DE112019002590T5

DE112019002590T5 - Leistungshalbleitervorrichtung-schutzschaltung und leistungsmodul

Info

Publication number: DE112019002590T5
Application number: DE112019002590.2T
Authority: DE
Inventors: Kenichi Morokuma; Takuya Sakai
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2018-05-23
Filing date: 2019-03-12
Publication date: 2021-03-18
Also published as: US20210028702A1; CN112119557A; JP6758538B2; WO2019225121A1; US11601054B2; CN112119557B; JPWO2019225121A1

Abstract

Eine Leistungshalbleitervorrichtung-Schutzschaltung (1000), die Folgendes aufweist: eine Treiberschaltung (5), die eine Leistungshalbleitervorrichtung (1) betreibt; einen Stromdetektor (3), der einen ersten Widerstand (3a) und eine Spule (3b) aufweist, die parallelgeschaltet sind; und eine Detektionsschaltung (4), die einen Kurzschlusszustand der Leistungshalbleitervorrichtung (1) detektiert. Das eine Ende des ersten Widerstands (3a) und das eine Ende der Spule (3b) sind mit einem Anschluss der Leistungshalbleitervorrichtung (1) verbunden. Die Detektionsschaltung (4) detektiert den Kurzschlusszustand der Leistungshalbleitervorrichtung (1) durch Vergleichen einer Spannung des einen Anschlusses der Leistungshalbleitervorrichtung (1), die sich als Funktion des Stromflusses durch den ersten Widerstand (3a) und die Spule (3b) ändert, mit einer Kurzschlussdetektionsspannung. Ein Referenzpotential der Treiberschaltung (5) ist mit dem anderen Ende des ersten Widerstands (3a) und dem anderen Ende der Spule (3b) verbunden.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Leistungshalbleitervorrichtung-Schutzschaltung und ein Leistungsmodul.
HINTERGRUND
Eine Leistungshalbleitervorrichtung, die in der Lage ist, eine hohe Leistung zu steuern, wird in einer Stromversorgungsschaltung verwendet, die Wechselstrom mit einer anderen Frequenz aus einem Gleichstrom (DC) oder einem Wechselstrom (AC) erzeugt, oder in einer Leistungswandlervorrichtung mit einer solchen Stromversorgungsschaltung. Die Verwendung der Leistungshalbleitervorrichtung bei der Leistungswandlervorrichtung erfordert eine Kurzschluss-Schutzschaltung, um zu verhindern, dass die Leistungshalbleitervorrichtung durch den Kurzschlussstrom im Falle eines Zweigkurzschlusses oder eines Lastkurzschlusses zerstört wird.
Die in der Leistungshalbleitervorrichtung enthaltene Kurzschlussschutzschaltung misst einen Stromfluss durch die Leistungshalbleitervorrichtung oder eine an die Leistungshalbleitervorrichtung angelegte Spannung und begrenzt oder unterbricht, wenn die Messung einen vorgegebenen Wert überschreitet, den Kurzschlussstrom, um eine Zerstörung der Leistungshalbleitervorrichtung zu verhindern.
Die PTL 1 offenbart eine Leistungshalbleitervorrichtung-Schutzschaltung.
Die Schutzschaltung verwendet einen Shunt-Widerstand zur Detektion des Stromflusses durch eine Leistungshalbleitervorrichtung, wie in 6 dargestellt.
STAND DER TECHNIK
PATENTLITERATUR
PTL 1: Japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift JP 2007-259533 A
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
TECHNISCHES PROBLEM
Wenn ein Shunt-Widerstand als Stromsensor zum Schutz der Halbleitervorrichtung verwendet wird, wie in 6 der PTL 1 dargestellt, fließt der Strom auch im Normalbetrieb durch den Shunt-Widerstand. Dies verursacht Leistungsverluste.
Die vorliegende Erfindung dient daher der Lösung der oben genannten Probleme, und Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Leistungshalbleitervorrichtung-Schutzschaltung und ein Leistungsmodul anzugeben, die Leistungsverluste verringern können.
LÖSUNG DES PROBLEMS
Eine Leistungshalbleitervorrichtung-Schutzschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung weist Folgendes auf: eine Treiberschaltung, die eine Leistungshalbleitervorrichtung betreibt; einen Stromdetektor, der einen ersten Widerstand und eine Spule aufweist, die parallelgeschaltet sind; und eine Detektionsschaltung, die einen Kurzschlusszustand der Leistungshalbleitervorrichtung detektiert. Das eine Ende des ersten Widerstands und das eine Ende der Spule sind mit einem Anschluss der Leistungshalbleitervorrichtung verbunden.
Die Detektionsschaltung detektiert den Kurzschlusszustand der Leistungshalbleitervorrichtung, indem sie eine Spannung des einen Anschlusses der Leistungshalbleitervorrichtung, die sich als Funktion des Stromflusses durch den ersten Widerstand und die Spule ändert, mit einer Kurzschlussdetektionsspannung vergleicht. Ein Referenzpotential der Treiberschaltung ist mit dem anderen Ende des ersten Widerstands verbunden.
VORTEILHAFTE WIRKUNGEN DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung besitzt der Stromdetektor den ersten Widerstand und die Spule, die parallelgeschaltet sind, und das Referenzpotential der Treiberschaltung ist mit dem anderen Ende des ersten Widerstands und dem anderen Ende der Spule verbunden, so dass die Verlustleistung reduziert wird.
Figurenliste

1 ist ein Diagramm, das eine Leistungshalbleitervorrichtung-Schutzschaltung 1000 gemäß der Ausführungsform 1 zeigt.
2 ist ein Diagramm, das eine Leistungshalbleitervorrichtung-Schutzschaltung 9000 gemäß einem herkömmlichen Beispiel zeigt.
3 ist ein Diagramm, das einen Beispielbetrieb der Schutzschaltung 1000 gemäß der Ausführungsform 1 und der Schutzschaltung 9000 gemäß dem herkömmlichen Beispiel in einem Normalzustand zeigt (wenn die Leistungshalbleitervorrichtung nicht kurzgeschlossen ist).
4 ist ein Diagramm, das einen Beispielbetrieb der Schutzschaltung 1000 gemäß der Ausführungsform 1 und der Schutzschaltung 9000 gemäß dem herkömmlichen Beispiel bei einem Kurzschluss der Leistungshalbleitervorrichtung zeigt.
5 ist ein Diagramm, das eine Leistungshalbleitervorrichtung-Schutzschaltung 2000 gemäß der Ausführungsform 2 zeigt.
6 ist ein Diagramm, das eine Leistungshalbleitervorrichtung-Schutzschaltung 3000 gemäß der Ausführungsform 3 zeigt.
7 ist ein Diagramm, das eine Leistungshalbleitervorrichtung-Schutzschaltung 4000 gemäß der Ausführungsform 4 zeigt.
8 ist ein Diagramm, das eine Leistungshalbleitervorrichtung-Schutzschaltung 5000 gemäß der Ausführungsform 5 zeigt.
9 ist ein Diagramm, das Einzelheiten der Schutzschaltung 5000 gemäß 8 zeigt.
10 ist ein Diagramm, das einen Beispielbetrieb der Schutzschaltung 5000 gemäß der Ausführungsform 5 zeigt, wenn die Leistungshalbleitervorrichtung kurzgeschlossen ist.
11 ist ein Diagramm, das eine Leistungshalbleitervorrichtung-Schutzschaltung 6000 gemäß der Ausführungsform 6 zeigt.
12 ist ein Diagramm, das Details einer Bestimmungsschaltung 11 gemäß 11 zeigt.
13 ist ein Diagramm, das eine Wahrheitstabelle für eine Bestimmungsschaltung 11 gemäß der Ausführungsform 6 zeigt.
14 ist ein Diagramm, das eine Leistungshalbleitervorrichtung-Schutzschaltung 7000 gemäß der Ausführungsform 7 zeigt.
15 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration eines Leistungsmoduls 111a gemäß der Ausführungsform 8 zeigt.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Ausführungsform 1
1 ist ein Diagramm, das eine Leistungshalbleitervorrichtung-Schutzschaltung 1000 gemäß der Ausführungsform 1 zeigt. Wie in 1 dargestellt, besitzt die Schutzschaltung 1000 eine Treiberschaltung 5, einen Stromdetektor 3, eine Detektionsschaltung 4 und eine Unterbrechungseinheit 6.
Die Leistungshalbleitervorrichtung 1 ist ein IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), der auf einem Si-Substrat ausgebildet ist. Die Leistungshalbleitervorrichtung 1 kann ein MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) oder ein BIPOLAR-Transistor sein. Die Leistungshalbleitervorrichtung 1 kann eine Leistungshalbleitervorrichtung sein, die auf einem SiC (Siliciumcarbid) -Substrat gebildet ist, oder eine Leistungshalbleitervorrichtung, die auf einem GaN (Galliumnitrid) -Substrat gebildet ist. Die Leistungshalbleitervorrichtung 1 ist nicht darauf beschränkt, insofern es sich um eine Halbleitervorrichtung handelt, die für Leistung verwendet wird.
Eine Freilaufdiode 2 ist antiparallel zur Leistungshalbleitervorrichtung 1 geschaltet. Bei dem Leistungshalbleitervorrichtung 1 ist der Emitteranschluss mit einem Knoten ND1 verbunden.
Eine Treiberschaltung 5 betreibt die Leistungshalbleitervorrichtung 1 bzw. steuert diese an. Die Treiberschaltung 5 besteht z.B. aus einem Wechselrichter, der einen PMOS-Transistor und einen NMOS-Transistor aufweist.
Der Stromdetektor 3 besitzt einen ersten Widerstand 3a und eine Spule 3b, die parallelgeschaltet sind. Das eine Ende des ersten Widerstands 3a und das eine Ende der Spule 3b sind mit dem Knoten ND1 verbunden. Der Knoten ND1 ist mit dem Emitteranschluss der Leistungshalbleitervorrichtung 1 und einem Eingang der Detektionsschaltung 4 verbunden. Das andere Ende des ersten Widerstands 3a und das andere Ende der Spule 3b sind mit einem Referenzpotential VSS verbunden. Die Differenz zwischen der Spannung des Knotens ND1, d.h. der Spannung des Emitteranschlusses der Leistungshalbleitervorrichtung 1, und dem Referenzpotential VSS (im folgenden Emitterspannung genannt) ändert sich in Abhängigkeit vom Stromfluss durch den ersten Widerstand 3a und die Spule 3b.
Die Detektionsschaltung 4 vergleicht die Spannung des Knotens ND1, die sich als Funktion des Stromflusses durch den ersten Widerstand 3a und die Spule 3b ändert, d.h. eine Emitterspannung Ve der Leistungshalbleitervorrichtung 1 mit der Größe einer vorbestimmten Kurzschlussdetektionsspannung Vsen, so dass ein Kurzschlusszustand der Leistungshalbleitervorrichtung 1 detektiert wird. Wenn die Emitterspannung Ve kleiner als oder gleich der Kurzschlussdetektionsspannung Vsen ist, bestimmt die Detektionsschaltung 4, dass sich die Leistungshalbleitervorrichtung 1 in einem Normalzustand befindet.
Wenn die Emitterspannung Ve größer als die Kurzschlussdetektionsspannung Vsen ist, bestimmt die Detektionsschaltung 4, dass sich die Leistungshalbleitervorrichtung 1 in einem Kurzschlusszustand befindet. Wenn bestimmt ist, dass sich die Leistungshalbleitervorrichtung 1 in einem Normalzustand befindet, setzt die Detektionsschaltung 4 ein Zustandsbestimmungssignal Vsc auf Hoch. Wenn bestimmt ist, dass sich die Leistungshalbleitervorrichtung 1 in einem Kurzschlusszustand befindet, setzt die Detektionsschaltung 4 das Zustandsbestimmungssignal Vsc auf Niedrig.
Basierend auf dem Zustandsbestimmungssignal Vsc unterbricht die Unterbrechungseinheit 6 ein Steuersignal Vsig, das in die Treiberschaltung 5 eingegeben wird. Die Unterbrechungseinheit 6 ist z.B. durch eine UND-Schaltung konfiguriert, die das Steuersignal Vsig, das in die Treiberschaltung 5 eingegeben wird, und das Zustandsbestimmungssignal Vsc empfängt. Die Unterbrechungseinheit 6 kann in die Treiberschaltung 5 eingebaut sein. Wenn das Zustandsbestimmungssignal Vsc Hoch ist, gibt die UND-Schaltung das Steuersignal Vsig aus.
Wenn das Zustandsbestimmungssignal Vsc Niedrig ist, gibt die UND-Schaltung einen konstanten Wert „0“ (Niedrig) aus, ohne das Steuersignal Vsig auszugeben.
Die Unterbrechungseinheit 6 ist nicht auf die UND-Schaltung beschränkt und kann insofern beliebig sein, als sie die Funktion hat, eine von der Treiberschaltung 5 ausgegebene Treiberspannung Vg auf der Grundlage des Zustandsbestimmungssignals Vsc zu unterbrechen.
Die Treiberschaltung 5 gibt die Treiberspannung Vg in Abhängigkeit von dem Steuersignal Vsig aus, das von der Unterbrechungseinheit 6 ausgegeben wird. Die Treiberschaltung 5 gibt keine Treiberspannung Vg aus, wenn der Ausgang der Unterbrechungseinheit 6 niedrig ist. Die Treiberschaltung 5 hat ein Referenzpotential, das mit dem anderen Ende des ersten Widerstands 3a, dem anderen Ende der Spule 3b und dem Referenzpotential VSS verbunden ist. Wenn die Treiberschaltung 5 für einen Wechselrichter konfiguriert ist, entspricht das Potential, an das die Quelle eines im Wechselrichter enthaltenen NMOS-Transistors angeschlossen ist, dem Referenzpotential der Treiberschaltung 5.
2 ist ein Diagramm, das eine Leistungshalbleitervorrichtung-Schutzschaltung 9000 gemäß einem herkömmlichen Beispiel zeigt. Die Schutzschaltung 9000 gemäß dem herkömmlichen Beispiel besitzt einen Stromdetektor 999, der nur aus einem Widerstand 99 als einem üblichen Kurzschlussdetektionsmittel konfiguriert ist.
Der Betrieb der Ausführungsform 1, wenn sich die Leistungshalbleitervorrichtung 1 in einem Normalzustand (nicht kurzgeschlossen) befindet, wird nachstehend beschrieben.
3 ist ein Diagramm, das einen Beispielbetrieb der Schutzschaltung 1000 gemäß Ausführungsform 1 und der Schutzschaltung 9000 gemäß dem herkömmlichen Beispiel zeigt, wenn sich die Leistungshalbleitervorrichtung 1 in einem Normalzustand befindet (nicht kurzgeschlossen).
In 3 stellt Vge die Gate-Spannung im herkömmlichen Beispiel und bei der Ausführungsform 1 dar. Ve9 repräsentiert die Emitterspannung der Leistungshalbleitervorrichtung 1 im herkömmlichen Beispiel, und Ve repräsentiert die Emitterspannung der Leistungshalbleitervorrichtung 1 gemäß Ausführungsform 1. IR9 repräsentiert den Stromfluss durch den Widerstand 99 innerhalb des Stromdetektors 999 im herkömmlichen Beispiel, IR0 repräsentiert den Stromfluss durch den ersten Widerstand 3a innerhalb des Stromdetektors 3 bei der Ausführungsform 1, und IL0 repräsentiert den Stromfluss durch die Spule 3b innerhalb des Stromdetektors 3 bei der Ausführungsform 1.
Im Normalbetrieb (wenn die Leistungshalbleitervorrichtung 1 nicht kurzgeschlossen ist) steigt die Gate-Spannung Vge der Leistungshalbleitervorrichtung 1 an, und die Leistungshalbleitervorrichtung 1 schaltet sich ein, wenn die Gate-Spannung Vge eine Schwellenspannung überschreitet. Dadurch kann der Strom Ic durch die Leistungshalbleitervorrichtung 1 fließen, und daher fließt der Strom IR0 durch den ersten Widerstand 3a bei der Ausführungsform 1. Der Strom IL0, der durch die Spule 3b fließt, nimmt ebenfalls mit Verzögerung erster Ordnung zu.
Der Strom Ic, der durch die Leistungshalbleitervorrichtung 1 fließt, ist gleich dem Stromfluss durch den Stromdetektor 3. Bei der Ausführungsform 1 ist, nachdem der Strom in dem Leistungshalbleitervorrichtung 1 gesättigt ist, eine Verringerung des Stromflusses IR0 in den ersten Widerstand 3a signifikant, da der Strom IL durch die Spule 3b fließt. Infolgedessen nimmt der Leistungsverlust im ersten Widerstand 3a ab.
Im herkömmlichen Beispiel dagegen fließt der gesamte Strom Ic, der durch die Leistungshalbleitervorrichtung 1 fließt, in den Widerstand 99 in dem Stromdetektor 999. Selbst wenn der Strom in dem Leistungshalbleitervorrichtung 1 gesättigt ist, ist eine Verringerung des Stromflusses IR9 in den Widerstand 99 in dem Stromdetektor 999 nicht signifikant. Infolgedessen wird im herkömmlichen Beispiel ein größerer Leistungsverlust an dem Widerstand 99 in dem Stromdetektor 999 im Vergleich zur Ausführungsform 1 verursacht.
Wie oben erwähnt, kann die Schutzschaltung 1000 gemäß Ausführungsform 1 den Leistungsverlust reduzieren, wenn sich die Leistungshalbleitervorrichtung 1 im Normalbetrieb (nicht kurzgeschlossen) befindet, im Vergleich zur Schutzschaltung 9000 gemäß dem herkömmlichen Beispiel. Wenn der Stromdetektor 3 den gleichen Leistungsverlust wie das herkömmliche Beispiel zulässt, kann außerdem der Wirkwiderstand des ersten Widerstands 3a innerhalb des Stromdetektors 3 gemäß der Ausführungsform 1 größer sein als der Wirkwiderstand des Widerstands 99 innerhalb des Stromdetektors 999 gemäß dem herkömmlichen Beispiel. Folglich wird bei der vorliegenden Ausführungsform die Detektionsspannung (Ve)im Falle eines Kurzschlusses erhöht, so dass das Auftreten eines Kurzschlusses mit hoher Genauigkeit detektiert werden kann.
Als Nächstes wird der Betrieb der Ausführungsform 1 beschrieben, wenn die Leistungshalbleitervorrichtung 1 kurzgeschlossen ist.
4 ist ein Diagramm, das einen Beispielbetrieb der Schutzschaltung 1000 gemäß der Ausführungsform 1 und der Schutzschaltung 9000 gemäß dem herkömmlichen Beispiel zeigt.
In 4 stellt Vge1 die Gate-Spannung dar, wenn die Treiberschaltung 5 im herkömmlichen Beispiel nicht unterbrochen ist, Vge2 stellt die Gate-Spannung dar, wenn die Treiberschaltung 5 bei der Ausführungsform 1 nicht unterbrochen ist, und Vge3 stellt die Gate-Spannung dar, wenn die Treiberschaltung 5 bei der Ausführungsform 1 unterbrochen ist.
Ve9 repräsentiert die Emitterspannung im herkömmlichen Beispiel, und Ve repräsentiert die Emitterspannung der Leistungshalbleitervorrichtung 1 gemäß Ausführungsform 1. IRS repräsentiert den Stromfluss durch den ersten Widerstand 3a innerhalb des Stromdetektors 3 bei der Ausführungsform 1, ILS repräsentiert den Stromfluss durch die Spule 3b innerhalb des Stromdetektors 3 bei der Ausführungsform 1 und Ic repräsentiert den Stromfluss durch die Leistungshalbleitervorrichtung 1.
Wie in 4 dargestellt, steigt der Strom Ic, der durch die Leistungshalbleitervorrichtung 1 fließt, zum Zeitpunkt t1 an, wenn ein Überstrom durch die Leistungshalbleitervorrichtung 1 fließt und zum Zeitpunkt t2 ein Kurzschlussvorgang stattfindet. Da der Stromdetektor 3 bei der Ausführungsform 1 aus dem ersten Widerstand 3a und der Spule 3b besteht, die parallelgeschaltet sind, sind die Spannungsabfälle an dem ersten Widerstand 3a und an der Spule 3b gleich groß. Der Strom Ic, der durch die Leistungshalbleitervorrichtung 1 fließt, wenn die Leistungshalbleitervorrichtung 1 kurzgeschlossen ist, wird durch den ersten Widerstand 3a und die Spule 3b überbrückt.
Da eine Stromänderung dIc/dt in dem Stromfluss durch die Leistungshalbleitervorrichtung 1 groß ist, wird der Stromfluss ILS durch die Spule 3b klein, so dass der Großteil des Stroms Ic in den ersten Widerstand 3a fließen kann. Da der Strom IRS durch den ersten Widerstand 3a fließt, erhöht sich die Emitterspannung Ve der Leistungshalbleitervorrichtung 1. In ähnlicher Weise fließt im herkömmlichen Beispiel der Strom Ic in den Widerstand 99 innerhalb des Stromdetektors 999, und die Emitterspannung Ve9 der Leistungshalbleitervorrichtung 1 erhöht sich dadurch.
Zum Zeitpunkt t3, bei der Ausführungsform 1, bestimmt die Detektionsschaltung 4, dass die Leistungshalbleitervorrichtung 1 kurzgeschlossen ist, wenn die Emitterspannung Ve mit der Kurzschlussdetektionsspannung Vsen übereinstimmt, und setzt das Bestimmungssignal Vscauf Niedrig. Dies führt dazu, dass die Unterbrechungseinheit 6 das Steuersignal Vsig, das an die Treiberschaltung 5 gegeben wird, unterbricht. Infolgedessen sinkt die Gate-Spannung Vge3 der Leistungshalbleitervorrichtung 1.
Wenn die Gate-Spannung Vge3 der Leistungshalbleitervorrichtung 1 gegen Null geht, sinkt die Emitterspannung Ve der Leistungshalbleitervorrichtung 1. Daher verringert sich der Stromfluss IRS durch den ersten Widerstand 3a. Der Stromfluss ILS durch die Spule 3b hingegen nimmt mit der Verzögerung erster Ordnung allmählich zu.
Im herkömmlichen Beispiel muss der Wirkwiderstand des Widerstands 99 in dem Stromdetektor 999 reduziert werden, um den Leistungsverlust zu verringern. Die Verringerung des Wirkwiderstands des Widerstands 99 reduziert als Kompromiss die Detektionsspannung im Falle eines Kurzschlusses, was zu einer verringerten Detektionsgenauigkeit führt. Im Gegensatz dazu wird durch ein Erhöhen des Wirkwiderstands des Widerstands 99 die Detektionsspannung erhöht, was die Detektionsgenauigkeit erhöht und gleichzeitig einen großen Verlust verursacht, wenn sich die Leistungshalbleitervorrichtung 1 in einem Normalzustand befindet.
Wenn bei der Ausführungsform 1 im Falle eines Kurzschlusses eine große Stromänderung dIc/dt in dem Leistungshalbleitervorrichtung 1 verursacht wird, fließt der Strom zunächst durch den ersten Widerstand 3a, und der Strom kommutiert dann mit der Verzögerung erster Ordnung zur Spule 3b.
Bei der Ausführungsform 1 nimmt in ähnlicher Weise im Normalbetrieb, nachdem der Strom Ic durch die Leistungshalbleitervorrichtung 1 einen Strom erreicht hat, der durch die Last und die Versorgungsspannung bestimmt wird, der Wert von dIc/dt ab. Daher fließt der durch den ersten Widerstand 3a geflossene Strom durch die Spule 3b mit der Verzögerung erster Ordnung. Mit anderen Worten, der Strom fließt nur kurz durch den ersten Widerstand 3a, während die Stromänderung dIc/dt des Stromflusses durch die Leistungshalbleitervorrichtung 1 groß ist.
Dadurch kann der Leistungsverlust an dem ersten Widerstand 3a reduziert werden. Auf diese Weise kann der durch den ersten Widerstand 3a verursachte Leistungsverlust erheblich reduziert werden. Darüber hinaus kann durch das Anlegen eines großen Wirkwiderstands an dem ersten Widerstand 3a die Detektionsspannung im Falle eines Kurzschlusses erhöht werden, so dass die Detektionsgenauigkeit erhöht wird.
Um eine falsche Detektion durch die Schutzschaltung zu verhindern, die der Emitterspannung Ve des Stromdetektors 3 im Kurzschlussfall zugeschrieben wird, muss bei der Ausführungsform 1 die Kurzschlussdetektionsspannung Vsen im Kurzschlussfall größer als die Emitterspannung Ve vorgegeben werden, wenn der Strom Ic im Normalbetrieb durch die Leistungshalbleitervorrichtung 1 fließt.
Die Emitterspannung Ve im Normalbetrieb ist auch anfällig für eine Änderung dIL0/dt des Stromflusses durch die Spule 3b. Wenn die Impedanz der Spule 3b kleiner als der erste Widerstand 3a ist, fließt der Strom Ic durch die Leistungshalbleitervorrichtung 1 in die Spule 3b. Infolgedessen erhöht sich die Änderung dIL0/dt des Stromflusses durch die Spule 3b, was die Emitterspannung Ve erhöht. Wenn die Emitterspannung Ve die Kurzschlussdetektionsspannung Vsen übersteigt, detektiert die Detektionsschaltung 4 fälschlicherweise, dass die Leistungshalbleitervorrichtung 1 kurzgeschlossen ist. Aus diesem Grund muss die Impedanz von Spule 3b größer vorgegeben werden als die Impedanz des ersten Widerstands 3a.
Wenn die Impedanz der Spule 3b größer vorgegeben ist als die Impedanz des ersten Widerstands 3a, fließt der Kurzschlussstrom im Moment des Auftretens eines Kurzschlusses im Wesentlichen in den ersten Widerstand 3a. Somit wird die Emitterspannung Ve der Leistungshalbleitervorrichtung 1 durch den Spannungsabfall (R3 ×IRS) des ersten Widerstands 3a dominiert. Dabei bezieht sich R3 auf den Widerstandswert des ersten Widerstands 3a und IRS auf den Stromfluss durch den ersten Widerstand 3a. Der Strom Ic, der durch die Leistungshalbleitervorrichtung 1 fließt, wird durch den ersten Widerstand 3a und die Spule 3b überbrückt, wenn die Leistungshalbleitervorrichtung 1 kurzgeschlossen ist.
Da der erste Widerstand 3a und die Spule 3b parallelgeschaltet sind, sind der Spannungsabfall (R3 ×IRS) an dem ersten Widerstand 3a und die induzierte elektromotorische Kraft (L×dILS/dt), die an der Spule 3b erzeugt wird, beide gleich der Emitterspannung Ve der Leistungshalbleitervorrichtung 1. L bezieht sich auf die Induktivität der Spule 3b, und ILS bezieht sich auf den Stromfluss durch die Spule 3b.
Aus den obigen Ausführungen ergibt sich bei der vorliegenden Ausführungsform, dass zur genauen Detektion des Zustands der Leistungshalbleitervorrichtung 1 im Kurzschlussfall ohne Fehlfunktion die Impedanz der Spule 3b größer vorgegeben werden muss als der erste Widerstand 3a, und dass die Kurzschlussdetektionsspannung Vsen, die induzierte elektromotorische Kraft, die an der Spule 3b verursacht wird, und der Spannungsabfall des ersten Widerstands 3a im Kurzschlussfall so vorgegeben werden müssen, dass die Relation in der Gleichung (1) erfüllt ist. Hier ist ein Potential VSS, das als Referenz für Gleichung verwendet wird, mit dem Referenzpotential der Treiberschaltung 5 verbunden, und VSS ist mit dem anderen Ende des ersten Widerstands 3a und dem anderen Ende der Spule 3b verbunden. $Ve = L \times dILS/dt = R 3 \times IRS > Vsen > R 3 \times IR 0$
In der Gleichung (1) bezeichnen ILS den Strom, der im Falle eines Kurzschlusses durch die Spule 3b fließt, IRS den Strom, der im Falle eines Kurzschlusses durch den ersten Widerstand 3a fließt, und IR0 den Strom, der im Normalbetrieb durch den ersten Widerstand 3a fließt. L×dILS/dt stellt die induzierte elektromotorische Kraft dar, die bei einem Kurzschluss an der Spule 3b verursacht wird. R3 × IRS stellt den Spannungsabfall an dem ersten Widerstands 3a im Kurzschlussfall dar. R3 × IR0 stellt den Spannungsabfall an dem ersten Widerstands 3a im Normalzustand dar.
Da das Referenzpotential der Treiberschaltung 5 mit dem anderen Ende des ersten Widerstands 3a, dem anderen Ende der Spule 3b und dem Referenzpotential VSS verbunden ist, ist die an den Steueranschluss (Gate) der Leistungshalbleitervorrichtung 1 angelegte Spannung Vge bei der vorliegenden Ausführungsform eine Spannung, die durch Subtraktion der Emitterspannung Ve von der Treiberspannung Vg der Treiberschaltung 5 erhalten wird.
Daher kann, während die Emitterspannung Ve im Falle eines Kurzschlusses um den durch den ersten Widerstand 3a fließenden Strom erhöht wird, die an den Steueranschluss der Leistungshalbleitervorrichtung 1 angelegte Spannung Vge begrenzt werden. Mit anderen Worten, es kann der negative Rückkopplungseffekt erzielt werden, bei dem der Spitzenwert des Kurzschlussstroms durch die Leistungshalbleitervorrichtung 1 begrenzt wird. Infolgedessen kann der Sättigungsstromwert der Leistungshalbleitervorrichtung 1, d.h. der Kurzschlussstromwert, niedrig gehalten werden. Dadurch kann die Leistung, die an die Leistungshalbleitervorrichtung 1 angelegt wird, auf einen kleinen Wert begrenzt werden. Entsprechend kann die Zeit nach dem Auftreten des Kurzschlusses und vor der Zerstörung der Leistungshalbleitervorrichtung 1 verlängert werden.
Auf diese Weise kann verhindert werden, dass der Leistungshalbleiter 1 zerstört wird, selbst wenn eine Zeit zur Unterbrechung der Treiberschaltung 5 benötigt wird, da die Detektion des Kurzschlusszustandes durch einen Filter oder ähnliches verzögert wird, um eine falsche Detektion zu vermeiden. Da außerdem die an den Leistungshalbleiter 1 im Kurzschlussfall angelegte Leistung auf einen kleinen Wert begrenzt werden kann, kann auch eine kleine Kurzschlussfähigkeit, d.h. eine kleine Leistungshalbleitervorrichtung 1, verwendet werden.
Bei der vorliegenden Ausführungsform kann der Leistungsverlust im Normalzustand (wenn die Leistungshalbleitervorrichtung 1 nicht kurzgeschlossen ist) im Vergleich zu einer Schutzschaltung, die eine Kurzschlussdetektions-einrichtung mit einem allgemeinen Widerstand aufweist, reduziert werden. Die Detektionsgenauigkeit kann verbessert werden, indem die Detektionsspannung im Kurzschlussfall erhöht und zugleich der Leistungsverlust im Normalbetrieb reduziert wird.
Da das Referenzpotential der Treiberschaltung 5 mit dem anderen Ende des ersten Widerstands 3a, dem anderen Ende der Spule 3b und dem Referenzpotential VSS verbunden ist, kann bei der vorliegenden Ausführungsform außerdem die negative Rückkopplungswirkung der an den Steueranschluss der Leistungshalbleitervorrichtung 1 angelegten Zwangsspannung Vge bereitgestellt werden. Dadurch kann die Größe des Kurzschlussstroms begrenzt so werden, dass er klein ist, so dass die an die Leistungshalbleitervorrichtung 1 angelegte Leistung reduziert wird, wenn die Leistungshalbleitervorrichtung 1 kurzgeschlossen ist. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass die Leistungshalbleitervorrichtung 1 zerstört wird.
Die in 1 der PTL 1 gezeigte Schutzschaltung besitzt eine Stromdetektionseinrichtung für eine Leistungshalbleitervorrichtung und eine Spannungsdetektionseinrichtung, die die Spannung des Steueranschlusses der Leistungshalbleitervorrichtung detektiert. Die Schutzschaltung verhindert die Zerstörung der Leistungshalbleitervorrichtung, indem sie die Spannung des Steueranschlusses mit dem Ausgangssignal der Strommesseinrichtung und dem Ausgangssignal der Spannungsmesseinrichtung steuert.
Wie in 1 der PTL 1 dargestellt, wird die Schaltungsgröße der Schutzschaltung vergrößert, wenn die Leistungshalbleitervorrichtung mit dem Signal von der Stromdetektionseinrichtung und dem Signal von der Spannungsdetektionseinrichtung geschützt wird. Die Schutzschaltung gemäß der vorliegenden Ausführungsform hingegen schützt die Leistungshalbleitervorrichtung mit dem Signal von der Stromdetektionseinrichtung und dem Signal von der Spannungsdetektionseinrichtung. Daher ist die Schaltungsgröße der Schutzschaltung klein.
Die in 5 der PTL 1 dargestellte Schutzschaltung verwendet einen Stromwandler zur Detektion des Stroms. Die Verwendung eines Stromwandlers zur Detektion des Stroms erhöht die Genauigkeit der Stromdetektion, erhöht jedoch die Kosten. Die Schutzschaltung gemäß der vorliegenden Ausführungsform verwendet dagegen keinen Stromwandler zur Stromdetektion.
Die in 6 der PTL 1 gezeigte Schutzschaltung nutzt die Stromdetektionseinrichtung durch einen Shunt-Widerstand zum Schützen der Leistungshalbleitervorrichtung. Die Schutzschaltung lässt den Strom auch im Normalbetrieb durch den Shunt-Widerstand fließen. Dies verursacht Leistungsverluste. Um die Leistungskapazität des Shunt-Widerstands zu erfüllen, ist außerdem nur eine relativ kleine Leistungswandlervorrichtung einsetzbar. Die Schutzschaltung gemäß der vorliegenden Ausführungsform verwendet den Shunt-Widerstand dagegen nicht zum Schutz der Leistungshalbleitervorrichtung.
Die in 7 der PTL 1 dargestellte Schutzschaltung verwendet einen Shunt-Widerstand, um den Strom von einem Sense-Anschluss eines IGBTs zu detektieren. Innerhalb der Leistungshalbleitervorrichtung (IGBT) ist eine Messzelle erforderlich, was zu erhöhten Kosten für die Leistungshalbleitervorrichtung führt. Die Schutzschaltung gemäß der vorliegenden Ausführungsform benötigt dagegen keine Messzelle innerhalb der Leistungshalbleitervorrichtung (IGBT).
Die in 8 der PTL 1 dargestellte Schutzschaltung verwendet nur eine Spule zur Detektion des Stroms. Zur Detektion des Stroms ist ein Integrator erforderlich, der nur die Spule verwendet, was zu einer Vergrößerung der Schutzschaltung führt. Die Schutzschaltung gemäß der vorliegenden Ausführungsform verwendet die Spule dagegen nicht nur zur Stromdetektion.
Ausführungsform 2
5 ist ein Diagramm, das eine Leistungshalbleitervorrichtung-Schutzschaltung 2000 gemäß der Ausführungsform 2 zeigt. Die Schutzschaltung 2000 gemäß der Ausführungsform 2 unterscheidet sich von der Schutzschaltung 1000 gemäß der Ausführungsform 1 dadurch, dass der Stromdetektor 3 gemäß der Ausführungsform 2 zusätzlich eine Zenerdiode 3c aufweist.
Die Zenerdiode 3c ist parallel zu dem ersten Widerstand 3a und zu der Spule 3b geschaltet. Die Hinzufügung der Zenerdiode 3c ergibt die beiden folgenden vorteilhaften Effekte.
Der erste vorteilhafte Effekt wird nachstehend beschrieben. Wenn eine Stromänderung dIc/dt in dem Leistungshalbleitervorrichtung 1 aufgetreten ist, wenn die Leistungshalbleitervorrichtung 1 kurzgeschlossen ist, tritt an der Spule 3b ein Spannungsabfall auf, der das Produkt aus der Induktivität L der Spule 3b und der Stromänderung dIL/dt ist. Zu diesem Zeitpunkt wird die Gate-Spannung Vge der Leistungshalbleitervorrichtung 1 um den an der Spule 3b aufgetretenen Spannungsabfall reduziert, und die Stromänderung dIc/dt der Leistungshalbleitervorrichtung 1 nimmt ab.
Die Reduzierung der Stromänderung dIc/dt der Leistungshalbleitervorrichtung 1 verringert die Stromänderung dIL/dt der Spule 3b. Dadurch wird der an der Spule 3b aufgetretene Spannungsabfall reduziert, und die Gate-Spannung Vge steigt an. Die Erhöhung der Gate-Spannung Vge erhöht die Stromänderung dIc/dt der Leistungshalbleitervorrichtung 1, und der Spannungsabfall an der Spule 3b erhöht sich ebenfalls.
So kann aufgrund des Spannungsabfalls an der Spule 3b im Falle eines Kurzschlusses ein Schwingungsphänomen verursacht werden, bei dem sich ein Ansteigen und ein Abfallen der Gate-Spannung Vge der Leistungshalbleitervorrichtung 1 wiederholen.
Da der Stromdetektor 3 gemäß der Ausführungsform 1 die Zenerdiode 3c aufweist, kann bei der Ausführungsform 2 der Maximalwert der Emitterspannung Ve der Leistungshalbleitervorrichtung 1 auf einen Wert der Durchbruchspannung der Zenerdiode 3c begrenzt werden. Die Begrenzung des Maximalwertes der Emitterspannung Ve der Leistungshalbleitervorrichtung 1 kann das Schwingungsphänomen der Leistungshalbleitervorrichtung 1 verhindern, das durch einen Spannungsabfall an dem Stromdetektor 3verursacht wird. Dies ist der erste vorteilhafte Effekt. Vorzugsweise wird der Wert der Durchbruchspannung der Zenerdiode 3c größer vorgegeben als die Kurzschlussdetektionsspannung Vsen, die bei einem Kurzschluss an dem ersten Widerstand 3a vorgegeben wird.
Der zweite vorteilhafte Effekt ist, dass das Einschalten der Leistungshalbleitervorrichtung 1 verhindert werden kann, wenn der Regenerationsstrom durch die Leistungshalbleitervorrichtung 1 in Richtung von dem Emitteranschluss zu dem Kollektoranschluss im Normalbetrieb fließt.
Wenn der Regenerationsstrom durch die Leistungshalbleitervorrichtung 1 fließt, so fließt der Strom durch die Leistungshalbleitervorrichtung 1 in der Richtung von dem Emitteranschluss zu dem Kollektoranschluss. Bei der Ausführungsform 1 sinkt die Emitterspannung Ve der Leistungshalbleitervorrichtung 1 unter das Referenzpotential VSS der Treiberschaltung 5. Infolgedessen ändert sich die Leistungshalbleitervorrichtung 1 von AUS auf EIN, wenn die Gate-Spannung Vge der Leistungshalbleitervorrichtung1 ansteigt, obwohl ein Aus-Steuersignal Vsig in die Treiberschaltung 5 eingegeben wird.
Wenn beispielsweise das AUS-Steuersignal Vsig in die Leistungshalbleitervorrichtung 1 auf der N-Seite (der untere Zweig) des Leistungswandlers eingegeben wird und ein EIN-Steuersignal in die Leistungshalbleitervorrichtung 1 auf der P-Seite (der obere Zweig) eingegeben wird, so wird dieer Leistungshalbleitervorrichtung 1 auf der N-Seite kurzgeschlossen, wenn durch den Regenerationsstrom eingeschaltet.
Bei der Ausführungsform 2 ist die Zenerdiode 3c parallel zu dem ersten Widerstand 3a und zu der Spule 3b geschaltet. Die Größe der negativen Spannung der Emitterspannung Ve der Leistungshalbleitervorrichtung 1 wird durch den Vorwärtsspannungsabfall der Zenerdiode 3c begrenzt, um zu verhindern, dass die Leistungshalbleitervorrichtung 1 fälschlicherweise eingeschaltet wird.
Hier wird vorzugsweise der Spannungswert des Vorwärtsspannungsabfalls der Zenerdiode 3c, wenn der Maximalwert des Rückstromflusses durch die Leistungshalbleitervorrichtung 1 durch die Zenerdiode 3c fließt, niedriger vorgegeben als eine Schwellenspannung der Leistungshalbleitervorrichtung 1.
Wie oben beschrieben, kann, da der Stromdetektor 3 den ersten Widerstand 3a, die Spule 3b und die Zenerdiode 3c in Parallelschaltung aufweist, das Schwingungsphänomen der Leistungshalbleitervorrichtung verhindert werden, das durch den Spannungsabfall an der Spule 3b verursacht wird, der durch die Durchbruchspannung der Zenerdiode 3c verursacht wird. Außerdem kann die Größe der negativen Spannung der Emitterspannung Ve der Leistungshalbleitervorrichtung 1 durch den Vorwärtsspannungsabfall der Zenerdiode 3c begrenzt werden, so dass verhindert wird, dass sich die Leistungshalbleitervorrichtung 1 fälschlicherweise einschaltet.
Es ist zu beachten, dass die Größe der negativen Spannung, die durch den Rückstrom verursacht wird, noch kleineren Wert reduziert werden kann, indem parallel zur Zenerdiode 3c eine Diode (z.B. eine Schottky-Diode) mit einem Spannungswert kleiner als der Vorwärtsspannungsabfall hinzugefügt wird.
Ausführungsform 3
6 ist ein Diagramm, das eine Leistungshalbleitervorrichtung-Schutzschaltung 3000 gemäß der Ausführungsform 3 zeigt. Die Schutzschaltung 3000 gemäß der Ausführungsform 3 unterscheidet sich von der Schutzschaltung 1000 gemäß der Ausführungsform 1 dadurch, dass der Stromdetektor 3 gemäß der Ausführungsform 3 zusätzlich einen zweiten Widerstand 3d aufweist.
Der zweite Widerstand 3d ist mit der Spule 3b in Reihe geschaltet. Die Hinzufügung des zweiten Widerstands 3d ergibt die folgenden beiden vorteilhaften Effekte.
Der erste vorteilhafte Effekt besteht darin, dass die Emitterspannung Ve im Falle eines Kurzschlusses der Leistungshalbleitervorrichtung 1 mit einem zweiten Widerstand 3d abgestimmt werden kann. Dies kann eine erhöhte Detektionsgenauigkeit ermöglichen.
Während die Last, die mit einer Stromversorgungsschaltung oder einer Leistungswandlervorrichtung (Wechselrichter) verbunden ist, die die Leistungshalbleitervorrichtung 1 aufweist, kurzgeschlossen ist, steigt die parasitäre Induktivität innerhalb eines Leistungsmoduls, das die Leistungshalbleitervorrichtung 1 aufweist, oder innerhalb einer Spule einer externen Verdrahtung, die mit dem Stromversorgungsanschluss des Leistungsmoduls verbunden ist, an.
Infolgedessen nimmt die Stromänderung dIc/dt des Stromflusses Ic durch die Leistungshalbleitervorrichtung 1 ab. Dadurch verringert sich auch die Stromänderung dIL/dt des Stromflusses IL durch die Spule 3b des Stromdetektors 3, der in der Leistungshalbleitervorrichtung-Schutzschaltung enthalten ist. Die Reduzierung der Stromänderung dIL/dt reduziert die Emitterspannung Ve der Leistungshalbleitervorrichtung 1 im Kurzschlussfall, wie in der Gleichung (1) bei der Ausführungsform 1 dargestellt.
Daher muss die Kurzschlussdetektionsspannung Vsen im Kurzschlussfall reduziert werden. Wenn die Kurzschlussdetektionsspannung Vsen reduziert wird, kann ein Kurzschluss z.B. aufgrund von Rauschen fälschlicherweise detektiert werden.
Bei der Ausführungsform 3 wird zu der Spule 3b des Stromdetektors 3 ein zweiter Widerstand 3d in Reihe geschaltet und dadurch ein Spannungsabfall (R3d×I3d) an dem zweiten Widerstand 3d verursacht. R3a repräsentiert den Wirkwiderstand des ersten Widerstands 3a, R3d repräsentiert den Wirkwiderstand des zweiten Widerstands 3d und 13d repräsentiert den Stromfluss durch den zweiten Widerstand 3d. Die Emitterspannung Ve der Leistungshalbleitervorrichtung 1 kann durch den Abstimmwiderstand R3d abgestimmt werden, so dass die Detektionsgenauigkeit erhöht wird. Bei der Ausführungsform 3 werden die Bedingungen für die genaue Detektion des Zustands der Leistungshalbleiter-vorrichtung 1 im Kurzschlussfall wie folgt variiert: $Ve = R3d \times I3d + L \times dILS/dt = R 3 a \times IRS > Vsen > R 3 a \times IR 0$
Der zweite vorteilhafte Effekt besteht darin, dass der negative Rückkopplungseffekt durch die Begrenzung der Spannung Vge, die im Falle eines Kurzschlusses an den Steueranschluss der Leistungshalbleitervorrichtung 1 angelegt wird, in größerem Maße verstärkt werden kann als bei der Ausführungsform 1. Dadurch wird der Kurzschlussstromfluss Ic durch die Leistungshalbleitervorrichtung 1 begrenzt, so dass die an die Leistungshalbleitervorrichtung 1 angelegte Leistung noch kleiner wird.
Bei der Ausführungsform 3 kann die Emitterspannung Ve der Leistungshalbleitervorrichtung 1 durch Abstimmung des Widerstands des zweiten Widerstands 3d, wie oben erwähnt, abgestimmt werden. Mit anderen Worten, der negative Rückkopplungseffekt der Begrenzung der Spannung Vge, die an den Steueranschluss der Leistungshalbleitervorrichtung 1 angelegt wird, kann durch die Emitterspannung Ve der Leistungshalbleitervorrichtung 1 im Falle eines Kurzschlusses stärker verstärkt werden als gemäß Ausführungsform 1, wie in Gleichung (2) gezeigt. Infolgedessen ist gemäß Ausführungsform 3 der Kurzschlussstromfluss Ic durch die Leistungshalbleitervorrichtung 1 stärker begrenzt als gemäß Ausführungsform 1.
Dadurch kann die an die Leistungshalbleitervorrichtung 1 angelegte Leistung sogar noch kleiner sein als gemäß Ausführungsform 1. Es ist zu beachten, dass der Leistungsverlust an dem zweiten Widerstand 3d im Normalbetrieb als Kompromiss zunimmt. Daher muss der Wirkwiderstand des zweiten Widerstands 3d vorgegeben werden, während der Leistungsverlust im Normalbetrieb und die Begrenzung der an die Leistungshalbleitervorrichtung 1 angelegten Leistung im Falle eines Kurzschlusses ausgeglichen wird.
Wie oben beschrieben, ermöglicht die Leistungshalbleitervorrichtung-Schutzschaltung gemäß Ausführungsform 3 eine verbesserte Detektionsgenauigkeit, da sie einen zweiten Widerstand 3d in Reihe zu der in dem Stromdetektor 3 gemäß Ausführungsform 1 enthaltenen Spule 3b aufweist und dadurch in der Lage ist, die Emitterspannung Ve abzustimmen. Darüber hinaus verstärkt die Abstimmung der Emitterspannung Ve den negativen Rückkopplungseffekt der Begrenzung der an den Steueranschluss der Leistungshalbleitervorrichtung 1 angelegten Spannung Vge. Infolgedessen wird der Kurzschlussstrom Ic, der durch die Leistungshalbleitervorrichtung 1 fließt, begrenzt, so dass die an die Leistungshalbleitervorrichtung 1 angelegte Leistung noch kleiner wird.
Während 6 zeigt, dass die Spule 3b mit dem anderen Ende an das Referenzpotential VSS angeschlossen ist, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Die gleichen vorteilhaften Effekte werden durch das Umschalten der Positionen der Spule 3b und des zweiten Widerstands 3d, das Verbinden des einen Endes der Spule 3b mit dem Emitteranschluss der Leistungshalbleitervorrichtung, das Verbinden des einen Endes des zweiten Widerstand 3d mit dem anderen Ende der Spule 3b und das Verbinden des anderen Endes des zweiten Widerstands 3d mit dem Referenzpotential VSS erzielt.
Ausführungsform 4
7 ist ein Diagramm, das eine Leistungshalbleitervorrichtung-Schutzschaltung 4000 gemäß der Ausführungsform 4 zeigt.
Die Schutzschaltung 4000 gemäß Ausführungsform 4 unterscheidet sich von der Schutzschaltung 1000 gemäß Ausführungsform 1 dadurch, dass die Schutzschaltung 4000 eine Unterbrechungseinheit 7 anstelle der Unterbrechungseinheit 6 aufweist.
Die Unterbrechungseinheit 7 ist zwischen (i) einem Ausgang einer Treiberschaltung 5 und (ii) dem anderen Ende eines ersten Widerstands 3a und dem anderen Ende einer Spule 3b angeordnet. In Abhängigkeit von einem Zustandsbestimmungssignal Vsc, das von einer Detektionsschaltung 4 ausgegeben wird, verbindet die Unterbrechungseinheit 7 das andere Ende des ersten Widerstands 3a, die Spule 3b und das Referenzpotential VSS mit dem Ausgang der Treiberschaltung 5 oder trennt die Verbindung zwischen ihnen.
Die Unterbrechungseinheit 7 besteht z.B. aus einem MOS-Transistor (Metal Oxide Semiconductor), einem Bipolartransistor oder einer RTC-Schaltung (Real Time Control). Die Unterbrechungseinheit 7 ist nicht darauf beschränkt, insofern es sich um eine Einrichtung handelt, die das andere Ende des ersten Widerstands 3a, die Spule 3b und das Referenzpotential VSS mit dem Ausgang der Treiberschaltung 5 verbindet oder die Verbindung zwischen ihnen trennt, wobei das Zustandsbestimmungssignal Vsc verwendet wird.
Wie in 7 dargestellt, wird, da die Unterbrechungseinheit 7 im Falle eines Kurzschlusses durch das Zustandsbestimmungssignal Vsc, das von der Detektionsschaltung 4 ausgegeben wird, eingeschaltet wird, die Treiberspannung Vg, die von der Treiberschaltung 5 ausgegeben wird, auf das Referenzpotential VSS reduziert. Dadurch wird die Gate-Spannung Vge gesteuert, die an die Leistungshalbleitervorrichtung 1 angelegt wird, so dass verhindert wird, dass die Leistungshalbleitervorrichtung 1 zerstört wird.
Wenn die Unterbrechungseinheit 7 aus einem NMOS-Transistor konfiguriert ist, kann die Detektionsschaltung 4 das Zustandsbestimmungssignal Vsc auf Niedrig setzen, wenn bestimmt wird, dass sich die Leistungshalbleitervorrichtung 1 in einem Normalzustand befindet, und das Zustandsbestimmungssignal Vsc auf Hoch setzen, wenn bestimmt wird, dass die Leistungshalbleitervorrichtung 1 kurzgeschlossen ist.
Im Vergleich zur Ausführungsform 1 kann die an die Leistungshalbleitervorrichtung 1 angelegte Gate-Spannung Vge durch die Unterbrechungseinheit 7 unter Verwendung des von der Detektionsschaltung 4 ausgegebenen Zustandsbestimmungssignals Vsc schneller reduziert werden, ohne die Treiberschaltung 5 zu involvieren.
Wie oben beschrieben, verwendet die Leistungshalbleitervorrichtung-Schutzschaltung gemäß Ausführungsform 4 das von der Detektionsschaltung 4 ausgegebene Zustandsbestimmungssignal Vsc, um die Gate-Spannung Vge der Leistungshalbleitervorrichtung 1 zu steuern. Dies ermöglicht die Steuerung der Gate-Spannung Vge, die an die Leistungshalbleitervorrichtung 1 angelegt wird, wenn die Leistungshalbleitervorrichtung 1 kurzgeschlossen ist. Da die Gate-Spannung Vge bei der vorliegenden Ausführungsform schneller reduziert werden kann als gemäß Ausführungsform 1, kann bei der vorliegenden Ausführungsform die Zerstörung der Leistungshalbleitervorrichtung 1 besser verhindert werden als gemäß Ausführungsform 1.
Ausführungsform 5
8 ist ein Diagramm, das eine Leistungshalbleitervorrichtung-Schutzschaltung 5000 gemäß der Ausführungsform 5 zeigt. Die Schutzschaltung 5000 gemäß Ausführungsform 5 unterscheidet sich von der Schutzschaltung 1000 gemäß Ausführungsform 1 dadurch, dass die Schutzschaltung 5000 gemäß Ausführungsform 5 eine erste Zwischenspeicherschaltung 8, eine zweite Zwischenspeicherschaltung 9 und eine Haltezeit-Einstellschaltung 10 aufweist.
Die erste Zwischenspeicherschaltung 8 empfängt das Ausgangssignal der Detektionsschaltung 4. Das Ausgangssignal der zweiten Zwischenspeicherschaltung 9 wird an die Unterbrechungseinheit 6 und die Haltezeit-Einstellschaltung 10 gesendet. Die zweite Zwischenspeicherschaltung 9 empfängt das Ausgangssignal der Detektionsschaltung 4. Die zweite Zwischenspeicherschaltung 9 gibt ein Fehlersignal ERR aus, das anzeigt, dass ein Kurzschlusszustand detektiert worden ist. Die Haltezustände der ersten Zwischenspeicherschaltung 8 und der zweiten Zwischenspeicherschaltung 9 werden durch ein Rücksetzsignal VR1 von außerhalb der Schutzschaltung 5000 zurückgesetzt.
Die Haltezeit-Einstellschaltung 10 empfängt das Ausgangssignal der ersten Zwischenspeicherschaltung 8 und ein Steuersignal ADj von außerhalb der Schutzschaltung 5000. Die folgenden drei vorteilhaften Effekte werden von der Schutzschaltung 5000 geboten, die die erste Zwischenspeicherschaltung 8, die zweite Zwischenspeicherschaltung 9 und die Haltezeit-Einstellschaltung 10 aufweist.
Der erste vorteilhafte Effekt wird nachstehend beschrieben. Wenn die Leistungshalbleitervorrichtung 1 kurzgeschlossen ist, vergleicht die Detektionsschaltung 4 die Größe der Emitterspannung Ve, die sich mit dem Strom des Stromdetektors 3a ändert, mit der Größe einer vorgegebenen Detektionsspannung Vsen, so dass der Kurzschlusszustand bestimmt wird, und die Unterbrechungseinheit 6 unterbricht das Steuersignal Vsig. Eine Zeit, für die das Steuersignal Vsig unterbrochen wird (im folgenden Unterbrechungszeit genannt), ist jedoch eine Zeit, die die Detektionsschaltung 4 benötigt, um den Kurzschlusszustand zu bestimmen.
Ohne Schutzschaltung 5000, die die erste Zwischenspeicherschaltung 8 und die Haltezeit-Einstellschaltung 10 aufweist, kann die Unterbrechungszeit nicht im Vorhinein bestimmt oder eingestellt werden. Wenn die Unterbrechungszeit nicht eingestellt werden kann und die Unterbrechungszeit kürzer als die Kurzschlusszeit ist, können sich eine Unterbrechung und ein Kurzschluss wiederholen.
Bei der Ausführungsform 5 besitzt die Schutzschaltung 5000 die erste Zwischenspeicherschaltung 8 und die Haltezeit-Einstellschaltung 10. Die Haltezeit-Einstellschaltung 10 stellt die Unterbrechungszeit ein, und die erste Zwischenspeicherschaltung 8 erzeugt ein Unterbrechungssignal Vsc für die vorgegebene Unterbrechungszeit. Dadurch wird die Unterbrechungszeit kürzer als die Kurzschlusszeit gehalten, so dass das Schwingungsphänomen verhindert wird, bei dem sich eine Unterbrechung und ein Kurzschluss wiederholen.
Der zweite vorteilhafte Effekt ist, dass ein Fehlersignal ERR, das anzeigt, dass der Kurzschlusszustand detektiert worden ist, über die zweite Zwischenspeicherschaltung 9 an die externe Schutzschaltung 5000 ausgegeben werden kann.
Bei der Ausführungsform 1 kann zwar die Detektionsschaltung 4 den Kurzschlusszustand detektieren und die Unterbrechungseinheit 6 den Kurzschlusszustand unterbrechen, aber wenn ein Fehlersignal, das anzeigt, dass der Kurzschlusszustand detektiert worden ist, nicht extern ausgegeben werden kann, so kann das externe Steuersignal Vsig nicht als Reaktion auf den Kurzschlusszustand gesteuert werden.
Da die Schutzschaltung 5000 eine zweite Zwischenspeicherschaltung 9 aufweist, kann das Fehlersignal ERR, das anzeigt, dass der Kurzschlusszustand detektiert worden ist, von der Schutzschaltung 5000 ausgegeben. Somit kann der Anwender das Steuersignal Vsig auf das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein des Kurzschlusszustands steuern.
Der dritte vorteilhafte Effekt ist der, dass die erste Zwischenspeicherschaltung 8 und die zweite Zwischenspeicherschaltung 9 durch das externe Rücksetzsignal VR1 zurückgesetzt werden können.
Die Unterbrechungszeit kann kürzer als eine vorgegebene Unterbrechungszeit der Haltezeit-Einstellschaltung 10 vorgegeben werden, indem der Haltezustand der ersten Zwischenspeicherschaltung 8 durch das Rücksetzsignal VR1 zurückgesetzt wird. Dadurch kann der Benutzer die Unterbrechungszeit steuern. Das Fehlersignal ERR, das anzeigt, dass der Kurzschlusszustand detektiert worden ist, kann ebenfalls durch das Rücksetzsignal VR1 zurückgesetzt werden.
9 ist ein Diagramm, das Einzelheiten der Schutzschaltung 5000 gemäß 8 zeigt.
Wie in 9 dargestellt, besitzt die erste Zwischenspeicherschaltung einen Monoflop 8b und einen RS-Flip-Flop 8a. Die zweite Zwischenspeicherschaltung 9 besitzt einen RS-Flip-Flop 9a. Die Haltezeit-Einstellschaltung 10 besitzt eine Verzögerungsschaltung 10a und einen Monoflop 10b.
10 ist ein Diagramm, das einen Beispielbetrieb der Schutzschaltung 5000 gemäß der Ausführungsform 5 zeigt, wenn die Leistungshalbleitervorrichtung kurzgeschlossen ist.
10 zeigt Signale, die den jeweiligen Knotenpunkten (Vsig, Vsig2, Vge, Ve, Ic, Ausgangssignal der Detektionsschaltung 4, Vo1, Vsc, Vs1, VR2, Err, VR1) der Schutzschaltung 5000 entsprechen, deren Schaltungsblöcke in 9 im Detail dargestellt sind.
Wie in 10 dargestellt, steigt der Strom Ic, der durch die Leistungshalbleitervorrichtung 1 fließt, zum Zeitpunkt t2 an, wenn ein Überstrom durch den Leistungshalbleitervorrichtung 1 und ein Kurzschlussvorgang zum Zeitpunkt t1 verursacht wird.
Zum Zeitpunkt t3, wenn die Emitterspannung Ve größer als die Kurzschlussdetektionsspannung Vsen ansteigt, wird bestimmt, dass die Leistungshalbleitervorrichtung 1 kurzgeschlossen ist, und das Ausgangssignal der Detektionsschaltung 4 wechselt von Niedrig auf Hoch. Der Monoflop 8b innerhalb der ersten Zwischenspeicherschaltung 8 erzeugt ein Monoflop-Impulssignal Vo1 als Reaktion auf eine Änderung des Ausgangssignals der Detektionsschaltung 4.
Das Impulssignal Vo1 wird an einen Einstellanschluss S des RS-Flip-Flops 8a innerhalb der ersten Zwischenspeicherschaltung 8 gegeben. Das Ausgangssignal Vs1 eines Ausgangsanschlusses Q des RS-Flip-Flops 8a wechselt von Niedrig auf Hoch, und das Ausgangssignal Vsc (ein Unterbrechungssignal) eines Ausgangsanschlusses Qb des RS-Flip-Flops 8a wechselt von Hoch auf Niedrig. Das Ausgangssignal Vsc wird an die Unterbrechungseinheit 6 gesendet und unterbricht das Steuersignal Vsig, und das Steuersignal Vsig2 wechselt auf Niedrig.
Ein Impulssignal Vo1 wird auch an den in der zweiten Zwischenspeicherschaltung 9 enthaltenen Einstellanschluss S des RS-Flip-Flops 9a gesendet. Der Ausgangsanschluss Q des RS-Flipflops 9a wechselt von Niedrig auf Hoch, und das Fehlersignal ERR, das anzeigt, dass der Kurzschlusszustand detektiert worden ist, wird außerhalb der Schutzschaltung 5000 ausgegeben.
Zum Zeitpunkt t4, wenn die Emitterspannung Ve sinkt, ändert sich das Ausgangssignal der Detektionsschaltung 4 von Hoch auf Niedrig.
Zum Zeitpunkt t5 gibt die Verzögerungsschaltung 10a innerhalb der Haltezeit-Einstellschaltung 10 eine Verzögerungszeit τ für die Verzögerungsschaltung 10a vor, wobei das Steuersignal ADj verwendet wird, das zuvor die Unterbrechungszeit steuert. Die Verzögerungsschaltung 10a bewirkt eine Verzögerung des Ausgangssignals Vs1 des RS-Flip-Flops 8a um die Verzögerungszeit τ.
Der Monoflop 10b empfängt das Ausgangssignal der Verzögerungsschaltung 10a und erzeugt ein Monoflop-Impulssignal VR2, das um die Verzögerungszeit τ nach dem Ausgangssignal Vs1 des RS-Flip-Flops 8a zurückbleibt. Dadurch wird der Ausgangszustand des RS-Flip-Flops 8a zurückgesetzt, und das Unterbrechungssignal Vsc wechselt von Hoch auf Niedrig. Daher kann das Unterbrechungssignal Vsc das Steuersignal Vsig für die von der Haltezeit-Einstellschaltung 10 eingestellte Zeit τ unterbrechen.
Zum Zeitpunkt t6, wenn das externe Rücksetzsignal VR1 von Niedrig auf Hoch geändert wird, wird der RS-Flip-Flop 9a zurückgesetzt, und das Fehlersignal Err wechselt von Hoch auf Niedrig.
Wie oben beschrieben, bietet die Schutzschaltung 5000 gemäß der Ausführungsform 5 die drei oben beschriebenen vorteilhaften Effekte, da sie die erste Zwischenspeicherschaltung 8, die zweite Zwischenspeicherschaltung 9 und die Haltezeit-Einstellschaltung 10 aufweist. Der erste vorteilhafte Effekt besteht darin, dass verhindert wird, dass die Unterbrechungszeit kürzer als die Kurzschlusszeit ist, um das Schwingungsphänomen zu verhindern, bei dem sich Unterbrechung und Kurzschluss wiederholen.
Der zweite vorteilhafte Effekt besteht darin, dass das Signal, das das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein einer Kurzschlussbedingung darstellt, an die externe Schutzschaltung 5000 ausgegeben werden kann. Der dritte vorteilhafte Effekt besteht darin, dass die Unterbrechungszeit von der Haltezeit-Einstellschaltung 10 auf eine andere als eine vorvorgegebene Unterbrechungszeit gesteuert werden kann.
Ausführungsform 6
11 ist ein Diagramm, das eine Leistungshalbleitervorrichtung-Schutzschaltung 6000 gemäß der Ausführungsform 6 zeigt. Die Schutzschaltung 6000 der Ausführungsform 6 unterscheidet sich von der Schutzschaltung 3000 gemäß der Ausführungsform 3 dadurch, dass eine Detektionsschaltung 4 bei der Schutzschaltung 6000 eine erste Detektionsschaltung 4a, eine zweite Detektionsschaltung 4b und eine Bestimmungsschaltung 11 aufweist.
Die erste Detektionsschaltung 4a vergleicht die Größe einer Emitterspannung Ve (unter Verwendung eines VSS-Potentials als Referenz) der Leistungshalbleitervorrichtung 1 und die Größe einer vorbestimmten ersten Kurzschlussdetektionsspannung Vsen1, so dass ein Kurzschlusszustand detektiert wird. Die erste Detektionsschaltung 4a gibt ein Signal Vs1 aus, das das Ergebnis der Detektion darstellt.
Die zweite Detektionsschaltung 4b vergleicht die Größe einer Spannung Vr eines zweiten Widerstands 3d (unter Verwendung des VSS-Potentials als Referenz) mit der Größe einer vorbestimmten zweiten Kurzschlussdetektionsspannung Vsen2, so dass der Kurzschlusszustand detektiert wird. Die zweite Detektionsschaltung 4b gibt ein Signal Vs2 aus, das ein Ergebnis der Detektion darstellt.
Die Bestimmungsschaltung 11 bestimmt einen Kurzschlusspfad in dem Leistungswandler als Reaktion auf das Ausgangssignal Vs1 der ersten Detektionsschaltung 4a und das Ausgangssignal Vs2 der zweiten Detektionsschaltung 4b. Wenn die Bestimmungsschaltung 11 bestimmt, dass die Leistungshalbleitervorrichtung kurzgeschlossen ist, unterbricht außerdem eine Unterbrechungseinheit 6 ein Steuersignal Vsig, das in eine Treiberschaltung 5 eingegeben wird. Die Bestimmungsschaltung 11 gibt ein Signal aus, das den ermittelten Kurzschlusspfad von der Schutzschaltung 6000 nach außen darstellt.
Ein Leistungswandler, der eine Leistungshalbleitervorrichtung aufweist, hat einen Kurzschlusspfad, der von der Ursache eines Kurzschlusses abhängt. Beispiele für einen allgemeinen Kurzschlusspfad des Leistungswandlers haben einen Zweigkurzschluss, bei dem ein oberer Zweig und ein unterer Zweig kurzgeschlossen sind, einen Ausgangskurzschluss, bei dem eine in dem Leistungswandler enthaltene Last kurzgeschlossen ist, und einen Erdschluss, bei dem eine in dem Leistungswandler enthaltene Last gegen das Erdpotential kurzgeschlossen ist.
Bei einem Zweigkurzschluss sind ein oberer Zweig und ein unterer Zweig in Reihe kurzgeschlossen, und der Kurzschlussstrom fließt mit hoher Geschwindigkeit, was zu einer erhöhten Stromänderung (dIc/dt) in dem Kurzschlussstrom führt. Bei einem Ausgangskurzschluss und einem Erdschluss fließt dagegen der Kurzschlussstrom über die in dem Leistungswandler enthaltene Last. Der Wert von dIc/dt hängt von der Größe der Last ab und ist bei einem Zweigkurzschluss kleiner als dIc/dt.
Die Detektionsschaltung 4, die bei der Schutzschaltung 6000 für die Leistungshalbleitervorrichtung 1 gemäß der Ausführungsform 6 enthalten ist, bietet die folgenden vorteilhaften Effekte, da sie die erste Detektionsschaltung 4a, die zweite Detektionsschaltung 4b und die Bestimmungsschaltung 11 aufweist.
Die vorteilhafte Wirkung der Schutzschaltung 6000 für die Leistungshalbleitervorrichtung 1 gemäß der Ausführungsform 6 besteht darin, dass ein Zweigkurzschluss bei Kurzschlusspfaden mit unterschiedlichem dIc/dt von den anderen Kurzschlüssen (Ausgangskurzschluss und Erdschluss) unterschieden werden kann. Dadurch kann verhindert werden, dass die Leistungshalbleitervorrichtung 1 als Reaktion auf den durch die Bestimmungsschaltung 11 bestimmten Kurzschlusspfad zerstört wird.
Wenn ein Zweigkurzschluss mit einem großen dIc/dt auftritt, wird der an der Spule 3b aufgetretene Spannungsabfall erhöht. Die Kurzschlussdetektionsspannung Vsen1 der ersten Detektionsschaltung 4a wird im Falle des Zweigkurzschlusses (Vsen1<Ve_arm) niedriger als die Emitterspannung Ve (Ve_arm) vorgegeben.
Wenn ein Ausgangskurzschluss oder ein Erdschluss mit einem kleinen dIc/dt auftritt, wird der an der Spule 3b aufgetretene Spannungsabfall reduziert, und der an dem zweiten Widerstand 3d aufgetretene Spannungsabfall dominiert. Da der Strom der Leistungshalbleitervorrichtung 1 durch den Kurzschlusszustand gesättigt ist, wird der Strom Ic, der durch die Leistungshalbleitervorrichtung fließt, durch den ersten Widerstand 3a und den zweiten Widerstand 3d überbrückt.
Somit ergibt sich der Strom 13dsat, der durch den zweiten Widerstand 3d fließt, mit dem Wert Ic×R3a/ (R3a+R3d).
Daher kann ein Zweigkurzschluss in dem Leistungswandler detektiert werden, indem die Kurzschlussdetektionsspannung Vsen1 der ersten Detektionsschaltung 4a größer als ein Produkt aus 13dsat und R3d und kleiner als die Emitterspannung Ve_arm im Falle eines Zweigkurzschlusses vorgegeben ist.
Ein Zweigkurzschluss, ein Ausgangskurzschluss und der Erdschluss des Leistungswandlers der zweiten Detektionsschaltung 4b kann detektiert werden durch Voegeben der Kurzschlussdetektionsspannung Vsen2 der zweiten Detektionsschaltung 4b, wie folgt: kleiner als ein Produkt aus 13dsat und R3d; kleiner als die Kurzschlussdetektionsspannung Vsen1 der ersten Detektionsschaltung 4a; und größer als der Widerstand R3d des zweiten Widerstands 3d und des Stromes IR3d, der im Normalbetrieb durch den zweiten Widerstand 3d fließt.
Die Bestimmungsschaltung 11 verwendet auch ein Ergebnis der Detektion durch die erste Detektionsschaltung 4a und ein Ergebnis der Detektion durch die zweite Detektionsschaltung 4b, um einen Kurzschlusspfad zu bestimmen.
Bei der Ausführungsform 6 werden die Bedingungen für die genaue Bestimmung eines Kurzschlusspfades in dem Leistungswandler durch die Bestimmungsschaltung 11, ohne Fehlfunktion, wie folgt neu angeordnet: $Ve_arm = I3d + L \times dILS_arm/dt > Vsen1 > I3dsat \times R3d > Vsen2 > R3d \times IR3d$
wobei dILS_arm den Strom bezeichnet, der im Falle eines Zweigkurzschlusses durch die Spule 3b fließt.
12 ist ein Diagramm, das Details 11 einer Bestimmungsschaltung 11 gemäß 11 zeigt. Die Bestimmungsschaltung 11 besitzt eine ODER-Schaltung 11a, eine NICHT-Schaltung 11d, eine NICHT-Schaltung 11c und eine UND-Schaltung 11b.
Die ODER-Schaltung 11a liefert ein logisches ODER des Ausgangssignals Vs1 der ersten Detektionsschaltung 4a und des Ausgangssignals Vs2 aus. Das Ausgangssignal der ODER-Schaltung 11a wird als Zustandsbestimmungssignal Err0 von der Schutzschaltung 6000 nach außen ausgegeben. NICHT-Schaltung 11d invertiert den Ausgang der ODER-Schaltung 11a und gibt das Unterbrechungssignal Vsc aus.
Das Ausgangssignal Vs1 der ersten Detektionsschaltung 4a wird als Zustandsbestimmungssignal Err1 von der Schutzschaltung 6000 nach außen ausgegeben.
Die NICHT-Schaltung 11c invertiert das Ausgangssignal Vs1 der ersten Detektionsschaltung 4a. Die UND-Schaltung 11b gibt eine logische UND-Verknüpfung des Ausgangssignals der NICHT-Schaltung 11c und des Ausgangssignals Vs2 der zweiten Detektionsschaltung 4b aus. Das Ausgangssignal der UND-Schaltung 11b wird als Zustandsbestimmungssignal Err2 von der Schutzschaltung 6000 nach außen ausgegeben.
Basierend auf dem Zustandsbestimmungssignal Vsc, das im Falle eines Kurzschlusses von der Bestimmungsschaltung 11 ausgegeben wird, wird das Steuersignal Vsig an dem Eingang der Treiberschaltung 5 unterbrochen. Wenn die erste Detektionsschaltung 4a bestimmt, dass ein Zweigkurzschluss in dem Leistungswandler aufgetreten ist, wechselt das Ausgangssignal Vs1 auf Hoch. Bestimmt die zweite Detektionsschaltung 4b, dass ein Ausgangskurzschluss oder ein Erdschluss in dem Leistungswandler aufgetreten ist, wechselt das Ausgangssignal Vs2 auf Hoch.
13 ist ein Diagramm, das eine Wahrheitstabelle für eine Bestimmungsschaltung 11 gemäß der Ausführungsform 6 zeigt.
Wie in 13 auf der Grundlage der Bestimmungsschaltung 11 dargestellt, wechselt das Signal Vsc, das das Steuersignal Vsig zur Eingabe in die Treiberschaltung 5 unterbricht, auf Hoch, wenn bestimmt wird, dass sich der Leistungswandler in einem Normalzustand befindet, und das Signal Vsc wechselt auf Niedrig, wenn bestimmt wird, dass sich der Leistungswandler in einem Kurzschlusszustand befindet, bei dem es sich um einen Zweigkurzschluss, einen Ausgangskurzschluss oder einen Erdschluss handelt.
Das Zustandsbestimmungssignal Err0, das von der Schutzschaltung 6000 nach außen ausgegeben wird, wechselt auf Niedrig, wenn die Bestimmungsschaltung 11 bestimmt, dass sich der Leistungswandler in einem Normalzustand befindet, und das Zustandsbestimmungssignal Err0 wechselt auf Hoch, wenn die Bestimmungsschaltung 11 bestimmt, dass sich der Leistungswandler in einem Kurzschlusszustand befindet, bei dem es sich um einen Zweigkurzschluss, einen Ausgangskurzschluss oder einen Erdschluss handelt.
Das Zustandsbestimmungssignal Err1 wechselt auf Hoch, wenn die Bestimmungsschaltung 11 bestimmt, dass der Leistungswandler einen Zweigkurzschluss hat, und das Zustandsbestimmungssignal Err1 wechselt auf Niedrig, wenn die Bestimmungsschaltung 11 nicht bestimmt, dass der Leistungswandler einen Zweigkurzschluss hat.
Das Zustandsbestimmungssignal Err2 wechselt auf Hoch, wenn die Bestimmungsschaltung 11 bestimmt, dass der Leistungswandler einen Ausgangskurzschluss oder einen Erdschluss hat, und das Zustandsbestimmungssignal Err2 wechselt auf Niedrig, wenn die Bestimmungsschaltung 11 nicht bestimmt, dass der Leistungswandler einen Ausgangskurzschluss oder einen Erdschluss hat.
Ausführungsform 7
14 ist ein Diagramm, das eine Leistungshalbleitervorrichtung-Schutzschaltung 7000 gemäß der Ausführungsform 7 zeigt.
Die Schutzschaltung 7000 ist eine Kombination der Schutzschaltung 6000 gemäß der Ausführungsform 6 und der Schutzschaltung 5000 gemäß der Ausführungsform 5.
Wie in 14 dargestellt, besitzt die Schutzschaltung 7000 eine erste Zwischenspeicherschaltung 8c, eine zweite Zwischenspeicherschaltung 9c und eine Haltezeit-Einstellschaltung 10c zwischen der ersten Detektionsschaltung 4a und der Bestimmungsschaltung 11.
Die Schutzschaltung 7000 besitzt ferner eine Zwischenspeicherschaltung 8d, eine zweite Zwischenspeicherschaltung 9d und eine Haltezeit-Einstellschaltung 10d zwischen der zweiten Detektionsschaltung 4b und der Bestimmungsschaltung 11.
Wenn die Ausgangssignale Err1 (ein Zweigkurzschlussdetektionssignal) und Err2 (ein Ausgangskurzschlussdetektionssignal oder ein Erdschluss-Detektionssignal) der Bestimmungsschaltung 11 als Eingangssignale für die Haltezeit-Einstellschaltungen 10c, 10d verwendet werden, bietet die Schutzschaltung 5000 die gleichen vorteilhaften Effekte.
Wie oben beschrieben, kann die Schutzschaltung gemäß der Ausführungsform 7, da sie sowohl die Funktionalitäten der Schutzschaltung 6000 gemäß der Ausführungsform 6 als auch der Schutzschaltung 5000 der Ausführungsform 5 besitzt, die vorteilhaften Effekte sowohl der Schutzschaltung 5000 als auch der Schutzschaltung 6000 erzielen.
Ausführungsform 8
15 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration eines Leistungsmoduls 111a gemäß der Ausführungsform 8 zeigt.
Wie in 15 dargestellt, besitzt das Leistungsmodul 111a die Leistungshalbleitervorrichtung 1, das in einem Gehäuse implementiert ist, und die Leistungshalbleitervorrichtung-Schutzschaltung 1000 gemäß der Ausführungsform 1. Das Leistungsmodul 111a besitzt eine Konfiguration (ein 1-in-1-Modul), bei der eine Leistungshalbleitervorrichtung und eine Leistungshalbleitervorrichtung-Schutzschaltung eingebaut sind.
Das Leistungsmodul lila kann eine Konfiguration (ein 2-in-1-Modul oder ein 6-in-1-Modul) aufweisen, bei der zwei Leistungshalbleitervorrichtungen und eine Leistungshalbleitervorrichtung-Schutzschaltung eingebaut sind. Darüber hinaus können Leistungshalbleitervorrichtung-Schutzschaltungen 2000 bis 6000 gemäß den Ausführungsformen 2 bis 7 anstelle der Schutzschaltung 1000 für eine Leistungshalbleitervorrichtung gemäß der Ausführungsform 1 verwendet werden.
Bei der Ausführungsform 8 kann durch Verwenden der Leistungshalbleitervorrichtung-Schutzschaltung gemäß einer der Ausführungsformen 1 bis 7 bei dem Leistungsmodul ein solches Leistungsmodul zur Verfügung gestellt werden, das äußerst wirksam verhindert, dass die Leistungshalbleitervorrichtung bei einem Kurzschlussvorgang zerstört wird.
Die hier offenbarten Ausführungsformen sollten in allen Aspekten nur als veranschaulichend und nicht als einschränkend betrachtet werden. Der Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung wird durch die beigefügten Ansprüche und nicht durch die obige Beschreibung spezifiziert, und alle Änderungen, die in den Anwendungsbereich der Ansprüche und die Bedeutung und den Äquivalenzbereich der Ansprüche fallen, sollen in ihren Anwendungsbereich einbezogen werden.
Es ist zu beachten, dass die Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung im Rahmen des Erfindungsumfangs beliebig miteinander kombiniert oder gegebenenfalls modifiziert oder dabei Merkmale weggelassen werden können.
Bezugszeichenliste

1: Leistungshalbleitervorrichtung
2: Freilaufdiode
3, 999: Stromdetektor
3a: erster Widerstand
3b: Spule
3c: Zener-Diode
3d: zweiter Widerstand
4: Detektionsschaltung
4a: erste Detektionsschaltung
4b: zweite Detektionsschaltung
5: Treiberschaltung
6, 7: Unterbrechungseinheit
8, 8c, 9c, 8d, 9d: Zwischenspeicherschaltung
8a, 9, 9a: RS-Flip-Flop
8b, 10b: Monoflop
10, 10c, 10d: Haltezeit-Einstellschaltung
10a: Verzögerungsschaltung
11: Bestimmungsschaltung
11a: ODER-Schaltung
11b: UND-Schaltung
11c, 11d: NICHT-Schaltung
99: Widerstand
111a: Leistungsmodul
1000, 2000, 3000,: Leistungshalbleitervorrichtung-Schutzschaltung
4000, 5000, 6000: Leistungshalbleitervorrichtung-Schutzschaltung
7000, 7000, 9000: Leistungshalbleitervorrichtung-Schutzschaltung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2007259533 A [0005]

Claims

Leistungshalbleitervorrichtung-Schutzschaltung, die Folgendes aufweist: - eine Treiberschaltung zum Betreiben einer Leistungshalbleitervorrichtung; - einen Stromdetektor, der einen ersten Widerstand und eine Spule aufweist, die parallelgeschaltet sind; und - eine Detektionsschaltung zum Detektieren eines Kurzschlusszustands der Leistungshalbleitervorrichtung, wobei das eine Ende des ersten Widerstands und das eine Ende der Spule mit dem einen Anschluss der Leistungshalbleitervorrichtung verbunden sind, die Detektionsschaltung den Kurzschlusszustand der Leistungshalbleitervorrichtung detektiert, indem sie eine Spannung des einen Anschlusses der Leistungshalbleitervorrichtung, die sich als Funktion des Stromflusses durch den ersten Widerstand und die Spule ändert, mit einer vorbestimmten Kurzschlussdetektionsspannung vergleicht, und ein Referenzpotential der Treiberschaltung mit dem anderen Ende des ersten Widerstands und dem anderen Ende der Spule verbunden ist.
Leistungshalbleitervorrichtung-Schutzschaltung nach Anspruch 1, wobei die Spule eine Impedanz hat, die größer ist als die Impedanz des ersten Widerstands.
Leistungshalbleitervorrichtung-Schutzschaltung nach Anspruch 2, wobei das Referenzpotential der Treiberschaltung, das andere Ende des ersten Widerstands und das andere Ende der Spule verbunden sind, ein Produkt aus der Induktivität der Spule und zeitlichen Änderungen des Stroms, der durch die Spule fließt, wenn die Leistungshalbleitervorrichtung kurzgeschlossen ist, und ein Produkt aus dem Wirkwiderstand des ersten Widerstands und einem Stromwert des Stroms, der durch den ersten Widerstand fließt, wenn die Leistungshalbleitervorrichtung kurzgeschlossen ist, der Emitterspannung der Leistungshalbleitervorrichtung entsprechen, wobei wenn die Leistungshalbleitervorrichtung kurzgeschlossen ist, die Kurzschlussdetektionsspannung kleiner als die Emitterspannung der Leistungshalbleitervorrichtung ist, und wenn die Leistungshalbleitervorrichtung im Normalbetrieb ist, die Kurzschlussdetektionsspannung größer als die Emitterspannung der Leistungshalbleitervorrichtung ist.
Leistungshalbleitervorrichtung-Schutzschaltung nach Anspruch 1, wobei der Stromdetektor eine Zenerdiode aufweist, die parallel zu dem ersten Widerstand und der Spule geschaltet ist.
Leistungshalbleitervorrichtung-Schutzschaltung nach Anspruch 4, wobei die Zenerdiode einen Durchbruchspannungswert hat, der größer ist als die Kurzschlussdetektionsspannung.
Leistungshalbleitervorrichtung-Schutzschaltung nach Anspruch 4, wobei der Spannungswert eines Vorwärtsspannungsabfalls der Zenerdiode niedriger ist als eine Schwellenspannung der Leistungshalbleitervorrichtung.
Leistungshalbleitervorrichtung-Schutzschaltung nach Anspruch 1, wobei der Stromdetektor ferner einen zweiten Widerstand aufweist, der in Reihe mit der Spule geschaltet ist.
Leistungshalbleitervorrichtung-Schutzschaltung nach Anspruch 7, wobei das Referenzpotential der Treiberschaltung, das andere Ende des ersten Widerstands und das andere Ende des zweiten Widerstands verbunden sind, (i) eine Summe aus einem Produkt aus der Induktivität der Spule und zeitlichen Änderungen des Stroms, der durch die Spule fließt, wenn die Leistungshalbleitervorrichtung kurzgeschlossen ist, und einem Produkt aus dem Wirkwiderstand des zweiten Widerstands und einem Stromwert des Stroms, der durch den zweiten Widerstand fließt, wenn die Leistungshalbleitervorrichtung kurzgeschlossen ist, und (ii) ein Produkt aus dem Wirkwiderstand des ersten Widerstands und einem Stromwert des Stroms, der durch den ersten Widerstand fließt, wenn die Leistungshalbleitervorrichtung kurzgeschlossen ist, der Emitterspannung der Leistungshalbleitervorrichtung entsprechen, wenn die Leistungshalbleitervorrichtung kurzgeschlossen ist, die Kurzschlussdetektionsspannung kleiner als die Emitterspannung der Leistungshalbleitervorrichtung ist, und wenn die Leistungshalbleitervorrichtung im Normalbetrieb ist, die Kurzschlussdetektionsspannung größer als die Emitterspannung der Leistungshalbleitervorrichtung ist.
Leistungshalbleitervorrichtung-Schutzschaltung nach Anspruch 1, wobei die Detektionsschaltung ein Zustandsbestimmungssignal ausgibt, das anzeigt, ob sich die Leistungshalbleitervorrichtung im Kurzschlusszustand befindet, wobei die Leistungshalbleitervorrichtung-Schutzschaltung ferner eine Unterbrechungseinheit aufweist zum Unterbrechen eines Steuersignaleingangs an die Treiberschaltung in Abhängigkeit von dem Zustandsbestimmungssignal.
Leistungshalbleitervorrichtung-Schutzschaltung nach Anspruch 7, wobei die Detektionsschaltung ein Zustandsbestimmungssignal ausgibt, das anzeigt, ob sich die Leistungshalbleitervorrichtung im Kurzschlusszustand befindet, wobei die Leistungshalbleitervorrichtung-Schutzschaltung ferner eine Unterbrechungseinheit aufweist, die zwischen (i) einem Ausgang der Treiberschaltung und (ii) dem anderen Ende des ersten Widerstands und dem anderen Ende des zweiten Widerstands angeordnet ist, wobei die Unterbrechungseinheit verbindet oder trennt zwischen (i) dem Ausgang der Treiberschaltung und (ii) dem anderen Ende des ersten Widerstands und dem anderen Ende der Spule in Abhängigkeit von dem Zustandsbestimmungssignal.
Leistungshalbleitervorrichtung-Schutzschaltung nach Anspruch 9, die Folgendes aufweist: - eine erste Zwischenspeicherschaltung zum Halten eines von der Detektionsschaltung detektierten Signals und zum Ausgeben des Zustandsbestimmungssignals; - eine zweite Zwischenspeicherschaltung zum Halten des von der Detektionsschaltung detektierten Signals und zum externen Ausgeben eines Signals, das anzeigt, ob sich die Leistungshalbleitervorrichtung in einem Kurzschlusszustand befindet, und eine Haltezeit-Einstellschaltung zum Einstellen einer Haltezeit der ersten Zwischenspeicherschaltung.
Leistungshalbleitervorrichtung-Schutzschaltung nach Anspruch 11, wobei die erste Zwischenspeicherschaltung und die zweite Zwischenspeicherschaltung durch ein externes Rücksetzsignal zurückgesetzt werden.
Leistungshalbleitervorrichtung-Schutzschaltung nach Anspruch 7, wobei die Detektionsschaltung Folgendes aufweist: - eine erste Detektionsschaltung zum Detektieren des Kurzschlusszustands der Leistungshalbleitervorrichtung durch Vergleichen der Spannung des einen Anschlusses der Leistungshalbleitervorrichtung mit einer ersten Kurzschlussdetektionsspannung; - eine zweite Detektionsschaltung zum Detektieren des Kurzschlusszustands der Leistungshalbleitervorrichtung durch Vergleichen einer Spannung an dem einen Ende des zweiten Widerstands mit einer zweiten Kurzschlussdetektionsspannung; und - eine Bestimmungsschaltung zum Bestimmen eines Kurzschlusspfades in einem Leistungswandler, der die Leistungshalbleitervorrichtung aufweist, basierend auf dem Ergebnis der Detektion durch die erste Detektionsschaltung und dem Ergebnis der Detektion durch die zweite Detektionsschaltung.
Leistungshalbleitervorrichtung-Schutzschaltung nach Anspruch 13, wobei basierend auf dem Ergebnis der Detektion durch die erste Detektionsschaltung und dem Ergebnis der Detektion durch die zweite Detektionsschaltung die Bestimmungsschaltung bestimmt, dass sich der Leistungswandler in einem Normalzustand, Zweigkurzschlusszustand, Ausgangskurzschlusszustand oder Erdschlusszustand befindet.
Leistungshalbleitervorrichtung-Schutzschaltung nach Anspruch 13, wobei (i) eine Summe aus einem Produkt aus der Induktivität der Spule und zeitlichen Änderungen des Stroms, der durch die Spule fließt, wenn die Leistungshalbleitervorrichtung kurzgeschlossen ist, und einem Produkt aus dem Wirkwiderstand des zweiten Widerstands und einem Stromwert des Stroms, der durch den zweiten Widerstand fließt, wenn die Leistungshalbleitervorrichtung kurzgeschlossen ist, und (ii) ein Produkt aus dem Wirkwiderstand des ersten Widerstands und einem Stromwert des Stroms, der durch den ersten Widerstand fließt, wenn die Leistungshalbleitervorrichtung kurzgeschlossen ist, der Emitterspannung der Leistungshalbleitervorrichtung entsprechen, die erste Kurzschlussdetektionsspannung kleiner als die Emitterspannung der Leistungshalbleitervorrichtung ist, wenn ein Zweigkurzschluss in dem Leistungswandler auftritt, der die Leistungshalbleitervorrichtung aufweist, die zweite Kurzschlussdetektionsspannung kleiner ist als ein Produkt aus dem Sättigungsstrom der Leistungshalbleitervorrichtung und dem Wirkwiderstand des zweiten Widerstands, die erste Kurzschlussdetektionsspannung größer ist als die zweite Kurzschlussdetektionsspannung und die zweite Kurzschlussdetektionsspannung größer ist als ein Produkt aus dem Wirkwiderstand des zweiten Widerstands und dem Stromfluss durch den zweiten Widerstand im Normalbetrieb.
Leistungsmodul, das Folgendes aufweist: - eine in einem Gehäuse implementierte Leistungshalbleitervorrichtung; und - eine Leistungshalbleitervorrichtung-Schutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 15.