半導體開關元件驅(qū)動電路的制作方法
【專利摘要】半導體開關元件驅(qū)動電路具有：半導體開關元件(Q1)，通過向該半導體開關元件的柵極端子施加電壓而在該半導體開關元件的第一端子和第二端子間流過主電流；過電流保護電路(OP)，其在與主電流的大小成比例的電流值或者電壓值超過了閾值時，判斷為主電流成為在規(guī)定時間的期間內(nèi)超過規(guī)定的電流值的過電流來使主電流下降；短路保護電路(SP)，其在主電流在比規(guī)定時間短的時間內(nèi)成為比過電流更大的過電流的情況下，使施加到柵極端子的柵極電壓的下降比過電流保護電路引起的主電流的下降快；以及閾值變更電路(TC)，其在短路保護電路的主電流的下降動作時減小閾值。
【專利說明】半導體開關元件驅(qū)動電路
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種半導體開關元件驅(qū)動電路，在驅(qū)動半導體開關元件時，能夠防止在該元件的端子間流過過電流的情況、電動機等的負載成為短路狀態(tài)的情況下元件被破壞。
【背景技術(shù)】
[0002]作為以往的半導體開關元件驅(qū)動電路，已知有專利文獻I所述的半導體開關元件驅(qū)動電路。該半導體開關元件驅(qū)動電路具備:半導體開關元件，通過向其柵極端子施加電壓而在其第一端子與第二端子之間流過主電流；過電流保護電路，其在主電流成為在規(guī)定時間以上的期間內(nèi)超過規(guī)定值(第一閾值)的過電流的情況下，使主電流以第一斜率下降，之后使主電流以更大的第二斜率下降；以及過電流限制電路(短路保護電路)，其在短路故障時主電流在比上述規(guī)定時間短的時間內(nèi)成為比上述過電流還大的過電流值(第二閾值)的情況下，使半導體開關元件的柵極端子的柵極端子電壓瞬時地降低。
[0003]專利文獻1:日本專利第4356248號公報

【發(fā)明內(nèi)容】

_4] 發(fā)明要解決的問題
[0005]然而，在以往的半導體開關元件驅(qū)動電路中，當要確保過電流保護電路的可靠性時，如以下所說明那樣在產(chǎn)品尺寸、產(chǎn)品成本方面產(chǎn)生問題。
[0006]S卩，在上述以往的半導體開關元件驅(qū)動電路中，過電流保護電路和過電流限制電路所監(jiān)視的對象都是電流值，產(chǎn)生以下這種量的誤動作的可能性高，該量相當于在過電流保護電路中使用的第一閾值被設定得比在過電流限制電路中使用的第二閾值小的值，因此設置延遲電路來設置所謂的屏蔽時間。
[0007]在這種半導體開關元件驅(qū)動電路中，當主電流超過第二閾值而過電流限制電路進行動作成為短路保護狀態(tài)時，主電流被抑制。其結(jié)果，當主電流被抑制而低于第一閾值吋，過電流保護電路不進行動作而電流沒有被完全地切斷。因此，必須對這些值確保余量以避免短路保護時的主電流的抑制水平的范圍與過電流保護電路的過電流檢測水平(第一閾
值)重疊。
[0008]在此，在設定上述余量時有如下方法:第一方法，其將短路保護的電流抑制水平的最大值設定為半導體開關元件的破壞耐量的最大值；第二方法，其結(jié)合半導體開關元件的柵極電壓的偏差對短路保護的電流抑制水平的范圍進行限制；第三方法，其結(jié)合半導體開關元件的集電極-發(fā)射極間電壓值的偏差對用于過電流檢測的第一閾值的范圍進行限制；以及第四方法，其追加用于消除第一閾值的范圍的因半導體開關元件的溫度而產(chǎn)生的變動量的校正電路。
[0009]然而，上述第一方法影響芯片尺寸的大型化，上述第二方法以及上述第三方法影響產(chǎn)品的成品率，上述第四方法影響高成本化以及尺寸大型化，分別成為問題。[0010]本發(fā)明是關注上述問題而作出的，其目的在于提供ー種盡可能抑制高成本化以及尺寸大型化、且即使短路保護電路進行限制的電流值產(chǎn)生偏差也能夠使過電流保護電路可靠地進行動作的半導體開關元件驅(qū)動電路。
[0011]用于解決問題的方案
[0012]為了該目的，第一方案所記載的本發(fā)明的半導體開關元件驅(qū)動電路，具備:半導體開關元件，通過向該半導體開關元件的柵極端子施加電壓而在該半導體開關元件的第一端子與第二端子間流過主電流；過電流保護電路，其在與主電流的大小成比例的電流值或者電壓值超過了閾值時，判斷為主電流成為在規(guī)定時間的期間內(nèi)超過規(guī)定的電流值的過電流而使主電流下降；以及短路保護電路，其在主電流在比上述規(guī)定時間短的短時間內(nèi)成為比上述過電流還大的過電流的情況下，使向柵極端子施加的柵極電壓的下降比過電流保護電路引起的主電流的下降快，該半導體開關元件驅(qū)動電路的特征在于，還具有閾值變更電路，該閾值變更電路在短路保護電路的主電流的下降動作時減小閾值。
[0013]發(fā)明的效果
[0014]在本發(fā)明的半導體開關元件驅(qū)動電路中，具有在短路保護電路的主電流的下降動作時減小閾值的閾值變更電路，因此能夠抑制高成本化以及尺寸大型化、且即使短路保護電路進行限制的電流值產(chǎn)生偏差也使過電流保護電路進行動作來可靠地防止半導體開關元件被破壞。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是表示本發(fā)明的實施例1所涉及的半導體開關元件驅(qū)動電路的電路結(jié)構(gòu)的圖。
[0016]圖2是以時序圖表示在實施例1的半導體開關元件驅(qū)動電路中發(fā)生短路的前后柵極電壓、感知電壓、過電流閾值電壓的動作特性的例子的圖。
[0017]圖3是以時序圖表不在實施例1的半導體開關兀件驅(qū)動電路中發(fā)生短路的如后集電極電流、集電極電壓、濾波電壓的動作特性的例子的圖。
[0018]圖4是表示本發(fā)明的實施例2所涉及的半導體開關元件驅(qū)動電路的電路結(jié)構(gòu)的圖。
[0019]圖5是以時序圖表示在實施例2所涉及的半導體開關元件驅(qū)動電路中發(fā)生短路的前后柵極電壓、感知電壓、過電流閾值電壓的動作特性的例子的圖。
[0020]圖6是以時序圖表示在實施例2所涉及的半導體開關元件驅(qū)動電路中發(fā)生短路的前后集電極電流、集電極電壓、濾波電壓的動作特性的例子的圖。
[0021]圖7是表示本發(fā)明的實施例3所涉及的半導體開關元件驅(qū)動電路的電路結(jié)構(gòu)的圖。
[0022]圖8是以時序圖表示在實施例3所涉及的半導體開關元件驅(qū)動電路中發(fā)生短路的前后柵極電壓、感知電壓、過電流閾值電壓的動作特性的例子的圖。
[0023]圖9是以時序圖表示在實施例3所涉及的半導體開關元件驅(qū)動電路中發(fā)生短路的前后集電極電流、集電極電壓、濾波電壓的動作特性的例子的圖。
[0024]圖10是表示本發(fā)明的實施例4所涉及的半導體開關元件驅(qū)動電路的電路結(jié)構(gòu)的圖。[0025]圖11是以時序圖表示在實施例4所涉及的半導體開關元件驅(qū)動電路中發(fā)生短路的前后柵極電壓、感知電壓、過電流閾值電壓的動作特性的例子的圖。
[0026]圖12是以時序圖表示在實施例4所涉及的半導體開關元件驅(qū)動電路中發(fā)生短路的前后集電極電流、集電極電壓、濾波電壓的動作特性的例子的圖。
[0027]圖13是表示本發(fā)明的實施例5所涉及的半導體開關元件驅(qū)動電路的電路結(jié)構(gòu)的圖。
[0028]圖14是以時序圖表示在實施例5所涉及的半導體開關元件驅(qū)動電路中發(fā)生短路的前后柵極電壓、感知電壓、過電流閾值電壓的動作特性的例子的圖。
[0029]圖15是以時序圖表示在實施例5所涉及的半導體開關元件驅(qū)動電路中發(fā)生短路的前后集電極電流、集電極電壓、濾波電壓的動作特性的例子的圖。
[0030]圖16是表示本發(fā)明的實施例6所涉及的半導體開關元件驅(qū)動電路的電路結(jié)構(gòu)的圖。
[0031]圖17是表示本發(fā)明的實施例7所涉及的半導體開關元件驅(qū)動電路的電路結(jié)構(gòu)的圖。
[0032]圖18是以時序圖表示在實施例7所涉及的半導體開關元件驅(qū)動電路中發(fā)生短路的前后柵極電壓、感知電壓、過電流閾值電壓的動作特性的例子的圖。
[0033]圖19是以時序圖表示在實施例7所涉及的半導體開關元件驅(qū)動電路中發(fā)生短路的前后集電極電流、集電極電壓、濾波電壓的動作特性的例子的圖。
[0034]附圖標記說明
[0035]Ql:半導體開關元件(IGBT) ；Q2:過電流限制用晶體管；Q3:柵極電壓切斷用晶體管；IC1:第一比較器；IC2:SR觸發(fā)器；IC3:第二比較器；IC4:第三比較器；IC5:第四比較器；IC6:第五比較器；IC7:第六比較器;V1?V9、VS:電源；L1:線圈;C1?C2:電容器；D1、D2:ニ極管；SP:短路保護電路；0P:過電流保護電路；TC:過電流閾值電壓設定電路(閾值變更電路)；sc:切換電路；SS:短路開關；ST:片上溫度傳感器(溫度檢測單元)。
【具體實施方式】
[0036]以下根據(jù)附圖所示的實施例來詳細地說明本發(fā)明的實施方式。此外，在各實施例間對相同的結(jié)構(gòu)部件、結(jié)構(gòu)部分附加相同的編號，省略它們的重復的說明。
[0037][實施例1]
[0038]首先，說明實施例1的半導體開關元件驅(qū)動電路的整體結(jié)構(gòu)。
[0039]半導體開關元件驅(qū)動電路例如使用于驅(qū)動電動汽車的電動機驅(qū)動電路中，使用例如由三相交流電動機來向其各線圈提供電カ的公知技木。如圖1所示，實施例1的半導體開關元件驅(qū)動電路具有由電動機的線圈以及逆變器構(gòu)成的電路MC、短路保護電路SP、過電流閾值電壓設定電路TC以及設置有切換電路SC的過電流保護電路0P。此外，在圖1的電路MC中，作為仿真用而使用了電動機的一部分和逆變器電路的一部分，但是本質(zhì)上沒有變化。
[0040]具備表示電動機的線圈的線圈L1、與其并聯(lián)連接的反饋ニ極管Dl以及作為半導體開關元件的絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor:1GBT)Ql。能夠從電源Vl向電動機提供電力。此外，能夠通過仿真來調(diào)查實施例1的半導體開關元件驅(qū)動電路的特性，因此設置有能夠使線圈LI與反饋ニ極管Dl的兩端間故意短路(short)的短路開關SS，但是在實際的電動汽車中當然不需要。
[0041]在線圈LI和反饋ニ極管Dl的與電源Vl相反的ー側(cè)的端子上連接IGBT Ql的集電極端子。IGBT Ql的發(fā)射極端子接地，其柵極端子經(jīng)由柵極電阻Rl連接于電源V2。在向IGBT Ql的該柵極端子附加規(guī)定以上的電壓時，電流以與該電壓值相應的值流過集電極端子?發(fā)射極端子間，由此控制提供給電動機的線圈的電流。此外，IGBT Ql的集電極端子以及發(fā)射極端子中的ー個相當于本發(fā)明的第一端子，另ー個相當于本發(fā)明的第二端子。
[0042]短路保護電路SP具有過電流限制用晶體管Q2、電阻R3、電阻(相當于本發(fā)明的短路保護用電阻)R4以及電容器Cl。
[0043]過電流限制用晶體管Q2的集電極端子連接在IGBT Ql的柵極端子與柵極電阻Rl之間，其發(fā)射極端子經(jīng)由并聯(lián)連接的電容器Cl以及電阻R4而接地。另ー方面，過電流限制用晶體管Q2的基極端子連接于IGBT Ql的傳感器端子。在此，傳感器端子設置于IGBT Ql,是與其集電極電流(相當于主電流)ic成比例的電流流過的電流檢測用端子。
[0044]在IGBT Ql的傳感器端子與過電流限制用晶體管Q2的基極端子之間經(jīng)由電阻R3而接地、并且連接于切換電路SC的比較器ICl的非反轉(zhuǎn)輸入端子。另外，在過電流限制用晶體管Q2的集電極端子與IGBT Ql的柵極端子之間連接有過電流閾值電壓設定電路TC的電阻R6，在過電流限制用晶體管Q2的集電極端子與柵極電阻Rl之間連接有柵極電壓切斷用晶體管Q3的集電極端子。此外，在柵極電阻Rl與IGBT Ql的柵極端子之間產(chǎn)生柵極電壓vg，另外在IGBT Ql的傳感器端子與過電流限制用晶體管Q2的基極端子之間產(chǎn)生感知電
Ji VS0
[0045]構(gòu)成過電流保護電路OP的過電流閾值電壓設定電路TC相當于本發(fā)明的閾值變更電路，具有串聯(lián)連接的電阻R6以及電阻R7，經(jīng)由這些電阻R6、R7將過電流限制用晶體管Q2的集電極端子以及IGBT Ql的柵極端子之間接地。由電阻R6、R7進行分壓而獲得的過電流閾值電壓れ施加到切換電路SC的比較器ICl的反轉(zhuǎn)輸入端子。
[0046]同樣地構(gòu)成過電流保護電路OP的切換電路SC進行噪聲消除、延時以及鎖存來使柵極電壓vg成為零，具有比較器IC1、柵極電壓切斷用晶體管Q3、電阻R2、電阻R5、電容器C2以及SR觸發(fā)器IC2。
[0047]如上述那樣向比較器ICl的非反轉(zhuǎn)輸入端子施加感知電壓(輸入電壓)vs，另外向比較器ICl的反轉(zhuǎn)輸入端子施加過電流閾值電壓(基準電壓)vt，當感知電壓vs超過過電流閾值電壓Vt時從輸出端子輸出High(高)的判定信號(規(guī)定的電壓)，在不是的情況下從輸出端子輸出Low(低)的判定信號(0伏特)輸出。
[0048]比較器ICl的輸出端子經(jīng)由電阻R5連接于作為鎖存電路的SR觸發(fā)器IC2的置位端子(S端子)。在該置位端子與電阻R5之間經(jīng)由噪聲消除用的電容器C2接地。SR觸發(fā)器IC2的輸出端子Q經(jīng)由電阻R2連接于柵極電壓切斷用晶體管Q3的基極端子。該柵極電壓切斷用晶體管Q3的集電極端子連接于柵極電阻Rl與過電流限制用晶體管Q2的集電極端子之間，并且發(fā)射極端子接地。在電阻R5與SR觸發(fā)器IC2的置位端子(S端子)之間產(chǎn)生濾波電壓vf。
[0049]以下使用圖1?圖3來說明如以上那樣構(gòu)成的實施例1的半導體開關元件驅(qū)動電路的作用。[0050]在此，圖2、3的時序圖表示發(fā)生短路(通過將短路開關SS設為接通來進行仿真)的情況下的仿真結(jié)果，在這些圖中，時刻tl表示使IGBT Ql導通的時刻、時刻t2表示發(fā)生逆變器中的臂短路、電動機中的短路等的時刻、另外時刻t3表示檢測過電流而切斷向IGBTQl的柵極端子的電カ供給的時刻。另外期間TA(相當于延遲時間T)表示從短路保護電路SP進行動作起到檢測過電流而在延遲時間T之后過電流保護電路OP進行動作為止的期間。此外，在各時序圖中，分別以虛線、一點劃線、實線來表示IGBT Ql的閾值電壓Vth低的情況、中等程度的情況、高的情況下的仿真結(jié)果。此外，圖2、3的各時序圖的縱軸將它們的大小分別進行縮小、放大而進行描繪，因此記載有用于對這些大量的大小進行相互比較的水平值。
[0051]另外，在圖2的上面的時序圖中表示柵極電壓vg的變化，另外在該圖中的正中央的時序圖中表示感知電壓vs的變化，另外在該圖中的下面的時序圖中表示過電流閾值電壓Vt的變化。并且，在圖3的上面的時序圖中表示集電極電流ic的變化，在另外該圖中的正中央的時序圖中表示集電極電壓的變化，另外在該圖中的下面的時序圖中表示濾波電壓的變化。
[0052]首先，在時刻tl使IGBT Ql導通而開始向電動機的線圈提供電力。在沒有發(fā)生短路、過電流的正常的電動機驅(qū)動中，與眾所周知的技術(shù)的情況同樣地，通過控制IGBT Ql的柵極電壓vg的PWM脈寬來將流經(jīng)其集電極?發(fā)射極間、進而流過電動機的線圈的電流改變?yōu)樗谕拇笮。@得所需的驅(qū)動力。
[0053]在該狀態(tài)中，如圖2所示，在導通中柵極電壓Vg瞬時地上升之后幾乎成為固定值。該柵極電壓vg上升而從集電極向發(fā)射極流過電流的結(jié)果是有與集電極電流ic成比例的感知電流流過，因此由該感知電流和電阻R3所決定的IGBT Ql的感知電壓vs也上升到規(guī)定的大小、之后幾乎保持為固定值。此外，如從仿真結(jié)果可知那樣，在上升中，在閾值電壓Vth不同的IGBT Ql間有極小的差，但是是幾乎能夠忽略的程度的差。
[0054]另ー方面，閾值電壓Vt在柵極電壓vg產(chǎn)生的時刻tl上升，成為以電阻R6、R7對柵極電壓vg進行分壓而得到的大小(R7XvgAR6+R7))。此時的感知電壓vs如圖2所示那樣小于過電流閾值電壓れ，因此切換電路SC的比較器ICl是Low輸出，如圖3所示那樣濾波電壓vf也保持最低值(由于基于比較器ICl的輸出特性的誤差量、漂移量等而為小的值)。其結(jié)果，過電流保護電路OP的切換電路SC不動作，柵極電壓切斷用晶體管Q3保持斷開狀態(tài)，使柵極端子側(cè)與地斷開。
[0055]另外，感知電壓vs還同時施加到過電流限制用晶體管Q2的基極端子，但是該值小，比過電流限制用晶體管Q2的閾值電壓還低，因此過電流限制用晶體管Q2保持切斷其集電極?發(fā)射極間的截止狀態(tài)，結(jié)果是短路保護電路SP不動作。因而，IGBT Ql的柵極端子不經(jīng)由電容器Cl和電阻R4接地，進行向上述線圈的電カ供給動作來驅(qū)動電動機。
[0056]此外，如圖3所示那樣，在IGBT Ql中，在導通之前沒有集電極電流ic流過，但是對于集電極電壓vc，由于在IGBT Ql中原本就是設定為該集電極側(cè)比發(fā)射極側(cè)高的電壓的結(jié)構(gòu)，因此表示其相應的值。
[0057]然而，當在時刻tl開始向IGBT Ql施加柵極電壓vg而在集電極?發(fā)射極間流過與柵極電壓vg的大小相應的集電極電流(相當于本發(fā)明的主電流)時，集電極電流ic上升之后保持規(guī)定的大小。當集電極電流ic流過發(fā)射極(即，施加順向偏壓)時，集電極電壓VC下降到最低值(幾乎接近O伏持)。
[0058]在該狀態(tài)下，設為在時刻t2產(chǎn)生例如逆變器的臂短路。進行該短路狀態(tài)的仿真，因此在圖1的電路中短路開關SS被設為接通。
[0059]由此，在時刻t2集電極電流ic瞬時變大而成為過電流。此時，感知電壓vs也大幅上升而使短路保護電路SP進行動作。
[0060]S卩，根據(jù)上述過電流而變得比過電流限制用晶體管Q2的閾值電壓大的感知電壓vs向過電流限制用晶體管Q2的基極端子施加，由此過電流限制用晶體管Q2導通而成為能夠流過電流的狀態(tài)。其結(jié)果，施加到IGBT Ql的柵極端子的電流流過電流限制用晶體管Q2的集電極?發(fā)射極間、接著經(jīng)由電阻R4向接地側(cè)流入。因而，柵極電壓vg的值急劇地下降到柵極電流和感知電壓相平衡的規(guī)定電壓值。通過這樣控制柵極電壓，抑制集電極電流ic的増大，防止IGBT Ql被破壞。
[0061]此外，在電阻R4上連接與其并聯(lián)在發(fā)射扱?地之間的電容器Cl，使高頻部分更快地向地逃逸，并且通過電阻R4使規(guī)定電壓值穩(wěn)定化。
[0062]因而，短路保護電路SP在發(fā)生短路時瞬時地限制柵極電壓Vg的大小。
[0063]該短路保護電路SP的動作中的柵極電壓Vg的下降如在圖2的上面的時序圖中以虛線的橢圓所包圍的區(qū)域所示，在期間TA，使用該閾值電壓Vth值越低的IGBT Q1，所下降的柵極電壓vg變成越小的值。可知在這種情況下與時刻t2前的情況不同，由于閾值電壓Vth的值不同而有相當大幅的差(偏差大)。
[0064]另ー方面，過電流閾值電壓Vt是以電阻R6、R7對柵極電壓vg進行分壓而得到的值，與柵極電壓vg的值成比例，因此在期間TA內(nèi)如圖2的下面的時序圖的橢圓的虛線所示，柵極電壓vg的值越低則過電流閾值電壓vt越低。另外，在這種情況下，閾值電壓Vth越低的IGBT，過電流閾值電壓vt越小，在這種情況下它們也有相當大幅的差。
[0065]該過電流閾值電壓Vt輸入到比較器ICl的反轉(zhuǎn)輸入端子，與輸入到比較器ICl的非反轉(zhuǎn)輸入端子的感知電壓vs比較大小。
[0066]在此，感知電壓vs在時刻t2大幅上升，但是如圖3的上面的時序圖所示那樣，在期間TA中通過柵極電壓vg的下降限制而集電極電流ic也下降到比時刻tl?時刻t2間的集電極電流大的值并保持該值?？芍谶@種情況下閾值電壓Vth越低，集電極電流ic在時刻t2下降越慢而最大值越大，并且之后穩(wěn)定的值也越大，它們的差幅相當大。
[0067]此外，在該期間TA中，使柵極電壓Vg下降到上述值，因此集電極電壓vc上升到與時刻tl前的斷開狀態(tài)相同的程度。
[0068]在期間TA中，感知電壓vs的值在圖2中為1.9?3.9的電平，1.3?1.7電平的過電流閾值電壓Vt可靠地小于感知電壓VS。其結(jié)果，比較器ICl輸出High電平的信號，經(jīng)由電阻R5來向電容器C2和SR觸發(fā)器IC2的置位端子進行輸入。
[0069]該High電平的信號如圖3的下面的時序圖所示那樣從時刻t2起向電容器C2進行充電，由此濾波電壓vf逐漸地上升，在從時刻t2起經(jīng)過延遲時間(所謂的屏蔽時間)T后的時刻t3，該值對SR觸發(fā)器IC2的置位端子施加相當于邏輯值I的濾波電壓vf。此外，在此，電容器C2還發(fā)揮噪聲消除功能。
[0070]當這樣在時刻t3向SR觸發(fā)器IC2的置位輸入端子施加相當于邏輯值I的濾波電壓vf吋，從輸出端子Q輸出相當于輸出值I的輸出電壓。該電壓經(jīng)由電阻R2向柵極電壓切斷用晶體管Q3的基極端子進行輸入，將其設為導通狀態(tài)。其結(jié)果，將電阻Rl與IGBT Ql的柵極端子間經(jīng)由柵極電壓切斷用晶體管Q3的集電極?發(fā)射極而接地，將柵極電壓vg下降到O伏特。
[0071]其結(jié)果，IGBT Ql被強制地設為斷開狀態(tài)，集電極電流ic也成為零，保護IGBT Ql不被過電流破壞。
[0072]在時刻t3之后，感知電壓vs下降而比較器ICl的輸出成為Low電平，因此蓄積在電容器C2中的電被放出。其結(jié)果，濾波電壓vf逐漸下降，SR觸發(fā)器IC2的置位端子的輸入值成為Low，但是SR觸發(fā)器IC2作為鎖存器電路發(fā)揮功能而保持這之前的狀態(tài)(輸出邏輯值I)，因此不擔心柵極電壓vg會再次上升。
[0073]此外，如從圖2的仿真結(jié)果可知，閾值電壓Vth越高的IGBT，感知電壓vs越小，因此當如以往技術(shù)那樣將過電流閾值電壓Vt設為固定時，有可能感知電壓VS無法超過過電流閾值電壓vt，其結(jié)果是比較器ICl保持輸出為零，過電流保護電路OP變得不動作而導致IGBT Ql最終被破壞。
[0074]然而，在實施例1的半導體開關元件驅(qū)動電路中，在發(fā)生短路時瞬時地限制柵極電壓vg的大小，并且由此降低過電流閾值電壓れ的值，因此在延遲時間T后的時刻t3感知電壓vs必然大于過電流閾值電壓れ，過電流保護電路OP可靠地進行動作。
[0075]接著，說明實施例1的半導體開關元件驅(qū)動電路的效果。
[0076]在實施例1的半導體開關元件驅(qū)動電路中，以電阻R6、R7對柵極電壓vg進行分壓而獲得過電流閾值電壓れ，因此限制通過短路保護電路SP的動作所施加的IGBT Ql的柵極電壓vg的大小，并且之后根據(jù)該柵極電壓vg的下降使過電流閾值電壓Vt下降。
[0077]因而，在比較器ICl將感知電壓vs(與作為主電流的集電極電流ic有夫)與下降的過電流閾值電壓vt進行比較來決定過電流保護電路OP的切換電路SC的動作吋，即使是閾值電壓Vth不同的IGBT,在過電流時也能夠使感知電壓vs必然大于過電流閾值電壓vt,其結(jié)果是能夠使過電流閾值電壓れ可靠地動作，保護ICBT Ql不被破壞。
[0078]換句話說，即使降低短路保護時的限制電流值也能夠使過電流保護電路可靠地動作，因此能夠降低IGBT Ql等半導體元件的熱耐量技術(shù)規(guī)范(不被短時間內(nèi)流過大電流時所產(chǎn)生的熱破壞的能力)。由此，能夠?qū)雽w元件小型化，另外能夠降低成本。另外，為此只略微變更、追加結(jié)構(gòu)即可，因此還能夠抑制成本上升、大型化。
[0079][實施例2]
[0080]接著，根據(jù)圖4?6來說明本發(fā)明所涉及的實施例2的半導體開關元件驅(qū)動電路。
[0081]如圖4所示，實施例2的半導體開關元件驅(qū)動電路的在過電流保護電路OP的切換電路SC中使用的屏蔽時間設定電路與實施例1不同。
[0082]S卩，在過電流閾值設定電路TC中以電阻R6、R7對柵極電壓vg進行分壓而獲得的過電流閾值電壓れ除了與實施例1同樣地施加到第一比較器ICl的反轉(zhuǎn)輸入端子之外，還施加到與第一比較器ICl并列配置的第二比較器IC3的非反轉(zhuǎn)輸入端子。另外，對第一比較器ICl的非反轉(zhuǎn)輸入端子，與實施例1同樣地施加感知電壓vs，但是對第二比較器IC3的反轉(zhuǎn)輸入端子，從電源V3施加規(guī)定的電壓。在此，第一比較器ICl和第二比較器IC3構(gòu)成它們的輸出端子彼此之間直接連接的集電極開路輸出的OR(或)電路。
[0083]第一比較器ICl和第二比較器IC3的輸出端子連接于電阻R5。另外，電阻R5與上述兩個輸出端子之間經(jīng)由外置的上拉電阻R8與電源V4連接。其它的結(jié)構(gòu)與實施例1相同。
[0084]在如上述那樣構(gòu)成的實施例2的半導體開關元件驅(qū)動電路中，第一比較器ICl以及第ニ比較器IC3的輸出和施加到R5的電壓如下所示。此外，在以下的說明中輸出電平的注腳(*)意味著由于比較器為集電極開路輸出，因此在其輸出晶體管截止時比較器輸出由于電阻R8而成為High電平。對于向電阻R8施加的輸出信號，由于比較器的2輸出成為接線0R，因此在第一、第二比較器IC1、IC3的兩個輸出為High電平的情況下成為High電平，在第一、第二比較器IC1、IC3中的任ー個的輸出為Low電平的情況下成為Low電平。
[0085]S卩，如果vt〈vs且vt〈V3則第一比較器ICl成為High(*)電平、第二比較器IC3成為Low電平，因此施加到電阻R8的輸出信號成為Low電平。另外，如果V3〈vt〈vs，則第一、第二比較器ICl、IC3均成為HighW電平，因此施加到電阻R8的輸出信號成為High電平。另外，如果V3〈vt且vS〈vt，則第一比較器ICl成為Low電平、第二比較器IC3成為High (*)電平，因此施加到電阻R8的輸出信號成為Low電平。
[0086]因而，在感知電壓vs、過電流閾值電壓Vt處于零附近時，第一比較器ICl的輸出信號有可能變得不穩(wěn)定，但是能夠通過上述電路可靠地設為Low電平。該輸出信號施加到電阻R8和電容器C2，結(jié)果是在柵極電壓vg為零附近的區(qū)域通過電阻R8和電容器C2來抑制濾波電壓vf的上升而屏蔽，其結(jié)果，對SR觸發(fā)器IC2的置位輸入端子S只輸入Low電平。
[0087]圖5、6與實施例1的圖2、圖3相對應，在此圖4的所有的時序圖以及圖5的上中的時序圖與實施例1的圖2、3的對應時序圖相同，但是圖6的下面的時序圖與實施例1不同。
[0088]S卩，如該圖的下面的時序圖所示那樣，可知在IGBT Ql成為截止狀態(tài)的柵極電壓為0伏特附近，在該圖中左側(cè)的虛線的橢圓包圍的區(qū)域(時刻tl之前以及時刻t3以后)，第一比較器ICl的輸入都成為0伏特附近，避免如圖3的下面的時序圖所示那樣產(chǎn)生不穩(wěn)定的電壓。此外，在從時刻tl到時刻t2為止的區(qū)間，由于柵極電壓vg具有規(guī)定的大小且感知電壓vs小于過電流閾值電壓vt，因此也同樣地成為Low。
[0089]因而，在實施例2的半導體開關元件驅(qū)動電路中，除了實施例1的效果之外還具有以下效果。即，即使在IGBT Ql的柵極電壓vg為0伏特附近，通過由集電極開路輸出的第一、第二比較器IC1、IC2使濾波電壓vf固定為Low來進行屏蔽，在柵極電壓vf處于零附近時也能夠保持第一比較器ICl穩(wěn)定。
[0090][實施例3]
[0091]接著，根據(jù)圖7?9來說明本發(fā)明所涉及的實施例3的半導體開關元件驅(qū)動電路。
[0092]如圖7所示，實施例3的半導體開關元件驅(qū)動電路的過電流閾值電壓設定電路TC與實施例1不同。
[0093]S卩，在實施例3的半導體開關元件驅(qū)動電路中，將串聯(lián)配置的電阻R6與電阻R7的連接點連接于第三比較器IC4的非反轉(zhuǎn)輸入端子，另外在反轉(zhuǎn)輸入端子連接電源V5來施加規(guī)定電壓。第三比較器IC4的輸出端子連接于串聯(lián)配置的電阻R9與電阻RlO的連接點。電阻RlO的另一端側(cè)接地，電阻R9的另一端側(cè)經(jīng)由電阻R8連接于電源V6。電阻R8與電阻R9的連接點連接于第一比較器ICl的反轉(zhuǎn)輸入端子來施加過電流閾值電壓vt。對第一比較器ICl的非反轉(zhuǎn)輸入端子施加感知電壓vs。其它的結(jié)構(gòu)與實施例1相同。[0094]在實施例3的半導體開關元件驅(qū)動電路中，以電阻R6、R7對柵極電壓vg進行分壓得到的電壓(在實施例1中相當于過電流閾值電壓)根據(jù)柵極電壓的大小進行浮動，因此當該值高于電源V5的電壓時將High輸出電壓輸出到電阻R9、R10間，相反地在低時將Low輸出電壓輸出到電阻R9、RlO間。
[0095]因而，在電阻R8、R9間產(chǎn)生的過電流閾值電壓vt成為以上述電阻R8、R9對電源V6與第三比較器IC4的輸出電壓的差電壓進行分壓得到的值。在比較器IC4的輸出為High時，通過電阻R8、R9對High的電壓與電源V6的電壓之差進行分壓得到的值成為過電流閾值電壓vt，在比較器IC4的輸出為Low時，通過電阻R8、R9對Low電壓與電源V6的電壓之差進行分壓得到的值成為過電流閾值電壓れ。S卩，過電流閾值電壓vt不受柵極電壓Vg的偏差的影響。
[0096]此外，圖8、9與實施例1的圖2、圖3相對應，圖8的上中的時序圖以及圖9的所有的時序圖與實施例1的圖2、3的對應時序圖相同，但是圖8的下面的時序圖與實施例1不同。
[0097]S卩，如該時序圖所示，如虛線的橢圓所示那樣在期間TA內(nèi)與實施例1的情況相比其偏差得到了抑制。
[0098]如以上那樣，在實施例3的半導體開關元件驅(qū)動電路中，除了實施例1的效果之外還具有以下的效果。即，設置根據(jù)柵極電壓vg的大小來進行High、Low輸出的第三比較器IC4，以電阻R8、R9對其輸出與電源V6的電壓的差電壓進行分壓而獲得過電流閾值電壓vt。因而，過電流閾值電壓vt是由電源V6、比較器IC4的電源電壓以及電阻R8、R9、R10所決定的值，因此不受由于半導體開關元件的特性而產(chǎn)生偏差的柵極電壓vg的影響，能夠設為穩(wěn)定的值。
[0099][實施例4]
[0100]接著，根據(jù)圖10?12來說明本發(fā)明所涉及的實施例4的半導體開關元件驅(qū)動電路。
[0101]如圖10所示，實施例4的半導體開關元件驅(qū)動電路的過電流閾值電壓設定電路TC與實施例3不同。
[0102]即，在實施例4的半導體開關元件驅(qū)動電路中，第四比較器IC5的非反轉(zhuǎn)輸入端子與實施例3同樣地連接于電阻R6與電阻R7的接合點，但是其反轉(zhuǎn)輸入端子與實施例3不同，與串聯(lián)配置在電源V2與地之間的電阻RlI和電阻Rl2的接合點連接。其它的結(jié)構(gòu)與實施例3相同。
[0103]此外，圖11、12與實施例1的圖2、圖3相對應，圖11的上中的時序圖以及圖12的所有的時序圖與實施例1的圖2、3的對應時序圖相同，但是圖11的下面的時序圖與實施例1不同。
[0104]如圖11的上面的時序圖所示，在短路保護狀態(tài)中，盡管柵極處于接通狀態(tài)，但是通過過電流限制用晶體管Q2使IGBT Ql的柵極端子側(cè)的電壓被強制地拉低。該電位差施加到柵極電阻R1，因此在其前后產(chǎn)生電位差。即，由第四比較器來將以電阻R6、R7對柵極電壓vg進行分壓得到的柵極側(cè)電壓與以電阻Rll和R12對電源V2進行分壓得到的電源側(cè)電壓進行比較，如果柵極側(cè)電壓變得比電源側(cè)電壓高則輸出High信號，另外如果相反地變小則輸出Low信號。[0105]因而，過電流閾值電壓vt與實施例3同樣地，如左側(cè)的虛線的橢圓所示，在IGBTQl導通時由于誤動作而過電流閾值電壓れ如圖那樣變化，但是這能夠被噪聲消除，因此沒有問題。
[0106]因而，在實施例4的半導體開關元件驅(qū)動電路中也能夠獲得與實施例3的效果相同的效果。
[0107]并且，在實施例4中，能夠?qū)⒂糜谂袛喽搪繁Ｗo電路是否動作即柵極電壓Vg是否變動的、第四比較器的兩個輸入設為與電源V2的變動成比例變動的值，能夠防止由于電源V2的變動而改變判斷。
[0108][實施例5]
[0109]接著，根據(jù)圖13?15來說明本發(fā)明所涉及的實施例5的半導體開關元件驅(qū)動電路。
[0110]如圖13所示，實施例5的半導體開關元件驅(qū)動電路的過電流閾值電壓設定電路TC與實施例3不同。
[0111]即，在實施例5的半導體開關元件驅(qū)動電路中，第五比較器IC6的非反轉(zhuǎn)輸入端子連接電源V7，反轉(zhuǎn)輸入端子連接于按順序串聯(lián)配置在IGBT Ql的集電極端子與接地之間的電阻R13、R14、R15與電阻R16的連接點。其它與實施例3相同。
[0112]此外，圖14、15與實施例1的圖2、圖3相對應，圖14的上中的時序圖以及圖15的所有的時序圖與實施例1的圖2、3的對應時序圖相同，但是圖11的下面的時序圖與實施例1不同。
[0113]在短路狀態(tài)的IGBT Ql中流過大的短路電流，且成為集電極電壓高的狀態(tài)，即所謂的活性區(qū)域的動作狀態(tài)。
[0114]因此，在實施例5中，由第五比較器IC6來將以電阻R13、R14、R15和電阻R16對檢測出的集電極電壓vc進行分壓得到的集電極側(cè)電壓與電源V7的電壓進行比較，如果集電極側(cè)電壓高于電源V7的電壓則輸出Low信號，如果相反則輸出High信號。之后與實施例3的情況相同地進行過電流的判定。
[0115]因而，在實施例5的半導體開關元件驅(qū)動電路中也能夠獲得與實施例3相同的效果。
[0116]并且，實施例3觀察根據(jù)半導體開關元件的特性而變動的柵極電壓vg，與此相対，在實施例5中通過觀察隨半導體開關元件的特性而變動少的集電極電壓，能夠更正確地判斷短期保護電路是否動作。
[0117][實施例6]
[0118]接著，根據(jù)圖16來說明本發(fā)明所涉及的實施例6的半導體開關元件驅(qū)動電路。
[0119]如圖16所示，實施例6的半導體開關元件驅(qū)動電路的過電流閾值電壓設定電路TC與實施例3不同。
[0120]S卩，在實施例6的半導體開關元件驅(qū)動電路中，將檢測IGBT Ql的溫度的片上溫度傳感器ST(相當于本發(fā)明的溫度檢測單元)設置于IGBT Ql0該片上溫度傳感器ST具有設定在IGBT Ql附近的ニ極管D2，構(gòu)成為將其負極接地，將正極連接電源VS。正極與電源VS之間連接于第六比較器IC7的非反轉(zhuǎn)輸入端子，在它的反轉(zhuǎn)輸入端子連接電源V8。其它的結(jié)構(gòu)與實施例3相同。[0121]當由于短路而IGBT Ql的溫度上升時，通過成為高溫的ニ極管D2向地流入的電流増大，施加到第六比較器IC7的非反轉(zhuǎn)輸入端子的電壓變小。其結(jié)果，當?shù)陀陔娫碫8的電壓時，第六比較器IC7輸出Low信號，與實施例3的情況同樣地防止過電流閾值電壓vt大幅下降。
[0122]因而，在實施例6的半導體開關元件驅(qū)動電路中也能夠獲得與實施例3相同的效果。
[0123]并且，在實施例6中，具有能夠兼用通常使用得多的溫度傳感器這樣的優(yōu)點。
[0124][實施例7]
[0125]接著，根據(jù)圖17?19來說明本發(fā)明所涉及的實施例7的半導體開關元件驅(qū)動電路。
[0126]如圖17所示，將實施例5的半導體開關元件驅(qū)動電路去掉了在過電流閾值電壓設定電路TC中使用的電阻而利用短路保護電路來使過電流閾值電壓下降，這點與實施例3不同。
[0127]即，第七比較器IC8的反轉(zhuǎn)輸入端子連接于過電流限制用晶體管Q2的發(fā)射極與電阻R4之間，它的非反轉(zhuǎn)輸入端子連接電源V9。另外，其輸出端子連接于電阻R9與電阻RlO之間。其它的結(jié)構(gòu)與實施例3相同。
[0128]在短路狀態(tài)中，柵極電壓切斷晶體管Q2成為接通狀態(tài)，因此在電阻R4中流過電流，結(jié)果是柵極電壓切斷用晶體管Q2的發(fā)射極與電阻R4之間的電位上升。由此，第七比較器IC8成為Low輸出，與實施例3同樣地抑制過電流閾值電壓Vt的下降。
[0129]因而，在實施例7的半導體開關元件驅(qū)動電路中也能夠獲得與實施例3相同的效果。
[0130]另外，能夠減少所使用的電阻的數(shù)量。
[0131]以上，根據(jù)上述各實施例來說明了本發(fā)明，但是本發(fā)明不限于這些實施例，在不超出本發(fā)明的精神的范圍內(nèi)產(chǎn)生設計變更等的情況也包含在本發(fā)明中。
[0132]例如連接半導體開關元件的負載在上述實施例中設為電動機，但是不限于此。
[0133]另外，晶體管、IGBT不限于上述實施例的類型。
[0134]另外，SR觸發(fā)器只要是鎖存器電路即可，不限于觸發(fā)器。
【權(quán)利要求】
1.一種半導體開關兀件驅(qū)動電路，具有: 半導體開關元件，通過向該半導體開關元件的柵極端子施加電壓而在該半導體開關元件的第一端子與第二端子間流過主電流； 過電流保護電路，其在與上述主電流的大小成比例的電流值或者電壓值超過了閾值時，判斷為上述主電流成為在規(guī)定時間的期間內(nèi)超過規(guī)定的電流值的過電流而使主電流下降；以及 短路保護電路，其在上述主電流在比上述規(guī)定時間短的短時間內(nèi)成為比上述過電流還大的過電流的情況下，使向上述柵極端子施加的柵極電壓的下降比上述過電流保護電路引起的主電流的下降快， 該半導體開關元件驅(qū)動電路的特征在干， 還具有閾值變更電路，該閾值變更電路在上述短路保護電路的主電流的下降動作時減小上述閾值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導體開關元件驅(qū)動電路，其特征在干， 上述閾值變更電路具有: 電阻，其將上述柵極電壓進行分壓而獲得過電流閾值電壓；以及第一比較器，其將該過電流閾值 電壓和與上述主電流成比例的感知電壓進行比較，當該感知電壓超過上述過電流閾值電壓時輸出使上述過電流保護電路進行動作的信號，當上述感知電壓低于上述過電流閾值電壓時禁止上述過電流保護電路的動作。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導體開關元件驅(qū)動電路，其特征在干， 上述閾值變更電路還具有: 第二比較器，其與上述第一比較器以集電極開路輸出方式來形成OR電路；以及 電源，其對上述第一比較器和上述第二比較器的輸出端子施加規(guī)定電壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或者3所述的半導體開關元件驅(qū)動電路，其特征在干， 上述閾值變更電路還具有: 第三比較器，其輸出根據(jù)上述柵極電壓的大小而不同的輸出值；以及 根據(jù)上述第三比較器的輸出來改變所提供的電壓的分壓值的電阻。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或者3所述的半導體開關元件驅(qū)動電路，其特征在于，還具有: 柵極電阻，該柵極電阻使向上述柵極端子施加的柵極電壓下降， 上述閾值變更電路還具有: 第四比較器，其根據(jù)上述柵極電阻間的電壓的大小而輸出不同的輸出值；以及 根據(jù)上述第四比較器的輸出來改變所提供的電壓的分壓值的電阻。
6.根據(jù)權(quán)利要求2或者3所述的半導體開關元件驅(qū)動電路，其特征在干， 上述閾值變更電路還具有: 第五比較器，其根據(jù)上述半導體開關元件的第一端子和第二端子中的負載側(cè)的端子的電壓的大小來輸出不同的輸出值；以及 根據(jù)上述第五比較器的輸出來改變所提供的電壓的分壓值的電阻。
7.根據(jù)權(quán)利要求2或者3所述的半導體開關元件驅(qū)動電路，其特征在于，還具有: 溫度檢測單元，該溫度檢測單元檢測上述半導體開關元件的溫度， 上述閾值變更電路還具有:第六比較器，其根據(jù)由上述溫度檢測單元檢測出的溫度的高低來輸出不同的輸出值；以及 根據(jù)上述第六比較器的輸出來改變所提供的電壓的分壓值的電阻。
8.根據(jù)權(quán)利要求2或者3所述的半導體開關元件驅(qū)動電路，其特征在于，還具有: 短路保護用半導體，該短路保護用半導體在上述短路保護電路短路時成為導通狀態(tài)，經(jīng)由短路保護用電阻使上述半導體開關元件的柵極電壓下降， 上述閾值變更電路還具有: 第七比較器，其根據(jù)在上述短路保護用電阻間檢測出的電位的大小來輸出不同的輸出值；以及 根據(jù)上述第七比較器的輸出來`改變所提供的電壓的分壓值的電阻。
【文檔編號】H03K17/08GK103493373SQ201280020529
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2012年4月5日 優(yōu)先權(quán)日:2011年4月27日
【發(fā)明者】菊地義行 申請人:康奈可關精株式會社