过流保护电路及开关电路的制作方法

1.本发明涉及一种过流保护电路及开关电路。其中，开关电路是例如升压斩波电路、半桥逆变电路、全桥逆变电路等开关电路。


背景技术：

2.半导体器件通常具有短路承受量，若超过短路承受量的电流流过，则可能会导致破坏。通过短路快速感测半导体器件中流经过电流，并使流向半导体器件的电流停止，从而能够进行半导体器件的过流保护。
3.例如专利文献1提供一种电力转换装置的过流保护装置，其在直流电压较高、较低、甚至一定的情况下都能够在任意的定时改变集电极短路检测的感测电压的设置等级，进而能够可靠地保护电压驱动元件免受过电流影响。
4.专利文献1的过流保护装置具备：电力转换装置，具有电压驱动形式的电力用开关元件；过电流感测部，检测上述电力用开关元件的输入侧主端子的电压，在上述电压超过规定值时，向上述电力用开关元件提供关闭信号；以及过电流设置部，设为可以在任意的定时按照并列关系连接于上述过电流感测部，以能够改变上述规定值。
5.gan器件是使用氮化镓gan的半导体器件，与绝缘栅极双极晶体管(igbt)及sic器件等现有的半导体器件相比，具有可以以高频驱动的特征。
6.现有技术文献
7.专利文献
8.专利文献1：日本特开2006-14402号公报


技术实现要素：

9.发明要解决的技术问题
10.然而，gan器件与现有的半导体器件相比耐过电流性较弱，可能因例如100纳秒程度的过电流而导致破坏。因此，desat、ct检测或专利文献1的技术等现有的过流保护技术并不能充分保护gan器件。
11.本发明的目的在于解决以上的问题点，提供一种与现有技术相比更快速地保护半导体开关免受过电流影响的过流保护电路及开关电路。
12.用于解决技术问题的技术方案
13.本发明的一种方案的过流保护电路用于保护流向基于驱动信号而控制开闭的开关元件的过电流，具备：
14.第一晶体管，为n沟道fet，具有连接至所述开关元件的控制端子的漏极、和接地的源极；
15.第二晶体管，为pnp型双极晶体管，具有连接至所述开关元件的控制端子的发射极、连接至所述第一晶体管的栅极且经由第一电容器接地的集电极、及被上拉至规定的上拉电压的基极；以及
16.接地电路，与所述第一电容器并联。
17.发明效果
18.根据本发明的过流保护电路，可以与现有技术相比更快速地保护半导体器件免受过电流影响。
附图说明
19.图1是示出实施方式1的升压斩波电路1的构成例的方框图。
20.图2a是示出图1的电流驱动型开关电路10的详细构成例的方框图。
21.图2b是示出实施方式1的变形例的电流驱动型开关电路10a的详细构成例的方框图。
22.图3a是示出图1的电流驱动型开关电路10中的信号等的动作波形的时序图。
23.图3b是图1的电流驱动型开关电路10的模拟结果，即示出电流及电压的动作波形的时序图。
24.图4是示出实施方式2的电流驱动型开关电路10a的构成例的方框图。
25.图5是图4的电流驱动型开关电路10a的模拟结果，即示出电流及电压的动作波形的时序图。
26.图6是示出实施方式3的电流驱动型开关电路10b的构成例的方框图。
27.图7是示出图6的电流驱动型开关电路10b中的信号等的动作波形的时序图。
28.图8是示出实施方式4的电流驱动型开关电路10c的构成例的方框图。
29.图9是示出变形例1的半桥逆变电路1a的构成例的方框图。
30.图10是示出变形例2的全桥逆变电路1b的构成例的方框图。
具体实施方式
31.以下，基于附图对本发明的实施方式进行说明。需要指出，以下所说明的各实施方式在所有方面都仅为本发明的例示。当然也可以进行各种改良、变形而不脱离本发明的范围。即，实施本发明时，可以适当采用与实施方式相应的具体的构成。
32.(实施方式1)
33.图1是示出实施方式1的升压斩波电路1的构成例的方框图。图1中，升压斩波电路1具备：具有作为开关元件的半导体开关14的电流驱动型开关电路10、电感器l1、二极管d1、及电容器c1。
34.图1中，输入电压vi经由电感器l1被施加于二极管d1的阳极及半导体开关14的漏极的连接点。半导体开关14的源极接地。二极管d1的阴极连接至输出输出电压vo的电容器c1的一端，其另一端接地。向半导体开关14的栅极输入有用于升压斩波的开关驱动信号(以下，称为驱动信号。)，并进行切换以使半导体开关14打开或关闭。
35.综上所述，在构成的升压斩波电路1中，电感器l1向防止电流变化的朝向产生起电力。因此，半导体开关14从打开切换为关闭时，电感器l1产生与输入电压vi相同朝向的起电力，以防止电流因二极管d1的电阻而降低。由此，产生高于输入电压vi的电压，该电压被电容器c1平滑化，并转换为输出电压vo。因此，通过周期性且选择性切换半导体开关14的开闭，升压斩波电路1将输入电压vi转换为比输入电压vi更高的直流输出电压vo并输出。
36.如后文参考图2详细所述，该升压斩波电路1的电流驱动型开关电路10设有过流保护电路11，该过流保护电路11的特征在于，为了防止规定值以上的过电流的漏极电流id流向半导体开关14的漏极-源极间并被破坏，通过使半导体开关14的栅极接地而关闭半导体开关14，从而阻断过电流。
37.图2a是示出图1的电流驱动型开关电路10的详细构成例的方框图。图2a中，电流驱动型开关电路10具备过流保护电路11、控制部12、驱动部13、半导体开关14、及电阻器r1。过流保护电路11具备晶体管q1、q2、上拉电阻器r2、电压检测电路15、电容器c11、及电阻器r11。在此，过流保护电路11为了防止规定值以上的过电流的漏极电流id流向半导体开关14的漏极-源极间并被破坏，通过使半导体开关14的栅极接地而关闭半导体开关14，从而阻断过电流。
38.图2a中，控制部12通过作为脉冲信号的驱动信号sdrv控制驱动部13。另外，电压检测电路15监视所输入的检测电压vgs1，当检测电压vgs1为规定的阈值以上时，将高电位的异常检测信号sa输出至控制部12。响应于此，控制部12将驱动信号sdrv固定为低电位，并使驱动部13停止。需要指出，将晶体管q2的基极电压设为vocp。
39.驱动部13基于来自控制部12的驱动信号sdrv经由电阻器r1向半导体开关14的栅极施加栅极-源极间电压vgs14，以控制半导体开关14开闭。半导体开关14是例如gan器件等开关元件，通过驱动部13控制开闭以选择性切换是否导通漏极电流id。
40.在过流保护电路11中，晶体管q1是例如n沟道fet。晶体管q1的漏极连接至栅极-源极间电压vgs14，晶体管q1的源极接地，晶体管q1的栅极连接至晶体管q2的集电极。另外，晶体管q2是例如pnp型双极晶体管，晶体管q2的发射极连接至栅极-源极间电压vgs14，晶体管q2的集电极经由作为电容器c11及电阻器r11的并列电路的时间常数电路19接地，晶体管q2的基极经由上拉电阻器r2被上拉至阈值电压vth。在此，时间常数电路19是为了通过其时间常数使晶体管q1的栅极-源极间电压vgs放电以在驱动信号sdrv停止后使该过流保护电路11从保护动作恢复为常规动作而设置的。需要指出，阈值电压vth是本发明的“上拉电压”的一例，电阻器r11是本发明的“接地电路”的一例。
41.在此，在常规动作时段，晶体管q1、q2均关闭，在此，检测电压vgs1保持在规定的电压。接下来，若栅极-源极间电压vgs14因产生短路而变为阈值电压vth，则晶体管q2打开，并且，若栅极-源极间电压vgs14因持续短路而超过阈值电压vth，则晶体管q1也打开，保护动作开始。在此，电压检测电路15检测作为晶体管q1的栅极-源极间电压的检测电压vgs1，并将表示检测电压vgs1的信号输出给控制部12。接下来，若保护动作开始，检测电压vgs低于阈值电压vth，则晶体管q2关闭。
42.图3a是示出图1的电流驱动型开关电路10中的信号等的动作波形的时序图。
43.图3a中，在时刻t0电流驱动型开关电路10开始动作，在时刻t1半导体开关14中产生短路之后，控制部12在时刻t3检测短路。在此，将时刻t0～t1的时段称为常规动作时段，将时刻t1～t2的时段称为保护动作时段，将时刻t2～t3的时段称为保护保持时段，将时刻t3～t5的时段称为vgs1关闭时段，从时刻t6起返回正常动作时段。
44.在常规动作时段，除检测电压vgs1过冲时段(详细内容将在后文叙述)之外，电流不会流向上拉电阻器r2，因此检测电压vgs1为阈值电压vth。设置该阈值电压vth高于驱动信号sdrv为高电位时由驱动部13提供的栅极-源极间电压vgs14，因此晶体管q1及q2两者在
常规动作时段始终关闭。
45.在通常过电流流过半导体器件的情况下，半导体器件中所含的半导体开关的栅极-源极间电压过冲(瞬间升高)。即使在本实施方式中，在图3a的时刻t1，流向半导体开关14的漏极电流id也会过度升高，并且，半导体开关14的栅极-源极间电压vgs14急剧升高，达到高于阈值电压vth的值。由此，晶体管q2打开，因此晶体管q1也打开。
46.因此，栅极-源极间电压vgs14通过晶体管q1被放电而变为0。由此半导体开关14关闭，因此，能够使流向半导体开关14的过电流停止，从而使过流保护电路11开始保护动作。从在时刻t1产生短路至过流保护电路11开始进行保护动作之间的时间包括晶体管q1、q2开关中的延迟，要短例如20～100纳秒左右。
47.另外，本实施方式中的保护保持功能由连接于晶体管q1的栅极端子的时间常数电路19进行。
48.电压检测电路15将基于检测电压vgs1的h电位的异常检测信号sa输出给控制部12。响应于此，控制部12判断为进行了保护动作，并使驱动信号sdrv的输出停止(时刻t2)。在停止时段ph，驱动信号sdrv始终为低电位，半导体开关14始终保持关闭。
49.需要指出，保持保护动作直至检测电压vgs1被时间常数电路19放电完毕，因此不会产生重复的过电流。
50.若保护状态时异常状态解除(时刻t4)，则在驱动信号停止后，时间常数电路19通过其时间常数使晶体管q1的栅极/源极间电压vgs放电以使该过流保护电路11从保护动作恢复为常规动作，因此，晶体管q1关闭(时刻t5)，并恢复常规动作。
51.图3b是图1的电流驱动型开关电路10的模拟结果，即表示电流及电压的动作波形的时序图。由图3b表明，能够控制为栅极-源极间电压vgs14不伴有较大的过冲。
52.综上所述，本实施方式中的过流保护电路11具备上拉电阻器r2、n沟道fet的晶体管q1、pnp型双极晶体管的晶体管q2、电压检测电路15、及由电容器c11及电阻器r11构成的时间常数电路19。若半导体开关14的栅极-源极间电压vgs14超过阈值电压vth，则晶体管q2、q1依次打开。由此，通过晶体管q1使栅极-源极间电压vgs14瞬间降低至0v，并开始关闭半导体开关的保护动作。另外，控制部12基于来自电压检测电路15的异常检测信号sa使驱动部13停止并关闭半导体开关14。因此，根据本实施方式，与现有技术相比，能够更快速使流向半导体开关14的过电流停止，从而保护半导体开关14。
53.图2b是示出实施方式1的变形例的电流驱动型开关电路10a的详细构成例的方框图。图2b的电流驱动型开关电路10a具备过流保护电路11a来代替图2a的过流保护电路11，其不同点在于，电阻器r2具备除噪二极管d2。需要指出，该变形例也适用于实施方式1的其它实施方式。
54.(实施方式2)
55.实施方式1中，半导体开关14的栅极-源极间电压vgs14上升时，如图3b所示，阈值电压vocp暂时升高。此时，因阈值电压vocp的变动产生延时，进而导致保护动作的开始延时。
56.图4是示出实施方式2的电流驱动型开关电路10a的构成例的方框图。图4中，电流驱动型开关电路10a与电流驱动型开关电路10相比，以下方面不同。
57.(1)过流保护电路11a进一步具备连接于晶体管q2的基极的电容器ca。
58.(2)阈值电压vth的电源经由上拉电阻器r2将电容器ca充电至阈值电压vth。
59.实施方式2中，半导体开关14中产生短路，栅极-源极间电压vgs14急剧升高。此时，阈值电压vocp因栅极-源极间电压vgs14的上升而暂时升高，但该变化会通过电容器ca降低。因此，能够抑制保护动作开始的延时。
60.图5是图4的电流驱动型开关电路10a的模拟结果，即示出电流及电压的动作波形的时序图。由图5表明，能够控制为阈值电压vocp不伴有较大的暂时升高(101)。
61.综上所述，本实施方式中的过流保护电路11a除过流保护电路11之外进一步具备电容器ca。由此，能够使栅极-源极间电压vgs14的上升所导致的阈值电压vocp的暂时升高小于图2a的过流保护电路11，进而相比过流保护电路11降低保护动作的开始中的延时。
62.(实施方式3)
63.图6是示出实施方式3的电流驱动型开关电路10b的构成例的方框图。
64.图6中，电流驱动型开关电路10b与图4的电流驱动型开关电路10a相比，在以下方面不同。
65.(1)电流驱动型开关电路10b具备晶体管17代替电阻器r11，晶体管17为例如n沟道mosfet，并作为接地电路进行动作。
66.图6中，向晶体管17的栅极输入来自控制部12的恢复信号sm，晶体管17的漏极连接至晶体管q1的栅极，晶体管17的源极接地。控制部12在驱动信号停止后，将恢复信号sm输出给晶体管17的栅极，以使过流保护电路11从保护动作恢复为常规动作。由此，通过打开晶体管17使晶体管q1的栅极-源极间电压vgs1放电。
67.图7是示出图6的电流驱动型开关电路10b中的信号等的动作波形的例子的时序图。
68.图7中，电流驱动型开关电路10b与图4的电流驱动型开关电路10a的动作相比，以下内容不同。
69.(1)在时刻t1产生短路时，晶体管q1的栅极电压升高，开始保护动作。
70.(2)在时刻t3，控制部12从电压检测电路15基于异常检测信号sa检测到异常状态之后，判断为在异常检测信号sa降低至低电位时异常状态解除(时刻t11)，然后在规定的时间段之后(时刻t4)，将恢复信号sm输出给晶体管17的栅极。由此，晶体管17打开，使晶体管q1的栅极-源极间电压vgs放电，由此晶体管q1关闭，半导体开关14从保护状态恢复为常规状态。
71.综上所述，实施方式3的电流驱动型开关电路10b具备晶体管17。控制部12在判断为异常状态解除(时刻t11)后经过规定的时间段之后(时刻t4)，将恢复信号sm输出给晶体管17的栅极。由此，晶体管17打开，使晶体管q1的栅极-源极间电压vgs放电，由此晶体管q1关闭，半导体开关14从保护状态恢复为常规状态。
72.(实施方式4)
73.图8是示出实施方式4的电流驱动型开关电路10c的构成例的方框图。图8中，电流驱动型开关电路10c与图6的电流驱动型开关电路10b相比，以下方面不同。
74.(1)具备作为例如npn型双极晶体管的晶体管17a来代替作为n沟道mosfet的晶体管17。
75.(2)在控制部12和晶体管17a的栅极之间具备晶体管驱动部16。
76.图8中，控制部12通过经由晶体管驱动部16控制晶体管17a的基极电流itr来控制晶体管17a的开闭。由此，获得与实施方式3相同的作用效果。
77.(变形例)
78.以上，对本发明的实施方式进行详细说明，但前述的说明在所有方面都仅为本发明的例示。当然也可以进行各种改良、变形而不脱离本发明的范围。例如，可以进行如下变更。需要指出，以下，关于与上述实施方式相同的组件将使用相同的符号，关于与上述实施方式相同的方面，适当省略说明。以下的变形例可以适当组合。
79.实施方式1～4中，作为具备本发明的电流驱动型开关电路10、10a～10c的半导体器件，说明了升压斩波电路1。然而，本发明并不限定于此，也可以用于通过半导体开关控制电流开关的电路及装置等。
80.例如，图9是示出变形例1的半桥逆变电路1a的构成例的方框图。图9中，半桥逆变电路1a具备电感器l2、两个电流驱动型开关电路10、及电容器c2。
81.图9中，控制两个电流驱动型开关电路10的半导体开关14周期性交替打开。由此，输入电压vi被切换，并被电容器c2平滑化，转换为交流输出电压vo。由此，半桥逆变电路1a切换直流的输入电压vi，并将其转换为交流的输出电压vo并输出。两个电流驱动型开关电路10分别可以由电流驱动型开关电路10a～10c中的任意一个替换。
82.另外，图10是示出变形例2的全桥逆变电路1b的构成例的方框图。图10中，全桥逆变电路1b具备电容器c3、四个电流驱动型开关电路10、及电感器l3、l4。
83.图10中，在四个电流驱动型开关电路10中，进行控制以使第一及第四电流驱动型开关电路10(图左上及右下)打开，且第二及第三电流驱动型开关电路10(图左下及右上)关闭的时段与将它们的开闭反转的时段周期性交替出现。由此切换输入电压vi，切换后的输入电压vi被电容器c3及电感器l3、l4平滑化。由此，全桥逆变电路1b切换直流的输入电压vi，将其转换为交流的输出电压vo并输出。四个电流驱动型开关电路10分别可以用电流驱动型开关电路10a～10c中的任意一个替换。
84.如此一来，本发明的电流驱动型开关电路及过流保护电路可以用于通过半导体器件控制电流开关的电路及装置。
85.另外，实施方式1～4中，作为限制来自阈值电压vth的电源的电流的装置，使用了上拉电阻器r2。然而，本发明并不限定于此，也可以使用二极管等来代替上拉电阻器r2。并且，实施方式1～4中，使用电流控制型开关电路10、10a～10c作为开关电路。然而，本发明并不限定于此，也可以使用电压驱动型开关电路来代替电流驱动型开关电路。
86.附图标记说明
87.1 升压斩波电路
88.1a 半桥逆变电路
89.1b 全桥逆变电路
90.10、10a、10a～10c 电流驱动型开关电路
91.11、11a、11a～11c 过流保护电路
92.12 控制部
93.13 驱动部
94.14 半导体开关
95.15 电压检测电路
96.16 晶体管驱动部
97.17、17a 晶体管
98.18、19时间常数电路c1～c11电容器
99.d1、d2 二极管
100.l1、l2 电抗器
101.q1、q2 晶体管
102.r1～r11 电阻器。