JP2811872B2 - 半導体装置の保護回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】

本発明はスイッチングパワーデバイスからなるインバ
ータ用の半導体装置の過電流に対する保護回路、 特に構成を簡素化し部品点数を削減することができる
半導体装置の保護回路に関する。 なお以下各図において同一の符号は同一もしくは相当
部分を示す。

【従来の技術】

第９図はスイッチングパワーデバイスとしてのパワー
トランジスタのベースドライブ回路の構成例を示す。同
図においてTRはダーリントン接続のNPNパワートランジ
スタ、DRはベースドライブ回路、３はこのドライブ回路
の電源（ドライブ電源）である。またSi1,Si2はパワー
トランジスタTRをオン，オフするドライブ信号Ｓの入力
端子である。この回路ではドライブ信号Ｓによってホト
カプラPC1がオンするとパワートランジスタTRがオン
し、同じくホトカプラPC1がオフするとパワートランジ
スタTRがオフする。 第８図は第９図のようなベースドライブ回路とパワー
トランジスタを用いてインバータを構成した場合の回路
構成例を示す。 第８図においてTR（TR1〜TR6）は３相インバータを構
成するようにブリッジ接続されたNPNパワートランジス
タ、IMはインダクションモータで、この回路では主直流
電極の（＋）ラインLPと（−）ラインLNより入力した直
流電力を、ブリッジの上側アームと下側アームとの各接
続点（中点）からU,V,Wの３相の交流電力に変換してイ
ンダクションモータIMに供給する。 さて第９図のようなベースドライブ回路DRを第８図の
ような構成のインバータに適用しようとする時、ドライ
ブ電源３としてはTR1,TR3,TR5で示される上側アームの
トランジスタに対しては、電位の関係で、即ち各ドライ
ブ電源３の負極がそれぞれインバータの異なる３相出力
ライン上にあることから、このドライブ電源３がそれぞ
れ絶縁されていなければならないので、この各トランジ
スタTR1,TR3,TR5毎に３個の絶縁されたドライブ電源３
が必要となる。 一方、TR2,TR4,TR6で示される下側アームのトランジ
スタに対してそれぞれのドライブ電源３の負極は共に主
回路直流電源の（−）ラインに接続されて同一電位にあ
るため、同一電源であっても良い。すなわち３相ブリッ
ジ構成のインバータ回路におけるドライブ電源３は最
低、上側アーム３個と下側アーム１個との合計４電源で
構成される。 ところで、第８図のようなインバータ回路では第７図
で示されるアーム短絡，直列アーム短絡，出力短絡，地
絡といった短絡事故が発生する場合がある。この時パワ
ートランジスタTRには過大な電流が流れるが、パワート
ランジスタには第６図で示される短絡耐量特性（OLSO
A）があり、パワートランジスタの動作時のコレクタ電
流ICP対コレクタ・エミッタ電圧ＶCEの軌跡がこのOLSOA
の領域を逸脱すると、パワートランジスタ素子が破壊に
至る。そのため、短絡事故が発生した時、第５図に示さ
れるような回路で過電流を検出して速やかに素子を遮断
モードに変化させる必要がある。 この第５図は過電流保護機能付きのベースドライブ回
路の原理図である。同図のうち破線で囲まれた部分が過
電流保護回路OCである。 ここで第５図の素子保護動作を述べる。 Si端子よりパワトランジスタ素子TRをターンオンさせ
るドライブ信号Ｓが入力されると、抵抗R1を介してコン
デンサＣに充電が行われると同時に、抵抗R2を通してパ
ワートランジスタTRがターンオンし、オン状態になる。 パワートランジスタTRが通常動作をしていれば、TRの
飽和コレクタ・エミッタ電圧ＶCE（sat）はツエナダイ
オードZDのアバランシェ電圧より十分低い状態にあるた
め、コンデンサＣに充電された電荷はダイオードD2を通
じてパワートランジスタTRのコレクタＣへ放電する。 短絡事故が発生し、パワートランジスタTRに過大な電
流が流れようとすると、TRのＶCE（sat）が上昇し、そ
の値がツエナダイオードZDのアバランシェ電圧より高く
なると、コンデンサＣに充電された電荷はパワートラン
ジスタTR側へ放電できなくなる。 その結果、コンデンサＣの両端電位が上昇しツエナダ
イオードZDのアバランシェ電圧を越えると、補助トラン
ジスタQ2がターンオンし、パワートランジスタTRのベー
ス・エミッタ間電圧が補助トランジスタQ2の飽和コレク
タ・エミッタ電圧ＶCE（sat）レベルに下がるため、パ
ワートランジスタTRはターンオフする。 第３図は第５図のパワートランジスタTRに相当するス
イッチングパワーデバイスとしてIGBTを用いた場合の過
電流保護機能付きのベース（この場合はゲート）ドライ
ブ回路の具体的な構成例を示す。第３図においても破線
で囲まれた部分が過電流保護回路OCであり、その他の部
分がベースドライブ回路DRである。この第３図の基本的
な動作は第５図と同様である。但し第３図ではドライブ
信号Ｓは第９図と同様にホトカプラPC1を介して与えら
れ、またベースドライブ回路DRがやや複雑に構成されて
いる。 ところで、第３図の回路のままでは過電流保護回路OC
が動作したかどうかは、外部的には判断できないため、
第４図の破線部のように第３図の回路にアラーム出力回
路ALMGを付加接続することが一般的である。なお第４図
においてアラーム出力回路ALMGの付加された過電流保護
回路を便宜上、アラーム出力回路付過電流保護回路OC1
と呼ぶ。 また、一般的なインバータ回路ではアラーム出力信号
ALMをドライブ信号発生回路に入力し、ドライブ信号Ｓ
を遮断することで、例え１つのパワーデバイス素子に過
電流が流れても、３相インバータ回路の６素子を同時に
遮断することで、スイッチングパワーデバイスを保護し
ている。

【発明が解決しようとする課題】

上述した従来の過電流保護回路には次のような問題が
ある。即ち第４図で示されるアラーム出力有りの過電流
保護回路付きドライブ回路を第８図で示される３相イン
バータ回路に適用する際、各パワートランジスタ素子側
からのアラーム出力信号ALMを一括して集め、６つの素
子に対するドライブ信号を統括制御する装置（列えばマ
イコン）に与えるためには、上側３アームのトランジス
タTR1,TR3,TR5のそれぞれと、下側３アームのトランジ
スタTR2,TR4,TR6の全体とのドライブ電源３の電位が異
なるため、アラーム出力信号ALMを、互いに絶縁して取
出す必要がある。このため第４図のPC2として示したよ
うなアラーム出力用フォトカプラがインバータ回路全体
で少なくとも４個必要となり、部品数が多く、回路も複
雑となる。 そこで本発明は上述の問題を解消し、より簡素で安価
な低耐圧の電子部品を使用できる半導体装置の保護回路
を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

上記の課題を解決するために本発明の回路は、『自己
消弧形の半導体スイッチング素子（パワートランジスタ
素子など）を同極性に直列接続し、この直列回路を１ま
たは、同極性に並列接続された複数個を１つのパッケー
ジに収容し、前記直列回路の直流電源の正側に接続され
る半導体スイッチング素子（以下上側アームという）な
らびに負側に接続される半導体スイッチング素子（以下
下側アームという）に、各半導体スイッチング素子それ
ぞれに流れる電流もしくは、複数個の半導体スイッチン
グ素子に流れる電流が予め定めた値を超えたとき、その
半導体スイッチング素子をターンオフさせる過電流保護
回路を備え、前記直列回路の両端を直流電源に接続して
前記直列回路における半導体スイッチング素子相互の接
続点（以下中点という）から交流電圧を取り出す半導体
装置において、前記上側アームを構成する半導体スイッ
チング素子の温度を個別にあるいは複数個ごとに温度を
検出するための、上側アームを構成する半導体スイッチ
ング素子総数以下の温度センサと、前記温度センサの検
出値が予め定めた値を超えたとき、上側アームの該当素
子において過電流保護動作がなされたことを表わす第１
のアラーム信号を出力し、直流電源の負側配線と電位的
に結合された第１アラーム信号出力手段と、下側アーム
に設けられた過電流保護回路において過電流保護動作が
なされたことを表わす第２のアラーム信号を出力する第
２のアラーム信号出力手段と、前記第1,第２のアラーム
信号のすべてのオア条件を求めるオア回路と、を備え、
前記オア回路の出力に基づいて、すべての半導体スイッ
チング素子をターンオフさせる』ものとする。

【作 用】

ブリッジインバータ回路における少なくとも第８図の
上側アームに相当するスイッチングパワーデバイスの過
電流状態をこのデバイスの近傍に設けたサーミスタ等の
温度センサを介し、電位絶縁状態で検出するものであ
る。

【実施例】

以下第１図ないし第４図に基づいて本発明の実施例を
説明する。第１図は本発明の一実施例としての原理回路
を示す。また第２図は前記の第３図ないし第５図による
過電流保護動作時の当該のパワートランジスタのベース
電流IB,コレクタ電流IC,コレクタ・エミッタ電圧ＶCEの
波形の推移を示す。 第１図において、３相ブリッジ接続のインバータ回路
を形成するパワートランジスタTR（TR1〜TR6）は、この
場合、それぞれパワートランジスタのチップからなり、
そしてこの６つのチップが１つのパッケージに収容され
ているものとする。また上側アームのパワートランジス
タTR1,TR3,TR5の過電流保護回路OCおよびベースドライ
ブ回路DRはアラーム信号を出力しない第３図の回路とな
っている。他方、第１図の下側アームのパワートランジ
スタTR2,TR4,TR6の過電流保護回路はアラーム信号ALM1
を出力するもので、第４図のアラーム出力回路付過電流
保護回路OC1をそのまま用いてもよいが、この３つのパ
ワートランジスタTR2,TR4,TR6のエミッタは共に基準電
位点である主直流電源の（−）ラインLNに接続されてい
るので、このアラーム信号ALM1をフォトカプラPC2を介
することなく、例えばその前段のトランジスタQ3のコレ
クタから取出すことができる。従って本発明では第４図
のアラーム出力回路付過電流保護回路OC1からアラーム
出力用フォトカプラPC2を省略することができる。この
３つのアラーム信号ALM1はOR回路G1に入力されている。
なおこの下側アームのパワートランジスタTR2,TR4,TR6
のベースドライバ回路DRは第３図，または第４図の同回
路と同じものである。 ところで上側アームのパワートランジスタTR1,TR3,TR
5のチップまたは素子の近傍には、それぞれサーミスタ
などからなる温度センサＨが配置されている。そして各
温度センサＨは基準電位点である主直流電源の（−）ラ
インLNと電位的に結合された過熱保護回路OHを経てOR回
路G1の入力へ接続されている。 上側アームのパワートランジスタTR1,TR3,TR5に過電
流が流れると、当該のパワートランジスタには第２図で
示されコレクタ電流ＩCとコレクタ・エミッタ電圧ＶCE
が印加され、当該のパワートランジスタ素子が加熱され
る。同時に当該の素子の過電流保護回路OCが動作して当
該の素子に直接加わる駆動信号はオフとなり、この状態
がラッチされる。 次に当該のパワートランジスタ素子のベースドライブ
回路DRへの入力信号としてのドライブ信号ＳがOFFモー
ドとなると、過電流保護回路OCの前記のラッチ状態は解
除される。 従って次に再びドライブ信号ＳがONモードとなり、過
電流が流れると第２図の波形が再度、当該のパワートラ
ンジスタ素子に印加され加熱される。 このようなONモード,OFFモードの動作が繰返されると
TR1,TR3,TR5のうち過電流の流れる素子は過熱され、こ
の加熱による当該素子の温度が予め設定された所定値以
上となると、過熱保護回路OHが動作してアラーム信号AL
M2をOR回路G1に与える。このようにしてOR回路G1には６
つのパワートランジスタ素子TR1〜TR6からの過電流によ
るアラーム信号が入力されるので、このOR回路G1の出力
アラーム信号ALM0を一旦、フォトカプラを介し主回路と
絶縁して、前記６つの素子へドライブ信号Ｓを与える図
外のマイコンに与えることにより、６素子TR1〜TR6を同
時に遮断し、保護することができる。 第１図の実施例においてはスイッチングパワーデバイ
スとしてパワートランジスタを用いたが、本発明を適用
し得るスイッチングパワーデバイスとしてはこれに限定
されるものではなく自己消弧形スイッチングパワーデバ
イスなら何にでも適用できる。 また温度センサＨの数はパワートランジスタTR1,TR3,
TR5の配置が距離的に十分近ければ、その間に配置して
も十分目的を達成し、最低２個でも良い。 また下側３アームのパワートランジスタTR2,TR4,TR6
の過電流保護回路は第１図では各パワートランジスタ素
子毎に設けられているが、例えば３つのパワートランジ
スタTR2,TR4,TR6のエミッタを１括し、この１括された
端子と主直流電源の（−）ラインLNとの間にシャント抵
抗を挿入し、このシャント抵抗の両端電圧の増加を検出
して下側アーム３素子同時の過電流保護を行う方式を用
いても本発明の目的は達せられる。 また下側３アームのパワートランジスタTR2,TR4,TR6
の各ＶCE（sat）のうちいずれか正常値より大きいもの
があることを共通の検出回路で検出して、この３素子同
時に過電流保護を行う方式を用いても本発明の適用は可
能である。 またこのほか下側３アームパワートランジスタの過電
流保護回路OCからのアラームALM1を入力するOR回路と、
過熱保護回路OHからのアラーム信号ALM2を入力するOR回
路との異なる２個のOR回路を用いても本発明の目的を損
なうものでは無い。 また温度センサはＨの位置は必ずしもTR1,TR3,TR4と
同一のパッケージに内蔵されている必要は無く、バッケ
ージ外部であってもTR1,TR3,TR5の過熱を十分に感知で
きる位置に配置されていれば発明の目的を達することが
できる。

【発明の効果】

本発明によれば、上側アームの過電流保護動作を、温
度センサによる上側アームの半導体スイッチング素子
（パワートランジスタ）の温度検出によって検知し、直
流電源の負側配線と電位的に結合されたアラーム出力手
段（過熱保護回路）からアラーム出力させることによ
り、上側アームの半導体スイッチング素子の過電流保護
回路からのアラーム出力用のフォトカプラ、または電位
変換用高耐圧スイッチングデバイスを使用する必要がな
くなり、部品点数を抑制し回路構成も簡素にできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例としての原理回路図、 第２図は第１図の動作説明用の波形図、 第３図は過電流保護機能付きベースドライブ回路の詳細
回路図、 第４図は第３図にアラーム出力回路を付加した場合の詳
細回路図、 第５図は過電流保護機能付きベースドライブ回路の原理
図、 第６図はパワートランジスタの短絡耐量の一例を示す特
性図、 第７図はインバータの各種の短絡モードの説明図、 第８図は従来の３相ブリッジインバータ回路の構成例を
示す図、 第９図はパワートランジスタの従来のベースドライブ回
路の構成例を示す図である。 TR（TR1〜TR6）：パワートランジスタ、OC:過電流保護
回路、OC1:アラーム出力回路付過電流保護回路、DR:ベ
ースドライブ回路、H:温度センサ、OH:過熱保護回路、G
1:OR回路、ALM0,ALM1,ALM2:アラーム信号。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】自己消弧形の半導体スイッチング素子を同
   極性に直列接続し、 この直列回路を１または、同極性に並列接続された複数
   個を１つのパッケージに収容し、 前記直列回路の直流電源の正側に接続される半導体スイ
   ッチング素子（以下上側アームという）ならびに負側に
   接続される半導体スイッチング素子（以下下側アームと
   いう）に、各半導体スイッチング素子それぞれに流れる
   電流もしくは、複数個の半導体スイッチング素子に流れ
   る電流が予め定めた値を超えたとき、その半導体スイッ
   チング素子をターンオフさせる過電流保護回路を備え、 前記直列回路の両端を直流電源に接続して前記直列回路
   における半導体スイッチング素子相互の接続点（以下中
   点という）から交流電圧を取り出す半導体装置におい
   て、 前記上側アームを構成する半導体スイッチング素子の温
   度を個別にあるいは複数個ごとに温度を検出するため
   の、上側アームを構成する半導体スイッチング素子総数
   以下の温度センサと、 前記温度センサの検出値が予め定めた値を超えたとき、
   上側アームの該当素子において過電流保護動作がなされ
   たことを表わす第１のアラーム信号を出力し、直流電源
   の負側配線と電位的に結合された第１アラーム信号出力
   手段と、 下側アームに設けられた過電流保護回路において過電流
   保護動作がなされたことを表わす第２のアラーム信号を
   出力する第２のアラーム信号出力手段と、 前記第1,第２のアラーム信号のすべてのオア条件を求め
   るオア回路と、 を備え、 前記オア回路の出力に基づいて、すべての半導体スイッ
   チング素子をターンオフさせることを特徴とする半導体
   装置の保護回路。