JP2018061301A - Semiconductor drive device and power conversion device using the same - Google Patents
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Abstract
【課題】大容量の電力用半導体素子に流れる過電流をインダクタンスを用いた方式で検出すると、電力用半導体素子の制御電圧を駆動するための電流がさらに大きくなるため、高速に飽和電流を制御することが困難である。【解決手段】第1および第2の主端子並びに当該第1および第2の主端子に流れる主電流を制御する制御端子を有する半導体素子を駆動する半導体駆動装置を、制御端子に半導体素子の駆動信号を供給する駆動回路と、第2の主端子に直列に接続されたインダクタンスに発生する起電圧の積分値または該積分値に比例する値を出力とする積分回路と、積分回路の出力が所定のレベル値を超えた場合に、該超えた値に応じた電流を、自らと制御端子との第1の接続点から自らとインダクタンスとの第2の接続点へ分流させる分流回路とから構成する。【選択図】図1When an overcurrent flowing in a large-capacity power semiconductor element is detected by a method using an inductance, a current for driving a control voltage of the power semiconductor element is further increased, so that a saturation current is controlled at high speed. Is difficult. A semiconductor driving device for driving a semiconductor element having a first and second main terminals and a control terminal for controlling a main current flowing in the first and second main terminals, and driving the semiconductor element to the control terminal. A drive circuit that supplies a signal, an integration circuit that outputs an integral value of an electromotive voltage generated in an inductance connected in series to the second main terminal or a value proportional to the integral value, and an output of the integration circuit is predetermined. And a shunt circuit that shunts a current corresponding to the surplus value from the first connection point between itself and the control terminal to the second connection point between itself and the inductance when the level value of the current is exceeded. . [Selection] Figure 1
Description
本発明は、電力用半導体を駆動する半導体駆動装置、ならびにそれを用いた電力変換装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor drive device for driving a power semiconductor, and a power conversion device using the same.
インバータをはじめとする電力変換装置では、過負荷や負荷の短絡など意図しない事象で過電流が流れてしまうことを想定して、過電流を適切に遮断し、過電流による破壊から自装置を保護する機能が高信頼化の観点から求められている。このような方式として、例えば特許文献1(特開平08−162929号公報)には、電力用半導体による半導体スイッチング素子のオン導通時の制御電圧を、過電流時に制限することにより、過電流を一定値までに制限し、その後電流をオフする方式が示されている。 In power converters such as inverters, assuming that an overcurrent flows due to an unintended event such as an overload or load short-circuit, the overcurrent is appropriately cut off to protect itself from destruction due to overcurrent. Function is required from the viewpoint of high reliability. As such a system, for example, in Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 08-162929), the overcurrent is made constant by limiting the control voltage when the semiconductor switching element is turned on by the power semiconductor during overcurrent. A method is shown in which the value is limited to a value and then the current is turned off.
電力用半導体に流れる最大電流は制御電圧に依存するため、この方式によれば、過電流が一定のレベルに押さえられることにより、遮断時のサージ電圧を抑制して安全に電流を遮断することができる特徴がある。この方式では、スイッチング素子に直列に接続した抵抗の電圧から過電流を検出し、スイッチング素子の制御電圧すなわちゲート電圧を、バイポーラトランジスタによるプッシュプル構成の出力バッファーの入力電圧を制御することにより、一定レベルの値にしている。これにより、電流駆動能力を高め、大容量のスイッチング素子への対応も可能にしている。 Since the maximum current that flows in the power semiconductor depends on the control voltage, this method can suppress the surge voltage at the time of interruption and safely cut off the current by suppressing the overcurrent to a certain level. There are features that can be done. In this method, the overcurrent is detected from the voltage of the resistor connected in series with the switching element, and the control voltage of the switching element, that is, the gate voltage, is controlled by controlling the input voltage of the output buffer having a push-pull configuration using a bipolar transistor. The level value is set. As a result, the current drive capability is increased, and it is possible to cope with a large-capacity switching element.
また、大容量の変換器のように電流容量が大きく、半導体スイッチング素子に電流検出用の抵抗を直列に接続できない用途がある。この用途で過電流状態を検出する方式として、例えば特許文献2(特開2000−324846号公報)には、半導体スイッチング素子と直列にインダクタンスを設け、インダクタンスの両端の電圧を積分することにより、抵抗による損失を生じることなく過電流を検出することを可能にする方式が示されている。 In addition, there are applications such as a large-capacity converter that has a large current capacity and cannot connect a current detection resistor in series to the semiconductor switching element. As a method for detecting an overcurrent state in this application, for example, in Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 2000-324846), an inductance is provided in series with a semiconductor switching element, and a resistance is obtained by integrating the voltage across the inductance. A scheme is shown that makes it possible to detect an overcurrent without causing losses.
鉄道や大型産業用途向けで、数100から数1000Aの大容量の電力変換装置では、前述したような過電流を制限するために制御電圧を制御する場合、前述した抵抗を用いた電流検出は困難である。また、前述したインダクタンスを用いた方式で過電流を検出することは可能であるが、電力用半導体素子の制御電圧を駆動するための電流がさらに大きくなるため、高速に飽和電流を制御することが困難である。 For railway and large-scale industrial applications, when a control voltage is controlled in order to limit overcurrent as described above, it is difficult to detect current using the above-described resistance in a power converter having a large capacity of several hundreds to several thousand A It is. Although it is possible to detect an overcurrent by the above-described method using inductance, the current for driving the control voltage of the power semiconductor element is further increased, so that the saturation current can be controlled at high speed. Have difficulty.
他方、大容量の電力用半導体素子を駆動するために、制御電圧の駆動回路に電流容量がとりやすいパワーMOSFETを用いる場合、従来からのバイポーラトランジスタによるプッシュプル構成のような構成により制御電圧をクランプすることは困難である。また、電力用半導体では、導通損失の低減には電流駆動能力の向上が有効であるところ、同時に過電流時の電流が増大してしまうため、短絡などの過電流時の破壊耐量が低下してしまい使用が困難となる。 On the other hand, when using a power MOSFET that has a large current capacity in the control voltage drive circuit to drive a large-capacity power semiconductor device, the control voltage is clamped by a configuration such as a conventional push-pull configuration using a bipolar transistor. It is difficult to do. In power semiconductors, improving current drive capability is effective in reducing conduction loss. At the same time, the current during overcurrent increases, so the breakdown tolerance during overcurrent such as a short circuit is reduced. End use becomes difficult.
本発明の目的は、大容量の電力用半導体の過電流時に、電力用半導体の制御電圧を高速かつ高精度に調整することにより、過電流を低減し、安全に保護することが可能な電力用半導体の駆動装置を提供することである。併せて、この駆動装置を用いることで、より信頼性が高く、高性能な電力変換装置を提供することである。 It is an object of the present invention to reduce overcurrent and to safely protect the power semiconductor by adjusting the control voltage of the power semiconductor at high speed and with high accuracy in the event of overcurrent of a large capacity power semiconductor. A semiconductor drive device is provided. In addition, by using this drive device, it is to provide a power converter having higher reliability and higher performance.
上記目的を達成するため、本発明に係る半導体駆動装置は、制御端子(ゲート端子)に半導体素子の駆動信号を供給する駆動回路と、第2の主端子(エミッタ端子)に直列に接続されたインダクタンスに発生する起電圧の積分値または該積分値に比例する値を出力とする積分回路と、積分回路の出力が所定のレベル値を超えた場合に、該超えた値に応じた電流を、自らと制御端子(ゲート端子)との第1の接続点から自らとインダクタンスとの第2の接続点(インダクタンスの半導体素子側の端子またはインダクタンスの半導体素子とは反対側の端子)へ分流させる分流回路とを備えることを特徴とする。 In order to achieve the above object, a semiconductor drive device according to the present invention is connected in series to a drive circuit for supplying a drive signal of a semiconductor element to a control terminal (gate terminal) and a second main terminal (emitter terminal). An integration circuit that outputs an integral value of an electromotive voltage generated in an inductance or a value proportional to the integration value, and when the output of the integration circuit exceeds a predetermined level value, a current corresponding to the exceeded value is A shunt that shunts from a first connection point between itself and the control terminal (gate terminal) to a second connection point between itself and the inductance (a terminal on the semiconductor element side of the inductance or a terminal on the opposite side of the semiconductor element of the inductance) And a circuit.
本発明によれば、積分回路および分流回路を用いた簡素な構成による半導体駆動装置でもって、電力用半導体素子の保護を高精度かつ高信頼に実現し、併せて、この半導体駆動装置により駆動される電力用半導体素子を用いて電力変換装置を構成すれば、低損失な電力変換装置を提供することが可能となる。 According to the present invention, a semiconductor driving device having a simple configuration using an integrating circuit and a shunt circuit realizes high-precision and high-reliability protection of power semiconductor elements, and is also driven by this semiconductor driving device. If the power conversion device is configured using the power semiconductor element, a low-loss power conversion device can be provided.
以下、本発明の実施の形態として、実施例1〜6を図面に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, Examples 1 to 6 will be described in detail with reference to the drawings as embodiments of the present invention.
図1は、本発明に係る半導体駆動装置を用いた電力変換装置の概略構成を示す図である。
電力変換装置101は、例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT、以下ではこの「IGBT」で呼称)を電力用半導体素子とする2レベルインバータであり、負荷9として、例えば3相の電動機を駆動し、3相各相を主回路102(U相)、103(V相)および104(W相)で構成している。ここで、V相主回路103およびW相主回路104は、U相主回路102と同様の構成であるため、図1では代表してU相主回路102の詳細を示し、V相およびW相についてはその詳細を省略して記載している。図11に、本発明に係る半導体駆動装置を含め、3相全てのアーム、論理部、直流電源(Vdc)および負荷を記した2レベルインバータの全体構成図を示す。
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a power conversion device using a semiconductor drive device according to the present invention.
The
U相主回路102は、電力用半導体IGBT1および2、これら電力用半導体と直接接続されたインダクタンス3および4、電力用半導体の制御端子に供給する制御電圧を制御する駆動装置5および6、駆動装置5および6へ駆動指令を出力する論理部7、主回路の寄生インダクタンス8並びに平滑コンデンサ10を含んで構成される。
The U-phase
論理部7は、U相主回路102に対して、駆動指令1および2を生成し、駆動指令1および2を受けた駆動装置5および6は、それぞれ電力用半導体素子であるU相の上アームのIGBT2および下アームのIGBT1のオン、オフを制御する。V相主回路103およびW相主回路104も同様に機能し、これにより電力変換装置101は、負荷9(例えば、電動機)を駆動することができる。
The
電力変換装置101を構成する各相のIGBTは、U相と同様の構成で、主電源に接続された平滑コンデンサ10と接続されている。この平滑コンデンサ10は、直流電力を供給する主電源Vdcに接続されている。
The IGBT of each phase constituting the
駆動装置の1例として、U相下アームの駆動装置5は、IGBT1の制御端子であるゲート端子Gとエミッタ端子Eに接続された駆動回路13、IGBT1のエミッタ側に直列接続されるインダクタンス3の両端の電圧を入力とする積分回路11およびこの積分回路11の出力を入力とする分流回路12から構成されている。この内、分流回路12は、IGBT1のゲート端子Gと駆動回路13を結ぶ配線に接続され、積分回路11の出力電圧に応じて駆動回路13もしくはIGBT1のゲート端子Gからの電流を、インダクタンス3の端子に分岐して流すことができる構成となっている。
As an example of the driving device, the
例えば、IGBT1の出力(U相出力)がIGBT2の誤動作や破壊により導通している場合に、IGBT1が導通状態にターンオンすると、IGBT1は電源電圧Vdcとインダクタンスを介して短絡される。この場合の電流および電圧波形のシーケンスを、図2に示す。IGBT1は短絡状態になるため、その主電流Iが上昇する。このとき、インダクタンス3では、そのインダクタンスをLeとすると、起電圧Le×dI/dtが発生する。積分回路11は、この起電圧を入力として積分し、その積分値もしくはその積分値に比例する電圧を出力する。ここで、積分値は、図2に示す積分出力のように、主電流Iに比例した値となるため、この値が所定のレベル値を超えたか否かに応じて短絡の発生の有無を検知することが可能である。
For example, when the output of the IGBT 1 (U-phase output) is conducting due to malfunction or destruction of the IGBT 2, when the
本発明では、分流回路12により、積分回路11から出力された積分値もしくはその値に比例する値が所定のレベル値を超えた場合に、その超えた値に応じた電流を、IGBT1の制御端子に接続される回路からインダクタンス3の端子に接続される主回路に分流する。これにより、IGBT1の制御電圧すなわちゲート−エミッタ間電圧が減少し、その結果として主電流Iが減少する。主電流Iが減少すれば、短絡時にIGBT1で発生する損失は減少するため、電力用半導体である主スイッチング素子(IGBT)が破壊に至るまでの時間が増加し、安全に遮断することが可能となる。
In the present invention, when the integral value output from the
この破壊に至るまでの増加した時間内に、主スイッチング素子を遮断するかどうか判定し、その判定結果に基づいて、図2のように遮断する。このとき、遮断時の電流変化率が適切な範囲内になるように、駆動回路13により制御電圧を調整する。これにより、安全に主電流Iを遮断し、電力用半導体ならびにこれを用いた電力変換器をノイズなどによる誤検出を伴わずに保護することが可能となる。
Whether or not to shut off the main switching element is determined within the increased time until the destruction, and based on the determination result, the switching is performed as shown in FIG. At this time, the control voltage is adjusted by the
ここで、主スイッチング素子に直列接続されるインダクタンスは、例えば図1の場合では、IGBT1のエミッタ側端子Eに接続されるインダクタンスであることが望ましい。この場合には、図2に示すように、短絡開始時にインダクタンス3の起電圧Vetは正の電圧となるが、この電圧の方向は分流回路12に印加される電圧を増加させる。短絡が高速でありdI/dtが大きな場合には、保護のためにより早く制御電圧を低減させることが必要となる。これを可能にすることで、分流回路12に印加される電圧が増加して制御端子から分流回路12へ分岐する電流が増加するため、より高速に制御電圧が低減され、主電流Iを制限することが可能となる。すなわち、より高精度な保護が可能となる。
Here, the inductance connected in series to the main switching element is preferably an inductance connected to the emitter side terminal E of the
また、積分回路11の出力電圧は、図2に示すように、ある一定値を超えた以降は減少させずにある一定値に維持することが望ましい。これには、前記起電圧の極性により積分係数を変化させる構成とすることが望ましい。このような構成でない場合、短絡時の分流回路12の動作により制御電圧が低下すると主電流Iが低下するところ、この時Vetの符号が逆になり、積分回路の電圧が減少する。これにより、分流回路12の電流変動が増加してしまい、制御電圧に振動が発生する懸念がある。前述した積分係数を変化させる構成とすることで、このような懸念を回避し、より高精度な保護が可能となる。
Further, as shown in FIG. 2, the output voltage of the integrating
そしてまた、本発明に係る駆動装置の構成とすることで、飽和電流が高くより低導通損失の電力用半導体を用いても、短絡時の飽和電流を低減することで、実効的な破壊耐量を向上させ、短絡時などの過電流時においても安全に保護することが可能となり、より低損失な電力変換装置を高信頼に実現できる。 In addition, with the configuration of the drive device according to the present invention, even if a power semiconductor having a high saturation current and a lower conduction loss is used, by reducing the saturation current at the time of a short circuit, an effective breakdown resistance can be obtained. Thus, it is possible to safely protect even during an overcurrent such as a short circuit, and it is possible to realize a power converter with lower loss with high reliability.
図3は、本発明に係る半導体駆動装置の実施例1の構成示す図である。
実施例1の積分回路11は、IGBTモジュール21の制御用エミッタ端子と主エミッタ端子間のインダクタンス3に接続される非対称型のCR積分回路であって、積分回路11は、抵抗22、24、ダイオード23およびコンデンサ25から構成される。積分回路11の出力は、分流回路12のツェナーダイオード26およびダイオード27を介して、抵抗28の電圧を規定する。この抵抗28の電圧によりnMOSトランジスタ31のオン、オフが制御される。nMOSトランジスタ31のドレインには抵抗29およびダイオード30が接続され、分流回路12の電流値や流れる方向を制限する。
FIG. 3 is a diagram showing the configuration of the first embodiment of the semiconductor drive device according to the present invention.
The integrating
駆動回路13は、出力回路33およびこれに接続された抵抗32とから構成され、主スイッチング素子1のオン、オフを適切な速度で実施するものである。なお、ここで主スイッチング素子1に直列接続されるインダクタンス3は、電力用半導体モジュール21内に存在するインダクタンスを利用している。
The
このような構成とすることで、起電圧を積分する際にインダクタンス3の起電圧が正の場合はダイオード23が順方向となり、抵抗22および24の抵抗を介して電流が流れ容量25に電荷が蓄積される。これにより、インダクタンス3の起電圧の積分値に相当する電圧が出力される。ここで、主電流が低減しインダクタンス3の起電圧が減少した場合はダイオード23が逆バイアスとなり、抵抗22のみを介して容量25の電荷が放電されるため、積分の係数が変化し積分値の変化を小さくできる。このように起電圧の極性により積分の係数が変化することで、分流回路の急激な電流変動を抑制することが可能となり、より高精度に保護が可能となる。
With such a configuration, when the electromotive voltage is integrated, if the electromotive voltage of the
また、分流回路12では、短絡により積分回路の出力が増加し、ツェナーダイオード26の降伏電圧を超えると、電流が流れ、抵抗28の電圧が上昇し、nMOSトランジスタ31がオンして、制御端子から電流を主エミッタ端子に流すことにより、制御電圧が減少する。ここで過電流時には、出力段33は、制御電圧を正の制御電圧に設定するようにオンしているが、分流回路12に電流が流れることで、抵抗32の電圧降下が増加し、制御電圧を低減するものである。この制御電圧値とその変化率は、抵抗29によって分流回路12の電流を調整することでも制御可能である。また、ツェナーダイオード26の降伏電圧によっても、減少させる主電流のレベルを調整可能である。
In the
さらに、ダイオード27により、積分回路11の出力が低下した場合でも、nMOSトランジスタ31のゲートからの電流が積分回路11に流れ出さない構成としているため、nMOSトランジスタ31のゲート電圧は急速には低下せず、分流回路12の急激な電流変動を避け、安定した制御電圧制御が可能である。
Furthermore, even if the output of the
ここで、短絡などの過電流時以外の通常のスイッチング中は、分流回路12には電流を流さず、制御電圧に影響を与えない必要があることは、言うに及ばない。例えば主電流を遮断する際には、図2に示したようにインダクタンス3には負の起電圧が発生するが、このとき負の起電圧の絶対値が大きいと、nMOSトランジスタ31の内蔵ダイオードを経由して、インダクタンス3から制御端子に電流が流れ、制御電圧を上昇させる可能性がある。このような電流を防止するには、nMOSトランジスタ31と直列にダイオード30を設け、このダイオード30を負の起電圧の最大値以上の耐圧を備えたものにすれば、これにより通常のスイッチング中の制御電圧の変動を防止できる。
Here, it goes without saying that during normal switching other than during an overcurrent such as a short circuit, no current flows through the
図4は、図3に示す半導体駆動装置(実施例1)の分流回路12の電流特性を示す図である。図示のように、積分回路11の出力が所定値以上で、分流回路12は制御端子から電流を分流する。さらに分流回路12をインダクタンス3に接続する構成とすることにより、インダクタンス3の起電圧Vetが大きくdi/dtが高い場合には、分流回路12の電流が上昇する。これにより、高速に制御電圧を制限し、主電流を高精度に制限することが可能である。
FIG. 4 is a diagram showing current characteristics of the
図5は、本発明に係る半導体駆動装置の実施例2の構成を示す図である。
モジュール111は、半導体とその駆動装置の一部をパッケージ化したもので、IGBT1が配線のインダクタンス114および115に接続されて実装され、また、モジュール111の内部に、積分回路11と分流回路12から構成される電流制限回路112が実装されている。電流制限回路112は、IGBT1のゲート端子、エミッタ端子および配線のインダクタンス114に接続されている。そして、このモジュール111は、外部に設けられた駆動回路13により、オン、オフ制御される。
FIG. 5 is a diagram showing the configuration of a second embodiment of the semiconductor drive device according to the present invention.
The
このような構成でもって電力用半導体の駆動装置とすることで、装置が小型化され、さらにゲート端子の直近に電流制限回路112を設けるため、ゲート配線のインダクタンスによる制御電圧制御の遅延が生じにくい。よって、より高精度に電流を制限することが可能となる。なお、ここでIGBT1は簡単のため単一の回路記号で示したが、複数のチップが並列接続される構成としても問題ない。また、電流制限回路112は、必ずしもパッケージの内部に実装される必要はなく、外部に取りつける構成でも構わない。
By using the power semiconductor drive device with such a configuration, the device is miniaturized, and the current limiting
図6は、本発明に係る半導体駆動装置の実施例3の構成を示す図である。
先の実施例1および2との違いは、積分回路に演算増幅器を用いる点である。実施例3の積分回路41は、インダクタンス3の端子電圧を分圧抵抗42および43により分圧し、さらにコンデンサ44により直流成分を除去して、演算増幅器49の一方の入力としている。また、演算増幅器49のもう一方の入力は、ある一定の基準電圧48でバイアスされる。これらは、演算増幅器49への入力電圧をその許容入力電圧範囲内とするための手段である。
FIG. 6 is a diagram showing the configuration of a third embodiment of the semiconductor drive device according to the present invention.
The difference from the first and second embodiments is that an operational amplifier is used in the integrating circuit. In the integrating
演算増幅器49、抵抗45、抵抗46およびコンデンサ47により構成された積分演算部が積分演算を実行し、その積分値が次段の分流回路12に出力される。なお、演算増幅器49の出力電流が不足し、nMOSトランジスタ31の制御速度が不足する場合は、演算増幅器49と分流回路12の間に増幅器(図示せず)を設けてもよい。このような構成とすることで、より高精度に起電圧の積分値が得られるため、飽和電流を正確に制御することが可能となり、より低損失かつ高信頼な電力変換器が実現できる。
An integration calculation unit including an
また、前記の演算増幅器49や前記図示しない増幅器の電源電圧Vccは、電源回路51により供給される。この電源電圧Vccは、駆動回路13の電源50に接続された、電流制限抵抗52および電源放電防止用のダイオード53を介して、コンデンサ54を充電することで生成され、その電圧値はツェナーダイオード55により必要な値に調整される。このような構成とすることで、インダクタンス3の端子電圧とともに電位が変動する演算増幅器49に対して、安定した電源を供給することができ、駆動装置を小型軽量化することが可能となる。
Further, the power supply voltage Vcc of the
図7は、本発明に係る半導体駆動装置の実施例4の構成を示す図である。
実施例4は、実施例3と同様に、積分回路41に演算増幅器49を用いるところ、実施例3とは異なり、分流回路12により、制御端子からIGBTのエミッタ端子に分流する回路を備えることを特徴とする。このような構成とすることで、演算増幅器49の電源に、ゲート駆動用の負側の電源57を用いることが可能になり、電源が簡素化できる。
FIG. 7 is a diagram showing a configuration of a semiconductor driving apparatus according to a fourth embodiment of the present invention.
Similar to the third embodiment, the fourth embodiment uses an
図8は、本発明に係る半導体駆動装置の実施例5の構成を示す図である。
実施例5は、分流回路の構成に特徴を有するものである。分流回路121は、ツェナーダイオード122およびダイオード123を介して抵抗120の電圧を規定し、これによりnMOSトランジスタ124のオン、オフを制御している。nMOSトランジスタ124は、そのドレインに直列に接続されたダイオード125および抵抗126を介して、スイッチ回路139を駆動する。そして、このスイッチ回路139により、アクティブクランプ回路138のオン、オフが制御される。
FIG. 8 is a diagram showing a configuration of the semiconductor driving apparatus according to the fifth embodiment of the present invention.
The fifth embodiment is characterized by the configuration of the shunt circuit. The
過電流時に、積分回路11の出力がある一定値を超えると、nMOSトランジスタ124がオンし、スイッチ回路139のpMOSトランジスタ131のゲート電位が下がることによりpMOSトランジスタ131がオフ状態からオン状態となる。これにより、アクティブクランプ回路138のツェナーダイオード128に電圧が印加され、アクティブクランプ回路138のnMOSトランジスタ132がオンする。ここで、ツェナーダイオード128のツェナー電圧は、IGBT1の通電電流を制限するためにIGBT1のゲート電圧をある一定の値にクランプする値に設定されている。このnMOSトランジスタ132のオンにより、IGBT1のゲート−エミッタ間電圧がある一定値にクランプされ、IGBT1の通電電流が制限される。
When the output of the
以上の構成とすることで、大容量化に適したnMOSトランジスタを用いて、電力用半導体のゲート電圧を一定値にクランプすることができる。このため、大容量の電力用半導体を駆動するため、出力段133のようにMOSトランジスタを用いる場合でも、ゲート端子から大電流を分流することが可能となる。これにより、電力用半導体のゲート電圧すなわち制御電圧の制御が高速化でき、大容量の電力用半導体を高信頼に保護することが可能となる。
With the above configuration, the gate voltage of the power semiconductor can be clamped to a constant value using an nMOS transistor suitable for increasing the capacity. Therefore, in order to drive a large-capacity power semiconductor, even when a MOS transistor is used as in the
図9は、本発明に係る半導体駆動装置の実施例6の構成を示す図である。
実施例6は、実施例5とは異なる分流回路を構成するものである。分流回路150は、スイッチ回路155およびアクティブクランプ回路156の直列回路から構成される。アクティブクランプ回路156はゲート端子の配線側に接続され、スイッチ回路155はnMOSトランジスタ152で構成される。積分回路141の出力を過電流時における積分回路141の出力が、nMOSトランジスタ152をオンさせることにより、図8に示す実施例5と同様な機能をより簡素な分流回路の構成により実現するものである。
FIG. 9 is a diagram showing a configuration of a semiconductor driving apparatus according to the sixth embodiment of the present invention.
The sixth embodiment constitutes a shunt circuit different from the fifth embodiment. The
次に、短絡を検出してから制御電圧を調整し、その後主電流を遮断するまでの動作シーケンスについて説明する。
図10は、本発明に係る半導体駆動装置への駆動指令ならびに電力変換装置の駆動状況信号等により、正常時および異常時の動作シーケンスを示す図である、図10の、(1)に正常時の動作シーケンスを、(2)に異常時の動作シーケンスをそれぞれ示す。短絡発生による異常時には、その短絡を検出し、制御電圧を調整し、その後主電流を遮断する動作シーケンスとなる。
Next, an operation sequence from the detection of a short circuit to the adjustment of the control voltage and the subsequent interruption of the main current will be described.
FIG. 10 is a diagram showing an operation sequence at normal time and abnormal time according to a drive command to the semiconductor drive device and a drive status signal of the power conversion device according to the present invention. (2) shows the operation sequence at the time of abnormality. When an abnormality occurs due to the occurrence of a short circuit, the short circuit is detected, the control voltage is adjusted, and then the main current is cut off.
図10の(1)の正常時においては、駆動指令に応じて電力用半導体素子への制御電圧がオン、オフ動作し、その状態が回路の遅延時間経過後に駆動状況信号に反映される。勿論、正常時には短絡判定は発生しない。 In the normal state of (1) in FIG. 10, the control voltage to the power semiconductor element is turned on / off according to the drive command, and this state is reflected in the drive status signal after the delay time of the circuit has elapsed. Of course, no short circuit determination occurs during normal operation.
(2)の短絡発生による異常時においては、駆動指令はオン状態であるが、短絡時の電流が一定値を超えると、制御電圧は本発明に係る分流回路により制限され低下する。この時の制御電圧の低下をオフ状態と判定し、オンの駆動指令とこのオフと判定した駆動状況の不一致がある一定以上の時間(図示の短絡判定時間)となった場合に短絡状態と判定し、駆動指令をオフ指令に変更して電流を遮断する。 At the time of abnormality due to the occurrence of a short circuit in (2), the drive command is in an ON state, but if the current at the time of the short circuit exceeds a certain value, the control voltage is limited and lowered by the shunt circuit according to the present invention. The control voltage drop at this time is determined to be in an OFF state, and a short-circuit state is determined if the ON drive command and the drive status determined to be OFF have a certain time (short-circuit determination time shown in the figure). Then, the drive command is changed to an off command to interrupt the current.
また、短絡を判定しその判定信号を保持する回路を駆動装置側に設けずに、図1に示す論理部7においてソフトウエアで実施することも可能である。これにより、より簡素な構成で電力変換器の半導体駆動装置を構成できる。なお、同様な短絡判定を駆動装置側で実施しても、同じ機能は実現可能である。
Further, the
以上では、本発明に係る半導体駆動装置を用いた電力変換装置として、IGBTを用いたインバータを例に説明したが、電力用半導体としてはIGBTに限定されるものではなく、パワーMOSFETを初めとする他の電力用半導体にも適用可能である。また、電力変換装置も、インバータに限定されず、直流−直流コンバータや交流−直流コンバータなど、他の電力変換装置にも適用可能である。 In the above, an inverter using an IGBT has been described as an example of a power conversion device using a semiconductor drive device according to the present invention. However, a power semiconductor is not limited to an IGBT, but includes a power MOSFET. It can be applied to other power semiconductors. Further, the power converter is not limited to an inverter, and can be applied to other power converters such as a DC-DC converter and an AC-DC converter.
1、2:IGBT 3、4、8、114、115:インダクタンス 5、6:駆動装置
7:論理部 9:負荷 10:平滑コンデンサ 11、41:積分回路 51:電源回路
12、121、150:分流回路 13:駆動回路 21:IGBTモジュール
22、24、28、29、32、42、43、45、46、52、120、126、127、130、134、145、146、153:抵抗
23、27、30、53、123、125:ダイオード
25、44、47、54:コンデンサ
26、55、122、128、129、154:ツェナーダイオード
31、124、132、135、151、152:nMOSトランジスタ
33:出力段 48:基準電源 49:演算増幅器 50、57:電源
101:電力変換装置 102、103、104:U、V、W相主回路
111:モジュール 112:電流制限回路 131:pMOSトランジスタ
138、156:アクティブクランプ回路 139、155:スイッチ回路
1, 2:
Claims (10)
前記制御端子に前記半導体素子の駆動信号を供給する駆動回路と、
前記第2の主端子に直列に接続されたインダクタンスに発生する起電圧の積分値または該積分値に比例する値を出力とする積分回路と、
前記積分回路の前記出力が所定のレベル値を超えた場合に、該超えた値に応じた電流を、自らと前記制御端子とを接続する第1の接続点から、自らと前記インダクタンスの前記半導体素子側の端子とを接続する、または自らと前記インダクタンスの前記半導体素子とは反対側の端子とを接続する第2の接続点へ分流させる分流回路と
を備える半導体駆動装置。 A semiconductor drive device for driving a semiconductor element having first and second main terminals and a control terminal for controlling a main current flowing in the first and second main terminals,
A drive circuit for supplying a drive signal of the semiconductor element to the control terminal;
An integration circuit that outputs an integral value of an electromotive voltage generated in an inductance connected in series to the second main terminal or a value proportional to the integral value;
When the output of the integration circuit exceeds a predetermined level value, a current corresponding to the exceeded value is supplied from the first connection point connecting itself and the control terminal to the semiconductor of the inductance. A semiconductor drive device comprising: a shunt circuit that shunts to a second connection point that connects a terminal on an element side or connects itself to a terminal on the side opposite to the semiconductor element of the inductance.
前記インダクタンスは、前記半導体素子が実装されているパッケージ内の配線のインダクタンスである
ことを特徴とする半導体駆動装置。 The semiconductor drive device according to claim 1,
The semiconductor drive device according to claim 1, wherein the inductance is an inductance of a wiring in a package on which the semiconductor element is mounted.
前記積分回路は、抵抗およびコンデンサから構成されるか、または演算増幅器、抵抗およびコンデンサから構成される
ことを特徴とする半導体駆動装置。 The semiconductor drive device according to claim 1 or 2,
The integration circuit is constituted by a resistor and a capacitor, or is constituted by an operational amplifier, a resistor and a capacitor.
前記積分回路は、前記起電圧の極性により積分係数を変化させる
ことを特徴とする半導体駆動装置。 The semiconductor drive device according to claim 1 or 2,
The semiconductor drive device, wherein the integration circuit changes an integration coefficient according to a polarity of the electromotive voltage.
前記積分回路は、第1の抵抗と第2の抵抗およびダイオードの直列回路とを並列に接続した抵抗回路並びにコンデンサから構成される
ことを特徴とする半導体駆動装置。 The semiconductor drive device according to claim 4,
The integration circuit includes a resistor circuit and a capacitor in which a first resistor, a second resistor, and a series circuit of diodes are connected in parallel, and a capacitor.
前記積分回路および前記分流回路は、前記半導体素子が実装されるパッケージに内蔵される
ことを特徴とする半導体駆動装置。 It is a semiconductor drive device of any one of Claims 1-5,
The integration circuit and the shunt circuit are built in a package on which the semiconductor element is mounted.
前記分流回路は、前記第1の接続点から抵抗およびダイオードを介してMOSトランジスタのドレイン端子を接続し、該MOSトランジスタのソース端子を前記第2の接続点に接続し、該MOSトランジスタのゲート端子に前記積分回路の前記出力を入力させることで構成される
ことを特徴とする半導体駆動装置。 It is a semiconductor drive device of any one of Claims 1-6, Comprising:
The shunt circuit connects a drain terminal of a MOS transistor from the first connection point via a resistor and a diode, connects a source terminal of the MOS transistor to the second connection point, and a gate terminal of the MOS transistor. The semiconductor drive device is configured by inputting the output of the integration circuit into the circuit.
前記第2の接続点が、前記分流回路と前記インダクタンスの前記半導体素子側の端子とを接続する場合には、
前記分流回路は、前記第1の接続点と前記第2の接続点との間に、前記制御端子に印加する制御電圧をクランプするアクティブクランプ回路と、前記積分回路の前記出力を受けて前記アクティブクランプ回路のオン、オフを制御するスイッチ回路とを接続して構成される
ことを特徴とする半導体駆動装置。 It is a semiconductor drive device of any one of Claims 1-6, Comprising:
When the second connection point connects the shunt circuit and the terminal on the semiconductor element side of the inductance,
The shunt circuit includes an active clamp circuit that clamps a control voltage applied to the control terminal between the first connection point and the second connection point, and the active circuit that receives the output of the integration circuit. A semiconductor drive device comprising a switch circuit for controlling on / off of a clamp circuit.
前記駆動回路から前記制御端子に供給される前記駆動信号のオン期間と、前記積分回路の前記出力が前記所定のレベル値を超える期間とを比較判定し、双方の期間の重なりが一定時間以上を超えた場合に前記半導体素子をオフする
ことを特徴とする半導体駆動装置。 It is a semiconductor drive device of any one of Claims 1-8, Comprising:
An ON period of the driving signal supplied from the driving circuit to the control terminal is compared with a period in which the output of the integrating circuit exceeds the predetermined level value, and the overlapping of both periods exceeds a certain time. A semiconductor driving device, wherein the semiconductor element is turned off when exceeding.
直流電源に対して前記半導体素子を2個直列接続した上下アームを複数個並列に接続し、前記半導体素子のそれぞれに対して前記半導体駆動装置を接続した電力変換装置。 A power conversion device comprising a plurality of the semiconductor elements driven by the semiconductor drive device according to any one of claims 1 to 9,
A power conversion apparatus in which a plurality of upper and lower arms each having two semiconductor elements connected in series to a DC power source are connected in parallel, and the semiconductor driving device is connected to each of the semiconductor elements.
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WO2020095371A1 (en) * | 2018-11-06 | 2020-05-14 | 株式会社 東芝 | Semiconductor device |
JP2020115705A (en) * | 2019-01-17 | 2020-07-30 | 東芝ライフスタイル株式会社 | Inverter device for washing machine |
CN112421955A (en) * | 2019-08-21 | 2021-02-26 | 台达电子工业股份有限公司 | conversion circuit |
CN113437858A (en) * | 2021-07-13 | 2021-09-24 | 珠海格力节能环保制冷技术研究中心有限公司 | Intelligent power module driving circuit, intelligent power module and household appliance |
JP2022013339A (en) * | 2020-07-03 | 2022-01-18 | 富士電機株式会社 | Short circuit judgment device and switch device |
-
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Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2020095371A1 (en) * | 2018-11-06 | 2020-05-14 | 株式会社 東芝 | Semiconductor device |
JP2020115705A (en) * | 2019-01-17 | 2020-07-30 | 東芝ライフスタイル株式会社 | Inverter device for washing machine |
JP7185538B2 (en) | 2019-01-17 | 2022-12-07 | 東芝ライフスタイル株式会社 | Inverter device for washing machine |
CN112421955A (en) * | 2019-08-21 | 2021-02-26 | 台达电子工业股份有限公司 | conversion circuit |
JP2022013339A (en) * | 2020-07-03 | 2022-01-18 | 富士電機株式会社 | Short circuit judgment device and switch device |
JP7543731B2 (en) | 2020-07-03 | 2024-09-03 | 富士電機株式会社 | Short circuit determination device and switch device |
CN113437858A (en) * | 2021-07-13 | 2021-09-24 | 珠海格力节能环保制冷技术研究中心有限公司 | Intelligent power module driving circuit, intelligent power module and household appliance |
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