CN1327629A - 电力变换装置的开关电路 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于电力变换装置的开关电路,能够降低导通损耗,实现高效率化带来的小型轻量化、高频化。连接有向开关的主晶体管提供用于通断驱动的驱动电力的驱动晶体管,在该主晶体管和驱动晶体管之间设有变流器构成的辅助电源。在主晶体管上并联连接有开关损耗比该主晶体管小的辅助晶体管,与主晶体管一起构成主开关。使主晶体管为电流驱动型,使驱动晶体管及辅助晶体管两者为电压驱动型。在主晶体管导通时比该主晶体管更快地驱动辅助晶体管,而在主晶体管截止时,比该主晶体管更慢地驱动辅助晶体管。

Description

电力变换装置的开关电路
技术领域
本发明涉及开关型电力变换装置中的开关电路。本发明特别涉及下述形式的开关电路：连接有按照控制信号向开关的主晶体管提供用于通断驱动的驱动电力的驱动晶体管，在主晶体管和驱动晶体管之间设有变流器构成的辅助电源。
背景技术
使用半导体开关元件即开关晶体管的电力变换装置具有电力变换效率高的特性，所以从能量的有效利用的观点出发，在极广的范围内被使用。作为开关晶体管，有绝缘栅型双极晶体管(IGBT)、静电感应型晶体管(SIT)、场效应型晶体管(FET)等电压驱动型的晶体管，以及双极模式静电感应型晶体管(BSIT)、双极结型晶体管(BJT)等电流驱动型的晶体管。
电压驱动型的晶体管能够用电压信号直接驱动，驱动电路容易简化，能够将驱动频率设定得很高。在需要250V以上耐压的用途中，可根据容量或驱动频率等而分别使用几种形式的晶体管，而在几kHz至几百kHz的驱动频率的范围内，导通状态下的电压降和开关性能的综合平衡优良的IGBT、和电流容量小但能够高速工作的FET被电力变换装置广泛采用。
另一方面，电流驱动型的晶体管通过将电流注入到控制端子来进行驱动，所以驱动电路容易变得复杂，与电压驱动型的晶体管相比，有动作速度慢的倾向。然而，它有下述特征：导通状态下的电压降是电压驱动型晶体管的约1/3乃至1/6，导通损耗小。因此，可以说电流驱动型的开关晶体管更适于电力变换装置的小型化。
如上所述，作为电力变换装置能够使用的半导体开关元件即开关晶体管，大体有2种形式，而从部件的小型化或电路的简化、高频化带来的小型化、成本削减等观点出发，采用开关损耗小、高频驱动容易的电压驱动型的开关晶体管的事例增多。然而，考虑到要适应将来社会对进一步高效率化或小型化的要求，如果延续目前使用电压驱动型开关晶体管的技术，则电压驱动型晶体管中导通状态下的电压降大将成为障碍。特别是从目前来看，在作为电压驱动型晶体管主流的IGBT等中，导通状态下的电压降已被改善到理论值附近，目前的完成度很高，因而处于将来不能期待大幅度减小导通损耗的状况。
对于开关损耗，出于防止电磁环境污染和削减电力损耗这两个目的，正在开发利用谐振现象的损耗回收技术、和软开关技术。对此，作为开关元件的晶体管中的导通损耗在元件中流过电流时必然发生，损耗的大小依赖于元件的性能，所以除了重新考虑电路拓扑结构以外，用单纯的技巧不容易实现其减小。
在这种状况下，在电力变换装置的技术领域中，以装置主体的小型化或大输出高密度化、高效率化等为目标，现在依然进行着各种努力。
电力变换装置中开关晶体管产生的损耗主要是下述2种：在使晶体管从导通状态变化到截止状态、或者从截止状态变化到导通状态期间产生的开关损耗；以及在晶体管处于导通状态时该晶体管内产生的电压降引起的导通损耗。因此，为了适应将电力变换装置比现在进一步小型化、大输出高密度化这一要求，实现适应需要的电力变换装置，需要开发一种技术，能够综合减小作为电力损耗原因的、上述开关晶体管的导通状态下的电压降引起的导通损耗、和开关损耗这两者，来实现高效率化。
在这种状况下，以往通过有效的电路上的改善来减小开关晶体管中的导通损耗被报告的例子极少。如果从该少数例子的中来举例，则在特开平1-97173号公报上教示了下述技术：在PWM逆变器等PMW全波桥式电力变换装置中，作为构成电桥的元件，通过在按市电频率开关的桥臂中使用双极晶体管这样导通损耗小的半导体开关元件，而在按高频开关的桥臂中使用静电感应型晶体管(SIT)这样开关损耗小的半导体开关元件，来同时减小开关损耗和导通损耗。此外，在(日本)电气学会论文志D分册116卷12号(平成8年)的1205页至1210页上也示出了在使用半导体开关元件的电力变换装置中减小导通损耗的电路上的技巧。然而，这些现有技术具有下述问题：在导通损耗的最优化、驱动电路的损耗减小、小型化等方面考虑得不够，驱动频率事实上有限制。例如，在上述特许(专利)公开公报中，对于作为电流控制型开关元件的双极晶体管的驱动方法没有特别教示。然而，如果像晶体管中的一般驱动方法那样向基极提供一定电流，则由于空载状态或低负载状态下的驱动损耗，低负载时的效率特别恶化。
上述电气学会论文志记载的技术如下所述：在开关晶体管中使用导通损耗小的晶体管，将2个晶体管进行达林顿连接，将其初级的晶体管作为驱动晶体管，在驱动晶体管和主晶体管之间插入变流器(CT)构成的辅助电源。该论文报告：通过该电路结构，能够将导通损耗减小到约1/3。然而，在该论文记载的电路中，达林顿连接的2个晶体管都必须是高耐压的。一般，如果半导体开关元件的耐压增高，则元件的电压降增大，同时开关速度减慢，所以用该手法来进一步改善效率、实现高频化有一定的限界。
发明概述
本发明鉴于现有技术中的上述问题，目的在于提供一种用于电力变换装置的开关电路，能够降低导通损耗，使高效率化带来的小型轻量化、高频化成为可能。
为了实现上述目的，在本发明的用于电力变换装置的开关电路中，连接有向开关的主晶体管提供用于通断驱动的驱动电力的驱动晶体管，在该主晶体管和驱动晶体管之间设有变流器构成的辅助电源。此外，在主晶体管上并联连接有开关损耗比该主晶体管小的辅助晶体管，与主晶体管一起构成主开关。在本发明中，使主晶体管为电流驱动型，使驱动晶体管及辅助晶体管两者为电压驱动型。并且在主晶体管导通时比该主晶体管更快地驱动辅助晶体管，而在主晶体管截止时，比该主晶体管更慢地驱动辅助晶体管。
在本发明的优选形态中，设有下述期间：在将驱动控制信号只送至辅助晶体管、该辅助晶体管成为导通的状态下，主晶体管成为截止状态。在此情况下，最好设有再生二极管，在将驱动控制信号只送至辅助晶体管的上述期间中从主开关的输出向辅助电源再生电力。在本发明的另一形态中，只在主开关起动时驱动辅助晶体管。再者，在本发明的另一形态中，设有起动电源，只在主开关起动时向辅助电源提供起动电力。
再者，本发明在另一形态中，提供一种用于电力变换装置的开关电路，连接有向开关主晶体管提供用于通断驱动的驱动电力的驱动晶体管，在主晶体管和驱动晶体管之间设有变流器构成的辅助电源，使得来自该辅助电源的电力经整流电路提供给上述驱动晶体管。在此情况下，使主晶体管为电流驱动型，使驱动晶体管为电压驱动型。并且设有起动部件，在主晶体管导通时以比该主晶体管的起动更早的定时向辅助电源提供偏置电力，起动该辅助电源。
附图的简单说明
图1是本发明一实施例的开关电路的电路图。
图2是使用图1开关电路的电力变换装置的结构电路图。
图3是图2电力变换装置中的开关定时的图表。
图4(a)是起动电力供给晶体管的配置电路图。
图4(b)是起动电力供给晶体管的另一配置电路图。
图5是使用包括起动电力供给晶体管的开关电路的电力变换装置的示例电路图。
实施发明的最好形式
以下，随图来说明本发明的实施例。
首先参照图1，实施本发明的开关电路包含电流驱动型半导体开关元件构成的主晶体管S1、和为了向该主晶体管S1的基极提供驱动信号而连接的驱动晶体管S2。作为本发明的特征，驱动晶体管S2由电压驱动型半导体元件构成。在主晶体管S1上并联连接有辅助晶体管S3。该辅助晶体管S3也由电压驱动型半导体元件构成。辅助晶体管S3的漏极被连接到主晶体管S1的集电极，其源极被连接到主晶体管S1的发射极。主晶体管S1和辅助晶体管S3构成主开关MS。
主晶体管S1的集电极经连接端子1连接到直流电源的一个极，其发射极经连接端子2连接到直流电源的另一个极。在连接端子1和主开关MS及驱动晶体管S2之间连接有变流器CT。变流器CT的初级线圈CT1被串联连接到主晶体管S1的集电极，其次级线圈CT2经二极管D1及电容器C1构成的整流电路连接到驱动晶体管S2。在变流器CT的初级线圈CT1上并联连接有二极管D2、D3。详细地说，驱动晶体管S2的漏极被连接到变流器CT的次级线圈，其源极被连接到主晶体管S1的基极。
在该开关电路中，端子3、4分别用于接收向驱动晶体管S2及辅助晶体管S3的栅极提供的信号的输入。变流器CT的作用如前述电气学会论文志中的论文所述，使得与主开关的输出电流对应的驱动电流经驱动晶体管S2被提供给主晶体管S1的基极。在图示的开关电路中，变流器CT的次级线圈的一方被连接到驱动晶体管S2的漏极，而另一方被连接到主晶体管S1的发射极，所以能够使驱动晶体管S2的耐压低于主晶体管S1的耐压。因此，作为驱动晶体管S2，能够使用耐压低、开关速度快、电压降小、比较廉价的晶体管。用于向主晶体管S1提供驱动电流的驱动晶体管S2是电压驱动型的，所以其驱动能够用省电的控制信号来进行。
图2示出使用图1所示开关电路的电力变换装置的一例。该电力变换装置包括4个图1所示结构的开关电路，各个开关电路由标号B1、B2、B3、B4来表示。在图2中，开关电路B1与图1同样示出电路元件及其连接，而开关电路B2、B3、B4则省略了其详细的图示。
在图2中，开关电路B1、B4的端子1被连接到直流电源E的正极，开关电路B2、B3的主晶体管S1的发射极被连接到直流电源E的负极。开关电路B1、B4的主晶体管S1的发射极和开关电路B2、B3的端子1分别被连接到输出电路6，输出电路6被连接到负载7。与来自输出电路6的输出对应的信号被输入到控制电路8。向控制电路8输入表示开关电路B1、B2、B3、B4的主晶体管S1中流过的电流的信号S11、S12、S13、S14。控制电路8接收这些输入信号，生成开关信号。
该开关信号包括：提供给开关电路B1、B2、B3、B4各自的驱动晶体管S2的主晶体管驱动信号SS1、SS2、SS3、SS4；以及提供给开关电路B1、B2、B3、B4各自的辅助晶体管S3的辅助晶体管驱动信号SF1、SF2、SF3、SF4。
图3(a)是图2所示电力变换装置中的各开关晶体管的工作定时的时序图。开关晶体管的工作定时将交流输出的半周期分为2个部分，对其各个部分采用不同的确定方法。在图3(b)所示的交流输出波形中，在半周期中，将输出电流与峰值之比高于规定比例的部分作为期间T1，将低于规定比例的部分作为期间T2。
如图3(a)所示，在期间T1中，向开关电路B1、B3的驱动晶体管S2提供(甲)所示的驱动信号SS1、SS3，在这些开关电路B1、B3中流过图3(a)中(乙)所示的电流。此外，向开关电路B1、B3的辅助晶体管S3提供图3(a)中(丙)所示的驱动信号SF1、SF3，在这些晶体管S3中流过图3(a)的(丁)所示的电流。从图3(a)可知，提供给辅助晶体管S3的驱动信号开始于比驱动晶体管S2的驱动信号早的定时，持续到驱动晶体管S2的驱动信号断开以后。辅助晶体管S2的电流一直流到主晶体管S1的电流上升，而在主晶体管S1中开始流过电流后徐徐减少，在主晶体管S1中流过相对于输出电流的电流期间为零。这是因为，电流驱动型的主晶体管S1对电流流动的电阻小，电流集中在主晶体管。
通过该控制，在主开关MS接通时，作为辅助电源的变流器CT的次级端整流电路被起动，在主开关MS断开时，辅助电源立即起作用。此外，在主开关MS接通时，能够用开关速度比主晶体管S1快的元件来进行产生开关损耗的开关动作，所以能够减小开关损耗。再者，在主开关MS的大部分导通期间中，使导通损耗少的电流驱动型晶体管导通，所以也能够减小导通损耗。因此，作为整体，能够减小开关电路的损耗。
在该电路中，能够将辅助晶体管S3控制为只在主开关MS起动时动作。这里，所谓主开关MS起动时，是指在开关电路从停止状态开始工作的情况下，主开关MS移至通常的工作状态的初始动作的期间。在该控制时，按照变流器CT的次级线圈CT2上连接的整流电路的电容器C1的充电电压来向辅助晶体管S3提供驱动信号。具体地说，在主开关MS起动时，向辅助晶体管S3的栅极提供驱动信号，直至电容器C1中积累规定的电荷，在电容器C1中积累了规定的电荷后，停止辅助晶体管S3的驱动信号。在电容器C1中积累规定的电荷后，来自辅助电源的电力通过变流器CT的作用被提供给驱动晶体管S2，进行通常的主开关MS的开关动作。在该控制中，辅助晶体管S3只在初始工作中工作，所以作为辅助晶体管S3，能够使用小容量的部件。而且，主开关MS的动作在起动时以外只通过主晶体管S1的工作来进行。因此，工作频率由主晶体管S1的特性而定。
如图3(a)所示，使开关电路B2、B4的动作定时与开关电路B1、B3偏差半周期。
在输出电流与峰值之比低于规定比例的期间T2中，如图3(a)所示，停止给驱动晶体管S2的驱动信号SS1、SS3，通过只使辅助晶体管S3动作来进行开关。在此情况下，能够从图1及图2所示的具有二极管D4的端子5再生作为辅助电源的变流器CT的次级线圈CT2中积累的能量，能够将该再生的能量例如提供给其他开关电路的辅助电源。为此，例如图4所示，在变流器CT的次级线圈CT2上连接的电路上连接偏置晶体管T，用于经防止逆电压的二极管D5来提供起动电力，在该开关电路的主开关起动时提供其他开关电路再生的电力即可。
此外，图4(a)所示的包含晶体管T的电路可用作主开关的起动电路。即，能够进行下述控制：在主开关MS起动时，从晶体管T提供起动电力，而在起动后，使该晶体管T截止。该起动方法具有能够以低电压来起动的优点，所以能够省略图1中的辅助晶体管S3而用防止逆电压的二极管来置换。此外，图4(b)所示的包含晶体管T的电路可用作主开关的起动电路。即，能够进行下述控制：在主开关S1起动时，从晶体管T提供起动电力，而在起动后，使该晶体管T截止。该起动方法具有能够以低电压来起动的优点，所以能够省略图1中的辅助晶体管S3而用防止逆电压的二极管来置换。图5示出使用这样构成的开关电路的电力变换装置的例子。在图5中，主晶体管S1上并联连接的二极管用标号D6来表示。

Claims (6)

1、一种开关电路，用于电力变换装置，连接有向开关的主晶体管提供用于通断驱动的驱动电力的驱动晶体管，在上述主晶体管和上述驱动晶体管之间设有变流器构成的辅助电源，在上述主晶体管上并联连接有开关损耗比该主晶体管小的辅助晶体管，与上述主晶体管一起构成主开关，其特征在于，
使上述主晶体管为电流驱动型，使上述驱动晶体管及上述辅助晶体管两者为电压驱动型；
在上述主晶体管导通时比该主晶体管更快地驱动上述辅助晶体管，而在上述主晶体管截止时，比该主晶体管更慢地驱动上述辅助晶体管。
2、如权利要求1所述的开关电路，其特征在于，在电力变换装置的交流输出的半周期中，设有下述期间：在将驱动控制信号只送至上述辅助晶体管、上述辅助晶体管成为导通的状态下，上述主晶体管成为截止状态。
3、如权利要求2所述的开关电路，其特征在于，连接有再生二极管，在将驱动控制信号只送至上述辅助晶体管的上述期间中，从上述主开关的输出向上述辅助电源再生电力。
4、如权利要求1至3中任一项所述的开关电路，其特征在于，只在上述主开关起动时驱动上述辅助晶体管。
5、如权利要求1至4中任一项所述的开关电路，其特征在于，设有起动电源，只在上述主开关起动时向上述辅助电源提供起动电力。
6、一种开关电路，用于电力变换装置，连接有向开关的主晶体管提供用于通断驱动的驱动电力的驱动晶体管，在上述主晶体管和上述驱动晶体管之间设有变流器构成的辅助电源，使得来自该辅助电源的电力经整流电路提供给上述驱动晶体管，其特征在于，
使上述主晶体管为电流驱动型，使上述驱动晶体管为电压驱动型；
设有起动部件，在上述主晶体管导通时以比该主晶体管的起动更早的定时向上述辅助电源提供偏置电力，起动该辅助电源。
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