專利名稱：電壓驅(qū)動(dòng)開關(guān)元件的柵極驅(qū)動(dòng)電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及諸如FET或IGBT的電壓驅(qū)動(dòng)開關(guān)元件的柵極驅(qū)動(dòng)電路。
圖9示出采用IGBT(絕緣柵雙極晶體管)的電壓變換器的一般電路構(gòu)成。通過使IGBT構(gòu)成的三個(gè)垂直串聯(lián)臂交替地導(dǎo)通或截止，可以把交流功率提供給電機(jī)，它為直流電源E的負(fù)載。在附圖中，Ls表示主電路電纜的雜散電感。變換器的安裝技術(shù)近年來已經(jīng)取得進(jìn)展，能夠把Ls通常接近于1μH的值降低到小于150nH的值。結(jié)果，累積在雜散電感上的能量變小，從而不需要在開關(guān)切換時(shí)控制跳躍電壓的緩沖器電路(例

圖10)，能夠?qū)崿F(xiàn)主電路的簡化。
然而，主電路電纜的雜散電感Ls在電源接通時(shí)起控制di/dt的作用而在電源切斷時(shí)起控制dv/dt的作用，所以引出一個(gè)新的問題，即由于主電路的簡化在IGBT開關(guān)切換時(shí)產(chǎn)生高的di/dt和高的dv/dt。
在變換器電纜的開關(guān)操作產(chǎn)生高的di/dt和dv/dt不僅會(huì)引起外圍設(shè)備的失常，而且對(duì)作為負(fù)載的電機(jī)產(chǎn)生不利影響。例如，在汽車的變換器中，作為負(fù)載的電機(jī)通常安裝在遠(yuǎn)離變換器的地方。在電機(jī)電纜中，除了電感Ls’外還包含由斜線表示的雜散電容Cs’，如圖9所示。因此，當(dāng)變換器的dv/dt增大時(shí)，作為負(fù)載的電機(jī)的阻抗增大，以致于產(chǎn)生由Ls’和Cs’構(gòu)成的共振。結(jié)果，將接近于變換器輸出電壓2倍的電壓施加在電機(jī)上，這會(huì)引起諸如電機(jī)的介質(zhì)擊穿的故障?？紤]到這一情況，在IGBT開關(guān)切換時(shí)控制di/dt和dv/dt是一個(gè)重要問題。
眾所周知，IGBT為一個(gè)電壓驅(qū)動(dòng)切換元件，IGBT導(dǎo)通或截止的切換速度可以通過柵極驅(qū)動(dòng)方法，如通過增大柵極電阻和延長IGBT的柵極電容的充電時(shí)間常數(shù)來控制。然而，僅用這種方法，切換時(shí)間較長，IGBT的損耗過大，所以提出了根據(jù)IGBT的切換時(shí)間切換柵極驅(qū)動(dòng)電路的柵極電阻的改進(jìn)方案(日本專利申請(qǐng)公開公報(bào)1-183214、日本專利申請(qǐng)公開公報(bào)3-93457、日本專利申請(qǐng)公開公報(bào)6-291631、日本專利申請(qǐng)公開公報(bào)8-322240、日本專利申請(qǐng)公開公報(bào)10-150764、USP5,936,387、USP5,808,504等)。
此外，日本電氣工程雜志EDD-94-44、SPC-97-71，13至18頁和日本專利申請(qǐng)公開公報(bào)8-186976揭示，通過檢測(cè)di/dt以及切換柵極驅(qū)動(dòng)電路的柵極電阻能夠抑制di/dt。
然而，在試圖通過切換柵極電阻的方法擴(kuò)寬di/dt和dv/dt可變范圍時(shí)，需要用于改變范圍的許多電阻器和開關(guān)，改變控制變得復(fù)雜。
本發(fā)明的問題是通過控制諸如IGBT的電壓驅(qū)動(dòng)開關(guān)切換元件的切換時(shí)間或損耗的增加而控制開關(guān)切換時(shí)的di/dt和dv/dt。
根據(jù)本發(fā)明，當(dāng)電壓驅(qū)動(dòng)開關(guān)切換元件導(dǎo)通時(shí)，提供對(duì)控制電壓驅(qū)動(dòng)開關(guān)切換元件的開關(guān)切換操作的信號(hào)進(jìn)行放大的驅(qū)動(dòng)裝置、檢測(cè)電壓驅(qū)動(dòng)開關(guān)切換元件的操作狀態(tài)(主電壓或主電流或柵極電壓)的裝置、隨著時(shí)間推移緩慢降低所述驅(qū)動(dòng)裝置導(dǎo)通時(shí)的輸出功率的功率減小裝置、以及緩慢增大輸出功率的功率增大裝置，根據(jù)電壓驅(qū)動(dòng)開關(guān)切換元件的操作狀態(tài)的檢測(cè)值，通過從功率減小裝置切換到功率增大裝置，能夠改變電壓驅(qū)動(dòng)開關(guān)切換元件導(dǎo)通時(shí)的di/dt控制量。
此外，根據(jù)本發(fā)明，當(dāng)電壓驅(qū)動(dòng)開關(guān)切換元件截止時(shí)，提供對(duì)控制電壓驅(qū)動(dòng)開關(guān)切換元件的開關(guān)切換操作的信號(hào)進(jìn)行放大的驅(qū)動(dòng)裝置、檢測(cè)電壓驅(qū)動(dòng)開關(guān)切換元件的操作狀態(tài)(主電壓或主電流或柵極電壓)的裝置、隨著時(shí)間推移連續(xù)地降低所述驅(qū)動(dòng)裝置導(dǎo)通時(shí)的輸出功率的功率減小裝置、以及連續(xù)地增大輸出功率的功率增大裝置，根據(jù)電壓驅(qū)動(dòng)開關(guān)切換元件的操作狀態(tài)的檢測(cè)值，通過從功率減小裝置切換到功率增大裝置，能夠改變電壓驅(qū)動(dòng)開關(guān)切換元件截止時(shí)的di/dt控制量。
此外，根據(jù)本發(fā)明，提供對(duì)控制電壓驅(qū)動(dòng)開關(guān)切換元件的開關(guān)切換操作的信號(hào)進(jìn)行放大的驅(qū)動(dòng)裝置、檢測(cè)電壓驅(qū)動(dòng)開關(guān)切換元件的操作狀態(tài)(主電壓或主電流或柵極電壓)的裝置、隨著時(shí)間推移連續(xù)地降低或增大所述驅(qū)動(dòng)裝置導(dǎo)通或截止時(shí)的輸出功率的裝置、檢測(cè)電壓驅(qū)動(dòng)開關(guān)切換元件的溫度的檢測(cè)裝置、以及將溫度檢測(cè)量轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷旱难b置，根據(jù)電壓驅(qū)動(dòng)開關(guān)切換元件的操作狀態(tài)的檢測(cè)值以及電壓驅(qū)動(dòng)開關(guān)切換元件的溫度檢測(cè)量，通過改變從驅(qū)動(dòng)裝置的功率減小裝置到功率增大裝置或者從功率增大裝置到功率減小裝置的切換時(shí)間以及通過控制使得功率增大周期比功率減小周期更短，能夠改變電壓驅(qū)動(dòng)開關(guān)切換元件導(dǎo)通或截止時(shí)的di/dt控制量。
另外，根據(jù)本發(fā)明，功率增加裝置和功率減小裝置可以通過諸如電阻器、電容器和開關(guān)元件的并聯(lián)或串聯(lián)排列的簡單組合而實(shí)現(xiàn)。
圖1是說明本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的電壓驅(qū)動(dòng)元件的柵極驅(qū)動(dòng)電路101的功能方框圖。
圖2是說明圖1所示本發(fā)明這個(gè)實(shí)施例的操作的導(dǎo)通操作波形。
圖3是說明本發(fā)明這個(gè)實(shí)施例的操作的截止操作波形。
圖4是說明本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的電壓驅(qū)動(dòng)元件的柵極驅(qū)動(dòng)電路101的功能方框圖。
圖5是圖1所示電壓驅(qū)動(dòng)元件的柵極驅(qū)動(dòng)電路101的實(shí)施例的具體電路方框圖。
圖6是圖5所示具體電路的一個(gè)變形例子。
圖7是說明本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的電壓驅(qū)動(dòng)元件的柵極驅(qū)動(dòng)電路101的功能方框圖。
圖8是說明電壓驅(qū)動(dòng)元件的柵極驅(qū)動(dòng)電路的輸出電容的電路和操作波形。
圖9是應(yīng)用本發(fā)明的IGBT的電壓變換器的電路圖。
圖10是控制跳躍電壓的緩沖器電路的例子。
圖11是說明IGBT的dv/dt的溫度依賴關(guān)系的圖。
圖12是圖5所示的實(shí)施例的變形例子。
圖13是圖6所示的具體電路的變形例子。
圖1是說明本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的IGBT的柵極驅(qū)動(dòng)電路101的功能方框圖。柵極驅(qū)動(dòng)電路101與之連接的IGBT模塊102例如為構(gòu)成諸如圖9所示功率變換器的一個(gè)元件。對(duì)控制IGBT導(dǎo)通或截止的信號(hào)進(jìn)行放大的驅(qū)動(dòng)裝置107的輸出連接在IGBT柵極與發(fā)射極之間，過渡性地改變其輸出功率的功率增加裝置105和功率減小裝置106與驅(qū)動(dòng)裝置107串聯(lián)連接。從功率減小裝置切換到功率增大裝置是根據(jù)IGBT的操作狀態(tài)(集電極電壓或集電極電流或柵極電壓)執(zhí)行的。在這種情況下，當(dāng)參考電壓設(shè)定裝置108設(shè)定的柵極電壓大于參考電壓時(shí)執(zhí)行切換。下面將利用IGBT的操作波形具體地說明柵極驅(qū)動(dòng)電路101的操作。在附圖中，數(shù)字103表示比較器，104表示柵極電壓檢測(cè)器。
圖2示出IGBT導(dǎo)通操作波形的例子，圖3示出IGBT截止操作波形的例子。圖2A和3A示出采用本發(fā)明的功率減小裝置和功率增大裝置的例子，圖2B和3B示出柵極電阻恰好增大以及控制di/dt和dv/dt的傳統(tǒng)例子。當(dāng)驅(qū)動(dòng)裝置的輸出電壓從負(fù)變?yōu)檎蛘邚恼優(yōu)樨?fù)時(shí)，由控制器的信號(hào)進(jìn)行IGBT的開關(guān)切換操作。然而，下面將主要說明圖2A的導(dǎo)通操作。在附圖中，給出的波形被稱為柵極驅(qū)動(dòng)裝置的輸出容量。下面將表明其原因。
在圖8A至8D中，示出IGBT的柵極驅(qū)動(dòng)電路101和操作波形例子。R1表示導(dǎo)通柵極電流的限制電阻，R2表示截止柵極電流的限制電阻。導(dǎo)通時(shí)，Q1表示導(dǎo)通狀態(tài)，Q2表示截止?fàn)顟B(tài)，E1是經(jīng)R1和Q1施加在IGBT柵極與發(fā)射極之間。截止時(shí)，Q1表示截止?fàn)顟B(tài)，Q2表示導(dǎo)通狀態(tài)，E2是經(jīng)R2和Q2施加在IGBT柵極與發(fā)射極之間。柵極驅(qū)動(dòng)裝置(為電壓驅(qū)動(dòng)元件)的負(fù)載是電容負(fù)載，具有集電極反饋電容Cgc和柵極電容Cge，如圖8A中虛線所示。因此，在IGBT柵極與發(fā)射極連接的狀態(tài)下說明本發(fā)明的柵極驅(qū)動(dòng)裝置時(shí)，在表示方法上存在一個(gè)易于混淆的地方。例如，圖8C示出在導(dǎo)通柵極電阻R1隨時(shí)間變化，驅(qū)動(dòng)功率隨時(shí)間變化時(shí)的柵極電流Iout和柵極電壓Vout。
然而，正如圖8C和8D中柵極電流所示，不容易發(fā)現(xiàn)柵極驅(qū)動(dòng)裝置的狀態(tài)是如何變化的。即使柵極驅(qū)動(dòng)裝置的輸出功率是恒定的，存在一個(gè)周期，在這期間柵極電流Iout連續(xù)地減小。原因是電容負(fù)載與柵極驅(qū)動(dòng)裝置連接。為了將這一點(diǎn)與本發(fā)明的功率減小裝置加以區(qū)別，負(fù)載電阻R如圖8B所示連接，增加給負(fù)載電阻R的電壓表示為柵極驅(qū)動(dòng)裝置的輸出功率(輸出容量)。在這種情況下負(fù)載電阻R的電壓由它與導(dǎo)通電阻R1或截止電阻R2的比率決定。因此，負(fù)載電阻R的值不受限制，通過選擇等效于R1或R2的值，柵極驅(qū)動(dòng)裝置的電容的變化更好理解。
在圖2B所示的傳統(tǒng)例子中，輸出恒定的正電壓，而在圖2A所示的本發(fā)明的情況中，這是一個(gè)不同點(diǎn)，一旦輸出正電壓，輸出電壓隨時(shí)間變化緩慢減小，然后再次增大。已知IGBT導(dǎo)通時(shí)的di/dt依賴于柵極電壓的增大速度，圖2B中所示的情況等效于使得柵極電阻變得更高和使得柵極電壓的增大速度變得更低的情況。在這種情況下，集電極電流的增大是受控制的，而使得導(dǎo)通時(shí)間(T1)變得更長以及延遲導(dǎo)通后在A部分中集電極電壓的減小，從而存在一個(gè)增大IGBT開關(guān)切換損失的缺陷。在圖2A所示的本發(fā)明的情況下，在開始導(dǎo)通時(shí)輸出一個(gè)大的正電壓，電壓隨時(shí)間緩慢減小，經(jīng)過時(shí)間T2后再次增大，經(jīng)過T3后返回到第一電壓。第一大的輸出電壓增大了IGBT的柵極增加電壓速率，并起縮短導(dǎo)通時(shí)間(T1)的作用。當(dāng)IGBT的柵極電壓達(dá)到閾值時(shí)，輸出電壓降低并以與圖2B所示情況中相同的方式控制di/dt。此外，當(dāng)IGBT的柵極電壓大于該閾值時(shí)，輸出電壓再次增大，柵極電壓快速地增大，圖2A中所示的A部分處的集電極電壓快速地減小，減小了切換損耗。
如上所述，本發(fā)明的第一個(gè)特征在于，當(dāng)IGBT導(dǎo)通時(shí)，首先輸出大的正電壓，然后隨時(shí)間緩慢降低，根據(jù)IGBT的操作狀態(tài)(在這種情況下為柵極電壓)電壓再次增大，切換時(shí)間被縮短，導(dǎo)通損耗降低，實(shí)現(xiàn)了IGBT切換速度的設(shè)計(jì)方案。然而，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下特征。
當(dāng)實(shí)現(xiàn)IGBT切換速度的方案時(shí)作為縮短導(dǎo)通和截止時(shí)間以及降低切換損耗的一種方法，提出了一種切換柵極電阻的方法(日本專利申請(qǐng)公開公報(bào)1-183214、日本專利申請(qǐng)公開公報(bào)3-93457、日本專利申請(qǐng)公開公報(bào)6-291631)。柵極電阻切換時(shí)的驅(qū)動(dòng)裝置的輸出電壓如圖2A和3A中虛線所示，部分地獲得了與本發(fā)明相同的效果。然而，由于以下原因在控制容易性、效果和構(gòu)成上產(chǎn)生很大差別。IGBT切換速度的方案的實(shí)現(xiàn)實(shí)質(zhì)上引起切換損耗的增大，所以必須要盡可能遠(yuǎn)地避免切換速度的不必要方案的實(shí)現(xiàn)。正如日本專利申請(qǐng)公開公報(bào)6-291631、日本專利申請(qǐng)公開公報(bào)8-322240和日本專利申請(qǐng)公開公報(bào)10-150764所描述，盡管IGBT的di/dt和dv/dt也可以通過電流供給期間的電源電壓和溫度控制，但是當(dāng)試圖改變通過切換柵極電阻的方法控制的di/dt和dv/dt時(shí)，許多柵極電阻器和切換裝置是必不可少的。按照切換柵極電阻的方法，在控制IGBT的di/dt和dv/dt后，在本發(fā)明的電壓增大期T3(見圖2A和3A)期間柵極電阻被切換為小的柵極電阻。然而，在定時(shí)的早期時(shí)，di/dt和dv/dt突然增大，而在定時(shí)的后期時(shí)，切換損耗增大，所以難以決定切換柵極電阻的定時(shí)。
根據(jù)本發(fā)明，提供功率減小裝置和功率增大裝置，在導(dǎo)通時(shí)首先輸出一個(gè)大的正電壓，然后電壓隨時(shí)間而變化。緩慢降低電壓的功率減小裝置等效于把柵極組件連續(xù)地切換到在切換柵極電阻方法中的情況中的大電阻。在功率減小裝置的操作周期T2后隨時(shí)間變化再次增大電壓的功率增大裝置等效于把柵極電阻連續(xù)地切換到一個(gè)小電阻。即，功率減小裝置的操作周期T2的縮短和功率增大裝置的操作周期T3的延長等效于使柵極電阻變得更小，操作周期T2的延長和操作周期T3的縮短等效于使柵極電阻變得更大。通過提供等效于這樣的連續(xù)地改變柵極電阻的功能以及通過控制從功率減小裝置到功率增大裝置的切換時(shí)間，能夠控制di/dt和dv/dt的突然變化。例如，在我們這次實(shí)驗(yàn)所采用的3.3kV和1200A的IGBT情況下，當(dāng)IGBT在主電路約100nH電感和電源電壓2kV下導(dǎo)通時(shí)，從柵極驅(qū)動(dòng)裝置的輸出到開始有IGBT主電流流動(dòng)的導(dǎo)通時(shí)間延遲Td約為1.5μs，在啟動(dòng)主電流時(shí)的di/dt約為6000A/μs。在這種情況中，直至主電流達(dá)到1200A的操作周期T按照如下計(jì)算T＝額定電流(1200A)/受控di/dt(600A/μs)＝0.2μs在本情況下，T1＝約1.7μs。在這種情況下，當(dāng)功率增大裝置的增大周期T3設(shè)定為大于0.2μs時(shí)，發(fā)現(xiàn)由于功率減小裝置的減小周期T2等于Td+T＝1.5μs+0.2μs，能夠?qū)i/dt控制在T2＝Td+T-T3的范圍內(nèi)。
然而，當(dāng)T3＝Td+T時(shí)，T2變?yōu)?，因此功率減小裝置不工作，所以它被排除。實(shí)際上，對(duì)于從柵極驅(qū)動(dòng)裝置的輸出到開始IGBT主電流的流動(dòng)的導(dǎo)通時(shí)間延遲Td，主電流的上升周期T是短的，所以相對(duì)于T2＞T3，控制di/dt是有效的。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，通過功率減小裝置連續(xù)地減小和功率增大裝置連續(xù)地增大相組合改變從減小到增大的工作點(diǎn)T2，能夠改變di/dt。這也意味著存在di/dt控制量不會(huì)由切換工作點(diǎn)T2的略微漂移而突然變化的效果。
如上所述，本發(fā)明的最大特點(diǎn)在于，功率減小裝置和功率增大裝置的功能等效于連續(xù)地改變柵極電阻。然而，例如，即使在采用功率減小裝置的部分(T2)作為切換柵極電阻的傳統(tǒng)方法以及組合本發(fā)明的功率增大裝置(對(duì)應(yīng)于周期T3)時(shí)，即使是切換二者的定時(shí)(對(duì)應(yīng)于周期T2)略微漂移，可以獲得di/dt和dv/dt不突然變化的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的特點(diǎn)還在于，由于可以通過改變功率增大裝置的工作點(diǎn)控制di/dt和dv/dt，因此當(dāng)電源條件(電源電壓、集電極電流、溫度等)改變時(shí)，可以采用它來控制di/dt和dv/dt。
在本發(fā)明的上述實(shí)施例中，代表性地說明了IGBT的導(dǎo)通操作。然而，正如圖3A所示，以與導(dǎo)通操作相同的方式也能夠控制截止操作。在電壓驅(qū)動(dòng)元件的情況下，導(dǎo)通或截止操作是在其閾值邊界上進(jìn)行的并在柵極電壓的正方向上受控制，存在是否在負(fù)方向上控制它的差別。盡管下面將利用截止操作說明在截止操作中未說明的本發(fā)明的另一個(gè)特征操作，但截止操作的詳細(xì)描述從略。
圖3A示出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，圖3B示出柵極電阻增大和dv/dt受到控制時(shí)IGBT的傳統(tǒng)工作波形的例子。在將二者的集電極電壓波形進(jìn)行比較時(shí)發(fā)現(xiàn)，在圖3A所示的本發(fā)明的實(shí)施例中，電壓增大的斜率幾乎是恒定的，而在圖3B的情況中，斜率開始較小但是慢慢地變得陡峭。它將受圖8A中虛線連接的IGBT中反饋電容Cgc的影響。當(dāng)集電極電壓在截止時(shí)增大并拒絕一部分柵極電流時(shí)，經(jīng)過反饋電容Cgc的電流從柵極流過發(fā)射極，因此其功能是延遲截止操作。在導(dǎo)通時(shí)，其功能是當(dāng)集電極電壓降低以及延遲導(dǎo)通操作時(shí)讓一部分集電極電流在集電極側(cè)上流過。眾所周知，反饋電容Cgc當(dāng)集電極電壓低時(shí)是大的而當(dāng)集電極電壓增大時(shí)變得減小2個(gè)數(shù)字或更多。當(dāng)IGBT工作在大的柵極電流上時(shí)，經(jīng)反饋電容流動(dòng)的電流比率是小的，而當(dāng)柵極電流變得更小以控制dv/dt時(shí)，經(jīng)反饋電容流動(dòng)的電流比率變大。結(jié)果，在圖3B的情況中，在集電極電壓低的位置上，電壓緩慢增大。
另一方面，在本發(fā)明的圖3A的情況中，如前所述，通過功率減小裝置連續(xù)地改變驅(qū)動(dòng)電容，在集電極電壓低的位置上比在集電極電壓高的位置提供更大的柵極電流，所以使得集電極電壓的增大幾乎比變?yōu)榫鶆颉?br> 如上所述，根據(jù)本發(fā)明，集電極電壓的增大幾乎是均等的，未制作不必要低的dv/dt區(qū)，所以能夠使dv/dt受到控制時(shí)的IGBT的損耗的增大減至最小。
圖4示出表明本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的IGBT的柵極驅(qū)動(dòng)電路101的功能方框圖。與圖1的區(qū)別在于，增加了檢測(cè)溫度的傳感器402，傳感器輸出由電壓轉(zhuǎn)換裝置401轉(zhuǎn)換為電壓并用于控制參考電壓。如上所述，當(dāng)IGBT模塊102的IGBT切換時(shí)di/dt和dv/dt隨供電期間電源電壓、電流和溫度而變化。例如，根據(jù)IGBT的工作溫度，在截止時(shí)的dv/dt的變化如圖11所示。由于它在很大程度上依賴于溫度，當(dāng)柵極條件設(shè)定在低溫度下時(shí)，dv/dt不必控制在高溫度下，可能會(huì)引起導(dǎo)通損耗的增加。
根據(jù)本實(shí)施例，通過由溫度傳感器的輸出控制參考電壓，改變從功率減小裝置106的工作周期T5到功率增大裝置105的工作周期T6的切換定時(shí)。即，當(dāng)溫度低時(shí)，使得功率減小裝置106的操作周期T5變長，當(dāng)溫度升高時(shí)，使得工作周期T5變短。工作溫度升高時(shí)截止損耗的減小是通過使截止時(shí)dv/dt均等化而實(shí)現(xiàn)的。以上表示了采用di/dt和dv/dt溫度依賴關(guān)系的實(shí)施例。然而，當(dāng)di/dt和dv/dt依賴于物理量(例如電源電壓、集電極電流)時(shí)，可以用同樣的方法控制它們。
圖5示出表明本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的柵極驅(qū)動(dòng)電路101的實(shí)施例。Q1和Q2互補(bǔ)連接，對(duì)包括IGBT的控制電壓驅(qū)動(dòng)開關(guān)切換元件的切換操作的信號(hào)進(jìn)行放大，柵極電阻R1和R2串聯(lián)連接，電壓增大和減小裝置501和502進(jìn)一步與它們串聯(lián)連接。將功率增大和減小裝置501和502構(gòu)造成使電容器C1和C2、電阻器R3和R4以及開關(guān)Q3和Q4分別并聯(lián)連接。開關(guān)Q3和Q4的柵極與柵極電壓檢測(cè)裝置503的比較器1和2連接，比較器1和2的操作是通過將參考電壓分別與參考電壓設(shè)定裝置108-1和108-2的柵極電壓進(jìn)行比較而控制的。導(dǎo)通操作將按照如下表示進(jìn)行。當(dāng)Q1和Q3被變?yōu)榻刂範(fàn)顟B(tài)以及Q1變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)時(shí)，當(dāng)Q1和Q3處于截止?fàn)顟B(tài)而Q2和Q4處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，柵極電流經(jīng)電源E1、(C1、R3)、R1、Q1和IGBT柵極發(fā)射極的路徑流動(dòng)。與此同時(shí)，柵極電流并聯(lián)流過C1和R3。然而，由于IGBT的柵極電容先對(duì)電源E2幾乎反向充電，依賴于電源E1、電源E2和R1的大柵極電流流過C1。電容器C1的充電立刻進(jìn)行，依賴于電源E1和R1和R3的電流受到限制，它起本發(fā)明的功率減小裝置的作用。
接著，當(dāng)柵極電壓增大并超過比較器1的參考電壓時(shí)，Q3導(dǎo)通。當(dāng)Q3導(dǎo)通時(shí)，柵極電流的路徑變?yōu)殡娫碋1、Q3、R1、Q1和IGBT柵極發(fā)射極的路徑，因此本發(fā)明的作用是增大柵極電流以及突然增大柵極電壓。然而C1在Q3導(dǎo)通前立即以圖5所示極性充電以及在Q3導(dǎo)通后立即將積累在C1上的電荷放電。在這種情況中放電是根據(jù)C1電容和導(dǎo)通電阻的C3時(shí)間常數(shù)進(jìn)行的，它起本發(fā)明的功率增大裝置的作用，與電容器C1的放電相對(duì)應(yīng)。截止時(shí)的操作與導(dǎo)通時(shí)的操作相反，對(duì)其說明從略。然而，Q4、R4和C2在截止時(shí)起功率減小裝置和功率增大裝置的作用，本發(fā)明通過簡單電路構(gòu)造而實(shí)現(xiàn)。
電容器C1和C2也可以用于縮短切換時(shí)間T1和T4。在導(dǎo)通前，IGBT的柵極電容Cge被充電到負(fù)E2，所以將它充電到IGBT的柵極閾值電壓Vth的電荷由下式計(jì)算Qon＝Cge×(E2+Vth) (1)在截止時(shí)，從E1到柵極閾值電壓Vth的放電電荷由下式計(jì)算Qoff＝Cge×(E1-Vth) (2)當(dāng)使累積在C1和C2上的電荷與在導(dǎo)通時(shí)的功率減小期間T2和截止時(shí)功率減小期間T5 Qon和Qoff的電荷幾乎相等時(shí)，切換時(shí)間被大大縮短。然而，柵極電壓的減小或增大變慢，IGBT切換時(shí)間的di/dt和dv/dt控制范圍變窄。正如以上所述的公式(1)和(2)所示，Qon和Qoff本身隨柵極電路的電壓變化，在我們實(shí)驗(yàn)所采用的E1＝15V和E2＝10V的IGBT柵極電路條件下，該條件似乎是標(biāo)準(zhǔn)的，當(dāng)C1和C2的電容設(shè)定為IGBT的柵極電容Cge的1至5倍時(shí)，在縮短切換時(shí)間和控制di/dt和dv/dt兩方面都產(chǎn)生很大效果。
圖6示出表明本發(fā)明實(shí)施例的IGBT的柵極驅(qū)動(dòng)電路的另一個(gè)實(shí)施例。圖5中所示功率增大和減小裝置501和502與圖6中所示的功率增大和減小裝置501和502之間的差別在于，設(shè)置了與Q3和Q4串聯(lián)的電阻R5和R6。開關(guān)Q3和Q4的導(dǎo)通電阻可以通過其基本輸入而改變。這種情況是通過增加電阻R5和R6使C1的放電時(shí)間常數(shù)更大以及改變功率增大周期T3的例子。
圖13示出表明本發(fā)明實(shí)施例的IGBT的柵極電路的另一個(gè)實(shí)施例。與圖6的不同之處在于，設(shè)置了與R3和C1串聯(lián)的R51和與R4和C2串聯(lián)的R61。當(dāng)開關(guān)Q3和Q4導(dǎo)通時(shí)，柵極電阻既為導(dǎo)通時(shí)的R1和R5又為截止時(shí)的R2和R6。當(dāng)R5和R6增大時(shí)，R1和R2相應(yīng)地減小。然而，在圖6所示的情況中，當(dāng)R1和R2減小時(shí)，流過R3和C1以及還有R4和C2的電流在鏈?zhǔn)交A(chǔ)上變化，所以電路設(shè)計(jì)是復(fù)雜的。在圖13所示的實(shí)施例中，等效于R5和R6的電阻R51和R61與R3和C1以及還有R4和C2串聯(lián)連接，可以使流過R3和C1以及R4和C2的電流不變。
圖12說明本發(fā)明實(shí)施例的IGBT的柵極驅(qū)動(dòng)電路的另一個(gè)實(shí)施例。與圖6所示的功率增大裝置和功率減小裝置的不同之處在于，采用開關(guān)Q3和Q4的基極電流的變化。當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí)，電源電壓E1提供在R3、R1和IGBT柵極的路徑中。然后，由施加給R3的電壓，Q3的基極電流ib1在Q3發(fā)射極、基極、C1和R5的路徑中流動(dòng)，Q3導(dǎo)通。然而，當(dāng)Q3導(dǎo)通時(shí)，施加給Q3的電壓降低，基極電流ib1不再流動(dòng)，結(jié)果，由C3的充電電流決定的電流和Q3的hfe流動(dòng)，它起功率減小裝置的作用。接著，當(dāng)基極電流經(jīng)R7流動(dòng)和Q3導(dǎo)通時(shí)，利用C3作為電源ib2流動(dòng)，所以在該周期中流過R1的電流降低，它起功率增大裝置的作用。顯然，在這種情況中功率減小周期T2和功率增大周期T3由C3和R5改變。正如圖5所示，可以設(shè)置電容器C1與Q3并聯(lián)。
圖7是表明本發(fā)明實(shí)施例的IGBT的柵極驅(qū)動(dòng)電路的另一個(gè)實(shí)施例的功能方框圖。在圖1所示的實(shí)施例中，功率增大裝置105和功率減小裝置106與驅(qū)動(dòng)裝置串聯(lián)連接。然而，在本實(shí)施例中，功率增大和減小裝置501和502與驅(qū)動(dòng)裝置107并聯(lián)連接。由功率增大和減小裝置501和502使驅(qū)動(dòng)裝置的輸出旁通，可實(shí)現(xiàn)輸出功率的減小和增大。其操作與圖1所示的情況相同，將省略對(duì)其說明。
以上從IGBT或FET的電壓驅(qū)動(dòng)開關(guān)切換元件在開關(guān)切換時(shí)對(duì)di/dt和dv/dt的控制的角度對(duì)本發(fā)明進(jìn)行描述。本發(fā)明的柵極驅(qū)動(dòng)電路在包含由功率變換器的負(fù)載短路電路或臂短路電路產(chǎn)生的過載電流方面也是有效的。即，原因在于柵極驅(qū)動(dòng)電路具有通過傳感器輸出控制參考電壓的功能，通過彼此并聯(lián)地安裝一個(gè)溫度傳感器和一個(gè)過載電流傳感器很容易控制參考電壓的增大或減小。本發(fā)明還能夠應(yīng)用于這樣的情況，例如，在導(dǎo)通時(shí)檢測(cè)到過載電流時(shí)，增大比較器的參考電壓，避免從柵極電壓減小裝置切換到增加裝置，以及防止由功率變換器的負(fù)載短路電路或臂短路電路產(chǎn)生的過載電流進(jìn)一步增大。
正如以上描述表明的，本發(fā)明產(chǎn)生了這樣的效果，不僅能夠利用電壓驅(qū)動(dòng)切換裝置解決由于變換器電路操作的高di/dt和dv/dt引起外圍設(shè)備操作失常的諸因素而且能夠解決諸如作為負(fù)載的電機(jī)的介質(zhì)擊穿等問題。
權(quán)利要求
1.一種電壓驅(qū)動(dòng)開關(guān)切換元件的柵極驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于所述電路包括對(duì)控制所述電壓驅(qū)動(dòng)開關(guān)切換元件的開關(guān)切換操作的信號(hào)進(jìn)行放大的裝置、檢測(cè)所述電壓驅(qū)動(dòng)開關(guān)切換元件的操作狀態(tài)的裝置、隨著時(shí)間的推移當(dāng)所述驅(qū)動(dòng)裝置導(dǎo)通或截止時(shí)緩慢減小輸出功率的功率減小裝置、以及隨著時(shí)間推移緩慢增大所述輸出功率的功率增大裝置。
2.一種電壓驅(qū)動(dòng)開關(guān)切換元件的柵極驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于所述電路包括對(duì)控制所述電壓驅(qū)動(dòng)開關(guān)切換元件的開關(guān)切換操作的信號(hào)進(jìn)行放大的裝置、檢測(cè)所述電壓驅(qū)動(dòng)開關(guān)切換元件的操作狀態(tài)的裝置、隨著時(shí)間的推移當(dāng)所述驅(qū)動(dòng)裝置導(dǎo)通或截止時(shí)緩慢減小輸出功率的功率變化裝置、以及隨著時(shí)間推移緩慢增大所述輸出功率的功率增大裝置。
3.如權(quán)利要求1或2所述的電壓驅(qū)動(dòng)開關(guān)切換元件的柵極驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于所述功率減小裝置的功率減小操作時(shí)間T2大于所述功率增大裝置的功率增大操作時(shí)間T3。
4.如權(quán)利要求1至3之一所述的電壓驅(qū)動(dòng)開關(guān)切換元件的柵極驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于所述柵極驅(qū)動(dòng)電路包括檢測(cè)所述電壓驅(qū)動(dòng)開關(guān)切換元件的溫度的裝置和將所述檢測(cè)量轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷旱难b置，根據(jù)所述溫度檢測(cè)量隨著時(shí)間推移將降低所述驅(qū)動(dòng)裝置的所述輸出功率的所述功率減小裝置切換為所述功率增加裝置。
5.如權(quán)利要求1至4之一所述的電壓驅(qū)動(dòng)開關(guān)切換元件的柵極驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于隨著時(shí)間推移降低或增大所述驅(qū)動(dòng)裝置的所述輸出功率的所述功率減小裝置和所述功率增大裝置之一或二者包括并聯(lián)設(shè)置的電容器和開關(guān)切換裝置。
6.如權(quán)利要求1至4之一所述的電壓驅(qū)動(dòng)開關(guān)切換元件的柵極驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于隨著時(shí)間推移降低或增大所述驅(qū)動(dòng)裝置的所述輸出功率的所述功率減小裝置和所述功率增大裝置之一或二者包括并聯(lián)設(shè)置或串并聯(lián)設(shè)置的電阻器、電容器和開關(guān)切換裝置。
7.如權(quán)利要求5或6所述的電壓驅(qū)動(dòng)開關(guān)切換元件的柵極驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于所述功率減小裝置或所述功率增大裝置所采用的電容器電容是所述電壓驅(qū)動(dòng)開關(guān)切換元件的柵極電容的1至5倍。
8.一種利用多個(gè)電壓驅(qū)動(dòng)開關(guān)切換元件構(gòu)造的變換器，其特征在于所述電壓驅(qū)動(dòng)開關(guān)切換元件是利用權(quán)利要求1或2限定的所述柵極驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)的。
全文摘要
一種電壓驅(qū)動(dòng)開關(guān)切換元件的柵極驅(qū)動(dòng)電路,當(dāng)IGBT通過控制切換時(shí)間的增加和IGBT的損耗而切換時(shí)為了控制di/dt和dv/dt,設(shè)置了對(duì)控制含IGBT的電壓驅(qū)動(dòng)開關(guān)切換裝置的開關(guān)切換操作的信號(hào)進(jìn)行放大的驅(qū)動(dòng)裝置、檢測(cè)IGBT柵極電壓的裝置以及隨著時(shí)間推移當(dāng)驅(qū)動(dòng)裝置導(dǎo)通(截止)時(shí)緩慢減小(增大)輸出電壓的電壓減小(增大)裝置,根據(jù)IGBT的柵極電壓的檢測(cè)值,通過從電壓減小(增大)裝置切換到電壓增大(減小)裝置,能夠控制IGBT導(dǎo)通(截止)時(shí)的di/dt和dv/dt。
文檔編號(hào)H03K17/16GK1256556SQ99122878
公開日2000年6月14日 申請(qǐng)日期1999年12月3日 優(yōu)先權(quán)日1998年12月3日
發(fā)明者木村新, 長州正浩, 稻荷田聰, 宮崎英樹, 鈴木勝德 申請(qǐng)人:株式會(huì)社日立制作所