CN116868509A - 半导体开关元件的驱动电路 - Google Patents

Abstract

具有检测电路(2)，该检测电路(2)在栅极驱动电路(4)将半导体开关元件(1)断开而切断电流的期间，在半导体开关元件(1)的高压侧主端子的电压大于或等于预先设定的阈值的情况下输出反馈信号(A)以及反馈电流(B)，控制电路(3)基于反馈信号(A)，对半导体开关元件(1)的状态进行诊断，或控制向栅极驱动电路(4)输出的信号，作为栅极驱动电路(4)的输出的栅极电流由反馈电流(B)进行调整。

Description

半导体开关元件的驱动电路

技术领域

本申请涉及半导体开关元件的驱动电路。

背景技术

在构成电力变换装置等的半导体开关装置中，广泛使用了绝缘栅型双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor：以下记为IGBT)或MOS栅极构造的场效应型晶体管(Metal Oxide Semiconductor

Field Effect Transistor：以下记为MOSFET)等半导体开关元件。

伴随着使用了新材料的半导体开关元件的实现，通断损耗与噪声以及浪涌电压等的折衷关系变得重要。另外，由于近年的停机时间缩短的需求，功率模块的预测维护技术以及故障位置诊断技术的开发正有所进展。

例如在专利文献1中，在带电流感测半导体开关的保护电路中，基于IGBT的两端(集电极-发射极间)的电压Vce、集电极电流Ic以及发射极-栅极间电压Vge而检测过电流异常以及开路故障，进行规定的保护动作。

专利文献1：日本特开2017-50804号公报

发明内容

伴随着电源的大容量化，将开关元件多段、多并联地配置的结构增加，需要使各个开关元件的驱动条件最佳化，并且检测哪个元件处于故障或老化状态。在以往的通常的故障诊断方法中存在以下课题，即，独立地检测各个开关元件的集电极电流Ic、集电极-发射极间电压Vce或发射极-栅极间电压Vge，电路结构变得复杂。

另外，在上述专利文献1所公开的半导体开关的保护电路中，将IGBT的电压Vce作为由两端电压检测电路进行了2值化后的输出信号与阈值一起输入至比较器。在如该专利文献1那样对电压Vce进行2值判定的方法中，无法进行开路故障的预测、元件老化时的维护以及并联模块内的局部故障等的诊断。

本申请公开了用于解决上述课题的技术，目的在于提供一种半导体开关元件的驱动电路，其能够通过简易的电路结构进行半导体开关元件的故障以及老化的诊断，并且能够得到适当的通断特性。

本申请所公开的半导体开关元件的驱动电路具有控制电路和栅极驱动电路，该控制电路与输入信号同步地输出针对半导体开关元件的驱动信号，该栅极驱动电路基于驱动信号而驱动半导体开关元件，

其中，具有检测电路，该检测电路在栅极驱动电路将半导体开关元件断开而切断电流的期间，在所述半导体开关元件的高压侧主端子的电压大于或等于预先设定的阈值的情况下，输出反馈信号以及调整电流，控制电路基于反馈信号，对半导体开关元件的状态进行诊断、或控制向栅极驱动电路输出的信号，作为栅极驱动电路的输出的栅极电流由调整电流进行调整。

发明的效果

根据本申请公开的半导体开关元件的驱动电路，检测电路输出基于半导体开关元件的反馈部的电压的反馈信号，控制电路基于反馈信号对半导体开关元件的老化以及故障进行诊断，因此能够通过简易的电路结构检测半导体开关元件的老化以及故障。另外，基于反馈信号而控制朝向栅极驱动电路的信号，通过调整电流对栅极电流进行调整，因此能够得到适当的通断特性。

本申请的除上述之外的目的、特征、观点以及效果根据参照附图的以下的详细说明而变得更加清楚。

附图说明

图1是表示实施方式1的半导体开关元件的驱动电路的结构的框图。

图2是表示实施方式1的半导体开关元件的驱动电路的使用例的图。

图3是表示实施方式1的半导体开关元件的驱动电路中的各部波形的图。

图4是表示实施方式2的半导体开关元件的驱动电路的检测电路的结构例的图。

图5是表示实施方式3的半导体开关元件的驱动电路的检测电路的结构例的图。

图6是表示实施方式4的半导体开关元件的驱动电路的检测电路的结构例的图。

图7是表示实施方式4的半导体开关元件的驱动电路中的各部波形的图。

图8是表示实施方式4的半导体开关元件的温度特性的图。

图9是表示实施方式5的半导体开关元件的驱动波形的图。

图10是表示实施方式6的半导体开关元件的驱动波形的图。

图11是表示实施方式7的半导体开关元件的驱动电路的结构例的图。

图12是表示在实施方式7中将半导体开关元件并联连接的情况下的驱动电路的结构例的图。

图13是表示实施方式8的半导体开关元件的驱动电路的结构例的图。

具体实施方式

实施方式1

以下，基于附图对实施方式1涉及的半导体开关元件的驱动电路进行说明。图1是表示实施方式1的半导体开关元件的驱动电路的结构的框图，图2是表示实施方式1的半导体开关元件的驱动电路的使用例的图，以及图3是表示实施方式1的半导体开关元件的驱动电路中的各部的波形的图。此外，在各图重，对图中相同、相当的部分标注相同的标号。

在以下说明中，对作为半导体开关元件而使用了IGBT的情况进行说明，但半导体开关元件不限定于IGBT，也可以是其它半导体元件，例如MOSFET等。作为电力用半导体开关元件的IGBT 1具有作为流过主电流的一对主端子的发射极(E)和集电极(C)、以及作为控制端子的栅极(G)，由栅极对主端子间的通断进行控制。

如图1所示，检测电路2连接至作为半导体开关元件的IGBT 1的高压侧主端子即集电极，对IGBT 1的反馈部20的电压即集电极-栅极间电压Vcg(以下简称为电压Vcg)进行检测，输出与电压Vcg对应的反馈信号A以及调整电流B。在实施方式1中，反馈信号A被输出至控制电路3，调整电流B被输出至IGBT 1的栅极。

控制电路3被从输入端子10输入作为输入信号的通断信号S1，控制电路3与通断信号S1同步地生成作为针对IGBT 1的驱动信号的接通-断开信号S2。另外，控制电路3基于反馈信号A对接通-断开信号S2的定时(timing)和大小调整，对IGBT 1的栅极电流的大小以及定时进行调整。

控制电路3通过反馈信号A而检测到已输出调整电流B，检测到IGBT 1进行了通断切换动作。此外，控制电路3能够基于反馈信号A而计算调整电流B的大小。

控制电路3包含故障诊断电路31，该故障诊断电路31基于反馈信号A而对IGBT 1的老化以及故障等IGBT 1的状态进行诊断。此外，在此所说的状态的诊断包含老化以及故障的检测、和故障或寿命的预测。控制电路3在故障诊断电路31检测到IGBT 1的故障时，将故障信号(图示省略)输出至外部。此外，在以下说明中，不特别对控制电路3与故障诊断电路31进行区分地作为控制电路3的功能以及动作进行说明。

栅极驱动电路4基于控制电路3的输出即接通-断开信号S2控制IGBT 1的栅极波形，对IGBT 1进行驱动。IGBT 1的发射极成为栅极驱动电路4的基准的电位，栅极电流Ig-1被输出至IGBT 1的栅极。将从检测电路2输出的调整电流B也输入至IGBT 1的栅极，栅极电流Ig-1由调整电流B进行调整，作为栅极电流Ig-2而供给至栅极。

对于控制电路3，使用能够通过外部信号对输出波形进行控制的数字电路(D/A)、或能够通过逻辑电路对输出波形进行调整的CR的时间常数、逻辑IC等。对于栅极驱动电路，使用诸如使用了运算放大器或互补的晶体管的放大电路或PWM电路等电路，通过所述电路、输出电压和栅极电阻对输出电流进行控制的电路，或基于接通-断开信号S2对恒流二极管等进行切换而限制输出电流的电路等。

图2作为实施方式1的半导体开关元件的驱动电路的使用例而示出了将IGBT 1用于开关电源的例子。IGBT 1的发射极连接至负载5，负载5连接至母线电容器6。母线电容器6的两端分别连接至与外部电源(图示省略)连接的输入端子10a、10b。未连接至负载5的输入端子10a连接至IGBT 1的集电极。

此外，配线电感器7是将该路径整体的配线电感汇总地在母线电容器6与IGBT 1的集电极之间图示出的。在IGBT 1的反馈部20即集电极-栅极间连接对电压Vcg进行检测的检测电路2，输出与电压Vcg的大小对应的反馈信号A。

控制电路3被从外部输入通断信号S1，从检测电路2输入反馈信号A。控制电路3基于这些信号而生成接通-断开信号S2，输出至栅极驱动电路4。栅极驱动电路4基于接通-断开信号S2而输出用于对IGBT 1的栅极-发射极间电压(后文中记为电压Vge)进行控制的栅极电流Ig-1。

供给至IGBT 1的栅极的栅极电流Ig-2由来自栅极驱动电路4的栅极电流Ig-1和来自检测电路2的调整电流B进行控制。即，IGBT 1的通断切换动作基本上通过栅极电流Ig-1进行，与通断切换动作的状态对应地利用调整电流B对通断切换动作的速度进行控制。

图3示出了通断信号S1为断开时的各部波形。此外，在此为了比较各部波形，为方便起见使用相同的纵轴，从上方起依次分别示出了下述波形，其中S1是通断信号，Vge是栅极-发射极间电压，Ig-1是栅极驱动电路4输出的栅极电流，Vdc是直流母线电压，Vce是集电极-发射极间电压，Ic是集电极电流，A是反馈信号，B是调整电流，Ig-2是调整后的栅极电流。此外，在图3中，由虚线示出的波形部分表示IGBT 1处于开路故障时的波形。

使用图3，对IGBT 1处于开路故障时的诊断方法进行说明。控制电路3在栅极驱动电路4将IGBT 1断开而切断电流的期间，检测有无反馈信号A，在未检测到反馈信号A的情况下诊断为IGBT 1发生开路故障。另外，控制电路3在检测到IGBT 1的故障时，将栅极驱动电路4的输出保持为断开状态。

通常，检测电路2的阈值设定为特定的保护电压，例如稳定负载电流通断时的电压Vce的上限等，但在此针对为了使得电路动作变得简单而将直流母线电压Vdc(以下，电压Vdc)设定为阈值的情况进行说明。即，检测电路2在电压Vce超过电压Vdc时输出反馈信号A以及调整电流B。此外，检测电路2所检测的电压如图1、图2所示是集电极-栅极间电压Vcg，但与IGBT 1断开时的集电极-发射极间电压Vce的值相比较，栅极电压Vge的值小到能够忽略。因此，如果IGBT 1开始断开，则检测电路2所检测的电压Vcg与对电压Vce进行检测是等效的。

在正常时的波形中，如果在米勒期间中电压Vce达到电压Vdc，则开始切断IGBT 1的集电极电流Ic。由于此时的电流变化率dIc/dt而在配线电感器7的两端产生感应电压，因此电压Vce上升。检测电路2检测到电压Vce超过了电压Vdc，将调整电流B输出至栅极。如图3所示，调整电流B为正电流、即将电荷送入至栅极的电流，在断开时从栅极驱动电路4输出的栅极电流Ig-1为负电流、即从栅极引出电荷的电流。由此，以使得调整后的栅极电流Ig-2的绝对值变得比从栅极驱动电路输出的栅极电流Ig-1小的方式得到控制，将电压变化率dVce/dt抑制得小。由此，通过抑制由配线的杂散电感导致的浪涌电压，从而能够抑制在Vce产生的浪涌电压。

控制电路3根据来自检测电路2的反馈信号A而检测到已输出调整电流B，检测到IGBT 1正常地进行了通断。由此，在通常断开时通断速度由电压Vce进行控制，以使通断损耗最小的方式由调整电流B对电流变化率dIc/dt进行控制。

为了避免误检测，在续流时等电流流过与IGBT 1并联连接的续流二极管(图示省略)时，另外对电流进行测定、检测。此时，在断开动作的定时(timing)Ic的方向或大小不会大幅变化，因此即使在正常时，在断开的定时也不输出反馈信号A。断开时的电流方向能够通过下述等方法进行检测：通过电压Vce进行检测，对感测单元的电流进行检测，或对二极管的电流进行检测。通过这些方法能够避免故障时的误检测，在此省略说明。

接下来，对故障时的动作进行说明。控制电路3能够通过断开动作时有无反馈信号A对虽然被输入了栅极信号但没有进行通断切换动作的状态进行检测。在IGBT 1处于开路故障的情况下，没有流动集电极电流Ic，电压Vce保持电压Vdc的大小。因此，检测电路2不会检测到电压Vce超过了电压Vdc，不输出调整电流B。由此，控制电路3在输出断开信号并在由IGBT 1切断电流的期间未检测到反馈信号A的情况下，诊断为IGBT 1发生了开路故障。

此外，在图3中，以开路故障为例进行了说明，但控制电路3能够基于反馈信号A而检测IGBT 1的通断动态特性的变化，或推定流过IGBT 1的电流的大小以及变化率中的任意一者或两者，因此能够对开路故障之外的故障或老化进行诊断。例如基于反馈信号A而推定IGBT 1的通断相对于接通-断开信号S2的输出的延迟时间，在该延迟时间长于设定值的情况下，诊断为IGBT 1、或铝线或焊料等将它们连接的机构已老化。例如在由于配线的老化，铝线的一部分已断线的情况下，配线电感器7变大、反馈信号A产生变化，因此能够对该变化进行检测而检测到构成IGBT 1的芯片或上述配线的老化。

如上所述，根据实施方式1的半导体开关元件的驱动电路，即使不直接监视IGBT 1的集电极电流Ic、电压Vce等，也能够根据有无由检测电路2输出的反馈信号A来检测IGBT 1的开路故障，能够通过简易的电路结构来检测IGBT 1的故障。另外，具有通过由检测电路2输出的调整电流B对栅极电流Ig-1进行调整的功能，因此能够改善通断动作的折衷关系，适当地保持IGBT 1的通断特性，取得能够进行老化时的维护的效果。

实施方式2

图4表示实施方式2涉及的半导体开关元件的驱动电路中的检测电路的结构例。实施方式2的检测电路2在电容器21和二极管22的串联电路连接有作为电流检测器的电阻8。

另外，检测电路2具有作为电压检测器的齐纳二极管或变阻器23，电压检测器23与电容器21并联连接。检测电路2的电容器21的电压由电压检测器23保持为电压Vdc。如果电容器21的电压超过电压Vdc则供给调整电流B，由调整电流B控制断开时的栅极电流。控制电路3通过来自检测电路2的反馈信号A而检测到已输出了调整电流B，检测到IGBT 1正常地进行了通断。

此外，电容器21的电压的检测电平不限定于电压Vdc，只要小于或等于母线电容器6或IGBT 1能够允许的电压即可。电阻8是用于在输出了调整电流B的情况下，在电阻8的两端产生电压，将该电压信号作为反馈信号A输出至控制电路3的电流检测器的一个例子，可以由多个电阻构成。另外，也可以不使用电阻8，而是通过二极管22的电极间电压Vak对有无检测电路2的调整电流B进行检测，输出反馈信号A。

二极管22对电容器21的电压进行控制，在二极管22断开时电容器21被充电而达到电压Vdc。另外，在二极管22接通时，防止了电容器21放电，或防止了栅极电流Ig对电容器21充电而在IGBT 1的驱动中产生阻碍。

在实施方式2的电路结构中，如果在断开切换动作时IGBT 1的反馈部的电压Vcg超过电压Vdc，则二极管22接通，经由电阻8而向IGBT 1的栅极供给调整电流B。另外，控制电路3将由调整电流B的供给而导致的电阻8处的电压降检测为反馈信号A，能够识别出正常地进行了通断。由此，控制电路3通过发射极基准的电路对电压Vce的变化进行检测，检测是否进行了通断，能够对IGBT 1的故障进行诊断。

实施方式3

图5表示实施方式3涉及的半导体开关元件的驱动电路中的检测电路的结构例。在实施方式3中，说明对形成了P侧、N侧的1个桥臂的IGBT 1a、1b进行驱动的电路。信号源11输出被绝缘的通断信号S1-1、S1-2，分别将通断信号S1-1输入至P侧的控制电路3a、将通断信号S1-2输入至N侧的控制电路3b。

连接在IGBT 1a的集电极与栅极之间的检测电路2a在电容器21a和二极管22a的串联电路连接有作为对调整电流B-1进行检测的电流检测器的电阻8a。另外，在P侧的栅极驱动电路4a与IGBT 1a的栅极之间连接有栅极电阻12a。即，栅极驱动电路4a经由栅极电阻12a连接至IGBT 1a的栅极和检测电路2a的输出侧。

同样地，连接在IGBT 1b的集电极与栅极之间的检测电路2b在电容器21b和二极管22b的串联电路连接有对调整电流B-2进行检测的电阻8b。另外，在N侧的栅极驱动电路4b与IGBT 1b的栅极之间连接有栅极电阻12b。即，栅极驱动电路4b经由栅极电阻12b而连接至IGBT 1b的栅极和检测电路2b的输出侧。

另外，在P侧的检测电路2a的电容器21a与二极管22a之间连接有作为充电电阻器的充电电阻9a，充电电阻9a连接至N侧母线13b。同样地，在N侧的检测电路2b的电容器21b与二极管22b之间连接有充电电阻9b，充电电阻9b连接至P侧母线13a。

即，检测电路2a、2b的电容器21a、21b分别经由充电电阻9a、9b与母线电容器6并联连接。由此，检测电路2a、2b的电容器21a、21b经由充电电阻9a、9b而连接至未与对应的IGBT1a、1b连接的直流母线的配线，由此电容器21a的两端电压保持为母线电压，电容器21b的电压保持为母线电压与栅极驱动电路4b的负的控制电源的电位差。在此，负的控制电源是指，在栅极驱动电路4b的电源中，栅极驱动电路4b在使IGBT 1b断开时为了从栅极引出电荷而需要负电压的电源，将该负电压的电源称为负的控制电源。在栅极驱动电路4a的电源中，也为了从IGBT 1a的栅极引出电荷而具有负的控制电源。

P侧的控制电路3a基于从信号源11输入来的通断信号S1-1和检测电路2a的输出即反馈信号A-1，向P侧的栅极驱动电路4a输出接通-断开信号S2-1。同样地，N侧的控制电路3b基于从信号源11输入来的通断信号S1-2和检测电路2b的输出即反馈信号A-2，向N侧的栅极驱动电路4b输出接通-断开信号S2-2。

根据实施方式3的电路结构，检测电路2a、2b的电容器21a、21b与通断的频率或占空比无关地保持在电压Vdc，因此能够防止由于电容器21a、21b的充电电流导致的误检测。由此，能够避免在控制电路3a、3b中变得无法进行故障诊断，或通断过度地延迟产生大的损耗。

另外，通过将作为电流检测器的电阻8a、8b分别连接至IGBT 1a、1b的栅极，从而控制电路3a、3b能够以IGBT 1a、1b的发射极基准而直接检测反馈信号A-1、A-2，能够通过简易的电路结构实现高速的控制响应。另外，在P侧以及N侧都能够将电容器21a、21b的电压保持在电压Vdc，能够将检测电平保持为恒定值。

实施方式4

图6表示实施方式4涉及的半导体开关元件的驱动电路中的检测电路的结构例。实施方式4涉及的半导体开关元件的驱动电路具有作为并联连接的多个半导体开关元件的IGBT 1a、1b，和输出与各个IGBT 1a、1b对应的反馈信号A-1、A-2以及调整电流B-1、B-2的多个检测电路2a、2b。

控制电路3在如图6所示的并联模块中具有下述功能，即，基于与各个IGBT 1a、1b对应的反馈信号A-1、A-2对与各个IGBT 1a、1b对应的接通-断开信号S2-1、S2-2进行调整，调整各个IGBT 1a、1b的栅极电流的大小以及定时中的任意一者或两者。在实施方式4中对该功能进行说明。

连接在IGBT 1a的集电极与栅极之间的检测电路2a在电容器21a和二极管22a的串联电路连接有对调整电流B-1进行检测的电阻8a。另外，在栅极驱动电路4a与IGBT 1a的栅极之间连接有栅极电阻12a。即，栅极驱动电路4a经由栅极电阻12a连接至IGBT 1a的栅极和检测电路2a的输出侧。

同样地，连接在IGBT 1b的集电极与栅极之间的检测电路2b在电容器21b和二极管22b的串联电路连接有对调整电流B-2进行检测的电阻8b。另外，在栅极驱动电路4b与IGBT1b的栅极之间连接有栅极电阻12b。即，栅极驱动电路4b经由栅极电阻12b连接至IGBT 1b的栅极和检测电路2b的输出侧。

向控制电路3输入通断信号S1和检测电路2a、2b的输出即反馈信号A-1、A-2。控制电路3基于反馈信号A-1而调整针对IGBT 1a的接通-断开信号S2-1，向栅极驱动电路4a输出。栅极驱动电路4a通过基于接通-断开信号S2-1的波形对IGBT 1a的栅极电流进行控制而控制栅极电压Vge-1。

同样地，控制电路3基于反馈信号A-2而调整针对IGBT 1b的接通-断开信号S2-2，向栅极驱动电路4b输出。栅极驱动电路4b通过基于接通-断开信号S2-2的波形对IGBT 1b的栅极电流进行控制而控制栅极电压Vge-2。

另外，在IGBT 1a的集电极与输入端子10a之间存在配线电感器7、7a，在IGBT 1b的集电极与输入端子10a之间存在配线电感器7、7b。对于配线电感器7a、7b，设想的是IGBT1a、1b的元件内的配线。此外，在各个发射极与输入端子10b之间也存在配线电感器，但省略图示。

在如实施方式4涉及的半导体开关元件的驱动电路这样并联连接有多个IGBT 1a、1b的情况下，由于控制电路3的特性差异、或栅极驱动电路4a、4b的特性差异或老化等，有时在接通-断开信号S2-1、S2-2产生时间差，IGBT 1a、1b并未同时切换。

使用图7对上述情况下的各部的波形进行说明。在图7所示的例子中，如果输入了断开信号作为通断信号S1(图中的t0)，则输出对IGBT 1a的断开指令即断开信号S2-1(图中的t1)，延迟输出对IGBT 1b的断开信号S2-2(图中的t2)。其结果，IGBT 1a的栅极电压Vge-1先断开，IGBT 1b的栅极电压Vge-2延迟地断开。

因此，由于配线电感器7、7a，原本流过IGBT 1a的集电极电流Ic-1的一部分转流至IGBT 1b，IGBT 1b切断的集电极电流Ic-2变得大于集电极电流Ic-1。由此，在IGBT 1a的电压Vce-1产生的浪涌电压与在IGBT 1b的电压Vce-2产生的浪涌电压的大小和定时产生差异。

其结果，向控制电路3在不同的定时输入不同大小的反馈信号A-1、A-2。由此，控制电路3检测到在接通-断开信号S2-1、S2-2产生了时间差，基于反馈信号A-1、A-2而调整接通-断开信号S2-1、S2-2，使得由2个IGBT 1a、1b切断的集电极电流Ic-1、Ic-2变得相等。

另外，控制电路3也能够基于与各个IGBT 1a、1b对应的反馈信号A-1、A-2而推定各个IGBT 1a、1b的温度，调整各个IGBT 1a、1b的栅极电压的大小以及定时中的任意一者或两者。控制电路3不测量元件温度，而是通过反馈信号A-1、A-2的差异来检测IGBT 1a、1b的温度差异。

图8示出了由于IGBT的温度的不同导致的传递特性的差异。在图8中，分别是横轴表示栅极电压Vge，纵轴表示集电极电流Ic，由实线示出的曲线TH表示温度高的IGBT的传递特性，由虚线示出的曲线TL表示温度低的IGBT的传递特性。IGBT具有以下特性，即，例如在集电极电流Ic如图8的RC那样为小电流的区域中，即使栅极电压相同，温度高的元件也比温度低的元件流过更大的电流。

检测电路2a、2b输出与IGBT 1a、1b的集电极电流的大小对应的反馈信号A-1、A-2。控制电路3基于反馈信号A-1、A-2的差异，以降低温度高的元件中的损耗的方式调整接通-断开信号S2-1、S2-2。另外，在大的集电极电流Ic(例如图8的RC2)的通断时，由于传递特性的差异，变为温度低的元件比温度高的元件更容易流过电流的特性。在该情况下，从元件温度的均衡化的方面来说不对栅极信号进行控制，但为了抑制Vce的过电压等异常电压，需要以使得元件分流变得相等的方式进行控制。在该情况下，控制电路3以降低温度低的元件的通断电流的方式调整接通-断开信号S2-1、S2-2。

此外，2个IGBT 1a、1b的温度差异的原因除了在图7中说明过的接通-断开信号S2-1、S2-2的延迟时间的差异、或配线电感器7a、7b的差异之外，有时是由IGBT 1a、1b的安装状态的差异导致的散热状况的差异。因此，通过积极地控制接通-断开信号S2-1、S2-2，对每个IGBT进行负载调整，从而能实现并联模块内的多个IGBT 1a、1b的温度的均衡化。

此外，作为对通断的定时进行调整的方法，除了接通-断开信号S2-1、S2-2的定时调整(例如使接通-断开信号S2-1延迟、使接通-断开信号S2-2提早)、栅极振幅调整(例如降低接通-断开信号S2-1的振幅、提高接通-断开信号S2-2的振幅)之外，还有栅极波形的切换、接通-断开信号S2-1、S2-2的上升电压变化率(dVge/dt)的控制、栅极电阻值的切换等方法。

根据实施方式4的半导体开关元件的驱动电路，在包含并联连接的多个IGBT 1a、1b的电路中，通过基于各个反馈信号A-1、A-2对接通-断开信号S2-1、S2-2进行调整而调整各个IGBT 1a、1b的栅极电流的大小以及(或)定时，由此能够实现IGBT 1a、1b切断的电流的均等化，使由IGBT 1a、1b产生的损耗均等，或抑制通断噪声或浪涌电压的峰值。

另外，通过基于反馈信号A-1、A-2而推定多个IGBT 1a、1b的温度，对各个IGBT 1a、1b的栅极电流的大小以及(或)定时进行调整，由此能够使在IGBT 1a、1b产生的损耗均等或将温度均衡化。

实施方式5

在实施方式5中，对在并联连接有多个IGBT的电路中，IGBT发生了部分老化或部分故障的情况下的诊断方法进行说明。此外，实施方式5的半导体开关元件的驱动电路的结构与上述的实施方式4相同，因此沿用图6，省略各结构要素的说明。

控制电路3在并联模块中对与各个IGBT 1a、1b对应的反馈信号A-1、A-2的大小的波动进行检测，基于各个反馈信号A-1、A-2对多个IGBT 1a、1b之中的哪个IGBT发生了老化或故障进行诊断。此外，控制电路3在检测到反馈信号A-1、A-2的大小的波动时，也可以将异常信号(图示省略)输出至外部。

例如，在一个IGBT 1a发生了老化的情况下，与另一个IGBT 1b之间产生静态特性的差异，或由于IGBT 1a内的导线键合部的一部分缺损或切断、或焊料蠕变等而导致配线电感器7a、7b的阻抗产生差异。由此，集电极电流Ic的变化率dIc/dt产生差异，或栅极电流Ig的大小或变化率dIg/dt产生差异而在通断时间中产生差异。老化后的IGBT 1a的集电极电流Ic减小，在2个IGBT 1a、1b之间的集电极电流Ic的分流产生差异。

使用图9对在并联连接有2个IGBT 1a、1b的图6所示的电路中，IGBT 1a发生了老化的情况下的驱动波形进行说明。在图9所示的例子中，设想的是2个IGBT 1a、1b在初始状态下元件温度没有差异，并且配线电感器7a、7b的阻抗没有差异。如果IGBT 1a相对于该初始状态产生老化，则IGBT 1a的集电极电流Ic-1减小，电压Vce-1变得小于电压Vce-2。

其结果，IGBT 1b的电压Vce-2的检测值即反馈信号A-2超过检测电平(图中由D表示)，与此相对，电压Vce-1的检测值即反馈信号A-1未达到检测电平。因而，与IGBT 1b对应的检测电路2b输出反馈信号A-2，但与IGBT 1a对应的检测电路2a不输出反馈信号A-1。控制电路3仅被从检测电路2b输入了反馈信号A-2，因此控制电路3诊断为IGBT 1a发生了老化，对通断定时、电压Vge的振幅等进行调整而实现分流的改善。

根据实施方式5，在并联连接有多个IGBT 1a、1b的电路中，即使不独立地检测各个IGBT 1a、1b的集电极电流Ic、电压Vce等，也能够通过简易的电路结构确定哪个IGBT 1a、1b发生了故障或老化。另外，能够改善多个IGBT 1a、1b之间的分流的差异而将损耗均等化，或抑制断开时的电压Vce的峰值，能够高效地使用IGBT 1a、1b。

实施方式6

在实施方式6中，对在并联连接有多个IGBT的电路中某IGBT发生了开路故障的情况下的诊断方法进行说明。此外，实施方式6的半导体开关元件的驱动电路的结构与上述的实施方式4相同，因此沿用图6，省略各结构要素的说明。

图10示出了实施方式6的半导体开关元件的驱动波形。在图10所示的例子中，在将反馈信号A的检测电平(图中由D表示)设为电压Vdc，即使对通断定时等进行调整也仅检测到IGBT 1a的反馈信号A-1的情况下，控制电路3诊断为IGBT 1b发生了开路故障。

另外，通常在未检测到过电流的小电流电平的通断切换动作中，在仅检测到IGBT1a的反馈信号A-1的情况下，将接通-断开信号S2-2调整至最大范围。在即使如此也未检测到反馈信号A-2的情况下，控制电路3诊断为IGBT 1b发生了故障。

另外，即使是在分流正常的情况下不会被检测到的大小的集电极电流Ic，有时由于例如IGBT 1b的故障，电流也会在IGBT 1a集中，由此反馈信号A-1达到检测电平而被检测到。由此，控制电路3检测到IGBT 1b发生故障或老化而达到寿命。

根据实施方式6，在如IGBT 1a、1b那样并联连接有多个IGBT的电路中，无需像以往通常的方法那样单独地检测IGBT 1a、1b的集电极电流Ic-1、Ic-2，能够基于反馈信号A-1、A-2的有无或大小的波动，对哪个IGBT发生故障或达到寿命进行检测。虽然以上对2元件并联的情况进行了说明，但在由大于或等于3个元件并联连接而构成的情况下，也能够根据元件间的并联数或分流波动而检测到仅有特定的元件是检测不到的，对故障、或元件或配线是否发生了老化进行检测。

实施方式7

图11表示实施方式7的半导体开关元件的驱动电路的结构例。在实施方式7中，栅极驱动电路4被从检测电路2输入调整电流B，栅极驱动电路4基于调整电流B以及接通-断开信号S2而调整IGBT 1的栅极电流的大小以及定时中的任意一者或两者。

另外，检测电路2的二极管22连接至电容器21和栅极驱动电路4的负的控制电源(以下记为负电源41)。在栅极驱动电路4中，在将IGBT 1断开时，为了从栅极引出电荷而需要负电压的电源，将该电源称为负电源41。检测电路2检测二极管22的阳极-阴极间电压Vak(以下记为电压Vak)，将其作为反馈信号A输出，并且输出电流方向的信息。在上述的实施方式中，检测电路2构成为，为了检测IGBT 1的高压主端子即集电极与栅极间的电压Vcg而连接至集电极与栅极之间，将调整电流B直接施加至栅极驱动电路4的输出。在本实施方式7中，检测电路2的调整电流B的输出仅连5接至栅极驱动电路4的负电源41，由该负电源41消耗调整电流B，不是将调整电流B直接施加至栅极驱动电路4的输出的结构。根据该结构，检测电路2成为检测IGBT 1的高压主端子即集电极与发射极间的电压Vce的结构。由此，检测电路2不限于对Vcg进行检测的结构，也可以是对Vce进行检测的结构。即，检测电路2只要是对IGBT 1的集电极即半导体开关元件的高压主端子的电压即Vcg(高压主端子与栅极间的电压)进行检测的结构(实施方式1-6)、或对Vce(主端子间的电压)进行检测的结构(实施方式7)即可。

控制电路3根据反馈信号A，检测是否在通断时通过二极管22供给了电流、即是否输出了调整电流B。控制电路3基于电流方向的信息和反馈信号A检测到IGBT 1经进行了通断，调整向IGBT 1供给的栅极电流Ig。

图12示出了在实施方式7中并联连接有IGBT的情况下的驱动电路的结构例。各个检测电路2a、2b分别连接至IGBT 1a、1b的集电极和栅极驱动电路4a、4b的负电源41。

根据这样的结构，如果由于在通断时产生的配线电感器7a、7b的感应电压而将大于或等于电容器21a、21b的电压的电压施加至IGBT 1a、1b的反馈部，则流动调整电流B-1、B-2。由此，即使在IGBT 1a、1b并联的情况下，也能够以负电源41为基准而检测反馈信号A-1、A-2。控制电路3检测反馈信号A-1、A-2的大小以及定时的差异，调整各自的栅极电流Ig。

在图12示出的电路结构中，对IGBT 1a发生了开路故障的情况下的控制电路3的动作进行说明。在正常时，控制电路3检测反馈信号A-1、A-2各自而调整栅极电流Ig。在IGBT1a产生了开路故障的情况下，在控制电路3将断开信号输出至栅极驱动电路4a之后，二极管22a接通，检测不到调整电流B-1，不输出反馈信号A-1。另一方面，由于检测到调整电流B-2、输出反馈信号A-2，因此控制电路3识别出集电极电流Ic-2的方向是正方向。

控制电路3基于这2个信息诊断为IGBT 1a发生了故障。这样的故障诊断对相同的状态多次重复这一状况进行检测，从而能够防止由于IGBT 1a、1b之间的分流差异等导致的误检测，能够进行准确的诊断。另外，在此对包含2个IGBT 1a、1b的电路进行了说明，但为了检测电流方向而基于多个IGBT的反馈信号A对电流方向以及大小进行检测，由此能够提高检测精度。

根据实施方式7，即使不使调整电流B流过各个IGBT 1a、1b的栅极，控制电路3也能够以负电源41为基准而检测到调整电流B的流过。另外，根据调整电流B的大小而调整接通-断开信号S2-1、S2-2，对栅极电流Ig进行调整，由此能够改善通断动作。

实施方式8

图13示出了实施方式8的半导体开关元件的驱动电路的结构例。在实施方式8中，检测电路2与栅极驱动电路4的输入侧连接，输入至栅极驱动电路4的接通-断开信号S2由调整电流B进行调整。即，栅极驱动电路4通过基于调整电流B而调整过的接通-断开信号S2对栅极电流Ig进行控制。

根据这样的结构，通过由调整电流B调整过的接通-断开信号S2对栅极电流Ig进行调整，由此调整电流B由栅极驱动电路4放大。由此，能够以小的调整电流B控制大容量的IGBT 1，能够使检测电路2的电容器21以及二极管22的容量小于其它实施方式。根据实施方式8，能够通过容量比其它实施方式小的半导体开关元件的驱动电路而改善IGBT 1的通断。

在上文中对开关元件为1个的情况进行了说明，但图13的结构也能够应用于如图6所示并联连接有多个元件的情况。在该情况下，各自的调整电流B分别流入至各自的栅极驱动电路5的输入即接通-断开信号S2而进行调整，由栅极驱动电路4放大而对栅极电流Ig进行控制。因而，能够设为通过各自的小的调整电流B而抑制由于各自的配线7导致的Vce的异常电压的结构。

本发明虽然记载有各种示例性的实施方式以及实施例，但在1个或多个实施方式中记载的各种特征、方式以及功能不限于特定的实施方式的应用，能够单独地或以各种组合而应用于实施方式。

因而，在本申请说明书所公开的技术的范围内能设想到未例示的无数的变形例。例如，包含将至少1个结构要素变形的情况、追加的情况或省略的情况，以及提取出至少1个结构要素并与其它实施方式的结构要素相组合的情况。

标号的说明

1、1a、1b IGBT，2、2a、2b检测电路，3、3a、3b控制电路，4、4a、4b栅极驱动电路，5负载，6母线电容器，7、7a、7b配线电感器，8、8a、8b电阻，9a、9b充电电阻，10、10a、10b输入端子，11信号源，12a、12b栅极电阻，13a P侧母线，13b N侧母线，20反馈部，21、21a、21b电容器，22、22a、22b二极管，31故障诊断电路，41负电源

Claims (16)

1.一种半导体开关元件的驱动电路，其具有控制电路和栅极驱动电路，该控制电路与输入信号同步地输出针对半导体开关元件的驱动信号，该栅极驱动电路基于所述驱动信号而驱动所述半导体开关元件，

该半导体开关元件的驱动电路的特征在于，

具有检测电路，该检测电路在所述栅极驱动电路将所述半导体开关元件断开而切断电流的期间，在所述半导体开关元件的高压侧主端子的电压大于或等于预先设定的阈值的情况下，输出反馈信号以及调整电流，

所述控制电路基于所述反馈信号，对所述半导体开关元件的状态进行诊断、或控制向所述栅极驱动电路输出的信号，

作为所述栅极驱动电路的输出的栅极电流由所述调整电流进行调整。

2.根据权利要求1所述的半导体开关元件的驱动电路，其特征在于，

所述控制电路在所述栅极驱动电路将所述半导体开关元件断开而切断电流的期间，在未检测到所述反馈信号的情况下，诊断为所述半导体开关元件发生了开路故障。

3.根据权利要求1或2所述的半导体开关元件的驱动电路，其特征在于，

所述控制电路基于所述反馈信号而推定流过所述半导体开关元件的电流的大小以及变化率中的任意一者或两者，对所述半导体开关元件的老化以及故障进行诊断。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的半导体开关元件的驱动电路，其特征在于，

所述控制电路基于所述反馈信号而推定所述半导体开关元件的通断相对于所述驱动信号的延迟时间，对所述半导体开关元件的老化以及故障进行诊断。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的半导体开关元件的驱动电路，其特征在于，

所述控制电路在检测到所述半导体开关元件的故障时，将所述栅极驱动电路的输出保持为断开。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的半导体开关元件的驱动电路，其特征在于，

所述检测电路由电容器和二极管的串联电路构成。

7.根据权利要求6所述的半导体开关元件的驱动电路，其特征在于，

与所述电容器并联连接有齐纳二极管或变阻器。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的半导体开关元件的驱动电路，其特征在于，

所述栅极驱动电路经由栅极电阻而连接至所述半导体开关元件的栅极和所述检测电路的所述调整电流的输出侧。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的半导体开关元件的驱动电路，其特征在于，

所述检测电路的所述调整电流的输出连接至所述栅极驱动电路的负的控制电源，

所述栅极驱动电路基于所述驱动信号以及所述调整电流而调整所述半导体开关元件的栅极电流的大小以及定时中的任意一者或两者。

10.根据权利要求1至8中任一项所述的半导体开关元件的驱动电路，其特征在于，

所述检测电路的所述调整电流的输出被输入至所述栅极驱动电路，输入至所述栅极驱动电路的所述驱动信号由所述调整电流进行调整。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的半导体开关元件的驱动电路，其特征在于，具有：

并联连接的多个所述半导体开关元件；以及

多个所述检测电路，其输出与各个所述半导体开关元件对应的反馈信号以及调整电流。

12.根据权利要求11所述的半导体开关元件的驱动电路，其特征在于，

所述控制电路基于与各个所述半导体开关元件对应的所述反馈信号而调整各个所述半导体开关元件的栅极电流的大小以及定时中的任意一者或两者。

13.根据权利要求11或12所述的半导体开关元件的驱动电路，其特征在于，

所述控制电路基于与各个所述半导体开关元件对应的所述反馈信号而推定各个所述半导体开关元件的温度，对各个所述半导体开关元件的栅极电流的大小以及定时中的任意一者或两者进行调整。

14.根据权利要求11至13中任一项所述的半导体开关元件的驱动电路，其特征在于，

所述控制电路检测与各个所述半导体开关元件对应的所述反馈信号的大小的波动，基于各个所述反馈信号对多个所述半导体开关元件之中的哪个半导体开关元件发生了老化或故障进行诊断。

15.根据权利要求11所述的半导体开关元件的驱动电路，其特征在于，

具有与各个所述半导体开关元件对应的多个所述栅极驱动电路，

各个所述栅极驱动电路被输入对应的所述半导体开关元件的所述驱动信号以及所述调整电流，基于所述驱动信号以及所述调整电流而调整各个所述半导体开关元件的栅极电流的大小以及定时中的任意一者或两者。

16.根据权利要求1至7中任一项所述的半导体开关元件的驱动电路，其特征在于，

在直流母线之间串联连接有2个所述半导体开关元件，该半导体开关元件的驱动电路具有输出与各个所述半导体开关元件对应的反馈信号以及调整电流的所述检测电路，

各个所述检测电路包含电容器、二极管和电流检测器，

各个所述电容器的一个端子连接至与检测电路对应的半导体开关元件所连接的所述直流母线，另一个端子经由充电电阻器而连接至没有连接与该检测电路对应的半导体开关元件的所述直流母线而进行充电。