CN104094509A - 半导体开关元件的驱动电路以及使用该驱动电路的电力转换电路 - Google Patents

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Abstract

在电力转换电路中应用宽带隙半导体的肖特基势垒二极管时，切实地减少振铃。具备栅极电压上升电路(11a)，其在上下桥臂中的一方桥臂中的半导体开关元件的栅极电压从断开时的值开始上升直到达到接通时的值的期间，使上下桥臂中的另一方桥臂中的所述半导体开关元件的栅极电压，从断开时的值开始变为比该断开时的值大的值，在预定期间，控制为比断开时的值大的值。

Description

半导体开关元件的驱动电路以及使用该驱动电路的电力转换电路
技术领域
本发明涉及使用宽带隙半导体的肖特基势垒二极管的电力转换电路中的半导体开关元件的驱动电路。
背景技术
近年来，作为与硅(Si)相比带隙大的宽带隙半导体材料，碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等引起关注。由于这些宽带隙半导体材料拥有比Si高10倍的高绝缘破坏电场强度，在以宽带隙半导体材料作为基材的半导体元件中可将用于确保耐压的漂移层的厚度减薄到Si的1/10左右。因此，可以实现半导体元件的低导通电压化。由此，即便在Si中只能使用双极元件的高耐压领域，在SiC等宽带隙半导体元件中也可以使用单极元件，结果能够进行高速开关。
以下对作为宽带隙半导体的代表的SiC进行叙述，其他的宽带隙半导体也是一样的。
在逆变器等电力转换电路中使用的功率半导体模块中，与半导体开关元件并联连接有回流用二极管。在以往的功率半导体模块中，作为回流用二极管使用Si-PiN二极管。Si-PiN二极管是双极型半导体元件，在通过正向偏压进行大电流通电时，通过电导调制，电压降降低。但是，PiN二极管具有在从正向偏压状态至逆偏压状态的过程中，由于电导调制而残留在PiN二极管中的载流子发生反向恢复电流的特性。在Si的PiN二极管中，由于残留的载流子的寿命长，所以反向恢复电流变大。因此，由于该反向恢复电流，半导体开关元件接通时的损失(Eon)、二极管反向恢复时发生的恢复损失变大。
接下来，说明反向恢复电流发生时的二极管的端子电压、电流波形。
图8是表示由作为半导体开关元件的绝缘栅双极晶体管(Insulated GateBipolar Transistor：以下记载为IGBT)以及PiN二极管构成上下桥臂，并且具备各IGBT的驱动电路的现有电力转换电路。图9A以及图9B是对图8的电力转换电路中的反向恢复电流发生时的二极管的端子电压、电流波形进行说明的图。在使用现有的PiN二极管的功率模块的逆变器的主电路中，根据PiN二极管的反向恢复电流衰减时的电流变化(反向恢复di/dt)和主电路的寄生电感L的乘积，施加换向浪涌电压(△Vp＝L×反向恢复di/dt)，当电源电压(E)与浪涌电压(△Vp)的和(E+△Vp)超过IGBT的耐压时，有可能损坏IGBT。为此，提出各种主电路的寄生电感的降低技术与干扰降低技术。
另一方面，肖特基势垒二极管(Schottky Barrier Diode：以下记载为SBD)是单极型半导体元件，由于几乎没有电导调制导致的载流子的产生，所以在逆变电路中使用时，因为反向恢复电流非常小，所以可以减小接通损失与恢复损失。现有的Si由于绝缘破坏电场强度低，所以当通过具有高耐压的构造制造SBD时，通电时产生大的电阻，所以在Si-SBD中耐压200V左右为极限。然而，由于SiC具有Si的10倍的绝缘破坏电场强度，可知能够使高耐压的SBD实用化，降低接通时的损失(Eon)和二极管反向恢复时产生的恢复损失(Err)。
但是，在将SiC-SBD应用于电路时，在自桥臂的半导体开关元件接通时，在对桥臂的二极管的端子上施加电源电压，由于二极管的结电容和主电路的寄生电感而流过共振电流，与PiN二极管相比，存在电压振动和开关时的电压变化率上升的缺点。图10A以及图10B是对应用了SiC-SBD时的二极管的端子电压、电流波形进行说明的图。当电压振动或电压变化率上升时，担心噪声电平上升，电动机绝缘材料劣化，因此需要降低技术。
在应用了PiN二极管的逆变器中，作为浪涌电压的降低方法，具有如下的方式：在二极管的恢复期间中，接通与正在恢复的二极管并联连接的半导体开关元件，瞬间使上下桥臂短路。在此，作为在浪涌电压上升到元件的耐压附近时进行短路动作的方法，提出以下2个方案。
在专利文献1中介绍了检测开关元件的端子电压，在端子电压达到阈值的时刻，使用电流源对栅极电容进行充电，并使之短路的方法。
在专利文献2中提出了在IGBT的集电极端子与栅极端子之间连接齐纳二极管的有源钳位电路中，在发生恢复时对IGBT的栅极进行充电，并使之短路的方法。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：特开2003-218675号公报
专利文献2：特开2005-328668号公报
发明概要
发明解决的课题
与PiN二极管相比，SiC-SBD的电压振动、开关时的电压变化率上升。但是，在现有技术的专利文献1、专利文献2中，仅在浪涌电压上升到元件的耐压附近时有效，当应用了SiC-SBD时，虽然浪涌电压小但电压振动变大，难以抑制。
本发明是考虑上述问题点而提出的，其目的在于提供一种在电力转换电路中应用宽带隙半导体的SBD时，可以切实降低电压振动的半导体开关元件的驱动电路。
解决课题的手段
本发明的半导体开关元件的驱动电路用于控制上下桥臂电路中的半导体开关元件的栅极电压，该上下桥臂电路把以宽带隙半导体材料作为基材的肖特基势垒二极管作为续流二极管并联连接在所述半导体开关元件上，为了解决上述课题，具备栅极电压上升电路，其在上下桥臂中的一方桥臂中的半导体开关元件的栅极电压从断开时的值开始上升直到达到接通时的值的期间，使上下桥臂中的另一方桥臂中的半导体开关元件的栅极电压，从断开时的值开始变为比该断开时的值大的值，在预定期间，控制为比所述断开时的值大的值。
发明效果
在上下桥臂的一方的半导体开关元件中开始流过电流之前，使另一方的桥臂中的半导体开关元件的栅极电压上升，并使上下桥臂短路，由此，能够切实降低在应用了将宽带隙半导体材料作为基材的肖特基势垒二极管的电力转换电路中的电压振动。
附图说明
图1是本发明第一实施例的电力转换电路以及驱动电路。
图2A是表示驱动电路动作的电流电压波形的例子。
图2B是表示驱动电路动作的电流电压波形的例子。
图2C是表示驱动电路动作的电流电压波形的例子。
图2D是表示驱动电路动作的电流电压波形的例子。
图3是驱动电路的详细电路结构的例子。
图4是本发明的其他实施例的电力变换电路以及驱动电路。
图5是本发明的其他实施例的电力变换电路以及驱动电路。
图6是浪涌电压、电压变化率的电流依存性。
图7是本发明的其他实施例的电力变换电路以及驱动电路。
图8是现有的电力转换电路以及驱动电路。
图9A是应用了Si-PiN的电力转换电路的电流、电压波形。
图9B是应用了Si-PiN的电力转换电路的电流、电压波形。
图10A是应用了SiC-SBD的电力转换电路的电流、电压波形。
图10B是应用了SiC-SBD的电力转换电路的电流、电压波形。
具体实施方式
图1表示本发明第一实施例的电力转换电路以及驱动电路。
在本电力转换电路中，作为开关元件将IGBT2a和IGBT2b相互串联连接。IGBT2a和IGBT2b的串联连接电路构成单相的半桥电路，串联连接电路的两端与直流电源1连接，串联连接点与交流输出端子24连接。在IGBT2a以及IGBT2b上，作为续流二极管分别并联连接SiC-SBD3a以及SiC-SBD3b。也就是说，把IGBT2a和SiC-SBD3a的并联电路构成的上桥臂与IGBT2b和SiC-SBD3b的并联电路构成的下桥臂串联连接。上下桥臂的串联连接电路的两端与直流电源1连接，串联连接点与交流输出端子24连接。这里，上桥臂连接在直流电源1的高压侧与交流输出端子24之间，下桥臂连接在交流输出端子24与直流电源1的低压侧之间。
在IGBT2a和IGBT2b上，为了控制栅极电压，分别连接驱动电路31a和驱动电路31b。驱动电路31a具有按照在栅极控制信号端子12a被赋予的开关控制信号对IGBT2a的栅极电压进行控制的栅极电路4a、按照在短路控制信号端子25a被赋予的短路控制信号，使IGBT2a的栅极电压上升，进行短路驱动的栅极电压上升电路11a。同样地，驱动电路31b具有按照在栅极控制信号端子12b被赋予的开关控制信号对IGBT2b的栅极电压进行控制的栅极电路4b、按照在短路控制信号端子25b被赋予的短路控制信号，使IGBT2b的栅极电压上升，进行暂时使桥臂短路的短路驱动的栅极电压上升电路11b。
本实施例的电路转换电路通过分别使用驱动电路31a、31b对IGBT2a、2b进行接通/断开的开关控制，将直流电源1的直流电力转换为交流电力。交流电力从交流输出端子24输出，被提供给与交流输出端子24连接的感应电动机或永磁电动机等负载。另外，在图1中虽然表示了单相的上下桥臂，但实际上，电力转换电路具有负载相数的上下桥臂。例如，在为三相交流电动机时，电力转换电路具备3组上下桥臂的串联连接电路。
图1中，为了说明下面的电路动作，将主电路配线的寄生电感记载为电感5，此外将SiC-SBD3a、3b的结电容记载为电容6a、6b。
图2A～图2D是表示本实施例的驱动电路动作的电流电压波形的例子。用图1的IGBT2a、2b中的哪个接通(从断开迁移到接通)的动作都可以进行说明，这里表示IGBT2b接通的情况。在图2A～图2D中，“上IGBT”表示上桥臂的IGBT即IGBT2a，“上二极管”表示上桥臂的二极管即SiC-SBD3a，“下IGBT”表示下桥臂的IGBT即IGBT2b。另外，Vth表示IGBT2a、2b的栅极阈值电压。另外，图2B的电流波形表示将上桥臂流过的电流，即“上IGBT”流过的电流和“上二极管”流过的电流合并后的电流波形。其中，把在“上二极管”的正向上流动的电流作为正向电流，所以把在“上IGBT”中流过的电流表示为负的电流。
在下IGBT(2b)接通时，流过SiC-SBD3a的电流减少，电流开始流过接通后的下IGBT(2b)。然后，在流过SiC-SBD3a的电流变为零的时刻，SiC-SBD3a断开(从接通迁移到断开)。在为SiC-SBD时，不会流过PiN二极管那样的大的恢复电流，当SiC-SBD3a断开时，通过结电容6a作为电容进行动作。因此，通过在图1的电感5中积蓄的能量，流过LC共振电流，发生振铃。
在本实施例中，在下IGBT(2b)的栅极发射极间电压(以下记载为“栅极电压”)，从开始变化为比断开时的电压大的值开始，即栅极电压开始上升开始，直到达到接通时的栅极电压的期间，利用栅极电压上升电路11a把与断开的SiC-SBD3a并联连接的上IGBT(2a)的栅极电压控制为比断开时的电压大的值。更具体地说，在图2A～2D的情况下，在下IGBT(2b)的栅极电压的值从断开时的负电压变为阈值(Vth)以上的时刻(t1)，使上IGBT(2a)的栅极电压从断开时的负电压向比阈值(Vth)小的正电压增大。然后，SiC-SBD3a的电流几乎为零，当上IGBT(2a)的端子电压即SiC-SBD3a的电压上升时，即使上IGBT(2a)的栅极电压，通过栅极电压上升电路11a被控制为比阈值(Vth)小的正电压，随着SiC-SBD3a的电压上升，即上IGBT(2a)的电压上升，通过流过上IGBT(2a)的栅极电容的位移电流，栅极电压上升到阈值(Vth)以上，上IGBT(2a)接通(t2)。
本实施例中，在下IGBT(2b)中开始流过电流之前，将上IGBT(2a)的栅极电压控制为比断开时大的值，因此在开始流过位移电流的时刻(t2)，可以切实地使上IGBT(2a)的栅极电压为阈值以上。因此，可以切实地抑制振铃。
当上IGBT(2a)接通时，经由上IGBT(2a)流过通过在电感5中积蓄的能量而产生的电流。这里，因为上IGBT(2a)作为电阻成分进行动作，所以能够抑制振铃振动，降低浪涌电压、噪声电平。之后，在下IGBT(2b)的栅极电压达到栅极电源电压的时刻(t3)，将上IGBT(2a)的栅极电压再次控制为断开时的电压。由此，通过接通上IGBT(2a)流过短路电流，因此能够抑制在上IGBT(2a)产生的电力损失以及下IGBT(2b)的接通损失的增大。
在上述实施例中，通过位移电流使栅极电压为阈值以上，接通上IGBT(2a)，但是还可以根据SiC-SBD3a或者上IGBT(2a)的电压，或者下IGBT(2b)的栅极电压，检测开始流动位移电流的时刻，如果开始流动位移电流则通过栅极电压上升电路，在预定期间将上IGBT(2a)的栅极电压设定为阈值(Vth)以上的电压值。
至少在SiC-SBD3a以及上IGBT(2a)，即上桥臂的电压上升的期间，即流过SiC-SBD3a的电流(回流电流)减少为零以后的恢复期间，如果使IGBT2a的栅极电压为阈值以上接通IGBT2a，则能够降低振铃。
下面，在图3中表示图1中记载的驱动电路的详细的电路构成的例子。这里，仅表示出图1的上桥臂以及上桥臂中的IGBT2a的驱动电路31a，下桥臂也是相同的电路构成。
图3的驱动电路31a由栅极电路用开关41a、41b，短路控制用开关42，接通时的栅极电路电源43，断开时的栅极电路电源44，栅极电压上升电路用电源45，接通侧栅极电阻46，断开侧栅极电阻47，栅极电压上升电路用电阻48来构成。当对短路控制信号端子25a赋予了短路控制信号时，短路控制用开关42接通。这时，根据对栅极控制信号端子12a赋予的开关控制信号，栅极电路用开关41a成为断开状态，栅极电路用开关41b成为接通状态。
当短路控制用开关42接通时，将断开时的栅极电路电源44和栅极电压上升电路用电源45串联连接，电流流过断开侧栅极电阻47以及栅极电压上升电路用电阻48。通过该电流，在断开侧栅极电阻47发生电压降，在IGBT2a的栅极上施加断开侧栅极电阻47的端子电压和断开时的栅极电路电源44的电压的相加值，这时的栅极电压成为比断开时的栅极电压大的值。这里，栅极电压的上升量通过断开侧栅极电阻47和栅极电压上升电路用电阻48的分压比进行设定。如此，本实施例中的栅极电压上升电路11a在IGBT2a的栅极施加比栅极阈值电压低的值的正电压。
当IGBT2a的栅极电压成为比断开时的栅极电压大的值，如上所述，通过在电感5中积蓄的能量而产生的电流作为上下桥臂的IGBT2a以及IGBT2b中的短路电流而流过，由此，能够降低通过电感5以及电容6a(SiC-SBD3a的结电容)而产生的共振电流引起的振铃。
之后，根据对短路控制信号端子25a赋予的短路控制信号，短路控制用开关42断开，由此，将IGBT2a的栅极电压再次控制为断开时的电压。由此，如上所述，能够抑制由于短路电流而发生的IGBT2a的电力损失以及IGBT2b接通损失的增大。
在本实施例中，单独设置接通时的栅极电路电源43和栅极电压上升电路用电源45，但也可以是同一电源。另外，作为栅极电路用开关41a、41b和短路控制用开关42，能够使用MOSFET等半导体开关元件。
图4是表示本发明其他实施例的电流转换电路以及驱动电路。以下，说明与上述图1的实施例的不同点。
在本实施例中，通过单触发电路，控制使栅极电压上升电路动作的定时。例如，与图2A～图2D一样，在上桥臂中的SiC-SBD3a进行恢复时，通过驱动电路31a具备的检测电路13a，检测对下桥臂中的IGBT2b的栅极控制信号端子12b赋予的开关信号。根据检测出的开关信号，通过单触发电路17a生成用于使栅极电压上升电路11a动作的控制信号。这样，通过使用单触发电路，能够控制栅极电压的上升期间，能够使栅极电压瞬间上升，因此能够切实降低振铃。
图5表示本发明的其他实施例的电力转换电路以及驱动电路。图6是针对图5的实施例中的SiC-SBD，表示断开后的端子电压的电压变化率以及浪涌电压的开关电流依存性。
如图6所示，开关电流(在接通状态下流过IGBT或SiC-SBD的电流)越大，SiC-SBD断开后的端子电压的电压变化率以及浪涌电压越变大，开关电流越小SiC-SBD断开后的端子电压的电压变化率以及浪涌电压越变小。因此，即使仅在开关电流大的区域使栅极电压上升电路动作，也能够有效抑制电压变化率和浪涌电压的峰值以及振铃。
因此，在图5所示的本实施例中，通过电流传感器50例如电流变压器检测经由交流输出端子24流过负载的电流。驱动电路31a具有的电流检测器21a基于电流传感器50的输出信号，输出与流过负载的电流即开关电流的电流值对应的检测信号。电流比较器22a将电流检测器21a输出的检测信号表示的开关电流的电流值与预先设定的电流阈值进行比较，当判定开关电流的电流值在电流阈值以上时，生成使与短路控制信号端子25a被赋予的短路控制信号对应的栅极电压上升电路11a的动作有效的控制信号。
根据本实施例，当开关电流为预先设定的阈值以上时，栅极电压上升电路进行动作，在有效抑制电压变化率和浪涌电压的峰值以及振铃的同时，还可以抑制栅极电压上升电路的电力损失。
图7表示本发明其他实施例的电力转换电路以及驱动电路。以下，针对与上述图1，图4以及图5的实施例的区别点进行说明。
在本实施例中，使用电流推定电路18来控制栅极电压上升电路，从而取代图5的实施例中的电流传感器以及电流检测器。电流推定电路18基于在栅极控制信号端子12a、12b生成开关信号的控制电路100的电流指令值端子23被赋予的电流指令值，推定开关电流的电流值。驱动电路31a具备的电流比较器22a将电流推定电路18的输出信号表示的开关电流的推定值与预先设定的电流阈值进行比较，当判定开关电流的推定值在电流阈值以上时，生成用于使与短路控制信号端子25a被赋予的短路控制信号对应的栅极电压上升电路11a的动作有效的控制信号。
根据本实施例，通过简单的电路构成，能够在有效抑制电压变化率和浪涌电压的峰值以及振铃的同时，抑制栅极电压上升电路中的电力损失。
作为控制电路100，可以使用现有的脉冲宽度调制控制电路等。
以上，对本发明的实施例进行了详细描述，但本发明不限于上述实施例，在本发明的技术思想的范围内可以采用各种实施方式。例如，作为SBD的基材的半导体材料，除SiC之外，还可以使用GaN、金刚石等具有比Si大的带隙的宽带隙半导体。另外，作为构成电力转换电路的上下桥臂的半导体元件，IGBT之外，还可以使用如MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field EffectTransistor金属氧化物半导体场效应晶体管)或SIT(Static Induction Transistor静电感应晶体管)等电压控制型半导体开关元件。作为半导体开关元件的基材的半导体材料，可以是Si及宽带隙半导体中的任意一个。
符号说明
1  直流电源
2a IGBT(上IGBT)
2b IGBT(下IGBT)
3a，3b SiC-SBD
3A，3B Si-PIN二极管
4a，4b  栅极电路
5  电感
6a，6b  电容(结电容)
11a，11b  栅极电压上升电路
12a，12b  栅极控制信号端子
13a，13b  检测电路
17a，17b  单触发电路
18  电流推定电路
19  控制电路
21a，21b  电流检测器
22a，22b  电流比较器
23  电流指令值端子
24  交流输出端子
25a，25b  短路控制信号端子
31a，31b  驱动电路
41a，41b  栅极电路用开关
42  短路控制用开关
43  接通时的栅极电路电源
44  断开时的栅极电路电源
45  栅极电压上升电路用电源
46  接通侧栅极电阻
47  断开侧栅极电阻
48  栅极电压上升电路用电阻
50  电流传感器

Claims (7)

1.一种半导体开关元件的驱动电路，其用于控制上下桥臂电路中的半导体开关元件的栅极电压，所述上下桥臂电路把以宽带隙半导体材料作为基材的肖特基势垒二极管作为续流二极管并联连接在所述半导体开关元件上，其特征在于，
具备栅极电压上升电路，其在所述上下桥臂中的一方桥臂中的所述半导体开关元件的所述栅极电压从断开时的值开始上升直到达到接通时的值的期间，使所述上下桥臂中的另一方桥臂中的所述半导体开关元件的栅极电压，从断开时的值开始变为比该断开时的值大的值，在预定期间，控制为比所述断开时的值大的值。
2.根据权利要求1所述的半导体开关元件的驱动电路，其特征在于，
所述栅极电压上升电路在所述预定期间，在所述上下桥臂的另一方桥臂中的所述半导体开关元件的所述栅极施加比栅极阈值电压低的值的正电压。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的半导体开关元件的驱动电路，其特征在于，
所述栅极电压上升电路在所述预定期间后，将所述上下桥臂的所述另一方桥臂中的所述半导体开关元件的栅极电压控制为断开时的电压。
4.根据权利要求1～3中的任意一项所述的半导体开关元件的驱动电路，其特征在于，
具有对所述预定期间的时间进行控制的单触发电路。
5.根据权利要求1～4中的任意一项所述的半导体开关元件的驱动电路，其特征在于，
具有检测流过所述半导体开关元件的电流的电流传感器，
在所述电流传感器检测出的电流值在预先设定的电流阈值以上时，使所述栅极电压上升电路的动作有效。
6.根据权利要求1～4中的任意一项所述的半导体开关元件的驱动电路，其特征在于，
具有电流推定电路，其根据用于生成所述开关元件的接通、断开信号的电流指令值信号，推定流过所述半导体开关元件的电流，
在所述电流推定电路推定出的电流值为预先设定的电流阈值以上时，使所述栅极电压上升电路的动作有效。
7.一种电力转换电路，其具有：
将半导体开关元件与作为续流二极管的以宽带隙半导体材料为基材的肖特基势垒二极管并联连接的上下桥臂电路，
对所述上下桥臂电路中的所述半导体开关元件的栅极电压进行控制的驱动电路，
所述电力转换电路的特征在于，
所述驱动电路是权利要求1～6中的任意一项所述的半导体开关元件的驱动电路。
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