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公開番号2020025444
公報種別公開特許公報(A)
公開日20200213
出願番号2019124644
出願日20190703
発明の名称スイッチング電力コンバーターにおいて半導体スイッチを保護すること
出願人パワー インテグレーションズ スイッツランド ゲーエムベーハー,Power Integrations Switzerland GmbH
代理人個人
主分類H02M 1/08 20060101AFI20200121BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】半導体スイッチを保護可能な駆動回路を提供する。
【解決手段】スイッチ制御システム100において、駆動回路は、電力半導体スイッチ102の制御入力に結合され、制御入力に対して駆動信号UD131を提供するように構成された駆動信号生成器と、電力半導体スイッチの主端子に結合された検出端子118と、オフ切り替え中に検出端子に入力された電流をミラーリングするように検出端子に結合されたカレントミラー、カレントミラーから受信された電流信号と第1の電流閾値とを比較し、比較の結果を表す第1の信号を出力する第1の電流比較器及び検出端子から受信された信号とオン切り替え閾値とを比較し、比較の結果を表す第2の信号を出力する第2の比較器とを含むスイッチ異常ディレクターと、を有する。オン切り替え閾値は、オン切り替え中の主端子の最高電圧を表す。第1の電流閾値が、オフ切り替え中の主端子の最高電圧を表す。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
電力半導体スイッチを駆動するためのドライバ回路であって、
前記電力半導体スイッチが、制御入力と主端子とを含み、
前記ドライバ回路が、
前記電力半導体スイッチの前記制御入力に結合されるように、および、前記制御入力に対して駆動信号を提供するように構成された制御端子ドライバ回路と、
前記電力半導体スイッチの主端子に結合されるように構成された検出端子と、
オフ切り替え中に前記検出端子に入力された電流をミラーリングするように前記検出端子に結合されたカレントミラーと、
前記カレントミラーから受信された電流信号と第1の電流閾値とを比較するように、および、前記比較の結果を表す第1の信号を出力するように結合された第1の電流比較器であって、前記第1の電流閾値が、オフ切り替え中の前記主端子の最高電圧を表す、第1の電流比較器と、
前記検出端子から受信された信号とオン切り替え閾値とを比較するように、および、前記比較の結果を表す第2の信号を出力するように結合された第2の比較器であって、前記オン切り替え閾値が、オン切り替え中の前記主端子の最高電圧を表す、第2の比較器と、
を備える、
ドライバ回路。
続きを表示(約 1,000 文字)【請求項2】
オフ切り替え中、および、オフ状態において、前記カレントミラーを前記検出端子に結合するように、および、オン切り替え中、および、オン状態において、前記カレントミラーを前記検出端子から結合解除するようにスイッチング可能なスイッチング回路をさらに備える、
請求項1に記載のドライバ回路。
【請求項3】
前記スイッチング回路が、前記電力半導体スイッチが前記オフ状態になるか、前記オン状態になるかを示す駆動状態信号を受信するように、結合された、
請求項2に記載のドライバ回路。
【請求項4】
前記第1の電流閾値が、オフ状態における前記主端子の前記最高電圧をさらに表し、
前記オン切り替え閾値が、オン状態における前記主端子の前記最高電圧をさらに表す、
請求項1から請求項3のいずれか一項に記載のドライバ回路。
【請求項5】
前記制御端子ドライバ回路が、オフ切り替え中の前記主端子の電圧が前記第1の電流閾値を上回ったことを示す前記第1の信号に応答して、オフ切り替え速度を下げるように応答する、
請求項1から請求項4のいずれか一項に記載のドライバ回路。
【請求項6】
前記検出端子から受信された前記信号がオン切り替え中に前記オン切り替え閾値を上回ったことを前記第2の信号が示している間の持続期間を計時するタイマー回路をさらに備える、
請求項1から請求項5のいずれか一項に記載のドライバ回路。
【請求項7】
前記第1の比較器と前記第2の比較器と前記スイッチング回路とが単一の半導体パッケージ内にあり、
前記検出端子が、前記パッケージの端子である、
請求項1から請求項6のいずれか一項に記載のドライバ回路。
【請求項8】
前記第1の電流閾値が、可変閾値である、
請求項1から請求項7のいずれか一項に記載のドライバ回路。
【請求項9】
前記検出端子の入力インピーダンスが、オン切り替え中よりオフ切り替え中に比較的小さく、
例えば、前記検出端子の前記入力インピーダンスが、オフ切り替え中に200キロオーム未満であり、オン切り替え中の10メガオームより大きく、
例えば、前記検出端子の前記入力インピーダンスが、オフ切り替え中に10キロオーム未満であり、オン切り替え中の100メガオームより大きい、
請求項1から請求項8のいずれか一項に記載のドライバ回路。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、概して、スイッチング電力コンバーターにおいて半導体スイッチを保護することに関する。
続きを表示(約 18,000 文字)【背景技術】
【0002】
電子デバイスは、動作に電力を使用する。スイッチング電力コンバーターは、概して、エネルギー伝達要素をまたいだ電力の伝達を制御することにより、未調節の、または、おおまかに調節された入力をより厳しく調節された出力に変換するために使用される。エネルギー伝達要素に加えて、スイッチング電力コンバーターは、概して、少なくとも1つの電力スイッチと電力スイッチを制御する制御装置とを含む。制御装置は、電力スイッチをスイッチングして、エネルギー伝達要素におけるエネルギーの伝達を制御し、調節された出力を達成する。制御装置は、概して、出力を表すフィードバック信号を受信し、閉ループ制御スキームにおいて、1つまたは複数のスイッチングパラメータを変えて、出力を所望の量に調節する。異なる実施態様において、所望の出力は、例えば、スイッチングデューティサイクル(総スイッチング周期に対するスイッチのオン期間の比)を変えること、スイッチング周波数を変えること、および/または、電力スイッチの単位時間当たりのオン期間パルスの数を変えることにより達成され得る。
【0003】
スイッチング電力コンバーターの故障をもたらし得る多くの状況が存在する。例えば、多くの用途において、高電圧が電力スイッチに印加され、大きな電流がその主端子間において導電される。電力スイッチが高電圧に耐えるように、または、大きな電流を搬送するように適切に設計されていない場合、電力スイッチは、損傷を受け得る。さらに、適切に設計された電力スイッチでも、パワークロス、静電放電事象、電力サージ、落雷、およびその他を含む不適切な動作状態のもとで損傷を受け得る。動作事情に応じて、電力スイッチの故障は、電力コンバーターの故障につながるだけでなく、他の機器の故障、ならびに、特性および生命の喪失にもつながり得る。
【0004】
以下の図を参照しながら、本発明の非限定的かつ非網羅的な実施形態が説明され、異なる図の中の同様の参照符号は、別段の指定がない限り、同様の部分を示す。
【図面の簡単な説明】
【0005】
本開示の一実施形態によるスイッチ異常ディテクターを含むスイッチ制御装置を含む例示的なスイッチ制御システムを示す。
本開示の一実施形態による、通常の状態および短絡または過電流状態のもとでの駆動信号およびスイッチ電圧に対する例示的な波形を示す。
本開示の一実施形態による、通常の状態および過電圧状態のもとでの駆動信号およびスイッチ電圧に対する例示的な波形を示す。
本開示の一実施形態による、図1のスイッチ制御装置の過電圧状態を検出するための例示的なスイッチ異常ディテクターを示す。
本開示の一実施形態による、図3Aの様々な信号の例示的な波形のタイミング図を示す。
本開示の一実施形態による、過電圧状態を検出するための例示的なスイッチ異常ディテクター、および、図1のスイッチ制御装置のブランキング回路を示す。
本開示の一実施形態による、図1のスイッチ制御装置の過電流または短絡状態を検出するための例示的なスイッチ異常ディテクターを示す。
本開示の一実施形態による、図1のスイッチ制御装置の過電流または短絡状態を検出するための別の例示的なスイッチ異常ディテクターを示す。
本開示の一実施形態による、図4Aおよび図4Bの様々な信号の例示的な波形のタイミング図を示す。
本開示の一実施形態による、放電回路、および、図1のスイッチ制御装置の過電流または短絡状態を検出するための別の例示的なスイッチ異常ディテクターを示す。
本開示の一実施形態による、ダイ間の例示的な誘導結合を示す集積回路パッケージの例示的なリードフレームを示す。
本開示の一実施形態による、スイッチ異常ディテクターを含むスイッチ制御装置を使用した例示的な電力コンバーターを示す。
【発明を実施するための形態】
【0006】
図面中の複数の図にわたり、対応する参照符号が、対応する構成要素を示す。同様に命名および番号付けされた要素が同様に結合および機能することが理解されなければならない。当業者は、図中の要素が簡潔かつ明確であるように描かれること、および、一定の縮尺で描かれるとは限らないことを理解する。例えば、図中のいくつかの要素の寸法は、本発明の様々な実施形態をより理解しやすくするために、他の要素より誇張される場合があり得る。さらに、市販に適した実施形態において有用または必要な、一般的だがよく理解される要素は、多くの場合、本発明に係るこれらの様々な実施形態の図が見づらくならないように、描かれない。
【0007】
スイッチ制御装置のためのスイッチ異常ディテクターの例が本明細書において説明される。以下の説明では、本発明を十分に理解してもらうために、多くの特定の詳細事項が記載される。しかし、本発明を実施する際に特定の詳細事項が使用されるとは限らないことが、当業者に明らかである。他の例では、よく知られた材料または方法については、本発明が理解しにくくなるのを防ぐために、詳細には説明されていない。
【0008】
本明細書中での「一実施形態」、「実施形態」、「一例」、または「例」についての言及は、実施形態または例との関連で説明される特定の特徴、構造、または特性が本発明の少なくとも1つの実施形態に含まれることを意味する。従って、本明細書中の様々な場所における「一実施形態において」、「実施形態において」、「一例」、または「例」という表現の使用は、すべてが同じ実施形態または例に関係するとは限らない。さらに、特定の特徴、構造、または特性は、1つまたは複数の実施形態または例において、任意の適切な組み合わせ、および/または部分的組み合わせで組み合わされ得る。特定の特徴、構造、または特性は、説明される機能を提供する集積回路、電子回路、結合論理回路、または他の適切なコンポーネントに含まれ得る。加えて、本明細書とともに提供される図が当業者への説明を目的としていることと、図面が一定の縮尺で描かれるとは限らないこととが理解される。
【0009】
スイッチング電力コンバーターにおいて、制御装置は、電力スイッチを、より高い導電性のオン(すなわち、閉じた)状態、または、実質的に非導電性のオフ(すなわち、開いた)状態に設定し得る。制御装置は、概して、電力スイッチおよび電力コンバーターに損傷を与え得る様々な状態を検出および/または防止する保護回路とともに使用される。過電圧状態および過電流状態は例示である。
【0010】
過電圧状態は、概して、電力スイッチがオフであるとき、または、オフ切り替え(すなわち、オン状態からオフ状態への遷移)中に発生する。能動的クランプは、電力スイッチまたは電力スイッチに関係した回路の能動的制御により、過電圧が電力スイッチにかかるように発生することを防止することを狙っている。例えば、いくつかの実施態様において、電力スイッチの制御端子(例えば、ゲートまたはベース)に入力された駆動信号は、オフ切り替え中に主端子(例えば、コレクタまたはドレイン)における電圧を制限するように能動的に制御され得る。多くの実施態様において、コレクタ/ドレインとゲートとの間に接続された過渡電圧抑制器(TVS:transient voltage suppressor)ダイオードを使用することが一般的な手法である。検出された電力スイッチ電圧をゲートドライバに提供するために容量的に補償された抵抗分圧器を使用する能動的クランプ技術がさらに存在する。検出された電力スイッチ電圧として機能する分圧された電圧は、電力スイッチのオフ切り替え過電圧を低減するために、電力スイッチの制御端子に提供された電流/電圧を制御する比較器により電圧閾値と比較される。
【0011】
過電流または短絡状態は、概して、電力スイッチがオンであるとき、または、オン切り替え(すなわち、オフからオンへの遷移)中に発生する。いくつかの場合において、電力スイッチの主端子間に流れる電流は、電力スイッチの主端子にかかる電圧を測定することにより推定される。通常の動作状態のもとで、電力スイッチの主端子にかかる電圧は、オン切り替え中、比較的低いレベルまで急速に低下し、電力スイッチがオンである間、低レベルに留まらなければならない。しかし、短絡または過電流状態のもとでは、電力スイッチにかかる電圧は、最初に低下するが、その後、何らかの期間後に上昇し得る。他の過電流状態において、電力スイッチにかかる電圧は、オン切り替え中に低下し得るが、低下速度(レート)は、通常の動作状態のもとでの低下速度より低いものであり得る。過電流状態は、電力スイッチに熱的に負荷をかけ、比較的短い期間の後でも電力スイッチを損傷させ得る。
【0012】
上述のように、制御装置は、概して、過電圧または過電流状態を検出する、および/または、過電圧または過電流状態に応答する、または、過電圧または過電流状態を避ける、および、損傷から電力スイッチを保護する保護回路と組み合わされて使用される。しかし、電力コンバーターの動作電圧が上昇するにつれて、過電圧および過電流保護を提供することがより困難になる。特に、過電流または短絡は、概して、電力スイッチの主端子にかかる電圧が低いとき、または、さらにはゼロに近づいているときに検出される。電力スイッチにかかる電圧が過度に高いとき、過電圧が必然的に検出される。例示として、現代の高電圧IGBTは、3.3kV以上の電圧に耐え得、過電圧はこの文脈において、依然として、より高い。保護回路は、従って、非常に広い範囲の動作パラメータを許容することができなければならない。その結果、保護回路は多くの場合、複雑であり、統合のレベルが低い。さらに、過渡電圧抑制器(TVS)ダイオードは、概して高価である。
【0013】
一実施形態において、スイッチ制御装置は、過電流または短絡状態を検出することと、過電流または短絡状態に応答することとの両方を行い、電力スイッチにかかる電圧を能動的にクランプして過電圧状態を防止するスイッチ異常ディテクターを含む。いくつかの実施態様において、異常ディテクターは、電力スイッチを通って流れる電流および電力スイッチの主端子にかかる電圧を表す信号を−単一の検出端子において−受信し得る。電力スイッチがオフであるとき、検出端子において受信された信号が電力スイッチにかかる電圧を表し、スイッチ異常ディテクターが過電圧状態を防止する。電力スイッチがオンであるとき、検出端子において受信された信号が電力スイッチを通って流れる電流を表し、スイッチ異常ディテクターが過電流および/または短絡状態を検出し、相応に応答する。
【0014】
例えば、いくつかの実施態様において、電力スイッチの主端子にかかる電圧を表す信号は、検出端子において受信された電流信号である。電力スイッチにかかる電圧を表す検出電流信号は、可変電流基準と比較される。検出電流信号が電流基準より大きいとき、スイッチ異常ディテクターが、電力スイッチの制御電流を制御するためにクランプ信号を出力する。従って、スイッチ制御装置は、過電圧状態に対する能動的クランプを提供する。
【0015】
別の一例として、いくつかの実施態様において、スイッチを通る電流を表す信号は、検出端子において受信された電圧信号である。この電圧信号は、電圧基準と比較される。検出電圧信号が電圧基準より大きいとき、スイッチ異常ディテクターが異常信号を出力して、電力スイッチをオフに切り替える。従って、スイッチ制御装置は、過電流および/または短絡保護を提供する。
【0016】
図1は、スイッチ制御装置106と電力スイッチ102とを含む例示的なスイッチ制御システム100を示す。スイッチ制御装置106はスイッチ異常ディテクター125を含む。スイッチ制御システム100は、入力電圧を受信し、電力スイッチ102のスイッチングを制御することによりエネルギー伝達要素を通して入力から負荷まで電気エネルギーを伝達する電力コンバーターの一部であり得る。
【0017】
示される例において、電力スイッチ102は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT:insulated−gate bipolar transistor)である。他の電力スイッチが、他の実施形態において使用され得る。例えば、金属−酸化物−半導体電界効果トランジスタ(MOSFET:metal−oxide−semiconductor field−effect transistor)、バイポーラトランジスタ、注入促進ゲートトランジスタ(IEGT:injection enhancement gate transistor)、および、ゲートターンオフサイリスタ(GTO:gate turn−off thyristor)が使用され得る。さらに、スイッチ制御システム100は、シリコン(Si)、窒化ガリウム(GaN)半導体、または、炭化ケイ素(SiC)半導体をベースとした電力スイッチとともに使用され得る。
【0018】
システム制御装置104は、システム入力108を受信するように、および、スイッチ制御装置106に入力信号U
IN
110を提供するように結合されたデバイスである。入力信号U
IN
110は、スイッチ制御装置106の入力端子IN117において受信される。場合によっては、入力信号U
IN
110は、電力スイッチ102をオンに切り替えるように、または、電力スイッチ102をオフに切り替えるようにスイッチ制御装置106に命令するコマンド信号であり得る。例えば、入力信号U
IN
110は、論理ハイセクションと論理ローセクションとが異なる持続期間をもつ方形パルス波形であり得る。論理ハイセクションは、例えば、電力スイッチ102がオンになることを示し得るのに対し、論理ローセクションは、電力スイッチ102がオフになることを示し得る。
【0019】
スイッチ制御装置106は、電力スイッチ102を制御し、ドライバインターフェース112と駆動回路116とを含む。いくつかの場合において、ドライバインターフェース112とシステム制御装置104との両方が一次基準電位122を基準とするのに対し、駆動回路116は二次基準電位123を基準とする。ドライバインターフェース112と駆動回路114とは通信リンク114を通して通信するように結合されている。通信リンク114は、ドライバインターフェース112と駆動回路116とをガルバニック絶縁している。示される実施態様において、通信リンク114は双方向である。他の実施態様において、ドライバインターフェース112と駆動回路114との間の通信は、1方向であり得る。いくつかの実施態様において、通信リンク114は、例えば、信号変圧器、結合インダクタ、または他の誘導結合を使用して実装される。
【0020】
動作中、ドライバインターフェース112は、システム制御装置104から受信された入力信号U
IN
110を解釈する。解釈に基づいて、ドライバインターフェース112は、通信リンク114を介して駆動回路116にコマンド信号を送信する。コマンド信号は、例えば、電力スイッチ102をオンまたはオフに駆動するように、駆動回路116に命令し得る。駆動回路116は、電力スイッチ102のスイッチングを制御するように駆動信号U

131を生成する。駆動回路116の示される実施態様は、送受信器124、スイッチ異常ディテクター125、および駆動信号生成器126を含む。送受信器124は、ドライバインターフェース112からの通信を受信および解釈し、スイッチ異常ディテクター125と駆動信号生成器126とに駆動状態信号127を提供する。駆動状態信号127は、電力スイッチ102をオンまたはオフに制御するように駆動信号生成器126に指示する。例えば、駆動状態信号127は、可変持続期間の論理ハイセクションと論理ローセクションとをもつ方形パルス波形であり得る。この例において、電力スイッチ102は、駆動状態信号127が論理ハイであるとき、駆動信号生成器126によりオンに切り替えられ、駆動状態信号127が論理ローであるとき、オフに切り替えられる。示される例において、駆動状態信号127は、単一チャンネルにおける単一の信号である。他の例において、駆動状態信号127は、複数の信号として、および/または、複数のチャンネルにおいて通信され得る。例えば、1つのチャンネルにおける1つの信号が、電力スイッチ102をオンに切り替えるように駆動信号生成器126に命令し得、別のチャンネルにおける別の信号が、電力スイッチ102をオフに切り替えるように駆動信号生成器126に命令し得る。
【0021】
さらに説明されるように、送受信器124は、スイッチ異常ディテクター125から過電流または短絡を示す異常信号133を受信するように結合されている。送受信器124は、通信リンク114を介してドライバインターフェース112に異常の通知を中継する。
【0022】
駆動信号生成器126は、駆動状態信号127を受信するように結合されており、電力スイッチ102のスイッチングを制御するために、ゲートハイ信号UH129およびゲートロー信号UL130を出力するように結合されている。ゲートハイ信号UH129は、電力スイッチ102をオンに切り替えるために、スイッチ制御装置106のゲートハイ端子GH119から出力される。ゲートロー信号UL130は、電力スイッチ102をオフに切り替えるために、スイッチ制御装置106のゲートロー端子GL120から出力される。ゲートハイ信号UH129およびゲートロー信号UL130は、電圧信号または電流信号であり得る。駆動信号UD131は、ゲートハイ信号UH129とゲートロー信号UL130との組み合わせである。抵抗135および抵抗136は、それぞれ、ゲートハイGH端子119およびゲートロー端子GL120に結合されている。オフ切り替え電流I
GL
160は、ゲートロー端子GL120への電流として示される。言い換えると、オフ切り替え電流IGL160は、電力スイッチ102がオフであるときの、電力スイッチ120のゲート電流である。
【0023】
スイッチ制御装置106の示される実施態様は、戻り端子COM121とエミッタ端子VEE168とをさらに含む。戻り端子COM121は、二次戻り123に結合されており、スイッチ制御装置106の二次側に結合された回路のための戻り基準を提供する。エミッタ端子VEE168は、電力スイッチ102のエミッタ/ソースに結合されている。示される実施態様において、電力スイッチ102は、IGBTであり、それは、コレクタ、エミッタ、およびゲート端子を含む。しかし、他の電力スイッチが、ドレイン、ソース、およびゲート端子、または、コレクタ、エミッタ、およびベース端子を含み得る。
【0024】
スイッチ異常ディテクター125は、駆動状態信号127と、スイッチ制御装置106の検出端子SNS118からの検出信号とを受信するように結合されている。検出信号は、電圧信号(すなわち、検出端子SNS118における電圧VSNS)、または、電流信号(すなわち、検出電流I
SNS
161)であり得る。スイッチ異常ディテクター125は、検出端子SNS118における検出信号と駆動状態127とに基づいて、異常信号133とクランプ信号134とを出力する。以下でさらに詳細に説明されているように、スイッチ異常ディテクター125が過電流または短絡を監視しているとき、すなわち、電力スイッチ102がオン状態にあるとき、またはオンに切り替わり中であるとき、検出端子SNS118のインピーダンスが高い。対照的に、スイッチ異常ディテクター125が電力スイッチ102の能動的クランプに関与しているとき、すなわち、電力スイッチ102がオフ状態にあるとき、または、オフに切り替わり中であるとき、検出端子SNS118のインピーダンスが低い。例えば、いくつかの実施態様において、電力スイッチ102がオフ状態にあるとき、または、オフに切り替わり中であるとき、検出端子SNS118の入力インピーダンスは200キロオーム未満(例えば、10キロオーム未満)であるのに対し、電力スイッチ102がオン状態にあるとき、またはオンに切り替わり中であるとき、検出端子SNS118の入力インピーダンスは10メガオームより大きい(例えば、100メガオームより大きい)。スイッチ制御システム100は、検出端子SNS118と電力スイッチ102のコレクタ/ドレインとの間に結合された抵抗RC1 137をさらに含む。動作中、電力スイッチ102にかかる電圧VCE141は、抵抗RC1 137を通る電流を駆動する。抵抗RC1 137を通る電流の少なくとも一部が、検出電流I
SNS
161として検出端子SNS118に流れ込む。スイッチ制御システム100は、抵抗RC2 138をさらに含む。抵抗RC2 138の一端部が、検出端子SNS118と抵抗RC1 137との間に結合されている。他端部は、戻り端子COM121またはエミッタ端子VEE168に結合されている。抵抗RC1 137と抵抗RC2 138とが一緒に、分圧器を形成しており、電力スイッチ102にかかる電圧を検出信号に変換する。
【0025】
任意選択的に、電力スイッチ102は、(破線により示される)検出端子183を含み得る。検出端子183は、総スイッチ電流IC142のうちの小さな割合である電流I
ESNS
192を出力する。電力スイッチ102が検出端子183を含む場合、抵抗RS1 139およびRS2 140が、検出端子183に結合され得る。抵抗RS1 139にかかる電圧は、総スイッチ電流IC142に比例する。抵抗RS2は、RS1にかかる電圧を検出端子SNS118に結合するために使用される。示される実施態様において、抵抗RS1 139は、検出端子183と電力スイッチ102のエミッタ/ソースとに結合されている。抵抗RS2 140は、抵抗RC1 137とスイッチ制御装置106の検出端子SNS118との間において、電力スイッチ102の検出端子183に結合されている。過電流および/または短絡検出中、検出端子SNS118の入力インピーダンスが高く、SNS端子118における電圧がスイッチ電流I

142を表す。さらに、検出端子183における検出電圧VSNSが、電流I
ESNS
192とスイッチ電流I

142との両方を表す。検出端子183および抵抗RS1 129およびRS2 140が使用される実施態様において、抵抗RC2 138は任意選択的である。
【0026】
動作中、スイッチ異常ディテクター125は、過電圧、過電流、または短絡状態が発生しているか否かを判定するために、検出端子SNS118における電圧または電流を監視する。
【0027】
過電圧防止
【0028】
電力スイッチ102がオフでなければならないことを駆動状態信号127が示しているとき、スイッチ異常ディテクター125は、検出端子SNS118に流れ込む電流I
SNS
161を使用して過電圧状態を検出するように結合される。検出端子SNS118の入力インピーダンスは低い。抵抗RC1 137は、電力スイッチ102にかかる電圧VCE141を検出電流I
SNS
として示される電流に変換する。過電圧状態が検出された場合、スイッチ異常ディテクター125は、電力スイッチ102の電圧をクランプする電力スイッチ102のオフ切り替えスピードを遅くするクランプ信号134を使用する。クランプ信号134における標示に応答して、駆動信号生成器126がゲートロー信号UL130を使用して、電力スイッチ102にかかる電圧VCE141を下げる。
【0029】
抵抗RC1 137の値は、クランプ信号134をトリガーする(すなわち、スイッチ電圧VCE141のクランプレベルを調節する)電力スイッチ102にかかる電圧VCE141のレベルを選択するために選択される。特に、スイッチ異常ディテクター125は、固定のプリセット閾値レベルを与えられ得、抵抗RC1 137は、この固定の閾値を上回る電圧VCE141の電圧を指定し得る。従って、スイッチ異常ディテクター125は、異なる動作状態において、および/または、異なる電力スイッチ102と組み合わされて使用され得る。
【0030】
上述のように、スイッチ異常ディテクター125が過電圧を監視しているとき、検出端子SNS118におけるスイッチ制御装置106の入力インピーダンスは低い。言い換えると、電力スイッチ102がオフでなければならないことを駆動状態127が示しているとき、検出端子SNS118のインピーダンスが低い。抵抗RC2 138のインピーダンスが、検出端子SNS118におけるスイッチ制御装置106の入力インピーダンスよりはるかに大きくなるように、抵抗RC2 138に対する抵抗が選択され得る。例えば、スイッチ制御装置106の入力インピーダンスは、約4〜5キロオームであり得、抵抗RC2 138のインピーダンスは、約22〜82キロオームである。一例において、抵抗RC1は、約1〜2メガオームであり得る。
【0031】
過電流または短絡保護
【0032】
電力スイッチ102がオンでなければならないことを駆動状態信号127が示しているとき、スイッチ異常ディテクター125は、検出端子SNS118における電圧に基づいて過電流および/または短絡状態を検出するように結合される。電力スイッチ102がオンであるとき、またはオンに切り替わり中であるとき、検出端子SNS118のインピーダンスが高く、電圧VSNSはスイッチ電流I

142を表す。電力スイッチ102が検出端子183を含む実施態様では、電流I
ESNS
192は、抵抗RCS1 139と抵抗RS2 140との間における電位を、対応するレベルにシフトさせ、検出端子SNS118における電圧SNSを変える。繰り返すが、電流I
ESNS
192はスイッチ電流I

142のある割合である。電力スイッチ102が検出端子183を含まない実施態様では、比較的低いスイッチ電圧VCE141が抵抗RC1 137を通る電流を駆動する。抵抗RC1 137を通る電流は、さらに、スイッチ制御装置106の入力インピーダンスと抵抗RC2 138とにより提供されるインピーダンスに直面し、検出端子SNS118におけるスイッチ電流I

142を表す電圧SNSを提供する。オン状態では、スイッチ電圧VCE141は、電力スイッチ102のオン状態インピーダンスとスイッチ電流I

142との積に関係する。
【0033】
過電流または短絡が検出された場合、スイッチ異常ディテクター125が送受信器124に異常信号133を出力する。異常信号133に応答して、送受信器124が、駆動状態信号127を変化させて、電力スイッチ102をオフに切り替えるように駆動信号生成器126に指示する。それに応答して、駆動信号生成器126は、電力スイッチ102をオフに切り替える。送受信器124は、ドライバインターフェース112に異常信号133をさらに出力し得る。ドライバインターフェース112は、システム制御装置104に異常の標示を中継する。
【0034】
抵抗RC1 137およびRC2 138(または、任意選択的に、RS1 139およびRS2 140)のインピーダンスは、スイッチ異常ディテクター125の内部電圧基準V1、および、電力スイッチ102の所望の非飽和レベルに部分的に基づいて選択され得る。検出端子SNS118の高い入力インピーダンスが、抵抗RC2 138と並列である(または、抵抗RS1 139、およびRS2 140と並列である)。抵抗RC1 137およびRC2 138が検出電圧SNSを提供するために使用され、抵抗RC2 138の値が、スイッチ異常ディテクター125の内部基準電圧V1に対して非飽和レベルを調節する。一例が図4Aに関係してさらに説明される。抵抗RC2 138の値がより大きいほど、電力スイッチ102の非飽和レベルがより低い。言い換えると、抵抗RC2 138の値がより大きいほど、異常信号133をトリガーするスイッチ電流IC142がより小さい。同様に、抵抗RS1 139およびRS2 140が検出電圧SNSを提供するとき、抵抗RS2 140は、スイッチ異常ディテクター125の内部基準電圧V1に対して、電力スイッチ102に対する非飽和レベルを調節し、および抵抗RS1 139は、電流IESNS192を、電力スイッチ102のそれぞれに対する安全動作エリア(SOA:Safe Operation Area)規格に対する電圧範囲内の電圧に変換する。一例が図4Bに関係してさらに説明される。
【0035】
同じ検出端子SNS118における過電流と過電圧との両方に対する監視は、非常に困難な課題である。過電流検出のために、スイッチ電流IC142を表す検出電圧VSNSは、電力スイッチ102のオン切り替え中およびオン状態中、0.2V〜0.5Vの範囲であり得る。しかし、過電圧検出の場合、過電圧をトリガーする閾値は、電力スイッチ102のオフ切り替え中およびオフ状態中、数千ボルトの程度であり得、例えば1050Vであり得る。従って、検出端子118は、幅広い電圧範囲にさらされる。スイッチ電圧VCE141を、オフ切り替え中およびオフ状態中、電流信号ISNS161として検出することにより、制御スキームのスピードを上げ得る。
【0036】
図2Aは、電力スイッチのオフからオンへの遷移中、通常、短絡、および過電流状態のもとでの、駆動信号231およびスイッチ電圧VCE241に対する例示的な波形を含むタイミング図200を示す。
【0037】
より上方の波形は、電力スイッチのオン切り替えとオフ切り替えとを制御する例示的な駆動信号UD231を示す。オフ期間中、駆動信号UD231は、オフ電圧VOFF244に実質的に等しい。オン期間中、駆動信号UD231は、オン電圧VON243に実質的に等しい。
【0038】
スイッチ電圧VCE241(すなわち、電力スイッチにかかる電圧)は、タイミング図200の下部に示される。左下部分が、通常の状態のもとでの例示的なスイッチ電圧VCE241を示すのに対し、右下部分は、短絡および過電流状態のもとでの例示的なスイッチ電圧VCE241を示す。タイミング図200の左下部分に示されるように、電力スイッチがオフからオンに遷移した後、スイッチ電圧VCE241が実質的にゼロまで急速に低下する。対照的に、短絡状態のもとでは、スイッチ電圧VCE241は最初に低下し得るがその後、ある期間後に再度上昇する。一例において、スイッチ電圧VCE241は、通常の状態中のその値まで低下し得るが、その後に上昇する。過電流状態のもとでは、スイッチ電圧VCE241は、通常の状態よりはるかに遅い速度ではあるが、低下し得る。
【0039】
図2Bは、電力スイッチのオンからオフへの遷移中、通常および過電流状態のもとでの、駆動信号231およびスイッチ電圧VCE241に対する例示的な波形を含むタイミング図201を示す。より上方の波形は、電力スイッチのオン切り替えとオフ切り替えとを制御する例示的な駆動信号UD231を示す。オン期間中、駆動信号UD231はオン電圧VON243に実質的に等しい。オフ期間中、駆動信号UD231は、オフ電圧VOFF244に実質的に等しい。
【0040】
スイッチ電圧VCE241(すなわち、電力スイッチにかかる電圧)は、タイミング図200の下部に示される。左下部分が、通常の状態のもとでの例示的なスイッチ電圧VCE241を示すのに対し、右下部分は、過電圧状態のもとでの例示的なスイッチ電圧VCE241を示す。タイミング図201の左下部分に示されるように、オンからオフへの遷移中、スイッチ電圧VCE241は、ほぼ0ボルトから上昇するが、基準レベル246未満に留まる。この例において、基準レベル246より大きいスイッチ電圧VCE241は、過電圧状態を示す。タイミング図201の右下部分に示されるように、過電圧状態のもとでは、スイッチ電圧VCE241が0ボルトから基準レベル246より大きいレベルまで上昇し、過電圧状態を示す。
【0041】
図3Aは、過電圧状態を検出するためのスイッチ異常ディテクター325内における回路の例、および、このような回路と駆動信号生成器326との間における結合の例を示す。過電圧状態を検出するための回路に加えて、スイッチ異常ディテクター325は、過電流および短絡状態を検出するための、および過電流および短絡状態から保護するための回路をさらに含むことに留意されたい。説明を目的とするために、このような回路は図3Aに示されていない。しかし、図3Aにおいて過電圧状態を検出するための回路は、例えば図4Aに示されるように過電流および短絡状態を検出するための回路と組み合わされ得る。
【0042】
スイッチ制御装置306内の回路は、駆動信号生成器326とスイッチ異常ディテクター325とを含む。駆動信号生成器326は、オンスイッチ349とオフスイッチ350とを含む。オンスイッチ349とオフスイッチ350との両方は、n型トランジスタとして示される。オンスイッチ349の一端部はソース電圧VISOに結合されており、他端部はゲートハイ端子GH319に結合されている。オンスイッチ349は、ドライバ351を介して駆動状態信号327により制御される。動作中、電力スイッチ302がオンに切り替えられることを駆動状態信号327が示す(例えば、駆動状態信号327が論理ハイである)とき、ドライバ351は、オンスイッチ349を導電状態に制御し、ゲートハイ端子GH319および抵抗335にゲートハイ信号UH329を提供する。同時に、オフスイッチ350がオフに制御され、駆動信号331がゲートハイ信号UH329に実質的に等しくなる。それに応答して、電力スイッチ302がオンに切り替わる。
【0043】
オフスイッチ350は、ゲートロー端子GL320と戻りCOMとに結合されており、インバーター385と電流源348とを介して駆動状態信号327により制御される。インバーター385は、駆動状態信号327を受信し、駆動状態信号327に基づいて電流源348を制御する。示されるように、電流源348は、オフスイッチ350の制御端子に結合されている。動作中、電力スイッチ302がオフに切り替えられることを駆動状態信号327が示す(例えば、駆動状態信号327が論理ローである)とき、インバーター385は、オフスイッチ350をオンに切り替えるように電流を提供するように電流源348を制御する。オフスイッチ350は、ゲートロー端子320と抵抗336とにゲートロー信号UL330を提供する。オンスイッチ349は、オフに制御される。駆動信号U

331は、ゲートロー信号UL330に実質的に等しくなる。電力スイッチ302は、それに応答してオフに切り替わる。なお、ゲートロー端子320への電流は、ゲートロー電流IGL360と呼ばれ得る。
【0044】
駆動信号生成器326は、カレントミラーとしてまとまって結合されたトランジスタ352および353をさらに含む。トランジスタ352のドレインは、スイッチ異常ディテクター325からクランプ信号334を受信するように結合されている。トランジスタ353のドレインは、オフスイッチ350の制御端子(例えば、ゲート)に結合されている。さらに説明されるように、トランジスタ352および353は、クランプ信号334をミラーリングし、オフスイッチ350の制御(例えば、ゲート)端子から電流を引き込む。より少ない電流がオフスイッチ350の制御端子に入力されるので、ゲート電流IGL360が減らされる。これは、続いて、電力スイッチ302がオフに切り替わる速度、および、スイッチ電圧VCE341の変化速度を低減する。
【0045】
示されるスイッチ異常ディテクター325が過電圧状態を検出し、過電圧状態が検出されたとき、スイッチ異常ディテクター325と駆動信号生成器326とがスイッチ電圧VCE341を能動的にクランプする。さらに詳細に述べると、スイッチ異常ディテクター325は、検出端子SNS318において検出信号を受信する。過電圧検出のために、スイッチ電圧VCE341は、検出電流ISNS361として示される電流信号に変換される。抵抗RC1 337は、検出端子SNS318と電力スイッチ302のコレクタ/ドレインとに結合されており、スイッチ電圧VCE241を変換する。
【0046】
スイッチ異常ディテクター325は、電流源358、トランジスタM1 354、M2 355、M3 356、およびM4 357、および、電流ドライバ359を含む。電流源358は、可変電流源であり、駆動状態信号327とクランプ信号334とを受信するように結合されている。電流源358は、さらに、駆動状態信号327とクランプ信号334とに応答して電流I
REF
の大きさを変える。電流源358による電流I
REF
の変化に関する詳細は、図3Bの説明において提供される。
【0047】
トランジスタM1 354、M2 355、M3 356、およびM4 357は、駆動状態信号327の状態に応じてオンまたはオフにスイッチングされ得るカレントミラーを形成するように一緒に結合されている。特に、トランジスタM1 354、M2 355、およびM4 357がn型トランジスタであるのに対し、トランジスタM3 356はp型トランジスタである。トランジスタM1 354およびM2 355のゲート、および、トランジスタM3 356およびM4 357のドレインが一緒に結合されている。トランジスタM1 354のドレインと、トランジスタM3 356のソースとが検出端子SNS318に結合されており、トランジスタM2 355のドレインは、電流源358および電流ドライバ359に結合されている。さらに、トランジスタM1 354、M2 355、およびM4 357のソースは、戻りCOMに結合されている。トランジスタM3 356およびM4 357のゲートが一緒に結合されており、駆動状態信号327を受信するように結合されている。
【0048】
電流ドライバ359は、電流IREFと、トランジスタM2 355を通るミラーリングされた検出電流との間の差の1つのバージョンを出力するように結合された増幅器および/または電流バッファである。動作中、スイッチ異常ディテクター325は、トランジスタM3 356およびM4 357のゲートにおいて駆動状態信号327を受信する。駆動状態327は、スイッチ異常ディテクター325が過電圧または過電流/短絡状態を検出するかを特定する。特に、駆動状態信号327が論理ローである−電力スイッチ302がオフになること、または、オフに切り替わることを示す−とき、トランジスタM3 356がオンであり、トランジスタM4 357がオフである。低入力インピーダンスカレントミラーは、トランジスタM1 354、M2 355、M3 356により形成されている。この低入力インピーダンスカレントミラーは、検出端子SNS318から「観測される」。検出端子SNS318とカレントミラーとを通って流れる電流は、能動的クランプ工程において使用される。対照的に、駆動状態信号327が、論理ハウである−電力スイッチ302がオンになること、または、オンに切り替わることを示す−とき、トランジスタM3 356がオフであり、トランジスタM4 357がオンである。トランジスタM1 354、M2 355、M3 356は、カレントミラーを形成せず、高い入力インピーダンスが検出端子SNS318から「観測される」。他の回路−例えば図4A、図4B、図4Dに示されるものなど−が、過電流および短絡状態を検出し、過電流および短絡状態から保護する。
【0049】
示される実施態様において、電力スイッチ302がオフでなければならないこと、または、オフに切り替わらなければならないことを駆動状態信号327が示すとき、スイッチ異常ディテクター325は、検出端子SNS318に入る電流ISNS361を使用して過電圧状態を検出するように結合される。トランジスタM1 354、M2 355、M3 356は、受信された検出電流ISNS361をミラーリングする。ミラーリングされた検出電流(すなわち、トランジスタM2 355を通って流れる電流)は、電流源358により出力された基準電流IREFから差し引かれる。電流ドライバ359は、差をバッファリングおよび/または増幅し、ミラーリングされた検出電流と基準電流I
REF
との間の差に基づいてクランプ信号334を出力する。従って、クランプ信号334は、可変電流信号である。概して、ミラーリングされた検出電流が基準電流I
REF
未満である場合、クランプ信号334は実質的にゼロである。駆動信号生成器326は、クランプ信号334を受信する。トランジスタ352および353は、クランプ信号334をミラーリングし、オフスイッチ350がどれだけの電流を導電するかを制御する。示されるように、オフスイッチ350は、スイッチ電圧VCE141の変化速度が低減されるようにゲートロー電流IGL360を変化させ、スイッチ電圧VCE141を効果的にクランプする。オフスイッチ350は、オフ切り替え遷移中、最初に線形モードで動作する。オフスイッチ350は、スイッチ電圧VCE341をクランプするように、一旦、飽和モードに入る。
【0050】
さらに、抵抗RC1 337、RC2 338の値は、クランプ信号334をアサートするようにスイッチ異常ディテクター325をトリガーするスイッチ電圧V
CE
341の値を調節するように選択され得る。抵抗RC1 337の値がより大きいほど、能動的クランプをトリガーするスイッチ電圧V
CE
341のレベルがより高い。言い換えると、抵抗RC1 337に対する値が高いほど、クランプ信号334をアサートするようにスイッチ異常ディテクター325をトリガーする電圧V
CE
341がより高い。
(【0051】以降は省略されています)

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