本发明的实施方式涉及对构成三电平中性点钳位型逆变器的4个开关元件进行驱动的电路。
背景技术：
三电平中性点钳位型逆变器具备主电路，该主电路是将例如四个mosfet等半导体开关元件串联连接而成的，如果将逆变器驱动用的电源电压设为vdc，则三电平中性点钳位型逆变器能够输出vdc、vdc/2、0这三个电平的电压。由此，意图减少输出电压的波纹(ripple)且使系统连接用的电抗器或电容器等的体积小型化。
如果非常单纯地考虑对构成这样的逆变器的4个fet的栅极进行驱动的电路，则需要4个栅极驱动用电源，这4个栅极驱动用电源对应于对各fet的栅极进行驱动的电路而电位基准各自不同。
相对于此，在日本特开2000－37080号公报中，具备绝缘电源402和绝缘电源401这两个元件驱动用电源，上述绝缘电源402以与直流负侧连接的由igbt构成的开关元件104的发射极为电位基准，上述绝缘电源401以被连接在开关元件104与输出线之间的开关元件103的发射极为侧电位基准。而且，利用各自的电源，对开关元件104以及103的栅极进行驱动，利用从绝缘电源401经由二极管202以及203和电容器302以及301生成的电源，对与直流正侧连接的开关元件101以及102的栅极进行驱动。
但是，在专利文献1的结构中，每1相的绝缘的栅极电源需要两个，在小型化方面有界限。即，需要以直流负侧电位为基准的栅极电源1以及以半导体开关2的源极为基准的栅极电源2。
技术实现要素：
根据实施方式的三电平中性点钳位型逆变器的开关元件驱动电路，上述中性点钳位型逆变器通过在直流电源的正侧端子、负侧端子间串联连接第1、第2、第3以及第4开关元件而构成，在该中性点钳位型逆变器中以上述4个开关元件为驱动对象，
上述开关元件驱动电路具备：
元件驱动用电源，以上述负侧端子为电位基准；
第4元件驱动部，被连接在该元件驱动用电源的正侧端子与负侧端子之间，对上述第4开关元件进行驱动；
第3二极管，该第3二极管的阳极被连接在上述元件驱动用电源的正侧端子上；
第3元件驱动部，被连接在上述第3及第4开关元件的共用连接点与该第3二极管的阴极之间，对上述第3开关元件进行驱动；
第3电容器，被并联连接在该第3元件驱动部上；
第2二极管，该第2二极管的阳极被连接在上述第3二极管的阴极上；
第2元件驱动部，被连接在上述第2以及第3开关元件的共用连接点与该第2二极管的阴极之间，对上述第2开关元件进行驱动；
第2电容器，被并联连接在该第2元件驱动部上；
第1二极管，该第1二极管的阳极被连接在上述第2二极管的阴极上；
第1元件驱动部，被连接在上述第1以及第2开关元件的共用连接点与该第1二极管的阴极之间，对上述第1开关元件进行驱动；以及
第1电容器，并联连接在该第1元件驱动部上。
附图说明
图1是在一实施方式中表示栅极驱动电路以及npc逆变器的电路图，
图2是表示栅极驱动电路的结构的电路图，
图3是表示npc逆变器的开关模式和对输出线输出的电压的模式的一览表的图，
图4是表示半导体开关sw3以及sw4导通的情况下的电容器的充电状态的图，
图5是表示仅半导体开关sw3导通的情况下的电容器的充电状态的图，
图6是表示半导体开关sw2以及sw3导通的情况下的电容器的充电状态的图，
图7是表示仅半导体开关sw2导通的情况下的电容器的充电状态的图，
图8是表示根据各半导体开关进行开关动作的模式而对各电容器进行充电的状态的时序图。
具体实施方式
根据实施方式的三电平中性点钳位型逆变器的开关元件驱动电路，上述中性点钳位型逆变器通过在直流电源的正侧端子、负侧端子间串联连接第1、第2、第3以及第4开关元件而构成，在该中性点钳位型逆变器中以上述4个开关元件为驱动对象，
上述开关元件驱动电路具备：
元件驱动用电源，以上述负侧端子为电位基准；
第4元件驱动部，被连接在该元件驱动用电源的正侧端子与负侧端子之间，对上述第4开关元件进行驱动；
第3二极管，该第3二极管的阳极被连接在上述元件驱动用电源的正侧端子上；
第3元件驱动部，被连接在上述第3及第4开关元件的共用连接点与该第3二极管的阴极之间，对上述第3开关元件进行驱动；
第3电容器，被并联连接在该第3元件驱动部上；
第2二极管，该第2二极管的阳极被连接在上述第3二极管的阴极上；
第2元件驱动部，被连接在上述第2以及第3开关元件的共用连接点与该第2二极管的阴极之间，对上述第2开关元件进行驱动；
第2电容器，被并联连接在该第2元件驱动部上；
第1二极管，该第1二极管的阳极被连接在上述第2二极管的阴极上；
第1元件驱动部，被连接在上述第1以及第2开关元件的共用连接点与该第1二极管的阴极之间，对上述第1开关元件进行驱动；以及
第1电容器，并联连接在该第1元件驱动部上。
以下，一边参照附图一边对本发明的一个实施方式进行说明。图1是表示本实施方式的栅极驱动电路以及npc逆变器的电路图。在被施加直流电压vdc的正侧电源线1、负侧电源线2之间，连接有平滑电容器3以及4的串联电路和4个半导体开关sw1～sw4的串联电路to。半导体开关sw1～sw4构成npc逆变器5的主电路，例如在本实施方式中使用n沟道mosfet。半导体开关sw1～sw4相当于第1～第4开关元件。
正向地串联连接的钳位二极管6以及7同样构成npc逆变器5的主电路。二极管6的阳极被连接在半导体开关sw3的源极上，二极管7的阴极被连接在半导体开关sw1的源极上。平滑电容器3、4是生成直流电压vdc的平滑化及其中性点电位vdc/2的部件，两者的共用连接点被连接在二极管6以及7共用连接点上。半导体开关sw2以及sw3的共用连接点被连接在npc逆变器5的输出线8上。输出线8是1相大小的npc逆变器输出，例如被连接在马达的定子绕组或电抗器等上。
栅极电源11生成电源，该电源被供给到用于对半导体开关sw1～sw4进行驱动的栅极驱动电路gd1～gd4，栅极电源11的电源电压一般为15～20v左右。栅极电源11的负侧端子与栅极驱动电路gd4的负侧端子一起被连接在负侧电源线2上。栅极电源11的正侧端子与栅极驱动电路gd4的正侧端子一起经由正向的二极管d3，被连接在栅极驱动电路gd3的正侧端子上。栅极电源11相当于元件驱动用电源。
栅极驱动电路gd3的负侧端子被连接在半导体开关sw3的源极上。相对于栅极驱动电路gd3，并联连接有电容器c3。二极管d3的阳极经由正向的二极管d2被连接在栅极驱动电路gd2的正侧端子上。栅极驱动电路gd2的负侧端子被连接在半导体开关sw2的源极、输出线8上。相对于栅极驱动电路gd2，并联连接有电容器c2。
同样地，二极管d2的阳极经由正向的二极管d1被连接在栅极驱动电路gd1的正侧端子上。栅极驱动电路gd1的负侧端子被连接在半导体开关sw1的源极上。相对于栅极驱动电路gd1，并联连接有电容器c1。即，电容器c1、c2、c3分别经由二极管d1、d2、d3被栅极电源11充电。电容器c1～c3相当于第1～第3电容器，二极管d1～d3相当于第1～第3二极管。
利用未图示的控制电路，对栅极驱动电路gd1～gd4输入栅极信号、开关信号。图2作为一例而示出栅极驱动电路gd4的结构。栅极驱动电路gd4由p沟道mosfet12以及n沟道mosfet13的串联电路构成，两者的共用连接点被连接在半导体开关sw4的栅极上。fet12以及13的栅极被共用地连接，开关信号被提供给上述栅极。栅极驱动电路gd1～gd4相当于第1～第4元件驱动部。
在以上的结构中，除了平滑电容器3以及4、npc逆变器5、二极管6以及7以外的部分相当于开关元件驱动电路14。
接着参照图3至图8对本实施方式的作用进行说明。半导体开关sw1、sw2、sw3的栅极驱动用电源分别成为对电容器c1、c2、c3进行了充电的电压。图3示出了npc逆变器5的开关模式与对输出线8输出的电压的模式的一览表。如果半导体开关sw1以及sw2导通，则对输出线8输出电压vdc。如果半导体开关sw1或者sw2导通，则输出vdc/2。而且，如果半导体开关sw3以及sw4导通，则输出0v。对根据以上叙述的开关模式进行的各电容器c1、c2、c3的充电动作进行说明。
首先，如图4所示，在半导体开关sw3以及sw4导通的情况下，半导体开关sw3以及sw4的源极电位成为与栅极电源11的基准电位相同。因此，能够从栅极电源11经由二极管d3对电容器c3进行充电。电容器c3被以从栅极电源11的电压vdc降低了二极管d3的正向电压vf后的电压充电。该充电电压被供给到对半导体开关sw3进行驱动的栅极驱动电路gd3。另外，在半导体开关sw3以及sw4导通的模式中，半导体开关sw2的源极电位也成为直流负侧，所以能够同样地利用栅极电源11经由二极管d3以及d2对电容器c2进行充电。
接下来，如图5所示，在仅半导体开关sw3导通的状态下，不能利用栅极电源11对电容器进行充电。但是，能够利用电容器c3的充电电荷，经由二极管d2对电容器c2进行充电。
接下来，如图6所示，在半导体开关sw2以及sw3导通的状态下，能够利用电容器c3的充电电荷经由二极管d2以及d1，分别对电容器c1、c2进行充电。最后如图7所示，在半导体开关sw2导通的状态或者半导体开关sw1以及sw2导通的状态下，能够利用电容器c2的充电电荷经由二极管d1对电容器c1进行充电。
图8表示在npc逆变器5输出正弦波状的电压时根据半导体开关sw1～sw4进行开关动作的模式对电容器c3～c1进行充电的状态。根据该图8也能够知道：如在图4至图7中说明的那样，对应于各半导体开关sw1～sw4导通的期间而进行向各电容器c3～c1的充电。
如以上那样，根据本实施方式，开关元件驱动电路14以构成npc逆变器5的半导体开关sw1～sw4为驱动对象。栅极电源11以直流电源vdc的负侧端子为电位基准，栅极驱动电路gd4被连接在栅极电源11的正侧、负侧端子间，对半导体开关sw4进行驱动。二极管d3的阳极被连接在栅极电源11的正侧端子上，栅极驱动电路gd3被连接在二极管d3的阴极与半导体开关sw3以及sw4的共用连接点之间，对半导体开关sw3进行驱动。电容器c3被并联连接在栅极驱动电路gd3上。
二极管d2的阳极被连接在二极管d3的阴极上，栅极驱动电路gd2被连接在二极管d3的阴极与半导体开关sw2以及sw3的共用连接点之间，对半导体开关sw2进行驱动。电容器c2被并联连接在栅极驱动电路gd2上。二极管d1的阳极被连接在二极管d2的阴极上，栅极驱动电路gd1被连接在二极管d2的阴极与半导体开关sw1以及sw2的共用连接点之间，对半导体开关sw1进行驱动。电容器c1被并联连接在栅极驱动电路gd1上。
根据这样的构成，能够根据npc逆变器5的开关模式，将利用栅极电源11对电容器c3进行充电的情况与利用已充电的下位的电容器c3～c2对上位的电容器c2、c1进行充电这一充电模式组合，仅利用以直流电源vdc的负侧端子为电位基准的单一的栅极电源11，构成以4个半导体开关sw1～sw4各自的源极电位为基准的电源。由此，能够减少为了驱动半导体开关sw1～sw4而需要的栅极电源的个数，使开关元件驱动电路14小型化。
(其他实施方式)
半导体开关元件并不限定于mosfet，也可以是igbt或sic等。
虽然说明了本发明的几个实施方式，但是这些实施方式是作为例子提示的，并没有意图限定发明的范围。这些新的实施方式能够以其他的各种方式实施，在不脱离发明的主旨的范围内能够进行各种省略、置换、变更。这些实施方式或其变形包含在发明的范围或主旨内，并且包含在权利要求书中记载的发明及其均等的范围内。