CN114128116B - 电力变换装置、半导体开关驱动装置及控制方法 - Google Patents

电力变换装置、半导体开关驱动装置及控制方法 Download PDF

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Abstract

半导体开关驱动装置(3)具备驱动部(10)、电源部(20)、开关(39)以及控制部(50)。驱动部(10)向主电路(2)的半导体开关(Q)供给其控制信号，驱动半导体开关(Q)。电源部(20)向驱动部(10)供给电力。开关(39)通过电源部(20)的1次侧的过电压状态的检测或控制，来切断对电源部(20)的电力供给。控制部(50)基于半导体开关(Q)的控制端子的电压，来切换开关(39)的导通状态。

Description

电力变换装置、半导体开关驱动装置及控制方法
技术领域
本发明涉及电力变换装置、半导体开关驱动装置及控制方法。
背景技术
在电力变换装置中使用的半导体开关由半导体开关驱动装置来驱动。在半导体开关驱动装置中，对半导体开关的控制端子施加相对于共通电位的负偏压，从而使半导体开关的断开状态稳定化。但是，若半导体开关发生故障，则有时半导体开关的控制端子与成为共通电位的端子(2次侧电路的一个端子)成为短路的故障状态(控制端子短路故障)。例如，在IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：绝缘栅双极3xing晶体管)的情况下，有时成为栅极与发射极短路的故障状态(控制端子短路故障)。若发生该控制端子短路故障，则有时在半导体开关驱动装置中流过由短路故障引起的异常电流。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2016-127737号公报
发明内容
发明要解决的技术问题
本发明的目的在于，提供一种能够切断半导体开关的控制端子短路故障引起的异常电流的电力变换装置、半导体开关驱动装置及控制方法。
用于解决技术问题的手段
本发明的半导体开关驱动装置具备驱动部、电源部、开关以及控制部。驱动部向主电路的半导体开关供给其控制信号，驱动所述半导体开关。所述电源部向所述驱动部供给电力。所述开关通过所述电源部的1次侧的过电压状态的检测或控制，切断对所述电源部的电力供给。所述控制部基于所述半导体开关的控制端子的电压，切换所述开关的导通状态。
附图说明
图1A是第一实施方式的电力变换装置的结构图。
图1B是用于说明第一实施方式的半导体开关的短路故障的图。
图2是第一实施方式的栅极电源保护单元的结构图。
图3是第一实施方式的电力变换装置的主电路单元的结构图。
图4是第二实施方式的电力变换装置的概略结构图。
具体实施方式
以下，对实施方式的电力变换装置、半导体开关驱动装置及控制方法进行说明。此外，本说明书中所说的“连接”，并不限定于物理连接的情况，也包括电连接的情况。说明书中所说的“基于XX”是指“至少基于XX”，包括除了XX之外基于其他要素的情况。此外，“基于XX”并不限定于直接使用XX的情况，也包括基于对XX进行了运算、加工后的信息的情况。“XX”是任意的要素(例如，任意的信息)。另外，对具有相同或类似的功能的结构标注相同的附图标记。
(第一实施方式)
首先，对实施方式的电力变换装置1进行说明。
图1A是实施方式的电力变换装置1的概略结构图。
电力变换装置1具备主电路单元2和半导体开关驱动装置3。
图1A所示的主电路单元2例如包括一个以上的半导体开关Q。作为半导体开关Q的种类，例示了IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：绝缘栅双极型晶体管)，但不限于此，也可以是其他种类的半导体开关。在主电路单元2中，分别设置有作为电极使用的端子TC、TE及TG。例如，端子TC、TE及TG在主电路单元2的壳体的内部分别与半导体开关主体、例如IGBT的集电极、发射极及栅极连接。将半导体开关Q的发射极电位、即主电路单元2的端子TE的电位设为基准电位。关于主电路单元2的更具体的结构，在后面叙述。
半导体开关驱动装置3具备驱动电路10(驱动部)、栅极电源20(电源部)、栅极电源保护单元30及控制部50。例如，半导体开关驱动装置3具备信号端子TGPa和TGPb的对、电源端子TPSP和TPSN的对、端子TCOM、端子TGO。信号端子TGPa和TGPb的对与控制装置4的输出连接，被供给栅极脉冲GP。电源端子TPSP和TPSN的对被从直流电源5供给直流电力(DCpower)。端子TCOM是与端子TE连接并成为半导体开关驱动装置3的基准电位的端子。端子TGO与端子TG连接，输出半导体开关驱动装置3的输出信号，并供给至端子TG。
例如，从直流电源5向电源端子TPSP和TPSN的对供给的直流电力经由栅极电源保护单元30被供给至栅极电源20。栅极电源20包含稳定化电源电路，基于被供给的直流电力，变换为正的电压+VGE和负的电压-VGE这两极性的直流电力。栅极电源20将正电压+VGE和负电压-VGE分别供给至驱动电路10的正极侧电极LDCP和负极侧电极LDCN。该栅极电源20的输出侧与主电路单元2的电源绝缘。关于栅极电源保护单元30的详细内容，在后面叙述。
驱动电路10具备光耦合器11、电平变换电路12、电力放大电路13、电阻14、电容器15P和15N、电压检测部16(图中的记载为VGED)。
光耦合器11的输入与信号端子TGPa和TGPb的对连接。光耦合器11包括输入侧的LED和输出侧的光电二极管的组，光耦合器11的输入和输出相互绝缘。光耦合器11使用来自栅极电源20的电力将向信号端子TGPa和TGPb的对供给的栅极脉冲GP变换为输出用的电信号。
电平变换电路12的输入与光耦合器11的输出连接。从光耦合器11输出的电信号通过电平变换电路12被变换为输出阻抗和信号电平。
例如，电平变换电路12具备在正极侧电极LDCP和负极侧电极LDCN上分别连接集电极的推挽型晶体管对。推挽型晶体管对的各基极与光耦合器11的输出(光电二极管的阳极)连接。各基极的电位成为相对于正的电压+VGE仅低光电二极管的反向偏置电压的电位。由此，电平变换电路12输出变换为从负的电压-VGE的直流到正的电压+VGE之间的电压的电信号。
电力放大电路13例如具备与正极侧电极LDCP和负极侧电极LDCN连接的推挽型晶体管对。电力放大电路13的输入与电平变换电路12的输出连接。由电力放大电路13进行输出阻抗的变换，从电平变换电路12输出的电信号被电力放大。电力放大电路13输出从负电压-VGE到正电压+VGE之间的振幅的电信号。电力放大电路13的输出经由电阻14和端子TG而与半导体开关Q的栅极连接，向半导体开关Q的栅极以从负的电压-VGE的直流到正的电压+VGE之间的电压而输出由光耦合器11生成的电压。
电容器15P与正极侧电极LDCP和端子TG连接。电容器15N设置在负极侧电极LDCN与端子TG之间。电容器15P和15N是电源的旁路电容器。
电压检测部16检测出端子TCOM与端子TGO之间(端子TE与端子TG之间)的电位差、即半导体开关Q的栅极电压。电压检测部16将半导体开关Q的栅极电压的检测结果供给至控制部50。控制部50基于半导体开关Q的栅极电压的检测结果来控制栅极电源保护单元30。
例如，在向信号端子TGPa和TGPb供给了栅极脉冲GP时，即在信号端子TGPa与TGPb的对中产生与栅极脉冲GP对应的规定的电位差时，光耦合器11对其进行检测，并输出相对于基准电位而言电位比较高的电信号。电位比较高的电信号是指光耦合器11的光电二极管的阳极电位相对于基准电位比较高的状态。电平变换电路12和电力放大电路13输出与该电位比较高的电信号对应的电位的电信号，并施加到半导体开关Q的栅极。此时，半导体开关Q的栅极电位被偏置为正，半导体开关Q成为导通。
在没有向信号端子TGPa和TGPb供给栅极脉冲GP时，即信号端子TGPa与TGPb的对未产生规定的电位差时，光耦合器11对其进行检测，输出电位比较低的电信号。电平变换电路12和电力放大电路13输出与该电位比较低的电信号对应的电位的电信号，并施加到半导体开关Q的栅极。此时，半导体开关Q的栅极电位被偏置为负，半导体开关Q成为截止。
图1B是用于说明实施方式的半导体开关Q的短路故障的图。
半导体开关Q有时成为栅极与发射极之间，换言之，端子TG(控制端子)与端子TE(成为共通电位的端子)间短路的故障状态(称为控制端子短路故障)。若半导体开关Q的栅极与发射极之间发生短路，则如图1B所示的箭头那样，在根据栅极脉冲将半导体开关Q控制为导通时，在没有栅极脉冲而将半导体开关Q控制为断开时，有时也会流过短路电流。
参照图2，对实施方式的栅极电源保护单元30进行说明。图2是实施方式的栅极电源保护单元30的结构图。
栅极电源保护单元30具备光耦合器31、电容器32、分压电阻33、过电压检测单元34、电流放大电路35、恒压二极管36、偏置电路37、恒压二极管38及开关39。
光耦合器31的输入与控制部50的输出连接。光耦合器31包括输入侧的LED和输出侧的光电晶体管的组，光耦合器31的输入和输出相互绝缘。光耦合器31接收控制部50输出的切断控制信号，基于切断控制信号来控制光电晶体管的导通/截止。例如，在切断控制信号的逻辑为1时，光电晶体管导通，在该逻辑为0时，光电晶体管截止。
电容器32与光耦合器31的输出并联连接，抑制光耦合器31的输出的导通/截止切换时的急剧的电压变化。
分压电阻33具备串联连接的电阻33a～33c。分压电阻33的两端分别与端子TPSP和端子TPSN连接。分压电阻33将对端子TPSP与端子TPSN之间施加的电压进行分压。在电阻33b的两端并联连接有光耦合器31的输出和电容器32。通过分压电阻33的分压比，生成用于过电压检测的比较电压。
过电压检测单元34例如检测在电阻33c的两端产生的电压，并将该电压与预先确定的阈值电压进行比较。过电压检测单元34在电阻33c的两端产生的电压比阈值电压高的情况下，判定为过电压，在电阻33c的两端产生的电压比阈值电压低的情况下判定为平时的电压。过电压检测单元34在检测出过电压时输出低电平(0)，在检测出平时的电压时输出高电平(1)。
电流放大电路35包括NPN晶体管。电流放大电路35在过电压检测单元34输出高电平(1)时，NPN晶体管导通，在其后级的电路中流过集电极电流。电流放大电路35在过电压检测单元34输出低电平(0)时，NPN晶体管截止，而停止集电极电流。如上所述，电流放大电路35在由过电压检测单元34检测出过电压时，停止NPN晶体管的集电极电流。
恒压二极管36与电流放大电路35的NPN晶体管的集电极串联连接。若电流放大电路35使NPN晶体管的集电极电流流过，则恒压二极管36成为反向偏置的状态，在两端产生预先确定的击穿电压。该电压被作为用于检测电源电压的不足电压状态的阈值来利用。
偏置电路37例如具备分压电阻37a和37b、晶体管37c、分压电阻37d和37e。
分压电阻37a和37b彼此串联连接，形成分压电阻。分压电阻37a的一端与端子TPSP连接。分压电阻37b的一端与恒压二极管36的阴极连接。在分压电阻37a与37b的各另一端的连接点上连接有晶体管37c(PNP晶体管)的基极。例如，在电流放大电路35的NPN晶体管导通、且超过恒压二极管36的击穿电压的电压施加于端子TPSP与端子TPSN之间时，电流放大电路35的NPN晶体管处流过集电极电流，在上述连接点产生晶体管37c成为导通的基极电位。由此，晶体管37c导通。在上述以外的条件下，晶体管37c截止。
分压电阻37d和37e相互串联连接，形成分压电阻。分压电阻37d的一端与端子TPSP连接，分压电阻37e的一端与端子TPSN连接。分压电阻37d和37e在不被其他电路元件限制时，将对端子TPSP与端子TPSN之间施加的电压进行分压。此外，分压电阻37d与晶体管37c的发射极-集电极间、后述的恒压二极管38的两端及开关39的栅极-源极间分别并联连接。
恒压二极管38限制开关39的栅极-源极间的电压，以使开关39的栅极-源极间的电压不超过其击穿电压。
开关39例如是半导体开关，更具体而言是MOSFET。开关39的源极与端子TPSP连接，漏极与后级的栅极电源20连接。通过该开关39的接通/断开控制，决定可否向栅极电源20供给电力。开关39的栅极与晶体管37c的集电极连接。
如上所述，开关39的栅极-源极间的电压由晶体管37c控制。例如，在晶体管37c截止时，开关39的栅极-源极间的电压根据分压电阻37d和37e的分压比、或者由恒压二极管38的击穿电压决定的电压被偏置为负。由此，如果栅极端子的电位比开关39的源极端子的电位低，则开关39断开。如果栅极端子的电位与开关39的源极端子的电位相等或更高，则开关39导通。在后者的情况下，开关39成为能够对栅极电源20供给电力的状态。
如上所述，半导体开关驱动装置3在电源电压的不足电压时和过电压时，通过栅极电源保护单元30切断向栅极电源20的供电。进而，半导体开关驱动装置3使用栅极电源保护单元30，切断半导体开关Q的短路故障时的供电。以下，对此进行说明。
根据来自控制部50的切断控制信号，光耦合器31的光电晶体管被进行导通/截止控制时，分压电阻33的分压比发生变化。例如，如果光耦合器31的光电晶体管截止，则分压电阻33的分压比由电阻33a～33c决定。与此相对，若光耦合器31的光电晶体管导通，则分压电阻33的分压比由电阻33a和电阻33c决定。如上所述，光耦合器31的光电晶体管导通时，以由电阻33a和电阻33c决定的分压比进行了分压时的电阻33c的电压比上述晶体管截止时高。
过电压检测单元34即使不是过电压状态时，也与宛如产生过电压状态时同样地检测在如上所述通过来自控制部50的切断控制信号被设定为较高的电阻33c的电压。由此，过电压检测单元34以与过电压检测时同样地使开关39断开的方式输出低电平(0)。以后的动作的说明与过电压检测时相同。由此，开关39被控制为断开，能够切断流过半导体开关Q的控制端子的电流。
此外，栅极电源20在平时经由脉冲变压器22将交流电力向2次侧发送，但若开关39被控制为断开，则向栅极电源20的1次侧供给的电力消失，因此向2次侧发送的电力也同样地消失。由此，在半导体开关Q中发生短路故障的故障点，能够切断从驱动电路10流入的电流。
根据上述实施方式，控制部50基于半导体开关Q的栅极(控制端子)的电压(栅极电压)，切换栅极电源保护单元30的开关39的导通状态。栅极电源保护单元30的开关39通过栅极电源20的1次侧的过电压状态的检测，或者控制，来切断对栅极电源20的电力供给。由此，能够切断由半导体开关Q的控制端子短路故障引起的异常电流。
驱动电路10在使半导体开关Q断开的情况下，使半导体开关Q的栅极控制信号向偏置为负。控制部50在使半导体开关Q断开的情况下的栅极控制信号的电压小于规定值的情况下，通过利用开关39切断对栅极电源20的电力供给，能够中断对发生了短路故障的半导体开关Q的控制。
驱动电路10在平时将半导体开关Q断开的情况下，将栅极控制信号偏置为负。提供一种电力变换装置，在断开半导体开关Q的情况下的、上述的栅极控制信号的电压小于针对正常时的电压而确定的规定值的情况下，控制部50通过开关来切断对栅极电源(20)的电力供给。上述的栅极控制信号的电压小于规定值的情况也可以是上述的栅极控制信号的电压的绝对值小于预先确定的规定值的情况。
(第一实施方式的变形例)
在第一实施方式中，对主电路单元2的概略结构进行了说明，但在本变形例中，例示更具体的结构例。
图3是变形例的主电路单元2的结构图。
主电路单元2例如具备支路LU～LW。主电路单元2将直流电力变换为3相交流电力。支路LU～LW同样地构成，分别与电动机M的U相、V相、W相的绕组(未图示)相对应。主电路单元2将3相交流电力供给至电动机M。
支路LU具备半导体开关QU、QX和2个半导体开关驱动装置3。支路LV具备半导体开关QV、QY和2个半导体开关驱动装置3。支路LW具备半导体开关QW、QZ和2个半导体开关驱动装置3。在此，以支路LU为代表，对各支路的结构进行说明。
半导体开关QU和QX是同种的开关元件，在此例示IGBT。半导体开关QU和QX的开关侧彼此串联连接，半导体开关QU设置在正极侧(称为p侧)，半导体开关QX设置在负极侧(称为n侧)。
半导体开关驱动装置3的输出分别与半导体开关QU和QX的各栅极半导体开关QU和QX的各栅极连接。
上述的结构例是一个例子，并不限于图示的结构，也可以适当变更。
(第二实施方式)
图4是实施方式的电力变换装置1A的概略结构图。
图4所示的主电路单元2U和2V(称为第一主电路和第二主电路)分别是包含1个IGBT的主电路单元2的一例。主电路单元2U和2V相当于上述主电路单元2。
主电路单元2U和2V分别包括半导体开关QU(第一半导体开关)和QV(第二半导体开关)。
半导体开关驱动装置3A具备驱动电路10U和10V(第一驱动部和第二驱动部)、栅极电源20A(电源部)、栅极电源保护单元30以及控制部50A。半导体开关驱动装置3A的驱动电路10U和10V与控制装置4的输出连接，被供给栅极脉冲GP。
驱动电路10U向半导体开关QU供给其栅极控制信号，驱动半导体开关QU。驱动电路10V向半导体开关QV供给其栅极控制信号，驱动半导体开关QV。
驱动电路10U具备电压检测部16A。电压检测部16A检测半导体开关QU的栅极(第一控制端子)的电压(栅极电压)。此外，驱动电路10V也可以具备与电压检测部16A同样的电压检测部，也可以不具备电压检测部。半导体开关QV的栅极是第二控制端子的一例。
栅极电源20A向驱动电路10U和10V供给电力。
例如，栅极电源20A具备栅极电源主体21、脉冲变压器221和222(第一脉冲变压器和第二脉冲变压器)。
栅极电源主体21形成栅极电源20A的1次侧电路，向后级的脉冲变压器221和222分别供给高频脉冲。
脉冲变压器221和222构成为具备磁耦合且彼此绝缘的1次绕组和2次绕组。脉冲变压器221和222具有对高频脉冲的响应性，形成为能够变换期望的电力量。
例如，脉冲变压器221用脉冲变压器221的1次绕组来接收从栅极电源主体21供给的高频脉冲，变换并生成电力。脉冲变压器221从其2次绕组向驱动电路10U供给电力。脉冲变压器222通过脉冲变压器222的1次绕组来接收从栅极电源主体21供给的高频脉冲，变换并生成电力。脉冲变压器222从其2次绕组向驱动电路10V供给电力。
栅极电源保护单元30具备开关，该开关通过栅极电源20A的1次侧的过电压状态的检测或者控制，来切断对栅极电源20A的电力供给。
控制部50A也可以基于由电压检测部16A检测出的半导体开关QU的栅极的电压(栅极电压)，来检测半导体开关QU或半导体开关QV的短路故障。控制部50A基于半导体开关QU的栅极的电压(栅极电压)的检测结果，切换栅极电源保护单元30的开关的导通状态。
如上述那样构成的栅极电源20A，以驱动电路10U和10V为负载。驱动电路10U和10V取得作为负载的平衡，在各自的负载的大小收敛于规定的范围内的情况下，栅极电源20A构成为稳定地供给对驱动电路10U和10V进行驱动的电力。
但是，若驱动电路10U和10V分别驱动的半导体开关QU和QV中的某一个发生短路故障，则驱动电路10U和10V的作为负载的平衡被破坏。进而，由于短路故障，栅极电源20A成为过负载状态，有时无法稳定地供给电力。
例如，若半导体开关QV发生短路故障，则驱动电路10V的负载电流增大，流过比平时的电流大的电流，如上述那样负载的平衡被破坏。栅极电源20A成为过负载状态，无法对未产生短路故障的驱动电路10U供给充分的电力。因此，由电压检测部16A检测出的半导体开关QU的栅极的电压(栅极电压)表示与平时不同的电位。通过检测由电压检测部16A检测出的半导体开关QU的栅极的电压(栅极电压)，能够间接地检测系统在不同的半导体开关QV中产生的短路故障。
如上所述，在栅极电源20A供给电力的范围内包含的范围内的多个系统中，检测至少1个半导体开关QU的栅极的电压(栅极电压)，由此即使在上述范围内的特定的系统的半导体开关Q发生了短路故障，也能够间接地检测该短路故障。
根据上述实施方式，半导体开关驱动装置具备驱动部、电源部、开关及控制部。驱动部向主电路的半导体开关供给其控制信号，驱动所述半导体开关。所述电源部向所述驱动部供给电力。所述开关通过所述电源部的1次侧的过电压状态的检测或控制，来切断对所述电源部的电力供给。所述控制部基于所述半导体开关的控制信号的电压，切换所述开关的导通状态。由此，能够切断半导体开关的控制端子短路故障引起的异常电流。
对本发明的几个实施方式进行了说明，但这些实施方式是作为例子而提示的，并不意图限定发明的范围。这些实施方式能够以其他各种方式实施，在不脱离发明的主旨的范围内，能够进行各种省略、置换、变更。这些实施方式及其变形包含在发明的范围或主旨中，同样包含在权利要求书所记载的发明及其等同的范围内。
例如，说明了半导体开关驱动装置3具备控制部50的情况，但不限于此，半导体开关驱动装置3和控制部50也可以分体构成。半导体开关驱动装置3A和控制部50A也与此相同。
附图标记说明
1、1A功率变换装置、2主电路单元(主电路)、3半导体开关驱动装置、10驱动电路(驱动部)、16、16A电压检测部、20、20A栅极电源(电源部)、30栅极电源保护单元、39开关、50、50A控制部、Q半导体开关、QU第一半导体开关、QV第二半导体开关。

Claims (9)

1.一种半导体开关驱动装置，具备：
驱动部，向主电路的半导体开关供给其控制信号，驱动所述半导体开关；
电源部，向所述驱动部供给电力；
电源开关，通过所述电源部的1次侧的过电压状态的检测或者控制，来切断对所述电源部的电力供给；以及
控制部，基于所述半导体开关的控制端子的电压，切换所述电源开关的导通状态。
2.根据权利要求1所述的半导体开关驱动装置，其中，
所述驱动部，在将所述半导体开关设为断开的情况下，将所述控制信号偏置为负，
所述控制部，在将所述半导体开关设为断开的情况下的所述控制端子的电压小于规定值的情况下，通过所述电源开关来切断对所述电源部的电力供给。
3.根据权利要求1所述的半导体开关驱动装置，其中，
所述电源部的输出侧与所述主电路的电源绝缘。
4.根据权利要求1所述的半导体开关驱动装置，其中，
所述半导体开关是IGBT。
5.根据权利要求1所述的半导体开关驱动装置，其中，
具备电压检测部，该电压检测部检测所述半导体开关的控制端子的电压。
6.一种电力变换装置，具备：
第一主电路，具备由向第一控制端子供给的第一控制信号来控制的第一半导体开关；
第一驱动部，向所述第一控制端子供给所述第一控制信号，驱动所述第一半导体开关；
电压检测部，检测所述第一控制端子的电压；
第二主电路，具备由向第二控制端子供给的第二控制信号来控制的第二半导体开关；
第二驱动部，向所述第二控制端子供给所述第二控制信号，驱动所述第二半导体开关；
电源部，向所述第一驱动部和所述第二驱动部供给电力；
电源开关，通过所述电源部的1次侧的过电压状态的检测或者控制，来切断对所述电源部的电力供给；以及
控制部，基于所述第一控制端子的电压，切换所述电源开关的导通状态。
7.根据权利要求6所述的电力变换装置，其中，
所述电源部具备：
所述电源部的1次侧电路；
第一脉冲变压器，对从所述1次侧电路供给的电力进行变换，生成向所述第一驱动部供给的电力；以及
第二脉冲变压器，对从所述1次侧电路供给的电力进行变换，生成向所述第二驱动部供给的电力。
8.根据权利要求6所述的电力变换装置，其中，
所述控制部，基于所述检测出的所述第一控制端子的电压，检测所述第一半导体开关或所述第二半导体开关的短路故障。
9.一种控制方法，是半导体开关驱动装置的控制方法，所述半导体开关驱动装置具备：
驱动部，向主电路的半导体开关供给其控制信号，驱动所述半导体开关；
电源部，向所述驱动部供给电力；以及
电源开关，通过所述电源部的1次侧的过电压状态的检测或者控制，来切断对所述电源部的电力供给，
所述控制方法包括基于所述半导体开关的控制端子的电压来切换所述电源开关的导通状态的过程。
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