CN104205591A

CN104205591A - 功率用开关电路

Info

Publication number: CN104205591A
Application number: CN201380005896.6A
Authority: CN
Inventors: 中山靖
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-02-24
Filing date: 2013-02-08
Publication date: 2014-12-10
Anticipated expiration: 2033-02-08
Also published as: DE112013001123T5; CN104205591B; DE112013001123B4; JPWO2013125366A1; US20140321012A1; US9281680B2; WO2013125366A1; JP5717915B2

Abstract

具备：具有与主体二极管(3)并联连接的主开关元件(1)和与感测体二极管(4)并联连接的感测开关元件(2)的功率用半导体元件(10)；检测在感测开关元件(2)和感测体二极管(4)的并联体中流过的电流中的在逆向流过的过电流的逆向过电流检测电路(7)；驱动功率用半导体元件(10)的栅极的控制电路(5)，在逆向过电流检测电路(7)检测到逆向过电流时，该控制电路(5)为控制使主开关元件(1)及感测开关元件(2)导通。

Description

功率用开关电路

技术领域

本发明涉及用于在具有感测开关元件的功率用半导体元件流过过电流时保护与功率用半导体元件中的开关元件并联连接的二极管的功率用开关电路。

背景技术

关于以往的功率用开关电路的保护，例如，在专利文献1中示出了与逆变器装置的过电流保护相关的例子。在该专利文献1中，在过电流流过时，栅极电压控制电路工作，避免在工作中输出切断信号急剧地切断电流。另外，在过电流保护工作时，使全部开关元件截止。

另外，例如，在专利文献2中记载了同步整流方式，该同步整流方式在驱动感应性负载的情况下，在与开关元件的正向相反的方向流过电流的回流模式时，驱动开关元件使之导通，尽力降低开关元件中的电压降。另外，在该同步整流方式中，记载了通过将死区缩短为最小限，由此可以削减续流二极管(free wheel diode)的情况。

功率用半导体元件流过一定电流以上的过电流时，元件有可能被破坏，需要针对过电流的保护功能。作为过电流保护功能，一般知道如下方式：具备主电流流过的主开关元件和使主电流的一部分分流的感测开关元件，检测流过感测开关元件的电流而切断电流。例如在专利文献3中，公开了使作为主开关元件的主晶体管和作为感测开关元件的感测晶体管的栅极独立的方式，而在专利文献3的以往例中，还记载了共用栅极的情况等。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平06-054552号公报

专利文献2：日本特开2008-211703号公报

专利文献3：日本特开平6-77796号公报

发明内容

如专利文献1那样，如果在过电流时使全部开关元件截止，则仅仅在与开关元件并联连接的二极管流过过电流，二极管有可能劣化。另外，在采用如专利文献2所示的同步整流方式时，尤其是削减续流二极管而在体二极管中流过电流时，如果与开关元件并联连接的二极管的过电流耐量低，则有可能二极管劣化、最坏情况下达到被破坏的程度。而且，在专利文献3中，示出了通过在感测晶体管中流过的电流来探测过电流而切断电流的方式，但是在采用感应性负载时，切断后过电流通过二极管而流动。

本发明是鉴于解决上述的问题而作出的，目的在于获得一种功率用开关电路，该功率用开关电路即使发生过电流，也可以抑制在与开关元件并联连接的二极管中流过的电流，特别是保护免受过电流导致的二极管的劣化、破坏。

本发明具备：具有与主体二极管并联连接的主开关元件和与感测体二极管并联连接的感测开关元件的功率用半导体元件；检测感测开关元件和感测体二极管的并联体中流过的电流中的在逆向流过的过电流的逆向过电流检测电路；以及驱动功率用半导体元件的栅极的控制电路，在逆向过电流检测电路检测到逆向过电流时，该控制电路控制为使得主开关元件及感测开关元件导通。

根据本发明，在检测到逆向过电流时，由于使主开关元件导通，因此逆向过电流分流而流过主开关元件和体二极管，可以保护体二极管不受逆向过电流的影响。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式1的功率用开关电路的电路图。

图2是表示适用本发明的功率用开关电路的功率变换装置的一个例子图。

图3是说明本发明的实施方式1的功率用开关电路的动作的时序图。

图4是表示本发明的实施方式2的功率用开关电路的电路图。

图5是表示本发明的实施方式3的功率用开关电路的电路图。

图6是表示本发明的实施方式3的其他功率用开关电路的电路图。

图7是表示本发明的实施方式4的功率用开关电路的电路图。

图8是表示本发明的实施方式4的其他功率用开关电路的电路图。

(符号的说明)

1：主MOSFET(主开关元件)；2、12：感测MOSFET(感测开关元件)；3：主体二极管；4、13：感测体二极管；5：控制电路；6、14：感测电阻；7：逆向过电流检测电路；10：功率用半导体元件；11：正向过电流检测电路；20：续流二极管；100、100a、100b、100c、100d、100e、100f：功率用开关电路

具体实施方式

实施方式1.

图1是表示本发明的实施方式1的功率用开关电路的电路图。这里，将采用了MOSFET作为功率用半导体元件的功率用开关电路100作为例子进行说明。功率用开关电路100中的功率用半导体元件10具备：作为主开关元件的主MOSFET1；与该主MOSFET1并联连接的主体二极管3、以及作为感测开关元件的感测MOSFET2；与该感测MOSFET2并联连接的感测体二极管4。功率用开关电路100具备控制主MOSFET1、感测MOSFET2的导通、截止动作的控制电路5。而且，功率用开关电路100具备逆向过电流检测电路7，该逆向过电流检测电路7输入在感测电阻6中流过的电流导致的电压降，检测与主MOSFET1、感测MOSFET2的用箭头表示的MOSFET的正向(以下设为正向)相反的逆向流过的过电流。

主MOSFET1与感测MOSFET2相比，由大量的MOSFET单元构成，该比例如为数千～数万比一。因此，流过开关元件的电流根据该比分流而流过主MOSFET1和感测MOSFET2。根据与感测MOSFET2串联连接的感测电阻6的电压降，检测在感测MOSFET2中流过的电流，根据与感测单元比相应的分流比，可以检测主电流。另外，主MOSFET1、感测MOSFET2分别具备主体二极管3、感测体二极管4，因此，主MOSFET1、感测MOSFET2在截止状态时也可以检测在这些体二极管中流过的电流、即逆向电流。

逆向过电流检测电路7通过感测电阻6的电压降检测是否在逆向流过过电流，可以由一般的比较电路构成。例如，可以由对设定过电流探测电平的基准电压和感测电阻的电压进行比较的比较器等构成。另外，这里，为了将流过感测体二极管的电流变换为电压，采用感测电阻，但是，只要可以检测在感测体二极管中流过的电流即可，不一定需要采用了感测电阻的电路，例如也可以是利用运算放大器的虚短路的电路等。

用图1、图2及图3说明本实施方式1的功率用开关电路的动作。图2是用6个图1所示的功率用开关电路100、即用功率用开关电路(以下称为臂。)100a、100b、100c、100d、100e、100f构成三相逆变器，将来自直流电源9的直流变换为交流，向感应性负载8供给电流的功率变换装置的例子。在这样驱动感应性负载的功率变换装置中，例如在单臂100a的开关元件的正向流过过电流，为了保护使流过过电流的开关元件截止而切断过电流的情况下，切断后在逆向臂100b的二极管中流过过电流。因此，如果二极管的过电流耐量低，则有可能二极管劣化、最坏情况下达到被破坏的程度，因此必须保护二极管。另外，图2的三相逆变器是作为适用本发明的功率变换装置的一个例子而示出的，本发明也可以适用于变换器、斩波器等逆变器以外的电路。

在图1所示的电路中，流过逆向过电流时，电流分流而流过主体二极管3、感测体二极管4。此时的感测电阻6的电压降变得比正常动作时逆向流过的电流所产生的电压降大，因此，逆向过电流检测电路7可以检测过电流，检测信号被输入到控制电路5，控制电路5使主MOSFET1、感测MOSFET2导通。通过这些开关元件的导通，过电流分流而流过主MOSFET1、感测MOSFET2、主体二极管3、感测体二极管4。其结果，在主体二极管3、感测体二极管4中流过的电流降低，可以保护各体二极管免受过电流的影响。另外，如果电流衰减，则逆向过电流检测电路7停止逆向过电流的检测，控制电路5通过使开关元件截止，不会再次在正向流过电流，可以切断电流。也可以使逆向过电流检测电路7具有迟滞，将停止逆向过电流的检测的电平设定为比检测逆向过电流的电平低。

用图3的时序图详细说明以上的动作。图3是说明上臂的臂100a和与臂100a连接到相同输出端子的下臂的臂100b的动作的时序图。这里，关于臂100a的各构成要素的符号向图1的符号附加a、关于臂100b的各构成要素的符号向图1的符号附加b而进行说明。例如，臂100a的控制电路表现为控制电路5a。

图3所示的臂100a及臂100b的输入信号是动作为正常状态的导通-截止信号，被输入到控制电路5a的输入端子50a及控制电路5b的输入端子50b。在动作为正常时，控制电路5a及控制电路5b按照这些输入信号，控制作为各个开关元件的MOSFET的导通-截止。在时刻t1，臂100a的MOSFET1a及2a导通，电流流过。在时刻t2，如果使臂100a的MOSFET1a及2a截止，则臂100a的电流成为0，电流通过下臂的臂100b的体二极管3b及4b而流过。臂100b的控制电路5b在电流开始通过体二极管3b及4b而流过的同时，使臂100b的MOSFET1b及2b导通。但是，为了消除臂100a的MOSFET1a及2a和臂100b的MOSFET1b及2b同时导通的时间，使臂100b的MOSFET1b及2b在设置了若干的死区后导通。另外，死区时间期间中的二极管电流与MOSFET未导通时相比更大，但是由于时间短，在图3中忽视。在动作为正常时，反复进行以上那样的臂100a的MOSFET1a及2a和臂100b的MOSFET1b及2b的导通-截止动作。

如图3所示的臂100a的MOSFET电流的波形那样，在时刻t3，臂100a的MOSFET1a及2a导通后，由于负载的短路等某些异常而检测到过电流时，臂100a的控制电路5a在时刻t4为了保护臂100a的MOSFET1a及2a，强制地使该MOSFET截止。另外，过电流的检测除了后述的实施方式3、实施方式4那样的正向过电流检测电路进行的检测外，也可以通过逆变器的输出电流来检测，可以采用检测过电流的众所周知的各种方法。另外，在图3中，臂100a的输入信号在过电流检测时还原样保持导通的状态，但是也可以由外部电路检测过电流，输入使截止的信号。

在臂100a的MOSFET1a及2a截止时，在下臂的臂100b的体二极管3b及4b中流过过电流。在图3中，将在臂100b的感测电阻6b中流过的电流、即感测电流表示为臂100b的感测电流。在该感测电流的逆向的值变得比规定的阈值Ith1大时，逆向过电流检测电路7b探测在体二极管3b及4b中流过逆向过电流的情况，探测信号被输入到臂100b的控制电路5b。从而，臂100b的控制电路5b与臂100b的输入信号无关，使臂100b的MOSFET1b及2b导通。在探测到过电流后，使MOSFET1b及2b导通，因此，从探测到过电流的时刻t4到使MOSFET1b及2b导通的时刻t5不会成为同时，但是，由于可以以非常短时间、例如数百ns～数μs左右的时间滞后(time lag)使MOSFET1b及2b导通，因此可保护体二极管3b及4b。

如果臂100b的MOSFET1b及2b导通，则如以图3所示的臂100b的二极管电流及臂100b的MOSFET电流所示的那样，电流分流为体二极管和MOSFET这两方，因此，在二极管中流过的电流值降低，可以保护体二极管。然后，在感测电流的绝对值衰减到比Ith2小的时刻t6，使臂100b的MOSFET1b及2b截止。通过使MOSFET1b及2b截止，不会再次在正向流过电流，可以切断电流。

另外，示出了采用了MOSFET作为开关元件的例子，但是，只要是可双向开关的元件即可，不一定必须是MOSFET。另外，开关元件由硅形成，但是，也可以由带隙比硅大的宽带隙半导体形成。作为宽带隙半导体，例如有碳化硅(SiC)、氮化镓系材料或金刚石。在采用了宽带隙半导体时，容许电流密度高，功率损失也低，因此，采用功率用半导体元件的装置能够小型化。另外，关于开关元件，采用宽带隙半导体时，MOSFET等可双向开关的元件的耐电压升高，能够适用到高电压区域。特别地，在开关元件的体二极管的过电流耐量低时，本发明有效。

实施方式2.

图4表示本发明的实施方式2的功率用开关电路的电路图。在实施方式2中，除了实施方式1的图1的电路，功率用开关电路100的续流二极管20与主MOSFET1、主体二极管3并联连接。在采用续流二极管20时，电流分流而流过主体二极管3、感测体二极管4及续流二极管20，因此具有可以减小全体的损失等优点。另外，在适用于同步整流的电路时，电流也并联流过主MOSFET1，因此还能够实现续流二极管20的小型化。

在采用续流二极管20时，逆向过电流分流而流过续流二极管20和主体二极管3、感测体二极管4。因此，在感测体二极管4中流过的电流与实施方式1相比变小，因此，检测逆向过电流的电平也可以设定为比实施方式1低。在本实施方式2中，也可以免受逆向过电流的影响，可以保护续流二极管、体二极管而免受劣化、破坏。

另外，关于续流二极管20，采用PiN二极管、肖特基势垒二极管。另外，与开关元件同样，续流二极管除了由硅形成以外，另外，也可以由带隙比硅大的宽带隙半导体形成。作为宽带隙半导体，例如有碳化硅、氮化镓系材料或金刚石。在采用了宽带隙半导体时，容许电流密度高，功率损失也低，因此，能够实现采用了功率用半导体元件的装置的小型化。另外，关于续流二极管，采用了宽带隙半导体时，肖特基势垒二极管的耐电压升高，能够适用到高电压区域。在采用了肖特基势垒二极管时，过电流时的导通电压高，因此特别地本发明的效果增大。

实施方式3.

图5表示本发明的实施方式3的功率用开关电路的电路图。在本实施方式3中，功率用开关电路100在实施方式1基础上还具备正向过电流检测电路11。正向过电流检测电路11根据感测电阻6的电压降检测是否流过正向的过电流，例如由对设定过电流探测电平的基准电压和感测电阻的电压进行比较的比较器等构成。在主MOSFET1、感测MOSFET2的正向流过过电流时，正向过电流检测电路11检测过电流，控制电路5使主MOSFET1、感测MOSFET2截止。截止的速度也可以是比正常动作时的截止速度慢的速度。

另外，如图6所示，当然也可以在并联设置了续流二极管20的电路设置正向过电流检测电路11。在本实施方式3中，除了逆向过电流，还可以保护而免受正向过电流的影响。另外，在本实施方式3中，为了检测正向过电流和逆向过电流，采用相同的感测MOSFET、感测体二极管，因此，感测MOSFET、感测体二极管是一个即可，简化了电路。

实施方式4.

图7表示本发明的实施方式4的功率用开关电路的电路图。在本实施方式4中，逆向过电流的检测通过感测MOSFET2、感测体二极管4及感测电阻6进行，正向过电流的检测通过感测MOSFET12、感测体二极管13及感测电阻14进行。这样，在正向过电流的检测和逆向过电流的检测中采用各自的感测MOSFET、感测体二极管。这样，在感测开关元件由多个芯片构成时，也可以设为采用各自的芯片来检测正向过电流和逆向过电流的结构。另外，在该情况下，在正向过电流检测和逆向过电流检测中，也可以采用同一构造的芯片，也可以采用其它构造、例如单元比不同的芯片。

另外，如图8所示，在本实施方式4中，当然也可以在并联设置了续流二极管20的电路设置正向过电流检测电路11。在本实施方式4中，除了可以保护而不受正向、逆向过电流的影响外，通过由各自的感测MOSFET、感测二极管检测正向过电流和逆向过电流，可以单独进行感测电阻的设定等，设定变得容易。

Claims

1.一种功率用开关电路，其特征在于，具备：

功率用半导体元件，具有与主体二极管并联连接的主开关元件和与感测体二极管并联连接的感测开关元件；

逆向过电流检测电路，检测在上述感测开关元件和上述感测体二极管的并联体流过中的电流中的在逆向流过的过电流；以及

控制电路，驱动上述功率用半导体元件的栅极，

在上述逆向过电流检测电路检测到逆向过电流时，该控制电路控制为使上述主开关元件及上述感测开关元件导通。

2.根据权利要求1所述的功率用开关电路，其特征在于，

续流二极管与上述主开关元件并联连接。

3.根据权利要求1所述的功率用开关电路，其特征在于，

在使上述主开关元件及上述感测开关元件导通的控制后，上述控制电路接受上述逆向过电流检测电路探测到逆向过电流衰减到规定的值以下的信号，使上述主开关元件及上述感测开关元件截止。

4.根据权利要求1所述的功率用开关电路，其特征在于，具备：

正向过电流检测电路，该正向过电流检测电路检测在上述感测开关元件和上述感测体二极管的并联体中流过的电流中的在正向流过的过电流。

5.根据权利要求4所述的功率用开关电路，其特征在于，

与上述逆向过电流检测电路连接的上述感测开关元件和上述感测体二极管的并联体、和与上述正向过电流检测电路连接的上述感测开关元件和上述感测体二极管的并联体是不同的并联体。

6.根据权利要求1～5的任一项所述的功率用开关电路，其特征在于，

上述功率用半导体元件的至少一部分由带隙比硅大的宽带隙半导体形成。

7.根据权利要求2所述的功率用开关电路，其特征在于，

上述续流二极管由带隙比硅大的宽带隙半导体形成。

8.根据权利要求6或权利要求7所述的功率用开关电路，其特征在于，

上述宽带隙半导体是碳化硅、氮化镓系材料、金刚石之一的半导体。