JP5721137B2 - Short-circuit protection device for semiconductor devices - Google Patents

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本発明は、電力用半導体装置の短絡保護装置に関するものであって、特に、負荷短絡により生じる大電流から半導体素子を自動的かつ高速に保護し、故障しにくい電力用半導体装置を提供するための保護装置に関する。   The present invention relates to a short circuit protection device for a power semiconductor device, and particularly to provide a power semiconductor device that automatically and quickly protects a semiconductor element from a large current caused by a load short circuit and is less likely to fail. It relates to protective devices.

電力用半導体素子、例えばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)は、主にインバータなど電力制御装置に広く使用されている。
IGBTに接続された負荷が短絡すると、IGBTチップ1cm2あたり1000A以上もの大きな電流が流れ、チップの温度が1μ秒で300Kほど、急激に上昇し、IGBTは破壊する。このような破壊を防ぐために高速な保護が必要となる。
Power semiconductor elements such as IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) are widely used mainly in power control devices such as inverters.
When the load connected to the IGBT is short-circuited, a large current of 1000 A or more per 1 cm 2 of the IGBT chip flows, the temperature of the chip rises rapidly by about 300 K in 1 μsec, and the IGBT is destroyed. High speed protection is required to prevent such destruction.

図18に従来の負荷短絡保護装置の例を示す。
従来の負荷短絡保護装置に使用されるIGBTでは、チップ上でIGBTの主エミッタからエミッタを分離した面積の小さいセンスエミッタが設けられている(例えば、特許文献1参照)。センスエミッタにはセンス抵抗RSを介して主エミッタと接続されており、センス抵抗RSでの電圧降下が制御回路に出力されている。
FIG. 18 shows an example of a conventional load short-circuit protection device.
In an IGBT used in a conventional load short-circuit protection device, a sense emitter having a small area obtained by separating the emitter from the main emitter of the IGBT is provided on a chip (see, for example, Patent Document 1). The sense emitter is connected to the main emitter through sense resistor R S, the voltage drop across the sense resistor R S is output to the control circuit.

従来の負荷短絡保護方法は、IGBTのエミッタ電流IEが流れる経路から1000分の1程度、センスエミッタに電流を取り出して、センス抵抗RSで電圧降下を検知する。IGBTが定格動作時には大電流は流れないので、センス抵抗RSでの電圧降下は小さくなり負荷短絡と判断しない。一方、負荷短絡時には、大きな電流がIGBTに流れ、その結果センスエミッタにも比例して大きな電流が流れ、センス抵抗RSでの電圧降下が増加する。そこで、制御回路により電圧降下の増加を検知し、負荷短絡と判断すると、IGBTのゲート電圧を減少させてIGBTに流れるエミッタ電流IEを減少させる。 In the conventional load short-circuit protection method, the current is taken out to the sense emitter about 1/1000 from the path through which the IGBT emitter current IE flows, and the voltage drop is detected by the sense resistor R S. Since a large current does not flow during the rated operation of the IGBT, the voltage drop at the sense resistor R S is small and it is not determined that the load is short-circuited. On the other hand, when the load is short-circuited, a large current flows through the IGBT, and as a result, a large current flows in proportion to the sense emitter, and the voltage drop at the sense resistor R S increases. Therefore, when the increase in the voltage drop is detected by the control circuit and it is determined that the load is short-circuited, the gate voltage of the IGBT is decreased to decrease the emitter current IE flowing in the IGBT.

上述した従来の負荷短絡保護方法では、以下のような問題がある。
(1)エミッタ電流IEは、負荷短絡時に1cm2あたり1000A以上の大電流が流れるので、分流したセンスエミッタに流れる電流にノイズがのりやすく、ノイズによる誤動作を防ぐために制御回路が負荷短絡の判断を行うのに時間がかかる。すなわち、ノイズを除去するためにフィルタを通す必要があるが、フィルタによるノイズ除去に時間がかかる(時間遅れが生じる)ため、短絡保護の高速化が難しい。
(2)IGBTはチップの小型化、薄型化、大容量化が進められており、今後チップの熱容量が下がる一方でチップに流れる電流密度が増加する。それにつれて、負荷短絡時のチップの温度上昇の速度が速くなり、さらに高速な短絡保護が必要となるが、従来の保護方法では高速化が困難である。
The conventional load short-circuit protection method described above has the following problems.
(1) Since a large current of 1000 A or more per 1 cm 2 flows when the load is short-circuited, the emitter current I E tends to cause noise in the current flowing through the sense emitter, and the control circuit determines that the load is short-circuited to prevent malfunction due to noise. It takes time to do. That is, it is necessary to pass through a filter to remove noise, but it takes time to remove noise by the filter (a time delay occurs), so it is difficult to speed up short-circuit protection.
(2) The IGBT has been reduced in size, thickness and capacity, and the current density flowing through the chip will increase while the thermal capacity of the chip will decrease in the future. Along with this, the speed of the temperature rise of the chip at the time of load short-circuiting becomes faster and higher-speed short-circuit protection is required, but it is difficult to increase the speed by the conventional protection method.

図19に、前述したIGBTが定格動作時、及び負荷短絡時におけるゲート電荷QGの変化を示す。図示する結果は、耐圧が600VのIGBTを用いて、コレクタ・エミッタ間電圧VCEが100Vの条件下で行われたものである。 FIG. 19 shows changes in the gate charge Q G when the above-described IGBT is in rated operation and when the load is short-circuited. The result shown in the figure is obtained by using an IGBT having a withstand voltage of 600 V and a collector-emitter voltage V CE of 100 V.

図示するように、パワー半導体(電力用半導体装置)、例えばIGBTに接続されている負荷が短絡を生じた際に、ゲート電荷QGが定格動作時より減少する。これはMOSゲート素子のミラー効果、及びネガティブゲートキャパシタンスによるものであり、負荷短絡時にゲート電荷QGが減少する特性はどのMOSゲート素子においても共通である。 As shown in the figure, when a load connected to a power semiconductor (power semiconductor device), for example, an IGBT, is short-circuited, the gate charge Q G is reduced from that during rated operation. This is due to the mirror effect of the MOS gate element and the negative gate capacitance, and the characteristic that the gate charge Q G decreases when the load is short-circuited is common to all MOS gate elements.

図20に負荷短絡保護装置の概略及びその動作条件の図を、図21に図20の負荷短絡保護装置の詳細を示す。   FIG. 20 shows an outline of the load short-circuit protection device and its operating condition, and FIG. 21 shows details of the load short-circuit protection device of FIG.

図20(a)に示すように、この負荷短絡保護装置は、ゲート駆動手段51、電荷検出手段52、基準電圧発生手段53、判断手段54などの機能により構成される。   As shown in FIG. 20A, the load short-circuit protection device is configured by functions of a gate driving unit 51, a charge detection unit 52, a reference voltage generation unit 53, a determination unit 54, and the like.

図21に示すように、ゲート駆動手段51は、ゲート制御信号(PWM)形成手段55が発生したパルス信号の電圧や電流を増幅してIGBTのMOSゲートに伝達する手段であり、電圧増幅のためのアンプAMPと電流増幅のためのトランジスタTr1,Tr2からなるゲートドライブ回路で構成される手段である。   As shown in FIG. 21, the gate driving means 51 is means for amplifying the voltage and current of the pulse signal generated by the gate control signal (PWM) forming means 55 and transmitting it to the MOS gate of the IGBT. This is a means comprising a gate drive circuit comprising an amplifier AMP and transistors Tr1 and Tr2 for current amplification.

電荷検出手段52は例えばトランジスタTr3〜Tr6および抵抗R3〜R6からなるカレントミラー回路、及びキャパシタCMと抵抗RQGを使用した積分回路により構成される手段である。カレントミラー回路は、IGBTのエミッタ電流IEが流れる経路と負荷短絡判断を行う制御回路とを分離する目的で、IGBTのゲートに流れる電流IGと、電荷検出手段に流れる電流IG *を等しく出力するために用いられる。 Charge detecting means 52 is a means composed of for example a current mirror circuit consisting of transistors Tr3~Tr6 and resistors R3 to R6, and the integration circuit using a resistor R QG and capacitor C M. Current mirror circuit, for the purpose of separating the control circuit for routing and load short decision through which the emitter current I E of the IGBT, equal to the current I G flowing through the gate of the IGBT, a current I G * flowing through the charge detection unit Used for output.

電荷は電流の時間積分により求められることから、IGBTのゲート電荷QGは電荷検出手段52に流れる電流IG *を測定することで求められる。IGBTのゲート電荷QGの変化を検知するために、キャパシタCMに蓄積される電荷がゲート電荷QGと等しいことを用いて、電流IG *をゲート電荷電圧VQGに変換し、ゲート電荷QGの変化を検知する。 Since the charge is obtained by time integration of the current, the gate charge Q G of the IGBT is obtained by measuring the current I G * flowing through the charge detection means 52. In order to detect the change in the gate charge Q G of the IGBT, the current I G * is converted into the gate charge voltage V QG using the fact that the charge accumulated in the capacitor C M is equal to the gate charge Q G. Q G change is detected.

基準電圧発生手段53は、IGBTの特性を考慮して、定格動作時及び負荷短絡時それぞれのゲート電荷電圧VQGの間の値で、誤作動を生じない程度で高速に負荷短絡の判断をするための基準電圧VREFを発生する手段である。 The reference voltage generating means 53 determines the load short-circuit at high speed to the extent that no malfunction occurs with the value between the gate charge voltage V QG at the rated operation and load short-circuit in consideration of the IGBT characteristics. Is a means for generating a reference voltage V REF .

判断手段54はゲート電荷電圧VQGと基準電圧VREFとの大小を比較して負荷短絡の判断を行う手段である。 The judging means 54 is a means for judging the load short circuit by comparing the magnitude of the gate charge voltage V QG and the reference voltage V REF .

定格動作時には、図20(b)に示すように基準電圧VREFよりもゲート電荷電圧VQGが大きくなっており、保護信号を出力しない状態にしておく。 At the rated operation, as shown in FIG. 20B, the gate charge voltage V QG is larger than the reference voltage V REF , and the protection signal is not output.

負荷短絡時には、図20(c)に示すようにゲート電荷QGの減少に伴いゲート電荷電圧VQGも減少して、基準電圧VREFよりもゲート電荷電圧VQGが小さくなる。ゲート電荷電圧VQGと基準電圧VREFの大小が逆転すると、判断手段54が負荷短絡状態であると判断して保護信号を出力する。保護信号が出力されると、ゲート駆動手段51へのON信号が遮断され、IGBTへの入力がOFF信号となることでIGBTをターンオフさせ、エミッタ電流IEを遮断する。
このような保護方法は既に公知であり、例えば特許文献2に開示されている。
When the load short-circuit, even if the gate charge voltage V QG with decreasing gate charge Q G as shown in FIG. 20 (c) decreases, the gate charge voltage V QG than the reference voltage V REF becomes smaller. When the magnitudes of the gate charge voltage V QG and the reference voltage V REF are reversed, the judging means 54 judges that the load is short-circuited and outputs a protection signal. When the protection signal is output, the ON signal to the gate driving means 51 is cut off, and the input to the IGBT becomes an OFF signal to turn off the IGBT and cut off the emitter current IE .
Such a protection method is already known and disclosed in, for example, Patent Document 2.

特開2001−211059号公報JP 2001-211059 A 特開2003−188382号公報JP 2003-188382 A

上述したように、特許文献2において開示された短絡保護装置を用いると、ゲート電荷QGの変化の検知を行うので、保護速度はセンスIGBTを用いた保護よりも速くなる。その一方で基準電圧VREFなどのパラメータ(抵抗やコンデンサ等の値や、利用するトランジスタなどの大きさや特性)の変更に手間がかかる、多機能を持たせようとすると回路の規模が大きくなる、温度の変化により部品の性能が変化し、負荷短絡状態かどうかの判断条件に影響が出る、などの問題が生じる。また、利用するIGBTの設計や耐圧、電流容量などの違いにより、回路のパラメータの設計を変える必要があり、煩雑さが増し量産に向いていない。 As described above, when the short-circuit protection device disclosed in Patent Document 2 is used, since the change in the gate charge Q G is detected, the protection speed is faster than the protection using the sense IGBT. On the other hand, it takes time to change parameters such as reference voltage V REF (values of resistors, capacitors, etc., size and characteristics of transistors used, etc.). There is a problem that the performance of parts changes due to a change in temperature, which affects the judgment condition as to whether or not the load is short-circuited. Moreover, it is necessary to change the design of circuit parameters due to differences in the design of the IGBT to be used, withstand voltage, current capacity, etc., which increases complexity and is not suitable for mass production.

そこで本発明は、これらの実情を考慮してなされたもので、半導体素子、特にIGBTの特性の違いや温度変化があっても、最適なパラメータを自動的に設定することのできる半導体装置の短絡保護装置を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention has been made in consideration of these circumstances, and a short circuit of a semiconductor device in which optimum parameters can be automatically set even if there is a difference in characteristics or a temperature change of a semiconductor element, particularly an IGBT. An object is to provide a protective device.

前記課題を解決するため、本発明の第1の構成は、半導体素子の入力部の電荷に対応する電圧を検出する電荷検出手段と、前記半導体素子の定格動作時における入力部の電荷から負荷短絡を判断する基準電圧を発生する基準電圧発生手段と、前記電荷検出手段で検出された電圧が前記半導体素子の定格動作時のゲート電荷に対応する電圧か、あるいは負荷短絡時のゲート電荷に対応する電圧かを判断する判断手段と、前記判断手段が負荷短絡を検出したときに前記半導体素子を動作停止する信号を出力する半導体素子駆動手段とを持つ半導体装置の短絡保護装置において、前記基準電圧発生手段に、前記半導体素子の動作中の定格動作時における入力部の電荷から負荷短絡を判断する基準電圧を記憶する基準電圧記憶手段を設けたことを特徴とする。 In order to solve the above problems, a first configuration of the present invention includes a charge detection means for detecting a voltage corresponding to the charge of the input portion of the semiconductor element, and a load short circuit from the charge of the input portion during rated operation of the semiconductor element. A reference voltage generating means for generating a reference voltage for determining whether the voltage detected by the charge detecting means corresponds to a gate charge at a rated operation of the semiconductor element or a gate charge at the time of a load short circuit In the short-circuit protection device for a semiconductor device, the reference voltage generation in a semiconductor device short-circuit protection device having a determination means for determining whether the voltage is a voltage and a semiconductor element driving means for outputting a signal for stopping the operation of the semiconductor element when the determination means detects a load short-circuit the means, characterized in that a reference voltage storage unit for memorize a reference voltage for determining the load short circuit from the charge of the input unit during rated operation during operation of the semiconductor element To.

また、本発明の第2の構成は、第1の構成において、前記電荷検出手段のアナログ出力をデジタル信号に変換するアナログ・デジタル変換手段を設け、前記基準電圧発生手段及び前記判断手段をデジタル化し、前記判断手段からのデジタル出力信号をアナログ信号に変換して前記半導体素子駆動手段に出力するデジタル・アナログ変換手段を有することを特徴とする。   According to a second configuration of the present invention, in the first configuration, an analog / digital conversion unit that converts an analog output of the charge detection unit into a digital signal is provided, and the reference voltage generation unit and the determination unit are digitized. The digital-analog converting means converts the digital output signal from the judging means into an analog signal and outputs the analog signal to the semiconductor element driving means.

本発明の第3の構成は、第2の構成において、前記半導体素子駆動手段へのゲート制御信号をデジタル信号に変換する第2アナログ・デジタル変換手段と、負荷短絡時における前記判断手段からのデジタル出力信号をトリガーとして、ゲート駆動手段に出力する波形をデジタル的な減衰波形に変換する減衰波形形成手段と、前記第2アナログ・デジタル変換手段の出力と前記減衰波形形成手段の出力を、定格動作時と負荷短絡時とで選択して前記デジタル・アナログ変換手段に出力するマルチプレクサとをさらに有することを特徴とする。   According to a third configuration of the present invention, in the second configuration, a second analog / digital conversion unit that converts a gate control signal to the semiconductor element driving unit into a digital signal, and a digital signal from the determination unit when a load is short-circuited. Using an output signal as a trigger, an attenuation waveform forming means for converting a waveform output to the gate drive means into a digital attenuation waveform, an output of the second analog / digital conversion means, and an output of the attenuation waveform forming means are rated operations. And a multiplexer that selects and outputs to the digital-to-analog converting means according to the time and when the load is short-circuited.

本発明によれば、基準電圧発生手段に、半導体素子の定格動作時における入力部の電荷から負荷短絡を判断する基準電圧を記憶する基準電圧記憶手段を設けたことにより、半導体素子(IGBT)の特性の違いや温度変化があっても、最適なパラメータを自動的に設定することができる。また、判断部分にデジタル処理を用いることで、高速化が可能となる。 According to the present invention, the reference voltage generating means, by providing the reference voltage storage unit for the reference voltage serial to憶to determine the load short-circuit from the input of the charge during the rated operation of the semiconductor device, the semiconductor device (IGBT) Even if there are differences in characteristics or temperature changes, the optimum parameters can be set automatically. Further, by using digital processing for the determination part, it is possible to increase the speed.

本発明の半導体装置の短絡保護装置の基本的構成を示すブロック図および波形図である。It is the block diagram and waveform diagram which show the basic composition of the short circuit protection apparatus of the semiconductor device of this invention. 図1に示すブロックにおける定格状態の動作波形図である。It is an operation | movement waveform diagram of the rated state in the block shown in FIG. 図1に示すブロックにおける負荷短絡状態の動作波形図である。It is an operation | movement waveform diagram of the load short circuit state in the block shown in FIG. 短絡保護までにかかる時間のタイムチャートである。It is a time chart of the time taken until short circuit protection. 本発明の実施の形態に係るデジタル回路を用いた短絡保護装置の概略及び動作条件の説明図である。It is explanatory drawing of the outline and operating conditions of the short circuit protection apparatus using the digital circuit which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態におけるANDの論理素子の概要、及び信号合成の概要を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the outline | summary of the logic element of AND in the embodiment of this invention, and the outline | summary of signal composition. 本発明の実施の形態における信号合成の機能をデジタル回路に組み込んだ短絡保護装置の概要を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the outline | summary of the short circuit protection apparatus which incorporated the signal synthesis | combination function in embodiment of this invention in the digital circuit. 本発明の実施の形態に係る複数の手段を1つの半導体チップ上に載せた短絡保護装置の説明図である。It is explanatory drawing of the short circuit protection apparatus which mounted the several means based on embodiment of this invention on one semiconductor chip. 本発明の実施の形態に係る複数の手段を1つの半導体チップ上に載せた短絡保護装置の説明図である。It is explanatory drawing of the short circuit protection apparatus which mounted the several means based on embodiment of this invention on one semiconductor chip. 本発明の実施の形態に係る複数の手段を1つの半導体チップ上に載せた短絡保護装置の説明図である。It is explanatory drawing of the short circuit protection apparatus which mounted the several means based on embodiment of this invention on one semiconductor chip. 本発明の実施の形態に係る複数の手段を1つの半導体チップ上に載せた短絡保護装置の説明図である。It is explanatory drawing of the short circuit protection apparatus which mounted the several means based on embodiment of this invention on one semiconductor chip. 本発明の実施の形態に係る短絡保護装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the short circuit protection apparatus which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る短絡保護装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the short circuit protection apparatus which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る短絡保護装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the short circuit protection apparatus which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る短絡保護装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the short circuit protection apparatus which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る短絡保護装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the short circuit protection apparatus which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る短絡保護装置の動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows operation | movement of the short circuit protection apparatus which concerns on embodiment of this invention. 従来のセンスIGBTを用いた短絡保護装置の説明図である。It is explanatory drawing of the short circuit protection apparatus using the conventional sense IGBT. 従来の短絡保護装置におけるゲート電圧とゲート電荷の関係図である。It is a related figure of the gate voltage and gate charge in the conventional short circuit protection apparatus. 従来のアナログ回路を用いた短絡保護装置の回路図と動作条件を示す図である。It is a figure which shows the circuit diagram and operating condition of the short circuit protection apparatus using the conventional analog circuit. 従来のアナログ回路を用いた短絡保護装置の回路図である。It is a circuit diagram of the short circuit protection apparatus using the conventional analog circuit.

本発明は負荷短絡時にIGBTのゲート電荷QGが定格動作時よりも減少することに基づいてなされている。即ち、本発明の要点はIGBTのゲート電荷QGの変化を検知することにより、従来の保護方法よりも高速化することにある。 The present invention is based on the fact that the gate charge Q G of the IGBT is reduced when the load is short-circuited than when the rated operation is performed. That is, the main point of the present invention is to increase the speed of the conventional protection method by detecting the change in the gate charge Q G of the IGBT.

図1に、デジタル回路を用いて実際に実験を行った第1の実施の形態に係る負荷短絡保護装置の概略及びその動作条件を示す。本例では、電力用半導体素子としてIGBTを用いた例を示している。   FIG. 1 shows an outline of a load short-circuit protection device according to the first embodiment, which was actually tested using a digital circuit, and its operating conditions. In this example, an IGBT is used as a power semiconductor element.

この負荷短絡保護装置1は、ゲート駆動回路2、ゲート電荷測定回路3、A/Dコンバータ4、デジタルフィルタ5、ピーク検出器6、コンパレータ7、パルス発生器8、ゲートオフ電圧9、ゲートコントローラ10、D/Aコンバータ11から構成される。   The load short-circuit protection device 1 includes a gate drive circuit 2, a gate charge measurement circuit 3, an A / D converter 4, a digital filter 5, a peak detector 6, a comparator 7, a pulse generator 8, a gate off voltage 9, a gate controller 10, It is composed of a D / A converter 11.

ゲート駆動回路2は、図21に記載された従来例と同様にゲート制御信号(PWM)形成手段が発生したパルス信号の電圧や電流を増幅してIGBTのMOSゲートに伝達する回路である。この回路は、電圧増幅のためのアンプと電流増幅のためのゲートドライブ回路で構成される回路である。   The gate drive circuit 2 is a circuit that amplifies the voltage and current of the pulse signal generated by the gate control signal (PWM) forming means and transmits it to the MOS gate of the IGBT, as in the conventional example shown in FIG. This circuit is composed of an amplifier for voltage amplification and a gate drive circuit for current amplification.

ゲート電荷測定回路3は、図21の回路と同様に、負荷短絡時に1000A以上の値に達するエミッタ電流IEが流れる経路と負荷短絡判断を行う制御回路とを分離する目的で、ゲート電荷を検出する回路をゲート駆動回路2に組み込む機能を有する。すなわちIGBTのゲートに流れる電流IGと、電荷検出手段に流れる電流IG *を等しく出力する回路として、カレントミラー回路、及びキャパシタと抵抗を使用した積分回路により構成される。ゲート電荷を検出する回路はこの回路以外にも考えられ、この回路方式に限定するものではない。たとえば、半導体回路上に磁気的に電流をセンスする部品を集積化する回路や、ゲートを電荷で駆動し、電荷をデジタル的に制御できる回路などは、その例である。 As in the circuit of FIG. 21, the gate charge measuring circuit 3 detects the gate charge for the purpose of separating the path through which the emitter current IE that reaches a value of 1000 A or more when the load is short-circuited and the control circuit for determining the load short-circuit. A function to incorporate the circuit to be incorporated into the gate drive circuit 2. That current I G flowing through the gate of the IGBT, as a circuit for equal output current I G * flowing through the charge detection unit, a current mirror circuit, and constituted by an integrating circuit that uses a capacitor and a resistor. A circuit for detecting the gate charge is conceivable in addition to this circuit, and is not limited to this circuit system. For example, a circuit in which components that sense current magnetically are integrated on a semiconductor circuit, a circuit in which the gate is driven by electric charge, and the electric charge can be digitally controlled are examples.

A/Dコンバータ4はゲート電荷電圧VQGのデジタル信号化を行う。本実施の形態では、A/Dコンバータ4を60MHzで動作させた。
理由として、前述したようにIGBTに流す電流の高密度化により、IGBTの保護に必要とされる速度が高速化されており、1μ秒以下での保護が必要とされている。この値から保護に必要な速度として1MHz以上と算出されるが、実際に保護をかけるとすると、A/D変換で必要なクロック数などを考えるとこの値の10倍の10MHz以上が必要とされる。
上記の理由から、第1の実施の形態では、十分な負荷短絡保護の速度を得るために60MHzでA/Dコンバータ4を動作させた。
The A / D converter 4 converts the gate charge voltage V QG into a digital signal. In this embodiment, the A / D converter 4 is operated at 60 MHz.
The reason is that, as described above, the density of the current flowing through the IGBT is increased, and the speed required for protecting the IGBT is increased, and the protection in 1 μsec or less is required. From this value, the speed required for protection is calculated as 1 MHz or more. However, if protection is actually applied, 10 MHz or more, which is 10 times this value, is required when considering the number of clocks required for A / D conversion. The
For the above reason, in the first embodiment, the A / D converter 4 is operated at 60 MHz in order to obtain a sufficient load short-circuit protection speed.

デジタル化された信号をデジタル回路(FPGA(Field-Programmable Gate Array)などを使用)に入力して負荷短絡保護のための信号処理を行う。第1の実施の形態では、デジタル回路は、32MHzで動作させた。
理由として、上記のA/Dコンバータ4のパラメータを決定する理由と同様に、十分な速度(10MHz以上)でのプログラム処理能力が必要とされるからである。
A digitized signal is input to a digital circuit (using an FPGA (Field-Programmable Gate Array) or the like) to perform signal processing for load short-circuit protection. In the first embodiment, the digital circuit is operated at 32 MHz.
This is because, as with the reason for determining the parameters of the A / D converter 4 described above, program processing capability at a sufficient speed (10 MHz or higher) is required.

デジタルフィルタ5は、デジタル化された入力信号のノイズを除去し、信号のバラツキを減少させてプログラムの誤動作を防ぐことにより高信頼性を実現する。本実施の形態では150kHz以上の周波数のノイズ除去を行った。   The digital filter 5 realizes high reliability by removing noise of the digitized input signal and reducing signal variations to prevent program malfunction. In the present embodiment, noise removal at a frequency of 150 kHz or more is performed.

デジタルフィルタ5の種類として、移動平均の各要素に重み付けのパラメータを追加したFIR(Finite Impulse Response)フィルタ、あるいはフィードバックを取り入れて希望するフィルタ特性を得るIIR(Infinite Impulse Response)フィルタが挙げられる。IIRフィルタは構成が複雑であるが、デジタル回路の使用するゲート数が少ない。一方で、FIRフィルタは構成が簡易であるが、デジタル回路の使用するゲート数が多い。   Examples of the digital filter 5 include an FIR (Finite Impulse Response) filter in which a weighting parameter is added to each element of the moving average, or an IIR (Infinite Impulse Response) filter that obtains a desired filter characteristic by incorporating feedback. The IIR filter has a complicated structure, but the number of gates used by the digital circuit is small. On the other hand, the FIR filter has a simple configuration, but the number of gates used by the digital circuit is large.

第1の実施の形態では、通常、デジタル回路のゲート数は十分に多く(40万ゲート)、設計に必要な係数の数が少なく、設計に要する時間も短縮できるためフィルタの構成が簡易なFIRフィルタ(1万ゲート)を用いた。   In the first embodiment, normally, the number of gates of a digital circuit is sufficiently large (400,000 gates), the number of coefficients required for design is small, and the time required for design can be shortened. A filter (10,000 gates) was used.

ピーク検出器6を用いて、デジタルフィルタ5から出力される定格動作時のゲート電荷電圧VQGの波形のハイレベルで安定した電圧VPEAKを検出する。検出した値から負荷短絡が生じたかどうかを判断するための基準電圧VREFを生成して記憶する。 The peak detector 6 is used to detect a stable voltage V PEAK at the high level of the waveform of the gate charge voltage V QG at the rated operation output from the digital filter 5. A reference voltage V REF for determining whether or not a load short circuit has occurred is generated from the detected value and stored.

基準電圧VREFの生成の方法は、図1(b)に示すように、検出したゲート電荷電圧VQGの波形のハイレベルで安定した電圧VPEAKからある一定の値を自動的に引いて生成する。この差し引く値は、ノイズによる誤動作をせず、一方で負荷短絡時には確実に短絡判断ができる値に設定されている。 As shown in FIG. 1B, the reference voltage V REF is generated by automatically subtracting a certain value from the high-level and stable voltage V PEAK of the detected gate charge voltage V QG waveform. To do. The value to be subtracted is set to a value that does not cause a malfunction due to noise and can reliably determine a short circuit when the load is short-circuited.

たとえば、ミラー電荷(ゲート閾値電圧付近でゲート電荷量が大きく変化する電荷値の変化値)の電荷量の変化に相当する値以下とすると、定格動作波形からの設定が容易でありながら、確実に変化をよみとり短絡検出が可能である。とくに電荷量の変化に相当する値の3分の1から3分の2の間であれば、誤動作も少ない。その一方でフィルタの性能の向上やノイズ成分の除去で、差し引き値を小さくすることで、高速化が可能となる。
たとえば、パワーIC上のIGBTで、ゲート駆動回路2とIGBTを同じチップ上に作成する場合は、この値を小さくでき、高速な保護が可能となる。
For example, if the mirror charge (change value of the charge value that greatly changes the gate charge amount near the gate threshold voltage) is less than or equal to the value corresponding to the change in the charge amount, It is possible to detect changes and detect short circuits. In particular, if the value is between one-third and two-thirds of the value corresponding to the change in the amount of charge, there are few malfunctions. On the other hand, it is possible to increase the speed by reducing the subtraction value by improving the filter performance or removing the noise component.
For example, when the gate drive circuit 2 and the IGBT are formed on the same chip with an IGBT on a power IC, this value can be reduced, and high-speed protection is possible.

以上のようなVREFの設定は、負荷短絡ではない定格動作状態で設定が行うことが可能であれば、実際にインバータ装置に保護回路を取り込んでから、定格動作をさせた状態で短絡判断用のVREFを記憶することができるため、同じ保護回路でどのようなIGBTでも対応できるようになる。 If the setting of V REF as described above can be performed in a rated operation state that is not a load short-circuit, it can be used to determine a short circuit after the protection circuit is actually installed in the inverter device and the rated operation is performed. it is possible to store the V REF, it becomes possible to correspond even what IGBT same protection circuit.

また、将来メンテナンスなどでIGBTが新しいタイプのものと交換されても、保護回路やゲート駆動回路の変更無く、特性の異なるIGBTの保護が可能になる。また、IGBTの温度が変化することでゲート電荷の特性が変化することも考えられるが、温度が変化した場合にはパラメータの再設定をすることや、温度センサーからのデータを元に、VREFを再構成するなどの方法も可能となる。 Further, even if the IGBT is replaced with a new type for future maintenance or the like, it is possible to protect the IGBT having different characteristics without changing the protection circuit or the gate drive circuit. In addition, it is conceivable that the characteristics of the gate charge change as the temperature of the IGBT changes. However, if the temperature changes, the parameters can be reset, or V REF can be changed based on the data from the temperature sensor. It is also possible to reconfigure the system.

インバータシステム出荷前の試運転で、ゲート電荷の波形を分析するプログラムを組んでおけば、たとえば、IGBTに流れる電流や印加電圧の条件、温度などとゲート電荷特性の変化を記憶し、短絡検出の精度を向上させるとともに誤動作を防ぐことができる。また定期的にVREFの再設定を行うことで、IGBTの経年変化によるゲート電荷やゲート閾値の特性変化が起こっても高精度に短絡検出ができるようになる。 If a program that analyzes the waveform of the gate charge is set up in a test run before the inverter system is shipped, for example, the current flowing through the IGBT, the condition of the applied voltage, the temperature, and other changes in the gate charge characteristics are memorized, and the accuracy of short circuit detection Can be improved and malfunction can be prevented. In addition, by periodically resetting V REF , it is possible to detect a short circuit with high accuracy even if the gate charge or the gate threshold characteristic changes due to the aging of the IGBT.

REFを、ミラー電荷の階段状の角(図19参照、この図で11V、20nCに現れるA部の角)の値に相当する電圧以下とすることが望ましい。この場合、何らかの原因でゲート電圧が所望の値まで上昇しなかった場合でも誤動作を防ぐことができる。 It is desirable that V REF be equal to or lower than the voltage corresponding to the value of the stepped corner of the mirror charge (see FIG. 19, the corner of the A portion appearing at 11 V and 20 nC in this figure). In this case, malfunction can be prevented even when the gate voltage does not rise to a desired value for some reason.

またVREFをVGEの関数としてメモリに記憶しておけば、さらに確実で誤動作の少ない設定が可能である。具体的には、VGEが高いところではVREFを高く設定し、VGEが低いところではVREFを低く設定することで、誤動作が少なく、確実で高速な保護が可能である。定格動作の場合ゲート電圧やゲート電荷に比較的低い周波数のノイズが乗っても、VGEが高めに振れた場合はQGが高くなり、VGEが低めに振れた場合はVQGが低くなるからである。 If V REF is stored in the memory as a function of V GE , a more reliable setting with less malfunctions is possible. Specifically, set high V REF is at V GE is high, is at V GE is low by setting low V REF, fewer malfunctions can be reliable and fast protection. In rated operation, even if relatively low frequency noise is applied to the gate voltage or gate charge, if V GE swings higher, Q G becomes higher, and if V GE swings lower, V QG decreases. Because.

基準電圧VREFは一度生成されると、メモリ(Flashメモリ、不揮発メモリ)を用いることで、その値を記憶するようにしている。また、大容量のメモリを用いることで、定格動作時のゲート電荷QGの波形を記憶して、基準電圧VREFを波形として記憶し、生成することもできる。 Once the reference voltage V REF is generated, the value is stored by using a memory (flash memory or nonvolatile memory). Further, by using a large-capacity memory, the waveform of the gate charge Q G during rated operation can be stored, and the reference voltage V REF can be stored and generated as a waveform.

デジタル的に構成されたコンパレータ7を用いて、ゲート電荷電圧VQGと基準電圧VREFを比較する。ゲート電荷電圧VQGが基準電圧VREFを下回った際に負荷短絡状態と判断し、ゲートコントローラ10へ保護信号を出力する(図1(c)参照)。 The gate charge voltage V QG and the reference voltage V REF are compared using a digitally configured comparator 7. When the gate charge voltage V QG falls below the reference voltage V REF , it is determined that the load is short-circuited, and a protection signal is output to the gate controller 10 (see FIG. 1C).

ゲートコントローラ10は、定格動作時には、パルス発生器8からのTTLパルスを直接出力する。この実施の形態ではパルス発生器8から出力されるTTLパルスは、実際の実用的な装置ではPWM(Pulse Width Modulation)信号に相当する。負荷短絡時には、パルス発生器8からのTTLパルスを遮断し、記憶されているゲートオフ電圧9(この場合0Vに対応するデジタル信号)を出力する。   The gate controller 10 directly outputs a TTL pulse from the pulse generator 8 during rated operation. In this embodiment, the TTL pulse output from the pulse generator 8 corresponds to a PWM (Pulse Width Modulation) signal in an actual practical device. When the load is short-circuited, the TTL pulse from the pulse generator 8 is interrupted, and the stored gate-off voltage 9 (in this case, a digital signal corresponding to 0 V) is output.

D/Aコンバータ11は、パルス発生器8からの信号のアナログ信号化処理を行う。第1の実施の形態では、D/Aコンバータ11は125MHzで動作させた。
この理由として、実際にIGBTは通常5〜20kHzのスイッチング周波数で動作させ、IGBTのターンオン時間は通常500n秒以下となる。十分な時間分解能を得るために10倍以上の20MHz以上で変換を行う必要がある。高性能なIGBTを用いるとターンオン時間は100n秒程度になるので、100MHz以上で変換を行う必要があるためであり、第1の実施の形態では十分な時間分解能を得るために125MHzでD/Aコンバータ11を動作させた。
The D / A converter 11 performs analog signal processing of the signal from the pulse generator 8. In the first embodiment, the D / A converter 11 is operated at 125 MHz.
This is because the IGBT is actually operated at a switching frequency of 5 to 20 kHz, and the turn-on time of the IGBT is usually 500 nsec or less. In order to obtain sufficient time resolution, it is necessary to perform conversion at 20 MHz or more, which is 10 times or more. This is because when a high-performance IGBT is used, the turn-on time is about 100 nsec. Therefore, it is necessary to perform conversion at 100 MHz or more. In the first embodiment, D / A at 125 MHz in order to obtain sufficient time resolution. The converter 11 was operated.

IGBTが定格動作時には、パルス発生器8からの信号はゲートコントローラ10をそのまま通過し、D/Aコンバータ11でアナログ信号に変換されて、ゲート駆動回路2に入力することによりIGBTを駆動させる。   When the IGBT is rated, the signal from the pulse generator 8 passes through the gate controller 10 as it is, is converted into an analog signal by the D / A converter 11 and is input to the gate drive circuit 2 to drive the IGBT.

負荷短絡時には、パルス発生器8からのON信号をゲートコントローラ10で遮断し、ゲート駆動回路2への入力がOFF信号となる。それによりIGBTがターンオフされ、IGBTに流れる主電流を遮断する。   When the load is short-circuited, the ON signal from the pulse generator 8 is cut off by the gate controller 10, and the input to the gate drive circuit 2 becomes the OFF signal. Thereby, the IGBT is turned off, and the main current flowing through the IGBT is cut off.

図2に定格状態の動作を示す。
図示するように、定格動作時には、ゲート電荷電圧VQGは減少しない。パルス発生器8から出力された信号は、ゲートコントローラ10を通過し、D/Aコンバータ11でアナログ信号に変換されて、ゲート駆動回路2に入力されることで、IGBTを駆動させる。
FIG. 2 shows the operation in the rated state.
As shown in the figure, the gate charge voltage V QG does not decrease during rated operation. The signal output from the pulse generator 8 passes through the gate controller 10, is converted into an analog signal by the D / A converter 11, and is input to the gate drive circuit 2, thereby driving the IGBT.

図3に負荷短絡状態の動作を示す。
図示するように、負荷短絡時には、ゲート電荷電圧VQGが定格動作時に比べ減少する。その減少をデジタル回路内のコンパレータ7により検知して負荷短絡と判断し、ゲートコントローラ10に信号を出力する。ゲートコントローラ10に信号が入力されるとパルス発生器8からのON信号を遮断し、D/Aコンバータ11への入力がOFF信号となる。それにより、ゲート駆動回路2への入力がOFF信号となり、IGBTをターンオフさせて主電流を遮断する。
FIG. 3 shows the operation in the load short-circuit state.
As shown in the figure, when the load is short-circuited, the gate charge voltage V QG decreases compared to the rated operation. The decrease is detected by the comparator 7 in the digital circuit to determine that the load is short-circuited, and a signal is output to the gate controller 10. When a signal is input to the gate controller 10, the ON signal from the pulse generator 8 is cut off, and the input to the D / A converter 11 becomes an OFF signal. Thereby, the input to the gate driving circuit 2 becomes an OFF signal, and the IGBT is turned off to cut off the main current.

図4に負荷短絡保護までにかかる時間を示す。
図示するように、負荷短絡が生じてからIGBTをターンオフさせて主電流を遮断するまでに、2μ秒かかっている。
FIG. 4 shows the time required for load short-circuit protection.
As shown in the figure, it takes 2 μs from turning off the IGBT to cutting off the main current after the load short circuit occurs.

負荷短絡が生じてから主電流を遮断するまでの時間の約半分はプログラムの誤動作を防ぐための不感時間である。デジタルフィルタ5の性能の向上や不感時間を減少させて、かつゲート電荷電圧VQGの上昇途中でリアルタイムに負荷短絡を検知することができれば、短絡保護時間を1μ秒以下にまで早くすることが可能となる。 About half of the time from when the load short-circuit occurs until the main current is cut off is dead time for preventing malfunction of the program. If the load short circuit can be detected in real time while the gate charge voltage V QG is rising while the performance of the digital filter 5 is improved and the dead time is reduced, the short circuit protection time can be shortened to 1 μs or less. It becomes.

図5に第2の実施の形態による、デジタル回路を用いた負荷短絡保護装置の概略及び動作条件を示す。
図5(a)に示すように、この負荷短絡保護装置20は、ゲート駆動手段21、電荷検出手段22、アナログ・デジタル変換手段23、フィルタ24、基準電圧検出手段25、記憶手段26、判断手段27、ゲート制御信号形成手段28、信号合成29などの機能により構成される。
FIG. 5 shows an outline and operating conditions of a load short-circuit protection device using a digital circuit according to the second embodiment.
As shown in FIG. 5A, the load short-circuit protection device 20 includes a gate drive unit 21, a charge detection unit 22, an analog / digital conversion unit 23, a filter 24, a reference voltage detection unit 25, a storage unit 26, and a determination unit. 27, gate control signal forming means 28, signal synthesis 29, and the like.

ゲート駆動手段21は従来例と同様に、ゲート制御信号(PWM)形成手段28が発生したパルス信号の電圧や電流を増幅してIGBTのMOSゲートに伝達する手段である。この手段は、電圧増幅のためのアンプと電流増幅のためのゲートドライブ回路で構成される手段である。   The gate driving means 21 is a means for amplifying the voltage and current of the pulse signal generated by the gate control signal (PWM) forming means 28 and transmitting it to the IGBT MOS gate, as in the conventional example. This means is composed of an amplifier for voltage amplification and a gate drive circuit for current amplification.

電荷検出手段22は従来例と同様に、カレントミラー回路、及び積分回路により構成される手段である。   The charge detection means 22 is a means constituted by a current mirror circuit and an integration circuit as in the conventional example.

アナログ・デジタル変換手段23は、ゲート電荷電圧VQGのデジタル信号化を行う手段である。
デジタル化された信号をデジタル回路(FPGAなどを使用)に入力して負荷短絡保護のための信号処理を行う。
The analog / digital conversion means 23 is a means for converting the gate charge voltage V QG into a digital signal.
A digitized signal is input to a digital circuit (using an FPGA or the like) to perform signal processing for load short-circuit protection.

フィルタ24は、入力されたデジタル化された信号のノイズを除去して、信号のバラツキを減少させて、プログラムの誤動作を防ぎ高信頼性を実現する。
基準電圧検出手段25は、フィルタ24から出力される定格動作時のゲート電荷電圧VQGの波形のハイレベルで安定した電圧VPEAKを検出し、この検出した値から負荷短絡状態となったかどうかを判断するための基準電圧VREFを生成する手段である。
The filter 24 removes noise from the input digitized signal and reduces signal variation, thereby preventing malfunction of the program and realizing high reliability.
The reference voltage detecting means 25 detects a stable voltage V PEAK at the high level of the waveform of the gate charge voltage V QG at the rated operation output from the filter 24, and determines whether or not a load short-circuit state has occurred from this detected value. This is means for generating a reference voltage V REF for determination.

記憶手段26は、基準電圧VREF記憶する手段である。
基準電圧VREFは一度生成されると、メモリ(Flashメモリ、不揮発メモリ)を用いることで、その値を記憶するようにしている。また、大容量のメモリを用いることで、定格動作時のゲート電荷QGの波形を記憶して、基準電圧VREFを波形として記憶し、生成することもできる。
The storage means 26 is means for storing the reference voltage V REF .
Once the reference voltage V REF is generated, the value is stored by using a memory (flash memory or nonvolatile memory). Further, by using a large-capacity memory, the waveform of the gate charge Q G during rated operation can be stored, and the reference voltage V REF can be stored and generated as a waveform.

判断手段27は、図5(b)に示すように、ゲート電荷電圧VQGと基準電圧VREFを比較し、ゲート電荷電圧VQGが基準電圧VREFを下回った際に負荷短絡状態と判断する手段である。 Determination means 27, as shown in FIG. 5 (b), by comparing the gate charge voltage V QG and the reference voltage V REF, it is determined that the load short circuit state when the gate charge voltage V QG falls below the reference voltage V REF Means.

信号合成29では論理回路を用いて入力される信号の処理を行う。
IGBTが定格動作時には、判断手段27から出力される信号とゲート制御信号(PWM)形成手段28から出力されるPWM信号とを論理回路で合成し、ゲート駆動手段21に信号が入力されることでIGBTを駆動させる。
In the signal synthesis 29, the input signal is processed using a logic circuit.
When the IGBT is in rated operation, the signal output from the determination unit 27 and the PWM signal output from the gate control signal (PWM) formation unit 28 are synthesized by a logic circuit, and the signal is input to the gate drive unit 21. The IGBT is driven.

一方で、負荷短絡時には、前述した判断手段27から出力されるON信号を遮断することで、ゲート駆動手段21への入力信号がOFF信号となる。それにより、IGBTをターンオフさせて主電流を遮断する。   On the other hand, when the load is short-circuited, the ON signal output from the determination unit 27 described above is cut off, whereby the input signal to the gate drive unit 21 becomes an OFF signal. Thereby, the IGBT is turned off to cut off the main current.

例えば、図6(a)に示すように、ANDの論理素子を用いて信号合成を行う。AND素子による論理演算の内容を図6(b)に示す。   For example, as shown in FIG. 6A, signal synthesis is performed using AND logic elements. FIG. 6B shows the contents of the logical operation by the AND element.

定格動作時には、図6(c)に示すように、判断手段27からHighの信号を出力させておく。信号合成後の信号は、ゲート制御信号(PWM)形成手段28から出力される信号と同じになる。その信号がゲート駆動手段21に入力することでIGBTを駆動させる。   During the rated operation, as shown in FIG. 6C, a high signal is output from the determination means 27. The signal after the signal synthesis is the same as the signal output from the gate control signal (PWM) forming means 28. The IGBT is driven when the signal is input to the gate driving means 21.

負荷短絡時には、図6(d)に示すように、判断手段27からLowの信号を出力させておく。信号合成後の信号は、ゲート制御信号(PWM)形成手段28から出力される信号に関わらず、Low信号が出力される。それによりゲート駆動手段21にはOFF信号が入力され、IGBTをターンオフさせ、主電流を遮断する。   When the load is short-circuited, a low signal is output from the determination unit 27 as shown in FIG. Regardless of the signal output from the gate control signal (PWM) forming means 28, the Low signal is output as the signal after the signal synthesis. As a result, an OFF signal is input to the gate driving means 21 to turn off the IGBT and cut off the main current.

図7に、保護信号とゲート制御信号(PWM)形成手段からの出力との合成を行う信号合成の機能を、デジタル回路に組み込んだ短絡保護装置の概要を示す。
図示するように、信号合成をデジタル回路で行うことにより、外部からのノイズの影響を受けにくくすることができる。
FIG. 7 shows an outline of a short-circuit protection device in which a signal synthesis function for synthesizing a protection signal and an output from a gate control signal (PWM) forming unit is incorporated in a digital circuit.
As shown in the figure, by performing signal synthesis with a digital circuit, it is possible to make it less susceptible to external noise.

図8に、デジタル回路とアナログ・デジタル変換手段23、及びデジタル回路を1つの半導体チップ上にのせた短絡保護装置の概要を示す。
図示するように、1つの半導体チップにまとめると、配線長を短くすることが可能となり、ノイズの影響を減らすことができる。かつ、回路規模の縮小及びコストの削減も実現できる。
FIG. 8 shows an outline of the short circuit protection device in which the digital circuit, the analog / digital conversion means 23, and the digital circuit are mounted on one semiconductor chip.
As shown in the figure, when the semiconductor chips are combined, the wiring length can be shortened and the influence of noise can be reduced. In addition, the circuit scale can be reduced and the cost can be reduced.

図9に、デジタル回路とゲート駆動手段21、及び電荷検出手段22を1つの半導体チップ上にのせた短絡保護装置の概要を示す。
図示するように、1つの半導体チップにまとめると、IGBTに数百A以上流す際は、ゲート駆動手段21にディスクリートの素子を使用しなければIGBTを駆動することができない。家電製品などに使用されている数A〜10A程度しか流さないIGBTはゲート容量が小さいので、ICチップによる駆動が可能となり、半導体チップ上にのせることで部品点数の減少が実現できる。
FIG. 9 shows an outline of a short-circuit protection device in which the digital circuit, the gate drive means 21 and the charge detection means 22 are mounted on one semiconductor chip.
As shown in the figure, when a single semiconductor chip is used, when the current of several hundreds A or more is passed through the IGBT, the IGBT cannot be driven unless a discrete element is used for the gate driving means 21. An IGBT used for home appliances and the like that flows only about several A to 10 A has a small gate capacity, so that it can be driven by an IC chip, and the number of components can be reduced by placing it on a semiconductor chip.

図10に、デジタル回路とIGBT、及びゲート制御信号(PWM)形成手段28を1つの半導体チップ上にのせた短絡保護装置の概要を示す。
図示するように、1つの半導体チップにまとめると、ゲート制御(PWM)形成手段28、及びIGBTの基板をまとめることで、図9の負荷短絡保護装置と比較して、部品点数の減少が実現できる。
FIG. 10 shows an outline of a short circuit protection device in which a digital circuit, an IGBT, and a gate control signal (PWM) forming unit 28 are mounted on one semiconductor chip.
As shown in the figure, the number of components can be reduced by combining the gate control (PWM) forming means 28 and the IGBT substrate together with one semiconductor chip as compared with the load short-circuit protection device of FIG. .

図11に、ゲート制御信号(PWM)形成手段28をデジタル回路に組み込み、そのデジタル回路とIGBTを1つの半導体チップ上にのせた短絡保護装置の概要を示す。
図示するように、ゲート制御信号(PWM)形成手段28をデジタル化することにより、ゲート制御信号(PWM)の制御の簡易化を実現する。
FIG. 11 shows an outline of a short-circuit protection device in which the gate control signal (PWM) forming means 28 is incorporated in a digital circuit, and the digital circuit and IGBT are mounted on one semiconductor chip.
As shown in the figure, by simplifying the gate control signal (PWM) forming means 28, control of the gate control signal (PWM) is simplified.

図12に、実用的な短絡保護装置の概要を示す。
図示するように、基本的な構造は図6と同様であるが、アナログ・デジタル変換・変調手段32、マルチプレクサ33、減衰波形形成手段31、デジタル・アナログ変換手段34などが機能として追加される。
FIG. 12 shows an outline of a practical short-circuit protection device.
As shown in the figure, the basic structure is the same as in FIG. 6, but an analog / digital conversion / modulation means 32, a multiplexer 33, an attenuation waveform forming means 31, a digital / analog conversion means 34, and the like are added as functions.

アナログ・デジタル変換・変調手段32は、ゲート制御信号(PWM)形成手段28から入力された信号をアナログ・デジタル変換しその信号のbit数を、減衰波形形成手段31が出力する信号のbit数に合わせる手段である。   The analog / digital conversion / modulation means 32 performs analog / digital conversion on the signal input from the gate control signal (PWM) formation means 28 and converts the number of bits of the signal to the number of bits of the signal output from the attenuation waveform formation means 31. It is a means to match.

マルチプレクサ33は、定格動作時には、選択端子への入力を無入力としておき、アナログ・デジタル変換・変調手段32からの信号を出力する。負荷短絡時には、コンパレータ30から選択端子に信号が入力され、減衰波形形成手段31からの波形を出力させる。   The multiplexer 33 outputs the signal from the analog / digital conversion / modulation means 32 with no input to the selection terminal during rated operation. When the load is short-circuited, a signal is input from the comparator 30 to the selection terminal, and the waveform from the attenuation waveform forming means 31 is output.

負荷短絡が発生した際にIGBTを急速にターンオフさせると、寄生インダクタによる電圧跳ね上がりが起こり破壊の原因となるため、減衰波形形成手段31によりIGBTのゲートへ減衰波形を入力し、よりゆっくりターンオフすることが望ましい。このため、事前に設定している減衰波形発生用のルックアップテーブル参照や、ダウンカウンタ、関数(たとえば指数関数)を用いた減衰波形発生手段あるいはそれらの組み合わせを用いてデジタル的に減衰波形を発生させ緩やかにターンオフさせることが望ましい。   If the IGBT is turned off rapidly when a load short-circuit occurs, a voltage jump due to a parasitic inductor occurs and causes destruction. Therefore, an attenuation waveform is input to the gate of the IGBT by the attenuation waveform forming means 31 and the IGBT is turned off more slowly. Is desirable. For this reason, the attenuation waveform is digitally generated by using a lookup table for generating an attenuation waveform set in advance, an attenuation waveform generation means using a down counter, a function (for example, an exponential function), or a combination thereof. It is desirable to turn it off slowly.

図示するように、破線で囲われた手段や機能は、図7から図11までの信号合成に対応させることができる。   As shown in the figure, the means and functions enclosed by the broken line can be made to correspond to the signal synthesis shown in FIGS.

図13(a)は、図12のブロック図における基準電圧検出手段25の代わりに積分手段35を設けたものであり、図13(b)に示すように、フィルタ24でノイズ除去されたIGBTのゲート電荷に対応する電圧VQGを積分していく。負荷短絡時には積分した値が定格動作時と比較して減少するので、コンパレータ30で定格動作時積分電圧VNCと負荷短絡時積分電圧VSCを比較、検知する構成としている。 FIG. 13A shows an integration means 35 provided in place of the reference voltage detection means 25 in the block diagram of FIG. 12. As shown in FIG. 13B, the IGBT of which noise has been removed by the filter 24 is shown. The voltage V QG corresponding to the gate charge is integrated. Since the value when the load short-circuit that integration is reduced compared to operation rated Compare time integrated voltage V SC load short and when the integrated voltage V NC rated operation in the comparator 30, and is configured to be detected.

図14(a)は図12のブロック図における基準電圧検出手段25の代わりに微分手段36を設けたものである。図14(b)に示すように、この微分手段36は、フィルタ24でノイズ除去されたIGBTのゲート電荷に対応する電圧VQGを微分する。負荷短絡時には微分した値が定格動作時と比較して減少するので、コンパレータ30で定格動作微分電圧と負荷短絡時微分電圧を比較、検知する構成としている。 FIG. 14A is provided with a differentiating means 36 instead of the reference voltage detecting means 25 in the block diagram of FIG. As shown in FIG. 14B, the differentiating means 36 differentiates the voltage V QG corresponding to the gate charge of the IGBT from which noise has been removed by the filter 24. Since the differentiated value decreases when the load is short-circuited compared to the rated operation, the comparator 30 is configured to compare and detect the rated operation differential voltage and the load short-circuit differential voltage.

図15(a)は、図12のブロック図における基準電圧検出手段25の代わりに列挙手段37を設けたものであり、図15(b)に示すように、フィルタ24でノイズ除去されたIGBTのゲート電荷に対応する電圧VQGがハイレベルで安定するまでの時間が負荷短絡時には短くなるので、コンパレータ30により定格動作時の電圧VQGがハイレベルで安定するまでの時間tNCと負荷短絡時の電圧VQGがハイレベルで安定するまでの時間tSCを比較、検知する構成としている。 FIG. 15 (a) is provided with an enumeration means 37 instead of the reference voltage detection means 25 in the block diagram of FIG. 12, and as shown in FIG. 15 (b), the IGBT of which noise has been removed by the filter 24 is shown. since the voltage V QG corresponding to gate charge is shortened during the time the load short circuit to stabilize at a high level, at time t NC and the load short-circuit until the voltage V QG at rated operation is stabilized at high level by the comparator 30 The time t SC until the voltage V QG is stabilized at a high level is compared and detected.

図16(a)は図12のブロック図における基準電圧検出手段25の代わりに減算手段38を設けたものであり、図16(b)に示すように、フィルタ24でノイズ除去されたIGBTのゲート電荷に対応する電圧VQGは定格動作時に比べ負荷短絡時には減少するのでその値の差Vdifを測定し、この値が大きくなった際に負荷短絡と判断する構成としている。 FIG. 16A is provided with a subtracting means 38 instead of the reference voltage detecting means 25 in the block diagram of FIG. 12, and as shown in FIG. 16B, the gate of the IGBT from which noise has been removed by the filter 24. Since the voltage V QG corresponding to the charge decreases when the load is short-circuited compared to the rated operation, the difference V dif between the values is measured, and when this value becomes large, it is determined that the load is short-circuited.

図17(a)は、図12に示す実施の形態における動作を示すフローチャートである。ステップS100において、電荷検出手段22を用いてIGBTのゲート電荷電圧VQGを検出する。ステップS110では、記憶手段26に基準電圧VREFを記憶済みかどうかの判断を行い、まだ記憶していない場合にはステップS120で、VQGのハイレベルで安定した値VPEAKを記憶する。ステップS130でVREFの値を生成し、ステップS100に戻る。 FIG. 17A is a flowchart showing the operation in the embodiment shown in FIG. In step S100, the gate charge voltage V QG of the IGBT is detected using the charge detection means 22. In step S110, it is determined whether or not the reference voltage V REF has been stored in the storage means 26. If not yet stored, in step S120, a stable value V PEAK at a high level of V QG is stored. In step S130, a value of V REF is generated, and the process returns to step S100.

ステップS110で既に基準電圧VREFを記憶済みの場合はステップS140に進む。ステップS140では、VREFの変更の必要があるかどうかを判断する。具体的には、ステップS142の半導体チップの温度Tの変化、ステップS144の閾値VTHの変化、ステップS146の電源電圧VDCの変化、ステップS148のゲート電荷電圧VQGの変化を考慮して、変更がある時は、ステップS150でプログラム内のVREFを再生成し、ステップS100に戻る。 If the reference voltage V REF has already been stored in step S110, the process proceeds to step S140. In step S140, it is determined whether or not V REF needs to be changed. Specifically, taking into account the change in temperature T of the semiconductor chip in step S142, the change in threshold value V TH in step S144, the change in power supply voltage V DC in step S146, and the change in gate charge voltage V QG in step S148, when there is a change regenerates the V REF in the program at step S150, the flow returns to step S100.

ステップS140でVREFの変更がない場合はステップS160に進み、VREFとVQGの大小を比較する。検出したVQGがVREFよりも大きいときはステップS170によりコンパレータ30から保護信号の出力はない。VQGがVREFよりも小さいときはステップS180に進み、コンパレータ30が保護信号を出力する。ついでステップS190により減衰波形形成手段31が減衰波形を出力し、ステップS200でIGBTをターンオフする。 When there is no change in V REF in step S140, the process proceeds to step S160, and the magnitudes of V REF and V QG are compared. When the detected V QG is larger than V REF, no protection signal is output from the comparator 30 in step S170. When V QG is smaller than V REF , the process proceeds to step S180, and the comparator 30 outputs a protection signal. In step S190, the attenuation waveform forming means 31 outputs an attenuation waveform, and in step S200, the IGBT is turned off.

以上のように、本発明の実施の形態によれば、定格動作状態のゲート電荷に対応する電圧のハイレベルで安定した値を記憶して基準電圧に変換するので、IGBTの保護に必要な回路パラメータの変更や設定、検出が自動的に容易に行え、特性の異なるIGBTを用いても自動的に対応できる。また、IGBTの温度による特性の変化や、経年変化による特性の変化も対応でき、多機能化にも容易に実現できる。   As described above, according to the embodiment of the present invention, since a stable value at a high level of the voltage corresponding to the gate charge in the rated operation state is stored and converted to the reference voltage, a circuit necessary for protecting the IGBT Parameters can be easily changed, set and detected automatically, and can be automatically handled even if IGBTs having different characteristics are used. In addition, a change in characteristics due to the temperature of the IGBT and a change in characteristics due to a secular change can be dealt with, and it is possible to easily realize a multi-function.

本発明は、IGBTの特性の違いや温度変化があっても、最適なパラメータを自動的に設定することのできる半導体装置の短絡保護装置として、インバータ等の電力制御装置の分野に好適に利用することができる。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is suitably used in the field of power control devices such as inverters as a short-circuit protection device for semiconductor devices that can automatically set optimal parameters even when there are differences in IGBT characteristics or temperature changes. be able to.

1 負荷短絡保護装置
2 ゲート駆動回路
3 ゲート電荷測定回路
4 A/Dコンバータ
5 デジタルフィルタ
6 ピーク検出器
7 コンパレータ
8 パルス発生器
9 ゲートオフ電圧
10 ゲートコントローラ
11 D/Aコンバータ
20 負荷短絡保護装置
21 ゲート駆動手段
22 電荷検出手段
23 アナログ・デジタル変換手段
24 フィルタ
25 基準電圧検出手段
26 記憶手段
27 判断手段
28 ゲート制御信号形成手段
29 信号合成
30 コンパレータ
31 短絡発生時のゲート電圧減衰波形形成手段
32 アナログ・デジタル変換・変調手段
33 マルチプレクサ
34 デジタル・アナログ変換手段
35 積分手段
36 微分手段
37 列挙手段
38 減算手段
G IGBTのゲート電荷
QG ゲート電荷電圧
CE コレクタ・エミッタ間電圧
GE ゲート・エミッタ間電圧
G IGBTのゲートに流れる電流
G * 電荷検出手段に流れる電流
REF 基準電圧
peak 定格動作時のゲート電荷電圧VQGのハイレベルで安定した値
P デジタル回路からの出力
High ハイレベル(“1”)信号
Low ローレベル(“0”)信号
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Load short circuit protection device 2 Gate drive circuit 3 Gate charge measurement circuit 4 A / D converter 5 Digital filter 6 Peak detector 7 Comparator 8 Pulse generator 9 Gate off voltage 10 Gate controller 11 D / A converter 20 Load short circuit protection device 21 Gate Drive means 22 Charge detection means 23 Analog / digital conversion means 24 Filter 25 Reference voltage detection means 26 Storage means 27 Judgment means 28 Gate control signal formation means 29 Signal synthesis 30 Comparator 31 Gate voltage attenuation waveform formation means when short circuit occurs 32 digital conversion and modulation unit 33 multiplexers 34 digital-to-analog converter 35 the integrating means 36 differential means 37 listed means 38 subtraction means Q G IGBT gate charge V QG gate charge voltage V CE collector-emitter Stable value V P digital high level of pressure V GE gate-emitter voltage I G current flows to the gate of the IGBT I G * current flows to the charge detecting unit V REF reference voltage V peak nominal operating time of the gate charge voltage V QG Output from circuit High High level (“1”) signal Low Low level (“0”) signal

Claims (3)

半導体素子の入力部の電荷に対応する電圧を検出する電荷検出手段と、前記半導体素子の定格動作時の入力部の電荷から負荷短絡が発生したかどうかを判断するための基準電圧を発生する基準電圧発生手段と、前記電荷検出手段で検出された電圧が前記半導体素子の定格動作時のゲート電荷に対応する電圧か、あるいは負荷短絡時のゲート電荷に対応する電圧かを判断する判断手段と、前記判断手段が負荷短絡を検出したときに前記半導体素子を動作停止する信号を出力する半導体素子駆動手段とを持つ半導体装置の短絡保護装置において、
前記基準電圧発生手段に、前記半導体素子の定格動作時における入力部の電荷から負荷短絡が発生したかどうかを判断するための基準電圧を記憶する記憶手段を設けたことを特徴とする半導体装置の短絡保護装置。
Charge detection means for detecting a voltage corresponding to the charge of the input part of the semiconductor element, and a reference for generating a reference voltage for judging whether a load short circuit has occurred from the charge of the input part during rated operation of the semiconductor element Determining means for determining whether the voltage detected by the charge detecting means is a voltage corresponding to the gate charge at the rated operation of the semiconductor element or a voltage corresponding to the gate charge at the time of a load short circuit; In a short circuit protection device for a semiconductor device having semiconductor element driving means for outputting a signal for stopping the operation of the semiconductor element when the determination means detects a load short circuit,
Said reference voltage generating means, and wherein a provided with a storage means for memorize a reference voltage for determining whether the load short-circuit from the input of the charge during the rated operation of the semiconductor device occurs Short circuit protection device.
前記電荷検出手段のアナログ出力をデジタル信号に変換するアナログ・デジタル変換手段を設け、前記基準電圧発生手段及び前記判断手段をデジタル化し、前記判断手段からのデジタル出力信号をアナログ信号に変換して前記半導体素子駆動手段に出力するデジタル・アナログ変換手段を有する請求項1記載の半導体装置の短絡保護装置。   An analog-to-digital conversion unit that converts an analog output of the charge detection unit into a digital signal is provided, the reference voltage generation unit and the determination unit are digitized, and a digital output signal from the determination unit is converted into an analog signal to be converted into the analog signal. 2. The short-circuit protection device for a semiconductor device according to claim 1, further comprising a digital / analog conversion means for outputting to the semiconductor element driving means. 前記半導体素子駆動手段へのアナログ制御信号をデジタル信号に変換する第2アナログ・デジタル変換手段と、負荷短絡時における前記判断手段からのデジタル出力信号をトリガーとしてゲート駆動手段に出力する波形をデジタル的な減衰波形に変換する減衰波形形成手段と、前記第2アナログ・デジタル変換手段の出力と前記減衰波形形成手段の出力を、定格動作時と負荷短絡時とで選択して前記デジタル・アナログ変換手段に出力するマルチプレクサとをさらに有する請求項2記載の半導体装置の短絡保護装置。   A second analog-to-digital conversion means for converting an analog control signal to the semiconductor element driving means into a digital signal, and a digital output waveform to the gate driving means triggered by a digital output signal from the judgment means when the load is short-circuited Attenuation waveform forming means for converting into a proper attenuation waveform, and the digital / analog conversion means by selecting the output of the second analog / digital conversion means and the output of the attenuation waveform forming means during rated operation and during load short-circuiting The short-circuit protection device for a semiconductor device according to claim 2, further comprising a multiplexer for outputting to the semiconductor device.
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