[发明专利]使用电流控制型半导体开关元件的电力变换装置中的开关元件的驱动装置和驱动方法

说明书

技术领域

本发明涉及将电流控制型半导体元件作为开关元件使用的电力变换装置。本发明特别涉及这种电力变换装置中的开关元件的驱动装置。更具体地说，本发明涉及提高将半导体元件作为开关元件来使用的电力变换装置的电力变换效率的技术。

背景技术

以半导体元件作为开关元件来使用的电力变换装置具有电力变换效率优良的特性，所以从能量的高效率利用的观点来看，可被利用在非常广泛的范围。

作为半导体开关元件，有绝缘栅型双极晶体管(IGBT)、静电感应型晶体管、场效应型晶体管(FET)等电压驱动型元件，以及双极模式静电感应型晶体管(BSIT)、双极结型晶体管(BJT)等电流驱动型元件。

电压驱动型元件可以由电压信号直接驱动，驱动电路的简化容易，可以设定高驱动频率。在需要250V以上耐压的用途中，按容量和驱动频率可分别使用几种形式的开关元件，但在几KHz至几百KHz的驱动频率的范围中，导通状态下的电压降和开关性能的综合平衡良好的IGBT、以及电流容量小而可高速动作的FET被广泛地用于电力变换装置。

另一方面，电流驱动型的开关元件通过将电流注入到控制端子来进行驱动，所以驱动电路容易变得复杂，与电压驱动型的元件相比，有动作速度慢的倾向。然而，它有下述特征：元件的导通状态下的电压降是电压驱动型元件的约1/3乃至1/6，导通损耗小。因此，可以说电流驱动型的开关元件更适于电力变换装置的小型化。

如上所述，作为电力变换装置能够使用的半导体开关元件，大体有2种形式，而从部件的小型化、电路的简化、高频化带来的小型化、成本削减等观点出发，采用开关损耗小、高频驱动容易的电压驱动型的开关元件的事例增多。然而，考虑到要适应将来社会对进一步高效率化或小型化的要求，如果延续目前使用电压驱动型开关元件的技术，则电压驱动型元件中导通状态下的电压降大将成为障碍。目前，在作为电压驱动型元件主流的IGBT等中，导通状态下的电压降已被改善到理论值附近，目前的完成度很高，因而处于将来不能期待大幅度减小导通损耗的状况。

对于开关损耗，出于防止电磁环境污染和削减电力损耗的目的，正在开发利用谐振现象的损耗回收技术、和软开关技术。与此不同，半导体开关元件中的导通损耗在元件中流过电流时必然发生，损耗的大小依赖于元件的性能，所以除了重新考虑电路拓扑结构以外，用单纯的技巧不容易实现其减小。

电力变换装置中半导体开关元件产生的损耗主要是下述2种：在使半导体开关元件从导通状态变化到截止状态、或者从截止状态变化到导通状态期间产生的开关损耗；以及在半导体开关元件处于导通状态时该半导体开关元件内产生的电压降引起的导通损耗。因此，为了适应将电力变换装置比现在进一步小型化、大输出高密度化这一要求，实现适应需要的电力变换装置，需要开发一种技术，能够综合减小作为电力损耗原因的、上述半导体开关元件的导通状态下的电压降引起的导通损耗、和开关损耗这两者，来实现高效率化。

在这种状况下，以往通过有效的电路上的改善来减小半导体开关元件中的导通损耗被报告的例子极少。如果从该少数例子的中来举例，则在特开平1-97137号公报上教示了下述技术：在PMW逆变器等PMW全波桥式电力变换装置中，作为构成电桥的元件，通过在按市电频率开关的桥臂中使用双极晶体管这样导通损耗小的半导体开关元件，而在按高频开关的桥臂中使用静电感应型晶体管这样开关损耗小的半导体开关元件，来同时减小开关损耗和导通损耗。此外，在(日本)电气学会论文志D分册116卷12号的1205页至1210页上也示出了在使用半导体开关元件的电力变换装置中减小导通损耗的电路上的技巧。然而，这些现有技术在导通损耗的最优化、驱动电路的损耗减小、小型化等方面考虑得不够。例如，在上述特许(专利)公开公报中，对于作为电流控制型开关元件的双极晶体管的驱动方法没有特别教示。然而，如果像晶体管中的一般驱动方法那样向基极提供一定电流，则由于空载状态或低负载状态下的驱动损耗，低负载时的效率特别恶化。此外，上述电气学会论文志记载的技术如下所述：通过在晶体管的集电极上设置的CT来将驱动电力供给到该晶体管，所以基极电流由该CT的匝数比来决定。因此，需要考虑半导体开关元件的电流放大率的最小值来进行电路设计，其结果是在轻负载时被驱动到过饱和状态。而且，由于使用CT，所以只有比较高的频率才有效。

发明概述