JP2000014161A - インバータ制御用半導体装置 - Google Patents

インバータ制御用半導体装置

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JP2000014161A JP10170008A JP17000898A JP2000014161A JP 2000014161 A JP2000014161 A JP 2000014161A JP 10170008 A JP10170008 A JP 10170008A JP 17000898 A JP17000898 A JP 17000898A JP 2000014161 A JP2000014161 A JP 2000014161A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 電流検出抵抗を用いず、過電流検出を制御I
C内で精度よく行う。 【解決手段】 インバータ出力素子は、センス端子を持
つパワートランジスタから構成される。センス電流IS
は、IC内部の抵抗RSによりセンス電圧VSに変換さ
れる。コンパレータ3は、基準電圧V0とセンス電圧V
Sを比較した結果に基づいてゲートドライバ9にゲート
オフ信号を出力する。また、環境条件による誤検出を防
止するため、IC内部の抵抗R0,RSは、同じ場所、
同じ向き、同じプロセスで形成され、各抵抗R0、RS
の特性(温度特性を含む)が実質的に同じに設定され
る。また、電源VRには、インバータ出力素子のセンス
電流のばらつきを相殺するような特性を持たせる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、家庭用インバータ
エアコン、インバータ冷蔵庫、産業用インバータポンプ
システムなどに用いられるインテリジェントパワーデバ
イスに使用されるもので、過電流を検出し、インバータ
システムを保護するための過電流保護回路に関する。
【0002】
【従来の技術】図2は、インバータシステムの概略を示
している。インバータシステムは、一般に、電源入力部
(コンバータ部)11、システム制御部(マイコン)1
2及び出力部(インバータ部)13から構成される。電
源入力部11には、交流(AC)信号が入力され、出力
部13から負荷(例えば、三相モータ)に電流が供給さ
れる。出力部13には、インバータ出力素子を過電流か
ら保護するために、インバータ出力素子の出力電流を検
出し、この出力電流が所定値以上になった場合にこの出
力電流を制限する過電流保護回路が設けられている。
【0003】図3は、図2の三相インバータシステムの
出力部の主要部を示している。インバータ出力素子21
は、IGBTやFETなどのパワーデバイスから構成さ
れる。インバータ出力素子21に流れる電流は、電流検
出シャント抵抗(以下、電流検出抵抗)22により電圧
に変換される。インバータ出力素子21を駆動するゲー
トドライバ23は、過電流保護回路を有している。過電
流保護回路は、過電流検出用コンパレータ24及びノア
(論理和否定)回路26からなる。
【0004】過電流検出用コンパレータ24のマイナス
側入力端子には、電源25による基準電圧Vrefが印
加され、プラス側入力端子には、電流検出抵抗22の電
圧降下により発生した電圧VSが印加される。
【0005】そして、電流検出抵抗22に所定値以上の
電流(過電流)が流れると、電流検出抵抗22により発
生する電圧VSが基準電圧Vrefよりも大きくなり、
過電流検出用コンパレータ24の出力がプラス
(“H”)となる。この時、ノア回路26の出力は、全
て強制的にマイナス(“L”)となり、出力電流が遮断
される。
【0006】また、電流検出抵抗22に流れる電流が所
定値未満の場合には、電流検出抵抗22により発生する
電圧VSが基準電圧Vrefよりも小さくなり、過電流
検出用コンパレータ24の出力がマイナス(“L”)と
なる。この時、ノア回路26の出力は、制御入力φ1〜
φ6に応じてプラス(“H”)又はマイナス(“L”)
となる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】図3に示すように、イ
ンバータ制御用半導体装置は、インバータ出力素子21
を過電流から保護するために過電流保護回路を有してい
る。そして、従来の過電流保護回路は、出力電流の主経
路に接続される電流検出抵抗22を用いて、直接、イン
バータ出力素子21に流れる出力電流を検出していた。
【0008】しかし、インバータ出力素子21に流れる
出力電流は、通常、数十〜数百アンペアと非常に大きい
ため、電流検出抵抗22において発生するワッテージも
数十ワットと大きくなる。
【0009】よって、このような大きなワッテージに耐
える高価な電流検出抵抗22が必要になると共に、電流
検出抵抗22を用いることによるパワーの損失によりシ
ステムの効率が悪くなるという欠点がある。
【0010】本発明は、上記事情を鑑みてなされたもの
で、その目的は、インバータ制御用半導体装置におい
て、インバータ出力素子を過電流から保護するための出
力電流の検出を、出力電流の主経路に電流検出抵抗を接
続することなく行い、かつ、過電流からの保護を制御I
C内で精度よく行うことである。
【0011】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明のインバータ制御用半導体装置は、1チップ
化され、かつ、センス端子を有するトランジスタの動作
を制御するものであり、前記トランジスタのセンス端子
に流れるセンス電流をセンス電圧に変換する抵抗と、基
準電圧と前記センス電圧を比較するコンパレータと、前
記コンパレータの比較結果に基づいて前記トランジスタ
の動作を制御するゲートドライバとを備えている。
【0012】前記基準電圧を生成する抵抗と前記センス
電圧を生成する抵抗は、実質的に同じ特性を有してい
る。前記基準電圧は、環境変化による前記トランジスタ
のセンス電流のばらつきを相殺するような特性を有して
いる。
【0013】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら、本発
明のインバータ制御用半導体装置について詳細に説明す
る。図1は、本発明の実施の形態に関わるインバータ制
御用半導体装置(制御IC)の主要部の一例を示してい
る。
【0014】本例では、三相インバータシステムに適用
されるインバータ制御用半導体装置について説明する。
インバータ出力素子1は、センス端子を有するパワーデ
バイス(IGBT、FETなど)から構成される。本発
明では、インバータ出力素子1の主電流IMが流れる主
経路に電流検出抵抗が接続されることはなく、インバー
タ出力素子1は、直接、接地点に接続される。
【0015】インバータ出力素子1は、主電流IMの1
/k倍の微小な電流をセンス電流ISとして出力し得る
センス端子を有している。 k = IM/IS …(1) インバータ出力素子1のセンス端子は、インバータ制御
用半導体装置(制御IC)10のセンス入力端子2を経
由して、インバータ制御用半導体装置10内の抵抗RS
に接続される。このため、インバータ出力素子1のセン
ス電流ISは、センス入力端子2を経由して抵抗RSに
流れる。
【0016】センス電流ISと抵抗RSにより、センス
電圧VSが生成される。 VS = IS×RS …(2) このセンス電圧VSは、過電流検出用コンパレータ3の
一方の入力端子に入力される。過電流検出用コンパレー
タ3の他方の入力端子には、基準電圧V0が入力され
る。
【0017】基準電圧V0は、電流IRと抵抗R0によ
り生成される。 V0 = IR×R0 …(3) 電流IRは、カレントミラー回路8により電流IRRを
折り返したものであるから、以下の(4)式の関係が得
られる。
【0018】 IR = IRR …(4) 電流IRRは、電源VR、pnp型バイポーラトランジ
スタ4、npn型バイポーラトランジスタ5及び抵抗6
により生成される。また、電流IRRは、端子7を経由
して、インバータ制御用半導体装置10の外部の過電流
保護レベル決定抵抗RRに流れる。
【0019】 VR = IRR×RR …(5) つまり、基準電圧V0は、上記(3)乃至(5)式よ
り、 V0 = VR・(R0/RR) …(6) となる。
【0020】従って、本発明に関わる三相インバータ制
御半導体装置の過電流保護レベル(過電流として認識す
る値)IMthは、上記(1),(2)及び(6)式よ
り、以下の(7)式のように表すことができる。
【0021】 VS = V0 IS×RS = VR・(R0/RR) (IM/k)×RS = VR・(R0/RR) IM = IMth IMth = k・{R0/(RS×RR)}・VR …(7) 但し、IMth: 主電流の保護レベル、 k: センス電流と主電流の比(IM/IS)、 R0: 抵抗R0の抵抗値、 RS: 抵抗RSの抵抗値、 RR: 抵抗RRの抵抗値、 VR: 電源VRの電圧値である。
【0022】なお、コンパレータ3及び抵抗RSは、三
相インバータシステムの各相毎に設けられる。各相に対
応するインバータ出力素子を保護するためである。ま
た、コンパレータ3の出力信号は、ゲートオフ信号とし
てゲートドライバ9に供給される。
【0023】過電流が流れている場合(IM≧IMt
h)、抵抗RSにより発生する電圧VSが基準電圧V0
よりも大きくなるため、コンパレータ3は、インバータ
出力素子1をオフ状態にするため、ゲートオフ信号を活
性化状態(“H”)にする。
【0024】一方、過電流が流れていない場合(IM<
IMth)には、抵抗RSにより発生する電圧VSが基
準電圧V0よりも小さくなるため、コンパレータ3は、
インバータ出力素子1のオン状態を維持するため、ゲー
トオフ信号を非活性化状態(“L”)にする。
【0025】このように、コンパレータ3の出力によ
り、インバータ出力素子1をカットオフしたり、又は、
インバータ制御用半導体装置10の外部にダイアグ信号
を出力できる。
【0026】上記構成を有するインバータ制御用半導体
装置において、本発明では、さらに、以下の工夫を施し
ている。第一に、電源VR(V0)に、インバータ出力
素子1の特性(温度特性を含む)と反対の特性(温度特
性を含む)を持たせる。即ち、システムの周囲の環境条
件(温度変化など)により、一般に、センス電流ISと
主電流IMの比kも変化する。これを放置すると、正確
に過電流を検出できなくなる。そこで、環境条件の変化
によるインバータ出力素子1のセンス電流ISのばらつ
き(センス電流ISと主電流IMの比kのばらつき)を
相殺するような特性を電源VR(V0)に持たせる。
【0027】第二に、抵抗R0と抵抗RSに相対精度を
持たせる。即ち、抵抗R0と抵抗RSを、チップ内にお
いて、同じ場所、同じ向き、同じプロセスで形成し、両
抵抗の特性(温度特性を含む)が実質的に同じになるよ
うにする。これにより、コンパレータにおける比較結果
を、環境条件によらず、常に一定にすることができ、過
電流を高精度に検出できる。
【0028】第三に、各相における抵抗R0に相対精度
を持たせる。即ち、各相における抵抗R0を、チップ内
において、同じ場所、同じ向き、同じプロセスで形成
し、各相に対応する各抵抗の特性(温度特性を含む)が
実質的に同じになるようにする。これにより、各相にお
いて、過電流を高精度に検出できるようになる。
【0029】なお、上述の実施の形態では、インバータ
制御用半導体装置(制御IC)は、バイポーラトランジ
スタにより構成したが、MOSトランジスタにより構成
しても構わない。
【0030】
【発明の効果】以上、説明したように、本発明のインバ
ータ制御用半導体装置によれば、インバータ出力素子
に、センス端子を有するトランジスタを用いることで、
高価で、パワー損失の原因となる電流検出抵抗を電流の
主経路に接続する必要がなくなる。また、制御ICの内
部に過電流保護回路を設けることで、システムの小型
化、低コスト化に貢献できる。
【0031】また、本発明では、主電流を検出する電流
検出抵抗を無くし、その代わりに、センス電流を検出す
る抵抗を制御IC内に設けている。ところが、通常、I
C内に形成される内部抵抗の抵抗値のばらつきは、±数
十%もあり、温度特性も数千ppm/℃もある。つま
り、内部抵抗の抵抗値のばらつきにより、過電流保護レ
ベルも大きくばらつくことになる。
【0032】そして、過電流保護レベルのばらつきは、
正常な電流範囲においてインバータ出力素子をオフ状態
にしてしまう誤検出や、インバータ出力素子の破壊点に
到達しているような過電流を見逃してしまう事態などを
招く。
【0033】本発明では、制御IC(チップ)内の抵抗
を、同じ場所、同じ向き、同じプロセスで形成し、制御
IC内の主要な抵抗の特性(温度特性を含む)が実質的
に同じになるようにしている。よって、コンパレータに
おける比較結果を、環境条件によらず、常に一定にする
ことができ、過電流を高精度に検出できる。
【0034】また、電源VR(V0)に、インバータ出
力素子の特性と反対の特性を持たせることで、環境条件
の変化によるインバータ出力素子のセンス電流のばらつ
き(センス電流と主電流の比のばらつき)を相殺できる
ため、さらに、高精度に過電流を検出できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態に関わるインバータ制御用
半導体装置の一例を示す図。
【図2】インバータシステムの構成を示す図。
【図3】従来のインバータ制御用半導体装置を示す図。
【符号の説明】
1,21 :インバータ出力素子、 2 :センス入力端子、 3,24 :過電流検出コンパレー
タ、 4 :pnp型バイポーラト
ランジスタ、 5 :npn型バイポーラト
ランジスタ、 6,7 :抵抗、 8 :カレントミラー回路、 9,23 :ゲートドライバ、 10 :インバータ制御用半
導体装置、 11 :電源入力部、 12 :システム制御部、 13 :出力部、 22 :電流検出抵抗、 25 :電源、 26 :ノア回路。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 センス端子を有するトランジスタの動作
    を制御する1チップ化されたインバータ制御用半導体装
    置であって、前記トランジスタのセンス端子に流れるセ
    ンス電流をセンス電圧に変換する抵抗と、基準電圧と前
    記センス電圧を比較するコンパレータと、前記コンパレ
    ータの比較結果に基づいて前記トランジスタの動作を制
    御するゲートドライバとを具備することを特徴とするイ
    ンバータ制御用半導体装置。
  2. 【請求項2】 前記基準電圧を生成する抵抗と前記セン
    ス電圧を生成する抵抗は、実質的に同じ特性を有してい
    ることを特徴とする請求項1記載のインバータ制御用半
    導体装置。
  3. 【請求項3】 前記基準電圧は、環境変化による前記ト
    ランジスタのセンス電流のばらつきを相殺するような特
    性を有していることを特徴とする請求項1記載のインバ
    ータ制御用半導体装置。
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