JP6569816B2 - 半導体素子の駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、電力変換装置を構成する半導体素子を駆動するとともに、保護動作状態の報知機能を有する半導体素子の駆動装置に関する。

近時、インテリジェント・パワーモジュール（ＩＰＭ）が注目されている。このインテリジェント・パワーモジュールは、半導体素子（ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等のパワートランジスタ）とその駆動回路とともに、半導体素子の過電流、短絡、制御電源の電圧低下、チップ温度過熱等の異常に対する保護回路を１つの電子部品としてモジュール化したものである。

また、このような異常をそれぞれ検出する複数の保護回路に加えて、各保護回路にて検出した異常の種別に応じて予め定めたパルス幅のアラーム信号を形成可能なパルス信号を出力するアラーム信号出力回路と、このアラーム信号出力回路からパルス信号が出力されたときに、設定されたパルス幅に相当する１パルス分を保護動作通知信号として出力する通知信号出力回路とをインテリジェント・パワーモジュールに組み込むことも提唱されている（例えば、特許文献１参照）。

このようなアラーム信号を出力する判別回路を備えることで、駆動装置を制御する制御装置側、例えば、インバータ制御装置ではアラーム信号のパルス幅を検出することで半導体素子に生じた異常の種別を判別することができる。
しかしながら、上記のように１パルスの保護動作通知信号を出力するだけでは、半導体素子の異常が解消されても、これを検出することができないという問題を含んでいる。そこで、本出願人は、先に上記不具合を回避するために、異常要因が発生したときに異常要因を識別可能な所定幅のアラーム信号を予め設定した時間間隔で出力し、異常要因が解除されてアラーム信号の出力が終了したときに、アラーム信号とは異なるパルス幅のアラーム解除信号を出力することにより、アラーム信号の判別および異常解消の検出を容易化する半導体素子の駆動装置を提唱した（特許文献２参照）。

特開２０１２−１４３１２５号公報 特開２０１３−２５８８５８号公報

しかしながら、特許文献２で提唱した半導体素子の駆動装置については、パルス幅を測定して、異常の種別を判別するとともに、アラーム信号の出力の終了を検出するため個々のパルスがアラーム信号とアラーム解除信号のいずれであるかを判断するためには、ある程度規模の大きい回路が必要でコストにも影響する。
また、アラーム解除信号の識別をせずに、パルス信号が出続けているか否かを検出し、パルス信号の出力が止まったらアラームが解除されたと判断する場合でも、パルス信号が出続けているか否かを検出する回路はある程度規模の大きい回路が必要となる。例えば、１つのアラーム信号が検出されてから次のアラーム信号を検出するまでの間は、アラーム信号が存在しない。このため、アラーム信号間では、継続を判断するためには、アラーム信号を検出したことを記憶しておく必要があり、この記憶をアラーム解除信号で消去することが必要となる。アラームが解除されたか否かが知りたいだけなら、異常状態の有無に応じてＬレベルもしくはＨレベルとなる２値信号の方が検出は簡単である。

また、駆動装置を半導体集積回路（ＩＣ）により構成することを考えると、アプリケーションによっては、異常の種別を判別だけできれば良い場合と、異常状態の有無だけ判別だけできれば良い場合があるが、個別に対応するためにはそれぞれに対し個別に半導体集積回路を開発する必要がある。
本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、駆動装置のアラーム端子から異常要因を識別する信号と異常要因の発生が継続していることを表す信号とを選択して出力できる半導体素子の駆動装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明に係る半導体素子の駆動装置の一態様は、電力変換装置を構成する半導体素子の保護動作に必要な保護要因の発生を検出し、保護要因発生信号を出力する複数の保護要因発生検出部と、複数の保護要因発生検出部の何れかで保護要因発生信号が出力されたときに、これら複数の保護要因発生検出部毎に異なるパルス幅の保護要因識別信号を生成する識別信号生成部と、保護要因発生検出部から保護要因発生信号が出力されている間保護要因継続信号を生成する継続信号生成部と、保護要因識別信号及び保護要因継続信号の何れか１つを選択する信号選択部と、この信号選択部で選択した選択信号をアラーム信号として出力するアラーム信号出力部とを備えている。

本発明の一態様によれば、識別信号生成部で生成される保護要因の種別を識別可能な保護要因発生信号と、継続信号生成部で生成される保護要因が継続していることを表す保護要因継続信号との何れを出力するかを信号選択部で選択できる。このため、駆動装置から必要に応じて、保護要因発生信号及び保護要因継続信号の何れか一方のみを出力することが可能であるとともに、保護要因発生信号を出力した後に保護要因継続信号を出力することもできる。アラーム信号を監視するシステム環境に対応したアラーム信号を出力できる。

本発明が適用される電力変換装置の全体的な概略構成を示すブロック図である。 ドライバ回路の具体的構成を示すブロック図である。 識別信号生成部から出力される保護要因識別信号を示す信号波形図である。 本実施形態の動作の説明に供する信号波形図である。 外部の制御装置から入力される選択用信号ＳＥＬをハイレベルに設定した場合の、保護要因と、識別信号生成部の保護要因識別信号によるアラーム信号との関係を示す信号波形図である。 外部の制御装置から入力される選択用信号ＳＥＬをローレベルに設定した場合の、保護要因と、継続信号生成部の保護要因継続信号によるアラーム信号との関係を示す信号波形図である。

次に、図面を参照して、本発明の一実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。
また、以下に示す実施の形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
電力変換装置１は、図１に示すように、直流電力を交流電力に変換するインバータ２と、このインバータ２を構成する各相（Ｕ相〜Ｚ相）の半導体素子を個別に駆動する半導体素子の駆動装置としての各相のドライバ回路３Ｕ〜３Ｚとを備えている。
インバータ２は、６個の半導体素子としてのＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）１１〜１６を有する。

これらＩＧＢＴ１１〜１６は、直流電源に接続されて直流電力が供給される正極側ラインＬｐ及び負極側ラインＬｎ間に、ＩＧＢＴ１１及び１２の直列回路、ＩＧＢＴ１３及び１４の直列回路並びにＩＧＢＴ１５及び１６の直列回路がそれぞれ並列に接続されている。ここで、各ＩＧＢＴ１１〜１６には、フリーホイールダイオード２１〜２６が逆並列に接続されている。

また、ＩＧＢＴ１１、１３及び１５がそれぞれＵ相、Ｖ相及びＷ相とされて上アームＵＡが構成されている。また、ＩＧＢＴ１２、１４及び１６がそれぞれＸ相、Ｙ相及びＺ相とされて下アームＬＡが構成される。さらに、ＩＧＢＴ１１及び１２の接続点、ＩＧＢＴ１３及び１４の接続点並びにＩＧＢＴ１５及び１６の接続点から三相交流電力が出力される。この三相交流電力が、電動モータ等の交流負荷４に供給される。

ＩＧＢＴ１１〜１６は、図２に示すように、チップ（半導体チップ）１７内に設けられている。このチップ１７内には、ＩＧＢＴ１ｉ（ｉ＝１〜６）のコレクタ及びエミッタ間を流れる電流を検出する不図示の電流センス用ＩＢＧＴや電流センス抵抗で構成される電流センサ１８と、チップ内温度を検出する温度検出用ダイオードで構成される温度センサ１９とが設けられている。

各相のドライバ回路３ｋ（ｋ＝Ｕ〜Ｚ）は、図２に示すように、インバータ２を構成する各ＩＧＢＴ１ｉのゲートをオン／オフ制御するゲート制御回路３１と、保護要因発生検出部としての過電流検出回路３２、制御電圧検出回路３３及びチップ温度検出回路３４とを備えている。過電流検出回路３２は、ＩＧＢＴ１ｉの保護動作に必要な情報であるＩＧＢＴ１ｉの過電流状態を検出する。制御電圧検出回路３３は、ＩＧＢＴ１ｉの保護動作に必要な情報である制御電圧の低電圧状態を検出する。チップ温度検出回路３４は、ＩＧＢＴ１ｉの保護動作に必要な情報であるチップ１７の過熱状態を検出する。

また、各相のドライバ回路３Ｕ〜３Ｚは、識別信号生成部３５と、継続信号生成部３６と、信号選択部３７と、アラーム信号出力部４０を備えている。
ゲート制御回路３１には、ドライバ回路３Ｕ〜３Ｚの外部からパルス幅変調（ＰＷＭ）信号が動作信号ＤＳＧとして入力されるとともに、継続信号生成部３６から出力される保護要因継続信号Ｓｐｃが入力されている。このゲート制御回路３１は、保護要因継続信号Ｓｐｃがローレベルであるときに、動作信号ＤＳＧをＩＧＢＴ１ｉのゲートに出力し、保護要因継続信号Ｓｐｃがハイレベルであるときに、動作信号ＤＳＧのＩＧＢＴ１ｉのゲートへの出力を停止する。

過電流検出回路３２は、電流センサ１８で検出した電流検出値（電圧信号）が入力されるとともに、過電流閾値Ｖｔｈ１が入力された比較器ＣＰ１を有する。この比較器ＣＰ１は、電流検出値が過電流閾値Ｖｔｈ１を上回ると保護要因となる過電流状態を表すハイレベルの過電流検出信号Ｓｏｃを保護要因発生信号として識別信号生成部３５と継続信号生成部３６とに出力する。したがって、過電流検出回路３２では、ＩＧＢＴ１ｉの過電流を検出することができる。

制御電圧検出回路３３は、ドライバ回路３Ｕ〜３Ｚの外部から制御電圧Ｖｃｃ（例えば１５［Ｖ］）が入力されるとともに、低電圧閾値Ｖｔｈ２が入力された比較器ＣＰ２を有する。この比較器ＣＰ２は、制御電圧Ｖｃｃが低電圧閾値Ｖｔｈ２を下回ると、保護要因となる制御電圧不足を表すハイレベルの低電圧検出信号Ｓｕｖを保護要因発生信号として識別信号生成部３５と継続信号生成部３６とに出力する。したがって、制御電圧検出回路３３では、制御電圧不足、つまり、ＩＣ電源の電圧低下を検出することができる。

チップ温度検出回路３４は、温度センサ１９で検出した温度検出値（電圧信号）が入力されるとともに過熱閾値Ｖｈｔ３が入力された比較器ＣＰ３を有する。この比較器ＣＰ３は、温度検出値が過熱閾値Ｖｈｔ３を下回ると保護要因となる過熱状態を表すハイレベルの過熱検出信号Ｓｏｈを保護要因発生信号として識別信号生成部３５と継続信号生成部３６とに出力する。したがって、チップ温度検出回路３４では、ＩＧＢＴ１ｉを内蔵するチップ１７の過熱状態を検出することができる。

なお、図２に示した、チップ温度検出回路３４内の電源３４ａは、温度センサ１９を温度検出用ダイオードで構成した場合に、このダイオードに定電流を供給するためのものである。
識別信号生成部３５は、ワンショット回路で構成される第１ワンショット回路３５ａ、第２ワンショット回路３５ｂ、第３ワンショット回路３５ｃと、これらの出力パルスが入力されるオアゲート３５ｄとを備えている。

第１ワンショット回路３５ａは、過電流検出回路３２からＩＧＢＴ１ｉの過電流状態を検出した過電流検出信号Ｓｏｃが入力されたときに、図３（ａ）に示すように、通常状態のローレベルからハイレベルに状態変化させ、このハイレベルのパルス幅が例えば基本パルス幅Ｔとなるパルス信号ＰＳｏｃをオアゲート３５ｄに出力する。基本パルス幅Ｔとしては、例えば、２［ｍｓ］を採用できる。

また、第２ワンショット回路３５ｂは、制御電圧検出回路３３から制御電圧不足、つまり、ＩＣ電源が低電圧となったことを検出したハイレベルの低電圧検出信号Ｓｕｖが入力されたときに、図３（ｂ）に示すように、通常状態のローレベルからハイレベルに状態変化させ、このハイレベルのパルス幅が例えば２Ｔ（＝４ｍｓ）となるパルス信号ＰＳｏｃをオアゲート３５ｄに出力する。

さらに、第３ワンショット回路３５ｃは、チップ温度検出回路３４からＩＧＢＴ１ｉの過熱状態を検出した過熱検出信号Ｓｏｈが入力されたときに、図３（ｃ）に示すように、通常状態のローレベルからハイレベルに状態変化させ、このハイレベルのパルス幅が例えば４Ｔ（＝８ｍｓ）となる１ショットパルス信号ＰＳｏｈをオアゲート３５ｄに出力する。

オアゲート３５ｄは、第１ワンショット回路３５ａ、第２ワンショット回路３５ｂ及び第３ワンショット回路３５ｃから出力される１ショットパルス信号ＰＳｏｃ、ＰＳｕｖ及びＰＳｏｈのうち何れか１つがハイレベルであるときに、ハイレベルとなる保護要因識別信号Ｓｐｄを信号選択部３７に出力する。
ここで、保護要因識別信号Ｓｐｄのパルス幅は２〜８［ｍｓ］と十分に短いため、例えば、過電流状態が生じた後それを原因として過熱状態が発生し、２以上のパルス信号ＰＳｊ（ｊ＝ｏｃ，ｕｖ，ｏｈ）が発生しても、２以上のパルス信号ＰＳｊが同時に入力されることは殆どない。

これにより、識別信号生成部３５は、過電流検出回路３２、制御電圧検出回路３３及びチップ温度検出回路３４のうち過電流、制御電圧不足または過熱状態を検出した検出回路３２〜３４、つまり、保護動作が必要である保護要因を検出した検出回路３２〜３４に対応するパルス信号である保護要因識別信号Ｓｐｄを信号選択部３７に出力する。
継続信号生成部３６は、オアゲート３６ａを備えている。オアゲート３６ａには、過電流検出回路３２から出力される過電流検出信号Ｓｏｃ、制御電圧検出回路３３から出力される低電圧検出信号Ｓｕｖ及びチップ温度検出回路３４から出力される過熱検出信号Ｓｏｈが入力されている。このオアゲート３６ａは、過電流検出信号Ｓｏｃ、低電圧検出信号Ｓｕｖ及び過熱検出信号Ｓｏｈの入力信号のうち何れか１つが通常状態のローレベルからハイレベルに状態変化したときに、通常状態のローレベルからハイレベルに状態変化させ、全ての入力信号が通常状態に復帰したときに通常状態に状態変化する保護要因継続信号Ｓｐｃをゲート制御回路３１と信号選択部３７とに出力する。

信号選択部３７は、第１アンドゲート３７ａ及び第２アンドゲート３７ｂと、オアゲート３７ｃとを備えている。第１アンドゲート３７ａには、一方の入力端子に識別信号生成部３５から出力される保護要因識別信号Ｓｐｄが入力され、他方の入力端子に外部の制御装置から選択信号入力端子ｔｓに入力される選択用信号ＳＥＬが入力されている。したがって、第１アンドゲート３７ａから保護要因識別信号Ｓｐｄと選択用信号ＳＥＬとの論理積をとった論理積信号が出力される。

第２アンドゲート３７ｂには、一方の入力端子に継続信号生成部３６から出力される保護要因継続信号Ｓｐｃが入力され、他方の入力端子に選択信号入力端子ｔｓに入力される選択用信号ＳＥＬが論理反転回路（ＮＯＴ回路）３７ｄで論理反転されて入力される。したがって、第２アンドゲート３７ｂから保護要因継続信号Ｓｐｃと選択用信号ＳＥＬを論理反転した信号との論理積をとった論理積信号が出力される。

オアゲート３７ｃには、第１アンドゲート３７ａの論理積信号及び第２アンドゲート３７ｂの論理積信号が入力され、両論理積信号の何れか１つがハイレベルとなったときにハイレベルとなる内部選択信号Ｓｓｅをアラーム信号出力部４０に出力する。
アラーム信号出力部４０は、アラーム信号出力端子ｔａ及び接地間に直列に接続された、抵抗４１（制限抵抗）及び半導体スイッチ素子としてのＮチャネルのＭＯＳＦＥＴ４２の直列回路を有する。ここで、ＭＯＳＦＥＴ４２は、ドレイン（高電位側端子）が抵抗４１を介してアラーム信号出力端子ｔａに接続され、ソース（低電位側端子）が接地に接続され、ゲート（制御端子）が信号選択部３７のオアゲート３７ｃの出力端子に接続されている。

そして、抵抗４１及びＭＯＳＦＥＴ４２の接続点４３に一端が直流電源端子となる制御電源入力端子ｔｖｉに接続された定電流回路４４の他端が接続されている。この定電流回路４４は、例えば、２００［μＡ］の定電流を接続点４３に供給する。
このため、ＭＯＳＦＥＴ４２がオフ状態であるときには、接続点４３が制御電圧Ｖｃｃとなり、アラーム信号出力端子ｔａがハイレベルとなる制御電圧Ｖｃｃとなる。一方、ＭＯＳＦＥＴ４２がオン状態であるときには、定電流回路４４からの定電流が接地に流れるので、接続点４３はローレベルとなるグランド電位となり、アラーム信号出力端子ｔａもグランド電位となる。
したがって、アラーム信号出力端子ｔａからハイレベル及びローレベルの２つのレベルをとるアラーム信号ＡＬＭが出力される。

次に、本実施形態の電力変換装置１の動作について説明する。
まず、時点ｔ０において、インバータ２を構成するＩＧＢＴ１１〜１６に流れる電流の検出値が過電流閾値Ｖｔｈ１未満で正常であり、且つ、ＩＧＢＴ１１〜１６を形成したチップ１７内の温度の検出値が過熱閾値Ｖｈｔ３以上で正常であり、さらに各ドライバ回路３Ｕ〜３Ｚに供給する制御電圧Ｖｃｃ（ＩＣ電源電圧）が低電圧閾値Ｖｔｈ２を超えていて正常であるものとする。

この正常状態では、図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、時点ｔ０で、過電流検出回路３２から出力される過電流検出信号Ｓｏｃ、各ドライバ回路３Ｕ〜３Ｚの制御電圧検出回路３３から出力される低電圧検出信号Ｓｕｖ及びチップ温度検出回路３４から出力される過熱検出信号Ｓｏｈがともにローレベルとなっている。
そのため、図４（ｄ）〜（ｆ）に示すように、識別信号生成部３５の第１ワンショット回路３５ａ、第２ワンショット回路３５ｂ及び第３ワンショット回路３５ｃの出力はローレベルを維持する。したがって、オアゲート３５ｄから出力される保護要因識別信号Ｓｐｄは図４（ｇ）に示すようにローレベルを維持しているとともに保護要因継続信号Ｓｐｃも図４（ｈ）に示すようにローレベルを維持している。

このとき、選択信号入力端子ｔｓに入力される選択用信号ＳＥＬがハイレベルであって、識別信号生成部３５を選択しているものとする。この状態では、識別信号生成部３５から出力される保護要因識別信号Ｓｐｄがローレベルを維持しているので、第１アンドゲート３７ａの論理積出力がローレベルとなる。このため、オアゲート３７ｃから出力される内部選択信号Ｓｓｅがローレベルとなり、アラーム信号出力部４０のＭＯＳＦＥＴ４２はオフ状態を維持している。それゆえ、接続点４３の電位が制御電圧Ｖｃｃの電位であるハイレベルとなり、アラーム信号出力端子ｔａから出力されるアラーム信号ＡＬＭが図４（ｉ）に示すように正常状態を表す制御電圧Ｖｃｃの電位となる。

このため、各ドライバ回路３Ｘ〜３Ｚでは、保護要因継続信号Ｓｐｃがローレベルであることからゲート制御回路３１で、外部の制御装置（図示せず）から入力される動作信号ＤＳＧに応じたゲート信号をＩＧＢＴ１１〜１６のゲートに供給し、インバータ２で直流電力が交流電力に変換されて、交流負荷４に交流電力が出力される。
その後、このインバータ２の各相のＩＧＢＴ１１〜１６が正常状態であり、ＩＣ電源電圧が正常である状態から、時点ｔ１で、例えば、あるドライバ回路３ｋの過電流検出回路３２でインバータ２を構成するＩＧＢＴ１ｉのコレクタ電流の検出値が過電流閾値Ｖｔｈ１以上となったことを検出したものとする。

この場合には、過電流検出回路３２から図４（ａ）に示すように、ハイレベルの過電流検出信号Ｓｏｃが時点ｔ１で出力される。この過電流検出信号Ｓｏｃは識別信号生成部３５と継続信号生成部３６に供給される。
識別信号生成部３５では、ハイレベルの過電流検出信号Ｓｏｃが第１ワンショット回路３５ａに供給されるので、この第１ワンショット回路３５ａから図４（ｄ）に示すハイレベルの、パルス幅がＴとなるパルス信号ＰＳｏｃが出力される。

したがって、識別信号生成部３５のオアゲート３５ｄから図４（ｇ）に示すハイレベルの保護要因識別信号Ｓｐｄが出力され、これが信号選択部３７の第１アンドゲート３７ａに入力される。
一方、継続信号生成部３６では、オアゲート３６ａに過電流検出回路３２からハイレベルの過電流検出信号Ｓｏｃが入力されるので、このオアゲート３６ａから出力される保護要因継続信号Ｓｐｃがハイレベルとなる。このハイレベルの保護要因継続信号Ｓｐｃがゲート制御回路３１と信号選択部３７の第２アンドゲート３７ｂとに供給される。

このとき、信号選択部３７の第２アンドゲート３７ｂにはハイレベルの選択用信号ＳＥＬが論理反転回路３７ｄでローレベルに反転されて入力されているので、第２アンドゲート３７ｂの論理積出力は、継続信号生成部３６の保護要因継続信号Ｓｐｃの状態にかかわらずローレベルを維持する。
このため、信号選択部３７のオアゲート３７ｃから出力される内部選択信号Ｓｓｅがハイレベルとなり、このハイレベルの内部選択信号Ｓｓｅがアラーム信号出力部４０のＭＯＳＦＥＴ４２のゲートに供給される。このため、ＭＯＳＦＥＴ４２がターンオン状態となり、図４（ｉ）に示すように、アラーム信号出力端子ｔａからローレベルとなるアラーム信号ＡＬＭが外部の制御装置に出力される。

これと同時に、継続信号生成部３６から出力されるハイレベルの保護要因継続信号Ｓｐｃがゲート制御回路３１に供給され、ゲート制御回路３１からのゲート駆動信号の出力が停止され、ＩＧＢＴ１１がターンオフされて保護状態となる。
その後、時点ｔ１からパルス幅Ｔ分の時間が経過した時点ｔ２で、識別信号生成部３５の第１ワンショット回路３５ａから出力されるパルス信号ＰＳｏｃが図４（ｄ）に示すようにハイレベルからローレベルに復帰する。これに応じてアラーム信号出力部４０のＭＯＳＦＥＴ４２はターンオフ状態となる。このため、接続点４３の電位が制御電圧Ｖｃｃまで上昇し、アラーム信号出力端子ｔａから出力されるアラーム信号が図４（ｉ）に示すように、ローレベルからハイレベルに復帰する。

一方、外部の制御装置では、ドライバ回路３ｋからアラーム信号ＡＬＭが入力されると、このアラーム信号ＡＬＭがグランド電位ＧＮＤであるローレベルを維持している間に、図４（ｊ）に示すクロック信号ＣＰをカウントする。そして、このカウント数とクロック信号ＣＰのパルス間の時間を乗算して積算時間を算出し、この積算時間からアラーム信号ＡＬＭが過電流検出信号Ｓｏｃによるものであることを検出することができる。これにより、ＩＧＢＴ１ｉに生じた保護要因が、過電流保護要因であることを容易に判別することができる。なお、アラーム信号ＡＬＭがグランド電位ＧＮＤであるローレベルを維持している期間のクロック信号ＣＰのカウント数で保護要因検出回路の種別を判別するようにしてもよい。

その後、時点ｔ３で、過電流検出回路３２でインバータ２を構成するＩＧＢＴ１ｉのコレクタ電流の検出値が過電流閾値Ｖｔｈ１未満となったことを検出すると、過電流検出回路３２から出力される過電流検出信号Ｓｏｃが図４（ａ）に示すようにハイレベルからローレベルに復帰する。これに応じて継続信号生成部３６から出力される保護要因継続信号Ｓｐｃも図４（ｈ）に示すようにハイレベルからローレベルに復帰する。このため、ゲート制御回路３１から動作信号ＤＳＧに応じたゲート駆動信号がＩＧＢＴ１ｉのゲートに出力されて、ＩＧＢＴ１ｉが正常な動作状態に復帰する。

信号選択部３７では、識別信号生成部３５のオアゲート３５ｄから出力される保護要因識別信号Ｓｐｄに変化を生じないので、内部選択信号Ｓｓｅはローレベルを維持し、アラーム信号出力部４０のＭＯＳＦＥＴ４２がオフ状態を維持し、アラーム信号出力端子ｔａから出力されるアラーム信号ＡＬＭがハイレベルを維持する。
同様に、時点ｔ４で、あるドライバ回路３ｋに供給されるＩＣ電源電圧である制御電圧Ｖｃｃが低電圧閾値Ｖｔｈ２以下に低下する低電圧異常が発生したときには、この低電圧異常が制御電圧検出回路３３で検出される。

すると、制御電圧検出回路３３からハイレベルの低電圧検出信号Ｓｕｖが識別信号生成部３５と継続信号生成部３６とに供給される。このため、識別信号生成部３５の第２ワンショット回路３５ｂから第４図（ｅ）に示すようにハイレベルの、パルス幅２Ｔのパルス信号ＰＳｕｖが時点ｔ４で出力される。また同時に、継続信号生成部３６から出力される保護要因継続信号Ｓｐｃが、図４（ｈ）に示すようにローレベルからハイレベルに反転される。

このため、ハイレベルの保護要因継続信号Ｓｐｃがゲート制御回路３１に供給され、ゲート制御回路３１からのゲート駆動信号の出力が停止され、ＩＧＢＴ１１がターンオフされて保護状態となる。
このとき、識別信号生成部３５から出力される保護要因識別信号Ｓｐｄが図４（ｇ）に示すように、ハイレベルとなるので、信号選択部３７の第１アンドゲート３７ａの論理積出力信号がハイレベルとなる。このため、オアゲート３７ｃから出力される内部選択信号Ｓｓｅがハイレベルとなり、アラーム信号出力部４０のＭＯＳＦＥＴ４２はターンオン状態となる。それゆえ、接続点４３がＭＯＳＦＥＴ４２を通じて接地に接続され、接続点の電位がグランド電位ＧＮＤであるローレベルとなる。そのため、アラーム信号ＡＬＭの電位は図４（ｉ）に示すように電源電位Ｖｃｃのハイレベルから異常が発生して保護状態となったことを表すグランド電位ＧＮＤのローレベルに状態変化する。

その後、時点ｔ４からパルス幅２Ｔ分の時間が経過した時点ｔ５で、識別信号生成部３５の第２ワンショット回路３５ｂから出力される保護要因識別信号ＰＳｕｖが図４（ｅ）に示すようにハイレベルからローレベルに復帰する。これに応じてアラーム信号出力部４０のＭＯＳＦＥＴ４２はターンオフ状態となる。このため、接続点４３の電位が制御電圧Ｖｃｃに復帰する。したがって、アラーム信号出力端子ｔａから出力されるアラーム信号ＡＬＭは、図４（ｉ）に示すように、制御電圧Ｖｃｃとなるハイレベルに復帰する。
このため、外部の制御装置では、アラーム信号ＡＬＭのグランド電位ＧＮＤとなるローレベルのパルス幅が２Ｔであることから、制御電圧Ｖｃｃが低電圧閾値Ｖｔｈ２より低い制御電圧低下保護要因が発生していると認識することができる。

その後、時点ｔ６で、外部から供給される制御電圧Ｖｃｃが低電圧閾値Ｖｔｈ２より高い正常な電圧に復帰すると、制御電圧検出回路３３から出力される低電圧検出信号Ｓｕｖが図４（ｂ）に示すようにハイレベルからローレベルに復帰する。このとき、識別信号生成部３５の第２ワンショット回路３５ｂの出力はローレベルを維持するので、オアゲート３５ｄから出力される保護要因識別信号Ｓｐｄはローレベルを維持する。このため、信号選択部３７から出力される内部選択信号Ｓｓｅもローレベルを維持し、アラーム信号出力部４０のＭＯＳＦＥＴ４２がオフ状態を維持する。アラーム信号出力端子ｔａから出力されるアラーム信号ＡＬＭは図４（ｉ）に示すようにハイレベルを維持する。

一方、継続信号生成部３６から出力される保護要因継続信号Ｓｐｃは、図４（ｈ）に示すようにハイレベルからローレベルに復帰する。このため、ゲート制御回路３１から動作信号ＤＳＧに応じたゲート駆動信号がＩＧＢＴ１ｉのゲートに出力されて、ＩＧＢＴ１ｉが正常な動作状態に復帰する。
同様に、あるドライバ回路３ｋのチップ温度検出回路３４でインバータ２を構成するＩＧＢＴ１ｉを内蔵するチップ１７内の温度の検出値が過熱閾値Ｖｈｔ３未満となったことを検出した場合は、チップ温度検出回路３４からハイレベルの過熱検出信号Ｓｏｈが出力される。この過熱検出信号Ｓｏｈが識別信号生成部３５に供給される。このため、識別信号生成部３５の第３ワンショット回路３５ｃからハイレベルのパルス幅が４Ｔとなる１ショットパルス信号ＰＳｏｈが出力される。したがって、識別信号生成部３５から出力される保護要因識別信号Ｓｐｄが１ショットパルス信号ＰＳｏｈに対応したものとなり、アラーム信号出力部４０のＭＯＳＦＥＴ４２がターンオン状態となり、１ショットパルス信号ＰＳｏｈのパルス幅４Ｔに対応するローレベルのアラーム信号ＡＬＭが外部の制御装置に出力される。

このため、外部の制御装置では、アラーム信号ＡＬＭのローレベルのパルス幅が４Ｔであることから、チップ１７に過熱異常が発生していると認識することができる。
このように、外部の制御装置から出力される選択用信号ＳＥＬがハイレベルであるときには、信号選択部３７で識別信号生成部３５から出力される保護要因識別信号Ｓｐｄが選択される。このため、アラーム信号出力部４０から出力されるアラーム信号ＡＬＭは、図５に示すように、過電流保護要因、制御電圧低下保護要因、過熱保護要因の各種保護要因の発生に応じて識別信号生成部３５で生成されるパルス幅がＴ、２Ｔ及び４Ｔと異なる１ショットパルス信号ＰＳｏｃ、ＰＳｕｖ及びＰＳｏｈに応じたパルス幅となる。

このアラーム信号ＡＬＭは、保護要因種別を表すものであり、保護要因が生じている期間とは関係なく、各種保護要因が生じた時点で保護要因に応じたパルス幅に対応したパルス信号となる。すなわち、保護要因の発生期間がアラーム信号ＡＬＭの期間ｔＡＬＭ以下である場合には、ＩＧＢＴ１ｉは継続信号生成部３６から出力される保護要因継続信号Ｓｐｃによって保護状態となる。しかしながら、識別信号生成部３５で生成される保護要因識別信号Ｓｐｄによって形成されるアラーム信号ＡＬＭは、保護要因の発生期間より長くなってしまう。

逆に、保護要因の発生期間がアラーム信号ＡＬＭの期間ｔＡＬＭより長い場合には、図５の右半部に示すように、アラーム信号ＡＬＭの期間が保護要因の発生期間より短くなってしまう。
したがって、保護要因識別信号Ｓｐｄのみで、保護要因の発生期間を判別することはできない。

これに対し、外部の制御装置が出力する選択用信号ＳＥＬをローレベルにすると、保護要因の発生期間を判別することができる。選択用信号ＳＥＬをローレベルに設定すると、信号選択部３７の第１アンドゲート３７ａの論理積出力信号は常にローレベルを維持し、これに代えて、第２アンドゲート３７ｂの論理積出力信号は継続信号生成部３６から出力される保護要因継続信号Ｓｐｃに応じてハイレベル及びローレベルを繰り返すことになる。

このため、アラーム信号出力部４０のＭＯＳＦＥＴ４２が保護要因継続信号Ｓｐｃに応じてオン・オフ制御される。この保護要因継続信号Ｓｐｃは、前述したように、保護要因検出部となる過電流検出回路３２、制御電圧検出回路３３及びチップ温度検出回路３４で検出した検出信号がハイレベルを継続している間ハイレベルを維持する。したがって、アラーム信号ＡＬＭが、図６に示すように、保護要因が生じている期間ｔＡＬＭと同じ期間ローレベルとなる。この結果、アラーム信号ＡＬＭのローレベル期間は、ＩＧＢＴ１ｉの保護期間と略等しい期間となる。このため、外部の制御装置でアラーム信号ＡＬＭを検出することにより、発生している保護要因の種別は判別できないが、保護要因が発生しているか否かを確実に判別することができる。

しかも、外部の制御装置自身が選択用信号ＳＥＬを出力して各ドライバ回路３ｋに入力しているので、外部の制御装置自身が選択用信号ＳＥＬを使い分けることにより、アラーム信号ＡＬＭが保護要因識別信号Ｓｐｄに基づくものであるか保護要因継続信号Ｓｐｃに基づくものであるかを確実に認識することができる。
すなわち、外部の制御装置が、ＩＧＢＴ１ｉに対する保護要因の種別を重要視する場合には、選択用信号ＳＥＬをハイレベルに設定しておくことにより、保護要因が生じたときに、その種別をアラーム信号ＡＬＭのパルス幅から認識することができる。

逆に、外部の制御装置が、ＩＧＢＴ１ｉに対する保護要因が生じているか否かを重要視する場合には、選択用信号ＳＥＬをローレベルに設定しておくことにより、アラーム信号ＡＬＭがローレベルであるとき，何れかの保護要因が生じていると認識することができる。しかも、保護要因が継続しているか否かをアラーム信号ＡＬＭがローレベルであるかハイレベルであるかを判断するだけで、容易に判別することができる。

さらには、外部の制御装置で、常時は、例えば選択用信号ＳＥＬをハイレベルとして、保護要因識別信号Ｓｐｄに基づくアラーム信号ＳＬＭを監視することにより、発生する保護要因の種別を判別する。そして、保護要因の種別を認識できたら、選択用信号ＳＥＬをローレベルに反転させて、保護要因の継続期間を確認することが可能となる。このため、選択用信号ＳＥＬをハイレベルとして、アラーム信号ＡＬＭによって例えば過電流保護要因を認識した後に、選択用信号ＳＥＬをローレベルとして、保護要因の継続期間を確認することにより、保護要因の継続期間が短い場合には、ＩＧＢＴ１ｉに一過性の過電流が流れているものと判断することができ、保護要因の継続期間が長い場合には、ＩＧＢＴ１ｉのコレクタ・エミッタ間に短絡を生じて過電流が流れているものと判断することができる。

以上、本発明の一実施形態について説明してきたが、本発明はこれらに限定されずに種々の変更、改良を行うことができる。
例えば、過電流検出回路３２、制御電圧検出回路３３及びチップ温度検出回路３４で検出した保護要因を検出したときに、ワンショット回路３５ａ、３５ｂ及び３５ｃで発生するパルス幅をＴ、２Ｔ及び４Ｔとする場合に限らず、識別可能な異なるパルス幅であれば、任意のパルス幅を設定することができる。また、各検出回路３２、３３及び３４のハイレベルのパルス幅を設定する場合に限らすローレベルのパルス幅を設定するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、保護要因検出回路として過電流検出回路３２、制御電圧検出回路３３及びチップ温度検出回路３４を設けた場合について説明したが、これらのうちの１つ又は２つを設けるようにしてもよい。
さらに、上記実施形態では、アラーム信号ＡＬＭのローレベルで保護要因の識別や継続状態を判断する場合について説明したが、論理を反転させて、アラーム信号ＡＬＭのハイレベルで保護要因の識別も継続状態を判別するようにしてもよい。

また、識別信号生成部３５に、１つの保護要因検出信号が入力されたときに、所定期間他の保護要因検出信号の入力を阻止する入力選択回路を設けるようにしてもよい。
さらに、アラーム信号出力部４０に定電流回路４４を設けた場合について説明したが、これに限定されるものではなく、定電流回路４４に代えてプルアップ抵抗を適用するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、外部の制御装置から選択用信号ＳＥＬを入力するようにした場合について説明したが、これに限定されるものではない。すなわち、製品の仕様に応じてアラーム信号ＡＬＭを保護要因識別信号Ｓｐｄ又は保護要因継続信号Ｓｐｃに固定したい場合には、ドライバ回路３ｋ内で、信号選択部３７の第１アンドゲート３７ａ及び第２アンドゲート３７ｂに接続する選択用信号ＳＥＬを伝達する配線をハイレベル又はローレベルに固定するようにしてもよい。

１…電力変換装置、２…インバータ、３Ｕ〜３Ｚ…ドライバ回路、４…交流負荷、１１〜１６…ＩＧＢＴ、１７…チップ、１８…電流センサ、１９…温度センサ、２１〜２６…フリーホイールダイオード、ＵＡ…上アーム、ＬＡ…下アーム、３１…ゲート制御回路、３２…過電流検出回路、３３…制御電圧検出回路、３４…チップ温度検出回路、３５…識別信号生成部、３５ａ…第１ワンショット回路、３５ｂ…第２ワンショット回路、３５ｃ…第３ワンショット回路、３５ｄ…オアゲート、３６…継続信号生成部、３６ａ…オアゲート、３７…信号選択部、３７ａ…第１アンドゲート、３７ｂ…第２アンドゲート、３７ｃ…オアゲート、４０…アラーム信号出力部、４１…抵抗、４２…ＭＯＳＦＥＴ、４３…接続点、４４…定電流回路、Ｓｐｄ…保護要因識別信号、Ｓｐｃ…保護要因継続信号、Ｓｓｅ…内部選択信号、ＳＥＬ…選択用信号

Claims (6)

1. 電力変換装置を構成する半導体素子の保護動作に必要な保護要因の発生を検出し、保護要因発生信号を出力する複数の保護要因発生検出部と、
   前記複数の保護要因発生検出部の何れかで保護要因発生信号が出力されたときに、当該複数の保護要因発生検出部毎に異なるパルス幅の保護要因識別信号を生成する識別信号生成部と、
   前記保護要因発生検出部から保護要因発生信号が出力されている間保護要因継続信号を生成する継続信号生成部と、
   前記保護要因識別信号及び前記保護要因継続信号の何れか１つを選択する信号選択部と、
   該信号選択部で選択した選択信号をアラーム信号として出力するアラーム信号出力部とを備えたことを特徴とする半導体素子の駆動装置。
2. 前記識別信号生成部は、前記複数の保護要因検出部から出力される保護要因信号が個別に入力され、保護要因検出部毎に異なるパルス幅のパルスを生成する複数のワンショット回路と、前記複数のワンショット回路の出力信号が入力され前記保護要因識別信号として出力するオアゲートとで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の駆動装置。
3. 前記継続信号生成部は、前記保護要因が発生して前記保護要因発生信号が通常状態から状態変化した場合に、前記保護要因継続信号を通常状態から状態変化させ、前記保護要因の終息時に前記保護要因発生信号が状態変化して通常状態に復帰したときに前記保護要因継続信号を通常状態に状態変化させることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体素子の駆動装置。
4. 前記信号選択部は、前記保護要因識別信号が一方の入力端子に入力される第１アンドゲートと、前記保護要因継続信号が一方の入力端子に入力される第２アンドゲートとを備え、前記第１アンドゲートは、選択用信号が他方の入力端子に入力され、前記第２アンドゲートは、前記選択用信号の反転信号が他方の入力端子に入力され、前記第１アンドゲート及び前記第２アンドゲートの出力信号がオアゲートを介して前記選択信号として前記アラーム信号出力部に出力されることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の半導体素子の駆動装置。
5. 前記アラーム信号出力部は、制御端子に前記信号選択部の選択信号が入力される半導体スイッチ素子を備え、前記半導体スイッチ素子の高電位側端子及び低電位側端子の何れかに接続された出力端子からアラーム信号を出力することを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の半導体素子の駆動装置。
6. 前記半導体スイッチ素子は、ドレインが定電流回路及びプルアップ抵抗の何れか一方を介して直流電源端子に接続され、ソースが接地に接続され、ゲートが前記信号選択部に接続されたＮチャネルＭＯＳＦＥＴで構成され、ドレインと定電流回路及びプルアップ抵抗の何れか一方との接続点に出力端子が接続されていることを特徴とする請求項５に記載の半導体素子の駆動装置。

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