专利名称：半导体元件的驱动装置及方法
技术领域：
本发明涉及具有切换功能的半导体元件的驱动装置及方法。详细地说，涉及能够在半导体元件进行切换时抑制切换损失的增加并降低浪涌电压的半导体元件的驱动装置及方法。
背景技术：
以往，在电动汽车中，由于通常使用以三相交流方式驱动的同步电动机，所以搭载有将电池(直流电源)的直流输出转换成三相交流以驱动同步电动机的逆变器。此外，将像这样搭载在电动汽车上的逆变器特别地称为“电动汽车用逆变器”。电动汽车用逆变器多采用PWM(Pulse Width Modulation 脉宽调制)控制， 作为用于实现该PWM控制的电力用半导体元件，采用IGBTansulated Gate Bipolar Transistor 绝缘栅双极型晶体管)(参照专利文献1至3)。专利文献1 JP-A-2007-306166专利文献2 JP-A-2008-078816专利文献3 :US2010/0008113IGBT是由栅极-发射极间的电压Vge驱动，并能够根据针对栅极的输入信号而进行导通及断开的动作的自消弧形的半导体元件。这里，断开切换是指IGBT的集电极-发射极间从导通状态切换至断开状态，导通切换是指IGBT的集电极-发射极间从断开状态切换至导通状态。在电动汽车用逆变器中，对应于这样的IGBT，成对地使用FWD(Free Wheeling Diode 续流二极管)。S卩，FWD是对应于IGBT的续流二极管，与IGBT并联且与IGBT的输入输出方向反向地连接。另外，在电动汽车用逆变器中设有驱动IGBT的电路(以下称为“半导体元件驱动电路”)。即，半导体元件驱动电路通过改变IGBT的栅极-发射极间的电压Vge的值来控制 IGBT的导通及断开。然而，在IGBT的导通或断开这样的切换时的过渡期间，会产生浪涌电压。以下，对浪涌电压简要地进行说明。在连接有IGBT的电路(母线)中，存在浮地电感。这样的浮地电感相对于电流成为惯性力，产生妨碍该电流变化的作用。因此，当电流要急剧减小时，在浮地电感内部，在妨碍该电流减小的方向上产生电动势。即，在电动汽车用逆变器中，在相对于电池的电源电压串联地相加的方向上产生电动势。基于这样产生的电动势的电压被称为“浪涌电压”。在电动汽车用逆变器中，串联连接的两个IGBT为一个单位，对于同步电动机的三相的负载，例如将三个单位等的多个单位并联连接而使用。在一个单位内，当一方的IGBT 导通时，另一方的IGBT断开。因此，在一个单位内的切换时的过渡期间中，由于某一方的 IGBT的集电极电流急剧降低，因此会产生大的浪涌电压相加在电源电压上，并被施加在 IGBT的集电极-发射极间。
因此，IGBT需要具有耐受得住这样的浪涌电压的元件耐压。因此，当然，浪涌电压越大，所要求的元件耐压也就越上升，因而IGBT也变得大型化。如果是在工厂等中使用的工业用逆变器的话，由于工厂内有充分的设置空间，所以能够采用大型的IGBT。但是，在电动汽车用逆变器中，难以在电动汽车内确保这样的设置空间，因此采用大型的IGBT非常困难。由此，作为搭载在电动汽车用逆变器中的IGBT，要求小型化。为了实现IGBT的小型化，只要相反地将元件耐压抑制在较低程度即可，为此，只要降低浪涌电压即可。如上述那样，因电流的急剧减小而产生浪涌电压，因此，通过减缓电流减小的变化程度就能够降低浪涌电压。即，如果以下将IGBT的切换时的电流、电压的上升、下降时间称为“切换速度”的话，则通过减慢切换速度，能够降低浪涌电压。然而，若为了降低浪涌电压而减慢切换速度，则切换时的过渡时期中的IGBT、FffD 的损失(以下称为“切换损失”)变大。另一方面，若为了降低切换损失而加快切换速度，则如上所述，浪涌电压变大。这样，在浪涌电压与切换损失之间，存在折衷(相悖条件)的关系。此外，以下，将处于这样的关系中的浪涌电压与切换损失的特性称为“浪涌电压与切换损失的折衷特性”。因此，在电动汽车用逆变器中，期望改善浪涌电压与切换损失的折衷特性，换言之，期望在IGBT切换时，一边抑制切换损失的增加，一边降低浪涌电压。为了满足这样的期望，专利文献1至3中公开了几个方法，但在这些以往的方法中，很难说充分满足了该期望。因此，目前的状况是正在寻求一种能够充分满足该期望的新方法。以上，以电动汽车用逆变器为例进行了说明，但是，不仅是电动汽车用逆变器要求小型化，对于采用具有切换功能的半导体元件的各种机器来说，也要求小型化。因此，现在的状况是，要求能够充分满足该期望的新方法不仅适用于电动汽车用逆变器的IGBT，还能够一般性地广泛适用于具有切换功能的半导体元件。
发明内容
本发明的实施方式提供一种具有切换功能的半导体元件的驱动装置及方法，该半导体元件的驱动装置及方法能够在半导体元件切换时，一边抑制切换损失的增加，一边降低浪涌电压。根据本发明的实施方式，一种半导体元件的驱动装置13、13U，所述半导体元件具有根据施加在栅极上的驱动信号的电压而导通或断开的切换功能，是集电极和发射极被插入在母线中的、分别并联连接有续流二极管12U、12D且相互串联连接的第一半导体元件 1IU及第二半导体元件1 ID,所述半导体元件的驱动装置向第一半导体元件1IU及第二半导体元件IlD中的第一半导体元件IlU的栅极供给驱动信号以使母线接通或阻断，该半导体元件的驱动装置13、13U具有反馈部23，该反馈部23在所述第一半导体元件从导通切换到断开时，根据所述第一半导体元件的集电极电流的时间变化生成反馈电压，在所述第一半导体元件从断开切换到导通时，根据所述第二半导体元件侧的所述续流二极管中所流过的续流电流生成反馈电压，并将所生成的反馈电压作为所述驱动信号的电压的一部分进行施加。
通过实施例的记载及权利要求书，能够了解其他特征及效果。
图1是表示包括应用了 “di/dt内反馈动作”的半导体元件驱动电路的、电子电路的一个实施方式的概要结构的图。图2示出能够实现“di/dt内反馈动作”的控制块。图3(A)及图3(B)是说明产生浪涌电压与切换损失的折衷特性的以往的方法的图。图4(A) 图4(D)是表示应用了 “di/dt内反馈动作”的情况下的IGBT断开时的栅极驱动情况的时序图。图5是表示作为图1的电子电路在断开时采用了“di/dt内反馈动作”的断开基本模型的简要构成的图。图6是图5的电子电路的断开基本模型的流程图。图7(A) 图7(D)是表示图6的断开基本模型的电子电路及以往的电子电路的各自断开时的动作的结果的时序图。图8是表示图6的断开基本模型的电子电路及以往的电子电路的各自断开时的浪涌电压与损失的关系的一个例子的图。图9是表示作为图1的电子电路，在导通时应用了 “di/dt内反馈动作“的导通基本模型的概要结构的图。图10是图9的电子电路的断开基本模型的流程图。图Il(A) 图Il(F)是示出图10的导通基本模型的电子电路及以往的电子电路的各自导通时的动作结果的时序图。图12是示出图10的导通基本模型的电子电路及以往的电子电路的各自导通时的浪涌电压与损失的关系的一例的图。图13是示出安装有图9的电子电路的逆变器的一部分的结构例的图。图14(A) 图14(C)是示出对以往的电子电路与图13的电子电路断开时的动作结果进行比较的时序图。图15㈧ 图15(C)是示出对以往的电子电路与图13的电子电路导通时的动作结果进行比较的时序图。图16㈧及图16⑶是示出对以往的电子电路与图13的电子电路的短路阻断特性进行比较的图。图17是示出对以往的电子电路与图13的电子电路的、短路时产生损失与栅极电压的依赖关系进行比较的图。图18㈧及图18⑶是安装有图1的电子电路的逆变器的一部分的结构例，是表示与图13不同的例子的图。图19是说明在上侧和下侧设置图18㈧的电子电路并串联连接的情况下的逆变器中，在上侧和下侧实现功能的方法的一例的图。图20㈧及图20⑶是说明在图19的反向恢复区间附近的、蓄积在换流侧的FWD 的基极层上的载流子过剩的情况下释放出的反向恢复电流的图。
图21示出使反向恢复区间的上侧的IGBT的电阻值可变的情况下的反向恢复电流的波形。图22是示出安装了作为与图1的电子电路对应的电子电路的、对图18(A)的电子电路结构应用了 LPF插入法的结构的电子电路的逆变器的一部分的结构例的图。图23 (A) 图23 (F)是示出对使LPF的延迟量变化的情况下的图22的电子电路导通时的动作结果进行比较的时序图。图M是示出图22的电子电路及以往的电子电路各自导通时的、浪涌电压与切换损失的关系的一例的图。附图标记的说明
1 I电子电路
11IGBT
12FffD
13半导体元件驱动电路
21栅极电阻
22电压源
23di/dt反馈部
24增益部
25电阻器
31di/dt检测部
32增益部
33电压源
51di/dt检测部
52增益部
53电压源
54换流侧电流IFWD检测部
55换流电流IFWD方向判定
56乘法部
61电流检测部
62增益部
63微分部
71电流检测部
72增益部
73微分部
74比较部
75比较部
76乘法部
77乘法部
121变压器
122电阻器
201 LPF 电路
具体实施例方式以下，根据
本发明的实施方式。图1是包括本发明的半导体元件驱动电路13在内的电子电路1的一个实施方式的简要构成的图。电子电路1例如能够作为电动汽车用逆变器的功率模块的一部分而被采用。电子电路1包括IGBT 11、FWD 12和半导体元件驱动电路13。IGBT 11与FWD 12并联连接且输入输出方向反向地连接。IGBT 11具有使逆变器的电源线等的母线接通或阻断的切换功能，该IGBT 11根据被施加在IGBT 11的栅极上的驱动信号的电压的大小、即栅极-发射极间的电压Vge的大小导通或断开。即，半导体元件驱动电路13通过改变IGBT 11的栅极-发射极间的电压Vge，来控制IGBT 11的导通及断开。半导体元件驱动电路13具有栅极电阻21、电压源22、di/dt反馈部23。电压源22输出栅极电压Vgg，其一端连接在IGBT 11的发射极上，其另一端经由栅极电阻21连接在IGBT 11的栅极上。S卩，栅极电阻21的一端连接在电压源22上，另一端连接在IGBTll的栅极上。栅极电阻21具有根据其电阻值Rg对导通或断开的过渡期中出现的IGBT 11的栅极-发射极间的电压Vge的振动进行抑制、以及调整IGBT 11的切换速度等的功能。当电压源22的栅极电压Vgg为高值(HIGH)时，IGBT 11的栅极-发射极间的电压Vge也成为高值(HIGH)，于是IGBT 11导通。另一方面，当电压源22的栅极电压Vgg为低值(LOW)时，IGBT 11的栅极-发射极间的电压Vge也成为低值(LOW)，于是IGBT 11断开。di/dt反馈部23根据在连接有IGBT 11的母线中流过的电流的时间变化生成反馈电压VFB，并作为IGBT 11的栅极-发射极间的电压Vge的一部分、即驱动信号的电压的一部分进行相加。此外，在图1中，为了明确将反馈电压Vfb作为驱动信号的电压的一部分进行相加的情况，虽未标以附图标记，但是在表示反馈电压VFB的箭头的前端图示出了外部控制电源。关于安装例，如在后记载的几个安装例那样，只要是能够将反馈电压Vfb作为驱动信号的电压的一部分进行相加的结构即可，不是必须在半导体元件驱动电路13内设置称为外部控制电源的器件。具体地说，这里，di/dt反馈部23根据电子电路1的主电流、即IGBT 11的集电极电流Ic的时间变化、即时间微分值dlc/dt生成反馈电压VFB，并作为IGBT 11的栅极-发射极间的电压Vge的一部分进行相加。这样的di/dt反馈部23的动作是应用本发明的动作，以下，为了与以往的其他动作相区别，特别地称为“di/dt内反馈动作”。以下，对“di/dt内反馈动作”进行更详细的说明。式子(1)至式子(11)是说明“di/dt内反馈动作”的原理的式子。
Ice sat = gm · (Vge-Vlh)... (1)在式子(1)中，Ice表示IGBT 11的集电极-发射极间的电流(与集电极电流Ic 等价)。gm表示IGBT 11的互导。Vge表示IGBT 11的栅极-发射极间的电压。VTh表示 IGBT 11的阈值电压。从式子(1)能够得到式子⑵。
权利要求
1.一种半导体元件的驱动装置(13U)，所述半导体元件具有根据施加在栅极上的驱动信号的电压而导通或断开的切换功能，是集电极和发射极被插入在母线中的、分别并联连接有续流二极管(12U、12D)且相互串联连接的第一半导体元件(IlU)及第二半导体元件 (IlD)，所述半导体元件的驱动装置(13U)向第一半导体元件(IlU)及所述第二半导体元件 (IlD)中的所述第一半导体元件(IlU)的栅极提供驱动信号以使所述母线接通或阻断，其特征在于，所述半导体元件的驱动装置(13U)具有反馈部O30FF、230N)，所述反馈部根据流过所述母线的电流的时间变化，将反馈电压作为所述驱动信号的电压的一部分而生成，所述反馈部具有断开时反馈部O30FF)，在所述第一半导体元件(IlU)从导通切换到断开时，根据所述第一半导体元件(IlU)的集电极电流的时间变化，生成所述反馈电压；导通时反馈部O30N)，在所述第一半导体元件(IlU)从断开切换到导通时，根据所述第二半导体元件(IlD)侧的所述续流二极管(12D)中所流过的续流电流，生成所述反馈电压。
2.如权利要求1所述的半导体元件的驱动装置，其特征在于，所述导通时反馈部在所述续流电流的方向是与反向恢复区间对应的方向的情况下，生成所述反馈电压，在除此以外的情况下，禁止所述反馈电压的生成。
3.一种半导体元件的驱动方法，所述半导体元件具有根据施加在栅极上的驱动信号的电压而导通或断开的切换功能，是集电极和发射极被插入在母线中的、分别并联连接有续流二极管(12U、12D)且相互串联连接的第一半导体元件(IlU)及第二半导体元件(IlD)，所述半导体元件的驱动方法对所述第一半导体元件(IlU)及所述第二半导体元件(IlD)中的至少所述第一半导体元件(IlU)进行驱动，其特征在于，为了使所述母线导通或阻断，将驱动信号供给到所述第一半导体元件(IlU)的栅极，根据流过所述母线的电流的时间变化，将反馈电压作为所述驱动信号的电压的一部分而生成，在所述第一半导体元件(IlU)从导通切换到断开时，根据所述第一半导体元件(IlU) 的集电极电流的时间变化，生成所述反馈电压；在所述第一半导体元件(IlU)从断开切换到导通时，根据所述第二半导体元件(IlD) 侧的所述续流二极管(12D)中所流过的续流电流，生成所述反馈电压。
4.一种半导体元件的驱动装置(13)，所述半导体元件(11)具有根据被施加在栅极上的驱动信号的电压导通或断开的切换功能，且集电极和发射极被插入到母线中，所述半导体元件的驱动装置(1 向半导体元件(11)的栅极供给驱动信号以使所述母线导通或阻断，其特征在于，所述半导体元件的驱动装置(1 具有缓冲电路，包括基极电阻(122)；和反馈部( )，根据流过所述母线的电流的时间变化，将反馈电压作为所述驱动信号的电压的一部分而生成，所述反馈部具有变压器(121)，该变压器(121)的二次侧被连接在所述缓冲电路的所述基极电阻(122)的两端。
5.根据权利要求4所述的半导体元件的驱动装置，其特征在于，所述变压器(121)是空芯变压器。
6.一种半导体元件的驱动装置(13、13U)，所述半导体元件具有根据施加在栅极上的驱动信号的电压而导通或断开的切换功能，是集电极和发射极被插入在母线中的、分别并联连接有续流二极管(12U、12D)且相互串联连接的第一半导体元件(IlU)及第二半导体元件(IlD)，所述半导体元件的驱动装置(13U)向第一半导体元件(IlU)及所述第二半导体元件(IlD)中的所述第一半导体元件(IlU)的栅极提供驱动信号以使所述母线接通或阻断， 其特征在于，所述半导体元件的驱动装置(13U)具有反馈部03)，在所述第一半导体元件从导通切换到断开时，根据所述第一半导体元件的集电极电流的时间变化，生成反馈电压，在所述第一半导体元件从断开切换到导通时，根据所述第二半导体元件侧的所述续流二极管中所流过的续流电流，生成反馈电压，将所生成的所述反馈电压作为所述驱动信号的电压的一部分而施加到所述第一半导体元件的栅极上，所述反馈部03)具有延迟滤波器001)，该延迟滤波器(201)使将所述反馈电压作为所述驱动信号的电压的一部分而施加到所述第一半导体元件的栅极上的定时延迟。
7.根据权利要求6所述的半导体元件的驱动装置，其特征在于，所述延迟滤波器(201) 具有使整流元件的朝向改变的两个电流路径(211、212)。
8.一种半导体元件的驱动方法，所述半导体元件具有根据施加在栅极上的驱动信号的电压而导通或断开的切换功能，是集电极和发射极被插入在母线中的、分别并联连接有续流二极管(12U、12D)且相互串联连接的第一半导体元件(IlU)及第二半导体元件(IlD)，所述半导体元件的驱动方法对所述第一半导体元件(IlU)及所述第二半导体元件(IlD)中的至少所述第一半导体元件(IlU)进行驱动，其特征在于，为了使所述母线导通或阻断，将驱动信号供给到所述第一半导体元件(IlU)的栅极，在第一半导体元件从导通切换到断开时，根据所述第一半导体元件的集电极电流的时间变化，生成反馈电压，并将所述反馈电压作为所述驱动信号的电压的一部分而施加到所述第一半导体元件的栅极上，在所述第一半导体元件从断开切换到导通时，根据所述第二半导体元件侧的所述续流二极管中所流过的续流电流，生成所述反馈电压，并在生成后延迟规定的延迟量地将所述反馈电压作为所述驱动信号的电压的一部分而施加到所述第一半导体元件的栅极上。
全文摘要
本发明提供一种半导体元件的驱动装置及方法，半导体元件的驱动装置的断开时反馈部(23OFF)在第一半导体元件(11U)从导通切换到断开时，根据第一半导体元件(11U)的集电极电流的时间变化，将反馈电压作为使母线导通或阻断的驱动信号的电压的一部分而生成。导通时反馈部(23ON)在第一半导体元件(11U)从断开切换到导通时，根据第二半导体元件(11D)侧的续流二极管(12D)中所流过的续流电流而生成反馈电压。
文档编号H03K17/567GK102377419SQ20111023011
公开日2012年3月14日 申请日期2011年8月9日 优先权日2010年8月9日
发明者五月女耕二, 后藤胜敏, 塚田能成, 竹内祐介 申请人:本田技研工业株式会社