半導體驅(qū)動裝置和使用該半導體驅(qū)動裝置的電力變換裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及搭載保護功能的半導體驅(qū)動裝置、以及使用該半導體驅(qū)動裝置的電力 變換裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 以逆變器為首的電力變換裝置通過半導體開關(guān)元件的開關(guān)動作來實現(xiàn)電力變換。 作為該半導體開關(guān)元件的代表例，廣泛應用以MOS-FET、IGBT為首的電壓驅(qū)動型半導體元 件。特別是能進行高速的開關(guān)且能控制大電力的IGBT，從家電用的小容量逆變器直到鐵道 用等的大容量逆變器，在廣泛的領(lǐng)域被使用。
[0003] 為了控制這樣的半導體開關(guān)元件，需要半導體驅(qū)動裝置。一般，電壓驅(qū)動型半導體 的驅(qū)動裝置具有通過對半導體開關(guān)元件的柵極施加電壓來控制元件的導通狀態(tài)的功能。
[0004] 圖1是IGBT用驅(qū)動裝置的代表性的柵極驅(qū)動部構(gòu)成的一例?；隍?qū)動指令輸入 信號SIN，由輸出級電路Tl對IGBT QO的柵極G施加適當?shù)碾妷?，對在IGBT QO的集電極 C-發(fā)射極E間導通的集電極電流Ic進行控制。
[0005] 在此，柵極電阻Rg是通過限制流向柵極G的電流Irg來調(diào)整柵極G與發(fā)射極E間 的電壓Vge的變化率的電阻。由此，能合適地規(guī)定IGBT QO的開關(guān)速度、即集電極電流Ic 的變化率以及集電極C與發(fā)射極E間的電壓Vce的變化率。另外，在圖1示出了以流過回 流電流為目的而與IGBT QO逆并聯(lián)地具備二極管DO的IGBT模塊的構(gòu)成的示例。
[0006] 在將半導體開關(guān)元件使用在逆變器等中的情況下，為了防止臂短路或負載短路引 起的元件損壞，大多具有短路保護功能。所謂臂短路，是指在正與負的電源線間串聯(lián)連接的 多個半導體開關(guān)元件同時導通而使電源的正和負短路的現(xiàn)象。另外，所謂負載短路，是指與 逆變器連接的負載短路，經(jīng)由成為導通的半導體開關(guān)元件而電源的正和負短路的現(xiàn)象。若 引起這些短路，則會在半導體開關(guān)元件流過過大的電流，以至于擊穿。
[0007] 這樣的短路根據(jù)發(fā)生短路時的半導體模塊的導通狀態(tài)，一般分類為3種短路模式 (非專利文獻1)。
[0008] 以下參考圖2所示的IGBT模塊的電流以及電壓波形來說明這3種短路模式的特 征。圖2是表示IGBT中的正常時的接通時（a)、TypeI短路時（b)、TypeII短路時（c)以及 TypeIII短路時（d)各自的電流以及電壓波形的圖。
[0009] TypeI短路是在自臂元件接通時產(chǎn)生短路回路的情況。若作為一例考慮逆變器的 上下臂，則在如下的狀況下發(fā)生上述短路，即：成對的臂元件在切斷中擊穿而保持導通狀態(tài) 不變，在該狀態(tài)下自臂接通。在圖2(b)示出此時的自臂元件的電流以及電壓波形。
[0010] 在圖2 (a)的正常的接通時，若柵極-發(fā)射極電壓Vge從Vm向Vp增加從而向?qū)?狀態(tài)移轉(zhuǎn)，則集電極電流Ic增加，另一方面，集電極-發(fā)射極電壓Vce從電源電壓Vdc向?qū)?通電壓（幾 V)降低。
[0011] 與此相對，在TypeI短路時，因短路而集電極電流Ic增加到IGBT的飽和電流，另 一方面，集電極-發(fā)射極電壓Vce不會降低到導通電壓（幾 V)。此時，經(jīng)由反饋電容Cgc從 集電極向柵極流過（式1)的位移電流Is。
[0012] Is = CgcXdVce/dt...(式 1)
[0013] 由此，柵極電壓Vge上升到電源電壓程度。其結(jié)果，在正常的接通時能看到的Vge 的鏡像（mirror)期間（圖2(a))消失。
[0014] 接下來，參考圖2(c)來說明TypeII短路。
[0015] TypeII短路是自臂IGBT處于柵極導通狀態(tài)、在流過集電極電流Ic時發(fā)生短路的 情況。作為一例，有在自臂的IGBT導通的期間、斷路中的成對的臂元件突然擊穿而短路的 情況。
[0016] 在該TypeII短路中，由于在柵極導通狀態(tài)下短路，因此其電流變化率dlc/dt大于 受到元件特性限制的TypeI短路，通過主電路的寄生電感Le在（式2)中給出。
[0017] dlc./dt N VdcZLe …（式 2)
[0018] 其結(jié)果，集電極電流Ic急劇增大，成為比TypeI短路更激烈的短路。進而，根據(jù) (式1)，柵極流入電流從而柵極電壓上升，飽和電流進一步增加。為此，為了減少柵極的過 電壓擊穿以及飽和電流，一般設(shè)置圖1所示的柵極-發(fā)射極間的電壓鉗位元件（Dzl和Dz2 的串聯(lián)電路）。由此，如圖2 (c)所示那樣，柵極-發(fā)射極電壓Vge被鉗位在某規(guī)定值Vcl。
[0019] 最后，參考圖2(d)來說明TypeIII短路。
[0020] TypeIII短路與TypeII短路相同，都是自臂的IGBT在柵極導通狀態(tài)下短路的模 式，但是，在不是IGBT而是逆并聯(lián)連接的二極管導通狀態(tài)下短路這一點上，與TypeII短路 不同。
[0021] 作為一例，有如下情況：在自臂的二極管流過回流電流、且自臂的IGBT的柵極為 導通的狀態(tài)下，斷路中的成對的臂元件突然擊穿而短路。因此，若將自臂的二極管的陽極電 流設(shè)為Ia時，則在IGBT模塊的端子電流Ic-Ia為負的狀態(tài)下發(fā)生短路。這種情況下，由于 也是在柵極導通狀態(tài)下短路，因此其電流變化率dlc/dt與TypeII短路同樣地變大，因此成 為激烈的短路。另外，由于存在因二極管電壓急劇上升而引起硬復原、發(fā)生浪涌電壓（圖中 的復原浪涌）的情況，因此需要更高速的保護。
[0022] 在因成對的臂元件的擊穿或誤點弧而發(fā)生短路的情況下，為了從二次損壞保護自 臂元件，期望在半導體驅(qū)動裝置設(shè)置短路保護電路。一般，短路保護電路觀測半導體開關(guān)元 件的電流或電壓，在它們超出預先決定的值的情況下，通過采取限制或阻斷半導體開關(guān)元 件的電流的措施來保護元件。
[0023] 例如，在IGBT的情況下，作為探測該短路狀態(tài)的手段，考慮監(jiān)視集電極的電壓的 方法、使用電流互感器或檢測電阻或檢測用IGBT來監(jiān)視集電極電流值或發(fā)射極電流值的 方法、監(jiān)視在IGBT模塊的寄生電感產(chǎn)生的感應電壓或根據(jù)其算出的集電極電流值或發(fā)射 極電流值的方法、監(jiān)視柵極電壓或柵極電流的方法等。
[0024] 以IGBT為例，參考〈表1>，來說明針對所述的3種短路模式的代表性的探測方式 的適應可能性。
[0025] [表 1]
[0026]
【主權(quán)項】
1. 一種半導體驅(qū)動裝置，其特征在于，具備： 半導體元件，其具有一對主端子和控制流向該主端子對的電流的控制端子； 主探測單元，其探測所述主端子的電流或電壓； 輔助探測單元，其探測所述控制端子的電流或電壓、或者所述主探測單元不探測的一 方的所述主端子的電流或電壓的任一者； 積分單元，其接受所述主探測單元的輸出來進行時間常數(shù)不同的2個時間積分；和 輸出控制單元，其根據(jù)所述輔助探測單元的輸出來控制來自所述積分單元的所述時間 常數(shù)短的一方的輸出， 所述半導體驅(qū)動裝置通過來自所述積分單元的所述時間常數(shù)長的一方的輸出或所述 輸出控制單元的輸出來控制所述控制端子的電壓或電流。
2. -種半導體驅(qū)動裝置，其特征在于，具備： 半導體元件，其具有一對主端子和控制流向該主端子對的電流的控制端子； 主探測單元，其探測所述主端子的電流或電壓； 輔助探測單元，其探測所述控制端子的電流或電壓、或者所述主探測單元不探測的一 方的所述主端子的電流或電壓的任一者； 積分單元，其對所述主探測單元的輸出進行時間積分；和 切換單元，其根據(jù)所述輔助探測單元的輸出來切換所述主探測單元的探測級別或所述 積分單元的時間常數(shù)， 所述半導體驅(qū)動裝置通過經(jīng)由所述切換單元的所述積分單元的輸出來控制所述控制 端子的電壓或電流。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的半導體驅(qū)動裝置，其特征在于， 所述積分單元由使用無源元件或運算放大器的濾波器電路構(gòu)成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1~3中任一項所述的半導體驅(qū)動裝置，其特征在于， 在作為所述主探測單元而探測所述主端子的電流的情況下，通過對在所述半導體的寄 生電感所產(chǎn)生的感應電壓進行積分來得到該電流。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1~3中任一項所述的半導體驅(qū)動裝置，其特征在于， 取代所述主探測單元所探測的所述主端子的電流，作為該主端子的電流的微分值而采 用在所述半導體的寄生電感所產(chǎn)生的感應電壓。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1~5中任一項所述的半導體驅(qū)動裝置，其特征在于， 還將來自所述積分單元的時間常數(shù)長的一方的輸出或所述輸出控制單元的輸出，傳輸 至向所述控制端子輸出驅(qū)動指令的邏輯部。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1~6中任一項所述的半導體驅(qū)動裝置，其特征在于， 在所述半導體元件的短路狀態(tài)所涉及的導通狀態(tài)下，減少所述控制端子的電壓或電 流。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1~7中任一項所述的半導體驅(qū)動裝置，其特征在于， 在所述半導體元件的控制端子由多個構(gòu)成的情況下，獨立控制該多個控制端子各自的 電壓或電流。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1~7中任一項所述的半導體驅(qū)動裝置，其特征在于， 在由相同的驅(qū)動指令所控制的所述半導體元件并聯(lián)連接多個來構(gòu)成的情況下，獨立控 制該多個半導體的各控制端子。 10?-種電力變換裝置，具備： 將多個半導體開關(guān)元件串聯(lián)連接而構(gòu)成的多個上下臂；和 控制所述多個半導體開關(guān)元件的每一個的導通/截止的多個半導體驅(qū)動裝置， 所述電力變換裝置的特征在于， 所述多個半導體驅(qū)動裝置由權(quán)利要求1~9中任一項所述的半導體驅(qū)動裝置構(gòu)成。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種半導體驅(qū)動裝置以及電力變換裝置，具有抑制誤探測的高可靠性的短路保護功能。利用如下要素來構(gòu)成半導體驅(qū)動裝置：主探測單元，其探測半導體元件的主端子的電流或電壓；輔助探測單元，其探測半導體元件的控制端子的電流或電壓、或主探測單元不探測的一方的主端子的電流或電壓的任一者；積分單元，其接受主探測單元的輸出來進行時間常數(shù)不同的2個時間積分；和輸出控制單元，其根據(jù)輔助探測單元的輸出來控制來自積分單元的時間常數(shù)的短的一方的輸出，半導體驅(qū)動裝置通過來自積分單元的時間常數(shù)長的一方的輸出或輸出控制單元的輸出來控制控制端子的電壓或電流。
【IPC分類】H02H7-20, H02H9-02, H02M1-08, H02M1-32
【公開號】CN104795973
【申請?zhí)枴緾N201410784485
【發(fā)明人】恩田航平, 坂野順一, 河野恭彥, 石川勝美
【申請人】株式會社日立制作所
【公開日】2015年7月22日
【申請日】2014年12月16日
【公告號】EP2899886A1