CN110089016B

CN110089016B - 栅极驱动装置

Info

Publication number: CN110089016B
Application number: CN201780077559.6A
Authority: CN
Inventors: 薮本卓哉
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2016-12-21
Filing date: 2017-10-24
Publication date: 2021-01-05
Anticipated expiration: 2037-10-24
Also published as: WO2018116621A1; US20190363711A1; JP6615385B2; JPWO2018116621A1; DE112017006414T5; DE112017006414B4; CN110089016A; US10680607B2

Abstract

本发明的栅极驱动装置向半导体开关元件发送驱动信号，所述栅极驱动装置的特征在于，具有：逆变器电路，其对包含基波成分、和各自频率不同的多个高次谐波成分在内的高频电力进行供给；送电电路，其与逆变器电路连接，对从逆变器电路输出的高频电力进行发送；受电电路，其分别接收从送电电路发送来的高频电力的基波成分以及多个高次谐波成分；以及控制电路，其基于由受电电路接收到的高频电力的多个高次谐波成分，生成半导体开关元件的驱动信号，本发明能够得到如下栅极驱动装置，其能够以非接触的方式发送栅极驱动电力、栅极接通以及断开信号，能够实现尺寸的小型化。

Description

栅极驱动装置

技术领域

本发明涉及向半导体开关元件供给栅极驱动电力以及栅极信号的栅极驱动装置。

背景技术

近年来，根据省电化等的要求而在各种电气设备使用逆变器电路等电力变换装置。为了使在上述电力变换装置中使用的半导体开关元件接通或断开而使用栅极驱动装置。栅极驱动装置以如下方式进行控制，即，根据来自控制电路的控制信号，将对半导体开关元件进行驱动而使其接通或断开的栅极信号供给至半导体开关元件。从防止输入侧的电路和输出侧的电路之间的误动作等的观点出发而使用绝缘型的栅极驱动电路，但作为这种绝缘型的栅极驱动电路，提出有通过电磁场谐振耦合而以非接触的方式对栅极驱动电力和栅极的通断信号进行传输的技术。(例如，参照专利文献1)。

专利文献1：国际公开第2015/029363号

发明内容

在上述现有的栅极驱动装置中，针对栅极驱动电力、栅极信号的接通以及栅极信号的断开分别需要送电用的共振耦合器，存在电路尺寸大型化的课题。

本发明就是为了解决如上述的课题而提出的，其目的在于得到一种栅极驱动装置，该栅极驱动装置能够以非接触的方式发送栅极驱动电力、栅极接通及断开信号，能够实现尺寸的小型化。

本发明的栅极驱动装置向半导体开关元件发送驱动信号，所述栅极驱动装置的特征在于，具有：逆变器电路，其对包含基波成分、和各自频率不同的多个高次谐波成分在内的高频电力进行供给；送电电路，其与逆变器电路连接，对从逆变器电路输出的高频电力进行发送；受电电路，其分别接收从送电电路发送来的高频电力的基波成分以及多个高次谐波成分；以及控制电路，其基于由受电电路接收到的高频电力的多个高次谐波成分，生成半导体开关元件的驱动信号。

发明的效果

在本发明涉及的栅极驱动装置中，能够以非接触的方式发送栅极电力和栅极通断信号，并且能够实现尺寸的小型化。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式1涉及的栅极驱动装置的基本结构的框图。

图2是表示本发明的实施方式1涉及的栅极驱动装置的结构的框图。

图3是表示本发明的实施方式1涉及的栅极驱动装置的结构的框图。

图4是表示本发明的实施方式1涉及的栅极驱动装置和周边的连接结构的框图。

图5是表示本发明的实施方式1涉及的栅极驱动装置的逆变器电路的输出电压矩形波的图。

图6是表示本发明的实施方式1涉及的栅极驱动装置的逆变器电路的输出电压矩形波的高次谐波成分和δ的关系的曲线图。

图7是表示本发明的实施方式1涉及的栅极驱动装置的各部分的波形和通断的转换的图。

图8是表示本发明的实施方式2涉及的栅极驱动装置的基本结构的框图。

图9是表示本发明的实施方式2涉及的栅极驱动装置的结构的框图。

图10是表示发明的实施方式2涉及的栅极驱动装置的通断转换时间的图。

具体实施方式

实施方式1.

使用附图对本发明的实施方式1涉及的栅极驱动装置进行说明。图1是表示实施方式1涉及的栅极驱动装置的基本结构的框图。在图1中，栅极驱动装置具有送电电路100、栅极驱动电力受电电路200、m阶高次谐波受电电路300、n阶高次谐波受电电路400。这里，m、n为大于或等于1的整数，m≠n。另外，栅极驱动装置与在图1中未图示的半导体开关元件连接，将驱动信号供给至半导体开关元件的驱动电路。

在图1中，送电电路100由逆变器电路101和送电线圈102构成。逆变器电路101对从在图1中未图示的电源装置输入的电力进行电力变换，输出包含基波成分、多个高次谐波成分在内的高频电力。此外，这里的高频电力是指包含多个频率成分的交流电力。这里，高频电力的基波成分是有助于栅极驱动电力向半导体开关元件供给的成分，设为与逆变器电路101的驱动频率相同的频率。另外，多个高次谐波成分是有助于半导体开关元件的接通/断开控制的成分，具有对逆变器电路101进行驱动的交流的高频的频率、即逆变器电路101的驱动频率的整数倍的频率。送电线圈102连接于逆变器电路101的后级，将从逆变器电路101输出的高频电力向栅极驱动电力受电电路200、m阶高次谐波受电电路300、n阶高次谐波受电电路400进行发送。

栅极驱动电力受电电路200是接收基波的基波受电电路，由第1受电线圈201、第1电容器202、整流电路203、栅极驱动电源电路204构成。第1受电线圈201对从送电线圈102发送来的高频电力的基波成分进行接收。此外，第1受电线圈201只要至少接收基波成分即可，也可以对其他高次谐波成分进行接收。第1电容器202相对于第1受电线圈201而并联连接，以使得第1受电线圈201和第1电容器202以基波频率进行共振的方式设定第1电容器202的电容值。整流电路203连接于第1电容器202的后级，对由第1受电线圈201接收到的高频电力进行整流。栅极驱动电源电路204连接于整流电路203的后级，向在图1中未图示的半导体开关元件的栅极电路供给栅极信号。

m阶高次谐波受电电路300由第2受电线圈301、第2电容器302、整流电路303构成。m阶高次谐波受电电路300是能够接收从送电线圈102发送来的高频电力的频率成分中的m阶高次谐波成分的电路。即，第2受电线圈301以及第2电容器设定为，与逆变器电路101的驱动频率的m阶高次谐波进行共振，另一方面，不与后述的n阶高次谐波进行共振。第2电容器302连接于第2受电线圈301的后级，与第2受电线圈301一起构成共振电路。整流电路303与第2电容器302连接，对由第2受电线圈301接收到的高频电力进行直流化，并从输出端子输出。这里，第2受电线圈301和第2电容器302设定为以逆变器电路101的驱动频率的m阶高次谐波进行共振。

与m阶高次谐波受电电路300相同地，n阶高次谐波受电电路400由第3受电线圈401、第3电容器402、整流电路403构成。n阶高次谐波受电电路400是能够接收从送电线圈102发送来的高频电力中的n阶的高次谐波成分的电路。即，第3受电线圈401设定为，与逆变器电路101的驱动频率的n阶高次谐波进行共振，另一方面，不与m阶高次谐波进行共振。第3电容器402连接于第3受电线圈401的后级，与第3受电线圈401一起构成共振电路，以使得该共振电路在n阶高次谐波下进行共振的方式设定其电容值。整流电路403与第3电容器402连接，对由第3受电线圈接收到的高频电力进行直流化，并从输出端子输出。这里，第3受电线圈401和第3电容器402设定为在逆变器电路101的驱动频率的n阶高次谐波下进行共振。

通断判定用比较器500的一个输入端与m阶高次谐波受电电路300的输出端连接，另一个输入端与n阶高次谐波受电电路400的输出端连接，对来自各受电电路的输出(例如，电压)的大小进行比较，将输出大的一者输出。

此外，本实施方式的栅极驱动装置的送电电路100示出了将逆变器电路101和送电线圈102直接连接得到的结构，但也可以如图2所示，设为将电容器103与送电线圈102串联连接得到的结构。另外，在图1以及图2中，以使得m阶高次谐波受电电路300的输出端的低电位侧、和n阶高次谐波受电电路400的输出端的低电位侧的输出端变为同电位的方式进行连接，但也可以如图3所示，设为对m阶高次谐波受电电路300的输出的绝对值、和n阶高次谐波受电电路400的输出的绝对值进行比较的结构。在图3所示的栅极驱动装置的结构中，绝缘放大器304连接于m阶高次谐波受电电路300的输出端，绝缘放大器404连接于n阶高次谐波受电电路400的输出端。另外，绝缘放大器304和绝缘放大器404的输出连接于通断判定用比较器的输入端。

图4中示出实施本结构时的周边的连接结构。逆变器电路101与直流电压源801连接，通断判定用比较器500的输出与IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、FET(Field Effect Transistor)等半导体开关元件802的驱动电路803连接。驱动电路803是基于来自比较器500的输出而生成半导体开关元件802的驱动信号的控制电路。另外，栅极驱动电源电路204的输出与驱动电路803连接。

下面，对本实施方式涉及的栅极驱动装置的动作进行说明。首先，在从直流电源输入了直流电力的逆变器电路101中，将直流电力变换为交流电力，并从输出端子输出。对从逆变器电路101输出的电压矩形波和其高次谐波成分进行说明。从逆变器电路101输出如图5所示的矩形波。如果将向逆变器电路101的输入施加的电源电压设为E，将从逆变器电路101输出电压E的期间设为δ[deg]，将角频率设为ω，则来自逆变器电路101的输出电压矩形波由以下的算式(1)表示。

【算式1】

根据式(1)可知，从逆变器电路101输出的电压矩形波除了逆变器电路的驱动频率(基波频率)成分f_inv(＝ω/2π)之外，包含奇数阶的高次谐波成分。另外，该奇数阶的高次谐波成分能够通过逆变器的电压E被输出的期间δ进行控制，在特定的δ中，特定的高次谐波成分变为0。在图6中示出根据式(1)求出的δ[deg]和高次谐波成分振幅的相对比较。例如，在δ＝120°时，3阶高次谐波成分变为0。

下面，对从送电电路100向栅极驱动电力受电电路200的电力传输进行说明。从直流电压源801输入至送电电路100的电力通过逆变器电路101的驱动频率成分f_inv而变换为交流电力，并被输入至送电线圈102。在送电线圈102中电流以基波频率f_inv流动，由此在送电线圈102周边产生基波频率f_inv的高频磁场，高频磁场与第1受电线圈201交链，由此在第1受电线圈201产生基波频率f_inv的感应电动势，以非接触的方式传输电力。第1受电线圈201接收到的高频电力由整流电路203进行整流，向栅极驱动电源电路204供给电力。

利用图7对向半导体开关元件802的栅极发送接通信号的情况下的动作进行说明。图7是表示各部分的波形和通断的转换的图。在向栅极发送接通信号的情况下，将逆变器电路101的矩形波电压控制为用于将m阶高次谐波成分调整为0的δ＝θ_m。此时，对于在送电线圈102的周边产生的高频磁场，存在逆变器电路101的驱动频率成分f_inv和除了m阶高次谐波成分之外的高次谐波成分。通过作为该高频电力的基波成分的驱动频率成分，从送电线圈102向栅极驱动电力受电电路200供给栅极驱动电力。另外，通过n阶高次谐波成分，从送电线圈102向n阶高次谐波受电电路400供给电力。另一方面，由于m阶高次谐波成分为0，因此向m阶高次谐波受电电路300传输的电力为0，或者比向n阶高次谐波受电电路400传输的电力小。

图7的第2层的波形示出m阶高次谐波受电电路300的输出和n阶高次谐波受电电路400的输出。在以m阶高次谐波为0的δ进行动作的期间，来自n阶高次谐波受电电路400的输出比来自m阶高次谐波受电电路300的输出大。m阶高次谐波受电电路300的输出端和n阶高次谐波受电电路400的输出端与通断判定用比较器500连接，对m阶高次谐波受电电路300的输出和n阶高次谐波受电电路400的输出的大小进行比较，n阶高次谐波受电电路400的输出比m阶高次谐波受电电路300的输出高，因此从通断判定用比较器的输出，输出Hi(接通)。图7的第3层的波形示出该通断判定用比较器的输出。

下面，对向半导体开关元件802的栅极发送断开信号的情况下的动作进行说明。在向栅极发送断开信号的情况下，将逆变器电路101的矩形波电压控制为使得n阶高次谐波成分为0的δ＝θ_n。此时，在送电线圈102的周边产生的高频磁场是逆变器电路101的驱动频率成分f_inv和除了n阶高次谐波成分之外的高次谐波成分。与发送接通信号时相同地，通过作为高频电力的基波成分的驱动频率成分，从送电线圈102向栅极驱动电力受电电路200供给栅极驱动电力。另外，通过m阶高次谐波成分而从送电线圈102向m阶高次谐波受电电路300供给电力。另一方面，由于n阶高次谐波成分大致为0，因此向n阶高次谐波受电电路400传输的电力为0，或者比向m阶高次谐波受电电路300传输的电力小。对m阶高次谐波受电电路300的输出和n阶高次谐波受电电路400的输出进行比较，m阶高次谐波受电电路300的输出比n阶高次谐波受电电路400的输出高，因此，从通断判定用比较器500的输出，输出Low(断开)。从图7的第3层的波形的中心起右侧示出向断开状态的转换。通过进行上述动作，从而能够以非接触的方式对栅极驱动电力、栅极的接通信号和断开信号进行传输。

对本发明的实施方式1涉及的栅极驱动装置的效果进行说明。根据本实施方式涉及的栅极驱动装置，能够通过1个送电线圈对栅极驱动电力、栅极的接通信号和断开信号进行发送，另外，不需要调制电路，因此能够将使用非接触发送的栅极驱动装置小型化。另外，接通信号和断开信号能够通过逆变器电路101的矩形波电压的波形而进行控制，不另外需要信号叠加用的电路、处理，因此能够实现低成本化。另外，是对n阶高次谐波受电电路和m阶受高次谐波电电路的输出进行比较而决定栅极的通断的结构，即使各个电路所接收的电力的绝对值发生变动，也能够进行通断的判定。因此，即使送电线圈和受电电路之间的相对位置错开，也能够无障碍地对栅极信号进行传输。因此，能够提高位置设计的自由度。另外，基于同样的理由，即使发送中的位置出现偏差，也是能够容许的。

实施方式2.

在实施方式2所示的栅极驱动装置中，示出了如下结构，即，在实施方式1中示出的栅极驱动装置基础上，设置了防止由过电流引起的破损的单元。在图8中示出实施方式2涉及的栅极驱动装置的结构。在图8中，标注有与图1或图4相同的标号的结构要素表示与图1或图4所示的结构要素相同或者相当，省略说明。

在图8所示的栅极驱动装置中，在n阶高次谐波受电电路400的输出端连接有高速断路用开关元件600。另外，该高速断路用开关元件600的栅极或者源极与对流过半导体开关元件802的电流进行监视的过电流检测电路700连接。该过电流检测电路700可以由分流电阻构成，也可以由变流器构成。只要能够在流过半导体开关元件802的电流变为过电流时、即超过预先设定的电流值时将信号输出，则不特别限定其结构。

下面，对实施方式2涉及的栅极驱动装置的动作进行说明。对于发送栅极驱动电力的动作、以及发送接通/断开信号的动作，与实施方式1所记载的情况相同，省略说明。

在对半导体开关元件802进行驱动时，有时过电流流过该半导体开关元件802而半导体开关元件802破损。因此，需要防止由该过电流引起的破损的单元。如果以作为半导体开关元件802而使用IGBT的情况为例，则在图8所示的栅极驱动装置中，成为在IGBT的发射极端子具有过电流检测电路700的结构。过电流检测电路700在检测出过电流的情况下，向与n阶高次谐波受电电路400的输出端连接的高速断路用开关元件600发送信号，高速断路用开关元件600变为接通状态，n阶高次谐波受电电路400的输出电压变为Low。通过进行该动作，从而能够不等待送电侧的断开信号而在刚检测出过电流之后就将栅极信号断开，能够防止半导体开关元件802的破坏。

另外，这里，示出了在n阶高次谐波受电电路400设置有高速断路用开关元件600的结构，但也可以如图9所示，是将高速断路用开关元件600连接于通断判定用比较器500的输出端的结构。在该情况下，当在过电流检测电路700中检测出过电流的情况下，通过将高速断路用开关元件600切换为断开状态，从而能够在刚检测出过电流之后就将栅极信号断开，能够防止半导体开关元件802的破坏。

下面，对由本实施方式涉及的栅极驱动装置实现的效果进行说明。在本发明的实施方式2涉及的栅极驱动装置中，直至栅极信号的通断状态转换为止，需要经过一定的时间。在图10中示出从接通向断开的转换时间。在将栅极信号从接通设为断开的情况下，将逆变器电路101的输出矩形波电压的δ从使得m阶高次谐波为0的δ＝θ_m变更为使得n阶高次谐波成分为0的δ＝θ_n。此时，相对于逆变器电路101的矩形波电压波形的变更，m阶高次谐波受电电路300的输出在经过一定时间之后变为Hi，n阶高次谐波受电电路400也在经过一定时间之后变为Low，其结果，通断判定用比较器的输出从Hi转换为Low，栅极信号断开。如上所述，由于相对于来自送电侧的断开指令而在受电侧的电路的反应时间存在偏差，因此产生过电流检测之后的断开指令发行不及时的可能性。但是，在本发明中，由于无论是接通状态还是断开状态都是始终供给栅极驱动电力，因此，过电流检测和栅极断开能够不经由送电侧而仅在受电侧高速地进行。

标号的说明

100送电电路、101逆变器电路、102送电线圈、103电容器、200栅极驱动电力受电电路(基波受电电路)、201第1受电线圈、202第1电容器、203整流电路、204栅极驱动电源电路、300m阶高次谐波受电电路、301第2受电线圈、302第2电容器、303整流电路、400n阶高次谐波受电电路、401第3受电线圈、402第3电容器、403整流电路、500比较器、600高速断路用开关元件、700过电流检测电路、801直流电压源、802半导体开关元件、803驱动电路。

Claims

1.一种栅极驱动装置，其向半导体开关元件发送驱动信号，

所述栅极驱动装置的特征在于，具有：

逆变器电路，其对包含基波成分和各自频率不同的多个高次谐波成分在内的高频电力进行供给；

送电电路，其与所述逆变器电路连接，对从所述逆变器电路输出的所述高频电力进行发送；

受电电路，其分别接收从所述送电电路发送来的所述高频电力的所述基波成分以及所述多个高次谐波成分；以及

控制电路，其基于由所述受电电路接收到的所述高频电力的多个高次谐波成分，生成所述半导体开关元件的驱动信号，

所述逆变器电路能够供给高频电力，该高频电力包含：作为所述基波成分的所述逆变器电路的驱动频率成分；以及在将m以及n设为各自不同的大于或等于1的整数的情况下，作为所述多个高次谐波成分的所述逆变器电路的驱动频率的m阶高次谐波成分以及所述逆变器电路的驱动频率的n阶高次谐波成分，

所述受电电路具有：

基波受电电路，其具有设定为在基波频率下进行共振的第1受电线圈以及第1电容器；

m阶高次谐波受电电路，其具有设定为在所述逆变器电路的驱动频率的m阶高次谐波下进行共振的第2受电线圈以及第2电容器；以及

n阶高次谐波受电电路，其具有设定为在所述逆变器电路的驱动频率的n阶高次谐波下进行共振的第3受电线圈以及第3电容器，

所述控制电路具有对由所述m阶高次谐波受电电路以及所述n阶高次谐波受电电路接收到的高频电力的电压进行比较的比较器，并且基于所述比较器的比较结果生成对所述半导体开关元件的接通或断开进行控制的所述驱动信号。

2.根据权利要求1所述的栅极驱动装置，其特征在于，

所述逆变器电路，

在将所述半导体开关元件控制为接通的情况下，对输出以使得所输出的高频电力的所述m阶高次谐波成分变为0的方式预先确定的电压的期间进行控制，

在将所述半导体开关元件控制为断开的情况下，对输出以使得所输出的高频电力的所述n阶高次谐波成分变为0的方式预先确定的电压的期间进行控制。

3.根据权利要求2所述的栅极驱动装置，其特征在于，

所述m阶高次谐波受电电路以及所述n阶高次谐波受电电路分别具有整流电路，

将所述m阶高次谐波受电电路的整流电路输出端的一方和所述n阶高次谐波受电电路的整流电路输出端的一方以成为相同电位的方式进行连接。

4.根据权利要求3所述的栅极驱动装置，其特征在于，

还具有高速断路用开关，该高速断路用开关与所述n阶高次谐波受电电路的整流电路输出端连接。

5.根据权利要求1所述的栅极驱动装置，其特征在于，

还具有高速断路用开关，该高速断路用开关与所述比较器的输出端连接。

6.根据权利要求4或5所述的栅极驱动装置，其特征在于，

还具有所述半导体开关元件的过电流检测电路，

所述过电流检测电路的输出与高速断路用开关的栅极或源极连接。