使用電流控制型半導體開關元件的電力變換裝置中的開關元件的驅動裝置和驅動方法
2023-12-05 16:36:31
專利名稱：使用電流控制型半導體開關元件的電力變換裝置中的開關元件的驅動裝置和驅動方法
技術領域：
本發明涉及將電流控制型半導體元件作為開關元件使用的電力變換裝置。本發明特別涉及這種電力變換裝置中的開關元件的驅動裝置。更具體地說，本發明涉及提高將半導體元件作為開關元件來使用的電力變換裝置的電力變換效率的技術。
背景技術：
以半導體元件作為開關元件來使用的電力變換裝置具有電力變換效率優良的特性，所以從能量的高效率利用的觀點來看，可被利用在非常廣泛的範圍。
作為半導體開關元件，有絕緣柵型雙極電晶體(IGBT)、靜電感應型電晶體、場效應型電晶體(FET)等電壓驅動型元件，以及雙極模式靜電感應型電晶體(BSIT)、雙極結型電晶體(BJT)等電流驅動型元件。
電壓驅動型元件可以由電壓信號直接驅動，驅動電路的簡化容易，可以設定高驅動頻率。在需要250V以上耐壓的用途中，按容量和驅動頻率可分別使用幾種形式的開關元件，但在幾KHz至幾百KHz的驅動頻率的範圍中，導通狀態下的電壓降和開關性能的綜合平衡良好的IGBT、以及電流容量小而可高速動作的FET被廣泛地用於電力變換裝置。
另一方面，電流驅動型的開關元件通過將電流注入到控制端子來進行驅動，所以驅動電路容易變得複雜，與電壓驅動型的元件相比，有動作速度慢的傾向。然而，它有下述特徵元件的導通狀態下的電壓降是電壓驅動型元件的約1/3乃至1/6，導通損耗小。因此，可以說電流驅動型的開關元件更適於電力變換裝置的小型化。
如上所述，作為電力變換裝置能夠使用的半導體開關元件，大體有2種形式，而從部件的小型化、電路的簡化、高頻化帶來的小型化、成本削減等觀點出發，採用開關損耗小、高頻驅動容易的電壓驅動型的開關元件的事例增多。然而，考慮到要適應將來社會對進一步高效率化或小型化的要求，如果延續目前使用電壓驅動型開關元件的技術，則電壓驅動型元件中導通狀態下的電壓降大將成為障礙。目前，在作為電壓驅動型元件主流的IGBT等中，導通狀態下的電壓降已被改善到理論值附近，目前的完成度很高，因而處於將來不能期待大幅度減小導通損耗的狀況。
對於開關損耗，出於防止電磁環境汙染和削減電力損耗的目的，正在開發利用諧振現象的損耗回收技術、和軟開關技術。與此不同，半導體開關元件中的導通損耗在元件中流過電流時必然發生，損耗的大小依賴於元件的性能，所以除了重新考慮電路拓撲結構以外，用單純的技巧不容易實現其減小。
電力變換裝置中半導體開關元件產生的損耗主要是下述2種在使半導體開關元件從導通狀態變化到截止狀態、或者從截止狀態變化到導通狀態期間產生的開關損耗；以及在半導體開關元件處於導通狀態時該半導體開關元件內產生的電壓降引起的導通損耗。因此，為了適應將電力變換裝置比現在進一步小型化、大輸出高密度化這一要求，實現適應需要的電力變換裝置，需要開發一種技術，能夠綜合減小作為電力損耗原因的、上述半導體開關元件的導通狀態下的電壓降引起的導通損耗、和開關損耗這兩者，來實現高效率化。
在這種狀況下，以往通過有效的電路上的改善來減小半導體開關元件中的導通損耗被報告的例子極少。如果從該少數例子的中來舉例，則在特開平1-97137號公報上教示了下述技術在PMW逆變器等PMW全波橋式電力變換裝置中，作為構成電橋的元件，通過在按市電頻率開關的橋臂中使用雙極電晶體這樣導通損耗小的半導體開關元件，而在按高頻開關的橋臂中使用靜電感應型電晶體這樣開關損耗小的半導體開關元件，來同時減小開關損耗和導通損耗。此外，在(日本)電氣學會論文志D分冊116卷12號的1205頁至1210頁上也示出了在使用半導體開關元件的電力變換裝置中減小導通損耗的電路上的技巧。然而，這些現有技術在導通損耗的最優化、驅動電路的損耗減小、小型化等方面考慮得不夠。例如，在上述特許(專利)公開公報中，對於作為電流控制型開關元件的雙極電晶體的驅動方法沒有特別教示。然而，如果像電晶體中的一般驅動方法那樣向基極提供一定電流，則由於空載狀態或低負載狀態下的驅動損耗，低負載時的效率特別惡化。此外，上述電氣學會論文志記載的技術如下所述通過在電晶體的集電極上設置的CT來將驅動電力供給到該電晶體，所以基極電流由該CT的匝數比來決定。因此，需要考慮半導體開關元件的電流放大率的最小值來進行電路設計，其結果是在輕負載時被驅動到過飽和狀態。而且，由於使用CT，所以只有比較高的頻率才有效。
發明概述本發明的目的在於提供一種電力變換裝置和方法，考慮到以上方面，在使用半導體開關元件的電力變換裝置中，可以通過電力再生來降低電力損耗，綜合地降低開關元件產生的開關損耗的導通損耗，實現高效率。
本發明的另一目的在於提供一種電力變換裝置，在使用半導體開關元件的電力變換裝置中，可以綜合地降低開關元件產生的開關損耗和導通損耗，實現高效率。
為了實現上述目的和其它目的，在本發明的一形態中，在包括具有集電極、發射極和基極的電流控制型半導體開關元件的電力變換裝置中的開關元件的驅動裝置中，設有初級側串聯連接到開關元件的變流器。變流器的次級側連接用於具有整流部件的開關元件的驅動電源。驅動電源的輸出通過驅動開關而供給開關元件的基極。而且，設置用於檢測開關元件的集電極-發射極間電壓的集電極-發射極間電壓檢測部件、從驅動電源的輸出將再生電力供給需要電力的其他部件的再生電路、以及集電極-發射極間電壓控制電路，通過集電極-發射極間電壓控制電路，響應來自集電極-發射極間電壓檢測部件的集電極-發射極間電壓電壓信號，控制從再生電路對所述其他部件供給的再生電力，使提供給開關元件基極的基極電流變化，由此來控制集電極-發射極間電壓。
有的電晶體的形式不使用集電極、基極、發射極這樣的用語，而使用漏極、柵極、源極這樣的用語，但在本發明中使用的集電極、基極、發射極這樣的用語也包括這樣的情況，用語『集電極』包含漏極，『基極』包含柵極，『發射極』包含源極。
在本發明的優選實施例中，設置供給開關元件驅動電流的驅動電源和對開關元件的基極提供反向偏置的反向偏置電路。而且，集電極-發射極間電壓控制電路包括導通驅動開關部件，將驅動電源連接到開關元件的基極；截止驅動開關部件，將反向偏置電源連接到開關元件的基極；以及控制部件，接收來自集電極-發射極間電壓檢測部件的集電極-發射極間電壓信號，通過按照該電壓信號來控制再生電力，並控制對開關元件的基極供給的基極電流，來控制集電極-發射極間電壓；其中，在開關元件的導通動作時，使導通驅動開關部件為導通狀態，使截止驅動開關部件為截止狀態，而在開關元件的截止動作時，使截止驅動開關部件為導通狀態，使導通驅動開關部件為截止狀態，通過來自反向偏置電源的反向偏置而可以進行開關元件的急速截止動作。
在本發明中，在驅動電源起動時，可以從被供給再生電力的部件將起動電力供給到該驅動電源。集電極-發射極間電壓控制電路可以包括開關部件和整流部件，開關部件通過開關動作來控制再生電力，使提供給開關元件的基極的基極電流變化；而整流部件被設置在該開關部件的輸出部；這種情況下，整流部件可以由整流元件和導通電阻比該開關部件低的輔助整流元件組成。
在本發明的另一形態中，在開關元件的驅動裝置中，設置檢測該開關元件溫度的溫度檢測部件，電流控制部存儲有與多個不同溫度對應的集電極-發射極間電壓的最佳數據，按照來自溫度檢測部件的溫度信號來決定最佳的集電極-發射極間電壓的值。
在本發明的另一形態中，設置集電極-發射極間電壓檢測部件，檢測電力變換裝置的半導體開關元件中的集電極-發射極間電壓，通過按照檢測出的集電極-發射極間電壓來控制供給該開關元件的基極電流，並控制集電極-發射極間電壓，從而可以考慮開關元件具有的hfe的偏差、溫度產生的hfe的變化、與流過開關元件的電流對應的hfe變化來進行最佳驅動，可以便開關元件的導通損耗和驅動電力之和減少。
進一步詳細來說，本發明的上述形態提供包括具有集電極、發射極和基極的電流控制型半導體開關元件的電力變換裝置中的開關元件的驅動裝置。本發明的該開關元件的驅動裝置包括輸出幹線，連接到開關元件的基極；輸出回線，連接到發射極；以及集電極-發射極間電壓控制部件。集電極-發射極間電壓控制部件包括檢測半導體開關元件的集電極-發射極間電壓的集電極-發射極間電壓檢測部件；按照檢測出的集電極-發射極間電壓來控制對輸出幹線供給的該半導體開關元件的基極電流，並控制集電極-發射極間電壓，使得半導體開關元件中的導通損耗和驅動電力之和減少。
在本發明的另一形態中，開關元件的驅動裝置包括驅動電源，供給開關元件驅動用的電流；以及反向偏置部件，對開關元件的基極提供反向偏置。而且，集電極-發射極間電壓控制部件包括導通驅動開關部件，將驅動電源連接到開關元件的基極；截止驅動開關部件，將反向偏置電源連接到開關元件的基極；以及控制部件，接收來自集電極-發射極間電壓檢測部件的集電極-發射極間電壓信號，通過按照該電壓信號來控制對開關元件的基極供給的基極電流，從而控制集電極-發射極間電壓。這種情況下，在開關元件的導通動作時，使導通驅動開關部件為導通狀態，使截止驅動開關部件為截止狀態，而在開關元件的截止動作時，使截止驅動開關部件為導通狀態，使導通驅動開關部件為截止狀態，通過來自反向偏置電源的反向偏置而可以進行開關元件的急速截止動作。
在本發明的另一形態中，集電極-發射極間電壓控制部件包括電流控制部，對於開關元件存儲有集電極-發射極間電壓的最佳數據，根據該存儲的數據和來自集電極-發射極間電壓檢測部件的集電極-發射極間電壓信號，將控制的基極電流供給到開關元件的基極。這種情況下，開關元件的驅動裝置包括檢測開關元件溫度的溫度檢測部件 電流控制部存儲有與多個不同溫度對應的集電極-發射極間電壓的最佳數據，可以按照來自溫度檢測部件的溫度信號來決定最佳的集電極-發射極間電壓的值。此外，開關元件的驅動裝置具有包括檢測流過開關元件的集電極的集電極電流的電流檢測部件，為發光(ルシネッセソス)結構，集電極-發射極間電壓控制部件存儲有與多個不同值的開關元件電流對應的集電極-發射極間電壓的最佳數據，可以按照來自電流檢測部件的集電極電流信號來決定最佳的集電極-發射極間電壓的值。而且，集電極-發射極間電壓控制部件包括基極電流控制開關部件，通過開關動作來可變控制所述開關元件的基極電流；以及整流部件，被設置在該基極電流控制開關部件的輸出部；該整流部件為同步整流型結構，包括整流元件和導通電阻比基極電流控制開關部件低的輔助整流元件。
本發明還提供開關元件的驅動方法。該方法包括從將初級側串聯連接到開關元件的變流器的次級側獲得電力，將其一部分作為再生電力供給需要電力的其他部件，從其餘電力中獲得提供給開關元件的基極的驅動電流來一邊進行開關元件的驅動，一邊檢測該開關元件的集電極-發射極間電壓，通過按照該檢測出的集電極-發射極間電壓值來控制再生電力，從而使提供給開關元件的基極的驅動電流變化，控制集電極-發射極間電壓。
圖1(a)表示圖1的電路變形例的電路圖。
圖2表示電晶體中的飽和電壓和集電極電流之間關係的特性圖。
圖3表示集電極-發射極間電壓指令值運算器結構示例的方框圖。
圖4表示本發明實施例的開關時的各部波形圖的圖表。
圖5表示本發明另一實施例的開關元件的驅動裝置示例的電路圖。
圖6表示應用本發明的驅動電路的電力變換裝置示例的電路圖。
圖7表示本發明的開關元件的驅動裝置的一實施例的電路圖。
圖8表示本發明實施例中的開關時的各部波形圖的圖表。
圖9表示本發明另一實施例的開關元件的驅動裝置的一實施例的電路圖。
實施發明的最好形式以下，參照附圖來說明本發明的實施例。在圖1中，作為電流控制型半導體開關元件的電晶體5包括集電極51、基極52和發射極53。電晶體5的集電極51被連接到未圖示的電源。設有用於控制作為開關元件的電晶體5的導通、截止動作的驅動電路100。
驅動電路100包括驅動電源部11。該驅動電源部11有將初級繞組19a串聯連接到電晶體5的集電極51上的變流器19。變流器19的次級繞組19b被連接到二極體D1和整流電容器C1組成的整流電路。驅動電源部11的輸出被連接到導通和截止切換電路3。該導通和截止切換電路3的一端連接到驅動電源部11的正側端子，而另一端通過反向偏置電源4連接到驅動電源部11的負側端子。導通和截止切換電路3的輸出通過驅動電路100的輸出幹線101被連接到電晶體5的基極52。驅動電路100有輸出回線102，該輸出回線102連接到驅動電源部11的負側端子。導通和截止切換電路3由串聯連接的正側的開關元件31和負側的開關元件32組成，開關元件31、32的連接點連接到輸出幹線101。開關元件31、32都由場效應型電晶體構成，控制這些元件的導通和截止動作的開關信號由未圖示的控制裝置供給。
為了檢測電晶體5的集電極中流過的集電極電流Ic，設有電流檢測器6。此外，為了檢測電晶體5的溫度T而設有溫度檢測器25。來自電壓檢測器6的集電極電流信號和來自溫度檢測器25的溫度信號被輸入到集電極-發射極電壓指令值運算器7。運算器7的輸出被輸入到輸出用於控制驅動電源部11的輸出電流的控制信號的控制電路8。開關信號也被輸入到該控制電路8。而且，在電晶體5中，設有用於檢測該電晶體5的集電極-發射極間電壓的電壓檢測器9，檢測出的電壓信號被輸入到控制電路8。控制電路8根據輸入信號來生成控制信號。
在驅動電路100中，設置將來自驅動電源部11的電力作為再生電力供給其他輔助電源等需要電力的部件(未圖示)的電力再生電路2。該電力再生電路2包括在驅動電源部11的正側端子和負側端子之間串聯連接的電感器15和開關元件12，與開關元件12並聯、以電感器15方向為正方向連接有二極體14。電感器15和開關元件12之間的連接點通過開關元件13被連接到作為再生電力接收部的輔助電源上。在圖1中，僅示出該輔助電源的整流二極體Da作為參考。在開關元件13的輸出部和驅動電源部11的負側端子之間連接整流電容器C2。來自控制電路8的控制信號被送至電力再生電路2的開關元件12、13，對這些開關元件進行控制。
而且，驅動電路100包括起動輔助電源1。該起動輔助電源1有輔助電源變壓器18，該變壓器18的次級繞組通過二極體D3連接到變流器19的次級繞組19b。在圖示例中，反向偏置電源4由輔助變壓器18的次級繞組上連接的二極體D4和整流電容器C4組成的整流電路來構成。
以下，說明圖1所示驅動電路100的動作。首先，在驅動電路100的導通狀態下，通過從外部提供的開關信號，使切換電路3的正側開關31導通，而負側開關32截止。驅動電路100的輸出從輸出幹線101提供給電晶體5的基極52，使電晶體5變為導通狀態。
在驅動電路100內，電晶體5的集電極電流IC由電流檢測器6檢測，該檢測出的集電極電流信號被輸入到集電極-發射極間電壓指令值運算器7。同時，電晶體5的溫度由溫度檢測器25來檢測，該檢測出的溫度信號被輸入到集電極-發射極間電壓指令值運算器7。運算器7根據輸入的來自集電極電流檢測器6的電流信號和來自溫度檢測器25的溫度信號，計算電晶體5的集電極-發射極間電壓的最佳值，將計算結果作為集電極-發射極間電壓指令值信號傳送到控制電路8。此外，電晶體5的集電極-發射極間電壓由電流檢測器9來檢測，將該電壓檢測信號輸入到控制電路8。
控制電路8根據集電極-發射極間電壓指令值信號和來自檢測器9的實際集電極-發射極間電壓值來生成控制信號。控制信號被用於驅動電力再生電路2的開關元件12、13。按照控制信號來控制從電力再生電路2供給外部輔助電源的電流，與其餘電力對應的電流經導通和截止切換電路3的導通側開關31從輸出幹線101提供給電晶體5的基極52。這樣，控制電晶體5的基極電流，使得該電晶體5的集電極-發射極間電壓達到最佳值。
圖2表示電晶體5為導通狀態情況的與集電極電流對應的集電極和發射極間的飽和電壓特性的圖表。在圖中，縱軸表示飽和電壓值，橫軸表示集電極電流。這裡，作為一例，考慮將集電極-發射極間電壓指令值設定為0.5V這樣的固定值的情況。在該情況下，與集電極電流Ic對應的集電極-發射極間電壓的飽和電壓VCE(sat)在絕大部分範圍內大幅度低於指令值，所以在電晶體5的基極52中，供給大幅度超過與飽和電壓對應的基極電流值的值的電流，不能充分降低驅動電力和導通損耗。
在圖1所示的驅動電路100中，集電極-發射極間電壓指令值運算器7存儲圖2所示的與集電極電流對應的集電極-發射極間電壓VCE(sat)的特性曲線的數據或表示比其稍低的電壓特性曲線的數據。運算器7中的該特性值的存儲數據可以按照電晶體5的個體偏差來修正。運算器7根據集電極電流檢測器6檢測出的電流信號和溫度檢測器25檢測出的溫度信號，從該存儲的特性值的數據中讀出最佳的集電極-發射極間電壓值，計算集電極-發射極間電壓指令值，並將該指令值提供給控制電路8。這樣，驅動電路100的輸出幹線101中輸出的、提供給電晶體5的基極的輸出電流變為使電晶體5按最佳的集電極-發射極間電壓來動作的值。因此，電晶體5按可減少電晶體的導通狀態中的導通損耗和驅動電力的總和的條件來動作，該條件也包含該電晶體的各個體偏差。
圖3表示該驅動電路100中的集電極-發射極間電壓指令值運算器7的結構示例的方框圖。運算器7包括集電極和發射極間電壓運算部7a和驅動餘量設定部7b。作為輸入信號，輸入有集電極電流信號Ic、溫度信號T、集電極-發射極間電壓信號VCE。驅動餘量設定部7b設定用於防止因電晶體5的特性偏差和電流檢測器的檢測誤差產生驅動電力不足的餘量。因此，通過將集電極-發射極間電壓運算部7a的輸出乘以一定的係數，或與一定值相加來生成具有餘量的指令值。
下面說明電晶體5的截止狀態中的動作。在截止狀態下，來自驅動電源部11的電流從電力再生電路2流入輔助電源。在切換電路3中，導通側開關31變為截止，而截止側開關32變為導通。其結果，來自反向偏置電源4的反向偏置提供給電晶體5的基極52。因此，電晶體5內的積蓄電荷在短時間被抽走，可進行高速的截止動作，可以增大截止狀態中的噪聲容限。
接著說明開關動作。圖4(a)、(b)分別表示導通時和截止時的驅動電路100內各部的波形。首先，參照圖4(a)，在電晶體5從截止狀態轉換為導通狀態時，開關信號Ss變為高電平，導通和截止切換電路3的導通側開關31導通，而截止側開關32截止。因此，從驅動電源部11經輸出幹線101將基極電流供給到電晶體5的基極52，使電晶體5被導通。從變流器19的次級繞組向驅動電源部11供給與電晶體5的集電極電流Ic對應的電流，該電源部11對該電流進行整流，並供給到切換電路3。在該狀態下，電晶體5的集電極-發射極間電壓Vce由集電極-發射極間電壓檢測器9來檢測。此外，還檢測流過電晶體5的集電極電流IC和電晶體5的溫度。而且，如上所述，與各電晶體的偏差對應的特性值的差異也被存儲到運算器7中。運算器7根據這些存儲數據計算獲得最佳的集電極-發射極間電壓所需要的基極電流值，並生成集電極-發射極間電壓指令值信號。控制電路8根據該指令值信號來決定要供給輔助電源的再生電力，生成與其對應的控制信號。電流再生電路2的開關元件12、13根據該控制信號來控制導通和截止，其結果，將最佳值的基極電流IB供給電晶體5的基極52。剩餘的電力從電力再生電路2被送至輔助電源。集電極電流Ic的變化示於圖3(a)。
在電晶體5的截止時，在圖3(b)中提供截止信號後，則切換電路3的導通側開關31截止，而截止側開關32導通。因此，將來自反向偏置電源4的反向偏置提供給電晶體5的基極52。
如上所述，在本發明的上述實施例中，通過控制電力再生電路2從驅動電源部取出的電力，來控制電晶體5的基極電流，驅動該電晶體5，使得集電極-發射極間電壓達到最佳，所以對於電晶體5個體具有的hfe的偏差和溫度造成的hfe變化也可以獲得最佳的驅動電流和集電極-發射極間電壓，可以減小電晶體5中的集電極和發射極間的導通損耗和驅動電力。電流源1的開關元件12和輔助整流元件14由幾百KHz以上的高頻來驅動，電晶體5的基極電流從該電流可變型的驅動電路來供給，可以進行連續的驅動電流的供給。此外，可以使作為開關元件的電晶體5長時間維持導通狀態或截止狀態。而且，也可以由直流或低頻進行驅動。
作為開關元件使用的電晶體5的基極-發射極間的電壓降為IV左右的低值，但在驅動電路100的驅動電源部11中通過使用FET這樣的開關元件13來作為輔助整流元件，可以用同步整流作用來降低電力再生電路2的損耗。由於驅動電路100的輸出為1伏左右就可以，所以驅動電路內部的電壓也可以為最小几伏左右，可以使用FET這樣的耐壓低、導通電阻低的元件來作為開關元件12或輔助整流元件14，可以進一步降低驅動電路的損耗。
以上，說明了電晶體5具有集電極51、基極52和發射極53的形式，但作為開關元件，例如在使用雙極模式靜電感應型電晶體(BSIT)的情況下，集電極為漏極，基極為柵極，發射極為源極。控制電路8可以是數字結構，也可以是使用運算放大器和比較器等模擬部件的模擬電路。
在圖1的實施例中，設有起動電源1來用於驅動電路100的起動，該起動電源1的輔助電源變壓器18的次級繞組通過二極體D3連接到變流器19的次級繞組19b。因此，在驅動電路100的起動時，從輔助電源變壓器18的次級繞組通過二極體D3供給的電力在切換電路3的正側開關31導通時作為驅動電路100的輸出提供到電晶體5的基極52。
作為驅動電路100的另一驅動方法，可以通過外部電力來使電力再生電路1的開關元件13導通工作。即，從電力再生電路2接受再生電力供給的部件例如可以從圖1中作為一部分構成要素僅示出整流二極體Da的另一輔助電源來供給使開關元件13導通的起動電力。開關元件13變為導通狀態後，起動電力從作為從電力再生電路2接受再生電力供給的部件而構成的上述另一輔助電源提供到切換電路3的正側開關31。因此，在採用該起動方法時，不需要包括作為起動電源1設置的二極體D3的電路。這種情況下的輔助電源變壓器18的結構示於圖1(a)。
圖5表示本發明的另一實施例。在本實施例中，電力再生電路2包括電力再生變壓器15，該變壓器15的次級繞組經二極體13a和電容器C1組成的整流電路連接到外部的輔助電源。電流源1包括連接到電壓源11的變壓器18。在變壓器15的初級側連接有由來自控制電路8的信號來控制導通和截止的開關元件12。變壓器18的次級側通過整流元件17和開關元件12連接到變壓器15的初級側。整流元件17和開關元件12與整流元件12、14一樣，可以由二極體和開關元件來構成。
圖6表示在不間斷電源裝置中使用的採用本發明的驅動電路的正變換裝置和逆變換裝置的電路結構的主要部分。該電路包括電晶體Q1、Q2，構成主開關部件；電晶體Q1aux、Q2aux組成的逆變器MC，與電晶體Q1、Q2分別並聯連接，構成輔助開關部件；電晶體Q5、Q6，構成主轉換部件；以及電晶體Q5aux、Q6aux組成的變換器MI，與電晶體Q5、Q6分別並聯連接，構成輔助轉換部件；以及在逆變器MC和變換器MI之間連接極性切換臂MP。極性切換臂MP包括電晶體Q3、Q4，構成主轉換部件；以及電晶體Q3aux、Q4aux，構成與電晶體Q3、Q4分別並聯連接的輔助轉換部件。本電路是輸入輸出同步型的非絕緣CVCF裝置，逆變器MC和變換器MI為了輸入電流和輸出電壓的波形整形而被PWM驅動，極性切換臂MP由市電頻率的50或60Hz來驅動。由於該電路結構是眾所周知的，所以對其細節未進一步說明。
各個主轉換部件Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6由與圖1或圖5所示的驅動電路相同結構的驅動電路Dr1、Dr2、Dr3、Dr4、Dr5、Dr6來驅動。從主控制電路C送出用於驅動這些驅動電路和輔助轉換部件Q1aux、Q2aux、Q3aux、Q4aux、Q5aux、Q6aux的開關信號SS、集電極-發射極間電壓指令值信號VCE、以及來自各檢測器的檢測信號ST。
不限於圖6所示形式的電路，電力變換裝置按各種目的可包括電流檢測器，所以各電晶體中的集電極電流可以實時知道。因此，在將本發明的驅動電路應用於實際的電力變換裝置的情況下，在驅動裝置本身上不必另外設置電流檢測器。此外，驅動電路的集電極-發射極間電壓指令值運算器7和控制電路8的某一方或雙方可以安裝在電力變換裝置所配置的主控制電路C上。
圖7表示本發明的另一實施例。在圖7中，作為電流控制型半導體開關元件的電晶體5包括集電極51、基極52、以及發射極53。電晶體5的集電極51連接到未圖示的電源。設有驅動控制電路100，用於控制作為開關元件的電晶體5的導通和截止動作。
驅動電路100包括可根據來自外部的信號來控制輸出電流的電流源201。在電流源201的正側端子和負側端子之間連接回流開關202。配置與回流開關202並聯的導通和截止切換電路203。該導通和截止切換電路203的一端連接到電流源201的正側端子，另一端通過反向偏置電源204連接到電流源201的負側端子。導通和截止切換電路203的輸出通過驅動電路100的輸出幹線101連接到電晶體5的基極52。驅動電路100有輸出回線102，該輸出回線102連接到電流源1的負側端子。
如圖7所示，電流源201包括電壓源211。在電壓源211的正側端子上串聯連接開關元件212和電感器215，電感器215的一端連接到導通和截止切換電路203。並聯連接的整流元件213和輔助整流元件214一端連接到開關元件212和電感器215的連接點，另一端連接到電壓源211的負側端子。整流元件213由以朝向開關元件212和電感器215之間的連接點的方向為正方向的二極體形成，輔助整流元件214由場效應型電晶體(FET)形成。
導通和截止切換電路203由串聯連接的正側的開關元件231和負側的開關元件232組成，開關元件231、232的連接點連接到輸出幹線101。回流開關202和開關元件231、232都由場效應型電晶體構成，控制這些元件的導通和截止動作的開關信號由未圖示的控制裝置供給。
為了檢測電晶體5的集電極中流過的集電極電流Ic，設有電流檢測器206。此外，設有用於檢測電晶體5的溫度T的溫度檢測器225。來自電流檢測器206的集電極電流信號和來自溫度檢測器225的溫度信號被輸入到集電極-發射極電壓指令值運算器207。運算器207的輸出被輸入到輸出用於控制電壓源201的輸出電流的控制信號的控制電路208。開關信號也被輸入到該控制電路208。而且，在電晶體5上，設有用於檢測該電晶體5的集電極-發射極間電壓的電壓檢測器209，檢測出的電壓信號被輸入到控制電路208。控制電路208根據輸入信號來生成控制信號，該控制信號用來控制電流源201的開關元件212和輔助整流元件214的開關動作。
以下說明圖7所示的驅動電路100的動作。首先，在驅動電路100的導通狀態下，根據外部提供的開關信號，切換電路203的正側開關231導通，負側開關232截止。回流開關202截止，驅動電路100的輸出從輸出幹線101提供給電晶體5的基極52，使電晶體5變為導通狀態。
在驅動電路100內，電晶體5的集電極電流Ic由電流檢測器206來檢測，其檢測出的集電極電流信號被輸入到集電極-發射極間電壓指令值運算器207。同時，電晶體5的溫度由溫度檢測器225來檢測，其檢測出的溫度信號被輸入到集電極-發射極間電壓指令值運算器207。運算器207根據輸入的來自集電極電流檢測器206的電流信號和來自溫度檢測器225的溫度信號，計算電晶體5的集電極-發射極間電壓的最佳值，將計算結果作為集電極-發射極間電壓指令值信號傳送到控制電路208。此外，電晶體5的集電極-發射極間電壓由電壓檢測器209來檢測，該電壓檢測信號被輸入到控制電路208。
控制電路208根據集電極-發射極間電壓指令值信號和來自檢測器209的實際集電極-發射極間電壓值，來生成控制信號。控制信號被用於驅動電流源201的開關元件212和輔助整流元件214。來自電流源201的電流經導通和截止切換電路203的導通側開關231從輸出幹線101提供給電晶體5的基極52。這樣，控制電晶體5的基極電流，使得該電晶體5的集電極-發射極間電壓達到最佳值。
電晶體5為導通狀態情況下的與集電極電流對應的集電極-發射極間電壓的飽和電壓特性關係如圖2所示。
在圖7所示的驅動電路100中，集電極-發射極間電壓指令值運算器7也存儲圖2所示的集電極-發射極間電壓VCE(sat)與集電極電流之間特性曲線的數據或表示比其稍低電壓的特性曲線的數據。運算器207中的該特性值的存儲數據可以按照電晶體5的個體偏差來修正。運算器207根據集電極電流檢測器206檢測出的電流信號和溫度檢測器225檢測出的溫度信號，從該存儲的特性值的數據中讀出最佳的集電極-發射極間電壓值，計算集電極-發射極間電壓指令值，並將該指令值提供給控制電路208。這樣，驅動電路100的輸出幹線101中輸出的、提供給電晶體5的基極的輸出電流為使電晶體5按最佳的集電極-發射極間電壓來動作的值。因此，電晶體5按可減少電晶體的導通狀態中的導通損耗和驅動電力的總和條件來動作，該條件也包含該電晶體的各個體偏差。
該驅動電路100中的集電極-發射極間電壓指令值運算器207的結構也可以與圖3所示的結構相同。
下面說明電晶體5的截止狀態中的動作。在截止狀態中，回流開關202導通，來自電流源201的電流迂迴流過切換電路203。在切換電路203中，導通側開關231截止，而截止側開關232導通。其結果，將來自反向偏置電源204的反向偏置提供給電晶體5的基極252。因此，電晶體5內的積蓄電荷在短時間被抽走，可以進行高速的截止動作，可以增大截止狀態中的噪聲容限。回流開關202在切換電路203從導通狀態切換為截止狀態時，起到使電感器215中積蓄的能量被旁路的作用，防止在驅動電路100內產生過電壓。電流源201的開關元件212和輔助整流元件214在該狀態下根據來自控制電路208的信號來進行截止動作。
下面說明開關動作。圖8(a)、圖8(b)分別表示導通時和截止時的驅動電路100內各部的波形。首先，參照圖8(a)，在電晶體5從截止狀態轉換為導通狀態時，從控制電路208將基極電流指令信號SB提供到開關元件212和輔助整流元件214，同時向電感器215開始流動電流I15。經過時間t電感器215的充電結束後，從控制電路208將開關信號SS輸出到切換電路203，該切換電路203的導通側開關231被導通，而截止側開關232被截止。此時，回流開關202被截止。在該狀態下，電感器215起到近似電源的作用，所以電晶體5的基極電位急速上升，在電晶體5中電流急速流動。圖8(a)作為集電極電流Ic示出這種狀況。這樣，通過驅動電路100，可以提高電晶體5的導通速度。
在電晶體5的截止時，在圖8(b)中，提供導通信號後，回流開關202導通，其結果，電晶體5的基極電流立即被截止。同時，切換電路203的導通側開關231截止，而截止側開關232導通。因此，將來自反向偏置電源的反向偏置提供給電晶體5的基極252。在電流源201中，開關元件212和輔助整流元件214可以維持一定電流輸出狀態，也可以通過適當的部件來截止。電感器215中積蓄的能量被回流開關203和構成整流元件213的二極體消耗。這成為驅動電路100的損耗，但由於驅動電路100進行高頻驅動，所以電感器215的電阻可以設定得小，損耗小。
如上所述，在本發明的上述實施例中，控制電晶體5的基極電流驅動該電晶體5，使得集電極-發射極間電壓達到最佳，所以對於電晶體5個體具有的hfe的偏差、或溫度產生的hfe的變化，也可以獲得最佳的驅動電流和集電極-發射極間電壓，可以減小電晶體5中的集電極和發射極間的導通損耗以及驅動電力。電流源201的開關元件212和輔助整流元件214用幾百KHz以上的高頻來驅動，電晶體5的基極電流從該電流可變型的驅動電路來供給，可以進行連續的驅動電流的供給。此外，可以使作為開關元件的電晶體5長時間維持導通狀態或截止狀態。而且，還可以用直流或低頻來驅動。
作為開關元件使用的電晶體5的基極和發射極間的電壓降為1V左右這樣的低值，而在驅動電路100的電流源201中作為輔助整流元件214，使用FET這樣的開關元件，從而可以用同步整流作用來降低驅動電路100的損耗。由於驅動電路100的輸出可以是1v左右，所以驅動電路內部的電壓可以由最小几v構成，作為開關元件212或輔助整流元件214，可以使用FET這樣的耐壓低、導通電阻低的元件，可以進一步降低驅動電路的損耗。
以上說明了電晶體5具有集電極51、基極52和發射極53的形式，但作為開關元件，例如在使用雙極模式靜電感應型電晶體(BSIT)的情況下，集電極為漏極，基極為柵極，發射極為源極。控制電路208可以是數字結構，也可以是使用運算放大器和比較器等模擬部件的模擬電路。
圖9表示本發明的另一實施例。在本實施例中，電流源201包括與電壓源211連接的變壓器216。在變壓器216的初級側連接有由來自控制電路208的信號來控制導通和截止的開關元件220。變壓器216的次級側通過整流元件217、218連接到電感器215。整流元件217、218與整流元件213、214同樣，可以由二極體和開關元件來構成。
在本實施例中，設置由4個橋式連接的開關元件219a、219b、219c、219d組成的切換電路219，來代替圖7實施例中的切換電路203。開關元件219b、219d的連接點被連接到驅動電路100的輸出幹線101，而開關元件219a、219c的連接點被連接到驅動電路100的輸出回線102。
在該驅動電路100中，電力傳輸通過變壓器116來進行，各種信號使用脈衝變壓器或光電耦合器等絕緣部件來傳送，可以使驅動電路100側和電晶體5電絕緣。在實際的電力變換裝置中，將電晶體5這樣的開關元件多個橋式連接來驅動的情況很多，由於電晶體的發射極電位變化，所以對各電晶體需要絕緣型的驅動電路。圖9所示的電路適用於該目的。在可以使用與各個驅動電路絕緣的直流電壓源的情況下，用圖7所示的驅動電路可以充分地達到目的。
權利要求
1.一種開關元件的驅動裝置，用於包括具有集電極、發射極和基極的電流控制型半導體開關元件的電力變換裝置，其特徵在於，包括輸出幹線，連接到所述開關元件的所述基極；輸出回線，連接到所述發射極；變流器，初級側被串聯連接到所述開關元件；驅動電源，用於所述開關元件，有連接到所述變流器的次級側的整流部件；驅動開關，用於將所述驅動電源的輸出供給所述開關元件的基極；集電極-發射極間電壓檢測部件，用於檢測所述開關元件的集電極-發射極間電壓；再生電路，從所述驅動電源的輸出將再生電力供給到需要電力的其他部件；以及集電極-發射極間電壓控制電路，響應來自集電極-發射極間電壓檢測部件的集電極-發射極間電壓信號，通過從所述再生電路來控制對所述其他部件供給的再生電力，使提供給所述開關元件的所述基極的基極電流變化，由此來控制集電極-發射極間電壓。
2.如權利要求1所述的開關元件的驅動裝置，其特徵在於，包括驅動電源，供給開關元件驅動電流；以及反向偏置電路，對所述開關元件的所述基極提供反向偏置；所述集電極-發射極間電壓控制電路包括導通驅動開關部件，將所述驅動電源連接到所述開關元件的所述基極；截止驅動開關部件，將所述反向偏置電源連接到所述開關元件的所述基極；以及控制部件，接收來自所述集電極-發射極間電壓檢測部件的集電極-發射極間電壓信號，通過按照該電壓信號來控制所述再生電力，並控制對所述開關元件的所述基極供給的基極電流，來控制集電極-發射極間電壓；在所述開關元件的導通動作時，使所述導通驅動開關部件為導通狀態，使所述截止驅動開關部件為截止狀態，而在所述開關元件的截止動作時，使所述截止驅動開關部件為導通狀態，使所述導通驅動開關部件為截止狀態，通過來自所述反向偏置電源的反向偏置而可以進行開關元件的急速截止動作。
3.如權利要求2所述的開關元件的驅動裝置，其特徵在於，在所述驅動電源的起動時，從被供給所述再生電力的所述部件將起動電力供給該驅動電源。
4.如權利要求1至權利要求3的任何一項所述的開關元件的驅動裝置，其特徵在於，所述集電極-發射極間電壓控制電路包括開關部件和整流部件，開關部件通過開關動作來控制所述再生電力，使提供給所述開關元件的所述基極的基極電流變化，而整流部件被設置在該開關部件的輸出部；所述整流部件由整流元件和導通電阻比該開關部件低的輔助整流元件組成。
5.如權利要求1至權利要求4的任何一項所述的開關元件的驅動裝置，其特徵在於，設有檢測所述開關元件溫度的溫度檢測部件；所述電流控制部存儲有與多個不同溫度對應的集電極-發射極間電壓的最佳數據，按照來自所述溫度檢測部件的溫度信號來決定最佳的集電極-發射極間電壓的值。
6.如權利要求3或權利要求4所述的開關元件的驅動裝置，其特徵在於，包括電流檢測部件，檢測流過所述開關元件的所述集電極的集電極電流；所述集電極-發射極間電壓控制部件存儲有與多個不同值的開關元件電流對應的集電極-發射極間電壓的最佳數據，按照來自所述電流檢測部件的集電極電流信號來決定最佳的集電極-發射極間電壓的值。
7.一種開關元件的驅動裝置，用於包括具有集電極、發射極和基極的電流控制型半導體開關元件的電力變換裝置，其特徵在於，包括輸出幹線，連接到所述開關元件的所述基極；輸出回線，連接到所述發射極；以及集電極-發射極間電壓控制部件；所述集電極-發射極間電壓控制部件包括檢測所述開關元件的集電極-發射極間電壓的集電極-發射極間電壓檢測部件；按照檢測出的集電極-發射極間電壓來控制對所述輸出幹線供給的該半導體開關元件的基極電流，並控制所述集電極-發射極間電壓，使得所述半導體開關元件中的導通損耗和驅動電力之和減少。
8.如權利要求7所述的開關元件的驅動裝置，其特徵在於，包括驅動電源，供給開關元件驅動電流；以及反向偏置部件，對所述開關元件的所述基極提供反向偏置；所述集電極-發射極間電壓控制部件包括導通驅動開關部件，將所述驅動電源連接到所述開關元件的所述基極；截止驅動開關部件，將所述反向偏置電源連接到所述開關元件的所述基極；以及控制部件，接收來自所述集電極-發射極間電壓檢測部件的集電極-發射極間電壓信號，通過按照該電壓信號來控制對所述開關元件的所述基極供給的基極電流，從而控制集電極-發射極間電壓；在所述開關元件的導通動作時，使所述導通驅動開關部件為導通狀態，使所述截止驅動開關部件為截止狀態，而在所述開關元件的截止動作時，使所述截止驅動開關部件為導通狀態，使所述導通驅動開關部件為截止狀態，通過來自所述反向偏置電源的反向偏置而可以進行開關元件的急速截止動作。
9.如權利要求7或權利要求8所述的開關元件的驅動裝置，其特徵在於，所述集電極-發射極間電壓控制部件包括電流控制部，對於所述開關元件存儲有集電極-發射極間電壓的最佳數據，根據該存儲的數據和來自所述集電極-發射極間電壓檢測部件的集電極-發射極間電壓信號，將控制的基極電流供給到所述開關元件的所述基極。
10.如權利要求9所述的開關元件的驅動裝置，其特徵在於，設有檢測所述開關元件溫度的溫度檢測部件；所述電流控制部存儲有與多個不同溫度對應的集電極-發射極間電壓的最佳數據，按照來自所述溫度檢測部件的溫度信號來決定最佳的集電極-發射極間電壓的值。
11.如權利要求9或權利要求10所述的開關元件的驅動裝置，其特徵在於，包括電流檢測部件，檢測流過所述開關元件的所述集電極的集電極電流；所述集電極-發射極間電壓控制部件存儲有與多個不同值的開關元件電流對應的集電極-發射極間電壓的最佳數據，按照來自所述電流檢測部件的集電極電流信號來決定最佳的集電極-發射極間電壓的值。
12.如權利要求7至權利要求11的任何一項所述的開關元件的驅動裝置，其特徵在於，所述集電極-發射極間電壓控制部件包括基極電流控制開關部件，通過開關動作來可變控制所述開關元件的基極電流；以及整流部件，被設置在該基極電流控制開關部件的輸出部；所述整流部件為同步整流型結構，包括整流元件和比所述基極電流控制開關部件導通電阻低的輔助整流元件。
13.一種開關元件的驅動方法，用於包括具有集電極、發射極和基極的電流控制型半導體開關元件的電力變換裝置，其特徵在於，從將初級側串聯連接到所述開關元件的變流器的次級側獲得電力，將其一部分作為再生電力供給需要電力的其他部件，從其餘電力中獲得提供給所述開關元件的所述基極的驅動電流來一邊進行所述開關元件的驅動，一邊檢測所述開關元件的集電極-發射極間電壓，通過按照該檢測出的集電極-發射極間電壓值來控制所述再生電力，從而使提供給所述開關元件的所述基極的驅動電流變化，控制所述集電極-發射極間電壓。
全文摘要
在使用半導體開關元件的電力變換裝置中,為了綜合降低開關元件上產生的開關損耗和導通損耗,通過設置檢測電力變換裝置的半導體開關元件中的集電極－發射極間電壓的集電極－發射極間電壓檢測部件,按照檢測出的集電極－發射極間電壓來控制供給該開關元件的基極電流,並控制集電極－發射極間電壓,或控制從開關元件驅動電源部送至外部的輔助電源等的再生電力,可以考慮開關元件具有的hfe的偏差、溫度產生的hfe的變化、與流過開關元件的電流對應的hfe變化來進行最佳驅動,可以使開關元件的導通損耗和驅動電力之和減少。
文檔編號H02M1/08GK1336032SQ00802250
公開日2002年2月13日 申請日期2000年10月5日 優先權日2000年1月12日
發明者伊藤一行, 沖田美久, 田中克明, 高柳善信 申請人:Tdk股份有限公司