JP2004111438A - Overvoltage protection circuit of mos gate element - Google Patents

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JP2004111438A JP2002268276A JP2002268276A JP2004111438A JP 2004111438 A JP2004111438 A JP 2004111438A JP 2002268276 A JP2002268276 A JP 2002268276A JP 2002268276 A JP2002268276 A JP 2002268276A JP 2004111438 A JP2004111438 A JP 2004111438A
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mos gate
gate element
overvoltage
protection circuit
overvoltage protection
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JP2002268276A
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Inventor
Kimihiro Hoshi
星 公弘
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Toshiba Corp
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Toshiba Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To surely protect a high voltage large current MOS gate element against an overvoltage in a small capacity ZD (Zener diode). <P>SOLUTION: In an overvoltage protection circuit of the MOS gate element for protecting the MOS gate element constituted by connecting in parallel a plurality of MOS gate element chips 1-1, 1-2, 1-3 and 1-4 in a package against the overvoltage, the Zener diode 2 is connected between a collector and a gate of the partial MOS gate element chip 1-1, and a collector and an emitter of the partial MOS gate element chip 1-1 are respectively connected to collectors and gates of the residual MOS gate elements 1-2, 1-3 and 1-4. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばIGBT,IEGT等の高圧、大電流のMOSゲート素子を過電圧から保護する回路に係り、特に小容量のゼナーダイオードで、高圧大電流のMOSゲート素子を過電圧から確実に保護できるようにしたMOSゲート素子の過電圧保護回路に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
最近、高圧、大電流のMOSゲート素子、例えば高圧、大電流のIGBTは、パッケージ内に複数のMOSゲート素子チップを並列接続して構成し、大容量のIGBTを実現することが行なわれてきている。
【0003】
そして、従来から、このようなIGBTの過電圧保護は、コレクタ−エミッタ間にゼナーダイオード(以下、ZDと称する)を接続して、実現するようにしている。
【0004】
図5は、この種の従来のMOSゲート素子の過電圧保護回路の構成例を示す回路図である。
【0005】
なお、図5では、MOSゲート素子チップが3個の場合(ここでは、3個のIGBT1−2,1−3,1−4)の例について示している。
【0006】
図5において、同一パッケージ内に、3個のIGBTチップ1−2,1−3,1−4を並列接続して、IGBTを構成している。
【0007】
また、図5に示すように、それぞれのIGBTチップ1−2,1−3,1−4のコレクタ−エミッタ間に共通に、ZD2を図示極性で接続している。
【0008】
この場合、IGBT1−2,1−3,1−4のコレクタ−エミッタ間に過電圧が発生すると、ZD2がオンして、そのゼナー電流がIGBT1−2,1−3,1−4のゲート電流となり、IGBT1−2,1−3,1−4は、ZD2で設定された電圧を維持しながら電流を流す活性領域動作となる。
【0009】
すなわち、IGBT1−2,1−3,1−4は、過電圧破壊を発生する電圧よりも低いZD2設定の電圧で自らオンすることにより、過電圧破壊から保護されることになる。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、以上のような従来のMOSゲート素子の過電圧保護回路においては、次のような問題点がある。
【0011】
すなわち、図5に示すように、IGBTは、同一パッケージ内に複数のIGBTチップ1−2,1−3,1−4を並列接続して構成されており、IGBTが高圧大容量の場合には、これらのIGBTチップ1−2,1−3,1−4のゲートを駆動するためのゲート電流が大きくなる。
【0012】
そのため、ZD2電流は大きく、かつZD2電圧は高圧であることから、ZD2の容量も非常に大きくなる。
【0013】
しかしながら、このような大容量のZD2を見つけることは、極めて困難である。
【0014】
そのため、高圧にするために、ZD2を複数直列接続することも考えられるが、電圧バランスが正しくなく、設定電圧を正確に設定することができないという問題点がある。
【0015】
また、大容量のZD2は、温度特性が悪い等の問題点もある。
【0016】
本発明の目的は、小容量のZDで、高圧大電流のMOSゲート素子を過電圧から確実に保護することが可能なMOSゲート素子の過電圧保護回路を提供することにある。
【0017】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項1に対応する発明では、パッケージ内に複数のMOSゲート素子チップを並列接続して構成されるMOSゲート素子を過電圧から保護するMOSゲート素子の過電圧保護回路において、一部のMOSゲート素子チップのコレクタ−ゲート間に、ゼナーダイオードを接続し、残りのMOSゲート素子チップのコレクタとゲートにそれぞれ、上記一部のMOSゲート素子チップのコレクタとエミッタを接続している。
【0018】
従って、請求項1に対応する発明のMOSゲート素子の過電圧保護回路においては、一部のMOSゲート素子チップのコレクタ−ゲート間に、ゼナーダイオードを接続し、残りのMOSゲート素子チップのコレクタとゲートにそれぞれ、一部のMOSゲート素子チップのコレクタとエミッタを接続することにより、ゼナーダイオードで全てのMOSゲート素子チップを直接駆動するのではなく、一部のMOSゲート素子チップを利用してゼナーダイオード電流を一度増幅してから、残りのMOSゲート素子チップをゲート駆動するのみでよいため、従来よりも小さい電流で済むことになり、小容量のゼナーダイオードで、MOSゲート素子を過電圧から確実に保護することができる。
【0019】
また、請求項2に対応する発明では、上記請求項1に対応する発明のMOSゲート素子の過電圧保護回路において、ゼナーダイオードとしては、MOSゲート素子のパッケージの外部に取り付けるようにしている。
【0020】
さらに、請求項3に対応する発明では、上記請求項2に対応する発明のMOSゲート素子の過電圧保護回路において、パッケージとしては、圧接型MOSゲート素子、またはモジュ−ル型MOSゲート素子のパッケージとするようにしている。
【0021】
従って、請求項2および請求項3に対応する発明のMOSゲート素子の過電圧保護回路においては、ゼナーダイオードを、圧接型、またはモジュ−ル型MOSゲート素子のパッケージの外部に取り付けることにより、過電圧保護の電圧値の設定変更を任意かつ容易に行なうことができる。
【0022】
一方、請求項4に対応する発明では、上記請求項1に対応する発明のMOSゲート素子の過電圧保護回路において、残りのMOSゲート素子チップとしては、冷却可能な位置に配置するようにしている。
【0023】
従って、請求項4に対応する発明のMOSゲート素子の過電圧保護回路においては、ゼナーダイオードが接続されていない残りのMOSゲート素子チップを、冷却可能な位置に配置することにより、ゼナーダイオードの過電圧信号を最初に受けて信号増幅するMOSゲート素子チップは、冷却の必要が無いため、冷却できない位置にも配置することが可能となるため、MOSゲート素子チップの配置が任意になり、パッケージの設計を容易に行なうことができる。
【0024】
また、請求項5に対応する発明では、上記請求項1に対応する発明のMOSゲート素子の過電圧保護回路において、ゼナーダイオードが過電圧動作をしたことを検出する過電圧動作検出手段と、過電圧動作検出手段によりゼナーダイオードの過電圧動作が検出されると、MOSゲート素子への電源の供給を遮断する遮断手段とを付加している。
【0025】
従って、請求項5に対応する発明のMOSゲート素子の過電圧保護回路においては、MOSゲート素子の過電圧保護は、MOSゲート素子を活性化領域で使用することから、負担が大きく長時間動作できないため、ゼナーダイオードが過電圧動作を検出したことを検出した場合に、MOSゲート素子に印加される電源を遮断することにより、MOSゲート素子を活性化領域動作による発熱破壊から防止することができ、MOSゲート素子を過電圧から確実に保護することができる。
【0026】
【発明の実施の形態】
本発明は、パッケージ内に複数のMOSゲート素子チップを並列接続して構成されるMOSゲート素子において、ZDで全てのMOSゲート素子チップを直接駆動するのではなく、一部のMOSゲート素子チップを利用してZD電流を一度増幅してから、残りのMOSゲート素子チップをゲート駆動することを特徴としている。
【0027】
また、過電圧の電圧値の設定変更を容易にするために、パッケージの外部に設定手段であるZDを設置するようにしている。
【0028】
一方、ZDの過電圧信号を最初に受けて信号増幅するMOSゲート素子チップは、冷却の必要が無いために、冷却できない位置にも配置することを可能としている。
【0029】
また、この過電圧保護は、MOSゲート素子を活性化領域で使用することから、負担が大きく長時間動作できないために、この過電圧保護が動作したことを検出して、MOSゲート素子に印加される電源を遮断するようにしている。
【0030】
以下、上記のような考え方に基づく本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【0031】
(第1の実施の形態)
図1は、本実施の形態によるMOSゲート素子の過電圧保護回路の構成例を示す回路図であり、図5と同一要素には同一符号を付して示している。
【0032】
なお、図5では、MOSゲート素子チップが4個の場合の例について示している。
【0033】
図1において、同一パッケージ内に、MOSゲート素子として、例えば4個のIGBTチップ1−1,1−2,1−3,1−4を並列接続して、IGBTを構成している。
【0034】
また、一部のIGBTチップ1−1のコレクタ−エミッタ間に、ZD2を図示極性で接続している。
【0035】
ここで、ZD2の電圧の値は、IGBTの過電圧破壊電圧よりも低い値としている。
【0036】
さらに、残りのIGBTチップ1−2,1−3,1−4のコレクタ−エミッタは並列接続しており、上記一部のIGBTチップ1−1のコレクタと残りのIGBTチップ1−2,1−3,1−4のコレクタとを接続し、かつ一部のIGBTチップ1−1のエミッタと残りのIGBTチップ1−2,1−3,1−4のゲートとを接続している。
【0037】
次に、以上のように構成した本実施の形態によるMOSゲート素子の過電圧保護回路の作用について説明する。
【0038】
図1において、IGBTに過電圧が印加されると、その電圧がZD2のZD電圧に達するとZD電流が流れ、IGBTチップ1−1のゲートに電流が流れて、IGBT1−1チップは活性化領域でのオン状態になる。
【0039】
そのため、IGBTチップ1−1にはコレクタ電流が流れ、この電流がIGBTチップ1−2,1−3,1−4のゲート電流となって、IGBTチップ1−2,1−3,1−4は活性化領域でのオン状態となり、IGBTのコレクタ−エミッタ間電圧は、ZD2で設定した電圧を維持して、過電圧破壊を免れることになる。
【0040】
よって、本実施の形態のような構成では、ZD2は、IGBTチップ1−1をゲート駆動するのみでよいため、従来の場合の1/3の大きさの小さい電流で済むことになり、小容量のZD2で、IGBTを過電圧から確実に保護することができる。
【0041】
上述したように、本実施の形態によるMOSゲート素子の過電圧保護回路では、小容量のZD2で、高圧大電流のMOSゲート素子であるIGBTを過電圧から確実に保護することが可能となる。
【0042】
(第2の実施の形態)
本実施の形態によるMOSゲート素子の過電圧保護回路は、前述した第1の実施の形態によるMOSゲート素子の過電圧保護回路において、前記ZD2を、MOSゲート素子のパッケージの外部に取り付ける構成としている。
【0043】
さらに、前記ZD2が接続されていない残りのIGBTチップ1−2,1−3,1−4を、冷却可能な位置に配置する構成としている。
【0044】
ここで、MOSゲート素子としては、圧接型IGBT、またはモジュ−ル型IGBTとし、さらにパッケージとしては、圧接型IGBT用、またはモジュ−ル型IGBT用のパッケージとしている。
【0045】
次に、以上のように構成した本実施の形態によるMOSゲート素子の過電圧保護回路の作用について説明する。
【0046】
MOSゲート素子であるIGBTの製造段階で、ZD2をIGBTのパッケージの中に収納しておいてもよいが、例えばインバータ設計者のような応用側の技術者が、過電圧保護電圧を設定したい場合には、ZD2がパッケージの中に封印されてしまうと、設定が不可能になることから、ZD2の取り付け位置をパッケージの外部に置くようにすることにより、応用技術者が過電圧設定の電圧値の設定変更を、任意かつ容易に行なうことができる。
【0047】
例えば、MOSゲート素子の耐圧よりも負荷の耐圧が低い場合には、負荷の耐圧に合わせて過電圧保護を動作させることができるようになる。
【0048】
一方、残りのIGBTチップ1−2,1−3,1−4は、電流をオンオフのスイッチングをしたり、電流を流し続けることから、発熱するために、冷却する必要がある。
【0049】
しかし、一部のIGBTチップ1−1は、過電圧の時だけ瞬時動作することから、冷却の必要がないため、IGBTチップ1−1,1−2,1−3,1−4の冷却配置を行なう場合には、IGBTチップ1−2〜1−4は、冷却する位置に配置し、IGBTチップ1−1は、冷却不要であるために、任意の位置に配置することができる。
【0050】
その結果、IGBTチップ1−1,1−2,1−3,1−4の配置が任意になり、パッケージの設計を容易に行なうことができる。
【0051】
図2は、本実施の形態によるMOSゲート素子の過電圧保護回路の具体的な一構成例を示す回路図であり、図1と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【0052】
なお、図2では、MOSゲート素子が圧接型IGBTの場合の例について示している。
【0053】
図2において、8は、圧接型IGBT用のパッケージである。
【0054】
5は、コレクタ電極を兼ねたIGBTチップ冷却用のヒートシンクである。
【0055】
6は、エミッタ電極を兼ねたヒートシンクである。
【0056】
ZD2は、圧接型IGBT用パッケージ8の外部に配置しており、応用技術者がシステムの過電圧に関する保護協調に合わせた過電圧保護の電圧値を任意に選択可能にしている。
【0057】
また、7は絶縁物であり、熱伝導の悪い物質からなっている。
【0058】
この絶縁物7によって、IGBT1−1のエミッタとIGBT1−2,1−3,1−4のゲートを接続し、コレクタは接続していない。
【0059】
一方、IGBT1−1は、過電圧の時にのみ動作することから、冷却の必要が無く、絶縁物7が熱伝導が悪くても問題ない。
【0060】
絶縁物7は、通常熱伝導も悪いが、IGBT1−1の冷却の必要がないことから、通常の絶縁物を用いて、IGBT1−1のエミッタとIGBT1−2,1−3,1−4のゲートとを接続することが容易になる。
【0061】
もちろん、絶縁物7が電気的に絶縁され、熱伝導が良くても何ら問題はない。
【0062】
図3は、本実施の形態によるMOSゲート素子の過電圧保護回路の具体的な他の構成例を示す回路図であり、図1と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【0063】
なお、図3では、MOSゲート素子がモジュ−ル型IGBTの場合の例について示している。
【0064】
図3において、9は、モジュ−ル型IGBT用のパッケージである。
【0065】
10は、エミッタ電極を兼ねたIGBTチップ冷却用のヒートシンクである。
【0066】
11は、コレクタ電極を兼ねたヒートシンクである。
【0067】
12は、ワイヤボンデングである。
【0068】
ZD2は、モジュ−ル型IGBT用パッケージ9の外側に配置しており、応用技術者がシステムの過電圧に関する保護協調に合わせた過電圧保護の電圧値を任意に選択可能にしている。
【0069】
また、エミッタ電極を兼ねたIGBTチップ冷却用ヒートシンク10は、冷却のためのヒートシンクであるが、発熱のあるIGBT1−2,1−3,1−4は、冷却する必要があるが、IGBT1−1は、冷却の必要が無いことから、冷却に関係なく任意の場所に配置できるため、パッケ−ジ設計を容易に行なうことができる。
【0070】
上述したように、本実施の形態によるMOSゲート素子の過電圧保護回路では、過電圧保護の電圧値の設定変更を任意かつ容易に行なうことが可能となる。
【0071】
さらに、IGBTチップの配置が任意になり、パッケージの設計を容易に行なうことが可能となる。
【0072】
(第3の実施の形態)
図4は、本実施の形態によるMOSゲート素子の過電圧保護回路の構成例を示す回路図であり、図1と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【0073】
すなわち、本実施の形態によるMOSゲート素子の過電圧保護回路は、図4に示すように、過電圧動作検出手段である電流検出器(CT)13およびレベル検出器14と、遮断手段であるスイッチ15とを、前記図1に付加した構成としている。
【0074】
電流検出器13は、ZD2の電流を検出する。
【0075】
レベル検出器14は、電流検出器13により検出されたZD2電流が設定値以上に達したことを検出すると、ZD2が過電圧動作をしたことを検出する。
【0076】
スイッチ15は、電流検出器13およびレベル検出器14によりZD2の過電圧動作が検出されると、開放してIGBTへの電源16の供給を遮断する。
【0077】
次に、以上のように構成した本実施の形態によるMOSゲート素子の過電圧保護回路の作用について説明する。
【0078】
MOSゲート素子であるIGBTを過電圧から保護するために、活性化領域で動作させるわけであるが、活性化領域の動作は、IGBTに高電圧と大電流とが同時に印加されることから、IGBTの発生損失は異常に大きな値になるため、短時間で中止する必要がある。
【0079】
そのためには、IGBTが過電圧動作していることを検出して、IGBTへの電源を絶ってしまう必要がある。
【0080】
すなわち、IGBTが過電圧動作していることを検出するために、ZD2に電流が流れたことを検出すればよい。
【0081】
この点、本実施の形態においては、電流検出器13によりZD2電流を検出し、誤動作防止のためレベル検出器14で設定値以上に達したことを検出すると、過電圧防止動作が作動したとして、IGBTと電源16との間のスイッチ15を開放して、IGBTへの電圧の印加が絶たれることになる。
【0082】
これにより、MOSゲート素子であるIGBTを、活性化領域動作による発熱破壊から防止することができ、IGBTを過電圧から確実に保護することができる。
【0083】
上述したように、本実施の形態によるMOSゲート素子の過電圧保護回路では、MOSゲート素子であるIGBTを活性化領域動作による発熱破壊から防止することができ、IGBTを過電圧から確実に保護することが可能となる。
【0084】
(その他の実施の形態)
尚、本発明は、上記各実施の形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で、種々に変形して実施することが可能である。
上記各実施の形態では、一部のMOSゲート素子チップが1個で、残りのMOSゲート素子チップが3個であるMOSゲート素子に本発明を適用した場合について説明したが、これに限らず、例えば一部のMOSゲート素子チップが2個や3個で、残りのMOSゲート素子チップが20個や30個であるMOSゲート素子についても、本発明を同様に適用して前述の場合と同様の作用効果を奏することが可能である。
【0085】
また、各実施の形態は可能な限り適宜組み合わせて実施してもよく、その場合には組み合わせた作用効果を得ることができる。
さらに、上記各実施の形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより、種々の発明を抽出することができる。
例えば、実施の形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題(の少なくとも一つ)が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果(の少なくとも一つ)が得られる場合には、この構成要件が削除された構成を発明として抽出することができる。
【0086】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のMOSゲート素子の過電圧保護回路によれば、小容量のZDで、高圧大電流のMOSゲート素子を過電圧から確実に保護することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるMOSゲート素子の過電圧保護回路の第1の実施の形態を示す回路図。
【図2】本発明によるMOSゲート素子の過電圧保護回路の第2の実施の形態の一例を示す回路図。
【図3】本発明によるMOSゲート素子の過電圧保護回路の第2の実施の形態の他の例を示す回路図。
【図4】本発明によるMOSゲート素子の過電圧保護回路の第3の実施の形態を示す回路図。
【図5】従来のMOSゲート素子の過電圧保護回路の構成例を示す回路図。
【符号の説明】
1−1,1−2,1−3,1−4…IGBTチップ
2…過電圧設定値を決めるZD
5…コレクタ電極兼用ヒートシンク
6…エミッタ電極兼用ヒートシンク
7…絶縁物
8…圧接型IGBT用パッケージ
9…モジュール型1GBT用パッケージ
10…エミッタ電極兼用ヒートシンク
11…コレクタ電極兼用ヒートシンク
12…ワイヤボンデング
13…電流検出器(CT)
14…レベル検出器
15…スイッチ
16…電源。
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a circuit for protecting a high-voltage, large-current MOS gate element such as an IGBT or an IEGT from overvoltage, and in particular, a small-capacity zener diode can reliably protect a high-voltage, large-current MOS gate element from overvoltage. The present invention relates to an overvoltage protection circuit for a MOS gate element as described above.
[0002]
[Prior art]
Recently, a high-voltage, large-current MOS gate device, for example, a high-voltage, large-current IGBT, has been implemented by connecting a plurality of MOS gate device chips in a package in parallel to realize a large-capacity IGBT. I have.
[0003]
Conventionally, such overvoltage protection of the IGBT is realized by connecting a zener diode (hereinafter referred to as ZD) between the collector and the emitter.
[0004]
FIG. 5 is a circuit diagram showing a configuration example of such a conventional MOS gate element overvoltage protection circuit.
[0005]
FIG. 5 shows an example in which there are three MOS gate element chips (here, three IGBTs 1-2, 1-3, 1-4).
[0006]
In FIG. 5, three IGBT chips 1-2, 1-3, and 1-4 are connected in parallel in the same package to form an IGBT.
[0007]
Further, as shown in FIG. 5, ZD2 is commonly connected between the collector and the emitter of each of the IGBT chips 1-2, 1-3 and 1-4 with the illustrated polarity.
[0008]
In this case, when an overvoltage occurs between the collector and the emitter of the IGBTs 1-2, 1-3 and 1-4, ZD2 turns on and its zener current becomes the gate current of the IGBTs 1-2, 1-3 and 1-4. , IGBTs 1-2, 1-3, 1-4 operate in an active region in which current flows while maintaining the voltage set by ZD2.
[0009]
That is, the IGBTs 1-2, 1-3, and 1-4 are protected from overvoltage breakdown by turning on themselves at a voltage of ZD2 setting lower than the voltage at which overvoltage breakdown occurs.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional MOS gate element overvoltage protection circuit as described above has the following problems.
[0011]
That is, as shown in FIG. 5, the IGBT is configured by connecting a plurality of IGBT chips 1-2, 1-3, and 1-4 in the same package in parallel, and when the IGBT has a high voltage and a large capacity, The gate current for driving the gates of these IGBT chips 1-2, 1-3, 1-4 increases.
[0012]
Therefore, since the ZD2 current is large and the ZD2 voltage is high, the capacity of ZD2 also becomes very large.
[0013]
However, finding such a large capacity ZD2 is extremely difficult.
[0014]
Therefore, it is conceivable to connect a plurality of ZD2s in series in order to increase the voltage. However, there is a problem that the voltage balance is not correct and the set voltage cannot be set accurately.
[0015]
The large capacity ZD2 also has problems such as poor temperature characteristics.
[0016]
An object of the present invention is to provide a MOS gate element overvoltage protection circuit that can reliably protect a high-voltage, large-current MOS gate element from overvoltage with a small capacity ZD.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, in the invention according to claim 1, a MOS gate element overvoltage protection circuit for protecting a MOS gate element formed by connecting a plurality of MOS gate element chips in a package in parallel from overvoltage. , A zener diode is connected between the collector and the gate of some of the MOS gate element chips, and the collector and the emitter of the above some MOS gate element chips are connected to the collector and the gate of the remaining MOS gate element chips, respectively. are doing.
[0018]
Accordingly, in the MOS gate element overvoltage protection circuit according to the first aspect of the present invention, a Zener diode is connected between the collector and the gate of some of the MOS gate element chips, and the collector and the collector of the remaining MOS gate element chips are connected. By connecting the collector and the emitter of some MOS gate element chips to the gates, respectively, instead of driving all the MOS gate element chips directly with zener diodes, using some MOS gate element chips Since it is only necessary to amplify the zener diode current once and then drive the remaining MOS gate element chip by a gate, a smaller current is required than in the conventional case. Can be protected reliably.
[0019]
According to a second aspect of the present invention, in the overvoltage protection circuit for a MOS gate element according to the first aspect of the present invention, the zener diode is mounted outside the package of the MOS gate element.
[0020]
According to a third aspect of the present invention, in the overvoltage protection circuit for a MOS gate element according to the second aspect of the present invention, the package includes a press-contact type MOS gate element or a module type MOS gate element package. I am trying to do it.
[0021]
Therefore, in the overvoltage protection circuit for the MOS gate element according to the second and third aspects of the present invention, the zener diode is attached to the outside of the package of the press-contact type or module type MOS gate element. The setting of the protection voltage value can be arbitrarily and easily changed.
[0022]
On the other hand, according to a fourth aspect of the present invention, in the overvoltage protection circuit for a MOS gate element according to the first aspect of the present invention, the remaining MOS gate element chips are arranged at coolable positions.
[0023]
Therefore, in the MOS gate element overvoltage protection circuit according to the fourth aspect of the present invention, the remaining MOS gate element chips to which the zener diode is not connected are arranged at coolable positions, so that the zener diode can be cooled. Since the MOS gate element chip which receives the overvoltage signal first and amplifies the signal does not need to be cooled, it can be arranged in a position where cooling is not possible. Design can be easily performed.
[0024]
According to a fifth aspect of the present invention, in the overvoltage protection circuit for a MOS gate element according to the first aspect of the present invention, an overvoltage operation detecting means for detecting that the zener diode has performed an overvoltage operation; When the overvoltage operation of the zener diode is detected by the means, a cutoff means for cutting off the supply of power to the MOS gate element is added.
[0025]
Therefore, in the overvoltage protection circuit for a MOS gate element according to the invention, since the MOS gate element is used in the active region, the load is large and the operation cannot be performed for a long time. When the Zener diode detects that the overvoltage operation has been detected, the power supply applied to the MOS gate element is cut off, thereby preventing the MOS gate element from being destroyed by heat generated by the activation region operation. The element can be reliably protected from overvoltage.
[0026]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
According to the present invention, in a MOS gate element configured by connecting a plurality of MOS gate element chips in a package in parallel, not all the MOS gate element chips are directly driven by ZD, but some of the MOS gate element chips are driven. The present invention is characterized in that the ZD current is once amplified by using the same, and then the remaining MOS gate element chips are gate-driven.
[0027]
Further, in order to easily change the setting of the voltage value of the overvoltage, a ZD serving as a setting unit is provided outside the package.
[0028]
On the other hand, the MOS gate element chip which receives the ZD overvoltage signal first and amplifies the signal does not need to be cooled, so that it can be arranged at a position where cooling is not possible.
[0029]
In addition, since this overvoltage protection uses a MOS gate element in an active region, the burden is large and the operation cannot be performed for a long time. Therefore, it is detected that this overvoltage protection has been activated, and a power supply applied to the MOS gate element is applied. I try to cut off.
[0030]
Hereinafter, embodiments of the present invention based on the above-described concept will be described in detail with reference to the drawings.
[0031]
(First Embodiment)
FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration example of an overvoltage protection circuit of a MOS gate element according to the present embodiment, and the same elements as those in FIG. 5 are denoted by the same reference numerals.
[0032]
FIG. 5 shows an example in which there are four MOS gate element chips.
[0033]
In FIG. 1, for example, four IGBT chips 1-1, 1-2, 1-3, and 1-4 as MOS gate elements are connected in parallel in the same package to form an IGBT.
[0034]
Further, ZD2 is connected between the collector and the emitter of some IGBT chips 1-1 with the polarity shown.
[0035]
Here, the voltage value of ZD2 is lower than the overvoltage breakdown voltage of the IGBT.
[0036]
Further, the collectors and emitters of the remaining IGBT chips 1-2, 1-3, and 1-4 are connected in parallel, so that the collectors of some of the IGBT chips 1-1 and the remaining IGBT chips 1-2,1- The collectors of the IGBT chips 3-1, 1-4 are connected, and the emitters of some IGBT chips 1-1 are connected to the gates of the remaining IGBT chips 1-2, 1-3, 1-4.
[0037]
Next, the operation of the MOS gate element overvoltage protection circuit according to the present embodiment configured as described above will be described.
[0038]
In FIG. 1, when an overvoltage is applied to the IGBT, when the voltage reaches the ZD voltage of ZD2, a ZD current flows, a current flows to the gate of the IGBT chip 1-1, and the IGBT1-1 chip is activated in the active region. Is turned on.
[0039]
Therefore, a collector current flows through the IGBT chip 1-1, and this current becomes a gate current of the IGBT chips 1-2, 1-3, 1-4, and the IGBT chips 1-2, 1-3, 1-4. Is turned on in the activation region, and the voltage between the collector and the emitter of the IGBT maintains the voltage set by ZD2 and escapes from overvoltage destruction.
[0040]
Therefore, in the configuration as in the present embodiment, the ZD2 only needs to drive the gate of the IGBT chip 1-1, so that a current as small as 1/3 of the conventional case can be used. IGBT can be reliably protected from overvoltage by ZD2.
[0041]
As described above, in the overvoltage protection circuit for the MOS gate element according to the present embodiment, it is possible to reliably protect the IGBT, which is a high-voltage, large-current MOS gate element, from overvoltage with a small capacity ZD2.
[0042]
(Second embodiment)
The MOS gate element overvoltage protection circuit according to the present embodiment is configured such that the ZD2 is attached to the outside of the MOS gate element package in the MOS gate element overvoltage protection circuit according to the above-described first embodiment.
[0043]
Further, the remaining IGBT chips 1-2, 1-3, and 1-4, to which the ZD2 is not connected, are arranged at coolable positions.
[0044]
Here, the MOS gate element is a press-contact IGBT or a module IGBT, and the package is a press-contact IGBT or a module IGBT package.
[0045]
Next, the operation of the MOS gate element overvoltage protection circuit according to the present embodiment configured as described above will be described.
[0046]
The ZD2 may be housed in the package of the IGBT at the stage of manufacturing the IGBT which is a MOS gate element. However, when an application engineer such as an inverter designer wants to set an overvoltage protection voltage, Since the setting cannot be performed if the ZD2 is sealed in the package, by setting the mounting position of the ZD2 outside the package, the application technician can set the voltage value of the overvoltage setting. Changes can be made arbitrarily and easily.
[0047]
For example, when the withstand voltage of the load is lower than the withstand voltage of the MOS gate element, the overvoltage protection can be operated according to the withstand voltage of the load.
[0048]
On the other hand, the remaining IGBT chips 1-2, 1-3 and 1-4 need to be cooled in order to generate heat because they switch on and off the current and keep flowing the current.
[0049]
However, since some IGBT chips 1-1 operate instantaneously only when overvoltage occurs, there is no need for cooling. Therefore, the cooling arrangement of the IGBT chips 1-1, 1-2, 1-3, and 1-4 is changed. When performing, the IGBT chips 1-2 to 1-4 can be arranged at a position to be cooled, and the IGBT chip 1-1 can be arranged at an arbitrary position since cooling is unnecessary.
[0050]
As a result, the arrangement of the IGBT chips 1-1, 1-2, 1-3, and 1-4 is arbitrary, and the package can be easily designed.
[0051]
FIG. 2 is a circuit diagram showing a specific configuration example of the MOS gate element overvoltage protection circuit according to the present embodiment. The same parts as those in FIG. Now, only the different parts will be described.
[0052]
FIG. 2 shows an example in which the MOS gate element is a press-contact type IGBT.
[0053]
In FIG. 2, reference numeral 8 denotes a package for a press-contact IGBT.
[0054]
Reference numeral 5 denotes a heat sink for cooling the IGBT chip which also serves as a collector electrode.
[0055]
Reference numeral 6 denotes a heat sink also serving as an emitter electrode.
[0056]
The ZD 2 is arranged outside the press-contact type IGBT package 8 so that an application engineer can arbitrarily select a voltage value of overvoltage protection in accordance with protection coordination regarding overvoltage of the system.
[0057]
Reference numeral 7 denotes an insulator made of a material having poor heat conductivity.
[0058]
The insulator 7 connects the emitter of the IGBT 1-1 to the gates of the IGBTs 1-2, 1-3, 1-4, but does not connect the collector.
[0059]
On the other hand, since the IGBT 1-1 operates only at the time of overvoltage, there is no need for cooling, and there is no problem even if the insulator 7 has poor heat conduction.
[0060]
Although the insulator 7 usually has poor heat conduction, it is not necessary to cool the IGBT 1-1. Therefore, the insulator of the IGBT 1-1 and the IGBTs 1-2, 1-3 and 1-4 are formed by using a normal insulator. It becomes easy to connect to the gate.
[0061]
Of course, there is no problem even if the insulator 7 is electrically insulated and has good heat conduction.
[0062]
FIG. 3 is a circuit diagram showing another specific configuration example of the MOS gate element overvoltage protection circuit according to the present embodiment. The same parts as those in FIG. Here, only the different parts will be described.
[0063]
FIG. 3 shows an example in which the MOS gate element is a module type IGBT.
[0064]
In FIG. 3, reference numeral 9 denotes a package for a module type IGBT.
[0065]
Reference numeral 10 denotes a heat sink for cooling the IGBT chip, which also serves as an emitter electrode.
[0066]
Reference numeral 11 denotes a heat sink also serving as a collector electrode.
[0067]
12 is a wire bonding.
[0068]
The ZD 2 is disposed outside the module type IGBT package 9 so that an application engineer can arbitrarily select a voltage value of overvoltage protection in accordance with protection coordination regarding overvoltage of the system.
[0069]
The heat sink 10 for cooling the IGBT chip also serving as the emitter electrode is a heat sink for cooling, but the IGBTs 1-2, 1-3, and 1-4 that generate heat need to be cooled. Since there is no need for cooling, it can be placed at any location irrespective of cooling, so that the package can be easily designed.
[0070]
As described above, in the overvoltage protection circuit of the MOS gate element according to the present embodiment, the setting of the voltage value for overvoltage protection can be arbitrarily and easily changed.
[0071]
Further, the arrangement of the IGBT chip is arbitrary, and the package can be easily designed.
[0072]
(Third embodiment)
FIG. 4 is a circuit diagram showing a configuration example of the overvoltage protection circuit of the MOS gate element according to the present embodiment. The same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted. Only mention.
[0073]
That is, as shown in FIG. 4, the MOS gate element overvoltage protection circuit according to the present embodiment includes a current detector (CT) 13 and a level detector 14 as overvoltage operation detection means, and a switch 15 as interruption means. Is added to the configuration of FIG.
[0074]
The current detector 13 detects the current of ZD2.
[0075]
When detecting that the ZD2 current detected by the current detector 13 has reached a set value or more, the level detector 14 detects that the ZD2 has performed an overvoltage operation.
[0076]
When an overvoltage operation of ZD2 is detected by the current detector 13 and the level detector 14, the switch 15 is opened to cut off the supply of the power supply 16 to the IGBT.
[0077]
Next, the operation of the MOS gate element overvoltage protection circuit according to the present embodiment configured as described above will be described.
[0078]
In order to protect the IGBT, which is a MOS gate element, from overvoltage, the IGBT is operated in the activation region. The operation of the activation region is performed because a high voltage and a large current are simultaneously applied to the IGBT. Since the generated loss has an abnormally large value, it must be stopped in a short time.
[0079]
For that purpose, it is necessary to detect that the IGBT is operating at an overvoltage and to cut off the power supply to the IGBT.
[0080]
That is, in order to detect that the IGBT is performing an overvoltage operation, it is sufficient to detect that a current has flowed through ZD2.
[0081]
In this regard, in the present embodiment, when the ZD2 current is detected by the current detector 13 and the level detector 14 detects that the current has reached the set value or more to prevent malfunction, it is determined that the overvoltage prevention operation has been activated and the IGBT By opening the switch 15 between the power supply 16 and the power supply 16, the application of the voltage to the IGBT is cut off.
[0082]
As a result, the IGBT, which is a MOS gate element, can be prevented from being destroyed by heat due to the activation region operation, and the IGBT can be reliably protected from overvoltage.
[0083]
As described above, in the overvoltage protection circuit for the MOS gate element according to the present embodiment, the IGBT that is the MOS gate element can be prevented from being destroyed by heat generated by the activation region operation, and the IGBT can be reliably protected from overvoltage. It becomes possible.
[0084]
(Other embodiments)
It should be noted that the present invention is not limited to the above embodiments, and can be variously modified and implemented in an implementation stage without departing from the scope of the invention.
In each of the above-described embodiments, the case where the present invention is applied to the MOS gate element having one MOS gate element chip and three remaining MOS gate element chips has been described. However, the present invention is not limited to this. For example, the present invention is similarly applied to a MOS gate element in which a part of the MOS gate element chips is two or three and the remaining MOS gate element chips are twenty or thirty, and the same as in the case described above. It is possible to achieve the function and effect.
[0085]
In addition, the embodiments may be combined as appropriate as much as possible, and in that case, the combined effects can be obtained.
Furthermore, the above embodiments include inventions at various stages, and various inventions can be extracted by appropriately combining a plurality of disclosed constituent features.
For example, even if some constituent elements are deleted from all the constituent elements shown in the embodiments, at least one of the problems described in the section of the problem to be solved by the invention can be solved, and the effects of the invention can be solved. In the case where (at least one of) the effects described in the section is obtained, a configuration from which this configuration requirement is deleted can be extracted as an invention.
[0086]
【The invention's effect】
As described above, according to the MOS gate element overvoltage protection circuit of the present invention, a small-capacity ZD can reliably protect a high-voltage, large-current MOS gate element from overvoltage.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram showing a first embodiment of an overvoltage protection circuit for a MOS gate element according to the present invention.
FIG. 2 is a circuit diagram showing an example of a second embodiment of an overvoltage protection circuit for a MOS gate element according to the present invention.
FIG. 3 is a circuit diagram showing another example of the second embodiment of the MOS gate element overvoltage protection circuit according to the present invention.
FIG. 4 is a circuit diagram showing a third embodiment of an overvoltage protection circuit for a MOS gate element according to the present invention.
FIG. 5 is a circuit diagram showing a configuration example of a conventional MOS gate element overvoltage protection circuit.
[Explanation of symbols]
1-1, 1-2, 1-3, 1-4 IGBT chip 2 ZD for determining overvoltage set value
Reference Signs List 5: Heat sink also serving as collector electrode 6: Heat sink also serving as emitter electrode 7: Insulator 8 ... Package for press-contact type IGBT 9 Detector (CT)
14 level detector 15 switch 16 power supply

Claims (5)

パッケージ内に複数のMOSゲート素子チップを並列接続して構成されるMOSゲート素子を過電圧から保護するMOSゲート素子の過電圧保護回路において、
一部の前記MOSゲート素子チップのコレクタ−ゲート間に、ゼナーダイオードを接続し、
残りの前記MOSゲート素子チップのコレクタとゲートにそれぞれ、前記一部のMOSゲート素子チップのコレクタとエミッタを接続して成ることを特徴とするMOSゲート素子の過電圧保護回路。
In a MOS gate element overvoltage protection circuit for protecting a MOS gate element formed by connecting a plurality of MOS gate element chips in parallel in a package from overvoltage,
A zener diode is connected between the collector and the gate of some of the MOS gate element chips,
An overvoltage protection circuit for a MOS gate element, wherein a collector and an emitter of the partial MOS gate element chip are connected to a collector and a gate of the remaining MOS gate element chip, respectively.
前記請求項1に記載のMOSゲート素子の過電圧保護回路において、
前記ゼナーダイオードとしては、MOSゲート素子のパッケージの外部に取り付けるようにしたことを特徴とするMOSゲート素子の過電圧保護回路。
2. The MOS gate element overvoltage protection circuit according to claim 1,
An overvoltage protection circuit for a MOS gate element, wherein the zener diode is mounted outside a package of the MOS gate element.
前記請求項2に記載のMOSゲート素子の過電圧保護回路において、
前記パッケージとしては、圧接型MOSゲート素子、またはモジュ−ル型MOSゲート素子のパッケージであることを特徴とするMOSゲート素子の過電圧保護回路。
3. The MOS gate element overvoltage protection circuit according to claim 2,
An overvoltage protection circuit for a MOS gate element, wherein the package is a press-contact type MOS gate element or a module type MOS gate element.
前記請求項1に記載のMOSゲート素子の過電圧保護回路において、
前記残りのMOSゲート素子チップとしては、冷却可能な位置に配置するようにしたことを特徴とするMOSゲート素子の過電圧保護回路。
2. The MOS gate element overvoltage protection circuit according to claim 1,
An overvoltage protection circuit for a MOS gate element, wherein the remaining MOS gate element chips are arranged at coolable positions.
前記請求項1に記載のMOSゲート素子の過電圧保護回路において、
前記ゼナーダイオードが過電圧動作をしたことを検出する過電圧動作検出手段と、
前記過電圧動作検出手段によりゼナーダイオードの過電圧動作が検出されると、前記MOSゲート素子への電源の供給を遮断する遮断手段と、
を付加して成ることを特徴とするMOSゲート素子の過電圧保護回路。
2. The MOS gate element overvoltage protection circuit according to claim 1,
Overvoltage operation detecting means for detecting that the Zener diode has performed an overvoltage operation,
When an overvoltage operation of the zener diode is detected by the overvoltage operation detection unit, a shutoff unit that shuts off power supply to the MOS gate element;
And an overvoltage protection circuit for a MOS gate element.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107924872A (en) * 2016-02-18 2018-04-17 富士电机株式会社 Insulated gate semiconductor device

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