JP2016513404A - 半導体スイッチ用の保護装置および半導体スイッチ用の保護装置を作動する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、応答特性が改善された半導体スイッチのための過電圧保護装置に関する。保護装置は、静的構成要素の他に、動的構成要素と半導体スイッチにおける切換動作の評価装置とをさらに含む。過電圧保護装置の動的構成要素は過電圧が小さい場合に応答するが、さらに応答動作は時間的に制限されている。さらに過電圧保護装置の動的構成要素の応答は、応答が半導体スイッチにおける切換動作後にのみ行われるように制限することができる。

Description

本発明は、半導体スイッチを過電圧から保護するための保護装置、および半導体スイッチを過電圧から保護するための保護装置を作動する方法に関する。

半導体スイッチを電気切換素子として使用することが既知である。この場合、特にパワーエレクトロニクス機器、例えば直流コンバータまたはインバータなどにおける切換素子の開放時に、常に生じる漏れインダクタンスにより過電圧がもたらされる。半導体スイッチによって電流が遮断された場合、コレクタとエミッタとの間の半導体スイッチにおいて供給電圧よりも大きい値にまで電圧が上昇することもある。この場合に生じた電圧が半導体スイッチの最大遮断電圧を超えた場合、半導体スイッチが破壊されることもある。

図１は、半導体スイッチＴ１００を過電圧から保護するための簡単な保護回路を示す。この場合、半導体スイッチＴ１００はゲート抵抗ＲＧを介してゲートドライブ回路４００によって制御される。半導体スイッチＴ１００のコレクタＣとゲートＧとの間にはアバランシェダイオードＤ１００が配置されている。半導体スイッチＴ１００においてコレクタＣとエミッタＥとの間の電圧が、アバランシェダイオードＤ１００によってあらかじめ設定された値を超えるとアバランシェダイオードＤ１００は通電を開始する。次いで半導体スイッチＴ１００は、少なくとも部分的に、したがってわずかに通電される。これにより、コレクタ‐エミッタ電圧が許容される高さに制限されるまで、Ｔ１００のコレクタ電流の遮断速度ｄｉ／ｄｔが低減される。

この回路の静的な構成に基づいて、開始時点は最大可能供給電圧を超えている必要がある。さもなければ、半導体スイッチＴ１００は連続運転に移行し、これにより半導体スイッチが熱により破壊される危険性が生じる。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２０１０００８８１５号明細書は、半導体のための過電圧保護装置を開示している。この場合、半導体スイッチで実際に切換動作が行われた場合にのみ、半導体スイッチのための保護回路が作動される。保護回路は、適切に解除された後に、この場合にもコレクタ‐エミッタ電圧が最大供給電圧を超える閾値を超えた場合にはじめて応答を開始する。

したがって、改善された半導体スイッチのための過電圧保護装置が必要である。特に迅速に応答する半導体スイッチのための過負荷保護装置が必要である。さらに危険な連続運転を確実に防止することができる過電圧保護装置が必要である。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２０１０００８８１５号明細書

本発明の一態様によれば、半導体スイッチにおける電圧が第１閾値を超えた場合に半導体スイッチを所定の継続時間にわたって制御するように構成された第１過電圧保護装置と；半導体スイッチの電圧が第２閾値を超えた場合に半導体スイッチを制御するように構成された第２過電圧保護装置とを備える半導体スイッチのための保護装置が得られる。

本発明の別の一態様によれば、半導体スイッチの電圧が第１閾値を超えた場合に半導体スイッチを所定の継続時間にわたって制御するステップと；半導体スイッチが第２閾値を超えている時間にわたって半導体スイッチを制御するステップとを含む半導体スイッチのための保護回路を作動する方法が得られる。

本発明の思想は、半導体スイッチのための過電圧保護を２段階式に行うことである。半導体スイッチの電圧が第１閾値を超えた場合には、まず半導体スイッチは時間的に限定的にのみ制御される。このように制御が時間的に制限されることにより、半導体スイッチが第１電圧閾値を超えた場合に既に連続的な通電状態に移行することが防止される。したがってこの第１閾値は比較的低く選択することができる。この場合、第１閾値が低く設定されていることにより、第１過電圧保護装置は既に早期に応答し、これにより半導体スイッチの特に迅速な保護が可能となる。

第２ステップでは、半導体スイッチにおける電圧が第２閾値を超えるとすぐに半導体スイッチが連続的に制御される。この場合、半導体スイッチが第１過電圧保護装置によって既にあらかじめ時間的に限定的に制御されており、これにより半導体スイッチの制御入口（ゲート）がこの第１制御によって既に予備調整されていると有利である。したがって、半導体スイッチの第２過電圧保護装置の応答時には、特に迅速に通電状態に移行することができる。これにより、過電圧保護装置の迅速な応答が得られる。この場合、例えば遮断プロセスで生じる過渡的な過電圧パルスのピーク値は、迅速な応答に基づいて著しく小さくなる。

一実施形態では、第１閾値は第２閾値よりも小さい。したがって、より小さい第１閾値を超えた場合に半導体スイッチはまず時間的に限定的に制御され、この場合に半導体スイッチのゲートは既に予備電圧を得る。より大きい第２閾値を超えた場合には、特に迅速な過電圧保護が達成される。

別の一実施形態によれば、保護装置は、半導体スイッチにおける切換動作を検出するように構成された切換検出器を含む。したがって、半導体スイッチにおける切換動作を検出することにより、予想される過電圧に特に迅速に対応し、過電圧保護を切換動作後の時間間隔のみに限定することが可能である。

別の一実施形態によれば、切換検出器は、半導体スイッチが開かれた場合に第１過電圧保護装置を作動状態に移行するように構成されている。これにより、過電圧保護装置の応答を半導体スイッチにおける切換動作後の期間に制限することができる。

一実施形態によれば、切換検出器は、半導体スイッチが閉じられているか、または完全に遮断されている場合に、第１過電圧保護装置を非作動状態に移行するように構成されている。これにより、外部の出来事に基づく過電圧保護装置の応答を防止することができる。したがって他の出来事に基づく半導体スイッチの応答は除外される。

別の一実施形態によれば、半導体スイッチは絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）またはＭＯＳＦＥＴである。

本発明は、さらに本発明の一実施形態にしたがった保護装置を含む半導体スイッチを備えるインバータを含む。

一実施形態では、本発明による方法は、半導体スイッチにおける切換動作を検出するためのステップを含み、半導体スイッチにおける切換動作が検出された場合にのみ半導体スイッチを所定時間にわたって制御するためのステップが行われる。

他の特徴および実施形態が添付の図面に関連した説明により明らかである。

半導体スイッチを過電圧から保護するための保護回路を示す概略的な回路図である。 本発明の一実施形態による半導体スイッチのための保護装置の概略的な回路図である。 本発明の別の一実施形態による半導体スイッチのための保護回路を作動する方法を示す概略図である。

本発明の範囲における半導体スイッチは、半導体構造に基づいて電気接続部を開閉することができる全ての種類の切換素子である。この場合、半導体スイッチの開閉は電気信号を用いた半導体スイッチの制御によって行われる。本発明の範囲における半導体スイッチは、特にＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）である。さらに本発明による保護装置は、他の全ての種類の半導体スイッチにも使用することができる。

本発明による保護装置は、半導体スイッチとの関連で説明されている場合であっても、他の全ての切換素子において切換素子が閉じられている場合に過電圧から保護するためにも使用することができる。

図２は、本発明の一実施形態による半導体スイッチのための切換装置の概略的な回路図を示す。この場合、半導体スイッチ５はトランジスタＴ１によって形成される。ゲートＧに適切な制御信号を印加することにより、コレクタＣとエミッタＥとの間で導電性の接続部を開閉することができる。半導体スイッチ５のゲートＧは制御信号によって制御され、この制御信号は、ゲートドライバ４によりゲート抵抗ＲＧを介して半導体スイッチ５のゲートＧに供給される。このようにして、半導体スイッチ５を開閉することができる。

エミッタＥとコレクタＣとの間の過電圧から半導体スイッチ５を保護するために、過電圧保護装置は第１回路部分１を含み、第１回路部分１は、半導体スイッチ５のコレクタＣとエミッタＥとの間の第１電圧Ｕ_ＣＥが所定の閾値を超えた場合に半導体スイッチ５のゲートＧを制御する。この閾値は半導体素子Ｄ１０によって設定される。半導体素子Ｄ１０は、例えば適切なアバランシェダイオード、ツェナーダイオード、または所定の破壊電圧を超えた場合に遮断状態から通電状態に可逆式に移行する他の構成素子であってもよい。半導体素子Ｄ１０は、半導体スイッチ５のコレクタＣと、トランジスタＴ１０の制御入口との間に配置されている。

半導体スイッチ５における電圧Ｕ_ＣＥが、半導体素子Ｄ１０によってあらかじめ設定された閾値を超過した場合、トランジスタＴ１０が制御され、通電状態に移行する。これにより、半導体スイッチ５のゲートＧが制御され、これに続いて半導体スイッチ５は少なくともわずかに通電状態に移行する。半導体スイッチ５のコレクタＣとエミッタＥとの間で続いて設定される電流に基づいて、半導体スイッチ５のコレクタ‐エミッタ電圧Ｕ_ＣＥも減じられる。トランジスタＴ１０と半導体スイッチ５のゲートＧとの間に並行に接続された抵抗Ｒ１１およびコンデンサＣ１０を適宜に選択することにより、過電圧発生時の制御特性を意図的に設定することができる。

さらに保護装置は動的な過電圧保護装置２を含む。この場合、半導体スイッチ５の最小のコレクタ‐エミッタ電圧Ｕ_ＣＥのための閾値は半導体素子Ｄ２０によって決定される。半導体素子Ｄ２０は、半導体素子Ｄ１０と同様に、アバランシェダイオード、ツェナーダイオード、またはあらかじめ設定された破壊電圧を超えると遮断状態から通電状態に可逆式に移行する他の構成素子であってもよい。半導体スイッチ５におけるコレクタ‐エミッタ電圧Ｕ_ＣＥの閾値を超過した後に半導体素子Ｄ２０は通電を開始する。次いでコンデンサＣ２１を介してトランジスタＴ２０が制御される。これにより、さらにトランジスタＴ２０の開放時に半導体スイッチ５のゲートＧが制御され、続いて半導体スイッチ５は少なくともわずかに通電状態に移行する。

この場合、トランジスタＴ２０と半導体スイッチ５のゲートとの間には、抵抗Ｒ２１およびコンデンサＣ２０の並列回路が配置されている。これらの素子によって、動的な過電圧保護装置２の応答時に制御信号を形成することができる。

電圧を制限する半導体素子Ｄ２０とトランジスタＴ２０の制御信号入口との間に配置されたコンデンサＣ２１によって、動的な過電圧保護装置２による制御の継続時間が制限される。したがって、半導体素子Ｄ２０によってあらかじめ設定された閾値を超える閾値超過時にも、コンデンサＣ２１によって設定された継続時間を超えた場合には、たとえこの時点で半導体スイッチ５のコレクタ‐エミッタ電圧Ｕ_ＣＥが半導体素子Ｄ２０によってあらかじめ設定された閾値をまだ上回っているとしても、半導体スイッチ５の制御値は低減される。

半導体スイッチ５におけるコレクタ‐エミッタ電圧Ｕ_ＣＥがさらに上昇した場合、動的な過電圧保護装置２による制御が時間的に制限されていることに基づいて、半導体スイッチ５のゲートＧには既に予備電圧が印加されている。したがって、後方に接続された静的な過電圧保護装置１が半導体素子Ｄ１０によってあらかじめ設定された電圧を超えて応答した場合には、静的な過電圧保護装置１による半導体スイッチ５のゲートＧの制御によって半導体スイッチ５を極めて迅速に開くことができる。このように特に迅速な半導体スイッチ５の応答により、コレクタ‐エミッタ電圧Ｕ_ＣＥの過渡的な過電圧ピークは、動的な過電圧保護装置２による事前の制御が行われない場合よりも遥かに小さい。

動的な過電圧保護装置２の制御をコンデンサＣ２１によって意図的に時間的に制限することができるので、動的な過電圧保護装置２が半導体スイッチ５の持続的な制御をもたらす危険性はない。したがって、半導体素子Ｄ２０のためには、半導体スイッチ５の最大作動電圧未満の閾値電圧を選択することができる。これにより、特に過電圧保護装置の早期の応答が可能となる。

さらに本発明による保護装置は、動的な過電圧保護装置２の応答をさらに制限する回路部分３を含んでいてもよい。これにより、例えば、検出された過電圧がゲートドライバ４による切換動作にも起因している場合にのみ、動的な過電圧保護装置２が応答することが可能となる。特に動的な過電圧保護装置の応答のための閾値が最大作動電圧未満である場合には、切換動作以外の時間には、半導体スイッチの電圧が最大作動電圧に近い場合に動的な過電圧保護装置が応答すること、したがって半導体素子Ｄ２０が保護装置の応答を誘起することを防止することができる。

このために、ゲートドライバ４と半導体スイッチ５のゲートＧとの間のゲート抵抗ＧＲにより電圧低下を評価する切換検出器が回路部分３によって形成される。このようにして、保護したい半導体スイッチ５の遮断プロセスが実際に半導体スイッチ５のコレクタＣとエミッタＥとの間の過電圧の原因である場合にのみ、動的な過電圧保護装置２がトランジスタＴ１０およびＴ３１によって作動される。さもなければ回路は非作動状態に保持される。したがって、半導体スイッチ５の開放はゲートドライバ４の切換動作後の時点に制限される。

半導体スイッチを過電圧から保護するための本発明による保護装置は、切換プロセス後の過渡的な過電圧から半導体スイッチが保護されることが望ましいあらゆる場合に使用することができる。特に本発明による過電圧保護装置は、例えば半導体スイッチを備える直流電圧コンバータまたは半導体スイッチを備えるインバータにおいても使用することができる。さらに本発明による過電圧保護装置は、例えば、電気駆動装置を制御するためのインバータにおいて使用することもできる。なぜならこのような構造では寄生インダクタンスが切換動作時に高い過電圧をもたらす場合があるからである。

図３は、半導体スイッチのための保護回路を作動するための方法１００を示す概略図である。この場合、ステップ１１０では半導体スイッチ５の切換動作が検出される。例えば、切換検出器３によって検出されるゲートドライバ４からの信号の変化を検出してもよい。さらにこの切換検出器３は、第１過電圧保護装置２を解放する。次いでさらなるステップ１２０で、半導体スイッチ５における電圧Ｕ_ＣＥが第１閾値を超えた場合には半導体スイッチ５が所定の継続時間にわたって制御される。この所定の継続時間の後には、電圧Ｕ_ＣＥが第１閾値を超えている場合でも半導体スイッチ５は制御されない。

さらなるステップ１３０で、さらに半導体スイッチ５は、半導体スイッチ５における電圧Ｕ_ＣＥが第２閾値を超えている時間にわたって制御される。この場合、第２閾値を超えている場合の半導体スイッチ５の制御は時間制限なしに行われる。したがって、半導体スイッチ５の連続的な制御を防止し、熱による半導体スイッチ５の破壊を未然に防ぐために、第２閾値については最大作動電圧を超える電圧を選択すべきである。

要約すると、本発明は、応答特性が改善された半導体スイッチのための保護装置に関する。保護装置は、静的構成要素の他に、動的構成要素と半導体スイッチにおける切換動作の評価装置とをさらに含む。過電圧保護装置の動的構成要素は過電圧が小さい場合に応答するが、さらに応答動作は時間的に制限されている。さらに過電圧保護装置の動的構成要素の応答は、応答が半導体スイッチにおける切換動作後にのみ行われるように制限することができる。

Claims (9)

1. 半導体スイッチ（５）のための保護装置において、
   該半導体スイッチ（５）における電圧（Ｕ_ＣＥ）が第１閾値を超えた場合に前記半導体スイッチ（５）を所定の継続時間にわたって制御するように構成された第１過電圧保護装置（２）；および
   前記半導体スイッチ（５）における前記電圧（Ｕ_ＣＥ）が第２閾値を超えた場合に前記半導体スイッチ（５）を制御するように構成された第２過電圧保護装置（１）を備えた半導体スイッチ（５）のための保護装置。
2. 請求項１に記載の保護装置において、
   前記第１閾値が前記第２閾値よりも小さい保護装置。
3. 請求項１または２に記載の保護装置において、
   さらに、前記半導体スイッチ（５）における切換動作を検出するように構成された切換検出器（３）を含む保護装置。
4. 請求項３に記載の保護装置において、
   前記切換検出器（３）が、前記半導体スイッチ（５）が開かれた場合に前記第１過電圧保護装置（２）を作動状態に移行するように構成されている保護装置。
5. 請求項３または４に記載の保護装置において、
   前記切換検出器（３）が、前記半導体スイッチ（５）が閉じられている場合に前記第１過電圧保護装置（２）を非作動状態に移行するように構成されている保護装置。
6. 請求項１から５までのいずれか一項に記載の保護装置において、
   前記半導体スイッチ（５）が絶縁ゲートバイポーラトランジスタまたはＭＯＳＦＥＴである保護装置。
7. 請求項１から６までのいずれか一項に記載の保護装置を備える半導体スイッチ（５）を有するインバータ。
8. 半導体スイッチ（５）のための保護回路を作動する方法において：
   前記半導体スイッチ（５）における電圧（Ｕ_ＣＥ）が第１閾値を超えた場合に前記半導体スイッチ（５）を所定の継続時間にわたって制御するステップ（１２０）；および
   前記半導体スイッチ（５）が第２閾値を超えている時間にわたって前記半導体スイッチ（５）を制御するステップ（１３０）を含む半導体スイッチ（５）のための保護回路を作動する方法。
9. 請求項８に記載の方法において、
   さらに前記半導体スイッチ（５）における切換動作を検出するためのステップ（１１０）を含み、
   前記半導体スイッチ（５）における切換動作が検出された場合にのみ、前記半導体スイッチ（５）を所定時間にわたって制御するためのステップ（１２０）を行う方法。

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