电力转换装置的制作方法

1.本发明的实施方式涉及电力转换装置。


背景技术：

2.在电力转换装置中，在搭载设备产生故障以及/或者异常、作为其结果产生了过电流的情况下，存在不仅对搭载设备、对于电源的供给源、控制对象的设备也带来极大的损害的可能性。因而，期望迅速地检测搭载设备的异常，并采取电力转换装置的动作停止、电路开路等的机构。特别是，半导体元件周边的故障率较高，因此期望的是电力转换装置具备用于检测半导体元件的故障、异常的机构。
3.以往，提出了如下机构：检测绝缘栅极型半导体元件的栅极电压，判定栅极电压是高(high)电平还是低(low)电平，并根据与栅极指令信号的逻辑不一致而判定为半导体元件的异常。
4.在以往的检测栅极电压而判定半导体元件的驱动状态的方法中，例如在将栅极驱动器与半导体元件相连的电路(栅极布线)发生了断路的情况下，检测出栅极驱动器的输出电压而并非半导体元件的栅极电压，因此不仅无法检测半导体元件的驱动状态，还无法检测有无断路。
5.另外，近年来，在半导体元件封装的小型化发展的同时，所要求的电力转换装置的转换容量有增加的趋势，通过搭载将多个半导体元件并联连接而成的元件封装，从而应对电力转换装置的大容量化。一般来说，在将半导体元件与栅极驱动器相连的电路中以串联的方式连接栅极电阻。在各支路(arm)中并联连接有半导体元件的电力转换装置中，为了使半导体元件间的动态特性尽量一致，期望的是对于半导体元件分别连接栅极电阻。在上述电力转换装置中，若采用以往的检测栅极电压而判定半导体元件的驱动状态的方法，则需要按照每个半导体元件设置栅极电压检测电路。


技术实现要素：

6.实施方式的电力转换装置具备：电力转换电路，具备分别配置于上支路与下支路的半导体元件，在上支路与下支路之间的交流端处与交流负载电连接；检测直流链路间的电压的电压检测器；检测流经交流端的电流的电流检测器；控制部，根据由电压检测器获得的电压值与由电流检测器获得的电流值，生成指示半导体元件的动作的栅极指令；以及基于栅极指令驱动半导体元件的栅极驱动器，栅极驱动器包含检测半导体元件的栅极电流的栅极电流检测器、及根据栅极电流判定半导体元件的驱动状态的电路，该栅极驱动器向控制部输出相当于驱动状态的值。
附图说明
7.图1是概略地表示一实施方式的电力转换装置的一构成例的图。
8.图2是用于说明图1所示的电力转换装置的栅极驱动器的一构成例的图。
9.图3是用于说明一实施方式的电力转换装置的动作的一个例子的图。
10.图4是用于说明一实施方式的电力转换装置的动作的其他例的图。
11.图5是用于说明一实施方式的电力转换装置的动作的其他例的图。
12.图6是概略地表示一实施方式的电力转换装置及其栅极驱动器的其他构成例的图。
具体实施方式
13.实施方式的电力转换装置具备：电力转换电路，具备分别配置于上支路与下支路的半导体元件，在上支路与下支路之间的交流端处与交流负载电连接；检测直流链路间的电压的电压检测器；检测流经交流端的电流的电流检测器；控制部，根据由电压检测器获得的电压值与由电流检测器获得的电流值，生成指示半导体元件的动作的栅极指令；以及基于栅极指令驱动半导体元件的栅极驱动器，栅极驱动器包含检测半导体元件的栅极电流的栅极电流检测器、及根据栅极电流判定半导体元件的驱动状态的电路，该栅极驱动器向控制部输出相当于驱动状态的值。
14.以下，参照附图详细地说明实施方式的电力转换装置。
15.图1是概略地表示一实施方式的电力转换装置的一构成例的图。
16.本实施方式的电力转换装置是两级式三相逆变器，具备：电力转换电路、栅极驱动器2、控制部3、电压检测部(电压检测器)4、电流检测部(电流检测器)5a－5c。上述电力转换电路连接于直流电源与交流负载(都未图示)之间(或者连接于直流负载与交流电源之间)，包含多个半导体元件1a－1f。
17.电力转换电路具备：与直流电源的正极端子电连接的高电位侧的直流链路；与直流电源的负极端子(接地部)电连接的低电位侧的直流链路；连接于直流链路间的各相支线(leg)；以及各相交流线，电连接于下述位置与交流负载之间，该位置为各相支线的上支路和下支路之间。
18.多个半导体元件1a－1f是电压驱动型半导体元件，例如包含mosfet(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)、igbt(insulated gate bipolar transistor)等半导体元件。多个半导体元件1a－1f分别配置于电力转换装置的三相支线各个上支路与下支路。即，半导体元件1a配置于u相上支路，半导体元件1d配置于u相下支路。半导体元件1b配置于v相上支路，半导体元件1e配置于v相下支路。半导体元件1c配置于w相上支路，半导体元件1f配置于w相下支路。半导体元件1a－1f的栅极经由栅极布线而与栅极驱动器2电连接。
19.电压检测部4检测电力转换装置的直流链路间的电压(直流电源电压)。由电压检测部4检测出的电压值向控制部3供给。
20.电流检测部5a－5c检测流经电力转换装置与交流负载之间的各相电流。电流检测部5a检测在电力转换装置与交流负载之间的u相交流线中流过的u相电流。电流检测部5b检测在电力转换装置与交流负载之间的v相交流线中流过的v相电流。电流检测部5c检测在电力转换装置与交流负载之间的w相交流线中流过的w相电流。由电流检测部5a－5c检测出的电流值被向控制部3供给。另外，电力转换装置只要具备至少检测二相的交流电流的电流检测部即可，可以省略电流检测部5a－5c中的某一个。
21.控制部3接收直流电源的电压值与从电力转换装置输出的交流电流值，例如生成与从上级控制装置(未图示)要求的输出相应的栅极指令，并向栅极驱动器2输出。
22.控制部3可包含如下运算电路，其至少具备一个处理器和记录有由处理器执行的程序的存储器，并构成为通过软件或者软件与硬件的组合实现各种功能。
23.栅极驱动器2使用从控制部3供给的栅极指令来生成栅极信号，并向栅极布线输出。栅极驱动器2具备与半导体元件1a－1f的每一个对应的驱动器电路(图2所示)。
24.图2是用于说明图1所示的电力转换装置的栅极驱动器的一构成例的图。
25.图2中示出了栅极驱动器2所含的一个驱动器电路的一构成例。另外，这里通过驱动器电路驱动的半导体元件1可以是半导体元件1a－1f中的任意半导体元件。
26.驱动器电路具备栅极电阻11、分流电阻(栅极电流检测器)12、栅极驱动器电路13、差动放大电路14、比较器15a、15b、置位复位触发器(rs－ff)电路16、nor栅极电路(或非逻辑栅极电路)17、exor栅极电路(异或逻辑栅极电路)18。
27.栅极电阻11以串联的方式连接于向半导体元件1的栅极供给栅极信号的栅极布线。利用栅极电阻11抑制流经半导体元件1的栅极的电流。
28.分流电阻12夹设于栅极驱动器电路13的输出端与栅极电阻11之间。分流电阻12的两端的电位供给到差动放大电路14。
29.栅极驱动器电路13使用正侧的栅极电源与负侧的栅极电源，生成与从控制部3输出的栅极指令相应的栅极信号(电压)，向半导体元件1的栅极输出。
30.差动放大电路14使用分流电阻12的两端的电位的值，将分流电阻12的电压放大并输出。另外，分流电阻12例如是100mω以下的低电阻，在其两端产生的电压成为1v以下。差动放大电路14将分流电阻12的两端电压放大为容易进行信号处理的电压并输出。
31.比较器(接通电流检测电路)15a的正输入端子被输入差动放大电路14的输出值，负输入端子被输入阈值(＞0)。即，比较器15a的输出值在超过规定的阈值的正电流流过半导体元件1的栅极时成为正，能够检测出在半导体元件1的栅极流过与接通对应的正电流。
32.比较器(断开电流检测电路)15b的正输入端子被输入阈值(＜0)，负输入端子被输入差动放大电路14的输出值。即，在小于规定的阈值的负电流流过半导体元件1的栅极时，比较器15b的输出值成为正，能够检测出在半导体元件1的栅极流过与断开对应的负电流。
33.置位复位触发器电路16的置位(s)端子被输入比较器15a的输出值，复位(r)端子被输入比较器15b的输出值，置位(s)端子的输入的非值(日语：否定値)被输出。因而，在比较器15a的输出值为“1(＞0)”、比较器15b的输出值为“0(＜0)”时，置位复位触发器电路16的输出成为“0”，在比较器15a的输出值为“0(＜0)”、比较器15b的输出值为“1(＞0)”时，置位复位触发器电路16的输出q成为“1”，在比较器15a的输出值与比较器15b的输出值这两方为“0(＜0)”时，置位复位触发器电路16的输出得以维持。
34.nor栅极电路17输出比较器15a的输出值与比较器15b的输出值的逻辑和的非值。因而，在比较器15a的输出值与比较器15b的输出值为“0(＜0)”时，nor栅极电路17的输出值成为“1”，在除此以外的情况下，nor栅极电路17的输出值成为“0”。
35.exor栅极电路18输出置位复位触发器电路16的输出值与nor栅极电路17的输出值的异或逻辑。因而，在置位复位触发器电路16的输出值与nor栅极电路17的输出值中的某一方为“1”时，exor栅极电路18的输出值成为“1”，在置位复位触发器电路16的输出值与nor栅
极电路17的输出值这两方为“1”时和两方为“0”时，exor栅极电路18的输出值为“0”。exor栅极电路18的输出值作为半导体元件1的驱动状态(相当于驱动状态的值)而输出。
36.从栅极驱动器2输出的多个半导体元件1的驱动状态例如被输入到控制部3。控制部3将栅极指令与半导体元件1的驱动状态对比，能够检测出半导体元件1、栅极驱动器2以及电连接于它们之间的布线(栅极布线)的异常。控制部3也可以在检测出半导体元件1以及半导体元件1的周边的异常的情况下，例如使电力转换装置异常停止，也可以向上级控制装置(未图示)通知电力转换装置的异常。
37.图3是用于说明一实施方式的电力转换装置的动作的一个例子的图。
38.这里，示出了半导体元件1正常地动作时的从控制部3输出的栅极指令vin、半导体元件1的栅极电压vge、半导体元件1的栅极电流ishunt以及半导体元件1的驱动状态vfb2的波形的一个例子。
39.在使栅极指令vin以接通(on)、关断(off)、接通(on)、关断(off)推移时，半导体元件1的栅极电压vge也与栅极指令vin同步地以高(h)、低(l)、高(h)、低(l)推移。
40.例如绝缘栅极型半导体元件的栅极部分与电容器的充放电电路大致等价。因而，半导体元件1的栅极电流ishunt仅在将栅极指令vin刚从关断(off)切换为接通(on)之后和刚从接通(on)切换为关断(off)之后，分别流过正、负的电流，随着时间经过收敛为零[a]。另外，在本实施方式中，将从栅极驱动器2流向半导体元件1的电流的方向设为正。
[0041]
驱动状态vfb2以栅极电流的正或者负的通电作为触发，之后接收收敛于零[a]附近(阈值以下)这一情况，来切换高(h)与低(l)的逻辑。据此，在使栅极指令以接通(on)、关断(off)、接通(on)、关断(off)推移时，虽然存在动作延迟，但驱动状态vfb2也以接通(on)、关断(off)、接通(on)、关断(off)推移，成为与栅极指令vin同样的逻辑值。
[0042]
根据以上，在本实施方式的电力转换装置中，控制部3通过检测栅极指令vin与驱动状态vfb2的逻辑的不一致，能够进行半导体元件1、栅极驱动器2以及其之间的布线(栅极布线)中的异常的判定。
[0043]
例如若在半导体元件1的接通中产生过电流，则在半导体元件1为igbt(insulated gate bipolar transistor)的情况下，集电极－发射极间电位急剧上升，伴随于此，经由反馈电容(集电极－栅极间电容)流入负的栅极电流。因而，在半导体元件1被正常地驱动时，在接通后栅极电流逐渐收敛为零[a]，相对于此，在产生过电流时栅极电流不逐渐收敛为零[a]，而是在刚接通之后检测出规定的值(阈值以下)，驱动状态vfb2的逻辑进行反相。由此，能够检测出栅极指令vin与驱动状态vfb2的逻辑不一致。
[0044]
另外，例如在栅极驱动器2与半导体元件1之间的布线(栅极布线)断路了的情况下，不流过栅极电流而无法检测。因此，驱动状态vfb2固定为高(h)或低(l)，因此通过栅极指令vin与驱动状态vfb2的逻辑不一致，能够检测出半导体元件1的异常。
[0045]
图4是用于说明一实施方式的电力转换装置的动作的其他例的图。
[0046]
这里，示出了半导体元件1的栅极短路时的从控制部3输出的栅极指令vin、半导体元件1的栅极电压vge、半导体元件1的栅极电流ishunt以及半导体元件1的驱动状态vfb2的波形的一个例子。
[0047]
在使栅极指令vin以接通(on)、关断(off)、接通(on)、关断(off)推移时，半导体元件1的栅极电压vge也与栅极指令vin同步地以高(h)、低(l)、高(h)、低(l)推移。
[0048]
另外，半导体元件1的栅极电流ishunt由于栅极短路而与栅极指令vin同样地推移。即，在栅极指令vin为接通(on)时流过正的电流，在栅极指令vin关断(off)时流过负的电流。另外，在本实施方式中，将从栅极驱动器2流向半导体元件1的电流的方向设为正。
[0049]
上述的结果是，驱动状态vfb2成为使栅极指令vin反相的波形。即，在使栅极指令以接通(on)、关断(off)、接通(on)、关断(off)推移时，驱动状态vfb2以关断(off)、接通(on)、关断(off)、接通(on)推移，与栅极指令vin不一致。
[0050]
图5是用于说明一实施方式的电力转换装置的动作的其他例的图。
[0051]
这里，示出了半导体元件1的栅极开路时的从控制部3输出的栅极指令vin、半导体元件1的栅极电压vge、半导体元件1的栅极电流ishunt以及半导体元件1的驱动状态vfb2的波形的一个例子。
[0052]
在使栅极指令vin以接通(on)、关断(off)、接通(on)、关断(off)推移时，半导体元件1的栅极电压vge也与栅极指令vin同步地以高(h)、低(l)、高(h)、低(l)推移。
[0053]
另外，由于半导体元件1的栅极开路，因此几乎不流过栅极电流ishunt。另外，在图5所示的例子中，利用分流电阻12的两端的电位差检测出微小的电流值。
[0054]
上述的结果是，驱动状态vfb2固定为恒定值，因此利用栅极指令vin与驱动状态vfb2的逻辑不一致，能够检测出半导体元件1以及半导体元件1周边的异常。
[0055]
以上，在本实施方式的电力转换装置中，在栅极驱动器2中，具有基于分流电阻12的栅极电流检测机构，利用逻辑电路根据栅极电流的通电而检测收敛，使用栅极电流值来判定半导体元件1的驱动状态，控制部3能够基于栅极指令与驱动状态的逻辑的不一致而进行半导体元件1以及半导体元件1周边的异常检测。
[0056]
图6是概略地表示一实施方式的电力转换装置及其栅极驱动器的其他构成例的图。
[0057]
这里，示出了电力转换装置的半导体元件1具备并联连接的多个元件的例子。即使在半导体元件1具备多个元件的情况下，也是分流电阻12设于栅极电阻111、112的前级的一处即可。因而，无需对于多个元件分别设置检测驱动状态的异常的检测电路，能够仅通过一个检测电路来检测半导体元件1以及半导体元件1周边的异常。
[0058]
即，根据本实施方式的电力转换装置，即使在采用了并联有多个元件的半导体元件1时，也能够仅通过一个驱动状态的检测电路来检测异常，并且能够检测半导体元件1的过电流、栅极驱动器2与半导体元件1之间的布线的断路等异常。因而，根据本实施方式，能够抑制电力转换装置的制造成本，并且实现高功能化。
[0059]
虽然说明了几个实施例，但这些实施例是作为例子而提出的，并不意图限定本发明的范围。实际上，本文所述的新的实施例能够以其他各种方式实施，在不脱离发明的主旨的范围内能够对在此描述的实施例的方式进行各种省略、替换、变更。所附的权利要求及其等价物意图涵盖落入到本发明的范围和精神内的这些方式或变形。