CN106104993A - 电力用半导体元件的驱动电路 - Google Patents

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Abstract

其目的在于防止电压变动导致的电力用半导体元件的误动作，防止电力用半导体元件的损坏。本发明的驱动电路(34)具备：电压检测部(电路(37))，检测正偏置电压和负偏置电压的合计电压、负偏置电压、正偏置电压中的任意种；以及开关元件(晶体管(81))，与电力用元件(支路(32u))的控制端子和负电压供给电源(直流电源(62))的负极侧连接，电压检测部(电路(37))在检测对象电压的值比设定电压值降低了的情况下、或者当在检测对象电压的值比设定电压值降低了的状态下电力用元件(支路(32u))中的控制端子与基准端子之间的电压上升了的情况下，使开关元件(晶体管(81))导通，对电力用元件(支路(32u))中的所述端子之间供给0V以下的电压。

Description

电力用半导体元件的驱动电路
技术领域
本发明涉及对电力用半导体元件进行驱动的驱动电路，特别涉及具有利用电压变动dv/dt防止电力用半导体元件的误动作导致的破坏的功能的驱动电路。
背景技术
在以往的电力用半导体元件的驱动电路中，在使用Si(硅)制的IGBT(InsulatedGate Bipolar Transistor：绝缘栅双极型晶体管)等自灭弧式的电力用半导体元件的情况下，如果在关断状态的电力用半导体元件的集电极·发射极端子之间产生电压变动dv/dt，则由于在电力用半导体元件的栅极中相伴的寄生电容，栅极电压上升。存在如下问题：如果栅极电压超过规定的阈值电压，则关断状态的电力用半导体元件错误地成为导通，在逆变器等电力变换器中发生支路短路，电力用半导体元件损坏。为了避免该问题，具有在电力用半导体元件的关断状态时对栅极·发射极端子之间施加负偏置电压的方法。
然而，在逆变器等电力变换器中，从主电路的电源供给电力用半导体元件的驱动电力的情况较多，存在在对电力用半导体元件施加的负偏置电压确立之前，在栅极·发射极端子之间发生电压变动，栅极电压上升而引起误动作的可能性。另外，在使用MOSFET(Metal-Oxide-Semicond uctor Field-Effect-Transistor：金属氧化物-半导体场效应晶体管)作为电力用半导体元件的情况下，如果在对电力用半导体元件施加的负偏置电压确立之前在漏极·源极端子之间发生电压变动，则存在栅极电压上升而引起误动作的可能性。
在专利文献1中，记载了对低的阈值电压的半导体元件进行驱动的电路(驱动电路)。在专利文献1的驱动电路中，对开关元件130的栅极端子和源极端子144连接常导通型FET(Field-Effect–Transistor：场效应晶体管)132，如果驱动脉冲生成电路118的电源成为关断的状态，则使栅极·源极端子之间短路。
现有技术文献
专利文献1：日本专利第4528321号公报(0053段～0063段、图5)
发明内容
在专利文献1的驱动电路中，在电力用半导体元件的关断状态下施加了电压变动dv/dt时，为了防止由于在栅极·源极端子之间充电正的偏置电压而发生的误动作，能够使电力用半导体元件的栅极·源极端子之间短路，但如果对电力用半导体元件施加负偏置电压，则对作为使栅极·源极端子之间短路的常导通型FET的主端子之间的漏极·源极端子之间施加逆电压，所以需要与逆电压的大小相应的应对。即，需要使用具有逆耐压的常导通型FET、或者与常导通型FET串联地连接二极管。
本发明是为了解决上述那样的问题而完成的，其目的在于，无需对防止关断状态的电力用半导体元件的误动作的开关元件的主端子之间施加逆电压，而防止电压变动dv/dt导致的电力用半导体元件错误的导通动作(误导通)，并防止该误动作导致的电力用半导体元件的损坏。
本发明的电力用半导体元件的驱动电路的特征在于，具备：正电压供给电源，对电力用半导体元件中的控制端子与基准端子之间供给正偏置电压；负电压供给电源，正极侧与正电压供给电源的负极侧连接，所述负电压供给电源对电力用半导体元件中的控制端子与基准端子之间供给负偏置电压；栅极驱动电路，根据控制电路的控制信号，对电力用半导体元件中的控制端子与基准端子之间供给使电力用半导体元件导通的正偏置电压、和使电力用半导体元件关断的负偏置电压中的任意种；电压检测部，对检测对象电压进行检测，该检测对象电压是正偏置电压和负偏置电压的合计电压、负偏置电压、正偏置电压中的任意种；以及开关元件，与电力用半导体元件的控制端子和负电压供给电源的负极侧连接。电压检测部在检测对象电压的值比设定电压值降低了的情况、或者在检测对象电压的值比设定电压值降低了的状态下电力用半导体元件中的控制端子与基准端子之间的电压上升了的情况下，使开关元件导通，对电力用半导体元件中的控制端子与基准端子之间供给0V以下的电压。
根据本发明的电力用半导体元件的驱动电路，具备与电力用半导体元件的控制端子和负电压供给电源的负极侧连接的开关元件，所以即使施加电压变动dv/dt，也无需对开关元件的主端子之间施加逆电压而开关元件成为导通，从而能够防止由于对关断状态的电力用半导体元件的控制端子·基准端子之间充电正的偏置电压而发生的误动作，防止由于误动作而电力用半导体元件发生破坏的现象。
附图说明
图1是本发明的实施方式1的电气驱动系统的概略图。
图2是示出本发明的实施方式1的第1驱动电路的电路图。
图3是示出对图1的驱动电路供给电力的绝缘电源的图。
图4是示出针对图2的驱动电路的比较例的驱动电路的电路图。
图5是示出本发明的实施方式1的第2驱动电路的电路图。
图6是示出本发明的实施方式1的第3驱动电路的电路图。
图7是示出本发明的实施方式1的第4驱动电路的电路图。
图8是示出本发明的实施方式2的驱动电路的电路图。
图9是示出双极型晶体管的Vbe-ib特性的图。
图10是示出本发明的实施方式3的第1驱动电路的电路图。
图11是示出本发明的实施方式3的第2驱动电路的电路图。
图12是示出本发明的实施方式3的第3驱动电路的电路图。
图13是示出本发明的实施方式4的驱动电路的电路图。
图14是示出与图13的驱动电路相对的比较例的驱动电路的电路图。
(符号说明)
4：电动机驱动控制电路；31u、31v、31w：上支路(电力用半导体元件)；32u、32v、32w：下支路(电力用半导体元件)；34、34u、34v、34w：低电位侧驱动电路(驱动电路)；35：栅极驱动电路、37：电压检测电路(电压检测部)；43：一次侧端子；44：一次侧端子；45：二次侧端子；46：二次侧端子；61：第2直流电源；62：第3直流电源；63：二极管；67：连接点；71：FET(正侧晶体管)；74：FET(负侧晶体管)；75：缓冲电路；76：电阻器；77：电阻器；78：晶体管；81：晶体管；82：齐纳二极管(恒定电压元件)；84：常导通型继电器；85：电阻器；86：UVLO部；sig4u、sig4v、sig4w：控制信号。
具体实施方式
实施方式1.
图1是本发明的实施方式1的电气驱动系统的概略图。图2是示出本发明的实施方式1的第1驱动电路的电路图，图3是示出对图1的驱动电路供给电力的绝缘电源的图。在此，在电气驱动系统10的主电路的电力用半导体元件中使用n型MOSFET而进行说明。
电气驱动系统10具有直流电源1、平滑电容器2、电动机驱动装置3、电动机驱动控制电路4以及电动机5。在此，使用直流电源1作为主电路的电源进行说明，但不限于此。也可以对交流电源进行整流而用作直流电源。
用平滑电容器2对来自直流电源1的电压进行平滑，用电动机驱动装置3变换为3相交流而供给到电动机5。此时，电动机驱动控制电路4为了控制电动机5的转速、转矩而控制电动机驱动装置3的动作。电动机驱动装置3与U相、V相、W相的各相对应地具备高电位侧半导体元件(上支路)31u、31v、31w、和低电位侧半导体元件(下支路)32u、32v、32w。高电位侧半导体元件(上支路)31u、31v、31w对高电位侧的高电位侧母线21与U相、V相、W相的各相线之间进行开关。电位侧半导体元件(下支路)32u、32v、32w对低电位侧的低电位侧母线22与上述各相线之间进行开关。适宜地将高电位侧半导体元件称为上支路，将低电位侧半导体元件称为下支路。进而，电动机驱动装置3具备与各上支路31u、31v、31w对应的高电位侧驱动电路33u、33v、33w、和与各下支路32u、32v、32w对应的低电位侧驱动电路34u、34v、34w。
电动机驱动控制电路4向高电位侧驱动电路33u以及低电位侧驱动电路34u输出控制信号sig4u。高电位侧驱动电路33u、低电位侧驱动电路34u互补地动作。即，在高电位侧驱动电路33u使上支路31u导通的情况下，低电位侧驱动电路34u使下支路32u关断。在高电位侧驱动电路33u使上支路31u关断的情况下，低电位侧驱动电路34u使下支路32u导通。同样地，电动机驱动控制电路4向高电位侧驱动电路33v以及低电位侧驱动电路34v输出控制信号sig4v，向高电位侧驱动电路33w以及低电位侧驱动电路34w输出控制信号sig4w。
另外，一般是根据被充电于平滑电容器2的电压，经由图3所示那样的绝缘电源6等，制作向高电位侧驱动电路33u、33v、33w、以及低电位侧驱动电路34u、34v、34w的各驱动电路供给电力的栅极驱动电源。对于该领域的本领域技术人员而言，绝缘电源6的连接是公知的，在图1中，省略了绝缘电源6的显示。绝缘电源6具备例如半导体元件23、变压器11、2个二极管12以及2个平滑电容器13。绝缘电源6能够根据半导体元件23的导通时间和变压器11的匝数比，使电压可变。
使用图2来说明实施方式1的驱动电路。上支路31u、31v、31w、以及下支路32u、32v、32w的各支路共同，所以以低电位侧驱动电路34u为代表，说明驱动电路的详细情况。关于低电位侧驱动电路的符号，总体上使用34，在要区分的情况下，使用34u、34v、34w。关于高电位侧驱动电路的符号，总体上使用33，在要区分的情况下，使用33u、33v、33w。另外，低电位侧驱动电路34以及高电位侧驱动电路33的电路结构相同，所以将低电位侧驱动电路34适宜地简称为驱动电路34。低电位侧驱动电路34u具备第2直流电源61、第3直流电源62、低阈值应对电路36、栅极驱动电路35以及缓冲电路75。此外，第2直流电源61与图3的绝缘电源6中的上侧的平滑电容器13相当，第3直流电源62与图3的绝缘电源6中的下侧的平滑电容器13相当。第2直流电源61是对作为上支路31u、31v、31w、下支路32u、32v、32w的电力用半导体元件中的栅极端子(控制端子)与源极端子(基准端子)之间供给正偏置电压的正电压供给电源。第3直流电源62是对作为上支路31u、31v、31w、下支路32u、32v、32w的电力用半导体元件中的栅极端子(控制端子)与源极端子(基准端子)之间供给负偏置电压的负电压供给电源。
连接了第2直流电源61的负极侧和第3直流电源62的正极侧的连接点65连接于主电路的下支路32u的源极端子侧、即图2中的低电位侧母线22。栅极驱动电路35具备串联地连接的FET71、电阻器72、电阻器73、FET74。FET71是正侧晶体管，FET74是负侧晶体管。低阈值应对电路36具备晶体管78、81和电阻器76、77、79、80。第2直流电源61的正极侧与构成栅极驱动电路35的FET71的漏极端子连接，其连接点与低阈值应对电路36的电阻器76的一端连接。电阻器76的另一端与电阻器77的一端连接，电阻器77的另一端与第3直流电源62的负极侧连接。此外，在图2中，对第3直流电源62的负极侧附加的三角标记表示相同的电位。该三角标记在其他图中也是同样的。
FET71的源极端子与电阻器72的一端连接，电阻器72的另一端与电阻器73的一端连接，其连接点66与下支路32u的栅极端子连接。电阻器73的另一端与FET74的漏极端子连接，FET74的源极端子与第3直流电源的负极侧连接。FET71和FET74的栅极端子与缓冲电路75连接。缓冲电路75将来自电动机驱动控制电路4的控制信号sig4u传递给FET71和FET74。
电阻器76与电阻器77的连接点67连接于晶体管78的基极端子。晶体管78的发射极端子与第3直流电源62的负极侧连接。电阻器79的一端与电阻器80的一端连接，其连接点68连接于晶体管81的基极端子和晶体管78的集电极端子。电阻器79的另一端和晶体管81的集电极端子连接于下支路32u的栅极端子。晶体管81的发射极端子和电阻器80的另一端连接于第3直流电源62的负极侧。电阻器76、77和晶体管78构成电压检测电路37。图2的电压检测电路37检测第2直流电源61和第3直流电源62的合计电压。
接下来，说明驱动电路的动作。首先，说明正常时、即第2直流电源61和第3直流电源62的合计电压值是规定的值以上的情况下的动作。在低电位侧驱动电路34u中，如果从电动机驱动控制电路4经由缓冲电路75向栅极驱动电路35输入导通指示的控制信号sig4u，则FET71导通。此时，FET74是截止状态。如果FET71导通，则从第2直流电源61经由电阻器72针对下支路32u的栅极·源极端子之间的输入电容充电正的偏置电压，所以下支路32u导通。通过调整电阻器72的值，能够调整下支路32u的接通速度。
接下来，如果从电动机驱动控制电路4输入关断指示的控制信号sig4u，则FET71截止，FET74导通。当FET74导通时，从第3直流电源62经由电阻器73针对下支路32u的栅极·源极端子之间的输入电容充电负的偏置电压，所以下支路32u关断。通过调整电阻器73的值，能够调整下支路32u的断开速度。
在该下支路32u是关断状态时，在第2直流电源61、第3直流电源62的合计电压值被充电为规定的值以上的状态下，即使在通过与下支路32u的半导体元件25反并联的二极管26的恢复动作对下支路32u的漏极·源极端子之间施加了电压变动dv/dt的情况下，仍对下支路32u的栅极·源极之间持续施加负偏置电压。由于对下支路32u的栅极·源极之间施加了负偏置电压，所以即使下支路32u的栅极·源极端子之间的电压上升，仍迅速地抑制电压上升，所以下支路32u的栅极·源极间电压被抑制为下支路32u的阈值电压以下，能够维持下支路32u的关断状态。因此，即使在对关断状态的下支路32u中的漏极·源极端子之间施加了电压变动dv/dt的情况下，下支路32u也不会错误地成为导通(成为误导通的状态)，而能够防止该误导通导致的下支路32u以及上支路31u的损坏。
详细说明此时的低阈值应对电路36的动作。关于是晶体管78的基极·发射极之间的电压的基极·发射极间电压Vbe78，如果将第2直流电源的电压值设为V61，将第3直流电源的电压值设为V62，将电阻器76、77的电阻值分别设为R76、R77，则能如式(1)那样表示。
Vbe78＝R77*(V61+V62)/(R76+R77)
··(1)
在电压V61与电压V62之和是规定值以上的情况下，以使晶体管78成为导通状态的方式，选定电阻器76、77的电阻值R76、R77。如果晶体管78导通，则对晶体管81的基极·发射极端子之间施加0V，所以晶体管81截止，晶体管81成为截止状态。此时，由于晶体管81截止，所以通过栅极驱动电路35控制下支路32u的栅极端子，不会对下支路32u的开关动作造成影响。
接下来，说明由于异常状态、即停电等而第2直流电源61、第3直流电源62的合计电压降低而低于规定的值的状态下的驱动电路的动作。在该情况下，低阈值应对电路36的晶体管78的基极·发射极之间的电压降低，所以晶体管78成为截止状态。在晶体管78是截止状态时，对晶体管81的基极·发射极端子之间施加对连接点66和第3直流电源62的负极侧的电压进行电阻分割而得到的电压。因此，在下支路32u是关断状态的情况下，对晶体管81的基极·发射极端子之间施加0V。
另外，在下支路32u是关断状态且晶体管78是截止状态时，在下支路32u的漏极·源极端子之间通过电压变动dv/dt而栅极·源极端子之间的电压上升了的情况下，对作为电阻器79的高电位侧的连接点66侧和作为电阻器80的低电位侧的第3直流电源62的负极侧施加该电压。在电阻器79的电阻值与电阻器80的电阻值相比非常小的情况下(电阻器79的电阻值<<电阻器80的电阻值)，上升了的电压的大部分被施加给晶体管81的基极·发射极端子之间，晶体管81导通。如果晶体管81导通，则形成如下那样的路径A。路径A是下支路32u的栅极端子、晶体管81、第3直流电源62的负极侧、第3直流电源62的正极侧、下支路32u的源极端子这样的路径。在下支路32u是关断状态的情况下，形成路径A，从而能够将主电路的下支路32u的栅极·源极端子之间维持为负电压施加状态、或者成为大致0V状态。
在晶体管81导通而形成路径A的情况下，如果第3直流电源62的电压残留，则能够施加负电压，能够将下支路32u的栅极·源极端子之间维持为负电压施加状态。另外，在晶体管81导通而形成路径A的情况下，在第3直流电源62是0V时，下支路32u的栅极·源极端子之间被施加0V，能够使下支路32u的栅极·源极端子之间成为0V状态。
与以往的驱动电路比较而说明实施方式1的驱动电路。图4是示出与图2的驱动电路相对的比较例的驱动电路的电路图。在图4中，如以往例子那样，将晶体管81的发射极端子连接到下支路32u的源极端子。在比较例的驱动电路100中，即使晶体管81导通，也无法对下支路32u的栅极端子和源极端子施加负电压。相对于此，在实施方式1的驱动电路34中，由于晶体管81导通而能够对下支路32u的栅极·源极端子之间施加负电压，所以如后所述，能够降低下支路32u的栅极·源极端子之间的电压中的放电界限电压。因此，在实施方式1的驱动电路34中，在第2直流电源61、第3直流电源62的合计电压值低于规定的值的异常状态下，即使施加电压变动dv/dt仍能够抑制下支路32u的栅极电压的上升，防止下支路32u误动作。在实施方式1的驱动电路34中，通过低阈值应对电路36动作而抑制下支路32u的栅极·源极端子间电压的上升，如果电压值恢复，则晶体管81截止。在第2直流电源61、第3直流电源62的合计电压值低于规定的值的异常状态下，在晶体管78是截止的状态时，始终继续该动作。此外，此前说明了第2直流电源61、第3直流电源62的合计电压值低于规定的值时的动作，但实施方式1的驱动电路34在初始充电时等也是有效的。
在实施方式1的电力用半导体元件的驱动电路34中，将晶体管81的发射极端子连接到第3直流电源62的负极端，所以在对下支路32u的栅极端子施加了负电压的情况下，也不会对作为晶体管81的主端子之间的集电极·发射极端子之间施加逆电压。因此，无需与晶体管81串联地将二极管插入等。如果将二极管插入，则在下支路32u的栅极·源极之间产生二极管的正向电压，所以下支路32u的栅极·源极端子之间的放电界限电压变高。相对于此，实施方式1的驱动电路34没有与晶体管81串联地连接的二极管，所以能够降低下支路32u的栅极·源极端子之间的放电界限电压。
此外，在实施方式1中所示的防止下支路32u的误导通的低阈值应对电路36是一个例子，只要满足防止由电压变动dv/dt而感应的下支路32u的误导通的功能即可，也可以将晶体管81多并联地使用、或者为了电流限制用而将即使通过电压变动dv/dt的施加、下支路32u也不会由于误接通而损坏的程度的电阻器连接到晶体管81的漏极或者源极端子。
如以上那样，实施方式1的驱动电路34通过将作为开关元件的晶体管81连接于下支路32u的栅极端子与第3直流电源62的负极侧之间，能够实现边使用无需逆耐压的开关元件，边防止下支路32u、上支路31u等电力用半导体元件的误动作，防止误动作导致的电力用半导体元件的破坏的功能。
驱动电路34期望如图5所示与第3直流电源62反并联地连接二极管63。图5是示出本发明的实施方式1的第2驱动电路的电路图。二极管63期望为电压降小的二极管，SBD(Schottky Barrier Diode：肖特基势垒二极管)是适合的。如果第2直流电源61或者第3直流电源62变得异常，则电荷移动，根据情况，有时第3直流电源62的电压极性反转。如果与第3直流电源62反并联地连接二极管63，则能够可靠地防止第3直流电源62的电压极性的反转。即使在该第2驱动电路34中，如果第2直流电源61的电压或者第3直流电源62的电压成为异常，则晶体管78截止，当在下支路32u的关断状态下在漏极·源极端子之间发生例如电压变动dv/dt，下支路32u的栅极·源极之间的电压上升了的情况下，晶体管81导通。在这样的异常状态下，形成下支路32u的栅极、晶体管81、第3直流电源62的负极端、第3直流电源62的正极端、下支路32u的源极端子的路径A。在实施方式1的驱动电路34的第2例中，可靠地防止第3直流电源62的电压极性的反转，所以能够得到可靠地防止对下支路32u的栅极·源极端子之间施加正偏置电压这样的效果。
另外，实施方式1的驱动电路34也可以是其他结构。图6是示出本发明的实施方式1的第3驱动电路的电路图。在图2的第1驱动电路34中，将电阻器76的一端连接到第2直流电源61的正极侧，但也可以如图6所示，将电阻器76的一端连接到第2直流电源的负极侧和第3直流电源62的正极侧的连接点65，仅检测第3直流电源62的电压值。通过仅检测第3直流电源的电压值，能够降低电阻器76和77中的电力损耗，所以在实施方式1的驱动电路34的第3例中，能够得到能够使电阻器76和电阻器77小型化这样的效果。
另外，实施方式1的驱动电路34也可以是另一结构。图7是示出本发明的实施方式1的第4驱动电路的电路图。也可以如图7所示，将电阻器85插入到下支路32u的栅极·源极端子之间。在图7中，在晶体管81截止而下支路32u的栅极·源极端子之间的电压残留了的情况下，由于电阻器85将下支路32u的寄生电容的残留电荷进行放电，所以也能够将放电界限电压降低至0V。在实施方式1的驱动电路34的第4例中，通过将电阻器85连接到下支路32u的栅极端子与源极端子之间，能够得到将低阈值应对电路36动作时的放电界限电压降低这样的效果。
此外，实施方式1的驱动电路34也可以是其他变形例。也可以在电压检测电路37中的电阻器76和电阻器77的连接点67与晶体管78的基极端子之间插入电阻器。同样地，也可以在低阈值应对电路36中的电阻器79和电阻器80的连接点68与晶体管81的基极端子之间插入电阻器。也可以为了防止电磁噪声导致的误动作，在晶体管78的基极端子与发射极端子之间插入电容器。也可以在晶体管81的基极端子与发射极端子之间插入电容器。此处所示的半导体元件的结构是一个例子，并不限于此。也可以将在低阈值应对电路36中使用的晶体管78、81置换为FET，也可以将栅极驱动电路35的FET71、74置换为双极型晶体管。
另外，在电气驱动系统10的主电路的电力用半导体元件中使用n型MOSFET而进行了说明，但并不限于此。只要具有开关功能即可，也可以使用双极型晶体管、IGBT。将与半导体元件25反并联连接的二极管26表示为MOSFET的体二极管，但不限于此。只要该二极管26具有使电流反向地流过的功能即可，既可以与MOSFET并联地使用SBD、PN结二极管，也可以使用MOSFET的同步整流。
在作为半导体元件25、二极管26而示出的半导体元件中，能够使用采用了Si半导体的元件，但还能够使用采用了半导体材料是宽带隙半导体材料的宽带隙半导体的元件。在宽带隙半导体材料中，除了碳化硅以外，还有氮化镓系列材料、金刚石。宽带隙半导体能够进行高温动作，所以能够简化散热器等冷却系统，能够使装置小型化。通过使用宽带隙半导体，能够使用导通电阻低的电力用半导体元件，能够构成低损耗的电力变换器。
如以上那样，实施方式1的驱动电路34具备：正电压供给电源(第2直流电源61)，对电力用半导体元件(下支路32u)中的控制端子与基准端子之间供给正偏置电压；负电压供给电源(第3直流电源62)，对正电压供给电源(第2直流电源61)的负极侧连接正极侧，对电力用半导体元件(下支路32u)中的控制端子与基准端子之间供给负偏置电压；栅极驱动电路35，根据控制电路(电动机驱动控制电路4)的控制信号sig4u，对电力用半导体元件(下支路32u)中的控制端子与基准端子之间，供给使电力用半导体元件(下支路32u)导通的正偏置电压、和使电力用半导体元件(下支路32u)关断的负偏置电压中的任意种；电压检测部(电压检测电路37)，对检测对象电压进行检测，该检测对象电压是正偏置电压和负偏置电压的合计电压、负偏置电压、正偏置电压中的任意种；以及开关元件(晶体管81)，与电力用半导体元件(下支路32u)的控制端子和负电压供给电源(第3直流电源62)的负极侧连接。实施方式1的驱动电路34中的电压检测部(电压检测电路37)的特征在于，当在检测对象电压的值比设定电压值降低了的状态下电力用半导体元件(下支路32u)中的控制端子与基准端子之间的电压上升了的情况下，使开关元件(晶体管81)导通，对电力用半导体元件(下支路32u)中的控制端子与基准端子之间供给0V以下的电压，所以即使施加电压变动dv/dt，也无需对开关元件(晶体管81)的主端子之间(集电极·发射极端子之间)施加逆电压，而开关元件(晶体管81)导通，从而即使在开关元件(晶体管81)中不使用具有逆耐压的元件，也能够防止由于在关断状态的电力用半导体元件(下支路32u)的控制端子·基准端子之间充电正的偏置电压而发生的误动作，防止由于误动作而电力用半导体元件(下支路32u)损坏的现象。电力用半导体元件的导通驱动电压处于大致+10V至+20V的范围，典型地是+15V。关断驱动电压处于大致-5V至-20V的范围，典型地是-10V。在零件中需要至少能够承受-5V的逆耐压，根据情况，有时需要能够承受-20V的逆耐压。
实施方式2.
图8是示出本发明的实施方式2的驱动电路的电路图。实施方式2的电力用半导体元件的驱动电路34是考虑了检测第2直流电源61、以及第3直流电源62的合计电压值是否低于规定的值的晶体管78的温度特性的例子。实施方式2的驱动电路34在能够降低或者几乎消除晶体管78的温度特性导致的晶体管78的动作偏差的点上与实施方式1不同。
在图8中，对与图2所示的结构相同或者等同的构成要素附加同一符号。在此，以与实施方式2相关的部分为中心进行说明。在图8中，代替图2所示的电阻器76而使用了作为恒定电压元件的齐纳二极管82。实施方式2的电压检测电路37具备齐纳二极管82、晶体管78以及电阻器77、83。第2直流电源61的正极侧和齐纳二极管82的阴极端子连接，齐纳二极管82的阳极端子与电阻器77的一端连接。对齐纳二极管82的阳极端子和电阻器77的连接点67连接了电阻器83的一端，电阻器83的另一端与晶体管78的基极端子连接。电阻器83也可以用布线电阻代替。
在这样的结构的电压检测电路37中，对晶体管78施加的电压被齐纳二极管82的齐纳电压支配性地决定，能够抑制或者消除晶体管78的基极·发射极之间的温度特性导致的影响。以下详细进行说明。
图9是示出双极型晶体管的Vbe-ib特性的图，是示出作为双极型晶体管的晶体管78的基极·发射极间电压Vbe和基极电流ib的关系的示意图。横轴是基极·发射极间电压Vbe，纵轴是基极电流ib。在图9中，示出了3个特性90、91、92，随着温度变高，从右的特性90向左的特性91、92变化。根据图9，温度越高，越以低的基极·发射极间电压，流过基极电流ib。一般在室温下，以基极·发射极间电压是0.6V左右流过基极电流ib，在晶体管78的保证动作范围内，产生-0.2V至+0.2V左右的变化，所以存在由于温度变化对低阈值应对电路36的动作造成影响的可能性。以下，使用公式详细进行说明。
首先，求出使用了图2所示的结构、即电阻器76时的基极电流ib。如果将在电阻器77中流过的电流设为ir77，将晶体管78的基极电流设为ib78，则式(2)和式(3)成立。
(ir77+ib78)*R76+ir77*R77＝V61+V62
··(2)
(ir77+ib78)*R76+Vbe78＝V61+V62
··(3)
式(3)是使用晶体管78的基极·发射极间电压Vbe78来表示的式子。
如果根据式(2)、式(3)求出基极电流ib78，则能够得到式(4)。
ib78＝{(V61+V62)-A1*Vbe78}/R76
··(4)
此外，式(4)的A1是1+R76/R77。
接下来，在使用图8的齐纳二极管82的情况下，晶体管78的基极电流ib78用下式表示。在条件1的情况下为式(5)，在条件2的情况下为式(6)。将齐纳二极管82的电压设为Vz82。
条件1：V61+V62≤Vz82+Vbe78
ib78＝0··(5)
条件2：V61+V62>Vz82+Vbe78
ib78＝{(V61+V62)-(Vz82+Vbe78)}/R83··(6)
根据式(5)、式(6)，直至第2直流电源61、第3直流电源62的电压之和(V61+V62)超过齐纳电压Vz82和晶体管78的基极·发射极间电压Vbe78之和(Vz82+Vbe78)、即在条件1的情况下，不流过基极电流ib78。因此，在条件1的关系成立时，晶体管78不动作。在条件2的关系成立时，开始流过基极电流ib78。此时，Vbe78由于温度特性而产生变化，但一般Vz82的值比Vbe78的值大，所以Vbe78的变化相对Vz82的值可忽略。因此，根据式(6)，ib78相对Vbe78的变化几乎不变化。因此，实施方式2的驱动电路34是在电压检测电路37中使用齐纳二极管82而构成的，所以相比于实施方式1，能够减小晶体管78的温度特性导致的晶体管78的动作变化。
齐纳二极管82的齐纳电压Vz82也具有温度特性，但如上所述，以使晶体管78的温度特性相对齐纳二极管82可忽略或者大致忽略的方式选定Vz82、Vbe78的值，从而能够使ib78的温度特性降低或者成为0。因此，实施方式2的低阈值应对电路36与实施方式1相比，能够抑制进行动作的条件的偏差。
此外，在图8中，用1个元件构成了齐纳二极管82，但不限于此。既可以将多个相同的齐纳二极管串联或者并联地连接，也可以将多个不同的齐纳二极管串联或者并联地连接。
如以上那样，实施方式2的驱动电路34能够利用在检测第2直流电源61和第3直流电源62的电压的合计电压的状态的电压检测电路37中使用齐纳二极管82这样的结构，抑制晶体管78的温度特性导致的晶体管78的动作偏差。实施方式2的驱动电路34能够抑制晶体管78的温度特性导致的晶体管78的动作偏差，所以即使有温度变化，也能够以比实施方式1高的精度保护电力用半导体元件。另外，实施方式2的驱动电路34即使在变更了动作温度的状态下，在产生了电压变动dv/dt时，也不对开关元件(晶体管81)的主端子之间(集电极·发射极端子之间)施加逆电压而开关元件(晶体管81)导通，从而即使在开关元件(晶体管81)中不使用具有逆耐压的元件，也能够防止在关断状态的电力用半导体元件(下支路32u)的栅极·源极之间充电正的偏置电压而进行误动作，防止误动作导致的下支路32u、上支路31u等电力用半导体元件的损坏。
实施方式3.
图10是示出本发明的实施方式3的第1驱动电路的电路图。实施方式3的电力用半导体元件的驱动电路34关于在低阈值应对电路36中使用了常导通型继电器84这点上，与实施方式1以及2不同。在图10中，对与图2所示的结构相同或者等同的构成要素附加同一符号。在此，以实施方式3的部分为中心进行说明。
常导通型继电器84是具备由一次侧端子43、44构成的一次侧端子对、和由二次侧端子45、46构成的二次侧端子对的4端子设备。在未对一次侧端子对充分地供给电流或者电压的状态下，二次侧端子对成为低电阻状态而导通着，所以被称为常导通型。在对一次侧端子对充分地供给了电流或者电压的状态下，二次侧端子对成为高电阻状态而关断着。在实施方式3中，以使用了1次侧由发光二极管41构成、2次侧由光MOSFET42构成的常导通型继电器84的例子进行说明。1次侧的发光二极管41与实施方式1以及2中的电压检测电路37相当，2次侧的光MOSFET42与实施方式1以及2中的晶体管81相当。在使用了常导通型继电器84的实施方式3的驱动电路34中，在作为一次侧端子对之间的电压的检测对象电压的值比设定电压值降低了的情况下，电压检测部(发光二极管41)使开关元件(光MOSFET42)导通，对电力用半导体元件(下支路32u)中的控制端子与基准端子之间供给0V以下的电压。常导通型继电器84也可以使用1次侧由线圈构成、2次侧由金属片接触点构成的机械式继电器。
常导通型继电器84的一次侧端子43与第2直流电源61的正极侧连接，一次侧端子44与第3直流电源62的负极侧连接。也可以在常导通型继电器84的一次侧端子43和第2直流电源61的正极侧的布线、一次侧端子44和第3直流电源62的负极侧的布线的途中将电阻插入。通过在布线的途中将电阻插入，能够抑制在一次侧端子对中通过的过剩电流。在图10中以不将电阻插入的例子进行说明。
常导通型继电器84的二次侧端子45与下支路32u的栅极端子连接，二次侧端子46与第3直流电源62的负极侧连接。也可以在常导通型继电器84的二次侧端子45和下支路32u的栅极端子的布线、二次侧端子46和第3直流电源62的负极侧的布线的途中将电阻插入。通过在布线的途中将电阻插入，能够抑制在二次侧端子对中通过的过剩电流。在图10中以不将电阻插入的例子进行说明。
在正常时、即第2直流电源61和第3直流电源62的合计电压值是规定的值以上的情况下，对常导通型继电器84的一次侧端子对供给足够的电流以及足够的电压。因此，常导通型继电器84的二次侧端子对成为高电阻状态，不妨碍下支路32u的栅极的电压上升。
在异常时、即第2直流电源61和第3直流电源62的合计电压值是规定的值以下的情况下，不对常导通型继电器84的一次侧端子对供给足够的电流以及足够的电压。因此，常导通型继电器84的二次侧端子对成为低电阻状态，下支路32u的栅极端子和第3直流电源62的负极侧被电连接。此时，即使在下支路32u的漏极·源极之间产生了dv/dt，仍对下支路32u的栅极·源极之间持续施加负偏置电压。由于对下支路32u的栅极·源极之间施加了负偏置电压，所以即使下支路32u的栅极·源极端子之间的电压上升，仍迅速地抑制电压上升，所以下支路32u的栅极·源极间电压被抑制为下支路32u的阈值电压以下，能够维持下支路32u的关断状态。因此，即使在对关断状态的下支路32u中的漏极·源极端子之间施加了电压变动dv/dt的情况下，下支路32u也不会错误地成为导通(误导通的状态)，能够防止该误导通导致的下支路32u以及上支路31u的损坏。
如以上那样，实施方式3的驱动电路34能够利用将常导通型继电器84连接到下支路32u的栅极端子与第3直流电源62的负极侧之间这样的简单的电路结构，实现即使在常导通型继电器84的光MOSFET42中不使用具有逆耐压的元件，仍防止电力用半导体元件(下支路32u)的误接通导致的损坏的功能。实施方式3的驱动电路34在产生了电压变动dv/dt时，无需对开关元件(常导通型继电器84的光MOSFET42)的主端子之间(漏极·源极端子之间)施加逆电压，而开关元件(常导通型继电器84的光MOSFET42)导通，从而即使在开关元件(常导通型继电器84的光MOSFET42)中不使用具有逆耐压的元件，也能够防止在关断状态的电力用半导体元件(下支路32u)的栅极·源极之间充电正的偏置电压而进行误动作，防止误动作导致的下支路32u、上支路31u等电力用半导体元件的损坏。
此外，常导通型继电器84的连接也可以是其他结构。图11是示出本发明的实施方式3的第2驱动电路的电路图。图11的常导通型继电器84的一次侧端子43与第2直流电源61的正极侧连接，一次侧端子44与第2直流电源61的负极侧连接。图11的常导通型继电器84构成为监视第2直流电源61的电压。
另外，常导通型继电器84的连接也可以是另一方式。图12是示出本发明的实施方式3的第3驱动电路的电路图。图12的常导通型继电器84的一次侧端子43与第3直流电源62的正极侧连接，一次侧端子44与负极侧连接。图12的常导通型继电器84构成为监视第3直流电源62。
如以上那样，实施方式3的驱动电路34具备：正电压供给电源(第2直流电源61)，对电力用半导体元件(下支路32u)中的控制端子与基准端子之间供给正偏置电压；负电压供给电源(第3直流电源62)，对正电压供给电源(第2直流电源61)的负极侧连接了正极侧，对电力用半导体元件(下支路32u)中的控制端子与基准端子之间供给负偏置电压；栅极驱动电路35，根据控制电路(电动机驱动控制电路4)的控制信号sig4u，对电力用半导体元件(下支路32u)中的控制端子与基准端子之间供给使电力用半导体元件(下支路32u)导通的正偏置电压、和使电力用半导体元件(下支路32u)关断的负偏置电压中的任意种；电压检测部(常导通型继电器84的发光二极管41)，对检测对象电压进行检测，该检测对象电压是正偏置电压和负偏置电压的合计电压、或者负偏置电压；以及开关元件(常导通型继电器84的光MOSFET42)，与电力用半导体元件(下支路32u)的控制端子和负电压供给电源(第3直流电源62)的负极侧连接。实施方式3的驱动电路34中的电压检测部(常导通型继电器84的发光二极管41)的特征在于，在检测对象电压的值比设定电压值降低了的情况下，使开关元件(常导通型继电器84的光MOSFET42)导通，对电力用半导体元件(下支路32u)中的控制端子与基准端子之间供给0V以下的电压，所以即使施加电压变动dv/dt，也无需对开关元件(常导通型继电器84的光MOSFET42)的主端子之间(漏极·源极端子之间)施加逆电压，而开关元件(常导通型继电器84的光MOSFET42)导通，从而即使在开关元件(常导通型继电器84的光MOSFET42)中不使用具有逆耐压的元件，也能够防止由于对关断状态的电力用半导体元件(下支路32u)的控制端子·基准端子之间充电正的偏置电压而发生的误动作，防止由于误动作而电力用半导体元件(下支路32u)损坏的现象。
实施方式4.
在实施方式3中说明的常导通型继电器84中，一次侧端子对和二次侧端子对被电绝缘，所以能够将一次侧端子对连接到存在于驱动电路34的任意的电源。作为常导通型继电器84的一次侧端子对的连接目的地，选择起动最慢的电源、或者停电最快的电源、或者异常时的电压变动幅度最大的电源即可。
进一步而言，如图13所示，期望缓冲电路75具备UVLO(Under Voltage LockOut：欠压锁定)部86。图13是示出本发明的实施方式4的驱动电路的电路图。实施方式4的驱动电路34在缓冲电路75具备UVLO部86的点上与实施方式3不同。
在对缓冲电路75输入了来自电动机驱动控制电路4的导通指示的控制信号sig4u的情况下，有可能引起第2直流电源61或者第3直流电源62成为异常的情况。如果缓冲电路75使FET71导通，则从第2直流电源61经由电阻器72针对下支路32u的栅极·源极端子之间的输入电容充电正的偏置电压。在第2直流电源61或者第3直流电源62异常的情况下，低阈值应对电路36在二次侧端子对之间成为低电阻状态，但利用低阈值应对电路36进行的栅极电压的上升抑制动作被FET71的导通动作妨碍。
UVLO部86监视缓冲电路75的电源电压，如果检测到缓冲电路75的电源电压低，则禁止基于缓冲电路75的FET71的导通动作，切换为基于缓冲电路75的FET74的导通动作。如果UVLO部86检测到缓冲电路75的电源电压低，则不管来自电动机驱动控制电路4的指示是导通指示还是关断指示，缓冲电路75都使FET74进行导通动作。因此，能够得到在第2直流电源61或者第3直流电源62成为异常的情况下也不会妨碍利用低阈值应对电路36进行的栅极电压的上升抑制动作这样的效果。UVLO部86所具有的这样的功能有时被称为欠压锁定功能。
在专利文献1的驱动电路中，如果具备UVLO部86则发生不令人满意的问题。使用图14来说明比较例。图14是示出与图13的驱动电路相对的比较例的驱动电路的电路图。图14的比较例的驱动电路101在常导通型继电器84的一次侧端子44、二次侧端子46与下支路32u的源极端子连接的点上与图13的驱动电路34不同。
如果第2直流电源61或者第3直流电源62异常，则下支路32u的栅极端子和源极端子被电连接。另一方面，通过ULVO部86，引起FET74的导通动作。于是，形成第3直流电源62的正极侧、下支路的源极端子、下支路32u的栅极端子、电阻器73、FET74、第3直流电源62的负极侧这样的路径。如果形成该路径，则电阻器73存在接受第3直流电源62的能量而异常地加热的担心。另外，如果是驱动电路101的起动时，则妨碍第3直流电源62的电压上升，存在起动延迟的担心。
如果是本发明的实施方式4的驱动电路34，则常导通型继电器84的二次侧端子45与下支路32u的栅极端子连接，二次侧端子46与第3直流电源62的负极侧连接。如果第2直流电源61或者第3直流电源62异常，则常导通型继电器84动作，下支路32u的栅极和第3直流电源62的负极侧被电连接。即使通过UVLO部86引起FET74的导通动作，也不形成通过第3直流电源62的正极侧和负极侧、并且通过FET74那样的路径。因此，实施方式4的驱动电路34没有电阻器73异常地加热的担心。另外，实施方式4的驱动电路34即使在起动时，也没有妨碍第3直流电源62的电压上升的担心。这样如果是实施方式4的驱动电路34，则具有在享受由于具备UVLO部86而获得的效果的同时，不发生在专利文献1的驱动电路中发生那样的不令人满意的问题这样的特征。
如以上那样，实施方式4的驱动电路34能够具备UVLO部86，在第2直流电源61或者第3直流电源62异常的情况下，即使在常导通型继电器84的光MOSFET42中不使用具有逆耐压的元件，也无电阻器73的异常加热，能够防止电力用半导体元件(下支路32u)的误导通，防止误导通导致的下支路32u、上支路31u等电力用半导体元件的损坏。此外，实施方式1、2的驱动电路34也能够具备UVLO部86。具备UVLO部86的实施方式1、2的驱动电路34在享受由于具备UVLO部86而获得的效果的同时，不发生在专利文献1的驱动电路中发生那样的不令人满意的问题。
实施方式1至4的驱动电路34不限于将直流电力变换为交流电力而使电动机5动作的电气驱动系统，还能够应用于将交流电力变换为直流电力的情况。另外，本发明能够在其发明的范围内自由地组合各实施方式、或者使各实施方式适宜地变形、省略。

Claims (11)

1.一种电力用半导体元件的驱动电路，对电力用半导体元件进行驱动，其特征在于，所述驱动电路具备：
正电压供给电源，对所述电力用半导体元件中的控制端子与基准端子之间供给正偏置电压；
负电压供给电源，对所述电力用半导体元件中的控制端子与基准端子之间供给负偏置电压，并且所述负电压供给电源的正极侧与所述正电压供给电源的负极侧连接；
栅极驱动电路，根据控制电路的控制信号，对所述电力用半导体元件中的控制端子与基准端子之间供给使所述电力用半导体元件导通的所述正偏置电压和使所述电力用半导体元件关断的所述负偏置电压中的任意种；
电压检测部，对检测对象电压进行检测，该检测对象电压是所述正偏置电压和所述负偏置电压的合计电压、所述负偏置电压、所述正偏置电压中的任意种；以及
开关元件，与所述电力用半导体元件的控制端子和所述负电压供给电源的负极侧连接，
所述电压检测部在所述检测对象电压的值比设定电压值降低的情况下、或者当在所述检测对象电压的值比所述设定电压值降低的状态下所述电力用半导体元件中的控制端子与基准端子之间的电压上升的情况下，使所述开关元件导通，对所述电力用半导体元件中的控制端子与基准端子之间供给0V以下的电压。
2.根据权利要求1所述的电力用半导体元件的驱动电路，其特征在于，
所述开关元件在导通时，通过所述电力用半导体元件的控制端子与所述负电压供给电源的负极侧之间的电压而被驱动。
3.根据权利要求1或者2所述的电力用半导体元件的驱动电路，其特征在于，
所述电压检测部具备：
被串联连接的第1电阻器和第2电阻器；以及
晶体管，控制端子与所述第1电阻器和所述第2电阻器的连接点连接，
所述第1电阻器中的与所述连接点不同的另一端与所述正电压供给电源的正极侧或者所述负电压供给电源的正极侧连接，
所述第2电阻器中的与所述连接点不同的另一端以及所述晶体管的基准端子与所述负电压供给电源的负极侧连接，
所述晶体管的输出端子与所述开关元件的控制端子连接。
4.根据权利要求1或者2所述的电力用半导体元件的驱动电路，其特征在于，
所述电压检测部具备：
被串联连接的恒定电压元件和电阻器；以及
晶体管，控制端子与所述恒定电压元件的阳极端子和所述电阻器的连接点连接，
所述恒定电压元件的阴极端子与所述正电压供给电源的正极侧或者所述负电压供给电源的正极侧连接，
所述电阻器中的与所述连接点不同的另一端以及所述晶体管的基准端子与所述负电压供给电源的负极侧连接，
所述晶体管的输出端子与所述开关元件的控制端子连接。
5.根据权利要求1或者2所述的电力用半导体元件的驱动电路，其特征在于，
所述开关元件以及所述电压检测部由常导通型继电器构成，
所述常导通型继电器的第1一次侧端子与所述正电压供给电源的正极侧或者所述负电压供给电源的正极侧连接，
所述常导通型继电器的第2一次侧端子与所述负电压供给电源的负极侧连接，
所述常导通型继电器的第1二次侧端子与所述电力用半导体元件的控制端子连接，
所述常导通型继电器的第2二次侧端子与所述负电压供给电源的负极侧连接。
6.根据权利要求1或者2所述的电力用半导体元件的驱动电路，其特征在于，
所述开关元件以及所述电压检测部由常导通型继电器构成，
所述常导通型继电器的第1一次侧端子与所述正电压供给电源的正极侧连接，
所述常导通型继电器的第2一次侧端子与所述负电压供给电源的正极侧连接，
所述常导通型继电器的第1二次侧端子与所述电力用半导体元件的控制端子连接，
所述常导通型继电器的第2二次侧端子与所述负电压供给电源的负极侧连接。
7.根据权利要求1至6中的任意一项所述的电力用半导体元件的驱动电路，其特征在于，具备：
二极管，阴极端子与所述负电压供给电源的正极侧连接，阳极端子与所述负电压供给电源的负极侧连接。
8.根据权利要求1至7中的任意一项所述的电力用半导体元件的驱动电路，其特征在于，
在所述电力用半导体元件的控制端子与所述负电压供给电源的正极侧之间具备电阻器。
9.根据权利要求1至8中的任意一项所述的电力用半导体元件的驱动电路，其特征在于，
所述栅极驱动电路具备：
正侧晶体管，对所述电力用半导体元件中的控制端子与基准端子之间供给及切断所述正偏置电压；以及
负侧晶体管，对所述电力用半导体元件中的控制端子与基准端子之间供给及切断所述负偏置电压，
根据所述控制电路的所述控制信号进行所述正侧晶体管和所述负侧晶体管的导通、截止的缓冲电路具备UVLO部，
在对所述缓冲电路供给的所述正电压供给电源以及所述负电压供给电源的电压比设定值低的情况下，所述UVLO部使所述正侧晶体管截止，并且使所述负侧晶体管导通。
10.根据权利要求1至9中的任意一项所述的电力用半导体元件的驱动电路，其特征在于，
所述电力用半导体元件由宽带隙半导体材料形成。
11.根据权利要求10所述的电力用半导体元件的驱动电路，其特征在于，
所述宽带隙半导体材料是碳化硅、氮化镓系列材料或者金刚石中的任意种。
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