過電流保護装置
【課題】ＩＧＢＴ素子の短絡耐量を向上させ得る過電流保護装置を提供する。
【解決手段】過電流保護装置２０では、各ＩＧＢＴ１１ａ〜１１ｆにゲート電圧Ｖｇを印可するゲート駆動回路１５に対してオフ信号を出力することで当該ゲート電圧Ｖｇの印可を停止可能な保護回路２２と、直流電源Ｅの電源電圧を制御可能な電源電圧制限回路２３と、電源電圧を平滑化する平滑コンデンサＣに蓄積された電荷を放電可能な放電回路２４と、が設けられている。そして、電流検出部２１により過電流が検出されると、保護回路２２によりゲート電圧Ｖｇの印可が停止され、電源電圧制限回路２３により電源電圧が低減され、放電回路２４により平滑コンデンサＣに蓄積された電荷が放電される。
【解決手段】過電流保護装置２０では、各ＩＧＢＴ１１ａ〜１１ｆにゲート電圧Ｖｇを印可するゲート駆動回路１５に対してオフ信号を出力することで当該ゲート電圧Ｖｇの印可を停止可能な保護回路２２と、直流電源Ｅの電源電圧を制御可能な電源電圧制限回路２３と、電源電圧を平滑化する平滑コンデンサＣに蓄積された電荷を放電可能な放電回路２４と、が設けられている。そして、電流検出部２１により過電流が検出されると、保護回路２２によりゲート電圧Ｖｇの印可が停止され、電源電圧制限回路２３により電源電圧が低減され、放電回路２４により平滑コンデンサＣに蓄積された電荷が放電される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＩＧＢＴ素子を保護する過電流保護装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ：Insulated Gate Bipolar Transistor）素子を保護する過電流保護装置に関連する技術として、下記特許文献１に開示される半導体装置が知られている。この半導体装置は、ＩＧＢＴ素子に対する過電流制限回路および過電流保護回路を備えており、負荷短絡の発生時には過電流制限回路が先に動作して短絡電流を制限し、その後一定時間遅れて過電流保護回路が確実に動作して短絡電流を遮断する。これにより、過電流の検出感度が低い過電流保護回路を備えた半導体装置であっても過電流保護回路の動作が不安定になるという問題点を排除している。
【０００３】
また、下記特許文献２に開示されるＩＧＢＴインバータの過電流保護回路は、ＩＧＢＴを主回路スイッチング素子とするブリッジ構成のインバータにおける過電流状態をその負極側（または正極側）直流入力端通過総合電流の増大変化より直ちに検出すると共にＩＧＢＴの通電電流を適当な低減値となす所定のゲート電圧の指定信号を過電流検出信号として出力する１組の過電流検出回路と、検出回路の出力信号を受けてから所定の時間後にインバータ主回路の全ＩＧＢＴに対してゲート遮断信号を出力するゲート遮断制御回路と、を備えている。そして、過電流状態の発生時には、先ず、過電流検出回路の出力信号をインバータの下アーム（または上アーム）の各ＩＧＢＴのゲートに信号分配回路を介して一斉に与えて上下両アームのＩＧＢＴを共に経由して通電するインバータ電流の適当値までの低減を行う。これにより、各ＩＧＢＴにおける許容動作時間の延長を図り、続いてゲート遮断制御回路により全ＩＧＢＴに対する所定時間後のゲート遮断を行って各ＩＧＢＴに対する過電流保護を行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許３１２５６２２号公報
【特許文献２】特開平０５−００３６８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、従来の短絡保護では短絡判定後にゲートをオフしてＩＧＢＴ素子をターンオフすることで十分短絡保護することができた。これは従来のインバータに使用していたＩＧＢＴ素子が、上記動作により素子にかかる短絡エネルギーに対して、十分な熱容量を持っていたからである。しかしながら、近年のＩＧＢＴ素子では、低損失化のため素子の薄板化・小型化が進み素子の熱容量が低下したために、過電流遮断開始の前に破壊したり、あるいはＩＧＢＴ素子が一旦ターンオフしても数百μｓｅｃ〜数ｍｓｅｃ後に熱による素子破壊を起こす問題が生じている。
【０００６】
このＩＧＢＴ素子が一旦ターンオフしても数百μｓｅｃ〜数ｍｓｅｃ後に素子破壊する原因は、短絡時の発熱により増加したリーク電流が、素子裏面（ＩＧＢＴ素子におけるコレクタ）をエミッタとするＰＮＰトランジスタのベース電流となることで、裏面Ｐ型からのホール注入が増大する現象で、放熱による素子温度の低下（リーク電流の低下）よりも、リーク電流の増加による発熱が多い場合、更にリーク電流が増加して最終的に素子破壊に至るからである。
【０００７】
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、ＩＧＢＴ素子の短絡耐量を向上させ得る過電流保護装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、特許請求の範囲に記載の請求項１の過電流保護装置では、ＩＧＢＴ素子に対する過電流を検出する検出手段を備え、この検出手段により前記過電流が検出されると前記ＩＧＢＴ素子を保護する過電流保護装置であって、前記ＩＧＢＴ素子にゲート電圧を印可する駆動回路に対してオフ信号を出力することで当該ゲート電圧の印可を停止可能な保護回路と、前記ＩＧＢＴ素子により電源電圧がスイッチングされる電源の当該電源電圧を制御可能な電源電圧制御回路と、前記電源に並列接続されて前記電源電圧を平滑化する平滑コンデンサに蓄積された電荷を放電可能な放電回路と、を備え、前記検出手段により前記過電流が検出されると、前記保護回路により前記ゲート電圧の印可が停止され、前記電源電圧制御回路により前記電源電圧が低減され、前記放電回路により前記平滑コンデンサに蓄積された電荷が放電されることを特徴とする。
【０００９】
請求項２の発明は、請求項１に記載の過電流保護装置において、前記検出手段により前記過電流が検出されることで前記保護回路により前記ゲート電圧の印可が停止され、前記ＩＧＢＴ素子がターンオフした後に、前記検出手段により当該ＩＧＢＴ素子のリーク電流の増加が検出されると、前記電源電圧制御回路により前記電源電圧が低減され、前記放電回路により前記平滑コンデンサに蓄積された電荷が放電されることを特徴とする。
【００１０】
請求項３の発明は、請求項１または２に記載の過電流保護装置において、前記電源は、電池とこの電池の電圧を昇圧する昇圧回路とからなり、前記電源電圧制御回路は、前記昇圧回路による昇圧を停止することで、前記電源電圧を低減することを特徴とする。
【００１１】
請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の過電流保護装置において、前記ＩＧＢＴ素子は、導通損失低減のために素子基板厚さを薄く設計し、空乏層の拡がりを止めるためのフィールドストップ層を有するように構成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１の発明では、ＩＧＢＴ素子にゲート電圧を印可する駆動回路に対してオフ信号を出力することで当該ゲート電圧の印可を停止可能な保護回路と、電源の電源電圧を制御可能な電源電圧制御回路と、電源電圧を平滑化する平滑コンデンサに蓄積された電荷を放電可能な放電回路と、が設けられている。そして、検出手段により過電流が検出されると、保護回路によりゲート電圧の印可が停止され、電源電圧制御回路により電源電圧が低減され、放電回路により平滑コンデンサに蓄積された電荷が放電される。
【００１３】
これにより、短絡直後に電源電圧、すなわち、保護対象であるＩＧＢＴ素子のＣＥ間電圧が低減されることとなるので、上述のようなリーク電流の増加が抑制されて、熱暴走の発生が防止される。
したがって、ＩＧＢＴ素子の短絡耐量を向上させることができる。
【００１４】
請求項２の発明では、電源電圧制御回路は、検出手段により過電流が検出されることで保護回路によりゲート電圧の印可が停止され、ＩＧＢＴ素子がターンオフした後に、検出手段によりリーク電流の増加が検出されると、電源電圧を低減する。
【００１５】
ＩＧＢＴ素子の熱容量が高いか放熱性が高く、短絡保護回路の遮断能力がＩＧＢＴ素子の短絡耐量を上回る場合には、過電流判定後にゲート電圧の印可を停止するのみで、放熱等による素子温度の低下がリーク電流の増加による発熱を上回るため、検出手段により検出される電流が増加することもない。この場合には、ＩＧＢＴ素子を保護するために電源電圧を低減させる必要や放電回路により平滑コンデンサに蓄積された電荷を放電する必要がないので、不要な電源電圧の低減や平滑コンデンサの放電をなくすことができる。
【００１６】
請求項３の発明では、電源電圧制御回路は、昇圧回路による昇圧を停止することで、電源電圧が低減されるため、容易に電源電圧を低減することができる。また、電源電圧の復帰も容易であるため、インバータのうち正常動作素子による相のみを使用した緊急時の退避走行を可能にできる。
【００１７】
請求項４の発明では、ＩＧＢＴ素子は、空乏層の拡がりを止めるためのフィールドストップ層を有するように構成されている。この場合、シリコンの基板の厚さが例えば昇圧も含め１０００Ｖ程度の電源を使用した場合１５０μｍ以下程度に薄くなるが、厚さが薄いために当該ＩＧＢＴ素子の熱容量が小さくなっても上述のようなリーク電流の増加が抑制されて、熱暴走の発生を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１実施形態に係る過電流保護装置を採用したインバータの構成を示すブロック図である。
【図２】図１の過電流保護装置が作動した状態でのＣＥ間電圧の変化を説明するためのグラフである。
【図３】第２実施形態に係る過電流保護装置を採用したインバータの構成を示すブロック図である。
【図４】図３の過電流保護装置が作動した状態でのＣＥ間電圧の変化を説明するためのグラフである。
【図５】第３実施形態に係る過電流保護装置を採用したインバータの構成を示すブロック図である。
【図６】図５の過電流保護装置が作動した状態でのＣＥ間電圧の変化を説明するためのグラフである。
【図７】第４実施形態に係る過電流保護装置を採用したインバータの構成を示すブロック図である。
【図８】図７の過電流保護装置が作動した状態でのＣＥ間電圧の変化を説明するためのグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の第１実施形態に係る過電流保護装置について、図面を参照して説明する。図１は、第１実施形態に係る過電流保護装置２０を採用したインバータ回路１０の構成を示すブロック図である。
【００２０】
図１に示す過電流保護装置２０は、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ：Insulated Gate Bipolar Transistor）を利用した３相インバータ回路１０に対する短絡保護を実現するための装置である。このインバータ回路１０は、例えば、電気自動車に搭載されて、当該電気自動車の駆動源である３相のモータＭ等の負荷に対して、直流電源Ｅの電源電圧を変換して３相交流電圧を印可する回路として構成されている。ここで、直流電源Ｅの電源電圧は、当該直流電源Ｅに並列接続される平滑コンデンサＣにより平滑化されて、インバータ回路１０に供給されている。
【００２１】
まず、インバータ回路１０について説明する。
インバータ回路１０は、６つのＩＧＢＴ１１ａ〜１１ｆを備えており、ＩＧＢＴ１１ａおよびＩＧＢＴ１１ｂ（Ｕ相アーム）が直列接続され、ＩＧＢＴ１１ｃおよびＩＧＢＴ１１ｄ（Ｖ相アーム）が直列接続され、ＩＧＢＴ１１ｅおよびＩＧＢＴ１１ｆ（Ｗ相アーム）が直列接続されて構成されている。
【００２２】
各ＩＧＢＴ１１ａ〜１１ｆは、空乏層の拡がりを止めるためのフィールドストップ層（ＦＳ層）を有するようにそれぞれ構成されている。このため、各ＩＧＢＴ１１ａ〜１１ｆの厚さは、例えば、昇圧も含め１０００Ｖ程度の電源を使用したインバータ回路の場合１５０μｍ以下程度に薄く形成されている。
【００２３】
そして、ＩＧＢＴ１１ａおよびＩＧＢＴ１１ｂは、直列接続する接続点がモータＭのＵ相に接続され、ＩＧＢＴ１１ｃおよびＩＧＢＴ１１ｄは、直列接続する接続点がモータＭのＶ相に接続され、ＩＧＢＴ１１ｅおよびＩＧＢＴ１１ｆは、直列接続する接続点がモータＭのＷ相に接続されている。
【００２４】
上述のように平滑化された電源電圧は、ゲート駆動回路１５から各ＩＧＢＴ１１ａ〜１１ｆのゲートにそれぞれ印可されるゲート電圧Ｖｇのタイミングに応じてこれら各ＩＧＢＴ１１ａ〜１１ｆが所定のタイミングでスイッチング動作することによって、３相交流電圧に変換されてモータＭに供給される。これにより、モータＭが駆動されることとなる。
【００２５】
次に、過電流保護装置２０について説明する。
過電流保護装置２０は、インバータ回路１０を構成する各ＩＧＢＴ１１ａ〜１１ｆ等に対して短絡保護するための装置であって、電流検出部２１と、保護回路２２と、電源電圧制限回路２３と、放電回路２４とを備えている。なお、図１では、便宜上、ＩＧＢＴ１１ｂのみに対して過電流保護装置２０を図示している。このような過電流保護装置２０は、各ＩＧＢＴ１１ａ〜１１ｆに対してそれぞれ設けられるものとする。
【００２６】
電流検出部２１は、各ＩＧＢＴ１１ａ〜１１ｆのセンス端子１２に接続された抵抗２１ａ，２１ｂの直列回路から構成されている。この電流検出部２１の分圧端子２１ｃがトランジスタ２５のベースに接続されており、分圧電圧がトランジスタ２５の動作電圧を超えると当該トランジスタ２５がオン状態となり、対応するＩＧＢＴの駆動電圧が定電圧ダイオード２６の逆導通電圧で決まる一定電圧に低減される。
【００２７】
保護回路２２は、電流検出部２１の入力端に接続されており、抵抗２１ａ，２１ｂの直列回路からなる電流検出部２１の全電圧降下が、過電流が発生したとみなされる所定の閾値以上となると、短絡等により過電流が流れたと判断して、ゲート駆動回路１５に対してオフ信号を出力することで、当該ゲート駆動回路１５のゲート電圧Ｖｇをオフ（０Ｖ）にするように構成されている。さらに、保護回路２２は、電源電圧制限回路２３および放電回路２４に接続されており、上述のように過電流が流れたと判断されると、電源電圧制限回路２３に対して制限信号を出力するとともに、放電回路２４に対して放電信号を出力するように構成されている。
【００２８】
電源電圧制限回路２３は、直流電源Ｅからの電源電圧を制限するための回路であって、本実施形態では、保護回路２２から入力される制限信号に応じて、直流電源Ｅからの電力供給を遮断して電源電圧を０Ｖにするように構成されている。なお、電源電圧制限回路２３として、例えば、ヒューズを採用し、このヒューズを遮断することで直流電源Ｅからの電力供給を遮断してもよい。
【００２９】
放電回路２４は、平滑コンデンサＣに蓄積された電荷を放電するため回路であって、平滑コンデンサＣに並列に接続されるＩＧＢＴ２４ａおよび抵抗２４ｂと、ＩＧＢＴ２４ａにゲート電圧を印可する放電装置駆動回路２４ｃとを備えている。この放電回路２４は、保護回路２２から入力される放電信号に応じて、放電装置駆動回路２４ｃによりＩＧＢＴ２４ａにゲート電圧を印可して、平滑コンデンサＣに蓄積された電荷を抵抗２４ａを介して放電するように構成されている。
【００３０】
このように構成される過電流保護装置２０では、電流検出部２１によりその全電圧降下が上記所定の閾値以上となり過電流が検出されると、各ＩＧＢＴ１１ａ〜１１ｆの少なくともいずれかにおけるリーク電流の増加を抑制するために、ゲート電圧Ｖｇをオフ（０Ｖ）にするとともに、各ＩＧＢＴ１１ａ〜１１ｆの主端子間（コレクタ−エミッタ間）の電圧（以下、ＣＥ間電圧Ｖｃｅともいう）、すなわち、電源電圧を低減する。
【００３１】
この理由について、図２を用いて詳述する。図２は、図１の過電流保護装置２０が作動した状態でのＣＥ間電圧Ｖｃｅの変化を説明するためのグラフである。
短絡時の発熱によりＩＧＢＴ内にて増加したリーク電流が、素子裏面（ＩＧＢＴにおけるコレクタ）をエミッタとするＰＮＰトランジスタのベース電流となることで、裏面Ｐ型からのホール注入が増大する現象で、放熱による素子温度の低下（リーク電流の低下）よりも、リーク電流の増加による発熱が多い場合、更にリーク電流が増加して最終的に素子破壊に至る場合がある。
【００３２】
そこで、本実施形態では、短絡検出時には、ゲート電圧Ｖｇをオフ（０Ｖ）にするとともに、各ＩＧＢＴ１１ａ〜１１ｆのＣＥ間電圧Ｖｃｅを低減する。具体的には、保護回路２２により、ゲート駆動回路１５にオフ信号が出力され、電源電圧制限回路２３に制限信号が出力され、放電回路２４に放電信号が出力される。
【００３３】
これにより、ゲート駆動回路１５のゲート電圧Ｖｇがオフ（０Ｖ）になり、直流電源Ｅからの電力供給が遮断されて電源電圧が０Ｖになり、平滑コンデンサＣに蓄積された電荷が放電される。このように、平滑コンデンサＣの電荷を放電する理由は、単に直流電源Ｅの電力供給を遮断しても、平滑コンデンサＣに蓄積された電荷に起因するＣＥ間電圧が、電荷が消費されるまでＣＥ間電圧が降下しながらもかかり続けるため、ＣＥ間電圧Ｖｃｅをリーク電流の増加を抑制するために必要な電圧値まで低減することができないからである。
【００３４】
このＣＥ間電圧Ｖｃｅの変化を図２を用いて説明する。
図２に示すように、ゲート電圧Ｖｇがオフ（０Ｖ）になり（図２に示す時刻ｔ１）、図２に示す時刻ｔ２にて直流電源Ｅからの電力供給が遮断され、放電回路２４による放電が開始されると、ＣＥ間電圧Ｖｃｅが減少していく。ＣＥ間電圧Ｖｃｅが半減するのにおよそ１０μｓｅｃかかり、およそ１００μｓｅｃ後には、１３％に低減する。なお、ＣＥ間電圧Ｖｃｅは、０Ｖまで低減させる必要はなく、リーク電流の増加を抑制するために必要な電圧値まで低減させればよい。
このようなＣＥ間電圧Ｖｃｅの低減により、上述のようなリーク電流の増加が抑制されて、熱暴走の発生が防止されることとなる。
【００３５】
以上説明したように、本実施形態に係る過電流保護装置２０では、各ＩＧＢＴ１１ａ〜１１ｆにゲート電圧Ｖｇを印可するゲート駆動回路１５に対してオフ信号を出力することで当該ゲート電圧Ｖｇの印可を停止可能な保護回路２２と、直流電源Ｅの電源電圧を制御可能な電源電圧制限回路２３と、電源電圧を平滑化する平滑コンデンサＣに蓄積された電荷を放電可能な放電回路２４と、が設けられている。そして、電流検出部２１により過電流が検出されると、保護回路２２によりゲート電圧Ｖｇの印可が停止され、電源電圧制限回路２３により電源電圧が低減され、放電回路２４により平滑コンデンサＣに蓄積された電荷が放電される。
【００３６】
これにより、短絡直後に電源電圧、すなわち、保護対象であるＩＧＢＴ１１ａ〜１１ｆのＣＥ間電圧Ｖｃｅが低減されることとなるので、上述のようなリーク電流の増加が抑制されて、熱暴走の発生が防止される。
したがって、熱容量が小さな各ＩＧＢＴ１１ａ〜１１ｆの短絡耐量を有効に使い切ることができ、我々のインバータ装置では、従来の素子のＣＥ間電圧を遮断しない保護回路に比べてインバータとしての短絡耐量を１０％向上させることができる。
【００３７】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係る過電流保護装置について図３および図４を参照して説明する。図３は、第２実施形態に係る過電流保護装置２０ａを採用したインバータ１０の構成を示すブロック図である。図４は、図３の過電流保護装置２０ａが作動した状態でのＣＥ間電圧の変化を説明するためのグラフである。
【００３８】
図３に示すように、本第２実施形態では、直流電源Ｅは、１次電池Ｅ１とこの１次電池Ｅ１の電圧Ｖｅを昇圧する昇圧回路Ｅ２とを備えており、本第２実施形態に係る過電流保護装置２０ａでは、電源電圧制限回路２３ａが保護回路２２から入力される制限信号に応じて、昇圧回路Ｅ２による昇圧を停止する点が、上記第１実施形態に係る過電流保護装置と主に異なる。なお、１次電池Ｅ１の電圧Ｖｅが、リーク電流の増加を抑制するために必要な電圧値よりも小さくなる電圧の範囲でこの発明の効果が得られる。この電圧の範囲は使用する素子の熱容量、短絡保護によるゲートオフまでの時間、平滑コンデンサの蓄積電化の消費速度、インバータの冷却性能によって決まる。
【００３９】
本実施形態では、過電流が検出されると、保護回路２２により、ゲート駆動回路１５にオフ信号が出力され、電源電圧制限回路２３ａに制限信号が出力され、放電回路２４に放電信号が出力される。これにより、ゲート電圧Ｖｇがオフ（０Ｖ）になり、昇圧回路Ｅ２による昇圧が停止され、平滑コンデンサの残存蓄積電荷量に応じて時間とともに昇圧前の１次電池Ｅ１の電圧Ｖｅまで減少する。なお、ＣＥ間電圧Ｖｃｅが電圧Ｖｅまで減少するまでにかかる時間は、１００μｓｅｃ未満である。
【００４０】
このようにＣＥ間電圧Ｖｃｅを低減しても、上述のようなリーク電流の増加が抑制されて、熱暴走の発生が防止されることとなる。
特に、昇圧回路Ｅ２による昇圧を停止することで電源電圧が低減されるため、容易に電源電圧を低減することができる。また、容易に昇圧を再開することもできる。
【００４１】
なお、昇圧回路Ｅ２は、保護回路２２から直接入力される制限信号に応じて、その昇圧を停止するように構成されてもよい。この場合、保護回路２２は、電源電圧制限回路としても機能することとなる。
【００４２】
［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態に係る過電流保護装置について図５および図６を参照して説明する。図５は、第３実施形態に係る過電流保護装置２０ｂを採用したインバータ１０の構成を示すブロック図である。図６は、図５の過電流保護装置２０ｂが作動した状態でのＣＥ間電圧の変化を説明するためのグラフである。
【００４３】
図５に示すように、本第３実施形態に係る過電流保護装置２０ｂは、リーク電流の増加を判定するためのリーク電流増加判定回路２７が新たに採用される点が、上記第１実施形態に係る過電流保護装置と主に異なる。
【００４４】
リーク電流増加判定回路２７は、保護回路２２に入力される過電流値等に応じて、対象のＩＧＢＴのリーク電流を検出し、このリーク電流が増加しているか否かを判定するための回路である。そして、リーク電流が増加していると判定されると、リーク電流増加判定回路２７により、電源電圧制限回路２３に制限信号が出力され、放電回路２４に放電信号が出力される。
【００４５】
本実施形態では、過電流が検出されると、保護回路２２により、ゲート駆動回路１５にオフ信号が出力されて、ゲート電圧Ｖｇがオフ（０Ｖ）になる。そして、対象のＩＧＢＴがターンオフした後に、リーク電流の増加がリーク電流増加判定回路２７により判定されると（図６に示す時刻ｔ３）、電源電圧制限回路２３に制限信号が出力されるとともに、放電回路２４に放電信号が出力され、ＣＥ間電圧Ｖｃｅが低減される。なお、ＣＥ間電圧Ｖｃｅが半減するのに更におよそ時刻ｔ３から１０μｓｅｃかかり、およそ１００μｓｅｃ後には、１３％に低減する。
【００４６】
一方、ＩＧＢＴ素子の熱容量が高いか放熱性が高いことからリーク電流が増加しないために、リーク電流の増加がリーク電流増加判定回路２７により判定されない場合には、制限信号や放電信号が出力されることもなく、電源電圧は低減されないこととなる。
【００４７】
このように、リーク電流が増加しにくいＩＧＢＴ素子が保護対象である場合には、短絡直後にゲート電圧Ｖｇの印可を停止すると、放熱等による素子温度の低下がリーク電流の増加による発熱を上回るため、電流検出部２１により検出される電流、すなわち、リーク電流が増加することもない。この場合には、ＩＧＢＴ素子を保護するために電源電圧を低減させる必要がないので、不要な電源電圧の低減をなくすことができる。
【００４８】
［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態に係る過電流保護装置について図７および図８を参照して説明する。図７は、第４実施形態に係る過電流保護装置２０ｃを採用したインバータ１０の構成を示すブロック図である。図８は、図７の過電流保護装置２０ｃが作動した状態でのＣＥ間電圧の変化を説明するためのグラフである。
【００４９】
図７に示すように、本第４実施形態では、直流電源Ｅは、１次電池Ｅ１とこの１次電池Ｅ１の電圧Ｖｅを昇圧する昇圧回路Ｅ３とを備えており、また、Ｅ３にはインバータ素子から１次電池の電圧を遮断する機能も備え、電源遮断回路Ｅ３としても機能する。本第４実施形態に係る過電流保護装置２０ｃでは、電源電圧制限回路２３ａが保護回路２２から入力される制限信号に応じて、昇圧回路Ｅ２による昇圧を停止する点が、上記第３実施形態に係る過電流保護装置と主に異なる。なお、１次電池Ｅ１の電圧Ｖｅは、リーク電流の増加を抑制するために必要な電圧値よりも小さくなるように設定されている。
【００５０】
本実施形態では、過電流が検出されると、保護回路２２により、ゲート駆動回路１５にオフ信号が出力されて、ゲート電圧Ｖｇがオフ（０Ｖ）になり、電源電圧制限回路２３ａに制限信号が出力されて昇圧・電源遮断回路Ｅ３による昇圧が停止され、放電回路２４に放電信号が出力されて放電が開始される。その後、リーク電流の増加がリーク電流増加判定回路２７により判定されると、昇圧・電源遮断回路Ｅ３が、電源電圧を遮断する。
【００５１】
この場合、図８に示すように、ＣＥ間電圧Ｖｃｅは、昇圧回路Ｅ２による昇圧が停止された後（図８に示す時刻ｔ４）から減少を始め、最も低下した場合、昇圧前の１次電池Ｅ１の電圧Ｖｅまで減少する。その低下までの間に、リーク電流の増加がリーク電流増加判定回路２７により判定されると（図８に示す時刻ｔ５）、昇圧・電源遮断回路Ｅ３に電源遮断信号が出力され、電源を遮断せず、昇圧のみ停止した場合に比べ高速にＣＥ間電圧Ｖｃｅが低減される。
【００５２】
一方、ＩＧＢＴ素子の熱容量が高いか放熱性が高いことからリーク電流が増加しないために、リーク電流の増加がリーク電流増加判定回路２７により判定されない場合には、昇圧・電源遮断回路Ｅ３に電源遮断信号が出力されることもなく、電源遮断をせずに短絡保護が達成できる。
【００５３】
このようにＣＥ間電圧Ｖｃｅを低減しても、上述のようなリーク電流の増加が抑制されて、熱暴走の発生が防止されることとなる。
特に、昇圧・電源遮断回路Ｅ３による昇圧を停止することで電源電圧が低減されるため、容易に電源電圧を低減することができ、たとえば電源遮断にヒューズを使用する場合など、電源遮断によるインバーター機能の回復困難な停止を不要にできる。
【００５４】
なお、昇圧・電源遮断回路Ｅ３は、保護回路２２から直接入力される制限信号に応じて、その昇圧を停止、または電源を遮断するように構成されてもよい。この場合、保護回路２２は、電源電圧制限回路としても機能することとなる。
【００５５】
なお、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、以下のように具体化してもよい。
（１）上記第１実施形態および第２実施形態において、保護回路２２から出力される制限信号および放電信号は、ゲート駆動回路１５に対するオフ信号の出力と同時であってもよいし、所定時間、例えば、１μｓｅｃ〜６０μｓｅｃ程度遅れて出力されてもよい。また、上記第４実施形態において、保護回路２２から出力される制限信号は、ゲート駆動回路１５に対するオフ信号の出力と同時であってもよいし、所定時間、例えば、１μｓｅｃ〜６０μｓｅｃ程度遅れて出力されてもよい。
【００５６】
（２）ＩＧＢＴ１１ａ〜１１ｆは、フィールドストップ層（ＦＳ層）を有するＩＧＢＴ素子に限らず、例えば、縦型のＩＧＢＴ素子とＦＷＤ素子（還流ダイオード素子）とが同一の半導体基板に構成された逆導通型半導体素子（ＲＣ−ＩＧＢＴ素子）であってもよい。
【符号の説明】
【００５７】
１０…インバータ回路
１１ａ〜１１ｆ…ＩＧＢＴ
１５…ゲート駆動回路
２０，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ…過電流保護装置
２１…電流検出部（検出手段）
２２…保護回路
２３，２３ａ…電源電圧制限回路
２４…放電回路
２７…リーク電流増加判定回路
Ｃ…平滑コンデンサ
Ｅ…直流電源（電源）
Ｅ１…１次電池
Ｅ２…昇圧回路
Ｅ３…昇圧・電源遮断回路
Ｍ…モータ
Ｖｃｅ…ＣＥ間電圧
Ｖｇ…ゲート電圧
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＩＧＢＴ素子を保護する過電流保護装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ：Insulated Gate Bipolar Transistor）素子を保護する過電流保護装置に関連する技術として、下記特許文献１に開示される半導体装置が知られている。この半導体装置は、ＩＧＢＴ素子に対する過電流制限回路および過電流保護回路を備えており、負荷短絡の発生時には過電流制限回路が先に動作して短絡電流を制限し、その後一定時間遅れて過電流保護回路が確実に動作して短絡電流を遮断する。これにより、過電流の検出感度が低い過電流保護回路を備えた半導体装置であっても過電流保護回路の動作が不安定になるという問題点を排除している。
【０００３】
また、下記特許文献２に開示されるＩＧＢＴインバータの過電流保護回路は、ＩＧＢＴを主回路スイッチング素子とするブリッジ構成のインバータにおける過電流状態をその負極側（または正極側）直流入力端通過総合電流の増大変化より直ちに検出すると共にＩＧＢＴの通電電流を適当な低減値となす所定のゲート電圧の指定信号を過電流検出信号として出力する１組の過電流検出回路と、検出回路の出力信号を受けてから所定の時間後にインバータ主回路の全ＩＧＢＴに対してゲート遮断信号を出力するゲート遮断制御回路と、を備えている。そして、過電流状態の発生時には、先ず、過電流検出回路の出力信号をインバータの下アーム（または上アーム）の各ＩＧＢＴのゲートに信号分配回路を介して一斉に与えて上下両アームのＩＧＢＴを共に経由して通電するインバータ電流の適当値までの低減を行う。これにより、各ＩＧＢＴにおける許容動作時間の延長を図り、続いてゲート遮断制御回路により全ＩＧＢＴに対する所定時間後のゲート遮断を行って各ＩＧＢＴに対する過電流保護を行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許３１２５６２２号公報
【特許文献２】特開平０５−００３６８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、従来の短絡保護では短絡判定後にゲートをオフしてＩＧＢＴ素子をターンオフすることで十分短絡保護することができた。これは従来のインバータに使用していたＩＧＢＴ素子が、上記動作により素子にかかる短絡エネルギーに対して、十分な熱容量を持っていたからである。しかしながら、近年のＩＧＢＴ素子では、低損失化のため素子の薄板化・小型化が進み素子の熱容量が低下したために、過電流遮断開始の前に破壊したり、あるいはＩＧＢＴ素子が一旦ターンオフしても数百μｓｅｃ〜数ｍｓｅｃ後に熱による素子破壊を起こす問題が生じている。
【０００６】
このＩＧＢＴ素子が一旦ターンオフしても数百μｓｅｃ〜数ｍｓｅｃ後に素子破壊する原因は、短絡時の発熱により増加したリーク電流が、素子裏面（ＩＧＢＴ素子におけるコレクタ）をエミッタとするＰＮＰトランジスタのベース電流となることで、裏面Ｐ型からのホール注入が増大する現象で、放熱による素子温度の低下（リーク電流の低下）よりも、リーク電流の増加による発熱が多い場合、更にリーク電流が増加して最終的に素子破壊に至るからである。
【０００７】
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、ＩＧＢＴ素子の短絡耐量を向上させ得る過電流保護装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、特許請求の範囲に記載の請求項１の過電流保護装置では、ＩＧＢＴ素子に対する過電流を検出する検出手段を備え、この検出手段により前記過電流が検出されると前記ＩＧＢＴ素子を保護する過電流保護装置であって、前記ＩＧＢＴ素子にゲート電圧を印可する駆動回路に対してオフ信号を出力することで当該ゲート電圧の印可を停止可能な保護回路と、前記ＩＧＢＴ素子により電源電圧がスイッチングされる電源の当該電源電圧を制御可能な電源電圧制御回路と、前記電源に並列接続されて前記電源電圧を平滑化する平滑コンデンサに蓄積された電荷を放電可能な放電回路と、を備え、前記検出手段により前記過電流が検出されると、前記保護回路により前記ゲート電圧の印可が停止され、前記電源電圧制御回路により前記電源電圧が低減され、前記放電回路により前記平滑コンデンサに蓄積された電荷が放電されることを特徴とする。
【０００９】
請求項２の発明は、請求項１に記載の過電流保護装置において、前記検出手段により前記過電流が検出されることで前記保護回路により前記ゲート電圧の印可が停止され、前記ＩＧＢＴ素子がターンオフした後に、前記検出手段により当該ＩＧＢＴ素子のリーク電流の増加が検出されると、前記電源電圧制御回路により前記電源電圧が低減され、前記放電回路により前記平滑コンデンサに蓄積された電荷が放電されることを特徴とする。
【００１０】
請求項３の発明は、請求項１または２に記載の過電流保護装置において、前記電源は、電池とこの電池の電圧を昇圧する昇圧回路とからなり、前記電源電圧制御回路は、前記昇圧回路による昇圧を停止することで、前記電源電圧を低減することを特徴とする。
【００１１】
請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の過電流保護装置において、前記ＩＧＢＴ素子は、導通損失低減のために素子基板厚さを薄く設計し、空乏層の拡がりを止めるためのフィールドストップ層を有するように構成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１の発明では、ＩＧＢＴ素子にゲート電圧を印可する駆動回路に対してオフ信号を出力することで当該ゲート電圧の印可を停止可能な保護回路と、電源の電源電圧を制御可能な電源電圧制御回路と、電源電圧を平滑化する平滑コンデンサに蓄積された電荷を放電可能な放電回路と、が設けられている。そして、検出手段により過電流が検出されると、保護回路によりゲート電圧の印可が停止され、電源電圧制御回路により電源電圧が低減され、放電回路により平滑コンデンサに蓄積された電荷が放電される。
【００１３】
これにより、短絡直後に電源電圧、すなわち、保護対象であるＩＧＢＴ素子のＣＥ間電圧が低減されることとなるので、上述のようなリーク電流の増加が抑制されて、熱暴走の発生が防止される。
したがって、ＩＧＢＴ素子の短絡耐量を向上させることができる。
【００１４】
請求項２の発明では、電源電圧制御回路は、検出手段により過電流が検出されることで保護回路によりゲート電圧の印可が停止され、ＩＧＢＴ素子がターンオフした後に、検出手段によりリーク電流の増加が検出されると、電源電圧を低減する。
【００１５】
ＩＧＢＴ素子の熱容量が高いか放熱性が高く、短絡保護回路の遮断能力がＩＧＢＴ素子の短絡耐量を上回る場合には、過電流判定後にゲート電圧の印可を停止するのみで、放熱等による素子温度の低下がリーク電流の増加による発熱を上回るため、検出手段により検出される電流が増加することもない。この場合には、ＩＧＢＴ素子を保護するために電源電圧を低減させる必要や放電回路により平滑コンデンサに蓄積された電荷を放電する必要がないので、不要な電源電圧の低減や平滑コンデンサの放電をなくすことができる。
【００１６】
請求項３の発明では、電源電圧制御回路は、昇圧回路による昇圧を停止することで、電源電圧が低減されるため、容易に電源電圧を低減することができる。また、電源電圧の復帰も容易であるため、インバータのうち正常動作素子による相のみを使用した緊急時の退避走行を可能にできる。
【００１７】
請求項４の発明では、ＩＧＢＴ素子は、空乏層の拡がりを止めるためのフィールドストップ層を有するように構成されている。この場合、シリコンの基板の厚さが例えば昇圧も含め１０００Ｖ程度の電源を使用した場合１５０μｍ以下程度に薄くなるが、厚さが薄いために当該ＩＧＢＴ素子の熱容量が小さくなっても上述のようなリーク電流の増加が抑制されて、熱暴走の発生を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１実施形態に係る過電流保護装置を採用したインバータの構成を示すブロック図である。
【図２】図１の過電流保護装置が作動した状態でのＣＥ間電圧の変化を説明するためのグラフである。
【図３】第２実施形態に係る過電流保護装置を採用したインバータの構成を示すブロック図である。
【図４】図３の過電流保護装置が作動した状態でのＣＥ間電圧の変化を説明するためのグラフである。
【図５】第３実施形態に係る過電流保護装置を採用したインバータの構成を示すブロック図である。
【図６】図５の過電流保護装置が作動した状態でのＣＥ間電圧の変化を説明するためのグラフである。
【図７】第４実施形態に係る過電流保護装置を採用したインバータの構成を示すブロック図である。
【図８】図７の過電流保護装置が作動した状態でのＣＥ間電圧の変化を説明するためのグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の第１実施形態に係る過電流保護装置について、図面を参照して説明する。図１は、第１実施形態に係る過電流保護装置２０を採用したインバータ回路１０の構成を示すブロック図である。
【００２０】
図１に示す過電流保護装置２０は、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ：Insulated Gate Bipolar Transistor）を利用した３相インバータ回路１０に対する短絡保護を実現するための装置である。このインバータ回路１０は、例えば、電気自動車に搭載されて、当該電気自動車の駆動源である３相のモータＭ等の負荷に対して、直流電源Ｅの電源電圧を変換して３相交流電圧を印可する回路として構成されている。ここで、直流電源Ｅの電源電圧は、当該直流電源Ｅに並列接続される平滑コンデンサＣにより平滑化されて、インバータ回路１０に供給されている。
【００２１】
まず、インバータ回路１０について説明する。
インバータ回路１０は、６つのＩＧＢＴ１１ａ〜１１ｆを備えており、ＩＧＢＴ１１ａおよびＩＧＢＴ１１ｂ（Ｕ相アーム）が直列接続され、ＩＧＢＴ１１ｃおよびＩＧＢＴ１１ｄ（Ｖ相アーム）が直列接続され、ＩＧＢＴ１１ｅおよびＩＧＢＴ１１ｆ（Ｗ相アーム）が直列接続されて構成されている。
【００２２】
各ＩＧＢＴ１１ａ〜１１ｆは、空乏層の拡がりを止めるためのフィールドストップ層（ＦＳ層）を有するようにそれぞれ構成されている。このため、各ＩＧＢＴ１１ａ〜１１ｆの厚さは、例えば、昇圧も含め１０００Ｖ程度の電源を使用したインバータ回路の場合１５０μｍ以下程度に薄く形成されている。
【００２３】
そして、ＩＧＢＴ１１ａおよびＩＧＢＴ１１ｂは、直列接続する接続点がモータＭのＵ相に接続され、ＩＧＢＴ１１ｃおよびＩＧＢＴ１１ｄは、直列接続する接続点がモータＭのＶ相に接続され、ＩＧＢＴ１１ｅおよびＩＧＢＴ１１ｆは、直列接続する接続点がモータＭのＷ相に接続されている。
【００２４】
上述のように平滑化された電源電圧は、ゲート駆動回路１５から各ＩＧＢＴ１１ａ〜１１ｆのゲートにそれぞれ印可されるゲート電圧Ｖｇのタイミングに応じてこれら各ＩＧＢＴ１１ａ〜１１ｆが所定のタイミングでスイッチング動作することによって、３相交流電圧に変換されてモータＭに供給される。これにより、モータＭが駆動されることとなる。
【００２５】
次に、過電流保護装置２０について説明する。
過電流保護装置２０は、インバータ回路１０を構成する各ＩＧＢＴ１１ａ〜１１ｆ等に対して短絡保護するための装置であって、電流検出部２１と、保護回路２２と、電源電圧制限回路２３と、放電回路２４とを備えている。なお、図１では、便宜上、ＩＧＢＴ１１ｂのみに対して過電流保護装置２０を図示している。このような過電流保護装置２０は、各ＩＧＢＴ１１ａ〜１１ｆに対してそれぞれ設けられるものとする。
【００２６】
電流検出部２１は、各ＩＧＢＴ１１ａ〜１１ｆのセンス端子１２に接続された抵抗２１ａ，２１ｂの直列回路から構成されている。この電流検出部２１の分圧端子２１ｃがトランジスタ２５のベースに接続されており、分圧電圧がトランジスタ２５の動作電圧を超えると当該トランジスタ２５がオン状態となり、対応するＩＧＢＴの駆動電圧が定電圧ダイオード２６の逆導通電圧で決まる一定電圧に低減される。
【００２７】
保護回路２２は、電流検出部２１の入力端に接続されており、抵抗２１ａ，２１ｂの直列回路からなる電流検出部２１の全電圧降下が、過電流が発生したとみなされる所定の閾値以上となると、短絡等により過電流が流れたと判断して、ゲート駆動回路１５に対してオフ信号を出力することで、当該ゲート駆動回路１５のゲート電圧Ｖｇをオフ（０Ｖ）にするように構成されている。さらに、保護回路２２は、電源電圧制限回路２３および放電回路２４に接続されており、上述のように過電流が流れたと判断されると、電源電圧制限回路２３に対して制限信号を出力するとともに、放電回路２４に対して放電信号を出力するように構成されている。
【００２８】
電源電圧制限回路２３は、直流電源Ｅからの電源電圧を制限するための回路であって、本実施形態では、保護回路２２から入力される制限信号に応じて、直流電源Ｅからの電力供給を遮断して電源電圧を０Ｖにするように構成されている。なお、電源電圧制限回路２３として、例えば、ヒューズを採用し、このヒューズを遮断することで直流電源Ｅからの電力供給を遮断してもよい。
【００２９】
放電回路２４は、平滑コンデンサＣに蓄積された電荷を放電するため回路であって、平滑コンデンサＣに並列に接続されるＩＧＢＴ２４ａおよび抵抗２４ｂと、ＩＧＢＴ２４ａにゲート電圧を印可する放電装置駆動回路２４ｃとを備えている。この放電回路２４は、保護回路２２から入力される放電信号に応じて、放電装置駆動回路２４ｃによりＩＧＢＴ２４ａにゲート電圧を印可して、平滑コンデンサＣに蓄積された電荷を抵抗２４ａを介して放電するように構成されている。
【００３０】
このように構成される過電流保護装置２０では、電流検出部２１によりその全電圧降下が上記所定の閾値以上となり過電流が検出されると、各ＩＧＢＴ１１ａ〜１１ｆの少なくともいずれかにおけるリーク電流の増加を抑制するために、ゲート電圧Ｖｇをオフ（０Ｖ）にするとともに、各ＩＧＢＴ１１ａ〜１１ｆの主端子間（コレクタ−エミッタ間）の電圧（以下、ＣＥ間電圧Ｖｃｅともいう）、すなわち、電源電圧を低減する。
【００３１】
この理由について、図２を用いて詳述する。図２は、図１の過電流保護装置２０が作動した状態でのＣＥ間電圧Ｖｃｅの変化を説明するためのグラフである。
短絡時の発熱によりＩＧＢＴ内にて増加したリーク電流が、素子裏面（ＩＧＢＴにおけるコレクタ）をエミッタとするＰＮＰトランジスタのベース電流となることで、裏面Ｐ型からのホール注入が増大する現象で、放熱による素子温度の低下（リーク電流の低下）よりも、リーク電流の増加による発熱が多い場合、更にリーク電流が増加して最終的に素子破壊に至る場合がある。
【００３２】
そこで、本実施形態では、短絡検出時には、ゲート電圧Ｖｇをオフ（０Ｖ）にするとともに、各ＩＧＢＴ１１ａ〜１１ｆのＣＥ間電圧Ｖｃｅを低減する。具体的には、保護回路２２により、ゲート駆動回路１５にオフ信号が出力され、電源電圧制限回路２３に制限信号が出力され、放電回路２４に放電信号が出力される。
【００３３】
これにより、ゲート駆動回路１５のゲート電圧Ｖｇがオフ（０Ｖ）になり、直流電源Ｅからの電力供給が遮断されて電源電圧が０Ｖになり、平滑コンデンサＣに蓄積された電荷が放電される。このように、平滑コンデンサＣの電荷を放電する理由は、単に直流電源Ｅの電力供給を遮断しても、平滑コンデンサＣに蓄積された電荷に起因するＣＥ間電圧が、電荷が消費されるまでＣＥ間電圧が降下しながらもかかり続けるため、ＣＥ間電圧Ｖｃｅをリーク電流の増加を抑制するために必要な電圧値まで低減することができないからである。
【００３４】
このＣＥ間電圧Ｖｃｅの変化を図２を用いて説明する。
図２に示すように、ゲート電圧Ｖｇがオフ（０Ｖ）になり（図２に示す時刻ｔ１）、図２に示す時刻ｔ２にて直流電源Ｅからの電力供給が遮断され、放電回路２４による放電が開始されると、ＣＥ間電圧Ｖｃｅが減少していく。ＣＥ間電圧Ｖｃｅが半減するのにおよそ１０μｓｅｃかかり、およそ１００μｓｅｃ後には、１３％に低減する。なお、ＣＥ間電圧Ｖｃｅは、０Ｖまで低減させる必要はなく、リーク電流の増加を抑制するために必要な電圧値まで低減させればよい。
このようなＣＥ間電圧Ｖｃｅの低減により、上述のようなリーク電流の増加が抑制されて、熱暴走の発生が防止されることとなる。
【００３５】
以上説明したように、本実施形態に係る過電流保護装置２０では、各ＩＧＢＴ１１ａ〜１１ｆにゲート電圧Ｖｇを印可するゲート駆動回路１５に対してオフ信号を出力することで当該ゲート電圧Ｖｇの印可を停止可能な保護回路２２と、直流電源Ｅの電源電圧を制御可能な電源電圧制限回路２３と、電源電圧を平滑化する平滑コンデンサＣに蓄積された電荷を放電可能な放電回路２４と、が設けられている。そして、電流検出部２１により過電流が検出されると、保護回路２２によりゲート電圧Ｖｇの印可が停止され、電源電圧制限回路２３により電源電圧が低減され、放電回路２４により平滑コンデンサＣに蓄積された電荷が放電される。
【００３６】
これにより、短絡直後に電源電圧、すなわち、保護対象であるＩＧＢＴ１１ａ〜１１ｆのＣＥ間電圧Ｖｃｅが低減されることとなるので、上述のようなリーク電流の増加が抑制されて、熱暴走の発生が防止される。
したがって、熱容量が小さな各ＩＧＢＴ１１ａ〜１１ｆの短絡耐量を有効に使い切ることができ、我々のインバータ装置では、従来の素子のＣＥ間電圧を遮断しない保護回路に比べてインバータとしての短絡耐量を１０％向上させることができる。
【００３７】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係る過電流保護装置について図３および図４を参照して説明する。図３は、第２実施形態に係る過電流保護装置２０ａを採用したインバータ１０の構成を示すブロック図である。図４は、図３の過電流保護装置２０ａが作動した状態でのＣＥ間電圧の変化を説明するためのグラフである。
【００３８】
図３に示すように、本第２実施形態では、直流電源Ｅは、１次電池Ｅ１とこの１次電池Ｅ１の電圧Ｖｅを昇圧する昇圧回路Ｅ２とを備えており、本第２実施形態に係る過電流保護装置２０ａでは、電源電圧制限回路２３ａが保護回路２２から入力される制限信号に応じて、昇圧回路Ｅ２による昇圧を停止する点が、上記第１実施形態に係る過電流保護装置と主に異なる。なお、１次電池Ｅ１の電圧Ｖｅが、リーク電流の増加を抑制するために必要な電圧値よりも小さくなる電圧の範囲でこの発明の効果が得られる。この電圧の範囲は使用する素子の熱容量、短絡保護によるゲートオフまでの時間、平滑コンデンサの蓄積電化の消費速度、インバータの冷却性能によって決まる。
【００３９】
本実施形態では、過電流が検出されると、保護回路２２により、ゲート駆動回路１５にオフ信号が出力され、電源電圧制限回路２３ａに制限信号が出力され、放電回路２４に放電信号が出力される。これにより、ゲート電圧Ｖｇがオフ（０Ｖ）になり、昇圧回路Ｅ２による昇圧が停止され、平滑コンデンサの残存蓄積電荷量に応じて時間とともに昇圧前の１次電池Ｅ１の電圧Ｖｅまで減少する。なお、ＣＥ間電圧Ｖｃｅが電圧Ｖｅまで減少するまでにかかる時間は、１００μｓｅｃ未満である。
【００４０】
このようにＣＥ間電圧Ｖｃｅを低減しても、上述のようなリーク電流の増加が抑制されて、熱暴走の発生が防止されることとなる。
特に、昇圧回路Ｅ２による昇圧を停止することで電源電圧が低減されるため、容易に電源電圧を低減することができる。また、容易に昇圧を再開することもできる。
【００４１】
なお、昇圧回路Ｅ２は、保護回路２２から直接入力される制限信号に応じて、その昇圧を停止するように構成されてもよい。この場合、保護回路２２は、電源電圧制限回路としても機能することとなる。
【００４２】
［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態に係る過電流保護装置について図５および図６を参照して説明する。図５は、第３実施形態に係る過電流保護装置２０ｂを採用したインバータ１０の構成を示すブロック図である。図６は、図５の過電流保護装置２０ｂが作動した状態でのＣＥ間電圧の変化を説明するためのグラフである。
【００４３】
図５に示すように、本第３実施形態に係る過電流保護装置２０ｂは、リーク電流の増加を判定するためのリーク電流増加判定回路２７が新たに採用される点が、上記第１実施形態に係る過電流保護装置と主に異なる。
【００４４】
リーク電流増加判定回路２７は、保護回路２２に入力される過電流値等に応じて、対象のＩＧＢＴのリーク電流を検出し、このリーク電流が増加しているか否かを判定するための回路である。そして、リーク電流が増加していると判定されると、リーク電流増加判定回路２７により、電源電圧制限回路２３に制限信号が出力され、放電回路２４に放電信号が出力される。
【００４５】
本実施形態では、過電流が検出されると、保護回路２２により、ゲート駆動回路１５にオフ信号が出力されて、ゲート電圧Ｖｇがオフ（０Ｖ）になる。そして、対象のＩＧＢＴがターンオフした後に、リーク電流の増加がリーク電流増加判定回路２７により判定されると（図６に示す時刻ｔ３）、電源電圧制限回路２３に制限信号が出力されるとともに、放電回路２４に放電信号が出力され、ＣＥ間電圧Ｖｃｅが低減される。なお、ＣＥ間電圧Ｖｃｅが半減するのに更におよそ時刻ｔ３から１０μｓｅｃかかり、およそ１００μｓｅｃ後には、１３％に低減する。
【００４６】
一方、ＩＧＢＴ素子の熱容量が高いか放熱性が高いことからリーク電流が増加しないために、リーク電流の増加がリーク電流増加判定回路２７により判定されない場合には、制限信号や放電信号が出力されることもなく、電源電圧は低減されないこととなる。
【００４７】
このように、リーク電流が増加しにくいＩＧＢＴ素子が保護対象である場合には、短絡直後にゲート電圧Ｖｇの印可を停止すると、放熱等による素子温度の低下がリーク電流の増加による発熱を上回るため、電流検出部２１により検出される電流、すなわち、リーク電流が増加することもない。この場合には、ＩＧＢＴ素子を保護するために電源電圧を低減させる必要がないので、不要な電源電圧の低減をなくすことができる。
【００４８】
［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態に係る過電流保護装置について図７および図８を参照して説明する。図７は、第４実施形態に係る過電流保護装置２０ｃを採用したインバータ１０の構成を示すブロック図である。図８は、図７の過電流保護装置２０ｃが作動した状態でのＣＥ間電圧の変化を説明するためのグラフである。
【００４９】
図７に示すように、本第４実施形態では、直流電源Ｅは、１次電池Ｅ１とこの１次電池Ｅ１の電圧Ｖｅを昇圧する昇圧回路Ｅ３とを備えており、また、Ｅ３にはインバータ素子から１次電池の電圧を遮断する機能も備え、電源遮断回路Ｅ３としても機能する。本第４実施形態に係る過電流保護装置２０ｃでは、電源電圧制限回路２３ａが保護回路２２から入力される制限信号に応じて、昇圧回路Ｅ２による昇圧を停止する点が、上記第３実施形態に係る過電流保護装置と主に異なる。なお、１次電池Ｅ１の電圧Ｖｅは、リーク電流の増加を抑制するために必要な電圧値よりも小さくなるように設定されている。
【００５０】
本実施形態では、過電流が検出されると、保護回路２２により、ゲート駆動回路１５にオフ信号が出力されて、ゲート電圧Ｖｇがオフ（０Ｖ）になり、電源電圧制限回路２３ａに制限信号が出力されて昇圧・電源遮断回路Ｅ３による昇圧が停止され、放電回路２４に放電信号が出力されて放電が開始される。その後、リーク電流の増加がリーク電流増加判定回路２７により判定されると、昇圧・電源遮断回路Ｅ３が、電源電圧を遮断する。
【００５１】
この場合、図８に示すように、ＣＥ間電圧Ｖｃｅは、昇圧回路Ｅ２による昇圧が停止された後（図８に示す時刻ｔ４）から減少を始め、最も低下した場合、昇圧前の１次電池Ｅ１の電圧Ｖｅまで減少する。その低下までの間に、リーク電流の増加がリーク電流増加判定回路２７により判定されると（図８に示す時刻ｔ５）、昇圧・電源遮断回路Ｅ３に電源遮断信号が出力され、電源を遮断せず、昇圧のみ停止した場合に比べ高速にＣＥ間電圧Ｖｃｅが低減される。
【００５２】
一方、ＩＧＢＴ素子の熱容量が高いか放熱性が高いことからリーク電流が増加しないために、リーク電流の増加がリーク電流増加判定回路２７により判定されない場合には、昇圧・電源遮断回路Ｅ３に電源遮断信号が出力されることもなく、電源遮断をせずに短絡保護が達成できる。
【００５３】
このようにＣＥ間電圧Ｖｃｅを低減しても、上述のようなリーク電流の増加が抑制されて、熱暴走の発生が防止されることとなる。
特に、昇圧・電源遮断回路Ｅ３による昇圧を停止することで電源電圧が低減されるため、容易に電源電圧を低減することができ、たとえば電源遮断にヒューズを使用する場合など、電源遮断によるインバーター機能の回復困難な停止を不要にできる。
【００５４】
なお、昇圧・電源遮断回路Ｅ３は、保護回路２２から直接入力される制限信号に応じて、その昇圧を停止、または電源を遮断するように構成されてもよい。この場合、保護回路２２は、電源電圧制限回路としても機能することとなる。
【００５５】
なお、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、以下のように具体化してもよい。
（１）上記第１実施形態および第２実施形態において、保護回路２２から出力される制限信号および放電信号は、ゲート駆動回路１５に対するオフ信号の出力と同時であってもよいし、所定時間、例えば、１μｓｅｃ〜６０μｓｅｃ程度遅れて出力されてもよい。また、上記第４実施形態において、保護回路２２から出力される制限信号は、ゲート駆動回路１５に対するオフ信号の出力と同時であってもよいし、所定時間、例えば、１μｓｅｃ〜６０μｓｅｃ程度遅れて出力されてもよい。
【００５６】
（２）ＩＧＢＴ１１ａ〜１１ｆは、フィールドストップ層（ＦＳ層）を有するＩＧＢＴ素子に限らず、例えば、縦型のＩＧＢＴ素子とＦＷＤ素子（還流ダイオード素子）とが同一の半導体基板に構成された逆導通型半導体素子（ＲＣ−ＩＧＢＴ素子）であってもよい。
【符号の説明】
【００５７】
１０…インバータ回路
１１ａ〜１１ｆ…ＩＧＢＴ
１５…ゲート駆動回路
２０，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ…過電流保護装置
２１…電流検出部（検出手段）
２２…保護回路
２３，２３ａ…電源電圧制限回路
２４…放電回路
２７…リーク電流増加判定回路
Ｃ…平滑コンデンサ
Ｅ…直流電源（電源）
Ｅ１…１次電池
Ｅ２…昇圧回路
Ｅ３…昇圧・電源遮断回路
Ｍ…モータ
Ｖｃｅ…ＣＥ間電圧
Ｖｇ…ゲート電圧
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩＧＢＴ素子に対する過電流を検出する検出手段を備え、この検出手段により前記過電流が検出されると前記ＩＧＢＴ素子を保護する過電流保護装置であって、
前記ＩＧＢＴ素子にゲート電圧を印可する駆動回路に対してオフ信号を出力することで当該ゲート電圧の印可を停止可能な保護回路と、
前記ＩＧＢＴ素子により電源電圧がスイッチングされる電源の当該電源電圧を制御可能な電源電圧制御回路と、
前記電源に並列接続されて前記電源電圧を平滑化する平滑コンデンサに蓄積された電荷を放電可能な放電回路と、を備え、
前記検出手段により前記過電流が検出されると、前記保護回路により前記ゲート電圧の印可が停止され、前記電源電圧制御回路により前記電源電圧が低減され、前記放電回路により前記平滑コンデンサに蓄積された電荷が放電されることを特徴とする過電流保護装置。
【請求項２】
前記検出手段により前記過電流が検出されることで前記保護回路により前記ゲート電圧の印可が停止され、前記ＩＧＢＴ素子がターンオフした後に、前記検出手段により当該ＩＧＢＴ素子のリーク電流の増加が検出されると、前記電源電圧制御回路により前記電源電圧が低減され、前記放電回路により前記平滑コンデンサに蓄積された電荷が放電されることを特徴とする請求項１に記載の過電流保護装置。
【請求項３】
前記電源は、電池とこの電池の電圧を昇圧する昇圧回路とからなり、
前記電源電圧制御回路は、前記昇圧回路による昇圧を停止することで、前記電源電圧を低減することを特徴とする請求項１または２に記載の過電流保護装置。
【請求項４】
前記ＩＧＢＴ素子は、空乏層の拡がりを止めるためのフィールドストップ層を有するように構成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の過電流保護装置。
【請求項１】
ＩＧＢＴ素子に対する過電流を検出する検出手段を備え、この検出手段により前記過電流が検出されると前記ＩＧＢＴ素子を保護する過電流保護装置であって、
前記ＩＧＢＴ素子にゲート電圧を印可する駆動回路に対してオフ信号を出力することで当該ゲート電圧の印可を停止可能な保護回路と、
前記ＩＧＢＴ素子により電源電圧がスイッチングされる電源の当該電源電圧を制御可能な電源電圧制御回路と、
前記電源に並列接続されて前記電源電圧を平滑化する平滑コンデンサに蓄積された電荷を放電可能な放電回路と、を備え、
前記検出手段により前記過電流が検出されると、前記保護回路により前記ゲート電圧の印可が停止され、前記電源電圧制御回路により前記電源電圧が低減され、前記放電回路により前記平滑コンデンサに蓄積された電荷が放電されることを特徴とする過電流保護装置。
【請求項２】
前記検出手段により前記過電流が検出されることで前記保護回路により前記ゲート電圧の印可が停止され、前記ＩＧＢＴ素子がターンオフした後に、前記検出手段により当該ＩＧＢＴ素子のリーク電流の増加が検出されると、前記電源電圧制御回路により前記電源電圧が低減され、前記放電回路により前記平滑コンデンサに蓄積された電荷が放電されることを特徴とする請求項１に記載の過電流保護装置。
【請求項３】
前記電源は、電池とこの電池の電圧を昇圧する昇圧回路とからなり、
前記電源電圧制御回路は、前記昇圧回路による昇圧を停止することで、前記電源電圧を低減することを特徴とする請求項１または２に記載の過電流保護装置。
【請求項４】
前記ＩＧＢＴ素子は、空乏層の拡がりを止めるためのフィールドストップ層を有するように構成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の過電流保護装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−１５１５９２（Ｐ２０１２−１５１５９２Ａ）
【公開日】平成２４年８月９日（２０１２．８．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−７６６２（Ｐ２０１１−７６６２）
【出願日】平成２３年１月１８日（２０１１．１．１８）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月９日（２０１２．８．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月１８日（２０１１．１．１８）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
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