CN110391806B - 半导体元件的驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明目的在于针对半导体元件的驱动装置，抑制大型化，并且如果半导体元件的异常消除则迅速重新开始向半导体元件输入驱动信号。半导体元件的驱动装置(1)具备：多个检测电路(21)，对半导体元件的不同种类的异常进行检测；逻辑电路(22)，在至少一个检测电路检测出异常的情况下生成错误信号(Verr)；警报信号生成电路(24、25)，接收错误信号，生成由针对每个检测出异常的检测电路而具有不同的脉宽的1个或多个脉冲构成的警报信号(VFo)；以及保护动作判断电路(23)，基于错误信号以及警报信号，对半导体元件的保护功能是否正在动作进行判断，在判断为保护功能正在动作的情况下，切断向半导体元件的驱动信号的输入。

Description

半导体元件的驱动装置

技术领域

本发明涉及半导体元件的驱动装置。

背景技术

最近，智能功率模块(Intelligent Power Module、IPM)受到关注。智能功率模块是将由例如IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等功率晶体管构成的多个半导体元件及其驱动电路、和针对半导体元件的过电流、控制电源电压的降低、过热等异常的保护电路作为一个电子部件而进行模块化得到的。

在专利文献1中公开有驱动装置，该驱动装置具备：多个保护电路，其对半导体元件的异常进行检测；以及信号输出电路，其以一个脉冲的量或按照预先设定的时间间隔一个脉冲一个脉冲地输出与由各保护电路检测出的异常的种类相对应而预先设定的脉宽的警报信号。

但是，在专利文献1的驱动装置中存在如下问题：无法对半导体元件的异常已消除这一情况进行检测。

关于这一点，在专利文献2中提出有半导体元件的驱动装置，其具备如下功能：准确地对与半导体元件所产生的异常的种类对应的脉宽的警报信号进行通知；以及对半导体元件的异常原因已消除这一情况进行通知。

专利文献1：日本特开2012-143125号公报

专利文献2：日本特开2013-258858号公报

但是，在专利文献2的技术中，除了对与异常种类对应的脉宽的警报信号进行生成的警报信号生成电路之外，还需要对通知异常原因已消除这一情况的信号进行生成的警报解除信号生成电路，存在驱动装置大型化的课题。另外，在专利文献2的技术中，由于在异常原因消除后输出警报解除信号，所以存在至复原为止耗费时间的课题。并且，在专利文献2的技术中，为了判断异常原因而需要对脉宽进行测定，且为了检测异常原因已消除这一情况而需要对警报解除信号进行测定，存在不实用的课题。

发明内容

本发明就是为了解决上述问题而提出的，其目的在于，针对半导体元件的驱动装置，抑制大型化，并且如果半导体元件的异常消除，则迅速重新开始向半导体元件输入驱动信号。

本发明涉及的半导体元件的驱动装置，具备：多个检测电路，其对半导体元件的不同种类的异常进行检测；逻辑电路，其在至少一个所述检测电路检测出异常的情况下生成错误信号；警报信号生成电路，其接收所述错误信号，生成警报信号，该警报信号由针对每个检测出异常的所述检测电路而具有不同的脉宽的1个或多个脉冲构成；以及保护动作判断电路，其基于所述错误信号以及所述警报信号，对所述半导体元件的保护功能是否正在动作进行判断，在判断为所述保护功能正在动作的情况下，切断向所述半导体元件的驱动信号的输入。

发明的效果

根据本发明涉及的半导体元件的驱动装置，保护动作判断电路能够通过警报信号的结束而判断为半导体元件的异常已消除，因此，能够在异常消除后迅速重新开始向半导体元件输入驱动信号。另外，由于不需要警报解除信号生成电路，所以能够实现装置的小型化。

附图说明

图1是表示实施方式1涉及的半导体装置的主要部分概略结构的图。

图2是表示U相上桥臂的驱动装置的框图。

图3是表示错误信号、保护动作信号以及警报信号的最小脉宽的图。

图4是表示terr≤tpro(min)的情况下的实施方式1的警报信号的图。

图5是表示terr＞tpro(min)的情况下的实施方式1的警报信号的图。

图6是表示在控制电源电压产生异常、之后电流产生异常的情况下的错误信号Verr、保护动作信号Vpro以及警报信号VFo的图。

图7是表示实施方式2涉及的半导体装置的主要部分概略结构的图。

图8是表示低通滤波器的图。

图9是表示实施方式2的警报信号的图。

图10是表示与关于控制电源电压异常的警报信号对应的模拟警报信号的计算结果的图。

图11是表示与关于温度异常的警报信号对应的模拟警报信号的计算结果的图。

图12是表示与关于电流异常的警报信号对应的模拟警报信号的计算结果的图。

图13是表示实施方式3涉及的半导体装置的主要部分概略结构的图。

图14是表示实施方式3涉及的驱动装置的概略结构的图。

图15是表示实施方式3涉及的模拟警报信号的图。

图16是表示实施方式4涉及的与电流异常相关的警报信号的图。

图17是表示实施方式5涉及的半导体装置的主要部分概略结构的图。

图18是表示实施方式5涉及的驱动装置的概略结构的图。

标号的说明

1-6、1A-6A驱动装置，10逆变器，11-16IGBT，21检测电路，22逻辑电路，23保护动作判断电路，24识别脉冲生成电路，25MOSFET，26、28、29与门，27、30低通滤波器，101、103、105半导体装置，D1-D6续流二极管，OT温度检测电路，SC电流检测电路，UV控制电源电压检测电路。

具体实施方式

<A.实施方式1>

图1是表示实施方式1涉及的半导体装置101的主要部分概略结构的图。半导体装置101具备逆变器10和驱动装置1-6。逆变器10具备多个IGBT 11-16、以及分别与IGBT 11-16并联连接的续流二极管D1-D6，将直流电变换为交流电。IGBT 11和续流二极管D1构成U相上桥臂，IGBT 14和续流二极管D4构成U相下桥臂。IGBT 12和续流二极管D2构成V相上桥臂，IGBT 15和续流二极管D5构成V相下桥臂。IGBT 13和续流二极管D3构成W相上桥臂，IGBT 16和续流二极管D6构成W相下桥臂。驱动装置1-6分别单独地对构成逆变器10的多个IGBT 11-16进行驱动。此外，IGBT是驱动装置1-6所驱动的半导体元件的一个例子，也可以使用MOSFET(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)等其他半导体元件代替IGBT。

图2是表示U向上桥臂的驱动装置1的框图。此外，由于其他驱动装置2-6的结构与驱动装置1相同，所以省略它们的结构的说明。

驱动装置1具备：检测电路21、逻辑电路22、保护动作判断电路23、识别脉冲生成电路24、MOSFET 25、以及与门26。

检测电路21是实现半导体装置101的各种保护功能的电路，具备控制电源电压检测电路UV、温度检测电路OT以及电流检测电路SC。

逻辑电路22将来自控制电源电压检测电路UV、温度检测电路OT以及电流检测电路SC的信号与预先确定的电压进行比较，对IGBT 11是否处于异常状态进行判定。逻辑电路22在判定为IGBT 11处于异常状态的情况下，将错误信号Verr输出至保护动作判断电路23和识别脉冲生成电路24。

警报信号VFo和错误信号Verr被输入至保护动作判断电路23。保护动作判断电路23通过警报信号VFo和错误信号Verr而对IGBT 11的保护功能是否正在动作进行判断。保护动作判断电路23在判断为IGBT 11的保护功能正在动作的情况下，将保护动作信号Vpro输入至识别脉冲生成电路24，并将L电平输出至与门26，由此，将栅极控制信号Vout关断。由此，IGBT 11被禁止驱动，相对于异常而受到保护。

错误信号Verr从逻辑电路22输入至识别脉冲生成电路24，保护动作信号Vpro从保护动作判断电路23输入至识别脉冲生成电路24。识别脉冲生成电路24基于错误信号Verr和保护动作信号Vpro，生成识别脉冲。由识别脉冲生成电路24生成的识别脉冲被输入至MOSFET 25的栅极，由此对开路漏极的MOSFET 25的导通、关断进行控制。MOSFET 25的源极将警报信号VFo输出至保护动作判断电路23以及驱动装置1的外部。即，识别脉冲生成电路24和MOSFET 25作为接收错误信号Verr而生成警报信号的警报信号生成电路起作用。

图3示出错误信号Verr、保护动作信号Vpro以及警报信号VFo的最小脉宽。如果将错误信号Verr、保护动作信号Vpro以及警报信号VFo的最小脉宽分别设为最小错误期间terr(min)、最小保护动作期间tpro(min)、以及最小警报信号输出期间tFo(min)，则它们的关系是terr(min)＜tFo(min)＝tpro(min)。最小错误期间terr(min)是能够由检测电路21检测的最小的错误长度，是通过对每个检测电路21设定的滤波器的滤波时间而确定的。滤波时间通常设定为几ns至几μs。具体而言，电流检测电路SC的滤波时间设定为大约2μs。另外，最小警报信号输出期间tFo(min)被设定为能够由接收警报信号VFo的微型计算机识别的长度，通常设为大于或等于几ms。在实施方式1中，最小保护动作期间tpro(min)和最小警报信号输出期间tFo(min)不依赖于错误的种类即检测出异常的检测电路21，而是恒定的。

在图4中示出terr≤tpro(min)的情况下的实施方式1的警报信号VFo。在错误信号Verr为关断时，保护动作判断电路23将H电平输出至与门26，因此，与控制信号VCIN同步地输出栅极控制信号Vout。如果检测电路21检测出异常，则逻辑电路22将错误信号Verr设为导通，即H电平。另外，伴随着错误信号Verr的导通，保护动作判断电路23将保护动作信号Vpro设为导通，即H电平。另外，伴随着错误信号Verr的导通，识别脉冲生成电路24也生成识别脉冲。因此，错误信号Verr、保护动作信号Vpro、以及警报信号VFo同时导通。此外，这里关于警报信号VFo将H电平设为关断，将L电平设为导通。

在错误信号Verr为导通的期间中，保护动作判断电路23将L电平输出至与门26，因此，栅极控制信号Vout成为L电平，被切断。

最小警报信号输出期间tFo(min)与最小保护动作期间tpro(min)相等，因此，通过在驱动装置1的外部监视tFo(min)，从而能够识别最小保护动作期间tpro(min)。

在警报信号VFo为导通的期间，MOSFET 25将由针对每个检测电路不同的脉宽tFo_pl构成的连续脉冲串作为警报信号VFo而输出。识别脉冲生成电路24将警报信号VFo的脉宽tFo_pl、警报信号的停歇宽度tFo_sus、以及最小警报信号输出期间tFo(min)设定为满足式(1)。此外，n为自然数，成为针对每个检测电路不同的值。

〔式1〕

n×tFo_pl+(n－1)×tFo_sus＝tFo(min)…(1)

在terr≤tpro(min)的情况下，最小警报信号输出期间tFo(min)不依赖于异常的种类，而是恒定的。

在图5中示出terr＞tpro(min)的情况下的实施方式1的警报信号VFo。此时的错误期间terr、保护动作期间tpro、以及警报信号输出期间tFo被设定为满足terr≤tpro＝tFo。

另外，识别脉冲生成电路24将tFo、tFo_pl、以及tFo_sus设定为满足式(2)。此外，n是自然数，成为针对每个错误种类不同的值。

〔式2〕

n×tFo_pl+(n－1)×tFo_sus＝tFo…(2)

即，警报信号VFo以满足式(3)的方式输出。

〔式3〕

terr≤n×tFo_pl+(n－1)×tFo_sus…(3)

这样，识别脉冲生成电路24将警报信号输出期间tFo设定为与异常种类相对应的长度。如果警报信号VFo结束，则保护动作判断电路23判断为IGBT 11的保护功能的动作已结束，将保护动作信号Vpro设为关断。

下面，说明保护动作信号Vpro的功能。保护动作信号Vpro是用于使得在识别脉冲生成电路24正在输出与第1次的异常对应的警报信号VFo的期间中取得了与第2次的异常对应的错误信号Verr的情况下，不输出与第2次的异常对应的警报信号VFo的信号。

图6示出在控制电源电压产生异常、之后电流产生异常的情况下的错误信号Verr、保护动作信号Vpro以及警报信号VFo。首先，如果控制电源电压产生异常，则错误信号Verr(UV)变成导通，与此同时，保护动作信号Vpro和警报信号VFo变成导通。

经过了错误期间terr(UV)后，错误信号Verr(UV)变成关断，但保护动作信号Vpro和警报信号VFo还处于导通状态。此时，如果电流产生异常，则错误信号Verr(SC)变成导通。但是，由于保护动作信号Vpro是导通，所以识别脉冲生成电路24无视Verr(SC)，继续进行与控制电源电压的异常对应的警报信号VFo的输出。即，识别脉冲生成电路24不输出与错误信号Verr(SC)对应的警报信号VFo。

实施方式1涉及的半导体元件的驱动装置1具备：多个检测电路21，其对作为半导体元件的IGBT 11的不同种类的异常进行检测；逻辑电路22，其在至少1个检测电路21检测出异常的情况下生成错误信号Verr；作为警报信号生成电路的识别脉冲生成电路24以及MOSFET 25，其接收错误信号Verr，生成警报信号VFo，该警报信号VFo由针对每个检测出异常的检测电路21而具有不同的脉宽的1个或多个脉冲构成；以及保护动作判断电路23，其基于错误信号Verr以及警报信号VFo，对IGBT 11的保护功能是否正在动作进行判断，在判断为保护功能正在动作的情况下，切断向IGBT 11的驱动信号的输入。根据驱动装置1，能够由检测电路21检测IGBT 11的异常。另外，由于警报信号VFo成为与异常的种类对应的脉宽，所以能够根据脉宽对异常的种类进行判别。另外，保护动作判断电路23能够通过警报信号VFo的结束而判断为IGBT 11的异常已消除，所以能够在异常消除后迅速重新开始向IGBT 11输入驱动信号。另外，由于不需要警报解除信号生成电路，所以能够使驱动装置1小型化。

<B.实施方式2>

图7是表示实施方式2涉及的半导体装置102的主要部分概略结构的图。半导体装置102除了实施方式1涉及的半导体装置101的结构之外，还具备对从驱动装置1-6输出的警报信号VFo进行解调的低通滤波器30。

图8示出低通滤波器30的结构。低通滤波器30由电阻R和电容C构成。低通滤波器30取得警报信号VFo，取得与警报信号VFo的占空比对应的模拟警报信号VFo_int。根据模拟警报信号VFo_int的电压值，能够识别异常的种类。

图9示出实施方式2的警报信号VFo。实施方式2的警报信号VFo是频率f＝1/{tFo_pl+tFo_sus}恒定而不依赖于异常种类、仅占空比D＝tFo_pl/{tFo_pl+tFo_sus}根据异常种类而不同的PWM信号。此外，在图9中，括号中的标号OT、UV、SC表示与异常种类相关的检测电路。例如VFo(OT)表示是因温度检测电路OT检测出异常而导致的警报信号。

图10至图12示出与警报信号VFo对应的模拟警报信号VFo_int的计算结果。此外，图10示出与关于控制电源电压异常的警报信号VFo(OT)对应的模拟警报信号VFo_int(OT)，图11示出与关于温度异常的警报信号VFo(UV)对应的模拟警报信号VFo_int(UV)，图12示出与关于电流异常的警报信号VFo(SC)对应的模拟警报信号VFo_int(SC)。另外，对于低通滤波器30，设为电阻R＝100kΩ、电容C＝220nF、滤波器的截止频率fc＝1/(2πRC)＝14.47Hz。并且，不依赖于异常的种类而将警报信号VFo的周期T设为4ms、频率f设为250Hz、tFo_pl(OT)＝3ms、tFo_pl(UV)＝2ms、tFo_pl(SC)＝1ms。另外，在时间2ms时发生异常，开始输出警报信号VFo。此时，如果将警报信号VFo(OT)、VFo(UV)、VFo(SC)的占空比表示为D(OT)、D(UV)、D(SC)，则D(OT)＝0.75、D(UV)＝0.5、D(SC)＝0.25。

根据图10至图12，时间100ms处的模拟警报信号VFo_int的电压值成为VFo_int(OT)＝3.79V、VFo_int(UV)＝7.24V、VFo_int(SC)＝11.21V，分别成为与占空比D(OT)、D(UV)、D(SC)对应的电压值。此外，在模拟警报信号VFo_int中含有残留波动，但其大小依赖于低通滤波器30的截止频率fc和警报信号VFo的频率f。

根据实施方式2涉及的半导体元件的驱动装置，警报信号VFo的频率f不依赖于检测出异常的检测电路，而是恒定的，警报信号VFo的占空比D与检测出异常的检测电路相对应而不同。因此，能够将在对警报信号VFo进行解调时使用的低通滤波器30的R和L的值固定，能够容易地设计解调电路。

<C.实施方式3>

图13是表示实施方式3涉及的半导体装置103的主要部分概略结构的图。半导体装置103具备驱动装置1A-6A来取代实施方式1涉及的半导体装置101的驱动装置1-6，除此之外的半导体装置103的结构与半导体装置101相同。

图14表示驱动装置1A的概略结构。此外，由于其他驱动装置2A-6A的结构与驱动装置1相同，所以省略它们的结构的说明。驱动装置1A除了实施方式1涉及的驱动装置1的构成之外还具备低通滤波器27。低通滤波器27对从MOSFET 25的源极输出的警报信号VFo进行积分，将得到的模拟警报信号VFo_int输出至驱动装置1A的外部，并且将模拟警报信号VFo_int输出至保护动作判断电路23。保护动作判断电路23基于模拟警报信号VFo_int，对IGBT11的保护动能是否正在动作进行判断。

根据实施方式3涉及的驱动装置1A，在驱动装置1A的外部对模拟警报信号VFo_int的平均值进行监视，由此，能够判别错误的种类。另外，通过由保护动作判断电路23监视模拟警报信号VFo_int，从而能够对IGBT 11的保护功能是否正在动作进行判断。

图15示出驱动装置1A所输出的模拟警报信号VFo_int。保护动作判断电路23基于警报信号VFo和模拟警报信号VFo_int，对IGBT 11的保护功能是否正在动作进行判断。具体而言，保护动作判断电路23在警报信号VFo从关断切换到导通的定时(timing)，判断为IGBT11的保护功能已开始，将保护动作信号Vpro设为导通。然后，保护动作判断电路23在模拟警报信号VFo_int恢复为恒定值的定时，判断为IGBT 11的保护功能已结束，将保护动作信号Vpro设为关断。

实施方式3涉及的半导体元件的驱动装置1A具备将警报信号VFo变换为模拟信号的低通滤波器27。保护动作判断电路23通过错误信号Verr以及变换为模拟信号后的警报信号即模拟警报信号VFo_int，对IGBT 11的保护功能是否正在动作进行判断。这样，通过在驱动装置1A内具备低通滤波器27，从而使得驱动装置1A的外部的解调电路的设计变得容易。

<D.实施方式4>

实施方式4的驱动装置的结构与实施方式1-3的驱动装置相同。但是，在实施方式4中，关于电流异常的警报信号VFo(SC)如图16所示由单个的脉冲构成。此外，关于其他种类的异常的警报信号VFo(UV)、VFo(OT)与实施方式1-3相同，由多个脉冲构成。

电流检测电路SC在大于或等于预先设定的电流值的过电流流过半导体元件的情况下，检测出异常，实施半导体元件的保护动作。此时，在半导体元件流过过电流的时间最大是几μs到几十μs，如果超过这个数量则半导体元件自身有可能破坏。另一方面，对于与半导体元件的控制电源电压和温度相关的异常时间，没有上限，也可能有几ms或几十ms。因此，通过仅是与电流检测电路SC对应的警报信号VFo(SC)由单个的脉冲构成，从而能够将警报信号输出期间tFo设定得短。

在实施方式4涉及的半导体元件的驱动装置中，检测电路21具备对半导体元件的电流异常进行检测的电流检测电路SC。而且，警报信号生成电路接收在电流检测电路SC检测出异常的情况下生成的错误信号Verr(SC)，生成由一个脉冲构成的警报信号VFo(SC)，接收在电流检测电路SC以外的检测电路检测出异常的情况下生成的错误信号Verr，生成由多个脉冲构成的警报信号VFo。由此，能够将半导体元件的电流异常与控制电源电压异常或温度异常等其他异常明确区分开。

<E.实施方式5>

图17是表示实施方式5涉及的半导体装置105的主要部分概略结构的图。半导体装置105具备：逆变器10；对U、V、W相的上桥臂的IGBT 11、12、13进行驱动的驱动装置31；以及对U、V、W相的下桥臂的IGBT 14、15、16进行驱动的驱动装置32。

图18是表示驱动装置31的概略结构的图。驱动装置32的结构与驱动装置31相同，因此，省略其说明。驱动装置31具备：检测电路21；逻辑电路22；保护动作判断电路23；识别脉冲生成电路24；MOSFET 25；以及与门26、28、29。即，驱动装置31是在实施方式1的驱动装置1的结构上追加了与门28、29而得到的。向与门28输入V相的控制信号VCIN(Vn)和来自保护动作判断电路23的信号，输出V相的栅极控制信号Vout(VN)。向与门29输入W相的控制信号VCIN(Wn)和来自保护动作判断电路23的信号，输出W相的栅极控制信号Vout(WN)。

实施方式5涉及的驱动装置31被多个相的半导体元件即IGBT 11、12、13共用。具体而言，在驱动装置31中，将检测电路21、逻辑电路22、保护动作判断电路23、识别脉冲生成电路24、以及MOSFET 25在U、V、W相共享。由此，实现电路的小型化。本实施方式的结构特别是在传递模塑型的IPM等中，由HVIC(High Voltage Integrated Circuit)或LVIC(LowVoltage Integrated Circuit)构成多个相的驱动电路的情况下，是有效的。

此外，本发明在其发明范围内，能够对各实施方式自由进行组合，或对各实施方式适当地进行变形、省略。

Claims (6)

1.一种半导体元件的驱动装置，其具备：

多个检测电路，其对半导体元件的不同种类的异常进行检测；

逻辑电路，其在至少一个所述检测电路检测出异常的情况下生成错误信号；

警报信号生成电路，其接收所述错误信号，生成警报信号，该警报信号由针对每个检测出异常的所述检测电路而具有不同的脉宽的1个或多个脉冲构成；以及

保护动作判断电路，其基于所述错误信号以及所述警报信号，对所述半导体元件的保护功能是否正在动作进行判断，在判断为所述保护功能正在动作的情况下，切断向所述半导体元件的驱动信号的输入，然后，在判断为所述保护功能并未动作的情况下，解除向所述半导体元件的驱动信号的输入的切断。

2.根据权利要求1所述的半导体元件的驱动装置，其中，

所述警报信号的频率不依赖于检测出异常的所述检测电路，而是恒定的，

所述警报信号的占空比与检测出异常的所述检测电路相对应而不同。

3.根据权利要求2所述的半导体元件的驱动装置，其中，

还具备将所述警报信号变换为模拟信号的低通滤波器，

所述保护动作判断电路通过所述错误信号以及变换为模拟信号后的所述警报信号，对所述半导体元件的保护功能是否正在动作进行判断。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的半导体元件的驱动装置，其中，

所述检测电路具备对所述半导体元件的电流异常进行检测的电流检测电路，

所述警报信号生成电路接收在所述电流检测电路检测出异常的情况下生成的所述错误信号，生成由一个脉冲构成的所述警报信号，接收在所述电流检测电路以外的所述检测电路检测出异常的情况下生成的所述错误信号，生成由多个脉冲构成的所述警报信号。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的半导体元件的驱动装置，其中，

该半导体元件的驱动装置被多个相的所述半导体元件共用。

6.根据权利要求4所述的半导体元件的驱动装置，其中，

该半导体元件的驱动装置被多个相的所述半导体元件共用。

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