DE112019002204T5

DE112019002204T5 - Treibereinrichtung für ein leistungs-halbleiterelement

Info

Publication number: DE112019002204T5
Application number: DE112019002204.0T
Authority: DE
Inventors: Yasushige Mukunoki; Takeshi Horiguchi
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2018-04-27
Filing date: 2019-01-11
Publication date: 2021-01-07
Anticipated expiration: 2039-01-12
Also published as: DE112019002204B4; US11012066B2; JPWO2019207847A1; WO2019207847A1; CN111989849A; US20200412356A1; JP6925518B2

Abstract

Eine Vielzahl von Treiberschaltungen (110) treibt jeweils ein entsprechendes von mehreren parallel geschalteten Leistungshalbleiterelementen (100). Jede der Treiberschaltungen enthält eine Steuerbefehls-Einheit (112), einen Stromdetektor (111), einen Differenzierer (113) und einen Integrator (115). Der Stromdetektor (111) detektiert einen Gatestrom, der in einen Gate-Anschluss eines entsprechenden Leistungshalbleiterelementes fließt, nachdem die Steuerbefehls-Einheit (112) einen Einschaltbefehl ausgegeben hat. Der Differenzierer (113) führt eine Differenzierung des vom Stromdetektor (111) detektierten Gatestroms nach der Zeit durch. Der Integrator (115) führt eine Integration des durch den Stromdetektor (111) detektierten Gatestroms über die Zeit durch. Basierend auf dem Differenzialwert und dem Integralwert in jeder der Treiberschaltungen bestimmt die Bestimmungs-Einheit (1000), ob ein Überstrom-Zustand in irgendeinem der Vielzahl der Leistungshalbleiterelemente auftritt oder nicht.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Treibereinrichtung für ein Leistungshalbleiterelement, insbesondere auf eine Treibereinrichtung, die die Funktion hat, einen Überstrom-Zustand in einem von mehreren parallel geschalteten Leistungshalbleiterelementen zu erkennen.
STAND DER TECHNIK
In einem Leistungswandler, der unter Verwendung eines Leistungshalbleiterelements, wie z.B. eines Bipolartransistors mit isoliertem Gate (IGBT) oder eines Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistors (MOSFET), gebildet wird, werden mehrere Leistungshalbleiterelemente parallel geschaltet, um eine große Kapazität zum Zweck der Sicherstellung eines gewünschten elektrischen Leistungsvermögens zu erreichen. Ein Strom fließt so durch die Vielzahl von Leistungshalbleiterelementen, dass er gleichmäßig unter den Leistungshalbleiterelementen aufgeteilt wird, wodurch die Handhabung eines hohen Stroms ermöglicht wird.
Wenn sich jedoch in der oben genannten Konfiguration ein Strom auf eines der Leistungshalbleiterelemente konzentriert und dadurch einen Überstrom-Zustand verursacht, kann ein solches Leistungshalbleiterelement in einem Überstrom-Zustand thermisch zerstört werden. Dementsprechend erfordert die Treibereinrichtung, die eine Vielzahl von parallel geschalteten Leistungshalbleiterelementen treibt, eine Funktion zum Erkennen eines Überstrom-Zustandes in einem der Leistungshalbleiterelemente, um die Leistungshalbleiterelemente vor thermischer Zerstörung zu schützen.
Beispielsweise beschreibt die Japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift JP 2017-70 051 A (Patentdokument 1) die Konfiguration einer Treibereinrichtung, die eine Vielzahl von parallel geschalteten IGBTs ansteuert. Die Treibereinrichtung enthält einen Stromdetektor zur Erfassung eines Emitterstroms (eines Hauptstroms) in jedem der IGBTs und bestimmt anhand eines Erfassungswertes dieses Stromdetektors, ob ein Überstrom auftritt oder nicht.
STAND DER TECHNIK
Patentdokument 1: Japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift JP 2017-70 051 A
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Mit der Erfindung zu lösende Probleme
Die in Patentdokument 1 beschriebene Treibereinrichtung muss jedoch einen Stromdetektor zur Erfassung eines Hauptstroms in dem Leistungshalbleiterelement enthalten. Da ein solcher Stromdetektor in der Lage sein muss, einen hohen, einem Hauptstrom äquivalenten Strom zu detektieren, muss man einen groß dimensionierten und teuren Strommesser verwenden. Dies führt dazu, dass die Treibereinrichtung insgesamt vergrößert und damit auch teurer wird.
Die vorliegende Erfindung soll die oben beschriebenen Probleme lösen. Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Treibereinrichtung für ein Leistungshalbleiterelement aufzuzeigen, mit der mittels einer einfachen Konfiguration ein Überstrom-Zustand in einem beliebigen von mehreren parallel geschalteten Leistungshalbleiterelementen erkannt werden kann.
Mittel zum Lösen der Probleme
Die Treibereinrichtung für ein Leistungshalbleiterelement nach der vorliegenden Erfindung treibt eine Vielzahl von parallel geschalteten Leistungshalbleiterelementen. Jedes der Leistungshalbleiterelemente hat einen ersten Anschluss, einen zweiten Anschluss und einen Gate-Anschluss. Die Treibereinrichtung beinhaltet eine Vielzahl von Treiberschaltungen, die jeweils ein entsprechendes Leistungshalbleiterelement der Leistungshalbleiterelemente treiben. Jede der Treiberschaltungen enthält eine Steuerbefehls-Einheit, einen Stromdetektor, einen Differenzierer und einen Integrator. Die Steuerbefehls-Einheit gibt einen Einschaltbefehl für das entsprechende Leistungshalbleiterelement aus. Der Stromdetektor erkennt einen Gate-Strom, der in den Gate-Anschluss des entsprechenden Leistungshalbleiterelements fließt, nachdem die Steuerbefehls-Einheit den Einschaltbefehl ausgegeben hat. Der Differenzierer führt eine Differenzierung des vom Stromdetektor detektierten Gatestroms nach der Zeit durch. Der Integrator führt eine Integration des vom Stromdetektor detektierten Gatestroms über die Zeit durch. Die Treibereinrichtung enthält außerdem eine Bestimmungs-Einheit. Basierend auf dem Differenzialwert durch den Differenzierer und dem Integralwert durch den Integrator in jeder der Treiberschaltungen bestimmt die Bestimmungs-Einheit, ob ein Überstrom-Zustand in einem der Leistungshalbleiterelemente auftritt oder nicht.
Effekt der Erfindung
Nach der vorliegenden Erfindung kann in einer einfachen Konfiguration ein Überstrom-Zustand in jedem der mehreren parallel geschalteten Leistungshalbleiterelemente nachgewiesen werden.
Figurenliste

1 ist ein Schaltbild, das den Aufbau eines Leistungshalbleiterelementes und einer Treibereinrichtung dafür nach der ersten Ausführungsform zeigt;
2 ist ein Wellenformdiagramm, das den Betrieb einer Treiberschaltung zum Zeitpunkt des Einschaltvorgangs des Leistungshalbleiterelements zeigt;
3A ist ein Diagramm zur Veranschaulichung eines Bestimmungsvorgangs in einer Bestimmungs-Einheit;
3B ist ein Diagramm zur Veranschaulichung des Bestimmungsvorgangs in der Bestimmungs-Einheit;
4 ist ein Schaltbild zur Veranschaulichung des Aufbaus einer Treiberschaltung für ein Leistungshalbleiterelement gemäß einer zweiten Ausführungsform;
5 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung der Abhängigkeit der Gate-Source-Kapazität des Leistungshalbleiterelementes von der Gatespannung;
6 ist ein Schaltbild, das die Konfiguration einer Treibereinrichtung für ein Leistungshalbleiterelement gemäß einer vierten Ausführungsform zeigt, und
7 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung einer Bestimmungsoperation in einer Bestimmungs-Einheit.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen ausführlich beschrieben. In der folgenden Beschreibung werden die gleichen oder einander entsprechende Bauteile in den begleitenden Zeichnungen mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei die Beschreibung nicht grundsätzlich wiederholt wird.
Ausführungsform 1
1 ist ein Schaltbild, das den Aufbau eines Leistungshalbleiterelementes und einer Treibereinrichtung dafür nach der ersten Ausführungsform zeigt. In 1 ist eine Treibereinrichtung dargestellt, die zwei parallel geschaltete Leistungshalbleiterelemente 100 und 200 treibt. Die Anzahl der parallel geschalteten Leistungshalbleiterelemente kann mehr als eins sein und drei oder mehr betragen. Außerdem kann das Leistungshalbleiterelement eine diskrete Form oder eine modulare Form haben.
Da die Leistungshalbleiterelemente 100 und 200 den gleichen Aufbau haben, werden diese Leistungshalbleiterelemente 100 und 200 im Idealfall als Reaktion auf eine Befehlseingabe von außen zum gleichen Zeitpunkt in leitenden Zustand gebracht oder gesperrt. Da die Leistungshalbleiterelemente 100 und 200 zum gleichen Zeitpunkt in leitenden Zustand gebracht werden, kann der durch einen Stromrichter fließende Strom zu gleichen Teilen zwischen den Leistungshalbleiterelementen 100 und 200 aufgeteilt werden.
Die Leistungshalbleiterelemente 100 und 200 können jedoch aufgrund von Herstellungsvarianten und ähnlichem zu unterschiedlichen Zeiten in leitenden Zustand gebracht und zu unterschiedlichen Zeiten gesperrt werden. Wenn die Leistungshalbleiterelemente 100 und 200 zu unterschiedlichen Zeitpunkten in leitenden Zustand gebracht werden, wird nur eines der Leistungshalbleiterelemente 100 und 200 in leitenden Zustand gebracht, wodurch ein Überstrom-Zustand entsteht, in dem ein Strom konzentriert durch dieses eine Leistungshalbleiterelement fließt. Dies führt dazu, dass dieses eine Leistungshalbleiterelement in der Folge thermisch zerstört wird.
Die Treibereinrichtung 1 nach der vorliegenden ersten Ausführungsform hat die Funktion, einen Überstrom-Zustand in einem der parallel geschalteten Leistungshalbleiterelemente 100 und 200 zu erkennen, um so die Leistungshalbleiterelemente 100 und 200 vor einem Überstrom-Zustand zu schützen.
1 zeigt MOSFETs als Leistungshalbleiterelemente 100 und 200, von denen jedes jedoch nicht notwendigerweise auf einen MOSFET beschränkt ist, sondern ein selbstsperrendes Halbleiterelement wie z.B. ein IGBT sein kann. Die Leistungshalbleiterelemente 100 und 200 sind jeweils in einem Leistungswandler enthalten, wie z.B. einem Wechselrichter, der Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) umwandelt, und einem Gleichrichter, der Wechselstrom (AC) in Gleichstrom (DC) umwandelt.
Darüber hinaus ist der Werkstoff, aus dem die Leistungshalbleiterelemente 100 und 200 bestehen, nicht auf Silizium beschränkt, sondern kann ein Breitband-Halbleiter sein (z.B. Siliziumkarbid, Galliumnitrid, Galliumoxid, Diamant o.ä.).
Das Leistungshalbleiterelement 100 hat einen Drain-Anschluss 100d, einen Source-Anschluss 100s und einen Gate-Anschluss 100g. Das Leistungshalbleiterelement 200 hat einen Drain-Anschluss 200d, einen Source-Anschluss 200s und einen Gate-Anschluss 200g.
Die Drain-Anschlüsse 100d und 200d entsprechen jeweils einem Beispiel für den „ersten Anschluss“. Die Source-Anschlüsse 100s und 200s entsprechen jeweils einem Beispiel des „zweiten Anschlusses“. Die an den Drain-Anschlüssen 100d und 200d angelegten Spannungen sind höher als die entsprechenden Spannungen an den Source-Anschlüssen 100s und 200s.
Der Gate-Anschluss 100g ist an eine Treiberschaltung 110 angeschlossen und erhält von der Treiberschaltung 110 einen Steuerbefehl (einen Gatebefehl). Der Gate-Anschluss 200g ist mit einer Treiberschaltung 210 verbunden und erhält einen Steuerbefehl (einen Gatebefehl) von der Treiberschaltung 210.
Nach 1 dient die Treibereinrichtung 1 zum Treiben der parallel geschalteten Leistungshalbleiterelemente 100 und 200 und beinhaltet die Treiberschaltungen 110, 210 und eine Bestimmungs-Einheit 1000. Die Treibereinrichtung 1 hat die Aufgabe, einen Überstrom-Zustand in einem der Leistungshalbleiterelemente 100 und 200 zu erkennen, wie im Folgenden beschrieben wird.
Die Treiberschaltung 110 dient zum Treiben des Leistungshalbleiterelementes 100 und beinhaltet eine Gatestrom-Detektiereinheit 111, eine Steuerbefehls-Einheit 112, einen Differenzierer 113, einen ersten Komparator 114, einen Integrator 115, einen zweiten Komparator 116 und eine Logik-Einheit 117.
Bei Empfang eines von außen eingegebenen EIN-Befehls gibt die Steuerbefehls-Einheit 112 an den Gate-Anschluss 100g des Leistungshalbleiterelements 100 einen Gatebefehl (einen Einschaltbefehl) aus, um das Leistungshalbleiterelement 100 in einen leitenden Zustand (einen EIN-Zustand) zu bringen (im Folgenden als „Einschalten“ bezeichnet). Dadurch wird das Leistungshalbleiterelement 100 eingeschaltet und in einen leitenden Zustand gebracht.
Bei Empfang eines von außen eingegebenen AUS-Befehls gibt die Steuerbefehls-Einheit 112 an den Gate-Anschluss 100g des Leistungshalbleiterelements 100 einen Gate-Befehl (einen Ausschaltbefehl) aus, um das Leistungshalbleiterelement 100 in einen gesperrten Zustand (einen AUS-Zustand) zu bringen (im Folgenden als „Ausschalten“ bezeichnet). Dadurch wird das Leistungshalbleiterelement 100 ausgeschaltet und in einen gesperrten Zustand gebracht.
Die Gatestrom-Detektiereinheit 111 detektiert einen Gatestrom ig, der nach Empfang des Einschaltbefehls von der Steuerbefehls-Einheit 112 in den Gate-Anschluss 100g des Leistungshalbleiterelements 100g fließt. Als Gatestrom-Detektiereinheit 111 kann ein handelsüblicher Strommesser verwendet werden. Die Gatestrom-Detektiereinheit 111 gibt ein Signal aus, das eine Spannung E entsprechend dem erkannten Gatestrom ig anzeigt. Die Gatestrom-Detektiereinheit 111 entspricht einem Beispiel für den „Stromdetektor“.
Ein Differenzierer 113 führt eine Differenzierung der Spannung E nach der Zeit entsprechend dem von der Gatestrom-Detektiereinheit 111 ermittelten Gatestrom ig durch und gibt einen Differenzialwert D aus. Der Differenzialwert D wird durch D = dE/dt unter Verwendung der Spannung E dargestellt. Somit zeigt der Differenzialwert D im Wesentlichen die Steigung der zeitlichen Änderung des Gatestroms ig.
Der erste Komparator 114 vergleicht den vom Differenzierer 113 erhaltenen Differenzialwert D mit einem ersten Referenzwert REF1 und gibt ein Signal S11 aus, das ein Vergleichsergebnis anzeigt. Der erste Referenzwert REF1 wird auf Null gesetzt. Wenn der Differenzialwert D größer ist als der erste Referenzwert REF1 (d.h. wenn D > 0), verschiebt sich das Signal S11 zu einem „H (logisch hoch)“-Pegel. Wenn andererseits der Differenzialwert D gleich oder kleiner als der erste Referenzwert REF1 ist (d.h. wenn D≤ 0), wechselt das Signal S11 zu einem „L (logisch niedrig)“-Pegel.
Der Integrator 115 führt die Integration der Spannung E über die Zeit durch, die dem von der Gatestrom-Detektiereinheit 111 erkannten Gatestrom ig entspricht, und gibt einen Integralwert I aus. Der Integralwert I wird durch I = ∫Edt unter Verwendung der Spannung E dargestellt.
In diesem Fall wird die Beziehung der folgenden Gleichung (1) zwischen dem in den Gate-Anschluss 100g des Leistungshalbleiterelementes 100 einfließenden Gatestrom ig und einer zwischen dem Gate-Anschluss 100g und Source-Anschluss 100s anliegenden Gatespannung Vgs hergestellt: $Vgs = 1 / Cgs \cdot \int ig (t) dt$
Außerdem zeigt Cgs eine parasitäre Kapazitätskomponente (d.h. eine Gate-Source-Kapazität), die zwischen dem Gate-Anschluss 100g und dem Source-Anschluss 100s im Leistungshalbleiterelement 100 auftritt.
Der Integralwert I ist proportional zu einem Integralwert Jig(t)dt, der durch Integration des Gatestroms ig über die Zeit erhalten wird. Basierend auf der Gleichung (1) ist der Integralwert I also proportional zur Gatespannung Vgs.
Der zweite Komparator 116 vergleicht den von Integrator 115 erhaltenen Integralwert I mit einem zweiten Referenzwert REF2 und gibt ein Signal S12 aus, das das Vergleichsergebnis anzeigt. Der zweite Referenzwert REF2 ist grösser als Null und wird z.B. grösser als Null und kleiner als die Miller-Spannung des Leistungshalbleiterelements 100 gesetzt. Wenn der Integralwert I größer als der zweite Referenzwert REF2 ist (d.h. wenn I> REF2), verschiebt sich das Signal S12 zu einem „H“-Pegel. Ist dagegen der Integralwert I gleich oder kleiner als der zweite Referenzwert REF2 (d.h. wenn I ≤ REF2), wechselt das Signal S12 zum „L“-Pegel.
Die Logik-Einheit 117 berechnet das logische Produkt aus: dem Signal S11, das vom ersten Komparator 114 ausgegeben wird, und dem Signal S12, das vom zweiten Komparator 116 ausgegeben wird. Die Logik-Einheit 117 gibt ein Signal SS100 aus, das das logisches Produkt zeigt. Das Signal SS100 wechselt zu einem „H“, wenn die Signale S11 und S12 jeweils auf einem „H“-Pegel liegen. Außerdem wechselt das Signal SS100 zum „L“-Pegel, wenn mindestens eines der Signale S11 und S12 auf einem „L“-Pegel liegt.
Mit anderen Worten, wenn der Differenzialwert D > 0, und wenn Integralwert I > REF2, verschiebt sich das Signal SS100 zu einem „H“-Pegel. Wenn dagegen der Differenzialwert D ≤ 0 oder der Integralwert I ≤ REF2 ist, wechselt das Signal SS100 zu einem „L“-Pegel. Die Logik-Einheit 117 gibt das Signal SS100 an die Bestimmungs-Einheit 1000 aus.
Die Treiberschaltung 210 dient zum Treiben/Ansteuern des Leistungshalbleiterelementes 200 und beinhaltet eine Gatestrom-Detektiereinheit 211, eine Steuerbefehls-Einheit 212, einen Differenzierer 213, einen ersten Komparator 214, einen Integrator 215, einen zweiten Komparator 216 und eine Logik-Einheit 217. Die Grundkonfiguration der Treiberschaltung 210 ist die gleiche wie die der Treiberschaltung 110.
Konkret gibt die Steuerbefehls-Einheit 212 bei Empfang eines von außen eingegebenen EIN-Befehls einen Einschaltbefehl für das Leistungshalbleiterelement 200 an den Gate-Anschluss 200g des Leistungshalbleiterelements 200 aus. Bei Empfang eines AUS-Befehls von außen gibt die Steuerbefehls-Einheit 212 einen Ausschaltbefehl für das Leistungshalbleiterelement 200 an den Gate-Anschluss 200g des Leistungshalbleiterelements 200 aus.
Die Gatestrom-Detektiereinheit 211 detektiert den Gatestrom ig, der nach Empfang des Einschaltbefehls von der Steuerbefehls-Einheit 212 in das Leistungshalbleiterelement 200 vom Gate-Anschluss 200g fließt. Die Gatestrom-Detektiereinheit 211 gibt ein Signal aus, das die Spannung E entsprechend dem erkannten Gatestrom ig anzeigt.
Der Differenzierer 213 führt eine Differenzierung der Spannung E nach der Zeit entsprechend dem von der Gatestrom-Detektiereinheit 211 ermittelten Gatestrom ig durch und gibt den Differenzialwert D aus. Der erste Komparator 214 vergleicht den vom Differenzierer 213 erhaltenen Differenzialwert D mit dem ersten Referenzwert REF1 (= 0) und gibt ein Signal S21 aus, das das Vergleichsergebnis anzeigt.
Der Integrator 215 führt eine Integration der Spannung E über die Zeit durch, die dem von der Gatestrom-Detektiereinheit 211 erkannten Gatestrom ig entspricht, und gibt den Integralwert I aus. Der zweite Komparator 216 vergleicht den vom Integrator 215 erhaltenen Integralwert I mit dem zweiten Referenzwert REF2 und gibt ein Signal S22 aus, das das Vergleichsergebnis anzeigt.
Die Logik-Einheit 217 berechnet das logische Produkt aus dem Signal S21, das vom ersten Komparator 214 ausgegeben wird, und dem Signal S22, das vom zweiten Komparator 216 ausgegeben wird, und gibt ein Signal SS200 aus, welches das logische Produkt anzeigt. Wenn die Signale S21 und S22 jeweils auf einem „H“-Pegel liegen, d.h. wenn der Differenzialwert D > 0 und wenn Integralwert I > REF2, ändert sich das Signal SS200 auf „H“. Wenn mindestens eines der Signale S21 und S22 auf einem „L“-Pegel liegt, d.h. wenn der Differenzialwert D ≤ 0 oder wenn der Integralwert I ≤ REF2 ist, wechselt das Signal SS200 auf einen „L“-Pegel. Die Logik-Einheit 217 gibt das Signal SS200 an die Bestimmungs-Einheit 1000 aus.
Basierend auf dem Signal SS100, das von der Logik-Einheit 117 der Treiberschaltung 110 ausgegeben wird, und dem Signal SS200, das von der Logik-Einheit 217 der Treiberschaltung 210 ausgegeben wird, bestimmt die Bestimmungs-Einheit 1000, ob ein Überstrom-Zustand in einem der Leistungshalbleiterelemente 100 und/oder 200 auftritt oder nicht. Die Bestimmungs-Einheit 1000 gibt ein Signal S1000 mit einem Bestimmungsergebnis an die Steuerbefehls-Einheiten 112 und 212 aus. Die Funktionsweise der Bestimmungs-Einheit 1000 wird später beschrieben.
Nachfolgend wird die Funktionsweise der Treibereinrichtung 1 für ein Leistungshalbleiterelement nach der ersten Ausführungsform beschrieben.
Zunächst wird die Wirkungsweise der Treiberschaltung 110 für ein Leistungshalbleiterelement 100 anhand von 2 beschrieben. Die Funktionsweise der Treiberschaltung 210 für das Leistungshalbleiterelement 200 entspricht der in 2 dargestellten Funktionsweise der Treiberschaltung 110 für das Leistungshalbleiterelement 100.
2 ist ein Wellenformdiagramm, das den Betrieb der Treiberschaltung 110 zum Zeitpunkt des Einschaltvorgangs des Leistungshalbleiterelements 100 zeigt. 2 zeigt die Wellenformen von: Gatestrom ig im Leistungshalbleiterelement 100, Differenzialwert D nach dem Differenzierer 113; Ausgangssignal S11 vom ersten Komparator 114; Integralwert I nach dem Integrator 115; Ausgangssignal S12 vom zweiten Komparator 116; und Ausgangssignal SS100 der Logik-Einheit 117, in dieser Reihenfolge von oben. Die Richtung des Gatestroms ig, der in den Gate-Anschluss 100g fließt, ist als Vorwärtsrichtung definiert.
Wie in 2 dargestellt, steigt der Gatestrom ig allmählich an, wenn zum Zeitpunkt t0 ein Einschaltbefehl in den Gate-Anschluss 100g des Leistungshalbleiterelements 100g eingegeben wird. Der Gatestrom ig beginnt zum Zeitpunkt t1 nach dem Zeitpunkt t0 abzunehmen. Dann, zum Zeitpunkt t3, steigt der Gatestrom ig wieder an. Zum Zeitpunkt t4 beginnt der Gatestrom ig wieder abzunehmen und sinkt danach allmählich auf Null. Mit anderen Worten, die Zeitwellenform des Gatestroms ig beinhaltet Maximum-Punkte zum Zeitpunkt t1 und zum Zeitpunkt t4 und einen Minimum-Punkt zum Zeitpunkt t3, der zwischen diesen beiden Maximum-Punkten liegt.
Im Folgenden wird die in 2 gezeigte Wellenform des Gatestroms ig über die Zeit mit dem Verhalten des Leistungshalbleiterelements 100 zum Zeitpunkt des Einschaltvorgangs verglichen.
In einem MOSFET, der das Leistungshalbleiterelement 100 bildet, beinhaltet die in Bezug auf den Gate-Anschluss 100g vorliegende Kapazität: eine parasitäre Kapazitätskomponente, die zwischen Gate-Anschluss 100g und Source-Anschluss 100s erzeugt wird (im Folgenden als „Gate-Source-Kapazität Cgs“ bezeichnet); und eine parasitäre Kapazitätskomponente, die zwischen Gate-Anschluss 100g und Drain-Anschluss 100d erzeugt wird (im Folgenden als „Gate-Drain-Kapazität Cgd“ bezeichnet). Die Gate-Drain-Kapazität Cgd entspricht einer Rückkopplungskapazität im MOSFET. Die Gate-Drain-Kapazität Cgd und die Gate-Source-Kapazität Cgs sind in Bezug auf den Gate-Anschluss 100g parallel geschaltet.
Wenn zum Zeitpunkt t0 ein Einschaltbefehl in den Gate-Anschluss 100g eingegeben wird, wird die Gate-Source-Kapazität Cgs zunächst mit dem Gatestrom ig aufgeladen. Durch die Aufladung der Gate-Source-Kapazität Cgs steigt die Gatespannung Vgs allmählich an. Wenn die Gatespannung Vgs eine Schwellenspannung überschreitet, wird das Leistungshalbleiterelement 100 eingeschaltet. Der erste Maximum-Punkt des Gatestroms ig (zum Zeitpunkt t1) zeigt den Zustand an, in dem die Gate-Source-Kapazität Cgs geladen wird.
Wenn das Leistungshalbleiterelement 100 eingeschaltet wird, beginnt ein Strom zwischen dem Drain-Anschluss 100d und dem Source-Anschluss 100s zu fließen, und die Spannung am Drain-Anschluss 100d beginnt abzunehmen. Der größte Teil des Gatestroms ig fließt durch die Gate-Drain-Kapazität Cgd, aber es fließt kein Strom durch die Gate-Source-Kapazität Cgs. Die Gatespannung Vgs steigt also nicht an, sondern wird konstant gehalten. Diese Zeitspanne, während derer die Gatespannung Vgs konstant bleibt, wird als „Miller-Periode“ bezeichnet. Dieser konstante Spannungswert wird auch als „Miller-Spannung“ bezeichnet. Der Minimum-Punkt des Gatestroms ig (zum Zeitpunkt t3) zeigt den Zustand, in dem Gatestrom ig durch die Gate-Drain-Kapazität Cgd fließt. Mit anderen Worten, der Minimum-Punkt des Gatestroms ig zeigt die Miller-Periode des Leistungshalbleiterelements 100.
Wie oben beschrieben, werden zu dem Zeitpunkt, zu dem dieser Gatestrom ig einen Mindestwert erreicht, der Drain-Anschluss 100d und der Source-Anschluss 100s des Leistungshalbleiterelements 100 in leitenden Zustand gebracht, und ein Strom beginnt durch sie hindurch zu fließen. Wie unten beschrieben, ist die Treiberschaltung 110 gemäß der vorliegenden Ausführungsform so konfiguriert, dass sie diesen Zeitpunkt, zu dem dieser Gatestrom ig einen Mindestwert erreicht, erkennt und dadurch die Miller-Periode des Leistungshalbleiterelements 100 erfasst. Die Treiberschaltung 1110 erkennt die Miller-Periode des Leistungshalbleiterelements 100 und kann dadurch den Zeitpunkt erkennen, zu dem das Leistungshalbleiterelement 100 in den leitenden Zustand gebracht wird.
Zum und nach dem Zeitpunkt t3 wird die Gate-Source-Kapazität Cgs wieder mit dem Gatestrom ig geladen. Dadurch steigt die Gatespannung Vgs auf die Gate-Stromversorgungsspannung an. Dann nimmt der Gatestrom ig allmählich ab und konvergiert schließlich auf Null.
In 2 zeigt der Differenzialwert D die Steigung der zeitlichen Veränderung des Gatestroms ig. Der Differenzialwert D zeigt einen positiven Wert, während der Gatestrom ig ansteigt. Der Differenzialwert D zeigt einen negativen Wert, während der Gatestrom ig abnimmt. Im Beispiel in 2 zeigt der Differenzialwert D einen positiven Wert zum und nach dem Zeitpunkt t0. Dann, zum Zeitpunkt t1, ändert sich der Differenzialwert D in einen negativen Wert. Dieser Zeitpunkt t1 entspricht dem ersten Maximal-Punkt des Gatestroms ig.
Zum folgenden Zeitpunkt t3 wechselt der Differenzialwert D wieder von einem negativen Wert zu einem positiven Wert. Dieser Zeitpunkt t3 entspricht einem Minimum-Punkt des Gatestroms ig. Der Differenzialwert D wechselt zum Zeitpunkt t4 wieder zu einem negativen Wert und konvergiert danach allmählich gegen Null. Der Zeitpunkt t4 entspricht dem zweiten Maximum-Punkt des Gatestroms ig.
Auf diese Weise zeigt der Differenzialwert D am Maximum-Punkt und am Minimum-Punkt des Gatestroms ig einen Wert von Null an. Das Ausgangssignal S11 des ersten Komparators 114 verschiebt sich auf den H-Pegel, wenn der Differenzialwert D > 0 (= REF1) ist, und zu einem L-Pegel, wenn Differenzialwert D ≤ 0 ist. Somit verschiebt sich das Signal S11 vom H-Pegel zum L-Pegel zum Zeitpunkt t1 und zum Zeitpunkt t4, zu dem der Differenzialwert D einen Maximum-Punkt erreicht. Außerdem verschiebt sich das Signal S11 vom L-Pegel auf den H-Pegel zum Zeitpunkt t3, zu dem der Differenzialwert D einen Minimum-Punkt erreicht.
Da der Integralwert I dagegen durch Integration der Wellenform des Gatestroms ig über die Zeit erhalten wird, steigt dieser Integralwert I als ansteigende Funktion, beginnend mit der Zeit t0 als Ursprungspunkt. Die Anstiegsrate des Integralwerts I (entspricht der Steigung der Wellenform des Integralwerts I) wird allmählich bei und nach dem Zeitpunkt des ersten Maximums (zum Zeitpunkt t1). Am und um den Zeitpunkt des Minimum-Punktes (zum Zeitpunkt t3) wird der Integralwert I konstant gehalten.
Wie oben beschrieben, ist der Integralwert I proportional zur Gatespannung Vgs. Daher spiegelt sich die Miller-Periode, während derer die Gatespannung Vgs konstant ist, in der Wellenform des Integralwerts I wider. Die Länge der Miller-Periode hängt von der Gate-Drain-Kapazität Cgd ab. Je kleiner die Gate-Drain-Kapazität Cgd wird, desto kürzer wird die Miller-Periode. Je größer die Gate-Drain-Kapazität Cgd wird, desto länger wird die Miller-Periode. Nach dem Ende dieser Miller-Periode steigt die Steigungsrate des Integralwerts I wieder an. Dann, nach Durchlaufen des Zeitpunkts des zweiten Maximums (zum Zeitpunkt t4), konvergiert die Anstiegsrate vom Integralwert I zu einem konstanten Wert.
Da der Integralwert I eine ansteigende Funktion ist, verschiebt sich das Ausgangssignal S12 des zweiten Komparators 116 vom L-Pegel zum H-Pegel zu dem Zeitpunkt, an dem der Integralwert I den zweiten Referenzwert REF2 überschreitet (zum Zeitpunkt t2).
Vorzugsweise ist der zweite Referenzwert REF2 größer als Null und kleiner als die Miller-Spannung eingestellt, wie in 2 dargestellt. Noch bevorzugter ist es, wenn der zweite Referenzwert REF2 gleich oder größer als eine Schwellenspannung des Leistungshalbleiterelements 100 und kleiner als die Miller-Spannung eingestellt ist. Dadurch kann das Signal S12 auf den H-Pegel zu dem Zeitpunkt (Zeit t2) verschoben werden, der zwischen dem Zeitpunkt (Zeit t1), zu dem der Gatestrom ig den ersten Maximum-Punkt erreicht, und dem Zeitpunkt (Zeit t3), zu dem der Gatestrom ig den Minimum-Punkt erreicht, liegt, wie in 2 dargestellt.
Das Ausgangssignal SS100 der Logik-Einheit 117 zeigt das logische Produkt aus dem Ausgangssignal S11 des ersten Komparators 114 und dem Ausgangssignal S12 des zweiten Komparators 116. Das Ausgangssignal SS100 liegt auf H-Pegel, wenn sich die Signale S11 und S12 jeweils zum H-Pegel verschieben. Dementsprechend liegt, wie in 2 dargestellt, das Signal SS100 in einem Zeitraum von dem Zeitpunkt (Zeitpunkt t3), zu dem der Gatestrom ig den Minimum-Punkt erreicht, bis zu dem Zeitpunkt (Zeitpunkt t4), zu dem der Gatestrom ig den zweiten Maximum-Punkt erreicht, auf H-Pegel.
Auf diese Weise verschiebt sich das Signal SS100 vom L-Pegel zum H-Pegel zu dem Zeitpunkt, zu dem der Gatestrom ig minimal wird, d.h. zu dem Zeitpunkt, zu dem der Drain-Anschluss 100d und der Source-Anschluss 100s des Leistungshalbleiterelements 100 jeweils in einen leitenden Zustand gebracht werden, um einen Stromfluss zu bewirken. Durch Erkennung des Zeitpunkts, zu dem das Ausgangssignal SS100 der Logik-Einheit 117 zum H-Pegel wechselt, kann also der Zeitpunkt erkannt werden, zu dem das Leistungshalbleiterelement 100 in einen leitenden Zustand gebracht wird. Das Signal SS100 entspricht einem Beispiel für das „Erkennungssignal“.
Gemäß 1 wird das Ausgangssignal SS100 der Logik-Einheit 117 in der Treiberschaltung 110 und das Ausgangssignal SS200 der Logik-Einheit 217 in der Treiberschaltung 200 in die Bestimmungs-Einheit 1000 eingespeist. Wie unter Bezugnahme auf 2 beschrieben, verschiebt sich das Signal SS100 zu dem Zeitpunkt, zu dem das Leistungshalbleiterelement 100 in den leitenden Zustand gebracht wird, auf den H-Pegel. In ähnlicher Weise verschiebt sich das Signal SS200 auf den H-Pegel zu dem Zeitpunkt, zu dem das Leistungshalbleiterelement 200 in den leitenden Zustand gebracht wird.
Die Bestimmungs-Einheit 1000 vergleicht das Signal SS100 mit dem Signal SS200, um dadurch festzustellen, ob in einem der Leistungshalbleiterelemente 100 und 200 ein Überstrom-Zustand auftritt oder nicht. Insbesondere bestimmt die Bestimmungs-Einheit 1000 auf der Grundlage der Zeitdifferenz zwischen dem Zeitpunkt, zu dem das Signal SS100 vom L-Pegel zum H-Pegel wechselt, und dem Zeitpunkt, zu dem das Signal SS200 vom L-Pegel zum H-Pegel wechselt, ob ein Überstrom-Zustand in einem der Leistungshalbleiterelemente 100 und 200 auftritt oder nicht.
Die 3A und 3B sind jeweils ein Diagramm zur Veranschaulichung des Bestimmungsvorgangs in der Bestimmungs-Einheit 1000. Die 3A und 3B zeigen jeweils den Fall, dass das Signal SS100 zum ersten Mal seit dem Zeitpunkt t0 auf den H-Pegel wechselt, bei dem ein Einschaltbefehl in den Gate-Anschluss jedes der Leistungshalbleiterelemente 100 und 200 eingegeben wird.
Bezugnehmend auf 3A speichert die Bestimmungs-Einheit 1000 die Zeit t11, bei der das Signal SS100 auf den H-Pegel wechselt. Dann wartet die Bestimmungs-Einheit 1000 darauf, dass das Signal SS200 vom L-Pegel auf den H-Pegel von dem darin gespeicherten Zeitpunkt t11 zu dem Zeitpunkt tx wechselt, zu dem eine Schwellenzeit ΔTth verstreicht. Wenn das Signal SS200 um die Zeit tx auf den H-Pegel wechselt, stellt die Bestimmungs-Einheit 1000 fest, dass ein Überstrom-Zustand in den beiden Leistungshalbleiterelementen 100 und 200 nicht auftritt. Die Bestimmungs-Einheit 1000 gibt das Signal S1000 mit „L“-Pegel aus, das anzeigt, dass die Leistungshalbleiterelemente 100 und 200 normal arbeiten.
Das Ausgangssignal S1000 der Bestimmungs-Einheit 1000 wird in die Steuerbefehls-Einheit 112 der Treiberschaltung 110 und die Steuerbefehls-Einheit 212 der Treiberschaltung 210 eingegeben. Beim Empfang des Signals S1000 mit „L“-Pegel der Bestimmungs-Einheit 1000 hält jede der Steuerbefehls-Einheiten 112 und 212 jeweils ein entsprechendes Leistungshalbleiterelement im EIN-Zustand. Dann gibt jede der Steuerbefehls-Einheiten 112 und 212 bei Empfang eines AUS-Befehls von außen einen Ausschaltbefehl an den Gate-Anschluss des entsprechenden Leistungshalbleiterelements aus.
Im Gegensatz dazu bestimmt ,wie in 3B gezeigt, die Bestimmungs-Einheit 1000, dass ein Überstrom-Zustand im Leistungshalbleiterelement 100 auftritt, wenn das Signal SS200 zum Zeitpunkt tx, bei dem der Schwellwertzeitpunkt ΔTth seit dem gespeicherten Zeitpunkt t11 verstrichen ist, noch nicht auf den H-Pegel wechselt. Dann gibt die Bestimmungs-Einheit 1000 das Signal S1000 mit „H“-Pegel aus, das anzeigt, dass ein Überstrom-Zustand im Leistungshalbleiterelement 100 auftritt.
Beim Empfang des Signals S1000 mit „H“-Pegel der Bestimmungs-Einheit 1000 gibt jede der Steuerbefehls-Einheiten 112 und 212 einen Abschaltbefehl an den Gate-Anschluss des entsprechenden Leistungshalbleiterelements zur Unterbrechung dieses entsprechenden Leistungshalbleiterelements aus. Dadurch werden die Leistungshalbleiterelemente 100 und 200 jeweils in den AUS-Zustand gebracht.
Auch für den Fall, dass das Signal SS200 zum ersten Mal seit dem Zeitpunkt, zu dem ein Einschaltbefehl in den Gate-Anschluss jedes der Leistungshalbleiterelemente 100 und 200 eingegeben wurde, auf den H-Pegel wechselt, kann mit derselben Methode bestimmt werden, ob ein Überstrom-Zustand in jedem der Leistungshalbleiterelemente 100 und 200 auftritt oder nicht, basierend auf der Zeitdifferenz zwischen dem Zeitpunkt, zu dem das Signal SS200 auf den H-Pegel wechselt, und dem Zeitpunkt, zu dem das Signal SS100 auf den H-Pegel wechselt.
Wie oben beschrieben, erkennt bei der Treibereinrichtung 1 in der ersten Ausführungsform jede der Treiberschaltungen, die die jeweils parallel geschalteten Leistungshalbleiterelemente treiben, die Miller-Periode des entsprechenden Leistungshalbleiterelementes auf der Basis des Gatestroms ig dieses entsprechenden Leistungshalbleiterelementes und kann dadurch den Zeitpunkt erkennen, zu dem dieses entsprechende Leistungshalbleiterelement in den leitenden Zustand gebracht wird. Dann kann durch Vergleich der Zeitpunkte, zu denen die von ihren jeweiligen Treiberschaltungen erkannten Leistungshalbleiterelemente in den leitenden Zustand gebracht werden, ein Überstrom-Zustand in einem der Leistungshalbleiterelemente erkannt werden. Auf diese Weise kann in einer einfachen Konfiguration ein Überstrom-Zustand in jedem der parallel geschalteten Leistungshalbleiterelemente erkannt werden.
Ausführungsform 2
Die zweite Ausführungsform wird im Hinblick auf ein weiteres Konfigurationsbeispiel der Treiberschaltungen 110 und 210 nach der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. 4 zeigt nur eine Treiberschaltung 110A im Leistungshalbleiterelement 100, aber die zweite Ausführungsform ist auch auf die Treiberschaltung 210 im Leistungshalbleiterelement 200 anwendbar.
Nach 4 dient die Treiberschaltung 110A zum Treiben des Leistungshalbleiterelementes 100 und beinhaltet eine Gatestrom-Detektiereinheit 311, eine Steuerbefehls-Einheit 112, einen Differenzierer 113, einen ersten Komparator 114, einen Integrator 115, einen zweiten Komparator 116 und eine Logik-Einheit 117. Die Treiberschaltung 110A unterscheidet sich von der in 1 dargestellten Treiberschaltung 110 dadurch, dass sie die Gatestrom-Detektiereinheit 311 anstelle der Gatestrom-Detektiereinheit 111 enthält. Da die Konfiguration der anderen Teile in der Treiberschaltung 110A dieselbe ist wie in der Treiberschaltung 110 in 1, wird deren detaillierte Beschreibung nicht wiederholt.
Die Gatestrom-Detektiereinheit 311 beinhaltet ein Widerstandselement 3111, einen Spannungsdetektor 3112 und eine Betriebseinheit 3113. Die Gatestrom-Detektiereinheit 311 entspricht einem Beispiel für den „Stromdetektor“.
Das Widerstandselement 3111 ist elektrisch zwischen dem Ausgangsanschluss der Steuerbefehls-Einheit 112 und dem Gate-Anschluss 100g des Leistungshalbleiterelementes 100 angeschlossen. Wenn der Gatestrom ig als Reaktion auf einen Einschaltbefehl der Steuerbefehls-Einheit 112 in den Gate-Anschluss 100g fließt, wird zwischen den Anschlüssen des Widerstandselements 3111 eine Spannung mit einer Größe erzeugt, die sich durch Multiplikation des Widerstandswertes R des Widerstandselements 3111 mit dem Gatestrom ig ergibt.
Der Spannungsdetektor 3112 detektiert die Spannung E1 zwischen den Anschlüssen des Widerstandselements 3111. Als Spannungsdetektor 3112 kann ein handelsüblicher Spannungsmesser verwendet werden. Der Spannungsdetektor 3112 gibt ein Signal E1 aus, das die erfasste Spannung anzeigt.
Die Betriebseinheit 3113 teilt den Detektionswert E1 des Spannungsdetektors 3112 durch den Widerstandswert R des Widerstandselements 3111, um so den Gatestrom ig zu berechnen. Die Betriebseinheit 3113 gibt ein Signal aus, das die Spannung E entsprechend dem detektierten Gatestrom ig anzeigt.
Wie in der ersten Ausführungsform beschrieben, vergleichen der Differenzierer 113 und der erste Komparator 114 den ersten Referenzwert REF1 (= 0) mit dem Differenzialwert D, der durch Differenzierung der Spannung E nach der Zeit entsprechend dem Gatestrom ig erhalten wird, und geben ein Signal S11 aus, das das Vergleichsergebnis anzeigt. Der Integrator 115 und der zweite Komparator 116 vergleichen den zweiten Referenzwert REF2 mit dem Integralwert I, der durch Integration der Spannung E über die Zeit erhalten wird, und geben ein Signal S12 aus, das das Vergleichsergebnis anzeigt. Die Logik-Einheit 117 gibt ein Signal SS1000 aus, das das logische Produkt aus dem Ausgangssignal S11 des ersten Komparators 114 und dem Ausgangssignal S12 des zweiten Komparators 116 darstellt. Das Signal SS1000 wechselt vom L-Pegel zum H-Pegel zu dem Zeitpunkt, zu dem das Leistungshalbleiterelement 100 in den leitenden Zustand gebracht wird.
So erkennt auch in der Treibereinrichtung 1 nach der zweiten Ausführungsform die Treiberschaltung 110A in jedem der parallel geschalteten Leistungshalbleiterelemente 100 und 200 die Miller-Periode des entsprechenden Leistungshalbleiterelementes auf der Basis von Differenzialwert D und Integralwert I des Gatestrom ig des entsprechenden Leistungshalbleiterelementes und kann dadurch den Zeitpunkt erkennen, zu dem das entsprechende Leistungshalbleiterelement in den leitenden Zustand gebracht wird. Dann kann auf der Grundlage der Zeitdifferenz zwischen den von den jeweiligen Treiberschaltungen ermittelten Zeitpunkten, zu denen die jeweiligen Leistungshalbleiterelemente in den leitenden Zustand gebracht werden, ein Überstrom-Zustand in jedem der Leistungshalbleiterelemente 100 und 200 ermittelt werden. Entsprechend kann in einer einfachen Konfiguration ein Überstrom-Zustand in jedem der Leistungshalbleiterelemente 100 und 200 nachgewiesen werden.
Ausführungsform 3
In den in 1 und 4 dargestellten Treiberschaltungen 110 und 110A kann der Integrator 115 die Gatespannung Vgs unter Verwendung der oben genannten Gleichung (1) und basierend auf dem Wert berechnen, der sich ergibt aus der Division des Integralwertes, der sich aus der Integration des Gatestrom ig über die Zeit ergibt, durch die Gate-Source-Kapazität Cgs.
Es ist bekannt, dass die Gate-Source-Kapazität Cgs von der Gatespannung Vgs abhängig ist. 5 zeigt ein Beispiel für die Abhängigkeit der Gate-Source-Kapazität Cgs des MOSFET von der Gatespannung Vgs. Bezogen auf 5 hat die Gate-Source-Kapazität Cgs die Eigenschaft, dass ihr Kapazitätswert mit zunehmender absoluter Gatespannung Vgs größer wird, vorausgesetzt, dass die Gatespannung Vgs einen Minimalwert bei und um 0 V hat. Wenn Cgs in der Gleichung (1) als fester Wert definiert ist, kann dementsprechend eine Lücke zwischen dem Betriebswert der Gatespannung Vgs und der tatsächlichen Gatespannung Vgs auftreten.
So kann durch die Verwendung von Cgs in der Gleichung (1) als Funktion der Gatespannung Vgs die Genauigkeit bei der Berechnung der Gatespannung Vgs verbessert werden. Da die Genauigkeit bei der Berechnung der Gatespannung Vgs erhöht wird, kann auch die Genauigkeit bei der Ermittlung der Miller-Periode des Leistungshalbleiterelements verbessert werden. Dementsprechend kann ein Überstrom-Zustand in jedem der Leistungshalbleiterelemente 100 und 200 genau erkannt werden.
Ausführungsform 4
Die obige erste Ausführungsform wurde anhand eines Konfigurationsbeispiels der Treibereinrichtung 1 beschrieben, die zwei parallel geschaltete Leistungshalbleiterelemente 100 und 200 treibt. Die Treibereinrichtung 1 nach der vorliegenden Erfindung ist jedoch auch auf eine Treibereinrichtung anwendbar, die N (N ist eine ganze Zahl gleich oder größer als 2) parallel geschaltete Leistungshalbleiterelemente treibt, wie in 6 dargestellt.
6 ist ein Schaltbild, das die Konfiguration einer Treibereinrichtung für ein Leistungshalbleiterelement gemäß der vierten Ausführungsform zeigt. Die Treibereinrichtung 1 nach der vierten Ausführungsform enthält gemäß 6 N Treiberschaltungen 110 bis N10, die jeweils N Leistungshalbleiterelemente 100 bis N00 treiben.
N Treiberschaltungen 110 bis N10 haben die gleiche Konfiguration und sind jeweils so konfiguriert, dass sie ein entsprechendes Signal SS100 bis SSN00 basierend auf den Differenzialwerten D und Integralwerten I des Gatestroms ig der entsprechenden der Leistungshalbleiterelemente ausgeben.
Bei Empfang der Signale SS100 bis SSN00 von den jeweiligen Treiberschaltungen 110 bis N10 vergleicht die Bestimmungs-Einheit 1000 die Signale SS100 bis SSN00 miteinander, um festzustellen, ob in einem der Leistungshalbleiterelemente 100 bis N00 ein Überstrom-Zustand auftritt oder nicht. Insbesondere vergleicht die Bestimmungs-Einheit 1000 die Zeitpunkte, zu denen die Signale SS100 bis SSN00 jeweils vom L-Pegel auf den H-Pegel wechseln.
7 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung des Bestimmungsvorgangs in der Bestimmungs-Einheit 1000. 7 zeigt den Fall, dass das Signal SS100 zum ersten Mal seit dem Zeitpunkt t0 auf den H-Pegel wechselt, bei dem ein Einschaltbefehl in den Gate-Anschluss jedes der Leistungshalbleiterelemente 100 bis N00 eingegeben wird.
Die Bestimmungs-Einheit 1000 speichert die Zeit t11, zu der das Signal SS100 auf den H-Pegel wechselt. Dann wartet die Bestimmungs-Einheit 1000 darauf, dass jedes der verbleibenden (N-1) Signale SS200 bis SSN00 in einer Zeitspanne von der gespeicherten Zeit t11 bis zum Zeitpunkt tx, bei dem die Schwellenzeit ΔTth verstreicht, auf den H-Pegel wechselt.
Wenn alle (N-1) Signale SS200 bis SSN00 jeweils um die Zeit tx auf einen H-Pegel wechseln, stellt die Bestimmungs-Einheit 1000 fest, dass in keinem der Leistungshalbleiterelemente 100 bis N00 ein Überstrom-Zustand auftritt, und gibt ein Signal S1000 mit „L“-Pegel aus, das anzeigt, dass die Leistungshalbleiterelemente 100 bis N00 normal arbeiten. Das Ausgangssignal S1000 der Bestimmungs-Einheit 1000 wird in die Steuerbefehls-Einheit in jeder der Treiberschaltungen 110 bis N00 eingegeben. Beim Empfang des Signals S1000 der Bestimmungs-Einheit 1000 mit „L“-Pegel hält jede Steuerbefehls-Einheit das entsprechende Leistungshalbleiterelement im EIN-Zustand. Dann gibt jede Steuerbefehls-Einheit bei Empfang eines Ausschaltbefehls von außen einen Ausschaltbefehl an den Gate-Anschluss des entsprechenden Leistungshalbleiterelements aus.
Im Gegensatz dazu, wie in 7 gezeigt, in dem Fall, in dem mindestens eines der (N-1)-Signale SS200 bis SSN00 zum Zeitpunkt tx, bei dem die Schwellwertzeit ΔTth seit dem gespeicherten Zeitpunkt t11 verstrichen ist, d.h. nicht auf den H-Pegel wechselt, wenn alle Signale SS100 bis SSN00 zum Zeitpunkt tx nicht auf den H-Pegel wechseln, bestimmt die Bestimmungs-Einheit 1000, dass in jedem der Leistungshalbleiterelemente 100 bis N00 ein Überstrom-Zustand auftritt, und gibt das Signal S1000 mit einem „H“-Pegel aus, das anzeigt, dass in jedem der Leistungshalbleiterelemente 100 bis N00 ein Überstrom-Zustand auftritt. Beim Empfang des Signals S1000 mit „H“-Pegel von der Bestimmungs-Einheit 1000 gibt jede Steuerbefehls-Einheit einen Abschaltbefehl an den Gate-Anschluss des entsprechenden Leistungshalbleiterelements aus, um dieses entsprechende Leistungshalbleiterelement abzuschalten. Dadurch werden die Leistungshalbleiterelemente 100 bis N00 jeweils in einen AUS-Zustand gebracht.
Mit einer Treibereinrichtung 1 in der vorliegenden vierten Ausführungsform kann der Zeitpunkt, zu dem N parallel geschaltete Leistungshalbleiterelemente in den leitenden Zustand gebracht werden, anhand des Gatestroms ig in einer einfachen Konfiguration ermittelt werden. Somit kann auch in dem Fall, dass die Anzahl der parallel geschalteten Leistungshalbleiterelemente mit zunehmendem Leistungsvermögen des Stromrichters erhöht wird, eine Vergrößerung und Verteuerung der Treibereinrichtung vehindert werden.
Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können im Rahmen der Erfindung beliebig kombiniert oder gegebenenfalls geändert oder weggelassen werden.
Es sollte verstanden werden, dass die hier beschriebenen Ausführungsformen in jeder Hinsicht illustrativ und nicht einschränkend sind.
Bezugszeichenliste

1: Treibereinrichtung
100,200: Leistungs-Halbleiterelement
100d, 200d: Drain-Anschluss
100s, 200s: Source-Anschluss
100g, 200g: Gate-Anschluss
110, 110A, 210A: Treiberschaltung
111, 311: Gatespannungs-Detektiereinheit
113, 213: Differenzierer
114, 214: erster Komparator
115, 215: Integrator
116, 216: zweiter Komparator
117,217: Logik-Einheit
1000: Bestimmungs-Einheit
112: Steuerbefehls-Einheit
3111: Widerstandselement
3112: Spannungsdetektor
3113: Betriebseinheit
REF1: erster Referenzwert
REF2: zweiter Referenzwert
D: Differenzialwert
I: Integralwert

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2017070051 A [0004, 0005]

Claims

Eine Treibereinrichtung, die eine Vielzahl parallel geschalteter Leistungshalbleiterelemente treibt, wobei jedes der Leistungshalbleiterelemente einen ersten Anschluss, einen zweiten Anschluss und einen Gate-Anschluss hat, die Treibereinrichtung bestehend aus: eine Vielzahl von Treiberschaltungen, von denen jede ein entsprechendes Leistungshalbleiterelement der Leistungshalbleiterelemente treibt; und eine Bestimmungs-Einheit, wobei Jede der Treiberschaltungen beinhaltet eine Steuerbefehls-Einheit zur Ausgabe eines Einschaltbefehls für das entsprechende Leistungshalbleiterelement, einen Stromdetektor zur Erkennung eines Gatestroms, der in den Gate-Anschluss des entsprechenden Leistungshalbleiterelements fließt, nachdem die Steuerbefehls-Einheit den Einschaltbefehl ausgegeben hat, einem Differenzierer zur Durchführung der Differenzierung des vom Stromdetektor erfassten Gatestroms nach der Zeit und einen Integrator zur Durchführung der Integration des vom Stromdetektor erfassten Gatestroms über die Zeit, und Basierend auf einem Differenzialwert durch den Differenzierer und einem Integralwert durch den Integrator in jeder der Geräteschaltungen bestimmt die Bestimmungs-Einheit, ob ein Überstrom-Zustand in einem der Leistungshalbleiterelemente auftritt oder nicht.
Die Treibereinrichtung für ein Leistungshalbleiterelement nach Anspruch 1, wobei die Bestimmungs-Einheit bestimmt, ob ein Überstrom-Zustand in einem der Leistungshalbleiterelemente auftritt oder nicht. auf der Grundlage des Differenzialwerts durch den Differenzierer und des Integralwerts durch den Integrator erkennt jede der Treiberschaltungen einen Zeitpunkt, zu dem das entsprechende Leistungshalbleiterelement zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss in leitenden Zustand gebracht wird, und gibt ein Erkennungssignal aus, und Auf der Grundlage des von jeder der Treiberschaltungen ausgegebenen Erkennungssignals bestimmt die Bestimmungs-Einheit, ob in einem der Leistungshalbleiterelemente ein Überstrom-Zustand auftritt oder nicht.
Die Treibereinrichtung für ein Leistungshalbleiterelement nach Anspruch 2, wobei die Bestimmungs-Einheit bestimmt, ob in einem der Leistungshalbleiterelemente ein Überstrom-Zustand auftritt oder nicht. Jede der Treiberschaltungen ermittelt eine Miller-Periode des entsprechenden Leistungshalbleiterelements auf der Grundlage des Differenzialwerts durch den Differenzierer und des Integralwerts durch den Integrator.
Die Treibereinrichtung für ein Leistungshalbleiterelement nach Anspruch 3, wobei Jede der Treiberschaltungen erkennt die Miller-Periode auf der Grundlage eines Zeitpunkts: bei dem der Integralwert durch den Integrator größer als ein Referenzwert ist; und bei dem der Differenzialwert durch den Differenzierer von einem negativen Wert zu einem positiven Wert wechselt.
Die Treibereinrichtung für ein Leistungshalbleiterelement nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei Basierend auf einer Zeitdifferenz, zu der jede der Treiberschaltungen das Erkennungssignal ausgibt, bestimmt die Bestimmungs-Einheit, ob in einem der Leistungshalbleiterelemente ein Überstrom-Zustand auftritt oder nicht.
Die Treibereinrichtung für ein Leistungshalbleiterelement nach Anspruch 5, wobei die Bestimmungs-Einheit bestimmt, ob in einem der Leistungshalbleiterelemente ein Überstrom-Zustand auftritt oder nicht. Wenn der Empfang des Erkennungssignals von jeder der Treiberschaltungen zu einem Zeitpunkt nicht abgeschlossen ist, zu dem seit dem Empfang des Erkennungssignals einer ersten Treiberschaltung unter den Treiberschaltungen eine Schwellenzeit verstrichen ist, stellt die Bestimmungs-Einheit fest, dass der Überstrom-Zustand eintritt.
Die Treibereinrichtung für ein Leistungshalbleiterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei berechnet der Integrator eine Gatespannung des entsprechenden Leistungshalbleiterelements basierend auf einem Wert, der durch Division des Integralwerts durch eine Kapazität zwischen dem Gate-Anschluss und dem zweiten Anschluss erhalten wird, wobei der Integralwert durch Integration über die Zeit des vom Stromdetektor erfassten Gatestroms erhalten wird.
Die Treibereinrichtung für ein Leistungshalbleiterelement nach Anspruch 7, wobei wendet der Integrator die Kapazität zwischen dem Gate-Anschluss und dem zweiten Anschluss in Abhängigkeit von der Gatespannung des entsprechenden Leistungshalbleiterelements an.