(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
主回路に接続された第１主電極端子と、第２主電極端子と、制御電極端子と、センス端子とを備え、前記制御電極端子に印加される制御電圧がしきい値電圧以上のときに前記第１主電極端子と前記第２主電極端子との間に電流を流し且つ前記第１主電極端子と前記センス端子との間にセンス電流を流すパワートランジスタと、
前記パワートランジスタの前記制御電極端子に接続された出力端子と、制御端子とを備え、前記制御電圧を生成して前記出力端子より出力する駆動回路と、
前記パワートランジスタの前記第１主電極端子と前記センス端子とにそれぞれ接続された第１及び第２入力端子と、前記駆動回路の前記制御端子に接続された出力端子とを備え、前記第１主電極端子の電圧と前記センス端子のセンス電圧とをそれぞれモニターし、前記センス電圧が第１基準電圧を越えると共に前記第１主電極端子電圧のモニター結果も第２基準電圧を越えるときにのみ前記パワートランジスタが過電流状態にあると判定して、前記過電流状態を示す出力信号を前記制御端子に出力する過電流保護回路とを備え、
前記駆動回路は前記過電流状態を示す出力信号の受信に応じて前記制御電圧を前記しきい値電圧未満に設定して前記パワートランジスタをターンオフさせることを特徴とする、
電力用半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電力用半導体装置であって、
前記過電流保護回路は、
前記第２入力端子をその入力端子とし、前記センス電圧を検出するセンス電圧検出部と、
前記センス電圧検出部が出力する前記センス電圧を受信して前記センス電圧と前記第１基準電圧とを比較し、前記センス電圧が前記第１基準電圧以下のときには第１レベルの出力信号を出力し、前記センス電圧が前記第１基準電圧を越えるときには第２レベルの出力信号を出力する第１比較器と、
前記第１入力端子をその入力端子とし、前記パワートランジスタのターンオン時に於ける前記第１主電極端子電圧の上昇変化を検出して当該検出結果を前記モニター電圧として出力する第１主電極端子電圧モニター部と、
前記モニター電圧を受信して前記モニター電圧と前記第２基準電圧とを比較し、前記モニター電圧が前記第２基準電圧以下のときには前記第１レベルの出力信号を出力し、前記モニター電圧が前記第２基準電圧を越えるときには前記第２レベルの出力信号を出力する第２比較器と、
前記第１比較器の出力信号と前記第２比較器の出力信号とを受信し、前記第１比較器の前記出力信号と前記第２比較器の前記出力信号とが共に前記第２レベルの信号であるときにのみ前記過電流状態を示す出力信号を前記駆動回路の前記制御端子に出力する過電流判定回路とを備えることを特徴とする、
電力用半導体装置。
【請求項３】
主回路に接続されたセンス端子付きパワートランジスタを過電流状態から保護するための過電流保護回路であって、
当該過電流保護回路は、請求項１又は２に記載の前記過電流保護回路に該当することを特徴とする、
過電流保護回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、インバータ装置等の電力変換装置においてスイッチング素子として用いられるパワートランジスタを含む電力用半導体装置に関するものであり、特に負荷乃至は主回路の過負荷や短絡に応じて当該パワートランジスタに流れる過電流を検出してパワートランジスタを保護する技術に関している。
【０００２】
【従来の技術】
図３は、ＩＧＢＴの過電流検出回路を含む従来の電力用半導体装置の一部を示す回路図である。同図中、ＩＴは主回路（図示せず）に接続された電力用半導体装置の入力端子であり、１０１は入力端子ＩＴに接続されたコレクタ端子ＴＣを有する主ＩＧＢＴであり、ターンオン時に主電流Ｉｃから後述するセンス電流Ｉｓを除く電流Ｉｃｏが主ＩＧＢＴ１０１のコレクタ端子ＴＣからエミッタ端子ＴＥへと流れる。又、１０２は補助ＩＧＢＴであり、ターンオン時に主電流Ｉｃの一部であるセンス電流Ｉｓが補助ＩＧＢＴ１０２のコレクタ端子ＴＣからセンス端子ＴＳへと流れる。尚、主ＩＧＢＴ１０１と補助ＩＧＢＴ１０２とは一つの半導体ウエハ内に一体的に形成されているので、両者１０１、１０２を単にＩＧＢＴ１００と総称する。
【０００３】
他方、センス抵抗１０３と、センス抵抗１０３に並列に接続されたコンデンサ１１３と、基準電圧Ｖｒｅｆを生成する電源１１１と、センス抵抗１０３で生じるセンス電圧Ｖｓを＋側入力とし且つ上記基準電圧Ｖｒｅｆを−側入力とする比較器２１０と、過電流検出出力端子３１０とは、ＩＧＢＴ１００の過電流検出回路を構成している。
【０００４】
次に、図３の回路の動作について説明する。今、主ＩＧＢＴ１０１がオンし、しかも補助ＩＧＢＴ１０２もオンしている状態にあるとする。このとき、主回路からＩＧＢＴ１００のコレクタ端子ＴＣに流れ込む主電流Ｉｃの大部分は電流Ｉｃｏとして主ＩＧＢＴ１０１内を流れ、その一部はセンス電流Ｉｓとして補助ＩＧＢＴ１０２内を流れてセンス抵抗１０３によってセンス電圧Ｖｓとして検出される。そして、比較器２１０はセンス電圧Ｖｓと基準電圧Ｖｒｅｆとを比較し、センス電圧Ｖｓが基準電圧Ｖｒｅｆを越えるときに出力を“Ｌ”レベルから“Ｈ”レベルへと変更する。これにより、過電流状態の検出を示す“Ｈ”レベルの信号が、過電流検出出力端子３１０から外部に出力される。
【０００５】
又、他の従来の技術例としては、特開平１１−２９９２１８号公報の図１に開示されたものもある。この従来技術でも、センス抵抗で補助ＩＧＢＴを流れるセンス電流を検出し、得られたセンス電圧と基準電圧とを比較器で比較することで過電流状態を検出している点は、既述した図３の従来技術例と同一である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の過電流検出回路では、センス抵抗でセンス電流を検出して得られたセンス電圧と基準電圧とを比較器で比較することで過電流状態の発生の有無を検出している。ところが、補助ＩＧＢＴがターンオンする際には、そのリカバリー段階でセンス電流の電流増加率（ｄＩｓ／ｄｔ）に極大・極小を有する局所的な変化が生じる。そのため、このセンス電流の変動分がセンス抵抗によってセンス電圧のノイズとして検出されることとなる。そして、通常は比較器の基準電圧は例えば０．５Ｖと小さいため、センス電圧のノイズ分の重畳によってセンス電圧が基準電圧を越えてしまうという状態が容易に発生する。その結果、実際には過電流状態ではないのに、比較器が過電流状態にあると誤判定してしまい、誤った過電流保護が働いてしまうという問題点が生じている。
【０００７】
本発明はこの様な問題点を克服すべく成されたものであり、その目的は、センス電流をセンス抵抗によって検出して得られるセンス電圧にノイズが発生しても何ら誤判定を生じさせることなく、真に過電流状態が発生したのを確実に検出して過電流状態からパワートランジスタを確実に保護することが出来る技術を確立することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、電力用半導体装置であって、主回路に接続された第１主電極端子と、第２主電極端子と、制御電極端子と、センス端子とを備え、前記制御電極端子に印加される制御電圧がしきい値電圧以上のときに前記第１主電極端子と前記第２主電極端子との間に電流を流し且つ前記第１主電極端子と前記センス端子との間にセンス電流を流すパワートランジスタと、前記パワートランジスタの前記制御電極端子に接続された出力端子と、制御端子とを備え、前記制御電圧を生成して前記出力端子より出力する駆動回路と、前記パワートランジスタの前記第１主電極端子と前記センス端子とにそれぞれ接続された第１及び第２入力端子と、前記駆動回路の前記制御端子に接続された出力端子とを備え、前記第１主電極端子の電圧と前記センス端子のセンス電圧とをそれぞれモニターし、前記センス電圧が第１基準電圧を越えると共に前記第１主電極端子電圧のモニター結果も第２基準電圧を越えるときにのみ前記パワートランジスタが過電流状態にあると判定して、前記過電流状態を示す出力信号を前記制御端子に出力する過電流保護回路とを備え、前記駆動回路は前記過電流状態を示す出力信号の受信に応じて前記制御電圧を前記しきい値電圧未満に設定して前記パワートランジスタをターンオフさせることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１に係る電力用半導体装置の主要部を示す回路図である。同図中、図３に示された記号及び符号と同一のものは、同一の回路構成要素を示す。
【００１２】
本電力用半導体装置は、大別して、センス端子付きパワートランジスタ１００と、過電流保護回路２００と、駆動回路２１３とより成る。これらの内で、パワートランジスタ１００は、ここではＩＧＢＴより構成されているが、これに限定されるものでは無く、例えば縦型パワーＭＯＳＦＥＴの様な他の電力用半導体スイッチング素子で構成されていても良い。
【００１３】
先ず、センス端子付きパワートランジスタないしはＩＧＢＴ１００は、同一の半導体基板内に一体的に形成された、主ＩＧＢＴ１０１と補助ＩＧＢＴ１０２とより成る。即ち、本電力用半導体装置の入力端子ＩＴは、主回路（図示せず）に接続されていると共に、フリーホイールダイオード（図示せず）を介して駆動電源（図示せず：電源電位Ｖｃｃ）にも接続されている。更に、主ＩＧＢＴ１０１は、オン時に入力端子ＩＴを介して主回路から主電流Ｉｃが流れ込むコレクタ端子（第１主電極端子に相当）ＴＣと、制御電圧が印加されるゲート端子（制御電極端子に相当）ＴＧと、接地されたエミッタ端子（第２主電極端子に相当）ＴＥとを有する。又、補助ＩＧＢＴ１０２は、主ＩＧＢＴ１０１と共有するコレクタ端子ＴＣ及びゲート端子ＴＧと、センス電流Ｉｓを出力するセンス端子ＴＳとを有する。そして、正常動作時に於けるＩＧＢＴ１００のターンオン以後のオン時には（制御電圧ＶGEがＩＧＢＴ１００のしきい値電圧以上のとき）、主電流Ｉｃからセンス電流Ｉｓを除いたコレクタ−エミッタ間電流Ｉｃｏが主ＩＧＢＴ１０１のコレクタ端子ＴＣからエミッタ端子ＴＥへと流れると共に、主電流Ｉｃの一部であるセンス電流Ｉｓが補助ＩＧＢＴ１０２のコレクタ端子ＴＣからセンス端子ＴＳへと流れる。尚、１１０はフリーホイールダイオードである。
【００１４】
次に、過電流保護回路２００は、（Ａ）第１モニター回路部ないしはセンス電圧モニター回路部（１０３、１１３、１１１、２１０）と、（Ｂ）第２モニター回路部ないしはコレクタ電圧（第１主電極端子電圧）モニター回路部（１０４、１０６、１０７、１０５、１０８、２１１）と、（Ｃ）過電流判定回路２１２とに、大別される。即ち、過電流保護回路２００は、ＩＧＢＴ１００のコレクタ端子ＴＣに接続された第１入力端子（分圧抵抗１０４の一端に相当）と、センス端子ＴＳに接続された第２入力端子（センス抵抗１０３の一端に相当）と、駆動回路２１３の制御端子（図示せず）に接続された出力端子（ＡＮＤ回路２１２の出力端に相当）とを備えており、コレクタ電圧ＶCEとセンス電圧Ｖｓとをそれぞれモニターし、センス電圧Ｖｓが第１基準電圧Ｖｒｅｆ1を越えると共に、コレクタ電圧ＶCEのモニター結果ないしはモニター電圧ＶCSも第２基準電圧Ｖｒｅｆ２を越えるときにのみ主電流ＩｃないしはＩＧＢＴ１００が過電流状態にあると判定して、過電流状態を示す出力信号ＶT を上記制御端子に出力する機能を有する。
【００１５】
（Ａ）  特に、センス電圧モニター回路部は、（１）センス端子ＴＳをその入力端子とし、センス電圧Ｖｓを検出するセンス電圧検出部と、（２）第１比較器２１０とより成る。これらの内で、（１）センス電圧検出部は、互いに並列接続されたセンス抵抗１０３とコンデンサ１１３とより成り、他方、（２）第１比較器２１０は、センス電圧Ｖｓが印加される一方の入力端と、電源１１１が作る第１基準電圧Ｖｒｅｆ１が印加される他方の入力端とを有し、センス電圧Ｖｓと第１基準電圧Ｖｒｅｆ１とを比較して、センス電圧Ｖｓが第１基準電圧Ｖｒｅｆ１以下のときには第１レベル（例えば“Ｌ”レベルの信号）の出力信号Ｖｃｏｍ１を出力し、センス電圧Ｖｓが第１基準電圧Ｖｒｅｆ１を越えるときには第２レベル（例えば“Ｈ”レベルの信号）の出力信号Ｖｃｏｍ１を出力する機能を具備する。
【００１６】
尚、異常動作時のセンス電圧Ｖｓが実際に第１基準電圧Ｖｒｅｆ１よりも大きくなる様に、第１基準電圧Ｖｒｅｆ１に対して、センス抵抗１０３の抵抗値が設定される。
【００１７】
（Ｂ）  加えて、コレクタ電圧モニター回路部は、（１）コレクタ端子ＴＣをその入力端子とし、ＩＧＢＴ１００のターンオン時に於けるコレクタ電圧ＶCEの上昇変化を検出して当該検出結果をモニター電圧ＶCSとして出力するコレクタ電圧モニター部と、（２）第２比較器２１１とより成る。これらの内で、（１）コレクタ電圧モニター部は、ｉ）コレクタ端子ＴＣとエミッタ端子ＴＥ間にＩＧＢＴ１００と並列に配置され且つコレクタ端子ＴＣ側から順次に直列に接続された第１及び第２分圧抵抗１０４、１０６と、ｉｉ）第１分圧抵抗１０４と第２分圧抵抗１０６間の節点に一端が接続されたコンデンサ１０７とコンデンサ１０７の他端とエミッタ端子ＴＥ間に配置された抵抗１０５とから成る微分回路と、ｉｉｉ）抵抗１０５で生じる電圧降下が負の値に成るのを回避するための保護用ダイオード１０８とから成る。他方、（２）第２比較器２１１は、モニター電圧ＶCSが印加される一方の入力端と、電源１１２が作る第２基準電圧Ｖｒｅｆ２が印加される他方の入力端とを有し、モニター電圧ＶCSと第２基準電圧Ｖｒｅｆ２とを比較して、モニター電圧ＶCSが第２基準電圧Ｖｒｅｆ２以下のときには第１レベル（例えば“Ｌ”レベルの信号）の出力信号Ｖｃｏｍ２を出力し、モニター電圧ＶCSが第２基準電圧Ｖｒｅｆ２を越えるときには第２レベル（例えば“Ｈ”レベルの信号）の出力信号Ｖｃｏｍ２を出力する機能を奏する。
【００１８】
尚、第１及び第２分圧抵抗１０４、１０６の抵抗値比率は、ｉｉ）の微分回路（１０７、１０６）の出力値であるモニター電圧ＶCSのピーク値が実際に第２基準電圧Ｖｒｅｆ２よりも大きくなる様に、設定されている。
【００１９】
加えて、ｉｉ）の微分回路を成すコンデンサ１０７の容量値と抵抗１０５の抵抗値とで定まる時定数は、ＩＧＢＴ１００のターンオフ時及び異常動作時におけるＩＧＢＴ１００のターンオン時のコレクタ電圧ＶCEの上昇変化分（ｄＶCE／ｄｔ）ないしは両抵抗１０４、１０６間の節点電圧の上昇変化分に含まれる周波数成分が微分回路によって確実に微分される様に、設定されている。
【００２０】
（Ｃ）  更に、過電流判定回路２１２は、第１比較器２１０の出力信号Ｖｃｏｍ１が印加される一方の入力端と、第２比較器２１１の出力信号Ｖｃｏｍ２とが印加される他方の入力端とを有し、出力信号Ｖｃｏｍ１と出力信号Ｖｃｏｍ２とが共に上記第２レベルの信号であるときにみ過電流状態を示す出力信号ＶT を駆動回路２１３の上記制御端子に出力する機能を有する。ここでは、第１レベルが“Ｌ”レベルに、第２レベルが“Ｈ”レベルにそれぞれ設定されているので、過電流判定回路２１２はＡＮＤ回路として構成されている。勿論、第１レベルと第２レベルとを逆に設定しても良く、そのときには過電流判定回路２１２の論理回路構成をその設定に応じて変更すれば良い。
【００２１】
次に、駆動回路２１３は、上記制御端子と、抵抗１０９を介してＩＧＢＴ１００のゲート端子ＴＧに接続された出力端子とを有しており、制御電圧ＶGEを生成して上記出力端子より出力する機能を有する。特に、同回路２１３は、過電流状態の発生を示す出力信号ＶT の受信に応じて、制御電圧ＶGEをしきい値電圧未満に設定してＩＧＢＴ１００をターンオフさせ得る。
【００２２】
以下では、既述した構成の説明を踏まえて、図２を参照しつつ、本電力用半導体装置の動作を説明する。
【００２３】
（Ｉ）  正常動作時
ＩＧＢＴ１００ないしは主ＩＧＢＴ１０１のオン動作時（ターンオンからターンオフ迄の期間）においては、主電流Ｉｃの一部であるセンス電流Ｉｓが補助ＩＧＢＴ１０２側に流れ、センス電圧検出用のセンス抵抗１０３の両端にセンス電圧Ｖｓが発生する。しかしながら、正常動作時にはセンス電圧Ｖｓが第１基準電圧Ｖｒｅｆ1よりも小さいため、出力信号Ｖｃｏｍ１は“Ｌ”レベルのままである。
【００２４】
他方、主ＩＧＢＴ１０１のオン動作中は、コレクタ電圧ＶCEは接地電位にあるため、第１及び第２分圧抵抗１０４、１０６より成るコレクタ電圧モニター用経路には電流は流れないので、モニター電圧Ｖｃｓもまた接地電位に等しく、出力信号Ｖｃｏｍ２は“Ｌ”レベルのままである。
【００２５】
その結果、主ＩＧＢＴ１０１のターンオンからオン動作中は、過電流判定回路２１２の出力信号ＶT は“Ｌ”レベルにあり、主ＩＧＢＴ１０１の過電流保護機能は働かない。
【００２６】
又、主ＩＧＢＴ１０１がターンオフする際には、コレクタ電圧ＶCEは接地電位から電源電位Ｖｃｃにまで上昇するので（正の電圧勾配ｄＶCE／ｄｔがコレクタ端子ＴＣに印加されるので）、コレクタ電圧モニター用経路に電流Ｉｃａが流れてコンデンサ１０７が充電動作を開始する結果、両分圧抵抗１０４、１０６間の節点電圧は微分される。このため、微分波形を示すモニタ電圧ＶCSのピーク値が瞬間的に第２基準電圧Ｖｒｅｆ２よりも大きくなり、出力信号Ｖｃｏｍ２は“Ｈ”レベルとなる。しかし、出力信号Ｖｃｏｍ１は“Ｌ”レベルのままであり、従って過電流判定回路２１２の出力信号ＶT も依然として“Ｌ”レベルにあるので、この場合にも主ＩＧＢＴ１０１の過電流保護機能は働かない。
【００２７】
尚、次の主ＩＧＢＴ１０１のターンオン時には、コンデンサ１０７は第２分圧抵抗１０６を介して接地側へ電荷を放電する。
【００２８】
（ＩＩ）  異常動作時
主ＩＧＢＴ１０１のターンオン時に異常動作により主電流Ｉｃが過電流状態となっているときには、センス抵抗１０３の両端に発生するセンス電圧Ｖｓが第１基準電圧Ｖｒｅｆ1よりも大きくなるため、出力信号Ｖｃｏｍ１は“Ｈ”レベルとなる。
【００２９】
しかも、このときにはコレクタ電圧モニター用経路にも電流Ｉｃａが流れる。即ち、ターンオン開始時の一瞬は正常動作と同様にコレクタ電圧ＶCEの下降（負の電圧勾配ｄＶCE／ｄｔ）が生じるが、その直後に電源電位Ｖｃｃを越えるコレクタ電圧ＶCEの上昇（正の電圧勾配ｄＶCE／ｄｔ）が発生するので、電流Ｉｃａが流れて両分圧抵抗１０４、１０６間の節点電圧は微分される。このため、第２基準電圧Ｖｒｅｆ２を越えるモニタ電圧ＶCSのピーク値が発生し、出力信号Ｖｃｏｍ２は“Ｈ”レベルとなる。その結果、過電流判定回路２１２の出力信号ＶT は“Ｈ”レベルとなり、主ＩＧＢＴ１０１の過電流保護機能が働き、駆動回路２１３は主ＩＧＢＴ１０１のゲート電圧を絞って主ＩＧＢＴ１０１の動作をオフ状態に制御（保護）する。
【００３０】
以上の通り、本装置の過電流判定回路２１２は、センス電圧のモニター結果に加えてコレクタ側経路に流れる電流Ｉｃａのモニター結果をも受信して両結果の双方に異常が生じているか否かという観点から主電流Ｉｃの過電流状態の発生を検出しているので、センス電圧に生じるノイズによって誤って過電流保護動作を働かせてしまう事態を有効に防止し得ると共に、真に過電流状態が発生しているのを正確に検出して有効に過電流保護動作を機能させることが出来る。
【００３１】
（実施の形態１の変形例）
実施の形態１で説明した構成を、インバータ回路等に於ける高電位側のＩＧＢＴの過電流保護回路にも適用可能である。
【００３２】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、センス電圧に発生するノイズによって仮にセンス電圧が第１基準電圧を越える状態が生じても、第１主電極端子電圧のモニター電圧もまた第２基準電圧を越える状態が生じない限りは、過電流保護回路はパワートランジスタが過電流状態にあるとは判定しないので、センス電圧のノイズに起因した過電流状態の検出という誤動作を防止することが出来る。
【００３３】
請求項２に係る発明によれば、パワートランジスタに流れ込む電流（主電流）が過電流であるときにはパワートランジスタのターンオン時に第１主電極端子電圧に上昇変化が発生するという現象の検出を利用しているので、主電流が定格内にある通常電流状態であるのか、それとも過電流状態であるのかを確実に識別することができ、確実に過電流状態からパワートランジスタを保護することが出来る。
【００３４】
請求項３に係る発明によれば、両モニター結果に応じて過電流状態にあるか否かを判定しているので、センス電圧のノイズによる誤判定の発生を有効に防止することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の実施の形態１に係る電力用半導体装置の主要部を示す回路図である。
【図２】  この発明の実施の形態１に係る電力用半導体装置の動作を示すタイミングチャートである。
【図３】  従来の電力用半導体装置を示す回路図である。
【符号の説明】
１００  ＩＧＢＴ、１０１  主ＩＧＢＴ、１０２  補助ＩＧＢＴ、１０３  センス抵抗、１０７  コンデンサ、１０５  抵抗、２００  過電流保護回路、２１０  第１比較器、２１１  第２比較器、２１２  過電流判定回路、２１３  駆動回路。
【図１】
0004118496.tif 000002
【図２】
0004118496.tif 000003
【図３】
0004118496.tif 000004