CN107925352A - 功率转换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明所涉及的功率转换装置包括：具有半导体开关元件(10A、10B)的功率转换主电路(10)；分别驱动半导体开关元件的栅极驱动电路(12A、12B)；以及连接在至少1组栅极驱动电路(12A、12B)之间的1个或多个阻抗元件群(16)。至少1个栅极驱动电路(12A、12B)具备对阻抗元件群(16)的电压进行检测的检测部(12A4、12B4)，并根据检测部(12A4、12B4)的输出使半导体开关元件(10A、10B)的驱动速度变化。

Description

功率转换装置
技术领域
本发明涉及内置有功率用半导体开关元件的功率转换装置。
背景技术
逆变器装置、伺服放大器装置、开关电源装置之类的功率转换装置内置1个或多个功率用半导体开关元件。功率用半导体开关元件中，第1主端子与第2主端子之间的导通状态根据施加在第1信号输入端子与第2信号输入端子之间的电信号而变化。栅极驱动电路从上位的控制器接收指令信号，在功率用半导体开关元件的第1信号输入端子与第2信号输入端子之间施加电信号并驱动功率用半导体开关元件。
在功率用半导体开关元件截止时，即使在第1主端子与第2主端子之间施加高电压也没有电流流过。然而，若对功率用半导体开关元件施加过度的高电压，则功率用半导体开关元件将发生故障。因此，以往，提出了对功率转换装置各部分的电压进行检测并传输给栅极驱动电路的技术。栅极驱动电路基于传输来的电压的信息，进行变更功率用半导体开关元件的驱动方法的动作。
基于上述背景技术，在下述专利文献1中，示出了电动汽车的电动机驱动系统。对电动机驱动系统内的直流电源安装电压检测电路来检测电压。在直流电源的电压在规定的电压以上的情况下，电压检测电路向栅极驱动电路传输信号。接收到信号的栅极驱动电路改变栅极电阻的连接结构，并变更功率用半导体开关元件的驱动方法。栅极驱动电路使得在功率用半导体开关元件导通及截止时产生的浪涌电压不会变得过剩。由此，避免过度的高电压施加于功率用半导体开关元件。
此外，下述专利文献2中，功率用半导体开关元件的第1主端子与栅极驱动电路之间通过布线来相连接。利用该布线，将功率用半导体开关元件的第1主端子与第2主端子之间的电压传输至栅极驱动电路。栅极驱动电路对功率用半导体开关元件的第1主端子与第2主端子之间的电压进行检测。栅极驱动电路根据第1主端子与第2主端子之间的电压使内置的电阻器的电阻值变化，来变更功率用半导体开关元件的驱动方法，使得在功率用半导体开关元件导通及截止时产生的浪涌电压不会变得过剩。由此，避免过度的高电压施加于功率用半导体开关元件。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开平9－23664号公报
专利文献2：日本专利特开平6－291631号公报
发明内容
发明所要解决的问题
若采用专利文献1及专利文献2那样的结构，则能够检测功率转换装置各部分的电压，并传输至栅极驱动电路。然而，检测对象即功率转换装置各部分的电压的检测位置远离栅极驱动电路的位置。由此，存在功率转换装置各部分的电压信息在到达栅极驱动电路前就叠加了噪声的问题。
本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于获得一种功率转换装置，其能够降低将功率转换装置各部分的电压信息传输至栅极驱动电路时的噪声的影响。
用于解决技术问题的技术方案
为了解决上述问题，达成目的，本发明所涉及的功率转换装置包括：具有两个以上的半导体开关元件的功率转换主电路；分别驱动半导体开关元件的栅极驱动电路；以及连接在至少1组栅极驱动电路之间的1个或多个阻抗元件。至少1个栅极驱动电路具备对阻抗元件的电压或流过阻抗元件的电流进行检测的检测部，并根据检测部的输出使半导体开关元件的驱动速度变化。
发明效果
根据本发明，起到如下效果，即：能够降低将功率转换装置各部分的电压信息传输至栅极驱动电路时的噪声的影响。
附图说明
图1是示出实施方式1所涉及的功率转换装置的主要部分结构的电路图。
图2是示出实施方式1所涉及的功率转换主电路进行灌入(sink)动作时的输出电压的变化的状态转移图。
图3是示出实施方式1所涉及的功率转换主电路进行拉出(source)动作时的输出电压的变化的状态转移图。
图4是示出仅在一个栅极驱动电路中设置检测部的结构的电路图，以作为实施方式1所涉及的功率转换装置的变形例。
图5是示出实施方式2所涉及的功率转换装置的主要部分结构的电路图。
图6是示出实施方式3所涉及的功率转换装置的主要部分结构的电路图。
图7是示出实施方式3所涉及的功率转换装置的动作的一个方式的电路图。
图8是示出实施方式3所涉及的功率转换装置的与图7不同的动作方式的电路图。
图9是示出实施方式3所涉及的功率转换装置的与图7及图8不同的动作方式的电路图。
图10是示出实施方式3所涉及的功率转换装置的与图6不同的主要部分结构的电路图。
图11是示出实施方式3所涉及的功率转换装置的与图6及图10不同的主要部分结构的电路图。
图12是示出实施方式3所涉及的功率转换装置的将图6、图10及图11组合而得到的主要部分结构的电路图。
图13是示出实施方式4所涉及的功率转换装置的主要部分结构的电路图。
图14是示出实施方式4所涉及的功率转换装置的动作的一个方式的电路图。
图15是示出实施方式4所涉及的功率转换装置的与图14不同的动作方式的电路图。
图16是示出实施方式4所涉及的功率转换装置的与图14及图15不同的动作方式的电路图。
图17是示出实施方式4所涉及的功率转换装置的与图14～图16不同的动作方式的电路图。
图18是示出实施方式4所涉及的功率转换装置的与图13不同的主要部分结构的电路图。
图19是示出实施方式4所涉及的功率转换装置的与图13及图18不同的主要部分结构的电路图。
具体实施方式
下面，参照附图对本发明的实施方式所涉及的功率转换装置进行说明。此外，本发明并不局限于以下所示的实施方式。
实施方式1.
图1是示出实施方式1所涉及的功率转换装置的主要部分结构的电路图。图1中，作为实施方式1所涉及的功率转换装置的主要部分结构，示出了作为驱动对象的负载2、驱动负载2的功率转换主电路10、用于控制功率转换主电路10的外围电路即栅极驱动电路12A、12B、绝缘电路14A、14B、阻抗元件群16、开关信号生成部20、以及作为向功率转换主电路10供电的供电源并存储直流功率的电容器6。
实施方式1中的功率转换主电路10构成为具有作为与高电位侧的直流母线7A相连接的第1功率用半导体开关元件的半导体开关元件10A、以及作为与低电位侧的直流母线7B相连接的第2功率用半导体开关元件的半导体开关元件10B。半导体开关元件10A与半导体开关元件10B串联连接，负载2连接至它们的电连接点。
半导体开关元件10A设有第1主端子10A1、第2主端子10A2、第1信号输入端子10A3以及第2信号输入端子10A4。半导体开关元件10B也相同，设有第1主端子10B1、第2主端子10B2、第1信号输入端子10B3以及第2信号输入端子10B4。由此构成的功率转换主电路10中，半导体开关元件10A的第1主端子10A1与直流母线7A相连接，半导体开关元件10A的第2主端子10A2与半导体开关元件10B的第1主端子10B1相连接，半导体开关元件10B的第2主端子10B2与直流母线7B相连接。
此外，直流母线7A与电容器6的上位侧直流端子8A相连接，直流母线7B与电容器6的下位侧直流端子8B相连接。即，在直流母线7A、7B间施加有电容器6的电压。
在如上述那样连接的功率转换主电路10中，若半导体开关元件10A导通则直流母线7A的电位施加至负载2，若半导体开关元件10B导通则直流母线7B的电位施加至负载2。由此，功率转换主电路10输出直流母线7A的电位或直流母线7B的电位这两种电位，因此作为双电平的功率转换电路来动作。
半导体开关元件10A、10B各自并联连接有晶体管元件与二极管元件。另外，根据负载的特性，例如在电阻负载的情况下，有时省略各自的二极管元件的连接。
此外，图1中，作为晶体管元件图示出了MOSFET，但并不局限于MOSFET，是可以根据电信号切换低电阻状态、高电阻状态的器件即可。例如，可以使用IGBT、双极型晶体管之类的晶体管元件。此外，作为构成半导体开关元件10A、10B的晶体管元件及二极管元件的原料，除了被广泛使用的Si，还可以使用SiC、GaN、金刚石等宽带隙半导体。
栅极驱动电路12A是驱动第1功率用半导体开关元件即半导体开关元件10A的第1栅极驱动电路。此外，栅极驱动电路12B是驱动第2功率用半导体开关元件即半导体开关元件10B的第2栅极驱动电路。另外，由于栅极驱动电路12A与栅极驱动电路12B的结构相同，因此对于内部的结构，参照栅极驱动电路12A来进行说明。
栅极驱动电路12A包括桥式连接的4个晶体管元件，详细而言，包括第1导通用晶体管12A1a、第1截止用晶体管12A1b、第2导通用晶体管12A1c以及第2截止用晶体管12A1d。第1导通用晶体管12A1a及第1截止用晶体管12A1b经由2个栅极电阻12A2a、12A2b串联连接，第2导通用晶体管12A1c及第2截止用晶体管12A1d经由2个栅极电阻12A2c、12A2d串联连接。栅极电阻12A2a、12A2b的连接点与栅极电阻12A2c、12A2d的连接点相连，并与半导体开关元件10A的第1信号输入端子10A3相连接。
此外，栅极驱动电路12A具备开关速度切换部12A3，该开关速度切换部12A3对驱动第1功率用半导体开关元件即半导体开关元件10A时的速度进行切换。开关速度切换部12A3例如可以由逻辑电路构成。
此外，栅极驱动电路12A具备检测部12A4。检测部12A4设有比较器12A4a以及串联连接的电阻元件12A4b、12A4c。将串联连接的电容器12A5a、12A5b的两端电压作为动作电压施加至比较器12A4a。构成为向比较器12A4a的正极输入端子输入电阻元件12A4b、12A4c的分压电压，并向比较器12A4a的负极输入端子输入后述的阻抗元件群16的分压电压。
另外，用于向检测部12A4施加动作电压的电源可以兼用作用于驱动栅极驱动电路的电源。若兼用作用于驱动栅极驱动电路的电源，则可以不设置检测部12A4动作专用的电源。
在栅极驱动电路12A、12B的外部设有：开关信号生成部20，该开关信号生成部20生成用于分别驱动半导体开关元件10A、10B的开关信号；绝缘电路14A、14B，该绝缘电路14A、14B接收开关信号生成部20所生成的开关信号并分别传输至栅极驱动电路12A、12B；以及阻抗元件群16，该阻抗元件群16用于对半导体开关元件10A的第2主端子10A2与半导体开关元件10B的第2主端子10B2之间的电压进行检测。
绝缘电路14A是对开关信号生成部20与栅极驱动电路12A进行电绝缘的电路。此外，绝缘电路14B是对开关信号生成部20与栅极驱动电路12B进行电绝缘的电路。作为绝缘电路14A、14B，可以使用光耦合器。若用绝缘电路14A来进行说明，则绝缘电路14A由具备发光二极管14A1与光电晶体管14A2的光耦合器构成。
阻抗元件群16构成为具有1个或多个阻抗元件，该1个或多个阻抗元件连接在作为栅极驱动电路12A的动作电源的串联连接的电容器12A5a、12A5b的连接点、与作为栅极驱动电路12B的动作电源的串联连接的电容器12B5a、12B5b的连接点之间。即，图1的示例是在属于同相的栅极驱动电路12A、12B之间配置阻抗元件群16的示例。此外，图1中，例示出5个阻抗元件16e1、16e2、16e3、16e4、16e5，且阻抗元件16e1～16e5串联连接。
另外，可以串联连接电容器或二极管代替阻抗元件来构成阻抗元件群16。此外，并不限于阻抗元件或电容器串联连接的情况，也可以串联连接阻抗元件或电容器的并联电路。此外，也可以组合阻抗元件及电容器来构成。另外，图1中，构成为检测阻抗元件的电压，但也可以检测流过阻抗元件的电流。例如，也可以构成为将光耦合器串联连接至阻抗元件，利用设置于光耦合器的1次侧的光电二极管检测流过阻抗元件的电流，并经由设置于光耦合器的2次侧的光电晶体管将所检测出的电流传输至栅极驱动电路。
此外，图1中，示出了对构成阻抗元件群16的阻抗元件所产生的分压电压进行检测的示例，然而若检测部12A4、12B4的输入耐压较高，则也可以不进行分压。该情况下，可以将阻抗元件群16的两端电压施加至检测部12A4、12B4，而不进行分压。此外，该情况下，阻抗元件群16可以是串联连接有多个阻抗元件的结构，也可以由1个阻抗元件来构成。
接着，作为实施方式1所涉及的功率转换装置的主要动作，对驱动构成功率转换主电路10的第1功率用半导体开关元件的半导体开关元件10A时的动作进行说明。
开关信号生成部20生成用于驱动半导体开关元件10A的开关信号并输出至绝缘电路14A。
作为来自开关信号生成部20的开关信号，若将例如用于将半导体开关元件10A控制为导通的指令信号(以下称为“导通指令信号”)输入绝缘电路14A，则发光二极管14A1点亮，光电晶体管14A2变为导通状态。此外，作为来自开关信号生成部20的开关信号，若将例如用于将半导体开关元件10A控制为截止的指令信号(以下称为“截止指令信号”)输入绝缘电路14A，则发光二极管14A1熄灭，光电晶体管14A2变为非导通状态。由此，来自开关信号生成部20的导通指令信号及截止指令信号作为因光电晶体管14A2的导通状态的变化而引起的电流变化被栅极驱动电路12A的开关速度切换部12A3所识别。
检测部12A4的详细动作将在后文阐述，检测部12A4能通过检测栅极驱动电路12A、12B间的电压，从而检测施加于半导体开关元件10A、10B两端的电压。此外，检测部12A4能通过检测施加于半导体开关元件10A、10B两端的电压，从而检测电容器6的电压(以下称为“电容器电压”)比基准电压高还是低。检测部12A4的检测信号被输入至开关速度切换部12A3。
开关速度切换部12A3基于来自检测部12A4的检测信号与来自绝缘电路14A的指令信号，来切换半导体开关元件10A、10B的驱动速度。切换半导体开关元件10A、10B的驱动速度时的动作的详细情况如下所述。
首先，在加快使半导体开关元件10A导通时的速度的情况下，将第1导通用晶体管12A1a及第2导通用晶体管12A1c双方控制为导通，并将第1截止用晶体管12A1b及第2截止用晶体管12A1d双方控制为截止。若将第1导通用晶体管12A1a及第2导通用晶体管12A1c双方控制为导通，则栅极电阻12A2a、12A2c双方并联连接至第1信号输入端子10A3，栅极电阻变小，开关速度变快。
另一方面，在减慢使半导体开关元件10A导通时的速度的情况下，仅将第1导通用晶体管12A1a及第2导通用晶体管12A1c中的任一方控制为导通，并将第1截止用晶体管12A1b及第2截止用晶体管12A1d双方控制为截止。例如，若仅将第1导通用晶体管12A1a控制为导通，则仅栅极电阻12A2a连接至第1信号输入端子10A3，栅极电阻变大，开关速度变慢。
此外，在加快使半导体开关元件10A截止时的速度的情况下，将第1导通用晶体管12A1a及第2导通用晶体管12A1c双方控制为截止，并将第1截止用晶体管12A1b及第2截止用晶体管12A1d双方控制为导通。若将第1截止用晶体管12A1b及第2截止用晶体管12A1d双方控制为导通，则栅极电阻12A2b、12A2d双方并联连接至第1信号输入端子10A3，栅极电阻变小，开关速度变快。
此外，在减慢使半导体开关元件10A截止时的速度的情况下，将第1导通用晶体管12A1a及第2导通用晶体管12A1c双方控制为截止，并仅将第1截止用晶体管12A1b及第2截止用晶体管12A1d中的任一方控制为导通。例如，若仅将第1截止用晶体管12A1b控制为导通，则仅栅极电阻12A2b连接至第1信号输入端子10A3，栅极电阻变大，开关速度变慢。
另外，上述控制是一个示例，并不局限于上述控制。例如，在使用的栅极电阻中栅极电阻12A2c的电阻值比栅极电阻12A2a要小，并减慢使半导体开关元件10A导通时的速度的情况下，可以将连接至具有相对较大的电阻值的栅极电阻12A2a的第1导通用晶体管12A1a控制为导通，在加快使半导体开关元件10A导通时的速度的情况下，可以将连接至具有相对较小的电阻值的栅极电阻12A2c的第2导通用晶体管12A1c控制为导通。此外，例如，在使用的栅极电阻中栅极电阻12A2d的电阻值比栅极电阻12A2b要小，并减慢使半导体开关元件10A截止时的速度的情况下，可以将连接至具有相对较大的电阻值的栅极电阻12A2b的第1截止用晶体管12A1b控制为导通，在加快使半导体开关元件10A截止时的速度的情况下，可以将连接至具有相对较小的电阻值的栅极电阻12A2d的第2截止用晶体管12A1d控制为导通。
对上述动作说明中阻抗元件群16输出相当于电容器电压的信息(以下称为“电容器电压信息”)的动作进行补充。
半导体开关元件10A的第2主端子10A2与第2信号输入端子10A4的电位一致。此外，半导体开关元件10A的第2信号输入端子10A4与阻抗元件群16的一端均连接至串联连接的电容器12A5a、12A5b的连接部，因此两者的电位也一致。这些在半导体开关元件10B中也相同。由此，阻抗元件群16中产生的电压或流过阻抗元件群16的电流代表半导体开关元件10A的第2主端子10A2与半导体开关元件10B的第2主端子10B2之间的电位差。由此，栅极驱动电路12A、12B可以通过检测阻抗元件群16的电压或电流，从而获知半导体开关元件10A的第2主端子10A2与半导体开关元件10B的第2主端子10B2之间的电位差。
另外，由图1也可知能将阻抗元件群16配置在栅极驱动电路12A、12B的附近。因此，能缩短将来自阻抗元件群16的电压信息或电流信息传输至栅极驱动电路12A、12B的路径、即电气布线，因而能抑制噪声叠加于电气布线。其结果是，获得如下效果，即：栅极驱动电路12A、12B可以使用阻抗元件群16的高精度的电压信息或高精度的电流信息来高精度地变更半导体开关元件10A、10B的驱动方法，或高精度地使其变化。
接着，使用图2及图3进一步对栅极驱动电路的动作进行详细说明。图2及图3是示出实施方式1所涉及的功率转换主电路10的输出电压的变化的状态转移图，图2是在负载接收到电流时、即负载进行灌入动作时的转移图，图3是在负载排出了电流时、即负载进行拉出动作时的状态转移图。另外，图2及图3中，省略了负载的显示。此外，在说明时，设存储于电容器6的电压为1000[V]，并以电容器6的负极为基准电位。即，电容器6的负极的电位为0[V]。
首先，当负载进行灌入动作时，功率转换主电路10如图2所示以状态1至状态2、状态2至状态3、状态3至状态4、状态4至状态1重复进行动作。
在状态1下，半导体开关元件10A导通，半导体开关元件10B截止。此时，电流从电容器6的正极通过半导体开关元件10A流向负载。负载的电位与电容器6的正极的电位一致。由此，半导体开关元件10A的第2主端子10A2的电位为1000[V]。半导体开关元件10B的第2主端子10B2的电位为0[V]。与电容器电压相同的1000[V]的电压被施加至阻抗元件群16。
半导体开关元件10A从导通状态切换为截止状态，由此功率转换主电路10从状态1转移至状态2。于是，各部分的电位发生变化。此外，从电容器6向负载的电流路径也发生变化。
在状态2下，半导体开关元件10A截止，半导体开关元件10B截止。此时，电流从电容器6的负极通过半导体开关元件10B流向负载。此外，负载的电位与电容器6的负极的电位一致。由此，半导体开关元件10A的第2主端子10A2的电位为0[V]，半导体开关元件10B的第2主端子10B2的电位也为0[V]。此外，0[V]的电压被施加至阻抗元件群16。
半导体开关元件10B从截止状态切换为导通状态，由此功率转换主电路10从状态2转移至状态3。然而，各部分的电位不发生变化。此外，从电容器6向负载的电流路径也不发生变化。
在状态3下，半导体开关元件10A截止，半导体开关元件10B导通。此时，电流从电容器6的负极通过半导体开关元件10B流向负载。负载的电位与电容器6的负极的电位一致。由此，半导体开关元件10A的第2主端子10A2的电位为0[V]，半导体开关元件10B的第2主端子10B2的电位也为0[V]。此外，0[V]的电压被施加至阻抗元件群16。
半导体开关元件10B从导通状态切换为截止状态，由此功率转换主电路10从状态3转移至状态4。然而，各部分的电位不发生变化。此外，从电容器6向负载的电流路径不发生变化。
在状态4下，半导体开关元件10A截止，半导体开关元件10B截止。此时，电流从电容器6的负极通过半导体开关元件10B流向负载。负载的电位与电容器6的负极的电位一致。由此，半导体开关元件10A的第2主端子10A2的电位为0[V]，半导体开关元件10B的第2主端子10B2的电位也为0[V]。此外，0[V]的电压被施加至阻抗元件群16。
半导体开关元件10A从截止状态切换为导通状态，由此功率转换主电路10从状态4转移至状态1。于是，各部分的电位发生变化。此外，从电容器6向负载的电流路径也发生变化。
在状态1下，半导体开关元件10A导通，半导体开关元件10B截止。此时，电流从电容器6的正极通过半导体开关元件10A流过负载。负载的电位与电容器6的正极的电位一致。由此，半导体开关元件10A的第2主端子10A2的电位为1000[V]。半导体开关元件10B的第2主端子10B2的电位为0[V]。此外，与电容器电压相同的1000[V]的电压被施加至阻抗元件群16。
接着，参照图3。当负载进行拉出动作时，功率转换主电路10如图3所示以状态5至状态6、状态6至状态7、状态7至状态8、状态8至状态5重复进行动作。
在状态5下，半导体开关元件10A导通，半导体开关元件10B截止。此时，电流从负载通过半导体开关元件10A流向电容器6的正极。负载的电位与电容器6的正极的电位一致。半导体开关元件10A的第2主端子10A2的电位为1000[V]。半导体开关元件10B的第2主端子10B2的电位为0[V]。与电容器电压相同的1000[V]的电压被施加至阻抗元件群16。
半导体开关元件10A从导通状态切换为截止状态，由此功率转换主电路10从状态5转移至状态6。然而，各部分的电位不发生变化。此外，从负载向电容器6的电流路径也不发生变化。
在状态6下，半导体开关元件10A截止，半导体开关元件10B截止。电流从负载通过半导体开关元件10A流向电容器6的正极。负载的电位与电容器6的正极的电位一致。由此，半导体开关元件10A的第2主端子10A2的电位为1000[V]，半导体开关元件10B的第2主端子10B2的电位为0[V]。此外，与电容器电压相同的1000[V]的电压被施加至阻抗元件群16。
半导体开关元件10B从截止状态切换为导通状态，由此功率转换主电路10从状态6转移至状态7。于是，各部分的电位发生变化。此外，从负载向电容器6的电流路径也发生变化。
在状态7下，半导体开关元件10A截止，半导体开关元件10B导通。此时，电流从负载通过半导体开关元件10B流向电容器6的负极。此外，负载的电位与电容器6的负极的电位一致。由此，半导体开关元件10A的第2主端子10A2的电位为0[V]，半导体开关元件10B的第2主端子10B2的电位也为0[V]。此外，0[V]的电压被施加至阻抗元件群16。
半导体开关元件10B从导通状态切换为截止状态，由此功率转换主电路10从状态7转移至状态8。于是，各部分的电位发生变化。此外，从负载向电容器6的电流路径也发生变化。
在状态8下，半导体开关元件10A截止，半导体开关元件10B截止。此时，电流从负载通过半导体开关元件10A流向电容器6的正极。此外，负载的电位与电容器6的正极的电位一致。由此，半导体开关元件10A的第2主端子10A2的电位为1000[V]。半导体开关元件10B的第2主端子10B2的电位为0[V]。与电容器电压相同的1000[V]的电压被施加至阻抗元件群16。
半导体开关元件10A从截止状态切换为导通状态，由此功率转换主电路10从状态8转移至状态5。然而，各部分的电位不发生变化。此外，从负载向电容器6的电流路径也不发生变化。
在状态5下，半导体开关元件10A导通，半导体开关元件10B截止。此时，电流从负载通过半导体开关元件10A流向电容器6的正极。负载的电位与电容器6的正极的电位一致。由此，半导体开关元件10A的第2主端子10A2的电位为1000[V]。半导体开关元件10B的第2主端子10B2的电位为0[V]。此外，与电容器电压相同的1000[V]的电压被施加至阻抗元件群16。
接着，适当参照图1至图3，对着眼于功率转换主电路的状态时的功率转换装置的动作进行说明。
首先，着眼于从状态1转移至状态2时的栅极驱动电路12A。关于附图，参照图1及图2。
在状态1下，与电容器电压相同的1000[V]的电压被施加至阻抗元件群16。栅极驱动电路12A所具备的检测部12A4检测阻抗元件群16的电压，并将所检测出的电容器电压的信息、即电容器电压信息传输至开关速度切换部12A3。栅极驱动电路12A所具备的开关速度切换部12A3可以通过栅极驱动电路12A与栅极驱动电路12B之间的电压来获知电容器电压。
开关速度切换部12A3在栅极驱动电路12A与栅极驱动电路12B之间的电压被判断为比基准电压要低的情况下，进行加快半导体开关元件10A截止的驱动速度的控制。通过该控制，能抑制截止时的开关损耗。另外，虽然因加快驱动速度的控制而导致截止时产生的浪涌电压增大，但由于电容器电压较低，因此不会有过大的电压施加于功率转换主电路10内部的元器件。由此，功率转换主电路10从状态1转移至状态2。
接着，着眼于从状态6转移至状态7时的栅极驱动电路12B。关于附图，参照图1及图3。在状态6下，与电容器电压相同的1000[V]的电压被施加至阻抗元件群16。栅极驱动电路12B所具备的检测部12B4检测阻抗元件群16的电压，并将所检测出的电容器电压信息传输至开关速度切换部12B3。栅极驱动电路12B所具备的开关速度切换部12B3可以通过栅极驱动电路12B与栅极驱动电路12A之间的电压来获知电容器电压。
开关速度切换部12B3在栅极驱动电路12B与栅极驱动电路12A之间的电压被判断为比基准电压要低的情况下，进行加快半导体开关元件10B导通的驱动速度的控制。通过该控制，能抑制导通时的开关损耗。虽然导通时产生的浪涌电压增大，但由于电容器电压较低，因此不会有过大的电压施加于功率转换主电路10内部的元器件。由此，功率转换主电路10从状态6转移至状态7。
另外，图1中，示出了对栅极驱动电路12A、12B双方设置检测部12A4、12B4的结构，但也可以仅对栅极驱动电路12A、12B中的任一方设置检测部。例如，图4是仅对栅极驱动电路12A设置检测部12A4的结构，即使构成为如图4所示那样，也能得到上述效果。
如以上所说明的那样，根据实施方式1所涉及的功率转换装置，在具有两个以上的半导体开关元件的功率转换主电路中，在分别驱动两个以上的半导体开关元件的栅极驱动电路中的至少1组栅极驱动电路之间连接1个或多个阻抗元件，对至少1个栅极驱动电路设置检测阻抗元件的电压或流过阻抗元件的电流的检测部，并将检测部的输出传输至栅极驱动电路，因此能降低将功率转换装置各部分的电压信息传输至栅极驱动电路时的噪声的影响。
此外，根据实施方式1所涉及的功率转换装置，根据代表电容器电压的检测部的输出来使半导体开关元件的驱动速度变化，因此能抑制功率转换主电路内部的元器件上产生过大的电压。
实施方式2.
图5是示出实施方式2所涉及的功率转换装置的主要部分结构的电路图。图5所示的实施方式2所涉及的功率转换装置中，公开了如下结构，即：在图1所示的实施方式1的功率转换装置的结构中，栅极驱动电路12A、12B各自具备存储部12A5、12B5。根据图5，在检测部12A4与开关速度切换部12A3之间附加有存储部12A5，此外，在检测部12B4与开关速度切换部12B3之间附加有存储部12B5。此外，关于其他结构部，与图1相同或等同，对这些相同或等同的结构部标注相同的标号来示出，并省略重复的说明。
在图5中，设置于栅极驱动电路12A的检测部12A4判定代表电容器电压信息的阻抗元件群16的电压与基准电压的大小关系，并将该判定结果传输至存储部12A5。存储部12A5中存储有电容器电压比基准电压要低还是要高的判定信息。存储部12A5只要能保持电容器电压信息，就可以是任何单元，可以由电压存储元件、锁存电路等来构成。
存储部12A5作用于开关速度切换部12A3，开关速度切换部12A3基于存储部12A5中所存储的判定信息，变更半导体开关元件10A的驱动速度。
另外，用于使检测部12A4及存储部12A5动作的动作电源可以兼用作用于驱动栅极驱动电路的电源。若兼用作用于驱动栅极驱动电路的电源，则可以不设置用于使检测部12A4及存储部12A5动作的专用的电源。
接着，对于实施方式2所涉及的功率转换装置的主要动作，着眼于图2的状态1下的栅极驱动电路12A的动作来进行说明。关于附图，参照图2及图5。
在状态1下，与电容器电压相同的1000[V]的电压被施加至阻抗元件群16。检测部12A4判定来自阻抗元件群16的电压与基准电压的大小关系。在检测部12A4判定为阻抗元件群16的电压比基准电压要低的情况下，将该判定结果存储于存储部12A5。
开关速度切换部12A3基于判定为比基准电压要低且存储于存储部12A4的信息，切换为加快半导体开关元件10A的驱动速度的控制。通过该控制，抑制了从状态1转移至状态2时半导体开关元件10A的截止开关损耗。此外，也能抑制从状态4转移至状态1时半导体开关元件10A的导通开关损耗。另外，虽然在进行该控制的情况下开关时产生的浪涌电压增大，但由于电容器电压较低，因此不会有过大的电压施加于功率转换主电路10内部的元器件。
另一方面，在状态1下，在检测部12A4判定为来自阻抗元件群16的电压比基准电压要高的情况下，将该判定结果存储于存储部12A5。存储部12A5的存储信息被新的判定结果所覆盖。即，在存储部12A5中存储最新的判定结果。
开关速度切换部12A3基于判定为比基准电压要高且存储于存储部12A5的信息，切换为减慢半导体开关元件10A的驱动速度的控制。通过进行该控制，虽然电容器电压较高，但可以将开关时产生的浪涌电压抑制得较低，能抑制过大的电压施加于功率转换主电路10内部的元器件。
接着，着眼于图3的状态5、状态6及状态8下的栅极驱动电路12B的动作来进行说明。关于附图，参照图3及图5。
在状态5、状态6及状态8下，与电容器电压相同的1000[V]的电压被施加至阻抗元件群16。检测部12B4判定来自阻抗元件群16的电压与基准电压的大小关系。在检测部12B4判定为阻抗元件群16的电压比基准电压要低的情况下，将该判定结果存储于存储部12B5。
开关速度切换部12B3基于判定为比基准电压要低且存储于存储部12B5的信息，切换为加快半导体开关元件10B的驱动速度的控制。通过该控制，抑制了从状态6转移至状态7时半导体开关元件10B的导通开关损耗。此外，也能抑制从状态7转移至状态8时半导体开关元件10B的截止开关损耗。另外，虽然在进行该控制的情况下开关时产生的浪涌电压增大，但由于电容器电压较低，因此不会有过大的电压施加于功率转换主电路10内部的元器件。
另一方面，在状态5、状态6及状态8下，在检测部12A4判定为来自阻抗元件群16的电压比基准电压要高的情况下，将该判定结果存储于存储部12B5。存储部12B5的存储信息被新的判定结果所覆盖。即，在存储部12B5中存储最新的判定结果。
开关速度切换部12B3基于判定为比基准电压要高且存储于存储部12B5的信息，切换为减慢半导体开关元件10B的驱动速度的控制。通过进行该控制，虽然电容器电压较高，但可以将开关时产生的浪涌电压抑制得较低，能抑制过大的电压施加于功率转换主电路10内部的元器件。
另外，图5中，示出了对栅极驱动电路12A、12B双方设置存储部12A5、12B5的结构，但也可以仅对栅极驱动电路12A、12B中的任一方设置存储部，可以得到上述的效果。在省略了存储部12A5、12B5中的任一方的情况下，可以与该结构相匹配地省略检测部12A4、12B4中相对应的检测部。
实施方式3.
图6是示出实施方式3所涉及的功率转换装置的主要部分结构的电路图。图6中，作为实施方式3所涉及的功率转换装置的主要部分结构，示出了作为驱动对象的负载2、驱动负载2的功率转换主电路10、用于控制功率转换主电路10的外围电路即栅极驱动电路12A、12B、12C、12D、输出电容器电压信息的阻抗元件群16、以及作为向功率转换主电路10供电的供电源并存储直流功率的电容器6A、6B。
实施方式3所涉及的功率转换装置中，串联连接有存储直流电压的两个电容器6A、6B，利用串联连接的电容器6A、6B，从电位较高的一方起设置上位侧直流端子8A、中间直流端子8C、下位侧直流端子8B这3个端子。高电位侧的直流母线7A与上位侧直流端子8A电连接，低电位侧的直流母线7B与下位侧直流端子8B电连接。
实施方式3中的功率转换主电路10中，作为第1功率用半导体开关元件的半导体开关元件10A、作为第2功率用半导体开关元件的半导体开关元件10B、作为第3功率用半导体开关元件的半导体开关元件10C以及作为第4功率用半导体开关元件的半导体开关元件10D以从高电位侧的直流母线7A向着低电位侧的直流母线7B的顺序串联连接。此外，实施方式3中的功率转换主电路10中，设有作为第1二极管元件的箝位二极管11A以及作为第2二极管元件的箝位二极管11B，上述箝位二极管11A的阴极电连接至半导体开关元件10A与半导体开关元件10B的连接点，阳极电连接至中间直流端子8C，上述箝位二极管11B的阴极电连接至中间直流端子8C，阳极电连接至半导体开关元件10C与半导体开关元件10D的连接点。另外，负载2连接至半导体开关元件10B与半导体开关元件10C的电连接点。
半导体开关元件10A设有第1主端子10A1、第2主端子10A2、第1信号输入端子10A3以及第2信号输入端子10A4。半导体开关元件10B、10C、10D也相同，半导体开关元件10B设有第1主端子10B1、第2主端子10B2、第1信号输入端子10B3以及第2信号输入端子10B4，半导体开关元件10C设有第1主端子10C1、第2主端子10C2、第1信号输入端子10C3以及第2信号输入端子10C4，半导体开关元件10D设有第1主端子10D1、第2主端子10D2、第1信号输入端子10D3以及第2信号输入端子10D4。
在如上述那样连接的功率转换主电路10中，若半导体开关元件10A、10B导通则上位侧直流端子8A的电位施加至负载2，若半导体开关元件10C、10D导通则下位侧直流端子8B的电位施加至负载2。此外，当半导体开关元件10A、10D非导通时，若半导体开关元件10B、10C中的任一个导通则中间直流端子8C的电位施加至负载2。由此，功率转换主电路10输出上位侧直流端子8A的电位、中间直流端子8C的电位以及下位侧直流端子8B的电位这3种电位，因此作为三电平的功率转换电路来动作。
在向负载2提供交流功率的情况下，半导体开关元件10A、10B与半导体开关元件10C、10D对称地动作，两个电容器8A、8B所存储的直流电压相等。
另外，图6中，作为晶体管元件图示出了MOSFET，但并不局限于MOSFET，是可以根据电信号切换低电阻状态、高电阻状态的器件即可。例如，可以使用IGBT、双极型晶体管之类的晶体管元件。此外，作为构成半导体开关元件10A、10B的晶体管元件及二极管元件的原料，除了被广泛使用的Si，还可以使用SiC、GaN、金刚石等宽带隙半导体。
栅极驱动电路12A是驱动第1功率用半导体开关元件即半导体开关元件10A的第1栅极驱动电路。以下同样地，栅极驱动电路12B是驱动第2功率用半导体开关元件即半导体开关元件10B的第2栅极驱动电路，栅极驱动电路12C是驱动第3功率用半导体开关元件即半导体开关元件10C的第3栅极驱动电路，栅极驱动电路12D是驱动第4功率用半导体开关元件即半导体开关元件10B的第4栅极驱动电路。
此处，在图6所示的栅极驱动电路12A～12D中，栅极驱动电路12C的结构与图1所示的实施方式1所涉及的栅极驱动电路12A的结构相同或等同。另一方面，栅极驱动电路12B及栅极驱动电路12D的结构是在图1所示的栅极驱动电路12A的结构中省略了检测部12A4而得到的，与图4所示的栅极驱动电路12B的结构相同或等同。此外，在图6中，对与图1所示的结构相同或等同的结构部标注相同的标号来示出。此外，图6中，省略了在图1中图示出的相当于绝缘电路14A、14B及开关信号生成电路18的结构部的图示。
与实施方式1时同样地，阻抗元件群16中产生的电压或流过阻抗元件群16的电流代表半导体开关元件10C的第2主端子10C2与半导体开关元件10D的第2主端子10D2之间的电位差。由此，栅极驱动电路12C可以通过检测阻抗元件群16的电压或电流，从而获知半导体开关元件10C的第2主端子10C2与半导体开关元件10D的第2主端子10D2之间的电位差。
接着，对实施方式3所涉及的功率转换装置的动作进行说明。另外，关于栅极驱动电路的动作，参照具有开关速度切换部12C3及检测部12C4的栅极驱动电路12C来进行说明。另外，以中间直流端子8C的电位为基准电位(0[V])，并设存储于电容器6A、6B的电压分别为1000[V]。因此，上位侧直流端子8A的电位为+1000[V]，中间直流端子8C的电位为0[V]，下位侧直流端子8B的电位为－1000[V]。
图7是示出实施方式3所涉及的功率转换装置的动作的一个方式的电路图。图7所示的方式中，半导体开关元件10A、10B导通，半导体开关元件10C、10D截止，省略了图示的负载的电位与上位侧直流端子8A的电位一致。此时，电流经由半导体开关元件10A、10B在上位侧直流端子8A与负载之间流通。因此，半导体开关元件10A的第2主端子10A2的电位为+1000[V]，半导体开关元件10B的第2主端子10B2的电位也为+1000[V]。此外，半导体开关元件10C的第2主端子10C2的电位为0[V]，半导体开关元件10D的第2主端子10D2的电位为－1000[V]。
图8是示出实施方式3所涉及的功率转换装置的与图7不同的动作的一个方式的电路图。图8所示的方式中，半导体开关元件10A、10D截止，半导体开关元件10B、10C导通，负载的电位与中间直流端子8C的电位一致。此时，电流经由半导体开关元件10B、10C在中间直流端子8C与负载之间流通。因此，半导体开关元件10A的第2主端子10A2的电位为0[V]，半导体开关元件10B的第2主端子10B2的电位为0[V]，半导体开关元件10C的第2主端子10C2的电位也为0[V]。另一方面，半导体开关元件10D的第2主端子10D2的电位为－1000[V]。
图9是示出实施方式3所涉及的功率转换装置的与图7及图8不同的动作的一个方式的电路图。图9所示的方式中，半导体开关元件10A、10B截止，半导体开关元件10C、10D导通，负载的电位与下位侧直流端子8B的电位一致。此时，电流经由半导体开关元件10C、10D在下位侧直流端子8B与负载之间流通。因此，半导体开关元件10A的第2主端子10A2的电位为0[V]。另一方面，半导体开关元件10B的第2主端子10B2的电位为－1000[V]，半导体开关元件10C的第2主端子10C2的电位也为－1000[V]，半导体开关元件10D的第2主端子10D2的电位也为－1000[V]。
若半导体开关元件10A～10D进行开关动作则会产生浪涌电压，已知在三电平电路中，存在两种产生特别大的浪涌电压的动作。
第1动作是负载接受电流、即进行灌入动作的情况，是第2功率用半导体开关元件即半导体开关元件10B进行开关动作从而在图8的状态与图9的状态之间切换的动作。此外，第2动作是负载排出电流、即进行拉出动作的情况，是第3功率用半导体开关元件即半导体开关元件10C进行开关动作从而在图7的状态与图8的状态之间切换的动作。上述动作中，电流的通电路径的变化特别大，因此可以得知产生了特别大的浪涌电压。
着眼于如下动作，即：在负载排出电流的情况下，第3功率用半导体开关元件即半导体开关元件10C进行开关动作从而在图7的状态与图8的状态之间切换。
此处，若采用图6所示的结构，则在图7及图8的状态下，与电容器电压相同的1000[V]的电压被施加至阻抗元件群16的两端。第3栅极驱动电路12C所具备的检测部12C4对阻抗元件群16的电压进行检测。由此，栅极驱动电路12C能获知栅极驱动电路12C与栅极驱动电路14C之间的电压、即电容器电压。
第3栅极驱动电路12C在第3栅极驱动电路12C与第4栅极驱动电路12D之间的电压被判断为比基准电压要低的情况下，切换为加快半导体开关元件10C导通及截止的驱动速度的控制。通过加快驱动速度，从而能抑制导通开关损耗及截止开关损耗。此时，虽然开关时产生的浪涌电压增大，但由于电容器电压较低，因此不会有过大的电压施加于功率转换主电路10内部的元器件。
另一方面，第3栅极驱动电路12C在第3栅极驱动电路12C与第4栅极驱动电路12D之间的电压被判断为比基准电压要高的情况下，切换为减慢半导体开关元件10C导通、截止的驱动速度的控制。通过减慢驱动速度，虽然电容器电压较高，但可以将导通及截止的开关时产生的浪涌电压抑制得较低，能抑制过大的电压施加于功率转换主电路10内部的元器件。
图10是示出实施方式3所涉及的功率转换装置的与图6不同的主要部分结构的电路图。图10所示的结构的特征在于，阻抗元件群16连接在第1栅极驱动电路即栅极驱动电路12A与第2栅极驱动电路即栅极驱动电路12B之间，此外，第2栅极驱动电路即栅极驱动电路12B具备检测部12B4及存储部12B5。另外，存储部12B5也可以省略。
接着，关于图10所示的功率转换装置的主要部分动作，着眼于负载接受电流、即进行灌入动作时的第2功率用半导体开关元件即半导体开关元件12B的动作来进行说明。关于附图，参照图8及图9。
在图9的状态下，与电容器电压相同的1000[V]的电压被施加至阻抗元件群16。栅极驱动电路12B所具备的检测部12B4判定代表电容器电压信息的阻抗元件群16的电压与基准电压的大小关系，并将该判定结果传输至存储部12A5。存储部12A5中存储有电容器电压比基准电压要低还是要高的判定信息。
存储部12B5作用于开关速度切换部12B3，开关速度切换部12B3基于存储部12B5中所存储的判定信息，变更半导体开关元件10B的驱动速度。
在由检测部12B4判定为阻抗元件群16的电压比基准电压要低的情况下，将该判定结果存储于存储部12B5。
开关速度切换部12B3基于判定为比基准电压要低且存储于存储部12B5的信息，切换为加快半导体开关元件10B的驱动速度的控制。通过该控制，抑制了半导体开关元件10B的开关损耗。另外，虽然在进行该控制的情况下开关时产生的浪涌电压增大，但由于电容器电压较低，因此不会有过大的电压施加于功率转换主电路10内部的元器件。
另一方面，在由检测部12B4判定为阻抗元件群16的电压比基准电压要高的情况下，将该判定结果存储于存储部12B5。存储部12B5的存储信息被新的判定结果所覆盖。即，在存储部12B5中存储最新的判定结果。
开关速度切换部12A3基于判定为比基准电压要高且存储于存储部12B5的信息，切换为减慢半导体开关元件10B的驱动速度的控制。通过进行该控制，虽然电容器电压较高，但可以将开关时产生的浪涌电压抑制得较低，能抑制过大的电压施加于功率转换主电路10内部的元器件。
图11是示出实施方式3所涉及的功率转换装置的与图6及图10不同的主要部分结构的电路图。图11所示的结构的特征在于，阻抗元件群18连接在第1栅极驱动电路即栅极驱动电路12A与第4栅极驱动电路即栅极驱动电路12D之间，此外，第1栅极驱动电路即栅极驱动电路12A具备检测部12A4，并且第4栅极驱动电路即栅极驱动电路12D具备检测部12D4。另外，与可以图10同样地构成为具备存储部。
若采用图11所示的结构，则在图7所示的状态下，与两个电容器6A、6B相当的电压即2000[V]的电压被施加至阻抗元件群18的两端。因此，图11的结构中，构成为将设置于阻抗元件群18的阻抗元件的数量增加为图6的情况的2倍，使用10个阻抗元件18e1～18e10。另外，在图8及图9所示的状态下，施加了与1个电容器相当的电压即1000[V]的电压。
栅极驱动电路12A、12D所分别具备的检测部12A4、12D4可以通过从阻抗元件群18输出的电压信息或电流信息来获知电容器电压。设置于栅极驱动电路12A的开关速度切换部12A3进行切换或变更半导体开关元件10A的驱动速度的控制，设置于栅极驱动电路12D的开关速度切换部12D3进行切换或变更半导体开关元件10D的驱动速度的控制。
栅极驱动电路12A在判断为电容器电压较低的情况下，切换为加快半导体开关元件10A导通及截止的驱动速度的控制。栅极驱动电路12D也同样地在判断为电容器电压较低的情况下，切换为加快半导体开关元件10D导通及截止的驱动速度的控制。通过加快驱动速度，从而能抑制导通开关损耗及截止开关损耗。另外，通过进行该控制，虽然开关时产生的浪涌电压增大，但由于电容器电压较低，因此不会有过大的电压施加于功率转换主电路10内部的元器件。
如以上所说明的那样，实施方式3中，如图6、图10及图11所示，对如下结构进行了说明，即：从多个栅极驱动电路中选择一组2个的栅极驱动电路，并在该一组栅极驱动电路之间用阻抗元件群16或阻抗元件群18来连接，但本发明并不限于上述结构。也可以采用从多个栅极驱动电路中选择多组2个的栅极驱动电路，并在该多组栅极驱动电路之间用阻抗元件群来连接的结构。例如，也可以构成为如图12所示那样。图12所示的结构是对图6、图10及图11的结构进行组合而得到的，其构成为将具有阻抗元件16e1～16e5的阻抗元件群16A配置在栅极驱动电路12A、12B之间，此外，将具有阻抗元件16e6～16e10的阻抗元件群16B配置在栅极驱动电路12C、12D之间，并且，将具有阻抗元件18e1～18e10的阻抗元件群18配置在栅极驱动电路12A、12D之间。
另外，例如由图10的结构可知能将阻抗元件群16配置在栅极驱动电路12A、12B的附近。因此，能缩短将来自阻抗元件群16的电压信息或电流信息传输至栅极驱动电路12A、12B的路径、即电气布线，因而能抑制噪声叠加于电气布线。其结果是，获得如下效果，即：栅极驱动电路12A、12B可以使用阻抗元件群16的高精度的电压信息或高精度的电流信息来高精度地变更半导体开关元件10A、10B的驱动方法。
实施方式4.
图13是示出实施方式4所涉及的功率转换装置的主要部分结构的电路图。图13中，作为实施方式4所涉及的功率转换装置的主要部分结构，示出了作为驱动对象的负载2、驱动负载2的功率转换矢野主电路10、用于控制功率转换主电路10的外围电路即栅极驱动电路12UA、12UB、12VA、12VB、输出电容器电压信息的阻抗元件群16、以及作为向功率转换主电路10供电的供电源并存储直流功率的电容器6。
实施方式4中的功率转换主电路10构成为具有作为与高电位侧的直流母线7A相连接的第1U相功率用半导体开关元件的半导体开关元件10UA、作为与低电位侧的直流母线7B相连接的第2U相功率用半导体开关元件的半导体开关元件10UB、作为与高电位侧的直流母线7A相连接的第1V相功率用半导体开关元件的半导体开关元件10VA、以及作为与低电位侧的直流母线7B相连接的第2V相功率用半导体开关元件的半导体开关元件10VB。半导体开关元件10UA与半导体开关元件10UB串联连接，负载2的一端连接至它们的电连接点即输出端子5U。此外，半导体开关元件10VA与半导体开关元件10VB串联连接，负载2的另一端连接至它们的电连接点即输出端子5V。由此，功率转换主电路10构成了由U相的半导体开关元件10UA、10UB与V相的半导体开关元件10VA、10VB桥式连接而成的单相逆变器。
半导体开关元件10UA设有第1主端子10UA1、第2主端子10UA2、第1信号输入端子10UA3以及第2信号输入端子10UA4，半导体开关元件10UB设有第1主端子10UB1、第2主端子10UB2、第1信号输入端子10UB3以及第2信号输入端子10UB4。同样地，半导体开关元件10VA设有第1主端子10VA1、第2主端子10VA2、第1信号输入端子10VA3以及第2信号输入端子10VA4，半导体开关元件10VB设有第1主端子10VB1、第2主端子10VB2、第1信号输入端子10VB3以及第2信号输入端子10VB4。
由此构成的功率转换主电路10中，半导体开关元件10UA的第1主端子10UA1与直流母线7A相连接，半导体开关元件12UB的第2主端子10UB2与直流母线7B相连接。同样地，半导体开关元件10VA的第1主端子10VA1与直流母线7A相连接，半导体开关元件10VB的第2主端子10VB2与直流母线7B相连接。
此外，直流母线7A与电容器6的上位侧直流端子8A相连接，直流母线7B与电容器6的下位侧直流端子8B相连接。即，在直流母线7A、7B间施加有电容器6的电压。
在如上述那样连接的功率转换主电路10中，若半导体开关元件10UA或半导体开关元件10VA导通则直流母线7A的电位施加至负载2，若半导体开关元件10VB或半导体开关元件10VB导通则直流母线7B的电位施加至负载2。由此，功率转换主电路10输出直流母线7A的电位或直流母线7B的电位这两种电位，因此作为双电平的单相逆变器电路来动作。
半导体开关元件10UA、10UB、10VA、10VB各自并联连接有晶体管元件与二极管元件。另外，根据负载的特性，例如在电阻负载的情况下，有时省略各自的二极管元件的连接。
此外，图13中，作为晶体管元件图示出了MOSFET，但并不局限于MOSFET，是可以根据电信号切换低电阻状态、高电阻状态的器件即可。例如，可以使用IGBT、双极型晶体管之类的晶体管元件。此外，作为构成半导体开关元件10UA、10UB、10VA、10VB的晶体管元件及二极管元件的原料，除了被广泛使用的Si，还可以使用SiC、GaN、金刚石等宽带隙半导体。
栅极驱动电路12UA是驱动第1U相功率用半导体开关元件即半导体开关元件10UA的第1U相栅极驱动电路，栅极驱动电路12UB是驱动第2U相功率用半导体开关元件即半导体开关元件10UB的第2U相栅极驱动电路。此外，栅极驱动电路12VA是驱动第1V相功率用半导体开关元件即半导体开关元件10VA的第1V相栅极驱动电路，栅极驱动电路12VB是驱动第2V相功率用半导体开关元件即半导体开关元件10VB的第2V相栅极驱动电路。
此处，在图13所示的栅极驱动电路12UA、12UB、12VA、12VB中，栅极驱动电路12UA的结构与图1所示的实施方式1所涉及的栅极驱动电路12A的结构相同或等同。另一方面，栅极驱动电路12UB、栅极驱动电路12VA及栅极驱动电路12VB的结构是在栅极驱动电路12UA的结构中省略了检测部12UA4而得到的，与图4所示的栅极驱动电路12B的结构相同或等同。另外，图13中，省略了在图1中图示出的相当于绝缘电路14A、14B及开关信号生成电路18的结构部的图示。
另外，用于使检测部12UA4动作的动作电源可以兼用作用于驱动栅极驱动电路的电源。若兼用作用于驱动栅极驱动电路的电源，则可以不设置用于使检测部12UA4动作的专用的电源。
在实施方式3中，阻抗元件群16连接在第1U相栅极驱动电路即栅极驱动电路12UA与第1V相栅极驱动电路即栅极驱动电路12VA之间。即，图13的示例是在属于不同相的栅极驱动电路12UA、12VA之间配置阻抗元件群16的示例。
半导体开关元件10UA的第2主端子10UA2与第2信号输入端子10UA4的电位一致。此外，图13中虽然省略了图示，但半导体开关元件10UA的第2信号输入端子10UA4与阻抗元件群16的一端连接至串联连接的电容器(参照图1中的栅极驱动电路12A内的电容器12A5a、12A5b)的连接部，因此两者的电位也一致。这些在半导体开关元件10VA中也相同。由此，阻抗元件群16中产生的电压或流过阻抗元件群16的电流代表半导体开关元件10UA的第2主端子10UA2与半导体开关元件10VA的第2主端子10VA2之间的电位差。由此，栅极驱动电路12UA、12VA可以通过检测阻抗元件群16的电压或电流，从而获知半导体开关元件10UA的第2主端子10UA2与半导体开关元件10VA的第2主端子10VA2之间的电位差。
另外，由图13也可知能将阻抗元件群16配置在栅极驱动电路12UA、12VA的附近。因此，能缩短将来自阻抗元件群16的电压信息或电流信息传输至栅极驱动电路12UA、12VA的路径、即电气布线，因而能抑制噪声叠加于电气布线。其结果是，获得如下效果，即：栅极驱动电路12UA、12VA可以使用阻抗元件群16的高精度的电压信息或高精度的电流信息来高精度地变更半导体开关元件10UA或半导体开关元件10VA的驱动方法。
接着，适当参照图13～图17，对实施方式4所涉及的功率转换装置的动作进行说明。另外，关于栅极驱动电路的动作，参照具有开关速度切换部12UA3及检测部12UA4的栅极驱动电路12UA来进行说明。另外，在说明时，设存储于电容器6的电压为1000[V]，并以电容器6的负极为基准电位。即，电容器6的负极的电位为0[V]。
图14是示出实施方式4所涉及的功率转换装置的动作的一个方式的电路图。图14所示的方式中，半导体开关元件10UA、10VA导通，半导体开关元件10UB、10VB截止，连接至负载2的一端的输出端子5U的电位与上位侧直流端子8A的电位一致，连接至负载2的另一端的输出端子5V的电位也与上位侧直流端子8A的电位一致。因此，半导体开关元件10UA的第2主端子10UA2的电位为+1000[V]，半导体开关元件10VA的第2主端子10VA2的电位也为+1000[V]。此外，半导体开关元件10UB的第2主端子10UB2的电位为0[V]，半导体开关元件10VB的第2主端子10VB2的电位也为0[V]。
图15是示出实施方式4所涉及的功率转换装置的与图14不同的动作的一个方式的电路图。图15所示的方式中，半导体开关元件10UA、10VA截止，半导体开关元件10UB、10VB导通，输出端子5U的电位与下位侧直流端子8B的电位一致，输出端子5V的电位也与下位侧直流端子8B的电位一致。因此，半导体开关元件10UA的第2主端子10UA2的电位为0[V]，半导体开关元件10VA的第2主端子10VA2的电位也为0[V]。此外，半导体开关元件10UB的第2主端子10UB2的电位为0[V]，半导体开关元件10VB的第2主端子10VB2的电位也为0[V]。
图16是示出实施方式4所涉及的功率转换装置的与图14及图15不同的动作的一个方式的电路图。图16所示的方式中，半导体开关元件10UA、10VB导通，半导体开关元件10UB、10VA截止，输出端子5U的电位与上位侧直流端子8A的电位一致，输出端子5V的电位与下位侧直流端子8B的电位一致。因此，半导体开关元件10UA的第2主端子10UA2的电位为+1000[V]，半导体开关元件10VA的第2主端子10VA2的电位为0[V]。此外，半导体开关元件10UB的第2主端子10UB2的电位为0[V]，半导体开关元件10VB的第2主端子10VB2的电位也为0[V]。
图17是示出实施方式4所涉及的功率转换装置的与图14～图16不同的动作的一个方式的电路图。图17所示的方式中，半导体开关元件10UA、10VB截止，半导体开关元件10UB、10VA导通，输出端子5U的电位与下位侧直流端子8B的电位一致，输出端子5V的电位与上位侧直流端子8A的电位一致。因此，半导体开关元件10UA的第2主端子10UA2的电位为0[V]，半导体开关元件10VA的第2主端子10VA2的电位为+1000[V]。此外，半导体开关元件10UB的第2主端子10UB2的电位为0[V]，半导体开关元件10VB的第2主端子10VB2的电位也为0[V]。
在图16及图17的状态下，与电容器电压相同的1000[V]的电压被施加至阻抗元件群16。栅极驱动电路12UA所具备的检测部12UA4判定代表电容器电压信息的阻抗元件群16的电压与基准电压的大小关系，并将该判定结果传输至开关速度切换部12UA3。开关速度切换部12UA3可以根据判定结果，来判断电容器电压比基准电压要低还是要高。
开关速度切换部12UA3在判断为电容器电压比基准电压要低的情况下，切换为加快半导体开关元件10UA的驱动速度的控制。通过该控制，抑制了半导体开关元件10UA的开关损耗。另外，虽然在进行该控制的情况下开关时产生的浪涌电压增大，但由于电容器电压较低，因此不会有过大的电压施加于功率转换主电路10内部的元器件。由此，在图16的状态与图15的状态之间、以及在图17的状态与图14的状态之间转移。
另一方面，开关速度切换部12UA3在判断为电容器电压比基准电压要高的情况下，切换为减慢半导体开关元件10UA的驱动速度的控制。通过进行该控制，虽然电容器电压较高，但可以将开关时产生的浪涌电压抑制得较低，能抑制过大的电压施加于功率转换主电路10内部的元器件。
另外，也可以与图5所示的实施方式2的情况同样地对栅极驱动电路设置存储部。图18是示出实施方式4所涉及的功率转换装置的与图13不同的主要部分结构的电路图，公开了对栅极驱动电路12UA设置存储部12UA5的结构。
在图16及图17的状态下，与电容器电压相同的1000[V]的电压被施加至阻抗元件群16。检测部12UA4判定来自阻抗元件群16的电压与基准电压的大小关系。在检测部12UA4判定为阻抗元件群16的电压比基准电压要低的情况下，将该判定结果存储于存储部12UA5。
开关速度切换部12UA3基于判定为比基准电压要低且存储于存储部12UA5的信息，切换为加快半导体开关元件10UA的驱动速度的控制。通过该控制，抑制了半导体开关元件10UA的开关损耗。另外，虽然在进行该控制的情况下开关时产生的浪涌电压增大，但由于电容器电压较低，因此不会有过大的电压施加于功率转换主电路10内部的元器件。由此，在图16的状态与图15的状态之间、以及在图17的状态与图14的状态之间转移。
另一方面，在检测部12UA4判定为来自阻抗元件群16的电压比基准电压要高的情况下，将该判定结果存储于存储部12UA5。存储部12UA5的存储信息被新的判定结果所覆盖。即，在存储部12UA5中存储最新的判定结果。
开关速度切换部12UA3基于判定为比基准电压要高且存储于存储部12UA5的信息，切换为减慢半导体开关元件10UA的驱动速度的控制。通过进行该控制，虽然电容器电压较高，但可以将开关时产生的浪涌电压抑制得较低，能抑制过大的电压施加于功率转换主电路10内部的元器件。
另外，图13中，构成为仅对第1U相栅极驱动电路即栅极驱动电路12UA设置检测部12UA4，然而也可以进一步对第1V相栅极驱动电路即栅极驱动电路12VA设置检测部。通过该结构，栅极驱动电路12VA能够基于检测部的输出来变更第1V相功率用半导体开关元件即半导体开关元件10VA的驱动方法。另外，在该结构中，可以与图18同样地对栅极驱动电路12VA设置存储部，并能得到与实施方式2、3同样的效果。
图19是示出实施方式4所涉及的功率转换装置的与图13及图18不同的主要部分结构的电路图。图19所示的结构的特征在于，作为阻抗元件群具有2个阻抗元件群16U、16V，将第1阻抗元件群16U连接在第1U相栅极驱动电路即栅极驱动电路12UA与第2U相栅极驱动电路即栅极驱动电路12UB之间，将第2阻抗元件群16V连接在第1V相栅极驱动电路即栅极驱动电路12VA与第2U相栅极驱动电路即栅极驱动电路12UB之间，并且对栅极驱动电路12UB设置检测第1阻抗元件群16U的电压或电流的第1检测部12UB4a、以及检测第2阻抗元件群16V的电压或电流的第2检测部12UB4b。
设置于栅极驱动电路12UB的第1检测部12UB4a能将通过从第1阻抗元件群16U输出的电压信息或电流信息而获得的电容器电压信息传输至开关速度切换部12UB3。此外，设置于栅极驱动电路12UB的第2检测部12UB4b能将通过从第2阻抗元件群16V输出的电压信息或电流信息而获得的电容器电压信息传输至开关速度切换部12UB3。
开关速度切换部12UB3能够基于电容器电压信息来进行切换半导体开关元件10UB的驱动速度的控制、或者使半导体开关元件10UB的驱动速度变化或变更的控制。另外，切换驱动速度的控制如上所述，这里省略详细的说明。
根据图19所示的功率转换装置的结构，在构成功率转换主电路10的半导体开关元件10UA、10UB、10Va、10VB导通或截止的开关周期内，获得电容器电压信息的机会增加，因此与实施方式1～3所示的结构相比，可以得到能更高精度地变更半导体开关元件10UB的驱动方法的效果。
上述实施方式所示的结构是本发明的内容的一个示例，能够与其它公知技术进行组合，也能够在不脱离本发明主旨的范围内，对结构的一部分进行省略、变更。
标号说明
2负载
5U、5V输出端子
6、6A、6B电容器
7A、7B直流母线
8A上位侧直流端子
8B下位侧直流端子
8C中间直流端子
10功率转换主电路
10A1、10B1、10C1、10D1、10UA1、10UB1、10VA1、10VB1第1主端子
10A2、10B2、10C2、10D2、10UA2、10UB2、10VA2、10VB2第2主端子
10A3、10B3、10C3、10D3、10UA3、10UB3、10VA3、10VB3第1信号输入端子
10A4、10B4、10C4、10D4、10UA4、10UB4、10VA4、10VB4第2信号输入端子
10A、10B、10C、10D、10UA、10UB、10VA、10VB半导体开关元件
11A、11B箝位二极管
12A1a第1导通用晶体管
12A1b第1截止用晶体管
12A1c第2导通用晶体管
12A1d第2截止用晶体管
12A、12B、12C、12D、12UA、12UB、12VA、12VB栅极驱动电路
12A2a、12A2b、12A2c、12A2d栅极电阻
12A5a、12A5b、12B5a、12B5d电容器
12A4a比较器
12A3、12B3、12C3、12D3、12UA3、12UB3开关速度切换部
12A5、12B5、12UA5存储部
12A4、12B4、12C4、12D4、12UA4、12UB4a、12UB4b检测部
12A4b、12A4c电阻元件
14A、14B绝缘电路
14A1发光二极管
14A2光电晶体管
16、16A、16B、16U、16V、18阻抗元件群
16e1～16e10、18e1～18e10阻抗元件
20开关信号生成部

Claims (10)

1.一种功率转换装置，其特征在于，包括：
具有两个以上的半导体开关元件的功率转换主电路；
分别驱动所述半导体开关元件的栅极驱动电路；以及
连接在至少1组所述栅极驱动电路之间的1个或多个阻抗元件，
至少1个所述栅极驱动电路具备对所述阻抗元件的电压或流过所述阻抗元件的电流进行检测的检测部，并根据所述检测部的输出使所述半导体开关元件的驱动速度变化。
2.如权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于，
所述功率转换主电路由选择两个以上的直流端子中的任一个直流端子的电位并向负载输出的单相或多相的多电平电路构成，
所述多电平电路具有串联连接的两个以上的半导体开关元件，
在属于同相的所述栅极驱动电路之间配置有所述阻抗元件。
3.如权利要求2所述的功率转换装置，其特征在于，
所述多电平电路是选择上位侧直流端子与下位侧直流端子中的任一个直流端子的电位并向所述负载输出的双电平电路，
所述双电平电路具备在所述上位侧直流端子与所述下位侧直流端子之间依次串联连接的第1半导体开关元件以及第2半导体开关元件，
所述第1半导体开关元件与所述第2半导体开关元件的连接部连接至所述负载。
4.如权利要求2所述的功率转换装置，其特征在于，
所述多电平电路是选择上位侧直流端子、中间直流端子以及下位侧直流端子中的任一个直流端子的电位并向所述负载输出的三电平电路，
所述三电平电路包括：
在所述上位侧直流端子与所述下位侧直流端子之间依次串联连接的第1、第2、第3及第4半导体开关元件；
连接在所述第1半导体开关元件和所述第2半导体开关元件的连接部与所述中间直流端子之间的第1二极管元件；以及
连接在所述第3半导体开关元件和所述第4半导体开关元件的连接部与所述中间直流端子之间的第2二极管元件，
所述第2功率用开关半导体元件与所述第3功率用开关半导体元件的连接部连接至所述负载。
5.如权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于，
所述功率转换主电路由选择两个以上的直流端子中的任一个直流端子的电位并向负载输出的多相的多电平电路构成，
所述多电平电路的每一相具有串联连接的两个以上的半导体开关元件，
在属于不同相的所述栅极驱动电路之间配置有所述阻抗元件。
6.如权利要求5所述的功率转换装置，其特征在于，
所述多电平电路是选择上位侧直流端子与下位侧直流端子中的任一个直流端子的电位并向所述负载输出的双电平电路，
所述双电平电路具备在所述上位侧直流端子与所述下位侧直流端子之间依次串联连接的第1半导体开关元件以及第2半导体开关元件，
所述第1半导体开关元件与所述第2半导体开关元件的连接部连接至所述负载。
7.如权利要求5所述的功率转换装置，其特征在于，
所述多电平电路是选择上位侧直流端子、中间直流端子以及下位侧直流端子中的任一个直流端子的电位并向负载输出的三电平电路，
所述三电平电路包括：
在所述上位侧直流端子与所述下位侧直流端子之间依次串联连接的第1、第2、第3及第4半导体开关元件；
连接在所述第1半导体开关元件和所述第2半导体开关元件的连接部与所述中间直流端子之间的第1二极管元件；以及
连接在所述第3半导体开关元件和所述第4半导体开关元件的连接部与所述中间直流端子之间的第2二极管元件，
所述第2功率用开关半导体元件与所述第3功率用开关半导体元件的连接部连接至所述负载。
8.如权利要求1至7的任一项所述的功率转换装置，其特征在于，
在从所述阻抗元件传输至所述栅极驱动电路的电压比基准电压要低的情况下，所述栅极驱动电路加快所述半导体开关元件的驱动速度。
9.如权利要求1至7的任一项所述的功率转换装置，其特征在于，
在从所述阻抗元件传输至所述栅极驱动电路的电压比基准电压要高的情况下，所述栅极驱动电路减慢所述半导体开关元件的驱动速度。
10.如权利要求1至9的任一项所述的功率转换装置，其特征在于，
所述栅极驱动电路中的至少1个栅极驱动电路具备存储部，该存储部存储从所述所述阻抗元件传输来的电压比基准电压要高还是比基准电压要低的信息，
具备所述存储部的所述栅极驱动电路基于所述存储部中所存储的信息，使所述半导体开关元件的驱动速度变化。
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