JP3340786B2 - パワートランジスタの過電流保護回路 - Google Patents
パワートランジスタの過電流保護回路Info
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Description
係り、特にIGBTやMOSFET等の電圧駆動形トラ
ンジスタにおいて、負荷短絡等による過電流を高速に限
流して安全動作領域内でしゃ断し保護することを可能に
したパワートランジスタの過電流保護回路に関する。
トランジスタ)はオン電圧が低く、MOSゲート構造で
駆動電力が少なく、しかも比較的高速にスイッチングで
きることから急速に応用分野が広がっている。
関係にあり、トレードオフを改良し、より高性能な素子
となるよう日夜研究が重ねられている。図5の特性C
は、これらの研究から予測される第3世代以降のIGB
Tのオン電圧特性で、第1世代のIGBTのオン電圧特
性Aと比較して示したものである。現在のIGBTは第
2世代で特性Bに示す。なお、コレクタ電流IC は、そ
れぞれIGBTの定格電流を100 として百分率で示して
いる。
絡等でコレクタ・エミッタ間電圧VCEが上昇すると定格
電流の数倍のコレクタ電流IC が流れ、第1世代のIG
BTでは6〜8倍、第2世代のIGBTでは10〜12倍の
過電流が流れる。
IGBTでは、DRAMクラスのμmオーダーのパター
ンとし、その他の改良を加えることにより、特性Cのよ
うに10数倍の過電流が流れる。
流しゃ断するとサージ電圧が過大となり安全に保護する
のが困難になり素子の過電流保護が困難になるという問
題がある。
の保護について述べる。IGBTを用いたインバータの
一般的な主回路構成を図4に示す。このインバータは、
IGBT21〜26で成るブリッジ形変換器により直流電圧
源1の直流電圧を交流電圧に変換して電動機3を駆動す
るものである。
の端子間で短絡が発生すると正側と負側のIGBTを介
して短絡電流が流れる。また、同一アームの正側と負側
のIGBTに同時にオン信号(ノイズや誤動作による信
号)が入力された場合も同様に短絡電流が流れる。
短絡耐量は、現在のIGBTでは、素子定格電圧の80%
の電圧において10〜20μsの時間であり、7.5 〜10μs
以内に過電流を検出して限流しゃ断する短絡保護が行わ
れている。
CR一定の下で短絡時に流れるコレクタ電流IC と耐量時
間(t1 )の関係を示す短絡耐量の特性図で、その試験
回路を図7(a)に示す。この特性から明らかなように
IC とt1 は、ほぼパワー一定の関係を持ち、負荷短絡
等によりコレクタ電流IC が増大すると耐量時間t1が
短かくなり高速な保護動作を必要とする。
ト電圧をしぼりIGBTのトランジスタ作用を利用して
短絡電流を制限し、見かけ上の短絡耐量時間を長くする
方法が種々提案されている。
大会470 )で発表されたもので(a)はその構成で主I
GBT4aの他に電流センスIGBT4bを設け、設定
電流以上になるとNLU回路50によりIGBTのゲー
ト(G)、エミッタ(E)間を短絡してゲート電圧を低
下させ短絡電流を抑制するものである。
は、電流センスIGBT4bのエミッタ電流を抵抗52で
電圧に変換し、抵抗53を介してMOSFET54のゲート
スレッショルド電圧以上になるとMOSFETのドレン
に電流が流れIGBT4のゲート電圧を低下させる。
をバイポーラトランジスタ55に置換えたものである。こ
のような回路を構成すると過電流時にIGBTのゲート
電圧を低下させIGBTのオン抵抗を増加させ図8
(c)に示すように短絡電流を制限することができ短絡
耐量時間を図8(b)に示すように見かけ上長くするこ
とができる。
IGBTモジュールとしての短絡耐量は増加したが、短
絡事故を検出しIGBTブリッジを駆動している信号を
オフさせる回路が別に必要となる。
に制限しているので(a)過電流検出により短絡事故を
検出することが困難となっている。 (b)このためにIGBTのVCEがオン信号を加えても
高いままであることを検出するなどの別の短絡事故検出
回路等により駆動信号をオフさせる回路を追加する必要
があり回路が複雑となる。
g51の大きさにより図9(a)のFET54のドレン電流
が同一でもゲート電圧値が異なるのでRgの大きさによ
り図6のように電流制限値が異なる欠点がある。
9(a)の電流検出値に対しドレン電流のゲインを上げ
ることで達成できるが、このゲインを上げ過ぎるとMO
SFET54はアナログ動作でなくスイッチング動作とな
りIGBT4のゲートがゼロ附近まで低下しIGBTの
電流はオンオフ状態となり発振することになり限界が存
在する。このため図6の特性となる。IGBTのスイッ
チングを早くするためRgを小さくすると短絡電流制限
値が上昇し短絡耐量時間が短かくなる欠点がある。
した場合の問題がある。図8の方法は各モジュールの内
部に電流制限機能が収納されているので各モジュールの
動作レベルが異なる。そのため1ケのモジュールの電流
制限機能が誤動作すると、このモジュールのオン抵抗が
増加し電流が隣のモジュールに移りこのモジュールの電
流制限機能が動作する。これを繰返して一種の発振状態
を生じIGBTが劣化する危険がある。
りの方式でも電流のピーク値は制限されるが電流のしゃ
断時の速度は早く浮遊インダクタンスl0 によるサージ
電圧(−l0 ・ dic/dt)によりIGBTの安全動作を
超えて素子が劣化する危険性がある。
(c)に示す。電流IC が増加するほどサージ電圧V
CEP を下げる必要がある。特に変換器の容量が大きくな
ると事故電流も大きくなるが浮遊インダクタンスは構造
上小さくできないのでその分サージ電圧が増大する傾向
になる。
化率 dic/dtを下げる工夫しかないのである。 (f)最終的には250 %〜500 %には制限した電流を駆
動信号をオフしてしゃ断する動作を行わせる。この時発
生するサージ電圧は−L0 ・di/dt(L0 はリーケージ
インダクタンス、di/dtは電流変化率)で決まり、この
サージ電圧によりトランジスタの逆バイアス安全動作領
域外を通過するとトランジスタは永久劣化する。(IG
BTの安全動作領域は200 %電流をしゃ断する場合定格
電圧の80%程度まで低下する) 特に変換器の容量が増加するとL0 も増加傾向になり、
しかも電流iは容量に比例するためサージ電圧の増加が
著しい。このためスナバ回路(サージ吸収回路)が主素
子のトランジスタより大きな容積やコストを占めること
も発生する。
電圧が小さく大きな短絡電流となるトランジスタの過電
流を検出して高速にこの電流を制限した後、ソフトに事
故電流をしゃ断することにより発生するサージ電圧を抑
制することにより信頼性の高いパワートランジスタの保
護回路を提供することを目的とする。
め、本発明は、スイッチング動作により負荷へ電流を供
給するパワートランジスタと、このパワートランジスタ
に流れる電流に応じた電圧の電流信号を得、この電流信
号が所定値を越える部分に比例した電流を前記パワート
ランジスタを駆動するゲート回路からバイパスして前記
パワートランジスタの駆動信号レベルを低下させ前記パ
ワートランジスタに流れる電流を抑制する電流制御ルー
プを備え、前記バイパス電流が所定時間継続したとき閉
路して自己保持すると共に前記バイパス電流を徐々に分
流する回路を設け、前記分流電流を漸増することにより
前記電流制御ループからオープンループに切り換えて駆
動信号レベルを低下させる。
記パワートランジスタの駆動信号の状態を保持し、前記
バイパス電流が一定時間継続したとき前記駆動信号をオ
フ状態にする。更に、前記バイパス電流が所定時間継続
したとき閉路する自己保持回路を前記駆動信号のオフ状
態によりリセットする。
えると、その電流に比例したバイパス電流がゲート回路
から流れゲート電圧を低下させる。ゲート電圧が低下す
るとパワートランジスタの導通抵抗が増加し過電流を抑
制する電流制御ループが機能し過電流はほぼ所定値付近
に保たれる。バイパス電流が流れたとき、パワートラン
ジスタの駆動信号はオン状態に保持され、駆動信号によ
るオフ動作は行われない。バイパス電流が所定時間継続
して流れると所定回路が閉路して自己保持し、バイパス
電流が前記所定回路に徐々に分流し、前記電流制御ルー
プの制御信号に加算して流れる。この分流電流が漸増し
て前記電流制御ループによるバイパス電流を越えるとオ
ープンループに切り換えられゲート電圧は更にゆるやか
に低下してパワートランジスタに流れる電流はゆるやか
にしゃ断される。バイパス電流が一定時間(パワートラ
ンジスタの電流が零になるまでの時間を含む)継続した
とき、駆動信号はオフ状態に戻され自己保持状態が解か
れ初期状態に戻る。
て、IGBT4は直流電源1に通常は負荷を介して接続
されるが負荷が短絡された場合の保護を考えるので負荷
インピーダンスが零の場合を図示してある。IGBT4
のエミッタ側の電流の一部を抵抗11で電圧に変換しトラ
ンジスタ12と抵抗13からなるエミッタフォロア回路を構
成する。
14,15を駆動電源とし、フォトカプラ16で駆動信号を絶
縁し、増幅器17で増幅した駆動信号を抵抗18を介してト
ランジスタ32,33のベースを駆動することにより正負の
ゲート駆動電圧を得、ゲート抵抗34を経てIGBT4の
ゲート駆動する。IGBT4のエミッタは直流電源14と
15の直列接続点の電位にあるので、トランジスタ32がオ
ンするとゲート駆動電圧は正となり、トランジスタ33が
オンするとゲート駆動電圧は負となる。
9、ダイオード20を通ってトランジスタ12のコレクタ側
に接続する。ダイオード20のカソード側を抵抗21を介し
てトランジスタ23のベースに接続し、抵抗22をトランジ
スタのエミッタ・ベース間に接続する。トランジスタ23
のコレクタから抵抗24を介してコンデンサ25を充電す
る。抵抗24とコンデンサ25の接続点がトランジスタ26の
ベースに接続されトランジスタ26のエミッタは抵抗27を
介してコンデンサ25の他端と直流電源14と15の直列接続
点へ接続する。トランジスタ26のコレクタはダイオード
20のカソードに接続する。ダイオード28はコンデンサ25
と並列に接続しトランジスタ26に過大な逆電圧が印加さ
れないようにしてある。トランジスタ26のベースから抵
抗29、ダイオード30を介してトランジスタ32,33のベー
スに接続する。またトランジスタ26のベースから抵抗31
を介して直流電源15の負側に接続する。
流れると、フォトカプラの受光トランジスタ35と抵抗36
を直列に接続してその信号を故障検出回路37で検出し、
PWM信号(パルス幅変調信号)を保持回路を経由して
保持させ、遮断回路39を経てフォトカプラ16の入力とす
る。故障検出回路37の出力V37からタイマ回路40を介し
て遮断回路39を動作させるよう接続する。
いて説明する。時刻t1 においてPWM信号を“1”と
して電圧V39によりフォトカプラ16を駆動すると増幅器
17を介してトランジスタ33がオフし、トランジスタ32が
オンし、ゲート駆動電圧VGは負から正に切換わる。
GBTはターンオンする。負荷が短絡された状態におい
て、直流電源1がIGBT4のコレクタ・エミッタ間に
印加されIGBTがターンオンし内部抵抗が低下すると
IGBTのコレクタ電流ICは回路の浮遊インダクタン
スL0 で制限される傾斜で急速に立上る。この電流の一
部を抵抗11で検出し、この検出電圧がトランジスタ12の
ベース・エミッタ間のスレッショルド電圧を超えた点か
らIC の増加分に比例した電流I1 がトランジスタ12の
コレクタに流入する。この電流I1 は抵抗18、フォトカ
プラ19、ダイオード20の回路に流れ抵抗18の電圧降下が
増加しゲート駆動電圧VG が低下し始める。
回路にも分流し、時刻t3 においてトランジスタ23がオ
ンし電圧V23を出力し抵抗24を介してコンデンサ25の充
電を開始する。その充電電圧VC は負から正に向って上
昇し、トランジスタ26のベースエミッタのスレッショル
ド電圧を越える時刻t4 以降、トランジスタ26のコレク
タ電流I2 はトランジスタ26と抵抗27のエミッタフォロ
アー接続により、VCのスレッショルド電圧以上の部分
に比例した電流を流すことになる。また、I2が流れる
とトランジスタ23は自己保持するのでI1 がゼロになっ
てもこの状態を保持する。
が一定値以上になるとI1 を流してIGBTのゲート電
圧を低下させIGBTのオン抵抗を増加させIC を減少
させる制御ループにより短絡電流をほぼ一定に制御する
動作を行っている。
るI2 が外乱として入力されI2 が増加した分I1 が減
少してバランスすることになり、時刻t6 においてI1
はゼロになる。このt4 〜t6 の期間はIC 一定電流制
御と強制的にゲート電圧を下げIC を低下させる信号と
が重なっている期間であり、IC 一定制御ループが動作
しているのでIC はわずかに減少する程度である。
それ以降はI2 の増加に従って抵抗18の電圧降下が増加
しVG はゆるやかに(t4 〜t6 間よりもかなり早く)
低下しそれに従ってIC も比較的ソフトに時刻t7 にお
いて完全に遮断されるのでIGBTのVCE間サージ電圧
を小さくすることができる。このように過電流状態が時
刻t4 を越えて継続するとIGBTは完全動作領域内で
信頼性良くしゃ断される。
れI1 がゼロになると、トランジスタ23はオフしコンデ
ンサ電圧VC は抵抗31により放電する回路を構成として
いる。これはノイズやブリッジ接続時の反対相のダイオ
ードリカバリー電流等の短時間の過電流により自己保持
してIGBTがオフすることをさけるためである。
が、フォトカプラ19で、I1 +I2を検出し、フォトカ
プラ35を介して故障検出回路37と保持回路38によりフォ
トカプラ16の信号V39は保持されている。
ソフトにしゃ断される時刻t7 より遅れた時刻t8 にお
いて遮断回路39を介して駆動信号V39をオフにさせVG
は急速に負電圧にさせると同時にダイオード30、抵抗29
によりコンデンサ25を逆バイアスする。これによりフォ
トカプラ19の電流が零となり故障信号V37をリセットさ
れる。
ループを構成することにより短絡電流を1/4〜1/5
に低下させることにより短絡時の安全動作時間を伸すこ
とができる。この電流一定制御ループから強制ターンオ
フループへの円滑な切換えを行い、その後もゲート電圧
をゆるやかに低下させることによりIGBTの電流変化
率を低下させることによりサージ電圧を下げIGBTの
安全動作領域内で信頼性良く電流をしゃ断することがで
きる。
信号を保持し高速に事故電流をしゃ断しないように工夫
してある。このことは特に変換器の容量が大きくなると
浮遊インダクタンスは減少しないで電流値が増加するの
でサージ電圧が大きくなることを防ぐ上で極めて有効で
ある。
ワートランジスタに流れる電流が所定値以上の場合はゲ
ート電圧を低下させる自動制御ループを設けてパワート
ランジスタ電流を制限し、この制限作用が一定時間以上
続いた時、これを検出保持してゲート電圧を漸減する回
路を設け電流をソフトにしゃ断する。この一連の動作中
はゲート駆動信号を保持させ、トランジスタの短絡耐量
時間を延長すると同時にサージ電圧を下げながら電流を
ソフトにしゃ断する安全動作領域内での信頼性の高い運
転を可能とするパワートランジスタの過電流保護回路を
提供することができる。
めの図。
IGBT、11,13…抵抗、12…トランジスタ、14,15…
直流電源、16…フォトカプラ、17…増幅器、18,21,2
2,24,27…抵抗、19,35…フォトカプラ、20,28,30
…ダイオード、23,26,32,33…トランジスタ、25…コ
ンデンサ、29,31,34,36…抵抗、37…故障検出回路、
38…信号保持回路、39…信号しゃ断回路、40…タイマ回
路、41…増幅器、42…タイムディレイ、43…保持回路、
44…漸増回路、45…リセット回路。
Claims (3)
- 【請求項1】 スイッチング動作により負荷へ電流を供
給するパワートランジスタと、このパワートランジスタ
に流れる電流に応じた電圧の電流信号を得、この電流信
号が所定値を超える部分に比例したバイパス電流を前記
パワートランジスタを駆動するゲート回路からバイパス
して前記パワートランジスタの駆動信号レベルを低下さ
せ前記パワートランジスタに流れる電流を抑制する電流
制御ループを備え、前記バイパス電流が所定時間継続し
たとき閉路して自己保持すると共に前記バイパス電流を
徐々に分流する分流回路を設け、前記分流回路に流れる
電流を漸増することにより前記電流制御ループからオー
プンループに切り換えて駆動信号レベルを低下させるこ
とを特徴とするパワートランジスタの過電流保護回路。 - 【請求項2】 請求項1記載のパワートランジスタの過
電流保護回路において、前記バイパス電流が流れたと
き、前記パワートランジスタの駆動信号の状態を保持
し、前記バイパス電流が一定時間継続したとき前記駆動
信号をオフ状態にする回路を設けたことを特徴とするパ
ワートランジスタの過電流保護回路。 - 【請求項3】 請求項2記載のパワートランジスタの過
電流保護回路において、前記バイパス電流が所定時間継
続したとき閉路する自己保持回路を前記駆動信号のオフ
状態によりリセットすることを特徴とするパワートラン
ジスタの過電流保護回路。
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