半導體開關裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種半導體開關裝置，該半導體開關裝置在電氣化鐵路或電力輸送的電力變換或逆變器控制中使用。
【背景技術】
[0002]在半導體開關裝置中發生了橋臂短路的情況下，如果在規定的期間內，則能夠檢測出短路并安全地斷開。但是，在發生了負載短路的情況下，與橋臂短路相比，柵極一發射極間電壓容易上升，在半導體開關裝置處流動的主電流的飽和電流持續增加。另外，與橋臂短路相比，存在下述趨勢，即，受主電流的di/dt的感應，芯片間的柵極一發射極間控制電壓VGE容易波動，在芯片間流動的主電流容易波動。
[0003]圖4是表示發生負載短路而使得半導體開關裝置破壞后的情況下的電流和電壓的實測波形的圖。VCE是集電極一發射極間電壓，1C 1?1C 3是并聯連接的3個開關元件的集電極電流。1C 1?1C 3變得不均衡，電流集中于某開關元件，產生閂鎖破壞或熱破壞。
[0004]如上所述，負載短路存在下述危險性，S卩，與橋臂短路相比，飽和電流容易變大，弓丨起在芯片間流動的分支電流的不均衡，導致閂鎖破壞或斷開破壞。因此，提出了下述裝置，即，在產生了負載短路的情況下，通過使用設置于負載側的第3開關而形成橋臂短路，從而防止由負載短路所造成的破壞(例如，參照專利文獻1)。
[0005]專利文獻1:日本特開昭62 — 272821號公報
【發明內容】
[0006]在現有技術中，需要第3開關、第3開關的控制電路、以及用于流過短路電流的配線。因此，存在下述問題，即，控制變得復雜，與已有的裝置相比部件數量增多。
[0007]本發明就是為了解決上述課題而提出的，其目的在于得到一種半導體開關裝置，該半導體開關裝置能夠將用于防止由負載短路所造成的破壞的控制變得容易，并減少部件數量。
[0008]本發明所涉及的半導體開關裝置的特征在于，具有:第1開關元件，其與負載并聯連接;第2開關元件，其連接于所述第1開關元件和接地點之間；第1驅動電路，其驅動所述第1開關元件;第2驅動電路，其驅動所述第2開關元件;負載短路檢測電路，其如果檢測出負載短路，則輸出第1信號；以及計時器，其在從輸入所述第1信號起經過規定時間后輸出第2信號，所述第1驅動電路如果輸入所述第1信號，則使所述第1開關元件導通，所述第2驅動電路如果輸入所述第2信號，則使所述第2開關元件截止。
[0009]發明的效果
[0010]根據本發明，能夠將用于防止由負載短路所造成的破壞的控制變得容易，并減少部件數量。
【附圖說明】
[0011]圖1是表示本發明的實施方式1所涉及的半導體開關裝置的電路圖。
[0012]圖2是表示本發明的實施方式1所涉及的半導體開關裝置的動作的時序圖。
[0013]圖3是表示本發明的實施方式2所涉及的半導體開關裝置的電路圖。
[0014]圖4是表示發生負載短路而使得半導體開關裝置破壞后的情況下的電流和電壓的實測波形的圖。
【具體實施方式】
[0015]參照附圖，說明本發明的實施方式所涉及的半導體開關裝置。對相同或者相對應的結構要素標注相同的標號，有時省略重復的說明。
[0016]實施方式1
[0017]圖1是表示本發明的實施方式1所涉及的半導體開關裝置的電路圖。開關元件A與負載L并聯連接。開關元件B連接于開關元件A和接地點之間。開關元件A、B為IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，但不限于此，也可以是晶體管或M0SFET(Metal_Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)，其材質既可以是Si，也可以是SiC。
[0018]驅動電路1驅動開關元件A，驅動電路2驅動開關元件B。續流二極管D1、D2分別與開關元件A、B并聯連接。電容C和電源與開關元件A、B并聯連接。
[0019]在開關元件A截止、開關元件B導通的情況下，主電流的路徑為(1)，發生負載短路。如果開關元件B的集電極一發射極間電壓VCE超過規定電壓，則負載短路檢測電路3判定為負載短路而輸出第1信號。
[0020]具體地說，負載短路檢測電路3具有與電壓V2的電源連接的恒定電流源4、二極管Dm和比較器5。在開關元件B的VCE比V2小的情況下，來自恒定電流源4的電流通過二極管Dm，電流流動至開關元件B的集電極。如果VCE比V2大，則比較器5檢測到VCE>V1而輸出第1信號。
[0021]驅動電路1如果輸入第1信號，則使開關元件A導通。在該情況下，主電流的路徑為
(2)，發生橋臂短路。計時器6在從輸入第1信號起經過規定時間(幾ys)后，輸出第2信號。驅動電路2如果輸入第2信號，則使開關元件Β截止而將短路電流截斷。
[0022]圖2是表示本發明的實施方式1所涉及的半導體開關裝置的動作的時序圖。將開關元件Α、Β的集電極電流設為Ic，將柵極一發射極間電壓設為VGE，將集電極一發射極間電壓設為VCE。
[0023]首先，在a期間，開關元件A，B截止。然后，在b期間，開關元件B導通，主電流在路徑(1)上流動，發生負載短路，其中，該路徑(1)通過已短路的負載L。流過開關元件B的電流I與負載L的電感L相應地以I = t XV/L不斷增加(t為時間，V為電壓)。此時，在多個開關元件并聯連接的情況下，受di/dt感應，產生電流不均衡。另外，由于負載短路的影響，VGE上升，開關元件的飽和電流增加。
[0024]然后，在c期間，開關元件A導通，成為流過開關元件A、B的路徑(2)，發生橋臂短路。開關元件A的VGE在所施加的電壓的狀態下穩定，短路電流與傳遞特性相應地飽和。由于短路電流飽和，因此開關元件B的VGE的上升消除，芯片間的電流不均衡也消失。VCE不斷向溫度高且電阻高的開關元件B轉移。最后，在d期間，開關元件A、B再次截止。通過在流過開關元件B的電流受到抑制，芯片間的電流不均衡被消除后的狀況下進行斷開，從而能夠安全地進行斷路。
[0025]在本實施方式中，如果發生負載短路，則使開關元件A導通，而發生橋臂短路，在該橋臂短路的規定時間后使開關元件B截止。如上所述，通過將負載短路切換至橋臂短路，從而能夠防止柵極一發射極間控制電壓的上升和飽和電流的增加，安全地進行斷開。并且，在本實施方式中，能夠使用已有的電路而將負載短路消除。由此，與現有技術相比，能夠將用于防止由負載短路所造成的破壞的控制變得容易，并減少部件數量。
[0026]另外，作為開關元件B的集電極一發射極間電壓，對集電極輔助電極7和發射極輔助電極8之間的電壓進行測定，從而能夠高精度地對負載短路進行檢測。但是，也可以對集電極電極9和發射極電極10之間的電壓進行測定。此外，即使取代開關元件A而使用與閉合電路串聯連接的η個開關元件，也能夠得到與實施方式1相同的效果。
[0027]實施方式2
[0028]圖3是表示本發明的實施方式2所涉及的半導體開關裝置的電路圖。η個開關元件Α—1、…、Α—η彼此并聯連接。驅動電路1一1、…、1 一η分別驅動開關兀件Α—1、…、Α—run個開關兀件B — 1、...、B—η彼此并聯連接。驅動電路2 — 1、…、2—η分別驅動開關兀件Β — 1、…、Β—η0
[0029]驅動電路1一1、…、1一η(此處為驅動電路1一1)如果輸入第1信號，則僅使開關元件Α — 1導通。由此，在將負載短路切換至橋臂短路時，能夠將流過開關元件Β—1、…、Β—η的短路電流變為1/η，安全地進行斷路。
[0030]標號的說明
[0031]Α、Α— 1、…、Α — η開關元件(第1開關元件)，Β開關元件(第2開關元件)，L負載，1驅動電路(第1驅動電路)，2驅動電路(第2驅動電路)，3負載短路檢測電路，6計時器
【主權項】
1.一種半導體開關裝置，其特征在于，具有: 第1開關元件，其與負載并聯連接； 第2開關元件，其連接于所述第1開關元件和接地點之間； 第1驅動電路，其驅動所述第1開關元件； 第2驅動電路，其驅動所述第2開關元件； 負載短路檢測電路，其如果檢測出負載短路，則輸出第1信號；以及 計時器，其在從輸入所述第1信號起經過規定時間后輸出第2信號， 所述第1驅動電路如果輸入所述第1信號，則使所述第1開關元件導通， 所述第2驅動電路如果輸入所述第2信號，則使所述第2開關元件截止。2.根據權利要求1所述的半導體開關裝置，其特征在于， 如果所述第2開關元件的集電極一發射極間電壓超過規定電壓，則所述負載短路檢測電路輸出所述第1信號。3.根據權利要求1或2所述的半導體開關裝置，其特征在于， 所述第1開關元件具有彼此并聯連接的多個開關元件， 所述第1驅動電路如果輸入所述第1信號，則僅使所述多個開關元件中的1個導通。4.根據權利要求1至3中任一項所述的半導體開關裝置，其特征在于， 所述第1及第2開關元件是由Si或SiC構成的晶體管、MOSFET或IGBT。
【專利摘要】開關元件(A)與負載(L)并聯連接。開關元件(B)連接于開關元件(A)和接地點之間。驅動電路(1)驅動開關元件(A)，驅動電路(2)驅動開關元件(B)。負載短路檢測電路(3)如果檢測出負載短路，則輸出第1信號。計時器(6)在從輸入第1信號起經過規定時間后輸出第2信號。驅動電路(1)如果輸入第1信號，則使開關元件(A)導通。驅動電路(2)如果輸入第2信號，則使開關元件(B)截止。
【IPC分類】H03K17/695, H03K17/08
【公開號】CN105493407
【申請號】CN201380078817
【發明人】齊藤升太, 上村仁
【申請人】三菱電機株式會社
【公開日】2016年4月13日
【申請日】2013年8月7日
【公告號】DE112013007309T5, US20160072496, WO2015019448A1