CN112803727A - 栅极驱动装置及功率转换装置 - Google Patents

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Abstract

提供一种栅极驱动装置，包括：驱动电路，根据对连接在高电源电位部与低电源电位部之间的开关元件的导通关断进行指示的输入信号，对所述开关元件的栅极进行驱动；时间存储电路，对自所述输入信号切换为导通指令起至检测出由与所述开关元件相对的二极管所产生的恢复浪涌电压为止的时间进行存储；切换判定电路，根据所述高电源电位部与所述低电源电位部之间的电源电压的检测值，判定是否对所述开关元件的栅极驱动条件进行切换；以及驱动条件变更电路，根据所述切换判定电路的判定结果，在本次导通期间内，在与存储在所述时间存储电路中的上次导通期间内的所述时间相同的时间，对所述栅极驱动条件进行变更。

Description

栅极驱动装置及功率转换装置
技术领域
本发明涉及一种栅极驱动装置及功率转换装置。
背景技术
传统上已知一种主动式(active)栅极驱动方式，其为了实现恢复浪涌(recoverysurge)电压的抑制和开关损耗的降低，根据流过开关元件的漏极电流或集电极电流(以下也称为主电流)在适当的定时使开关速度变化。例如在专利文献1中公开了一种栅极驱动电路，其对自导通指令的定时起至恢复浪涌电压产生的定时为止的浪涌期进行存储，并且在本次导通期间内基于上次存储的导通期间内的浪涌期来确定开关元件的有效栅极电阻值的变更定时。
根据专利文献1的记载，在浪涌期内，通过增大有效栅极电阻值使得恢复浪涌电压降低，并在经过浪涌期之后，通过减小有效栅极电阻值，使得开关速度变快，因此能够使开关损耗减少。另外，根据专利文献1的记载，由于利用上次导通期间内的信息来对本次导通期间内的有效栅极电阻值进行变更，因此能够使反馈控制所需的时间充裕。
<现有技术文献>
<专利文献>
专利文献1：日本发明专利第4935266号公报
发明内容
<本发明要解决的问题>
图1示出了用于对连接在高电源电位部与低电源电位部之间的开关元件的导通关断进行指示的输入信号、开关元件的电压/电流波形、与开关元件相对的回流元件的电压/电流波形的一个示例。Id表示流过开关元件的漏极电流，VDS表示开关元件的漏极与源极之间的电压，IF表示流过与开关元件相对的回流元件的正向电流，VAK表示与开关元件相对的回流元件的阳极与阴极之间的电压。
由于直流电源的输入电压的波动等某些原因，会在从直流电源所供给的电源电压(高电源电位部与低电源电位部之间的电源电压)上产生一定程度的波动。因此，在对连接在高电源电位部与低电源电位部之间的开关元件的栅极进行驱动的情况下，要求设计为即使以最大的电源电压进行导通，恢复浪涌电压也不会超过与回流元件并联连接的开关元件的耐压。
因此，例如如图1所示，认为在电源电压降低至最小值Ed(min)的情况下，即使未切换为使栅极电阻值增大栅极驱动条件，恢复浪涌电压的峰值Vp也不会超过开关元件的耐压(元件耐压)(参见圆圈a)。
然而，在为了抑制恢复浪涌电压而在每次导通期间(反向恢复期间)增大栅极电阻值的传统的技术中，如图2所示，主电流Id的时间变化率dI/dt在每次导通期间常常会变得平缓(参见圆圈b)。因此，在电源电压相对于最大值降低的情况下，与未对栅极驱动条件进行切换的图1的情况相比，导通期间的开关损耗会增加。因此，例如有可能会引起功率转换效率的降低和用于对开关元件进行冷却的冷却体的大型化。
本公开提供一种栅极驱动装置及功率转换装置，即使在电源电压波动时，其也能够兼顾恢复浪涌电压的抑制和开关损耗的降低。
<用于解决问题的手段>
本公开提供一种栅极驱动装置，包括：驱动电路，根据对连接在高电源电位部与低电源电位部之间的开关元件的导通关断进行指示的输入信号，对所述开关元件的栅极进行驱动；时间存储电路，对自所述输入信号切换为导通指令起至检测出由与所述开关元件相对的二极管所产生的恢复浪涌电压为止的时间进行存储；切换判定电路，根据所述高电源电位部与所述低电源电位部之间的电源电压的检测值，判定是否对所述开关元件的栅极驱动条件进行切换；以及驱动条件变更电路，根据所述切换判定电路的判定结果，在本次导通期间内，在与存储在所述时间存储电路中的上次导通期间内的所述时间相同的时间，对所述栅极驱动条件进行变更。
另外，本公开提供一种功率转换装置，包括：多个开关元件，串联地连接在高电源电位部与低电源电位部之间；多个栅极驱动装置，针对所述多个开关元件分别设置，并且对所述多个开关元件之中的对应的一个开关元件的栅极进行驱动；以及电源电压检测电路，对所述高电源电位部与所述低电源电位部之间的电源电压进行检测，其中，所述多个栅极驱动装置分别包括：驱动电路，根据对所述对应的一个开关元件的导通关断进行指示的输入信号，对所述对应的一个开关元件的栅极进行驱动；时间存储电路，对自所述输入信号切换为导通指令起至检测出由与所述对应的一个开关元件相对的二极管所产生的恢复浪涌电压为止的时间进行存储；切换判定电路，根据由所述电源电压检测电路检测出的所述电源电压，判定是否对所述对应的一个开关元件的栅极驱动条件进行切换；以及驱动条件变更电路，根据所述切换判定电路的判定结果，在本次导通期间内，在与存储在所述时间存储电路中的上次导通期间内的所述时间相同的时间，对所述栅极驱动条件进行变更。
<发明的效果>
根据本公开的技术，能够提供一种栅极驱动装置及功率转换装置，即使在电源电压波动时，其也能够兼顾恢复浪涌电压的抑制和开关损耗的降低。
附图说明
图1是未应用浪涌抑制技术的情况下的时序图。
图2是应用浪涌抑制技术的情况下的时序图。
图3是示出功率转换装置的结构示例的图。
图4是示出栅极驱动装置的结构示例的图。
图5是示出电源电压较高时的栅极驱动装置的动作示例的时序图。
图6是示出电源电压较低时的栅极驱动装置的动作示例的时序图。
具体实施方式
以下，参照附图对根据本公开的实施方式进行说明。
图3是示出功率转换装置的结构示例的图。图3所示的功率转换装置100是利用高侧(high side)的开关元件Q1和低侧(low side)的开关元件Q2将直流的输入功率转换成期望的直流或交流的输出功率的装置。在开关元件Q1与开关元件Q2之间的连接点M上连接有未图示的负载。功率转换装置100包括高电源电位部31、低电源电位部32、电容器30、开关元件Q1、Q2、电源电压检测电路40、以及栅极驱动装置11、12。
高电源电位部31和低电源电位部32是与未图示的直流电源连接，并且被供给来自直流电源的直流功率的导电部位。高电源电位部31与直流电源的正极P侧连接，低电源电位部32与直流电源的负极N侧连接。直流电源的具体示例包括整流电路、变换器、调节器等。低电源电位部32是电位低于高电源电位部31的部位。在高电源电位部31与低电源电位部32之间产生直流的电源电压Ed。
电容器30是用于对电源电压Ed进行平滑化的电容元件，其具体示例包括电解电容器。电容器30具有与高电源电位部31连接的一端、以及与低电源电位部32连接的另一端。
开关元件Q1、Q2分别是电压驱动式的半导体元件，并且具有控制电极(栅极)、第一主电极(集电极或漏极)、以及第二主电极(发射极或源极)。作为开关元件Q1、Q2的具体示例，可以举出MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor：金属氧化物半导体场效应晶体管)、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：绝缘栅双极晶体管)等。图3示例性地示出了开关元件Q1、Q2为具有栅极G、漏极D以及源极S的N沟道型的MOSFET的情况。
开关元件Q1、Q2彼此串联地连接。开关元件Q1连接在高电源电位部31与低电源电位部32之间，并且经由开关元件Q2连接到低电源电位部32。开关元件Q2连接在高电源电位部31与低电源电位部32之间，并且经由开关元件Q1连接到高电源电位部31。开关元件Q1具有与栅极驱动装置11连接的栅极G、与高电源电位部31连接的漏极D、以及与开关元件Q2的漏极D连接的源极S。开关元件Q2具有与栅极驱动装置12连接的栅极G、与低电源电位部32连接的源极S、以及与开关元件Q1的源极S连接的漏极D。在开关元件Q1中，二极管D1反并联地连接在漏极D与源极S之间。在开关元件Q2中，二极管D2反并联地连接在漏极D与源极S之间。
开关元件Q1、Q2可以是包括SiC(碳化硅)或GaN(氮化镓)或Ga2O3(氧化镓)或金刚石等宽带隙半导体的元件(宽带隙器件)。通过将带隙器件应用于开关元件Q1、Q2，使得开关元件Q1、Q2的损耗降低的效果得到提高。需要说明的是，开关元件Q1、Q2可以是包括Si(硅)等半导体的开关元件。同样地，通过将带隙器件应用于二极管D1、D2，使得二极管D1、D2的损耗降低的效果得到提高。需要说明的是，二极管D1、D2可以是包括Si(硅)等半导体的元件。
电源电压检测电路40对高电源电位部31与低电源电位部32之间的电源电压Ed进行检测，并且将电源电压Ed的检测值Edd分别输出到栅极驱动装置11、12。
电源电压检测电路40例如具有由电阻41、42构成的分压电路、以及被输入由分压电路分压的电压的绝缘放大器43、44。分压电路利用电阻41、42对电源电压Ed进行分压，并且将通过分压所获得的电压分别供给至绝缘放大器43、44。绝缘放大器43、44分别对从分压电路所供给的电压信号进行放大，并且将与该电压信号的电压值对应的信号作为电源电压Ed的检测值Edd输出。绝缘放大器43将基于低电源电位部32的电源电压Ed转换为基于开关元件Q1的源极S的检测值Edd，绝缘放大器44将基于低电源电位部32的电源电压Ed转换为基于开关元件Q2的源极S的检测值Edd。由于绝缘放大器43、44各自的输入与输出之间绝缘，因此能够降低共模噪声。
栅极驱动装置11针对开关元件Q1设置，并且对多个开关元件Q1、Q2之中的对应的一个开关元件Q1的栅极进行驱动。栅极驱动装置12针对开关元件Q2设置，并且对多个开关元件Q1、Q2之中的对应的一个开关元件Q2的栅极进行驱动。
栅极驱动装置11是向开关元件Q1的栅极供给正或负的电压以将开关元件Q1的栅极导通或关断的驱动电路。栅极驱动装置12是向开关元件Q2的栅极供给正或负的电压以将开关元件Q2的栅极导通或关断的驱动电路。高侧的栅极驱动装置11通过在开关元件Q1的导通期间对开关元件Q1的开关速度进行调整的主动式栅极驱动方式，对开关元件Q1的栅极进行驱动。低侧的栅极驱动装置12通过在开关元件Q2的导通期间对开关元件Q2的开关速度进行调整的主动式栅极驱动方式，对开关元件Q2的栅极进行驱动。栅极驱动装置11以开关元件Q1的源极S为接地基准进行动作，栅极驱动装置12以开关元件Q2的源极S为接地基准进行动作。
栅极驱动装置11、12具有彼此相同的结构。接着，参照图4对栅极驱动装置11、12的各构成示例进行说明。
图4是示出栅极驱动装置的结构示例的图。上臂用的栅极驱动装置11是使作为上臂的开关元件Q1的栅极导通或关断的驱动电路。下臂用的栅极驱动装置12是使作为下臂的开关元件Q2的栅极导通或关断的驱动电路。
栅极驱动装置12包括驱动电路50b、浪涌检测电路90b、时间存储电路70b、切换判定电路80b、以及驱动条件变更电路60b。虽然图4中未明确示出，但是与栅极驱动装置12相同，栅极驱动装置11包括驱动电路50a、浪涌检测电路90a、时间存储电路70a、切换判定电路80a、以及驱动条件变更电路60a。
驱动电路50b是根据来自栅极驱动装置12外部的输入信号B对开关元件Q2的栅极进行驱动的电路部。输入信号B是对开关元件Q2的开关(导通(ON)关断(OFF))进行指示的信号，例如是进行了脉冲宽度调制的信号(PWM信号)。在输入信号B为PWM信号的情况下，当输入信号B为主动电平(例如高电平)时，其表示开关元件Q2的导通指令，当输入信号B为非主动电平(例如低电平)时，其表示开关元件Q2的关断指令。驱动电路50b以开关元件Q2的源极S作为接地基准进行动作。
驱动电路50a是根据来自栅极驱动装置11外部的输入信号A对开关元件Q1的栅极进行驱动的电路部。输入信号A是对开关元件Q1的开关(导通(ON)关断(OFF))进行指示的信号，例如是进行了脉冲宽度调制的信号(PWM信号)。在输入信号A为PWM信号的情况下，当输入信号A为主动电平(例如高电平)时，其表示开关元件Q1的导通指令，当输入信号A为非主动电平(例如低电平)时，其表示开关元件Q1的关断指令。驱动电路50a以开关元件Q1的源极S作为接地基准进行动作。
输入信号A是相对于输入信号B互补的信号。在输入信号A为主动电平的期间内，输入信号B为非主动电平，在输入信号B为主动电平的期间内，输入信号A为非主动电平。
浪涌检测电路90b在与开关元件Q2相对的开关元件Q1的导通期间对在二极管D2的阳极与阴极之间产生的恢复浪涌电压进行检测。将在开关元件Q1的导通期间内，在开关元件Q2的漏极D与源极S之间(二极管D2的阳极与阴极之间)产生的高于电源电压Ed的电压称为由与开关元件Q1相对的二极管D2产生的恢复浪涌电压。在检测出由二极管D2产生的恢复浪涌电压的情况下，浪涌检测电路90b输出检测信号S2，该检测信号S2表示检测出随着开关元件Q1的导通而由二极管D2所产生的恢复浪涌电压。
浪涌检测电路90a在与开关元件Q1相对的开关元件Q2的导通期间对在二极管D1的阳极与阴极之间产生的恢复浪涌电压进行检测。将在开关元件Q2的导通期间内，在开关元件Q1的漏极D与源极S之间(二极管D1的阳极与阴极之间)产生的高于电源电压Ed的电压称为由与开关元件Q2相对的二极管D1产生的恢复浪涌电压。在检测出由二极管D1产生的恢复浪涌电压的情况下，浪涌检测电路90a输出检测信号S1，该检测信号S1表示检测出随着开关元件Q2的导通而由二极管D1所产生的恢复浪涌电压。
浪涌检测电路90b例如对开关元件Q2的漏极D与源极S之间的电压VDS进行观测。当观测到超过设定电压值Va的电压VDS时，浪涌检测电路90b对栅极驱动装置11输出用于表示检测出随着开关元件Q1的导通而由二极管D2所产生的恢复浪涌电压的检测信号S2。浪涌检测电路90a例如对开关元件Q1的漏极D与源极S之间的电压VDS进行观测。当观测到超过设定电压值Va的电压VDS时，浪涌检测电路90a对栅极驱动装置12输出用于表示检测出随着开关元件Q2的导通而由二极管D1所产生的恢复浪涌电压的检测信号S1。
预先将设定电压值Va设定为大于电源电压Ed的电压值、且小于在设计上能够产生的恢复浪涌电压的最大值(峰值Vp)的值。恢复浪涌电压的峰值Vp例如是在以电源电压Ed的最大值Ed(max)将开关元件导通时，在与该开关元件相对的开关元件的两端产生的电压VDS的电压值。浪涌检测电路90a、90b通过对电压VDS是否超过设定电压值Va进行检测，从而能够在恢复浪涌电压达到峰值Vp之前的中途阶段对恢复浪涌电压的产生进行检测。
浪涌检测电路90b例如利用输入信号B相对于输入信号A互补这一点，对在开关元件Q2中超过设定电压值Va的电压VDS是否为随着开关元件Q1的导通而由二极管D2所产生的恢复浪涌电压进行确定。由于输入信号B相对于输入信号A互补，因此在输入信号B切换为关断指令之后输入信号A变为导通指令。因此，浪涌检测电路90b能够将在输入信号B切换为关断指令之后超过设定电压值Va的电压VDS，作为随着开关元件Q1的导通而由二极管D2所产生的恢复浪涌电压进行检测。
或者，浪涌检测电路90b可以取得输入信号A，并且将在输入信号A切换为导通指令之后超过设定电压值Va的电压VDS，作为随着开关元件Q1的导通而由二极管D2所产生的恢复浪涌电压进行检测。浪涌检测电路90b可以取得开关元件Q1的栅极驱动信号，来代替输入信号A的取得。在此情况下，浪涌检测电路90b将在所取得的栅极驱动信号切换为导通驱动之后超过设定电压值Va的电压VDS，作为随着开关元件Q1的导通而由二极管D2所产生的恢复浪涌电压进行检测。
同样地，浪涌检测电路90a例如利用输入信号A相对于输入信号B互补这一点，对在开关元件Q1中超过设定电压值Va的电压VDS是否为随着开关元件Q2的导通而由二极管D1所产生的恢复浪涌电压进行确定。由于输入信号A相对于输入信号B互补，因此在输入信号A切换为关断指令之后输入信号B变为导通指令。因此，浪涌检测电路90a能够将在输入信号A切换为关断指令之后超过设定电压值Va的电压VDS，作为随着开关元件Q2的导通而由二极管D1所产生的恢复浪涌电压进行检测。
或者，浪涌检测电路90a可以取得输入信号B，并且将在输入信号B切换为导通指令之后超过设定电压值Va的电压VDS，作为随着开关元件Q2的导通而由二极管D1所产生的恢复浪涌电压进行检测。浪涌检测电路90啊、可以取得开关元件Q2的栅极驱动信号，来代替输入信号B的取得。在此情况下，浪涌检测电路90a将在所取得的栅极驱动信号切换为导通驱动之后超过设定电压值Va的电压VDS，作为随着开关元件Q2的导通而由二极管D1所产生的恢复浪涌电压进行检测。
浪涌检测电路90b例如具有利用电阻92、93对电压VDS进行分压的分压电路、以及基于通过分压所获得的电压值在观测到超过设定电压值Va的电压值VDS的情况下向栅极驱动装置11输出检测信号S2的传送电路91。传送电路91经由例如由线圈等磁电路构成的绝缘电路，向栅极驱动装置11输出检测信号S2。与浪涌检测电路90b同样，浪涌检测电路90a也具有向栅极驱动装置12输出检测信号S1的传送电路91。
需要说明的是，浪涌检测电路90a、90b也可以通过与对电压VDS超过设定电压值Va进行观测的方式不同的方式来检测恢复浪涌电压。
例如，在观测到二极管D1的电压VAK的时间变化率dV/dt从正变为负的情况下，浪涌检测电路90a向栅极驱动装置12输出用于表示检测出随着开关元件Q2的导通而由二极管D1所产生的恢复浪涌电压的检测信号S1。二极管D1的电压VAK表示二极管D1的正向电压或开关元件Q1的电压VDS。同样地，在观测到二极管D2的电压VAK的时间变化率dV/dt从正变为负的情况下，浪涌检测电路90b向栅极驱动装置11输出用于表示检测出随着开关元件Q1的导通而由二极管D2所产生的恢复浪涌电压的检测信号S2。二极管D2的电压VAK表示二极管D2的正向电压或开关元件Q2的电压VDS。在对二极管的电压VAK的时间变化率进行观测的情况下，也与对电压VDS进行观测的上述情况同样，由于浪涌检测电路90a、90b对观测值是否为随着相对臂的导通而引起的恢复浪涌电压进行判定，因此可以利用输入信号或栅极信号。
浪涌检测电路90b具有向栅极驱动装置11的时间存储电路70a输出检测信号S2的传送电路91。同样地，浪涌检测电路90a具有向栅极驱动装置12的时间存储电路70b输出检测信号S1的传送电路91。
时间存储电路70b对自输入信号B切换为导通指令起至检测出由与开关元件Q2相对的二极管D1所产生的恢复浪涌电压为止的时间Δtb进行存储。时间存储电路70b例如利用计数器或滤波器，对自输入信号B由导通指令切换为关断指令的边缘定时起至被输入由栅极驱动装置11的浪涌检测电路90a供给的检测信号S1的定时为止的时间Δtb进行存储。时间存储电路70b在开关元件Q2的每次导通期间(即，每次输入信号B切换为导通指令时)对时间Δtb进行更新。
时间存储电路70a对自输入信号A切换为导通指令起至检测出由与开关元件Q1相对的二极管D2所产生的恢复浪涌电压为止的时间Δta进行存储。时间存储电路70a例如利用计数器或滤波器，对自输入信号A由导通指令切换为关断指令的边缘定时起至被输入由栅极驱动装置12的浪涌检测电路90b供给的检测信号S2的定时为止的时间Δta进行存储。时间存储电路70a在开关元件Q1的每次导通期间(即，每次输入信号A切换为导通指令时)对时间Δta进行更新。
切换判定电路80b根据电源电压Ed的检测值Edd，判定是否对开关元件Q2的栅极驱动条件进行切换。例如，在检测值Edd等于预定的判定值Ed(ref)或大于判定值Ed(ref)的情况下，切换判定电路80判定为对栅极驱动条件进行切换，在检测值Edd小于判定值Ed(ref)的情况下，切换判定电路80判定为不对栅极驱动条件进行切换。将判定值Ed(ref)设定为电源电压Ed能够承受的波动幅度的最大值Ed(max)与最小值Ed(min)之间的电压值(＝Ed(max)-α)。α为非负的值。与切换判定电路80b同样，切换判定电路80a也根据电源电压Ed的检测值Edd，判定是否对开关元件Q1的栅极驱动条件进行切换。
切换判定电路80b根据开关元件Q2的栅极驱动条件有无切换的判定结果，指定用于使驱动条件变更电路60b对开关元件Q2的栅极驱动条件进行变更的期间(在时间存储电路70b中存储的时间Δtb)。切换判定电路80a根据开关元件Q1的栅极驱动条件有无切换的判定结果，指定用于使驱动条件变更电路60a对开关元件Q1的栅极驱动条件进行变更的期间(在时间存储电路70a中存储的时间Δta)。
驱动条件变更电路60b根据切换判定电路80b的判定结果，在开关元件Q2的本次导通期间内，在与存储在时间存储电路70b中的上次导通期间内的时间Δtb相同的时间，对开关元件Q2的栅极驱动条件进行变更。驱动条件变更电路60a根据切换判定电路80b的判定结果，在开关元件Q1的本次导通期间内，在与存储在时间存储电路70a中的上次导通期间内的时间Δta相同的时间，对开关元件Q1的栅极驱动条件进行变更。
驱动条件变更电路60b在由切换判定电路80b所指定期间(在时间存储电路70b中存储的时间Δtb)，对开关元件Q2的栅极驱动条件进行变更。驱动条件变更电路60a在由切换判定电路80a所指定期间(在时间存储电路70a中存储的时间Δta)，对开关元件Q1的栅极驱动条件进行变更。作为栅极驱动条件，虽然在图4中示例性地示出了条件内容相异的驱动条件a1、a2，但也可以设定为条件内容相异的3个以上的驱动条件。
驱动条件变更电路60b根据有无时间Δtb的指定来选择驱动条件a1、a2之中的任意一者。驱动条件变更电路60b例如在由切换判定电路80b指定的时间Δtb选择驱动条件a2，并在由切换判定电路80指定的时间Δtb以外的时间选择驱动条件a1。与驱动条件变更电路60b同样，驱动条件变更电路60a也选择驱动条件a1、a2之中的任意一者。
在本次导通期间内，在与存储在时间存储电路70b中的上次导通期间内的时间Δtb相同的时间，驱动条件变更电路60b将栅极驱动条件变更为使开关元件Q2的导通速度变慢的条件。
驱动条件变更电路60b例如具有电阻值不同的2个栅极电阻、以及用于对是否将各个栅极电阻连接到开关元件Q2的栅极进行切换的开关电路。关于与开关元件Q2的栅极连接的栅极电阻的电阻值，其在选择驱动条件a1情况下的值小于其在选择驱动条件a2情况下的值。
因此，在通过驱动电路50b将开关元件Q2导通的期间，通过选择使栅极电阻的电阻值增大的驱动条件a2，使得开关元件Q2的开关速度(导通速度)变慢。由此，能够使流过开关元件Q2的漏极电流的时间变化率(dI/dt)减小，并对随着开关元件Q2的导通而由二极管D1所产生的恢复浪涌电压进行抑制。另一方面，在通过驱动电路50b将开关元件Q2导通的期间，通过选择使栅极电阻的电阻值减小的驱动条件a1，使得开关元件Q2的开关速度(导通速度)变快。由此，能够降低导通期间的开关损耗。
另外，驱动条件变更电路60b可以为具有电流值不同的2个栅极电流源、以及用于对是否将各个栅极电流源连接到开关元件Q2的栅极进行切换的开关电路的结构。关于与开关元件Q2的栅极连接的栅极电流源的电流值，其在选择驱动条件a1情况下的值大于其在选择驱动条件a2情况下的值。或者，驱动条件变更电路60b可以为具有电压值不同的2个栅极电压源、以及用于对是否将各个栅极电压源连接到开关元件Q2的栅极进行切换的开关电路的结构。关于与开关元件Q2的栅极连接的栅极电压源的电压值，其在选择驱动条件a1情况下的值大于其在选择驱动条件a2情况下的值。
因此，在通过驱动电路50b将开关元件Q2导通的期间，通过选择使栅极电流的电流值减小的驱动条件a2，使得开关元件Q2的开关速度(导通速度)变慢。由此，在通过驱动电路50b将开关元件Q2导通的期间，通过选择使栅极电流源的电流值或栅极电压源的电压值减小的驱动条件a2，使得流过开关元件Q2的漏极电流的时间变化率(dI/dt)减小。因此，能够对随着开关元件Q2的导通而由二极管D1所产生的恢复浪涌电压进行抑制。另一方面，在通过驱动电路50b将开关元件Q2导通的期间，通过选择使栅极电流的电流值增大的驱动条件a1，使得开关元件Q2的开关速度(导通速度)变快。由此，在通过驱动电路50b将开关元件Q2导通的期间，通过选择使栅极电流源的电流值或栅极电压源的电压值增大的驱动条件a1，从而能够降低导通期间的开关损耗。
另外，切换判定电路80b根据电源电压Ed的检测值Edd，判定是否对开关元件Q2的栅极驱动条件进行切换。驱动条件变更电路60b根据切换判定电路80b的判定结果，在本次导通期间内，在与存储在时间存储电路70b中的上次导通期间内的时间Δtb相同的时间，对栅极驱动条件进行变更。由此，能够根据电源电压Ed的大小来切换是否进行栅极驱动条件的变更，因此，即使在电源电压Ed波动时，也能够兼顾恢复浪涌电压的抑制和开关损耗的降低。
例如，在因电源电压Ed的降低使得随着开关元件的导通而产生的恢复浪涌电压变得较低的情况下，能够禁止切换为使开关元件的导通速度减慢的栅极驱动条件。由此，在因电源电压Ed的降低使得恢复浪涌电压降低的情况下，能够抑制因导通期间的漏极电流的时间变化率dI/dt变得平缓而引起的导通损耗的增加。
同样地，驱动条件变更电路60a在通过驱动电路50a将开关元件Q1导通的期间，通过选择驱动条件a2，使得流过开关元件Q1的漏极电流的时间变化率(dI/dt)减小。因此，能够对随着开关元件Q1的导通而由二极管D2所产生的恢复浪涌电压进行抑制。另一方面，驱动条件变更电路60a在通过驱动电路50a将开关元件Q1导通的期间，通过选择驱动条件a1，从而能够降低导通期间的开关损耗。另外，切换判定电路80a根据电源电压Ed的检测值Edd，判定是否对开关元件Q1的栅极驱动条件进行切换。驱动条件变更电路60a根据切换判定电路80a的判定结果，在本次导通期间内，在与存储在时间存储电路70a中的上次导通期间内的时间Δta相同的时间，对开关元件Q1的栅极驱动条件进行变更。由此，能够根据电源电压Ed的大小来切换是否进行栅极驱动条件的变更，因此，即使在电源电压Ed波动时，也能够兼顾恢复浪涌电压的抑制和开关损耗的降低。
接着，参照图4、图5、图6，对因电源电压Ed的大小而引起的栅极驱动装置10的动作差异进行说明。
图5是示出电源电压Ed的检测值Edd大于等于判定值Ed(ref)时(具体来说，电源电压Ed为最大值Ed(max)时)的栅极驱动装置12的动作示例的时序图。关于栅极驱动装置11的动作示例的说明，由于援引栅极驱动装置12的动作示例的说明，因此省略。
驱动电路50b根据用于使开关元件Q2进行开关的输入信号B，经由驱动条件变更电路60b向开关元件Q2的控制端子(栅极)提供控制信号(栅极驱动信号)。在该示例中，高电平的输入信号B表示开关元件Q2的导通指令，低电平的输入信号B表示开关元件Q2的关断指令。
在输入信号B由关断指令变为导通指令的情况下，开关元件Q2根据被输入到其控制端子的控制信号开始导通(时间点t1)。开关元件Q2的漏极与源极之间的电压VDS减小，同时漏极电流Id开始增大。
然后，在输入信号B变为导通指令的同时，时间存储电路70b开始进行时间Δtb的测定。例如，在输入信号B变成导通指令之后，时间存储电路70b以预先设定的计数起始值作为起点开始计数，并对时间Δtb进行数值化或电压值化。
当开关元件Q2的导通开始进行、并且由栅极驱动装置11的浪涌检测电路90a检测出在二极管D1产生的恢复浪涌电压时，将用于表示检测出恢复浪涌电压的检测信号S1输出到栅极驱动装置12的时间存储电路70b。
时间存储电路70b在被输入从浪涌检测电路90a所提供的检测信号S1的同时，停止计数，对在第n次导通期间的时间Δtb的测定值Δt1进行存储，并且将用于表示测定值Δt1的信号输出到切换判定电路80b。开关元件Q2每次导通时，时间存储电路70b对该导通期间内的时间Δtb进行存储，并且将用于表示时间Δtb的测定值的信号输出至切换判定电路80b。
由于电源电压Ed的当前的检测值Edd大于判定值Ed(ref)，因此切换判定电路80b判定为对栅极驱动条件进行切换。切换判定电路80b在自输入信号B由关断指令变为导通指令的时间点t1起至经过了时间Δtb的测定值Δt0的时间点t2为止，指定驱动条件a2。测定值Δt0相当于由时间存储电路70b所获得的第(n-1)次导通期间内的时间Δtb的测定值。
换言之，从开始进行导通动作的时间点t1起至时间点t2为止，栅极驱动条件切换为驱动条件a2。由于驱动条件a2是与驱动条件a1相比使导通速度减慢的条件，因此导通期间的前半期内的开关速度低速化，并且由二极管D1所产生的恢复浪涌电压得到抑制(参见圆圈c)。
然而，在经过了时间Δtb的测定值Δt0以后，驱动条件变更电路60b使栅极驱动条件回到变更前的原来的驱动条件a1。由此，导通期间的后半期内的开关速度高速化，并且使开关损耗降低。
在输入信号B从导通指令切换到关断指令的定时t3，驱动电路50b开始关断开关元件Q2。
第(n+1)次开关中的定时t5～t7对应于上述的第n次开关中的定时t1～t3。换言之，切换判定电路80b在自输入信号B由关断指令变为导通指令的时间点t5起至经过了时间Δtb的测定值Δt1的时间点t6为止指定驱动条件a2。测定值Δt1相当于由时间存储电路70b所获得的第n次导通期间内的时间Δtb的测定值。时刻t7相当于输入信号B由导通指令变为关断指令的定时。
另一方面，图6是示出电源电压Ed的检测值Edd小于判定值Ed(ref)时(具体来说，电源电压Ed为最小值Ed(min)时)的栅极驱动装置12的动作示例的时序图。关于栅极驱动装置11的动作示例的说明，由于援引栅极驱动装置12的动作示例的说明，因此省略。
在此情况下，由于电源电压Ed的当前的检测值Edd小于判定值Ed(ref)，因此切换判定电路80b判定为不对栅极驱动条件进行切换。切换判定电路80b在定时t1不指定驱动条件a2。由此，导通期间的栅极驱动条件不切换为驱动条件a2，而是维持在驱动条件a1。因此，能够防止因开关速度的低速化而引起的导通损耗的增加。另外，即使不积极地对因开关速度的低速化而引起的恢复浪涌电压进行抑制(参见圆圈d)，因电源电压Ed的降低而由二极管D1产生的恢复浪涌电压也不会太高。由此，由二极管D1产生的恢复浪涌电压不会超过开关元件Q1的耐压。
换言之，在因电源电压Ed的降低而由二极管D1产生的恢复浪涌电压较低的情况下，能够禁止切换为使开关元件Q2的导通速度减慢的栅极驱动条件。由此，在因电源电压Ed的降低而使恢复浪涌电压降低的情况下，能够抑制因导通期间的漏极电流的时间变化率dI/dt变得平缓而引起的导通损耗的增加。这样一来，根据本公开的技术，即使在电源电压Ed波动时，也能够兼顾恢复浪涌电压的抑制和开关损耗的降低。
在此，由于恢复浪涌电压的大小随着二极管的温度相应地变化，因此开关判定电路80b可以根据二极管D1的温度(可以包括二极管D1的周边温度)对判定值Ed(ref)进行变更。由此，由于根据二极管D1的温度来切换是否对栅极驱动条件进行变更，因此即使二极管D1的温度发生变动，也能够维持恢复浪涌电压的抑制和开关损耗的降低的兼顾。在将判定值Ed(ref)定义为“Ed(max)-α”的情况下，切换判定电路80b通过变更α来对判定值Ed(ref)进行变更。与开关判定电路80b同样，开关判定电路80a也可以根据二极管D2的温度(可以包括二极管D2的周边温度)对判定值Ed(ref)进行变更。
例如如图4所示，栅极驱动装置12包括用于对二极管D2的温度进行检测的温度检测电路20b，栅极驱动装置11包括用于对二极管D1的温度进行检测的温度检测电路20a(未图示)。温度检测电路20a通过使恒定电流流过设置在二极管D1附近的二极管，并对该二极管的正向电压进行测定，从而对二极管D1的温度进行检测。温度检测电路20a也可以通过其他检测方式对二极管D1的温度进行检测。与温度检测电路20a同样，温度检测电路20b也对二极管D2的温度进行检测。切换判定电路80b根据由温度检测电路20a检测出的温度，对判定值Ed(ref)进行变更。切换判定电路80a根据由温度检测电路20b检测出的温度，对判定值Ed(ref)进行变更。
二极管具有二极管的温度越低则恢复浪涌电压越低的特性。基于该特性，切换判定电路80b可以使由温度检测电路20a所检测出的二极管D1的温度较低的情况下的判定值Ed(ref)高于二极管D1的温度较高的情况下的判定值Ed(ref)。由此，例如在因二极管D1的温度降低使得由二极管D1所产生的恢复浪涌电压较低的情况下，能够禁止切换为使开关元件Q2的导通速度减慢的栅极驱动条件。由此，在因二极管D1的温度降低使得恢复浪涌电压降低的情况下，能够抑制因导通期间的漏极电流的时间变化率dI/dt变得平缓而引起的导通损耗的增加。在将判定值Ed(ref)定义为“Ed(max)-α”的情况下，切换判定电路80b通过减小α从而能够提高判定值Ed(ref)。与切换判定电路80b同样，切换判定电路80a也可以使由温度检测电路20b所检测出的二极管D2的温度较低的情况下的判定值Ed(ref)高于二极管D2的温度较高的情况下的判定值Ed(ref)。
以上通过实施方式对栅极驱动装置及功率转换装置进行了说明，但是本发明不限于上述实施方式。可以在本发明的范围内进行与其他实施方式的一部分或全部的组合或替换等各种变形及改进。
例如，包括至少一个栅极驱动装置的功率转换装置不限于将直流转换为直流的DC-DC变换器。其具体示例包括将直流转换为交流的逆变器、对输入电压进行升压并输出的升压变换器、对输入电压进行降压并输出的降压变换器、对输入电压进行升压或降压并输出的升降压变换器等。
另外，浪涌检测电路90a、90b可以通过与对电压VDS或电压VAK进行观测的方式不同的方式来检测恢复浪涌电压。
例如，在观测到开关元件Q2的漏极电流Id的时间变化率dI/dt从正变为负的情况下，浪涌检测电路90b可以向时间存储电路70b输出用于表示检测出随着开关元件Q2的导通而由二极管D1产生的恢复浪涌电压的检测信号S1。同样地，在观测到开关元件Q1的漏极电流Id的时间变化率dI/dt从正变为负的情况下，浪涌检测电路90a可以向时间存储电路70a输出用于表示检测出随着开关元件Q1的导通而由二极管D2产生的恢复浪涌电压的检测信号S2。
符号说明
11、12 栅极驱动装置
20b 温度检测电路
30 电容器
31 高电源电位部
32 低电源电位部
40 电源电压检测电路
50b 驱动电路
60b 驱动条件变更电路
70b 时间存储电路
80b 切换判定电路
90b 浪涌检测电路
100 功率转换装置
Q1、Q2 开关元件

Claims (11)

1.一种栅极驱动装置，包括：
驱动电路，根据对连接在高电源电位部与低电源电位部之间的开关元件的导通关断进行指示的输入信号，对所述开关元件的栅极进行驱动；
时间存储电路，对自所述输入信号切换为导通指令起至检测出由与所述开关元件相对的二极管所产生的恢复浪涌电压为止的时间进行存储；
切换判定电路，根据所述高电源电位部与所述低电源电位部之间的电源电压的检测值，判定是否对所述开关元件的栅极驱动条件进行切换；以及
驱动条件变更电路，根据所述切换判定电路的判定结果，在本次导通期间内，在与存储在所述时间存储电路中的上次导通期间内的所述时间相同的时间，对所述栅极驱动条件进行变更。
2.根据权利要求1所述的栅极驱动装置，其中，在所述电源电压的检测值大于判定值的情况下，所述切换判定电路判定为对所述栅极驱动条件进行切换，在所述电源电压的检测值小于所述判定值的情况下，所述切换判定电路判定为不对所述栅极驱动条件进行切换。
3.根据权利要求2所述的栅极驱动装置，其中，所述切换判定电路根据所述二极管的温度来变更所述判定值。
4.根据权利要求3所述的栅极驱动装置，其中，所述切换判定电路使所述温度较低的情况下的所述判定值高于所述温度较高的情况下的所述判定值。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的栅极驱动装置，其中，在本次导通期间内，在与存储在所述时间存储电路中的上次导通期间内的所述时间相同的时间，所述驱动条件变更电路将所述栅极驱动条件变更为使所述开关元件的导通速度变慢的条件。
6.根据权利要求5所述的栅极驱动装置，其中，所述驱动条件变更电路通过使与所述开关元件的栅极连接的栅极电阻的电阻值增大，从而使所述导通速度减慢。
7.根据权利要求5所述的栅极驱动装置，其中，所述驱动条件变更电路通过使流过所述开关元件的栅极的栅极电流的电流值减小，从而使所述导通速度减慢。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的栅极驱动装置，其中，所述驱动条件变更电路将所述栅极驱动条件变更为使所述导通速度变慢的条件之后，在经过所述相同的时间以后使所述栅极驱动条件回到变更前的原来的驱动条件。
9.一种功率转换装置，包括：
多个开关元件，串联地连接在高电源电位部与低电源电位部之间；
多个栅极驱动装置，针对所述多个开关元件分别设置，并且对所述多个开关元件之中的对应的一个开关元件的栅极进行驱动；以及
电源电压检测电路，对所述高电源电位部与所述低电源电位部之间的电源电压进行检测，
其中，所述多个栅极驱动装置分别包括：
驱动电路，根据对所述对应的一个开关元件的导通关断进行指示的输入信号，对所述对应的一个开关元件的栅极进行驱动；
时间存储电路，对自所述输入信号切换为导通指令起至检测出由与所述对应的一个开关元件相对的二极管所产生的恢复浪涌电压为止的时间进行存储；
切换判定电路，根据由所述电源电压检测电路检测出的所述电源电压，判定是否对所述对应的一个开关元件的栅极驱动条件进行切换；以及
驱动条件变更电路，根据所述切换判定电路的判定结果，在本次导通期间内，在与存储在所述时间存储电路中的上次导通期间内的所述时间相同的时间，对所述栅极驱动条件进行变更。
10.根据权利要求9所述的功率转换装置，其中，所述电源电压检测电路包括：
分压电路，对所述电源电压进行分压；以及
绝缘放大器，被输入由所述分压电路分压的电压，并且输出所述电源电压的检测值。
11.根据权利要求9或10所述的功率转换装置，其中，所述多个开关元件为宽带隙器件。
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