DE112012007241B4

DE112012007241B4 - Ansteuerschutzschaltung, Halbleitermodul und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE112012007241B4
Application number: DE112012007241.3T
Authority: DE
Inventors: Kazuaki Hiyama
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-12-21
Filing date: 2012-12-21
Publication date: 2022-06-02
Anticipated expiration: 2032-12-22
Also published as: KR101662471B1; WO2014097485A1; US20150311692A1; CN104885320A; JP5801001B2; JPWO2014097485A1; CN104885320B; US9455566B2; DE112012007241T5; KR20150087356A

Abstract

Ansteuerschutzschaltung (71), die ein Schaltelement (Q4)ansteuert und schützt, mit:einer Ansteuerschaltung (2), die das Schaltelement im Ansprechen auf ein Eingangssignal ansteuert; undeiner Überstromschutzschaltung (50), die eine Weichabschalteschaltung (3) beim Auftreten eines Überstroms des Schaltelements steuert, wobei die Weichabschalteschaltung einen Übergang des Schaltelements von EIN nach AUS mit einer gegenüber der der Ansteuerschaltung langsameren Schaltgeschwindigkeit verursacht,wobei, falls eine Impulsbreite bei EIN des Eingangssignals kleiner oder gleich einer Ansprechzeit der Überstromschutzschaltung ist, die Ansteuerschutzschaltung die Weichabschalteschaltung zum Verursachen des Übergangs von EIN nach AUS unabhängig von dem Überstrom steuert.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Ansteuerschutzschaltung, die ein Schaltelement wie beispielsweise ein spannungsgesteuertes Halbleiterschaltelement eines Leistungsmoduls ansteuert und schützt, auf ein Halbleitermodul und auf ein Kraftfahrzeug.
Verwandter Stand der Technik
Bei einem aus einem Halbleiterschaltelement, wie beispielsweise einem MOSFET, IGBT und SiCMOSFET, gebildeten Schaltkreis ist bekannt, dass im Falle eines überhöhten Ausgangsstroms des Halbleiterschaltelements aufgrund von Unregelmäßigkeiten, wie beispielsweise einer Überlastung oder eines Kurzschlusses (beispielsweise ein Zweigkurzschluss, bei dem das hochseitige und das niederseitige Halbleiterschaltelement gleichzeitig eingeschaltet sind), ein Abschalten des Schaltelements bei einer frühen Schaltgeschwindigkeit eine Spannungsspitze erzeugt, die das Schaltelement beeinträchtigen kann.
Somit wurde der vorgenannte Schaltkreis so entwickelt, dass er eine Weichabschalteschaltung aufweist, die ein Abschalten (sogenanntes Weichabschalten (Soft Turn-Off)) des Halbleiterschaltelements mit einer Schaltgeschwindigkeit ermöglicht, die langsamer ist als in einem solchen Fall des überhöhten Ausgangsstroms üblich ist (siehe z.B. Patentdokument 1). Die Weichabschalteschaltung kann die Spannungsspitze unterdrücken.
US 2009 / 0 128 974 A1 offenbart eine Ansteuerschaltung, die eine Schaltvorrichtung EIN/AUS steuert, und eine Weichabschaltebefehlsschaltung, die die Gate-Anschlussspannung der Schaltvorrichtung allmählich verringert, wenn ein Kurzschluss der Schaltvorrichtung erkannt wird. Eine EIN-Impuls-Befehlsschaltung hält die Ausgabe der Ansteuerschaltung auf EIN, wenn entschieden wird, dass die Gate-Anschlussspannung einen bestimmten Wert überschreitet.
Schriftlich belegter Stand der Technik
Patentdokument
Patentdokument 1: japanische Offenlegungsschrift Nr. JP 2003 - 134 797 A
Zusammenfassung der Erfindung
Durch die Erfindung zu lösende Probleme
Andererseits kann dem Eingangssignal zum Ansteuern des Schaltkreises bei zunehmender Schaltgeschwindigkeit des Schaltelements ein Rauschen mit schmaler Impulsbreite überlagert werden. Die Impulsbreite des Rauschens ist typischerweise geringer (kürzer) als eine bis zum Beginn einer Schutzfunktion der Weichabschalteschaltung benötigte Ansprechzeit, so dass das Schaltelement zuweilen mit normaler Schaltgeschwindigkeit abgeschaltet wird, bevor die Schutzfunktion einsetzt.
Wenn also der Zustand, bei dem das Schaltelement aufgrund eines unbeabsichtigten Rauschens mit normaler Schaltgeschwindigkeit abgeschaltet wird, mit einem Zustand des Auftretens eines Zweigkurzschlusses überlagert ist, so kann die Weichabschalteschaltung ihre Schutzfunktion nicht wahrnehmen und die Spannungsspitze nicht unterdrücken. Daraus ergibt sich ein Problem dahingehend, dass eine Beeinträchtigung des Schaltelements durch die Spannungsspitze nicht unterdrückt werden kann.
Die vorliegende Erfindung erfolgte im Hinblick auf die vorgenannten Probleme und eine ihrer Aufgaben liegt darin, eine Technologie bereitzustellen, die ein zuverlässiges Unterdrücken einer Spannungsspitze selbst dann ermöglicht, wenn Rauschen mit einer schmalen Impulsbreite erzeugt wird.
Mittel zum Lösen des Problems
Eine Ansteuerschutzschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung, die ein Schaltelement ansteuert und schützt, umfasst eine Ansteuerschaltung, die das Schaltelement im Ansprechen auf ein Eingangssignal ansteuert, und eine Überstromschutzschaltung, die eine Weichabschalteschaltung bei einem Überstrom des Schaltelements betreibt, wobei die Weichabschalteschaltung das Schaltelement zum Übergang von EIN nach AUS mit einer gegenüber der der Ansteuerschaltung geringeren Schaltgeschwindigkeit veranlasst. Falls eine Impulsbreite bei EIN des Eingangssignals kleiner oder gleich einer Ansprechzeit der Überstromschutzschaltung ist, so steuert die Ansteuerschutzschaltung die Weichabschalteschaltung an, um einen Übergang des Schaltelements von EIN nach AUS unabhängig vom Überstrom zu veranlassen.
Wirkung der Erfindung
Bei der vorliegenden Erfindung wird die Weichabschalteschaltung unabhängig vom Überstrom betrieben, falls die Impulsbreite des EIN des Eingangssignals kleiner oder gleich der Ansprechzeit der Überstromschutzschaltung ist. Daher kann die Weichabschalteschaltung einen Übergang des Schaltelements von EIN nach AUS unabhängig vom Überstrom veranlassen, auch dann, wenn ein Rauschen mit schmaler Impulsbreite erzeugt wird, so dass eine Spannungsspitze zuverlässig unterdrückt werden kann.
Figurenliste

1 zeigt einen Schaltplan mit einer Konfiguration einer verwandten Ansteuerschutzschaltung.
2 zeigt ein Diagramm mit einer Betriebszeitsteuerung der verwandten Ansteuerschutzschaltung.
3A und 3B zeigen Diagramme, die eine Funktionsweise der verwandten Ansteuerschutzschaltung darstellen.
4 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung eines Zweigkurzschlusses.
5A und 5B zeigen Diagramme zur Erläuterung eines Mechanismus, bei dem in einem Gateansteuersignal Rauschen erzeugt wird.
6 zeigt ein Diagramm mit gemessenen Signalformen beim Auftreten des Zweigkurzschlusses.
7 zeigt ein Diagramm mit gemessenen Signalformen beim Auftreten des Zweigkurzschlusses.
8 zeigt einen Schaltplan mit einer Konfiguration einer Ansteuerschutzschaltung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
9 zeigt ein Diagramm mit einer Betriebszeitsteuerung der Ansteuerschutzschaltung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.
10 zeigt ein Diagramm mit einer Betriebszeitsteuerung der Ansteuerschutzschaltung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.
11A und 11B zeigen Diagramme zur Erläuterung einer Funktionsweise der Ansteuerschutzschaltung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.
12 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung von durch die Ansteuerschutzschaltung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel erzielten Wirkungen.
13 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung von durch die Ansteuerschutzschaltung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel erzielten Wirkungen.
14 zeigt einen Schaltplan mit einer Konfiguration einer Ansteuerschutzschaltung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
15 zeigt ein Diagramm mit einer Betriebszeitsteuerung der Ansteuerschutzschaltung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel.
16 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung einer Spiegelperiode.
17 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung einer Funktionsweise der Ansteuerschutzschaltung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel.
18 zeigt einen Schaltplan mit einer Konfiguration einer Ansteuerschutzschaltung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.
19 zeigt ein Diagramm mit einer Betriebszeitsteuerung der Ansteuerschutzschaltung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel.
20 zeigt ein Diagramm mit einer Betriebszeitsteuerung der Ansteuerschutzschaltung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel.
21 zeigt ein Blockschaltbild mit einem Aufbau eines Kraftfahrzeugs mit einer Ansteuerschutzschaltung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen
<Erstes Ausführungsbeispiel>
Vor der Beschreibung einer Ansteuerschutzschaltung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird zunächst eine dazu verwandte Ansteuerschutzschaltung (nachfolgend als „verwandte Ansteuerschutzschaltung“ bezeichnet) beschrieben. 1 zeigt einen Schaltplan einer Konfiguration der verwandten Ansteuerschutzschaltung und 2 zeigt ein Diagramm mit einer Betriebszeitsteuerung der verwandten Ansteuerschutzschaltung.
Bei der verwandten Ansteuerschutzschaltung handelt es sich um eine Schaltung, die ein Schaltelement Q4 einer Schaltvorrichtung 1 ansteuert und schützt und so ausgestaltet ist, dass sie gemäß 1 eine Gateansteuerschaltung (Ansteuerschaltung) 2, eine Weichabschalteschaltung 3, einen Messwiderstand 4, ein Tiefpassfilter (LPF) 5, einen ersten Komparator 6, eine Spannungsversorgung 7 mit einer Referenzspannung REF und eine Steuerlogikschaltung 8 für deren gemeinsame Steuerung aufweist.
Unter diesen Aufbaukomponenten bilden die Aufbaukomponenten mit Ausnahme der vorgenannten Gateansteuerschaltung 2 (nämlich die Weichabschalteschaltung 3, der Messwiderstand 4, das Tiefpassfilter 5, der erste Komparator 6, die Spannungsversorgung 7 und die Steuerlogikschaltung 8) eine Überstromschutzschaltung 50. Die Überstromschutzschaltung 50, die später im Einzelnen beschrieben wird, steuert die Weichabschalteschaltung 3 bei einem Überstrom des Schaltelements Q4, um dadurch das Schaltelement Q4 vor dem Überstrom zu schützen.
Nachfolgend werden die Aufbaukomponenten der verwandten Ansteuerschutzschaltung näher beschrieben. Im Folgenden wird beschrieben, dass das Schaltelement Q4 als IGBT angenommen wird, und EIN und AUS des Schaltelements Q4 als EIN und AUS des IGBT oder als EIN und AUS der Schaltvorrichtung 1 beschrieben werden kann.
Die Ansteuerschutzschaltung 2 ist so ausgestaltet, dass sie Schaltelemente Q2, Q3 und einen Widerstand RG aufweist. Hierbei werden die Schaltelemente Q2, Q3 beispielhaft aus einem bipolaren Transistor gebildet. Im Falle einer normalen Funktionsweise der verwandten Ansteuerschutzschaltung (Periode A in 2) steuert die Gateansteuerschaltung 2 das Schaltelement Q4 im Ansprechen auf ein Gateansteuersignal (Eingangssignal der verwandten Ansteuerschutzschaltung) unter der Steuerung der Steuerlogikschaltung 8. Im Einzelnen gibt die Gateansteuerschaltung 2 selektiv eine EIN-Spannung und eine AUS-Spannung an ein Gate des Schaltelements Q4 im Ansprechen auf EIN (H: hoch) und AUS (L: niedrig) des Gateansteuersignals ab und steuert das Schaltelement Q4 mit diesem Ausgangssignal. Andererseits werden im Falle des Erfassens des Überstroms gemäß nachfolgender Beschreibung (Periode B in 2) die Schaltelemente Q2, Q3 unter der Steuerung der Steuerlogikschaltung 8 auf AUS geschaltet, wodurch die Gateansteuerschaltung 2 in einen Zustand mit hoher Impedanz (HiZ) gebracht wird, der das Schaltelement Q4 und die anderen Aufbaukomponenten nicht beeinflusst.
Die Weichabschalteschaltung 3 ist so ausgestaltet, dass sie ein Schaltelement Q1 und einen Widerstand RG_soft aufweist. Im Falle eines normalen Betriebs der verwandten Ansteuerschutzschaltung (Periode A in 2) wird das Schaltelement Q1 unter der Steuerung der Steuerlogikschaltung 8 auf AUS geschaltet, wobei die Weichabschalteschaltung 3 in den das Schaltelement Q4 und die anderen Aufbaukomponenten nicht beeinflussenden HiZ-Zustand gebracht wird. Andererseits wird das Schaltelement Q1 im Falle der Erfassung des Überstroms (Periode B in 2) unter der Steuerung der Steuerlogikschaltung 8 auf EIN geschaltet, wodurch die Weichabschalteschaltung 3 einen Übergang des Schaltelements Q4 von EIN nach AUS verursacht.
Hierbei wird der Widerstand RG_soft der Weichabschalteschaltung 3 mit einem gegenüber dem des Widerstands RG der Gateransteuerschaltung 2 geringeren Widerstandswert verwendet. Somit verringert sich die Gatespannung zur Veranlassung des Umschaltens des Schaltelements Q4 von EIN nach AUS unter Verwendung der Weichabschalteschaltung 3 pro Zeiteinheit gradueller als bei einer Verringerung im Zusammenhang mit dem Übergang unter Verwendung der Gateansteuerschaltung 2. Folglich steuert die verwandte Ansteuerschutzschaltung die Weichabschalteschaltung 3 im Falle des Erfassens des Überstroms selbst bei einem EIN-Zustand (H) des Gateansteuersignals und führt eine Weichabschaltung durch zur Veranlassung des Übergangs des Schaltelements Q4 von EIN nach AUS mit einer geringeren Schaltgeschwindigkeit als die der Gateansteuerschaltung 2.
Der Messwiderstand 4 ist mit einem Messanschluss S des Schaltelements Q4 verbunden, in den mehrere Tausendstel bis mehrere Zehntausendstel eines Messstroms bezüglich eines Emitters fließen. Der Messwiderstand 4 wandelt den Messstrom in eine Messspannung VS um.
Die vorliegende Beschreibung erfolgt bezüglich einer Konfiguration, bei der das Schaltelement Q4 den Messanschluss S aufweist, wobei aber bei einer Konfiguration ohne Messanschluss S ein Shunt-Widerstand zur Stromerfassung zwischen Masse und Emitteranschluss E angeschlossen und anstelle der Messspannung VS eine durch Umwandeln eines Emitterstroms erhaltene Spannung verwendet werden kann. Dann kann ein Widerstandswert des Messwiderstands 4 (oder des Shunt-Widerstands) so eingestellt werden, dass ein Spannungsabfall am Messwiderstand 4 (oder dem Shunt-Widerstand) die Referenzspannung REF der Energieversorgung 7 dann überschreitet, wenn ein Ausgangsstrom des Schaltelements Q4 einen Nennwert überschreitet.
Das Tiefpassfilter 5 entfernt der durch den Messwiderstand 4 umgewandelten Messspannung VS überlagerte Rauschkomponenten und gibt die Messspannung VS nach der Entfernung an den ersten Komparator 6 aus.
Der erste Komparator 6 vergleicht die Messspannung VS vom Tiefpassfilter 5 mit der Referenzspannung REF der Energieversorgung 7 bezüglich klein und groß und gibt ein Signal in Übereinstimmung mit dem Vergleichsergebnis an die Steuerlogikschaltung 8 ab. Hierbei gibt der erste Komparator 6 ein L an die Steuerlogikschaltung 8 aus, falls die Messspannung kleiner oder gleich der Referenzspannung REF ist, und gibt ein H an die Steuerlogikschaltung 8 aus, falls die Messspannung die Referenzspannung REF überschreitet. Darüber hinaus wird die Referenzspannung REF hier beispielsweise auf kleiner oder gleich 1V eingestellt, so dass der Spannungsabfall an dem Messwiderstand 4 (oder dem Shunt-Widerstand) den Betrieb des Schaltelements Q4 nicht beeinflusst.
Auf diese Weise bilden der erste Komparator 6 und die Energieversorgung 7 einen Überstromdetektor 51, der feststellt, ob der Ausgangsstrom des Schaltelements Q4 überhöht ist oder nicht.
Die Steuerlogikschaltung 8 steuert die Gateansteuerschaltung 2 und die Weichabschalteschaltung 3 auf Grundlage des Gateansteuersignals und des Ausgangssignals des ersten Komparators 6. Im Einzelnen führt die Steuerlogikschaltung 8 einen Normalbetrieb durch, der das Schaltelement Q4 unter Verwendung der Gateansteuerschaltung 2 in Übereinstimmung mit EIN und AUS des Gateansteuersignals auf EIN und AUS schaltet, falls die Steuerlogikschaltung 8 ein L von dem ersten Komparator 6 empfängt (der Fall, bei dem der Ausgangsstrom des Schaltelements Q4 nicht überhöht ist und die Messspannung VS kleiner oder gleich der Referenzspannung REF ist, wie in der Periode A in 2 gezeigt).
Andererseits veranlasst die Steuerlogikschaltung 8 ein Umschalten des Schaltelements Q4 von EIN nach AUS, unter Verwendung der Weichabschalteschaltung 3, mit einer Schaltgeschwindigkeit, die geringer ist als die der Gateansteuerschaltung 2, selbst dann, wenn das Gateansteuersignal auf EIN ist, falls die Steuerlogikschaltung 8 ein H von dem ersten Komparator 6 empfängt (der Fall, bei dem der Ausgangsstrom des Schaltelements Q4 überhöht ist und die Messspannung VS die Referenzspannung REF übersteigt, wie in der Periode B in 2 gezeigt).
Mit anderen Worten steuert die Überstromschutzschaltung 50 die Weichabschalteschaltung 3, wenn ein Überstrom in dem Überstromdetektor 51 erfasst wird. Die verwandte Ansteuerschutzschaltung mit der Überstromschutzschaltung 50 kann die Spannungsspitze unterdrücken. Darüber hinaus versetzt die verwandte Ansteuerschutzschaltung die Gateansteuerschaltung 2 beim Betrieb der Weichabschalteschaltung 3 in den HiZ-Zustand und versetzt die Weichabschalteschaltung 3 beim Betrieb der Gateansteuerschaltung 2 in den HiZ-Zustand, unter der Steuerung der Steuerlogikschaltung 8. Dadurch kann eine gegenseitige Beeinflussung der Betriebsweisen der Gateansteuerschaltung 2 und der Weichabschalteschaltung 3 unterdrückt werden.
Wie in 2 gezeigt, bedeutet die Tatsache, dass nur die Gateansteuerschaltung 2 und die Weichabschalteschaltung 3 eine Spannung an das Gate des Schaltelements Q4 anlegen, darüber hinaus nicht, dass die Gatespannung VGE des Schaltelements Q4 der von diesen Schaltungen angelegten Spannung verzugslos folgt, so dass sie mit der angelegten Spannung übereinstimmt. Wie beispielsweise nachfolgend beschrieben wird, ist während einer Spiegelperiode beim Einschalten des Schaltelements Q4 ein Phänomen erkennbar, gemäß dem die Gatespannung des Schaltelements Q4 eine Zeitlang auf einem von der angelegten Spannung verschiedenen Spannungswert verbleibt.
3A zeigt eine Wahrheitstabelle der Steuerlogikschaltung 8 gemäß der verwandten Ansteuerschutzschaltung, und 3B zeigt ein Zustandsübergangsdiagramm der Steuerlogikschaltung 8. Wie in 3A und 3B gezeigt ist, weist die Steuerlogikschaltung 8 vier Zustände auf, nämlich IGBT AUS (Schaltelement Q4 AUS), IGBT EIN (Schaltelement Q4 EIN), Weichabschaltungsbeginn und Weichabschaltung.
Im Normalbetrieb (SC = L) erfolgt eine Ansteuerung unter Verwendung der Gateansteuerschaltung 2 und der IGBT EIN-Zustand und der IGBT AUS-Zustand werden umgeschaltet. Wenn der Ausgang (SC) des ersten Komparators 6 im IGBT EIN-Zustand dann auf H liegt, geht die Steuerlogikschaltung 8 von dem IGBT EIN-Zustand in den Weichabschaltungsbeginn-Zustand über.
Nach dem Übergang in den Weichabschaltungsbeginn-Zustand schaltet die Steuerlogikschaltung 8 die Schaltelemente Q2, Q3 der Gateansteuerschaltung 2 auf AUS und schaltet das Schaltelement Q1 der Weichabschalteschaltung 3 auf EIN. Somit arbeitet die Weichabschalteschaltung 3 zur Veranlassung eines Überganges des Schaltelements Q4 von EIN nach AUS mit der geringen Schaltgeschwindigkeit. Darüber hinaus aktiviert die Steuerlogikschaltung 8 einen eingebauten Abnormalitätszeitgeber (nachfolgend als „F_o-Zeitgeber“ bezeichnet) (nicht gezeigt), der ein abnormales Signal (nachfolgend als Falschausgangssignal bezeichnet) beim Auftreten des Überstroms für eine feste Zeitperiode zählt, um den Zählvorgang zu starten. Nach der vorgenannten Operation geht die Steuerlogikschaltung 8 von dem Weichabschaltungsbeginn-Zustand in den Weichabschaltungszustand über.
Nach dem Übergang in den Weichabschaltungszustand behält die Steuerlogikschaltung 8 den Weichabschaltungszustand bei, bis der Fo-Zeitgeber stoppt (der Zählvorgang während der festen Zeitperiode endet) und das Gateansteuersignal wird auf AUS gebracht (IN = L). Mit anderen Worten hält die verwandte Ansteuerschutzschaltung den Weichabschaltungszustand während des Betriebs des Fo-Zeitgebers ohne Empfang des Gateansteuersignals bei. Nach dem Stoppen des Fo-Zeitgebers und dem Versetzen des Gateansteuersignals in AUS, geht die Steuerlogikschaltung 8 dann in den IGBT AUS-Zustand über, wie durch einen gestrichelten Pfeil gezeigt ist. Wie vorstehend beschrieben, wird darüber hinaus der Weichabschaltungszustand für die feste Zeitdauer unter Verwendung des Fo-Zeitgebers beibehalten, unabhängig von dem Ausgangssignal des ersten Komparators 6, weil eine feste Zeitdauer erforderlich ist, um das Auftreten von Abnormalitäten an ein höheres System zu übertragen, das das Gateansteuersignal erzeugt, und es muss auch eine Zeitdauer bis zum Übergang des Schaltelements Q4 in AUS gesichert werden.
Wie in der Periode B in 2 gezeigt ist, liegt hier eine feste Zeitverzögerung vor, wie beispielsweise eine „Ausgangsverzögerung des ersten Komparators“ und eine „Ausgangsverzögerung der Steuerlogikschaltung“ ab dem Zeitpunkt, in dem eine Eingangsspannung des ersten Komparators 6 die Referenzspannung REF überschreitet, bis zu dem Zeitpunkt, in dem das Ausgangssignal umgekehrt wird. Darüber hinaus tritt auch eine „Ausgangsverzögerung der Gateansteuerung“, eine „LPF-Verzögerung“ oder dergleichen in einem Signalpfad auf, ab dem Zeitpunkt, in dem das Gateansteuersignal auf H ist, bis zu dem Zeitpunkt, in dem die Messspannung VS dem ersten Komparator 6 eingegeben wird.
Mit anderen Worten ist eine konstante Ansprechzeit (= Ausgangsverzögerung der Gateansteuerung + LPF-Verzögerung + Ausgangsverzögerung des ersten Komparators + Ausgangsverzögerung der Steuerlogikschaltung) von ungefähr wenigen µ-Sekunden als Beispiel erforderlich, ab dem Zeitpunkt, in dem das abnormale Gateansteuersignal in die verwandte Ansteuerschutzschaltung eingegeben wird, bis zu dem Zeitpunkt, in dem die Überstromschutzschaltung 50 mit dem Betrieb zum Schutz des Schaltelements Q4 beginnt.
Als Nächstes zeigt 4 ein Diagramm einer Schaltung, in der Schaltelemente Q4a, Q4b, die dem vorstehend beschriebenen Schaltelement Q4 entsprechen, in einer Brücke als hochseitiges bzw. niederseitiges Schaltelement geschaltet sind. Darüber hinaus bilden Gateansteuerschaltungen 2a, 2b solche Schaltungen, die der vorstehend beschriebenen Gateansteuerschaltung 2 entsprechen und die Schaltelemente Q4a bzw. Q4b ansteuern. Darüber hinaus ist das Schaltelement Q4a über einen Innenwiderstand R12 einer Leistungsvorrichtungsschaltung mit einer Energieversorgung 66 verbunden und das Schaltelement Q4b ist über eine Inneninduktivität L12 der Leistungsvorrichtungsschaltung mit der Energieversorgung 66 verbunden.
Hierbei wird eine Energieversorgung, die eine Spannung ausgibt, bei der eine Wechselstromspannung vollwellengleichgerichtet ist, als Energieversorgung 66 verwendet. Um den von der Energieversorgung 66 ausgegebenen vollwellengleichgerichteten Spannungsverlauf zu glätten, ist in der in 4 gezeigten Schaltung ein DC-Link-Kondensator 67 mit der Energieversorgung 66 verbunden, wobei der DC-Link-Kondensator 67 durch eine Äquivalenzschaltung repräsentiert ist, bei der ein Kondensator (Kapazität) C11, eine Inneninduktivität L11 des Kondensators C11 und ein Innenwiderstand R11 des Kondensators C11 in Serie geschaltet sind. Darüber hinaus wird der DC-Link-Kondensator 67 zur Unterdrückung eines Innenwiderstands einer Batterie und einer Spannungsschwankung aufgrund einer Drahtimpedanz zwischen der Batterie und einer Schaltelementschaltung in einem Fahrzeug verwendet, wie beispielsweise ein elektrisch betriebenes Kraftfahrzeug mit der Batterie als Energieversorgung.
In einem Fall, bei dem ein Zweigkurzschluss (kurzzeitiger Kurzschluss), der die Schaltelemente Q4a, Q4b gleichzeitig und verzugslos in den EIN-Zustand versetzt, in der in 4 gezeigten Schaltung mit einer solchen Konfiguration auftritt, fließt durch die Brücke (Schaltelemente Q4a, Q4b) ein durch die nachfolgende Gleichung (1) angegebener Kurzschlussstrom Isc.
[Math 1] $I_{S C} = \frac{V}{R} (1 - e^{- \frac{R}{L},})$

t: Zweigkurzschlussdauer
R = R11 + R12 + R13 + R14
R13, R14 = EIN-Widerstände von Q4a, Q4b
L = L11 + L12

Hierbei ergibt sich beispielsweise in einem Fall, bei dem eine Gesamtsumme R von Widerstandskomponenten in einem Pfad, durch den der Kurzschlussstrom Isc fließt, 34 mΩ beträgt, die Gesamtsumme L von parasitären Induktivitäten in dem Pfad 25 nH beträgt und eine Energieversorgungsspannung V 40V beträgt, ein Kurzschlussstrom Isc von 8745 A nach 1µs ab dem Auftreten des Kurzschlusses bei einer Berechnung unter Verwendung der vorgenannten Gleichung (1). Dies deutet an, dass der Kurzschlussstrom Isc selbst bei kurzer Kurzschlusszeit extrem hoch ist.
Im Falle der Erzeugung des relativ hohen Kurzschlussstroms Isc, nämlich des Ausgangsstroms des Schaltelements Q4, erzeugt der Übergang des Schaltelements Q4 von EIN nach AUS mit der normalen Schaltgeschwindigkeit durch die Gateansteuerschaltung 2 eine Spannungsspitze, die das Schaltelement Q4 beeinträchtigt.
Somit wird bei der Konfiguration unter Verwendung der vorgenannten verwandten Ansteuerschutzschaltung normalerweise ein durch ein höheres System oder dergleichen in geeigneter Weise gesteuertes Gateansteuersignal in die verwandte Ansteuerschutzschaltung eingegeben, um zu verhindern, dass der Zustand, in dem der Zweigkurzschluss auftritt, mit dem Zustand überlappt, in dem das Schaltelement Q4 mit normaler Schaltgeschwindigkeit von EIN nach AUS übergeht. Wie vorstehend beschrieben, kann jedoch der Zustand des Auftretens des Zweigkurzschlusses in einem Fall des Auftretens von Rauschen in dem Gateansteuersignal zufällig mit dem Zustand überlappen, bei dem das Schaltelement bei der normalen Schaltgeschwindigkeit von EIN nach AUS übergeht.
Es folgt eine Beschreibung eines Mechanismus zum Induzieren des Rauschens in einer Verdrahtung (nachfolgend als „Gateansteuerungsignalverdrahtung“ bezeichnet), die das Gateansteuersignal in die verwandte Ansteuerschutzschaltung eingibt, unter Bezugnahme auf die 5A und 5B. Des Weiteren zeigen die 5A und 5B den Mechanismus zum Induzieren des Rauschens in die Gateansteuersignalverdrahtung aufgrund eines Betriebs einer Schaltung mit Schaltelementen Q11, Q12, Q13, Q14 in Form einer H-Brücke. In 5A werden die nachfolgenden Bezugszeichen verwendet.
Beschreibung der Bezugszeichen in Fig. 5A

Vv: Potential des V-Abschnitts, das durch die Schaltoperation von Q13 und Q14 schwankt
C1G: Streukapazität zwischen dem V-Abschnitt und Masse
C12: Streukapazität zwischen dem V-Abschnitt und der Gateansteuersignalverdrahtung
C2G: Kapazität zwischen der Gateansteuersignalverdrahtung und Masse
I1: durch die N-Sammelleitung fließender Strom
L1: parasitäre Induktivität der N-Sammelleitung
L2: parasitäre Induktivität der Gateansteuersignalverdrahtung M: Gegeninduktivität zwischen der N-Sammelleitung und der Gateansteuersignalverdrahtung
V_NS: durch kapazitive Kopplung über C12 induzierte Spannung (Rauschen)
V_NI: durch elektromagnetische Kopplung über M induzierte Spannung (Rauschen)

Für eine Schaltoperation der Schaltelemente Q11, Q12, Q13, Q14 (entsprechend dem Schaltelement Q4 oder einem externen Schaltelement), werden dem Gateansteuersignal durch kapazitive Kopplung über einen Streukondensator (Streukapazität) C12 eine induzierte Spannung (Rauschen) V_NS und durch elektromagnetische Kopplung über eine Gegeninduktivität M zwischen der Gateansteuersignalverdrahtung und der H-Brückenschaltung eine induzierte Spannung (Rauschen) V_NI überlagert. Das durch die kapazitive Kopplung erzeugte Rauschen V_NS wird durch die nachfolgende Gleichung (2) beschrieben, das Rauschen V_NS zum Zeitpunkt hoher Frequenzen wird durch die nachfolgende Gleichung (3) beschrieben, und das Rauschen V_NI durch die elektromagnetische Kopplung wird durch die nachfolgende Gleichung (4) beschrieben.
[Math 2] $V_{N S} = \frac{j ω C 12}{j ω (C 12 + C 2 G) + 1 / R 1} V_{V}$

[Math 3] $V_{N S} = \frac{C 12}{C 12 + C 2 G} V_{v}$

[Math 4] $V_{N I} = j \times ω \times M \times I l$
5B zeigt ein Beispiel eines Spannungsverlaufs des Gateansteuersignals mit überlagertem Rauschen V_NS, V_NI. Die Schaltgeschwindigkeit der Schaltelemente Q11 bis Q14 wird erhöht und die Spannung und der Strom schwanken kurzzeitig, wodurch die Amplituden der Spannungsverläufe des Rauschens V_NS, V_NI erhöht werden und die Erzeugungszeit des Rauschens verkürzt wird. Mit anderen Worten vereinfacht die Erhöhung der Schaltgeschwindigkeit der Schaltelemente Q11 bis Q14 die Überlagerung des Rauschens auf das Gateansteuersignal, wodurch die Impulsbreiten des Rauschens verringert werden.
Eine Schaltzeit von Schaltelementen in einer herkömmlichen Invertervorrichtung ist kleiner oder gleich 1 µs, so dass eine Impulsbreite des Rauschens, die kleiner oder gleich 1 µs ist, kurz ist. Somit kann es vorkommen, dass das in 5B gezeigte Rauschen mit einer Impulsbreite, die kleiner (kürzer) als die Ansprechzeit der Überstromschutzschaltung 50 ist, in die verwandte Ansteuerschutzschaltung eingegeben wird, in einem Zustand, bei dem das Rauschen dem Gateansteuersignal überlagert ist. Falls ein solches Rauschen eingegeben wird (Periode C in 2), ist keine Zeit für die Schutzfunktion durch die Weichabschaltefunktion der Überstromschutzschaltung 50 vorhanden, wodurch die Gateansteuerschaltung 2 die normale Abschaltung (abrupte Hartabschaltung in der in 2 gezeigten Periode C) durchführt.
Dies führt dazu, dass in der verwandten Ansteuerschutzschaltung der Zustand, bei dem das vorgenannte Rauschen den Übergang des Schaltelements Q4 von EIN nach AUS mit normaler Schaltgeschwindigkeit verursacht, zufällig mit dem Zustand überlappt, bei dem der Zweigkurzschluss auftritt, und in diesem Falle kann die hohe Spannungsspitze erzeugt werden, was zu einer Beeinträchtigung des Schaltelements Q4 oder dergleichen führt.
Die 6 und 7 zeigen gemessene Signalverläufe, wenn die Brückenkonfiguration in 4 gewollt den Zweigkurzschluss bildet. Darüber hinaus wird der Zweigkurzschluss durch anfängliches Versetzen eines hochseitigen Elements in den EIN-Zustand und darauffolgendes Versetzen eines niederseitigen Elementes in den EIN-Zustand gebildet.
6 zeigt die gemessenen Signalverläufe für einen Fall, bei dem die Überstromschutzschaltung 50 die Weichabschaltung durchführt, nachdem die Brückenkonfiguration in 4 den Zweigkurzschlusszustand für eine feste Zeitdauer beibehalten hat. Hierbei weisen die Schaltelemente Nennwerte von 600V/600A auf, die Energieversorgungsspannung VCC beträgt 450V und die Zweigkurzschlussdauer (Zeitdauer des durch die Eingabe des Rauschens mit der Impulsbreite verursachten Zweigkurzschlusses) beträgt 1,75us. Des Weiteren stimmt die Zweigkurzschlussdauer mit der Ansprechzeit (hier die vorstehend beschriebene LPF-Verzögerung + die Ausgangsverzögerung des ersten Komparators + die Ausgangsverzögerung der Steuerlogikschaltung) vom Beginn des Fließens eines Zweigkurzschlussstroms bis zum Beginn der Weichabschaltungsoperation durch die Überstromschutzschaltung 50 überein. Die in diesem Fall erzeugte Spannungsspitze (Anstieg der Kollektorspannung VCE), welche 138 V beträgt, ist relativ klein und wird durch die Überstromschutzschaltung 50 unterdrückt.
7 zeigt die gemessenen Signalverläufe im Falle einer Rekonstruktion des Kurzzeitkurzschlusses, bei dem die Brückenkonfiguration in 4 und die verwandte Ansteuerschutzschaltung keine Weichabschaltung durchführen können. Hierbei ist die Zweigkurzschlussdauer eine Zeitdauer (beispielsweise 1,12µs), die kürzer ist als die Ansprechzeit der Überstromschutzschaltung 50, und die Gateansteuerschaltung 2 führt die normale Abschaltung (Hartabschaltung) unter der Annahme durch, dass die Überstromschutzschaltung 50 keine Weichabschaltung durchführt. In dem in 6 gezeigten Beispiel weist das Schaltelement Q4 eine Energieversorgungsspannung VCC von 450V auf, wogegen die Energieversorgungsspannung VCC in dem in 7 gezeigten Beispiel 200V beträgt.
Die in diesem Fall erzeugte Spannungsspitze beträgt 384V und ist damit größer oder gleich dem Doppelten im Vergleich zu der funktionierenden Weichabschaltung. Darüber hinaus beträgt die Energieversorgungsspannung VCC hier 200V, wobei die maximale Kollektorspannung VCC aufgrund der Spannungsspitze bei einer Energieversorgungsspannung VCC von 450 V, ähnlich der in 6, größer oder gleich 800V wäre, was einen Durchbruch des Schaltelements erwarten ließe.
Somit kann die Ansteuerschutzschaltung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel die Weichabschaltung auch dann durchführen, wenn ein Zweigkurzschluss mit der kleinen Impulsdauer auftritt. 8 zeigt einen Schaltplan mit einer Konfiguration der Ansteuerschutzschaltung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, und 9 zeigt ein Diagramm mit einer Betriebszeitsteuerung der Ansteuerschutzschaltung.
Die Ansteuerschutzschaltung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel entspricht der vorgenannten verwandten Ansteuerschutzschaltung, wobei eine Zeitgeberschaltung (nachfolgend in einigen Fällen als „EIN-Zeitgeber“ oder einfach als „Zeitgeber“ (TIMER) bezeichnet) 11, die eine Zeitdauer zum Beibehalten des EIN-Zustands des Gateansteuersignals bestimmt, ein zweiter Komparator (Vergleichsabschnitt) 12 und eine Energieversorgung 13 mit einer Referenzspannung VGTS hinzugefügt sind.
Von diesen bilden der zweite Komparator 12 und die Energieversorgung 13 einen ersten Gatespannungsdetektor 52, der eine Gatespannung des Schaltelements Q4 mit einer Gateschwellenspannung (nachfolgend als „Gateschwelle“ bezeichnet) des Schaltelements Q4 vergleicht.
Im Einzelnen wird die Referenzspannung VGTS der Energieversorgung 13 auf eine Spannung eingestellt, die kleiner oder gleich der Gateschwelle des Schaltelements Q4 ist. Der zweite Komparator 12 gibt ein L an die Steuerlogikschaltung 8 aus, falls die Gatespannung des Schaltelements Q4 eine AUS-Spannung ist, die kleiner ist als die Referenzspannung VGTS, d.h., kleiner als die Gateschwelle des Schaltelements Q4. Andererseits gibt der zweite Komparator 12 ein H an die Steuerlogikschaltung 8 aus, falls die Gatespannung des Schaltelements Q4 eine EIN-Spannung größer als die Referenzspannung VGTS ist, d.h., größer ist als die Gateschwelle des Schaltelements Q4. Somit kann die Steuerlogikschaltung 8 den EIN-Zustand oder den AUS-Zustand des Schaltelements Q4 auf Grundlage des Ausgangssignals des zweiten Komparators 12 prüfen (erster Gatespannungsdetektor 52).
Die Zeitgeberschaltung 11 wird durch ein Ändern des Gateansteuersignals auf EIN getriggert, um ein Signal zum Beibehalten eines H-Zustands für eine feste Zeitdauer auszugeben, wie in 9 gezeigt ist. Die feste Zeitdauer, in der das Ausgangssignal der Zeitgeberschaltung 11 den H-Zustand beibehält, wird gleich oder annähernd gleich der Ansprechzeit der Überstromschutzschaltung 50 eingestellt. Mit anderen Worten gibt die Zeitgeberschaltung 11 das Signal (vorbestimmtes Signal) zum Beibehalten des H-Zustands, ab dem Zeitpunkt, in dem das Gateansteuersignal auf EIN geändert wird, für die der Ansprechzeit der Überstromschutzschaltung 50 entsprechende feste Zeitdauer aus. Hierbei handelt es sich bei der durch die Zeitgeberschaltung 11 eingestellten Ansprechzeit der Überstromschutzschaltung 50 um eine Zeitdauer, die größer oder gleich einer Gesamtzeit aus (1) einer Ausgangsverzögerung der Gateansteuerung, (2) einer Einschaltverzögerung des Schaltelements, (3) einer Anstiegszeit des Ausgangsstroms, (4) einer LPF-Verzögerung, (5) einer Ausgangsverzögerung des ersten Komparators und (6) einer Ausgangsverzögerung der Steuerlogikschaltung ist, wie in 10 gezeigt ist.
Die Steuerlogikschaltung 8 steuert die Gateansteuerschaltung 2 und die Weichabschalteschaltung 3 auf Grundlage des Gateansteuersignals, des Ausgangssignals der Zeitgeberschaltung 11, des Ausgangssignals des ersten Komparators 6 und des Ausgangssignals des zweiten Komparators 11. Hierbei führt die Steuerlogikschaltung 8 die Weichabschaltung in der Weichabschalteschaltung 3 in einem Falle durch, bei dem ein Rauschen mit einer Impulsbreite kleiner als die Ansprechzeit der Überstromschutzschaltung 50 gemeinsam mit dem Gateansteuersignal eingegeben wird, wie in der in 9 gezeigten Periode C (nämlich der Fall, bei dem das Signal zum Beibehalten des H-Zustands von der Zeitgeberschaltung 11 ausgegeben wird und das Gateansteuersignal auf AUS liegt), unabhängig vom Vorhandensein oder der Abwesenheit der Überstromerfassung (Ausgabe des ersten Komparators 6).
Mit anderen Worten steuert die Ansteuerschutzschaltung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel die Weichabschalteschaltung 3 zur Veranlassung eines Übergangs des Schaltelements Q4 von EIN nach AUS unabhängig vom Überstrom, in einem Falle, bei dem die Impulsbreite des EIN des Gateansteuersignals kleiner oder gleich der Ansprechzeit der Überstromschutzschaltung 50 ist.
11A zeigt eine Wahrheitstabelle der Steuerlogikschaltung 8 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, und 11B zeigt ein Zustandsübergangsdiagramm der Steuerlogikschaltung 8.
Im Vergleich zu dem Zustandsübergangsdiagramm ( 3B) der verwandten Ansteuerschutzschaltung wird hierbei in der Ansteuerschutzschaltung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ein Übergang von dem IGBT EIN-Zustand in den Weichabschaltungszustand für einen Fall hinzugefügt, bei dem das Gateansteuersignal in dem IGBT EIN-Zustand auf AUS liegt (IN = L) und die Zeitgeberschaltung 11 ein H ausgibt (TIMER = H, nämlich während des Betriebs).
Darüber hinaus hält die verwandte Ansteuerschutzschaltung gemäß der Beschreibung unter Bezugnahme auf 3B den Weichabschaltungszustand aufrecht, bis das Zählen der festen Zeitdauer durch den F_o-Zeitgeber endet und das Gateansteuersignal auf EIN versetzt ist (IN = H). Mit anderen Worten legt der Fo-Zeitgeber die Zeitdauer des Beibehaltens des Weichabschaltungszustands bis zum Übergang in den IGBT AUS-Zustand fest.
Im Gegensatz dazu ist die Ansteuerschutzschaltung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel so konfiguriert, dass sie unabhängig von EIN und AUS des Gateansteuersignals von dem Weichabschaltungszustand in den IGBT AUS-Zustand übergeht, wie durch einen gestrichelten Pfeil in 11B gezeigt ist, falls die Gatespannung des Schaltelements Q4 in dem Weichabschaltungszustand kleiner ist als die Gateschwelle (Ausgangssignal GTS des zweiten Komparators 12 = L). Mit anderen Worten wird das Schaltelement Q4 in der Ansteuerschutzschaltung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel beim Übergang des Schaltelements Q4 auf AUS mittels der Weichabschalteschaltung 3 durch die Gateansteuerschaltung 2 anstelle der Weichabschalteschaltung 3 zu einem Übergang nach AUS veranlasst, in Übereinstimmung mit dem Vergleichsergebnis des zweiten Komparators 12.
12 zeigt gemessene Signalverläufe in einem Fall, bei dem die Ansteuerschutzschaltung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel zur Rekonstruktion eines Kurzzeitkurzschlusses von 0,8ps eingesetzt wird, der kleiner ist als der in 7 gezeigte (dabei ist zu beachten, dass die Energieversorgungsspannung VCC 450V beträgt). Die in der in 7 gezeigten verwandten Ansteuerschutzschaltung nicht arbeitende Weichabschalteschaltung 3 arbeitet in dem in 12 gezeigten Beispiel.
Auf diese Weise steuert die Ansteuerschutzschaltung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel die Weichabschalteschaltung 3 so, dass sie unabhängig vom Überstrom arbeitet, falls die Impulsbreite des EIN des Gateansteuersignals kleiner oder gleich der Ansprechzeit der Überstromschutzschaltung 50 ist. Daher kann auch im Falle des Erzeugens eines Rauschens mit kleiner Impulsbreite eine Weichabschaltung durchgeführt werden, die die Abnahme (Neigung) des Kollektorstroms IC beim Abschalten des Schaltelements Q4 abflacht, wodurch die Spannungsspitze (Anstieg der Kollektorspannung VCE) zuverlässig unterdrückt werden kann. Als Resultat kann die maximale Kollektorspannung VCE beispielsweise kleiner oder gleich der Nennspannung beibehalten werden, wodurch die durch die Spannungsspitze verursachte Beeinträchtigung des Schaltelements Q4 unterdrückt werden kann.
Um in dem ersten Ausführungsbeispiel eine Gatespannung VGE des Schaltelements Q4 kleiner oder gleich der Gateschwelle (hier 4V) zu erhalten, wird ein Eingangssignal der Weichabschalteschaltung 3 stufenweise von EIN nach AUS geschaltet, wie in 12 gezeigt, während ein Eingangssignal der Gateansteuerschaltung 2 stufenweise von AUS nach EIN geschaltet wird, was nicht gezeigt ist. Somit wird die das Schaltelement Q4 herabsteuernde Schaltung von der Weichabschalteschaltung 3 auf die Gateansteuerschaltung 2 umgeschaltet, um eine Gatespannung VGE des Schaltelements Q4 kleiner oder gleich der Gateschwelle (hier 4V) zu erhalten, wodurch die Gatespannung VGE abrupt absinkt, wie in 12 gezeigt.
Es folgt eine Beschreibung der durch eine solche Operation und Aktion erzielten Wirkungen unter Bezugnahme auf 13. 13 zeigt ein Diagramm mit einem Mechanismus einer Gatefehlfunktion, die aufgrund des Fließens eines Verschiebungsstroms durch eine Rückkopplungskapazität Cres des IGBT (Schaltelement Q4) auftreten kann. Wenn die Gatespannung des Schaltelements Q4b durch die Weichabschalteschaltung 3 abgesenkt wird, so wird das dem Schaltelement Q4b gegenüberliegende Schaltelement Q4a auf EIN geschaltet, wodurch die Kollektorspannung des Schaltelements Q4b ansteigt.
Der Anstieg der Kollektorspannung führt zu einem Anstieg der Spannung der Rückkopplungskapazität Cres zwischen dem Kollektor und dem Gate des Schaltelements Q4b, und ein Verschiebungsstrom Ires fließt zwischen diesen, wie in 13 gezeigt ist. Der Verschiebungsstrom Ires fließt durch den Widerstand RG_soft der Weichabschalteschaltung 3, so dass sich die Gatespannung des Schaltelements Q4 auf Ires x RG_soft erhöht. Falls diese Gatespannung die Gateschwelle des Schaltelements Q4b überschreitet, tritt eine Fehlfunktion des auf EIN geschalteten Schaltelements Q4b auf, die möglicherweise zum Auftreten des Zweigkurzschlusses (Zweigkurzschlussstroms) in den Schaltelementen Q4a, Q4b führt.
Dagegen wird das Schaltelement Q4 in dem ersten Ausführungsbeispiel bei einer Gatespannung VGE des Schaltelements Q4 kleiner oder gleich der Gateschwelle durch die Gateansteuerschaltung 2 anstelle der Weichabschalteschaltung 3 zu einem Übergang auf AUS veranlasst. Somit kann das Absenken der Gatespannung des Schaltelements Q4 zu einem Zeitpunkt durchgeführt werden, der früher ist als der der verwandten Ansteuerschutzschaltung, unter Verwendung der Gateansteuerschaltung 2 mit dem Widerstand RG, der einen Widerstandswert geringer als der des Widerstands RG_soft der Weichabschalteschaltung 3 aufweist, wodurch die vorgenannte Fehlfunktion unterdrückt werden kann.
Die vorstehend beschriebene Ansteuerschutzschaltung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel steuert die Weichabschalteschaltung 3 auch im Normalbetrieb ohne das Rauschen (beispielsweise in einem Fall, bei dem das höhere System eine Einstellung so vornimmt, dass die Impulsbreite von EIN des Gateansteuersignals kleiner ist als die Zeit, während der die Zeitgeberschaltung 11 den H-Zustand beibehält). In diesem Falle schaltet die Gateansteuerschaltung 2 das Schaltelement Q4 jedoch in einem relativ frühen Zeitpunkt auf AUS, wie vorstehend beschrieben. Dadurch kann der durch den Betrieb der Weichabschalteschaltung 3 im Normalbetrieb hervorgerufene Einfluss (Betriebseinfluss, Einfluss eines Schaltverlustes oder dergleichen) auf andere Aufbaukomponenten verringert werden, wodurch auch der Einfluss auf die höhere Systemseite verringert werden kann.
Im Unterschied zu diesem Ausführungsbeispiel können ähnliche Wirkungen auch erzielt werden, falls anstelle des bipolaren Transistors für die Schaltelemente Q2, Q3 der Gateansteuerschaltung 2 ein MOSFET verwendet wird. In diesem Falle kann die Gateansteuerschaltung 2 aus einem Sourcefolger mit jeweils einem Transistor auf der EIN-Seite und der AUS-Seite gebildet sein, so dass die Konfiguration der Schaltung vereinfacht und die Anzahl von Komponenten verringert werden kann. Daher kann die Schaltcharakteristik des Schaltelements Q4 und die Unterdrückung des Kurzschlussstroms in einer relativ kleinen Montagefläche erreicht werden. Auch kann bei diesem Ausführungsbeispiel, bei dem ein IGBT als Schaltelement Q4 verwendet wird, ein aus einem Silizium (Si) gebildeter MOSFET oder ein SiC-MOSFET aus Siliziumcarbid (SiC) als Leistungsvorrichtung verwendet werden. Der SiC-MOSFET weist eine kurze Einschaltzeit auf, so dass eine Tendenz zu einer höheren Spitzenspannung besteht. Daher kann die Anwendung dieses Ausführungsbeispiels zu einer wirksamen Unterdrückung der Spitzenspannung und einem wirksamen Schutz des Schaltelements Q4 führen.
Eine Ansteuerschutzschaltung wurde oben beschrieben, wobei auch bei einem Halbleitermodul mit der Ansteuerschutzschaltung und dem durch die Ansteuerschutzschaltung geschützten Schaltelement Q4 (Schaltvorrichtung 1) ähnliche Effekte wie die oben beschriebenen erzielt werden können.
<Zweites Ausführungsbeispiel>
14 zeigt ein Schaltbild mit einer Konfiguration einer Ansteuerschutzschaltung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, und 15 zeigt ein Diagramm mit einer Betriebszeitsteuerung der Ansteuerschutzschaltung. In der Ansteuerschutzschaltung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel sind die den in dem ersten Ausführungsbeispiel beschriebenen Komponenten gleichenden oder ähnelnden Komponenten durch dieselben Bezugszeichen gekennzeichnet, und nachfolgend werden im Wesentlichen die Unterschiede beschrieben.
Die Ansteuerschutzschaltung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel entspricht der Ansteuerschutzschaltung gemäß dem in 8 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel, wobei anstelle der Zeitgeberschaltung 11 ein dritter Komparator 16 und eine Spannungsversorgung 17 mit einer Referenzspannung Vmirror vorgesehen sind.
In der Ansteuerschutzschaltung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel mit einer solchen Konfiguration wird anstelle der vorstehend beschriebenen Ansprechzeit der Überstromschutzschaltung 50 eine Spiegelperiode des Schaltelements Q4 verwendet. Mit anderen Worten steuert das zweite Ausführungsbeispiel die Weichabschalteschaltung 3 zum Veranlassen eines Übergangs von EIN nach AUS des Schaltelements Q4 unabhängig vom Überstrom, falls die Impulsbreite von EIN des Gateansteuersignals kleiner oder gleich einer Spiegelperiode des Schaltelements Q4 ist. Nachfolgend wird die Ansteuerschutzschaltung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel näher beschrieben.
Der dritte Komparator 16 und die Spannungsversorgung 17 bilden einen zweiten Gatespannungsdetektor 53, der die Gatespannung des Schaltelements Q4 mit einer Spannung während der Spiegelperiode des Schaltelements Q4 vergleicht.
Im Einzelnen wird die Referenzspannung Vmirror der Spannungsversorgung 17 auf eine Spannung während der Spiegelperiode des Schaltelements Q4 eingestellt (nämlich der Spannung zwischen der Gateschwelle des Schaltelements Q4 und der Energieversorgungsspannung der Gateansteuerschaltung 2). Der dritte Komparator 16 gibt ein L an die Steuerlogikschaltung 8 aus, falls die Gatespannung des Schaltelements Q4 kleiner als die Referenzspannung V_mirror ist, d.h., kleiner als die Spannung während der Spiegelperiode. Andererseits gibt der dritte Komparator 16 ein H an die Steuerlogikschaltung 8 aus, falls die Gatespannung des Schaltelements Q4 größer ist als die Referenzspannung V_mirror, d.h., größer als die Spannung während der Spiegelperiode.
Die Spiegelperiode wird nun unter Bezugnahme auf 16 beschrieben. 16 zeigt ein Diagramm mit einem Einschaltsignalverlauf eines Schaltelements. Wie in 16 gezeigt, ist eine Spiegelperiode vorhanden, bei der die Gatespannung unmittelbar nach dem Einschalten des Schaltelements einen konstanten Wert aufweist. In dieser Spiegelperiode ändert eine Verringerung der Kollektorspannung VCE eine Rückkopplungskapazität zwischen dem Kollektor und dem Emitter und somit fließt aufgrund dieser Änderung ein Verschiebungsstrom durch die Rückkopplungskapazitätsseite vom Gate. Folglich sind in der in 14 gezeigten Schaltung während der Spiegelperiode der durch das Gate des Schaltelements Q4 fließende Gatestrom und die Gatespannung von der Gateansteuerschaltung 2 im Wesentlichen konstant.
Darüber hinaus weist diese Spiegelperiode eine Länge von ungefähr einigen µs auf, wobei die Länge im Wesentlichen mit der Ansprechzeit der im ersten Ausführungsbeispiel beschriebenen Überstromschutzschaltung 50 übereinstimmt. Des Weiteren kann die Länge dieser Spiegelperiode durch die Gateansteuerschaltungsausgangsspannung und den Gatewiderstandwert in einem gewissen Maße verändert werden. Im Einzelnen wird beim Einschalten die Ausgangsspannung der Gateansteuerschaltung erhöht, oder der Gatewiderstandswert verringert, um den Gatestrom zu erhöhen und dadurch die Spiegelperiode zu verkürzen. In umgekehrter Weise wird die Ausgangsspannung der Gateansteuerschaltung verringert oder der Gatewiderstandswert erhöht, um den Gatestrom zu verringern und dadurch die Spiegelperiode zu verlängern. Dann wird diese Spiegelperiode in dem zweiten Ausführungsbeispiel eingestellt, um eine Verzögerungszeit (hier eine Gesamtzeit aus der LPF-Verzögerung, der Ausgangsverzögerung des ersten Komparators und der Ausgangsverzögerung der Steuerlogikschaltung) der Überstromschutzschaltung 50 kleiner oder gleich der Spiegelperiode zu erhalten.
17 zeigt ein Zustandsübergangsdiagramm der Steuerlogikschaltung 8 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel. Die Ansteuerschutzschaltung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel führt einen Übergang von dem IGBT EIN-Zustand in den Weichabschaltungszustand durch, falls das Gateansteuersignal in dem IGBT-EIN-Zustand auf AUS versetzt wird (IN = L) und der dritte Komparator 16 ein L ausgibt (MIRROR = L). Mit anderen Worten handelt es sich um das gleiche Zustandsübergangsdiagramm wie bei der Ansteuerschutzschaltung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß der Darstellung in 11B, wobei TIMER durch MIRROR ersetzt wird und H und L invertiert sind. Die Wahrheitstabelle der Steuerlogikschaltung 8 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel, die nicht gezeigt ist, stimmt mit der Wahrheitstabelle des ersten Ausführungsbeispiels überein, wobei in gleicher Weise TIMER durch MIRROR ersetzt und H und L invertiert sind.
Die Ansteuerschutzschaltung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel gleicht der Ansteuerschutzschaltung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel und kann die Spannungsspitze auch dann zuverlässig unterdrücken, wenn ein Rauschen mit kleiner Impulsbreite erzeugt wird. Darüber hinaus weist der zweite Gatespannungsdetektor 53 (der dritte Komparator 16 und die Energieversorgung 17) eine gegenüber der der in dem ersten Ausführungsbeispiel verwendeten Zeitgeberschaltung 11 einfachere Schaltungskonfiguration auf, was eine Vereinfachung und Miniaturisierung der Schaltung erwarten lässt.
<Drittes Ausführungsbeispiel>
18 zeigt einen Schaltplan einer Konfiguration einer Ansteuerschutzschaltung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, und 19 zeigt ein Diagramm mit einer Betriebszeitsteuerung der Ansteuerschutzschaltung. In der Ansteuerschutzschaltung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel sind Komponenten, die den in dem ersten Ausführungsbeispiel beschriebenen gleichen oder ähneln, durch dieselben Bezugszeichen gekennzeichnet und nachfolgend werden im Wesentlichen Unterschiede beschrieben.
Die Ansteuerschutzschaltung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel entspricht der in 8 gezeigten Ansteuerschutzschaltung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, wobei die Zeitgeberschaltung 11 anstelle des Gateansteuersignals die Gatespannung des Schaltelements Q4 empfängt.
In der Ansteuerschutzschaltung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel mit einer solchen Konfiguration wird anstelle der Impulsbreite des EIN des vorgenannten Gateansteuersignals eine Zeitdauer (nachfolgend als „Anstiegs-bis-Ausschalt-Zeit“ bezeichnet) vom Anstieg der Gatespannung des Schaltelements Q4a bis zum Schalten des Gateansteuersignals auf AUS verwendet wird. Mit anderen Worten steuert das dritte Ausführungsbeispiel die Weichabschalteschaltung 3 unabhängig vom Überstrom zum Veranlassen eines Übergangs des Schaltelements Q4 von EIN nach AUS, falls die Anstiegs-bis-Ausschalt-Zeit kleiner oder gleich der Ansprechzeit der Überstromschutzschaltung 50 ist. Nachfolgend wird die Ansteuerschutzschaltung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel näher beschrieben.
Die Zeitgeberschaltung 11 weist eine Spannung auf, die kleiner oder gleich der Spannung während der Spiegelperiode des Schaltelements Q4 eingestellt ist. Die Spiegelperiode beginnt und die Gatespannung des Schaltelements Q4 ist größer oder gleich der in der Zeitgeberschaltung 11 eingestellten Spannung, und dann gibt die Zeitgeberschaltung 11 das Signal zum Beibehalten des H-Zustands für eine feste Zeitdauer an die Steuerlogikschaltung 8 aus. Ähnlich dem ersten Ausführungsbeispiel wird auch in dem dritten Ausführungsbeispiel eine feste Zeitdauer, in der das Ausgangssignal der Zeitgeberschaltung 11 den H-Zustand beibehält, im Wesentlichen identisch mit der Ansprechzeit der Überstromschutzschaltung 50 eingestellt.
In dem dritten Ausführungsbeispiel ist jedoch die in der Zeitgeberschaltung 11 eingestellte Ansprechzeit der Überstromschutzschaltung 50 eine Zeitdauer größer oder gleich einer Gesamtzeit aus (1) einer Gatespannungsanstiegszeit des Schaltelements Q4 (eine Zeitdauer ausgehend von dem Punkt, in dem die Zeitgeberschaltung 11 ein H ausgibt, bis zum Beginn der Spiegelperiode, d.h., eine Zeitdauer zwischen der Zeitgebereingangsschwellenspannung und der Spiegelperiodenspannung), (2) einer Anstiegszeit des Ausgangsstroms, (3) einer LPF-Verzögerung, (4) einer Ausgangsverzögerung des ersten Komparators und (5) einer Ausgangsverzögerung der Steuerlogikschaltung, wie in 20 gezeigt.
Wie in einer in 19 gezeigten Periode C führt die Steuerlogikschaltung 8 die weiche Abschaltung in der Weichabschalteschaltung 3 unabhängig vom Vorhandensein oder der Abwesenheit der Überstromerfassung durch, falls ein Rauschen mit einer Impulsbreite kleiner als die Ansprechzeit der Überstromschutzschaltung 50 gemeinsam mit dem Gateansteuersigal eingegeben wird (nämlich der Fall, bei dem das Ausgangssignal der Zeitgeberschaltung 11 den H-Zustand aufweist und das Gateansteuersignal auf AUS liegt. Darüber hinaus ähneln die Wahrheitstabelle und das Zustandsübergangsdiagramm der Steuerlogikschaltung 8 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel denjenigen im ersten Ausführungsbeispiel.
Die Ansteuerschutzschaltung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel, welche der Ansteuerschutzschaltung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ähnelt, kann die Spannungsspitze auch dann zuverlässig unterdrücken, wenn das Rauschen mit der kleinen Impulsbreite erzeugt wird. Des Weiteren eliminiert das dritte Ausführungsbeispiel einen durch eine Veränderung der Verzögerungszeit zwischen der Steuerlogikschaltung 8, der Gateansteuerschaltung 2 und dem Schaltelement Q4 verursachten Einfluss. So wird beispielsweise die Gateansteuerschaltung 2, bei der es sich um eine Emitterverbindung des bipolaren Transistors in dem Aufbau gemäß 18 handelt, selbst bei einem Austausch einer Kollektor-geerdeten Konfiguration und eines MOSFET oder durch eine Modifikation des Widerstands RG der Ansteuerschutzschaltung 2 nicht beeinflusst. Daher können Gestaltungsmodifikationen auf einfache Weise vorgenommen werden.
Auch in einem Fall, bei dem die dem Gateansteuersignal überlagerte Impulsbreite extrem klein ist, kann das Gateansteuersignal in einem AUS-Zustand sein, bevor die Schaltvorrichtung 1 (Schaltelement Q4) in die Spiegelperiode eintritt. In diesem Falle wird das Schaltelement Q4 nicht auf EIN geschaltet und der Zweigkurzschluss tritt gar nicht auf, wodurch die Weichabschaltungsoperation überhaupt nicht erforderlich ist, wobei aber in dem dritten Ausführungsbeispiel die Zeitgeberschaltung 11 nicht auf H liegt (während des Betriebs), wodurch die Weichabschaltungsoperation nicht notwendigerweise durchgeführt wird. Des Weiteren kann die Gatespannung des Schaltelements Q4 durch die Gateansteuerschaltung 2 abgesenkt werden.
<Viertes Ausführungsbeispiel>
21 zeigt ein Diagramm eines Kraftfahrzeugs 81, bei dem eine Ansteuerschutzschaltung 71 installiert ist, gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In dem vierten Ausführungsbeispiel sind diejenigen Komponenten, die den in dem ersten Ausführungsbeispiel beschriebenen gleichen oder ähneln, durch dieselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
Jede der in dem ersten bis dritten Ausführungsbeispiel beschriebenen Ansteuerschutzschaltungen kann bei der Ansteuerschutzschaltung 71 eingesetzt werden. Neben der Ansteuerschutzschaltung 71 sind eine Motorsteuereinheit (ECU) 72 als höheres System der Ansteuerschutzschaltung 71, eine für die Ansteuerschutzschaltung 71 verwendete Niederspannungsenergieversorgung 73, ein regenerativer Motor 74 als Motor zum Ermöglichen einer Abgabe von 1kW oder mehr für ein Hybridkraftfahrzeug, ein elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug, ein Brennstoffzellenkraftfahrzeug oder ein Kraftfahrzeug mit einem Startergenerator, ein durch den regenerativen Motor 74 angetriebener Motor 75, eine Hochspannungsenergieversorgung 76 und eine Invertervorrichtung 77 in dem in 21 gezeigten Kraftfahrzeug 81 installiert.
Die Invertervorrichtung 77 mit dem durch die Ansteuerschutzschaltung 71 angetriebenen und geschützten Schaltelement Q4 wandelt eine Gleichspannung der Hochspannungsenergieversorgung 76 in eine Wechselspannung zum Antreiben des regenerativen Motors 74 um und wandelt eine durch den regenerativen Motor 74 erzeugte Wechselspannung in eine in die Hochspannungsenergieversorgung 76 ladbare Gleichspannung um.
In dem vorstehend beschriebenen Kraftfahrzeug 81 tritt häufig nicht nur ein Zustand auf, bei dem ein Leistungsbetrieb und eine Regeneration abwechselnd wiederholt werden und der Lastwechsel des regenerativen Motors 74 hoch ist, sondern auch ein Auslaufzustand, bei dem kein Leistungsbetrieb und keine Regeneration erfolgen. Im letzteren Auslaufzustand befindet sich die den regenerativen Motor 74 ansteuernde Invertervorrichtung 77 nahezu im Leerlaufbetrieb und der Ausgangsstrom fließt nicht vollständig oder weist einen geringen Wert von ungefähr einigen Zehnteln oder einigen Hundertsteln des Nennstroms auf.
In einem solchen Betrieb ist die Schaltgeschwindigkeit eines Schaltelements in der Invertervorrichtung 77 schneller als beim normalen Leistungsbetrieb und einer Regeneration. Dies führt dazu, dass der in den 5A und 5B gezeigte Mechanismus die durch elektromagnetische Kopplung aufgrund des Hochfrequenzstroms induzierte Spannung (Rauschen) dem in die Ansteuerschutzschaltung eingegebenen Gateansteuersignal überlagert, was möglicherweise zu einer Fehlfunktion führt.
Zur Verhinderung des Rauschens ist eine magnetische Abschirmung wirksam, wobei aber ein für die magnetische Abschirmung verwendetes Abschirmmaterial zu Problemen, wie beispielsweise hohen Kosten und hohem Gewicht, führt, so dass die magnetische Abschirmung nicht ausreichend eingesetzt wurde.
In dem vierten Ausführungsbeispiel werden die in den ersten bis vierten Ausführungsbeispielen beschriebenen Ansteuerschutzschaltungen eingesetzt, d.h., die Ansteuerschutzschaltung zur zuverlässigen Unterdrückung der Spannungsspitze, selbst in dem Fall, bei dem ein Rauschen mit kleiner Impulsbreite erzeugt wird. Daher können hohe Kosten und hohes Gewicht vermieden werden und die Beeinträchtigung des Schaltelements Q4 in der in dem Kraftfahrzeug 81 installierten Invertervorrichtung 77 kann unterdrückt werden.
Darüber hinaus können die vorgenannten Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung beliebig kombiniert werden, oder jedes Ausführungsbeispiel kann in geeigneter Weise verändert oder innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung weggelassen werden.
Während die Erfindung gezeigt und im Einzelnen beschrieben wurde, ist die vorstehende Beschreibung in allen Aspekten erläuternd und nicht einschränkend. Die vorliegende Erfindung ist nicht darauf beschränkt. Es ist daher ersichtlich, dass vielfältige Modifikationen und Veränderungen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.
Bezugszeichenliste

2: Gateansteuerschaltung;
3: Weichabschalteschaltung;
11: Zeitgeberschaltung;
12: zweiter Komparator;
50: Überstromschutzschaltung;
71: Ansteuerschutzschaltung;
74: regenerativer Motor;
77: Invertervorrichtung;
81: Kraftfahrzeug;
Q4: Schaltelement.

Claims

Ansteuerschutzschaltung (71), die ein Schaltelement (Q4)ansteuert und schützt, mit: einer Ansteuerschaltung (2), die das Schaltelement im Ansprechen auf ein Eingangssignal ansteuert; und einer Überstromschutzschaltung (50), die eine Weichabschalteschaltung (3) beim Auftreten eines Überstroms des Schaltelements steuert, wobei die Weichabschalteschaltung einen Übergang des Schaltelements von EIN nach AUS mit einer gegenüber der der Ansteuerschaltung langsameren Schaltgeschwindigkeit verursacht, wobei, falls eine Impulsbreite bei EIN des Eingangssignals kleiner oder gleich einer Ansprechzeit der Überstromschutzschaltung ist, die Ansteuerschutzschaltung die Weichabschalteschaltung zum Verursachen des Übergangs von EIN nach AUS unabhängig von dem Überstrom steuert.
Ansteuerschutzschaltung (71) nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend eine Zeitgeberschaltung (11), die ein vorbestimmtes Signal ausgibt ab einem Zeitpunkt, bei dem das Eingangssignal auf EIN gebracht ist, für eine feste Zeitdauer, die der Ansprechzeit der Überstromschutzschaltung (50) entspricht, wobei die Ansteuerschutzschaltung die Weichabschalteschaltung (3) zum Veranlassen eines Übergangs des Schaltelements (Q4) von EIN nach AUS unabhängig von dem Überstrom steuert, falls das vorbestimmte Signal von der Zeitgeberschaltung ausgegeben wird und das Eingangssignal auf AUS liegt.
Ansteuerschutzschaltung (71) nach Anspruch 1, wobei anstelle der Ansprechzeit eine Spiegelperiode des Schaltelements (Q4) verwendet wird.
Ansteuerschutzschaltung (71) nach Anspruch 1, wobei anstelle der Impulsbreite des EIN des Eingangssignals eine Zeitdauer vom Ansteigen einer Gatespannung des Schaltelements (Q4) bis zum Versetzen des Eingangssignals nach AUS verwendet wird.
Ansteuerschutzschaltung (71) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, des Weiteren umfassend einen Komparator (12), der eine Gateschwelle des Schaltelements (Q4) mit einer Gatespannung des Schaltelements vergleicht, wobei die Ansteuerschutzschaltung bei dem Übergang des Schaltelements nach AUS durch die Weichabschalteschaltung (3) die Ansteuerschaltung (2) anstelle der Weichabschalteschaltung steuert, um einen Übergang des Schaltelements nach AUS in Übereinstimmung mit einem Vergleichsergebnis des Komparators zu verursachen.
Ansteuerschutzschaltung (71) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Schaltelement (Q4) in einer Invertervorrichtung (77) enthalten ist, die einen in einem Kraftfahrzeug (81) installierten Motor ansteuert.
Halbleitermodul mit: der Ansteuerschutzschaltung (71) nach einem der Ansprüche 1 bis 4; und dem Schaltelement (Q4).
Kraftfahrzeug mit: der Ansteuerschutzschaltung (71) nach einem der Ansprüche 1 bis 4; und dem in einer Invertervorrichtung (77), die einen Motor (74) ansteuert, enthaltenen Schaltelement (Q4).