TW201440359A - 電力轉換裝置 - Google Patents

Abstract

在半導體切換元件之閘極電壓振動之期間，比較閘極電壓與基準值，檢知閘極電壓超過基準值之狀態與低於基準值之狀態重複交替的情形，判定短路及非短路。藉此，精度佳地檢知半導體切換元件的短路。

Description

電力轉換裝置

本發明有關於一種電力轉換裝置，其使用了進行供以將直流電力轉換成交流電力、或將交流電力轉換成直流電力之切換動作的半導體元件。

電力轉換裝置具備以下功能：將從直流電源所供給之直流電力轉換成供以供給於旋轉電機等之交流電氣負載的交流電力；或將藉旋轉電機而發電之交流電力轉換成供以供給於直流電源之直流電力。為了發揮此轉換功能，電力轉換裝置具備具有複數之半導體元件之換流器電路，藉半導體元件重複導通動作和遮斷動作，以進行從直流電力往交流電力、或從交流電力往直流電力之電力轉換。

於如上述之電力轉換裝置，驅動半導體元件之閘極電路為了防止在電路的異常時於半導體元件流通過大之電流、半導體元件因發熱和開關突波電壓而破壞的情形，而具備短路保護電路。

歷來，作為短路保護技術，已知記載於專利 文獻1之技術。在本技術方面，將基準值設定為供以使額定電流流通的最小之閘極電壓值以上、低於閘極電路之電源電壓值，比較此基準值、及閘極電壓之檢測值，檢知短路。

[先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本發明專利公開2005-6464號公報

近年來，為了以節能化為目的之半導體元件的導通電阻減低，使用了碳化矽(SiC)等之寬能隙半導體之切換元件受到注目。寬能隙半導體切換元件與歷來的半導體矽(Si)切換元件相比之下，飽和電流為大的，此外跨導亦大。

圖14繪示歷來的Si切換元件的閘極電壓波形，圖15繪示跨導大的寬能隙半導體切換元件的閘極電壓波形。

在上述歷來技術方面，於在圖14之短路時與非短路時之閘極電壓的差分大的期間，比較閘極電壓檢測值與基準值，檢知短路。於非短路時由於因鏡像效應發生閘極電壓維持固定而遷移之期間，故藉將基準值設定為額 定電流流通之最小之閘極電壓以上、低於閘極電路之電源電壓，可檢知短路。

另一方面，由於如圖15所示地寬能隙半導體切換元件係跨導為大的，故因鏡像效應而閘極電壓維持固定遷移之期間短，短路時與非短路時之閘極電壓的差分為小的。為此，依照歷來技術的情況下，短路之檢知為難的。

本發明係考慮如上述之問題點而為之者，目的在於提供一種電力轉換裝置，可確實檢知如寬能隙半導體切換元件般跨導為大的切換元件之短路。

本發明人為了解決上述之問題，著眼於短路時與非短路時之閘極波形的振動。於非短路時之接通時回饋能力被放電，由於回饋能力及閘極配線之寄生電感，振動電流流通，其結果閘極電壓振動。在依照了本發明的電力轉換裝置方面，具備藉檢知如此之閘極電壓的振動以判斷短路及非短路之手段。本手段為了檢知短路，於閘極電壓振動之期間，比較閘極電壓與基準值，檢知閘極電壓超過基準值之狀態與低於基準值之狀態重複交替的情形，判定短路及非短路。

根據本發明，可針對跨導為大的切換元件精 度佳地檢知短路。

1‧‧‧半導體元件

2‧‧‧汲極端子

3‧‧‧源極端子

4‧‧‧閘極端子

5‧‧‧閘極電路

6‧‧‧閘極電壓檢測電路

7‧‧‧比較器

8‧‧‧短路檢知電路

9‧‧‧微分電路

10‧‧‧邏輯和(OR)電路

11‧‧‧比較器

12‧‧‧比較器

13‧‧‧汲極-源極間電壓檢測電路

14‧‧‧比較器

15‧‧‧汲極電流檢測電路

16‧‧‧電流感測器

17‧‧‧比較器

18‧‧‧閘極電流檢測電路

19‧‧‧電流感測器

20‧‧‧積分器

21‧‧‧取樣電路

22‧‧‧短路檢知電路

23‧‧‧短路檢知電路

24‧‧‧短路檢知電路

[圖1]是本發明之第1實施例之電力轉換裝置的主要部分之電路構成。

[圖2]在第1實施例之閘極電壓波形。

[圖3]是本發明之第2實施例之電力轉換裝置的主要部分之電路構成。

[圖4]在第2實施例之微分電路的輸出波形。

[圖5]是本發明之第3實施例之電力轉換裝置的主要部分之電路構成。

[圖6]在第3實施例之微分電路的輸出波形。

[圖7]是本發明之第4實施例之電力轉換裝置的主要部分之電路構成。

[圖8]在第4實施例之汲極-源極端子間電壓波形。

[圖9]是本發明之第5實施例之電力轉換裝置的主要部分之電路構成。

[圖10]在第5實施例之汲極電流波形。

[圖11]是本發明之第6實施例之電力轉換裝置的主要部分之電路構成。

[圖12]在第6實施例之閘極電流波形。

[圖13]是本發明之第7實施例之電力轉換裝置的主要部分之電路構成。

[圖14]歷來的Si切換元件的閘極電壓波形。

[圖15]寬能隙半導體切換元件的閘極電壓波形。

(實施例1)

圖1繪示是本發明之第1實施例之電力轉換裝置的主要部分之電路構成，圖2繪示在本實施例之閘極電壓波形。

本實施例之電力轉換裝置由以SiC作為構成材料之半導體切換元件1、閘極電路5、閘極電壓檢測電路6、比較器7、及短路檢知電路8所構成。半導體切換元件1具有汲極端子2、源極端子3及閘極端子4，於閘極端子4與源極端子3之間，連接著供以將半導體切換元件1作ON/OFF驅動之閘極電路5。

閘極電壓檢測電路6檢測是閘極端子4與源極端子3之間的電壓之閘極電壓。閘極電壓檢測電路6所輸出之閘極電壓檢測值與預先設定之基準值1藉比較器7而被比較。

非短路時之閘極電壓雖由於因回饋能力與閘極配線之共振而振動而使得閘極電壓檢測值超過基準值1之狀態與低於基準值1之狀態重複交替，惟比較器7判定閘極電壓檢測值超過基準值1、或低於基準值1、或該兩方的情形而輸出判定結果。

根據如此之判定結果，短路檢知電路8於在振動發生期間之預先設定的時間內，在複數次檢知閘極電壓超過基準值1之狀態、或低於基準值1之狀態、或兩狀態之情況下，判定為非短路，未檢知之情況下，判定為短路。然後，利用了短路檢知電路8之判定結果係輸入閘極電路5，於短路時藉閘極電路5以遮斷半導體切換元件1之電流，於非短路時進行一般的切換動作。

另外，作為半導體切換元件，不限於SiC半導體切換元件，亦可使用氮化鎵(GaN)半導體切換元件等之其他的寬能隙半導體切換元件(以下的各實施例亦同樣)。

(實施例2)

圖3繪示是本發明之第2實施例之電力轉換裝置的主要部分之電路構成。在本實施例方面，設置檢測閘極電壓的微分值之微分電路，檢測閘極電壓的變化量，藉閘極電壓的變化量之檢測值以檢知短路。

在圖4繪示在本實施例之微分電路的輸出波形。短路時之閘極電壓由於到達閘極電路5之電源電壓時成為固定的電壓，微分值係0，故保持基準值2以下而遷移。另一方面，非短路時之微分電路9的輸出電壓由於會振動，故超過基準值2之狀態與低於基準值2之狀態重複交替。然後，藉比較器7與短路檢知電路8，與實施例1同樣地，在複數次檢知閘極電壓之微分值超過基準值2之 狀態、或低於基準值2之狀態、或兩狀態的情況下，判定為非短路，未檢知之情況下，判定為短路。

利用了短路檢知電路8之判定結果係輸入閘極電路5，於短路時藉閘極電路5將半導體切換元件1之電流遮斷，於非短路時，進行一般的切換動作。於振動發生期間，在複數次檢知超過狀態及、低於狀態之情況下，判定為非短路，未檢知之情況下，判定為短路。然後，將利用了短路檢知電路8之檢知結果輸入閘極電路5，於短路時藉閘極電路5以將半導體切換元件1之電流遮斷，於非短路時，進行一般的切換動作。

(實施例3)

圖5繪示是本發明之第3實施例之電力轉換裝置的主要部分之電路構成，圖6繪示在本實施例之微分電路的輸出波形。

本實施例與實施例2相異之點在於，作為基準值，設定閘極電壓振動的正側之基準值1與閘極電壓振動的負側之基準值2。藉設定複數個基準值，檢測精度提升，減低誤檢知。

另外，於實施例1同樣地設定複數個基準值亦可提昇檢測精度。

(實施例4)

圖7繪示是本發明之第4實施例之電力轉換裝置的主 要部分之電路構成，圖8繪示在本實施例之汲極-源極端子間電壓波形。

短路時之汲極-源極間端子電壓與非短路時相比之下，緩慢變化。之後，在換流器等之上下支路具有半導體元件之電路方面，由於換流器的直流電壓被以上下支路的半導體元件分壓，在一般的換流器於上下支路使用相同特性之半導體元件，故維持換流器電壓的約1/2的電壓而遷移。所以，在本實施例方面，藉汲極-源極間電壓檢測電路13以檢測汲極-源極端子間電壓的某固定時間後之電壓，將檢測值藉比較器12以與基準值4比較。根據比較器12所輸出之比較結果，短路檢知電路22在汲極-源極間電壓檢測值小於基準值4之情況下，判定為非短路，大於之情況下，判定為短路。

然後，藉在實施例1之短路檢知電路8與在本實施例之短路檢知電路22之判定結果的邏輯和(OR)電路10，而在其中一檢知電路判定為短路之情況下，藉閘極電路5以遮斷半導體切換元件1之電流。藉此，短路檢知精度提升。

另外，利用了在實施例2之短路檢知電路8與在本實施例之短路檢知電路22之情況下，同樣地短路檢知精度亦提升。

(實施例5)

圖9繪示是本發明之第5實施例之電力轉換裝置的主 要部分之電路構成，圖10繪示在本實施例之汲極電流波形。

短路時之汲極電流與非短路時相比之下，大的電流流通，上升至半導體切換元件的飽和電流。所以，在本實施例方面，藉汲極電流檢測電路15而檢測汲極電流之某固定時間後的電流值，將檢測值藉比較器14以與基準值5比較。根據比較器14所輸出之比較結果，短路檢知電路23在汲極電流檢測值小於基準值5之情況下，判定為非短路，大於之情況下，判定為短路。

然後，藉在實施例1之短路檢知電路8與在本實施例之短路檢知電路23之邏輯和(OR)電路10，而在其中一檢知電路判定為短路之情況下，藉閘極電路5以遮斷半導體切換元件1之電流。藉此，短路檢知精度提升。

另外，利用了在實施例2之短路檢知電路8與在本實施例之短路檢知電路23之情況下，同樣地短路檢知精度亦提升。

(實施例6)

圖11繪示是本發明之第6實施例之電力轉換裝置的主要部分之電路構成，圖12繪示在本實施例之閘極電流波形。

短路時之供給於半導體切換元件1的閘極之電荷量與非短路時相比之下為小的。此原因在於，於非短 路時由於伴隨回饋能力之放電，故從閘極電路5所供給之電荷量變多。所以，在本實施例方面，藉閘極電流檢測電路18而檢測半導體切換元件1之閘極電流，將檢測值藉積分器20以積分固定期間而輸出積分值。將所輸出之積分值藉比較器17以與基準值6比較。根據比較器17所輸出之比較結果，短路檢知電路24在閘極電流的積分值小於基準值6之情況下，判定為短路，大於之情況下，判定為非短路。

然後，藉在實施例1之短路檢知電路8與在本實施例之短路檢知電路24之邏輯和(OR)電路10，而在其中一檢知電路判定為短路之情況下，藉閘極電路5以遮斷半導體切換元件1之電流。藉此，短路檢知精度提升。

另外，利用了在實施例2之短路檢知電路8與在本實施例之短路檢知電路24之情況下，同樣地短路檢知精度亦提升。

(實施例7)

圖13繪示是本發明之第7實施例之電力轉換裝置的主要部分之電路構成。

若要減低短路檢知電路之誤動作，則於檢知電路設定動作期間為有效的。所以，在本實施例方面，於實施例1，進一步，為了在緊接著發生短路之接通之後的某固定期間使短路檢知電路8動作而設置取樣電路21， 限制短路檢知電路8的動作時間。亦即，使短路檢知電路8進行檢知動作之時間為從閘極端子與源極端子間的電壓增加之時點起算預先設定的時間以內。

另外，對於在圖3之短路檢知電路8、圖7之短路檢知電路22、圖9之短路檢知電路23、圖11之短路檢知電路24應用取樣電路21亦具有同樣的效果。

1‧‧‧半導體元件

2‧‧‧汲極端子

3‧‧‧源極端子

4‧‧‧閘極端子

5‧‧‧閘極電路

6‧‧‧閘極電壓檢測電路

7‧‧‧比較器

8‧‧‧短路檢知電路

9‧‧‧微分電路

Claims (9)

1. 一種電力轉換裝置，特徵在於：具有：具有汲極端子、源極端子、及閘極端子之半導體切換元件；檢測前述閘極端子與前述源極端子間的閘極電壓之閘極電壓手段；比較藉前述閘極電壓手段而檢測出之前述閘極電壓之檢測值與第1基準值之第1比較手段；以及第1短路檢知手段，其根據前述第1比較手段之比較結果，在複數次檢知前述閘極電壓超過前述第1基準值之狀態與低於前述第1基準值之狀態的情況下，判定為非短路，未檢知之情況下，判定為短路。
2. 一種電力轉換裝置，特徵在於：具有：具有汲極端子、源極端子、及閘極端子之半導體切換元件；檢測前述半導體切換元件之閘極端子與源極端子間的閘極電壓之閘極電壓檢測手段；輸出前述閘極電壓之微分值之微分手段；比較前述微分手段所輸出之前述閘極電壓之微分值與第1基準值之第1比較手段；以及第1短路檢知電路，其根據前述第1比較手段之比較結果，在複數次檢知前述微分手段所輸出之前述閘極電壓 之微分值超過前述第1基準值之狀態與低於前述第1基準值之狀態的情況下，判定為非短路，未檢知之情況下，判定為短路。
3. 如申請專利範圍第1或2項之電力轉換裝置，其中設定複數個前述第1基準值。
4. 如申請專利範圍第1或2項之電力轉換裝置，其進一步具有：檢測汲極端子與源極端子之電壓之汲/源極間電壓檢測手段；比較藉前述汲/源極間電壓檢測手段而檢測出之前述汲極端子與源極端子間之電壓與第2基準值之第2比較手段；以及根據前述第2比較手段的比較結果以檢知短路之第2短路檢知手段；並具有：閘極驅動手段，其在前述第1短路檢知手段及第2短路檢知電路手段中的其中一方檢知短路之情況下，遮斷前述半導體切換元件之電流。
5. 如申請專利範圍第1或2項之電力轉換裝置，其進一步具有：檢測流通於前述半導體切換元件的汲極電流之汲極電流檢測手段；比較藉汲極電流檢測手段而檢測出之汲極電流的檢測值與第2基準值之第2比較手段；以及根據前述第2比較手段的比較結果以檢知短路之第2 短路檢知手段；並具有：閘極驅動手段，其在前述第1短路檢知手段及第2短路檢知手段中的其中一方檢知短路之情況下，遮斷前述半導體切換元件的電流。
6. 如申請專利範圍第1或2項之電力轉換裝置，其中檢測流通於前述半導體切換元件的閘極的電流之閘極電流檢測手段；將藉前述閘極電流檢測手段而檢測出之閘極電流的檢測值積分而輸出積分值之積分手段；比較前述積分手段所輸出之前述積分值與第2基準值之第2比較手段；根據前述第2比較手段的比較結果以檢知短路之第2短路檢知手段；以及閘極驅動手段，其在前述第1短路檢知手段及前述第2短路檢知手段中的其中一方檢知短路之情況下，遮斷前述半導體切換元件之電流。
7. 如申請專利範圍第1至6項中任一項之電力轉換裝置，其中使前述第1短路檢知電路之動作時間為從閘極端子與源極端子間的電壓增加起算預設之時間以內。
8. 如申請專利範圍第4至7項中任一項之電力轉換裝置，其中使前述第2短路檢知電路之動作時間為從閘極端子與源極端子間的電壓增加起算預設之時間以內。
9. 如申請專利範圍第1至8項中任一項之電力轉換裝置，其中前述半導體切換元件為寬能隙半導體切換元件。