CN102656763A - 功率半导体开关元件的保护装置以及保护方法 - Google Patents

功率半导体开关元件的保护装置以及保护方法 Download PDF

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Abstract

一种在高电压下利用的IGBT等半导体开关元件的短路保护装置，即使不存在电流传感用的开关元件，也能简单且误动作的可能性较小地检测短路状态，保护半导体开关元件防止受到破坏。通过对集电极侧的电压采用高电阻(2)和检测用的电阻(3、4)进行分压，来将导通中的IGBT(1)的电流的大小检测为电压信息，根据该电压值来推定IGBT(1)中的功率损耗，并推定基于该功率损耗的发热量，在推定发热量超过了规定值时，按照逐渐减小栅极信号电压的方式进行限制来保护IGBT(1)。

Description

功率半导体开关元件的保护装置以及保护方法
技术领域
本发明涉及功率半导体开关元件的保护装置以及保护方法。
背景技术
在功率半导体开关元件中，绝缘栅双极晶体管IGBT(Insulated GateBipolar Transistor)由于驱动简单，因此被大范围地应用于电源或逆变器中。此外，由于元件的稳态损耗比MOSFET小，因此被利用于较高电压的领域。
在高电压下进行利用的情况下，在负载短路状态下，如果IGBT导通，则流动过大的电流，存在IGBT由于该电流而产生热损坏的可能性。因此，为了阻止这种情况的发生，构成保护装置。
IGBT元件由于短路电流所引起的温度上升而产生热破坏，因此作为短路状态的检测方法，根据短路电流来检测与IGBT元件的温度上升相当的值，在该值为即将使IGBT热破坏之前的阈值时，需要进行保护动作。
但是，在高电压下进行利用的情况下，由于短路电流非常大且直接检测很困难，因此存在如专利文献1所公开的那样，如果在负载短路状态下IGBT导通，则利用集电极-发射极间电压的上升来检测该情况的方法。
此外，存在如专利文献2所公开的那样，在主电路的IGBT中另外准备电流传感用的辅助IGBT的方式。在这种方式中，能够减小检测用元件的电流容量，并且不需要高速、高耐压的二极管。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：JP特开平3-106217号公报
专利文献2：JP特开平7-86587号公报
发明内容
发明要解决的课题
在专利文献1中所公开的方式中，由于在IGBT的集电极-栅极间使用二极管，因此存在由于IGBT从导通变为截止时的二极管的恢复电流而进行误动作的可能性，需要高速特性的二极管。此外，在高电压电路的情况下还需要高耐压特性。
另一方面，在专利文献2所公开的方式中，通过除了提前在与主电路IGBT元件相同的芯片内作成电流传感用的IGBT以外的方法，难以简易地作成检测电路。
本发明所要解决的问题点在于，在高电压下进行利用的功率半导体开关元件的保护装置中，即使不存在电流传感用的半导体开关元件，也能简单地且误动作的可能性较小地保护功率半导体开关元件防止受到热损坏。
用于解决课题的手段
本发明的一方面的特征在于，具备：设置在功率半导体开关元件的两端子间的电阻分压电路所构成的端子电压检测单元；根据该端子电压检测单元的输出值来推定功率半导体开关元件的导通中的功率损耗的功率损耗推定单元；和当由该功率损耗推定单元所推定的功率损耗超过了规定值时，使上述功率半导体开关元件的功率损耗减小的保护单元。
在本发明的优选实施方式中，上述功率损耗推定单元具备输入上述端子电压检测单元的输出，并产生与该输入信号成比例的输出电压的缓冲电路。
此外，在本发明的优选的其他的实施方式中，上述功率损耗推定单元具备输入上述端子电压检测单元的输出的积分单元。
进而，在本发明的优选的其他实施方式中，上述功率损耗推定单元具备输入上述端子电压检测单元的输出的平方电路。
进而，在本发明的优选的其他实施方式中，上述功率损耗推定单元具备输入上述端子电压检测单元的输出的一阶延迟电路。
发明的效果
根据本发明的优选实施方式，即使不存在电流传感用的半导体开关元件，也能简单且误动作的可能性较小地保护功率半导体开关元件防止受到热损坏。
本发明的其他目的和特征在以下所述的实施方式中将会明确。
附图说明
图1为采用IGBT作为功率半导体开关元件的情况下的本发明的实施例1的短路保护检测电路的结构图。
图2为IGBT的集电极电流与集电极-发射极间电压的关系图。
图3为IGBT的功率损耗与集电极-发射极间电压的关系图。
图4为对IGBT的功率损耗与集电极-发射极间电压的关系进行了直线近似后的图。
图5为图1中的积分器6的内部结构例图。
图6为采用IGBT作为功率半导体开关元件的情况下的本发明的实施例2的短路保护检测电路的结构图。
图7为采用IGBT作为功率半导体开关元件的情况下的本发明的实施例3的短路保护检测电路的结构图。
图8为采用IGBT作为功率半导体开关元件的情况下的本发明的实施例4的短路保护检测电路的结构图。
图9为IGBT的热的等效电路图。
图10为采用IGBT作为功率半导体开关元件的情况下的本发明的实施例5的短路保护检测电路的结构图。
符号的说明
1...IBGT、2...高电阻、3...检测用电阻、4...检测用电阻、5...缓冲放大器、6...积分器、7...控制电路、8...二极管、9...积分器用电容器、10...积分器用电阻、11...短路判定部、12...关断用切换电路、13...开启用切换电路、14...关断侧的栅电阻(短路时)、15...关断侧的栅电阻(通常时)、16...开启侧的栅电阻(短路时)、17...开启侧的栅电阻(通常时)、18...乘法器、19...一阶延迟电路、20...IGBT的热的等效电路的电流源、21...等效电路的电容器、22...等效电路放热模拟电阻、23...微型计算机、24...AD变换器、25...CPU、26...比较器、27...温度传感器。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的优选实施方式进行说明。
实施例1
在本发明的实施例1中，如果为采用了高电阻和检测用的电阻的分压电路，则通过将其分压后的电压经过缓冲放大器输入到积分电路，从而由简易的电路实现了对功率半导体开关元件的温度上升即功率损耗相当值的检测。
图1为采用了IGBT作为功率半导体开关元件的情况下的本发明的实施例1的短路保护检测电路的结构图。功率半导体开关元件1为1.2[kV]以上的高耐压绝缘栅双极晶体管(IGBT)。
采用高电阻2(以后作为R2进行处理)和检测用的电阻3以及4(以后作为R3、R4进行处理)对IGBT1的从集电极端子到发射极端子之间的电压进行分压，将检测电阻R3与R4之间的电压信息输入到作为功率检测设备来使用的缓冲放大器(电压跟随器)5。缓冲放大器5的输出值输入到作为温度检测器来使用的积分器6。积分器6对从缓冲放大器5输出的信息进行累计，并输入到控制电路7。控制电路7中，对是否为短路负载状态进行判断，在判断为处于短路负载状态时，限制IGBT1的栅极电压。
此外，在高电阻R2与检测电阻R3之间，在短路负载电流过大的情况下，施加到R3的电压变得过大，存在产生损坏的可能性，因此通过将阴极侧与电源连接的二极管8来钳位到例如15[V]程度而进行保护。
在此，作为本发明的实施方式中的IGBT1的短路状态，针对即将过热之前的状态的检测原理进行说明。
图2为IGBT的集电极电流与集电极-发射极间电压的关系图。IGBT的集电极电流Ic和集电极-发射极间电压Vce的关系可以认为是具有截距B/A的比例关系。
如果用式子表示这种关系，则IGBT的集电极-发射极间电压Vce在比图2的X截距B/A大的区域中，成为如下那样。
Ic＝A×Vce-B…(1)
在考虑到集电极电流Ic所引起的功率半导体开关元件的功率损耗的情况下，由于功率损耗W通过
W＝Ic×Vce…(2)
来给出，因此如果将式(1)代入到式(2)，则成为
W＝A×Vce2-B×Vce…(3)。
图3为IGBT的功率损耗与集电极-发射极间电压的关系图，根据式(3)，能够认为功率损耗W与集电极-发射极间电压Vce的关系如图所示那样为2次函数。
根据以上所述，通过对导通中的IGBT的集电极-发射极间电压Vce进行检测，能够检测IGBT的功率损耗(即发热量)。
图4为对IGBT的功率损耗与集电极-发射极间电压的关系进行了直线近似的图，根据本发明的实施例1，在功率损耗检测中采用了缓冲放大器5的情况下，如图所示，对功率损耗W与集电极-发射极间电压Vce的关系进行了直线近似。在这种情况下，在比实际的损耗稍高地进行检测的范围中，具有安全率地进行检测。
通过将缓冲放大器5的输出值即功率损耗近似值输入到作为温度上升推定单元的积分器6，从而能够求得功率损耗的时间积分，能够检测与功率半导体开关元件的温度上升相当的值。
将作为温度上升相当值的积分器6的输出与由控制电路7事先设定的相当于检测出负载短路的热上升阈值进行比较，来检测短路状态(过热所引起的即将损坏之前的状态)。
图5为图1中的积分器6的内部结构例图。超过短路状态检测阈值为止的时间依赖于在图中所示的积分器6内所设定的积分器用电容器9与积分器用电阻10的积。该积分器用电容器9和积分器用电阻10，由于通过高电阻2而被降低到低压，且通过缓冲放大器5来进行检测，因此能够不依赖于电流容量以及耐压容量地、简易地选择适当的组合。与系统相应的短路负载检测时间的设定变得容易。当然，在高电阻R2中也不需要电流容量，能够期待小型化。
实施例2
图6为采用IGBT作为功率半导体开关元件的情况下的本发明的实施例2的短路保护检测电路的结构图。
在该实施例2中，在图1的控制电路7的内部结构中具有特征，其他与图1相同。在图6中，在控制电路7内存在短路判定部11、和根据该短路判定部11的输出来限制IGBT1的栅极电压的电路。
如果通过短路判定部11检测出IGBT1的短路状态(过热所引起的即将损坏之前的状态)，则首先将图6的左端的两个晶体管的串联连接点的电位降低到负极N的电位。即、使IGBT1的关断(turn off)用的晶体管13导通。此时，IGBT1的栅极电压的降低的梯度由关断用切换电路12和与此相连接的栅电阻14以及15来决定。在关断用切换电路12中，通常采用栅电阻14，在短路判定时切换为比通常时大的栅电阻15。
因此，在短路判定时，使栅极-发射极间的电压以比通常大的时间常数缓缓地溅少，成为软开关(soft switching)。通过如上那样，对短路电流流动时的关断时的集电极-发射极间的电压的暴涨进行抑制，防止IGBT1的元件破坏。
此外，在图6中，短路判定部11检测短路状态，通过关断用的晶体管13以及关断用切换电路12如上所述那样使IGBT1的栅极-发射极间的电压缓缓地降低，并且减小短路电流，之后若集电极电流低于短路状态检测的阈值，短路判定部11判定为没有短路状态，则代替关断用的晶体管13来使开启(turn on)用的晶体管17导通，使系统的动作重新开始。
实施例3
图7为采用了IGBT作为功率半导体开关元件的情况下的本发明的实施例3的短路保护检测电路的结构图。在图1中所说明的功率半导体开关元件的负载短路检测电路的结构图中，作为功率损耗检测单元，采用乘法器18来代替缓冲放大器5。
根据式(3)以及图3，功率损耗W，通过对集电极-发射极间电压Vce的平方进行检测，从而能以比直线近似更接近的值进行检测。因此，通过对由乘法器18输入的集电极-发射极间电压Vce的平方进行运算，从而与直线近似的情况相比较，能够在更高压侧检测功率损耗W。
实施例4
图8为采用IGBT作为功率半导体开关元件的情况下的本发明的实施例4的短路保护检测电路的结构图。是在图1中所说明的功率半导体开关元件的负载短路检测电路的结构图中，作为功率损耗(温度上升)推定单元，采用一阶延迟电路19来代替积分器的情况。
图9为IGBT的热的等效电路。如果考虑放热，则将集电极电流Ic作为电流源20，采用电容器21(C21)和模拟了放热的电阻22(R22)，简易地如图9那样进行考虑。此时，可以认为，没有电阻R22的情况、即所谓假设作为系统没有放热的情况，相当于采用了积分器6的情况。
如图9所示，通过采用与考虑了放热的热的等效电路相同的一阶延迟电路19来作为温度上升推定单元，能够以与系统更接近的形式进行温度上升推定。
实施例5
图10为采用IGBT作为功率半导体开关元件的情况下的本发明的实施例5的短路保护检测电路的结构图，是考虑IGBT1的周围温度，来进行该短路判定的本发明的实施例。即、在控制电路7内，准备运算处理单元(以下称作微型计算机)23，采用微型计算机23内的AD变换器24和设置在IGBT1的附近的温度传感器27，来检测IGBT1的周围温度。短路状态的检测通过将积分器6的输出和由微型计算机内部的CPU25所运算的阈值采用比较器26进行比较来进行判定。由于IGBT1的热允许容量也包括周围温度，因此通过将根据AD变换器24的温度检测值而得到的周围温度反映到由CPU25进行运算的阈值中，从而能够检测与周围温度联动的短路状态。

Claims (10)

1.一种功率半导体开关元件的保护装置，其特征在于，具备：
设置在功率半导体开关元件的两端子间的电阻分压电路所构成的端子电压检测单元；
功率损耗推定单元，其根据该端子电压检测单元的输出值来推定功率半导体开关元件的导通中的功率损耗；和
保护单元，其对应于通过该功率损耗推定单元所推定的功率损耗超过了规定值的情况，使上述功率半导体开关元件的功率损耗减小。
2.根据权利要求1所述的功率半导体开关元件的保护装置，其特征在于，
上述功率损耗推定单元具备缓冲电路，该缓冲电路将上述端子电压检测单元的输出作为输入，产生与该输入信号成比例的输出电压。
3.根据权利要求1所述的功率半导体开关元件的保护装置，其特征在于，
上述功率损耗推定单元具备积分单元，该积分单元输入上述端子电压检测单元的输出。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的功率半导体开关元件的保护装置，其特征在于，
上述功率损耗推定单元具备平方电路，该平方电路输入上述端子电压检测单元的输出。
5.根据权利要求1或2所述的功率半导体开关元件的保护装置，其特征在于，
上述功率损耗推定单元具备一阶延迟电路，该一阶延迟电路输入上述端子电压检测单元的输出。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的功率半导体开关元件的保护装置，其特征在于，
具备：
周围温度测定单元；和
阈值调整单元，其按照上述周围温度测定单元的输出对上述规定值进行调整。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的功率半导体开关元件的保护装置，其特征在于，
使上述功率半导体开关元件的功率损耗减少的保护单元，具备使上述功率半导体开关元件的栅极电压降低的单元。
8.根据权利要求1～6中任一项所述的功率半导体开关元件的保护装置，其特征在于，
使上述功率半导体开关元件的功率损耗减少的保护单元，具备使上述功率半导体开关元件的栅极电压逐渐减小的单元。
9.根据权利要求8所述的功率半导体开关元件的保护装置，其特征在于，
具备在使上述功率半导体开关元件的栅极电压逐渐减小之后，对应于通过上述功率损耗推定单元所推定的功率损耗低于规定值的情况，使该栅极电压恢复，以使上述功率半导体开关元件导通的单元。
10.一种功率半导体开关元件的保护方法，其特征在于，
具备：
通过设置在功率半导体开关元件的两端子间的电阻分压电路来检测端子电压的步骤；
根据该端子电压检测步骤中的检测值来推定功率半导体开关元件的导通中的功率损耗的功率损耗推定步骤；和
对应于通过该功率损耗推定步骤所推定的功率损耗超过了规定值的情况，按照逐渐减小上述功率半导体开关元件的栅极电压的方式进行限制的步骤。
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