WO2023182301A1 - 半導体スイッチング素子の短絡検出回路 - Google Patents

Abstract

短絡検出回路（２０，３０）は、絶縁ゲート型の半導体スイッチング素子（１１）の高電位側端子にカソードが接続されたダイオード（１２）と、一端がダイオードのアノード側に接続され、他端が半導体スイッチング素子の低電位側端子に接続されたコンデンサ（１４）と、を備えるデサット検出回路（１，１０）に適用され、半導体スイッチング素子（１１）の短絡を検出し、半導体スイッチング素子のゲート電圧を取得するゲート電圧端子（２１）と、コンデンサの電圧に対応するデサット電圧を取得するデサット電圧端子（２２）と、ゲート電圧が所定のゲート電圧閾値を超えたことと、デサット電圧が所定のデサット電圧閾値を超えたことに基づいて、半導体スイッチング素子が短絡したことを検出する判定回路（２８，２９）と、を備える。

Description

半導体スイッチング素子の短絡検出回路 関連出願の相互参照

　本出願は、２０２２年３月２４日に出願された日本出願番号２０２２－０４８７１３号に基づくもので、ここにその記載内容を援用する。

　絶縁ゲート型の半導体スイッチング素子の短絡を検出する短絡検出回路に関する。

　半導体スイッチング素子の短絡を検出するためのデサット検出回路に接続され、短絡を検出して、過電流により半導体スイッチング素子が損傷することを回避する保護機能を備える半導体スイッチング素子の駆動装置が知られている。特許文献１では、ＩＧＢＴの駆動装置は、ダイオードと、コンデンサとを備えるデサット検出回路に接続され、コンデンサを充電するための定電流源を備えている。ＩＧＢＴのオン動作中に短絡が発生した際にＩＧＢＴを保護するために、駆動信号がオン信号である場合に、定電流源によりコンデンサを充電し、飽和電圧に一致したタイミング以後にさらに大きな定電流源で充電する。

特許第５８６１７８７号公報

　特許文献１では、コンデンサ充電における遅延時間を利用して、短絡検出のマスク時間を調整するため、コンデンサの充電時間を短縮することが難しい。このため、ＩＧＢＴの短絡を検出する時間の短縮に制限がある。

　上記に鑑み、本開示は、半導体スイッチング素子の短絡をより速やかに検出する技術を提供することを目的とする。

　本開示は、絶縁ゲート型の半導体スイッチング素子と、前記半導体スイッチング素子の高電位側端子にカソードが接続されたダイオードと、一端が前記ダイオードのアノード側に接続され、他端が前記半導体スイッチング素子の低電位側端子に接続されたコンデンサと、を備えるデサット検出回路に適用され、前記半導体スイッチング素子の短絡を検出する、第１および第２の短絡検出回路を提供する。第１の短絡検出回路は、前記半導体スイッチング素子のゲート電圧を取得するゲート電圧端子と、前記コンデンサの電圧に対応するデサット電圧を取得するデサット電圧端子と、前記ゲート電圧が所定のゲート電圧閾値を超えたことと、前記デサット電圧が所定のデサット電圧閾値を超えたことに基づいて、前記半導体スイッチング素子が短絡したことを検出する判定回路と、を備える。

　本開示に係る第１の短絡検出回路は、半導体スイッチング素子のゲート電圧を取得するゲート電圧端子と、コンデンサの電圧に対応するデサット電圧を取得するデサット電圧端子を備える。ゲート電圧が所定のゲート電圧閾値を超えたことを検出することにより、マスク時間を確保できるため、コンデンサの設計により短絡検出のマスク時間を調整する必要がなく、コンデンサの充電時間を短く設計することができる。すなわち、ゲート電圧が所定のゲート電圧閾値を超えたことと、デサット電圧が所定のデサット電圧閾値を超えたことに基づいて、半導体スイッチング素子が短絡したことを検出することにより、コンデンサの充電時間を短縮できるため、半導体スイッチング素子の短絡を速やかに検出することができる。その結果、例えば、半導体スイッチング素子の短絡時における速やかな半導体スイッチング素子の保護に寄与することができる。

　本開示に係る第２の検出回路は、前記コンデンサの電圧に対応するデサット電圧を取得するデサット電圧端子と、所定のタイミングから経過した時間を測定するタイマーと、前記タイマーが測定する経過時間が所定時間を超え、かつ、前記デサット電圧が所定のデサット電圧閾値を超えた場合に、前記半導体スイッチング素子が短絡したことを検出する判定回路と、を備える。

　第２の短絡検出回路によれば、タイマーによりマスク時間を確保できるため、コンデンサの設計により短絡検出のマスク時間を調整する必要がなく、コンデンサの充電時間を短く設計することができる。すなわち、タイマーが測定する経過時間が所定時間を超え、かつ、デサット電圧が所定のデサット電圧閾値を超えたことに基づいて、半導体スイッチング素子が短絡したことを検出することにより、コンデンサの充電時間を短縮できるため、半導体スイッチング素子の短絡を速やかに検出することができる。その結果、例えば、半導体スイッチング素子の短絡時における速やかな半導体スイッチング素子の保護に寄与することができる。

　本開示についての上記目的およびその他の目的、特徴や利点は、添付の図面を参照しながら下記の詳細な記述により、より明確になる。その図面は、
図１は、第１実施形態に係る半導体スイッチング素子の短絡検出回路を含む回路図であり、 図２は、第１実施形態に係る半導体スイッチング素子の短絡検出について説明する図であり、 図３は、第２実施形態に係る半導体スイッチング素子の短絡検出回路を含む回路図であり、 図４は、第２実施形態に係る半導体スイッチング素子の短絡検出について説明する図であり、 図５は、第３実施形態に係る半導体スイッチング素子の短絡検出回路を含む回路図であり、 図６は、第３実施形態に係る半導体スイッチング素子の短絡検出について説明する図であり、 図７は、第４実施形態に係る半導体スイッチング素子の短絡検出回路を含む回路図であり、 図８は、第４実施形態に係る半導体スイッチング素子の短絡検出について説明する図であり、 図９は、変形例に係る半導体スイッチング素子の短絡検出について説明する図であり、 図１０は、変形例に係る半導体スイッチング素子の短絡検出について説明する図である。

　（第１実施形態）
　図１に、絶縁ゲート側の半導体スイッチング素子の一例であるＩＧＢＴ１１に接続されたデサット（ＤＥＳＡＴ）検出回路１と、短絡検出回路２０とを含む回路図を示す。ＩＧＢＴ１１は、例えば、インバータ回路を構成するスイッチング素子として用いられるＩＧＢＴであり、還流ダイオードと並列接続されていてもよい。短絡検出回路２０は、例えば、ＩＧＢＴ１１を駆動する駆動ＩＣに構成される回路であってもよい。

　デサット検出回路１は、ダイオード１２と、デサット抵抗１３と、コンデンサ１４とを備えている。短絡検出回路２０は、デサット電圧端子２１と、ゲート電圧端子２２と、ＭＯＳＦＥＴ２３と、第１抵抗２４および第２抵抗２５と、スイッチ２６と、定電流源２７と、コンパレータ２８，２９とを備えている。短絡検出回路２０は、デサット電圧端子２１によりデサット検出回路１に接続され、ゲート電圧端子２２によりＩＧＢＴ１１のゲートに接続されている。

　ＩＧＢＴ１１のコレクタはダイオード１２に接続され、エミッタはコンデンサ１４，ＭＯＳＦＥＴ２３、第２抵抗２５に接続されている。ダイオード１２は、デサット抵抗１３を介してデサット電圧端子２１とＩＧＢＴ１１のコレクタとを接続している。ダイオード１２は、デサット電圧端子２１からＩＧＢＴ１１に向かう方向を順方向とするダイオードである。コンデンサ１４の一端は、デサット抵抗１３とデサット電圧端子２１との間を接続する接続配線に接続され、デサット抵抗１３を介してダイオード１２のアノード側に接続されている。コンデンサ１４の他端は、ＩＧＢＴ１１のエミッタに接続されている。

　短絡検出回路２０は、デサット電圧端子２１によりデサット検出回路１と接続することにより、コンデンサ１４の電圧に対応するデサット電圧を取得できる。デサット電圧をモニタすることにより、コンデンサ１４の充電電圧をモニタできる。短絡検出回路２０は、ゲート電圧端子２２によりＩＧＢＴ１１のゲートと接続することにより、ＩＧＢＴ１１のゲート電圧を取得できる。

　第１抵抗２４と第２抵抗２５は直列接続され、第１抵抗２４の一端はデサット電圧端子２１に接続されるとともにスイッチ２６を介して定電流源２７と接続され、他端は第２抵抗２５に接続されている。第２抵抗２５の一端は第１抵抗２４に接続され、他端はＩＧＢＴ１１のエミッタに接続されている。ＭＯＳＦＥＴ２３は、ドレインが第１抵抗２４とデサット電圧端子２１との間を接続する接続配線に接続されており、ソースがＩＧＢＴ１１のエミッタに接続されている。スイッチ２６がオン状態かつＭＯＳＦＥＴ２３がオフ状態である場合に、コンデンサ１４が充電される。コンデンサ１４が充電された状態で、ＭＯＳＦＥＴ２３がターンオンされると、コンデンサ１４が放電される。

　コンパレータ２８のプラス端子は、第１抵抗２４と第２抵抗２５との間に接続されている。コンパレータ２８のマイナス端子は、デサット電圧閾値を与えるコンデンサ閾値電圧源（図示していない）に接続されている。コンパレータ２９のプラス端子は、ゲート電圧端子２２に接続されている。コンパレータ２９のマイナス端子は、ゲート電圧閾値を与えるゲート閾値電圧源（図示していない）に接続されている。コンパレータ２８，２９の出力端子はＡＮＤ回路で接続されている。

　デサット検出回路１は、ＩＧＢＴ１１の高電位側端子であるコレクタにカソードが接続されたダイオード１２と、一端がダイオード１２のアノード側に接続され、他端がＩＧＢＴ１１の低電位側端子であるエミッタに接続されたコンデンサ１４と、を備える。短絡検出回路２０は、デサット検出回路１に適用され、ＩＧＢＲＴ１１が短絡したことを検出する機能を有する。短絡検出回路２０によれば、デサット電圧端子２１と、ゲート電圧端子２２と、ＡＮＤ回路で接続されたコンパレータ２８，２９とによって、ＩＧＢＴ１１が短絡したことを検出できる。具体的には、コンパレータ２９のプラス端子に入力されるゲート電圧が、マイナス端子に入力されるゲート電圧閾値を超え、かつ、コンパレータ２８のプラス端子に入力されるデサット電圧が、マイナス端子に入力されるデサット電圧閾値を超えた場合にＡＮＤ回路による出力が成され、ＩＧＢＴ１１が短絡したことを検出することができる。ＡＮＤ回路およびコンパレータ２８，２９は、ＩＧＢＴ１１が短絡したことを検出する判定回路としての機能を有する。短絡検出回路２０では、ゲート電圧が所定のゲート電圧閾値を超えたことを検出することにより、マスク時間を確保できる。

　図２に、ＩＧＢＴ１１のターンオン時におけるタイムチャートを示す。図２の縦軸は、上から順に、（ａ）ＩＧＢＴ１１のゲート電圧Ｖｇ、（ｂ）ＩＧＢＴ１１のコレクタ－エミッタ間の電圧Ｖｃｅ、（ｃ）デサット電圧Ｖｄ、（ｄ）スイッチ２６のオンオフ状態、（ｅ）ＭＯＳＦＥＴ２３のオンオフ状態を示し、横軸は時間を示す。

　図２に示すように、ＩＧＢＴ１１のターンオン時には、ゲート電圧Ｖｇが上昇を開始する。時刻ｔ１１において、ＭＯＳＦＥＴ２３がオン状態からオフ状態に切り替わり、スイッチ２６がオフ状態からオン状態に切り替わると、定電流源２７からコンデンサ１４に電流供給が行われる。これにより、デサット電圧Ｖｄが上昇を開始する。

　ＩＧＢＴ１１が短絡故障していない通常時の場合には、ＩＧＢＴ１１については、ターンオン後にコレクタ－エミッタ間の電圧Ｖｃｅが飽和電圧まで降下する。そうすると、ＩＧＢＴ１１のコレクタエミッタ間に並列に接続したコンデンサ１４の充電電圧は、ＩＧＢＴ３１１飽和電圧と同じ大きさでクランプされる。このとき、定電流源２７からの定電流は、ダイオード１２を介してＩＧＢＴ１１へと流れる。このため、通常時には、図２（ａ）～（ｃ）に実線Ｖｇ１，Ｖｃｅ１，Ｖｄ１で示すように、コレクタ－エミッタ間の電圧Ｖｃｅ１が飽和電圧まで低下することにより、デサット電圧Ｖｄ１の上昇が停止し、デサット電圧閾値Ｙ１よりも低い値で略一定値となる。また、ゲート電圧Ｖｇ１の上昇が停止し、ゲート電圧閾値Ｘ１よりも低い値で略一定値となる。その後、ゲート電圧Ｖｇ１の上昇が再開した後、ゲート電圧閾値Ｘ１よりも高い値で略一定値となるが、このときにはデサット電圧Ｖｄ１はデサット電圧閾値Ｙ１よりも低い値で略一定値となっている。通常時には、Ｖｄ１＞Ｙ１かつＶｇ１＞Ｘ１を満たす状態とならないため、短絡検出回路２０が備えるＡＮＤ回路からは、ＩＧＢＴ１１が短絡したこと示す出力が成されない。なお、ＩＧＢＴ１１のターンオン後に検出されるゲート電圧が一定電圧に維持される期間がミラー期間であり、ミラー期間におけるゲート電圧がミラー電圧である。ゲート電圧閾値Ｘ１は、ＩＧＢＴ１１のミラー電圧より高い値に設定されている。

　これに対し、ＩＧＢＴ１１が短絡故障している短絡時の場合には、ＩＧＢＴ１１のターンオン後にコレクタ－エミッタ間の電圧Ｖｃｅが不飽和となり、コンデンサ１４の充電電圧は飽和電圧にクランプされなくなる。つまり、コレクタ－エミッタ間の電圧Ｖｃｅが不飽和となると、それに応じてダイオード１２のカソード側の電位が上昇し、定電流源２７からの定電流はコンデンサ１４側へと流れる。定電流が供給されればコンデンサ１４にさらに充電されていくこととなる。このため、短絡時には、図２（ａ）～（ｃ）に破線Ｖｇ２，Ｖｃｅ２，Ｖｄ２で示すように、コレクタ－エミッタ間の電圧Ｖｃｅ２が低下せず、不飽和状態となることにより、ゲート電圧Ｖｇ２およびデサット電圧Ｖｄ２の上昇が停止しない。その結果、ゲート電圧Ｖｇ２はゲート電圧閾値Ｘ１を超え、デサット電圧Ｖｄ２はデサット電圧閾値Ｙ１を超える。時刻ｔ１２において、Ｖｇ２＞Ｘ１かつＶｄ２＞Ｙ１となると、短絡検出回路２０が備えるＡＮＤ回路からの出力により、ＩＧＢＴ１１が短絡したことを検出できる。

　第１実施形態によれば、ゲート電圧が所定のゲート電圧閾値を超えたことを検出することにより、マスク時間を確保できる。コンデンサ１４の設計により短絡検出のマスク時間を調整する必要がないため、定電流源２７からコンデンサ１４に供給する電流を増大させる等により、コンデンサ１４の充電時間を短く設計することができる。その結果、ＩＧＢＴ１１の短絡を速やかに検出できる。

　（第２実施形態）
　図３に、第２実施形態に係るデサット検出回路１０と、短絡検出回路２０とを含む回路図を示す。デサット検出回路１０は、充電抵抗１７を備える点において、図１に示すデサット検出回路１と相違している。充電抵抗１７は、デサット抵抗１３とデサット電圧端子２１との間を接続する接続配線においてコンデンサ１４と接続されている。コンデンサ１４に接続される抵抗素子として充電抵抗１７を備えることにより、ＩＧＢＴ１１を切替えた際のコンデンサ１４における電圧の変化速度を速くすることができる。

　図４に、ＩＧＢＴ１１のスイッチング時におけるタイムチャートを示す。図４の縦軸は、上から順に、（ａ）ＩＧＢＴ１１のゲート電圧Ｖｇ、（ｂ）ＩＧＢＴ１１のコレクタ－エミッタ間の電圧Ｖｃｅ、（ｃ）デサット電圧Ｖｄ、（ｄ）スイッチ２６のオンオフ状態、（ｅ）ＭＯＳＦＥＴ２３のオンオフ状態を示し、横軸は時間を示す。

　図４に示すように、ＩＧＢＴ１１のターンオン時には、ゲート電圧Ｖｇが上昇を開始する。時刻ｔ２１において、ＭＯＳＦＥＴ２３がオン状態からオフ状態に切り替わり、スイッチ２６がオフ状態からオン状態に切り替わると、定電流源２７からコンデンサ１４に電流供給が行われる。これにより、デサット電圧Ｖｄが上昇を開始する。充電抵抗１７が設けられていることにより、図４（ｃ）に示す場合は、図２（ｃ）に示す場合と比較してデサット電圧Ｖｄの変化速度が速くなる。なお、充電抵抗１７が設けられている場合には、定電流源２７からコンデンサ１４に電流供給しなくてもコンデンサ１４を迅速に充電できるため、定電流源２７は備えられていなくてもよい。

　ＩＧＢＴ１１が短絡故障していない通常時には、図４（ａ）～（ｃ）に実線Ｖｇ１，Ｖｃｅ１，Ｖｄ１で示すように、コレクタ－エミッタ間の電圧Ｖｃｅ１が飽和電圧まで低下することにより、ゲート電圧Ｖｇ１の上昇が停止し、ゲート電圧閾値Ｘ２よりも低い値で略一定値となる。一方、デサット電圧Ｖｄ１は、第１実施形態と比較して変化速度が速いため、一旦、デサット電圧閾値Ｙ２を超えるが、コレクタ－エミッタ間の電圧Ｖｃｅ１が低下することにより、デサット電圧閾値Ｙ２よりも低い値で略一定値となる。Ｖｄ１＞Ｙ２を満たす状態となっても、Ｖｇ１＞Ｘ２を満たす状態とならないため、短絡検出回路２０が備えるＡＮＤ回路からは、ＩＧＢＴ１１が短絡したこと示す出力が成されない。その後、ゲート電圧Ｖｇ１の上昇が再開した後、ゲート電圧閾値Ｘ１よりも高い値で略一定値となるが、このときにはデサット電圧Ｖｄ１はデサット電圧閾値Ｙ１よりも低い値で略一定値となっている。通常時には、Ｖｄ１＞Ｙ１かつＶｇ１＞Ｘ１を満たす状態とならないため、短絡検出回路２０が備えるＡＮＤ回路からは、ＩＧＢＴ１１が短絡したこと示す出力が成されない。

　これに対し、ＩＧＢＴ１１が短絡故障している短絡時には、図４（ａ）～（ｃ）に破線Ｖｇ２，Ｖｃｅ２，Ｖｄ２で示すように、コレクタ－エミッタ間の電圧Ｖｃｅ２が低下せず、不飽和状態となることにより、ゲート電圧Ｖｇ２およびデサット電圧Ｖｄ２の上昇が停止しない。その結果、ゲート電圧Ｖｇ２はゲート電圧閾値Ｘ２を超え、デサット電圧Ｖｄはデサット電圧閾値Ｙ２を超える。時刻ｔ２２において、Ｖｇ２＞Ｘ２かつＶｄ２＞Ｙ２となると、短絡検出回路２０が備えるＡＮＤ回路からの出力により、ＩＧＢＴ１１が短絡したことを検出できる。

　第２実施形態によれば、ゲート電圧が所定のゲート電圧閾値を超えたことを検出することにより、マスク時間を確保できる。このため、充電抵抗１７を設けてコンデンサ１４の充電時間をより短く設計した結果、ＩＧＢＴ１１の通常時に、デサット電圧Ｖｄがデサット電圧閾値Ｙ２を一旦超えることがあっても、ＩＧＢＴ１１が短絡していると誤検出することを防ぐことができる。このため、コンデンサ１４への充電を速める等のＩＧＢＴ１１の短絡をより速やかに検出できる設計が可能となる。

　（第３実施形態）
　図５に、第３実施形態に係るデサット検出回路１０と、短絡検出回路３０とを含む回路図を示す。短絡検出回路３０は、ＭＯＳＦＥＴ２３のゲートと、コンパレータ２９の出力を反転するＮＯＴ回路３２を含む配線３１を備える点において、短絡検出回路２０と相違している。配線３１によれば、コンパレータ２９の出力があったタイミングで、ＭＯＳＦＥＴ２３をターンオフすることができる。すなわち、配線３１は、コンデンサ１４に充電を開始する開始タイミングを、ゲート電圧端子２２から入力されるゲート電圧がゲート電圧閾値を超えた時に制御する充電タイミング制御回路として機能する。なお、充電抵抗１７と、定電流源２７とは、少なくともいずれか一方が備えられていればよい。

　図６に、ＩＧＢＴ１１のスイッチング時におけるタイムチャートを示す。図６の縦軸は、上から順に、（ａ）ＩＧＢＴ１１のゲート電圧Ｖｇ、（ｂ）ＩＧＢＴ１１のコレクタ－エミッタ間の電圧Ｖｃｅ、（ｃ）デサット電圧Ｖｄ、（ｄ）スイッチ２６のオンオフ状態、（ｅ）ＭＯＳＦＥＴ２３のオンオフ状態を示し、横軸は時間を示す。

　図６に示すように、ＩＧＢＴ１１のターンオン時には、ゲート電圧Ｖｇが上昇を開始する。ＩＧＢＴ１１が短絡故障していない通常時には、図６（ａ）～（ｃ）に実線Ｖｇ１，Ｖｃｅ１，Ｖｄ１で示すように、ゲート電圧Ｖｇ１がゲート電圧閾値Ｘ３を超えたときには、コレクタ－エミッタ間の電圧Ｖｃｅ１が飽和して低下した状態となっている。このため、デサット電圧Ｖｄ１は殆ど上昇せず、デサット電圧閾値Ｙ３よりも低い値で略一定値となる。時刻ｔ３３においてＶｇ１＞Ｘ３を満たす状態となっても、Ｖｄ１＞Ｙ３を満たす状態とならないため、短絡検出回路３０が備えるＡＮＤ回路からは、ＩＧＢＴ１１が短絡したこと示す出力が成されない。

　ＩＧＢＴ１１が短絡故障している短絡時には、図６（ａ）～（ｃ）に破線Ｖｇ２，Ｖｃｅ２，Ｖｄ２で示すように、時刻ｔ３１において、ゲート電圧Ｖｇがゲート電圧閾値Ｘ３を超える。このため、時刻ｔ３１において、ＭＯＳＦＥＴ２３がオン状態からオフ状態に切り替わり、スイッチ２６がオフ状態からオン状態に切り替わって、定電流源２７からコンデンサ１４に電流供給が行われる。これにより、デサット電圧Ｖｄが上昇を開始する。時刻ｔ３２において、Ｖｇ２＞Ｘ３かつＶｄ２＞Ｙ３となると、短絡検出回路３０が備えるＡＮＤ回路からの出力により、ＩＧＢＴ１１が短絡したことを検出できる。

　第３実施形態によれば、ゲート電圧が所定のゲート電圧閾値を超えたタイミングでコンデンサ１４の充電を開始する。このため、ＩＧＢＴ１１の通常時には、コレクタ－エミッタ間の電圧Ｖｃｅ１が低下した状態でデサット電圧Ｖｄの上昇が開始され、デサット電圧Ｖｄが殆ど上昇しないまま略一定となり、デサット電圧閾値Ｙ３を超えることが抑制される。その結果、ＩＧＢＴ１１が短絡していると誤検出することを防ぐことができる。このため、コンデンサ１４への充電を速める等のＩＧＢＴ１１の短絡をより速やかに検出できる設計が可能となる。

　（第４実施形態）
　図７に、第４実施形態に係るデサット検出回路１０と、短絡検出回路４０とを含む回路図を示す。短絡検出回路４０は、ゲート電圧端子２２を備えない点、コンパレータ２９に替えてタイマー４１を備える点において、短絡検出回路２０と相違している。タイマー４１は、所定のタイミングから経過した時間を測定し、タイマー４１が測定する経過時間が所定時間を超えたことをＡＮＤ回路に出力する。ＡＮＤ回路とコンパレータ２８とタイマー４１は、ＩＧＢＴ１１が短絡したことを検出する判定回路としての機能を有する。この判定回路は、タイマー４１が測定する経過時間が所定時間を超え、かつ、デサット電圧が所定のデサット電圧閾値を超えた場合に、ＩＧＢＴ１１が短絡したことを検出する。

　図８に、ＩＧＢＴ１１のスイッチング時におけるタイムチャートを示す。図８の縦軸は、上から順に、（ａ）ＩＧＢＴ１１のゲート電圧Ｖｇ、（ｂ）ＩＧＢＴ１１のコレクタ－エミッタ間の電圧Ｖｃｅ、（ｃ）デサット電圧Ｖｄ、（ｄ）スイッチ２６のオンオフ状態、（ｅ）ＭＯＳＦＥＴ２３のオンオフ状態、（ｆ）タイマーの有効無効状態、を示し、横軸は時間を示す。なお、ゲート電圧Ｖｇは参照用に併記したものであり、短絡検出回路４０ではゲート電圧Ｖｇを取得しない。

　図８に示すように、ＩＧＢＴ１１のターンオン時には、ゲート電圧Ｖｇが上昇を開始する。時刻ｔ４１において、ＭＯＳＦＥＴ２３がオン状態からオフ状態に切り替わり、スイッチ２６がオフ状態からオン状態に切り替わると、定電流源２７からコンデンサ１４に電流供給が行われる。これにより、デサット電圧Ｖｄが上昇を開始する。タイマー４１は、時刻ｔ４１を所定のタイミングとして設定されており、時刻ｔ４１から経過した時間を測定する。

　ＩＧＢＴ１１が短絡故障していない通常時には、図８（ｂ），（ｃ）に実線Ｖｃｅ１，Ｖｄ１で示すように、コレクタ－エミッタ間の電圧Ｖｃｅ１が飽和電圧まで低下することにより、デサット電圧Ｖｄ１の上昇が停止し、デサット電圧閾値Ｙ４よりも低い値で略一定値となる。

　これに対し、ＩＧＢＴ１１が短絡故障している短絡時には、図８（ｂ），（ｃ）に破線Ｖｇ２，Ｖｃｅ２，Ｖｄ２で示すように、コレクタ－エミッタ間の電圧Ｖｃｅ２が低下せず、不飽和状態となることにより、ゲート電圧Ｖｇ２およびデサット電圧Ｖｄ２の上昇が停止しない。その結果、デサット電圧Ｖｄはデサット電圧閾値Ｙ４を超える。時刻ｔ４２は、時刻ｔ４１から所定の時間が経過した時点である。時刻ｔ４２において、タイマー４１の状態が無効から有効に切り替わった後、時刻ｔ４３において、Ｖｄ２＞Ｙ４となると、短絡検出回路４０が備えるＡＮＤ回路からの出力により、ＩＧＢＴ１１が短絡したことを検出できる。

　第４実施形態によれば、タイマー４１によりマスク時間を確保できる。コンデンサ１４の設計により短絡検出のマスク時間を調整する必要がないため、定電流源２７からコンデンサ１４に供給する電流を増大させる等により、コンデンサ１４の充電時間を短く設計することができる。このため、ＩＧＢＴ１１の短絡を速やかに検出できる。

　（変形例）
　上記の各実施形態では、ゲート電圧閾値を設定する場合、ＩＧＢＴ１１のミラー電圧Ｘｍより高い値に設定する場合を例示して説明したが、これに限定されない。図９に示すゲート電圧閾値Ｘ５のように、ＩＧＢＴ１１のミラー電圧Ｘｍより低い値に設定してもよいし、ゲート電圧閾値をミラー電圧Ｘｍに設定してもよい。

　また、ゲート電圧Ｖｇがゲート電圧閾値を超え、かつ、デサット電圧がデサット電圧閾値を超えたことを満たす場合に短絡したことを検出する場合には、ゲート電圧Ｖｇがゲート電圧閾値を超えているときには、いつでも、さらにデサット電圧がデサット電圧閾値を超えた状態となったことにより短絡したことを検出したが、これに限定されない。図１０に示すように、ゲート電圧Ｖｇ２がゲート電圧閾値Ｘ１を超えた時点である時刻ｔ５１からフィルタ時間経過後の時刻ｔ５２から、デサット電圧Ｖｄ２がデサット電圧閾値Ｙ１を超えた状態となったことにより短絡したことを検出するようにしてもよい。図１０では、デサット電圧Ｖｄ２は時刻ｔ５２よりも早い時点でデサット電圧閾値Ｙ１を超えているが、時刻ｔ５２において、はじめて短絡したことが検出される。

　短絡検出回路２０，３０に、所定のタイミングから経過した時間を測定するタイマーをさらに備えるように構成することにより、フィルタ時間を設定できる。所定のタイミングはゲート電圧Ｖｇが所定のゲート電圧閾値を超えた時に設定される。判定回路は、タイマーが測定する経過時間が所定時間を超え、かつ、デサット電圧が所定のデサット電圧閾値を超えた場合に、半導体スイッチング素子が短絡したことを検出するように構成される。

　なお、上記の各実施形態では、絶縁ゲート型の半導体スイッチング素子がＩＧＢＴである場合を例示して説明したが、これに限定されない。上記の各実施形態に係る短絡検出回路は、ＩＧＢＴ，ＭＯＳＦＥＴ等に例示される各種の絶縁ゲート型半導体スイッチング素子の短絡の検出に好適に用いることができる。

　上記の各実施形態によれば、下記の効果を得ることができる。

　短絡検出回路２０，３０，４０は、絶縁ゲート型の半導体スイッチング素子（例えばＩＧＢＴ１１）の短絡を検出する短絡検出回路であり、半導体スイッチング素子の高電位側端子にカソードが接続されたダイオード（例えばダイオード１２）と、一端がダイオードのアノード側に接続され、他端が半導体スイッチング素子の低電位側端子に接続されたコンデンサ１４と、を備えるデサット検出回路１，１０に適用される。

　短絡検出回路２０，３０は、半導体スイッチング素子のゲート電圧Ｖｇを取得するゲート電圧端子２２と、コンデンサ１４の電圧をデサット電圧Ｖｄとして取得するデサット電圧端子２１と、ゲート電圧が所定のゲート電圧閾値（例えばＸ１）を超えたことと、デサット電圧Ｖｄが所定のデサット電圧閾値（例えばＹ１）を超えたことに基づいて、半導体スイッチング素子が短絡したことを検出する判定回路と、を備える。ゲート電圧が所定のゲート電圧閾値を超えたことを検出することにより、マスク時間を確保できるため、コンデンサの充電時間を短く設計することができる。その結果、半導体スイッチング素子の短絡を速やかに検出することができ、例えば、半導体スイッチング素子の短絡時における速やかな半導体スイッチング素子の保護に寄与することができる。

　デサット検出回路は、例えばデサット検出回路１０のように、コンデンサ１４に接続され、半導体スイッチング素子を切替えた際のデサット電圧の変化速度を速くする抵抗素子（例えば、充電抵抗１７）を備えていてもよい。コンデンサ１４の充電時間をより短くすることができる。

　短絡検出回路は、例えば短絡検出回路２０のように、ゲート電圧Ｖｇに基づいてコンデンサ１４に充電を開始する開始タイミングを制御する充電タイミング制御回路（例えば、配線３１）をさらに備えていてもよい。この場合、充電タイミング制御回路は、開始タイミングをゲート電圧Ｖｇが所定のゲート電圧閾値を超えた時に制御するものであることが好ましい。

　短絡検出回路は、所定のタイミングから経過した時間を測定するタイマーをさらに備えていてもよい。この場合、所定のタイミングは前記ゲート電圧が所定のゲート電圧閾値を超えた時であることが好ましい。また、判定回路は、タイマーが測定する経過時間が所定時間を超え、かつ、デサット電圧が所定のデサット電圧閾値を超えた場合に、半導体スイッチング素子が短絡したことを検出するように構成されていてもよい。

　ゲート電圧閾値は、半導体スイッチング素子のミラー電圧より高くてもよいし、低くてもよい。

　短絡検出回路４０は、コンデンサ１４の電圧をデサット電圧Ｖｄとして取得するデサット電圧端子２１と、所定のタイミングから経過した時間を測定するタイマー４１と、タイマーが測定する経過時間が所定時間を超え、かつ、デサット電圧Ｖｄが所定のデサット電圧閾値（例えばＹ４）を超えた場合に、半導体スイッチング素子が短絡したことを検出する判定回路と、を備える。タイマー４１によりマスク時間を確保できるため、コンデンサの充電時間を短く設計することができる。その結果、半導体スイッチング素子の短絡を速やかに検出することができ、例えば、半導体スイッチング素子の短絡時における速やかな半導体スイッチング素子の保護に寄与することができる。

　以下、上述した各実施形態から抽出される特徴的な構成を記載する。
［構成１］
　絶縁ゲート型の半導体スイッチング素子（１１）の高電位側端子にカソードが接続されたダイオード（１２）と、一端が前記ダイオードのアノード側に接続され、他端が前記半導体スイッチング素子の低電位側端子に接続されたコンデンサ（１４）と、を備えるデサット検出回路（１，１０）に適用され、前記半導体スイッチング素子の短絡を検出する短絡検出回路（２０，３０）であって、
　前記半導体スイッチング素子のゲート電圧を取得するゲート電圧端子（２１）と、
　前記コンデンサの電圧に対応するデサット電圧を取得するデサット電圧端子（２２）と、
　前記ゲート電圧が所定のゲート電圧閾値を超えたことと、前記デサット電圧が所定のデサット電圧閾値を超えたことに基づいて、前記半導体スイッチング素子が短絡したことを検出する判定回路（２８，２９）と、を備える短絡検出回路。
［構成２］
　前記デサット検出回路は、前記コンデンサに接続され、前記半導体スイッチング素子を切替えた際の前記デサット電圧の変化速度を速くする抵抗素子（１７）を備える構成１に記載の短絡検出回路。
［構成３］
　前記ゲート電圧に基づいて前記コンデンサに充電を開始する開始タイミングを制御する充電タイミング制御回路（３１）をさらに備え、
　前記充電タイミング制御回路は、前記開始タイミングを前記ゲート電圧が所定のゲート電圧閾値を超えた時に制御する構成１または２に記載の短絡検出回路。
［構成４］
　所定のタイミングから経過した時間を測定するタイマーをさらに備え、
　前記所定のタイミングは前記ゲート電圧が所定のゲート電圧閾値を超えた時であり、
　前記判定回路は、前記タイマーが測定する経過時間が所定時間を超え、かつ、前記デサット電圧が所定のデサット電圧閾値を超えた場合に、前記半導体スイッチング素子が短絡したことを検出する構成１～３のいずれかに記載の短絡検出回路。
［構成５］
　前記ゲート電圧閾値は、前記半導体スイッチング素子のミラー電圧より高い構成１～４のいずれかに記載の短絡検出回路。
［構成６］
　前記ゲート電圧閾値は、前記半導体スイッチング素子のミラー電圧より低い構成１～４のいずれかに記載の短絡検出回路。
［構成７］
　絶縁ゲート型の半導体スイッチング素子（１１）の高電位側端子にカソードが接続されたダイオード（１２）と、一端が前記ダイオードのアノード側に接続され、他端が前記半導体スイッチング素子の低電位側端子に接続されたコンデンサ（１４）と、を備えるデサット検出回路（１）に適用され、前記半導体スイッチング素子の短絡を検出する短絡検出回路（４０）であって、
　前記コンデンサの電圧に対応するデサット電圧を取得するデサット電圧端子（２２）と、
　所定のタイミングから経過した時間を測定するタイマー（４１）と、
　前記タイマーが測定する経過時間が所定時間を超え、かつ、前記デサット電圧が所定のデサット電圧閾値を超えた場合に、前記半導体スイッチング素子が短絡したことを検出する判定回路（２８，４１）と、を備える短絡検出回路。

　本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

Claims (7)

1. 　絶縁ゲート型の半導体スイッチング素子（１１）の高電位側端子にカソードが接続されたダイオード（１２）と、一端が前記ダイオードのアノード側に接続され、他端が前記半導体スイッチング素子の低電位側端子に接続されたコンデンサ（１４）と、を備えるデサット検出回路（１，１０）に適用され、前記半導体スイッチング素子の短絡を検出する短絡検出回路（２０，３０）であって、
   　前記半導体スイッチング素子のゲート電圧を取得するゲート電圧端子（２１）と、
   　前記コンデンサの電圧に対応するデサット電圧を取得するデサット電圧端子（２２）と、
   　前記ゲート電圧が所定のゲート電圧閾値を超えたことと、前記デサット電圧が所定のデサット電圧閾値を超えたことに基づいて、前記半導体スイッチング素子が短絡したことを検出する判定回路（２８，２９）と、を備える短絡検出回路。
2. 　前記デサット検出回路は、前記コンデンサに接続され、前記半導体スイッチング素子を切替えた際の前記デサット電圧の変化速度を速くする抵抗素子（１７）を備える請求項１に記載の短絡検出回路。
3. 　前記ゲート電圧に基づいて前記コンデンサに充電を開始する開始タイミングを制御する充電タイミング制御回路（３１）をさらに備え、
   　前記充電タイミング制御回路は、前記開始タイミングを前記ゲート電圧が所定のゲート電圧閾値を超えた時に制御する請求項１または２に記載の短絡検出回路。
4. 　所定のタイミングから経過した時間を測定するタイマーをさらに備え、
   　前記所定のタイミングは前記ゲート電圧が所定のゲート電圧閾値を超えた時であり、
   　前記判定回路は、前記タイマーが測定する経過時間が所定時間を超え、かつ、前記デサット電圧が所定のデサット電圧閾値を超えた場合に、前記半導体スイッチング素子が短絡したことを検出する請求項１または２に記載の短絡検出回路。
5. 　前記ゲート電圧閾値は、前記半導体スイッチング素子のミラー電圧より高い請求項１または２に記載の短絡検出回路。
6. 　前記ゲート電圧閾値は、前記半導体スイッチング素子のミラー電圧より低い請求項１または２に記載の短絡検出回路。
7. 　絶縁ゲート型の半導体スイッチング素子（１１）の高電位側端子にカソードが接続されたダイオード（１２）と、一端が前記ダイオードのアノード側に接続され、他端が前記半導体スイッチング素子の低電位側端子に接続されたコンデンサ（１４）と、を備えるデサット検出回路（１）に適用され、前記半導体スイッチング素子の短絡を検出する短絡検出回路（４０）であって、
   　前記コンデンサの電圧に対応するデサット電圧を取得するデサット電圧端子（２２）と、
   　所定のタイミングから経過した時間を測定するタイマー（４１）と、
   　前記タイマーが測定する経過時間が所定時間を超え、かつ、前記デサット電圧が所定のデサット電圧閾値を超えた場合に、前記半導体スイッチング素子が短絡したことを検出する判定回路（２８，４１）と、を備える短絡検出回路。

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