JP2008154372A

JP2008154372A - Power device short-circuit detecting circuit

Info

Publication number: JP2008154372A
Application number: JP2006339926A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Nakai; 靖博中井; Kiyobumi Watanabe; 清文渡辺
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2006-12-18
Filing date: 2006-12-18
Publication date: 2008-07-03

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a power device short-circuit detecting circuit which can detect a short-circuit fault, making use of the change between the gate and emitter of a power device leading to a drive board, being provided within a drive board for driving the power device. <P>SOLUTION: It is provided with the power device 1, a gate resistor 4 which is provided in the drive board 2 for driving the power device, and a short-circuit detecting circuit 5 which detects the power device having caused a short-circuit fault, making use of the ripple of necessary gate voltage, being provided between the gate and emitter of the power device. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

この発明は、ＩＧＢＴやＦＥＴなどの自励式電圧駆動パワーデバイスの短絡故障を検出するパワーデバイス短絡検出回路に関するものである。 The present invention relates to a power device short-circuit detection circuit that detects a short-circuit fault in a self-excited voltage-driven power device such as an IGBT or FET.

従来のパワーデバイスを用いた電力変換装置においては、パワーデバイスの短絡故障の対処方法として、デバイス内に電流センスＩＧＢＴチップやＲＴＣ回路を内蔵したパワーモジュールを用いて短絡電流をデバイス自体が絞る方法や、各パワーデバイスのゲート・エミッタ間へシャント抵抗を外付けして、その間の電圧異常を検出し、故障と判別して変換装置自体が停止する方法などがあった（例えば、特許文献１、２参照）。 In a power conversion device using a conventional power device, as a method of dealing with a short circuit failure of the power device, a method in which the device itself narrows down the short circuit current using a power module incorporating a current sense IGBT chip or RTC circuit in the device, There is a method in which a shunt resistor is externally connected between the gate and emitter of each power device, a voltage abnormality between them is detected, and the converter itself is stopped when it is determined as a failure (for example, Patent Documents 1 and 2). reference).

特開２００２−３１５３０３号公報JP 2002-315303 A 特開平６−１２０７８７号公報JP-A-6-120787

しかし、従来のパワーデバイスの短絡故障の対処方法では、各パワーモジュール内に過電流検出チップや検出回路を設けるため、パワーモジュールの小型化・低コスト化の弊害となり、また、各パワーモジュールへ外付けでゲート電圧異常検出回路を設けるため、回路の部品点数が多く、複雑化することになり、誤検出などドライブ回路の信頼性の低下となる恐れがあった。 However, in the conventional method for dealing with short-circuit faults in power devices, since an overcurrent detection chip and a detection circuit are provided in each power module, there is an adverse effect on downsizing and cost reduction of the power module. In addition, since the gate voltage abnormality detection circuit is provided, the number of parts of the circuit is increased and the circuit becomes complicated, and there is a possibility that the reliability of the drive circuit is deteriorated such as erroneous detection.

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、パワーデバイスを駆動するドライブ基板内に設け、ドライブ基板につながるパワーデバイスのゲート・エミッタ間電圧の変化を利用して短絡故障を検出することができるパワーデバイス短絡検出回路を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and is provided in a drive substrate that drives a power device, and a short-circuit failure is caused by utilizing a change in the gate-emitter voltage of the power device connected to the drive substrate. An object of the present invention is to provide a power device short circuit detection circuit capable of detecting.

この発明に係わるパワーデバイス短絡検出回路は、パワーデバイスを駆動するドライブ基板に設けられたゲート抵抗と、パワーデバイスのゲート・エミッタ間に設けられ、必要なゲート電圧の変動を利用してパワーデバイスが短絡故障を起こしたことを検出する短絡検出回路とを備えたものである。 A power device short-circuit detection circuit according to the present invention is provided between a gate resistor provided on a drive substrate for driving a power device and a gate and an emitter of the power device, and the power device is utilized by utilizing necessary gate voltage fluctuations. A short-circuit detection circuit for detecting that a short-circuit failure has occurred.

この発明によれば、抵抗・フォトカプラ・ダイオードといった部品で構成した短絡検出回路をドライブ基板へ設けることにより、単体のパワーデバイスでも、複数並列されたパワーデバイスでも、短絡故障を検出して、制御基板へドライブ回路とは絶縁した故障信号を伝達することにより、パワーデバイスの駆動を停止させることにより、健全なパワーデバイスや、他の装置構成部品の破損等被害拡大を阻止することができる。 According to the present invention, a short-circuit detection circuit composed of components such as a resistor, a photocoupler, and a diode is provided on the drive board, so that a short-circuit fault can be detected and controlled by either a single power device or a plurality of power devices arranged in parallel. By transmitting a failure signal insulated from the drive circuit to the substrate and stopping the driving of the power device, it is possible to prevent damage such as damage to a healthy power device and other apparatus components.

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１におけるパワーデバイス短絡検出回路を図１により説明する。
図において、１は自励式電圧駆動パワーデバイス（ＩＧＢＴ）、２はこのパワーデバイス１を駆動させるドライブ基板、３は制御基板、４はドライブ基板２の上に設けられたゲート抵抗で、パワーデバイス１のゲート電流を調節するものである。５はドライブ基板２の上に設けられた短絡検出回路で、ゲート抵抗４とパワーデバイス１のゲート・エミッタ間に設けられ、必要なゲート電圧の変動を利用して前記パワーデバイスが短絡故障を起こしたことを検出する。 Embodiment 1 FIG.
A power device short circuit detection circuit according to Embodiment 1 of the present invention will be described below with reference to FIG.
In the figure, 1 is a self-excited voltage drive power device (IGBT), 2 is a drive substrate for driving the power device 1, 3 is a control substrate, 4 is a gate resistor provided on the drive substrate 2, and the power device 1 The gate current is adjusted. Reference numeral 5 denotes a short circuit detection circuit provided on the drive substrate 2, which is provided between the gate resistor 4 and the gate / emitter of the power device 1, and the power device causes a short circuit failure by utilizing necessary gate voltage fluctuations. Detect that.

次に、実施の形態１の動作について説明する。
正常時には、パワーデバイス１のゲート電流は、パワーデバイス１がターンＯＮ、ターンＯＦＦする時にだけ流れる。しかし、パワーデバイス１が短絡故障を発生すると、パワーデバイス１のゲートが短絡状態となり、ゲート電流が常時流れるようになる。よって、このゲート電流の変化を用いて、短絡検出回路５はパワーデバイス１の短絡故障を検出する。そして、短絡検出回路５で短絡故障を検出した時、制御基板３へ故障信号として伝達してゲート駆動を停止する。
これにより、標準のパワーデバイスを使用でき、またパワーデバイス毎に設けていた煩雑な短絡検出回路をシンプルにまとめることができる。 Next, the operation of the first embodiment will be described.
Under normal conditions, the gate current of the power device 1 flows only when the power device 1 is turned on and off. However, when the power device 1 has a short-circuit failure, the gate of the power device 1 is short-circuited, and the gate current always flows. Therefore, the short circuit detection circuit 5 detects a short circuit failure of the power device 1 using the change in the gate current. When a short circuit failure is detected by the short circuit detection circuit 5, it is transmitted to the control board 3 as a failure signal and the gate drive is stopped.
Thereby, a standard power device can be used, and the complicated short circuit detection circuit provided for every power device can be put together simply.

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２におけるパワーデバイス短絡検出回路を図２により説明する。
この実施の形態２においては、短絡検出回路５をフォトカプラ５ａと抵抗５ｂにより構成し、ドライブ基板につながった単体のパワーデバイスが短絡故障を発生したとき、ゲート電圧変動が起こることにより、フォトカプラ５ａに流れる電流の変化を利用してパワーデバイスが短絡故障を起こしたことを検出する。これ以外の構成は実施の形態１と同様である。 Embodiment 2. FIG.
Next, a power device short circuit detection circuit according to Embodiment 2 of the present invention will be described with reference to FIG.
In the second embodiment, the short-circuit detection circuit 5 is constituted by a photocoupler 5a and a resistor 5b, and when a single power device connected to the drive board has a short-circuit fault, a gate voltage fluctuation occurs, so that the photocoupler A change in the current flowing to 5a is used to detect that the power device has caused a short-circuit failure. Other configurations are the same as those in the first embodiment.

次に、実施の形態２の動作について、図３により説明する。
正常時には、パワーデバイス１のゲート電流は、パワーデバイス１がターンＯＮ、ターンＯＦＦする時にだけ流れる。そのため、ターンＯＮ、ターンＯＦＦする時以外、フォトカプラ５ａへ流れる一次側順電流Ｉｆは、ゲート抵抗４と抵抗５ｂにより調節された電流値が流れている。
図３の左側が正常時のパワーデバイス１のゲート電圧波形と、フォトカプラ５ａの順電流Ｉｆを示している。（ターンＯＮ時、ターンＯＦＦ時のＩｆの変化の図示は省略している。）
しかし、パワーデバイス１が短絡故障を発生すると、パワーデバイス１のゲートが短絡状態となり、ゲート電流が常時流れるようになり、フォトカプラ５ａの一次側順電流Ｉｆ値が下がる。
図３の右側が短絡発生時のパワーデバイス１のゲート電圧波形と、フォトカプラ５ａの順電流Ｉｆを示している。
このＩｆ値の変化を用いて、短絡検出回路５はパワーデバイス１の短絡故障として、ドライブ回路とは絶縁して検出することができる。
これにより、短絡検出回路を、抵抗とフォトカプラを用いたシンプルな回路構成とすることができる。また、短絡発生時、パワーデバイスのゲートが短絡状態となりゲート電圧が低下、フォトカプラに流れる電流が変化するので、パワーデバイスが短絡したことをドライブ回路とは絶縁して検出することができる。 Next, the operation of the second embodiment will be described with reference to FIG.
Under normal conditions, the gate current of the power device 1 flows only when the power device 1 is turned on and off. For this reason, the primary side forward current If flowing to the photocoupler 5a has a current value adjusted by the gate resistor 4 and the resistor 5b except when the turn is turned on and turned off.
The left side of FIG. 3 shows the gate voltage waveform of the power device 1 in the normal state and the forward current If of the photocoupler 5a. (The illustration of changes in If at turn-on and turn-off is omitted)
However, when the power device 1 has a short circuit failure, the gate of the power device 1 is in a short circuit state, the gate current always flows, and the primary forward current If value of the photocoupler 5a decreases.
The right side of FIG. 3 shows the gate voltage waveform of the power device 1 when the short circuit occurs and the forward current If of the photocoupler 5a.
Using this change in If value, the short circuit detection circuit 5 can detect a short circuit failure of the power device 1 while being insulated from the drive circuit.
Thereby, a short circuit detection circuit can be made into a simple circuit structure using a resistor and a photocoupler. In addition, when a short circuit occurs, the gate of the power device is in a short circuit state, the gate voltage is lowered, and the current flowing through the photocoupler changes, so that the short circuit of the power device can be detected from the drive circuit.

実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３におけるパワーデバイス短絡検出回路を図４により説明する。
この実施の形態３においては、短絡検出回路５を更に２個以上の並列パワーデバイス短絡故障検出できるようにしたものである。すなわち、自励式電圧駆動パワーデバイス（ＩＧＢＴ）１を例えば図４のような３個並列とし、３個の並列パワーデバイス１を駆動させるドライブ基板２としている。そして、ドライブ基板２の上には、３個のゲート抵抗４と、短絡検出回路５が設けられており、この短絡検出回路５は、フォトカプラ５ａと、抵抗５ｂと、パワーデバイス１の並列間でゲート電流の干渉を防止する３個の干渉防止用ダイオード５ｃと、同じくパワーデバイス１のＯＦＦ時のみ一次側順電流Ｉｆを流して、パワーデバイス１の並列間でゲート電流の干渉を防止する３個の干渉防止用ダイオード５ｄと、短絡故障が発生した時に正常なゲートから上記ダイオード５ｃ、５ｄを通り、短絡故障したゲートへ短絡電流が流れ込まないように抑制する抑制抵抗５ｅ、５ｆとから構成したものである。 Embodiment 3 FIG.
Next, a power device short-circuit detection circuit according to Embodiment 3 of the present invention will be described with reference to FIG.
In the third embodiment, the short-circuit detection circuit 5 can further detect two or more parallel power device short-circuit faults. That is, three self-excited voltage-driven power devices (IGBTs) 1 are arranged in parallel as shown in FIG. 4, for example, and the drive substrate 2 that drives the three parallel power devices 1 is used. On the drive substrate 2, three gate resistors 4 and a short circuit detection circuit 5 are provided. This short circuit detection circuit 5 is connected between the photocoupler 5a, the resistor 5b, and the power device 1 in parallel. And the three diodes 5c for preventing interference of the gate current to prevent the interference of the gate current, and the primary forward current If is allowed to flow only when the power device 1 is OFF, thereby preventing the interference of the gate current between the parallel power devices 1. Each of the interference prevention diodes 5d and suppression resistors 5e and 5f for suppressing a short-circuit current from flowing from a normal gate through the diodes 5c and 5d to a short-circuited gate when a short-circuit failure occurs are configured. Is.

次に、実施の形態３の動作について、図５により説明する。
正常時に、３個の並列パワーデバイス１のすべてがＯＮしていると、ゲート抵抗４→干渉防止用ダイオード５ｃ→抑制抵抗５ｅ→抵抗５ｂ→フォトカプラ５ａを順電流Ｉｆが流れる。ＯＦＦ時は、フォトカプラ５ａ→抵抗５ｂ→抑制抵抗５ｆ→干渉防止用ダイオード５ｄ→ゲート抵抗４を順電流Ｉｆが流れる。
図５の左側が正常時の並列パワーデバイス１のゲート電圧波形と、フォトカプラ５ａの順電流Ｉｆを示している。（ターンＯＮ時、ターンＯＦＦ時のＩｆの変化の図示は省略している。）
しかし、並列パワーデバイス１の内、一つでも短絡故障が発生すると、そのパワーデバイス１のゲート電圧が下がり、他の正常なゲート電圧がある並列パワーデバイスから干渉防止用ダイオード５ｃ、５ｄ、抑制抵抗５ｅ、５ｆを通る横流が発生する。そして、この横流分によってフォトカプラ５ａのＩｆ値が下がることになる。
図５の右側が短絡発生時の並列パワーデバイス１のゲート電圧波形と、フォトカプラ５ａの順電流Ｉｆを示している。
このＩｆ値の変化を用いて、短絡検出回路５は１個のパワーデバイス１の短絡故障をドライブ回路とは絶縁して検出することができる。
これにより、並列パワーデバイス分のフォトカプラを必要としない。また、並列に接続されたパワーデバイスの内、１個でも短絡故障が発生した場合、正常なパワーデバイスのゲート電圧と、短絡故障したパワーデバイスのゲート電圧との間にアンバランスが生じ、フォトカプラに流れる電流が変化するので、パワーデバイスが短絡したことをドライブ回路とは絶縁して検出することができる。
なお、２個以上のパワーデバイスの短絡故障も同様に検出できる。 Next, the operation of the third embodiment will be described with reference to FIG.
When all of the three parallel power devices 1 are ON at normal time, the forward current If flows through the gate resistor 4 → the interference preventing diode 5c → the suppression resistor 5e → the resistor 5b → the photocoupler 5a. When OFF, forward current If flows through photocoupler 5a → resistor 5b → suppression resistor 5f → interference prevention diode 5d → gate resistor 4.
The left side of FIG. 5 shows the gate voltage waveform of the parallel power device 1 in the normal state and the forward current If of the photocoupler 5a. (The illustration of changes in If at turn-on and turn-off is omitted)
However, if any one of the parallel power devices 1 has a short-circuit failure, the gate voltage of the power device 1 decreases, and other parallel power devices having normal gate voltages can prevent interference prevention diodes 5c and 5d, suppression resistors. A cross current passing through 5e and 5f is generated. Then, the If value of the photocoupler 5a is lowered by the cross current.
The right side of FIG. 5 shows the gate voltage waveform of the parallel power device 1 when a short circuit occurs and the forward current If of the photocoupler 5a.
Using this change in If value, the short circuit detection circuit 5 can detect a short circuit failure of one power device 1 while being insulated from the drive circuit.
This eliminates the need for photocouplers for parallel power devices. In addition, when even one of the power devices connected in parallel causes a short-circuit failure, an imbalance occurs between the gate voltage of the normal power device and the gate voltage of the power device in which the short-circuit failure occurs. Since the current flowing through the power supply changes, it is possible to detect that the power device is short-circuited while being insulated from the drive circuit.
In addition, the short circuit failure of two or more power devices can be detected similarly.

この発明の実施の形態１におけるパワーデバイス短絡検出回路を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the power device short circuit detection circuit in Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態２におけるパワーデバイス短絡検出回路を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the power device short circuit detection circuit in Embodiment 2 of this invention. この発明の実施の形態２におけるパワーデバイス短絡検出回路の動作を説明する動作説明図である。It is operation | movement explanatory drawing explaining operation | movement of the power device short circuit detection circuit in Embodiment 2 of this invention. この発明の実施の形態３におけるパワーデバイス短絡検出回路の要部を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the principal part of the power device short circuit detection circuit in Embodiment 3 of this invention. この発明の実施の形態３におけるパワーデバイス短絡検出回路の動作を説明する動作説明図である。It is operation | movement explanatory drawing explaining operation | movement of the power device short circuit detection circuit in Embodiment 3 of this invention.

Explanation of symbols

１パワーデバイス
２ドライブ基板
３制御基板
４ゲート抵抗
５短絡検出回路
５ａフォトカプラ
５ｂ抵抗
５ｃ、５ｄ干渉防止用ダイオード
５ｅ、５ｆ抑制抵抗 1 Power Device 2 Drive Board 3 Control Board 4 Gate Resistance 5 Short Circuit Detection Circuit
5a Photocoupler
5b Resistance 5c, 5d Interference prevention diode 5e, 5f Suppression resistance

Claims

A gate resistor provided on the drive substrate for driving the power device;
A power device short-circuit detection circuit, which is provided between a gate and an emitter of the power device, and detects that the power device has caused a short-circuit failure by utilizing a fluctuation of a necessary gate voltage.

A short-circuit detection circuit using a resistor and a photocoupler is provided on the drive substrate, and when a single power device connected to the drive substrate generates a short-circuit failure, a gate voltage fluctuation occurs, so that the current flowing through the photocoupler The power device short circuit detection circuit according to claim 1, wherein the power device detects that the power device has caused a short circuit failure using a change.

When at least one of the two or more parallel power devices connected to the drive board has a short-circuit fault, the power device utilizes the change in the current flowing through the photocoupler due to the unbalance of the gate voltage of each power device. The power device short circuit detection circuit according to claim 2, wherein a short circuit failure is detected.