CN104885320A - 驱动保护电路、半导体模块以及汽车 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种即使在产生具有较小的脉冲宽度的噪声的情况下也能够可靠地抑制浪涌电压的技术。驱动保护电路用于驱动以及保护开关元件(Q4)，该驱动保护电路具有：栅极驱动电路(2)，其响应于栅极驱动信号而驱动开关元件；以及过电流保护电路(50)，其在开关元件(Q4)处于过电流状态时使软切断电路(3)进行动作，该软切断电路(3)以比栅极驱动电路(2)慢的开关速度使开关元件(Q4)从接通转换至断开。在栅极驱动信号的接通的脉冲宽度小于或等于过电流保护电路(50)的响应时间的情况下，驱动保护电路无论过电流如何，都通过软切断电路(3)使开关元件(Q4)从接通转换至断开。

Description

驱动保护电路、半导体模块以及汽车

技术领域

本发明涉及对功率模块的电压控制型半导体开关元件等开关元件进行驱动以及保护的驱动保护电路、半导体模块、以及汽车。

背景技术

已知下述情况，即，在由MOSFET、IGBT、SiCMOSFET等半导体开关元件构成的开关电路中，在由于过负载、负载短路(例如，同时接通高压(High)侧以及低压(Low)侧的半导体开关元件的桥臂短路)等异常导致半导体开关元件的输出电流过大的情况下，如果以较快的开关速度断开开关元件，则会产生对开关元件造成不良影响的浪涌电压。

因此，提出下述方案，即，在上述的开关电路中，在输出电流过大的情况下，使用能够以比通常的开关速度慢的开关速度断开该半导体开关元件(所谓软切断)的软切断电路(例如，参照专利文献1)。如果利用如上所述的软切断电路，则能够抑制浪涌电压。

专利文献1：日本特开2003-134797号公报

发明内容

另一方面，随着开关元件的开关速度的增加，有时具有较小脉冲宽度的噪声会叠加在用于驱动开关电路的输入信号中。通常，该噪声的脉冲宽度比软切断电路开始保护动作为止所需要的响应时间小(短)，因此，有时在该保护动作开始之前，开关元件就以通常的开关速度断开。

因此，在由上述噪声导致开关元件以通常的开关速度断开的状态与发生桥臂短路的状态恰巧重叠的情况下，无法通过软切断电路进行保护，无法抑制浪涌电压。其结果，存在有时无法抑制由浪涌电压对开关元件造成的不良影响的问题。

因此，本发明就是鉴于上述的问题而提出的，其目的在于提供一种技术，该技术即使在产生具有较小脉冲宽度的噪声的情况下，也能够可靠地抑制浪涌电压。

本发明所涉及的驱动保护电路用于驱动以及保护开关元件，该驱动保护电路具有：驱动电路，其响应于输入信号而驱动所述开关元件；以及过电流保护电路，其在所述开关元件处于过电流状态时使软切断电路进行动作，该软切断电路以比所述驱动电路慢的开关速度使所述开关元件从接通转换至断开。所述驱动保护电路在所述输入信号的接通的脉冲宽度小于或等于所述过电流保护电路的响应时间的情况下，无论所述过电流如何，都通过所述软切断电路使所述开关元件从接通转换至断开。

发明的效果

根据本发明，在输入信号的接通的脉冲宽度小于或等于过电流保护电路的响应时间的情况下，无论过电流如何，都使软切断电路进行动作。由此，即使在产生具有较小的脉冲宽度的噪声的情况下，无论过电流如何，都能够通过软切断电路使开关元件从接通转换至断开，因此，能够可靠地抑制浪涌电压。

附图说明

图1是表示相关驱动保护电路的结构的电路图。

图2是表示相关驱动保护电路的动作定时(timing)的图。

图3是表示相关驱动保护电路的动作的图。

图4是表示桥臂短路的图。

图5是表示在栅极驱动信号中产生噪声的机理的图。

图6是表示在发生桥臂短路时的实测波形的图。

图7是表示在发生桥臂短路时的实测波形的图。

图8是表示实施方式1所涉及的驱动保护电路的结构的电路图。

图9是表示实施方式1所涉及的驱动保护电路的动作定时的图。

图10是表示实施方式1所涉及的驱动保护电路的动作定时的图。

图11是表示实施方式1所涉及的驱动保护电路的动作的图。

图12是表示通过实施方式1所涉及的驱动保护电路得到的效果的图。

图13是表示通过实施方式1所涉及的驱动保护电路得到的效果的图。

图14是表示实施方式2所涉及的驱动保护电路的结构的电路图。

图15是表示实施方式2所涉及的驱动保护电路的动作定时的图。

图16是表示镜像期间的图。

图17是表示实施方式2所涉及的驱动保护电路的动作的图。

图18是表示实施方式3所涉及的驱动保护电路的结构的电路图。

图19是表示实施方式3所涉及的驱动保护电路的动作定时的图。

图20是表示实施方式3所涉及的驱动保护电路的动作定时的图。

图21是表示具有实施方式4所涉及的驱动保护电路而构成的汽车的结构的框图。

具体实施方式

<实施方式1>

首先，在说明本发明的实施方式1所涉及的驱动保护电路之前，对与其相关的驱动保护电路(下面，称为“相关驱动保护电路”)进行说明。图1是表示相关驱动保护电路的结构的电路图，图2是表示相关驱动保护电路的动作定时的图。

相关驱动保护电路是对开关器件1的开关元件Q4进行驱动以及保护的电路，如图1所示，相关驱动保护电路具有下述部件而构成：栅极驱动电路(驱动电路)2、软切断电路3、传感电阻4、低通滤波器(LPF)5、第1比较器6、具有基准电压REF的电源7、以及集中控制它们的控制逻辑(Control Logic)电路8。

在这些结构要素中，除了上述栅极驱动电路2以外的结构要素(即，软切断电路3、传感电阻4、低通滤波器5、第1比较器6、电源7、以及控制逻辑电路8)构成过电流保护电路50。详细内容在后面进行说明，该过电流保护电路50构成为，在开关元件Q4处于过电流状态时，通过使软切断电路3进行动作，从而保护开关元件Q4不受过电流的影响。

下面，详细说明相关驱动保护电路的结构要素。此外，以下假设开关元件Q4由IGBT构成而进行说明，有时将开关元件Q4的接通以及断开记载为IGBT的接通以及断开、或者开关器件1的接通以及断开。

栅极驱动电路2具有开关元件Q2、Q3以及电阻RG而构成。在这里，作为一个例子，开关元件Q2、Q3由双极晶体管构成。在相关驱动保护电路进行通常动作的情况下(图2所示的期间A)，栅极驱动电路2通过控制逻辑电路8的控制，响应于栅极驱动信号(相关驱动保护电路的输入信号)而驱动开关元件Q4。具体地说，栅极驱动电路2响应于栅极驱动信号的接通(H：High)以及断开(L：Low)，选择性地将接通电压以及断开电压输出至开关元件Q4的栅极，通过该输出而驱动开关元件Q4。另一方面，如下面所述，在检测出过电流的情况下(图2所示期间B)，通过控制逻辑电路8的控制，开关元件Q2、Q3断开，栅极驱动电路2处于不对开关元件Q4以及其他结构要素造成影响的HiZ(高阻抗)状态。

软切断电路3具有开关元件Q1以及电阻RGsoft而构成。在相关驱动保护电路进行通常动作的情况下(图2所示的期间A)，通过控制逻辑电路8的控制，开关元件Q1断开，软切断电路3处于不对开关元件Q4以及其他结构要素造成影响的HiZ状态。另一方面，在检测出过电流的情况下(图2所示的期间B)，通过控制逻辑电路8的控制，开关元件Q1接通，从而软切断电路3使开关元件Q4从接通转换至断开。

在这里，作为软切断电路3的电阻RGsoft，使用比栅极驱动电路2的电阻RG的电阻值大的电阻。因此，在使用软切断电路3而使开关元件Q4从接通转换至断开的情况下的每单位时间的栅极电压的下降与使用栅极驱动电路2进行转换的情况下的下降相比，变缓。由此，在相关驱动保护电路中构成为，即使栅极驱动信号是接通(H)，但在检测出过电流的情况下，会使软切断电路3进行动作，进行以比栅极驱动电路2慢的开关速度使开关元件Q4从接通转换至断开的软切断。

传感电阻4与开关元件Q4的传感端子S连接，该传感端子S流过相对于发射极为几千分之一至几万分之一的传感电流。该传感电阻4是将该传感电流变换为传感电压VS的部件。

在这里，对开关元件Q4具有传感端子S的结构进行说明，但在不具有传感端子S的结构的情况下，可以在接地和发射极端子E之间连接电流检测用的分流电阻，取代上述传感电压VS而使用对发射极电流进行变换所得到的电压。而且，只要将传感电阻4(或者分流电阻)的电阻值设定为，在开关元件Q4的输出电流超过额定值的情况下，使传感电阻4(或者分流电阻)的电压降超过电源7的基准电压REF即可。

低通滤波器5将叠加在由传感电阻4变换出的传感电压VS中的噪声成分去除，将去除噪声成分之后的传感电压VS输出至第1比较器6。

第1比较器6将来自低通滤波器5的传感电压VS与电源7的基准电压REF的大小相比较，将与该比较结果相对应的信号输出至控制逻辑电路8。在这里，第1比较器6在传感电压小于或等于基准电压REF的情况下，将L输出至控制逻辑电路8，在传感电压超过基准电压REF的情况下，将H输出至控制逻辑电路8。此外，在这里，将基准电压REF设定为例如小于或等于1V，以使得由传感电阻4(或者分流电阻)产生的电压降不对开关元件Q4的动作造成影响。

如上所述，第1比较器6以及电源7构成过电流检测部51，该过电流检测部51检测开关元件Q4的输出电流是否过大。

控制逻辑电路8基于栅极驱动信号和来自第1比较器6的输出，控制栅极驱动电路2以及软切断电路3。具体地说，控制逻辑电路8在从第1比较器6接受到L的情况下(如图2的期间A所示，在开关元件Q4的输出电流不过大、传感电压VS小于或等于基准电压REF的情况下)，根据栅极驱动信号的接通以及断开，进行使用栅极驱动电路2将开关元件Q4接通以及断开的通常动作。

另一方面，控制逻辑电路8在从第1比较器6接受到H的情况下(如图2的期间B所示，在开关元件Q4的输出电流过大、传感电压VS超过基准电压REF的情况下)，即使栅极驱动信号接通，也会使用软切断电路3，以比栅极驱动电路2慢的开关速度使开关元件Q4从接通转换至断开。

即，过电流保护电路50在由过电流检测部51检测出过电流时，使软切断电路3进行动作。根据具有如上所述的过电流保护电路50的相关驱动保护电路，能够抑制浪涌电压。另外，在该相关驱动保护电路中，通过控制逻辑电路8的控制，在使软切断电路3进行动作时，将栅极驱动电路2设为HiZ状态，在使栅极驱动电路2进行动作时，将软切断电路3设为HiZ状态。由此，抑制栅极驱动电路2以及软切断电路3的动作相互影响。

此外，如图2所示，即使通过栅极驱动电路2以及软切断电路3，对开关元件Q4的栅极施加电压，但开关元件Q4的栅极电压VGE并不一定立即追随来自这些电路的施加电压而变为与施加电压相同的电压。例如，如后面所述，可见下述现象，即，在开关元件Q4的导通时的镜像期间等中，开关元件Q4的栅极电压会以一段时间停留在与施加电压不同的电压值。

图3(a)是相关驱动保护电路所涉及的控制逻辑电路8的真值表，图3(b)是该控制逻辑电路8的状态转换图。如该图3(a)以及图3(b)所示，控制逻辑电路8具有IGBT断开(开关元件Q4断开)、IGBT接通(开关元件Q4接通)、软切断开始、软切断这4个状态。

在正常动作时(SC＝L)，进行使用栅极驱动电路2的驱动，交替切换IGBT接通状态和ITBT断开状态。而且，如果在IGBT接通状态下，第1比较器6的输出(SC)变为H，则控制逻辑电路8从IGBT接通状态转换至软切断开始状态。

如果转换至软切断开始状态，则控制逻辑电路8断开栅极驱动电路2的开关元件Q2、Q3，并且，接通软切断电路3的开关元件Q1。由此，软切断电路3进行动作，开关元件Q4以较低的开关速度从接通转换至断开。另外，控制逻辑电路8启动内置的异常时计时器(下面，称为“Fo计时器”)(未图示)，开始进行计数，该计时器针对产生过电流时的异常信号(下面，称为Fo信号(Fault Outputsignal))进行一定时间的计数。在上述动作之后，控制逻辑电路8从软切断开始状态转换至软切断状态。

如果转换至软切断状态，则控制逻辑电路8停止Fo计时器(结束一定时间的计数)，并且，维持软切断状态直至栅极驱动信号变为断开(IN＝L)。即，相关驱动保护电路在Fo计时器动作过程中不接受栅极驱动信号而保持软切断的状态。然后，如果Fo计时器停止，并且，栅极驱动信号变为断开，则控制逻辑电路8如虚线的箭头所示，转换至IGBT断开状态。此外，如上所述，无论第1比较器6的输出如何，都使用Fo计时器维持一定时间的软切断状态的理由在于，为了向生成栅极驱动信号的上级系统传达发生异常需要一定时间，另外，确保直至开关元件Q4转换至切断为止的时间。

在这里，如图2的期间B所示，在从第1比较器6的输入电压超过基准电压REF起至输出反转为止的期间中，存在“第1比较器输出延迟”以及“控制逻辑电路输出延迟”等一定的延迟时间。另外，从栅极驱动信号变为H起至传感电压VS输入至第1比较器6为止的信号路径中，也会发生“栅极驱动输出延迟”以及“LPF延迟”等。

即，在从异常的栅极驱动信号输入至相关驱动保护电路起，直至过电流保护电路50开始开关元件Q4的保护动作为止，例如需要几μ秒左右的一定的响应时间(＝栅极驱动输出延迟+LPF延迟+第1比较器输出延迟+控制逻辑电路输出延迟)。

下面，在图4中，示出将与上述开关元件Q4相对应的开关元件Q4a、Q4b分别作为高压侧以及低压侧的开关元件进行桥接而形成的电路图。此外，栅极驱动电路2a、2b是与上述栅极驱动电路2相对应的电路，分别驱动开关元件Q4a、Q4b。另外，开关元件Q4a经由功率器件电路的内部电阻R12与电源66连接，开关元件Q4b经由功率器件电路的内部电感L12与电源66连接。

在这里，作为电源66，使用输出对交流电压进行全波整流而得到的电压的电源。为了将该电源66输出的全波整流波形的电压平滑化，在图4所示的电路中，由将电容器C11、电容器C11的内部电感L11、电容器C11的内部电阻R11串联连接而成的等价电路表示的DC-Link电容器67与电源66连接。此外，该DC-Link电容器67是在电动车辆等将电池作为电源的车辆中，为了抑制由电池的内部电阻、电池与开关元件电路之间的配线阻抗引起的电压变动而使用的。

在以上述方式构成的图4所示的电路中，在发生开关元件Q4a、Q4b同时且瞬间变为接通状态的桥臂短路(短时间短路)的情况下，如下面公式(1)所示的短路电流I_SC流过电桥(开关元件Q4a、Q4b)。

[公式1]

$I_{SC}=\frac{V}{R}(1-e^{-\frac{R}{L}t})\mathrm{...}\left(1\right)$

t：桥臂短路持续时间

R＝R11+R12+R13+R14,

R13、R14＝Q4a、Q4b4的ON电阻

L＝L11+L12

在这里，例如，在将短路电流I_SC所要流过的路径的电阻成分的总和R设为34mΩ、将该路径的寄生电感的总和L设为25nH、将电源电压V设为400V的情况下，如果使用上面的公式(1)进行计算，则从短路发生起1μs之后的短路电流I_SC是8745A。这意味着，即使短路时间较短，短路电流I_SC也会非常大。

在产生如上所述的比较大的短路电流I_SC即开关元件Q4的输出电流的情况下，如果通过栅极驱动电路2以通常的开关速度使开关元件Q4从接通转换至断开，则会产生浪涌电压而对开关元件Q4造成不良影响。

因此，在使用如上所述的相关驱动保护电路的结构中，为了使发生桥臂短路的状态不与以通常的开关速度使开关元件Q4从接通转换至断开的状态重叠，通常，将由上级系统等适当地控制的栅极驱动信号输入至相关驱动保护电路。但是，如下面的说明所述，在栅极驱动信号中产生噪声的情况下，有时发生桥臂短路的状态与以通常的开关速度使开关元件从接通转换至断开的状态恰巧重叠。

下面，使用图5，对在将栅极驱动信号输入至相关驱动保护电路的配线(下面称为“栅极驱动信号配线”)中感应出噪声的机理进行说明。此外，在该图5中，示出了因开关元件Q11、Q12、Q13、Q14以H电桥方式构成的电路的动作，而在栅极驱动信号配线中感应出噪声的机理。

在开关元件Q11、Q12、Q13、Q14(与开关元件Q4或者外部的开关元件相对应)进行了开关动作的情况下，如图5(a)所示，通过经由栅极驱动信号配线与H桥电路之间的杂散电容器C12形成的静电耦合而产生的感应电压(噪声)V_NS、和通过经由互感M形成的电磁耦合而产生的感应电压(噪声)V_NI叠加在栅极驱动信号中。此外，由静电耦合产生的噪声V_NS如下面的公式(2)所示，高频时的该噪声V_NS如下面的公式(3)所示，由电磁耦合产生的噪声V_NI如下面的公式(4)所示。

[公式2]

$V_{NS}=\frac{j\mathrm{\&omega;}C12}{j\mathrm{\&omega;}(C12+C2G)+1/R1}{V}_V\mathrm{...}\left(2\right)$

[公式3]

$V_{NS}=\frac{C12}{C12+C2G}{V}_V\mathrm{...}\left(3\right)$

[公式4]

V_NI＝j×ω×M×I1…(4)

在图5(b)中，示出了叠加有噪声V_NS、V_NI的栅极驱动信号的电压波形的一个例子。如果增加开关元件Q11～Q14的开关速度，使电压、电流在短时间内变动，则该噪声V_NS、V_NI的电压波形的振幅变大，并且，其产生时间变短。即，如果增加开关元件Q11～Q14的开关速度，则在栅极驱动信号中易于叠加噪声，其噪声的脉冲宽度变短。

此外，近几年的逆变器装置中的开关元件的开关时间小于或等于1μs，与之相伴，噪声的脉冲宽度也缩短为小于或等于1μs。因此，有时具有比过电流保护电路50的响应时间小(短)的脉冲宽度的、如图5(b)所示的噪声在叠加于栅极驱动信号中的状态下输入至相关驱动保护电路。在输入了如上所述的噪声的情况下(图2所示的期间C)，由过电流保护电路50的软切断功能产生的保护动作无法及时进行，会进行由栅极驱动电路2实现的通常的断开(图2所示的期间C中的陡峭的硬切断)。

其结果，在相关驱动保护电路中，有时由于上述噪声使开关元件Q4以通常的开关速度从接通转换至断开的状态与发生桥臂短路的状态恰巧重叠，在该情况下，有时产生较大的浪涌电压而对开关元件Q4等造成不良影响。

在图6以及图7中，示出在图4的电桥结构中有意发生桥臂短路时的实测波形。此外，设为通过将高压侧元件先设为接通状态，此后将低压侧元件设为接通状态，从而发生桥臂短路。

图6示出在图4的电桥结构中使桥臂短路状态持续一定时间之后，通过过电流保护电路50进行软切断的情况下的实测波形。在这里，将开关元件的额定值设为600V/600A、将电源电压VCC设为450V、将桥臂短路时间(在输入了一定脉冲宽度的噪声的情况下所发生的桥臂短路状态持续的时间)设为1.75μs。而且，将桥臂短路时间与从流过桥臂短路电流起至过电流保护电路50开始软切断动作为止的上述响应时间(在这里，是指上述的LPF延迟+第1比较器输出延迟+控制逻辑电路输出延迟)设为相等。在该情况下产生的浪涌电压(集电极电压VCE的上升)是138V，比较小，通过过电流保护电路50进行了抑制。

图7示出在图4的电桥结构和相关驱动保护电路中，在再现出无法进行软切断的短时间短路的情况下的实测波形。在这里，假设桥臂短路时间为比过电流保护电路50的响应时间小的时间(例如，1.12μs)，没有通过过电流保护电路50进行软切断，进行的是由栅极驱动电路2实现的通常的切断(硬切断)。另外，在图6所示的例子中，开关元件Q4的电源电压VCC为450V，但在图7所示的例子中，将该电源电压VCC设为200V。

在该情况下产生的浪涌电压是384V，大于或等于软切断起作用的情况下的2倍。另外，在这里，将电源电压VCC设为200V，但如果在与图6相同地设为450V的情况下，可以预想到浪涌电压所导致的最大的集电极电压VCE是大于或等于800V，会对开关元件造成耐压破坏。

因此，在本实施方式1所涉及的驱动保护电路中，在即使发生具有较小脉冲宽度的桥臂短路的情况下，也能够进行软切断。图8是表示本实施方式1所涉及的驱动保护电路的结构的电路图，图9是表示该驱动保护电路的动作定时的图。

本实施方式1所涉及的驱动保护电路在上述的相关驱动保护电路中，追加有用于对栅极驱动信号的接通状态的持续时间进行判定的计时器电路(下面，有时称为“接通计时器”或者简称为“计时器”(TIMER))11、第2比较器(比较部)12、具有基准电压VGTS的电源13。

其中，第2比较器12以及电源13构成第1栅极电压检测部52，该第1栅极电压检测部52将开关元件Q4的栅极电压与开关元件Q4的栅极阈值电压(下面称为“栅极阈值”)进行比较。

具体地说，电源13的基准电压VGTS设定为小于或等于开关元件Q4的栅极阈值的电压。在开关元件Q4的栅极电压是比基准电压VGTS低、即比开关元件Q4的栅极阈值低的断开电压的情况下，第2比较器12将L输出至控制逻辑电路8。另一方面，在开关元件Q4的栅极电压是比基准电压VGTS高、即比开关元件Q4的栅极阈值高的接通电压的情况下，第2比较器12将H输出至控制逻辑电路8。由此，控制逻辑电路8能够基于来自第2比较器12(第1栅极电压检测部52)的输出，确认开关元件Q4的接通/断开状态。

计时器电路11将栅极驱动信号的接通作为触发，如图9所示，以一定时间将保持H状态的信号输出至控制逻辑电路8。将计时器电路11的输出保持H状态的一定时间设定为，与过电流保护电路50的响应时间相同或者与其相同程度。即，计时器电路11从栅极驱动信号变为接通的定时起，以与过电流保护电路50的响应时间相同的一定时间输出保持H状态的信号(规定的信号)。在这里，将在计时器电路11中设定的过电流保护电路50的响应时间，设为是大于或等于图10所示的(1)栅极驱动输出延迟、(2)开关元件导通延迟、(3)输出电流上升时间、(4)LPF延迟、(5)第1比较器输出延迟、以及(6)控制逻辑电路输出延迟的合计时间的时间。

控制逻辑电路8基于栅极驱动信号、计时器电路11的输出、第1以及第2比较器6、11的输出，控制栅极驱动电路2以及软切断电路3。在这里，如图9示出的期间C所示，在具有比过电流保护电路50的响应时间小的脉冲宽度的噪声与栅极驱动信号一起被输入的情况下(即，在从计时器电路11输出保持H状态的信号、并且栅极驱动信号为断开的状态下)，无论有无检测出过电流(第1比较器6的输出)，控制逻辑电路8都通过软切断电路3进行软切断。

即，本实施方式1所涉及的驱动保护电路在栅极驱动信号的接通的脉冲宽度小于或等于过电流保护电路50的响应时间的情况下，无论过电流如何，都通过软切断电路3使开关元件Q4从接通转换至断开。

图11(a)是本实施方式1所涉及的控制逻辑电路8的真值表，图11(b)是该控制逻辑电路8的状态转换图。

在这里，如果与相关驱动保护电路的状态转换图(图3(b))相比较，则在本实施方式1所涉及的驱动保护电路中追加有下述内容，即，在IGBT接通状态下栅极驱动信号变为断开(IN＝L)、并且计时器电路11的输出是H(TIMER＝H，即动作中)的情况下，从IGBT接通状态转换至软切断状态。

另外，在相关驱动保护电路中，如使用图3(b)而进行的说明所述，直至由Fo计时器进行的一定时间的计数结束，并且，栅极驱动信号变为接通(IN＝H)为止，维持软切断状态。即，直至转换至IGBT断开状态为止维持软切断状态的时间是在Fo计时器中进行设定的。

与此相对，在本实施方式1所涉及的驱动保护电路中构成为，在软切断状态下，如果开关元件Q4的栅极电压比栅极阈值低(第2比较器12的输出GTS＝L)，则如图11(b)的虚线箭头所示，无论栅极驱动信号是接通还是断开，都从软切断状态转换至IGBT断开状态。即，本实施方式1所涉及的驱动保护电路在通过软切断电路3使开关元件Q4转换至断开时，根据第2比较器12的比较结果，取代软切断电路3而通过栅极驱动电路2使开关元件Q4转换至断开。

图12示出在使用本实施方式1所涉及的驱动保护电路，再现出比图7所示的情况短的0.8μs的短时间短路的情况下的实测波形(其中，将电源电压VCC设为450V)。在图12所示的例子中，在图7所示的相关驱动保护电路中原本没有进行动作的软切断电路3进行了动作。

如上所述，根据本实施方式1所涉及的驱动保护电路，在栅极驱动信号的接通的脉冲宽度小于或等于过电流保护电路50的响应时间的情况下，无论过电流如何，都使软切断电路3进行动作。由此，即使在产生具有较小的脉冲宽度的噪声的情况下，也能够进行在断开开关元件Q4时使集电极电流IC的下降(倾斜度)变缓的软切断，因此，能够可靠地抑制浪涌电压(集电极电压VCE的上升)。其结果，例如，能够将最大集电极电压VCE限制为小于或等于额定电压等，能够抑制浪涌电压对开关元件Q4造成的不良影响。

另外，在本实施方式1中，在开关元件Q4的栅极电压VGE小于或等于栅极阈值(这里是4V)的情况下，如图12所示，阶跃式地将向软切断电路3的输入信号从接通切换至断开，并且，虽然未进行图示，但阶跃式地将向栅极驱动电路2的输入信号从断开切换至接通。如上所述，在开关元件Q4的栅极电压VGE小于或等于栅极阈值(这里是4V)的情况下，通过将对开关元件Q4进行灌入(sink)的电路从软切断电路3切换为栅极驱动电路2，从而如图12所示，栅极电压VGE急剧地下降。

下面，使用图13，对通过如上所述的动作以及作用而得到的效果进行说明。图13是表示可能由流过IGBT(开关元件Q4)的反馈电容Cres的位移电流而产生的栅极误动作的机理的图。在通过软切断电路3对开关元件Q4b的栅极电压进行灌入时，如果与开关元件Q4b相对的开关元件Q4a导通，则开关元件Q4b的集电极电压增加。

随着该集电极电压的增加，开关元件Q4b的集电极与栅极之间的反馈电容Cres的电压也增加，在它们之间流过图13所示的位移电流Ires。该位移电流Ires流过软切断电路3的电阻RGsoft，因此，开关元件Q4b的栅极电压增加至Ires×RGsoft。如果该栅极电压超过开关元件Q4b的栅极阈值，则可能产生开关元件Q4b接通的错误动作，在开关元件Q4a、Q4b处发生桥臂短路(桥臂短路电流)。

与此相对，在本实施方式1中，在开关元件Q4的栅极电压VGE小于或等于栅极阈值的情况下，取代软切断电路3而通过栅极驱动电路2使开关元件Q4转换至断开。由此，能够在比相关驱动保护电路早的定时，使用具有电阻值比软切断电路3的电阻RGsoft低的电阻RG的栅极驱动电路2，进行开关元件Q4的栅极电压的灌入，因此，能够抑制如上所述的误动作。

此外，根据如上所述的本实施方式1所涉及的驱动保护电路，在进行不存在噪声的正常动作时(例如，在通过上级系统，将栅极驱动信号的接通的脉冲宽度设定为比计时器电路11保持H状态的时间小的情况下)，也会使软切断电路3进行动作。但是，在该情况下，与上述情况相同地，在比较早的定时通过栅极驱动电路2进行开关元件Q4的断开。由此，能够减小在正常动作时由于软切断电路3进行动作而对其他结构要素造成的影响(动作上的影响、开关损耗等影响)，因此，也能够减小对上级系统侧造成的影响。

另外，取代双极晶体管而对栅极驱动电路2的开关元件Q2、Q3使用MOSFET的情况虽然与本实施方式不同，但也可以得到相同的效果。在该情况下，栅极驱动电路2能够由分别位于接通侧、断开侧的1个晶体管的源极跟随器构成，因此，能够简化电路结构，削减部件个数。由此，能够以比较小的安装面积，实现开关元件Q4的开关特性以及抑制短路电流。另外，在本实施方式中，作为开关元件Q4而使用了IGBT，但作为功率器件也可以使用由硅(Si)形成的MOSFET、或者由碳化硅(SiC)形成的SiC-MOSFET。关于SiC-MOSFET，导通时间较短，因此，有浪涌电压变高的趋势。由此，如果应用本实施方式，则能够有效地抑制浪涌电压，保护开关元件Q4。

另外，在上面的说明中说明了驱动保护电路，但在具有该驱动保护电路和由驱动保护电路保护的开关元件Q4(开关器件1)的半导体模块中，也能够得到与上述相同的效果。

<实施方式2>

图14是表示本发明的实施方式2所涉及的驱动保护电路的结构的电路图，图15是表示该驱动保护电路的动作定时的图。此外，在本实施方式2所涉及的驱动保护电路中，对与在实施方式1中说明的结构要素相同或者相类似的结构要素标注相同的标号，在下面以不同点为中心进行说明。

本实施方式2所涉及的驱动保护电路是在图8所示的实施方式1所涉及的驱动保护电路中，取代计时器电路11而设置有第3比较器16以及具有基准电压Vmirror的电源17。

在以上述方式构成的本实施方式2所涉及的驱动保护电路中，构成为取代上述的过电流保护电路50的响应时间而使用开关元件Q4的镜像期间。即，在本实施方式2中，在栅极驱动信号的接通的脉冲宽度小于或等于开关元件Q4的镜像期间的情况下，无论过电流如何，都通过软切断电路3使开关元件Q4从接通转换至断开。下面，详细说明如上所述的本实施方式2所涉及的驱动保护电路。

第3比较器16以及电源17构成第2栅极电压检测部53，该第2栅极电压检测部53将开关元件Q4的栅极电压与开关元件Q4的镜像期间中的电压进行比较。

具体地说，电源17的基准电压Vmirror设定为开关元件Q4的镜像期间中的电压(即，开关元件Q4的栅极阈值与栅极驱动电路2的电源电压之间的电压)。第3比较器16在开关元件Q4的栅极电压比基准电压Vmirror低、即比镜像期间中的电压低的情况下，将L输出至控制逻辑电路8。另一方面，第3比较器16在开关元件Q4的栅极电压比基准电压Vmirror高、即比镜像期间中的电压高的情况下，将H输出至控制逻辑电路8。

在这里，使用图16说明镜像期间。图16是表示通常的开关元件的导通波形的图。如图16所示，在开关元件刚刚导通之后，存在栅极电压是固定值的镜像期间。在该镜像期间中，随着集电极电压VCE的降低，集电极与发射极之间的反馈电容发生变化，由于该变化，位移电流从栅极流向该反馈电容侧。因此，在图14所示的电路中，在镜像期间中，从栅极驱动电路2流向开关元件Q4的栅极的栅极电流和栅极电压大致是固定的。

此外，该镜像期间长度为几μs左右，与实施方式1所说明的过电流保护电路50的响应时间为相同程度。另外，该镜像期间的长度能够随着栅极驱动电路输出电压和栅极电阻值而在一定程度上变更。具体地说，在导通时，如果增加栅极驱动电路输出电压或者降低栅极电阻值而使栅极电流增加，则镜像期间变短。相反地，如果减小栅极驱动电路输出电压或者提高栅极电阻值而使栅极电流减小，则镜像期间变长。因此，在本实施方式2中，调整该镜像期间，使得过电流保护电路50的延迟时间(在这里，是指LPF延迟、第1比较器输出延迟、以及控制逻辑电路输出延迟的合计时间)与镜像期间相同或者比镜像期间短。

图17是本实施方式2所涉及的控制逻辑电路8的状态转换图。在本实施方式2所涉及的驱动保护电路中，在IGBT接通状态下栅极驱动信号变为断开(IN＝L)、并且第3比较器16的输出为L(MIRROR＝L)的情况下，从IGBT接通状态转换至软切断状态。即，与在图11(b)所示的实施方式1所涉及的驱动保护电路的状态转换图中，将TIMER置换为MIRROR、并将其H与L调换后的情况相同。此外，虽然未进行图示，但本实施方式2所涉及的控制逻辑电路8的真值表也与在实施方式1的真值表中，将TIMER与MIRROR同样地置换、并将其H与L调换后的情况相同。

根据如上所述的本实施方式2所涉及的驱动保护电路，与实施方式1所涉及的驱动保护电路相同地，即使在产生具有较小的脉冲宽度的噪声的情况下，也能够可靠地抑制浪涌电压。另外，第2栅极电压检测部53(第3比较器16以及电源17)与在实施方式1中所使用的计时器电路11相比，电路结构简单，因此，能够期待电路的简化以及小型化。

<实施方式3>

图18是表示本发明的实施方式3所涉及的驱动保护电路的结构的电路图，图19是表示该驱动保护电路的动作定时的图。此外，在本实施方式3所涉及的驱动保护电路中，对与在实施方式1中说明的结构要素相同或者相类似的结构要素标注相同的标号，下面以不同点为中心进行说明。

本实施方式3所涉及的驱动保护电路是在图8所示的实施方式1所涉及的驱动保护电路中，取代栅极驱动信号而将开关元件Q4的栅极电压输入至计时器电路11。

在以上述方式构成的本实施方式3所涉及的驱动保护电路中，构成为取代上述的栅极驱动信号的接通的脉冲宽度，而使用从开关元件Q4a的栅极电压上升(rise)起至栅极驱动信号变为断开为止的时间(下面称为“上升―断开时间”)。即，在本实施方式3中，在上升―断开时间小于或等于过电流保护电路50的响应时间的情况下，无论过电流如何，都通过软切断电路3使开关元件Q4从接通转换至断开。下面，详细说明如上所述的本实施方式3所涉及的驱动保护电路。

在计时器电路11中设定小于或等于开关元件Q4的镜像期间中的电压的电压。如果镜像期间开始，开关元件Q4的栅极电压大于或等于在计时器电路11中所设定的电压，则计时器电路11以一定时间将保持H状态的信号输出至控制逻辑电路8。在本实施方式3中，与实施方式1相同地，将计时器电路11的输出保持H状态的一定时间设定为过电流保护电路50的响应时间的程度。

但是，在本实施方式3中，在计时器电路11中所设定的过电流保护电路50的响应时间是大于或等于图20所示的(1)开关元件Q4的栅极上升时间(从计时器电路11输出H的时刻起至镜像期间开始为止的时间)、(2)输出电流上升时间、(3)LPF延迟、(4)第1比较器输出延迟、以及(5)控制逻辑电路输出延迟的合计时间的时间。

如图19示出的期间C所示，在具有比过电流保护电路50的响应时间小的脉冲宽度的噪声与栅极驱动信号一起被输入的情况下(即，在计时器电路11的输出信号是H状态、并且栅极驱动信号是断开的情况下)，控制逻辑电路8无论有无检测出过电流，都通过软切断电路3进行软切断。此外，本实施方式3所涉及的控制逻辑电路8的真值表以及状态转换图与实施方式1相同。

根据如上所述的本实施方式3所涉及的驱动保护电路，与实施方式1所涉及的驱动保护电路相同地，在产生具有较小的脉冲宽度的噪声的情况下，也能够可靠地抑制浪涌电压。另外，根据本实施方式3，可以不受控制逻辑电路8、栅极驱动电路2、以及开关元件Q4之间的延迟时间的波动的影响。例如，在图18所示的结构中，将栅极驱动电路2设为双极晶体管的发射极连接，但即使置换为集电极接地结构以及MOSFET、或者进行栅极驱动电路2的电阻RG的变更，也不会受到其影响。由此，能够容易地进行设计变更。

另外，在与栅极驱动信号叠加的脉冲宽度极小的情况下，有时在开关器件1(开关元件Q4)进入镜像期间之前，栅极驱动信号变为断开状态。在如上所述的情况下，原本就没有使开关元件Q4接通，不会发生桥臂短路，因此，被认为无需进行软切断动作，但根据本实施方式3，计时器电路11没有变为H(动作中)，因此，可以不进行如上所述的软切断动作。另外，能够通过栅极驱动电路2对开关元件Q4的栅极电压进行灌入。

<实施方式4>

图21是表示搭载有本发明的实施方式4所涉及的驱动保护电路71的汽车81的图。此外，在本实施方式4中，对与在实施方式1中说明的结构要素相同或者相类似的结构要素标注相同的标号。

在驱动保护电路71中，使用在实施方式1～3中所说明的驱动保护电路中的某一个。另外，图21所示的汽车81除了驱动保护电路71以外，还搭载有驱动保护电路71的上级系统即ECU(EngineControl Unit)72、在驱动保护电路71中使用的低电压电源73、用在混合动力车辆、电动汽车、燃料电池汽车或者设置有启动发电机的汽车中的能够产生大于或等于1kW的输出的电动机即再生用电动机74、由再生用电动机74驱动的发动机75、高电压电源76、逆变器装置77。

逆变器装置77包含由驱动保护电路71驱动以及保护的开关元件Q4，将高电压电源76的直流电压变换为用于驱动再生电动机74的交流电压，或者将由再生电动机74发电而产生的交流电压变换为能够向高电压电源76充电的直流电压。

在如上所述的汽车81中，交替反复进行动力运行和再生，不仅频繁产生再生电动机74的负载变动较大的状态，还频繁产生既不进行动力运行也不进行再生的惰性运行状态。在后者的惰性运行状态下，对再生电动机74进行驱动的逆变器装置77接近无负载运转，其完全不流过输出电流，或者电流是额定电流的几十分之一至几百分之一左右的微小值。

在如上所述的运转中，逆变器装置77内的开关元件的开关速度与进行通常的动力运行以及再生时相比变快。其结果，根据如图5所示的机理，可能在输入至驱动保护电路的栅极驱动信号中，叠加由起因于高频电流的电磁耦合而产生的感应电压(噪声)，发生误动作。

为了防止该噪声，磁屏蔽是有效的，但存在磁屏蔽中使用的屏蔽材料价格较高、并且会使重量增加等问题，因此，目前还没有实施充分的磁屏蔽。

因此，在本实施方式4中，作为驱动保护电路71，在实施方式1～3所说明的驱动保护电路、即产生具有较小的脉冲宽度的噪声的情况下，也能够可靠地进行抑制。使用能够可靠地抑制浪涌电压的驱动保护电路。由此，能够一边抑制高价以及重量增加，一边对在汽车81中所搭载的逆变器装置77内的开关元件Q4中产生的不良影响进行抑制。

此外，本发明能够在该发明的范围内，将各实施方式自由组合，或者适当地对各实施方式进行变形、省略。

标号的说明

2栅极驱动电路，3软切断电路，11计时器电路，12第2比较器，50过电流保护电路，71驱动保护电路，74再生电动机，77逆变器装置，81汽车，Q4开关元件。

Claims (8)

1.一种驱动保护电路，其驱动以及保护开关元件，

该驱动保护电路具有：

驱动电路，其响应于输入信号而驱动所述开关元件；以及

过电流保护电路，其在所述开关元件处于过电流状态时使软切断电路进行动作，该软切断电路以比所述驱动电路慢的开关速度使所述开关元件从接通转换至断开，

在所述输入信号的接通的脉冲宽度小于或等于所述过电流保护电路的响应时间的情况下，无论所述过电流如何，都通过所述软切断电路使所述开关元件从接通转换至断开。

2.根据权利要求1所述的驱动保护电路，其中，

还具有计时器电路，该计时器电路从所述输入信号变为接通的定时起，以与所述过电流保护电路的响应时间相同的一定时间输出规定的信号，

在从所述计时器电路输出所述规定的信号、并且所述输入信号是断开的情况下，无论所述过电流如何，都通过所述软切断电路使所述开关元件从接通转换至断开。

3.根据权利要求1所述的驱动保护电路，其中，

取代所述响应时间而使用所述开关元件的镜像期间。

4.根据权利要求1所述的驱动保护电路，其中，

取代所述输入信号的接通的脉冲宽度，而使用从所述开关元件的栅极电压上升起至所述输入信号变为断开为止的时间。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的驱动保护电路，其中，

还具有比较部，该比较部将所述开关元件的栅极阈值与所述开关元件的栅极电压进行比较，

在通过所述软切断电路使所述开关元件转换至断开时，根据所述比较部的比较结果，取代所述软切断电路而通过所述驱动电路使所述开关元件转换至断开。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的驱动保护电路，其中，

所述开关元件包含在对搭载于汽车中的电动机进行驱动的逆变器装置中。

7.一种半导体模块，其具有：

权利要求1至4中任一项所述的驱动保护电路；以及

所述开关元件。

8.一种汽车，其具有：

权利要求1至4中任一项所述的驱动保护电路；以及

包含在对电动机进行驱动的逆变器装置中的所述开关元件。