JP2016086588A - Drive device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a drive device which reduces a filter time for short-circuit judgment while preventing incorrect protection operation due to a noise.SOLUTION: The drive device includes: a sense current detection unit 100 which detects the output current of a power switching element 20; a voltage change detection unit 200 which detects an output voltage change of the power switching element; and a short-circuit detection unit 300 which judges a short-circuit in the power switching element, according to input signals from the sense current detection unit and the voltage change detection unit. The short-circuit detection unit judges the existence or non-existence of a short-circuit on the basis of a pre-defined change in the output voltage in a state that the output current exceeds a predetermined threshold.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、パワースイッチング素子の駆動を制御し、特に、パワースイッチング素子に生じる過電流に対して保護能力を有する駆動装置に関する。   The present invention relates to a drive device that controls driving of a power switching element, and particularly has a protection capability against an overcurrent generated in the power switching element.

従来の保護機能付き駆動装置の一例として、特許文献1に記載のスイッチング回路を挙げることができる。このスイッチング回路では、パワースイッチング素子としてのIGBTにおける、負荷短絡によるコレクタ電圧の持ち上がりを、外付けのツェナーダイオードによって検出するものである。   As an example of a conventional drive device with a protective function, a switching circuit described in Patent Document 1 can be cited. In this switching circuit, an increase in collector voltage due to a load short-circuit in an IGBT as a power switching element is detected by an external Zener diode.

特開2006−295326号公報JP 2006-295326 A

一般に、短絡の検出においては、パワースイッチング素子に流れる出力電流が閾値を超えた状態を一定のフィルタ時間だけ維持している条件で保護動作が行われるように構成されている。これは、出力電流がノイズにより閾値を超えた場合の誤作動を防止するためである。しかしながら、フィルタ時間が長くなりすぎると、短絡による大電流によってパワースイッチング素子の受けるストレスが大きくなったり、フィルタ時間の間、電力を無駄に消費したりしてしまう。よって、フィルタ時間はできるだけ短く設定することが望ましい。すなわち、フィルタ時間は、パワースイッチング素子の消費電力とノイズケアとの間でトレードオフの関係にある。なお、1μs乃至2μsに設定されることが一般的である。   Generally, in detecting a short circuit, the protection operation is performed under the condition that the state where the output current flowing through the power switching element exceeds the threshold is maintained for a certain filter time. This is to prevent malfunction when the output current exceeds a threshold value due to noise. However, if the filter time is too long, the stress received by the power switching element due to a large current due to a short circuit increases, and power is wasted during the filter time. Therefore, it is desirable to set the filter time as short as possible. That is, the filter time has a trade-off relationship between the power consumption of the power switching element and the noise care. In general, it is set to 1 μs to 2 μs.

本発明は、上記問題点を鑑みてなされたものであり、ノイズによる誤った保護動作を防止しつつ、フィルタ時間を低減することが可能な制御装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a control device capable of reducing the filter time while preventing an erroneous protection operation due to noise.

ここに開示される発明は、上記目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。なお、特許請求の範囲およびこの項に記載した括弧内の符号は、ひとつの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、発明の技術的範囲を限定するものではない。   The invention disclosed herein employs the following technical means to achieve the above object. Note that the reference numerals in parentheses described in the claims and in this section indicate a corresponding relationship with specific means described in the embodiments described later as one aspect, and limit the technical scope of the invention. Not what you want.

上記目的を達成するために、本発明は、パワースイッチング素子(20,50,60,70)のオンオフを制御する駆動装置であって、パワースイッチング素子の出力電流を検出するセンス電流検出部(100)と、パワースイッチング素子の出力電圧の変化を検出する電圧変化検出部(200)と、センス電流検出部および電圧変化検出部からの入力信号に応じてパワースイッチング素子の短絡を判定する短絡検出部(300)と、を備え、短絡検出部は、出力電流が所定の閾値を超過している状態において、さらに、出力電圧の、予め規定された変化に基づいて短絡の有無を判定することを特徴としている。   In order to achieve the above object, the present invention provides a drive device for controlling on / off of a power switching element (20, 50, 60, 70), and a sense current detection unit (100) for detecting an output current of the power switching element. ), A voltage change detection unit (200) that detects a change in the output voltage of the power switching element, and a short circuit detection unit that determines a short circuit of the power switching element in accordance with input signals from the sense current detection unit and the voltage change detection unit (300), and the short circuit detector further determines whether or not there is a short circuit based on a predetermined change in the output voltage in a state where the output current exceeds a predetermined threshold value. It is said.

これによれば、パワースイッチング素子の出力電流が所定の閾値を超えているという、従来と同様の短絡判定の条件に加えて、出力電圧の所定の変化の検出を以って短絡を検出するようになっている。よって、従来の短絡判定に較べてノイズによる誤作動の頻度を抑制することができる。なお、短絡時における出力電圧は、ns(ナノ秒)オーダーで変化させることができるので、従来設定されるフィルタ時間(1μs〜2μs)に較べて、短絡判定するまでの時間を短縮することができる。したがって、パワースイッチング素子における消費電力を低減することができ、また、パワースイッチング素子へのストレスを低減することができる。   According to this, in addition to the conventional short-circuit determination condition that the output current of the power switching element exceeds a predetermined threshold, a short circuit is detected by detecting a predetermined change in the output voltage. It has become. Therefore, the frequency of malfunction due to noise can be suppressed as compared with the conventional short circuit determination. In addition, since the output voltage at the time of a short circuit can be changed in ns (nanosecond) order, the time until the short circuit determination can be shortened compared with the filter time (1 microsecond-2 microseconds) set conventionally. . Therefore, power consumption in the power switching element can be reduced, and stress on the power switching element can be reduced.

出力電圧の変化について、例えば、電圧変化検出部は、容量と抵抗器(220)によって微分回路が構成されることにより出力電圧の時間変化を検出し、短絡検出部は、出力電流が所定の閾値を超過している状態において、容量と抵抗器との中間電位が正となることを以って、パワースイッチング素子が短絡状態であると判定するように構成することができる。   Regarding the change in the output voltage, for example, the voltage change detection unit detects the time change of the output voltage by configuring a differentiation circuit with the capacitor and the resistor (220), and the short circuit detection unit detects that the output current is a predetermined threshold value. If the intermediate potential between the capacitor and the resistor becomes positive in a state in which the power switching element is exceeded, the power switching element can be determined to be in a short-circuit state.

例えばターンオン時に短絡が発生していない状況においては、出力電圧は時間の経過とともに低下していくが、短絡が発生している状況では、一時的な電圧低下の後に、出力電流の飽和によって再び上昇に転じる。上記構成における電圧変化検出部は、この出力電圧の上昇を電圧の時間微分が正であることを以って短絡を検出することができる。   For example, in the situation where a short circuit does not occur at turn-on, the output voltage decreases with time, but in a situation where a short circuit occurs, it rises again due to saturation of the output current after a temporary voltage decrease. Turn to. The voltage change detection unit in the above configuration can detect a short circuit with respect to the increase in the output voltage because the time derivative of the voltage is positive.

また、出力電圧の変化について、別の例として、電圧変化検出部は、ダイオード(240,270)と、プルアップ電源(250)と、プルアップ抵抗器(260)と、を有し、ダイオードは、アノード端子が出力電流の上流側の端子に接続され、プルアップ電源は、出力電流の上流側の端子電圧VHと、該プルアップ電源の電圧VBと、ダイオードの順電圧Vfとの間の電圧がVB−Vf≦VHを満たすように、プルアップ抵抗を介してダイオードのカソード端子に接続され、短絡検出部は、出力電流が所定の閾値を超過している状態において、ダイオードにおけるカソード端子の電位が所定の判定時間より長くプルアップ電圧を維持していることを以って、パワースイッチング素子が短絡状態であると判定するように構成することができる。   As another example of the change in the output voltage, the voltage change detection unit includes a diode (240, 270), a pull-up power source (250), and a pull-up resistor (260). , The anode terminal is connected to the terminal upstream of the output current, and the pull-up power supply has a voltage between the terminal voltage VH upstream of the output current, the voltage VB of the pull-up power supply, and the forward voltage Vf of the diode. Is connected to the cathode terminal of the diode via a pull-up resistor so that VB−Vf ≦ VH is satisfied, and the short-circuit detection unit is connected to the potential of the cathode terminal of the diode in a state where the output current exceeds a predetermined threshold. Can be configured to determine that the power switching element is in a short-circuit state by maintaining the pull-up voltage longer than a predetermined determination time. .

このような構成では、ターンオン時に短絡が発生していない状況においては、出力電圧が時間経過に伴ってVfよりも高い状態から低い状態に遷移するため、ダイオードにおけるカソード端子の電位がプルアップ電圧VBからダイオードの順電圧Vfに変化する。一方で、短絡が発生している状況では、一時的な出力電圧の低下の後に、出力電流の飽和によって再び上昇に転じるので、出力電圧は時間経過によらずVfよりも高い状態を維持することになる。よって、短絡が発生している状況では、ダイオードにおけるカソード端子の電位がプルアップ電圧VBを維持することになる。上記構成における電圧変化検出部は、ダイオードにおけるカソード端子の電位が所定の判定時間より長くプルアップ電圧を維持していることを以って、パワースイッチング素子が短絡を検出することができる。   In such a configuration, in a situation where a short circuit does not occur at the time of turn-on, the output voltage transitions from a state higher than Vf to a state lower than Vf as time elapses, so that the potential of the cathode terminal in the diode becomes the pull-up voltage VB. To the forward voltage Vf of the diode. On the other hand, in a situation where a short circuit has occurred, after the output voltage temporarily drops, the output current starts to rise again due to saturation of the output current, so that the output voltage remains higher than Vf regardless of the passage of time. become. Therefore, in a situation where a short circuit has occurred, the potential of the cathode terminal of the diode maintains the pull-up voltage VB. The voltage change detection unit in the above configuration can detect a short circuit in the power switching element because the potential of the cathode terminal of the diode maintains the pull-up voltage longer than a predetermined determination time.

第1実施形態に係る駆動装置および周辺回路の概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of the drive device and peripheral circuit which concern on 1st Embodiment. 駆動装置およびパワースイッチング素子の詳細を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the detail of a drive device and a power switching element. 通常駆動時における各端子の電流および電圧を示す図である。It is a figure which shows the electric current and voltage of each terminal at the time of normal drive. 短絡発生時における各端子の電流および電圧を示す図である。It is a figure which shows the electric current and voltage of each terminal at the time of short circuit occurrence. 変形例1に係る駆動装置およびパワースイッチング素子の詳細を示す回路図である。FIG. 10 is a circuit diagram illustrating details of a drive device and a power switching element according to Modification 1; 第2実施形態に係る駆動装置およびパワースイッチング素子の詳細を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the detail of the drive device and power switching element which concern on 2nd Embodiment. 通常駆動時における各端子の電流および電圧を示す図である。It is a figure which shows the electric current and voltage of each terminal at the time of normal drive. 短絡発生時における各端子の電流および電圧を示す図である。It is a figure which shows the electric current and voltage of each terminal at the time of short circuit occurrence. パワースイッチング素子および負荷に接続構成を示す図である。It is a figure which shows a connection structure to a power switching element and load. 変形例2に係る駆動装置およびパワースイッチング素子の詳細を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the detail of the drive device which concerns on the modification 2, and a power switching element. 変形例3に係る駆動装置およびパワースイッチング素子の詳細を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the detail of the drive device which concerns on the modification 3, and a power switching element.

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の各図相互において、互いに同一もしくは均等である部分に、同一符号を付与する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following drawings, the same reference numerals are given to the same or equivalent parts.

(第1実施形態)
最初に、図1および図2を参照して、本実施形態に係る駆動装置の概略構成について説明する。
(First embodiment)
Initially, with reference to FIG. 1 and FIG. 2, schematic structure of the drive device which concerns on this embodiment is demonstrated.

図1に示すように、駆動装置10は、パワースイッチング素子の駆動を制御するための回路である。パワースイッチング素子は図示しない負荷への電流の供給をオンオフするものであり、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)やMOSトランジスタなどを採用することができる。本実施形態では、例えば、パワースイッチング素子としてIGBT20を駆動する回路について記述する。   As shown in FIG. 1, the driving device 10 is a circuit for controlling driving of the power switching element. The power switching element turns on and off the supply of current to a load (not shown), and an insulated gate bipolar transistor (IGBT), a MOS transistor, or the like can be adopted. In the present embodiment, for example, a circuit for driving the IGBT 20 as a power switching element will be described.

この駆動装置10は、図1に示すように、センス電流検出部100と、電圧変化検出部200と、短絡検出部300と、IGBT20へのゲート電圧の印加を制御する制御部400と、を備えている。   As shown in FIG. 1, the drive device 10 includes a sense current detection unit 100, a voltage change detection unit 200, a short circuit detection unit 300, and a control unit 400 that controls application of a gate voltage to the IGBT 20. ing.

IGBT20は、ゲート端子に所定のゲート電圧(図1に示すVCC)が印加されてオンオフの制御がなされる。IGBT20のゲート端子は、図示しない電源により供給される電圧VCCとグランドGNDとの間に直列接続されたオン側回路30およびオフ側回路40の中間点に接続されている。IGBT20をオンする場合には、オン側回路30をオンしてオフ側回路40をオフすることにより、IGBT20のゲート端子にVCCが印加される。一方、IGBT20をオンする場合には、オン側回路30をオフしてオフ側回路40をオンすることにより、IGBT20のゲート端子から電荷が引き抜かれる。なお、本実施形態におけるIGBT20は、図2に示すように、後述するメインセル21、センスセル110およびサブセル210が一つの基板上に形成されて成り、IGBT20にセンス電流検出部100および電圧変化検出部200が内包されるようになっている。   The IGBT 20 is controlled to be turned on and off by applying a predetermined gate voltage (VCC shown in FIG. 1) to the gate terminal. The gate terminal of the IGBT 20 is connected to an intermediate point between the on-side circuit 30 and the off-side circuit 40 connected in series between a voltage VCC supplied from a power supply (not shown) and the ground GND. When the IGBT 20 is turned on, VCC is applied to the gate terminal of the IGBT 20 by turning on the on-side circuit 30 and turning off the off-side circuit 40. On the other hand, when the IGBT 20 is turned on, the on-side circuit 30 is turned off and the off-side circuit 40 is turned on, whereby charges are extracted from the gate terminal of the IGBT 20. As shown in FIG. 2, the IGBT 20 in the present embodiment includes a main cell 21, a sense cell 110, and a subcell 210, which will be described later, formed on a single substrate. The IGBT 20 includes a sense current detection unit 100 and a voltage change detection unit. 200 is included.

IGBT20の出力電流は、メインセル21のコレクタ−エミッタ間電流(以下、コレクタ電流という)であり、ゲート端子に電圧VCCが印加されることにより流れる。コレクタ電流はメインセル21のエミッタ端子(ケルビンエミッタ端子:KE端子)を流れる。   The output current of the IGBT 20 is a collector-emitter current (hereinafter referred to as a collector current) of the main cell 21 and flows when a voltage VCC is applied to the gate terminal. The collector current flows through the emitter terminal (Kelvin emitter terminal: KE terminal) of the main cell 21.

センス電流検出部100は、図2に示すように、IGBT20に形成されたセンスセル110と、センスセル110のエミッタ端子(第1センスエミッタ端子:SE1端子)とグランドとの間に形成されたセンス抵抗器120と、を有している。センスセル110は、メインセル21と同一の半導体基板上に形成され、センスセル110のゲート端子はメインセル21のゲート端子と共通接続されている。また、センスセル110のコレクタ端子はメインセル21のコレクタ端子と共通接続されている。メインセル21のゲート端子に電圧が印加されると、センスセル110のゲート端子にも電圧が印加され、SE1端子には、IGBT20の出力電流であるところのコレクタ電流に略比例した電流(以下、センス電流という)が流れる。SE1端子は短絡検出部300に接続されており、センス電流とセンス抵抗器120により規定される電圧が短絡検出部300に入力される。すなわち、センス電流検出部100は、IGBT20のコレクタ電流を間接的に検出することができるようになっている。   As shown in FIG. 2, the sense current detection unit 100 includes a sense cell 110 formed in the IGBT 20, and a sense resistor formed between the emitter terminal (first sense emitter terminal: SE1 terminal) of the sense cell 110 and the ground. 120. The sense cell 110 is formed on the same semiconductor substrate as the main cell 21, and the gate terminal of the sense cell 110 is commonly connected to the gate terminal of the main cell 21. The collector terminal of the sense cell 110 is commonly connected to the collector terminal of the main cell 21. When a voltage is applied to the gate terminal of the main cell 21, a voltage is also applied to the gate terminal of the sense cell 110, and a current (hereinafter referred to as a sense current) that is approximately proportional to the collector current that is the output current of the IGBT 20 is applied to the SE 1 terminal. Current). The SE1 terminal is connected to the short-circuit detection unit 300, and the voltage defined by the sense current and the sense resistor 120 is input to the short-circuit detection unit 300. That is, the sense current detection unit 100 can indirectly detect the collector current of the IGBT 20.

電圧変化検出部200は、図2に示すように、IGBT20に形成されたサブセル210と、サブセル210のエミッタ端子(第2センスエミッタ端子:SE2端子)とグランドとの間に形成されたサブ抵抗器220と、を有している。サブセル210は、センスセル110同様、メインセル21と同一の半導体基板上に形成され、サブセル210のコレクタ端子はメインセル21のコレクタ端子と共通接続されている。サブセル210は、そのゲート端子とエミッタ端子が互いに接続されて、サブセル210の内部容量が帰還容量を構成している。サブセル210のコレクタ端子はメインセル21の出力電圧(以下、コレクタ電圧という)と同電位になっている。本実施形態における電圧変化検出部200では、SE1端子にコレクタ電圧の時間変化に対応する電圧(dV/dt)が出力される。すなわち、サブセル210の帰還容量とサブ抵抗器220とで微分回路が形成されている。SE1端子は短絡検出部300に接続されており、コレクタ電圧の時間微分dV/dtが短絡検出部300に入力される。   As shown in FIG. 2, the voltage change detection unit 200 includes a subcell 210 formed in the IGBT 20, and a subresistor formed between the emitter terminal (second sense emitter terminal: SE2 terminal) of the subcell 210 and the ground. 220. Like the sense cell 110, the subcell 210 is formed on the same semiconductor substrate as the main cell 21, and the collector terminal of the subcell 210 is commonly connected to the collector terminal of the main cell 21. The subcell 210 has its gate terminal and emitter terminal connected to each other, and the internal capacitance of the subcell 210 constitutes a feedback capacitance. The collector terminal of the subcell 210 is at the same potential as the output voltage of the main cell 21 (hereinafter referred to as the collector voltage). In the voltage change detection unit 200 in the present embodiment, a voltage (dV / dt) corresponding to the time change of the collector voltage is output to the SE1 terminal. That is, a differential circuit is formed by the feedback capacitance of the subcell 210 and the subresistor 220. The SE1 terminal is connected to the short-circuit detection unit 300, and the time derivative dV / dt of the collector voltage is input to the short-circuit detection unit 300.

短絡検出部300は、センス電流検出部100と電圧変化検出部200とが入力として接続され、これらの入力に基づいた信号を制御部400に出力する。短絡検出部300は、センス電流検出部100から入力されたセンス電流相当の電圧を所定の閾値と比較する。センス電流はメインセル21のコレクタ電流に略比例するので、短絡検出部300は、センス電流が所定の閾値以上である場合には、コレクタ電流が過電流の状態であることを検知することができる。短絡検出部300は、例えば、センス電流が所定の閾値以上である場合に、デジタル値「1」を自身に内蔵されたメモリ等に保持する。   The short circuit detection unit 300 is connected to the sense current detection unit 100 and the voltage change detection unit 200 as inputs, and outputs a signal based on these inputs to the control unit 400. The short circuit detection unit 300 compares the voltage corresponding to the sense current input from the sense current detection unit 100 with a predetermined threshold. Since the sense current is substantially proportional to the collector current of the main cell 21, the short-circuit detection unit 300 can detect that the collector current is in an overcurrent state when the sense current is equal to or greater than a predetermined threshold. . For example, when the sense current is greater than or equal to a predetermined threshold, the short-circuit detection unit 300 holds the digital value “1” in a memory or the like built therein.

また、短絡検出部300は、電圧変化検出部200から入力されたコレクタ電圧の時間微分dV/dtについて、dV/dtが正の値をとる場合に、デジタル値「1」を自身に内蔵されたメモリ等に保持する。特許請求の範囲に記載の、出力電圧の予め規定された変化、とは、本実施形態においてはdV/dtが正に遷移すること、に相当する。   In addition, the short-circuit detection unit 300 incorporates a digital value “1” in itself when dV / dt takes a positive value for the time derivative dV / dt of the collector voltage input from the voltage change detection unit 200. Hold it in memory etc. The predetermined change in the output voltage described in the claims corresponds to a positive transition of dV / dt in the present embodiment.

従来の構成では、センス電流が所定の閾値以上である状態をフィルタ時間の間継続していることを以って、図示しない負荷の短絡が発生したと判断されている。これに対して、本実施形態の短絡検出部300は、センス電流検出部100からの入力と、電圧変化検出部200からの入力と、の論理積が「1」の場合に、短絡が発生したと判断する。すなわち、センス電流が所定の閾値以上で、且つ、dV/dtが正である、という条件を以って、短絡が発生したと判断する。一方、論理積が「0」の場合には、短絡していないと判断する。短絡検出部300は、論理積の値に基づいて、制御部400に所定の動作を行うよう指示する。例えば、論理積が「1」であれば、制御部400に対して、IGBT20の動作を停止あるいは制限するよう指示し、論理積が「0」であれば、制御部400に対して、IGBT20の動作を継続するよう指示する。   In the conventional configuration, it is determined that a load short circuit (not shown) has occurred because the state where the sense current is equal to or greater than the predetermined threshold is continued for the filter time. In contrast, the short circuit detection unit 300 according to the present embodiment has a short circuit when the logical product of the input from the sense current detection unit 100 and the input from the voltage change detection unit 200 is “1”. Judge. That is, it is determined that a short circuit has occurred under the condition that the sense current is equal to or greater than a predetermined threshold and dV / dt is positive. On the other hand, when the logical product is “0”, it is determined that there is no short circuit. The short-circuit detection unit 300 instructs the control unit 400 to perform a predetermined operation based on the logical product value. For example, if the logical product is “1”, the control unit 400 is instructed to stop or limit the operation of the IGBT 20. If the logical product is “0”, the control unit 400 is informed of the IGBT 20. Instruct to continue operation.

ただし、上記した短絡検出部300における短絡の判断は、従来の構成における短絡の判断と併用すると、より安全にパワースイッチング素子を駆動することができる。例えば、センス電流が所定の閾値以上でありながら、dV/dtが正に遷移していない状態であっても、センス電流が従来のフィルタ時間を超えて継続していた場合には、短絡していると判断するように構成することによって、短絡に対するタブルチェックを行うことができる。   However, when the determination of the short circuit in the short circuit detection unit 300 described above is used together with the determination of the short circuit in the conventional configuration, the power switching element can be driven more safely. For example, if the sense current continues beyond the conventional filter time even if the sense current is not less than a predetermined threshold and dV / dt does not transition positively, a short circuit occurs. By configuring so as to determine that there is a short circuit, a double check for a short circuit can be performed.

制御部400は、オン側回路30およびオフ側回路40のオンオフを制御して、IGBT20を構成するメインセル21およびセンスセル110のゲート端子への電荷の注入あるいは引き抜きを制御している。制御部400は、短絡検出部300に通信可能に接続されており、短絡検出部300から入力される信号に基づいて、IGBT20の動作を制御する。   The control unit 400 controls on / off of the on-side circuit 30 and the off-side circuit 40 to control injection or extraction of charges to the gate terminals of the main cell 21 and the sense cell 110 constituting the IGBT 20. The control unit 400 is communicably connected to the short circuit detection unit 300 and controls the operation of the IGBT 20 based on a signal input from the short circuit detection unit 300.

次に、図3および図4を参照して、本実施形態における駆動装置10の動作および作用効果について説明する。   Next, with reference to FIG. 3 and FIG. 4, the operation | movement and effect of the drive device 10 in this embodiment are demonstrated.

図3および図4はIGBT20のターンオン動作を示している。先ず、図3を参照して、短絡が発生していない、通常の動作について説明する。時刻t1以前は、オン側回路30がオフされ、オフ側回路40がオンされた状態であり、メインセル21のコレクタ端子には、一定のコレクタ電圧が印加されている。IGBT20はオフの状態であるから、コレクタ電流は流れていない。SE1端子の電圧は、メインセル21のコレクタ電流に対応するので、グランド電位を維持している。SE2端子の電圧は、コレクタ電圧Vの時間変化dV/dtであり、時刻t1以前ではコレクタ電圧に変化はないから、グランド電位を維持している。   3 and 4 show the turn-on operation of the IGBT 20. First, a normal operation in which no short circuit occurs will be described with reference to FIG. Prior to time t1, the on-side circuit 30 is turned off and the off-side circuit 40 is turned on, and a constant collector voltage is applied to the collector terminal of the main cell 21. Since the IGBT 20 is in an off state, no collector current flows. Since the voltage at the SE1 terminal corresponds to the collector current of the main cell 21, the ground potential is maintained. The voltage at the SE2 terminal is the time change dV / dt of the collector voltage V. Since the collector voltage does not change before time t1, the ground potential is maintained.

時刻t1において、制御部400は、オン側回路30をオンし、オフ側回路40をオフする。これにより、メインセル21およびセンスセル110のゲート端子に電圧が印加されてコレクタ電流が流れ始める。コレクタ電圧はコレクタ電流の増加に伴って減少する。コレクタ電圧が変化するため、回路の寄生インダクタンスによる誘導起電力が生じ、時刻t2においてコレクタ電圧が一定となる。SE1端子の電圧は、コレクタ電流の増加に対応して増加する。SE2端子の電圧は、コレクタ電圧の低下に対応して負側に遷移する。   At time t1, the control unit 400 turns on the on-side circuit 30 and turns off the off-side circuit 40. As a result, a voltage is applied to the gate terminals of the main cell 21 and the sense cell 110 and the collector current begins to flow. The collector voltage decreases as the collector current increases. Since the collector voltage changes, an induced electromotive force is generated due to the parasitic inductance of the circuit, and the collector voltage becomes constant at time t2. The voltage at the SE1 terminal increases corresponding to the increase in collector current. The voltage at the SE2 terminal transitions to the negative side in response to a decrease in the collector voltage.

時刻t2に至ると、上記のようにコレクタ電圧は一定となる。コレクタ電流は時刻t1から引き続いて増加していき、これに伴ってSE1端子の電圧も上昇する。SE2端子の電圧は、コレクタ電圧が減少から一定値に転じることから、ほぼグランド電位となる。   When the time t2 is reached, the collector voltage becomes constant as described above. The collector current continues to increase from time t1, and accordingly, the voltage at the SE1 terminal also increases. The voltage at the SE2 terminal is almost the ground potential because the collector voltage changes from a decrease to a constant value.

時刻t3に至ると、コレクタ電圧は再び減少を開始する。SE2端子の電圧はコレクタ電圧の低下に対応して負側に遷移する。   When reaching the time t3, the collector voltage starts decreasing again. The voltage at the SE2 terminal transitions to the negative side in response to a decrease in the collector voltage.

時刻t4に至り、コレクタ電流がゲート電圧に対応した一定値になると、コレクタ電圧はグランド電位となる。SE1端子の電圧もコレクタ電流に対応して一定の値となる。コレクタ電圧がグランド電位で一定となることに対応して、SE2端子の電圧もほぼグランド電位で一定となる。   When the collector current reaches a constant value corresponding to the gate voltage at time t4, the collector voltage becomes the ground potential. The voltage at the SE1 terminal also becomes a constant value corresponding to the collector current. Corresponding to the collector voltage being constant at the ground potential, the voltage at the SE2 terminal is also substantially constant at the ground potential.

図3に示す動作例では、SE1端子の電圧は決められた閾値を超えていない。換言すれば、コレクタ電流は所定の閾値を超えていない。よって、センス電流検出部100は、デジタル値「0」を短絡検出部300に出力する。また、SE2端子の電圧は、2度の負側への遷移があるが、正側には遷移していない。よって、電圧変化検出部200は、デジタル値「0」を短絡検出部300に出力する。従って、短絡検出部300は、センス電流検出部100および電圧変化検出部200から出力されるデジタル値の論理積「0」を認識して、制御部400に対して、IGBT20のターンオン動作を継続するように指示する。   In the operation example shown in FIG. 3, the voltage at the SE1 terminal does not exceed the determined threshold value. In other words, the collector current does not exceed the predetermined threshold. Therefore, the sense current detection unit 100 outputs the digital value “0” to the short circuit detection unit 300. In addition, the SE2 terminal voltage has two transitions to the negative side, but does not transition to the positive side. Therefore, the voltage change detection unit 200 outputs the digital value “0” to the short circuit detection unit 300. Therefore, the short circuit detection unit 300 recognizes the logical product “0” of the digital values output from the sense current detection unit 100 and the voltage change detection unit 200 and continues the turn-on operation of the IGBT 20 to the control unit 400. To instruct.

次いで、図4を参照して、短絡が発生した場合の動作について説明する。時刻t5以前は、オン側回路30がオフされ、オフ側回路40がオンされた状態であり、通常駆動時(図3)における時刻t1以前と同様なので、詳しい記載を省略する。また、時刻t5を経て時刻t6に至るまでについても、通常駆動時における時刻t1〜時刻t2と同様なので、詳しい記載を省略する。   Next, an operation when a short circuit occurs will be described with reference to FIG. Prior to time t5, the on-side circuit 30 is turned off and the off-side circuit 40 is turned on, which is the same as before time t1 during normal driving (FIG. 3), and thus detailed description thereof is omitted. Further, the process from time t5 to time t6 is the same as time t1 to time t2 during normal driving, and therefore detailed description is omitted.

時刻t6以降、コレクタ電圧は一定値を維持する。コレクタ電流は、時刻t5から引き続いて増加していく。   After time t6, the collector voltage maintains a constant value. The collector current continues to increase from time t5.

時刻t7において、SE1端子の電圧が決められた閾値に到達する。換言すれば、コレクタ電流が所定の閾値に到達する。これにより、短絡検出部300は、デジタル値「1」をメモリ等に保持する。図4に示す動作例では、時刻t7以降もコレクタ電流が増加する。   At time t7, the voltage at the SE1 terminal reaches a predetermined threshold value. In other words, the collector current reaches a predetermined threshold value. Thereby, the short circuit detection unit 300 holds the digital value “1” in a memory or the like. In the operation example shown in FIG. 4, the collector current also increases after time t7.

時刻t8において、コレクタ電流がIGBT20の飽和電流に到達すると、コレクタ電圧は上昇に転じる。このため、SE2端子の電圧は正側に遷移する。短絡検出部300は、時刻t8においてデジタル値「1」をメモリ等に保持する。   When the collector current reaches the saturation current of the IGBT 20 at time t8, the collector voltage starts to increase. For this reason, the voltage at the SE2 terminal shifts to the positive side. The short circuit detection unit 300 holds the digital value “1” in a memory or the like at time t8.

図4に示す動作例では、時刻t7においてコレクタ電流が所定の閾値を超過し、時刻t8に至るまでその状況を維持している。そして、時刻t8において、SE2端子の電圧は正側に遷移している。短絡検出部300は、センス電流検出部100および電圧変化検出部200からの出力に基づいたデジタル値の論理積「1」を認識して、負荷に短絡が発生してIGBT20に短絡に起因する過大な電流が流れていると判断する。短絡検出部300は、制御部400に対して、IGBT20のターンオン動作を停止あるいは制限するように指示する。   In the operation example shown in FIG. 4, the collector current exceeds a predetermined threshold at time t7, and the situation is maintained until time t8. At time t8, the voltage at the SE2 terminal changes to the positive side. The short-circuit detection unit 300 recognizes the logical product “1” based on the outputs from the sense current detection unit 100 and the voltage change detection unit 200, and a short-circuit occurs in the load, resulting in an overload caused by the short-circuit in the IGBT 20. It is determined that a large current is flowing. The short circuit detection unit 300 instructs the control unit 400 to stop or limit the turn-on operation of the IGBT 20.

従来の構成では、時刻t7から所定のフィルタ時間の間、コレクタ電流が閾値を超過した状態が維持されていることを以って短絡を検出することになる。フィルタ時間は、ノイズケアの観点から一般的に1μs〜2μsとされることが多い。これに対して、本実施形態では、時刻t7において、コレクタ電流の閾値に対する超過を検出後、時刻t8には短絡を検出することができる。時刻t7から時刻t8に至るまでの時間は、接続される負荷に依存するものの、1ns〜100nsオーダーであり、従来のフィルタ時間に対して短い時間で短絡を検出することができる。また、短絡検出部300は、センス電流検出部100と電圧変化検出部200の2要素において、いずれもが短絡を検出した時点で、負荷の短絡を決定する。すなわち、短絡に対して二重のチェックを行っている。したがって、本実施形態に係る駆動装置10を採用することによって、ノイズによる誤った保護動作を防止しつつ、フィルタ時間を低減することが可能である。   In the conventional configuration, a short circuit is detected by maintaining that the collector current exceeds the threshold value for a predetermined filter time from time t7. In general, the filter time is generally 1 μs to 2 μs from the viewpoint of noise care. On the other hand, in this embodiment, a short circuit can be detected at time t8 after detecting an excess of the collector current with respect to the threshold value at time t7. Although the time from time t7 to time t8 depends on the connected load, it is on the order of 1 ns to 100 ns, and a short circuit can be detected in a shorter time than the conventional filter time. Further, the short circuit detection unit 300 determines a short circuit of the load when both of the sense current detection unit 100 and the voltage change detection unit 200 detect a short circuit. That is, a double check is performed for a short circuit. Therefore, by adopting the drive device 10 according to the present embodiment, it is possible to reduce the filter time while preventing erroneous protection operation due to noise.

(変形例1)
上記した実施形態では、パワースイッチング素子としてIGBT20を用いる例を示したが、これに限定されるものではなく、例えば、図5に示すように、パワースイッチング素子としてMOSトランジスタ50を採用することもできる。
(Modification 1)
In the above-described embodiment, the example in which the IGBT 20 is used as the power switching element has been described. However, the present invention is not limited to this. For example, as illustrated in FIG. 5, a MOS transistor 50 may be employed as the power switching element. .

MOSトランジスタ50は、IGBT20と同様に、メインセル51と、センスセル130と、サブセル230と、を有している。本変形例における駆動装置11は、第1実施形態に対して、IGBT20のメインセル21、センスセル110、サブセル210を、それぞれ、MOSトランジスタ50のメインセル51、センスセル130、サブセル230に置換した構造をしている。メインセル51、センスセル130およびサブセル230のドレイン端子は互いに共通して接続されている。メインセル51とセンスセル130は、ゲート端子が共通して接続されている。サブセル230はゲート端子とソース端子が互いに接続されており、内部容量が帰還容量を構成している。なお、メインセル51、センスセル130、サブセル230のソース端子は、それぞれ、第1実施形態におけるKE端子、SE1端子、SE2端子に相当している。   Similar to the IGBT 20, the MOS transistor 50 includes a main cell 51, a sense cell 130, and a subcell 230. The drive device 11 in this modification has a structure in which the main cell 21, the sense cell 110, and the subcell 210 of the IGBT 20 are replaced with the main cell 51, the sense cell 130, and the subcell 230 of the MOS transistor 50, respectively, in the first embodiment. doing. The drain terminals of the main cell 51, the sense cell 130, and the subcell 230 are connected in common. The main cell 51 and the sense cell 130 have a common gate terminal. In the subcell 230, the gate terminal and the source terminal are connected to each other, and the internal capacitance forms a feedback capacitance. The source terminals of the main cell 51, the sense cell 130, and the subcell 230 correspond to the KE terminal, SE1 terminal, and SE2 terminal in the first embodiment, respectively.

本変形例における駆動装置11は、第1実施形態に対して、IGBT20の各セル21,110,210をMOSトランジスタに置換したものであるから、センスセル130とセンス抵抗器120がセンス電流検出部100を構成し、サブセル230とサブ抵抗器220が電圧変化検出部200を構成している。短絡検出部300および制御部400の構成は第1実施形態と同様である。   Since the driving device 11 in this modification is obtained by replacing each cell 21, 110, 210 of the IGBT 20 with a MOS transistor as compared with the first embodiment, the sense cell 130 and the sense resistor 120 include the sense current detection unit 100. The subcell 230 and the subresistor 220 constitute the voltage change detection unit 200. The configurations of the short circuit detection unit 300 and the control unit 400 are the same as those in the first embodiment.

なお、駆動装置11の動作および作用効果は第1実施形態における駆動装置10と同様であり、第1実施形態の説明について、コレクタ電流をドレイン電流に、コレクタ端子をドレイン端子に、エミッタ端子をソース端子に、それぞれ表現を言い換えれば、本変形例における作用効果を説明することができる。よって、本変形例に係る駆動装置11を採用することによって、ノイズによる誤った保護動作を防止しつつ、フィルタ時間を低減することが可能である。   Note that the operation and effect of the driving device 11 are the same as those of the driving device 10 in the first embodiment. Regarding the description of the first embodiment, the collector current is the drain current, the collector terminal is the drain terminal, and the emitter terminal is the source. In other words, the expression of each terminal can explain the operational effects of the present modification. Therefore, by adopting the driving device 11 according to this modification, it is possible to reduce the filter time while preventing erroneous protection operation due to noise.

(第2実施形態)
本実施形態における駆動装置12は、パワースイッチング素子としてIGBT60を駆動する。第1実施形態において説明した駆動装置10との差異は、IGBT20とIGBT60との構造の差異に起因する電圧変化検出部200の構成と動作である。
(Second Embodiment)
The driving device 12 in the present embodiment drives the IGBT 60 as a power switching element. The difference from the driving apparatus 10 described in the first embodiment is the configuration and operation of the voltage change detection unit 200 due to the difference in structure between the IGBT 20 and the IGBT 60.

まず、図6を参照して、本実施形態に係る駆動装置12の、第1実施形態と異なる要素について、その構成を説明する。   First, with reference to FIG. 6, the structure of the driving device 12 according to the present embodiment that is different from the first embodiment will be described.

図6に示すように、IGBT60は、メインセル61と、センスセル140と、ダイオード240と、が同一半導体基板に形成されて成る。IGBT60のメインセル61とセンスセル140は、それぞれ、第1実施形態におけるIGBT20のメインセル21とセンスセル110と同一の構成であり、メインセル61のエミッタ端子がKE端子に相当し、センスセル140のエミッタ端子がSE1端子に相当している。なお、ダイオード240のカソード端子がSE2端子に相当している。メインセル61およびセンスセル140のコレクタ端子、および、ダイオード240のアノード端子は互いに共通して接続されている。メインセル61とセンスセル140は、ゲート端子が共通して接続されている。   As shown in FIG. 6, the IGBT 60 includes a main cell 61, a sense cell 140, and a diode 240 formed on the same semiconductor substrate. The main cell 61 and the sense cell 140 of the IGBT 60 have the same configuration as the main cell 21 and the sense cell 110 of the IGBT 20 in the first embodiment, respectively, and the emitter terminal of the main cell 61 corresponds to the KE terminal, and the emitter terminal of the sense cell 140 Corresponds to the SE1 terminal. The cathode terminal of the diode 240 corresponds to the SE2 terminal. The collector terminals of the main cell 61 and the sense cell 140 and the anode terminal of the diode 240 are connected in common. The main cell 61 and the sense cell 140 are connected in common at the gate terminal.

本実施形態におけるセンス電流検出部100は、第1実施形態におけるセンス電流検出部100の構成と同一である。具体的には、このセンス電流検出部100はセンスセル140とセンス抵抗器120とを有しており、センス電流を電圧に変換して検出するようになっている。SE1端子は短絡検出部300に接続されており、センス電流とセンス抵抗器120により規定される電圧が短絡検出部300に入力される。すなわち、センス電流検出部100は、IGBT60のコレクタ電流を間接的に検出することができるようになっている。   The sense current detection unit 100 in the present embodiment is the same as the configuration of the sense current detection unit 100 in the first embodiment. Specifically, the sense current detection unit 100 includes a sense cell 140 and a sense resistor 120, and detects the current by converting the sense current into a voltage. The SE1 terminal is connected to the short-circuit detection unit 300, and the voltage defined by the sense current and the sense resistor 120 is input to the short-circuit detection unit 300. That is, the sense current detection unit 100 can indirectly detect the collector current of the IGBT 60.

本実施形態における電圧変化検出部200は、IGBT60に内蔵されたダイオード240と、プルアップ電源250と、プルアップ抵抗器260と、を有している。ダイオード240のアノード端子はメインセル61のコレクタ端子に接続され、カソード端子(SE2端子)はプルアップ抵抗器260を介してプルアップ電源250に接続されている。第1実施形態と同様に、SE2端子は短絡検出部300に接続されている。   The voltage change detection unit 200 according to the present embodiment includes a diode 240 built in the IGBT 60, a pull-up power supply 250, and a pull-up resistor 260. The anode terminal of the diode 240 is connected to the collector terminal of the main cell 61, and the cathode terminal (SE 2 terminal) is connected to the pull-up power supply 250 via the pull-up resistor 260. As in the first embodiment, the SE2 terminal is connected to the short-circuit detection unit 300.

ここで、メインセル61のコレクタ端子には負荷を駆動するための高圧側の電源が印加されている。つまり、メインセル61、センスセル140およびダイオード240のアノード側に印加される電圧(以下、VHという)が、特許請求の範囲に記載の上流側の端子電圧に相当する。そして、電圧VHは、プルアップ電源に指定される電圧VBと、ダイオード240の順電圧Vfとの間で、VB−Vf≦VHの関係を満たしている。   Here, a high-voltage power source for driving a load is applied to the collector terminal of the main cell 61. That is, the voltage (hereinafter referred to as VH) applied to the anode side of the main cell 61, the sense cell 140, and the diode 240 corresponds to the upstream terminal voltage described in the claims. The voltage VH satisfies the relationship of VB−Vf ≦ VH between the voltage VB designated as the pull-up power supply and the forward voltage Vf of the diode 240.

上記のように構成された電圧変化検出部200においては、コレクタ電圧がVf以上の場合にはダイオード240に電流は流れず、SE2端子の電圧はVBとなる。一方、コレクタ電圧がVfを下回るとダイオード240に電流が流れ、SE2端子の電圧はVfでクランプされる。第1実施形態において説明したように、短絡が発生しない通常の駆動では、IGBT60のターンオン動作によってコレクタ電圧は低下し、Vfを下回るため、その時点でSE2端子の電圧は、VBからVfに遷移する。一方、短絡が発生した駆動では、コレクタ電圧が十分低下せず、SE2端子の電圧がVBを維持する。   In the voltage change detection unit 200 configured as described above, when the collector voltage is equal to or higher than Vf, no current flows through the diode 240, and the voltage at the SE2 terminal is VB. On the other hand, when the collector voltage falls below Vf, a current flows through the diode 240, and the voltage at the SE2 terminal is clamped at Vf. As described in the first embodiment, in a normal drive in which a short circuit does not occur, the collector voltage decreases due to the turn-on operation of the IGBT 60 and falls below Vf, so that the voltage at the SE2 terminal at that time transitions from VB to Vf. . On the other hand, in the drive in which a short circuit occurs, the collector voltage does not decrease sufficiently, and the voltage at the SE2 terminal maintains VB.

短絡検出部300は、センス電流検出部100と電圧変化検出部200とが入力として接続され、これらの入力に基づいた信号を制御部400に出力する。短絡検出部300は、センス電流検出部100から入力されたセンス電流相当の電圧を所定の閾値と比較する。センス電流はメインセル61のコレクタ電流に略比例するので、短絡検出部300は、センス電流が所定の閾値以上である場合には、コレクタ電流が過電流の状態であることを検知することができる。短絡検出部300は、例えば、センス電流が所定の閾値以上である場合に、デジタル値「1」を自身に内蔵されたメモリ等に保持する。   The short circuit detection unit 300 is connected to the sense current detection unit 100 and the voltage change detection unit 200 as inputs, and outputs a signal based on these inputs to the control unit 400. The short circuit detection unit 300 compares the voltage corresponding to the sense current input from the sense current detection unit 100 with a predetermined threshold. Since the sense current is substantially proportional to the collector current of the main cell 61, the short-circuit detection unit 300 can detect that the collector current is in an overcurrent state when the sense current is equal to or greater than a predetermined threshold. . For example, when the sense current is greater than or equal to a predetermined threshold, the short-circuit detection unit 300 holds the digital value “1” in a memory or the like built therein.

また、短絡検出部300は、電圧変化検出部200から入力されたSE2端子の電圧が、センス電流が閾値を超えた時点から、所定の判定時間の間、VBを維持していた場合に、デジタル値「1」を自身に内蔵されたメモリ等に保持する。特許請求の範囲に記載の、出力電圧の予め規定された変化、とは、本実施形態においては、SE2端子の電圧が所定の判定時間の間、VBのまま維持され変化しないこと、に相当する。なお、判定時間については、追って詳述する。   In addition, the short-circuit detection unit 300 is digital when the voltage of the SE2 terminal input from the voltage change detection unit 200 is maintained at VB for a predetermined determination time from the time when the sense current exceeds the threshold value. The value “1” is held in a memory or the like built in itself. In the present embodiment, the predetermined change in the output voltage described in the claims corresponds to that the voltage at the SE2 terminal is maintained at VB for a predetermined determination time and does not change. . The determination time will be described in detail later.

次に、図7および図8を参照して、本実施形態に係る駆動装置12の動作および作用効果について説明する。   Next, with reference to FIG. 7 and FIG. 8, operation | movement and an effect of the drive device 12 which concern on this embodiment are demonstrated.

図7および図8はIGBT20のターンオン動作を示している。先ず、図7を参照して、短絡が発生していない、通常の動作について説明する。時刻t1以前は、オン側回路30がオフされ、オフ側回路40がオンされた状態であり、メインセル61のコレクタ端子には、一定のコレクタ電圧が印加されている。IGBT60はオフの状態であるから、コレクタ電流は流れていない。SE1端子の電圧は、メインセル61のコレクタ電流に対応するので、グランド電位を維持している。コレクタ電圧がVfよりも高い状態を維持しているから、SE2端子の電圧はVBである。   7 and 8 show the turn-on operation of the IGBT 20. First, a normal operation in which no short circuit occurs will be described with reference to FIG. Prior to time t1, the on-side circuit 30 is turned off and the off-side circuit 40 is turned on, and a constant collector voltage is applied to the collector terminal of the main cell 61. Since the IGBT 60 is in an off state, no collector current flows. Since the voltage at the SE1 terminal corresponds to the collector current of the main cell 61, the ground potential is maintained. Since the collector voltage is kept higher than Vf, the voltage at the SE2 terminal is VB.

時刻t1において、制御部400は、オン側回路30をオンし、オフ側回路40をオフする。これにより、メインセル61およびセンスセル140のゲート端子に電圧が印加されてコレクタ電流が流れ始める。コレクタ電圧はコレクタ電流の増加に伴って減少する。コレクタ電圧が変化するため、回路の寄生インダクタンスによる誘導起電力が生じ、時刻t2においてコレクタ電圧が一定となる。SE1端子の電圧は、コレクタ電流の増加に対応して増加する。なお、コレクタ電圧は低下するもVfを下回らないので、SE2端子の電圧はVBを維持する。   At time t1, the control unit 400 turns on the on-side circuit 30 and turns off the off-side circuit 40. As a result, a voltage is applied to the gate terminals of the main cell 61 and the sense cell 140, and the collector current begins to flow. The collector voltage decreases as the collector current increases. Since the collector voltage changes, an induced electromotive force is generated due to the parasitic inductance of the circuit, and the collector voltage becomes constant at time t2. The voltage at the SE1 terminal increases corresponding to the increase in collector current. Although the collector voltage decreases but does not fall below Vf, the voltage at the SE2 terminal maintains VB.

時刻t2に至ると、コレクタ電圧はVHと回路の寄生インダクタンスによる誘導起電力によって規定される値で一定となる。コレクタ電流は時刻t1から引き続いて増加していき、これに伴ってSE1端子の電圧も上昇する。SE2端子の電圧は、引き続いてVBを維持する。   When time t2 is reached, the collector voltage becomes constant at a value defined by the induced electromotive force due to VH and the parasitic inductance of the circuit. The collector current continues to increase from time t1, and accordingly, the voltage at the SE1 terminal also increases. The voltage at the SE2 terminal is continuously maintained at VB.

時刻t3に至ると、コレクタ電圧は再び減少を開始する。そして、時刻t4において、コレクタ電圧がVfを下回ると、ダイオード240に電流が流れてSE2端子はVfに遷移する。コレクタ電流はゲート電圧に対応した値で一定となり、SE1端子の電圧もコレクタ電流に対応して一定の値となる。   When reaching the time t3, the collector voltage starts decreasing again. At time t4, when the collector voltage falls below Vf, a current flows through the diode 240, and the SE2 terminal changes to Vf. The collector current is constant at a value corresponding to the gate voltage, and the voltage at the SE1 terminal is also constant at a value corresponding to the collector current.

図7に示す動作例では、SE1端子の電圧は決められた閾値を超えていない。換言すれば、コレクタ電流は所定の閾値を超えていない。よって、センス電流検出部100は、デジタル値「0」を短絡検出部300に出力する。また、SE2端子の電圧は、時刻t4においてVBからVfに遷移しておりVBを維持していない。よって、電圧変化検出部200は、デジタル値「0」を短絡検出部300に出力する。従って、短絡検出部300は、センス電流検出部100および電圧変化検出部200から出力されるデジタル値の論理積「0」を認識して、制御部400に対して、IGBT20のターンオン動作を継続するように指示する。   In the operation example shown in FIG. 7, the voltage at the SE1 terminal does not exceed the determined threshold value. In other words, the collector current does not exceed the predetermined threshold. Therefore, the sense current detection unit 100 outputs the digital value “0” to the short circuit detection unit 300. Further, the voltage at the SE2 terminal changes from VB to Vf at time t4 and does not maintain VB. Therefore, the voltage change detection unit 200 outputs the digital value “0” to the short circuit detection unit 300. Therefore, the short circuit detection unit 300 recognizes the logical product “0” of the digital values output from the sense current detection unit 100 and the voltage change detection unit 200 and continues the turn-on operation of the IGBT 20 to the control unit 400. To instruct.

次いで、図8を参照して、短絡が発生した場合の動作について説明する。時刻t5以前は、オン側回路30がオフされ、オフ側回路40がオンされた状態であり、通常駆動時(図7)における時刻t1以前と同様なので、詳しい記載を省略する。また、時刻t5を経て時刻t6に至るまでについても、通常駆動時における時刻t1〜時刻t2と同様なので、詳しい記載を省略する。   Next, the operation when a short circuit occurs will be described with reference to FIG. Prior to time t5, the on-side circuit 30 is turned off and the off-side circuit 40 is turned on, which is the same as before time t1 during normal driving (FIG. 7), and thus detailed description is omitted. Further, the process from time t5 to time t6 is the same as time t1 to time t2 during normal driving, and therefore detailed description is omitted.

時刻t6以降、コレクタ電圧は一定値を維持する。コレクタ電流は、時刻t5から引き続いて増加していく。   After time t6, the collector voltage maintains a constant value. The collector current continues to increase from time t5.

時刻t7において、SE1端子の電圧が決められた閾値に到達する。換言すれば、コレクタ電流が所定の閾値に到達する。これにより、短絡検出部300は、デジタル値「1」をメモリ等に保持する。図8に示す動作例では、時刻t7以降もコレクタ電流が増加する。このとき、コレクタ電圧はVf以上であり、SE2端子の電圧はVBを維持している。短絡検出部300は、時刻t7から所定の判定時間のカウントを開始する。   At time t7, the voltage at the SE1 terminal reaches a predetermined threshold value. In other words, the collector current reaches a predetermined threshold value. Thereby, the short circuit detection unit 300 holds the digital value “1” in a memory or the like. In the operation example shown in FIG. 8, the collector current also increases after time t7. At this time, the collector voltage is equal to or higher than Vf, and the voltage at the SE2 terminal is maintained at VB. The short circuit detector 300 starts counting a predetermined determination time from time t7.

時刻t7から判定時間だけ経過した時刻t8において、コレクタ電圧はVfを下回らないから、SE2端子の電圧はVBを維持している。短絡検出部300は、時刻t8においてデジタル値「1」をメモリ等に保持に出力する。   Since the collector voltage does not fall below Vf at time t8 when the determination time has elapsed from time t7, the voltage at the SE2 terminal maintains VB. The short-circuit detection unit 300 outputs the digital value “1” to the memory or the like at time t8.

図8に示す動作例では、時刻t7においてコレクタ電流が所定の閾値を超過し、時刻t8に至るまでその状況を維持している。そして時刻t7から時刻t8に至る判定時間の間、SE2端子の電圧はVBを維持している。短絡検出部300は、センス電流検出部100および電圧変化検出部200からの出力に基づいたデジタル値の論理積「1」を認識して、負荷に短絡が発生してIGBT20に短絡に起因する過大な電流が流れていると判断する。短絡検出部300は、制御部400に対して、IGBT20のターンオン動作を停止あるいは制限するように指示する。   In the operation example shown in FIG. 8, the collector current exceeds a predetermined threshold at time t7, and the situation is maintained until time t8. During the determination time from time t7 to time t8, the voltage at the SE2 terminal is maintained at VB. The short-circuit detection unit 300 recognizes the logical product “1” based on the outputs from the sense current detection unit 100 and the voltage change detection unit 200, and a short-circuit occurs in the load, resulting in an overload caused by the short-circuit in the IGBT 20. It is determined that a large current is flowing. The short circuit detection unit 300 instructs the control unit 400 to stop or limit the turn-on operation of the IGBT 20.

従来の構成では、時刻t7から所定のフィルタ時間の間、コレクタ電流が閾値を超過した状態が維持されていることを以って短絡を検出することになる。本実施形態における構成でも時刻t7から所定の判定時間を以って短絡を検出することは同じであるが、この判定時間は、コレクタ電流ではなく、コレクタ電圧がVf以上を維持している時間をモニタするものである。短絡が発生していると、図8に示すように、コレクタ電流が飽和することによってコレクタ電圧が低下せずに上昇に転じるためVfを下回ることはない。換言すれば、判定時間は、コレクタ電流が所定の閾値以上となってから飽和するまでの時間を確保しておけばよい。   In the conventional configuration, a short circuit is detected by maintaining that the collector current exceeds the threshold value for a predetermined filter time from time t7. Even in the configuration of the present embodiment, it is the same that a short circuit is detected with a predetermined determination time from time t7, but this determination time is not a collector current but a time during which the collector voltage is maintained at Vf or higher. It is something to monitor. When a short circuit occurs, as shown in FIG. 8, the collector current is saturated and the collector voltage does not decrease and starts to increase, so it does not fall below Vf. In other words, the determination time may be ensured from when the collector current becomes equal to or higher than the predetermined threshold until it is saturated.

コレクタ電流が飽和するまでの時間、すなわち判定時間は、例えば、図9に示すように、IGBT60の内部抵抗Rと、回路に生じる寄生インダクタンスLとが、負荷を駆動するための駆動電圧Vとグランド電位との間で直列接続されたLR回路における時定数τ(=L/R)により凡そ想定できる。具体的に、判定時間としては、時定数τと同一か、あるいは時定数以上の時間を確保すればよい。コレクタ電流は、上昇を開始してから、時定数τのネイピア数倍、すなわち、eτ(eはネイピア数)だけ経過するとほぼ飽和するので、判定時間をeτに設定すれば十分である。例えば、本実施形態における寄生インダクタンスLは100nHオーダーである。IGBT60の内部抵抗が1Ω程度であると想定すると、τ≒100nsであり、判定時間としては、略300nsに設定することができる。   For example, as shown in FIG. 9, the time until the collector current is saturated, that is, the determination time, is the drive voltage V for driving the load by the internal resistance R of the IGBT 60 and the parasitic inductance L generated in the circuit, and the ground. It can be roughly estimated by the time constant τ (= L / R) in the LR circuit connected in series with the potential. Specifically, as the determination time, a time equal to or greater than the time constant τ may be secured. Since the collector current almost saturates after elapse of the time constant τ times the number of Napiers, that is, eτ (e is the number of Napiers) after starting to rise, it is sufficient to set the determination time to eτ. For example, the parasitic inductance L in this embodiment is on the order of 100 nH. Assuming that the internal resistance of the IGBT 60 is about 1Ω, τ≈100 ns, and the determination time can be set to approximately 300 ns.

従来の構成におけるフィルタ時間は、前述の通り1μs〜2μsである。本実施形態における判定時間は、接続される負荷のインダクタンスLに依存するものの、10ns〜100nsオーダーであり、従来のフィルタ時間に対して短い時間で短絡を検出することができる。また、短絡検出部300は、センス電流検出部100と電圧変化検出部200の2要素において、いずれもが短絡を検出した時点で、負荷の短絡を決定する。すなわち、短絡に対して二重のチェックを行っている。判定時間を従来のフィルタ時間より短く設定しても、ノイズ耐性を保証することができる。したがって、本実施形態に係る駆動装置12を採用することによって、ノイズによる誤った保護動作を防止しつつ、フィルタ時間を低減することが可能である。   The filter time in the conventional configuration is 1 μs to 2 μs as described above. Although the determination time in this embodiment depends on the inductance L of the connected load, it is on the order of 10 ns to 100 ns, and a short circuit can be detected in a shorter time than the conventional filter time. Further, the short circuit detection unit 300 determines a short circuit of the load when both of the sense current detection unit 100 and the voltage change detection unit 200 detect a short circuit. That is, a double check is performed for a short circuit. Even if the determination time is set shorter than the conventional filter time, noise tolerance can be guaranteed. Therefore, by adopting the drive device 12 according to the present embodiment, it is possible to reduce the filter time while preventing erroneous protection operation due to noise.

(変形例2)
第2実施形態に示すダイオード240として、所定のIGBTセル(以下、サブセル241という)に付属する還流ダイオード242(FWD242)を利用することができる。図10に示すように、このサブセル241は、コレクタ端子がメインセル61のコレクタ端子と共通して接続され、エミッタ端子が短絡検出部300に接続されている。エミッタ端子は第2実施形態におけるSE2端子に相当する。FWD242は、アノード端子がサブセル241のコレクタ端子に接続され、カソード端子がサブセル241のエミッタ端子に接続されている。サブセル241におけるゲート端子とエミッタ端子とを互いに接続することにより、FWD242がダイオード240として機能するように構成されている。これによれば、よく知られたRC−IGBT(Reverse Conducting -IGBT)をそのまま利用することができる。
(Modification 2)
As the diode 240 shown in the second embodiment, a free-wheeling diode 242 (FWD242) attached to a predetermined IGBT cell (hereinafter referred to as a subcell 241) can be used. As shown in FIG. 10, the subcell 241 has a collector terminal connected in common with the collector terminal of the main cell 61, and an emitter terminal connected to the short-circuit detection unit 300. The emitter terminal corresponds to the SE2 terminal in the second embodiment. The FWD 242 has an anode terminal connected to the collector terminal of the subcell 241 and a cathode terminal connected to the emitter terminal of the subcell 241. The FWD 242 is configured to function as the diode 240 by connecting the gate terminal and the emitter terminal of the subcell 241 to each other. According to this, a well-known RC-IGBT (Reverse Conducting-IGBT) can be used as it is.

(変形例3)
第1実施形態に対する変形例1のように、第2実施形態および変形例2に対して、パワースイッチング素子をIGBT60からMOSトランジスタ70に置換した構成とすることができる。
(Modification 3)
As in Modification 1 with respect to the first embodiment, the power switching element can be replaced with the MOS transistor 70 from the IGBT 60 in the second embodiment and Modification 2.

MOSトランジスタ70は、図11に示すように、IGBT60と同様に、メインセル71と、センスセル150と、ダイオード270と、を有している。ダイオード270はサブセル271とFWD272から構成されている。本変形例における駆動装置13は、第2実施形態に対して、IGBT60のメインセル61、センスセル140、ダイオード240を、それぞれ、MOSトランジスタ70のメインセル71、センスセル150、ダイオード270に置換した構造をしている。メインセル71、センスセル150およびサブセル271のドレイン端子は互いに共通して接続されている。メインセル71とセンスセル150は、ゲート端子が共通して接続されている。FWD272は、アノード端子がサブセル271のコレクタ端子に接続され、カソード端子がサブセル271のエミッタ端子に接続されている。サブセル271はゲート端子とソース端子が互いに接続されており、FWD272がダイオード270として機能するように構成されている。なお、メインセル71、センスセル150、サブセル271のソース端子は、それぞれ、第2実施形態におけるKE端子、SE1端子、SE2端子に相当している。   As shown in FIG. 11, the MOS transistor 70 includes a main cell 71, a sense cell 150, and a diode 270, similar to the IGBT 60. The diode 270 includes a subcell 271 and an FWD272. The drive device 13 in this modification has a structure in which the main cell 61, the sense cell 140, and the diode 240 of the IGBT 60 are replaced with the main cell 71, the sense cell 150, and the diode 270 of the MOS transistor 70, respectively, in the second embodiment. doing. The drain terminals of the main cell 71, the sense cell 150, and the subcell 271 are connected in common. The main cell 71 and the sense cell 150 have a common gate terminal connected thereto. The FWD 272 has an anode terminal connected to the collector terminal of the subcell 271 and a cathode terminal connected to the emitter terminal of the subcell 271. The subcell 271 has a gate terminal and a source terminal connected to each other, and the FWD 272 functions as the diode 270. The source terminals of the main cell 71, the sense cell 150, and the subcell 271 correspond to the KE terminal, SE1 terminal, and SE2 terminal in the second embodiment, respectively.

本変形例における駆動装置13は、第2実施形態に対して、IGBT60の各セル61,140,241をMOSトランジスタに置換したものであるから、センスセル150とセンス抵抗器120がセンス電流検出部100を構成し、ダイオード270、プルアップ電源250およびプルアップ抵抗器260が電圧変化検出部200を構成している。短絡検出部300および制御部400の構成は第2実施形態と同様である。   Since the driving device 13 in this modification is obtained by replacing the cells 61, 140, and 241 of the IGBT 60 with MOS transistors in the second embodiment, the sense cell 150 and the sense resistor 120 include the sense current detection unit 100. The diode 270, the pull-up power supply 250, and the pull-up resistor 260 constitute the voltage change detection unit 200. The configurations of the short circuit detection unit 300 and the control unit 400 are the same as those in the second embodiment.

なお、駆動装置13の動作および作用効果は第2実施形態における駆動装置12と同様であり、第2実施形態および変形例2の説明について、コレクタ電流をドレイン電流に、コレクタ端子をドレイン端子に、エミッタ端子をソース端子に、それぞれ表現を言い換えれば、本変形例における作用効果を説明することができる。よって、本変形例に係る駆動装置13を採用することによって、ノイズによる誤った保護動作を防止しつつ、フィルタ時間を低減することが可能である。   The operation and effect of the driving device 13 are the same as those of the driving device 12 in the second embodiment. Regarding the description of the second embodiment and the second modification, the collector current is the drain current, the collector terminal is the drain terminal, In other words, using the emitter terminal as the source terminal, the operational effects of the present modification can be described. Therefore, by adopting the driving device 13 according to this modification, it is possible to reduce the filter time while preventing erroneous protection operation due to noise.

(その他の実施形態)
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。
(Other embodiments)
The preferred embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.

上記した実施形態では、パワースイッチング素子として、IGBT20,60やMOSトランジスタ50,70を駆動する例を示した。しかしながら、本発明は、パワースイッチング素子として、これら以外にも適用可能であり、例えばサイリスタを用いてもよい。   In the above-described embodiment, the example in which the IGBTs 20 and 60 and the MOS transistors 50 and 70 are driven as the power switching element has been described. However, the present invention is applicable to power switching elements other than these, and for example, a thyristor may be used.

また、上記した各実施形態および変形例では、IGBTやMOSトランジスタの各セルが同一の半導体基板上に形成された例を示したが、個々が独立した素子として形成されていてもよい。   Further, in each of the above-described embodiments and modifications, an example in which each cell of the IGBT or the MOS transistor is formed on the same semiconductor substrate is shown, but each may be formed as an independent element.

10…駆動装置,20…IGBT(パワースイッチング素子),30…オン側回路,40…オフ側回路,100…センス電流検出部,200…電圧変化検出部,300…短絡検出部,400…制御部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Drive device, 20 ... IGBT (power switching element), 30 ... ON side circuit, 40 ... OFF side circuit, 100 ... Sense current detection part, 200 ... Voltage change detection part, 300 ... Short circuit detection part, 400 ... Control part

Claims (8)

パワースイッチング素子(20,50,60,70)のオンオフを制御する駆動装置であって、
前記パワースイッチング素子の出力電流を検出するセンス電流検出部(100)と、
前記パワースイッチング素子の出力電圧の変化を検出する電圧変化検出部(200)と、
前記センス電流検出部および前記電圧変化検出部からの入力信号に応じて前記パワースイッチング素子の短絡を判定する短絡検出部(300)と、を備え、
前記短絡検出部は、前記出力電流が所定の閾値を超過している状態において、さらに、前記出力電圧の、予め規定された変化に基づいて短絡の有無を判定することを特徴とする駆動装置。
A drive device for controlling on / off of a power switching element (20, 50, 60, 70),
A sense current detector (100) for detecting an output current of the power switching element;
A voltage change detector (200) for detecting a change in the output voltage of the power switching element;
A short-circuit detector (300) for determining a short-circuit of the power switching element according to input signals from the sense current detector and the voltage change detector;
The short circuit detection unit further determines whether or not there is a short circuit based on a predetermined change in the output voltage in a state where the output current exceeds a predetermined threshold.
前記電圧変化検出部は、容量と抵抗器(220)によって微分回路が構成されることにより前記出力電圧の時間変化を検出し、
前記短絡検出部は、前記出力電流が所定の閾値を超過している状態において、前記容量と前記抵抗器との中間電位が正となることを以って、前記パワースイッチング素子が短絡状態であると判定することを特徴とする請求項1に記載の駆動装置。
The voltage change detection unit detects a time change of the output voltage by configuring a differentiation circuit with a capacitor and a resistor (220),
The short circuit detection unit is configured such that the power switching element is in a short circuit state when an intermediate potential between the capacitor and the resistor becomes positive in a state where the output current exceeds a predetermined threshold. The drive device according to claim 1, wherein
前記パワースイッチング素子は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(20)であり、前記出力電流としてのコレクタ電流が流れるメインセル(21)と、前記電圧変化検出部としてのサブセル(210)と、を有し、
前記サブセルは、コレクタ端子が前記メインセルと共通であり、ゲート端子とエミッタ端子とが同電位とされて、前記パワースイッチング素子の内部容量が前記容量としての帰還容量を構成し、
前記短絡検出部は、前記コレクタ電流が所定の閾値を超過している状態において、前記サブセルにおけるエミッタ端子の電圧が正となることを以って、前記パワースイッチング素子が短絡状態であると判定することを特徴とする請求項2に記載の駆動装置。
The power switching element is an insulated gate bipolar transistor (20), and includes a main cell (21) through which a collector current as the output current flows, and a subcell (210) as the voltage change detection unit,
In the subcell, the collector terminal is common to the main cell, the gate terminal and the emitter terminal are set to the same potential, and the internal capacitance of the power switching element constitutes a feedback capacitance as the capacitance,
The short-circuit detection unit determines that the power switching element is in a short-circuit state when the voltage of the emitter terminal in the subcell becomes positive in a state where the collector current exceeds a predetermined threshold. The drive device according to claim 2, wherein:
前記パワースイッチング素子は、MOSトランジスタ(50)であり、前記出力電流としてのドレイン電流が流れるメインセル(51)と、前記電圧変化検出部としてのサブセル(230)と、を有し、
前記サブセルは、ドレイン端子が前記メインセルと共通であり、ゲート端子とソース端子とが同電位とされて、前記パワースイッチング素子の内部容量が前記容量としての帰還容量を構成し、
前記短絡検出部は、前記ドレイン電流が所定の閾値を超過している状態において、前記サブセルにおけるソース端子の電圧が正となることを以って、前記パワースイッチング素子が短絡状態であると判定することを特徴とする請求項2に記載の駆動装置。
The power switching element is a MOS transistor (50), and includes a main cell (51) through which a drain current as the output current flows, and a sub cell (230) as the voltage change detection unit,
In the subcell, the drain terminal is common to the main cell, the gate terminal and the source terminal are set to the same potential, and the internal capacitance of the power switching element constitutes a feedback capacitance as the capacitance,
The short-circuit detection unit determines that the power switching element is in a short-circuit state when a voltage at a source terminal in the subcell becomes positive in a state where the drain current exceeds a predetermined threshold. The drive device according to claim 2, wherein:
前記電圧変化検出部は、ダイオード(240,270)と、プルアップ電源(250)と、プルアップ抵抗器(260)と、を有し、
前記ダイオードは、アノード端子が前記出力電流の上流側の端子に接続され、
前記プルアップ電源は、前記出力電流の上流側の端子電圧VHと、該プルアップ電源の電圧VBと、前記ダイオードの順電圧Vfとの間の電圧がVB−Vf≦VHを満たすように、前記プルアップ抵抗器を介して前記ダイオードのカソード端子に接続され、
前記短絡検出部は、前記出力電流が所定の閾値を超過している状態において、前記ダイオードにおけるカソード端子の電位が所定の判定時間より長くプルアップ電圧を維持していることを以って、前記パワースイッチング素子が短絡状態であると判定することを特徴とする請求項1に記載の駆動装置。
The voltage change detection unit includes a diode (240, 270), a pull-up power source (250), and a pull-up resistor (260).
The diode has an anode terminal connected to a terminal on the upstream side of the output current,
The pull-up power supply is configured so that a terminal voltage VH on the upstream side of the output current, a voltage VB of the pull-up power supply, and a forward voltage Vf of the diode satisfy VB−Vf ≦ VH. Connected to the cathode terminal of the diode via a pull-up resistor,
In the state where the output current exceeds a predetermined threshold, the short circuit detection unit maintains the pull-up voltage longer than a predetermined determination time in the potential of the cathode terminal in the diode, The drive device according to claim 1, wherein the power switching element is determined to be in a short circuit state.
前記パワースイッチング素子は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(60)であり、
前記電圧変化検出部の前記ダイオードとして、アノード端子が前記パワースイッチング素子におけるコレクタ端子と接続される還流ダイオード(242)を有し、
前記短絡検出部は、前記出力電流としてのコレクタ電流が所定の閾値を超過している状態において、前記還流ダイオードにおけるカソード端子の電位が所定の判定時間より長く前記プルアップ電圧を維持していることを以って、前記パワースイッチング素子が短絡状態であると判定することを特徴とする請求項5に記載の駆動装置。
The power switching element is an insulated gate bipolar transistor (60);
As the diode of the voltage change detection unit, an anode terminal has a free-wheeling diode (242) connected to a collector terminal in the power switching element,
The short-circuit detection unit maintains the pull-up voltage for a longer time than a predetermined determination time when the potential of the cathode terminal of the free-wheeling diode is in a state where a collector current as the output current exceeds a predetermined threshold. Accordingly, it is determined that the power switching element is in a short-circuit state.
前記パワースイッチング素子は、MOSトランジスタ(70)であり、
前記電圧変化検出部の前記ダイオードとして、アノード端子が前記パワースイッチング素子におけるドレイン端子と接続される還流ダイオード(272)を有し、
前記短絡検出部は、前記出力電流としてのドレイン電流が所定の閾値を超過している状態において、前記還流ダイオードにおけるカソード端子の電位が所定の判定時間より長く前記プルアップ電圧を維持していることを以って、前記パワースイッチング素子が短絡状態であると判定することを特徴とする請求項5に記載の駆動装置。
The power switching element is a MOS transistor (70),
As the diode of the voltage change detection unit, an anode terminal has a free-wheeling diode (272) connected to a drain terminal of the power switching element,
The short-circuit detection unit maintains the pull-up voltage for a longer time than a predetermined determination time when the potential of the cathode terminal of the free-wheeling diode is in a state where the drain current as the output current exceeds a predetermined threshold. Accordingly, it is determined that the power switching element is in a short-circuit state.
前記判定時間は、前記パワースイッチング素子における内部抵抗と、回路に生じる寄生インダクタンスとにより規定される時定数以上に設定されることを特徴とする請求項6または請求項7に記載の駆動装置。   The driving apparatus according to claim 6 or 7, wherein the determination time is set to be equal to or longer than a time constant defined by an internal resistance of the power switching element and a parasitic inductance generated in the circuit.
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