半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)裝置及使用該半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)裝置的電力變換裝置制造方法及圖紙

本發(fā)明專利技術(shù)提供半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)裝置和使用該半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)裝置的電力變換裝置。提供如下方法：在半導(dǎo)體開關(guān)元件的驅(qū)動(dòng)裝置中降低承擔(dān)過電壓保護(hù)的電壓鉗位電路的動(dòng)作電流(Icl)，進(jìn)而抑制與電壓鉗位電路的動(dòng)作相伴的開關(guān)元件的切斷損耗的增加。在控制半導(dǎo)體開關(guān)元件的導(dǎo)通/關(guān)斷狀態(tài)的半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)裝置中，具備：向開關(guān)元件的柵極控制端子傳達(dá)控制信號(hào)的控制信號(hào)輸出級(jí)電路；連接在開關(guān)元件的輸入端子與柵極控制端子間的電壓鉗位電路；和檢測(cè)開關(guān)元件的輸出端子與柵極控制端子間的電壓或柵極控制端子電流的檢測(cè)電路，控制信號(hào)輸出級(jí)電路在半導(dǎo)體開關(guān)元件的切斷期間中基于檢測(cè)電路的檢測(cè)結(jié)果來降低控制信號(hào)輸出級(jí)電路的輸出級(jí)的阻抗。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及搭載了過電壓保護(hù)功能的半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)裝置、以及使用該半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)裝置的電力變換裝置。
技術(shù)介紹
以逆變器為首的電力變換裝置通過半導(dǎo)體開關(guān)元件的開關(guān)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)電力變換。作為該半導(dǎo)體開關(guān)元件的代表例，廣泛使用以MOS-FET、IGBT為首的電壓驅(qū)動(dòng)型半導(dǎo)體元件。特別是能進(jìn)行高速的開關(guān)且能控制大電力的IGBT在從家電用的小容量逆變器到鐵道用等的大容量逆變器的廣泛領(lǐng)域使用。為了控制這樣的半導(dǎo)體開關(guān)元件而需要半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)裝置。一般，電壓驅(qū)動(dòng)型半導(dǎo)體的驅(qū)動(dòng)裝置具有通過對(duì)半導(dǎo)體開關(guān)元件的柵極施加電壓來控制元件的導(dǎo)通狀態(tài)的功能。另外，半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)裝置一般具有防止所驅(qū)動(dòng)的半導(dǎo)體開關(guān)元件的過電壓的功能。圖10是由IGBT和二極管構(gòu)成的IGBT模塊用的驅(qū)動(dòng)裝置的現(xiàn)有例。基于柵極信號(hào)對(duì)IGBTl的柵極G施加合適的電壓，對(duì)使IGBTl的集電極P-發(fā)射極N間導(dǎo)通的集電極電流Ic進(jìn)行控制。在此，柵極電阻6以及7通過限制流過柵極G的電流Irg來調(diào)整柵極G與發(fā)射極E間的電壓Vge的變化率。由此，能合適地規(guī)定IGBTl的開關(guān)速度、即集電極電流Ic的變化率以及集電極C與發(fā)射極E間的電壓Vce的變化率。作為過電壓防止功能，廣泛采用在IGBTl的集電極C與柵極G間連接恒電壓二極管等的電壓鉗位元件3的方式。在該方式中，在IGBTl的切斷時(shí)等集電極電壓變得過大的情況下，由于恒電壓二極管擊穿而在柵極流過電流，通過使IGBT過渡地導(dǎo)通來將集電極電壓鉗位為恒定。另外，為了防止IGBTl的柵極的過電壓，一般在柵極-發(fā)射極間具備過電壓保護(hù)二極管9。在圖11示出圖10的構(gòu)成中的IGBT的切斷時(shí)的集電極電流Ic、集電極-發(fā)射極間電壓Vce、柵極電流Irg以及柵極-發(fā)射極間電壓Vge的示意波形。在IGBT的集電極-發(fā)射極間電壓Vce以及集電極電流Ic進(jìn)行過渡的期間中，在IGBT產(chǎn)生切斷損耗。另外，在該過渡期間中，已知在柵極電壓波形會(huì)出現(xiàn)被稱作鏡像期間的臺(tái)階。圖12表示IGBT的集電極浪涌電壓變得過大、電壓鉗位元件3進(jìn)行鉗位動(dòng)作的情況下的各電流以及電壓的示意波形。在集電極-發(fā)射極間產(chǎn)生過電壓的期間中，與集電極-柵極間連接的電壓鉗位元件3擊穿而在鉗位電路流過電流Icl，柵極電壓上升到導(dǎo)通閾值電壓Vth以上而IGBT導(dǎo)通，以防止集電極-發(fā)射極間的過電壓。另一方面，由于因電壓鉗位而切斷動(dòng)作期間變長，因此出現(xiàn)切斷損耗變大這樣的副作用。在此，在將半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)裝置的關(guān)斷柵極電壓設(shè)為Vm、將關(guān)斷柵極電阻設(shè)為Rgl時(shí)，鉗位電路電流Icl需要滿足下述的關(guān)系。Icl ^ (Vth-Vm) /Rgl...(式 I)因此，使關(guān)斷柵極電阻Rgl較大有助于降低鉗位電流Icl，因此有助于提高鉗位效果。另一方面，會(huì)引起切斷損耗的進(jìn)一步增加。在先技術(shù)文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)1:JP特開2005-328668號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)2:JP特開2013-126278號(hào)公報(bào)在專利文獻(xiàn)I中，作為提高鉗位效果的其他方法，示出在開關(guān)動(dòng)作期間中的給定的期間將柵極驅(qū)動(dòng)電路的輸出電壓保持在小于閾值電壓Vth的正電壓的方法。如此將柵極電壓保持在正電壓的方法中，由于以電阻連接驅(qū)動(dòng)電路的正負(fù)電源間，因此為了防止電阻的過剩發(fā)熱而需要以高阻抗保持電壓。為此，在柵極混入噪聲的情況下的電位變動(dòng)變大，出現(xiàn)柵極誤導(dǎo)通而產(chǎn)生多余的損耗的風(fēng)險(xiǎn)。進(jìn)而，在該方法中，雖然是預(yù)先確定了保持所述的正電壓的期間的前饋控制，但由于所需要的鉗位期間Tcl(參考圖12)根據(jù)發(fā)生的浪涌的狀況不同而變化，因此需要確保足夠的富余量來設(shè)定鉗位期間Tel。由此，會(huì)招致切斷的過剩延遲，有帶來損耗增加的問題。另一方面，在專利文獻(xiàn)2中示出如下方法:在鉗位電路進(jìn)行動(dòng)作的情況下，通過使下一周期的輸出級(jí)電路的關(guān)斷電阻較大來使開關(guān)動(dòng)作較慢，抑制浪涌電壓。在這樣的方法中，通過探測(cè)鉗位電路的動(dòng)作的反饋控制來最優(yōu)化使關(guān)斷電阻較大的期間，能抑制切斷損耗的過剩的增加。但在該方法中，需要從鉗位電路向輸出級(jí)電路引出反饋布線。為此，不僅將半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)裝置與IGBT間布線連接時(shí)所需的布線數(shù)增加，還會(huì)因在引繞的布線疊加了噪聲而使輸出級(jí)電路誤動(dòng)作，擔(dān)心引起切斷損耗的增加、臂短路等的問題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
為了解決所述的課題，本專利技術(shù)所涉及的半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)裝置控制半導(dǎo)體開關(guān)元件的導(dǎo)通/關(guān)斷狀態(tài)，所述半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)裝置具備:向開關(guān)元件的柵極控制端子傳送控制信號(hào)的控制信號(hào)輸出級(jí)電路；連接在開關(guān)元件的輸入端子與柵極控制端子間的電壓鉗位電路；和檢測(cè)開關(guān)元件的輸出端子與柵極控制端子間的電壓或柵極控制端子電流的檢測(cè)電路，控制信號(hào)輸出級(jí)電路在半導(dǎo)體開關(guān)元件的切斷期間中基于檢測(cè)電路的檢測(cè)結(jié)果來降低控制信號(hào)輸出級(jí)電路的輸出級(jí)的阻抗。另外，作為本專利技術(shù)中的半導(dǎo)體開關(guān)元件，能運(yùn)用于IGBT或MOSFET等的元件中，輸入端子分別與IGBT中的集電極端子以及MOSFET中的漏極端子對(duì)應(yīng)，輸出端子分別與IGBT中的發(fā)射極端子以及MOSFET中的源極端子對(duì)應(yīng)。專利技術(shù)的效果根據(jù)本專利技術(shù)，通過以控制端子的電壓或電流探測(cè)切換控制電路的阻抗的定時(shí)，實(shí)現(xiàn)了與鉗位動(dòng)作期間Tcl相應(yīng)的控制，從而將切斷損耗的增加抑制在最小限度，并且抑制了從電壓或電流的探測(cè)點(diǎn)到阻抗切換部為止的信號(hào)線的長度，從而能抑制在信號(hào)線中疊加噪聲。【附圖說明】圖1是表示本專利技術(shù)的實(shí)施例1所涉及的半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)裝置的基本構(gòu)成的框圖。圖2是本專利技術(shù)的實(shí)施例1所涉及的半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)裝置的第I動(dòng)作示意波形圖。圖3是本專利技術(shù)的實(shí)施例1所涉及的半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)裝置的第2動(dòng)作示意波形圖。圖4是表示本專利技術(shù)的實(shí)施例1所涉及的半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)裝置的輸出級(jí)電路的具體例的框圖。圖5是表示本專利技術(shù)的實(shí)施例1所涉及的半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)裝置的電壓鉗位電路的第I具體例的框圖。圖6是表示本專利技術(shù)的實(shí)施例1所涉及的半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)裝置的電壓鉗位電路的第2具體例的框圖。圖7是表示本專利技術(shù)的實(shí)施例1所涉及的半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)裝置的電壓鉗位電路的第3具體例的框圖。圖8是表示本專利技術(shù)的實(shí)施例2所涉及的半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)裝置的基本構(gòu)成的框圖。圖9是表示本專利技術(shù)的實(shí)施例3所涉及的電力變換裝置的基本構(gòu)成的框圖。圖10是表示具有有源鉗位功能的半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)電路的現(xiàn)有構(gòu)成的框圖。圖11是現(xiàn)有構(gòu)成中的半導(dǎo)體開關(guān)元件的切斷示意波形圖，特別表示浪涌電壓小的情況。圖12是現(xiàn)有構(gòu)成中的半導(dǎo)體開關(guān)元件的切斷示意波形圖，特別表示由于浪涌電壓較大而半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)裝置的有源鉗位功能進(jìn)行了動(dòng)作的情況。標(biāo)號(hào)的說明T1、T2柵極輸出級(jí)電路Rgl?Rg3 柵極電阻Cgl加速電容器Irg柵極電阻導(dǎo)通電流Dzl?Dz8 電壓鉗位元件Vge柵極-發(fā)射極電壓Vth柵極閾值電壓Qg柵極電荷Ic集電極電流Vce集電極-發(fā)射極電壓Vcl集電極鉗位電壓Icl電壓鉗位電路的電流Tcl電壓鉗位期間SIN驅(qū)動(dòng)指令輸入信號(hào)SF柵極判定信號(hào)Zl?Z3 輸出級(jí)電路阻抗Mzl鉗位電路切換MOSFETDzgl鉗位電路柵極保護(hù)元件Dzg2鉗位電路整流二極管Czgl鉗位電路柵極輸入電容Rzl?Rz3 鉗位電路電阻Czl鉗位電路串聯(lián)電容器Vdc主電路電源電壓Vp半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)裝置正電源電壓Vm半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)裝置負(fù)電源電壓Le模塊寄生電感CIGBT集電極主端子EIGBT發(fā)射極主端子GIGBT當(dāng)前第1頁1 2 3 本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)裝置，控制半導(dǎo)體開關(guān)元件的導(dǎo)通/關(guān)斷狀態(tài)，所述半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)裝置的特征在于，具備：控制信號(hào)輸出級(jí)電路，其向所述開關(guān)元件的柵極控制端子傳送控制信號(hào)；電壓鉗位電路，其連接在所述開關(guān)元件的輸入端子與柵極控制端子間；和檢測(cè)電路，其檢測(cè)所述開關(guān)元件的輸出端子與所述柵極控制端子間的電壓或所述柵極控制端子電流，所述控制信號(hào)輸出級(jí)電路在所述半導(dǎo)體開關(guān)元件的切斷期間中，基于所述檢測(cè)電路的檢測(cè)結(jié)果來降低該控制信號(hào)輸出級(jí)電路的輸出級(jí)的阻抗。

【技術(shù)特征摘要】
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【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：恩田航平，坂野順一，石川勝美，河野恭彥，小西出政臣，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：株式會(huì)社日立制作所，
類型：發(fā)明
國別省市：日本;JP