專利名稱：使用電流控制型半導(dǎo)體開關(guān)元件的電力變換裝置中的開關(guān)元件的驅(qū)動裝置和驅(qū)動方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及將電流控制型半導(dǎo)體元件作為開關(guān)元件使用的電力變換裝置。本發(fā)明特別涉及這種電力變換裝置中的開關(guān)元件的驅(qū)動裝置。更具體地說，本發(fā)明涉及提高將半導(dǎo)體元件作為開關(guān)元件來使用的電力變換裝置的電力變換效率的技術(shù)。
背景技術(shù)：
以半導(dǎo)體元件作為開關(guān)元件來使用的電力變換裝置具有電力變換效率優(yōu)良的特性，所以從能量的高效率利用的觀點(diǎn)來看，可被利用在非常廣泛的范圍。
作為半導(dǎo)體開關(guān)元件，有絕緣柵型雙極晶體管(IGBT)、靜電感應(yīng)型晶體管、場效應(yīng)型晶體管(FET)等電壓驅(qū)動型元件，以及雙極模式靜電感應(yīng)型晶體管(BSIT)、雙極結(jié)型晶體管(BJT)等電流驅(qū)動型元件。
電壓驅(qū)動型元件可以由電壓信號直接驅(qū)動，驅(qū)動電路的簡化容易，可以設(shè)定高驅(qū)動頻率。在需要250V以上耐壓的用途中，按容量和驅(qū)動頻率可分別使用幾種形式的開關(guān)元件，但在幾KHz至幾百KHz的驅(qū)動頻率的范圍中，導(dǎo)通狀態(tài)下的電壓降和開關(guān)性能的綜合平衡良好的IGBT、以及電流容量小而可高速動作的FET被廣泛地用于電力變換裝置。
另一方面，電流驅(qū)動型的開關(guān)元件通過將電流注入到控制端子來進(jìn)行驅(qū)動，所以驅(qū)動電路容易變得復(fù)雜，與電壓驅(qū)動型的元件相比，有動作速度慢的傾向。然而，它有下述特征元件的導(dǎo)通狀態(tài)下的電壓降是電壓驅(qū)動型元件的約1/3乃至1/6，導(dǎo)通損耗小。因此，可以說電流驅(qū)動型的開關(guān)元件更適于電力變換裝置的小型化。
如上所述，作為電力變換裝置能夠使用的半導(dǎo)體開關(guān)元件，大體有2種形式，而從部件的小型化、電路的簡化、高頻化帶來的小型化、成本削減等觀點(diǎn)出發(fā)，采用開關(guān)損耗小、高頻驅(qū)動容易的電壓驅(qū)動型的開關(guān)元件的事例增多。然而，考慮到要適應(yīng)將來社會對進(jìn)一步高效率化或小型化的要求，如果延續(xù)目前使用電壓驅(qū)動型開關(guān)元件的技術(shù)，則電壓驅(qū)動型元件中導(dǎo)通狀態(tài)下的電壓降大將成為障礙。目前，在作為電壓驅(qū)動型元件主流的IGBT等中，導(dǎo)通狀態(tài)下的電壓降已被改善到理論值附近，目前的完成度很高，因而處于將來不能期待大幅度減小導(dǎo)通損耗的狀況。
對于開關(guān)損耗，出于防止電磁環(huán)境污染和削減電力損耗的目的，正在開發(fā)利用諧振現(xiàn)象的損耗回收技術(shù)、和軟開關(guān)技術(shù)。與此不同，半導(dǎo)體開關(guān)元件中的導(dǎo)通損耗在元件中流過電流時必然發(fā)生，損耗的大小依賴于元件的性能，所以除了重新考慮電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以外，用單純的技巧不容易實(shí)現(xiàn)其減小。
電力變換裝置中半導(dǎo)體開關(guān)元件產(chǎn)生的損耗主要是下述2種在使半導(dǎo)體開關(guān)元件從導(dǎo)通狀態(tài)變化到截止?fàn)顟B(tài)、或者從截止?fàn)顟B(tài)變化到導(dǎo)通狀態(tài)期間產(chǎn)生的開關(guān)損耗；以及在半導(dǎo)體開關(guān)元件處于導(dǎo)通狀態(tài)時該半導(dǎo)體開關(guān)元件內(nèi)產(chǎn)生的電壓降引起的導(dǎo)通損耗。因此，為了適應(yīng)將電力變換裝置比現(xiàn)在進(jìn)一步小型化、大輸出高密度化這一要求，實(shí)現(xiàn)適應(yīng)需要的電力變換裝置，需要開發(fā)一種技術(shù)，能夠綜合減小作為電力損耗原因的、上述半導(dǎo)體開關(guān)元件的導(dǎo)通狀態(tài)下的電壓降引起的導(dǎo)通損耗、和開關(guān)損耗這兩者，來實(shí)現(xiàn)高效率化。
在這種狀況下，以往通過有效的電路上的改善來減小半導(dǎo)體開關(guān)元件中的導(dǎo)通損耗被報告的例子極少。如果從該少數(shù)例子的中來舉例，則在特開平1-97137號公報上教示了下述技術(shù)在PMW逆變器等PMW全波橋式電力變換裝置中，作為構(gòu)成電橋的元件，通過在按市電頻率開關(guān)的橋臂中使用雙極晶體管這樣導(dǎo)通損耗小的半導(dǎo)體開關(guān)元件，而在按高頻開關(guān)的橋臂中使用靜電感應(yīng)型晶體管這樣開關(guān)損耗小的半導(dǎo)體開關(guān)元件，來同時減小開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗。此外，在(日本)電氣學(xué)會論文志D分冊116卷12號的1205頁至1210頁上也示出了在使用半導(dǎo)體開關(guān)元件的電力變換裝置中減小導(dǎo)通損耗的電路上的技巧。然而，這些現(xiàn)有技術(shù)在導(dǎo)通損耗的最優(yōu)化、驅(qū)動電路的損耗減小、小型化等方面考慮得不夠。例如，在上述特許(專利)公開公報中，對于作為電流控制型開關(guān)元件的雙極晶體管的驅(qū)動方法沒有特別教示。然而，如果像晶體管中的一般驅(qū)動方法那樣向基極提供一定電流，則由于空載狀態(tài)或低負(fù)載狀態(tài)下的驅(qū)動損耗，低負(fù)載時的效率特別惡化。此外，上述電氣學(xué)會論文志記載的技術(shù)如下所述通過在晶體管的集電極上設(shè)置的CT來將驅(qū)動電力供給到該晶體管，所以基極電流由該CT的匝數(shù)比來決定。因此，需要考慮半導(dǎo)體開關(guān)元件的電流放大率的最小值來進(jìn)行電路設(shè)計，其結(jié)果是在輕負(fù)載時被驅(qū)動到過飽和狀態(tài)。而且，由于使用CT，所以只有比較高的頻率才有效。
發(fā)明概述本發(fā)明的目的在于提供一種電力變換裝置和方法，考慮到以上方面，在使用半導(dǎo)體開關(guān)元件的電力變換裝置中，可以通過電力再生來降低電力損耗，綜合地降低開關(guān)元件產(chǎn)生的開關(guān)損耗的導(dǎo)通損耗，實(shí)現(xiàn)高效率。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種電力變換裝置，在使用半導(dǎo)體開關(guān)元件的電力變換裝置中，可以綜合地降低開關(guān)元件產(chǎn)生的開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗，實(shí)現(xiàn)高效率。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的和其它目的，在本發(fā)明的一形態(tài)中，在包括具有集電極、發(fā)射極和基極的電流控制型半導(dǎo)體開關(guān)元件的電力變換裝置中的開關(guān)元件的驅(qū)動裝置中，設(shè)有初級側(cè)串聯(lián)連接到開關(guān)元件的變流器。變流器的次級側(cè)連接用于具有整流部件的開關(guān)元件的驅(qū)動電源。驅(qū)動電源的輸出通過驅(qū)動開關(guān)而供給開關(guān)元件的基極。而且，設(shè)置用于檢測開關(guān)元件的集電極-發(fā)射極間電壓的集電極-發(fā)射極間電壓檢測部件、從驅(qū)動電源的輸出將再生電力供給需要電力的其他部件的再生電路、以及集電極-發(fā)射極間電壓控制電路，通過集電極-發(fā)射極間電壓控制電路，響應(yīng)來自集電極-發(fā)射極間電壓檢測部件的集電極-發(fā)射極間電壓電壓信號，控制從再生電路對所述其他部件供給的再生電力，使提供給開關(guān)元件基極的基極電流變化，由此來控制集電極-發(fā)射極間電壓。
有的晶體管的形式不使用集電極、基極、發(fā)射極這樣的用語，而使用漏極、柵極、源極這樣的用語，但在本發(fā)明中使用的集電極、基極、發(fā)射極這樣的用語也包括這樣的情況，用語‘集電極’包含漏極，‘基極’包含柵極，‘發(fā)射極’包含源極。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，設(shè)置供給開關(guān)元件驅(qū)動電流的驅(qū)動電源和對開關(guān)元件的基極提供反向偏置的反向偏置電路。而且，集電極-發(fā)射極間電壓控制電路包括導(dǎo)通驅(qū)動開關(guān)部件，將驅(qū)動電源連接到開關(guān)元件的基極；截止驅(qū)動開關(guān)部件，將反向偏置電源連接到開關(guān)元件的基極；以及控制部件，接收來自集電極-發(fā)射極間電壓檢測部件的集電極-發(fā)射極間電壓信號，通過按照該電壓信號來控制再生電力，并控制對開關(guān)元件的基極供給的基極電流，來控制集電極-發(fā)射極間電壓；其中，在開關(guān)元件的導(dǎo)通動作時，使導(dǎo)通驅(qū)動開關(guān)部件為導(dǎo)通狀態(tài)，使截止驅(qū)動開關(guān)部件為截止?fàn)顟B(tài)，而在開關(guān)元件的截止動作時，使截止驅(qū)動開關(guān)部件為導(dǎo)通狀態(tài)，使導(dǎo)通驅(qū)動開關(guān)部件為截止?fàn)顟B(tài)，通過來自反向偏置電源的反向偏置而可以進(jìn)行開關(guān)元件的急速截止動作。
在本發(fā)明中，在驅(qū)動電源起動時，可以從被供給再生電力的部件將起動電力供給到該驅(qū)動電源。集電極-發(fā)射極間電壓控制電路可以包括開關(guān)部件和整流部件，開關(guān)部件通過開關(guān)動作來控制再生電力，使提供給開關(guān)元件的基極的基極電流變化；而整流部件被設(shè)置在該開關(guān)部件的輸出部；這種情況下，整流部件可以由整流元件和導(dǎo)通電阻比該開關(guān)部件低的輔助整流元件組成。
在本發(fā)明的另一形態(tài)中，在開關(guān)元件的驅(qū)動裝置中，設(shè)置檢測該開關(guān)元件溫度的溫度檢測部件，電流控制部存儲有與多個不同溫度對應(yīng)的集電極-發(fā)射極間電壓的最佳數(shù)據(jù)，按照來自溫度檢測部件的溫度信號來決定最佳的集電極-發(fā)射極間電壓的值。
在本發(fā)明的另一形態(tài)中，設(shè)置集電極-發(fā)射極間電壓檢測部件，檢測電力變換裝置的半導(dǎo)體開關(guān)元件中的集電極-發(fā)射極間電壓，通過按照檢測出的集電極-發(fā)射極間電壓來控制供給該開關(guān)元件的基極電流，并控制集電極-發(fā)射極間電壓，從而可以考慮開關(guān)元件具有的hfe的偏差、溫度產(chǎn)生的hfe的變化、與流過開關(guān)元件的電流對應(yīng)的hfe變化來進(jìn)行最佳驅(qū)動，可以便開關(guān)元件的導(dǎo)通損耗和驅(qū)動電力之和減少。
進(jìn)一步詳細(xì)來說，本發(fā)明的上述形態(tài)提供包括具有集電極、發(fā)射極和基極的電流控制型半導(dǎo)體開關(guān)元件的電力變換裝置中的開關(guān)元件的驅(qū)動裝置。本發(fā)明的該開關(guān)元件的驅(qū)動裝置包括輸出干線，連接到開關(guān)元件的基極；輸出回線，連接到發(fā)射極；以及集電極-發(fā)射極間電壓控制部件。集電極-發(fā)射極間電壓控制部件包括檢測半導(dǎo)體開關(guān)元件的集電極-發(fā)射極間電壓的集電極-發(fā)射極間電壓檢測部件；按照檢測出的集電極-發(fā)射極間電壓來控制對輸出干線供給的該半導(dǎo)體開關(guān)元件的基極電流，并控制集電極-發(fā)射極間電壓，使得半導(dǎo)體開關(guān)元件中的導(dǎo)通損耗和驅(qū)動電力之和減少。
在本發(fā)明的另一形態(tài)中，開關(guān)元件的驅(qū)動裝置包括驅(qū)動電源，供給開關(guān)元件驅(qū)動用的電流；以及反向偏置部件，對開關(guān)元件的基極提供反向偏置。而且，集電極-發(fā)射極間電壓控制部件包括導(dǎo)通驅(qū)動開關(guān)部件，將驅(qū)動電源連接到開關(guān)元件的基極；截止驅(qū)動開關(guān)部件，將反向偏置電源連接到開關(guān)元件的基極；以及控制部件，接收來自集電極-發(fā)射極間電壓檢測部件的集電極-發(fā)射極間電壓信號，通過按照該電壓信號來控制對開關(guān)元件的基極供給的基極電流，從而控制集電極-發(fā)射極間電壓。這種情況下，在開關(guān)元件的導(dǎo)通動作時，使導(dǎo)通驅(qū)動開關(guān)部件為導(dǎo)通狀態(tài)，使截止驅(qū)動開關(guān)部件為截止?fàn)顟B(tài)，而在開關(guān)元件的截止動作時，使截止驅(qū)動開關(guān)部件為導(dǎo)通狀態(tài)，使導(dǎo)通驅(qū)動開關(guān)部件為截止?fàn)顟B(tài)，通過來自反向偏置電源的反向偏置而可以進(jìn)行開關(guān)元件的急速截止動作。
在本發(fā)明的另一形態(tài)中，集電極-發(fā)射極間電壓控制部件包括電流控制部，對于開關(guān)元件存儲有集電極-發(fā)射極間電壓的最佳數(shù)據(jù)，根據(jù)該存儲的數(shù)據(jù)和來自集電極-發(fā)射極間電壓檢測部件的集電極-發(fā)射極間電壓信號，將控制的基極電流供給到開關(guān)元件的基極。這種情況下，開關(guān)元件的驅(qū)動裝置包括檢測開關(guān)元件溫度的溫度檢測部件 電流控制部存儲有與多個不同溫度對應(yīng)的集電極-發(fā)射極間電壓的最佳數(shù)據(jù)，可以按照來自溫度檢測部件的溫度信號來決定最佳的集電極-發(fā)射極間電壓的值。此外，開關(guān)元件的驅(qū)動裝置具有包括檢測流過開關(guān)元件的集電極的集電極電流的電流檢測部件，為發(fā)光(ルシネッセソス)結(jié)構(gòu)，集電極-發(fā)射極間電壓控制部件存儲有與多個不同值的開關(guān)元件電流對應(yīng)的集電極-發(fā)射極間電壓的最佳數(shù)據(jù)，可以按照來自電流檢測部件的集電極電流信號來決定最佳的集電極-發(fā)射極間電壓的值。而且，集電極-發(fā)射極間電壓控制部件包括基極電流控制開關(guān)部件，通過開關(guān)動作來可變控制所述開關(guān)元件的基極電流；以及整流部件，被設(shè)置在該基極電流控制開關(guān)部件的輸出部；該整流部件為同步整流型結(jié)構(gòu)，包括整流元件和導(dǎo)通電阻比基極電流控制開關(guān)部件低的輔助整流元件。
本發(fā)明還提供開關(guān)元件的驅(qū)動方法。該方法包括從將初級側(cè)串聯(lián)連接到開關(guān)元件的變流器的次級側(cè)獲得電力，將其一部分作為再生電力供給需要電力的其他部件，從其余電力中獲得提供給開關(guān)元件的基極的驅(qū)動電流來一邊進(jìn)行開關(guān)元件的驅(qū)動，一邊檢測該開關(guān)元件的集電極-發(fā)射極間電壓，通過按照該檢測出的集電極-發(fā)射極間電壓值來控制再生電力，從而使提供給開關(guān)元件的基極的驅(qū)動電流變化，控制集電極-發(fā)射極間電壓。


圖1(a)表示圖1的電路變形例的電路圖。
圖2表示晶體管中的飽和電壓和集電極電流之間關(guān)系的特性圖。
圖3表示集電極-發(fā)射極間電壓指令值運(yùn)算器結(jié)構(gòu)示例的方框圖。
圖4表示本發(fā)明實(shí)施例的開關(guān)時的各部波形圖的圖表。
圖5表示本發(fā)明另一實(shí)施例的開關(guān)元件的驅(qū)動裝置示例的電路圖。
圖6表示應(yīng)用本發(fā)明的驅(qū)動電路的電力變換裝置示例的電路圖。
圖7表示本發(fā)明的開關(guān)元件的驅(qū)動裝置的一實(shí)施例的電路圖。
圖8表示本發(fā)明實(shí)施例中的開關(guān)時的各部波形圖的圖表。
圖9表示本發(fā)明另一實(shí)施例的開關(guān)元件的驅(qū)動裝置的一實(shí)施例的電路圖。
實(shí)施發(fā)明的最好形式以下，參照附圖來說明本發(fā)明的實(shí)施例。在圖1中，作為電流控制型半導(dǎo)體開關(guān)元件的晶體管5包括集電極51、基極52和發(fā)射極53。晶體管5的集電極51被連接到未圖示的電源。設(shè)有用于控制作為開關(guān)元件的晶體管5的導(dǎo)通、截止動作的驅(qū)動電路100。
驅(qū)動電路100包括驅(qū)動電源部11。該驅(qū)動電源部11有將初級繞組19a串聯(lián)連接到晶體管5的集電極51上的變流器19。變流器19的次級繞組19b被連接到二極管D1和整流電容器C1組成的整流電路。驅(qū)動電源部11的輸出被連接到導(dǎo)通和截止切換電路3。該導(dǎo)通和截止切換電路3的一端連接到驅(qū)動電源部11的正側(cè)端子，而另一端通過反向偏置電源4連接到驅(qū)動電源部11的負(fù)側(cè)端子。導(dǎo)通和截止切換電路3的輸出通過驅(qū)動電路100的輸出干線101被連接到晶體管5的基極52。驅(qū)動電路100有輸出回線102，該輸出回線102連接到驅(qū)動電源部11的負(fù)側(cè)端子。導(dǎo)通和截止切換電路3由串聯(lián)連接的正側(cè)的開關(guān)元件31和負(fù)側(cè)的開關(guān)元件32組成，開關(guān)元件31、32的連接點(diǎn)連接到輸出干線101。開關(guān)元件31、32都由場效應(yīng)型晶體管構(gòu)成，控制這些元件的導(dǎo)通和截止動作的開關(guān)信號由未圖示的控制裝置供給。
為了檢測晶體管5的集電極中流過的集電極電流Ic，設(shè)有電流檢測器6。此外，為了檢測晶體管5的溫度T而設(shè)有溫度檢測器25。來自電壓檢測器6的集電極電流信號和來自溫度檢測器25的溫度信號被輸入到集電極-發(fā)射極電壓指令值運(yùn)算器7。運(yùn)算器7的輸出被輸入到輸出用于控制驅(qū)動電源部11的輸出電流的控制信號的控制電路8。開關(guān)信號也被輸入到該控制電路8。而且，在晶體管5中，設(shè)有用于檢測該晶體管5的集電極-發(fā)射極間電壓的電壓檢測器9，檢測出的電壓信號被輸入到控制電路8?？刂齐娐?根據(jù)輸入信號來生成控制信號。
在驅(qū)動電路100中，設(shè)置將來自驅(qū)動電源部11的電力作為再生電力供給其他輔助電源等需要電力的部件(未圖示)的電力再生電路2。該電力再生電路2包括在驅(qū)動電源部11的正側(cè)端子和負(fù)側(cè)端子之間串聯(lián)連接的電感器15和開關(guān)元件12，與開關(guān)元件12并聯(lián)、以電感器15方向?yàn)檎较蜻B接有二極管14。電感器15和開關(guān)元件12之間的連接點(diǎn)通過開關(guān)元件13被連接到作為再生電力接收部的輔助電源上。在圖1中，僅示出該輔助電源的整流二極管Da作為參考。在開關(guān)元件13的輸出部和驅(qū)動電源部11的負(fù)側(cè)端子之間連接整流電容器C2。來自控制電路8的控制信號被送至電力再生電路2的開關(guān)元件12、13，對這些開關(guān)元件進(jìn)行控制。
而且，驅(qū)動電路100包括起動輔助電源1。該起動輔助電源1有輔助電源變壓器18，該變壓器18的次級繞組通過二極管D3連接到變流器19的次級繞組19b。在圖示例中，反向偏置電源4由輔助變壓器18的次級繞組上連接的二極管D4和整流電容器C4組成的整流電路來構(gòu)成。
以下，說明圖1所示驅(qū)動電路100的動作。首先，在驅(qū)動電路100的導(dǎo)通狀態(tài)下，通過從外部提供的開關(guān)信號，使切換電路3的正側(cè)開關(guān)31導(dǎo)通，而負(fù)側(cè)開關(guān)32截止。驅(qū)動電路100的輸出從輸出干線101提供給晶體管5的基極52，使晶體管5變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)。
在驅(qū)動電路100內(nèi)，晶體管5的集電極電流IC由電流檢測器6檢測，該檢測出的集電極電流信號被輸入到集電極-發(fā)射極間電壓指令值運(yùn)算器7。同時，晶體管5的溫度由溫度檢測器25來檢測，該檢測出的溫度信號被輸入到集電極-發(fā)射極間電壓指令值運(yùn)算器7。運(yùn)算器7根據(jù)輸入的來自集電極電流檢測器6的電流信號和來自溫度檢測器25的溫度信號，計算晶體管5的集電極-發(fā)射極間電壓的最佳值，將計算結(jié)果作為集電極-發(fā)射極間電壓指令值信號傳送到控制電路8。此外，晶體管5的集電極-發(fā)射極間電壓由電流檢測器9來檢測，將該電壓檢測信號輸入到控制電路8。
控制電路8根據(jù)集電極-發(fā)射極間電壓指令值信號和來自檢測器9的實(shí)際集電極-發(fā)射極間電壓值來生成控制信號?？刂菩盘柋挥糜隍?qū)動電力再生電路2的開關(guān)元件12、13。按照控制信號來控制從電力再生電路2供給外部輔助電源的電流，與其余電力對應(yīng)的電流經(jīng)導(dǎo)通和截止切換電路3的導(dǎo)通側(cè)開關(guān)31從輸出干線101提供給晶體管5的基極52。這樣，控制晶體管5的基極電流，使得該晶體管5的集電極-發(fā)射極間電壓達(dá)到最佳值。
圖2表示晶體管5為導(dǎo)通狀態(tài)情況的與集電極電流對應(yīng)的集電極和發(fā)射極間的飽和電壓特性的圖表。在圖中，縱軸表示飽和電壓值，橫軸表示集電極電流。這里，作為一例，考慮將集電極-發(fā)射極間電壓指令值設(shè)定為0.5V這樣的固定值的情況。在該情況下，與集電極電流Ic對應(yīng)的集電極-發(fā)射極間電壓的飽和電壓VCE(sat)在絕大部分范圍內(nèi)大幅度低于指令值，所以在晶體管5的基極52中，供給大幅度超過與飽和電壓對應(yīng)的基極電流值的值的電流，不能充分降低驅(qū)動電力和導(dǎo)通損耗。
在圖1所示的驅(qū)動電路100中，集電極-發(fā)射極間電壓指令值運(yùn)算器7存儲圖2所示的與集電極電流對應(yīng)的集電極-發(fā)射極間電壓VCE(sat)的特性曲線的數(shù)據(jù)或表示比其稍低的電壓特性曲線的數(shù)據(jù)。運(yùn)算器7中的該特性值的存儲數(shù)據(jù)可以按照晶體管5的個體偏差來修正。運(yùn)算器7根據(jù)集電極電流檢測器6檢測出的電流信號和溫度檢測器25檢測出的溫度信號，從該存儲的特性值的數(shù)據(jù)中讀出最佳的集電極-發(fā)射極間電壓值，計算集電極-發(fā)射極間電壓指令值，并將該指令值提供給控制電路8。這樣，驅(qū)動電路100的輸出干線101中輸出的、提供給晶體管5的基極的輸出電流變?yōu)槭咕w管5按最佳的集電極-發(fā)射極間電壓來動作的值。因此，晶體管5按可減少晶體管的導(dǎo)通狀態(tài)中的導(dǎo)通損耗和驅(qū)動電力的總和的條件來動作，該條件也包含該晶體管的各個體偏差。
圖3表示該驅(qū)動電路100中的集電極-發(fā)射極間電壓指令值運(yùn)算器7的結(jié)構(gòu)示例的方框圖。運(yùn)算器7包括集電極和發(fā)射極間電壓運(yùn)算部7a和驅(qū)動余量設(shè)定部7b。作為輸入信號，輸入有集電極電流信號Ic、溫度信號T、集電極-發(fā)射極間電壓信號VCE。驅(qū)動余量設(shè)定部7b設(shè)定用于防止因晶體管5的特性偏差和電流檢測器的檢測誤差產(chǎn)生驅(qū)動電力不足的余量。因此，通過將集電極-發(fā)射極間電壓運(yùn)算部7a的輸出乘以一定的系數(shù)，或與一定值相加來生成具有余量的指令值。
下面說明晶體管5的截止?fàn)顟B(tài)中的動作。在截止?fàn)顟B(tài)下，來自驅(qū)動電源部11的電流從電力再生電路2流入輔助電源。在切換電路3中，導(dǎo)通側(cè)開關(guān)31變?yōu)榻刂?，而截止?cè)開關(guān)32變?yōu)閷?dǎo)通。其結(jié)果，來自反向偏置電源4的反向偏置提供給晶體管5的基極52。因此，晶體管5內(nèi)的積蓄電荷在短時間被抽走，可進(jìn)行高速的截止動作，可以增大截止?fàn)顟B(tài)中的噪聲容限。
接著說明開關(guān)動作。圖4(a)、(b)分別表示導(dǎo)通時和截止時的驅(qū)動電路100內(nèi)各部的波形。首先，參照圖4(a)，在晶體管5從截止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)換為導(dǎo)通狀態(tài)時，開關(guān)信號Ss變?yōu)楦唠娖剑瑢?dǎo)通和截止切換電路3的導(dǎo)通側(cè)開關(guān)31導(dǎo)通，而截止側(cè)開關(guān)32截止。因此，從驅(qū)動電源部11經(jīng)輸出干線101將基極電流供給到晶體管5的基極52，使晶體管5被導(dǎo)通。從變流器19的次級繞組向驅(qū)動電源部11供給與晶體管5的集電極電流Ic對應(yīng)的電流，該電源部11對該電流進(jìn)行整流，并供給到切換電路3。在該狀態(tài)下，晶體管5的集電極-發(fā)射極間電壓Vce由集電極-發(fā)射極間電壓檢測器9來檢測。此外，還檢測流過晶體管5的集電極電流IC和晶體管5的溫度。而且，如上所述，與各晶體管的偏差對應(yīng)的特性值的差異也被存儲到運(yùn)算器7中。運(yùn)算器7根據(jù)這些存儲數(shù)據(jù)計算獲得最佳的集電極-發(fā)射極間電壓所需要的基極電流值，并生成集電極-發(fā)射極間電壓指令值信號?？刂齐娐?根據(jù)該指令值信號來決定要供給輔助電源的再生電力，生成與其對應(yīng)的控制信號。電流再生電路2的開關(guān)元件12、13根據(jù)該控制信號來控制導(dǎo)通和截止，其結(jié)果，將最佳值的基極電流IB供給晶體管5的基極52。剩余的電力從電力再生電路2被送至輔助電源。集電極電流Ic的變化示于圖3(a)。
在晶體管5的截止時，在圖3(b)中提供截止信號后，則切換電路3的導(dǎo)通側(cè)開關(guān)31截止，而截止側(cè)開關(guān)32導(dǎo)通。因此，將來自反向偏置電源4的反向偏置提供給晶體管5的基極52。
如上所述，在本發(fā)明的上述實(shí)施例中，通過控制電力再生電路2從驅(qū)動電源部取出的電力，來控制晶體管5的基極電流，驅(qū)動該晶體管5，使得集電極-發(fā)射極間電壓達(dá)到最佳，所以對于晶體管5個體具有的hfe的偏差和溫度造成的hfe變化也可以獲得最佳的驅(qū)動電流和集電極-發(fā)射極間電壓，可以減小晶體管5中的集電極和發(fā)射極間的導(dǎo)通損耗和驅(qū)動電力。電流源1的開關(guān)元件12和輔助整流元件14由幾百KHz以上的高頻來驅(qū)動，晶體管5的基極電流從該電流可變型的驅(qū)動電路來供給，可以進(jìn)行連續(xù)的驅(qū)動電流的供給。此外，可以使作為開關(guān)元件的晶體管5長時間維持導(dǎo)通狀態(tài)或截止?fàn)顟B(tài)。而且，也可以由直流或低頻進(jìn)行驅(qū)動。
作為開關(guān)元件使用的晶體管5的基極-發(fā)射極間的電壓降為IV左右的低值，但在驅(qū)動電路100的驅(qū)動電源部11中通過使用FET這樣的開關(guān)元件13來作為輔助整流元件，可以用同步整流作用來降低電力再生電路2的損耗。由于驅(qū)動電路100的輸出為1伏左右就可以，所以驅(qū)動電路內(nèi)部的電壓也可以為最小幾伏左右，可以使用FET這樣的耐壓低、導(dǎo)通電阻低的元件來作為開關(guān)元件12或輔助整流元件14，可以進(jìn)一步降低驅(qū)動電路的損耗。
以上，說明了晶體管5具有集電極51、基極52和發(fā)射極53的形式，但作為開關(guān)元件，例如在使用雙極模式靜電感應(yīng)型晶體管(BSIT)的情況下，集電極為漏極，基極為柵極，發(fā)射極為源極。控制電路8可以是數(shù)字結(jié)構(gòu)，也可以是使用運(yùn)算放大器和比較器等模擬部件的模擬電路。
在圖1的實(shí)施例中，設(shè)有起動電源1來用于驅(qū)動電路100的起動，該起動電源1的輔助電源變壓器18的次級繞組通過二極管D3連接到變流器19的次級繞組19b。因此，在驅(qū)動電路100的起動時，從輔助電源變壓器18的次級繞組通過二極管D3供給的電力在切換電路3的正側(cè)開關(guān)31導(dǎo)通時作為驅(qū)動電路100的輸出提供到晶體管5的基極52。
作為驅(qū)動電路100的另一驅(qū)動方法，可以通過外部電力來使電力再生電路1的開關(guān)元件13導(dǎo)通工作。即，從電力再生電路2接受再生電力供給的部件例如可以從圖1中作為一部分構(gòu)成要素僅示出整流二極管Da的另一輔助電源來供給使開關(guān)元件13導(dǎo)通的起動電力。開關(guān)元件13變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)后，起動電力從作為從電力再生電路2接受再生電力供給的部件而構(gòu)成的上述另一輔助電源提供到切換電路3的正側(cè)開關(guān)31。因此，在采用該起動方法時，不需要包括作為起動電源1設(shè)置的二極管D3的電路。這種情況下的輔助電源變壓器18的結(jié)構(gòu)示于圖1(a)。
圖5表示本發(fā)明的另一實(shí)施例。在本實(shí)施例中，電力再生電路2包括電力再生變壓器15，該變壓器15的次級繞組經(jīng)二極管13a和電容器C1組成的整流電路連接到外部的輔助電源。電流源1包括連接到電壓源11的變壓器18。在變壓器15的初級側(cè)連接有由來自控制電路8的信號來控制導(dǎo)通和截止的開關(guān)元件12。變壓器18的次級側(cè)通過整流元件17和開關(guān)元件12連接到變壓器15的初級側(cè)。整流元件17和開關(guān)元件12與整流元件12、14一樣，可以由二極管和開關(guān)元件來構(gòu)成。
圖6表示在不間斷電源裝置中使用的采用本發(fā)明的驅(qū)動電路的正變換裝置和逆變換裝置的電路結(jié)構(gòu)的主要部分。該電路包括晶體管Q1、Q2，構(gòu)成主開關(guān)部件；晶體管Q1aux、Q2aux組成的逆變器MC，與晶體管Q1、Q2分別并聯(lián)連接，構(gòu)成輔助開關(guān)部件；晶體管Q5、Q6，構(gòu)成主轉(zhuǎn)換部件；以及晶體管Q5aux、Q6aux組成的變換器MI，與晶體管Q5、Q6分別并聯(lián)連接，構(gòu)成輔助轉(zhuǎn)換部件；以及在逆變器MC和變換器MI之間連接極性切換臂MP。極性切換臂MP包括晶體管Q3、Q4，構(gòu)成主轉(zhuǎn)換部件；以及晶體管Q3aux、Q4aux，構(gòu)成與晶體管Q3、Q4分別并聯(lián)連接的輔助轉(zhuǎn)換部件。本電路是輸入輸出同步型的非絕緣CVCF裝置，逆變器MC和變換器MI為了輸入電流和輸出電壓的波形整形而被PWM驅(qū)動，極性切換臂MP由市電頻率的50或60Hz來驅(qū)動。由于該電路結(jié)構(gòu)是眾所周知的，所以對其細(xì)節(jié)未進(jìn)一步說明。
各個主轉(zhuǎn)換部件Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6由與圖1或圖5所示的驅(qū)動電路相同結(jié)構(gòu)的驅(qū)動電路Dr1、Dr2、Dr3、Dr4、Dr5、Dr6來驅(qū)動。從主控制電路C送出用于驅(qū)動這些驅(qū)動電路和輔助轉(zhuǎn)換部件Q1aux、Q2aux、Q3aux、Q4aux、Q5aux、Q6aux的開關(guān)信號SS、集電極-發(fā)射極間電壓指令值信號VCE、以及來自各檢測器的檢測信號ST。
不限于圖6所示形式的電路，電力變換裝置按各種目的可包括電流檢測器，所以各晶體管中的集電極電流可以實(shí)時知道。因此，在將本發(fā)明的驅(qū)動電路應(yīng)用于實(shí)際的電力變換裝置的情況下，在驅(qū)動裝置本身上不必另外設(shè)置電流檢測器。此外，驅(qū)動電路的集電極-發(fā)射極間電壓指令值運(yùn)算器7和控制電路8的某一方或雙方可以安裝在電力變換裝置所配置的主控制電路C上。
圖7表示本發(fā)明的另一實(shí)施例。在圖7中，作為電流控制型半導(dǎo)體開關(guān)元件的晶體管5包括集電極51、基極52、以及發(fā)射極53。晶體管5的集電極51連接到未圖示的電源。設(shè)有驅(qū)動控制電路100，用于控制作為開關(guān)元件的晶體管5的導(dǎo)通和截止動作。
驅(qū)動電路100包括可根據(jù)來自外部的信號來控制輸出電流的電流源201。在電流源201的正側(cè)端子和負(fù)側(cè)端子之間連接回流開關(guān)202。配置與回流開關(guān)202并聯(lián)的導(dǎo)通和截止切換電路203。該導(dǎo)通和截止切換電路203的一端連接到電流源201的正側(cè)端子，另一端通過反向偏置電源204連接到電流源201的負(fù)側(cè)端子。導(dǎo)通和截止切換電路203的輸出通過驅(qū)動電路100的輸出干線101連接到晶體管5的基極52。驅(qū)動電路100有輸出回線102，該輸出回線102連接到電流源1的負(fù)側(cè)端子。
如圖7所示，電流源201包括電壓源211。在電壓源211的正側(cè)端子上串聯(lián)連接開關(guān)元件212和電感器215，電感器215的一端連接到導(dǎo)通和截止切換電路203。并聯(lián)連接的整流元件213和輔助整流元件214一端連接到開關(guān)元件212和電感器215的連接點(diǎn)，另一端連接到電壓源211的負(fù)側(cè)端子。整流元件213由以朝向開關(guān)元件212和電感器215之間的連接點(diǎn)的方向?yàn)檎较虻亩O管形成，輔助整流元件214由場效應(yīng)型晶體管(FET)形成。
導(dǎo)通和截止切換電路203由串聯(lián)連接的正側(cè)的開關(guān)元件231和負(fù)側(cè)的開關(guān)元件232組成，開關(guān)元件231、232的連接點(diǎn)連接到輸出干線101。回流開關(guān)202和開關(guān)元件231、232都由場效應(yīng)型晶體管構(gòu)成，控制這些元件的導(dǎo)通和截止動作的開關(guān)信號由未圖示的控制裝置供給。
為了檢測晶體管5的集電極中流過的集電極電流Ic，設(shè)有電流檢測器206。此外，設(shè)有用于檢測晶體管5的溫度T的溫度檢測器225。來自電流檢測器206的集電極電流信號和來自溫度檢測器225的溫度信號被輸入到集電極-發(fā)射極電壓指令值運(yùn)算器207。運(yùn)算器207的輸出被輸入到輸出用于控制電壓源201的輸出電流的控制信號的控制電路208。開關(guān)信號也被輸入到該控制電路208。而且，在晶體管5上，設(shè)有用于檢測該晶體管5的集電極-發(fā)射極間電壓的電壓檢測器209，檢測出的電壓信號被輸入到控制電路208。控制電路208根據(jù)輸入信號來生成控制信號，該控制信號用來控制電流源201的開關(guān)元件212和輔助整流元件214的開關(guān)動作。
以下說明圖7所示的驅(qū)動電路100的動作。首先，在驅(qū)動電路100的導(dǎo)通狀態(tài)下，根據(jù)外部提供的開關(guān)信號，切換電路203的正側(cè)開關(guān)231導(dǎo)通，負(fù)側(cè)開關(guān)232截止?；亓鏖_關(guān)202截止，驅(qū)動電路100的輸出從輸出干線101提供給晶體管5的基極52，使晶體管5變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)。
在驅(qū)動電路100內(nèi)，晶體管5的集電極電流Ic由電流檢測器206來檢測，其檢測出的集電極電流信號被輸入到集電極-發(fā)射極間電壓指令值運(yùn)算器207。同時，晶體管5的溫度由溫度檢測器225來檢測，其檢測出的溫度信號被輸入到集電極-發(fā)射極間電壓指令值運(yùn)算器207。運(yùn)算器207根據(jù)輸入的來自集電極電流檢測器206的電流信號和來自溫度檢測器225的溫度信號，計算晶體管5的集電極-發(fā)射極間電壓的最佳值，將計算結(jié)果作為集電極-發(fā)射極間電壓指令值信號傳送到控制電路208。此外，晶體管5的集電極-發(fā)射極間電壓由電壓檢測器209來檢測，該電壓檢測信號被輸入到控制電路208。
控制電路208根據(jù)集電極-發(fā)射極間電壓指令值信號和來自檢測器209的實(shí)際集電極-發(fā)射極間電壓值，來生成控制信號。控制信號被用于驅(qū)動電流源201的開關(guān)元件212和輔助整流元件214。來自電流源201的電流經(jīng)導(dǎo)通和截止切換電路203的導(dǎo)通側(cè)開關(guān)231從輸出干線101提供給晶體管5的基極52。這樣，控制晶體管5的基極電流，使得該晶體管5的集電極-發(fā)射極間電壓達(dá)到最佳值。
晶體管5為導(dǎo)通狀態(tài)情況下的與集電極電流對應(yīng)的集電極-發(fā)射極間電壓的飽和電壓特性關(guān)系如圖2所示。
在圖7所示的驅(qū)動電路100中，集電極-發(fā)射極間電壓指令值運(yùn)算器7也存儲圖2所示的集電極-發(fā)射極間電壓VCE(sat)與集電極電流之間特性曲線的數(shù)據(jù)或表示比其稍低電壓的特性曲線的數(shù)據(jù)。運(yùn)算器207中的該特性值的存儲數(shù)據(jù)可以按照晶體管5的個體偏差來修正。運(yùn)算器207根據(jù)集電極電流檢測器206檢測出的電流信號和溫度檢測器225檢測出的溫度信號，從該存儲的特性值的數(shù)據(jù)中讀出最佳的集電極-發(fā)射極間電壓值，計算集電極-發(fā)射極間電壓指令值，并將該指令值提供給控制電路208。這樣，驅(qū)動電路100的輸出干線101中輸出的、提供給晶體管5的基極的輸出電流為使晶體管5按最佳的集電極-發(fā)射極間電壓來動作的值。因此，晶體管5按可減少晶體管的導(dǎo)通狀態(tài)中的導(dǎo)通損耗和驅(qū)動電力的總和條件來動作，該條件也包含該晶體管的各個體偏差。
該驅(qū)動電路100中的集電極-發(fā)射極間電壓指令值運(yùn)算器207的結(jié)構(gòu)也可以與圖3所示的結(jié)構(gòu)相同。
下面說明晶體管5的截止?fàn)顟B(tài)中的動作。在截止?fàn)顟B(tài)中，回流開關(guān)202導(dǎo)通，來自電流源201的電流迂回流過切換電路203。在切換電路203中，導(dǎo)通側(cè)開關(guān)231截止，而截止側(cè)開關(guān)232導(dǎo)通。其結(jié)果，將來自反向偏置電源204的反向偏置提供給晶體管5的基極252。因此，晶體管5內(nèi)的積蓄電荷在短時間被抽走，可以進(jìn)行高速的截止動作，可以增大截止?fàn)顟B(tài)中的噪聲容限。回流開關(guān)202在切換電路203從導(dǎo)通狀態(tài)切換為截止?fàn)顟B(tài)時，起到使電感器215中積蓄的能量被旁路的作用，防止在驅(qū)動電路100內(nèi)產(chǎn)生過電壓。電流源201的開關(guān)元件212和輔助整流元件214在該狀態(tài)下根據(jù)來自控制電路208的信號來進(jìn)行截止動作。
下面說明開關(guān)動作。圖8(a)、圖8(b)分別表示導(dǎo)通時和截止時的驅(qū)動電路100內(nèi)各部的波形。首先，參照圖8(a)，在晶體管5從截止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)換為導(dǎo)通狀態(tài)時，從控制電路208將基極電流指令信號SB提供到開關(guān)元件212和輔助整流元件214，同時向電感器215開始流動電流I15。經(jīng)過時間t電感器215的充電結(jié)束后，從控制電路208將開關(guān)信號SS輸出到切換電路203，該切換電路203的導(dǎo)通側(cè)開關(guān)231被導(dǎo)通，而截止側(cè)開關(guān)232被截止。此時，回流開關(guān)202被截止。在該狀態(tài)下，電感器215起到近似電源的作用，所以晶體管5的基極電位急速上升，在晶體管5中電流急速流動。圖8(a)作為集電極電流Ic示出這種狀況。這樣，通過驅(qū)動電路100，可以提高晶體管5的導(dǎo)通速度。
在晶體管5的截止時，在圖8(b)中，提供導(dǎo)通信號后，回流開關(guān)202導(dǎo)通，其結(jié)果，晶體管5的基極電流立即被截止。同時，切換電路203的導(dǎo)通側(cè)開關(guān)231截止，而截止側(cè)開關(guān)232導(dǎo)通。因此，將來自反向偏置電源的反向偏置提供給晶體管5的基極252。在電流源201中，開關(guān)元件212和輔助整流元件214可以維持一定電流輸出狀態(tài)，也可以通過適當(dāng)?shù)牟考斫刂?。電感?15中積蓄的能量被回流開關(guān)203和構(gòu)成整流元件213的二極管消耗。這成為驅(qū)動電路100的損耗，但由于驅(qū)動電路100進(jìn)行高頻驅(qū)動，所以電感器215的電阻可以設(shè)定得小，損耗小。
如上所述，在本發(fā)明的上述實(shí)施例中，控制晶體管5的基極電流驅(qū)動該晶體管5，使得集電極-發(fā)射極間電壓達(dá)到最佳，所以對于晶體管5個體具有的hfe的偏差、或溫度產(chǎn)生的hfe的變化，也可以獲得最佳的驅(qū)動電流和集電極-發(fā)射極間電壓，可以減小晶體管5中的集電極和發(fā)射極間的導(dǎo)通損耗以及驅(qū)動電力。電流源201的開關(guān)元件212和輔助整流元件214用幾百KHz以上的高頻來驅(qū)動，晶體管5的基極電流從該電流可變型的驅(qū)動電路來供給，可以進(jìn)行連續(xù)的驅(qū)動電流的供給。此外，可以使作為開關(guān)元件的晶體管5長時間維持導(dǎo)通狀態(tài)或截止?fàn)顟B(tài)。而且，還可以用直流或低頻來驅(qū)動。
作為開關(guān)元件使用的晶體管5的基極和發(fā)射極間的電壓降為1V左右這樣的低值，而在驅(qū)動電路100的電流源201中作為輔助整流元件214，使用FET這樣的開關(guān)元件，從而可以用同步整流作用來降低驅(qū)動電路100的損耗。由于驅(qū)動電路100的輸出可以是1v左右，所以驅(qū)動電路內(nèi)部的電壓可以由最小幾v構(gòu)成，作為開關(guān)元件212或輔助整流元件214，可以使用FET這樣的耐壓低、導(dǎo)通電阻低的元件，可以進(jìn)一步降低驅(qū)動電路的損耗。
以上說明了晶體管5具有集電極51、基極52和發(fā)射極53的形式，但作為開關(guān)元件，例如在使用雙極模式靜電感應(yīng)型晶體管(BSIT)的情況下，集電極為漏極，基極為柵極，發(fā)射極為源極?？刂齐娐?08可以是數(shù)字結(jié)構(gòu)，也可以是使用運(yùn)算放大器和比較器等模擬部件的模擬電路。
圖9表示本發(fā)明的另一實(shí)施例。在本實(shí)施例中，電流源201包括與電壓源211連接的變壓器216。在變壓器216的初級側(cè)連接有由來自控制電路208的信號來控制導(dǎo)通和截止的開關(guān)元件220。變壓器216的次級側(cè)通過整流元件217、218連接到電感器215。整流元件217、218與整流元件213、214同樣，可以由二極管和開關(guān)元件來構(gòu)成。
在本實(shí)施例中，設(shè)置由4個橋式連接的開關(guān)元件219a、219b、219c、219d組成的切換電路219，來代替圖7實(shí)施例中的切換電路203。開關(guān)元件219b、219d的連接點(diǎn)被連接到驅(qū)動電路100的輸出干線101，而開關(guān)元件219a、219c的連接點(diǎn)被連接到驅(qū)動電路100的輸出回線102。
在該驅(qū)動電路100中，電力傳輸通過變壓器116來進(jìn)行，各種信號使用脈沖變壓器或光電耦合器等絕緣部件來傳送，可以使驅(qū)動電路100側(cè)和晶體管5電絕緣。在實(shí)際的電力變換裝置中，將晶體管5這樣的開關(guān)元件多個橋式連接來驅(qū)動的情況很多，由于晶體管的發(fā)射極電位變化，所以對各晶體管需要絕緣型的驅(qū)動電路。圖9所示的電路適用于該目的。在可以使用與各個驅(qū)動電路絕緣的直流電壓源的情況下，用圖7所示的驅(qū)動電路可以充分地達(dá)到目的。
權(quán)利要求
1.一種開關(guān)元件的驅(qū)動裝置，用于包括具有集電極、發(fā)射極和基極的電流控制型半導(dǎo)體開關(guān)元件的電力變換裝置，其特征在于，包括輸出干線，連接到所述開關(guān)元件的所述基極；輸出回線，連接到所述發(fā)射極；變流器，初級側(cè)被串聯(lián)連接到所述開關(guān)元件；驅(qū)動電源，用于所述開關(guān)元件，有連接到所述變流器的次級側(cè)的整流部件；驅(qū)動開關(guān)，用于將所述驅(qū)動電源的輸出供給所述開關(guān)元件的基極；集電極-發(fā)射極間電壓檢測部件，用于檢測所述開關(guān)元件的集電極-發(fā)射極間電壓；再生電路，從所述驅(qū)動電源的輸出將再生電力供給到需要電力的其他部件；以及集電極-發(fā)射極間電壓控制電路，響應(yīng)來自集電極-發(fā)射極間電壓檢測部件的集電極-發(fā)射極間電壓信號，通過從所述再生電路來控制對所述其他部件供給的再生電力，使提供給所述開關(guān)元件的所述基極的基極電流變化，由此來控制集電極-發(fā)射極間電壓。
2.如權(quán)利要求1所述的開關(guān)元件的驅(qū)動裝置，其特征在于，包括驅(qū)動電源，供給開關(guān)元件驅(qū)動電流；以及反向偏置電路，對所述開關(guān)元件的所述基極提供反向偏置；所述集電極-發(fā)射極間電壓控制電路包括導(dǎo)通驅(qū)動開關(guān)部件，將所述驅(qū)動電源連接到所述開關(guān)元件的所述基極；截止驅(qū)動開關(guān)部件，將所述反向偏置電源連接到所述開關(guān)元件的所述基極；以及控制部件，接收來自所述集電極-發(fā)射極間電壓檢測部件的集電極-發(fā)射極間電壓信號，通過按照該電壓信號來控制所述再生電力，并控制對所述開關(guān)元件的所述基極供給的基極電流，來控制集電極-發(fā)射極間電壓；在所述開關(guān)元件的導(dǎo)通動作時，使所述導(dǎo)通驅(qū)動開關(guān)部件為導(dǎo)通狀態(tài)，使所述截止驅(qū)動開關(guān)部件為截止?fàn)顟B(tài)，而在所述開關(guān)元件的截止動作時，使所述截止驅(qū)動開關(guān)部件為導(dǎo)通狀態(tài)，使所述導(dǎo)通驅(qū)動開關(guān)部件為截止?fàn)顟B(tài)，通過來自所述反向偏置電源的反向偏置而可以進(jìn)行開關(guān)元件的急速截止動作。
3.如權(quán)利要求2所述的開關(guān)元件的驅(qū)動裝置，其特征在于，在所述驅(qū)動電源的起動時，從被供給所述再生電力的所述部件將起動電力供給該驅(qū)動電源。
4.如權(quán)利要求1至權(quán)利要求3的任何一項所述的開關(guān)元件的驅(qū)動裝置，其特征在于，所述集電極-發(fā)射極間電壓控制電路包括開關(guān)部件和整流部件，開關(guān)部件通過開關(guān)動作來控制所述再生電力，使提供給所述開關(guān)元件的所述基極的基極電流變化，而整流部件被設(shè)置在該開關(guān)部件的輸出部；所述整流部件由整流元件和導(dǎo)通電阻比該開關(guān)部件低的輔助整流元件組成。
5.如權(quán)利要求1至權(quán)利要求4的任何一項所述的開關(guān)元件的驅(qū)動裝置，其特征在于，設(shè)有檢測所述開關(guān)元件溫度的溫度檢測部件；所述電流控制部存儲有與多個不同溫度對應(yīng)的集電極-發(fā)射極間電壓的最佳數(shù)據(jù)，按照來自所述溫度檢測部件的溫度信號來決定最佳的集電極-發(fā)射極間電壓的值。
6.如權(quán)利要求3或權(quán)利要求4所述的開關(guān)元件的驅(qū)動裝置，其特征在于，包括電流檢測部件，檢測流過所述開關(guān)元件的所述集電極的集電極電流；所述集電極-發(fā)射極間電壓控制部件存儲有與多個不同值的開關(guān)元件電流對應(yīng)的集電極-發(fā)射極間電壓的最佳數(shù)據(jù)，按照來自所述電流檢測部件的集電極電流信號來決定最佳的集電極-發(fā)射極間電壓的值。
7.一種開關(guān)元件的驅(qū)動裝置，用于包括具有集電極、發(fā)射極和基極的電流控制型半導(dǎo)體開關(guān)元件的電力變換裝置，其特征在于，包括輸出干線，連接到所述開關(guān)元件的所述基極；輸出回線，連接到所述發(fā)射極；以及集電極-發(fā)射極間電壓控制部件；所述集電極-發(fā)射極間電壓控制部件包括檢測所述開關(guān)元件的集電極-發(fā)射極間電壓的集電極-發(fā)射極間電壓檢測部件；按照檢測出的集電極-發(fā)射極間電壓來控制對所述輸出干線供給的該半導(dǎo)體開關(guān)元件的基極電流，并控制所述集電極-發(fā)射極間電壓，使得所述半導(dǎo)體開關(guān)元件中的導(dǎo)通損耗和驅(qū)動電力之和減少。
8.如權(quán)利要求7所述的開關(guān)元件的驅(qū)動裝置，其特征在于，包括驅(qū)動電源，供給開關(guān)元件驅(qū)動電流；以及反向偏置部件，對所述開關(guān)元件的所述基極提供反向偏置；所述集電極-發(fā)射極間電壓控制部件包括導(dǎo)通驅(qū)動開關(guān)部件，將所述驅(qū)動電源連接到所述開關(guān)元件的所述基極；截止驅(qū)動開關(guān)部件，將所述反向偏置電源連接到所述開關(guān)元件的所述基極；以及控制部件，接收來自所述集電極-發(fā)射極間電壓檢測部件的集電極-發(fā)射極間電壓信號，通過按照該電壓信號來控制對所述開關(guān)元件的所述基極供給的基極電流，從而控制集電極-發(fā)射極間電壓；在所述開關(guān)元件的導(dǎo)通動作時，使所述導(dǎo)通驅(qū)動開關(guān)部件為導(dǎo)通狀態(tài)，使所述截止驅(qū)動開關(guān)部件為截止?fàn)顟B(tài)，而在所述開關(guān)元件的截止動作時，使所述截止驅(qū)動開關(guān)部件為導(dǎo)通狀態(tài)，使所述導(dǎo)通驅(qū)動開關(guān)部件為截止?fàn)顟B(tài)，通過來自所述反向偏置電源的反向偏置而可以進(jìn)行開關(guān)元件的急速截止動作。
9.如權(quán)利要求7或權(quán)利要求8所述的開關(guān)元件的驅(qū)動裝置，其特征在于，所述集電極-發(fā)射極間電壓控制部件包括電流控制部，對于所述開關(guān)元件存儲有集電極-發(fā)射極間電壓的最佳數(shù)據(jù)，根據(jù)該存儲的數(shù)據(jù)和來自所述集電極-發(fā)射極間電壓檢測部件的集電極-發(fā)射極間電壓信號，將控制的基極電流供給到所述開關(guān)元件的所述基極。
10.如權(quán)利要求9所述的開關(guān)元件的驅(qū)動裝置，其特征在于，設(shè)有檢測所述開關(guān)元件溫度的溫度檢測部件；所述電流控制部存儲有與多個不同溫度對應(yīng)的集電極-發(fā)射極間電壓的最佳數(shù)據(jù)，按照來自所述溫度檢測部件的溫度信號來決定最佳的集電極-發(fā)射極間電壓的值。
11.如權(quán)利要求9或權(quán)利要求10所述的開關(guān)元件的驅(qū)動裝置，其特征在于，包括電流檢測部件，檢測流過所述開關(guān)元件的所述集電極的集電極電流；所述集電極-發(fā)射極間電壓控制部件存儲有與多個不同值的開關(guān)元件電流對應(yīng)的集電極-發(fā)射極間電壓的最佳數(shù)據(jù)，按照來自所述電流檢測部件的集電極電流信號來決定最佳的集電極-發(fā)射極間電壓的值。
12.如權(quán)利要求7至權(quán)利要求11的任何一項所述的開關(guān)元件的驅(qū)動裝置，其特征在于，所述集電極-發(fā)射極間電壓控制部件包括基極電流控制開關(guān)部件，通過開關(guān)動作來可變控制所述開關(guān)元件的基極電流；以及整流部件，被設(shè)置在該基極電流控制開關(guān)部件的輸出部；所述整流部件為同步整流型結(jié)構(gòu)，包括整流元件和比所述基極電流控制開關(guān)部件導(dǎo)通電阻低的輔助整流元件。
13.一種開關(guān)元件的驅(qū)動方法，用于包括具有集電極、發(fā)射極和基極的電流控制型半導(dǎo)體開關(guān)元件的電力變換裝置，其特征在于，從將初級側(cè)串聯(lián)連接到所述開關(guān)元件的變流器的次級側(cè)獲得電力，將其一部分作為再生電力供給需要電力的其他部件，從其余電力中獲得提供給所述開關(guān)元件的所述基極的驅(qū)動電流來一邊進(jìn)行所述開關(guān)元件的驅(qū)動，一邊檢測所述開關(guān)元件的集電極-發(fā)射極間電壓，通過按照該檢測出的集電極-發(fā)射極間電壓值來控制所述再生電力，從而使提供給所述開關(guān)元件的所述基極的驅(qū)動電流變化，控制所述集電極-發(fā)射極間電壓。
全文摘要
在使用半導(dǎo)體開關(guān)元件的電力變換裝置中,為了綜合降低開關(guān)元件上產(chǎn)生的開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗,通過設(shè)置檢測電力變換裝置的半導(dǎo)體開關(guān)元件中的集電極－發(fā)射極間電壓的集電極－發(fā)射極間電壓檢測部件,按照檢測出的集電極－發(fā)射極間電壓來控制供給該開關(guān)元件的基極電流,并控制集電極－發(fā)射極間電壓,或控制從開關(guān)元件驅(qū)動電源部送至外部的輔助電源等的再生電力,可以考慮開關(guān)元件具有的hfe的偏差、溫度產(chǎn)生的hfe的變化、與流過開關(guān)元件的電流對應(yīng)的hfe變化來進(jìn)行最佳驅(qū)動,可以使開關(guān)元件的導(dǎo)通損耗和驅(qū)動電力之和減少。
文檔編號H02M1/08GK1336032SQ00802250
公開日2002年2月13日 申請日期2000年10月5日 優(yōu)先權(quán)日2000年1月12日
發(fā)明者伊藤一行, 沖田美久, 田中克明, 高柳善信 申請人:Tdk股份有限公司