JP4862405B2 - Insulated gate type power semiconductor device failure detection device - Google Patents
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本発明は、絶縁ゲート形パワー半導体素子の短絡故障や断線故障を検出する絶縁ゲート形パワー半導体素子の故障検出装置に関する。 The present invention relates to a failure detection apparatus for an insulated gate power semiconductor device that detects a short circuit failure or a disconnection failure of the insulated gate power semiconductor device.
一般に、電力変換器では、1個の半導体素子だけでは容量が不足する場合、複数個の半導体素子を並列接続したり直列接続したりして所定容量を得るようにしている。また、並列接続と直列接続とを組み合わせた電力変換器も採用されている。 Generally, in a power converter, when a capacity is insufficient with only one semiconductor element, a predetermined capacity is obtained by connecting a plurality of semiconductor elements in parallel or in series. Moreover, the power converter which combined the parallel connection and the series connection is also employ | adopted.
このような複数個の半導体素子で構成された電力変換器においては、1個の半導体素子の故障が健全な半導体素子に悪影響を及ぼすことがあるので、半導体素子の故障は速やかに検出できることが要請されている。そして、複数個の半導体素子のいずれかが故障した場合には、安全性を確保するために電力変換器の運転を停止するようにしている。 In such a power converter composed of a plurality of semiconductor elements, a failure of one semiconductor element may adversely affect a healthy semiconductor element. Therefore, it is required that the failure of the semiconductor element can be detected promptly. Has been. When any of the plurality of semiconductor elements fails, the operation of the power converter is stopped in order to ensure safety.
電力変換器を構成する半導体素子には、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などの絶縁ゲート形パワー半導体素子が用いられる。この絶縁ゲート形パワー半導体素子の故障には短絡故障と断線故障とがある。まず、絶縁ゲート形パワー半導体素子の短絡故障については、オフ時のコレクタ−エミッタ間電圧により故障検出を行う方法が広く知られている。絶縁ゲート形パワー半導体素子に短絡故障が発生するとオフ時のコレクタ−エミッタ間電圧がほぼ0Vになるため、短絡していることが検出できる。また、絶縁ゲート形パワー半導体素子の短絡故障を検出するものとして、ゲート電流のピーク値の大きさで短絡故障を判定し、絶縁ゲート形パワー半導体素子の故障を速やかに検出可能としたものがある(例えば、特許文献1参照)。 An insulated gate power semiconductor element such as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) is used as a semiconductor element constituting the power converter. There are a short circuit failure and a disconnection failure in the failure of the insulated gate power semiconductor element. First, as for a short-circuit fault of an insulated gate power semiconductor element, a method of detecting a fault by using a collector-emitter voltage when OFF is widely known. When a short circuit failure occurs in the insulated gate type power semiconductor element, the collector-emitter voltage at the time of OFF becomes almost 0 V, so that it can be detected that the short circuit has occurred. In addition, there is one that detects a short-circuit failure in the insulated gate power semiconductor element by determining the short-circuit failure based on the magnitude of the peak value of the gate current, so that the failure of the insulated gate power semiconductor element can be detected quickly. (For example, refer to Patent Document 1).
一方、絶縁ゲート形パワー半導体素子の断線故障については、半導体素子を並列接続していない場合は、電力変換器の断線故障となるため、各々の半導体素子の断線故障を特に検出する必要はなかった。また、半導体素子を並列接続している場合には、制御異常等で検出するまで運転を継続したり、微少抵抗を直列に接続してコレクタ−エミッタ間の電流を検出することなどで電力変換器を停止させていた。
しかし、複数個の半導体素子で構成された電力変換器を構成する1個の半導体素子の故障で、電力変換器の運転を停止するようにしているので、電力変換器の稼働率が低下する。 However, since the operation of the power converter is stopped due to the failure of one semiconductor element constituting the power converter composed of a plurality of semiconductor elements, the operating rate of the power converter is lowered.
そこで、予め容量の大きい半導体素子を使用し、1個の半導体素子が故障となっても残りの健全な半導体素子で容量を確保して電力変換器の停止を回避することも考えられるが、半導体素子の利用率が悪くなる。 Therefore, it is conceivable that a semiconductor element having a large capacity is used in advance, and even if one semiconductor element fails, it is possible to secure the capacity with the remaining healthy semiconductor elements to avoid stopping the power converter. The utilization factor of the element deteriorates.
例えば、3個の半導体素子を並列接続し、その3個の並列素子群を3段に直列接続して構成された電力変換器の場合、いずれかの半導体素子に断線故障が発生した場合には、その断線故障した半導体素子に並列接続された2個の半導体素子で3個分の電流を負担することになる。一方、いずれかの半導体素子に短絡故障が発生した場合には、その短絡故障した半導体素子に直列接続された残り2段の半導体素子で3段分の電圧を負担することになる。 For example, in the case of a power converter configured by connecting three semiconductor elements in parallel and connecting the three parallel element groups in series in three stages, if a disconnection failure occurs in any of the semiconductor elements Then, two semiconductor elements connected in parallel to the broken semiconductor element bear a current of three. On the other hand, when a short circuit failure occurs in any of the semiconductor elements, the remaining two stages of semiconductor elements connected in series with the short circuit semiconductor element bear the voltage for three stages.
なお、半導体素子の短絡故障の場合には、予め容量の大きい半導体素子を使用しても電力変換器の停止を回避することができない場合がある。すなわち、半導体素子が並列接続の場合には各々の半導体素子のオンオフ信号のタイミングを合わせるためにゲート駆動回路を共通としている場合があり、その場合、短絡故障の発生により、短絡故障が発生した半導体素子を含む並列素子群の健全な半導体素子についても、オフ時にはコレクターエミッタ間電圧が上昇せずにほぼ0Vとなる。オフ時の半導体素子のコレクターエミッタ間電圧がほぼ0Vであると、ゲート電源自給方式(ゲート駆動回路に必要な電力を別電源から受けることなく主回路自体から供給できる方式)では、健全な半導体素子のゲート電圧が確保できない。従って、健全素子がオフ状態となるので短絡故障が発生した半導体素子に電流が集中することになり、短絡故障が発生した半導体素子が熱破壊を起こす可能性がある。また、短絡故障が発生した半導体素子がある程度抵抗を持った状態で短絡故障している場合には、短絡故障が発生した半導体素子の影響で健全な半導体素子のゲート電圧が変動し、健全な半導体素子は不完全なオンオフを繰り返すことになる。この場合には、予め容量の大きい半導体素子を使用しても、さらなる素子故障に至る可能性がある。 In the case of a short circuit failure of a semiconductor element, it may not be possible to avoid stopping the power converter even if a semiconductor element having a large capacity is used in advance. That is, when the semiconductor elements are connected in parallel, the gate drive circuit may be shared in order to synchronize the timing of the on / off signals of the respective semiconductor elements. In this case, the semiconductor in which the short-circuit fault has occurred due to the occurrence of a short-circuit fault. Even in the case of a healthy semiconductor element of a parallel element group including elements, the collector-emitter voltage does not increase when turned off, and becomes approximately 0V. When the collector-emitter voltage of the semiconductor element at the time of off is almost 0 V, the gate power supply self-sufficiency system (a system that can supply power required for the gate drive circuit from the main circuit itself without receiving power from another power source) The gate voltage cannot be secured. Therefore, since the healthy element is turned off, the current is concentrated on the semiconductor element in which the short circuit failure has occurred, and the semiconductor element in which the short circuit failure has occurred may cause thermal destruction. In addition, when a semiconductor element in which a short-circuit fault has occurred has a short-circuit fault with a certain degree of resistance, the gate voltage of the sound semiconductor element fluctuates due to the influence of the semiconductor element in which the short-circuit fault has occurred. The element is repeatedly turned on and off incompletely. In this case, even if a semiconductor element having a large capacity is used in advance, there is a possibility of further element failure.
一方、半導体素子の故障検出に関しては、並列接続された複数個の絶縁ゲート形パワー半導体素子のいずれかに短絡故障が発生した場合には、短絡故障が発生した絶縁ゲート形パワー半導体素子のオフ時のコレクタ−エミッタ間電圧がほぼ0Vになるので、いずれかの絶縁ゲート形パワー半導体素子に短絡故障が発生していることは分かるが、どの絶縁ゲート形パワー半導体素子が短絡故障しているのかを検出することができない。 On the other hand, regarding the failure detection of a semiconductor element, when a short circuit failure occurs in any of a plurality of insulated gate power semiconductor elements connected in parallel, the insulated gate power semiconductor element in which the short circuit failure has occurred is turned off. Since the collector-emitter voltage of the semiconductor device is almost 0 V, it can be seen that a short circuit failure has occurred in any of the insulated gate type power semiconductor elements. It cannot be detected.
また、特許文献1のものでは、ゲート電流のピーク値の大きさで短絡故障を判定しているので、大きなピーク値が出ない故障電流を検出することができない。例えば、短絡故障が発生した素子のオンゲート電流が健全な半導体素子と比べて、継続時間が長く電流増加量が少ない場合には、故障を検出することはできなない。
Moreover, in the thing of
さらに、特許文献1のものは絶縁ゲート形パワー半導体素子の断線故障を検出する機能を有していない。一般に、絶縁ゲート形パワー半導体素子の断線故障は、半導体素子を並列接続していない場合には、主電流が遮断されるため変換器が停止となる。一方、半導体素子を並列接続している場合には、ゲートよりオン信号が出されているにも係わらす断線故障が発生した半導体素子には電流は流れず、他の健全素子にその分の電流を加えた電流が流れ、健全な半導体素子も素子故障に至る可能性があった。このため、瞬時に断線を検出し、電力変換器を停止する必要があった。しかしながら、断線故障の検出回路を設けずに、健全な半導体素子が異常を起こすまで運転したり、コレクタ−エミッタ間の電流により、断線故障を検出するなどにより電力変換器を停止させていた。
Furthermore, the thing of
本発明の目的は、絶縁ゲート形パワー半導体素子の短絡故障や断線故障を精度良く検出できる絶縁ゲート形パワー半導体素子の故障検出装置を提供することである。 An object of the present invention is to provide a failure detection device for an insulated gate power semiconductor element capable of accurately detecting a short circuit failure or a disconnection failure of the insulated gate power semiconductor element.
請求項1の発明に係わる絶縁ゲート形パワー半導体素子の故障検出装置は、絶縁ゲート形パワー半導体素子の断線故障を検出する絶縁ゲート形パワー半導体素子の故障検出装置において、少なくとも前記絶縁ゲート形パワー半導体素子のゲートよりゲート駆動回路へ流れ込むオフゲート電流を健全時の電流と比較して断線故障を検出する断線故障検出部を備えたことを特徴とする。 According to a first aspect of the present invention, there is provided a failure detection apparatus for an insulated gate power semiconductor element, wherein the failure detection apparatus for an insulated gate power semiconductor element detects a disconnection failure of the insulated gate power semiconductor element. An off-gate current flowing from the gate of the element to the gate drive circuit is compared with a current in a healthy state, and a disconnection fault detecting unit for detecting a disconnection fault is provided.
請求項2の発明に係わる絶縁ゲート形パワー半導体素子の故障検出装置は、絶縁ゲート形パワー半導体素子の短絡故障と断線故障を検出する絶縁ゲート形パワー半導体素子の故障検出装置において、前記絶縁ゲート形パワー半導体素子のゲート駆動回路からゲートに流れ込むオンゲート電流または前記絶縁ゲート形パワー半導体素子のゲートよりゲート駆動回路へ流れ込むオフゲート電流を健全時の電流と比較して短絡故障を検出する短絡故障検出部と、少なくとも前記絶縁ゲート形パワー半導体素子のゲートよりゲート駆動回路へ流れ込むオフゲート電流を健全時の電流と比較して断線故障を検出する断線故障検出部とを備えたことを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, there is provided a failure detection apparatus for an insulated gate type power semiconductor device, wherein the insulation gate type power semiconductor device detects a short circuit failure and a disconnection failure of the insulated gate type power semiconductor device. A short-circuit fault detection unit for detecting a short-circuit fault by comparing an on-gate current flowing from the gate drive circuit of the power semiconductor element into the gate or an off-gate current flowing from the gate of the insulated gate power semiconductor element into the gate drive circuit with a current in a healthy state; And a disconnection fault detecting unit for detecting a disconnection fault by comparing at least an off-gate current flowing from the gate of the insulated gate power semiconductor element into the gate drive circuit with a current in a healthy state.
請求項3の発明に係わる絶縁ゲート形パワー半導体素子の故障検出装置は、請求項1または2の発明において、前記断線故障検出部は、前記オフゲート電流が健全時の電流より小さいときは前記絶縁ゲート形パワー半導体素子の断線故障として検出することを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, there is provided the failure detection device for an insulated gate type power semiconductor device according to the first or second aspect , wherein the disconnection failure detection unit is configured to operate the insulated gate when the off-gate current is smaller than a healthy current. Detecting a disconnection failure of a power semiconductor element.
請求項4の発明に係わる絶縁ゲート形パワー半導体素子の故障検出装置は、請求項1または2の発明において、前記断線故障検出部は、前記絶縁ゲート形パワー半導体素子のオンゲート電流が健全時の電流とほぼ同じでありオフゲート電流が健全時の電流より小さいときは前記絶縁ゲート形パワー半導体素子のコレクタ側の断線故障として検出し、前記絶縁ゲート形パワー半導体素子のオンゲート電流及びオフゲート電流が健全時の電流より小さいときは前記絶縁ゲート形パワー半導体素子のエミッタ側の断線故障として検出することを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the failure detection device for an insulated gate power semiconductor element according to the first or second aspect , wherein the disconnection fault detection unit is a current when the on-gate current of the insulated gate power semiconductor element is healthy. When the off-gate current is smaller than the current at the time of sound, it is detected as a disconnection failure on the collector side of the insulated gate power semiconductor element, and the on-gate current and off-gate current of the insulated gate power semiconductor element are When the current is smaller than the current, it is detected as a disconnection failure on the emitter side of the insulated gate power semiconductor element.
請求項5の発明に係わる絶縁ゲート形パワー半導体素子の故障検出装置は、請求項1ないし4のいずれか一の発明において、前記短絡故障検出部または前記断線故障検出部は、オンゲート電流またはオフゲート電流の絶対値を積分し、その積分値と予め定めた所定値との比較により、短絡故障または断線故障を検出することを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, there is provided the failure detection apparatus for an insulated gate power semiconductor device according to any one of the first to fourth aspects, wherein the short-circuit fault detection unit or the disconnection fault detection unit is an on-gate current or an off-gate current. Is integrated, and a short circuit failure or a disconnection failure is detected by comparing the integrated value with a predetermined value.
請求項6の発明に係わる絶縁ゲート形パワー半導体素子の故障検出装置は、請求項5の発明において、前記予め定めた所定値は、健全な複数個の絶縁ゲート形パワー半導体素子のオンゲート電流またはオフゲート電流の平均値、または自己の絶縁ゲート形パワー半導体素子の過去のオンゲート電流またはオフゲート電流のデータ値であることを特徴とする。 According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a failure detection apparatus for an insulated gate type power semiconductor device according to the fifth aspect , wherein the predetermined value is an on-gate current or an off gate of a plurality of healthy insulated gate type power semiconductor devices. It is an average value of current or a data value of past on-gate current or off-gate current of the self-insulated gate type power semiconductor element.
本発明によれば、絶縁ゲート形パワー半導体素子のオンゲート電流またはオフゲート電流を健全時の電流と比較して絶縁ゲート形パワー半導体素子の短絡故障または断線故障を検出するので、簡素な回路で絶縁ゲート形パワー半導体素子の短絡故障または断線故障を精度良く検出できる。 According to the present invention, the on-gate current or off-gate current of the insulated gate type power semiconductor device is compared with the current at the time of health to detect a short circuit failure or disconnection failure of the insulated gate type power semiconductor device. It is possible to accurately detect a short circuit failure or a disconnection failure of a power semiconductor element.
図1は本発明の実施の形態に係わる電力変換部の構成図である。本実施例の電力変換部は、複数個の半導体素子が並列接続して形成された並列素子群を多段に直列接続して構成されている。図1では3個の半導体素子が並列接続された並列素子群を3段に直列接続した電力変換部を示している。 FIG. 1 is a configuration diagram of a power conversion unit according to an embodiment of the present invention. The power conversion unit of the present embodiment is configured by serially connecting multiple parallel element groups formed by connecting a plurality of semiconductor elements in parallel. FIG. 1 shows a power conversion unit in which parallel element groups in which three semiconductor elements are connected in parallel are connected in series in three stages.
例えば、第1段の並列素子群11aには3個の半導体素子12a1、12a2、12a3が並列接続され、第2段の並列素子群11bには3個の半導体素子12b1、12b2、12b3が並列接続され、第3段の並列素子群11cには3個の半導体素子12c1、12c2、12c3が並列接続され、これら第1段の並列素子群11a、第2段の並列素子群11b、第3段の並列素子群11cが3段に直列接続されて電力変換部が構成されている。電力変換器は、この電力変換部を複数組み合わせて構成される。
For example, three semiconductor elements 12a1, 12a2, and 12a3 are connected in parallel to the first-stage parallel element group 11a, and three semiconductor elements 12b1, 12b2, and 12b3 are connected in parallel to the second-stage
各々の並列素子群11a、11b、11cには、それぞれゲート駆動回路13a、13b、13cが設けられている。ゲート駆動回路13は、電力変換部を構成する各々の半導体素子12のゲートにゲート信号を出力するものであり、それぞれ並列素子群11の並列接続された半導体素子12に対して共通に設けられている。例えば、ゲート駆動回路13aは第1段の並列素子群11aの並列接続された3個の半導体素子12a1、12a2、12a3に対して共通に設けられ、3個の半導体素子12a1、12a2、12a3のゲートにほぼ同じタイミングでゲート信号を出力する。ゲート駆動回路13b、13cについても同様である。ここで、ゲート駆動回路13を並列素子群11の並列接続された半導体素子12に対して共通に設けているのは、並列接続された半導体素子12のオンオフのタイミングをほぼ同時に行えるようにするためであり、並列素子群11を構成する各々の半導体素子12それぞれに対し駆動回路を設け、並列接続された半導体素子12のオンオフのタイミングをほぼ同時とするように制御することも可能である。
Each
第1段のゲート駆動回路13aからのゲート信号は、並列接続されたゲート入力抵抗Ra1、Ra2、Ra3にそれぞれ入力され、スイッチSa1、Sa2、Sa3を介して、第1段の並列素子群11aの並列接続された3個の半導体素子12a1、12a2、12a3にゲート信号を出力する。第2段のゲート駆動回路13b及び第3のゲート駆動回路13cのゲート信号についても同様に、並列接続されたゲート入力抵抗Rb1、Rb2、Rb3(Rc1、Rc2、Rc3)にそれぞれ入力され、スイッチSb1、Sb2、Sb3(Sc1、Sc2、Sc3)を介して、第2段の並列素子群11b(第3段の並列素子群11c)の並列接続された3個の半導体素子12b1、12b2、12b3(12c1、12c2、12c3)にゲート信号を出力する。
Gate signals from the first-stage
故障検出装置14は電力変換部を構成する個々の半導体素子12の故障を個別に検出するものである。すなわち、第1段の並列素子群11aの並列接続された3個の半導体素子12a1、12a2、12a3、第2段の並列素子群11bの並列接続された3個の半導体素子12b1、12b2、12b3、第3段の並列素子群11cの並列接続された3個の半導体素子12c1、12c2、12c3の各々のゲート電流Iga1〜Igc3に基づいて、個々の半導体素子12の故障を個別に検出する。そして、例えば、半導体素子12a1の故障を検出したときは、故障した半導体素子12a1のスイッチSa1をオフするように、いずれかの半導体素子12の故障を検出したときは、故障した半導体素子12のスイッチSをオフする。なお、スイッチSとしては小容量のMOSFET等が使用できる。
The
これにより、短絡故障が発生した半導体素子へのゲート電流の供給が遮断されるので、健全な半導体素子へのゲート信号発生時にゲート電源電圧の低下を防止できる。従って、健全な半導体素子に対しゲート電流の供給が可能となり、半導体素子に短絡故障が発生した場合であっても電力変換器の運転継続が可能となる。 As a result, the supply of the gate current to the semiconductor element in which the short-circuit failure has occurred is interrupted, so that it is possible to prevent the gate power supply voltage from being lowered when the gate signal is generated to the healthy semiconductor element. Accordingly, it is possible to supply a gate current to a healthy semiconductor element, and it is possible to continue the operation of the power converter even when a short circuit failure occurs in the semiconductor element.
さらに、短絡故障が発生した半導体素子と並列接続された健全な半導体素子のゲートにオン信号を出し続けるようにすれば、健全な半導体素子をオフすることがなくなり、短絡故障が発生した半導体素子の影響による過電圧や過電流を防止できる。 Furthermore, if the ON signal is continuously output to the gate of the healthy semiconductor element connected in parallel with the semiconductor element in which the short-circuit fault has occurred, the sound semiconductor element will not be turned off, and the semiconductor element in which the short-circuit fault has occurred can be prevented. Overvoltage and overcurrent due to influence can be prevented.
また、断線故障が発生した半導体素子に対してもゲート電流の供給が遮断されるので、ゲートからゲート駆動回路への回り込み電流を防止でき、断線故障が発生した半導体素子に発生する異常電圧や異常電流の発生を防止できる。従って、健全な半導体素子に対しゲート電流の供給が可能となり、半導体素子に断線故障が発生した場合であっても電力変換器の運転継続が可能となる。 In addition, since the gate current supply is cut off even for the semiconductor element in which the disconnection failure has occurred, the sneak current from the gate to the gate drive circuit can be prevented, and the abnormal voltage or abnormality generated in the semiconductor element in which the disconnection failure has occurred. Generation of current can be prevented. Accordingly, it is possible to supply a gate current to a healthy semiconductor element, and it is possible to continue operation of the power converter even when a disconnection failure occurs in the semiconductor element.
次に、故障検出装置14での半導体素子12の故障検出について説明する。図2は、半導体素子12の故障検出装置のブロック構成図である。ただし、説明のため、一つの半導体素子の故障検出について示したものである。半導体素子12は、コレクタC、エミッタE、ゲートGを有し、ゲートGとエミッタEとの間にゲート駆動回路13からゲート電圧Vgeを印加して、オンオフ制御を行う。ゲートGにはゲート入力抵抗Rgが設けられ、このゲート入力抵抗Rgを流れるゲート電流Igが故障検出装置14の電流検出部15で検出される。電流検出部15はゲート入力抵抗Rgの両端電圧によりゲート電流Igを検出する。なお、本実施例ではゲート電流をゲート入力抵抗の両端電圧より検出しているが、例えばゲート入力抵抗とは別にゲート電流検出用抵抗を設け、その両端電圧からゲート電流を検出するなどの別の方法を用いてもよい。
Next, failure detection of the
故障検出装置14の電流検出部15で検出されたゲート電流Igは、断線故障検出部16及び短絡故障検出部17に入力される。短絡故障検出部17はゲート駆動回路13からゲートGに流れ込むオンゲート電流またはゲートGよりゲート駆動回路13へ流れ込むオフゲート電流を健全時の電流と比較して短絡故障を検出する。また、断線故障検出部16は、少なくともゲートGよりゲート駆動回路13へ流れ込むオフゲート電流を健全時の電流と比較して断線故障を検出する。
The gate current Ig detected by the
図3は半導体素子がIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などの絶縁ゲート形パワー半導体素子である場合のオンゲート電流及びオフゲート電流の説明図である。いま、時点t1で半導体素子のゲートGとエミッタEとの間にゲート電圧Vgeを印加したとするとオンゲート電流Ig1が流れる。オンゲート電流Ig1は、時点t1〜時点t2のゲート電圧Vgeの急峻な立ち上がり期間T1において比較的大きな値のオンゲート電流Ig11となり、時点t2〜時点t3のゲート電圧Vgeの緩慢な立ち上がり期間T2において比較的小さな値のオンゲート電流Ig12となる。つまり、時点t1でのゲート電圧Vgeの印加によりオンゲート電流Ig11が流れて、半導体素子はオンを開始し時点t3でオン状態となる。 FIG. 3 is an explanatory diagram of on-gate current and off-gate current when the semiconductor element is an insulated gate power semiconductor element such as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). Assuming that a gate voltage Vge is applied between the gate G and the emitter E of the semiconductor element at time t1, an on-gate current Ig1 flows. The on-gate current Ig1 becomes a relatively large on-gate current Ig11 in the steep rising period T1 of the gate voltage Vge from the time point t1 to the time point t2, and is relatively small in the slow rising period T2 of the gate voltage Vge from the time point t2 to the time point t3. Value of the on-gate current Ig12. That is, the on-gate current Ig11 flows due to the application of the gate voltage Vge at time t1, and the semiconductor element starts to turn on and is turned on at time t3.
そして、時点t4でゲート電圧Vgeを低下させたとするとオフゲート電流Ig2が流れる。オフゲート電流Ig2は、ゲート電圧Vgeの立ち下がりにより時点t4〜時点t5の期間T5において比較的大きな値のオフゲート電流Ig21となり、時点t5〜時点t6のゲート電圧Vgeの急峻な立ち下がり期間T4において比較的小さな値のオフゲート電流Ig22となる。つまり、時点t4でゲート電圧Vgeを低下によりオフゲート電流Ig21が流れて、半導体素子はオフを開始し時点t6でオフ状態となる。 If the gate voltage Vge is reduced at time t4, an off-gate current Ig2 flows. The off-gate current Ig2 becomes a relatively large off-gate current Ig21 in the period T5 from the time point t4 to the time point t5 due to the fall of the gate voltage Vge, and the off-gate current Ig2 is relatively large in the sharp fall period T4 of the gate voltage Vge from the time point t5 to the time point t6. The off-gate current Ig22 has a small value. That is, the off-gate current Ig21 flows due to the decrease in the gate voltage Vge at time t4, the semiconductor element starts to turn off, and is turned off at time t6.
図4は半導体素子が健全時のオンゲート電流及びオフゲート電流の説明図であり、図4(a)はオンゲート電流Ig11、Ig12の説明図、図4(b)はオフゲート電流Ig21、Ig22の説明図である。半導体素子が健全であるときは、ゲート電圧Vgeを印加すると、所定範囲内の大きさの図3に示した特性のオンゲート電流Ig11、Ig12が流れ、ゲート電圧Vgeを低下させると所定範囲内の大きさの図3に示した特性のオフゲート電流Ig21、Ig22が流れる。 4 is an explanatory diagram of the on-gate current and off-gate current when the semiconductor element is healthy, FIG. 4A is an explanatory diagram of the on-gate currents Ig11 and Ig12, and FIG. 4B is an explanatory diagram of the off-gate currents Ig21 and Ig22. is there. When the semiconductor element is healthy, when the gate voltage Vge is applied, the on-gate currents Ig11 and Ig12 having the characteristics shown in FIG. 3 having a magnitude within a predetermined range flow, and when the gate voltage Vge is lowered, the magnitude is within a predetermined range. The off-gate currents Ig21 and Ig22 having the characteristics shown in FIG.
この半導体素子の健全時のオンゲート電流Ig1及びオフゲート電流Ig2は所定値として予め故障検出装置14に記憶される。この予め定めた所定値は、例えば、オンゲート電流Ig1やオフゲート電流Ig2の絶対値を積分して、その積分値をオンゲート電流Ig1やオフゲート電流Ig2の値とする。この場合、健全な複数個の半導体素子のオンゲート電流またはオフゲート電流の平均値を採用することも可能である。また、故障検出対象となる自己の半導体素子の過去のオンゲート電流またはオフゲート電流のデータ値を用いることも可能である。さらに、所定値に安全率を見込むことも可能である。
The on-gate current Ig1 and off-gate current Ig2 when the semiconductor element is healthy are stored in advance in the
そして、故障検出装置14では、オンゲート電流Ig1またはオフゲート電流Ig2の絶対値を積分し、その積分値と予め定めた所定値との比較により、短絡故障や断線故障を検出することになる。
Then, the
次に、短絡故障検出部17での短絡故障の検出方法について説明する。図5は絶縁ゲート形パワー半導体素子が短絡故障時であるときのオンゲート電流及びオフゲート電流の説明図であり、図5(a)はオンゲート電流Ig11、Ig12の説明図、図5(b)はオフゲート電流Ig21、Ig22の説明図である。
Next, a short-circuit fault detection method in the short-circuit
絶縁ゲート形パワー半導体素子の短絡故障は、コレクタCとエミッタEとの間が短絡している状態であるので、図5(a)に示すように絶縁ゲート形パワー半導体素子のオンゲート電流Ig11、Ig12は健全時のオンゲート電流Ig11、Ig12より大きくなる。同様に、絶縁ゲート形パワー半導体素子のオフゲート電流Ig21、Ig22も、図5(b)に示すように健全時のオフゲート電流Ig21、Ig22より大きくなる。 Since the short-circuit failure of the insulated gate type power semiconductor element is a state where the collector C and the emitter E are short-circuited, the on-gate currents Ig11 and Ig12 of the insulated gate type power semiconductor element as shown in FIG. Becomes larger than the on-gate currents Ig11 and Ig12 in a healthy state. Similarly, the off-gate currents Ig21 and Ig22 of the insulated gate power semiconductor element are also larger than the off-gate currents Ig21 and Ig22 in a healthy state as shown in FIG. 5B.
表1は半導体素子が短絡故障時のゲート電流のこの特性を示す表である。すなわち、短絡故障時と健全時とのオンゲート電流Ig11、Ig12、オフゲート電流Ig21、Ig22の比及び検出の可否を示す。
短絡故障検出部17は、この短絡故障時の状態を検出する。すなわち、絶縁ゲート形パワー半導体素子のオンゲート電流Ig1またはオフゲート電流Ig2が健全時の電流より大きいときに絶縁ゲート形パワー半導体素子の短絡故障として検出する。この場合、短絡故障検出の精度を向上させるために、判定回数を設定し同じ現象が複数回続いたときに短絡故障として判定するようにしても良い。また、オンゲート電流Ig1及びオフゲート電流Ig2の双方が健全時の電流より大きいときに絶縁ゲート形パワー半導体素子の短絡故障として検出するようにしてもよい。
The short circuit
次に、断線故障検出部16での断線故障の検出方法について説明する。図6は絶縁ゲート形パワー半導体素子のコレクタ側の断線故障時であるときのオンゲート電流及びオフゲート電流の説明図であり、図6(a)はオンゲート電流Ig11、Ig12の説明図、図6(b)はオフゲート電流Ig21、Ig22の説明図である。
Next, a disconnection failure detection method in the disconnection
図6(a)に示すように、絶縁ゲート形パワー半導体素子のコレクタ側のF1点で断線故障しているとすると、コレクタCとエミッタEとの間は断線状態となるが、ゲートGとエミッタEとの間は健全状態とほぼ同じ状態である。従って、ゲートGとエミッタEとの間にゲート電圧Vgeが印加されると、健全時と同様なオンゲート電流Ig11、Ig12が流れる。 As shown in FIG. 6A, if a disconnection failure occurs at the F1 point on the collector side of the insulated gate type power semiconductor element, a disconnection state occurs between the collector C and the emitter E, but the gate G and the emitter. Between E, the state is almost the same as the healthy state. Therefore, when the gate voltage Vge is applied between the gate G and the emitter E, the on-gate currents Ig11 and Ig12 similar to those in the normal state flow.
一方、オフゲート電流Ig21、Ig22は、図6(b)に示すように、健全時のオフゲート電流Ig21、Ig22より小さくなる。これは、健全時においては、絶縁ゲート形パワー半導体素子が導通しているときにコレクタCとエミッタEとの間に蓄積された電荷がオフゲート電流Ig21、Ig22に重畳されて流れるが、コレクタ側のF1点で断線故障している場合においては、コレクタCとエミッタEとの間に電荷は蓄積されないので、オフゲート電流Ig21、Ig22に重畳される電荷がないからである。 On the other hand, the off-gate currents Ig21 and Ig22 are smaller than the off-gate currents Ig21 and Ig22 in a healthy state, as shown in FIG. 6B. In a healthy state, the charge accumulated between the collector C and the emitter E flows while being superimposed on the off-gate currents Ig21 and Ig22 when the insulated gate power semiconductor element is conducting. This is because when a disconnection failure occurs at the point F1, no charge is accumulated between the collector C and the emitter E, so that there is no charge superimposed on the off-gate currents Ig21 and Ig22.
表2は半導体素子がコレクタ側で断線故障した場合のゲート電流の特性を示す表である。すなわち、コレクタ側での断線故障時と健全時とのオンゲート電流Ig11、Ig12、オフゲート電流Ig21、Ig22の比及び検出の可否を示す。
断線故障検出部16は、このコレクタ側の断線故障時の状態を検出する。すなわち、絶縁ゲート形パワー半導体素子のオンゲート電流Ig1(Ig11、Ig12)が健全時の電流とほぼ同じであり、かつ、オフゲート電流Ig2(Ig21、Ig22)が健全時の電流より小さいときは絶縁ゲート形パワー半導体素子のコレクタ側の断線故障として検出する。
The disconnection
図7は絶縁ゲート形パワー半導体素子のエミッタ側の断線故障時であるときのオンゲート電流及びオフゲート電流の説明図であり、図7(a)はオンゲート電流Ig11、Ig12の説明図、図7(b)はオフゲート電流Ig21、Ig22の説明図である。 FIG. 7 is an explanatory diagram of on-gate current and off-gate current at the time of disconnection failure on the emitter side of the insulated gate type power semiconductor device, FIG. 7 (a) is an explanatory diagram of on-gate currents Ig11 and Ig12, and FIG. ) Is an explanatory diagram of the off-gate currents Ig21 and Ig22.
図7(a)に示すように、絶縁ゲート形パワー半導体素子のエミッタ側のF2点で断線故障しているとすると、コレクタCとエミッタEとの間は断線状態となり、ゲートGとエミッタEとの間も断線状態となる。従って、ゲートGとエミッタEとの間にゲート電圧Vgeが印加されても、オンゲート電流Ig11、Ig12はほとんど流れない。完全に断線している場合にはオンゲート電流Ig11、Ig12は零である。オフゲート電流Ig21、Ig22も同様に、図7(b)に示すように、ほとんど流れなくなる。 As shown in FIG. 7 (a), if a disconnection failure occurs at point F2 on the emitter side of the insulated gate type power semiconductor element, the collector C and the emitter E are disconnected, and the gate G and the emitter E During this period, the wire is disconnected. Therefore, even when the gate voltage Vge is applied between the gate G and the emitter E, the on-gate currents Ig11 and Ig12 hardly flow. In the case of complete disconnection, the on-gate currents Ig11 and Ig12 are zero. Similarly, as shown in FIG. 7B, the off-gate currents Ig21 and Ig22 hardly flow.
表3は半導体素子がエミッタ側で断線故障した場合のゲート電流の特性を示す表である。すなわち、エミッタ側での断線故障時と健全時とのオンゲート電流Ig11、Ig12、オフゲート電流Ig21、Ig22の比及び検出の可否を示す。
断線故障検出部16は、このエミッタ側の断線故障時の状態を検出する。すなわち、半導体素子のオンゲート電流Ig1(Ig11、Ig12)及びオフゲート電流Ig2(Ig21、Ig22)が健全時の電流より小さいときは半導体素子のエミッタ側の断線故障として検出する。
The disconnection
このように、断線故障検出部16は、ゲート駆動回路13よりゲートGへ流れ込むオンゲート電流は変化しないが、ゲートGよりゲート駆動回路13へ流れ込むオフゲート電流が減少することを検出したときは、コレクタ側の断線故障であると判断し、ゲート駆動回路13よりゲートGへ流れ込むオンゲート電流が減少し、ゲートGよりゲート駆動回路13へ流れ込むオフゲート電流がほぼ零になったことを検出したときは、エミッタ側の断線故障であると判断する。
As described above, the disconnection
また、コレクタ側の断線故障か、エミッタ側の断線故障化の識別が必要ないときは、オフゲート電流が健全時の電流より小さいときは絶縁ゲート形パワー半導体素子の断線故障として検出することも可能である。 In addition, when it is not necessary to identify the collector-side disconnection failure or the emitter-side disconnection failure, it is also possible to detect the disconnection failure of the insulated gate type power semiconductor element when the off-gate current is smaller than the normal current. is there.
本発明の実施の形態によれば、絶縁ゲート形パワー半導体素子の主回路(コレクタ−エミッタ間)の電流を検出することなく、ゲートGに流れるゲート電流を健全時の電流と比較して短絡故障や断線故障を検出できる。また、絶縁ゲート形パワー半導体素子の短絡故障だけでなく断線故障も検出でき、しかも断線故障の場合はコレクタ側の断線故障かエミッタ側の断線故障かも判断できるので、絶縁ゲート形パワー半導体素子の故障検出の信頼性を向上できる。 According to the embodiment of the present invention, the gate current flowing through the gate G is compared with the current in the normal state without detecting the current in the main circuit (between the collector and the emitter) of the insulated gate type power semiconductor element, and thus the short circuit failure. And disconnection failure can be detected. In addition to detecting short circuit failures in insulated gate type power semiconductor elements, disconnection faults can also be detected, and in the case of disconnection faults, it is possible to determine whether a collector side disconnection fault or an emitter side disconnection fault has occurred. The reliability of detection can be improved.
また、故障検出装置14は故障の半導体素子を検出すると、当該故障素子のスイッチをオフにして、故障の半導体素子をゲート駆動回路から切り離す。ゲート電源自給方式の場合、半導体素子に短絡故障が発生するとゲート電源電圧の低下を招くが、短絡故障の半導体素子をゲート駆動回路から切り離すのでゲート電源電圧の低下を防止できる。従って、健全な半導体素子が不完全なオンオフを繰り返すことによる素子故障を回避できる。また、ゲート電源を確保できることにより、健全な半導体素子は通常のオンオフができ、短絡故障の半導体素子に集中して流れる電流防止により運転継続が可能となる。また、断線故障の半導体素子に対しては不要なゲートへのゲート電流流入を防止できる。すなわち、半導体素子を並列接続した場合の短絡故障や断線故障を検出し、その故障半導体素子をゲート駆動回路から切り離して継続運転継続することが可能となるので、電力変換器の信頼性を向上できる。
Further, when the
11…並列素子群、12…半導体素子、13…ゲート駆動回路、14…故障検出装置、15…電流検出部、16…断線故障検出部、17…短絡故障検出部
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