專利名稱：電力變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用電力用開關(guān)元件的電力變換器。
背景技術(shù)：
使用電力用開關(guān)元件的電力變換器隨著開關(guān)元件的大容量化、高速化 而正在穩(wěn)健地?cái)U(kuò)大其使用范圍。在這樣的電力用開關(guān)元件中，特別在最近，
擴(kuò)展了應(yīng)用領(lǐng)域的是作為MOS柵極型開關(guān)元件的IGBT及MOSFET。
IGBT及MOSFET是不自己持續(xù)開啟/關(guān)閉狀態(tài)的非閉鎖(non-latching) 型開關(guān)元件，與閘流晶體管等的閉鎖型開關(guān)元件相比，能夠?qū)崿F(xiàn)柵極驅(qū)動(dòng) 帶來的高控制性這一點(diǎn)是較大的優(yōu)點(diǎn)。在短路時(shí)，也能夠通過開關(guān)元件的 柵極電壓控制來減小短路電流。因此，采用IGBT的柵極電壓控制的短路 保護(hù)方式的電力變換器已實(shí)用化。
作為當(dāng)發(fā)生了短路故障(開關(guān)元件的電流端子被短路到電源的狀態(tài)) 時(shí)保護(hù)開關(guān)元件的方法，日本特開2001-197724號(hào)公報(bào)公開了檢測(cè)開關(guān)元 件為開啟狀態(tài)時(shí)的集電極電壓，當(dāng)該集電極電壓比基準(zhǔn)值高時(shí)判斷元件是 過電流狀態(tài)或短路狀態(tài)的技術(shù)。
此外，日本特開2007-202238號(hào)公報(bào)將從半導(dǎo)體元件的柵極驅(qū)動(dòng)電路 流入到柵極中的開啟柵極電流、或者從半導(dǎo)體元件的柵極向柵極驅(qū)動(dòng)電路 流入的關(guān)閉柵極電流與正常時(shí)的電流相比較，來檢測(cè)短路故障。
但是，在特開2001-197724號(hào)公報(bào)中，通過檢測(cè)開關(guān)元件的集電極電 壓，來檢測(cè)與電源的短路并進(jìn)行切斷，但到檢測(cè)到短路為止的時(shí)間較長(zhǎng)， 正常的開關(guān)元件有可能破壞。
此外，特開2007-202238號(hào)公報(bào)檢測(cè)開關(guān)元件破壞等而短路、成為不 能動(dòng)作的狀態(tài)(故障)的情況，在開關(guān)元件為正?？蓜?dòng)作的狀態(tài)下不能檢 測(cè)與電源的短路。
通常，如果開關(guān)元件接通，則開關(guān)元件的主電極間的電壓成為由開關(guān)元件特性決定的非常低的電壓。但是，在與電源短路時(shí)，在正常開關(guān)元件 的集電極端子上產(chǎn)生由直流電壓及主電路的阻抗和短路電流決定的電壓。 短路電流由開關(guān)元件的特性決定，但是是從額定電流的幾倍到幾十倍的非 常大的電流，如果流過較大的電流，則會(huì)發(fā)生較大的損失，開關(guān)元件會(huì)破 壞。所以，需要較早地檢測(cè)短路而進(jìn)行保護(hù)動(dòng)作。
但是，在接通的過渡時(shí)，越是高耐壓的開關(guān)元件，為了集電極電壓減 小越花費(fèi)時(shí)間。因而，在檢測(cè)集電極電壓來檢測(cè)與電源的短路的結(jié)構(gòu)中， 在到開關(guān)元件開啟為止的一定期間中，需要將集電極電壓檢測(cè)屏蔽。結(jié)果， 到檢測(cè)到短路或過電流為止的時(shí)間花費(fèi)較長(zhǎng)，開關(guān)元件有可能破壞。進(jìn)而，
為了將過大的電流切斷，也有可能產(chǎn)生浪涌電壓(surge voltage)而開關(guān)元件 破壞。
此外，在通常動(dòng)作時(shí)，當(dāng)使開關(guān)元件開啟時(shí)，經(jīng)由柵極電阻對(duì)開關(guān)元 件的柵極端子施加+15V左右的電壓。于是，被柵極電阻限制的柵極電流向 柵極端子流動(dòng)，開關(guān)元件開啟。為了關(guān)閉，經(jīng)由柵極電阻對(duì)開關(guān)元件的柵 極端子施加-15V左右的電壓。于是，開關(guān)元件的柵極電荷從柵極端子流出， 開關(guān)元件關(guān)閉。
關(guān)閉動(dòng)作時(shí)的開關(guān)元件響應(yīng)速度由柵極電阻決定。如果將柵極電阻值 降低，則在短路檢測(cè)時(shí)能夠?qū)⒍搪冯娏髁⒓搓P(guān)閉。但是，如果將柵極電阻 降低，則在關(guān)閉動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生浪涌電壓，所以使用電阻值較小的柵極電阻提 高響應(yīng)速度是困難的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種電力變換器，在開關(guān)元件達(dá)到故障之前能夠 進(jìn)行短路時(shí)的保護(hù)或過電壓抑制、且響應(yīng)性能較高。
有關(guān)本發(fā)明的電力變換器具備柵極電流檢測(cè)部，檢測(cè)經(jīng)由其他元件 連接至電源的開關(guān)元件的柵極電流；第1比較部，對(duì)與由上述柵極電流檢 測(cè)部檢測(cè)到的柵極電流相對(duì)應(yīng)的電壓和基準(zhǔn)正電壓進(jìn)行比較；第2比較部， 對(duì)與由上述柵極電流檢測(cè)部檢測(cè)到的柵極電流相對(duì)應(yīng)的電壓和基準(zhǔn)負(fù)電壓 進(jìn)行比較；以及短路判斷部，在與上述柵極電流相對(duì)應(yīng)的電壓在變?yōu)樯鲜?基準(zhǔn)正電壓以上起的規(guī)定時(shí)間內(nèi)變?yōu)樯鲜龌鶞?zhǔn)負(fù)電壓以下時(shí)，判斷為上述開關(guān)元件短路到上述電源。


圖1是有關(guān)本發(fā)明的實(shí)施例1的電力變換器的結(jié)構(gòu)圖。
圖2是電力變換器的通常動(dòng)作時(shí)的柵極電壓、柵極電流及元件電流的 波形圖。
圖3是電力變換器的短路時(shí)的柵極電流及元件電流的波形圖。
圖4是有關(guān)本發(fā)明的實(shí)施例2的電力變換器的結(jié)構(gòu)圖。
圖5是有關(guān)本發(fā)明的實(shí)施例3的電力變換器的結(jié)構(gòu)圖。
圖6是有關(guān)上述實(shí)施例3的柵極電壓Vg、微分電路輸出電壓Vd、柵
極電流Ig的波形圖。
圖7是有關(guān)本發(fā)明的實(shí)施例4的電力變換器的結(jié)構(gòu)圖。
圖8是有關(guān)實(shí)施例4的柵極電流Ig、柵極電壓Vg、積分電路的輸出積
分值Vs的波形圖。
圖9是有關(guān)本發(fā)明的實(shí)施例5的電力變換器的結(jié)構(gòu)圖。
圖10是表示有關(guān)上述實(shí)施例5的積分電路輸出Vs、米勒期間判斷部
的輸出信號(hào)波形的圖。
圖11是有關(guān)本發(fā)明的實(shí)施例6的電力變換器的結(jié)構(gòu)圖。
圖12是表示有關(guān)上述實(shí)施例6的柵極電流調(diào)節(jié)部的動(dòng)作的時(shí)間圖。
圖13是表示有關(guān)上述實(shí)施例6的柵極電路的結(jié)構(gòu)例的圖。
圖14是有關(guān)本發(fā)明的實(shí)施例7的電力變換器的結(jié)構(gòu)圖。
圖15是有關(guān)本發(fā)明的實(shí)施例8的電力變換器的結(jié)構(gòu)圖。
圖16是有關(guān)本發(fā)明的實(shí)施例9的電力變換器的結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施方式
[實(shí)施例1]
圖1是有關(guān)本發(fā)明的實(shí)施例1的電力變換器的結(jié)構(gòu)圖。 開關(guān)電路10及20例如表示3相逆變器的下臂中的1個(gè)及上臂中的1 個(gè)，相對(duì)于直流電源DC1串聯(lián)連接。開關(guān)電路10及20的結(jié)構(gòu)是相同的， 分別反并列連接著開關(guān)元件1 (21)和續(xù)流二極管2 (22)。在圖1中僅表示了控制開關(guān)電路10的控制電路，但對(duì)于開關(guān)電路20也可以構(gòu)成同樣的控制電路。
開關(guān)元件1受柵極電路3驅(qū)動(dòng)，開關(guān)元件1的元件電流Ic被控制。從柵極電路3對(duì)開關(guān)元件1的柵極施加的柵極電流Ig被柵極電流檢測(cè)部4檢測(cè)到，檢測(cè)值被輸入到第1比較部7a及第2比較部7b中。
第1比較部7a將對(duì)應(yīng)于由柵極電流檢測(cè)部4檢測(cè)到的柵極電流Ig的電壓，與第l基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生部6a的正的基準(zhǔn)電壓Vl比較。此夕卜，第2比較部7b將對(duì)應(yīng)于由柵極電流檢測(cè)部4檢測(cè)到的柵極電流Ig的電壓與第2基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生部6b的負(fù)的基準(zhǔn)電壓V2比較。
短路判斷部5在由柵極電流檢測(cè)部4檢測(cè)到的柵極電流值在變?yōu)榛鶞?zhǔn)正電壓V1以上起的規(guī)定期間內(nèi)變?yōu)榛鶞?zhǔn)負(fù)電壓V2以下時(shí)，判斷為開關(guān)元件1與電源DC1短路、或者發(fā)生了過電流狀態(tài)。該短路狀態(tài)是因?yàn)殚_關(guān)電路20 (開關(guān)元件21或二極管22)的短路故障或其他原因而發(fā)生、開關(guān)元件1的集電極(二極管2的陽極)直接連接在電源DC1上的狀態(tài)。
接著，詳細(xì)地說明本實(shí)施例的動(dòng)作。
圖2是本發(fā)明的實(shí)施例1的電力變換器的通常動(dòng)作時(shí)的柵極電壓Vg、元件電流Ic及柵極電流Ig的波形圖。電力變換器通過柵極電路3驅(qū)動(dòng)開關(guān)元件l，將電流開啟/關(guān)閉。如圖2所示，柵極電壓Vg從-15V上升，從時(shí)刻tl開始沿正向流過柵極電流Ig。此時(shí)的電流Ig是開關(guān)元件1的基極-發(fā)射極間電容帶來的電流，在該柵極電流Ig流過的期間中，柵極電壓Vg暫時(shí)保持一定值，然后達(dá)到+15V。將該柵極電壓Vg暫時(shí)保持一定值的期間稱作米勒(^，一)期間。此外，在該柵極電流Ig流過的期間中，開關(guān)元件l開啟，元件電流Ic以陡峭的斜率開始流動(dòng)。該陡峭的電流是因?yàn)榕c開關(guān)元件1成對(duì)的續(xù)流二極管(FWD) 2處于反向恢復(fù)狀態(tài)、開關(guān)元件1與二極管2的直流電路成為短路的狀態(tài)。
在將開關(guān)元件1關(guān)閉的情況下，柵極電壓Vg也與上述開啟動(dòng)作時(shí)同樣暫時(shí)保持一定值，然后達(dá)到-15V。該柵極電壓Vg保持一定值的期間也是米勒期間。
圖3是表示與電源短路時(shí)的開關(guān)元件1的元件電流Ic、柵極電流Ig、比較部7a、 7b的輸出電壓、短路判斷部5的輸出電壓的波形圖。當(dāng)發(fā)生了與電源的短路時(shí)，如圖3 (a)所示，額定電流的數(shù)倍的短路電流Ics流到開關(guān)元件中。這里，開關(guān)元件l的元件電流Ic與柵極電壓Vg相互關(guān)聯(lián)， 一般柵極電壓越高流過越大的元件電流Ic。
此外，如果短路電流那樣的大電流流到開關(guān)元件1中，則柵極電壓上升。柵極電路3的輸出電壓當(dāng)開關(guān)元件1開啟時(shí)是+15V左右。但是，如果
在與電源的短路時(shí)流過過大的電流，則開關(guān)元件1的柵極電壓變得比柵極電路3的輸出電壓高，電流從開關(guān)元件1向柵極電路3流入。
結(jié)果；當(dāng)短路時(shí)，如圖3 (b)所示，在用來使開關(guān)元件l開啟的正側(cè)柵極電流Ig在時(shí)刻tl開始流動(dòng)后，反方向(負(fù)方向)的柵極電流Ig在時(shí)刻t3以后流動(dòng)。因而，通過判斷開啟動(dòng)作時(shí)的柵極電流Ig是否正負(fù)振動(dòng)，能夠判斷是通常的開啟開始短路時(shí)的開啟。
為了實(shí)現(xiàn)該判斷，在實(shí)施例1中，將柵極電流檢測(cè)部4的輸出輸入到兩個(gè)比較部7a、 7b中。在比較部7a、 7b中，也分別輸入基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生部6a、 6b的輸出電壓。基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生部6a、 6b分別產(chǎn)生正負(fù)的基準(zhǔn)電壓VI、V2。比較部7a、 7b分別對(duì)基準(zhǔn)電壓Vl、 V2和柵極電流檢測(cè)部4的輸出電壓進(jìn)行比較，將比較結(jié)果如圖3 (c)、圖3 (d)那樣向短路判斷部5輸出。短路判斷部5如果在時(shí)刻tl以后從比較部7a輸入低脈沖(柵極電流檢測(cè)部4的輸出電壓比正的基準(zhǔn)電壓VI大)，則判斷從該低脈沖的下降開始在規(guī)定時(shí)間ATI內(nèi)是否從比較部7b輸入了高脈沖(柵極電流檢測(cè)部4的輸出電壓是否比負(fù)的基準(zhǔn)電壓V2小)。在從比較部7b輸入了高脈沖的情況下，短路判斷部5判斷為發(fā)生了短路，如圖3 (e)所示，對(duì)柵極電路3輸出表示發(fā)生了短路的例如高脈沖信號(hào)。柵極電路3對(duì)該高脈沖信號(hào)應(yīng)答，將對(duì)于開關(guān)元件1的柵極電壓降低到低電平。結(jié)果，開關(guān)元件1關(guān)閉。因而，能夠保護(hù)開關(guān)元件1免受短路電流的破壞。
在以上的說明中，通過柵極電流檢測(cè)部4將柵極電流Ig作為電壓檢測(cè)，與第1基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生部6a的正的基準(zhǔn)電壓VI、第2基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生部6b的負(fù)的基準(zhǔn)電壓V2進(jìn)行比較。但是，也可以通過柵極電流檢測(cè)部4將柵極電流Ig作為電流檢測(cè)，與正的基準(zhǔn)電流、負(fù)的基準(zhǔn)電流比較。
此外，在檢測(cè)到短路、將開關(guān)元件1關(guān)閉而將大電流切斷時(shí)，有產(chǎn)生浪涌電壓而開關(guān)元件1破壞的情況。因而，如果通過圖13中后述那樣的能夠改變柵極電阻的結(jié)構(gòu)，在關(guān)閉動(dòng)作時(shí)將柵極電阻變更為較大的電阻值，則能夠抑制柵極電流并防止浪涌電壓產(chǎn)生，保護(hù)元件1。
根據(jù)實(shí)施例1,通過檢測(cè)柵極電流(柵極電流檢測(cè)部的輸出電壓值)的時(shí)間變化，能夠在開關(guān)元件達(dá)到故障之前的較早期間，檢測(cè)到短路而保護(hù)開關(guān)元件。
圖4是有關(guān)本發(fā)明的實(shí)施例2的電力變換器的結(jié)構(gòu)圖。對(duì)于與實(shí)施例1相同的結(jié)構(gòu)要素賦予相同的標(biāo)號(hào)而省略詳細(xì)的說明。該實(shí)施例2相對(duì)于實(shí)施例1，設(shè)有柵極電壓檢測(cè)部8及米勒期間判斷部9。米勒期間判斷部9在開關(guān)元件1的正常動(dòng)作時(shí)，將如圖2所示那樣?xùn)艠O電流流入到柵極電路3中、并且柵極電壓維持一定值的期間判斷為米勒期間，防止開關(guān)元件1的關(guān)閉動(dòng)作時(shí)的浪涌電壓。
米勒期間判斷部9參照比較部7b的輸出值，在由柵極電流檢測(cè)部4檢測(cè)到的柵極電流值變?yōu)榛鶞?zhǔn)電壓產(chǎn)生部6b的關(guān)閉動(dòng)作時(shí)基準(zhǔn)電壓(例如在實(shí)施例1中說明的電壓V2)以下的狀態(tài)下，檢測(cè)由柵極電壓檢測(cè)部8檢測(cè)到的柵極電壓大致維持一定的米勒期間。當(dāng)檢測(cè)到米勒期間時(shí)，對(duì)柵極電路3輸出指令，以抑制開關(guān)元件1的關(guān)閉動(dòng)作時(shí)的浪涌電壓。
接著，參照?qǐng)D2詳細(xì)地說明本實(shí)施例的動(dòng)作。在將開關(guān)元件l關(guān)閉時(shí)，柵極電路3產(chǎn)生約-15V，柵極電流向負(fù)方向流動(dòng)。由此，儲(chǔ)存在開關(guān)元件1的柵極-發(fā)射極間電容中的電荷被放電，開關(guān)元件1的柵極電壓減小。接著，柵極電流從柵極-集電極間的反饋電容流入到柵極電路3中(時(shí)刻t2以后)。此時(shí)，幾乎不進(jìn)行柵極-發(fā)射極間電容的放電，所以柵極電壓大致為一定。最后，柵極-發(fā)射極間電容被放電，集電極電壓開始增加，柵極電壓降低至IJ-15V，關(guān)閉結(jié)束。
在圖4中，通過柵極電流檢測(cè)部4、基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生部6b及比較部7b檢測(cè)關(guān)閉動(dòng)作時(shí)的柵極電流Ig流入的情況，將檢測(cè)結(jié)果輸入到米勒期間判斷部9中。此外，通過柵極電壓檢測(cè)部8檢測(cè)柵極電壓Vg，輸入到米勒期間判斷部9中。米勒期間判斷部9將柵極電路Ig流入、并且柵極電壓Vg維持一定值時(shí)判斷為米勒期間。
在判斷了米勒期間時(shí)，通過改變關(guān)閉條件(將柵極電路3的柵極電阻設(shè)定得比米勒期間前后的期間的電阻值高)，使從開關(guān)元件1引出的柵極電流Ig變小，能夠抑制關(guān)閉動(dòng)作時(shí)的浪涌電壓。特別是，在過電流時(shí)將比通常大的電流切斷，所以在短路檢測(cè)后的切斷中，通過在檢測(cè)到米勒期間后改變關(guān)閉條件，開關(guān)元件l能夠不破壞而關(guān)閉。
根據(jù)實(shí)施例2，通過檢測(cè)柵極電流和柵極電壓判斷米勒期間，能夠抑制開關(guān)元件1的關(guān)閉動(dòng)作時(shí)的浪涌電壓。[實(shí)施例3]
圖5是有關(guān)本發(fā)明的實(shí)施例3的電力變換器的結(jié)構(gòu)圖。對(duì)于與圖4相同的元件賦予相同的標(biāo)號(hào)而省略重復(fù)的說明。
該實(shí)施例3設(shè)有對(duì)由柵極電壓檢測(cè)部8檢測(cè)到的柵極電壓進(jìn)行微分的微分電路10。米勒期間判斷部9檢測(cè)通過微分電路10得到的柵極電壓的微分值為零的期間作為米勒期間。
在實(shí)施例2中，在正常動(dòng)作時(shí)，當(dāng)柵極電流向負(fù)方向流動(dòng)、并且柵極電壓為一定時(shí)判斷為米勒期間。但是，由于該為一定的電壓根據(jù)元件特性及元件電流Ic等變化，所以有與某個(gè)設(shè)定電壓值單純地比較如果判斷為米勒期間則不能保持可靠性的情況。為了使其保持可靠性，柵極電壓檢測(cè)部8的電路結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜。
所以，在實(shí)施例3中，將柵極電壓檢測(cè)部8的輸出輸入到微分電路10中，微分電路10將柵極電壓Vg微分而輸入到米勒期間判斷部9中。圖6是柵極電壓Vg、微分電路16的輸出電壓Vd、柵極電流Ig的波形圖。米勒期間判斷部9當(dāng)流過柵極電流Ig、并且微分輸出變?yōu)榱銜r(shí)判斷為米勒期間。是否流過柵極電流Ig基于比較部7a、 7b的輸出值判斷。為一定的柵極電壓Vg根據(jù)開關(guān)元件1及元件電流Ic等而變化，但由于微分輸出為零，所以能夠不根據(jù)開關(guān)元件1及元件電流Ic等而進(jìn)行米勒期間的判斷。
根據(jù)實(shí)施例3，能夠不使柵極電壓檢測(cè)部8的電路結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜而判斷米勒期間。
圖7是有關(guān)本發(fā)明的實(shí)施例4的電力變換器的結(jié)構(gòu)圖。該實(shí)施例4中，將由柵極電流檢測(cè)部4檢測(cè)到的柵極電流用積分電路11進(jìn)行積分。米勒期間判斷部9基于由積分電路11得到的柵極電流Ig的積分值(電荷量)Vs、和由柵極電壓檢測(cè)部8檢測(cè)到的柵極電壓Vg之間的相關(guān)關(guān)系，檢測(cè)米勒期間。
在實(shí)施例3中，當(dāng)流過柵極電流Ig、并且柵極電壓Vg的微分值為零時(shí)判斷為米勒期間，但有可能在柵極電壓Vg的檢測(cè)值中帶有噪音，通過該微分成分不能正確地判斷。所以，在實(shí)施例4中將柵極電流檢測(cè)部4的輸出Ig輸入到積分電路11中，將其積分結(jié)果Vs輸入到米勒期間判斷部9中。
圖8是柵極電流Ig、積分電路ll的輸出積分值Vs、柵極電壓Vg的波形圖。如果為了將開關(guān)元件1關(guān)閉而使柵極電壓變?yōu)榈?low),則儲(chǔ)存在柵極-發(fā)射極間電容中的電荷放電。此時(shí)，殘留在柵極-發(fā)射極間的電容中的電荷量Q和電壓V有QK:V (C是常數(shù))的關(guān)系。由于C是常數(shù)，所以電荷量Q和電壓V處于成比例的關(guān)系。例如，如果某個(gè)電荷量Q被放電，則柵極電壓Vg降低的量是由上述式子決定的電壓V=Q/C。由于電荷量是電流的積分值，所以從柵極放電的電荷量可以通過將柵極電流Ig積分而得到。
在開關(guān)元件1的關(guān)閉動(dòng)作時(shí)的米勒期間，不從柵極-發(fā)射極間電容放電，柵極電流從柵極-集電極間的反饋電容流入到柵極電路3中。因此，柵極電流Ig的積分值Vs持續(xù)減小，但柵極電壓Vg不再變化。即，積分值Vs的斜率與柵極電壓Vg的斜率較大地不同。即，由積分電路ll得到的作為柵極電路的積分的電荷量的變化率與由柵極電壓檢測(cè)部8檢測(cè)到的柵極電壓的變化率之差為規(guī)定值以上的期間，可以判斷為米勒期間。
另外，在開關(guān)元件1的開啟時(shí)也同樣判斷米勒期間。此外，在該實(shí)施例中，也如上述圖5的實(shí)施例3那樣，設(shè)有基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生部6a、 6b、比較器7a、 7b、短路判斷部5，如果檢測(cè)到短路，則能夠防止開關(guān)元件1的過電流帶來的破壞。
根據(jù)實(shí)施例4，即使是在柵極電壓Vg的檢測(cè)值中帶有噪音的情況，也能夠正確地判斷米勒期間。[實(shí)施例5]
圖9是有關(guān)本發(fā)明的實(shí)施例5的電力變換器的結(jié)構(gòu)圖。該實(shí)施例5相對(duì)于圖6所示的實(shí)施例4去除了柵極電壓檢測(cè)部8。
在實(shí)施例4中，將柵極電流Ig的積分值與柵極電壓Vg比較而判斷的米勒期間中的柵極電壓Vg，根據(jù)元件電流Ic而變動(dòng)。此外，柵極電壓Vg
12也并不限于維持某一定電壓，變動(dòng)的情況也較多。因此，有可能不能通過
柵極電壓Vg判斷米勒期間。
所以，在該實(shí)施例5中，將柵極電流檢測(cè)部4的輸出用積分電路11積 分，僅將該輸出向米勒期間判斷部9輸入。開關(guān)元件1的柵極電容由開關(guān) 元件1決定。例如，當(dāng)開關(guān)元件1開啟時(shí)，對(duì)開關(guān)元件1的柵極注入電流。 如果將此時(shí)的電流值積分，則能夠得到柵極的電荷量。由于該柵極電荷量 與柵極電壓之間的關(guān)系可以從數(shù)據(jù)表得到，所以也容易地知道柵極電壓Vg 為一定的期間的柵極電荷的范圍。因此；當(dāng)將柵極電流Ig積分而得到的電 荷量處于某個(gè)范圍中時(shí)，可以判斷是米勒期間。
圖10表示該實(shí)施例5的積分電路輸出Vs、米勒期間判斷部9的輸出 信號(hào)波形。積分值Vs的最高值Vsl可以根據(jù)該開關(guān)元件的數(shù)據(jù)表記載的柵 極電容來判斷。米勒期間判斷部9具有窗口比較器(未圖示)，該窗口比較 器當(dāng)積分值Vs進(jìn)入到兩個(gè)規(guī)定閾值Vthl、 Vth2之間時(shí)，作為比較結(jié)果而 提供例如高電平信號(hào)。閾值Vthl對(duì)應(yīng)于米勒期間開始的積分值，閾值Vth2 對(duì)應(yīng)于米勒期間結(jié)束的積分值。該閾值Vthl、 Vth2可以通過該開關(guān)元件的 數(shù)據(jù)表或?qū)嶒?yàn)來判斷。將該窗口比較器的比較結(jié)果作為米勒期間判斷部9 的判斷結(jié)果提供。即，米勒期間判斷部9預(yù)先存儲(chǔ)米勒期間中的由積分電 路11得到的積分值范圍(Vthl Vth2)，將由積分電路11得到的積分值為 上述積分范圍內(nèi)的值的期間判斷為米勒期間。
根據(jù)實(shí)施例5，通過僅檢測(cè)柵極電流的積分值能夠判斷米勒期間。
圖11是有關(guān)本發(fā)明的實(shí)施例6的電力變換器的結(jié)構(gòu)圖，包括米勒期間 判斷部9、柵極電流調(diào)節(jié)部12、柵極電路3及開關(guān)電路10等。圖ll的米 勒期間判斷部9對(duì)應(yīng)于實(shí)施例2至5的米勒期間判斷部9。即，該實(shí)施例6 如實(shí)施例2至5那樣在由米勒期間判斷部9判斷的米勒期間中，通過柵極 電流調(diào)節(jié)部12調(diào)節(jié)柵極電流Ig。
當(dāng)開關(guān)元件1開啟時(shí)，對(duì)方一側(cè)的開關(guān)電路20的開關(guān)元件21關(guān)閉， 但由于成對(duì)的續(xù)流二極管22進(jìn)行反向恢復(fù)，所以在二極管的陰極側(cè)產(chǎn)生過 電壓。該過電壓是因?yàn)槔m(xù)流二極管22從導(dǎo)通狀態(tài)關(guān)閉而產(chǎn)生的，開啟的速 度越快，過電壓也越大。因而，通過使柵極電路3的柵極電阻變大等而使柵極電流變小、緩緩地開啟，能夠抑制該過電壓，但在此情況下，開關(guān)元件1的損失變大。
所以，在實(shí)施例6中，當(dāng)通過米勒期間判斷部9判斷為米勒期間時(shí)，通過柵極電流調(diào)節(jié)部12調(diào)節(jié)柵極電流。圖12是表示柵極電流調(diào)節(jié)部12的動(dòng)作的時(shí)序圖，圖13是表示柵極電路3的結(jié)構(gòu)例的圖。
柵極電流調(diào)節(jié)部12如圖12所示，在開關(guān)元件1的開啟動(dòng)作時(shí)，米勒期間判斷部9的判斷輸出Vm響應(yīng)于表示米勒期間檢測(cè)的例如高電平信號(hào)，例如將低電平信號(hào)作為調(diào)節(jié)輸出Vcg而輸出。此外，柵極屯流調(diào)節(jié)部12在開關(guān)元件1的關(guān)閉動(dòng)作時(shí)，響應(yīng)于判斷輸出Vm表示米勒期間檢測(cè)的高電平信號(hào)，作為調(diào)節(jié)輸出Vcg而輸出高電平信號(hào)。在其他情況下，柵極電流調(diào)節(jié)部12輸出0電平信號(hào)。
柵極電路3如圖13所示，除了以往的柵極電路3a以外，還包括選擇電路3b、開關(guān)SW1 SW3、電阻R1 R3。開關(guān)SW與電阻R串聯(lián)地連接，該串聯(lián)電路3電路并列地連接，選擇電路3b連接在開關(guān)SW1 SW3上。電阻R1 R3的電阻值是R1<R2<R3。開關(guān)SW1 SW3由FET等構(gòu)成。
選擇電路3b根據(jù)米勒期間判斷部9的判斷結(jié)果Vm，選擇開關(guān)SWI SW3中的1個(gè)開關(guān)而開啟。即，當(dāng)柵極電流調(diào)節(jié)部12的調(diào)節(jié)輸出Vcg是低電平時(shí)將開關(guān)SW1開啟，當(dāng)調(diào)節(jié)輸出Vcg是高電平時(shí)將開關(guān)SW3開啟，當(dāng)調(diào)節(jié)輸出Vcg是0電平時(shí)將開關(guān)SW2開啟。
通過以上的結(jié)構(gòu)，柵極電路3基于柵極電流調(diào)節(jié)部12的控制，在開關(guān)元件1的開啟時(shí)，首先緩緩地開啟而抑制過電壓(期間Pl)，在成為米勒期間時(shí)(期間P2),減小柵極電阻而提高開啟的速度，能夠抑制損失。此外，柵極電路3在開關(guān)元件1的關(guān)閉動(dòng)作時(shí)，在米勒期間中(期間P4)將柵極電阻設(shè)為最大的值，防止關(guān)閉動(dòng)作時(shí)的浪涌電壓。gp，柵極電流調(diào)節(jié)部12在該米勒期間中(期間P4)、將開關(guān)元件1的柵極電阻設(shè)定得比米勒期間前后的期間(P3、 P5)的電阻值高。
根據(jù)實(shí)施例6，在判斷為米勒期間時(shí)能夠調(diào)節(jié)柵極電流，所以能夠減小開關(guān)元件1及對(duì)方一側(cè)的開關(guān)元件21的損失。
圖14是有關(guān)本發(fā)明的實(shí)施例7的電力變換器的米勒期間判斷部及柵極電路部分的結(jié)構(gòu)圖。該實(shí)施例7相對(duì)于圖11所示的實(shí)施例6，設(shè)置檢測(cè)開 關(guān)元件1的元件電流Ic的電流檢測(cè)部13，柵極電流調(diào)節(jié)部12基于由電流 檢測(cè)部13檢測(cè)到的開關(guān)元件1的元件電流Ic的大小，調(diào)節(jié)柵極電流Ig。
在實(shí)施例6中，在是米勒期間時(shí)調(diào)節(jié)柵極電流，但施加在開關(guān)元件1 上的過電壓根據(jù)元件電流Ic變化。例如，在開關(guān)元件l關(guān)閉時(shí)，在將較大 的電流切斷的情況下過電壓變大。因此，在米勒期間時(shí)一律地調(diào)節(jié)柵極電 流(使柵極電阻值變大)的結(jié)構(gòu)中，開關(guān)元件l的損失變大。
所以，在實(shí)施例7中，將電流檢測(cè)部13的輸出輸入到柵極電流調(diào)節(jié)部 12中，在關(guān)閉動(dòng)作時(shí)的米勒期間中，當(dāng)元件電流Ic的電流值比通常大時(shí)過 電壓變大，所以抑制柵極電流Ig的注入(使柵極電阻比通常大)。另一方 面，當(dāng)元件電流Ic的電流值比通常小時(shí)過電壓較小，所以較多地注入柵極 電流Ig (使柵極電阻比通常小)，迅速地切斷而抑制損失。
根據(jù)實(shí)施例7，通過根據(jù)開關(guān)元件1的元件電流Ic控制柵極電流量， 能夠適當(dāng)?shù)匾种崎_關(guān)元件1的損失。
圖15是有關(guān)本發(fā)明的實(shí)施例8的電力變換器的結(jié)構(gòu)圖。該實(shí)施例8相 對(duì)于圖11所示的實(shí)施例6，設(shè)置檢測(cè)開關(guān)元件1的元件電壓Vc的電壓檢 測(cè)部14，柵極電流調(diào)節(jié)部12基于由電壓檢測(cè)部14檢測(cè)到的開關(guān)元件1的 元件電壓Vc的大小調(diào)節(jié)柵極電流Ig。
在實(shí)施例6中，在是米勒期間時(shí)調(diào)節(jié)柵極電流，但在鐵路車輛用逆變 器等的電力變換器中，有被施加比通常高的直流電壓的情況。在直流電壓 較高時(shí)，開關(guān)元件1的承受量的余量變小，所以在與通常相同的柵極注入 中，開關(guān)元件l有可能破壞。
所以，在實(shí)施例8中，將電壓檢測(cè)部14的輸出輸入到柵極電流調(diào)節(jié)部 12中，當(dāng)直流電壓較高時(shí)與通常相比需要進(jìn)一步抑制過電壓，所以將柵極 電流的注入也比通常相比進(jìn)一步抑制(使柵極電阻變大)。由此，在直流電 壓較高時(shí)，也能夠抑制過電壓而關(guān)閉。
根據(jù)實(shí)施例8，通過根據(jù)元件電壓控制柵極電流量，能夠抑制開關(guān)元件 1的過電壓。圖16是有關(guān)本發(fā)明的實(shí)施例9的電力變換器的結(jié)構(gòu)圖。該實(shí)施例9相 對(duì)于圖11所示的實(shí)施例6，設(shè)有檢測(cè)開關(guān)元件1的元件溫度的元件溫度檢 測(cè)部15。柵極電流調(diào)節(jié)部12基于由元件溫度檢測(cè)部15檢測(cè)到的開關(guān)元件 1的元件溫度的大小來調(diào)節(jié)柵極電流Ig。
在實(shí)施例6中，在是米勒期間時(shí)調(diào)節(jié)柵極電流量，但開關(guān)元件l根據(jù) 溫度而特性變化，需要在規(guī)定溫度值以下使用。即，僅通過當(dāng)是米勒期間 時(shí)調(diào)節(jié)柵極電流，對(duì)于溫度來說并不能應(yīng)對(duì)。
所以，在實(shí)施例9中，將元件溫度檢測(cè)部15的輸出輸入到柵極電流調(diào) 節(jié)部12中，當(dāng)開關(guān)元件1的溫度較高時(shí)將柵極電流Ig注入得比通常多(使 柵極電阻比通常大)。結(jié)果，過渡電流流到開關(guān)元件1中的時(shí)間被縮短，損 失被抑制，能夠抑制開關(guān)元件1的溫度上升。
根據(jù)實(shí)施例9，通過根據(jù)元件溫度控制柵極電流Ig的調(diào)節(jié)量，能夠抑 制開關(guān)元件1的損失。
在以上的各實(shí)施方式中，作為開關(guān)元件1而以IGBT為例進(jìn)行了說明， 但并不限于IGBT，只要是通過電壓控制的非閉鎖型的開關(guān)元件，當(dāng)然也能 夠同樣應(yīng)用到MOSFET等中。此外，上述實(shí)施例6 9中的有關(guān)柵極電流 調(diào)節(jié)部12的結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用到上述實(shí)施例1 5中，在此情況下，分別發(fā)揮 在實(shí)施例6 9中說明的效果。
1權(quán)利要求
1、一種電力變換器，其特征在于，具備柵極電流檢測(cè)部，檢測(cè)經(jīng)由其他元件連接至電源的開關(guān)元件的柵極電流；第1比較部，對(duì)與由上述柵極電流檢測(cè)部檢測(cè)到的柵極電流相對(duì)應(yīng)的電壓和基準(zhǔn)正電壓進(jìn)行比較；第2比較部，對(duì)與由上述柵極電流檢測(cè)部檢測(cè)到的柵極電流相對(duì)應(yīng)的電壓和基準(zhǔn)負(fù)電壓進(jìn)行比較；以及短路判斷部，在與上述柵極電流相對(duì)應(yīng)的電壓變?yōu)樯鲜龌鶞?zhǔn)正電壓以上起的規(guī)定時(shí)間內(nèi)變?yōu)樯鲜龌鶞?zhǔn)負(fù)電壓以下時(shí)，判斷為上述開關(guān)元件短路至上述電源。
2、 一種電力變換器，其特征在于，具備柵極電壓檢測(cè)部(8)，檢測(cè)上述開關(guān)元件的柵極電壓；以及 米勒期間判斷部，在上述開關(guān)元件的關(guān)閉動(dòng)作時(shí)，檢測(cè)與由上述柵極 電流檢測(cè)部檢測(cè)到的柵極電流相對(duì)應(yīng)的電壓變?yōu)樯鲜龌鶞?zhǔn)負(fù)電壓以下并且 維持一定值的米勒期間，在上述米勒期間中，將上述開關(guān)元件的柵極電阻 設(shè)定得比該米勒期間前后的期間的電阻值高。
3、 一種電力變換器，其特征在于， 具備柵極電流檢測(cè)部，用來檢測(cè)開關(guān)元件的柵極電流；比較部，對(duì)與由上述柵極電流檢測(cè)部檢測(cè)到的柵極電流相對(duì)應(yīng)的電壓 和基準(zhǔn)負(fù)電壓進(jìn)行比較；柵極電壓檢測(cè)部(8)，檢測(cè)上述開關(guān)元件的柵極電壓；以及米勒期間判斷部，在上述開關(guān)元件的關(guān)閉動(dòng)作時(shí)，檢測(cè)與由上述柵極 電流檢測(cè)部檢測(cè)到的柵極電流相對(duì)應(yīng)的電壓變?yōu)樯鲜龌鶞?zhǔn)負(fù)電壓以下并且 維持一定值的米勒期間，在上述米勒期間中，將上述開關(guān)元件的柵極電阻 設(shè)定得比該米勒期間前后的期間的電阻值高。
4、 如權(quán)利要求3所述的電力變換器，其特征在于，具備對(duì)由上述柵極電壓檢測(cè)部檢測(cè)到的柵極電壓進(jìn)行微分的微分電路；上述米勒期間判斷部，檢測(cè)與由上述柵極電流檢測(cè)部檢測(cè)到的柵極電 流相對(duì)應(yīng)的電壓變?yōu)樯鲜龌鶞?zhǔn)負(fù)電壓以下并且由上述微分電路得到的柵極 電壓的微分值是零的期間，作為上述米勒期間。
5、 如權(quán)利要求3所述的電力變換器，其特征在于， 上述米勒期間判斷部具備積分電路，該積分電路對(duì)與由上述柵極電流檢測(cè)部檢測(cè)到的柵極電流相對(duì)應(yīng)的電壓進(jìn)行積分；具備米勒期間判斷部，該米勒期間判斷部將作為由上述積分電路得到 的柵極電流的積分的電荷量的變化率、與由上述柵極電壓檢測(cè)部檢測(cè)到的 柵極電壓的變化率之差在規(guī)定值以上的期間，判斷為上述米勒期間。
6、 如權(quán)利要求3所述的電力變換器，其特征在于， 具備柵極電流檢測(cè)部，檢測(cè)開關(guān)元件的柵極電流；積分電路，對(duì)與由上述柵極電流檢測(cè)部檢測(cè)到的柵極電流相對(duì)應(yīng)的電 壓進(jìn)行積分；以及米勒期間判斷部，預(yù)先存儲(chǔ)米勒期間中的由上述積分電路得到的積分 值范圍，將由上述積分電路得到的積分值為上述積分范圍內(nèi)的值的期間， 判斷為米勒期間。
7、 如權(quán)利要求3 6中任一項(xiàng)所述的電力變換器，其特征在于， 具備柵極電流調(diào)節(jié)部，該柵極電流調(diào)節(jié)部在由上述米勒期間判斷部檢測(cè)到的米勒期間中調(diào)節(jié)柵極電流。
8、 如權(quán)利要求7所述的電力變換器，其特征在于， 具備檢測(cè)上述開關(guān)元件的元件電流的電流檢測(cè)部，上述柵極電流調(diào)節(jié)部基于由上述電流檢測(cè)部檢測(cè)到的上述開關(guān)元件的元件電流的大小，調(diào)節(jié) 柵極電流。
9、 如權(quán)利要求7所述的電力變換器，其特征在于， 具備檢測(cè)上述開關(guān)元件的元件電壓的電壓檢測(cè)部，上述柵極電流調(diào)節(jié)部基于由上述電壓檢測(cè)部檢測(cè)到的上述開關(guān)元件的元件電壓的大小，調(diào)節(jié) 柵極電流。
10、如權(quán)利要求6所述的電力變換器，其特征在于，具備檢測(cè)上述開關(guān)元件的元件溫度的元件溫度檢測(cè)部，上述柵極電流 調(diào)節(jié)部基于由上述元件溫度檢測(cè)部檢測(cè)到的上述開關(guān)元件的元件溫度的大 小，調(diào)節(jié)柵極電流。
全文摘要
一種電力變換器，具備柵極電流檢測(cè)部、第1比較部、第2比較部以及短路判斷部。柵極電流檢測(cè)部(4)檢測(cè)相互串聯(lián)連接在電源上的第1及第2開關(guān)元件中的第1開關(guān)元件(1)的柵極電流。第1及第2比較部(7a、7b)對(duì)與由柵極電流檢測(cè)部(4)檢測(cè)到的柵極電流相對(duì)應(yīng)的電壓和基準(zhǔn)正電壓(V1)及基準(zhǔn)負(fù)電壓(V2)分別進(jìn)行比較。短路判斷部(5)在與上述柵極電流相對(duì)應(yīng)的電壓變?yōu)樯鲜龌鶞?zhǔn)正電壓(V1)以上起規(guī)定時(shí)間內(nèi)變?yōu)樯鲜龌鶞?zhǔn)負(fù)電壓以下時(shí)，判斷為上述開關(guān)元件短路到上述電源上。
文檔編號(hào)H02M1/08GK101540543SQ200910127398
公開日2009年9月23日 申請(qǐng)日期2009年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月13日
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