JP2012244365A - 半導体装置の短絡保護装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】IGBTのゲート電荷QGに対応する電圧VQGを検出する電荷検出手段22と、IGBTの定格動作時の入力部の電荷から負荷短絡が発生したかどうかを判断するための基準電圧VREFを発生する基準電圧発生手段25と、電荷検出手段22で検出された電圧VQGがIGBTの定格動作時の電荷に対応する電圧か、あるいは負荷短絡時の電荷に対応する電圧かを判断する判断手段27と、判断手段27が短絡状態を検出したときにIGBTを動作停止する信号を出力するゲート駆動手段21とを持つ半導体装置の短絡保護装置において、基準電圧発生手段25に、IGBTの定格動作時の入力部の電荷に対応するゲート電荷電圧VQGのハイレベルで安定した電圧VPEAKを検出して記憶する記憶手段26を設ける。
【選択図】 図5
Description
IGBTに接続された負荷が短絡すると、IGBTチップ1cm2あたり1000A以上もの大きな電流が流れ、チップの温度が1μ秒で300Kほど、急激に上昇し、IGBTは破壊する。このような破壊を防ぐために高速な保護が必要となる。
従来の負荷短絡保護装置に使用されるIGBTでは、チップ上でIGBTの主エミッタからエミッタを分離した面積の小さいセンスエミッタが設けられている(例えば、特許文献1参照)。センスエミッタにはセンス抵抗RSを介して主エミッタと接続されており、センス抵抗RSでの電圧降下が制御回路に出力されている。
(1)エミッタ電流IEは、負荷短絡時に1cm2あたり1000A以上の大電流が流れるので、分流したセンスエミッタに流れる電流にノイズがのりやすく、ノイズによる誤動作を防ぐために制御回路が負荷短絡の判断を行うのに時間がかかる。すなわち、ノイズを除去するためにフィルタを通す必要があるが、フィルタによるノイズ除去に時間がかかる(時間遅れが生じる)ため、短絡保護の高速化が難しい。
(2)IGBTはチップの小型化、薄型化、大容量化が進められており、今後チップの熱容量が下がる一方でチップに流れる電流密度が増加する。それにつれて、負荷短絡時のチップの温度上昇の速度が速くなり、さらに高速な短絡保護が必要となるが、従来の保護方法では高速化が困難である。
このような保護方法は既に公知であり、例えば特許文献2に開示されている。
理由として、前述したようにIGBTに流す電流の高密度化により、IGBTの保護に必要とされる速度が高速化されており、1μ秒以下での保護が必要とされている。この値から保護に必要な速度として1MHz以上と算出されるが、実際に保護をかけるとすると、A/D変換で必要なクロック数などを考えるとこの値の10倍の10MHz以上が必要とされる。
上記の理由から、第1の実施の形態では、十分な負荷短絡保護の速度を得るために60MHzでA/Dコンバータ4を動作させた。
理由として、上記のA/Dコンバータ4のパラメータを決定する理由と同様に、十分な速度(10MHz以上)でのプログラム処理能力が必要とされるからである。
たとえば、パワーIC上のIGBTで、ゲート駆動回路2とIGBTを同じチップ上に作成する場合は、この値を小さくでき、高速な保護が可能となる。
この理由として、実際にIGBTは通常5〜20kHzのスイッチング周波数で動作させ、IGBTのターンオン時間は通常500n秒以下となる。十分な時間分解能を得るために10倍以上の20MHz以上で変換を行う必要がある。高性能なIGBTを用いるとターンオン時間は100n秒程度になるので、100MHz以上で変換を行う必要があるためであり、第1の実施の形態では十分な時間分解能を得るために125MHzでD/Aコンバータ11を動作させた。
図示するように、定格動作時には、ゲート電荷電圧VQGは減少しない。パルス発生器8から出力された信号は、ゲートコントローラ10を通過し、D/Aコンバータ11でアナログ信号に変換されて、ゲート駆動回路2に入力されることで、IGBTを駆動させる。
図示するように、負荷短絡時には、ゲート電荷電圧VQGが定格動作時に比べ減少する。その減少をデジタル回路内のコンパレータ7により検知して負荷短絡と判断し、ゲートコントローラ10に信号を出力する。ゲートコントローラ10に信号が入力されるとパルス発生器8からのON信号を遮断し、D/Aコンバータ11への入力がOFF信号となる。それにより、ゲート駆動回路2への入力がOFF信号となり、IGBTをターンオフさせて主電流を遮断する。
図示するように、負荷短絡が生じてからIGBTをターンオフさせて主電流を遮断するまでに、2μ秒かかっている。
図5(a)に示すように、この負荷短絡保護装置20は、ゲート駆動手段21、電荷検出手段22、アナログ・デジタル変換手段23、フィルタ24、基準電圧検出手段25、記憶手段26、判断手段27、ゲート制御信号形成手段28、信号合成29などの機能により構成される。
デジタル化された信号をデジタル回路(FPGAなどを使用)に入力して負荷短絡保護のための信号処理を行う。
基準電圧検出手段25は、フィルタ24から出力される定格動作時のゲート電荷電圧VQGの波形のハイレベルで安定した電圧VPEAKを検出し、この検出した値から負荷短絡状態となったかどうかを判断するための基準電圧VREFを生成する手段である。
基準電圧VREFは一度生成されると、メモリ(Flashメモリ、不揮発メモリ)を用いることで、その値を記憶するようにしている。また、大容量のメモリを用いることで、定格動作時のゲート電荷QGの波形を記憶して、基準電圧VREFを波形として記憶し、生成することもできる。
IGBTが定格動作時には、判断手段27から出力される信号とゲート制御信号(PWM)形成手段28から出力されるPWM信号とを論理回路で合成し、ゲート駆動手段21に信号が入力されることでIGBTを駆動させる。
図示するように、信号合成をデジタル回路で行うことにより、外部からのノイズの影響を受けにくくすることができる。
図示するように、1つの半導体チップにまとめると、配線長を短くすることが可能となり、ノイズの影響を減らすことができる。かつ、回路規模の縮小及びコストの削減も実現できる。
図示するように、1つの半導体チップにまとめると、IGBTに数百A以上流す際は、ゲート駆動手段21にディスクリートの素子を使用しなければIGBTを駆動することができない。家電製品などに使用されている数A〜10A程度しか流さないIGBTはゲート容量が小さいので、ICチップによる駆動が可能となり、半導体チップ上にのせることで部品点数の減少が実現できる。
図示するように、1つの半導体チップにまとめると、ゲート制御(PWM)形成手段28、及びIGBTの基板をまとめることで、図9の負荷短絡保護装置と比較して、部品点数の減少が実現できる。
図示するように、ゲート制御信号(PWM)形成手段28をデジタル化することにより、ゲート制御信号(PWM)の制御の簡易化を実現する。
図示するように、基本的な構造は図6と同様であるが、アナログ・デジタル変換・変調手段32、マルチプレクサ33、減衰波形形成手段31、デジタル・アナログ変換手段34などが機能として追加される。
2 ゲート駆動回路
3 ゲート電荷測定回路
4 A/Dコンバータ
5 デジタルフィルタ
6 ピーク検出器
7 コンパレータ
8 パルス発生器
9 ゲートオフ電圧
10 ゲートコントローラ
11 D/Aコンバータ
20 負荷短絡保護装置
21 ゲート駆動手段
22 電荷検出手段
23 アナログ・デジタル変換手段
24 フィルタ
25 基準電圧検出手段
26 記憶手段
27 判断手段
28 ゲート制御信号形成手段
29 信号合成
30 コンパレータ
31 短絡発生時のゲート電圧減衰波形形成手段
32 アナログ・デジタル変換・変調手段
33 マルチプレクサ
34 デジタル・アナログ変換手段
35 積分手段
36 微分手段
37 列挙手段
38 減算手段
QG IGBTのゲート電荷
VQG ゲート電荷電圧
VCE コレクタ・エミッタ間電圧
VGE ゲート・エミッタ間電圧
IG IGBTのゲートに流れる電流
IG * 電荷検出手段に流れる電流
VREF 基準電圧
Vpeak 定格動作時のゲート電荷電圧VQGのハイレベルで安定した値
VP デジタル回路からの出力
High ハイレベル(“1”)信号
Low ローレベル(“0”)信号
Claims (3)
- 半導体素子の入力部の電荷に対応する電圧を検出する電荷検出手段と、前記半導体素子の定格動作時の入力部の電荷から負荷短絡が発生したかどうかを判断するための基準電圧を発生する基準電圧発生手段と、前記電荷検出手段で検出された電圧が前記半導体素子の定格動作時のゲート電荷に対応する電圧か、あるいは負荷短絡時のゲート電荷に対応する電圧かを判断する判断手段と、前記判断手段が負荷短絡を検出したときに前記半導体素子を動作停止する信号を出力する半導体素子駆動手段とを持つ半導体装置の短絡保護装置において、
前記基準電圧発生手段に、前記半導体素子の定格動作時における入力部の電荷から負荷短絡が発生したかどうかを判断するための基準電圧を検出して記憶する記憶手段を設けたことを特徴とする半導体装置の短絡保護装置。 - 前記電荷検出手段のアナログ出力をデジタル信号に変換するアナログ・デジタル変換手段を設け、前記基準電圧発生手段及び前記判断手段をデジタル化し、前記判断手段からのデジタル出力信号をアナログ信号に変換して前記半導体素子駆動手段に出力するデジタル・アナログ変換手段を有する請求項1記載の半導体装置の短絡保護装置。
- 前記半導体素子駆動手段へのアナログ制御信号をデジタル信号に変換する第2アナログ・デジタル変換手段と、負荷短絡時における前記判断手段からのデジタル出力信号をトリガーとしてゲート駆動手段に出力する波形をデジタル的な減衰波形に変換する減衰波形形成手段と、前記第2アナログ・デジタル変換手段の出力と前記減衰波形形成手段の出力を、定格動作時と負荷短絡時とで選択して前記デジタル・アナログ変換手段に出力するマルチプレクサとをさらに有する請求項2記載の半導体装置の短絡保護装置。
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Cited By (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2015053749A (ja) * | 2013-09-05 | 2015-03-19 | 三菱電機株式会社 | 電力用半導体素子の駆動回路 |
US9322852B2 (en) | 2014-07-15 | 2016-04-26 | Ford Global Technologies, Llc | Gate drive under-voltage detection |
JP6425864B1 (ja) * | 2017-07-28 | 2018-11-21 | 三菱電機株式会社 | 電力用半導体素子の駆動回路 |
CN108957278A (zh) * | 2018-08-10 | 2018-12-07 | 中国矿业大学 | 基于门极电荷Qg的大功率IGBT故障诊断及保护方法和装置 |
WO2019021590A1 (ja) * | 2017-07-28 | 2019-01-31 | 三菱電機株式会社 | 電力用半導体素子の駆動回路 |
CN110741542A (zh) * | 2017-06-13 | 2020-01-31 | 三菱电机株式会社 | 半导体元件的驱动电路 |
CN111864701A (zh) * | 2020-07-27 | 2020-10-30 | 深圳青铜剑技术有限公司 | 用于igbt短路保护的基准电压产生电路及方法 |
CN113726212A (zh) * | 2021-09-01 | 2021-11-30 | 青岛海信日立空调***有限公司 | 一种变频设备 |
CN116231593A (zh) * | 2023-02-25 | 2023-06-06 | 广州锐速智能科技股份有限公司 | 一种igbt驱动电源保护方法、***、设备及介质 |
CN118033483A (zh) * | 2024-04-11 | 2024-05-14 | 湖南大学 | 一种基于分数阶栅极电流的短路检测方法及电路 |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2001014042A (ja) * | 1999-06-30 | 2001-01-19 | Sanyo Electric Co Ltd | 電池の過電流保護回路 |
JP2003188382A (ja) * | 1997-03-14 | 2003-07-04 | Toshiba Corp | 半導体装置及びその制御方法 |
JP2004064930A (ja) * | 2002-07-30 | 2004-02-26 | Mitsubishi Electric Corp | 電力用半導体素子の駆動回路 |
JP2009225506A (ja) * | 2008-03-13 | 2009-10-01 | Toshiba Corp | 電力変換器 |
-
2011
- 2011-05-18 JP JP2011111884A patent/JP5721137B2/ja not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2003188382A (ja) * | 1997-03-14 | 2003-07-04 | Toshiba Corp | 半導体装置及びその制御方法 |
JP2001014042A (ja) * | 1999-06-30 | 2001-01-19 | Sanyo Electric Co Ltd | 電池の過電流保護回路 |
JP2004064930A (ja) * | 2002-07-30 | 2004-02-26 | Mitsubishi Electric Corp | 電力用半導体素子の駆動回路 |
JP2009225506A (ja) * | 2008-03-13 | 2009-10-01 | Toshiba Corp | 電力変換器 |
Cited By (17)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2015053749A (ja) * | 2013-09-05 | 2015-03-19 | 三菱電機株式会社 | 電力用半導体素子の駆動回路 |
US9322852B2 (en) | 2014-07-15 | 2016-04-26 | Ford Global Technologies, Llc | Gate drive under-voltage detection |
CN110741542A (zh) * | 2017-06-13 | 2020-01-31 | 三菱电机株式会社 | 半导体元件的驱动电路 |
CN110741542B (zh) * | 2017-06-13 | 2021-12-14 | 三菱电机株式会社 | 半导体元件的驱动电路 |
CN110945789B (zh) * | 2017-07-28 | 2023-11-03 | 三菱电机株式会社 | 功率用半导体元件的驱动电路 |
JP6425864B1 (ja) * | 2017-07-28 | 2018-11-21 | 三菱電機株式会社 | 電力用半導体素子の駆動回路 |
WO2019021590A1 (ja) * | 2017-07-28 | 2019-01-31 | 三菱電機株式会社 | 電力用半導体素子の駆動回路 |
CN110945789A (zh) * | 2017-07-28 | 2020-03-31 | 三菱电机株式会社 | 功率用半导体元件的驱动电路 |
US10790813B2 (en) | 2017-07-28 | 2020-09-29 | Mitsubishi Electric Corporation | Drive circuit for power semiconductor element |
CN108957278A (zh) * | 2018-08-10 | 2018-12-07 | 中国矿业大学 | 基于门极电荷Qg的大功率IGBT故障诊断及保护方法和装置 |
CN108957278B (zh) * | 2018-08-10 | 2024-03-29 | 中国矿业大学 | 基于门极电荷Qg的大功率IGBT故障诊断及保护方法和装置 |
CN111864701A (zh) * | 2020-07-27 | 2020-10-30 | 深圳青铜剑技术有限公司 | 用于igbt短路保护的基准电压产生电路及方法 |
CN111864701B (zh) * | 2020-07-27 | 2023-03-21 | 深圳青铜剑技术有限公司 | 用于igbt短路保护的基准电压产生电路及方法 |
CN113726212A (zh) * | 2021-09-01 | 2021-11-30 | 青岛海信日立空调***有限公司 | 一种变频设备 |
CN116231593A (zh) * | 2023-02-25 | 2023-06-06 | 广州锐速智能科技股份有限公司 | 一种igbt驱动电源保护方法、***、设备及介质 |
CN118033483A (zh) * | 2024-04-11 | 2024-05-14 | 湖南大学 | 一种基于分数阶栅极电流的短路检测方法及电路 |
CN118033483B (zh) * | 2024-04-11 | 2024-07-02 | 湖南大学 | 一种基于分数阶栅极电流的短路检测方法及电路 |
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