專利名稱：半導(dǎo)體元件的保護電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對直流與交流進行相互變換的電力變換裝置，尤其涉及使用于電力變換裝置的開關(guān)元件的保護技術(shù)。
背景技術(shù)：
可高速切換且能夠控制大功率的IGBT在從家電用等的小容量逆變器(inverter)到鐵路用等的大容量逆變器的較廣的領(lǐng)域上使用。將IGBT使用于逆變器等時，為了防止因橋臂短路和負(fù)荷短路時的短路電流而產(chǎn)生的IGBT的破損，一般在較多的情況下使用短路保護電路。橋臂短路是指在正極(plus)和負(fù)極(minus)的電源線之間串聯(lián)連接的多個IGBT同時接通，從而電源的正極和負(fù)極被短路的現(xiàn)象。另外，負(fù)荷短路是指連接于逆變器的負(fù)荷短路，從而介由正在接通的IGBT而電源的正極和負(fù)極被短路的現(xiàn)象。如果產(chǎn)生短路，則在IGBT中流過過大的電流而被破損。
逆變器的短路保護電路，在觀測IGBT的電流和電壓而它們超過預(yù)先決定的值的情況下，限制或切斷電流，防止IGBT的破損。作為短路狀態(tài)的檢測方法，有監(jiān)視集電極(collector)的方法、由稱作變流器(currenttransformer)的電流傳感器間接地監(jiān)視電流值的方法、將電阻與發(fā)射極(emitter)串聯(lián)連接、通過該電阻中產(chǎn)生的電壓觀測電流的方法等。
但是，在鐵路等的高電壓的逆變器中使用這些電流檢測機構(gòu)時，由于因噪聲而存在錯誤檢測、即短路未發(fā)生時錯誤地檢測為發(fā)生短路而使逆變器停止的情況，因此在專利文獻(xiàn)1中公開了監(jiān)視集電極電壓和柵極電壓，來防止逆變器的異常的錯誤檢測的技術(shù)。
但是，由于在專利文獻(xiàn)1中必須觀測集電極電壓，因此存在以下所述的問題點。
一般來說集電極電壓為柵極電壓的幾倍到幾百倍的高電壓。例如在鐵路用的逆變器的情況下，柵極電壓最大也不到20V，但是也有集電極電壓的最大值為4000V的逆變器。為了觀測該電壓而需要高電壓的二極管和電阻，從而引起系統(tǒng)的成本增大。另外，也有組合低壓的二極管和電阻的方法，但是這種方法增加部件數(shù)量而存在引起電路的大型化和成本的增大的問題。此外，有集電極電壓以大振幅振動的情況，則此時噪聲通過上述的集電極電壓的觀測機構(gòu)進入短路保護電路，從而存在引發(fā)錯誤動作的問題。
專利文獻(xiàn)1特開2005-6464號公報(圖1、圖2和(0024)段落～(0042)段落的內(nèi)容)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種可靠性高的半導(dǎo)體裝置的保護電路。
本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的保護電路具備對作為功率半導(dǎo)體元件的IGBT和作為IGBT的主端子的發(fā)射極端子的電流進行監(jiān)視的機構(gòu)；對作為IGBT的控制端子的柵極電壓進行檢測的機構(gòu)；和由來自作為主電流的發(fā)射極電流的檢測機構(gòu)和作為控制端子電壓的柵極電壓的檢測機構(gòu)的兩者的信號來控制IGBT的柵極電壓的機構(gòu)。
發(fā)明效果根據(jù)本發(fā)明能夠使電力變換裝置小型化，并且提高可靠性。


圖1是實施例1的電路的說明圖。
圖2是逆變器的正常動作時的動作波形。
圖3是逆變器的異常動作時的動作波形。
圖4是過電流判定部進行了錯誤檢測時的動作波形。
圖5是實施例2的電路的說明圖。
圖6是實施例3的電路的說明圖。
圖7是實施例4的電路的說明圖。
圖8是實施例5的電路的說明圖。
圖9是實施例6的電路的說明圖。
圖10是實施例7的三相二電平逆變器的說明圖。
圖中1-指令部；2-柵極驅(qū)動部；3-柵極電壓檢測部；4-AND電路；5-電流檢測部；6、23～28-IGBT、7、29～34-二極管；8-變流器(current transformer)；9-過電流判定部；10-基準(zhǔn)電源；11-分流電阻；12-帶傳感端子IGBT；13-電流檢測電阻；14-積分器；15-直流端子；16-交流端子；17～19、20～22-柵極驅(qū)動器；35-電感。
具體實施例方式
以下，使用附圖詳細(xì)說明本發(fā)明。
(實施例1)圖1是本實施例的電路的說明圖，圖2～圖4是該電路的動作波形。此外，圖2表示在逆變器正常動作時的各部分的波形，并且說明短路保護電路不動作時的動作。
在圖1中符號1是指令部、2是柵極驅(qū)動部、3是柵極電壓檢測部、4是AND電路、5是電流檢測部、6是IGBT、7是二極管。而且，柵極驅(qū)動部2具有接收來自AND電路4的信號，對輸出電壓進行限制或者進行切斷的功能。
使用圖2說明圖1的動作?？紤]IGBT6關(guān)斷的情況作為初始狀態(tài)。圖2中在時刻t1以前來自指令部1的信號成為低電平(以下稱作L電平)，對應(yīng)與此，來自柵極驅(qū)動部2的輸出也成為L電平，從而IGBT6的柵極電壓成為L電平。如果在時刻t1指令為高電平(以下稱作H電平)，則柵極驅(qū)動部2的輸出要反轉(zhuǎn)為H電平。此時，由于在IGBT6的柵極存在輸入電容，因此柵極驅(qū)動部2的輸出不會立刻成為H電平，而遲一些時間電壓逐漸增加。在時刻t2柵極電壓達(dá)到IGBT6的閾值電壓，而集電極電流開始流出。在時刻t2～t3的期間集電極電流逐漸增加，而在時刻t3集電極電壓開始減少，到時刻t4，IGBT6完全處于接通狀態(tài)。在圖2中，由于過電流沒有流過，因此不進行基于柵極檢測信號、過電流檢測信號的異常檢測，從而，AND電路4的輸出也仍然保持為L，并且保護電路不進行動作。
接下來，對于過電流流過的逆變器異常動作的狀態(tài)進行說明。圖3表示在逆變器流過過電流的異常動作狀態(tài)下的各部分的波形。圖3中從t1時刻輸入指令到在t2時刻集電極電流開始流出之前與圖2相同。如果在時刻t2，IGBT6開始接通，則電源電壓施加到IGBT6，因此電流急劇增加。此時，集電極電壓因通過該急劇的電流變化率di/dt產(chǎn)生在布線的寄生電感Le的電壓Ve＝Le×di/dt而暫時減少，但是集電極電壓保持施加了高電壓的狀態(tài)。于是，柵極電壓如圖3所示那樣一下子增加到柵極電源的電壓為止。此外，圖3中在參考正常動作時柵極電壓波形之前以虛線表示。柵極電壓檢測部3中檢測該電壓，并將柵極檢測信號反轉(zhuǎn)為H電平。在該狀態(tài)下電流檢測信號為L電平，因此AND電路4的輸出仍然保持為L電平，從而過電流檢測電路不進行動作。如果在時刻t4集電極電流超過預(yù)先設(shè)定的電流電平，則電流檢測信號反轉(zhuǎn)，并且AND電路4的輸出成為H電平，從而檢測出短路。如果AND電路4的輸出成為H電平，則內(nèi)置在柵極驅(qū)動部2的短路保護電路進行動作，并且對IGBT6的電流進行限制或者切斷。
最后，使用圖4對于逆變器正在正常動作，但是電流檢測信號錯誤地反轉(zhuǎn)的情況進行說明。圖4與圖2同樣地表示正常的逆變器動作的波形，但是表示在時刻t3電流檢測信號反轉(zhuǎn)為H電平的情況。在本實施例中，即使如圖4所示那樣電流檢測信號反轉(zhuǎn)為H電平，柵極檢測信號仍然保持為L電平，因此AND電路4的輸出仍然保持為L電平，從而能夠防止錯誤檢測。
在本實施例中將檢測異常的機構(gòu)設(shè)置在柵極和發(fā)射極。對柵極和發(fā)射極只施加十幾伏～數(shù)十伏左右的電壓。因此，無需進行基于高耐壓的二極管和多個電阻的分壓，從而能夠使檢測電路小型化。此外，IGBT的集電極電壓有時以較大的電壓變化率dv/dt來強烈地振動，從而存在從集電極進入噪聲的情況，但是在本實施例中由于將檢測電路連接于電壓振幅較小的柵極和發(fā)射極，因此噪聲不易混入，從而不易引起錯誤動作。
(實施例2)圖5中表示本實施例的電路的說明圖。在圖5中與圖1～圖4相同的構(gòu)成要素使用相同符號。在圖5中符號8是變流器(current transformer)、9是過電流判定部、10是基準(zhǔn)電源。
在本實施例中由變流器8和過電流判定部9(圖5中比較器)來構(gòu)成電流檢測部。變流器8輸出由電流的通電時所發(fā)生的磁場而產(chǎn)生的電壓，并且將該輸出電壓輸入到過電流判定部9的一個端子。如果過電流流過而變流器8的輸出電壓比基準(zhǔn)電源10的電壓高，則判定為過電流，從而過電流判定部9的輸出反轉(zhuǎn)。由此，在檢測出過電流而柵極電壓檢測部3的輸出為H電平時，保護電路進行動作。在本實施例中通過改變基準(zhǔn)電源10的電壓，來能夠任意地設(shè)定過電流的判定值。
根據(jù)本實施例，通過由變流器8將電流取入，從而能夠不會使IGBT6的發(fā)射極電流受到影響地判定有無過電流。
(實施例3)圖6表示本實施例的電路的說明圖。在圖6中與圖1～圖5相同的構(gòu)成要素使用相同的符號。圖6中符號11是分流(shunt)電阻。
在本實施例中作為檢測過電流的機構(gòu)使用了分流電阻11。如果用分流電阻11檢測電流，則電壓與電流值成比例地產(chǎn)生，因此具有能夠以非常高的精度檢測電流的優(yōu)點。從而，過電流的判定精度提高，能夠使短路保護電路高可靠化、高精度化。
(實施例4)圖7表示本實施例的電路的說明圖。在圖7中與圖1～圖6相同的構(gòu)成要素使用相同的符號。圖7中符號12是帶傳感端子的IGBT、13是電流檢測電阻。
本實施例中使用帶傳感端子的IGBT12來檢測電流。帶傳感端子的IGBT12被設(shè)計為使主發(fā)射極電流的幾百分之一～幾千分之一左右的電流流過傳感端子。通過將該傳感端子與電流檢測電阻13連接，來能夠正確地檢測電流。在本實施例中，由于流過電流檢測電阻13的電流非常小，因此電流檢測電阻的發(fā)熱小，從而減小電路的損失，并且可使用小型的部件。
(實施例5)圖8表示本實施例的電路的說明圖。在圖8中與圖1～圖7相同的構(gòu)成要素使用相同的符號。圖8中符號35是存在于主電路的布線的電感、14是積分器。
在本實施例中，使用在存在于主電路的布線的寄生電感上所產(chǎn)生的電流，來檢測過電流。主電路的布線的寄生電感是指連接IGBT6與電源的布線的電感、和在IGBT6的封裝內(nèi)部的布線的電感等。在這些電感Le由作為主電流的發(fā)射極電流的時間變化率di/dt而產(chǎn)生電壓Ve＝Le×di/dt。如果用積分器來對該電壓Ve進行積分，則可得到流過發(fā)射極的電流Ie。如果該發(fā)射極電流Ie比基準(zhǔn)電源10的電壓大，則過電流判定部的輸出進行判定，并且向AND電路4發(fā)送檢測信號。由此檢測過電流。
根據(jù)本實施例，為了通過使用主電路布線的寄生電感來檢測電流，無需在主電路布線新增電流檢測用的元件，從而有如下優(yōu)點，即不會產(chǎn)生連主電路布線也受到的電流檢測元件中的損耗的增加或者成本的增大等問題。
(實施例6)圖9中表示本實施例的電路的說明圖。在圖9中與圖1～圖8相同的構(gòu)成要素使用相同的符號。本實施例中，如圖9所示那樣設(shè)置了兩個過電流檢測部。如果采用這種結(jié)構(gòu)，由于如果利用不同的測定機構(gòu)的過電流檢測結(jié)果未檢測所有電流，則判定為過電流，因此具有能夠可靠地防止錯誤檢測這樣的優(yōu)點。此外，在本實施例中示出了使用兩個電流檢測機構(gòu)的例子，但是如果使用三個以上電流檢測機構(gòu)，則能夠更加可靠地檢測出過電流的有無。
(實施例7)圖10中表示本實施例的三相二電平逆變器的說明圖。在圖10中符號15是直流端子、16是交流端子、17～19是柵極驅(qū)動器、20～22是實施例1～實施例6中說明過的具備保護電路的柵極驅(qū)動器、23～28是IGBT、29～34是二極管。
本實施例中將實施例1～實施例6中說明過的具備保護電路的柵極驅(qū)動器僅應(yīng)用在三相二電平逆變器的下橋臂中。在較多情況下逆變器的過電流故障是因上下橋臂的IGBT同時接通的橋臂短路而產(chǎn)生。從而，由于因橋臂短路而產(chǎn)生的過電流必須同時流過上下IGBT，因此如果在上下任一個IGBT配置從實施例1～實施例6中說明過的具備保護電路的柵極驅(qū)動器，則能夠防止錯誤檢測。根據(jù)本實施例，由于僅在上下任一個IGBT的柵極驅(qū)動器中使用錯誤檢測防止電路，因此能夠?qū)崿F(xiàn)以較少的部件數(shù)來可靠地避免過電流的錯誤檢測的逆變器。
以上，對于將本發(fā)明應(yīng)用于IGBT逆變器中的實施例進行了說明，但并不限定與此，同樣地在使用了功率MOSFET的逆變器、或者功率MOSFET、IGBT的轉(zhuǎn)換器中也可應(yīng)用本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體裝置的保護電路，具有電流檢測機構(gòu)，其對半導(dǎo)體元件的主端子對的電位低的端子的電流進行檢測，上述半導(dǎo)體元件具有一對主端子、和對流過該主端子對的電流進行控制的控制端子；電壓檢測機構(gòu)，其對上述半導(dǎo)體的控制端子的電壓進行檢測；和輸入上述電流檢測機構(gòu)的輸出信號和電壓檢測機構(gòu)的輸出信號這兩種信號，輸出對上述控制端子的電壓進行控制的信號的機構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置的保護電路，其特征在于，上述電流檢測機構(gòu)具備布線，其與上述半導(dǎo)體元件的主端子對的電位低的端子連接；變換機構(gòu)，其將由流過該布線的電流而產(chǎn)生的磁場變換為電壓；和電壓比較機構(gòu)，被輸入該變換機構(gòu)所輸出的電壓，將其與預(yù)定的電壓進行比較后，輸出信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置的保護電路，其特征在于，上述電流檢測機構(gòu)具備電阻，其與上述半導(dǎo)體元件的主端子對的電位低的端子連接；和電壓比較機構(gòu)，被輸入在該電阻上產(chǎn)生的電壓，將其與預(yù)定的電壓進行比較后，輸出信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置的保護電路，其特征在于，上述半導(dǎo)體元件具備電流檢測端子，該電流檢測端子輸出比流過上述主端子對的電位低的端子的電流小的電流，上述電流檢測機構(gòu)具備與上述電流檢測端子連接的電阻；和電壓比較機構(gòu)，被輸入在該電阻上產(chǎn)生的電壓，將其與預(yù)定的電壓進行比較后，輸出信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置的保護電路，其特征在于，上述電流檢測機構(gòu)具備對產(chǎn)生在布線電感成分的電壓進行檢測的機構(gòu)，其中該布線電感成分與上述半導(dǎo)體元件的主端子對的電位低的端子連接；對該電壓進行積分的積分機構(gòu)；和電壓比較機構(gòu)，被輸入該積分機構(gòu)的輸出電壓，將其與預(yù)定的電壓進行比較后，輸出信號。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置的保護電路，其特征在于，具備多個上述電流檢測機構(gòu)。
7.一種IGBT的保護電路，其具備集電極端子、發(fā)射極端子以及柵極端子，上述集電極端子和發(fā)射極端子為主端子，上述柵極端子為對流過該集電極端子與發(fā)射極端子之間的主電流進行控制的控制端子，上述IGBT的保護電路具備流過上述發(fā)射極端子的發(fā)射極電流的檢測機構(gòu)；柵極電壓檢測機構(gòu)；和電壓比較機構(gòu)，被輸入該發(fā)射極電流的檢測機構(gòu)的輸出信號和該柵極電壓檢測機構(gòu)的輸出信號，將其與預(yù)定的電壓進行比較后，輸出信號。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的IGBT的保護電路，其特征在于，上述發(fā)射極電流的檢測機構(gòu)具備變換機構(gòu)，其將由發(fā)射極電流產(chǎn)生的磁場變換為電壓；和電壓比較機構(gòu)，被輸入該變換機構(gòu)所輸出的電壓，將其與預(yù)定的電壓進行比較后，輸出信號。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的IGBT的保護電路，其特征在于，上述發(fā)射極電流的檢測機構(gòu)具備與發(fā)射極端子連接的電阻；和電壓比較機構(gòu)，被輸入在該電阻上產(chǎn)生的電壓，將其與預(yù)定的電壓進行比較后，輸出信號。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的IGBT的保護電路，其特征在于，上述IGBT具備電流檢測端子，該電流檢測端子輸出比上述發(fā)射極電流小的電流，上述發(fā)射極電流的檢測機構(gòu)具備與上述電流檢測端子連接的電阻；和電壓比較機構(gòu)，被輸入在該電阻上產(chǎn)生的電壓，將其與預(yù)定的電壓進行比較后，輸出信號。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的IGBT的保護電路，其特征在于，上述發(fā)射極電流的電流檢測機構(gòu)具備對產(chǎn)生在布線電感成分的電壓進行檢測的機構(gòu)，該布線電感成分與上述IGBT的發(fā)射極端子連接；對該電壓進行積分的積分機構(gòu)；和電壓比較機構(gòu)，被輸入該積分機構(gòu)的輸出電壓，將其與預(yù)定的電壓進行比較后，輸出信號。
12.根據(jù)權(quán)利要求7所述的IGBT的保護電路，其特征在于，具備多個上述發(fā)射極電流檢測機構(gòu)。
13.一種電力變換裝置，包括半導(dǎo)體元件，其具有一對主端子對和對流過主端子對的電流進行控制的控制端子；串聯(lián)電路，其串聯(lián)連接兩個上述半導(dǎo)體元件，并且該連接點成為交流端子，而串聯(lián)連接的半導(dǎo)體元件的兩端子成為直流端子；和分別與上述半導(dǎo)體元件的控制端子連接的驅(qū)動電路，上述驅(qū)動電路具備電流檢測機構(gòu)，其對上述半導(dǎo)體元件的主端子對的電位低的端子的電流進行檢測；電壓檢測機構(gòu)，其對上述半導(dǎo)體元件的控制端子的電壓進行檢測；和輸入上述電流檢測機構(gòu)的輸出信號和電壓檢測機構(gòu)的輸出信號這兩種信號，輸出對上述控制端子的電壓進行控制的信號的機構(gòu)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的電力變換裝置，其特征在于，上述兩個串聯(lián)連接的任一個半導(dǎo)體元件的驅(qū)動電路為具備上述保護電路的驅(qū)動電路。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的電力變換裝置，其特征在于，上述電力變換裝置為三相二電平電力變換裝置，上述半導(dǎo)體元件為IGBT或者功率MOSFET的任一個。
全文摘要
提供一種可靠性高的半導(dǎo)體裝置的保護電路。本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的保護電路具有電流檢測機構(gòu)，其對半導(dǎo)體元件的主端子對的電位低的端子的電流進行檢測，上述半導(dǎo)體元件具有一對主端子、和對流過該主端子對的電流進行控制的控制端子；電壓檢測機構(gòu)，其對上述半導(dǎo)體的控制端子的電壓進行檢測；和輸入上述電流檢測機構(gòu)的輸出信號和電壓檢測機構(gòu)的輸出信號這兩種信號，在電流檢測機構(gòu)的輸出信號和電壓檢測機構(gòu)的輸出信號這兩種信號表示預(yù)定的異常信號的情況下，輸出異常信號的機構(gòu)。
文檔編號H02H7/122GK101043138SQ200710007218
公開日2007年9月26日 申請日期2007年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月22日
發(fā)明者河野恭彥, 石川勝美 申請人:株式會社日立制作所