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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf einen Steuerkreis zum Ansteuern eines Leistungshalbleiterbauelements
und zum Erfassen des Auftretens einer Unregelmäßigkeit im Leistungshalbleiterbauelement.
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Beschreibung des verwandten
Stands der Technik
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24 ist
ein Blockschema, das den Aufbau eines Steuerkreises aus dem Stand
der Technik zum Ansteuern eines Leistungshalbleiterbauelements zeigt.
In der Figur bezeichnet die Bezugszahl 1 einen IGBT (Isolierschichtbipolartransistor),
der ein Leistungshalbleiterbauelement ist, Bezugszahl 2 bezeichnet
eine Steuerlogik, um einen Gatebefehl an einen Puffer 3 zu
verschicken, um den IGBT 1 dazu zu veranlassen, einen Übergang
zu einem geschlossenen Zustand zu vollziehen, wenn er einen Einschaltbefehl
von außerhalb
des Steuerkreises erhält,
und um einen Gatebefehl an den Puffer 3 zu verschicken,
um den IGBT 1 dazu zu veranlassen, einen Übergang
zu einem offenen Zustand zu vollziehen, wenn er einen Ausschaltbefehl
von außerhalb des
Steuerkreises erhält,
Bezugszahl 3 bezeichnet den Puffer 3 zum Ansteuern
des IGBTS 1 entsprechend des Gatebefehls, der von der Steuerlogik 2 an
diesen geschickt wurde, Bezugszahl 4a bezeichnet einen
Gatedurchlasswiderstand, Bezugszahl 4b bezeichnet einen
Gatesperrwiderstand, Bezugszahl 5 bezeichnet eine Diode,
von der eine Kathode mit einem Kollektor des IGBTs 1 und
eine Anode mit einem Kollektorspannungsdetektor 6 verbunden
ist, und Bezugszahl 6 bezeichnet den Kollektorspannungsdetektor
zum Abgeben eines Unregelmäßigkeitssignals
an die Steuerlogik 2, wenn die Anode der Diode 5 eine
Spannung aufweist, die höher
ist als eine Bezugsspannung.
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Als Nächstes erfolgt eine Beschreibung
hinsichtlich einer Funktionsweise des Steuerkreises aus dem Stand
der Technik zum Ansteuern eines Leistungshalbleiterbauelements.
Beim Erhalt eines Einschaltbefehls von außerhalb des Steuerkreises verschickt
die Steuerlogik 2 an den Puffer 3 einen Gatebefehl,
um den IGBT 1 dazu zu veranlassen, einen Übergang
zu einem geschlossenen Zustand (ab hier als „Einschalten" bezeichnet)
zu vollziehen. Beim Empfang des Gatebefehls von der Steuerlogik 2,
um den IGBT 1 dazu zu veranlassen, einzuschalten, verstärkt der
Puffer 3 den Gatebefehl und schickt den verstärkten Gatebefehl
mittels des Gatedurchlasswiderstands 4a an das Gate des
IGBTs 1. Im Ergebnis wird der IGBT 1 eingeschaltet.
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Beim Empfang eines Ausschaltbefehls
von außerhalb
des Steuerkreises schickt die Steuerlogik 2 einen Gatebefehl
zum Puffer 3, um den IGBT 1 dazu zu veranlassen,
einen Übergang
zu einem geöffneten
Zustand zu vollziehen (ab hier als „Ausschalten" bezeichnet).
Beim Empfang des Gatebefehls aus der Steuerlogik 2, um
den IGBT 1 dazu zu veranlassen, auszuschalten, verstärkt der
Puffer 3 den Gatebefehl und schickt den verstärkten Gatebefehl
mittels des Gatesperrwiderstands 4b an das Gate des IGBTs 1.
Im Ergebnis wird der IGBT 1 ausgeschaltet.
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Wenn der IGBT 1 einschaltet,
sinkt die Spannung des Kollektors des IGBTs 1 und die Diode 5 schaltet ein.
Im Ergebnis weist die Anode der Diode 5 eine Spannung auf,
die gleich der Summe der Durchlassspannung des IGBTs 1 und
der Durchlassspannung der Diode 5 im Hinblick auf die Spannung
des Emitters des IGBTs 1 ist. Steigt dann ein im IGBT 1 fließender Kollektorstrom
an, steigt auch die Kollektorspannung des IGBTs 1, und
die Anodenspannung der Diode 5 steigt mit der zunehmenden
Kollektorspannung des IGBTs 1. Deshalb ist es durch die Überwa chung
der Anodenspannung der Diode 5 innerhalb einer Zeitdauer,
während der
der IGBT 1 eingeschaltet ist, möglich, einen Kurzschluss zu
erfassen, der auftreten kann, wenn im IGBT 1, beispielsweise
weil die Anodenspannung der Diode 5 stark zunimmt, ein
großer
Strom fließt.
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Der Kollektorspannungsdetektor 6 überwacht
die Anodenspannung der Diode 5, und liefert, wenn die Anodenspannung
höher wird
als eine Referenzspannung, ein Unregelmäßigkeitssignal an die Steuerlogik 2. Beim
Empfang des Unregelmäßigkeitssignals
aus dem Kollektorspannungsdetektor 6 schickt die Steuerlogik 2,
um zu verhindern, dass der IGBT 1 aufgrund eines in ihm
fließenden
großen
Stroms zerstört
wird, einen Gatebefehl an den Puffer 3, um den IGBT 1 auszuschalten,
so dass der Puffer 3 den großen Strom abschaltet.
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Ein Problem, das bei einem wie oben
aufgebauten Steuerkreis aus dem Stand der Technik zum Ansteuern
eines Leistungshalbleiterbauelements angetroffen wird ist, dass,
wenn der Steuerkreis auf einen Hochspannungs-IGBT angewendet wird,
mehrere Hochspannungsdioden 5 in Reihe geschaltet werden
müssen,
und dies führt
zu einem Anstieg der Gesamtkosten des Steuerkreises und zu einer
Abnahme der Zuverlässigkeit
des Steuerkreises. Darüber
hinaus verändert
sich bei einem Hochspannungs-IGBT die Kollektor-Emitterspannung
nicht sofort zu einem Beharrungswert (d.h. einem Wert, der entsprechend
den statischen Kennlinien des IGBTs angenommen wird), und erreicht
den Beharrungswert erst nach Ablauf eines bestimmten Übergangszeitraums,
nachdem der IGBT eingeschaltet wurde (je nach den Umständen könnte die
Kollektorspannung nach dem Ablauf von 10 oder mehr Mikrosekunden,
nachdem der IGBT eingeschaltet wurde, noch mehrere 10 Volt betragen).
Ein anderes Problem besteht darin, dass, weil um ein normales Einschalten von
einem Kurzschluss zu unterscheiden, der zuvor erwähnte Übergangszeitraum
maskiert werden muss, die Kurzschlusserfassung durch den Kollektorspannungsdetektor 6 deutlich
verzögert
ist und der IGBT 1 deshalb nicht geschützt werden kann.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung wird vorgeschlagen,
um die zuvor erwähnten
Probleme zu lösen,
und es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen
hochzuverlässigen
Steuerkreis zum Ansteuern eines Leistungshalbleiterbauelements bereitzustellen,
der in der Lage ist, das Auftreten eines Kurzschlusses sofort zu
erfassen, um das Leistungshalbleiterbauelement selbst dann zu schützen, wenn
es auf einen Hochspannungs-IGBT angewandt wird.
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Nach der vorliegenden Erfindung wird
ein Steuerkreis zum Ansteuern eines Leistungshalbleiterbauelements
bereitgestellt, wobei der Steuerkreis eine Erfassungseinrichtung
für steuerbare
Variablenwerte umfasst, um einen Variablenbetrag zu erfassen, der
von einer Steuereinheit gesteuert und während eines vorbestimmten Zeitraums
auf das Leistungshalbleiterbauelement angewandt wird, wenn die Steuereinheit
einen Einschaltbefehl erhält,
und eine Unregelmäßigkeitserfassungseinrichtung
zur Überwachung
des steuerbaren Variablenbetrags, der von der Erfassungseinrichtung
für steuerbare
Variablenwerte erfasst wird, um das Auftreten einer Unregelmäßigkeit
im Leistungshalbleiterbauelement zu erfassen. Deshalb kann der Steuerkreis
das Leistungshalbleiterbauelement mit größerer Zuverlässigkeit
schützen,
indem er das Auftreten eines Kurzschlusses selbst dann sofort erfasst,
wenn das Leistungshalbleiterbauelement gegen hohe Spannungen widerstandsfähig ist.
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Nach der vorliegenden Erfindung wird
ein Steuerkreis zum Ansteuern eines Leistungshalbleiterbauelements
bereitgestellt, wobei der Steuerkreis eine Unregelmäßigkeitserfassungseinrichtung
zur Überwachung des
steuerbaren Variablenbetrags umfasst, der von der Erfassungseinrichtung
für steuerbare
Variablenwerte erfasst wird, um das Auftreten einer Unregelmäßigkeit
im Leistungshalbleiterbauelement zu erfassen und um das Erfassungsergebnis
des Auftretens der Unregelmäßigkeit
nur während
einer vorbestimmten Zeitdauer freizugeben, nachdem eine Steuereinheit
einen Einschaltbefehl erhalten hat. Deshalb kann der Steuerkreis
das Leistungshalbleiterbauelement mit größerer Zuverlässig keit
schützen,
indem er das Auftreten eines Kurzschlusses selbst dann sofort erfasst,
wenn das Leistungshalbleiterbauelement gegen hohe Spannungen widerstandsfähig ist.
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Weitere Aufgaben und Vorteile der
vorliegenden Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung hervor, wie sie in den beigefügten Zeichnungen dargestellt
sind.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Blockschema, das den Aufbau eines Steuerkreises zum Ansteuern
eines Leistungshalbleiterbauelements nach Ausführungsform 1 der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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2 ist
ein Schaltungsschema, das eine Halbbrückenschaltung zeigt, auf die
der Steuerkreis nach Ausführungsform
1 der vorliegenden Erfindung angewandt ist;
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3 ist
eine erläuternde
Zeichnung, um den Wellenverlauf einer Gatespannung, einer Kollektor-Emitterspannung
und eines Kollektorstroms zu zeigen, wenn das Leistungshalbleiterbauelement
normal einschaltet;
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4 ist
eine erläuternde
Zeichnung, um den Wellenverlauf der Gatespannung, der Kollektor-Emitterspannung
und des Kollektorstroms zu zeigen, wenn das Leistungshalbleiterbauelement
einschaltet, wobei es kurzgeschlossen ist;
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5 ist
eine erläuternde
Zeichnung, um eine Funktionsabfolge des Steuerkreises zum Ansteuern des
Leistungshalbleiterbauelements nach Ausführungsform 1 der vorliegenden
Erfindung zu zeigen;
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6 ist
ein Blockschema, das den Aufbau eines Steuerkreises zum Ansteuern
eines Leistungshalbleiterbauelements nach Ausführungsform 2 der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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7 ist
eine erläuternde
Zeichnung, um eine Funktionsabfolge des Steuerkreises zum Ansteuern des
Leistungshalbleiterbauelements nach Ausführungsform 2 der vorliegenden
Erfindung zu zeigen;
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8 ist
ein Blockschema, das den Aufbau eines Steuerkreises zum Ansteuern
eines Leistungshalbleiterbauelements nach Ausführungsform 3 der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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9 ist
eine erläuternde
Zeichnung, um ein Gatespannungserfassungssignal zu zeigen, wenn
kein Kondensator an einen in einem Gatespannungsdetektor angeordneten
Teilungswiderstand angeschlossen ist, und ein Gatespannungserfassungssignal,
wenn ein Kondensator an den Teilungswiderstand angeschlossen ist;
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10 ist
ein Blockschema, das den Aufbau eines Steuerkreises zum Ansteuern
eines Leistungshalbleiterbauelements nach Ausführungsform 4 der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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11 ist
eine erläuternde
Zeichnung, um eine Funktionsabfolge des Steuerkreises zum Ansteuern des
Leistungshalbleiterbauelements nach Ausführungsform 4 der vorliegenden
Erfindung zu zeigen;
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12 ist
ein Blockschema, das den Aufbau eines Steuerkreises zum Ansteuern
eines Leistungshalbleiterbauelements nach Ausführungsform 5 der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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13 ist
eine erläuternde
Zeichnung, um eine Funktionsabfolge des Steuerkreises zum Ansteuern des
Leistungshalbleiterbauelements nach Ausführungsform 5 der vorliegenden
Erfindung zu zeigen;
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14 ist
ein Blockschema, das den Aufbau eines Steuerkreises zum Ansteuern
eines Leistungshalbleiterbauelements nach Ausführungsform 6 der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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15 ist
ein Blockschema, das den Aufbau eines Steuerkreises zum Ansteuern
eines Leistungshalbleiterbauelements nach Ausführungsform 7 der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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16 ist
ein Blockschema, das den Aufbau eines Steuerkreises zum Ansteuern
eines Leistungshalbleiterbauelements nach Ausführungsform 8 der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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17 ist
eine erläuternde
Zeichnung, um die Wellenverläufe
einer Gatespannung und eines Gatestroms zu zeigen, wenn das Leistungshalbleiterbauelement
unter normalen Betriebsbedingungen einschaltet;
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18 ist
eine erläuternde
Zeichnung, um die Wellenverläufe
der Gatespannung und des Gatestroms zu zeigen, wenn das Leistungshalbleiterbauelement
einschaltet, wobei es kurzgeschlossen ist;
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19 ist
ein Blockschema, das den Aufbau eines Steuerkreises zum Ansteuern
eines Leistungshalbleiterbauelements nach Ausführungsform 9 der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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20 ist
ein Blockschema, das den Aufbau eines Steuerkreises zum Ansteuern
eines Leistungshalbleiterbauelements nach Ausführungsform 10 der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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21 ist
eine erläuternde
Zeichnung für
die Wellenverläufe
einer Gatespannung, eines Gatestroms und eines Integrals (d.h. eines
Ladungsbetrags) des Gatestroms, wenn das Leistungshalbleiterbauelement
unter normalen Betriebsbedingungen einschaltet;
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22 ist
eine erläuternde
Zeichnung für
die Wellenverläufe
der Gatespannung, des Gatestroms und des Flächenwerts (d.h. eines Ladungsbetrags)
des Gatestroms, wenn das Leistungshalbleiterbauelement einschaltet
und dabei kurzgeschlossen ist;
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23 ist
ein Blockschema, das den Aufbau eines Steuerkreises zum Ansteuern
eines Leistungshalbleiterbauelements nach Ausführungsform 11 der vorliegenden
Erfindung zeigt; und
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24 ist
ein Blockschema, das den Aufbau eines Steuerkreises aus dem Stand
der Technik zum Ansteuern eines Leistungshalbleiterbauelements zeigt.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die Erfindung wird nun mit Bezug
auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben.
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Ausführungsform 1
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1 ist
ein Blockschema, das den Aufbau eines Steuerkreises zum Ansteuern
eines Leistungshalbleiterbauelements nach Ausführungsform 1 der vorliegenden
Erfindung zeigt. In der Figur bezeichnet Bezugszahl 11 einen
IGBT (Isolierschichtbipolartransistor), der das vom Steuerkreis
angesteuerte Leistungshalbleiterbauelement ist. Das Leistungshalbleiterbauelement
ist nicht auf einen IGBT beschränkt
und kann beispielsweise auch ein spannungsgesteuertes Halbleiterbauelement
wie ein MOSFET sein.
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Bezugszahl 12 bezeichnet
eine Steuerlogik, um an einen Puffer 13 im Ansprechen auf
einen Einschaltbefehl von außerhalb
des Steuerkreises einen Gatebefehl zu schicken, um den IGBT 11 einzuschalten,
und um an den Puffer 13 im Ansprechen auf einen Ausschaltbefehl
von außerhalb
des Steuerkreises einen Gatebefehl zu schicken, um den IGBT 11 auszuschalten.
Der Puffer 13 steuert den IGBT 11 entsprechend
eines Gatebefehls an, der von der Steuerlogik 12 her eingeht.
Darüber
hinaus bezeichnet Bezugszahl 14a einen Gatedurchlasswiderstand,
und Bezugszahl 15 bezeichnet eine Ausschaltgeschwindigkeitseinstellschaltung, um
beim Ausschalten des IGBTs 11 im Ansprechen auf eine Erfassung
eines Auftretens einer Unregelmäßigkeit
in dem Leistungshalbleiterbauelement den IGBT 11 mit einer
Geschwindigkeit auszuschalten, die niedriger ist als diejenige,
mit der die Ausschaltgeschwindigkeitseinstellschaltung 15 den
IGBT 11 im Ansprechen auf einen Ausschaltbefehl ausschaltet.
Die Ausschaltgeschwindigkeitseinstellschaltung 15 hat einen
Gatesperrwiderstand eingebaut. Eine Steuereinrichtung besteht aus
der Steuerlogik 12, dem Puffer 13, dem Gatedurchlasswiderstand 14a und
der Ausschaltgeschwindigkeitseinstellschaltung 15.
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Bezugszahl 16 bezeichnet
einen Sampler (d.h. eine Erfassungseinrichtung für steuerbare Variablenwerte),
um einen Erfassungsprozess einer Gatespannung Vg (d.h. einer steuerbaren
Spannung), die an einem Gateanschluss (d.h. einem Steueranschluss)
des IGBTs 11 anliegt, nur während eines Übergangszeitraums zuzulassen,
bevor die Gatespannung Vg eine Gatedurchgangsspannung erreicht,
unmittelbar nachdem die Steuerlogik 12 einen Einschaltbefehl
von außerhalb
des Steuerkreises erhalten hat, und Bezugszahl 17 bezeichnet
einen Gatespannungsdetektor (d.h. eine Erfassungseinrichtung für steuerbare
Variablenwerte und eine Unregelmäßigkeitserfassungseinrichtung),
der die am Gateanschluss des IGBTs 11 anliegende Gatespannung
Vg als den steuerbaren Variablenwert erfasst, der auf den IGBT 11 angewandt
und vom Puffer 13 gesteuert wird, in einem Zeitraum, in
dem der Sampler 16 den Erfassungsprozess für die Gatespannung
Vg zulässt,
und der das Auftreten einer Unregelmäßigkeit im IGBT 11 erkennt,
wenn die Gatespannung Vg einen Referenzwert überschreitet.
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2 ist
ein Schaltungsschema, das eine Halbbrückenschaltung zeigt, auf die
der Steuerkreis von 1 zum
Ansteuern eines Leistungshalbleiterbauelements angewandt ist. In
der Figur bezeichnen die Bezugszahlen 11a und llb IGBTs,
Bezugszahl 21 bezeichnet den wie in 1 gezeigten Steuerkreis zum Ansteuern
eines Leistungshalbleiterbauelements, die Bezugszahlen 22a und 22b bezeichnen
Freilaufdioden, die antiparallel an die IGBTs 11a bzw. 11b angeschlossen
sind, Bezugszahl 23 bezeichnet eine Gleichstromversorgung
und Bezugszahl 24 bezeichnet eine induktive Last. Hier
erübrigt
es sich, zu erwähnen,
dass der Steuerkreis zum Ansteuern eines Leistungshalbleiterbauelements
auch auf andere als die vorstehend erwähnte Halbbrückenschaltung von 2 angewandt werden kann.
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Als Nächstes erfolgt eine Beschreibung
hinsichtlich einer Funktionsweise des Steuerkreises zum Ansteuern
eines Leistungshalbleiterbauelements nach Ausführungsform 1 der vorliegenden
Erfindung. Zuallererst wird davon ausgegangen, dass zwischen Gate
und Emitter des IGBTs 11b ein Kurzschluss auftritt und
der IGBT 11b die ganze Zeit, wie in 2 gezeigt, im Sperrzustand ist. Andererseits
wird davon ausgegangen, dass der Steuerkreis 21 zum Ansteuern
eines Leistungshalbleiterbauelements zwischen Gate und Emitter des IGBTs 11a angeschlossen
ist, und eine Gatespannung in Abhängigkeit von einem Einschalt-
oder Ausschaltbefehl an das Gate des IGBTs 11a angelegt
wird.
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Schaltet der IGBT 11a unter
normalen Betriebsbedingungen ein, fließt ein elektrischer Strom über die induktive
Last 24 von der Gleichstromversorgung 23 zum IGBT 11a.
Schaltet andererseits der IGBT 11a aus, wird der von der
Gleichstromversorgung 23 gelieferte elektrische Strom abgeschaltet
und die Freilaufdiode 22b eingeschaltet. Im Ergebnis fließt ein elektrischer
Rückstrom
in einem geschlossenen Kreislauf, der aus der induktiven Last 24 und
der Freilaufdiode 22b besteht. Schaltet der IGBT 11a wieder
ein, wird die Freilaufdiode 22b in Sperrrichtung betrieben,
der elektrische Rückstrom
abgeschaltet, und der elektrische Strom, der in der induktiven Last 24 fließt, zum
IGBT 11a umgeschaltet.
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Bringen irgendwelche Faktoren die
Freilaufdiode 22b dazu, innerhalb eines Zeitraums, in dem
der IGBT 11a eingeschaltet ist, kurzgeschlossen zu werden,
ist die Gleichstromversorgung 23 direkt zwischen Kollektor
und Emitter der IGBTs 11a angeschlossen und es fließt ein großer Kurzschlussstrom
im IGBT 11a, so dass die Kollektor-Emitterspannung des
IGBTs 11a gleich der Spannung der Gleichstromversorgung 23 wird. Wenn
dieser Zustand lange andauert, wird der IGBT 11a zerstört. Der
Steuerkreis 21 zum Ansteuern eines Leistungshalbleiterbauelements
ist zur Hochgeschwindigkeitserfassung eines solchen Kurzschlusses
und zum sicheren Abschalten vorgesehen.
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3 ist
eine erläuternde
Zeichnung, um die Wellenverläufe
der Gatespannung Vg, der Kollektor-Emitterspannung Vce und des Kollektorstroms
Ic zu zeigen, wenn ein IGBT 11 unter normalen Betriebsbedingungen
einschaltet. Wenn der Steuerkreis einen Gatebefehl schickt, um dem
IGBT 11 zu befehlen, im Ansprechen auf einen Einschaltbefehl
unter normalen Betriebsbedingungen einzuschalten, beginnt die Gatespannung
Vg des IGBT 11 zu steigen. Wenn die Gatespannung Vg dann
einen Schwellenwert überschreitet, beginnt
der Kollektorstrom Ic zu steigen. Wenn der im IGBT 11 fließende Kollektorstrom
Ic annähernd
gleich einem elektrischen Strom einer induktiven Last wird, der
durch die induktive Last fließt,
beginnt die Kollektor-Emitterspannung Vce zu sinken und die Gatespannung
Vg wird dann zu einer annähernd
konstanten Spannung. Dieser Zeitraum, in dem die Gatespannung Vg
annähernd
konstant ist, nachdem der Kollektorstrom Ic annähernd dem elektrischen Strom
der induktiven Last gleich geworden war, ist als Miller-Zeitraum
bekannt.
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Da der vom Gatetreiber fließende elektrische
Strom mittels einer Rückkopplungskapazität zwischen dem
Kollektor und Gate des IGBT zum Kollektor des IGBTs 11 umgeleitet
wird, wenn sich die Kollektor-Emitterspannung Vc während des
Miller-Zeitraums ändert,
wird die Gatespannung Vg konstant. Die Rückkopplungskapazität ist spannungsabhängig und
wird zu einem beträchtlich
hohen Wert, wenn die Kollektorspannung auf einen Durchlassspannungspegel
absinkt. Am Ende des Miller-Zeitraums beginnt die Gatespannung Vg
wieder anzusteigen. Dabei steigt die Gatespannung langsam mit einer
Zeitkonstante an, die kleiner ist als diejenige, mit der die Gatespannung
vor dem Miller-Zeitraum angestiegen ist, weil die Rückkopplungskapazität groß ist, und
erreicht dann eine bestimmte Gatedurchlassspannung. Die Gatespannung
Vg erreicht einen Beharrungszustand, nachdem sie den zuvor erwähnten Übergangszeitraum
durchlaufen hat.
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4 ist
eine erläuternde
Zeichnung, um die Wellenverläufe
der Gatespannung Vg, der Kollektor-Emitterspannung Vce und des Kollektorstroms
Ic zu zeigen, wenn der IGBT 11 einschaltet und dabei kurzgeschlossen
ist. Hier wird davon ausgegangen, dass ein Kurzschluss in der antiparallel
an den IGBT 11 angeschlossenen Freilaufdiode 22b auftritt
(dieser Kurzschlusszustand wird bezeichnet als „wenn ein Kurzschluss im IGBT 11 auftritt"
oder „wenn
der IGBT 11 kurzgeschlossen ist"), wie in 2 gezeigt ist. Wird der IGBT 11 eingeschaltet,
wobei der andere Anschluss der Freilaufdiode 22b kurzgeschlossen
ist, wird eine Gleichstromversorgungsspannung direkt zwischen dem
Kollektor und Emitter des IGBTs 11 angelegt, und es fließt ein großer Strom
im IGBT 11. Dieser Kurzschlussstrom steigt bis zu einem
Sättigungswert
an, der in etwa durch die Gate-Emitterspannung Vge (die gleich der
Gatespannung Vg ist) bestimmt ist. Dabei wird, weil eine hohe Spannung
zwischen dem Kollektor und Emitter des IGBTs 11 angelegt
wird und ein großer
Strom im IGBT 11 fließt,
der IGBT 11 zerstört,
wenn dieser Zustand lange anhält.
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In diesem Kurzschlusszustand weist
die Gatespannung Vg einen Wellenverlauf auf, der sich von demjenigen
unter normalen Betriebsbedingungen unterscheidet, weist keinen Miller-Zeitraum
auf und steigt schnell auf die Gatedurchlassspannung an. Und zwar
ist das so, weil sich die Kollektor-Emitterspannung Vce kaum ändert und
in solch einem Kurzschlusszustand auf einem hohen Pegel gehalten
wird, und kaum Ladungs- und Entladungsströme durch die zwischen dem Kollektor
und Gate des IGBTs untergebrachte Rückkopplungskapazität fließen, weil
die Rückkopplungskapazität noch gering
ist. So heißt
es, den Kurzschlusszustand zu erfassen, indem ein Unterschied in
der Gatespannung Vg zwischen den Fällen erfasst wird, in denen
sich der IGBT in normalen Betriebsbedingungen befindet, und in denen
ein Kurzschluss im IGBT (z.B. der Freilaufdiode) auftritt. Ähnlich unterscheidet
sich der Wellenverlauf des Gatestroms Ig, wenn der IGBT unter normalen Betriebsbedingungen
eingeschaltet wird, von demjenigen, wenn ein Kurzschluss im IGBT
auftritt, und die Quantität
einer Ladung, die von einer steuerbaren Stromquelle an das Gate
des IGBTs 11 geliefert wird, unterscheidet sich auch in
den Fällen,
in denen sich der IGBT unter normalen Betriebsbedingungen befindet
und in denen im IGBT ein Kurzschluss auftritt. Der Kurzschlusszustand
kann erfasst werden, indem einer dieser Unterschiede erfasst wird.
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Als Nächstes erfolgt eine Beschreibung
hinsichtlich der Funktionsweise des Steuerkreises zum Ansteuern
eines Leistungshalbleiterbauelements von 1. Im Ansprechen auf einen Einschaltbefehl
von außerhalb
des Steuerkreises, verschickt die Steuerlogik 12 einen
Gatebefehl an den Puffer 13, um den IGBT 11 einzuschalten.
Beim Empfang des Gatebefehls von der Steuerlogik 12, den
IGBT 11 einzuschalten, verstärkt der Puffer 13 den
Gatebefehl und schickt den verstärkten
Gatebefehl mittels des Gatedurchlasswiderstands 14a an
das Gate des IGBTs 11. Im Ergebnis wird der IGBT 11 eingeschaltet.
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Andererseits schickt die Steuerlogik
im Ansprechen auf ein Ausschaltsignal von außerhalb des Steuerkreises einen
Gatebefehl an den Puffer 13, den IGBT 11 auszuschalten.
Beim Empfang des Gatebefehls von der Steuerlogik 12, den
IGBT 11 auszuschalten, verstärkt der Puffer 13 den
Gatebefehl und schickt den verstärkten
Gatebefehl mittels der Ausschaltgeschwindigkeitssteuerschaltung 15 an
das Gate des IGBTs 11. Die Funktionsweise der Ausschaltgeschwindigkeitssteuerschaltung 15 wird
später
noch beschrieben. Im Ergebnis wird der IGBT 11 ausgeschaltet.
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Während
des Übergangszeitraums,
nachdem der IGBT eingeschaltet wurde, unterscheidet sich die Gatespannung
Vg, wie zuvor erwähnt,
von dem Fall, in dem sich der IGBT unter normalen Betriebsbedingungen
befindet und demjenigen, in dem im IGBT (z.B. der Freilaufdiode)
ein Kurzschluss auftritt. Dennoch erreicht nach dem Verstreichen
einer bestimmten Zeitspanne die Gatespannung Vg eine gleiche Gatedurchlassspannung,
ganz gleich ob der IGBT sich nun unter normalen Betriebsbedingungen
befindet oder ein Kurzschluss im IGBT auftritt, so dass der Steuerkreis
selbst durch die Überwachung
der Gatespannung Vg das Auftreten einer Unregelmäßigkeit im IGBT 11 nicht
erfassen kann. Dann schränkt
der Sampler 16 den Erfassungszeitraum ein, in dem der Gatespannungsdetektor 17 die
Gatespannung Vg erfasst.
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Anders ausgedrückt, wenn die Steuerlogik 12,
wie in 5 gezeigt, einen
Einschaltbefehl von außerhalb
des Steuerkreises erhält,
versetzt der Sampler 16 den Gatespannungsdetektor 17 in
die Lage, die Gatespannung Vg zum Zeitpunkt t0 zu erfassen, wenn
der Befehl eingeht. Wenn danach eine bestimmte Zeit verstreicht
und ein Zeitpunkt t1 (bevor die Gatespannung Vg die Gatedurchlassspannung
erreicht und der Zeitpunkt t1 unter Berücksichtigung der Kennlinien
des IGBTs 11 bestimmt wird) eintritt, unterbindet der Sampler 16,
dass der Gatespannungsdetektor 17 die Gatespannung Vg erfasst.
Der Sampler 16 muss nur in der Lage sein, die Erfassung
der Gatespannung Vg während
eines Zeitraums ab dem Zeitpunkt t1 bis zum Zeitpunkt t2, wenn ein
Einschaltbefehl eingeht, zu verhindern, und der Erfassungszeitraum
ab dem Zeitpunkt t0 bis zum Zeitpunkt t1 kann einen Sperrzeitraum
umfassen (d.h. einen Zeitraum vor dem Zeitpunkt t0 oder einen Zeitraum
nach dem Zeitpunkt t2).
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Der Gatespannungsdetektor 17 erfasst
die Gatespannung Vg, die am Gateanschluss des IGBTs 11 anliegt, über den
gesamten Erfassungszeitraum, in dem der Sampler 16 den
Erfassungsprozess für
die Gatespannung Vg ermöglicht. Überschreitet
die Gatespannung Vg den Referenzwert während des Erfassungszeitraums,
erkennt der Gatespannungsdetektor 17 das Auftreten einer
Unregelmäßigkeit
im IGBT 11 und schickt ein Unregelmäßigkeitssignal an die Steuerlogik 12 und
die Ausschaltgeschwindigkeitssteuerschaltung 15.
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Im Ansprechen auf das Unregelmäßigkeitssignal
vom Gatespannungsdetektor 17, schickt die Steuerlogik 12 einen
Gatebefehl an den Puffer 13, um den IGBT 11 auszuschalten
und so zu verhindern, dass er aufgrund eines großen Stroms zerstört wird.
Beim Empfang des Gatebefehls von der Steuerlogik 12, den
IGBT 11 auszuschalten, verstärkt der Puffer 13 den
Gatebefehl und schickt den verstärkten
Gatebefehl an die Ausschaltgeschwindigkeitssteuerschaltung 15.
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Im Ansprechen auf den verstärkten Gatebefehl
vom Puffer 13, veranlasst die Ausschaltgeschwindigkeitssteuerschaltung 15 das
Ausschalten des IGBTs 11 entsprechend dem Gatebefehl. In
diesem Fall entsteht, da ein großer Strom im IGBT 11 fließt, der
sich im Kurzschlusszustand befindet, und wenn ein solcher großer Strom
mit einer normalen Geschwindigkeit abgeschaltet wird, eine hohe
Stoßspannung,
so dass der IGBT 11 zerstört werden kann, und die Ausschaltgeschwindigkeitssteuerschaltung 15 schaltet
den IGBT 11 so aus, dass der große Strom mit einer Geschwindigkeit
abgeschaltet wird, die langsamer ist als diejenige, mit der die Ausschaltgeschwindigkeitssteuerschaltung 15 den
IGBT 11 unter normalen Betriebsbedingungen ausschaltet, wodurch
die Stoßspannung
reduziert wird. Ist jedoch die Hauptschaltungsverdrahtungsinduktivität, welche
die Stoßspannung
verursacht, ausreichend klein oder eine Dämpferschaltung oder dergleichen,
welche die Stoßspannung
reduziert, ist außerhalb
des Steuerkreises vorgesehen, braucht der Steuerkreis nicht unbedingt
die Ausschaltgeschwindigkeitssteuerschaltung 15.
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Wie aus der vorstehenden Beschreibung
ersichtlich ist, umfasst gemäß dieser
Ausführungsform
1 der Steuerkreis den Sampler 16, um den Erfassungsprozess
für die
Gatespannung Vg zuzulassen, die am Gateanschluss des IGBTs 11 nur
während
eines Übergangszeitraums
anliegt, bevor die Gatespannung Vg unmittelbar nachdem die Steuerlogik 12 einen
Einschaltbefehl von außerhalb
des Steuerkreises erhalten hat, die Gatedurchgangsspannung erreicht,
und den Gatespannungsdetektor 17, der die Gatespannung
Vg erfasst, die am Gateanschluss des IGBTs 11 anliegt, über einen
Erfassungszeitraum, in dem der Sampler 16 den Erfassungsprozess
für die
Gatespannung Vg zulässt,
und der das Auftreten einer Unregelmäßigkeit im IGBT 11 erkennt,
wenn die Gatespannung Vg einen Referenzwert überschreitet. Deshalb kann
der Steuerkreis den IGBT 11 mit größerer Zuverlässigkeit
schützen,
indem er das Auftreten eines Kurzschlusses selbst dann sofort erfasst,
wenn der IGBT 11 widerstandsfähig gegen hohe Spannungen ist.
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Nach dieser Ausführungsform 1 verschickt die
Steuerlogik im Ansprechen auf ein Unregelmäßigkeitssignal vom Gatespannungsdetektor 17 einen
Gatebefehl, um zu veranlassen, dass der IGBT 11 ausgeschaltet wird.
Als Alternative kann eine außerhalb
des Steuerkreises angeordnete und in der Figur nicht gezeigter Steuerkreis
den IGBT 11 im Ansprechen auf das Unregelmäßigkeitssignal
vom Gatespannungsdetektor 17 ausschalten.
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Darüber hinaus ermöglicht der
Sampler 16 dieser Ausführungsform
1 entsprechend den Erfassungsprozess für die Gatespannung Vg, die
am Gateanschluss des IGBTs 11 anliegt, nur während des Übergangszeitraums
bevor die Gatespannung Vg, unmittelbar nachdem die Steuerlogik 12 einen
Einschaltbefehl von außerhalb
des Steuerkreises erhalten hat, die Gatedurchlassspannung erreicht.
Als Alternative kann der Steuerkreis das vom Gatespannungsdetektor 17 an
die Steuerlogik 12 geschickte Unregelmäßigkeitssignal nur während des Übergangszeitraums
freigeben, bevor die Gatespannung Vg, unmittelbar nachdem die Steuerlogik 12 einen
Einschaltbefehl von außerhalb
des Steuerkreises erhalten hat, die Gatedurchlassspannung erreicht.
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Ausführungsform 2
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6 ist
ein Blockschema, das den Aufbau eines Steuerkreises zum Ansteuern
eines Leistungshalbleiterbauelements gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden
Erfindung zeigt. Da in der Figur dieselben Bezugszeichen wie in 1 gezeigt dieselben oder ähnliche
Bestandteile wie die erste Ausführungsform
bezeichnen, unterbleibt die Erklärung
dieser Bestandteile im Folgenden. 6 zeigt
ein konkretes Beispiel eines Samplers 16 und Gatespannungsdetektors 17,
wie sie in 1 gezeigt
sind. In 6 wurde eine
Ausschaltgeschwindigkeitssteuerschaltung 15 weggelassen,
und ein Puffer 13 verbindet ein Gate des IGBTs 11 mit
einer steuerbaren Quelle, die eine Steuerspannung Vcc ausschickt,
wenn der IGBT 11 eingeschaltet ist, und schließt das Gate
des IGBTs 11 an Masse an, wenn der IGBT 11 ausgeschaltet
ist.
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In 6 bezeichnet
Bezugszahl 31 eine Verzögerungsschaltung,
die einen Gatebefehl entgegennimmt, der ihr von einer Steuerlogik 12 geschickt
wird, und die den Gatebefehl aussendet, nachdem sie ihn nur während eines
Zeitraums ab einem Zeitpunkt t0 bis zu einem Zeitpunkt t1 gehalten
hat. Die Verzögerungsschaltung 31 kann
eine Kombination aus einem CR-Filter und eines Puffers oder Komparators
oder eine Verzögerungsleitung
sein. Bezugszahl 32 bezeichnet eine Umkehrschaltung zum
Umkehren der Logik des Gatebefehls, der von der Verzögerungsschaltung 31 an
sie geschickt wurde, um einen Nch-MOSFET 33 nur über einen
Erfassungszeitraum hinweg, in dem die Gatespannung Vg des IGBTs
erfasst wird, in einen Sperrzustand zu versetzen. Der Nch-MOSFET 33 wird
einem Ausgangssignal der Umkehrschaltung 32 entsprechend
ein- oder ausgeschaltet.
Es kann ein Schalter, der dem Ausgangssignal der Umkehrschaltung 32 entsprechend ein-
oder ausschaltet, anstelle des Nch-MOSFETs verwendet werden. Beispielsweise
kann ein Schalter wie ein Bipolartransistor verwendet werden.
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Die Bezugszahlen 34 und 35 bezeichnen
Teilungswiderstände
zum Teilen der Gatespannung Vg des IGBTs 11, um eine geteilte
Spannung zu erzeugen und um die geteilte Spannung an einen Komparator 38 anzulegen,
und die Bezugszahlen 36 und 37 bezeichnen Teilungswiderstände zum
Teilen einer Steuerspannung Vcc, um eine geteilte Spannung (d.h.
einen Referenzwert) zu erzeugen und um die geteilte Spannung an
den Komparator 38 anzulegen. Die Teilungswiderstände 34 bis 37 sind
so voreingestellt, dass die dadurch aus der Gatespannung Vg erhaltene
geteilte Spannung, wenn die Gatespannung Vg die Steuerspannung Vcc
erreicht, den Referenzwert etwas übersteigt. Die Gatespannung
Vg des IGBTs 11 kann von drei oder mehr in Reihe geschalteten
Widerständen
anstelle der zwei Widerstände,
wie in 6 gezeigt ist,
geteilt werden, und die Steuerspannung Vcc kann auch von drei oder
mehr in Reihe geschalteten Widerständen anstelle der zwei Widerstände, wie
in 6 gezeigt ist, geteilt
werden. Als Alternative kann die Gatespannung Vg des IGBTs 11 und/oder
die Steuerspannung Vcc von einer Reihenschaltung aus einer Zenerdiode
und eines Widerstands anstelle von zwei oder mehr in Reihe geschalteten
Widerständen
geteilt werden. Wenn die Stromversorgungsspannung des Komparators 38 höher ist
als die Steuerspannung Vcc, können
die Gatespannung Vg und die Steuerspannung Vcc direkt in den Komparator
eingegeben werden. Der Komparator 38 vergleicht die aus
der Gatespannung Vg erhaltene geteilte Spannung mit dem Referenzwert.
Bezugszahl 39 bezeichnet einen Widerstand.
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Als Nächstes erfolgt eine Beschreibung
hinsichtlich einer Funktionsweise des Steuerkreises zum Ansteuern
eines Leistungshalbleiterbauelements nach Ausführungsform 2 der vorliegenden
Erfindung. Wenn die Steuerlogik 12 einen Einschaltbefehl
von außerhalb
des Steuerkreises erhält
und einen Gatebefehl zum Einschalten des IGBTs 11 verschickt, hält die Verzögerungsschaltung 31 des
Samplers 16 den Gatebefehl nur während eines Zeitraums ab einem
Zeitpunkt t0 bis zu einem Zeitpunkt t1, um einen Zeitpunkt einzustellen,
an dem die Erfassung der Gatespannung Vg zum Zeitpunkt t1 beendet
ist, und gibt dann den Gatebefehl an die Umkehrschaltung 32 weiter.
Beim Empfang des Gatebefehls von der Verzögerungsschaltung 31 kehrt
die Umkehrschaltung 32 die Logik des Gatebefehls um und
schickt ihn zum Gate des Nch-MOSFETs 33.
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Da das Gate des Nch-MOSFETs 33,
wie in 7 gezeigt, vor
dem Eintritt des Zeitpunkts t1 einen niedrigen Pegel hat, das heißt, vor
dem Empfang des Gatebefehls, dessen Logik von der Umkehrschaltung 32 umgekehrt
wurde, wird im Ergebnis der Nch-MOSFET 33 vor dem Zeitpunkt
t1 in einen Sperrzustand versetzt. Da das Gate des Nch-MOSFETs 33 zum
Zeitpunkt t1 einen hohen Pegel hat, d.h. beim Empfang des Gatebefehls, dessen
Logik von der Umkehrschaltung 32 umgekehrt wurde, geht
hingegen der Nch-MOSFET 33 zum Zeitpunkt t1 in einen Durchlasszustand über.
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Die Teilungswiderstände 34 und 35 des
Gatespannungsdetektors 17 teilen die Gatespannung Vg des IGBTs 11,
um eine geteilte Spannung zu erzeugen, und legen die geteilte Spannung
an den Komparator 38 an, und die Teilungswiderstände 36 und 37 teilen
die Steuerspannung Vcc, um eine geteilte Spannung (d.h. einen Referenzwert)
zu erzeugen, und legen die geteilte Spannung an den Komparator 38 an.
Da sich der Nch-MOSFET 33 vor dem Zeitpunkt t1 wie zuvor
erwähnt
in einem Sperrzustand befindet, wird die aus der Gatespannung Vg
durch die Teilungswiderstände 34 und 35 erhaltene
geteilte Spannung an den Komparator 38 angelegt. Tritt
der Zeitpunkt t1 ein, sinkt die geteilte Spannung auf die Durchlassspannung
des Nch-MOSFETs 33, weil der Nch-MOSFET 33 in
einen Durchlasszustand übergeht.
Im Ergebnis verschickt der Komparator 38 selbst dann kein
Unregelmäßigkeitssignal,
wenn die Gatespannung Vg den Pegel der Steuerspannung Vcc erreicht.
Somit ist der Komparator 38 unter normalen Betriebsbedingungen
gesperrt.
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Tritt hingegen ein Kurzschluss im
IGBT 11 auf, erreicht die Gatespannung Vg den Pegel der
Steuerspannung Vcc, bevor der Nch-MOSFET 33 in einen Durchlasszustand übergeht,
und die aus der Gatespannung Vg erhaltene geteilte Spannung überschreitet
den Referenzwert etwas. Deshalb schicht der Komparator 38 ein
Unregelmäßigkeitssignal
an die Steuerlogik 12. Im Ergebnis verursacht die Steuerlogik 12 wie
in der zuvor erwähnten
Ausführungsform
1 ein Ausschalten des IGBTs 11. Diese Ausführungsform
2 bietet somit den Vorteil, den IGBT 11 mit höherer Zuverlässigkeit
schützen
zu können,
indem das Auftreten eines Kurzschlusses sofort erfasst wird, ohne
dass dabei der Aufbau des Steuerkreises komplizierter ausgelegt
werden müsste, selbst
wenn der IGBT 11 widerstandsfähig gegen hohe Spannungen ist.
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Ausführungsform 3
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8 ist
ein Blockschema, das den Aufbau eines Steuerkreises zum Ansteuern
eines Leistungshalbleiterbauelements nach Ausführungsform 3 der vorliegenden
Erfindung zeigt. Da in der Figur dieselben Bezugszahlen wie in 6 gezeigt dieselben oder ähnliche
Bestandteile bezeichnen wie diejenigen der zweiten Ausführungsform,
unterbleibt die Erklärung
dieser Bestandteile im Folgenden. Bezugszahl 40 bezeichnet
einen Kondensator, der mit einem Teilungswiderstand 35 parallelgeschaltet
ist.
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Im Folgenden wird eine Funktionsweise
des Kondensators 40 erläutert. 9 ist eine erläuternde Zeichnung,
um ein Gatespannungserfassungssignal (d.h. eine geteilte Spannung,
die durch die Teilungswiderstände 34 und 35 aus
der Gatespannung Vg erhalten wurde) zu zeigen, wenn kein Kondensator
mit dem Teilungswiderstand 34 parallelgeschaltet ist und
wenn der Kondensator 40 mit dem Teilungswiderstand 35 parallelgeschaltet
ist. Da das Gatespannungserfassungsssignal einen Wellenverlauf aufweist,
der gleich demjenigen der geteilten Spannung ist, ist der Wellenverlauf ähnlich demjenigen
er Gatespannung Vg.
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Wird der IGBT 11a wie in 2 gezeigt in einer Halbbrückenschaltung
eingeschaltet, überlagert
ein in einer Diode 22b fließender elektrischer Verzögerungsstrom
einen im IGBT fließenden
Kollektorstrom Ic, und es erscheint eine Stromspitze im Wellenverlauf
des Kollektorstroms Ic (siehe 3).
Deshalb erscheint eine Spannungsspitze in der Gatespannung Vg. Zwischenzeitlich
verändert
sich der Kollektorstrom Ic mit der Zeit stark, und eine Induktionsspannung
kann die Gatespannung Vg überlagern.
Wird die Spitze der Gatespannung Vg höher, besteht die Möglichkeit,
dass ein Komparator 38 eines Gatespannungsdetektors 17 von
der Spitzenspannung der Gatespannung Vg ausgehend arbeitet und dann
unter normalen Betriebsbedingungen ein Unregelmäßigkeitssignal liefert. Eine
solche Situation kann verhindert werden, indem Veränderungen
der Gatespannung Vg maskiert werden, die von der Verzögerungsspannung
der Diode 22b und der Induktionsspannung beim Einschalten
des IGBTs 11a verursacht werden.
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Um das Auftreten einer solcher Situation
zu verhindern ist nach dieser Ausführungsform 3 der Kondensator 40 mit
dem Teilungswiderstand 35 parallelgeschaltet. Da die Ansprechgeschwindigkeit
des Eingangs des Komparators 38 durch den mit dem Teilungswiderstand 35 parallelgeschalteten
Kondensator 40 gesenkt ist, können Veränderungen der Gatespannung
Vg wie in 9 gezeigt
maskiert werden, wenn der IGBT 11a eingeschaltet ist. Darüber hinaus
wird, weil das Gatespannungserfassungssignal im Pegel langsam ansteigt und
die Zeitspanne deshalb länger
ist, bis das Gatespannungserfassungssignal einen Beharrungszustand
erreicht, wie in 9 gezeigt
ist, der Erfassungszeitraum, in dem die Gatespannung Vg erfasst
wird, von demjenigen ab einem Zeitpunkt t0 bis zu einem Zeitpunkt
t1 auf denjenigen ab eines Zeitpunkts t0 bis ro einem Zeitpunkt
t3 verlängert.
Gemäß dieser
Ausführungsform
3 kann, da der Steuerkreis den Gatespannungsdetektor 17 daran
hindern kann, unter normalen Betriebsbedingungen nicht ordnungsgemäß zu funktionieren,
die Zuverlässigkeit
des Steuerkreises zum Ansteuern eines Leistungshalbleiterbauelements
verbessert werden.
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Ausführungsform 4
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10 ist
ein Blockschema, das den Aufbau eines Steuerkreises zum Ansteuern
eines Leistungshalbleiterbauelements nach Ausführungsform 4 der vorliegenden
Erfindung zeigt. Da in der Figur dieselben Bezugszahlen wie in 6 gezeigt dieselben oder ähnliche
Bestandteile bezeichnen wie diejenigen der zweiten Ausführungsform,
unterbleibt die Erklärung
dieser Bestandteile im Folgenden. In 10 bezeichnet
Bezugszahl 41 eine Verzögerungsschaltung,
die einen von einer Steuerlogik 12 an sie geschickten Gatebefehl
entgegennimmt, und den Gatebefehl aussendet, nachdem sie ihn nur
während
eines Zeitraums ab eines Zeitpunkts t0 bis zu einem Zeitpunkt t4
hält, Bezugszahl 42 bezeichnet
eine Umkehrschaltung, um die Logik des von der Verzögerungsschaltung 41 an
sie geschickten Gatebefehls umzukehren, und Bezugszahl 43 bezeichnet
eine NAND-Schaltung, um einen Nch-MOSFET 33 nur in einem
Zeitraum ab dem Zeitpunkt t4 bis einem Zeitpunkt t1 in einen Sperrzustand
zu versetzen.
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Gemäß der zuvor erwähnten Ausführungsform
2 ermöglicht
ein Sampler 16 einen Erfassungsprozess für eine Gatespannung
Vg, die beim Eintreten des Zeitpunkts t0 am Gateanschluss eines
IGBTs 11 anliegt, unmittelbar nachdem die Steuerlogik 12 einen
Einschaltbefehl von außerhalb
des Steuerkreises erhalten hat. Im Gegensatz dazu schließt gemäß Ausführungsform
4 der Erfassungszeitraum, in dem die Gatespannung Vg erfasst wird,
einen bestimmten Zeitraum (z.B. den Zeitraum ab Zeitpunkt t0 bis
Zeitpunkt t4) aus, unmittelbar nachdem der IGBT 11 eingeschaltet
wird.
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Erhält die Steuerlogik 12 einen
Einschaltbefehl von außerhalb
des Steuerkreises und verschickt einen Gatebefehl zum Einschalten
des IGBTs 11, hält
die Verzögerungsschaltung 31 des
Samplers 16 den Gatebefehl nur in dem Zeitraum ab Zeitpunkt
t0 bis Zeitpunkt t1, um eine Zeit ab Beendigung der Erfassung der
Gatespannung Vg bis zum Zeitpunkt t1 festzusetzen, und liefert dann,
wie in 11 gezeigt, den
Gatebefehl an die NAND-Schaltung 43. Andererseits hält die Verzögerungsschaltung 41 des
Samplers 16 beim Erhalt des Gatebefehls zum Einschalten
des IGBTs
11 von der Steuerlogik 12 den Gatebefehl
nur in dem Zeitraum ab Zeitpunkt t0 bis Zeitpunkt t4, damit der
Erfassungszeitraum, in dem die Gatespannung Vg erfasst wird, nach
dem Ablauf des Verzögerungszeitraums
zum Einschaltzeitpunkt anläuft,
d.h. damit ein Zeitpunkt festgesetzt wird, ab dem die Erfassung
der Gatespannung Vg beginnt, bis zum Zeitpunkt t4, und liefert dann
den Gatebefehl an die Umkehrschaltung 42.
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Bei Erhalt des Gatebefehls aus der
Verzögerungsschaltung 41,
kehrt die Umkehrschaltung 42 die Logik des Gatebefehls
um und schickt ihn zur NAND-Schaltung 43. Wenn sie somit
diese Signale aus der Verzögerungsschaltung 31 und
der Umkehrschaltung 42 erhält, schickt die NAND-Schaltung 43,
wie in 11 gezeigt, nur
im Zeitraum ab Zeitpunkt t4 bis Zeitpunkt t1 ein Logiksignal an
das Gate des Nch-MOSFETs 33, damit dieser in einen Sperrzustand übergeht.
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Im Ergebnis wird der Nch-MOSFET 33 nur
im Zeitraum ab Zeitpunkt t4 bis Zeitpunkt t1 in einen Sperrzustand
versetzt. Danach arbeitet der Steuerkreis von Ausführungsform
4 genauso wie derjenige von Ausführungsform
2, und deshalb unterbleibt die Beschreibung des Funktionsablaufs
im Folgenden. Gemäß dieser Ausführungsform
4 kann die Zuverlässigkeit
des Steuerkreises zum Ansteuern eines Leistungshalbleiterbauelements
verbessert werden, weil der Steuerkreis den Gatespannungsdetektor 17 an
einer Fehlfunktion unter normalen Betriebsbedingungen hindern kann.
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Gemäß dieser Ausführungsform
4 erhält
die Verzögerungsschaltung 41 von
der Steuerlogik 12 einen Gatebefehl zum Einschalten des
IGBTs 11. In einer Variante kann der Puffer 13 aus
Umkehrschaltungen bestehen, und der Steuerkreis kann so aufgebaut
sein, dass die Verzögerungsschaltung 41 den
Ausgang des Puffers 13 entgegennimmt. In diesem Fall braucht
der Steuerkreis keine Umkehrschaltung 42. Darüber hinaus kann
ein Kondensator 40 mit einem Teilungswiderstand 35,
wie demjenigen der zuvor erwähnten
Ausführungsform
3 parallelgeschaltet sein.
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Ausführungsform 5
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12 ist
ein Blockschema, das den Aufbau eines Steuerkreises zum Ansteuern
eines Leistungshalbleiterbauelements nach Ausführungsform 5 der vorliegenden
Erfindung zeigt. Da in der Figur dieselben Bezugszahlen wie in 6 gezeigt dieselben oder ähnliche
Bestandteile bezeichnen wie diejenigen der zweiten Ausführungsform,
unterbleibt die Erklärung
dieser Bestandteile im Folgenden. Bezugszahl 44 bezeichnet
eine UND-Schaltung, um eine logische UND-Operation an einem Ausgangssignal
eines Komparators 38 und einem Ausgangssignal einer Verzögerungsschaltung 31 zu
vollziehen.
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Als Nächstes erfolgt eine Beschreibung
hinsichtlich der Funktionsweise des Steuerkreises zum Ansteuern
eines Leistungshalbleiterbauelements nach Ausführungsform 5 der vorliegenden
Erfindung. Die Verzögerungsschaltung 31 eines
Samplers 16 hat eine voreingestellte Verzögerungszeit,
mit der der Pegel seines Ausgangssignals zu einem Zeitpunkt t1 einen Übergang
von einem hohen zu einem niedrigen Pegel durchmacht, wenn ein Erfassungszeitraum,
in dem die Gatespannung Vg eines IGBTs erfasst wird, endet, wie
es in der zuvor erwähnten
Ausführungsform
2 (siehe 13) der Fall
war. Der Komparator 38 eines Gatespannungsdetektors 17 vergleicht,
wie in der zuvor erwähnten
Ausführungsform
2 eine geteilte Spannung, die aus der Gatespannung Vg des IGBTs
erhalten wurde, mit einer geteilten Spannung, die aus der Steuerspannung Vcc
des IGBTs erhalten wurde, und lässt,
wenn die Gatespannung Vg den Pegel der Steuerspannung Vcc erreicht,
sein Ausgangssignal einen Übergang
von einem niedrigen Pegel zu einem hohen Pegel durchmachen (siehe 13).
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Die UND-Schaltung 44 erhält das Ausgangssignal
des Komparators 38 und das Ausgangssignal des Verzögerungsschaltung 31 und
vollzieht dann an ihnen eine logische UND-Operation. Da wie in 13 gezeigt, das Ausgangssignal
des Komparators 38 unter normalen Betriebsbedingungen in
einen hohen Pegel übergeht,
nachdem das Ausgangssignal der Verzögerungsschaltung 31 zum
Zeitpunkt t1 in einen niedrigen Pegel übergegangen ist, bleibt das
Ausgangssignal der UND-Schaltung 44 auf einem niedrigen
Pegel. Andererseits geht das Ausgangssignal der UND-Schaltung 44,
wenn ein Kurzschluss im IGBT 11 auftritt, zu einem hohen
Pegel über
(d.h. einem Logikpegel, der eine Erfassung des Auftretens einer
Unregelmäßigkeit
im IGBT anzeigt), weil des Ausgangssignal des Komparators 38 in
einen hohen Pegel übergeht,
bevor das Ausgangssignal der Verzögerungsschaltung 31 in
einen niedrigen Pegel übergeht.
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Danach arbeitet der Steuerkreis genauso
wie derjenige von Ausführungsform
2, und deshalb unterbleibt die Beschreibung der Funktionsweise im
Folgenden. Gemäß dieser
Ausführungsform
5 kann die Zuverlässigkeit
des Steuerkreises zum Ansteuern eines Leistungshalbleiterbauelements
verbessert werden, weil der Steuerkreis den Gatespannungsdetektor 17 an
einer Fehlfunktion unter normalen Betriebsbedingungen hindern kann.
Der Erfassungszeitraum, in dem die Gatespannung Vg erfasst wird,
kann, wie die zuvor erwähnte Ausführungsform
4, einen Erfassungszeitraum unmittelbar nach dem Einschalten des
IGBTs ausschließen.
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Ausführungsform 6
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14 ist
ein Blockschema, das den Aufbau eines Steuerkreises zum Ansteuern
eines Leistungshalbleiterbauelements nach Ausführungsform 6 der vorliegenden
Erfindung zeigt. Da in der Figur dieselben Bezugszahlen wie in 6 gezeigt dieselben oder ähnliche
Bestandteile bezeichnen wie diejenigen der zweiten Ausführungsform,
unterbleibt die Erklärung
dieser Bestandteile im Folgenden. In 14 bezeichnet
Bezugszahl 45 eine Zenerdiode mit einer Kathode, die mit
einem Gateanschluss eines IGBTs 11 verbunden ist. Die Zenerdiode 45 bricht
durch, wenn die Gatespannung Vg des IGBTs die Steuerspannung Vcc
des IGBTs 11 erreicht. Bezugszahl 46 bezeichnet
einen Widerstand mit einem Ende, das mit einer Anode der Zenerdiode 45 verbunden
ist, und einem anderen Ende, das mit einem Drain eines Nch-MOSFETs 33 verbunden
ist, Bezugszahl 47 bezeichnet einen Transistor mit einer
Basis, die mit der Anode der Zenerdiode 45 verbunden ist,
und einem Emitter, der mit dem Drain des Nch-MOSFETs 33 verbunden
ist, und Bezugszahl 48 bezeichnet einen Widerstand mit
einem Ende, das mit einer steuerbaren Stromquelle verbunden ist,
und einem anderen Ende, das mit einem Kollektor des Transistors 47 verbunden
ist, Bezugszahl 49 bezeichnet einen Kondensator mit einem
Ende, das mit dem Kollektor des Transistors 47 verbunden
ist, und einem anderen Ende, das mit Masse verbunden ist.
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Als Nächstes erfolgt eine Beschreibung
hinsichtlich der Funktionsweise des Steuerkreises zum Ansteuern
eines Leistungshalbleiterbauelements nach Ausführungsform 6 der vorliegenden
Erfindung. Ein Gatespannungsdetektor 17 arbeitet, wenn
der Nch-MOSFET 33 eines Samplers 16 in einen Durchlasszustand übergeht.
Die Zenerdiode 45 des Gatespannungsdetektors 17 weist
eine Zenerspannung auf, die durchbricht, wenn die Gatespannung Vg
die Steuerspannung Vcc erreicht. Während der Nch-MOSFET 33 in
einen Durchlasszustand versetzt wird, bricht die Zenerdiode 45 durch,
wenn die Gatespannung Vg den Pegel der Steuerspannung Vcc erreicht.
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Da eine Spannung zwischen den beiden
Enden des Widerstands 46 entsteht und der Transistor 47 einschaltet,
tritt im Ergebnis der Kondensator 49 in einen Entladungszustand
ein, und der Gatespannungsdetektor 17 liefert einer Steuerlogik 12 ein
Ausgangssignal mit einem niedrigen Pegel. Deshalb wird der Zeitraum, in
dem der Nch-MOSFET 33 eingeschaltet ist, ein Erfassungszeitraum,
in dem die Gatespannung Vg des IGBTs erfasst wird. Da der Sampler 16 den
Nch-MOSFET 33 veranlassen muss, am Ende des Erfassungszeitraums
in den Sperrzustand überzugehen,
erhält
die Verzögerungsschaltung 31,
wie in der zuvor erwähnten Ausführungsform
2, von der Steuerlogik 12 ein Eingangssignal mit einem
niedrigen Pegel, wenn der IGBT eingeschaltet ist, und die Verzögerungsschaltung 31 liefert
an das Gate des Nch-MOSFETs 33 am Ende des Erfassungszeitraums
ein Signal mit einem niedrigen Pegel. Nach dieser Ausführungsform
6 kann der Steuerkreis den IGBT 11 vor dem Auftreten eines
Kurzschlusses schützen,
ohne eine, wie in der zuvor erwähnten
Ausführungsform
2 gezeigte Umkehrschaltung 32 vorzusehen.
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Ausführungsform 7
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15 ist
ein Blockschema, das den Aufbau eines Steuerkreises zum Ansteuern
eines Leistungshalbleiterbauelements nach Ausführungsform 7 der vorliegenden
Erfindung zeigt. Da in der Figur dieselben Bezugszahlen wie in 6 gezeigt dieselben oder ähnliche
Bestandteile bezeichnen wie diejenigen der zweiten Ausführungsform,
unterbleibt die Erklärung
dieser Bestandteile im Folgenden. Bezugszahl 50a bezeichnet
einen Pch-MOSFET, der einem an ihn geschickten Gatebefehl aus einer
Steuerlogik 12 entsprechend ein- und ausschaltet, und Bezugszahl 50b bezeichnet
einen Nch-MOSFET, der einem an ihn geschickten Gatebefehl aus einer
Steuerlogik 12 entsprechend ein- und ausschaltet. Anstelle
der MOSFETs 50a und 50b können beispielsweise auch Bipolartransistoren
verwendet werden. Bezugszahl 51 bezeichnet einen Widerstand,
Bezugszahl 52 bezeichnet einen Nch-MOSFET, und Bezugszahl 53 bezeichnet
eine Umkehrschaltung zum Ein- oder Ausschalten des Nch-MOSFETs 52 einem
Ausgangssignal eines Gatespannungsdetektors 17 entsprechend.
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Als Nächstes erfolgt eine Beschreibung
hinsichtlich eines Unterschieds zwischen dieser Ausführungsform
7 und der zuvor erwähnten
Ausführungsform
2. Anders ausgedrückt
wird ein Ausschaltvorgang unter normalen Betriebsbedingungen erklärt, und
ein Ausschaltvorgang, wenn der Gatespannungsdetektor 17 das
Auftreten eines Kurzschlusses erfasst. Die Umkehrschaltung 53 verschickt
unter normalen Betriebsbedingungen ein Ausgangssignal mit einem
hohen Pegel. Fast zur selben Zeit, wenn der Nch-MOSFET 50b einem
Gatebefehl (d.h. einem Gatebefehl zum Ausschalten des IGBTs 11)
aus der Steuerlogik 12 entsprechend eingeschaltet wird,
wird auch der Nch-MOSFET 52 eingeschaltet. Dabei weist
der Steuerkreis einen parallelgeschalteten Widerstand des im Sperrzustand
befindlichen Gates mit einem Widerstand auf, der im Wesentlichen
gleich demjenigen der Widerstände 14b und 51 ist.
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Wenn das Auftreten eines Kurzschlusses
erfasst wird, tritt der Gatespannungdetektor 17 in Aktion,
und das Ausgangssignal der Umkehrschaltung 53 geht zu einem
niedrigen Pegel über,
so dass der Nch-MOSFET 52 ausgeschaltet wird. Dabei kann
der Steuerkreis, da der Widerstand des im Sperrzustand befindlichen
Gates nur aus dem Widerstand 14 besteht, den IGBT 11 mit
einer Geschwindigkeit ausschalten, die langsamer ist als diejenige,
mit der der Steuerkreis den IGBT 11 unter normalen Betriebsbedingungen
ausschaltet. Gemäß dieser
Ausführungsform
7 kann der Steuerkreis somit den IGBT unter Verwendung einer Ausschaltgeschwindigkeitseinstellschaltung 15 mit
einer Geschwindigkeit ausschalten, die langsamer ist als diejenige,
mit der der Steuerkreis den IGBT 11 unter normalen Betriebsbedingungen
ausschaltet, wodurch die Stoßspannung
gesenkt wird.
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Ausführungsform 8
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16 ist
ein Blockschema, das den Aufbau eines Steuerkreises zum Ansteuern
eines Leistungshalbleiterbauelements nach Ausführungsform 8 der vorliegenden
Erfindung zeigt. Da in der Figur dieselben Bezugszahlen wie in 1 gezeigt dieselben oder ähnliche
Bestandteile bezeichnen wie diejenigen der ersten Ausführungsform,
unterbleibt die Erklärung
dieser Bestandteile im Folgenden. Bezugszahl 18 bezeichnet
einen Gatestromdetektor (also eine Erfassungseinrichtung für steuerbare
Variablenwerte und eine Unregelmäßigkeitserfassungseinrichtung),
der einen in einem Gateanschluss eines IGBTs 11 fließenden Gatestrom
Ig als steuerbaren Variablenwert erfasst, der auf den IGBT 11 angewandt
und von einem Puffer 13 während des gesamten Zeitraums
gesteuert wird, in dem ein Sampler 16 den Erfassungsprozess
zur Erfassung des Gatestroms Ig zulässt, und der das Auftreten
einer Unregelmäßigkeit
im IGBT 11 erkennt, wenn der Gatestrom Ig gleich einem
oder niedriger als ein Referenzwert wird.
-
Nach der zuvor erwähnten Ausführungsform
1 erfasst der Gatespannungsdetektor die Gatespannung Vg, die am
Gateanschluss des IGBTs 11 anliegt, als den steuerbaren
Variablenwert, der auf den IGBT 11 angewandt und vom Puffer 13 gesteuert
wird. Im Gegensatz dazu kann der Gatestromdetektor nach dieser Ausführungsform
8 das Auftreten eines Kurzschlusses durch Erfassung des im Gateanschluss
des IGBTs 11 fließenden
Gatestroms Ig erfassen.
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17 ist
eine erläuternde
Zeichnung, um die Wellenverläufe
der Gatespannung Vg und des Gatestroms Ig zu zeigen, wenn der IGBT
unter normalen Betriebsbedingungen einschaltet, und 18 ist eine erläuternde Zeichnung, um die Wellenverläufe der
Gatespannung Vg und des Gatestroms Ig zu zeigen, wobei der IGBT
eingeschaltet und kurzgeschlossen ist. Wie in der zuvor erwähnten Ausführungsform
1 erläutert,
tritt, wenn der IGBT unter normalen Betriebsbedingungen eingeschaltet
wird, ein Miller-Zeitraum auf und die Gatespannung Vg wird konstant.
Dabei wird der Gatestrom Ig, wie in 17 gezeigt,
annähernd
konstant, und nimmt nach Ablauf des Miller-Zeitraums graduell ab.
Andererseits gibt es, wie in 18 gezeigt,
wenn ein Kurzschluss im IGBT 11 auftritt, keinen Miller-Zeitraum,
und die Gatespannung Vg steigt rapide bis zur Steuerspannung Vcc
an. Der Gatestrom Ig sinkt wie die Gatespannung Vg bald, nachdem
er rapide angestiegen war, unmittelbar nach Einschalten des IGBTs
wieder ab. Anders ausgedrückt,
während
der Gatestrom Ig sofort verschwindet, wenn ein Kurzschluss im IGBT 11 auftritt,
bleibt der Gatestrom Ig während
des Miller-Zeitraums auf einem konstanten Wert und verschwindet
dann unter normalen Betriebsbedingungen. Deshalb ist es möglich, das
Auftreten eines Kurzschlusses durch Erfassen dieses Unterschieds
zu erfassen.
-
Nach dieser Ausführungsform 8 erfasst der Gatestromdetektor 18 den
im Gateanschluss des IGBTs 11 fließenden Gatestrom Ig über den
gesamten Erfassungszeitraum, in dem der Sampler 16 den
Erfassungsprozess für
die Erfassung des Gatestroms Ig zulässt, und schickt ein Unregelmäßigkeitssignal
an eine Steuerlogik 12, wenn der Gatestrom Ig gleich einem
oder niedriger als ein Referenzwert wird.
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Der Sampler 16 nach dieser
Ausführungsform
8 schränkt
den Erfassungszeitraum ein, in dem der Gatestromdetektor 18 den
Gatestrom Ig erfasst, und weist den Gatestromdetektor 18 an,
den Erfassungsprozess zum Erfassen des Gatestroms Ig zu einem Zeitpunkt
t0 anlaufen zu lassen, wenn die Steuerlogik 12 einen Einschaltbefehl
erhält,
wie in den 17 und 18 gezeigt ist. Der Sampler 16 weist
dann den Gatestromdetektor 18 an, den Erfassungsprozess
zum Erfassen des Gatestroms Ig zu einem Zeitpunkt t1 zu beenden,
bevor der Gatestrom Ig unter normalen Betriebsbedingungen auf Null
absinkt. Der Steuerkreis nach dieser Ausführungsform 8 kann somit wie
derjenige der zuvor erwähnten
Ausführungsform
1 den IGBT 11 mit größerer Zuverlässigkeit
schützen,
indem er das Auftreten eines Kurzschlusses sofort erfasst, selbst
wenn der IGBT 11 widerstandsfähig gegen hohe Spannungen ist.
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Ausführungsform 9
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19 ist
ein Blockschema, das den Aufbau eines Steuerkreises zum Ansteuern
eines Leistungshalbleiterbauelements nach Ausführungsform 9 der vorliegenden
Erfindung zeigt. Da in der Figur dieselben Bezugszahlen wie in 10 gezeigt dieselben oder ähnliche
Bestandteile bezeichnen wie diejenigen der vierten Ausführungsform,
unterbleibt die Erklärung
dieser Bestandteile im Folgenden. 19 zeigt
ein konkretes Beispiel eines Samplers 16 und eines Gatestromdetektors 18,
wie sie in 18 gezeigt
sind. Eine Ausschaltgeschwindigkeitseinstellschaltung 15 ist
in dieser Ausführungsform
weggelassen. Bezugszahl 54 bezeichnet eine UND-Schaltung
zum Freigeben eines Unregelmäßigkeitssignals,
das vom Gatestromdetektor 18 nur in einem Zeitraum ab einem
Zeitpunkt t0 bis zu einem Zeitpunkt t1 geliefert wird, Bezugszahl 55 bezeichnet
eine Umkehrschaltung, um die Logik eines Ausgangssignals eines Komparators 38 umzukehren,
und Bezugszahl 56 bezeichnet eine UND-Schaltung, um eine
logische UND-Operation an einem Ausgangssignal einer Umkehrschaltung 55 und
dem Ausgangssignal der UND-Schaltung 54 zu vollziehen.
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Als Nächstes erfolgt eine Beschreibung
hinsichtlich einer Funktionsweise des Steuerkreises zum Ansteuern
eines Leistungshalbleiterbauelements nach Ausführungsform 9 der vorliegenden
Erfindung. Eine Spannung, die an einem Ende eines Widerstands 14a eines
im Durchlasszustand befindlichen Gates 14a anliegt, der
an einen Puffer 13 angeschlossen ist, wird von Teilungswiderständen 34 und 35 geteilt
und an einen Eingangskontakt a des Komparators 38 angelegt,
und eine Spannung, die am anderen Ende des Widerstands 14a des
im Durchlasszustand befindlichen Gates anliegt, der an den IGBT 11 angeschlossen
ist, wird von Teilungswiderständen 36 und 37 geteilt
und an den anderen Eingangskontakt b des Komparators 38 angelegt. Wenn
ein Gatestrom Ig im Widerstand 14a des im Durchlasszustand
befindlichen Gates fließt,
während
der IGBT 11 eingeschaltet ist, weist der Eingangskontakt
a des Komparators 38 ein Potential auf, das höher ist
als dasjenige des anderen Eingangskontakts b, und das Ausgangssignal
des Komparators 38 geht auf einen hohen Pegel. Wenn andererseits
der Gatestrom Ig Null wird und das Potential des Eingangskontakts
a gleich demjenigen des anderen Eingangskontakts b wird, geht das
Ausgangssignal des Komparators 38 auf einen niedrigen Pegel.
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Die Umkehrschaltung 55 kehrt
die Logik des Ausgangssignals des Komparators 38 um, und
das Ausgangssignal der Umkehrschaltung 55 wird in die UND-Schaltung 56 eingegeben.
Obwohl der Sampler 16 fast denselben Aufbau hat wie derjenige
von 10, besitzt er eine
UND-Schaltung 54 anstelle
der NAND-Schaltung 43 und ist so aufgebaut, dass er nur über einen
Erfassungszeitraum, in dem der Gatestrom Ig erfasst wird (d.h. einem
Erfassungszeitraum ab einem Zeitpunkt t0 bis zu einem Zeitpunkt
t1 der 17 und 18) ein Pulssignal mit einem
hohen Pegel abgibt.
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Während
der Sampler 16 an die UND-Schaltung 56 während des
Zeitraums ab Zeitpunkt t0 bis Zeitpunkt t1 unter normalen Betriebsbedingungen
das Signal mit einem hohen Pegel ausgibt, gibt die Umkehrschaltung 55 ein
Signal mit einem niedrigen Pegel an die UND- Schaltung 56 aus, weil der
Gatestrom Ig auch zum Zeitpunkt t1 noch fließt und der Komparator 38 ein
Signal mit einem hohen Pegel ausgibt. Deshalb gibt die UND-Schaltung 56 ein
Signal mit einem niedrigen Pegel aus. Wenn andererseits ein Kurzschluss
im IGBT 11 auftritt, weil der Gatestrom Ig vor dem Zeitpunkt
t1 auf Null geht und der Komparator 38 ein Signal mit einem niedrigen
Pegel ausgibt, wird ein Signal mit einem hohen Pegel an die UND-Schaltung 56 abgegeben,
und die UND-Schaltung 56 gibt deshalb ein Signal mit einem
hohen Pegel aus (was die Erfassung einer Unregelmäßigkeit
anzeigt). Nach dieser Ausführungsform
9 kann die Zuverlässigkeit
des Steuerkreises zum Ansteuern eines Leistungshalbleiterbauelements
verbessert werden, weil der Steuerkreis eine Fehlfunktion des Gatestromdetektors 18 unter
normalen Betriebsbedingungen verhindern kann.
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Ausführungsform 10
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20 ist
ein Blockschema, das den Aufbau eines Steuerkreises zum Ansteuern
eines Leistungshalbleiterbauelements nach Ausführungsform 10 der vorliegenden
Erfindung zeigt. Da in der Figur dieselben Bezugszahlen wie in 1 gezeigt dieselben oder ähnliche
Bestandteile bezeichnen wie diejenigen der ersten Ausführungsform,
unterbleibt die Erklärung
dieser Bestandteile im Folgenden. Bezugszahl 19 bezeichnet
einen Gateladungsdetektor (d.h. eine Erfassungseinrichtung für einen
steuerbaren Variablenwert und eine Unregelmäßigkeitserfassungseinrichtung)
zum Erfassen eines Ladungsbetrags, der einem Gateanschluss eines
IGBTs 11 als steuerbarer Variablenwert, der auf den IGBT 11 angewandt
und von einem Puffer 13 gesteuert wird, über einen
Zeitraum zur Verfügung
gestellt wird, in dem ein Sampler 16 den Erfassungsprozess
zur Erfassung des Gateladungsbetrags zulässt, und um, wenn der Gateladungsbetrag
gleich oder niedriger als ein Referenzwert ist, zu erkennen, dass
eine Unregelmäßigkeit
im IGBT 11 auftritt, wobei der Gateladungsdetektor 19 aus
einem Integrierglied, das einen im Gateanschluss des IGBTs fließenden Gatestrom
Ig integriert, und einem Vergleichsglied besteht, das den Integralwert
mit dem Referenzwert vergleicht.
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Nach der zuvor erwähnten Ausführungsform
1 erfasst der Steuerkreis eine Gatespannung Vg, die am Gateanschluss
des IGBTs 11 anliegt, als den steuerbaren Variablenwert,
der auf den IGBT 11 angewandt und vom Puffer 13 gesteuert
wird. Im Gegensatz dazu erfasst der Steuerkreis nach Ausführungsform
10 das Auftreten eines Kurzschlusses, indem er den Gateladungsbetrag
erfasst, der dem Gateanschluss des IGBTs 11 zur Verfügung gestellt
wird.
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21 ist
eine erläuternde
Zeichnung, die die Wellenverläufe
der Gatespannung Vg, des Gatestroms Ig und des Integrals des Gatestroms
Ig (d.h. den Gateladungsbetrag) zeigt, wenn der IGBT 11 unter
normalen Betriebsbedingungen eingeschaltet wird, und 22 ist eine erläuternde
Zeichnung, die die Wellenverläufe der
Gatespannung Vg, des Gatestroms Ig und des Integrals des Gatestroms
Ig (d.h. den Gateladungsbetrag) zeigt, wenn der IGBT 11 eingeschaltet
wird und dabei kurzgeschlossen ist. Wie in der zuvor erwähnten Ausführungsform
1 erläutert,
tritt ein Miller-Zeitraum auf, wenn der IGBT 11 unter normalen
Betriebsbedingungen eingeschaltet wird, eine Kollektor-Emitterspannung
Vce nimmt ab und eine Rückführungskapazität steigt
während
des Miller-Zeitraums an. Deshalb werden dem IGBT 11 von
einer steuerbaren Stromquelle große elektrische Ladungen geliefert,
und das Integral des Gatestroms Ig erreicht V1. Da es keinen Miller-Zeitraum
gibt und die Ladungsmenge, die von der steuerbaren Stromquelle geliefert
wird, klein ist, wenn im IGBT 11 ein Kurzschluss auftritt,
wird andererseits das Integral des Gatestroms zu V2 und ist kleiner
als das Integral V1, das erhalten wird, wenn der IGBT unter normalen
Betriebsbedingungen eingeschaltet wird. Es ist deshalb möglich, das
Auftreten eines Kurzschlusses durch die Erfassung des Unterschieds
der Integrale des Gatestroms Ig zwischen dem Fall, in dem der IGBT
unter normalen Betriebsbedingungen eingeschaltet wird, und dem Fall,
in dem ein Kurzschluss im IGBT 11 auftritt, zu erfassen.
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Nach dieser Ausführungsform 10 erfasst der Gateladungsdetektor 19 das
Integral des Gatestroms Ig, der dem Gateanschluss des IGBTs 11 über den
Erfassungszeitraum zur Verfügung
gestellt wird, in dem der Sampler 16 den Erfassungsprozess
zum Erfassen des Integrals des Gatestroms Ig zulässt, und liefert, wenn das
Integral gleich oder kleiner als ein Referenzwert ist, ein Unregelmäßigkeitssignal
an die Steuerlogik 12.
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Konkret ausgedrückt weist der Sampler 16 den
Gateladungsdetektor 19 an, das Integral des Gatestroms
Ig zu bestimmen, wenn das Integral des Gatestroms Ig den Referenzwert
unter normalen Betriebsbedingungen überschreitet, d.h. nach einem
Zeitpunkt t5, wie in den 21 und 22 gezeigt ist. Das Integrierglied des
Gatespannungsdetektors 19 führt einen Integrationsprozess
zum Integrieren des Gatestroms Ig durch, und liefert beim Erhalt
des Befehls des Samplers 16, das Integral des Gatestroms
Ig nach dem Zeitpunkt t5 zu bestimmen, das Integral des Gatestroms
Ig, das bis dahin erhalten wurde, als den bestimmten Integralwert. Das
Integrierglied weist eine Rückstellschaltung
auf, um den Integralwert zu dem Zeitpunkt, an dem der IGBT das nächste Mal
eingeschaltet wird, auf Null zurückzustellen.
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Das Vergleichsglied des Gateladungsdetektors 19 vergleicht
den vom Integrierglied gelieferten Integralwert mit dem Referenzwert
und liefert, wenn der Integralwert gleich oder kleiner als der Referenzwert
ist, ein Unregelmäßigkeitssignal
an die Steuerlogik 12. Der Referenzwert kann so eingestellt
werden, dass er vorab Werte vom Integralwert V2 bis zum Integralwert
V1 annimmt. Der Steuerkreis nach dieser Ausführungsform 10 kann somit den
IGBT 11 mit größerer Zuverlässigkeit
schützen,
indem er das Auftreten eines Kurzschlusses sofort erfasst, selbst
wenn der IGBT 11 wie derjenige der zuvor erwähnten Ausführungsform
1 widerstandsfähig
gegen hohe Spannungen ist.
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Ausführungsform 11
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23 ist
ein Blockschema, das den Aufbau eines Steuerkreises zum Ansteuern
eines Leistungshalbleiterbauelements nach Ausführungsform 11 der vorliegenden
Erfindung zeigt. Da in der Figur dieselben Bezugszahlen wie in 19 gezeigt dieselben oder ähnliche
Bestandteile bezeichnen wie diejenigen der neunten Ausführungsform,
unterbleibt die Erklärung
dieser Bestandteile im Folgenden. 23 zeigt
ein konkretes Beispiel eines Samplers 16 und eines Gateladungsdetektors 19 von 20. In der Figur ist eine
Ausschaltgeschwindigkeitssteuerschaltung 15 weggelassen,
und Bezugszahl 57 bezeichnet einen Widerstand, und Bezugszahl 58 bezeichnet
einen Kondensator. Eine CR-Schaltung, die aus dem Widerstand 57 und
dem Kondensator 58 besteht, integriert einen in einem IGBT
fließenden
Gatestrom Ig. Bezugszahl 59 bezeichnet einen Differenzverstärker zur
Aufnahme einer geteilten Spannung, die durch die Teilungswiderstände 34 und 35 erhalten
wurde, und einer geteilten Spannung, die durch Teilungswiderstände 36 und 37 erhalten
wurde, und zur Verstärkung
der Differenz zwischen diesen geteilten Spannungen, und die Bezugszahlen 60 und 61 bezeichnen
Teilungswiderstände
zum Teilen einer Steuerspannung Vcc, und um einem Komparator 38 eine
geteilte Spannung (d.h. eine Referenzspannung) zur Verfügung zu
stellen.
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Als Nächstes erfolgt eine Beschreibung
hinsichtlich einer Funktionsweise des Steuerkreises zum Ansteuern
eines Leistungshalbleiterbauelements nach Ausführungsform 11. Nach einem Zeitpunkt
t5, wenn das Integral des Gatestroms Ig unter normalen Betriebsbedingungen
einen Referenzwert überschreitet,
gibt der Sampler 16 ein Signal mit einem hohen Pegel an
die UND-Schaltung 56 ab, damit der Gateladungsdetektor 19 das
Integral des Gatestroms Ig bestimmt. Das vom Sampler 16 ausgegebene
Signal wird dazu veranlasst, auf einmal und sofort nach dem Zeitpunkt
t5 in einen hohen Pegel überzugehen,
um zu verhindern, dass der IGBT 11 zerstört wird.
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Da der Differenzverstärker 59 eine
Spannung abgibt, die die an den Komparator 38 angelegte
Spannung (d.h. diejenige, die von den Teilungswiderständen 60 und 61 zur
Verfügung
gestellt wird) unter normalen Betriebsbedingungen nach dem Zeitpunkt
t5 überschreitet,
geht das Ausgangssignal des Komparators 38 zu einem hohen
Pegel über,
und es wird ein Signal mit einem niedrigen Pegel von einer Umkehrschaltung 55 an die
UND-Schaltung 56 abgegeben. Deshalb gibt die UND-Schaltung 56 unter
normalen Betriebsbedingungen ein Signal mit einem niedrigen Pegel
ab.
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Da die vom Differenzverstärker 59 gelieferte
Spannung die an den Komparator 38 angelegte Referenzspannung
nach dem Zeitpunkt t5 auch dann nicht überschreitet, wenn ein Kurzschluss
im IGBT 11 auftritt, geht andererseits das Ausgangssignal
des Komparators 38 auf einen niedrigen Pegel, und es wird
ein Signal mit einem hohen Pegel von der Umkehrschaltung 55 an
die UND-Schaltung 56 abgegeben. Wenn ein Kurzschluss im
IGBT 11 auftritt, gibt deshalb die UND-Schaltung 56 ein
Signal mit einem hohen Pegel aus (was die Erfassung einer Unregelmäßigkeit
anzeigt).
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Nach dieser Ausführungsform 11 kann die Zuverlässigkeit
des Steuerkreises zum Ansteuern eines Leistungshalbleiterbauelements
verbessert werden, weil der Steuerkreis eine Fehlfunktion des Gateladungsdetektors 19 unter
normalen Betriebsbedingungen verhindern kann. Hinzu kommt, dass
der Steuerkreis den Gatestrom Ig unter Verwendung eines Integrierglieds
integrieren kann, das mit einem OP-Verstärker anstelle der CR-Schaltung
ausgestattet ist, die aus dem Widerstand 57 und dem Kondensator 58 besteht.
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Es können stark unterschiedliche
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung angedacht werden, ohne dass dabei der
Sinngehalt und Rahmen der vorliegenden Erfindung verlassen würde. Selbstverständlich ist
die vorliegende Erfindung nicht auf die in dieser Beschreibung beschriebenen
speziellen Ausführungsformen
beschränkt,
mit Ausnahme dessen, was in den beigefügten Ansprüchen definiert ist.
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