CN105493407A - 半导体开关装置 - Google Patents

Abstract

开关元件(A)与负载(L)并联连接。开关元件(B)连接于开关元件(A)和接地点之间。驱动电路(1)驱动开关元件(A)，驱动电路(2)驱动开关元件(B)。负载短路检测电路(3)如果检测出负载短路，则输出第1信号。计时器(6)在从输入第1信号起经过规定时间后输出第2信号。驱动电路(1)如果输入第1信号，则使开关元件(A)导通。驱动电路(2)如果输入第2信号，则使开关元件(B)截止。

Description

半导体开关装置

技术领域

本发明涉及一种半导体开关装置，该半导体开关装置在电气化铁路或电力输送的电力变换或逆变器控制中使用。

背景技术

在半导体开关装置中发生了桥臂短路的情况下，如果在规定的期间内，则能够检测出短路并安全地断开。但是，在发生了负载短路的情况下，与桥臂短路相比，栅极－发射极间电压容易上升，在半导体开关装置处流动的主电流的饱和电流持续增加。另外，与桥臂短路相比，存在下述趋势，即，受主电流的di/dt的感应，芯片间的栅极－发射极间控制电压VGE容易波动，在芯片间流动的主电流容易波动。

图4是表示发生负载短路而使得半导体开关装置破坏后的情况下的电流和电压的实测波形的图。VCE是集电极－发射极间电压，IC1～IC3是并联连接的3个开关元件的集电极电流。IC1～IC3变得不均衡，电流集中于某开关元件，产生闩锁破坏或热破坏。

如上所述，负载短路存在下述危险性，即，与桥臂短路相比，饱和电流容易变大，引起在芯片间流动的分支电流的不均衡，导致闩锁破坏或断开破坏。因此，提出了下述装置，即，在产生了负载短路的情况下，通过使用设置于负载侧的第3开关而形成桥臂短路，从而防止由负载短路所造成的破坏(例如，参照专利文献1)。

专利文献1：日本特开昭62－272821号公报

发明内容

在现有技术中，需要第3开关、第3开关的控制电路、以及用于流过短路电流的配线。因此，存在下述问题，即，控制变得复杂，与已有的装置相比部件数量增多。

本发明就是为了解决上述课题而提出的，其目的在于得到一种半导体开关装置，该半导体开关装置能够将用于防止由负载短路所造成的破坏的控制变得容易，并减少部件数量。

本发明所涉及的半导体开关装置的特征在于，具有：第1开关元件，其与负载并联连接；第2开关元件，其连接于所述第1开关元件和接地点之间；第1驱动电路，其驱动所述第1开关元件；第2驱动电路，其驱动所述第2开关元件；负载短路检测电路，其如果检测出负载短路，则输出第1信号；以及计时器，其在从输入所述第1信号起经过规定时间后输出第2信号，所述第1驱动电路如果输入所述第1信号，则使所述第1开关元件导通，所述第2驱动电路如果输入所述第2信号，则使所述第2开关元件截止。

发明的效果

根据本发明，能够将用于防止由负载短路所造成的破坏的控制变得容易，并减少部件数量。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式1所涉及的半导体开关装置的电路图。

图2是表示本发明的实施方式1所涉及的半导体开关装置的动作的时序图。

图3是表示本发明的实施方式2所涉及的半导体开关装置的电路图。

图4是表示发生负载短路而使得半导体开关装置破坏后的情况下的电流和电压的实测波形的图。

具体实施方式

参照附图，说明本发明的实施方式所涉及的半导体开关装置。对相同或者相对应的结构要素标注相同的标号，有时省略重复的说明。

实施方式1

图1是表示本发明的实施方式1所涉及的半导体开关装置的电路图。开关元件A与负载L并联连接。开关元件B连接于开关元件A和接地点之间。开关元件A、B为IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)，但不限于此，也可以是晶体管或MOSFET(Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor)，其材质既可以是Si，也可以是SiC。

驱动电路1驱动开关元件A，驱动电路2驱动开关元件B。续流二极管D1、D2分别与开关元件A、B并联连接。电容C和电源与开关元件A、B并联连接。

在开关元件A截止、开关元件B导通的情况下，主电流的路径为(1)，发生负载短路。如果开关元件B的集电极－发射极间电压VCE超过规定电压，则负载短路检测电路3判定为负载短路而输出第1信号。

具体地说，负载短路检测电路3具有与电压V2的电源连接的恒定电流源4、二极管Dm和比较器5。在开关元件B的VCE比V2小的情况下，来自恒定电流源4的电流通过二极管Dm，电流流动至开关元件B的集电极。如果VCE比V2大，则比较器5检测到VCE＞V1而输出第1信号。

驱动电路1如果输入第1信号，则使开关元件A导通。在该情况下，主电流的路径为(2)，发生桥臂短路。计时器6在从输入第1信号起经过规定时间(几μs)后，输出第2信号。驱动电路2如果输入第2信号，则使开关元件B截止而将短路电流截断。

图2是表示本发明的实施方式1所涉及的半导体开关装置的动作的时序图。将开关元件A、B的集电极电流设为Ic，将栅极－发射极间电压设为VGE，将集电极－发射极间电压设为VCE。

首先，在a期间，开关元件A，B截止。然后，在b期间，开关元件B导通，主电流在路径(1)上流动，发生负载短路，其中，该路径(1)通过已短路的负载L。流过开关元件B的电流I与负载L的电感L相应地以I＝t×V/L不断增加(t为时间，V为电压)。此时，在多个开关元件并联连接的情况下，受di/dt感应，产生电流不均衡。另外，由于负载短路的影响，VGE上升，开关元件的饱和电流增加。

然后，在c期间，开关元件A导通，成为流过开关元件A、B的路径(2)，发生桥臂短路。开关元件A的VGE在所施加的电压的状态下稳定，短路电流与传递特性相应地饱和。由于短路电流饱和，因此开关元件B的VGE的上升消除，芯片间的电流不均衡也消失。VCE不断向温度高且电阻高的开关元件B转移。最后，在d期间，开关元件A、B再次截止。通过在流过开关元件B的电流受到抑制，芯片间的电流不均衡被消除后的状况下进行断开，从而能够安全地进行断路。

在本实施方式中，如果发生负载短路，则使开关元件A导通，而发生桥臂短路，在该桥臂短路的规定时间后使开关元件B截止。如上所述，通过将负载短路切换至桥臂短路，从而能够防止栅极－发射极间控制电压的上升和饱和电流的增加，安全地进行断开。并且，在本实施方式中，能够使用已有的电路而将负载短路消除。由此，与现有技术相比，能够将用于防止由负载短路所造成的破坏的控制变得容易，并减少部件数量。

另外，作为开关元件B的集电极－发射极间电压，对集电极辅助电极7和发射极辅助电极8之间的电压进行测定，从而能够高精度地对负载短路进行检测。但是，也可以对集电极电极9和发射极电极10之间的电压进行测定。此外，即使取代开关元件A而使用与闭合电路串联连接的n个开关元件，也能够得到与实施方式1相同的效果。

实施方式2

图3是表示本发明的实施方式2所涉及的半导体开关装置的电路图。n个开关元件A－1、…、A－n彼此并联连接。驱动电路1－1、…、1－n分别驱动开关元件A－1、…、A－n。n个开关元件B－1、…、B－n彼此并联连接。驱动电路2－1、…、2－n分别驱动开关元件B－1、…、B－n。

驱动电路1－1、…、1－n(此处为驱动电路1－1)如果输入第1信号，则仅使开关元件A－1导通。由此，在将负载短路切换至桥臂短路时，能够将流过开关元件B－1、…、B－n的短路电流变为1/n，安全地进行断路。

标号的说明

A、A－1、…、A－n开关元件(第1开关元件)，B开关元件(第2开关元件)，L负载，1驱动电路(第1驱动电路)，2驱动电路(第2驱动电路)，3负载短路检测电路，6计时器

Claims (4)

1.一种半导体开关装置，其特征在于，具有：

第1开关元件，其与负载并联连接；

第2开关元件，其连接于所述第1开关元件和接地点之间；

第1驱动电路，其驱动所述第1开关元件；

第2驱动电路，其驱动所述第2开关元件；

负载短路检测电路，其如果检测出负载短路，则输出第1信号；以及

计时器，其在从输入所述第1信号起经过规定时间后输出第2信号，

所述第1驱动电路如果输入所述第1信号，则使所述第1开关元件导通，

所述第2驱动电路如果输入所述第2信号，则使所述第2开关元件截止。

2.根据权利要求1所述的半导体开关装置，其特征在于，

如果所述第2开关元件的集电极－发射极间电压超过规定电压，则所述负载短路检测电路输出所述第1信号。

3.根据权利要求1或2所述的半导体开关装置，其特征在于，

所述第1开关元件具有彼此并联连接的多个开关元件，

所述第1驱动电路如果输入所述第1信号，则仅使所述多个开关元件中的1个导通。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的半导体开关装置，其特征在于，

所述第1及第2开关元件是由Si或SiC构成的晶体管、MOSFET或IGBT。