CN102723854A - 用于开关元件的驱动电路 - Google Patents

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Abstract

一种用于开关元件的驱动电路包括恒流控制单元和限制单元。所述恒流控制单元进行恒流控制，所述恒流控制用于对要被驱动的开关元件的开/关控制端子充以用于接通所述开关元件的电荷，所述开关元件是压控开关元件。在充电处理时段内，所述限制单元在所述恒流控制开始后将所述开关元件的开/关控制端子与所述开关元件的电流流动路径的两端中的第一端之间的电压限制成参考电压达预定时段，其中，在所述充电处理时段期间所述开/关控制端子被充以所述电荷使得所述开关元件被接通。

Description

用于开关元件的驱动电路
技术领域
本发明涉及一种用于开关元件的驱动电路，特别涉及一种包括恒流控制单元的用于开关元件的驱动电路，该恒流控制单元进行恒流控制，该恒流控制用于对要被驱动的、作为压控开关元件的开关元件的开/关控制端子充以用于接通该开关元件的电荷。
背景技术
作为用于开关元件的驱动电路，提出了如由例如JP-A-2009-011049公开的、使用恒流电路对要被驱动的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的栅极进行充电的电路。通过将具有足够大的端电压的直流(DC)电压源用作电源来配置恒流电路。这旨在保持恒流控制的高可控性。恒流电路可能提高IGBT的栅极电压的上限。上限的过度提高会引起IGBT的栅极氧化膜的可靠性降低。为了避免这样的情形，基于IGBT的栅极电压，向栅极施加比DC电压源低的恒压。
然而，当通过串联连接的高电压侧开关元件和低电压侧开关元件来配置要被驱动的IGBT时，如果发生了馈通电流(feedthrough current)在IGBT中流动的异常情况，则切换到IGBT的接通状态会引起在IGBT中流动的电流的快速过度增大。这导致IGBT的栅极电压增大，从而使得在切换到恒压之前，可能有导致IGBT可靠性降低的过大电流在IGBT中流动。
发明内容
考虑到以上陈述的问题而完成了本公开内容，并且本公开内容提供一种包括恒流控制单元的用于开关元件的新的驱动电路，该恒流控制单元进行如下恒流控制：该恒流控制用于使要被驱动的、作为压控开关元件的开关元件的开/关控制端子被充以用于接通该开关元件的电荷。
根据本公开内容的示例性方面，提供了一种用于开关元件的驱动电路，该驱动电路包括：恒流控制单元，用于进行恒流控制，所述恒流控制用于对要被驱动的开关元件的开/关控制端子充以用于接通所述开关元件的电荷，所述开关元件是压控开关元件；以及限制单元，用于在充电处理时段内，在所述恒流控制开始后将所述开关元件的开/关控制端子与所述开关元件的电流流动路径的两端中的第一端之间的电压限制成参考电压达预定时段，其中，在所述充电处理时段期间所述开/关控制端子被充以所述电荷使得所述开关元件被接通。
在以上公开内容中，由于开关元件的开/关控制端子与电流流动路径中的两端的任何一端之间的电势差变大，因此能够在开关元件中流动的电流变大。由此，如果限制电势差，那么可以限制在开关元件中流动的电流。据此，在以上公开内容中，电势差被限制为参考电压。这可以避免与切换到开关元件的接通状态相关联地过大电流在开关元件中流动的情形。
在驱动电路中，所述限制单元可以基于如下条件来开始进行限制：在用于接通所述开关元件的命令的输入时刻之后，至少两个物理量与所述命令相关联地变化。
在以上公开内容中，通过多个条件来配置用于预定时段的开始的条件。与通过单个条件配置该条件相比，这可增大在判断是否满足开始条件时的抗噪性。
在驱动电路中，所述物理量可以包括所述开关元件的开/关控制端子与所述两端中的第一端之间的电压的检测值，而所述条件可以包括如下条件：所述检测值等于或大于比零大的规定值物理量可以包括开关元件的开/关控制端子与两端中的第一端之间的电压的检测值，以及条件可以包括检测值等于或大于比零大的规定值这样的条件。
在驱动电路中，所述恒流控制可以单元包括：恒流电阻器和恒流开关元件的串联连接，所述串联连接被连接在所述开/关控制端子与直流电压源之间；以及操作单元，所述操作单元操作所述开关元件的开/关控制端子，使得所述恒流电阻器上的压降量被控制到目标值，而所述物理量可以包括以下中的至少一个：所述开关元件的开/关控制端子上的电压、所述恒流电阻器的两端之间的压降量、以及所述恒流开关元件的输入端子和输出端子上的电势。
在驱动电路中，所述物理量可以包括所述开关元件(S＊#)的开/关控制端子与所述两端中的第一端之间的电压的检测值，而所述条件可以包括如下条件：所述检测值等于或小于规定值。
在驱动电路中，所述物理量可以包括所述开关元件的操作信号，而所述条件可以包括如下条件：所述操作信号变成用于接通所述开关元件的命令。
在驱动电路中，所述限制单元可以基于如下条件来开始进行限制：在用于接通所述开关元件的命令的输入时刻之后，至少两个物理量与所述命令相关联地变化。
驱动电路还可以包括：电流检测单元，用于检测在所述开关元件中流动的电流；以及禁止单元，用于在由所述电流检测单元检测到的电流等于或大于阈值电流的情况下，禁止所述限制单元在经过所述预定时段之后解除所述限制单元的限制。
在以上公开内容中，在开关元件中流动的电流等于或大于阈值电流的异常情况下，禁止限制单元解除其限制。这能可靠地避免开关元件中流动的电流进一步变大的情况。
驱动电路还可以包括：电流检测单元，用于检测在所述开关元件中流动的电流；以及故障安全单元，用于在由所述电流检测单元检测到的电流等于或大于阈值电流的情况下，强制断开所述开关元件。
在以上公开内容中，在开关元件中流动的电流等于或大于阈值电流的异常情况下，强制关断开关元件。这能可靠地避免开关元件中流动的电流进一步变大的情况。
在驱动电路中，所述参考电压被设置成大于所述开关元件的开/关控制端子与所述两端中的第一端之间的电压，其中，与所述电压相关联的饱和电流是在所述开关元件的正常驱动时允许在所述开关元件中流动的最大电流。
在驱动电路中，所述限制单元可以包括齐纳二极管和钳位开关元件的串联连接，所述串联连接位于所述开关元件的开/关控制端子与所述两端中的第一端之间。
附图说明
在附图中：
图1是示出了根据本发明第一实施例的系统的配置的示意图；
图2是示出了根据第一实施例的驱动单元的电路配置的电路图；
图3是示出了根据第一实施例的驱动单元的接通操作处理的过程的流程图；
图4是示出了根据第一实施例的驱动单元的接通操作处理的状态的时序图；
图5是示出了根据本发明第二实施例的驱动单元的接通操作处理的过程的流程图；
图6是示出了根据本发明第三实施例的驱动单元的接通操作处理的过程的流程图；
图7是示出了根据本发明的变体的驱动单元的电路配置的电路图；
图8是示出了根据变体的驱动单元的接通操作处理的过程的流程图；
图9是示出了使限制单元的限制继续的预定时段的设置的时序图；
图10是示出了根据实施例的另一变体的驱动电路的电路配置的电路图。
具体实施方式
下文中，参照附图描述了根据本发明的用于开关元件的驱动电路的一些实施例。
(第一实施例)
下文中参照图1至图4描述了第一实施例。在第一实施例中，根据本发明的用于开关元件的驱动电路被应用于与安装在车辆上的车辆的主机(main machine)相连接的功率转换电路。
图1是示出了根据本发明的用于车辆的主机的控制系统(电机系统)的总体配置的图。电动发电机10是与车辆的驱动轮(未示出)机械地连接的车辆的主机。电动发电机10也通过逆变器INV和升压转换器(step upconverter，也称为boost converter)CNV连接至高电压电池12，逆变器INV和升压转换器CNV组成功率转换电路。
升压转换器CNV包括电容器C、一对开关元件Scp和Scn以及电抗器L。一对开关元件Scp、Scn并联连接至电容器C。电抗器L将一对开关元件Scp、Scn的连接点连接至高电压电池12的正极。当接通/断开开关元件Scp、Scn时，以预定电压(例如666V)为上限，使高电压电池的电压(例如100V或更多)升高。
逆变器INV包括串联连接的开关元件Sup和Sun、串联连接的开关元件Svp和Svn、以及串联连接的开关元件Swp和Swn。这些串联连接各自的连接点被连接至电动发电机10的相应的U相、V相和W相。在本实施例中，使用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为这些开关元件S＊#(＊＝u、v、w、或c；#＝p或n)。开关元件S＊#与相应的二极管(续流二极管)D＊#反并联连接。
控制单元18是使用低电压电池16作为电源的控制单元，并且控制电动发电机10。控制单元18操作逆变器INV和升压转换器CNV，以合乎期望地控制电动发电机10的受控变量。具体地，控制单元18向驱动单元DU输出操作信号gcp、gcn，以分别控制升压转换器CNV的开关元件Scp、Scn。此外，控制单元18向驱动单元DU输出操作信号gup、gun、gvp、gvn、gwp和gwn，以分别控制逆变器INV的开关元件Sup、Sun、Svp、Svn、Swp和Swn。高电势侧操作信号g＊p与对应的低电势侧操作信号g＊n互补。换句话说，高电势侧开关元件S＊p和对应的低电势侧开关元件S＊n被交替地接通。
包括高电压电池12的高电压系统与包括低电压电池16的低电压系统彼此绝缘。在这些系统之间，通过包括诸如光耦合器的绝缘元件的接口14来发送/接收信号。
图2是示出了驱动单元DU中的一个驱动单元的配置的电路图。
如图2中示出的，驱动单元DU包括驱动集成电路(IC)20，驱动集成电路20是被设计用于单片机的半导体集成电路。驱动IC 20包括具有端电压VH的DC(直流)电压源22。DC电压源22的端子通过端子T1、恒流电阻器24、端子T2、p沟道MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)(恒流开关元件26)和端子T3而连接至开关元件S＊#的栅极(开/关控制端子)。
另一方面，开关元件S＊#的栅极通过栅极电阻器30、端子T4、和n沟道MOSFET(放电开关元件32)而连接至端子T5。端子T5连接至开关元件S＊#的输出端子(发射极)。
通过驱动IC 20中的驱动控制部34来操作恒流开关元件26和放电开关元件32。具体地，驱动控制部34基于通过端子T6输入的操作信号g＊#来交替地接通/断开恒流开关元件26和放电开关元件32，从而驱动开关元件S＊#。更具体地，当操作信号g＊#是接通命令时，驱动控制部34断开放电开关元件32并接通恒流开关元件26。另一方面，当操作信号g＊#是断开命令时，驱动控制部34断开恒流开关元件26并接通放电开关元件32。
在接通恒流开关元件26的时段内，对施加给开/关控制端子(栅极)的电压进行操作，使得恒流电阻器24的压降量(端子T2的电压Vm)被控制为指定值。这样，使得在恒流电阻器24中流动的电流是恒定的。另外，可以在恒流控制下对开关元件S＊#的栅极进行充电。
在使用恒流开关元件26的恒流控制下，开关元件S＊#的栅极电压收敛在直流(DC)电压源22的端电压VH上。当栅极电压近似于变换值时，恒流控制的可控性被降低。其原因如下。具体地，栅极电压Vge将具有等于或大于通过从端电压VH中减去恒流电阻器24的压降量和恒流开关元件26的最小压降量而获得的值的值。然后，取决于由恒流开关元件26进行的栅极电压控制，恒流电阻器24的压降量不再能被控制为指定值。因此，将端电压VH被设置成直到如下的栅极电压为止都不会降低恒流控制的可控性的值：与该栅极电压相关联的饱和电流是在开关元件S＊#的正常驱动时在开关元件S＊#中流动的电流的最大值。
此外，端子T4通过串联连接的齐纳(Zener)二极管40和钳位开关元件42连接至端子T5。齐纳二极管40具有如下的击穿电压：该击穿电压将开关元件S＊#的栅极电压限制到不会有过大电流在开关元件S＊#中流动的程度。
此外，端子T4通过软关断(soft shutdown)电阻器44和软关断开关元件46连接至端子T5。
另一方面，开关元件S＊#包括感测端子St。感测端子St输出与在开关元件S＊#的输入端子(集电极)和输出端子(发射极)之间流过的电流(集电极电流)具有相关性的微小电流。此外，感测端子St通过串联连接的电阻器48、50而电连接至开关元件S＊#的发射极。因此，从感测端子St输出的电流引起电阻器50的压降。电阻器50的压降量可被视为与在开关元件S＊#的输入端子和输出端子之间流过的电流具有相关性的电气状态参量(electrical state q uantity)。
电阻器50的压降(电阻器48和电阻器50的连接点处的电压Vsd)通过端子T7被施加给比较器52的非反相输入端子。另一方面，参考电源54的参考电压Vref被施加给比较器52的反相输入端子。这样，当在开关元件S＊#的集电极与发射极之间流过的电流变为等于或大于过电流阈值Ith时，比较器52的输出信号被从逻辑“L(低电平)”逆变到逻辑“H(高电平)”。
从比较器52输出的表示逻辑“H”的信号被施加给钳位开关元件42，同时也被施加给延迟电路56。在向延迟电路56输入表示逻辑“H”的信号达预定时段情况下，延迟电路56输出故障信号FL。故障信号FL接通软关断开关元件46以强制断开开关元件S＊#，或者，故障信号FL命令驱动控制部34停止恒流开关元件26和放电开关元件32的驱动。
在以上陈述的配置的情况下，当过电流流过开关元件S＊#时，钳位开关元件42被首先接通以接通齐纳二极管40，从而降低开关元件S＊#的栅极电压。因此，可以限制在开关元件S＊#中流动的电流(集电极电流)。此后，在过电流继续了预定时段的情况下，软关断开关元件46被接通。
当软关断开关元件46被接通时，开关元件S＊#的电荷通过软关断电阻器44和栅极电阻器30而被放电。这里，软关断电阻器44增大了放电路径的电阻。增大该电阻是基于避免在集电极电流过大的条件下的不当浪涌的概念。具体地，在这样的条件下，当开关元件S＊#从接通状态到断开状态的切换速度增大时、或当集电极与发射极之间的关断速度增大时，将引起不当浪涌。因此，如果集电极电流可能变得等于或大于过电流阈值Ith，则使开关元件S＊#的栅极通过如下路径来放电：该路径的电阻大于包括栅极电阻器30和放电开关元件32的放电路径的电阻。
在本实施例中，包括钳位开关元件42和齐纳二极管40的钳位电路具有被设置成如下值的钳位电压：该值用于将开关元件S＊#中流动的电流限制为不大于指定值(≥过电流阈值Ith)。由此，当与栅极电压相关联的饱和电流是在开关元件S＊#的正常驱动时在开关元件S＊#中流动的最大电流的时候，钳位电压变得高于该栅极电压。
故障信号FL通过端子T8被输出给低电压系统(控制单元18)。当接收到故障信号FL时，图1中示出的故障处理部14a关断逆变器INV和升压转换器CNV。故障处理部14a可以具有诸如在JP-A-2009-060358的图3中示出的配置。
当高电势侧和低电势侧中的一侧的开关元件S＊#被接通时，如果高电势侧和低电势侧中的另一侧(反向臂侧)的开关元件S＊#被保持在接通状态，则短路电流在其中流动，这会过度增大在开关元件S＊#中流动的电流。这种异常情况可以通过被接通的钳位开关元件42来解决。然而，由于当钳位开关元件42变为处于接通状态时发生的响应延迟，过大的电流会暂时在开关元件S＊#中流动。在本实施例中，以图3中示出的方式进行到开关元件S＊#的接通状态的切换。
图3示出了根据本实施例的开关元件S＊#的接通操作处理的过程。由驱动控制部34以预定间隔重复执行该处理。
在图3的一系列步骤中，首先，在步骤S10处，在用于要被驱动的开关元件S＊#的操作信号g＊#从断开操作命令切换成接通操作命令之后，驱动控制部34判断栅极与发射极之间的电压Vge是否变得等于或大于规定电压V1(V1＞0)。该处理的目的是要判断用于接通钳位开关元件42的操作处理的开始时刻。这里，为了增大开始时刻时的抗噪性，开始时刻未被设置成操作信号g＊#从断开操作命令切换成接通操作命令时的时刻，而是基于多个条件。优选地，规定电压V1比开关元件S＊#被接通情况下的阈值电压Vth低。
如果步骤S10中的判断是肯定的(“是”)，则在步骤S12处，驱动控制部34进行用以接通钳位开关元件42的接通操作处理，并进行定时器操作处理以通过计数器T测量钳位开关元件42接通的时间。随后，在步骤S14处，驱动控制部34判断是否输出了故障信号FL。该处理的目的是要判断是否由于接通开关元件S＊#而导致过大电流在开关元件S＊#中流动。如果步骤S14中的判断是否定的(“否”)，则在步骤S16处，驱动控制部34判断计数器T是否等于或大于阈值时间Tth。这里，将阈值时间Tth设置成等于或大于基于施加至端子T7的电压Vsd而要求的、在异常情况时故障信号FL要输出的时间，其中在该异常情况下，与切换到开关元件S＊#的接通状态相关联地过大电流在开关元件S＊#中流动。如果步骤S16中的判断是否定的(“否”)，则驱动控制部34进行到步骤S12。另一方面，如果步骤S16中的判断是肯定的(“是”)，则驱动控制部34进行到步骤S18，然后进行用以断开钳位开关元件42的断开操作处理。这基于如下事实：如果在阈值时间Tth内未输出故障信号FL，则能够判断出不存在过大电流在开关元件S＊#中流动的异常情况。
如果步骤S14中的判断是肯定的(“是”)，则在步骤S20处，驱动控制部34确认故障信号FL被逆变成逻辑“H”，随后进行用以断开钳位开关元件42的断开操作处理。就是说，如果输出了故障信号FL(逆变成逻辑“H”)，则将软关断开关元件46控制为接通。由此，驱动控制部34基于故障信号FL被逆变成逻辑“H”的事实来确认软关断开关元件46的操作，随后进行用以断开钳位开关元件42的断开操作处理。当输出故障信号时，异常情况被通知给控制单元18，而逆变器INV和升压转换器CNV被关断。
图4示出了根据本发明的用于接通和断开开关元件S＊#的切换处理。在图4中，(a1)至(f1)示出了正常状态的情况，其中，(a1)是恒流开关元件26的操作状态的演变，(b1)是放电开关元件32的操作状态的演变，(c1)是开关元件S＊#的栅极与发射极之间的电压(栅极电压Vge)的演变，(d1)是钳位开关元件42的操作状态的演变，(e1)是电阻器50的压降量(电压Vsd)的演变，而(f1)是软关断开关元件46的操作状态的演变。
如在图4的(a1)至(f1)中示出的，当栅极电压Vge根据恒流开关元件26的接通操作而增大到规定电压V1时，控制钳位开关元件42接通。由此，栅极电压Vge(如图4的(c1)中示出的，该栅极电压Vge随后增大并超过阈值电压Vth，然后在所谓的“米勒时段(Miller period)”Tm内保持基本上恒定，随后进一步增大)被限制成钳位电压Vc，该钳位电压Vc处于齐纳二极管40中的击穿电压的量级。随后，当阈值时间Tth过去，控制钳位开关元件42断开。
相比之下，图4的(a2)至(f2)示出了异常(短路状态)的情况，其中，过大电流可能在开关元件S＊#中流动。在图4中，(a2)至(f2)对应于(a1)至(f1)。
如在图4的(a2)至(f2)中示出的，开关元件S＊#的栅极电压Vge超过阈值电压Vth，并且随后未经过米勒时段Tm就急剧增大到钳位电压Vc。由于钳位开关元件42被控制为接通，所以栅极电压Vge未超过钳位电压Vc。然后，当电压Vsd超过参考电压Vref时，控制软关断开关元件46接通，然后控制开关元件S＊#断开。
根据以上具体描述的本实施例，获得了以下优点：
(1)当开关元件S＊#被接通时，栅极电压Vge被限制成与齐纳二极管40中的击穿电压相似的钳位电压Vc。这可以减少如下情形的发生：在该情形下，伴随着切换到开关元件S＊#的接通状态，过大电流在开关元件S＊#中流动。
(2)用于接通钳位开关元件42的处理的开始时刻被设置成在操作信号g＊#切换成接通操作命令之后、栅极电压变为等于或大于规定电压V1时的时刻。与开始时刻被设置成操作信号g＊#切换成接通操作命令的时刻的情况相比，可以增加用于设置开始时刻的条件的数目，从而可以增大开始时刻时的抗噪性。这可以减少以下情形的发生：在该情形下，因为由于噪声而导致错误地提早设置开始时刻并且使阈值时间Tth过去的时刻较早，所以钳位开关元件42被控制为提早接通。
(3)如果伴随着切换到开关元件S＊#的接通状态，在开关元件S＊#中流动的电流等于或大于过电流阈值Ith，则钳位开关元件42的断开操作被禁止。这能够可靠地避免在开关元件S＊#中流动的电流变得较大的情形。
(4)如果伴随着切换到开关元件S＊#的接通状态，在开关元件S＊#中流动的电流等于或大于过电流阈值Ith，则钳位开关元件42的断开操作被强制禁止。这能够适当地消除过大电流在开关元件S＊#中流动的情形。
(第二实施例)
在下文中，参照图5来集中于与第一实施例的差异而对第二实施例进行描述。为了省略不必要的说明，在第二实施例以及后续实施例中对与第一实施例中相同或相似的部件赋予相同的附图标记。
图5示出了根据本发明的开关元件S＊#的接通操作处理的过程。由驱动控制部34以预定间隔重复执行该处理。
在图5的一系列步骤中，在步骤S10a处，在用于要被驱动的开关元件S＊#的操作信号g＊#从断开操作命令切换成接通操作命令之后，驱动控制部34判断恒流控制是否开始，以判断是否存在将钳位开关元件42控制为接通的时段的开始时刻。这里，判断恒流控制是否开始的处理可以例如基于施加给恒流开关元件26的栅极电压的变化、恒流电阻器24两端的电压的变化、以及恒流开关元件26的漏极电势的变化等等来进行判断。
根据该配置，可以基于实际执行了切换到开关元件S＊#的接通状态这一事实来设置用于接通钳位开关元件42的开始时刻。
(第三实施例)
在下文中，参照图6来集中于与第一实施例的差异而对第三实施例进行描述。
图6示出了根据本发明的开关元件S＊#的接通操作处理的过程。由驱动控制部34以预定间隔重复执行该处理。
在图6的一系列步骤中，在步骤S10b处，驱动控制部34判断两个条件(x1)和(x2)的逻辑与是否为真，以判断是否存在将钳位开关元件42控制为接通的时段的开始时刻，其中(x1)是用于要被驱动的开关元件S＊#的操作信号g＊#从断开操作命令切换成接通操作命令，而(x2)是栅极电压Vge等于或小于预定电压(V2＜Vth)。这里，栅极电压Vge等于或小于预定电压(V2＜Vth)的条件(x2)的目的是，防止驱动控制部34由于操作信号g＊#覆盖有噪声而在操作信号g＊#不可能是接通操作命令的时刻将操作信号g＊#错误识别为接通操作命令。
(变体)
可以如下修改并实现以上描述的实施例。
“接通钳位开关元件的预定时段的开始点”不限于以上实施例中例示的时刻点，而可以例如是两个条件(y1)和(y2)的逻辑与为真的时刻点，其中(y1)是检测到恒流控制的开始，而(y2)是栅极电压Vge等于或小于预定电压V2。
预定时段的开始点不限于多个条件的逻辑与为真的时刻点，而可以例如是操作信号g＊#切换成接通操作命令的时刻点。
至于“禁止单元”，在切换到开关元件S＊#的接通状态之后、过电流因此在开关元件S＊#中流动的条件下，如果所要求的故障信号FL要输出的时间短于阈值时间Tth，则由于无论如何均可防止开关元件S＊#中流动的过电流，所以不必使用禁止单元。
至于“故障安全”单元，例如，如果不存在用于通过故障信号FL关断逆变器INV和转换器CNV的功能，则，例如当继续车辆的给定疏散操作时，将软关断开关元件46保持在接通状态下。在此情况下，代替始终将软关断元件46保持在接通状态下，优选的是通过电阻器值比包括放电开关元件32和栅极电阻器30的放电路径的电阻器值小的电阻器来始终连接开关元件S＊#的栅极和发射极。这可以通过在驱动IC 20外部包括用于连接开关元件S＊#的栅极和发射极的开关元件来实现。
“限制单元”不限于包括齐纳二极管40和钳位开关元件42的钳位电路，而可以例如是使用彼此串联连接的多个二极管而非齐纳二极管40来产生钳位电压Vc的电路。
例如，如在图7中示出的，可以通过操作n沟道MOSFET(钳位开关元件60)将开关元件S＊#的栅极电压Vge控制成钳位电压Vc。图7示出了一个示例，其中，(i)运算放大器62的输出电压被施加给钳位开关元件60的栅极，(ii)钳位电压Vc被施加给钳位开关元件60的反相输入端子，并且(iii)开关元件S＊#的栅极电压Vge通过端子T9被施加给钳位开关元件60的非反相输入端子。这里，通过电源开关元件66来接通和断开给运算放大器62的馈电。
图8示出了由图7中示出的驱动控制部34执行的处理的过程。在图8中，为了省略不必要的说明，对与图3中相同或相似的处理赋予相同的附图标记。
在图8中的一系列步骤中，如果步骤S10中的判断是肯定的(“是”)，则在步骤S12a处，驱动控制部34执行用于接通电源开关元件66的接通操作处理，并开始通过计数器T进行的定时器操作。随后，在步骤S14a处，驱动控制部34判断电压Vsd等于或大于参考电压Vref的时间是否继续了关断阈值时间TthF。该处理的目的是要判断是否将软关断开关元件46控制为接通。如果步骤S14a中的判断是肯定的(“是”)，则在步骤22处，驱动控制部34执行用于接通软关断开关元件46的接通操作处理，并且随后在步骤S20a处，在故障信号FL从逻辑“H”逆变成逻辑“L”之后执行用于断开电源开关元件66的断开操作处理。如果步骤S16中的判断是肯定的(“是”)，则驱动控制部34进行到步骤S18a，然后执行用于断开电源开关元件66的断开操作处理。
作为“继续限制单元的限制的预定时段”，在第一实施例中，在与切换到开关元件S＊#的接通状态相关联地过大电流在开关元件S＊#中流动的异常情况下，将阈值时间Tth设置成等于或大于基于施加给端子T7的电压Vsd而要求的、故障信号FL要输出的时间，但是阈值时间Tth不限于此。优选地，将阈值时间Tth设置成比对应于接通软关断开关元件46这一条件的过电流的持续时间更长的时间。
图9示出了图7和图8中的示例的情况。在图9中，阈值时间Tth比关断阈值时间TthF长。如在图9中示出的，设置钳位电压Vc，使得Imax、Vce与TthF的乘积等于或小于Qth(Imax×Vce×TthF≤Qth)，其中，Imax是能够在开关元件S＊#中流动的最大电流，Vce是集电极-发射极电压，TthF是关断阈值时间，并且Qth是可允许的最大热生成量。
至于“用于监控栅极电压Vge的方法”，在图7中，可以基于如在图2中示出的恒流开关元件26与开关元件S＊#(端子T3)之间的电势来监控栅极电压Vge。如在图7中示出的，如果驱动IC 20单独设置有用于监控栅极电压Vge的端子T10，则驱动IC 20更通用。例如，如果增加由单个驱动单元DU驱动的开关元件S＊#的数目，则包含在驱动IC 20中的恒流开关元件26可能在额定电流和耐热性能等方面存在不足。
图10示出了设置有外部恒流开关元件27的驱动单元DU的其他示例。在驱动单元DU中，嵌入在驱动IC 20中的恒流开关元件26被用于驱动外部恒流开关元件27。这使驱动IC 20能够更通用。在该情况下，开关元件S＊#的端子T3和发射极被短路，因此端子T3未被用于监控栅极电压Vge。对于更通用的驱动IC 20，优选包括端子T3。
“要被驱动的开关元件”不限于IGBT，功率MOSFET可以是可用的。功率MOSFET不仅可以是n沟道MOSFET，而且可以是p沟道MOSFET。然而，在此情况下，当相对于电流流动路径的任何一端的电势(源极电势)而降低开/关控制端子的电势(栅极电势)时，接通每个功率MOSFET。因此，当“负”电荷被充至栅极时，接通要被驱动的每个开关元件。
包括要被驱动的开关元件的“功率转换电路”是DC转换电路(逆变器INV)和转换器CNV，其中，DC转换电路(逆变器INV)包括高电势侧开关元件和低电势侧开关元件，以将旋转电机(rotary machine)的端子选择性地连接至DC电源的正极和负极，而转换器CNV包括高电势侧开关元件和低电势侧开关元件。对此作为替选，转换电路可以是降压转换器，该降压转换器用于降低高压电池12的要施加给低压电池16的电压。此外，在该情况下，如果降压转换器设置有串联连接的高电势侧开关元件和低电势侧开关元件，则切换到开关元件S＊#的接通状态可能使快速的、过大的电流更容易在开关元件S＊#中流动。由此，特别提高了过电流保护功能的实用价值。
在图2中，优选地，使齐纳二极管40的阴极和开关元件S＊#的栅极短路而非通过栅极电阻器30，使得以高精度控制钳位电压。
电动发电机10不限于车辆的主机，而可以是安装在串联式混合动力车辆(Series Hybrid Vehicle)中的发电机。
可以在不脱离本发明的精神的情况下以若干其他形式实施本发明。因此，到目前为止描述的实施例和变体意在仅是说明性的而非限制性的，这是由于本发明的范围是由所附权利要求而非由说明书来限定。因此，权利要求意在包括落入权利要求的界限或边界或者落入这些界限或边界的等同的所有变化。

Claims (18)

1.一种用于开关元件的驱动电路，包括：
恒流控制单元，用于进行恒流控制，所述恒流控制用于对要被驱动的开关元件的开/关控制端子充以用于接通所述开关元件的电荷，所述开关元件是压控开关元件；以及
限制单元，用于在充电处理时段内，在所述恒流控制开始后将所述开关元件的开/关控制端子与所述开关元件的电流流动路径的两端中的第一端之间的电压限制成参考电压达预定时段，其中，在所述充电处理时段期间所述开/关控制端子被充以所述电荷使得所述开关元件被接通。
2.根据权利要求1所述的驱动电路，其中，
所述限制单元基于如下限制条件来开始进行限制：在用于接通所述开关元件的命令的输入时刻之后，至少两个物理量与所述命令相关联地变化。
3.根据权利要求2所述的驱动电路，其中，
所述物理量包括所述开关元件的开/关控制端子与所述两端中的第一端之间的电压的检测值，以及
所述限制条件包括如下条件：所述检测值等于或大于比零大的规定值。
4.根据权利要求2所述的驱动电路，其中，
所述恒流控制单元包括：恒流电阻器和恒流开关元件的串联连接，所述串联连接被连接在所述开/关控制端子与直流电压源之间；以及操作单元，所述操作单元操作所述开关元件的开/关控制端子，使得将所述恒流电阻器上的压降量控制到目标值，以及
所述物理量包括以下中的至少一个：所述开关元件的开/关控制端子上的电压、所述恒流电阻器的两端之间的压降量、以及所述恒流开关元件的输入端子和输出端子上的电势。
5.根据权利要求2所述的驱动电路，其中，
所述物理量包括所述开关元件的开/关控制端子与所述两端中的第一端之间的电压的检测值，以及
所述限制条件包括如下条件：所述检测值等于或小于规定值。
6.根据权利要求3所述的驱动电路，其中，
所述物理量包括所述开关元件的操作信号，以及
所述限制条件包括如下条件：所述操作信号变成用于接通所述开关元件的命令。
7.根据权利要求1所述的驱动电路，其中，
所述限制单元基于如下条件来开始进行限制：所述开关元件的开/关控制端子与所述两端中的第一端之间的电压的检测值等于或大于比零大的规定值。
8.根据权利要求1所述的驱动电路，还包括：
电流检测单元，用于检测在所述开关元件中流动的电流，以及
禁止单元，用于在由所述电流检测单元检测到的电流等于或大于阈值电流的情况下，禁止所述限制单元在经过所述预定时段之后解除所述限制单元的限制。
9.根据权利要求1所述的驱动电路，还包括：
电流检测单元，用于检测在所述开关元件中流动的电流，以及
故障安全单元，用于在由所述电流检测单元检测到的电流等于或大于阈值电流的情况下，强制断开所述开关元件。
10.根据权利要求9所述的驱动电路，其中，
在检测到的电流等于或大于阈值电流的状态持续了规定时间的情况下，所述故障安全单元强制断开所述开关元件，以及
所述预定时段被设置成比所述规定时间长的时间。
11.根据权利要求1所述的驱动电路，其中，
所述参考电压被设置成大于所述开关元件的开/关控制端子与所述两端中的第一端之间的电压，其中，与所述电压相关联的饱和电流是在所述开关元件的正常驱动时允许在所述开关元件中流动的最大电流。
12.根据权利要求11所述的驱动电路，还包括：
电流检测单元，用于检测在所述开关元件中流动的电流，以及
故障安全单元，用于在检测到的电流等于或大于阈值电流的状态持续了规定时间的情况下，强制断开所述开关元件，其中，
将所述参考电压设置成使得当所述开关元件的开/关控制端子与所述两端中的第一端之间的电压被设置成所述参考电压时，由于能够在所述开关元件中流动的最大电流流动了所述规定时间而生成的热生成量等于或小于可允许的最大热生成量。
13.根据权利要求1所述的驱动电路，其中，
所述限制单元包括：
钳位开关元件，所述钳位开关元件位于所述开关元件的开/关控制端子与所述两端中的任何一端之间；以及
操作单元，所述操作单元对施加给所述钳位开关元件的开/关控制端子的电压进行操作，使得将所述钳位开关元件与所述开关元件的开/关控制端子之间的电势控制到所述参考电压。
14.根据权利要求1所述的驱动电路，其中，
所述限制单元包括齐纳二极管和钳位开关元件的串联连接，所述串联连接位于所述开关元件的开/关控制端子与所述两端中的第一端之间。
15.一种用于开关元件的驱动方法，包括：
在恒流控制单元处进行恒流控制，所述恒流控制用于对要被驱动的开关元件的开/关控制端子充以用于接通所述开关元件的电荷，所述开关元件是压控开关元件；以及
在充电处理时段内，在所述恒流控制开始后在限制单元处将所述开关元件的开/关控制端子与所述开关元件的电流流动路径的两端中的第一端之间的电压限制成参考电压达预定时段，其中，在所述充电处理时段期间所述开/关控制端子被充以所述电荷使得所述开关元件被接通。
16.一种功率转换电路，包括：
开关元件；以及
驱动电路，用于驱动所述开关元件，其中，
所述驱动电路包括：
恒流控制单元，用于进行恒流控制，所述恒流控制用于对要被驱动的开关元件的开/关控制端子充以用于接通所述开关元件的电荷，所述开关元件是压控开关元件，以及
限制单元，用于在充电处理时段内，在所述恒流控制开始后将所述开关元件的开/关控制端子与所述开关元件的电流流动路径的两端中的第一端之间的电压限制成参考电压达预定时段，其中，在所述充电处理时段期间所述开/关控制端子被充以所述电荷使得所述开关元件被接通。
17.一种用于车辆的电机系统，包括：
电动发电机，所述电动发电机是安装在所述车辆上的主机；
电池，用于供应直流电压；以及
功率转换电路，用于将来自所述电池的直流电压转换成交流电压并将所述交流电压供应给所述电动发电机，所述功率转换电路包括开关元件和用于驱动所述开关元件的驱动电路，其中，
所述驱动电路包括：
恒流控制单元，用于进行恒流控制，所述恒流控制用于对要被驱动的开关元件的开/关控制端子充以用于接通所述开关元件的电荷，所述开关元件是压控开关元件，以及
限制单元，用于在充电处理时段内，在所述恒流控制开始后将所述开关元件的开/关控制端子与所述开关元件的电流流动路径的两端中的第一端之间的电压限制成参考电压达预定时段，其中，在所述充电处理时段期间所述开/关控制端子被充以所述电荷使得所述开关元件被接通。
18.根据权利要求17所述的电机系统，其中，
所述功率转换电路包括：
转换器，用于在经由所述驱动电路对所述开关元件进行的驱动控制下，将来自所述电池的直流电压转换成预定直流电压，以及
逆变器，用于在经由所述驱动电路对所述开关元件进行的驱动控制下，将来自所述转换器的预定直流电压转换成所述交流电压。
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