CN105993122B - 开关装置 - Google Patents
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Abstract
本发明的开关装置具有：具备开关元件的主电路、生成用于切换开关元件的接通状态及断开状态的控制信号的控制电路、向主电路传输从控制电路输出的控制信号的第一信号线及第二信号线。第一及第二信号线的特性阻抗值(Zcd)设定在控制电路的输出阻抗值(Zab)和主电路的输入阻抗值(Zef)之间。
Description
技术领域
本发明涉及一种开关装置。
背景技术
提案有涉及电力转换装置的发明，该电力转换装置使用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)或MOS型场效应晶体管(MOSFET)等可进行高速的开关动作的开关元件(参照专利文献1)。专利文献1公开了如下的技术，即，为了解决因开关动作的高速化而产生的技术性课题，对施加于开关元件的控制端子(栅极端子)的栅极电压进行控制。
专利文献1:(日本)特开平10－248237号公报
专利文献1中，为了抑制高速切换造成的浪涌电压的增大，在与栅极端子连接的信号线上设置栅极电阻，抑制栅极电压的变化率使其较低。因此，开关元件的开关速度降低。
发明内容
本发明是鉴于上述课题而创立的，其目的在于，提供能较高地维持开关元件的开关速度，且降低控制信号的反射造成的振铃噪声的开关装置。
本发明的一方式的开关装置具有：具备开关元件的主电路、生成用于切换开关元件的接通状态及断开状态的控制信号的控制电路、向主电路传输从控制电路输出的控制信号的第一信号线及第二信号线。第一及第二信号线的特性阻抗值设定在控制电路的输出阻抗值和主电路的输入阻抗值之间。
附图说明
图1是表示第一实施方式的开关装置的构成的示意图；
图2是表示图1所示的主电路1及控制电路2的电路例以及第一及第二信号线(3、4)的特性阻抗Zcd的概念图；
图3是表示第一及第二信号线(3、4)的尺寸的立体图；
图4是表示第二实施方式的开关装置的构成的示意图；
图5(a)是沿着图4的A－A剖切面的剖面图，图5(b)是第二实施方式的变形例的开关装置的沿着A－A剖切面的剖面图；
图6是表示第三实施方式的开关装置的构成的示意图；
图7(a)是沿着图6的D－D剖切面的剖面图，图7(b)是第三实施方式的变形例的开关装置的沿着D－D剖切面的剖面图；
图8(a)是表示第四实施方式的开关装置的构成的示意图，图8(b)是沿着图8(a)的B－B剖切面的剖面图；
图9(a)是表示第五实施方式的开关装置的构成的示意图，图9(b)是沿着图9(a)的C－C剖切面的剖面图；
图10是表示第六实施方式的开关装置的构成的示意图；
图11是表示图10的开关装置的在电力转换装置的应用例的电路图；
图12是表示图10的开关装置的在电力转换装置的应用例的概观图；
图13(a)是表示栅极电压(Vg)中出现的振铃噪声的曲线图，图13(b)是用于说明第一～第六实施方式的效果的曲线图。
具体实施方式
参照附图，说明本发明的实施方式。在附图的记载中，在相同的部分附加相同符号，并省略说明。
(第一实施方式)
参照图1，说明第一实施方式的开关装置的构成。开关装置具有：具备开关元件的主电路1、生成用于切换开关元件的接通状态(导通状态)及断开状态(非导通状态)的控制信号的控制电路2、向主电路1传输从控制电路2输出的控制信号的第一信号线3及第二信号线4。
图1的“Zab”表示输出控制信号的控制电路2的输出阻抗值。“Zcd”表示传输控制信号的第一及第二信号线(3、4)的特性阻抗值。“Zef”表示输入控制信号的主电路1的输入阻抗值。
参照图2，对主电路1及控制电路2的电路例、及各阻抗(Zab、Zcd、Zef)进行说明。主电路1所具备的开关元件11例如是含有可进行高速的开关动作的IGBT或MOSFET的半导体元件。图2例示集电极(C)、发射电极(E)及栅电极(G)的IGBT。主电路1还具备与栅电极(G)连接的第一输入端子12、及与发射电极(E)连接的第二输入端子13。主电路1作为执行开关元件11的开关动作的切换(开关)单元发挥功能。
控制电路2为了控制主电路1具备的开关元件11的两种状态(接通状态及断开状态)，生成由两个电平构成的控制信号。例如，生成串联连接的两个开关元件(16、17)的连接点和一方的开关元件17的另一端子之间的电位差(电平)，并将其作为控制信号。根据开关元件(16、17)的接通/断开状态，生成电平不同的控制信号。控制电路2具备用于输出所生成的控制信号的第一输出端子14及第二输出端子15。第一输出端子14与两个开关元件(16、17)的连接点连接，第二输出端子15与一开关元件17的另一端子连接。第一输出端子14及第二输出端子15之间的电位差作为控制信号被输出。由此，控制电路2作为通过控制信号控制主电路1的开关动作的控制单元发挥功能。
第一信号线3将第一输出端子14和第一输入端子12之间连接并传输控制信号。第二信号线4将第二输出端子15和第二输入端子13之间连接并传输控制信号。因此，第一及第二信号线(3、4)作为传输控制信号的传输单元发挥功能。
输出控制信号的控制电路2的输出阻抗(Zab)表示第一输出端子14和第二输出端子15之间的阻抗。输入控制信号的主电路1的输入阻抗(Zef)表示第一输入端子12和第二输入端子13之间的阻抗。
(控制信号的反射)
下面，对控制信号的反射进行说明。作为从输出阻抗(Zab)向特性阻抗(Zcd)的行波的控制信号，在阻抗的不连续部分，其能量的一部分被反射。其反射系数(ρ1)用式(1)表示。从特性阻抗(Zcd)向输入阻抗(Zef)的行波的反射系数(ρ2)也用式(1)表示。
反射系数(ρ1、ρ2)的绝对值越大，反射的能量越增加。因此，在实施方式中，为了抑制阻抗的不连续部分的控制信号的反射，调整传输控制信号的第一及第二信号线(3、4)的特性阻抗(Zcd)的值。
调整并设定传输控制信号的第一及第二信号线(3、4)的特性阻抗(Zcd)的值，使其成为输出控制信号的控制电路2的输出阻抗(Zab)的值和输入控制信号的主电路1的输入阻抗(Zef)的值之间。换句话说，各阻抗Zab、Zcd、Zef满足式(2)或式(3)的任一个。
Zab≤Zcd≤Zef (2)
Zef≤Zcd≤Zab (3)
将各阻抗Zab、Zcd、Zef的感应成分设为Lab、Lcd、Lef，电容成分设为Cab、Ccd、Cef，电阻成分设为Rab、Rcd、Ref，导纳成分设为Gab、Gcd、Gef时，各阻抗Zab、Zcd、Zef分别用式(4)、式(5)、式(6)表示。其中，ω表示交流的角频率。
在此，对各阻抗Zab、Zcd、Zef的实部(电阻成分及导纳成分)进行比较。一般地，与输出阻抗Zab及输入阻抗Zef的实部(Rab、Gab、Ref、Gef)相比，特性阻抗Zcd的实部(Rcd、Gcd)足够小，小到可以忽视的程度。因此，可以将第一及第二信号线(3、4)的特性阻抗Zcd如式(7)所示进行近似。即，在设计第一及第二信号线(3、4)的构成时，只要仅考虑特性阻抗Zcd的虚部(感应成分Lcd及电容成分Ccd)即可。
特性阻抗Zcd的感应成分Lcd使用自电感Lo及互电感Mo，用式(8)表示。
Lcd＝2(L0－M0) (8)
另外，第一及第二信号线(3、4)各自由平行的平板构成的情况下，自电感Lo及互电感Mo分别用式(9)及式(10)来近似。如图3所示，将第一及第二信号线(3、4)各自的长度设为l、宽度设为w、高度设为H，将第一信号线3和第二信号线4的间隔设为d。
另一方面，特性阻抗Zcd的电容成分Ccd用式(11)来近似。在此，将第一信号线3和第二信号线4之间的相对介电常数设为εr，将真空介电常数设为ε0，将第一信号线3和第二信号线4相互对向的面的面积设为S。另外，在第一实施方式中，第一及第二信号线(3、4)之间用空气充满，所以相对介电常数εr为空气相对介电常数。
如以上说明，以式(1)所示的反射系数(ρ1、ρ2)的绝对值减小的方式，相对于根据式(4)及式(6)求出的输出阻抗Zab及输入阻抗Zef，使根据式(7)～式(11)求出的特性阻抗Zcd整合。具体而言，调整特性阻抗Zcd，使其满足式(2)或式(3)。例如，第一及第二信号线(3、4)各自由平行的平板构成的情况下，在调整特性阻抗Zcd时，使用第一及第二信号线(3、4)各自的长度(l)、宽度(w)及高度(H)、第一信号线3和第二信号线4的间隔(d)、及第一信号线3和第二信号线4相互对向的面的面积(S)即可。
通过满足式(2)或式(3)，能够抑制控制电路2和第一及第二信号线(3、4)之间、及第一及第二信号线(3、4)和主电路1之间的阻抗的不连续，减小反射系数(ρ1、ρ2)的绝对值。其结果是，能够抑制主电路1的两端子(12、13)间产生的控制信号的反射造成的振铃，且得到高速性，可以降低开关损耗。
通过满足式(2)或式(3)，输出阻抗(Zab)和特性阻抗(Zcd)之差、及特性阻抗(Zcd)和输入阻抗(Zef)之差都减小。因此，能够抑制控制电路2和第一及第二信号线(3、4)的连接点的控制信号的反射、及第一及第二信号线(3、4)和主电路1的连接点的控制信号的反射。因此，可以维持开关元件的开关速度较高，且降低因控制信号的反射造成的振铃噪声。因此，能够降低开关元件的开关损耗，且抑制开关元件的误动作。
第一及第二信号线(3、4)各自由平行的平板构成的情况下，可以通过调整相对的第一及第二信号线(3、4)的面积(S)及间隔(d)，容易地控制一对信号线的电容成分(Ccd)。因此，通过用平行的平板形成各第一及第二信号线(3、4)，能够调整第一及第二信号线(3、4)的各参数(l、w、H、d、S)，容易地控制特性阻抗Zcd。
(第二实施方式)
如图4及图5(a)所示，第二实施方式的开关装置还具有配置于第一及第二信号线(3、4)之间的介电体5。第一实施方式中，第一及第二信号线(3、4)之间用空气充满，所以相对介电常数(εr)是空气的相对介电常数。第二实施方式中，在第一及第二信号线(3、4)之间设有相对介电常数比空气高的介电体5。由此，式(11)所示的电容成分Ccd增加，能够降低特性阻抗Zcd，使其满足式(2)或式(3)。
另外，如图5(b)所示，也可以用树脂6将夹持介电体5的第一及第二信号线(3、4)的周围覆盖。由此，能够提高夹持介电体5的第一及第二信号线(3、4)的机械强度。但是，也可以如第一实施方式所示，用树脂6将被空气充满的第一及第二信号线(3、4)的周围覆盖。
(第三实施方式)
如图6及图7(a)所示，第三实施方式的开关装置具有一个第一信号线3和两个第二信号线(4a、4b)，第一信号线3配置于两个第二信号线(4a、4b)之间。在第一信号线3和第二信号线(4a、4b)之间分别配置有介电体(5a、5b)。由此，第一及第二信号线(3、4a、4b)间的电容成分Ccd增加，能够降低第一及第二信号线(3、4a、4b)的特性阻抗Zcd。
另外，图7(a)所示的第一信号线3及两个第二信号线(4a、4b)具有相等的宽度。此外，例如，如图7(b)所示，也可以使第一信号线3的宽度(w)比第二信号线(4a、4b)的宽度窄。在该图7(b)所示的截面中，两个第二信号线(4a、4b)夹持周围被介电体5覆盖的第一信号线3，能够提高信号线整体(3、4a、4b)的机械强度。但是，也可以没有介电体5，而在第一信号线3和第二信号线(4a、4b)之间充满空气。
(第四实施方式)
如图8(a)及图8(b)所示，第四实施方式的开关装置还具有配置于第一及第二信号线(3、4)之间的绝缘体(7a、7b)。第一及第二信号线(3、4)各自具有板状的形状，以绝缘体(7a、7b)和第一及第二信号线(3、4)重合的状态卷绕。由此，信号线整体8具有圆柱状的形状。而且，第一及第二信号线(3、4)间的电容成分Ccd增加，且感应成分Lcd减少。因此，能够降低第一及第二信号线的特性阻抗Zcd。
(第五实施方式)
如图9(a)及图9(b)所示，在第五实施方式的开关装置中，第一信号线3以包围第二信号线4的方式配置。具体而言，第二信号线4具有圆柱状的形状，第一信号线3具有圆筒状的形状。第一信号线3的内径比第二信号线4的外径大。第二信号线4配置于第一信号线3的内部，在第二信号线4和第一信号线3之间配置有介电体5。
通过以包围第二信号线4的方式配置第一信号线3，第一及第二信号线(3、4)间的电容成分Ccd增加，能够降低第一及第二信号线(3、4)的特性阻抗Zcd。但是，也可以不配置介电体5，而在第一及第二信号线(3、4)之间充满空气。
(第六实施方式)
如图10所示，第六实施方式的开关装置中，主电路1具备多个开关元件，以对多个开关元件各自传输控制信号的方式设置有多个第一及第二信号线(3a、3b、3c、……、3f、4a、4b、4c、……、4g)。第一及第二信号线(3a～3f、4a～4g)交替排列，在第一及第二信号线之间分别配置有介电体(5a、……)。由此，第一及第二信号线(3a～3f、4a～4g)间的电容成分Ccd增加，能够降低第一及第二信号线(3a～3f、4a～4g)的特性阻抗Zcd。
第六实施方式的开关装置例如，如图11及图12所示，可以用于作为将从二次电池等直流电源22输出的直流电力转换为交流电力的电力转换装置21。电力转换装置21具备由将直流电力转换为三相的交流电力的逆变器27及吸收向逆变器27输入的直流电压的变动的平滑电容器28构成的功率模块25、和收纳功率模块25的金属外壳26。逆变器27具备多个可进行高速的开关动作的开关元件(31～36)。逆变器27具有对于三相(U相、V相、W相)各相，构成上下支路的串联连接的两个开关元件。逆变器27经由第一及第二供电母线与直流电源22及平滑电容器28并联连接。
通过逆变器27转换后的三相的交流电力供给至三相交流电机等电动机23。图11及图12所示的电力转换系统可以应用于将电动机23作为行驶驱动源行驶的车辆，即，电动机23的输出轴与车辆的车轴连结的电动汽车或混合动力汽车(HEV)。
如图12所示，直流电源22的输出端子经由一对屏蔽线44与金属外壳26内的第一及第二供电母线53、54连接。金属外壳26内收纳有控制电路2，经由未图示的第一及第二信号线，与多个开关元件(31～36)连接。逆变器27的输出端子经由配置于金属外壳26内的汇流条43，与三个屏蔽线42连接。三个屏蔽线42与电动机23的输入端子连接。因此，通过逆变器27转换后的三相的交流电力经由汇流条43、屏蔽线42向电动机23输出。另外，屏蔽线42、44是利用树脂将金属线包覆而形成的电线。这样，本实施方式的开关装置可以应用于向三相交流电机等电动机23供给交流电力的逆变器27。
(关于开关损耗)
如图13(a)所示，形成控制信号的栅极电压(Vg)从高电位状态经过规定的推移时间TT向低电位状态过渡时，产生栅极电压振动的所谓振铃噪声(ringing noise)。由于振铃噪声，栅极电压跃过开关元件的开关阈值(Vgth)而振动的情况下，就会产生接通状态/断开状态的误动作Ga。通过将图13所示的振铃峰值量RG抑制为小到不超过开关阈值(Vgth)的程度来防止误动作Ga。
对于在与开关元件的控制端子(栅极端子)连接的信号线上设置有栅极电阻的比较例、及未设置有栅极电阻的本发明的实施方式，图13(b)的纵轴分别表示振铃峰值量(RGp、RGv)、及开关损耗(SLp、SLv)。对于比较例，横轴表示栅极电阻值，对于本发明的实施方式，横轴表示第一及第二信号线(3、4)的特性阻抗Zcd。
栅极电阻值越增大，比较例的振铃峰值量(RGp)越变小。这是因为栅极电阻值越大，开关速度越减慢，推移时间TT越增长，所以振铃噪声也减小。相反地，栅极电阻值减小，振铃峰值量(RGp)比产生误动作Ga的阈值TH大时，因误动作Ga，比较例的开关损耗(SLp)迅速增加。即使是振铃峰值量(RGp)比阈值TH小的区域，在栅极电阻值增加的同时，比较例的开关损耗(SLp)也增加。
另一方面，实施方式的振铃峰值量(RGv)在特性阻抗Zcd满足式(2)或式(3)期间，与特性阻抗Zcd的增加同时开始增加。即使特性阻抗Zcd进一步增加，变得不满足式(2)或式(3)，振铃峰值量(RGv)也进一步持续增加。实施方式的开关损耗(SLv)在特性阻抗Zcd满足式(2)或式(3)期间，维持较低，但当不满足式(2)或式(3)时，会迅速增加。
对以比较例及实施方式的振铃峰值量(RGp、RGv)变为阈值TH的方式，调整比较例的栅极电阻值及实施方式的特性阻抗Zcd时的开关损耗(Gp、Gv)进行比较。与比较例的开关损耗(Gp)相比，实施方式的开关损耗(Gv)可以降低30％以上。因此，即使如现有技术那样在与开关元件的控制端子连接的信号线上未设置栅极电阻，也能够抑制开关元件的误动作，且可以降低开关元件的开关损耗。
如上所述，记载了本发明的第一～第六的实施方式，但不应该理解为形成本公开的一部分的论述及附图是限定本发明的论述。作为本领域技术人员，从本公开的内容可知各种代替实施方式、实施例及运用技术。
第一实施方式中，也可以对第一及第二信号线(3、4)的特性阻抗Zcd，如式(7)所示，忽视其实部而仅考虑其虚部(感应成分Lcd及电容成分Ccd)的情况。由此，具有特性阻抗Zcd的设计变得容易这种效果。
另外，也可以忽视感应成分Lcd，仅考虑电容成分Ccd而设计特性阻抗Zcd。在第一及第二信号线(3、4)的长度(l)相对于间隔(d)足够长的情况下，相对于(8)～式(10)所示的感应成分(Lcd)的变化率，第一母线和第二母线之间的电容成分(Ccd)的变化率处于支配性。因此，通过忽视感应成分(Lcd)，仅考虑电容成分(Ccd)，能够更加容易地设计特性阻抗Zcd。
本申请主张基于2013年11月29日申请的日本国专利申请2013－247038号的优选权，该申请的内容通过参照编入到本发明的说明书中。
符号说明
1 主电路
2 控制电路
3 第一信号线
4 第二信号线
5 介电体
6 树脂
11 开关元件
Zab 输出阻抗
Zcd 特性阻抗
Zef 输入阻抗
Claims (8)
1.一种开关装置，其特征在于，具有：
主电路，其具备开关元件；
控制电路，其生成用于切换所述开关元件的接通状态及断开状态的控制信号；
第一信号线及第二信号线，其向所述主电路传输从所述控制电路输出的所述控制信号，
传输所述控制信号的所述第一信号线及所述第二信号线的特性阻抗值，设定在输出所述控制信号的所述控制电路的输出阻抗值和输入所述控制信号的所述主电路的输入阻抗值之间。
2.如权利要求1所述的开关装置，其特征在于，
所述第一信号线和所述第二信号线是相互平行的平板。
3.如权利要求1或2所述的开关装置，其特征在于，
所述第一信号线配置于两个所述第二信号线之间。
4.如权利要求1所述的开关装置，其特征在于，
所述第一信号线以包围所述第二信号线的方式配置。
5.如权利要求1、2、4中任一项所述的开关装置，其特征在于，
还具有配置于所述第一信号线及所述第二信号线之间的介电体。
6.如权利要求1所述的开关装置，其特征在于，
还具有配置于所述第一信号线及所述第二信号线之间的绝缘体，
所述第一信号线及所述第二信号线各自具有板状的形状，以将所述绝缘体及所述第一信号线及所述第二信号线重合的状态卷绕。
7.如权利要求1所述的开关装置，其特征在于，
所述第一信号线及所述第二信号线至少一方由树脂覆盖。
8.如权利要求1或2所述的开关装置，其特征在于，
所述主电路具备多个开关元件，
设有多个所述第一信号线及所述第二信号线，以对所述多个开关元件各自传输所述控制信号，
所述第一信号线及所述第二信号线交替排列，且在所述第一信号线及所述第二信号线之间配置有介电体。
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