DE19825211C2

DE19825211C2 - Halbleiterschaltung

Info

Publication number: DE19825211C2
Application number: DE19825211A
Authority: DE
Inventors: Takashi Igarashi
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1997-10-02
Filing date: 1998-06-05
Publication date: 2001-09-13
Anticipated expiration: 2018-06-06
Also published as: TW417354B; FR2769431B1; FR2769431A1; KR19990036512A; KR100300651B1; US6057728A; JPH11112313A; DE19825211A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleiterschaltung, umfassend:
einen Leistungstransistor, der eine mit einer Last verbundene erste Hauptelektrode, eine zweite Hauptelektrode und eine Steuerelektrode aufweist, wobei der Leistungstransistor einen Hauptstrom zwischen der ersten. Hauptelektrode und der zweiten Hauptelektrode durchläßt, wenn eine an die Steuerelektrode an gelegte Steuerspannung gleich einer oder größer als eine Schwellenspannung ist;
eine Eingangssignalleitung, die ein Eingangssignal empfängt und überträgt, das einen Einschaltsignalpegel und einen Aus schaltsignalpegel hat, die sich abwechselnd und periodisch än dern;
eine Treiberschaltung, die einen mit der Eingangssignalleitung verbundenen Eingang und einen mit der Steuerelektrode des Lei stungstransistors verbundenen Ausgang hat; und
eine Entscheidungsschaltung, die den Hauptstrom und die Steu erspannung des Leistungstransistors als Eingangssignal emp fängt.

Eine derartige Halbleiterschaltung ist beispielsweise aus der US 5 448 441 bekannt. Dabei ist dort eine Entscheidungsschal tung vorgesehen, die einen kleinen Teil des Hauptstroms und die verzögerte Steuerspannung des dortigen Leistungstransi stors empfängt, wobei diese Schaltung entscheidet, daß sich der Leistungstransistor in einem Übersättigungszustand bzw. Überstromzustand befindet, wenn sie detektiert, daß die verzö gerte Steuerspannung gleich einer oder größer als eine Schwel lenspannung eines als Entscheidungsschaltung ausgebildeten UND- Gatters ist und die am Kollektor des Leistungstransistors ab gegriffene Spannung größer oder gleich einer vorbestimmten Sättigungsspannung ist.

Interner Stand der Technik

Eine herkömmliche Überstromschutzschaltung für einen IGBT bzw. Bipolartransistor mit isolierter Gateelektrode wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 11 und 12A bis 12F beschrieben.

Fig. 11 ist ein Blockschaltbild, das eine IGBT-Treiberschal tungseinrichtung zeigt, die eine herkömmliche IGBT-Überstrom schutzschaltung aufweist. Es ist zu beachten, daß die in Fig. 11 gezeigte Schaltung sich auf ein technisches Know-how bzw. eine firmeneigene Technologie der Anmelderin bezieht.

In Fig. 11 bezeichnet 1P einen IGBT als Leistungstransistor (dessen Kollektor mit einer Induktivität und einer Freilauf diode (nicht gezeigt) verbunden ist), 2P bezeichnet eine Stromdetektierschaltung, 3P ist eine Überstromdetektierschal tung (eine Vergleichsschaltung), 4P ist eine Überstroment scheidungsschaltung (ein UND-Glied), 5P ist ein Fehlerausgang, 6P ist ein Eingang, 7P ist eine IGBT-Treiberschaltung, und 8P ist ein Gatewiderstand.

Diese Schaltung ist durch die nachstehenden Aspekte charakte risiert: (1) Der eine Eingang der Überstromentscheidungsschal tung 4P ist mit der Eingangssignalleitung 15P verbunden, die mit dem Eingang 6P an dem Knotenpunkt N1P verbunden ist; und (2) die Ausgangssignalleitung 13P, die von dem Ausgangsknoten punkt N2P der Schaltung 4P abzweigt, ist mit dem einen Eingang des NOR-Glieds in der IGBT-Treiberschaltung 7P verbunden.

Wenn nun ein Signal mit "H"-Pegel an dem Eingang 6P eingegeben wird, gibt die IGBT-Treiberschaltung 7P ein Signal mit "H"-Pe gel ab, so daß die Gateelektrode des IGBT 1P durch den Gate widerstand 8P den "H"-Pegel annimmt und den IGBT 1P einschal tet. Wenn ein Signal mit "L"-Pegel an dem Eingang 6P unter dieser Bedingung eingegeben wird, gibt die IGBT-Treiberschal tung 7P ein Signal mit "L"-Pegel ab, so daß die Gateelektrode des IGBT 1P durch den Gatewiderstand 8P auf den "L"-Pegel gebracht wird, so daß der IGBT ausgeschaltet wird. Diese Zu standsänderung ist in dem Zeitdiagramm in Fig. 12A bis Fig. 12F gezeigt.

Wie die Fig. 12A bis 12F zeige, tritt eine Einschaltverzöge rungsdauer OND zwischen dem Zeitpunkt, zu dem das Eingangssi gnal mit "H"-Pegel, der einem Einschaltsignalpegel entspricht, an den Eingang 6P geführt wird, und dem Zeitpunkt auf, zu dem der IGBT vom Ausschaltzustand in den Einschaltzustand wech selt. Ebenso tritt eine Ausschaltverzögerungsdauer OFD zwischen dem Zeitpunkt, zu dem das Eingangssignal mit "L"-Pegel, der einem Ausschaltsignalpegel entspricht, dem Eingang 6P zu geführt wird, und dem Zeitpunkt auf, zu dem der IGBT 1P vom Einschaltzustand in den Ausschaltzustand wechselt. Diese Ver zögerungsdauern OND und OFD treten aufgrund der IGBT-Treiber schaltung 7P auf.

Wenn das Eingangssignal mit "H"-Pegel dem Eingang 6P zugeführt wird, schaltet der IGBT 1 nach Ablauf der Einschaltverzöge rungsdauer OND ein, und der in dem IGBT 1P zu diesem Zeitpunkt fließende Strom wird von der Stromdetektierschaltung 2P über wacht. Wenn die Überstromdetektierschaltung 3P detektiert, daß der in dem IGBT 1P fließende Strom einen Überstromzustand er reicht hat, gibt die Überstromentscheidungsschaltung 4P ein Signal mit "H"-Pegel nur dann ab, wenn das Eingangssignal zu diesem Zeitpunkt das Einschaltsignal ist, um so den Ausgang der IGBT-Treiberschaltung 7P auf den "L"-Pegel zu steuern und dadurch die Gateelektrode des IGBT 1P zu trennen, um den IGBT 1P in den Ausschaltzustand zu bringen. Gleichzeitig signali siert die Schaltung 4P am Fehlerausgang 5P nach außen, daß sich der IGBT 1P im Überstromzustand befindet. Die Fig. 12A bis 12F zeigen den Fehlerabgabezustand als einen Überstromzu stand, der auftritt und detektiert wird, wenn das dritte Ein schaltsignal eingegeben wird.

Da bei der Konstruktion der Stromdetektierschaltung 2P ein Wi derstand verwendet wird, detektiert die Überstromdetektier schaltung 3P den Überstromzustand, wenn die Spannung über bei den Enden des Widerstands größer als eine Schwellenspannung wird, die in der Überstromdetektierschaltung 3P vorgegeben ist. Der Wert des Widerstands ist so vorgegeben, daß eine mög lichst kleine Spannung erzeugt wird, da eine an dem Widerstand erzeugte hohe Spannung zu hohen Leistungsverlusten führt. Wenn jedoch ein Rauschen auf den Widerstand in der Stromdetektier schaltung 2P wirkt, wenn sich der IGBT 1P im Ausschaltzustand befindet, und wenn das Rauschen gleich der oder größer als die Spannung ist, die in der Überstromdetektierschaltung 3P vorge geben ist, detektiert die Überstromdetektierschaltung 3P das Rauschen als Überstrom. Um dieses Problem zu vermeiden, kann eine solche fehlerhafte Feststellung beim Detektieren eines Überstromzustands aufgrund von Rauschen im Ausschaltzustand des IGBT verhindert werden, wenn der Aufbau so ist, daß der Überstrom nur dann detektiert wird, wenn ein Eingangssignal mit dem Einschaltsignalpegel an den Eingang geführt wird. Bei der in Fig. 11 gezeigten Schaltung sind daher der Knotenpunkt N1P und ein Eingang der Schaltung 4P durch die Signalleitung 15P miteinander verbunden, so daß die Überstromentscheidungs schaltung 4P feststellt, daß sich der IGBT 1P in einem Über stromzustand befindet, wenn der Überstromdetektor 3P einen Überstrom (das Ausgangssignal mit "H"-Pegel) detektiert, wäh rend das Eingangssignal mit Einschaltsignalpegel ("H"-Pegel) dem Eingang 6P zugeführt wird.

Weitere Druckschriften zum Stand der Technik

Frühere Publikationen über Überstromschutzschaltungen für Leistungstransistoren sind folgende Druckschriften: (1) JP-A-7-183 781, (2) JP-A-6-276 073 und (3) JP-A-6-105 448.

Gemäß dem Dokument (1) detektiert ein Stromdetektorwiderstand einen Strom, der in dem IGBT fließt, als einen Spannungswert. Wenn ein Überstromzustand detektiert wird, wird ein Steuer thyristor mit dieser Spannung eingeschaltet, um einen Aus schaltbefehl zum IGBT zu erzeugen.

Gemäß dem Dokument (2) wird detektiert, ob ein in dem IGBT fließender Strom sich infolge einer kurzschlußbedingten Stö rung in einem Überstromzustand befindet, und zwar auf der Ba sis des in dem IGBT fließenden Stroms und eines Teils des Ein gangssignals zu einer IGBT-Treiberschaltung. Diese Funktion ist äquivalent zu derjenigen der oben beschriebenen, in Fig. 11 gezeigten Schaltung. Das Dokument (2) zielt jedoch haupt sächlich auf den Schutz des IGBT vor Überstrom ab, der auf grund einer Störung fließt, wenn sich der IGBT im Einschaltzu stand befindet.

Gemäß dem Dokument (3) wird der Überstromzustand nur dadurch detektiert, daß der in dem IGBT fließende Strom detektiert wird, auf dessen Basis die Treiberspannung für den IGBT ge steuert wird. Auch das Dokument (3) richtet sich auf die De tektierung von Überstrom infolge einer kurzschlußbedingten Störung im Einschaltzustand.

Bei der in Fig. 11 gezeigten Überstromschutzschaltung ergibt sich ein neues Problem infolge der Anwesenheit der Signallei tung 15P. Dies wird nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 11 und das in den Fig. 13A bis 13G gezeigte Zeitdiagramm erläu tert.

Es wird angenommen, daß das Eingangssignal seinen Pegel von dem dem Einschaltsignalpegel entsprechenden "H"-Pegel zu dem dem Ausschaltsignalpegel entsprechenden "L"-Pegel geändert hat und daß dann der in dem IGBT 1P fließende Strom den Überstrom zustand erreicht hat, bevor die Ausschaltverzögerungsdauer OFD abgelaufen ist, die erforderlich ist, bis der IGBT 1P von dem Einschaltzustand in den Ausschaltzustand geht (zum Zeitpunkt T1). In diesem Fall gibt die Stromdetektierschaltung 2P eine Spannung ab, die anzeigt, daß ein Überstrom in dem IGBT 1P zum Eingang der Überstromdetektierschaltung 3P fließt, so daß die Schaltung 3P ein Ausgangssignal mit "H"-Pegel abgibt.

Da jedoch das Eingangssignal zu diesem Zeitpunkt den "L"-Pegel entsprechend dem Ausschaltsignalpegel hat, erkennt die Über stromentscheidungsschaltung 4P den in dem IGBT 1P fließenden Strom nicht als Überstrom und kann daher keine Entscheidung, die den Überstromzustand des IGBT 1P bezeichnet, bzw. kein Fehlerausgangssignal nach außen abgeben. Infolgedessen wird die Zuführung des Eingangssignals nach dem Zeitpunkt T1 unun terbrochen aufrechterhalten.

Wenn sich das Eingangssignal erneut zum Einschaltsignalpegel ändert, kann die Überstromentscheidungsschaltung 4P das Auf treten des Überstromzustands nach außen nicht anzeigen, bis sich der IGBT 1P erneut einschaltet und der Überstrom erneut fließt, also bis zum Zeitpunkt T2. Das von außen zugeführte Eingangssignal wird danach auf dem Ausschaltsignalpegel fi xiert. Somit wird der IGBT 1P zum Zeitpunkt T2, zu dem der Hauptstrom einen noch größeren Stromwert aufweist, ausge schaltet, was unvermeidlich zu einer hohen Stoßspannung führt. Außerdem werden weitere IGBTs, die im Einschaltzustand sind (nicht gezeigt), zu diesem Zeitpunkt ebenfalls ausgeschaltet.

Dieses Problem tritt auch bei den oben angegebenen bekannten Anordnungen gemäß den Dokumenten (1) bis (3) auf, aber die Do kumente (1) bis (3) erwähnen dieses Problem nicht. Ferner bleibt bei dem Dokument (1) das Problem ungelöst, daß aufgrund von Rauschen ein Überstromzustand irrtümlich detektiert und nach außen abgegeben wird, wenn der IGBT ausgeschaltet ist. Daher stellen die Dokumente (1) bis (3) keine Mittel zur Lö sung dieses Problems bereit.

Wie bei dem in Fig. 11, den Fig. 12A bis 12F und den Fig. 13A bis 13G gezeigten Beispiel beschrieben, zeigt die herkömmliche Überstromschutzschaltung am Fehlerausgang nach außen an, daß sich der Leistungstransistor in einem Überstromzustand befin det, wenn der Überstromdetektor (Widerstand) einen Überstrom zustand detektiert, wobei das Eingangssignal ein Einschaltsi gnal bildet. Wenn daher der Überstromzustand auftritt, bevor der Leistungstransistor einen Übergang vom Einschaltbetrieb in den Ausschaltbetrieb ausführt, kann der Überstromzustand nicht im Augenblick seines Auftretens detektiert werden.

Erst dann, wenn die Einschaltverzögerungsdauer nach der näch sten Eingabe des Eingangssignals mit dem Einschaltsignalpegel abgelaufen ist, also wenn der Leistungstransistor erneut den Überstromzustand erreicht hat, wird der Überstromzustand de tektiert und das Ergebnis nach außen gemeldet. Der Wert des in dem Leistungstransistor fließenden Stroms steigt in dieser Verzögerungszeit bis zum Detektierzeitpunkt an, was zu dem Problem führt, daß der Leistungstransistor in dem Zustand oder zu dem Zeitpunkt in den Ausschaltzustand gesteuert wird, wenn der Wert des Hauptstroms gegenüber dem Überstromdetektierpegel (einem Referenzpegel) auf einen noch größeren Stromwert ange stiegen ist.

Dieses Problem kann nicht nur dann auftreten, wenn die Last nur eine Induktivitätskomponente einer Lasteinrichtung, wie etwa eines Motors, aufweist, sondern auch dann, wenn die Last einen Widerstand aufweist. Man kann sagen, daß dieses Problem allgemein auftritt, wenn in einem Schaltkreis, der einen Lei stungstransistor verwendet, ein Überstrom auftritt.

Aufgabe der Erfindung ist es, die zuverlässige Detektierung des Überstromzustands im Augenblick seines Auftretens nicht nur dann, wenn der Überstromzustand aufgetreten ist, während sich der Leistungstransistor im Einschaltbetrieb befindet, sondern auch dann zu ermöglichen, wenn er aufgetreten ist, während der Leistungstransistor einen Übergang vom Einschalt betrieb in den Ausschaltbetrieb erfährt, und den Leistungs transistor selbst zeitlich dicht bei dem Augenblick dieses Auftretens kontinuierlich abzutrennen, um so die Erzeugung einer hohen Stoßspannung zu vermeiden und den Leistungstransi stor in einer früheren Phase vor einem Überstrom zu schützen.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, eine Halbleiter schaltung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß die Treiberschaltung die Steuerspannung, die gleich der oder grö ßer als die Schwellenspannung ist, an ihrem Ausgang nach Ab lauf einer Verzögerung, die einer Einschalt-Verzögerungsdauer entspricht, nach dem Eingang des Eingangssignals abgibt, wenn der Pegel des Eingangssignals der Einschaltsignalpegel ist, und die Steuerspannung, die kleiner als die Schwellenspannung ist, an ihrem Ausgang nach Ablauf einer Verzögerung, die einer Ausschalt-Verzögerungsdauer entspricht, nach dem Eingang des Eingangssignals abgibt, wenn der Pegel des Eingangssignals der Ausschaltsignalpegel ist, und daß die Entscheidungsschaltung entscheidet, daß sich der Leistungstransistor in einem Über stromzustand befindet, wenn sie detektiert, daß die Steuer spannung gleich der oder größer als die Schwellenspannung ist und der Hauptstrom gleich einem oder größer ist als ein be stimmter Schwellenstrom ist.

Die erfindungsgemäße Halbleiterschaltung hat die nachstehend erläuterten Funktionen und Wirkungen.

Wenn das Eingangssignal mit dem Einschaltsignalpegel eingeht, geht der Leistungstransistor in den Einschalt-Betriebszustand, wenn nach dem Anlegen des Eingangssignals die Einschaltverzö gerungsdauer abgelaufen ist, und dann beginnt der Hauptstrom durch die Last zu fließen, und der Hauptstrom steigt an. Wenn danach der Pegel des Eingangssignals sich von dem Einschalt signalpegel zu dem Ausschaltsignalpegel ändert, geht der Lei stungstransistor in den Ausschalt-Betriebszustand, wenn die Ausschaltverzögerungsdauer nach der Änderung abgelaufen ist, und dann fließt der Hauptstrom nicht mehr. Wenn anschließend der Eingangssignalpegel sich wieder zum Einschaltsignalpegel ändert, beginnt ein Hauptstrom, der einen noch größeren Strom wert hat, nach Ablauf der Einschaltverzögerungsdauer zu flie ßen. Diese Zustände wiederholen sich abwechselnd.

Es soll nun angenommen werden, daß sich der Pegel des Ein gangssignals vom Einschaltsignalpegel zum Ausschaltsignalpegel geändert und der Stromwert des Hauptstroms zu einem ersten Zeitpunkt vor dem Ablauf der Ausschaltverzögerungsdauer einen Wert erreicht hat, der gleich dem oder größer als der Grenz strom ist. Zu diesem Zeitpunkt detektiert die Entscheidungs schaltung, daß sich der Leistungstransistor im Überstromzu stand befindet, weil die von der Treiberschaltung abgegebene Steuerspannung immer noch gleich der oder größer als die Schwellenspannung ist und der Hauptstrom fließt. Danach wird zu einem zweiten Zeitpunkt nach Ablauf der Ausschaltverzöge rungsdauer die Steuerspannung kleiner als der Grenzwert, und der Leistungstransistor geht in den Ausschaltzustand.

Wenn daher der Pegel des von außen zugeführten Eingangssignals sich vom Einschaltsignalpegel zum Ausschaltsignalpegel ändert und dann der Hauptstrom vor dem Ablauf der Ausschaltverzöge rungsdauer den Überstromwert oder mehr erreicht, ist es gemäß der Erfindung möglich, diesen Zustand sofort und korrekt zu dem Zeitpunkt, zu dem der Hauptstrom diesen Pegel erreicht (erster Zeitpunkt oben), zu detektieren.

Wenn ferner der ansteigende Hauptstrom den Überstromwert oder einen höheren Wert erreicht, wenn das Eingangssignal mit dem Einschaltsignalpegel gerade eingeht, kann gemäß der Erfindung die Entscheidungsschaltung sofort und mit Sicherheit das Auf treten des Überstromzustands in diesem Moment detektieren.

Bevorzugt führt gemäß einem zweiten Aspekt die Entscheidungs schaltung in der Halbleiterschaltung einen ersten Vergleich zwischen der Steuerspannung und der Schwellenspannung und einen zweiten Vergleich zwischen dem Hauptstrom und dem Grenz strom durch und entscheidet auf der Basis des Ergebnisses des ersten Vergleichs und des Ergebnisses des zweiten Vergleichs, ob der Überstromzustand vorliegt.

Da die Entscheidungsschaltung die Entscheidung durch den er sten und den zweiten Vergleichsvorgang trifft, kann insbeson dere gemäß dem zweiten Aspekt die Entscheidungsschaltung unter Verwendung von Vergleichsschaltungen gebildet sein. Die Schal tung kann daher aus einfachen und praktischen Schaltkreisen bestehen.

Gemäß einem dritten Aspekt weist die Halbleiterschaltung fer ner bevorzugt folgendes auf: eine Ausgangssignalleitung, die mit einem Ausgang der Entscheidungsschaltung verbunden ist und ein Ausgangssignal abgibt, das das Ergebnis der von der Ent scheidungsschaltung gebildeten Entscheidung als ein Fehler detektiersignal darstellt.

Wenn ferner der steigende Hauptstrompegel den Überstrompegel erreicht, ist es gemäß dem dritten Aspekt möglich, das Auftre ten des Überstromzustands des Leistungstransistors mit Sicher heit als Fehler in dem Augenblick nach außen abzugeben, in dem der Hauptstrompegel den Überstrompegel erreicht, und zwar nicht nur dann, wenn das im Einschaltzustand stattfindet, son dern auch dann, wenn es vor dem Ablauf der Ausschaltverzöge rungsdauer stattfindet. Das ermöglicht dem externen Teil die Ausführung verschiedener Verarbeitungsvorgänge, wie etwa das vollständige Trennen des Leistungstransistors in den Aus schaltzustand, um den Leistungstransistor in einer früheren Phase vor dem Überstrom zu schützen, und zwar auf der Basis des Zeitpunkts der Abgabe des Fehlerdetektiersignals.

Gemäß einem vierten Aspekt weist die Halbleiterschaltung be vorzugt ferner folgendes auf: eine Steuerschaltung, die mit der Eingangssignalleitung und der Ausgangssignalleitung ver bunden ist und die den Pegel des Eingangssignals in Abhängig keit von dem Eingangszeitpunkt des Fehlerdetektiersignals auf dem Ausschaltsignalpegel festlegt, wenn das Fehlerdetektiersi gnal anzeigt, daß sich der Leistungstransistor in dem Über stromzustand befindet.

Gemäß dem vierten Aspekt fixiert die Steuerschaltung den Pegel des Eingangssignals auf dem Ausschaltsignalpegel, wenn sie das Fehlerdetektiersignal empfängt, und daher ist der Leistungs transistor danach kontinuierlich im Ausschaltzustand fixiert. Es ist somit möglich, den Leistungstransistor in einer frühe ren Phase nach Abgabe des Fehlerdetektiersignals zwangsweise zu trennen, so daß das bisherige Problem vermieden wird, daß der Leistungstransistor im nächsten Einschaltzustand nach dem Auftreten des Überstromzustands, in dem ein noch höherer Hauptstrom fließt, zwangsweise getrennt wird. Dadurch wird die Ausschalt-Stoßspannung des Leistungstransistors noch weiter verringert, so daß der Leistungstransistor mit Sicherheit vor einem großen Überstrom geschützt wird.

Gemäß einem fünften Aspekt weist die Halbleiterschaltung be vorzugt ferner folgendes auf: einen weiteren Leistungstransistor, der eine äußere Lasteinrichtung gemeinsam mit dem Lei stungstransistor treibt, und eine weitere Treiberschaltung, die einen Eingang aufweist, der mit der Steuerschaltung ver bunden ist, um ein weiteres Eingangssignal zu empfangen, das von der Steuerschaltung abgegeben und abwechselnd zwischen dem Einschaltsignalpegel und dem Ausschaltsignalpegel geändert wird, um dadurch den anderen Leistungstransistor zu treiben, wobei dann, wenn das Fehlerdetektiersignal anzeigt, daß sich der Leistungstransistor im Überstromzustand befindet, die Steuerschaltung den Pegel des anderen Eingangssignals in Ab hängigkeit von dem Eingangszeitpunkt des Fehlerdetektiersi gnals auf dem Ausschaltsignalpegel fixiert.

Gemäß dem fünften Aspekt fixiert die Steuerschaltung insbeson dere den Pegel eines weiteren Eingangssignals auf dem Aus schaltsignalpegel sowie den Pegel des Eingangssignals in Ab hängigkeit von dem Zeitpunkt, zu dem der Hauptstrom den Über stromwert erreicht, so daß ein weiterer Leistungstransistor danach durch dieselbe zeitliche Steuerung in den Ausschaltzu stand getrennt werden kann. Das heißt, es ist auch möglich, den Betrieb eines weiteren Leistungstransistors zwangsweise im Ausschaltzustand zu fixieren, und zwar durch eine frühere zeitliche Steuerung nach dem Augenblick, in dem der Leistungs transistor den Überstromzustand erreicht hat, und somit wäh rend der Zeit, in der ein relativ kleiner Hauptstrom fließt. Diese Gewißheit verhindert das Problem, daß ein anderer Lei stungstransistor durch eine andere zeitliche Steuerung im Ein schaltzustand nach dem Zeitpunkt der Abgabe des Fehlerdetek tiersignals, wobei ein noch höherer Hauptstrom fließt, ge trennt wird, was das Auftreten einer hohen Stoßspannung auch dann verhindert, wenn der andere Leistungstransistor abschal tet.

Gemäß einem sechsten Aspekt ist bei der Halbleiterschaltung bevorzugt die Treiberschaltung auch mit dem Ausgang der Entscheidungsschaltung verbunden, und die Treiberschaltung ändert die Steuerspannung, die gleich der oder größer als die Schwel lenspannung ist, zu der Spannung, die kleiner als die Schwel lenspannung ist, wenn der Pegel des Eingangssignals der Ein schaltsignalpegel ist und das Ergebnis der von der Entschei dungsschaltung durchgeführten Entscheidung die Detektierung des Überstromzustands zeigt.

Wenn ferner gemäß dem sechsten. Aspekt der Hauptstrom den Über stromwert dann erreicht, wenn das Eingangssignal den Ein schaltsignalpegel hat, ist es möglich, den Leistungstransi stor, der sich im Einschaltzustand befindet, so zu steuern, daß er zwangsweise in den Ausschaltzustand geht, so daß der Leistungstransistor in einer früheren Phase vor dem Überstrom geschützt wird.

Ein siebter Aspekt der Erfindung betrifft eine Schaltung zum Schutz eines Leistungstransistors, der mit einer Last verbun den ist, vor einem Überstromzustand, wobei diese Schaltung auf der Basis eines ersten Eingangssignals, das eine Steuerspan nung zum Leistungstransistor bezeichnet, und eines zweiten Eingangssignals, das den in dem Leistungstransistor fließenden Hauptstrom bezeichnet, detektiert, daß sich ein in dem Lei stungstransistor fließender Hauptstrom im Überstromzustand be findet, und das Ergebnis der Detektierung nach außen abgibt.

Gemäß dem siebten Aspekt wird das Auftreten des Überstromzu stands detektiert, indem nicht nur der Pegel des Hauptstroms, sondern auch der Pegel der Steuerspannung genutzt wird. Das Auftreten des Überstromzustands kann somit immer dann korrekt detektiert werden, wenn der Überstromzustand auftritt, ohne daß eine fehlerhafte Bestimmung erfolgt. Da außerdem das Er gebnis im Augenblick der Detektierung nach außen abgegeben wird, kann der äußere Teil den. Leistungstransistor in Abhän gigkeit von dem Abgabezeitpunkt früher trennen, um das Auftreten einer hohen Stoßspannung zu vermeiden, so daß der Lei stungstransistor vor dem Überstrom geschützt wird.

Ein Vorteil der Erfindung ist dabei die Meldung des detektier ten Auftretens des Überstromzustands im Augenblick des Auftre tens als ein Fehler an ein Treibersteuerungssystem für einen anderen Leistungstransistor.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß auch ein anderer Lei stungstransistor durch das Steuerungssystem abgetrennt wird, um eine Stoßspannung an dem anderen Leistungstransistor zum Zeitpunkt des Abschaltens zu unterdrücken.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in:

Fig. 1 ein Blockbild, das eine Systemkonfiguration gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform für eine Halbleiterschaltung der Erfindung zeigt;

Fig. 2 ein Schaltbild, das einen Teil der in Fig. 1 gezeig ten Schaltung darstellt, der einer Überstromschutz schaltung für einen Leistungstransistor entspricht;

Fig. 3 ein Schaltbild, das ein Beispiel für den Aufbau der in Fig. 2 gezeigten Stromdetektierschaltung ist;

Fig. 4 ein Schaltbild, das ein Beispiel für den Aufbau der in Fig. 2 gezeigten Überstromdetektierschaltung ist;

Fig. 5 ein Schaltbild, das ein Beispiel für den Aufbau der in Fig. 2 gezeigten Gatespannungsdetektierschaltung ist;

Fig. 6 ein Schaltbild, das ein weiteres Beispiel des Teils zeigt, der einer Leistungstransistor-Überstrom schutzschaltung in der in Fig. 1 gezeigten Schaltung entspricht;

Fig. 7A bis 7H ein Zeitdiagramm des Überstromschutzes bei Verwen dung der Überstromschutzschaltung für einen Lei stungstransistor gemäß der ersten bevorzugten Aus führungsform der Erfindung;

Fig. 8A bis 8H ein Zeitdiagramm des Überstromschutzes bei Verwen dung der Überstromschutzschaltung für einen Lei stungstransistor gemäß der ersten bevorzugten Aus führungsform der Erfindung;

Fig. 9 ein Schaltbild eines ersten Beispiels einer Modifi kation der ersten bevorzugten Ausführungsform;

Fig. 10 ein Schaltbild eines zweiten Beispiels einer Modifi kation der ersten bevorzugten Ausführungsform;

Fig. 11 ein Schaltbild einer herkömmlichen Überstromschutz schaltung für einen Leistungstransistor;

Fig. 12A bis 12F ein Zeitdiagramm des Überstromschutzes bei Verwen dung der herkömmlichen Leistungstransistor-Über stromschutzschaltung; und

Fig. 13A bis 13G ein Zeitdiagramm, das ein Problem bei der Anwendung der herkömmlichen Leistungstransistor-Überstrom schutzschaltung zeigt.

Zur Lösung des oben beschriebenen Problems stellen Halbleiter schaltungen gemäß den bevorzugten Ausführungsformen fest, daß ein Leistungstransistor sich in einem Überstromzustand befin det, wenn (1) die an die Steuerelektrode des Leistungstransi stors angelegte Steuerspannung gleich der oder größer als die Schwellenspannung des Leistungstransistors ist und (2) ein Überstromdetektor einen Überstromzustand detektiert und dann diesen Leistungstransistor und andere Leistungstransistoren in Abhängigkeit von dem Detektierzeitpunkt trennt. Das ermöglicht den Schutz der Leistungstransistoren vor dem Überstrom in ei ner früheren Phase nach dem Auftreten des Überstromzustands und unterdrückt die Erzeugung einer großen Abschalt-Stoßspan nung. Diese Eigenschaften der Halbleiterschaltungen werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen speziell be schrieben.

Erste bevorzugte Ausführungsform

Fig. 1 ist ein Blockschaltbild, das eine Halbleiterschaltung gemäß der Erfindung in einem Fall zeigt, in dem sie als Wech selrichterschaltung zum Treiben eines Drehstrommotors M (der einer Lasteinrichtung entspricht) verwendet wird.

Wie Fig. 1 zeigt, ist diese Halbleiterschaltung grob unter teilt in einen ersten Wechselrichterschaltungsbereich INVU, einen zweiten Wechselrichterschaltungsbereich INVV, einen dritten Wechselrichterschaltungsbereich INVW und einen Mikro computer 21. Die Wechselrichterschaltungsbereiche INVU bis INVW haben jeweils Ausgänge U, V, W, die jeweils mit Wicklun gen oder Induktivitätskomponenten LU, LV, LW in dem Drehstrom motor M verbunden sind. Die Schaltungsbereiche INVU bis INVW haben den gleichen Schaltungsaufbau. Der Einfachheit halber zeigt Fig. 1 nur die interne Konfiguration des ersten Wechsel richterschaltungsbereichs INVU.

Die interne Konfiguration von jedem der Wechselrichterschal tungsbereiche INVU bis INVW ist grob unterteilt in zwei Über stromschutzschaltungen, die einem Leistungstransistor 1A als Schaltelement auf der Hochpotentialseite und einem Leistungs transistor 1 als Schaltelement auf der Niedrigpotentialseite entsprechen, wobei der Leistungstransistor 1A und der Lei stungstransistor 1 miteinander an dem entsprechenden Ausgang U (V, W) verbunden sind. Die Leistungstransistoren sind dabei sämtlich IGBTs, und insbesondere sind diejenigen in dem Bei spiel von Fig. 1 jeweils mit einem Fühlanschluß S ausgestat tet.

Die beiden Schutzschaltungen unterscheiden sich dadurch von einander, daß der Kollektoranschluß C des IGBT 1 mit der In duktivitätskomponente (L) auf der Seite des Motors M und einer Freilaufdiode 23 durch den Ausgang U verbunden ist, wogegen der Emitteranschluß E des anderen IGBT 1A mit der Induktivi tätskomponente (L') auf der Seite des Motors M und einer Frei laufdiode 23A durch den Ausgang U verbunden ist. Die zwei Schutzschaltungen sind im übrigen auf die gleiche Weise ausge legt. Daher wird nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 2 und andere Figuren die Konfiguration und der Betrieb der Schutzschaltung 20 zum Schutz des IGBT 1 vor Überstrom be schrieben. Elemente in der Schutzschaltung für den IGBT 1A sind mit den gleichen Bezugszeichen, unter Hinzufügung von "A", wie die entsprechenden Elemente in der Schaltung 20 be zeichnet.

Die Schutzschaltung 20 (20A) hat einen Eingang 6 (6A) und einen Fehlerausgang 9 (9A) und empfängt ein Eingangssignal VIN1 (VIN1A), das von dem Mikrocomputer 21, und zwar haupt sächlich von dessen Steuerungsbereich 22 (bestehend aus einer CPU etc.), abgegeben wird, an ihrem Eingang 6 (6A). Die Schutzschaltung 20 gibt ein Fehlerdetektiersignal VO1 (VO1A) als Impulssignal an ihrem Fehlerausgang 9 (9A) ab. Das Detek tiersignal VO1 (VO1A) wird einmal in einen Zeitgeber 24 einge geben, und der Zeitgeber 24 stellt die Impulsdauer des Signals VO1 (VO1A) auf einen geeigneten Wert ein und gibt es dann an den Steuerungsbereich 22 als ein Fehlerdetektiersignal VO11 (VO1A1) ab.

Beim Empfang des Fehlerdetektiersignals VO11 (VO1A1) als Ein gangssignal gibt der Steuerungsbereich 22 sofort Eingangssi gnale VIN1 bis VIN3A, die auf dem Ausschaltsignalpegel ("L") fixiert sind, an die IGBT-Treiberschaltungen 7 (7A) in den Wechselrichterschaltungsbereichen ab, die die IGBTs (1, 1A, . . .) treiben, um so die Gateelektroden des IGBT 1 und der anderen IGBTs zu trennen und danach sämtliche IGBTs im Aus schaltzustand festzuhalten.

Die Lastwerte der jeweiligen IGBTs in den einzelnen Schutz schaltungen hängen von der Treibersteuerung sämtlicher IGBTs ab, die individuell auf der Basis der Induktivitätskomponenten LU, LV und LW bestimmt sind. Wenn der IGBT 1 (1A) in den Aus schaltzustand geht, fließt der Hauptstrom kontinuierlich in der geschlossenen Schleife, die aus dem IGBT 1 (1A) und der entsprechenden Freilaufdiode 23 (23A) gebildet ist, bis der IGBT 1 (1A) erneut aufgrund der Anwesenheit der Last des IGBT 1 (1A) und der dazu parallelgeschalteten Freilaufdiode 23 (23A) den Einschaltzustand erreicht. Wenn daher der jeweilige IGBT 1 (1A) erneut einschaltet, steigt der Hauptstrom an, wo bei er im Idealfall von dem Pegel des Werts des Stroms aus geht, der im Ausschaltzustand in der geschlossenen Schleife fließt (tatsächlich fällt der Pegel etwas ab; siehe Fig. 7C). Somit steigt der in jedem IGBT 1 (1A) fließende Hauptstrom je desmal an, wenn das Eingangssignal ein- und ausschaltet, des sen Pegel letztlich den Überstromdetektierpegel überschreitet.

Zum Schutz des IGBT 1, der in den Überstromzustand gebracht wird, und zur Verringerung der Stoßspannung an dem IGBT 1 (1A) zum Abschaltzeitpunkt ist es also notwendig, diesen Zustand zu einem Zeitpunkt zu detektieren, der möglichst nahe bei dem Er eignis liegt (idealerweise zum selben Zeitpunkt), und die In formation sofort an den Mikrocomputer 21 zu leiten, um die IGBTs zu einem möglichst frühen Zeitpunkt zu trennen. Die in Fig. 1 gezeigte Schutzschaltung 20 realisiert diese Forderung, wie nachstehend beschrieben wird.

In Fig. 2 bezeichnen die Hauptbezugszeichen die nachstehenden Elemente. 1 bezeichnet einen IGBT als Leistungstransistor, 2 ist eine Stromdetektierschaltung, 3 ist eine Überstromdetek tierschaltung, 4 ist eine Überstromentscheidungsschaltung, 5 ist eine Gatespannungsdetektierschaltung, um eine an die Gate elektrode G die die Steuerelektrode des IGBT 1 bildet, ange legte Spannung zu detektieren, 6 ist ein Eingang, 7 ist eine IGBT-Treiberschaltung, 8 ist ein Gatewiderstand, 9 ist ein Fehlerausgang, 10 ist eine Entscheidungsschaltung, 12 ist eine Eingangssignalleitung, und 19 ist eine Ausgangssignalleitung.

Im einzelnen ist die in Fig. 2 gezeigte Überstromschutzschal tung 20 für den Leistungstransistor wie folgt aufgebaut.

Erstens ist der Kollektor C des als Leistungstransistor die nenden IGBT 1 mit dem einem Ende der Last, d. h. der Indukti vität L, verbunden, die zu der in Fig. 1 gezeigten Freilauf diode 23 parallelgeschaltet ist. Das andere Ende der Indukti vität L ist mit einer Gleichspannungsquelle verbunden, die die Versorgungsspannung VCC hat. Diese Induktivität L ist eine Last, die auf der Basis des Erregungszustands jeder Wicklung des Drehstrommotors M von Fig. 1 (der von dem Ein/Ausschaltzustand jedes Leistungstransistors in den oben beschriebenen ersten bis dritten Wechselrichterschaltungsbe reichen INVI bis INVW abhängig ist) und damit auf der Basis der Induktivitätskomponenten LU, LV, LW bestimmt ist. Der Emitter E des IGBT 1 ist geerdet, wie Fig. 1 zeigt. Das Gate G des IGBT 1 ist mit dem Ausgang N1 der IGBT-Treiberschaltung 7 verbunden. Der Ein/Aus-Betrieb des IGBT 1 wird auf der Basis des Pegels der an das Gate G angelegten Steuerspannung gesteu ert. Das heißt, wenn die Steuerspannung gleich der oder größer als die Schwellenspannung des IGBT 1 ist, geht der Betrieb des IGBT 1 in den Einschaltzustand, und der Hauptstrom fließt zwi schen seinem Kollektor C und seinem Emitter E. Da in dem IGBT 1 ein Fühlanschluß S vorgesehen ist, kann der Pegel des Haupt stroms durch den Fühlanschluß S detektiert werden.

In der in Fig. 2 gezeigten Schaltung 20 entspricht der Kollek toranschluß bzw. die Kollektorelektrode C des IGBT 1 einer "ersten Hauptelektrode", das Gate G entspricht einer "Steuerelektrode", und der Emitteranschluß bzw. die Emitter elektrode E entspricht einer "zweiten Hauptelektrode".

Die IGBT-Treiberschaltung 7 ist wie folgt aufgebaut. Das eine Ende der Eingangssignalleituncr 12 ist mit dem Eingang 6 und ihr anderes Ende mit dem Eingang eines Inverters 7a, der den Eingang der Schaltung 7 bildet, verbunden. Das Eingangssignal VIN1 (Fig. 1), dessen Pegel sich periodisch und abwechselnd zwischen dem Einschaltsignalpegel ("H"-Pegel) und dem Aus schaltsignalpegel ("L"-Pegel) ändert, wird an dem Eingang 6 empfangen, und die Eingangssignalleitung 12 führt es in die Schaltung 20 ein, damit es zu der IGBT-Treiberschaltung 7 übertragen wird.

Der Ausgang des Inverters 7a in der IGBT-Treiberschaltung 7 ist mit einem ersten Eingang eines NOR-Glieds 7b verbunden. Das eine Ende der zweiten Ausgangssignalleitung 13 ist mit dem Knotenpunkt N2 verbunden, der dem Ausgang der noch zu be schreibenden Entscheidungsschaltung 10 entspricht, und ihr an deres Ende ist mit einem zweiten Eingang des NOR-Glieds 7b verbunden. Weiterhin ist der Ausgang des NOR-Glieds 7b mit dem Eingang einer Pufferschaltung aus einem NPN-Transistor 7c und einem PNP-Transistor 7d verbunden (mit den Basisanschlüssen der Transistoren 7c, 7d), und der Ausgang der Pufferschaltung ist mit dem Gate G des IGBT 1 oder mit dem Knotenpunkt N1 durch den Gatewiderstand 8 verbunden.

Wenn das Eingangssignal VIN1 vom "L"-Pegel auf den "H"-Pegel ansteigt, legt die IGBT-Treiberschaltung 7 eine Steuerspannung mit dem "H"-Pegel des Gates G an, nachdem die Einschaltverzö gerungsdauer nach dem Zeitpunkt des Anstiegs abgelaufen ist. Wenn das Eingangssignal VIN1 vom "H"-Pegel auf den "L"-Pegel fällt, ändert die Treiberschaltung 7 die Steuerspannung auf den "L"-Pegel nach Ablauf der Ausschaltverzögerungsdauer nach dem Abfallzeitpunkt.

Wenn die Zahl der Stufen der Pufferschaltung und dergleichen in der Treiberschaltung 7 entsprechend einer Erhöhung der Nennkapazität des Motors oder der Last erhöht wird, werden die Einschaltverzögerungsdauer und die Ausschaltverzögerungsdauer entsprechend verlängert. Die Zahl der Stufen der Pufferschal tung etc. in der Schaltung 7 ist gewöhnlich eins oder zwei.

Die Entscheidungsschaltung 10 ist der Hauptteil der Schutz schaltung 20, deren erster Eingang dem Eingang der Gatespan nungsdetektierschaltung 5 entspricht und deren zweiter Eingang dem Eingang der Stromdetektierschaltung 2 entspricht. Das heißt, die Hauptstrom-Eingangssignalleitung (eine zweite Ein gangssignalleitung) 14, die den Hauptstrom des IGBT 1 führt, ist mit ihrem einen Ende mit dem Fühlanschluß S des IGBT 1 verbunden, und ihr anderes Ende ist mit dem Eingang der Strom detektierschaltung 2 verbunden; und das eine Ende der Gate spannungs-Eingangssignalleitung (einer ersten Eingangssignal leitung) 15, die ein die Steuerspannung lieferndes Signal führt, ist mit dem Knotenpunkt N1 verbunden, und ihr anderes Ende ist mit dem Eingang (einem ersten Eingang) der Gatespan nungsdetektierschaltung 5 verbunden.

Die Ausgangssignalleitung 16 der Stromdetektierschaltung 2 ist mit dem Eingang (einem ersten Eingang) der Überstromdetektier schaltung 3 verbunden, und die Ausgangssignalleitung 17 der Überstromdetektierschaltung 3 und die Ausgangssignalleitung 18 der Gatespannungsdetektierschaltung 5 sind mit dem ersten Ein gang bzw. dem zweiten Eingang der Überstromentscheidungsschal tung 4, die aus einem UND-Glied besteht, verbunden.

Das eine Ende der ersten Ausgangssignalleitung 19 ist mit dem Knotenpunkt N2 verbunden, der dem Ausgang der Überstromentscheidungschaltung 4 und damit der Entscheidungsschaltung 10 entspricht, und ihr anderes Ende ist mit dem Fehlerausgang 9 durch einen NPN-Transistor 11 verbunden. Die erste Ausgangs signalleitung 19 führt ein Fehlerdetektiersignal (das den Aus gangsignalen VO1, VO1A in Fig. 1 entspricht), das eine Ent scheidung in bezug auf den Überstromzustand des IGBT 1 bildet, und gibt es nach außen ab. Die zweite Ausgangssignalleitung 13, die von der ersten Ausgangssignalleitung 19 am Ausgangs knotenpunkt N2 abzweigt, überträgt das Ergebnis der Entschei dung in bezug auf den Überstromzustand zu dem zweiten Eingang des NOR-Glieds 7b, wie oben erläutert.

Wie Fig. 3 zeigt, besteht die Stromdetektierschaltung 2 aus einem Stromdetektierwiderstand R, bei dem das eine Ende seinen Ausgang bildet und das andere Ende geerdet ist. Der Wert des Widerstands R ist so eingestellt, daß eine möglichst kleine Spannung erzeugt wird, wie das auch bei der in Fig. 11 gezeig ten Schaltung der Fall ist, um die Energieverluste am Wider stand R zu verringern.

Wie Fig. 4 zeigt, besteht die Überstromdetektierschaltung 3 aus einem zweiten Komparator C2, der einen zweiten Vergleichs vorgang ausführt. Der erste Eingang des Komparators C2 ist mit der Ausgangssignalleitung 16 verbunden, und seinem zweiten Eingang wird eine Schwellenspannung VRH2 (ein Überstromdetek tierpegel) entsprechend einem Schwellenstrom als Kriterium zu geführt, um zu bestimmen, ob der Hauptstrom sich im Überstrom zustand befindet. Wenn daher die Spannung auf der Ausgangssi gnalleitung 16 gleich der oder größer als die zweite Schwel lenspannung VRH2 ist, liefert der zweite Komparator C2 ein Ausgangssignal mit "H"-Pegel, um das Auftreten des Überstrom zustands anzuzeigen (ein zweiter Vergleich). Im übrigen gibt der zweite Komparator C2 nur das Ausgangssignal mit "L"-Pegel ab.

Wie Fig. 5 zeigt, hat die Gatespannungsdetektierschaltung 5 einen ersten Komparator C1, dessen erster Eingang die Signal leitung 15 als Eingang empfängt und dessen zweitem Eingang eine erste Schwellenspannung VTH1 zugeführt wird, die der Schwellenspannung des IGBT 1 entspricht. Nur wenn die Spannung auf der Ausgangssignalleitung 15 gleich der oder größer als die erste Schwellenspannung VTH1 ist, gibt dieser Komparator C1 ein Ausgangssignal mit dem "H"-Pegel ab, um anzuzeigen, daß die Steuerspannung zum IGBT 1 gleich der oder größer als die Schwellenspannung des IGBT 1 ist, d. h. daß sich der IGBT 1 tatsächlich im Einschaltbetriebszustand befindet (ein erster Vergleich).

Der von den Schaltungen 3 bis 5 in der Entscheidungsschaltung 10 gebildete Teil ist in den Schaltungen der Fig. 9 und 10 als Schaltung 10P dargestellt, die später als Beispiel für Modifi kationen beschrieben werden.

Fig. 6 ist ein Blockschaltbild, das die Überstromschutzschal tung 20A für den anderen IGBT 1A zeigt, der mit dem IGBT 1 an dem jeweiligen Anschluß U, V oder W in jedem der Wechselrich terschaltungsbereiche INVU bis INVW in Fig. 1 verbunden ist. Da der andere IGBT 1A das Schaltelement der Hochpotentialseite relativ zu dem IGBT 1 bildet, bildet in dem Fall der Schaltung 20A sein Emitteranschluß bzw. seine Emitterelektrode E die "erste Hauptelektrode", die mit der Last L' verbunden ist, und sein Kollektoranschluß bzw. seine Kollektorelektrode C ent spricht der "zweiten Hauptelektrode". Diese Definition ist in umgekehrter Beziehung zu derjenigen für den IGBT 1 in Fig. 2. In Fig. 6 sind die Schaltungen mit den gleichen Bezugszeichen wie die entsprechenden Schaltungen in Fig. 2 mit dem Zusatz "A" bezeichnet.

Da, wie oben angegeben, die Schaltung 20A sich von der Schal tung 20 in Fig. 2 nur durch die Verbindung zwischen der Last und dem IGBT unterscheidet, hat sie die gleichen Funktionen und Wirkungen wie die Schaltung 20. Daher wird nachstehend der Betrieb der in Fig. 2 gezeigten Schaltung beschrieben.

(A) Betrieb, wenn während des Übergangs vom Einschalt- in den Ausschaltbetrieb ein Überstrom fließt

Der Betrieb ist in diesem Fall in dem Zeitdiagramm der Fig. 7A bis 7H gezeigt.

Wenn das Eingangssignal VIN1 mit dem "H"-Pegel, der dem Ein schaltsignalpegel entspricht, an den Eingang 6 geführt wird, steigt die Steuerspannung nach Ablauf der Einschaltverzöge rungsdauer auf den "H"-Pegel, um den IGBT 1 in den Einschalt zustand zu bringen, und dann fließt der Hauptstrom in dem IGBT 1. Die Stromdetektierschaltung 2 überwacht den Pegel des Hauptstroms.

Es wird nun angenommen, daß das Eingangssignal VIN1 mit "L"- Pegel, der dem Ausschaltsignalpegel entspricht, an den Eingang 6 geführt wurde und daß dann der Pegel des in dem IGBT 1 flie ßenden Hauptstroms den Überstromdetektierpegel zum Zeitpunkt T1 vor dem Ablauf der Ausschaltverzögerungsdauer OFD erreich te, die erforderlich ist, bis der IGBT 1 den Ausschaltzustand erreicht. In diesem Fall (1) detektiert die Überstromdetek tierschaltung 3 den Überstrom und gibt das Ausgangssignal mit "H"-Pegel ab. Weiterhin ist (2) die Steuerspannung, die an dem Gate G des IGBT 1 anliegt, immer noch größer als die Schwel lenspannung des IGBT 1 zum Zeitpunkt T1, so daß die Gatespan nungsdetektierschaltung 5 diesen Zustand detektiert und das Ausgangssignal mit "H"-Pegel abgibt. Infolgedessen gibt die Überstromentscheidungsschaltung 4 das Ausgangssignal mit dem "H"-Pegel ab, dessen Pegel von dem Transistor 11 invertiert und dann dem externen Mikrocomputer vom Fehlerausgang 9 als Fehlerdetektiersignal zugeführt wird, das das Auftreten des Überstromzustands bezeichnet. Der Mikrocomputer 21 (Fig. 1) wird somit zu einem Zeitpunkt nahe dem Zeitpunkt T1 infor miert, daß sich der IGBT 1 im Überstromzustand befindet.

Bei Empfang der Information gibt der Mikrocomputer 21 (oder der Steuerbereich 22) in Fig. 1 die Eingangssignale VIN1, VIN1A, VIN2, VIN2A, VIN3 und VIN3A, deren Pegel auf dem Aus schaltsignalpegel fixiert sind, an die IGBT-Treiberschaltung 7 und sämtliche anderen Leistungstransistor-Treiberschaltungen ab, um sämtliche Leistungstransistoren sofort in den Aus schaltzustand zu bringen, und hält sie getrennt. Es ist zu be achten, daß sich der Leistungstransistor 1 zum Zeitpunkt (T1 + 1) bereits im Ausschaltzustand befindet.

Wenn in diesem Fall der Überstromzustand detektiert wird und die Spannung auf der zweiten Ausgangssignalleitung 13 sich vom "L"-Pegel zum "H"-Pegel ändert, beeinflußt dies die IGBT-Trei berschaltung 7 überhaupt nicht, weil der Ausgangspegel des NOR-Glieds 7b in der IGBT-Treiberschaltung 7 durch das Ein gangssignal VIN1 oder den Ausgangspegel des Inverters 7a auf dem "L"-Pegel festgelegt ist. Das heißt also, der IGBT 1 geht zu dem Zeitpunkt, zu dem die Ausschaltverzögerungsdauer OFD nach dem Eingang des Eingangssignals VIN1 mit Ausschaltsignal pegel abgelaufen ist, in den Ausschaltzustand, und zwar spezi ell zu dem Zeitpunkt, zu dem nach dem Zeitpunkt T1 die Zeit dauer t1 abgelaufen ist. Da der Steuerbereich 22, der das Fehlerdetektiersignal VO11 empfangen hat, das Eingangssignal VIN1 auf dem "L"-Pegel fixiert hält, fließt anschließend der Hauptstrom nicht. Da die Dauer des Impulses des Fehlerdetek tiersignals VO1 kurz ist, wie Fig. 7G zeigt, ist zu diesem Zeitpunkt der Zeitgeber 24 aktiv, der in Fig. 1 gezeigt ist, um die Impulsdauer des Fehlerdetektiersignals VO1 lang vorzu geben, wie bereits erläutert, so daß der Mikrocomputer 21 die ses detektieren kann.

Somit bietet die Schaltung 20 Funktionen und Auswirkungen, die im Stand der Technik nicht erhalten werden konnten. Wenn also das Eingangssignal sich vom Einschaltsignalpegel zum Aus schaltsignalpegel ändert und dann der IGBT 1 vor dem Ablauf der Ausschaltverzögerungsdauer in den Überstromzustand geht, kann die Schaltung 20 den Überstromzustand sofort und mit Sicherheit in demselben Augenblick, in dem er auftritt, detek tieren. Die Schaltung 20 gibt das Detektierergebnis sofort an den externen Mikrocomputer 21 ab, um diesen zu informieren, daß in dem IGBT 1 ein Überstromzustand aufgetreten ist, und zwar zu einem frühen Zeitpunkt nach dem Auftreten des Über stromzustands (dieser Zeitpunkt liegt vor der nächsten Ände rung des Eingangssignals VIN1 in den Einschaltsignalpegel).

Das ermöglicht es dem externen Mikrocomputer 21 oder dem Steu erbereich 22, den Pegel des Eingangssignals VIN1 sofort auf dem Ausschaltsignalpegel ("L") zu fixieren, um den IGBT 1 zu trennen, bevor das Eingangssignal VIN1 wieder den Einschalt signalpegel annimmt, so daß ein Hauptstrom, der gleich dem oder größer als der Hauptstrom ist, der zu dem Zeitpunkt (T1 + 1) in dem IGBT 1 fließt (der etwas größer als der Über stromdetektierpegel ist), nicht in dem IGBT 1 fließt.

Das heißt also, er kann den IGBT 1 vor dem Überstromzustand in einer früheren Phase schützen und einen Anstieg der Stromspan nung zum Abschaltzeitpunkt verhindern. Außerdem kann der Mi krocomputer 21 auch andere IGBTs, die zum Treiben des Dreh strommotors M dienen, mit derselben zeitlichen Steuerung ab schalten, so daß mit Sicherheit die übrigen IGBTs in einer früheren Phase nach dem Detektieren des Auftretens des Über stromzustands des IGBT 1 getrennt werden.

Wenn in dieser Schaltung 20 ferner ein Ausgangssignal mit dem "H"-Pegel auf der Ausgangssignalleitung 17 infolge der Eingabe eines Rauschsignals auftritt, während sich der IGBT 1 im Ausschaltbetriebszustand befindet, bleibt das Fehlerdetektier signal VO1 auf dem "H"-Pegel, da der Spannungspegel auf der Ausgangssignalleitung 18 auf dem "L"-Pegel bleibt. Diese Schaltung realisiert somit auch die Funktion, eine fehlerhafte Bestimmung, die durch Rauschen im Ausschaltzustand verursacht ist, ebenso wie die in Fig. 11 gezeigte Schaltung zu verhin dern.

(B) Betrieb, wenn im Einschaltbetrieb ein Überstromzustand auftritt

Der Betrieb der Schaltung 20 in diesem Fall ist in dem Zeit diagramm der Fig. 8A bis 8H gezeigt.

Wie die Fig. 8A bis 8H zeigen, realisiert diese Schaltung 20 ebenfalls die gleiche Funktion wie die in Fig. 11 gezeigte Schaltung. In diesem Fall bietet also die Entscheidungsschal tung 10 in Fig. 2 nicht nur die Funktion (a): Detektieren des Auftretens des Überstromzustands zu dem Zeitpunkt T1, in dem der ansteigende Hauptstrom für den IGBT 1 den Überstromdetek tierpegel erreicht, während sich der IGBT 1 im Einschaltzu stand befindet, und Abgeben des Bestimmungsergebnisses nach außen als Fehlerdetektiersignal VO1, sondern auch die Funktion (b): Bewirken, daß das Signal auf der zweiten Ausgangssignal leitung 13 auf den "H"-Pegel ansteigt, und Anlegen des Signals an das NOR-Glied 7b in der IGBT-Treiberschaltung 7, so daß der IGBT 1 im Einschaltbetrieb nach Ablauf der Verzögerungsdauer t1, in der der Hauptstrom nur geringfügig über den Überstrom detektierpegel angestiegen ist, selbst in den Ausschaltbetrieb gezwungen wird, um den Überstrom zu unterbrechen, so daß der IGBT 1 zu einem früheren Zeitpunkt geschützt wird.

Dann fixiert der Mikrocomputer 21 (oder der Steuerbereich 22) den Pegel des Eingangssignals VIN1 auf dem "L"-Pegel in Abhän gigkeit von dem Fehlerdetektiersignal VO11 (Fig. 1) zwischen dem Zeitpunkt T1 und dem Zeitpunkt T2, zu dem das Eingangssi gnal VIN1 erneut ansteigt. Das hält den IGBT 1 nach dem Zeit punkt T2 getrennt. Der Mikrocomputer 21 setzt ferner zum glei chen Zeitpunkt die Pegel sämtlicher Eingangssignale für die anderen IGBTs auf den "L"-Pegel, und die anderen IGBTs werden nach dem Zeitpunkt T2 ebenfalls getrennt gehalten.

Auf diese Weise hat die Schaltung 20 sämtliche Funktionen, die beim Stand der Technik realisiert werden.

Die Entscheidungsschaltung 10 der vorliegenden Erfindung kann mit den Betriebsweisen, die in den Abschnitten (A) und (B) und den Schaltungskonfigurationen gemäß Fig. 1 und Fig. 6 be schrieben sind, wie folgt konzipiert werden. Die Entschei dungsschaltung 10 empfängt den Hauptstrom und die Steuerspan nung des Leistungstransistors als Eingangssignale, und wenn sie detektiert, daß (i) die Steuerspannung gleich der oder größer als die Schwellenspannung des Leistungstransistors ist (erster Vergleich) und daß (ii) der Hauptstrom gleich einem oder größer als ein bestimmter Schwellenstrom ist (der Über stromdetektierpegel, zweiter Vergleich) (UND), dann entschei det sie, daß der Leistungstransistor im Überstromzustand ist, und gibt diese Entscheidung an ein externes Steuerungssystem (21, 22) über die Ausgangssignalleitung 19 in Form des Fehler detektiersignals ab.

Der Ausgang der Entscheidungsschaltung 10 ist ferner mit der IGBT-Treiberschaltung 9 verbunden, und sie hat außerdem die Funktion, daß sie dann, wenn sie das Auftreten des Überstrom zustands des IGBT 1 detektiert, wenn der Pegel des Eingangs signals VIN1 der Einschaltsignalpegel ("H") ist, die IGBT- Treiberschaltung 7 so steuert, daß die Steuerspannung, die bei oder über der Schwellenspannung des IGBT 1 ist, auf eine Span nung unter der Schwellenspannung ändert.

Wie oben beschrieben, führt die Überstromschutzschaltung für einen Leistungstransistor gemäß der bevorzugten Ausführungs form die Bestimmung durch, daß der Leistungstransistor sich im Überstromzustand befindet, wenn (1) die Steuerspannung des Leistungstransistors gleich der oder größer als die Schwellen spannung des Leistungstransistors ist und (2) der Überstromde tektor den Überstromzustand detektiert (d. h. zu dem Zeit punkt, wenn beiden Bedingungen (1) und (2) genügt ist), und meldet diese Entscheidung nach außen. Das ermöglicht es dem Mikrocomputer, die Pegel der Eingangssignale VIN1 bis VIN3A (Fig. 1) zu einem Zeitpunkt auf dem Ausschaltsignalpegel fest zulegen, der möglichst nahe an dem Augenblick des Auftretens des Überstromzustands ist, um diesen Leistungstransistor und sämtliche übrigen Leistungsstransistoren, die den Motor trei ben, zwangsweise abzuschalten, so daß die Leistungstransisto ren getrennt werden können, während der Hauptstrom, der fließt, kleiner als bei herkömmlichen Einrichtungen ist, so daß die Stoßspannung zum Abschaltzeitpunkt im Vergleich mit herkömmlichen Einrichtungen deutlich verringert wird.

Erstes Modifikationsbeispiel

Der IGBT 1 bei der ersten bevorzugten Ausführungsform hat zwar einen Fühlanschluß S, wie die Fig. 1, 2 und 6 zeigen, aber der Leistungstransistor in der Halbleiterschaltung gemäß der Er findung ist nicht auf einen solchen IGBT mit Fühlanschluß be schränkt. Beispielsweise kann eine Überstromschutzschaltung für Leistungstransistoren ähnlich wie diejenige von Fig. 2 aufgebaut sein, indem als Leistungstransistor ein IGBT verwen det wird, der keinen Fühlanschluß hat.

Fig. 9 zeigt ein Beispiel hierfür. Fig. 9 zeigt der Einfach heit halber eine Modifikation des ersten Wechselrichterschal tungsbereichs INVU von Fig. 1, aber der Aufbau der Schaltung INVU1 gemäß Fig. 9 kann auch bei dem zweiten und dem dritten Wechselrichterschaltungsbereich INVV, INVW von Fig. 1 auf die gleiche Weise angewandt werden.

Es versteht sich, daß diese Modifikation ebenfalls die bei der ersten bevorzugten Ausführungsform beschriebenen Funktionen und Wirkungen bietet.

Zweites Modifikationsbeispiel

Die Last ist zwar die Induktivität L, die auf der Basis der Wicklungen LU bis LW des Motors M von Fig. 1 bei der ersten bevorzugten Ausführungsform und dem ersten Modifikationsbei spiel bestimmt wird, aber die Last kann auch ein Widerstand 25 sein, wie er beispielsweise in Fig. 10 gezeigt ist. Wenn die Last der Widerstand 25 ist, steigt der in dem Widerstand 25 fließende Hauptstrom einfach an, wenn der IGBT 1 eingeschaltet ist, und es fließt kein Hauptstrom in dem IGBT 1, wenn er aus geschaltet ist. Wenn daher der IGBT 1 wieder einschaltet, er höht sich der Hauptstrom nicht kumulativ wie im Fall der In duktivität als Last. Aber auch in diesem Fall kann ein Über strom nicht nur dann fließen, wenn der IGBT 1 eingeschaltet ist, sondern wenn er einen Übergang vom Ein- in den Ausschalt zustand herstellt, und zwar aufgrund der Wirkung eines Rausch signals oder einer Änderung der äußeren Spannung. Somit bieten Anwendungen der Halbleiterschaltung der Erfindung die gleichen Funktionen und Wirkungen wie diejenigen, die bei der ersten bevorzugten Ausführungsform beschrieben sind, und zwar auch dann, wenn die Last ein Widerstand ist, so daß sich eine brauchbare Überstromschutzschaltung für Leistungstransistoren ergibt.

Die in Fig. 10 gezeigte Schaltung entspricht der in Fig. 2 ge zeigten, wobei gleiche Komponenten mit den gleichen Bezugszei chen versehen sind.

Drittes Modifikationsbeispiel

Die Leistungstransistoren sind nicht auf die IGBTs beschränkt, es können beispielsweise auch Isolierschicht-Schaltelemente, wie etwa Leistungs-MOS-FETs, als Leistungstransistoren verwen det werden.

Viertes Modifikationsbeispiel

Der Mikrocomputer 21 gibt zwar bei dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel gesonderte Eingangssignale an die Wechselrichterbe reiche INVU bis INVW ab, aber sämtliche Eingangssignale zu den Wechselrichterbereichen können auch dieselben Eingangssignale sein (in diesem Fall sind das Eingangssignal VIN1 und die an deren Eingangssignale VIN1A bis VIN3A dieselben Signale), oder Eingangssignale nur zu einer Vielzahl von Wechselrichterberei chen können dieselben Eingangssignale sein, während die ande ren Eingangssignale separat vorgegeben werden. In diesem Sinn sind "die anderen Eingangssignale" als ein Konzept zu verste hen, das die Fälle umfaßt, in denen sie dieselben Signale wie "die Eingangssignale" sind.

Claims

1. Halbleiterschaltung, umfassend:

- einen Leistungstransistor (1), der eine mit einer Last verbundene erste Hauptelektrode, eine zweite Hauptelektrode und eine Steuerelektrode (G) auf weist, wobei der Leistungstransistor einen Haupt strom zwischen der ersten Hauptelektrode und der zweiten Hauptelektrode durchläßt, wenn eine an die Steuerelektrode (G) angelegte Steuerspannung gleich einer oder größer als eine Schwellenspan nung ist;
- eine Eingangssignalleitung (12), die ein Eingangs signal empfängt und überträgt, das einen Ein schaltsignalpegel und einen Ausschaltsignalpegel hat, die sich abwechselnd und periodisch ändern;
- eine Treiberschaltung (7), die einen mit der Ein gangssignalleitung (12) verbundenen Eingang und einen mit der Steuerelektrode (G) des Leistungs transistors verbundenen Ausgang hat; und
- eine Entscheidungsschaltung (10), die den Haupt strom und die Steuerspannung des Leistungstransi stors als Eingangssignale empfängt,

dadurch gekennzeichnet, daß die Treiberschaltung die Steuerspannung, die gleich der oder größer als die Schwellenspannung ist, an ihrem Ausgang nach Ablauf einer Verzögerung, die einer Einschalt-Verzögerungsdauer entspricht, nach dem Eingang des Eingangssignals abgibt, wenn der Pegel des Ein gangssignals der Einschaltsignalpegel ist, und die Steuerspannung, die kleiner als die Schwellenspannung ist, an ihrem Ausgang nach Ablauf einer Verzögerung, die einer Ausschalt-Verzögerungsdauer entspricht, nach dem Eingang des Eingangssignals abgibt, wenn der Pegel des Eingangssignals der Ausschaltsignalpegel ist, und daß die Entscheidungsschaltung entscheidet, daß sich der Leistungstransistor in einem Überstromzustand befindet, wenn sie detektiert, daß die Steuerspannung gleich der oder größer als die Schwellenspannung ist und der Hauptstrom gleich einem oder größer als ein bestimmter Schwellenstrom ist.

2. Halbleiterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entscheidungsschaltung (10) einen ersten Ver gleich zwischen der Steuerspannung und der Schwellen spannung und einen zweiten Vergleich zwischen dem Hauptstrom und dem Schwellenstrom durchführt und auf der Basis eines Resultats des ersten Vergleichs und ei nes Resultats des zweiten Vergleichs entscheidet, ob ein Überstromzustand vorliegt.

3. Halbleiterschaltung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Ausgangssignalleitung (19), die mit einem Ausgang der Entscheidungsschaltung (10) verbunden ist und ein Ausgangssignal, das das Resultat der von der Entschei dungsschaltung getroffenen Entscheidung darstellt, als Fehlerdetektiersignal (VO1) abgibt.

4. Halbleiterschaltung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Steuerungseinrichtung (22), die mit der Eingangs signalleitung (12) und der Ausgangssignalleitung (19) verbunden ist, wobei die Steuerungseinrichtung den Pe gel des Eingangssignals in Abhängigkeit von dem Ein gangszeitpunkt des Fehlerdetektiersignals auf dem Aus schaltsignalpegel festlegt, wenn das Fehlerdetektier signal anzeigt, daß sich der Leistungstransistor (1) in dem Überstromzustand befindet.

5. Halbleiterschaltung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch

- einen weiteren Leistungstransistor (1A), der ge meinsam mit dem Leistungstransistor (1) eine ex terne Lasteinrichtung (M) treibt, und
- eine weitere Treiberschaltung (7A), die einen mit der Steuerungseinrichtung (22) verbundenen Eingang hat und ein weiteres Eingangssignal empfängt, das von der Steuerungseinrichtung abgegeben wird und abwechselnd zwischen dem Einschaltsignalpegel und dem Ausschaltsignalpegel umschaltet, um dadurch den weiteren Leistungstransistor (1A) zu treiben,

wobei dann, wenn das Fehlerdetektiersignal anzeigt, daß sich der Leistungstransistor (1) in dem Überstromzu stand befindet, die Steuerungseinrichtung (22) den Pe gel des anderen Eingangssignals in Abhängigkeit von dem Eingangszeitpunkt des Fehlerdetektiersignals auf dem Ausschaltsignalpegel festlegt.

6. Halbleiterschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Treiberschaltung (7) ferner mit dem Ausgang der Entscheidungsschaltung (10) verbunden ist und die Trei berschaltung die Steuerspannung, die gleich der oder größer als die Schwellenspannung ist, zu der Spannung ändert, die kleiner als die Schwellenspannung ist, wenn der Pegel des Eingangssignals der Einschaltsignalpegel ist und wenn das Resultat der von der Entscheidungs schaltung (10) getroffenen Entscheidung die Detektie rung des Überstromzustands zeigt.

7. Halbleiterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Treiberschaltung (7) auch mit dem Ausgang der Entscheidungsschaltung (10) verbunden ist und die Trei berschaltung die Steuerspannung, die gleich der oder größer als die Schwellenspannung ist, zu der Spannung ändert, die kleiner als die Schwellenspannung ist, wenn der Pegel des Eingangssignals der Einschaltsignalpegel ist und wenn das Resultat der von der Entscheidungs schaltung (10) getroffenen Entscheidung die Detektie rung des Überstromzustands zeigt.