CN101836350A - 电力变换装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有开关电路的电力变换装置，该开关电路抑制串联连接的多个开关元件的浪涌电压，并且损耗不集中在特定的开关元件上。该开关电路的结构具有：非闭锁型的开关元件(9)，具有2个主电极和1个控制电极；电压检测单元(4)，检测施加到开关元件(9)的主电极间的电压；控制电流源(6)，按照由上述电压检测单元(4)检测出的电压，向上述控制电极注入控制信号；以及延迟单元(12)，使上述控制信号延迟。

Description

电力变换装置

技术领域

本发明涉及具有包含IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，即，绝缘三双极型功率管)和MOSFET等电力用开关元件的开关电路的电力变换装置。

背景技术

使用电力用开关元件的电力变换装置随着开关元件的大容量化和高速化而正在稳健地扩大其应用范围。在这样的电力用开关元件中，特别是最近扩展了应用领域的是作为MOS栅极型开关元件的IGBT和MOSFET。

IGBT和MOSFET是非自我持续导通/截止状态的非闭锁型开关元件，与闸流晶体管等闭锁型开关元件相比，能够实现基于栅极驱动的高控制性的这一点是较大的优点。在该非闭锁型的开关元件中，在接通/断开的开关过渡期，利用栅极控制来抑制浪涌电压和浪涌电流，或者自由地控制开关过渡期的电流和电压的倾斜也成为可能。

作为发挥这样的非闭锁型开关元件的特征的应用例，有使用了有源栅极驱动技术的多串联高压变换装置。多串联高压变换装置通过串联连接许多个有限耐压的元件，实现能在电力系统等高电压用途中使用的高压变换装置。在多串联变换装置中，具有因为串联连接的多个元件间的一点点的开关定时的偏移而产生大的电压分担的偏差的问题。对于该问题的对策是有源栅极驱动技术(例如，参照专利文献1)。

作为现有的利用有源栅极驱动技术的栅极驱动电路，例如有如图7所示的电路。即，与电力线21连接的开关元件9的控制输入端子即栅电极，通过栅极电阻3与电压放大器2连接，并且也与控制电流源6的输出连接。控制电流源6的输入与电压放大器5的输出连接，对电压放大器5的输入施加已由分压用电阻4a和4b分压的开关元件9的集电极-发射极间电压。

利用这样的电路结构，在正常动作状态下，开关元件9按照经由电压放大器2施加的栅极信号进行导通/截止动作，但在开关元件9断开时产生了浪涌电压的情况下，从控制电流源6输出的电流增大。于是，因为从控制电流源6流入到开关元件9的栅极端子中的电流而开关元件9的栅极电压上升，从而开关元件9的集电极电流增大，作为结果，开关元件9的集电极电压下降。通过这样的动作，抑制开关元件9的浪涌电压。

专利文献1：日本特开2005-86940号公报

上述有源栅极驱动技术是通过在栅极驱动电路中反馈控制开关元件的主电压Vce，抑制浪涌电压的产生。在这样方式的情况下，在除了开关元件以外不需要任何主电路元件的这一点上，具有电路结构简单的优点。但另一方面，由于开关元件必须要负担全部损耗，因此有元件损耗增大的问题。以下，参照图8详细说明该问题。

在利用有源栅极驱动技术抑制峰值浪涌电压的情况下，在断开时抑制了浪涌电压的期间产生多余的损耗。图8中的期间II即是。在期间II中，有源栅极驱动电路动作，以便将集电极电压钳位在一定的值。由于断开时的集电极电压与集电极电流的时间微分值dlc/dt成比例，因此，在期间II中，dlc/dt即集电极电流的倾斜成为一定的值。若假设期间II中的集电极-发射极间电压为Vcep，期间II的时间宽度为t2，集电极电流的最大值为Icp，尾部(tail)电流充分小，则期间II中的开关元件的损耗E2成为如下。

[数1]

$E2=\frac{1}{2}\mathrm{Vcep}\×\mathrm{Icp}\×t2$

即，期间II中的开关元件的损耗与期间II的时间宽度成比例。

另一方面，在由串联连接的多个开关元件构成的电力变换装置中适用了有源栅极驱动技术的情况下，集电极电流在串联连接的任何开关元件中都相同，但由于各个开关元件的动作定时的偏差，先断开的开关元件分担更大的损耗。参照图9说明该关系。

在图9中，假设构成电力变换装置的1个桥臂是串联3个开关元件构成的。设各个开关元件的集电极-发射极间电压为Vce1、Vce2、Vce3。集电极电流Ic在串联连接的任意元件中通用。在此，假设开关元件1比其他2个开关元件2和3的累积时间短，先开始断开。在图9的期间I中，开关元件1开始断开，Vce1上升，但其他开关元件2、3的电压还未上升。进行有源栅极驱动的开关元件1的电压Vce1一达到有源栅极驱动电路所决定的一定的电压Vcep，就进行钳位，期间IIa开始。在期间IIa中，开关元件1的集电极-发射极间电压Vce1被钳位在Vcep，由于其他开关元件2、3的断开也开始，并且桥臂的电压还很低，因此，集电极电流Ic的减少不那么显著。在串联数量多并且与整个桥臂的电压相比开关元件之一的分担电压低的情况下，在期间IIa中，集电极电流Ic几乎不减少。到达期间IIb时，其他开关元件的电压也被钳位在Vcep，集电极电流Ic的减少变得显著，不久变为大致0，期间IIb结束。

这样，先开始断开的开关元件与其他开关元件相比，在时间t2a期间多余地消耗损耗。这时的损耗若是图9的例子，则与断开晚的开关元件相比，最大成为如下。

E2a＝Vcep×Icp×t2a

元件的开关速度根据元件自身特性的偏差来决定，如果栅极电阻等的使用条件一定就不变动，因此，串联连接的多个开关元件中速度快的开关元件总是确定。这样，在利用串联连接了多个开关元件的桥臂构成的电流变换装置中适用了有源栅极驱动技术的情况下，开关快的元件就必须总是比其他元件消耗更多的损耗。

发明内容

本发明鉴于上述问题，其目的在于提供一种具有抑制串联连接的多个开关元件的浪涌电压，并且损耗不集中在特定的开关元件上的开关电路的电力变换装置。

为了解决上述问题，本发明涉及的电力变换装置，是串联连接了至少2个以上开关电路而构成的电力变换装置，其特征在于，上述开关电路的至少1个具有：非闭锁型开关元件，具有2个主电极和1个控制电极；电压检测器，检测施加到上述开关元件的主电极间的电压；控制电流源，按照由上述电压检测器检测出的电压，向上述控制电极注入控制信号；以及延迟器，使上述控制信号延迟规定的延迟时间。

发明效果如下：

根据本发明，在具有串联连接的多个开关元件的电力变换装置中，能够抑制施加到开关元件上的浪涌电压，并且能够防止损耗集中在特定的开关元件上。

附图说明

图1是示出本发明的第一实施方式的电力变换装置的主要部分的结构和信号流的图。

图2是示出本发明的第二实施方式的电力变换装置的主要部分的结构和信号流的图。

图3是说明本发明的第二实施方式的电力变换装置的动作的波形图。

图4是示出本发明的第三实施方式的电力变换装置的主要部分的结构和信号流的图。

图5是说明本发明的第四实施方式的电力变换装置的动作的流程图。

图6是说明本发明的第五实施方式的电力变换装置的动作的流程图。

图7是示出现有的电力变换装置的主要部分结构的图。

图8是说明现有的电力变换装置的开关电路中的元件损耗的波形图。

图9是说明现有的电力变换装置的开关电路中的元件损耗的分担的波形图。

附图标记说明

1a、1b…栅极电源、2、5、13…电压放大器、3…栅极电阻、4…电压检测器、4a、4b…分压用的电阻、6…控制电流源、7…电容器、8…二极管、9…开关元件、10…续流二极管、11…有源栅极电路、12…延迟器、14…栅极信号、15…延迟量设定信号、16…取样保持电路、17…延迟量调整器、18…取样控制电路、19…计时器、20…数字/模拟变换器、21…电力线

具体实施方式

以下，参照图1～图6说明本发明的4个实施方式。再有，在各实施方式中，对于与上述图7中的结构要素相同或者同等的部分都示出与上述相同的附图标记，省略重复的说明。

(第一实施方式)

图1是示出本发明的第一实施方式的开关电路的结构和信号流的图。本实施方式的开关电路具有与电力线21连接的开关元件9和与该开关元件9的栅极端子连接的有源栅极电路11，有源栅极电路11具有电压放大器2、5、栅极电阻3和控制电流源6。此外，还具有：电压检测器4，检测开关元件9的发射极侧电压，向电压放大器5输出信号；以及延迟器12，输入栅极信号14和延迟量设定信号15，对电压放大器2输出输出信号。开关元件9是IGBT、MOSFET等的用电压进行控制的非闭锁型的开关元件。另外，本实施方式的电力变换装置为了将直流变换成交流，还具有串联连接了多个图1所示的开关电路而构成的桥臂。

以下说明如上所述构成的本实施方式的开关电路的动作。延迟器12根据延迟量设定信号15使栅极信号14延迟后供给到电压放大器2中。从置于电力变换装置内部的低电位部分中的控制部，向全部开关元件共通地供给栅极信号14，但在累积时间短的开关元件中，从栅极信号切换为截止开始到实际上开关元件进行截止动作的这段时间很短，因此如上所述总是比其他元件分担更多的损耗。于是，关于累积时间短的开关元件，通过比其他开关元件高地设定延迟量设定信号15的电平，来使延迟器12的延迟量增加，通过使断开定时与其他开关元件一致，使其分担与其他开关元件同等的损耗分担。

但是，开关元件的动作滞后主要发生在断开侧。这特别是在象IGBT这样的进行双极动作的开关元件的情况下很显著，但在这样的开关元件的情况下，期望只在断开侧对元件特性的偏差所引起的动作滞后的偏差进行调整，关于接通侧不进行偏差的调整。这种情况下，期望构成为延迟器12仅在断开侧进行动作，或者在接通侧和断开侧使用不同的延迟器。

根据本实施方式，在具有串联连接的多个开关元件的电力变换装置中，能够抑制施加到开关元件上的浪涌电压，并且能够防止损耗集中在特定的开关元件上。

(第二实施方式)

在此，作为第二实施方式，关于第一实施方式中的延迟量设定信号的设定方法进行说明。该延迟量设定信号的设定方法大致可以考虑2种方法。一种是如下的方法：在出厂时进行切断试验等，将延迟量设定成能够吸收各开关元件的累积时间的差所产生的动作滞后的差。另一种是如下的方法：在运转中探测开关元件的动作滞后的差，并动态地调整延迟量。本实施方式将后者的方法具体化。即，如图2所示，除了图1所示的结构以外，还具有取样保持电路16、延迟量调整器17和取样控制电路18。

向取样保持电路16输入电压检测器4的输出，延迟量调整器17输出已按照取样保持电路16的输出调整后的延迟量设定信号15，从而，延迟器12使栅极信号14延迟，产生驱动开关元件9的栅极信号。取样保持电路16被取样控制电路18控制，根据栅极信号14，在电力变换装置输出电流的1个周期或其以上的整个期间，进行与保持输出的复位和断开定时相配合的取样动作。

在许多电力变换装置中使用正弦波调制PWM(脉宽调制)方式，但该情况下的变换装置的各部分的电压电流波形如图3所示。变换装置输出电流大致是正弦波，若还包括并联进来的续流二极管(FWD)10的电流来考虑，则开关元件9的电流就成为利用PWM开关而在输出电流中加入刻纹的形状。在此，开关元件9的集电极-发射极间电压Vce在静态上与电源电压相等，但断开之后的浪涌电压的大小大致具有如下的性质：流入到开关元件9中的电流越大，其浪涌电压越大。因此，如图3所示，集电极-发射极间电压Vce的峰值在变换装置输出电流的1个周期中发生变化。

在开关电路和电力变换装置中应该应对的是损耗最大的开关定时，它是在1个周期中开关元件9切断最大电流的定时。因此，如图3所示，在用电压检测器4检测了集电极-发射极间电压之后，使用取样保持电路16，与栅极信号14的断开定时同步地进行取样，与当前的保持输出相比，在取样值高出保持输出时，使保持值与取样值相等。通过在整个1个周期进行这样的取样保持动作，在1个周期结束时，取样保持电路16的输出成为与集电极-发射极间电压Vce的最大值相当的值。

从而，通过成为如图2的结构，延迟器12所产生的栅极信号的延迟量就被调整成抑制电力变换装置的1个周期或其以上期间中的集电极-发射极间电压的最大值。即，进行利用延迟器12补偿开关元件9的滞后的动作。

(第三实施方式)

在上述第二实施方式中，根据开关元件9的集电极-发射极间电压Vce进行延迟量调整，但在利用有源栅极驱动而使集电极-发射极间电压Vce的峰值进入到进行钳位的动作区域中时，用该方法判断开关元件9的动作滞后的影响就很困难。这是因为，在开关元件9的开关动作滞后较少，达到某种程度以上的情况下，集电极-发射极间电压Vce的峰值电压的最大值被钳位了。本实施方式与这样的状况相对应。本实施方式的开关电路如图4所示，是取代第二实施方式(图2)中的取样保持电路16而具有计时器19和数字/模拟(DA)变换器20的结构。

在本实施方式的开关电路中，用计时器19监视对控制电流源6的输入信号，利用计时器19对有源栅极电路11进行动作的时间进行计时。利用DA变换器20将计时到的输出变换成模拟信号，利用延迟量调整器17变换成延迟量设定信号15，决定延迟器12的延迟量。取样控制电路18根据栅极信号14控制计时器19和DA变换器20的动作。

这样，在开关元件9的电压超过某一定值时，有源栅极电路11就进行动作，按照其动作时间设定延迟量。这样做，在开关元件9的开关动作比其他元件快时，延迟量变大，从而能抑制与其他元件的动作时间的偏差而使之变小，进而抑制损耗的增大。

再有，本实施方式也可以使延迟量与如下的值成比例地增大：从电压检测器4的输出峰值中减去规定值的值，或者从控制电流源6的动作时间中减去规定值的值。

另外，例如在误识别了对控制电流源6的输入信号时，还有极大地设定延迟量而元件损耗增大的危险。为了防止该情况，也可以成为具有限制单元的结构，该限制单元将延迟量的设定值限制在规定的容许范围内。

(第四实施方式)

本实施方式的结构在于，在上述第二、第三实施方式(图2、图4)的结构的基础上还具有比较单元，在变更了延迟量的设定时，该比较单元对设定变更前后的控制电流源6的动作时间进行比较。比较单元能够在因为使延迟量增大一定时间而动作时间变长了的情况下，返回到变更前的设定。利用图5的流程图说明该比较单元的动作。

首先，向延迟量调整器17输入有源栅极电路11的动作时间(变更前的动作时间)(步骤S2)，输出已增大了一定时间的延迟量(变更后的延迟量)(步骤S3、S4)。在经过了1个周期以上的时间后(步骤S5)，再次向延迟量调整器17输入有源栅极电路11的动作时间(变更后的动作时间)(步骤S6)。在此，对变更前的动作时间和变更后的动作时间进行比较(步骤S7)，在变更后的动作时间比变更前的动作时间长的情况下，将延迟量返回到变更前的延迟量(步骤S8)。另一方面，在变更后的动作时间在变更前的动作时间以下的情况下，延迟量保持变更后的延迟量不变。

再有，作为变形例，比较单元也可以对设定变更前后的电压检测器4的输出的峰值进行比较(步骤S7)。

(第五实施方式)

在本实施方式中，关于上述第二、第三实施方式(图2、图4)中的延迟量调整器17进行说明。用于决定基于损耗的发生的开关元件的温度上升的开关元件的热时间常数在数百毫秒到数秒，远长于电气性动作。若考虑这点则认为，作为延迟量调整器17，只进行时间常数长的积分动作。对此，也考虑数字化地进行延迟量调整器17的动作。利用图6的流程图说明该数字化地进行时的动作。

首先，向延迟量调整器17输入有源栅极电路11的动作时间(步骤S2)，将该动作时间与规定的阈值进行比较(步骤S3)。然后，在超过阈值，并且延迟量低于最大值的情况下(步骤S4)，使延迟量增大一定时间(步骤S5)，输出该延迟量(步骤S6)。在经过了1个周期以上的时间后(步骤S7)，再次向延迟量调整器17输入有源栅极电路11的动作时间(步骤S2)。这样，在有源栅极电路11进行了某一定以上时间的动作的情况下，一直继续延迟量增大的周期，最终在有源栅极电路11的动作时间变为阈值以下时稳定。

再有，作为变形例，也可以在电压检测器4的输出的峰值超过了规定值时，使延迟时间增大单位时间。

Claims (13)

1.一种电力变换装置，是串联连接了至少2个以上开关电路而构成的电力变换装置，其特征在于，上述开关电路的至少1个具有：

非闭锁型的开关元件，具有2个主电极和1个控制电极；

电压检测器，检测施加到上述开关元件的主电极间的电压；

控制电流源，按照由上述电压检测器检测出的电压，向上述控制电极注入控制信号；以及

延迟器，使上述控制信号延迟规定的延迟时间。

2.根据权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于，

根据上述电力变换装置的动作的至少1个周期期间中的上述电压检测器的输出的峰值，设定上述延迟时间。

3.根据权利要求2所述的电力变换装置，其特征在于，

使上述延迟时间与从上述电压检测器的输出的峰值中减去规定值后的值成比例地增大。

4.根据权利要求2所述的电力变换装置，其特征在于，

在上述电压检测器的输出的峰值超过了规定值的情况下，使上述延迟时间增大单位时间。

5.根据权利要求3或4所述的电力变换装置，其特征在于，

该电力变换装置具有比较单元，在变更了上述延迟时间的设定时，该比较单元对设定变更前后的上述电压检测器的输出的峰值进行比较。

6.根据权利要求3～5中任一项所述的电力变换装置，其特征在于，

具有限制上述延迟时间的设定值的最大值的限制单元。

7.根据权利要求3～6中任一项所述的电力变换装置，其特征在于，

该电力变换装置具有：

取样保持电路，输入来自上述电压检测器的输出；

取样控制电路，控制上述取样保持电路；以及

延迟量调整器，向上述延迟器输出已按照来自上述取样保持电路的输出调节后的延迟量设定信号。

8.根据权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于，

根据上述电力变换装置的动作的至少1个周期期间中的上述控制电流源的动作时间，设定上述延迟时间。

9.根据权利要求8所述的电力变换装置，其特征在于，

使上述延迟时间与从上述控制电流源的动作时间中减去规定值后的值成比例地增大。

10.根据权利要求8所述的电力变换装置，其特征在于，

在上述控制电流源的动作时间超过了规定值的情况下，使上述延迟时间增大单位时间。

11.根据权利要求9或10所述的电力变换装置，其特征在于，

具有比较单元，在变更了上述延迟时间的设定时，该比较单元对设定变更前后的上述控制电流源的动作时间进行比较。

12.根据权利要求8～11中任一项所述的电力变换装置，其特征在于，

具有限制上述延迟时间的设定值的最大值的限制单元。

13.根据权利要求8～12中任一项所述的电力变换装置，其特征在于，

该电力变换装置具有：

计时器，通过监视输入到上述控制电流源的输入信号来对上述控制电流源的动作时间进行计时；

数字/模拟变换器，将来自上述计时器的输出变换成模拟信号；

取样控制电路，控制上述计时器和上述数字/模拟变换器；以及

延迟量调整器，向上述延迟器输出已按照来自上述数字/模拟变换器的输出调节后的延迟量设定信号。

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