DE112010003655T5

DE112010003655T5 - Halbleitervorrichtung

Info

Publication number: DE112010003655T5
Application number: DE112010003655T
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Nakatake
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-10-20
Filing date: 2010-06-17
Publication date: 2012-12-20
Anticipated expiration: 2030-06-18
Also published as: US8803508B2; JP5289580B2; US20120126791A1; CN102576041A; CN102576041B; JPWO2011048845A1; DE112010003655B4; WO2011048845A1

Abstract

Bei einer Halbleitervorrichtung, die ein mit einer Hauptzelle und einer Strommesszelle versehenes Leistungshalbleiterelement verwendet, wird ein Lastüberstrom exakt gemessen und ein Kurzschlussstrom wird rasch detektiert. Der Ausgang einer Strommesszelle (2) ist mit einem invertierenden Eingangsanschluss (61) eines Operationsverstärkers (6) verbunden, und ein nicht-invertierender Eingangsanschluss (62) des Operationsverstärkers (6) ist mit einem Sourceanschluss der Hauptzelle (1) verbunden, an den eine Source-Vorspannung angelegt wird; eine Strom-/Spannungs-Wandlerschaltung, die mit dem Operationsverstärker (6) und einem Messwiderstand (12) ausgebildet ist, wandelt einen Ausgangsstrom der Strommesszelle (2) in eine Messspannung um; es sind eine erste Fehlerdetektionsschaltung (21), die die Messspannung mit einer ersten Referenzspannung vergleicht und ein Fehlersignal abgibt, sowie eine zweite Fehlerdetektionsschaltung (22) vorhanden, die eine Spannung an dem invertierenden Eingangsanschluss (61) des Operationsverstärkers (6) mit einer zweiten Referenzspannung vergleicht, die höher vorgegeben ist als die Source-Vorspannung, und ein Fehlersignal abgibt.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Halbleitervorrichtung, die ein Leistungshalbleiterelement, wie z. B. einen MOSFET, verwendet, das mit einer Stromerfassungszelle bzw. Strommesszelle versehen ist, um einen Detektionsstrom durch Teilen eines darin fließenden Stroms zu ermitteln.
Stand der Technik
Unter den Halbleitervorrichtungen, die ein Leistungshalbleiterelement verwenden, gibt es eine Halbleitervorrichtung, die mit einer Strommesszelle versehen ist, die einen Strom für eine Stromdetektion durch Teilen eines in dem Leistungshalbleiterelement fließenden Stroms ermittelt, um dadurch einen Strom zu detektieren und das Leistungshalbleiterelement zu schützen, wenn ein Überstrom in diesem fließt.
Als Überstromschutz für einen Transistor, der einen in der Strommesszelle fließenden Strom nutzt, gibt es einen Überstromschutz für einen Transistor, bei dem eine aus einem Widerstand gebildete Stromdetektionseinrichtung einen Strom von einem Stromdetektionstransistor (einer Strommesszelle) erhält und den Strom einem Komparator zuführt, so dass ein Strom detektiert wird (z. B. Patentdokument 1).
Ferner gibt es unter Überstrom-Detektionsschaltungen eine Detektionsschaltung, bei der eine Stromdetektion derart ausgeführt wird, dass eine Stromdetektionsquelle (der Ausgang einer Strommesszelle) mit dem invertierenden Eingangsanschluss eines Operationsverstärkers in einer Strom-/Spannungs-Umwandlungsschaltung verbunden ist, die mit dem Operationsverstärker und einem Stromdetektionswiderstand ausgestattet ist (z. B. Patentdokument 2).
Stand der Technik
Patentdokumente

Patentdokument 1 Japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift JP-A-146 722 (Seite 4, von Zeile 46 in der linken Spalte bis Zeile 16 in der rechten Spalte)
Patentdokument 2 Japanisches Patent Nr. 2 658 386 (1)

Offenbarung der Erfindung
Mit der Erfindung zu lösende Probleme
Eine Strommesszelle wird zum Schützen eines Leistungshalbleiterelements verwendet, indem in erster Linie zwei Ströme detektiert werden, wie dies im folgenden erläutert wird. Als erstes wird der erste Strom erläutert. Bei einem Dreiphaseninverter mit zwei Stufen, wie er in 2 veranschaulicht ist, wird in einem Fall, in dem aus irgendwelchen Gründen sowohl der Schalter (z. B. 1a) auf der hohen Seite als auch ein Schalter (z. B. 1b) auf der niedrigen Seite einer bestimmten Phase gleichzeitig einschalten, durch eine niedrige Impedanz ein Kurzschluss zwischen den beiden Anschlüssen einer Stromquelle verursacht, so dass ein in einem Halbleiterelement fließender Strom mit einer hohen Stromänderungsgeschwindigkeit ansteigt, d. h. es wird ein sogenannter Zweigkurzschlussstrom erzeugt.
Da der Zweigkurzschlussstrom ausreichend hoch wird, um ein Leistungshalbleiterelement zu zerstören, besteht die Notwendigkeit, einen in dem Leistungshalbleiterelement fließenden Strom zu detektieren, um das Leistungshalbleiterelement zu schützen.
Bei dem in 2 dargestellten Dreiphaseninverter mit zwei Stufen handelt es sich bei dem zweiten Strom um einen Strom, der durch den hochseitigen Schalter (z. B. 1a) einer bestimmten Phase, eine Last M und den niedrigseitigen Schalter (z. B. 1b) einer anderen Phase fließt und dann zu der Stromquelle zurückkehrt. Da der Strom beim Fließen durch die Last M ansteigt, kommt es zu einem sanften Stromanstieg.
Da der Strom selbst dann sanft ansteigt, wenn aus irgendwelchen Gründen ein Leistungshalbleiterelement, das ausgeschaltet sein sollte, weiterhin eingeschaltet bleibt und somit ein Überstrom fließt, ist keine Stromerfassung mit hoher Geschwindigkeit erforderlich; jedoch ist eine Stromdetektion mit hoher Genauigkeit notwendig.
Der Grund für das Erfordernis einer Stromdetektion mit hoher Genauigkeit ist folgender. Im Hinblick auf einen Stromrichter, der den Inverter gemäß 2 beinhaltet, ist eine spezielle Kühlvorrichtung zum Kühlen eines Leistungshalbleiterelements ausgebildet.
Die Ausbildung ist derart vorgesehen, dass die Kühlung selbst bei einem maximalen Strom, der in dem Stromrichter fließen darf, ausgeführt werden kann und dass ein geeigneter Spielraum vorhanden ist. Je genauer der maximale Strom, auf dem die Stromdetektion basiert, detektiert werden kann, desto angemessener kann die Kühlvorrichtung ausgebildet werden. Die Stromänderungsgeschwindigkeit zu einem Zeitpunkt, zu dem das Leistungshalbleiterelement ausschaltet, wird mit Zunahme des abzuschaltenden Stroms höher.
Die parasitäre Induktivität und die Ausschaltgeschwindigkeit sind derart ausgelegt, dass selbst bei maximaler Stromänderungsgeschwindigkeit die durch das Produkt aus der Stromänderungsgeschwindigkeit und der parasitären Induktivität ausgedrückte Stoßspannung bzw. Überspannung die maximale Nennspannung des Leistungshalbleiterelements nicht überschreitet. Je genauer der maximale Strom detektiert werden kann, desto adäquater können die parasitäre Induktivität und die Ausschaltgeschwindigkeit ausgelegt werden.
Wie vorstehend beschrieben worden ist, müssen beim Ausführen der Stromdetektion die folgenden beiden Faktoren erfüllt werden, nämlich eine mit hoher Geschwindigkeit erfolgende Detektion eines Zweigkurzschlussstroms sowie eine mit hoher Genauigkeit erfolgende Detektion eines Laststroms.
Im Patentdokument 1 wird im Hinblick auf das Erfordernis der Stromdetektion der aus einem Widerstand gebildeten Stromdetektionseinrichtung ein Strom von einem Stromdetektionstransistor zugeführt, und dieser Strom wird wiederum einem Komparator zugeführt, so dass der Strom detektiert wird. Da hierbei die Geschwindigkeit des Komparators relativ hoch ist, kann ein Strom rasch detektiert werden.
Da jedoch die aus einem Widerstand gebildete Stromdetektionseinrichtung zwischen den Sourceanschluss des Stromdetektionstransistors und den Sourceanschluss eines Haupttransistors geschaltet ist, sind die Spannung zwischen Drain und Source des Haupttransistors sowie die Spannung zwischen Drain und Source des Stromdetektionstransistors voneinander verschieden, und zwar um eine Spannungsdifferenz gleich dem Spannungsabfall über der Stromdetektionseinrichtung.
Die Ausgangscharakteristik ist in 9 veranschaulicht. Da die jeweiligen Spannungen zwischen Drain und Source voneinander verschieden sind, sind auch die jeweiligen Drain-Ströme des Haupttransistors und des Stromdetektionstransistors voneinander verschieden, so dass die Genauigkeit nicht erhöht werden kann.
Im Patentdokument 2 wird eine Strom-/Spannungs-Wandlerschaltung verwendet, die mit einem Operationsverstärker und einem Stromdetektionswiderstand ausgebildet ist. In seinem stabilen Betrieb arbeitet ein Operationsverstärker in einer derartigen Weise, dass eine Potentialdifferenz zwischen dem nicht-invertierenden Anschluss und dem invertierenden Anschluss desselben aufgehoben wird; es wird somit keine Differenz zwischen der Spannung zwischen dem Drainanschluss und dem Haupt-Sourceanschluss eines Ausgangs-MOSFET sowie der Spannung zwischen dem Drainanschluss und der Stromdetektions-Sourceanschluss desselben erzeugt, so dass ein Strom exakt detektiert werden kann.
Jedoch besteht im Übergang eine Obergrenze hinsichtlich der Änderung der Ausgangsanschlussspannung eines Operationsverstärkers; daher kann ein Strom nicht rasch detektiert werden. Mit anderen Worten heißt dies, dass ein Operationsverstärker nicht für eine Zweigkurzschlussstromdetektion geeignet ist, bei der eine Detektion mit hoher Geschwindigkeit erforderlich ist.
Die vorliegende Erfindung ist zum Lösen der vorstehend geschilderten Probleme erfolgt; das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung einer Halbleitervorrichtung, die ein mit einer Hauptzelle und einer Strommesszelle versehenes Leistungshalbleiterelement verwendet und bei der ein Zweigkurzschlussstrom rasch detektiert wird und ein Lastüberstrom exakt detektiert wird.
Mittel zum Lösen der Probleme
Bei einer Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Ausgang einer Strommesszelle mit einem invertierenden Eingangsanschluss eines Operationsverstärkers verbunden, und ein nicht-invertierender Eingangsanschluss des Operationsverstärkers ist mit dem Sourceanschluss einer Hauptzelle verbunden, an den eine Source-Vorspannung angelegt wird;
eine Strom-/Spannungs-Wandlerschaltung, die mit dem Operationsverstärker und einem Messwiderstand ausgebildet ist, wandelt einen Ausgangsstrom der Strommesszelle in eine Messspannung um;
ferner sind eine erste Fehlerdetektionsschaltung, die die Messspannung mit einer ersten Referenzspannung vergleicht und ein Fehlersignal abgibt, sowie eine zweite Fehlerdetektionsschaltung vorhanden, die eine Spannung an dem invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers mit einer zweiten Referenzspannung vergleicht, die höher vorgegeben ist als die Source-Vorspannung, und ein Fehlersignal abgibt.
Vorteil der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Halbleitervorrichtung geschaffen werden, bei der die erste Fehlerdetektionsschaltung einen Lastüberstrom exakt detektieren kann und die zweite Fehlerdetektionsschaltung einen Kurzschlussstrom rasch detektieren kann.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
In den Zeichnungen zeigen:
1 ein Schaltbild zur Erläuterung einer Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung;
2 ein Schaltbild zur Erläuterung eines Beispiels, bei dem die vorliegende Erfindung angewendet wird;
3 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Arbeitsweise einer Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung zum Zeitpunkt des Einschaltens der Halbleitervorrichtung;
4 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Arbeitsweise einer Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung zum Zeitpunkt des Fließens eines Überstroms in einer Last;
5 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Arbeitsweise einer Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung zum Zeitpunkt des Kurzschlusses eines Zweigs derselben;
6 ein Schaltbild zur Erläuterung einer Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsbeispiel 2 der vorliegenden Erfindung;
7 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Arbeitsweise einer Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsbeispiel 2 der vorliegenden Erfindung in einer Periode von dem Einschalten der Halbleitervorrichtung bis zu dem Zeitpunkt des Ausschaltens der Halbleitervorrichtung;
8 ein Schaltbild zur Erläuterung einer Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsbeispiel 3 der vorliegenden Erfindung; und
9 ein Ausgangscharakteristik-Darstellung zur Erläuterung der Arbeitsweise einer herkömmlichen Halbleitervorrichtung.
Ausführungsbeispiele zum Ausführen der Erfindung
Ausführungsbeispiel 1
1 zeigt ein Schaltbild zur Erläuterung einer Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung. In dem Ausführungsbeispiel 1 wird als Leistungshalbleiterelement ein MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) verwendet; es können jedoch auch andere Leistungshalbleiterelemente, wie zum Beispiel ein IGBT (Bipolartransistor mit isoliertem Gate) und dergleichen verwendet werden.
Ein Leistungshalbleiterelement 3 ist mit einer Hauptzelle 1, die in erster Linie die Funktion hat, einen Strom durchzuleiten, sowie mit einer Strommesszelle 2 versehen, die einen Strom teilt; die jeweiligen Drainanschlüsse der Hauptzelle 1 und der Strommesszelle 2 sind miteinander verbunden, und die jeweiligen Gateanschlüsse derselben sind miteinander verbunden.
Eine Source-Vorspannungsstromquelle 11 zum Anlegen einer negativen Spannung (einer Vorspannung) zwischen dem Gateanschluss und dem Sourceanschluss eines Leistungshalbleiterelements ist mit dem Sourceanschluss der Hauptzelle 1 verbunden. Der Sourceanschluss der Strommesszelle 2 ist mit dem invertierenden Eingangsanschluss 61 des Operationsverstärkers 6 verbunden; ein Messwiderstand 12 ist zwischen den invertierenden Eingangsanschluss 61 und den Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 6 geschaltet.
Ein nicht-invertierender Eingangsanschluss 62 des Operationsverstärkers 6 ist mit dem Sourceanschluss der Hauptzelle 1 verbunden. Der Operationsverstärker 6 und der Messwiderstand 12 bilden eine Strom-/Spannungs-Wandlerschaltung, die den Ausgangsstrom der Strommesszelle in eine Messspannung umwandelt, bei der es sich um die Spannung an dem Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers handelt.
Der Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 6 ist mit einem nicht-invertierenden Eingangsanschluss 72 eines Komparators 7 verbunden; eine Referenzstromquelle 8, die eine erste Referenzspannung liefert, ist mit einem invertierenden Eingangsanschluss 71 des Komparators 7 verbunden; die Spannung an dem Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers, d. h. die Messspannung, wird mit der ersten Referenzspannung verglichen. In einem Fall, in dem die Messspannung niedriger ist als die erste Referenzspannung, gibt der Komparator 7 ein Fehlersignal ab. Der Operationsverstärker 6, der Messwiderstand 12, die Referenzstromquelle 8 und der Komparator 7 bilden eine erste Fehlerdetektionsschaltung 21.
Ein invertierender Eingangsanschluss 41 eines Komparators 4 ist mit dem invertierenden Eingangsanschluss 61 des Operationsverstärkers 6 verbunden, und eine Referenzstromquelle 5, die eine zweite Referenzspannung liefert, ist mit einem nicht-invertierenden Eingangsanschluss 42 des Komparators 4 verbunden.
Der Komparator 4 vergleicht die zweite Referenzspannung mit der Spannung an dem invertierenden Eingangsanschluss 41 des Komparators 4, d. h. an dem invertierenden Eingangsanschluss 61 des Operationsverstärkers 6; in dem Fall, in dem die Spannung an dem invertierenden Eingangsanschluss 61 des Operationsverstärkers 6 höher ist als die zweite Referenzspannung, gibt der Komparator 4 ein Fehlersignal ab. Der Komparator 4 und die Referenzstromquelle 5 bilden eine zweite Fehlerdetektionsschaltung 22.
Einer Steuerschaltung 20 wird das Fehlersignal von dem Komparator 4 oder dem Komparator 7 zugeführt, und die Steuerschaltung 20 gibt einen Schaltbefehl an die jeweiligen Gateanschlüsse der Hauptzelle 1 und der Strommesszelle 2 des Leistungshalbleiterelements ab, um dadurch die Hauptzelle 1 und die Strommesszelle 2 auszuschalten. In der vorstehend beschriebenen Weise wird eine Stromdetektionsschaltung 30 gebildet.
Die in 1 dargestellte Schaltung wird zum Beispiel bei einem Dreiphaseninverter mit zwei Stufen angewendet, wie er in 2 dargestellt ist. Die Schaltung in 2 ist mit sechs Schaltungen aufgebaut, wie sie in 1 gezeigt sind. In 2 bezeichnen die Bezugszeichen 3a, 3b, 3c, 3d, 3e und 3f jeweils das Leistungshalbleiterelement 3 der 1; die Bezugszeichen 1a, 1b, 1c, 1d, 1e und 1f bezeichnen jeweils die Hauptzelle 1; die Bezugszeichen 2a, 2b, 2c, 2d, 2e und 2f bezeichnen jeweils die Strommesszelle 2; und die Bezugszeichen 30a, 30b, 30c, 30d, 30e und 30f bezeichnen jeweils die Stromdetektionsschaltung 30.
Bei dem Ausführungsbeispiel 1 handelt es sich bei der Last um einen Motor M; jedoch kann die Last auch durch ein beliebiges anderes Element gebildet sein. Ferner versteht es sich, dass die vorliegende Erfindung nicht nur bei einem Dreiphaseninverter mit zwei Stufen angewendet werden kann, wie er vorliegend als Beispiel beschrieben wird, sondern auch bei verschiedenen anderen Arten von mit elektrischen Strom arbeitenden Vorrichtungen verwendet werden kann.
3 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise von Ausführungsbeispiel 1, d. h. der in 1 dargestellten Schaltung zum Zeitpunkt des Einschaltens von dieser; dabei ist die Arbeitsweise in einer Situation veranschaulicht, bei der der Stromwert einen Überstrom-Vorgabewert nicht überschreitet. In 3 sind in dem oberen Teil die jeweiligen Stromänderungen in der Hauptzelle und der Strommesszelle veranschaulicht; der untere Teil zeigt die jeweiligen Spannungsänderungen an einigen Punkten.
Die Hauptzelle 1 und die Strommesszelle 2 sind jeweils mit einer Vielzahl von Zellen ausgebildet; das Verhältnis der Zellenanzahl der Hauptzelle 1 zu der Zellenanzahl der Strommesszelle 2 beträgt mehrere tausend bis mehrere zehntausend. In 3 wird der Ausgangsstrom der Strommesszelle mit dem Verhältnis der Zellenanzahl multipliziert, so dass die Größenordnung der Strommesszelle die gleiche ist wie die der Hauptzelle.
Vor dem Einschalten wird die Spannung an dem invertierenden Eingangsanschluss 61 des Operationsverstärkers 6 gleich der Spannung an dem nicht-invertierenden Eingangsanschluss 62 desselben, d. h. der Source-Vorspannung für die Hauptzelle 1, und zwar aufgrund des virtuellen Kurzschlusses der Eingangsanschlüsse des Operationsverstärkers. Wenn das Einschalten beginnt, fließt ein Strom von dem Sourceanschluss der Strommesszelle 2 über den Messwiderstand 12 in den Ausganganschluss des Operationsverstärkers 6.
Die Ausgangsspannung (Messspannung) des Operationsverstärkers 6 wird in einer derartigen Weise geringer, dass die jeweiligen Potentiale des nicht-invertierenden Eingangsanschlusses 62 und des invertierenden Eingangsanschlusses 61 des Operationsverstärkers 6 einander gleich werden; da jedoch die Spannungsänderungsgeschwindigkeit (die als Anstiegsrate bezeichnet wird) desselben begrenzt ist, wird die Spannung an dem invertierenden Eingangsanschluss 61 des Operationsverstärkers 6 nicht gleich der Source-Spannung der Hauptzelle 1, sondern sie wird höher.
Das heißt, es wird kein virtueller Kurzschluss zwischen dem nicht-invertierenden Eingangsanschluss 62 und dem invertierenden Eingangsanschluss 61 des Operationsverstärkers 6 hervorgerufen, und somit sind die Spannungen der beiden Anschlüsse jeweils voneinander verschieden.
In dieser Situation steigt die Spannung an dem invertierenden Eingangsanschluss 61 des Operationsverstärkers 6 mit einer Geschwindigkeit an, die man durch Subtrahieren der Anstiegsrate von dem Produkt aus der zeitlichen Veränderung in dem Ausgangsstrom der Strommesszelle 2 und dem Widerstandswert des Messwiderstands 12 erhält.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass in erfinderischer Weise der Zustand genutzt wird, in dem der virtuelle Kurzschluss des Operationsverstärkers unterbrochen bzw. überwunden ist. Wenn sich die Eingangsanschlüsse des Operationsverstärkers 6 in einem idealen Zustand befinden, d. h. wenn sich diese stets in dem Zustand des virtuellen Kurzschlusses befinden, ist die Spannung an dem invertierenden Eingangsanschluss 41 des Komparators 4, der mit dem invertierenden Eingangsanschluss 61 des Operationsverstärkers 6 verbunden ist, stets gleich der Spannung an dem nicht-invertierenden Eingangsanschluss 62 des Operationsverstärkers 6, d. h. gleich der Source-Vorspannung, bei der es sich um die Sourcespannung der Hauptzelle 1 des Leistungshalbleiterelements 3 handelt; der Komparator 4 arbeitet daher überhaupt nicht (siehe die Erläuterungen in Bezug auf 4).
Aufgrund der Analyse durch die Erfinder der vorliegenden Erfindung wurde jedoch festgestellt, dass bei einem schnellen Anstieg des Stroms in der Strommesszelle 2 die Spannung an dem invertierenden Eingangsanschluss 61 des Operationsverstärkers 6 von der Spannung an dem nicht-invertierenden Eingangsanschluss 62, d. h. die Source-Vorspannung für die Hauptzelle, gemäß der Darstellung in 3 während einer Periode verschieden wird, in der der Operationsverstärker einer Änderung bei dem Strom nicht folgen kann, so dass die Änderung der Spannung an dem invertierenden Eingangsanschluss 61 den Stromanstieg in der Strommesszelle 2 widerspiegelt.
Die erste Referenzspannung ist gleich der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 6 zu dem Zeitpunkt vorgegeben, zu dem ein Überstrom in der Last fließt. Wenn der Strom in der Hauptzelle geringer ist als der Lastüberstrom, d. h. wenn ein normaler Betrieb ausgeführt wird, gibt der Komparator 7 das Fehlersignal nicht ab.
Unter Bezugnahme auf 4 wird nun ein Fall erläutert, in dem ein Überstrom in der Last fließt, d. h. es wird die Arbeitsweise zu einem Zeitpunkt beschrieben, wenn ein Überstrom in der Last fließt. Da sich beim Fließen eines Überstroms der Strom beim Hindurchfließen durch die Last ändert, kommt es zu einer sanften Stromänderung. Aus diesem Grund übersteigt die Anstiegsrate des Operationsverstärkers 6 das Produkt aus der zeitlichen Änderung bei dem Ausgangsstrom der Strommesszelle 2 und dem Widerstandswert des Messwiderstands 12.
Infolgedessen wird die Differenz zwischen der Spannung an dem invertierenden Eingangsanschluss 61 des Operationsverstärkers 6 und der Spannung an dem nicht-invertierenden Eingangsanschluss 62 desselben in etwa ”Null”, und die Spannung an dem Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 6 wird mit einer Rate des Produkts aus dem Widerstandswert des Messwiderstands 12 und der zeitlichen Änderung bei dem Ausgangsstrom der Strommesszelle 2 geringer.
Wenn die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 6 niedriger wird als die erste Referenzspannung, so wird die Feststellung getroffen, dass ein Überstrom erzeugt wird, und der Komparator 7 überträgt das Fehlersignal zu der Steuerschaltung 20. Da die Spannung zwischen dem Drainanschluss und dem Sourceanschluss der Hauptzelle 1 und die Spannung zwischen dem Drainanschluss und dem Sourceanschluss der Strommessschaltung 2 nahezu gleich sind, werden auch der Strom in der Hauptzelle 1 und der Strom, den man durch Multiplizieren des Stroms in der Strommesszelle 2 mit dem Verhältnis der Zellenanzahl erhält, nahezu gleich; somit kann der Lastüberstrom in exakter Weise detektiert werden.
Wenn ein Überstrom in der Last fließt, ist ferner die Spannung an dem invertierenden Eingangsanschluss 61 des Operationsverstärkers 6, d. h. die Spannung an dem invertierenden Eingangsanschluss 41 des Komparators 4, gleich der Source-Vorspannung für die Hauptzelle; da die zweite Referenzspannung höher vorgegeben ist als die Source-Vorspannung, detektiert der Komparator 4 den Lastüberstrom nicht, so dass eine Beeinträchtigung der Detektionsgenauigkeit verhindert werden kann.
Unter Bezugnahme auf 5 wird nun die Arbeitsweise zu einem Zeitpunkt beschrieben, zu dem ein Kurzschluss in einem Zweig stattfindet. Da der Strom zu einem Zeitpunkt, zu dem ein Kurzschluss in einem Zweig stattfindet, höher ist als ein Lastüberstrom (beispielsweise fünfmal so hoch wie ein Lastüberstrom) und die Stromänderungsgeschwindigkeit desselben ebenfalls hoch ist, kommt es zu einem raschen Anstieg der Spannung an dem invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 6, wie dies in 5 dargestellt ist, und zwar aufgrund der Aufhebung des Zustandes des virtuellen Kurzschlusses; wenn die zweite Referenzspannung in angemessener Weise vorgegeben wird, steigt somit die Spannung an dem invertierenden Eingangsanschluss 61 des Operationsverstärkers 6 über die zweite Referenzspannung an.
Dadurch wird der Zweigkurzschlussstrom auf der Basis des Ausgangssignals des Komparators 4 detektiert, dessen invertierender Eingangsanschluss 41 mit dem invertierenden Eingangsanschluss 61 des Operationsverstärkers 6 verbunden ist. Im allgemeinen besteht eine Ausgleichsbeziehung zwischen der Anstiegsrate eines Operationsverstärkers und den Kosten für diesen, der Genauigkeit desselben oder des Stromverbrauchs desselben.
Selbst wenn die Priorität auf andere Leistungseigenschaften gelegt wird und ein Operationsverstärker mit einer geringen Anstiegsrate verwendet wird, ist die Ansprechgeschwindigkeit eines Komparators weit höher als die Änderungsrate des Operationsverstärkers 6; aus diesem Grund wird die Detektionszeit des Komparators 4 kürzer als die des Komparators 7, so dass der Zweigkurzschluss rasch detektiert werden kann.
Während einer Zeitdauer, in der die Spannung an dem invertierenden Eingangsanschluss 61 des Operationsverstärkers 6 und die Spannung an dem nicht-invertierenden Eingangsanschluss 62 desselben voneinander verschieden sind, ist die Spannung zwischen dem Drainanschluss und dem Sourceanschluss der Strommesszelle 2 von der Spannung der Hauptzelle 1 verschieden; daher ist der durch Multiplizieren des Sourcestroms (Ausgangsstrom) der Strommesszelle 2 mit dem Verhältnis der Zellenanzahl erzielte Strom von dem Sourcestrom der Hauptzelle 1 verschieden.
Der Sourcestrom ändert sich auch aufgrund von Schwankungen bei Chips, Schwankungen bei den Temperatureigenschaften, Schwankungen aufgrund von unterschiedlichen Chiptemperaturen und dergleichen.
Um zu verhindern, dass ein Überstrom auch im normalen Betrieb irrtümlich detektiert wird, variiert der Sourcestrom aufgrund der vorstehend geschilderten Ursachen, wobei es erforderlich ist, dass die zweite Referenzspannung, um den Komparator 4 in Betrieb zu setzen, mit einem Wert vorgegeben wird, der einen Spielraum im Hinblick auf den Wert beinhaltet, der dem maximalen Nennstrom entspricht (z. B. zweimal so groß wie der maximale Nennstromwert).
Wenn die Anstiegsrate des Operationsverstärkers 6 größer ist als das Produkt aus der zeitlichen Änderung bei dem Ausgangsstrom der Strommesszelle 2 und dem Widerstandswert des Messwiderstands 12, kann die erste Detektionsschaltung 21 sogar einen Zweigkurzschluss detektieren. Die Anstiegsrate eines Operationsverstärkers und die zeitliche Änderung bei dem Strom eines Leistungshalbleiterelements können in verschiedenartiger Weise variieren; bei der vorliegenden Erfindung kann jedoch durch gleichzeitige Verwendung sowohl der ersten Fehlerdetektionsschaltung als auch der zweiten Fehlerdetektionsschaltung ein Zweigkurzschluss in konstanter Weise rasch detektiert werden, während die Anstiegsrate eines Operationsverstärkers und die zeitliche Änderung bei dem Strom eines Leistungshalbleiterelements in verschiedenartiger Weise variieren.
Wenn ein Zweigkurzschlussstrom fließt, erfolgt ein Steuervorgang zum Ausschalten der Hauptzelle und der Strommesszelle, und zwar in der Praxis auf der Basis der Detektionszeit des Komparators 4 in 5; auf diese Weise wird der Strom vermindert. Zur Erläuterung der Differenz zwischen der Detektionszeit des Komparators 4 und der Detektionszeit des Komparators 7 ist in 5 symbolisch ein Fall veranschaulicht, in dem auch nach der Detektionszeit des Komparators 4 die Hauptzelle und die Strommesszelle aktiviert bleiben und das Leistungshalbleiterelement nicht zerstört wird, so dass der Strom desselben weiterhin fließt.
Wie vorstehend beschrieben, ist die Arbeitsweise der zweiten Fehlerdetektionsschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung vollständig verschieden von der Arbeitsweise bei der Stromdetektion in Patentdokument 1. Das heißt, in Patentdokument 1 ist ein Widerstand, der eine Stromdetektionseinrichtung bildet, mit dem Ausgangsanschluss der Strommesszelle verbunden, und die über dem Widerstand erzeugte Spannung wird dem invertierenden Eingangsanschluss des Komparators zugeführt.
Im Patentdokument 1 ist der invertierende Eingangsanschluss des Komparators nicht mit dem invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers verbunden, während er bei der vorliegenden Erfindung mit dem invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers verbunden ist; daher arbeitet der Komparator in einer Weise, in der er keinerlei Effekt des virtuellen Kurzschlusses in dem Operationsverstärker ausgesetzt ist.
Im Patentdokument 1 entspricht die Spannung an dem invertierenden Eingangsanschluss des Komparators stets dem von der Strommesszelle abgegebenen Strom; somit detektiert der Komparator selbst einen sich langsam ändernden Überstrom, wie zum Beispiel einen Lastüberstrom, obwohl die Detektionsgenauigkeit gering ist.
Im Gegensatz dazu detektiert der Komparator 4 bei der vorliegenden Erfindung nur einen solchen Überstrom, wie zum Beispiel einen Zweigkurzschlussstrom, der sich rasch ändert und dem der Operationsverstärker 6 weder folgen kann noch von diesem detektiert werden kann, und der Operationsverstärker 6 detektiert einen Überstrom, der sich relativ langsam ändert und dem der Operationsverstärker 6 folgen kann. Der Komparator 4 gemäß der vorliegenden Erfindung kann aufgrund des Effekts des virtuellen Kurzschlusses des Eingangsanschlusses des Operationsverstärkers 6 keinen Strom detektieren, der sich relativ langsam ändert und dem der Operationsverstärker 6 folgen kann.
Ausführungsbeispiel 2
6 zeigt ein Schaltbild zur Erläuterung einer Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsbeispiel 2 der vorliegenden Erfindung. In 6 bezeichnen die gleichen Bezugszeichen wie in 1 gleiche oder äquivalente Komponenten oder Elemente. Bei dem Ausführungsbeispiel 2 ist gegenüber Ausführungsbeispiel 1 zusätzlich eine Diode 10 zwischen dem nicht-invertierenden Eingangsanschluss 62 und dem invertierenden Eingangsanschluss 61 des Operationsverstärkers 6 derart zwischengeschaltet, dass ihre Anode mit dem nicht-invertierenden Eingangsanschluss 62 verbunden ist und ihre Kathode mit dem invertierenden Eingangsanschluss 61 verbunden ist.
Die Diode 10 beeinflusst die Spannungsänderung an dem invertierenden Eingangsanschluss 61 des Operationsverstärkers 6, wenn das Leistungshalbleiterelement ausschaltet. 7 veranschaulicht den Betriebsablauf bei der in 6 gezeigten Schaltung eines Leistungshalbleiterelements in der normalen Periode (in der kein Überstrom fließt) von einem Zeitpunkt, zu dem das Leistungshalbleiterelement einschaltet, bis zu einem Zeitpunkt, zu dem das Leistungshalbleiterelement ausschaltet. Wenn das Leistungshalbleiterelement einschaltet, ist sein Betrieb vollständig der gleiche wie der Betrieb bei Ausführungsbeispiel 1, d. h. wie es in 3 veranschaulicht ist.
Wie beim Einschalten des Leistungshalbleiterelements wird auch beim Ausschalten des Leistungshalbleiterelements eine Differenz zwischen der Spannung an dem invertierenden Eingangsanschluss 61 des Operationsverstärkers 6 und der Source-Vorspannung für die Hauptzelle 1 aufgrund der Einschränkung bei der Anstiegsrate des Operationsverstärkers 6 erzeugt; da jedoch die Diode 12 einen Klemmvorgang zwischen dem invertierenden Eingangsanschluss 61 und dem nicht-invertierenden Eingangsanschluss 62 ausführt, sind die Spannung an dem invertierenden Eingangsanschluss 61 des Operationsverstärkers 6 und die Source-Vorspannung für die Hauptzelle 1 nicht stark voneinander verschieden; die Differenz ist somit lediglich die maximale Durchlaßspannung der Diode (die in 7 mit ”B” bezeichnete Differenz).
Da die Ausschaltperiode kurz ist, gibt es somit keine Verzögerung bei der Detektion eines Zweigkurzschlusses, der aufgrund der Abnahme der Spannung an dem invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 6 verursacht wird, und zwar selbst in dem Fall, in dem der Zweigkurzschluss beim nächsten Einschalten des Leistungshalbleiterelements hervorgerufen wird.
Ferner versteht es sich, dass auch die Schaltung gemäß Ausführungsbeispiel 1, bei der die Diode 10 nicht zwischengeschaltet ist, ohne jegliches Problem arbeitet, solange die Ausschaltperiode eine beträchtliche Dauer aufweist.
Das Leistungshalbleiterelement kann bei jedem der Ausführungsbeispiele 1 und 2 aus Silizium gebildet sein. Das Leistungshalbleiterelement kann aus einem Halbleiter mit großer Bandlücke gebildet sein, dessen Bandlücke größer ist als die von Silizium. Zu Halbleitern mit großer Bandlücke gehören zum Beispiel Siliziumkarbid, Materialien aus der Galliumnitrid-Familie sowie Diamant.
Da ein solches Leistungshalbleiterelement, das aus einem Halbleiter mit großer Bandlücke gebildet ist, eine hohe Spannungsfestigkeit und eine hohe zulässige Stromdichte aufweist, kann die Größe des Leistungshalbleiterelements verringert werden; unter Verwendung von kleiner dimensionierten Leistungshalbleiterelementen kann auch die Größe einer Halbleitervorrichtung reduziert werden, in die die Leistungshalbleiterelemente integriert sind.
Da ferner auch die Wärmebeständigkeit der Halbleitervorrichtung hoch ist, besteht die Möglichkeit, die Größe der Abstrahlungsrippen einer Wärmesenke zu reduzieren und die Wasserkühlungseinheit durch eine Luftkühlungseinheit zu ersetzen, so dass die Größe der Halbleitervorrichtung noch weiter reduziert werden kann.
Da außerdem der Leistungsverlust gering ist, kann die Effizienz des Leistungshalbleiterelements erhöht werden, so dass auch die Effizienz der Halbleitervorrichtung gesteigert werden kann.
Wie vorstehend beschrieben, ist die vorliegende Erfindung zustande gekommen, indem erkannt worden ist, dass bei einer raschen Veränderung des Ausgangsstroms der Strommesszelle der virtuelle Kurzschluss zwischen dem invertierenden Eingangsanschluss und dem nicht-invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers aufgehoben wird und somit eine Spannung, die der Änderung des Stroms der Strommesszelle entspricht, an dem invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers auftritt. Bei der vorliegenden Erfindung ist der Ausgang der Strommesszelle mit dem invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers und mit dem invertierenden Eingangsanschluss des Komparators verbunden; der nicht-invertierende Eingangsanschluss des Operationsverstärkers ist mit dem Sourceanschluss der Hauptzelle verbunden, an den die Source-Vorspannung angelegt wird.
In dem Fall, indem der Operationsverstärker einen idealen Betrieb aufrechterhält, d. h. den Zustand eines virtuellen Kurzschlusses zu allen Zeiten beibehält, spielt der Komparator keinerlei Rolle (siehe 4 der vorliegenden Beschreibung); da jedoch kein Operationsverstärker existiert, der den Zustand eines virtuellen Kurzschlusses zu allen Zeiten aufrechterhält, ist die vorliegende Erfindung effektiv.
Die vorliegende Erfindung ist dazu ausgelegt, dass ein Überstrom aufgrund einer Stromänderung mit einer Änderungsgeschwindigkeit, der der Operationsverstärker folgen kann, durch den Operationsverstärker detektiert werden kann und ein Überstrom aufgrund einer Stromänderung mit einer Änderungsgeschwindigkeit, der der Operationsverstärker nicht folgen kann, von dem Komparator detektiert werden kann, indem dabei die Tatsache genutzt wird, dass der virtuelle Kurzschluss des Operationsverstärkers aufgehoben ist.
Da ferner ein durch den Komparator detektierter Überstrom sich rasch ändert, kann das Leistungshalbleiterelement ohne Beschädigung einem höheren Überstrom standhalten, so dass der Pegel, bei dem ein bestimmter Strom detektiert und als Überstrom eingestuft wird, höher vorgegeben werden kann als der Detektionspegel für einen Überstrom, der eine geringe Änderungsgeschwindigkeit aufweist und durch den Operationsverstärker detektiert wird; die Differenz zwischen den jeweiligen Detektionspegeln ermöglicht somit ein exaktes Detektieren eines Überstroms durch den Operationsverstärker.
Ausführungsbeispiel 3
8 zeigt ein Schaltbild zur Erläuterung einer Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsbeispiel 3 der vorliegenden Erfindung und offenbart den zweiten Erfindungsaspekt der vorliegenden Anmeldung. In 8 bezeichnen die gleichen Bezugszeichen wie in den 1 und 6 gleiche oder äquivalente Komponenten oder Elemente. In dem Ausführungsbeispiel 3 ist die zweite Fehlerdetektionsschaltung 22 von Ausführungsbeispiel 2, d. h. gemäß 6, nicht vorgesehen. Im Hinblick auf die Fehlerdetektionsschaltung ist nur die erste Fehlerdetektionsschaltung des jeweiligen Ausführungsbeispiels 1 und 2 vorhanden, d. h. die Fehlerdetektionsschaltung, die einen Operationsverstärker verwendet.
Wie in 8 gezeigt, ist eine Source-Vorspannungsstromquelle 11 zum Anlegen einer negativen Spannung (einer Vorspannung) zwischen dem Gateanschluss und dem Sourceanschluss eines Leistungshalbleiterelements mit dem Sourceanschluss der Hauptzelle 1 verbunden. Der Sourceanschluss der Strommesszelle 2 ist mit dem invertierenden Eingangsanschluss 61 des Operationsverstärkers 6 verbunden; ein Messwiderstand 12 ist zwischen den invertierenden Eingangsanschluss 61 und den Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 6 geschaltet.
Ein nicht-invertierender Eingangsanschluss 62 des Operationsverstärkers 6 ist mit dem Sourceanschluss der Hauptzelle 1 verbunden. Der Operationsverstärker 6 und der Messwiderstand 12 bilden eine Strom-/Spannungs-Wandlerschaltung, die den Ausgangsstrom der Strommesszelle in eine Messspannung umwandelt, bei der es sich um die Spannung an dem Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers handelt.
Der Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 6 ist mit einem nichtinvertierenden Eingangsanschluss 72 eines Komparators 7 verbunden; eine Referenzstromquelle 8, die eine Referenzspannung liefert, ist mit einem invertierenden Eingangsanschluss 71 des Komparators 7 verbunden; die Spannung an dem Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers, d. h. die Messspannung, wird mit der Referenzspannung verglichen. In dem Fall, in dem die Messspannung niedriger ist als die Referenzspannung, gibt der Komparator 7 ein Fehlersignal ab.
Der Operationsverstärker 6, der Messwiderstand 12, die Referenzstromquelle 8 und der Komparator 7 bilden eine Fehlerdetektionsschaltung 21. Eine Diode 10 ist derart zwischen den nicht-invertierenden Eingangsanschluss 62 und den invertierenden Eingangsanschluss 61 des Operationsverstärkers 6 geschaltet, dass die Anode derselben mit dem nicht-invertierenden Eingangsanschluss 62 verbunden ist und die Kathode derselben mit dem invertierenden Eingangsanschluss 61 verbunden ist.
Wie im Fall des Ausführungsbeispiels 2 beeinflusst die Diode 10 die Änderung bei der Spannung an dem invertierenden Eingangsanschluss 61 des Operationsverstärkers 6, wenn das Leistungshalbleiterelement ausschaltet. Bei der Schaltung der 8 ist die Betriebsabfolge bei einem Leistungshalbleiterelement in der normalen Periode (in der kein Überstrom fließt), von einem Zeitpunkt, zu dem das Leistungshalbleiterelement einschaltet, bis zu einem Zeitpunkt, zu dem das Leistungshalbleiterelement ausschaltet, die gleiche wie bei 7, die in Bezug auf das Ausführungsbeispiel 2 erläutert worden ist.
In dieser Hinsicht gibt es jedoch bei dem Ausführungsbeispiel 3 keine Spannung, die der zweiten Referenzspannung in 7 entspricht. Wenn das Leistungshalbleiterelement einschaltet, ist die Arbeitsweise desselben exakt die gleiche wie die Arbeitsweise beim Ausführungsbeispiel 1, d. h. wie es in 3 veranschaulicht ist. Wie beim Einschalten des Leistungshalbleiterelements wird auch beim Ausschalten des Leistungshalbleiterelements eine Differenz zwischen der Spannung an dem invertierenden Eingangsanschluss 61 des Operationsverstärkers 6 und der Source-Vorspannung für die Hauptzelle 1 aufgrund der Begrenzung hinsichtlich der Anstiegsrate des Operationsverstärkers 6 erzeugt.
Da jedoch die Diode 12 eine Klemmwirkung zwischen dem invertierenden Eingangsanschluss 61 und dem nicht-invertierenden Eingangsanschluss 62 ausführt, sind die Spannung an dem invertierenden Eingangsanschluss 61 des Operationsverstärkers 6 und die Source-Vorspannung für die Hauptzelle 1 nicht stark voneinander verschieden; die Differenz beträgt somit lediglich die maximale Durchlaßspannung der Diode (die in 7 mit ”B” dargestellte Differenz).
Auch beim Ausführungsbeispiel 3, bei dem die Fehlerdetektionsschaltung aus einem Operationsverstärker gebildet ist, wird somit in effektiver Weise der Effekt veranschaulicht, dass keine Detektionsverzögerung auftritt, die aufgrund der Abnahme bei der Spannung an dem invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 6 hervorgerufen wird, und zwar selbst wenn ein Überstrom in der nachfolgenden Einschaltperiode aufgrund einer kurzen Ausschaltperiode fließt.
Wie vorstehend beschrieben, ermöglicht das Ausführungsbeispiel 3, d. h. die Halbleitervorrichtung, bei der nur die erste Fehlerdetektionsschaltung von der ersten und der zweiten Fehlerdetektionsschaltung des Ausführungsbeispiels 2 vorhanden ist, ebenfalls die Detektion eines Überstroms, der durch eine Stromänderung mit einer Änderungsgeschwindigkeit hervorgerufen wird, der der Operationsverstärker folgen kann.
Wie beim Ausführungsbeispiel 2 wird auch in dieser Schaltung ein Effekt dahingehend gezeigt, dass bei der Fehlerdetektion zu einem Zeitpunkt, zu dem die Ausschaltperiode kurz ist und ein Überstrom in der nachfolgenden Einschaltperiode fließt, keine Verzögerung stattfindet, die durch eine abnehmende Spannung an dem invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers hervorgerufen wird.
Bei Verwendung eines Operationsverstärkers mit einer hohen Anstiegsrate und einer hohen Ansprechgeschwindigkeit kann auch ein Zweigkurzschluss detektiert werden; aus diesem Grund wird die Erfindung gemäß Ausführungsbeispiel 2 als besonders effektiv betrachtet.
Das Leistungshalbleiterelement gemäß Ausführungsbeispiel 3 kann aus Silizium gebildet sein. Das Leistungshalbleiterelement kann aus einem Halbleiter mit großer Bandlücke gebildet sein, dessen Bandlücke größer ist als die von Silizium. Die Halbleitermaterialien mit großer Bandlücke beinhalten zum Beispiel ein Siliziumkarbid, ein Material aus der Galliumnitrid-Familie und Diamant.
Da ein solches Leistungshalbleiterelement, das aus einem Halbleiter mit großer Bandlücke gebildet ist, eine hohe Spannungsfestigkeit und eine hohe zulässige Stromdichte aufweist, lässt sich die Größe des Leistungshalbleiterelements reduzieren; durch Verwendung von kleiner ausgebildeten Leistungshalbleiterelementen kann auch eine Halbleitervorrichtung kleiner ausgebildet werden, in die die Leistungshalbleiterelemente integriert sind.
Da ferner die Wärmebeständigkeit der Halbleitervorrichtung hoch ist, ist es möglich, die Abstrahlungsrippen einer Wärmesenke kleiner auszubilden und die Wasserkühlungseinheit durch eine Luftkühlungseinheit zu ersetzen, so dass die Größe der Halbleitervorrichtung noch weiter reduziert werden kann.
Da ferner der Leistungsverlust dies Leistungshalbleiterelements gering ist, kann auch die Effizienz desselben erhöht werden, so dass wiederum die Effizienz der Halbleitervorrichtung gesteigert werden kann.
Wie vorstehend beschrieben, ist bei der Erfindung gemäß Ausführungsbeispiel 3 der Ausgang einer Strommesszelle mit dem invertierenden Eingangsanschluss eines Operationsverstärkers verbunden, und der nicht-invertierende Eingangsanschluss des Operationsverstärkers ist mit dem Sourceanschluss einer Hauptzelle verbunden, an den eine Source-Vorspannung angelegt wird; eine Strom-/Spannungs-Wandlerschaltung, die mit dem Operationsverstärker und einem Messwiderstand ausgebildet ist, wandelt den Ausgangsstrom der Strommesszelle in eine Messspannung um.
Es ist eine Fehlerdetektionsschaltung vorhanden, die die Messspannung mit einer Referenzspannung vergleicht und ein Fehlersignal abgibt; ferner ist eine Diode in einer derartigen Weise zwischen den nicht-invertierenden Eingangsanschluss und den invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers geschaltet, dass ihre Anode mit dem nicht-invertierenden Eingangsanschluss verbunden ist und ihre Kathode mit dem invertierenden Eingangsanschluss verbunden ist.
Infolgedessen wird bei Detektion eines Überstroms, der durch eine Stromänderung mit einer Änderungsgeschwindigkeit hervorgerufen wird, der der Operationsverstärker folgen kann, ein Effekt dahingehend demonstriert, dass bei der Fehlerdetektion zu einem Zeitpunkt, wenn die Ausschaltperiode kurz ist und ein Überstrom in der nachfolgenden Einschaltperiode fließt, keine Verzögerung auftritt, die durch eine abnehmende Spannung an dem invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers hervorgerufen wird.
Bezugszeichenliste

1: Hauptzelle
2: Strommesszelle
3: Leistungshalbleiterelement
4: Komparator
5: Referenzstromquelle, die eine zweite Referenzspannung liefert
6: Operationsverstärker
8: Referenzstromquelle, die eine erste Referenzspannung liefert
10: Diode
11: Source-Vorspannungsstromquelle
12: Messwiderstand
21: erste Fehlerdetektionsschaltung
22: zweite Fehlerdetektionsschaltung
41: invertierender Eingangsanschluss des Komparators 4
42: nicht-invertierender Eingangsanschluss des Komparators 4
61: invertierender Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 6
62: nicht-invertierender Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 6

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 146722 A [0005]
JP 2658386 [0005]

Claims

Halbleitervorrichtung, bei der ein Strom in einer Hauptzelle (1) eines mit der Hauptzelle (1) und einer Strommesszelle (2) versehenen Leistungshalbleiterelements (3) auf der Basis eines Ausgangsstroms in der Strommesszelle (2) detektiert wird, wobei ein Ausgang der Strommesszelle (2) mit einem invertierenden Eingangsanschluss eines Operationsverstärkers (6) verbunden ist und ein nicht-invertierender Eingangsanschluss des Operationsverstärkers (6) mit einem Sourceanschluss der Hauptzelle (1) verbunden ist, an den eine Source-Vorspannung angelegt wird; wobei eine erste Fehlerdetektionsschaltung (21) vorhanden ist, die eine Messspannung, die aus dem Ausgangsstrom der Strommesszelle (2) durch eine mit dem Operationsverstärker (6) und einem Messwiderstand (12) ausgebildete Strom-/Spannungs-Wandlerschaltung umgewandelt wird, mit einer ersten Referenzspannung vergleicht und ein Fehlersignal abgibt, und wobei eine zweite Fehlerdetektionsschaltung (22) vorhanden ist, die eine Spannung an dem invertierenden Eingangsanschluss (61) des Operationsverstärkers (6) mit einer zweiten Referenzspannung vergleicht, die höher vorgegeben ist als die Source-Vorspannung, und ein Fehlersignal abgibt.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Diode (10) in einer derartigen Weise zwischen den invertierenden Eingangsanschluss (61) und den nicht-invertierenden Eingangsanschluss (62) des Operationsverstärkers (6) geschaltet ist, daß die Anode der Diode (10) mit dem nicht-invertierenden Eingangsanschluss (62) verbunden ist und die Kathode der Diode (10) mit dem invertierenden Eingangsanschluss (61) verbunden ist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das Leistungshalbleiterelement (3) aus einem Halbleiterelement mit großer Bandlücke gebildet ist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 3, wobei es sich bei dem Material des Halbleiterelements mit großer Bandlücke um ein beliebiges Material aus Siliziumkarbid, Galliumnitrid und Diamant handelt.