CN104620490B - 功率转换装置 - Google Patents

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Abstract

在驱动半桥电路的下侧桥臂的半导体开关元件的驱动电路中设置过电流保护电路，所述过电流保护电路在半导体开关元件产生过电流时停止该半导体开关元件的导通/截止驱动。此外在下侧桥臂的驱动电路中设置警报信号生成电路，所述警报信号生成电路在该下侧桥臂的所述过电流保护电路动作时生成第1警报信号，并且在流向与所述下侧桥臂的半导体开关元件反并联的续流二极管的电流超过电流限制值时生成第2警报信号。

Description

功率转换装置
技术领域
本发明涉及一种功率转换装置，所述功率转换装置具备对构成功率转换装置主体的半导体开关元件的过电流保护功能。
背景技术
作为功率转换装置的代表性逆变器装置具备如图4所示功率转换装置主体作为驱动例如三相交流电动机等负载M的主体部。该功率转换装置主体如图4中其概要结构图所示，以功率半导体模块(IPM)10的形态实现，该功率半导体模块(IPM)10具备例如由IGBT构成的6个半导体开关元件Q1、Q2～Q6并封装化而成。该种逆变器装置例如专利文献1详细介绍所示，通过未图示的控制电路使上述各半导体开关元件Q1、Q2～Q6相互关联着进行导通/截止驱动，从而向所述负载M供电。
上述功率半导体模块(IPM)10的上述半导体开关元件Q1、Q2～Q6每2个成对串联后分别形成3组半桥电路HB。此外上述各半导体开关元件Q1、Q2～Q6分别反并联有6个续流二极管D1、D2～D6。这3组半桥电路HB并联后形成驱动上述负载M的三相全桥电路。另外，图中A1、A2～A6是对上述半导体开关元件Q1、Q2～Q6分别进行导通/截止驱动的驱动电路。
上述3组半桥电路HB通过上述控制电路相互关联被驱动，从而从上述各半桥电路HB的中间点向上述负载M提供相位相差120°的3相(U相、V相、W相)的电流。此处上述半桥电路HB的中间点分别指上述半导体开关元件Q1、Q4的串联点、上述半导体开关元件Q2、Q5的串联点及上述半导体开关元件Q3、Q6的串联点。
具体而言，上述各半桥电路HB的上侧桥臂的半导体开关元件Q1、Q2、Q3及下侧桥臂的半导体开关元件Q4、Q5、Q6如图5(a)所示，根据经过脉宽调制的固定周期的控制信号被导通/截止驱动。具体而言，上述驱动电路A1、A2～A6根据上述控制信号生成栅极驱动信号，分别对上述半导体开关元件Q4、Q5、Q6进行导通/截止驱动。通过该导通/截止驱动，从而如图5(b)所示，经过上述上侧桥臂的半导体开关元件Q1(Q2、Q3)，在正的半循环中向上述负载M提供与上述控制信号脉宽相应的电流。此外如图5(c)所示，经上述下侧桥臂的半导体开关元件Q4(Q5、Q6)，在负的半循环中向上述负载M提供与上述控制信号脉宽相应的电流。
其结果，从上述各半桥电路HB向上述负载M，提供如图5(d)所示呈正弦波的交流电流。但是，向上述负载M提供的电流实际上为与上述控制信号同步的脉冲电流，该脉冲电流形成离散的正弦波电流波形。另外，图5只针对1个半桥电路HB的输出电流进行表示，其他半桥电路HB的输出电流仅相位相差120°，其余则相同。
该种功率转换装置的上述驱动电路A(A1、A2～A6)中例如专利文献2介绍的那样设有过电流保护功能。该过电流保护功能监视分别流向上述半导体开关元件Q(Q1、Q2～Q6)的电流，当检测到过电流时停止上述半导体开关元件Q(Q1、Q2～Q6)的导通/截止驱动。
例如图6所示当半导体开关元件Q为IGBT时，经电阻R对从该IGBT作为辅助发射极所具备的电流检测端子输出的电流进行检测，从而对流向上述半导体开关元件Q的电流进行监视。然后在比较器1中对根据上述电流在上述电阻R中获得的检测电压与限定电流限制值的基准电压Vref进行比较，从而进行过电流检测。像这样检测出过电流时，将利用上述比较器1的输出使对上述半导体开关元件Q进行导通/截止驱动的驱动电路2的动作停止，从而实现上述过电流保护功能。
另外，图中3为利用上述比较器1检测出过电流时生成警报信号并向上述控制电路输出的警报信号生成电路。该警报信号生成电路在例如图7所示那样流向上述半导体开关元件Q的电流、即经上述辅助发射极获得的检测电流Ic超过作为过电流检测阈值的上述电流限制值时，经过该警报信号生成电路3的动作延迟时间后周期性地输出指定脉宽的警报信号。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2000-134955号公报
专利文献2：日本专利特开2006-32393号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
上述半桥电路HB的上侧桥臂的半导体开关元件Q1、Q2、Q3在高电压区域被驱动，上述高电压区域以被下侧桥臂的半导体开关元件Q4、Q5、Q6规定的电压为基准。因此，驱动上侧桥臂的半导体开关元件Q1、Q2、Q3的驱动电路A1、A2、A3中安装有例如高耐压悬浮电路。通过该高耐压悬浮电路，上述驱动电路A1、A2、A3相对于上述控制电路向高电压侧电平移动来动作。另外，上述半桥电路HB的下侧桥臂的半导体开关元件Q4、Q5、Q6以接地电位为基准而动作。因此驱动下侧桥臂的半导体开关元件Q4、Q5、Q6的驱动电路A4、A5、A6中无需安装上述高耐压悬浮电路，而通过上述控制电路直接驱动。
因此，多数情况下上述上侧桥臂的驱动电路A1、A2、A3中只安装上述过电流保护电路，而省略上述警报信号生成电路3。附带提一句，上侧桥臂的驱动电路A1、A2、A3中设置警报信号生成电路3时，需要设置高耐压悬浮电路使警报信号向低电压侧电平移动。因此即使上侧桥臂的半导体开关元件Q1、Q2、Q3上产生过电流导致保护功能运行，也不会从上述驱动电路A1、A2、A3输出警报信号。因此，存在上述控制电路无法对上侧桥臂的半导体开关元件Q1、Q2、Q3发生过电流进行监视的问题。
本发明考虑到这些情况后开发而成，其目的在于提供一种功率转换装置，上述功率转换装置结构简单，即使半桥电路的上侧桥臂的半导体开关元件上产生过电流，也能从下侧桥臂的驱动电路输出警报信号。
解决技术问题所采用的技术方案
本发明上述功率转换装置具备如下部分而构成：功率转换装置主体，上述功率转换装置主体具有串联后形成半桥电路且相互关联地被导通/截止驱动的一对或多对半导体开关元件、以及与上述各半导体开关元件分别反并联设置的多个续流二极管；以及，多个驱动电路，上述多个驱动电路分别对该功率转换装置主体的上述各半导体开关元件进行导通/截止驱动。
尤其是本发明上述功率转换装置为实现前述目的，在上述各驱动电路上分别设置过电流保护电路，上述过电流保护电路在流向上述半导体开关元件的电流超过电流限制值时，停止该半导体开关元件的导通/截止驱动。此外本发明上述功率转换装置的特征在于，在上述半桥电路的下侧桥臂的上述各驱动电路上还设置有警报信号生成电路，上述警报信号生成电路在该下侧桥臂的上述过电流保护电路动作时生成第1警报信号，并且在流向与上述下侧桥臂的半导体开关元件反并联的上述续流二极管的电流超过上述电流限制值时生成第2警报信号。
附带提一句，上述第1警报信号及第2警报信号由例如以指定周期生成的不同脉宽的信号构成。此外对于流向上述半导体开关元件的电流优选经由该半导体开关元件具备的电流检测端子进行检测，对于流向上述续流二极管的电流优选经由该续流二极管具备的电流检测端子进行检测。
另外，上述功率转换装置由构成逆变器装置的装置构成，上述逆变器装置转换直流电压后向负载提供由脉冲状离散正弦波电流波形构成的交流电流。
发明效果
根据上述构成的功率转换装置，根据流向与下侧桥臂的半导体开关元件反并联的续流二极管的电流，等效检测流向上侧桥臂的半导体开关元件的电流。因此可从驱动下侧桥臂的半导体开关元件的驱动电路中，分别检测流向下侧桥臂及上侧桥臂的各半导体开关元件的过电流，并输出警报信号。而且使周期性输出的警报信号的脉宽保持不同，从而能识别出产生过电流的半导体开关元件。
因此根据本发明上述功率转换装置，无论上侧桥臂的驱动电路中是否安装有高耐压悬浮电路，当上侧桥臂的半导体开关元件中产生过电流时均可从下侧桥臂侧的驱动电路获得警报信号。因此能够对构成上述功率转换装置主体的功率半导体模块(IPM)可靠地执行保护动作。而且只要监视流向述续流二极管的电流，所以其结构简单，实用性优点巨大。
附图说明
图1是形成本发明其中一种实施方式的上述功率转换装置主体部的功率转换装置主体的主要部位概要结构图。
图2是表示图1所示功率转换装置主体的下侧桥臂侧的驱动电路的构成例的图。
图3是表示图2所示驱动电路的过电流检测与警报信号的发生时序的图。
图4是形成功率转换装置主体部的现有功率转换装置主体的主要部位概要结构图。
图5是表示半桥电路的驱动信号与分别流向上侧桥臂及下侧桥臂的半导体开关元件的电流之间的关系的图。
图6是表示图4所示功率转换装置主体的具备过电流保护功能的驱动电路的构成例的图。
图7是表示图6所示驱动电路的过电流检测与警报信号的发生时序的图。
具体实施方式
以下参考附图对本发明其中一个实施方式上述功率转换装置进行说明。
该实施方式上述功率转换装置如图1中构成该主体部的功率转换装置主体主要部位概要结构所示，基本上与图4所示现有功率半导体模块(IPM)10的结构相同。即，构成功率转换装置主体的功率半导体模块(IPM)10具备6个半导体开关元件Q1、Q2～Q6、以及与上述各半导体开关元件Q1、Q2～Q6反并联的续流二极管D1、D2～D6，并封装化而成。上述各半导体开关元件Q1、Q2～Q6例如由IGBT构成。
上述各半导体开关元件Q1、Q2～Q6及上述各续流二极管D1、D2～D6分别形成并联设置的3组半桥电路HB。该3组半桥电路HB构成三相全桥电路，驱动作为上述负载的电动机M。此外上述各半导体开关元件Q1、Q2～Q6相互关联并分别由上述驱动电路A1、A2～A6进行导通/截止驱动，以相差120°的相位输出电流。
此处，上述驱动电路A1、A2～A6基本上与现有装置同样，分别具备过电流保护功能，上述过电流保护功能检测到流向上述各半导体开关元件Q1、Q2～Q6的过电流后停止该半导体开关元件Q1、Q2～Q6的驱动。尤其是上述下侧桥臂的驱动电路A4、A5、A6，除上述过电流保护功能外，还具备由流向上述续流二极管D4、D5、D6的电流等效检测流向上侧桥臂的上述半导体开关元件Q1、Q2、Q3的电流的功能。
并且，上述驱动电路A4、A5、A6在检测到上述半导体开关元件Q4、Q5、Q6的过电流时生成警报信号。此外上述驱动电路A4、A5、A6还在根据流向上述续流二极管D4、D5、D6的电流检测到上侧桥臂的上述半导体开关元件Q1、Q2、Q3的过电流时生成警报信号。对此可从上述上侧桥臂的驱动电路A1、A2、A3中省去上述警报信号的生成功能。
图2表示下侧桥臂的上述驱动电路A(A4、A5、A6)的简要结构。如图2所示，上述下侧桥臂的驱动电路A(A4、A5、A6)具备第1比较器11，上述第1比较器11检测上述开关元件Q(Q4、Q5、Q6)的过电流。另外，上述下侧桥臂的驱动电路A(A4、A5、A6)具备第2比较器12，上述第2比较器12根据流向上述续流二极管D(D4、D5、D6)的电流来等效检测上侧桥臂的上述半导体开关元件Q(Q1、Q2、Q3)的过电流。
附带提一句，流向上述半导体开关元件Q的电流经该半导体开关元件Q的电流检测端子，具体而言，经IGBT具备的与辅助发射极连接的电阻R1进行检测。上述第1比较器11通过将上述电阻R1获得的检测电压与规定电流限制值的基准电压Vref1进行比较，从而进行上述半导体开关元件Q的过电流检测，上述检测电压是根据流向上述半导体开关元件Q的电流Ic由上述电阻R1获得。
然后在利用上述第1比较器11检测到上述半导体开关元件Q的过电流时，通过该第1比较器11的输出将第1触发器13置位。通过使该第1触发器13置位来停止对上述半导体开关元件Q进行导通/截止驱动的驱动电路2的动作。此外同时通过上述第1触发器13的置位激活第1警报信号生成电路14。然后由该第1警报信号生成电路14周期性生成指定脉宽的第1警报信号。
此外流向上述续流二极管D的电流经电阻R2进行检测，该电阻R2作为该续流二极管D具备的电流检测端子并与辅助阴极连接。流向该续流二极管D的电流与流向上侧桥臂的半导体开关元件Q的电流相当。上述第2比较器12通过将由上述电阻R2获得的检测电压与规定电流限制值的基准电压Vref2进行比较，从而对上述续流二极管D的过电流检测等效进行上侧桥臂的半导体开关元件Q的过电流检测，上述检测电压是根据流向上述续流二极管D的电流Id由上述电阻R2获得。
然后在利用上述第2比较器12检测到上述上侧桥臂的半导体开关元件Q的过电流时，根据该第2比较器12的输出将第2触发器15置位。通过该第2触发器15的置位激活第2警报信号生成电路16。然后由该第2警报信号生成电路16周期性生成与上述第1警报信号相比脉宽不同的第2警报信号。该第1警报信号及第2警报信号经或电路18对未图示的上述控制电路进行输出。
此处如图3所示，当流向上述半导体开关元件Q的电流Ic超过事先设定的电流限制值即基准电压Vref1时，经过其检测响应延迟时间后分别生成上述第1警报信号。此外当流向上述续流二极管D的电流Id超过事先设定的电流限制值即基准电压Vref2时，经过其检测响应延迟时间后生成上述第2警报信号。该第1警报信号及第2警报信号的各脉宽例如图3所示规定成以2m秒及4m秒，各不相同，且具有较大时间差。换言之，上述第1警报信号及第2警报信号的各脉宽被设定成在上述控制电路中能够简单且正确地识别上述第1警报信号及第2警报信号。
上述控制电路在以上述方式接收到由上述功率半导体模块(IPM)10通知的上述第1警报信号及第2警报信号的至少一个时，停止该功率半导体模块(IPM)10的驱动，即停止上述半导体开关元件Q1、Q2～Q6的驱动。此外上述控制电路同时根据通知上述警报信号的上述驱动电路A、以及由该驱动电路A通知的警报信号的脉宽，判断是否在上侧桥臂及下侧桥臂的某一半导体开关元件Q1、Q2～Q6上产生了过电流。
另外，上述控制电路在排除上述半导体开关元件Q1、Q2～Q6发生过电流的主要因素后重新启动，重新进行上述半导体开关元件Q1、Q2～Q6的导通/截止驱动。当通过重新进行导通/截止驱动使得控制信号重新输入到上述驱动电路A时，设置在该驱动电路A的输入级的重置电路17启动，并分别重置上述第1触发器及第2触发器13、15。然后上述驱动电路2的动作停止被解除，上述第1警报信号生成电路及第2警报信号生成电路14、16的动作停止。
如此根据具备上述结构的下侧桥臂的驱动电路A(A4、A5、A6)的功率半导体模块(IPM)10，即使不从上侧桥臂的驱动电路A(A1、A2、A3)输出过电流检测的警报信号，也能从上述下侧桥臂的驱动电路A(A4、A5、A6)简单且正确地向上述控制电路通知上侧桥臂的半导体开关元件Q1、Q2、Q3中发生的的过电流信息。
因此在驱动上述功率半导体模块(IPM)10的上述驱动电路中，即使上侧桥臂的半导体开关元件Q1、Q2、Q3发生过电流，也能够迅速应对这种情况。即，即使上侧桥臂的驱动电路A不具备警报信号生成功能，也能够迅速应对上述上侧桥臂的半导体开关元件Q1、Q2、Q3生成的过电流。
另外，本发明并不限定于上述实施方式。此处作为功率转换装置主体是以形成三相全桥电路的功率半导体模块(IPM)10为例进行了说明，但是具备例如1组或2组半桥电路构成的功率转换装置主体当然同样可运用本发明。此外过电流检测部的电路构成本身也可以适当采用过去各方提倡的过电流检测方式。此外警报信号的方式也并不限定于前述实施方式所示的示例。另外，本发明在不脱离其主要精神的范围内，可进行各种变形后实施。
标号说明
Q1、Q2～Q6 半导体开关元件(IGBT)
D1、D2～D6 续流二极管
A1、A2～A6 驱动电路
1 比较器
2 驱动电路
3 警报信号生成电路
10 功率转换装置主体(功率半导体模块；IPM)
11 第1比较器
12 第2比较器
13 第1触发器
14 第1警报信号生成电路
15 第2触发器
16 第2警报信号生成电路
17 重置电路
18 或电路

Claims (4)

1.一种功率转换装置，其特征在于，
具备：
功率转换装置主体，所述功率转换装置主体具有串联后形成半桥电路且相互关联地被导通/截止驱动的一对或多对半导体开关元件、以及与所述各半导体开关元件分别反并联设置的多个续流二极管；以及，
多个驱动电路，所述多个驱动电路分别对该功率转换装置主体的所述各半导体开关元件进行导通/截止驱动，
所述各驱动电路分别具备过电流保护电路，所述过电流保护电路在流向所述半导体开关元件的电流超过包含第一电流限制值和第二电流限制值在内的电流限制值时，停止该半导体开关元件的导通/截止驱动，
所述半桥电路的下侧桥臂的所述驱动电路还具备警报信号生成电路，所述警报信号生成电路在该下侧桥臂的所述过电流保护电路动作时生成第1警报信号，并且在流向与所述下侧桥臂的半导体开关元件反并联的所述续流二极管的电流超过所述第二电流限制值时生成第2警报信号，
在流过下侧桥臂的所述半导体开关元件的电流超过所述第一电流限制值时，由所述警报信号生成电路生成所述第1警报信号，并且在流过上侧桥臂的所述半导体开关元件的电流超过所述第二电流限制值时，由所述警报信号生成电路生成所述第2警报信号。
2.如权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于，
所述第1警报信号及第2警报信号为以指定周期生成的不同脉宽的信号。
3.如权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于，
流向所述半导体开关元件的电流经由该半导体开关元件具备的电流检测端子进行检测，流向所述续流二极管的电流经由该续流二极管具备的电流检测端子进行检测。
4.如权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于，
所述功率转换装置主体构成逆变器装置，所述逆变器装置转换直流电压后向负载提供由脉冲状离散正弦波电流波形构成的交流电流。
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