半導體功率轉換裝置的制作方法

專利名稱：半導體功率轉換裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及半導體功率轉換裝置，尤其涉及用于抑制在構成逆變器或變換器等半導體功率轉換裝置的半導體開關元件斷開時和/或斷開時所發生的電壓變動的有源柵極控制。

背景技術：
在構成逆變器或變換器等半導體功率轉換裝置的半導體開關元件中，使用動態控制柵極電壓的有源柵極控制技術，該技術是在不需要緩沖電路的情況下抑制開關動作時的峰值電壓的技術。
例如，在日本專利文獻特開2001-136732號公報(以下記為專利文獻1)中公開了一種半導體功率轉換裝置，該半導體功率轉換裝置包括向柵極施加正向偏置和反向偏置并使半導體開關元件的發射極設為中點電位的電壓施加單元、以及對集電極-發射極之間的電壓進行分壓的分壓單元，并且當在驅動信號為無效(off)的情況下集電極-發射極之間的電壓通過分壓單元達到規定的電壓以上時，根據集電極與發射極之間的電壓來控制柵極電壓。
根據專利文獻1公開的半導體功率轉換裝置，當半導體開關元件斷開時，基于分壓后的集電極-發射極之間的電壓動態控制柵極電壓，由此能夠進行柵極電壓控制以反饋浪涌電壓并降低浪涌電壓，即能夠進行有源柵極控制。
此外，在日本專利文獻特開2001-238431號公報中(以下記為專利文獻2)中公開了一種半導體功率轉換裝置，該半導體功率轉換裝置包括IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型晶體管)，該IGBT是與連接直流電源和負荷的各橋臂連接的用于功率轉換的半導體開關元件，并且在其集電極-發射極之間串聯連接了橋臂；電容器，該電容器連接在該IGBT的集電極-柵極之間，向柵極提供與集電極-發射極之間的電壓變化率對應的電流；以及輔助直流電源，該輔助直流電源經由緩沖二極管與該電容器并聯連接。并且公開了當在電容器的集電極側電壓上相加緩沖二極管的正向電壓降而得的電壓超過輔助直流電源的輸出電壓時，經由電容器向柵極提供電流的結構。
在專利文獻2公開的半導體功率轉換裝置中，當集電極電壓超過在電容器中用輔助直流電源充電的預定電壓時施加反饋，從而能夠改變柵極電壓以降低浪涌電壓。由此，能夠進行有源柵極控制以降低浪涌電壓。
通常，在安裝于空調或混合動力車輛上的逆變器中，進行通過由逆變器驅動控制的電動機的驅動條件來動態地變更通過逆變器(半導體功率轉換裝置)而轉換的主電路電源電壓的控制。
然而，在以專利文獻1和2為代表的傳統的有源柵極控制中，通過比較半導體開關元件的集電極電壓和預定的固定電壓來判斷是否要變更柵極電壓以抑制浪涌電壓。即，使有源柵極控制開始工作的設定電壓是固定的。
因此，當與主電路電源電壓的最大設計值對應地規定上述設定電壓時，雖可使有源柵極控制發揮作用以不超過半導體開關元件的耐電壓，但另一方面在將主電路電源電壓控制在低電壓時卻會產生通過有源柵極控制無法有效地執行浪涌抑制的問題。此時，通過有源柵極控制而反饋的量減少，從而半導體開關元件的開關動作變為單純地向柵極交替地施加正向偏置電壓(接通用電壓)和反向偏置電壓(斷開用電壓)的單純的動作，不能抑制隨著接通以及斷開而發生的電壓變動。其結果是，有時會由于半導體開關元件的寄生電容和主電路的寄生阻抗而產生自由波動的電壓變動，這樣的波動電壓將成為造成EMI(Electro-Magnetic Interference，電磁干擾)、典型地為電磁噪聲的原因。
此外，如通常所指出的那樣，當通過逆變器對電動機進行驅動控制時，如果逆變器的輸出電壓的電壓變動(dv/dt)過大，則容易在電動機內部的繞組間發生局部放電，從而造成絕緣被破壞。為了防止絕緣被破壞，重要的是將dv/dt抑制在預定范圍內。另外，如上所述，抑制dv/dt在應對EMI方面也很重要。
但是，在利用專利文獻1和專利文獻2公開的半導體功率轉換裝置進行的有源柵極控制中，通過對集電極電壓和預定電壓(設定電壓)進行比較來規定使有源柵極控制工作的電壓條件。因此，通過有源柵極控制來嚴格地限制構成逆變器的半導體開關元件的集電極-發射極間電壓的dv/dt并不是容易執行的。其結果是，難以將逆變器的輸出電壓、即電動機的端子間電壓的dv/dt可靠地抑制在預定范圍內。


發明內容
本發明就是為了解決上述問題而做出的，其目的在于，提供根據主電路電源電壓的變化、或者為了將半導體開關元件的輸出端子間電壓的電壓變動(dv/dt)可靠地抑制在預定范圍內而有效地執行有源柵極控制的半導體功率轉換裝置。
本發明的半導體功率轉換裝置對被可變控制的主電路電源電壓進行電壓轉換，其包括半導體開關元件、驅動控制部和驅動電路。半導體開關元件被構成為響應控制電極的電壓或電流而控制第一電極和第二電極之間的電流。驅動控制部被構成為根據控制信號來在第一電壓以及第二電壓的范圍內設定控制電壓，其中，控制信號指示半導體開關元件的接通和斷開，第一電壓用于使半導體開關元件導通，第二電壓用于使半導體開關元件關斷。驅動電路被構成為根據由驅動控制部設定的控制電壓來驅動控制電極的電壓或電流。驅動控制部包括電壓檢測部，所述電壓檢測部檢測第一電極和第二電極的電極間電壓；浪涌控制目標設定部，所述浪涌控制目標設定部用于根據主電路電源電壓而可變地設定在半導體開關元件斷開時在第一電極和第二電極之間產生的浪涌電壓的控制目標；以及第一有源柵極控制部，所述第一有源柵極控制部用于在由電壓檢測部檢測出的電極間電壓超過了控制目標時，通過基于電極間電壓的電壓修正量來向接近第一電壓的方向修正控制電壓。
根據上述半導體功率轉換裝置，能夠在電極間電壓(端子間電壓)超過了根據主電路電源電壓而可變地設定的浪涌電壓的控制目標時，使得用于將半導體開關元件斷開時的控制電壓從第二電壓向接近第一電壓的方向修正的有源柵極控制工作。從而，通過與主電路電源電壓的變化相對應地適當執行有源柵極控制，能夠抑制在半導體開關元件中產生過大的浪涌電壓和急劇的電壓變動(dv/dt)。其結果是，能夠防止元件被破壞和產生電磁噪聲。
優選如下第一有源柵極控制部進行基于電極間電壓相對于控制目標的偏差的控制運算，并在控制運算結果為正值時根據控制運算結果來設定電壓修正值，另一方面在控制運算結果為負值時將電壓修正值實際設定為0。
通過如上構成，能夠通過基于端子間電壓相對于浪涌電壓的控制目標的偏差確定的適當的電壓修正量來執行斷開時的有源柵極控制，以避免將半導體開關元件接通時的端子間電壓的變化沒必要地變緩而導致開關功率損失增大。
更優選如下第一有源柵極控制部通過比例微分控制來進行控制運算。
通過如上構成，可通過比例微分控制來與半導體開關元件的端子間電壓的上升、即浪涌電壓的產生相對應地提前開始有源柵極控制。
另外優選如下浪涌控制目標設定部基于在半導體開關元件的斷開期間、且半導體開關元件電連接在被施加主電路電源電壓的電源線之間的期間內由電壓檢測部檢測出的檢測電壓來設定控制目標。
通過如上構成，可利用不需要從驅動控制部之外絕緣傳遞主電路電源電壓的信息的、廉價的電路結構，基于檢測到的半導體開關元件的端子間電壓與主電路電源電壓的變化相對應地適當設定浪涌電壓的控制目標。
優選如下驅動控制部被構成為還包括電壓上升率控制目標設定部、第二有源柵極控制部以及調節部。電壓上升率控制目標設定部設定電壓上升率的控制目標，電壓上升率是電極間電壓的上升時的時間微分值。第二有源柵極控制部在電壓上升率超過了控制目標時，基于由電壓檢測部檢測出的電極間電壓來修正控制電壓，以使該控制電壓向第一電壓接近與電壓上升率相對于控制目標的偏差相應的電壓修正量。調節部用于修正控制電壓，以使該控制電壓向第一電壓接近基于第一以及第二有源柵極控制部的電壓修正量中更大的那個電壓量。
通過如此構成，當半導體開關元件的端子間電壓的電壓上升率超過了預先設定的控制目標時，能夠向抑制電壓上升的方向執行有源柵極控制。從而能夠在半導體開關元件斷開時執行有源柵極控制，以便抑制與主電路電源電壓相對應的浪涌電壓的上升，并使電壓變化率(上升率)進入預定范圍內。
更優選如下驅動控制部被構成為還包括電壓下降率控制目標設定部和第三有源柵極控制部。電壓下降率控制目標設定部設定電壓下降率的控制目標，電壓下降率是電極間電壓的下降時的時間微分值。第三有源柵極控制部在電壓下降率超過了控制目標時，基于由電壓檢測部檢測出的電極間電壓來修正控制電壓，以使該控制電壓向第二電壓接近與電壓下降率相對于控制目標的偏差相應的電壓修正量。
通過如此構成，當半導體開關元件的端子間電壓的電壓下降率超過了預先設定的控制目標時，能夠向抑制電壓下降的方向執行有源柵極控制。從而即使在半導體開關元件接通時也能夠執行有源柵極控制，以使電壓變化率(下降率)進入預定范圍內。
特別是在這樣的結構中，驅動控制部還包括選擇部，該選擇部用于根據控制信號來選擇性地使第二以及第三有源柵極控制部中的一個工作。并且，優選選擇部在半導體開關元件被斷開時使第二有源柵極控制部工作，另一方面在半導體開關元件被接通時使第三有源柵極控制部工作。
通過如此構成，當半導體開關元件斷開時能夠執行有源柵極控制以使端子間電壓的電壓上升率不超過控制目標，另一方面，當半導體開關元件接通時能夠執行有源柵極控制以使端子間電壓的電壓下降率不超過預定控制目標。其結果是，能夠將接通以及斷開時的電壓變動(dv/dt)可靠地抑制在預定范圍內，并且不會不必要地增大半導體開關元件的開關功率損失。
優選如下驅動控制部被構成為還包括電壓下降率控制目標設定部和第三有源柵極控制部。電壓下降率控制目標設定部設定電壓下降率的控制目標，電壓下降率是電極間電壓的下降時的時間微分值。第三有源柵極控制部在電壓下降率超過了控制目標時，基于由電壓檢測部檢測出的電極間電壓來修正控制電壓，以使該控制電壓向第二電壓接近與電壓下降率相對于控制目標的偏差相應的電壓修正量。
通過如此構成，當半導體開關元件的端子間電壓的電壓下降率超過了預先設定的控制目標時，能夠向抑制電壓下降的方向執行有源柵極控制。從而即使在半導體開關元件接通時也能夠執行有源柵極控制，以使電壓變化率(下降率)可靠地進入預定范圍內。
更優選如下電壓上升率控制目標設定部或電壓下降率控制目標設定部基于由半導體功率轉換裝置驅動控制的電動機的溫度、氣壓以及相對濕度中的至少一個來可變地設定控制目標。
通過如此構成，能夠基于作為負荷的電動機的溫度、氣壓以及濕度(相對濕度)中的至少一個來可變地設定半導體開關元件的端子間電壓的電壓上升率和/或電壓下降率的限制范圍。由此，通過當處于電動機容易發生局部放電的環境時縮小上述限制范圍，否則放寬上述限制范圍，能夠防止電動機中由于局部放電發生絕緣破壞，并且不會不必要地增大半導體開關元件中的開關功率損失。
此外，優選如下半導體功率轉換裝置還包括溫度檢測部和控制參數變更部。溫度檢測部檢測半導體開關元件的溫度。控制參數變更部被構成為根據由溫度檢測部檢測出的元件溫度來可變地設定控制參數，控制參數是在第一至第三有源柵極控制部中的至少一個中被使用在用于求出控制電壓的電壓修正量的控制運算中的參數。
通過如上構成，能夠反映隨著溫度上升而半導體開關元件的響應能力下降的特性，從而當處于同一條件下電壓變化速度變大的低溫時能夠相對地增大基于有源柵極控制的電壓修正量。其結果是，通過反映半導體開關元件的溫度特性，能夠抑制低溫時發生過大的電壓變動，并能夠抑制高溫時開關損失增大。
本發明另一方面的半導體功率轉換裝置包括半導體開關元件、驅動控制部以及驅動電路。半導體開關元件被構成為響應控制電極的電壓或電流而控制第一電極和第二電極之間的電流。驅動控制部被構成為根據控制信號而在第一電壓以及第二電壓的范圍內設定控制電壓，其中，控制信號指示半導體開關元件的接通以及斷開，第一電壓用于使半導體開關元件導通，第二電壓用于使半導體開關元件關斷。驅動電路被構成為根據由驅動控制部設定的控制電壓來驅動控制電極的電壓或電流。驅動控制部包括電壓檢測部，該電壓檢測部檢測第一電極和第二電極的電極間電壓；電壓變化率控制目標設定部，所述電壓變化率控制目標設定部設定電壓變化率的控制目標，所述電壓變化率是電極間電壓的變化時的時間微分值；以及有源柵極控制部。有源柵極控制部被構成為當電壓變化率超過了控制目標時，基于由電壓檢測部檢測出的電極間電壓向阻礙當前的電極間電壓的變化的方向修正控制電壓。
通過上述半導體功率轉換裝置，當半導體開關元件的電極間電壓(集電極-發射極間電壓)的電壓變化率超過了預先設定的控制目標時，能夠向抑制電壓變化的方向執行有源柵極控制。從而能夠執行有源柵極控制，以使半導體開關元件接通時以及斷開時的電壓變化率進入預定范圍內。
優選如下電壓變化率控制目標設定部設定電壓上升率的控制目標，所述電壓上升率是電極間電壓的上升時的時間微分值，有源柵極控制部在半導體開關元件斷開時如果電壓上升率超過了控制目標，則基于由電壓檢測部檢測出的電極間電壓來修正控制電壓，以使該控制電壓從第二電壓向第一電壓接近。
通過如上構成，當半導體開關元件斷開時能夠進行有源柵極控制以使端子間電壓的電壓上升率不超過控制目標，并能夠將抑制電壓下降率的控制設定為非執行狀態。從而能夠將半導體開關元件斷開時的電壓變化率(dv/dt)可靠地抑制在預定范圍內，并且不會不必要地增大開關功率損失。
此外，優選如下電壓變化率控制目標設定部設定電壓下降率的控制目標，所述電壓上升率是電極間電壓的下降時的時間微分值，有源柵極控制部在半導體開關元件接通時如果電壓下降率超過了控制目標，則基于由電壓檢測部檢測出的電極間電壓來修正控制電壓，以使該控制電壓從第一電壓向第二電壓接近。
通過如上構成，當半導體開關元件接通時能夠進行有源柵極控制以使端子間電壓的電壓下降率不超過控制目標，并能夠將抑制電壓上升率的控制設定為非執行狀態。從而能夠將半導體開關元件接通時的電壓變化率(dv/dt)可靠地抑制在預定范圍內，并且不會不必要地增大開關功率損失。
更優選如下電壓變化率控制目標設定部基于由半導體功率轉換裝置驅動控制的電動機的溫度、氣壓以及相對濕度中的至少一個來可變地設定控制目標。
通過如此構成，能夠基于作為負荷的電動機的溫度、氣壓以及濕度(相對濕度)中的至少一個來可變地設定半導體開關元件的端子間電壓的電壓變化率的限制范圍。由此，通過當電動機容易發生局部放電時縮小上述限制范圍，否則放寬上述限制范圍，能夠防止電動機中由于局部放電發生絕緣破壞，并且不會不必要地增大半導體開關元件中的開關功率損失。
此外，優選如下半導體功率轉換裝置還包括溫度檢測部和控制參數變更部。溫度檢測部檢測半導體開關元件的溫度。控制參數變更部被構成為根據由溫度檢測部檢測出的元件溫度來可變地設定控制參數，控制參數是在有源柵極控制部中被使用在用于求出控制電壓的電壓修正量的控制運算中的參數。
通過如上構成，能夠反映隨著溫度上升而半導體開關元件的響應能力下降的特性，從而當處于同一條件下電壓變化速度變大的低溫時能夠相對地增大基于有源柵極控制的電壓修正量。其結果是，通過反映半導體開關元件的溫度特性，能夠抑制低溫時發生過大的電壓變動，并能夠抑制高溫時開關損失增大。
因此，本發明的主要優點在于在半導體功率轉換裝置中通過根據主電路電源電壓的變化、或者為了將半導體開關元件的輸出端子間電壓的電壓變動(dv/dt)可靠地抑制在預定范圍內而有效地執行有源柵極控制，能夠抑制半導體開關元件的接通以及斷開時的電壓變動。



圖1是示出本發明實施方式1涉及的半導體功率轉換裝置的結構例的電路圖； 圖2是用于說明實施方式1涉及的半導體功率轉換裝置的各橋臂的開關控制結構的框圖； 圖3是用于說明實施方式1涉及的半導體功率轉換裝置中的有源柵極控制的動作的波形圖； 圖4是示出圖2所示的電壓檢測部的結構例的框圖； 圖5是用于說明圖4所示的電壓檢測部的動作的框圖； 圖6是用于說明實施方式2涉及的半導體功率轉換裝置的各橋臂的開關控制結構的框圖； 圖7是用于說明實施方式2涉及的半導體功率轉換裝置中的有源柵極控制的動作的波形圖； 圖8是示出可應用本發明實施方式2涉及的有源柵極控制的半導體功率轉換裝置的結構例的電路圖； 圖9是用于說明實施方式2的變形例涉及的半導體功率轉換裝置的各橋臂的開關控制結構的框圖； 圖10是用于說明實施方式3涉及的半導體功率轉換裝置的各橋臂的開關控制結構的框圖； 圖11是用于說明實施方式3的變形例涉及的半導體功率轉換裝置的各橋臂的開關控制結構的框圖； 圖12是用于說明實施方式4涉及的半導體功率轉換裝置的各橋臂的開關控制結構的框圖； 圖13是用于說明半導體開關元件的電壓變化率的溫度特性的概念圖； 圖14是用于說明在實施方式4涉及的半導體功率轉換裝置的各橋臂的開關控制結構中有關控制增益的設定的概念圖。

具體實施例方式 下面，參考附圖對本發明的實施方式進行詳細的說明。對于以下附圖中相同或相當的部分標注相同的標號，并且原則上不對其進行重復說明。
(實施方式1) 圖1是示出本發明實施方式涉及的半導體功率轉換裝置的結構例的電路圖。
參考圖1，功率轉換系統5包括直流電源10、變換器20、平滑電容器30、作為本發明實施方式涉及的半導體功率轉換裝置的一個代表例而示出的逆變器40、由逆變器40驅動控制的電動機60。
直流電源10輸出直流電壓Vb。變換器20具有直流電壓變換功能，對來自直流電源10的輸出電壓Vb進行電壓變換并輸出直流電壓VH。變換器20的輸出電壓通過平滑電容器30被平滑。
逆變器40具有分別構成3相的上下橋臂的六個橋臂50-1～50-6。如將在后面進行說明的那樣，各橋臂50(對橋臂50-1～50-6的統稱，下同)分別具有半導體開關元件。
電動機60包括纏繞有三相線圈繞組65u、65v、65w的定子(沒有圖示)和轉子(沒有圖示)。各相線圈繞組65u、65v、65w的每一個的一端在中性點67彼此電連接，每一個的另一端分別與逆變器40的U相、V相、W相的上下橋臂連接點相連。
在電動機60上設置有用于測定表示電動機狀態的各種測定值Tst的各種傳感器69。電動機測定值Tst中除了控制電動機所需的電流(各相)、轉子旋轉角等之外，還包括表示電動機的動作環境的溫度、濕度(典型地有相對濕度)以及氣壓等。
逆變器40將由變換器20可變地控制的作為主電路電源電壓的直流電壓VH轉換成用于對電動機60進行驅動控制的交流電壓。
圖2是用于說明實施方式1涉及的半導體功率轉換裝置的各橋臂的開關控制結構的框圖。
參考圖2，各橋臂被構成為包括半導體開關元件100、反向并聯二極管101、驅動控制部70、驅動電路80。在本實施方式中，作為代表例，假定用IGBT構成了半導體開關元件100。從而，包括半導體開關元件100的接通和斷開，集電極-發射極間的電流響應柵極電壓Vg而被控制。
驅動控制部70包括電壓檢測部102、有源柵極控制部71、電平變換部119、電壓相加部120。有源柵極控制部71包括浪涌控制目標設定部103、電壓運算部104、PD控制部105、整流部106。驅動電路80包括緩沖電路121和柵極電阻器122。
半導體開關元件100是響應于柵極控制信號Sg而被接通和斷開的開關元件，特別是在斷開時，由于主電路內的寄生電感，隨著由于硬開關而電流突然被切斷，會在半導體開關元件100的端子之間、在圖2的例子中會在集電極-發射極之間產生浪涌電壓。以下，還將集電極-發射極間電壓Vce簡稱為端子間電壓Vce。
電壓檢測部102檢測半導體開關元件100的端子間電壓Vce，并產生依照Vce的電壓信號。根據后級的有源柵極控制部71的結構，電壓檢測部102的輸出信號取為模擬信號或數字信號。即，有源柵極控制部71的各構成要素也可以用硬件(包含模擬信號處理和多位的數字信號處理，下同)和軟件中的任一個構成。
當有源柵極控制部71用模擬電路構成時，電壓檢測部102由基于電阻分割的分壓電路、差動放大電路等構成，并輸出與端子間電壓Vce成比例的模擬電壓。分壓電路除了可被構成為基于單純的電阻分割的結構之外，還可以考慮寄生電容而通過頻率特性好的RC電路網絡來構成。此外，使用差動放大電路能夠降低共模噪聲。
另一方面，當有源柵極控制部71由數字電路或軟件構成時，電壓檢測部102由上述分壓電路、差動放大電路等以及模/數轉換器構成，并輸出表示端子間電壓Vce的多位的數字信號。以下，將電壓檢測部102的輸出信號也記為端子間電壓Vce。
浪涌控制目標設定部103基于由電壓檢測部102檢測出的半導體開關元件100的端子間電壓Vce以及柵極控制信號Sg來獲得主電路電源電壓VH，并且根據主電路電源電壓VH來設定浪涌電壓的控制目標Vm。具體地說，與主電路電源電壓VH的設計上的最大值相對應地設定控制目標Vm，以使端子間電壓Vce不超過半導體開關元件100的耐電壓，并且在主電路電源電壓VH下降時也使控制目標Vm下降。對于由浪涌控制目標設定部103獲得主電路電源電壓VH的結構，將在后面進行詳細的說明。
電壓運算部104計算由電壓檢測部102檢測出的集電極-發射極間電壓Vce相對于由浪涌控制目標設定部103設定的浪涌電壓的控制目標Vm的偏差ΔV(ΔV＝Vce-Vm)。
PD控制部105通過由電壓運算部104求出的偏差ΔV的比例微分(PD)控制運算來生成控制運算電壓Vpd。即，PD控制部105中的控制運算具體可由下述公式(1)表示。在式(1)中，Gp以及Gd表示控制增益。
Vpd＝Gp·ΔV+Gd·d ΔV/dt ......(1) 整流部106通過僅使得由PD控制部105算出的控制運算電壓Vpd的正值通過來算出電壓修正量V1。即，當Vpd＞0時設定為V1＝Vpd，另外當Vpd≤0時設定為V1＝0。由此，只向提高半導體開關元件100的柵極電壓Vg的方向、即阻礙半導體開關元件100斷開的方向設定通過有源柵極控制部71進行的電壓修正量V1。
電平變換部119通過變換柵極控制信號Sg的電壓來產生柵極控制電壓V0，柵極控制信號Sg是指示半導體開關元件100的接通和斷開的數字信號。柵極控制電壓V0在指示半導體開關元件100接通時被設定為用于使半導體開關元件100導通的接通用電壓Vdd，另一方面，在指示半導體開關元件100斷開時被設定為用于使半導體開關元件100關斷的斷開用電壓Vss(Vdd＞Vss)。
電壓相加部120根據由電平變換部119輸出的柵極控制電壓V0和基于有源柵極控制部71的電壓修正量V1的總和來產生控制電壓Vc。
緩沖電路121由以低阻抗輸出與所輸入的控制電壓Vc對應的柵極電壓Vg的發射極跟隨器等功率放大電路構成。即，在本實施方式中，Vg＝Vc，半導體開關元件100的柵極電壓受控制電壓Vc的控制。
接著，使用圖3對實施方式1的半導體功率轉換裝置中的有源柵極控制動作進行說明。
參考圖3，當柵極控制信號Sg從接通電平轉移到斷開電平、即斷開時(時刻t1)，柵極電壓Vg隨著柵極控制電壓V0(圖2)被設定為斷開用電壓Vss而開始下降。
隨著半導體開關元件100響應柵極控制信號Sg而斷開，端子間電壓Vce開始上升。控制運算電壓Vpd在開始斷開時(時刻t1)取在偏差ΔV＝-Vm上乘以控制增益Gp而得的值(-Gp·Vm)，并隨著端子間電壓Vce上升而上升。然后，在端子間電壓Vce接近控制目標Vm時，變為Vpd＞0。特別是，通過結合微分控制，能夠在端子間電壓Vce超過控制目標值m之前使得Vpd＞0。
如果控制運算電壓變為Vpd＞0，則由整流部106輸出的電壓修正量被設定為V1＝Vpd，控制電壓Vc從斷開用電壓Vss被修正，因此向提高柵極電壓Vg的方向、即向降低斷開速度的方向修正柵極電壓Vg的有源柵極控制開始執行。
隨著柵極電壓Vg通過有源柵極控制而上升，端子間電壓Vce下降。隨之控制運算電壓Vpd也下降。因此由整流部106輸出的電壓修正量再次變為V1＝0，柵極電壓Vg朝著斷開用電壓Vss逐漸下降。
其結果是，在半導體開關元件100斷開時，可利用端子間電壓Vce的反饋來進行有源柵極控制，以使端子間電壓Vce被抑制在根據主電路電源電壓VH設定的控制目標Vm左右。
由此，能夠將半導體開關元件100斷開時的浪涌電壓控制在與主電路電源電壓VH相對應地設定的控制目標Vm。而且，即使在改變了主電路電源電壓VH時，也能夠通過浪涌控制目標設定部103立刻改變控制目標Vm，因此與控制目標值被固定設定的時候相比，特別是在主電路電源電壓低的范圍內也能夠使有源柵極控制適當地起作用，從而能夠防止端子間電壓Vce產生浪涌或電壓波動。
此外，通過設置整流部106，能夠在端子間電壓Vce(浪涌電壓)沒有達到控制目標Vm的期間，不使反饋控制起作用，而通過緩沖電路121向斷開用電壓Vss迅速地改變柵極電壓Vg。由此，通過執行有源柵極控制，能夠防止開關功率損失(斷開損失)不必要地增大。
接下來，對用于浪涌控制目標設定部103獲取主電路電源電壓VH的結構進行說明。
圖4是用于說明圖2所示的浪涌控制目標設定部103中用于獲取主電路電源電壓VH的結構的框圖。
參考圖4，浪涌控制目標設定部103包括延遲部131、采樣保持部132以及脈沖微分部133。
延遲部131輸出將由電壓檢測部102檢測出的端子間電壓Vce延遲了預定時間的Vce#。脈沖微分部133在基于柵極控制信號Sg而產生半導體開關元件100的接通指令時、即在柵極控制信號Sg從斷開電平向接通電平轉移的時間點輸出脈沖Pg。
當由脈沖微分部133產生脈沖Pg時，采樣保持部132通過對延遲后的端子間電壓Vce#進行采樣來獲取主電路電源電壓VH。
圖5是用于說明圖4所示的電壓檢測部的動作的波形圖。
參考圖5，柵極控制信號Sg根據半導體開關元件100的接通及斷開指令被交替地設定為斷開電平和接通電平。當柵極控制信號Sg從斷開電平向接通電平轉移時，脈沖微分部133產生單觸發式的脈沖Pg。
柵極控制信號Sg#是用于指示與圖2的半導體開關元件100構成一對的半導體開關元件(沒有圖示)的接通和斷開的信號，該半導體開關元件與半導體開關元件100串聯連接在電源線之間，并且主電路電源電壓VH被施加在該電源線之間。具體地說，在圖1的逆變器40中，柵極控制信號Sg和Sg#分別對應于同一相的上下橋臂(例如橋臂50-1和50-2)的半導體開關元件的接通和斷開控制信號。因此，柵極控制信號Sg#在保證柵極控制信號Sg和Sg#雙方均被設定為斷開電平的死區時間Td的情況下與柵極控制信號Sg互補地被設定為接通電平和斷開電平。
在柵極控制信號Sg#處于接通電平并且柵極控制信號Sg處于斷開電平的期間，斷開狀態的半導體開關元件100被連接在被施加主電路電源電壓VH的電源線之間。從而，該期間內的半導體開關元件100的端子間電壓Vce與主電路電源電壓VH相等。
因此，通過將基于圖4所示的延遲部131的延遲時間設定為與死區時間Td相當的時間，能夠在半導體開關元件100接通時，響應于脈沖Pg來對經延遲部131延遲后的端子間電壓Vce#進行采樣，并由此獲得上述期間內的端子間電壓Vce，即主電路電源電壓VH。
如圖5所示，每當半導體開關元件100被接通時，通過采樣保持部132獲取主電路電源電壓VH，并根據獲取的主電路電源電壓VH來設定浪涌電壓的控制目標Vm。由此，能夠追隨主電路電源電壓VH的改變來改變斷開時的有源柵極控制中的浪涌電壓的控制目標Vm。
特別是，通過構成為圖4的結構，與在從驅動控制部70的外部獲得主電路電源電壓VH的時候需要昂貴的絕緣部件相比，通過對半導體開關元件100的端子間電壓Vce進行采樣，可利用不需要使用絕緣部件的廉價的電路結構來檢測適當地設定浪涌電壓的控制目標Vm所必需的主電路電源電壓VH。
(實施方式2) 在實施方式2中，對通過為電壓變化率設定控制目標可直接限制電壓變化率的有源柵極控制進行說明，所述電壓變化率是半導體開關元件100的端子間電壓Vce的時間微分值。
圖6是用于說明本發明實施方式2涉及的半導體功率轉換裝置的各橋臂的開關控制結構的框圖。
參考圖6，在實施方式2涉及的開關控制結構中，驅動控制部70包括電壓微分部107、電壓上升率控制目標設定部110和有源柵極控制部72、電壓下降率控制目標設定部115和有源柵極控制部73，以取代圖1中的有源柵極控制部71。與有源柵極控制部71一樣，電壓微分部107以及有源柵極控制部72、73的各構成要素也可以用硬件和軟件中的任一個構成。
電壓微分部107計算電壓變化率dVce/dt，該電壓變化率dVce/dt是由電壓檢測部102檢測出的端子間電壓Vce的時間微分值。
電壓上升率控制目標設定部110設定電壓上升時的電壓變化率dVce/dt(＞0)的控制目標dVu(＞0)。從而，控制目標dVu相當于電壓上升率控制目標。
同樣地，電壓下降率控制目標設定部115設定電壓下降時的電壓變化率dVce/dt(＜0)的控制目標dVe(＞0)。從而，控制目標dVe相當于電壓下降率控制目標。電壓上升率控制目標設定部110和電壓下降率控制目標設定部115分別對應于用于設定電壓變化率dVce/dt的控制目標的“電壓變化率控制目標設定部”。
有源柵極控制部72包括電壓運算部111、放大部112以及整流部113。
電壓運算部111計算由電壓微分部107算出的電壓變化率dVce/dt相對于電壓上升率控制目標dVu的偏差ΔdVu(ΔdVu＝dVce/dt-dVu)。放大部112輸出使用預定的控制增益(放大增益)放大偏差ΔdVu而得的電壓。整流部113通過僅使放大部112的輸出電壓中的正值通過來算出電壓修正量V2。其余的時候，即當放大部112的輸出為0或負電壓時電壓修正量V2被設定為V2＝0。
從而，通過有源柵極控制部72設定的電壓修正量V2在電壓上升時的電壓變化率dVce/dt超過了控制目標dVu時，只向提高半導體開關元件100的柵極電壓Vg的方向、即只向阻礙半導體開關元件100斷開的方向被設定。
同樣地，有源柵極控制部73包括電壓運算部116、放大部117以及整流部118。
電壓運算部116計算由電壓微分部107算出的電壓變化率dVce/dt相對于電壓下降率控制目標dV1(＜0)的偏差ΔdV1(ΔdV1＝dVce/dt-dV1)。放大部117輸出使用預定的控制增益(放大增益)放大偏差ΔdVu而得的電壓。整流部118通過僅使放大部112的輸出電壓中的負值通過來算出電壓修正量V3。其余的時候，即當放大部112的輸出為0或正電壓時電壓修正量V3被設定為V3＝0。
從而，通過有源柵極控制部73設定的電壓修正量V3在電壓下降時的電壓變化率dVce/dt(＜0)的絕對值超過了控制目標dV1(＜0)的絕對值時(|dVce/dt|＞|dV1|)，只向降低半導體開關元件100的柵極電壓Vg的方向、即只向阻礙半導體開關元件100接通的方向被設定。
并且，電壓相加部120依照由電平變換部119輸出的柵極控制電壓V0、由有源柵極控制部72設定的電壓修正量V2(V2＞0)以及由有源柵極控制部73設定的電壓修正量V3(V3＜0)的總和來產生控制電壓Vc。緩沖電路121根據控制電壓Vc來驅動半導體開關元件100的柵極電壓Vg。
圖7示出了用于說明實施方式2涉及的半導體功率轉換裝置中的有源柵極控制的動作的波形圖。
參考圖7，當半導體開關元件100斷開時(時刻t4前后)，端子間電壓Vce隨著有浪涌電壓產生而上升，從而電壓微分部107的輸出、即電壓變化率dVce/dt變為正值。然后，一旦電壓變化率dVce/dt超過了電壓上升率控制目標dVu，偏差ΔdVu就變為正。電壓修正量V2在電壓變化率dVce/dt超過電壓上升率控制目標dVu的期間被設定為V2＞0，其余的期間被設定為V2＝0。
當斷開時，端子間電壓Vce不會下降很多，因此，電壓變化率dVce/dt通常不會低于電壓下降率控制目標dV1。即，由于dVce/dt＞dV1，因此ΔdV1始終為正，電壓修正量V3被固定在V3＝0。
從而，當半導體開關元件100斷開時，在電壓變化率dVce/dt超過電壓上升率控制目標dVu的期間，向提高柵極電壓的方向設定電壓修正量V2。由此，執行向由控制電壓Vc提高柵極電壓Vg的方向、即向降低半導體開關元件100的斷開速度以緩解端子間電壓Vce的上升率的方向修正柵極電壓Vg的有源柵極控制。
另一方面，當半導體開關元件100接通時(時刻t5前后)，隨著端子間電壓Vce下降，電壓微分部107的輸出、即電壓變化率dVce/dt變為負值。然后，一旦電壓變化率dVce/dt(＜0)低于電壓下降率控制目標dV1(＜0)，偏差ΔdV1就變為負。電壓修正量V3在電壓變化率dVce/dt低于電壓下降率控制目標dV1的期間被設定為V3＜0，其余的期間被設定為V3＝0。
當接通時，端子間電壓Vce不會上升很多，因此，電壓變化率dVce/dt通常不會超過電壓上升率控制目標dVu。即，由于dVce/dt＜dVu，因此偏差ΔdVu始終為負，電壓修正量V2被固定在V2＝0。
從而，當半導體開關元件100接通時，在電壓變化率dVce/dt低于電壓下降率控制目標dV1(|dVce/dt|＞|dV1|)的期間，向降低柵極電壓的方向設定電壓修正量V3。由此，執行向由控制電壓Vc降低柵極電壓Vg的方向、即向降低半導體開關元件100的接通速度以緩解端子間電壓Vce的下降率的方向修正柵極電壓Vg的有源柵極控制。
如此，在實施方式2涉及的半導體功率轉換裝置中，能夠執行如下的有源柵極控制，即逐次計算端子間電壓Vce的電壓變化率(dv/dt)，并且在該電壓變化率脫離了電壓上升率控制目標dVu～電壓上升率控制目標dV1的范圍時，向阻礙當前的端子間電壓的變化的方向修正控制電壓Vc、即柵極電壓Vg。從而，能夠直接進行有源柵極控制，以使端子間電壓Vce的電壓變化率(dv/dt)抑制在預定的控制目標范圍內。
其結果是，能夠直接防止半導體開關元件100的端子間電壓Vce的電壓變化率變得過大，因此可防止由于電動機60中的繞組間的局部放電而導致絕緣被破壞，并能夠可靠地利用電壓變化率(dv/dt)的抑制來應對EMI。
這里，已知局部放電的發生依賴于電動機60的工作環境，特別是就溫度、濕度(相對濕度)以及氣壓來說，在高溫下、高濕度下、以及低氣壓(高地)環境下，局部放電容易發生。
因此，使得由傳感器69(圖1)測得的電動機測定值Tst中包含溫度、濕度(相對濕度)以及氣壓，并如在圖6中虛線所示，向設定控制目標dVu的電壓上升率控制目標設定部110以及設定控制目標dVu的電壓下降率控制目標設定部115傳遞電動機測定值Tst。并且優選構成為根據溫度、濕度(相對濕度)以及氣壓中的至少一個來可變地設定控制目標dVu和控制目標dV1中的至少一個的結構。
具體地說，在高溫下、高濕度下、以及低氣壓(在高地上使用的時候)等易發生局部放電的工作環境下，只要將控制目標dVu(＞0)以及控制目標dV1(＜0)的絕對值設定得相對小即可。即，優選在電動機60容易發生局部放電的環境下，縮小電壓變化率的限制范圍，而在電動機60難以發生局部放電的環境下，放寬電壓變化率的限制范圍。由此，能夠在不會不必要地增大半導體開關元件100的開關功率損失的情況下防止由電動機60的局部放電導致絕緣被破壞。
實施方式2涉及的開關控制結構與實施方式1涉及的結構不同，能夠在不獲取主電路電源電壓VH的情況下控制半導體開關元件100的接通和斷開，以將端子間電壓的電壓變化率抑制在預定范圍內。從而，實施方式2涉及的各橋臂的開關控制結構不僅應用于圖1所示結構下的逆變器40，而且也能夠適應于從圖1的結構中省去變換器20從而向作為半導體功率轉換裝置的逆變器40提供的輸入電壓、即主電路電源電壓為恒定的結構。即，根據實施方式2的有源柵極控制也能夠應用于構成具有如圖8所示的結構的半導體功率轉換裝置的半導體開關元件，在圖8所示的結構中，將來自直流電源10的輸出電壓Vb作為主電路電源電壓經由平滑電容器30提供給逆變器40。
(實施方式2的變形例) 當將根據實施方式2的有源柵極控制應用于在圖1所示的結構中應用的逆變器(半導體功率轉換裝置)40時，也可以將實施方式1和2的有源柵極控制組合起來。
圖9是用于說明實施方式2的變形例涉及的半導體功率轉換裝置的各橋臂的開關控制結構的框圖。
參考圖9，在實施方式2的變形例涉及的開關控制結構中，與圖6所示的實施方式2涉及的開關控制結構相比，驅動控制部70被構成為還包括與圖1相同的有源柵極控制部71、以及最大值設定部114。最大值設定部114也可以用硬件和軟件中的任一個構成。
如在實施方式1中進行說明的那樣，當端子間電壓Vce超過了與主電路電源電壓VH相對應地設定的浪涌電壓的控制目標Vm時，有源柵極控制部71向提高半導體開關元件100的柵極電壓Vg的方向、即向阻礙半導體開關元件100斷開的方向設定電壓修正量V1。
最大值設定部114輸出分別來自有源柵極控制部71和72的電壓修正量V1和V2中的最大值。即，最大值設定部114對應于“調節部”。
電壓相加部120依照由電平變換部119輸出的柵極控制電壓V0、由最大值設定部114輸出的電壓修正量V1和V2中的最大值(＞0)以及由有源柵極控制部73設定的電壓修正量V3(V3＜0)的總和來產生控制電壓Vc。緩沖電路121根據控制電壓Vc來驅動半導體開關元件100的柵極電壓Vg。
通過如此構成，實施方式2的變形例涉及的半導體功率轉換裝置能夠以組合實施方式1和實施方式2的方式進行半導體開關元件的有源柵極控制，以便防止浪涌電壓(端子間電壓Vce)的上升超過與主電路電源電壓VH對應的控制目標，并防止產生超過預定的控制目標范圍的過大的電壓變化率。
(實施方式3) 圖10是用于說明實施方式3涉及的半導體功率轉換裝置的各橋臂的開關控制結構的框圖。
參考圖10，在實施方式3涉及的開關控制結構中，與圖6所示的實施方式2涉及的開關控制結構相比，驅動控制部70被設置為還包括切換開關108、109。切換開關108、109也可以用硬件和軟件中的任一個構成。
切換開關108在電壓微分部107所輸出的電壓變化率dVce/dt和接地電平(GND)之間切換向電壓運算部111的輸入。當通過切換開關108而向電壓運算部111輸入電壓變化率dVce/dt時(圖10的I側)，有源柵極控制部72通過與實施方式2中說明的反饋控制相同的反饋控制來生成電壓修正量V2。
另一方面，當通過切換開關108而向電壓運算部111輸入接地電平(GND)時(圖10的II側)，處于與電壓變化率dVce/dt固定在dVce/dt＝0時等效的狀態，從而由有源柵極控制部72設定的電壓修正量V2被固定在V2＝0。即，等效于有源柵極控制部72被強制設置成非工作狀態。
同樣地，切換開關109在電壓微分部107所輸出的電壓變化率dVce/dt和接地電平(GND)之間切換向電壓運算部116的輸入。當通過切換開關109而向電壓運算部116輸入電壓變化率dVce/dt時(圖10的II側)，有源柵極控制部73與實施方式2一樣地生成電壓修正量V3，另外當通過切換開關108而向電壓運算部116輸入接地電平(GND)時(圖10的I側)，等效于有源柵極控制部73被強制設置成非工作狀態，電壓修正量V3被固定在V3＝0。
切換開關108和109通過當前的柵極控制信號Sg的電平來控制。
具體地說，當柵極控制信號Sg被設定為斷開電平的半導體開關元件100斷開的時候，一方面擔心斷開時端子間電壓急劇上升，而另一方面卻沒有必要應對急劇的電壓下降。從而，將切換開關108和109控制在I側，并使有源柵極控制部72工作以將端子間電壓Vce的電壓上升率控制在控制目標內，另外將有源柵極控制部73設置為非工作(固定為V3＝0)狀態。由此，當半導體開關元件100斷開時，中止不需要的用于限制電壓下降率的有源柵極控制，隨之能夠防止開關功率損失的產生。
另外，當柵極控制信號Sg被設定為接通電平的半導體開關元件100接通的時候，一方面擔心接通時端子間電壓急劇下降，而另一方面卻沒有必要應對急劇的電壓上升。從而，將切換開關108和109控制在II側，并使有源柵極控制部73工作以將端子間電壓Vce的電壓下降率控制在控制目標內，另外將有源柵極控制部72設置為非工作(固定為V2＝0)狀態。由此，當半導體開關元件100接通時，中止不需要的用于限制電壓上升率的有源柵極控制，隨之能夠防止開關功率損失的產生。如此，由切換開關108和109構成了“選擇部”，該“選擇部”根據柵極控制信號Sg，在斷開時選擇性地使有源柵極控制部72工作，而在接通時則選擇性地使有源柵極控制部73工作。
通過如上構成，能夠在半導體開關元件100斷開時和接通時均實施有源柵極控制，以便在適當的方向(上升或下降)上抑制電壓變化率的增大。特別是，通過根據半導體開關元件的接通和斷開來選擇要限制的電壓變化方向，對于從保護元件的角度來說進行抑制的必要性低的方向上的電壓變動，中止有源柵極控制，由此可避免開關功率損失不必要地增加。
(實施方式3的變形例) 實施方式3涉及的開關控制結構與根據實施方式2的結構一樣能夠應用于可變地控制主電路電源電壓VH的圖1的逆變器(半導體功率轉換裝置)40、以及主電路電源電壓VH恒定的圖8的逆變器(半導體功率轉換裝置)40中的任一個。而且與根據實施方式2的結構一樣，當將實施方式3涉及的開關控制結構應用于圖1的逆變器40中時，也可以構成為組合了實施方式1和3的有源柵極控制的開關控制結構。
圖11是用于說明實施方式3的變形例涉及的半導體功率轉換裝置的各橋臂的開關控制結構的框圖。
參考圖11，在實施方式3的變形例涉及的開關控制結構中，與圖10所示的實施方式3涉及的開關控制結構相比，驅動控制部70被構成為還包括與圖1相同的有源柵極控制部71以及最大值設定部114。
有源柵極控制部71的動作如實施方式1所述，并且最大值設定部114和電壓相加部120的動作如實施方式2的變形例所述，因此這里不再重復詳細說明。
通過如上構成，實施方式3的變形例涉及的半導體功率轉換裝置能夠以組合實施方式1和實施方式3的方式進行半導體開關元件的有源柵極控制，以便除實施方式3的效果之外，還可防止浪涌電壓(端子間電壓Vce)的上升超過與主電路電源電壓VH對應的控制目標。
(實施方式4) 圖12是用于說明實施方式4涉及的半導體功率轉換裝置的各橋臂的開關控制結構的框圖。
參考圖12，實施方式4涉及的開關控制結構除了圖2所示的實施方式1涉及的開關控制結構之外，還設有元件溫度檢測部141和控制參數變更部142。元件溫度檢測部141和控制參數變更部142也可以用硬件和軟件中的任一個構成。
元件溫度檢測部141例如基于來自設置在半導體開關元件100中的溫度傳感器(沒有圖示)的信號，輸出半導體開關元件100的元件溫度Tsw。控制參數變更部142基于來自元件溫度檢測部141的元件溫度Tsw，可變地設定在PD控制部105中用于PD控制運算的公式(1)中的控制增益Gp和Gd。圖12所示的開關控制結構中的其他部分的結構和動作與圖2的圖示相同，因此不再重復對其的說明。
如圖13所示，半導體開關元件100的端子間電壓的電壓變化率dVce/dt的絕對值在元件溫度以外的條件相同的條件下隨著元件溫度Tsw的上升而變小，隨著元件溫度Tsw的下降而變大。即，在低溫下，電壓變化率相對變大，浪涌電壓容易變大。
因此，如圖14所示，根據元件溫度Tsw來改變控制增益Gp、Gd，從而在低溫下相對提高有源柵極控制中的反饋控制增益，在高溫下相對降低該反饋控制增益。
通過如上構成，在低溫下，相對增大對于端子間電壓Vce的變化的基于有源柵極控制的柵極電壓修正量來防止產生過大的電壓變動。另一方面，在半導體開關元件的響應能力下降從而電壓變化相對變緩的高溫下，通過相對減小基于有源柵極控制的柵極電壓修正量，能夠防止由于控制過度而導致半導體開關元件的開關功率損失增大。
將PD控制部105中的控制增益作為通過元件溫度檢測部141和控制參數變更部142變更的控制參數來進行了說明，但其僅僅是一個例子，也可以根據半導體開關元件的元件溫度來可變地設定與有源柵極控制相關的其他控制參數。例如，在實施方式2(圖6)等中進行說明的放大部112、117中的放大增益也一樣，也可以如圖14所示那樣，在高溫下將其設為相對小的值，并且在高溫下將其設為相對大的值，由此可獲得與上述相同的效果。
或者，也可以如在圖2等中用虛線所示構成為向浪涌控制目標設定部103傳遞元件溫度Tsw的結構，并根據半導體開關元件的元件溫度來可變地設定浪涌電壓的控制目標Vm。具體地說，在電壓變化率dVce/dt大的低溫下，將浪涌電壓的控制目標Vm設定得相對低，由此能夠有效地預防低溫下浪涌電壓變得過大，并且能夠防止高溫下由于有源柵極控制過度而導致開關功率損失增大。
如此，實施方式4涉及的開關控制結構通過與實施方式1～3的結構適當組合能夠應用于可變地控制主電路電源電壓VH的圖1的逆變器(半導體功率轉換裝置)40、以及主電路電源電壓VH恒定的圖8的逆變器(半導體功率轉換裝置)40中的任一個。
在以上說明的本實施方式中，作為本發明涉及的半導體功率轉換裝置，舉例說明了對電動機進行驅動控制的逆變器，但本發明的應用并不限定于此。即，本發明可應用于DC/DC變換器、升壓斬波器、開關模式放大器等包括執行所謂硬開關的半導體開關元件的半導體功率轉換裝置的開關控制中。
此外，關于半導體開關元件，在本實施方式中例舉了IGBT，但對于電力MOS(Metal Oxide Semiconductor，金屬氧化物半導體)晶體管等其他的電壓驅動型開關元件也能夠應用本發明的開關控制結構。另外，如果將在驅動電路80(圖2等)中的緩沖電路121構成為向控制電極(基極)提供與控制電壓Vc相應的驅動電流，則在通過電力雙極晶體管等電流驅動型開關元件構成的半導體功率轉換裝置中也能夠應用本發明的開關控制結構。
這次公開的實施方式在其所有方面均應當理解為例示性公開而并非用來限制的。本發明的范圍并不是由上述的說明而是由權利要求書示出，其中將包含與權利要求書等同的含義以及范圍內的所有變更。
產業上的實用性 如上所述，本發明可用于DC/DC變換器、升壓斬波器、開關模式放大器等包括執行所謂硬開關的半導體開關元件的半導體功率轉換裝置的開關控制中。
權利要求
1.一種半導體功率轉換裝置(40)，對被可變控制的主電路電源電壓(VH)進行電壓轉換，包括
半導體開關元件(100)，所述半導體開關元件(100)響應控制電極(G)的電壓或電流而控制第一電極和第二電極(C、E)之間的電流；
驅動控制部(70)，所述驅動控制部(70)根據控制信號(Sg)而在第一電壓(Vdd)以及第二電壓(Vss)的范圍內設定控制電壓(Vc)，其中，所述控制信號(Sg)指示所述半導體開關元件的接通以及斷開，所述第一電壓(Vdd)用于使所述半導體開關元件導通，所述第二電壓(Vss)用于使所述半導體開關元件關斷；以及
驅動電路(80)，所述驅動電路(80)根據由所述驅動控制部設定的所述控制電壓來驅動所述控制電極的所述電壓或所述電流，
其中，所述驅動控制部包括
電壓檢測部(102)，所述電壓檢測部(102)檢測所述第一電極和所述第二電極的電極間電壓(Vce)；
浪涌控制目標設定部(103)，所述浪涌控制目標設定部(103)用于根據所述主電路電源電壓而可變地設定在所述半導體開關元件(100)斷開時在所述第一電極和所述第二電極之間產生的浪涌電壓的控制目標(Vm)；以及
第一有源柵極控制部(71)，所述第一有源柵極控制部(71)用于在由所述電壓檢測部檢測出的所述電極間電壓超過了所述控制目標時，通過基于所述電極間電壓的電壓修正量(V1)來向接近所述第一電壓的方向修正所述控制電壓。
2.如權利要求1所述的半導體功率轉換裝置，其中，所述第一有源柵極控制部(71)進行基于所述電極間電壓(Vce)相對于所述控制目標(Vm)的偏差(ΔV)的控制運算，并在控制運算結果(Vpd)為正值時根據所述控制運算結果來設定所述電壓修正量(V1)，另一方面在所述控制運算結果為負值時將所述電壓修正量實際設定為0。
3.如權利要求2所述的半導體功率轉換裝置，其中，所述第一有源柵極控制部(71)通過比例微分控制來進行所述控制運算。
4.如權利要求1所述的半導體功率轉換裝置，其中，所述浪涌控制目標設定部(103)基于在所述半導體開關元件(100)的斷開期間、且所述半導體開關元件(100)電連接在被施加所述主電路電源電壓(VH)的電源線之間的期間內由所述電壓檢測部(102)檢測出的檢測電壓來設定所述控制目標(Vm)。
5.如權利要求1所述的半導體功率轉換裝置，其中，所述驅動控制部(70)還包括
電壓上升率控制目標設定部(110)，所述電壓上升率控制目標設定部(110)設定電壓上升率的控制目標(Vdu)，所述電壓上升率是所述電極間電壓(Vce)的上升時的時間微分值；
第二有源柵極控制部(72)，所述第二有源柵極控制部(72)用于當所述電壓上升率超過了所述控制目標時，基于由所述電壓檢測部(102)檢測出的所述電極間電壓來修正所述控制電壓(Vc)，以使該控制電壓(Vc)向所述第一電壓(Vdd)接近與所述電壓上升率相對于所述控制目標的偏差相應的電壓修正量(V2)；以及
調節部(114)，所述調節部(114)用于修正所述控制電壓，以使該控制電壓向所述第一電壓接近基于所述第一以及所述第二有源柵極控制部(71、72)的電壓修正量(V1、V2)中更大的那個電壓量。
6.如權利要求5所述的半導體功率轉換裝置，其中，所述驅動控制部(70)還包括
電壓下降率控制目標設定部(105)，所述電壓下降率控制目標設定部(105)設定電壓下降率的控制目標(dVl)，所述電壓下降率是所述電極間電壓(Vce)的下降時的時間微分值；以及
第三有源柵極控制部(73)，所述第三有源柵極控制部(73)用于當所述電壓下降率超過了所述控制目標時，基于由所述電壓檢測部(102)檢測出的所述電極間電壓來修正所述控制電壓(Vc)，以使該控制電壓(Vc)向所述第二電壓(Vss)接近與所述電壓下降率相對于所述控制目標的偏差相應的電壓修正量(V3)。
7.如權利要求6所述的半導體功率轉換裝置，其中，
所述驅動控制部(70)還包括選擇部(108、109)，所述選擇部(108、109)用于根據所述控制信號(Sg)來選擇性地使所述第二以及所述第三有源柵極控制部(72、73)中的一個工作，
所述選擇部在所述半導體開關元件(100)被斷開時使所述第二有源柵極控制部(72)工作，另一方面在所述半導體開關元件被接通時使所述第三有源柵極控制部(73)工作。
8.如權利要求1所述的半導體功率轉換裝置，其中，所述驅動控制部(70)還包括
電壓下降率控制目標設定部(115)，所述電壓下降率控制目標設定部(115)設定電壓下降率的控制目標(Vdl)，所述電壓下降率是所述電極間電壓(Vce)的下降時的時間微分值；以及
第三有源柵極控制部(73)，所述第三有源柵極控制部(73)用于當所述電壓下降率超過了所述控制目標時，基于由所述電壓檢測部(102)檢測出的所述電極間電壓來修正所述控制電壓(Vc)，以使該控制電壓(Vc)向所述第二電壓(Vss)接近與所述電壓下降率相對于所述控制目標的偏差相應的電壓修正量(V3)。
9.如權利要求5至8中任一項所述的半導體功率轉換裝置，其中，
所述電壓上升率控制目標設定部(110)或所述電壓下降率控制目標設定部(115)基于由所述半導體功率轉換裝置(40)驅動控制的電動機(60)的溫度、氣壓以及相對濕度中的至少一個來可變地設定所述控制目標(Vdu、Vdl)。
10.如權利要求1至8中任一項所述的半導體功率轉換裝置，其中，還包括
溫度檢測部(141)，所述溫度檢測部(141)檢測所述半導體開關元件(100)的溫度；以及
控制參數變更部(142)，所述控制參數變更部(142)用于根據由所述溫度檢測部檢測出的元件溫度(Tsw)來可變地設定控制參數，所述控制參數是在所述第一至所述第三有源柵極控制部(71～73)中的至少一個中被使用在用于求出所述控制電壓(Vc)的電壓修正量(V1～V3)的控制運算中的參數。
11.一種半導體功率轉換裝置，包括
半導體開關元件(100)，所述半導體開關元件(100)響應控制電極(G)的電壓或電流而控制第一電極和第二電極(C、E)之間的電流；
驅動控制部(70)，所述驅動控制部(70)根據控制信號(Sg)而在第一電壓(Vdd)以及第二電壓(Vss)的范圍內設定控制電壓(Vc)，其中，所述控制信號(Sg)指示所述半導體開關元件的接通以及斷開，所述第一電壓(Vdd)用于使所述半導體開關元件導通，所述第二電壓(Vss)用于使所述半導體開關元件關斷；以及
驅動電路(80)，所述驅動電路(80)根據由所述驅動控制部設定的所述控制電壓來驅動所述控制電極的所述電壓或所述電流，
其中，所述驅動控制部包括
電壓檢測部(102)，所述電壓檢測部(102)檢測所述第一電極和所述第二電極的電極間電壓(Vce)；
電壓變化率控制目標設定部(110、115)，所述電壓變化率控制目標設定部(110、115)設定電壓變化率的控制目標(Vdl、Vdu)，所述電壓變化率是所述電極間電壓的變化時的時間微分值；以及
有源柵極控制部(72、73)，所述有源柵極控制部(72、73)用于當所述電壓變化率超過了所述控制目標時，基于由所述電壓檢測部檢測出的所述電極間電壓向阻礙當前的所述電極間電壓的變化的方向修正所述控制電壓。
12.如權利要求11所述的半導體功率轉換裝置，其中，所述電壓變化率控制目標設定部(110)設定電壓上升率的控制目標(Vdu)，所述電壓上升率是所述電極間電壓(Vce)的上升時的時間微分值；
所述有源柵極控制部(72)在所述半導體開關元件斷開時，如果所述電壓上升率超過了所述控制目標，則基于由所述電壓檢測部(102)檢測出的所述電極間電壓來修正所述控制電壓(Vc)，以使該控制電壓(Vc)從所述第二電壓(Vss)向所述第一電壓(Vdd)接近。
13.如權利要求11所述的半導體功率轉換裝置，其中，所述電壓變化率控制目標設定部(115)設定電壓下降率的控制目標(Vdl)，所述電壓下降率是所述電極間電壓(Vce)的下降時的時間微分值；
所述有源柵極控制部(73)在所述半導體開關元件接通時，如果所述電壓下降率超過了所述控制目標，則基于由所述電壓檢測部(102)檢測出的所述電極間電壓來修正所述控制電壓，以使該控制電壓從所述第一電壓(Vdd)向所述第二電壓(Vss)接近。
14.如權利要求11至13中任一項所述的半導體功率轉換裝置，其中，所述電壓變化率控制目標設定部(110、115)基于由所述半導體功率轉換裝置(40)驅動控制的電動機(60)的溫度、氣壓以及相對濕度中的至少一個來可變地設定所述控制目標(Vdu、Vdl)。
15.如權利要求11至13中任一項所述的半導體功率轉換裝置，其中，還包括
溫度檢測部(141)，所述溫度檢測部(141)檢測所述半導體開關元件(100)的溫度；以及
控制參數變更部(142)，所述控制參數變更部(142)用于根據由所述溫度檢測部檢測出的元件溫度(Tsw)來可變地設定控制參數，所述控制參數是在所述有源柵極控制部(72、73)中被使用在用于求出所述控制電壓(Vc)的電壓修正量(V2、V3)的控制運算中的參數。
全文摘要
浪涌電壓目標設定部(103)基于由電壓檢測部(102)檢測出的半導體開關元件(100)的端子間電壓(Vce)來獲取半導體功率轉換裝置的主電路電源電壓(VH)，并根據獲取的主電路電源電壓來設定浪涌電壓的控制目標(Vm)。有源柵極控制部(71)在半導體開關元件(100)斷開時如果端子間電壓(Vce)超過了控制目標(Vm)，則基于端子間電壓(Vce)的反饋來設定電壓修正量(V1)以便向提高柵極電壓(Vg)的方向、即向降低斷開速度的方向修正柵極電壓(Vg)。
文檔編號H02M1/08GK101606307SQ20088000479
公開日2009年12月16日 申請日期2008年2月13日 優先權日2007年2月14日
發明者久野裕道, 廣瀨敏, 高松直義, 辻浩也, 榊原啟之, 深津一樹 申請人:豐田自動車株式會社, 株式會社電裝, 株式會社日本自動車部品綜合研究所