CN112119557B - 电力用半导体元件的保护电路以及功率模块 - Google Patents

电力用半导体元件的保护电路以及功率模块 Download PDF

Info

Publication number
CN112119557B
CN112119557B CN201980032945.2A CN201980032945A CN112119557B CN 112119557 B CN112119557 B CN 112119557B CN 201980032945 A CN201980032945 A CN 201980032945A CN 112119557 B CN112119557 B CN 112119557B
Authority
CN
China
Prior art keywords
circuit
power semiconductor
semiconductor element
short
resistor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201980032945.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112119557A (zh
Inventor
诸熊健一
酒井拓也
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Electric Corp filed Critical Mitsubishi Electric Corp
Publication of CN112119557A publication Critical patent/CN112119557A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112119557B publication Critical patent/CN112119557B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/08—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/158—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H7/00—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/008—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for protective arrangements according to this subclass
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0003—Details of control, feedback or regulation circuits
    • H02M1/0009—Devices or circuits for detecting current in a converter
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0048—Circuits or arrangements for reducing losses
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B70/00—Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Power Conversion In General (AREA)
  • Protection Of Static Devices (AREA)
  • Semiconductor Integrated Circuits (AREA)

Abstract

电力用半导体元件的保护电路(1000)具备：驱动电路(5)，驱动电力用半导体元件(1)；电流检测部(3)，包括并联地连接的第1电阻(3a)和电感器(3b)；以及检测电路(4)，检测电力用半导体元件(1)的短路状态。第1电阻(3a)的一端以及电感器(3b)的一端与电力用半导体元件(1)的一方的端子连接。检测电路(4)通过比较与在第1电阻(3a)以及电感器(3b)中流过的电流相应地变化的电力用半导体元件(1)的一方的端子的电压和短路检测电压，检测电力用半导体元件(1)的短路状态。驱动电路(4)的基准电位与第1电阻(3a)的另一端以及电感器(3b)的另一端连接。

Description

电力用半导体元件的保护电路以及功率模块
技术领域
本发明涉及电力用半导体元件的保护电路以及功率模块。
背景技术
能够控制大电力的电力用半导体元件在从直流或者交流发生频率不同的交流的电源电路、或者具有这样的电源电路的电力变换装置中使用。在电力变换装置中使用电力用半导体元件的情况下，为了防止发生支路短路或者负载短路时的由于短路电流引起的电力用半导体元件破坏，需要短路保护电路。
电力用半导体元件的短路保护电路测定在电力用半导体元件中流过的电流或者施加到电力用半导体元件的电压，在测定出的值超过预先决定的值的情况下，限制或者切断短路电流，防止电力用半导体元件的破坏。
在专利文献1中，记载有电力用半导体元件的保护电路。该保护电路如图6所示，使用分流电阻，检测在电力用半导体元件中流过的电流。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2007-259533号公报
发明内容
如专利文献1的图6，在使用利用分流电阻的电流检测单元保护半导体元件的情况下，即使在通常动作时在分流电阻中也流过电流。由此，发生电力损失。
因此，本发明的目的是，为了解决如上述的课题而完成的，提供一种能够降低电力损失的电力用半导体元件的保护电路以及功率模块。
本发明的电力用半导体元件的保护电路具备：驱动电路，驱动电力用半导体元件；电流检测部，包括并联地连接的第1电阻和电感器；以及检测部，检测电力用半导体元件的短路状态。第1电阻的一端以及电感器的一端与电力用半导体元件的一方的端子连接。检测部通过比较与在第1电阻以及电感器中流过的电流相应地变化的电力用半导体元件的一方的端子的电压和短路检测电压，检测电力用半导体元件的短路状态。驱动电路的基准电位与第1电阻的另一端连接。
根据本发明，通过电流检测部包括并联地连接的第1电阻和电感器，驱动电路的基准电位与第1电阻的另一端以及电感器的另一端连接，能够降低电力损失。
附图说明
图1是示出实施方式1所涉及的电力用半导体元件的保护电路1000的图。
图2是示出以往例的电力用半导体元件的保护电路9000的图。
图3是示出实施方式1的保护电路1000、和以往例的保护电路9000的通常状态时(非短路时)的动作例的图。
图4是示出实施方式1的保护电路1000、和以往例的保护电路9000中的短路时的动作例的图。
图5是示出实施方式2所涉及的电力用半导体元件的保护电路2000的图。
图6是示出实施方式3所涉及的电力用半导体元件的保护电路3000的图。
图7是示出实施方式4所涉及的电力用半导体元件的保护电路4000的图。
图8是示出实施方式5所涉及的电力用半导体元件的保护电路5000的图。
图9是示出图8的保护电路5000的详情的图。
图10是示出实施方式5的保护电路5000的短路状态时的动作例的图。
图11是示出实施方式6所涉及的电力用半导体元件的保护电路6000的图。
图12是示出图11的判定电路11的详情的图。
图13是实施方式6所涉及的判定电路11的真值表。
图14是示出实施方式7所涉及的电力用半导体元件的保护电路7000的图。
图15是示出实施方式8的功率模块111a的结构的图。
(附图标记说明)
1：电力用半导体元件；2：续流二极管；3、999：电流检测部；3a：第1电阻；3b：电感器；3c：齐纳二极管；3d：第2电阻；4：检测部；4a：第1检测电路；4b：第2检测电路；5：驱动电路；6、7：切断部；8、8c、9c、8d、9d：锁存电路；8a、9、9a：RS触发器；8b、10b：单触发电路；10、10c、10d：保持时间调整电路；10a：延迟电路；11：判定电路；11a：OR电路；11b：AND电路；11c、11d：NOT电路；99：电阻；111a：功率模块；1000、2000、3000、4000、5000、6000、7000、9000：电力用半导体元件的保护电路。
具体实施方式
实施方式1.
图1是示出实施方式1所涉及的电力用半导体元件的保护电路1000的图。
如图1所示，电力用半导体元件1的保护电路1000具备驱动电路5、电流检测部3、检测部4、以及切断部6。
电力用半导体元件1是在Si基板上形成的IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor，绝缘栅双极晶体管)。电力用半导体元件1也可以是MOSFET(Metal OxideSemiconductor Field Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)、BIPOLAR晶体管。电力用半导体元件1也可以是在SiC(Silicon Carbide)基板上形成的电力用半导体元件、或者在GaN(Gallium Nitride)基板上形成的电力用半导体元件。电力用半导体元件1只要是用于电力的半导体元件，则不限于这些。
对电力用半导体元件1逆并联地连接二极管2。电力用半导体元件1的发射极端子与节点ND1连接。
驱动电路5驱动电力用半导体元件1。驱动电路5例如包括由PMOS晶体管和NMOS晶体管构成的逆变器。
电流检测部3包括并联地连接的第1电阻3a和电感器3b。第1电阻3a的一端以及电感器3b的一端与节点ND1连接。节点ND1与电力用半导体元件1的发射极端子以及检测部4的输入连接。第1电阻3a的另一端以及电感器3b的另一端与基准电位VSS连接。节点ND1的电压即电力用半导体元件1的发射极端子的电压与基准电位VSS的差(以下为发射极电压)与在第1电阻3a以及电感器3b中流过的电流相应地变化。
检测部4通过比较与在第1电阻3a以及电感器3b中流过的电流相应地变化的节点ND1的电压即电力用半导体元件1的发射极电压Ve、和预先决定的短路检测电压Vsen的大小，检测短路状态。检测部4在发射极电压Ve是短路检测电压Vsen以下时，判定为电力用半导体元件1是通常状态。检测部4在发射极电压Ve超过短路检测电压Vsen时，判定为电力用半导体元件1是短路状态。检测部4在判定为电力用半导体元件1是通常状态时，将状态判定信号Vsc设定为高电平。检测部4在判定为电力用半导体元件1是短路状态时，将状态判定信号Vsc设定为低电平。
切断部6根据状态判定信号Vsc，切断输入到驱动电路5的控制信号Vsig。切断部6例如包括接受输入到驱动电路5的控制信号Vsig、和状态判定信号Vsc的逻辑与电路。切断部6还能够内置到驱动电路5。逻辑与电路在状态判定信号Vsc是高电平时，输出控制信号Vsig。逻辑与电路在状态判定信号Vsc是低电平时，不输出控制信号Vsig，而输出恒定值“0”(低电平)。切断部6不限定于逻辑与电路，具有根据状态判定信号Vsc切断从驱动电路5输出的驱动电压Vg的功能即可。
驱动电路5依照从切断部6输出的控制信号Vsig，输出驱动电压Vg。驱动电路5在切断部6的输出是低电平时，不输出驱动电压Vg。驱动电路5的基准电位与第1电阻3a的另一端以及电感器3b的另一端以及基准电位VSS连接。在驱动电路5包括逆变器的情况下，构成逆变器的NMOS晶体管的源极连接的电位与驱动电路5的基准电位相当。
图2是示出以往例的电力用半导体元件的保护电路9000的图。在以往例的保护电路9000中，作为一般的短路检测单元，具备仅由电阻99构成的电流检测部999。
说明实施方式1的通常状态时(非短路时)的动作。
图3是示出实施方式1的保护电路1000、和以往例的保护电路9000的通常状态时(非短路时)的动作例的图。
在图3中，Vge表示以往例以及实施方式1中的电力用半导体元件1的栅极电压。Ve9表示以往例中的电力用半导体元件1的发射极电压，Ve表示实施方式1中的电力用半导体元件1的发射极电压。IR9表示以往例中的在电流检测部999内的电阻99中流过的电流，IR0表示实施方式1中的在电流检测部3内的第1电阻3a中流过的电流，IL0表示实施方式1中的在电流检测部3内的电感器3b中流过的电流。
在通常时(非短路时)，如果电力用半导体元件1的栅极电压Vge上升，超过电力用半导体元件1的阈值电压，则电力用半导体元件1成为导通。由此，在电力用半导体元件1中开始流过电流Ic。与其相伴地，在实施方式1中，在第1电阻3a中流过电流IR0。另外，在电感器3b中流过的电流IL0以一阶滞后上升。在电力用半导体元件1中流过的电流Ic等于在电流检测部3中流过的电流。在实施方式1中，在电力用半导体元件1成为电流饱和状态之后，在电感器3b中流过电流IL，所以在第1电阻3a中流过的电流IR0的减少量大。其结果，第1电阻3a中的电力损失降低。
另一方面，在以往例中，在电力用半导体元件1中流过的电流Ic全部在电流检测部999内的电阻99中流过，所以即使在电力用半导体元件1成为电流饱和状态之后，在电流检测部999内的电阻99中流过的电流IR9的减少量也不变大。其结果，在以往例中，相比于实施方式1，在电流检测部999内的电阻99中产生大的电力损失。
如上所述，在实施方式1的电力用半导体元件1的保护电路1000中，在通常动作时(非短路时)，相比于以往例的保护电路9000，能够降低电力损失。另外，在容许与以往例相同的电力损失的情况下，能够比以往例的电流检测部999内的电阻99的电阻值，增大实施方式1的电流检测部3内的第1电阻3a的电阻值。其结果，在本实施方式中，短路发生时的检测电压(Ve)变大，能够增大短路发生的检测精度。
接下来，说明实施方式1的短路时的动作。
图4是示出实施方式1的保护电路1000、和以往例的保护电路9000中的短路时的动作例的图。
在图4中，Vge1表示以往例中的不切断驱动电路5的情况的栅极电压，Vge2表示实施方式1中的不切断驱动电路5的情况的栅极电压，Vge3表示实施方式1中的切断驱动电路5的情况的栅极电压。
Ve9表示以往例中的电力用半导体元件1的发射极电压，Ve表示实施方式1中的电力用半导体元件1的发射极电压。IRS表示实施方式1中的在电流检测部3内的第1电阻3a中流过的电流，ILS表示实施方式1中的在电流检测部3内的电感器3b中流过的电流，Ic表示在电力用半导体元件1中流过的电流。
如图4所示，在时刻t1在电力用半导体元件1中流过过电流而发生短路动作的情况下，从时刻t2起在电力用半导体元件1中流过的电流Ic上升。在实施方式1中，电流检测部3包括并联连接的第1电阻3a和电感器3b，所以第1电阻3a和电感器3b的电压降是相等的。在短路发生时在电力用半导体元件1中流过的电流Ic由第1电阻3a和电感器3b分流。
在电力用半导体元件1中流过的电流变化dIc/dt大，所以在电感器3b中流过的电流ILS小，电流Ic的大部分在第1电阻3a中流过。在第1电阻3a中流过电流IRS时，电力用半导体元件1的发射极电压Ve上升。在以往例中也同样地，电流Ic在电流检测部999内的电阻99中流过，所以电力用半导体元件1的发射极电压Ve9上升。
在时刻t3，在实施方式1中，检测部4在发射极电压Ve与短路检测电压Vsen一致时，判定为电力用半导体元件1是短路状态，将状态判定信号Vsc设定为低电平。由此，通过切断部6，向驱动电路5的控制信号Vsig被切断。其结果，电力用半导体元件1的栅极电压Vge3减少。在电力用半导体元件1的栅极电压Vge3减少至接近0的值时，电力用半导体元件1的发射极电压Ve减少。与其相伴地，在第1电阻3a中流过的电流IRS减少。另一方面，在电感器3b中流过的电流ILS以一阶滞后逐渐上升。
在以往例中，为了减小电力损失，需要减小电流检测部999内的电阻99的电阻值。在减小电阻99的电阻值时，作为折衷，短路发生时的检测电压变小，检测精度变低。另一方面，在增大电阻99的电阻值时，检测电压变大，检测精度变高，但在通常状态时，发生大的损失。
在实施方式1中，在短路发生时在电力用半导体元件1中产生大的电流变化dIc/dt的情况下，首先，在第1电阻3a中流过电流，之后，电流以一阶滞后转流到电感器3b。
在实施方式1中，在通常动作时也同样地，在电力用半导体元件1中流过的电流Ic达到由负载和电源电压决定的电流之后，dIc/dt变小。因此，原来在第1电阻3a中流过的电流以一阶滞后在电感器3b中流过。即，仅在电力用半导体元件1中流过的电流变化dIc/dt大的极短的期间，在第1电阻3a中流过电流，所以能够减小第1电阻3a中的电力损失。由此，能够大幅降低由于第1电阻3a引起的电力损失。另外，通过在第1电阻3a中应用大的电阻值，能够增大短路发生时的检测电压，所以能够提高检测精度。
在实施方式1中，为了防止短路发生时的电流检测部3的发射极电压Ve引起的保护电路的误检测，需要将短路发生时的短路检测电压Vsen设定得大于在通常动作时在电力用半导体元件1中流过电流Ic时的发射极电压Ve。
通常动作时的发射极电压Ve还影响在电感器3b中流过的电流的变化dIL0/dt。在电感器3b的阻抗低于第1电阻3a的情况下，在电力用半导体元件1中流过的电流Ic在电感器3b中流过。其结果，在电感器3b中流过的电流的变化dIL0/dt变大，发射极电压Ve上升。在发射极电压Ve超过短路检测电压Vsen时，检测部4误检测为是短路状态。因此，需要将电感器3b的阻抗设定得高于第1电阻3a的阻抗。
在电感器3b的阻抗被设定得高于第1电阻3a的阻抗的情况下，发生短路的瞬间的短路电流大体上在第1电阻3a中流过，所以电力用半导体元件1的发射极电压Ve被第1电阻3a的电压降(R3×IRS)支配。在此，R3是第1电阻3a的电阻值，IRS是在第1电阻3a中流过的电流。短路发生时的在电力用半导体元件1中流过的电流Ic由第1电阻3a和电感器3b分流。第1电阻3a和电感器3b被并联连接，所以第1电阻3a的电压降(R3×IRS)和在电感器3b中发生的感应电动势(L×dILS/dt)都等于电力用半导体元件1的发射极电压Ve。L是电感器3b的电感，ILS是在电感器3b中流过的电流。
根据以上内容，在本实施方式中，为了无误动作而准确地检测短路发生时的状态，需要使电感器3b的阻抗高于第1电阻3a，并且，以满足式(1)的关系的方式，设定短路发生时的短路检测电压Vsen、在电感器3b中发生的感应电动势、以及第1电阻3a的电压降。在此，式(1)的基准的电位是与驱动电路5的基准电位连接的VSS、与第1电阻3a的另一端以及电感器3b的另一端连接的VSS。
Ve＝L×dILS/dt＝R3×IRS>Vsen>R3×IR0…(1)
在式(1)中，ILS是在短路时在电感器3b中流过的电流，IRS是在短路时在第1电阻3a中流过的电流，IR0是在通常动作时在第1电阻3a中流过的电流。L×dILS/dt表示在短路发生时在电感器3b中发生的感应电动势。R3×IRS表示短路发生时的第1电阻3a的电压降。R3×IR0表示通常状态时的第1电阻3a的电压降。
进而，在本实施方式中，驱动电路5的基准电位与第1电阻3a的另一端、电感器3b的另一端、以及基准电位VSS连接，所以施加到电力用半导体元件1的控制端子(栅极)的电压Vge成为从驱动电路5的驱动电压Vg减去发射极电压Ve的电压。
因此，在短路发生时由于在第1电阻3a中流过电流而发射极电压Ve上升，但能够限制施加到电力用半导体元件1的控制端子的电压Vge。即，能够得到通过电力用半导体元件1抑制短路电流的峰值的负反馈的效果。其结果，电力用半导体元件1的饱和电流值即短路电流值被抑制得较低。由此，能够将施加到电力用半导体元件1的电力限制得较小。因此，能够延长从短路发生时至电力用半导体元件1破坏为止的时间。因此，即使由于用于避免误检测的滤波器等而从短路状态的检测至切断驱动电路5为止的时间延迟的情况下，也能够抑制电力用半导体元件1的破坏。另外，能够将短路时的施加到电力用半导体元件1的电力限制得较小，所以还能够使用小的短路耐量即小型的电力用半导体元件1。
在本实施方式中，在通常状态时(非短路时)，相比于具备使用一般的电阻的短路检测单元的保护电路，能够降低通常时的电力损失。通过减小通常动作时的电力损失且增大短路发生时的检测电压，能够提高检测精度。
另外，在本实施方式中，驱动电路5的基准电位与第1电阻3a的另一端、电感器3b的另一端、以及基准电位VSS连接，所以得到限制施加到电力用半导体元件1的控制端子的电压Vge的负反馈的效果。由此，能够限制短路电流的大小，所以能够抑制在短路发生时施加到电力用半导体元件1的电力。其结果，能够抑制电力用半导体元件1的破坏。
专利文献1的图1的保护电路具备：电力用半导体元件的电流检测单元、以及检测电力用半导体元件的控制端子的电压的电压检测单元。该保护电路利用电流检测单元的输出信号和电压检测单元的输出信号来控制控制端子的电压，由此防止电力用半导体元件的破坏。如专利文献1的图1所示，在通过来自电流检测单元的信号和来自电压检测单元的信号来保护电力用半导体元件的情况下，保护电路的电路规模变大。相对于此，本实施方式的保护电路通过来自电流检测单元的信号来保护电力用半导体元件，所以保护电路的电路规模小。
专利文献1的图5的保护电路使用电流互感器来检测电流。在使用电流互感器检测电流的情况下，检测电流高精度化，但成本变高。相对于此，本实施方式的保护电路不使用电流互感器检测电流。
专利文献1的图6的保护电路使用利用分流电阻的电流检测单元来保护电力用半导体元件。在该保护电路中，在通常动作时也在分流电阻中流过电流。由此，发生电力损失。另外，为了满足分流电阻的电力容量，仅能够应用比较小的电力变换装置。相对于此，本实施方式的保护电路不使用分流电阻来保护电力用半导体元件。
专利文献1的图7的保护电路使用分流电阻从带读出(sense)端子的IGBT的读出端子检测电流。在电力用半导体元件(IGBT)内部需要读出构件，电力用半导体元件的成本变高。相对于此，本实施方式的保护电路无需在电力用半导体元件(IGBT)内部设置读出构件。
专利文献1的图8的保护电路仅使用电感器来检测电流。为了仅使用电感器来检测电流，需要积分器，所以保护电路变大。相对于此，本实施方式的保护电路并非仅使用电感器来检测电流。
实施方式2.
图5是示出实施方式2所涉及的电力用半导体元件的保护电路2000的图。实施方式2的保护电路2000与实施方式1的保护电路1000的相异点在于，电流检测部3还具备齐纳二极管3c。
齐纳二极管3c与第1电阻3a以及电感器3b并联地连接。通过追加齐纳二极管3c，具有以下的2个效果。
说明第1效果。在电力用半导体元件1的短路时在电力用半导体元件1中产生电流变化dIc/dt的情况下，在电感器3b中发生将电感器3b的电感L和电流变化dIL/dt相乘的电压降。此时，电力用半导体元件1的栅极电压Vge由于在电感器3b中发生的电压降而降低，电力用半导体元件1的电流变化dIc/dt变小。在电力用半导体元件1的电流变化dIc/dt变小时，电感器3b的电流变化dIL/dt也变小，所以在电感器3b中发生的电压降变小，电力用半导体元件1的栅极电压Vge上升。在栅极电压Vge上升时，电力用半导体元件1的电流变化dIc/dt再次变大，电感器3b的电压降也变大。
这样，有时由于在短路发生时在电感器3b中发生的电压降而产生电力用半导体元件1的栅极电压Vge反复上升和降低的振荡现象。
在实施方式2中，通过实施方式1的电流检测部3具备齐纳二极管3c，能够以齐纳二极管3c的击穿电压的值，限制电力用半导体元件1的发射极电压Ve的最大值。通过限制电力用半导体元件1的发射极电压Ve的最大值，能够抑制由于在电流检测部3中发生的电压降引起的电力用半导体元件1的振荡现象。这是第1效果。齐纳二极管3c的击穿电压值优选设定为比以第1电阻3a设定的短路发生时的短路检测电压Vsen高的值。
第2效果是，在通常动作时，在从电力用半导体元件1的发射极端子向集电极端子的方向流过再生电流时，能够抑制电力用半导体元件1成为导通。
在电力用半导体元件1中流过再生电流的情况下，从电力用半导体元件1的发射极端子向集电极端子的方向流过电流。在实施方式1中，电力用半导体元件1的发射极电压Ve低于驱动电路5的基准电位VSS。其结果，即使向驱动电路5输入截止的控制信号Vsig，由于电力用半导体元件1的栅极电压Vge变大，电力用半导体元件1从截止变化为导通。例如，向电力变换器的N侧(下支路)的电力用半导体元件1输入截止的控制信号Vsig，P侧(上支路)的电力用半导体元件1被输入导通的控制信号时，如果由于再生电流而N侧的电力用半导体元件1成为导通，则成为短路状态。
在实施方式2中，与第1电阻3a以及电感器3b并联地连接齐纳二极管3c。通过齐纳二极管3c的正向电压降，限制电力用半导体元件1的发射极电压Ve的负电压的大小，抑制电力用半导体元件1错误地成为导通。
在此，优选将在电力用半导体元件1中流过的回流电流的最大值在齐纳二极管3c流过时的齐纳二极管3c的正向电压降的电压值设定得低于电力用半导体元件1的阈值电压。
如以上所述，电流检测部3通过具备并联地连接的第1电阻3a、电感器3b、以及齐纳二极管3c，能够利用齐纳二极管3c的击穿电压抑制在电感器3b中发生的电压降所引起的电力用半导体元件的振荡现象。另外，通过齐纳二极管3c的正向电压降，限制电力用半导体元件1的发射极电压Ve的负电压的大小，能够抑制电力用半导体元件1错误地成为导通。
此外，还能够通过与齐纳二极管3c并联地追加正向电压降的电压值小的二极管(例如肖特基势垒二极管)，进一步减小由于回流电流引起的负电压的大小。
实施方式3.
图6是示出实施方式3所涉及的电力用半导体元件的保护电路3000的图。实施方式3的保护电路3000与实施方式1的保护电路1000的相异点在于，电流检测部3还具备第2电阻3d。
第2电阻3d与电感器3b串联地连接。通过追加第2电阻3d，具有以下的2个效果。
第1效果是，在电力用半导体元件1的短路发生时，能够使用第2电阻3d调整电力用半导体元件1的发射极电压Ve。由此，能够提高检测精度。
在与包括电力用半导体元件1的电源电路或者电力变换装置(逆变器)等连接的负载短路的状态下，与包括电力用半导体元件1的功率模块的电源端子连接的外部布线的电感器或者功率模块内部的寄生电感变大。其结果，在电力用半导体元件1中流过的电流Ic的电流变化dIc/dt变小。由此，在电力用半导体元件的保护电路的电流检测部3的电感器3b中流过的电流IL的电流变化dIL/dt也变小。在电流变化dIL/dt变小时，如在实施方式1中示出的式(1)所示，短路发生时的电力用半导体元件1的发射极电压Ve变小。因此，需要减小短路发生时的短路检测电压Vsen。在短路检测电压Vsen变小时，产生由于噪声等所引起的影响误检测短路状态的问题。
在实施方式3中，通过对电流检测部3的电感器3b串联地追加第2电阻3d，在第2电阻3d中发生电压降(R3d×I3d)。R3a表示第1电阻3a的电阻值，R3d表示第2电阻3d的电阻值，I3d表示在第2电阻3d中流过的电流。通过调整电阻值R3d，能够调整电力用半导体元件1的发射极电压Ve，所以能够提高检测精度。在实施方式3中，用于无误动作而准确地检测短路发生时的状态的条件如式(2)那样变形。
Ve＝R3d×I3d+L×dILS/dt＝R3a×IRS>Vsen>R3a×IR0…(2)
第2效果是，相比于实施方式1，能够提高限制在短路发生时施加到电力用半导体元件1的控制端子的电压Vge的负反馈的效果。由此，在电力用半导体元件1中流过的短路电流Ic被限制，所以能够将施加到电力用半导体元件1的电力限制得更小。
实施方式3通过如上所述调整第2电阻3d的电阻值，能够调整电力用半导体元件1的发射极电压Ve。即，如式(2)所示，通过短路发生时的电力用半导体元件1的发射极电压Ve高于实施方式1，能够进一步提高限制施加到电力用半导体元件1的控制端子的电压Vge的负反馈的效果。其结果，在实施方式3中，相比于实施方式1，在电力用半导体元件1中流过的短路电流Ic被进一步限制。由此，能够将施加到电力用半导体元件1的电力限制得更小。此外，作为折衷，通常动作时的在第2电阻3d中发生的电力损失变大。因此，需要一边取得通常动作时的电力损失和短路发生时的施加到电力用半导体元件1的电力的限制值的平衡，一边设定第2电阻3d的电阻值。
如以上所述，实施方式3的电力用半导体元件的保护电路通过与实施方式1的电流检测部3的电感器3b串联地具备第2电阻3d，能够调整短路发生时的电力用半导体元件1的发射极电压Ve，所以能够提高检测精度。进而，通过调整发射极电压Ve，限制施加到电力用半导体元件1的控制端子的电压Vge的负反馈的效果变高。其结果，在电力用半导体元件1中流过的短路电流Ic被限制，所以能够将施加到电力用半导体元件1的电力限制得更小。
在图6中，电感器3b的另一端与基准电位VSS连接，但不限定于此。即使将电感器3b和第2电阻3d的位置调换，将电感器3b的一端与电力用半导体元件的发射极端子连接，将第2电阻3d的一端与电感器3b的另一端连接，将第2电阻3d的另一端与基准电位VSS连接，也得到同样的效果。
实施方式4.
图7是示出实施方式4所涉及的电力用半导体元件的保护电路4000的图。
实施方式4的保护电路4000与实施方式的保护电路1000的相异点在于，保护电路4000代替切断部6而具备切断部7。
切断部7配置于驱动电路5的输出、与第1电阻3a的另一端以及电感器3b的另一端之间。切断部7依照从检测部4输出的状态判定信号Vsc，连接或者切断第1电阻3a的另一端、电感器3b以及基准电位VSS、和驱动电路5的输出。
切断部7包括MOS(Metal Oxide Semiconductor，金属氧化物半导体)晶体管、双极性晶体管或者RTC(Real Time Control，实时控制)电路等。切断部7只要是使用状态判定信号Vsc来连接或者切断第1电阻3a的另一端、电感器3b以及基准电位VSS、和驱动电路5的输出的单元，则不限于此。
如图7所示，通过在短路发生时从检测部4输出的状态判定信号Vsc，切断部7成为导通时，将来自驱动电路5的驱动电压Vg降低到基准电位VSS。由此，控制施加到电力用半导体元件1的栅极电压Vge，抑制电力用半导体元件1的破坏。在切断部7由NMOS晶体管构成的情况下，检测部4也可以在判定为电力用半导体元件1是通常状态时，将状态判定信号Vsc设定为低电平，在判定为电力用半导体元件1是短路状态时，将状态判定信号Vsc设定为高电平。
相比于实施方式1，不经由驱动电路5而使用从检测部4输出的状态判定信号Vsc，通过切断部7，能够更快速降低施加到电力用半导体元件1的栅极电压Vge。
如以上所述，实施方式4的电力用半导体元件的保护电路使用从检测部4输出的状态判定信号Vsc，控制电力用半导体元件1的栅极电压Vge。由此，能够控制在短路发生时施加到电力用半导体元件1的栅极电压Vge。其结果，在本实施方式中，能够比实施方式1更快地降低栅极电压Vge，所以在本实施方式中，能够比实施方式1更抑制电力用半导体元件1的破坏。
实施方式5.
图8是示出实施方式5所涉及的电力用半导体元件的保护电路5000的图。实施方式5的保护电路5000与实施方式1的保护电路1000的相异点在于，实施方式5的保护电路5000具备第1锁存电路8、第2锁存电路9、以及保持时间调整电路10。
第1锁存电路8接受检测部4的输出。第2锁存电路9的输出被送到切断部6和保持时间调整电路10。第2锁存电路9接受检测部4的输出。第2锁存电路9输出表示检测到短路状态的报错信号ERR。第1锁存电路8和第2锁存电路9通过来自外部的复位信号VR1，对保持的状态进行复位。
保持时间调整电路10接受第1锁存电路8的输出和来自外部的控制信号ADj。通过保护电路5000具备第1锁存电路8、第2锁存电路9、以及保持时间调整电路10，得到以下的3个效果。
说明第1效果。在电力用半导体元件1短路时，检测部4通过比较与电流检测部3的电流变化相应地变化的发射极电压Ve的大小、和预先决定的检测电压Vsen的大小，判定短路状态，切断部6切断控制信号Vsig。然而，控制信号Vsig被切断的时间(以下切断时间)成为检测部4判定短路状态的时间。在保护电路5000不具备第1锁存电路8以及保持时间调整电路10的情况下，无法预先决定或者调整切断时间。在无法调整切断时间的情况下，在切断时间比短路时间短的情况下，存在反复切断和短路的可能性。
在实施方式5中，保护电路5000具备第1锁存电路8以及保持时间调整电路10。保持时间调整电路10调整切断时间，第1锁存电路8生成调整后的切断时间的切断信号Vsc。由此，不会使切断时间比短路时间短，能够抑制反复切断和短路的振荡现象。
第2效果是，通过第2锁存电路9，能够向外部输出表示检测到短路状态的报错信号ERR。
在实施方式1中，能够由检测部4检测短路状态，切断部6切断短路状态，但在无法向外部输出表示检测到短路状态的报错信号的情况下，无法根据短路状态控制来自外部的控制信号Vsig。通过保护电路5000具备第2锁存电路9，能够向外部输出表示检测到短路状态的报错信号ERR，所以能够与有无短路状态匹配地，在用户侧控制控制信号Vsig。
第3效果是，通过来自外部的复位信号VR1，能够对第1锁存电路8和第2锁存电路9进行复位。
通过利用复位信号VR1对第1锁存电路8的保持状态进行复位，能够将切断时间设定为比保持时间调整电路10的预先决定的切断时间短的时间。由此，能够在用户侧控制切断时间。另外，能够通过复位信号VR1，对表示检测到短路状态的报错信号ERR进行复位。
图9是示出图8的保护电路5000的详情的图。
如图9所示，第1锁存电路8具备单触发电路8b和RS触发器8a。第2锁存电路9具备RS触发器9a。保持时间调整电路10具备延迟电路10a和单触发电路10b。
图10是示出实施方式5所涉及的电力用半导体元件的保护电路5000中的短路时的动作例的图。
在图10中，示出与表示图9所示的各电路块的详情的保护电路5000的各节点(Vsig、Vsig2、Vge、Ve、Ic、检测部4的输出信号、Vo1、Vsc、Vs1、VR2、Err、VR1)对应的信号。
如图10所示，在时刻t1在电力用半导体元件1中流过过电流而发生短路动作的情况下，从时刻t2在电力用半导体元件1中流过的电流Ic上升。
在时刻t3，发射极电压Ve大于短路检测电压Vsen时，判定为电力用半导体元件1是短路状态，检测部4的输出信号从低电平变化为高电平。第1锁存电路8的内部的单触发电路8b根据检测部4的输出信号的变化，生成单触发的脉冲信号Vo1。
脉冲信号Vo1被输入到第1锁存电路8的内部的RS触发器8a的置位端子S。RS触发器8a的输出端子Q的输出信号Vs1从低电平变化为高电平，RS触发器8a的输出端子Qb的输出信号Vsc(切断信号)从高电平变化为低电平。输出信号Vsc被送到切断部6，切断控制信号Vsig，控制信号Vsig2变化为低电平。脉冲信号Vo1还被送到第2锁存电路9的RS触发器9a的置位端子S。RS触发器9a的输出端子Q从低电平变化为高电平，表示检测到短路状态的报错信号ERR被输出到外部。
在时刻t4，发射极电压Ve小于短路检测电压Vsen时，检测部4的输出信号从高电平变化为低电平。
在时刻t5，保持时间调整电路10的内部的延迟电路10a预先使用控制切断时间的控制信号ADj，设定延迟电路10a的延迟时间τ。延迟电路10a使RS触发器8a的输出信号Vs1延迟延迟时间τ。单触发电路10b接受延迟电路10a的输出信号，生成从RS触发器8a的输出信号Vs1延迟延迟时间τ的单触发的脉冲信号VR2。脉冲信号VR2被输入到RS触发器8a的复位端子R2。由此，RS触发器8a的输出状态被复位，切断信号Vsc从高电平变化为低电平。因此，切断信号Vsc能够将控制信号Vsig切断利用保持时间调整电路10设定的时间τ。
在时刻t6，从外部使复位信号VR1从低电平变化为高电平时，RS触发器9a被复位，报错信号Err从高电平变化为低电平。
如以上所述，实施方式5的保护电路5000通过具备第1锁存电路8、第2锁存电路9、以及保持时间调整电路10，如上所述得到3个效果。第1效果是，不会使切断时间比短路时间短，抑制反复出现切断和短路的振荡现象的效果。第2效果是，能够向外部输出表示有无短路状态的信号的效果。第3效果是，能够将切断时间控制为通过保持时间调整电路10预先设定的切断时间以外的效果。
实施方式6.
图11是示出实施方式6所涉及的电力用半导体元件的保护电路6000的图。实施方式6的保护电路6000与实施方式3的保护电路3000的相异点在于，实施方式的保护电路6000的检测部4具备第1检测电路4a、第2检测电路4b、以及判定电路11。
第1检测电路4a通过比较电力用半导体元件1的发射极电压Ve(以VSS电位为基准)的大小和预先决定的第1短路检测电压Vsen1的大小，检测短路状态。第1检测电路4a输出表示检测结果的信号Vs1。
第2检测电路4b通过比较第2电阻3d的电压Vr(以VSS电位为基准)的大小和预先决定的第2短路检测电压Vsen2的大小，检测短路状态。第2检测电路4b输出表示检测结果的信号Vs2。
判定电路11根据第1检测电路4a的输出信号Vs1和第2检测电路4b的输出信号Vs2，判定电力变换器中的短路路径。判定电路11进而在判定为电力用半导体元件是短路状态时，在切断部6中切断输入到驱动电路5的控制信号Vsig。判定电路11将表示判定的短路路径的信号输出到外部。
在包括电力用半导体元件的电力变换器中，有根据发生原因而短路路径不同的短路的路径。作为一般的电力变换器的短路路径，有上支路和下支路短路的支路短路、电力变换器的负载短路的输出短路、电力变换器的负载向接地电位短路的接地。在支路短路中，上支路和下支路串联地短路，流过短路电流的速度快，所以短路电流的电流变化(dIc/dt)变大。另一方面，在输出短路和接地中，经由电力变换器的负载流过短路电流。根据负载的大小而dIc/dt的值变化，小于支路短路中的dIc/dt。
实施方式6所涉及的电力用半导体元件1的保护电路6000的检测部4通过具备第1检测电路4a、第2检测电路4b、以及判定电路11，得到以下的效果。
实施方式6所涉及的电力用半导体元件1的保护电路6000的效果是能够在dIc/dt不同的短路路径中判别支路短路和其他短路(输出短路和接地)。其结果，能够根据由判定电路11判别的短路的路径，抑制电力用半导体元件1的破坏。
在发生dIc/dt大的支路短路的情况下，在电感器3b中发生的电压降变大。将第1检测电路4a的短路检测电压Vsen1设定得小于支路短路发生时的发射极电压Ve(Ve_arm)(Vsen1<Ve_arm)。
在发生dIc/dt小的输出短路或者接地的情况下，在电感器3b中发生的电压降变小，在第2电阻3d中发生的电压降成为支配性的。在根据短路状态而电力用半导体元件1的电流饱和时，关于在第2电阻3d中流过的电流I3dsat，在电力用半导体元件中流过的电流Ic由第1电阻3a和第2电阻3d分流，所以成为Ic×R3a/(R3a+R3d)。
因此，通过将第1检测电路4a的短路检测电压Vsen1设定得大于I3dsat与R3d之积、并且设定得小于支路短路发生时的发射极电压Ve_arm，能够检测电力变换器的支路短路。
通过将第2检测电路4b的短路检测电压Vsen2设定得小于I3dsat与R3d之积、并且设定得小于第1检测电路4a的短路检测电压Vsen1、并且设定得大于通常动作时的第2电阻3d的电阻值R3d和在第2电阻3d中流过的电流IR3d，能够检测电力变换器的支路短路、输出短路、以及接地。
判定电路11还使用第1检测电路4a的检测结果和第2检测电路4b的检测结果来判定短路的路径。
在实施方式6中，为了无误动作而准确地通过判定电路11判定电力变换器的短路路径，使条件如式(3)所示变形。
Ve_arm＝I3d+L×dILS_arm/dt>Vsen1>I3dsat×R3d>Vsen2>R3d×IR3d…(3)
在式(3)中，dILS_arm是在支路短路时在电感器3b中流过的电流。
图12是示出图11的判定电路11的详情的图。
判定电路11具备OR电路11a、NOT电路11d、NOT电路11c以及AND电路11b。
OR电路11a输出第1检测电路4a的输出信号Vs1和第2检测电路4b的输出信号Vs2的逻辑或。将OR电路11a的输出信号作为状态判定信号Err0输出到外部。NOT电路11d将OR电路11a的输出反转，而输出切断信号Vsc。
将第1检测电路4a的输出信号Vs1作为状态判定信号Err1输出到外部。
NOT电路11c将第1检测电路4a的输出信号Vs1反转。AND电路11b输出NOT电路11c的输出信号和第2检测电路4b的输出信号Vs2的逻辑与。将AND电路11b的输出信号作为状态判定信号Err2输出到外部。
根据在短路发生时从判定电路11输出的状态判定信号Vsc，切断输入到驱动电路5的控制信号Vsig。在第1检测电路4a判定为电力变换器是支路短路时，输出信号Vs1成为高电平。在第2检测电路4b判定为电力变换器是输出短路、接地中的任意短路时，输出信号Vs2成为高电平。
图13是示出判定电路11的真值表的图。如图13所示，根据判定电路11，切断输入到驱动电路5的控制信号Vsig的信号Vsc在判断为电力变换器是通常状态时是高电平，在判定为电力变换器是支路短路、输出短路、接地中的任意短路状态时成为低电平。
输出到外部的状态判定信号Err0在由判定电路11判定为电力变换器是通常状态时成为低电平，在由判定电路11判定为电力变换器是支路短路、输出短路、接地中的任意短路状态时成为高电平。
状态判定信号Err1在由判定电路11判定为电力变换器是支路短路时，成为高电平，在由判定电路11未判定为电力变换器是支路短路时，成为低电平。
状态判定信号Err2在由判定电路11判定为电力变换器是输出短路或者接地时，成为高电平，在由判定电路11未判定为电力变换器是输出短路或者接地时，成为低电平。
实施方式7.
图14是示出实施方式7所涉及的电力用半导体元件的保护电路7000的图。
保护电路7000是组合实施方式6的保护电路6000和实施方式5的保护电路5000的结构。
如图14所示，保护电路7000在第1检测电路4a与判定电路11之间，具备第1锁存电路8c、第2锁存电路9c、以及保持时间调整电路10c。
保护电路7000进而在第2检测电路4b与判定电路11之间，具备第1锁存电路8d、第2锁存电路9d、以及保持时间调整电路10d。
在向保持时间调整电路10c、10d的输入信号中，使用判定电路11的输出信号Err1(支路短路检测信号)和Err2(输出短路、或者接地检测信号)，能够得到与保护电路5000相同的效果。
如以上所述，实施方式7的保护电路具备实施方式6的保护电路6000和实施方式5的保护电路5000这两方的功能，所以能够实现保护电路5000和保护电路6000各自的两方的效果。
实施方式8.
图15是示出实施方式8的功率模块111a的结构的图。
如图15所示，功率模块111a具备安装到1个封装的电力用半导体元件1、和实施方式1的电力用半导体元件的保护电路1000。功率模块111a具有分别内置有一个电力用半导体元件和电力用半导体元件的保护电路的结构(1in1模块)。功率模块111a也可以构成为具有分别内置有2个以上的电力用半导体元件和电力用半导体元件的保护电路的结构(2in1模块或者6in1模块)。另外，也可以代替实施方式1的电力用半导体元件的保护电路1000，而使用实施方式2～7的电力用半导体元件的保护电路2000～6000。
在实施方式8中，通过在功率模块中应用实施方式1～7中的任意实施方式的电力用半导体元件的保护电路，能够提供在短路动作时抑制电力用半导体元件的破坏的效果高的功率模块。
应认为本次公开的实施方式在所有方面仅为例示而不是限制性的。本发明的范围并非由上述说明示出而是基于权利要求书示出，意图包括与权利要求书均等的意义以及范围内的所有变更。
此外，本发明能够在该发明的范围内，自由地组合各实施方式、或者对各实施方式适宜地进行变形、省略。

Claims (17)

1.一种电力用半导体元件的保护电路，具备：
驱动电路，驱动电力用半导体元件；
电流检测部，包括并联地连接的第1电阻和电感器；以及
检测部，检测所述电力用半导体元件的短路状态，
所述第1电阻的一端以及所述电感器的一端与所述电力用半导体元件的一方的端子连接，
所述检测部通过比较与在所述第1电阻以及所述电感器中流过的电流相应地变化的所述电力用半导体元件的一方的端子的电压和预先决定的短路检测电压，检测所述电力用半导体元件的短路状态，
所述驱动电路的基准电位与所述第1电阻的另一端连接，
所述电感器的阻抗高于所述第1电阻的阻抗。
2.根据权利要求1所述的电力用半导体元件的保护电路，其中，
所述驱动电路的所述基准电位和所述第1电阻的另一端以及所述电感器的另一端被连接，
所述电感器的电感值与在所述电力用半导体元件短路时在所述电感器中流过的电流的时间变化之积、以及所述第1电阻的电阻值与在所述电力用半导体元件短路时在所述第1电阻中流过的电流值之积相当于所述电力用半导体元件的发射极电压，
在所述电力用半导体元件短路时，所述短路检测电压小于所述电力用半导体元件的发射极电压，
在所述电力用半导体元件通常动作时，所述短路检测电压大于所述电力用半导体元件的发射极电压。
3.一种电力用半导体元件的保护电路，具备：
驱动电路，驱动电力用半导体元件；
电流检测部，包括并联地连接的第1电阻和电感器；以及
检测部，检测所述电力用半导体元件的短路状态，
所述第1电阻的一端以及所述电感器的一端与所述电力用半导体元件的一方的端子连接，
所述检测部通过比较与在所述第1电阻以及所述电感器中流过的电流相应地变化的所述电力用半导体元件的一方的端子的电压和预先决定的短路检测电压，检测所述电力用半导体元件的短路状态，
所述驱动电路的基准电位与所述第1电阻的另一端连接，
所述电流检测部具备与所述第1电阻以及所述电感器并联地连接的齐纳二极管。
4.根据权利要求3所述的电力用半导体元件的保护电路，其中，
所述齐纳二极管的击穿电压值高于所述短路检测电压。
5.根据权利要求3所述的电力用半导体元件的保护电路，其中，
所述齐纳二极管的正向电压降的电压值低于所述电力用半导体元件的阈值电压。
6.一种电力用半导体元件的保护电路，具备：
驱动电路，驱动电力用半导体元件；
电流检测部，包括并联地连接的第1电阻和电感器；以及
检测部，检测所述电力用半导体元件的短路状态，
所述第1电阻的一端以及所述电感器的一端与所述电力用半导体元件的一方的端子连接，
所述检测部通过比较与在所述第1电阻以及所述电感器中流过的电流相应地变化的所述电力用半导体元件的一方的端子的电压和预先决定的短路检测电压，检测所述电力用半导体元件的短路状态，
所述驱动电路的基准电位与所述第1电阻的另一端连接，
所述电流检测部还具备与所述电感器串联地连接的第2电阻，
所述驱动电路的所述基准电位以及所述第1电阻的另一端被连接，
所述电感器的电感值与在所述电力用半导体元件短路时在所述电感器中流过的电流的时间变化之积及所述第2电阻的电阻值与在所述电力用半导体元件短路时在所述第2电阻中流过的电流值之积的和、以及所述第1电阻的电阻值与在所述电力用半导体元件短路时在所述第1电阻中流过的电流值之积相当于所述电力用半导体元件的发射极电压，
在所述电力用半导体元件短路时，所述短路检测电压小于所述电力用半导体元件的发射极电压，
在所述电力用半导体元件通常动作时，所述短路检测电压大于所述电力用半导体元件的发射极电压。
7.根据权利要求6所述的电力用半导体元件的保护电路，其中，
所述检测部输出表示所述电力用半导体元件是否为短路状态的状态判定信号，
所述电力用半导体元件的保护电路具备切断部，该切断部配置于所述驱动电路的输出与所述第1电阻的另一端之间，
所述切断部依照所述状态判定信号来连接或者切断所述驱动电路的输出与所述第1电阻的另一端之间。
8.一种电力用半导体元件的保护电路，具备：
驱动电路，驱动电力用半导体元件；
电流检测部，包括并联地连接的第1电阻和电感器；以及
检测部，检测所述电力用半导体元件的短路状态，
所述第1电阻的一端以及所述电感器的一端与所述电力用半导体元件的一方的端子连接，
所述检测部通过比较与在所述第1电阻以及所述电感器中流过的电流相应地变化的所述电力用半导体元件的一方的端子的电压和预先决定的短路检测电压，检测所述电力用半导体元件的短路状态，
所述驱动电路的基准电位与所述第1电阻的另一端连接，
所述检测部输出表示所述电力用半导体元件是否为短路状态的状态判定信号，
所述电力用半导体元件的保护电路还具备切断部，该切断部依照所述状态判定信号来切断输入到所述驱动电路的控制信号，
所述电力用半导体元件的保护电路具备：
第1锁存电路，保持由所述检测部检测的信号，输出所述状态判定信号；
第2锁存电路，保持由所述检测部检测的信号，将表示所述电力用半导体元件是否为短路状态的信号输出到外部；以及
保持时间调整电路，调整所述第1锁存电路的保持时间。
9.根据权利要求8所述的电力用半导体元件的保护电路，其中，
所述第1锁存电路以及所述第2锁存电路通过来自外部的复位信号被复位。
10.根据权利要求9所述的电力用半导体元件的保护电路，其中，
所述第1锁存电路包括：
单触发电路，与所述检测部的输出信号的变化相应地输出单触发的脉冲信号；以及
第1RS触发器电路，具有接受所述单触发电路的输出信号的输入端子、接受来自外部的复位信号的第1复位端子、以及第2复位端子，
所述第2锁存电路包括：
第2RS触发器电路，具有接受所述单触发电路的输出信号的输入端子以及接受来自外部的复位信号的复位端子，
所述保持时间调整电路包括：
延迟电路，使所述第1RS触发器电路的输出信号延迟利用来自外部的控制时间设定的时间；以及
第2单触发电路，与所述延迟电路的输出信号的变化相应地将单触发的脉冲信号输出到所述第1RS触发器电路的所述第2复位端子，
所述第1RS触发器电路的反转输出信号是所述状态判定信号，
所述第2RS触发器电路的输出信号是表示所述电力用半导体元件是否为短路状态的信号。
11.一种电力用半导体元件的保护电路，具备：
驱动电路，驱动电力用半导体元件；
电流检测部，包括并联地连接的第1电阻和电感器；以及
检测部，检测所述电力用半导体元件的短路状态，
所述第1电阻的一端以及所述电感器的一端与所述电力用半导体元件的一方的端子连接，
所述检测部通过比较与在所述第1电阻以及所述电感器中流过的电流相应地变化的所述电力用半导体元件的一方的端子的电压和预先决定的短路检测电压，检测所述电力用半导体元件的短路状态，
所述驱动电路的基准电位与所述第1电阻的另一端连接，
所述电流检测部还具备与所述电感器串联地连接的第2电阻，
所述检测部具备：
第1检测电路，通过比较所述电力用半导体元件的一方的端子的电压和第1短路检测电压，检测所述电力用半导体元件的短路状态；
第2检测电路，通过比较所述第2电阻的一端的电压和第2短路检测电压，检测所述电力用半导体元件的短路状态；以及
判定电路，根据所述第1检测电路的检测结果和所述第2检测电路的检测结果，判定包括所述电力用半导体元件的电力变换器中的短路路径。
12.根据权利要求11所述的电力用半导体元件的保护电路，其中，
所述判定电路根据所述第1检测电路的检测结果和所述第2检测电路的检测结果，判定所述电力变换器的状态是通常状态、支路短路状态、以及输出短路状态或者接地状态中的哪种状态。
13.根据权利要求11所述的电力用半导体元件的保护电路，其中，
所述电感器的电感值与在所述电力用半导体元件短路时在所述电感器中流过的电流的时间变化之积及所述第2电阻的电阻值与在所述电力用半导体元件短路时在所述第2电阻中流过的电流值之积的和、以及所述第1电阻的电阻值与在所述电力用半导体元件短路时在所述第1电阻中流过的电流值之积相当于所述电力用半导体元件的发射极电压，
所述第1短路检测电压小于包括所述电力用半导体元件的电力变换器中发生支路短路时的所述电力用半导体元件的发射极电压，
所述第2短路检测电压小于所述电力用半导体元件的饱和电流与所述第2电阻的电阻值之积，
所述第1短路检测电压大于所述第2短路检测电压，
所述第2短路检测电压大于通常动作时的所述第2电阻的电阻值与在所述第2电阻中流过的电流之积。
14.根据权利要求13所述的电力用半导体元件的保护电路，其中，
所述第1检测电路在包括所述电力用半导体元件的电力变换器中发生支路短路时输出第1逻辑电平，在没有发生所述支路短路时输出第2逻辑电平，
所述第2检测电路在包括所述电力用半导体元件的电力变换器中发生输出短路或者接地短路时输出所述第1逻辑电平，在没有发生所述输出短路以及所述接地短路时输出所述第2逻辑电平。
15.根据权利要求14所述的电力用半导体元件的保护电路，其中，
所述电力用半导体元件的保护电路还具备切断部，该切断部依照状态判定信号的电平来切断输入到所述驱动电路的控制信号，
所述判定电路在所述第1检测电路的输出信号的电平是所述第2逻辑电平且所述第2检测电路的输出信号的电平是所述第2逻辑电平时，将所述状态判定信号的电平设定为不切断输入到所述驱动电路的控制信号的电平，并且向外部通知包括所述电力用半导体元件的电力变换器是通常状态，
所述判定电路在所述第1检测电路的输出信号的电平是所述第2逻辑电平且所述第2检测电路的输出信号的电平是所述第1逻辑电平时，将所述状态判定信号的电平设定为切断输入到所述驱动电路的控制信号的电平，并且向外部通知包括所述电力用半导体元件的电力变换器处于输出短路以及接地短路，
所述判定电路在所述第1检测电路的输出信号的电平是所述第1逻辑电平且所述第2检测电路的输出信号的电平是所述第2逻辑电平时，将所述状态判定信号的电平设定为切断输入到所述驱动电路的控制信号的电平，并且向外部通知包括所述电力用半导体元件的电力变换器处于支路短路。
16.一种电力用半导体元件的保护电路，具备：
驱动电路，驱动电力用半导体元件；
电流检测部，包括并联地连接的第1电阻和电感器；以及
检测部，检测所述电力用半导体元件的短路状态，
所述第1电阻的一端以及所述电感器的一端与所述电力用半导体元件的一方的端子连接，
所述检测部通过比较与在所述第1电阻以及所述电感器中流过的电流相应地变化的所述电力用半导体元件的一方的端子的电压和预先决定的短路检测电压，检测所述电力用半导体元件的短路状态，
所述驱动电路的基准电位与所述第1电阻的另一端连接，
所述电流检测部还具备与所述电感器串联地连接的第2电阻，
所述电力用半导体元件的保护电路还具备切断部，该切断部依照状态判定信号的电平来切断输入到所述驱动电路的控制信号，
所述检测部具备：
第1检测电路，通过比较所述电力用半导体元件的一方的端子的电压和第1短路检测电压，输出表示在包括所述电力用半导体元件的电力变换器中是否发生支路短路的信号；
第2检测电路，通过比较所述第2电阻的一端的电压和第2短路检测电压，输出表示在包括所述电力用半导体元件的电力变换器中是否发生输出短路或者接地短路的信号；
第1锁存电路，保持所述第1检测电路的输出信号并输出；
第2锁存电路，保持所述第1检测电路的输出信号并输出；
第1保持时间调整电路，调整所述第1锁存电路的保持时间；
第3锁存电路，保持所述第2检测电路的输出信号并输出；
第4锁存电路，保持所述第2检测电路的输出信号并输出；
第2保持时间调整电路，调整所述第3锁存电路的保持时间；以及
判定电路，根据所述第1锁存电路的输出信号和所述第3锁存电路的输出信号来设定所述状态判定信号的电平，并且根据所述第2锁存电路的输出信号和所述第4锁存电路的输出信号来判定包括所述电力用半导体元件的电力变换器中的短路路径。
17.一种功率模块，具备：
安装到1个封装的所述电力用半导体元件以及权利要求1～16中的任意一项所述的电力用半导体元件的保护电路。
CN201980032945.2A 2018-05-23 2019-03-12 电力用半导体元件的保护电路以及功率模块 Active CN112119557B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018098620 2018-05-23
JP2018-098620 2018-05-23
PCT/JP2019/009914 WO2019225121A1 (ja) 2018-05-23 2019-03-12 電力用半導体素子の保護回路およびパワーモジュール

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112119557A CN112119557A (zh) 2020-12-22
CN112119557B true CN112119557B (zh) 2022-08-23

Family

ID=68616716

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201980032945.2A Active CN112119557B (zh) 2018-05-23 2019-03-12 电力用半导体元件的保护电路以及功率模块

Country Status (5)

Country Link
US (1) US11601054B2 (zh)
JP (1) JP6758538B2 (zh)
CN (1) CN112119557B (zh)
DE (1) DE112019002590T5 (zh)
WO (1) WO2019225121A1 (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE112021000086T5 (de) * 2020-03-18 2022-04-21 Fuji Electric Co., Ltd. Kurzschluss-detektor und stromrichter
JP6885486B1 (ja) * 2020-03-18 2021-06-16 富士電機株式会社 電力変換装置の短絡故障検出装置
JP6835275B1 (ja) * 2020-03-18 2021-02-24 富士電機株式会社 短絡判定装置、スイッチ装置、および、短絡判定方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105811942A (zh) * 2014-12-30 2016-07-27 国家电网公司 一种带有过流保护功能的mosfet驱动电路及其应用方法

Family Cites Families (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003270275A (ja) * 2002-03-19 2003-09-25 Hitachi Ltd 電流検出回路
JP2006296159A (ja) * 2005-04-14 2006-10-26 Mitsubishi Electric Corp 電力変換装置
JP2007259533A (ja) * 2006-03-22 2007-10-04 Hitachi Ltd 半導体素子の保護回路
CN101329381A (zh) * 2008-07-28 2008-12-24 庞元俊 利用电流变化率检测短路故障的方法
US8593773B2 (en) * 2008-11-05 2013-11-26 Osram Gesellschaft Mit Berschraenkter Haftung Half-bridge circuit protected against short circuits and having semiconductor switches
JP5812622B2 (ja) * 2011-02-01 2015-11-17 キヤノン株式会社 スイッチング電源及び画像形成装置
WO2013008452A1 (ja) * 2011-07-14 2013-01-17 富士電機株式会社 短絡保護回路
JP5840067B2 (ja) 2012-04-27 2016-01-06 三菱電機株式会社 電力変換装置の電流検出装置、およびこの電流検出装置を備えた半導体モジュール
US9401640B2 (en) * 2013-04-11 2016-07-26 Telefonaktiebolaget L M Ericsson (Publ) Voltage droop control in a voltage-regulated switched mode power supply
JP6171599B2 (ja) * 2013-06-11 2017-08-02 サンケン電気株式会社 半導体装置及びその制御方法
US10193323B2 (en) * 2013-09-06 2019-01-29 Mitsubishi Electric Corporation Semiconductor device
DE102013112261B4 (de) * 2013-11-07 2023-01-26 Semikron Elektronik Gmbh & Co. Kg Leistungshalbleiterschaltung
JP6190280B2 (ja) * 2014-01-22 2017-08-30 株式会社日立製作所 半導体駆動装置ならびにこれを用いた電力変換装置
US9525351B2 (en) * 2014-12-03 2016-12-20 Linear Technology Corporation Inductor current sensing in a buck converter using multiple filters
US9819339B2 (en) * 2015-05-13 2017-11-14 Infineon Technologies Austria Ag Method and circuit for reducing collector-emitter voltage overshoot in an insulated gate bipolar transistor
CN104993811B (zh) * 2015-07-27 2018-08-14 深圳市英可瑞科技股份有限公司 一种半导体开关的过流保护电路
CN105186847A (zh) * 2015-10-16 2015-12-23 桂林电子科技大学 一种igbt有源钳位保护电路
US9912225B2 (en) * 2015-10-30 2018-03-06 Faraday & Future Inc. Method and system for overcurrent protection for insulated-gate bipolar transistor (IGBT) modules
JP6634270B2 (ja) * 2015-11-13 2020-01-22 株式会社 日立パワーデバイス 電力変換装置
US10978865B2 (en) 2016-01-19 2021-04-13 Blixt Tech Ab Circuit for breaking alternating current
CN105743329B (zh) * 2016-03-23 2018-06-26 西安交通大学 一种igbt并联动态均流电路及控制方法
JP2017212870A (ja) * 2016-05-20 2017-11-30 株式会社デンソー スイッチング素子の駆動制御装置
JP6961944B2 (ja) * 2017-01-18 2021-11-05 富士電機株式会社 パワー半導体モジュール

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105811942A (zh) * 2014-12-30 2016-07-27 国家电网公司 一种带有过流保护功能的mosfet驱动电路及其应用方法

Also Published As

Publication number Publication date
US11601054B2 (en) 2023-03-07
JP6758538B2 (ja) 2020-09-23
CN112119557A (zh) 2020-12-22
JPWO2019225121A1 (ja) 2020-09-17
DE112019002590T5 (de) 2021-03-18
US20210028702A1 (en) 2021-01-28
WO2019225121A1 (ja) 2019-11-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7417791B2 (ja) スイッチング電力コンバーターにおいて半導体スイッチを保護すること
US9698654B2 (en) Soft shutdown for isolated drivers
CN112119557B (zh) 电力用半导体元件的保护电路以及功率模块
CN105577153B (zh) 半导体装置
US9013850B2 (en) Semiconductor device
US6891707B2 (en) Semiconductor protection circuit
US10651839B2 (en) Power switching apparatus
CN112838746A (zh) 具有集成米勒钳位器的栅极驱动器
JP5747445B2 (ja) ゲート駆動装置
WO2014034063A1 (ja) 半導体装置
TWI692943B (zh) 功率電晶體控制信號閘
US20190158083A1 (en) Drive circuit and power module including the same
US10917081B1 (en) Adjustable soft shutdown and current booster for gate driver
JP2017046570A (ja) 過電流保護装置、電子機器、集積回路および信号伝達回路
WO2014136252A1 (ja) 半導体装置
JP2019058056A (ja) 固体パルス変調器における保護回路、発振補償回路および給電回路
CN110739941B (zh) 半导体装置
CN114667681A (zh) 栅极驱动电路
US10547301B1 (en) Inverter driver
JP5322693B2 (ja) パワー半導体スイッチのドライバ回路内部で信号電圧伝送するための回路と方法
Bakran et al. Integrating the New 2D—Short circuit detection method into a power module with a power supply fed by the gate voltage
JP7326762B2 (ja) 半導体モジュールおよび駆動回路
US11658652B2 (en) Semiconductor device
US20210184564A1 (en) Drive device and power module
JP7459398B1 (ja) ゲート駆動装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant