半导体驱动装置及使用该半导体驱动装置的电力变换装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及搭载了过电压保护功能的半导体驱动装置、以及使用该半导体驱动装置的电力变换装置。
【背景技术】
[0002]以逆变器为首的电力变换装置通过半导体开关元件的开关动作实现电力变换。作为该半导体开关元件的代表例，广泛使用以MOS-FET、IGBT为首的电压驱动型半导体元件。特别是能进行高速的开关且能控制大电力的IGBT在从家电用的小容量逆变器到铁道用等的大容量逆变器的广泛领域使用。
[0003]为了控制这样的半导体开关元件而需要半导体驱动装置。一般，电压驱动型半导体的驱动装置具有通过对半导体开关元件的栅极施加电压来控制元件的导通状态的功能。另外，半导体驱动装置一般具有防止所驱动的半导体开关元件的过电压的功能。
[0004]图10是由IGBT和二极管构成的IGBT模块用的驱动装置的现有例。基于栅极信号对IGBTl的栅极G施加合适的电压，对使IGBTl的集电极P-发射极N间导通的集电极电流Ic进行控制。
[0005]在此，栅极电阻6以及7通过限制流过栅极G的电流Irg来调整栅极G与发射极E间的电压Vge的变化率。由此，能合适地规定IGBTl的开关速度、即集电极电流Ic的变化率以及集电极C与发射极E间的电压Vce的变化率。
[0006]作为过电压防止功能，广泛采用在IGBTl的集电极C与栅极G间连接恒电压二极管等的电压钳位元件3的方式。在该方式中，在IGBTl的切断时等集电极电压变得过大的情况下，由于恒电压二极管击穿而在栅极流过电流，通过使IGBT过渡地导通来将集电极电压钳位为恒定。另外，为了防止IGBTl的栅极的过电压，一般在栅极-发射极间具备过电压保护二极管9。
[0007]在图11示出图10的构成中的IGBT的切断时的集电极电流Ic、集电极-发射极间电压Vce、栅极电流Irg以及栅极-发射极间电压Vge的示意波形。在IGBT的集电极-发射极间电压Vce以及集电极电流Ic进行过渡的期间中，在IGBT产生切断损耗。另外，在该过渡期间中，已知在栅极电压波形会出现被称作镜像期间的台阶。
[0008]图12表示IGBT的集电极浪涌电压变得过大、电压钳位元件3进行钳位动作的情况下的各电流以及电压的示意波形。在集电极-发射极间产生过电压的期间中，与集电极-栅极间连接的电压钳位元件3击穿而在钳位电路流过电流Icl，栅极电压上升到导通阈值电压Vth以上而IGBT导通，以防止集电极-发射极间的过电压。另一方面，由于因电压钳位而切断动作期间变长，因此出现切断损耗变大这样的副作用。
[0009]在此，在将半导体驱动装置的关断栅极电压设为Vm、将关断栅极电阻设为Rgl时，钳位电路电流Icl需要满足下述的关系。
[0010]Icl ^ (Vth-Vm) /Rgl...(式 I)
[0011]因此，使关断栅极电阻Rgl较大有助于降低钳位电流Icl，因此有助于提高钳位效果。另一方面，会引起切断损耗的进一步增加。
[0012]在先技术文献
[0013]专利文献
[0014]专利文献1:JP特开2005-328668号公报
[0015]专利文献2:JP特开2013-126278号公报
[0016]在专利文献I中，作为提高钳位效果的其他方法，示出在开关动作期间中的给定的期间将栅极驱动电路的输出电压保持在小于阈值电压Vth的正电压的方法。如此将栅极电压保持在正电压的方法中，由于以电阻连接驱动电路的正负电源间，因此为了防止电阻的过剩发热而需要以高阻抗保持电压。为此，在栅极混入噪声的情况下的电位变动变大，出现栅极误导通而产生多余的损耗的风险。进而，在该方法中，虽然是预先确定了保持所述的正电压的期间的前馈控制，但由于所需要的钳位期间Tcl(参考图12)根据发生的浪涌的状況不同而变化，因此需要确保足够的富余量来设定钳位期间Tel。由此，会招致切断的过剩延迟，有带来损耗增加的问题。
[0017]另一方面，在专利文献2中示出如下方法:在钳位电路进行动作的情况下，通过使下一周期的输出级电路的关断电阻较大来使开关动作较慢，抑制浪涌电压。在这样的方法中，通过探测钳位电路的动作的反馈控制来最优化使关断电阻较大的期间，能抑制切断损耗的过剩的增加。但在该方法中，需要从钳位电路向输出级电路引出反馈布线。为此，不仅将半导体驱动装置与IGBT间布线连接时所需的布线数增加，还会因在引绕的布线叠加了噪声而使输出级电路误动作，担心引起切断损耗的增加、臂短路等的问题。
【发明内容】
[0018]为了解决所述的课题，本发明所涉及的半导体驱动装置控制半导体开关元件的导通/关断状态，所述半导体驱动装置具备:向开关元件的栅极控制端子传送控制信号的控制信号输出级电路；连接在开关元件的输入端子与栅极控制端子间的电压钳位电路；和检测开关元件的输出端子与栅极控制端子间的电压或栅极控制端子电流的检测电路，控制信号输出级电路在半导体开关元件的切断期间中基于检测电路的检测结果来降低控制信号输出级电路的输出级的阻抗。
[0019]另外，作为本发明中的半导体开关元件，能运用于IGBT或MOSFET等的元件中，输入端子分别与IGBT中的集电极端子以及MOSFET中的漏极端子对应，输出端子分别与IGBT中的发射极端子以及MOSFET中的源极端子对应。
[0020]发明的效果
[0021]根据本发明，通过以控制端子的电压或电流探测切换控制电路的阻抗的定时，实现了与钳位动作期间Tcl相应的控制，从而将切断损耗的增加抑制在最小限度，并且抑制了从电压或电流的探测点到阻抗切换部为止的信号线的长度，从而能抑制在信号线中叠加噪声。
【附图说明】
[0022]图1是表示本发明的实施例1所涉及的半导体驱动装置的基本构成的框图。
[0023]图2是本发明的实施例1所涉及的半导体驱动装置的第I动作示意波形图。
[0024]图3是本发明的实施例1所涉及的半导体驱动装置的第2动作示意波形图。
[0025]图4是表示本发明的实施例1所涉及的半导体驱动装置的输出级电路的具体例的框图。
[0026]图5是表示本发明的实施例1所涉及的半导体驱动装置的电压钳位电路的第I具体例的框图。
[0027]图6是表示本发明的实施例1所涉及的半导体驱动装置的电压钳位电路的第2具体例的框图。
[0028]图7是表示本发明的实施例1所涉及的半导体驱动装置的电压钳位电路的第3具体例的框图。
[0029]图8是表示本发明的实施例2所涉及的半导体驱动装置的基本构成的框图。
[0030]图9是表示本发明的实施例3所涉及的电力变换装置的基本构成的框图。
[0031]图10是表示具有有源钳位功能的半导体驱动电路的现有构成的框图。
[0032]图11是现有构成中的半导体开关元件的切断示意波形图，特别表示浪涌电压小的情况。
[0033]图12是现有构成中的半导体开关元件的切断示意波形图，特别表示由于浪涌电压较大而半导体驱动装置的有源钳位功能进行了动作的情况。
[0034]标号的说明
[0035]T1、T2栅极输出级电路
[0036]Rgl?Rg3 栅极电阻
[0037]Cgl加速电容器
[0038]Irg栅极电阻导通电流
[0039]Dzl?Dz8 电压钳位元件
[0040]Vge栅极-发射极电压
[0041]Vth栅极阈值电压
[0042]Qg栅极电荷
[0043]Ic集电极电流
[0044]Vce集电极-发射极电压
[0045]Vcl集电极钳位电压
[0046]Icl电压钳位电路的电流
[0047]Tcl电压钳位期间
[0048]SIN驱动指令输入信号
[0049]SF栅极判定信号
[0050]Zl?Z3 输出级电路阻抗
[0051]Mzl钳位电路切换MOSFET
[0052]Dzgl钳位电路栅极保护元件
[0053]Dzg2钳位电路整流二极管
[0054]Czgl钳位电路栅极输入电容
[0055]Rzl?Rz3 钳位电路电阻
[0056]Czl钳位电路串联电容器
[0057]Vdc主电路电源电压
[0058]Vp半导体驱动装置正电源电压
[0059]Vm半导体驱动装置负电源电压
[0060]Le模块寄生电感
[0061]CIGBT集电极主端子
[0062]EIGBT发射极主端子
[0063]GIGBT