DE112013005247B4

DE112013005247B4 - Ansteuervorrichtung für Halbleiterelemente mit isolierter Gate-Elektrode

Info

Publication number: DE112013005247B4
Application number: DE112013005247.4
Authority: DE
Inventors: Takahiro Mori
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2012-11-01
Filing date: 2013-10-01
Publication date: 2024-07-11
Anticipated expiration: 2033-10-02

Abstract

Ansteuervorrichtung für Halbleiterelemente mit isolierter Gate-Elektrode, umfassend:
eine Vielzahl von Ansteuerschaltungen, die eine Vielzahl von jeweiligen, parallel geschalteten Halbleiterelementen mit isolierten Gate-Elektroden ansteuern, die jede der Ansteuerschaltungen gemäß einem Regelsignal ansteuert und die Vielzahl von Halbleiterelementen mit isolierten Gate-Elektroden parallel ansteuert, wobei
jede der Ansteuerschaltungen Folgendes umfasst:
einen Konstantstromkreis (7), welcher der Gate-Elektrode des Halbleiterelements mit isolierter Gate-Elektrode einen konstanten Strom zuführt und das Halbleiterelement mit isolierter Gate-Elektrode eingeschaltet betreibt;
einen Entladungskreis (8), der die Gate-Elektrode des Halbleiterelements mit isolierter Gate-Elektrode erdet und das Halbleiterelement mit isolierter Gate-Elektrode ausgeschaltet betreibt;
einen Schalterstromkreis (9), der einen von dem Konstantstromkreis (7) oder dem Entladungskreis (8) gemäß einem Regelsignal betreibt und das Halbleiterelement mit isolierter Gate-Elektrode ein- oder ausschaltet, wobei
die Ansteuervorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass sie
einen Stromerkennungskreis (11), der Strom erkennt, der durch das Halbleiterelement mit isolierter Gate-Elektrode fließt, wenn das Halbleiterelement mit isolierter Gate-Elektrode eingeschaltet wird; und
einen Stromregulierungskreis (12) umfasst, der den Strom, der von dem Stromerkennungskreis (11) erkannt wird, zu dem Konstantstromkreis (7) zurückführt und einen Ausgangsstrom (Io) des Konstantstromkreises (7) regelt, wobei
der Stromregulierungskreis (12) einen OP-Verstärker (12a) umfasst, der eine Spannungsdifferenz zwischen einer voreingestellten Referenzspannung (Vref) und einer Ausgangsspannung (Vsens) des Stromerkennungskreises (11) bestimmt und den Ausgangsstrom (Io) des Konstantstromkreises (7) gemäß der Spannungsdifferenz bestimmt, oder
der Stromregulierungskreis (12) einen Komparator umfasst, der eine voreingestellte Referenzspannung (Vref1, Vref2) und eine Ausgangsspannung (Vsens) des Stromerkennungskreises (11) vergleicht und bewirkt, dass der Ausgangsstrom (Io) des Konstantstromkreises (7) gemäß einem Vergleichsergebnis in mehreren Stufen variiert.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ansteuervorrichtung für Halbleiterelemente mit isolierter Gate-Elektrode, die eine Vielzahl von parallel geschalteten Halbleiterelementen mit isolierten Gate-Elektroden einheitlich mit konstantem Strom parallel ansteuern kann.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
In einem Leistungswandler, der einer hohen Nutzleistung entspricht, sind eine Vielzahl von Halbleiterelementen mit isolierten Gate-Elektroden, die aus IGBTs, MOS-FETs oder dergleichen bestehen, zur Leistungsregelung parallel geschaltet, und eine parallele Ansteuerung der Halbleiterelemente mit isolierten Gate-Elektroden wird ausgeführt. Auch wird beispielsweise in der PTL 1 vorgeschlagen, dass anstelle der Spannung, welche die Gate-Elektroden der Halbleiterelemente mit isolierten Gate-Elektroden steuert, den Gate-Elektroden ein konstanter Strom zugeführt wird, um die Halbleiterelemente mit isolierten Gate-Elektroden einzuschalten, wodurch das Vorkommen von Verlusten und Geräuschen reduziert wird, wenn die Halbleiterelemente mit isolierten Gate-Elektroden eingeschaltet werden.
Ein derartiger Leistungswandler 1 ist mit einer Vielzahl von Ansteuerschaltungen 3a bis 3n konfiguriert, die einzeln jeweils eine Vielzahl von Halbleiterelementen mit isolierten Gate-Elektroden ansteuern, zum Beispiel die IGBTs 2a bis 2n, wie beispielsweise in 5 gezeigt. Die Vielzahl von IGBTs 2a bis 2n wird parallel zu den miteinander verbundenen Kollektoren und den miteinander verbundenen Emittern bereitgestellt. An die parallel zu den IGBTs 2a bis 2n geschalteten Kollektoren ist eine hohe Nutzleistung 4 angeschlossen.
Da eine Grundkonfiguration der Ansteuerschaltung 3a in 5 gezeigt wird, umfasst jede der Vielzahl von Ansteuerschaltungen 3a bis 3n einen Konstantstromkreis 7, der aus einer Konstantstromquelle 5, die einen konstanten Strom Io gemäß einer Referenzspannung Vref ausgibt, und einem Stromspiegelkreis 6, der einen Strom [k·Io], der proportional zu einem Ausgangsstrom Io der Konstantstromquelle 5 ist, der Gate-Elektrode des IGBT 2a zuführt, besteht. Ferner ist die Ansteuerschaltung 3a mit einem Entladungskreis 8, der die Gate-Elektrode des IGBT 2a erdet und den IGBT 2a ausgeschaltet betreibt, und einem Schalterstromkreis 9, der den Stromspiegelkreis 6 und den Entladungskreis 8 gemäß einem Regelsignal (in den Figuren als Ansteuersignal bezeichnet) ergänzend ein/aus regelt, konfiguriert.
Die Konstantstromquelle 5 ist mit einem N-Kanal-FET (nachstehend als N-FET abgekürzt) 5a und einem OP-Verstärker 5c, der die Gate-Elektrodenspannung des N-FET 5a gemäß der Differenz zwischen einer Referenzspannung Vref und einer Spannung, die in einem Widerstand 5b erzeugt wird, der zwischen der Source des N-FET 5a und einer Erdungsleitung angeschlossen ist, regelt, konfiguriert. Wenn der Wert des Widerstands 5b als Rref angenommen wird, wird der Ausgangsstrom Io des N-FET 5a, der die Konstantstromquelle 5 konfiguriert, indem er durch den OP-Verstärker 5c geregelt wird, wie folgt konstant gemacht: $Io = Vref / Rref .$
Auch ist der Stromspiegelkreis 6 mit einem P-Kanal-FET (nachstehend als P-FET abgekürzt) 6a, der an die Konstantstromquelle 5 angeschlossen ist und von dem Ausgangsstrom Io der Konstantstromquelle 5 angesteuert wird, und mit einem P-FET 6b, der mit dem P-FET 6a gepaart bereitgestellt wird, konfiguriert. Der P-FET 6b übernimmt die Aufgabe des Zuführens eines konstanten Stroms [k·Io], der proportional zu dem konstanten Strom Io ist, zu der Gate-Elektrode des IGBT 2a.
Auch ist der Entladungskreis 8 mit einem Puffer 8a, der ein Regelsignal eingibt, und einem N-FET 8b, der ein-/ausgeschaltet funktioniert, indem er durch den Puffer 8a über die Gate-Elektrode geregelt wird und die elektrische Ladung entlädt, die sich in der Gate-Elektrode des IGBT 2a angesammelt hat, konfiguriert. Ferner ist der Schalterstromkreis 9 mit einem P-FET 9a, der mit dem P-FET 6b des Stromspiegelkreises 6 parallel geschaltet ist, und mit einem Pegelverschiebungskreis 9b, der die P-FETs 6a und 6b des Stromspiegelkreises 6 durch Pegelverschiebung des Regelsignals und Regeln der Gate-Elektrodenspannung des P-FET 9a ein-/ausschaltet, konfiguriert.
Wenn sich das Regelsignal auf einem L-Pegel befindet, schaltet der Schalterstromkreis 9 den Entladungskreis 8 aus und schaltet den P-FET 9a ein. Dadurch wird der konstante Strom [k·Io] der Gate-Elektrode des IGBT 2a über den P-FET 6b des Stromspiegelkreises 6 zugeführt, und der IGBT 2a wird eingeschaltet. Auch wenn sich das Regelsignal auf einem H-Pegel befindet, unterbindet der Schalterstromkreis 9 durch Ausschalten des P-FET 9a die Stromzufuhr zu der Gate-Elektrode des IGBT 2a über den Stromspiegelkreis 6 und schaltet den N-FET 8b des Entladungskreises 8 ein. Dadurch wird die elektrische Ladung, die sich in der Gate-Elektrode des IGBT 2a angesammelt hat, entladen, und der IGBT 2a wird ausgeschaltet.
Da gemäß der derart konfigurierten Ansteuerschaltung 3a der konstante Strom der Gate-Elektrode des IGBT 2a zugeführt wird, um den IGBT 2a einzuschalten, kann die Geschwindigkeit des Ladens der elektrischen Ladung, die sich in der Gate-Elektrode des IGBT 2a angesammelt hat, konstant gemacht werden. Folglich kommt es gemäß der Ansteuerschaltung 3a nicht vor, dass die Ladegeschwindigkeit der Gate-Elektrode eines IGBT auf Grund einer Änderung des Einschaltwiderstands in Abhängigkeit von der Temperatur des IGBT variiert, wie bei dem bisher bekannten üblichen Ansteuerverfahren, bei dem die Gate-Elektrodenspannung des IGBT geregelt wird, um den IGBT ein-/auszuschalten. Daher kann mit der Ansteuerschaltung 3a die Einschaltzeit des IGBT 2a unabhängig von einer Temperaturänderung konstant gemacht werden, und es ist somit möglich, Verluste und Geräusche zu reduzieren, wenn der IGBT 2a eingeschaltet wird.
Wenn jedoch, wie zuvor beschrieben, die Ansteuerschaltungen 3a bis 3n die Vielzahl von parallel geschalteten IGBTs 2a bis 2 parallel ansteuern, gibt es Bedenken, dass Strom konzentriert durch einen IGBT fließt, der eine niedrige Gate-Elektrodenschwellenspannung aufweist, obwohl jeder IGBT 2a bis 2n theoretisch dadurch eingeschaltet wird, dass ihm der konstante Strom zugeführt wird, wie zuvor beschrieben. Im Übrigen sind Variationen der Gate-Elektrodenschwellenspannungen der IGBTs 2a bis 2n auf die Festigkeit der IGBTs zurückzuführen. Diese Art der Stromkonzentration auf einen spezifischen IGBT, wenn die Vielzahl von IGBTs 2a bis 2n eingeschaltet wird, führt zu dem Risiko, dass ein thermischer Durchbruch des IGBT verursacht wird.
Wie bisher bekannt, wird demnach vorgeschlagen, wie beispielsweise in der PTL 2 offenbart, dass die Gate-Elektrodenstromwerte der Vielzahl von IGBTs 2a bis 2n im Voraus gemessen und gespeichert werden und die Gate-Elektrodenströme der IGBTs 2a bis 2n basierend auf den Gate-Elektrodenstromwerten geregelt werden, wodurch eine Stromsymmetrie erreicht wird. Ebenso wird beispielsweise in der PTL 3 vorgeschlagen, dass den Ansteuerregelspannungen und den Emitter-Spannungen der IGBTs 2a bis 2n gemäß der Differenz zwischen einer angestrebten Gate-Elektrodenschwellenspannung und den Gate-Elektrodenschwellenspannungen der IGBTs 2a bis 2n ein Äquipotenzial-Offset verliehen wird, und ferner, dass die Einschaltzeiten der IGBTs 2a bis 2n durch das Äquipotenzial-Offset abgeglichen werden, wodurch eine Stromsymmetrie erreicht wird.
Darüber hinaus lehrt PTL 4 ein Verfahren zur dynamischen Synchronisierung von Leistungshalbleiterschaltern, bei dem eine exakte Synchronisierung der individuellen Leistungshalbleiterschalter und eine hohe Schaltgeschwindigkeit der Gesamtanordnung erreichbar sind. PTL 5 lehrt eine Leistungsumwandlungsvorrichtung für Fahrzeuge, wie z.B. einen Wechselrichter, der eine Stoßspannung steuern kann, die zum Ausfall eines Leistungsschaltelements führen kann. PTL 6 lehrt eine Verbindungseinheit, die zur Verwendung in einem Fahrzeug geeignet ist, das eine Vielzahl von Energiespeichervorrichtungen enthält, die hinsichtlich herkömmlichen Verbindungseinheiten weniger Komponenten aufweist. Schließlich lehrt PTL 7 eine elektrische Schaltung und ein Verfahren zum Betrieb eines ersten und eines zweiten MOSFETs. Des Weiteren lehrt PTL 8 eine weitere Alternative für eine Symmetrierschaltung zur Erfassung einer Unsymmetrie zwischen den stationären Strömen voneinander parallel geschalteten Halbleiterschaltern in einem elektrischen Stromrichter und zur Symmetrierung dieser stationären Ströme.
LITERATURSTELLEN
Patentliteratur

PTL 1: JP 2008 - 103 895 A
PTL 2: JP H11- 235 015 A
PTL 3: JP 2008 - 178 248 A
PTL 4: WO 02/ 052 726 A1
PTL 5: JP 2005- 253 183 A
PTL 6: US 2010 / 0 213 989 A1
PTL 7: WO 2005/ 015 741 A2
PTL 8: DE 198 21 195 A1

KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Technisches Problem
Bei der Technik, die jeweils in der PTL 2 und 3 gezeigt wird, ist es jedoch notwendig, die jeweiligen Gate-Elektrodenstromwerte oder Gate-Elektrodenschwellenspannungen der Vielzahl von IGBTs 2a bis 2n im Voraus zu erzielen. Des Weiteren ist es notwendig, die Gate-Elektrodenströme der IGBTs 2a bis 2n gemäß den IGBT-Kenndaten, die im Voraus erzielt werden, einzeln zu regeln. Alternativ ist es notwendig, die jeweiligen Ansteuerregelspannungen und Emitter-Spannungen der IGBTs 2a bis 2n durch das Offset zu regeln. Daher besteht bei der bisher bekannten Technik das Problem, dass die Regulierung Zeit und Mühe erfordert und die Konfiguration zudem aufwendig ist.
Aufgabe der Erfindung, die unter Berücksichtigung derartiger Umstände erdacht wurde, ist es, eine Ansteuervorrichtung für Halbleiterelemente mit isolierter Gate-Elektrode mit einer einfachen Konfiguration bereitzustellen, die eine Vielzahl von parallel geschalteten Halbleiterelementen mit isolierten Gate-Elektroden einheitlich und mit guter Stromsymmetrie mit konstantem Strom parallel ansteuern kann.
Problemlösung
Die Erfindung betrifft eine Ansteuervorrichtung für Halbleiterelemente mit isolierter Gate-Elektrode, die eine Vielzahl von Ansteuerschaltungen umfasst, die eine Vielzahl von jeweiligen parallel geschalteten Halbleiterelementen mit isolierten Gate-Elektroden ansteuern, die jede der Ansteuerschaltungen gemäß einem Regelsignal ansteuert und die Vielzahl von Halbleiterelementen mit isolierten Gate-Elektroden parallel ansteuert.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
Der Konstantstromkreis ist bevorzugt mit einem Stromspiegelkreis, der zwischen der Gate-Elektrode des Halbleiterelements mit isolierter Gate-Elektrode und einer Stromversorgungsspannung eingeschoben ist, und mit einer Konstantstromquelle, die dem Halbleiterelement mit isolierter Gate-Elektrode über den Stromspiegelkreis Strom zuführt, konfiguriert.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Gemäß der Ansteuervorrichtung für Halbleiterelemente mit isolierter Gate-Elektrode dieser Konfiguration wird die Größe eines konstanten Stroms, der jedem von einer Vielzahl von Halbleiterelementen mit isolierten Gate-Elektroden zugeführt wird, um jedes der Halbleiterelemente mit isolierten Gate-Elektroden einzuschalten, gemäß den Strömen, die durch die Vielzahl von parallel geschalteten Halbleiterelementen mit isolierten Gate-Elektroden fließen, die von einer Vielzahl von jeweiligen Ansteuerschaltungen individuell angesteuert werden, reguliert. Daher können die Einschaltzeiten der Vielzahl von Halbleiterelementen mit isolierten Gate-Elektroden unabhängig von den Variationen der Gate-Elektrodenschwellenspannungen der Vielzahl von Halbleiterelementen mit isolierten Gate-Elektroden, die auf die Festigkeit der isolierten Halbleiterelemente zurückzuführen sind, abgeglichen werden. Da des Weiteren der konstante Strom jedem der Halbleiterelemente mit isolierten Gate-Elektroden zugeführt wird, kann jedes Halbleiterelement mit isolierter Gate-Elektrode unabhängig von einer Änderung des Einschaltwiderstands der Halbleiterelemente mit isolierten Gate-Elektroden in Abhängigkeit von der Temperatur eingeschaltet werden. Folglich ist es möglich, Verluste und Geräusche zu reduzieren, wenn die Halbleiterelemente mit isolierten Gate-Elektroden eingeschaltet werden.
Daher ist es gemäß der Erfindung mit einer einfachen Konfiguration, so dass die Größe des konstanten Stroms, der den Gate-Elektroden der Halbleiterelemente mit isolierten Gate-Elektroden zugeführt wird, gemäß den Strömen, die durch die Halbleiterelemente mit isolierten Gate-Elektroden fließen, reguliert wird, möglich, die Stromsymmetrie der Vielzahl von Halbleiterelementen mit isolierten Gate-Elektroden sicherzustellen. Daher gibt es gemäß der Erfindung im Prinzip zahlreiche Vorzüge, so dass es möglich ist, einen thermischen Durchbruch eines Halbleiterelements mit isolierter Gate-Elektrode auf Grund einer Stromkonzentration auf demselben und dergleichen zu verhindern.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es zeigen:

1 ein Grundkonfigurationsdiagramm eines Hauptabschnitts einer Ansteuervorrichtung für Halbleiterelemente mit isolierter Gate-Elektrode gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
2 ein Diagramm, das Ausgangsstrom-Regelkennlinien eines Konstantstromkreises in einer in 1 gezeigten Ansteuerschaltung zeigt.
3 ein Grundkonfigurationsdiagramm eines Hauptabschnitts einer Ansteuervorrichtung für Halbleiterelemente mit isolierter Gate-Elektrode gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
4 ein Diagramm, das Ausgangsstrom-Regelkennlinien eines Konstantstromkreises in einer in 3 gezeigten Ansteuerschaltung zeigt.
5 ein Grundkonfigurationsdiagramm einer bisher bekannten Ansteuervorrichtung für Halbleiterelemente mit isolierter Gate-Elektrode.

BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Es folgt mit Bezug auf die Zeichnungen eine Beschreibung einer Ansteuervorrichtung für Halbleiterelemente mit isolierter Gate-Elektrode gemäß den Ausführungsformen der Erfindung.
1 ist ein Grundkonfigurationsdiagramm eines Hauptabschnitts einer Ansteuervorrichtung für Halbleiterelemente mit isolierter Gate-Elektrode gemäß einer ersten Ausführungsform. 1 zeigt ein Grundkonfigurationsdiagramm einer Ansteuerschaltung 3a, die repräsentativ ist für die Ansteuerschaltungen 3a bis 3n, die eine Vielzahl von jeweiligen IGBTs 2a bis 2n ansteuern, doch die anderen Ansteuerschaltungen 3b bis 3n sind ebenso konfiguriert. Auch wird die Ansteuerschaltung 3a mit den gleichen Bezugszeichen gezeigt, die den gleichen Abschnitten wie diejenigen einer bisher bekannten Ansteuerschaltung 3a, die in 5 gezeigt wird, zugeteilt sind.
Es folgt nun eine ausführlichere Beschreibung des Konstantstromkreises 7, der aus der Konstantstromquelle 5 und dem Stromspiegelkreis 6, dem Entladungskreis 8 und dem Schalterstromkreis 9 besteht. Die Konstantstromquelle 5 ist mit einem N-FET 5a, dessen Source über einen Widerstand 5b geerdet ist, und mit einem OP-Verstärker 5c, dessen invertierende Eingangsklemme (-) an die Source des N-FET 5a angeschlossen ist, und in dessen nicht invertierende Klemme (+) eine Referenzspannung Vref eingegeben wird, welche die Gate-Elektrode des N-FET 5a regelt, konfiguriert. D.h. der OP-Verstärker 5c wird als Fehlerverstärker verwendet. Wenn ferner der Widerstand 5b als Rref angegeben wird, gibt der N-FET 5a einen konstanten Strom Io wie folgt aus: $Io = Vref / Rref .$
Der Stromspiegelkreis 6 besteht aus einem P-FET 6a, dessen Source an eine Stromversorgungsspannung Vcc angeschlossen ist und dessen Drain und Gate an den Drain des N-FET 5a der Konstantstromquelle 5 angeschlossen sind, und aus einem P-FET 6b, dessen Source an die Stromversorgungsspannung Vcc angeschlossen ist, und dessen Gate-Elektrode an die Gate-Elektrode des P-FET 6a angeschlossen ist. Der P-FET 6a des Stromspiegelkreises 6 wird durch den Strom, der durch den N-FET 5a der Konstantstromquelle 5 fließt, d.h. den Ausgangsstrom Io der Konstantstromquelle 5, angesteuert. Auch gibt der P-FET 6b für den Stromausgang, der spiegelbildlich an den P-FET 6a erfolgt, einen konstanten Strom [k·Io] aus, der proportional zu dem Ausgangsstrom Io ist. Der konstante Strom [k·Io], der von einem derartigen Stromspiegelkreis 6 (P-FET 6b) ausgegeben wird, wird der Gate-Elektrode des IGBT 2a zugeführt, die an den Drain des P-FET 6b angeschlossen ist.
Auch ist der Drain eines N-FET 8b, dessen Source geerdet ist, an die Gate-Elektrode des IGBT 2a angeschlossen. Der N-FET 8b funktioniert ein-/ausgeschaltet, indem er über die Gate-Elektrode von einem Puffer 8a geregelt wird, der funktioniert, wenn er ein Regelsignal (in den Figuren auch als Ansteuersignal bezeichnet) empfängt, und den Entladungskreis 8 konfiguriert, der die elektrische Ladung entlädt, die sich in der Gate-Elektrode des IGBT 2a angesammelt hat. Ferner ist der Schalterstromkreis 9 mit einem P-FET 9a, dessen Source an die Stromversorgungsspannung Vcc angeschlossen ist und dessen Drain an den Drain des P-FET 6b des Stromspiegelkreises 6 angeschlossen ist, und mit einem Pegelverschiebungskreis 9b, der den P-FET 9a durch Pegelverschiebung des Regelsignals und Gate-Elektrodenregelung des P-FET 9a ein-/ausschaltet, konfiguriert.
Wenn sich das Regelsignal auf einem L-Pegel befindet, schaltet der Schalterstromkreis 9 durch Einschalten des P-FET 9a über den Pegelverschiebungskreis 9b jeden von den P-FETs 6a und 6b des Stromspiegelkreises 6 ein. Dadurch wird der konstante Strom der Gate-Elektrode des IGBT 2a über den P-FET 6b zugeführt. Zu diesem Zeitpunkt schaltet der Puffer 8a durch Anlegen des Regelsignals des L-Pegels an den N-FET 8b den N-FET 8b aus. Daraufhin wird der IGBT 2a eingeschaltet, indem seiner Gate-Elektrode der konstante Strom zugeführt wird.
Ebenso schaltet, wenn sich das Regelsignal auf einem H-Pegel befindet, der Schalterstromkreis 9 durch Ausschalten des P-FET 9a über den Pegelverschiebungskreis 9b jeden von den P-FETs 6a und 6b des Stromspiegelkreises 6 aus. Dadurch wird die Funktion des Stromspiegelkreises 6 unterbunden und die Stromausgabe über den P-FET 6b wird unterbunden. Zu diesem Zeitpunkt wird das Regelsignal des H-Pegels an die Gate-Elektrode des N-FET 8b über den Puffer 8a angelegt, und der N-FET 8b wird eingeschaltet. Dadurch, dass der N-FET 8b eingeschaltet wird, wird die elektrische Ladung, die sich in der Gate-Elektrode des IGBT 2a angesammelt hat, entladen, und der IGBT 2a wird ausgeschaltet.
Dabei ist die Ansteuerschaltung 3a gemäß der Ausführungsform dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Stromerkennungskreis 11 und einen Stromregulierungskreis 12 zusätzlich zu dem Konstantstromkreis 7 umfasst, der aus der Konstantstromquelle 5 und dem Stromspiegelkreis 6, dem Entladungskreis 8 und dem Schalterstromkreis 9 besteht. Der Stromerkennungskreis 11 erkennt den Strom, der durch den IGBT 2a fließt und gibt eine Abtastspannung aus, die proportional zu dem Strom ist. Auch führt der Stromregulierungskreis 12 gemäß der Abtastspannung eine Rückführregelung des Ausgangsstroms Io der Konstantstromquelle 5 aus, wodurch bewirkt wird, dass der Ausgangsstrom Io variiert.
Insbesondere ist der Stromerkennungskreis 11 konfiguriert, um über in Reihe geschaltete Widerstände Ra und Rb einen Strom, der beispielsweise über einen Stromerkennungsabtast-Emitter, der in dem IGBT 2a enthalten ist, ausgegeben wird, d.h. einen Strom, der zu dem Strom, der durch den IGBT 2a fließt, proportional ist, spannungszuteilen und zu erkennen. Der Stromregulierungskreis 12 erkennt über einen OP-Verstärker 12a, der einen Differenzspannungsdetektor konfiguriert, eine Spannungsdifferenz ΔV zwischen einer Abtastspannung Vsens, die durch den Stromerkennungskreis 11 erkannt wird und als Spannungswert ausgegeben wird, und einer voreingestellten Referenzspannung Vref zum Definieren des Ausgangsstroms Io der Konstantstromquelle 5. Ferner ist der Stromregulierungskreis 12 konfiguriert, um die Ausgangsspannung des OP-Verstärkers 12a an den OP-Verstärker 5c anzulegen.
Insbesondere umfasst der Stromregulierungskreis 12 den OP-Verstärker 12a in dessen invertierende Klemme die Abtastspannung Vsens über einen Eingangswiderstand 12b eingegeben wird, und in dessen nicht invertierenden Eingang die Referenzspannung Vref über einen Eingangswiderstand 12c eingegeben wird. Ferner umfasst der Stromregulierungskreis 12 einen Rückkopplungswiderstand 12d, der zwischen der Ausgangsklemme und der invertierenden Klemme des OP-Verstärkers 12a bereitgestellt wird, und einen Erdungswiderstand 12e, der zwischen der nicht invertierenden Klemme und einer Erdungsleitung eingeschoben ist. Wenn die Werte der Eingangswiderstände 12b und 12c jeweils als R1 genommen werden und die jeweiligen Werte des Rückkopplungswiderstands 12d und des Erdungswiderstands 12e als R2 genommen werden, legt der Stromregulierungskreis 12 eine Ausgangsspannung Vout des OP-Verstärkers 12a, die $Vout = (R 2 / R 1) \cdot (Vref - Vsens)$
ist, an die nicht invertierende Eingangsklemme des OP-Verstärkers 5c der Konstantstromquelle 5 an.
Wenn daraufhin der Wert des Widerstands 5b als Rref genommen wird, ist der Ausgangsstrom Io der Konstantstromquelle 5: $Io = {R 2 / (R 1 \cdot Rref)} \cdot (Vref - Vsens)$
Mit anderen Worten führt der Stromregulierungskreis 12 eine Rückführregelung des Ausgangsstroms Io der Konstantstromquelle 5 gemäß der Spannungsdifferenz ΔV zwischen der Abtastspannung Vsens, die dem Strom entspricht, der durch den IGBT 2a fließt, und der Referenzspannung Vref aus. Insbesondere durch Verwenden von Widerständen, welche die gleichen Temperatureigenschaften aufweisen wie die Widerstände Ra und Rb des Stromerkennungskreises 11, kann der Strom, der durch den IGBT 2a fließt, als Abtastspannung Vsens erkannt werden, ohne von einer Temperaturänderung betroffen zu sein. Folglich ist es möglich, den Ausgangsstrom Io der Konstantstromquelle 5 gemäß den Variationen der Schwellenspannung der Gate-Elektrode des IGBT 2a zu regeln, die auf die Festigkeit des IGBT 2a zurückzuführen sind, und dadurch die Größe des konstanten Stroms zu regeln, welcher der Gate-Elektrode des IGBT 2a zugeführt wird.
Insbesondere durch die Verwendung von Widerständen, welche die gleichen Temperatureigenschaften aufweisen wie die Eingangswiderstände 12b und 12c, der Rückkopplungswiderstand 12d und der Erdungswiderstand 12e, können Variationen ihrer Widerstandswerte abgeglichen werden. Eine Konfiguration ist bevorzugt derart gestaltet, dass sie die Temperatureigenschaften der Referenzspannung Vref innerhalb von ±3 % eines Referenzwertes hält und die Temperatureigenschaften der Abtastspannung Vsens innerhalb von ±10 % des Referenzwertes hält, beispielsweise in dem Bereich von -20 °C bis 125 °C. Dadurch ist es in Kombination mit der Wirkung des Aufhebens der Variationen der Widerstandswerte möglich, die Präzision der Ausgangsstromeigenschaften der Konstantstromquelle 5 gegenüber einer Temperaturänderung ausreichend zu erhöhen.
Selbst wenn es Variationen der Gate-Elektrodenschwellenspannungen der Vielzahl von parallel geschalteten IGBTs 2a bis 2n gibt, kann daraufhin die Größe des konstanten Stroms, der den Gate-Elektroden der IGBTs 2a bis 2n zugeführt wird, rückführgeregelt und gemäß der Abtastspannung Vsens optimiert werden, wie es beispielsweise in 2 gezeigt wird. Folglich können die Ströme Ic, die durch die IGBTs 2a bis 2n fließen, konstant gehalten werden.
In einer Ansteuerschaltung der in 5 gezeigten Konfiguration, selbst wenn die Ströme, die durch die IGBTs 2a bis 2n fließen, auf Grund von Variationen der Gate-Elektrodenschwellenspannungen der IGBTs 2a bis 2n variieren, d.h. selbst wenn die Abtastspannung Vsens variiert, wird ein Strom, welcher der Gate-Elektrode von jedem IGBT 2a bis 2n zugeführt wird, konstant gehalten, wie es durch die gestrichelte Linie in 2 gezeigt wird. Dann erhöht sich eine Stromunsymmetrie, die auf die Variationen der Gate-Elektrodenschwellenspannungen zurückzuführen ist, allmählich, und der Strom konzentriert sich auf einem bestimmten IGBT, wodurch es zu der Möglichkeit kommt, dass ein thermischer Durchbruch des IGBT verursacht wird, wie zuvor beschrieben.
In dieser Hinsicht kann gemäß der Vorrichtung der in 1 gezeigten Konfiguration die Größe des konstanten Stroms, der den Gate-Elektroden der IGBTs 2a bis 2n zugeführt wird, mit den Einschalteigenschaften der IGBTs 2a bis 2n gemäß den in 2 gezeigten Eigenschaften abgeglichen werden. Ferner kann der Strom Ic, der durch jeden IGBT 2a bis 2n fließt, konstant gehalten werden, wie zuvor beschrieben. Daraufhin ist es möglich, effektiv zu verhindern, dass die Ströme, die jeweils durch jeden von der Vielzahl von IGBTs 2a bis 2n fließen, die parallel bereitgestellt werden, unsymmetrisch werden, und es ist möglich, eine Stromkonzentration auf einem spezifischen IGBT zu verhindern und das Vorkommen eines thermischen Durchbruchs des IGBT zu verhindern.
Nun ist 3 ein Grundkonfigurationsdiagramm eines Hauptabschnitts einer Ansteuervorrichtung für Halbleiterelemente mit isolierter Gate-Elektrode gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Eine Ansteuerschaltung 3a gemäß der zweiten Ausführungsform vergleicht die Abtastspannung Vsens mit einer ersten Schwellenspannung Vref1 und einer zweiten Schwellenspannung Vref2 (>Vref1) unter Verwendung von zwei jeweiligen Komparatoren 12f und 12g anstelle des zuvor beschriebenen OP-Verstärkers 12a. Ferner ist die Ansteuerschaltung 3a dadurch gekennzeichnet, dass sie derart konfiguriert ist, dass ein Wert Rref der Erdungswiderstände, die an die Source des N-FET 5a angeschlossen sind, gemäß den Ergebnissen der Vergleiche variabel eingestellt wird.
Insbesondere werden anstelle des Erdungswiderstands 5b aus 1 drei in Reihe geschaltete Widerstände 51, 52 und 53 zwischen der Source des N-FET 5a und der Erdungsleitung bereitgestellt. Ferner ist eine Konfiguration derart gestaltet, dass die Widerstände 51, 52 und 53 unter Verwendung der beiden N-FETs 12h und 12i, die durch Ausgaben der Komparatoren 12f und 12g ein/aus geregelt werden, selektiv kurzgeschlossen werden. Ferner vergleicht der OP-Verstärker 5c eine Spannung, die in einer seriellen Widerstandsschaltung generiert wird, die aus den Widerständen 51, 52 und 53 besteht, die selektiv kurzgeschlossen geregelt werden, wie zuvor beschrieben, und die Referenzspannung Vref und regelt den Strom, der durch den N-FET 5a fließt, so dass der Strom konstant gemacht wird.
Wenn im Übrigen die Abtastspannung Vsens geringer als die erste Schwellenspannung Vref1 ist [Vsens<Vref1], übernimmt der Komparator 12f die Aufgabe des Einschaltens des N-FET 12h und des Kurzschließens der Widerstände 51 und 52. Wenn die Abtastspannung Vsens geringer als die zweite Schwellenspannung Vref2 ist [Vsens<Vref2], übernimmt der Komparator 12g ebenso die Aufgabe des Einschaltens des N-FET 12i und des Kurzschließens des Widerstands 52.
Folglich befinden sich gemäß dem auf diese Weise konfigurierten Stromregulierungskreis 12, wenn die Abtastspannung Vsens über die zweite Schwellenspannung Vref2 hinausgeht [Vsens≥Vref2>Vref1], die Ausgänge der Komparatoren 12f und 12g beide auf dem L-Pegel, und die N-FETs 12h und 12i werden beide in einem ausgeschalteten Zustand gehalten. Da es nicht dazu kommt, dass die Widerstände 51, 52 und 53 kurzgeschlossen werden, ist ein Ausgangsstrom IoH der Konstantstromquelle 5 (N-FET 5a) daraufhin: $IoH = Vref / (Rref 1 + Rref 2 + Rref 3)$
Rref1, Rref2 und Rref3 sind jeweils die Werte der Widerstände 51, 52 und 53.
Wenn die Abtastspannung Vsens geringer als die zweite Schwellenspannung Vref2 ist und über die erste Schwellenspannung Vref1 hinausgeht [Vref2>Vsens≥Vref1], wird der Ausgang des Komparators 12f ebenso auf dem L-Pegel gehalten, und der Ausgang des Komparators 12g wird auf den H-Pegel invertiert. Dann wird der N-FET 12i eingeschaltet, und der Widerstand 52 wird kurzgeschlossen. Daraufhin ist ein Ausgangsstrom IoM der Konstantstromquelle 5 (N-FET 5a): $IoM = Vref / (Rref 1 + Rref 3) .$
Wenn ferner die Abtastspannung Vsens weiter abfällt und geringer wird als die erste Schwellenspannung Vref1 [Vref2>Vref1>Vsens], liegen die Ausgänge der Komparatoren 12f und 12g beide auf dem H-Pegel, und die N-FETs 12h und 12i werden beide eingeschaltet. Da die Widerstände 51 und 52 jeweils kurzgeschlossen werden, beträgt ein Ausgangsstrom IoL der Konstantstromquelle 5 (N-FET 5a) daraufhin: $IoL = Vref / (Rref 3) .$
Daher ist es gemäß der Ansteuerschaltung 3, die mit dieser Art von Stromregulierungskreis 12 konfiguriert ist, möglich zu bewirken, dass der Ausgangsstrom des Konstantstromkreises 7 stufenweise (in drei Stufen) gemäß der Abtastspannung Vsens variiert, wie in 4 gezeigt. Obwohl die Regelpräzision der Ansteuerschaltung 3 im Vergleich zu der zuvor beschriebenen Ausführungsform grob ist, kann man folglich die Größe des konstanten Stroms, der jeder der Gate-Elektroden der IGBTs 2a bis 2n zugeführt wird, wie in der vorherigen Ausführungsform an die Einschalteigenschaften der IGBTs 2a bis 2n anpassen. Ferner kann der Strom Ic, der durch jeden IGBT 2a bis 2n fließt, konstant gehalten werden. Daraufhin ist es möglich, effektiv zu verhindern, dass die Ströme unsymmetrisch werden, die durch jeden der Vielzahl von IGBTs 2a bis 2n fließen, die parallel bereitgestellt werden. Daher ist es möglich, eine Stromkonzentration auf einen spezifischen IGBT zu verhindern und das Vorkommen eines thermischen Durchbruchs des IGBT zu verhindern.
Die Erfindung ist nicht auf die bisher beschriebene Ausführungsform eingeschränkt. Beispielsweise ist natürlich auch eine variable Einstellung gemäß dem Ausgangsstrom Io der Konstantstromquelle 5 und mit der Abtastspannung Vsens in einer noch größeren Anzahl von Stufen möglich. Ebenso ist es auch möglich, Ströme, die durch die IGBTs 2a bis 2n fließen, aus einer Spannung zu erkennen, die in einem Nebenschlusswiderstand generiert wird, der an den Emitter jedes IGBT 2a bis 2n angeschlossen ist. Ferner ist es selbstverständlich, dass die Erfindung ähnlich auf den Fall des Ansteuerns von MOS-FETs anstelle der zuvor beschriebenen IGBTs anwendbar ist. Abgesehen davon kann die Erfindung auf diverse Arten abgeändert umgesetzt werden, ohne ihren Umfang zu verlassen.
BEZUGSZEICHENLISTE

1: Leistungswandler
2a bis 2n: IGBT (Halbleiterelement mit isolierter Gate-Elektrode)
3a bis 3n: Ansteuerschaltung
5: Konstantstromquelle
5a: N-Kanal-FET (N-FET)
5b: Widerstand
5c: OP-Verstärker
6: Stromspiegelkreis
6a, 6b: P-Kanal-FET (P-FET)
7: Konstantstromkreis
8: Entladungskreis
8a: Puffer
8b: N-FET
9: Schalterstromkreis
9a: P-FET
9b: Pegelverschiebungskreis
11: Stromerkennungskreis
12: Stromregulierungskreis
12a: OP-Verstärker
12b, 12c: Eingangswiderstand
12d: Rückkopplungswiderstand
12e: Erdungswiderstand
12f, 12g: Komparator
12h, 12i: N-FET
51, 52, 53: Widerstand

Claims

Ansteuervorrichtung für Halbleiterelemente mit isolierter Gate-Elektrode, umfassend: eine Vielzahl von Ansteuerschaltungen, die eine Vielzahl von jeweiligen, parallel geschalteten Halbleiterelementen mit isolierten Gate-Elektroden ansteuern, die jede der Ansteuerschaltungen gemäß einem Regelsignal ansteuert und die Vielzahl von Halbleiterelementen mit isolierten Gate-Elektroden parallel ansteuert, wobei jede der Ansteuerschaltungen Folgendes umfasst: einen Konstantstromkreis (7), welcher der Gate-Elektrode des Halbleiterelements mit isolierter Gate-Elektrode einen konstanten Strom zuführt und das Halbleiterelement mit isolierter Gate-Elektrode eingeschaltet betreibt; einen Entladungskreis (8), der die Gate-Elektrode des Halbleiterelements mit isolierter Gate-Elektrode erdet und das Halbleiterelement mit isolierter Gate-Elektrode ausgeschaltet betreibt; einen Schalterstromkreis (9), der einen von dem Konstantstromkreis (7) oder dem Entladungskreis (8) gemäß einem Regelsignal betreibt und das Halbleiterelement mit isolierter Gate-Elektrode ein- oder ausschaltet, wobei die Ansteuervorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass sie einen Stromerkennungskreis (11), der Strom erkennt, der durch das Halbleiterelement mit isolierter Gate-Elektrode fließt, wenn das Halbleiterelement mit isolierter Gate-Elektrode eingeschaltet wird; und einen Stromregulierungskreis (12) umfasst, der den Strom, der von dem Stromerkennungskreis (11) erkannt wird, zu dem Konstantstromkreis (7) zurückführt und einen Ausgangsstrom (Io) des Konstantstromkreises (7) regelt, wobei der Stromregulierungskreis (12) einen OP-Verstärker (12a) umfasst, der eine Spannungsdifferenz zwischen einer voreingestellten Referenzspannung (Vref) und einer Ausgangsspannung (Vsens) des Stromerkennungskreises (11) bestimmt und den Ausgangsstrom (Io) des Konstantstromkreises (7) gemäß der Spannungsdifferenz bestimmt, oder der Stromregulierungskreis (12) einen Komparator umfasst, der eine voreingestellte Referenzspannung (Vref1, Vref2) und eine Ausgangsspannung (Vsens) des Stromerkennungskreises (11) vergleicht und bewirkt, dass der Ausgangsstrom (Io) des Konstantstromkreises (7) gemäß einem Vergleichsergebnis in mehreren Stufen variiert.
Ansteuervorrichtung für Halbleiterelemente mit isolierter Gate-Elektrode nach Anspruch 1, wobei das Halbleiterelement mit isolierter Gate-Elektrode ein IGBT oder ein MOS-FET ist.
Ansteuervorrichtung für Halbleiterelemente mit isolierter Gate-Elektrode nach Anspruch 1, wobei der Konstantstromkreis (7) einen Stromspiegelkreis (6), der zwischen der Gate-Elektrode des Halbleiterelements mit isolierter Gate-Elektrode und einer Stromversorgungsspannung eingeschoben ist, und eine Konstantstromquelle (5), die dem Halbleiterelement mit isolierter Gate-Elektrode über den Stromspiegelkreis (6) Strom zuführt, umfasst.