专利名称：半导体元件的保护电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及对直流与交流进行相互变换的电力变换装置，尤其涉及使用于电力变换装置的开关元件的保护技术。
背景技术：
可高速切换且能够控制大功率的IGBT在从家电用等的小容量逆变器(inverter)到铁路用等的大容量逆变器的较广的领域上使用。将IGBT使用于逆变器等时，为了防止因桥臂短路和负荷短路时的短路电流而产生的IGBT的破损，一般在较多的情况下使用短路保护电路。桥臂短路是指在正极(plus)和负极(minus)的电源线之间串联连接的多个IGBT同时接通，从而电源的正极和负极被短路的现象。另外，负荷短路是指连接于逆变器的负荷短路，从而介由正在接通的IGBT而电源的正极和负极被短路的现象。如果产生短路，则在IGBT中流过过大的电流而被破损。
逆变器的短路保护电路，在观测IGBT的电流和电压而它们超过预先决定的值的情况下，限制或切断电流，防止IGBT的破损。作为短路状态的检测方法，有监视集电极(collector)的方法、由称作变流器(currenttransformer)的电流传感器间接地监视电流值的方法、将电阻与发射极(emitter)串联连接、通过该电阻中产生的电压观测电流的方法等。
但是，在铁路等的高电压的逆变器中使用这些电流检测机构时，由于因噪声而存在错误检测、即短路未发生时错误地检测为发生短路而使逆变器停止的情况，因此在专利文献1中公开了监视集电极电压和栅极电压，来防止逆变器的异常的错误检测的技术。
但是，由于在专利文献1中必须观测集电极电压，因此存在以下所述的问题点。
一般来说集电极电压为栅极电压的几倍到几百倍的高电压。例如在铁路用的逆变器的情况下，栅极电压最大也不到20V，但是也有集电极电压的最大值为4000V的逆变器。为了观测该电压而需要高电压的二极管和电阻，从而引起系统的成本增大。另外，也有组合低压的二极管和电阻的方法，但是这种方法增加部件数量而存在引起电路的大型化和成本的增大的问题。此外，有集电极电压以大振幅振动的情况，则此时噪声通过上述的集电极电压的观测机构进入短路保护电路，从而存在引发错误动作的问题。
专利文献1特开2005-6464号公报(图1、图2和(0024)段落～(0042)段落的内容)。
发明内容
本发明目的在于提供一种可靠性高的半导体装置的保护电路。
本发明的半导体装置的保护电路具备对作为功率半导体元件的IGBT和作为IGBT的主端子的发射极端子的电流进行监视的机构；对作为IGBT的控制端子的栅极电压进行检测的机构；和由来自作为主电流的发射极电流的检测机构和作为控制端子电压的栅极电压的检测机构的两者的信号来控制IGBT的栅极电压的机构。
发明效果根据本发明能够使电力变换装置小型化，并且提高可靠性。
图1是实施例1的电路的说明图。
图2是逆变器的正常动作时的动作波形。
图3是逆变器的异常动作时的动作波形。
图4是过电流判定部进行了错误检测时的动作波形。
图5是实施例2的电路的说明图。
图6是实施例3的电路的说明图。
图7是实施例4的电路的说明图。
图8是实施例5的电路的说明图。
图9是实施例6的电路的说明图。
图10是实施例7的三相二电平逆变器的说明图。
图中1-指令部；2-栅极驱动部；3-栅极电压检测部；4-AND电路；5-电流检测部；6、23～28-IGBT、7、29～34-二极管；8-变流器(current transformer)；9-过电流判定部；10-基准电源；11-分流电阻；12-带传感端子IGBT；13-电流检测电阻；14-积分器；15-直流端子；16-交流端子；17～19、20～22-栅极驱动器；35-电感。
具体实施例方式
以下，使用附图详细说明本发明。
(实施例1)图1是本实施例的电路的说明图，图2～图4是该电路的动作波形。此外，图2表示在逆变器正常动作时的各部分的波形，并且说明短路保护电路不动作时的动作。
在图1中符号1是指令部、2是栅极驱动部、3是栅极电压检测部、4是AND电路、5是电流检测部、6是IGBT、7是二极管。而且，栅极驱动部2具有接收来自AND电路4的信号，对输出电压进行限制或者进行切断的功能。
使用图2说明图1的动作。考虑IGBT6关断的情况作为初始状态。图2中在时刻t1以前来自指令部1的信号成为低电平(以下称作L电平)，对应与此，来自栅极驱动部2的输出也成为L电平，从而IGBT6的栅极电压成为L电平。如果在时刻t1指令为高电平(以下称作H电平)，则栅极驱动部2的输出要反转为H电平。此时，由于在IGBT6的栅极存在输入电容，因此栅极驱动部2的输出不会立刻成为H电平，而迟一些时间电压逐渐增加。在时刻t2栅极电压达到IGBT6的阈值电压，而集电极电流开始流出。在时刻t2～t3的期间集电极电流逐渐增加，而在时刻t3集电极电压开始减少，到时刻t4，IGBT6完全处于接通状态。在图2中，由于过电流没有流过，因此不进行基于栅极检测信号、过电流检测信号的异常检测，从而，AND电路4的输出也仍然保持为L，并且保护电路不进行动作。
接下来，对于过电流流过的逆变器异常动作的状态进行说明。图3表示在逆变器流过过电流的异常动作状态下的各部分的波形。图3中从t1时刻输入指令到在t2时刻集电极电流开始流出之前与图2相同。如果在时刻t2，IGBT6开始接通，则电源电压施加到IGBT6，因此电流急剧增加。此时，集电极电压因通过该急剧的电流变化率di/dt产生在布线的寄生电感Le的电压Ve＝Le×di/dt而暂时减少，但是集电极电压保持施加了高电压的状态。于是，栅极电压如图3所示那样一下子增加到栅极电源的电压为止。此外，图3中在参考正常动作时栅极电压波形之前以虚线表示。栅极电压检测部3中检测该电压，并将栅极检测信号反转为H电平。在该状态下电流检测信号为L电平，因此AND电路4的输出仍然保持为L电平，从而过电流检测电路不进行动作。如果在时刻t4集电极电流超过预先设定的电流电平，则电流检测信号反转，并且AND电路4的输出成为H电平，从而检测出短路。如果AND电路4的输出成为H电平，则内置在栅极驱动部2的短路保护电路进行动作，并且对IGBT6的电流进行限制或者切断。
最后，使用图4对于逆变器正在正常动作，但是电流检测信号错误地反转的情况进行说明。图4与图2同样地表示正常的逆变器动作的波形，但是表示在时刻t3电流检测信号反转为H电平的情况。在本实施例中，即使如图4所示那样电流检测信号反转为H电平，栅极检测信号仍然保持为L电平，因此AND电路4的输出仍然保持为L电平，从而能够防止错误检测。
在本实施例中将检测异常的机构设置在栅极和发射极。对栅极和发射极只施加十几伏～数十伏左右的电压。因此，无需进行基于高耐压的二极管和多个电阻的分压，从而能够使检测电路小型化。此外，IGBT的集电极电压有时以较大的电压变化率dv/dt来强烈地振动，从而存在从集电极进入噪声的情况，但是在本实施例中由于将检测电路连接于电压振幅较小的栅极和发射极，因此噪声不易混入，从而不易引起错误动作。
(实施例2)图5中表示本实施例的电路的说明图。在图5中与图1～图4相同的构成要素使用相同符号。在图5中符号8是变流器(current transformer)、9是过电流判定部、10是基准电源。
在本实施例中由变流器8和过电流判定部9(图5中比较器)来构成电流检测部。变流器8输出由电流的通电时所发生的磁场而产生的电压，并且将该输出电压输入到过电流判定部9的一个端子。如果过电流流过而变流器8的输出电压比基准电源10的电压高，则判定为过电流，从而过电流判定部9的输出反转。由此，在检测出过电流而栅极电压检测部3的输出为H电平时，保护电路进行动作。在本实施例中通过改变基准电源10的电压，来能够任意地设定过电流的判定值。
根据本实施例，通过由变流器8将电流取入，从而能够不会使IGBT6的发射极电流受到影响地判定有无过电流。
(实施例3)图6表示本实施例的电路的说明图。在图6中与图1～图5相同的构成要素使用相同的符号。图6中符号11是分流(shunt)电阻。
在本实施例中作为检测过电流的机构使用了分流电阻11。如果用分流电阻11检测电流，则电压与电流值成比例地产生，因此具有能够以非常高的精度检测电流的优点。从而，过电流的判定精度提高，能够使短路保护电路高可靠化、高精度化。
(实施例4)图7表示本实施例的电路的说明图。在图7中与图1～图6相同的构成要素使用相同的符号。图7中符号12是带传感端子的IGBT、13是电流检测电阻。
本实施例中使用带传感端子的IGBT12来检测电流。带传感端子的IGBT12被设计为使主发射极电流的几百分之一～几千分之一左右的电流流过传感端子。通过将该传感端子与电流检测电阻13连接，来能够正确地检测电流。在本实施例中，由于流过电流检测电阻13的电流非常小，因此电流检测电阻的发热小，从而减小电路的损失，并且可使用小型的部件。
(实施例5)图8表示本实施例的电路的说明图。在图8中与图1～图7相同的构成要素使用相同的符号。图8中符号35是存在于主电路的布线的电感、14是积分器。
在本实施例中，使用在存在于主电路的布线的寄生电感上所产生的电流，来检测过电流。主电路的布线的寄生电感是指连接IGBT6与电源的布线的电感、和在IGBT6的封装内部的布线的电感等。在这些电感Le由作为主电流的发射极电流的时间变化率di/dt而产生电压Ve＝Le×di/dt。如果用积分器来对该电压Ve进行积分，则可得到流过发射极的电流Ie。如果该发射极电流Ie比基准电源10的电压大，则过电流判定部的输出进行判定，并且向AND电路4发送检测信号。由此检测过电流。
根据本实施例，为了通过使用主电路布线的寄生电感来检测电流，无需在主电路布线新增电流检测用的元件，从而有如下优点，即不会产生连主电路布线也受到的电流检测元件中的损耗的增加或者成本的增大等问题。
(实施例6)图9中表示本实施例的电路的说明图。在图9中与图1～图8相同的构成要素使用相同的符号。本实施例中，如图9所示那样设置了两个过电流检测部。如果采用这种结构，由于如果利用不同的测定机构的过电流检测结果未检测所有电流，则判定为过电流，因此具有能够可靠地防止错误检测这样的优点。此外，在本实施例中示出了使用两个电流检测机构的例子，但是如果使用三个以上电流检测机构，则能够更加可靠地检测出过电流的有无。
(实施例7)图10中表示本实施例的三相二电平逆变器的说明图。在图10中符号15是直流端子、16是交流端子、17～19是栅极驱动器、20～22是实施例1～实施例6中说明过的具备保护电路的栅极驱动器、23～28是IGBT、29～34是二极管。
本实施例中将实施例1～实施例6中说明过的具备保护电路的栅极驱动器仅应用在三相二电平逆变器的下桥臂中。在较多情况下逆变器的过电流故障是因上下桥臂的IGBT同时接通的桥臂短路而产生。从而，由于因桥臂短路而产生的过电流必须同时流过上下IGBT，因此如果在上下任一个IGBT配置从实施例1～实施例6中说明过的具备保护电路的栅极驱动器，则能够防止错误检测。根据本实施例，由于仅在上下任一个IGBT的栅极驱动器中使用错误检测防止电路，因此能够实现以较少的部件数来可靠地避免过电流的错误检测的逆变器。
以上，对于将本发明应用于IGBT逆变器中的实施例进行了说明，但并不限定与此，同样地在使用了功率MOSFET的逆变器、或者功率MOSFET、IGBT的转换器中也可应用本发明。
权利要求
1.一种半导体装置的保护电路，具有电流检测机构，其对半导体元件的主端子对的电位低的端子的电流进行检测，上述半导体元件具有一对主端子、和对流过该主端子对的电流进行控制的控制端子；电压检测机构，其对上述半导体的控制端子的电压进行检测；和输入上述电流检测机构的输出信号和电压检测机构的输出信号这两种信号，输出对上述控制端子的电压进行控制的信号的机构。
2.根据权利要求1所述的半导体装置的保护电路，其特征在于，上述电流检测机构具备布线，其与上述半导体元件的主端子对的电位低的端子连接；变换机构，其将由流过该布线的电流而产生的磁场变换为电压；和电压比较机构，被输入该变换机构所输出的电压，将其与预定的电压进行比较后，输出信号。
3.根据权利要求1所述的半导体装置的保护电路，其特征在于，上述电流检测机构具备电阻，其与上述半导体元件的主端子对的电位低的端子连接；和电压比较机构，被输入在该电阻上产生的电压，将其与预定的电压进行比较后，输出信号。
4.根据权利要求1所述的半导体装置的保护电路，其特征在于，上述半导体元件具备电流检测端子，该电流检测端子输出比流过上述主端子对的电位低的端子的电流小的电流，上述电流检测机构具备与上述电流检测端子连接的电阻；和电压比较机构，被输入在该电阻上产生的电压，将其与预定的电压进行比较后，输出信号。
5.根据权利要求1所述的半导体装置的保护电路，其特征在于，上述电流检测机构具备对产生在布线电感成分的电压进行检测的机构，其中该布线电感成分与上述半导体元件的主端子对的电位低的端子连接；对该电压进行积分的积分机构；和电压比较机构，被输入该积分机构的输出电压，将其与预定的电压进行比较后，输出信号。
6.根据权利要求1所述的半导体装置的保护电路，其特征在于，具备多个上述电流检测机构。
7.一种IGBT的保护电路，其具备集电极端子、发射极端子以及栅极端子，上述集电极端子和发射极端子为主端子，上述栅极端子为对流过该集电极端子与发射极端子之间的主电流进行控制的控制端子，上述IGBT的保护电路具备流过上述发射极端子的发射极电流的检测机构；栅极电压检测机构；和电压比较机构，被输入该发射极电流的检测机构的输出信号和该栅极电压检测机构的输出信号，将其与预定的电压进行比较后，输出信号。
8.根据权利要求7所述的IGBT的保护电路，其特征在于，上述发射极电流的检测机构具备变换机构，其将由发射极电流产生的磁场变换为电压；和电压比较机构，被输入该变换机构所输出的电压，将其与预定的电压进行比较后，输出信号。
9.根据权利要求7所述的IGBT的保护电路，其特征在于，上述发射极电流的检测机构具备与发射极端子连接的电阻；和电压比较机构，被输入在该电阻上产生的电压，将其与预定的电压进行比较后，输出信号。
10.根据权利要求7所述的IGBT的保护电路，其特征在于，上述IGBT具备电流检测端子，该电流检测端子输出比上述发射极电流小的电流，上述发射极电流的检测机构具备与上述电流检测端子连接的电阻；和电压比较机构，被输入在该电阻上产生的电压，将其与预定的电压进行比较后，输出信号。
11.根据权利要求7所述的IGBT的保护电路，其特征在于，上述发射极电流的电流检测机构具备对产生在布线电感成分的电压进行检测的机构，该布线电感成分与上述IGBT的发射极端子连接；对该电压进行积分的积分机构；和电压比较机构，被输入该积分机构的输出电压，将其与预定的电压进行比较后，输出信号。
12.根据权利要求7所述的IGBT的保护电路，其特征在于，具备多个上述发射极电流检测机构。
13.一种电力变换装置，包括半导体元件，其具有一对主端子对和对流过主端子对的电流进行控制的控制端子；串联电路，其串联连接两个上述半导体元件，并且该连接点成为交流端子，而串联连接的半导体元件的两端子成为直流端子；和分别与上述半导体元件的控制端子连接的驱动电路，上述驱动电路具备电流检测机构，其对上述半导体元件的主端子对的电位低的端子的电流进行检测；电压检测机构，其对上述半导体元件的控制端子的电压进行检测；和输入上述电流检测机构的输出信号和电压检测机构的输出信号这两种信号，输出对上述控制端子的电压进行控制的信号的机构。
14.根据权利要求13所述的电力变换装置，其特征在于，上述两个串联连接的任一个半导体元件的驱动电路为具备上述保护电路的驱动电路。
15.根据权利要求14所述的电力变换装置，其特征在于，上述电力变换装置为三相二电平电力变换装置，上述半导体元件为IGBT或者功率MOSFET的任一个。
全文摘要
提供一种可靠性高的半导体装置的保护电路。本发明的半导体装置的保护电路具有电流检测机构，其对半导体元件的主端子对的电位低的端子的电流进行检测，上述半导体元件具有一对主端子、和对流过该主端子对的电流进行控制的控制端子；电压检测机构，其对上述半导体的控制端子的电压进行检测；和输入上述电流检测机构的输出信号和电压检测机构的输出信号这两种信号，在电流检测机构的输出信号和电压检测机构的输出信号这两种信号表示预定的异常信号的情况下，输出异常信号的机构。
文档编号H02H7/122GK101043138SQ200710007218
公开日2007年9月26日 申请日期2007年1月25日 优先权日2006年3月22日
发明者河野恭彦, 石川胜美 申请人:株式会社日立制作所