[发明专利]半导体驱动装置及使用该半导体驱动装置的电力变换装置

说明书

技术领域

本发明涉及搭载了过电压保护功能的半导体驱动装置、以及使用该半 导体驱动装置的电力变换装置。

背景技术

以逆变器为首的电力变换装置通过半导体开关元件的开关动作实现 电力变换。作为该半导体开关元件的代表例，广泛使用以MOS-FET、 IGBT为首的电压驱动型半导体元件。特别是能进行高速的开关且能控制 大电力的IGBT在从家电用的小容量逆变器到铁道用等的大容量逆变器的 广泛领域使用。

为了控制这样的半导体开关元件而需要半导体驱动装置。一般，电压 驱动型半导体的驱动装置具有通过对半导体开关元件的栅极施加电压来 控制元件的导通状态的功能。另外，半导体驱动装置一般具有防止所驱动 的半导体开关元件的过电压的功能。

图10是由IGBT和二极管构成的IGBT模块用的驱动装置的现有例。 基于栅极信号对IGBT1的栅极G施加合适的电压，对使IGBT1的集电极 P-发射极N间导通的集电极电流Ic进行控制。

在此，栅极电阻6以及7通过限制流过栅极G的电流Irg来调整栅极 G与发射极E间的电压Vge的变化率。由此，能合适地规定IGBT1的开 关速度、即集电极电流Ic的变化率以及集电极C与发射极E间的电压Vce 的变化率。

作为过电压防止功能，广泛采用在IGBT1的集电极C与栅极G间连 接恒电压二极管等的电压钳位元件3的方式。在该方式中，在IGBT1的切 断时等集电极电压变得过大的情况下，由于恒电压二极管击穿而在栅极流 过电流，通过使IGBT过渡地导通来将集电极电压钳位为恒定。另外，为 了防止IGBT1的栅极的过电压，一般在栅极-发射极间具备过电压保护二 极管9。

在图11示出图10的构成中的IGBT的切断时的集电极电流Ic、集电 极-发射极间电压Vce、栅极电流Irg以及栅极-发射极间电压Vge的示 意波形。在IGBT的集电极-发射极间电压Vce以及集电极电流Ic进行过 渡的期间中，在IGBT产生切断损耗。另外，在该过渡期间中，已知在栅 极电压波形会出现被称作镜像期间的台阶。

图12表示IGBT的集电极浪涌电压变得过大、电压钳位元件3进行钳 位动作的情况下的各电流以及电压的示意波形。在集电极-发射极间产生 过电压的期间中，与集电极-栅极间连接的电压钳位元件3击穿而在钳位 电路流过电流Icl，栅极电压上升到导通阈值电压Vth以上而IGBT导通， 以防止集电极-发射极间的过电压。另一方面，由于因电压钳位而切断动 作期间变长，因此出现切断损耗变大这样的副作用。

在此，在将半导体驱动装置的关断栅极电压设为Vm、将关断栅极电 阻设为Rg1时，钳位电路电流Icl需要满足下述的关系。

Icl≥(Vth-Vm)/Rg1...(式1)

因此，使关断栅极电阻Rg1较大有助于降低钳位电流Icl，因此有助 于提高钳位效果。另一方面，会引起切断损耗的进一步增加。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：JP特开2005-328668号公报

专利文献2：JP特开2013-126278号公报

在专利文献1中，作为提高钳位效果的其他方法，示出在开关动作期 间中的给定的期间将栅极驱动电路的输出电压保持在小于阈值电压Vth的 正电压的方法。如此将栅极电压保持在正电压的方法中，由于以电阻连接 驱动电路的正负电源间，因此为了防止电阻的过剩发热而需要以高阻抗保 持电压。为此，在栅极混入噪声的情况下的电位变动变大，出现栅极误导 通而产生多余的损耗的风险。进而，在该方法中，虽然是预先确定了保持 所述的正电压的期间的前馈控制，但由于所需要的钳位期间Tcl(参考图 12)根据发生的浪涌的状況不同而变化，因此需要确保足够的富余量来设 定钳位期间Tcl。由此，会招致切断的过剩延迟，有带来损耗增加的问题。