开关控制电路、驱动控制装置及开关控制方法与流程

1.本发明涉及开关控制电路、驱动控制装置及开关控制方法。


背景技术：

2.存在对开关元件的开关进行控制的开关控制电路(例如专利文献1)。现有技术文献专利文献
3.专利文献1：日本专利特开2004－304527号公报


技术实现要素：

发明所要解决的技术问题
4.另外，用于驱动三相电动机的多个开关元件进行驱动的驱动装置中，为了切断因负载短路而引起的过电流，有时在断开下臂的开关元件之后，断开上臂的开关元件。此时，上臂的开关元件有时因上臂的开关元件中产生的电压而受到损伤。
5.本发明是鉴于上述现有的问题而完成的，其目的在于提供一种开关控制电路、驱动控制装置以及开关控制方法，能够防止上臂的开关元件受到损伤。用于解决技术问题的技术手段
6.解决上述问题的本发明所涉及的开关控制电路是对包括电源侧的第1开关元件、以及经由负载与所述第1开关元件串联连接的接地侧的第2开关元件的桥式电路中的所述第1开关元件的开关进行控制的开关控制电路，其包括：输出电路，该输出电路在所述第1和第2开关元件的电流成为过电流、且所述第2开关元件被关断的情况下，使用于关断所述第1开关元件的第1驱动信号延迟规定期间来输出，在所述电流不为所述过电流的情况下，输出用于对所述第1开关元件进行开关的第2驱动信号；以及驱动电路，该驱动电路基于所述输出电路的输出来驱动所述第1开关元件。
7.解决上述问题的本发明所涉及的半导体装置包括电源侧的第1开关元件、经由负载与所述第1开关元件串联连接的接地侧的第2开关元件、对所述第1开关元件的开关元件进行控制的开关控制电路、以及将表示所述第1开关元件和所述第2开关元件的电流是否为过电流的信号直接输出到所述开关控制电路的检测电路，所述开关控制电路包括：输出电路，该输出电路在所述第1开关元件和所述第2开关元件的电流成为所述过电流、来自所述检测电路的所述信号表示所述过电流、且所述第2开关元件被关断的情况下，使用于关断所述第1开关元件的第1驱动信号延迟规定期间来输出，在所述电流不为所述过电流的情况下，输出用于对所述第1开关元件进行开关的第2驱动信号；以及驱动电路，该驱动电路基于所述输出电路的输出来驱动所述第1开关元件。
8.解决上述问题的本发明所涉及的驱动控制装置是包括电源侧的第1开关元件、经由负载与所述第1开关元件串联连接的接地侧的第2开关元件、输出对所述第1开关元件和所述第2开关元件进行控制的控制信号的控制电路、高电压侧驱动电路以及低电压侧驱动
电路的驱动控制装置，所述高电压侧驱动电路基于所述控制信号来驱动所述第1开关元件，所述低电压侧驱动电路基于所述控制信号来驱动所述第2开关元件，所述控制电路包括：计数器，该计数器在流过所述第2开关元件的电流成为过电流时，对规定期间进行计数；以及信号输出电路，该信号输出电路在所述电流成为过电流时，将用于关断所述第2开关元件的所述控制信号输出到所述低电压侧驱动电路，当对所述规定期间进行计数时，将用于关断所述第1开关元件的所述控制信号输出到所述高电压侧驱动电路。
9.解决上述问题的本发明所涉及的开关控制方法是对具备电源侧的第1开关元件、以及经由负载与所述第1开关元件串联连接的接地侧的第2开关元件的桥式电路中的所述第1开关元件和所述第2开关元件的开关进行控制的开关控制方法，当流过所述第2开关元件的电流成为过电流时，关断所述第2开关元件，当所述电流成为过电流时，在经过规定期间后关断所述第1开关元件。发明效果
10.根据本发明，可以提供能够防止上臂的开关元件受到损伤的开关控制电路、驱动控制装置以及开关控制方法。
附图说明
11.图1是示出mcu10和功率模块11的结构的一个示例的图。图2是示出流过桥式电路30的过电流的路径的一个示例的图。图3是示出hvic32的结构的一个示例的图。图4是示出延迟电路112的结构的一个示例的图。图5是用于说明功率模块11的动作的图。图6是示出hvic200的结构的一个示例的图。图7是用于说明功率模块15的动作的图。图8是用于说明hvic32和hvic200的动作概念的图。图9是示出驱动控制装置1c的结构的一个示例的图。图10是示出igbt41、44的开关控制方法的图。
具体实施方式
12.相关申请的相互参照本技术基于2019年10月11日提交的日本专利申请特愿2019
‑
187442主张优先权，并援引其内容。
13.根据本说明书及附图的记载，至少以下事项变得明确。
14.＝＝＝＝＝本实施方式＝＝＝＝＝图1是示出mcu10与本发明的一个实施方式即功率模块11的结构的图。
15.<<<mcu10的说明>>>控制电路(例如，mcu(micro control unit：微控制单元))10输出驱动信号vdr1、vdr2、vdr3、vdru、vdrv、vdrw，以通过用户的指示等来控制功率模块11。对mcu10输入来自低电压侧驱动电路31(以下称为lvic)(后述)的、表示流过电阻rs(后述)的电流是否是过电流的alm信号sa。
16.当mcu10接收到表示流过电阻器rs的电流是过电流的alm信号sa时，mcu10依次输出igbt41～46中关断下臂的igbt、关断上臂的igbt的驱动信号vdr1～vdr3、vdru～vdrw。
17.<<<功率模块11的说明>>>功率模块11是驱动三相电动机12的半导体装置，包含功率转换用的桥式电路30、lvic31、高电压侧驱动电路32～34(以下称为hvic)、以及端子hu、hv、hw、lu、lv、lw、alm、p、u、v、w、nu、nv、nw、com。
18.桥式电路30构成为包含驱动三相电动机12的igbt(insulated gate bipolar transistor：绝缘栅双极型晶体管)41～46、以及fwd(free wheeling diode：续流二极管)51～56。
19.igbt41、42是u相的开关元件，igbt41、42分别设有fwd51、52。igbt43、44是v相的开关元件，igbt43、44分别设有fwd53、54。igbt45、46是w相的开关元件，igbt45、46分别设有fwd55、56。
20.另外，本实施方式中，作为功率模块11的开关元件，使用了igbt41～46，但例如也可以使用功率mos晶体管。在该情况下，fwd51～56为体二极管。
21.电阻rs是检测流过桥式电路30的电流的电阻。端子p施加有电源电压vdc，端子u、v、w设有作为负载的三相电动机12，端子nu、nv、nw经由电阻rs而接地。
22.lvic31是集成电路，用于基于经由端子lu、lv、lw输入的驱动信号vdru、vdrv、vdrw，对下臂的igbt42、44、46进行开关。lvic31包含比较器(后述)，该比较器检测流过电阻rs的电流，并生成alm信号sa。
23.另外，在流过电阻rs的电流是过电流的情况下，alm信号sa例如成为低电平(以下称为l电平)，在流过电阻rs的电流不是过电流的情况下，alm信号sa成为高电平(以下称为h电平)。
24.hvic32～34分别集成电路，用于基于经由端子hu、hv、hw输入的驱动信号vdr1、vdr2、vdr3和来自lvic31的alm信号sa，来控制上臂的igbt41、43、45的开关。
25.桥式电路30通常使电流分别流过三相电动机12内的三个线圈(未示出)，以使三相电动机12旋转。具体地，桥式电路30通过对分别连接到端子u、v、w的上臂的igbt41、43、45和下臂的igbt42、44、46的组合进行开关，从而使电流流过不同的线圈。
26.例如，当上臂的u相的igbt41和下臂的v相的igbt44同时被导通时，电流经由三相电动机12内的线圈从端子u流向端子v。其它相之间的组合也相同，因此省略说明。由此，由于桥式电路30例如分别从端子u、v、w输出相位偏移120度的驱动电流，因此，三相电动机12以与驱动电流相对应的速度进行旋转。
27.<<<桥式电路30内的过电流的路径>>>图2是示出流过桥式电路30的过电流的路径的一个示例的图。图2仅示出了表示过电流的路径所需的要素。
28.由于在端子u、v、w的每一个之间的电流路径附近附着垃圾或灰尘，导致产生具有微电感ls的导通路径，在端子u、v、w的每一个之间产生负载短路。所产生的负载短路导致过电流流过分别驱动端子u、v、w的igbt。
29.并且，图2中的过电流的路径p1(用虚线表示)例如是在端子u和端子v之间发生了负载短路时而产生的过电流的路径。当其它端子之间发生了负载短路时，过电流在不同的
路径中流过。然而，该过电流流过的原理与在端子u与端子v之间因负载短路而引起的过电流流过的原理相同，因此省略说明。
30.以下，对端子u与端子v之间产生了负载短路时的过电流的路径p1、p2(用单点划线来表示)进行说明。
31.lvic31和hvic32有时分别同时使经由三相电动机12相连接的上臂的u相的igbt41和下臂的v相的igbt44导通，来驱动三相电动机12。此时，若端子u与端子v之间产生负载短路，则过电流经由微电感ls从电源侧沿着路径p1流向接地侧。
32.详细情况将在后面叙述，当lvic31用电阻rs检测到过电流时，lvic31关断igbt44。当igbt44被关断时，流向igbt44的电流icl被切断。其结果是，过电流流过的路径从路径p1变为路径p2。此时，过电流在流经fwd53时被转换为热量，过电流的电流量随着时间一同减小。
33.然后，当用于关断上臂的u相的igbt41的驱动信号vdr1从mcu10输入到hvic32时，hvic32关断igbt41。然后，因负载短路引起的过电流被切断。
34.如上所述，产生过电流的原因多为上下臂短路(负载短路)，过电流一般为igbt41的额定电流的十倍到几十倍。因此，当hvic32关断igbt41时，通常切断中的di/dt变为陡峭。
35.当hvic32关断igbt41时在igbt41的集电极
·
发射器之间产生的电压峰值vcep使用关断时的di/dt、微电感ls、上下臂电源电压vdc由下式来表示。
36.vcep＝vdc ls
×
di/dt
···
(1)例如，在设vdc＝400v、ls＝100nh、di/dt＝3ka/us时，vcep＝700v。这在igbt41的绝对最大额定值为600v的情况下，成为超过igbt41的集电极
·
发射极之间的电压的绝对最大额定值的电压。
37.另外，igbt41相当于“第1开关元件”，igbt44相当于“第2开关元件”，3相电动机12相当于“负载”。另外，桥式电路30相当于“桥式电路”。
38.并且，fwd53相当于“续流二极管”。这里，“连接”指的是电连接，并且还包含其中包括其它元件的情况。
39.以下，说明在过电流流过时为了保护上臂的igbt而设置于功率模块11的lvic31、hvic32～34等的详细内容。
40.<<<lvic31的结构>>>图3中lvic31是驱动下臂的u相、v相、w相的igbt42、44、46，并且检测流过电阻rs的电流并生成表示流过电阻rs的电流是否为过电流的alm信号sa的电路。
41.这里，为了方便，记载了igbt42、44、46中对igbt44进行驱动的电路，而省略其它部分。
42.lvic31构成为包含生成alm信号sa的比较器101、以及作为用于驱动下臂的v相的igbt44的电路的and元件102、缓冲器103。
43.比较器101通过检测电阻rs的lvic31侧的电压vrs，来生成alm信号sa。比较器101在电压vrs超过阈值电压vref时，例如输出表示igbt41、44的电流为过电流的l电平。
44.另一方面，比较器101在电压vrs不超过阈值电压vref时，例如输出表示igbt41、44的电流不为过电流的h电平。这里，阈值电压vref基于过电流判定阈值来决定。alm信号sa经由mcu10和布线130直接输入到hvic32。
45.另外，来自mcu10的驱动信号vdrv和比较器101的输出被输入到and元件102。然后，and元件102在比较器101的输出为h电平时，将驱动信号vdrv输出到缓冲器103，在比较器101的输出为l电平时，将l电平的信号输出到缓冲器103。
46.其结果是，在比较器101的输出为h电平且不表示过电流的情况下，and元件102将用于驱动下臂的v相的igbt44的驱动信号vdrv输出到缓冲器103。缓冲器103基于and元件102的输出来驱动下臂的v相的igbt44。此外，比较器101相当于“检测电路”。
47.<<<hvic32的结构>>>图3的hvic32在alm信号sa为h电平、且表示未成为过电流的情况下，输出用于开关igbt41的驱动信号vdr1。另一方面，hvic32在alm信号sa为l电平、且表示成为过电流的情况下，使用于关断igbt41的驱动信号vdr1延迟来输出。
48.hvic32构成为包含选择电路110、延迟电路112和驱动电路113。另外，对于hvic33、34也相同，因此省略。
49.另外，hvic32相当于“开关控制电路”，用于关断igbt41的驱动信号vdr1相当于“第1驱动信号”，用于开关igbt41的驱动信号vdr1相当于“第2驱动信号”。
50.<<选择电路110>>选择电路110是如下电路：在alm信号sa为l电平的情况下，将用于关断igbt41的驱动信号vdr1输出到延迟电路112(后述)，在alm信号sa为h电平的情况下，将驱动信号vdr1输出到驱动电路113(后述)。
51.选择电路110构成为包含将驱动信号vdr1输出到延迟电路112的开关sw1、将驱动信号vdr1输出到驱动电路113的开关sw2、以及逆变器111。
52.当alm信号sa为l电平时，接通sw1，关断sw2。其结果是，驱动信号vdr1被输出到延迟电路112。反之，当alm信号sa为h电平时，接通sw2，关断sw1。其结果是，驱动信号vdr1被输出到驱动电路113。
53.另外，选择电路110经由布线130与lvic31的比较器101的输出连接。由此，选择电路110都能够切换sw1和sw2，而与来自mcu10的控制无关。此外，alm信号sa相当于“表示电流是否为过电流的信号”。
54.<<延迟电路112>>延迟电路112是使mcu10指示关断igbt41的l电平的驱动信号vdr1延迟规定期间ta来输出的电路。图4是示出延迟电路112的结构的一个示例的图。如图4所示，延迟电路112构成为包含计时器电路121和sr触发器122。计时器电路121从驱动信号vdr1的下降起对规定期间ta进行计数，并在计数完成时输出h电平的信号。
55.然后，驱动信号vdr1被输入到sr触发器122的s输入，计时器电路121的输出连接到r输入，sr触发器122的q输出连接到驱动电路113(后述)。其结果是，仅l电平的驱动信号vdr1被延迟规定期间ta。
56.另外，如果在驱动信号vdr1成为l电平之后，将直到流过igbt41的电流ich变得小于过电流为止的第1期间设为t1，则规定期间ta被设定为满足ta≥t1。
57.并且，如果在驱动信号vdr1成为l电平后，将直到施加到igbt41的电压vceh成为不超过igbt41的集电极
·
发射极之间的电压值的绝对最大额定值的电压值为止的第2期间设为t2，则规定期间ta被设定为满足ta≥t2。
58.另外，如果在驱动信号vdr1成为l电平之后，将直到电流ich变得小于igbt41的雪崩破坏所产生的电流值为止的第三期间设为t3，则规定期间ta被设定为满足ta≥t3。
59.另外，可以根据存储在未图示的存储装置(例如eprom等)中的值来设定规定期间ta。此外，选择电路110相当于“选择电路”，延迟电路112相当于“延迟电路”，选择电路110和延迟电路112的组合相当于“输出电路”。
60.<<驱动电路113>>驱动电路113是根据选择电路110的输出或延迟电路112的输出来驱动igbt41的电路。此外，驱动电路113相当于“驱动电路”。
61.<<<功率模块11的动作>>>图5是用于说明在功率模块11的u端子和v端子之间发生负载短路的情况下的动作的图。这里，参照图2和图3。
62.图5的驱动信号vdr1和驱动信号vdrv分别表示驱动igbt41、44的信号。
63.在时刻t0，用于导通igbt41、44的驱动信号vdr1及驱动信号vdrv成为h电平。然后，通过使igbt41、44导通，igbt41、44的作为集电极
·
发射极间电压的vceh和vcel降低到l电平。另外，流向igbt41的电流ich和流向igbt44的电流icl增加。
64.此时，电流ich和电流icl沿着路径p1流向电阻rs，因此电阻rs的lvic31侧的电压vrs开始上升。
65.在时刻t0～t1之间，电压vcel因流过igbt44的电流icl和igbt44的导通电阻而逐渐上升。同样地，电压vceh因流过igbt41的电流ich和igbt41的导通电阻而逐渐上升。
66.在时刻t1，当电压vrs达到过电流判断阈值时，lvic31内的比较器101将alm信号sa设为l电平。
67.由于alm信号sa为l电平，因此选择电路110的开关sw1被导通，开关sw2被关断，选择电路110将驱动信号vdr1输出到延迟电路112。
68.l电平的alm信号sa被输出到mcu10，当经过在mcu10中的处理时间，成为时刻t2时，mcu10将驱动信号vdr1设为l电平，并输出到hvic32。
69.并且，延迟电路112的计时器电路121从l电平的驱动信号vdr1的下降起对规定期间ta进行计数，并使l电平的驱动信号vdr1延迟。其结果是，如驱动电路113的输出所示那样，关断igbt41的定时被延迟。
70.在时刻t2～t3之间，过电流在fwd53中被转换为热量而降低。
71.在从时刻t2起经过规定期间ta后的时刻t3，hvic32关断igbt41。这里，由于规定期间ta＞t1、t2、t3，因此能够防止igbt41受到损伤。
72.<<<hvic200的结构>>>图6是表示hvic200的结构的一个示例的图。hvic200是从hvic32去除选择电路110、延迟电路112后而得的电路。因此，省略说明。
73.<<<功率模块15的动作>>>图7是用于说明功率模块15的动作的图。对于与图5相同的部位省略说明。
74.hvic200不具有hvic32的延迟电路112。基于该差异，hvic200不使用于关断igbt41的驱动信号vdr1延迟规定期间ta的期间。
75.另外，在时刻t11，当电压vrs达到过电流判断阈值时，l电平的alm信号sa被输出到
mcu10，当经过在mcu10中的处理时间，成为时刻t12时，mcu10将驱动信号vdr1设为l电平，并输出到hvic200。
76.其结果是，在时刻t12，igbt41被关断，电压vceh瞬间超过了绝对最大额定值。由此，igbt41有时会受到损伤。
77.<<<hvic32和hvic200的动作概念的说明>>>图8是用于说明hvic32和hvic200的动作概念的图。图8中的阴影部分表示在电流ich流过的状态下关断开关元件时，vceh的峰值不超过开关元件的绝对最大额定值的区域。
78.hvic200的动作点例如是阴影部分的外侧的点x1。由于在电流ich1下开关元件被关断，因此，vceh的峰值成为超过开关元件的绝对最大额定值的vceh1。
79.另一方面，hvic32的动作点是阴影部分的内侧的点x2。由此，关断开关元件时的电流ich成为相对于电流ich1降低后的电流ich2。由于在降低后的电流ich2下开关元件被关断，因此，vceh的峰值成为不超过开关元件的绝对最大额定值的vceh2。
80.＝＝＝变形例＝＝＝为了在点x2进行动作，在规定期间ta关断了igbt41，但并不限于此。
81.可以设为电阻rs连接到电源侧，hvic32基于流过电阻rs的电流的电压下降来检测过电流，且上臂的igbt41被关断。
82.此外，例如，通过延迟电路112，使用于关断igbt41的驱动信号vdr1延迟。然而，如果使用除了igbt41之外的感测用的igbt(未示出)，则在感测用的igbt的电流变为阴影部分的内侧的点时，可以使驱动电路113关断上臂的igbt。由此，在hvic32关断igbt41时，防止了igbt41所受到的损伤。
83.另外，如果作为igbt41使用的元件是具有不同的绝对最大额定值的系列中的一个，则第2期间t2可以被设定为比系列中的具有最大绝对最大额定值的元件所需的期间要长。由此，可以不用为了相同系列中的具有不同的绝对最大额定值的元件而单独地设定规定期间ta。
84.图9是示出驱动控制装置1c的结构的一个示例的图。在上述实施方式中，说明了功率模块11关断igbt41、44的控制，但如图9所示，也可以通过驱动控制装置1c中的控制电路16来进行关断igbt41、44的控制。驱动控制装置1c构成为包含功率模块14和控制电路16。功率模块14包含功率转换用的桥式电路30、lvic31a、hvic32a～34a、以及端子hu、hv、hw、lu、lv、lw、alm、p、u、v、w、nu、nv、nw、com。在图9中，为了方便，仅图示出了lvic31a、hvic32a、igbt41、44、fwd51、54、以及端子hu、lv、alm、p、u、v、nw。
85.控制电路16构成为包括计数器141和信号输出电路142。当流过igbt44的电流成为过电流时，计数器141对规定期间进行计数。信号输出电路142在流过igbt44的电流成为过电流时，将用于关断igbt44的控制信号vdrv输出到lvic31a，在对规定期间进行计数时，将用于关断igbt41的控制信号vdr1输出到hvic32a。即使在图9的结构中，也能够防止igbt41受到损伤。
86.<<控制igbt41、44的开关的方法>>图10是示出由驱动控制装置1a、1b和1c来执行、且当过电流流过igbt44时将igbt41、44关断的方法的一个示例的图。
87.首先，当流过igbt44的电流成为过电流时，驱动控制装置1a、1b、1c关断igbt44
(s1010)
88.接着，当流过igbt44的电流成为过电流时，在经过规定期间后，驱动控制装置1a、1b、1c关断igbt41(s1010)。其结果是，能够防止igbt41受到损伤。
89.＝＝＝总结＝＝＝以上，对本实施方式的功率模块11进行了说明。在lvic31关断下臂的igbt44之后，hvic32使用于关断上臂的igbt41的驱动信号vdr1延迟规定期间ta。由此，流向igbt41的电流被降低，并且降低了关断igbt41时的过电流的di/dt。其结果是，电压vceh的峰值变小，防止了电压vceh超过igbt41的绝对最大额定值的情况。此外，hvic32能够防止igbt41的雪崩破坏的发生。此外，通过使用hvic32，能像以往那样来利用功率模块11，而无需变更mcu10的动作，并且无需由mcu10的用户详细探讨功率模块11的功能。由此，使用了hvic32的功率模块11可以提高用户的便利性，且在此基础上还具有上述的效果。
90.另外，输出电路包括选择电路110和延迟电路112。延迟电路112在过电流发生时使用于关断igbt41的驱动信号vdr1延迟规定期间ta，由此带来了上述的效果。
91.另外，来自lvic31的alm信号sa不经由mcu10而直接输入到选择电路110。这能够在不变更mcu10的情况下通过来自下臂的信号在过电流发生时关断igbt41，以减少mcu10的处理负荷。
92.另外，过电流发生后，当lvic31关断igbt44后，过电流经由fwd53而流过。过电流流过fwd53从而将过电流转换为热量，因此可以降低电流。
93.此外，如果延迟电路112的规定期间ta被设定为比直到因负载短路产生的电流变得比过电流要小为止的期间要长，则防止了在hvic32关断igbt41时igbt41所受到的损伤。
94.另外，如果延迟电路112的规定期间ta被设定为比在hvic32关断igbt41时施加于igbt41的电压成为不超过绝对最大额定值的电压值为止的期间要长，则能可靠地防止igbt41所受到的损伤。
95.另外，如果延迟电路112的规定期间ta被设定为比在hvic32关断igbt41时流过igbt41的电流变得比igbt41的雪崩破坏所产生的电流值要小为止的期间要长，则可防止igbt41所受到的损伤。
96.另外，当延迟电路112的规定期间ta的设定被存储在存储装置(例如，eprom等)中时，可以根据igbt41的规格、使用目的等单独地设定规定期间ta。
97.另外，上述控制也能够由控制电路(例如mcu)16来进行。
98.另外，对开关元件的开关进行控制的开关控制方法由驱动控制装置1a、1b、1c等装置来使用。然而，使用该方法的装置并不限于此。
99.上述实施方式是为了便于理解本发明，而不是为了限定地解释本发明。另外，本发明可以在不脱离其主旨的情况下进行变更或改进，并且本发明当然包含其等价物。标号说明
100.10、16 控制电路、mcu11、15 功率模块12 三相电动机30 桥式电路31、31a 低电压侧驱动电路
32～34、32a、200 高电压侧驱动电路41～46 igbt51～56 fwd101 比较器102 and元件103 缓冲器110 选择电路111 逆变器112 延迟电路113 驱动电路141 计数器142 信号输出电路1a、1b、1c 驱动控制装置。