JPH05267580A

JPH05267580A - 半導体装置

Info

Publication number: JPH05267580A
Application number: JP4065960A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Kobayashi; 真一小林; Kesanobu Kuwabara; 今朝信桑原
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1992-03-24
Filing date: 1992-03-24
Publication date: 1993-10-15

Abstract

(57)【要約】【目的】自動的に電流制限動作を行う過電流制限回路
を備えたＩＧＢＴなどのスイッチング部を有する半導体
装置において、電流制限動作時にスイッチング部を駆動
するゲート駆動信号自体を制御することにより、電流制
限動作の原因となっている過電流状態を解除すると共
に、過電流状態であることを知らせるアラーム信号を発
信可能とする。【構成】スイッチング部１の入力端子Ｐｇの電圧を、
判定回路３のコンパレータ３１により判断し、電流制限
回路２０が稼働したことによるスイッチング部１の入力
インピーダンスの変化から過電流が流れる状態にあるこ
とを判断する。その結果に基づき、制御部４において入
力信号をオンからオフに切り換え、スイッチング部１を
オフとすると共に、アラーム信号を発信する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】電力変換装置の主スイッチング素
子として使われるＩＧＢＴ等の絶縁ゲート型トランジス
タを有する半導体装置の構成に関し、特に、主スイッチ
ング素子を駆動するゲート駆動回路に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】図３に、従来の絶縁ゲート型トランジス
タを用いたスイッチング部１を有する半導体装置の構成
を示してある。本例においては、スイッチング素子１０
として絶縁ゲートを備えたバイポーラトランジスタであ
るＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor 以下
ＩＧＢＴ）１２を用いてスイッチング部１が構成されて
いる。そして、このＩＧＢＴ１２は、電流センス用のＩ
ＧＢＴが作り込まれている。従って、ＩＧＢＴ１２の高
電位の負荷端子Ｐ１に接続されたコレクタ端子１２Ｃ
と、低電位の負荷端子Ｐ２に接続されたエミッタ端子１
２Ｅとの間に流れる電流と同じまたは比例した電流が、
電流センス用のＩＧＢＴの端子であるセンス用エミッタ
端子１２ｅに流れる。さらに、このスイッチング部１に
は、ＩＧＢＴ１２を過電流から保護するために、電流制
限回路２０が構成されている。この電流制限回路２０
は、ＩＧＢＴ１２のセンス用エミッタ端子１２ｅと負荷
端子Ｐ２との間に挿入された電流検出用の抵抗であるセ
ンス抵抗１３と、このセンス抵抗１３において発生する
電圧がゲート電極１４Ｇに印加されるＭＯＳＦＥＴ１４
から構成されている。そして、このＭＯＳＦＥＴ１４の
ドレイン１４Ｄは、スイッチング部１へ、スイッチング
素子１０を制御するために供給されるゲート電圧信号Ｖ
ｇを受ける入力端子Ｐｇから、ＩＧＢＴ１２のゲート電
極１２Ｇに至るライン上に接続されており、ソース１４
Ｓは、負荷端子Ｐ２に接続されている。従って、ＩＧＢ
Ｔ１２に過電流が流れ、電流センス抵抗１３において発
生する降下電圧がＭＯＳＦＥＴ１４の閾値に達すると、
ＭＯＳＦＥＴ１４が導通し、入力端子Ｐｇに印加されて
いるゲート電圧信号Ｖｇが低下する。このため、ＩＧＢ
Ｔ１２のゲート電極１２Ｇに印加される電圧は減少さ
れ、ＩＧＢＴ１２は電流を制限する動作を行う。従っ
て、過電流が流れるような状態は避けられ、制限された
電流がＩＧＢＴ１２により流される。このようにして、
スイッチング素子１０は過電流による素子破壊から保護
される。

【０００３】このようなスイッチング部１は、ゲート電
圧信号Ｖｇを発生するゲート駆動回路２により制御され
ている。本例のゲート駆動回路２は、オン側出力スイッ
チとしてＮＰＮトランジスタ２１、オフ側出力スイッチ
としてＰＮＰトランジスタ２２を用いている。勿論、Ｐ
ＮＰトランジスタなどに代わり、電界効果型トランジス
タ等のスイッチング素子を用いてゲート駆動回路を構成
しても良い。

【０００４】このゲート駆動回路２においては、さら
に、２つの出力スイッチ２１、２２の中間点ａと、非駆
動素子、すなわちスイッチング素子１０に接続される入
力端子Ｐｇとの間にゲート抵抗２５が挿入されている。
そして、スイッチング部１の低電位側の負荷端子Ｐ２、
すなわち、ＩＧＢＴ１２のエミッタ側と、このゲート駆
動回路２の低電位側ｂが接続されている。また、この低
電位側ｂに対しゲート電圧信号Ｖｇを発生させる電源電
位Ｖｃｃを供給する駆動電源６が設置されている。

【０００５】このようなゲート駆動回路２において、そ
れぞれの出力スイッチ２１、２２のベースに接続されて
いる入力端子Ｐｉに供給される入力信号がオン状態（Ｈ
ｉｇｈ）になると、オン側出力ＮＰＮトランジスタ２１
がオンし、駆動電源電圧Ｖｃｃ６がスイッチング部１の
入力端子Ｐｇに印加され、スイッチング素子１０がオン
となる。一方、駆動回路２の入力信号がオフ状態（ＬＯ
Ｗ）となると、オフ側出力ＰＮＰトランジスタ２２がオ
ンとなり、スイッチング部１の入力端子Ｐｇには低電位
が印加される。従って、スイッチング素子１０はオフ状
態となる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このように、ゲート駆
動回路２を用いることにより、入力信号のオン、オフに
応じて、電流制限回路２０を有するスイッチング部１の
ＩＧＢＴ１２を制御することができる。そして、ＩＧＢ
Ｔ１２のコレクタ１２Ｃ・エミッタ１２Ｅ間電流が過電
流状態となると、センス抵抗１３の降下電圧が高くな
り、電流制限用のＭＯＳＦＥＴ１４がオンしてＩＧＢＴ
１２に印加されるゲート電圧が低下され、ＩＧＢＴ１２
を保護できる。

【０００７】しかし、このように過電流を所定の電流レ
ベルに制限する動作を行っている場合でも、ゲート駆動
回路２は入力信号に応じたゲート電圧信号Ｖｇをスイッ
チング部１の入力端子Ｐｇへ供給しつづける。従って、
スイッチング部１は、過電流が流れる状態にありなが
ら、継続してその状態に制御されつづける。このため、
何らかの原因で負荷端子Ｐ１、Ｐ２に供給される電流が
減少し、センス抵抗１３の降下電圧が低くなり、ＭＯＳ
ＦＥ１４がオフとなると、再度ＩＧＢＴ１２には過電流
が流れ、このような動作を繰り返すこととなる。この結
果、過電流制限回路が付いているにも関わらず、素子破
壊に達する場合も想定され、また、過電流が流れる異常
な状態での動作が継続されると言う点でも問題がある。

【０００８】そこで、本発明においては、上記の問題点
に鑑みて、過電流から主スイッチング素子を保護すると
同時に、過電流が流れる状態を排除することが可能な半
導体装置を実現することを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明においては、スイッチング部の過電流制限
回路部の動作を判定し、入力信号自体を操作するように
している。すなわち、本発明に係るゲート駆動部から印
加されるゲート電圧に基づき制御される絶縁ゲート型ス
イッチング素子と、この絶縁ゲート型スイッチング素子
を流れる電流を制限可能な電流制限回路とを備えたスイ
ッチング部を有する半導体装置においては、電源制限回
路の作動状態を判断する判定部と、この判定部における
判断結果に基づきゲート駆動部への入力信号を制御可能
な制御部とを有することを特徴としている。

【００１０】電流制限回路として、絶縁ゲート型スイッ
チング素子を流れる電流値を検出するセンス抵抗手段
と、このセンス抵抗手段における降下電圧からゲート電
圧をバイパス制御可能な制御素子と、降下電圧を検出可
能な過電流検出用端子とを備えている場合は、判定部と
しては、この過電流検出端子における電圧と基準電圧と
を比較可能な比較手段を備えていることが有効である。
また、電流制限回路が、過電流検出端子を備えていない
場合であっても、スイッチング部に印加されるゲート電
圧と基準電圧とを比較可能な比較手段を用いて判定部を
構成することができる。

【００１１】また、制御部としては、判定部の判断結果
に基づきゲート駆動部への入力信号を停止信号に変換可
能な自動停止制御部を採用することが望ましく、また、
判定部の判断結果に基づき警告信号を出力可能なアラー
ム制御部を採用することも有効である。

【００１２】

【作用】このようにスイッチング部における過電流制限
回路部の動作を判定部にて判断することにより、絶縁ゲ
ート型スイッチング素子を過電流が流れる状態となって
いるか否かを判定することが可能となる。そして、この
判断に基づきゲート駆動部への入力信号を制御すること
により、絶縁ゲート型スイッチング素子に過電流が流れ
る状態を解除することができるので、ハンチングなどに
より再度過電流が流れるような不具合の発生が防止可能
となる。

【００１３】電流制限回路部として、過電流検出用端子
を備えている場合は、この端子の電圧を基準電圧と比較
することにより、絶縁ゲート型スイッチング素子に流れ
ている電流を判断することができる。また、過電流検出
用端子を備えていない場合であっても、スイッチング部
に印加されるゲート電圧と基準電圧とを比較することに
より、スイッチング部の入力インピーダンスとゲート駆
動部の出力インピーダンスの比を検出することが可能と
なる。そして、過電流状態となり、制御素子がバイパス
動作に入ることにより、スイッチング部の入力インピー
ダンスとゲート駆動部の出力インピーダンスの比が変わ
ることから過電流状態を判断することができる。

【００１４】また、制御部として自動停止制御部を用い
ることにより、過電流が発生すると自動的にスイッチン
グ部を停止させるような保護方法を採用することができ
る。

【００１５】また、アラーム制御部を採用することによ
り、ゲート駆動部に入力される入力信号に異常があるこ
とを報せ、過電流が発生する状態を解除したり、その原
因を排除するなどの処理を行うことが可能となる。

【００１６】

【実施例】以下に図面を参照して、本発明の実施例を説
明する。

【００１７】〔実施例１〕図１に、実施例１に係る半導
体装置の構成を示してある。本例の装置は、先に図３に
基づき説明した従来の装置と同様に、ＩＧＢＴ１２を用
いたスイッチング部１を有する半導体装置である。そし
て、本例のＩＧＢＴ１２も電流センス用のＩＧＢＴが作
り込まれており、このセンス用エミッタ端子１２ｅに接
続されたセンス抵抗１３、このセンス抵抗１３において
発生する電圧によりゲート電圧を制御する制御素子であ
るＭＯＳＦＥＴ１４からなる電流制限回路２０を備えて
いる。このようなスイッチング部１をゲート電圧信号Ｖ
ｇにより駆動するゲート駆動回路２も従来の装置と同様
に、オン側出力スイッチとしてＮＰＮトランジスタ２
１、オフ側出力スイッチとしてＰＮＰトランジスタ２
２、ゲート抵抗ＲＧ、電源電位Ｖｃｃ２６をそなてい
る。従って、共通する部分においては同じ符号を付し、
構成、動作の説明を省略する。

【００１８】本例の装置においては、上記のスイッチン
グ部１およびゲート駆動回路２に加え、スイッチング部
１の電流制限回路２０の動作を確認する判定回路３およ
びゲート駆動回路２に入力される入力信号の制御を行う
制御回路４が付加されている。また、スイッチング部１
においては、従来のスイッチング部１の端子に加え、セ
ンス抵抗１３に発生した電圧の検出が可能なように検出
端子Ｐｓが付加されている。

【００１９】先ず、判定回路３は、コンパレータ３１に
より構成されており、このコンパレータ３１の非反転入
力３２がスイッチング部１の検出端子Ｐｓに接続されて
いる。そして、コンパレータ３１の反転入力３３には、
基準電圧Ｖｓとなる定電圧電源３５が接続されている。
従って、この基準電圧Ｖｓを、ＭＯＳＦＥＴ１４の閾値
と同じ値とすることにより、電源制限回路２０の動作状
態を判断することができる。すなわち、センス抵抗１３
における降下電圧が基準電圧Ｖｓより低い場合は、コン
パレータ３１の出力３４は低レベルである。そして、Ｉ
ＧＢＴ１２を通過する電流が所定の電流値を越えてセン
ス抵抗１３における降下電圧が基準電圧Ｖｓを越える
と、コンパレータ３１の出力３４は高レベルに反転され
る。電流制限回路２０においては、この時にＭＯＳＦＥ
Ｔ１４が導通状態となり、制限動作を開始する。従っ
て、このコンパレータ３１を用いてセンス抵抗１３に発
生する降下電圧を比較することにより電流制限回路２０
の動作状態、すなわち、ＩＧＢＴに過電流が流れる状態
となっているか否かを判断することができる。

【００２０】制御回路４は、判定回路３の判断結果を用
いて入力信号の制御などを行う回路であり、コンパレー
タ３１の出力と、制御回路の入力端子Ｐ０に供給される
入力信号とが入力される２入力ＮＡＮＤゲート４１と、
このＮＡＮＤゲート４１の出力と、入力端子Ｐ０に供給
される入力信号とが入力されるＡＮＤゲート４５とから
構成されている。そして、このＡＮＤゲート４５の出力
信号が、ゲート駆動回路２の入力端子Ｐｉに供給され
る。従って、ＮＡＮＤゲート４１の出力は、コンパレー
タ３１からの出力が高レベル、すなわち、過電流動作状
態であり、入力信号も高レベルである時に低レベルとな
る。このため、ＡＮＤゲート４５の出力は、入力信号が
高レベルであっても、過電流動作状態であるときは、低
レベルとなり、ゲート駆動回路２に供給される信号はオ
フを示す低レベルとなる。従って、スイッチング部１に
印加されるゲート電圧信号は低下し、ＩＧＢＴ１２はオ
フとなり、過電流が流れる状態を解除できる。

【００２１】一方、コンパレータ３１の出力が低レベ
ル、すなわち、過電流制限回路が動作していない場合
は、入力信号に関わらずＮＡＮＤゲート４１の出力は高
レベルであるので、入力信号はそのままゲート駆動回路
２に供給され、スイッチング部１では通常通りの動作が
行われる。

【００２２】また、本例の制御回路４においては、ＮＡ
ＮＤゲート４１の出力が、アラーム出力端子Ｐａに接続
されており、入力信号がオン状態で、過電流制限回路が
動作した場合は、アラーム信号を供給することが可能と
なっている。従って、オペレータあるいは上位の制御装
置において、このアラーム信号に基づき、制御回路４の
入力端子Ｐ０への入力信号をオフとしたり、あるいは、
過電流状態となった原因を排除したりすることが可能で
ある。

【００２３】このように、本例の装置においては、スイ
ッチング部１にて過電流を制限する動作に入ったことを
判断して、ゲート駆動回路２に供給される信号を制御す
ることができるので、このスイッチング部を通って過電
流が流れるような事態を防止できる。また、電流制限回
路２０に起因して、電流値が振動し、再度過電流が流れ
るような事態を避けることもできる。さらに、アラーム
信号を発信することも可能であるので、過電流となった
ことをオペレータあるいは上位の制御装置が確認するこ
とができ、過電流状態の再発防止に役立てることも可能
である。

【００２４】〔実施例２〕図２に、実施例２に係る半導
体装置の構成を示してある。本例の装置も、実施例１と
同様にセンス用エミッタ端子１２ｅを備えたＩＧＢＴ１
２を用いたスイッチング部１を有する半導体装置であ
り、過電流からの素子破壊などを防止する電流制限回路
２０を備えている。そして、トランジスタ２１、２２等
を用いたゲート駆動回路２、電流制限回路２０の動作状
態を判断する判定回路３、および制御回路４も備えてい
る。従って、共通する部分においては同じ符号を付し、
構成、動作の説明を省略する。

【００２５】本例の装置において着目すべき点は、実施
例１と異なり、スイッチング部１としては、先に説明し
た従来のスイッチング部と同様のものが用いられてお
り、検出端子Ｐｓは構成されていない。このため、本例
では、判定回路３において、スイッチング部１のゲート
駆動電圧信号が入力される入力端子Ｐｇをコンパレータ
３１の非反転入力３３と接続し、スイッチング部１の入
力インピーダンスの低下から電流制限回路２０の動作状
態を判断している。すなわち、ゲート駆動回路２の入力
端子Ｐｉに入力される信号がオンの時は、ゲート駆動回
路２からスイッチング部１の入力端子Ｐｇに駆動電圧Ｖ
ｃｃにより所定の電圧信号がゲート抵抗２５を介して印
加される。この入力端子Ｐｇの電位は、電流制限回路２
０が作動していない場合には、ＩＧＢＴ１２によるスイ
ッチング部１の入力インピーダンスと、ゲート抵抗２５
によるゲート駆動回路２の出力インピーダンスに基づき
決定される。ここで、電流制限回路２０が動作するとＭ
ＯＳＦＥＴ１４が導通状態となるため、スイッチング部
１の入力インピーダンスは低下し、入力端子Ｐｇの電位
は降下する。従って、入力端子Ｐｇの電位が降下し、コ
ンパレータ３１の反転入力に印加されている基準電圧Ｖ
ｓ以下となると、コンパレータ３１の出力３４は、低レ
ベルに反転することとなる。

【００２６】このように、本例の装置の判定回路３にお
いては、スイッチング部１の入力インピーダンスの低下
に基づく入力端子Ｐｇの電位変動から、電流制限回路２
０の動作状態を判断し、ＩＧＢＴ１２に過電流が流れる
状態となっているか否かを検出することができる。従っ
て、スイッチング部１としては、従来と同様の構成で良
く、新たに検出端子を追設する必要はない。従って、本
例の装置においては、判定回路３と制御回路４を追加す
るだけで、過電流を検出し、ＩＧＢＴを自動的にオフす
る機能を持たせることができる。また、アラーム信号を
発信し、過電流状態に対応した制御を行うこともでき
る。このように、本例の装置は、検出端子との配線を省
略でき、簡素化された形で、上記のような機能を付加す
ることができるものであり、従来と同様のコレクタ、ゲ
ート、エミッタ端子の各端子しか有しないパッケージを
用いることが可能である。

【００２７】なお、本例においては、スイッチング部の
スイッチング素子としてＩＧＢＴを採用しているが、パ
ワーＭＯＳＦＥＴなどの絶縁ゲート型半導体素子を用い
ることも勿論可能である。また、電流制限回路において
も、制御素子としてＭＯＳＦＥＴを用いているが、サイ
リスタ、バイポーラトランジスタなどを用いることもで
きる。さらに、ゲート駆動回路はバイポーラトランジス
タに代わり、ＭＯＳＦＥなどのスイッチング素子を用い
るても勿論良い。また、判定回路としては、コンパレー
タに代わり、所定の閾値電圧を持つインバータ等を用い
ても良い。また、制御回路のロジックとしては多種多様
なロジックを組み込むことは勿論可能である。

【００２８】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明に係る半
導体装置においては、過電流が流れた場合の電流を制限
する電流制限回路の動作から、スイッチング部に過電流
の流れる状態に有るか否かを判定部にて判断している。
そして、この判断に基づき、制御部において、スイッチ
ング部に入力される入力信号を変更し、スイッチング部
において過電流を遮断するなどの処置を行うことができ
る。従って、本発明に係る半導体装置においては、過電
流の流れるような状態が継続することを防止可能であ
る。また、スイッチング部において電流制限回路の動作
に起因して電流ちが振動したり、再度過電流が流れるよ
うな事態の発生を防止することができる。

【００２９】また、本発明に係る半導体装置において
は、過電流が流れる状態となった場合にアラーム信号を
発信することも容易であり、このアラーム信号に基づ
き、制御状態を変更したり、あるいは、過電流が流れる
状態にあることを知って、その原因を調査したりするこ
とも可能となる。

【００３０】さらに、スイッチング部の入力インピーダ
ンスから過電流制御部の動作状態を判断することも可能
であり、このような装置においては、従来用いられてい
るスイッチング部を変更することなく、上記のような機
能を持たせることが可能である。従って、新たな装置を
開発する時間、経費を省いて、簡易な構造でありなが
ら、より高機能の半導体装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１に係る半導体装置の構成を示
す回路図である。

【図２】本発明の実施例２に係る半導体装置の構成を示
す回路図である。

【図３】従来の半導体装置の構成を示す回路図である。

【符号の説明】

１・・・スイッチング部２・・・ゲート駆動回路３・・・判定回路４・・・制御回路１０・・・スイッチング素子１２・・・ＩＧＢＴ１３・・・センス抵抗１４・・・制御素子（ＭＯＳＦＥＴ）２０・・・電流制限回路２１・・・ＮＰＮトランジスタ２２・・・ＰＮＰトランジスタ２５・・・ゲート抵抗２６・・・駆動電圧源３１・・・コンパレータ３２・・・反転入力３３・・・非反転入力３４・・・コンパレータの出力３５・・・基準電圧源４１・・・ＮＡＮＤゲート４５・・・ＡＮＤゲート

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ゲート駆動部から印加されるゲート電圧
に基づき制御される絶縁ゲート型スイッチング素子と、
この絶縁ゲート型スイッチング素子を流れる電流を制限
可能な電流制限回路とを備えたスイッチング部を有する
半導体装置において、前記電源制限回路の作動状態を判
断する判定部と、この判定部における判断結果に基づき
前記ゲート駆動部への入力信号を制御可能な制御部とを
有することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】請求項１において、前記電流制限回路
は、前記絶縁ゲート型スイッチング素子を流れる電流値
を検出するセンス抵抗手段と、このセンス抵抗手段にお
ける降下電圧から前記ゲート電圧をバイパス制御可能な
制御素子と、前記降下電圧を検出可能な過電流検出用端
子とを備え、前記判定部は、この過電流検出端子におけ
る電圧と基準電圧とを比較可能な比較手段を備えている
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項３】請求項１において、前記電流制限回路
は、前記絶縁ゲート型スイッチング素子を流れる電流値
を検出するセンス抵抗手段と、このセンス抵抗手段にお
ける降下電圧から前記ゲート電圧をバイパス制御可能な
制御素子とを備え、前記判定部は、前記スイッチング部
に印加される前記ゲート電圧と基準電圧とを比較可能な
比較手段を備えていることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】請求項１ないし３のいずれかにおいて、
前記制御部は、前記判定部の判断結果に基づき前記ゲー
ト駆動部への前記入力信号を停止信号に変換可能な自動
停止制御部であることを特徴とする半導体装置。
【請求項５】請求項１ないし４のいずれかにおいて、
前記制御部は、前記判定部の判断結果に基づき警告信号
を出力可能なアラーム制御部であることを特徴とする半
導体装置。