JP3770163B2 - 電圧駆動型半導体素子の異常検出方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電圧駆動型半導体素子の破壊や誤パルスによる誤動作等、異常動作を検出する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６に、素子異常検出機能を有する、半導体スイッチ回路の回路構成を示す。ここで、Ｑは電圧駆動型半導体素子の１つであるＩＧＢＴ（以下、素子という）である。また、抵抗Ｒｄ１、Ｒｄ２は素子のコレクタ−エミッタ間電圧ＶＣＥを低圧Ｖｄで検出するための分圧抵抗である。ＧＤＵはゲート駆動回路であり、この中の素子異常動作の検出回路は、素子電圧検出部、故障判別部からなる。素子電圧検出部では、Ｖｃを基準電圧として、Ｖｄのレベルを検出する回路、故障判別部はオン・オフ信号と素子電圧検出部から出力される信号Ｖ_Aの関係により、素子の異常動作を判別して故障信号Ｖ_Bを出力する。具体的には、オン信号が入力されていて、ＶＣＥが基準電圧に相当する電圧よりも高い時に素子異常と判断する。
【０００３】
この半導体スイッチ回路の動作について説明する。図７は、オン信号が入力されている時にＧＤＵの誤動作によりＩＧＢＴが誤オフした時のタイムチャートを示す。ＩＧＢＴが誤オフすると、ＶＣＥ、Ｖｄが上昇して素子電圧判別部での基準電圧Ｖｃを超えることで素子電圧ありと判断され、素子電圧判別部出力Ｖ_Aから、ハイレベルを出力する。このＶ_Aとオン信号により、素子異常判別部によって素子異常と判断され、検出信号としてハイレベル信号が出力される。
【０００４】
次に、オン信号が入力されていて、素子破壊が発生した時の素子異常検出動作について説明する。この場合、破壊が無い正常な素子によって異常を検出されるため、図８のような２レベルの回路を用いて説明する。この回路は、Ｑ１とその対抗アームＱ２がＩＧＢＴで交互にオン・オフを繰り返す動作を行なう。この時のタイムチャートを図９に示す。図のようにＱ１がオン、Ｑ２がオフ時にＱ１が破壊すると、このタイミングではＱ１はオン、即ち短絡状態とみなせるためＱ１が破壊しても素子異常は検出されない。しかし、Ｑ１がオフ、Ｑ２がオンとなるとＱ１は破壊しているためこれらの素子に短絡電流が流れる。このような大電流が正常な素子に流れると、図１０に示すＩＧＢＴの出力特性の活性領域に入る。
【０００５】
この領域は、素子に電圧が印加され、且つ電流も流れる領域である。通常のスイッチング時には素子は飽和領域に入っており、オン時には図１０の飽和領域、即ちＶＣＥは非常に小さい値で、且つ電流が流れる領域となる。このような素子特性により、Ｑ２がオン入力されて素子電圧が印加されている条件となり、前記の動作によって素子異常を検出することができる。
【０００６】
また、オフ時にＧＤＵから誤オン信号が出力された時、また素子破壊が発生した時、図８の回路でＱ１，Ｑ２がオン状態となるため短絡電流が流れ、図９の動作と同様に素子異常を検出できる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
オン信号が入力されている時に素子破壊が発生した場合、上記で説明したように、対抗アーム素子のオンによって異常検出が可能であるが、素子破壊によってゲート−エミッタ間が短絡状態となると、素子破壊してから対抗アームがオンするまでの期間ＧＤＵ出力が短絡されてＧＤＵを破壊してしまう可能性がある。また、図１１のように素子に内蔵されているフリーホイーリングダイオード（ＦＷＤ）に電流が流れているモードの時、ゲート信号がオフであってもＶＣＥからは見かけ上オンとみなせる。そのため、素子破壊が発生してもこの素子では異常検出できずに対抗アームのオンによって検出される。この場合も、ＧＤＵを破壊する可能性がある。
【０００８】
よって、発明が解決しようとする課題は、回路の誤動作や素子破壊等の素子異常動作を最小の遅延時間で検出することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明における半導体スイッチ回路は、素子破壊や誤動作した時ゲート電流が流れることに注目し、各素子のゲート線にコアを挿入して通常動作では流れないゲート電流が流れた時にコアを動作させるようにして、コアの端子電圧の有無によって素子異常検出するものである。
【００１０】
具体的には、電圧駆動型半導体素子と、これをオン・オフするためのゲート駆動回路からなる半導体スイッチ回路において、当該電圧駆動型半導体素子の異常動作を検出するために、ゲート線にコアを挿入し、この半導体スイッチ回路においては、当該電圧駆動型半導体素子のオン、オフ動作期間、即ちゲート線に正規のゲート電流が流れる期間は上記コアが励磁されないようにし、かつ、素子の定常状態の期間、即ちゲート電流が流れない期間に電流が流れた時コアが励磁されるようにすることにより、素子故障や誤パルスによる誤点弧、誤消弧を検出できるようにする。
【００１１】
なお、上記コアが励磁された時、コアの入力インピーダンスが大きくなるように設定することで、ゲート線に流れる電流を抑制することができ、ゲート駆動回路の破壊等、二次破壊を防止することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明の実施例を示す。Ｔｇが異常なゲート電流が流れた時にこれを検出するコアで二次巻線である。図のように素子のゲート線に接続する。Ｔｇの二次側に電圧Ｖｔｇｏが発生した時これを素子異常検出信号とする。Ｓが双方向に電流を流すことができるＴｇの二次側を短絡するための半導体スイッチ、Ｒｔｇがコアの負荷となる抵抗である。またトリガ発生回路は図２のように、素子をオン・オフする際にゲート電流Ｉｇが流れている期間のみハイレベルの信号を出力する回路でありＳのオン信号となる。ＳがオンするとＴｇの二次側が短絡され、コアは励磁されずＶｔｇｏも零であるため、正常スイッチング時には異常は検出されず、その他の期間での異常を検出することができる。
【００１３】
次に、本回路の素子異常検出動作について説明する。図３に、素子がオンしている時に誤オフした時のチャートを示す。素子が常オン時に誤オフすると、ゲート電流ＩｇがＶＧＥを放電する方向、即ち負の方向に流れ、Ｖｔｇｏに電圧が発生して素子異常を検出することができる。この時、ＩｇはＲｔｇの値で決定され、この抵抗値を大きくするほどＩｇは小さくでき、誤オフするまでの時間を遅らせることが可能である。また、図４にオン時に素子破壊が発生した時のチャートを示す。素子が破壊するとゲート（Ｇ）−エミッタ（Ｅ）間が短絡してＩｇが流れる。この時、Ｉｇの電流ピーク値Ｉｇｐは抵抗Ｒｔｇで決定される。よって、駆動部が破壊しないレベルにＩｇを抑制するようにＲｔｇの抵抗値を決定することでＧＤＵの破壊を防止することができる（請求項３）。また、Ｖｔｇｏによって素子異常の検出も可能となる。同様に、図１１のようにＦＷＤに電流が流れるモードでＩＧＢＴが破壊した時においても、同様にゲート電流によって素子破壊を検出することが可能である。
【００１４】
図１のスイッチＳは双方向通流が可能であるとしたが、図５に一般的なＭＯＳＦＥＴを用いた回路を示す。この回路は、図１の実線で囲んだ回路の部分を構成しており、スイッチＳはダイオードＤ１〜Ｄ４とＭＯＳＦＥＴで構成することができる。このように、Ｄ１〜Ｄ４によって、直流に変換することでＭＯＳＦＥＴの使用を可能としている。
【００１５】
【発明の効果】
本発明によれば、素子のゲート線に二次巻線のコアを接続することで、素子の破壊や誤動作を瞬時に検出することができ、ＧＤＵ破壊等の二次破壊を防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示す回路図である。
【図２】タイムチャートを示す図である。
【図３】タイムチャート（誤オフ時）を示す図である。
【図４】タイムチャート（素子オン時の素子破壊時）を示す図である。
【図５】本発明の実施形態を含む具体的回路例である。
【図６】従来技術を示す回路図である。
【図７】従来回路図におけるタイムチャート図である。
【図８】従来技術を示す回路図である。
【図９】従来回路図におけるタイムチャート図である。
【図１０】電圧駆動型半導体素子であるＩＧＢＴの出力特性を示す図である。
【図１１】電圧駆動型半導体素子の内蔵フリーホイーリングダイオードの動作を示す図である。

Claims (2)

1. 電圧駆動型半導体素子と、これをオン・オフするためのゲート駆動回路からなる半導体スイッチ回路における、電圧駆動型半導体素子のゲート線にコアの１次側を挿入し、正規のゲート電流が流れない期間に前記コアの２次側に発生する電圧に基づいて電圧駆動型半導体素子の異常検出を行う方法であって、
   前記電圧駆動型半導体素子のオン、オフ動作期間、即ちゲート線に正規のゲート電流が流れる期間は前記コアが励磁されないようにし、かつ、素子の定常状態の期間、即ちゲート電流が流れない期間に電流が流れた時コアが励磁されるようにすることにより、素子故障や誤パルスによる誤点弧、誤消弧を検出できるようにしたことを特徴とする電圧駆動型半導体素子の異常検出方法。
2. 上記コアが励磁された時、コアの入力インピーダンスが大きくなるように設定することで、ゲート線に流れる電流を抑制し、ゲート駆動回路の破壊等、二次破壊を防止できることを特徴とした、請求項１に記載の電圧駆動型半導体素子の異常検出方法。

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