本发明涉及一种例如对构成电力变换装置的半导体元件进行驱动、并且具有保护动作识别功能的半导体元件的驱动装置。
背景技术：
近来，智能功率模块(ipm)受到关注。该智能功率模块是将半导体元件(igbt等功率晶体管)及其驱动电路连同针对半导体元件的过电流、控制电源的电压下降、过热等异常的保护电路模块化为1个电子部件而成的。
另外，还提出了：除了这种分别检测异常的多个保护电路以外，还在智能功率模块中组入判别电路(输出电路)，该判别电路(输出电路)根据由各保护电路检测出的异常的类别来向外部输出预先决定的脉宽的警报信号(例如，参照专利文献1的图3)。
通过具备这种输出警报信号的判别电路，在对驱动装置进行控制的控制装置侧、例如逆变器控制装置中能够通过检测警报信号的脉宽来判别半导体元件所产生的异常的类别(例如，参照专利文献2)。
然而，若仅如上述那样输出警报信号，则具有以下问题：即使半导体元件的异常被解除，也无法检测出该情况。因此，本申请人之前提出了一种避免上述问题、而且一般来说使被输出为脉冲信号列的警报信号的判别以及异常解除的检测变得容易的半导体元件的驱动装置(参照专利文献3)。
该半导体元件的驱动装置根据最初检测出异常的检测电路的输出，在开始检测出异常时输出与警报信号的1个脉冲相应的低电平的电压然后恢复为高电平，并且在异常检测信号的输出停止时持续固定期间地将输出电路的信号输出电平变更为表示保护解除的中间电平。
通过这种变更输出电路的信号输出电平，除了使多个警报信号的判别变得容易以外，还能够检测出半导体元件的异常被解除之时、即保护动作的结束之时。
专利文献1：日本特开平11-17508号公报
专利文献2：日本特开2016-52178号公报
专利文献3：日本特开2014-103820号公报
技术实现要素：
发明要解决的问题
根据专利文献3中提出的半导体元件的驱动装置，能够通过监视输出信号来检测出保护动作开始时的保护动作类别以及保护动作解除。然而，在从输出信号自表示保护动作类别的低电平恢复为高电平起到输出中间电平的保护动作解除信号为止的期间，输出信号维持高电平。因而，在该期间，仅检测输出信号是无法判断是否处于保护动作状态的。
本发明是着眼于上述以往例的未解决的问题而完成的，其目的在于提供一种能够通过监视从驱动装置输出的警报信号来容易地判别是否处于保护动作状态的半导体元件的驱动装置。
用于解决问题的方案
为了实现上述目的，本发明的半导体元件的驱动装置的一个方式具备：多个检测部，该多个检测部检测构成电力变换装置的半导体元件的保护动作所需的信息；保护信号生成部，其在多个检测部检测出保护动作所需的信息时，生成脉宽按该多个检测部的每个检测部而各不相同的保护信号；保护状态监视部，其在多个检测部中的任一个检测部检测出保护动作所需的信息的期间，生成保护状态信号；以及信号输出部，其输出如下警报信号：在被输入保护信号和保护状态信号时，警报信号的状态从第一电平变化为第二电平，在保护信号的输入停止时，警报信号成为第一电平与第二电平之间的中间电平。
发明的效果
根据本发明的一个方式，能够通过检测警报信号的第一电平的脉宽来容易地判别半导体元件中产生的保护动作的类别。另外，能够通过检测警报信号的第二电平来判别出保护动作状态正在继续。
附图说明
图1是表示应用本发明的电力变换装置的整体概要结构的框图。
图2是表示驱动电路的概要结构的框图。
图3是表示从保护信号生成部输出的保护信号的信号波形图。
图4是用于说明本实施方式的动作的信号波形图。
具体实施方式
下面，参照附图来说明本发明的一个实施方式。在下面的附图的记载中，对相同或类似的部分标注相同或类似的标记。
另外，下面示出的实施方式用于例示用于将本发明的技术思想具体化的装置、方法，本发明的技术思想并没有将结构部件的材质、形状、构造、配置等指定为下述的材质、形状、构造、配置等。本发明的技术思想能够在权利要求书所记载的权利要求所规定的技术范围内追加各种变更。
下面，参照附图来说明本发明的实施方式。
图1是表示应用本发明的电力变换装置的整体概要结构的框图。在该图1中，电力变换装置1具备将直流电力变换为交流电力的逆变器2以及对构成该逆变器2的各相(u相～z相)的半导体元件个别地进行驱动的作为半导体元件的驱动装置的各相驱动电路3u～3z。
逆变器2具有6个作为半导体元件的igbt(insulatedgatebipolartransistor：绝缘栅双极晶体管)11～16。
在这些igbt11～16中，igbt11及12的串联电路、igbt13及14的串联电路以及igbt15及16的串联电路彼此并联地连接于与直流电源连接从而被供给直流电力的正极侧线lp与负极侧线ln之间。在此，对各igbt11～16以反向并联的方式连接有续流二极管21～26。
另外，igbt11、13及15分别被设为u相、v相及w相来构成上臂ua。另外，igbt12、14及16分别被设为x相、y相及z相来构成下臂la。并且，从igbt11及12的连接点、igbt13及14的连接点以及igbt15及16的连接点输出三相交流电力。该三相交流电力被供给到电动马达等交流负载4。
如图2所示，igbt11～16配设在芯片17内。在该芯片17内设置有电流传感器18和温度传感器19，该电流传感器18由用于检测流过igbt1i(i＝1～6)的集电极与发射极之间的电流的电流感测用ibgt、电流感测电阻构成，该温度传感器19由用于检测芯片内温度的温度检测用二极管构成。
如图2所示，各相驱动电路3k(k＝u～z)具备对构成逆变器2的各igbt1i的栅极进行接通、断开控制的栅极控制电路31以及作为检测部的控制电压检测电路32、过电流检测电路33及芯片温度检测电路34。这些控制电压检测电路32、过电流检测电路33及芯片温度检测电路34用于检测作为igbt1i的保护动作所需的信息的低电压状态、过电流状态及过热状态。
另外，各相驱动电路3u～3z具备保护信号生成部35、保护状态监视部36以及信号输出部40。
脉宽调制(pwm)信号作为动作信号dsg从驱动电路3u～3z的外部被输入到栅极控制电路31，并且，从保护状态监视部36输出的保护状态信号sp被输入到栅极控制电路31。该栅极控制电路31在保护状态信号sp为低电平时向igbt1i的栅极输出动作信号dsg，在保护状态信号sp为高电平时停止向igbt1i的栅极输出动作信号dsg。
控制电压检测电路32具有比较器cp1，该比较器cp1被从驱动电路3u～3z的外部输入控制电压vcc(例如15[v])，并且被输入低电压阈值vth1。当控制电压vcc低于低电压阈值vth1时，该比较器cp1向保护信号生成部35和保护状态监视部36输出表示控制电压不足的高电平的低电压检测信号suv。由此，检测出控制电压不足、也就是说ic电源的电压下降。
过电流检测电路33具有比较器cp2，该比较器cp2被输入由电流传感器18检测出的电流检测值(电压信号)，并且被输入过电流阈值vth2。当电流检测值高于过电流阈值vth2时，该比较器cp2向保护信号生成部35和保护状态监视部36输出表示过电流状态的高电平的过电流检测信号soc。由此，检测出igbt1i的过电流。
芯片温度检测电路34具有比较器cp3，该比较器cp3被输入由温度传感器19检测出的温度检测值(电压信号)，并且被输入过热阈值vht3。当温度检测值低于过热阈值vht3时，该比较器cp3向保护信号生成部35和保护状态监视部36输出表示过热状态的高电平的过热检测信号soh。由此，检测出igbt1i的过热状态。
此外，在利用温度检测用二极管来构成温度传感器19的情况下，图2所示的芯片温度检测电路34内的电源34a用于向该二极管提供恒定电流。
保护信号生成部35具备由单触发(oneshot)电路构成的第一单触发电路35a、第二单触发电路35b、第三单触发电路35c以及被输入这些单触发电路的输出脉冲的或门35d。
第一单触发电路35a在从控制电压检测电路32被输入检测出控制电压不足、也就是说变为ic电源的低电压的高电平的低电压检测信号suv时，如图3的(a)所示那样将高电平的、脉宽例如为基本脉宽t的脉冲信号psuv输出到或门35d。作为基本脉宽t，例如能够采用2[ms]。
另外，第二单触发电路35b在从过电流检测电路33被输入检测出igbt1i的过电流状态的过电流检测信号soc时，如图3的(b)所示那样将高电平的、脉宽例如为2t的脉冲信号psoc输出到或门35d。
并且，第三单触发电路35c在从芯片温度检测电路34被输入检测出igbt1i的过热状态的过热检测信号soh时，如图3的(c)所示那样将高电平的、脉宽例如为4t的脉冲信号psoh输出到或门35d。
在从第一单触发电路35a、第二单触发电路35b及第三单触发电路35c输出的脉冲信号psuv、psoc及psoh中的任一个为高电平时，或门35d向信号输出部40输出高电平的保护信号。
在此，脉冲信号psj的脉宽为2[ms]～8[ms]而足够短，因此，即使例如发生了过电流状态后以此为原因产生了过热状态、从而产生了2个以上的脉冲信号psj，2个以上的脉冲信号psj也几乎不会同时输入。由此，保护信号生成部35将与控制电压检测电路32、过电流检测电路33以及芯片温度检测电路34中的检测出控制电压不足、过电流或者过热状态的检测电路32～34、也就是说检测出需要进行保护动作的检测电路32～34对应的脉冲信号psj作为保护信号输出到信号输出部40。
保护状态监视部36具有或门36a，该或门36a被输入从控制电压检测电路32输出的低电压检测信号suv、从过电流检测电路33输出的过电流检测信号soc以及从芯片温度检测电路34输出的过热检测信号soh。在低电压检测信号suv、过电流检测信号soc以及过热检测信号soh中的任一个为高电平时，该或门36a向栅极控制电路31和信号输出部40输出高电平的保护状态信号sp。
信号输出部40具有串联地连接于警报信号输出端子ta与接地之间的作为第三电阻的电阻41(限制电阻)与作为第一开关元件的n沟道的mosfet42的串联电路。在此，mosfet42的漏极经由电阻41来与警报信号输出端子ta连接，源极与接地连接，栅极(控制端子)与保护信号生成部35的或门35d的输出端子连接。
而且，在电阻41及mosfet42的连接点43连接有其一端与控制电源输入端子tvi连接的恒流源44的另一端。该恒流源44例如向连接点43提供200[μa]的恒定电流。
另外，在信号输出部40中，与mosfet42并联地连接有中间电压生成电路(恒压电路)45。该中间电压生成电路45由齐纳二极管45a与作为第二开关元件的n沟道的mosfet45b的串联电路构成。
齐纳二极管45a的击穿电压vmd被设定为控制电压vcc与地电位gnd的中间的电压(例如，7[v])。该齐纳二极管45a的阴极连接于电阻41同mosfet42的连接点43，阳极与mosfet45b的漏极连接。mosfet45b的源极与接地连接，栅极(控制端子)与前述的保护状态监视部36的或门36a的输出端子连接。
因此，在mosfet42及45b均处于断开状态时，连接点43为控制电压vcc，警报信号输出端子ta为作为第一电平的控制电压vcc。另一方面，在mosfet42处于接通状态时，来自恒流源44的恒定电流流向接地，因此无论mosfet45b的接通、断开状态如何，连接点43都为作为第二电平的地电位，警报信号输出端子ta也为地电位。
另外，在mosfet45b处于接通状态、mosfet42处于断开状态时，齐纳二极管45a的阳极通过mosfet45b来接地，因此连接点43为作为击穿电压vmd的第一电平与第二电平的中间电平，警报信号输出端子ta也为中间电平。
因而，从警报信号输出端子ta输出取第一电平、第二电平以及它们的中间电平这3个电平的警报信号alm。
接着，说明本实施方式的电力变换装置1的动作。
设当前流过构成逆变器2的igbt11～16的电流的检测值小于过电流阈值vth2而正常、且形成有igbt11～16的芯片17内的温度的检测值为过热阈值vht3以上而正常、并且提供到各驱动电路3u～3z的控制电压vcc(ic电源电压)超过低电压阈值vth1而正常。
在该正常状态下，如图4的(a)～(c)所示，在时间点t0，从各驱动电路3u～3z的控制电压检测电路32输出的低电压检测信号suv、从过电流检测电路33输出的过电流检测信号soc以及从芯片温度检测电路34输出的过热检测信号soh均为低电平。
因此，如图4的(d)～(f)所示，保护信号生成部35的第一单触发电路35a、第二单触发电路35b以及第三单触发电路35c的输出维持低电平。因而，从或门35d输出的保护信号psj如图4的(g)所示那样维持低电平，并且保护状态信号sp也如图4的(h)所示那样维持低电平。
此时，由于从保护信号生成部35输出的保护信号psj维持低电平，因此信号输出部40的mosfet42维持断开状态。另外，由于从保护状态监视部36输出的保护状态信号sp也维持低电平，因此mosfet45b也维持断开状态。因此，连接点43的电位为作为控制电压vcc的电位的第一电平，从警报信号输出端子ta输出的警报信号alm如图4的(i)所示那样为表示正常状态的控制电压vcc的电位。
因此，在各驱动电路3x～3z中，由于保护状态信号sp为低电平，因此在栅极控制电路31中将与从外部的控制装置(未图示)输入的动作信号dsg相应的栅极信号提供到igbt11～16的栅极，通过逆变器2将直流电力变换为交流电力，并将交流电力输出到交流负载4。
之后，在从该逆变器2的各相的igbt11～16为正常状态且ic电源电压正常的状态起、在时间点t1产生了低电压异常时，由控制电压检测电路32检测出该低电压异常，其中，该低电压异常例如是：提供到对x相的igbt11进行驱动的驱动电路3u的作为ic电源电压的控制电压vcc下降为低电压阈值vth1以下。
于是，高电平的低电压检测信号suv从控制电压检测电路32提供到保护信号生成部35和保护状态监视部36。因此，从保护信号生成部35的第一单触发电路35a如图4的(d)所示那样输出高电平的、脉宽为t的脉冲信号psuv。另外，同时，从保护状态监视部36输出的保护状态信号sp如图4的(h)所示那样从低电平反转为高电平。
因此，高电平的保护状态信号sp被提供到栅极控制电路31，从栅极控制电路31的栅极驱动信号的输出停止，igbt11关断从而成为保护状态。
此时，从保护信号生成部35输出的保护信号psj为高电平，因此信号输出部40的mosfet42变为导通状态。因此，连接点43通过mosfet42来与接地连接，连接点的电位变为作为地电位gnd的第二电平。因此，警报信号alm的电位的状态如图4的(i)所示那样从第一电平变化为表示产生了异常而变为保护状态的第二电平(地电位gnd)。
此外，此时，从保护状态监视部36输出的保护状态信号sp也为高电平，因此信号输出部40的mosfet45b也为导通状态。由此，齐纳二极管45a的阳极经由mosfet45b来与接地连接，而连接点43的电位为第二电平(地电位gnd)。因此，齐纳二极管45a作为中间电压生成电路停止发挥功能。
之后，在从时间点t1起经过与脉宽t相应的时间后的时间点t2，从保护信号生成部35的第一单触发电路35a输出的保护信号psuv如图4的(d)所示那样从高电平恢复为低电平。与此相应地，信号输出部40的mosfet42变为关断状态。因此，连接点43的电位想要上升至控制电压vcc，但是在该时间点t2控制电压vcc的低电压状态正在继续，从控制电压检测电路32输出的低电压检测信号suv如图4的(a)所示那样维持高电平。因此，从保护状态监视部36输出的保护状态信号sp如图4的(h)所示那样维持高电平，mosfet45b维持接通状态。因此，当施加于齐纳二极管45a的电压为击穿电压vmd以上时，齐纳二极管45a导通，连接点43的电位变为作为击穿电压vmd的中间电平。因此，从警报信号输出端子ta输出的警报信号alm如图4的(i)所示那样变为作为齐纳二极管45a的击穿电压vmd的中间电平，表示继续产生异常状态从而正在继续保护状态。
之后，当在时间点t3从外部提供的控制电压vcc恢复为比低电压阈值vth1高的正常的电压时，从控制电压检测电路32输出的低电压检测信号suv如图4的(a)所示那样从高电平恢复为低电平。与此相应地，从保护状态监视部36输出的保护状态信号sp也如图4的(h)所示那样从高电平恢复为低电平。因此，与动作信号dsg相应的栅极驱动信号从栅极控制电路31输出到igbt1i的栅极，igbt1i恢复为正常的动作状态。
其结果，由于从保护状态监视部36输出的保护状态信号sp也恢复为低电平，因此信号输出部40的mosfet45b也变为关断状态。因此，连接点43的电位恢复为控制电压vcc。因此，从警报信号输出端子ta输出的警报信号alm如图4的(i)所示那样恢复为表示正常状态的作为控制电压vcc的第一电平。
另一方面，在外部的控制装置中，当从驱动电路3k输入了警报信号alm时，在该警报信号alm维持作为地电位gnd的第二电平的期间，对图4的(j)所示的时钟信号cp进行计数。然后，能够将该计数值与时钟信号cp的脉冲间的时间相乘来计算累计时间，并根据该累计时间来检测出警报信号alm是源自低电压检测信号suv。由此，能够容易地判别出igbt1i中发生的异常的类别是低电压异常。此外，也可以利用警报信号alm维持作为地电位gnd的第二电平的期间的时钟信号cp的计数值来判别异常检测电路的类别。
另外，在外部的控制装置中，通过检测警报信号alm的电压，在警报信号alm处于第二电平时能够识别出igbt1i发生了过电流异常、过热异常或发生了控制电压vcc下降为低于低电压阈值vth1的低电压状态。另外，在警报信号alm为中间电平时能够识别为发生了igbt1i的过电流异常、过热异常的状态或者控制电压vcc为低电压状态的状态正在继续。
同样地，在时间点t4由某个驱动电路3k的过电流检测电路33检测出构成逆变器2的igbt1i的集电极电流的检测值变为过电流阈值vth2以上的情况下，从过电流检测电路33如图4的(b)所示那样输出高电平的过电流检测信号soc。该过电流检测信号soc被提供到保护信号生成部35。因此，从保护信号生成部35的第二单触发电路35b输出图4的(e)所示的高电平的、脉宽为2t的脉冲信号psoc。因而，从保护信号生成部35的或门35d输出图4的(g)所示的保护信号psj，该保护信号psj被提供到信号输出部40的mosfet42的栅极。因此，mosfet42变为导通状态，如图4的(i)所示那样，在与保护信号psoc的脉宽2t对应的期间从警报信号输出端子ta向外部的控制装置输出成为第二电平的警报信号alm。
因此，在外部的控制装置中，警报信号alm的作为地电位gnd的第二电平的脉宽为2t，因此能够识别为发生了过电流异常。另外，在经过了与脉宽2t相应的时间之后，警报信号alm被维持为作为击穿电压vmd的中间电平，直到因过电流异常引起的保护状态被解除为止。因此，在外部的控制装置中，即使在保护信号psoc从高电平恢复为低电平之后，也能够识别为因过电流异常引起的保护动作正在继续。
同样地，在由某个驱动电路3k的芯片温度检测电路34检测出内置有构成逆变器2的igbt1i的芯片17内的温度的检测值变得小于过热阈值vht3的情况下，从芯片温度检测电路34输出高电平的过热检测信号soh。该过热检测信号sohi提供到保护信号生成部35。因此，从保护信号生成部35的第三单触发电路35c输出保护信号psoh。因而，信号输出部40的mosfet42变为导通状态，与脉冲信号psoh的脉宽4t对应的第二电平的警报信号alm被输出到外部的控制装置。
因此，在外部的控制装置中，由于警报信号alm的第二电平的脉宽为4t，因此能够识别为发生了过热异常。另外，在经过了与脉宽4t对应的时间之后，警报信号alm的电压被维持为作为击穿电压vmd的中间电平，直到因过热异常引起的保护动作被解除为止，因此即使在保护信号psoh从高电平恢复为低电平之后，也能够识别为过热异常正在继续。
此外，在上述实施方式中，说明了功率半导体元件为igbt的情况，但是不限定于此，也能够由sic-igbt、mosfet、sic-mos等其它功率半导体元件构成。
另外，在上述实施方式中，说明了将n沟道的mosfet应用为信号输出部40的mosfet的情况，但是也能够应用p沟道的mosfet，在该情况下，警报信号alm的第一电平为地电位gnd，第二电平为控制电压vcc，中间电平仍为击穿电压vmd。此时，只要将保护信号生成部35和保护状态监视部36的输出信号分别经由逻辑反转电路提供到p沟道的mosfet42和45b即可。
另外，在上述实施方式中，说明了将构成中间电压生成电路45的齐纳二极管45a连接于连接点43侧的情况，但是也可以将齐纳二极管45a连接于mosfet45b的接地侧。并且，也能够应用电阻(第二电阻)来代替齐纳二极管45a。
另外，也能够应用电阻(上拉电阻)来代替恒流源44。并且，电阻41也可以省略。
另外，保护信号生成部35的第一单触发电路35a、第二单触发电路35b以及第三单触发电路35c的脉宽不限于设定为t、2t以及4t的情况，只要能够识别异常状态的类别即可，能够设定任意的不同的脉宽。
另外，也可以在保护信号生成部35中设置输入选择电路，该输入选择电路在被输入了1个异常检测信号时，在规定期间内阻止其它异常检测信号的输入。
并且，也可以将向mosfet42和45b的栅极的信号调换。在该情况下，中间电平和第二电平所表示的与状态有关的信息也被调换。
附图标记说明
1：电力变换装置；2：逆变器；3u～3z：驱动电路；4：交流负载；11～16：igbt；17：芯片；18：电流传感器；19：温度传感器；21～26：续流二极管；ua：上臂；la：下臂；31：栅极控制电路；32：控制电压检测电路；33：过电流检测电路；34：芯片温度检测电路；35：保护信号生成部；35a：第一单触发电路；35b：第二单触发电路；35c：第三单触发电路；35d：或门；36：保护状态监视部；36a：或门；40：信号输出部；41：电阻；42：mosfet；43：连接点；44：恒流源；45：中间电压生成电路；45a：齐纳二极管；45b：mosfet；psj：保护信号；sp：保护状态信号。