JP2020136875A - 半導体モジュールおよび駆動回路 - Google Patents
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第1の主電極端子、第2の主電極端子、制御電極端子、および前記第1の主電極端子と前記第2の主電極端子との間に流れる電流に応じたセンス電流を出力するセンス端子を備え、前記制御電極端子に加えられる駆動信号の電圧に応じて前記第1の主電極端子と前記第2の主電極端子との間に流れる電流を制御する半導体スイッチング素子と、
入力信号に同期して前記駆動信号を生成し、該駆動信号により前記半導体スイッチング素子をオン・オフ制御するドライブ回路と、
ダイオードと第1のコンデンサを備える外部回路であって、前記ダイオードのカソードは前記第1の主電極端子に接続され、前記ダイオードのアノードは前記第1のコンデンサの一方の端子に接続され、前記第1のコンデンサの他方の端子は前記第2の主電極端子および基準電位に接続された外部回路と、
前記第1のコンデンサの前記一方の端子に接続され、前記入力信号に同期して前記第1のコンデンサの充電を行う充電回路と、
前記第1のコンデンサの充電電圧の値に基づいて、前記半導体スイッチング素子の前記第1の主電極端子と前記第2の主電極端子との間の電圧が不飽和電圧状態にあることを検出する不飽和電圧検出回路と、
前記センス端子から出力されるセンス電流を電圧に変換してセンス電圧信号を出力するセンス電圧生成回路と、
前記センス電圧信号に基づいて、前記半導体スイッチング素子の前記第1の主電極端子と前記第2の主電極端子との間に流れる電流が過電流状態にあることを検出する電流センス回路と、
前記入力信号がオン状態のときに、前記不飽和電圧検出回路が不飽和電圧状態を検出し、かつ前記電流センス回路が過電流状態を検出した場合に過電流保護信号を出力する遮断制御回路と、を備え、
前記ドライブ回路は、当該過電流保護信号に基づいて、前記駆動信号をオフにすることを特徴とする。
第1の主電極端子、第2の主電極端子、制御電極端子、および前記第1の主電極端子と前記第2の主電極端子との間に流れる電流に応じたセンス電流を出力するセンス端子を備えた半導体スイッチング素子の前記制御電極端子に印加して前記第1の主電極端子と前記第2の主電極端子との間に流れる電流を制御するための駆動信号を出力する駆動回路であって、
入力信号に同期して前記駆動信号を生成し、該駆動信号により前記半導体スイッチング素子をオン・オフ制御するドライブ回路と、
ダイオードとコンデンサを備え、前記ダイオードのカソードは前記第1の主電極端子に接続され、前記ダイオードのアノードは前記コンデンサの一方の端子および充電回路に接続され、前記コンデンサの他方の端子は前記第2の主電極端子および基準電位に接続された外部回路の前記ダイオードのアノードと電気的に接続するためのDesat端子と、
当該Desat端子と基準電位との間に介挿され、前記コンデンサの充放電を行うためのスイッチと、
前記コンデンサの充電電圧の値に基づいて、前記半導体スイッチング素子の前記第1の主電極端子と前記第2の主電極端子との間の電圧が不飽和電圧状態にあることを検出する不飽和電圧検出回路と、
前記センス電流をもとに生成されたセンス電圧信号に基づいて、前記半導体スイッチング素子の前記第1の主電極端子と前記第2の主電極端子間に流れる電流が過電流状態にあることを検出する電流センス回路と、
前記入力信号がオン状態のときに、前記不飽和電圧検出回路が不飽和電圧状態を検出し、かつ前記電流センス回路が過電流状態を検出した場合に過電流保護信号を出力する遮断制御回路と、を備え、
前記スイッチは、前記入力信号がオフ状態のとき、または前記過電流保護信号が出力されているときに導通状態となって前記コンデンサに蓄積された電荷を放電し、前記入力信号がオン状態のときに非導通状態となって前記充電回路により前記コンデンサを充電させ、前記ドライブ回路は、前記過電流保護信号に基づいて、前記駆動信号をオフにすることを特徴とする。この駆動回路は、高集積化した回路として実現することができる。
図1において、本実施の形態による半導体モジュール1は、半導体スイッチング素子であるIGBT2を備える。このIGBT2には、フリーホイールダイオード(FWD)がIGBT2のコレクタ-エミッタ間に逆並列に接続される。IGBT2には、コレクタ電流に応じたセンス電流を出力するセンス端子TSが設けられる。
コンパレータ1(12a)の負入力端子には、閾値電圧Vref1が印加される。この閾値電圧Vref1は、電源電圧VDDの8割程度にするのが好ましい。
以上、本実施の形態による半導体モジュール1の構成は上述の如くであるが、その主な特徴は以下のとおりである。
(1)外付け部品に高耐圧ダイオードD1とコンデンサC1を接続することでIGBT2のコレクタ-エミッタ間の不飽和電圧を検出する不飽和電圧検出回路12を設けたこと。
(2)IGBT2のセンス電流出力端子TSから出力された電流を抵抗によって電圧変換し、この生成した電圧値が閾値電圧Vref2を超えたことを検出する電流センス回路13を設けたこと。
なお、過電流状態とは必ずしも過電流による異常発生(過電流異常)を意味するものではなく、センス電流が一定の値を超えたことを意味するものである。閾値電圧Vref2は実際に過電流異常を検出し得る値に設定される。
(3)不飽和電圧検出回路12と電流センス回路13の出力によって過電流異常を検出する遮断制御回路14を設けたこと。
図1において、充電回路11を構成する定電流源11bは、駆動回路10に入力される電源VDDから作られ、コンデンサC1を充電する。このため、コンデンサC1の満充電電圧はVDD程度(本図では16V)になる。閾値電圧Vref1はVDD電圧に比較的近い値に設定され、コンデンサC1が満充電状態から電圧低下したことを検出し易くすることが好ましい。コンデンサC1は、定電流源11bの設定値にもよるが、Desat端子電圧がIGBT2のターンオン後、例えば500ns程度までには閾値電圧Vref1を超えるような静電容量値にして、できる限り早い段階(逆回復期間より前)で不飽和電圧を検出できるように設定する。
図3の本発明回路を適用した場合の通常動作波形のとおり、High時遅延回路2(14a)の設定値によって、ゲート電圧が上昇開始してから、120ns程度後からDesat端子電圧が上昇し始めている。これはこの時点でIGBT2のコレクタ-エミッタ間電圧がまだ十分に低下していない正常な不飽和電圧状態にあるからである。このときのDesat端子電圧の上昇スピードは、図1のコンデンサC1の静電容量値によって調整可能である。図2の構成では抵抗11cの抵抗値とコンデンサC1の静電容量値によって調整可能できる。Desat端子電圧の上昇スピードを十分速く設定すれば、図3に示すようにDesat端子電圧は定電流源11bの電源電圧のVDD(本回路図で16V)まで上昇してクランプされる。
2 IGBT(半導体スイッチング素子)
3 外部回路
4 センス電圧生成回路
5 CRフィルタ回路
10 駆動回路
11 充電回路
11a NチャンネルMOSFET(スイッチ)
11b 定電流源
11c 抵抗
12 不飽和電圧検出回路
13 電流センス回路
14 遮断制御回路
14a,14e High時遅延回路
14b,14d,14g NOT回路
14c,14h NAND回路
14f ラッチ回路(RSフリップフロップ)
15 ドライブ回路
C0〜C3 コンデンサ
COMP1,COMP2 比較器
D1 高耐圧ダイオード
R0,R2,Rs1,Rs2 抵抗
Claims (10)
- 第1の主電極端子、第2の主電極端子、制御電極端子、および前記第1の主電極端子と前記第2の主電極端子との間に流れる電流に応じたセンス電流を出力するセンス端子を備え、前記制御電極端子に加えられる駆動信号の電圧に応じて前記第1の主電極端子と前記第2の主電極端子との間に流れる電流を制御する半導体スイッチング素子と、
入力信号に同期して前記駆動信号を生成し、該駆動信号により前記半導体スイッチング素子をオン・オフ制御するドライブ回路と、
ダイオードと第1のコンデンサを備える外部回路であって、前記ダイオードのカソードは前記第1の主電極端子に接続され、前記ダイオードのアノードは前記第1のコンデンサの一方の端子に接続され、前記第1のコンデンサの他方の端子は前記第2の主電極端子および基準電位に接続された外部回路と、
前記第1のコンデンサの前記一方の端子に接続され、前記入力信号に同期して前記第1のコンデンサの充電を行う充電回路と、
前記第1のコンデンサの充電電圧の値に基づいて、前記半導体スイッチング素子の前記第1の主電極端子と前記第2の主電極端子との間の電圧が不飽和電圧状態にあることを検出する不飽和電圧検出回路と、
前記センス端子から出力されるセンス電流を電圧に変換してセンス電圧信号を出力するセンス電圧生成回路と、
前記センス電圧信号に基づいて、前記半導体スイッチング素子の前記第1の主電極端子と前記第2の主電極端子との間に流れる電流が過電流状態にあることを検出する電流センス回路と、
前記入力信号がオン状態のときに、前記不飽和電圧検出回路が不飽和電圧状態を検出し、かつ前記電流センス回路が過電流状態を検出した場合に過電流保護信号を出力する遮断制御回路と、を備え、
前記ドライブ回路は、当該過電流保護信号に基づいて、前記駆動信号をオフにすることを特徴とする半導体モジュール。 - 抵抗と第2のコンデンサを有するCRフィルタ回路を備え、該CRフィルタ回路は
前記センス電圧生成回路と前記電流センス回路との間に介挿され、前記センス電圧信号を一定時間遅延させることを特徴とする請求項1に記載の半導体モジュール。 - 前記CRフィルタ回路の時定数は、前記半導体スイッチング素子の正常動作時において、前記入力信号がオンになったとき、前記不飽和電圧検出回路が不飽和電圧状態の検出状態から不検出状態に変化した後に、前記電流センス回路が過電流状態を検出するように設定されていることを特徴とする請求項2に記載の半導体モジュール。
- 前記不飽和電圧検出回路は、前記第1のコンデンサの充電電圧の値と第1の基準電圧値とを比較して、前記第1のコンデンサの充電電圧の値の方が前記第1の基準電圧値よりも高いときに、前記半導体スイッチング素子の前記第1の主電極端子と前記第2の主電極端子との間の電圧が不飽和電圧状態であることを示す不飽和電圧状態検出信号を出力する比較器を備え、
前記電流センス回路は、前記CRフィルタ回路から出力される遅延された前記センス電圧信号の値と第2の基準電圧値とを比較して、当該センス電圧信号の値の方が前記第2の基準電圧値よりも高いときに、前記半導体スイッチング素子の前記第1の主電極端子と前記第2の主電極端子との間に流れる電流が過電流状態であることを示す過電流状態検出信号を出力する比較器を備えていることを特徴とする請求項2または3に記載の半導体モジュール。 - 前記遮断制御回路は、前記不飽和電圧状態検出信号および前記過電流状態検出信号が共に出力されたときにセットされ、前記入力信号がオフのときにリセットされるラッチ回路を備え、
当該ラッチ回路がセットされたときに前記過電流保護信号を出力することを特徴とする請求項4に記載の半導体モジュール。 - 前記充電回路は、前記第1のコンデンサの前記一方の端子と基準電位との間に介挿されたスイッチを備え、当該スイッチは、前記入力信号がオフ状態のとき、または前記ラッチ回路がセットされ、かつ、前記過電流保護信号が出力されているときに導通状態となって前記第1のコンデンサに蓄積された電荷を放電し、前記入力信号がオン状態のときに非導通状態となって前記第1のコンデンサを充電することを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
- 前記半導体スイッチング素子のターンオン時に前記不飽和電圧検出回路による不飽和電圧状態の検出状態から不検出状態へ変化するタイミングを速める第3のコンデンサが前記ダイオードに並列に接続されていることを特徴とすることを請求項1〜6にいずれか一項に記載の半導体モジュール。
- 第1の主電極端子、第2の主電極端子、制御電極端子、および前記第1の主電極端子と前記第2の主電極端子との間に流れる電流に応じたセンス電流を出力するセンス端子を備えた半導体スイッチング素子の前記制御電極端子に印加して前記第1の主電極端子と前記第2の主電極端子との間に流れる電流を制御する駆動信号を出力する駆動回路であって、
入力信号に同期して前記駆動信号を生成し、該駆動信号により前記半導体スイッチング素子をオン・オフ制御するドライブ回路と、
ダイオードとコンデンサを備え、前記ダイオードのカソードは前記第1の主電極端子に接続され、前記ダイオードのアノードは前記コンデンサの一方の端子および充電回路に接続され、前記コンデンサの他方の端子は前記第2の主電極端子および基準電位に接続され、前記ダイオードのアノードと電気的に接続するためのDesat端子と、
当該Desat端子と基準電位との間に介挿され、前記コンデンサの充放電を行うためのスイッチと、
前記コンデンサの充電電圧の値に基づいて、前記半導体スイッチング素子の前記第1の主電極端子と前記第2の主電極端子との間の電圧が不飽和電圧状態にあることを検出する不飽和電圧検出回路と、
前記センス電流をもとに生成されたセンス電圧信号に基づいて、前記半導体スイッチング素子の前記第1の主電極端子と前記第2の主電極端子との間に流れる電流が過電流状態にあることを検出する電流センス回路と、
前記入力信号がオン状態のときに、前記不飽和電圧検出回路が不飽和電圧状態を検出し、かつ前記電流センス回路が過電流状態を検出した場合に過電流保護信号を出力する遮断制御回路と、を備え、
前記スイッチは、前記入力信号がオフ状態のとき、または前記過電流保護信号が出力されているときに導通状態となって前記コンデンサに蓄積された電荷を放電し、前記入力信号がオン状態のときに非導通状態となって前記充電回路により前記コンデンサを充電させ、前記ドライブ回路は、前記過電流保護信号に基づいて、前記駆動信号をオフにすることを特徴とする駆動回路。 - 前記不飽和電圧検出回路は、前記第コンデンサの充電電圧の値と第1の基準電圧値とを比較して、前記コンデンサの充電電圧の値の方が前記第1の基準電圧値よりも高いときに、前記半導体スイッチング素子の前記第1の主電極端子と前記第2の主電極端子との間の電圧は不飽和電圧状態であることを示す不飽和電圧状態検出信号を出力する比較器を備え、
前記電流センス回路は、前記センス電圧信号の値と第2の基準電圧値とを比較して、当該センス電圧信号の値の方が前記第2の基準電圧値よりも高いときに、前記半導体スイッチング素子の前記第1の主電極端子と前記第2の主電極端子との間に流れる電流が過電流状態であることを示す過電流状態検出信号を出力する比較器を備えていることを特徴とする請求項8に記載の駆動回路。 - 前記遮断制御回路は、前記不飽和電圧状態検出信号および前記過電流状態検出信号が共に出力されたときにセットされ、前記入力信号がオフのときにリセットされるラッチ回路を備え、
当該ラッチ回路がセットされたときに前記過電流保護信号を出力することを特徴とする請求項8または9に記載の駆動回路。
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