DE112013004090T5

DE112013004090T5 - Halbleiterelement-Ansteuervorrichtung

Info

Publication number: DE112013004090T5
Application number: DE112013004090.5T
Authority: DE
Inventors: c/o Fuji Electric Co. Ltd. Sekigawa Kiyoshi
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2012-11-22
Filing date: 2013-10-31
Publication date: 2015-05-13
Also published as: US20150180227A1; JP6201302B2; US9667061B2; JP2014103820A; CN104620481A; CN104620481B; WO2014080737A1

Abstract

Eine Halbleiterelement-Ansteuervorrichtung enthält eine Ansteuerschaltung, welche ein eine Stromrichtvorrichtung konfigurierendes Halbleiterelement ansteuert; eine Alarmerzeugungsschaltung, welche Alarmsignale mit Schutzfaktoren entsprechenden Impulsdauern in Übereinstimmung mit den Ausgängen von Erfassungsschaltungen, welche für den Vorgang des Schützens des Halbleiterelements erforderliche Informationen erfassen, erzeugt; eine Ausgangsschaltung, welche die Alarmsignale auf einem vorbestimmten Pegel nach außen ausgibt; eine Schutzaufhebungsschaltung, welche ein Schutzaufhebungssignal über eine feste Zeitdauer in Übereinstimmung mit dem invertierenden Ausgang einer Ansteuerungsbeendigungssignal-Erzeugungsschaltung, welche das Ansteuern des Halbleiterelements durch die Ansteuerschaltung in Übereinstimmung mit den Ausgängen der Erfassungsschaltungen und mit dem Ausgang der Alarmerzeugungsschaltung beendet, erzeugt; und eine Ausgangssteuerschaltung, welche den Signalausgangspegel der Ausgangsschaltung in Übereinstimmung mit dem Schutzaufhebungssignal ändert.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleiterelement-Ansteuervorrichtung, welche eine Vielzahl von Halbleiterelementen, die eine Stromrichtvorrichtung konfigurieren, ansteuert und welche die Funktion des Meldens zum Schützen der Halbleiterelemente erforderlicher Informationen enthält.
Stand der Technik
In letzter Zeit erregte ein intelligentes Leistungsmodul (IPM) Aufmerksamkeit. Das intelligente Leistungsmodul ist so beschaffen, dass Schutzschaltungen zum Schutz vor Anomalien wie einem Überstrom des Halbleiterelements, einem Abfall der Spannung der Steuerleistung und einer Überhitzung zusammen mit einem aus einem Leistungstransistor wie einem IGBT und dessen Ansteuerschaltung gebildeten Halbleiterelement in ein einziges elektronisches Bauteil modularisiert sind. Außerdem wird zum Beispiel in PTL 1 vorgeschlagen, dass zusätzlich zu der Vielzahl von Schutzschaltungen, welche die vorher beschriebenen jeweiligen Anomalien erfassen, eine Meldeschaltung (eine Ausgangsschaltung), welche ein Alarmsignal mit einer voreingestellten Impulsdauer in Übereinstimmung mit der durch jede Schutzschaltung erfasste Art der Anomalie nach außen ausgibt, an dem intelligenten Leistungsmodul angebracht ist. Durch Einbeziehen dieser Art von Alarmsignal-Meldeschaltung kann eine Steuerungsseite, welche die Ansteuervorrichtung steuert, zum Beispiel eine Wechselrichtersteuerung, durch Erfassen der Impulsdauer des Alarmsignals die Art einer in einem Halbleiterelement auftretenden Anomalie unterscheiden.
Wenn eine Vielzahl von Alarmsignalen mit verschiedenen Impulsdauern gleichzeitig aus der Meldeschaltung ausgegeben wird, besteht jedoch das Problem, dass es schwierig ist, zwischen den Alarmsignalen zu unterscheiden. Deshalb schlugen die Erfinder eine Halbleiterelement-Ansteuervorrichtung vor, welche das vorher beschriebene Problem wie in PTL 2 offenbart vermeidet und welche es allgemein einfach macht, zwischen den als Impulssignalfolgen ausgegebenen Alarmsignalen zu unterscheiden. In Übereinstimmung mit einem aus einer Schutzschaltung, welche eine Anomalie zuerst erfasst hat, ausgegebenen Schutzsignal gibt die Halbleiterelement-Ansteuervorrichtung ein aus einem einzigen Impuls bestehendes Alarmsignal mit einer für jede Anomalieart voreingestellten Impulsdauer aus oder gibt sie ein aus einem einzigen Impuls bestehendes Alarmsignal nach jedem voreingestellten Zeitintervall aus.
Druckschriftenverzeichnis
Patentliteratur

PTL 1: JP-A-8-70580
PTL 2: JP-A-2012-143125

Kurzbeschreibung der Erfindung
Technisches Problem
Gemäß der in PTL 2 vorgeschlagenen Halbleiterelement-Ansteuervorrichtung kommt es nicht vor, dass eine Vielzahl von Arten von Alarmsignalen mit verschiedenen Impulsdauern gleichzeitig ausgegeben werden. Folglich ist es einfach, die Impulsdauer eines gemeldeten Alarmsignals zu erfassen, und ist es möglich, die Art einer Anomalie auf der Grundlage der Impulsdauer des erfassten Alarmsignals genau zu unterscheiden. Wenn eine Anomalie eines Halbleiterelements erfasst wird, handelt es sich jedoch nur darum, dass ein aus einem einzigen Impuls bestehendes Alarmsignal mit einer der Art der Anomalie entsprechenden Impulsdauer ausgegeben wird oder dass ein aus einem einzigen Impuls bestehendes Alarmsignal nach jedem voreingestellten Zeitintervall ausgegeben wird, was bedeutet, dass das Problem besteht, dass es, selbst wenn die Anomalie des Halbleiterelements aufgehoben wird, nicht möglich ist, die Aufhebung zu erfassen.
Um diese Art von Problem zu lösen, ist es zum Beispiel auch denkbar, ein Anomalieaufhebungssignal mit einer Impulsdauer, welche sich von derjenigen des Alarmsignals unterscheidet, auszugeben, indem man sich die Tatsache zunutze macht, dass die Ausgaben der Schutzsignale aus der Vielzahl von Schutzschaltungen enden, wenn die Anomalie des Halbleiterelements aufgehoben wird. Damit es zum Beispiel möglich ist, das Anomalieaufhebungssignal klar zu unterscheiden, wenn die Impulsdauer des Anomalieaufhebungssignals gegenüber derjenigen des Alarmsignals verlängert ist, stellt sich jedoch das neue Problem, dass es eine lange Zeit dauert, bis die Anomalieaufhebung erfasst wird.
Die Erfindung, welche unter Berücksichtigung dieser Arten von Umständen ersonnen wurde, hat die Aufgabe, eine Halbleiterelement-Ansteuervorrichtung bereitzustellen, welche die Funktion des genauen Meldens eines Alarmsignals mit einer einem in einem Halbleiterelement auftretenden Anomaliefaktor entsprechenden Impulsdauer enthält und welche die Funktion des schnellen Meldens, dass der Anomaliefaktor des Halbleiterelements aufgehoben ist, enthält.
Problemlösung
Um die vorher beschriebene Aufgabe zu erfüllen, enthält eine Halbleiterelement-Ansteuervorrichtung gemäß der Erfindung eine Ansteuerschaltung, welche ein eine Stromrichtvorrichtung konfigurierendes Halbleiterelement ansteuert; eine Vielzahl von Schutzschaltungen, welche für den Vorgang des Schützens des Halbleiterelements erforderliche Informationen erfassen, Schutzsignale erzeugen und das Ansteuern des Halbleiterelements durch die Ansteuerschaltung in Übereinstimmung mit den Schutzsignalen beenden; eine Alarmerzeugungsschaltung, welche Alarmsignale mit Schutzfaktoren entsprechenden Impulsdauern in Übereinstimmung mit den aus den Schutzschaltungen ausgegebenen Schutzsignalen erzeugt; und eine Ausgangsschaltung, welche die Alarmsignale auf einem vorbestimmten Pegel nach außen ausgibt.
Insbesondere ist die Halbleiterelement-Ansteuervorrichtung gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner eine Schutzaufhebungsschaltung, welche ein Schutzaufhebungssignal über eine feste Zeitdauer erzeugt, wenn die Ausgaben der Schutzsignale aus der Vielzahl von Schutzschaltungen enden und die Ausgaben der Alarmsignale aus der Alarmerzeugungsschaltung enden; und eine Ausgangssteuerschaltung, welche den Signalausgangspegel der Ausgangsschaltung in Übereinstimmung mit dem Schutzaufhebungssignal ändert, enthält.
Vorzugsweise enthält die Vielzahl von Schutzschaltungen eine Steuerspannungs-Erfassungsschaltung, welche eine an die Ansteuervorrichtung angelegte Steuerspannung erfasst, eine Temperaturerfassungsschaltung, welche die Temperatur des Halbleiterelements erfasst, und eine Stromerfassungsschaltung, welche einen durch das Halbleiterelement fließenden Strom erfasst, und erzeugt sie jeweilige Schutzsignale, welche Unterspannungsschutz, Überhitzungsschutz und Überstromschutz ermöglichen. Ferner ist die Schutzaufhebungsschaltung so konfiguriert, dass sie eine Zeitgeberschaltung enthält, welche, wenn die Ausgaben der Schutzsignale aus der Vielzahl von Schutzschaltungen enden und die Ausgaben der Alarmsignale enden, vorgespannt wird, um das Schutzaufhebungssignal über eine feste Zeitdauer zu erzeugen.
Außerdem ist die Ausgangssteuerschaltung zum Beispiel als eine parallel zu einem die Ausgangsschaltung konfigurierenden Ausgangstransistor vorgesehene Spannungsteilerschaltung ausgeführt, welche die Ausgangsspannung des Ausgangstransistors bei Empfangen des Schutzaufhebungssignals teilt.
Vorzugsweise ist die Alarmerzeugungsschaltung so konfiguriert, dass sie für eine Schutzschaltung aus der Vielzahl von Schutzschaltungen, welche zuerst ein Schutzsignal ausgegeben hat, über eine Zeitdauer, in welcher die Ausgabe des Schutzsignals andauert, unaufhörlich ein Alarmsignal mit einer voreingestellten Impulsdauer erzeugt. Ferner ist die Alarmerzeugungsschaltung zum Beispiel so konfiguriert, dass sie, wenn eine aus der Vielzahl von Schutzschaltungen ein Schutzsignal ausgibt, das Alarmsignal zu erzeugen beginnt, und, wenn die Ausgabe des Schutzsignals endet, die Erzeugung des Alarmsignals zu dem Zeitpunkt, zu welchem die Ausgabe eines aus einem einzigen Impuls bestehenden Impulssignals in einer das Alarmsignal bildenden Impulssignalfolge abgeschlossen ist, beendet.
Vorteilhafte Auswirkungen der Erfindung
Gemäß der Halbleiterelement-Ansteuervorrichtung dieser Art von Konfiguration wird ein aus einem einzigen Impuls bestehendes Alarmsignal mit einer einem in einem Halbleiterelement auftretenden Anomaliefaktor entsprechenden Impulsdauer ausgegeben oder wird ein aus einem einzigen Impuls bestehendes Alarmsignal nach jedem voreingestellten Zeitintervall ausgegeben. Folglich ist es einfach, die Impulsdauer eines aus der Ansteuervorrichtung gemeldeten Alarmsignals zu erfassen, und ist es möglich, die Art einer Anomalie auf der Grundlage der Impulsdauer des erfassten Alarmsignals genau zu unterscheiden. Überdies wird ein Schutzaufhebungssignal mit einem Pegel, welcher sich von demjenigen des Alarmsignals unterscheidet, ausgegeben, wenn der Anomaliefaktor des Halbleiterelements aufgehoben wird und die Ausgabe des Alarmsignals endet. Folglich kann das Schutzaufhebungssignal selbst ohne Erfassen der Impulsdauer des Schutzaufhebungssignals aus seinem Signalausgangspegel erfasst werden, während es klar vom Alarmsignal unterschieden wird. Deshalb ist es möglich, die Aufhebung des Anomaliefaktors einfach und schnell aus dem Schutzaufhebungssignal zu erfassen.
Anders ausgedrückt, es ist zum Beispiel auf einer Seite des Steuerteils, welche das Schaltsignal erzeugt, welches ein eine Stromrichtvorrichtung konfigurierendes Halbleiterelement ansteuert, möglich, einen Anomaliefaktor des Halbleiterelements genau zu erfassen und geeignete Schutzmaßnahmen zu treffen. Ferner wird der Vorteil geschaffen, dass es möglich ist, wenn der Anomaliefaktor des Halbleiterelements aufgehoben wird, die Anomalieaufhebung schnell aus dem Schutzaufhebungssignal zu erfassen und das Steuergerät unverzüglich in einen Normalzustand zurückzuversetzen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Zeichnung, welche Grundzüge der Gesamtkonfiguration einer Stromrichtvorrichtung, auf welche die Erfindung angewendet wird, zeigt.
2 ist eine Zeichnung, welche Grundzüge der Konfiguration eines Hauptteils einer Halbleiterelement-Ansteuervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt.
3 ist ein Schaubild, welches durch eine in 2 gezeigte Alarmerzeugungsschaltung erzeugte Alarmsignale zeigt.
4 ist ein Schaubild von Signalwellenformen zur Veranschaulichung einer Arbeitsweise der in 2 gezeigten Ansteuervorrichtung.
5 ist ein Schaubild, welches ein Konfigurationsbeispiel einer Erfassungsschaltung zum Erfassen eines Ausgangssignals aus der Ansteuervorrichtung zeigt.
Beschreibung von Ausführungsformen
Nun folgt eine sich auf die Zeichnungen stützende Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung.
1 ist ein Blockschaltbild, welches eine skizzenhafte Gesamtkonfiguration einer Stromrichtvorrichtung, auf welche die Erfindung angewendet wird, zeigt. Die Stromrichtvorrichtung 1 enthält neben einem Wechselrichter 2, welcher Gleichstromleistung in Wechselstromleistung umwandelt, sechs Ansteuerschaltungen 3U bis 3Z, welche eine Vielzahl von Halbleiterelementen, zum Beispiel sechs den Wechselrichter 2 konfigurierende IGBTs (Isolierschicht-Bipolartransistoren) 11 bis 16, einzeln ansteuern. 21 bis 26 in 1 sind zwischen dem Emitter und dem Kollektor jedes IGBT 11 bis 16 jeweils antiparallel geschaltete Freilaufdioden.
Die sechs den Wechselrichter 2 konfigurierenden IGBTs 11 bis 16 konfigurieren dadurch, dass jeweils zwei davon in Reihe geschaltet sind, drei Sätze von Halbbrückenschaltungen. Die Halbbrückenschaltungen sind zwischen einer Plusleitung Lp und einer Minusleitung Ln einer nicht gezeigten Gleichstromversorgung angeordnet. Die parallel vorgesehenen drei Sätze von Halbbrückenschaltungen konfigurieren eine Dreiphasen-Vollbrückenschaltung, welche eine zwischen der Plusleitung Lp und der Minusleitung Ln gelieferte Gleichstromleistung in eine Drehstromleistung umwandelt. Der durch den Wechselrichter 2 umgewandelte Drehstrom wird einer Wechselstromlast 4 wie einem Elektromotor zugeführt.
Spezieller konfigurieren die IGBTs 11, 13 und 15 aus den sechs den Wechselrichter 2 konfigurierenden IGBTs 11 bis 16, welche mit der Plusleitung Lp verbunden sind, obere Zweige UA, welche jeweils Plus-U-Phasen-, Plus-V-Phasen- und Plus-W-Phasen-Leistungen eines Drehstroms erzeugen. Außerdem konfigurieren die mit der Minusleitung Ln verbundenen IGBTs 12, 14 und 16 untere Zweige LA, welche jeweils Minus-X-Phasen-, Minus-Y-Phasen- und Minus-Z-Phasen-Leistungen eines Drehstroms erzeugen. Ferner schalten die IGBTs 11 bis 16, indem sie in voneinander verschiedenen Phasen ein/aus-gesteuert werden, die Gleichstromleistung und geben sie die Drehstromleistungen aus den Reihenschaltungspunkten der IGBTs 11 bis 16 aus.
Indessen ist jeder der IGBTs 11 bis 16 zusammen mit einem Stromsensor 18 und einem Temperatursensor 19 auf einem Halbleiterchip 17 befestigt, wie zum Beispiel in 2 gezeigt, wodurch ein Chip gebildet wird. Obwohl nicht speziell gezeigt, enthält der Stromsensor 18 einen Stromerfassungs-IGBT oder einen Stromerfassungswiderstand, welcher einen zwischen dem Kollektor und dem Emitter des IGBT 11 fließenden Strom erfasst. Der Stromsensor 18 gibt eine der Stärke des zwischen dem Kollektor und dem Emitter des IGBT 11 fließenden Stroms entsprechende Spannung Vi aus. Außerdem enthält der Temperatursensor 19 einen Thermistor oder eine Temperaturerfassungsdiode. Der Temperatursensor 19 gibt eine einer Temperatur T des Halbleiterchips 17 entsprechende Spannung Vt aus. Außerdem ist jeder der IGBTs 11 bis 16, welche mit dem Stromsensor 18 und dem Temperatursensor 19 ausgestattet sind, um einen Chip zu bilden, zusammen mit jeder jeweiligen Ansteuerschaltung 3U bis 3Z in einem Gehäuse angeordnet, um ein elektronisches Bauteil zu bilden, und als das zuvor beschriebene intelligente Leistungsmodul (IPM) 1a ausgeführt.
2 zeigt eine skizzenhafte Konfiguration einer aus dem IGBT 11 und dessen Ansteuerschaltung 3U gebildeten Halbleiterelement-Ansteuervorrichtung, welche als das intelligente Leistungsmodul 1a ausgeführt ist. Hierin wird eine Beschreibung von Grundzügen einer Konfiguration der aus dem U-Phasen-IGBT 11 und dessen Ansteuerschaltung 3U gebildeten Ansteuervorrichtung, welche als ein elektronisches Bauteil (IPM 1a) ausgeführt ist, als einem Musterbeispiel der Stromrichtvorrichtung 1 gegeben, aber da auch die anderen der übrigen Phasen V bis Z auf die gleiche Weise konfiguriert sind, wird auf eine Beschreibung derselben verzichtet.
Die Ansteuerschaltung 3U enthält eine Gate-Steuerschaltung 31, welche ein aus einem nicht gezeigten Wechselrichter-Steuerteil für die Halbleiterelemente gegebenes Steuersignal Sm eingibt und das Gate des IGBT 11 ein/aus-steuert. Das Steuersignal Sm ist aus einem im Wechselrichter-Steuerteil unter einer jeder der Phasen U bis Z entsprechenden Phasensteuerung pulsbreitenmodulierten(PWM-)Impulssignal gebildet. Außerdem wird ein aus einer nachher noch zu beschreibenden ODER-Schaltung 35 ausgegebenes Schutzsignal Sp, welches als ein Ansteuerungsbeendigungssignal dient, in die Gate-Steuerschaltung 31 eingegeben.
Wenn das Schutzsignal Sp ausgeschaltet (auf einem L-Pegel) ist, das heißt, wenn das Schutzsignal Sp nicht ausgegeben wird, legt die Gate-Steuerschaltung 31 das Steuersignal Sm an das Gate des IGBT 11 an und steuert sie den IGBT 11 ein/aus. Außerdem beendet die Gate-Steuerschaltung 31, wenn das Schutzsignal Sp eingeschaltet (auf einem H-Pegel) ist, indem sie das Durchleiten des Steuersignals Sm verhindert, das Ansteuern des IGBT 11 und schützt sie dadurch den IGBT 11 vor einer Anomalie.
Außerdem enthält die Ansteuerschaltung 3U eine Steuerspannungs-Erfassungsschaltung 32, eine Stromerfassungsschaltung 33 und eine Temperaturerfassungsschaltung 34 als eine Vielzahl von Schutzschaltungen, welche die Funktion des Schützens des IGBT 11 ausführen. Die Steuerspannungs-Erfassungsschaltung 32 ist hauptsächlich aus einem ersten Vergleicher CP1 konfiguriert, welcher eine aus einer externen Stromversorgung 39 gelieferte Steuerspannung Vc der Ansteuerschaltung 3U und eine voreingestellte erste Schwellenspannung Vth1 vergleicht. Wenn die Steuerspannung Vc auf einen Wert kleiner als die oder gleich der ersten Schwellenspannung Vth1 fällt, erfasst die den ersten Vergleicher CP1 konfigurierende Steuerspannungs-Erfassungsschaltung 32 den Abfall als einen abnormalen Abfall der Steuerspannung Vc und gibt sie ein H-Pegel-Spannungsanomalie-Erfassungssignal (Schutzsignal) Svd aus.
Außerdem ist die Stromerfassungsschaltung 33 hauptsächlich aus einem zweiten Vergleicher CP2 konfiguriert, welcher eine aus dem Stromsensor 18 ausgegebene Spannung Vi und eine voreingestellte zweite Schwellenspannung Vth2 vergleicht. Wenn die Spannung Vi die zweite Schwellenspannung Vth2 überschreitet, erfasst die den zweiten Vergleicher CP2 konfigurierende Stromerfassungsschaltung 33 die Überschreitung als einen Überstrom und gibt sie ein H-Pegel-Überstromanomalie-Erfassungssignal Soc als ein Schutzsignal aus.
Ferner ist die Temperaturerfassungsschaltung 34 hauptsächlich aus einem dritten Vergleicher CP3 konfiguriert, welcher eine die Temperatur T des Halbleiterchip 17 angebende Spannung Vt, welche aus dem Temperatursensor 19 ausgegeben wird, und eine voreingestellte dritte Schwellenspannung Vth3 vergleicht. Wenn die Spannung Vt unter die dritte Schwellenspannung Vth3 fällt, erfasst die den dritten Vergleicher CP3 konfigurierende Temperaturerfassungsschaltung 34 den Abfall als eine Überhitzung und gibt sie ein H-Pegel-Überhitzungsanomalie-Erfassungssignal Soh als ein Schutzsignal aus. Eine in der Temperaturerfassungsschaltung 34 vorgesehene Stromversorgung 34a übernimmt die Rolle, einer als den Temperatursensor 19 verwendeten Temperaturerfassungsdiode einen konstanten Strom zuzuführen und die Temperaturerfassungsdiode zu betreiben.
Ferner werden die jeweiligen Ausgänge der Steuerspannungs-Erfassungsschaltung 32, der Stromerfassungsschaltung 33 und der Temperaturerfassungsschaltung 34, wenn kein Anomaliefaktor im IGBT 11 auftritt, speziell wenn es keinen abnormalen Abfall der Steuerspannung Vc, keinen Überstrom des IGBT 11 oder keine Überhitzung des Halbleiterchip 17, auf welchem der IGBT 11 gebildet ist, gibt, auf dem L-Pegel gehalten. Folglich werden die Anomalieerfassungssignale Svd, Soc und Soh nicht ausgegeben.
Indessen gibt die ODER-Schaltung 35 die aus der Steuerspannungs-Erfassungsschaltung 32, der Stromerfassungsschaltung 33 und der Temperaturerfassungsschaltung 34 ausgegebenen Anomalieerfassungssignale Svd, Soc beziehungsweise Soh ein und erzeugt sie das Ansteuerungsbeendigungssignal Sp zum Beenden des Ansteuerns des IGBT 11. Das Ansteuerungsbeendigungssignal Sp wird an die Gate-Steuerschaltung 31 gegeben wie zuvor beschrieben. Außerdem erzeugt eine Alarmerzeugungsschaltung 36, welche die Anomalieerfassungssignale Svd, Soc und Soh eingibt, alternativ Alarmsignale PSvd, PSoc und PSoh, welche den Anomalieerfassungssignalen Svd, Soc beziehungsweise Soh entsprechen.
Das heißt, die Alarmerzeugungsschaltung 36 enthält einen nicht gezeigten Impulssignalgenerator, welcher in Impulsintervallen Ta eines von Impulssignalen mit voneinander verschiedenen, entsprechend den Erfassungsschaltungen 32, 33 beziehungsweise 34 voreingestellten Impulsdauern Tvd, Toc und Toh erzeugt. Die Alarmerzeugungsschaltung 36 startet den Impulssignalgenerator, wenn das Anomalieerfassungssignal Svd, Soc, Soh aus einer der Erfassungsschaltungen 32, 33 und 34 gegeben wird. Ferner erzeugt die Alarmerzeugungsschaltung 36 ein aus einer Impulssignalfolge mit der der Erfassungsschaltung 32, 33, 34, welche das Anomalieerfassungssignal Svd, Soc, Soh ausgegeben hat, entsprechenden Impulsdauer Tvd, Toc, Toh gebildetes Alarmsignal PSj (PSvd, PSoc, PSoh) und gibt sie es aus.
Wenn die Anomalieerfassungssignale Svd, Soc und Soh aus den Erfassungsschaltungen 32, 33, und 34 gleichzeitig gegeben werden, arbeitet die Alarmerzeugungsschaltung 36 so, dass sie nur das als erstes gegebene Anomalieerfassungssignal Svd (Soc, Soh) als den Hauptfaktor des Auftretens einer entsprechenden Anomalie heranzieht. Außerdem beendet der Impulssignalgenerator, wenn die Eingaben der Anomalieerfassungssignale Svd, Soc und Soh aus den Erfassungsschaltungen 32, 33 und 34 enden, den Vorgang des Erzeugens der Alarmsignale PSj (PSvd, PSoc und PSoh). Das heißt, wenn die Ausgaben der Anomalieerfassungssignale Svd, Soc und Soh enden, beendet der Impulssignalgenerator den Vorgang des Erzeugens der Alarmsignale PSj (PSvd, PSoc und PSoh) zu dem Zeitpunkt, zu welchem eine aus einem einzigen Impuls bestehende Ausgabe jedes der Impulssignale mit den Impulsdauern Tvd, Toc beziehungsweise Toh abgeschlossen ist.
Übrigens ist der Impulssignalgenerator, obwohl nicht speziell gezeigt, so konfiguriert, dass er zum Beispiel eine das Laden/Entladen eines Kondensators nutzende Integrationsschaltung und einen Hysteresevergleicher, welcher den Betrieb der das Laden/Entladen des Kondensators nutzenden Integrationsschaltung steuert, enthält. Der Hysteresevergleicher vergleicht eine erste und eine zweite Ermittlungsschwelle V1 und V2, welche eine obere Grenzspannung beziehungsweise eine untere Grenzspannung zum Laden und Entladen des Kondensators definieren, und die Ausgangsspannung der Integrationsschaltung und steuert das Laden/Entladen des Kondensators in Übereinstimmung mit Ergebnissen der Vergleiche.
Insbesondere erhält der Impulssignalgenerator durch selektives Einstellen eines Ladestroms des Kondensators in Übereinstimmung mit den Anomalieerfassungssignalen Svd, Soc und Soh eine L-Pegel-Ausgabe, welche die Impulsdauern Tvd, Toc und Toh definiert, aus dem Hysteresevergleicher. Außerdem erhält der Impulssignalgenerator durch Entladen einer im Kondensator gespeicherten elektrischen Ladung mit einem konstanten Strom eine H-Pegel-Ausgabe, welche die Impulsintervalle Ta definiert, aus dem Hysteresevergleicher. Der Impulssignalgenerator erzeugt unter Verwendung der Ausgaben des Vergleichers die Impulssignalfolgen.
Speziell wiederholt der Impulssignalgenerator der Alarmerzeugungsschaltung 36, wenn zum Beispiel das Spannungsanomalie-Erfassungssignal Svd gegeben wird, den Vorgang des, nach Laden des Kondensators mit einem Referenzstrom Ic, Entladens des Kondensators mit einem konstanten Strom Id unter der Kontrolle des Hysteresevergleichers. Dann wird, wie in (a) in 3 gezeigt, unaufhörlich ein L-Pegel Impulssignal mit der Impulsdauer Tvd in den Impulsintervallen Ta erzeugt. Außerdem wiederholt der Impulssignalgenerator, wenn das den Überstrom anzeigende Anomalieerfassungssignal Soc gegeben wird, den Vorgang des, nach Laden des Kondensators mit einem dem halben Referenzstrom Ic entsprechenden Strom, Entladens des Kondensators mit dem konstanten Strom Id. Dann wird, wie in (b) in 3 gezeigt, unaufhörlich ein L-Pegel-Impulssignal mit der Impulsdauer Toc (= 2Tvd), welche doppelt so lang wie die Impulsdauer Tvd ist, in den Impulsintervallen Ta erzeugt.
Ferner wiederholt der Impulssignalgenerator, wenn das Überhitzungsanomalie-Erfassungssignal Soh gegeben wird, den Vorgang des, nach Laden des Kondensators mit einem einem Viertel des Referenzstroms Ic entsprechenden Strom, Entladens des Kondensators mit dem konstanten Strom Id. Dann wird, wie in (c) in 3 gezeigt, unaufhörlich ein L-Pegel-Impulssignal mit der Impulsdauer Toh (= 4Tvd = 2Toc), welche viermal so lang wie die Impulsdauer Tvd ist, in den Impulsintervallen Ta erzeugt. Die Impulsdauern Tvd, Toc und Toh, welche nur Zeitunterschiede aufzuweisen brauchen, die klar voneinander unterscheidbar sind, können nach Wunsch eingestellt werden.
Ferner werden die Alarmsignale PSj (PSvd, PSoc und PSoh) mit den den Anomaliearten entsprechenden Impulsdauern, welche durch die Alarmerzeugungsschaltung 36 erzeugt werden, an das Gate eines aus einem eine Ausgangsschaltung konfigurierenden MOSFET gebildeten Ausgangstransistors 37 angelegt, wodurch der Ausgangstransistor 37 ein/aus-gesteuert wird. Infolgedessen werden die L-Pegel-Impulssignale mit den vorbestimmten Impulsdauern mit der auf den H-Pegel gesetzten Steuerspannung Vc über den Ausgangstransistor 37 und eine Ausgangsklemme nach außen ausgegeben. 38 in 2 ist ein zwischen dem Drain des aus dem MOSFET gebildeten Ausgangstransistors 37 und der Stromversorgungsleitung der Steuerspannung Vc angeordneter Lastwiderstand.
Natürlich ist es auch möglich, die Alarmerzeugungsschaltung 36 so zu konfigurieren, dass sie in Übereinstimmung mit dem Anomalieerfassungssignal Svd, Soc, Soh nur einen Impuls eines der Impulssignale mit den Impulsdauern Tvd, Toc, und Toh ausgibt. In diesem Fall braucht der Impulssignalgenerator nur unter Verwendung von zum Beispiel Zeitgeberschaltungen konfiguriert zu sein, welche jeweils die Impulssignale mit den Impulsdauern Tvd, Toc und Toh erzeugen.
Hierin ist die Ansteuerschaltung 3U gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass sie, zusätzlich zur vorher beschriebenen Konfiguration, außerdem eine Schutzaufhebungsschaltung 40 enthält, welche in Übereinstimmung mit dem Ausgang der ODER-Schaltung 35 und dem Ausgang der Alarmerzeugungsschaltung 36 über eine feste Zeitdauer ein Anomalieaufhebungssignal erzeugt. Die Schutzaufhebungsschaltung 40 enthält eine UND-Schaltung 42, welche sowohl den Ausgang der ODER-Schaltung 35 über eine Inverterschaltung 41 eingibt als auch den Ausgang der Alarmerzeugungsschaltung 36 in die negative logische Klemme der UND-Schaltung 42 eingibt.
Wenn die Ausgabe des Schutzsignals Sp auf dem H-Pegel ist oder wenn das Alarmsignal PSj ausgegeben wird, hält die UND-Schaltung 42 den Ausgang auf dem L-Pegel. Ferner wird der Ausgang der UND-Schaltung 42, wenn der Ausgang der ODER-Schaltung 35 auf dem L-Pegel ist und der Ausgang der Alarmerzeugungsschaltung 36 auf dem L-Pegel ist, das heißt, wenn die Ausgabe des Schutzsignals Sp endet und die Ausgabe des Alarmsignals PSj endet, auf den H-Pegel invertiert. Ferner übernimmt die UND-Schaltung 42 die Rolle, durch Invertieren des Ausgangs der UND-Schaltung 42 auf den H-Pegel eine Zeitgeberschaltung 43 vorzuspannen und das Schutzaufhebungssignal über eine feste Zeitdauer als die Ausgabe der Zeitgeberschaltung 43 zu erzeugen.
Das Schutzaufhebungssignal, welches die Ausgabe der Zeitgeberschaltung 43 ist, wird an das Gate eines aus einem parallel zum Ausgangstransistor 37 vorgesehenen MOSFET gebildeten Transistors 44 angelegt, wodurch der Transistor 44 ein-gesteuert wird. Der Transistor 44 übernimmt die Rolle, durch Einschalten einen vorbestimmten Widerstand 45 zwischen dem Drain und der Source des Ausgangstransistors 37 parallelzuschalten. Folglich schaltet der Transistor 44, wenn der Ausgangstransistor 37 infolge der Beendigung der Ausgabe des Alarmsignals PSj ausschaltet, bei Empfangen der Ausgabe der Zeitgeberschaltung 43 ein. Dann wird die Steuerspannung Vc durch den Widerstand 38 und den Widerstand 45 geteilt, was bewirkt, dass die Drain-Spannung des Ausgangstransistors 37 abfällt. Deswegen ändert sich der Ausgangssignalpegel der Ausgangsklemme. Deshalb übernimmt der Transistor 44 die Rolle, als eine Ausgangssteuerschaltung zu dienen, welche den Ausgangssignalpegel (die Ausgangsspannung) der Ausgangsklemme auf einen Spannungspegel ändert, welcher sich von demjenigen beim Ausgeben des Alarmsignals PSj unterscheidet.
Somit wird gemäß der die Schutzaufhebungsschaltung 40, welche auf diese Weise funktioniert, enthaltenden Halbleiterelement-Ansteuerschaltung 3U, wenn eine Anomalie in einer der Steuerspannungs-Erfassungsschaltung 32, der Stromerfassungsschaltung 33 und der Temperaturerfassungsschaltung 34 erfasst wird, das der Art der Anomalie entsprechende Alarmsignal PSj durch die Alarmerzeugungsschaltung 36 erzeugt und aus dieser ausgegeben wie im Betriebswellenform-Schaubild der Ansteuerschaltung 3U in 4 gezeigt. Gleichzeitig wird das Ansteuerungsbeendigungssignal Sp, welches das Ansteuern des IGBT 11 beendet, aus der ODER-Schaltung 35 ausgegeben <ein Zeitpunkt t1>. Dabei wird, selbst wenn eine aus einem einzigen Impuls bestehende Ausgabe des Alarmsignals PSj endet <ein Zeitpunkt t2>, kein Schutzaufhebungssignal erzeugt, solange die Ausgabe des Ansteuerungsbeendigungssignals Sp andauert.
Danach, wenn die Anomalie aufgehoben wird und die Ausgabe des Anomalieerfassungssignals aus der Erfassungsschaltung 32, 33, 34 endet <ein Zeitpunkt t3>, endet demgemäß die Ausgabe des Ansteuerungsbeendigungssignals Sp. Dann wird, vorausgesetzt, dass die Ausgabe des Alarmsignals PSj beendet ist, der Eingang der Zeitgeberschaltung 43 auf den H-Pegel invertiert und wird das Schutzaufhebungssignal mit der vorbestimmten Impulsdauer erzeugt und ausgegeben. Ferner wird der Transistor 44 durch dieses Hilfs-Aufhebungssignal ein-gesteuert und wird die Spannung der Ausgangsklemme, über welche das Alarmsignal PSj nach außen ausgegeben wurde, auf einen Pegel verschoben, welcher sich von demjenigen beim Ausgeben des Alarmsignals PSj unterscheidet.
4 veranschaulicht den Fall des Ausgebens eines aus einem einzigen Impuls bestehenden Alarmsignals PSj mit der vorbestimmten Impulsdauer, aber das gleiche gilt auch für den Fall des wiederholten Ausgebens des Alarmsignals PSj mit der vorbestimmten Impulsdauer in den regelmäßigen Impulsintervallen Ta wie in 3 gezeigt. Obwohl nicht speziell gezeigt, endet in diesem Fall die Erzeugung des Alarmsignals PSj zu dem Zeitpunkt, zu welchem eine aus einem einzigen Impuls bestehende Ausgabe des Alarmsignals PSj endet, wenn der Zeitpunkt, zu welchem die Anomalie aufgehoben wird, im Verlauf der Ausgabe des Alarmsignals PSj liegt. Deshalb liegt der negative logische Eingang der UND-Schaltung 42 auf L-Pegel. Folglich wird zu dem Zeitpunkt, zu welchem die aus einem einzigen Impuls bestehende Ausgabe des Alarmsignals PSj endet, die Zeitgeberschaltung 43 vorgespannt und wird das Schutzaufhebungssignal mit der vorbestimmten Impulsdauer erzeugt. Deshalb wird zu dem Zeitpunkt, zu welchem die Ausgabe des Alarmsignals PSj endet, schnell ein sich im Spannungspegel vom Alarmsignal PSj unterscheidendes Schutzaufhebungssignal anstelle des Alarmsignals PSj ausgegeben.
Folglich ist es auf der Seite des Steuerteils, welche Schaltsignale erzeugt, welche die jeweiligen IGBTs 11 bis 16 ansteuern, das heißt, auf der Seite des Wechselrichter-Steuerteils, möglich, durch Überwachen des Ausgangsspannungspegels der Ausgangsklemme und Messen der Ausgangsimpulsdauer derselben einfach zwischen den durch die Alarmsignale PSj angegebenen Anomaliearten zu unterscheiden. Ferner kann das Anomalieaufhebungssignal zuverlässig aus einem Unterschied im Ausgangsspannungspegel der Ausgangsklemme erfasst werden, während es klar von den Alarmsignalen PSj unterschieden wird. Insbesondere ist es, da das Anomalieaufhebungssignal aus dem Unterschied im Ausgangsspannungspegel erfasst wird, nicht erforderlich, gewagt die Impulsdauer des Anomalieaufhebungssignals zu messen, und ist es folglich möglich, die Aufhebung der Anomalie ohne eine Zeitverzögerung schnell zu erfassen.
Beim Erfassen des Alarmsignals PSj und des Anomalieaufhebungssignals auf der Seite des Steuerteils braucht eine Konfiguration nur so beschaffen zu sein, dass ein erster Optokoppler PC1, welcher mittels eines Widerstands R strombegrenzt ist, und ein zweiter Optokoppler PC2, welcher nicht strombegrenzt ist, parallel zwischen der Ausgangsklemme und der externen Stromversorgung 39 angeordnet sind wie zum Beispiel in 5 gezeigt, wodurch die Ausgänge der Optokoppler PC1 und PC2 erfasst werden.
Da der erste Optokoppler PC1 durch den Widerstand R strombegrenzt ist, wird der erste Optokoppler PC1 gemäß der auf diese Weise konfigurierten Signalerfassungsschaltung nur angesteuert, wenn das Alarmsignal PSj mit einem hohen Signalpegel ausgegeben wird. Da der zweite Optokoppler PC2 nicht strombegrenzt ist, wird dagegen der zweite Optokoppler PC2 angesteuert, wenn entweder das Alarmsignal PSj oder das Anomalieaufhebungssignal ausgegeben wird. Anders ausgedrückt, der zweite Optokoppler PC2 wird nicht nur angesteuert, wenn das Alarmsignal PSj ausgegeben wird, sondern auch, wenn das Anomalieaufhebungssignal ausgegeben wird.
Folglich wird, wenn das Ausgangssignal aus der Ansteuerschaltung 3U im ersten und im zweiten Optokoppler PC1 und PC2 gleichzeitig erfasst wird, dies als die Ausgabe des Alarmsignals PSj ermittelt. Ferner ist es durch Messen der Impulsdauer des Alarmsignals PSj zum Beispiel aus der Ausgabe der Erfassung durch den ersten Optokoppler PC1 möglich, die Art des Alarmsignals PSj, das heißt die Art der Anomalie, klar zu unterscheiden. Außerdem kann, wenn nur der zweite Optokoppler PC2 das Ausgangssignal aus der Ansteuerschaltung 3U erfasst, das Ausgangssignal als die Ausgabe des Schutzaufhebungssignals erfasst werden, während es vom Alarmsignal PSj unterschieden wird.
Somit können zum Beispiel gemäß der auf die vorher beschriebene Weise konfigurierten Halbleiterelement-Ansteuervorrichtung Vorkommnisse von Anomalien der aus den IGBTs 11 bis 16 gebildeten Halbleiterelemente der Seite des Steuerteils, welche ein externes Instrument ist, als Alarmsignale PSj mit verschiedenen den Arten der Anomalien entsprechenden Impulsdauern genau gemeldet werden. Außerdem können Anomalieaufhebungssignale, welche angeben, dass die jeweiligen Anomalien aufgehoben sind, dem externen Instrument als Signale mit verschiedenen Signalpegeln, welche von den Alarmsignalen PSj unterschieden werden können, gemeldet werden. Überdies können die Anomalieaufhebungssignale unter gemeinsamer Nutzung der Ausgangsklemme, über welche Alarmsignale PSj auszugeben sind, ausgegeben werden. Folglich ist es möglich, das die Ansteuerschaltung 3U enthaltende intelligente Leistungsmodul 1a auszuführen, ohne die Konfiguration der Ansteuerschaltung 3U kompliziert zu machen und die Anzahl von Ausgangsklemmen zu erhöhen, was einen enormen praktischen Vorteil bedeutet.
Die Erfindung ist nicht auf die vorher beschriebene Ausführungsform beschränkt. Zum Beispiel wurde in jeder Ausführungsform ein Fall beschrieben, in welchem die Ansteuervorrichtung als das intelligente Leistungsmodul 1a ausgeführt ist, aber natürlich ist es auch möglich, das aus dem IGBT 11 und dessen Ansteuerschaltung 3U gebildete Halbleiterelement getrennt zu gestalten. Dagegen ist die Erfindung so beschaffen, dass es auch möglich ist, die Vielzahl von aus den IGBTs 11 bis 16 und deren Ansteuerschaltungen 3U bis 3Z gebildeten Halbleiterelementen zusammenzubringen und als ein einziges intelligentes Leistungsmodul aufzubauen.
Außerdem brauchen die Anzahl der zuvor beschriebenen Vielzahl von Schutzschaltungen und die Konfiguration derselben nur in Übereinstimmung mit den im IGBT 11 vorkommenden Arten von Anomaliefaktoren eingestellt zu werden. Speziell kann eine Konfiguration so beschaffen sein, dass sie die Anomalie einer an den IGBT 11 angelegten Ansteuer-Gleichspannung erfasst. Außerdem genügt es auch bezüglich der vorher beschriebenen Impulsdauern Tvd, Toc und Toh der Impulssignale, welche die jeweiligen Alarmsignale PSj (PSvd, PSoc und PSoh) bilden, dass die Impulsdauern Tvd, Toc und Toh als Zeitdauern eingestellt sind, welche klar voneinander unterschieden werden können.
Ferner ist die Erfindung auch bezüglich jedes vorher beschriebenen Signals zum Beispiel so beschaffen, dass es außerdem natürlich möglich ist, die Logik jedes Signals umzukehren wie durch Erzeugen der Alarmsignale PSj (PSvd, PSoc und PSoh) als die H-Pegel-Signalfolgen mit den Impulsdauern Tvd, Toc und Toh. In diesem Fall versteht es sich von selbst, dass die Ausgangsschaltung, die Ausgangssteuerschaltung und dergleichen nur in Übereinstimmung mit der Logik jedes Signals aufgebaut zu sein brauchen. Davon abgesehen kann die Erfindung auf verschiedene Weisen abgewandelt realisiert werden, ohne vom Schutzumfang derselben abzuweichen.
Bezugszeichenliste

1: Stromrichtvorrichtung
1a: Intelligentes Leistungsmodul (IPM)
2: Wechselrichter
3U bis 3Z: Ansteuerschaltung (Treiberschaltung)
4: Wechselstromlast
11 bis 16: Halbleiterelemente (IGBTs)
17: Halbleiterchip
18: Stromsensor
19: Temperatursensor
21 bis 26: Freilaufdioden
31: Gate-Steuerschaltung
32: Steuerspannungs-Erfassungsschaltung (Schutzschaltung)
33: Stromerfassungsschaltung (Schutzschaltung)
34: Temperaturerfassungsschaltung (Schutzschaltung)
35: ODER-Schaltung
36: Alarmerzeugungsschaltung
37: Ausgangstransistor (Ausgangsschaltung)
38: Lastwiderstand
39: Externe Stromversorgung
40: Schutzaufhebungsschaltung
41: Inverterschaltung
42: UND-Schaltung
43: Zeitgeberschaltung
44: Transistor (Ausgangssteuerschaltung)

Claims

Halbleiterelement-Ansteuervorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass sie enthält: eine Ansteuerschaltung, welche ein eine Stromrichtvorrichtung konfigurierendes Halbleiterelement ansteuert; eine Vielzahl von Schutzschaltungen, welche für den Vorgang des Schützens des Halbleiterelements erforderliche Informationen erfassen, Schutzsignale erzeugen und das Ansteuern des Halbleiterelements durch die Ansteuerschaltung in Übereinstimmung mit den Schutzsignalen beenden; eine Alarmerzeugungsschaltung, welche Alarmsignale mit Schutzfaktoren entsprechenden Impulsdauern in Übereinstimmung mit den aus den Schutzschaltungen ausgegebenen Schutzsignalen erzeugt; eine Ausgangsschaltung, welche die Alarmsignale auf einem vorbestimmten Pegel nach außen ausgibt; eine Schutzaufhebungsschaltung, welche ein Schutzaufhebungssignal über eine feste Zeitdauer erzeugt, wenn die Ausgaben der Schutzsignale aus der Vielzahl von Schutzschaltungen enden und die Ausgaben der Alarmsignale aus der Alarmerzeugungsschaltung enden; und eine Ausgangssteuerschaltung, welche den Signalausgangspegel der Ausgangsschaltung in Übereinstimmung mit dem Schutzaufhebungssignal ändert.
Halbleiterelement-Ansteuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von Schutzschaltungen eine Steuerspannungs-Erfassungsschaltung, welche eine an die Steuervorrichtung angelegte Steuerspannung erfasst, eine Temperaturerfassungsschaltung, welche die Temperatur des Halbleiterelements erfasst, und eine Stromerfassungsschaltung, welche einen durch das Halbleiterelement fließenden Strom erfasst, enthält und jeweilige Schutzsignale erzeugt, welche Unterspannungsschutz, Überhitzungsschutz und Überstromschutz ermöglichen.
Halbleiterelement-Ansteuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzaufhebungsschaltung eine Zeitgeberschaltung enthält, welche, wenn die Ausgaben der Schutzsignale aus der Vielzahl von Schutzschaltungen enden und die Ausgaben der Alarmsignale enden, vorgespannt wird, um das Schutzaufhebungssignal über eine feste Zeitdauer zu erzeugen.
Halbleiterelement-Ansteuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangssteuerschaltung aus einer parallel zu einem die Ausgangsschaltung konfigurierenden Ausgangstransistor vorgesehenen Spannungsteilerschaltung gebildet ist, welche die Ausgangsspannung des Ausgangstransistors bei Empfangen des Schutzaufhebungssignals teilt.
Halbleiterelement-Ansteuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Alarmerzeugungsschaltung für eine Schutzschaltung aus der Vielzahl von Schutzschaltungen, welche zuerst ein Schutzsignal ausgegeben hat, über eine Zeitdauer, in welcher die Ausgabe des Schutzsignals andauert, unaufhörlich ein Alarmsignal mit einer voreingestellten Impulsdauer erzeugt.
Halbleiterelement-Ansteuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Alarmerzeugungsschaltung, wenn eine aus der Vielzahl von Schutzschaltungen ein Schutzsignal ausgibt, beginnt, das Alarmsignal zu erzeugen, und, wenn die Ausgabe des Schutzsignals endet, die Erzeugung des Alarmsignals zu dem Zeitpunkt, zu welchem ein aus einem einzigen Impuls bestehendes Impulssignal in einer das Alarmsignal bildenden Impulssignalfolge ausgegeben wird, beendet.