本发明涉及一种能够将表示与半导体元件的芯片温度相应的驱动状态的信息准确地输出到外部的半导体元件的驱动装置。
背景技术：
构成逆变器等电力变换装置的半导体元件的驱动装置担负以下功能：对绝缘栅双极型晶体管(igbt；insulatedgatebipolartransistor)等半导体元件进行接通断开驱动来进行电力变换。特别是最近，作为半导体元件的驱动装置，例如除了igbt及其驱动电路以外还将保护电路也模块化为1个电子部件而成的所谓的智能功率模块(ipm；intelligentpowermodule)受到关注，该保护电路用于防止igbt等由于过电流/过电压、过热等发生元件损坏。
图4是表示电力变换装置1的一例的主要部分概要结构图，2是以igbt(半导体元件)3及作为其驱动电路的控制ic4为主体来构成的ipm。关于该ipm2的具体结构，参照图5来在后面叙述。电力变换装置1具备pwm信号生成电路5，该pwm信号生成电路5生成对igbt3进行接通断开驱动的脉冲状的信号(pwm信号)。pwm信号生成电路5基本上生成根据由pwm信号占空比设定部6按照从未图示的上级设备指示的输出电力规格设定的占空比来进行脉宽调制而得到的脉冲信号(pwm信号)。
该pwm信号生成电路5所生成的pwm信号经由第一光电耦合器7a作为针对igbt3的驱动信号vin被提供到ipm2。ipm2中的控制ic4按照驱动信号vin来生成对igbt3的栅极施加的驱动控制信号out，从而对igbt3进行接通断开驱动。利用像这样被进行接通断开驱动的igbt3来执行电力变换。
另外，ipm2中的控制ic4具备后述的保护电路。该保护电路基本上借助igbt3的电流检测用发射极来监视流过igbt3的电流，并且借助附设于igbt3的温度检测用的二极管8来监视igbt3的芯片温度。而且，保护电路担负以下功能：按照这些监视信息来检测igbt3的过电流、过热等异常，在检测出异常时对igbt3的驱动条件进行变更等来防止igbt3的元件损坏。
并且，ipm2中的控制ic4将由上述保护电路检测出的各种异常检测信息经由第二光电耦合器7b输出到外部。检测电路9检测像这样从ipm2输出的信息来控制pwm信号占空比设定部6，例如停止由pwm信号生成电路5进行的pwm信号的生成，或者变更由pwm信号生成电路5生成的pwm信号的占空比。通过像这样停止pwm信号的生成，能够停止igbt3的接通断开驱动，来防止因过电流、过热等引起的igbt3的热损坏。另外，通过控制pwm信号的占空比，能够变更igbt3的电力变换规格、具体地说igbt3的驱动能力，来抑制igbt3的芯片温度的上升。
此外，将由控制ic4的保护电路检测出的igbt3的包括过电流/过电压、过热等异常的异常检测信息以能够在外部(上级设备中)被识别的方式输出的技术如例如专利文献1所详细介绍的那样。
另外，作为保护电路所担负的功能之一，具有以下驱动能力切换功能：不拘于来自上级设备的指令(指示)，根据igbt3的芯片温度来切换igbt3的驱动能力。顺带一提，igbt3导通时的电压变化特性[dv/dt]随着igbt3的芯片温度的上升而下降。于是，随着芯片温度的上升所引起的igbt3的电压变化特性[dv/dt]的下降会导致导通时的igbt3的开关损耗增大。驱动能力切换功能是如下的保护功能：在igbt3的芯片温度上升时，在控制ic4的内部控制下使对igbt3施加的栅极电压变低，由此降低igbt3的驱动能力。通过该驱动能力的降低控制，能够防止随着开关损耗的增大所引起的芯片温度的进一步上升，进而防止因过热引起的igbt3的元件损坏。
图5是提取上述的驱动能力切换功能来示出的保护电路的主要部分概要结构图。该保护电路基本上由过热检测用比较器11、逻辑电路12以及igbt驱动电路15构成。过热检测用比较器11将借助二极管8检测出的表示igbt3的芯片温度的温度检测电压vtemp与预先设定的过热检测基准电压voh进行比较来检测igbt3的过热。逻辑电路12基于过热检测用比较器11的输出来切换向igbt驱动电路15的输出。由此，根据过热检测状态来变更igbt3的驱动能力。
具体地说，逻辑电路12将输入到该逻辑电路12的驱动信号(pwm信号)vin作为例如3个系统的信号电压va、vb、vc择一地进行输出。通过这些信号电压va、vb、vc，与串联连接多个电阻而成的电阻分压电路13中的多个分压点分别连接的开关元件14a、14b、14c被择一地驱动为接通。其结果，由电阻分压电路13分压得到的电压水平不同的3种驱动信号(pwm信号)vref1、vref2、vref3分别经由开关元件14a、14b、14c被择一地输出。
igbt驱动电路15通过接收像这样被择一地切换的电压水平不同的驱动信号(pwm信号)vref1、vref2、vref3，来生成与该电压水平相应的驱动控制信号out。通过变更该驱动控制信号out的电压水平，对igbt3的栅极施加的驱动控制电压(栅极电压)被变更，从而变更igbt3的驱动能力。
具体地说，igbt驱动电路15根据驱动信号vref的电压水平来变更对igbt3的栅极施加的驱动控制电压。通过变更该驱动控制电压，能够控制针对igbt3的栅极的充电电流。其结果，能够与随着芯片温度的上升所引起的igbt3的电压变化特性[dv/dt]的下降相应地抑制针对igbt3的栅极的充电电流。由此能够防止igbt3导通时的开关损耗的增大，进而能够抑制芯片温度的上升。
专利文献1：日本特开2013-258858号公报
技术实现要素：
发明要解决的问题
另外，上述的与芯片温度相应的igbt3的驱动能力的变更是在ipm2中内部性地进行的保护动作。即，igbt3的驱动能力的变更控制是与根据从上级设备指示的输出电力规格来决定的占空比下的igbt3的接通断开驱动相独立地执行的。因此，在芯片温度上升时在ipm2中内部性地变更了igbt3的驱动能力的情况下，由此芯片温度的上升得到抑制，因此不再检测出前述的过热异常。
顺带一提，在尽管实施了上述的通过变更igbt3的驱动能力来进行的保护动作、但芯片温度进一步上升从而检测出过热异常的情况下，随之停止对igbt3的接通断开驱动进行控制并且从ipm2向外部输出异常检测信息。因而，仅在从ipm2输出了异常检测信息的情况下，能够在上级设备中检测出igbt3的过热异常。
另外，对igbt3进行接通断开驱动时的pwm信号的占空比主要是视为ipm2在通常芯片温度范围内进行动作、且igbt3的驱动能力固定来进行设定的。不可否认的是，当以这种动作条件在保护电路的控制下根据芯片温度来变更了igbt3的驱动能力的情况下，随之电力变换装置1的输出电力发生变化。但是，由于从ipm2仅输出上述的异常检测信息，因此存在以下问题：在对电力变换装置1的输出电力进行指示的上级设备中，无法掌握电力变换装置1的输出电力发生变化的因素。
本发明是考虑到这种情形而完成的，其目的在于提供一种能够将表示半导体元件的驱动状态的信息、特别是因芯片温度引起的igbt的驱动能力的变更准确地输出到外部的半导体元件的驱动装置。
用于解决问题的方案
为了达到上述目的，本发明所涉及的半导体元件的驱动装置具有驱动电路且具备保护电路，所述驱动电路从外部被输入对半导体元件的驱动能力进行规定的脉冲状的驱动信号来对所述半导体元件进行接通断开驱动，所述保护电路在所述半导体元件的芯片温度超过过热阈值温度时切换所述半导体元件的驱动能力，
特别是，所述半导体元件的驱动装置的特征在于，所述保护电路具备驱动信息输出电路，该驱动信息输出电路将电压水平与所述驱动电路对所述半导体元件提供的驱动控制电压相应的驱动信息输出到外部。
优选的是，驱动信息输出电路除了具备根据所述驱动控制电压来控制所述驱动信息的电压水平的电压水平控制电路以外，还具备脉宽生成电路，该脉宽生成电路生成电压水平与所述驱动电路对所述半导体元件提供的驱动控制电压相应、且脉宽与所述驱动控制电压相应的脉冲信号并将该脉冲信号输出到外部。
顺带一提，所述脉宽生成电路例如生成如下的脉冲信号来作为驱动信息输出信号：该脉冲信号的脉宽与所述驱动信息的电压水平之积成为表示所述半导体元件的驱动能力的信息，所述脉宽表示所述半导体元件的接通宽度。
在此，所述半导体元件例如是igbt，所述保护电路对所述半导体元件的驱动能力的切换是通过根据所述igbt的芯片温度来改变对该igbt的栅极施加的电压、由此切换针对igbt的栅极的充电电流来进行的。
优选的是，所述保护电路构成为具备显示器，该显示器的显示方式根据对所述半导体元件施加的栅极电压来变更。
发明的效果
根据这种结构的半导体元件的驱动装置，在保护电路中使半导体元件(igbt)的驱动能力随着半导体元件(igbt)的芯片温度的上升而变低，由此能够防止开关损耗的增大。而且，在保护电路的控制下根据芯片温度变更了半导体元件(igbt)的驱动能力的情况下，表示半导体元件(igbt)的驱动能力的动作状态信息被输出到上级设备。其结果，在上级设备中，不仅能够根据从驱动装置输出的异常检测信息来检测出半导体元件的异常，还能够容易地掌握驱动装置的内部性的控制对半导体元件的驱动能力进行的变更。
特别是，能够根据与对半导体元件的栅极施加的驱动控制信号的电压水平对应的驱动信息信号的水平与该驱动信息信号的脉宽之积掌握从外部规定的半导体元件的驱动能力，并且能够准确地掌握根据半导体元件的芯片温度变更后的半导体元件的驱动能力。顺带一提，对于由保护电路控制后的半导体元件的驱动能力本身，能够根据驱动信息信号的水平和驱动信息信号的脉宽中的一方来掌握。
附图说明
图1是本发明的一个实施方式所涉及的半导体元件的驱动装置的主要部分概要结构图。
图2是表示图1所示的半导体元件的驱动装置中的驱动信息输出电路的结构例的图。
图3是表示图2所示的驱动信息输出电路的作用的动作波形图。
图4是使用ipm构成的电力变换装置的主要部分概要结构图。
图5是提取图4所示的电力变换装置中的igbt的驱动能力切换功能来示出的半导体元件的驱动装置的主要部分概要结构图。
附图标记说明
1：电力变换装置；2：ipm；3：igbt(半导体元件)；4：控制ic；5：pwm信号生成电路；6：pwm信号占空比设定部；7a、7b：光电耦合器；8：温度检测用的二极管；9：检测电路；11：过热检测用比较器；12：逻辑电路；13：电阻分压电路；14a、14b、14c：开关元件；15：igbt驱动电路；16a、16b、16c：显示器(led)；17：驱动信息输出电路；18：驱动信息输出用的mos-fet；21：比较器；22：与电路；23：脉宽生成电路；24、25：电流镜电路；26：电容器；27：反相电路；28：比较器；31、32、37、38、39：n型fet；34、35、36：p型fet。
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所涉及的半导体元件的驱动装置。
图1是作为本发明的一个实施方式所涉及的半导体元件的驱动装置的ipm2的主要部分概要结构图。该ipm(驱动装置)2基本上与图5所示的ipm2同样地是以作为电力变换用的半导体元件的igbt3及作为其驱动电路的控制ic4为主体来构成的。此外，在此对与图5所示的ipm2的结构相同的部分标注相同的标记来表示，省略该部分的重复的说明。在此，igbt3以附设有芯片温度检测用的二极管8的方式被芯片化，另外，igbt3的驱动电路也与前述的过热检测用比较器11、逻辑电路12以及igbt驱动电路15等一起芯片化为控制ic4。
作为针对igbt3的保护电路的功能之一，该ipm2具备以下的驱动能力切换功能：根据借助二极管8检测出的igbt3的芯片温度来切换igbt3的驱动能力。该驱动能力切换功能基本上是由判定igbt3的芯片温度的前述的过热检测用比较器11、逻辑电路12、电阻分压电路13以及开关元件14a、14b、14c构成的。
逻辑电路12从外部(上级设备)被输入对半导体元件的驱动能力进行规定的脉冲状的驱动信号vin，并按照过热检测用比较器11的输出来择一地输出为与驱动信号vin相应的3个系统的信号电压va、vb、vc。另外，电阻分压电路13利用电阻对电源电压vcc进行分压，由此生成水平不同的3种电压。开关元件14a、14b、14c分别与该电阻分压电路13的电阻分压点连接，通过从逻辑电路12输出的信号电压va、vb、vc来择一地被接通和断开。
通过这样构成的驱动能力切换功能，在逻辑电路12的控制下，对igbt驱动电路15提供的驱动信号(pwm信号)vref被择一地切换为不同的电压水平vref1、vref2、vref3这3种驱动信号。
本发明所涉及的ipm2除了这种结构以外还具备分别与开关元件14a、14b、14c串联连接的显示器16a、16b、16c。这些显示器16a、16b、16c例如包括发光颜色不同的led，与开关元件14a、14b、14c的择一性的通电联动来选择性地发光。
ipm2还具备驱动信息输出电路17，该驱动信息输出电路17分别被输入经由开关元件14a、14b、14c来择一地输出的电压水平不同的3种信号vref1、vref2、vref3，并且被输入对igbt驱动电路15提供的驱动信号(pwm信号)vref。该驱动信息输出电路17担负以下功能：以与作为驱动信号(pwm信号)vref提供的电压水平vref1、vref2、vref3相应的脉宽来生成电压水平与该电压水平vref1、vref2、vref3对应的脉冲信号。由该驱动信息输出电路17进行的上述的脉冲信号的生成在后面叙述。然后，驱动信息输出电路17所生成的脉冲信号被施加到驱动信息输出用的mos-fet18的栅极，通过mos-fet18的接通断开来生成驱动信息输出信号，该驱动信息输出信号被输出到外部。
图2示出了驱动信息输出电路17的结构例。该驱动信息输出电路17在被输入对igbt驱动电路15提供的驱动信号(pwm信号)vref的输入级具备比较器21。该比较器21担负以下功能：将由串联连接的电阻r1、r2对该比较器21的输出电压进行分压而生成的比较基准电压与驱动信号(pwm信号)vref进行比较，由此检测驱动信号(pwm信号)vref的电压水平的变化。与电路(andcircuit)22对比较器21的输出和脉宽生成电路23的输出进行逻辑处理，由此生成启动该脉宽生成电路23的触发信号。
脉宽生成电路23在其输入级具备第一电流镜电路24，该第一电流镜电路24接收与电路22的输出后从n型fet32输出与该与电路22的输出电流成正比的电流。该第一电流镜电路24包括一对n型fet31、32。在该第一电流镜电路24的电流输出侧的n型fet32处设置有包括p型fet33、34、35、36的3组第二电流镜电路25。该第二电流镜电路25从p型fet34、35、36分别输出与第一电流镜电路24的输出电流成正比的互不相同的电流i1、i2、i3。
顺带一提，从p型fet34、35、36分别输出的电流i1、i2、i3分别经由作为开关的n型fet37、38、39而作为充电电流被提供到电容器26。因而，利用择一地提供的电流i1、i2、i3以互不相同的充电特性来对电容器26进行充电。另外，在电容器26上并联连接有n型fet40。该n型fet40担负以下功能：经由反相电路27接收与电路22的输出来进行接通动作，放出电容器26的充电电荷来使电容器26的充电电压复位为零(0v)。
具体地说，在驱动信号(pwm信号)vref变为h水平时，以与此时的驱动信号vref1、vref2、vref3的电压水平相应的电流i1、i2、i3对电容器26进行充电，在驱动信号(pwm信号)vref变为l水平时，放出电容器26的充电电荷。而且，比较器28将上述的电容器26的伴随充放电的充电电压的变化与规定的基准电压vth进行比较，由此生成电压水平与驱动信号vref1、vref2、vref3的电压水平相应、且脉宽(脉冲周期)与驱动信号vref1、vref2、vref3的电压水平相应的脉冲信号来作为驱动信息。该驱动信息经由前述的mos-fet18被反转后作为驱动信息输出信号被输出到外部。
图3示意性地示出了由如上述那样构成的脉宽生成电路23进行的驱动信息的生成处理的情形。在例如以100％的驱动能力对igbt3进行接通断开驱动的情况下，逻辑电路12输出图3的(a)所示的信号电压va来使开关元件14a导通。其结果，如图3的(b)所示，由电阻分压电路13分压得到的电压水平vref1的电压信号被择一地输出。然后，利用该电压水平vref1的电压信号来驱动igbt驱动电路15。
另外，在这样的igbt3的驱动动作条件下芯片温度上升的情况下，逻辑电路12输出图3的(a)所示的信号电压vb来使开关元件14b导通。其结果，如图3的(b)所示，由电阻分压电路13分压得到的电压水平vref2(<vref1)的电压信号被择一地输出。然后，利用电压水平vref2的电压信号来驱动igbt驱动电路15，例如以75％的驱动能力对igbt3进行接通断开驱动。
并且，在如上所述那样即使在使igbt3的驱动能力下降的状态下芯片温度也上升的情况下，逻辑电路12输出图3的(a)所示的信号电压vc来使开关元件14c导通。其结果，如图3的(b)所示，由电阻分压电路13分压得到的电压水平vref3(<vref2<vref1)的电压信号被择一地输出。然后，利用电压水平vref3的电压信号来驱动igbt驱动电路15，例如以50％的驱动能力对igbt3进行接通断开驱动。
顺带一提，如果基于像这样被控制成择一地输出的不同的电压水平vref1、vref2、vref3的电压信号来例如如图3的(c)所示那样将电压水平不同的信号作为igbt3的驱动信息输出到外部，则能够根据信号的电压水平或脉宽(脉冲周期)来掌握在逻辑电路12的控制下设定的igbt3的驱动能力。另外，同时能够根据信号的电压水平与脉宽(脉冲周期)之积来掌握在外部的上级设备中对igbt3设定的驱动能力。
另一方面，在脉宽生成电路23中，经由与电路22被输入驱动信号(pwm信号)vref，借助第一电流镜电路24来对第二电流镜电路25进行驱动，由此使p型fet34、35、36分别生成预先决定的电流i1、i2、i3。另外，如上述那样被切换后择一地输出的电压水平vref1、vref2、vref3的电压信号被输入到脉宽生成电路23，被分别提供到作为开关的n型fet37、38、39。
其结果，在输出电压水平vref1时利用从p型fet34输出的电流i1对电容器26进行充电。另外，在输出电压水平vref2时利用从p型fet35输出的电流i2(<i1)对电容器26进行充电。并且，在输出电压水平vref3时利用从p型fet36输出的电流i3(<i2<i1)对电容器26进行充电。然后，在电容器26的充电电压超过基准电压vth时，伴随比较器28的输出的反转，n型fet40被驱动为接通，电容器26的充电电荷被放出。
因而，在利用由p型fet34输出的电流i1对电容器26进行快速充电的情况下，例如如图3的(d)所示那样电容器26的充电期间变短。此时，电容器26的放电期间是根据n型fet40的接通电阻所确定的，因此电容器26的充放电周期也变短。另外，在利用由p型fet35输出的电流i2(<i1)对电容器26进行充电的情况下，如图3的(d)所示，与利用电流i1对电容器26进行充电的情况相比，电容器26的充电期间变长，其充放电周期也变长。而且，在利用由p型fet36输出的电流i3(<i2)对电容器26进行充电的情况下，如图3的(d)所示，电容器26的充电期间变得更长，因此随之电容器26的充放电周期变得更长。
如果按照像这样在脉宽生成电路23中生成的脉冲信号来生成驱动信息，则例如能够根据脉冲信号的周期、特别是脉冲信号的l水平的脉宽的变化来掌握igbt3的动作状态、即根据芯片温度变更后的igbt3的驱动能力。
顺带一提，如果基于从脉宽生成电路23输出的脉冲信号来生成电压水平与前述的电压水平vref1、vref2、vref3相应的脉冲信号作为驱动信息输出信号，则能够根据该驱动信息输出信号的电压水平和脉冲信号的脉宽的差异来准确地掌握根据芯片温度变更后的igbt3的驱动能力。特别是优选设定成：与igbt3的驱动能力相对应地控制驱动信息输出信号的脉宽，例如，驱动信息输出信号的脉宽与驱动信息输出信号的电压水平之积表示igbt3的驱动能力。如果生成这种驱动信息输出信号，则能够在外部设备中准确地掌握根据芯片温度被变更控制的igbt3的驱动能力。
在此，关于上述的驱动信息输出信号的生成，例如只要生成电压水平与前述的电压水平vref1、vref2、vref3相应的信号，基于从脉宽生成电路23输出的脉冲信号对该电压信号进行调制来使其脉冲化即可。另外，关于脉宽生成电路23所生成的脉冲信号的脉宽，只要根据igbt3的驱动能力，与电容器26的容量相匹配地设定从p型fet34、35、36分别输出的电流i1、i2、i3即可。
此外，本发明不限定于上述的实施方式。在此，示出了将igbt3的驱动能力切换控制为3个等级的例子，但是当然也能够切换控制为4个等级以上。另外，在实施方式中，设生成以0v为基准的正的脉冲信号作为电压水平不同的驱动信号(pwm信号)来进行了说明，但是当然也可以生成以规定的电源电压vcc为基准的负的脉冲信号来作为电压水平不同的驱动信号(pwm信号)。另外，输出到外部的驱动信息输出信号也可以以规定的电源电压vcc为基准来生成。
另外，在此，在第二电流镜电路25中根据电压水平vref1、vref2、vref3来将对电容器26进行充电的充电电流择一地生成为电流i1、i2、i3。关于这一点，还能够根据电压水平vref1、vref2、vref3来选择性地加上从多个电流源分别提供的电流i，从而分别生成电流i1、i2、i3来作为对电容器26进行充电的充电电流。除此以外，本发明能够在不脱离其宗旨的范围内进行各种变形来实施。