半导体驱动装置和使用该半导体驱动装置的电力变换装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及搭载保护功能的半导体驱动装置、以及使用该半导体驱动装置的电力 变换装置。
【背景技术】
[0002] 以逆变器为首的电力变换装置通过半导体开关元件的开关动作来实现电力变换。 作为该半导体开关元件的代表例，广泛应用以MOS-FET、IGBT为首的电压驱动型半导体元 件。特别是能进行高速的开关且能控制大电力的IGBT，从家电用的小容量逆变器直到铁道 用等的大容量逆变器，在广泛的领域被使用。
[0003] 为了控制这样的半导体开关元件，需要半导体驱动装置。一般，电压驱动型半导体 的驱动装置具有通过对半导体开关元件的栅极施加电压来控制元件的导通状态的功能。
[0004] 图1是IGBT用驱动装置的代表性的栅极驱动部构成的一例。基于驱动指令输入 信号SIN，由输出级电路Tl对IGBT QO的栅极G施加适当的电压，对在IGBT QO的集电极 C-发射极E间导通的集电极电流Ic进行控制。
[0005] 在此，栅极电阻Rg是通过限制流向栅极G的电流Irg来调整栅极G与发射极E间 的电压Vge的变化率的电阻。由此，能合适地规定IGBT QO的开关速度、即集电极电流Ic 的变化率以及集电极C与发射极E间的电压Vce的变化率。另外，在图1示出了以流过回 流电流为目的而与IGBT QO逆并联地具备二极管DO的IGBT模块的构成的示例。
[0006] 在将半导体开关元件使用在逆变器等中的情况下，为了防止臂短路或负载短路引 起的元件损坏，大多具有短路保护功能。所谓臂短路，是指在正与负的电源线间串联连接的 多个半导体开关元件同时导通而使电源的正和负短路的现象。另外，所谓负载短路，是指与 逆变器连接的负载短路，经由成为导通的半导体开关元件而电源的正和负短路的现象。若 引起这些短路，则会在半导体开关元件流过过大的电流，以至于击穿。
[0007] 这样的短路根据发生短路时的半导体模块的导通状态，一般分类为3种短路模式 (非专利文献1)。
[0008] 以下参考图2所示的IGBT模块的电流以及电压波形来说明这3种短路模式的特 征。图2是表示IGBT中的正常时的接通时（a)、TypeI短路时（b)、TypeII短路时（c)以及 TypeIII短路时（d)各自的电流以及电压波形的图。
[0009] TypeI短路是在自臂元件接通时产生短路回路的情况。若作为一例考虑逆变器的 上下臂，则在如下的状况下发生上述短路，即：成对的臂元件在切断中击穿而保持导通状态 不变，在该状态下自臂接通。在图2(b)示出此时的自臂元件的电流以及电压波形。
[0010] 在图2 (a)的正常的接通时，若栅极-发射极电压Vge从Vm向Vp增加从而向导通 状态移转，则集电极电流Ic增加，另一方面，集电极-发射极电压Vce从电源电压Vdc向导 通电压（几 V)降低。
[0011] 与此相对，在TypeI短路时，因短路而集电极电流Ic增加到IGBT的饱和电流，另 一方面，集电极-发射极电压Vce不会降低到导通电压（几 V)。此时，经由反馈电容Cgc从 集电极向栅极流过（式1)的位移电流Is。
[0012] Is = CgcXdVce/dt...(式 1)
[0013] 由此，栅极电压Vge上升到电源电压程度。其结果，在正常的接通时能看到的Vge 的镜像（mirror)期间（图2(a))消失。
[0014] 接下来，参考图2(c)来说明TypeII短路。
[0015] TypeII短路是自臂IGBT处于栅极导通状态、在流过集电极电流Ic时发生短路的 情况。作为一例，有在自臂的IGBT导通的期间、断路中的成对的臂元件突然击穿而短路的 情况。
[0016] 在该TypeII短路中，由于在栅极导通状态下短路，因此其电流变化率dlc/dt大于 受到元件特性限制的TypeI短路，通过主电路的寄生电感Le在（式2)中给出。
[0017] dlc./dt N VdcZLe …（式 2)
[0018] 其结果，集电极电流Ic急剧增大，成为比TypeI短路更激烈的短路。进而，根据 (式1)，栅极流入电流从而栅极电压上升，饱和电流进一步增加。为此，为了减少栅极的过 电压击穿以及饱和电流，一般设置图1所示的栅极-发射极间的电压钳位元件（Dzl和Dz2 的串联电路）。由此，如图2 (c)所示那样，栅极-发射极电压Vge被钳位在某规定值Vcl。
[0019] 最后，参考图2(d)来说明TypeIII短路。
[0020] TypeIII短路与TypeII短路相同，都是自臂的IGBT在栅极导通状态下短路的模 式，但是，在不是IGBT而是逆并联连接的二极管导通状态下短路这一点上，与TypeII短路 不同。
[0021] 作为一例，有如下情况：在自臂的二极管流过回流电流、且自臂的IGBT的栅极为 导通的状态下，断路中的成对的臂元件突然击穿而短路。因此，若将自臂的二极管的阳极电 流设为Ia时，则在IGBT模块的端子电流Ic-Ia为负的状态下发生短路。这种情况下，由于 也是在栅极导通状态下短路，因此其电流变化率dlc/dt与TypeII短路同样地变大，因此成 为激烈的短路。另外，由于存在因二极管电压急剧上升而引起硬复原、发生浪涌电压（图中 的复原浪涌）的情况，因此需要更高速的保护。
[0022] 在因成对的臂元件的击穿或误点弧而发生短路的情况下，为了从二次损坏保护自 臂元件，期望在半导体驱动装置设置短路保护电路。一般，短路保护电路观测半导体开关元 件的电流或电压，在它们超出预先决定的值的情况下，通过采取限制或阻断半导体开关元 件的电流的措施来保护元件。
[0023] 例如，在IGBT的情况下，作为探测该短路状态的手段，考虑监视集电极的电压的 方法、使用电流互感器或检测电阻或检测用IGBT来监视集电极电流值或发射极电流值的 方法、监视在IGBT模块的寄生电感产生的感应电压或根据其算出的集电极电流值或发射 极电流值的方法、监视栅极电压或栅极电流的方法等。
[0024] 以IGBT为例，参考〈表1>，来说明针对所述的3种短路模式的代表性的探测方式 的适应可能性。
[0025] [表 1]
[0026]
【主权项】
1. 一种半导体驱动装置，其特征在于，具备： 半导体元件，其具有一对主端子和控制流向该主端子对的电流的控制端子； 主探测单元，其探测所述主端子的电流或电压； 辅助探测单元，其探测所述控制端子的电流或电压、或者所述主探测单元不探测的一 方的所述主端子的电流或电压的任一者； 积分单元，其接受所述主探测单元的输出来进行时间常数不同的2个时间积分；和 输出控制单元，其根据所述辅助探测单元的输出来控制来自所述积分单元的所述时间 常数短的一方的输出， 所述半导体驱动装置通过来自所述积分单元的所述时间常数长的一方的输出或所述 输出控制单元的输出来控制所述控制端子的电压或电流。
2. -种半导体驱动装置，其特征在于，具备： 半导体元件，其具有一对主端子和控制流向该主端子对的电流的控制端子； 主探测单元，其探测所述主端子的电流或电压； 辅助探测单元，其探测所述控制端子的电流或电压、或者所述主探测单元不探测的一 方的所述主端子的电流或电压的任一者； 积分单元，其对所述主探测单元的输出进行时间积分；和 切换单元，其根据所述辅助探测单元的输出来切换所述主探测单元的探测级别或所述 积分单元的时间常数， 所述半导体驱动装置通过经由所述切换单元的所述积分单元的输出来控制所述控制 端子的电压或电流。
3. 根据权利要求1或2所述的半导体驱动装置，其特征在于， 所述积分单元由使用无源元件或运算放大器的滤波器电路构成。
4. 根据权利要求1~3中任一项所述的半导体驱动装置，其特征在于， 在作为所述主探测单元而探测所述主端子的电流的情况下，通过对在所述半导体的寄 生电感所产生的感应电压进行积分来得到该电流。
5. 根据权利要求1~3中任一项所述的半导体驱动装置，其特征在于， 取代所述主探测单元所探测的所述主端子的电流，作为该主端子的电流的微分值而采 用在所述半导体的寄生电感所产生的感应电压。
6. 根据权利要求1~5中任一项所述的半导体驱动装置，其特征在于， 还将来自所述积分单元的时间常数长的一方的输出或所述输出控制单元的输出，传输 至向所述控制端子输出驱动指令的逻辑部。
7. 根据权利要求1~6中任一项所述的半导体驱动装置，其特征在于， 在所述半导体元件的短路状态所涉及的导通状态下，减少所述控制端子的电压或电 流。
8. 根据权利要求1~7中任一项所述的半导体驱动装置，其特征在于， 在所述半导体元件的控制端子由多个构成的情况下，独立控制该多个控制端子各自的 电压或电流。
9. 根据权利要求1~7中任一项所述的半导体驱动装置，其特征在于， 在由相同的驱动指令所控制的所述半导体元件并联连接多个来构成的情况下，独立控 制该多个半导体的各控制端子。 10?-种电力变换装置，具备： 将多个半导体开关元件串联连接而构成的多个上下臂；和 控制所述多个半导体开关元件的每一个的导通/截止的多个半导体驱动装置， 所述电力变换装置的特征在于， 所述多个半导体驱动装置由权利要求1~9中任一项所述的半导体驱动装置构成。
【专利摘要】本发明提供一种半导体驱动装置以及电力变换装置，具有抑制误探测的高可靠性的短路保护功能。利用如下要素来构成半导体驱动装置：主探测单元，其探测半导体元件的主端子的电流或电压；辅助探测单元，其探测半导体元件的控制端子的电流或电压、或主探测单元不探测的一方的主端子的电流或电压的任一者；积分单元，其接受主探测单元的输出来进行时间常数不同的2个时间积分；和输出控制单元，其根据辅助探测单元的输出来控制来自积分单元的时间常数的短的一方的输出，半导体驱动装置通过来自积分单元的时间常数长的一方的输出或输出控制单元的输出来控制控制端子的电压或电流。
【IPC分类】H02H7-20, H02H9-02, H02M1-08, H02M1-32
【公开号】CN104795973
【申请号】CN201410784485
【发明人】恩田航平, 坂野顺一, 河野恭彦, 石川胜美
【申请人】株式会社日立制作所
【公开日】2015年7月22日
【申请日】2014年12月16日
【公告号】EP2899886A1