CN105191132A - 绝缘栅型半导体元件的控制装置以及使用了该控制装置的电力变换装置 - Google Patents

绝缘栅型半导体元件的控制装置以及使用了该控制装置的电力变换装置 Download PDF

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Abstract

本发明的绝缘栅型半导体元件的控制装置通过分别提供给第1绝缘栅极以及第2绝缘栅极的第1控制电压以及第2控制电压，驱动具备第1绝缘栅极和第2绝缘栅极的绝缘栅型半导体元件，具备：第1噪声滤波器，输入与绝缘栅型半导体元件中流过的电流相关的信号；第1比较器，比较第1噪声滤波器的输出信号和第1基准信号，输出第1比较结果；第2控制电压输出电路，如果根据第1比较结果判定为绝缘栅型半导体元件中流过过电流，则使第2控制电压降低；以及第1控制电压输出电路，在第2控制电压降低之后，使第1控制电压降低。

Description

绝缘栅型半导体元件的控制装置以及使用了该控制装置的电力变换装置
技术领域
本发明涉及绝缘栅型半导体元件的控制装置以及使用了该控制装置的电力变换装置，特别涉及适合于从小电力设备到大电力设备广泛使用的绝缘栅型半导体元件的控制装置以及使用了该控制装置的电力变换装置。
背景技术
在近年来的节能、新能源的电力变换装置中，使用了大量的逆变器、转换器，为了实现低碳社会，它们的格外普及变得不可欠缺。
作为电力变换装置用的功率半导体元件，大量使用了绝缘栅双极型晶体管(以下记载为IGBT)。IGBT具备导通(ON)电压低并且开关速度快、也就是导通损耗和开关损耗都低这样的作为电力变换装置用优良的性能。进而，IGBT兼具基于绝缘栅极的易控制性，所以当前在空调、微波炉等小电力设备到铁路、炼铁厂的逆变器等大电力设备中被广泛使用。
伴随电力变换装置的普及，要求进一步提高IGBT的性能，但由于导通损耗与开关损耗之间有折衷关系，所以难以大幅提高性能。
因此，作为同时降低IGBT的导通损耗和开关损耗的技术，已知将绝缘栅电极分割为多个并独立地控制它们的构造(参照例如专利文献1、专利文献2、专利文献3)、在背面(集电极侧)设置绝缘栅电极的构造(参照例如专利文献4、专利文献5、专利文献6、专利文献7、专利文献8)。
将栅电极分割为多个的构造以及在背面(集电极侧)设置绝缘栅电极的构造分别通过表面的第2栅电极以及背面的栅电极，能够取导通电压低的模式即关断(TURNOFF)损耗大的模式以及导通电压高的模式即关断损耗小的模式这两个状态，通过在导通时和关断时切换这两个状态，能够一起降低导通损耗和开关损耗。
专利文献1：日本特开2000-101076号公报
专利文献2：日本特开2005-191221号公报
专利文献3：日本特开2008-305956号公报
专利文献4：日本特开2001-320049号公报
专利文献5：日本特开2010-123667号公报
专利文献6：日本特开2010-251517号公报
专利文献7：日本特表2002-507058号公报
专利文献8：日本特开2010-74051号公报
发明内容
如上所述，关于具备多个绝缘栅极的IGBT等绝缘栅型半导体元件的元件构造，已知各种技术，但关于其控制技术、驱动技术，还在开发过程中。特别是，对于电力变换装置的可靠性来说，在电源短路等异常时将功率半导体元件从过电流中保护起来的技术变得重要。但是，专利文献1中虽然公开了设置检测短路时等的过电流的电路，在短路时使一方的绝缘栅极断开(OFF)，但关于具体的装置结构尚未实现。
因此，本发明的课题在于提供一种具备具备多个绝缘栅极的绝缘栅型半导体元件的过电流保护功能的控制装置。
本发明的绝缘栅型半导体元件的控制装置通过分别提供给第1绝缘栅极以及第2绝缘栅极的第1控制电压以及第2控制电压，驱动具备第1绝缘栅极和第2绝缘栅极的绝缘栅型半导体元件。而且，另外，本发明的绝缘栅型半导体元件的控制装置具备：第1噪声滤波器，输入与绝缘栅型半导体元件中流过的电流相关的信号；第1比较器，比较第1噪声滤波器的输出信号和第1基准信号，输出第1比较结果；第2控制电压输出电路，如果根据第1比较结果判定为绝缘栅型半导体元件中流过过电流，则使第2控制电压降低；以及第1控制电压输出电路，在第2控制电压降低之后，使第1控制电压降低。
此处，作为绝缘栅型半导体元件，能够应用第1绝缘栅极以及第2绝缘栅极分别是主栅极以及辅助栅极的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。
根据本发明的控制装置，在绝缘栅型半导体元件中流过过电流的情况下，通过使第2绝缘栅极先断开，绝缘栅型半导体元件的饱和电流降低，短路容量增加，所以能够在使第1绝缘栅极断开时可靠地切断在绝缘栅型半导体元件中流过的电流。
根据本发明，能够实现具备具有多个绝缘栅极的绝缘栅型半导体元件的过电流保护功能的控制装置。由此，使用了具备多个绝缘栅极的绝缘栅型半导体元件的电力变换装置的可靠性提高。
附图说明
图1是第1实施例的绝缘栅型半导体元件的控制装置的电路框图。
图2是第1实施例的正检测的电压波形。
图3是第1实施例的误检测的电压波形。
图4是第1实施例的误检测的电压波形。
图5是抑制第1实施例的电压振动的电压波形。
图6是第1实施例的变形例的电路框图。
图7是第2实施例的绝缘栅型半导体元件的控制装置的电路框图。
图8是第3实施例的绝缘栅型半导体元件的控制装置的电路框图。
图9是第2实施例的正检测的电压波形。
图10是第2实施例的误检测的电压波形。
图11是第2实施例的误检测的电压波形。
图12是第4实施例的绝缘栅型半导体元件的控制装置的电路框图。
图13是第5实施例的绝缘栅型半导体元件的控制装置的电路框图。
图14是第6实施例的绝缘栅型半导体元件的控制装置的电路框图。
图15是第7实施例的电力变换装置的电路结构图。
(符号说明)
1：IGBT；2：传感IGBT；3：二极管；4：主栅极(G1)；5：辅助栅极(G2)；6：G1驱动电路的输出段；7：G2驱动电路的输出段；8：逻辑电路；9：传感电阻；10：第1噪声滤波器；11：第1比较器；12：第1基准电压源；13：第2噪声滤波器；14：第2比较器；15：第2基准电压源；16：判定电路；600：二极管；700：半导体开关元件；800：栅极驱动电路；900、901：直流端子；910、911、912：交流端子；950：马达；960：直流电源。
具体实施方式
以下，参照附图，说明本发明的实施例。
(实施例1)
图1是本发明的第1实施例的绝缘栅极半导体元件的控制装置的电路框图。本实施例包括IGBT1、传感IGBT2、二极管3、主栅极(G1)4、辅助栅极(G2)5、作为对G1提供第1控制电压的第1控制电压输出电路的G1驱动电路的输出段6、作为对G2提供第2控制电压的第2控制电压输出电路的G2驱动电路的输出段7、接受PWM信号并输出G1和G2的控制信号的逻辑电路8、传感电阻9、第1噪声滤波器10、第1比较器11、第1基准电压源12、第2噪声滤波器13、第2比较器14、第2基准电压源15、在从第1比较器输出了作为第1比较结果的断开(OFF)信号之后未从第2比较器输出作为第2比较结果的断开信号的情况下使辅助栅极(G2)5返回到导通状态的判定电路16。在本实施例中，第2噪声滤波器13的时间常数大于第1噪声滤波器10的时间常数。
IGBT1以及IGBT2形成于一个半导体基板，构成单体的半导体开关元件即IGBT。作为更具体的元件构造，例如，已知上述专利文献1～3公开的元件构造。
另外，也可以将第1噪声滤波器10的时间常数设为零，也就是不设置第1噪声滤波器10。此时，传感电阻9的两端的电压不经由噪声滤波器，而被输入到第1比较器11。
本实施例的主要的动作如下所述。
(1)在IGBT1中流过过电流，在传感电阻9的两端产生电压，第1噪声滤波器10的输出超过第1基准电压源12的基准电压，使辅助栅极(G2)5断开。之后，当第2噪声滤波器13的输出超过第2基准电压源15的基准电压时，使主栅极(G1)4断开，IGBT1断开。
(2)当在传感电阻9的两端产生噪声电压、第1噪声滤波器10的输出超过第1基准电压源12的基准电压时，使辅助栅极(G2)5断开。之后，当第2噪声滤波器13的输出不超过第2基准电压源15的基准电压时，使辅助栅极(G2)5返回到导通，IGBT1恢复为通常的导通状态(G1、G2都被输入了导通信号的状态)。
(3)当在传感电阻9的两端产生噪声电压、第1噪声滤波器10的输出未超过第1基准电压源12的基准电压时，维持辅助栅极(G2)5的导通状态。
在上述(1)的动作中，通过使辅助栅极(G2)5比主栅极(G1)4先断开，IGBT1的饱和电流降低，短路容量增加，所以可靠性提高。
接下来，使用图2的电压波形，说明上述(1)的动作(检测到过电流的情况)。在传感电阻两端的电压上升(t1)时，根据第1噪声滤波器10以及第2噪声滤波器13的时间常数，第1比较器11和第2比较器14的输入电压上升。第2噪声滤波器13的时间常数大于第1噪声滤波器10的时间常数，所以第2比较器14的输入电压的上升沿的斜率比第1比较器11的输入电压更缓。当第1比较器11的输入电压超过基准电压源12产生的第1基准电压(t2)时，辅助栅极(G2)5断开。在该状态下，继续流过集电极电流，但辅助栅极(G2)5断开，所以饱和电流减少，抑制了IGBT的发热。之后，当第2比较器14的输入电压超过基准电压源15产生的第2基准电压(t3)时，使主栅极(G1)4断开，IGBT成为断开状态。
图3对应于上述(2)的动作(误检测到过电流的情况)。当传感电阻两端的电压上升(t1)、第1比较器的输入电压超过第1基准电压(t2)时，辅助栅极(G2)5断开。但是，当经过预先设定了的时间td(t3)而第2比较器14的输入电压未超过第2基准电压时，辅助栅极(G2)5返回到导通，IGBT恢复为通常的导通状态(G1和G2都导通)。
图4对应于上述(3)的动作(误检测到过电流的情况)。在该动作中，传感电阻两端的电压上升，但第1比较器的输入电压未达到基准电压，所以辅助栅极(G2)保持导通状态。
过电流保护中的短路保护切断额定电流的几倍这样的大电流，所以电流切断时的浪涌电压大。使用图5的电压波形，说明本实施例中的用于抑制浪涌电压的动作。当第1比较器11的输入电压超过第1基准电压(t2)时，辅助栅极(G2)5断开。此时，饱和电流降低，所以传感电阻9的两端的电压降低。接下来，当第2比较器14的输入电压超过第2基准电压(t3)时，主栅极(G1)4进入到断开动作，但不使主栅极(G1)4一下子就断开，保持比阈值大并且比通常的导通状态(例如Vg1＝15V)小的中间电压(例如Vg1＝10V)(t3～t4)。之后，使主栅极(G1)4断开(t4)。通过这样驱动，饱和电流为3个阶段(1.G1和G2都导通；2.G1导通且G2断开；3.G2断开且G1为中间电压)，所以集电极电流逐渐减少，能够抑制浪涌电压。
图6是第1实施例的变形例，示出将图1中的主栅极(G1)4分割为两个部分(20、21)的绝缘栅型半导体元件的控制装置的电路框图。在如短路保护那样切断大电流的情况下，在使辅助栅极(G2)5断开之后，使一方的主栅极部G1(1)20断开，之后，使另一方的主栅极部G1(2)21断开，从而集电极电流逐渐减少，浪涌电压被抑制。
通过这样驱动，饱和电流成为3个阶段(1.G1和G2都导通；2.G1(1)断开、G1(2)导通；3.G1(1)和G1(2)都断开)，所以集电极电流逐渐减少，能够抑制浪涌电压。
(实施例2)
图7是本发明的第2实施例的绝缘栅型半导体元件的控制装置的电路框图。本实施例与第1实施例不同点在于，串联地连接第1噪声滤波器10和第2噪声滤波器13。即，将传感电阻9的两端的电压经由第1噪声滤波器10输入到第2噪声滤波器13。在第1实施例中，第1噪声滤波器10和第2噪声滤波器13并联地连接，所以将第2噪声滤波器13的时间常数设定得大于第1噪声滤波器10的时间常数。相对于此，在本实施例中，关于第1噪声滤波器10以及第2噪声滤波器13的时间常数，无第1实施例那样的制约。
在本实施例中，也通过使辅助栅极(G2)先断开，使IGBT的饱和电流降低，短路容量增加，所以可靠性提高。
(实施例3)
图8是本发明的第3实施例的绝缘栅型半导体元件的控制装置的电路框图。本实施例与第1实施例不同点在于，噪声滤波器、基准电压源、比较器分别各使用一个。
接下来，使用图9至图11，说明本实施例的动作。
在图9中，当第1比较器的输入电压超过第1基准电压(t2)时，辅助栅极(G2)断开。在该状态下，继续流过集电极电流，但辅助栅极(G2)断开，所以饱和电流减少，抑制了IGBT的发热。之后，如果经过预先设定了的时间td(t3)，第1比较器的输入电压保持基准电压以上，则使主栅极(G1)断开，IGBT成为断开状态。
在图10中，当第1比较器的输入电压超过第1基准电压(t2)时，辅助栅极(G2)断开。当经过时间td之前第1比较器的输入电压降低为基准电压以下(t3)时，辅助栅极(G2)返回到导通。
在图11中，第1比较器的输入电压未达到基准电压，所以辅助栅极(G2)保持导通状态。
在本实施例中，也通过使辅助栅极(G2)先断开，使IGBT的饱和电流降低，短路容量增加，所以可靠性提高。
(实施例4)
图12是本发明的第4实施例的绝缘栅型半导体元件的控制装置的电路框图。本实施例与第1实施例不同点在于，作为集电极电流检测单元，检测集电极电压。因为集电极电流与集电极电压存在正相关的关系，所以通过检测集电极电压，能够推测集电极电流。如果集电极电压上升，第1噪声滤波器10的输出超过第1基准电压源12的基准电压，则使辅助栅极(G2)5断开。之后，当第2噪声滤波器13的输出超过第2基准电压源15的基准电压时，使主栅极(G1)4断开，IGBT1断开。
在本实施例中，也通过使辅助栅极(G2)先断开，使IGBT1的饱和电流降低，短路容量增加，所以可靠性提高。
(实施例5)
图13是本发明的第5实施例的绝缘栅型半导体元件的控制装置的电路框图。本实施例与实施例1不同点在于，作为集电极电流检测单元，检测栅极电压。当集电极电流上升、集电极电压增加时，经由反馈电容而栅极电压上升，所以通过检测栅极电压，能够推测集电极电流。
如果栅极电压上升、第1噪声滤波器10的输出超过基准电压源12的第1基准电压，则使辅助栅极(G2)5断开。之后，如果第2噪声滤波器13的输出超过基准电压源15的第2基准电压，则使主栅极(G1)4断开，IGBT断开。
在本实施例中，也通过使辅助栅极(G2)先断开，使IGBT的饱和电流降低，短路容量增加，所以可靠性提高。
(实施例6)
图14是本发明的第6实施例的绝缘栅型半导体元件的控制装置的电路框图。本实施例与第1实施例不同点在于，针对第1比较器11和第2比较器14，通过相同的基准电压源12提供基准电压。因此，在本实施例中，第1比较器11和第2比较器14的基准电压为相同的值。
如果流过过电流、在传感电阻9的两端产生电压、第1噪声滤波器10的输出超过基准电压源12的基准电压，则使辅助栅极(G2)5断开。之后，如果第2噪声滤波器13的输出超过相同的基准电压源12的基准电压，则使主栅极(G1)4断开，IGBT断开。
在本实施例中，也通过使辅助栅极(G2)先断开，使饱和电流降低，短路容量增加，所以可靠性提高。
(实施例7)
图15示出本发明的第7实施例的电力变换装置的电路结构图。
本实施例是三相逆变器装置，作为半导体开关元件700，使用具备在上述的各实施方式中说明的多个绝缘栅极的绝缘栅型半导体元件。另外，在图15中，作为半导体开关元件的电路符号，为便于说明，使用一般的IGBT的电路符号。
在本实施例中，具备一对直流端子900、901和与交流的相数相同数量的即3个交流端子910、911、912。在各直流端子与各交流端子之间，分别连接1个半导体开关元件700，作为三相逆变器装置整体而具备6个半导体开关元件。另外，与各半导体开关元件700逆并联地连接二极管600。另外，半导体开关元件700以及二极管600的个数能够根据交流的相数、电力变换装置的电力容量以及半导体开关元件700单体的耐压、电流容量而适宜地设定为多个个数。
通过利用栅极驱动电路800对各半导体开关元件700进行导通/断开驱动，直流端子900、901从直流电源960接收到的直流电力被变换为交流电力，从交流端子910、911、912输出交流电力。各交流输出端子与感应机、同步机等马达950连接，通过从各交流端子输出的交流电力来旋转驱动马达950。
进而，在本实施例中，栅极驱动电路800具备上述任意一个实施例的控制装置。由此，在产生了分支短路等的情况下，半导体开关元件700安全地关断，被从过电流中保护起来。因此，电力变换装置的可靠性提高。
本实施例是逆变器装置，但关于转换器、斩波器等其它电力变换装置，也能够对半导体开关元件的栅极驱动电路应用本发明的控制装置，能够得到同样的效果。
另外，不限于上述的各实施例，当然能够在本发明的技术的思想的范围内进行各种变形例。

Claims (14)

1.一种绝缘栅型半导体元件的控制装置，通过分别提供给第1绝缘栅极以及第2绝缘栅极的第1控制电压以及第2控制电压，驱动具备所述第1绝缘栅极和所述第2绝缘栅极的绝缘栅型半导体元件，所述绝缘栅型半导体元件的控制装置的特征在于，具备：
电流检测单元，输出与所述绝缘栅型半导体元件中流过的电流相关的信号；
第1噪声滤波器，输入所述电流检测单元输出的所述信号；
第1比较器，比较所述第1噪声滤波器的输出信号和第1基准信号，输出第1比较结果；
第2控制电压输出电路，如果根据所述第1比较结果判定为所述绝缘栅型半导体元件中流过过电流，则使所述第2控制电压降低；以及
第1控制电压输出电路，在所述第2控制电压降低之后，使所述第1控制电压降低。
2.根据权利要求1所述的绝缘栅型半导体元件的控制装置，其特征在于，还具备：
第2噪声滤波器，输入所述电流检测单元输出的所述信号；以及
第2比较器，比较所述第2噪声滤波器的输出信号和第2基准信号，输出第2比较结果，
如果根据所述第2比较结果判定为所述绝缘栅型半导体元件中流过所述过电流，则所述第2控制电压输出电路使所述第2控制电压降低。
3.根据权利要求2所述的绝缘栅型半导体元件的控制装置，其特征在于，
所述第2噪声滤波器的时间常数大于所述第1噪声滤波器的时间常数。
4.根据权利要求2或者3所述的绝缘栅型半导体元件的控制装置，其特征在于，
如果根据所述第1比较结果判定为所述绝缘栅型半导体元件中流过过电流，并且根据所述第2比较结果未判定为所述绝缘栅型半导体元件中流过所述过电流，则所述第2控制电压输出电路增加所述第2控制电压。
5.根据权利要求1或者2所述的绝缘栅型半导体元件的控制装置，其特征在于，
所述第1控制电压输出电路阶段状地降低所述第1控制电压。
6.根据权利要求1或者2所述的绝缘栅型半导体元件的控制装置，其特征在于，
所述第1绝缘栅极由第1部分和第2部分构成，
使提供给所述第1部分的所述第1控制电压比提供给所述第2部分的所述第1控制电压先降低。
7.根据权利要求2所述的绝缘栅型半导体元件的控制装置，其特征在于，
经由所述第1噪声滤波器将所述电流检测单元输出的所述信号输入到所述第2噪声滤波器。
8.根据权利要求1所述的绝缘栅型半导体元件的控制装置，其特征在于，
如果根据所述第1比较结果判定为在规定时间的期间所述绝缘栅型半导体元件中流过过电流，则所述第1控制电压输出电路使所述第1控制电压降低。
9.根据权利要求8所述的绝缘栅型半导体元件的控制装置，其特征在于，
如果判定为在比所述规定时间短的时间的期间所述绝缘栅型半导体元件中流过过电流，则所述第2控制电压输出电路使所述第2控制电压增加。
10.根据权利要求1或者2所述的绝缘栅型半导体元件的控制装置，其特征在于，
所述电流检测单元根据与所述绝缘栅极半导体元件连接的传感电阻的两端的电压，输出与所述绝缘栅型半导体元件中流过的电流相关的信号。
11.根据权利要求1或者2所述的绝缘栅型半导体元件的控制装置，其特征在于，
所述电流检测单元根据所述绝缘栅极半导体元件的集电极电压，输出与所述绝缘栅型半导体元件中流过的电流相关的信号。
12.根据权利要求1或者2所述的绝缘栅型半导体元件的控制装置，其特征在于，
所述电流检测单元根据所述绝缘栅极半导体元件的第1绝缘栅极的电压，输出与所述绝缘栅型半导体元件中流过的电流相关的信号。
13.根据权利要求2所述的绝缘栅型半导体元件的控制装置，其特征在于，
所述第1基准信号的大小与所述第2基准信号的大小相同。
14.一种电力变换装置，具备：
一对直流端子；
与交流的相数相同数量的交流端子；
多个半导体开关元件，设于所述直流端子与所述交流端子之间；
多个二极管，与所述多个半导体开关元件逆并联地连接；以及
多个栅极驱动装置，驱动所述多个半导体开关元件，
所述电力变换装置的特征在于，
所述多个半导体开关元件的各个是具备第1绝缘栅极和第2绝缘栅极的绝缘栅型半导体元件，
所述多个栅极驱动装置的各个具备权利要求1或者2所述的绝缘栅型半导体元件的控制装置。
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