用于半导体元件的驱动装置的制作方法

专利名称：用于半导体元件的驱动装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及驱动构成功率转换设备的半导体元件的半导体元件的驱动装置，例如具有保护操作判别功能。
背景技术：
这种类型的用于半导体元件的驱动装置例如在专利文献1中公开。该驱动装置包括提供用于智能功率模块(IPM)的警报电路，该智能功率模块是用于驱动逆变器的功率晶体管模块，该驱动装置还包括过电流警报单元、过电压警报单元、以及过热警报单元。在专利文献1中公开的已有例中，过电流警报单元在检测到功率晶体管的过电流状态时输出具有第一脉冲宽度的第一警报信号；过电压警报单元在检测到功率晶体管的输出端子的过电压状态时输出具有第二脉冲宽度的第二警报信号；过热警报单元在检测到功率晶体管的过热状态时输出具有第三脉冲宽度的第三警报信号。结果，检测输出的警报信号的脉冲宽度可以充分判别过电流状态、过电压状态、过热状态。另一个用于半导体元件的驱动装置在专利文献2中公开。该智能功率模块内的驱动装置包括必需数量的半导体开关元件；驱动电路；各种类型的检测电路，该检测电路用于检测开关元件和驱动电路的严重异常和先兆异常；对应于检测电路的警告电路；异常检测逻辑电路，用于在由这些检测电路检测为异常时进行开关元件的保护操作；控制电路，用于基于异常检测信号向外部输出该信号；以及传输电路。在专利文献2公开的已有例中，传输电路具有在检测到严重异常时输出警报信号的输出端子；以及输出指示用于严重异常与先兆异常的要素的异常要素判别信号的输出端子。优选的是，这两个类型的端子共用地形成单个的共同输出端子。专利文献3公开了另一个作为半导体装置的智能功率模块，在集成体中包括 IGBT, IGBT构成逆变器设备的功率转换桥接电路；IGBT 1DB，用于对在再生电阻器中用于消耗马达的再生电功率的电流进行开关；以及预驱动器，包含用于各IGBT的驱动电路和保护电路。智能功率模块内用于半导体元件的驱动装置的保护电路，在异常的状况下经由警报启动线向智能功率模块的外侧输出警报信号ALM1。然而，先于警报ALM1，当基于在IGBT 中检测到集电极电流或者预定值的芯片温度高于正常值但低于发出警报ALMl的值，判别为出现异常先兆时，保护电路经由预防警报线向智能功率模块的外侧输出预防警报ALM2 而并不关断IGBT。专利文献1 日本未审查专利申请公开号.H08-070580专利文献2 日本未审查专利申请公开号.2002-027665专利文献3 日本未审查专利申请公开号.2000-341960
在专利文献1公开的已有例中，对构成逆变器的功率晶体管内的过电流异常、过电压异常和过热异常进行单独检测，并且具有不同脉冲宽度的第一、第二和第三警报信号向外部输出。所以，检测脉冲宽度允许过电流异常、过电压异常和过热异常之间的判别。然而，每个过电流警报单元、过电压警报单元和过热警报单元在检测到过电流异常、过电压异常和或者过热异常时作为单步多谐振荡器发挥功能，并且输出具有预定脉冲宽度的一个警报信号。结果，如果在警报单元为操作状态的同时或者在操作状态的警报单元的警报信号返回至接通状态之前，从其他警报单元输出警报信号，则会错误地检测到警报信号。这是一个未解决的问题。专利文献2公开的已有例需要输出两种类型的信号，即警报信号和异常要素判别信号，结果导致信号形成电路构造复杂。这是另一个未解决的问题。在专利文献3公开的已有例中，保护电路在异常事件时经由警报启动线向外部输出警报ALM1。当IGBT的集电极电流或者芯片温度超过高于正常值但低于发送警报ALMl的异常值的预定值时，保护电路作出检测到产生异常的迹象的决定，并经由预防警报线向外部输出预防警报ALM2。该保护电路无法在集电极电流异常与芯片温度异常之间作出判别， 仅能确定IGBT处于产生了异常或者存在产生异常的迹象的状况。因此，专利文献3的装置无法在异常要素之间作出判别。这是另一个未解决的问题。

发明内容
本发明是在考虑到上述的已有例的未解决的问题而完成的，本发明的目的在于提供一种用于半导体元件的驱动装置，无论多个保护电路中的每一个是否在保护操作状况下，都可以基于脉冲宽度执行精确的判别。为了达到上述目的，根据本发明的实施方式的一个方面的用于半导体元件的驱动装置，是一种用于半导体元件的驱动装置，用于单独驱动构成功率转换设备的半导体元件， 所述驱动装置包括多个保护电路，所述多个保护电路检测执行用于所述半导体元件的保护操作所需的信息；脉冲信号产生电路，所述脉冲信号产生电路设定对于所述多个保护电路内的每一个具有不同脉冲宽度的脉冲序列信号，并输出在保护操作需要的检测期间内连续发送的、与被首先检测出需要保护操作的所述保护电路对应的脉冲序列信号；警报信号形成电路，所述警报信号形成电路利用包括在所述警报信号形成电路内的开关元件的接通断开控制来形成警报信号，并向外部输出所述警报信号；保护操作状态判别电路，所述保护操作状态判别电路基于来自警报信号形成电路的所述警报信号判别是否存在保护操作状态，并输出保护操作判别信号；以及警报控制电路，所述警报控制电路基于由所述保护操作状态判别电路进行的所述判别，将从所述脉冲信号产生电路输出的所述脉冲序列信号发送到所述警报信号形成电路内的所述开关元件的控制端子。根据该组成，脉冲信号产生电路以对多个保护电路中的每一个均不同的脉冲宽度设定脉冲序列信号，并输出与首先被检测到需要保护操作的保护电路对应的脉冲序列信号。保护操作状态判别电路，以来自警报信号形成电路的警报信号，判别保护操作状态的存在。如果判别没有指示保护操作状态的存在，则警报控制电路将从脉冲信号产生电路输出的脉冲序列信号发送到警报信号形成电路内的开关元件，以产生警报信号。由于该警报信号是具有对多个保护电路中的每一个均不同的脉冲宽度的脉冲序列信号，由外部装置测量的警报信号的脉冲宽度可以识别出被检测到保护操作状态的保护电路。因为来自脉冲信号产生电路的脉冲序列信号具有与首先被检测到需要保护操作的保护电路对应的脉冲宽度，所以抑制脉冲序列信号的混合，确实地避免在外部控制装置内的错误的检测。根据本发明的实施方式的另一个方面的用于半导体元件的驱动装置，是一种用于半导体元件的驱动装置，其中，所述警报信号形成电路包括由上拉电阻器和所述开关元件组成的串联连接的电路，所述串联连接的电路被插在控制电源端子与接地端子之间，所述上拉电阻器与所述开关元件之间的连接点连接于所述保护操作状态判别电路和用于向外部输出所述警报信号的警报端子。根据该组成，上拉电阻器与开关元件串联连接，当开关元件为断开状态时警报信号处于高电平，当开关元件为接通状态时警报信号处于低电平。根据本发明的实施方式的另一个方面的用于半导体元件的驱动装置，是一种用于半导体元件的驱动装置，其中，所述保护操作状态判别电路包括充放电电路，所述充放电电路包括当所述警报信号为高电平时被充电而当所述警报信号为低电平时被放电的电容器，以及比较器，所述比较器将所述充放电电路内的所述电容器的充电电压与参考电压比较，并输出保护操作判别信号。根据该组成，充放电电路与警报信号的高电平或者低电平对应地被充电或者放电。当警报信号处于低电平时，用在另一个保护电路内的保护操作的存在的判别，比较器输出指示保护操作状态的保护操作判别信号(例如处于低电平)。结果，从脉冲信号产生电路向在警报信号形成电路内的开关元件发送脉冲序列信号被阻断，以抑制警报信号的输出。 另一方面，当警报信号处于高电平时，用在其他保护电路的保护操作的不存在的判别，比较器输出指示保护操作状态不活跃的保护操作判别信号(例如处于高电平)。结果，从脉冲信号产生电路向在警报信号形成电路内的开关元件发送脉冲序列信号被允许，以输出警报信号。根据本发明的实施方式的另一个方面的用于半导体元件的驱动装置，是一种用于半导体元件的驱动装置，其中，所述警报控制电路包括锁存电路，所述锁存电路在所述脉冲序列信号从脉冲信号产生电路发送时将来自保护操作状态判别电路的所述保护操作判别信号锁存；以及逻辑积电路，所述逻辑积电路接收所述锁存电路的被锁存的输出信号和从脉冲信号产生电路发送的所述脉冲序列信号，并将所述逻辑积电路的逻辑积输出发送到所述警报信号形成电路内的所述开关元件的控制端子。根据该组成，当保护电路检测到需要保护操作的状态时，锁存电路将保护操作判别信号进行锁存。当保护操作判别信号指示保护操作状态存在时，逻辑积电路停止脉冲序列信号的输出，当保护操作判别信号指示保护操作状态不存在时，逻辑积电路允许脉冲序列信号的输出。根据本发明的实施方式的另一个方面的用于半导体元件的驱动装置，是一种用于半导体元件的驱动装置，其中，所述驱动装置内的所述警报信号形成电路的警报端子互相接触，所述驱动装置用于驱动组成所述功率转换设备的下臂的所述半导体元件。根据该组成，当警报信号从任一个用于驱动构成功率转换设备的下臂的半导体元件的、用于半导体元件的驱动装置输出时，来自其他用于半导体元件的驱动装置的警报信号被抑制。在根据本发明的用于半导体元件的驱动装置中，用于驱动构成功率转换设备的每个半导体元件的驱动装置具有多个保护电路，用于检测半导体元件的保护操作所需的信息，具有每个多个保护电路脉冲宽度不同的脉冲序列信号被抑制，以同时输出。因此，本发明具有的效果是保护电路由脉冲序列信号的脉冲宽度精确判别，并且避免保护操作状态的错误的检测。通过将用于构成功率转换器设备的下臂的多个半导体元件的驱动装置的每个警报端子互相连接，当在用于半导体元件的驱动装置中检测到需要保护操作的状态时，输出警报信号，来自其他用于半导体元件的驱动装置的任何警报信号被抑制输出，因而避免了用于半导体元件的驱动装置之间的警报信号的重叠。


图1是应用根据本发明的实施方式的用于半导体元件的驱动装置的功率转换设备的框图；图2(a) ,2(b)和2 (c)示出从图1的脉冲信号产生电路输出的脉冲信号的波形；图3是示出保护操作状态判别电路和警报控制电路的详细组成的电路图；图4(a)、4(b)、4(C)、4(d)、4(e)、4(f)和4(g)示出根据本发明的用于半导体元件的驱动装置的图示操作的信号波形。符号说明
1 功率转换设备
2 逆变器
3U--3Z 驱动器IC
4 =AC负载
11--16 JGBT
17电流传感IGBT
18用于温度检测的二极管
21--26 续流二极管
UA上臂
LA下臂
41输入电路
42与门
43放大器
45警报信号形成电路
46保护操作状态判别电路
47警报控制电路
51低电压保护电路
52过电流保护电路
53过热保护电路
54逻辑电路
55 脉冲信号产生电路56 上拉电阻器57 =NMOS-FET83 =D型触发器84:与门
具体实施例方式下面，参考

优选的实施方式的一些方面。图1是应用根据本发明的实施方式的用于半导体元件的驱动装置的功率转换设备的框图。参见图1，功率转换设备1包括逆变器2，将直流电转换为交流电；以及各相的驱动器IC3U至3Z，各相是用于半导体元件的驱动装置，以单独驱动构成逆变器2的相的半导体元件。逆变器2具有6个IGBT (绝缘栅双极型晶体管)11至16，IGBT是半导体元件。IGBT 11和12的串联连接的电路、IGBT13和14的串联连接的电路以及IGBT 15和16的串联连接的电路连接于正线Lp与负线Ln之间，正线Lp与负线Ln连接于直流电源并提供有直流电，串联连接的电路互相并联连接。IGBT 11至16以反并联连接的方式连接于续流二极管 21 至 26。上臂UA分别包括U-相、V-相和W-相的IGBT 11，13，15，下臂LA包括X-相、Y-相和Z-相的IGBT 12，14，16。三相交流电从IGBT 11与12间的连接点、IGBT 13与14间的连接点以及IGBT 15与16间的连接点发送。三相交流电被提供至AC负载4，比如电马达。如在图1中对IGBT12代表性地示出那样，每个IGBT 11至16伴随有电流传感 IGBT17，用于检测在集电极与每个IGBTll至16的发射极之间流动的电流；以及温度检测二极管18，嵌入与各IGBT相同的芯片。电流传感IGBT17的集电极连接于IGBT12的集电极， 电流传感IGBT17的栅极连接于IGBT12的栅极。驱动器IC 3U至3Z具有相同的组成，代表性地由用于驱动构成逆变器2的下臂LA 的IGBT12的驱动器IC 3X图示。该驱动器IC3X包括输入端子31，该输入端子31从外部控制装置(图1中未示出)接收用于栅极驱动的脉冲宽度调制信号；警报端子32，该警报端子32向外部控制装置输出警报信号；输出端子33，该输出端子33向逆变器2的IGBT12 的栅极输出栅极驱动信号；电压输入端子34，该电压输入端子34接收驱动器电源电压；电流输入端子35，该电流输入端子35连接于逆变器2的电流传感IGBT17的发射极；过热检测端子36，该过热检测端子36连接于逆变器2的温度检测二极管18的阳极；以及功率接地端子37，该功率接地端子37连接于温度检测二极管18的阴极。输入到输入端子31的脉冲宽度调制信号经过信号处理，包括在输入电路41进行波形整形，并提供至与门42的输入侧。来自与门42的输出被放大器43放大并作为栅极驱动信号发送到栅极驱动信号输出端子33。警报端子32连接至警报信号形成电路45。形成于警报信号形成电路45中的警报信号AL被提供至保护操作状态判别电路46。从保护操作状态判别电路46输出的保护操作判别信号PD被发送到警报控制电路47。电压输入端子34连接于用于检测低电压状态的低电压保护电路51，在低电压状态下，用于驱动器IC 3X至3Z的驱动器IC电源的电压低于预定电压。至于驱动器IC的3U至3W，对于每个驱动器IC 3U至3W提供有驱动器IC电源，单独的驱动器IC电源分别连接于用于检测低电压状态的低电压保护电路51，在低电压状态下，用于每个驱动器IC 3U至3W的驱动器IC电源的电压低于预定电压。低电压保护电路 51输出保护操作信号H1，该保护操作信号Hl当驱动器IC电源的电源电压降低至低于低电压阈值的电压时，变成高电平。电流输入端子35接收在电流传感IGBT17中流动的电流，并连接于用于检测过电流状态的过电流保护电路52。过电流保护电路52输出保护操作信号H2，该保护操作信号 H2当检测到过电流状态时，即电流传感IGBT 17内的电流大于过电流阈值时，变成高电平。过热检测端子36接收温度检测二极管18的端子之间的电压降，并连接于用于检测芯片内的温度的过热保护电路53。该过热保护电路53基于温度检测二极管18的端子之间的电压降来检测芯片温度，并输出保护操作信号H3，该保护操作信号H3当被检测的芯片温度高于预定阈值时，变成高电平。从低电压保护电路51、过电流保护电路52和过热保护电路53输出的保护操作信号H1、H2和H3被发送到逻辑电路M。逻辑电路M接收从输入电路41输出的脉冲宽度调制信号。当任一个保护操作信号HI、H2和H3变成高电平并在该状态下输入有脉冲宽度调制信号时，逻辑电路M以低电平将驱动停止信号SS发送到与门42的输入侧，并识别出首先变成高电平的保护操作信号H1、H2或者H3。对应于被识别出的保护操作信号Hi (i = 1， 2或者幻，逻辑电路M将脉冲序列输出命令信号PSi发送到脉冲信号产生电路55。在保护操作信号Hi处于高电平的期间，脉冲序列输出命令信号PSi被保持在高电平。当接收到脉冲序列输出命令信号Psi时，脉冲信号产生电路55将脉冲序列信号输出到警报控制电路47，该脉冲序列信号具有各种与脉冲序列输出命令信号PSi对应的脉冲宽度。脉冲信号产生电路阳根据当由低电压保护电路51检测到IC电源的低电压时保护操作信号Hl的输出，从逻辑电路讨接收高电平的脉冲序列输出命令信号PS1。在脉冲序列输出命令信号PSl被保持在高电平的期间，脉冲信号产生电路55输出脉冲序列信号PL1，该脉冲序列信号PLl具有基准脉冲宽度T的脉冲宽度、短于基准脉冲宽度T的脉冲间隔Ta，例如，如图2(a)所示。脉冲信号产生电路55根据当由过电流保护电路52检测到IGBT12的过电流状态时保护操作信号H2的输出，从逻辑电路M接收高电平的脉冲序列输出命令信号PS2。在脉冲序列输出命令信号PS2被保持在高电平的期间，脉冲信号产生电路55输出具有例如脉冲宽度为2T脉冲间隔为Ta的脉冲序列信号PL2，如图2 (b)所示。脉冲信号产生电路55根据当由过热保护电路53检测到过热状态时，即包含 IGBT12的芯片的温度高于预定过热阈值时保护操作信号H3的输出，从逻辑电路M接收高电平的脉冲序列输出命令信号PS3。在脉冲序列输出命令信号PS3被保持在高电平的期间， 脉冲信号产生电路55输出具有例如脉冲宽度为4T、脉冲间隔为Ta的脉冲序列信号PL3，如 0 2(c)所示。脉冲序列信号PL1、PL2和PL3的脉冲间隔Ta被选择为长于在保护操作状态判别电路46 (以后说明)内的充电-放电电容器70从被放电的状态充电至参考电压Vref的充电电压所需的时间。
警报信号形成电路45具有的构造如图1中所示，包括串联连接于电源端子与接地间的上拉电阻器56和NM0S-FET57的开关元件。上拉电阻器56与NM0S-FET57间的连接点连接于警报端子32、与门42的输入侧以及保护操作状态判别电路46。保护操作状态判别电路46如图3所示，包括连接于正侧电源端子60与负侧电源端子61间的电流镜电路。电流镜电路包括2个PM0S-FET63、64，具有连接于正侧电源端子 60的源极且其栅极互相连接；恒流电流源65，被串联连接插入PM0S-FET63与负侧电源端子 61之间；以及PM0S-FET66和NM0S-FET67，被串联连接插入PM0S-FET64与负侧电源端子61 之间。PM0S-FET63和64的栅极端子连接于PM0S-FET63的漏极端子。PMOS-FET 66和NMOS-FET 67的栅极端子经由逻辑反向电路68连接至输入端子 69，在输入端子69中，警报信号AL从警报信号形成电路45输入。充放电电容器70并联连接于NM0S-FET67的源极与漏极之间。电容器70和 PM0S-FET66与NM0S-FET67之间的连接点之间的节点连接于比较器71的非反向输入侧。比较器71的反向输入侧连接于设定在低于IC电源电压的电压的参考电压源72。比较器71 当在非反向输入侧的电压高于参考电压源72的电压时，以高电平输出比较的输出；当在非反向输入侧的电压低于参考电压源72的电压时，以低电平输出比较的电压。比较的输出作为保护操作判别信号PD，被发送到警报控制电路47。如图3所示，警报控制电路47具有输入端子81，在输入端子81中，从脉冲信号产生电路阳输入有脉冲序列信号PLk (k = 1，2或者3)；以及输入端子82，在输入端子82中， 输入有保护操作判别信号PD。输入端子82直接连接于作为锁存电路的D型的触发器83的数据输入端子D，输入端子81连接于D型触发器83的时钟输入端子CL。D型触发器83的输出端子Q和输入端子81连接于作为逻辑积电路的与门84的输入侧。来自与门84的逻辑积输出作为栅极驱动信号Ge，被发送到警报信号形成电路45内的NMOS-FET的栅极。用于驱动构成逆变器2的下臂LA的3个IGBT12，14和16的X-相驱动器IC 3X、 Y-相驱动器IC 3Y和Z-相驱动器IC 3Z的警报端子32在驱动器IC的外侧互相连接并连接于控制装置(在图中未示出)。下面，说明根据上述的本发明的实施方式的一个方面的装置的操作。此刻，假定正常状况，其中，在构成逆变器2的IGBTll至16内的电流值低于过电流阈值，包含IGBTll至16的芯片内的温度低于过热阈值，提供至驱动器IC 3U至3Z的IC 电源电压低于低电压阈值。在该正常状态下，从驱动器IC3U至3Z的低电压保护电路51、过电流保护电路52 和过热保护电路53输出的保护操作信号Hl、H2和H3处于低电平，从逻辑电路M输出的驱动停止信号SS处于高电平。所有的向脉冲信号产生电路55输出的脉冲序列输出命令信号 PSU PS2和PS3保持在低电平，导致脉冲序列信号输出被抑制的状态，在该状态下，没有脉冲序列信号PLl至PL3从脉冲信号产生电路55输出。此外，假定警报信号形成电路45内的NM0S-FET57处于断开状态，发送到警报端子 32的警报信号AL被保持在高电平，如4(a)所示。在该状态下的保护操作状态判别电路46中，由于从逻辑反向电路68的低电平输出，PM0S-FET66处于接通状态，NM0S-FET67处于断开状态。结果，恒流电流从电流镜电路经由PM0S-FET66被提供给充放电电容器70，使得充放电电容器70处于被充电的状况。因此，充电电压Vc如图4 (b)所示超过参考电压源72的参考电压Vref，参考电压Vref由图 4(b)的虚线所示。因此，来自比较器71的比较的输出，即保护操作判别信号PD被保持在高电平，如图4(c)所示。在警报控制电路47中，从保护操作状态判别电路46发送的保护操作状态判别信号PD处于高电平，从脉冲信号产生电路55输入的脉冲序列信号PLk被保持在低电平，如图 4(e)所示。结果，D-型触发器83保持先前的输出状态(例如为低电平)，与门84的输出， 即栅极驱动信号Gc也处于低电平，如图4(g)所示。因此，警报信号形成电路45内的NM0S-FET57被保持为断开状态，警报信号AL被保持在高电平，如图4(a)所示。在其他驱动器IC3Y和3Z中，在IC电源电压正常，逆变器2内的IGBT14和16内的电流值正常，芯片温度正常的状况下，来自驱动器IC3Y和3Z的警报端子32的输出警报信号AL都处于高电平。在每个驱动器IC3X、3Y和3Z中，从控制装置(未图示)发送到输入端子31的经脉冲宽度调制的信号在输入电路41内进行信号处理，转移至与门42，在放大器43中被放大。从放大器43输出的栅极驱动信号被发送到逆变器2的IGBTll至16，在逆变器2中直流电被转换为交流电，并被提供至AC负载4。假定从逆变器2的各相的IGBTll至16为正常状态、用于驱动X-相的IGBT12的 X-相驱动器IC3X内的IC电源电压为正常状况，产生低电压异常的事件。当提供给驱动器 IC3X的IC电源电压落至低于低电压阈值时，该低电压异常由低电压保护电路51检测到。然后，处于高电平的保护操作信号Hl从低电压保护电路51被发送到逻辑电路M。 逻辑电路M在接收到处于高电平的保护操作信号Hl时，将驱动停止信号SS从高电平变至低电平。结果，从输入电路41输出的经脉冲宽度调制的信号在与门42被中断，且从放大器 43发送到逆变器2的IGBT12的栅极的栅极驱动信号Gc2变为低电平，因而立即停止IGBT12 的驱动操作。在同一时间，在时间tl，处于高电平的脉冲序列输出命令信号PSl从逻辑电路M 发送到脉冲信号产生电路55，如图4(d)所示，与低电压保护电路51的保护操作对应。从而，在时间tl，脉冲信号产生电路55开始以与低电压保护操作对应的脉冲宽度 T，将脉冲序列信号PLl发送到警报控制电路47，如图4(e)所示。在警报控制电路47中，在接收到向D-型触发器83的时钟输入端子CL的脉冲序列信号PLl时，处于高电平的保护操作判别信号PD在脉冲序列信号PLl上升时起被锁存， 从输出端子Q输出的锁存输出信号LOS从低电平反转至高电平，如图4(f)所示。与门84接收该锁存输出信号L0S，同时以在脉冲信号产生电路55输出的相同的形式，从脉冲信号产生电路阳在与门84的另一输入端子接收脉冲序列信号PL1。结果，从与门84输出的栅极驱动信号Gc从低电平反转至高电平，如图4(g)所示。发送到警报信号形成电路45的NM0S-FET57的栅极的栅极驱动信号Gc控制 NM0S-FET57为接通状态。从而，警报信号AL从高电平反转至低电平，如图4(a)所示。警报信号AL，在从高电平反转至低电平时，使从保护操作状态判别电路46的逻辑反向电路68的输出反转至高电平，因而将处于接通状态的PM0S-FET66切至断开状态。在同一时间，处于断开状态的NM0S-FET67切至接通状态。结果，积累在充放电电容器70的电荷被放电至NM0S-FET67。结果，发送到比较器71的非反向输入侧的充电电压Vc突然落至低于参考电压 Vref的值，如图4(b)所示。从而，来自比较器71的经比较的输出，即保护操作判别信号PD 从高电平反转至低电平，如图4(c)所示。处于低电平的该保护操作判别信号PD被发送到D-型触发器83的数据输入端子 D。由于被发送到D-型触发器83的时钟输入端子CL的脉冲序列信号PLl被保持在高电平， 因此从D-型触发器83的输出端子Q输出的锁存输出信号LOS被维持在高电平，如图4 (f) 所示。结果，处于高电平的脉冲序列信号PL1，以原始的形式穿过与门84，作为栅极驱动信号Ge，被发送到警报信号形成电路45的NM0S-FET57的栅极。因此，警报信号AL被保持在低电平，如图4(a)所示。之后，在时间t2，当从脉冲信号产生电路55输出的脉冲序列信号PLl被反转至低电平，如图4 (e)所示，尽管从D-型触发器83的输出端子Q输出的锁存输出信号LOS被维持在高电平，然而从与门84输出的栅极驱动信号Gc被反转至低电平，如图4(g)所示。从而，警报信号形成电路45的NM0S-FET57切至断开状态，因而使警报信号AL返回至高电平， 如图4(a)所示。所以，在保护操作状态判别电路46中，PMOS-FET 66切至接通状态，NM0S-FET67返回断开状态，以开始充放电电容器70的充电。在时间t3，当充电电压Vc增加到达参考电压 Vref时，从比较器71输出的保护操作判别信号PD返回至高电平，如图4(c)所示。此刻t3，然而从脉冲信号产生电路55输出的脉冲序列信号PLl被保持在低电平， 因此，从警报控制电路47内的D-型触发器83的输出端子Q输出的锁存输出信号LOS被维持在高电平，如图4(f)所示。之后，在时间t4，当从脉冲信号产生电路55输出的脉冲序列信号PLl反转至高电平时，D-型触发器83相应地将保护操作判别信号PD进行锁存。然而，由于该保护操作判别信号PD的高电平，从D-型触发器83的输出端子Q输出的锁存输出信号LOS被维持在高电平。作为在时间t4从与门84输出的栅极驱动信号Gc反转至高电平的结果，如图4 (g) 所示，警报信号形成电路45的NM0S-FET57切至接通状态，并且警报信号AL被反转至低电平，如图4(a)所示。之后，在低电压保护电路51中连续检测到低电压状况的期间，重复上述的从时间 tl到时间t4的操作处理，且从逻辑电路M输出的脉冲序列输出命令信号PSl继续处于高电平，如图4(d)所示。当X-相驱动器IC3X的警报信号AL在时间tl从高电平反转至低电平时，Y-相驱动器IC3Y和Z-相驱动器IC3Z的警报信号形成电路45的警报信号AL、连接于X-相驱动器 IC3X的警报端子即警报端子32，也反转至低电平。这些低电平信号被发送到驱动器IC3Y 和3Z的与门42，因而停止向Y-相IGBT14和Z-相IGBT16发送栅极驱动信号。在同一时间，从Y-相驱动器IC3Y和Z-相驱动器IC3Z内的保护操作状态判别电路46的比较器s71 输出的保护操作判别信号PD，反转至低电平，如对于X-相驱动器IC3X的说明那样。这些处于低电平的保护操作判别信号PD被输入到警报控制电路47的D-型触发器83的输入端子D0结果，即使在Y-相驱动器IC 3Y和Z-相驱动器IC3Z中至少一个内的保护电路51至53 中的任一个检测到保护操作所需的状况，以从脉冲信号产生电路55输出脉冲序列信号PLk 并将其输入至D-型触发器83的时钟输入端子CL，从D-型触发器83的输出端子Q输出的锁存输出信号LOS也被维持在低电平。因此，抑制从与门84输出栅极驱动信号Ge。所以，仅有发送到连接于警报端子32的控制装置(未图示)的警报信号AL是从 X-相驱动器IC3X输出的警报信号。因此，测量控制装置内的警报信号AL的脉冲宽度允许精确的识别为保护操作是低电压保护操作。之后，在时间t8，当IC电源电压返回高于低电压阈值的值时，从低电压保护电路 51输出的保护操作信号Hl返回与IC电源电压的复原对应的低电平。从而，驱动停止信号 SS将逻辑电路M中高电平的复原，重新开始经由与门42将经脉冲宽度调制的信号发送到放大器43。因此，重新开始向逆变器2的X-相IGBT 12的栅极发送栅极驱动信号。因为在警报控制电路47中，从脉冲信号产生电路55输出的脉冲序列信号PLl连续处于低电平的状态，所以从与门84输出的栅极驱动信号Gc在时间伪被反转至低电平， 如图4(g)所示。与反转对应，警报信号形成电路45的NM0S-FET57切至断开状态，因此，警报信号AL复原至高电平，如图4(a)所示。在保护操作状态判别电路46中，警报信号AL变至高电平将PM0S-FET66切至接通状态并将NMOS-FET切至断开状态。结果，充放电电容器70开始被充电，增加充电电压Vc， 如图4(b)所示，直至在时间t9到达参考电压Vref，且从比较器71输出的保护操作判别信号PD从低电平返回高电平，如图4(c)所示。然而，由于脉冲序列信号PLk，即到警报控制电路47的D-型触发器83的另一个输入并未上升，因此从输出端子Q输出的锁存输出信号 LOS留在处于高电平的状态。当另一个驱动器IC 3Y或者3Z检测到异常，并成为保护操作状态，将警报信号AL 变至低电平时，从驱动器IC3X内的保护操作状态判别电路46的比较器71输出的保护操作判别信号PD变至低电平。结果，当驱动器IC3X内的保护电路51、52和53的任一个输出保护操作信号HI、H2和H3之一，且逻辑电路M输出处于的高电平的脉冲序列输出命令信号 Psi时，脉冲信号产生电路55输出脉冲序列信号PLk。在脉冲序列信号PLk上升的时间，由于从D-型触发器83的输出端子Q输出的锁存输出信号LOS反转至低电平，从警报控制电路47内的D-型触发器83的与门84输出的栅极驱动信号Gc不会变至高电平。从而，警报信号AL被抑制输出。当X-相驱动器IC3X内的过电流保护电路52在警报信号AL处于高电平的状态下， 检测到构成逆变器2的X-相IGBT12内的过电流时，逻辑电路M将处于低电平的驱动停止信号SS发送到与门42，以停止将栅极驱动信号发送到X-相IGBT12的栅极。在同一时间， 逻辑电路M将脉冲序列输出命令信号PS2发送到脉冲信号产生电路55，该脉冲信号产生电路阳又将脉冲序列信号PL2输出到警报控制电路47，如图2(b)所示。所以，以脉冲序列信号PL2反转的形式的警报信号AL从警报端子32被发送到控制装置(未图示)。通过测量控制装置内的警报信号AL的脉冲宽度，可以精确识别为过电流保护操作是活跃的。类似地，当过热保护电路53在警报信号AL处于高电平的状况下，检测到包含构成逆变器2X-相IGBT12的芯片内的温度高于过热阈值时，逻辑电路M将处于低电平的驱动停止信号SS发送到与门42，以停止向X-相IGBT12输出栅极驱动信号。在同一时间，逻辑电路M将脉冲序列输出命令信号PS3发送到脉冲信号产生电路55，该脉冲信号产生电路 55于是将脉冲序列信号PL3发送到警报控制电路47，如图2 (c)所示。所以，以脉冲序列信号PL3反转的形式的警报信号AL从警报端子32被发送到控制装置(未图示)。通过测量控制装置内的警报信号AL的脉冲宽度，可以精确识别为过热保护操作是活跃的。优选的是，设定在脉冲信号产生电路55中产生的脉冲序列信号PL1、PL2和PL3内的脉冲间隔Ta，使其略长于保护操作状态判别电路46内的充放电电容器70的充电电压Vc 从放电的状况上升至参考电压Vref的时间，以将用于保持从保护操作状态判别电路46内的比较器71输出的保护操作判别信号PD的高电平状况的脉冲宽度限制为必要最小值。该脉冲间隔Ta的设定抑制了当驱动器IC在另一个驱动器IC为保护操作的状况下成为保护操作状态时产生中断。在上述的实施方式中，当保护电路51，52或者53输出处于高电平的保护操作信号 H1、H2或者H3时，脉冲信号产生电路55输出脉冲宽度取决于保护操作信号H1、H2和H3而不同的脉冲序列信号PL1、PL2或者PL3。脉冲序列信号PL1、PL2和PL3判别保护操作状态判别电路46内的警报信号AL的状态，判别保护操作状态是否活跃。基于该保护操作判别信号，与脉冲序列信号PL1、PL2或者PL3对应地控制警报信号是否要输出。结果，抑制了当另一个相驱动器IC输出警报信号AL时的警报信号的同时输出。因此，仅有一个警报信号 AL被发送给控制装置。由于警报信号没有改变，因此基于单个的警报信号AL，精确地进行检测保护操作状态的产生、和判别保护操作的类型。在上述的实施方式中，本发明被应用于作为功率转换设备的逆变器。然而，本发明不仅可以应用于逆变器，还可以应用于将交流电转换为直流电的转换器、和任何包含半导体元件的功率转换设备。尽管以应用于三相功率转换设备的实施方式说明了本发明，但本发明也可以应用于单相功率转换设备。在上述的实施方式中，在脉冲信号产生电路55中产生的脉冲序列信号的脉冲宽度是T、2T和4T的基准脉冲宽度。然而，可以使用互不相同且可由控制装置判别的脉冲宽度的任何其他设定。在上述的实施方式中，保护操作状态判别电路46使用模拟电路组成。然而，保护操作状态判别电路46可以使用包括计数器对输入的时钟信号进行计数的数字电路并且利用算术处理单元(例如微机)的软件处理组成。该软件处理可以处置警报控制电路47以及保护操作状态判别电路46。在上述的实施方式中，警报信号AL在正常状态下处于高电平。警报信号AL不限于该情形，而可以被设定为在正常状态下为低电平，在保护操作的时间为高电平。在这样的情况下，信号电平在保护操作状态判别电路46和警报控制电路47中反转。在上述的实施方式中，半导体元件是IGBT。然而，半导体元件不限于IGBT，也可以是诸如功率FET之类的任何半导体元件。在上述的实施方式中，电流检测由用于检测在IGBTll至16内的电流的电流传感 IGBT17的单元进行。然而，电流检测不限于该单元，也可以使用分流电阻器或者电流变压器来执行。在上述的实施方式中，异常的类型是IC电源的低电压、IGBT的过电流和IGBT的过热。然而，检测和保护操作可以由三个上述的异常类型内的二个来进行。此外，可以提供用于检测另一个需要保护操作的状态的保护电路，比如过电压。构成保护操作状态判别电路46的开关元件不限于M0S-FET，也可以是另外的开关元件，比如双极晶体管。在上述的实施方式中，在脉冲信号产生电路55中产生的脉冲序列信号PLk的脉冲间隔Ta被设定为长于从充放电电容器70的充电电压Vc的放电的状态达到参考电压Vref 的时间间隔。然而，在脉冲信号产生电路阳中产生的脉冲序列信号PLk的脉冲间隔Ta也可以设定为短于从充放电电容器70的充电电压Vc的放电的状态达到参考电压Vref的时间间隔。在这样的情况下，如果保护操作判别信号PD在警报信号AL与脉冲序列信号PLk同步的时间周期中保持在低电平，则可靠避免由于其他驱动器IC引起的栅极驱动信号Gc的输出。为了实现该情形，系统组成为，基于脉冲序列信号PLk的栅极驱动信号Gc被允许单独在警报控制电路47中输出，在该警报控制电路47中在警报信号AL为高电平的状况下脉冲序列信号PLk被首先发送，当脉冲序列信号PLk的输入停止时栅极驱动信号Gc返回至低电平。简言之，当警报控制电路47指示来自保护操作状态判别电路46的保护操作判别信号PD不在保护操作状态时，脉冲序列信号PLk从脉冲信号产生电路55被发送到警报信号形成电路45的开关元件。
权利要求
1.一种用于半导体元件的驱动装置，用于单独驱动构成功率转换设备的半导体元件， 所述驱动装置包括多个保护电路，所述多个保护电路检测执行所述半导体元件的保护操作所需的信息； 脉冲信号产生电路，所述脉冲信号产生电路设定对于所述多个保护电路中的每一个具有不同脉冲宽度的脉冲序列信号，并输出在保护操作需要的检测期间内连续发送的、与被首先检测出需要保护操作的所述保护电路对应的脉冲序列信号；警报信号形成电路，所述警报信号形成电路利用包括在所述警报信号形成电路中的开关元件的接通断开控制来形成警报信号，并向外部输出所述警报信号；保护操作状态判别电路，所述保护操作状态判别电路基于来自警报信号形成电路的所述警报信号判别是否存在保护操作状态，并输出保护操作判别信号；以及警报控制电路，所述警报控制电路基于由所述保护操作状态判别电路进行的所述判别，将从所述脉冲信号产生电路输出的所述脉冲序列信号发送到所述警报信号形成电路内的所述开关元件的控制端子。
2.根据权利要求1所述的用于半导体元件的驱动装置，其特征在于，所述警报信号形成电路包括由上拉电阻器和所述开关元件组成的串联连接的电路，所述串联连接的电路被插在控制电源端子与接地端子之间，所述上拉电阻器与所述开关元件之间的连接点连接于所述保护操作状态判别电路和用于向外部输出所述警报信号的警报端子。
3.根据权利要求1或2所述的用于半导体元件的驱动装置，其特征在于， 所述保护操作状态判别电路包括充放电电路，所述充放电电路包括当所述警报信号为高电平时被充电而当所述警报信号为低电平时被放电的电容器，以及比较器，所述比较器将所述充放电电路内的所述电容器的充电电压与参考电压比较， 并输出保护操作判别信号。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的用于半导体元件的驱动装置，其特征在于， 所述警报控制电路包括锁存电路，所述锁存电路在所述脉冲序列信号从脉冲信号产生电路发送时将来自保护操作状态判别电路的所述保护操作判别信号锁存；以及逻辑积电路，所述逻辑积电路接收所述锁存电路的被锁存的输出信号和从脉冲信号产生电路发送的所述脉冲序列信号，并将所述逻辑积电路的逻辑积输出发送到所述警报信号形成电路内的所述开关元件的控制端子。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的用于半导体元件的驱动装置，其特征在于，所述驱动装置内的所述警报信号形成电路的警报端子互相接触，所述驱动装置用于驱动组成所述功率转换设备的下臂的所述半导体元件。
全文摘要
本发明提供一种半导体元件的驱动装置，基于脉冲宽度精确判别多个保护电路的保护操作状态的存在。包括保护电路(51)，(52)和(53)，检测执行半导体元件的保护操作所需的信息；脉冲信号产生电路(55)，设定对于保护电路内的每一个具有不同脉冲宽度的脉冲序列信号，输出与被首先检测出需要保护操作的保护电路对应的脉冲序列信号；警报信号形成电路(45)，利用开关元件(57)的接通断开控制形成警报信号并向外部输出；保护操作状态判别电路(46)，基于警报信号判别是否存在保护操作状态；警报控制电路(47)，基于判别将从脉冲信号产生电路(55)输出的脉冲序列信号发送到警报信号形成电路(45)内的开关元件(57)。
文档编号H02H7/10GK102299507SQ20111018862
公开日2011年12月28日 申请日期2011年6月24日 优先权日2010年6月28日
发明者中森昭, 本桥觉 申请人:富士电机株式会社