专利名称：功率转换装置中的电流控制型半导体开关元件的驱动装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于包括电流控制型半导体开关元件的功率转换装置的开关元件驱动装置。特别是，本发明涉及在这种包括半导体开关元件的功率转换装置中获得改进的功率转换效率的技术。
包括半导体开关元件的功率转换装置，由于其在功率转换效率中良好的特性，从有效利用能源角度看，这种装置已被广泛地应用。半导体开关元件的例子包括电压驱动型元件，如隔离栅双极晶体管(IGBT)，静电感应型晶体管，场效应晶体管(FET)，以及电流驱动型元件，如双极静电感应型晶体管(BSIT)以及双极型结型晶体管(BJT)。
电压驱动型元件可通过电压信号直接驱动，这样它们的驱动电路容易简化且驱动频率也可设得较高。在需要250V或更高耐压的应用中，根据要求的容量和驱动频率，可以有选择地使用几种型式的开关元件。具体地说，当开关元件用于驱动频率范围为几千赫到几百千赫时，广泛使用IGBT和FET,IGBT在导通状态下的压降与开关性能之间具有良好的总体平衡，FET具有小电流容量但能够高速操作。
另一方面，由于电流驱动型开关元件是通过将电流施加于其控制端来驱动，驱动电路往往变得复杂且切换速度比电压驱动型元件的低。但是，电流驱动型开关元件具有一个特性，即在导通状态下压降为电压驱动型元件的三分之一至六分之一。因此，可以认为，电流驱动开关元件适合于降低体积的功率转换装置。
因此，可用于功率转换装置的半导体开关元件大致分为两类。在这些类型中，考虑到减小元件体积，简化电路，通过高频驱动减小体积，以及降低成本等等，使用电压驱动开关元件的趋势日益增加，电压驱动切换元件在高频范围内具有低开关损耗和易于驱动的能力。但是，为了满足社会需要以便在将来进一步改进效率和减小体积，只要继续采用使用电压驱动开关元件的电流技术，在电压驱动型元件的导通状态下的压降数值将是一个障碍。特别是，考虑到目前情况，在电压驱动开关元件中最广泛应用的IGBT或类似物导通状态下的压降已被改进接近至理论值。因此，技术已达到了最高成就，这样为取得传导损耗的明显减小的努力是没有希望的。
至于开关损耗，利用谐振现象的损耗回收技术和为防止电磁环境污染和减小功率损耗为目的的软切换技术已经取得了发展。另一方面，不管何时电流通过元件，传导损耗总会在半导体开关元件中产生而损耗量取决于元件的特性，这样仅仅通过简单的改进不容易降低传导损耗，而需要对电路布局方案作基本的评估。
在功率转换装置的技术领域中，目的在减小装置总体体积、获得高功率/高密度装置以及达到较高频率等等的各种努力仍在继续。
功率转换装置的半导体开关元件中产生两种主要损耗，一种是当半导体开关元件从导通状态变成关断状态或从关断状态变成导通状态产生的开关损耗，另一种是当半导体切换元件处于导通状态时由在半导体开关元件中产生的压降引起的传导损耗。为了满足使功率转换装置比现有的功率转换装置更紧凑，提供更高输出功率和更高密度的装置的要求，由此获得满足需要的功率转换装置，必须开发通过综合降低上述的由半导体开关元件在导通状态压降引起的传导损耗和一起导致功率损耗的开关损耗能够达到高效率的技术。
在上述条件下，只有非常少的例子报道通过电路中的有效改进，半导体开关元件中的传导损耗已被降低。参考这些报道的例子，日本专利公开特开平1-97173公开了一种技术，通过适于在工频下切换的臂中提供如双极型晶体管的具有较小传导损耗的半导体开关元件，以及适于在高频下切换的臂中提供如静电感应晶体管的具有较小开关损耗的半导体开关元件，来减少如PWM逆变器的PWM全桥功率转换装置中的开关损耗和传导损耗。日本电气工程学会文集(T.IEE Japan)，Vol.116D，No12(1996)也公开了为减少功率转换装置中传导损耗使用半导体元件的电路改进。但是现有的技术仍存在问题。因为在传导损耗，驱动电路中减少损耗及体积减小的优化方面没有做充分的研究，在驱动频率中存在特别的限制。例如，上述日本专利公开没有包括具体指出用于驱动具有电流控制型开关元件的双极型晶体管的方法。然而，如驱动晶体管的传统方法中，当恒电流施加于基极时，由于空载或轻载下的驱动损耗，在轻载下的效率将变成很低。上述日本电气工程师协会文集中描述的技术中，通过连接到晶体管集电极的CT(电流互感器)，驱动功率施加到晶体管，这样可通过上述CT的绕组匝数比确定基极电流。因此，要求设计的电路考虑半导体开关元件电流放大系数为最小值。结果，有可能在低负荷下CT被驱动至超饱和状态。另外，由于CT的使用，此技术仅在相对高的频率下才有效。
在这些条件下，本发明的一个目的是提供包括半导体开关元件且能够通过总体减少开关元件中产生的开关损耗和传导损耗来获得高效率的功率转换装置。
为了达到上面的和其它的目的，本发明提出了检测功率转换装置的半导体开关元件中集电极电流或漏极电流，并控制基极电流以根据检测到的值减小在上述开关元件中的传导损耗与驱动功率之和。
更具体地说，根据本发明，提供了一种用于包括具有集电极或漏极、发射极或源极及基极或栅极的电流控制型半导体开关元件的功率转换装置的开关元件驱动装置。驱动装置包括连接到切换元件基极或栅极的输出馈电线，连接到发射极或源极的输出返回(return)线，用于检测集电极或漏极电流的集电极电流检测装置，以及用于控制基极或栅极电流的基极电流控制装置。基极电流控制装置根据来自集电极电流检测装置的集电极电流信号控制基极电流以减小切换元件中传导损耗与驱动功率之和。
在本发明的一方面中，驱动装置还包括用于为驱动开关元件提供电流的元件驱动电源，以及用于将反向偏置施加于开关元件基极或栅极的反向偏置电源。基极电流控制装置包括用于将元件驱动电源连接到开关元件的基极或栅极的导通驱动(ON-drive)开关装置，用于将反向偏置电源连接到切换元件的基极或栅极的关断驱动(OFF-drive)开关装置，用于接收来自集电极电流检测装置的集电极电流信号并执行算术运算以获得基极电流的运算装置。另外，当开关元件处于导通时，导通驱动装置保持在导通状态，而关断驱动装置保持在非导通状态。然后当开关元件要关断时，关断驱动装置保持在导通状态，而导通驱动装置保持在非导通状态，这样为了开关元件的迅速关断操作，施加来自反向偏置电源的反向偏置。
根据本发明的另一方面，基极电流控制装置存储相对于专门针对特定开关元件的集电极电流的优化基极电流数据，并包括用于基于存储的数据，根据来自集电极电流检测装置的集电极电流信号，确定基极电流值的基极电流确定装置，以及用于根据来自基极电流确定装置的信号将基极电流施加到开关元件基极或栅极的电流控制装置。
在本发明的具体方面，基极电流控制装置存储对应于各种不同温度的优化基极电流数据。另外，提供了为检测开关元件的温度的温度检测装置，该基极电流控制装置的确定装置适合于基于存储的数据，根据来自集电极电流检测装置的集电极电流信号和来自温度检测装置的温度信号，确定基极电流值。
确定装置其构成可执行算术运算以获得使开关元件的传导损耗与驱动功率(drive Power)之和最小的基极电流，然后将获得的值乘以大于1的系数以向电流控制装置提供输出。确定装置也可其构成执行算术运算以获得使开关元件的传导损耗与驱动功率之和最小的基极电流，然后将一个恒电流值加到获得的值上以向电流控制装置提供输出。或者，确定装置其构成可执行算术运算，以获得使开关元件的传导损耗与驱动功率之和最小的基极电流，然后将获得的值乘以大于1的系数同时加上一个恒电流值以向电流控制装置提供输出。电流控制装置可包括用于控制上述开关元件基极电流的开关装置和设在开关装置输出部分的整流装置。整流装置可以是同步型，包括整流元件和具有比开关元件低的导通电阻的辅助整流元件。用于检测开关元件基极电流的基极电流检测装置可另外提供，而此基极电流检测装置其构成可根据基极电流命令信号调节来自基极电流控制装置的基极电流信号，基极电流命令信号是根据上述集电极电流检测装置的集电极电流信号获得的。
图1是表示根据本发明一个实施例的开关元件驱动电路的电路图。
图2是表示图1驱动电路进一步细节的电路图。
图3是表示晶体管中基极电流和恒电流下损耗之间关系的示意图。
图4是表示晶体管中集电极电流和优化基极电流之间关系的示意图。
图5是表示本发明实施例中开关元件导通和关断时各部分波形的示意图。
图6是表示根据本发明第二实施例的驱动电路的电路图。
图7是表示根据本发明另一个实施例的驱动电路的电路图。
图8是表示相对于不同温度晶体管中集电极电流和优化基极电流之间关系的示意图。
图9是表示图7驱动电路中电流命令值运算器电路的框图。
图10是表示本发明驱动电路被应用到功率转换装置中例子的功率转换装置的电路图。
现在参考
本发明实施例。首先参考图1，提供了晶体管5，它是包括集电极51，基极52和发射极53的电流控制型半导体开关元件。驱动电路100有一个连接到晶体管5的基极52的输出馈电线101。
驱动电路100包括一个电流源1，它的输出电流可由来自外部的信号控制，一个旁路开关2，以及一个导通-关断开关电路3。旁路开关2和导通-关断开关电路3分别并联连接在电流源1的正极端和负极端之间。导通-关断开关电路3有一个连接到驱动电路100的输出馈电线101的输出端。驱动电路100有一个一端连接到晶体管5的发射极53，另一端连接到电流源1的负极端的输出返回线(return line)102。驱动电路100还包括连接在电流源1的负极端和旁路开关2之间的反向偏置电源4。
提供电流检测器6，用于检测晶体管5的集电极电流，并有一个连接到基极电流命令值运算装置7的输出端。运算装置7有一个连接到为控制电流源1的输出电流产生控制信号的控制装置8的输出端。电流检测器9也被设在连接旁路开关2和电流源1与反向偏置电源4之间连接点的线路中。
图2表示了图1电路的进一步细节。电流源1包括电压源11，开关元件12，整流元件13，辅助整流元件14，以及电感器15。开关元件12和电感器15串联连接到电压源11。整流元件13和辅助整流元件14连接到开关元件12和电感器12和电感器15之间的连接点。整流元件13由二极管组成，而辅助整流元件14由例如场效应晶体管(FET)组成。此辅助整流元件14可借助于其同步整流功能来减小整流元件13中的损耗。当FET用作辅助整流元件14时，FET的寄生二极管可代替整流元件13。
导通-关断开关电路3由正极侧开关31和负极侧开关32组成，它们互相串联连接。正极侧开关31连接到电感器15，而负极侧开关32连接到电压源4。驱动电路100的输出馈电线101连接到正极侧开关31和负极侧开关32之间的连接点。
下面说明图1和图2所示的驱动电路100的操作。首先在驱动电路100导通的条件下，通过来自外部的开关信号，开关电路3的正极侧开关31导通，开关电路3的负极侧开关32关断。旁路开关2切换到关断状态，驱动电路100的输出通过输出馈电线101加到晶体管5的基极，这样使晶体管5保持在导通状态。电流检测器6检测晶体管5的集电极电流，并产生施加到电流命令值运算装置7的电流信号。根据此检测到的信号，运算装置7执行算术运算以获得与集电极电流值相适应的优化基极电流值，并将运算结果作为电流命令值信号传送给控制装置8。在驱动电路100中，电流检测器9检测驱动电路100的输出电流，并将相应的电流信号加到控制装置8。根据电流命令值信号和来自电流检测器9的实际电流信号，控制装置8产生控制信号用于控制开关元件12和辅助整流元件14的导通/关断操作，使驱动电路100的输出电流对应电流命令值。由此根据集电极电流值控制晶体管5的基极电流，使损耗最小。这将使得控制能在任何时候使由集电极/发射极之间压降引起的传导损耗与晶体管5导通/关断所耗的驱动功率之和最小。
图3表示基极电流与集电极和发射极之间的传导损耗及驱动功率之间关系的示意图，在这种情况中晶体管5处于导通状态，而集电极电流保持恒定。图3中，横坐标表示基极电流，而纵坐标表示传导损耗或驱动功率。线A表示驱动功率，而线B表示传导损耗。线C表示驱动功率与传导损耗之和。该和值以下称“晶体管损耗”。如图1中看到，在集电极电流特定值下，存在一个基极电流范围(OP)，其中晶体管损耗变为最小。
图4表示了相对于集电极电流值的晶体管损耗为最小时的优化基极电流值。图1和图2中所示的驱动电路中电流命令值运算装置7预先存储了在存储器中对应于该弯曲线的数据。优化基极电流值按照由电流检测器6检测到的集电极电流值从该数据中读出。当考虑电流放大系数变化时，读出的数据可被修改，以获得电流命令数据。在任何情况下，通过上述的基极电流控制可使晶体管导通状态的传导损耗与驱动功率之和最小。
下面说明晶体管5处于关断状态中的操作。在关断状态中，首先旁路开关2导通，这样来自电流源1的电流从开关电路3旁路通过。然后，在开关电路3中，正极侧开关31关断，负极侧开关导通。在此状态下，通过反向偏置电源4，晶体管5保持在反向偏置状态，这样在短时间内可将积聚在晶体管5中的电荷抽取出来，这使得关断速度加快，噪声裕度增大。当开关电路3从导通状态切换到关断状态时，旁路开关2用于使积聚在电感器15的能量旁路，以防止驱动电路100中过电压。电流源1的开关元件12和辅助整流元件14通过来自控制装置8的信号被关断。
下面说明开关操作。图5中表示了在晶体管5处于导通状态和关断状态的情况下驱动电路100中各部分的波形。在晶体管5关断状态中，当施加用于导通晶体管的信号时，开关元件12和辅助整流元件14首先导通，电感器15开始充电。当电感器被全充电时，反向信号被施加到开关电路3。此时，旁路开关2关断。由于电感器15以类似于电流源的方式起作用，晶体管5的基极电势迅速升高，电流快速加到晶体管5。因此，提高了晶体管5的导通速度。
当关断信号提供给处于导通状态中的晶体管5时，旁路开关2被导通，结果晶体管5的基极电流立即切断。同时，开关电路3被反相，反向偏置被加到晶体管5的基极52。在电流源1中，开关元件12和辅助整流元件14可被保持在恒电流加在这些元件时的状态或者通过任何适当的手段切断电流。积聚在电感器15中的能量通过旁路开关2和提供整流元件13的二极管消耗。这就导致了驱动电路100的损耗，然而，由于驱动电路在高频下驱动，电感器15具有小电抗值使损耗变小。
因此，根据本发明的上述实施例，执行算术运算按照晶体管5集电极电流值获得优化基极电流来控制驱动电路。所以，晶体管5中的集电极/发射极之间的传导损耗与驱动功率之和可被最小化。另外，由于电流源1的开关元件12和辅助整流元件14可在几百千赫及更高的高频下驱动，包括电感器15的驱动电路100的元件可大大减小尺寸，由此使驱动电路100本身尺寸减小。由于从不同电流类型的驱动电路施加晶体管5的基极电流，可施加连续驱动电流，而作为开关元件的晶体管5在扩展的时间段内可保持在导通或关断状态。另外，晶体管5也可由直流电流或在极低的频率下驱动。用作开关元件的晶体管5的基极与集电极之间的压降具有低值，如1V左右。另外，如果适当的开关元件如FET用于驱动电路的电流源中的辅助整流元件14，可通过其同步整流作用进一步减少驱动电路100的损耗。由于驱动电路100的输出电压可低至1V左右，驱动电路中的电压也可非常低，例如最低可以是几伏。另外，由于可使用低耐压和低状态电阻的元件如FET作为开关元件12和辅助整流元件14，驱动电路中损耗可进一步减少。
虽然在上述描述中的晶体管5类型具有集电极51，基极52和发射极53，在如双极型静电感应晶体管(BSIT)作为开关元件情况中，对应于集电极，基极和发射极的部分分别称作漏极，栅极和源极。控制装置8可以是数字形式，或者是包括模拟元件的模拟电路，如运算放大器和比较器。
图6示出了本发明第二实施例。在图6所示的电路中，对应图1和图2所示的元件用相同参考数字表示，并省略详细描述。在图6电路中，电流源1包括连接到电压源11的变压器16。开关元件20连接到变压器16的初级绕组，而变压器的次级绕组通过整流元件17,18连接到电感器15。整流元件17,18可由互相并联连接的二极管和开关元件构成，如图2电路中整流元件13,14的情况。设有由四个桥连接开关元件19a,19b,19c,19d组成的电路19并构成导通-关断电路。电路19的输出端连接到驱动电路100的馈电输出线101和输出返回线102。在图6所示的电路中，通过变压器完成功率传输，而各种信号通过隔离元件例如能使驱动电路100与晶体管5电气隔离的脉冲变压器和光敏耦合器来传输。在实际功率转换装置中，经常的情况是，开关电路由多个桥连接开关元件如晶体管5构成。因此，由于晶体管5的变化的发射极电位，对于每个晶体管，要求隔离的驱动电路。图6的驱动电路可用于此目的。当隔离直流电压源用于每个驱动电路时，可使用具有图2所示的非隔离电路的驱动电路。
图7表示了提供温度补偿功能的本发明实施例。晶体管的电流放大增益根据温度变化通常会显著变化。这种趋势在小集电极电流的范围内显得特别重要。图7电路目的在于涉及晶体管的此特征，为此，设有温度检测器25用于检测晶体管5的温度。图8表示了在不同温度下获得的与图4所示曲线相对应的优化基极电流曲线。图7电路预先存储了图8所示的数据。该电路根据集电极电流通过选择对应基于来自温度检测器25温度信号的其中一条温度曲线，执行算术运算以确定优化的基极电流值。
图9示意性表示了图7中电流命令值运算装置7的框图。运算装置7包括基极电流运算装置7a和驱动裕度设定装置7b。基极电流运算装置7a用集电极电流信号和温度信号作为其输入根据图8曲线来确定优化基极电流值。基极电流装置7a的输出被引入到驱动裕度(margin)设定装置7b。提供驱动裕度设定装置7b用于解决由于晶体管特征变化和电流检测器检测误差引起的可能的驱动功率短缺问题。驱动裕度设定装置7b用作设定具有裕度的基极电流值，此裕度为基极电流运算装置7a的输出乘以大于1的系数，或将一个恒电流值加到基极电流运算装置7a。
图10表示了整流装置电路的基本部分和用于采用本发明驱动电路的不间断电源的逆变装置。此电路已众所周知，在此省略详细描述。该电路包括由晶体管Q1,Q2和分别并联连接到晶体管Q1,Q2的辅助开关装置Qaux1,Qaux2构成的变换器MC，由晶体管Q5,Q6和分别并联连接到晶体管Q5,Q6的辅助开关装置Qaux5，Qaux6构成的逆变器MI，以及置于逆变器MI和变换器MC之间的极性切换臂MP。极性切换臂MP包括晶体管Q3,Q4和分别并联连接到晶体管Q3,Q4的辅助开关装置Qaux3,Qaux4。该电路构成一个输入/输出同步型非隔离CVCF装置。逆变器MI和变换器MC由PWM驱动，形成输入电流和输出电压波形，而极性切换臂MP由50赫或60赫的工频驱动。
用于此电路中的晶体管是电流控制型半导体开关元件。提供辅助开关装置，为电流控制开关元件的低切换速度提供补偿。此特征本身已在上述描述的日本电气工程学会文集的上述文章中公开。图10中，参考字符Dr1至Dr6指根据本发明构成的驱动电路。图6所示的驱动电路可用作驱动电路。当可使用隔离电流源时，也可使用具有如图2所示的非隔离的驱动电路。不仅是图10所示的电路类型，功率转换装置通常为不同目的设有电流检测器，这样每个晶体管的集电极电流可被实时检测。因此，当本发明的驱动电路用于实际功率转换装置时，不必在驱动电路中提供任何另外的电流检测器。另外，电流命令值运算装置7和控制装置8其中之一或两者都可安装在功率转换装置中提供的主控制电路C中。
权利要求
1．在包括具有集电极或漏极、发射极或源极及基极或栅极的电流控制型半导体开关元件的功率转换装置中，用于所述开关元件的驱动装置，包括连接到所述开关元件的所述基极或栅极的输出馈电线；连接到所述发射极或源极的输出返回线；用于检测集电极电流或漏极电流并产生集电极电流信号的集电极电流检测装置；以及用于控制基极电流或栅极电流的基极电流控制装置，其中所述的基极电流控制装置适用于根据来自所述集电极电流检测装置的所述集电极电流信号控制基极电流以减小在所述开关元件中的传导损耗与驱动功率之和。
2．根据权利要求1的驱动装置，还包括提供用于驱动所述开关元件的电流的元件驱动电源；以及用于向所述开关元件的所述基极或栅极提供反向偏置的反向偏置电源，其中所述基极电流控制装置包括用于将所述元件驱动电源连接到所述开关元件的所述基极或栅极的导通驱动开关装置，用于将所述反向偏置电源连接到所述开关元件的所述基极或栅极的关断驱动开关装置，用于通过接收来自所述集电极检测装置的集电极电流信号以执行算术运算来确定基极电流的运算装置，其中，当开关元件导通时，所述导通驱动开关装置处于导通状态而所述关断驱动(开关装置处于非导通状态，而当开关元件被关断时，所述关断驱动开关装置处于导通状态而所述导通驱动开关装置处于非导通状态，由此为了所述开关元件的快速关断操作，施加来自所述反向偏置电源的反向偏置。
3．根据权利要求1或2的驱动装置，其中所述基极电流控制装置存储对应于专用于所述开关元件的各种集电极电流值的优化基极电流数据，并包括用于根据来自所述集电极电流检测装置的集电极电流信号，基于存储的数据确定基极电流值的基极电流确定装置，提供电流控制装置用于根据来自所述基极电流确定装置的信号将基极电流施加到所述开关元件的所述基极或栅极。
4．根据权利要求3的驱动装置，其中所述基极电流控制装置存储对应于各种不同温度的优化基极电流数据，所述驱动装置还包括用于检测所述开关元件温度的温度检测装置，其中所述基极电流控制装置的确定装置基于存储的数据，根据来自所述集电极电流检测装置的集电极电流信号和来自所述温度检测装置的温度信号，来确定基极电流值。
5．根据权利要求3或4的所述开关元件的驱动装置，其中所述确定装置执行算术运算以确定使所述开关元件的传导损耗与驱动功率之和最小的基极电流，然后将获得的值乘以大于1的系数，向所述电流控制装置提供输出。
6．根据权利要求3或4的驱动装置，其中所述确定装置执行算术运算以确定使所述开关元件的传导损耗与驱动功率之和最小的基极电流，然后将一恒电流值加到因此获得的值上，向所述电流控制装置提供输出。
7．根据权利要求3或4的所述开关元件的驱动装置，其中所述确定装置执行算术运算以确定使所述开关元件的传导损耗与驱动功率之和最小的基极电流，然后将获得的值乘以大于1的系数并加上一个恒电流值，以向所述电流控制装置提供输出。
8．根据权利要求3至7的任何一个权利要求的驱动装置，其中所述电流控制装置包括用于控制所述开关元件基极电流的开关装置和设在所述开关装置的输出部分的整流装置，所述整流装置是包括整流元件和具有比所述开关装置导通电阻低的辅助整流元件的同步型整流装置。
9．根据权利要求1至8的任何一个权利要求的驱动装置，还包括用于检测所述开关元件的所述基极电流的基极电流检测装置，所述基极电流检测装置适合于根据基极电流命令信号调节来自所述基极电流控制装置的基极电流信号，基极电流命令信号根据来自所述集电极电流检测装置的集电极电流信号获得。
全文摘要
在包括电流控制型半导体开关元件的功率转换装置中,公开了上述开关元件的驱动装置。驱动装置包括连接到开关元件的基极或栅极的输出馈电线,连接到发射极或源极的输出返回线。提供了用于检测集电极电流或漏极电流的集电极电流检测装置,以及用于控制基极电流或栅极电流的基极电流控制装置。基极电流控制装置根据来自集电极电流检测装置的集电极电流信号控制基极电流以减小开关元件中传导损耗与驱动功率之和。
文档编号H03K17/042GK1287403SQ0013067
公开日2001年3月14日 申请日期2000年7月8日 优先权日1999年7月8日
发明者沖田美久 申请人:Tdk股份有限公司