JP3601310B2

JP3601310B2 - パワーデバイスの駆動回路

Info

Publication number: JP3601310B2
Application number: JP24737798A
Authority: JP
Inventors: 由成簑谷; 厚司山口
Original assignee: Fuji Electric Device Technology Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1997-11-06
Filing date: 1998-09-01
Publication date: 2004-12-15
Anticipated expiration: 2018-09-01
Also published as: JPH11195971A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体電力変換器の主回路を構成する電流センス端子付のパワーデバイスの駆動回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体電力変換器（以下、単に電力変換器と称する）においては、近年、１組または複数組の前記パワーデバイスとその駆動回路を１個のモジュールに内蔵し、このモジュールに該パワーデバイスそれぞれの過電流保護機能などを装備した、所謂、インテリジェント・パワー・モジュール（以下、単にＩＰＭと称する）が採用されている。
【０００３】
図４は、１組の前記パワーデバイスとその駆動回路からなるこの種の電力変換器の従来例を示す回路構成図である。
図４において、１は電流センス端子付のパワーデバイスとしてのＩＧＢＴ、２はＩＧＢＴ１の電流センス端子から流れる電流を検出する検出抵抗、３はＩＧＢＴ１のオンに伴って、図示の主回路電源（Ｖ_Ｍ）から給電される負荷、１０は入力される駆動信号に基づいてＩＧＢＴ１をオン・オフさせる駆動回路である。
【０００４】
この駆動回路１０は図示の駆動回路電源（Ｖ_ＤＤ）とＩＧＢＴ１のエミッタ端子との間に直列に接続されるＰチャネルのＭＯＳＦＥＴ１１及びＮチャネルのＭＯＳＦＥＴ１２と、ＩＧＢＴ１のゲート端子とエミッタ端子との間に接続されるＮチャネルのＭＯＳＦＥＴ１３と、検出抵抗２の両端電圧が所定の値（Ｖ_Ｒ）を超えたときにその偏差を増幅し、前記駆動信号がＩＧＢＴ１をオンさせる状態のときのみ、該増幅した出力がエネーブル（動作状態）となる電流検出回路１４と、該駆動信号に基づいてＭＯＳＦＥＴ１１，１２をオン・オフさせるプリドライバ１６，１７からなる制御回路１５とを備えている。
【０００５】
図４に示した電力変換器においては、ＩＧＢＴ１にはコレクタ電流（数Ａ〜数１００Ａ）に比例した微少電流（数ミリＡ以下）を出力する電流センス端子を備えており、通常の動作状態では、駆動回路１０に入力される駆動信号のＨｉｇｈ／Ｌｏｗに対応してＩＧＢＴ１がオン／オフする。
また、ＩＧＢＴ１がオン期間中に、何らかの要因でＩＧＢＴ１のコレクタ電流がその定格電流を大きく超えた状態では、検出抵抗２の両端電圧が所定の値（Ｖ_Ｒ）を超えることにより電流検出回路１４が動作をしてＭＯＳＦＥＴ１３を駆動し、その結果、ＩＧＢＴ１のゲート・エミッタ間電圧（Ｖ_ＧＥ）が前記駆動回路電源Ｖ_ＤＤの値から減少し、電流検出回路１４が内蔵する増幅器のゲインと、ＭＯＳＦＥＴ１１，１３それぞれのオン抵抗の分圧比値と、ＩＧＢＴ１の電流センス部のトランスコンダクタンスと、検出抵抗２の抵抗値との積で表される伝達特性に基づいた値に収束し、前記要因が除去されない限り、この減少したＶ_ＧＥでＩＧＢＴ１が駆動されてコレクタ電流を抑制し、定格電流を大きく超えた過電流からＩＧＢＴ１が保護される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図４に示した従来の電力変換器によると、前記駆動回路１０を半導体集積回路で実現する場合、ＩＧＢＴ１がオン期間中に、検出抵抗２の両端電圧が所定の値（Ｖ_Ｒ）を超えたことを電流検出回路１４が検知してその偏差増幅出力でＭＯＳＦＥＴ１３を駆動して、ＩＧＢＴ１のゲート・エミッタ間電圧（Ｖ_ＧＥ）を速やかに減少させ、ＩＧＢＴ１のコレクタ電流を速やかに抑制するためには、ＩＧＢＴ１のゲート容量に蓄積された電荷を高速に引き抜くことができる電流定格を有するＭＯＳＦＥＴ１３が必要であり、その結果、ＭＯＳＦＥＴ１３のチップサイズはＭＯＦＥＴ１２と同等程度の大きさとなり、この駆動回路１０を内蔵した半導体集積回路全体のチップサイズが大きくなり、歩留りの低下とチップコストの上昇を招いていた。
【０００７】
この発明の目的は、上記問題点を解決するバワーデバイスの駆動回路を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明は、半導体電力変換器の主回路を構成する電流センス端子付のパワーデバイスの駆動回路であって、
該駆動回路には第１トランジスタと第２トランジスタと第３トランジスタと第４トランジスタと電流検出回路と制御回路とを備え、前記駆動回路の電源の一端と前記パワーデバイスのソース端子又はエミッタ端子との間に、第１トランジスタと第２トランジスタとを直列に接続すると共に、第３トランジスタと第４トランジスタとを直列に接続し、第１トランジスタと第２トランジスタの接続点と、前記パワーデバイスのゲート端子とを接続し、前記電流検出回路は前記パワーデバイスの電流センス端子とソース端子又はエミッタ端子との間に接続される検出抵抗の両端電圧が所定の値を超えたときにその偏差を増幅し、この増幅値を該パワーデバイスがオン状態のときのみ出力し、第３トランジスタと第４トランジスタの接続点と、前記電流検出回路の出力と、第２トランジスタのゲート端子又はベース端子とを接続し、前記制御回路は入力される駆動信号に基づいて第１トランジスタと第３トランジスタとを交互にオン・オフさせ、第１トランジスタをオンさせた時から所定の期間のみ第４トランジスタをオンさせて第２トランジスタをオフさせた後、前記パワーデバイスがオン期間中は前記電流検出回路の出力により第２トランジスタを駆動するものとする。
【０００９】
この発明によれば、前記パワーデバイスのゲートを直接駆動する第１トランジスタと第２トランジスタとによって、定格電流範囲内での該パワーデバイスの通常のオン・オフ駆動ができるだけでなく、何らかの要因で定格電流を大きく超えた電流が流れた場合に、該パワーデバイスのゲート電圧を減少させて、この過大電流を抑制するために、別途第２トランジスタと同程度の大きさのトランジスタを備えることなく、前記電流検出回路が所定の値以上の過電流を検出して、その偏差を増幅した出力で第２トランジスタのゲート端子又はベース端子を直接駆動することにより、前記駆動回路の電源電圧を第１トランジスタと第２トランジスタで分圧した値が速やかに該パワーデバイスのゲートに印加されるようにして、該パワーデバイスのコレクタ電流又はドレイン電流を制限し保護する。また、この駆動回路を半導体集積回路に内蔵する際、該パワーデバイスのゲート電圧を減少させるための特別なトランジスタが不要になり、通常のゲート駆動出力段でこのゲート電圧を減少させる機能が実現できるため、チップサイズの増大を免れ、歩留り低下とチップコストの増大を回避できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は、１組の電流センス端子付のパワーデバイスとその駆動回路からなるこの発明の第１の実施例を示す電力変換器の回路構成図であり、図４に示した従来例回路と同一機能を有するものには同一符号を付している。
すなわち図１に示す電力変換器においてはＩＧＢＴ１と、検出抵抗２と、負荷３と、入力される駆動信号に基づいてＩＧＢＴ１をオン・オフさせる駆動回路２０とを備えている。
【００１１】
この駆動回路２０は第１トランジスタとしてのＰチャネルのＭＯＳＦＥＴ１１と、第２トランジスタとしてのＮチャネルのＭＯＳＦＥＴ１２と、第３トランジスタとしてのＰチャネルのＭＯＳＦＥＴ２１と、第４トランジスタとしてのＮチャネルのＭＯＳＦＥＴ２２と、検出抵抗２の両端電圧が所定の値（Ｖ_Ｒ）を超えたときにその偏差を増幅し、この増幅値を前記駆動信号がＩＧＢＴ１をオンさせる状態のときのみ、その増幅した出力がエネーブル（動作状態）となる電流検出回路２３と、プリドライバ１６，プリドライバ２５，前記駆動信号がＬｏｗからＨｉｇｈになったときに所定の時間ＭＯＳＦＥＴ２２をオンさせるワンショット回路２６からなる制御回路２４とから構成されている。
【００１２】
図１に示した駆動回路２０の動作を、図２に示す動作波形図を参照しつつ、以下に説明する。
図２（Ａ）はＩＧＢＴ１がオン期間中に検出抵抗２の両端電圧（図２Ａ（ヘ）参照）が電流検出回路２３の比較電圧（Ｖ_Ｒ）を超えない状態、すなわち定格電流範囲内でＩＧＢＴ１がオンしている状態の動作波形図である。
【００１３】
図２（Ａ）において、先ず、駆動信号（図２Ａ（イ）参照）がＬｏｗからＨｉｇｈに変化すると、プリドライバ１６の出力（図２Ａ（ロ）参照）は図示の如く変化し、ＭＯＳＦＥＴ１１はオン状態となる。このＬｏｗからＨｉｇｈに変化したことにより、ワンショット回路２６も動作して、この動作期間（図２Ａ（ハ）参照）だけＭＯＳＦＥＴ２２がオン状態となり、その結果ＭＯＳＦＥＴ１２のゲート電圧が急速に０ボルトまで低下し（図２Ａ（ニ）参照）、ＭＯＳＦＥＴ１２がオフすることで、ＩＧＢＴ１のゲート電圧（図２Ａ（ホ）参照）が上昇して、ＩＧＢＴ１がターンオンをする。このとき、ワンショット回路２６の動作時間はＭＯＳＦＥＴ１２のゲート電圧が０ボルトになるまでの必要最小限の時間に設定すればよい。さらに、ＩＧＢＴ１がオン期間中に検出抵抗２の両端電圧（図２Ａ（ヘ）参照）が電流検出回路２３の比較電圧（Ｖ_Ｒ）を超えないので、図１に示した電流検出回路２３の接点が前記駆動信号に基づいて閉路していても、その出力がゼロボルトのままなので、ＭＯＳＦＥＴ１２をオンさせることはない。
【００１４】
次に、駆動信号（図２Ａ（イ）参照）がＨｉｇｈからＬｏｗに変化すると、プリドライバ１６の出力（図２Ａ（ロ）参照）は図示の如く変化し、ＭＯＳＦＥＴ１１はオフ状態となり、プリドライバ２５の出力によりＭＯＳＦＥＴ２１がオン状態となり、その結果ＭＯＳＦＥＴ１２のゲート電圧（図２Ａ（ニ）参照）が上昇して、ＭＯＳＦＥＴ１２がオン状態となり、ＩＧＢＴ１のゲート電圧（図２Ａ（ホ）参照）が０ボルトまで下降して、ＩＧＢＴ１がターンオフをする。
【００１５】
図２（Ｂ）はＩＧＢＴ１がオン期間中に検出抵抗２の両端電圧（図２Ｂ（ヘ）参照）が電流検出回路２３の比較電圧（Ｖ_Ｒ）を超えた状態、すなわち、何らかの要因でＩＧＢＴ１のコレクタ電流がその定格電流を超えた状態の動作波形図である。
図２（Ｂ）において、駆動信号（図２Ｂ（イ）参照）がＬｏｗからＨｉｇｈに変化して、上述と同様の動作でＩＧＢＴ１のゲート電圧（図２Ｂ（ホ）参照）が上昇して、ＩＧＢＴ１がターンオンすると、検出抵抗２の両端電圧（図２Ｂ（ヘ）参照）も増大し、この電圧が電流検出回路２３の比較電圧（Ｖ_Ｒ）を超えると、このときＭＯＳＦＥＴ２１，２２は共にオフ状態で、且つ電流検出回路２３の前記接点も閉路状態にあるので、検出抵抗２の両端電圧と比較電圧（Ｖ_Ｒ）との偏差を増幅した出力が電流検出回路２３から出力され、この出力値によりＭＯＳＦＥＴ１２を駆動することになり（図２Ｂ（ニ）参照）、その結果、前記駆動回路電源Ｖ_ＤＤの値から減少し、電流検出回路２３が内蔵する増幅器のゲインと、ＭＯＳＦＥＴ１１，１２それぞれのオン抵抗による分圧比と、ＩＧＢＴ１の電流センス部のトランスコンダクタンスと、検出抵抗２の抵抗値との積に基づいた値で収束し、前記要因が除去されない限り、ＩＧＢＴ１はこの減少したゲート電圧（図２Ｂ（ホ）参照）で駆動されてＩＧＢＴ１のコレクタ電流が抑制され、定格を大きく超えた過電流から保護される。
【００１６】
上述のＩＧＢＴ１のコレクタ電流が抑制された状態で、駆動信号（図２Ｂ（イ）参照）がＨｉｇｈからＬｏｗに変化すると、プリドライバ１６の出力（図２Ｂ（ロ）参照）は図示の如く変化し、ＭＯＳＦＥＴ１１はオフ状態となり、プリドライバ２５の出力によりＭＯＳＦＥＴ２１がオン状態となり、一方電流検出回路２３は駆動信号（図２Ｂ（イ）参照）のＬｏｗが入力されて不動作状態なので、その結果、ＭＯＳＦＥＴ１２のゲート電圧（図２Ｂ（ニ）参照）が駆動回路電源の電圧（Ｖ_ＤＤ）まで上昇して、ＭＯＳＦＥＴ１２がオン状態となり、ＩＧＢＴ１のゲート電圧（図２Ｂ（ホ）参照）が０ボルトまで下降して、ＩＧＢＴ１がターンオフをする。
【００１７】
図３は、１組の電流センス端子付のパワーデバイスとその駆動回路からなるこの発明の第２の実施例を示す電力変換器の回路構成図であり、図１に示した第１の実施例回路と同一機能を有するものには同一符号を付している。
すなわち図３に示す電力変換器においてはＩＧＢＴ１と、検出抵抗２と、負荷３と、入力される駆動信号に基づいてＩＧＢＴ１をオン・オフさせる駆動回路３０とを備え、この駆動回路３０はＭＯＳＦＥＴ１１と、ＭＯＳＦＥＴ１２と、ＭＯＳＦＥＴ２１と、ＭＯＳＦＥＴ２２と、電流検出回路２３と、制御回路２４と、比較器３１と、ディレー回路３２と、アラーム回路３３と、アンド回路３４とから構成されている。
【００１８】
この種の電力変換器において、ＩＧＢＴ１のオン期間中に、何らかの要因でＩＧＢＴ１のコレクタ電流がその定格電流を超えても、例えば１〜２マイクロ秒程度でその要因が消滅することがあり、この場合には、先述の如く電流検出回路２３などによりＩＧＢＴ１のコレクタ電流を抑制すれば、ＩＧＢＴ１の破損が防止できる。しかしながら、負荷３が短絡状態に陥ったときには前記コレクタ電流がＩＧＢＴ１の短絡耐量以上流れることが予想されるので、この電力変換器の動作を停止させる、すなわちＩＧＢＴ１のコレクタ電流を抑制状態から零にして、ＩＧＢＴ１の破損を防止する必要がある。図３に示した駆動回路３０における比較器３１，ディレー回路３２，アラーム回路３３，アンド回路３４は上述の目的を達成するために備えられている。
【００１９】
すなわち、比較器３１は検出抵抗２の両端電圧が前記Ｖ_Ｒに達したときに動作をし、この動作の継続時間をディレー回路３２が監視をし、該継続時間が所定の値（例えば、数マイクロ秒以上）を超えるとディレー回路３２が動作をし、この出力をアラーム回路３３に入力し、アラーム回路３３では、一旦ディレー回路３２が動作をすると、１〜数ミリ秒程度これを保持した過電流信号として、外部へ出力すると共に、この過電流信号と前記駆動信号の論理積をアンド回路３３で演算することにより、このアンド回路では該駆動信号がＨｉｇｈで過電流信号が発生しているときには出力をＬｏｗにすることにより、ＩＧＢＴ１がターンオフ動作をして、ＩＧＢＴ１のコレクタ電流を零にする。
【００２０】
上述の如く、過電流時にＩＧＢＴ１のゲート電圧を減少させてコレクタ電流を制限して保護する機能を内蔵したパワーデバイスの駆動回路を半導体集積回路に内蔵する場合、従来はゲート駆動出力用トランジスタの他にそのゲート電圧を直接クランプするための大面積のトランジスタを必要としていたが、この駆動回路では余分な大面積のトランジスタが不要になり、チップサイズの増大を回避できる。
【００２１】
【発明の効果】
この発明によれば、前記パワーデバイスのゲートを直接駆動する第１トランジスタと第２トランジスタとによって、定格電流範囲内での該パワーデバイスの通常のオン・オフ駆動ができるだけでなく、何らかの要因で定格電流を大きく超えた電流が流れた場合に、該パワーデバイスのゲート電圧を減少させて、該パワーデバイスのコレクタ電流又はドレイン電流を制限し損傷を防止する。
【００２２】
また、この駆動回路を半導体集積回路に内蔵する際、該パワーデバイスのゲート電圧を減少させるための特別なトランジスタが不要になり、通常のゲート駆動出力段でこのゲート電圧を減少させる機能が実現できるため、チップサイズの増大を免れ、歩留り低下とチップコストの増大を回避でき、特に、電流センス端子付のパワーデバイスとその駆動回路とを一体化したＩＰＭに対して好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施例を示す電力変換器の回路構成図
【図２】図１の動作波形図
【図３】この発明の第２の実施例を示す電力変換器の回路構成図
【図４】従来例を示す電力変換器の回路構成図
【符号の説明】
１…ＩＧＢＴ、２…検出抵抗、３…負荷、１０…駆動回路、１１〜１３…ＭＯＳＦＥＴ、１４…電流検出回路、１５…制御回路、１６，１７…プリドライバ、２０…駆動回路、２１，２２…ＭＯＳＦＥＴ、２３…電流検出回路、２４…制御回路、２５…プリドライバ、２６…ワンショット回路、３０…駆動回路、３１…比較器、３２…ディレー回路、３３…アラーム回路、３４…アンド回路。

Claims

半導体電力変換器の主回路を構成する電流センス端子付のパワーデバイスの駆動回路であって、
該駆動回路には第１トランジスタと第２トランジスタと第３トランジスタと第４トランジスタと電流検出回路と制御回路とを備え、
前記駆動回路の電源の一端と前記パワーデバイスのソース端子又はエミッタ端子との間に、第１トランジスタと第２トランジスタとを直列に接続すると共に、第３トランジスタと第４トランジスタとを直列に接続し、
第１トランジスタと第２トランジスタの接続点と、前記パワーデバイスのゲート端子とを接続し、
前記電流検出回路は前記パワーデバイスの電流センス端子とソース端子又はエミッタ端子との間に接続される検出抵抗の両端電圧が所定の値を超えたときにその偏差を増幅し、この増幅値を該パワーデバイスがオン状態のときのみ出力し、
第３トランジスタと第４トランジスタの接続点と、前記電流検出回路の出力と、第２トランジスタのゲート端子又はベース端子とを接続し、
前記制御回路は入力される駆動信号に基づいて第１トランジスタと第３トランジスタとを交互にオン・オフさせ、第１トランジスタをオンさせた時から所定の期間のみ第４トランジスタをオンさせて第２トランジスタをオフさせた後、前記パワーデバイスがオン期間中は前記電流検出回路の出力により第２トランジスタを駆動することを特徴とするパワーデバイスの駆動回路。