Metal Oxide SemiconductorField Effect Transistor：场效应晶体管)。
工业实用性
能够提供即使在高电压的状况下也不使装置大型化而能够检测功率半导体元件的端子电压的电压检测装置。
标号说明
11…IGBT、13…散热板、21…检测用引线框、21a…电极部分、22，33，51，54…电容器、30，50…集电极电压检测电路、31…运算放大器、32…电压源、53…二极管、100，200…电压检测装置。
Claims (3)
1.一种电压检测装置，用于检测功率半导体元件的第一端子和第二端子之间的电压，其特征在于，包括：
电极板，与所述功率半导体元件的所述第一端子连接；
检测用电极，靠近所述电极板配置以在所述检测用电极与所述电极板之间形成第一电容器；及
电压检测电路，基于所述第一电容器中蓄积的电荷的变化检测所述功率半导体元件的所述第一端子与所述第二端子之间的电压。
2.根据权利要求1所述的电压检测装置，其中，
所述电压检测电路具有：
运算放大器，其反相输入端子与所述第一电容器连接且非反相输入端子与规定的电压源连接；及
第二电容器，连接在所述运算放大器的反相输入端子与输出端子之间。
3.根据权利要求1所述的电压检测装置，其中，
所述电压检测电路具有：
第三电容器，与所述第一电容器连接；
二极管，从所述第一电容器与所述第三电容器之间分支而与所述第三电容器并联连接；及
第四电容器，在所述二极管的下游侧与所述二极管的负极串联连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20121010 |