JPH06296363A - Power transistor overcurrent protective circuit - Google Patents

Power transistor overcurrent protective circuit

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JPH06296363A
JPH06296363A JP5082332A JP8233293A JPH06296363A JP H06296363 A JPH06296363 A JP H06296363A JP 5082332 A JP5082332 A JP 5082332A JP 8233293 A JP8233293 A JP 8233293A JP H06296363 A JPH06296363 A JP H06296363A
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Abstract

PURPOSE:To enable quick suppression of a power transistor overcurrent and generation of surge voltage. CONSTITUTION:An overcurrent circuit has a power transistor 4 to supply current to a load by a switching operation and a current control loop (11-13, 18, 32, 33) to suppress a current flowing through the power transistor by lowering the power transistor drive signal level. A voltage corresponding to the current flowing through the power transistor is converted to a current signal and a current proportional to an excess of the current signal over a specified value lowers the power transistor current level by bypassing a gate circuit that drives the power transistor. In addition, a circuit (21-30) is provided that closes to self-hold when the bypass current continues for a specified time and gradually shunts the bypass current. The circuit (21-30) switches from a current control circuit to an open loop by gradually increasing the shunt current, thereby lowering the drive signal level.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、パワートランジスタに
係り、特にIGBTやMOSFET等の電圧駆動形トラ
ンジスタにおいて、負荷短絡等による過電流を高速に限
流して安全動作領域内でしゃ断し保護することを可能に
したパワートランジスタの過電流保護回路に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a power transistor, and in particular, in a voltage drive type transistor such as an IGBT or a MOSFET, an overcurrent due to a load short circuit or the like is limited at a high speed to cut off and protect it in a safe operation area. The present invention relates to an overcurrent protection circuit for a power transistor that enables the above.

【0002】[0002]

【従来の技術】IGBT(絶縁ゲートバイポーラモード
トランジスタ)はオン電圧が低く、MOSゲート構造で
駆動電力が少なく、しかも比較的高速にスイッチングで
きることから急速に応用分野が広がっている。
2. Description of the Related Art An IGBT (Insulated Gate Bipolar Mode Transistor) has a low on-voltage, a MOS gate structure, a small driving power, and a relatively high-speed switching capability.

【0003】オン電圧とスイッチング速度の特性は背反
関係にあり、トレードオフを改良し、より高性能な素子
となるよう日夜研究が重ねられている。図5の特性C
は、これらの研究から予測される第3世代以降のIGB
Tのオン電圧特性で、第1世代のIGBTのオン電圧特
性Aと比較して示したものである。現在のIGBTは第
2世代で特性Bに示す。なお、コレクタ電流IC は、そ
れぞれIGBTの定格電流を100 として百分率で示して
いる。
The characteristics of the on-voltage and the switching speed are in a trade-off relationship, and research is being conducted day and night so as to improve the trade-off and obtain a higher performance device. Characteristic C in FIG.
Are the 3rd generation and later IGB predicted from these studies.
The on-voltage characteristic of T is shown in comparison with the on-voltage characteristic A of the first-generation IGBT. The current IGBT has characteristics B in the second generation. The collector current I C is shown as a percentage with the rated current of the IGBT being 100.

【0004】これらの特性から明らかなように、負荷短
絡等でコレクタ・エミッタ間電圧VCEが上昇すると定格
電流の数倍のコレクタ電流IC が流れ、第1世代のIG
BTでは6〜8倍、第2世代のIGBTでは10〜12倍の
過電流が流れる。
As is apparent from these characteristics, when the collector-emitter voltage V CE rises due to a load short circuit or the like, a collector current I C that is several times the rated current flows and the first-generation IG
Over current flows 6 to 8 times in BT and 10 to 12 times in second generation IGBT.

【0005】現在研究が進められている第3世代以降の
IGBTでは、DRAMクラスのμmオーダーのパター
ンとし、その他の改良を加えることにより、特性Cのよ
うに10数倍の過電流が流れる。
In the IGBTs of the third generation or later, which are currently being researched, a pattern of the order of μm of a DRAM class is used, and by adding other improvements, an overcurrent of 10 times as much as the characteristic C flows.

【0006】このように大きな過電流になると高速に限
流しゃ断するとサージ電圧が過大となり安全に保護する
のが困難になり素子の過電流保護が困難になるという問
題がある。
When a large overcurrent is generated as described above, there is a problem that if the current is cut off at a high speed, the surge voltage becomes excessive and it becomes difficult to protect it safely, and it becomes difficult to protect the device from overcurrent.

【0007】以下、従来のIGBTにおける負荷短絡時
の保護について述べる。IGBTを用いたインバータの
一般的な主回路構成を図4に示す。このインバータは、
IGBT21〜26で成るブリッジ形変換器により直流電圧
源1の直流電圧を交流電圧に変換して電動機3を駆動す
るものである。
The protection of the conventional IGBT when the load is short-circuited will be described below. A general main circuit configuration of an inverter using an IGBT is shown in FIG. This inverter is
The bridge type converter composed of the IGBTs 21 to 26 converts the DC voltage of the DC voltage source 1 into an AC voltage to drive the electric motor 3.

【0008】このような装置において負荷(電動機)側
の端子間で短絡が発生すると正側と負側のIGBTを介
して短絡電流が流れる。また、同一アームの正側と負側
のIGBTに同時にオン信号(ノイズや誤動作による信
号)が入力された場合も同様に短絡電流が流れる。
In such a device, when a short circuit occurs between the terminals on the load (motor) side, a short circuit current flows through the positive and negative IGBTs. Also, when an ON signal (a signal due to noise or malfunction) is simultaneously input to the positive and negative IGBTs of the same arm, a short-circuit current similarly flows.

【0009】このような短絡状態に耐え得るIGBTの
短絡耐量は、現在のIGBTでは、素子定格電圧の80%
の電圧において10〜20μsの時間であり、7.5 〜10μs
以内に過電流を検出して限流しゃ断する短絡保護が行わ
れている。
The short-circuit withstand capability of the IGBT capable of withstanding such a short-circuit state is 80% of the rated voltage of the element in the current IGBT.
At a voltage of 10 to 20 μs, and 7.5 to 10 μs
Short-circuit protection is performed within the current limit to detect overcurrent and shut off the current.

【0010】図7(b)はコレクタ・エミッタ間電圧V
CR一定の下で短絡時に流れるコレクタ電流IC と耐量時
間(t1 )の関係を示す短絡耐量の特性図で、その試験
回路を図7(a)に示す。この特性から明らかなように
C とt1 は、ほぼパワー一定の関係を持ち、負荷短絡
等によりコレクタ電流IC が増大すると耐量時間t1
短かくなり高速な保護動作を必要とする。
FIG. 7B shows a collector-emitter voltage V
FIG. 7A is a characteristic diagram of short circuit withstand capability, which shows the relationship between collector current I C flowing at short circuit under constant CR and withstand time (t 1 ). As is clear from this characteristic, I C and t 1 have a substantially constant power relationship, and when the collector current I C increases due to a load short circuit or the like, the withstand time t 1 becomes short and a high-speed protection operation is required.

【0011】そこで負荷短絡を検出してIGBTのゲー
ト電圧をしぼりIGBTのトランジスタ作用を利用して
短絡電流を制限し、見かけ上の短絡耐量時間を長くする
方法が種々提案されている。
Therefore, various methods have been proposed in which a load short circuit is detected, the gate voltage of the IGBT is reduced, and the short circuit current is limited by utilizing the transistor function of the IGBT to increase the apparent short circuit withstand time.

【0012】図8もこの一種で(平成4年電気学会全国
大会470 )で発表されたもので(a)はその構成で主I
GBT4aの他に電流センスIGBT4bを設け、設定
電流以上になるとNLU回路50によりIGBTのゲー
ト(G)、エミッタ(E)間を短絡してゲート電圧を低
下させ短絡電流を抑制するものである。
FIG. 8 also shows this type (Annual Meeting of the Institute of Electrical Engineers, 470, 1992).
In addition to the GBT 4a, a current sense IGBT 4b is provided, and when the current exceeds a set current, the NLU circuit 50 short-circuits the gate (G) and the emitter (E) of the IGBT to reduce the gate voltage and suppress the short-circuit current.

【0013】NLU回路の例を示す図9(a)の回路で
は、電流センスIGBT4bのエミッタ電流を抵抗52で
電圧に変換し、抵抗53を介してMOSFET54のゲート
スレッショルド電圧以上になるとMOSFETのドレン
に電流が流れIGBT4のゲート電圧を低下させる。
In the circuit of FIG. 9 (a) showing an example of the NLU circuit, the emitter current of the current sense IGBT 4b is converted into a voltage by the resistor 52, and when the voltage exceeds the gate threshold voltage of the MOSFET 54 through the resistor 53, the drain of the MOSFET is generated. A current flows and the gate voltage of the IGBT 4 is lowered.

【0014】また、図9(b)の回路はMOSFET54
をバイポーラトランジスタ55に置換えたものである。こ
のような回路を構成すると過電流時にIGBTのゲート
電圧を低下させIGBTのオン抵抗を増加させ図8
(c)に示すように短絡電流を制限することができ短絡
耐量時間を図8(b)に示すように見かけ上長くするこ
とができる。
The circuit shown in FIG. 9B has a MOSFET 54.
Is replaced with a bipolar transistor 55. When such a circuit is configured, the gate voltage of the IGBT is lowered and the ON resistance of the IGBT is increased at the time of overcurrent.
As shown in (c), the short-circuit current can be limited, and the short-circuit withstand time can be made apparently long as shown in FIG. 8 (b).

【0015】[0015]

【発明が解決しようとする課題】従来の図8の方法では
IGBTモジュールとしての短絡耐量は増加したが、短
絡事故を検出しIGBTブリッジを駆動している信号を
オフさせる回路が別に必要となる。
Although the conventional method of FIG. 8 increases the short-circuit withstand capability of the IGBT module, a separate circuit for detecting a short-circuit accident and turning off the signal driving the IGBT bridge is required.

【0016】この方法では短絡電流を高速に200 %程度
に制限しているので(a)過電流検出により短絡事故を
検出することが困難となっている。 (b)このためにIGBTのVCEがオン信号を加えても
高いままであることを検出するなどの別の短絡事故検出
回路等により駆動信号をオフさせる回路を追加する必要
があり回路が複雑となる。
According to this method, the short-circuit current is quickly limited to about 200%, so that it is difficult to detect a short-circuit accident by (a) overcurrent detection. (B) For this reason, it is necessary to add a circuit for turning off the drive signal by another short-circuit accident detection circuit or the like for detecting that V CE of the IGBT remains high even if an ON signal is applied, and the circuit is complicated. Becomes

【0017】(c)図8(a)の回路ではゲート抵抗R
g51の大きさにより図9(a)のFET54のドレン電流
が同一でもゲート電圧値が異なるのでRgの大きさによ
り図6のように電流制限値が異なる欠点がある。
(C) In the circuit of FIG. 8 (a), the gate resistance R
Even if the drain current of the FET 54 of FIG. 9A is the same depending on the size of g51, the gate voltage value is different. Therefore, there is a drawback that the current limit value is different depending on the size of Rg as shown in FIG.

【0018】この制限値電流の変化を少なくするには図
9(a)の電流検出値に対しドレン電流のゲインを上げ
ることで達成できるが、このゲインを上げ過ぎるとMO
SFET54はアナログ動作でなくスイッチング動作とな
りIGBT4のゲートがゼロ附近まで低下しIGBTの
電流はオンオフ状態となり発振することになり限界が存
在する。このため図6の特性となる。IGBTのスイッ
チングを早くするためRgを小さくすると短絡電流制限
値が上昇し短絡耐量時間が短かくなる欠点がある。
To reduce the change in the limit value current, it can be achieved by increasing the gain of the drain current with respect to the current detection value shown in FIG. 9 (a).
The SFET 54 has a switching operation rather than an analog operation, the gate of the IGBT 4 is lowered to near zero, the current of the IGBT is turned on and off, and oscillates, so that there is a limit. Therefore, the characteristics shown in FIG. 6 are obtained. If Rg is made small in order to speed up the switching of the IGBT, there is a drawback that the short circuit current limit value rises and the short circuit withstand time becomes short.

【0019】(d)次にIGBTモジュールを並列接続
した場合の問題がある。図8の方法は各モジュールの内
部に電流制限機能が収納されているので各モジュールの
動作レベルが異なる。そのため1ケのモジュールの電流
制限機能が誤動作すると、このモジュールのオン抵抗が
増加し電流が隣のモジュールに移りこのモジュールの電
流制限機能が動作する。これを繰返して一種の発振状態
を生じIGBTが劣化する危険がある。
(D) Next, there is a problem when the IGBT modules are connected in parallel. In the method of FIG. 8, since the current limiting function is housed inside each module, the operation level of each module is different. Therefore, if the current limiting function of one module malfunctions, the on-resistance of this module increases, the current moves to the adjacent module, and the current limiting function of this module operates. By repeating this, a kind of oscillation state occurs and there is a risk that the IGBT is deteriorated.

【0020】(e)次に問題となるのは図8のNLU有
りの方式でも電流のピーク値は制限されるが電流のしゃ
断時の速度は早く浮遊インダクタンスl0 によるサージ
電圧(−l0 ・ dic/dt)によりIGBTの安全動作を
超えて素子が劣化する危険性がある。
[0020] (e) then become a problem NLU speed during cutoff of the peak value of the current in there scheme is limited but the current is faster floating inductance l 0 surge voltage (-l 0 · due 8 dic / dt) may cause the element to deteriorate beyond the safe operation of the IGBT.

【0021】IGBTの安全動作領域の一例を図7
(c)に示す。電流IC が増加するほどサージ電圧V
CEP を下げる必要がある。特に変換器の容量が大きくな
ると事故電流も大きくなるが浮遊インダクタンスは構造
上小さくできないのでその分サージ電圧が増大する傾向
になる。
An example of the safe operation area of the IGBT is shown in FIG.
It shows in (c). The surge voltage V increases as the current I C increases.
CEP needs to be lowered. In particular, as the capacitance of the converter increases, the fault current also increases, but the stray inductance cannot be reduced because of the structure, so the surge voltage tends to increase accordingly.

【0022】そこでサージ電圧を下げるためには電流変
化率 dic/dtを下げる工夫しかないのである。 (f)最終的には250 %〜500 %には制限した電流を駆
動信号をオフしてしゃ断する動作を行わせる。この時発
生するサージ電圧は−L0 ・di/dt(L0 はリーケージ
インダクタンス、di/dtは電流変化率)で決まり、この
サージ電圧によりトランジスタの逆バイアス安全動作領
域外を通過するとトランジスタは永久劣化する。(IG
BTの安全動作領域は200 %電流をしゃ断する場合定格
電圧の80%程度まで低下する) 特に変換器の容量が増加するとL0 も増加傾向になり、
しかも電流iは容量に比例するためサージ電圧の増加が
著しい。このためスナバ回路(サージ吸収回路)が主素
子のトランジスタより大きな容積やコストを占めること
も発生する。
Therefore, the only way to reduce the surge voltage is to reduce the current change rate dic / dt. (F) Finally, an operation of cutting off the limited current by turning off the drive signal is performed at 250% to 500%. The surge voltage generated at this time is determined by -L 0 · di / dt (L 0 is the leakage inductance, di / dt is the current change rate), and if this surge voltage passes outside the reverse bias safe operation area of the transistor, the transistor will become permanent. to degrade. (IG
The safe operating area of BT drops to about 80% of the rated voltage when 200% current is interrupted.) Especially, when the converter capacity increases, L 0 also tends to increase.
Moreover, since the current i is proportional to the capacity, the surge voltage significantly increases. Therefore, the snubber circuit (surge absorption circuit) may occupy a larger volume and cost than the transistor of the main element.

【0023】本発明は、上述した技術的背景の下でオン
電圧が小さく大きな短絡電流となるトランジスタの過電
流を検出して高速にこの電流を制限した後、ソフトに事
故電流をしゃ断することにより発生するサージ電圧を抑
制することにより信頼性の高いパワートランジスタの保
護回路を提供することを目的とする。
Under the above-mentioned technical background, the present invention detects the overcurrent of a transistor having a small ON voltage and a large short-circuit current, limits this current at high speed, and then softly cuts off the fault current. An object of the present invention is to provide a highly reliable power transistor protection circuit by suppressing a surge voltage that occurs.

【0024】[0024]

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明は、スイッチング動作により負荷へ電流を供
給するパワートランジスタと、このパワートランジスタ
に流れる電流に応じた電圧の電流信号を得、この電流信
号が所定値を越える部分に比例した電流を前記パワート
ランジスタを駆動するゲート回路からバイパスして前記
パワートランジスタの駆動信号レベルを低下させ前記パ
ワートランジスタに流れる電流を抑制する電流制御ルー
プを備え、前記バイパス電流が所定時間継続したとき閉
路して自己保持すると共に前記バイパス電流を徐々に分
流する回路を設け、前記分流電流を漸増することにより
前記電流制御ループからオープンループに切り換えて駆
動信号レベルを低下させる。
In order to achieve the above object, the present invention obtains a power transistor for supplying a current to a load by a switching operation, and a current signal having a voltage corresponding to the current flowing through the power transistor, A current control loop for bypassing a current proportional to a portion where the current signal exceeds a predetermined value from a gate circuit for driving the power transistor to lower a drive signal level of the power transistor and suppressing a current flowing through the power transistor , A circuit is provided which, when the bypass current continues for a predetermined time, closes itself and holds it, and gradually divides the bypass current, and gradually increases the shunt current to switch from the current control loop to the open loop to thereby drive the drive signal level. Lower.

【0025】更に、前記バイパス電流が流れたとき、前
記パワートランジスタの駆動信号の状態を保持し、前記
バイパス電流が一定時間継続したとき前記駆動信号をオ
フ状態にする。更に、前記バイパス電流が所定時間継続
したとき閉路する自己保持回路を前記駆動信号のオフ状
態によりリセットする。
Further, when the bypass current flows, the state of the drive signal of the power transistor is held, and when the bypass current continues for a certain time, the drive signal is turned off. Further, the self-holding circuit that closes when the bypass current continues for a predetermined time is reset by the off state of the drive signal.

【0026】[0026]

【作用】パワートランジスタに過電流が流れ所定値を越
えると、その電流に比例したバイパス電流がゲート回路
から流れゲート電圧を低下させる。ゲート電圧が低下す
るとパワートランジスタの導通抵抗が増加し過電流を抑
制する電流制御ループが機能し過電流はほぼ所定値付近
に保たれる。バイパス電流が流れたとき、パワートラン
ジスタの駆動信号はオン状態に保持され、駆動信号によ
るオフ動作は行われない。バイパス電流が所定時間継続
して流れると所定回路が閉路して自己保持し、バイパス
電流が前記所定回路に徐々に分流し、前記電流制御ルー
プの制御信号に加算して流れる。この分流電流が漸増し
て前記電流制御ループによるバイパス電流を越えるとオ
ープンループに切り換えられゲート電圧は更にゆるやか
に低下してパワートランジスタに流れる電流はゆるやか
にしゃ断される。バイパス電流が一定時間(パワートラ
ンジスタの電流が零になるまでの時間を含む)継続した
とき、駆動信号はオフ状態に戻され自己保持状態が解か
れ初期状態に戻る。
When an overcurrent flows through the power transistor and exceeds a predetermined value, a bypass current proportional to the current flows from the gate circuit to reduce the gate voltage. When the gate voltage decreases, the conduction resistance of the power transistor increases and the current control loop that suppresses the overcurrent functions, so that the overcurrent is maintained near a predetermined value. When the bypass current flows, the drive signal of the power transistor is held in the on state, and the off operation by the drive signal is not performed. When the bypass current continues to flow for a predetermined time, the predetermined circuit closes and self-holds, and the bypass current gradually shunts to the predetermined circuit and flows in addition to the control signal of the current control loop. When this shunt current gradually increases and exceeds the bypass current by the current control loop, the current is switched to the open loop, the gate voltage further decreases, and the current flowing through the power transistor is cut off gently. When the bypass current continues for a certain time (including the time until the current of the power transistor becomes zero), the drive signal is returned to the off state, the self-holding state is released, and the initial state is returned.

【0027】[0027]

【実施例】本発明の一実施例を図1に示す。図1におい
て、IGBT4は直流電源1に通常は負荷を介して接続
されるが負荷が短絡された場合の保護を考えるので負荷
インピーダンスが零の場合を図示してある。IGBT4
のエミッタ側の電流の一部を抵抗11で電圧に変換しトラ
ンジスタ12と抵抗13からなるエミッタフォロア回路を構
成する。
FIG. 1 shows an embodiment of the present invention. In FIG. 1, the IGBT 4 is normally connected to the DC power supply 1 through a load, but the case where the load impedance is zero is shown because protection is considered when the load is short-circuited. IGBT4
A part of the current on the emitter side of is converted into a voltage by a resistor 11 to form an emitter follower circuit composed of a transistor 12 and a resistor 13.

【0028】IGBT4のゲート駆動回路は、直流電源
14,15を駆動電源とし、フォトカプラ16で駆動信号を絶
縁し、増幅器17で増幅した駆動信号を抵抗18を介してト
ランジスタ32,33のベースを駆動することにより正負の
ゲート駆動電圧を得、ゲート抵抗34を経てIGBT4の
ゲート駆動する。IGBT4のエミッタは直流電源14と
15の直列接続点の電位にあるので、トランジスタ32がオ
ンするとゲート駆動電圧は正となり、トランジスタ33が
オンするとゲート駆動電圧は負となる。
The gate drive circuit of the IGBT 4 is a direct current power source.
14 and 15 are used as drive power sources, the drive signal is insulated by the photocoupler 16, and the drive signals amplified by the amplifier 17 are driven through the resistors 18 to the bases of the transistors 32 and 33 to obtain positive and negative gate drive voltages. The gate of the IGBT 4 is driven via the gate resistor 34. The emitter of the IGBT 4 is the DC power supply 14 and
Since it is at the potential of the series connection point of 15, the gate drive voltage becomes positive when the transistor 32 turns on, and becomes negative when the transistor 33 turns on.

【0029】抵抗18とフォトカプラの発光ダイオード1
9、ダイオード20を通ってトランジスタ12のコレクタ側
に接続する。ダイオード20のカソード側を抵抗21を介し
てトランジスタ23のベースに接続し、抵抗22をトランジ
スタのエミッタ・ベース間に接続する。トランジスタ23
のコレクタから抵抗24を介してコンデンサ25を充電す
る。抵抗24とコンデンサ25の接続点がトランジスタ26の
ベースに接続されトランジスタ26のエミッタは抵抗27を
介してコンデンサ25の他端と直流電源14と15の直列接続
点へ接続する。トランジスタ26のコレクタはダイオード
20のカソードに接続する。ダイオード28はコンデンサ25
と並列に接続しトランジスタ26に過大な逆電圧が印加さ
れないようにしてある。トランジスタ26のベースから抵
抗29、ダイオード30を介してトランジスタ32,33のベー
スに接続する。またトランジスタ26のベースから抵抗31
を介して直流電源15の負側に接続する。
Resistor 18 and photocoupler light emitting diode 1
9. Connect to the collector side of transistor 12 through diode 20. The cathode side of the diode 20 is connected to the base of the transistor 23 via the resistor 21, and the resistor 22 is connected between the emitter and the base of the transistor. Transistor 23
The capacitor 25 is charged from the collector of the capacitor through the resistor 24. The connection point between the resistor 24 and the capacitor 25 is connected to the base of the transistor 26, and the emitter of the transistor 26 is connected via the resistor 27 to the other end of the capacitor 25 and the series connection point of the DC power supplies 14 and 15. The collector of transistor 26 is a diode
Connect to 20 cathodes. Diode 28 is capacitor 25
Is connected in parallel with the transistor 26 so that an excessive reverse voltage is not applied to the transistor 26. The base of the transistor 26 is connected to the bases of the transistors 32 and 33 via the resistor 29 and the diode 30. Also, from the base of transistor 26 to resistor 31
To the negative side of the DC power supply 15 via.

【0030】フォトカプラの発光ダイオード19に電流が
流れると、フォトカプラの受光トランジスタ35と抵抗36
を直列に接続してその信号を故障検出回路37で検出し、
PWM信号(パルス幅変調信号)を保持回路を経由して
保持させ、遮断回路39を経てフォトカプラ16の入力とす
る。故障検出回路37の出力V37からタイマ回路40を介し
て遮断回路39を動作させるよう接続する。
When a current flows through the light emitting diode 19 of the photocoupler, the light receiving transistor 35 and the resistor 36 of the photocoupler.
Is connected in series and the signal is detected by the failure detection circuit 37,
The PWM signal (pulse width modulation signal) is held via the holding circuit and is input to the photocoupler 16 via the cutoff circuit 39. The output V37 of the failure detection circuit 37 is connected via the timer circuit 40 to operate the cutoff circuit 39.

【0031】上記構成による本実施例の作用を図2を用
いて説明する。時刻t1 においてPWM信号を“1”と
して電圧V39によりフォトカプラ16を駆動すると増幅器
17を介してトランジスタ33がオフし、トランジスタ32が
オンし、ゲート駆動電圧VGは負から正に切換わる。
The operation of this embodiment having the above structure will be described with reference to FIG. At time t 1 , the PWM signal is set to “1”, and the photocoupler 16 is driven by the voltage V39.
Through 17 the transistor 33 is turned off, the transistor 32 is turned on and the gate drive voltage V G is switched from negative to positive.

【0032】IGBT4のゲートに正電圧が加わるとI
GBTはターンオンする。負荷が短絡された状態におい
て、直流電源1がIGBT4のコレクタ・エミッタ間に
印加されIGBTがターンオンし内部抵抗が低下すると
IGBTのコレクタ電流ICは回路の浮遊インダクタン
スL0 で制限される傾斜で急速に立上る。この電流の一
部を抵抗11で検出し、この検出電圧がトランジスタ12の
ベース・エミッタ間のスレッショルド電圧を超えた点か
らIC の増加分に比例した電流I1 がトランジスタ12の
コレクタに流入する。この電流I1 は抵抗18、フォトカ
プラ19、ダイオード20の回路に流れ抵抗18の電圧降下が
増加しゲート駆動電圧VG が低下し始める。
When a positive voltage is applied to the gate of the IGBT 4, I
The GBT turns on. When the load is short-circuited, the DC power supply 1 is applied between the collector and the emitter of the IGBT 4, the IGBT is turned on, and the internal resistance decreases, the collector current I C of the IGBT rapidly increases with a slope limited by the stray inductance L 0 of the circuit. Rise to. A part of this current is detected by the resistor 11, and a current I 1 proportional to the increase in I C flows into the collector of the transistor 12 from the point that this detected voltage exceeds the base-emitter threshold voltage of the transistor 12. . This current I 1 flows through the circuit of the resistor 18, the photocoupler 19 and the diode 20, and the voltage drop of the resistor 18 increases, and the gate drive voltage V G begins to decrease.

【0033】一方I1 の電流の一部は抵抗22、抵抗21の
回路にも分流し、時刻t3 においてトランジスタ23がオ
ンし電圧V23を出力し抵抗24を介してコンデンサ25の充
電を開始する。その充電電圧VC は負から正に向って上
昇し、トランジスタ26のベースエミッタのスレッショル
ド電圧を越える時刻t4 以降、トランジスタ26のコレク
タ電流I2 はトランジスタ26と抵抗27のエミッタフォロ
アー接続により、VCのスレッショルド電圧以上の部分
に比例した電流を流すことになる。また、I2が流れる
とトランジスタ23は自己保持するのでI1 がゼロになっ
てもこの状態を保持する。
On the other hand, a part of the current of I 1 is also shunted to the circuits of the resistors 22 and 21, and at time t 3 , the transistor 23 is turned on to output the voltage V23 and start charging the capacitor 25 via the resistor 24. . The charging voltage V C rises from negative to positive and exceeds the threshold voltage of the base-emitter of the transistor 26. After time t 4 , the collector current I 2 of the transistor 26 is V due to the emitter follower connection of the transistor 26 and the resistor 27. A current proportional to the portion above the C threshold voltage will flow. Further, when I 2 flows, the transistor 23 self-holds and holds this state even when I 1 becomes zero.

【0034】時刻t2 〜t4 の期間はIGBT4のIC
が一定値以上になるとI1 を流してIGBTのゲート電
圧を低下させIGBTのオン抵抗を増加させIC を減少
させる制御ループにより短絡電流をほぼ一定に制御する
動作を行っている。
During the period from time t 2 to t 4 , I C of the IGBT 4 is
Is a constant value or more, I 1 is caused to flow, the gate voltage of the IGBT is lowered, the ON resistance of the IGBT is increased, and I C is decreased.

【0035】次に時刻t4 〜t6 の期間は次第に増加す
るI2 が外乱として入力されI2 が増加した分I1 が減
少してバランスすることになり、時刻t6 においてI1
はゼロになる。このt4 〜t6 の期間はIC 一定電流制
御と強制的にゲート電圧を下げIC を低下させる信号と
が重なっている期間であり、IC 一定制御ループが動作
しているのでIC はわずかに減少する程度である。
[0035] Then the time period from t 4 ~t 6 will be I 2 which gradually increases to balance min I 1 that is input I 2 is increased as a disturbance is reduced, I 1 at time t 6
Becomes zero. This period from t 4 to t 6 is a period in which the constant I C current control and the signal for forcibly lowering the gate voltage and lowering I C overlap each other, and since the constant I C control loop is operating, I C Is only slightly reduced.

【0036】次に時刻t6 においてI1 がゼロになると
それ以降はI2 の増加に従って抵抗18の電圧降下が増加
しVG はゆるやかに(t4 〜t6 間よりもかなり早く)
低下しそれに従ってIC も比較的ソフトに時刻t7 にお
いて完全に遮断されるのでIGBTのVCE間サージ電圧
を小さくすることができる。このように過電流状態が時
刻t4 を越えて継続するとIGBTは完全動作領域内で
信頼性良くしゃ断される。
Next, when I 1 becomes zero at time t 6 , thereafter, the voltage drop of the resistor 18 increases as I 2 increases, and V G gradually (much earlier than between t 4 and t 6 ).
As a result, I C is relatively softly completely shut off at time t 7 , and the surge voltage between V CE of the IGBT can be reduced. In this way, when the overcurrent state continues beyond the time t 4 , the IGBT is cut off with good reliability in the complete operation region.

【0037】過電流状態が時刻t4 に達する前に解消さ
れI1 がゼロになると、トランジスタ23はオフしコンデ
ンサ電圧VC は抵抗31により放電する回路を構成として
いる。これはノイズやブリッジ接続時の反対相のダイオ
ードリカバリー電流等の短時間の過電流により自己保持
してIGBTがオフすることをさけるためである。
When the overcurrent state is resolved before reaching time t 4 and I 1 becomes zero, the transistor 23 is turned off and the capacitor voltage V C is discharged by the resistor 31. This is to prevent the IGBT from being turned off by self-holding due to noise or a short-time overcurrent such as a diode recovery current of the opposite phase at the time of bridge connection.

【0038】次にPWM信号が時刻t5 でオフしている
が、フォトカプラ19で、I1 +I2を検出し、フォトカ
プラ35を介して故障検出回路37と保持回路38によりフォ
トカプラ16の信号V39は保持されている。
Next, although the PWM signal is off at time t 5 , the photo coupler 19 detects I 1 + I 2 , and the failure detection circuit 37 and the holding circuit 38 via the photo coupler 35 detect the photo coupler 16. The signal V39 is held.

【0039】タイマ回路40は、IGBT4の電流IC
ソフトにしゃ断される時刻t7 より遅れた時刻t8 にお
いて遮断回路39を介して駆動信号V39をオフにさせVG
は急速に負電圧にさせると同時にダイオード30、抵抗29
によりコンデンサ25を逆バイアスする。これによりフォ
トカプラ19の電流が零となり故障信号V37をリセットさ
れる。
The timer circuit 40, IGBT 4 of the current I C is V G is off the driving signal V39 through the cutoff circuit 39 at time t 8, which is delayed from the time t 7 to be cut off in a soft
Is rapidly turned to a negative voltage and at the same time diode 30 and resistor 29
Reverse biases the capacitor 25 by. As a result, the current of the photocoupler 19 becomes zero and the failure signal V37 is reset.

【0040】本実施例によればIGBTの電流一定制御
ループを構成することにより短絡電流を1/4〜1/5
に低下させることにより短絡時の安全動作時間を伸すこ
とができる。この電流一定制御ループから強制ターンオ
フループへの円滑な切換えを行い、その後もゲート電圧
をゆるやかに低下させることによりIGBTの電流変化
率を低下させることによりサージ電圧を下げIGBTの
安全動作領域内で信頼性良く電流をしゃ断することがで
きる。
According to this embodiment, the short-circuit current is reduced to 1/4 to 1/5 by forming the constant current control loop of the IGBT.
The safety operation time at the time of short circuit can be extended by lowering it to. Smooth switching from this constant current control loop to the forced turn-off loop is performed, and then the gate voltage is gradually reduced to reduce the current change rate of the IGBT to reduce the surge voltage and reduce reliability within the safe operation area of the IGBT. The current can be cut off with good performance.

【0041】この過電流が流れている期間はゲート駆動
信号を保持し高速に事故電流をしゃ断しないように工夫
してある。このことは特に変換器の容量が大きくなると
浮遊インダクタンスは減少しないで電流値が増加するの
でサージ電圧が大きくなることを防ぐ上で極めて有効で
ある。
The device is devised so that the gate drive signal is held and the fault current is not interrupted at high speed during the period when this overcurrent is flowing. This is extremely effective in preventing the surge voltage from increasing because the stray inductance does not decrease but the current value increases as the converter capacitance increases.

【0042】本発明の第2の実施例を図3に示す。図1
と共通部分は省略してある。この第2実施例では、IG
BTのゲート駆動用直流電源14は正電圧のみを用いてい
る。
A second embodiment of the present invention is shown in FIG. Figure 1
The common parts with are omitted. In the second embodiment, the IG
The BT gate drive DC power supply 14 uses only a positive voltage.

【0043】また、IGBT4の電流検出は主電流を分
流するのではなく、IGBT内部の電位を直接検出する
ようにしている。また電流をホール電流器などで検出す
ることでも作用は同じである。トランジスタ12はFET
を使用することも可能である。
In the current detection of the IGBT 4, the main current is not shunted, but the potential inside the IGBT is directly detected. Also, the same effect can be obtained by detecting the current with a Hall current detector or the like. Transistor 12 is FET
It is also possible to use

【0044】また、トランジスタ12のコレクタ電流が流
れたことを検出して起動するタイムディレイ42、および
このタイムディレイ後自己保持する保持回路43を介して
漸増回路44により電流I2 を増加させる。リセット回路
45により増幅器17が出力ゼロになった時漸増回路をリセ
ットする。以上の説明では、素子はIGBTについて説
明したが、MOSFETなどのトランジスタ作用を有す
る電圧駆動形素子には共通して応用できる。
Further, the current I 2 is increased by the gradual increase circuit 44 via the time delay 42 which is activated by detecting the flow of the collector current of the transistor 12 and the holding circuit 43 which holds itself after this time delay. Reset circuit
45 resets the gradual increase circuit when the output of the amplifier 17 becomes zero. In the above description, the element is the IGBT, but it can be commonly applied to voltage-driven elements having a transistor function such as MOSFET.

【0045】[0045]

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、パ
ワートランジスタに流れる電流が所定値以上の場合はゲ
ート電圧を低下させる自動制御ループを設けてパワート
ランジスタ電流を制限し、この制限作用が一定時間以上
続いた時、これを検出保持してゲート電圧を漸減する回
路を設け電流をソフトにしゃ断する。この一連の動作中
はゲート駆動信号を保持させ、トランジスタの短絡耐量
時間を延長すると同時にサージ電圧を下げながら電流を
ソフトにしゃ断する安全動作領域内での信頼性の高い運
転を可能とするパワートランジスタの過電流保護回路を
提供することができる。
As described above, according to the present invention, when the current flowing through the power transistor is a predetermined value or more, an automatic control loop for lowering the gate voltage is provided to limit the power transistor current. When the current continues for a certain period of time or longer, a circuit is provided to detect and hold the gate voltage to gradually reduce the gate voltage, and the current is cut off softly. A power transistor that holds the gate drive signal during this series of operations, extends the short-circuit withstand time of the transistor, and at the same time softly interrupts the current while lowering the surge voltage, enabling highly reliable operation within the safe operation area. Can provide an overcurrent protection circuit.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の一実施例。FIG. 1 is an embodiment of the present invention.

【図2】図1の動作を説明する図。FIG. 2 is a diagram for explaining the operation of FIG.

【図3】本発明の第2実施例を示す。FIG. 3 shows a second embodiment of the present invention.

【図4】インバータの一般的な主回路図。FIG. 4 is a general main circuit diagram of an inverter.

【図5】パワートランジスタの特性図。FIG. 5 is a characteristic diagram of a power transistor.

【図6】従来装置の問題点を示す特性図。FIG. 6 is a characteristic diagram showing a problem of the conventional device.

【図7】パワートランジスタの過電流耐量を説明するた
めの図。
FIG. 7 is a diagram for explaining overcurrent withstand capability of a power transistor.

【図8】従来装置の説明図。FIG. 8 is an explanatory diagram of a conventional device.

【図9】図8の一部の詳細書。FIG. 9 is a detailed view of a part of FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…直流電源、2…ブリッジ変換器、3…モータ、4…
IGBT、11,13…抵抗、12…トランジスタ、14,15…
直流電源、16…フォトカプラ、17…増幅器、18,21,2
2,24,27…抵抗、19,35…フォトカプラ、20,28,30
…ダイオード、23,26,32,33…トランジスタ、25…コ
ンデンサ、29,31,34,36…抵抗、37…故障検出回路、
38…信号保持回路、39…信号しゃ断回路、40…タイマ回
路、41…増幅器、42…タイムディレイ、43…保持回路、
44…漸増回路、45…リセット回路。
1 ... DC power supply, 2 ... Bridge converter, 3 ... Motor, 4 ...
IGBT, 11, 13 ... Resistor, 12 ... Transistor, 14, 15 ...
DC power supply, 16 ... Photo coupler, 17 ... Amplifier, 18, 21, 2
2, 24, 27 ... Resistor, 19, 35 ... Photo coupler, 20, 28, 30
… Diodes, 23, 26, 32, 33… Transistors, 25… Capacitors, 29, 31, 34, 36… Resistors, 37… Failure detection circuit,
38 ... Signal holding circuit, 39 ... Signal cutting circuit, 40 ... Timer circuit, 41 ... Amplifier, 42 ... Time delay, 43 ... Holding circuit,
44 ... Gradual increase circuit, 45 ... Reset circuit.

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 スイッチング動作により負荷へ電流を供
給するパワートランジスタと、このパワートランジスタ
に流れる電流に応じた電圧の電流信号を得、この電流信
号が所定値を越える部分に比例した電流を前記パワート
ランジスタを駆動するゲート回路からバイパスして前記
パワートランジスタの駆動信号レベルを低下させ前記パ
ワートランジスタに流れる電流を抑制する電流制御ルー
プを備え、前記バイパス電流が所定時間継続したとき閉
路して自己保持すると共に前記バイパス電流を徐々に分
流する回路を設け、前記分流電流を漸増することにより
前記電流制御ループからオープンループに切り換えて駆
動信号レベルを低下させることを特徴とするパワートラ
ンジスタの過電流保護回路。
1. A power transistor for supplying a current to a load by a switching operation, and a current signal having a voltage corresponding to a current flowing through the power transistor is obtained, and a current proportional to a portion where the current signal exceeds a predetermined value is supplied to the power transistor. A current control loop that bypasses the gate circuit that drives the transistor to lower the drive signal level of the power transistor and suppresses the current flowing through the power transistor, is closed and self-holds when the bypass current continues for a predetermined time. At the same time, a circuit for gradually shunting the bypass current is provided, and by gradually increasing the shunt current, the current control loop is switched to an open loop to reduce the drive signal level, and an overcurrent protection circuit for a power transistor.
【請求項2】 請求項1記載のパワートランジスタの過
電流保護回路において、前記バイパス電流が流れたと
き、前記パワートランジスタの駆動信号の状態を保持
し、前記バイパス電流が一定時間継続したとき前記駆動
信号をオフ状態にする回路を設けたことを特徴とするパ
ワートランジスタの過電流保護回路。
2. The overcurrent protection circuit for a power transistor according to claim 1, wherein when the bypass current flows, a state of a drive signal of the power transistor is held, and when the bypass current continues for a certain time, the drive An overcurrent protection circuit for a power transistor, which is provided with a circuit for turning off a signal.
【請求項3】 請求項2記載のパワートランジスタの過
電流保護回路において、前記バイパス電流が所定時間継
続したとき閉路する自己保持回路を前記駆動信号のオフ
状態によりリセットすることを特徴とするパワートラン
ジスタの過電流保護回路。
3. The power transistor overcurrent protection circuit according to claim 2, wherein a self-holding circuit that closes when the bypass current continues for a predetermined time is reset by an off state of the drive signal. Overcurrent protection circuit.
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