JP6748935B2 - Protection circuit for semiconductor switch with current sense - Google Patents
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Description
本発明は、電力用の半導体スイッチの異常を検出して保護動作を行うための保護回路に関するものである。 The present invention relates to a protection circuit for detecting an abnormality of a power semiconductor switch and performing a protection operation.
特許文献1には、電力用の半導体スイッチを過電流から保護する技術が記載されている。
この従来技術では、半導体スイッチ、例えば、IGBTの両端電圧(コレクタ電圧)を検出し、IGBTをオンさせるゲート信号が入力されているにも関わらずその両端電圧が低下しない場合に、負荷短絡等による過電流がIGBTに流れているとみなし、ゲート信号を操作して過電流を遮断することにより、IGBTを過電流から保護している。また、特許文献1には、過電流検出時にIGBTをオフさせると共に、過電流発生を示す異常情報を上位の制御回路に伝送することも記載されている。
In this prior art, when a voltage across the semiconductor switch, for example, an IGBT (collector voltage) is detected and a gate signal for turning on the IGBT is input but the voltage across the gate does not decrease, a load short circuit or the like occurs. The IGBT is protected from the overcurrent by considering that the overcurrent is flowing in the IGBT and operating the gate signal to cut off the overcurrent.
特許文献1記載の従来技術は、IGBT等の半導体スイッチに過電流が流れると、半導体スイッチの両端電圧が低下しないことを応用している。これは、見方を変えると、半導体スイッチの両端電圧が低下しないほど大きな電流が流れない限り、過電流の発生を検出できないことを意味する。
このため、半導体スイッチの設計に当たっては、過電流が発生してこれを遮断するまでの期間、過電流が流れ続けるのを許容できることが求められる。つまり、半導体スイッチのエネルギー耐量を相当大きく確保する必要があり、結果的に、半導体スイッチが大型化せざるを得ないという問題がある。
The prior art described in
Therefore, in designing the semiconductor switch, it is required to allow the overcurrent to continue flowing for a period until the overcurrent is generated and cut off. That is, it is necessary to secure a considerably large energy resistance of the semiconductor switch, and as a result, there is a problem that the semiconductor switch must be increased in size.
一方、特許文献2には、電流センス付きIGBTの過電流保護手段が開示されている。電流センスとは、半導体スイッチに流れる電流の一部を、この半導体スイッチに設けたセンス端子に分流させる機能を指す。このセンス端子に接続された抵抗に生じる電圧を利用して半導体スイッチの入出力端子間に流れる過電流を検出し、ゲート信号を操作することにより、過電流を遮断して半導体スイッチを保護している。
この方法によれば、半導体スイッチに流れる電流の大きさを、抵抗に生じる電圧によって等価的に検出することができる。従って、過電流を検出するまでの時間を短縮することができ、特許文献1記載の技術が有する課題の解決が可能になる。
On the other hand, Patent Document 2 discloses overcurrent protection means for an IGBT with current sense. The current sense refers to a function of diverting a part of a current flowing through a semiconductor switch to a sense terminal provided in this semiconductor switch. The overcurrent that flows between the input and output terminals of the semiconductor switch is detected by using the voltage generated in the resistor connected to this sense terminal, and by operating the gate signal, the overcurrent is blocked and the semiconductor switch is protected. There is.
According to this method, the magnitude of the current flowing through the semiconductor switch can be equivalently detected by the voltage generated in the resistor. Therefore, it is possible to shorten the time until the overcurrent is detected, and it is possible to solve the problem of the technique described in
しかしながら、特許文献2に記載された従来技術では、対象とする半導体スイッチの過電流異常を検出して保護することは可能であるが、半導体スイッチにオープン故障(開放故障)が発生した場合にはこれを検出することができない。オープン故障を検出できないと、その半導体スイッチを用いたシステムは異常な動作を続けることになり、これによってシステムの二次故障に至る場合もある。 However, in the conventional technique described in Patent Document 2, although it is possible to detect and protect an overcurrent abnormality of a target semiconductor switch, when an open failure (open failure) occurs in the semiconductor switch, This cannot be detected. If an open failure cannot be detected, the system using the semiconductor switch will continue to operate abnormally, which may lead to a secondary failure of the system.
これに対し、特許文献1に記載された従来技術は、半導体スイッチの両端電圧を検出するものであるから、半導体スイッチにオープン故障が発生した場合には、その半導体スイッチにオン信号を入力したとても、オープン故障しているので両端電圧は低下しない。このため、過電流が流れた場合と等価な現象になり、結果として、過電流異常ではなくオープン故障ではあるものの、半導体スイッチの異常を検出して保護動作を行うことができ、この異常情報を上位の制御回路側に伝送することが可能である。
つまり、制御回路は、過電流異常にせよオープン故障にせよ、半導体スイッチの異常を認識可能であり、その半導体スイッチを用いたシステムの運転を停止して保護動作を行うことができる。
On the other hand, since the conventional technique described in
That is, the control circuit can recognize the abnormality of the semiconductor switch regardless of the overcurrent abnormality or the open failure, and can stop the operation of the system using the semiconductor switch to perform the protection operation.
なお、特許文献3のように、複数台のモータをそれぞれ駆動する複数台のインバータのうちの何れかに半導体スイッチのオープン故障が発生した場合には、当該インバータによるモータの駆動を停止して、他のインバータによりモータを駆動する等の緊急措置を講じることにより、システムとして完全には動作できないものの善後策を採り得るようにした従来技術も知られている。
In addition, like
特許文献1によれば、半導体スイッチのオープン故障を過電流異常と同様にとらえて検出し、保護動作を行うことができる。しかし、前述したように、半導体スイッチのエネルギー耐量を大きくする必要性から半導体スイッチが大型化し、装置の小型化・低コスト化の妨げになる。また、実際にはオープン故障であっても過電流異常と誤認してしまうことも、用途によっては解決すべき課題になる。
また、特許文献2では、過電流保護に要する時間を特許文献1に比べて短縮できるため、半導体スイッチを小型化できる反面、オープン故障を検出することができないという問題がある。
According to
Further, in Patent Document 2, since the time required for overcurrent protection can be shortened as compared with
そこで、本発明の解決課題は、半導体スイッチや装置の小型化・低コスト化を図ると共に、過電流異常及びオープン故障の両者を検出して所定の保護動作を行えるようにした電流センス付き半導体スイッチの保護回路を提供することにある。 Therefore, solving problems of the present invention, as well as reduce the size and cost of the semiconductor switch or device, overcurrent abnormality and a semiconductor switch both open failure is detected and the conditioned by current sense to allow a predetermined protection operation To provide a protection circuit.
上記課題を解決するため、請求項1に係る発明は、制御端子、入力端子、出力端子、及び、前記入力端子と前記出力端子との間に流れる電流を検出するセンス端子を備え、かつ単一の素子として形成された電流センス付き半導体スイッチを保護するための保護回路において、
前記センス端子に流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記電流検出手段による電流検出値を第1のしきい値と比較する第1の比較手段と、
前記入力端子と前記出力端子との間の電圧を検出する電圧検出手段と、
前記電圧検出手段による電圧検出値を第2のしきい値と比較する第2の比較手段と、
前記電流センス付き半導体スイッチに対するオン/オフ指令がオン状態であって、前記電流検出値が前記第1のしきい値を超え、かつ、前記電圧検出値が前記第2のしきい値未満である状態が第1のマスク期間だけ継続した時に第1の異常事象を検出すると共に、前記電流検出値が前記第1のしきい値未満であり、かつ、前記電圧検出値が前記第2のしきい値を超えた状態が第2のマスク期間だけ継続した時に第2の異常事象を検出する異常検出手段と、
前記異常検出手段により前記第1の異常事象または前記第2の異常事象を検出した時に前記電流センス付き半導体スイッチをオフさせる駆動手段と、
を備えたことを特徴とする。
In order to solve the above problems, the invention according to
Current detecting means for detecting a current flowing through the sense terminal,
First comparison means for comparing the current detection value by the current detection means with a first threshold value;
Voltage detection means for detecting a voltage between the input terminal and the output terminal,
Second comparing means for comparing the voltage detection value by the voltage detecting means with a second threshold value;
An ON/OFF command for the semiconductor switch with current sense is in an ON state, the detected current value exceeds the first threshold value, and the detected voltage value is less than the second threshold value. A first abnormal event is detected when the state continues for a first mask period, the detected current value is less than the first threshold value, and the detected voltage value is the second threshold value. An abnormality detecting means for detecting a second abnormal event when the value exceeding the value continues for the second mask period ,
Driving means for turning off the abnormal said Ri by the detecting means a first abnormal event or the said current sense with the semiconductor switch during detects a second abnormal event,
It is characterized by having.
請求項2に係る発明は、請求項1に記載した電流センス付き半導体スイッチの保護回路において、前記第1の異常事象が、前記入力端子と前記出力端子との間に過電流が流れている状態であり、前記第2の異常事象が、前記電流センス付き半導体スイッチのオープン故障であることを特徴とする。
The invention according to claim 2 is the protection circuit for a semiconductor switch with current sense according to
請求項3に係る発明は、請求項1または2に記載した電流センス付き半導体スイッチの保護回路において、前記第1の異常事象または前記第2の異常事象を検出した時に、前記オン/オフ指令を生成する外部の制御回路に異常情報を伝送する出力手段を備えたことを特徴とする。 According to a third aspect of the invention, in the protection circuit for a semiconductor switch with current sense according to the first or second aspect, when the first abnormal event or the second abnormal event is detected, the on/off command is issued. It is characterized in that it is provided with an output means for transmitting abnormality information to an external control circuit for generation .
請求項4に係る発明は、請求項1〜3の何れか1項に記載した電流センス付き半導体スイッチの保護回路において、前記第1の異常事象を前記制御回路に伝送する第1の出力手段と、前記第2の異常事象を前記制御回路に伝送する第2の出力手段と、を備えたことを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the protection circuit for a semiconductor switch with current sense according to any one of the first to third aspects, there is provided a first output means for transmitting the first abnormal event to the control circuit. And second output means for transmitting the second abnormal event to the control circuit .
請求項5に係る発明は、請求項1〜4の何れか1項に記載した電流センス付き半導体スイッチの保護回路において、前記電流センス付き半導体スイッチ、前記電流検出手段、前記第1の比較手段、前記電圧検出手段、前記第2の比較手段、前記異常検出手段、及び前記出力手段を、単一のパッケージに収納したことを特徴とする。
The invention according to
本発明によれば、電流センス付き半導体スイッチに過電流が流れている状態や半導体スイッチがオープン故障している状態を検出し、半導体スイッチをオフさせる保護動作を速やかに実行することができる。このため、半導体スイッチのサイズを必要以上に大きくする必要がなく、装置の小型化、低コスト化に寄与すると共に、半導体スイッチの異常がシステムの他の部位に波及して二次被害が発生するのを防止することができる。
また、必要に応じて、過電流異常とオープン故障とを異なる種類の異常情報として個別に出力させれば、異常原因の判別が可能となり、異常原因に応じた適切な善後策を講じることもできる。
更に、電流センス付き半導体スイッチ及びその異常検出機能並びに保護機能を単一のパッケージに収納することにより、一層の小型化や取扱い性の向上が可能になり、電力変換装置等への実装も容易になる。
According to the present invention, it is possible to detect a state in which an overcurrent flows in a semiconductor switch with current sense or a state in which a semiconductor switch has an open failure, and quickly perform a protection operation to turn off the semiconductor switch. Therefore, it is not necessary to increase the size of the semiconductor switch more than necessary, which contributes to downsizing of the device and cost reduction, and the abnormality of the semiconductor switch spreads to other parts of the system, causing secondary damage. Can be prevented.
Also, if necessary, if the overcurrent abnormality and the open failure are individually output as different types of abnormality information, the cause of the abnormality can be determined, and appropriate corrective measures can be taken according to the cause of the abnormality. ..
Furthermore, by incorporating the semiconductor switch with current sense and its abnormality detection function and protection function in a single package, it is possible to further reduce the size and improve the handleability, and to easily mount it on a power conversion device, etc. Become.
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図1は、本発明の第1実施形態を示すブロック図である。この実施形態は、電力用の半導体スイッチとして電流センス付きIGBTを想定した場合のものである。なお、IGBTのコレクタ、エミッタ、ゲートを、それぞれ入力端子、出力端子、制御端子というものとする。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing a first embodiment of the present invention. In this embodiment, an IGBT with current sense is assumed as a semiconductor switch for electric power. The IGBT collector, emitter, and gate are referred to as an input terminal, an output terminal, and a control terminal, respectively.
図1において、入力回路1から出力されたオン/オフ指令Aは、ゲート駆動回路2及び第1の論理回路5に入力されている。論理回路5には、後述する第2の比較器4の出力信号Dも入力されており、論理回路5の出力信号Gは第2の論理回路8に入力されている。また、論理回路8には、後述する第1の比較器7の出力信号Fも入力されており、論理回路8の出力信号Jは、オン/オフ指令Aと共にゲート駆動回路2に入力されている。このゲート駆動回路2により生成されたゲート信号Bは、IGBT10のゲートに入力されている。
In FIG. 1, the on/off command A output from the
なお、論理回路5は、例えばAND回路によって構成され、論理回路8は、例えばOR回路によって構成されている。
ここで、ゲート駆動回路2は請求項における駆動手段を構成し、論理回路8は同じく異常検出手段を構成している。
The
Here, the gate drive circuit 2 constitutes the drive means in the claims, and the
IGBT10のセンス端子の出力電流Eは電流検出回路6に入力され、電流検出回路6の出力信号は、第1のしきい値TH1と共に第1の比較器7に入力されている。比較器7の出力信号Fは、前述したように論理回路8の一方の入力信号となっている。
また、IGBT10の両端(コレクタ−エミッタ)は両端電圧検出回路3に接続されており、両端電圧検出回路3の出力信号は、第2のしきい値TH2と共に第2の比較器4に入力されている。比較器4の出力信号Dは、前述したように論理回路5の一方の入力信号となっている。
更に、論理回路8の出力信号Jは出力回路9に入力されている。
The output current E of the sense terminal of the
Both ends (collector-emitter) of the
Further, the output signal J of the
なお、入力回路1及び出力回路9は、例えば外部に設けられた上位の制御回路(図示せず)に接続されており、この制御回路は、入力回路1から出力されるオン/オフ指令Aを生成し、また、出力回路9から伝送された後述の異常情報に基づいて、警報動作やシステム内の他の部位に対する所定の保護動作等を実行するものである。
The
この実施形態では、IGBT10のセンス端子を流れる電流Eに基づく第1の比較器7の出力信号Fと、IGBT10の両端電圧Cに基づく第2の比較器4の出力信号Dと、オン/オフ指令Aとを用いて、論理回路8が過電流異常やオープン故障等のIGBT10の異常事象を検出し、この異常検出信号Jをゲート駆動回路2及び出力回路9に送出する。
ゲート駆動回路2は、異常検出信号Jの入力時に,IGBT10をオフさせるようにゲート信号Bを操作し、出力回路9は、外部の制御回路に対してIGBT10の異常情報(過電流異常やオープン故障を示す情報)を伝送する。
In this embodiment, the output signal F of the first comparator 7 based on the current E flowing through the sense terminal of the
The gate drive circuit 2 operates the gate signal B so as to turn off the
ここで、両端電圧検出回路3には、例えば、特許文献1に記載されたものを用いても良い。具体的には、IGBT10のコレクタにダイオードのカソードを接続し、アノードとゲート電源の正極との間に抵抗を接続すると共に、アノードとゲート電源の負極(IGBT10のエミッタ)との間にコンデンサを接続し、このコンデンサの両端電圧を検出して比較器4に入力すれば良い。
また、電流検出回路6は、例えば特許文献2に記載されているように、IGBT10のセンス端子とエミッタとの間に接続された抵抗の両端電圧からセンス電流Eを検出するように構成することができる。
Here, as the both-end
Further, the current detection circuit 6 may be configured to detect the sense current E from the voltage across a resistor connected between the sense terminal and the emitter of the
論理回路8は、誤動作を避けるために、異常を検出した場合でも一定期間は異常検出信号Jを出力しないようにし、IGBT10オフさせるゲート信号Bをマスク(禁止)することもできる。更に、異常を検出した場合には直ちに異常検出信号Jを出力してIGBT10をオフさせる動作に移行し、異常事象が解除されても一定期間は異常検出信号Jを保持するように構成しても良い。
In order to avoid a malfunction, the
図2は、この実施形態において、電流センス付きIGBT10に過電流が流れた場合、すなわち、第1の異常事象として過電流異常が発生した時の動作を示すタイミングチャートである。以下、図1,図2を参照しつつ動作を説明する。
なお、図2における符号A〜Jは、図1に示した同一の符号(指令、信号、電圧、電流)にそれぞれ対応している。
FIG. 2 is a timing chart showing an operation when an overcurrent flows through the
The reference numerals A to J in FIG. 2 respectively correspond to the same reference numerals (command, signal, voltage, current) shown in FIG.
(1)期間I
入力回路1から、IGBT10をオフさせる指令(論理「L」でオフ指令、「H」でオン指令)Aが出力される。これにより、ゲート駆動回路2から出力されるゲート信号Bも「L」となり、IGBT10がオフ状態となることによってIGBT10の両端には電圧Cが発生している。
このとき、両端電圧検出回路3により検出される電圧Cが第2のしきい値TH2を超えるようにしきい値TH2を設定しておけば、比較器4の出力信号Dは「H」となる。
(1) Period I
The
At this time, if the threshold value TH 2 is set so that the voltage C detected by the both-end
いま、IGBT10はオフしているので、センス端子には電流が流れず、電流検出回路6により検出される電流Eはほぼゼロであって第1のしきい値TH1より小さい。従って、比較器7の出力信号Fは「L」となる。
また、指令Aは「L」、信号Dは「H」であるため、信号Gは「L」となる。論理回路8の入力信号F,Gの論理は何れも「L」であるため、論理回路8の出力信号Jも「L」となる。
Since the
Further, since the command A is “L” and the signal D is “H”, the signal G is “L”. Since the logics of the input signals F and G of the
(2)期間II
入力回路1から、IGBT10をオンさせる論理「H」の指令Aが出力され、ゲート駆動回路2から出力されるゲート信号Bも「H」となる。
IGBT10がオンすることにより、その両端電圧Cはほぼ0[V]となる。よって、比較器4の出力信号Dは「L」となる。
(2) Period II
The
When the
また、IGBT10がオンしているので、そのセンス端子にはIGBT10の入出力端子間に流れる電流Icに比例した電流Eが流れ、この電流Eが比較器7により第1のしきい値TH1と比較される。このとき、電流Eが第1のしきい値TH1を下回るようにしきい値TH1を設定しておけば、比較器7の出力信号Fは「L」となる。
一方、論理回路5の出力信号Gも「L」であるため、論理回路8の出力信号Jは「L」となる。
Further, since the IGBT10 is turned on, current flows E proportional to the current I c flowing between the input and output terminals of the IGBT10 to the sense terminal, by the current E is comparator 7 first threshold TH 1 Compared to. At this time, if the threshold value TH 1 is set so that the current E falls below the first threshold value TH 1 , the output signal F of the comparator 7 becomes “L”.
On the other hand, since the output signal G of the
(3)期間III
入力回路1からは、論理「H」の指令Aが継続して出力されており、ゲート駆動信号Bも「H」のままである。
このとき、負荷短絡等が発生してIGBT10に過電流Icが流れたとすると、IGBT10の両端電圧Cはほぼ0[V]から増加する。しかし、この両端電圧Cは第2のしきい値TH2未満であるため、比較器4の出力信号Dは「L」のままである。
(3) Period III
The command A of logic “H” is continuously output from the
At this time, if a load short circuit or the like occurs and an overcurrent I c flows through the
このとき、IGBT10はオンしているので、センス端子にはIGBT10に流れる電流Icにほぼ比例した電流Eが流れる。この電流Eが第1のしきい値TH1を超過することにより、比較器7の出力信号Fは「H」となる。
論理回路5の出力信号Gは「L」であるが、信号Fが「H」になったため、論理回路8の出力信号Jは「H」になるところであるが、前述したように、誤動作を避ける目的で、論理回路8にマスク期間を設けることにより、出力信号Jは「L」を保持する。
At this time, since the
The output signal G of the
(4)期間IV
入力回路1からは、論理「H」の指令Aが継続して出力されている。
ここで、期間IIIにて説明したマスク期間が経過しても、期間IIIの終期では信号Fが「H」、信号Gが「L」であるため、期間IVで信号Jは「H」となる。同時に、この信号Jは出力回路9に送られ、IGBT10が異常事象に陥ったことを出力回路9から外部の制御回路に伝送する。
なお、信号Jが「H」になったことによってゲート駆動信号Bは「L」になり、IGBT10がオフする。これにより、電圧C及び信号D,Gは「H」になる。
論理回路8は、IGBT10をオフさせるための論理「H」の異常検出信号Jを一定期間保持し、これに伴ってゲート駆動信号Bは「L」を保持する。これにより、出力回路9から外部の制御回路に伝送される信号も、一定期間、同一の論理を保持する。
(4) Period IV
The command A of logic “H” is continuously output from the
Here, even if the mask period described in the period III has elapsed, since the signal F is “H” and the signal G is “L” at the end of the period III, the signal J is “H” in the period IV. .. At the same time, this signal J is sent to the
The gate drive signal B becomes "L" as the signal J becomes "H", and the
The
このように、本実施形態では、IGBT10のセンス端子を流れる電流Eの情報に基づいて比較器7が過電流を検出した時にIGBT10をオフさせ、出力回路9から異常情報を伝送させるものである。
なお、図2の動作例は、期間IIIにて説明したように、IGBT10に過電流が流れた際の両端電圧Cの大きさを両端電圧検出回路3によって検出するには十分ではない場合(両端電圧Cが第2のしきい値TH2未満である場合)を示している。言い換えれば、両端電圧検出回路3によって検出できるだけの電流がIGBT10に流れていなくても、センス端子を有するIGBT10を用いることにより、過電流異常を検出することが可能である。
As described above, in the present embodiment, the
Note that, as described in the period III, the operation example of FIG. 2 is not sufficient to detect the magnitude of the voltage C at both ends when the overcurrent flows in the
次に、図3は、この実施形態において、第2の異常事象として、電流センス付きIGBT10がオープン故障している場合の動作を示すタイミングチャートである。以下、図1,図3を参照しつつ動作を説明する。なお、図3における符号A〜Jは、図1に示した同一の符号(指令、信号、電圧、電流)にそれぞれ対応している。
Next, FIG. 3 is a timing chart showing an operation when the
(1)期間I’
指令A及び信号B〜Jの論理は、図2における期間Iと同様である。この時、IGBT10はオープン故障しているので、電圧Cは所定の大きさを持ち、また、電流Eはほぼゼロになっている。
(1) Period I'
The logic of the command A and the signals B to J is the same as that of the period I in FIG. At this time, the
(2)期間II’
図2における期間IIと同様に、指令A及び信号Bが「H」となる。
信号BによりIGBT10をオンさせようとするものの、IGBT10がオープン故障しているので、その両端電圧Cは低下しない。このため、両端電圧Cが第2のしきい値TH2を超過する状態となり、比較器4の出力信号Dは「H」となる。
なお、センス端子の電流Eはほぼゼロのままであって第1のしきい値TH1より小さいから、比較器7の出力信号Fは「L」のままである。
(2) Period II'
Similarly to the period II in FIG. 2, the command A and the signal B become “H”.
Although the
Since the current E at the sense terminal remains substantially zero and is smaller than the first threshold value TH 1 , the output signal F of the comparator 7 remains “L”.
また、指令Aが「H」であって信号Dも「H」であるため、信号Gは「H」となる。このとき、信号Fが「L」であって信号Gが「H」であるため、論理回路8の出力信号Jは「H」となるところであるが、前記同様に、論理回路8にはマスク期間が設けられているため、出力信号Jは「L」を保持する。
Further, since the command A is “H” and the signal D is also “H”, the signal G is “H”. At this time, since the signal F is "L" and the signal G is "H", the output signal J of the
(3)期間III’
入力回路1からの指令Aは、「H」のままである。期間II’にて説明したマスク期間を経過しても、信号Gは「H」であるため、信号Jは「H」となる。この信号Jは出力回路9に送られ、IGBT10が異常事象に陥ったことを出力回路9から外部の制御回路に伝送する。
なお、信号Jが「H」になったことによってゲート駆動信号Bは「L」になり、IGBT10がオフする。
(3) Period III'
The command A from the
The gate drive signal B becomes "L" as the signal J becomes "H", and the
論理回路8は、IGBT10をオフさせるための論理「H」の異常検出信号Jを一定期間保持し、これに伴ってゲート駆動信号Bは「L」を保持する。これにより、出力回路9から上位の制御回路に伝送される信号も、一定期間、同一の論理を保持する。
以上のように、本実施形態によれば、図1の回路構成により、過電流異常だけでなくIGBT10のオープン故障も検出して外部の制御回路に異常情報として伝送することができる。
The
As described above, according to the present embodiment, with the circuit configuration of FIG. 1, not only the overcurrent abnormality but also the open failure of the
上述した図2,図3の動作例において、出力回路9に入力される異常検出信号の状態(論理)だけでは、その異常が過電流異常によるものかオープン故障によるものかを判別することはできないが、何れにしても、異常発生時にIGBT10を速やかにオフさせて保護動作を実行できることは有意義である。
すなわち、図2においては、オン/オフ指令Aがオン状態であって、電流Eが第1のしきい値TH1を超え、かつ、電圧Cが第2のしきい値TH2未満である場合に、論理回路8が当該事象を第1の異常事象として検出すると共に、ゲート駆動回路2によりIGBT10をオフさせる。また、図3においては、オン/オフ指令Aがオン状態であって、電流Eが第1のしきい値TH1未満であり、かつ、電圧Cが第2のしきい値TH2を超えた場合に、論理回路8が当該事象を第2の異常情報として検出すると共に、ゲート駆動回路2によりIGBT10をオフさせるものである。
なお、異常原因を判別するためには、以下に述べる第2実施形態が有効である。
In the operation examples of FIGS. 2 and 3 described above, it is not possible to determine whether the abnormality is due to an overcurrent abnormality or an open failure only by the state (logic) of the abnormality detection signal input to the
That is, in FIG. 2, when the on/off command A is in the on state, the current E exceeds the first threshold value TH 1 , and the voltage C is less than the second threshold value TH 2. First, the
The second embodiment described below is effective for determining the cause of the abnormality.
図4は、本発明の第2実施形態における主要部の構成を示している。この図4は、図1における第2の論理回路8及び出力回路9に代えて、第2の論理回路8’及び第1,第2の出力回路9a,9bを設け、これらの出力回路9a,9bからそれぞれ異なる異常原因を伝送可能にしたものである。
FIG. 4 shows the configuration of the main part of the second embodiment of the present invention. In FIG. 4, a
図4において、図1の論理回路5の出力信号Gはアンドゲート8aの一方の入力端子に加えられ、図1の比較器7の出力信号Fは否定回路8bを介してアンドゲート8aの他方の入力端子に加えられている。
アンドゲート8aの出力信号は、タイマ8c,8dを介して信号J1となり、オアゲート8gの一方の入力端子に加えられている。また、比較器7の出力信号Fは、タイマ8e,8fを介して信号J2となり、オアゲート8gの他方の入力端子に加えられている。なお、オアゲート8gから出力される信号Jは、図1のゲート駆動回路2に入力されている。
また、上記の信号J1,J2は、それぞれ出力回路9a,9bに入力されており、これらの出力回路9a,9bから外部の制御回路に異常情報が伝送されるようになっている。
In FIG. 4, the output signal G of the
The output signal of the AND
The signals J 1 and J 2 are input to the
ここで、タイマ8c,8dは、異常が発生して入力が一旦、「H」となった場合、その後に一定時間が経過しても異常事象が継続していて入力が依然として「H」である場合に、「H」を出力するものであり、主として、ノイズにより保護動作が誤って実行されるのを防ぐためのものである。この場合、タイマ以外の手段としては、フィルタ等を用いることもできる。 Here, in the timers 8c and 8d, when an abnormality occurs and the input once becomes "H", the abnormal event continues and the input is still "H" even after a certain period of time thereafter. In this case, "H" is output, and is mainly for preventing erroneous protection operation due to noise. In this case, a filter or the like can be used as a means other than the timer.
一方、タイマ8e,8fは、異常が発生して入力が一旦、「H」となり、その後に保護動作が働いて異常事象から脱し、入力が「L」に反転しても、一定時間が経過するまでは「H」を出力し続ける機能を有する。
この機能は、主として、IGBT10が異常事象になったら、一定期間、ゲートをオフさせる必要があり、また、異常事象に陥ったことを示す情報を上位制御回路に一定期間、伝送するためのものである。この機能がない場合、例えば、外部回路の異常等によってIGBT10に過電流が流れた際に、過電流保護と解除とが繰り返されることになり、IGBT10の破損に至るおそれがある。
On the other hand, in the timers 8e and 8f, the input temporarily becomes "H" due to an abnormality, and then the protective action is activated to get out of the abnormal event, and even if the input is inverted to "L", the fixed time elapses. Until then, it has the function of continuously outputting "H".
This function is mainly for turning off the gate for a certain period of time when the
図4に示した構成において、仮に、IGBT10がオープン故障していると、IGBT10に対するオン指令Aによってゲート信号Bが「H」であるにも関わらず、IGBT10の両端電圧Cが低下しないため、信号Gが「H」になる。一方、IGBT10がオープン故障しているため、センス端子には電流Eが流れず、信号Fが「L」になる。
In the configuration shown in FIG. 4, if the
すなわち、信号Fが「L」であって信号Gが「H」である状態は、図3の期間II’以降のように、過電流が流れていないにも関わらずIGBT10の両端電圧Cが低下しない状態であるから、IGBT10がオープン故障していると判断することができる。このため、アンドゲート8aの「H」レベルの出力信号を、タイマ8c,8dを介して信号J1として出力回路9aに送る。同時に、オアゲート8gの出力信号Jを用いて、図1のゲート駆動回路2を介しIGBT10をオフさせる。
上記の信号J1は、IGBT10がオープン故障していることを示す信号であり、出力回路9aを介して、制御回路にIGBT10がオープン故障していることを示す異常情報を伝送する。
That is, in the state in which the signal F is “L” and the signal G is “H”, the voltage C across the
The above-mentioned signal J 1 is a signal indicating that the
また、仮に、IGBT10に過電流が流れると、センス端子の電流Eの情報によって信号Fが「H」になり、タイマ8e,8fを介して信号J2も「H」になる。
このため、オアゲート8gの出力信号Jを用いて、図1のゲート駆動回路2を介しIGBT10をオフさせると共に、信号J2を出力回路9bに送り、制御回路に対してIGBT10に過電流が流れていることを示す異常情報を伝送する。
Moreover, if, when an overcurrent flows through the
Therefore, the output signal J of the
なお、図4においては、IGBT10に異常が発生したことを、上位の制御回路に伝送する手段として2つの出力回路9a,9bを設けているが、これらを1つに結合し、異常事象(過電流異常またはオープン故障)に応じて信号の種類を変更することも可能である。
例えば、論理が「H」,「L」を繰り返す信号のデューティ比率を異常事象に応じて変更し、上位制御回路側にて異常事象を判別するようにしても良い。
In FIG. 4, two
For example, the duty ratio of the signal whose logic repeats "H" and "L" may be changed according to the abnormal event, and the upper control circuit side may determine the abnormal event.
1:入力回路
2:ゲート駆動回路
3:両端電圧検出回路
4,7:比較器
5,8,8’:論理回路
8a:アンドゲート
8b:否定回路
8c,8d,8e,8f:タイマ
8g:オアゲート
6:電流検出回路
9,9a,9b:出力回路
10:電流センス付きIGBT
1: Input circuit 2: Gate drive circuit 3: Both end voltage detection circuits 4, 7:
10: IGBT with current sense
Claims (5)
前記センス端子に流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記電流検出手段による電流検出値を第1のしきい値と比較する第1の比較手段と、
前記入力端子と前記出力端子との間の電圧を検出する電圧検出手段と、
前記電圧検出手段による電圧検出値を第2のしきい値と比較する第2の比較手段と、
前記電流センス付き半導体スイッチに対するオン/オフ指令がオン状態であって、前記電流検出値が前記第1のしきい値を超え、かつ、前記電圧検出値が前記第2のしきい値未満である状態が第1のマスク期間だけ継続した時に第1の異常事象を検出すると共に、前記電流検出値が前記第1のしきい値未満であり、かつ、前記電圧検出値が前記第2のしきい値を超えた状態が第2のマスク期間だけ継続した時に第2の異常事象を検出する異常検出手段と、
前記異常検出手段により前記第1の異常事象または前記第2の異常事象を検出した時に前記電流センス付き半導体スイッチをオフさせる駆動手段と、
を備えたことを特徴とする電流センス付き半導体スイッチの保護回路。 To protect a semiconductor switch with a current sense, which includes a control terminal, an input terminal, an output terminal, and a sense terminal for detecting a current flowing between the input terminal and the output terminal, and which is formed as a single element. In the protection circuit of
Current detecting means for detecting a current flowing through the sense terminal,
First comparison means for comparing the current detection value by the current detection means with a first threshold value;
Voltage detection means for detecting a voltage between the input terminal and the output terminal,
Second comparing means for comparing the voltage detection value by the voltage detecting means with a second threshold value;
An ON/OFF command for the semiconductor switch with current sense is in an ON state, the detected current value exceeds the first threshold value, and the detected voltage value is less than the second threshold value. A first abnormal event is detected when the state continues for a first mask period, the detected current value is less than the first threshold value, and the detected voltage value is the second threshold value. An abnormality detecting means for detecting a second abnormal event when the value exceeding the value continues for the second mask period ,
Driving means for turning off the abnormal said Ri by the detecting means a first abnormal event or the said current sense with the semiconductor switch during detects a second abnormal event,
A protection circuit for a semiconductor switch with current sense, comprising:
前記第1の異常事象が、前記入力端子と前記出力端子との間に過電流が流れている状態であり、前記第2の異常事象が、前記電流センス付き半導体スイッチのオープン故障であることを特徴とする電流センス付き半導体スイッチの保護回路。 The protection circuit for a semiconductor switch with current sense according to claim 1,
The first abnormal event is a state in which an overcurrent is flowing between the input terminal and the output terminal, and the second abnormal event is an open failure of the semiconductor switch with current sense. A protection circuit for a semiconductor switch with current sensing.
前記第1の異常事象または前記第2の異常事象を検出した時に、前記オン/オフ指令を生成する外部の制御回路に異常情報を伝送する出力手段を備えたことを特徴とする電流センス付き半導体スイッチの保護回路。 A protection circuit for a semiconductor switch with current sense according to claim 1 or 2,
A semiconductor with current sense , comprising an output means for transmitting abnormality information to an external control circuit for generating the ON/OFF command when the first abnormal event or the second abnormal event is detected. Switch protection circuit.
前記第1の異常事象を前記制御回路に伝送する第1の出力手段と、前記第2の異常事象を前記制御回路に伝送する第2の出力手段と、を備えたことを特徴とする電流センス付き半導体スイッチの保護回路。 A protection circuit for a semiconductor switch with current sense according to any one of claims 1 to 5,
Current sense , comprising: first output means for transmitting the first abnormal event to the control circuit; and second output means for transmitting the second abnormal event to the control circuit. Protection circuit for semiconductor switches with.
前記電流センス付き半導体スイッチ、前記電流検出手段、前記第1の比較手段、前記電圧検出手段、前記第2の比較手段、前記異常検出手段、及び前記出力手段を、単一のパッケージに収納したことを特徴とする電流センス付き半導体スイッチの保護回路。 A protection circuit for a semiconductor switch with current sense according to any one of claims 1 to 4 ,
The semiconductor switch with current sense, the current detecting unit, the first comparing unit, the voltage detecting unit, the second comparing unit, the abnormality detecting unit, and the output unit are housed in a single package. A protection circuit for a semiconductor switch with current sensing.
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