CN102859859A - 开关电路 - Google Patents

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关真生
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Abstract

本发明提供一种开关电路，其具有连接了2个开关元件(10a、10b)并与各开关元件并联连接反向导通元件(14a、14b)而形成的臂，所述开关元件是SiC半导体，在所述反向导通元件中流过换向电流时，使与该反向导通元件并联连接的所述开关元件进行导通动作。

Description

开关电路
技术领域
本发明涉及将直流电力变换为交流电力的逆变器等的开关电路。
本申请基于2010年4月28日在日本申请的特愿2010-103840号主张优先权，并将其内容援引与此。
背景技术
以往，在电动车辆等中所使用的开关电路利用由直流电源供给的电力来进行开关元件的ON(导通)/OFF(关断)控制，以驱动搭载于电动车辆的电动机等的负载(例如参照专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：JP特开2004-187451号公报
发明内容
发明要解决的课题
图11A、图11B表示现有的开关电路的臂(arm：支路)113。该臂113是由Si-IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)110a、110b以及与该Si-IGBT并联地反向连接的硅半导体的换向(commutation)二极管114a、114b构成的电路，其中，该Si-IGBT110a、110b是由硅半导体构成的开关元件。臂113的电路构成为在直流电源的高电位侧P与低电位侧N之间串联连接了2个。在这样构成的臂113的中点116连接电动机等负载。
例如，如图11A所示，若使上臂115a的Si-IGBT110a的栅极处于导通，使下臂115b的Si-IGBT110b处于关断(图12中以t1所示)，则从臂113的中点116向负载流过电流Id。在负载被通电之后，该电流Id经由未图示的其他臂等返回至直流电源的低电位侧的端子。然后，如图11B所示，若使上臂115a的Si-IGBT110a的栅极处于关断(图12中以t2所示)，则换向电流Ifwd经由下臂115b的换向二极管(FWD)114b而流向负载。此时，存在当使Si-IGBT110a的栅极处于关断时流过换向二极管114b的换向电流Ifwd的损耗变得比较大的这一课题。
再者，以使上述的上臂115a的Si-IGBT110a处于截止的情况为例来进行了说明，但是在使下臂115b的Si-IGBT110b从导通变为截止时，上臂115a的换向二极管114a中流过换向电流的情况下损耗也同样地变大。损耗主要是因换向二极管114a、114b的电压降而引起的。
为此，本发明的目的在于提供一种能够实现损耗降低的开关电路。
用于解决课题的技术方案
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案。
(1)本发明的一个方式是开关电路，其具备串联连接有2个开关元件并与各开关元件并联连接了反向导通元件而形成的臂，其中，所述开关元件是SiC半导体，在所述反向导通元件中流过换向电流时，使并联连接了该反向导通元件的所述开关元件进行导通动作。
(2)上述(1)中记载的开关电路还可以具备对所述开关元件中被接通的电流值进行检测的电流检测构件，基于由该电流检测构件所检测的所述臂的一个开关元件中的电流值，变更使另一个开关元件进行导通动作的时间。
(3)上述(2)中记载的开关电路还可以具备对所述开关元件的温度进行检测的温度检测构件，在所述反向导通元件中流过换向电流时，基于所述温度检测构件的检测结果来变更使所述开关元件进行导通动作的时间。
发明的效果
根据上述(1)中记载的方式，在反向导通元件中流过换向电流时，使并联连接了该反向导通元件的由SiC半导体构成的开关元件进行导通动作，由此反向导通元件中流过的换向电流将经由损耗更小且不容易热损坏的SiC半导体的开关元件进行流动，因此，能够减小使电流换向时的损耗。
根据上述(2)中记载的方式，除了上述(1)的效果之外，由于流过与一个开关元件中被通电的电流值相应的换向电流，因此根据由电流检测构件检测出的电流值来变更使电流换向时的另一个开关元件进行导通动作的时间，例如在由电流检测构件检测出的电流值较大时，通过缩短另一个开关元件的导通动作的通电时间等，能够减小由另一个开关元件的发热产生的负担，同时能够实现最大限度的损耗降低。
根据上述(2)中记载的方式，除了上述(1)的效果之外，由于根据由温度检测构件检测出的开关元件的温度来变更使开关元件进行导通动作的时间，因此例如在开关元件的温度较高的情况下，通过缩短导通动作的开关元件的通电时间等，能够减小由开关元件的发热产生的负担，同时使电流换向时的开关元件的导通时间最优化从而能够实现最大限度的损耗降低。
附图说明
图1是表示本发明的第1实施方式中的混合动力车辆的布局的立体图。
图2是本发明的第1实施方式中的用于驱动电动机的系统电路的电路图。
图3是表示本发明的第1实施方式中的系统电路的一个臂的图。
图4A是表示在本发明的第1实施方式的臂动作中第1开关元件10a流过漏极电流Id1的状态。
图4B是表示在本发明的第1实施方式的臂动作中在第2二极管14b中流过换向电流的状态。
图4C是表示在本发明的第1实施方式的臂动作中第2开关元件10b流过漏极电流Id2的状态。
图5是表示本发明的第1实施方式中的开关元件的动作、各元件的通电电流、损耗的大小的时序图。
图6是表示本发明的第1实施方式中的通电电流相对于二极管及开关元件的端子间电压的变化的曲线图。
图7A是表示在本发明的第2实施方式的臂动作中第1开关元件10a流过漏极电流Id1的状态。
图7B是表示在本发明的第2实施方式的臂动作中第2二极管14b中流过换向电流的状态。
图7C是表示在本发明的第2实施方式的臂动作中第2开关元件10b流过漏极电流Id2的状态。
图8是表示本发明的第2实施方式中的相对于第1开关元件的通电电流的第2开关元件的导通时间的曲线图。
图9A是表示在本发明的第3实施方式的臂动作中第1开关元件10a流过漏极电流Id1的状态。
图9B是表示在本发明的第3实施方式的臂动作中第2二极管14b中流过换向电流Ifwd的状态。
图9C是表示在本发明的第3实施方式的臂动作中第2开关元件10b流过漏极电流Id2的状态。
图10是表示本发明的第3实施方式中的相对于第2开关元件的温度的第2开关元件的导通时间的曲线图。
图11A是表示在现有的开关电路中在上臂的Si-IGBT中流过电流的情况。
图11B是表示在现有的开关电路中在下臂的换向二极管中流过换向电流Ifwd的情况。
图12是现有的开关元件的动作与各元件的时序图。
具体实施方式
以下基于附图，说明本发明的各实施方式。
图1表示搭载了本实施方式的开关电路S的混合动力车辆1。该混合动力车辆1具备内燃机2、电动机3、传动装置(未图示)。混合动力车辆1是使内燃机2、电动机3、传动装置(未图示)串联地直接连接而成的并行型的混合动力车辆。内燃机2及电动机3双方的驱动力经由传动装置及差动装置(省略图示)被分配传输至左右的驱动轮W、W。在混合动力车辆1减速时若驱动力从驱动轮W侧被传输至电动机3侧，则电动机3作为发电机发挥功能。即、电动机3在混合动力车辆1减速时产生所谓的再生制动力，并将该再生制动力变换为电能(电力)。由此，能够将车体的动能作为电能进行回收。再有，根据混合动力车辆1的运转状态，电动机3通过内燃机2的输出而作为发电机被驱动，产生发电能量。
如图2所示，电动机3例如选择3相(U相、V相、W相)的DC无刷电动机等，经由线缆5u、5v、5w而与控制该电动机3的驱动及发电的功率控制单元(PCU)4连接。功率控制单元4和高压蓄电池9被配置在混合动力车辆1的后坐席附近。
功率控制单元4构成为具备：平滑电容器6、功率驱动单元(PDU)7、对功率驱动单元7进行控制的栅极驱动电路8。功率控制单元4与电动机3进行电力(例如，在电动机3的驱动或者辅助动作时供给至电动机3的供给电力、电动机3通过再生动作或者升压驱动进行发电时从电动机3输出的输出电力)的授受的高压蓄电池9连接。
功率驱动单元7具备PWM逆变器11。PWM逆变器11具备利用多个作为功率元件的MOSFET等开关元件10a及10b进行桥连接而得到的桥电路。PWM逆变器11通过桥电路的脉宽调制(PWM)来实现逆变器动作。
PWM逆变器11分别具备U相臂13u、V相臂13v、及W相臂13w。U相臂13u、V相臂13v、及W相臂13w是串联连接上臂15a和下臂15b而构成，其中：该上臂15a由作为开关元件的第1开关元件10a、以及与该第1开关元件10a并联地反向连接的第1二极管14a构成，该下臂15b由作为开关元件的第2开关元件10b、以及与该第2开关元件10b并联地反向连接的第2二极管14b构成。第1开关元件10a及第2开关元件10b由SiC半导体构成。第1二极管14a和第2二极管14b由Si半导体构成。
在U相臂13u的上臂15a与下臂15b相连接的中点16u处连接电动机3的U相线圈18u，在V相臂13v的上臂15a与下臂15b相连接的中点16v处连接电动机3的V相线圈18v，在W相臂13w的上臂15a与下臂15b相连接的中点16w处连接电动机3的W相线圈18w。图2中表示了将MO SFET用作开关元件的臂的一例，但是也可以形成将图3所示的IGB T(Insulated Gate BipolarTransistor)用作开关元件10a、10b的臂。再者，图3所示的“P”意味着从高压蓄电池9的+侧流出的电流，“N”意味着流向-侧的电流。
功率驱动单元7接收来自栅极驱动电路8的基于脉宽调制的栅极控制信号来控制电动机3的驱动及发电。例如在电动机3进行驱动时，基于从栅极驱动电路8作为栅极控制信号而输出的转矩指令，将从高压蓄电池9输出的直流电力变换为3相交流电力之后供给至电动机3。另一方面，在电动机3进行发电时，将从电动机3输出的3相交流电力变换为直流电力而对高压蓄电池9进行充电。
功率驱动单元7的电力变换动作是根据从栅极驱动电路8向构成PWM逆变器11的桥电路的第1开关元件10a及第2开关元件10b的栅极G输入的栅极控制信号进行控制，也就是根据通过脉宽调制(PWM)使第1开关元件10a及第2开关元件10b进行导通/截止驱动的脉冲来进行控制。该脉冲的占空比、即导通/截止的比例的映射表(数据)被预先存储在栅极驱动电路8中。在此，基于上述的PWM的开关频率被设定为超过10kHz的频率。再者，由未图示的电流传感器来检测提供给电动机3的电流，该电动机电流的测量值被反馈至栅极驱动电路8。
接下来，参照图4A～图4C、图5来说明由上述的功率驱动单元7进行的电力变换动作。再者，对于该电力变换动作而言，尽管在不同的定时进行，但是由于U相臂13u、V相臂13v、及W相臂13w的各臂中进行同样的控制，因此以一个臂的动作为例进行说明，省略与其他两个臂的动作相关的说明。此外，为了方便，将第1开关元件10a处于导通状态时流过的电流称为“第1漏极电流Id1”，将第2开关元件10b处于导通状态时流过的电流称为“第2漏极电流Id2”。
图5是表示本发明的第1实施方式中的开关元件的动作、各元件的通电电流、损耗的大小的时序图。图5中表示第1开关元件的导通/关断的时间、第1漏极电流流过的时间、第2开关元件的导通/关断的时间、第2漏极电流流过的时间、换向电流Ifwd流过的时间以及各时间的损耗。在时间t 1，上臂15a的第1开关元件10a的栅极处于导通状态，第2开关元件10b的栅极处于关断状态。其漏极电流Id1流向电动机3(流向图4A的箭头所示的方向)。此时，下臂15b的第2开关元件10b的栅极被设定为关断，该下臂15b的第2开关元件10b中没有流过电流。该时间t1的损耗主要是由作为SiC半导体的第1开关元件10a的损耗引起的。
接下来，当处于时间t2时，上臂的第1开关元件10a的栅极被设定为关断，换向电流Ifwd经由下臂15b的第2二极管14b流向电动机3(流向图4B中箭头所示的方向的电流)。时间t2的损耗是由第2二极管14b的损耗产生的。由该第2二极管14b产生的损耗比上述第1开关元件10a的损耗还大。再者，在图5中，在第1开关元件10a的栅极G或者第2开关元件10b的栅极G从导通变为关断的瞬间、或从关断变为导通的瞬间，由于对第2二极管14b的冲击等而一时流过较大的电流，因此损耗暂时性增加。
之后，当处于时间t3时，下臂15b的第2开关元件10b的栅极进行导通动作，第2二极管14b中流过的换向电流Ifwd作为第2漏极电流Id2而流过SiC半导体的第2开关元件10b(图4C中，流向箭头所示的方向的电流)。此时，与时间t2的第2二极管14b的损耗相比，SiC半导体的第2开关元件10b的损耗变小。在此，如图5所示，损耗随着由通电引起的开关元件的温度上升而从开始流过第2漏极电流Id2起逐渐向右上增加。此外，时间t2及时间t4是第1开关元件10a及第2开关元件10b同时被设置成不导通的所谓的空载时间。
再有，当处于时间t4时，第2开关元件10b的栅极G被置于关断，再次在第2二极管14b中流过换向电流Ifwd。之后，再次变为时间t 1，第1开关元件10a的栅极被置为导通，反复进行与上述的动作同样的动作。
图6是将纵轴设为由Si半导体构成的二极管的端子间电压(Vds)及由SiC半导体构成的开关元件的端子间的电压(Vf)，将横轴设为由二极管及SiC半导体构成的开关元件被通电之后的电流的曲线图。如图6所示，由SiC半导体构成的开关元件的端子间电压(Vf)相对于被接通的电流而大致呈线性地变化，与此相对，二极管的端子间电压(Vds)表现出被接通的电流越是增加则其增加率越变小的这种大致非线性。
在图6中，在以虚线示出的规定的电流值处，开关元件与二极管的各端子间电压大致相等。在比规定的电流值还大的区域中，开关元件的端子间电压Vf大于二极管的端子间电压(Vds)。再有，在比规定的电流值还小的区域中，二极管的端子间电压(Vds)高于开关元件(Vf)。
也就是说，在图5的时间t3，第2开关元件10b的第2漏极电流Id2的值处于不满足图6的曲线图的规定的电流值的电流区域。即，在由第2开关元件10b产生的电压降小于由第2二极管14b产生的电压降的区域中第2开关元件10b进行导通动作。
因此，根据第1实施方式，在第2二极管14b(反向导通元件)中流过换向电流Ifwd时，通过使与该第2二极管14b并联连接的由SiC半导体构成的第2开关元件10b处于导通动作，第2二极管14b(反向导通元件)中流过的换向电流Ifwd将经由损耗更少且不容易热损坏的SiC半导体的第2开关元件10b而作为第2漏极电流Id2流动。因此，能够降低电流被换向时的损耗。
再者，在第1实施方式中，作为一例，说明了使将第1开关元件10a从导通切换为关断时流过的第2二极管14b的换向电流Ifwd作为第2开关元件10b的第2漏极电流Id2流动的情况，但也可以将在第2开关元件10b从导通被控制为关断时流过第1二极管14a(反向导通元件)的换向电流Ifwd作为第1开关元件10a的第1漏极电流Id1进行流动。即、通过使与该第1二极管14a(反向导通元件)并联连接的由SiC半导体构成的第1开关元件10a进行导通动作，由此第1二极管14a中流动的换向电流Ifwd将经由损耗更少且不容易热损坏的SiC半导体的第1开关元件10a而作为第1漏极电流Id1进行流动。
接下来，利用第1实施方式的图2、参照图7A～图7C说明本发明的第2实施方式中的开关电路S。再者，第2实施方式与第1实施方式相比，由于仅仅是与第2开关元件10b的栅极导通相关的控制有所不同，因此对于同一部分赋予同一符号进行说明。此外，在第2实施方式中，由于U相臂13u、V相臂13v、及W相臂13w的各臂中也进行同样控制，因此以一个臂的动作为例进行说明，省略与其他两个臂的动作相关的说明。
第2实施方式中的开关电路S能够利用电流传感器20(电流检测构件：参照图7A～图7C)来检测第1开关元件10a中流过的第1漏极电流Id1，并根据所检测出的第1漏极电流Id1的大小，来变更第2二极管14b中流过换向电流Ifwd时的第2开关元件10b的导通时间。即、能够控制时间t3的长度。
图8表示第2开关元件10b的导通时间t3与第1开关元件10a中流过的第1漏极电流Id1的关系。纵轴表示第2开关元件10b的导通时间，横轴表示第1开关元件10a中流过的第1漏极电流Id1。第2开关元件10b的导通时间对应于图5的t3。如图8的曲线所示，第1漏极电流Id1从“0”变为规定的电流值Id1＝I0为止，第2开关元件10b的导通时间t3被设定为恒定的时间t0。
在第1漏极电流Id1超过了规定的电流值I0时，伴随着第1漏极电流Id1的增加，第2开关元件10b的导通时间t3以规定的斜率被缩短。在第1漏极电流Id1变为规定的上限值IMAX时，第2开关元件10b的导通时间t3变为“0”。在此，设定恒定的导通时间t3＝t0的部分是为了设置上述空载时间而设定的，以便不会出现在此以上的导通时间t3的扩展。图8中，上方的虚线是时间t2、时间t3、及时间t4之和(t2+t3+t4)的最长时间(tMAX)，其下方的虚线是规定的被设定为恒定的导通时间t3＝t0。这些虚线之间的时间被确保为上述空载时间的最小值(t2+t4)MIN。
因此，根据第2实施方式，在第1开关元件10a截止时，由于流过与第1开关元件10a的第1漏极电流Id1的电流值相应的换向电流Ifwd，因此使得在电流被换向时的第2开关元件10b进行导通动作的时间t3若第1开关元件10a的第1漏极电流Id1的电流值越大则其时间越短，由此能够减小因通电产生的第2开关元件10b的发热从而减轻第2开关元件10b的负担，同时能够实现最大限度的损耗降低。
再者，在第2实施方式中，作为一例，说明了使在第1开关元件10a从导通被切换为关断时流过的第2二极管14b的换向电流Ifwd作为第2开关元件10b的第2漏极电流Id2进行流动的情况，但是也可以使在第2开关元件10b从导通被控制为关断时第1二极管14a中流过的换向电流Ifwd作为第1开关元件10a的第1漏极电流Id1进行流动。
接下来，利用上述的第1实施方式的图2、参照图9A～图9C来说明本发明的第3实施方式中的开关电路S。再者，该第3实施方式与上述的第2实施方式相比，由于仅仅是与第2开关元件10b的栅极导通相关的控制有所不同，因此对于同一部分赋予同一符号来进行说明。在该第3实施方式中，由于U相臂13u、V相臂13v、及W相13w臂的各臂中也进行同样的控制，因此以一个臂的动作为例进行说明，省略与其他两个臂的动作相关的说明。
第3实施方式中的开关电路S能够利用温度传感器30(温度检测构件：参照图9A～图9C)来检测第2开关元件10b的温度，并根据所检测的温度来变更第2二极管14b中流过换向电流Ifwd时的第2开关元件10b的导通时间。即、能够控制时间t3的长度。
图10是将纵轴设为第2开关元件10b的导通时间t3、将横轴设为第2开关元件10b的温度T(FET温度)的曲线图。如该曲线图所示，如果第2开关元件10b的温度为规定的温度以下，则第2开关元件10b的导通时间t3被设定为规定的恒定时间t0。在第2开关元件10b的温度超过了规定的温度T0时，随着第2开关元件10b的温度上升，第2开关元件10b的导通时间t3以规定的斜率被缩短。第2开关元件10b的温度变为规定的上限值TMAX时，第2开关元件10b的导通时间t3变为“0”。在图10中，上方的虚线是时间t2、时间t3及时间t4之和(t2+t3+t4)MAX，其下方的虚线是被设为恒定的导通时间t3＝t0，这些虚线之间的时间被确保为上述空载时间的最小值(t2+t4)MIN。
因此，根据上述的第3实施方式，由于能够根据由温度传感器30检测出的第2开关元件10b的温度来变更使第2开关元件10b进行导通动作的时间，因此在第2开关元件10b的温度较高的情况下，缩短基于导通动作的第2开关元件10b的通电时间，从而减轻由第2开关元件10b发热而产生的负担，同时能够实现最大限度的损耗降低。
再者，在第3实施方式中，作为一例，说明了使在第1开关元件10a从导通被切换为关断时流过的第2二极管14b的换向电流Ifwd作为第2开关元件10b的第2漏极电流Id2进行流动的情况，但是也可以使在第2开关元件10b从导通被控制为关断时第1二极管14a中流过的换向电流Ifwd作为第1开关元件10a的第1漏极电流Id1进行流动。
再者，本发明并不限于上述的各实施方式，例如，也可以将换向用的第1二极管14a及第2二极管14b，变更为损耗比由Si半导体构成的二极管还小的由SiC半导体构成的肖特基势垒二极管。在该情况下，能够减小上述的时间t2、t4的损耗。其中，作为适用本发明的条件，优选由SiC半导体构成的肖特基势垒二极管的损耗比由SiC半导体构成的开关元件的损耗、即第1开关元件10a损耗或第2开关元件10b的损耗还大。
此外，在上述各实施方式中，说明了使第1开关元件10a被设定为关断之后第2二极管14b中流过的换向电流Ifwd经由第2开关元件10b进行流动的情况，但是也可以使第2开关元件10b被设定为关断之后第1二极管14a中流过的换向电流Ifwd经由第1开关元件10a进行流动。
此外，在上述的第2实施方式中，说明了在第1开关元件10a设置电流传感器20、并基于该电流传感器20的检测结果来改变使第2开关元件10b处于导通的时间t3的情况，但是也可以设置对从中点16流向电动机的电流(ILoad)进行检测的电流传感器(省略图示)、并基于该电流传感器的检测结果来改变时间t3。
工业上的可用性
本发明能够提供可实现损耗降低的开关电路。
符号的说明
10a  第1开关元件(开关元件)
10b  第2开关元件(开关元件)
14a  第1二极管(反向导通元件)
14b  第2二极管(反向导通元件)
13u  U相臂
13v  V相臂
13w  W相臂
20   电流传感器(电流检测构件)
30   温度传感器(温度检测构件)
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种开关电路，其具备串联连接有2个开关元件、并与各开关元件并联连接了反向导通元件而形成的臂，其特征在于：
所述开关元件是SiC半导体，
在所述反向导通元件中流过换向电流时，使与该反向导通元件并联连接的所述开关元件进行导通动作，
所述开关电路还具备对所述换向电流的电流值进行检测的换向电流检测构件，
随着所检测出的所述换向电流的电流值的增加，缩短所述开关元件的导通时间。
2.根据权利要求1所述的开关电路，其特征在于：
在所述反向导通元件中流过换向电流时，根据所检测出的所述换向电流的电流值，连续地变更所述开关元件的导通时间。
3.一种开关电路，其具有串联连接有2个开关元件、并与各开关元件并联连接了反向导通元件而形成的臂，其特征在于：
所述开关元件是SiC半导体，
在所述反向导通元件中流过换向电流时，使与该反向导通元件并联连接的所述开关元件进行导通动作，
所述开关电路还具备对所述开关元件的温度进行检测的温度检测构件，
随着由所述温度检测构件所检测出的所述开关元件的温度上升，缩短所述开关元件的导通时间。
4.根据权利要求3所述的开关电路，其特征在于：
在所述反向导通元件中流过换向电流时，根据所述温度检测构件所检测出的所述开关元件的温度，连续地变更所述开关元件的导通时间。

Claims (3)

1.一种开关电路，其具备串联连接有2个开关元件、并与各开关元件并联连接了反向导通元件而形成的臂，其特征在于：
所述开关元件是SiC半导体，
在所述反向导通元件中流过换向电流时，使与该反向导通元件并联连接的所述开关元件进行导通动作。
2.根据权利要求1所述的开关电路，其特征在于：
所述开关电路还具备：换向电流检测构件，其检测所述换向电流的电流值，
在所述反向导通元件中流过换向电流时，基于所述换向电流检测构件的检测结果来变更使所述开关元件进行导通动作的时间。
3.根据权利要求1所述的开关电路，其特征在于：
所述开关电路还具备：温度检测构件，其检测所述开关元件的温度，
在所述反向导通元件中流过换向电流时，基于所述温度检测构件的检测结果来变更使所述开关元件进行导通动作的时间。
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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