[发明专利]半导体元件的驱动装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及具有切换功能的半导体元件的驱动装置及方法。详细地说，涉及能够在半导体元件进行切换时抑制切换损失的增加并降低浪涌电压的半导体元件的驱动装置及方法。

背景技术

以往，在电动汽车中，由于通常使用以三相交流方式驱动的同步电动机，所以搭载有将电池(直流电源)的直流输出转换成三相交流以驱动同步电动机的逆变器。此外，将像这样搭载在电动汽车上的逆变器特别地称为“电动汽车用逆变器”。

电动汽车用逆变器多采用PWM(Pulse Width Modulation：脉宽调制)控制，作为用于实现该PWM控制的电力用半导体元件，采用IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：绝缘栅双极型晶体管)(参照专利文献1至3)。

专利文献1：JP-A-2007-306166

专利文献2：JP-A-2008-078816

专利文献3：US2010/0008113

IGBT是由栅极-发射极间的电压Vge驱动，并能够根据针对栅极的输入信号而进行导通及断开的动作的自消弧形的半导体元件。

这里，断开切换是指IGBT的集电极-栅极间从导通状态切换至断开状态，导通切换是指IGBT的集电极-栅极间从断开状态切换至导通状态。

在电动汽车用逆变器中，对应于这样的IGBT，成对地使用FWD(Free Wheeling Diode：续流二极管)。即，FWD是对应于IGBT的续流二极管，与IGBT并联且与IGBT的输入输出方向反向地连接。

另外，在电动汽车用逆变器中设有驱动IGBT的电路(以下称为“半导体元件驱动电路”)。即，半导体元件驱动电路通过改变IGBT的栅极-发射极间的电压Vge的值来控制IGBT的导通及断开。

然而，在IGBT的导通或断开这样的切换时的过渡期间，会产生浪涌电压。以下，对浪涌电压简要地进行说明。

在连接有IGBT的电路(母线)中，存在浮地电感。这样的浮地电感相对于电流成为惯性力，产生妨碍该电流变化的作用。因此，当电流要急剧减小时，在浮地电感内部，在妨碍该电流减小的方向上产生电动势。即，在电动汽车用逆变器中，在相对于电池的电源电压串联地相加的方向上产生电动势。基于这样产生的电动势的电压被称为“浪涌电压”。

在电动汽车用逆变器中，串联连接的两个IGBT为一个单位，对于同步电动机的三相的负载，例如将三个单位等的多个单位并联连接而使用。在一个单位内，当一方的IGBT导通时，另一方的IGBT断开。因此，在一个单位内的切换时的过渡期间中，由于某一方的IGBT的集电极电流急剧降低，因此会产生大的浪涌电压相加在电源电压上，并被施加在IGBT的集电极-发射极间。

因此，IGBT需要具有耐受得住这样的浪涌电压的元件耐压。因此，当然，浪涌电压越大，所要求的元件耐压也就越上升，因而IGBT也变得大型化。如果是在工厂等中使用的工业用逆变器的话，由于工厂内有充分的设置空间，所以能够采用大型的IGBT。但是，在电动汽车用逆变器中，难以在电动汽车内确保这样的设置空间，因此采用大型的IGBT非常困难。

由此，作为搭载在电动汽车用逆变器中的IGBT，要求小型化。为了实现IGBT的小型化，只要相反地将元件耐压抑制在较低程度即可，为此，只要降低浪涌电压即可。

如上述那样，因电流的急剧减小而产生浪涌电压，因此，通过减缓电流减小的变化程度就能够降低浪涌电压。即，如果以下将IGBT的切换时的电流、电压的上升、下降时间称为“切换速度”的话，则通过减慢切换速度，能够降低浪涌电压。

然而，若为了降低浪涌电压而减慢切换速度，则切换时的过渡时期中的IGBT、FWD的损失(以下称为“切换损失”)变大。

另一方面，若为了降低切换损失而加快切换速度，则如上所述，浪涌电压变大。

这样，在浪涌电压与切换损失之间，存在折衷(相悖条件)的关系。此外，以下，将处于这样的关系中的浪涌电压与切换损失的特性称为“浪涌电压与切换损失的折衷特性”。

因此，在电动汽车用逆变器中，期望改善浪涌电压与切换损失的折衷特性，换言之，期望在IGBT切换时，一边抑制切换损失的增加，一边降低浪涌电压。

为了满足这样的期望，专利文献1至3中公开了几个方法，但在这些以往的方法中，很难说充分满足了该期望。因此，目前的状况是正在寻求一种能够充分满足该期望的新方法。