DE19825211A1 - Halbleiterschaltung und Leistungstransistor-Schutzschaltung - Google Patents
Halbleiterschaltung und Leistungstransistor-SchutzschaltungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltung zum Detektieren eines
Überstromzustands bei einem Hauptstrom, der in einem Lei
stungstransistor fließt, und weiterhin eine Halbleiterschal
tung zum Schutz des Leistungstransistors selbst vor dem Über
strom auf der Basis der Detektierung des Überstromzustands und
außerdem zum gesteuerten Treiben anderer Leistungstransisto
ren. Die Technologie der Erfindung ist beispielsweise bei ei
nem Wechselrichter für einen Motor anwendbar.
Eine herkömmliche Überstromschutzschaltung für einen IGBT bzw.
Bipolartransistor mit isolierter Gateelektrode, einen der Lei
stungstransistoren, wird nachstehend unter Bezugnahme auf die
Fig. 11 und 12A bis 12F beschrieben.
Fig. 11 ist ein Blockschaltbild, das eine IGBT-Treiberschal
tungseinrichtung zeigt, die eine herkömmliche IGBT-Überstrom
schutzschaltung aufweist. Es ist zu beachten, daß die in Fig.
11 gezeigte Schaltung sich auf ein technisches Know-how bzw.
eine firmeneigene Technologie der Anmelderin bezieht, die der
Öffentlichkeit nicht bekannt ist.
In Fig. 11 bezeichnet 1P einen IGBT als Leistungstransistor
(dessen Kollektor mit einer Induktivität und einer Freilauf
diode (nicht gezeigt) verbunden ist), 2P bezeichnet eine
Stromdetektierschaltung, 3P ist eine Überstromdetektierschal
tung (eine Vergleichsschaltung), 4P ist eine Überstroment
scheidungsschaltung (ein UND-Glied), 5P ist ein Fehlerausgang,
6P ist ein Eingang, 7P ist eine IGBT-Treiberschaltung, und 8P
ist ein Gatewiderstand.
Diese Schaltung ist durch die nachstehenden Aspekte charakte
risiert: (1) Der eine Eingang der Überstromentscheidungsschal
tung 4P ist mit der Eingangssignalleitung 15P verbunden, die
mit dem Eingang 6P an dem Knotenpunkt N1P verbunden ist; und
(2) die Ausgangssignalleitung 13P, die von dem Ausgangsknoten
punkt N2P der Schaltung 4P abzweigt, ist mit dem einen Eingang
des NOR-Glieds in der IGBT-Treiberschaltung 7P verbunden.
Wenn nun ein Signal mit "H" -Pegel an dem Eingang 6P eingegeben
wird, gibt die IGBT-Treiberschaltung 7P ein Signal mit "H"-Pe
gel ab, so daß die Gateelektrode des IGBT 1P durch den Gate
widerstand 8P den "H"-Pegel annimmt und den IGBT 1P einschal
tet. Wenn ein Signal mit "L"-Pegel an dem Eingang 6P unter
dieser Bedingung eingegeben wird, gibt die IGBT-Treiberschal
tung 7P ein Signal mit "L"-Pegel ab, so daß die Gateelektrode
des IGBT 1P durch den Gatewiderstand 1P 8P auf den "L"-Pegel
gebracht wird, so daß der IGBT ausgeschaltet wird. Diese Zu
standsänderung ist in dem Zeitdiagramm in Fig. 12A bis Fig.
12F gezeigt.
Wie die Fig. 12A bis 12F zeigen, tritt eine Einschaltverzöge
rungsdauer OND zwischen dem Zeitpunkt, zu dem das Eingangssi
gnal mit "H"-Pegel, der einem Einschaltsignalpegel entspricht,
an den Eingang 6P geführt wird, und dem Zeitpunkt auf, zu dem
der IGBT vom Ausschaltzustand in den Einschaltzustand wech
selt. Ebenso tritt eine Ausschaltverzögerungsdauer OFD zwi
schen dem Zeitpunkt, zu dem das Eingangssignal mit "L"-Pegel,
der einem Ausschaltsignalpegel entspricht, dem Eingang 6P zu
geführt wird, und dem Zeitpunkt auf, zu dem der IGBT 1P vom
Einschaltzustand in den Ausschaltzustand wechselt. Diese Ver
zögerungsdauern OND und OFD treten aufgrund der IGBT-Treiber
schaltung 7P auf.
Wenn das Eingangssignal mit "H"-Pegel dem Eingang 6P zugeführt
wird, schaltet der IGBT 1 nach Ablauf der Einschaltverzöge
rungsdauer OND ein, und der in dem IGBT 1P zu diesem Zeitpunkt
fließende Strom wird von der Stromdetektierschaltung 2P über
wacht. Wenn die Überstromdetektierschaltung 3P detektiert, daß
der in dem IGBT 1P fließende Strom einen Überstromzustand er
reicht hat, gibt die Überstromentscheidungsschaltung 4P ein
Signal mit "H"-Pegel nur dann ab, wenn das Eingangssignal zu
diesem Zeitpunkt das Einschaltsignal ist, um so den Ausgang
der IGBT-Treiberschaltung 7P auf den "L"-Pegel zu steuern und
dadurch die Gateelektrode des IGBT 1P zu trennen, um den IGBT
1P in den Ausschaltzustand zu bringen. Gleichzeitig signali
siert die Schaltung 4P am Fehlerausgang 5P nach außen, daß
sich der IGBT 1P im Überstromzustand befindet. Die Fig. 12A
bis 12F zeigen den Fehlerabgabezustand als einen Überstromzu
stand, der auftritt und detektiert wird, wenn das dritte Ein
schaltsignal eingegeben wird.
Da bei der Konstruktion der Stromdetektierschaltung 2P ein Wi
derstand verwendet wird, detektiert die Überstromdetektier
schaltung 3P den Überstromzustand, wenn die Spannung über bei
den Enden des Widerstands größer als eine Schwellenspannung
wird, die in der Überstromdetektierschaltung 3P vorgegeben
ist. Der Wert des Widerstands ist so vorgegeben, daß eine mög
lichst kleine Spannung erzeugt wird, da eine an dem Widerstand
erzeugte hohe Spannung zu hohen Leistungsverlusten führt. Wenn
jedoch ein Rauschen auf den Widerstand in der Stromdetektier
schaltung 2P wirkt, wenn sich der IGBT 1P im Ausschaltzustand
befindet, und wenn das Rauschen gleich der oder größer als die
Spannung ist, die in der Überstromdetektierschaltung 3P vorge
geben ist, detektiert die Überstromdetektierschaltung 3P das
Rauschen als Überstrom. Um dieses Problem zu vermeiden, kann
eine solche fehlerhafte Feststellung beim Detektieren eines
Überstromzustands aufgrund von Rauschen im Ausschaltzustand
des IGBT verhindert werden, wenn der Aufbau so ist, daß der
Überstrom nur dann detektiert wird, wenn ein Eingangssignal
mit dem Einschaltsignalpegel an den Eingang geführt wird. Bei
der in Fig. 11 gezeigten Schaltung sind daher der Knotenpunkt
N1P und ein Eingang der Schaltung 4P durch die Signalleitung
15P miteinander verbunden, so daß die Überstromentscheidungs
schaltung 4P feststellt, daß sich der IGBT 1P in einem Über
stromzustand befindet, wenn der Überstromdetektor 3P einen
Überstrom (das Ausgangssignal mit "H"-Pegel) detektiert, wäh
rend das Eingangssignal mit Einschaltsignalpegel ("H"-Pegel)
dem Eingang 6P zugeführt wird.
Überstromschutzschaltungen für Leistungstransistoren, die in
früheren Publikationen angegeben sind, umfassen folgende:
(1) JP-OS 7-183781, (2) JP-OS 6-276073 und (3) JP-OS 6-105448.
(1) JP-OS 7-183781, (2) JP-OS 6-276073 und (3) JP-OS 6-105448.
Gemäß dem Dokument (1) detektiert ein Stromdetektorwiderstand
einen Strom, der in dem IGBT fließt, als einen Spannungswert
Wenn ein Überstromzustand detektiert wird, wird ein Steuer
thyristor mit dieser Spannung eingeschaltet, um einen Aus
schaltbefehl zum IGBT zu erzeugen.
Gemäß dem Dokument (2) wird detektiert, ob ein in dem IGBT
fließender Strom sich infolge einer kurzschlußbedingten Stö
rung in einem Überstromzustand befindet, und zwar auf der Ba
sis des in dem IGBT fließenden Stroms und eines Teils des Ein
gangssignals zu einer IGBT-Treiberschaltung. Diese Funktion
ist äquivalent zu derjenigen der oben beschriebenen, in Fig.
11 gezeigten Schaltung. Das Dokument (2) zielt jedoch haupt
sächlich auf den Schutz des IGBT vor Überstrom ab, der auf
grund einer Störung fließt, wenn sich der IGBT im Einschaltzu
stand befindet.
Gemäß dem Dokument (3) wird der Überstromzustand nur dadurch
detektiert, daß der in dem IGBT fließende Strom detektiert
wird, auf dessen Basis die Treiberspannung für den IGBT ge
steuert wird. Auch das Dokument (3) richtet sich auf die De
tektierung von Überstrom infolge einer kurzschlußbedingten
Störung im Einschaltzustand.
Bei der in Fig. 11 gezeigten Überstromschutzschaltung ergibt
sich ein neues Problem infolge der Anwesenheit der Signallei
tung 15P. Dies wird nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 11
und das in den Fig. 13A bis 13G gezeigte Zeitdiagramm erläu
tert.
Es wird angenommen, daß das Eingangssignal seinen Pegel von
dem dem Einschaltsignalpegel entsprechenden "H"-Pegel zu dem
dem Ausschaltsignalpegel entsprechenden "L"-Pegel geändert hat
und daß dann der in dem IGBT 1P fließende Strom den Überstrom
zustand erreicht hat, bevor die Ausschaltverzögerungsdauer OFD
abgelaufen ist, die erforderlich ist, bis der IGBT 1P von dem
Einschaltzustand in den Ausschaltzustand geht (zum Zeitpunkt
T1). In diesem Fall gibt die Stromdetektierschaltung 2P eine
Spannung ab, die anzeigt, daß ein Überstrom in dem IGBT 1P zum
Eingang der Überstromdetektierschaltung 3P fließt, so daß die
Schaltung 3P ein Ausgangssignal mit "H"-Pegel abgibt.
Da jedoch das Eingangssignal zu diesem Zeitpunkt den "L"-Pegel
entsprechend dem Ausschaltsignalpegel hat, erkennt die Über
stromentscheidungsschaltung 4P den in dem IGBT 1P fließenden
Strom nicht als Überstrom und kann daher keine Entscheidung,
die den Überstromzustand des IGBT 1P bezeichnet, bzw. kein
Fehlerausgangssignal nach außen abgeben. Infolgedessen wird
die Zuführung des Eingangssignals nach dem Zeitpunkt T1 unun
terbrochen aufrechterhalten.
Wenn sich das Eingangssignal erneut zum Einschaltsignalpegel
ändert, kann die Überstromentscheidungsschaltung 4P das Auf
treten des Überstromzustands nach außen nicht anzeigen, bis
sich der IGBT 1P erneut einschaltet und der Überstrom erneut
fließt, also bis zum Zeitpunkt T2. Das von außen zugeführte
Eingangssignal wird danach auf dem Ausschaltsignalpegel fi
xiert. Somit wird der IGBT 1P zum Zeitpunkt T2, zu dem der
Hauptstrom einen noch größeren Stromwert aufweist, ausge
schaltet, was unvermeidlich zu einer hohen Stoßspannung führt.
Außerdem werden weitere IGBTs, die im Einschaltzustand sind
(nicht gezeigt), zu diesem Zeitpunkt ebenfalls ausgeschaltet.
Dieses Problem tritt auch bei den oben angegebenen bekannten
Anordnungen gemäß den Dokumenten (1) bis (3) auf, aber die Do
kumente (1) bis (3) erwähnen dieses Problem nicht. Ferner
bleibt bei dem Dokument (1) das Problem ungelöst, daß aufgrund
von Rauschen ein Überstromzustand irrtümlich detektiert und
nach außen abgegeben wird, wenn der IGBT ausgeschaltet ist.
Daher stellen die Dokumente (1) bis (3) keine Mittel zur Lö
sung dieses Problems bereit.
Wie bei dem in Fig. 11, den Fig. 12A bis 12F und den Fig. 13A
bis 13G gezeigten Beispiel beschrieben, zeigt die herkömmliche
Überstromschutzschaltung am Fehlerausgang nach außen an, daß
sich der Leistungstransistor in einem Überstromzustand befin
det, wenn der Überstromdetektor (Widerstand) einen Überstrom
zustand detektiert, wobei das Eingangssignal ein Einschaltsi
gnal bildet. Wenn daher der Überstromzustand auftritt, bevor
der Leistungstransistor einen Übergang vom Einschaltbetrieb in
den Ausschaltbetrieb ausführt, kann der Überstromzustand nicht
im Augenblick seines Auftretens detektiert werden.
Erst dann, wenn die Einschaltverzögerungsdauer nach der näch
sten Eingabe des Eingangssignals mit dem Einschaltsignalpegel
abgelaufen ist, also wenn der Leistungstransistor erneut den
Überstromzustand erreicht hat, wird der Überstromzustand de
tektiert und das Ergebnis nach außen gemeldet. Der Wert des in
dem Leistungstransistor fließenden Stroms steigt in dieser
Verzögerungszeit bis zum Detektierzeitpunkt an, was zu dem
Problem führt, daß der Leistungstransistor in dem Zustand oder
zu dem Zeitpunkt in den Ausschaltzustand gesteuert wird, wenn
der Wert des Hauptstroms gegenüber dem Überstromdetektierpegel
(einem Referenzpegel) auf einen noch größeren Stromwert ange
stiegen ist.
Dieses Problem kann nicht nur dann auftreten, wenn die Last
nur eine Induktivitätskomponente einer Lasteinrichtung, wie
etwa eines Motors, aufweist, sondern auch dann, wenn die Last
einen Widerstand aufweist. Man kann sagen, daß dieses Problem
allgemein auftritt, wenn in einem Schaltkreis, der einen Lei
stungstransistor verwendet, ein Überstrom auftritt.
Aufgabe der Erfindung ist es, die zuverlässige Detektierung
des Überstromzustands im Augenblick seines Auftretens nicht
nur dann, wenn der Überstromzustand aufgetreten ist, während
sich der Leistungstransistor im Einschaltbetrieb befindet,
sondern auch dann zu ermöglichen, wenn er aufgetreten ist,
während der Leistungstransistor einen Übergang vom Einschalt
betrieb in den Ausschaltbetrieb erfährt, und den Leistungs
transistor selbst zeitlich dicht bei dem Augenblick dieses
Auftretens kontinuierlich abzutrennen, um so die Erzeugung
einer hohen Stoßspannung zu vermeiden und den Leistungstransi
stor in einer früheren Phase vor einem Überstrom zu schützen.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist
eine Halbleiterschaltung folgendes auf: einen Leistungstransi
stor, der eine erste Hauptelektrode, die mit einer Last ver
bunden ist, eine zweite Hauptelektrode und eine Steuerelek
trode aufweist, wobei der Leistungstransistor einen Hauptstrom
zwischen der ersten Hauptelektrode und der zweiten Hauptelek
trode durchläßt, wenn eine an die Steuerelektrode angelegte
Steuerspannung gleich einer oder größer als eine Schwellen
spannung ist; eine Eingangssignalleitung, die ein Eingangs
signal empfängt und überträgt, das einen Einschaltsignalpegel
und einen Ausschaltsignalpegel hat, die sich abwechselnd und
periodisch ändern; eine Treiberschaltung, die einen Eingang,
der mit der Eingangssignalleitung verbunden ist, und einen
Ausgang hat, der mit der Steuerelektrode des Leistungstransi
stors verbunden ist, wobei die Treiberschaltung die Steuer
spannung, die gleich der oder größer als die Schwellenspannung
ist, am Ausgang abgibt, nachdem eine einer Einschaltverzöge
rungsdauer entsprechende Verzögerung seit der Eingabe des Ein
gangssignals abgelaufen ist, wenn der Pegel des Eingangssi
gnals der Einschaltsignalpegel ist, und die Steuerspannung,
die kleiner als die Schwellenspannung ist, an dem Ausgang ab
gibt, nachdem eine einer Ausschaltverzögerungsdauer entspre
chende Verzögerung seit der Eingabe des Eingangssignals ab
gelaufen ist, wenn der Pegel des Eingangssignals der Aus
schaltsignalpegel ist; und eine Entscheidungsschaltung, die
den Hauptstrom und die Steuerspannung des Leistungstransistors
als ihre Eingangssignale empfängt, wobei die Entscheidungs
schaltung entscheidet, daß sich der Leistungstransistor in
einem Überstromzustand befindet, wenn sie detektiert, daß die
Steuerspannung gleich der oder größer als die Schwellenspan
nung ist und der Hauptstrom gleich einem oder größer als ein
bestimmter Grenzstrom ist.
Der erste Aspekt der Erfindung sieht die nachstehenden Funk
tionen und Wirkungen vor.
Wenn das Eingangssignal mit dem Einschaltsignalpegel eingeht,
geht der Leistungstransistor in den Einschalt-Betriebszustand,
wenn nach dem Anlegen des Eingangssignals die Einschaltverzö
gerungsdauer abgelaufen ist, und dann beginnt der Hauptstrom
durch die Last zu fließen, und der Hauptstrom steigt an. Wenn
danach der Pegel des Eingangssignals sich von dem Einschalt
signalpegel zu dem Ausschaltsignalpegel ändert, geht der Lei
stungstransistor in den Ausschalt-Betriebszustand, wenn die
Ausschaltverzögerungsdauer nach der Änderung abgelaufen ist,
und dann fließt der Hauptstrom nicht mehr. Wenn anschließend
der Eingangssignalpegel sich wieder zum Einschaltsignalpegel
ändert, beginnt ein Hauptstrom, der einen noch größeren Strom
wert hat, nach Ablauf der Einschaltverzögerungsdauer zu flie
ßen. Diese Zustände wiederholen sich abwechselnd.
Es soll nun angenommen werden, daß sich der Pegel des Ein
gangssignals vom Einschaltsignalpegel zum Ausschaltsignalpegel
geändert und der Stromwert des Hauptstroms zu einem ersten
Zeitpunkt vor dem Ablauf der Ausschaltverzögerungsdauer einen
Wert erreicht hat, der gleich dem oder größer als der Grenz
strom ist. Zu diesem Zeitpunkt detektiert die Entscheidungs
schaltung, daß sich der Leistungstransistor im Überstromzu
stand befindet, weil die von der Treiberschaltung abgegebene
Steuerspannung immer noch gleich der oder größer als die
Schwellenspannung ist und der Hauptstrom fließt. Danach wird
zu einem zweiten Zeitpunkt nach Ablauf der Ausschaltverzöge
rungsdauer die Steuerspannung kleiner als der Grenzwert, und
der Leistungstransistor geht in den Ausschaltzustand.
Wenn daher der Pegel des von außen zugeführten Eingangssignals
sich vom Einschaltsignalpegel zum Ausschaltsignalpegel ändert
und dann der Hauptstrom vor dem Ablauf der Ausschaltverzöge
rungsdauer den Überstromwert oder mehr erreicht, ist es gemäß
der Erfindung möglich, diesen Zustand sofort und korrekt zu
dem Zeitpunkt, zu dem der Hauptstrom diesen Pegel erreicht
(erster Zeitpunkt oben), zu detektieren.
Wenn ferner der ansteigende Hauptstrom den Überstromwert oder
einen höheren Wert erreicht, wenn das Eingangssignal mit dem
Einschaltsignalpegel gerade eingeht, kann gemäß der Erfindung
die Entscheidungsschaltung sofort und mit Sicherheit das Auf
treten des Überstromzustands in diesem Moment detektieren.
Bevorzugt führt gemäß einem zweiten Aspekt die Entscheidungs
schaltung in der Halbleiterschaltung einen ersten Vergleich
zwischen der Steuerspannung und der Schwellenspannung und
einen zweiten Vergleich zwischen dem Hauptstrom und dem Grenz
strom durch und entscheidet auf der Basis des Ergebnisses des
ersten Vergleichs und des Ergebnisses des zweiten Vergleichs,
ob der Überstromzustand vorliegt.
Da die Entscheidungsschaltung die Entscheidung durch den er
sten und den zweiten Vergleichsvorgang trifft, kann insbeson
dere gemäß dem zweiten Aspekt die Entscheidungsschaltung unter
Verwendung von Vergleichsschaltungen gebildet sein. Die Schal
tung kann daher aus einfachen und praktischen Schaltkreisen
bestehen.
Gemäß einem dritten Aspekt weist die Halbleiterschaltung fer
ner bevorzugt folgendes auf: eine Ausgangssignalleitung, die
mit einem Ausgang der Entscheidungsschaltung verbunden ist und
ein Ausgangssignal abgibt, das das Ergebnis der von der Ent
scheidungsschaltung gebildeten Entscheidung als ein Fehler
detektiersignal darstellt.
Wenn ferner der steigende Hauptstrompegel den Überstrompegel
erreicht, ist es gemäß dem dritten Aspekt möglich, das Auftre
ten des Überstromzustands des Leistungstransistors mit Sicher
heit als Fehler in dem Augenblick nach außen abzugeben, in dem
der Hauptstrompegel den Überstrompegel erreicht, und zwar
nicht nur dann, wenn das im Einschaltzustand stattfindet, son
dern auch dann, wenn es vor dem Ablauf der Ausschaltverzöge
rungsdauer stattfindet. Das ermöglicht dem externen Teil die
Ausführung verschiedener Verarbeitungsvorgänge, wie etwa das
vollständige Trennen des Leistungstransistors in den Aus
schaltzustand, um den Leistungstransistor in einer früheren
Phase vor dem Überstrom zu schützen, und zwar auf der Basis
des Zeitpunkts der Abgabe des Fehlerdetektiersignals.
Gemäß einem vierten Aspekt weist die Halbleiterschaltung be
vorzugt ferner folgendes auf: eine Steuerschaltung, die mit
der Eingangssignalleitung und der Ausgangssignalleitung ver
bunden ist und die den Pegel des Eingangssignals in Abhängig
keit von dem Eingangszeitpunkt des Fehlerdetektiersignals auf
dem Ausschaltsignalpegel festlegt, wenn das Fehlerdetektiersi
gnal anzeigt, daß sich der Leistungstransistor in dem Über
stromzustand befindet.
Gemäß dem vierten Aspekt fixiert die Steuerschaltung den Pegel
des Eingangssignals auf dem Ausschaltsignalpegel, wenn sie das
Fehlerdetektiersignal empfängt und daher ist der Leistungs
transistor danach kontinuierlich im Ausschaltzustand fixiert.
Es ist somit möglich, den Leistungstransistor in einer frühe
ren Phase nach Abgabe des Fehlerdetektiersignals zwangsweise
zu trennen, so daß das bisherige Problem vermieden wird, daß
der Leistungstransistor im nächsten Einschaltzustand nach dem
Auftreten des Überstromzustands, in dem ein noch höherer
Hauptstrom fließt, zwangsweise getrennt wird. Dadurch wird die
Ausschalt-Stoßspannung des Leistungstransistors noch weiter
verringert, so daß der Leistungstransistor mit Sicherheit vor
einem großen Überstrom geschützt wird.
Gemäß einem fünften Aspekt weist die Halbleiterschaltung be
vorzugt ferner folgendes auf: einen weiteren Leistungstransi
stor, der eine äußere Lasteinrichtung gemeinsam mit dem Lei
stungstransistor treibt, und eine weitere Treiberschaltung,
die einen Eingang aufweist, der mit der Steuerschaltung ver
bunden ist, um ein weiteres Eingangssignal zu empfangen, das
von der Steuerschaltung abgegeben und abwechselnd zwischen dem
Einschaltsignalpegel und dem Ausschaltsignalpegel geändert
wird, um dadurch den anderen Leistungstransistor zu treiben,
wobei dann, wenn das Fehlerdetektiersignal anzeigt, daß sich
der Leistungstransistor im Überstromzustand befindet, die
Steuerschaltung den Pegel des anderen Eingangssignals in Ab
hängigkeit von dem Eingangszeitpunkt des Fehlerdetektiersi
gnals auf dem Ausschaltsignalpegel fixiert.
Gemäß dem fünften Aspekt fixiert die Steuerschaltung insbeson
dere den Pegel eines weiteren Eingangssignals auf dem Aus
schaltsignalpegel sowie den Pegel des Eingangssignals in Ab
hängigkeit von dem Zeitpunkt, zu dem der Hauptstrom den Über
stromwert erreicht, so daß ein weiterer Leistungstransistor
danach durch dieselbe zeitliche Steuerung in den Ausschaltzu
stand getrennt werden kann. Das heißt, es ist auch möglich,
den Betrieb eines weiteren Leistungstransistors zwangsweise im
Ausschaltzustand zu fixieren, und zwar durch eine frühere
zeitliche Steuerung nach dem Augenblick, in dem der Leistungs
transistor den Überstromzustand erreicht hat, und somit wäh
rend der Zeit, in der ein relativ kleiner Hauptstrom fließt.
Diese Gewißheit verhindert das Problem, daß ein anderer Lei
stungstransistor durch eine andere zeitliche Steuerung im Ein
schaltzustand nach dem Zeitpunkt der Abgabe des Fehlerdetek
tiersignals, wobei ein noch höherer Hauptstrom fließt, ge
trennt wird, was das Auftreten einer hohen Stoßspannung auch
dann verhindert, wenn der andere Leistungstransistor abschal
tet.
Gemäß einem sechsten Aspekt ist bei der Halbleiterschaltung
bevorzugt die Treiberschaltung auch mit dem Ausgang der Ent
scheidungsschaltung verbunden, und die Treiberschaltung ändert
die Steuerspannung, die gleich der oder größer als die Schwel
lenspannung ist, zu der Spannung, die kleiner als die Schwel
lenspannung ist, wenn der Pegel des Eingangssignals der Ein
schaltsignalpegel ist und das Ergebnis der von der Entschei
dungsschaltung durchgeführten Entscheidung die Detektierung
des Überstromzustands zeigt.
Wenn ferner gemäß dem sechsten Aspekt der Hauptstrom den Über
stromwert dann erreicht, wenn das Eingangssignal den Ein
schaltsignalpegel hat, ist es möglich, den Leistungstransi
stor, der sich im Einschaltzustand befindet, so zu steuern,
daß er zwangsweise in den Ausschaltzustand geht, so daß der
Leistungstransistor in einer früheren Phase vor dem Überstrom
geschützt wird.
Ein siebter Aspekt der Erfindung betrifft eine Schaltung zum
Schutz eines Leistungstransistors, der mit einer Last verbun
den ist, vor einem Überstromzustand, wobei diese Schaltung auf
der Basis eines ersten Eingangssignals, das eine Steuerspan
nung zum Leistungstransistor bezeichnet, und eines zweiten
Eingangssignals, das den in dem Leistungstransistor fließenden
Hauptstrom bezeichnet, detektiert, daß sich ein in dem Lei
stungstransistor fließender Hauptstrom im Überstromzustand be
findet, und das Ergebnis der Detektierung nach außen abgibt.
Gemäß dem siebten Aspekt wird das Auftreten des Überstromzu
stands detektiert, indem nicht nur der Pegel des Hauptstroms,
sondern auch der Pegel der Steuerspannung genutzt wird. Das
Auftreten des Überstromzustands kann somit immer dann korrekt
detektiert werden, wenn der Überstromzustand auftritt, ohne
daß eine fehlerhafte Bestimmung erfolgt. Da außerdem das Er
gebnis im Augenblick der Detektierung nach außen abgegeben
wird, kann der äußere Teil den Leistungstransistor in Abhän
gigkeit von dem Abgabezeitpunkt früher trennen, um das Auftre
ten einer hohen Stoßspannung zu vermeiden, so daß der Lei
stungstransistor vor dem Überstrom geschützt wird.
Ein Vorteil der Erfindung ist dabei die Meldung des detektier
ten Auftretens des Überstromzustands im Augenblick des Auftre
tens als ein Fehler an ein Treibersteuerungssystem für einen
anderen Leistungstransistor.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß auch ein anderer Lei
stungstransistor durch das Steuerungssystem abgetrennt wird,
um eine Stoßspannung an dem anderen Leistungstransistor zum
Zeitpunkt des Abschaltens zu unterdrücken.
Die Erfindung wird nachstehend, auch hinsichtlich weiterer
Merkmale und Vorteile, anhand der Beschreibung von Ausfüh
rungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeich
nungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in:
Fig. 1 ein Blockbild, das eine Systemkonfiguration gemäß
einer ersten bevorzugten Ausführungsform für eine
Halbleiterschaltung der Erfindung zeigt;
Fig. 2 ein Schaltbild, das einen Teil der in Fig. 1 gezeig
ten Schaltung darstellt, der einer Überstromschutz
schaltung für einen Leistungstransistor entspricht;
Fig. 3 ein Schaltbild, das ein Beispiel für den Aufbau der
in Fig. 2 gezeigten Stromdetektierschaltung ist;
Fig. 4 ein Schaltbild, das ein Beispiel für den Aufbau der
in Fig. 2 gezeigten Überstromdetektierschaltung ist;
Fig. 5 ein Schaltbild, das ein Beispiel für den Aufbau der
in Fig. 2 gezeigten Gatespannungsdetektierschaltung
ist;
Fig. 6 ein Schaltbild, das ein weiteres Beispiel des Teils
zeigt, der einer Leistungstransistor-Überstrom
schutzschaltung in der in Fig. 1 gezeigten Schaltung
entspricht;
Fig. 7A bis 7H ein Zeitdiagramm des Überstromschutzes bei Verwen
dung der Überstromschutzschaltung für einen Lei
stungstransistor gemäß der ersten bevorzugten Aus
führungsform der Erfindung;
Fig. 8A bis 8H ein Zeitdiagramm des Überstromschutzes bei Verwen
dung der Überstromschutzschaltung für einen Lei
stungstransistor gemäß der ersten bevorzugten Aus
führungsform der Erfindung;
Fig. 9 ein Schaltbild eines ersten Beispiels einer Modifi
kation der ersten bevorzugten Ausführungsform;
Fig. 10 ein Schaltbild eines zweiten Beispiels einer Modifi
kation der ersten bevorzugten Ausführungsform;
Fig. 11 ein Schaltbild einer herkömmlichen Überstromschutz
schaltung für einen Leistungstransistor;
Fig. 12A bis 12F ein Zeitdiagramm des Überstromschutzes bei Verwen
dung der herkömmlichen Leistungstransistor-Über
stromschutzschaltung; und
Fig. 13A bis 13G ein Zeitdiagramm, das ein Problem bei der Anwendung
der herkömmlichen Leistungstransistor-Überstrom
schutzschaltung zeigt.
Zur Lösung des oben beschriebenen Problems stellen Halbleiter
schaltungen gemäß den bevorzugten Ausführungsformen fest, daß
ein Leistungstransistor sich in einem Überstromzustand befin
det, wenn (1) die an die Steuerelektrode des Leistungstransi
stors angelegte Steuerspannung gleich der oder größer als die
Schwellenspannung des Leistungstransistors ist und (2) ein
Überstromdetektor einen Überstromzustand detektiert und dann
diesen Leistungstransistor und andere Leistungstransistoren in
Abhängigkeit von dem Detektierzeitpunkt trennt. Das ermöglicht
den Schutz der Leistungstransistoren vor dem Überstrom in ei
ner früheren Phase nach dem Auftreten des Überstromzustands
und unterdrückt die Erzeugung einer großen Abschalt-Stoßspan
nung. Diese Eigenschaften der Halbleiterschaltungen werden
nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen speziell be
schrieben.
Fig. 1 ist ein Blockschaltbild, das eine Halbleiterschaltung
gemäß der Erfindung in einem Fall zeigt, in dem sie als Wech
selrichterschaltung zum Treiben eines Drehstrommotors M (der
einer Lasteinrichtung entspricht) verwendet wird.
Wie Fig. 1 zeigt, ist diese Halbleiterschaltung grob unter
teilt in einen ersten Wechselrichterschaltungsbereich INVU,
einen zweiten Wechselrichterschaltungsbereich INVV, einen
dritten Wechselrichterschaltungsbereich INVW und einen Mikro
computer 21. Die Wechselrichterschaltungsbereiche INVU bis
INVW haben jeweils Ausgänge U, V, W, die jeweils mit Wicklun
gen oder Induktivitätskomponenten LU, LV, LW in dem Drehstrom
motor M verbunden sind. Die Schaltungsbereiche INVU bis INVW
haben den gleichen Schaltungsaufbau. Der Einfachheit halber
zeigt Fig. 1 nur die interne Konfiguration des ersten Wechsel
richterschaltungsbereichs INVU.
Die interne Konfiguration von jedem der Wechselrichterschal
tungsbereiche INVU bis INVW ist grob unterteilt in zwei Über
stromschutzschaltungen, die einem Leistungstransistor 1A als
Schaltelement auf der Hochpotentialseite und einem Leistungs
transistor 1 als Schaltelement auf der Niedrigpotentialseite
entsprechen, wobei der Leistungstransistor 1A und der Lei
stungstransistor 1 miteinander an dem entsprechenden Ausgang U
(V, W) verbunden sind. Die Leistungstransistoren sind dabei
sämtlich IGBTs, und insbesondere sind diejenigen in dem Bei
spiel von Fig. 1 jeweils mit einem Fühlanschluß S ausgestat
tet.
Die beiden Schutzschaltungen unterscheiden sich dadurch von
einander, daß der Kollektoranschluß C des IGBT 1 mit der In
duktivitätskomponente (L) auf der Seite des Motors M und einer
Freilaufdiode 23 durch den Ausgang U verbunden ist, wogegen
der Emitteranschluß E des anderen IGBT 1A mit der Induktivi
tätskomponente (L') auf der Seite des Motors M und einer Frei
laufdiode 23A durch den Ausgang U verbunden ist. Die zwei
Schutzschaltungen sind im übrigen auf die gleiche Weise ausge
legt. Daher wird nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 2
und andere Figuren die Konfiguration und der Betrieb der
Schutzschaltung 20 zum Schutz des IGBT 1 vor Überstrom be
schrieben. Elemente in der Schutzschaltung für den IGBT 1A
sind mit den gleichen Bezugszeichen, unter Hinzufügung von
"A", wie die entsprechenden Elemente in der Schaltung 20 be
zeichnet.
Die Schutzschaltung 20 (20A) hat einen Eingang 6 (6A) und
einen Fehlerausgang 9 (9A) und empfängt ein Eingangssignal
VIN1 (VIN1A), das von dem Mikrocomputer 21, und zwar haupt
sächlich von dessen Steuerungsbereich 22 (bestehend aus einer
CPU etc.), abgegeben wird, an ihrem Eingang 6 (6A). Die
Schutzschaltung 20 gibt ein Fehlerdetektiersignal VO1 (VO1A)
als Impulssignal an ihrem Fehlerausgang 9 (9A) ab. Das Detek
tiersignal VO1 (VO1A) wird einmal in einen Zeitgeber 24 einge
geben, und der Zeitgeber 24 stellt die Impulsdauer des Signals
VO1 (VO1A) auf einen geeigneten Wert ein und gibt es dann an
den Steuerungsbereich 22 als ein Fehlerdetektiersignal VO11
(VO1A1) ab.
Beim Empfang des Fehlerdetektiersignals VO11 (VO1A1) als Ein
gangssignal gibt der Steuerungsbereich 22 sofort Eingangssi
gnale VIN1 bis VIN3A, die auf dem Ausschaltsignalpegel ("L")
fixiert sind, an die IGBT-Treiberschaltungen 7 (7A) in den
Wechselrichterschaltungsbereichen ab, die die IGBTs (1,
1A, . . .) treiben, um so die Gateelektroden des IGBT 1 und der
anderen IGBTs zu trennen und danach sämtliche IGBTs im Aus
schaltzustand festzuhalten.
Die Lastwerte der jeweiligen IGBTs in den einzelnen Schutz
schaltungen hängen von der Treibersteuerung sämtlicher IGBTs
ab, die individuell auf der Basis der Induktivitätskomponenten
LU, LV und LW bestimmt sind. Wenn der IGBT 1 (1A) in den Aus
schaltzustand geht, fließt der Hauptstrom kontinuierlich in
der geschlossenen Schleife, die aus dem IGBT 1 (1A) und der
entsprechenden Freilaufdiode 23 (23A) gebildet ist, bis der
IGBT 1 (1A) erneut aufgrund der Anwesenheit der Last des IGBT
1 (1A) und der dazu parallelgeschalteten Freilaufdiode 23
(23A) den Einschaltzustand erreicht. Wenn daher der jeweilige
IGBT 1 (1A) erneut einschaltet, steigt der Hauptstrom an, wo
bei er im Idealfall von dem Pegel des Werts des Stroms aus
geht, der im Ausschaltzustand in der geschlossenen Schleife
fließt (tatsächlich fällt der Pegel etwas ab; siehe Fig. 7C).
Somit steigt der in jedem IGBT 1 (1A) fließende Hauptstrom je
desmal an, wenn das Eingangssignal ein- und ausschaltet, des
sen Pegel letztlich den Überstromdetektierpegel überschreitet.
Zum Schutz des IGBT 1, der in den Überstromzustand gebracht
wird, und zur Verringerung der Stoßspannung an dem IGBT 1 (1A)
zum Abschaltzeitpunkt ist es also notwendig, diesen Zustand zu
einem Zeitpunkt zu detektieren, der möglichst nahe bei dem Er
eignis liegt (idealerweise zum selben Zeitpunkt), und die In
formation sofort an den Mikrocomputer 21 zu leiten, um die
IGBTs zu einem möglichst frühen Zeitpunkt zu trennen. Die in
Fig. 1 gezeigte Schutzschaltung 20 realisiert diese Forderung,
wie nachstehend beschrieben wird.
In Fig. 2 bezeichnen die Hauptbezugszeichen die nachstehenden
Elemente. 1 bezeichnet einen IGBT als Leistungstransistor, 2
ist eine Stromdetektierschaltung, 3 ist eine Überstromdetek
tierschaltung, 4 ist eine Überstromentscheidungsschaltung, 5
ist eine Gatespannungsdetektierschaltung, um eine an die Gate
elektrode G, die die Steuerelektrode des IGBT 1 bildet, ange
legte Spannung zu detektieren, 6 ist ein Eingang, 7 ist eine
IGBT-Treiberschaltung, 8 ist ein Gatewiderstand, 9 ist ein
Fehlerausgang, 10 ist eine Entscheidungsschaltung, 12 ist eine
Eingangssignalleitung, und 19 ist eine Ausgangssignalleitung.
Im einzelnen ist die in Fig. 2 gezeigte Überstromschutzschal
tung 20 für den Leistungstransistor wie folgt aufgebaut.
Erstens ist der Kollektor C des als Leistungstransistor die
nenden IGBT 1 mit dem einem Ende der Last, d. h. der Indukti
vität L verbunden, die zu der in Fig. 1 gezeigten Freilauf
diode 23 parallelgeschaltet ist. Das andere Ende der Indukti
vität L ist mit einer Gleichspannungsquelle verbunden, die die
Versorgungsspannung VCC hat. Diese Induktivität L ist eine
Last, die auf der Basis des Erregungszustands jeder Wicklung
des Drehstrommotors M von Fig. 1 (der von dem
Ein/Ausschaltzustand jedes Leistungstransistors in den oben
beschriebenen ersten bis dritten Wechselrichterschaltungsbe
reichen INVI bis INVW abhängig ist) und damit auf der Basis
der Induktivitätskomponenten LU, LV, LW bestimmt ist. Der
Emitter E des IGBT 1 ist geerdet, wie Fig. 1 zeigt. Das Gate G
des IGBT 1 ist mit dem Ausgang N1 der IGBT-Treiberschaltung 7
verbunden. Der Ein/Aus-Betrieb des IGBT 1 wird auf der Basis
des Pegels der an das Gate G angelegten Steuerspannung gesteu
ert. Das heißt, wenn die Steuerspannung gleich der oder größer
als die Schwellenspannung des IGBT 1 ist, geht der Betrieb des
IGBT 1 in den Einschaltzustand, und der Hauptstrom fließt zwi
schen seinem Kollektor C und seinem Emitter E. Da in dem IGBT
1 ein Fühlanschluß S vorgesehen ist, kann der Pegel des Haupt
stroms durch den Fühlanschluß S detektiert werden.
In der in Fig. 2 gezeigten Schaltung 20 entspricht der Kollek
toranschluß bzw. die Kollektorelektrode C des IGBT 1 einer
"ersten Hauptelektrode", das Gate G entspricht einer
"Steuerelektrode", und der Emitteranschluß bzw. die Emitter
elektrode E entspricht einer "zweiten Hauptelektrode".
Die IGBT-Treiberschaltung 7 ist wie folgt aufgebaut. Das eine
Ende der Eingangssignalleitung 12 ist mit dem Eingang 6 und
ihr anderes Ende mit dem Eingang eines Inverters 7a, der den
Eingang der Schaltung 7 bildet, verbunden. Das Eingangssignal
VIN1 (Fig. 1), dessen Pegel sich periodisch und abwechselnd
zwischen dem Einschaltsignalpegel ("H"-Pegel) und dem Aus
schaltsignalpegel ("L"-Pegel) ändert, wird an dem Eingang 6
empfangen, und die Eingangssignalleitung 12 führt es in die
Schaltung 20 ein, damit es zu der IGBT-Treiberschaltung 7
übertragen wird.
Der Ausgang des Inverters 7a in der IGBT-Treiberschaltung 7
ist mit einem ersten Eingang eines NOR-Glieds 7b verbunden.
Das eine Ende der zweiten Ausgangssignalleitung 13 ist mit dem
Knotenpunkt N2 verbunden, der dem Ausgang der noch zu be
schreibenden Entscheidungsschaltung 10 entspricht, und ihr an
deres Ende ist mit einem zweiten Eingang des NOR-Glieds 7b
verbunden. Weiterhin ist der Ausgang des NOR-Glieds 7b mit dem
Eingang einer Pufferschaltung aus einem NPN-Transistor 7c und
einem PNP-Transistor 7d verbunden (mit den Basisanschlüssen
der Transistoren 7c, 7d), und der Ausgang der Pufferschaltung
ist mit dem Gate G des IGBT 1 oder mit dem Knotenpunkt N1
durch den Gatewiderstand 8 verbunden.
Wenn das Eingangssignal VIN1 vom "L"-Pegel auf den "H"-Pegel
ansteigt, legt die IGBT-Treiberschaltung 7 eine Steuerspannung
mit dem "H"-Pegel des Gates G an, nachdem die Einschaltverzö
gerungsdauer nach dem Zeitpunkt des Anstiegs abgelaufen ist.
Wenn das Eingangssignal VIN1 vom "H"-Pegel auf den "L"-Pegel
fällt, ändert die Treiberschaltung 7 die Steuerspannung auf
den "L"-Pegel nach Ablauf der Ausschaltverzögerungsdauer nach
dem Abfallzeitpunkt.
Wenn die Zahl der Stufen der Pufferschaltung und dergleichen
in der Treiberschaltung 7 entsprechend einer Erhöhung der
Nennkapazität des Motors oder der Last erhöht wird, werden die
Einschaltverzögerungsdauer und die Ausschaltverzögerungsdauer
entsprechend verlängert. Die Zahl der Stufen der Pufferschal
tung etc. in der Schaltung 7 ist gewöhnlich eins oder zwei.
Die Entscheidungsschaltung 10 ist der Hauptteil der Schutz
schaltung 20, deren erster Eingang dem Eingang der Gatespan
nungsdetektierschaltung 5 entspricht und deren zweiter Eingang
dem Eingang der Stromdetektierschaltung 2 entspricht. Das
heißt, die Hauptstrom-Eingangssignalleitung (eine zweite Ein
gangssignalleitung) 14, die den Hauptstrom des IGBT 1 führt,
ist mit ihrem einen Ende mit dem Fühlanschluß S des IGBT 1
verbunden, und ihr anderes Ende ist mit dem Eingang der Strom
detektierschaltung 2 verbunden; und das eine Ende der Gate
spannungs-Eingangssignalleitung (einer ersten Eingangssignal
leitung) 15, die ein die Steuerspannung lieferndes Signal
führt, ist mit dem Knotenpunkt N1 verbunden, und ihr anderes
Ende ist mit dem Eingang (einem ersten Eingang) der Gatespan
nungsdetektierschaltung 5 verbunden.
Die Ausgangssignalleitung 16 der Stromdetektierschaltung 2 ist
mit dem Eingang (einem ersten Eingang) der Überstromdetektier
schaltung 3 verbunden, und die Ausgangssignalleitung 17 der
Überstromdetektierschaltung 3 und die Ausgangssignalleitung 18
der Gatespannungsdetektierschaltung 5 sind mit dem ersten Ein
gang bzw. dem zweiten Eingang der Überstromentscheidungsschal
tung 4, die aus einem UND-Glied besteht, verbunden.
Das eine Ende der ersten Ausgangssignalleitung 19 ist mit dem
Knotenpunkt N2 verbunden, der dem Ausgang der Überstroment
scheidungsschaltung 4 und damit der Entscheidungsschaltung 10
entspricht, und ihr anderes Ende ist mit dem Fehlerausgang 9
durch einen NPN-Transistor 11 verbunden. Die erste Ausgangs
signalleitung 19 führt ein Fehlerdetektiersignal (das den Aus
gangssignalen VO1, VO1A in Fig. 1 entspricht), das eine Ent
scheidung in bezug auf den Überstromzustand des IGBT 1 bildet,
und gibt es nach außen ab. Die zweite Ausgangssignalleitung
13, die von der ersten Ausgangssignalleitung 19 am Ausgangs
knotenpunkt N2 abzweigt, überträgt das Ergebnis der Entschei
dung in bezug auf den Überstromzustand zu dem zweiten Eingang
des NOR-Glieds 7b, wie oben erläutert.
Wie Fig. 3 zeigt, besteht die Stromdetektierschaltung 2 aus
einem Stromdetektierwiderstand R, bei dem das eine Ende seinen
Ausgang bildet und das andere Ende geerdet ist. Der Wert des
Widerstands R ist so eingestellt, daß eine möglichst kleine
Spannung erzeugt wird, wie das auch bei der in Fig. 11 gezeig
ten Schaltung der Fall ist, um die Energieverluste am Wider
stand R zu verringern.
Wie Fig. 4 zeigt, besteht die Überstromdetektierschaltung 3
aus einem zweiten Komparator C2, der einen zweiten Vergleichs
vorgang ausführt. Der erste Eingang des Komparators C2 ist mit
der Ausgangssignalleitung 16 verbunden, und seinem zweiten
Eingang wird eine Schwellenspannung VRH2 (ein Überstromdetek
tierpegel) entsprechend einem Schwellenstrom als Kriterium zu
geführt, um zu bestimmen, ob der Hauptstrom sich im Überstrom
zustand befindet. Wenn daher die Spannung auf der Ausgangssi
gnalleitung 16 gleich der oder größer als die zweite Schwel
lenspannung VRH2 ist, liefert der zweite Komparator C2 ein
Ausgangssignal mit "H"-Pegel, um das Auftreten des Überstrom
zustands anzuzeigen (ein zweiter Vergleich). Im übrigen gibt
der zweite Komparator C2 nur das Ausgangssignal mit "L"-Pegel
ab.
Wie Fig. 5 zeigt, hat die Gatespannungsdetektierschaltung 5
einen ersten Komparator C1, dessen erster Eingang die Signal
leitung 15 als Eingang empfängt und dessen zweitem Eingang
eine erste Schwellenspannung VTH1 zugeführt wird, die der
Schwellenspannung des IGBT 1 entspricht. Nur wenn die Spannung
auf der Ausgangssignalleitung 15 gleich der oder größer als
die erste Schwellenspannung VTH1 ist, gibt dieser Komparator
C1 ein Ausgangssignal mit dem "H"-Pegel ab, um anzuzeigen, daß
die Steuerspannung zum IGBT 1 gleich der oder größer als die
Schwellenspannung des IGBT 1 ist, d. h. daß sich der IGBT 1
tatsächlich im Einschaltbetriebszustand befindet (ein erster
Vergleich).
Der von den Schaltungen 3 bis 5 in der Entscheidungsschaltung
10 gebildete Teil ist in den Schaltungen der Fig. 9 und 10 als
Schaltung 10P dargestellt, die später als Beispiel für Modifi
kationen beschrieben werden.
Fig. 6 ist ein Blockschaltbild, das die Überstromschutzschal
tung 20A für den anderen IGBT 1A zeigt, der mit dem IGBT 1 an
dem jeweiligen Anschluß U, V oder W in jedem der Wechselrich
terschaltungsbereiche INVU bis INVW in Fig. 1 verbunden ist.
Da der andere IGBT 1A das Schaltelement der Hochpotentialseite
relativ zu dem IGBT 1 bildet, bildet in dem Fall der Schaltung
20A sein Emitteranschluß bzw. seine Emitterelektrode E die
"erste Hauptelektrode", die mit der Last L' verbunden ist, und
sein Kollektoranschluß bzw. seine Kollektorelektrode C ent
spricht der "zweiten Hauptelektrode". Diese Definition ist in
umgekehrter Beziehung zu derjenigen für den IGBT 1 in Fig. 2.
In Fig. 6 sind die Schaltungen mit den gleichen Bezugszeichen
wie die entsprechenden Schaltungen in Fig. 2 mit dem Zusatz
"A" bezeichnet.
Da, wie oben angegeben, die Schaltung 20A sich von der Schal
tung 20 in Fig. 2 nur durch die Verbindung zwischen der Last
und dem IGBT unterscheidet, hat sie die gleichen Funktionen
und Wirkungen wie die Schaltung 20. Daher wird nachstehend der
Betrieb der in Fig. 2 gezeigten Schaltung beschrieben.
- (A) Betrieb, wenn während des Übergangs vom Einschalt- in den
Ausschaltbetrieb ein Überstrom fließt:
Der Betrieb ist in diesem Fall in dem Zeitdiagramm der Fig. 7A bis 7H gezeigt.
Wenn das Eingangssignal VIN1 mit dem "H"-Pegel, der dem Ein schaltsignalpegel entspricht, an den Eingang 6 geführt wird, steigt die Steuerspannung nach Ablauf der Einschaltverzöge rungsdauer auf den "H"-Pegel, um den IGBT 1 in den Einschalt zustand zu bringen, und dann fließt der Hauptstrom in dem IGBT 1. Die Stromdetektierschaltung 2 überwacht den Pegel des Hauptstroms.
Es wird nun angenommen, daß das Eingangssignal VIN1 mit "L"-Pegel, der dem Ausschaltsignalpegel entspricht, an den Eingang 6 geführt wurde und daß dann der Pegel des in dem IGBT 1 flie ßenden Hauptstroms den Überstromdetektierpegel zum Zeitpunkt T1 vor dem Ablauf der Ausschaltverzögerungsdauer OFD erreich te, die erforderlich ist, bis der IGBT 1 den Ausschaltzustand erreicht. In diesem Fall (1) detektiert die Überstromdetek tierschaltung 3 den Überstrom und gibt das Ausgangssignal mit "H"-Pegel ab. Weiterhin ist (2) die Steuerspannung, die an dem Gate G des IGBT 1 anliegt, immer noch größer als die Schwel lenspannung des IGBT 1 zum Zeitpunkt T1, so daß die Gatespan nungsdetektierschaltung 5 diesen Zustand detektiert und das Ausgangssignal mit "H"-Pegel abgibt. Infolgedessen gibt die Überstromentscheidungsschaltung 4 das Ausgangssignal mit dem "H"-Pegel ab, dessen Pegel von dem Transistor 11 invertiert und dann dem externen Mikrocomputer vom Fehlerausgang 9 als Fehlerdetektiersignal zugeführt wird, das das Auftreten des Überstromzustands bezeichnet. Der Mikrocomputer 21 (Fig. 1) wird somit zu einem Zeitpunkt nahe dem Zeitpunkt T1 infor miert, daß sich der IGBT 1 im Überstromzustand befindet.
Bei Empfang der Information gibt der Mikrocomputer 21 (oder der Steuerbereich 22) in Fig. 1 die Eingangssignale VIN1, VIN1A, VIN2, VIN2A, VIN3 und VIN3A, deren Pegel auf dem Aus schaltsignalpegel fixiert sind, an die IGBT-Treiberschaltung 7 und sämtliche anderen Leistungstransistor-Treiberschaltungen ab, um sämtliche Leistungstransistoren sofort in den Aus schaltzustand zu bringen, und hält sie getrennt. Es ist zu be achten, daß sich der Leistungstransistor 1 zum Zeitpunkt (T1+1) bereits im Ausschaltzustand befindet.
Wenn in diesem Fall der Überstromzustand detektiert wird und die Spannung auf der zweiten Ausgangssignalleitung 13 sich vom "L"-Pegel zum "H"-Pegel ändert, beeinflußt dies die IGBT-Trei berschaltung 7 überhaupt nicht, weil der Ausgangspegel des NOR-Glieds 7b in der IGBT-Treiberschaltung 7 durch das Ein gangssignal VIN1 oder den Ausgangspegel des Inverters 7a auf dem "L"-Pegel festgelegt ist. Das heißt also, der IGBT 1 geht zu dem Zeitpunkt, zu dem die Ausschaltverzögerungsdauer OFD nach dem Eingang des Eingangssignals VIN1 mit Ausschaltsignal pegel abgelaufen ist, in den Ausschaltzustand, und zwar spezi ell zu dem Zeitpunkt, zu dem nach dem Zeitpunkt T1 die Zeit dauer t1 abgelaufen ist. Da der Steuerbereich 22, der das Fehlerdetektiersignal VO11 empfangen hat, das Eingangssignal VIN1 auf dem "L"-Pegel fixiert hält, fließt anschließend der Hauptstrom nicht. Da die Dauer des Impulses des Fehlerdetek tiersignals VO1 kurz ist, wie Fig. 7G zeigt, ist zu diesem Zeitpunkt der Zeitgeber 24 aktiv, der in Fig. 1 gezeigt ist, um die Impulsdauer des Fehlerdetektiersignals VO1 lang vorzu geben, wie bereits erläutert, so daß der Mikrocomputer 21 die ses detektieren kann.
Somit bietet die Schaltung 20 Funktionen und Auswirkungen, die im Stand der Technik nicht erhalten werden konnten. Wenn also das Eingangssignal sich vom Einschaltsignalpegel zum Aus schaltsignalpegel ändert und dann der IGBT 1 vor dem Ablauf der Ausschaltverzögerungsdauer in den Überstromzustand geht, kann die Schaltung 20 den Überstromzustand sofort und mit Sicherheit in demselben Augenblick, in dem er auftritt, detek tieren. Die Schaltung 20 gibt das Detektierergebnis sofort an den externen Mikrocomputer 21 ab, um diesen zu informieren, daß in dem IGBT 1 ein Überstromzustand aufgetreten ist, und zwar zu einem frühen Zeitpunkt nach dem Auftreten des Über stromzustands (dieser Zeitpunkt liegt vor der nächsten Ände rung des Eingangssignals VIN1 in den Einschaltsignalpegel).
Das ermöglicht es dem externen Mikrocomputer 21 oder dem Steu erbereich 22, den Pegel des Eingangssignals VIN1 sofort auf dem Ausschaltsignalpegel ("L") zu fixieren, um den IGBT 1 zu trennen, bevor das Eingangssignal VIN1 wieder den Einschalt signalpegel annimmt, so daß ein Hauptstrom, der gleich dem oder größer als der Hauptstrom ist, der zu dem Zeitpunkt (T1+1) in dem IGBT 1 fließt (der etwas größer als der Über stromdetektierpegel ist), nicht in dem IGBT 1 fließt.
Das heißt also, er kann den IGBT 1 vor dem Überstromzustand in einer früheren Phase schützen und einen Anstieg der Stromspan nung zum Abschaltzeitpunkt verhindern. Außerdem kann der Mi krocomputer 21 auch andere IGBTs, die zum Treiben des Dreh strommotors M dienen, mit derselben zeitlichen Steuerung ab schalten, so daß mit Sicherheit die übrigen IGBTs in einer früheren Phase nach dem Detektieren des Auftretens des Über stromzustands des IGBT 1 getrennt werden.
Wenn in dieser Schaltung 20 ferner ein Ausgangssignal mit dem "H"-Pegel auf der Ausgangssignalleitung 17 infolge der Eingabe eines Rauschsignals auftritt, während sich der IGBT 1 im Aus schaltbetriebszustand befindet, bleibt das Fehlerdetektier signal VO1 auf dem "H"-Pegel, da der Spannungspegel auf der Ausgangssignalleitung 18 auf dem "L"-Pegel bleibt. Diese Schaltung realisiert somit auch die Funktion, eine fehlerhafte Bestimmung, die durch Rauschen im Ausschaltzustand verursacht ist, ebenso wie die in Fig. 11 gezeigte Schaltung zu verhin dern. - (B) Betrieb, wenn im Einschaltbetrieb ein Überstromzustand
auftritt:
Der Betrieb der Schaltung 20 in diesem Fall ist in dem Zeit diagramm der Fig. 8A bis 8H gezeigt.
Wie die Fig. 8A bis 8H zeigen, realisiert diese Schaltung 20 ebenfalls die gleiche Funktion wie die in Fig. 11 gezeigte Schaltung. In diesem Fall bietet also die Entscheidungsschal tung 10 in Fig. 2 nicht nur die Funktion (a): Detektieren des Auftretens des Überstromzustands zu dem Zeitpunkt T1, in dem der ansteigende Hauptstrom für den IGBT 1 den Überstromdetek tierpegel erreicht, während sich der IGBT 1 im Einschaltzu stand befindet, und Abgeben des Bestimmungsergebnisses nach außen als Fehlerdetektiersignal VO1, sondern auch die Funktion (b): Bewirken, daß das Signal auf der zweiten Ausgangssignal leitung 13 auf den "H"-Pegel ansteigt, und Anlegen des Signals an das NOR-Glied 7b in der IGBT-Treiberschaltung 7, so daß der IGBT 1 im Einschaltbetrieb nach Ablauf der Verzögerungsdauer t1, in der der Hauptstrom nur geringfügig über den Überstrom detektierpegel angestiegen ist, selbst in den Ausschaltbetrieb gezwungen wird, um den Überstrom zu unterbrechen, so daß der IGBT 1 zu einem früheren Zeitpunkt geschützt wird.
Dann fixiert der Mikrocomputer 21 (oder der Steuerbereich 22) den Pegel des Eingangssignals VIN1 auf dem"L"-Pegel in Abhän gigkeit von dem Fehlerdetektiersignal VO11 (Fig. 1) zwischen dem Zeitpunkt T1 und dem Zeitpunkt T2, zu dem das Eingangssi gnal VIN1 erneut ansteigt. Das hält den IGBT 1 nach dem Zeit punkt T2 getrennt. Der Mikrocomputer 21 setzt ferner zum glei chen Zeitpunkt die Pegel sämtlicher Eingangssignale für die anderen IGBTs auf den "L"-Pegel, und die anderen IGBTs werden nach dem Zeitpunkt T2 ebenfalls getrennt gehalten.
Auf diese Weise hat die Schaltung 20 sämtliche Funktionen, die beim Stand der Technik realisiert werden.
Die Entscheidungsschaltung 10 der vorliegenden Erfindung kann mit den Betriebsweisen, die in den Abschnitten (A) und (B) und den Schaltungskonfigurationen gemäß Fig. 1 und Fig. 6 be schrieben sind, wie folgt konzipiert werden. Die Entschei dungsschaltung 10 empfängt den Hauptstrom und die Steuerspan nung des Leistungstransistors als Eingangssignale, und wenn sie detektiert, daß (i) die Steuerspannung gleich der oder größer als die Schwellenspannung des Leistungstransistors ist (erster Vergleich) und daß (ii) der Hauptstrom gleich einem oder größer als ein bestimmter Schwellenstrom ist (der Über stromdetektierpegel, zweiter Vergleich) (UND), dann entschei det sie, daß der Leistungstransistor im Überstromzustand ist, und gibt diese Entscheidung an ein externes Steuerungssystem (21, 22) über die Ausgangssignalleitung 19 in Form des Fehler detektiersignals ab.
Der Ausgang der Entscheidungsschaltung 10 ist ferner mit der IGBT-Treiberschaltung 9 verbunden, und sie hat außerdem die Funktion, daß sie dann, wenn sie das Auftreten des Überstrom zustands des IGBT 1 detektiert, wenn der Pegel des Eingangs signals VIN1 der Einschaltsignalpegel ("H") ist, die IGBT-Treiberschaltung 7 so steuert, daß die Steuerspannung, die bei oder über der Schwellenspannung des IGBT 1 ist, auf eine Span nung unter der Schwellenspannung ändert.
Wie oben beschrieben, führt die Überstromschutzschaltung für einen Leistungstransistor gemäß der bevorzugten Ausführungs form die Bestimmung durch, daß der Leistungstransistor sich im Überstromzustand befindet, wenn (1) die Steuerspannung des Leistungstransistors gleich der oder größer als die Schwellen spannung des Leistungstransistors ist und (2) der Überstromde tektor den Überstromzustand detektiert (d. h. zu dem Zeit punkt, wenn beiden Bedingungen (1) und (2) genügt ist), und meldet diese Entscheidung nach außen. Das ermöglicht es dem Mikrocomputer, die Pegel der Eingangssignale VIN1 bis VIN3A (Fig. 1) zu einem Zeitpunkt auf dem Ausschaltsignalpegel fest zulegen, der möglichst nahe an dem Augenblick des Auftretens des Überstromzustands ist, um diesen Leistungstransistor und sämtliche übrigen Leistungstransistoren, die den Motor trei ben, zwangsweise abzuschalten, so daß die Leistungstransisto ren getrennt werden können, während der Hauptstrom, der fließt, kleiner als bei herkömmlichen Einrichtungen ist, so daß die Stoßspannung zum Abschaltzeitpunkt im Vergleich mit herkömmlichen Einrichtungen deutlich verringert wird.
Der IGBT 1 bei der ersten bevorzugten Ausführungsform hat zwar
einen Fühlanschluß S wie die Fig. 1, 2 und 6 zeigen, aber der
Leistungstransistor in der Halbleiterschaltung gemäß der Er
findung ist nicht auf einen solchen IGBT mit Fühlanschluß be
schränkt. Beispielsweise kann eine Überstromschutzschaltung
für Leistungstransistoren ähnlich wie diejenige von Fig. 2
aufgebaut sein, indem als Leistungstransistor ein IGBT verwen
det wird, der keinen Fühlanschluß hat.
Fig. 9 zeigt ein Beispiel hierfür. Fig. 9 zeigt der Einfach
heit halber eine Modifikation des ersten Wechselrichterschal
tungsbereichs INVU von Fig. 1, aber der Aufbau der Schaltung
INVU1 gemäß Fig. 9 kann auch bei dem zweiten und dem dritten
Wechselrichterschaltungsbereich INVV, INVW von Fig. 1 auf die
gleiche Weise angewandt werden.
Es versteht sich, daß diese Modifikation ebenfalls die bei der
ersten bevorzugten Ausführungsform beschriebenen Funktionen
und Wirkungen bietet.
Die Last ist zwar die Induktivität L, die auf der Basis der
Wicklungen LU bis LW des Motors M von Fig. 1 bei der ersten
bevorzugten Ausführungsform und dem ersten Modifikationsbei
spiel bestimmt wird, aber die Last kann auch ein Widerstand 25
sein, wie er beispielsweise in Fig. 10 gezeigt ist. Wenn die
Last der Widerstand 25 ist, steigt der in dem Widerstand 25
fließende Hauptstrom einfach an, wenn der IGBT 1 eingeschaltet
ist, und es fließt kein Hauptstrom in dem IGBT 1, wenn er aus
geschaltet ist. Wenn daher der IGBT 1 wieder einschaltet, er
höht sich der Hauptstrom nicht kumulativ wie im Fall der In
duktivität als Last. Aber auch in diesem Fall kann ein Über
strom nicht nur dann fließen, wenn der IGBT 1 eingeschaltet
ist, sondern wenn er einen Übergang vom Ein- in den Ausschalt
zustand herstellt, und zwar aufgrund der Wirkung eines Rausch
signals oder einer Änderung der äußeren Spannung. Somit bieten
Anwendungen der Halbleiterschaltung der Erfindung die gleichen
Funktionen und Wirkungen wie diejenigen, die bei der ersten
bevorzugten Ausführungsform beschrieben sind, und zwar auch
dann, wenn die Last ein Widerstand ist, so daß sich eine
brauchbare Überstromschutzschaltung für Leistungstransistoren
ergibt.
Die in Fig. 10 gezeigte Schaltung entspricht der in Fig. 2 ge
zeigten, wobei gleiche Komponenten mit den gleichen Bezugszei
chen versehen sind.
Die Leistungstransistoren sind nicht auf die IGBTs beschränkt,
es können beispielsweise auch Isolierschicht-Schaltelemente,
wie etwa Leistungs-MOS-FETs, als Leistungstransistoren verwen
det werden.
Der Mikrocomputer 21 gibt zwar bei dem in Fig. 1 gezeigten
Beispiel gesonderte Eingangssignale an die Wechselrichterbe
reiche INVU bis INVW ab, aber sämtliche Eingangssignale zu den
Wechselrichterbereichen können auch dieselben Eingangssignale
sein (in diesem Fall sind das Eingangssignal VIN1 und die an
deren Eingangssignale VIN1A bis VIN3A dieselben Signale), oder
Eingangssignale nur zu einer Vielzahl von Wechselrichterberei
chen können dieselben Eingangssignale sein, während die ande
ren Eingangssignale separat vorgegeben werden. In diesem Sinn
sind "die anderen Eingangssignale" als ein Konzept zu verste
hen, das die Fälle umfaßt, in denen sie dieselben Signale wie
"die Eingangssignale" sind.
Claims (8)
1. Halbleiterschaltung,
gekennzeichnet durch:
- - einen Leistungstransistor (1) , der eine mit einer Last verbundene erste Hauptelektrode, eine zweite Hauptelektrode und eine Steuerelektrode (G) auf weist, wobei der Leistungstransistor einen Haupt strom zwischen der ersten Hauptelektrode und der zweiten Hauptelektrode durchläßt, wenn eine an die Steuerelektrode (G) angelegte Steuerspannung gleich einer oder größer als eine Schwellenspan nung ist;
- - eine Eingangssignalleitung (12), die ein Eingangs signal empfängt und überträgt, das einen Ein schaltsignalpegel und einen Ausschaltsignalpegel hat, die sich abwechselnd und periodisch ändern;
- - eine Treiberschaltung (7), die einen mit der Ein gangssignalleitung (12) verbundenen Eingang und einen mit der Steuerelektrode (G) des Leistungs transistors verbundenen Ausgang hat, wobei die Treiberschaltung die Steuerspannung, die gleich der oder größer als die Schwellenspannung ist, an ihrem Ausgang nach Ablauf einer Verzögerung, die einer Einschalt-Verzögerungsdauer entspricht, nach dem Eingang des Eingangssignals abgibt, wenn der Pegel des Eingangssignals der Einschaltsignalpegel ist, und die Steuerspannung, die kleiner als die Schwellenspannung ist, an ihrem Ausgang nach Ab lauf einer Verzögerung, die einer Ausschalt-Verzö gerungsdauer entspricht, nach dem Eingang des Ein gangssignals abgibt, wenn der Pegel des Eingangs signals der Ausschaltsignalpegel ist; und
- - eine Entscheidungsschaltung (10), die den Haupt strom und die Steuerspannung des Leistungstransi stors als Eingangssignale empfängt, wobei die Ent scheidungsschaltung entscheidet, daß sich der Lei stungstransistor in einem Überstromzustand befin det, wenn sie detektiert, daß die Steuerspannung gleich der oder größer als die Schwellenspannung ist und der Hauptstrom gleich einem oder größer als ein bestimmter Schwellenstrom ist.
2. Halbleiterschaltung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Entscheidungsschaltung (10) einen ersten Ver
gleich zwischen der Steuerspannung und der Schwellen
spannung und einen zweiten Vergleich zwischen dem
Hauptstrom und dem Schwellenstrom durchführt und auf
der Basis eines Resultats des ersten Vergleichs und ei
nes Resultats des zweiten Vergleichs entscheidet, ob
ein Überstromzustand vorliegt.
3. Halbleiterschaltung nach Anspruch 2,
gekennzeichnet durch
eine Ausgangssignalleitung (19), die mit einem Ausgang
der Entscheidungsschaltung (10) verbunden ist und ein
Ausgangssignal, das das Resultat der von der Entschei
dungsschaltung getroffenen Entscheidung darstellt, als
Fehlerdetektiersignal (VO1) abgibt.
4. Halbleiterschaltung nach Anspruch 3,
gekennzeichnet durch
eine Steuerungseinrichtung (22), die mit der Eingangs
signalleitung (12) und der Ausgangssignalleitung (19)
verbunden ist, wobei die Steuerungseinrichtung den Pe
gel des Eingangssignals in Abhängigkeit von dem Ein
gangszeitpunkt des Fehlerdetektiersignals auf dem Aus
schaltsignalpegel festlegt, wenn das Fehlerdetektier
signal anzeigt, daß sich der Leistungstransistor (1) in
dem Überstromzustand befindet.
5. Halbleiterschaltung nach Anspruch 4,
gekennzeichnet durch
- - einen weiteren Leistungstransistor (1A), der ge meinsam mit dem Leistungstransistor (1) eine ex terne Lasteinrichtung (M) treibt, und
- - eine weitere Treiberschaltung (7A), die einen mit der Steuerungseinrichtung (22) verbundenen Eingang hat und ein weiteres Eingangssignal empfängt, das von der Steuerungseinrichtung abgegeben wird und abwechselnd zwischen dem Einschaltsignalpegel und dem Ausschaltsignalpegel umschaltet, um dadurch den weiteren Leistungstransistor (1A) zu treiben,
6. Halbleiterschaltung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Treiberschaltung (7) ferner mit dem Ausgang der
Entscheidungsschaltung (10) verbunden ist und die Trei
berschaltung die Steuerspannung, die gleich der oder
größer als die Schwellenspannung ist, zu der Spannung
ändert, die kleiner als die Schwellenspannung ist, wenn
der Pegel des Eingangssignals der Einschaltsignalpegel
ist und wenn das Resultat der von der Entscheidungs
schaltung (10) getroffenen Entscheidung die Detektie
rung des Überstromzustands zeigt.
7. Halbleiterschaltung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Treiberschaltung (7) auch mit dem Ausgang der
Entscheidungsschaltung (10) verbunden ist und die Trei
berschaltung die Steuerspannung, die gleich der oder
größer als die Schwellenspannung ist, zu der Spannung
ändert, die kleiner als die Schwellenspannung ist, wenn
der Pegel des Eingangssignals der Einschaltsignalpegel
ist und wenn das Resultat der von der Entscheidungs
schaltung (10) getroffenen Entscheidung die Detektie
rung des Überstromzustands zeigt.
8. Schaltung zum Schutz eines mit einer Last verbundenen
Leistungstransistors vor einem Überstromzustand,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Schaltung auf der Basis eines ersten Eingangs
signals, das eine Steuerspannung zu dem Leistungstran
sistor bezeichnet, und eines zweiten Eingangssignals,
das einen in dem Leistungstransistor fließenden Haupt
strom bezeichnet, detektiert, ob der in dem Leistungs
transistor fließende Strom in einem Überstromzustand
ist, und das Detektierergebnis nach außen abgibt.
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