JP2015053749A - 電力用半導体素子の駆動回路 - Google Patents
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Abstract
Description
[実施の形態1]
図1は本発明の実施の形態1による電力用半導体素子およびその駆動回路の構成を示す図である。図1では電力用半導体素子1としてIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)を例に示しているが、必ずしもIGBTに限定されるものではなく、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)などの自己消弧型半導体素子であってもよい。
第1の比較器6は、検出された電力用半導体素子1のゲートに供給される電荷量を表す電圧Eと、第1の基準電圧VREF1とを比較して、比較結果を表す信号S1を出力する。電力用半導体素子1のゲートに供給される電荷量を表す電圧Eが第1の基準電圧VREF1よりも低い場合、信号S1は「H」レベルとなる。電力用半導体素子1のゲートに供給される電荷量を表す電圧Eが第1の基準電圧VREF1以上の場合、信号S1は「L」レベルとなる。
第2の基準電圧発生回路8は、第2の基準電圧VREF2(第2の基準値)を発生する。
図4は、本発明の実施の形態1の変形例による電力用半導体素子およびその駆動回路の構成を示す図である。
本実施の形態は、電荷量検出部の具体的な構成に関する。
積分部16は、反転積分回路26と、反転増幅回路27とを備える。
抵抗素子R2は、オペアンプ18bの出力端子と反転入力端子との間に設けられる。オペアンプ18bの反転入力端子は、抵抗素子R1を介して、反転積分回路26の出力電圧V0を受ける。オペアンプ18bの非反転入力端子は、グランドに接地される。オペアンプ18bの出力端子は、電圧Voutを出力する。
本実施の形態は、電荷量検出部の別の具体的な構成に関する。
図8に示すように、ゲート電流対応電圧検出部17は差動増幅回路で構成される。差動増幅回路は、抵抗素子R1〜R4と、オペアンプ19で構成される。オンゲート抵抗2aの一端である電力用半導体素子1のゲート端子側の電位をVaとし、他端であるバッファ回路3側の電位をVbとする。
図9は、本発明の実施の形態4による電力用半導体素子の駆動回路のゲート電流対応電圧検出部の構成を示す図である。
図10は、本発明の実施の形態5による電力用半導体素子の駆動回路の積分部16と、積分値初期化部12の構成を示す図である。
図10に示すように、積分値初期化部12は、リセットスイッチ21と抵抗素子22とを備える。
図11は、本発明の実施の形態5の変形例1による電力用半導体素子の駆動回路の積分部16と、積分値初期化部72の構成を示す図である。
図11に示すように、積分値初期化部72は、リセットスイッチとしてのPNPトランジスタ24と、抵抗素子22とを備える。
図12は、本発明の実施の形態5の変形例2による電力用半導体素子の駆動回路の積分部16と、積分値初期化部82の構成を示す図である。
図12に示すように、積分値初期化部82は、リセットスイッチとしてのPチャネルMOSFET25と、抵抗素子22とを備える。
図15は、本発明の実施の形態6による電力用半導体素子およびその駆動回路の構成を示す図である。
図16は、本発明の実施の形態7による電力用半導体素子およびその駆動回路の構成を示す図である。
図17は、本発明の実施の形態8による電力用半導体素子およびその駆動回路の構成を示す図である。
出力部91は、図18に示すように、第1の短絡判定部10の出力信号S0をそのまま出力する。すなわち、電荷量検出部4により検出された電荷量を表す電圧が第1の基準電圧VREF1よりも低く、かつ、ゲート電圧検出部7により検出されたゲート電圧が第2の基準電圧VREF2よりも高い場合に、電力用半導体素子1が短絡状態であることを表す「H」レベルの信号S0が出力端子PDから出力される。
図19は、本発明の実施の形態9による電力用半導体素子およびその駆動回路の構成を示す図である。
図21は、本発明の実施の形態10による電力用半導体素子およびその駆動回路の構成を示す図である。
出力部93は、セレクト信号SLが「01」の場合には、ゲート電圧検出部7で検出されたゲート電圧Vgeを最大ゲート電圧VMAXで除算し、ゲート電圧比RVgeを求める。出力部93は、図23(a)に示すように、ゲート電圧比RVgeをオンパルスまたはオフパルスのデューティ比とする信号を生成して、出力端子PDから出力する。
出力部93は、図23(a)〜(c)に示すようなアナログ信号ではなく、デジタル信号を出力するものとしてもよい。本実施の形態では、一例として、ゲート電圧比RVgeおよび電荷量比RQgを6ビットのデジタル値で表すことにする。
出力部93は、セレクト信号SLが「01」の場合には、図24に示すように、スタートビットと、6ビットのゲート電圧比RVge(第0ビットb0〜第5ビットb5)と、ストップビットとを含むシリアル信号を生成して、出力端子PDから出力する。
図26は、本発明の実施の形態11による電力用半導体素子およびその駆動回路の構成を示す図である。
Claims (18)
- 外部から入力されるオン指令またはオフ指令に基づいて、電力用半導体素子の開閉状態を制御する制御指令部と、
前記制御指令部が前記電力用半導体素子を閉状態に遷移させる指令を出力してから前記電力用半導体素子のゲートに供給される電荷量を検出する電荷量検出部と、
前記電力用半導体素子のゲート電圧を検出するゲート電圧検出部と、
前記電荷量検出部で検出された電荷量と、第1の基準値とを比較する第1の比較器と、
前記ゲート電圧検出部で検出されたゲート電圧と、第2の基準値とを比較する第2の比較器と、
前記第1の比較器の比較結果と前記第2の比較器の比較結果に基づいて、前記電力用半導体素子が短絡状態か否かを判定する第1の短絡判定部と、
前記電力用半導体素子が短絡状態であることを前記第1の短絡判定部が判定した際に、前記第1の短絡判定部の出力信号を保持する検出信号保持部とを備えた電力用半導体素子の駆動回路。 - 前記電荷量検出部は、
前記電力用半導体素子のゲート端子に流入するゲート電流を検出するゲート電流検出部と、
前記検出したゲート電流を積分する積分部とを含む、請求項1に記載の電力用半導体素子の駆動回路。 - 前記電荷量検出部は、
前記電力用半導体素子のゲート端子に流入するゲート電流に対応する電圧を検出するゲート電流対応電圧検出部と、
前記検出したゲート電流に対応する電圧を積分する積分部とを含む、請求項1に記載の電力用半導体素子の駆動回路。 - 前記ゲート電流対応電圧検出部は、一方の入力端子がオンゲート抵抗の一端と接続し、他方の入力端子がオンゲート抵抗の他端と接続する差動増幅回路で構成される、請求項3記載の電力用半導体素子の駆動回路。
- 前記積分部による積分値を初期化する積分初期化部をさらに備えた、請求項2または3に記載の電力用半導体素子の駆動回路。
- 前記第1の基準値および前記第2の基準値は、前記電力用半導体素子のゲート電圧と電荷量の関係を示すグラフにおいて、正常なターンオン動作時の前記電力用半導体素子のゲート電圧−電荷量曲線と、アーム短絡状態でのターンオン動作時の前記電力用半導体素子のゲート電圧−電荷量曲線と、前記電力用半導体素子のゲート駆動電源電圧を示す直線とで囲まれる領域内に含まれ、前記第1の短絡判定部は、前記電荷量検出部で検出された電荷量が前記第1の基準値よりも小さく、かつ前記ゲート電圧検出部で検出されたゲート電圧が前記第2の基準値よりも大きい場合に、前記電力用半導体素子が短絡状態であると判定する、請求項1記載の電力用半導体素子の駆動回路。
- 外部から入力されるオン指令またはオフ指令に基づいて、電力用半導体素子の開閉状態を制御する制御指令部と、
前記制御指令部が前記電力用半導体素子を閉状態に遷移させる指令を出力してから前記電力用半導体素子のゲートに供給される電荷量を検出する電荷量検出部と、
前記電力用半導体素子のゲート電圧を検出するゲート電圧検出部と、
前記電荷量検出部で検出された電荷量と、第3の基準値とを比較する第3の比較器と、
前記ゲート電圧検出部で検出されたゲート電圧と、第4の基準値とを比較する第4の比較器と、
前記第3の比較器の比較結果と前記第4の比較器の比較結果に基づいて、前記電力用半導体素子が短絡状態か否かを判定する第2の短絡判定部と、
前記電力用半導体素子が短絡状態であることを前記第2の短絡判定部が判定した際に、前記第2の短絡判定部の出力信号を保持する検出信号保持部とを備え、
前記第3の基準値は、前記ゲート電圧が前記電力用半導体素子のゲート駆動電源電圧のときに検出される電荷量よりも小さな値であり、かつ前記第4の基準値は、前記ゲート駆動電源電圧以上の値であり、
前記第2の短絡判定部は、前記電荷量検出部で検出された電荷量が前記第3の基準値よりも小さく、かつ前記ゲート電圧検出部で検出されたゲート電圧が前記第4の基準値よりも大きい場合に、前記電力用半導体素子が短絡状態であると判定する、電力用半導体素子の駆動回路。 - 前記第1の基準値および前記第2の基準値は、前記電力用半導体素子のゲート電圧と電荷量の関係を示すグラフにおいて、正常なターンオン動作時の前記電力用半導体素子のゲート電圧−電荷量曲線と、アーム短絡状態でのターンオン動作時の前記電力用半導体素子のゲート電圧−電荷量曲線と、前記電力用半導体素子のゲート駆動電源電圧を示す直線とで囲まれる領域内に含まれ、前記第1の短絡判定部は、前記電荷量検出部で検出された電荷量が前記第1の基準値よりも小さく、かつ前記ゲート電圧検出部で検出されたゲート電圧が前記第2の基準値よりも大きい場合に、前記電力用半導体素子が短絡状態であると判定し、
前記電力用半導体素子の駆動回路は、さらに、
前記電荷量検出部で検出された電荷量と、第3の基準値とを比較する第3の比較器と、
前記ゲート電圧検出部で検出されたゲート電圧と、第4の基準値とを比較する第4の比較器と、
前記第3の比較器の比較結果と前記第4の比較器の比較結果に基づいて、前記電力用半導体素子が短絡状態か否かを判定する第2の短絡判定部とを備え、
前記第3の基準値は、前記ゲート電圧が前記ゲート駆動電源電圧のときに検出される電荷量よりも小さな値であり、かつ前記第4の基準値は、前記ゲート駆動電源電圧以上の値であり、
前記第2の短絡判定部は、前記電荷量検出部で検出された電荷量が前記第3の基準値よりも小さく、かつ前記ゲート電圧検出部で検出されたゲート電圧が前記第4の基準値よりも大きい場合に、前記電力用半導体素子が短絡状態であると判定し、
前記検出信号保持部は、前記電力用半導体素子が短絡状態であることを前記第1の短絡判定部と前記第2の短絡判定部のいずれか一方が判定した際に、前記第1の短絡判定部または前記第2の短絡判定部の出力信号を保持する、請求項1記載の電力用半導体素子の駆動回路。 - 前記電力用半導体素子がSiC−MOSFETである、請求項1〜8のいずれか1項に記載の電力用半導体素子の駆動回路。
- 前記第1の短絡判定部の判定結果を表す信号を出力する出力部と、
前記出力部からの信号を外部へ出力する出力端子とをさらに備えた、請求項1記載の
電力用半導体素子の駆動回路。 - 前記第1の比較器の比較結果を表す信号を出力する出力部と、
前記出力部からの信号を外部へ出力する出力端子とをさらに備えた、請求項1記載の
電力用半導体素子の駆動回路。 - 前記第2の比較器の比較結果を表す信号を出力する出力部と、
前記出力部からの信号を外部へ出力する出力端子とをさらに備えた、請求項1記載の
電力用半導体素子の駆動回路。 - 前記電荷量検出部の検出結果を表す信号を出力する出力部と、
前記出力部からの信号を外部へ出力する出力端子とをさらに備えた、請求項1記載の
電力用半導体素子の駆動回路。 - 前記ゲート電圧検出部の検出結果を表す信号を出力する出力部と、
前記出力部からの信号を外部へ出力する出力端子とをさらに備えた、請求項1記載の
電力用半導体素子の駆動回路。 - 前記電荷量検出部の検出結果を出力するか、前記ゲート電圧検出部の検出結果を表す信号を出力するか、前記電荷量検出部の検出結果を表す信号と前記ゲート電圧検出部の検出結果を表す信号の両方を出力するかを指定するための第1のセレクト端子を備え、
前記第1のセレクト端子を通じて指定された信号を出力する出力部と、
前記出力部からの信号を外部へ出力する出力端子とをさらに備えた、請求項1記載の
電力用半導体素子の駆動回路。 - 前記出力部は、前記検出結果をオンパルスもしくはオフパルスのデューティ比とする信号を前記出力端子を通じて外部へ出力する、請求項13〜15のいずれか1項に記載の電力用半導体素子の駆動回路。
- 前記出力部は、前記検出結果を表すデジタル値を含むシリアル信号を前記出力端子を通じて外部へ出力する、請求項13〜15のいずれか1項に記載の電力用半導体素子の駆動回路。
- 前記検出結果をオンパルスもしくはオフパルスのデューティ比で出力するか、またはシリアル信号で出力するかを指定するための第2のセレクト端子をさらに備え、
前記出力部は、前記第2のセレクト端子を通じて指定された形式で、前記信号を前記出力端子を通じて外部へ出力する、請求項13〜15のいずれか1項に記載の電力用半導体素子の駆動回路。
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