(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源から供給される主電流の入出力に関わる端子と制御端子とを備えた半導体素子を保護する半導体保護装置であって、
前記半導体素子の前記主電流が入力される入力端子と前記制御端子との間に接続され、前記入力端子と前記制御端子との間の電圧を所定の電圧に留める非直線特性を持つ電圧クランプ素子と、
前記電圧クランプ素子と直列に接続され、前記入力端子と前記制御端子との間の接続を、遮断信号の入力で遮断する遮断部と、
前記入力端子と前記制御端子との間の電圧が、前記所定の電圧と同じ電圧になったことを検出した場合に、前記遮断信号を出力する検出部と
を具備することを特徴とする半導体保護装置。
【請求項２】
前記検出部は、前記所定の電圧よりも高い電圧を検出した場合に前記遮断信号を出力することを特徴とする請求項１に記載した半導体保護装置。
【請求項３】
前記検出部は、前記所定の電圧よりも高い電圧で、且つ、前記半導体素子の素子耐圧よりも低い電圧を検出した場合に前記遮断信号を出力すること特徴とする請求項１又は２に記載した半導体保護装置。
【請求項４】
前記検出部は、前記入力端子の電圧を分圧した電圧を取得する取得部と、
前記取得部で取得した電圧と基準電圧とを比較して前記遮断信号を出力する比較部と
を具備することを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載した半導体保護装置。
【請求項５】
前記取得部は、前記所定の電圧よりも大きなクランプ電圧の電圧クランプ素子を具備することを特徴とする請求項４に記載した半導体保護装置。
【請求項６】
前記取得部は、前記電圧クランプ素子に直列に接続される遅延素子を具備することを特徴とする請求項４又は５に記載した半導体保護装置。
【請求項７】
非直線特性を持つ電圧クランプ素子が、電源から供給される主電流の入出力に関わる端子と制御端子とを備えた半導体素子の前記主電流が入力される入力端子と、前記制御端子との間に接続され、前記入力端子と前記制御端子との間の電圧を所定の電圧に留める電圧クランプ過程と、
検出部が、前記入力端子と前記制御端子との間の電圧が前記所定の電圧と同じ電圧になったことを検出した場合に、遮断信号を出力する検出過程と、
遮断部が、前記電圧クランプ素子と直列に接続され、前記入力端子と前記制御端子との間の接続を、前記遮断信号の入力で遮断する遮断過程と
を行うことを特徴とする半導体保護方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換を行う半導体素子を保護する半導体保護装置と半導体保護方法とに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子をスイッチングする電力変換装置は、リアクトルで発生するサージ電圧による素子破壊を防ぐ方法を用いている。その方法は、半導体素子の入力端子と制御端子との間に電圧クランプ素子を挿入することで、損失を軽減しつつサージ電圧を抑制するものである（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平２００５−３２８６６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１の方法では、半導体素子の入力端子に、何らかのシステム欠陥によってクランプ電圧以上の電圧が継続的に印加される場合に対処できない。その場合、意図せぬ半導体素子の導通状態が保持され、素子短絡を誘発する虞がある。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みて成されたものであり、その目的は、電圧クランプ素子のクランプ電圧以上の電圧が継続的に半導体素子の入力端子に印加された場合に、半導体素子に素子短絡を生じさせない半導体保護装置と半導体保護方法とを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様に係わる半導体保護装置は、電源から供給される主電流の入出力に関わる端子と制御端子とを備えた半導体素子を保護する半導体保護装置である。半導体素子の入力端子と制御端子との間に非直線特性を持つ電圧クランプ素子が接続され、電圧クランプ素子は、入力端子と制御端子との間を所定の電圧に留める。電圧クランプ素子と直列に遮断部が接続され、遮断部は、入力端子と制御端子との間の接続を、遮断信号の入力で遮断する。検出部は、入力端子と制御端子との間の電圧が、所定の電圧と同じ電圧になった場合に遮断信号を出力する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、半導体素子の入力端子と制御端子との間の電圧が、電圧クランプ素子が留める所定の電圧と同じ電圧になった場合に電圧クランプ素子と半導体素子との間の接続を遮断するので、半導体素子に素子短絡を生じさせない。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１実施形態に係わる半導体保護装置１を用いた電力変換装置１００の機能構成例を示す図である。
【図２】比較例の電力変換装置９００の機能構成例を示す図である。
【図３】電力変換装置９００の各部の電圧波形と電流波形の例を示すグラフである。
【図４】半導体保護装置１の機能構成例を示す図である。
【図５】電力変換装置１００の各部の電圧波形と電流波形の例を示すグラフである。
【図６】半導体保護装置１の取得部３１を変形した半導体保護装置３の機能構成例を示す図である。
【図７】半導体保護装置１が行う半導体保護方法の動作フローを示す図である。
【図８】半導体保護装置１を用いた他の電力変換装置の機能構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図面を参照して、実施形態を説明する。図面の記載において同一部分には同一符号を付して説明を省略する。
【００１０】
（第１実施形態）
図１に、第１実施形態に係わる半導体保護装置１を用いた電力変換装置１００の機能構成例を示す。図１は、電力変換装置１００の基本的な構成を示したものである。基本的な構成とは、図１の構成が、例えば昇圧やインバータ等に特化した構成では無い事を意味する。
【００１１】
電力変換装置１００は、本実施形態の半導体保護装置１と、半導体素子４と、バイアス抵抗５と、リアクトル（以降、「コイル」と呼ぶ）６と、保護ダイオード７と、電源（以降、「バッテリ」と呼ぶ）８と、制御部９とを具備する。半導体保護装置１は、電力変換を行う半導体素子４を保護するものである。
【００１２】
半導体素子４は、バッテリ８から供給される主電流の入出力に関わる端子と、制御端子とを備える。図１において半導体素子４は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）の例で示す。なお、半導体素子４は、他の半導体素子であってもよい。
【００１３】
制御部９は、半導体素子４をオンオフ制御する制御信号を、バイアス抵抗５を介して半導体素子４の制御端子に入力する。制御部９の電源は、バッテリ８とは異なる制御系の電源であり、例えばＤＣ12Ｖ（Ｖｃｃ）である。以降において、制御部９とバイアス抵抗５とが接続される端部を、半導体素子４の制御端子αと称する。
【００１４】
制御部９の出力信号によってオンオフ制御される半導体素子４のコレクタ電極は、コイル６を介してバッテリ８の正極に接続される。また、半導体素子４のエミッタ電極は、バッテリ８の負極に接続される。半導体素子４がオンになると、コイル６を経由してバッテリ８から半導体素子４に、電流が流れる。この電流は、電力変換の為の主電流であり、コイル６に磁気エネルギーとして蓄えられる。
【００１５】
このように半導体素子４のコレクタ電極は、主電流が入力される入力端子として作用する。以降において、半導体素子４のコレクタ電極を入力端子βと称する。
【００１６】
コイル６に蓄えられた磁気エネルギーは、半導体素子４をオフした瞬間に、そのエネルギーに相当するサージ電圧（自己誘導起電力）を生じさせる。保護ダイオード７は、このサージ電圧で半導体素子４が破壊しないように、そのサージ電圧をショートさせるものである。
【００１７】
半導体保護装置１は、電圧クランプ素子１０と、ダイオード２０と、検出部３０と、遮断部４０とを具備する。半導体保護装置１は、制御端子αと入力端子βとの間に接続される。
【００１８】
入力端子βに、電圧クランプ素子１０のカソード電極と検出部３０とが接続される。検出部３０の出力端子が、遮断部４０に接続される。電圧クランプ素子１０のアノード電極には、ダイオード２０のアノード電極が接続され、ダイオード２０のカソード電極と制御端子αとの間に遮断部４０が接続される。
【００１９】
電圧クランプ素子１０は、入力端子βと制御端子αとの間の電圧を所定の電圧に留める。電圧クランプ素子１０は、例えばツェナーダイオードである。ここで所定の電圧とは、ツェナーダイオードのツェナー電圧Ｖｚであり、入力端子βと制御端子αとの間の電圧をクランプする電圧である。
【００２０】
ダイオード２０は、制御部９から入力端子βに流れる電流を阻止する為のダイオードであり、逆流防止ダイオードとして作用する。ダイオード２０は、入力端子βと電圧クランプ素子１０との間に有ってもよい。また、ダイオード２０は、遮断部４０と制御端子αとの間に有ってもよい。
【００２１】
なお、ダイオード２０も順方向電圧ＶＦ（以降ＶＦ）を持つので、入力端子βと制御端子αとの間の電圧は、その電圧降下分も含む。しかし、ＶＦの値は十分に小さい（約0.6Ｖ）。よって以降の説明においては、ＶＦの電圧降下分は無視して説明する。
【００２２】
検出部３０は、入力端子βと制御端子αとの間の電圧が、上記の所定の電圧と同じ電圧になったことを検出した場合に、遮断信号を出力する。所定の電圧は、上記のように例えばツェナー電圧Ｖｚである。検出部３０は、入力端子βと制御端子αとの間の電圧Ｖβαが、電圧クランプ素子１０のツェナー電圧Ｖｚ（以降Ｖｚ）と等しくなった場合（Ｖβα＝Ｖｚ）に、遮断信号を出力する。以降、電圧Ｖβαは、単にＶβαと表記する場合がある。他の電圧の表記も同様である。
【００２３】
遮断部４０は、電圧クランプ素子１０と直列に接続され、入力端子βと制御端子αとの間の接続を、検出部３０が出力する遮断信号で遮断する。なお、遮断部４０は、入力端子βと電圧クランプ素子１０との間に接続されてもよい。
【００２４】
半導体素子４がオン状態の場合は、主電流Ｉｃがバッテリ８からコイル６を介して入力端子βに流れる。この場合の入力端子βの電圧Ｖβ（以降Ｖβ）は、コイル６の抵抗が極めて小さいので、ほぼバッテリ８の電圧Ｖｄｃ（以降Ｖｄｃ）と同じ電圧である。
【００２５】
半導体素子４をオン状態からオフ状態にターンオフした瞬間の入力端子βの電圧Ｖβは、短い時間幅でＶｄｃにサージ電圧が加算された電圧となる。その後、その加算された電圧は、コイル６のインダクタンスと抵抗値等の時定数で決まる時間で徐々に減衰してＶｄｃに至る。
【００２６】
半導体素子４がターンオフした瞬間のＶβは、電圧クランプ素子１０のＶｚよりも大きい。よって、電圧クランプ素子１０には、逆方向の降伏電流が流れる。この降伏電流は、半導体素子４のゲート入力容量を充電するので制御端子αの電圧Ｖαを上昇させる。サージ電圧が出力されている間のＶαは、半導体素子４の閾値Ｖｔ以上の大きさに保たれるので、ターンオフする時間が穏やかになる。その結果、サージ電圧が制限され、半導体素子４に素子短絡を生じさせない。
【００２７】
上記のように、電力変換装置１００が正常に動作している場合は、電圧クランプ素子１０のクランプ作用によって、半導体素子４が保護されている。しかし、何らかのシステム欠陥によって、Ｖβαが、継続的にＶｚ以上の電圧になる場合も想定できる。
【００２８】
Ｖβαが、継続的にＶｚ以上の電圧になると、半導体素子４の制御端子αの電圧が上昇する。その結果、半導体素子４の制御端子αに電流が流れ、半導体素子４がオン状態に遷移する。引き続きＶβαが、Ｖｚ以上の電圧を維持すると、主電流Ｉｃが急激に上昇する素子短絡を誘発し、やがて半導体素子４が素子破壊に至る場合がある。
【００２９】
このようなシステム欠陥が生じた場合でも、本実施形態の半導体保護装置１によれば、半導体素子４に素子短絡を生じさせない。つまり、検出部３０がＶβα＝Ｖｚを検出した場合に、遮断部４０が電圧クランプ素子１０と制御端子αとの間の接続を遮断するので、制御端子αに流れる電流を遮断できる。したがって、半導体素子４に素子短絡を生じさせない。
【００３０】
本実施形態の半導体保護装置１の詳しい説明をする前に、半導体保護装置１を具備しない比較例の電力変換装置９００が、上記のシステム欠陥に陥った場合の動作について説明する。図２に、電力変換装置９００の機能構成例を示す。
【００３１】
電力変換装置９００は、本実施形態の電力変換装置１００に対して検出部３０と遮断部４０とを具備しない点で異なる。入力端子βに電圧クランプ素子１０のカソード電極が接続され、電圧クランプ素子１０のアノード電極にダイオード２０のアノード電極が接続され、ダイオード２０のカソード電極に制御端子αが接続される。
【００３２】
電力変換装置９００の半導体素子４が、素子破壊に至る過程を、図３を参照して説明する。図３は、その過程における電力変換装置９００の各部の電圧と電流の波形例を示したものである。図３の横軸は時間、縦軸は電圧と電流である。
【００３３】
図３において、Ｖｄｃを太い実線、Ｖｚを二点鎖線、半導体素子４のコレクタ−エミッタ間電圧Ｖｃｅを一点鎖線、半導体素子４の素子耐圧Ｖｃｅｓを細かな破線、及び半導体素子４のゲート電圧Ｖｇｅを破線で示す。また、半導体素子４の入力端子βに流れる主電流Ｉｃを実線で示す。なお、ゲート電圧Ｖｇｅは上記のＶαと同じ電圧である。
【００３４】
時刻ｔ２の時点で、何らかのシステム欠陥によって入力端子βの電圧であるＶｄｃが、直線的に上昇を開始したと仮定する。ここでは、半導体素子４がオフ状態であるとして説明する。つまり、この場合の制御端子αの電圧は0Ｖであるので、Ｖβα＝Ｖｄｃである。そして、Ｖｄｃ（Ｖβα＝Ｖｄｃ）は、時刻ｔ３でＶｚを上回ると仮定する。
【００３５】
Ｖｄｃ＞Ｖｚとなると電圧クランプ素子１０にアバランシェ降伏現象が生じ、電圧クランプ素子１０に逆方向の降伏電流が流れる。この降伏電流は、半導体素子４の制御端子α（ゲート電極）に電荷を注入する。その電荷注入によって、制御端子αの電圧Ｖｇｅ（以降Ｖｇｅ）は上昇する（時刻ｔ３の直後）。上昇したＶｇｅは、半導体素子４の閾値ＶＴを越える（時刻ｔ３の直後）。
【００３６】
Ｖｇｅ＞ＶＴとなると、半導体素子４のＭＯＳＦＥＴ部にチャンネルが形成され、半導体素子４のバイポーラ部にベース電流が流れ、半導体素子４のコレクタ−エミッタ間に主電流Ｉｃが流れ始める（時刻ｔ３〜ｔ４）。システム欠陥によって、時刻ｔ４以降もＶｄｃが上昇し続けると、Ｖｇｅも上昇し、主電流Ｉｃは指数関数的に増加する。
【００３７】
その後も、Ｖｄｃ＞Ｖｚの状態が維持されると、過大な主電流Ｉｃが流れ、半導体素子４のコレクタ−エミッタ間電圧Ｖｃｅ（以降Ｖｃｅ）が上昇を始める（時刻ｔ６〜ｔ７）。更に、この状態が続くと、Ｖｃｅが半導体素子４の素子耐圧Ｖｃｅｓを越えて素子短絡を誘発し、やがて半導体素子４は素子破壊に至る。
【００３８】
このように、本実施形態の半導体保護装置１を具備しない電力変換装置９００では、システム欠陥による素子短絡の発生を防ぐことができない。図４に、より具体的な半導体保護装置１の機能構成例を示して素子短絡を防ぐ動作を詳しく説明する。
【００３９】
〔半導体保護装置〕
図４に、図１に示した半導体保護装置１のより具体的な機能構成例を示す。検出部３０は、取得部３１と、比較部３２とを具備する。遮断部４０は、抵抗Ｒ５と、抵抗Ｒ６と、ＮＭＯＳＦＥＴ４０１とを具備する。
【００４０】
〔半導体保護装置の構成〕
【００４１】
取得部３１は、電圧クランプ素子３１１と、ダイオード３１２と、抵抗Ｒ１と、抵抗Ｒ２とを具備する。電圧クランプ素子３１１のカソード電極は、入力端子βに接続される。
【００４２】
電圧クランプ素子３１１のアノード電極は、ダイオード３１２のアノード電極に接続される。ダイオード３１２のカソード電極には、抵抗Ｒ１の一端が接続され、抵抗Ｒ１の他端には抵抗Ｒ２の一端が接続され、抵抗Ｒ２の他端はバッテリ８の負極に接続される。
【００４３】
取得部３１の電圧クランプ素子３１１は、電圧クランプ素子１０と同じツェナーダイオードである。また、そのツェナー電圧Ｖｚ′は、例えば電圧クランプ素子１０のクランプ電圧Ｖｚと同じであるとする（Ｖｚ′＝Ｖｚ）。
【００４４】
ダイオード３１２は、バッテリ８の負極から入力端子βに流れる電流を阻止するための逆流防止ダイオードとして作用する。その作用は、ダイオード２０と同じである。
【００４５】
比較部３２は、抵抗Ｒ３と、抵抗Ｒ４と、比較器３２１とを具備する。抵抗Ｒ３の一端は、制御系の電源の正極電圧（以降Ｖｃｃ）に接続され、抵抗Ｒ３の他端は抵抗Ｒ４の一端に接続され、抵抗Ｒ４の他端がバッテリ８の負極（以降0Ｖ）に接続される。抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ４との接続点は、比較器３２１の非反転入力端子（＋）に接続される。比較器３２１は、例えばオペアンプである。比較器３２１の反転入力端子（−）には、取得部３１の抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との接続点が接続される。
【００４６】
遮断部４０は、抵抗Ｒ５と、抵抗Ｒ６と、ＮＭＯＳＦＥＴ４０１とを具備する。抵抗Ｒ５の一端は、Ｖｃｃに接続される。抵抗Ｒ５の他端に抵抗Ｒ６の一端が接続され、抵抗Ｒ６の他端が0Ｖに接続される。抵抗Ｒ５と抵抗Ｒ６との接続点が、ＮＭＯＳＦＥＴ４０１のゲート電極に接続される。ＮＭＯＳＦＥＴ４０１のドレイン電極には、ダイオード２０のカソード電極が接続され、ＮＭＯＳＦＥＴ４０１のソース電極は制御端子αに接続される。
【００４７】
抵抗Ｒ５と抵抗Ｒ６とは、ＮＭＯＳＦＥＴ４０１のゲートバイアス電圧を設定する抵抗である。その抵抗値は、比較器３２１の出力信号が不定の場合に、ＮＭＯＳＦＥＴ４０１を確実にオン状態にする値に設定される。
【００４８】
〔半導体保護装置の動作〕
取得部３１は、入力端子βの電圧Ｖβを分圧した電圧を取得する。比較部３２は、取得部３１で取得した電圧と基準電圧とを比較して遮断信号を出力する。遮断部４０は、比較部３２から遮断信号が入力されると、入力端子βと制御端子αとの間の接続を遮断する。
【００４９】
上記のようにＶｚ′＝Ｖｚであるので、半導体素子４がオフ状態（Ｖｇｅ＝0Ｖ）において、ＶβαがＶｚと同じ電圧になると、電圧クランプ素子３１１にも逆方向の降伏電流が流れる。つまり、検出部３０は、Ｖβαが、所定の電圧と同じ電圧になったことを検出した場合に、遮断信号を出力する。
【００５０】
Ｖβαが、電圧クランプ素子３１１のツェナー電圧Ｖｚ′（以降Ｖｚ′）よりも低い場合、電圧クランプ素子３１１に逆方向の降伏電流は流れない。よって、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との接続点の電圧は、0Ｖである。この場合の比較器３２１の出力信号は、Ｖｃｃであり、遮断信号を出力しない。
【００５１】
比較器３２１の出力信号がＶｃｃなのは、基準電圧である非反転入力端子（＋）の電圧Ｖ＋が、Ｖ＋＝Ｖｃｃ×Ｒ４/（Ｒ３＋Ｒ４）であり、反転入力端子（−）の電圧Ｖ−がＶ−＝0Ｖであるからである（Ｖ＋＞Ｖ−）。この場合、ＮＭＯＳＦＥＴ４０１は、ゲート電極にＶｃｃが入力されるので、オン状態である。
【００５２】
Ｖβαが、電圧クランプ素子３１１のツェナー電圧Ｖｚ′と同じ電圧になると、電圧クランプ素子３１１に逆方向の降伏電流が流れ、比較器３２１の反転入力端子に分圧電圧Ｖ−＝（Ｖβ−Ｖｚ）×Ｒ２/（Ｒ１＋Ｒ２）が生じる。この電圧Ｖ−を、上記のＶ＋＝Ｖｃｃ×Ｒ４/（Ｒ３＋Ｒ４）よりも大きくなるように設定（Ｖ−＞Ｖ＋）しておくことで、比較器３２１の出力信号は0Ｖに反転する。
【００５３】
比較器３２１の出力信号が0Ｖに反転すると、遮断部４０のＮＭＯＳＦＥＴ４０１はオフ状態になる。つまり、Ｖβα＝Ｖｚ′になると遮断信号が出力され、遮断部４０は、入力端子βと制御端子αとの間の接続を遮断する。よって、半導体保護装置１は、何らかのシステム欠陥によって、Ｖβαが長時間にわたってＶβα＞Ｖｚとなるような場合でも、半導体素子４の制御端子αへの電流供給を遮断できる。
【００５４】
このように半導体保護装置１によれば、Ｖβαが、所定の電圧Ｖｚと同じ電圧になった場合に、半導体素子４の入力端子βと制御端子αとの間の接続を遮断する。よって、半導体素子４が素子短絡することがない。
【００５５】
この素子短絡の防止は、電力変換時とシステム欠陥時とのどちらの場合においても行われる。なお、検出部３０は、所定の電圧Ｖｚよりも高い電圧Ｖｚ′を検出した場合に遮断信号を出力するようにしてもよい。Ｖｚ′＞Ｖｚとすることで、電圧クランプ素子１０による半導体素子４のターンオフする時間を穏やかにする動作と、遮断部４０による遮断動作との間に時間差を持たせることができる。
【００５６】
次に、Ｖｚ′＞Ｖｚとした半導体保護装置２の動作を説明する。なお、半導体保護装置２の機能構成は、半導体保護装置１（図４）と同じである。よって、その表記は省略する。
【００５７】
Ｖｚ′＞Ｖｚとした半導体保護装置２が、半導体素子４の素子短絡を防止する過程を、図５を参照して説明する。図５は、その過程における電力変換装置の各部の電圧と電流の波形例を示したものである。
【００５８】
図５の横軸は時間、縦軸は電圧と電流であり、上記の図３と同じである。また、各部を表す線の表記の態様も上記の図３と同じである。ただし、電圧クランプ素子３１１のクランプ電圧Ｖｚ′を、一点鎖線で示す。半導体素子４のコレクタ−エミッタ間電圧Ｖｃｅの表記は省略する。
【００５９】
図５に示す時刻ｔ３までの動作は、仮定も含めて図３と同じである。Ｖｇｅが、半導体素子４の閾値ＶＴを越える（時刻ｔ３の直後）。その後のＶｇｅは、電圧クランプ素子１０のクランプ作用によって、一定の電圧にクランプされる（時刻ｔ３〜ｔ４の間）。この間、Ｖｇｅが半導体素子４の閾値Ｖｔ以上に保たれるので、ターンオフする時間の変化が穏やかになり、サージ電圧が制限される。
【００６０】
その後、何らかのシステム欠陥によってＶｄｃが更に上昇し、取得部３１の電圧クランプ素子３１１のクランプ電圧Ｖｚ′よりも大きくなる（時刻ｔ４の直後）と、検出部３０が遮断信号を出力する。遮断信号によって、入力端子βと制御端子αとの接続が遮断されるので、Ｖｇｅは0Ｖに減衰する。その後、半導体素子４のゲート電極の容量に溜まった電荷が放電するとＶｇｅは0Ｖになり、（時刻ｔ６の直後）半導体素子４は完全にオフ状態に遷移する。
【００６１】
このように電圧クランプ素子１０のクランプ電圧Ｖｚよりも、検出部３０の電圧クランプ素子３１０のクランプ電圧Ｖｚ′を大きくすることで、遮断信号の出力を遅延させることができる。半導体保護装置２は、遮断信号の出力を遅延させるので、電圧クランプ素子１０によるサージ抑制動作を阻害しない。
【００６２】
（変形例）
図５において、検出部３０の出力する遮断信号を遅延させる動作例を説明した。遮断信号を遅延させる方法は、他にも考えられる。図６に、検出部３０を変形した検出部２３０を含む半導体保護装置３の機能構成例を示す。
【００６３】
検出部２３０の取得部２３１は、電圧クランプ素子３１１に直列に接続される遅延素子Ｃ１を具備する点で、取得部３１（図４）と異なる。遅延素子Ｃ１は、比較器３２１の反転入力端子（−）と0Ｖとの間に接続される抵抗Ｒ２の両端に接続されるコンデンサである。
【００６４】
遅延素子Ｃ１は、Ｖβαが電圧クランプ素子３１１のクランプ電圧Ｖｚ′より大きくなった場合の抵抗Ｒ２の両端電圧の上昇を遅らせる。抵抗Ｒ２の両端電圧は、比較器３２１の反転入力端子の入力電圧であるＶ−を生成する。したがって、遅延素子Ｃ１は、非反転入力端子の入力電圧であるＶ＋よりも、Ｖ−が大きくなる時間を遅らせる。よって、Ｖｚ′＝Ｖｚの場合でも、半導体保護装置３は、検出部３０の出力する遮断信号を遅延させることができる。
【００６５】
遮断信号を遅延させる遅延素子の構成は、他にも考えられる。例えば、抵抗Ｒ２と反転入力端子との間に、抵抗とコンデンサとによる積分回路を遅延素子として挿入してもよい。抵抗Ｒ２と反転入力端子との間に挿入された積分回路は、反転入力端子の電圧の変化を遅らせるので、検出部２３０と同様の作用効果を奏する。
【００６６】
なお、検出部３０が検出する所定の電圧の電圧値を、所定の電圧Ｖｚよりも高い電圧で、且つ、半導体素子４の素子耐圧Ｖｃｅｓよりも低い電圧に設定してもよい。Ｖｃｅｓ＞Ｖｚ′＞Ｖｚとすることで、電圧クランプ素子１０による半導体素子４のターンオフする時間の変化を穏やかにする動作と、遮断部４０による遮断動作との間に時間差を持たせることができる。また、半導体素子４の破壊を確実に防止することができる。
【００６７】
（半導体保護方法）
上記の電力変換装置１００の半導体保護装置１が行う半導体保護方法を、図７を参照して説明する。なお、上記の半導体保護装置２，３が行う半導体保護方法も、図７に示す半導体保護方法と同じである。
【００６８】
半導体保護装置１の電圧クランプ素子１０は、入力端子βと制御端子αとの間の電圧Ｖβαを所定の電圧に留める（ステップＳ１）。ステップＳ１は、半導体保護方法の電圧クランプ過程に相当する。所定の電圧とは、上記のように例えばツェナーダイオードのツェナー電圧Ｖｚである。
【００６９】
同検出部３０は、Ｖβαが、所定の電圧と同じ電圧になったことを検出した場合（Ｖβα＝Ｖｚ）に、遮断信号を出力する（ステップＳ２）。ステップＳ２は、半導体保護方法の検出過程に相当する。
【００７０】
同遮断部４０は、入力端子βと制御端子αとの間の接続を、検出部３０が出力する遮断信号で遮断する（ステップＳ３）。ステップＳ３は、半導体保護方法の遮断過程に相当する。
【００７１】
以上のように動作する半導体保護方法によれば、Ｖβα＝Ｖｚとなった場合に、入力端子βと制御端子αとの間の接続が遮断されるので、半導体素子４の素子短絡を生じさせない。また、この半導体保護方法によれば、電力変換時と何らかのシステム欠陥時との両方において、半導体素子４の素子短絡を生じさせない。
【００７２】
以上説明したように、実施形態によれば、以下の作用効果が得られる。
【００７３】
第１実施形態の半導体保護装置１（図１）によれば、半導体素子４をターンオフした時のサージ電圧の発生時間よりも、十分に長い時間の電圧の上昇が発生しても、半導体素子の制御端子αに流れる電流を遮断できる。よって、半導体素子４は、意図せぬ短絡状態を誘発することがなく、半導体素子４の破壊を防止できる。
【００７４】
また、検出部３０の取得部３１が、所定の電圧よりも高い電圧を検出した場合に遮断信号を出力する半導体保護装置２は、電圧クランプ素子１０によるサージ電圧抑制動作の後に、遮断部４０が入力端子βと制御端子αとの間の接続を遮断する。したがって、サージ電圧抑制動作を阻害することがない。
【００７５】
また、変形例の半導体保護装置３によれば、取得部２３１に遅延素子Ｃ１を具備することで、遮断部４０の遮断動作を遅らせることができる。半導体保護装置３は、所定の電圧よりも高い電圧を検出した場合に遮断信号を出力する半導体保護装置２と同様の作用効果を奏する。
【００７６】
また、検出部３０は、所定の電圧よりも高い電圧で、且つ、半導体素子４の素子耐圧Ｖｃｅｓよりも低い電圧を検出した場合に遮断信号を出力するようにしてもよい。検出電圧をそのように設定することで、半導体素子４の破壊を確実に防止することができる。
【００７７】
以上、実施例に沿って本発明の内容を説明したが、本発明はこれらの記載に限定されるものではなく、種々の変形及び改良が可能であることは、当業者には自明である。例えば、逆流防止を目的としたダイオード２０の構成上の位置は、上記の実施例に限定されない。また、遅延素子Ｃ１の構成も図６に示したものに限定されない。また、遮断部４０の接続される位置も図１等の表記に限定されない。
【００７８】
また、上記の実施形態は、電力変換装置の基本的な構成を示したものである。図８に、昇圧を行う電力変換装置に半導体保護装置１を適用した場合の機能構成例を示す。昇圧電圧は、コンデンサ１２に蓄えられる。逆流防止ダイオード１１は、コンデンサ１２に蓄えられた昇圧電圧が、バッテリ８に逆流しないようにする。なお、昇圧する動作は周知であるので詳しい説明は省略する。このように、半導体保護装置１は、各種の電力変換装置に適用することができる。
【００７９】
なお、検出部３０は、半導体素子４がオフ状態の場合に、電圧クランプ素子１０のクランプ電圧と同じ電圧を検出して、遮断信号を出力する例で説明した。しかし、検出部３０は、半導体素子４がオン状態の場合でも遮断信号を出力することができる。したがって、実施形態の半導体保護装置は、半導体素子４のオンオフの状態に関係なく、半導体素子４の破壊を防止することができる。
【００８０】
以上説明した本発明の実施例は、半導体素子をスイッチングする電力変換装置に広く適用することが可能である。
【符号の説明】
【００８１】
１，２，３  半導体保護置
４  半導体素子
５  バイアス抵抗
６  コイル
７  保護ダイオード
８  バッテリ
９  制御部
１０  電圧クランプ素子
１１  逆流防止ダイオード
１２  コンデンサ
２０  ダイオード
３０  検出部
３１  取得部
３１１  電圧クランプ素子
３１２  ダイオード
３２  比較部
３２１  比較器
４０  遮断部
４０１  ＮＭＯＳＦＥＴ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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