[发明专利]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

说明书

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。