DE112013006912T5 - Vorrichtung zum Steuern eines Halbleiterelements mit isolierendem Gate und Leistungswandlungsvorrichtung, welche die Vorrichtung zum Steuern des Halbleiterelements mit isolierendem Gate verwendet - Google Patents

Vorrichtung zum Steuern eines Halbleiterelements mit isolierendem Gate und Leistungswandlungsvorrichtung, welche die Vorrichtung zum Steuern des Halbleiterelements mit isolierendem Gate verwendet Download PDF

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Abstract

Eine Vorrichtung ist dafür eingerichtet, ein Halbleiterelement mit isolierendem Gate durch eine erste Steuerspannung und eine zweite Steuerspannung anzusteuern, die einem ersten isolierenden Gate bzw. einem zweiten isolierenden Gate zugeführt werden, und sie umfasst ein erstes Rauschfilter, das ein Signal in Bezug auf den Strom entgegennimmt, der durch das Halbleiterelement mit isolierendem Gate fließt, einen ersten Vergleicher, der einen Vergleich zwischen einem Ausgangssignal des ersten Rauschfilters und einem ersten Referenzsignal vornimmt und ein erstes Vergleichsergebnis ausgibt, eine erste Steuerspannungs-Ausgangsschaltung und eine zweite Steuerspannungs-Ausgangsschaltung, wobei die zweite Steuerspannungs-Ausgangsschaltung dafür eingerichtet ist, die zweite Steuerspannung zu verringern, wenn anhand des ersten Vergleichsergebnisses festgestellt wird, dass ein Überstrom durch das Halbleiterelement mit isolierendem Gate fließt, wobei die erste Steuerspannungs-Ausgangsschaltung dafür eingerichtet ist, die erste Steuerspannung zu verringern, nachdem die zweite Steuerspannung verringert wurde.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Steuern eines Halbleiterelements mit isolierendem Gate und eine Leistungswandlungsvorrichtung, welche die Vorrichtung zum Steuern des Halbleiterelements mit isolierendem Gate verwendet, und insbesondere eine Vorrichtung zum Steuern eines Halbleiterelements mit isolierendem Gate und eine Leistungswandlungsvorrichtung, welche die Vorrichtung zum Steuern des Halbleiterelements mit isolierendem Gate verwendet, welche für Artikel mit Geräten mit geringer Leistungsaufnahme bis zu Geräten mit hoher Leistungsaufnahme geeignet sind, welche weit verbreitet verwendet werden.
  • Technischer Hintergrund
  • Bei neueren Leistungswandlungsvorrichtungen für eingesparte Energie und neue Energie werden viele Inverter und Wandler verwendet. Zur Verwirklichung einer Gesellschaft mit einem geringen Kohlenstoffausstoß ist es wesentlich, dass sie erhebliche Verbreitung finden.
  • Als Leistungshalbleiterelement für eine Leistungswandlungsvorrichtung wurden weit verbreitet Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (nachstehend als ”IGBT” bezeichnet) verwendet. Der IGBT hat die ausgezeichnete Eigenschaft, als Element für eine Leistungswandlungsvorrichtung eine geringe Durchschaltzustandsspannung und eine hohe Schaltgeschwindigkeit aufzuweisen, d. h. sowohl einen geringen Leitungsverlust als auch einen geringen Schaltverlust aufzuweisen. Überdies lässt sich der IGBT auch leicht durch ein isolierendes Gate steuern, so dass er gegenwärtig weit verbreitet in Artikeln mit Geräten mit einer geringen Leistungsaufnahme in der Art einer Klimaanlage und eines Mikrowellenofens bis zu Geräten mit einer hohen Leistungsaufnahme in der Art eines Inverters für eine Schienenstraße und eine Eisenfabrik verwendet wird.
  • Entsprechend der Verbreitung der Leistungswandlungsvorrichtungen ist eine weitere Verbesserung der Funktionsweise des IGBT erforderlich. Es gibt jedoch eine Kompromissbeziehung zwischen dem Leitungsverlust und dem Schaltverlust, so dass eine erhebliche Verbesserung der Funktionsweise des IGBT schwierig ist.
  • Demgemäß sind als Technologien, welche sowohl den Leitungsverlust als auch den Schaltverlust des IGBT verringern, eine Struktur, bei der eine isolierende Gate-Elektrode in mehrere Abschnitte unterteilt ist, die unabhängig gesteuert werden (siehe beispielsweise Patentdokumente 1, 2 und 3), und eine Struktur, bei der eine isolierende Gate-Elektrode auf einer Rückfläche (Kollektorseite) bereitgestellt ist (siehe beispielsweise Patentdokumente 4, 5, 6, 7 und 8), bekannt.
  • Die Struktur, bei der die Gate-Elektrode in mehrere Abschnitte unterteilt ist, und die Struktur, bei der die isolierende Gate-Elektrode auf der Rückfläche bereitgestellt ist, können jeweils zwei Modi annehmen, einschließlich eines Modus mit einer geringen Durchschaltspannung, d. h. eines Modus mit einem hohen Sperrverlust, und eines Modus mit einer hohen Durchschaltspannung, d. h. eines Modus mit einem geringen Sperrverlust, nämlich durch eine zweite Gate-Elektrode auf einer Vorderfläche und die Gate-Elektrode auf der Rückfläche. Zur Zeit des Leitens und Sperrens werden die beiden Zustände gewechselt, wodurch es möglich wird, sowohl den Leitungsverlust als auch den Schaltverlust zu verringern.
  • Zitatliste
  • Patentliteratur
    • Patentdokument 1: offengelegte japanische Patentanmeldung 2000-101076
    • Patentdokument 2: offengelegte japanische Patentanmeldung 2005-191221
    • Patentdokument 3: offengelegte japanische Patentanmeldung 2008-305956
    • Patentdokument 4: offengelegte japanische Patentanmeldung 2001-320049
    • Patentdokument 5: offengelegte japanische Patentanmeldung 2010-123667
    • Patentdokument 6: offengelegte japanische Patentanmeldung 2010-251517
    • Patentdokument 7: offengelegte japanische Patentanmeldung 2002-507058
    • Patentdokument 8: offengelegte japanische Patentanmeldung 2010-74051
  • Kurzfassung der Erfindung
  • Technisches Problem
  • Wie vorstehend beschrieben wurde, sind verschiedene Technologien für die Elementstruktur des Halbleiterelements mit isolierendem Gate in der Art des mit mehreren isolierenden Gates versehenen IGBT bekannt. Eine Steuertechnologie und eine Treibertechnologie dafür befinden sich jedoch noch im Entwicklungsprozess. Insbesondere ist im Interesse der Zuverlässigkeit einer Leistungswandlungsvorrichtung eine Technologie zum Schützen eines Leistungshalbleiterelements vor einem Überstrom bei einer Abnormität in der Art eines Kurzschlusses einer Leistungsquelle wichtig. Wenngleich Patentdokument 1 offenbart, dass eine Schaltung bereitgestellt ist, die den Überstrom bei einem Kurzschluss und dergleichen detektiert, und dass ein isolierendes Gate beim Auftreten des Kurzschlusses gesperrt wird, wurde eine konkrete Vorrichtungskonfiguration jedoch noch nicht verwirklicht.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine Steuervorrichtung bereitzustellen, deren Funktion darin besteht, ein mit mehreren isolierenden Gates versehenes Halbleiterelement mit isolierendem Gate vor einem Überstrom zu schützen.
  • Lösung des Problems
  • Eine Vorrichtung zum Steuern eines Halbleiterelements mit isolierendem Gate gemäß der vorliegenden Erfindung steuert ein Halbleiterelement mit isolierendem Gate, die ein erstes isolierendes Gate und ein zweites isolierendes Gate aufweist, durch eine erste Steuerspannung und eine zweite Steuerspannung an, die dem ersten isolierenden Gate bzw. dem zweiten isolierenden Gate zugeführt werden. Überdies umfasst die Vorrichtung zum Steuern des Halbleiterelements mit isolierendem Gate gemäß der vorliegenden Erfindung ein erstes Rauschfilter, das ein Signal in Bezug auf den Strom entgegennimmt, der durch das Halbleiterelement mit isolierendem Gate fließt, einen ersten Vergleicher, der einen Vergleich zwischen einem Ausgangssignal des ersten Rauschfilters und einem ersten Referenzsignal vornimmt und ein erstes Vergleichsergebnis ausgibt, eine erste Steuerspannungs-Ausgangsschaltung und eine zweite Steuerspannungs-Ausgangsschaltung, wobei die zweite Steuerspannungs-Ausgangsschaltung dafür eingerichtet ist, die zweite Steuerspannung zu verringern, wenn anhand des ersten Vergleichsergebnisses festgestellt wird, dass ein Überstrom durch das Halbleiterelement mit isolierendem Gate fließt, wobei die erste Steuerspannungs-Ausgangsschaltung dafür eingerichtet ist, die erste Steuerspannung zu verringern, nachdem die zweite Steuerspannung verringert wurde.
  • Hier kann als Halbleiterelement mit isolierendem Gate ein Bipolartransistor mit isolierendem Gate (IGBT) verwendet werden, wobei ein erstes isolierendes Gate und ein zweites isolierendes Gate ein primäres Gate bzw. ein zusätzliches Gate sind.
  • Wenn bei der Steuervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ein Überstrom durch das Halbleiterelement mit isolierendem Gate fließt, wird zuerst das zweite isolierende Gate gesperrt, wodurch der Sättigungsstrom des Halbleiterelements mit isolierendem Gate verringert wird, und wird die Kurzschlusskapazität erhöht, so dass, wenn das erste isolierende Gate gesperrt wird, der durch das Halbleiterelement mit isolierendem Gate fließende Strom sicher blockiert werden kann.
  • Vorteilhafte Wirkung der Erfindung
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Steuervorrichtung verwirklicht werden, deren Funktion darin besteht, ein Halbleiterelement mit isolierendem Gate, das mit mehreren isolierenden Gates versehen ist, vor einem Überstrom zu schützen. Dadurch wird die Zuverlässigkeit einer Leistungswandlungsvorrichtung verbessert, die ein Halbleiterelement mit isolierendem Gate verwendet, das mit mehreren isolierenden Gates versehen ist.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnung
  • Es zeigen:
  • 1 ein Schaltungsblockdiagramm einer Vorrichtung zum Steuern eines Halbleiterelements mit isolierendem Gate gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
  • 2 Spannungswellenformen bei einer korrekten Detektion gemäß der ersten Ausführungsform,
  • 3 eine Spannungswellenform bei einer fehlerhaften Detektion gemäß der ersten Ausführungsform,
  • 4 eine Spannungswellenform bei der fehlerhaften Detektion gemäß der ersten Ausführungsform,
  • 5 eine Spannungswellenform, welche eine Spannungsoszillation unterdrückt, gemäß der ersten Ausführungsform,
  • 6 ein Schaltungsblockdiagramm einer Variante der ersten Ausführungsform,
  • 7 ein Schaltungsblockdiagramm einer Vorrichtung zum Steuern eines Halbleiterelements mit isolierendem Gate gemäß einer zweiten Ausführungsform,
  • 8 ein Schaltungsblockdiagramm einer Vorrichtung zum Steuern eines Halbleiterelements mit isolierendem Gate gemäß einer dritten Ausführungsform,
  • 9 Spannungswellenformen bei der korrekten Detektion gemäß der zweiten Ausführungsform,
  • 10 eine Spannungswellenform bei der fehlerhaften Detektion gemäß der zweiten Ausführungsform,
  • 11 eine Spannungswellenform bei der fehlerhaften Detektion gemäß der zweiten Ausführungsform,
  • 12 ein Schaltungsblockdiagramm einer Vorrichtung zum Steuern eines Halbleiterelements mit isolierendem Gate gemäß einer vierten Ausführungsform,
  • 13 ein Schaltungsblockdiagramm einer Vorrichtung zum Steuern eines Halbleiterelements mit isolierendem Gate gemäß einer fünften Ausführungsform,
  • 14 ein Schaltungsblockdiagramm einer Vorrichtung zum Steuern eines Halbleiterelements mit isolierendem Gate gemäß einer sechsten Ausführungsform, und
  • 15 ein Schaltungskonfigurationsdiagramm einer Leistungswandlungsvorrichtung gemäß einer siebten Ausführungsform.
  • Beschreibung von Ausführungsformen
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die Zeichnung erklärt.
  • (AUSFÜHRUNGSFORM 1)
  • 1 ist ein Schaltungsblockdiagramm einer Vorrichtung zum Steuern eines Halbleiterelements mit isolierendem Gate gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Diese Ausführungsform umfasst einen IGBT 1, einen Mess-IGBT 2, eine Diode 3, ein primäres Gate (G1) 4, ein zusätzliches Gate (G2) 5, eine Ausgangsstufe 6 einer G1-Treiberschaltung, welche eine erste Steuerspannungs-Ausgangsschaltung ist, welche G1 eine erste Steuerspannung zuführt, eine Ausgangsstufe 7 einer G2-Treiberschaltung, welche eine zweite Steuerspannungs-Ausgangsschaltung ist, welche G2 eine zweite Steuerspannung zuführt, eine Logikschaltung 8, welche ein PWM-Signal empfängt und Steuersignale von G1 und G2 ausgibt, einen Messwiderstand 9, ein erstes Rauschfilter 10, einen ersten Vergleicher 11, eine erste Referenzspannungsquelle 12, ein zweites Rauschfilter 13, einen zweiten Vergleicher 14, eine zweite Referenzspannungsquelle 15 und eine Bestimmungsschaltung 16, welche das zusätzliche Gate (G2) 5 in einen Durchschaltzustand zurückführt, falls ein Sperrsignal, das ein zweites Vergleichsergebnis ist, nicht vom zweiten Vergleicher ausgegeben wird, nachdem ein Sperrsignal, das ein erstes Vergleichsergebnis ist, vom ersten Vergleicher ausgegeben wurde. Gemäß dieser Ausführungsform ist die Zeitkonstante des zweiten Rauschfilters 13 größer als die Zeitkonstante des ersten Rauschfilters 10.
  • Der IGBT 1 und der IGBT 2 sind auf einem Halbleitersubstrat gebildet und bilden ein einziges Halbleiterschaltelement bzw. einen IGBT. Weitere bekannte Elementstrukturen sind beispielsweise die in den vorstehend erwähnten Patentdokumenten 1 bis 3 offenbarten Elementstrukturen.
  • Es sei bemerkt, dass dann, wenn die Zeitkonstante des ersten Rauschfilters 10 null ist, das erste Rauschfilter 10 fortgelassen werden kann. In diesem Fall werden Spannungen an beiden Enden des Messwiderstands 9 ohne ein Rauschfilter in den ersten Vergleicher 11 eingegeben.
  • Primäroperationen gemäß dieser Ausführungsform sind die folgenden:
    • (1) Ein Überstrom fließt durch den IGBT 1, Spannungen werden an beiden Enden des Messwiderstands 9 erzeugt, die Ausgabe des ersten Rauschfilters 10 übersteigt die Referenzspannung der ersten Referenzspannungsquelle 12, und das zusätzliche Gate (G2) 5 wird gesperrt. Falls die Ausgabe des zweiten Rauschfilters 13 dann die Referenzspannung der zweiten Referenzspannungsquelle 15 übersteigt, wird das primäre Gate (G1) 4 gesperrt und wird der IGBT 1 gesperrt.
    • (2) Rauschspannungen werden an beiden Enden des Messwiderstands 9 erzeugt, und falls die Ausgabe des ersten Rauschfilters 10 die Referenzspannung der ersten Referenzspannungsquelle 12 übersteigt, wird das zusätzliche Gate (G2) 5 gesperrt. Sofern die Ausgabe des zweiten Rauschfilters 13 nicht die Referenzspannung der zweiten Referenzspannungsquelle 15 übersteigt, wird dann das zusätzliche Gate (G2) 5 in den Durchschaltzustand zurückgeführt, und der IGBT 1 kehrt in einen normalen Durchschaltzustand zurück (Zustand, in dem Durchschaltsignale sowohl an G1 als auch an G2 angelegt sind).
    • (3) Die Rauschspannungen werden an beiden Enden des Messwiderstands 9 erzeugt, und sofern die Ausgabe des ersten Rauschfilters 10 nicht die Referenzspannung der ersten Referenzspannungsquelle 12 übersteigt, wird der Durchschaltzustand des zusätzlichen Gates (G2) 5 aufrechterhalten.
  • Beim vorstehend erwähnten Betrieb (1) wird das zusätzliche Gate (G2) 5 vor dem Sperren des primären Gates (G1) 4 gesperrt, wodurch der Sättigungsstrom im IGBT 1 verringert wird und der Kurzschlusswiderstand erhöht wird, so dass die Zuverlässigkeit verbessert wird.
  • Als nächstes wird der vorstehend erwähnte Betrieb (1) (ein Fall, in dem der Überstrom detektiert wird) unter Verwendung von Spannungswellenformen in 2 erklärt. Falls die Spannungen an beiden Enden des Messwiderstands erhöht werden (t1), werden die Eingangsspannungen des ersten Vergleichers 11 und des zweiten Vergleichers 14 entsprechend den Zeitkonstanten des ersten Rauschfilters 10 und des zweiten Rauschfilters 13 erhöht. Die Zeitkonstante des zweiten Rauschfilters 13 ist größer als die Zeitkonstante des ersten Rauschfilters 10, so dass die Steigung der Eingangsspannung des zweiten Vergleichers 14 in Bezug auf die Eingangsspannung des ersten Vergleichers 11 geringer wird. Falls die Eingangsspannung des ersten Vergleichers 11 die erste Referenzspannung übersteigt, welche die Referenzspannungsquelle 12 erzeugt (t2), wird das zusätzliche Gate (G2) 5 gesperrt. In diesem Zustand wird das zusätzliche Gate (G2) 5 gesperrt, auch wenn der Kollektorstrom weiter fließt, so dass der Sättigungsstrom verringert wird und die Erwärmung des IGBT unterdrückt wird. Falls die Eingangsspannung des zweiten Vergleichers 14 dann die zweite Referenzspannung übersteigt, welche die Referenzspannungsquelle 15 erzeugt (t3), wird das primäre Gate (G1) 4 gesperrt und gelangt der IGBT in den Sperrzustand.
  • 3 zeigt einen Betrieb, der dem vorstehend erwähnten Betrieb (2) entspricht (einem Fall, in dem der Überstrom falsch detektiert wird). Wenn die Spannungen an den beiden Enden des Messwiderstands erhöht werden (t1) und die Eingangsspannung des ersten Vergleichers die erste Referenzspannung (t2) übersteigt, wird das zusätzliche Gate (G2) 5 gesperrt. Falls die vorgegebene Zeit td verstreicht (t3) und die Eingangsspannung des zweiten Vergleichers 14 die Eingangsspannung des zweiten Vergleichers 14 nicht übersteigt, wird das zusätzliche Gate (G2) 5 jedoch in den Durchschaltzustand zurückgeführt, und der IGBT wird in den normalen Durchschaltzustand zurückgeführt (sowohl G1 als auch G2 befinden sich im Durchschaltzustand).
  • 4 zeigt einen Betrieb, der dem vorstehend erwähnten Betrieb (3) entspricht (einem Fall, in dem der Überstrom falsch detektiert wird). Bei diesem Betrieb erreicht die Eingangsspannung des ersten Vergleichers nicht die Referenzspannung, wenngleich die Spannungen an beiden Enden des Messwiderstands erhöht werden, so dass das zusätzliche Gate (G2) den Durchschaltzustand behält.
  • Beim Überstromschutz unterbricht ein Kurzschlussschutz mehrere Male einen großen Strom, der so groß wie ein Nennstrom ist, so dass die Überspannung beim Unterbrechen des Stroms groß ist. Unter Verwendung der Spannungswellenformen aus 5 wird ein Betrieb zum Unterdrücken der Überspannung gemäß dieser Ausführungsform erklärt. Falls die Eingangsspannung des ersten Vergleichers 11 die erste Referenzspannung (t2) übersteigt, wird das zusätzliche Gate (G2) 5 gesperrt. Zu dieser Zeit wird der Sättigungsstrom verringert, so dass die Spannungen an beiden Enden des Messwiderstands 9 abfallen. Falls die Eingangsspannung des zweiten Vergleichers 14 die zweite Referenzspannung (t3) übersteigt, tritt das primäre Gate (G1) 4 als nächstes in einen Sperrbetrieb ein. Das primäre Gate (G1) 4 wird jedoch nicht plötzlich gesperrt, und es wird eine Zwischenspannung (beispielsweise Vg1 = 10 V), die größer als ein Schwellenwert und kleiner als ein Wert im normalen Durchschaltzustand (beispielsweise Vg1 = 15 V) ist, aufrechterhalten (t3 bis t4). Dann wird das primäre Gate (G1) 4 gesperrt (t4). Durch derartiges Ansteuern wird der Sättigungsstrom dreistufig (1. sowohl G1 als auch G2 befinden sich im Sperrzustand, 2. G1 befindet sich im Durchschaltzustand, und G2 befindet sich im Sperrzustand, und 3. G2 befindet sich im Sperrzustand, und G1 nimmt die Zwischenspannung an), so dass der Kollektorstrom allmählich verringert wird und der Überstrom unterdrückt werden kann.
  • 6 zeigt ein Schaltungsblockdiagramm einer Vorrichtung zum Steuern eines Halbleiterelements mit einem isolierenden Gate, welcher eine Variante der ersten Ausführungsform ist und wobei das primäre Gate (G1) 4 in 1 in zwei Abschnitte (20 und 21) unterteilt ist. In einem Fall, in dem der große Strom unterbrochen wird, wie beim Kurzschlussschutz, wird einer der primären Gate-Abschnitte G1(1) 20 gesperrt, nachdem das zusätzliche Gate (G2) 5 gesperrt wurde, und es wird danach der andere der primären Gate-Abschnitte G1(2) 21 gesperrt, wodurch der Kollektorstrom allmählich verringert wird und der Überstrom unterdrückt wird.
  • Durch derartiges Ansteuern wird der Sättigungsstrom dreistufig (1. sowohl G1 als auch G2 befinden sich im Durchschaltzustand, 2. G1(1) befindet sich im Sperrzustand, und G1(2) befindet sich im Durchschaltzustand, und 3. sowohl G1(1) als auch G1(2) befinden sich im Sperrzustand), so dass der Kollektorstrom allmählich abnimmt und der Überstrom unterdrückt werden kann.
  • (AUSFÜHRUNGSFORM 2)
  • 7 ist ein Schaltungsblockdiagramm einer Vorrichtung zum Steuern eines Halbleiterelements mit isolierendem Gate gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Unterschied dieser Ausführungsform gegenüber der ersten Ausführungsform besteht darin, dass das erste Rauschfilter 10 und das zweite Rauschfilter 13 in Reihe geschaltet sind. Das heißt, dass die Spannungen an den beiden Enden des Messwiderstands 9 über das erste Rauschfilter 10 in das zweite Rauschfilter 13 eingegeben werden. Gemäß der ersten Ausführungsform sind das erste Rauschfilter 10 und das zweite Rauschfilter 13 parallel geschaltet, so dass die Zeitkonstante des zweiten Rauschfilters 13 auf einen höheren Wert gelegt ist als die Zeitkonstante des ersten Rauschfilters 10. Demgegenüber gibt es gemäß dieser Ausführungsform keine Beschränkung für die Zeitkonstanten des ersten Rauschfilters 10 und des zweiten Rauschfilters 13 wie gemäß der ersten Ausführungsform.
  • Gemäß dieser Ausführungsform wird das zusätzliche Gate (G2) auch zunächst gesperrt, wodurch der Sättigungsstrom des IGBT verringert wird und der Kurzschlusswiderstand erhöht wird, so dass die Zuverlässigkeit verbessert wird.
  • (AUSFÜHRUNGSFORM 3)
  • 8 ist ein Schaltungsblockdiagramm einer Vorrichtung zum Steuern eines Halbleiters mit isolierendem Gate gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Unterschied dieser Ausführungsform gegenüber der ersten Ausführungsform besteht darin, dass das Rauschfilter, die Referenzspannungsquelle und der Vergleicher einzeln verwendet werden.
  • Als nächstes wird der Betrieb dieser Ausführungsform mit Bezug auf die 9 bis 11 erklärt.
  • Falls in 9 die Eingangsspannung des ersten Vergleichers die erste Referenzspannung (t2) übersteigt, wird das zusätzliche Gate (G2) gesperrt. In diesem Zustand fließt der Kollektorstrom weiter. Das zusätzliche Gate (G2) befindet sich jedoch im Sperrzustand, so dass der Sättigungsstrom verringert wird und die Erwärmung des IGBT unterdrückt wird. Falls dann die vorgegebene Zeit td verstreicht (t3) und die Eingangsspannung des ersten Vergleichers bei einer Spannung gehalten wird, die größer oder gleich der Referenzspannung ist, wird das primäre Gate (G1) gesperrt und gelangt der IGBT in den Sperrzustand.
  • Falls in 10 die Eingangsspannung des ersten Vergleichers die erste Referenzspannung (t2) übersteigt, wird das zusätzliche Gate (G2) gesperrt. Falls die Eingangsspannung des ersten Vergleichers auf eine Spannung verringert wird, die kleiner oder gleich der Referenzspannung (t3) ist, bevor die Zeit td verstreicht, wird das zusätzliche Gate (G2) in den Durchschaltzustand zurückgeführt.
  • In 11 erreicht die Eingangsspannung des ersten Vergleichers nicht die Referenzspannung, so dass das zusätzliche Gate (G2) den Durchschaltzustand beibehält.
  • Gemäß dieser Ausführungsform wird auch das zusätzliche Gate (G2) zunächst gesperrt, wodurch der Sättigungsstrom des IGBT verringert wird und der Kurzschlusswiderstand erhöht wird, so dass die Zuverlässigkeit verbessert wird.
  • (AUSFÜHRUNGSFORM 4)
  • 12 ist ein Schaltungsblockdiagramm einer Vorrichtung zum Steuern eines Halbleiterelements mit isolierendem Gate gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Unterschied dieser Ausführungsform gegenüber der ersten Ausführungsform besteht darin, dass Mittel zum Detektieren einer Kollektorspannung als Mittel zum Detektieren des Kollektorstroms verwendet werden. Es gibt eine positive Korrelation zwischen dem Kollektorstrom und der Kollektorspannung, so dass es möglich ist, den Kollektorstrom durch Detektieren der Kollektorspannung zu schätzen. Falls die Kollektorspannung erhöht wird und die Ausgabe des ersten Rauschfilters 10 die Referenzspannung der ersten Referenzspannungsquelle 12 übersteigt, wird das zusätzliche Gate (G2) 5 gesperrt. Falls dann die Ausgabe des zweiten Rauschfilters 13 die Referenzspannung der zweiten Referenzspannungsquelle 15 übersteigt, wird das primäre Gate (G1) 4 gesperrt und wird der IGBT 1 gesperrt.
  • Gemäß dieser Ausführungsform wird auch das zusätzliche Gate (G2) zunächst gesperrt, wodurch der Sättigungsstrom des IGBT 1 verringert wird und der Kurzschlusswiderstand erhöht wird, so dass die Zuverlässigkeit verbessert wird.
  • (AUSFÜHRUNGSFORM 5)
  • 13 ist ein Schaltungsblockdiagramm einer Vorrichtung zum Steuern eines Halbleiterelements mit isolierendem Gate gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Unterschied dieser Ausführungsform gegenüber der ersten Ausführungsform besteht darin, dass Mittel zum Detektieren einer Gate-Spannung als Mittel zum Detektieren des Kollektorstroms verwendet werden. Falls der Kollektorstrom erhöht wird und die Kollektorspannung erhöht wird, wird die Gate-Spannung durch eine Rückkopplungskapazität erhöht, so dass der Kollektorstrom durch Detektieren der Gate-Spannung geschätzt werden kann.
  • Falls die Gate-Spannung erhöht wird und die Ausgabe des ersten Rauschfilters 10 die erste Referenzspannung der Referenzspannungsquelle 12 übersteigt, wird das zusätzliche Gate (G2) 5 gesperrt. Falls dann die Ausgabe des zweiten Rauschfilters 13 die zweite Referenzspannung der Referenzspannungsquelle 15 übersteigt, wird das primäre Gate (G1) 4 gesperrt und wird der IGBT gesperrt.
  • Gemäß dieser Ausführungsform wird zuerst das zusätzliche Gate (G2) gesperrt, wodurch der Sättigungsstrom des IGBT verringert wird und der Kurzschlusswiderstand erhöht wird, so dass die Zuverlässigkeit verbessert wird.
  • (AUSFÜHRUNGSFORM 6)
  • 14 ist ein Schaltungsblockdiagramm einer Vorrichtung zum Steuern eines Halbleiterelements mit isolierendem Gate gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Unterschied dieser Ausführungsform gegenüber der ersten Ausführungsform besteht darin, dass die Referenzspannungen durch dieselbe Referenzspannungsquelle 12 dem ersten Vergleicher 11 und dem zweiten Vergleicher 14 zugeführt werden. Daher nehmen die Referenzspannungen des ersten Vergleichers 11 und des zweiten Vergleichers 14 gemäß dieser Ausführungsform den gleichen Wert an.
  • Falls der Überstrom fließt, werden Spannungen an beiden Enden des Messwiderstands 9 erzeugt, und wenn die Ausgabe des ersten Rauschfilters 10 die Referenzspannung der Referenzspannungsquelle 12 übersteigt, wird das zusätzliche Gate (G2) 5 gesperrt. Falls dann die Ausgabe des zweiten Rauschfilters 13 die Referenzspannung der gleichen Referenzspannungsquelle 12 übersteigt, wird das primäre Gate (G1) 4 gesperrt und wird der IGBT gesperrt.
  • Gemäß dieser Ausführungsform wird das zusätzliche Gate (G2) zunächst gesperrt, wodurch der Sättigungsstrom verringert wird und der Kurzschlusswiderstand erhöht wird, so dass die Zuverlässigkeit verbessert wird.
  • (AUSFÜHRUNGSFORM 7)
  • 15 zeigt eine Schaltungskonfigurationsansicht einer Leistungswandlungsvorrichtung gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Diese Ausführungsform ist eine Dreiphasen-Invertervorrichtung und verwendet als ein Halbleiterschaltelement 700 das Halbleiterelement mit isolierendem Gate, das mit den mehreren isolierenden Gates versehen ist, die in den vorstehend erwähnten Ausführungsformen erklärt wurden. Es sei bemerkt, dass in 15 Schaltungssymbole für einen allgemeinen IGBT aus Gründen der Zweckmäßigkeit als Schaltungssymbole für das Halbleiterschaltelement verwendet werden.
  • Diese Ausführungsform ist mit einem Paar von Gleichstromanschlüssen 900 und 901 und Wechselstromanschlüssen versehen, deren Anzahl gleich der Phasenanzahl eines Wechselstroms ist, wobei drei Wechselstromanschlüsse 910, 911 und 912 bereitgestellt sind. Zwischen jeden Gleichstromanschluss und jeden Wechselstromanschluss ist ein Halbleiterschaltelement 700 geschaltet, und die Dreiphasen-Invertervorrichtung ist insgesamt mit sechs Halbleiterschaltelementen versehen. Überdies ist eine Diode 600 in Sperrrichtung parallel zu jedem Halbleiterschaltelement 700 geschaltet. Es sei bemerkt, dass die Anzahl der Halbleiterschaltelemente 700 und der Dioden 600 entsprechend der Phasenanzahl des Wechselstroms, der elektrischen Leistungskapazität der Leistungswandlungsvorrichtung und dem Widerstand und der Stromkapazität des Halbleiterschaltelements 700 an sich geeignet erhöht wird.
  • Jedes Halbleiterschaltelement 700 wird durch eine Gate-Treiberschaltung 800 durchgeschaltet und gesperrt, wobei ein Gleichstrom, der durch die Gleichstromanschlüsse 900 und 901 von einer Gleichstromquelle 960 empfangen wird, in Wechselstrom umgewandelt wird, der von den Wechselstromanschlüssen 910, 911 und 912 ausgegeben wird. Jeder Wechselstrom-Ausgangsanschluss ist mit einem Motor 950 für eine Induktionsmaschine, eine Synchronmaschine oder dergleichen verbunden, welche durch den von jedem Wechselstromanschluss ausgegebenen Wechselstrom in Drehung versetzt wird.
  • Überdies ist die Gate-Treiberschaltung 800 gemäß dieser Ausführungsform mit der Steuervorrichtung für beliebige der vorstehend erwähnten Ausführungsformen versehen. Falls dabei ein Kurzschluss oder dergleichen auftritt, wird das Halbleiterschaltelement 700 sicher gesperrt und vor dem Überstrom geschützt. Daher wird die Zuverlässigkeit der Leistungswandlungsvorrichtung verbessert.
  • Wenngleich diese Ausführungsform eine Invertervorrichtung ist, kann die Steuervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung auch auf andere Leistungswandlungsvorrichtungen in der Art von Wandlern und Zerhackern in Bezug auf Gate-Treiberschaltungen von Halbleiterschaltelementen angewendet werden, wodurch die gleiche Wirkung erhalten wird.
  • Es sei bemerkt, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die vorstehend erwähnten Ausführungsformen beschränkt ist. Selbstverständlich sind innerhalb des Bereichs des technischen Gedankens der vorliegenden Erfindung verschiedene Änderungen möglich.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    IGBT,
    2
    Mess-IGBT,
    3
    Diode,
    4
    Primäres Gate (G1),
    5
    Zusätzliches Gate (G2),
    6
    Ausgangsstufe der G1-Treiberschaltung,
    7
    Ausgangsstufe der G2-Treiberschaltung,
    8
    Logikschaltung,
    9
    Messwiderstand,
    10
    Erstes Rauschfilter,
    11
    Erster Vergleicher,
    12
    Erste Referenzspannungsquelle,
    13
    Zweites Rauschfilter,
    14
    Zweiter Vergleicher,
    15
    Zweite Referenzspannungsquelle,
    16
    Bestimmungsschaltung,
    600
    Diode,
    700
    Halbleiterschaltelement,
    800
    Gate-Treiberschaltung,
    900, 901
    Gleichstromanschluss,
    910, 911, 912
    Wechselstromanschluss,
    950
    Motor,
    960
    Gleichspannungsquelle.

Claims (14)

  1. Vorrichtung zum Steuern eines Halbleiterelements mit isolierendem Gate, das mit einem ersten isolierenden Gate und einem zweiten isolierenden Gate versehen ist, wobei die Vorrichtung dafür eingerichtet ist, das Halbleiterelement mit isolierendem Gate durch eine erste Steuerspannung und eine zweite Steuerspannung anzusteuern, die dem ersten isolierenden Gate bzw. dem zweiten isolierenden Gate zugeführt werden, welche Folgendes aufweist: ein Stromdetektionsmittel, welches ein Signal in Bezug auf den Strom ausgibt, der durch das Halbleiterelement mit isolierendem Gate fließt, ein erstes Rauschfilter, welches das Signal entgegennimmt, das das Stromdetektionsmittel ausgibt, einen ersten Vergleicher, der einen Vergleich zwischen einem Ausgangssignal des ersten Rauschfilters und einem Ausgangssignal einer ersten Referenzspannungsquelle vornimmt und ein erstes Vergleichsergebnis ausgibt, eine erste Steuerspannungs-Ausgangsschaltung und eine zweite Steuerspannungs-Ausgangsschaltung, wobei die zweite Steuerspannungs-Ausgangsschaltung dafür eingerichtet ist, die zweite Steuerspannung zu verringern, wenn anhand des ersten Vergleichsergebnisses festgestellt wird, dass ein Überstrom durch das Halbleiterelement mit isolierendem Gate fließt, wobei die erste Steuerspannungs-Ausgangsschaltung dafür eingerichtet ist, die erste Steuerspannung zu verringern, nachdem die zweite Steuerspannung verringert wurde.
  2. Vorrichtung zum Steuern des Halbleiterelements mit isolierendem Gate nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung ferner ein zweites Rauschfilter, welches das vom Stromdetektionsmittel ausgegebene Signal entgegennimmt, und einen zweiten Vergleicher, der einen Vergleich zwischen einem Ausgangssignal des zweiten Rauschfilters und einem Ausgangssignal einer zweiten Referenzspannungsquelle vornimmt und ein zweites Vergleichsergebnis ausgibt, aufweist, und wobei die zweite Steuerspannungs-Ausgangsschaltung dafür eingerichtet ist, die zweite Steuerspannung zu verringern, wenn anhand des zweiten Vergleichsergebnisses festgestellt wird, dass der Überstrom durch das Halbleiterelement mit isolierendem Gate fließt.
  3. Vorrichtung zum Steuern des Halbleiterelements mit isolierendem Gate nach Anspruch 2, wobei die Zeitkonstante des zweiten Rauschfilters größer ist als die Zeitkonstante des ersten Rauschfilters.
  4. Vorrichtung zum Steuern des Halbleiterelements mit isolierendem Gate nach Anspruch 2 oder 3, wobei, falls anhand des ersten Vergleichsergebnisses festgestellt wird, dass der Überstrom durch den Halbleiter mit isolierendem Gate fließt, und sofern nicht anhand des zweiten Vergleichsergebnisses festgestellt wird, dass der Überstrom durch das Halbleiterelement mit isolierendem Gate fließt, die zweite Steuerspannungs-Ausgangsschaltung dafür eingerichtet ist, die zweite Steuerspannung zu erhöhen.
  5. Vorrichtung zum Steuern des Halbleiterelements mit isolierendem Gate nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Steuerspannungs-Ausgangsschaltung dafür eingerichtet ist, die erste Steuerspannung stufenweise zu verringern.
  6. Vorrichtung zum Steuern des Halbleiterelements mit isolierendem Gate nach Anspruch 1 oder 2, wobei das erste isolierende Gate einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt aufweist und wobei die erste Steuerspannung, die dem ersten Abschnitt zugeführt wird, früher als die erste Steuerspannung, die dem zweiten Abschnitt zugeführt wird, verringert wird.
  7. Vorrichtung zum Steuern des Halbleiterelements mit isolierendem Gate nach Anspruch 2, wobei das Signal, welches das Stromdetektionsmittel ausgibt, über das erste Rauschfilter in das zweite Rauschfilter eingegeben wird.
  8. Vorrichtung zum Steuern des Halbleiterelements mit isolierendem Gate nach Anspruch 1, wobei die erste Steuerspannungs-Ausgangsschaltung dafür eingerichtet ist, die erste Steuerspannung zu verringern, falls anhand des ersten Vergleichsergebnisses festgestellt wird, dass der Überstrom während der vorgegebenen Zeit durch das Halbleiterelement mit isolierendem Gate fließt.
  9. Vorrichtung zum Steuern des Halbleiterelements mit isolierendem Gate nach Anspruch 8, wobei die zweite Steuerspannungs-Ausgangsschaltung dafür eingerichtet ist, die zweite Steuerspannung zu erhöhen, falls festgestellt wird, dass der Überstrom während der Zeit, die kürzer als die vorgegebene Zeit ist, durch das Halbleiterelement mit isolierendem Gate fließt.
  10. Vorrichtung zum Steuern des Halbleiterelements mit isolierendem Gate nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Stromdetektionsmittel dafür eingerichtet ist, das Signal in Bezug auf den Strom, der durch das Halbleiterelement mit isolierendem Gate fließt, auf der Grundlage der Spannungen an beiden Enden eines Messwiderstands auszugeben, der mit dem Halbleiterelement mit isolierendem Gate verbunden ist.
  11. Vorrichtung zum Steuern des Halbleiters mit isolierendem Gate nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Stromdetektionsmittel dafür eingerichtet ist, das Signal in Bezug auf den Strom, der durch das Halbleiterelement mit isolierendem Gate fließt, auf der Grundlage der Kollektorspannung des Halbleiterelements mit isolierendem Gate auszugeben.
  12. Vorrichtung zum Steuern des Halbleiterelements mit isolierendem Gate nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Stromdetektionsmittel dafür eingerichtet ist, das Signal in Bezug auf den Strom, der durch das Halbleiterelement mit isolierendem Gate fließt, auf der Grundlage der Spannung des ersten isolierenden Gates des Halbleiterelements mit isolierendem Gate auszugeben.
  13. Vorrichtung zum Steuern des Halbleiterelements mit isolierendem Gate nach Anspruch 2, wobei der Betrag des Ausgangssignals der ersten Referenzspannungsquelle und der Betrag des Ausgangssignals der zweiten Referenzspannungsquelle gleich sind.
  14. Leistungswandlungsvorrichtung, welche Folgendes aufweist: ein Paar von Gleichstromanschlüssen, Wechselstromanschlüsse, deren Anzahl gleich der Phasenanzahl eines Wechselstroms ist, mehrere Halbleiterschaltelemente, die zwischen den Gleichstromanschlüssen und den Wechselstromanschlüssen angeordnet sind, mehrere Dioden, die in Sperrrichtung parallel zu den mehreren Halbleiterschaltelementen geschaltet sind, und mehrere Gate-Treibervorrichtungen, welche die mehreren Halbleiterschaltelemente ansteuern, wobei jedes der mehreren Halbleiterschaltelemente ein Halbleiterelement mit isolierendem Gate ist, das mit einem ersten isolierenden Gate und einem zweiten isolierenden Gate versehen ist, und wobei jede der mehreren Gate-Treibervorrichtungen mit der Vorrichtung zum Steuern des Halbleiterelements mit isolierendem Gate nach Anspruch 1 oder 2 versehen ist.
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