CN101836350B - 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；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。

另外，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；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。

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。

Claims (12)

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；

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。

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或4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。

8.根据权利要求7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。

9.根据权利要求7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。

10.根据权利要求8或9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。

11.根据权利要求7～9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。

12.一种电力变换装置，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；

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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