CN114342233A - 短路判定装置、开关装置以及短路判定方法 - Google Patents

短路判定装置、开关装置以及短路判定方法 Download PDF

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CN114342233A CN202180005123.2A CN202180005123A CN114342233A CN 114342233 A CN114342233 A CN 114342233A CN 202180005123 A CN202180005123 A CN 202180005123A CN 114342233 A CN114342233 A CN 114342233A
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Abstract

提供一种短路判定装置，该短路判定装置具备：传感器，其对具有控制端子、第一主端子以及第二主端子的开关元件中的、在第一主端子与第二主端子之间流通的主电流的随时间的变化进行检测；以及短路判定部，其在用于驱动控制端子的控制信号变为导通信号之后的第一时刻以后，在主电流的随时间的变化成为第一阈值以上的情况下，判定为开关元件发生了短路。

Description

短路判定装置、开关装置以及短路判定方法
技术领域
本发明涉及短路判定装置、开关装置以及短路判定方法。
背景技术
以往，已知使用罗戈夫斯基线圈(Rogowski Coil)来检测开关元件的短路的电力转换装置。(例如，参照专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2001-169533
发明内容
技术问题
在专利文献1的电力转换装置中，对罗戈夫斯基线圈的端子间电压进行积分，并在检测到积分输出的值为某一定电平以上的情况下，判定为开关元件短路。然而，期望尽可能早地判定开关元件发生了短路的情况。
技术方案
为了解决上述问题，在本发明的第一方式中，提供一种短路判定装置。短路判定装置可以具备传感器，该传感器对具有控制端子、第一主端子以及第二主端子的开关元件中的、在第一主端子与第二主端子之间流通的主电流的随时间的变化进行检测。短路判定装置可以具备短路判定部，该短路判定部在用于驱动控制端子的控制信号变为导通信号之后的第一时刻以后，在主电流的随时间的变化成为第一阈值以上的情况下，判定为开关元件发生了短路。
短路判定部可以具有：时刻检测部，其检测第一时刻；以及第一判定部，其在时刻检测部检测到第一时刻的情况下，开始判定主电流的随时间的变化是否成为第一阈值以上。
时刻检测部可以将主电流的随时间的变化成为第二阈值以下的时刻作为第一时刻而检测出。
时刻检测部可以将从控制信号变为导通信号起算达到预先设定的期间的时刻作为第一时刻而检测出。
短路判定部可以还具有时刻变更部，该时刻变更部基于主电流的大小、开关元件的温度以及开关元件的特性中的至少任意一种，对预先设定的期间的长度进行变更。
短路判定部可以还具有：积分器，其对主电流的随时间的变化进行积分；以及第二判定部，其基于积分器的输出，对开关元件的短路进行判定。
短路判定装置可以还具备在判定为开关元件发生了短路的情况下，将短路电流切断的短路电流切断部。
传感器可以为罗戈夫斯基线圈。
开关元件可以为宽带隙半导体元件。
宽带隙半导体元件可以包含碳化硅、氮化镓、氧化镓以及金刚石中的至少任意一种。
在本发明的第二方式中，提供一种开关装置。开关装置可以具备短路判定装置。开关装置可以具备开关元件。
在本发明的第三方式中，提供一种短路判定方法。短路判定方法可以对具有控制端子、第一主端子以及第二主端子的开关元件的短路进行判定。短路判定方法可以包括对在第一主端子与第二主端子之间流通的主电流的随时间的变化进行检测的步骤。短路判定方法可以包括在用于驱动控制端子的控制信号变为导通信号之后的第一时刻以后，在主电流的随时间的变化成为第一阈值以上的情况下，判定为开关元件发生了短路的步骤。
应予说明，上述发明内容并未列举出本发明的全部必要特征。此外，这些特征组的子组合也能够成为发明。
附图说明
图1示出具备本实施方式的短路判定装置100的开关装置10的框图的一例。
图2示出在导通时发生了短路的情况下的各种信号波形的一例。
图3示出在稳态动作时发生了短路的情况下的各种信号波形的一例。
图4示出具备本实施方式的变形例的短路判定装置100的开关装置10的框图的一例。
符号说明
10：开关装置
20：开关元件
22：控制端子
24：第一主端子
26：第二主端子
30：控制端子驱动部
100：短路判定装置
110：传感器
120：短路判定部
130：稳态动作时短路判定部
132：时刻检测部
134：第一判定部
140：导通动作时短路判定部
142：积分器
144：第二判定部
150：短路信号输出部
160：短路电流切断部
410：时刻变更部
具体实施方式
以下，通过发明的实施方式对本发明进行说明，但是以下的实施方式并不限定权利要求书所涉及的发明。此外，在实施方式中所说明的特征的全部组合并不一定是发明的解决方案所必须的。
在此，在本说明书中，“设置于……与……之间”等的表述并不限定物理配置，也表示“与……和……电连接”。此外，在本说明书中，“连接”等的表述不限于不经由其他元件而直接地连接的情况，也包括经由其他元件间接地连接的情况。
图1示出具备本实施方式的短路判定装置100的开关装置10的框图的一例。在本图中，各模块分别表示在功能上分离的功能模块，可以不一定与实际的构成一致。即，虽然在本图中示为一个模块，但其可以不一定由一个电路或器件构成。此外，虽然在本图中示为不同的模块，但这些模块可以不一定由不同的电路或器件构成。
开关装置10具备开关元件20、控制端子驱动部30以及短路判定装置100。
作为一例，开关元件20可以是宽带隙半导体元件，宽带隙半导体元件可以包含碳化硅、氮化镓、氧化镓以及金刚石中的至少任意一种作为主材料。这样的开关速度快的器件通常有短路耐量低的倾向。因此，通过将这样的高速器件设为短路判定的对象，短路判定装置100能够进一步提高本实施方式的效果。
开关元件20具有控制端子22、第一主端子24以及第二主端子26，根据输入到控制端子22的电压或电流，将第一主端子24与第二主端子26之间进行电连接(导通)或者电切断(关断)。作为一例，在本实施方式中，开关元件20是具有栅极作为控制端子22，具有漏极作为第一主端子24，具有源极作为第二主端子26的nMOS晶体管，并在以第二主端子26为基准的控制端子22的电压(也表示为“偏置电压”)，即例如栅极-源极电压Vgs为栅极阈值电压以下的情况下关断，在栅极-源极电压Vgs超过栅极阈值电压时导通。
以下，以开关元件20为nMOS晶体管的情况为例进行说明，但是各实施方式能够应用于将控制端子称为栅极，将2个主端子称为漏极和源极的MOS晶体管、将控制端子称为栅极，将2个主端子称为集电极和发射极的IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、以及将控制端子称为基极，将2个主端子称为集电极和发射极的双极型晶体管这样的各种类型的开关元件20。
控制端子驱动部30与开关元件20的控制端子22，例如栅极连接。而且，控制端子驱动部30从未图示的电源接受电源供给，并根据从外部输入的控制信号来驱动开关元件20的控制端子22。由此，控制端子驱动部30对开关元件20的第一主端子24与第二主端子26之间，例如漏极-源极间的导通/关断进行切换。
短路判定装置100检测开关元件20的主电流的随时间的变化，并基于检测到的结果，对开关元件20的短路进行判定。此时，本实施方式的短路判定装置100在控制信号变为导通信号之后的第一时刻以后主电流的随时间的变化成为预先设定的阈值以上的情况下，判定为开关元件20发生了短路。
短路判定装置100具备传感器110、短路判定部120以及短路电流切断部160。在此，短路判定装置100可以通过一个或多个集成电路来实现，也可以通过多个分立部件的组合来实现。
传感器110检测在开关元件20中的第一主端子24与第二主端子26之间流通的主电流的随时间的变化。作为一例，传感器110可以是罗戈夫斯基线圈。通常，罗戈夫斯基线圈通过在初级导体周边设置空芯的线圈，从而在该线圈的两端感应出与在初级导体流通的初级电流对应的电压。此时，感应出的电压成为初级电流的随时间的变化，即微分波形(di/dt)。由于这样的罗戈夫斯基线圈没有磁芯，并且，没有由磁损引起的发热、饱和以及磁滞，所以优选。在本实施方式中，作为一例，传感器110可以是设置于与开关元件20中的第二主端子26，例如源极连接的导体的周边的罗戈夫斯基线圈。而且，传感器110向短路判定部120输出例如在罗戈夫斯基线圈的两端感应出的电压，即在开关元件20中的第一主端子24与第二主端子26之间流通的主电流的随时间的变化。
短路判定部120基于传感器110的输出，对开关元件20的短路进行判定。短路判定部120具有稳态动作时短路判定部130、导通动作时短路判定部140以及短路信号输出部150。
稳态动作时短路判定部130是对在稳态动作时发生的开关元件20的短路进行判定的模块。稳态动作时短路判定部130在用于驱动控制端子22的控制信号变为导通信号之后的第一时刻以后主电流的随时间的变化成为第一阈值Th1以上的情况下，判定为开关元件20发生了短路。更详细而言，稳态动作时短路判定部130包括时刻检测部132和第一判定部134。
时刻检测部132检测第一时刻。在本实施方式中，时刻检测部132可以将主电流的随时间的变化成为第二阈值Th2以下的时刻作为第一时刻而检测出。作为一例，时刻检测部132可以是比较器等，可以在一个输入端子连接有传感器110的输出。而且，时刻检测部132可以将输入到一个输入端子的传感器110的输出，即主电流的随时间的变化与输入到另一个输入端子的第二阈值Th2进行比较，在主电流的随时间的变化成为第二阈值Th2以下的情况下，检测第一时刻并向第一判定部134输出检测信号。
第一判定部134在时刻检测部132检测到第一时刻的情况下，开始判定主电流的随时间的变化是否成为第一阈值Th1以上。作为一例，第一判定部134如果从时刻检测部132供给了检测信号，则对检测信号的边沿进行锁存，并开始判定传感器110的输出，即主电流的随时间的变化是否成为第一阈值Th1以上。然后，在判定为主电流的随时间的变化成为第一阈值Th1以上的情况下，第一判定部134判定为开关元件20发生了短路，向短路信号输出部150输出第一短路检测信号。
如此，第一判定部134以从时刻检测部132供给了检测信号为触发，开始短路判定。换言之，第一判定部134在从时刻检测部132供给了检测信号之前，不进行短路判定。因此，第一判定部134即使在例如导通时开关元件20发生短路，并且传感器110的输出即主电流的随时间的变化成为第一阈值Th1以上的情况下，也不输出第一短路检测信号。对此将利用波形在后面进行描述。
导通动作时短路判定部140是对在导通动作时发生的开关元件20的短路进行判定的模块。导通动作时短路判定部140在主电流成为第三阈值Th3以上的情况下，判定为开关元件20发生了短路。更详细而言，导通动作时短路判定部140包括积分器142和第二判定部144。
积分器142设置于传感器110与第二判定部144之间，并对传感器110的输出进行积分。即，积分器142对主电流的随时间的变化(di/dt)进行积分。然后，积分器142向第二判定部144输出对主电流的随时间的变化进行积分而得的结果即主电流的值。
第二判定部144基于积分器142的输出，对开关元件20的短路进行判定。作为一例，第二判定部144判定积分器142的输出即主电流的值是否成为第三阈值Th3以上。然后，在判定为积分器142的输出成为第三阈值Th3以上的情况下，第二判定部144判定为开关元件20发生了短路，向短路信号输出部150输出第二短路检测信号。
在此，如上所述，第一判定部134以从时刻检测部132供给了检测信号为触发，开始短路判定。与此相对，第二判定部144未设置这样的触发而始终进行短路判定。因此，第二判定部144在导通时发生开关元件20的短路，积分器142的输出成为第三阈值Th3以上的情况下，判定为开关元件20发生了短路，输出第二短路检测信号。对此也将利用波形在后面进行描述。
短路信号输出部150与第一判定部134和第二判定部144连接，并接收第一短路检测信号和第二短路检测信号。短路信号输出部150例如可以是逻辑或(OR)电路。而且，短路信号输出部150在被输入第一短路检测信号和第二短路检测信号中的至少任意一者的情况下，判定为开关元件20发生了短路，向短路电流切断部160输出短路信号。
作为一例，短路电流切断部160与短路信号输出部150和开关元件20的控制端子22连接。而且，短路电流切断部160在从短路信号输出部150供给了短路信号的情况下，即，在判定为开关元件20在导通时或稳态动作时的至少任一情况下发生了短路的情况下，一边抑制浪涌电压一边切断短路电流。作为一例，短路电流切断部160可以包括晶体管，该晶体管的控制端子与短路信号输出部150连接，主端子中的一端与开关元件20的控制端子22连接，另一端与开关元件20的第二主端子26连接。而且，短路电流切断部160可以在从短路信号输出部150供给了短路信号的情况下，将晶体管导通而使开关元件20的控制端子电压，例如栅极-源极电压Vgs降低，切断短路电流。此时，短路电流切断部160可以通过使开关元件20的控制端子电压平缓地降低，从而使在切断短路电流时施加到开关元件20的浪涌电压降低，防止开关元件20的损坏。应予说明，在本图中，将短路电流切断部160表示为与控制端子驱动部30不同的模块，但短路电流切断部160也可以被构成为控制端子驱动部30的一部分。
图2示出在导通时发生了短路的情况下的各种信号波形的一例。在时刻t21，如果控制信号变为导通信号，则控制端子驱动部30驱动开关元件20的控制端子22。与此相应地，开关元件20的控制端子电压，例如栅极-源极电压Vgs开始上升。
在时刻t22，如果控制端子电压超过栅极阈值电压，则开关元件20导通。与此相应地，开关元件20的主电流开始增加。因此，检测主电流的随时间的变化的传感器110的输出在时刻t22上升。本图示出了在该导通的同时，开关元件20由于某种理由而发生了短路的情况下的各种信号波形的一例。
应予说明，在时刻t22，如果开关元件20导通，则传感器110的输出成为第一阈值Th1以上，但是在该时间点，由于时刻检测部132尚未输出检测信号，所以第一判定部134不会输出第一短路检测信号。
在此，在开关元件20未短路的情况下，即，在正常的导通动作中，通过未图示的对置臂元件的续流二极管(FWD)的反向恢复动作，在开关元件20流通的电流减少，因此，传感器110的输出取负值。然而，在开关元件20因某种理由而发生了短路的情况下，传感器110的输出保持上升后的状态，主电流继续增加。
在时刻t23，在对传感器110的输出进行积分的积分器142的输出即主电流的值成为第三阈值Th3以上的情况下，作为开关元件20在导通时发生了短路，第二判定部144向短路信号输出部150输出第二短路检测信号。与此相应地，短路信号输出部150向短路电流切断部160输出短路信号。
在时刻t24，经过从短路信号输出部150输出短路信号起向切断动作的转移的延迟，短路电流切断部160开始切断短路电流。此时，短路电流切断部160使开关元件20的控制端子电压降低。与此相应地，主电流开始下降。应予说明，此时，传感器110的输出成为第二阈值Th2以下，因此，时刻检测部132向第一判定部134输出检测信号。
在时刻t25，如果控制端子电压成为栅极阈值电压以下，则开关元件20关断。与此相应地，开关元件20的主电流成为0。因此，检测主电流的随时间的变化的传感器110的输出也在该时刻成为0。
如此，本实施方式的短路判定装置100在开关元件20在导通时发生了短路的情况下，检测到开关元件20的短路，并切断短路电流。
图3示出在稳态动作时发生了短路的情况下的各种信号波形的一例。在时刻t31，与时刻t21同样地，如果控制信号变为导通信号，则控制端子驱动部30驱动开关元件20的控制端子22。与此相应地，开关元件20的控制端子电压，例如栅极-源极电压Vgs开始上升。
在时刻t32，与时刻t22同样地，如果控制端子电压超过栅极阈值电压，则开关元件20导通。与此相应地，开关元件20的主电流开始增加。因此，检测主电流的随时间的变化的传感器110的输出在时刻t32上升。在图2中，对在该导通的同时，开关元件20发生了短路的情况进行了说明，但在本图中，设为开关元件20未短路而正常地导通的情况。
应予说明，在时刻t32，如果开关元件20导通，则传感器110的输出成为第一阈值Th1以上，但是在该时间点，由于时刻检测部132尚未输出检测信号，所以第一判定部134不会输出第一短路检测信号。
在时刻t33，通过未图示的对置臂元件的续流二极管(FWD)的反向恢复动作，在开关元件20流通的电流减少，因此传感器110的输出取负值。与此相应地，传感器110的输出成为第二阈值Th2以下，因此，时刻检测部132向第一判定部134输出检测信号。即，时刻检测部132将时刻t33检测为第一时刻。由此，第一判定部134开始短路判定。应予说明，如此，在开关元件20未短路而正常地导通的情况下，在到时刻t33为止的期间，对传感器110的输出进行积分的积分器142的输出即主电流的值不会成为第三阈值Th3以上。
在时刻t34，开关元件20经过伴随着导通的转变期间，开始稳态动作。
假设在时刻t35，由于某种理由，开关元件20发生了短路。如此，主电流急剧地增加。与此相应地，检测主电流的随时间的变化的传感器110的输出上升。而且，在主电流的随时间的变化成为第一阈值Th1以上的情况下，作为开关元件20在稳态动作时发生了短路的判定，第一判定部134向短路信号输出部150输出第一短路检测信号。与此相应地，短路信号输出部150向短路电流切断部160输出短路信号。
在时刻t36，经过从短路信号输出部150输出短路信号起向切断动作的转移的延迟，短路电流切断部160开始切断短路电流。此时，短路电流切断部160使开关元件20的控制端子电压降低。与此相应地，主电流开始下降。
在时刻t37，如果控制端子电压成为导通电压以下，则开关元件20关断。与此相应地，开关元件20的主电流成为0。因此，检测主电流的随时间的变化的传感器110的输出也在该时刻成为0。
如此，本实施方式的短路判定装置100在开关元件20在稳态动作时发生了短路的情况下，检测到开关元件20的短路，并切断短路电流。此时，本实施方式的短路判定装置100在主电流的随时间的变化成为第一阈值Th1以上的情况下，判定为开关元件20发生了短路。由此，根据本实施方式的短路判定装置100，能够在比较早的阶段判定开关元件20在稳态动作时发生了短路的情况。即，假设在想要使用导通动作时短路判定部140也进行稳态动作时的短路判定的情况下，在对传感器110的输出进行积分而得的值即主电流成为第三阈值Th3以上的时刻t35’，判定为开关元件20发生了短路。与此相对，根据本实施方式的短路判定装置100，能够在比时刻t35’早的时刻t35，判定为开关元件20发生了短路。此外，本实施方式的短路判定装置100的第一判定部134在第一时刻之前不进行短路判定，在第一时刻以后进行短路判定。由此，根据本实施方式的短路判定装置，能够防止第一判定部134连正常地导通的情况都误判定为开关元件20发生了短路。而且，本实施方式的短路判定装置100如在图2和图3中说明的那样，通过不同的判定部分别对在导通时发生的短路以及在稳态动作时发生的短路进行判定。由此，根据本实施方式的短路判定装置100，无论是在哪种情况下发生的短路，都能够在比较早的时刻检测到。
图4示出具备本实施方式的变形例的短路判定装置100的开关装置10的框图的一例。在图4中，对具有与图1相同的功能和构成的部件标注相同的符号，并且以下除了不同点以外省略说明。在上述的说明中，将时刻检测部132基于传感器110的输出即主电流的随时间的变化来检测第一时刻的情况作为一例而示出。然而，并不限于此。
在本变形例中，时刻检测部132在不使用传感器110的输出的情况下检测第一时刻。作为一例，时刻检测部132可以获取输入到控制端子驱动部30的控制信号。然后，时刻检测部132将从控制信号变为导通信号起算达到预先设定的期间的时刻作为第一时刻而检测出。更详细而言，时刻检测部132例如可以是计时器等，可以在控制信号变为导通信号的时刻使计时器开始计时，并将达到预先设定的期间的时刻作为第一时刻而检测出。
在此，预先设定的期间例如在开关元件20未短路而正常地导通的情况下，可以设为从控制信号变为导通信号起到续流二极管的反向恢复完成为止的期间。这样的期间例如可以是基于实验和/或模拟而预先设定的期间。
此外，在本变形例中，稳态动作时短路判定部130可以还包括时刻变更部410。
时刻变更部410可以与时刻检测部132连接。作为一例，时刻变更部410可以基于主电流的大小、开关元件20的温度以及开关元件20的特性中的至少任意一种来变更预先设定的期间的长度。而且，时刻变更部410可以将与变更后的期间的长度有关的信息通知到时刻检测部132。由此，时刻检测部132可以基于变更后的期间来检测第一时刻。通常，从控制信号变为导通信号起到续流二极管的恢复完成为止的期间依赖于开关元件20的使用环境和/或特性。因此，通过时刻变更部410基于主电流的大小、开关元件20的温度以及开关元件20的特性中的至少任意一种使期间最佳化，从而本变形例的短路判定装置100能够与开关元件20的使用环境和/或特性相匹配地使第一判定部134开始短路判定的时刻最佳化。
应予说明，检测信号需要在开关元件20正常地关断时为下一次的导通做准备而将向第一判定部134的输出复位。检测信号可以在输出了某一定期间时自动地将输出复位，也可以以因开关元件的关断，传感器110的输出成为负值的时刻为触发而将输出复位。此外，在图4中，也可以利用输入到控制端子驱动部30的控制信号而将检测信号的向第一判定部134的输出复位。
以上，使用实施方式对本发明进行了说明，但是本发明的技术范围并不限于上述实施方式所记载的范围。对本领域技术人员来说可以对上述实施方式进行各种变更或改进是显而易见的。根据权利要求书的记载可知，进行了那样的变更或改进的方式也可以包括在本发明的技术范围内。
应当注意的是，在权利要求书、说明书和附图中所示的装置、系统、程序和方法中的动作、顺序、步骤和阶段等各处理的执行顺序只要未特别明示“在……之前”，“事先”等，此外，不是在之后的处理中使用之前的处理的结果，就可以按任意顺序来实现。即使为方便起见，对权利要求书、说明书和附图中的动作流程使用“首先”、“接下来”等进行了说明，也不表示必须按照该顺序实施。

Claims (9)

1.一种短路判定装置，其特征在于，具备：
传感器，其对具有控制端子、第一主端子以及第二主端子的开关元件中的、在所述第一主端子与所述第二主端子之间流通的主电流的随时间的变化进行检测；以及
短路判定部，其具有第一判定部，所述第一判定部仅在用于驱动所述控制端子的控制信号变为导通信号之后的第一时刻以后，在所述主电流的随时间的变化成为第一阈值以上的情况下，判定为所述开关元件发生了短路，
所述短路判定部具有时刻检测部，所述时刻检测部将所述主电流的随时间的变化与第二阈值进行比较，并在所述主电流的随时间的变化成为所述第二阈值以下的情况下，检测出所述第一时刻。
2.根据权利要求1所述的短路判定装置，其特征在于，
所述第一判定部在所述时刻检测部检测到所述第一时刻的情况下，开始判定所述主电流的随时间的变化是否成为所述第一阈值以上。
3.根据权利要求1或2所述的短路判定装置，其特征在于，
所述短路判定部还具有：
积分器，其对所述主电流的随时间的变化进行积分；以及
第二判定部，其基于所述积分器的输出，对所述开关元件的短路进行判定。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的短路判定装置，其特征在于，
所述短路判定装置还具备短路电流切断部，在判定为所述开关元件发生了短路的情况下，所述短路电流切断部将短路电流切断。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的短路判定装置，其特征在于，
所述传感器为罗戈夫斯基线圈。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的短路判定装置，其特征在于，
所述开关元件为宽带隙半导体元件。
7.根据权利要求6所述的短路判定装置，其特征在于，
所述宽带隙半导体元件包含碳化硅、氮化镓、氧化镓以及金刚石中的至少任意一种。
8.一种开关装置，其特征在于，具备：
权利要求1至7中任一项所述的短路判定装置；以及
所述开关元件。
9.一种短路判定方法，其特征在于，对具有控制端子、第一主端子以及第二主端子的开关元件的短路进行判定，
所述短路判定方法包括：
对在所述第一主端子与所述第二主端子之间流通的主电流的随时间的变化进行检测；
将所述主电流的随时间的变化与第二阈值进行比较，并在所述主电流的随时间的变化成为所述第二阈值以下的情况下，检测出第一时刻；以及
仅在用于驱动所述控制端子的控制信号变为导通信号之后的所述第一时刻以后，在所述主电流的随时间的变化成为第一阈值以上的情况下，判定为所述开关元件发生了短路。
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