具有半導(dǎo)體開關(guān)元件的故障檢測(cè)電路的柵極驅(qū)動(dòng)電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種柵極驅(qū)動(dòng)電路。在將多個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)元件串聯(lián)而構(gòu)成的電力變換電路中，如果有一個(gè)元件出現(xiàn)短路故障，便會(huì)導(dǎo)致雪崩式的元件破壞，乃至擴(kuò)大為大規(guī)模的裝置破壞。在具有將串聯(lián)連接了兩個(gè)以上半導(dǎo)體開關(guān)元件的橋臂進(jìn)行串聯(lián)連接的上下橋臂電路的電力變換電路的柵極驅(qū)動(dòng)電路的正端電源的正電位側(cè)與半導(dǎo)體開關(guān)元件的集電極等正電極側(cè)之間設(shè)置包含二極管和電阻的串聯(lián)電路，并在發(fā)送給半導(dǎo)體開關(guān)的閉合-斷開指令信號(hào)為斷開指令輸入時(shí)，根據(jù)包含所述二極管和電阻的串聯(lián)電路中產(chǎn)生的電流而判定連接于所述柵極驅(qū)動(dòng)電路的半導(dǎo)體開關(guān)元件的短路故障，并根據(jù)此信號(hào)而使系統(tǒng)停止。
【專利說(shuō)明】具有半導(dǎo)體開關(guān)元件的故障檢測(cè)電路的柵極驅(qū)動(dòng)電路
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種適用于高壓電力變換電路等的串聯(lián)連接的功率半導(dǎo)體開關(guān)元件的柵極驅(qū)動(dòng)電路，尤其涉及一種利用柵極驅(qū)動(dòng)電路部的電子電路檢測(cè)出半導(dǎo)體開關(guān)元件短路故障的電路技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]圖7表示作為一種將直流變換為交流的電力變換電路的二電平逆變器的電路示例。I為直流電源，正端電位為P而負(fù)端電位為N。通常，如果要用交流電源系統(tǒng)構(gòu)成本直流電源，則可以利用未圖示的整流器和大容量的電容器等而構(gòu)成。
[0003]所構(gòu)成的電路是在直流電源I的正極P與負(fù)極N之間并聯(lián)了 U相用上下橋臂、V相用上下橋臂、以及W相用上下橋臂的三相逆變器電路，各相的交流輸出端u、v、w上作為負(fù)荷連接有交流電動(dòng)機(jī)11。由于各相的電路構(gòu)成相同，因此只對(duì)U相進(jìn)行說(shuō)明。在本例中，作為半導(dǎo)體開關(guān)元件使用了絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)。2?5是由構(gòu)成上橋臂的二極管反向并聯(lián)而成的絕緣柵雙極型晶體管，而6?9是由構(gòu)成下橋臂的二極管反向并聯(lián)而成的絕緣柵雙極型晶體管，且分別串聯(lián)四個(gè)。在構(gòu)成回路時(shí)之所以使每一半導(dǎo)體開關(guān)元件串聯(lián)多個(gè)，是因?yàn)橹绷麟娫碔的電壓高于半導(dǎo)體開關(guān)元件的耐電壓，因此要維持在耐電壓限度以內(nèi)。在本電路中將各橋臂構(gòu)成為串聯(lián)四個(gè)只是一例，通常為根據(jù)直流電源I的電壓值和采用的半導(dǎo)體開關(guān)元件的耐電壓而確定最優(yōu)串聯(lián)數(shù)。
[0004]通常，適用于本系統(tǒng)(二電平逆變器)的半導(dǎo)體開關(guān)元件的耐電壓(Vces)可通過(guò)下式確定。
[0005]Ed=VCES Xn/2
[0006]其中，η為一個(gè)橋臂中的元件的串聯(lián)數(shù)，Vces為半導(dǎo)體開關(guān)元件的集電極與發(fā)射極之間的耐電壓。
[0007]并且，12?19為用于驅(qū)動(dòng)各絕緣柵雙極型晶體管的柵極驅(qū)動(dòng)電路，借助于未圖示的控制電路所發(fā)出的信號(hào)而被驅(qū)動(dòng)。20?27為連接于各絕緣柵雙極型晶體管的集電極與發(fā)射極之間的電阻，連接該電阻而期望在絕緣柵雙極型晶體管斷開時(shí)實(shí)現(xiàn)施加在串聯(lián)的絕緣柵雙極型晶體管(例如絕緣柵雙極型晶體管2?5)上的電壓的均勻化。
[0008]圖8為柵極驅(qū)動(dòng)電路圖，將來(lái)自控制電路28的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)29輸入到上橋臂側(cè)的柵極驅(qū)動(dòng)電路30和下橋臂側(cè)的柵極驅(qū)動(dòng)電路31。此時(shí)，由于上橋臂側(cè)和下橋臂側(cè)需要反轉(zhuǎn)信號(hào)，因此連接逆變器柵極32并分別連接用于防止上橋臂側(cè)絕緣柵雙極型晶體管2?5和下橋臂側(cè)絕緣柵雙極型晶體管6?9同時(shí)閉合的死區(qū)時(shí)間電路(延遲閉合信號(hào)上升沿的電路)33、34。在此，為了將弱電側(cè)和強(qiáng)電側(cè)予以絕緣，各柵極驅(qū)動(dòng)電路中使用光電耦合器。
[0009]圖9表不柵極驅(qū)動(dòng)電路的詳圖。35表不用于信號(hào)絕緣的光電稱合器,36、37表不信號(hào)放大用晶體管，38表示用于該晶體管的基極電阻，39表示用于調(diào)整絕緣柵雙極型晶體管的切換速度的柵極電阻，40、41表示驅(qū)動(dòng)電路用正負(fù)電源。
[0010]通常在其他橋臂的絕緣柵雙極型晶體管出現(xiàn)短路故障的情況下，如果有正常的絕緣柵雙極型晶體管閉合，便會(huì)如圖10所示地成為電源短路狀態(tài)(雖然以普通的二電平電路進(jìn)行了說(shuō)明，然而即使串聯(lián)連接多電平電路或絕緣柵雙極型晶體管，在原理上也都一樣)。此時(shí)，正常的絕緣柵雙極型晶體管中也產(chǎn)生過(guò)大的電流，從而使集電極-發(fā)射極之間被施以相當(dāng)于電源電壓的電壓。作為針對(duì)這種現(xiàn)象的檢測(cè)電路，在絕緣柵雙極型晶體管的集電極上連接二極管42，并隨著本絕緣柵雙極型晶體管的閉合指令而通過(guò)電阻43向二極管42供應(yīng)電流。即，通常情況下由于絕緣柵雙極型晶體管閉合時(shí)的集電極-發(fā)射極之間的電壓只有數(shù)伏特左右，因此B點(diǎn)的電位也只有數(shù)伏特左右。另一方面，當(dāng)短路電流流動(dòng)時(shí)，絕緣柵雙極型晶體管SI的集電極-發(fā)射極之間的電壓變成數(shù)百V (伏特)，從而使二極管42截止，于是點(diǎn)B的電位有上升至柵極驅(qū)動(dòng)電路的正端電源40電壓值的趨勢(shì)，然而被齊納二極管45的電壓所鉗壓(Clamp)。其結(jié)果，齊納二極管45導(dǎo)通，晶體管46閉合，絕緣柵雙極型晶體管的柵極電位變成絕緣柵雙極型晶體管SI的發(fā)射極電位，從而可以強(qiáng)制斷開。
[0011]而且，伴隨晶體管46的閉合而在光電耦合器47的初級(jí)側(cè)二極管(光電二極管)中電流流經(jīng)電阻48，從而可以向光電耦合器47的次級(jí)側(cè)(光電晶體管側(cè))傳遞橋臂短路故障信息。其中，電阻43和電容器44的串聯(lián)電路是一種計(jì)時(shí)電路，該計(jì)時(shí)電路用于在閉合信號(hào)處于上升沿時(shí)絕緣柵雙極型晶體管SI閉合而使集電極-發(fā)射極之間的電壓降低為數(shù)伏特以下之前防止晶體管46閉合。
[0012]在上下橋臂的每一個(gè)上串聯(lián)連接絕緣柵雙極型晶體管的逆變器的現(xiàn)有電路示例已公開于專利文獻(xiàn)1，而用于進(jìn)行其他橋臂的短路故障檢測(cè)的柵極驅(qū)動(dòng)電路的現(xiàn)有技術(shù)示例已公開于專利文獻(xiàn)2的圖6等。
[0013]現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0014]專利文獻(xiàn)
[0015][專利文獻(xiàn)I]日本特開2008-118728號(hào)公報(bào)
[0016][專利文獻(xiàn)2]日本特開2010-288416號(hào)公報(bào)
【發(fā)明內(nèi)容】
[0017]通常，對(duì)于圖7所示的在每一橋臂上串聯(lián)連接多個(gè)絕緣柵雙極型晶體管的系統(tǒng)而言，在進(jìn)行開關(guān)切換時(shí)，由于串聯(lián)元件之間的開關(guān)切換的時(shí)間的偏差而導(dǎo)致電壓分配不能完全均勻。
[0018]通常考慮這一不均勻現(xiàn)象而進(jìn)行耐電壓設(shè)計(jì)或者確定絕緣柵雙極型晶體管的耐電壓及串聯(lián)數(shù)，然而當(dāng)在運(yùn)行中出現(xiàn)脫離設(shè)計(jì)值的電壓、電流條件時(shí)，存在絕緣柵雙極型晶體管被破壞的危險(xiǎn)。
[0019]如果串聯(lián)連接的多個(gè)元件中的一個(gè)元件出現(xiàn)短路破壞，則其他正常元件需要分擔(dān)電壓，使每一元件承受的電壓升高，從而如雪崩現(xiàn)象似的引起其他串聯(lián)元件的耐電壓破壞，最終使整個(gè)橋臂破壞。在整個(gè)橋臂被短路破壞的狀態(tài)下，如圖11所示，如果在上下的對(duì)向橋臂(此例中為下橋臂)側(cè)有閉合信號(hào)輸入，則變成直流電源短路狀態(tài)，從而可能由于虛線所示過(guò)大的短路電流而引起大規(guī)模的破壞。
[0020]并且，專利文獻(xiàn)I中記載有串聯(lián)連接半導(dǎo)體開關(guān)元件的故障檢測(cè)電路示例，然而如果采用這一方式，則有必要與絕緣柵雙極型晶體管并聯(lián)布置電力用電阻，而且需要一個(gè)在斷開絕緣柵雙極型晶體管時(shí)檢測(cè)流經(jīng)電阻的電流或電阻兩端電壓的電路，導(dǎo)致成為裝置的大型化、成本上升因素的問題。
[0021]因此，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題為提供一種無(wú)需在電力變換電路的主電路部中增加部件而只通過(guò)在柵極驅(qū)動(dòng)電路增加電子電路就能夠?qū)崿F(xiàn)半導(dǎo)體開關(guān)元件的短路故障檢測(cè)的具有半導(dǎo)體開關(guān)元件故障檢測(cè)電路的柵極驅(qū)動(dòng)電路，其可以實(shí)現(xiàn)裝置的小型化和低成本。
[0022]為了解決上述技術(shù)問題，根據(jù)本發(fā)明第一形態(tài)的柵極驅(qū)動(dòng)電路，用于驅(qū)動(dòng)電力變換電路中的所述半導(dǎo)體開關(guān)元件，所述電力變換電路用于將直流變換為交流或者將交流變換為直流，包括直流電源和上下橋臂電路，所述直流電源和所述上下橋臂電路并聯(lián)連接，所述上下橋臂電路由橋臂串聯(lián)連接而成，所述橋臂由兩個(gè)以上反向并聯(lián)連接有二極管的半導(dǎo)體開關(guān)元件串聯(lián)連接而成，其中，在所述柵極驅(qū)動(dòng)電路的正端電源的正電位側(cè)與所述半導(dǎo)體開關(guān)元件的正電極側(cè)(對(duì)于絕緣柵雙極型晶體管而言為集電極，對(duì)于金屬-氧化層-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管而言為漏極)之間設(shè)置包含二極管和電阻的串聯(lián)電路，并在發(fā)送給所述半導(dǎo)體開關(guān)元件的閉合-斷開指令信號(hào)為斷開指令輸入時(shí)，根據(jù)在包含所述二極管和電阻的串聯(lián)電路中流動(dòng)的電流而判定連接于所述柵極驅(qū)動(dòng)電路的半導(dǎo)體開關(guān)元件的短路故障。
[0023]根據(jù)本發(fā)明第二形態(tài)的柵極驅(qū)動(dòng)電路，在第一形態(tài)的基礎(chǔ)上還設(shè)置有用于檢測(cè)當(dāng)所述上下橋臂的相對(duì)的其他橋臂的半導(dǎo)體開關(guān)元件出現(xiàn)短路故障時(shí)流動(dòng)的直流電源的電源短路電流的電路。
[0024]根據(jù)本發(fā)明第三形態(tài)的柵極驅(qū)動(dòng)電路，在第一形態(tài)的基礎(chǔ)上還設(shè)置有旁路電路，用于在發(fā)送給半導(dǎo)體開關(guān)元件的閉合-斷開指令信號(hào)為閉合指令輸入時(shí)，防止電流在包含所述二極管和電阻的串聯(lián)電路的二極管中流動(dòng)。
[0025]根據(jù)本發(fā)明第四形態(tài)的柵極驅(qū)動(dòng)電路，在第一、第二形態(tài)中包含所述電阻和二極管的串聯(lián)電路的基礎(chǔ)上，采用除了所述電阻和二極管之外還包括新的齊納二極管的串聯(lián)電路。
[0026]根據(jù)本發(fā)明第五形態(tài)的柵極驅(qū)動(dòng)電路，在第一、第二形態(tài)的基礎(chǔ)上，還設(shè)置有在包含所述二極管和電阻的串聯(lián)電路中流動(dòng)的電流的路徑上串聯(lián)連接光電耦合器的初級(jí)側(cè)端子，并設(shè)置通過(guò)使電流在所述二極管、電阻和所述光電耦合器的串聯(lián)電路中流動(dòng)而將所述半導(dǎo)體開關(guān)元件處于短路狀態(tài)的信息傳遞給所述光電耦合器的次級(jí)側(cè)的功能。
[0027]根據(jù)本發(fā)明第六形態(tài)的柵極驅(qū)動(dòng)電路，在第五形態(tài)的基礎(chǔ)上，將兼用用于檢測(cè)所述上下橋臂的一方的半導(dǎo)體開關(guān)元件短路故障的光電耦合器和用于將表示在另一方橋臂的半導(dǎo)體開關(guān)元件處于短路故障之際檢測(cè)到橋臂短路電流的信息傳遞給光電耦合器次級(jí)側(cè)的光電稱合器。
[0028]根據(jù)本發(fā)明第七形態(tài)的柵極驅(qū)動(dòng)電路，在第六形態(tài)的基礎(chǔ)上，在光電耦合器的次級(jí)側(cè)，設(shè)置有根據(jù)發(fā)送給半導(dǎo)體開關(guān)元件的閉合或斷開的切換指令而判定究竟是所述上下橋臂的一方的自身橋臂的半導(dǎo)體開關(guān)元件出現(xiàn)了短路故障還是另一方橋臂的半導(dǎo)體開關(guān)元件出現(xiàn)了短路故障的電路。
[0029]根據(jù)本發(fā)明第八形態(tài)的柵極驅(qū)動(dòng)電路，在第五、六、七中的任意一個(gè)形態(tài)的基礎(chǔ)上，作為向光電耦合器的次級(jí)側(cè)傳遞信號(hào)的裝置，使用光纖和變壓器等的絕緣器來(lái)替代光電率禹合器。
[0030]根據(jù)本發(fā)明第九形態(tài)的柵極驅(qū)動(dòng)電路，在第七形態(tài)的基礎(chǔ)上，在光電耦合器的次級(jí)側(cè)，設(shè)置有根據(jù)發(fā)送給半導(dǎo)體開關(guān)元件的斷開指令而判定自身橋臂的半導(dǎo)體開關(guān)元件是否處于短路故障狀態(tài)時(shí)，在死區(qū)時(shí)間期間內(nèi)防止判定電路動(dòng)作的阻斷電路。
[0031]在本發(fā)明中，在具有將串聯(lián)連接了兩個(gè)以上半導(dǎo)體開關(guān)元件的橋臂進(jìn)行串聯(lián)連接的上下橋臂電路的電力變換電路的柵極驅(qū)動(dòng)電路的正端電源的正電位側(cè)與半導(dǎo)體開關(guān)元件的集電極等的正電極側(cè)之間設(shè)置包含二極管和電阻的串聯(lián)電路，并在發(fā)送給半導(dǎo)體開關(guān)的閉合-斷開指令信號(hào)為斷開指令輸入時(shí)，根據(jù)在包含所述二極管和電阻的串聯(lián)電路中流動(dòng)的電流而判定連接于所述柵極驅(qū)動(dòng)電路的半導(dǎo)體開關(guān)元件的短路故障。
[0032]其結(jié)果，無(wú)需在電力變換電路的主電路部中增加部件即可檢測(cè)半導(dǎo)體開關(guān)元件的短路故障并使系統(tǒng)安全停止，從而能夠?qū)崿F(xiàn)裝置的小型化及低成本。
【專利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0033]圖1為表示本發(fā)明第一實(shí)施例的柵極驅(qū)動(dòng)電路圖。
[0034]圖2為表不本發(fā)明第一實(shí)施例的第一動(dòng)作的電路圖。
[0035]圖3為表示本發(fā)明第一實(shí)施例的第二動(dòng)作的電路圖。
[0036]圖4為表不本發(fā)明第一實(shí)施例的第三動(dòng)作的電路圖。
[0037]圖5為表不本發(fā)明第一實(shí)施例的第四動(dòng)作的電路圖。
[0038]圖6為表示本發(fā)明第二實(shí)施例的驅(qū)動(dòng)電路圖。
[0039]圖7是由多個(gè)串聯(lián)連接元件構(gòu)成的二電平逆變器的電路圖。
`[0040]圖8為現(xiàn)有技術(shù)中的柵極驅(qū)動(dòng)電路的圖例。
[0041]圖9為具有過(guò)流保護(hù)電路的現(xiàn)有技術(shù)中的柵極驅(qū)動(dòng)電路的圖例。
[0042]圖10為用于說(shuō)明直流電源短路的示意圖。
[0043]圖11是由多個(gè)串聯(lián)連接元件構(gòu)成的二電平逆變器電路的電源短路圖。
[0044]符號(hào)說(shuō)明:
[0045]1:直流電源11:交流電動(dòng)機(jī)
[0046]2~9、Qu、QcU Ql~Q4、S1、S2:絕緣柵雙極型晶體管
[0047]12~19、30、31、⑶U、⑶Ua、⑶Ub:柵極驅(qū)動(dòng)電路
[0048]28:控制電路33、34:死區(qū)時(shí)間電路
[0049]20~27:分壓電阻73、74:邏輯柵極
[0050]75:阻斷電路37:晶體管
[0051]38、39、39a、39b、43、48、50、53、63:電阻
[0052]67、69、70、72、77、78:電阻
[0053]32、76:逆變器柵極36、46、54:晶體管
[0054]42、45、49、52、58、62、68: 二極管
[0055]40、41:驅(qū)動(dòng)電路用電源44、71:電容器
[0056]45、51:齊納二極管35、47:光電稱合器
【具體實(shí)施方式】
[0057]本發(fā)明涉及在絕緣柵雙極型晶體管的耐電壓設(shè)計(jì)當(dāng)中，即使有一個(gè)元件短路破壞，只要有適當(dāng)多的串聯(lián)數(shù)或者處于靜態(tài)的斷開狀態(tài)，即可具有充分的耐電壓余地(這是因?yàn)樵哪蛪盒砸ㄟ^(guò)考慮開關(guān)切換時(shí)的過(guò)渡現(xiàn)象、上述電壓失衡而確定)，并考慮到利用未破壞的絕緣柵雙極型晶體管來(lái)維持耐電壓的可行情況，并可通過(guò)檢測(cè)出有一元件短路破壞的信息而防止破壞擴(kuò)大到大范圍的一種電路保護(hù)技術(shù)。
[0058]本發(fā)明的要點(diǎn)在于，在具有將串聯(lián)連接了兩個(gè)以上半導(dǎo)體開關(guān)元件的橋臂進(jìn)行串聯(lián)連接的上下橋臂電路的電力變換電路的柵極驅(qū)動(dòng)電路的正端電源的正電位側(cè)與半導(dǎo)體開關(guān)元件的正電極側(cè)(對(duì)于絕緣柵雙極型晶體管而言為集電極，對(duì)于金屬-氧化層-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)而言為漏極)之間設(shè)置包含二極管和電阻的串聯(lián)電路，并在發(fā)送給半導(dǎo)體開關(guān)元件的閉合-斷開指令信號(hào)為斷開指令輸入時(shí)，根據(jù)包含所述二極管和電阻的串聯(lián)電路中產(chǎn)生的電流而判定連接于所述柵極驅(qū)動(dòng)電路的半導(dǎo)體開關(guān)元件的短路故障。
[0059][實(shí)施例1]
[0060]圖1表示本發(fā)明的第一實(shí)施例。與圖9所示現(xiàn)有技術(shù)中的電路示例相比，將用于檢測(cè)斷開指令下的絕緣柵雙極型晶體管(IGBT:1nsulated Gate Bipolar Transistor)短路故障狀態(tài)的電阻50、齊納二極管51、二極管52連接而構(gòu)成。其中，在說(shuō)明中省略了對(duì)圖
8、圖9所示現(xiàn)有技術(shù)中的柵極驅(qū)動(dòng)電路示例中記載的信號(hào)放大用晶體管36、37的記載，然而將其連接也無(wú)妨。
[0061]并且，作為在閉合指令下避免使電流經(jīng)過(guò)齊納二極管51和二極管52的旁路電路，在電阻50和光電耦合器47的初級(jí)側(cè)二極管的連接點(diǎn)與絕緣柵雙極型晶體管SI的發(fā)射極之間連接著電阻53和晶體管54構(gòu)成的串聯(lián)電路。電阻67、69、70、72、二極管68、電容器71為用于在閉合信號(hào)處于上升沿時(shí)迅速地閉合晶體管54而在閉合信號(hào)處于下降沿時(shí)留一個(gè)滯后時(shí)間斷開晶體管54的基極驅(qū)動(dòng)電路。即，由于即使光電耦合器35中輸入有斷開指令，要想達(dá)到絕緣柵雙極型晶體管真正地?cái)嚅_還需要一定的時(shí)間，因此通過(guò)上述構(gòu)成來(lái)防止該期間內(nèi)由于晶體管54斷開而導(dǎo)致圖5所示的電流66流動(dòng)的狀態(tài)。
[0062]圖2表示圖1所示電路在通常狀態(tài)下得到閉合指令時(shí)的動(dòng)作示例。隨著光電耦合器35的輸出趨于高電平(H)，絕緣柵雙極型晶體管SI的柵極得到電流55供應(yīng)，從而使絕緣柵雙極型晶體管SI閉合。同時(shí)，經(jīng)由電阻67和二極管68對(duì)晶體管54的基極供應(yīng)電流56，從而使晶體管54閉合。如果晶體管54閉合，則產(chǎn)生從正端電源40經(jīng)由電阻50和電阻53的電流57的流動(dòng)。此時(shí)，電阻50與電阻53的連接點(diǎn)A處的電壓取正端電源40的電壓被電阻50和53的分壓以后的值，如果將該電壓設(shè)計(jì)為比齊納二極管51的齊納電壓還低的值，則光電耦合器47的初級(jí)側(cè)二極管上將不會(huì)由電流流動(dòng)。并且，隨著絕緣柵雙極型晶體管的閉合，流經(jīng)電阻43和二極管58、42的電流59與以往示例一樣地流動(dòng)。
[0063]圖3為在圖1中的與上下橋臂對(duì)向的其他橋臂的IGBT發(fā)生短路故障時(shí)的情形下的動(dòng)作示例。此時(shí)，與以往示例相同，由于IGBT上施加數(shù)百V以上的電壓，因此圖2所示的電流59不會(huì)流動(dòng)，在通過(guò)齊納二極管45和晶體管46的基極的路徑上，電流60產(chǎn)生流動(dòng)，晶體管46閉合。其結(jié)果，至今為止在IGBTSl的柵極流動(dòng)的電流變成通過(guò)二極管49和晶體管46的路徑的電流61，IGBT的柵極變成發(fā)射極電位，從而強(qiáng)制性地?cái)嚅_。而且，隨著晶體管46的閉合，產(chǎn)生從正端電源40途經(jīng)電阻50、光電耦合器47的初級(jí)側(cè)二極管、二極管62、電阻63的電流64,從而能夠向光電稱合器47的次級(jí)側(cè)傳遞故障信息。
[0064]圖4表示圖1所示電路在通常狀態(tài)下得到斷開指令時(shí)的動(dòng)作示例。隨著光電耦合器35的輸出趨于低水平(L)，絕緣柵雙極型晶體管SI的柵極-發(fā)射極之間將處于反向偏置狀態(tài)，并產(chǎn)生電流65，從而使絕緣柵雙極型晶體管SI斷開。
[0065]圖5表示圖1所示電路中本身包括的橋臂的絕緣柵雙極型晶體管SI出現(xiàn)短路故障的情況的動(dòng)作示例。此時(shí)，與是否有斷開指令的輸入無(wú)關(guān)，絕緣柵雙極型晶體管Si變成沒有施加電壓的狀態(tài)(約0V)。此時(shí)，產(chǎn)生從正端電源40開始并途經(jīng)電阻50、光電耦合器47的初級(jí)側(cè)二極管、齊納二極管51、二極管52、二極管42的電流66，從而能夠向光電耦合器47的次級(jí)側(cè)傳遞故障信息。而且，作為向次級(jí)側(cè)傳遞故障信息的裝置，可用光纖、脈沖變壓器等替代光電耦合器而使用。
[0066][實(shí)施例2]
[0067]圖6表示第二實(shí)施例。該第二實(shí)施例構(gòu)成一種電路，其根據(jù)對(duì)半導(dǎo)體開關(guān)元件的閉合或斷開的開關(guān)指令而判別究竟是上下橋臂中的一方的自身橋臂的半導(dǎo)體開關(guān)元件發(fā)生了短路故障還是另一方橋臂的半導(dǎo)體開關(guān)元件發(fā)生了短路故障。圖6還表示光電耦合器35的初級(jí)側(cè)以及光電耦合器47的次級(jí)側(cè)電路示例。根據(jù)光電耦合器47的輸出(在本電路中是在引起光電晶體管閉合的低(L)輸出下判定為發(fā)生故障)、以及死區(qū)時(shí)間電路33輸出的發(fā)送給絕緣柵雙極型晶體管的指令信號(hào)72(在高(H)電平下判定絕緣柵雙極型晶體管閉合)而利用邏輯電路73、74判別究竟是其他橋臂出現(xiàn)了短路狀態(tài)還是自身橋臂出現(xiàn)了短路狀態(tài)。利用死區(qū)時(shí)間附加電路33在控制電路28發(fā)出的信號(hào)29中附加死區(qū)時(shí)間而獲得信號(hào)72，并將該信號(hào)72與光電耦合器47的次級(jí)側(cè)信號(hào)輸入到邏輯電路73，從而判定其他橋臂的短路故障。
[0068]即，當(dāng)其他橋臂中有斷開信號(hào)輸入的時(shí)候自身橋臂中有閉合信號(hào)輸入時(shí)，若光電耦合器47的初級(jí)側(cè)二極管中產(chǎn)生電流流動(dòng)，在次級(jí)側(cè)的光電晶體管閉合，則判定為其他橋臂出現(xiàn)短路故障。并且，將利用死區(qū)時(shí)間附加電路33在控制電路28發(fā)出的信號(hào)29中附加死區(qū)時(shí)間而得到信號(hào)72、與使光電耦合器47的次級(jí)側(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)死區(qū)時(shí)間期間內(nèi)的阻斷電路75之后得到的信號(hào)輸入到邏輯電路74，從而判定自身橋臂的短路故障。即，當(dāng)其他橋臂中有閉合信號(hào)輸入的時(shí)候自身橋臂中有斷開信號(hào)輸入時(shí)，若光電稱合器47的初級(jí)側(cè)二極管中產(chǎn)生電流流動(dòng)，在次級(jí)側(cè)的光電晶體管閉合，則判定為自身橋臂出現(xiàn)短路故障。在此，如果在上下橋臂雙方的絕緣柵雙極型晶體管中有斷開信號(hào)輸入的死區(qū)時(shí)間期間內(nèi)，在與絕緣柵雙極型晶體管反向并聯(lián)的二極管中產(chǎn)生了電流流動(dòng)，與是否輸入有斷開指令無(wú)關(guān)，絕緣柵雙極型晶體管SI的集電極.發(fā)射極之間的電壓仍會(huì)變成接近OV的電壓，因此將根據(jù)圖5所示操作而從光電耦合器47輸出短路故障信號(hào)。通過(guò)在邏輯電路74的前段插入死區(qū)時(shí)間期間內(nèi)的阻斷電路75，從而防止在死區(qū)時(shí)間期間內(nèi)錯(cuò)誤地判定為自身橋臂出現(xiàn)斷路故障。
[0069]另外，在本實(shí)施例中是對(duì)串聯(lián)連接的絕緣柵雙極型晶體管中的一個(gè)絕緣柵雙極型晶體管的柵極驅(qū)動(dòng)電路示例進(jìn)行了說(shuō)明，然而對(duì)串聯(lián)連接的其他絕緣柵雙極型晶體管的柵極驅(qū)動(dòng)電路也應(yīng)該采用連接相同電路的構(gòu)成。
[0070]并且，在本實(shí)施例中是對(duì)二電平的逆變器電路示例進(jìn)行了說(shuō)明，然而也適用于將半導(dǎo)體開關(guān)元件、直流電源進(jìn)行多元串聯(lián)連接的三電平以上的多電平變換電路。
[0071]而且，作為半導(dǎo)體開關(guān)元件，絕緣柵雙極型晶體管以外的金屬-氧化層-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET:Metal-0xide-Semiconductor Field-Effect Transistor)等電壓驅(qū)動(dòng)元件也同樣適用。[0072]并且，在本實(shí)施例中采用了柵極驅(qū)動(dòng)電路的電源有正負(fù)兩電源40和41的方式，然而采用單電源方式也同樣可以實(shí)現(xiàn)。
[0073]產(chǎn)業(yè)上的可利用性
[0074]本發(fā)明公開了一種用于檢測(cè)在一個(gè)橋臂中串聯(lián)連接了多個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)元件的變換電路中的元件的短路故障的電路控制技術(shù)，可應(yīng)用于高壓電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置、系統(tǒng)聯(lián)系用電力變換裝置、瞬時(shí)停電補(bǔ)償裝置等。
【權(quán)利要求】
1.一種柵極驅(qū)動(dòng)電路，具有半導(dǎo)體開關(guān)元件的故障檢測(cè)電路，其特征在于，用于驅(qū)動(dòng)電力變換電路中的所述半導(dǎo)體開關(guān)元件，所述電力變換電路用于將直流變換為交流或者將交流變換為直流，包括直流電源和上下橋臂電路，所述直流電源和所述上下橋臂電路并聯(lián)連接，所述上下橋臂電路由橋臂串聯(lián)連接而成，所述橋臂由兩個(gè)以上反向并聯(lián)連接有二極管的半導(dǎo)體開關(guān)元件串聯(lián)連接而成， 其中，在所述柵極驅(qū)動(dòng)電路的正端電源的正電位側(cè)與所述半導(dǎo)體開關(guān)元件的正電極側(cè)之間設(shè)置包含二極管和電阻的串聯(lián)電路，并在發(fā)送給所述半導(dǎo)體開關(guān)元件的閉合-斷開指令信號(hào)為斷開指令輸入時(shí)，根據(jù)在包含所述二極管和電阻的串聯(lián)電路中流動(dòng)的電流而判定連接于所述柵極驅(qū)動(dòng)電路的半導(dǎo)體開關(guān)元件的短路故障。
2.如權(quán)利要求1所述的具有半導(dǎo)體開關(guān)元件的故障檢測(cè)電路的柵極驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于，設(shè)置有用于檢測(cè)當(dāng)所述上下橋臂的相對(duì)的其他橋臂出現(xiàn)短路故障時(shí)流動(dòng)的所述直流電源的電源短路電流的電路。
3.如權(quán)利要求1或2所述的具有半導(dǎo)體開關(guān)元件的故障檢測(cè)電路的柵極驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于，設(shè)置有旁路電路，用于在發(fā)送給半導(dǎo)體開關(guān)元件的閉合-斷開指令信號(hào)為閉合指令輸入時(shí)，防止電流在包含所述二極管和電阻的串聯(lián)電路的二極管中流動(dòng)。
4.如權(quán)利要求1或2所述的具有半導(dǎo)體開關(guān)元件的故障檢測(cè)電路的柵極驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于，包含所述電阻和二極管的串聯(lián)電路為包含電阻、二極管、齊納二極管的串聯(lián)電路。
5.如權(quán)利要求1或2所述的具有半導(dǎo)體開關(guān)元件的故障檢測(cè)電路的柵極驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于，在包含所述二極管和電阻的串聯(lián)電路中流動(dòng)的電流的路徑上串聯(lián)連接光電耦合器的初級(jí)側(cè)端子，并設(shè)置通過(guò)使電流在所述二極管、電阻和所述光電耦合器的串聯(lián)電路中流動(dòng)而將所述半導(dǎo)體開關(guān)元件處于短路狀態(tài)的信息傳遞給所述光電耦合器的次級(jí)側(cè)的功倉(cāng)泛。
6.如權(quán)利要求5所述的具有半導(dǎo)體開關(guān)元件的故障檢測(cè)電路的柵極驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于，兼用用于檢測(cè)所述上下橋臂的一方的半導(dǎo)體開關(guān)元件短路故障的光電耦合器和用于將表示在另一方橋臂的半導(dǎo)體開關(guān)元件處于短路故障之際檢測(cè)到橋臂短路電流的信息傳遞給光電耦合器次級(jí)側(cè)的光電耦合器。
7.如權(quán)利要求6所述的具有半導(dǎo)體開關(guān)元件的故障檢測(cè)電路的柵極驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于，在光電耦合器的次級(jí)側(cè)，設(shè)置有根據(jù)發(fā)送給半導(dǎo)體開關(guān)元件的閉合或斷開的切換指令而判定究竟是所述上下橋臂的一方的自身橋臂的半導(dǎo)體開關(guān)元件出現(xiàn)了短路故障還是另一方橋臂的半導(dǎo)體開關(guān)元件出現(xiàn)了短路故障的電路。
8.如權(quán)利要求5、6、7中的任一項(xiàng)所述的具有半導(dǎo)體開關(guān)元件的故障檢測(cè)電路的柵極驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于，作為向光電耦合器的次級(jí)側(cè)傳遞信號(hào)的裝置，使用光纖和變壓器等的絕緣器來(lái)替代光電耦合器。
9.如權(quán)利要求7所述的具有半導(dǎo)體開關(guān)元件的故障檢測(cè)電路的柵極驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于，在光電耦合器的次級(jí)側(cè)，設(shè)置有根據(jù)發(fā)送給半導(dǎo)體開關(guān)元件的斷開指令而判定自身橋臂的半導(dǎo)體開關(guān)元件是否處于短路故障狀態(tài)時(shí)，在死區(qū)時(shí)間期間內(nèi)避免進(jìn)行判定動(dòng)作的阻斷電路。
【文檔編號(hào)】H02M1/088GK103715874SQ201310467733
【公開日】2014年4月9日 申請(qǐng)日期:2013年10月9日 優(yōu)先權(quán)日:2012年10月9日
【發(fā)明者】滝沢聰毅 申請(qǐng)人:富士電機(jī)株式會(huì)社