专利名称：使用电流控制型半导体开关元件的电力变换装置中的开关元件的驱动装置和驱动方法
技术领域：
本发明涉及将电流控制型半导体元件作为开关元件使用的电力变换装置。本发明特别涉及这种电力变换装置中的开关元件的驱动装置。更具体地说，本发明涉及提高将半导体元件作为开关元件来使用的电力变换装置的电力变换效率的技术。
背景技术：
以半导体元件作为开关元件来使用的电力变换装置具有电力变换效率优良的特性，所以从能量的高效率利用的观点来看，可被利用在非常广泛的范围。
作为半导体开关元件，有绝缘栅型双极晶体管(IGBT)、静电感应型晶体管、场效应型晶体管(FET)等电压驱动型元件，以及双极模式静电感应型晶体管(BSIT)、双极结型晶体管(BJT)等电流驱动型元件。
电压驱动型元件可以由电压信号直接驱动，驱动电路的简化容易，可以设定高驱动频率。在需要250V以上耐压的用途中，按容量和驱动频率可分别使用几种形式的开关元件，但在几KHz至几百KHz的驱动频率的范围中，导通状态下的电压降和开关性能的综合平衡良好的IGBT、以及电流容量小而可高速动作的FET被广泛地用于电力变换装置。
另一方面，电流驱动型的开关元件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，与电压驱动型的元件相比，有动作速度慢的倾向。然而，它有下述特征元件的导通状态下的电压降是电压驱动型元件的约1/3乃至1/6，导通损耗小。因此，可以说电流驱动型的开关元件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，大体有2种形式，而从部件的小型化、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元件的事例增多。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元件的技术，则电压驱动型元件中导通状态下的电压降大将成为障碍。目前，在作为电压驱动型元件主流的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的目的，正在开发利用谐振现象的损耗回收技术、和软开关技术。与此不同，半导体开关元件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。
电力变换装置中半导体开关元件产生的损耗主要是下述2种在使半导体开关元件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；以及在半导体开关元件处于导通状态时该半导体开关元件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、上述半导体开关元件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半导体开关元件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1-97137号公报上教示了下述技术在PMW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。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。此外，上述电气学会论文志记载的技术如下所述通过在晶体管的集电极上设置的CT来将驱动电力供给到该晶体管，所以基极电流由该CT的匝数比来决定。因此，需要考虑半导体开关元件的电流放大率的最小值来进行电路设计，其结果是在轻负载时被驱动到过饱和状态。而且，由于使用CT，所以只有比较高的频率才有效。
发明概述本发明的目的在于提供一种电力变换装置和方法，考虑到以上方面，在使用半导体开关元件的电力变换装置中，可以通过电力再生来降低电力损耗，综合地降低开关元件产生的开关损耗的导通损耗，实现高效率。
本发明的另一目的在于提供一种电力变换装置，在使用半导体开关元件的电力变换装置中，可以综合地降低开关元件产生的开关损耗和导通损耗，实现高效率。
为了实现上述目的和其它目的，在本发明的一形态中，在包括具有集电极、发射极和基极的电流控制型半导体开关元件的电力变换装置中的开关元件的驱动装置中，设有初级侧串联连接到开关元件的变流器。变流器的次级侧连接用于具有整流部件的开关元件的驱动电源。驱动电源的输出通过驱动开关而供给开关元件的基极。而且，设置用于检测开关元件的集电极-发射极间电压的集电极-发射极间电压检测部件、从驱动电源的输出将再生电力供给需要电力的其他部件的再生电路、以及集电极-发射极间电压控制电路，通过集电极-发射极间电压控制电路，响应来自集电极-发射极间电压检测部件的集电极-发射极间电压电压信号，控制从再生电路对所述其他部件供给的再生电力，使提供给开关元件基极的基极电流变化，由此来控制集电极-发射极间电压。
有的晶体管的形式不使用集电极、基极、发射极这样的用语，而使用漏极、栅极、源极这样的用语，但在本发明中使用的集电极、基极、发射极这样的用语也包括这样的情况，用语‘集电极’包含漏极，‘基极’包含栅极，‘发射极’包含源极。
在本发明的优选实施例中，设置供给开关元件驱动电流的驱动电源和对开关元件的基极提供反向偏置的反向偏置电路。而且，集电极-发射极间电压控制电路包括导通驱动开关部件，将驱动电源连接到开关元件的基极；截止驱动开关部件，将反向偏置电源连接到开关元件的基极；以及控制部件，接收来自集电极-发射极间电压检测部件的集电极-发射极间电压信号，通过按照该电压信号来控制再生电力，并控制对开关元件的基极供给的基极电流，来控制集电极-发射极间电压；其中，在开关元件的导通动作时，使导通驱动开关部件为导通状态，使截止驱动开关部件为截止状态，而在开关元件的截止动作时，使截止驱动开关部件为导通状态，使导通驱动开关部件为截止状态，通过来自反向偏置电源的反向偏置而可以进行开关元件的急速截止动作。
在本发明中，在驱动电源起动时，可以从被供给再生电力的部件将起动电力供给到该驱动电源。集电极-发射极间电压控制电路可以包括开关部件和整流部件，开关部件通过开关动作来控制再生电力，使提供给开关元件的基极的基极电流变化；而整流部件被设置在该开关部件的输出部；这种情况下，整流部件可以由整流元件和导通电阻比该开关部件低的辅助整流元件组成。
在本发明的另一形态中，在开关元件的驱动装置中，设置检测该开关元件温度的温度检测部件，电流控制部存储有与多个不同温度对应的集电极-发射极间电压的最佳数据，按照来自温度检测部件的温度信号来决定最佳的集电极-发射极间电压的值。
在本发明的另一形态中，设置集电极-发射极间电压检测部件，检测电力变换装置的半导体开关元件中的集电极-发射极间电压，通过按照检测出的集电极-发射极间电压来控制供给该开关元件的基极电流，并控制集电极-发射极间电压，从而可以考虑开关元件具有的hfe的偏差、温度产生的hfe的变化、与流过开关元件的电流对应的hfe变化来进行最佳驱动，可以便开关元件的导通损耗和驱动电力之和减少。
进一步详细来说，本发明的上述形态提供包括具有集电极、发射极和基极的电流控制型半导体开关元件的电力变换装置中的开关元件的驱动装置。本发明的该开关元件的驱动装置包括输出干线，连接到开关元件的基极；输出回线，连接到发射极；以及集电极-发射极间电压控制部件。集电极-发射极间电压控制部件包括检测半导体开关元件的集电极-发射极间电压的集电极-发射极间电压检测部件；按照检测出的集电极-发射极间电压来控制对输出干线供给的该半导体开关元件的基极电流，并控制集电极-发射极间电压，使得半导体开关元件中的导通损耗和驱动电力之和减少。
在本发明的另一形态中，开关元件的驱动装置包括驱动电源，供给开关元件驱动用的电流；以及反向偏置部件，对开关元件的基极提供反向偏置。而且，集电极-发射极间电压控制部件包括导通驱动开关部件，将驱动电源连接到开关元件的基极；截止驱动开关部件，将反向偏置电源连接到开关元件的基极；以及控制部件，接收来自集电极-发射极间电压检测部件的集电极-发射极间电压信号，通过按照该电压信号来控制对开关元件的基极供给的基极电流，从而控制集电极-发射极间电压。这种情况下，在开关元件的导通动作时，使导通驱动开关部件为导通状态，使截止驱动开关部件为截止状态，而在开关元件的截止动作时，使截止驱动开关部件为导通状态，使导通驱动开关部件为截止状态，通过来自反向偏置电源的反向偏置而可以进行开关元件的急速截止动作。
在本发明的另一形态中，集电极-发射极间电压控制部件包括电流控制部，对于开关元件存储有集电极-发射极间电压的最佳数据，根据该存储的数据和来自集电极-发射极间电压检测部件的集电极-发射极间电压信号，将控制的基极电流供给到开关元件的基极。这种情况下，开关元件的驱动装置包括检测开关元件温度的温度检测部件 电流控制部存储有与多个不同温度对应的集电极-发射极间电压的最佳数据，可以按照来自温度检测部件的温度信号来决定最佳的集电极-发射极间电压的值。此外，开关元件的驱动装置具有包括检测流过开关元件的集电极的集电极电流的电流检测部件，为发光(ルシネッセソス)结构，集电极-发射极间电压控制部件存储有与多个不同值的开关元件电流对应的集电极-发射极间电压的最佳数据，可以按照来自电流检测部件的集电极电流信号来决定最佳的集电极-发射极间电压的值。而且，集电极-发射极间电压控制部件包括基极电流控制开关部件，通过开关动作来可变控制所述开关元件的基极电流；以及整流部件，被设置在该基极电流控制开关部件的输出部；该整流部件为同步整流型结构，包括整流元件和导通电阻比基极电流控制开关部件低的辅助整流元件。
本发明还提供开关元件的驱动方法。该方法包括从将初级侧串联连接到开关元件的变流器的次级侧获得电力，将其一部分作为再生电力供给需要电力的其他部件，从其余电力中获得提供给开关元件的基极的驱动电流来一边进行开关元件的驱动，一边检测该开关元件的集电极-发射极间电压，通过按照该检测出的集电极-发射极间电压值来控制再生电力，从而使提供给开关元件的基极的驱动电流变化，控制集电极-发射极间电压。
图1(a)表示图1的电路变形例的电路图。
图2表示晶体管中的饱和电压和集电极电流之间关系的特性图。
图3表示集电极-发射极间电压指令值运算器结构示例的方框图。
图4表示本发明实施例的开关时的各部波形图的图表。
图5表示本发明另一实施例的开关元件的驱动装置示例的电路图。
图6表示应用本发明的驱动电路的电力变换装置示例的电路图。
图7表示本发明的开关元件的驱动装置的一实施例的电路图。
图8表示本发明实施例中的开关时的各部波形图的图表。
图9表示本发明另一实施例的开关元件的驱动装置的一实施例的电路图。
实施发明的最好形式以下，参照附图来说明本发明的实施例。在图1中，作为电流控制型半导体开关元件的晶体管5包括集电极51、基极52和发射极53。晶体管5的集电极51被连接到未图示的电源。设有用于控制作为开关元件的晶体管5的导通、截止动作的驱动电路100。
驱动电路100包括驱动电源部11。该驱动电源部11有将初级绕组19a串联连接到晶体管5的集电极51上的变流器19。变流器19的次级绕组19b被连接到二极管D1和整流电容器C1组成的整流电路。驱动电源部11的输出被连接到导通和截止切换电路3。该导通和截止切换电路3的一端连接到驱动电源部11的正侧端子，而另一端通过反向偏置电源4连接到驱动电源部11的负侧端子。导通和截止切换电路3的输出通过驱动电路100的输出干线101被连接到晶体管5的基极52。驱动电路100有输出回线102，该输出回线102连接到驱动电源部11的负侧端子。导通和截止切换电路3由串联连接的正侧的开关元件31和负侧的开关元件32组成，开关元件31、32的连接点连接到输出干线101。开关元件31、32都由场效应型晶体管构成，控制这些元件的导通和截止动作的开关信号由未图示的控制装置供给。
为了检测晶体管5的集电极中流过的集电极电流Ic，设有电流检测器6。此外，为了检测晶体管5的温度T而设有温度检测器25。来自电压检测器6的集电极电流信号和来自温度检测器25的温度信号被输入到集电极-发射极电压指令值运算器7。运算器7的输出被输入到输出用于控制驱动电源部11的输出电流的控制信号的控制电路8。开关信号也被输入到该控制电路8。而且，在晶体管5中，设有用于检测该晶体管5的集电极-发射极间电压的电压检测器9，检测出的电压信号被输入到控制电路8。控制电路8根据输入信号来生成控制信号。
在驱动电路100中，设置将来自驱动电源部11的电力作为再生电力供给其他辅助电源等需要电力的部件(未图示)的电力再生电路2。该电力再生电路2包括在驱动电源部11的正侧端子和负侧端子之间串联连接的电感器15和开关元件12，与开关元件12并联、以电感器15方向为正方向连接有二极管14。电感器15和开关元件12之间的连接点通过开关元件13被连接到作为再生电力接收部的辅助电源上。在图1中，仅示出该辅助电源的整流二极管Da作为参考。在开关元件13的输出部和驱动电源部11的负侧端子之间连接整流电容器C2。来自控制电路8的控制信号被送至电力再生电路2的开关元件12、13，对这些开关元件进行控制。
而且，驱动电路100包括起动辅助电源1。该起动辅助电源1有辅助电源变压器18，该变压器18的次级绕组通过二极管D3连接到变流器19的次级绕组19b。在图示例中，反向偏置电源4由辅助变压器18的次级绕组上连接的二极管D4和整流电容器C4组成的整流电路来构成。
以下，说明图1所示驱动电路100的动作。首先，在驱动电路100的导通状态下，通过从外部提供的开关信号，使切换电路3的正侧开关31导通，而负侧开关32截止。驱动电路100的输出从输出干线101提供给晶体管5的基极52，使晶体管5变为导通状态。
在驱动电路100内，晶体管5的集电极电流IC由电流检测器6检测，该检测出的集电极电流信号被输入到集电极-发射极间电压指令值运算器7。同时，晶体管5的温度由温度检测器25来检测，该检测出的温度信号被输入到集电极-发射极间电压指令值运算器7。运算器7根据输入的来自集电极电流检测器6的电流信号和来自温度检测器25的温度信号，计算晶体管5的集电极-发射极间电压的最佳值，将计算结果作为集电极-发射极间电压指令值信号传送到控制电路8。此外，晶体管5的集电极-发射极间电压由电流检测器9来检测，将该电压检测信号输入到控制电路8。
控制电路8根据集电极-发射极间电压指令值信号和来自检测器9的实际集电极-发射极间电压值来生成控制信号。控制信号被用于驱动电力再生电路2的开关元件12、13。按照控制信号来控制从电力再生电路2供给外部辅助电源的电流，与其余电力对应的电流经导通和截止切换电路3的导通侧开关31从输出干线101提供给晶体管5的基极52。这样，控制晶体管5的基极电流，使得该晶体管5的集电极-发射极间电压达到最佳值。
图2表示晶体管5为导通状态情况的与集电极电流对应的集电极和发射极间的饱和电压特性的图表。在图中，纵轴表示饱和电压值，横轴表示集电极电流。这里，作为一例，考虑将集电极-发射极间电压指令值设定为0.5V这样的固定值的情况。在该情况下，与集电极电流Ic对应的集电极-发射极间电压的饱和电压VCE(sat)在绝大部分范围内大幅度低于指令值，所以在晶体管5的基极52中，供给大幅度超过与饱和电压对应的基极电流值的值的电流，不能充分降低驱动电力和导通损耗。
在图1所示的驱动电路100中，集电极-发射极间电压指令值运算器7存储图2所示的与集电极电流对应的集电极-发射极间电压VCE(sat)的特性曲线的数据或表示比其稍低的电压特性曲线的数据。运算器7中的该特性值的存储数据可以按照晶体管5的个体偏差来修正。运算器7根据集电极电流检测器6检测出的电流信号和温度检测器25检测出的温度信号，从该存储的特性值的数据中读出最佳的集电极-发射极间电压值，计算集电极-发射极间电压指令值，并将该指令值提供给控制电路8。这样，驱动电路100的输出干线101中输出的、提供给晶体管5的基极的输出电流变为使晶体管5按最佳的集电极-发射极间电压来动作的值。因此，晶体管5按可减少晶体管的导通状态中的导通损耗和驱动电力的总和的条件来动作，该条件也包含该晶体管的各个体偏差。
图3表示该驱动电路100中的集电极-发射极间电压指令值运算器7的结构示例的方框图。运算器7包括集电极和发射极间电压运算部7a和驱动余量设定部7b。作为输入信号，输入有集电极电流信号Ic、温度信号T、集电极-发射极间电压信号VCE。驱动余量设定部7b设定用于防止因晶体管5的特性偏差和电流检测器的检测误差产生驱动电力不足的余量。因此，通过将集电极-发射极间电压运算部7a的输出乘以一定的系数，或与一定值相加来生成具有余量的指令值。
下面说明晶体管5的截止状态中的动作。在截止状态下，来自驱动电源部11的电流从电力再生电路2流入辅助电源。在切换电路3中，导通侧开关31变为截止，而截止侧开关32变为导通。其结果，来自反向偏置电源4的反向偏置提供给晶体管5的基极52。因此，晶体管5内的积蓄电荷在短时间被抽走，可进行高速的截止动作，可以增大截止状态中的噪声容限。
接着说明开关动作。图4(a)、(b)分别表示导通时和截止时的驱动电路100内各部的波形。首先，参照图4(a)，在晶体管5从截止状态转换为导通状态时，开关信号Ss变为高电平，导通和截止切换电路3的导通侧开关31导通，而截止侧开关32截止。因此，从驱动电源部11经输出干线101将基极电流供给到晶体管5的基极52，使晶体管5被导通。从变流器19的次级绕组向驱动电源部11供给与晶体管5的集电极电流Ic对应的电流，该电源部11对该电流进行整流，并供给到切换电路3。在该状态下，晶体管5的集电极-发射极间电压Vce由集电极-发射极间电压检测器9来检测。此外，还检测流过晶体管5的集电极电流IC和晶体管5的温度。而且，如上所述，与各晶体管的偏差对应的特性值的差异也被存储到运算器7中。运算器7根据这些存储数据计算获得最佳的集电极-发射极间电压所需要的基极电流值，并生成集电极-发射极间电压指令值信号。控制电路8根据该指令值信号来决定要供给辅助电源的再生电力，生成与其对应的控制信号。电流再生电路2的开关元件12、13根据该控制信号来控制导通和截止，其结果，将最佳值的基极电流IB供给晶体管5的基极52。剩余的电力从电力再生电路2被送至辅助电源。集电极电流Ic的变化示于图3(a)。
在晶体管5的截止时，在图3(b)中提供截止信号后，则切换电路3的导通侧开关31截止，而截止侧开关32导通。因此，将来自反向偏置电源4的反向偏置提供给晶体管5的基极52。
如上所述，在本发明的上述实施例中，通过控制电力再生电路2从驱动电源部取出的电力，来控制晶体管5的基极电流，驱动该晶体管5，使得集电极-发射极间电压达到最佳，所以对于晶体管5个体具有的hfe的偏差和温度造成的hfe变化也可以获得最佳的驱动电流和集电极-发射极间电压，可以减小晶体管5中的集电极和发射极间的导通损耗和驱动电力。电流源1的开关元件12和辅助整流元件14由几百KHz以上的高频来驱动，晶体管5的基极电流从该电流可变型的驱动电路来供给，可以进行连续的驱动电流的供给。此外，可以使作为开关元件的晶体管5长时间维持导通状态或截止状态。而且，也可以由直流或低频进行驱动。
作为开关元件使用的晶体管5的基极-发射极间的电压降为IV左右的低值，但在驱动电路100的驱动电源部11中通过使用FET这样的开关元件13来作为辅助整流元件，可以用同步整流作用来降低电力再生电路2的损耗。由于驱动电路100的输出为1伏左右就可以，所以驱动电路内部的电压也可以为最小几伏左右，可以使用FET这样的耐压低、导通电阻低的元件来作为开关元件12或辅助整流元件14，可以进一步降低驱动电路的损耗。
以上，说明了晶体管5具有集电极51、基极52和发射极53的形式，但作为开关元件，例如在使用双极模式静电感应型晶体管(BSIT)的情况下，集电极为漏极，基极为栅极，发射极为源极。控制电路8可以是数字结构，也可以是使用运算放大器和比较器等模拟部件的模拟电路。
在图1的实施例中，设有起动电源1来用于驱动电路100的起动，该起动电源1的辅助电源变压器18的次级绕组通过二极管D3连接到变流器19的次级绕组19b。因此，在驱动电路100的起动时，从辅助电源变压器18的次级绕组通过二极管D3供给的电力在切换电路3的正侧开关31导通时作为驱动电路100的输出提供到晶体管5的基极52。
作为驱动电路100的另一驱动方法，可以通过外部电力来使电力再生电路1的开关元件13导通工作。即，从电力再生电路2接受再生电力供给的部件例如可以从图1中作为一部分构成要素仅示出整流二极管Da的另一辅助电源来供给使开关元件13导通的起动电力。开关元件13变为导通状态后，起动电力从作为从电力再生电路2接受再生电力供给的部件而构成的上述另一辅助电源提供到切换电路3的正侧开关31。因此，在采用该起动方法时，不需要包括作为起动电源1设置的二极管D3的电路。这种情况下的辅助电源变压器18的结构示于图1(a)。
图5表示本发明的另一实施例。在本实施例中，电力再生电路2包括电力再生变压器15，该变压器15的次级绕组经二极管13a和电容器C1组成的整流电路连接到外部的辅助电源。电流源1包括连接到电压源11的变压器18。在变压器15的初级侧连接有由来自控制电路8的信号来控制导通和截止的开关元件12。变压器18的次级侧通过整流元件17和开关元件12连接到变压器15的初级侧。整流元件17和开关元件12与整流元件12、14一样，可以由二极管和开关元件来构成。
图6表示在不间断电源装置中使用的采用本发明的驱动电路的正变换装置和逆变换装置的电路结构的主要部分。该电路包括晶体管Q1、Q2，构成主开关部件；晶体管Q1aux、Q2aux组成的逆变器MC，与晶体管Q1、Q2分别并联连接，构成辅助开关部件；晶体管Q5、Q6，构成主转换部件；以及晶体管Q5aux、Q6aux组成的变换器MI，与晶体管Q5、Q6分别并联连接，构成辅助转换部件；以及在逆变器MC和变换器MI之间连接极性切换臂MP。极性切换臂MP包括晶体管Q3、Q4，构成主转换部件；以及晶体管Q3aux、Q4aux，构成与晶体管Q3、Q4分别并联连接的辅助转换部件。本电路是输入输出同步型的非绝缘CVCF装置，逆变器MC和变换器MI为了输入电流和输出电压的波形整形而被PWM驱动，极性切换臂MP由市电频率的50或60Hz来驱动。由于该电路结构是众所周知的，所以对其细节未进一步说明。
各个主转换部件Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6由与图1或图5所示的驱动电路相同结构的驱动电路Dr1、Dr2、Dr3、Dr4、Dr5、Dr6来驱动。从主控制电路C送出用于驱动这些驱动电路和辅助转换部件Q1aux、Q2aux、Q3aux、Q4aux、Q5aux、Q6aux的开关信号SS、集电极-发射极间电压指令值信号VCE、以及来自各检测器的检测信号ST。
不限于图6所示形式的电路，电力变换装置按各种目的可包括电流检测器，所以各晶体管中的集电极电流可以实时知道。因此，在将本发明的驱动电路应用于实际的电力变换装置的情况下，在驱动装置本身上不必另外设置电流检测器。此外，驱动电路的集电极-发射极间电压指令值运算器7和控制电路8的某一方或双方可以安装在电力变换装置所配置的主控制电路C上。
图7表示本发明的另一实施例。在图7中，作为电流控制型半导体开关元件的晶体管5包括集电极51、基极52、以及发射极53。晶体管5的集电极51连接到未图示的电源。设有驱动控制电路100，用于控制作为开关元件的晶体管5的导通和截止动作。
驱动电路100包括可根据来自外部的信号来控制输出电流的电流源201。在电流源201的正侧端子和负侧端子之间连接回流开关202。配置与回流开关202并联的导通和截止切换电路203。该导通和截止切换电路203的一端连接到电流源201的正侧端子，另一端通过反向偏置电源204连接到电流源201的负侧端子。导通和截止切换电路203的输出通过驱动电路100的输出干线101连接到晶体管5的基极52。驱动电路100有输出回线102，该输出回线102连接到电流源1的负侧端子。
如图7所示，电流源201包括电压源211。在电压源211的正侧端子上串联连接开关元件212和电感器215，电感器215的一端连接到导通和截止切换电路203。并联连接的整流元件213和辅助整流元件214一端连接到开关元件212和电感器215的连接点，另一端连接到电压源211的负侧端子。整流元件213由以朝向开关元件212和电感器215之间的连接点的方向为正方向的二极管形成，辅助整流元件214由场效应型晶体管(FET)形成。
导通和截止切换电路203由串联连接的正侧的开关元件231和负侧的开关元件232组成，开关元件231、232的连接点连接到输出干线101。回流开关202和开关元件231、232都由场效应型晶体管构成，控制这些元件的导通和截止动作的开关信号由未图示的控制装置供给。
为了检测晶体管5的集电极中流过的集电极电流Ic，设有电流检测器206。此外，设有用于检测晶体管5的温度T的温度检测器225。来自电流检测器206的集电极电流信号和来自温度检测器225的温度信号被输入到集电极-发射极电压指令值运算器207。运算器207的输出被输入到输出用于控制电压源201的输出电流的控制信号的控制电路208。开关信号也被输入到该控制电路208。而且，在晶体管5上，设有用于检测该晶体管5的集电极-发射极间电压的电压检测器209，检测出的电压信号被输入到控制电路208。控制电路208根据输入信号来生成控制信号，该控制信号用来控制电流源201的开关元件212和辅助整流元件214的开关动作。
以下说明图7所示的驱动电路100的动作。首先，在驱动电路100的导通状态下，根据外部提供的开关信号，切换电路203的正侧开关231导通，负侧开关232截止。回流开关202截止，驱动电路100的输出从输出干线101提供给晶体管5的基极52，使晶体管5变为导通状态。
在驱动电路100内，晶体管5的集电极电流Ic由电流检测器206来检测，其检测出的集电极电流信号被输入到集电极-发射极间电压指令值运算器207。同时，晶体管5的温度由温度检测器225来检测，其检测出的温度信号被输入到集电极-发射极间电压指令值运算器207。运算器207根据输入的来自集电极电流检测器206的电流信号和来自温度检测器225的温度信号，计算晶体管5的集电极-发射极间电压的最佳值，将计算结果作为集电极-发射极间电压指令值信号传送到控制电路208。此外，晶体管5的集电极-发射极间电压由电压检测器209来检测，该电压检测信号被输入到控制电路208。
控制电路208根据集电极-发射极间电压指令值信号和来自检测器209的实际集电极-发射极间电压值，来生成控制信号。控制信号被用于驱动电流源201的开关元件212和辅助整流元件214。来自电流源201的电流经导通和截止切换电路203的导通侧开关231从输出干线101提供给晶体管5的基极52。这样，控制晶体管5的基极电流，使得该晶体管5的集电极-发射极间电压达到最佳值。
晶体管5为导通状态情况下的与集电极电流对应的集电极-发射极间电压的饱和电压特性关系如图2所示。
在图7所示的驱动电路100中，集电极-发射极间电压指令值运算器7也存储图2所示的集电极-发射极间电压VCE(sat)与集电极电流之间特性曲线的数据或表示比其稍低电压的特性曲线的数据。运算器207中的该特性值的存储数据可以按照晶体管5的个体偏差来修正。运算器207根据集电极电流检测器206检测出的电流信号和温度检测器225检测出的温度信号，从该存储的特性值的数据中读出最佳的集电极-发射极间电压值，计算集电极-发射极间电压指令值，并将该指令值提供给控制电路208。这样，驱动电路100的输出干线101中输出的、提供给晶体管5的基极的输出电流为使晶体管5按最佳的集电极-发射极间电压来动作的值。因此，晶体管5按可减少晶体管的导通状态中的导通损耗和驱动电力的总和条件来动作，该条件也包含该晶体管的各个体偏差。
该驱动电路100中的集电极-发射极间电压指令值运算器207的结构也可以与图3所示的结构相同。
下面说明晶体管5的截止状态中的动作。在截止状态中，回流开关202导通，来自电流源201的电流迂回流过切换电路203。在切换电路203中，导通侧开关231截止，而截止侧开关232导通。其结果，将来自反向偏置电源204的反向偏置提供给晶体管5的基极252。因此，晶体管5内的积蓄电荷在短时间被抽走，可以进行高速的截止动作，可以增大截止状态中的噪声容限。回流开关202在切换电路203从导通状态切换为截止状态时，起到使电感器215中积蓄的能量被旁路的作用，防止在驱动电路100内产生过电压。电流源201的开关元件212和辅助整流元件214在该状态下根据来自控制电路208的信号来进行截止动作。
下面说明开关动作。图8(a)、图8(b)分别表示导通时和截止时的驱动电路100内各部的波形。首先，参照图8(a)，在晶体管5从截止状态转换为导通状态时，从控制电路208将基极电流指令信号SB提供到开关元件212和辅助整流元件214，同时向电感器215开始流动电流I15。经过时间t电感器215的充电结束后，从控制电路208将开关信号SS输出到切换电路203，该切换电路203的导通侧开关231被导通，而截止侧开关232被截止。此时，回流开关202被截止。在该状态下，电感器215起到近似电源的作用，所以晶体管5的基极电位急速上升，在晶体管5中电流急速流动。图8(a)作为集电极电流Ic示出这种状况。这样，通过驱动电路100，可以提高晶体管5的导通速度。
在晶体管5的截止时，在图8(b)中，提供导通信号后，回流开关202导通，其结果，晶体管5的基极电流立即被截止。同时，切换电路203的导通侧开关231截止，而截止侧开关232导通。因此，将来自反向偏置电源的反向偏置提供给晶体管5的基极252。在电流源201中，开关元件212和辅助整流元件214可以维持一定电流输出状态，也可以通过适当的部件来截止。电感器215中积蓄的能量被回流开关203和构成整流元件213的二极管消耗。这成为驱动电路100的损耗，但由于驱动电路100进行高频驱动，所以电感器215的电阻可以设定得小，损耗小。
如上所述，在本发明的上述实施例中，控制晶体管5的基极电流驱动该晶体管5，使得集电极-发射极间电压达到最佳，所以对于晶体管5个体具有的hfe的偏差、或温度产生的hfe的变化，也可以获得最佳的驱动电流和集电极-发射极间电压，可以减小晶体管5中的集电极和发射极间的导通损耗以及驱动电力。电流源201的开关元件212和辅助整流元件214用几百KHz以上的高频来驱动，晶体管5的基极电流从该电流可变型的驱动电路来供给，可以进行连续的驱动电流的供给。此外，可以使作为开关元件的晶体管5长时间维持导通状态或截止状态。而且，还可以用直流或低频来驱动。
作为开关元件使用的晶体管5的基极和发射极间的电压降为1V左右这样的低值，而在驱动电路100的电流源201中作为辅助整流元件214，使用FET这样的开关元件，从而可以用同步整流作用来降低驱动电路100的损耗。由于驱动电路100的输出可以是1v左右，所以驱动电路内部的电压可以由最小几v构成，作为开关元件212或辅助整流元件214，可以使用FET这样的耐压低、导通电阻低的元件，可以进一步降低驱动电路的损耗。
以上说明了晶体管5具有集电极51、基极52和发射极53的形式，但作为开关元件，例如在使用双极模式静电感应型晶体管(BSIT)的情况下，集电极为漏极，基极为栅极，发射极为源极。控制电路208可以是数字结构，也可以是使用运算放大器和比较器等模拟部件的模拟电路。
图9表示本发明的另一实施例。在本实施例中，电流源201包括与电压源211连接的变压器216。在变压器216的初级侧连接有由来自控制电路208的信号来控制导通和截止的开关元件220。变压器216的次级侧通过整流元件217、218连接到电感器215。整流元件217、218与整流元件213、214同样，可以由二极管和开关元件来构成。
在本实施例中，设置由4个桥式连接的开关元件219a、219b、219c、219d组成的切换电路219，来代替图7实施例中的切换电路203。开关元件219b、219d的连接点被连接到驱动电路100的输出干线101，而开关元件219a、219c的连接点被连接到驱动电路100的输出回线102。
在该驱动电路100中，电力传输通过变压器116来进行，各种信号使用脉冲变压器或光电耦合器等绝缘部件来传送，可以使驱动电路100侧和晶体管5电绝缘。在实际的电力变换装置中，将晶体管5这样的开关元件多个桥式连接来驱动的情况很多，由于晶体管的发射极电位变化，所以对各晶体管需要绝缘型的驱动电路。图9所示的电路适用于该目的。在可以使用与各个驱动电路绝缘的直流电压源的情况下，用图7所示的驱动电路可以充分地达到目的。
权利要求
1.一种开关元件的驱动装置，用于包括具有集电极、发射极和基极的电流控制型半导体开关元件的电力变换装置，其特征在于，包括输出干线，连接到所述开关元件的所述基极；输出回线，连接到所述发射极；变流器，初级侧被串联连接到所述开关元件；驱动电源，用于所述开关元件，有连接到所述变流器的次级侧的整流部件；驱动开关，用于将所述驱动电源的输出供给所述开关元件的基极；集电极-发射极间电压检测部件，用于检测所述开关元件的集电极-发射极间电压；再生电路，从所述驱动电源的输出将再生电力供给到需要电力的其他部件；以及集电极-发射极间电压控制电路，响应来自集电极-发射极间电压检测部件的集电极-发射极间电压信号，通过从所述再生电路来控制对所述其他部件供给的再生电力，使提供给所述开关元件的所述基极的基极电流变化，由此来控制集电极-发射极间电压。
2.如权利要求1所述的开关元件的驱动装置，其特征在于，包括驱动电源，供给开关元件驱动电流；以及反向偏置电路，对所述开关元件的所述基极提供反向偏置；所述集电极-发射极间电压控制电路包括导通驱动开关部件，将所述驱动电源连接到所述开关元件的所述基极；截止驱动开关部件，将所述反向偏置电源连接到所述开关元件的所述基极；以及控制部件，接收来自所述集电极-发射极间电压检测部件的集电极-发射极间电压信号，通过按照该电压信号来控制所述再生电力，并控制对所述开关元件的所述基极供给的基极电流，来控制集电极-发射极间电压；在所述开关元件的导通动作时，使所述导通驱动开关部件为导通状态，使所述截止驱动开关部件为截止状态，而在所述开关元件的截止动作时，使所述截止驱动开关部件为导通状态，使所述导通驱动开关部件为截止状态，通过来自所述反向偏置电源的反向偏置而可以进行开关元件的急速截止动作。
3.如权利要求2所述的开关元件的驱动装置，其特征在于，在所述驱动电源的起动时，从被供给所述再生电力的所述部件将起动电力供给该驱动电源。
4.如权利要求1至权利要求3的任何一项所述的开关元件的驱动装置，其特征在于，所述集电极-发射极间电压控制电路包括开关部件和整流部件，开关部件通过开关动作来控制所述再生电力，使提供给所述开关元件的所述基极的基极电流变化，而整流部件被设置在该开关部件的输出部；所述整流部件由整流元件和导通电阻比该开关部件低的辅助整流元件组成。
5.如权利要求1至权利要求4的任何一项所述的开关元件的驱动装置，其特征在于，设有检测所述开关元件温度的温度检测部件；所述电流控制部存储有与多个不同温度对应的集电极-发射极间电压的最佳数据，按照来自所述温度检测部件的温度信号来决定最佳的集电极-发射极间电压的值。
6.如权利要求3或权利要求4所述的开关元件的驱动装置，其特征在于，包括电流检测部件，检测流过所述开关元件的所述集电极的集电极电流；所述集电极-发射极间电压控制部件存储有与多个不同值的开关元件电流对应的集电极-发射极间电压的最佳数据，按照来自所述电流检测部件的集电极电流信号来决定最佳的集电极-发射极间电压的值。
7.一种开关元件的驱动装置，用于包括具有集电极、发射极和基极的电流控制型半导体开关元件的电力变换装置，其特征在于，包括输出干线，连接到所述开关元件的所述基极；输出回线，连接到所述发射极；以及集电极-发射极间电压控制部件；所述集电极-发射极间电压控制部件包括检测所述开关元件的集电极-发射极间电压的集电极-发射极间电压检测部件；按照检测出的集电极-发射极间电压来控制对所述输出干线供给的该半导体开关元件的基极电流，并控制所述集电极-发射极间电压，使得所述半导体开关元件中的导通损耗和驱动电力之和减少。
8.如权利要求7所述的开关元件的驱动装置，其特征在于，包括驱动电源，供给开关元件驱动电流；以及反向偏置部件，对所述开关元件的所述基极提供反向偏置；所述集电极-发射极间电压控制部件包括导通驱动开关部件，将所述驱动电源连接到所述开关元件的所述基极；截止驱动开关部件，将所述反向偏置电源连接到所述开关元件的所述基极；以及控制部件，接收来自所述集电极-发射极间电压检测部件的集电极-发射极间电压信号，通过按照该电压信号来控制对所述开关元件的所述基极供给的基极电流，从而控制集电极-发射极间电压；在所述开关元件的导通动作时，使所述导通驱动开关部件为导通状态，使所述截止驱动开关部件为截止状态，而在所述开关元件的截止动作时，使所述截止驱动开关部件为导通状态，使所述导通驱动开关部件为截止状态，通过来自所述反向偏置电源的反向偏置而可以进行开关元件的急速截止动作。
9.如权利要求7或权利要求8所述的开关元件的驱动装置，其特征在于，所述集电极-发射极间电压控制部件包括电流控制部，对于所述开关元件存储有集电极-发射极间电压的最佳数据，根据该存储的数据和来自所述集电极-发射极间电压检测部件的集电极-发射极间电压信号，将控制的基极电流供给到所述开关元件的所述基极。
10.如权利要求9所述的开关元件的驱动装置，其特征在于，设有检测所述开关元件温度的温度检测部件；所述电流控制部存储有与多个不同温度对应的集电极-发射极间电压的最佳数据，按照来自所述温度检测部件的温度信号来决定最佳的集电极-发射极间电压的值。
11.如权利要求9或权利要求10所述的开关元件的驱动装置，其特征在于，包括电流检测部件，检测流过所述开关元件的所述集电极的集电极电流；所述集电极-发射极间电压控制部件存储有与多个不同值的开关元件电流对应的集电极-发射极间电压的最佳数据，按照来自所述电流检测部件的集电极电流信号来决定最佳的集电极-发射极间电压的值。
12.如权利要求7至权利要求11的任何一项所述的开关元件的驱动装置，其特征在于，所述集电极-发射极间电压控制部件包括基极电流控制开关部件，通过开关动作来可变控制所述开关元件的基极电流；以及整流部件，被设置在该基极电流控制开关部件的输出部；所述整流部件为同步整流型结构，包括整流元件和比所述基极电流控制开关部件导通电阻低的辅助整流元件。
13.一种开关元件的驱动方法，用于包括具有集电极、发射极和基极的电流控制型半导体开关元件的电力变换装置，其特征在于，从将初级侧串联连接到所述开关元件的变流器的次级侧获得电力，将其一部分作为再生电力供给需要电力的其他部件，从其余电力中获得提供给所述开关元件的所述基极的驱动电流来一边进行所述开关元件的驱动，一边检测所述开关元件的集电极-发射极间电压，通过按照该检测出的集电极-发射极间电压值来控制所述再生电力，从而使提供给所述开关元件的所述基极的驱动电流变化，控制所述集电极-发射极间电压。
全文摘要
在使用半导体开关元件的电力变换装置中,为了综合降低开关元件上产生的开关损耗和导通损耗,通过设置检测电力变换装置的半导体开关元件中的集电极－发射极间电压的集电极－发射极间电压检测部件,按照检测出的集电极－发射极间电压来控制供给该开关元件的基极电流,并控制集电极－发射极间电压,或控制从开关元件驱动电源部送至外部的辅助电源等的再生电力,可以考虑开关元件具有的hfe的偏差、温度产生的hfe的变化、与流过开关元件的电流对应的hfe变化来进行最佳驱动,可以使开关元件的导通损耗和驱动电力之和减少。
文档编号H02M1/08GK1336032SQ00802250
公开日2002年2月13日 申请日期2000年10月5日 优先权日2000年1月12日
发明者伊藤一行, 沖田美久, 田中克明, 高柳善信 申请人:Tdk股份有限公司