半导体组件及在含有它的逆变装置中检测异常情况方法

摘要

一种半导体组件，在其中检测过流、控制供电电压减小和过热，并按照由此检测得的各自的异常情况而输出不同的异常信号。半导体组件包括：检测多个半导体开关元件中的任何一个或全部元件的过流和控制电电压减小和半导体组件过热的异常情况检测装置。为根据由异常情况检测装置检测得到各自的异常情况而产生不同的异常信号，提供一异常信号发生装置。

说明书

本发明涉及在诸如逆变装置等设备中采用的半导体组件，在该组件中可以检测过流、控制电压减小以及过热等异常情况，并根据检测得各自的异常情况而输出不同的异常信号，本发明还涉及在包含该半导体组件的逆变装置中检测这些异常情况的方法。

图5是一通常的半导体组件内部结构的方框图。在图5中，标号20表示半导体组件；21a表示一正侧控制电源端；21b表示一负侧控制电源端；22a表示一正侧控制公共端；22b表示一负侧控制公共端；23a表示一正侧控制信号输入端；23b表示一负侧控制信号输入端；24a表示一正侧异常信号输出端；24b表示一负侧异常信号输出端；25a表示一正侧直流电源输入端；25b表示一负侧直流电源输入端；26表示一交流电源输出端；27a表示一正侧半导体开关元件(它是一晶体管)；以及27b表示一负侧半导体开关元件(它也是一晶体管)。此外，在图5中，标号28a表示一正侧二极管；28b表示一负侧二极管；29a表示一正侧晶体管电流检测器；29b表示一负侧晶体管电流检测器；30a表示一正侧晶体管驱动电路；30b表示一负侧晶体管驱动电路；31a表示一正侧晶体管过流保护电路；31b表示一负侧晶体管过流保护电路；32a表示一正侧控制供电电压减小保护电路；32b表示一负侧控制供电电压减小保护电路；33表示一温度检测器用以检测半导体组件20的温度；34表示一过热保护电路；35表示一第一逻辑或门电路，只要接收到正侧晶体管过流保护电路31a和正侧控制供电电压保护电路32a的输出信号中的任何一个信号，该或门电路就产生一输出信号；以及36表示一第二逻辑或门电路，只要接收到负侧晶体管过流保护电路31b和负侧控制供电电压保护电路32b的输出信号中的任何一个信号，该或门电路就产生一输出信号。

在如此组成的通常的半导体组件20中，把不同时接通正侧晶体管27a和负侧晶体管27b的控制信号分别送至正侧控制信号输入端和负侧控制信号输入端，从而使晶体管27a和27b通过正侧晶体管驱动电路30a和负侧晶体管驱动电路30b交替地接通和断开，利用交流电流流过晶体管而在交流电源输出端26提供交流电源。

在这种工作方式中，在正侧晶体管27a和负侧晶体管27b中流动的电流分别由正侧电流检测器29a和负侧电流检测器29b检测。由正侧过流保护电路31a和负侧过流保护电路31b来确定如此检测得的电流是否异常，即是否超过一预定值。一旦检测出过流异常，正侧过流保护电路31a(或负侧过流保护电路31b)就把一异常信号送到与之相连的正侧晶体管驱动电路30a(或负侧晶体管驱动电路30b)。根据接收到异常信号，正侧晶体管驱动电路30a(或负侧晶体管驱动电路30b)就断开正侧晶体管27a(或负侧晶体管27b)以切断其电流而不管加至正侧(或负侧)控制信号输入端23a(或23b)的控制信号。与此同时，正侧过流保护电路31a(或负侧过流保护电路31b)通过第一逻辑或门元件35(或第二逻辑或门元件36)把异常信号送到正侧异常信号输出端24a(或负侧异常信号输出端24b)。

另一方面，加在正侧控制电源端21a和正侧控制公共端22a之间的控制供电电压以及加在负侧控制电源端21b和负侧控制公共端22b之间的控制供电电压分别由正侧控制供电电压减小保护电路32a和负侧控制供电电压减小保护电路32b读出，从而来确定控制供电电压是否小于一预定值而呈异常。一旦发生控制供电电压减小异常，与上述检测过流的方式相似，正侧控制供电电压减小保护电路32a(或负侧控制供电电压减小保护电路32b)把异常信号送至正侧晶体管驱动电路30a(或负载晶体管驱动电路30b)。根据接收到的异常信号，正侧晶体管驱动电路30a(或负侧晶体管驱动电路30b)断开正侧晶体管27a(或负侧晶体管27b)以切断电流而不管送到正侧(或负侧)控制信号输入端23a(或23b)的控制信号。与此同时，正侧控制供电电压减小保护电路32a(或负侧控制供电电压减小保护电路32b)通过第一逻辑或门元件35(或第二逻辑或门元件36)把异常信号送到正侧异常信号输出端24a(或负侧异常信号输出端24b)。

半导体组件20的温度由温度检测器33检测。过热保护电路34确定如此检测得的温度是否超过一预定值而呈异常。一旦检测得过热异常，过热保护电路34就把一异常信号送到负侧晶体管驱动电路30b。根据接收到的异常信号，负侧晶体管驱动电路30b断开负侧晶体管27b以切断电流而不管加至负侧控制信号输入端23b的控制信号。与此同时，过热保护电路34通过第二逻辑或门元件36把异常信号送到负侧异常信号输出端24b。

如上面所描述的，在通常的半导体组件中，为检测过流、控制供电电压减小以及过热这三种异常情况，要分别把检测得的电流、电压和温度与预定值作比较，以确定这些检测得的值是否异常；而一旦确定出电流、电压和温度之中任何一个有异常时，就输出异常信号来消除异常情况。然而，这种半导体组件有这样一个问题，即由输出的异常信号无法识别特殊的异常情况。

为消除通常的半导体组件带来的上述问题而作出了本发明。因此，本发明的一个目的是提供一种半导体组件，在这种组件中检测过流、控制供电电压减小以及过热这三种异常情况，并根据各自的异常情况而输出不同的异常信号来保护有关设备。

本发明的另一个目的在于为包含这种半导体组件的逆变装置提供一种检测异常情况的方法。

本发明前述的目的可以通过提供一种半导体组件来达到，该组件包括：

异常情况检测装置，用以检测多个半导体开关元件中任何一个或所有元件的过流和控制供电电压减小以及用以检测半导体组件的过热；以及

异常信号发生装置，用以根据由异常情况检测装置检测得的各自的异常情况而产生不同的异常信号。

本发明前述的目的可以通过提供一种半导体组件来达到，该组件包括：

一第一异常情况检测装置，用以检测一第一半导体开关元件的过流和控制供电电压减小；

一第二异常情况检测装置，用以检测一第二半导体开关元件的过流和控制供电电压减小，并用以检测半导体组件的过热；

一第一异常信号发生装置，用以根据由第一异常情况检测装置检测得的各自的异常情况而产生不同的异常信号；以及

一第二异常信号发生装置，用以根据由第二异常情况检测装置检测得的各自的异常情况而产生不同的异常信号。

通过在一逆变装置中采用一种检测异常情况的方法也能达到前述的目的，其中，

当检测出构成逆变装置的一个半导体组件的多个半导体开关元件中的任何一个或所有元件过流时，就输出与之相应的第一异常信号，

当检测出多个半导体开关元件中的任何一个或所有元件控制供电电压减小时，就输出与之相应的第二异常信号，以及

当检测出半导体组件过热时，就输出与之相应的第三异常信号。

图1示出了构成本发明一个实施例的一种半导体组件内部结构的方框图；

图2示出了包含按照本发明的半导体组件的一种逆变装置结构的方框图；

图3(a)—3(c)示出了当在半导体组件中发生异常情况时，在该组件的异常信号输出端产生的不同的异常信号的简图；

图4是用于描述本发明最有特色的异常信号产生部分的工作过程的流程图；以及

图5示出了通常的半导体组件内部结构的方框图。(第一个实施例)    

图1示出了一种半导体组件内部结构的方框图，该组件构成了本发明的第一个实施例。在图1中，标号50表示半导体组件；51表示一第一异常情况检测部分，它包括一正侧过流保护电路31a和一正侧控制供电电压减小保护电路32a；52表示一第二异常情况检测部分，它包括一负侧过流保护电路31b、一负侧控制供电电压减小保护电路32b以及一过热保护电路34；53表示一第一异常信号发生部分，它接收正侧过流保护电路31a和正侧控制供电电压减小保护电路32a的输出信号以产生如下面描述的输出信号；以及54表示一第二异常信号发生部分，它是具有本发明特色的一个部分。该部分54接收负侧过流保护电路31b、负侧控制供电电压减小保护电路32b以及过热保护电路34的输出信号，以产生如下面描述的输出信号。由于其他部分与示于图5的通常的半导体组件中的那些部分相同，因此省略了对这些部分的描述。

在第一个实施例中，过热保护电路34是第二异常情况检测部分52的一部分。然而，它也可以是第一异常情况检测部分51而不是第二异常情况检测部分52的一部分，或者可以把它同时包括在第一和第二异常情况检测部分51和52之中。

图2示出了一逆变装置结构的方框图，在该逆变装置中包含有按照本发明的半导体组件。在图2中，标号10a、10b和10c表示逆变装置的电源输入端；11表示一用作整流器部分的二极管桥；12表示一滤波电容器；50a、50b和50c表示已详细示于图1的半导体组件；26a、26b和26c表示逆变装置的交流电源输出端；13表示逆变装置中的微型计算机；14a至14l表示隔离放大器；以及15系一用于从逆变装置输出异常信号的输出部分，例如电气端子或诸如发光二极管监视器等显示部分。

在示于图2的逆变装置中，加至电源输入端10a—10c的交流电源由二极管桥11整流并由滤波电容器12滤波而变为直流电源。另一方面，微型计算机通过隔离放大器14a至14f把控制信号送至三个半导体组件50a、50b和50c的正侧控制信号输入端23a和负侧控制信号输入端23b，结果，在那些半导体组件中，有六个半导体开关元件(在本实施例中是晶体管，但它们未在图中示出)被切换，从而使所述直流电源转换成具有所需频率和所需电压的交流电源。交流电源通过输出端26a、26b和26c输出。

在这种工作方式中，半导体组件50a、50b和50c中每一个的工作情况如下。半导体组件50a至50c中每一个都如图1那样设计。因此，按照送至正侧和负侧控制信号输入端23a和23b的控制信号，由正侧和负侧晶体管驱动电路30a和30b分别切换正侧和负侧晶体管27a和27b，结果在交流电源输出端26产生交流电流。

在正侧晶体管27a中流动的电流和在负侧晶体管27b中流动的电流分别由正侧电流检测器29a和负侧电流检测器29b检测。并由正侧过流保护电路31a和负侧过流保护电路31b来判断由此检测得的电流是否异常，即是否超过一预定值。当检测到异常时，正侧过流保护电路31a(或负侧过流保护电路31b)把一异常信号送到正侧晶体管驱动电路30a(或负侧晶体管驱动电路30b)。根据接收到的异常信号，正侧晶体管驱动电路30a(或负侧晶体管驱动电路30b)断开正侧晶体管27a(或负侧晶体管27b)来切断电流而不管送到正侧(或负侧)控制信号输入端23a(或23b)的控制信号，由此实现过流保护。同时，正侧过流保护电路31a(或负侧过流保护电路31b)把异常信号送到第一异常信号发生部分，即正侧异常信号发生电路53(或第二异常信号发生部分，即负侧异常信号发生电路54)。在电路53或54处产生一个如图3(a)所示的脉冲宽度(持续时间)为1毫秒的脉冲信号，作为指示过流异常的信号。把脉冲信号加到正侧异常信号输出端24a(或负侧异常信号输出端24b)。

另一方面，加在正侧控制电源端21a与正侧控制公共端22a之间的控制供电电压以及加在负侧控制电源端21b与负侧控制公共端22b之间的控制供电电压分别由正侧控制供电电压减小保护电路32a以及负侧控制供电电压减少保护电路32b读出。结果确定控制供电电压是否异常，即是否小于一预定值。如果正侧控制供电电压减小保护电路32a(或负侧控制供电电压减小保护电路32b)判定控制供电电压异常，则与上述过流异常的情形相类似，正侧控制供电电压减小保护电路32a(或负侧控制供电电压减小保护电路32b)把一异常信号送到正侧晶体管驱动电路30a(或负侧晶体管驱动电路30b)。根据接收到的异常信号，正侧晶体管驱动电路30a(或负侧晶体管驱动电路30b)断开正侧晶体管27a(或负侧晶体管27b)来切断电流而不管送到正侧(或负侧)控制信号输入端23a(或23b)的控制信号，由此实现控制供电电压减小保护。

与此同时，正侧控制供电电压减小保护电路32a(或负侧控制供电电压减小保护电路32b)把一异常信号送到正侧异常信号发生电路53(或负侧异常信号发生电路54)。在电路53或54处产生一个如图3(b)所示的脉冲宽度(持续时间)为2毫秒的脉冲信号，作为指示控制供电电压的减小。把脉冲信号送到正侧异常信号输出端24a(或负侧异常信号输出端24b)。

每个半导体组件50的温度由温度检测器33检测。过热保护电路34确定如此检测得的温度是否异常，即是否超过一预定值。如果确定出温度异常，则过热保护电路34把一个异常信号送到负侧晶体管驱动电路30b。负侧晶体管驱动电路30b对这个异常信号作出响应，把负侧晶体管27b断开以切断电流而不管送到负侧控制信号输入端23b的控制信号，由此实现过热保护。

与此同时，过热保护电路34把异常信号送到负端异常信号发生电路54。该电路输出一个脉冲宽度(持续时间)为3毫秒的脉冲，如图3(C)所示。把这个指出过热异常的信号送到负侧异常信号输出端24b。

半导体组件50a、50b和50c的正侧和负侧异常信号输出端24a和24b通过隔离放大器14g至14l连至逆变装置的微型计算机13。因此，根据从半导体组件50a至50c接收到的异常信号，微型计算机13工作，通过暂停输出控制信号的办法来保护逆变装置，否则，控制信号将通过隔离放大器14a至14f送至三个半导体组件50a至50c的正侧和负侧控制信号输入端23a和23b以切换正侧和负侧晶体管27a和27b。

与此同时，微型计算机13根据异常信号来识别异常情况。例如，如图3a所示，根据脉冲具有1毫秒的脉冲宽度(持续时间)而识别为过流异常。同样，如图3b所示，由脉冲宽度(持续时间)为2毫秒而把异常情况识别为欠流异常。已经由图3c描述了过热情况。把被如此识别的异常内容送到输出部分15，从而由逆变装置通过输出部分(它是电气端子或是诸如LED监视器等显示部分)输出。

参看图4来进一步描述由第二异常信号发生部分(即负侧异常信号发生电路54)检测异常情况的上述工作过程。当负侧异常信号发生电路54检测得一异常情况时(S1)，半导体组件50a，50b和50c中的每个组件的正侧和负侧晶体管27a和27b都被断开(S2)。接下来判定被检测的异常情况是否为过流异常(S3)。如果判定被检测的异常情况是过流，则把异常信号(它是脉冲宽度(持续时间)为1毫秒的脉冲信号)送至异常信号输出端24b(S4)。响应于由异常信号输出端24b输出的异常信号，暂停由微型计算机13向正侧和负侧控制信号输入端23a和23b提供控制信号，由此来停止正侧和负侧晶体管27a和27b的工作，同时把过流异常情况在显示部分上加以显示(S5)。

如果被检测的异常情况不是过流异常，则再来判定该异常情况是否为控制供电电压减小(S6)。如果判定异常情况是控制供电电减小，则把异常信号(它是脉冲宽度(持续时间)为2毫秒的脉冲信号)送至异常信号输出端24b(S7)。响应于由异常信号输出端24b输出的异常信号，暂停由微型计算机13向正侧和负侧控制信号输入端23a和23b提供信号，从而使正侧和负侧晶体管27a和27b停止工作，同时把控制供电电压减小异常在显示部分上加以显示(S8)。

如果被检测的异常情况不是控制供电电压减小，则它必定是过热。因此向负侧异常信号输出端提供异常信号(它是脉冲宽度(持续时间为3毫秒的脉冲信号)(S9)。响应于由异常信号输出端24b输出的异常信号，暂停由微型计算机13向正侧和负侧控制信号输入端23a和23b提供控制信号，由此停止正侧和负侧晶体管27a和27b的工作，同时把过热异常显示在显示部分上(S10)。负侧异常信号发生电路54按上述方式工作。(第二个实施例)

在上述第一个实施例中，对于过流异常，把具有脉冲宽度(持续时间)为1毫秒的脉冲信号作为异常信号输出；对于控制供电电压减小异常，把具有脉冲宽度(持续时间)为2毫秒的脉冲信号作为异常信号输出；以及对于过热异常，把具有脉冲宽度(持续时间)为3毫秒的脉冲信号作为异常信号输出。然而，本发明不因此而受到限制。即，为指出各种异常情况，可以采用任何能以不同的幅度、频率、相位等互相区别的信号作为异常信号。

再者，虽然在上述第一个实施例中，对于每个晶体管提供了一个异常信号输出端，但本发明也不因此而受限制。可以提供多个异常信号输出端，从而异常信号可以用一些二进制位互相区别。

此外，虽然在上述第一实施例中，半导体组件有两个晶体管，但是晶体管的个数可以不受限制。

总起来说，因于异常信号发生装置是根据过流、控制供电电压减小和过热等各自的异常情况而产生不同的异常信号的，因此，可以准确地识别在半导体组件中的异常情况，从而可以迅速地消除异常情况。

同时，在半导体组件中，第一和第二异常信号发生装置是根据过流、控制供电电压减小以及过热等各自的异常情况而产生不同的异常信号的，因此就能更迅速地识别和应付异常情况。

按照本发明在检测一逆变装置的异常情况的方法中，当在逆变装置中过流异常能被准确识别并迅速加以应付，就能防止或减小它对与之相关设备的有害影响。