JPH0531323B2

JPH0531323B2 -

Info

Publication number: JPH0531323B2
Application number: JP61241410A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Miki
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1986-10-13
Filing date: 1986-10-13
Publication date: 1993-05-12
Also published as: JPS6395728A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は、スイツチング用半導体素子の一種
であるIGBT（Insulated Gate Bipolar mode
Transistor）の過電流保護回路に関する。[Detailed Description of the Invention] [Industrial Application Field] The present invention relates to IGBT (Insulated Gate Bipolar mode) which is a type of semiconductor device for switching.
Transistor) overcurrent protection circuit.

[Conventional technology]

IGBT素子はバイポーラトランジスタの有する
高耐圧、大容量化が容易であると云う長所と、パ
ワーMOSFETの有する高速なスイツチングが可
能でドライブも容易であると云う長所とをあわせ
もつ新しいデバイスとして最近注目されているも
ので、IGBT、COMFET、GEMFETまたは
BiFETなどの商品名でそれぞれ製品化されてい
る。 IGBT elements have recently attracted attention as a new device that combines the advantages of bipolar transistors, such as high breakdown voltage and easy capacity expansion, with the advantages of power MOSFETs, which enable high-speed switching and are easy to drive. IGBT, COMFET, GEMFET or
They have been commercialized under product names such as BiFET.

第２図にその等価回路を示す。すなわち、
IGBTは同図の如くＮチヤンネルMOSFET２１、
NPNトランジスタ２２、PNPトランジスタ２３
およびトランジスタ２２のベース・エミツタ間短
絡用抵抗２４からなり、トランジスタ２２，２３
からなるサイリスタ回路を内蔵している点が特徴
である。 Figure 2 shows the equivalent circuit. That is,
IGBT is N-channel MOSFET21 as shown in the figure.
NPN transistor 22, PNP transistor 23
and a short-circuiting resistor 24 between the base and emitter of the transistor 22, and the transistors 22, 23
The feature is that it has a built-in thyristor circuit.

なお、第２Ａ図にIGBTのシンボルを示す。 In addition, the symbol of IGBT is shown in FIG. 2A.

かゝるIGBTの難点は、そのコレクタ電流が所
定値以上になるラツチアツプと云う現象（寄生サ
イリスタがターンオンしてしまう現象）を生じ、
電流をしや断できなくなることにあると云われて
いる。つまり、第２図の如くサイリスタ回路を内
蔵しているため、コレクタ電流が所定値を越える
とこのサイリスタ回路がターンオンし、IGBTが
ターンオフできなくなることである。このラツチ
アツプ現象はIGBTの素子破壊に直結するので、
これを生じないようにすることが必要となる。特
に、IGBTの過電流保護を行なう場合は、過電流
をこのラツチアツプを生じる電流（ラツチアツプ
電流とも云う。）以下に抑えなければならないこ
とから、ラツチアツプ現象は極めて重要な指標と
なることがわかる。 The problem with such IGBTs is that a phenomenon called latch-up (a phenomenon in which a parasitic thyristor turns on) occurs when the collector current exceeds a predetermined value.
It is said that this is due to the inability to cut off the current. In other words, since a thyristor circuit is built in as shown in FIG. 2, when the collector current exceeds a predetermined value, this thyristor circuit is turned on and the IGBT cannot be turned off. This latch-up phenomenon is directly linked to IGBT element destruction, so
It is necessary to prevent this from occurring. In particular, when performing overcurrent protection for IGBTs, the overcurrent must be suppressed below the current that causes this latch-up (also referred to as latch-up current), so it can be seen that the latch-up phenomenon is an extremely important indicator.

第３図はIGBTの出力特性を示す特性図であ
る。同図からも明らかなように、IGBTはコレク
タ電流I_cが所定値を越えると、そのコレクタ・エ
ミツタ間電圧V_CEが急激に大きくなる特性を有し
ている。このため、IGBTの過電流の到達値はそ
の出力特性で制限された値となる。したがつて、
IGBTをスイツチング素子とする例えばインバー
タ装置で短絡事故が発生すると、IGBTのコレク
タ・エミツタ間に直流電源電圧が印加されること
になるが、このときの電流がラツチアツプ電流を
越えなければ、IGBTをターンオフさせることに
よつて過電流保護が可能となる。 FIG. 3 is a characteristic diagram showing the output characteristics of IGBT. As is clear from the figure, the IGBT has a characteristic that when the collector current I _c exceeds a predetermined value, the collector-emitter voltage V _CE increases rapidly. Therefore, the overcurrent value of the IGBT is limited by its output characteristics. Therefore,
For example, if a short circuit occurs in an inverter device that uses an IGBT as a switching element, a DC power supply voltage will be applied between the collector and emitter of the IGBT, but if the current does not exceed the latch-up current, the IGBT will be turned off. By doing so, overcurrent protection becomes possible.

さて、第３図はゲート電圧V_GEをパラメータと
して３本の特性曲線が示されているが、これから
も明らかなように、ゲート電圧が高い程大きなコ
レクタ電流を流せることがわかる。一方、現在の
IGBTではこのラツチアツプ電流は極めて大きい
と云う程のレベルではなく、このためゲート電圧
を或る程度以下に抑えないと、高電圧印加時のコ
レクタ電流がラツチアツプ電流を越えてしまう程
度のレベルにある。そこで、過電流保護を行なう
場合は、ゲート電圧を所定値以下に制限して適用
せざるを得ないことになる。ところが、ゲート電
圧を下げることは、常用するコレクタ電流域での
オン電圧を高めることになり、適用上好ましくな
い。このため、ゲート電圧は過電流保護が可能な
範囲で、できるだけ高く設定して用いるようにし
ているのが現状である。 Now, FIG. 3 shows three characteristic curves using the gate voltage V _GE as a parameter, and as is clear from these curves, it can be seen that the higher the gate voltage, the larger the collector current can flow. On the other hand, the current
In an IGBT, this latch-up current is not at such a level that it is extremely large; therefore, unless the gate voltage is suppressed to a certain level, the collector current when a high voltage is applied will exceed the latch-up current. Therefore, when performing overcurrent protection, it is necessary to limit the gate voltage to a predetermined value or less. However, lowering the gate voltage increases the on-voltage in the commonly used collector current range, which is not preferred in terms of application. For this reason, the current situation is to set the gate voltage as high as possible within the range that allows overcurrent protection.

[Problem that the invention seeks to solve]

しかしながら、実際の装置で過電流状態が発生
すると、このときのゲート電圧がゲートドライブ
回路より供給している電圧を上回わることがあ
り、その結果、想定した値よりも大きな電流が流
れることが判明している。 However, if an overcurrent condition occurs in an actual device, the gate voltage at this time may exceed the voltage supplied by the gate drive circuit, and as a result, a larger current than expected may flow. It's clear.

第４図はこのことを説明するための、短絡事故
時の等価回路を示す回路図であり、第５図はその
動作を説明するための各部波形図である。なお、
第４図において、１はIGBT、３は抵抗、１１は
スイツチ、１２は直流電源である。 FIG. 4 is a circuit diagram showing an equivalent circuit at the time of a short circuit accident to explain this, and FIG. 5 is a waveform diagram of each part to explain the operation. In addition,
In FIG. 4, 1 is an IGBT, 3 is a resistor, 11 is a switch, and 12 is a DC power supply.

こゝで、短絡直前のIGBT１のコレクタ・エミ
ツタ間電圧は略0^Vである。この状態で、スイツチ
１１を第５図ロの如く閉成すると短絡回路が形成
され、これによりIGBT１のコレクタ・エミツタ
間には第５図ハの如きステツプ状の電圧V_CEが印
加される。IGBTは、実際には第６図の如く各端
子間にコンデンサが存在するので、そのコレク
タ・ゲート間の容量をC_CG、ゲート・エミツタ間
のそれをC_GE、コレクタ・エミツタ間に印加され
る電圧をE_dとすると、主回路の直流電源１２の
電圧によりIGBTのゲート電圧が次式による分だ
け、すなわち第５図イにΔV_GEで示す分だけ上昇
することになる。 Here, the voltage between the collector and emitter of IGBT1 immediately before the short circuit is approximately 0 ^V. In this state, when the switch 11 is closed as shown in FIG. 5B, a short circuit is formed, and thereby a step-like voltage V _CE as shown in FIG. 5C is applied between the collector and emitter of the IGBT 1. IGBT actually has a capacitor between each terminal as shown in Figure 6, so the capacitance between the collector and gate is C _CG , the capacitance between the gate and emitter is C GE , and the capacitance applied between the collector and emitter is C _GE . When the voltage is E _d , the voltage of the DC power supply 12 of the main circuit causes the gate voltage of the IGBT to rise by an amount according to the following equation, that is, an amount shown by ΔV _GE in FIG. 5A.

ΔV_GE＝E_d・C_CG／C_GE こゝで、例えばC_CG／C_GE＝0.01、E_d＝300^Vとす
ると、 ΔV_GE＝3^V の電圧上昇が生じ、その結果、ゲート電圧がドラ
イブ回路の電圧を大きく上回わり、大きなコレク
タ電流が流れることになる。このような場合にも
ラツチアツプしないようにするには、この電圧上
昇分を考慮してドライブ回路の電圧を低くしてお
けばよいが、このようにすると、前述の如く常用
のコレクタ電流領域でのオン電圧までが高くなつ
てしまう。 ΔV _GE = E _d・C _CG / C _GE Here, for example, if C _CG / C _GE = 0.01 and E _d = 300 ^V , a voltage increase of ΔV _GE = 3 ^V will occur, and as a result, the gate voltage will drive This greatly exceeds the circuit voltage, resulting in a large collector current flowing. In order to prevent latch-up in such a case, it is possible to lower the voltage of the drive circuit by taking this voltage increase into account, but in this case, as mentioned above, the voltage of the drive circuit in the normal collector current range Even the on-voltage becomes high.

一方、これまでの説明ではドライブ回路側の出
力インピーダンスが高い、すなわち第４図の抵抗
３が大きい場合を想定している。これは、例えば
第４図の抵抗３を０Ωとすると、ゲート電圧はド
ライブ回路の電圧を上回わることはないが、
IGBTではターンオフ時にもラツチアツプすると
云う現象があり、これを避けるために50〜100Ω
の如く比較的大きな抵抗を介してドライブしなけ
ればならないと云う理由に依るものである。した
がつて、この程度の抵抗があれば、ドライブ回路
側はともかく、ゲート電圧の上昇だけを考えれば
良いことになる。 On the other hand, the explanation so far assumes that the output impedance on the drive circuit side is high, that is, the resistor 3 in FIG. 4 is large. For example, if the resistor 3 in Fig. 4 is 0Ω, the gate voltage will not exceed the voltage of the drive circuit, but
IGBTs have a phenomenon of latch-up even at turn-off, so to avoid this, a 50-100Ω
This is due to the fact that it must be driven through a relatively large resistance. Therefore, with this level of resistance, it is only necessary to consider the increase in gate voltage, regardless of the drive circuit side.

なお、短絡後に時間の経過とゝもに、コレクタ
電流が第５図ニの如く減少するのは、上述のコン
デンサによる蓄積電荷が抵抗を介して放電され、
ゲート電圧がドライブ回路の電圧に向かつて減少
して行くためである。 The reason why the collector current decreases as time passes after a short circuit, as shown in Figure 5D, is because the charge accumulated in the capacitor mentioned above is discharged through the resistor.
This is because the gate voltage decreases as it approaches the voltage of the drive circuit.

したがつて、この発明は過電流の到達値がドラ
イブ回路の出力電圧値が決まる値を越えないよう
にして、ドライブ回路の出力電圧を高目に設定で
きるようにし、過電流保護を可能としながら、常
用のコレクタ電流域では低いオン電圧が得られる
ようにすることを目的とする。 Therefore, the present invention prevents the reached value of overcurrent from exceeding the value that determines the output voltage value of the drive circuit, allows the output voltage of the drive circuit to be set to a high value, and enables overcurrent protection. , the purpose is to obtain a low on-state voltage in the commonly used collector current range.

[Means for solving problems]

IGBT素子のゲート端子とゲート駆動用電源の
正側端子との間にダイオードを接続する。 A diode is connected between the gate terminal of the IGBT element and the positive terminal of the gate drive power supply.

[Effect]

上記ダイオードにより、IGBTのゲート・エミ
ツタ間電圧の最大値がゲート駆動用電源回路の電
圧値を越えないようにクランプ（制限）し、過電
流の尖頭地（ピーク値）を抑制してラツチアツプ
の防止を図る。 The above diode clamps (limits) the maximum value of the IGBT gate-emitter voltage so that it does not exceed the voltage value of the gate drive power supply circuit, suppresses the peak value of the overcurrent, and prevents latch-up. Try to prevent it.

〔Example〕

第１図はこの発明の実施例を示す回路図であ
る。同図において、１はIGBT、２はゲート駆動
用電源、３，４，５は抵抗、６，７，８はトラン
ジスタ、９はフオトカプラ、１０はダイオードで
ある。 FIG. 1 is a circuit diagram showing an embodiment of the invention. In the figure, 1 is an IGBT, 2 is a gate drive power source, 3, 4, and 5 are resistors, 6, 7, and 8 are transistors, 9 is a photocoupler, and 10 is a diode.

こゝでは、IGBT１をオン、オフ駆動するため
の駆動信号は、フオトカプラ９により絶縁して与
えられる。いま、フオトカプラ９の一次側に電流
を流すと、フオトカプラ９はオンとなり、トラン
ジスタ６がオフとなる。これにより、トランジス
タ７がオンして、IGBT１のゲート・エミツタ間
には電源２の電圧がトランジスタ７および抵抗３
を介して加わる。一方、フオトカプラ９の一次側
の電流をしや断すると、フオトカプラはオフし、
トランジスタ６がオンする。従つて、トランジス
タ７はオフとなり、トランジスタ８がオンして
IGBT１のゲート・エミツタ間容量C_GEに蓄積さ
れた電荷を抵抗３を介して放出する。 Here, a drive signal for driving the IGBT 1 on and off is provided in an insulated manner by the photocoupler 9. Now, when a current is passed through the primary side of the photocoupler 9, the photocoupler 9 is turned on and the transistor 6 is turned off. As a result, transistor 7 is turned on, and the voltage of power supply 2 is applied between transistor 7 and resistor 3 between the gate and emitter of IGBT1.
Join via. On the other hand, when the current on the primary side of the photocoupler 9 is cut off, the photocoupler turns off.
Transistor 6 turns on. Therefore, transistor 7 is turned off and transistor 8 is turned on.
The charge accumulated in the gate-emitter capacitance _CGE of IGBT1 is discharged via resistor 3.

こゝで短絡事故時を考えると、IGBTのコレク
タ・エミツタ間にステツプ状に印加された電圧に
よつて、コレクタ・ゲート間の容量C_CGを介して
同図の実線のルートで電流が流れ、これに伴ない
ゲート・エミツタ間電圧V_GEが上昇する。この電
圧V_GEが電源電圧を越えるとダイオード１０が導
通し、同図の一点鎖線のルートで電流がバイパス
される結果、ゲート電圧V_GEはほぼ電源電圧に等
しい値にクランプ（制限）される。 Now, considering a short-circuit accident, a voltage applied in steps between the collector and emitter of the IGBT causes a current to flow along the route shown by the solid line in the figure via the collector-gate capacitance _CCG . Along with this, the gate-emitter voltage V _GE increases. When this voltage V _GE exceeds the power supply voltage, the diode 10 becomes conductive and the current is bypassed along the route indicated by the dashed line in the figure, so that the gate voltage V _GE is clamped (limited) to a value approximately equal to the power supply voltage.

〔Effect of the invention〕

この発明によれば、IGBTのゲート端子とゲー
ト駆動用電源の正側端子との間にダイオードを接
続するようにしたので、IGBTのゲート・エミツ
タ間電圧の最大値を上記電源電圧にクランプする
ことが可能となり、ゲート・エミツタ間の過電圧
による破壊を防止できると共に短絡事故時の過電
流の尖頭値（ピーク値）を抑制できる利点がもた
らされる。 According to this invention, since a diode is connected between the gate terminal of the IGBT and the positive terminal of the gate driving power supply, the maximum value of the gate-emitter voltage of the IGBT can be clamped to the above power supply voltage. This makes it possible to prevent damage caused by overvoltage between the gate and emitter, and also to suppress the peak value of overcurrent in the event of a short circuit accident.

[Brief explanation of drawings]

第１図はこの発明の実施例を示す回路図、第２
図はIGBTを示す等価回路図、第２Ａ図はIGBT
のシンボルを示す回路記号図、第３図はIGBTの
出力特性を示す特性図、第４図は短絡事故時を説
明するための等価回路図、第５図はその動作を説
明するための説明図、第６図はIGBTの端子間容
量を含む等価回路図である。符号説明、１……IGBT、２……ゲート駆動用
電源、３，４，５，２４……抵抗、６，７，８，
２２，２３……トランジスタ、９……フオトカプ
ラ、１０……ダイオード、１１……スイツチ、１
２……直流電源（主回路電源）、２１……Ｎチヤ
ンネルMOSFET。 Fig. 1 is a circuit diagram showing an embodiment of this invention, Fig. 2 is a circuit diagram showing an embodiment of the present invention;
The figure shows an equivalent circuit diagram of an IGBT, and Figure 2A shows an IGBT.
Figure 3 is a characteristic diagram showing the output characteristics of IGBT, Figure 4 is an equivalent circuit diagram to explain the short-circuit accident, and Figure 5 is an explanatory diagram to explain its operation. , FIG. 6 is an equivalent circuit diagram including the inter-terminal capacitance of IGBT. Description of symbols, 1... IGBT, 2... Gate drive power supply, 3, 4, 5, 24... Resistor, 6, 7, 8,
22, 23...Transistor, 9...Photocoupler, 10...Diode, 11...Switch, 1
2...DC power supply (main circuit power supply), 21...N-channel MOSFET.

Claims

[Claims] 1. When an IGBT having a gate terminal, a collector terminal, and an emitter terminal is turned on, a positive voltage from the gate drive power source is applied between the gate terminal and the emitter terminal, and the IGBT is turned off. When the IGBT is driven, the IGBT on/off drive circuit discharges the charge accumulated in the capacitance between the gate terminal and the emitter terminal through the resistor. The IGBT is connected between the terminal and the positive terminal of the gate driving power source, and becomes conductive when an overcurrent flows through the IGBT and the voltage between the gate and emitter increases and exceeds the voltage value from the gate driving power source. . An overcurrent protection circuit for an IGBT, comprising a diode that limits the gate-emitter voltage to a voltage value from the gate drive power source.