JP3580297B2 - 電流検出機能付き半導体装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、交流モータ等の誘導性負荷を駆動制御する半導体装置に関し、特に誘導性負荷に流れる電流を検出する機能を備えた半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
交流モータ等の誘導性負荷を駆動制御する半導体装置においては、誘導性負荷に流れる電流（以下、負荷電流と呼ぶ）を制御するために、負荷電流を検出する必要がある。例えば、特開平２００１−１６８６５号公報には、電流センサを用いて負荷電流を検出する方法が開示されているが、一般的に電流センサはコストが高く、サイズも無視できないものであるため、半導体装置の小型化・低コスト化の要請に応えることができない。
【０００３】
また、特開平２００１−１６８６５号公報の図７には、インバータ装置を構成する各パワートランジスタのカレントミラーを用いて負荷電流を検出する方法も開示されている。図７は、この従来の方法に基づいたインバータ装置の１相分の回路を示す図である。パワートランジスタには、ＩＧＢＴ１〜４が用いられており、ＩＧＢＴ３はＩＧＢＴ１のカレントミラーであり、ＩＧＢＴ４はＩＧＢＴ２のカレントミラーである。ＩＧＢＴ３，４に流れる電流は、電流検出器５，６により検出することができる。電流検出器５，６は、それぞれ電流検出用抵抗Ｒ１，Ｒ２と、オペアンプ回路５ａ，６ａとを有し、オペアンプ回路５ａ，６ａにより電流検出用抵抗Ｒ１，Ｒ２の両端の電位差を検出することにより、ＩＧＢＴ３，４に流れる電流を検出する。
【０００４】
図７に示す回路にて、上側のＩＧＢＴ１，３がオフの状態で、下側のＩＧＢＴ２，４をそれぞれオンさせると、負荷電流は、ＩＧＢＴ２，４を図に示す矢印Ｙ３，Ｙ４の方向に流れる。ＩＧＢＴ４には、ＩＧＢＴ２に流れる電流に比例する電流が流れるので、電流検出器６にてＩＧＢＴ４に流れる電流を検出することにより、ＩＧＢＴ２とＩＧＢＴ４とを流れる電流、すなわち、負荷電流を検出することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図７に示す回路を用いて負荷電流を検出する方法によれば、次のような問題がある。すなわち、矢印Ｙ３の方向に負荷電流が流れているときに下側のＩＧＢＴ２，４をオフさせると、負荷電流が還流ダイオードＤ１を流れる。次に、下側のＩＧＢＴ２，４が再びオンすると、負荷電流は再び矢印Ｙ３，Ｙ４の向きに流れるが、還流ダイオードＤ１の逆回復期間中には、矢印Ｙ２の向きに逆回復電流が流れるために、ＩＧＢＴ２，４には、負荷電流に逆回復電流が加算された電流が流れることになる。従って、電流検出器６で検出する電流は、負荷３０に流れる電流に比例せず、負荷電流を正確に計測することができなかった。
【０００６】
本発明の目的は、誘導性負荷に流れる電流を正確に検出することができる電流検出機能付き半導体装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
一実施の形態を示す図１を参照して本発明を説明する。
（１）請求項１の発明は、誘導性負荷に対して上アーム側に位置して第１の方向に駆動電流を供給する第１のパワートランジスタと、第１のパワートランジスタに対して第１の方向と逆方向に電流を流させる第１の電流調整手段と、第１のパワートランジスタに流れる電流に比例した電流が流れる第１のカレントミラー回路と、第１のカレントミラー回路に流れる逆方向の電流を検出する第１の電流検出手段と、第１のパワートランジスタと直列に接続され、誘導性負荷に対して下アーム側に位置して第１の方向と異なる第２の方向に駆動電流を供給する第２のパワートランジスタと、第２のパワートランジスタに対して第２の方向と逆方向に電流を流させる第２の電流調整手段と、第２のパワートランジスタに流れる電流に比例した電流が流れる第２のカレントミラー回路と、第２のカレントミラー回路に流れる逆方向の電流を検出する第２の電流検出手段と、第１のパワートランジスタおよび第２のパワートランジスタをそれぞれ駆動する駆動手段とを備え、駆動手段により第１のパワートランジスタおよび第２のパワートランジスタがオフに制御されている間に、第１の電流検出手段および第２の電流検出手段のうちの少なくとも一方により検出される逆方向電流に基づいて、誘導性負荷に流れる電流を検出することを特徴とする。
（２）請求項２の発明は、請求項１の電流検出機能付き半導体装置において、第１のカレントミラー回路および第２のカレントミラー回路は、それぞれ第１の方向および第２の方向に流れる電流を検出することにより、第１のパワートランジスタおよび第２のパワートランジスタに流れる電流を制御する電流制御回路としても機能することを特徴とする。
（３）請求項３の発明は、請求項１または２の電流検出機能付き半導体装置において、第１の電流検出手段の出力と第２の電流検出手段の出力とを加算する加算手段をさらに備え、加算手段による加算結果を誘導性負荷に流れる電流として検出することを特徴とする。
（４）請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれかの電流検出機能付き半導体装置において、第１の電流調整手段は、第１のパワートランジスタが誘導性負荷を駆動する向きと逆方向にオンするように誘導性負荷から生じる逆起電力による電流を第１のパワートランジスタの制御端子に供給し、第２の電流調整手段は、第２のパワートランジスタが誘導性負荷を駆動する向きと逆方向にオンするように誘導性負荷から生じる逆起電力による電流を第２のパワートランジスタの制御端子に供給することを特徴とする。
【０００８】
なお、上記課題を解決するための手段の項では、本発明をわかりやすく説明するために実施の形態の図１と対応づけたが、これにより本発明が実施の形態に限定されるものではない。
【０００９】
【発明の効果】
本発明によれば、次のような効果を奏する。
（１）請求項１〜４の発明によれば、第１のパワートランジスタおよび第２のパワートランジスタの双方がオフされている間に第１のカレントミラー回路および第２のカレントミラー回路のうちの少なくとも一方に流れる還流電流を検出することにより、誘導性負荷に流れる電流を検出するので、正確に負荷電流を検出することができる。
（２）請求項２の発明によれば、還流電流を検出するためのカレントミラー回路とパワートランジスタに過電流が流れるのを防ぐための過電流保護回路としてのカレントミラー回路とを共用することができるので、半導体装置の省スペース化を実現することができる。
（３）請求項３の発明によれば、加算手段による出力を駆動手段に入力する場合には、駆動手段の入力端子を少なくすることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
図１は、誘導性負荷を制御するＨブリッジの一部であり、本発明による電流検出機能付き半導体装置の第１の実施の形態の構成を示す図である。誘導性負荷３０は、例えば、ハイブリッド車や電気自動車を駆動するために用いられる交流モータである。すなわち、図１は、直流電源２０の直流電力を交流電力に変換して誘導性負荷３０に給電するための３相インバータ回路の１相分を示している。
【００１１】
トランジスタ１１およびトランジスタ１２は、それぞれＨブリッジの上アームと下アームを形成するバイポーラ型パワートランジスタである。トランジスタ１１とトランジスタ１２とは直列に接続されており、誘導性負荷３０は、直列に接続されたトランジスタ１１のエミッタ端子とトランジスタ１２のコレクタ端子との間に接続されている。トランジスタ１１のコレクタ端子は、直流電源２０に接続されており、トランジスタ１２のエミッタ端子はグランド（ＧＮＤ）に接続されている。
【００１２】
図７と同様に、トランジスタ１３はトランジスタ１１のカレントミラーであり、トランジスタ１４はトランジスタ１２のカレントミラーであり、それぞれバイポーラ型パワートランジスタが用いられている。従って、トランジスタ１１と１３、および、トランジスタ１２と１４とは、同一のオン／オフ特性を有する。トランジスタ１１〜１４は、トランジスタ１１，１２，１３，１４のベース端子に接続されたコントローラ１０によって制御されており、所定周期にてオン／オフする。
【００１３】
パワートランジスタ１１，１２のベース端子とエミッタ端子間には、エミッタ端子からベース端子の向きに電流が流れるように、それぞれダイオードＤ３，Ｄ４が接続されている。誘導性負荷３０で発生した逆起電力による電流をダイオードＤ３，Ｄ４に流すことにより、トランジスタ１１，１２を逆方向にターンオンすることができる。例えば、トランジスタ１１がオフであって、トランジスタ１２がオンされている状態から、コントローラ１０によりトランジスタ１２がターンオフされると、誘導性負荷３０から逆起電力が発生し、ダイオードＤ３を介してトランジスタ１１のベース端子に電流が流れる。これにより、トランジスタ１１が逆導通状態になり、エミッタ端子からコレクタ端子に向けて矢印Ｙ５の向きに還流電流が流れる。同様に、トランジスタ１３も逆導通状態になり、トランジスタ１３に還流電流が流れる。
【００１４】
上述した動作は、トランジスタ１２および１４についても同じである。すなわち、トランジスタ１２がオフであって、トランジスタ１１がオンされている状態から、コントローラ１０によりトランジスタ１１がターンオフされると、トランジスタ１２および１４は逆導通状態になり、トランジスタ１２，１４に還流電流が流れる。
【００１５】
電流検出器５，６は、電流検出用抵抗Ｒ１，Ｒ２と、オペアンプ回路５ａ，６ａとを有し、トランジスタが逆導通状態となった時に流れる還流電流を検出する。すなわち、オペアンプ回路５ａ，６ａにより電流検出用抵抗Ｒ１，Ｒ２の両端の電位差を検出することにより、トランジスタ１３，１４に流れる還流電流を検出する。検出した電流は、コントローラ１０に入力される。なお、電流検出器５，６は、トランジスタのベース−エミッタ間の電位差が小さいため、一般的にエミッタの電位を基準電位として電流を検出する。すなわち、コレクタ側に設けられると高耐圧の構成が要求されるため、電流検出器５，６は、エミッタ端子側に設けられる。
【００１６】
第１の実施の形態における電流検出機能付き半導体装置は、電流検出器５，６により、トランジスタ１３または１４が逆導通状態の時に流れる還流電流を検出することにより、負荷電流を検出する。例えば、トランジスタ１１および１３が逆導通状態になった場合には、負荷３０を流れる負荷電流は、全てトランジスタ１１および１３に流れ、トランジスタ１２および１４には流れない。また、トランジスタ１３は、トランジスタ１１のカレントミラーであり、トランジスタ１３に流れる電流はトランジスタ１１に流れる電流に比例するので、電流検出器５によりトランジスタ１３に流れる還流電流を検出すれば、トランジスタ１１とトランジスタ１３に流れる電流、すなわち、負荷電流を正確に測定することができる。
【００１７】
図２は、トランジスタ１１〜１４を制御するためのオン／オフ信号を示す図である。１制御周期中に、トランジスタ１１，１３およびトランジスタ１２，１４がそれぞれ１回ずつオンする。図２では、２制御周期中の制御信号が示されており、Ｑ１がトランジスタ１１，１３を制御するための信号を、Ｑ２がトランジスタ１２，１４を制御するための信号をそれぞれ示している。
【００１８】
図２に示すように、第１の実施の形態における電流検出機能付き半導体装置では、全てのトランジスタ１１〜１４がオフするように制御される期間が設けられている。この期間は、ブランキングタイムと呼ばれており、トランジスタ１１，１３とトランジスタ１２，１４が同時にオンとなって、大きな貫通電流が流れるのを防ぐために設けられている。従って、ブランキングタイム中には、トランジスタ１１〜１４のオン／オフ動作により、負荷電流はトランジスタ１１，１３またはトランジスタ１２，１４のいずれかを還流電流として流れることになる。本実施の形態では、このブランキングタイム中の還流電流を検出することにより、負荷電流を正確に測定している。
【００１９】
（第２の実施の形態）
図３は、本発明による電流検出機能付き半導体装置の第２の実施の形態の構成を示す図である。第２の実施の形態における電流検出機能付き半導体装置は、図１に示す第１の実施の形態における電流検出機能付き半導体装置の構成に、過電流保護回路７，８が追加されている。パワートランジスタでは、過電流が流れるのを防ぐためにカレントミラーが設けられることがある。第２の実施の形態の電流検出機能付き半導体装置では、負荷電流を測定するためのカレントミラー１３，１４および電流検出用抵抗Ｒ１，Ｒ２が、過電流が流れるのを防ぐための回路にも用いられる。
【００２０】
過電流保護回路７，８には、オペアンプ回路７ａ，８ａが用いられ、電流検出用抵抗Ｒ１，Ｒ２の両端の電位差を検出することにより、パワートランジスタ１３，１４の順方向に流れる電流を検出することができる。過電流保護回路７，８の出力は、パワートランジスタ１３，１４のベース端子に接続されており、過電流保護回路７，８を用いて負帰還回路を実現することにより、トランジスタ１３，１４の矢印Ｙ７の向きに流れる電流の大きさに応じて、トランジスタ１３，１４のベース電流を調整し、トランジスタ１３，１４に過電流が流れるのを防ぐ。
【００２１】
上述したように、電流検出器５は、ブランキングタイム中に矢印Ｙ８の向き（逆方向）に流れる還流電流を検出するのに対し、過電流保護回路７は、トランジスタ１３がオンとなり、矢印Ｙ７の向き（順方向）に電流が流れる時に動作する。従って、図３に示すように、カレントミラーであるトランジスタ１３や電流検出用抵抗Ｒ１，Ｒ２を電流検出器５と過電流保護回路７とで共用しているが、それぞれの回路の動作期間が異なっているので、動作上の問題は生じない。これは、電流検出器６と過電流保護回路８との関係においても同様である。
【００２２】
第２の実施の形態における電流検出機能付き半導体装置によれば、負荷電流を測定するための回路と過電流保護のための回路とを実現するために、各回路の構成要素の一部を共用することにより、半導体装置の低コスト・省スペースを実現することができる。
【００２３】
（第３の実施の形態）
図４は、本発明による電流検出機能付き半導体装置の第３の実施の形態の構成を示す図である。第３の実施の形態における電流検出機能付き半導体装置は、図１に示す第１の実施の形態における電流検出機能付き半導体装置の構成に、加算器４０が追加されている。すなわち、電流検出器５および電流検出器６の出力が加算器４０にて加算され、加算結果がコントローラ１０に入力される。
【００２４】
上述したように、ブランキングタイム中は、トランジスタ１１，１３か、トランジスタ１２，１４のいずれか片方の組にしか還流電流は流れない。従って、例えば、トランジスタ１３に還流電流が流れている時に、トランジスタ１４に還流電流が流れることはないので、電流検出器５と電流検出器６の出力（電流検出結果）を加算した結果は、負荷電流と一致する。すなわち、コントローラ１０には、第１の実施の形態における電流検出機能付き半導体装置と同様に、負荷電流の測定値が入力されることになる。
【００２５】
第３の実施の形態における電流検出機能付き半導体装置によれば、コントローラ１０に負荷電流の測定結果を入力するための入力端子を減らすことができる。すなわち、コントローラ１０のインターフェースを簡略化することができるので、インターフェース部分のコストを低減することができる。
【００２６】
（第４の実施の形態）
図５は、本発明による電流検出機能付き半導体装置の第４の実施の形態の構成を示す図である。第４の実施の形態における電流検出機能付き半導体装置では、パワートランジスタとしてＭＯＳ型パワートランジスタ５１，５２，５３，５４を用いる。ＭＯＳ型パワートランジスタ５１，５２，５３，５４には、図５に示すように、還流電流を流すためのボディダイオードＤ７，Ｄ８，Ｄ９，Ｄ１０がそれぞれ設けられている。
【００２７】
上述したブランキングタイム中には、負荷電流は、還流電流としてボディダイオードＤ７，Ｄ９またはボディダイオードＤ８，Ｄ１０に流れる。例えば、トランジスタ５１がオフであって、トランジスタ５２がオンされている状態から、コントローラ１０によりトランジスタ５２がターンオフされると、負荷電流はボディダイオードＤ７およびＤ９を流れる。すなわち、第１〜第３の実施の形態の電流検出機能付き半導体装置と同様に、ブランキングタイム中に、カレントミラーであるＭＯＳ型パワートランジスタ５３，５４にそれぞれ設けられたボディダイオードＤ９またはＤ１０を流れる還流電流を電流検出器５または６にて検出することにより、負荷電流を正確に検出することができる。
【００２８】
（第５の実施の形態）
図６は、本発明による電流検出機能付き半導体装置の第５の実施の形態の構成を示す図である。第５の実施の形態における電流検出機能付き半導体装置は、プッシュプル方式の相補型のスイッチング回路に本発明を適用したものである。下アームを形成するトランジスタ１２およびカレントミラーとなるトランジスタ１４の構成は、第１〜第４の実施の形態の半導体装置の構成と同じである。一方、上アームを形成するトランジスタ１５およびカレントミラーとなるトランジスタ１６には、ＰＮＰ型のバイポーラトランジスタが用いられている。
【００２９】
トランジスタ１５のベース端子とエミッタ端子との間には、ダイオードＤ１１が接続されている。この構成により、第１〜第４の実施の形態の半導体装置と同様に、一方のトランジスタがオンであって他方のトランジスタがオフである状態から、オンとなっているトランジスタをターンオフさせた時に、オフとなっているトランジスタに還流電流を流すことができる。すなわち、第５の実施の形態の電流検出機能付き半導体装置においても、ブランキングタイム中に、カレントミラーであるトランジスタ１４，１６に流れる還流電流を電流検出器５または６にて検出することにより、負荷電流を正確に検出することができる。
【００３０】
本発明は、上述した一実施の形態に限定されることはない。例えば、パワートランジスタとしてバイポーラ型パワートランジスタを用いた例では、トランジスタ１１〜１４を逆方向にターンオンして還流電流を流すために、それぞれダイオードＤ３，Ｄ４を設けたが、これらのダイオードＤ３，Ｄ４を設けない別の構成としてもよい。すなわち、本発明は、パワートランジスタを逆方向にオンさせることにより還流電流を流すことができる半導体装置に適用することができ、還流電流を流すための手段や回路構成の相違により本発明が限定されることはない。
【００３１】
また、負荷電流の測定には、電流検出用抵抗Ｒ１，Ｒ２を用いてカレントミラーに流れる還流電流を検出したが、電流アンプやホールセンサ等を用いることもできる。
【００３２】
特許請求の範囲の構成要素と一実施の形態の構成要素との対応関係は次の通りである。すなわち、バイポーラ型トランジスタ１１またはＭＯＳ型パワートランジスタ５１が第１のパワートランジスタを、バイポーラ型トランジスタ１２またはＭＯＳ型パワートランジスタ５２が第２のパワートランジスタを、ボディダイオードＤ３が第１の電流調整手段を、ボディダイオードＤ４が第２の電流調整手段を、バイポーラ型トランジスタ１３またはＭＯＳ型パワートランジスタ５３が第１のカレントミラー回路を、バイポーラ型トランジスタ１４またはＭＯＳ型パワートランジスタ５４が第２のカレントミラー回路を、電流検出器５が第１の電流検出手段を、電流検出器６が第２の電流検出手段を、コントローラ１０が駆動手段を、誘導性負荷３０が誘導性負荷をそれぞれ構成する。なお、本発明の特徴的な機能を損なわない限り、各構成要素は上記構成に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態における電流検出機能付き半導体装置の構成を示す図
【図２】トランジスタを制御するためのオン／オフ信号を示す図
【図３】第２の実施の形態における電流検出機能付き半導体装置の構成を示す図
【図４】第３の実施の形態における電流検出機能付き半導体装置の構成を示す図
【図５】第４の実施の形態における電流検出機能付き半導体装置の構成を示す図
【図６】第５の実施の形態における電流検出機能付き半導体装置の構成を示す図
【図７】従来技術により負荷電流を検出するためのインバータ装置の１相分の回路を示す図
【符号の説明】
１，２，３，４…ＩＧＢＴ
５，６…電流検出器
５ａ，６ａ，７ａ，８ａ…オペアンプ回路
７，８…過電流保護回路
１０…コントローラ
１１，１２，１３，１４，１５，１６…バイポーラトランジスタ
２０…直流電源
３０…誘導性負荷
４０…加算器
５１，５２，５３，５４…ＭＯＳ型パワートランジスタ
Ｒ１，Ｒ２…電流検出用抵抗
Ｄ１，Ｄ２…還流ダイオード
Ｄ３，Ｄ４，Ｄ１１…ダイオード
Ｄ７，Ｄ８，Ｄ９，Ｄ１０…ボディダイオード

Claims (4)

1. 誘導性負荷に対して上アーム側に位置して第１の方向に駆動電流を供給する第１のパワートランジスタと、
   前記第１のパワートランジスタに対して前記第１の方向と逆方向に電流を流させる第１の電流調整手段と、
   前記第１のパワートランジスタに流れる電流に比例した電流が流れる第１のカレントミラー回路と、
   前記第１のカレントミラー回路に流れる前記逆方向の電流を検出する第１の電流検出手段と、
   前記第１のパワートランジスタと直列に接続され、前記誘導性負荷に対して下アーム側に位置して前記第１の方向と異なる第２の方向に駆動電流を供給する第２のパワートランジスタと、
   前記第２のパワートランジスタに対して前記第２の方向と逆方向に電流を流させる第２の電流調整手段と、
   前記第２のパワートランジスタに流れる電流に比例した電流が流れる第２のカレントミラー回路と、
   前記第２のカレントミラー回路に流れる前記逆方向の電流を検出する第２の電流検出手段と、
   前記第１のパワートランジスタおよび前記第２のパワートランジスタをそれぞれ駆動する駆動手段とを備え、
   前記駆動手段により前記第１のパワートランジスタおよび前記第２のパワートランジスタがオフに制御されている間に、前記第１の電流検出手段および前記第２の電流検出手段のうちの少なくとも一方により検出される前記逆方向電流に基づいて、前記誘導性負荷に流れる電流を検出することを特徴とする電流検出機能付き半導体装置。
2. 請求項１に記載の電流検出機能付き半導体装置において、
   前記第１のカレントミラー回路および前記第２のカレントミラー回路は、それぞれ前記第１の方向および前記第２の方向に流れる電流を検出することにより、前記第１のパワートランジスタおよび前記第２のパワートランジスタに流れる電流を制御する電流制御回路としても機能することを特徴とする電流検出機能付き半導体装置。
3. 請求項１または２に記載の電流検出機能付き半導体装置において、
   前記第１の電流検出手段の出力と前記第２の電流検出手段の出力とを加算する加算手段をさらに備え、
   前記加算手段による加算結果を前記誘導性負荷に流れる電流として検出することを特徴とする電流検出機能付き半導体装置。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の電流検出機能付き半導体装置において、
   前記第１の電流調整手段は、前記第１のパワートランジスタが前記誘導性負荷を駆動する向きと逆方向にオンするように前記誘導性負荷から生じる逆起電力による電流を前記第１のパワートランジスタの制御端子に供給し、
   前記第２の電流調整手段は、前記第２のパワートランジスタが前記誘導性負荷を駆動する向きと逆方向にオンするように前記誘導性負荷から生じる逆起電力による電流を前記第２のパワートランジスタの制御端子に供給することを特徴とする電流検出機能付き半導体装置。

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