CN105874690A - 功率半导体元件的电流检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供维持较高的电流检测精度，不会受到干扰噪音的影响，并无需从负电压开始动作的功率半导体元件的电流检测装置。功率半导体元件(10)的电流检测装置具备将传感器IGBT(12)的发射极端子(16)固定为基准电源(50)的1伏以下的电压的运算放大器(20)；以及电流电压转换器(40)，该电流电压转换器(40)构成为使得与有传感器IGBT(12)的电流流入该运算放大器(20)的电流成比例倍数的电流流过电阻(42)。电流电压转换器(40)具有以大地(17)的电位为基准进行动作的NMOS晶体管(41)和设置于该NMOS晶体管(41)的高侧的电阻(42)，并从大地(17)的电位开始动作。

Description

功率半导体元件的电流检测装置
技术领域
本发明涉及功率半导体元件的电流检测装置，尤其涉及具备有主电流流过的主元件和对该主元件的电流进行检测的电流传感器元件的功率半导体元件的电流检测装置。
背景技术
在用于驱动电动机的逆变器装置、计算机的不间断电源装置等功率转换装置中，通过使功率半导体元件进行开关动作来进行功率转换。功率转换装置需要保护装置不受装置外部的突发性短路事故的影响，避免装置的破坏。为了使功率转换装置具备该功能，功率转换装置搭载有始终对流过构成该功率转换装置的半导体元件的电流进行检测的功能。
图2是表示功率半导体元件及现有的第1电流检测电路的电路图。
该电路图中，此处例示出将IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：绝缘栅型双极晶体管)作为功率转换装置的功率半导体元件100的情况。另外，功率半导体元件100并不限于图示的IGBT，也可以是绝缘栅型场效应晶体管那样的其他绝缘栅型半导体元件。
功率半导体元件100具备有主电流流过的主元件即IGBT101和用于对IGBT101的电流进行检测的电流传感器元件即传感器IGBT102。该传感器IGBT102与IGBT101具有相同结构，但具有比IGBT101要小的尺寸。功率半导体元件100具有将IGBT101和传感器IGBT102的栅极端子103及集电极端子104分别公共地连接的结构。栅极端子103与该功率半导体元件100的驱动电路相连接，集电极端子104经由电动机等负载与电源相连接。功率半导体元件100中，IGBT101的发射极端子105及传感器IGBT102的发射极端子106独立地构成。IGBT101的发射极端子105与大地107相连接，传感器IGBT102的发射极端子106与电阻108的一端相连接，电阻108的另一端与大地107相连接。
在功率半导体元件100处于导通的控制状态下，流过IGBT101的发射极端子105的电流与流过传感器IGBT102的发射极端子106的电流成比例倍数的关系。此时，流过传感器IGBT102的发射极端子106的电流直接流过电阻108，因此该电阻108中发生与流过IGBT101的发射极端子105的电流成比例的压降。电阻108连接有对该压降进行测定的未图示的电路，该电路通过测定压降来间接地检测流过IGBT101的电流。
利用以上图2的结构所进行的电流检测中，在决定了电阻108的大小的基础上已知有两个问题，即、关于电流检测精度的第1问题和关于因干扰噪音而引起的误动作的第2问题。
关于电流检测精度的第1问题具有如下情况：若电阻108的值变大，则其压降变大，IGBT101的栅极、发射极之间的电压与传感器IGBT102的栅极、发射极之间的电压变得大不相同。若IGBT101及传感器IGBT102的栅极、发射极之间的电压不同，则流过IGBT101的电流与流过传感器IGBT102的电流之间的电流比的精度变差，电流检测精度发生恶化。
关于因干扰噪音而引起的误动作的第2问题具有如下情况：若电阻108的值变小，则其压降变小，上述电流检测精度得到了提高，但判定短路时的过电流的阈值变小，因此容易发生因干扰噪音而引起的误动作。
已提出了以上的第1及第2问题和解决这些问题的方法(例如，专利文献1)，因此，此处对提出的电流检测进行说明。
图3是表示功率半导体元件及现有的第2电流检测电路的电路图。另外，图3中，对于与图2中记载的装置相同或同等的结构要素，标注相同的标号。
功率半导体元件100中，IGBT101的集电极端子104及发射极端子105反向并联连接有回流二极管109。IGBT101的发射极端子105与提供有接地电位的大地107相连接。
功率半导体元件100构成为由驱动控制电路110所控制。驱动控制电路110具备与功率半导体元件100的栅极端子103相连接的驱动电路120、过电流判定电路130、及对流过传感器IGBT102的电流进行检测的电流检测电路140。
驱动电路120具有驱动器121和直流电源122、123，驱动器121将直流电源122作为驱动电源来对功率半导体元件100进行驱动控制。直流电源122的负电极与驱动控制电路110的公共连接部111相连接并提供驱动控制电路110的基准电位。直流电源123的正电极与作为接地电位的大地107相连接，负电极与作为驱动控制电路110的基准电位的公共连接部111相连接。
电流检测电路140具有PNP晶体管141和电阻108。PNP晶体管141的发射极端子与传感器IGBT102的发射极端子106相连接，集电极端子与电阻108的一端相连接，基极端子与作为接地电位的大地107相连接。电阻108的另一端与作为驱动控制电路110的基准电位的公共连接部111相连接。
过电流判定电路130具有比较器131和直流电源132。比较器131的一个输入端子连接到电流检测电路140中的PNP晶体管141的集电极端子和电阻108的连接部，另一个输入端子与直流电源132的正电极相连接。直流电源132的负电极与驱动控制电路110的公共连接部111相连接。由此，比较器131将电阻108中产生的以公共连接部111为基准的电位差Vs与直流电源132的电压进行比较，在电位差Vs超过直流电源132的电压的情况下，判定为功率半导体元件100的IGBT101有过电流流过。
根据该驱动控制电路110的电流检测电路140，在功率半导体元件100导通且有电流流过传感器IGBT102的情况下，电流检测电路140的PNP晶体管141也导通。PNP晶体管141导通时的PNP晶体管141的基极、发射极之间的电压大致等于一个二极管的正向压降。因此，传感器IGBT102的发射极端子以大地107的接地电位作为基准，大致固定为一个二极管的正向压降的电位，IGBT101及传感器IGBT102的栅极、发射极之间的电压几乎不变。流过IGBT101的电流与流过传感器IGBT102的电流之间的电流比的精度几乎不变，因此电流检测精度不会发生恶化，上述第1问题得以解决。
对于上述第2问题，利用直流电源123将电阻108的基准电位设定为比大地107的接地电位要低的电位，能使电阻108的压降变大，因此也同样得以解决。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2012-186899号公报(段落[0017]～[0041]，图1)
发明内容
发明所要解决的技术问题
这里，在将图3所示的直流电源122的电压设为V1、将直流电源123的电压设为V2的情况下，使电流检测电路140动作的电源成为-V2～(V1-V2)。因此，需要从负电压开始使电路检测电路140动作，因此，驱动控制电路110具有如下问题：将这点考虑在内的系统设计变得复杂。
本发明是鉴于这样的问题点而完成的，其目的在于，提供一种维持较高的电流检测精度，不会受到干扰噪音的影响，并无需从负电压开始动作的功率半导体元件的电流检测装置。
解决技术问题所采用的技术手段
本发明为了解决上述问题，提供了一种功率半导体元件的电流检测装置，该功率半导体元件的电流检测装置具备有主电流流过的主元件和对所述主元件的电流进行检测的电流传感器元件。该功率半导体元件的电流检测装置的特征在于，包括：输出规定的基准电压的基准电源；运算放大器，向其同相输入端子施加所述基准电压，并且其反相输入端子与输出端子及所述电流传感器元件的电流输出端子相连接；以及电流电压转换器，该电流电压转换器将流过构成所述运算放大器的输出级的器件的电流转换成电压，所述基准电源、所述运算放大器及所述电流电压转换器构成为以接地电位为基准进行动作。
发明效果
上述结构的功率半导体元件的电流检测装置中，基准电源、运算放大器及电流电压转换器以接地电位为基准进行动作，因此具有能以无需从负电压开始动作的简单的结构来实现的优点。
通过表示作为本发明的示例的优选实施方式的附图及相关的下述说明，可进一步明确本发明的上述和其他目的、特征以及优点。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式所涉及的功率半导体元件的电流检测装置的一个结构例的电路图。
图2是表示功率半导体元件及现有的第1电流检测电路的电路图。
图3是表示功率半导体元件及现有的第2电流检测电路的电路图。
具体实施方式
下面，以将具有传感器IGBT的IGBT应用于功率半导体元件的情况为例，参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。
图1是表示本发明的实施方式所涉及的功率半导体元件的电流检测装置的一个结构例的电路图。
功率半导体元件10具备作为有主电流流过的主元件的IGBT11和作为对该IGBT11的电流进行检测的电流传感器元件的传感器IGBT12。该传感器IGBT12与IGBT11具有相同结构，但具有比IGBT11要小的尺寸，对流过IGBT11的电流的一部分进行分流。
IGBT11及传感器IGBT12的栅极端子13及集电极端子14分别公共地连接。栅极端子13与该功率半导体元件10的驱动电路相连接，集电极端子14经由负载与电源相连接。IGBT11的发射极端子15及传感器IGBT12的电流输出端子即发射极端子16独立地构成。IGBT11的发射极端子15与提供接地电位的大地17相连接，传感器IGBT12的发射极端子16与功率半导体元件10的电流检测装置相连接。
电流检测装置具备运算放大器20、电流电压转换器40、基准电源50及电源60。基准电源50用于将传感器IGBT12的发射极端子16固定为接近接地电位(0伏)的规定电压，设为1伏以下，优选设为0.6伏左右的电压。
运算放大器20具有同相输入端子21、反相输入端子22及输出端子23。运算放大器20的同相输入端子21与基准电源50的正电极相连接，基准电源50的负电极与作为接地电位的大地17相连接。运算放大器20的反相输入端子22与输出端子23及传感器IGBT12的发射极端子16相连接。
运算放大器20连接有电源60，该电源60的正电极与PMOS(P-ChannelMetal-Oxide Semiconductor：P沟道金属氧化物半导体)晶体管24的源极端子相连接。PMOS晶体管24的漏极端子经由电流源25与电源60的负电极及大地17相连接。PMOS晶体管24的栅极端子与自身的漏极端子和PMOS晶体管26的栅极端子相连接。PMOS晶体管26的源极端子与电源60的正电极相连接，漏极端子与PMOS晶体管27、28的源极端子分别相连。PMOS晶体管27的栅极端子与运算放大器20的同相输入端子21相连接，PMOS晶体管28的栅极端子与反相输入端子22相连接。PMOS晶体管27的漏极端子与NMOS(N-Channel Metal-OxideSemiconductor：N沟道金属氧化物半导体)晶体管29的漏极端子相连接，NMOS晶体管29的源极端子与大地17相连接。PMOS晶体管28的漏极端子与NMOS晶体管30的漏极端子相连接，NMOS晶体管30的源极端子与大地17相连接。NMOS晶体管29的栅极端子与NMOS晶体管30的栅极端子及漏极端子相连接。
此外，PMOS晶体管24的栅极端子及漏极端子与PMOS晶体管31的栅极端子相连接。PMOS晶体管31的源极端子与电源60的正电极相连接，漏极端子与NMOS晶体管32的漏极端子相连接。NMOS晶体管32的源极端子与大地17相连接，栅极端子连接到PMOS晶体管27的漏极端子和NMOS晶体管29的漏极端子之间的连接点。PMOS晶体管31的漏极端子与NMOS晶体管32的漏极端子之间的连接点连接到运算放大器20的输出端子23。并且，NMOS晶体管32的漏极端子与栅极端子之间连接有用于使运算放大器20稳定动作的电容33和电阻34的串联电路。
电流电压转换器40具有NMOS晶体管41和电阻42。NMOS晶体管41的栅极端子与运算放大器20的NMOS晶体管32的栅极端子相连接，源极端子与大地17相连接。NMOS晶体管41的漏极端子与电阻42的一端相连接，电阻42的另一端与电源60的正电极相连接。并且，NMOS晶体管41的漏极端子与电阻42之间的连接点连接到输出端子43。
在以上结构的电流检测装置中，运算放大器20中，电流源25与PMOS晶体管24的漏极端子相连接。PMOS晶体管24与PMOS晶体管31成为电流镜结构，因此对于PMOS晶体管31的漏极电流，有与电流源25成比例倍数的固定的电流流过。另一方面，NMOS晶体管32的栅极电压通过施加与同相输入端子21的电压和反相输入端子22的电压之差成比例的电压，从而控制NMOS晶体管32的漏极电流。由此，将输出级的高侧作为电流源，将改变低侧的电流并调整输出级的电流的结构称为A级放大器。该A级放大器中，从运算放大器20的输出端子23进入运算放大器20的电流变动量流入NMOS晶体管32。
此处，功率半导体元件10截止时，传感器IGBT12中没有电流流动，因此在运算放大器20的输出级，PMOS晶体管31的漏极电流直接流入NMOS晶体管32。运算放大器20采用电压跟随器结构，从而施加于同相输入端子21的基准电源50的电压直接输出到输出端子23，传感器IGBT12的发射极端子16被固定为基准电源50的电压。
此时，电流电压转换器40中，该NMOS晶体管41的栅极端子与运算放大器20的NMOS晶体管32的栅极端子相连接，因此与流过NMOS晶体管32的电流成比例倍数的电流将流过NMOS晶体管41。该电流流入电阻42，从而在电阻42中产生压降，并从输出端子43输出。
接着，在功率半导体元件10导通时，传感器IGBT12的电流流入运算放大器20的输出端子23。运算放大器20中，来自PMOS晶体管31的固定电流和传感器IGBT12的电流流过输出级的NMOS晶体管32。NMOS晶体管32的栅极、源极之间的电压根据传感器IGBT12的电流增加量而相对应地增加。由此，电流电压转换器40的NMOS晶体管41也有与流过NMOS晶体管32的电流成比例倍数的电流流过，电阻42的压降也有所增加。利用与输出端子43相连接的未图示的电路来观测该压降的变化，由此能检测出流过IGBT11的电流。
根据该电流检测装置，运算放大器20通过将传感器IGBT12的发射极端子16固定为1伏以下的电压，由此几乎没有功率半导体元件10导通时的IGBT11及传感器IGBT12的栅极、发射极之间的电压变化。因此，流过IGBT11的电流和流过传感器IGBT12的电流之间的电流比的精度不变，因此能维持较高的电流检测精度。
构成为具备电流电压转换器40，有与NMOS晶体管32的电流成比例倍数的电流流过电流电压转换器40的NMOS晶体管41，电阻42设置于NMOS晶体管41的高侧，该NMOS晶体管32有传感器IGBT12的电流流入。由此，能将电阻42调整为任意的值，由此，通过将电阻42的值设定得较大，从而不受干扰噪声的影响。
并且，该电流检测装置构成为以大地17的电位作为基准进行动作，由此无需从负电压开始动作，因此，包含该电流检测装置的系统设计不会变复杂。
上述内容仅示出本发明的原理。并且，本领域技术人员可对其进行多种变形、变更，本发明并不限于上文所示出的和进行了说明的正确结构及应用例，相对应的所有变形例以及等同物被视为由所附权利要求及其等同物所限定的本发明的保护范围。
标号说明
10 功率半导体元件
11 IGBT
12 传感器IGBT
13 栅极端子
14 集电极端子
15 IGBT的发射极端子
16 传感器IGBT的发射极端子
17 大地
20 运算放大器
21 同相输入端子
22 反相输入端子
23 输出端子
24、26、27、28、31 PMOS晶体管
25 电流源
29、30、32、41 NMOS晶体管
33 电容
34，42 电阻
40 电流电压转换器
43 输出端子
50 基准电源
60 电源

Claims (4)

1.一种功率半导体元件的电流检测装置，该功率半导体元件的电流检测装置具备有主电流流过的主元件和对所述主元件的电流进行检测的电流传感器元件，该功率半导体元件的电流检测装置的特征在于，包括：
输出规定的基准电压的基准电源；
运算放大器，向其同相输入端子施加有所述基准电压，并且其反相输入端子与输出端子及所述电流传感器元件的电流输出端子相连接；以及
电流电压转换器，该电流电压转换器将流过构成所述运算放大器的输出级的器件的电流转换成电压，
所述基准电源、所述运算放大器及所述电流电压转换器构成为以接地电位为基准进行动作。
2.如权利要求1所述的功率半导体元件的电流检测装置，其特征在于，
所述运算放大器的输出级中，在高侧配置有电流源，在低侧配置有调整输出级的电流的所述器件以构成A级放大器，将所述电流源和所述器件的连接点作为所述输出端子。
3.如权利要求1或2所述的功率半导体元件的电流检测装置，其特征在于，
将所述基准电源的所述基准电压设定为1伏特以下的电压。
4.如权利要求1至3的任一项所述的功率半导体元件的电流检测装置，其特征在于，
所述功率半导体元件是绝缘栅型双极晶体管。
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