CN101102075A - 开关元件驱动电路 - Google Patents

Abstract

一种开关元件驱动电路，具有：分压电路(13)，其用多个分压元件(14a)～(14c)分压在具有两个主电极和一个控制电极的非锁存型开关元件(11)的主电极之间施加的电压；控制电流源(16)，其根据分压电路(13)的分压元件(14a)～(14c)中的主电压检测用分压元件的分压电压向控制电极注入电流；分压比控制电路(20)，其根据用于控制开关元件(11)的控制信号调整分压电路(13)的主电压检测用分压元件(14b)、(14c)的分压比。

Description

开关元件驱动电路

技术领域

本发明涉及开关元件驱动电路，特别涉及驱动电力变换器的电力开关元件的开关元件驱动电路。

背景技术

应用电力开关元件的电力变换器，伴随开关元件的大容量化·高速化，其应用范围在稳步扩展。在这样的电力开关元件中，特别是，已经日益延伸到最近应用领域中的是MOS栅极型的开关元件IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor(绝缘栅双极晶体管))或者MOSFET(Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect Transistor(金属氧化物半导体场效应晶体管))。

IGBT或者MOSFET是自己不继续导通·关断状态的非锁存型型开关元件，比之晶闸管等锁存型开关元件，能够得到通过栅极驱动的高的控制性，这点是很大的优点。这种非锁存型开关元件，即使在接通·关断的开关过渡期内，也能够通过栅极控制抑制浪涌电压或者浪涌电流，或者自由地控制开关过渡期的电流或者电压的梯度。

作为活用这样的非锁存型开关元件的特征的应用例，有使用有源栅极驱动技术的多串联高压变换器。在多串联高压变换器中，通过串联多个耐压有限的元件，实现能够在电力系统等高电压用途中使用的高压变换器。在多串联高压变换器中，存在由于在串联的多个元件之间的、开关定时的稍微偏离，会产生大的电压分担分散的问题。对此的对策是有源栅极驱动技术。

作为有源栅极驱动技术，有用电阻器分压在电力开关元件的主电极间施加的电压，在把该分压的电压作为电源同时，对应在电力开关元件的主电极间施加的电压向栅极电极注入电流的技术，例如日本国公开专利公报，特开2005-86940号。

在该公开专利公报的内容中，作为开关元件的控制输入端子的栅极电极，通过栅极电阻连接到电压放大器，同时还连接到控制电流源的输出。控制电流源的输入连接电压放大器的输出，在电压放大器的输入上，施加通过分压用的电阻器分压的开关元件的集电极·发射极间电压。于是，在通常动作的状态下，遵从通过电压放大器施加的栅极信号开关元件执行导通·关断动作，但是在开关元件的接通时发生浪涌电压的场合，增大来自控制电流源的输出电流。通过由控制电流源流入开关元件的栅极端子的电流开关元件的栅极电压上升，由此开关元件的集电极电流增大，其结果，开关元件的集电极电压下降。通过这样的动作，抑制开关元件的浪涌电压。

另外，作为有源栅极驱动技术，有这样的技术：在IGBT串联的电力变换器中，当IGBT的集电极电压升高时使栅极电压升高，而且，在集电极电压升高的场合，由IGTB的恒定导通状态下的栅极电压使栅极电压升高，而在构成电力变换器的串联的IGTB上通过过电流时，防止通过由于在IGTB之间产生的电压不平衡引起的过电压来破坏IGTB。例如，日本国公开专利公报，特开2003-69401号公报。

该公开专利公报的内容，是在通过这样的有源栅极驱动技术构成的多串联电力变换器中，关于发生短路事故时的元件保护方式。通常，把通过栅极回路的脉冲发生器发生的脉冲经由比较器施加在IGBT的栅极上使IGBT导通或者关断。并且，在和通过多个IGBT构成的臂成对的臂中发生短路时，保护各个IGBT免受过大的外加电压。

因为通过多个IGBT构成同一臂，所以在各IGBT中流过同一臂电流，但是由于IGBT自身的特性分散，有时在特定的IGBT上比其他的IGBT施加大的电压。这点在IGBT的饱和电流值比其他的元件小的元件上发生。当该特定的IGBT的外加电压超过规定值时，通过分压电阻分压的电压的值超过脉冲发生器的输出电压。因为比较器在两个输入中输出较高的电压，所以在该时刻，该特定的IGBT的栅极电压变得比通常的导通栅极电压高。因为IGBT的饱和电流值栅极电压越高则变得越大，所以该特定的IGBT的饱和电流值上升，与此关联该IGBT分担的电压也降低。由此，不会发生短路时在开关元件上施加的电压超过由电路决定的某一定值的情况。

上述两件日本国公开专利公报的场合，通过在栅极驱动电路中反馈控制开关元件的主电压，来防止开关元件的破坏。在这样的方式中，采用这样的方法：对于连接到外部的分压电路的电压，决定控制电路开始动作的电压的设定值，在分压的电压高于该设定值时进行控制。

但是，在使用开关元件的电力变换器中，在外加的电压是直流电压的场合，有时外加的直流电压相对于额定电压成为稍高的值。为在施加这样的直流电压时不进行不必要的保护动作，用于保护动作的设定值通过外加的直流电压接受限止。亦即，在使用有源栅极的场合，将设定值设定为：在成为比该高的电压更高的电压时，才进行控制动作。因此，与额定电压比较设定值成为高的值，从发生浪涌电压到开始控制的时间变长。因此，在开关元件中发生的损失变大相应于时间变长的数量，另外，不得不在在高的过电压状态下进行控制。

下面说明短路时的课题。

通常，当接通开关元件时，开关元件的主电极间的电压成为由开关元件决定的非常低的电压，分压的电压也接近0V。另一方面，在开关元件短路时发生由开关元件决定的电压。短路电流由开关元件的特性决定，但是是从额定电流的数倍到数十倍非常大的电流，当持续流过这样大的电流时能够在短时间内破坏开关元件。因此，在分压电阻的电压即使在关断后也高的场合视作为短路需要进行保护动作。

这里，短路时在开关元件的主电极之间发生的电压，当从破坏开关元件那样的过电压水平看时是低的。因此，短路时在开关元件上即使发生电压，当在分压电路观察时因为成为小的变化，所以短路检测晚，有破坏开关元件的危险。

发明内容

本发明的目的是提供一种开关元件驱动电路，其能够抑制开关元件关断时发生的浪涌电压，同时，能够早期检测短路状态进行短路保护。

为实现上述目的，本发明具有下面的结构。即，其特征在于，

具有：

分压电路，其用多个分压元件分压在具有两个主电极和一个控制电极的非锁存型开关元件的上述主电极之间施加的电压；

控制电流源，其根据该分压电路的分压元件中的主电压检测用分压元件的分压电压向所述控制电极注入电流；和

分压比控制电路，其根据用于控制所述开关元件的控制信号调整所述分压电路的主电压检测用分压元件和其他分压元件之间的分压比。

根据本发明，能够抑制开关元件关断时发生的浪涌电压，同时能够早期检测短路状态进行短路保护。

附图说明

参考下面详细的说明同时考虑附图将会更好地理解本发明的更完整的价值及其伴随的优点。

图1是本发明的第一实施例的开关元件驱动电路的结构图。

图2是本发明的第一实施例中的分压电路的细节图。

图3是本发明的第二实施例的开关元件驱动电路的结构图。

图4是本发明的第三实施例的开关元件驱动电路的结构图。

图5是本发明的第四实施例的开关元件驱动电路的结构图。

具体实施方式

参照附图特别是图1说明本发明的一个实施例，附图中相似的参考号码在几个视图中指示相同的或者相应的部件。

下面参照附图说明本发明的实施例。

(第一实施例)

图1是本发明的第一实施例的开关元件驱动电路的结构图。在作为开关元件11的控制电极的栅极电极上设置有源栅极电路12(用单点划线表示)。有源栅极电路12连接在开关元件11的两个主电极之间，开关元件11的集电极·发射极间电压用分压电路13的分压元件14a、14b、14c分压，在分压电路13的分压元件14a、14b、14c中的主电压检测用分压元件14b、14c的分压电压用电压放大器15放大后输入控制电流源16。作为分压元件14a、14b、14c，可以使用电阻器或者电容器。

控制电流源16，对应分压电路13的分压元件14a、14b、14c向开关元件11的控制电极注入电流。另一方面，在开关元件11的控制电极上从电压放大器17通过栅极电阻18输入用于控制开关元件11的控制信号(栅极电压)。

另外，在分压电路13的分压元件14a、14b、14c中，在主电压检测用分压元件14b、14c上并联旁路电路19b、19c，通过使旁路电路19b、19c通断，调整分压电路13的分压元件14a、14b、14c的分压比。通过分压比控制电路20进行旁路电路19b、19c的通断。亦即，分压比控制电路20，对应用于控制开关元件11的控制信号调整分压电路13的分压元件14a、14b、14c的分压比。

在通常动作的状态下，遵从通过电压放大器17施加的栅极电压开关元件11进行通·断动作，但是在关断开关元件11时发生了浪涌电压的场合，来自控制电流源16的输出电流增大。由于通过控制电流源16流入开关元件11的栅极端子的电流开关元件11的栅极电压上升，由此开关元件11的集电极电流增大，结果，开关元件11的集电极电压下降。通过这样的动作，抑制开关元件11的浪涌电压。

输入电压放大器17的用于控制开关元件11的控制信号也向分压比控制电路20输入。分压比控制电路20连接旁路电路19b、19c，旁路电路19b、19c对应控制信号成为通·断的状态。

图2是本发明的第一实施例中的分压电路13的细节图。对于串联的分压元件14b、14c，并列配置旁路电路19b、19c。旁路电路19b、19c具有开关元件21b、21c和驱动电路22b、22c，当通过驱动电路22b、22c使开关元件21b、21c的任一个导通时，开关元件21b、21c导通的分压元件14b、14c被短路，变化分压比。

例如，当旁路电路19b导通时分压元件14b被短路。因此，在开关元件11的主电极上施加的电压由分压元件14a、14c分压。因此，因为输入电压放大器15的电压是用分压元件14c的分压电压，所以成为比用分压元件14a、14b、14c分压时低的电压。由此，即使主电极间的电压相同，从控制电流源16流过的电流也变小。反之，当把旁路电路19b从导通关断时，电压放大器15的输入电压增高，从控制电流源16注入的电流也变大。

当开关元件11的栅极(控制电极)上流过大的电流时，因为开关元件11要接通所以能够抑制过电压。进而，向栅极(控制电极)的注入电流越大越早接通，所以能够通过变化分压比早期抑制过电压。

根据第一实施例，因为能够在过渡时变化有源栅极电路12的分压电路13的分压比，所以能够早期检测在开关元件11的主电极之间发生的过电压，也能够早期进行对它的抑制。另外，分压电路13的分压元件14b、14c，因为能够通过旁路电路19b、19c的开关元件21b、21c的通断来进行旁路或者解除旁路，所以能够用简单的电路调整分压比。

(第二实施例)

图3是本发明的第二实施例的开关元件驱动电路的结构图。该第二实施例，相对于第一实施例，设置用于在分压电路13的主电压检测用分压元件14b、14c的电压超过规定值时箝位开关元件11的栅极电压的箝位电路23，分压比控制电路20，在开关元件11接通后立即提高分压电路13的主电压检测用分压元件14b、14c的分压比。给和图1相同的元件附以相同的符号，省略重复的说明。

在开关元件11短路时，额定电流的若干倍的电流流过开关元件11。此时，在开关元件11的集电极·发射极之间发生由开关元件11的特性决定的电压。另一方面，不是短路、和通常一样开关元件11导通时在集电极·发射极之间不发生电压。因此，作为开关元件11的栅极信号输入导通信号，而且在开关元件11的集电极·发射极之间发生电压时能够判断是短路，但是在短路时发生的开关元件11的集电极·发射极之间的电压和通常的过电压比是较低的。

因此，在第二实施例中，在作为栅极信号输入导通信号后(接通后)提高分压比。因为开关元件11接通后的分压比高，所以能够以高的电压向箝位电路23输入开关元件1 1短路时发生的电压。由此，短路的发生的检测变得容易，能够在早期用箝位电路23把栅极电压抑制到10V左右。当在短路时把栅极电压箝位到10V左右时，在开关元件11上流过由开关元件11的特性决定的电流。该电流比短路时的电流小，即使流过该电流也不会破坏开关元件11。因此，能够在短路时保护开关元件11。

根据第二实施例，通过变化开关元件11接通时的分压比，能够早期检测短路，保护开关元件11。

(第三实施例)

图4是本发明的第三实施例的开关元件驱动电路的结构图。该第三实施例，相对于第一实施例，设置用于检测开关元件11关断时的关断检测电路24，分压比控制电路20，在开关元件11关断后提高分压电路13的主电压检测用分压元件14b、14c的分压比。给和图1相同的元件附以相同的符号，省略重复的说明。

在多个串联开关元件11的电路中，有时在开关元件11关断后特定的开关元件11立即承受高的电压。这点由成为多串联的开关元件11关断时刻的偏离或者各个开关元件11的特性决定。通常，使用有源栅极电路12抑制浪涌电压，但是不抑制该分担电压。

在用有源栅极电路12抑制浪涌电压时，向栅极(控制电极)注入电流。此时，栅极电压上升，能够抑制浪涌电压。然后，在注入栅极(控制电极)的电流变得比0小时电流的注入结束，就能够判断为浪涌电压的抑制结束。用关断检测电路24检测该定时，并输入分压比控制电路20。分压比控制电路20提高分压比。由此，在关断的过电压发生后的过渡期，以比恒定电压高100V左右的电压注入栅极电流，在关断后的分担电压变高时注入电流，能够使分担一致。

根据第三实施例，通过在关断多串联的多个开关元件11后变化分压比，提高关断后的过电压发生的检测灵敏度，能够使各个开关元件11的关断后的分担电压一致。

(第四实施例)

图5是本发明的第四实施例的开关元件驱动电路的结构图。该第四实施例，相对于第一实施例，分压比控制电路20输入分压电路13的主电压检测用分压元件14b、14c的电压，在分压电路13的主电压检测用分压元件14b、14c的电压比额定电压高时，降低分压电路13的分压元件14a的分压比，而在分压电路13的主电压检测用分压元件14b、14c的电压比额定电压低时，提高分压电路13的主电压检测用分压元件14b、14c的分压比。

在使用开关元件11的电力变换器中不仅施加额定的直流电压，有时也施加比额定电压高的直流电压。因此，通常，为了仅施加直流电压使其不动作，不得不把有源栅极电路12的动作开始电压设定为比这个高的直流电压还高100V左右的电压。

因此，在第四实施例中，把用分压电路13的分压元件14a分压的电压输入分压比控制电路20。因为设备的额定电压固定，所以如果用主电压检测用分压元件14b、14c分压的电压比额定电压高的话，则降低分压比，使有源栅极电路12从更高的电压动作。

反之，在从高的电压返回额定电压时，通过提高分压比，能够调整与施加的直流电压符合的分压比。由此，能够在额定电压以及比其高的电压两者下，都调整为适当的分压比。因此，当浪涌电压发生时，因为有源栅极早期动作，进行电流注入，所以能够有效地抑制浪涌电压。

根据第四实施例，通过调整与施加到开关元件11上的电压对应的分压比，所以能够早期抑制在开关元件11的集电极·发射极之间发生的浪涌电压。

在上述本发明的各个实施例中，作为开关元件11以IGBT为例进行了说明，但是不用说，不限于IGBT，只要是用电压控制的非锁存型的开关元件，例如MOSFET等，也可以同样适用。

显然，根据上面的讲授，对本发明可以进行修改或者变化。因此，应该理解为，在所附权利要求的范围内，本发明也可以用上述特定方式以外的方式来实现。

Claims (5)

1.一种开关元件驱动电路，

具有：

分压电路，其用多个分压元件分压在具有两个主电极和一个控制电极的非锁存型开关元件的所述主电极之间施加的电压；

控制电流源，其根据所述分压电路的分压元件中的主电压检测用分压元件的分压电压向所述控制电极注入电流；

分压比控制电路，其根据用于控制所述开关元件的控制信号调整所述分压电路的所述主电压检测用分压元件之间的分压比。

2.根据权利要求1所述的开关元件驱动电路，其特征在于，

进一步具有：在所述分压电路的主电压检测用分压元件的电压超过规定值时为箝位所述开关元件的栅极电压而设置的箝位电路；

所述分压比控制电路，在所述开关元件关断后立即升高所述分压电路的主电压检测用分压元件的分压比。

3.根据权利要求1所述的开关元件驱动电路，其特征在于，

具有为检测所述开关元件已关断而设置的关断检测电路；

所述分压比控制电路，在所述开关元件关断后升高所述分压电路的主电压检测用分压元件的分压比。

4.根据权利要求1所述的开关元件驱动电路，其特征在于，

所述分压比控制电路，在所述分压电路的主电压检测用分压元件的电压比额定电压高时，降低所述分压电路的主电压检测用分压元件的分压比，而在所述分压电路的主电压检测用分压元件的电压比额定电压低时，升高所述分压电路的主电压检测用分压元件的分压比。

5.根据权利要求1到4中任何一项所述的开关元件驱动电路，其特征在于，

与所述分压电路的主电压检测用分压元件以外的其他的分压元件并列地设置在调整分压比时为旁路所述分压元件而连接的旁路电路。

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