CN104247263A - 电力变换器 - Google Patents

Abstract

本说明书涉及包括2个晶体管的串联连接的电力变换器，提供在由于某种问题而2个晶体管同时成为ON的情况下，抑制在晶体管中流过的电流增大的技术。本说明书公开的电力变换器包括第1晶体管(6a)和第2晶体管(6b)的串联连接。该电力变换器在第1晶体管(6a)和第2晶体管(6b)的至少一方中，具备抑制栅极电压的异常上升的钳位电路(5)。钳位电路(5)包括二极管(14)和电容器(15)。二极管(14)的阳极与晶体管的栅极(G)连接。电容器(15)的一个电极与二极管(14)的阴极连接，另一个电极与晶体管的发射极(E)连接。

Description

电力变换器

技术领域

本说明书公开的技术涉及以电压转换器、逆变器为代表的电力变换器(Electrical Power Converter：电力转换器)。

背景技术

典型的电力变换器包括2个晶体管的串联连接。电力变换器通过调整各个晶体管的ON/OFF定时，将输入电力变换为目标的电力而输出。例如，升降压转换器具有1组2个晶体管的串联连接。另外，3相交流输出的逆变器包括并联地连接有3组串联连接的电路，该串联连接为2个晶体管的串联连接。2个晶体管的串联连接的电路的高电压侧与输入端子的高电压端子连接，低电压侧与输入端子的低电压端子(接地端子)连接。另外，在电动汽车等处理大电力的电力变换器中，作为晶体管而采用IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：绝缘栅双极型晶体管)的情况较多。

在此，先叙述关于在本说明书中使用的技术用语的留意点。关于晶体管的3个电极，根据晶体管的种类，有时被称为基极/集电极/发射极，有时被称为栅极/漏极/源极。例如，在FET中，一般使用栅极/漏极/源极这样的呼称。另外，在双极性晶体管中，有时还使用栅极/集电极/发射极这样的呼称。本说明书公开的技术既能够应用于具有“基极/集电极/发射极”这样的称呼的晶体管，也能够应用于具有“栅极/漏极/源极”这样的称呼的晶体管。因此，在本说明书中，将栅极和基极统称为“栅极”，将集电极和漏极统称为“集电极”，将“发射极”和“源极”统称为“发射极”。

另外，以下，为便于说明，将串联地连接的2个晶体管称为第1晶体管、第2晶体管。另外，希望留意的是第1晶体管和第2晶体管的呼称用于区分2个晶体管，并不对串联地连接的2个晶体管附加特别的差异。

返回背景技术的说明。在晶体管中，作为其构造上的特性，寄生(附带)本来未意图的电阻、静电电容。栅极电极中寄生的电阻被称为栅极电阻。栅极与集电极之间寄生的静电电容被称为反馈电容(或者集电极/栅极电容)。栅极与发射极之间寄生的静电电容被称为输入电容(或者栅极/发射极电容)。这些寄生要素有时对晶体管的串联连接电路造成一些麻烦，正在研究其对策。

例如，在第1晶体管连接到高电压侧、第2晶体管连接到低电压侧的情况下，在第1晶体管成为ON时，第1晶体管的集电极/发射极电压急剧变化，通过第2晶体管的栅极/集电极电容而在集电极与栅极之间流过电流。其结果，第2晶体管的栅极电压上升。如果栅极电压超过阈值电压，则第2晶体管将错误地成为ON。在日本特开2006-324794号公报(专利文献1)中公开了抑制这样的现象的技术。在专利文献1的技术中，在第1晶体管从OFF切换到ON时，在第1晶体管的栅极与发射极之间连接电容器。通过电容器吸收电流，能够缓和第1晶体管成为ON时的集电极/发射极之间的电压变化。其结果，抑制了第2晶体管的栅极电压的上升。

另外，伴随第1晶体管的ON/OFF，由于第2晶体管的输入电容，栅极电压变化。特别是，通过输入电容的放电，栅极电压降低，其结果，第2晶体管的集电极电流减少。在日本特开2003-125574号公报(专利文献2)中公开了抑制集电极电流的减少的一项技术。在专利文献2的技术中，对第2晶体管的栅极串联地连接2个电阻，在2个电阻的连接点(junction)与发射极之间连接电容器。新连接的电容器的充电补偿输入电容的放电所致的栅极电压的降低。

本说明书涉及在包括2个晶体管的串联连接的电力变换器中，抑制栅极电压的不期望的增加的技术。虽然并非电力变换器，但作为抑制栅极电压的不期望的增加的技术的一个例子，可以举出日本特开2003-115752号公报(专利文献3)。在专利文献3的技术中，在晶体管的发射极与栅极之间连接齐纳二极管。齐纳二极管是如果超过预先决定了的电压(齐纳电压/击穿电压)则电流逆流的设备。在专利文献3公开的电路中，齐纳二极管的阳极连接到发射极，阴极连接到栅极。如果栅极电压超过齐纳电压(击穿电压)，则在齐纳二极管中电流逆流，其结果，栅极电压被维持为齐纳电压。

发明内容

在电力变换器中，对串联地连接了2个晶体管的电路的高电压端供给输入电压，低电压端与接地连接。另外，2个晶体管交替成为ON，输出从2个晶体管的连接点向马达的电流。通常，2个晶体管不会同时成为ON。但是，如果由于某种问题而2个晶体管同时成为ON，则在发射极/集电极之间流过的电流异常地增大。由此，集电极/发射极电压变化，栅极电压上升。如果栅极电压上升，则产生集电极/发射极电流进一步增大的恶性循环。在最坏的情况下，超过晶体管的耐电流阈值，晶体管受到损伤。本说明书提供在由于某种问题而串联连接的2个晶体管同时成为ON的情况下，抑制在晶体管中流过的电流增大的技术。

本说明书公开的技术对串联地连接有2个晶体管的电路附加新的钳位电路。关于钳位电路，既可以仅在某一方的晶体管中具备，也可以在两方的晶体管中具备。在某一方的晶体管中具备钳位电路的情况下，优选在下支路的晶体管中具备。另外，“下支路”意味着“低电压侧”。因此，“下支路的晶体管”表示串联地连接的2个晶体管中的位于低电压侧的晶体管。

以下，为便于说明，说明安装在第1晶体管中的钳位电路。在本说明书公开的技术中，在第1晶体管的栅极与发射极之间连接电容器。由此，新附加的电容器与第1晶体管固有地具有的输入电容并联地连接。如果使2个晶体管都成为ON，经由反馈电容从第1晶体管的集电极向栅极流过电流，则该电流的一部分流入到新的电容器，剩余流入到输入电容。通过新附加的电容器吸收发射极/栅极电流的一部分，抑制了栅极电压的上升。以下，将在栅极与发射极之间连接的电容器称为缓冲电容器。

仅通过在栅极与发射极之间简单地附加缓冲电容器，在对栅极输入脉冲信号(PWM信号)时，由于缓冲电容器的充放电，栅极电压变动。因此，在本说明书公开的技术中，在栅极与缓冲电容器之间插入二极管。将二极管的阳极连接到栅极，将阴极连接到缓冲电容器。二极管使电流从阳极流向阴极、也就是使电流从栅极流向缓冲电容器，但不相逆地通过电流。通过插入二极管，防止从缓冲电容器向栅极流过电流，抑制对栅极提供PWM信号时的栅极电压的变动(缓冲电容器的充电所引起的电压变动)。

本说明书公开的技术的一个方式能够具体化为包括第1晶体管和第2晶体管的串联连接的电力变换器。该电力变换器在第1晶体管和第2晶体管的至少一方中，具备抑制栅极电压的异常上升的钳位电路。钳位电路包括二极管和电容器(缓冲电容器)。如果以第1晶体管为例子，则二极管的阳极与第1晶体管的栅极连接。缓冲电容器的一个电极与二极管的阴极连接，另一个电极与第1晶体管的发射极连接。也可以在第2晶体管中具备同样的钳位电路。在下支路的晶体管中具备钳位电路的情况下，晶体管的发射极与接地连接，所以缓冲电容器的另一个电极也可以与接地连接。

缓冲电容器的电容优选大于第1晶体管的输入电容。一般，晶体管的输入电容是几纳法。例如，针对其安装几微法拉程度的电容的缓冲电容器即可。

作为本说明书公开的电力变换器的一个改良，具备对第1晶体管进行预充电的预充电电路即可。预充电电路在对第1晶体管进行驱动之前对电容器进行充电(预充电)。另外，作为其他一个改良，也可以还具备与电容器并联地连接的电阻。前者能够减小针对最初的晶体管ON指令(PWM信号的最初的脉冲)的应答延迟。后者能够在停止了电力变换器之后对缓冲电容器进行放电。

本说明书公开的技术的详细、以及进一步的改良通过发明的实施方式说明。

附图说明

图1是电力变换器的框图。

图2是钳位电路的一个例子的框图。

图3是示出栅极电压的时间变化的一个例子的图形。

图4是第1变形例的钳位电路的框图。

图5是第2变形例的钳位电路的框图。

图6是第3变形例的钳位电路的框图。

图7是示出第3变形例中的栅极电压的时间变化的一个例子的图形。

具体实施方式

参照附图，说明实施例的电力变换器。实施例的电力变换器是搭载于电动汽车、将电池的直流电力变换为适合于行驶用的马达的驱动的交流电力的设备。图1示出电力变换器2的框图。

电力变换器2主要由升降压转换器电路3、逆变器电路4以及控制器9构成。升降压转换器电路3具有提高电池91的输出电压的功能、和将马达96的发电电力降低到与电池91的输出电压相同的程度的功能。升降压转换器电路3由电抗器93、2个晶体管6c、6d、2个二极管7c、7d、钳位电路5以及一次性地积蓄电力的滤波器电容器92构成。2个晶体管6c、6d是IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor：绝缘栅双极型晶体管)，串联地连接。二极管7c、7d分别与晶体管6c、6d反向并联地连接。二极管7c、7d是为了释放在晶体管成为OFF时发生的浪涌电流而设置的，被称为续流二极管。升降压转换器电路3通过对晶体管6c、6d的栅极提供适当的PWM信号，使电池电压升压、或者使再生电力降压。PWM信号由控制器9生成，被提供给各晶体管。升降压转换器电路3中使用的晶体管6c、6d以及逆变器电路4中使用的晶体管(后述)都是IGBT。

在各个晶体管6c、6d的栅极与发射极之间，连接了钳位电路5。在升降压转换器电路3中，除了钳位电路5以外的电路的结构已知，所以详细的说明省略。关于钳位电路5，在后面详细说明。

升降压转换器电路3在对马达96进行驱动的情况下，将电池91的电压提高到适合于马达驱动的电压。在电动汽车的情况下，电池91的输出电压是例如300伏特，适合于马达驱动的电压、即升降压转换器电路3的输出电压是例如600伏特。

在升降压转换器电路3与逆变器电路4之间连接了平滑化电容器94。平滑化电容器94是为了抑制向逆变器电路4供给的电流的脉动而具备的。

本实施例的逆变器电路4是用于对3相交流马达96进行驱动的设备。逆变器电路4将电池91的直流电力变换为期望的频率的交流电力。逆变器电路4具备3组2个晶体管的串联连接。以下，说明3组中的、由上支路晶体管6a和下支路晶体管6b构成的组。关于其他组，也是同样的。另外，以下，为简化表现，将上支路晶体管6a称为上晶体管6a，将下支路晶体管6b表现为下晶体管6b。

对上晶体管6a和下晶体管6b的各个反向并联地连接了续流二极管7a、7b。与电池91的正极连接的正极线P的一侧的上晶体管6a和二极管7a有时被称为“上支路”，与电池91的负极(接地)连接的接地线N的一侧的下晶体管6b和二极管7b有时被称为“下支路”。在上晶体管6a的栅极与发射极之间连接了钳位电路5，在下晶体管6b的栅极与发射极之间连接了其他钳位电路5。

在将电池91的直流电力变换为交流电力时、以及在将马达96发电了的交流电力变换为直流电力时，上晶体管6a和下晶体管6b交替成为ON(交替成为OFF)。在系统正常的情况下，2个晶体管不会同时成为ON。但是，在某一个晶体管发生了故障的情况等下，2个晶体管有时同时成为ON。如果串联地连接的2个晶体管同时成为ON，则600伏特的正极线P和接地线N经由非常小的电阻(集电极/发射极之间的ON电阻)直接连接。因此，在2个晶体管中流过大电流。如果在集电极/发射极之间流过大电流，则由于寄生要素(反馈电容和输入电容)，栅极电压上升。如果栅极电压上升，则ON电阻进一步降低，集电极/发射极之间的电流进一步增加。钳位电路5抑制栅极电压的上升，防止集电极/发射极之间的电流增加。接下来，详细说明钳位电路5。

图2示出钳位电路5的框图。在图2中，示出了在下晶体管6b中具备的钳位电路5的框图。在图2中，关于在上晶体管6a中具备的钳位电路5的详情，省略了图示。上晶体管6a的钳位电路5和下晶体管6b的钳位电路是同一结构。

钳位电路5由二极管14和电容器(缓冲电容器15)的串联连接构成。另外，名称：“缓冲电容器”是用于与其他电容器(例如电容器92、电容器94)区分的为便于说明的呼称。

二极管14的阳极与下晶体管6b的栅极G连接。缓冲电容器15的一个电极与二极管14的阴极连接，另一个电极与下晶体管6b的发射极连接。该钳位电路5抑制上晶体管6a(上支路晶体管)发生短路故障、进而下晶体管6b成为ON而正极线P和接地线N成为直接连接状态时的栅极电压Vge的过剩的上升。说明其机理。另外，在图2中，还示出了作为下晶体管6b的寄生要素的反馈电容81和输入电容82。反馈电容81是在栅极G与集电极C之间形成的电容器，输入电容82是在栅极G与发射极E之间形成的电容器。都并非设计的电容器，而是由于晶体管的构造而不可避地形成的要素。

在下晶体管6b成为ON时，如果上晶体管6a发生短路故障，则下晶体管6b的集电极电压增加，与正极线P的电压(电压VH)大致相等。由于该电压变化，经由反馈电容81向栅极流入电流。如果没有钳位电路5，则栅极电压Vge上升。在附加了钳位电路5的情况下，向栅极流入的电流的一部分被积蓄到输入电容82，剩余的经由二极管14而流入到缓冲电容器15。输入电容82和缓冲电容器15并联连接，所以向栅极G流入的电荷分散到输入电容82和缓冲电容器15，其结果，抑制了栅极电压Vge的上升。通过抑制栅极电压Vge，在上晶体管6a发生了短路故障的情况下，能够抑制在下晶体管6b的集电极发射极之间流过的电流增大。

参照图3，说明此时的下晶体管6b的栅极电压Vge的电压变化。图3的纵轴是栅极电压Vge和电容器电压Vc，横轴是时间。假设为在图3中的时刻T1，晶体管6a、6b都短路。另外，准确而言，在时刻T1，上晶体管6a发生短路故障，下晶体管6b成为ON。从时刻T1，栅极电压Vge上升。从时刻T2开始向缓冲电容器15充电。由此，缓冲电容器15的电压Vc上升，并且栅极电压Vge的上升速度降低。图3中的虚线D表示无钳位电路5时的短路时的栅极电压Vge的时间变化。如图3所示，通过钳位电路5抑制了栅极电压Vge的上升。另外，缓冲电容器15的电压Vc与栅极电压Vge之差相当于二极管14的固有的ON电压Vf。

如上所述，钳位电路5通过将经由反馈电容81流入到栅极G的电流的一部分充入到缓冲电容器15，抑制栅极电压Vge的上升。因此，缓冲电容器15的电容越大越好。输入电容的大小是几纳法程度。缓冲电容器15的电容优选为比其大几数量级的微法拉程度。换言之，缓冲电容器15的电容期望大于输入电容。另外，关于缓冲电容器15的电容，期望以使满充电时的电压超过栅极的ON电压(PWM信号的脉冲的High电平的电压)的方式选定。与满充电时的电压和ON电压之差对应的余量电容决定钳位电路5的性能(栅极电压抑制的性能)。

为了不使缓冲电容器15的电荷向栅极G逆流，插入了二极管14。在未附加二极管14的情况下，在对下晶体管6b的栅极施加了PWM信号时，栅极电压不稳，其结果，开关的应答性降低。由于二极管14，在对下晶体管6b的栅极施加了PWM信号时栅极电压变得不稳的情形被抑制。

说明与齐纳二极管比较时的钳位电路5的优点。钳位电路5抑制栅极电压的过剩的上升。换言之，钳位电路5对栅极电压进行钳位。在栅极电压的抑制中，还能够使用齐纳二极管。但是，在使用了齐纳二极管的钳位电路中有不利的点。齐纳二极管是如果超过击穿电压则电流逆流的元件。在使用了齐纳二极管的情况下，将齐纳二极管的阳极连接到晶体管的发射极，将阴极连接到栅极。如果栅极电压超过击穿电压(齐纳电压)，则从阴极朝向阳极流过电流，栅极电压被保持为齐纳电压。如果使用齐纳二极管，则从栅极向集电极连续流过电流，有导致其他元件、元素的过热的担心。通过如本实施例所述，用通常的二极管和电容器构成钳位电路，栅极的剩余的电荷被充电到电容器，电流不流入到发射极。因此，实施例的钳位电路5导致其他元件、元素的过热的可能性小。

另外，齐纳二极管将阳极连接到晶体管的发射极，将阴极连接到栅极。因此，有从发射极朝向栅极流过电流这样的缺点。该缺点在对栅极施加PWM信号时导致栅极电压的不稳。在图2的钳位电路5中没有这样的缺点。

进而，电容器(缓冲电容器)的充电仅为晶体管的栅极成为ON的期间，所以相比于在通电中产生损失的齐纳，具有损失更小这样的优点。例如，在电容器的电容C＝0.33[μF]、且以施加电压V＝15[V]对该电容器进行充电的情况下，损失Ec＝1/2xCxV2＝37[μJ]。另一方面，在使用了齐纳二极管的情况下，如果设为施加电压V＝15[V]、泄漏电流It＝5[mA]，则损失Ed＝VxIt＝75[mJ]。使用了电容器时的损失Ec比使用了齐纳二极管时的损失Ed大幅减小。另外，对缓冲电容器连接的二极管的泄漏电流是μA的水平，其损失可忽略。

说明图2所示的钳位电路5的几个改良类型。图4是第1变形例的钳位电路5a的框图。钳位电路5a除了电阻16以外与图2的钳位电路5相同。电阻16与缓冲电容器15并联地连接。为了在电力变换器2a停止之后对缓冲电容器15进行放电而具备电阻16。电阻16防止在缓冲电容器15中始终残留充电。

图5示出第2变形例的钳位电路5b的框图。钳位电路5b除了上拉电源18和恒定电流元件17以外与图2的钳位电路5相同。恒定电流元件17是例如流过恒定的电流的二极管即可。恒定电流元件17的输出连接于二极管14与缓冲电容器15之间。上拉电源18和恒定电流元件17构成对缓冲电容器15的预定的电容充电的预充电电路19。上拉电源18的电压被设定为与下晶体管6b的ON电压相等。在图2的钳位电路5中，在电力变换器2b起动之前，缓冲电容器15的电容是零。因此，在电力变换器2b刚刚起动之后，直至缓冲电容器15充电为止，下晶体管6b的开关动作延迟。预充电电路19对缓冲电容器15进行预充电。详细而言，预充电电路19在驱动下晶体管6b之前对缓冲电容器15进行充电。通过具备预充电电路19，在电力变换器2b的起动之后，缓冲电容器15的电压Vc立即与栅极的ON电压大致相等。即，如图3所示，图5的电力变换器2b能够在刚刚起动之后，就使ON时的栅极电压Vge和缓冲电容器15的电压Vc相等。因此，能够防止刚刚起动之后的下晶体管6b的开关延迟。另外，上拉电源18和恒定电流元件17被选定为通过预充电电路19充电的电容(预充电电容)小于缓冲电容器15的最大电容。最大电容与预充电电容之差决定栅极电压的抑制的性能。

也优选在上支路晶体管6a中具备包括预充电电路19的钳位电路5b。进而，也优选钳位电路同时具备图4的电阻16和图5的预充电电路19。

图6示出第3变形例的钳位电路5c的框图。钳位电路5c除了电压调整用二极管21以外，与图5的钳位电路5b相同。电压调整用二极管21的阳极连接到恒定电流元件17，阴极连接到缓冲电容器15的高电压侧。关于上拉电源18的电压，与图5的钳位电路5b的情况同样地，被设定为与下晶体管6b的ON电压相同。图7示出采用了图6的钳位电路5c时的栅极电压Vge的变化。时刻T3相当于上晶体管6a发生短路故障、下晶体管6b成为ON的定时。如果在缓冲电容器15中预充电电容被充电，则缓冲电容器15的电压Vc下降电压调整用二极管21的电压Vh的量。换言之，能够使栅极电压Vge比缓冲电容器15的电压Vc高Vh。因此，如果在下晶体管6b成为ON时上晶体管6a发生短路故障，则电流经由反馈电容从集电极C流入到栅极G，但该电流将不延迟地流入到缓冲电容器15。其结果，从时刻T3、即上晶体管6a的短路和下晶体管6b的ON都发生了的定时起，立即就抑制栅极电压Vge的增加。另外，在图7中，虚线D表示无钳位电路时的栅极电压的增加。

叙述在实施例中说明了的技术的留意点。在实施例中，说明了在下晶体管6b(下支路晶体管)中具备的钳位电路。相同的钳位电路还能够应用于上晶体管6a(上支路晶体管)。另外，相同的钳位电路还能够应用于升降压转换器的晶体管6c、6d。因此，第1晶体管既可以是上晶体管也可以是下晶体管，并且，第2晶体管既可以是上晶体管也可以是下晶体管。第1晶体管和第2晶体管的称呼是简单地区分串联连接的2个晶体管的、为便于说明的称呼。

本说明书公开的技术不仅是IGBT，而且还能够应用于例如FET等其他类型的晶体管。一般，FET的电极被称为栅极/漏极/源极。另一方面，在本说明书中，将栅极和基极合起来总称为“栅极”，将集电极和漏极合起来总称为“集电极”，将“发射极”和“源极”合起来总称为“发射极”。因此，在将本说明书公开的技术应用于其他类型的晶体管的情况下，权利要求书中的“栅极”可表示“基极”，“集电极”可表示“漏极”，“发射极”可表示“源极”。

参照附图，详细说明了本发明的代表的且非限定的具体例。该详细的说明仅简单地用于向本领域技术人员示出用于实施本发明的优选的例子详情，而并不意图限定本发明的范围。另外，为了提供进一步改善的电力变换器，能够与其他特征、发明独立或者公共地使用所公开的追加的特征以及发明。

另外，在最广泛的意义中实施本发明时，上述详细的说明中公开的特征、工序的组合并非必须，特别地仅为了说明本发明的代表性的具体例而记载了上述的特征、工序的组合。进而，关于上述代表性的具体例的各种特征、以及独立以及从属权利要求记载的部分的各种特征，在提供本发明的追加并且有用的实施方式时，无需一定如在此记载的具体例那样、或者如例举的顺序那样地组合。

本说明书和/或权利要求书记载的全部特征意图与实施例和/或权利要求书记载的特征的结构独立地，作为针对申请当初的公开以及权利要求书记载的特定事项的限定，个别并且相互独立地公开。进而，关于全部涉及数值范围以及群或者组的记载，作为针对申请当初的公开以及权利要求书记载的特定事项的限定，不具有公开它们的中间结构的意图。

以上，详细说明了本发明的具体例，但它们仅为例示，并不限定权利要求书。在专利权利要求书记载的技术中，包括使以上例示了的具体例分别变形、变更而得到的例子。另外，在本说明书或者附图中说明的技术要素单独或者通过各种组合发挥技术的有用性，不限于申请时权利要求记载的组合。另外，在本说明书或者附图中例示的技术同时达成多个目的，通过达成其中的一个目的本身就具有技术的有用性。

Claims (4)

1.一种电力变换器，包括第1晶体管和第2晶体管的串联连接，其特征在于，具备：

二极管，阳极与第1晶体管的栅极连接；以及

电容器，一个电极与所述二极管的阴极连接，另一个电极与第1晶体管的发射极连接。

2.根据权利要求1所述的电力变换器，其特征在于，

电容器的电容大于第1晶体管的栅极与发射极之间产生的输入电容。

3.根据权利要求1或者2所述的电力变换器，其特征在于，

还具备预充电电路，该预充电电路对电容器进行预充电。

4.根据权利要求1至3中的任意一项所述的电力变换器，其特征在于，

还具备与电容器并联地连接的电阻。