CN111033989B

CN111033989B - 控制电路及电力转换装置

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Publication number: CN111033989B
Application number: CN201880053807.8A
Authority: CN
Inventors: 日山一明; 中田洋辅; 吉田健太郎
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2017-08-24
Filing date: 2018-02-27
Publication date: 2023-05-02
Anticipated expiration: 2038-02-27
Also published as: CN111033989A; DE112018004716T5; WO2019038957A1; JPWO2019038957A1; JP6742528B2; US20200186140A1; US11025245B2

Abstract

本发明涉及一种对开关器件进行控制的控制电路，该控制电路对第1开关器件以及第2开关器件进行控制，该第1开关器件以及第2开关器件在第1电位与低于第1电位的第2电位之间串联连接且互补地动作，控制电路具有对第1开关器件进行控制的第1控制电路和对第2开关器件进行控制的第2控制电路，控制电路基于第1开关器件以及第2开关器件的一方的温度对第1控制电路以及第2控制电路的电路常数进行可变控制。

Description

控制电路及电力转换装置

技术领域

本发明涉及开关器件的控制电路以及具有该控制电路的电力转换装置。

背景技术

已知如下技术，即，在对半导体模块进行驱动、保护的控制电路中，根据开关器件以及模块壳体的温度对栅极电阻以及过电流保护阈值进行变更。由于开关器件的耐压、通断损耗等各种器件特性具有温度依赖性，因此通过使用在各温度下最佳的电路常数，从而能够实现低损耗且可靠性高的控制电路。

在专利文献1中公开了如下技术，即，与模块壳体的温度以及开关器件的温度相应地切换驱动电路的截止栅极电阻。如果使用专利文献1所公开的结构，则能够在低温时将截止栅极电阻设定得大，另外，在高温时将截止栅极电阻设定得小。

另外，在专利文献2中公开了如下技术，即，在具有电流检测元件的开关器件的过电流保护电路中，根据开关器件的温度对过电流保护阈值进行校正。通常，在开关器件中内置的电流检测元件的输出灵敏度具有温度特性，在高温时输出灵敏度提高、过电流保护电平下降，但如果使用专利文献2的结构，则通过与开关器件的温度相应地对过电流保护的阈值进行变更，从而能够减轻过电流保护电平的降低。

专利文献1：日本特开2002-119044号公报

专利文献2：国际公开第2017/098849号

发明内容

在将专利文献1以及2的结构应用于逆变器电路的情况下，针对构成逆变器电路的开关器件分别设置温度检测元件和温度判定电路。

因此，针对各开关器件所具有的各个温度检测元件，需要用于对输出信号进行判定的基准电源、比较器这样的元件，控制电路的电路元件数会增加。另外，在将温度检测元件和多个开关器件收容于同一封装体内而模块化的情况下，需要以开关器件的数量具有用于取出温度检测元件所输出的信号的端子，模块尺寸也会变大。

本发明是为了解决上述问题而提出的，其目的在于针对对开关器件进行控制的控制电路，提供一种能够抑制半导体模块的大型化的控制电路。

本发明所涉及的控制电路对第1开关器件以及第2开关器件进行控制，该第1开关器件以及第2开关器件在第1电位与低于所述第1电位的第2电位之间串联连接且互补地动作，所述控制电路具有：第1控制电路，其控制所述第1开关器件；以及第2控制电路，其控制所述第2开关器件，所述控制电路基于所述第1开关器件以及所述第2开关器件的一方的温度对所述第1控制电路以及所述第2控制电路的电路常数进行可变控制。

发明的效果

根据上述控制电路，在将第1开关器件以及第2开关器件进行了模块化的情况下，能够抑制模块的大型化。

附图说明

图1是表示本发明涉及的实施方式的控制电路的结构的图。

图2是表示功率模块的外观的俯视图。

图3是表示将3个功率模块呈直线状排列配置后的结构的俯视图。

图4是表示在功率模块的队列的上方配置了控制基板的结构的俯视图。

图5是表示驱动电路的结构的一个例子的图。

图6是表示过电流保护电路的结构的一个例子的图。

具体实施方式

<实施方式>

图1是表示本发明涉及的实施方式的控制电路100的结构的图，一并示出由控制电路100控制的功率模块PM(半导体模块)和向控制电路100供给驱动信号的MCU(Micro-Controller Unit)10。

如图1所示，功率模块PM具有开关器件Q1以及Q2，该开关器件Q1以及Q2在被赋予电源电压VCC并成为第1电位的主电极端子P(第1主电极端子)与被赋予电位G2并成为第2电位的主电极端子N(第2主电极端子)之间串联连接。控制电路100以使得开关器件Q1以及Q2互补地动作的方式进行控制。此外，虽然在图1中将开关器件Q1以及Q2表示为IGBT(insulatedgate bipolar transistor)，但是不限定于IGBT。

开关器件Q1以及Q2各自的发射极以及集电极共通地与输出电极端子AC连接，输出电极端子AC与电动机的线圈等感性负载LD的一端连接，感性负载LD的另一端与电位G2连接。另外，二极管D1以及D2分别与开关器件Q1以及Q2反向并联连接。二极管D1以及D2作为流过与输出电极端子AC连接的感性负载的续流电流的续流二极管起作用。

这里，开关器件Q1(第1开关器件)是将输出电极端子AC的电位作为基准电位进行动作的高电位侧(high side)的开关器件，开关器件Q2(第2开关器件)是将被赋予电位G2的主电极端子N的电位作为基准电位进行动作的低电位侧(low side)的开关器件。

开关器件Q1的集电极还与电源电压检测用端子PV连接，开关器件Q1的栅极与栅极端子PG连接，开关器件Q1的发射极还与发射极端子PE连接。另外，开关器件Q1内置有电流检测元件，开关器件Q1的输出端与电流感测端子PS连接。

将电源电压检测用端子PV、栅极端子PG、电流感测端子PS以及发射极端子PE总称为高电位侧信号端子组HT。

开关器件Q2的发射极还与发射极端子NE连接，开关器件Q2的栅极与栅极端子NG连接。另外，开关器件Q2内置有电流检测元件，开关器件Q2的输出端与电流感测端子NS连接。在开关器件Q2附近设置用于检测温度的温度检测元件TD，温度检测元件TD与温度检测信号用端子NA以及NK连接。作为温度检测元件TD，例如能够使用温度检测二极管。此外，虽然在电路图中以在开关器件Q2附近设置温度检测元件TD的方式进行表示，但实际上以与开关器件Q2紧贴的方式配置温度检测元件TD。

将发射极端子NE、电流感测端子NS、栅极端子NG、温度检测信号用端子NA以及NK总称为低电位侧信号端子组LT。控制电路100具有：用于对开关器件Q1进行驱动、保护的控制电路C1(第1控制电路)；用于对开关器件Q2进行驱动、保护的控制电路C2(第2控制电路)；用于对功率模块PM内的温度检测元件TD所输出的信号超过一定值这一情况进行检测的判定电路CP1；针对功率模块PM的电源电压VCC的过电压保护电路OV；以及用于对基准电位不同的信号进行绝缘的绝缘元件IE1、IE2、IE3以及IE4。作为绝缘元件IE1～IE4，使用光耦合器或者数字隔离器等。数字隔离器实现与光耦合器同样的绝缘功能，利用磁耦合进行隔离。数字隔离器通过由半导体制造工序制成的微线圈隔着绝缘体相对的一对磁线圈传输信号。

过电压保护电路OV的输入与功率模块PM的电源电压检测用端子PV连接，将电源电压VCC在过电压保护电路OV内进行分压，将分压值经由绝缘元件IE4传输至MCU 10。此外，过电压保护电路OV的基准电位是电位G2。

判定电路CP1由比较器构成，通过参照电源RF设定的阈值电压Vth被输入至该比较器的非反转输入端子(+)，温度检测元件TD输出的信号经由温度检测信号用端子NA被输入至该比较器的反转输入端子(-)，该比较器对两者进行比较，输出比较结果。参照电源RF的正电极与判定电路CP1的非反转输入端子连接，负电极与温度检测信号用端子NK连接，被赋予电位G2。

如果温度检测元件TD输出的信号超过阈值电压Vth，则判定电路CP1输出温度切换信号ST。温度切换信号ST被输入至控制电路C1以及C2。在控制电路C1以及C2中，将温度切换信号ST作为触发进行电路常数的可变控制。

这里，控制电路C1以及控制电路C2将彼此不同的电位G1以及电位G2作为基准电位进行动作，温度切换信号ST经由绝缘元件IE3传输至高电位侧的控制电路C1。

控制电路C1具有对开关器件Q1进行驱动控制的驱动电路DC1(第1驱动电路)和开关器件Q1的过电流保护电路OC1(第1过电流保护电路)，驱动电路DC1的输出与功率模块PM的栅极端子PG连接，过电流保护电路OC1的输入与功率模块PM的电流感测端子PS连接。此外，电位G1被赋予给发射极端子PE。

另外，成为从过电流保护电路OC1向驱动电路DC1反馈过电流检测信号的结构，在检测出过电流时，驱动电路DC1进行使开关器件Q1截止等的控制。温度切换信号ST经由绝缘元件IE3输入至驱动电路DC1以及过电流保护电路OC1。此外，关于驱动电路DC1以及过电流保护电路OC1的结构，在后面进行说明。

控制电路C2具有对开关器件Q2进行驱动控制的驱动电路DC2(第2驱动电路)和开关器件Q2的过电流保护电路OC2(第2过电流保护电路)，驱动电路DC2的输出与功率模块PM的栅极端子NG连接，过电流保护电路OC2的输入与功率模块PM的电流感测端子NS连接。此外，电位G2被赋予给发射极端子NE。

另外，成为从过电流保护电路OC2向驱动电路DC2反馈过电流检测信号的结构，在检测出过电流时，驱动电路DC2进行使开关器件Q2截止等的控制。将温度切换信号ST输入至驱动电路DC2以及过电流保护电路OC2。

另外，从MCU 10的高电位侧驱动信号源11输出的高电位侧驱动信号经由绝缘元件IE1被赋予给驱动电路DC1，从MCU 10的低电位侧驱动信号源12输出的低电位侧驱动信号经由绝缘元件IE2被赋予给驱动电路DC2。这里，由于MCU 10以与电位G1以及G2不同的电位G3为基准电位进行动作，因此如上所述，经由绝缘元件IE1以及IE2赋予驱动信号。

在以上说明的控制电路100中，使用功率模块PM内的温度检测元件TD对开关器件Q2的温度进行检测，基于其检测结果，实施基于开关器件的温度进行的控制电路C1以及C2的电路常数的可变控制，因此，温度检测元件TD的检测结果的判定电路CP1为1个即可，能够简化控制电路100的电路结构，使控制电路100小型化。

另外，对于将多个开关器件收容于一个封装体的功率模块，只要设置针对一部分开关器件的温度检测元件和温度检测信号用端子即可，因此能够简化模块结构。

特别地，在作为电力转换装置之一的逆变器电路中，视为在半桥式连接的两个开关器件中流过的电流的平均值相等，各个开关器件的温度大致相同，因此，仅使用一个开关器件的温度信息，就能够高精度地实现两个开关器件的控制电路的电路常数的可变控制。因此，如果以将半桥式连接后的两个开关器件收容于一个封装体的方式进行模块化，则能够削减温度检测信号用端子，能够使模块尺寸小型化。

图2是表示图1所示的功率模块PM的外观的俯视图，是从上表面侧观察树脂封装体MD的图。如图2所示。主电极端子P以及N从俯视形状为矩形的树脂封装体MD的2个长边中的面向附图时的上侧的长边的侧面相邻地凸出，高电位侧信号端子组HT以在与主电极端子N凸出的那侧相反侧的主电极端子P的侧旁排列的方式从所述侧面凸出。此外，与主电极端子P同电位的电源电压检测用端子PV配置于主电极端子P旁，其他端子与电源电压检测用端子PV隔开距离配置。另外，输出电极端子AC从面向附图时的下侧的长边的侧面凸出，低电位侧信号端子组LT以在输出电极端子AC的侧旁排列的方式从所述侧面凸出。

为了尽可能降低半桥式电路的电感，使主电极端子P和主电极端子N相邻配置，在相对的位置配置有输出电极端子AC。另外，高电位侧信号端子组HT以及低电位侧信号端子组LT由于各自的基准电位不同，因此配置于彼此相对的位置。

另外，为了使设置控制电路100的控制基板的设计变得容易，优选分别将高电位侧信号端子组HT配置于主电极端子P以及主电极端子N设置侧，将低电位侧信号端子组LT配置于输出电极端子AC设置侧。

使用图3以及图4说明其理由。图3是将3个具有半桥式电路的功率模块呈直线状排列配置，构成三相桥式电路的情况下的俯视图。

如图3所示，功率模块PM1、PM2以及PM3呈直线状配置，都以主电极端子P及N凸出的侧面排列成一列、输出电极端子AC凸出的侧面排列成一列的方式进行配置。此外，功率模块PM1～PM3都与图1所示的功率模块PM相同。

通过采用这种配置，从而各个功率模块的高电位侧信号端子组HT排列成一列，在其相反侧，低电位侧信号端子组LT排列成一列，因此，如图4所示，在将控制基板CB配置于功率模块PM1～PM3的队列的上方的情况下，控制基板CB的布局设计变得容易。即，如图4所示，信号端子组被插入至在控制基板CB的2个长边设置的多个贯通孔HL，与在控制基板CB之上设置的控制电路100电连接，由于信号端子组排列于控制基板CB的端缘，因此控制基板CB的布局设计变得容易。此外，在图4中，省略了控制电路100的具体配置。

但是，主电极端子由于流过大电流，因此需要根据抑制与平滑电容器以及外部电极连接时的接触电阻的需要而扩大端子宽度，因此，如果在主电极端子P以及N与功率模块的高电位侧信号端子组HT相邻的那侧增加信号端子的个数，则封装体尺寸会变大。除此之外，高电位侧信号端子组HT需要具有电源电压检测用端子PV，施加高电压的电源电压检测用端子PV与其他信号端子间必须确保充分的空间距离，信号端子组所占的空间变大，封装体尺寸会进一步变大。

另一方面，在功率模块的设置了低电位侧信号端子组LT的那侧，流过大电流的端子仅是输出电极端子AC，与设置了主电极端子P以及N的那侧相比，容易增加信号端子组的个数。因此，即使设置温度检测信号用端子NA以及NK，封装体尺寸也不会变大。这是对低电位侧开关器件Q2的温度进行检测带来的优点，与还检测高电位侧开关器件Q1的温度的情况相比，能够使封装体尺寸小型化。

此外，如果由于高电位侧信号端子组HT的信号端子的个数增加而导致的封装体尺寸的增大是能够允许的程度，则也可以检测高电位侧开关器件Q1的温度。

下面，使用图5说明驱动电路DC1的结构的一个例子。如图5所示，驱动电路DC1具有：缓冲电路BC，其具有驱动缓冲器DBF；以及栅极电阻切换电路CH，其进行作为电路常数的导通栅极电阻RGon1、RGon2、截止栅极电阻RGoff1、RGoff2的切换。

缓冲电路BC是基于被输入至驱动缓冲器DBF的、从MCU 10(图1)的高电位侧驱动信号源11输出的高电位侧驱动信号，将驱动电压VD赋予给开关器件Q1的栅极而使开关器件Q1导通、或者降低至电位G1而使开关器件Q1截止的电路，在向栅极赋予驱动电压VD的情况下，以经由开关SW1施加驱动电压VD的方式从驱动缓冲器DBF输出对开关SW1进行控制的信号，在将栅极降低至电位G1的情况下，以经由开关SW2将电位降至电位G1的方式从驱动缓冲器DBF输出对开关SW2进行控制的信号。

导通栅极电阻RGon1、RGon2、以及截止栅极电阻RGoff1、RGoff2具有彼此不同的栅极电阻值，其大小关系为RGon1＞RGon2、RGoff1＞RGoff2。栅极电阻切换电路CH将温度切换信号ST作为触发，在开关器件Q1是高温的情况下，以将栅极电阻切换为电阻值小的RGon2或者RGoff2的方式对开关SW3或者SW4进行控制，在开关器件Q1是低温即不是高温的情况下，以将栅极电阻切换为电阻值大的RGon1或者RGoff1的方式对开关SW3或者SW4进行控制。

通常，开关器件在低温下通断速度变快，在开关器件产生的浪涌电压变大。因此，在低温时，优选选定大的栅极电阻值，以使得浪涌电压不超过耐压。但是，如果栅极电阻值大，则在高温时通断损耗会增加，因此通过基于器件温度进行的栅极电阻的可变控制，在开关器件成为高温的情况下，通过将栅极电阻变更为小的值，从而能够兼顾低温时的浪涌电压的降低和高温时的通断损耗的降低。此外，图5表示驱动电路DC1的结构的一个例子，但驱动电路DC2的结构也是同样的，省略说明。

下面，使用图6对过电流保护电路OC1的结构的一个例子进行说明。如图6所示，过电流保护电路OC1通过感测电阻SR将从电流感测端子输出的感测电流转换成感测电压，通过由比较器CP2对感测电压超过了作为检测阈值的阈值电压Voc1或者Voc2这一情况进行检测，从而实现过电流保护，其中，该电流感测端子输出与开关器件Q1的主电流相关的电流。这里，阈值电压Voc1以及Voc2是电路常数，分别被根据参照电源RF1以及RF2设定为不同的电压值，其大小关系为Voc1＞Voc2。

过电流保护电路OC1将温度切换信号ST作为触发，通过开关SW对阈值电压Voc1或者Voc2进行切换而赋予给比较器CP2的反转输入，与被赋予给比较器CP2的非反转输入的感测电压进行比较。

即，在开关器件Q1是高温的情况下，将电压值大的阈值电压Voc1赋予给比较器CP2，在开关器件Q1是低温即不是高温的情况下，将电压值小的阈值电压Voc2赋予给比较器CP2。

通常，就开关器件而言，如果变成高温，则电流检测元件的检测灵敏度提高，因此，即使主电流是通常工作电流的程度，检测电流值也会变成高的值，过电流保护电平随着器件温度的升高而降低。因此，存在高温时过电流保护电平降低至小于或等于通常工作电流、或者相反在低温时变得过高这样的问题，但通过基于器件温度进行的阈值电压的可变控制，在高温时将比较器CP2的阈值电压设定得高，由此，能够减轻过电流保护电平的温度依赖性。

比较器CP2的输出作为过电流检测信号被赋予给驱动电路DC1，在检测出过电流时驱动电路DC1进行使开关器件Q1截止等的控制，但由于用于此的结构通过公知技术实现，因此省略图示以及说明。此外，图6表示了过电流保护电路OC1的结构的一个例子，过电流保护电路OC2的结构也相同，省略说明。

此外，在图6中，作为一个例子示出了使比较器CP2的阈值电压可变的结构，但通过如下结构也会得到同样的效果，即，准备多个感测电阻SR的电阻值Rs作为电路常数，将温度切换信号ST作为触发而对它们进行切换。在这种情况下，以在开关器件Q1为高温时降低电阻值Rs、在低温时升高电阻值Rs的方式进行切换。

另外，如图6所示的进行基于器件温度的阈值电压可变控制的结构并非必须设置于过电流保护电路，只要设为以往的过电流保护电路的结构，在驱动电路设置进行基于器件温度的栅极电阻可变控制的结构即可。

另外，如图6所示的进行基于器件温度的栅极电阻可变控制的结构并非必须设置于驱动电路，只要设为以往的驱动电路的结构，在过电流保护电路设置进行基于器件温度的阈值电压可变控制的结构即可。

虽然详细地说明了本发明，但上述说明在所有方面都是例示，本发明并不限定于此。可以理解为在不脱离本发明的范围的情况下能够想到未例示的无数变形例。

此外，本发明在其发明范围内，能够适当地对实施方式进行变形、省略。

Claims

1.一种电力转换装置，其具有：

控制电路，其对第1开关器件以及第2开关器件进行控制，该第1开关器件以及第2开关器件在第1电位与低于所述第1电位的第2电位之间串联连接且互补地动作；以及

半导体模块，其构成为，所述第1开关器件以及所述第2开关器件收容于同一封装体内，

所述控制电路具有：

第1控制电路，其控制所述第1开关器件；以及

第2控制电路，其控制所述第2开关器件，

所述控制电路基于所述第1开关器件以及所述第2开关器件的一方的温度对所述第1控制电路以及所述第2控制电路的电路常数进行可变控制，

所述半导体模块具有：

第1主电极端子，其设置于所述封装体的一个侧面；

第2主电极端子，其设置于所述封装体的一个侧面；

输出电极端子，其设置于所述封装体的与一个侧面相反的侧面；

高电位侧信号端子组，其设置于所述封装体的一个侧面，与所述第1开关器件连接；

低电位侧信号端子组，其设置于所述封装体的与一个侧面相反的侧面，与所述第2开关器件连接；以及

温度检测元件，其检测所述第2开关器件的温度，

所述低电位侧信号端子组包含温度检测信号用端子。

2.根据权利要求1所述的电力转换装置，其中，

所述第2开关器件将所述第2电位作为基准电位进行动作，

所述控制电路基于所述第2开关器件的所述温度对所述第1控制电路以及所述第2控制电路的所述电路常数进行可变控制。

3.根据权利要求2所述的电力转换装置，其中，

所述第1控制电路具有进行所述第1开关器件的驱动控制的第1驱动电路，

所述第2控制电路具有进行所述第2开关器件的驱动控制的第2驱动电路，

所述第1驱动电路以及所述第2驱动电路具有分别可选择地设置的、电阻值不同的多个栅极电阻作为所述电路常数，所述第1驱动电路以及所述第2驱动电路基于所述第2开关器件的所述温度而选择所述多个栅极电阻的任意者，由此对所述电路常数进行变更。

4.根据权利要求2所述的电力转换装置，其中，

所述第1控制电路具有进行所述第1开关器件的过电流保护的第1过电流保护电路，

所述第2控制电路具有进行所述第2开关器件的过电流保护的第2过电流保护电路，

所述第1过电流保护电路以及所述第2过电流保护电路具有分别可选择地设置的、值不同的多个检测阈值作为所述电路常数，所述第1过电流保护电路以及所述第2过电流保护电路基于所述第2开关器件的所述温度而选择所述多个检测阈值的任意者，由此对所述电路常数进行变更。

5.根据权利要求2所述的电力转换装置，其中，

所述第1过电流保护电路以及所述第2过电流保护电路具有分别可选择地设置的、值不同的多个感测电阻作为所述电路常数，所述第1过电流保护电路以及所述第2过电流保护电路基于所述第2开关器件的所述温度而选择所述多个感测电阻的任意者，由此对所述电路常数进行变更。