JP2020150315A - 半導体駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】駆動トランジスタに流れる電流を速やかに低減するとともにサージを防止することができる半導体駆動装置を提供する。【解決手段】保護回路４０は、第１スイッチＳＷ１と、制限抵抗５０と、コンデンサ６０と、第２スイッチＳＷ２と、ゲート電圧を検知する電圧センサ９１と、制御部８１，９２と、を有する。制御部９２は、電圧センサ９１の検出値が駆動トランジスタ２０の閾値電圧以上の場合に第２スイッチＳＷ２をオンし、電圧センサ９１の検出値が閾値電圧未満の場合に第２スイッチＳＷ２をオフする。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体駆動装置に関するものである。

特許文献１に開示の遮断回路においては、駆動トランジスタにおいて所定以上の電流が発生した際に遮断スイッチをオンしてゲートをグランドに接続して駆動トランジスタをオフする。遮断スイッチとゲートの間に制限抵抗が配置されている。制限抵抗と並列にコンデンサが接続され、コンデンサの容量値は駆動トランジスタのオン時のゲート蓄積電荷を駆動トランジスタの閾値電圧で除算した容量から入力容量を減算した値より小さくしている。

特開２０１６−１５８１２６号公報

ところで、特許文献１ではコンデンサへの電荷移動後のゲート電圧がトランジスタの閾値電圧を下回らないようにコンデンサの容量を設定しており、過電流を検出した時にコンデンサでゲートの電荷を引き抜くようにすると、ゲート電圧を低下させるだけであればよいが、条件によってはゲート電圧が低下した結果、駆動トランジスタのオンが継続できずに駆動トランジスタは急激にオフし過大なサージが発生する。特に、ゲート電圧が低い状態で遮断スイッチがオンした場合、上記リスクが高くなる。

本発明の目的は、駆動トランジスタに流れる電流を速やかに低減するとともにサージを防止することができる半導体駆動装置を提供することにある。

上記課題を解決するための半導体駆動装置は、オンオフ駆動回路からゲートに印加されるゲート駆動電圧によって駆動される駆動トランジスタと、前記駆動トランジスタのゲートに対し前記オンオフ駆動回路と並列接続され、前記駆動トランジスタにおいて過電流が発生した際にゲート電荷を引き抜く保護回路と、を有する半導体駆動装置であって、前記保護回路は、前記駆動トランジスタにおいて過電流が発生した際にオンし、前記ゲートをグランドに接続して前記駆動トランジスタをオフするための第１スイッチと、前記第１スイッチと前記ゲートとの間に配置され、流れる電流を制限する制限抵抗と、前記制限抵抗に対し並列接続されたコンデンサと、前記コンデンサに直列接続された第２スイッチと、前記ゲート電圧を検知する電圧センサと、前記第１スイッチ及び第２スイッチを制御する制御部と、を有し、前記制御部は、前記電圧センサの検出値が前記駆動トランジスタの閾値電圧以上の場合に前記第２スイッチをオンし、前記電圧センサの検出値が前記閾値未満の場合に前記第２スイッチをオフすることを要旨とする。

これによれば、ゲート電圧を検知する電圧センサの検出値が駆動トランジスタの閾値電圧以上の場合に第２スイッチがオンし、この状態で、駆動トランジスタにおいて過電流が発生すると第１スイッチがオンし、コンデンサにより駆動トランジスタのゲートの電荷が引き抜かれる。これにより、駆動トランジスタに流れる電流を速やかに低減する。その後、ゲート電圧を検知する電圧センサの検出値が閾値未満の場合に第２スイッチがオフする。これによって、流れる電流を制限する制限抵抗により駆動トランジスタのゲートの電荷が徐々に引き抜かれる。これにより、サージを防止することができる。

また、ゲート電圧を検知する電圧センサの検出値が駆動トランジスタの閾値電圧未満の場合に第２スイッチがオフし、この状態で、駆動トランジスタにおいて過電流が発生すると第１スイッチがオンし、流れる電流を制限する制限抵抗により駆動トランジスタのゲートの電荷が徐々に引き抜かれる。これにより、サージを防止することができる。

このようにして、駆動トランジスタに流れる電流を速やかに低減するとともにサージを防止することができる。
また、半導体駆動装置において、前記保護回路は、前記駆動トランジスタのゲートと前記電圧センサとの間に接続され、電圧センサの検出値を徐々に低下させるフィルタ回路を更に有するとよい。

本発明によれば、駆動トランジスタに流れる電流を速やかに低減するとともにサージを防止することができる。

実施形態における半導体駆動装置の回路図。 フィルタ回路の回路図。 （ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は、電圧センサの検出値、コレクタ電流、スイッチの変化を示すタイムチャート。 （ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は、電圧センサの検出値、コレクタ電流、スイッチの変化を示すタイムチャート。 （ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は、電圧センサの検出値、コレクタ電流、スイッチの変化を示すタイムチャート。 （ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は、電圧センサの検出値、コレクタ電流、スイッチの変化を示すタイムチャート。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１に示すように、半導体駆動装置１０は、駆動トランジスタ２０と保護回路４０を有する。駆動トランジスタ２０としてＩＧＢＴを用いている。駆動トランジスタ２０にはダイオードＤが逆並列接続されている。

駆動トランジスタ２０は、オンオフ駆動回路３０からゲートに印加されるゲート駆動電圧によって駆動される。保護回路４０は、駆動トランジスタ２０のゲートに対しオンオフ駆動回路３０と並列接続され、駆動トランジスタ２０において過電流が発生した際にゲート電荷を引き抜く。

保護回路４０は、第１スイッチＳＷ１と、制限抵抗５０と、コンデンサ６０と、第２スイッチＳＷ２と、電圧センサ９１と、第１スイッチＳＷ１を制御する制御部８１と、第２スイッチＳＷ２を制御する制御部９２と、過電流検出部８０と、フィルタ回路９０と、を有する。

第１スイッチＳＷ１及び第２スイッチＳＷ２として半導体スイッチング素子（トランジスタ等）を用いることができる。
第１スイッチＳＷ１は、駆動トランジスタ２０において過電流が発生した際にオンし、ゲートをグランドに接続して駆動トランジスタ２０をオフするためのものである。

駆動トランジスタ２０は、エミッタを分岐したセンス端子７０を有する。センス端子７０からコレクタ電流Ｉｃに比例するセンス電流が取り出される。センス端子７０には電流検出抵抗７１の一端が接続され、電流検出抵抗７１の他端は接地されている。電流検出抵抗７１において、コレクタ電流Ｉｃに比例するセンス電流が電圧に変換される。電流検出抵抗７１の一端に過電流検出部８０が接続されている。過電流検出部８０は、電流検出抵抗７１の両端間の電圧、即ち、コレクタ電流Ｉｃに比例する電圧を入力する。過電流検出部８０は、コレクタ電流Ｉｃに比例する電圧と閾値とを比較してコレクタ電流Ｉｃに比例する電圧が閾値よりも大きいと過電流が発生したことを検出する。

過電流検出部８０に制御部８１が接続されている。制御部８１は、過電流検出部８０から過電流検出信号を入力すると第１スイッチＳＷ１をオンする。
駆動トランジスタ２０のゲートには抵抗Ｒ１を介してオンオフ駆動回路３０が接続されている。オンオフ駆動回路３０からのゲート駆動電圧により駆動トランジスタ２０がオンオフ制御される。

オンオフ駆動回路３０と抵抗Ｒ１との間の接続点αには制限抵抗５０を介して第１スイッチＳＷ１の一端が接続されている。第１スイッチＳＷ１の他端は接地されている。
コンデンサ６０と第２スイッチＳＷ２が直列に接続され、この直列回路が制限抵抗５０と並列に接続されている。第１スイッチＳＷ１とゲートとの間に配置された制限抵抗５０は、流れる電流を制限する。

電圧センサ９１はフィルタ回路９０を介して接続点αと接続されている。電圧センサ９１はフィルタ回路９０を介して駆動トランジスタ２０のゲート電圧を検知する。制御部９２は、電圧センサ９１の検出値が駆動トランジスタ２０の閾値電圧Ｖｔｈ以上のとき第２スイッチＳＷ２をオンする。

コンデンサ６０は制限抵抗５０に対し並列接続され、第２スイッチＳＷ２はコンデンサ６０に直列接続されている。つまり、電圧センサ９１の検出値が駆動トランジスタ２０の閾値電圧Ｖｔｈ以上になった時のみ、コンデンサ６０が有効になるように、コンデンサ６０に直列に第２スイッチＳＷ２が設けられ、電圧センサ９１の検出値によってコンデンサ６０からゲートの電荷を引き抜くか、あるいは、引き抜かないか選択する回路構成となっている。

フィルタ回路９０は、図２に示すように、抵抗９０ａとコンデンサ９０ｂにより構成されたＣＲ回路である。フィルタ回路９０は、電圧センサ９１の検出値を徐々に低下させる。

次に、作用について説明する。
まず、通常時の動作について説明する。
図３（ａ）、図３（ｂ）、図３（ｃ）、図３（ｄ）に示すように、ｔ１のタイミングでオンオフ駆動回路３０から駆動トランジスタ２０のゲートにゲート駆動電圧が印加されるとコレクタ電流Ｉｃが流れる。そして、制御部９２は、ｔ２のタイミングで電圧センサ９１の検出値が駆動トランジスタ２０の閾値電圧Ｖｔｈ以上になると、第２スイッチＳＷ２をオンする。制御部９２は、その後のｔ３のタイミングで、電圧センサ９１の検出値が駆動トランジスタ２０の閾値電圧Ｖｔｈ未満になると、第２スイッチＳＷ２をオフする。ｔ４のタイミングでゲート駆動電圧の印加が終了し、コレクタ電流Ｉｃが流れなくなる。

次に、駆動トランジスタ２０のゲート電圧が閾値電圧Ｖｔｈ以上のときにおいて過電流が発生した場合の動作について説明する。
図４（ａ）、図４（ｂ）、図４（ｃ）、図４（ｄ）に示すように、ｔ１１のタイミングでオンオフ駆動回路３０から駆動トランジスタ２０のゲートにゲート駆動電圧が印加されるとコレクタ電流Ｉｃが流れる。そして、制御部９２は、ｔ１２のタイミングで電圧センサ９１の検出値が駆動トランジスタ２０の閾値電圧Ｖｔｈ以上になると、第２スイッチＳＷ２をオンする。

ゲート電圧が駆動トランジスタ２０の閾値電圧Ｖｔｈ以上になった状態において過電流が発生すると、次のようになる。
制御部８１は、ｔ１３のタイミングでコレクタ電流Ｉｃが予め定めた規定値Ｉｔｈ以上の場合に過電流を検出したとして第１スイッチＳＷ１をオンする。これによりコンデンサ６０により駆動トランジスタ２０のゲートの電荷が引き抜かれ、駆動トランジスタ２０に流れる電流が速やかに低減される。第１スイッチＳＷ１は所定時間オン状態が継続されｔ１６のタイミングでオフされる。

また、制御部９２は、ｔ１４のタイミングで電圧センサ９１の検出値が駆動トランジスタ２０の閾値電圧Ｖｔｈ未満の場合に、第２スイッチＳＷ２をオフする。これによって、制限抵抗５０により駆動トランジスタ２０のゲートの電荷が徐々に引き抜かれ、サージが防止される。

よって、ｔ１３〜ｔ１４の期間において、駆動トランジスタ２０に流れる電流Ｉｃを速やかに低減するとともに、ｔ１４〜ｔ１５の期間において、サージを防止することができる。

詳しくは、ｔ１２のタイミング以降の電圧センサ９１の検出値が駆動トランジスタ２０の閾値電圧Ｖｔｈ以上のときにおいて第２スイッチＳＷ２がオンする。ｔ１３のタイミングにおいてコレクタ電流Ｉｃが予め定めた規定値Ｉｔｈを上回ると駆動トランジスタ２０の過電流が検出される。すると、第１スイッチＳＷ１がオンする。第２スイッチＳＷ２がオンしているときのみ、第１スイッチＳＷ１がオンしたとき、コンデンサ６０がゲートから電荷を引き抜く。コンデンサ６０が電荷を引き抜いた後のｔ１４以降は、並列に接続されている制限抵抗５０でゲートからゆっくり電荷を引き抜く。

ここで、図５（ａ）、図５（ｂ）、図５（ｃ）、図５（ｄ）に示すように、フィルタ回路９０の入力に対しフィルタ回路９０の出力では電圧センサ９１の検出値が徐々に低下していき、フィルタ回路９０が無い場合の閾値電圧Ｖｔｈになるタイミングがｔ１００であったものが、フィルタ回路９０が有ることにより閾値電圧Ｖｔｈになるタイミングがｔ１４と遅くされる。このｔ１４のタイミングで第２スイッチＳＷ２がオフされる。

次に、駆動トランジスタ２０のゲート電圧が閾値電圧Ｖｔｈ未満のときにおいて過電流が発生した場合の動作について説明する。
図６（ａ）、図６（ｂ）、図６（ｃ）、図６（ｄ）に示すように、制御部９２はｔ２１のタイミングでゲート駆動電圧が印加された後、電圧センサ９１の検出値が駆動トランジスタ２０の閾値電圧Ｖｔｈ未満のとき、第２スイッチＳＷ２をオフする。制御部８１はｔ２２のタイミングでコレクタ電流Ｉｃが予め定めた規定値Ｉｔｈ以上の場合に駆動トランジスタ２０の過電流を検出すると、第１スイッチＳＷ１をオンする。第２スイッチＳＷ２はオフしているので、コンデンサ６０はゲートから電荷を引き抜かない。ｔ２２〜ｔ２３の期間において、並列に接続されている制限抵抗５０のみで駆動トランジスタ２０のゲートの電荷が徐々に引き抜かれ、サージが防止される。

このように、電圧センサ９１の検出値が駆動トランジスタ２０の閾値電圧Ｖｔｈよりも低いときに過電流が発生した場合には、制限抵抗５０で駆動トランジスタ２０のゲート電荷を引き抜く。また、ゲート電圧が低いときにコンデンサで駆動トランジスタ２０のゲートの電荷を引き抜き駆動トランジスタのオンを継続できないと、過大なサージが発生するため、従来技術ではごく小さな容量のコンデンサしか接続することができなかったが、本実施形態では接続できるコンデンサの容量が増加し、ゲート電圧が高いときの保護性能を高めることができる。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）半導体駆動装置１０の構成として、オンオフ駆動回路３０からゲートに印加されるゲート駆動電圧によって駆動される駆動トランジスタ２０と、駆動トランジスタ２０のゲートに対しオンオフ駆動回路３０と並列接続され、駆動トランジスタ２０において過電流が発生した際にゲート電荷を引き抜く保護回路４０と、を有する。保護回路４０は、駆動トランジスタ２０において過電流が発生した際にオンし、ゲートをグランドに接続して駆動トランジスタ２０をオフするための第１スイッチＳＷ１と、第１スイッチＳＷ１とゲートとの間に配置され、流れる電流を制限する制限抵抗５０と、制限抵抗５０に対し並列接続されたコンデンサ６０と、コンデンサ６０に直列接続された第２スイッチＳＷ２と、ゲート電圧を検知する電圧センサ９１と、第１スイッチＳＷ１及び第２スイッチＳＷ２を制御する制御部８１，９２と、を有する。制御部９２は、電圧センサ９１の検出値が駆動トランジスタ２０の閾値電圧Ｖｔｈ以上の場合に第２スイッチＳＷ２をオンし、電圧センサ９１の検出値が閾値電圧Ｖｔｈ未満の場合に第２スイッチＳＷ２をオフする。

この構成により、ゲート電圧を検知する電圧センサ９１の検出値が駆動トランジスタ２０の閾値電圧Ｖｔｈ以上の場合に第２スイッチＳＷ２がオンし、この状態で、駆動トランジスタ２０において過電流が発生すると第１スイッチＳＷ１がオンし、コンデンサ６０により駆動トランジスタ２０のゲートの電荷が引き抜かれる。これにより、駆動トランジスタ２０に流れる電流を速やかに低減する。その後、ゲート電圧を検知する電圧センサ９１の検出値が駆動トランジスタ２０の閾値電圧Ｖｔｈ未満の場合に第２スイッチＳＷ２がオフする。これによって、流れる電流を制限する制限抵抗５０により駆動トランジスタ２０のゲートの電荷が徐々に引き抜かれる。これにより、サージを防止することができる。

また、ゲート電圧を検知する電圧センサ９１の検出値が駆動トランジスタ２０の閾値電圧Ｖｔｈ未満の場合に第２スイッチＳＷ２がオフし、この状態で、駆動トランジスタ２０において過電流が発生すると第１スイッチＳＷ１がオンし、流れる電流を制限する制限抵抗５０により駆動トランジスタ２０のゲートの電荷が徐々に引き抜かれる。これにより、サージを防止することができる。

このようにして、駆動トランジスタ２０に流れる電流を速やかに低減するとともにサージを防止することができる。
（２）保護回路４０は、駆動トランジスタ２０のゲートと電圧センサ９１との間に接続され、電圧センサ９１の検出値を徐々に低下させるフィルタ回路９０を更に有する。これにより、電圧センサ９１の検出値が徐々に低下することによって、第２スイッチＳＷ２を遅らせてオフすることによりコンデンサ６０で早期に過電流を低下することができる。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ 駆動トランジスタ２０は、ＩＧＢＴ以外にも例えばパワーＭＯＳＦＥＴを用いてもよく、この場合には逆並列接続されるダイオードＤとして寄生ダイオードが用いられる。

○ フィルタ回路９０を不要とすることもできる。

１０…半導体駆動装置、２０…駆動トランジスタ、３０…オンオフ駆動回路、４０…保護回路、５０…制限抵抗、６０…コンデンサ、８１…制御部、９０…フィルタ回路、９１…電圧センサ、９２…制御部、ＳＷ１…第１スイッチ、ＳＷ２…第２スイッチ。

Claims (2)

1. オンオフ駆動回路からゲートに印加されるゲート駆動電圧によって駆動される駆動トランジスタと、
   前記駆動トランジスタのゲートに対し前記オンオフ駆動回路と並列接続され、前記駆動トランジスタにおいて過電流が発生した際にゲート電荷を引き抜く保護回路と、
   を有する半導体駆動装置であって、
   前記保護回路は、
   前記駆動トランジスタにおいて過電流が発生した際にオンし、前記ゲートをグランドに接続して前記駆動トランジスタをオフするための第１スイッチと、
   前記第１スイッチと前記ゲートとの間に配置され、流れる電流を制限する制限抵抗と、
   前記制限抵抗に対し並列接続されたコンデンサと、
   前記コンデンサに直列接続された第２スイッチと、
   前記ゲート電圧を検知する電圧センサと、
   前記第１スイッチ及び第２スイッチを制御する制御部と、
   を有し、
   前記制御部は、前記電圧センサの検出値が前記駆動トランジスタの閾値電圧以上の場合に前記第２スイッチをオンし、前記電圧センサの検出値が前記閾値電圧未満の場合に前記第２スイッチをオフすることを特徴とする半導体駆動装置。
2. 前記保護回路は、前記駆動トランジスタのゲートと前記電圧センサとの間に接続され、電圧センサの検出値を徐々に低下させるフィルタ回路を更に有することを特徴とする請求項１に記載の半導体駆動装置。