CN105103427B - 绝缘栅型半导体装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的绝缘栅型半导体装置包括：将根据规格而确定的第1栅极电压接收到控制端子以进行导通动作，将输入电压进行开关并输出到负载的绝缘栅型半导体元件；输出电流检测单元，该输出电流检测单元对随着该绝缘栅型半导体元件的开关动作而向所述负载输出的输出电流进行检测；电压检测单元，该电压检测单元检测所述绝缘栅型半导体元件的导通电压；及发热量抑制单元，该发热量抑制单元在所述输出电流超过额定电流值、且所述导通电压低于预定的第1阈值电压时，将施加在所述绝缘栅型半导体元件的控制端子上的栅极电压设定得高于所述第1栅极电压，以抑制该绝缘栅型半导体元件的发热量。

Description

绝缘栅型半导体装置
技术领域
本发明涉及将IGBT、功率MOS-FET等绝缘栅型半导体元件进行开关而向负载供电的绝缘栅型半导体装置。
背景技术
作为驱动电动机等负载的驱动装置，已知有将晶体管等半导体元件进行开关驱动来将输入电力转换成适于驱动上述负载的电力的半导体装置。图4是表示例如专利文献1中详细介绍的、这种半导体装置1的一例的主要部分简要结构图。
该半导体装置1包括对输入交流电力AC进行整流的二极管桥式电路DB、将该二极管桥式电路DB的输出转换成规定电压的直流电力的转换器2。此外，上述半导体装置1包括对从上述转换器2得到的直流电力进行升压并将其提供给电动机等负载RL的斩波电路3。
上述转换器2包括例如由MOS-FET构成的开关元件S1，该开关元件S1经由绝缘变压器T的一次绕组以规定频率将上述二极管桥式电路DB的输出进行开关。上述转换器2还包括整流平滑电路，该整流平滑电路由对上述绝缘变压器T的二次绕组中产生的电压进行整流并将其输出的二极管D1、及对该二极管D1的输出进行平滑的电容器C1构成。这样构成的反激式转换器2中，利用主控制部4对例如上述开关元件S1的导通宽度进行控制，从而控制上述绝缘变压器T的二次绕组中产生的输出电压。
上述斩波电路3包括施加上述转换器2的输出电压的电感器L、及控制流过该电感器L的电流的开关元件S2。该开关元件S2在由驱动部5施加规定的栅极电压时进行导通动作，在上述电感器L中储蓄电能。该电感器L中储蓄的电能通过上述开关元件S2的截止动作而从该电感器L释放。从上述电感器L释放的电能经由二极管D2储蓄到电容器C2之后，作为直流电压提供给上述负载RL。上述开关元件S2由例如高速跟踪性较好的单极模式中使用的接合型FET构成。
此处，上述半导体装置1包括对从上述斩波电路3提供给负载RL的输出电流、或对上述开关元件S2中流过的电流进行检测的电流检测部6。该电流检测部6起到如下作用：检测提供给上述负载RL的电流是否超过预先设定的阈值、即检测过电流。电压控制部7在由上述电流检测部6检测到过电流时，通过将上述驱动部5所输出的栅极电压设定得高于上述开关元件S2的内置电压，从而以双极模式驱动该开关元件S2。这样，在检测出过电流时使上述开关元件S2以双极模式动作，从而将该开关元件S2的导通电阻抑制得较低。而且，防止因过电流导致上述开关元件S2的过热损坏。
另外，在图4中，8为温度监视电路，该温度监视电路根据经由电阻R检测出的流过上述开关元件S2的栅极的电流，检测该开关元件S2的动作温度。根据由该温度监视部8检测出的上述开关元件S2的动作温度，对上述开关元件S1、S2的导通宽度分别进行反馈控制，使对上述负载RL的输出电压变稳定。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2010-88036号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
然而，在利用接合型FET作为上述开关元件S2而构成的半导体装置1中，在增大其输出电力上有界限。因此，最近，作为上述开关元件S2等，主要较多使用短路耐量较大的IGBT、MOS-FET等绝缘栅型半导体元件。然而，在利用了上述绝缘栅型半导体元件的装置中，与上述接合型FET不同，无法使上述绝缘栅型半导体元件在单极模式和双极模式间进行切换动作。
另一方面，在上述负载RL为电动机等感应性负载的情况下，例如在电动机启动时，在该电动机中暂时有较大电流流过。因此，在设计作为电动机的驱动装置的半导体装置1的情况下，一般而言，需要估计在上述电动机启动时流过的电流，采用短路耐量较大的绝缘栅型半导体元件。但是，短路耐量较大的绝缘栅型半导体元件大型且价格高。因此，优选采用与上述电动机的额定电力容量相匹配的绝缘栅型半导体元件来实现驱动该电动机的驱动装置。
本发明是考虑这种情况而完成的，其目的在于提供一种结构简单的绝缘栅型半导体装置，其即使在将输入电力进行开关而向电动机等感应性负载供电的情况下，也能防止因负载上产生的暂时性过电流而对绝缘栅型半导体元件的过热损坏。
解决技术问题的技术方案
为了达到上述目的，本发明的绝缘栅型半导体装置包括：
绝缘栅型半导体元件，该绝缘栅型半导体元件将根据输出规格而确定的第1栅极电压接收到控制端子以进行导通动作，将输入电压进行开关并输出到负载；
输出电流检测单元，该输出电流检测单元对随着该绝缘栅型半导体元件的开关动作而向所述负载输出的输出电流进行检测；及
电压检测单元，该电压检测单元将所述绝缘栅型半导体元件的导通电压作为所述IGBT的集电极发射极间电压Vce、或所述功率MOS-FET的漏极源极间电压Vds来进行检测。
特别是，本发明的绝缘栅型半导体装置的特征在于，包括发热量抑制单元，该发热量抑制单元在所述输出电流超过额定电流值、且所述导通电压低于预定的第1阈值电压时，将施加在所述绝缘栅型半导体元件的控制端子上的栅极电压设定得高于所述第1栅极电压，以抑制该绝缘栅型半导体元件的发热量。
即，本发明着眼于过电流检测时的所述绝缘栅型半导体元件的导通电压，在该导通电压低于第1阈值电压时，判定为是例如电动机启动时的暂时性过电流。而且，将施加在所述绝缘栅型半导体元件的控制端子上的栅极电压设定得比在未产生所述过电流的正常动作时施加在所述绝缘栅型半导体元件的控制端子上的第1栅极电压要高。其结果是，所述绝缘栅型半导体元件的导通电阻被设定得比正常动作时要低，防止该绝缘栅型半导体元件的过热损坏。上述第1阈值电压例如设定为所述输出电流为额定电流时的所述绝缘栅型半导体元件的导通电压的约2倍。
此外，本发明的绝缘栅型半导体装置的特征在于，还包括输出电流降低单元，该输出电流降低单元在所述输出电流超过额定电流值、且所述导通电压高于根据所述绝缘栅型元件的最大额定电压而确定的第2阈值电压时，将施加在该绝缘栅型半导体元件的控制端子上的栅极电压设定得低于所述第1栅极电压，以降低所述输出电流。
即，在过电流检测时的所述绝缘栅型半导体元件的导通电压高于第2阈值电压时，判定为产生因负载短路而导致的过电流。在此情况下，通过将施加在绝缘栅型半导体元件的控制端子上的栅极电压设定得较低，从而减小或切断所述输出电流，由此保护所述绝缘栅型半导体元件免受过电流的影响。此外，所述第2阈值电压例如设定为所述绝缘栅型半导体元件的最大额定电压的约1/2。
发明效果
在上述结构的绝缘栅型半导体装置中，通过着眼于绝缘栅型半导体元件的导通电压，来判定其输出电流的增加是与负载状态相应的暂时性增加，还是因负载短路导致的增加。在所述导通电压低于第1阈值电压，且所述输出电流的增加为暂时性增加的情况下，提高施加在所述绝缘栅型半导体元件的控制端子上的栅极电压，降低该绝缘栅型半导体元件的导通电阻。其结果是，防止因输出电流的增加而导致的所述绝缘栅型半导体元件的发热，能防止其过热损坏。
因此，根据本发明，无需将与负载状态相应的输出电流的暂时性增加都估计出而例如利用与额定电流相比具有过剩的电流容量的绝缘栅型半导体元件来构建绝缘栅型半导体装置。而且，根据所述绝缘栅型半导体元件的导通电压来检测输出电流的暂时性增加，因此，该检测本身简单且可靠性较高。因此，利用与输出规格相对应的小型且低成本的绝缘栅型半导体元件，能简单地实现相对于负载的暂时性变动而稳定地进行动作的绝缘栅型半导体装置。
此外，在负载短路的情况下，根据所述绝缘栅型半导体元件的导通电压的异常上升来检测所述负载的短路。在此情况下，通过降低施加在所述绝缘栅型半导体元件的控制端子上的栅极电压，从而抑制或切断所述输出电流，由此能有效保护所述绝缘栅型半导体元件免受所述负载的短路故障而导致的过电流的影响。
附图说明
图1是本发明的一实施方式的绝缘栅型半导体装置的主要部分简要结构图。
图2是图1所示的绝缘栅型半导体装置中的绝缘栅型半导体元件的驱动装置的简要结构图。
图3是表示绝缘栅型半导体元件的输出特性的图。
图4是表示现有的接合型半导体元件的驱动装置的一例的图。
具体实施方式
以下，参照附图来对本发明的一实施方式的绝缘栅型半导体装置进行说明。
例如如图1所示，本发明的绝缘栅型半导体装置作为向三相交流电动机M提供驱动电流的逆变器装置10来实现。该逆变器装置10作为大功率容量的绝缘栅型半导体元件，包括具有6个IGBT11a、11b～11f而封装化的功率半导体模块。上述6个IGBT11a、11b～11f构成将作为负载的三相交流电动机M进行驱动的上述逆变器装置10的主体部。上述逆变器装置10将上述多个IGBT11a、11b～11f通过未图示的控制电路彼此相关联地进行导通、截止驱动，从而向上述三相交流电动机M提供驱动电流。
此外，上述6个IGBT11a、11b～11f两两成对而串联连接，分别形成3个半桥式电路HB。此外，上述各IGBT11a、11b～11f与6个续流二极管12a、12b～12f分别反向并联连接。上述3个半桥式电路HB并联连接，形成将上述三相交流电动机M进行驱动的三相全桥式电路。此外，图中，13a、13b～13f为将上述IGBT11a、11b～11f分别进行导通、截止驱动的驱动装置。
上述3个半桥式电路HB通过彼此相关联地驱动，来从分别构成上述各半桥式电路HB的上述IGBT11a、11d的串联连接点、上述IGBT11b、11e的串联连接点、及上述IGBT11c、11f的串联连接点，将相位相差120°的U相、V相及W相所构成的3相电流提供给上述三相交流电动机M。
具体而言，上述各半桥式电路HB中的上侧桥臂的IGBT11a、11b、11c及下侧臂的IGBT11d、11e、11f从上述各驱动装置13a、13b～13f接收经脉宽调制后的固定周期的栅极驱动信号，分别被导通、截止驱动。其结果是，经由上述上侧桥臂的IGBT11a(11b、11c)在正的半个周期内向上述三相交流电动机M提供与上述栅极驱动信号的脉宽相对应的电流。经由上述下侧桥臂的IGBT11d(11e,11f)在负的半个周期内向上述三相交流电动机M提供与上述控制信号的脉宽相对应的电流。
即，上述各半桥式电路HB将相位彼此相差120°的交流电流提供给上述三相交流电动机。另外，提供给上述三相交流电动机M的电流由与上述控制信号同步的脉冲电流构成，该脉冲电流形成离散的正弦波电流波形。
将上述各IGBT11(11a、11b～11f)分别进行导通、截止驱动的上述各驱动装置13(13a、13b～13f)如图2示出其主要部分简要结构那样，包括栅极驱动电路14，该栅极驱动电路14接收栅极控制信号，生成规定电压的栅极驱动信号，并将该栅极驱动信号施加到上述IGBT11的栅极。一般而言，上述栅极驱动信号的电压VGE与IGBT11(11a,11b～11f)的输出特性相匹配地设定为15V。
上述驱动装置13包括检测从上述IGBT11提供给上述三相交流电动机M的输出电流的输出电流检测电路15，并包括检测上述IGBT11的集电极发射极间电压Vce的电压检测电路16。上述输出电流检测电路15构成为根据例如上述IGBT11所包括的电流检测用发射极中流过的电流，检测该IGBT11的输出电流。上述电压检测电路16将上述IGBT11的集电极发射极间电压Vce作为该IGBT11的导通电压来进行检测。
设置于上述驱动装置13的负载状态判定电路17包括过电流检测部17a和电压判定部17b。该过电流检测部17a通过将上述输出电流与规定的电流阈值进行比较，从而判定提供给上述三相交流电动机M的电流是否为超过额定电流的过电流。上述电压判定部17b将检测出过电流时的上述IGBT11的导通电压、即上述集电极发射极间电压Vce与第1阈值电压Vth1及第2阈值电压Vth2分别进行比较。
上述第1阈值电压Vth1例如设定为上述IGBT11的输出电流在额定电流的范围内时的该IGBT11的导通电压的约2倍。具体而言，在输出额定电流的正常动作时的上述IGBT11的导通电压为2～3V，因此，上述第1阈值电压Vth1设定为5V左右。此外，上述第2阈值电压Vth2例如设定为上述IGBT11的最大额定电压的约1/2。具体而言，在IGBT11的最大额定电压为100V的情况下，上述第2阈值电压Vth2设定为50V左右。
然后，在上述过电流检测部17a中检测出过电流时，由上述电压判定部17b检测出的上述集电极发射极间电压Vce低于上述第1阈值电压Vth1的情况下，上述负载状态判定电路17判定为处于例如在上述三相交流电动机M启动时在该三相交流电动机M中暂时有过电流流过的状态。与此相对，在由上述电压判定部17b检测出的上述集电极发射极间电压Vce高于上述第2阈值电压Vth2的情况下，上述负载状态判定电路17判定为处于在上述三相交流电动机M中发生了短路而有过电流流过的状态。
即，上述负载状态判定电路17通过着眼于检测出过电流时的上述IGBT11的集电极发射极间电压Vce，判定上述过电流是因负载的运转状态而导致的暂时性过电流，还是因负载的短路而导致的过电流。然后，上述负载状态判定电路17基于其判定结果来控制栅极电压设定电路18，如以下说明的那样，对施加于上述IGBT11的栅极电压进行变更设定。
然后，接收到上述负载状态判定电路17的判定结果而动作的上述栅极电压设定电路18起到如下作用：对检测出过电流时上述栅极驱动电路14所输出的上述栅极驱动信号的电压、即施加于上述IGBT11的栅极电压进行变更。该栅极电压设定电路18通过将上述栅极驱动电路14所输出的栅极驱动信号的电压变更设定为比正常动作时的第1栅极电压要高，从而起到起到抑制IGBT11的发热量的发热量抑制单元的作用。上述栅极电压设定电路18通过将上述栅极驱动信号的电压变更设定为比正常动作时的第1栅极电压要低，从而起到作为降低上述输出电流的输出电流降低单元的作用。
具体而言，上述栅极电压设定电路18在上述过电流被判定为暂时性过电流时，将正常动作时上述栅极驱动电路14所输出的15V的第1栅极驱动信号的电压设定得较高，例如为20V。由此，对上述IGBT11的栅极施加比正常动作要高的20V的栅极电压VGE，该IGBT11的导通电阻下降。其结果是，如图3所示，上述IGBT11的输出特性暂时被变更，使比正常动作要大的电流暂时流过，而不会导致该IGBT11的过度发热。
此外，在上述过电流被判定为由三相交流电动机M的短路引起的情况下，上述栅极电压设定电路18将正常动作时上述栅极驱动电路14所输出的上述15V的栅极驱动信号的电压设定得较低，抑制经由上述IGBT11输出的电流。优选为，通过将施加在上述IGBT11的栅极上的栅极电压VGE设定为例如0V，使该IGBT11进行截止动作，由此切断上述输出电流，保护IGBT11免受上述过电流的影响。
另外，上述栅极驱动信号的这种电压控制可通过变更构成上述栅极驱动电路14的输出级的未图示的晶体管电路的驱动电压来达到。
由此，根据如上述那样构成的包括驱动装置13的上述逆变器装置10，着眼于产生了过电流时的上述IGBT11的导通电压、具体而言为上述集电极发射极间电压Vce，判定上述过电流是否为与三相交流电动机M的状态相应的暂时性过电流。然后，在为暂时性过电流的情况下，通过暂时提高施加在上述IGBT11的栅极上的栅极信号的电压，从而降低该IGBT11的导通电阻，由此抑制过电流导致的上述IGBT11的发热。
因此，根据本发明，无需将因三相交流电动机M的状态而导致的暂时性过电流的大小都估计出并选定短路耐量较大的IGBT11，就能利用满足额定输出的短路耐量的IGBT11，来构建上述逆变器装置10。因此，能充分活用小型且低成本的IGBT11的特性，低成本地实现上述逆变器装置10，其实用性优点很大。
此外，本发明并不限于上述实施方式。此处，作为绝缘栅型半导体装置，以构成逆变器装置10的情况为例进行了说明，但在利用IGBT11来构成斩波电路的情况下也能同样适用本发明。此外，作为绝缘栅型半导体，在利用功率MOS-FET的情况下也可同样适用本发明。在此情况下，将功率MOS-FET的漏极源极间电压Vds作为其导通电压来进行检测，判定过电流时的上述三相交流电动机M的负载状态即可。
此外，作为构成逆变器装置10的绝缘栅型半导体，不仅可使用Si类的半导体，也可使用例如SiC、GaN或金刚石等宽带隙半导体，也可仅将绝缘栅型半导体的一部分替换成宽带隙半导体。
此外，对于上述第1阈值电压Vth1及第2阈值电压Vth2，根据绝缘栅型半导体装置的规格、动作特性、及绝缘栅型半导体元件的驱动条件等来设定就足够了。此外，当然，在向上述三相交流电动机M以外的负载供电的绝缘栅型半导体装置中也可同样适用。此外，本发明可以在不脱离其主旨的范围内进行各种变形来实施。
标号说明
10 逆变器装置(绝缘栅极型半导体装置)
11、11a、11b～11f IGBT(绝缘栅型半导体元件)
12,12a,12b～12f 续流二极管
13、13a、13b～13f 驱动装置
14 栅极驱动电路
15 输出电流检测电路
16 电压检测电路
17 负载状态判定电路
17a 过电流检测部
17b 电压判定部
18 栅极电压设定电路(发热量抑制单元、输出电流降低单元)
M 三相交流电动机(负载)

Claims (6)

1.一种绝缘栅型半导体装置，其特征在于，包括：
绝缘栅型半导体元件，该绝缘栅型半导体元件将根据输出规格而确定的第1栅极电压接收到控制端子以进行导通动作，将输入电压进行开关并输出到负载；
输出电流检测单元，该输出电流检测单元对随着该绝缘栅型半导体元件的开关动作而向所述负载输出的输出电流进行检测；
电压检测单元，该电压检测单元检测所述绝缘栅型半导体元件的导通电压；及
发热量抑制单元，该发热量抑制单元在所述输出电流超过额定电流值、且所述导通电压低于预定的第1阈值电压时，将施加在所述绝缘栅型半导体元件的控制端子上的栅极电压设定得高于所述第1栅极电压，以抑制该绝缘栅型半导体元件的发热量。
2.如权利要求1所述的绝缘栅型半导体装置，其特征在于，
所述绝缘栅型半导体元件为IGBT，所述电压检测单元检测所述IGBT的集电极发射极间电压Vce。
3.如权利要求1所述的绝缘栅型半导体装置，其特征在于，
所述绝缘栅型半导体元件为功率MOS-FET，所述电压检测单元检测所述功率MOS-FET的漏极源极间电压Vds。
4.如权利要求1所述的绝缘栅型半导体装置，其特征在于，
所述第1阈值电压设定为所述输出电流为额定电流时的所述绝缘栅型半导体元件的导通电压的2倍。
5.如权利要求1至4中任一项所述的绝缘栅型半导体装置，其特征在于，
还包括输出电流降低单元，该输出电流降低单元在所述输出电流超过额定电流值、且所述导通电压高于根据所述绝缘栅型半导体元件的最大额定电压而确定的第2阈值电压时，将施加在该绝缘栅型半导体元件的控制端子上的栅极电压设定得低于所述第1栅极电压，以降低所述输出电流。
6.如权利要求5所述的绝缘栅型半导体装置，其特征在于，
所述第2阈值电压设定为所述绝缘栅型半导体元件的最大额定电压的1/2。
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