JP3340786B2 - Power transistor overcurrent protection circuit - Google Patents

Power transistor overcurrent protection circuit

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JP3340786B2
JP3340786B2 JP08233293A JP8233293A JP3340786B2 JP 3340786 B2 JP3340786 B2 JP 3340786B2 JP 08233293 A JP08233293 A JP 08233293A JP 8233293 A JP8233293 A JP 8233293A JP 3340786 B2 JP3340786 B2 JP 3340786B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、パワートランジスタに
係り、特にIGBTやMOSFET等の電圧駆動形トラ
ンジスタにおいて、負荷短絡等による過電流を高速に限
流して安全動作領域内でしゃ断し保護することを可能に
したパワートランジスタの過電流保護回路に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a power transistor, and more particularly, to a current-driven transistor such as an IGBT or a MOSFET, in which an overcurrent caused by a load short-circuit or the like is limited at a high speed and cut off and protected in a safe operation area. The present invention relates to an overcurrent protection circuit for a power transistor which enables the following.

【0002】[0002]

【従来の技術】IGBT(絶縁ゲートバイポーラモード
トランジスタ)はオン電圧が低く、MOSゲート構造で
駆動電力が少なく、しかも比較的高速にスイッチングで
きることから急速に応用分野が広がっている。
2. Description of the Related Art An IGBT (insulated gate bipolar mode transistor) is rapidly expanding its application field because of its low on-voltage, low driving power in a MOS gate structure, and relatively high-speed switching.

【0003】オン電圧とスイッチング速度の特性は背反
関係にあり、トレードオフを改良し、より高性能な素子
となるよう日夜研究が重ねられている。図5の特性C
は、これらの研究から予測される第3世代以降のIGB
Tのオン電圧特性で、第1世代のIGBTのオン電圧特
性Aと比較して示したものである。現在のIGBTは第
2世代で特性Bに示す。なお、コレクタ電流IC は、そ
れぞれIGBTの定格電流を100 として百分率で示して
いる。
[0003] The characteristics of the ON voltage and the switching speed are in a trade-off relationship, and research is being conducted day and night to improve the trade-off and to obtain a device with higher performance. Characteristic C in FIG.
Is the third generation of IGB predicted from these studies.
The on-voltage characteristic of T is shown in comparison with the on-voltage characteristic A of the first generation IGBT. Current IGBTs are shown in characteristic B in the second generation. The collector current I C is shown as a percentage with the rated current of the IGBT as 100.

【0004】これらの特性から明らかなように、負荷短
絡等でコレクタ・エミッタ間電圧VCEが上昇すると定格
電流の数倍のコレクタ電流IC が流れ、第1世代のIG
BTでは6〜8倍、第2世代のIGBTでは10〜12倍の
過電流が流れる。
As is apparent from these characteristics, when the collector-emitter voltage V CE rises due to a load short circuit or the like, a collector current I C several times the rated current flows, and the first generation IG
Overcurrent flows 6 to 8 times in the BT and 10 to 12 times in the second generation IGBT.

【0005】現在研究が進められている第3世代以降の
IGBTでは、DRAMクラスのμmオーダーのパター
ンとし、その他の改良を加えることにより、特性Cのよ
うに10数倍の過電流が流れる。
[0005] In the IGBTs of the third and subsequent generations, which are currently under study, a pattern of the order of μm of a DRAM class and other improvements are applied, so that an overcurrent of more than ten times as shown by the characteristic C flows.

【0006】このように大きな過電流になると高速に限
流しゃ断するとサージ電圧が過大となり安全に保護する
のが困難になり素子の過電流保護が困難になるという問
題がある。
[0006] When such a large overcurrent occurs, if the current is cut off at a high speed, the surge voltage becomes excessive, making it difficult to safely protect the device.

【0007】以下、従来のIGBTにおける負荷短絡時
の保護について述べる。IGBTを用いたインバータの
一般的な主回路構成を図4に示す。このインバータは、
IGBT21〜26で成るブリッジ形変換器により直流電圧
源1の直流電圧を交流電圧に変換して電動機3を駆動す
るものである。
Hereinafter, protection of a conventional IGBT when a load is short-circuited will be described. FIG. 4 shows a general main circuit configuration of an inverter using an IGBT. This inverter is
The motor 3 is driven by converting the DC voltage of the DC voltage source 1 into an AC voltage by a bridge type converter composed of IGBTs 21 to 26.

【0008】このような装置において負荷(電動機)側
の端子間で短絡が発生すると正側と負側のIGBTを介
して短絡電流が流れる。また、同一アームの正側と負側
のIGBTに同時にオン信号(ノイズや誤動作による信
号)が入力された場合も同様に短絡電流が流れる。
In such a device, when a short circuit occurs between terminals on the load (motor) side, a short circuit current flows through the positive and negative IGBTs. Similarly, when an ON signal (a signal due to noise or malfunction) is simultaneously input to the positive and negative IGBTs of the same arm, a short-circuit current flows.

【0009】このような短絡状態に耐え得るIGBTの
短絡耐量は、現在のIGBTでは、素子定格電圧の80%
の電圧において10〜20μsの時間であり、7.5 〜10μs
以内に過電流を検出して限流しゃ断する短絡保護が行わ
れている。
The short-circuit withstand capability of an IGBT capable of withstanding such a short-circuit state is 80% of the element rated voltage in the current IGBT.
10 to 20 μs at a voltage of 7.5 to 10 μs
Short circuit protection that detects overcurrent within the current limit and shuts off the current is performed.

【0010】図7(b)はコレクタ・エミッタ間電圧V
CR一定の下で短絡時に流れるコレクタ電流IC と耐量時
間(t1 )の関係を示す短絡耐量の特性図で、その試験
回路を図7(a)に示す。この特性から明らかなように
C とt1 は、ほぼパワー一定の関係を持ち、負荷短絡
等によりコレクタ電流IC が増大すると耐量時間t1
短かくなり高速な保護動作を必要とする。
FIG. 7B shows the collector-emitter voltage V
FIG. 7A is a characteristic diagram of the short-circuit withstand capability showing the relationship between the collector current I C flowing at the time of short-circuit under a constant CR and the withstand time (t 1 ). As is apparent from this characteristic, I C and t 1 have a substantially constant power relationship. When the collector current I C increases due to a load short circuit or the like, the withstand time t 1 becomes shorter, and a high-speed protection operation is required.

【0011】そこで負荷短絡を検出してIGBTのゲー
ト電圧をしぼりIGBTのトランジスタ作用を利用して
短絡電流を制限し、見かけ上の短絡耐量時間を長くする
方法が種々提案されている。
Therefore, various methods have been proposed to detect a load short circuit, reduce the gate voltage of the IGBT, limit the short-circuit current by utilizing the transistor function of the IGBT, and increase the apparent short-circuit withstand time.

【0012】図8もこの一種で(平成4年電気学会全国
大会470 )で発表されたもので(a)はその構成で主I
GBT4aの他に電流センスIGBT4bを設け、設定
電流以上になるとNLU回路50によりIGBTのゲー
ト(G)、エミッタ(E)間を短絡してゲート電圧を低
下させ短絡電流を抑制するものである。
FIG. 8 is also a kind of this one, which was announced at the 197th Annual Meeting of the Institute of Electrical Engineers of Japan in 470. FIG.
A current sense IGBT 4b is provided in addition to the GBT 4a, and when the current exceeds a set current, the NLU circuit 50 short-circuits the gate (G) and the emitter (E) of the IGBT to lower the gate voltage and suppress the short-circuit current.

【0013】NLU回路の例を示す図9(a)の回路で
は、電流センスIGBT4bのエミッタ電流を抵抗52で
電圧に変換し、抵抗53を介してMOSFET54のゲート
スレッショルド電圧以上になるとMOSFETのドレン
に電流が流れIGBT4のゲート電圧を低下させる。
In the circuit of FIG. 9A showing an example of the NLU circuit, the emitter current of the current sense IGBT 4b is converted into a voltage by the resistor 52, and when the current exceeds the gate threshold voltage of the MOSFET 54 via the resistor 53, the drain of the MOSFET is drained. A current flows to lower the gate voltage of the IGBT 4.

【0014】また、図9(b)の回路はMOSFET54
をバイポーラトランジスタ55に置換えたものである。こ
のような回路を構成すると過電流時にIGBTのゲート
電圧を低下させIGBTのオン抵抗を増加させ図8
(c)に示すように短絡電流を制限することができ短絡
耐量時間を図8(b)に示すように見かけ上長くするこ
とができる。
The circuit shown in FIG.
Is replaced with a bipolar transistor 55. When such a circuit is configured, the gate voltage of the IGBT is reduced at the time of an overcurrent, and the ON resistance of the IGBT is increased.
As shown in FIG. 8C, the short-circuit current can be limited, and the short-circuit withstand time can be apparently increased as shown in FIG.

【0015】[0015]

【発明が解決しようとする課題】従来の図8の方法では
IGBTモジュールとしての短絡耐量は増加したが、短
絡事故を検出しIGBTブリッジを駆動している信号を
オフさせる回路が別に必要となる。
The conventional method of FIG. 8 increases the short-circuit tolerance of the IGBT module, but requires a separate circuit for detecting a short-circuit accident and turning off the signal driving the IGBT bridge.

【0016】この方法では短絡電流を高速に200 %程度
に制限しているので(a)過電流検出により短絡事故を
検出することが困難となっている。 (b)このためにIGBTのVCEがオン信号を加えても
高いままであることを検出するなどの別の短絡事故検出
回路等により駆動信号をオフさせる回路を追加する必要
があり回路が複雑となる。
In this method, the short-circuit current is rapidly limited to about 200%, so that (a) it is difficult to detect a short-circuit accident by detecting an overcurrent. (B) complex another short-circuit fault detection circuit must be added to the circuit to turn off the driving signals by such circuits, such as detection that the V CE of the IGBT because this remains high added-on signal Becomes

【0017】(c)図8(a)の回路ではゲート抵抗R
g51の大きさにより図9(a)のFET54のドレン電流
が同一でもゲート電圧値が異なるのでRgの大きさによ
り図6のように電流制限値が異なる欠点がある。
(C) In the circuit of FIG.
Even if the drain current of the FET 54 in FIG. 9A is the same depending on the size of g51, the gate voltage value is different, so that there is a disadvantage that the current limit value differs as shown in FIG. 6 depending on the size of Rg.

【0018】この制限値電流の変化を少なくするには図
9(a)の電流検出値に対しドレン電流のゲインを上げ
ることで達成できるが、このゲインを上げ過ぎるとMO
SFET54はアナログ動作でなくスイッチング動作とな
りIGBT4のゲートがゼロ附近まで低下しIGBTの
電流はオンオフ状態となり発振することになり限界が存
在する。このため図6の特性となる。IGBTのスイッ
チングを早くするためRgを小さくすると短絡電流制限
値が上昇し短絡耐量時間が短かくなる欠点がある。
The change in the limit value current can be reduced by increasing the drain current gain with respect to the current detection value shown in FIG. 9A.
The SFET 54 is not an analog operation but a switching operation, the gate of the IGBT 4 drops to near zero, and the current of the IGBT is turned on and off to oscillate, so that there is a limit. Therefore, the characteristics are as shown in FIG. If Rg is reduced in order to make the switching of the IGBT faster, the short-circuit current limit value increases, and the short-circuit withstand time becomes short.

【0019】(d)次にIGBTモジュールを並列接続
した場合の問題がある。図8の方法は各モジュールの内
部に電流制限機能が収納されているので各モジュールの
動作レベルが異なる。そのため1ケのモジュールの電流
制限機能が誤動作すると、このモジュールのオン抵抗が
増加し電流が隣のモジュールに移りこのモジュールの電
流制限機能が動作する。これを繰返して一種の発振状態
を生じIGBTが劣化する危険がある。
(D) Next, there is a problem when IGBT modules are connected in parallel. In the method shown in FIG. 8, since the current limiting function is housed inside each module, the operation level of each module is different. Therefore, if the current limiting function of one module malfunctions, the on-resistance of this module increases, the current moves to the adjacent module, and the current limiting function of this module operates. By repeating this, there is a risk that a kind of oscillation state occurs and the IGBT deteriorates.

【0020】(e)次に問題となるのは図8のNLU有
りの方式でも電流のピーク値は制限されるが電流のしゃ
断時の速度は早く浮遊インダクタンスl0 によるサージ
電圧(−l0 ・ dic/dt)によりIGBTの安全動作を
超えて素子が劣化する危険性がある。
[0020] (e) then become a problem NLU speed during cutoff of the peak value of the current in there scheme is limited but the current is faster floating inductance l 0 surge voltage (-l 0 · due 8 (dic / dt), there is a risk that the element may be deteriorated beyond the safe operation of the IGBT.

【0021】IGBTの安全動作領域の一例を図7
(c)に示す。電流IC が増加するほどサージ電圧V
CEP を下げる必要がある。特に変換器の容量が大きくな
ると事故電流も大きくなるが浮遊インダクタンスは構造
上小さくできないのでその分サージ電圧が増大する傾向
になる。
FIG. 7 shows an example of the safe operation area of the IGBT.
It is shown in (c). Surge voltage V higher current I C is increased
CEP needs to be lowered. In particular, when the capacity of the converter increases, the fault current also increases, but since the stray inductance cannot be reduced due to its structure, the surge voltage tends to increase accordingly.

【0022】そこでサージ電圧を下げるためには電流変
化率 dic/dtを下げる工夫しかないのである。 (f)最終的には250 %〜500 %には制限した電流を駆
動信号をオフしてしゃ断する動作を行わせる。この時発
生するサージ電圧は−L0 ・di/dt(L0 はリーケージ
インダクタンス、di/dtは電流変化率)で決まり、この
サージ電圧によりトランジスタの逆バイアス安全動作領
域外を通過するとトランジスタは永久劣化する。(IG
BTの安全動作領域は200 %電流をしゃ断する場合定格
電圧の80%程度まで低下する) 特に変換器の容量が増加するとL0 も増加傾向になり、
しかも電流iは容量に比例するためサージ電圧の増加が
著しい。このためスナバ回路(サージ吸収回路)が主素
子のトランジスタより大きな容積やコストを占めること
も発生する。
Therefore, the only way to reduce the surge voltage is to reduce the current change rate dic / dt. (F) Eventually, the current limited to 250% to 500% is cut off by turning off the drive signal. Surge voltage generated at this time -L 0 · di / dt (L 0 is the leakage inductance, di / dt is the current change rate) determined by and passes through the reverse bias safe operating area outside of the transistor by the surge voltage transistor permanent to degrade. (IG
The safe operation area of the BT drops to about 80% of the rated voltage when the 200% current is cut off.) Especially when the capacity of the converter increases, L 0 also tends to increase,
Moreover, since the current i is proportional to the capacity, the surge voltage increases remarkably. For this reason, the snubber circuit (surge absorbing circuit) may occupy a larger volume and cost than the main element transistor.

【0023】本発明は、上述した技術的背景の下でオン
電圧が小さく大きな短絡電流となるトランジスタの過電
流を検出して高速にこの電流を制限した後、ソフトに事
故電流をしゃ断することにより発生するサージ電圧を抑
制することにより信頼性の高いパワートランジスタの保
護回路を提供することを目的とする。
According to the present invention, under the above-mentioned technical background, an overcurrent of a transistor having a small on-state voltage and a large short-circuit current is detected, this current is limited at a high speed, and then the fault current is softly cut off. An object of the present invention is to provide a highly reliable power transistor protection circuit by suppressing a generated surge voltage.

【0024】[0024]

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明は、スイッチング動作により負荷へ電流を供
給するパワートランジスタと、このパワートランジスタ
に流れる電流に応じた電圧の電流信号を得、この電流信
号が所定値を越える部分に比例した電流を前記パワート
ランジスタを駆動するゲート回路からバイパスして前記
パワートランジスタの駆動信号レベルを低下させ前記パ
ワートランジスタに流れる電流を抑制する電流制御ルー
プを備え、前記バイパス電流が所定時間継続したとき閉
路して自己保持すると共に前記バイパス電流を徐々に分
流する回路を設け、前記分流電流を漸増することにより
前記電流制御ループからオープンループに切り換えて駆
動信号レベルを低下させる。
To achieve the above object, the present invention provides a power transistor for supplying a current to a load by a switching operation, and a current signal having a voltage corresponding to the current flowing through the power transistor. A current control loop that suppresses a current flowing through the power transistor by lowering a drive signal level of the power transistor by bypassing a current proportional to a portion where the current signal exceeds a predetermined value from a gate circuit that drives the power transistor. A circuit that closes and self-holds when the bypass current continues for a predetermined time and gradually shunts the bypass current; and gradually increases the shunt current to switch from the current control loop to an open loop to drive signal level. Lower.

【0025】更に、前記バイパス電流が流れたとき、前
記パワートランジスタの駆動信号の状態を保持し、前記
バイパス電流が一定時間継続したとき前記駆動信号をオ
フ状態にする。更に、前記バイパス電流が所定時間継続
したとき閉路する自己保持回路を前記駆動信号のオフ状
態によりリセットする。
Further, when the bypass current flows, the state of the drive signal of the power transistor is maintained, and when the bypass current continues for a predetermined time, the drive signal is turned off. Further, the self-holding circuit, which is closed when the bypass current continues for a predetermined time, is reset by turning off the drive signal.

【0026】[0026]

【作用】パワートランジスタに過電流が流れ所定値を越
えると、その電流に比例したバイパス電流がゲート回路
から流れゲート電圧を低下させる。ゲート電圧が低下す
るとパワートランジスタの導通抵抗が増加し過電流を抑
制する電流制御ループが機能し過電流はほぼ所定値付近
に保たれる。バイパス電流が流れたとき、パワートラン
ジスタの駆動信号はオン状態に保持され、駆動信号によ
るオフ動作は行われない。バイパス電流が所定時間継続
して流れると所定回路が閉路して自己保持し、バイパス
電流が前記所定回路に徐々に分流し、前記電流制御ルー
プの制御信号に加算して流れる。この分流電流が漸増し
て前記電流制御ループによるバイパス電流を越えるとオ
ープンループに切り換えられゲート電圧は更にゆるやか
に低下してパワートランジスタに流れる電流はゆるやか
にしゃ断される。バイパス電流が一定時間(パワートラ
ンジスタの電流が零になるまでの時間を含む)継続した
とき、駆動信号はオフ状態に戻され自己保持状態が解か
れ初期状態に戻る。
When an overcurrent flows through the power transistor and exceeds a predetermined value, a bypass current proportional to the current flows from the gate circuit to lower the gate voltage. When the gate voltage decreases, the conduction resistance of the power transistor increases, and a current control loop that suppresses the overcurrent functions, and the overcurrent is maintained at about a predetermined value. When the bypass current flows, the drive signal of the power transistor is kept in the ON state, and the OFF operation by the drive signal is not performed. When the bypass current flows continuously for a predetermined time, the predetermined circuit is closed and self-holds, and the bypass current is gradually divided into the predetermined circuit, and is added to the control signal of the current control loop and flows. When the shunt current gradually increases and exceeds the bypass current by the current control loop, the operation is switched to an open loop, the gate voltage further decreases gradually, and the current flowing through the power transistor is cut off gently. When the bypass current continues for a certain period of time (including the time until the current of the power transistor becomes zero), the drive signal is returned to the off state, the self-hold state is released, and the state returns to the initial state.

【0027】[0027]

【実施例】本発明の一実施例を図1に示す。図1におい
て、IGBT4は直流電源1に通常は負荷を介して接続
されるが負荷が短絡された場合の保護を考えるので負荷
インピーダンスが零の場合を図示してある。IGBT4
のエミッタ側の電流の一部を抵抗11で電圧に変換しトラ
ンジスタ12と抵抗13からなるエミッタフォロア回路を構
成する。
FIG. 1 shows an embodiment of the present invention. In FIG. 1, the IGBT 4 is usually connected to the DC power supply 1 via a load, but the case where the load impedance is zero is shown in order to protect the load when the load is short-circuited. IGBT4
A part of the current on the emitter side is converted into a voltage by the resistor 11 to form an emitter follower circuit including the transistor 12 and the resistor 13.

【0028】IGBT4のゲート駆動回路は、直流電源
14,15を駆動電源とし、フォトカプラ16で駆動信号を絶
縁し、増幅器17で増幅した駆動信号を抵抗18を介してト
ランジスタ32,33のベースを駆動することにより正負の
ゲート駆動電圧を得、ゲート抵抗34を経てIGBT4の
ゲート駆動する。IGBT4のエミッタは直流電源14と
15の直列接続点の電位にあるので、トランジスタ32がオ
ンするとゲート駆動電圧は正となり、トランジスタ33が
オンするとゲート駆動電圧は負となる。
The gate drive circuit of the IGBT 4 is a DC power supply.
Using the drive power supplies 14 and 15 as the drive power supply, the drive signal is insulated by the photocoupler 16 and the drive signal amplified by the amplifier 17 drives the bases of the transistors 32 and 33 via the resistor 18 to obtain positive and negative gate drive voltages. The gate of the IGBT 4 is driven via the gate resistor 34. The emitter of the IGBT 4 is connected to the DC power supply 14
Since the gate drive voltage is at the potential of the 15 series connection points, the gate drive voltage becomes positive when the transistor 32 is turned on, and becomes negative when the transistor 33 is turned on.

【0029】抵抗18とフォトカプラの発光ダイオード1
9、ダイオード20を通ってトランジスタ12のコレクタ側
に接続する。ダイオード20のカソード側を抵抗21を介し
てトランジスタ23のベースに接続し、抵抗22をトランジ
スタのエミッタ・ベース間に接続する。トランジスタ23
のコレクタから抵抗24を介してコンデンサ25を充電す
る。抵抗24とコンデンサ25の接続点がトランジスタ26の
ベースに接続されトランジスタ26のエミッタは抵抗27を
介してコンデンサ25の他端と直流電源14と15の直列接続
点へ接続する。トランジスタ26のコレクタはダイオード
20のカソードに接続する。ダイオード28はコンデンサ25
と並列に接続しトランジスタ26に過大な逆電圧が印加さ
れないようにしてある。トランジスタ26のベースから抵
抗29、ダイオード30を介してトランジスタ32,33のベー
スに接続する。またトランジスタ26のベースから抵抗31
を介して直流電源15の負側に接続する。
The resistor 18 and the light emitting diode 1 of the photocoupler
9. Connect to the collector side of transistor 12 through diode 20. The cathode side of the diode 20 is connected to the base of the transistor 23 via the resistor 21, and the resistor 22 is connected between the emitter and the base of the transistor. Transistor 23
, The capacitor 25 is charged via the resistor 24. The connection point between the resistor 24 and the capacitor 25 is connected to the base of the transistor 26, and the emitter of the transistor 26 is connected via the resistor 27 to the other end of the capacitor 25 and the series connection point between the DC power supplies 14 and 15. The collector of transistor 26 is a diode
Connect to 20 cathodes. Diode 28 is capacitor 25
And in parallel with each other so that an excessive reverse voltage is not applied to the transistor 26. The base of the transistor 26 is connected to the bases of the transistors 32 and 33 via the resistor 29 and the diode 30. Also, the resistor 31 is connected to the base of the transistor 26.
To the negative side of the DC power supply 15

【0030】フォトカプラの発光ダイオード19に電流が
流れると、フォトカプラの受光トランジスタ35と抵抗36
を直列に接続してその信号を故障検出回路37で検出し、
PWM信号(パルス幅変調信号)を保持回路を経由して
保持させ、遮断回路39を経てフォトカプラ16の入力とす
る。故障検出回路37の出力V37からタイマ回路40を介し
て遮断回路39を動作させるよう接続する。
When a current flows through the light emitting diode 19 of the photocoupler, the light receiving transistor 35 and the resistor 36 of the photocoupler
Are connected in series, and the signal is detected by the failure detection circuit 37,
The PWM signal (pulse width modulation signal) is held via a holding circuit, and is input to the photocoupler 16 via a cutoff circuit 39. The output V37 of the failure detection circuit 37 is connected via the timer circuit 40 to operate the cutoff circuit 39.

【0031】上記構成による本実施例の作用を図2を用
いて説明する。時刻t1 においてPWM信号を“1”と
して電圧V39によりフォトカプラ16を駆動すると増幅器
17を介してトランジスタ33がオフし、トランジスタ32が
オンし、ゲート駆動電圧VGは負から正に切換わる。
The operation of this embodiment having the above configuration will be described with reference to FIG. When the PWM signal is set to “1” at time t 1 to drive the photocoupler 16 with the voltage V39, the amplifier
And the transistor 33 is turned off via the 17, the transistor 32 is turned on, the gate drive voltage V G is switched positive switching from a negative.

【0032】IGBT4のゲートに正電圧が加わるとI
GBTはターンオンする。負荷が短絡された状態におい
て、直流電源1がIGBT4のコレクタ・エミッタ間に
印加されIGBTがターンオンし内部抵抗が低下すると
IGBTのコレクタ電流ICは回路の浮遊インダクタン
スL0 で制限される傾斜で急速に立上る。この電流の一
部を抵抗11で検出し、この検出電圧がトランジスタ12の
ベース・エミッタ間のスレッショルド電圧を超えた点か
らIC の増加分に比例した電流I1 がトランジスタ12の
コレクタに流入する。この電流I1 は抵抗18、フォトカ
プラ19、ダイオード20の回路に流れ抵抗18の電圧降下が
増加しゲート駆動電圧VG が低下し始める。
When a positive voltage is applied to the gate of IGBT 4, I
The GBT turns on. In a state where the load is shorted, the collector current I C of the DC power source 1 IGBT is applied between the collector and the emitter of the IGBT4 is lowered turned-internal resistance IGBT rapidly in inclination limited by stray inductance L 0 of the circuit Stand up. A part of this current is detected by the resistor 11, and a current I 1 proportional to the increase of I C flows into the collector of the transistor 12 from the point where the detected voltage exceeds the threshold voltage between the base and the emitter of the transistor 12. . The current I 1 is resistor 18, the photocoupler 19, the circuit voltage drop of the flow resistor 18 is increased to the gate drive voltage V G of the diode 20 begins to decrease.

【0033】一方I1 の電流の一部は抵抗22、抵抗21の
回路にも分流し、時刻t3 においてトランジスタ23がオ
ンし電圧V23を出力し抵抗24を介してコンデンサ25の充
電を開始する。その充電電圧VC は負から正に向って上
昇し、トランジスタ26のベースエミッタのスレッショル
ド電圧を越える時刻t4 以降、トランジスタ26のコレク
タ電流I2 はトランジスタ26と抵抗27のエミッタフォロ
アー接続により、VCのスレッショルド電圧以上の部分
に比例した電流を流すことになる。また、I2が流れる
とトランジスタ23は自己保持するのでI1 がゼロになっ
てもこの状態を保持する。
On the other hand part of the current I 1 is resistor 22, the sink also partial circuit of the resistor 21, the transistor 23 through the turned on resistor 24 and outputs a voltage V23 at time t 3 to start charging the capacitor 25 . The charging voltage V C rises from negative to positive, and after time t 4, which exceeds the threshold voltage of the base and emitter of the transistor 26, the collector current I 2 of the transistor 26 is increased by the emitter follower connection between the transistor 26 and the resistor 27. A current proportional to the portion above the threshold voltage of C will flow. Further, the transistor 23 flows through the I 2 be I 1 Since the self-holding reaches zero to maintain this state.

【0034】時刻t2 〜t4 の期間はIGBT4のIC
が一定値以上になるとI1 を流してIGBTのゲート電
圧を低下させIGBTのオン抵抗を増加させIC を減少
させる制御ループにより短絡電流をほぼ一定に制御する
動作を行っている。
During the period from time t 2 to t 4 , I C of the IGBT 4 is used.
When the value exceeds a certain value, I 1 is supplied to lower the gate voltage of the IGBT, increase the ON resistance of the IGBT, and reduce the I C to control the short-circuit current to be almost constant.

【0035】次に時刻t4 〜t6 の期間は次第に増加す
るI2 が外乱として入力されI2 が増加した分I1 が減
少してバランスすることになり、時刻t6 においてI1
はゼロになる。このt4 〜t6 の期間はIC 一定電流制
御と強制的にゲート電圧を下げIC を低下させる信号と
が重なっている期間であり、IC 一定制御ループが動作
しているのでIC はわずかに減少する程度である。
Next, during the period from time t 4 to time t 6 , the gradually increasing I 2 is input as a disturbance, and the increased I 2 decreases I 1 to balance, and at time t 6 , I 1
Becomes zero. Period of t 4 ~t 6 is a period of overlap and a signal to reduce the I C lowered forcibly gate voltage and I C constant current control, since the I C constant control loop is operating I C Is only slightly reduced.

【0036】次に時刻t6 においてI1 がゼロになると
それ以降はI2 の増加に従って抵抗18の電圧降下が増加
しVG はゆるやかに(t4 〜t6 間よりもかなり早く)
低下しそれに従ってIC も比較的ソフトに時刻t7 にお
いて完全に遮断されるのでIGBTのVCE間サージ電圧
を小さくすることができる。このように過電流状態が時
刻t4 を越えて継続するとIGBTは完全動作領域内で
信頼性良くしゃ断される。
[0036] Then later when I 1 becomes zero at time t 6, the voltage drop across the resistor 18 increases V G is gradually with increasing I 2 (much earlier than between t 4 ~t 6)
Reduced so accordingly I C is also completely blocked at time t 7 to the relatively soft it is possible to reduce the V CE between the surge voltage of the IGBT. Thus an overcurrent state continues beyond the time t 4 IGBT is reliably shut off a complete operating region.

【0037】過電流状態が時刻t4 に達する前に解消さ
れI1 がゼロになると、トランジスタ23はオフしコンデ
ンサ電圧VC は抵抗31により放電する回路を構成として
いる。これはノイズやブリッジ接続時の反対相のダイオ
ードリカバリー電流等の短時間の過電流により自己保持
してIGBTがオフすることをさけるためである。
When the overcurrent state is eliminated before the time t 4 is reached and I 1 becomes zero, the transistor 23 is turned off and the capacitor voltage V C is discharged by the resistor 31. This is to prevent the IGBT from being turned off by self-holding due to noise or short-time overcurrent such as diode recovery current of the opposite phase at the time of bridge connection.

【0038】次にPWM信号が時刻t5 でオフしている
が、フォトカプラ19で、I1 +I2を検出し、フォトカ
プラ35を介して故障検出回路37と保持回路38によりフォ
トカプラ16の信号V39は保持されている。
Next, although the PWM signal is turned off at time t 5 , I 1 + I 2 is detected by the photocoupler 19, and the failure detection circuit 37 and the holding circuit 38 of the photocoupler 35 detect the I 1 + I 2 via the photocoupler 35. The signal V39 is held.

【0039】タイマ回路40は、IGBT4の電流IC
ソフトにしゃ断される時刻t7 より遅れた時刻t8 にお
いて遮断回路39を介して駆動信号V39をオフにさせVG
は急速に負電圧にさせると同時にダイオード30、抵抗29
によりコンデンサ25を逆バイアスする。これによりフォ
トカプラ19の電流が零となり故障信号V37をリセットさ
れる。
The timer circuit 40, IGBT 4 of the current I C is V G is off the driving signal V39 through the cutoff circuit 39 at time t 8, which is delayed from the time t 7 to be cut off in a soft
Is quickly turned to a negative voltage, and diode 30, resistor 29
To reverse bias the capacitor 25. As a result, the current of the photocoupler 19 becomes zero, and the failure signal V37 is reset.

【0040】本実施例によればIGBTの電流一定制御
ループを構成することにより短絡電流を1/4〜1/5
に低下させることにより短絡時の安全動作時間を伸すこ
とができる。この電流一定制御ループから強制ターンオ
フループへの円滑な切換えを行い、その後もゲート電圧
をゆるやかに低下させることによりIGBTの電流変化
率を低下させることによりサージ電圧を下げIGBTの
安全動作領域内で信頼性良く電流をしゃ断することがで
きる。
According to this embodiment, the short-circuit current can be reduced to 1/4 to 1/5 by forming a constant current control loop of the IGBT.
, The safe operation time at the time of short circuit can be extended. Smooth switching from the constant current control loop to the forced turn-off loop is performed, and thereafter, the gate voltage is gradually lowered to lower the current change rate of the IGBT, thereby lowering the surge voltage and ensuring reliability within the safe operation area of the IGBT. The current can be cut off with good efficiency.

【0041】この過電流が流れている期間はゲート駆動
信号を保持し高速に事故電流をしゃ断しないように工夫
してある。このことは特に変換器の容量が大きくなると
浮遊インダクタンスは減少しないで電流値が増加するの
でサージ電圧が大きくなることを防ぐ上で極めて有効で
ある。
While the overcurrent is flowing, the gate drive signal is held so that the fault current is not cut off at high speed. This is particularly effective in preventing a surge voltage from increasing because the current value increases without reducing the stray inductance when the capacity of the converter increases.

【0042】[0042]

【0043】[0043]

【0044】[0044]

【0045】[0045]

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、パ
ワートランジスタに流れる電流が所定値以上の場合はゲ
ート電圧を低下させる自動制御ループを設けてパワート
ランジスタ電流を制限し、この制限作用が一定時間以上
続いた時、これを検出保持してゲート電圧を漸減する回
路を設け電流をソフトにしゃ断する。この一連の動作中
はゲート駆動信号を保持させ、トランジスタの短絡耐量
時間を延長すると同時にサージ電圧を下げながら電流を
ソフトにしゃ断する安全動作領域内での信頼性の高い運
転を可能とするパワートランジスタの過電流保護回路を
提供することができる。
As described above, according to the present invention, when the current flowing through the power transistor is equal to or higher than a predetermined value, an automatic control loop for lowering the gate voltage is provided to limit the power transistor current. When a predetermined time has passed, a circuit for detecting and holding this and gradually reducing the gate voltage is provided to cut off the current softly. A power transistor that holds a gate drive signal during this series of operations, extends the short-circuit withstand time of the transistor, and simultaneously shuts down the current softly while reducing the surge voltage. Can be provided.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の一実施例。FIG. 1 shows an embodiment of the present invention.

【図2】図1の動作を説明する図。FIG. 2 is a view for explaining the operation of FIG. 1;

【図3】本発明の第2実施例を示す。FIG. 3 shows a second embodiment of the present invention.

【図4】インバータの一般的な主回路図。FIG. 4 is a general main circuit diagram of an inverter.

【図5】パワートランジスタの特性図。FIG. 5 is a characteristic diagram of a power transistor.

【図6】従来装置の問題点を示す特性図。FIG. 6 is a characteristic diagram showing a problem of the conventional device.

【図7】パワートランジスタの過電流耐量を説明するた
めの図。
FIG. 7 is a diagram for explaining the overcurrent withstand capability of a power transistor.

【図8】従来装置の説明図。FIG. 8 is an explanatory view of a conventional device.

【図9】図8の一部の詳細書。FIG. 9 is a detailed description of a part of FIG. 8;

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…直流電源、2…ブリッジ変換器、3…モータ、4…
IGBT、11,13…抵抗、12…トランジスタ、14,15…
直流電源、16…フォトカプラ、17…増幅器、18,21,2
2,24,27…抵抗、19,35…フォトカプラ、20,28,30
…ダイオード、23,26,32,33…トランジスタ、25…コ
ンデンサ、29,31,34,36…抵抗、37…故障検出回路、
38…信号保持回路、39…信号しゃ断回路、40…タイマ回
路、41…増幅器、42…タイムディレイ、43…保持回路、
44…漸増回路、45…リセット回路。
1 DC power supply 2 Bridge converter 3 Motor 4
IGBT, 11, 13 ... resistor, 12 ... transistor, 14, 15 ...
DC power supply, 16 photocoupler, 17 amplifier, 18, 21, 2
2, 24, 27 ... resistance, 19, 35 ... photocoupler, 20, 28, 30
... diodes, 23, 26, 32, 33 ... transistors, 25 ... capacitors, 29, 31, 34, 36 ... resistors, 37 ... fault detection circuits,
38: signal holding circuit, 39: signal blocking circuit, 40: timer circuit, 41: amplifier, 42: time delay, 43: holding circuit,
44: Incremental circuit, 45: Reset circuit.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岡土 千尋 東京都府中市晴見町2丁目24番地の1 東芝エフエーシステムエンジニアリング 株式会社内 (56)参考文献 特開 平5−227738(JP,A) 特開 平6−276073(JP,A) ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (72) Inventor Chihiro Okado 2--24-1, Harumi-cho, Fuchu-shi, Tokyo Toshiba FA System Engineering Co., Ltd. (56) References JP-A-5-227738 (JP, A) JP-A-6-276073 (JP, A)

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 スイッチング動作により負荷へ電流を供
給するパワートランジスタと、このパワートランジスタ
に流れる電流に応じた電圧の電流信号を得、この電流信
号が所定値を超える部分に比例したバイパス電流を前記
パワートランジスタを駆動するゲート回路からバイパス
して前記パワートランジスタの駆動信号レベルを低下さ
せ前記パワートランジスタに流れる電流を抑制する電流
制御ループを備え、前記バイパス電流が所定時間継続し
たとき閉路して自己保持すると共に前記バイパス電流を
徐々に分流する分流回路を設け、前記分流回路に流れる
電流を漸増することにより前記電流制御ループからオー
プンループに切り換えて駆動信号レベルを低下させるこ
とを特徴とするパワートランジスタの過電流保護回路。
1. A power transistor for supplying a current to a load by a switching operation, and a current signal having a voltage corresponding to a current flowing through the power transistor is obtained, and a bypass current proportional to a portion where the current signal exceeds a predetermined value is obtained. A current control loop is provided that bypasses a gate circuit that drives the power transistor and reduces the drive signal level of the power transistor to suppress the current flowing through the power transistor. When the bypass current continues for a predetermined time, the current control loop is closed and self-held. gradually shunt circuit for shunting the bypass current as well as provided, flows in the shunt circuit
An overcurrent protection circuit for a power transistor, wherein a current is gradually increased to switch from the current control loop to an open loop to lower a drive signal level.
【請求項2】 請求項1記載のパワートランジスタの過
電流保護回路において、前記バイパス電流が流れたと
き、前記パワートランジスタの駆動信号の状態を保持
し、前記バイパス電流が一定時間継続したとき前記駆動
信号をオフ状態にする回路を設けたことを特徴とするパ
ワートランジスタの過電流保護回路。
2. The overcurrent protection circuit for a power transistor according to claim 1, wherein a state of a drive signal of said power transistor is maintained when said bypass current flows, and said drive is performed when said bypass current continues for a predetermined time. An overcurrent protection circuit for a power transistor, comprising a circuit for turning off a signal.
【請求項3】 請求項2記載のパワートランジスタの過
電流保護回路において、前記バイパス電流が所定時間継
続したとき閉路する自己保持回路を前記駆動信号のオフ
状態によりリセットすることを特徴とするパワートラン
ジスタの過電流保護回路。
3. The power transistor overcurrent protection circuit according to claim 2, wherein a self-holding circuit that is closed when said bypass current continues for a predetermined time is reset by an off state of said drive signal. Overcurrent protection circuit.
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