TW439256B - Circuit and method for improving short-circuit capability of IGBTs - Google Patents

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經濟部中央標準局負工消費合作社印製 E4 · ' A7 _ B7 五、發明説明（、） 發明背景 1. 發明領域 本發明之發明領域係有關於一短路保護電路，尤 其是在馬達控制電路中用於保護高效率IGBT的電路。 2. 相關技術説明 馬達控制所共同需要的IGBT反相器爲一 IGBT，其 可容忍5_i〇as之時段内的短路。 在一給定時段内IGBT容忍短路的能力基本上由短 路下的增益所決定。 現在基本上使用兩種基本類型的IGBT，即„短路„ 型IGBT，設計此類型的IGBT主要在馬達控制上使用， 另一種爲|(高效率11型IGBT，顯示此類型IGBT應用在不 需要的短路上’如切換電源時。在這種類型的裝置中 基本上存在一互補性。短路sIGBT(設計此1(^7基本上 谷忍上至1 〇秒的短路）本質上比高效率IGBT沒效率，但 是後者在短路能力上更受到限制。

Hr所示者’由本發明受託人國際整流公司所 製造的Gen 4高效率1(5阶約爲短路額定型式之短路電流 的兩倍。咼效率型1(;耵中較大的短路電流將限制其短 路容忍時間爲短路額定型式IGBT之半。 對於如本發明之受託人的半導體製造商來説希望 ϋ紙张尺度速用中國國家標準（CNS ) Αϋ格（210x^97公犮)--^ I J H 裝 訂 H ^ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 五、發明説明（ Λ7 B7 丨年月日 修正MM. 不製造此短路額定組件，因此較喜欧高效率型式的 IGBT， 其潛在的優點為： 1. 經由一基本的高效率型式之IGBT非兩種不同的型 式，而簡化製造邏輯，發明控制等3 2. 對於需要短路能力之應周可具有較好的系統解決方 式，此系統具有更大的設計拿刃性且系統性能可改進3 發明概述； 為了達到上述的目的及優點，本發明中提供一種電路 及方法可運甩極其簡單的離晶片方法，而改進高效率 IGBT的短路能力。 尤其是，在不同的實施例中，本發明包含另外增加一 外部共射極電阻至高增益高效率型的IGBT中以增加 IGBT的短路能力。 由下文中的說明可更進一步了解本發明之特徵及優 點*閱讀時益參考附圖3 (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁 丁 ,-'° 竣 經濟部智慧財產局A工消費合作社印製 圖式之簡單說明 圖一顯示高效率IGBT對短路額定IGBT的短路特性 本紙張尺度逍用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 陷 43925 6 A7 B7 五

經濟部中央榡孪局員工消費合作社印製 t]圖二A及2B顯示本發明中在高效率IGBT的短路零 上加一共射極電阻的效應。 圖三説明提供一 2〇raohm共射極電阻之1200V，尺 寸7，Gen3的2〇tts短路容忍時間。 圖四A顯示在共同下方匯流排中現存電流感測分 路的使用’以提供用於限制短路電流的共射極電阻； 圖4B顯示各别向量控制下腳分路的使用，提供共射極 電阻以限制短路電流。 圖五顯示低電壓HEXFET的使用，以保護高電壓， 高效率IGBT。 圖六顯示流過輸入線阻抗的接地錯誤電流，囡此 該電流的上升速率較慢，且振輻受到限制。 圖七顚示用於回應線對線短路之上方錯誤偵測器 的設計’且快速回應由一從ac輸出端至負匯流排端的 非逆外部連結所產生的短路。 圖八示一電路’此電路可經由偵測一預先存在的 短路且禁制一閘極驅動器’而避免由一從3(；輸出端至 負匯流排端的非逆外部連結所導致的短路。 元件符號説明 R 共射極電阻 較佳實施例之詳細説明 C#先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝. 線 本纸乐尺度適用中國國家標牟（CNS ) Λ4规格（210X 297公犮 經滴部中央標率局—工消費合作社印製 tr，' r·- .-·· ,. ... 0 £： ；： A7 B7 五、發明説明（戶） 圖'一· A及二B的比較顯T依據本發明，一另增的夕卜 部共射極電阻R可使得高效率型IGBT具有高的增益。尤 其是’如圖二Β所示，增加電阻R，經由IscXR，而減 少短路下的有效增益，其直接從淨閘極射極電壓中扣 除。 圖三的起伏狀圖形説明一例子，其中對於尺寸7 之l^OOV IGBT, — 2〇mfi的共射極電阻與另一不含電阻 而具有約5 U s的短路容忍時間比較下，允許在850V 下，具有2〇“s的短路時間。 最好，在正常操作狀態下，跨r的電壓相當小， 且在正常核作之閘極射極電壓上的修正效應也可以忽 略不計，此可由下列的計算加以證明。 1 ·圖二B之電路中，爲600V，尺寸4，Gen4的高效 率IGBT，提供33πι(}的共射極電阻。 正常操作輸出電流（3hp) = 12Arms R中正常操作電流 =8.4 Arms R中正常操作耗損 =8.42 X 0.033

= 2.3W 在12A輸出下在i⑼丁中话計的耗損 效率 耗損 R中耗損的百分比 13.5W 17.6 --------- 6 ______--- 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4^JM2T〇T297.i>f )-- Ί'—, , ^ . J~ ΐ衣 * _ . ""訂 * I . 線 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 B7

五、發明説明（<) BKHz 15.4W 12KHz 17.8W 14.9 12.9 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 2·圖二B之電路，顯示1200V，尺寸4，Gen4的高 效率IGBT，提供66mD的共射極電阻R 正常操作輸出電流 =6A rms R中正常搡作電流 =4 · 2Arms R中正常操作耗損 =4.22Χ0·066 =1·15W 在βΑ輸出下於IGBT中的估計耗損 效率 耗損 R中耗損的百分比 4KHz 11.3W 10.6 8KHz 18.1W 6.6 12KHz 24.8W 4.8 上述計算顯示在全負載下計算60 0V之額定高效 率IGBT之投射耗損（projected losses)，對於提供1C Us短路時間的共射極電阻而言，介於IGBT耗損的13至 I7.5%之間。在高效率型式中、在電阻中此估計的增 加耗損實際上與10 U S短路額定6〇GVIGBT的估計增加耗 損比較下大略相同。 對於WOOV額定高效率IGBT提供1〇以s短路能力之 共射極電阻中的估計全負載耗損介於IGB丁耗損的5至11 %之間。有意義的是，如果使用1〇 “ s短路額定 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝·

、1T 旅 本紙張尺度適用中國國家標芈（€奶）六4规格（2丨0><297公及） A7 B7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明（b) ~ UOOVIGBT，而非含共射極電阻之高效率型式者，而趕 些增加的耗損比應增加者少。 當從組件的觀點看來，與短路額定型式者的耗損 比幸父，雖然使用本發明的共射極電阻可能不會對整個 耗損有相當地減少，但是本發明實際上可減少在系绣 位準下的減少，且除了上述製造上的優點爲，也可以 提供其他應用上的優點◊應用上的效應説明如下： 1·在不需要改變IGBT顯示下，只需選擇共射極電 阻的數値，即可在短路時間減少爲特定數値。所需要 的短路愈短，則電阻値及增加的耗損愈少。 2 ·在共射極電阻中增加的耗損在IGBT晶粒外消 散。IGBT成爲具有最小耗損的高效率型式者，對於給 定IGBT晶粒大小與從短路额定IGBT所得到者比較具有 更多的輸出（即給定將消散的功率），在IGBT中消散功 率比在IGBT中者爲佳。 3 .在對於馬達控制的三相反相器中，對於只有6 個IGBT中的三個IGBT的共射極電阻可賦予整個反相器 具有所需要的短路能力（如l〇Lts)，此將於下文中加以 説明。而且’單一共射極電阻可爲三相反相器電路下 部區域中所有三個IGBT所用，共射極電阻或電阻總耗 損贡獻對於整個反相器而言增加耗損約爲7.5%，而對 於6個短路額定IGBT而言則增加了 15%的總增加耗損。 但是須了解，也可以使用3個短路額定IGBT及3個高效 率型式且不使用共射極電阻建立一約有相同之全部耗 請 先 閱 背 之 注 意 事 項 再 裝 訂 線 本紙張尺度適用中國國家標绛（CNS ) A4规格（2IOX 297公楚 經濟部中央標準局貝工消費合作'社印製 把43925 6 A7 B7_____ 五、發明説明（5 ) 損的電路。但是，此電路具有有兩種不同型式# IGBT，且因此無法達到本發明中不使用短路iGB丁的目 的0 4 ·如果電阻性電流量測爲總功率串中的一部份， 如同一般驅動幾馬力者，則分路電阻可同時具有短路 電流限制之共射極電阻及電流信號回授的雙重功能。 此指定於圖四A及4B中。因此本發明易於使用高效率 IGBT取代現存_包含單一高分路電阻（或對於低I⑼丁的 個别”向量控制"分路電阻）的功率串，得到的短 路能力，且與相同的輸出電流比較下，可減少約〗5 % 的總反相器輸出。 本發明之共射極電阻的不同實施例説明如下： 1.如果有功率串中已出現分路則較佳的方法及電 路係使用現存電流感測分路。 2·另一實施例係使用含所使用電阻的結合線。 3·另一實施例係將一薄膜電阻安裝在功率電路板 的基體中。 4·另一實施例係連接功率位準電路板與一具有所 需要之電阻的分開驅動板。 5 .另一實施例爲在分開的驅動板中加入所需要的 電阻。 爲了在正常操作及/或增加的短路時間中減少增 加的耗損，最好在本發明的另一實施例中使用一非線 性共射極電阻，此共射極電阻在正常搡作電流時具有 -----..--- -1-----府衣----訂—-----成 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適财gjg)家縣（⑽）Λ4·_ ( 21rx297^ ) 一 143 Ο· A7 B7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明（贫） 低的電阻値，而在短路電流時，則具有較高的電良 値，可應用下列方珐實現此非線性電阻。 1 ·含正度係數的多晶5夕電阻。由短路電流所導 致的增加溫度當需要的時候可給予較高的共射極電 阻，而增加短路容忍時間。在較高搡作溫度下的增加 電阻當在初始高操作溫度發生錯誤時，可對短路電流 產生更大的需要。 2·具有電阻隨著電流增加之特性的裝置，如功率 MOSFET ’如由本受讓人，國際整流公司所製造的2〇v HEXFET。圖五顯示一電路配置，其令一 2〇v的 HEXFET(如一 Gen5尺寸1的HEXFET)提供一用於高效率 IGBT(如Gen4，600V，又寸4之高效率IGBT)的共射極電 阻。HEXFET的短路電流將限制IGBT的短路電流。因 此，在圖五的例子中，對高效率IGBT賦與約15as的短 路時間。因爲HEXFET晶粒的區域約iGBT區域的15%， 所以所加入的HEXFET對成本的增加極有限。注意，在 圖五的配置中，有可能只將電壓作用在1(}阶或hexfet 中，即只應用固定的1SV作用在另一裝置的閘極。 如上所述，對於三相反相器之底IGBT的單一共射 極電阻或個别電阻可用於保護6個IGBT防止線對線輸出 短路發生。此係囡爲線對線短路電流流過串連的下及 上〗GBT。囡此上IGBT的線對線短路保護可由下的電流 限制動作所提供。 只對上或IGBT使用共射極電阻提供完整的反相器 請 4 閲 讀 背 面 '1 事 項 再 填 寫 本 頁 裝 訂 旅 本紙張尺度適用中國國家糅準（CNS ) A4規格ί 2】〇><297公嫠） A7 B7 經濟部中央標準局貝工消費合作社印裝 五、發明説明) 保護，防止線對線短路電流。但是，電阻性分路已出 現在電路的底側’所以較簡單且經濟的方法係使用侠 現存的組件成爲共射極電阻。 須了解，在某些錯誤類型中，也可能錯誤電流只 流過上側IGBT ’在此例子中下側冗阶沒有任何電力以 限制在上側的電流。只有兩種類型的錯誤可導致在頂 IGBT中產生短路電流，其爲： 第一類型錯誤一在反相器的輸出處的接地錯 誤0 第二類型錯誤〜從ac輸出或至負匯流排端1^的 非逆外部連結之短路。 此兩類型的錯誤均可加以處理，而不必使用上侧 1GBT的共射極電阻。尤其是，標準類型錯誤幾乎在1〇 Us或更大値周期中總可爲高效率IGBT所容忍 ，而不必| 使用其他的保護機構。如圖六所示，因爲接地錯誤電 流的路徑通過輸入供應阻抗，所以^輸入線的振輻很 嚴厲地限制了接地錯誤電流的上升比例及 #prospective振輻。相當低的振輻接地錯誤電流在10 us停機時段内，將不會破壞高效率IGBT。 第二類型的錯誤更嚴謹，係因爲錯誤電流從低阻 抗匯/瓦排電谷經上侧IGBT流至負匯棑端N。可甴下列方 式避免使用用於此類型錯誤之上侧IGBT的共射極電 阻： a )避免使用者近接負匯流排端N。提供外部近接 --·> —T— ! > - -if 1- - - - i -种衣-1 ! (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 線 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2丨〇>< 297公釐） Μ Β7 經濟·部中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明（、0 ) 匯流棑N的原因爲對於選擇的外部制動電路提供—連結 點。具有外部制動電晶體的功率串因此不需要外部= 接N端。當一使用者將反相器^端至制動端的線路連掮 錯誤時仍有可能發生此狀態，但是現在制動igbt及其 本身的共射極電阻將對於上側沁耵提供短路保護。^ b)顯示上匯流排偵測器以辨識線對線錯誤及第一 類型錯誤，後者具有較高的短路電流，因爲上端igb 的高有效增益之故，而使其沒有共射極電阻。例如， 可對上匯流棑提供一電阻/光電路，設計此電路的目的 在於辨識線對線及第二類型，高電流錯誤。顯示電阻 光偵測電路以使得回應的逵度比錯誤偵測電路對線對 線錯誤的回應還要慢，允許後者對於線對線錯誤控帝 停機時間 最好設計上偵測電路以儘快回應高振輻之第二類 型錯誤，因此使得反相器停機，且儘可能地在如2或2 U s内保護上IGBT 囷七爲上錯誤偵測器的觀點之示意圖。對於線對 線短路而言，跨RS上的電壓不足以使齊納二極體2(或 者是其他型式的臨界値二極體）導通經由電阻“對電 容C充電。時間常數R1C可使得在由低偵測電路（圖中沒 有顙示）設定的跳機時間期間，光裝置沒有傳送輸出信 號。須了解在栢當低的臨界値下無珐使用齊納二極 體’在此例子中’齊納二極體可以串聯的二或三個二 極高替代’或者可能的話使用一大於W臨界値的!^^。 諳 閲 讀 背 έ 之 注 意 事 項 再 填 本 頁 II !! ά η j ^ ____ 参紙張尺度適用中國國家榡準（CNS ) Λ4規格（2丨〇κ297公釐 NM 9 2 5 6 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（ή ) 對於高振輻之第二類型錯誤，跨Rs的電麼無法伤 2導通。現在經R2而使電容C快速充電，此R2的電阻偵 比R1低甚多。阻光器在1或2a s内傳送跳機脈衝，保讀 上IGBT。對於第二類型錯誤之跳機時間必需 完全沒有雜訊，因此防止對於此類型錯誤具有極快停 機時間的無理由之跳機問題。 對於錯誤電流的一般位準，實際上上方的跳機電 路必需比下方的電路具有更大的濾波及防雜訊功能。 只有在上方電路之不正常高電流下，才可能發生快速 跳機’此只有*#bona fide第二類型錯誤所導致。 c)加一電路，此電路可偵測任何ac輸出端至負匯 流排端N之間的負阻抗，以防止由於在起動反相器前各 端之間的誤列線所導致的第二類型錯誤發生。如果在 起動期間，偵測或U，V或W至N的低阻抗，而IGBT閘極 仍禁止使用，則在啓動程序結束時的驅動器禁止（且因 此至IGBT閘極的驅動器信號）可維持，而防止產生第二 類型錯誤。圖八顯示此觀念上的配置。 在上述不同的實施例中，本發明提供禁十製造高 效率IGBT的方法，其中應用可節省成本的所有分路方 法。 雖然文中已應用特定的實施例説明本發明，熟習 本技術者可對於上述諸實施例進行不同的改變及修 飾。所以，本發明並不受限於上述特定説明，而是^ 下文中的申請專利範圍加以定義。 13 ^^^^1 I4U «^1^— 111*1 —n^ 1 - ir -- II- i^i. (請先閲讀背面之注意事項再填寫本I ) 、?τ 線 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4規格Ui〇X297公釐）

Claims (1)

1. A8 B8 C8 D& /叫月1丨 丨修正 補充 經濟部智慧財產局具工消費合作社印製 中請專利範圍 附件一 申請專利範圍（民國九十年一月十九日修正本） 1、 一種在一馬達控制電路中用於保護高效率 IGBT的電路，該馬達控制電路包含：三相反相 器用於有六個高效率的IGBT之馬達控制，其中 二個IGBT在闻壓側，而另外三個IGBT在低壓 側，該電路包括一共射極電阻，其與高效率 IGBT中三個的射極串聯，爲了（i)在短路電路 狀況下經由減少IGBT的效率增益以增加IGBT 之短路能力；以及（ii)不用產生一感測電壓給 一電流控制電路。 2、 如申請專利範圍第1項之電路，其中該個別的 共射極電阻包括至少一向量控制串聯電阻，用 於該三相反相器馬達控制電路之低壓側上的該 六個IGBT中的三個·> 3、 如申請專利範圍第1項之電路，其中該共射極 電阻包括一位在該三相反相器馬達控制電路之 低壓側軌上之單一的串聯電阻。 4、 如申請專利範圍第3項之電路，其中該共射極 電阻具有雙項功能，除了對於電流信號回授提 供電阻性電流量測分路，尙用於提供一用於短 路電流限制的共射極電阻。 5、 如申請專利範圍第1項之電路，其中該共射極 電阻包括與所需要之電阻連結的連結線。 6、 如申請專利範圍第1項之電路，其中該共射極 電阻包括在一功率串電路板的基體上的厚膜電 % 背 意% 再 填 寫 本 線 本紙張又及適用中闺國家揉準（CNS )以規格（210X297公釐） BS C8 D8 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 申請專利範圍 阻。 7. 如申請專利範圍第1項之電路，其中該共射極 電阻包括一連接器其從一功率準位電路板到一 具有所需要電阻之分開驅動器板。 8. 如申請專利範圍第1項之電路，其中該共射極電 阻配置在一分開的驅動器板上。 9. 如申請專利範圔第1項之電路，其中該共射極電 阻包括在正常操作電流具有低電阻値，而在短路 電流下具有高電阻値的非線性電阻裝置。 10. 如申請專利範圍第9項之電路，其中該非線性電 阻裝置包括一具有正溫度係數的多晶矽電阻。 11. 如申請專利範圍第9項之電路，其中該非線性電 阻裝置包括一功率MOSFET電晶體。 12. —種在一馬達控制電路中用於保護高效率iGBT 的電路，該馬達控制電路包含一三相反相器，其 在高壓側及低壓側具有高效率的IGBT，該電路 包括一電流偵測器，用於偵測在高壓側上一第二 型的錯誤，該用於偵測第二型的錯誤的電流偵測 器包括一電阻/光隔離器電路，此電路包含一臨 界値二極體，此二極體允許自第二型的錯誤出現 時’經由一相當低値的電阻，而對一電容器快速 充電’而在沒有第二型的錯誤出現時，經由一相 當高値的電阻，而對一電容慢速充電。 13. 如申請專利範圍第2項之電路，更包括一電流偵 測器，其包括多個比較器，用以在該三相反相器 電路的任何輸出端與一低壓側匯流排軌之間偵 ί I 裝 訂*~ 線 (·«·先閱讀背面之注意事項再埃窝本頁) ( CNS J ( 210X297^# }

   申請專利範固 經濟部智慧財產局員工消资合作社印製 測一低阻抗》 H.如申請專利範圍第3項之電路，更包括一電流偵 測器，其包括多個比較器，用以偵測在該三相反 相器電路的任何輸出端與一低壓側匯流排軌之 間的一低阻抗。 H 一種用於三相反相器之馬達控制電路的保護電 路，該馬達控制電路在高壓側提供髙效率的 IGBT，該保護電路包括一電流偵測器，用於相當 快速地偵測在高壓側上一第二型的錯誤，該用於 偵測在高壓側的第二型.錯誤，與在高壓側的其它 他較不嚴重的錯誤比較下，其速率相當快，該電 流偵測器包括一電阻/光隔離器電路，此電路包 含一臨界値二極體，此二極體允許當第二型的錯 誤出現時，經由一相當低値的電阻，而對一電容 器快速充電。 16.如申請專利範圍第1項之電路，其中該共射極電 阻與該低壓側高效率的IGBT串聯。 Π. —種在一馬達控制電路中用於保護高效率IGBT 的方法，該馬達控制電路包含一三相反相器，使 用六個髙效率的IGBT，進行馬達控制，其中三 個IGBT在高壓側，而另外三個IGBT在低壓側， 該方法包括提供一共射極電阻，與高效率IGBT 中三個的射極串聯之步驟，以（i)在短路電路 狀況下經由減少IGBT的效率增益以增加IGBT 之短路能力；以及（ii)不用產生一感測電壓給一 電流控制電路。 本紙張尺度逍用中®两家搞準（CNS ) 格（210X297公釐） - 裝 訂 I 紙 (請先«婧背面之注意事項再填寫本頁)