驱动装置及功率模块

技术领域

本发明涉及对开关元件进行驱动的驱动装置，特别涉及具有过电流保护功能的驱动装置。

背景技术

广泛使用下述的功率模块，即，使用由上侧(P侧)的开关元件和下侧(N侧)的开关元件的串联电路构成的逆变器电路而将电流供给至电动机等电感负载。另外，作为对开关元件进行驱动的驱动装置，已知具有过电流检测电路、驱动电路的驱动装置，该过电流检测电路对在开关元件流过过电流进行检测，该驱动电路具有在检测出过电流时对开关元件进行保护而使其不受过电流的损害的功能(过电流保护功能)。

作为过电流检测电路对在开关元件流过的电流进行检测的方法，已知如下方法，即，对在下侧开关元件和接地端子(设定为接地电位(GND)的端子)之间连接的分流电阻产生的电压进行检测的方法(例如专利文献1)，采用具有流过与主电流大致成正比的电流的电流感测端子的开关元件，对在电流感测端子和接地端子之间连接的感测电阻产生的电压进行检测的方法(例如专利文献2)等。无论在哪种方法中，都使用对在分流电阻或感测电阻产生的电压和预先设定的比较用基准电压进行比较的比较器。

在通常的功率模块中，向过电流检测电路的比较器输入的比较用基准电压的基准电位、对开关元件进行驱动的驱动电路的基准电位、分流电阻或感测电阻的基准电位全部被设定为相同电位。即，下侧开关元件所用的比较用基准电压的基准电位、驱动电路的基准电位及分流电阻或感测电阻的基准电位均为接地电位，上侧开关元件所用的比较用基准电压的基准电位、驱动电路的基准电位及分流电阻或感测电阻的基准电位均为上侧开关元件的源极(发射极)端子的电位(例如，专利文献3)。

专利文献1：日本特开2017-229119号公报

专利文献2：日本特开2019-22348号公报

专利文献3：日本特开2019-110431号公报

在过电流检测电路对分流电阻的电压进行检测的结构中，如果将分流电阻的电阻值设得大，则开关元件的源极电位容易过冲而超过栅极电压，容易引起开关元件的破损或误动作。如果将分流电阻的电阻值减小，则能够抑制该问题的产生，但在分流电阻的电阻值小的情况下，由于在分流电阻产生的电压变小，因此产生电流的检测精度降低这样的问题。

发明内容

本发明就是为了解决上述课题而提出的，其目的在于提供即使在开关元件的电流检测用分流电阻的电阻值大的情况下也能够对开关元件的源极电位的过冲进行抑制的驱动装置。

本发明涉及的驱动装置具有：过电流检测电路，其基于在与开关元件的源极连接的分流电阻产生的电压，对流过所述开关元件的过电流进行检测；以及驱动电路，其将所述开关元件的源极和所述分流电阻的连接节点的电位作为基准电位，生成向所述开关元件的栅极输入的驱动信号。

发明的效果

根据本发明，由于驱动电路的基准电位为开关元件和分流电阻的连接节点的电位，因此开关元件的栅极电位与源极电位的变动对应地产生变化。因此，即使开关元件的源极电位产生变动，也会将开关元件的栅极源极间电压的变化抑制得小。因此，即使增大分流电阻的电阻值，也会抑制开关元件的源极电位过冲而超过栅极电压。

附图说明

图1是表示实施方式1涉及的驱动装置的结构的图。

图2是用于说明通过实施方式1涉及的驱动装置得到的效果的图。

图3是用于说明通过实施方式1涉及的驱动装置得到的效果的图。

图4是表示实施方式1涉及的驱动装置的变形例的图。

图5是表示实施方式1涉及的驱动装置的变形例的图。

图6是表示实施方式2涉及的功率模块的结构的图。

具体实施方式

<实施方式1>

图1是表示实施方式1涉及的驱动装置100的结构的图。在图1中示出如下例子，即，驱动装置100为对由上侧开关元件1和下侧开关元件2的串联电路构成的逆变器电路的下侧开关元件2进行驱动的LVIC(Low Voltage Integrated Circuit)。该逆变器电路例如将电流供给至电动机等电感负载L。另外，在下侧开关元件2的源极和接地端子之间连接有电流检测用分流电阻3。此外，上侧开关元件1及下侧开关元件2可以是BPT(双极晶体管)，也可以是MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)。

驱动装置100具有驱动电路10及过电流检测电路20。驱动电路10生成与下侧开关元件2的控制信号即输入脉冲对应的驱动信号，将该控制信号向下侧开关元件2的栅极输入。过电流检测电路20基于在分流电阻3产生的电压，对流过下侧开关元件2的过电流进行检测。

驱动电路10具有NOR门11和逻辑门电路12。输入脉冲被输入至NOR门11的一个输入端子，过电流检测电路20的输出信号被输入至另一个输入端子。逻辑门电路12生成与NOR门11的输出信号对应的驱动信号，将该驱动信号输入至下侧开关元件2的栅极。这里，作为基准电位，下侧开关元件2和分流电阻3的连接节点的电位(下面称为“下侧开关元件2和分流电阻3的中间电位”)被供给至驱动电路10。因此，从驱动电路10输入至下侧开关元件2的栅极的驱动信号的基准电位为下侧开关元件2和分流电阻3的中间电位。

过电流检测电路20具有比较器21、电源电路22(调节器)、电阻元件23～26。电阻元件23、24串联连接于接地端子和电源电路22的输出端子之间，电阻元件23、24间的连接节点连接于比较器21的反相输入端子(－输入端子)。电阻元件25、26串联连接于下侧开关元件2的源极和分流电阻3的连接节点与电源电路22的输出端子之间，电阻元件25、26间的连接节点连接于比较器21的非反相输入端子(+输入端子)。

即，作为比较用基准电压，通过电阻元件23、24对接地电位和电源电路22的输出电位之间的电压进行分压而得到的电压V1被输入至比较器21的反相输入端子。另外，作为用于对流过下侧开关元件2的电流进行监视的电压，通过电阻元件25、26对下侧开关元件2和分流电阻3的中间电位与电源电路22的输出电位之间的电压进行分压而得到的电压V2被输入至比较器21的非反相输入端子。下面，将电压V1称为“比较用基准电压”，将电压V2称为“监视电压”。

这样，电阻元件23、24构成用于生成比较用基准电压V1的第1分压电路，电阻元件25、26构成用于生成监视电压V2的第2分压电路。

比较器21通过对比较用基准电压V1和监视电压V2进行比较，对是否在下侧开关元件2流过了过电流进行判定。即，如果监视电压V2超过比较用基准电压V1，则比较器21判定为在下侧开关元件2流过了过电流，使输出信号激活。下面，将比较器21的输出信号(过电流检测电路20的输出信号)称为“过电流检测信号”。从过电流检测电路20输出的过电流检测信号经过OR门31及延迟电路32而输入至驱动电路10的NOR门11。OR门31的另一个输入端子(不接收过电流检测信号的那一侧的输入端子)连接于被输入上电复位反相控制信号的上电复位反相控制端子PR。此外，虽然未图示，但向OR门31的不接收过电流检测信号的那一侧的输入端子例如既可以输入过热保护信号、低电压保护信号等错误信号而并非上电复位反相控制信号，也可以输入多个上述错误信号。

如果过电流检测电路20使过电流检测信号激活，则在驱动电路10中，NOR门11将输入脉冲截止，从逻辑门电路12输出使下侧开关元件2断开的驱动信号。由此，保护下侧开关元件2而使其不受到过电流的损害。

如上所述，在现有的功率模块中，向过电流检测电路的比较器输入的比较用基准电压的基准电位、对开关元件进行驱动的驱动电路的基准电位、分流电阻的基准电位全部被设定为相同电位。相对于此，在实施方式1涉及的驱动装置100中，向过电流检测电路20的比较器21输入的比较用基准电压V1的基准电位及分流电阻3的基准电位为接地电位，但对下侧开关元件2进行驱动的驱动电路10的基准电位为下侧开关元件2和分流电阻3的中间电位。

通过将驱动电路10的基准电位设为下侧开关元件2和分流电阻3的中间电位，从而如图2所示，下侧开关元件2的栅极电位(由驱动电路10输出的驱动信号的电位)与下侧开关元件2的源极电位的变动对应地产生变化。因此，即使下侧开关元件2的源极电位产生变动，也会将下侧开关元件2的栅极源极间电压的变化抑制得小。由此，抑制了下侧开关元件2的源极电位过冲而超过栅极电压，因此能够将分流电阻3的电阻值设得大。

另外，在现有的功率模块中，由于比较器的工作点、精度的限制，需要对分流电阻的电阻值进行设定以使得在产生过电流时分流电阻处显现的电压为0.5V左右。相对于此，在本实施方式的驱动装置100中，比较用基准电压V1是通过由电源电路22及电阻元件23、24将分流电阻3的基准电位(接地电位)进行电平移位而生成的，监视电压V2是通过由电源电路22及电阻元件25、26将下侧开关元件2和分流电阻3的中间电位进行电平移位而生成的。由于能够通过电阻元件23～26的电阻值(分压比)对比较用基准电压V1及监视电压V2的电平进行设定，因此还得到能够将分流电阻3的电阻值设定为任意值这样的效果。此外，用于生成比较用基准电压V1及监视电压V2的电平移位也可以通过例如源极跟随器等其它手段来进行。

另外，也可以使比较用基准电压V1及监视电压V2的电平是能够调整的。例如，也可以将电阻元件23、24的串联电路(第1分压电路)及电阻元件25、26的串联电路(第2分压电路)分别替换为由大于或等于3个电阻元件构成的梯形(ladder)电阻，能够对引出比较用基准电压V1或监视电压V2的节点进行变更。另外，也可以在电源电路22的内部设置用于对输出电位进行调整的修整机构。如果能够调整比较用基准电压V1及监视电压V2的电平，则不需要将比较器21的输入范围向低电压侧扩展，比较器21的工作点等的设计变得容易。

另外，分流电阻具有与其面积成正比的值的寄生电感，在现有的功率模块中，由于分流电阻包含于下侧开关元件的栅极充电电流的环路，因此通过下侧开关元件的栅极充电电流、反电动势而产生LCR谐振，有时引起过电流检测电路的误动作。在本实施方式的驱动装置100中，由于分流电阻3在下侧开关元件2的栅极充电电流的环路外，分流电阻3的寄生电感(图3所示的L31、L32)不包含于该环路，因此还能期待可以防止产生LCR谐振这样的效果。

此外，当在下侧开关元件2的各端子也存在寄生电感(图3所示的L21、L22、L23)，由于下侧开关元件2的源极的寄生电感(L21)的影响大而产生谐振的情况下，也可以如图4所示，通过将电容元件4与分流电阻3并联连接而使谐振点移动来降低噪声频带的增益。而且，也可以如图5所示，将用于除去噪声的滤波电路5插入至用于将下侧开关元件2和分流电阻3的中间电位供给至驱动电路10的路径。滤波电路5除去谐振之外的噪声。

由于在di/dt大时容易产生谐振的问题，因此电容元件4及滤波电路5的应用在上侧开关元件1及下侧开关元件2为用于高速动作的开关元件的情况下是有效的。作为用于高速动作的开关元件，例如存在以SiC等宽带隙半导体为材料的开关元件。通过将用于高速动作的上侧开关元件1及下侧开关元件2、电容元件4及滤波电路5进行组合，在以往由于谐振的原因而难以实现的频率下进行驱动的产品的安装也成为可能。

此外，图1所示的上侧开关元件1、下侧开关元件2、分流电阻3及驱动电路10也可以收容于1个封装件而构成为功率模块。或者，也可以由上侧开关元件1、下侧开关元件2及驱动电路10构成功率模块，将分流电阻3外置。另外，在图4或图5的例子的情况下，与分流电阻3并联连接的电容元件4同样可以内置于功率模块，也可以外置。

<实施方式2>

图6是表示实施方式2涉及的功率模块200的结构的图。功率模块200是“6合1”结构的功率模块，具有：构成U相的逆变器电路的上侧开关元件1u及下侧开关元件2u；构成V相的逆变器电路的上侧开关元件1v及下侧开关元件2v；构成W相的逆变器电路的上侧开关元件1w及下侧开关元件2w；以及对它们进行驱动的高电压侧驱动装置110及低电压侧驱动装置120。上侧开关元件1u、1v、1w由HVIC(High Voltage Integrated Circuit)即高电压侧驱动装置110驱动，下侧开关元件2u、2v、2w由LVIC(Low Voltage Integrated Circuit)即低电压侧驱动装置120驱动。下侧开关元件2u、2v、2w的源极彼此连接，分流电阻3连接于下侧开关元件2u、2v、2w的源极和接地端子之间。

另外，虽然省略了图示，但功率模块200也可以内置与上侧开关元件1u、1v、1w及下侧开关元件2u、2v、2w的每一者逆并联连接的续流二极管、向高电压侧驱动装置110供给电源的自举二极管等。续流二极管、自举二极管也可以外置于功率模块200。在上侧开关元件1u、1v、1w及下侧开关元件2u、2v、2w为MOSFET的情况下，由于MOSFET具有体二极管，因此也可以省略续流二极管。

在本实施方式中，将实施方式1的驱动装置100应用于低电压侧驱动装置120。即，低电压侧驱动装置120具有对下侧开关元件2u进行驱动的驱动电路10u、对下侧开关元件2v进行驱动的驱动电路10v、对下侧开关元件2w进行驱动的驱动电路10w、以及与实施方式1相同的过电流检测电路20。驱动电路10u、10v、10w均具有与实施方式1的驱动电路10相同的结构，由过电流检测电路20输出的过电流检测信号经由OR门31及延迟电路32输入至它们的NOR门11。

在实施方式2涉及的功率模块200中，也得到与实施方式1相同的效果。另外，由于功率模块200为6合1结构，因此还得到能够对U相、V相及W相的接地电位的共通阻抗进行抑制这样的效果。

此外，能够将各实施方式自由地组合，或对各实施方式适当进行变形、省略。

标号的说明

1、1u、1v、1w上侧开关元件，2、2u、2v、2w下侧开关元件，3分流电阻，4电容元件，5滤波电路，10、10u、10v、10w驱动电路，11NOR门，12逻辑门电路，20过电流检测电路，21比较器，22电源电路，23～26电阻元件，31OR门，32延迟电路，PR上电复位反相控制端子，100驱动装置，110高电压侧驱动装置，120低电压侧驱动装置，200功率模块。