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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Temperaturerfassungsschaltung
und ein Temperaturerfassungsverfahren für eine spannungsgesteuerte Halbleitervorrichtung.
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Zur
Temperaturerfassung für
die Schutzfunktion in einem herkömmlichen
IGBT-Modul mit spannungsgesteuerten
Halbleitervorrichtungen vom IGBT-Typ (IGBT: Bipolartransistor mit
isoliertem Gate) ist eine Temperaturerfassungsschaltung zum Erfassen
eines Temperaturanstiegs im IGBT-Modul erforderlich, um das IGBT
abzuschalten. Ein herkömmliches
IGBT-Modul ist zum Beispiel in der japanischen Patent-Offenlegungsschrift
Nr. 7-67389 beschrieben.
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Der
Temperaturanstieg in einem IGBT-Modul wird durch eine Temperaturerfassungsschaltung
mit einem Thermistor festgestellt und das Signal zu einer Steuerschaltung
gegeben. Der Thermistor ist an einem Kühlblech angebracht, auf dem
sich auch das IGBT-Modul
befindet. Wenn die Temperatur des Kühlblechs ansteigt, nimmt der
Widerstand des Thermistors ab und auch dessen Klemmenspannung. Wenn
die Temperatur einen vorher eingestellten Wert übersteigt, bewirkt die Temperaturerfassungsschaltung
aufgrund dieser Eigenschaften ein Abschalten des IGBT.
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Die 6 zeigt
eine Temperaturerfassungsschaltung 31 mit einem an einem
Kühlblech
angebrachten Thermistor 29, einer Steuerschaltung 26 für ein IGBT-Modul 9a und
den Anschluß einer
Gate-Ansteuerschaltung 12. In der Temperaturerfassungsschaltung 31 ist
das eine Ende des Thermistors in Reihe mit einem Widerstand 30 geschaltet
und auch mit dem Eingangsanschluß einer Spannungsvergleichsschaltung 13 verbunden.
Das andere Ende des Thermistors ist an das Massepotential angeschlossen.
Der andere Eingangsanschluß der
Spannungsvergleichsschaltung 13 ist mit einer Konstantspannungsschaltung 18 verbunden.
Der Ausgangsanschluß der
Spannungsvergleichsschaltung ist mit der Steuerschaltung 26 verbunden.
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Da
in der 6 der Thermistor für die Temperaturerfassung Teil
des Kühlblechs
ist, wird eine Temperaturänderung
des IGBT über
die Temperatur des Kühlblechs
erfaßt.
Wenn ein IGBT-Element 1a durch einen Überstrom und dergleichen zu
viel Wärme
erzeugt, ergibt sich daher das Problem, daß die auf den Thermistor übertragene
Temperatur von der Position des aufheizenden Elements abhängt, und daß die Genauigkeit
der Temperaturerfassung mit zunehmenden Abstand zwischen dem aufheizenden Element
und dem Thermistor abnimmt.
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Eine
dem Oberbegriff des vorliegenden Patentanspruchs 1 entsprechende
Temperaturerfassungsschaltung ist in der EP-A-0 702 455 beschrieben.
Weiterer relevanter Stand der Technik ist in "Optimization of the turn-off performance
of IGBT at overcurrent and short-circuit current" von Eckel et al. in POWER ELECTRONICS
AND APPLICATIONS, Bd. 2, Sept. 1993, Seiten 317 bis 322 enthalten.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, unter Berücksichtigung der genannten
Probleme eine hoch zuverlässige
Temperaturerfassungsschaltung und ein hoch zuverlässiges Temperaturerfassungsverfahren
zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Temperaturerfassungsschaltung
gelöst.
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Die
im folgenden beschriebene erfindungsgemäße Temperaturerfassungsschaltung
und das im folgenden beschriebene Temperaturerfassungsverfahren
wird bei einer spannungsgesteuerten Halbleitervorrichtung verwendet,
die ein Halbleiterelement zum Steuern des Stromflusses zwischen
zwei Hauptelektroden durch eine an eine isolierte Gateelektrode
angelegte Spannung; einen elektrisch mit der isolierten Gateelektrode
verbundenen Gateanschluß; und
einen an die andere der Hauptelektroden angeschlossenen weiteren
Anschluß aufweist.
Als Halbleiterelement sind neben einem IGBT verschiedene Arten von
Halbleiterelementen mit isolierter Gateelektrode wie MOSFETs und
so weiter möglich.
Spannungsgesteuerte Halbleitervorrichtungen sind zum Beispiel Leistungshalbleitermodule,
vergossene Halbleiter-Bauelemente und so weiter.
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Bei
der erfindungsgemäßen Temperaturerfassungsschaltung
ist zwischen den Gateanschluß und
die isolierte Gateelektrode der spannungsgesteuerten Halbleitervorrichtung
ein Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten geschaltet.
Ferner umfaßt
die Temperaturerfassungsschaltung eine Einrichtung zum Aufnehmen
einer Spannung, die den Spannungsabfall über den Widerstand in dem Schaltungsabschnitt
zwischen dem Gateanschluß und
dem weiteren Anschluß enthält, und
zum Erfassen der Temperatur der spannungsgesteuerten Halbleitervorrichtung
auf der Grundlage dieser Spannung.
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Die
beschriebene erfindungsgemäße Temperaturerfassungsschaltung
macht von der Tatsache Gebrauch, daß, wenn ein Widerstand mit
einem positiven Temperaturkoeffizienten zwischen den Gateanschluß und die
isolierte Gateelektrode geschaltet ist, die den Spannungsabfall über den
Widerstand in dem Schaltungsabschnitt zwischen dem Gateanschluß und dem
weiteren Anschluß enthaltende
Spannung sich aufgrund der Temperatur der spannungsgesteuerten Halbleitervorrichtung
verändert.
Das Ansprechverhalten auf eine Temperaturänderung in der spannungsgesteuerten
Halbleitervorrichtung ist daher schnell. Entsprechend wird durch das
Erfassen der Temperatur auf der Basis dieser Spannung eine sehr
zuverlässige
Temperaturerfassungsschaltung erhalten.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Temperaturerfassungsverfahren
ist zwischen den Gateanschluß und
die isolierte Gateelektrode ein Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten
geschaltet, und die Temperatur wird auf der Basis der Spannung erfaßt, die
den Spannungsabfall über
den Widerstand in dem Schaltungsabschnitt zwischen dem Gateanschluß und dem
weiteren Anschluß während der
Erzeugung eines Miller-Effekts beim Abschalten des Halbleiterelements
enthält.
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Das
beschriebene erfindungsgemäße Temperaturerfassungsverfahren
macht von der Tatsache Gebrauch, daß, wenn ein Widerstand mit
einem positiven Temperaturkoeffizienten zwischen den Gateanschluß und die
isolierte Gateelektrode geschaltet ist, die Spannung den Spannungsabfall über den
Widerstand in dem Schaltungsabschnitt zwischen dem Gateanschluß und dem
weiteren Anschluß während der
Erzeugung eines Miller-Effekts beim Abschalten des Halbleiterelements
enthält.
Das Ansprechverhalten ist daher schnell, und es kann eine sehr zuverlässige Temperaturerfassungsschaltung
erhalten werden.
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Bevorzugte
Modifikationen sind in den Unteransprüchen genannt.
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Vorzugsweise
ist bei der spannungsgesteuerten Halbleitervorrichtung der zwischen
den Gateanschluß und
die isolierte Gateelektrode geschaltete Widerstand in der spannungsgesteuerten Halbleitervorrichtung
enthalten. Da sich dabei der Widerstand an einer Stelle in der Nähe des Wärme erzeugenden
Halbleiterelements befindet, wird die Genauigkeit der Temperaturerfassung
erhöht.
Als Widerstand kann ein Widerstand verwendet werden, der bereits
zu einem anderen Zweck als der Temperaturerfassung in der spannungsgesteuerten
Halbleitervorrichtung enthalten ist, etwa ein Gatewiderstand.
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Eine
erfindungsgemäße Ansteuervorrichtung
für eine
spannungsgesteuerte Halbleitervorrichtung umfaßt eine Ansteuerschaltung,
die über
einen weiteren Widerstand mit dem Gateanschluß und mit dem weiteren Anschluß verbunden
ist; sowie die oben beschriebene erfindungsgemäße Temperaturerfassungsschaltung.
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Die
beschriebene erfindungsgemäße Ansteuervorrichtung
für die
Temperaturerfassungsschaltung macht von der Tatsache Gebrauch, daß, wenn
ein Widerstand mit einem positiven Temperaturkoeffizienten zwischen
den Gateanschluß und
die isolierte Gateelektrode und ein weiterer Widerstand zwischen
die Ansteuerschaltung und den Gateanschluß geschaltet ist, die Spannung,
die den Spannungsabfall über
den Widerstand in dem Schaltungsabschnitt zwischen dem Gateanschluß und dem
weiteren Anschluß enthält, sich
aufgrund der Temperatur der spannungsgesteuerten Halbleitervorrichtung
verändert.
Durch Steuern der Ansteuervorrichtung auf der Basis des Ausgangssignals
der Temperaturerfassungsschaltung wird somit eine sehr genaue Schutzoperation
hinsichtlich der Temperatur erhalten.
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Wenn
die spannungsgesteuerte Halbleitervorrichtung eine Anzahl von Halbleiterelementen
umfaßt,
kann die beschriebene Temperaturerfassungsschaltung und das beschriebene
Temperaturerfassungsverfahren auf eine spannungsgesteuerte Halbleitervorrichtung
mit dem folgenden Aufbau angewendet werden. Bei einer spannungsgesteuerten Halbleitervorrichtung
mit einem Halbleiterelement, das den Stromfluß zwischen zwei Hauptelektroden durch
die an eine isolierte Gateelektrode angelegte Spannung steuert;
mit einem Gateanschluß,
der elektrisch mit der isolierten Gateelektrode verbunden ist; wobei
der andere Anschluß elektrisch
mit der anderen Hauptelektrode verbunden ist; und mit einem Widerstand
mit einem positiven Temperaturkoeffizienten, der zwischen den Gateanschluß und die
isolierte Gateelektrode geschaltet ist; sowie mit einem weiteren
Halbleiterelement mit einer isolierten Gateelektrode, das parallel
zu dem Halbleiterelement geschaltet ist, umfaßt der Widerstand einen ersten
Widerstand und einen zweiten Widerstand, die miteinander in Serie
verbunden sind, wobei ein dritter Widerstand zwischen die Ver bindungsstelle
des ersten mit dem zweiten Widerstand und die isolierte Gateelektrode
des weiteren Halbleiterelements geschaltet ist.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1A und 1B zeigen
Schaltungsdiagramme für
eine erste Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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2 zeigt
ein Schaltungsdiagramm für
eine zweite Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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3 zeigt
ein Schaltungsdiagramm für
eine dritte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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4 zeige
ein Schaltungsdiagramm für eine
vierte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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5A und 5B sind
Ansichten zur Erläuterung
der Arbeitsweise der einzelnen Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung.
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6 ist
ein Schaltungsdiagramm für
ein Beispiel des Standes der Technik für die vorliegende Erfindung.
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7 zeigt
die Beziehung zwischen der Temperatur und dem inneren Gatewiderstand
bei der ersten Ausführungsform.
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GENAUE BESCHREIBUNG DER
BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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(Erste Ausführungsform)
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Die 1A zeigt
eine erste Ausführungsform.
Ein innerer Gatewiderstand (rg) ist zwischen die Gateelektrode 8a eines
IGBT-Chips 1a und den Gateanschluß 4 eines IGBT-Moduls 9a geschaltet und
ein äußerer Gatewiderstand
(RG) 11 zwischen das IGBT-Modul 9a und eine Gate-Ansteuerschaltung 12.
Der Gateanschluß 4 des
IGBT-Moduls 9a ist mit dem Eingangsanschluß (B) 15 einer
Spannungsvergleichsschaltung 13 verbunden. Ein Hilfsemitteranschluß 5 des
IGBT-Moduls 9a ist mit dem Masseanschluß 16 der Gate-Ansteuerschaltung 12 und
der Spannungsvergleichsschaltung 13 verbunden. Mit dem
Eingangsanschluß (A) 14 der
Spannungsvergleichsschaltung 13 ist eine Konstantspannungsschaltung 18 verbunden.
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Die 1B zeigt
den inneren Aufbau des IGBT-Moduls 9a.
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Auf
einer Wärmeabstrahlplatte 36 ist
eine isolierende Platte 35 angeordnet. Auf der isolierenden
Platte 35 befinden sich Metallplatten 34a, 34b und 34c.
Der Kollektorelektrodenabschnitt des IGBT-Chips 1a ist
mit der Metallplatte 34b verbunden, das eine Ende des inneren
Gatewiderstands 10a ist mit der Metallplatte 34c verbunden,
und das andere Ende des inneren Gatewiderstands 10a ist über eine Leitung 33 mit
dem Gateelektrodenabschnitt des IGBT-Chips 1a verbunden.
Mit den einzelnen Metallplatten 34a, 34b, 34c sind
jeweils eine Elektrode 3 zum Herausführen des Emitteranschlusses
aus dem Modul, eine Elektrode 2 zum Herausführen des
Kollektoranschlusses aus dem Modul bzw. eine Elektrode 4 zum
Herausführen
des Gateanschlusses aus dem Modul verbunden.
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Zurück zur 1A.
Wenn der durch den IGBT-Chip 1a fließende Kollektorstrom 20 zu
groß wird und
die Temperatur des IGBT-Chips 1a durch die erhöhte Verlustleistung
ansteigt, steigt auch die Temperatur des inneren Gatewiderstands
(rg) 10a an, der sich auf der gleichen Wärmeabstrahlplatte
befindet. Dabei verändert
sich der Wert des Spannungsabfalls zwischen den beiden Enden des
inneren Widerstands (rg) 10a aufgrund des Temperaturkoeffizienten
des spezifischen Widerstands, der eine physikalische Eigenschaft
des inneren Gatewiderstands (rg) 10a ist. Die Änderung
im Wert des Spannungsabfalls des inneren Widerstands (rg) 10a wird
als Spannung (VGE) 21 zwischen dem Gate und dem Emitter
erfaßt und
an den Eingangsanschluß (B) 15 der
Spannungsvergleichsschaltung 13 geführt. Am anderen Eingangsanschluß (A) 14 der
Spannungsvergleichsschaltung 13 liegt von der Konstantspannungsschaltung 18 ein
konstanter Spannungswert an. Das Ergebnis des Spannungsvergleichs,
den die Spannungsvergleichsschaltung 13 ausführt, wird
am Ausgangsanschluß 17 der
Spannungsvergleichsschaltung 13 ausgegeben.
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Anhand
der 5A und 5B wird
die Arbeitsweise der vorliegenden Ausführungsform erläutert. Die
Zeit, in der eine Änderung
im Spannungsabfall am inneren Gatewiderstand 10a des Moduls
erfaßt
wird, ist in der 5B die Zeit, wenn die Spannung
(VGE) 21 zwischen dem Gate und dem Emitter des IGBT-Moduls 9a in
der Periode A des Miller-Effekts
ist, der durch die Wirkung der Rückkoppelkapazität zwischen
der Kollektorelektrode und der Gateelektrode des IGBT-Chips 1a beim
Abschalten des IGBT-Chips 1a bewirkt wird. Die zwischen
dem Gate und dem Emitter des IGBT-Chips 1a auftretende Gatespannung
ist in der Periode A des Miller-Effekts ein konstanter Wert, und
auch der Gatestrom ist ein konstanter Wert.
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Die
zwischen dem Gateanschluß 4 und
dem Hilfsemitteranschluß 5 des
IGBT-Moduls 9a der 5A erzeugte
Spannung ist die Summe des konstanten Wertes der Gatespannung in
der Periode A des Miller-Effekts und der Spannung zwischen den beiden
Enden des inneren Gatewiderstands 10a des Moduls.
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Im
folgenden werden die Operationen beschrieben, die bei dieser Ausführungsform
eines IGBT-Chips eine Temperaturänderung
begleiten.
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Der
Temperaturkoeffizient des spezifischen Widerstands an den Widerständen wie
dem Gatewiderstand im Modul ist jeweils positiv.
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Wenn
die Temperatur des IGBT-Moduls 9a der 1A ansteigt,
steigt auch der ohmsche Widerstand des inneren Gatewiderstands (rg) 10a in
Abhängigkeit
von der Temperatur an und entsprechend die Spannung am inneren Gatewiderstand
(rg) 10a. Der zwischen dem Gateanschluß 4 und dem Hilfsemitteranschluß 5 in
der Periode der 5B erzeugte konstante Spannungswert
nimmt daher ab, und am Ausgangsanschluß 17 der vorliegenden
Temperaturerfassungsschaltung erfolgt bezüglich des Konstantspannungswertes,
der am Eingangsanschluß (A) 14 der
Spannungsvergleichsschaltung 13 anliegt, eine Umkehroperation.
In Abhängigkeit
von dem Umkehrsignal am Ausgangsanschluß 17 wird die Steuerschaltung
entsprechend betrieben, zum Beispiel der IGBT abgeschaltet.
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Wie
in der 5B gezeigt, hängt das
Ausmaß der Änderung
(ΔVGE) in
der Gatespannung, die zwischen dem Gateanschluß 4 und dem Hilfsemitteranschluß 5 aufgrund
der Temperaturänderung
des inneren Gatewiderstands (rg) 10a in der Periode A erzeugt
wird, vom Verhältnis
des Widerstandswerts rg des inneren Gatewiderstands (rg) 10a zum
Widerstandswert RG des äußeren Gatewiderstands
(RG) 11 ab. Wenn der Temperaturkoeffizient des inneren Gatewiderstands
(rg) gleich α ist,
die von der Gate-Ansteuerschaltung 12 in der Periode A
ausgegebene Spannung gleich VGN und die von dem durch das IGBT-Modul 9a fließenden Kollektorstrom 20 abhängige Gate-Schwellenspannung
des IGBT-Chips 1a gleicht
VTH, kann das Ausmaß der Änderung ΔVGE in der
Gatespannung durch die folgende Gleichung 1 ausgedrückt werden: ΔVGE = (α × rg / (α × rg + RG)) × (VGN +
VTH) (Gleichung 1).
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Gemäß dieser
Gleichung 1 kann die Temperaturänderung
des inneren Gatewiderstands des Moduls in der Periode A der 5B erfaßt werden
durch das Ausmaß der Änderung ΔVGE in der
Gatespannung, die zwischen dem Gateanschluß 4 und dem Hilfsemitteranschluß 5 erzeugt
wird.
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Die
Temperatur des IGBT-Moduls 9a kann somit dadurch erfaßt werden,
daß anstelle
der Spannungsvergleichsschaltung ein Rechner zum Berechnen der Temperatur
auf der Basis der Gleichung 1 angeschlossen wird, dem die Gatespannung
zugeführt
wird.
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Die
Temperaturerfassung bei der vorliegenden Ausführungsform wird nun im einzelnen
beschrieben.
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Wenn
der durch den IGBT-Chip 1a der 1A fließende Kollektorstrom 20 übermäßig groß wird und
die Temperatur des IGBT-Chips 1a entsprechend dem Anstieg
der im IGBT-Chip 1a erzeugten Verlustleistung von 25 °C auf 125 °C zunimmt,
steigt der ohmsche Widerstand des inneren Gatewiderstands (rg) 10a auf
etwa das Doppelte seines Wertes an, wie es in der 7 gezeigt
ist, und die Gatespannung, die zwischen dem Gateanschluß 4 und
dem Hilfsemitteranschluß 5 erzeugt
wird, ändert
sich. Es wird für
die 5B ein Beispiel für das Ausmaß der Änderung ΔVGE der Gatespannung durchgerechnet, wobei
die Gleichung 1 verwendet wird. Es sei VGP = 15 V, VGN = 10 V, VTH
= 8 V, RG = 10 Ω,
rg = 2 Ω (bei
25 °C) und
rg = 4 Ω (bei
125 °C).
Es ergibt sich bei 25 °C
ein ΔVGE
= 3 V und bei 125 °C
ein ΔVGE =
5,1 V. Der Unterschied von 2,1 V ist das Ausmaß der Änderung in der Gatespannung,
die durch den Temperaturanstieg bewirkt wurde. Das heißt, daß in der 5B der
Konstantspannungswert der Gatespannung in der Periode A bei 25 °C 5 V beträgt und bei
125 °C 2,9
V. Diese Spannungswerte werden mit dem Konstantspannungswert verglichen,
der am Eingangsanschluß (A) 14 der
Spannungsvergleichsschaltung 13 der 1A anliegt.
Wenn die Spannung abnimmt, erfolgt am Ausgang der vorliegenden Temperaturerfassungsvorrichtung
eine Umkehroperation. Wenn zum Beispiel die Spannung am Eingangsanschluß (A) 14 der
Spannungsvergleichsschaltung 13 3 Volt beträgt, ändert sich
bei einem Temperaturanstieg im IGBT-Modul 9a von 25 °C auf 125 °C die Spannung
am Eingangsanschluß (B) 15 der
Spannungsvergleichsschaltung 13 von 5 V auf 2,9 V, wodurch
eine Temperaturerfassungsoperation erfolgt, da die Spannung am Eingangsanschluß (B) 15 niedriger
wird als die am Eingangsanschluß (A) 14 anliegende
Spannung.
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(Zweite Ausführungsform)
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Die 2 zeigt
eine zweite Ausführungsform.
Diese Ausführungsform
umfaßt
den Fall, daß eine
Anzahl von IGBTs parallel geschaltet ist. Zwischen die Gateelektrode 8a des
IGBT 1a und den Gateanschluß 4 des IGBT-Moduls 9b ist
in Reihe ein innerer Gatewiderstand (rg) 10a und ein innerer Gatewiderstand
(rt) 22 geschaltet, und zwischen den Gateanschluß 4 des
IGBT-Moduls 9b und einer Gate-Ansteuerschaltung 12 ist
ein äußerer Gatewiderstand
(RG) 11 geschaltet. Der Gateanschluß 4 des IGBT-Moduls 9b ist
mit dem Eingangsanschluß (B) 15 der
Spannungsvergleichsschaltung 13 verbunden und der Hilfsanschluß 5 des
IGBT-Moduls 9b mit dem Masseanschluß 16 der Gate-Ansteuerschaltung 12 und
der Spannungsvergleichsschaltung 12. An den Eingangsanschluß (A) 14 der
Spannungsvergleichsschaltung 13 ist eine Konstantspannungsschaltung 18 angeschlossen.
Die Kollektorelektrode 6b des IGBT 1b ist mit
der Kollektorelektrode 6a des IGBT 1a verbunden,
die Emitterelektrode 7b des IGBT 1b ist mit der
Emitterelektrode 7a des IGBT 1a verbunden, und
der innere Gatewiderstand (rg) 10b ist zwischen die Gateelektrode 22 des
IGBT 1b und den Punkt B 23 (das heißt den Verbindungspunkt
des inneren Gatewiderstands 22 mit dem inneren Gatewiderstand 10a)
an dem einen Ende des inneren Gatewiderstands (rt) 22 geschaltet.
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Wenn
wie in der 2 der innere Gatewiderstand
(rg) 10a des IGBT 1a und der innere Gatewiderstand
(rg) 10b des IGBT 1b parallel geschaltet sind,
nimmt das Ausmaß der Änderung
im Erfassungspegel ab, da der Gesamtwiderstand klein wird und entsprechend
der Spannungsabfall geringer wird. Um den Erfassungspegel anzuheben,
wird daher der Gesamtwiderstand zur Vergrößerung des Spannungsabfalls
dadurch erhöht,
daß der
innere Gatewiderstand (rt) 22 in Reihe zu den inneren Gatewiderständen (rg) 10a und 10b geschaltet
wird.
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Wie
in der 5B gezeigt, erfolgt die Temperaturerfassung
in der Zeit der Periode A, wenn die Spannung (VGE) 21 zwischen
dem Gate und dem Emitter des IGBT-Moduls 9b zur Klemmspannung beim
Abschalten des IGBT 1a und des IGBT 1b wird. Im
allgemeinen ergibt sich am inneren Gatewiderstand durch den Gatestrom 19 beim
Abschalten des IGBT 1a und des IGBT 1b ein Spannungsabfall,
der die Klemmspannung verringert. Wenn bei dem IGBT-Modul 9b der 2 die
Temperatur ansteigt, steigt der Gesamtwiderstand des inneren Gatewiderstands
in Abhängigkeit
von der Temperatur an, und entsprechend erhöht sich die durch den gesamten
inneren Gatewiderstand erzeugte Spannung. Die Klemmspannung in der
Periode der 5B nimmt daher weiter ab, und
die vorliegende Temperaturerfassungsschaltung wird in Betrieb gesetzt,
wenn der Spannungswert bezüglich
des am Eingangsanschluß (A) 14 der
Spannungsvergleichsschaltung 13 anliegenden Konstantspannungswerts
abnimmt.
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Wie
aus der 5B ersichtlich, wird das Ausmaß der Änderung
(ΔVGE) in
der Klemmspannung aufgrund der Temperaturänderung des inneren Gatewiderstands
in der Periode A vom Verhältnis
des Gesamtwiderstands der inneren Gatewiderstände (rg) 10a, 10b und
des inneren Gatewiderstands (rt) 22 zum Widerstand des äußeren Gatewiderstands (RG) 11 bestimmt.
Wenn der Temperaturkoeffizient des inneren Gesamt-Gatewiderstands α ist, der
gesamte innere Gatewiderstand r, die am Gateanschluß 4 anliegende
negative Spannung VGN und die von dem durch das IGBT-Modul 9b fließenden Kollektorstrom 20 abhängige Klemmspannung
VTH, kann das Ausmaß der Änderung
(ΔVGE) in
der Klemmspannung aufgrund einer Temperaturänderung des inneren Gatewiderstands
in der Periode A durch die folgende Gleichung 2 ausgedrückt werden: ΔVGE = (α × r / (α × r + RG)) × (VGN + VTH) (Gleichung 2).
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Die
Temperaturänderung
kann ähnlich
wie bei der ersten Ausführungsform
auf der Basis von ΔVGE
erfaßt
werden.
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(Dritte Ausführungsform)
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Die 3 zeigt
eine dritte Ausführungsform. Diese
Ausführungsform
umfaßt
ebenfalls den Fall, daß eine
Anzahl von IGBTs parallel geschaltet ist. Zwischen die Gateelektrode 8a des
IGBT 1a und den Gateanschluß 4 des IGBT-Moduls 9b ist
in Reihe ein innerer Gatewiderstand (rg) 10a und ein innerer Gatewiderstand
(rt) 22 geschaltet, und zwischen den Gateanschluß 4 des
IGBT-Moduls 9b und einer Gate-Ansteuerschaltung 12 ist
ein äußerer Gatewiderstand
(RG) 11 geschaltet. Der Gateanschluß 4 des IGBT-Moduls 9b ist
mit dem Eingangsanschluß (B) 15 einer
Spannungsvergleichsschaltung 13 verbunden und der Hilfsanschluß 5 des
IGBT-Moduls 9b mit dem Masseanschluß 16 der Gate-Ansteuerschaltung 12 und
der Spannungsvergleichsschaltung 12. An den Eingangsanschluß (A) 14 der
Spannungsvergleichsschaltung 13 ist eine Konstantspannungsschaltung 18 angeschlossen.
Die Kollektorelektrode 6b des IGBT 1b ist mit
der Kollektorelektrode 6a des IGBT 1a verbunden,
die Emitterelektrode 7b des IGBT 1b ist mit der
Emitterelektrode 7a des IGBT 1a verbunden, und
der innere Gatewiderstand (rg) 10b ist zwischen die Gateelektrode 22 des
IGBT 1b und den Punkt B 23 (das heißt den Verbindungspunkt
des inneren Gatewiderstands 22 mit dem inneren Gatewiderstand 10a)
an dem einen Ende des inneren Gatewiderstands (rt) 22 geschaltet.
Außerdem
ist ein Temperaturerfassungsanschluß 24 vorgesehen, der mit
dem Punkt 23 verbunden ist.
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Wenn
wie in der 3 der innere Gatewiderstand
(rg) 10a des IGBT 1a und der innere Gatewiderstand
(rg) 10b des IGBT 1b parallel geschaltet sind,
nimmt das Ausmaß der Änderung
im Erfassungspegel ab, da der Gesamtwiderstand klein wird und entsprechend
der Spannungsabfall geringer wird. Durch die Reihenschaltung des
inneren Gatewiderstands (rt) 22 mit dem inneren Gatewiderständen (rg) 10a und 10b und
ferner durch das Vorsehen des Temperaturerfassungsanschlusses 24 am
Punkt B 23 an dem einen Ende des inneren Gatewiderstands (rt) 22 erfolgt
daher die Temperaturerfassungsoperation mittels Erfassen der Klemmenspannung
des inneren Gatewiderstands (rt) 22.
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Ähnlich wie
in der 5B erfolgt die Temperaturerfassung
durch die Spannung (VTG) zwischen dem Temperaturerfassungsanschluß 24 und
dem Gateanschluß 4 in
der Zeit der Periode A, wenn die Spannung (VGE) 21 zwischen
dem Gate und dem Emitter des IGBT-Moduls 9b zur Klemmspannung beim
Abschalten des IGBT 1a und des IGBT 1b wird. Im
allgemeinen wird die Spannung (VTG) 25 am inneren Gatewiderstand
(rt) 22 durch den Gatestrom 19 beim Abschalten
des IGBT 1a und des IGBT 1b erzeugt und die Klemmspannung
verringert. Wenn bei dem IGBT-Modul 9b der 3 die
Temperatur ansteigt, steigt der ohmsche Widerstand des inneren Gatewiderstands
(rt) 22 in Abhängigkeit
von der Temperatur an, und entsprechend erhöht sich die am inneren Gatewiderstand 22 erzeugte
Spannung. Die vorliegende Temperaturerfassungsschaltung wird in Betrieb
gesetzt, wenn der Spannungswert bezüglich des am Eingangsanschluß (A) 14 der
Spannungsvergleichsschaltung 13 anliegenden Konstantspannungswerts
zunimmt.
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Wenn
unter Bezug auf die 3 der Temperaturkoeffizient
des inneren Gatewiderstands (rt) 22 α ist und der Gatestrom Ig, kann
das durch den Temperaturanstieg verursachte Ausmaß der Änderung (ΔVTG) der
Spannung am inneren Gatewiderstands (rt) 22 in der Periode
A durch die folgende Gleichung 3 ausgedrückt werden: ΔVTG = α × rt × Ig (Gleichung 3).
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Ähnlich wie
im Fall von ΔVGE
läßt sich
die Temperaturänderung
aus der Änderung ΔVTG der Gatespannung
erfassen.
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(Vierte Ausführungsform)
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Die 4 zeigt
eine vierte Ausführungsform. Bei
dem Schaltungsaufbau der dritten Ausführungsform ist der Ausgang
der Spannungsvergleichsschaltung 13 mit der Steuerschaltung 26 verbunden
und der Ausgang der Steuerschaltung 26 mit der Gate-Ansteuerschaltung 12.
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Bei
der dritten Ausführungsform
nimmt die Spannungsvergleichsschaltung 13 an, daß eine Unnormalität aufgetreten
ist, wenn die Klemmenspannung am inneren Gatewiderstand 22 auf
einen Wert abfällt,
der unter dem Wert der Spannung am Eingangsanschluß (A) 14 der
Spannungsvergleichsschaltung liegt, und gibt ein Signal an die Steuerschaltung 26 ab,
das die Unnormalität
anzeigt. Die Steuerschaltung 26 gibt bei Erhalt des Signals über die
Unnormalität
eine Anweisung zum Beenden der Operation an die Gate-Ansteuerschaltung.
Wenn die Gate-Ansteuerschaltung die Anweisung zum Beenden der Operation
erhält,
schaltet sie den IGBT 1a und den IGBT 1b ab.
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Bei
den obigen Ausführungsformen
wird als Schaltelement ein IGBT verwendet. Wenn für das spannungsgesteuerte
Schaltelement ein Leistungs-MOSFET verwendet wird, ist die Arbeitsweise der
Schaltung die gleiche, und es kann der gleiche Effekt erhalten werden.
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Erfindungsgemäß wird durch
das Anschließen
eines Widerstands zur Temperaturerfassung bei einer spannungsgesteuerten
Halbleitervorrichtung eine sehr zuverlässige Temperaturerfassungsschaltung
erhalten.