驱动装置、供电系统以及测试驱动装置的方法
阅读说明：本技术 驱动装置、供电系统以及测试驱动装置的方法 (Drive device, power supply system and method for testing drive device ) 是由 归山隼一 于 2020-04-21 设计创作，主要内容包括：本申请涉及驱动装置、供电系统以及测试驱动装置的方法。驱动装置包括：用于检测被施加到功率晶体管的应力的状态的传感器；用于输出阈值电压的阈值电压设置电路；用于通过将检测到的传感器的电压与阈值电压进行比较来确定应力的状态是否异常的异常监视电路；以及用于在由异常监视电路确定应力的状态异常时将功率晶体管固定为导通或截止的控制电路。当操作模式为测试模式时,控制电路通过切换由阈值电压设置电路设置的阈值电压的电平来测试异常监视电路是否确定应力的状态为异常,以便在正常操作的异常监视电路中确定被施加到功率晶体管的应力的状态为异常。(The application relates to a drive device, a power supply system and a method for testing a drive device. The drive device includes: a sensor for detecting a state of stress applied to the power transistor; a threshold voltage setting circuit for outputting a threshold voltage; an abnormality monitoring circuit for determining whether the state of stress is abnormal by comparing the detected voltage of the sensor with a threshold voltage; and a control circuit for fixing the power transistor to be turned on or off when the state of stress determined by the abnormality monitoring circuit is abnormal. When the operation mode is the test mode, the control circuit tests whether the abnormality monitoring circuit determines the state of stress as abnormal by switching the level of the threshold voltage set by the threshold voltage setting circuit, so as to determine the state of stress applied to the power transistor as abnormal in the abnormality monitoring circuit in normal operation.)
相关申请的交叉引用
这里通过参考并入2019年4月23日提交的日本专利申请号2019-081679的全部公开内容，包括说明书、附图和摘要。
技术领域
本发明涉及驱动装置、供电系统和驱动装置的测试方法。例如，适用于提高安全性的驱动装置、供电系统和驱动装置的测试方法。
背景技术
由于控制安装在电动车辆上的逆变器和控制大型电动机时使用高压和大电流，因此对诸如IGBT(绝缘栅双极晶体管)和MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)的功率晶体管的导通/截止控制要求很高的安全性。
例如，如果在功率晶体管要截止时无意地使其导通，则过电流会流经功率晶体管。此外，当发生电涌或反电动势时，过电压会被施加到功率晶体管。此外，在高负载的情况下，功率晶体管过热到超过额定温度。这种过电流、过电压或过热情况可以导致功率晶体管的击穿或无意的退化。
因此，用于驱动功率晶体管的栅极驱动器通常提供有用于检测功率晶体管的过电压、过电流和过热状态并且保护功率晶体管免受过电压、过电流和过热状态的电路。
下面列出了公开的技术。
[专利文献1]日本未审查专利申请公开号2017-229151
[专利文献2]美国专利号5,534,814
例如，专利文献1公开了具有保护功率晶体管的功能的栅极驱动器的配置。
[非专利文献1]L.Dulau等，“一种用于具有先进保护的IGBT器件的新型栅极驱动器集成电路”，《IEEE电力电子学报》，第21卷，第1期，第38-44页，2006年。(L.Dulau,et al,"A new gate driver integrated circuit for IGBT devices with advancedprotections",IEEE Transactions on Power Electronics,Vol.21,Issue 1,p.38-44,2006.)
专利文献2和非专利文献1公开了用于防止在IGBT栅极电压中生成的噪声的有源镜钳位电路的配置。
发明内容
然而，在现有技术的配置中，没有测试诸如过电压保护电路之类的保护电路是否正常操作的功能。因此，存在以下问题：当保护电路由于例如由端子的焊料的破裂、灰尘的附着引起的开路故障、或由于组件故障而引起的短路而未正常操作时，不能保护功率晶体管免受诸如过电压的过度应力。即，在现有技术的配置中，存在无法提高安全性的问题。因此，在现有技术的配置中，功率晶体管可能被破坏或无意地退化。根据本说明书的描述和附图，其他目的和新颖特征将变得显而易见。
根据一个实施例，一种驱动装置包括：传感器，被配置为检测并输出被施加到功率晶体管的应力的状态作为检测电压；阈值电压设置电路，被配置为输出阈值电压；异常监测电路，被配置为通过比较检测电压和阈值电压，确定被施加到功率晶体管的应力的状态是否异常；以及控制电路，该控制电路被配置为当异常监视电路确定应力的状态为异常时，根据应力的类型将功率晶体管固定为导通或截止。当操作模式为测试模式时，控制电路还被配置为通过切换由阈值电压设置电路设置的阈值电压的电平来测试异常监视电路是否确定应力的状态为异常，以便在正常操作的异常监视电路中确定被施加到功率晶体管的应力的状态为异常。
根据另一实施例，一种驱动装置的测试方法包括：切换由阈值电压设置电路设置的阈值电压的电平，以便在正常操作的异常监视电路中确定被施加到功率晶体管的应力的状态为异常，并通过将用于检测被施加到功率晶体管的应力的状态的传感器的检测电压与阈值电压进行比较，来测试异常监视电路是否确定被施加到功率晶体管的应力的状态为异常。
根据上述实施例，可以提供能够提高安全性的驱动装置、供电系统以及驱动装置的测试方法。
附图说明
图1是示出了根据第一实施例的供电系统的配置示例的示图。
图2是示出了提供在图1中所示的供电系统中的栅极驱动电路的测试操作的流程图。
图3是图示了图1中所示的电力输送系统的经修改的示例的示图。
图4是示出了根据第二实施例的供电系统的配置示例的示图。
图5是用于解释与逆变器电路的下臂相对应的提供的栅极驱动电路的测试操作的示图。
图6是用于解释与逆变器电路的上臂相对应的提供的栅极驱动电路的测试操作的示图。
图7是示出了根据第三实施例的供电系统的配置示例的示图。
图8是示出了根据第四实施例的供电系统的配置示例的示图。
图9是示出了有源镜钳位电路的配置示例的示图。
图10是示出了根据第五实施例的供电系统的配置示例的示图。
图11是图10中所示的供电系统中提供的栅极驱动电路的输入信号和输出信号的真值表。
图12是示出了图10中所示的供电系统中提供的栅极驱动电路的操作的时序图。
具体实施方式
为了解释的清楚，适当地省略和简化了以下描述和附图。附加地，在附图中被描述为用于执行各种处理的功能块的元件在硬件方面可以被配置为CPU(中央处理单元)、存储器以及其他电路，并且在软件方面可以由被加载到存储器中的程序来实现。因此，本领域技术人员可以理解，这些功能块可以单独由硬件、单独由软件或由它们的组合以各种形式实现，并且本发明不限于它们中的任何一种。在附图中，相同的元件由相同的附图标记表示，并且根据需要省略其重复描述。
另外，可以使用各种类型的非暂时性计算机可读介质来存储上述程序并将其提供给计算机。非暂时性计算机可读介质包括各种类型的有形存储介质。非暂时性计算机可读介质的示例包括磁记录介质(例如，软盘、磁带、硬盘驱动器)、磁光记录介质(例如，磁光盘)、CD-ROM(只读存储器)、CD-R、CD-R/W、固态存储器(例如，掩码ROM、PROM(可编程ROM)、EPROM(可擦除PROM、闪存ROM、RAM(随机存取存储器))。也可以通过各种类型的暂时性计算机可读介质向计算机提供程序。暂时性计算机可读介质的示例包括电信号、光信号和电磁波，该暂时性计算机可读介质可以经由诸如电线和光纤的有线或无线通信路径将程序提供给计算机。
第一实施例
图1是示出了根据第一实施例的供电系统SYS1的配置示例的示图。本实施例的供电系统SYS1例如在用于驱动电动机的逆变器等中使用。
根据本实施例的供电系统SYS1包括用于监视被施加到功率晶体管TR1的应力的状态的异常监视电路，并且具有测试异常监视电路是否正常操作的功能。因此，根据本实施例的供电系统SYS1可以通过使用高度可靠的异常监视电路来监视被施加到功率晶体管TR1的应力的状态，以使得可以提高供电系统SYS1的安全性。此后将给出具体描述。
如图1所示，供电系统SYS1包括功率晶体管TR1和用于驱动功率晶体管TR1的驱动装置1。
功率晶体管TR1是IGBT、MOSFET或诸如此类，并且切换是否向诸如电动机的负载供应电力。在本实施例中，功率晶体管TR1是IGBT。
驱动装置1至少包括栅极驱动电路10、传感器16、控制电路17和电阻器Rg。
传感器16检测被施加到功率晶体管TR1的应力的状态，并输出检测到的电压Vs。被施加到功率晶体管TR1的应力包括例如被施加到功率晶体管TR1的电压、流经功率晶体管TR1的电流以及功率晶体管TR1的温度。
栅极驱动电路10基于来自控制电路17的指令来控制功率晶体管TR1的栅极电压Vg。具体地，栅极驱动电路10包括异常监视电路11、阈值电压设置电路12、缓冲器14、栅极电压监视电路15、和逻辑电路13。例如，栅极驱动电路10中提供的这些部件形成在同一芯片上。
逻辑电路13根据来自控制电路17的控制信号IN生成控制信号OUT。缓冲器14驱动并输出控制信号OUT。从缓冲器14输出的控制信号OUT通过电阻器Rg施加到功率晶体管TR1的栅极。因此，使功率晶体管TR1导通和截止。
异常监视电路11基于由传感器16检测到的结果来监视被施加到功率晶体管TR1的应力的状态是否异常。具体地，异常监视电路11将从传感器16输出的检测电压Vs与在阈值电压设置电路12中设置的阈值电压Vt进行比较，并输出比较结果作为监视结果。
例如，当检测到的电压Vs在由阈值电压Vt限定的容许电压内时，异常监视电路11输出指示被施加到功率晶体管TR1的应力为正常的监视结果。另一方面，当检测到的电压Vs在由阈值电压Vt限定的容许电压之外时，异常检测电路11输出指示被施加到功率晶体管TR1的应力为异常的监视结果。
逻辑电路13一经接收到来自异常监视电路11的指示被施加到功率晶体管TR1的应力的状态为异常的监视结果，就激活错误信号ERR1(例如H电平)。当控制电路17接收到激活状态的错误信号ERR1时，控制电路17取决于应力的类型(电压、电流或热量)而指示栅极驱动电路10将功率晶体管TR1固定为导通或截止。栅极驱动电路10基于来自控制电路17的指令将功率晶体管TR1固定为导通或截止。因此，消除了被施加到功率晶体管TR1的过度的应力，以使得抑制功率晶体管TR1的击穿和无意的退化。
栅极电压监视器15监视功率晶体管TR1的栅极电压Vg。具体地，栅极电压监视电路15将栅极电压Vg与参考电压Vr进行比较以监视栅极电压Vg是否指示期望的电压电平。
逻辑电路13将通过栅极电压监视电路15进行的监视结果与从控制电路17输出的控制信号IN进行比较。当栅极电压监视电路15的监视结果与从控制电路17输出的控制信号IN不同时，逻辑电路13激活错误信号ERR2，例如，将错误信号设置为H电平。控制电路17在接收到激活状态的错误信号ERR2时，例如，停止操作栅极驱动电路10或通知用户功率晶体管TR1未正确地操作。
在此，栅极电压监视电路15直接监视功率晶体管TR1的栅极电压Vg。因此，与从栅极驱动电路10的内部信号间接地监视栅极电压Vg的情况不同，栅极电压监视电路15可以检测到，由于例如在芯片的端子或芯片之外的组件中发生开路故障或短路故障，栅极电压Vg没有展现出期望的电压电平。
此外，控制电路17具有测试例如在系统进入正常操作之前的系统启动的时间、在空转期间、或在系统完成正常操作之后关机的时间，异常监视电路11和栅极电压监视电路15中的每一个电路是否正常操作的功能。
(栅极驱动电路10的测试操作)
随后，将参考图2描述在供电系统SYS1中提供的栅极驱动电路10的测试操作。图2是示出了测试在供电系统SYS1中提供的栅极驱动电路10的操作的流程图。在下文中，将其中执行正常操作的操作模式称为正常操作模式，将其中执行测试异常监视电路11和栅极电压监视电路15是否正常操作的操作模式称为测试模式。
首先，在测试模式中，将正常操作模式中正常水平的应力施加到功率晶体管TR1(步骤S101)。
此后，控制电路17切换由阈值电压设置电路12设置的阈值电压Vt的电平，以使得检测电压Vs在由阈值电压Vt限定的容许电压的范围之外。换言之，控制电路17切换由阈值电压设置电路12设置的阈值电压Vt的电平，以便在异常监视电路11正常操作的情况下确定被施加到功率晶体管TR1的应力的状态是异常的。(步骤S102)。
此后，控制电路17分别检查异常监视电路11和栅极电压监视电路15的监视结果(步骤S103)。
此时，如果状态为正常，则异常监视电路11输出指示被施加到功率晶体管TR1的应力的状态为异常的监视结果，并且如果状态不正常，则输出与被施加到功率晶体管TR1的应力的状态相反的监视结果。逻辑电路13一经接收到来自异常监视电路11的指示被施加到功率晶体管TR1的应力的状态为异常的监视结果，就激活错误信号ERR1(例如H电平)。控制电路17接收激活状态的错误信号ERR1以确定异常监视电路11在正常操作。
此时，如果正常，则栅极电压监视电路15输出指示功率晶体管TR1的栅极电压Vg被强制固定为预定电压的监视结果，如果不正常，则输出与其相反的监视结果。当由栅极电压监视电路15进行监视的结果与从控制电路17输出的控制信号IN具有相同的值时，逻辑电路13将错误信号ERR2设置为去激活(例如，L电平)。控制电路17通过接收去激活的错误信号ERR2而确定栅极电压监视电路15在正常操作。
当控制电路17确定异常监视电路11和栅极电压监视电路15两者都正常操作时(步骤S104中为是)，使阈值电压Vt返回到在正常操作中使用的电平，然后开始正常操作(步骤S105→S106)。
相反，当确定异常监视电路11或栅极电压监视电路15未正常操作时(步骤S104中为“否”)，控制电路17例如停止操作栅极驱动电路10，或者通知用户功率晶体管TR1未正常操作(步骤S107)。
如上所述，当操作模式是测试模式时，装置1和包括装置1的供电系统SYS1被配置为在调节阈值电压Vt之后测试异常监视电路11和栅极电压监视电路15，以便在异常监视电路11正常操作的情况下确定被施加到功率晶体管TR1的应力的状态是异常的。因此，驱动装置1和供电系统SYS1可以通过使用高度可靠的异常监视电路11和栅极电压监视电路15来监视被施加到功率晶体管TR1的应力的状态，以使得可以提高供电系统的安全性。
尽管在本实施例中供应给栅极电压监视电路15的参考电压Vr是固定的，但是参考电压Vr可以不是固定的。参考电压Vr可以是通过阈值电压设置电路12等可调节的。因此，可以对栅极电压监视电路15进行更详细的测试。
第二实施例
图4是图示了根据第二实施例的供电系统SYS1a的配置示例的示图。在供电系统SYS1a中，异常监视电路11被配置为监视被施加到功率晶体管TR1的电压。此后将给出具体描述。如图4所示，供电系统SYS1a包括功率晶体管TR1和用于驱动功率晶体管TR1的驱动装置1a。驱动装置1a至少包括栅极驱动电路10a、传感器16a、控制电路17和电阻器Rg。
传感器16a与传感器16相对应，并且包括电阻器R1和R2。电阻性元件R1和R2被串联提供在功率晶体管TR1的集电极(第一端子)与发射极(第二端子)之间。传感器16a将在电阻器R1和电阻器R2之间的节点N11的电压输出作为检测电压Vs。检测电压Vs随着被施加到功率晶体管TR1的电压的增加而增加，并且随着被施加到功率晶体管TR1的电压的减小而减小。
栅极驱动电路10a与栅极驱动电路10相对应，并且包括比较器CMP1a、比较器CMP2、逻辑电路13、缓冲器14、寄存器121和数模转换器(DAC)122。比较器CMP1a用作异常监视电路11。比较器CMP2用作栅极电压监视电路15。寄存器121和DA转换器122用作阈值电压设置电路12。
寄存器121存储由控制电路17指定的阈值电压Vt的信息(数字值)DT。DA转换器122将存储在寄存器121中的数字值DT转换为阈值电压Vt并输出阈值电压Vt。
比较器CMP1a将阈值电压Vt与检测阈值电压Vs进行比较，并输出比较结果作为由异常监视电路11进行的监视结果。例如，当检测电压Vs小于阈值电压Vt时，比较器CMP1a输出指示被施加到功率晶体管TR1的电压在正常范围内的L电平监视结果。当检测电压Vs等于或高于阈值电压Vt时，比较器CMP1a输出指示被施加到功率晶体管TR1的电压处于过电压状态的H电平监视结果。
逻辑电路13一经接收到来自比较器CMP1a的H电平监视结果，则激活错误信号ERR1。当接收到激活状态的错误信号ERR1时，控制电路17指示栅极驱动电路10a强制导通功率晶体管TR1。栅极驱动器10a通过将功率晶体管TR1的栅极电压Vg固定为H电平来强制导通功率晶体管TR1。这消除了功率晶体管TR1的过电压状态，从而抑制了功率晶体管TR1的击穿和无意的退化。
比较器CMP2将栅极电压Vg与参考电压Vr进行比较，并输出比较结果作为由栅极电压监视电路15进行的监视结果。比较器CMP2的具体操作以及基于比较器CMP2的监视结果的逻辑电路13和控制电路的操作与根据第一实施例的栅极电压监视电路15、逻辑电路13和控制电路17的那些操作相同，因此省略其描述。
(栅极驱动电路10a的测试操作)
随后，将描述提供在供电系统SYS1a中的栅极驱动电路10a的测试操作。
首先，在测试模式中，将正常操作模式中的正常电平电压施加到功率晶体管TR1。具体地，例如，将400V的电压施加到功率晶体管TR1的集电极。此时，检测电压Vs指示例如集电极电压的百分之一的4V。
此后，控制电路17切换阈值电压Vt的电平，以使得检测电压Vs变得等于或高于阈值电压Vt。换言之，控制电路17降低阈值电压Vt的电平(例如，从正常的6V到3V)，以便如果比较器CMP1a正常操作，则输出H电平的监视结果，该H电平的监视结果指示功率晶体管TR1处于过电压状态。
此后，控制器17确认比较器CMP1a和CMP2的监视结果。
此时，由于检测电压Vs(＝4V)变得高于阈值电压Vt(＝3V)，所以比较器CMP1a在阈值电压Vt正常时输出H电平的监视结果，并且在阈值电压Vt不正常时输出L电平的监视结果。逻辑电路13从比较器CMP1a接收H电平的监视结果，以激活错误信号ERR1(例如，H电平)。控制电路17接收激活状态的错误信号ERR1以确定比较器CMP1a在正常操作。
此时，如果栅极电压Vg正常，则比较器CMP2输出H电平的监视结果，该H电平的监视结果指示功率晶体管TR1的栅极电压Vg被强制固定为H电平，并且如果栅极电压Vg不正常，则输出L电平的监视结果。当由比较器CMP2进行的监视结果与从控制电路17输出的控制信号IN指示相同的值(H电平)时，逻辑电路13将错误信号ERR2设置为去激活(例如，L电平)。控制电路17接收去激活的错误信号ERR2，并且控制电路17确定比较器CMP2在正常操作。
当确定比较器CMP1a和CMP2两者都正常操作时，控制电路17在将阈值电压Vt返回到在正常操作中使用的电平(例如6V)之后，开始正常操作。相反，如果确定在比较器CMP1a或CMP2中的一个未正常操作，则控制电路17例如停止栅极驱动电路10a的操作，或者通知用户功率晶体管TR1未正常操作。驱动装置1a的其余配置和操作与驱动装置1的那些配置和操作相同，因此省略其描述。
如上所述，当操作模式是测试模式时，装置1a和包括装置1a的供电系统SYS1a被配置为在降低阈值电压Vt之后测试比较器CMP1a和CMP2，以使得如果比较器CMP1a正常操作，则确定功率晶体管TR1的施加电压处于过电压状态。因此，驱动装置1a和具有装置1a的供电系统SYS1a可以使用可靠的比较器CMP1a和CMP2监视功率晶体管TR1的施加电压，从而可以提高安全性。应当注意，驱动装置1a和提供有该驱动装置的供电系统SYS1a可以容易地在不生成高电压的情况下进行测试。
(供电系统SYS1a的应用示例及其测试操作)
接下来，将描述供电系统SYS1a的应用示例及其测试操作。在本实施例中，供电系统SYS1a被施加到逆变器电路。
图5是用于解释与逆变器电路的下臂相对应的提供的栅极驱动电路的测试操作的示图。图6是用于解释与逆变器电路的上臂相对应的提供的栅极驱动电路的测试操作的图。
如图5和图6所示，逆变器电路包括功率晶体管TR1_1、功率晶体管TR1_2、栅极驱动电路10_1和10_2以及传感器16_1和16_2。功率晶体管TR1_1和TR1_2被串联提供在被供应电源电压Vbus的电源电压端子(以下被称为电源电压端子Vbus)与接地电压端子GND之间。功率晶体管TR1_1和TR1_2中的每个功率晶体管与功率晶体管TR1相对应，并且分别构成逆变器电路的上臂和下臂。
传感器16_1和16_2中的每个传感器与传感器16a相对应，并且分别检测功率晶体管TR1_1和TR1_2的施加电压。栅极驱动电路10_1和10_2中的每个栅极驱动电路与栅极驱动电路10a相对应，并且分别驱动功率晶体管TR1_1和TR1_2的栅极。
首先，将参考图5描述与下臂TR1_2相对应的提供的栅极驱动电路10_2的测试操作。
在初始状态中，在功率晶体管TR1_1和TR1_2两者都截止的状态中，将例如400V的电源电压Vbus施加到电源电压端子。栅极驱动电路10_1和10_2中的每个栅极驱动电路的阈值电压Vt被设置为例如600V。
此后，在功率晶体管TR1_2保持截止的情况下将功率晶体管TR1_1从截止切换为导通。因此，在功率晶体管TR1_1和TR1_2之间的输出端子被预充电到电源电压Vbus电平400V。在预充电完成之后，功率晶体管TR1_1再次从导通切换到截止。此时，在功率晶体管TR1_2的集电极和发射极之间施加电源电压Vbus的电压。
此后，栅极驱动电路10_2的阈值电压Vt切换到低于电源电压Vbus的电压电平，例如300V。因此，执行对提供在栅极驱动电路10_2中的异常监视电路11和栅极电压监视电路15的测试。当提供在栅极驱动电路10_2中的异常监视电路11正常操作时，功率晶体管TR1_2被强制控制为导通。
接下来，将参考图6描述与上臂TR1_1相对应的提供的栅极驱动电路10_1的测试操作。
在初始状态中，在功率晶体管TR1_1和TR1_2两者都截止的状态下，将例如400V的电源电压Vbus施加到电源电压端子。栅极驱动电路10_1和10_2中的每个栅极驱动电路的阈值电压Vt被设置为例如600V。
此后，在功率晶体管TR1_1保持截止的情况下，功率晶体管TR1_2从截止切换到导通。因此，在功率晶体管TR1_1和TR1_2之间的输出端子被预充电到接地电压GND电平(0V)。在预充电完成之后，功率晶体管TR1_2再次从导通切换到截止。此时，在电源晶体管TR1_1的集电极和发射极之间施加电源电压Vbus的电压。
此后，栅极驱动电路10_1的阈值电压Vt切换到低于电源电压Vbus的电压电平，例如300V。因此，执行对提供在栅极驱动电路10_1中的异常监视电路11和栅极电压监视电路15的测试。当提供在栅极驱动电路10_1中的异常监视电路11正常操作时，功率晶体管TR1_1被强制控制为导通。
如上所述，被施加到逆变器电路的供电系统SYS1a在不使电源电压端子Vbus和接地电压端子GND短路的情况下测试栅极驱动电路10_1和10_2。这抑制了由于短路电流引起的功率晶体管TR1_1和TR1_2以及电动机的负载的破坏和无意恶化。
第三实施例
图7是图示了根据第三实施例的供电系统SYS1b的配置示例的示图。在供电系统SYS1b中，异常监视电路11被配置为监视流经功率晶体管TR1的电流。此后将给出具体描述。
如图7所示，供电系统SYS1b包括功率晶体管TR1和用于驱动功率晶体管TR1的驱动装置1b。驱动装置1b至少包括栅极驱动电路10b、传感器16b、控制电路17和电阻器Rg。在本实施例中，功率晶体管TR1是多发射极型IGBT。例如，发射极的1/10000的电流流经多发射极型IGBT的电流感应发射极。
传感器16b与传感器16相对应，并且包括电阻器Rs。传感器16b使用电阻器Rs将流经功率晶体管TR1的电流感测发射极的电流转换为检测电压Vs，并输出检测电压Vs。随着流经功率晶体管TR1的电流增加，检测电压Vs增加，并且随着流经功率晶体管TR1的电流减少，检测电压Vs减少。
栅极驱动电路10b与栅极驱动电路10相对应，并且包括比较器CMP1b、比较器CMP2、逻辑电路13、缓冲器14、寄存器121和数模转换器122。比较器CMP1b用作异常监视电路11。比较器CMP2用作栅极电压监视电路15。寄存器121和DA转换器122用作阈值电压设置电路12。
比较器CMP1b将阈值电压Vt与检测阈值电压Vs进行比较，并输出比较结果作为由异常监视电路11进行的监视结果。
例如，当检测电压Vs小于阈值电压Vt时，比较器CMP1b输出L电平的监视结果，该L电平的监视结果指示流经功率晶体管TR1的电流在正常范围内。当检测电压Vs等于或高于阈值电压Vt时，比较器CMP1b输出H电平监视结果，该H电平监视结果指示流经功率晶体管TR1的电流处于过电流状态。
逻辑电路13一经接收到来自比较器CMP1b的H电平监视结果，则激活错误信号ERR1。当接收到激活状态的错误信号ERR1时，控制电路17指示栅极驱动电路10b强制截止功率晶体管TR1。栅极驱动器10b通过将功率晶体管TR1的栅极电压Vg固定为L电平来强制截止功率晶体管TR1。这消除了功率晶体管TR1的过电流状态，从而抑制了功率晶体管TR1的击穿和无意退化。
比较器CMP2将栅极电压Vg与参考电压Vr进行比较，并输出比较结果作为由栅极电压监视电路15进行的监视结果。比较器CMP2的具体操作以及基于比较器CMP2的监视结果的逻辑电路13和控制电路的操作与根据第一实施例的栅极电压监视电路15、逻辑电路13和控制电路17的那些操作相同，因此省略其描述。
(栅极驱动电路10b的测试操作)
随后，将描述提供在供电系统SYS1b中的栅极驱动电路10b的测试操作。
首先，在测试模式中，将正常操作模式中的正常电平电流供应到功率晶体管TR1。
此后，控制电路17切换阈值电压Vt的电平，以使得检测电压Vs变得等于或高于阈值电压Vt。换言之，控制电路17降低阈值电压Vt的电平，以便如果比较器CMP1b正常操作，则输出H电平的监视结果，该H电平的监视结果指示流经功率晶体管TR1的电流为过电流状态。
尽管本实施例例示了在测试模式中电流流经功率晶体管TR1并且降低阈值电压Vt的电平的情况，但是本发明不限于这种情况。例如，可以减小阈值电压Vt到负阈值电压，而无需使电流流经功率晶体管TR1。备选地，可以在比较器CMP1b的两个输入之间添加DC偏移，而无需使电流流经功率晶体管TR1。
此后，控制器17确认比较器CMP1b和CMP2的监视结果。
此时，如果比较器CMP1b正常，则比较器CMP1b输出H电平的监视结果，并且如果比较器CMP1b不正常，则输出L电平的监视结果。逻辑电路13从比较器CMP1b接收H电平的监视结果，以激活错误信号ERR1(例如，H电平)。控制电路17接收激活状态的错误信号ERR1以确定比较器CMP1b正常操作。
此时，如果比较器CMP2正常，则比较器输出L电平的监视结果，该L电平的监视结果指示功率晶体管TR1的栅极电压Vg在预定时间段内，例如在1μs内，被强制固定为L电平，并且如果栅极电压Vg不正常，则输出H电平的监视结果。当由比较器CMP2进行的监视结果与从比较器17输出的控制信号IN指示相同的值(L电平)时，逻辑电路13去激活错误信号ERR2(例如L电平)。控制电路17接收去激活的错误信号ERR2，并且控制电路17确定比较器CMP2在正常操作。
当控制电路17确定所有比较器CMP1b和CMP2均正常操作时，控制电路17将阈值电压Vt返回到在正常操作中使用的电平，然后开始正常操作。相反，如果确定在比较器CMP1b或CMP2中的一个比较器未正常操作，则控制电路17例如停止栅极驱动电路10b的操作，或者通知用户功率晶体管TR1未正确地操作。
驱动装置1b的其余配置和操作与驱动装置1的那些配置和操作相同，因此省略其描述。
以这种方式，当操作模式是测试模式时，装置1b和包括装置1bs的供电系统SYS1b被配置为在降低阈值电压Vt之后测试比较器CMP1b和CMP2，以便如果比较器CMP1b正常操作，则确定流经功率晶体管TR1的电流处于过电流状态。因此，由于可以使用可靠的比较器CMP1b和CMP2监视流经功率晶体管TR1的电流的状态，因此驱动装置1b和具有驱动装置1b的供电系统SYS1b能够提高安全性。顺便提及，可以在不生成过电流的情况下，容易地测试驱动装置1b和具有驱动装置1b的供电系统SYS1b。
在本实施例中，功率晶体管TR1是多发射极IGBT，并且流经功率晶体管TR1的电流感测发射极的电流被转换成检测电压Vs并被使用，但是本发明不限于此。功率晶体管TR1可以是多源极MOSFET，并且可以将在功率晶体管TR1的电流感测源极中流动的电流转换成检测电压Vs并使用。附加地，例如，通过利用IGBT的集电极-发射极电压随着IGBT的集电极电流增加而增加的现象，可以将与功率晶体管TR1的集电极-发射极电压成比例的电压用作检测电压Vs(此后，该电流检测系统称为DESAT方法)。
当采用DESAT系统时，在测试模式中，功率晶体管TR1被截止以升高集电极电压，由此可以使比较器CMP1c测试是否检测到功率晶体管TR1的过电流状态。然而，在正常操作模式中，当功率晶体管TR1截止时，即使集电极电压升高，比较器CMP1b也需要考虑功率晶体管TR1并非异常。
第四实施例
图8是图示了根据第四实施例的供电系统SYS1c的配置示例的示图。在供电系统SYS1c中，异常监视电路11被配置为监视功率晶体管TR1的温度。此后，将给出具体描述。
如图8所示，供电系统SYS1c包括功率晶体管TR1和用于驱动功率晶体管TR1的驱动装置1c。驱动装置1c至少包括栅极驱动电路10c、传感器16c、控制电路17和电阻器Rg。传感器16c与传感器16相对应，并且包括恒流源I1和二极管D1。二极管D1被提供在功率晶体管TR1附近，例如在其上形成有功率晶体管TR1的芯片上。因此，二极管D1的温度等于功率晶体管TR1的温度。另一方面，恒定电流源I1被提供在例如在其上安装有栅极驱动电路10c的芯片上。
从恒定电流源I1输出的恒定电流流经二极管D1。传感器16c输出二极管D1的正向电压作为检测电压Vs。即使在常温下，检测电压Vs也高于0V电压。具体地，即使在室温下，检测电压Vs也指示约为在0V和逻辑电源电压或模拟电源电压之间的中间值的值。此外，二极管D1的正向电压随着功率晶体管TR1的温度升高而变小，并且随着功率晶体管TR1的温度降低而变大。传感器16c不限于上述配置，并且可以由热敏电阻或热电偶进行配置。
栅极驱动电路10c与栅极驱动电路10相对应，并且包括比较器CMP1c、比较器CMP2、逻辑电路13、缓冲器14、寄存器121和数模转换器122。比较器CMP1c用作异常监视电路11。比较器CMP2用作栅极电压监视电路15。寄存器121和DA转换器122用作阈值电压设置电路12。
比较器CMP1c将阈值电压Vt与检测阈值电压Vs进行比较，并输出比较结果作为由异常监视电路11进行的监视结果。例如，当检测电压Vs等于或高于阈值电压Vt时，比较器CMP1c输出L电平监视结果，该L电平监视结果指示功率晶体管TR1的温度在正常范围内。当检测电压Vs小于阈值电压Vt时，比较器CMP1c输出H电平监视结果，该H电平监视结果指示功率晶体管TR1的温度过热。
逻辑电路13一经接收到来自比较器CMP1c的H电平监视结果，则激活错误信号ERR1。当接收到激活状态的错误信号ERR1时，控制电路17指示栅极驱动电路10c强制截止功率晶体管TR1。栅极驱动器10c通过将功率晶体管TR1的栅极电压Vg固定为L电平来强制截止功率晶体管TR1。这消除了功率晶体管TR1的过热，从而抑制了功率晶体管TR1的击穿和无意退化。
比较器CMP2将栅极电压Vg与参考电压Vr进行比较，并且输出比较结果作为由栅极电压监视电路15进行的监视结果。比较器CMP2的具体操作以及基于比较器CMP2的监视结果的逻辑电路13和控制电路的操作与根据第一实施例的栅极电压监视电路15、逻辑电路13和控制电路17的那些操作相同，因此省略其描述。
(栅极驱动电路10c的测试操作)
随后，将描述提供在供电系统SYS1c中的栅极驱动电路10c的测试操作。首先，在测试模式中，功率晶体管TR1被设置为正常温度。此后，控制电路17切换阈值电压Vt的电平，以使得检测电压Vs变得等于或高于阈值电压Vt。换言之，控制电路17降低阈值电压Vt的电平，以便如果比较器CMP1c正常操作，则输出H电平的监视结果，该H电平的监视结果指示功率晶体管TR1的温度过热。
此后，控制器17确认比较器CMP1c和CMP2的每个监视结果。
此时，如果比较器CMP1c正常，则比较器CMP1c输出H电平的监视结果，并且如果比较器CMP1c不正常，则输出L电平的监视结果。逻辑电路13从比较器CMP1c接收H电平的监视结果，以激活错误信号ERR1(例如，H电平)。控制电路17接收激活状态的错误信号ERR1以确定比较器CMP1c在正常操作。
此时，如果比较器CMP2正常，则比较器输出L电平的监视结果，该L电平的监视结果指示功率晶体管TR1的栅极电压Vg在预定时间段内，例如1μs内，被强制固定为L电平，并且如果栅极电压Vg不正常，则输出H电平的监视结果。当由比较器CMP2进行的监视结果与从比较器17输出的控制信号IN指示相同的值(L电平)时，逻辑电路13去激活错误信号ERR2(例如L电平)。控制电路17接收去激活的错误信号ERR2，并且控制电路17确定比较器CMP2在正常操作。
当控制电路17确定比较器CMP1c，CMP2两者都正常操作时，控制电路17将阈值电压Vt返回到在正常操作中使用的电平，然后开始正常操作。顺便提及，如果确定比较器CMP1c和CMP2中的一个比较器未正常操作，则控制电路17例如停止栅极驱动电路10c的操作，或者通知用户功率晶体管TR1未正确地操作。驱动装置1c的其余配置和操作与驱动装置1的那些配置和操作相同，因此省略其说明。
如上所述，当操作模式为测试模式时，本实施例的驱动装置1c和包括驱动装置1c的供电系统SYS1c被配置为在降低阈值电压Vt之后测试比较器CMP1c和CMP2，以便如果比较器CMP1c正常操作，则确定功率晶体管TR1过热。因此，可以使用可靠的比较器CMP1c和CMP2监视流经功率晶体管TR1的电流的状态，从而可以提高驱动装置1c和具有该驱动装置的供电系统SYS1c的安全性。应当注意，驱动装置1c和提供有该驱动装置的供电系统SYS1c可以在不过热的情况下容易地进行测试。
第五实施例
根据第一至第四实施例的栅极电压监视电路15可以使用提供在稍后将描述的有源镜钳位电路中的比较器。这抑制了栅极驱动电路10的电路规模的增加。附加地，有源镜钳位电路可以具有检测在功率晶体管TR1的栅极中是否生成噪声的功能，该噪声易于导致错误的点火。此后，将给出具体描述。
首先，将描述通常的有源镜钳位电路。通常，当截止状态功率晶体管TR1的集电极电压急剧上升时，集电极电压的上升通过形成在栅极和集电极之间的反馈电容器传播到栅极，并且栅极电压Vg无意地上升。在此，如果栅极电压Vg上升到功率晶体管TR1的阈值电压以上，则功率晶体管TR1被无意地导通，从而功率晶体管TR1可能被无意地损坏或恶化。为了解决这样的问题，栅极驱动电路10通常提供有用于钳位功率晶体管TR1的栅极的有源镜钳位电路。
图9是示出了有源镜钳位电路20的配置示例的示图。如图9所示，有源镜钳位电路20包括比较器21、开关电路22、缓冲器23和N沟道MOS晶体管MN1(开关元件；在下文中简称为晶体管)。
比较器21将功率晶体管TR1的栅极电压Vg与参考电压Vr进行比较，并输出比较结果。具体地，当栅极电压Vg等于或高于参考电压Vr时，比较器21输出L电平的比较结果，并且当栅极电压Vg小于参考电压Vr时，比较器21输出H电平的比较结果。注意，参考电压Vr指示低于功率晶体管TR1导通和截止的边界值(阈值)的值。
开关电路22响应于从控制电路17输出的控制信号IN(OUT)，从H电平切换为L电平，将功率晶体管TR1从导通切换为截止。然后，进一步将栅极电压Vg减小到小于参考电压Vr，开关电路22将控制信号AMC从L电平切换到H电平。
控制信号AMC经由缓冲器23被施加到晶体管MN1的栅极。晶体管MN1被提供在功率晶体管TR1的栅极和接地电压端子之间，并且基于控制信号AMC而导通和截止。例如，当控制信号AMC从L电平切换到H电平时，晶体管TR1响应于控制信号AMC而从截止状态切换到导通状态。因此，功率晶体管TR1的栅极电压Vg迅速下降到接地电平。注意，即使在控制信号IN指示L电平的时段期间，当栅极电压Vg暂时升高到参考电压Vr以上时，开关电路22也继续输出H电平的控制信号AMC。因此，功率晶体管TR1的栅极电压Vg维持在接地电平。
此时，功率晶体管TR1的栅极电压Vg在不通过电阻器Rg的情况下被直接固定为接地电平。因此，即使当截止状态的功率晶体管TR1的集电极电压Vc急剧上升时，栅极电压Vg的上升也被抑制。因此，功率晶体管TR1不会无意地导通，从而抑制了功率晶体管TR1的击穿和无意退化。
在功率晶体管TR1的截止过程中，栅极电压Vg由从控制电路17经由电阻器Rg供应的控制信号OUT控制，直到栅极电压Vg下降到低于功率晶体管TR1导通和截止的边界值(阈值)为止。此外，在功率晶体管TR1的导通过程中，栅极电压Vg由从控制电路17经由电阻器Rg供应的控制信号OUT控制。因此，可以在不受有源镜钳位电路20的钳位的影响的情况下，通过控制电路17将功率晶体管TR1的导通/截止切换速度控制到期望速度。
接下来，将描述根据本实施例的有源镜钳位电路，该有源镜钳位电路具有检测功率晶体管TR1的栅极中噪声的发生的功能。在下面的解释中，提供在根据本实施例的有源镜钳位电路中的比较器也用作栅极电压监视电路15。
图10是示出了根据第五实施例的供电系统SYS1d的配置示例的示图。如图10所示，供电系统SYS1d包括功率晶体管TR1和用于驱动功率晶体管TR1的驱动装置1d。驱动装置1d至少包括栅极驱动电路10d、控制电路17和电阻器Rg。在图10中所示的示例中，省略了栅极驱动电路10d的组件中与异常监视电路11相对应的组件。因此，也省略了传感器16。
栅极驱动电路10d包括比较器21、开关电路22d、缓冲器23和晶体管MN1，它们是有源镜钳位电路20的构成元件。具体地，栅极驱动电路10d包括比较器21、开关电路22d、缓冲器14、缓冲器23、晶体管MN1、寄存器123和D/A转换器124。比较器21也用作栅极电压监视电路15。开关电路22d也用作逻辑电路13。寄存器123和DA转换器124用作用于设置参考电压Vr的电平的设置电路。参考电压Vr的电平是可调节的。
开关电路22d是开关电路22的经修改的示例，例如具有SR锁存电路221和逻辑积电路222。在SR锁存电路221中，将来自控制电路17的控制信号IN输入到复位端子R，将比较器21的比较结果Vcmp输入到置位端子S，并且从输出端子Q输出控制信号AMC。在该示例中，当SR锁存电路221的置位和复位同时被输入时优先复位。逻辑积电路222将控制信号AMC与比较器21的比较结果的反相信号的逻辑积输出作为错误信号ERR2。
图11是栅极驱动电路10d的输入信号和输出信号的真值表。图12是示出了栅极驱动电路10d的操作的时序图。如图11和图12所示，当从控制电路17输出的控制信号IN处于H电平时，不论比较结果Vcmp如何，控制信号AMC都指示L电平，并且错误信号ERR2指示L电平。此后，当控制信号IN从H电平切换到L电平时，控制信号OUT的电压，即栅极电压Vg，根据该改变而降低。然而，在控制信号OUT的电压Vg等于或高于参考电压Vr(例如3V)的时段期间，比较结果Vcmp指示L电平。此时，控制信号AMC指示L电平，并且错误信号ERR2指示L电平，该L电平指示尚未发生错误。
由于控制信号AMC指示L电平，所以晶体管MN1截止。此后，当控制信号OUT的电压Vg变得小于参考电压Vr时，比较结果Vcmp从L电平切换为H电平。因此，控制信号AMC从L电平切换为H电平。错误信号ERR2保持L电平。
由于控制信号AMC指示H电平，所以晶体管MN1导通。之后，当控制信号OUT的电压Vg由于噪声等而暂时变得等于或高于参考电压Vr时，即使控制信号IN指示L电平，比较结果Vcmp也暂时切换为L电平。此时，错误信号ERR2从L电平切换为H电平，指示栅极电压Vg无意地上升。此时，控制信号AMC保持H电平。因此，晶体管MN1保持导通状态。
控制电路17一经接收到H电平错误信号ERR2，例如就停止栅极驱动电路10d的操作，或者通知用户功率晶体管TR1未正确地操作。
此时，控制电路17可以通过例如降低功率晶体管TR1的切换速度或调节各种其他参数来抑制在栅极电压Vg中生成的噪声的增加程度。
在正常操作之前，例如，通过在调节参考电压Vr的同时执行对功率晶体管TR1的切换控制，可以观察到包括噪声分量的栅极电压Vg的值在直到栅极电压Vg达到用于将功率晶体管TR1从截止切换到导通的阈值之前具有余量的程度。控制电路17可以通过使用观察结果来有效地调节切换速度。
例如，将功率晶体管TR1从截止状态切换到导通状态的栅极电压Vg的阈值设置为5.0V。附加地，假设栅极电压Vg由于切换操作而被允许上升到高达2.0V。在该实例中，在参考电压Vr设置为2.0V的情况下，通过在不检测到错误的范围内尽可能多地增加栅极驱动电流以及提高切换速度，可以自动搜索能够抑制切换损耗并防止由于切换操作而引起误点火的参数设置值。当完成搜索和调节参数设置值时，寄存器123的值由控制电路17重写，并且参考电压Vr返回到在正常操作中使用的电平(例如3V)。
因此，根据本实施例的驱动装置1c和具有驱动装置1c的供电系统SYS1d利用提供在有源镜钳位电路中的比较器来实现栅极电压监视电路15。因此，驱动装置1c和具有驱动装置1c的供电系统SYS1d可以抑制电路尺寸的增加。
在根据本实施例的驱动装置1和包括驱动装置1的供电系统SYS1d中，有源镜钳位电路具有检测在功率晶体管TR1的栅极处是否生成噪声的功能，该噪声可能会导致错误的点火。因此，驱动装置1和具有该驱动装置的供电系统SYS1d可以例如当在功率晶体管TR1的栅极处检测到可能导致错误点火的噪声时，调节切换速度以减小噪声。从而提高安全性。
如上所述，根据第一至第五实施例的驱动装置、供电系统和驱动装置的测试方法被配置为在调节阈值电压Vt之后测试异常监视电路11和栅极电压监视电路15，以使得当操作模式为测试模式时，如果异常监视电路11正常操作，则确定被施加到功率晶体管TR1的应力的状态为异常。因此，根据上述第一至第五实施例的驱动装置和供电系统可以通过使用高度可靠的异常监视电路11和栅极电压监视电路15来监视被施加到功率晶体管TR1的应力的状态。可以提高驱动装置和供电系统的安全性。
尽管已经基于实施例具体描述了发明人做出的发明，但是本发明不限于已经描述的实施例，并且无需多言的是，在不脱离其主旨的情况下可以进行各种修改。
在上述第一至第五实施例中，功率晶体管TR1是IGBT，但不限于IGBT。功率晶体管TR1例如可以是除IGBT之外的诸如MOSFET之类的晶体管。
此外，在上述第一至第五实施例中，已经描述了提供栅极电压监视电路15(或与其等效的电路)时的示例，但不限于此。在异常监视电路11(或与其相对应的电路)和栅极电压监视电路15(或与其相对应的电路)中，至少仅需要异常监视电路11。
例如，在根据半导体装置的上述实施例中，半导体衬底、半导体层、扩散层(扩散区域)等的导电类型(p型或n型)可以反转。因此，在n型和p型导电类型中的一种导电类型为第一导电类型而另一种导电型为第二导电类型的情况下，第一导电类型可以是p型而第二导电类型可以是n型，或者相反，第一导电类型可以是n型而第二导电类型可以是p型。