CN101034856A

CN101034856A - 功率转换装置

Info

Publication number: CN101034856A
Application number: CN 200710008199
Authority: CN
Inventors: 野田浩二; 植杉通可; 温品治信; 远藤隆久; 饼川宏
Original assignee: Toshiba Carrier Corp
Current assignee: Toshiba Carrier Corp
Priority date: 2006-01-27
Filing date: 2007-01-26
Publication date: 2007-09-12
Anticipated expiration: 2027-01-26
Also published as: JP2007202329A; CN100550592C; JP4926482B2

Abstract

本发明提供一种功率转换装置，可以不对微型计算机设置外部电路，通过简单的结构使反向电压施加电路工作。本发明的功率转换装置具备：连接了二极管(6)的一对开关元件(5)；对该二极管(6)施加反向电压的反向电压施加单元(7)；微型计算机，在内部具有生成对开关元件(5)进行驱动的PWM信号的单元(13c)和单触发脉冲生成单元(20)，该单触发脉冲生成单元(20)与该PWM信号生成单元(13c)连接，并根据PWM信号生成对反向电压施加单元(7)进行预定时间驱动的信号。

Description

功率转换装置

技术领域

本发明涉及在互补连接的开关元件对的至少一个上使用FET(场效应晶体管)、对负载供电的功率转换装置。

背景技术

近年，开发出如超结MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)那样的，ON(导通)电阻小、效率高的MOSFET。并且，在日本特开平10-327585号公报(以下，称为专利文献1)中提出了一种功率转换装置，作为构成对电感性负载进行驱动的功率转换装置内的倒相电路的开关元件使用MOFET。

在该专利文献1所提出的功率转换装置中，设有用于减少由反向电流导致的损失的反向电压施加电路，所述反向电流随着作为开关元件的MOSFET的ON(通)、OFF(断)而在MOSFET的结构上与其并联并不可避免地以反极性形成的寄生二极管中产生。即，通过该反向电压施加电路，一个MOSFET从ON变化为OFF的情况下，在与该MOSFET成对的另一个MOSFET的ON定时前，向寄生二极管施加反向电压。所施加的反向电压是将组合PWM(Pulse Width Modulation：脉冲宽度调制)信号、及施加反向电压的MOSFET的OFF信号而生成的驱动信号作为基础，所述PWM信号对三角波信号与基于基准频率和基准电压的基准信号进行比较而生成。

此处，在上述专利文献1中，由电位判识电路对反向电压施加电路的动作的通、断进行控制。图5是表示基于由基准信号和三角波信号生成的PWM信号而生成的各信号的ON或OFF的状态的时序图。对PWM信号的各脉冲附加从t1到t4的符号。在该时序图中，为了区分表示上下的开关元件，分别标记为上支路、下支路，而上支路开关信号和下支路开关信号是为了分别驱动上支路MOSFET和下支路MOSFET而输出的信号。并且，上支路反向电压施加信号和下支路反向电压施加信号是用于驱动反向电压施加开关元件的指令信号，该反向电压施加开关元件构成对上支路MOSFET和下支路MOSFET的各个寄生二极管施加反向电压的反向电压施加电路。

在如图5的时序图所示那样生成了PWM信号的情况下，专利文献1的电位判识电路需要在驱动上支路MOSFET的上支路开关信号从ON变为OFF之后，在下支路MOSFET导通之前，对上支路MOSFET的寄生二极管施加反向电压，并在下支路MOSFET导通之后结束反向电压的施加。

即，专利文献1的电位判识电路，在驱动上支路MOSFET的上支路开关信号从ON变为OFF之后，如箭头a所示那样间隔稍许延迟时间(time lag)，使上支路反向电压施加信号为ON，之后保持预定时间ON状态，并在下支路被导通之后使上支路反向电压施加信号为OFF。

此处，如图5所示，在上支路和下支路的开关信号之间，为了不使上下支路同时成为ON状态而构成为各自的上沿延迟预定时间td。

因此，上支路的开关信号在从OFF开始延迟了预定时间ta(ta＜td)时成为ON，并从这里在时间tb(ta+tb＞td)期间持续ON状态之后，电位判识电路必须输出成为OFF的上支路反向电压施加信号。同样，在驱动下支路MOSFET的下支路开关信号变为OFF之后，必须如箭头b所示间隔上述延迟时间而输出下支路反向电压施加信号。

近年，为了对应这种三相电机驱动用功率转换装置，开发出一种微型计算机，其自身生成PWM信号，并根据该信号输出控制开关元件的通、断的信号。在使用了这种微型计算机的功率转换装置中，对反向电压施加电路的工作的通、断进行控制的电位判识电路设置在微型计算机的外部。

另外，还有一种在内部设有单触发脉冲生成单元的微型计算机，该单触发脉冲生成单元根据来自外部的输入生成单触发脉冲信号并向外部输出。因此，可以如下地构成：可以输出上下支路开关信号，并且，使用那种带单触发脉冲生成单元的微型计算机，从单触发脉冲生成单元输出上下支路反向电压施加信号。

然而，以往的微型计算机的单触发脉冲生成单元构成为，从外部向微型计算机输入生成该脉冲的触发信号。因此，例如，在驱动三相DC无刷电机的倒相电路中，例如，在由MOSFET构成所有开关元件的情况下，需要将从微型计算机经由输出端子输出到外部的6个上下支路的开关信号，再次从6个触发信号输入端子返回微型计算机内。结果，由于需要将自身的输出再次返回微型计算机的布线，因此存在搭载微型计算机的印制电路板的面积增大的问题。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，本发明的目的和课题是提供一种功率转换装置，不增加对功率转换装置的开关元件进行驱动的微型计算机的外部布线，而可以输出上/下支路反向电压施加信号，从而简化了电路结构。

本发明的实施例的特征在于，在功率转换装置中，具备：一对开关元件，与直流电压源连接，通过通、断驱动来对负载供电，并且至少一个由FET构成；寄生二极管，与一对开关元件的各自以反极性并列形成；反向电压施加单元，对该寄生二极管施加比上述直流电压源的电压低的反向电压；微型计算机，在内部具有生成对上述一对开关元件进行通、断驱动用的PWM信号的PWM信号生成单元和单触发脉冲生成单元，该单触发脉冲生成单元与PWM信号生成单元连接，并根据PWM信号来生成对反向电压施加单元进行预定期间驱动的反向电压施加信号。

发明效果

根据本发明，可以提供一种功率转换装置，不增加驱动开关元件的微型计算机的外部布线而可以从微型计算机输出上/下支路反向电压施加信号，从而简化了电路结构。

附图说明

图1是表示本发明的功率转换装置的电路结构图；

图2是表示第1实施例的微型计算机结构的框图(block diagram)；

图3是表示第2实施例的微型计算机的结构的框图；

图4是表示了第3实施例的微型计算机的插脚的寄存器设定的例子的表；

图5是表示在现有结构的功率转换装置中对开关元件及其寄生二极管施加的信号的时序图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的功率转换装置的第1实施例进行详细的说明。

(第1实施例)

如图1所示，在本发明的第1实施例的功率转换装置1中，在直流电压源2的电源线上串联连接有倒相电路3。在该倒相电路3的输出侧，例如连接电机等电感性负载4。

该倒相电路3由作为开关元件的上侧MOSFET5u至5w、和与这些上侧MOSFET互补工作地连接的下侧MOSFET5x至5y构成三相桥接电路。此处，MOSFET5u和5x、MOSFET5v和5y、MOSFET5w和5z分别构成互补连接开关元件对。这些MOSFET例如为超结结构的MOSFET。在MOSFET5u至5w、及5x至5z的源极和漏极之间，MOSFET的制造上不可避免地与它们并列地、与MOSFET反极性地形成有寄生二极管6u至6w和6x至6z。另外，这些开关元件由导通电阻低的MOSFET构成，但是也可以将任意一对开关元件的一个MOSFET更换为IGBT(绝缘栅双极型晶体管)。该情况下，在开关元件的驱动用电源的关系上，优选将上侧MOSFET更换为IGBT。

在各个开关元件5的栅极上分别设有驱动单元14u至14w和14x至14z，各个开关元件5根据从微型计算机13向各开关元件输入的开关信号，通过驱动单元14的输出来进行通、断驱动。

在寄生二极管6u至6w和6x至6z上分别连接有反向电压施加电路7u至7w和7x至7z作为反向电压施加单元。这些各个反向电压施加单元7具有电压比直流电压源2低的低电压直流电压源8，在反向电压施加电路7x至7z中共用低电压直流电压源8x。在MOSFET5u至5w和5x至5z的源极和漏极之间分别连接有低电压直流电压源8。

与反向电压施加电路7的低电压直流电压源8串联地设有电阻9u至9w和9x至9z，并且并联连接有电容器10u至10w和10x至10z。为了防止伴随电容器10的充电的冲击电流而设有电阻9。并且，在低电压直流电压源8的电源线上连接有反向电压施加开关元件11u至11w和11x至11z、防止电流的反向流动的二极管12u至12w和12x至12z。此处，优选在反向电压施加开关元件11上使用电力消耗少的MOSFET。

如图2所示，微型计算机13通过输出端13e和输出端20a与倒相电路3连接，所述输出端13e输出对U相至W相和X相至Z相的各个开关元件5施加的上下支路开关信号，所述输出端20a设置在输出对U相至W相和X相至Z相的反向电压施加电路7进行驱动的信号的单触发脉冲生成单元20上。另外，在图2中，为了简化说明仅表示了U相部分，但是在三相倒相装置中设置有3相量的这种结构。

并且，微型计算机13为了生成对开关元件施加的开关信号，具备：生成基准信号的基准信号生成单元13a；生成预定周期的三角波信号的三角波信号生成单元13b；PWM信号生成单元13c，接收基准信号生成单元13a的输出和三角波信号生成单元13b的输出，而生成成为用于生成开关信号的基础的PWM信号；对该PWM信号进行反向的反向单元13dc；及延迟单元13da、13db，使非反向PWM信号和反向的PWM信号分别延迟。经由这些延迟单元13da、13db向微型计算机13的输出端13e，输出通过驱动单元14驱动开关元件5用的上下支路开关信号(以下称为开关信号α)。在第1实施例中，这些基准信号生成单元13a和三角波信号生成单元13b设置在微型计算机13内，但是也可以设置在微型计算机13的外部。

PWM信号生成单元13c根据基准信号和三角波信号的大小比较，生成成为施加给开关元件的开关信号的基础的PWM信号。即，参照图5的如上所述，PWM信号生成为以基准信号和三角波信号的大小比较的结果为基准进行导通或关断。

反向单元13dc由分别使输入的各个PWM信号反向的倒相电路构成。延迟单元13da、13db是仅使输入的PWM信号的ON定时(on timing)只延迟td时间的电路。该时间如果在可以防止短路的范围，则在效率上优选极短的一个、例如2至3μs左右。

并且，微型计算机13在其内部具有单触发脉冲生成单元20，该单触发脉冲生成单元20生成通过栅极驱动单元15u至15w和15x至15z施加给反向电压施加开关单元11的上下支路反向电压施加信号(以下称为开关信号β)。输入单触发脉冲生成单元20的触发输入20b的信号为开关信号α。

开关信号α在由单触发脉冲生成单元20生成开关信号β之后，从输出端20a输出，并通过栅极驱动单元15供给反向电压施加电路7的反向电压施加开关元件11。

单触发脉冲生成单元20，在使作为触发所输入的ON信号延迟预定时间ta之后，输出ON信号，然后，在将该ON状态保持了预定时间tb之后，输出OFF信号。即，开关信号β从开关元件5的开关信号从ON变为OFF的时刻延迟ta时间，施加给反向电压施加开关元件11，并持续tb时间的ON状态之后关断。结果，反向电压施加开关元件11在与对应的MOSFET成对的MOSFET从OFF向ON过渡的前后的整个期间内，可以对寄生二极管6施加反向电压。结果，可以抑制在以反极性与MOSFET并联形成的(寄生)二极管中流过的逆电流。此处，时间ta、tb可由微型计算机的固件(firmware)设定，根据开关元件的特性、反向电压施加电路的电路常数等设定预定的时间。

触发信号选择单元21对每个开关信号α选择是否将输入的6个(每个开关元件，但在图2中图示了只用于U相的2个)开关信号α作为触发信号供给单触发脉冲生成单元20。即，在三相倒相装置的6个开关元件都是MOSFET的情况下，全部6个开关信号α作为触发信号供给单触发脉冲生成单元20。但是，例如，在将上下支路的某一个做成MOSFET以外的元件的情况下，由于不需要反向电压施加动作，因此在这种情况下，可以不将与MOSFET以外的元件对应的开关信号α作为触发信号传送给单触发脉冲生成单元20，从而不进行无用的工作。结果，作为微型计算机在开关元件的种类或配置不同的电路中也可以使用，使其具有通用性。

另外，这种在触发信号选择单元21中的选择，可以由微型计算机的固件设定。

如上所述，通过使用在微型计算机内部生成的信号，在生成施加给反向电压施加开关元件11的开关信号时，由于不需要从微型计算机的外部输入触发信号，因此可以提供一种功率转换装置，不增加外部布线、简化从微型计算机输出上/下支路反向电压施加信号的电路结构。

并且，由于通过触发信号选择单元对是否将所输入的信号例如通过固件的寄存器设定作为触发信号而供给单触发脉冲生成单元20进行选择，因此，通过变更固件的寄存器设定，即使在一部分使用FET的情况下也可以简单地对应。

(第2实施例)

下面对本发明的第2实施例进行说明。另外，在第2实施例中，对与在上述的第1实施例中说明的构成要素相同的构成要素赋予相同的符号，并省略相同构成要素的重复说明。

与第1实施例的不同点为，在第2实施例中构成为微型计算机可以从外部接收触发信号，并且可以对由微型计算机内的触发信号选择单元生成的PWM信号、和来自外部的触发信号进行选择。

如图3所示，在本发明的第2实施例中，向设置在微型计算机13内部的触发信号选择单元21输入在微型计算机内部生成的PWM信号、和来自设置在微型计算机13外部的外部触发信号生成单元30的触发信号。触发信号选择单元21可以从这些输入的信号中选择需要的信号。

如上述第1实施例那样不从微型计算机13外部输入触发信号，并基于通过内部连线在微型计算机13内部生成的信号，来生成施加给反向电压施加开关元件11的信号时，该微型计算机13只能使用具备反向电压施加电路7的倒相电路3，作为微型计算机的通用性降低。

因此，在不使用MOSFET作为开关元件，使用不具备反向电压施加电路7的倒相电路3的情况下，通过将微型计算机具有的-或者多个输入端子使用于输入在外部生成的触发信号，并可以有选择地使用在微型计算机内部生成的信号、和在外部生成的信号中的任一个，由此可以提高微型计算机的通用性。

另外，在触发信号选择单元21中做成可以选择从外部输入的信号、和上下支路开关信号α中的一个，作为通过固件的寄存器设定来赋予单触发脉冲生成单元20的触发信号。因此，通过变更固件的寄存器设定，可以容易地变更应选择的触发信号。

(第3实施例)

下面对本发明的第3实施例进行说明。另外，在第3实施例中，对与在上述的第1和第2实施例中说明的构成要素相同的构成要素赋予相同的符号，并省略相同构成要素的重复说明。

第3实施例的特征在于，可以适当变更设置在微型计算机13中的插脚(pin)具有的功能。

即，当将设置在微型计算机13中的端子具有的功能，例如固定地设定为只使用于开关信号β的输入时，作为微型计算机的用途被限定，所述开关信号β被施加给由单触发脉冲生成单元20生成的反向电压施加开关元件11。因此，如图4所示，例如通过变更固件的寄存器设定，使设置在微型计算机13中的插脚具有的功能容易变更其功能设定，例如在寄存器设定1的情况下，赋予用于进行由单触发脉冲生成单元20生成的开关信号β的输出的输出端的功能；或者，在寄存器设定3的情况下，对各个插脚赋予作为中断信号输入端的功能等。

如此，通过使设置在微型计算机13中的插脚的功能，例如变更固件的寄存器设定并可以容易变更其功能设定，由此可以提高微型计算机13的通用性。

另外，本发明不限定于上述实施例本身，可以在不脱离其精神的范围进行变更。并且，可以通过适当组合在上述实施例中公开的多个构成要素来形成各种变形例。例如，也可以删除实施例示出的几个构成要素。要素并且，可以组合不同实施例的构成要素。

Claims

1.一种功率转换装置，其特征在于，具备：

一对开关元件，互补工作地与直流电压源连接，通过通、断驱动来对负载供电、并且至少一个由FET构成；

反向电压施加单元，对与构成上述开关元件的FET并列地以反极性生成的寄生二极管，施加比上述直流电压源的电压低的反向电压；

微型计算机，在内部具有生成对上述一对开关元件进行通、断驱动用的PWM信号的PWM信号生成单元和单触发脉冲生成单元，该单触发脉冲生成单元与该PWM信号生成单元连接，并根据上述PWM信号来生成对上述反向电压施加单元进行预定期间驱动的反向电压施加信号。

2.根据权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于，

具备信号选择单元，对在上述微型计算机内部的上述PWM信号生成单元生成的PWM信号、和在上述微型计算机外部生成的外部触发信号进行选择，输入到上述单触发脉冲生成单元。