JP5343675B2 - Semiconductor drive device - Google Patents
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Description
本発明は、IGBTなどの半導体デバイスをオン・オフする駆動回路において、半導体デバイスが短絡破壊して低インピーダンスとなった時の、駆動回路の保護に関する。 The present invention relates to protection of a drive circuit in a drive circuit that turns on and off a semiconductor device such as an IGBT when the semiconductor device is short-circuited to a low impedance.
従来技術の一例に関する回路構成を、図４に示す。この図において、E3、E4がそれぞれ、順バイアス用電源、逆バイアス用電源、Tr5、Tr6はそれぞれ、順バイアス用、逆バイアス用スイッチ素子、R5、R6はそれぞれ、順バイアス用、逆バイアス用のゲート抵抗を表している。終段ドライバ回路DCCは、制御信号に応じて、Tr5とTr6を駆動するための回路である。ここでは、半導体デバイスとしてIGBT（IGBT2）を用いている。 A circuit configuration relating to an example of the prior art is shown in FIG. In this figure, E3 and E4 are forward bias power supply and reverse bias power supply, Tr5 and Tr6 are forward bias and reverse bias switch elements, and R5 and R6 are forward bias and reverse bias respectively. Represents gate resistance. The final stage driver circuit DCC is a circuit for driving Tr5 and Tr6 according to the control signal. Here, IGBT (IGBT2) is used as a semiconductor device.
このような構成において、半導体デバイスに短絡破壊が発生すると、全端子間G2、C2、E2で短絡破壊する可能性が非常に大きい。そのため、図４の場合では、ゲート端子G2とエミッタ端子E2の間が短絡状態となると、これらの端子間に接続されている駆動回路の出力が、短絡されることになり、順バイアス用スイッチ素子Tr5がオンしている場合には、順バイアス用電源E3と順バイアス用ゲート抵抗R5で決まる大きな電流が流れ続け、また逆バイアス用スイッチ素子Tr6がオンしている場合には、逆バイアス用電源E4と逆バイアス用ゲート抵抗R6で決まる大きな電流が流れ続ける。 In such a configuration, when a short-circuit breakdown occurs in a semiconductor device, the possibility of a short-circuit breakdown at all terminals G2, C2, and E2 is very high. Therefore, in the case of FIG. 4, when the gate terminal G2 and the emitter terminal E2 are short-circuited, the output of the drive circuit connected between these terminals is short-circuited, and the forward bias switch element. When Tr5 is on, a large current determined by forward bias power supply E3 and forward bias gate resistor R5 continues to flow, and when reverse bias switch element Tr6 is on, reverse bias power supply A large current determined by E4 and the reverse bias gate resistance R6 continues to flow.
図４の回路方式では、半導体デバイスの破壊を考慮すると、このような電流を許容できるように設計することが必須であり、電流が流れるバイアス用電源E3、E4と、各ゲート抵抗R5、R6の容量が非常に大きくなって、駆動回路の大形化と高コスト化につながる。 In consideration of the destruction of the semiconductor device, the circuit system of FIG. 4 must be designed to allow such a current. The bias power supplies E3 and E4 through which the current flows and the gate resistors R5 and R6 The capacity becomes very large, leading to an increase in size and cost of the drive circuit.
このような課題を改善する従来技術として、図５に示す方式がある。Tr7、Tr8、およびR7、R8は図４と同様、バイアス用スイッチ素子、およびゲート抵抗を表している。また、F1、F2、F3はヒューズであり、SW1、SW2はそれぞれ、ヒューズF2又はF3を介して電源E5、E6を短絡するためのスイッチである。 As a conventional technique for improving such a problem, there is a method shown in FIG. Tr7, Tr8, and R7, R8 represent a bias switch element and a gate resistance, as in FIG. F1, F2, and F3 are fuses, and SW1 and SW2 are switches for short-circuiting the power supplies E5 and E6 via the fuses F2 and F3, respectively.
この回路構成において、半導体デバイスであるIGBT3に短絡破壊が発生した時の動作を説明する。IGBT3が短絡し、コレクタに大電流が流れると、ヒューズF1が溶断する。このヒューズF1には溶断を検出する手段が設けられており、これを検出すると、スイッチSW1とSW2がオンするようにしている。これらのスイッチがオンすると、各バイアス用電源E5、E6がヒューズF2、F3を介して短絡され、ヒューズF2、F3が溶断される。このような動作により、バイアス用半導体スイッチTr7、Tr8がバイアス用電源から短時間で切り離されるため、図４で発生した駆動回路内での大電流は発生することは無くなる。
図４および図５に示した駆動回路方式は、特許文献１に開示されている。
In this circuit configuration, an operation when a short-circuit breakdown occurs in the
The drive circuit system shown in FIGS. 4 and 5 is disclosed in Patent Document 1.
従来技術では、駆動回路にヒューズを設けて、半導体デバイスが破壊した場合には、これらのヒューズを積極的に溶断させることで、駆動回路の保護を実現している。しかし、この方式では、半導体デバイスの故障を検出するために、主電流が流れる回路にもヒューズが必要であり、大容量装置においては、回路が大形化する。また、保護回路が動作した後は、各ヒューズを交換する必要があるため、駆動回路の数が多い装置では、故障回復に非常に長い時間が必要となる。
したがって、本発明の課題は、ヒューズを用いずに半導体デバイスの短絡破壊を検出し、駆動回路を保護することである。
In the prior art, when a semiconductor device is destroyed by providing fuses in the drive circuit, the fuses are actively blown to realize protection of the drive circuit. However, in this method, in order to detect a failure of a semiconductor device, a circuit through which a main current flows also needs a fuse, and the circuit becomes large in a large capacity device. In addition, since it is necessary to replace each fuse after the protection circuit is operated, an apparatus having a large number of drive circuits requires a very long time for failure recovery.
Accordingly, an object of the present invention is to detect a short circuit breakdown of a semiconductor device without using a fuse and to protect a driving circuit.
上述の課題を解決するために、第1の発明においては、半導体素子をオンするための、順バイアス電源、第１のスイッチ素子、及びオンゲート抵抗を備えたオン駆動回路と、前記半導体素子をオフするための、逆バイアス電源、第２のスイッチ素子、及びオフゲート抵抗を備えたオフ駆動回路と、を有する駆動装置において、前記オンゲート抵抗に第１のサーミスタを、前記オフゲート抵抗に第２のサーミスタを、各々設置して、前記各サーミスタに定常的に電流が流れるように構成し、前記いずれかのゲート抵抗の温度が上昇した時に、前記該当するサーミスタの抵抗値が変化して電流が変化することで、前記第1又は第２のスイッチ素子をオフさせる手段を備える。 In order to solve the above-described problem, in the first invention, an on-drive circuit including a forward bias power source, a first switch element, and an on-gate resistor for turning on the semiconductor element, and turning off the semiconductor element In the driving device having a reverse bias power source, a second switch element, and an off-gate resistor, a first thermistor is used as the on-gate resistor, and a second thermistor is used as the off-gate resistor. Each of the thermistors is installed and configured so that a current constantly flows, and when the temperature of any one of the gate resistors rises, the resistance value of the corresponding thermistor changes and the current changes. And means for turning off the first or second switch element.
第２の発明においては、前記第1のスイッチ素子をオフさせる手段は、前記半導体駆動装置の電源の正極と負極との間に接続した第1の抵抗と前記第1のサーミスタとの直列回路を用いて、前記第1の抵抗の両端電圧に応じてオン又はオフする第３のスイッチ素子とする。 In the second invention, the means for turning off the first switch element comprises a series circuit of a first resistor and the first thermistor connected between a positive electrode and a negative electrode of a power source of the semiconductor drive device. The third switch element is turned on or off according to the voltage across the first resistor.
第３の発明においては、前記第２のスイッチ素子をオフさせる手段は、前記半導体駆動装置の電源の正極と負極との間に接続した第２の抵抗と前記第２のサーミスタとの直列回路を用いて、前記第２の抵抗の両端電圧に応じてオン又はオフする第４のスイッチ素子とする。 In a third invention, the means for turning off the second switch element comprises a series circuit of a second resistor and the second thermistor connected between a positive electrode and a negative electrode of a power source of the semiconductor drive device. The fourth switch element is turned on or off according to the voltage across the second resistor.
第４の発明においては、前記第1のスイッチ素子をオフさせる手段は、前記半導体駆動装置の電源の正極と負極との間に接続した第１の抵抗と、前記第１のサーミスタと、前記第２のサーミスタと、第２の抵抗との直列回路を用いて、前記第1の抵抗の両端電圧に応じてオン又はオフする第３のスイッチ素子とする。 In a fourth invention, the means for turning off the first switch element includes a first resistor connected between a positive electrode and a negative electrode of a power source of the semiconductor drive device, the first thermistor, A series circuit of two thermistors and a second resistor is used as a third switch element that is turned on or off in accordance with the voltage across the first resistor.
第５の発明においては、前記第２のスイッチ素子をオフさせる手段は、前記半導体駆動装置の電源の正極と負極との間に接続した第１の抵抗と、前記第１のサーミスタと、前記第２のサーミスタと、第２の抵抗との直列回路を用いて、前記第２の抵抗の両端電圧に応じてオン又はオフする第４のスイッチ素子とする。 In a fifth aspect, the means for turning off the second switch element includes a first resistor connected between a positive electrode and a negative electrode of a power source of the semiconductor drive device, the first thermistor, By using a series circuit of two thermistors and a second resistor, a fourth switch element that is turned on or off in accordance with the voltage across the second resistor is used.
本発明では、オンゲート抵抗に第１のサーミスタを、オフゲート抵抗に第２のサーミスタを、各々設置して、前記各サーミスタに定常的に電流が流れるように構成し、前記いずれかのゲート抵抗の温度が上昇した時に、前記該当するサーミスタの抵抗値が変化して電流が変化することで、前記第1又は第２のスイッチ素子をオフさせる手段を備えているため、半導体デバイス用のヒューズや駆動回路電源を遮断するヒューズが不要となる。
この結果、装置の小型化と、故障回復時の部品交換時間の短縮が可能となる。
In the present invention, a first thermistor is installed in the on-gate resistor, a second thermistor is installed in the off-gate resistor, and a current flows constantly through each thermistor. When the resistance rises, the resistance value of the corresponding thermistor changes to change the current, thereby providing means for turning off the first or second switch element. A fuse to shut off the power supply is not necessary.
As a result, it is possible to reduce the size of the apparatus and shorten the part replacement time at the time of failure recovery.
本発明の要点は、オンゲート抵抗に第１のサーミスタを、オフゲート抵抗に第２のサーミスタを、各々設置して、前記各サーミスタに定常的に電流が流れるように構成し、前記いずれかのゲート抵抗の温度が上昇した時に、前記該当するサーミスタの抵抗値が変化して電流が変化することで、前記第1又は第２のスイッチ素子をオフさせる手段を備えている点である。 The gist of the present invention is that a first thermistor is installed in an on-gate resistor, a second thermistor is installed in an off-gate resistor, and a current flows constantly through each thermistor. When the temperature rises, the resistance value of the corresponding thermistor changes to change the current, thereby providing means for turning off the first or second switch element.
図１に、本発明の第1の実施例を示す。この図において、th1、th2がそれぞれゲート抵抗R1、R2の温度に応じて抵抗値が変化するサーミスタ（この例では温度上昇に応じて抵抗値が減少するNTCサーミスタ）である。Tr3、Tr4はスイッチ素子であり、これらがオンすることで、バイアス用半導体スイッチ素子Tr1、Tr2の入力信号が０となり、これらがオフする。また、R3、R4はスイッチ素子Tr3、Tr4に入力信号を与えるための抵抗であり、これらのゲートに印加する電圧値は、直列に接続しているサーミスタの抵抗値に依存する。 FIG. 1 shows a first embodiment of the present invention. In this figure, th1 and th2 are thermistors whose resistance values change according to the temperatures of the gate resistors R1 and R2, respectively (in this example, NTC thermistors whose resistance value decreases as the temperature rises). Tr3 and Tr4 are switch elements, and when they are turned on, the input signals of the bias semiconductor switch elements Tr1 and Tr2 become 0, and they are turned off. R3 and R4 are resistors for applying input signals to the switch elements Tr3 and Tr4, and the voltage values applied to these gates depend on the resistance values of the thermistors connected in series.
図２に、IGBTが短絡破壊を起こした時の、各部動作を示す。この動作では、IGBTがオン状態で破壊が発生する条件を示している。IGBT正常時では、ゲート電流Igは図示のように、スイッチング時の短時間のみ流れる波形となり、順バイアス用ゲート抵抗R1の温度は、ある一定値に保たれる。IGBTが破壊して、ゲート・エミッタ間が短絡されると、オン用ゲート抵抗R1には順バイアス電源電圧E1とオン用ゲート抵抗R1で決まる電流が流れ続けるため、R1の温度が上昇する。 FIG. 2 shows the operation of each part when the IGBT causes a short-circuit breakdown. This operation shows a condition in which the breakdown occurs when the IGBT is on. When the IGBT is normal, the gate current Ig has a waveform that flows only for a short time during switching, as shown in the figure, and the temperature of the forward bias gate resistor R1 is maintained at a certain value. When the IGBT is destroyed and the gate-emitter is short-circuited, the current determined by the forward bias power supply voltage E1 and the on-gate resistance R1 continues to flow through the on-gate resistance R1, so that the temperature of R1 rises.
これにともない、サーミスタth1の抵抗値が減少し、これと直列接続されている抵抗R3に印加され電圧VGE3が増加する。これがスイッチ素子Tr3のゲートしきい値電圧に達すると、スイッチ素子Tr3がオンするため、オン用スイッチ素子Tr1の入力信号が０となり、Tr1がオフする。このような動作により、駆動回路内に流れる大きな電流は遮断される。 Along with this, the resistance value of the thermistor th1 decreases, and the voltage VGE3 increases by being applied to the resistor R3 connected in series therewith. When this reaches the gate threshold voltage of the switch element Tr3, the switch element Tr3 is turned on, so that the input signal of the on switch element Tr1 becomes 0 and Tr1 is turned off. By such an operation, a large current flowing in the drive circuit is cut off.
IGBTがオフ状態、すなわち、スイッチ素子Tr2がオンしている時のIGBT破壊時も同様な動作により、オフ用ゲート抵抗R2の温度が上昇するとサーミスタth2の抵抗値が減少し、スイッチ素子Tr4がオンしてオフ用スイッチ素子Tr2がオフされる。このように、ヒューズを溶断させることなく駆動回路の保護が可能であるため、部品の交換も必要なく回路の復帰ができる。 The same operation occurs when the IGBT is off, that is, when the IGBT is broken when the switch element Tr2 is on.If the temperature of the off-gate resistance R2 rises, the resistance value of the thermistor th2 decreases and the switch element Tr4 turns on. Then, the off switch element Tr2 is turned off. Thus, since the drive circuit can be protected without fusing the fuse, the circuit can be restored without the need for replacement of parts.
図３に、本発明の第２の実施例を示す。第1の実施例との違いは、ゲート駆動用電源の正極と負極との間に抵抗R3、サーミスタth1、サーミスタth2及び抵抗R4の直列回路が接続されている点である。ＩＧＢＴの順バイアス期間中にゲート・エミッタ間が短絡故障すると、順バイアス用ゲート抵抗の温度が上昇し、これに伴いサ−ミスタth1の抵抗値が減少する。その結果、抵抗R3、サーミスタth1、サーミスタth2及び抵抗R4の直列回路の電流が上昇し、抵抗R3の両端電圧が大きくなり、この電圧がスイッチ素子Tr3のしきい値電圧に達すると、Tr3がオンし、続いてスイッチ素子Tr1がオフとなり、駆動回路が保護される。 FIG. 3 shows a second embodiment of the present invention. The difference from the first embodiment is that a series circuit of a resistor R3, a thermistor th1, a thermistor th2, and a resistor R4 is connected between the positive electrode and the negative electrode of the gate driving power source. If a short circuit failure occurs between the gate and the emitter during the forward bias period of the IGBT, the temperature of the forward bias gate resistance rises, and the resistance value of the thermistor th1 decreases accordingly. As a result, the current in the series circuit of resistor R3, thermistor th1, thermistor th2, and resistor R4 increases, the voltage across resistor R3 increases, and when this voltage reaches the threshold voltage of switch element Tr3, Tr3 is turned on. Subsequently, the switch element Tr1 is turned off, and the drive circuit is protected.
また、ＩＧＢＴの逆バイアス期間中にゲート・エミッタ間が短絡故障すると逆バイアス用ゲート抵抗の温度が上昇し、これに伴いサーミスタth2の抵抗値が減少する。その結果、抵抗R3、サーミスタth1、サーミスタth2及び抵抗R4の直列回路の電流が上昇し、抵抗R4の両端電圧が大きくなり、この電圧がスイッチ素子Tr4のしきい値電圧に達すると、Tr4がオンし、続いてスイッチ素子Tr2がオフとなり、駆動回路が保護される。 Also, if the gate-emitter short-circuit failure occurs during the reverse bias period of the IGBT, the temperature of the reverse bias gate resistance rises, and the resistance value of the thermistor th2 decreases accordingly. As a result, the current in the series circuit of resistor R3, thermistor th1, thermistor th2, and resistor R4 increases, the voltage across resistor R4 increases, and when this voltage reaches the threshold voltage of switch element Tr4, Tr4 is turned on. Subsequently, the switch element Tr2 is turned off, and the drive circuit is protected.
尚、上記実施例には、サーミスタとして、温度上昇に伴って抵抗値が減少するＮＴＣサーミスタ（negative temperature coefficient thermistor）を用いた例を示したが、サーミスタはＮＴＣサーミスタに限らず、温度上昇に伴って抵抗値が増加するＰＴＣサーミスタ（positive temperature coefficient thermistor）を用いても実現可能である。 In the above-described embodiment, an example in which an NTC thermistor (negative temperature coefficient thermistor) whose resistance value decreases as the temperature rises is used as the thermistor. However, the thermistor is not limited to the NTC thermistor, and the temperature increases. This can also be realized by using a PTC thermistor (positive temperature coefficient thermistor) whose resistance value increases.
本発明は、半導体デバイスを用いた電動機駆動用インバータ、無停電電源装置、系統用電力変換装置などへの適用が可能である。 The present invention can be applied to an inverter for driving a motor using a semiconductor device, an uninterruptible power supply, a power converter for a system, and the like.
ＩＧＢＴ１〜３・・・半導体デバイス（ＩＧＢＴ）
Ｅ１〜Ｅ６・・・駆動回路電源（バイアス用電源）
Ｆ１〜Ｆ３・・・ヒューズ ＳＷ１、ＳＷ２・・・スイッチ
Ｔｒ１、Ｔｒ５、Ｔｒ７・・・オン用スイッチ素子
Ｔｒ２、Ｔｒ６、Ｔｒ８・・・オフ用スイッチ素子
Ｔｒ３、Ｔｒ４・・・スイッチ素子
ｔｈ１、ｔｈ２・・・サーミスタ Ｒ１、Ｒ５、Ｒ７・・・オン用ゲート抵抗
Ｒ２、Ｒ６、Ｒ８・・・オフ用ゲート抵抗 Ｒ３、Ｒ４・・・抵抗
DCC・・・最終段ドライバ回路
IGBT1-3 ... Semiconductor device (IGBT)
E1 to E6 ... Drive circuit power supply (bias power supply)
F1 to F3... Fuse SW1, SW2... Switch Tr1, Tr5, Tr7... Switch element for turning on Tr2, Tr6, Tr8... Switch element for turning off Tr3, Tr4. ..Thermistors R1, R5, R7: ON gate resistance R2, R6, R8: OFF gate resistance R3, R4: Resistance
DCC: Final stage driver circuit
Claims (5)
The means for turning off the second switch element includes: a first resistor connected between a positive electrode and a negative electrode of a power source of the semiconductor drive device; the first thermistor; the second thermistor; 2. The semiconductor drive device according to claim 1, wherein the semiconductor drive device is a fourth switch element that is turned on or off in accordance with a voltage across the second resistor using a series circuit with the resistor.
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