CN103378757B - 功率转换装置 - Google Patents

Abstract

本发明得到一种功率转换装置，其确保针对热破坏的可靠性，并且减少电磁噪声和电动机损耗，进而抑制成本上升和噪声增大。功率转换装置构成为具有电压型电桥电路（22），该电压型电桥电路（22）采用的是将第一元件对和第二元件对串联连接的上下桥臂结构，该第一元件对是将由SiC形成的开关元件（3a）和由Si形成的续流二极管（2a）反并联连接而构成的，该第二元件对是将由Si形成的开关元件（1b）和由SiC形成的续流二极管（4b）反并联连接而构成的。

Description

功率转换装置

技术领域

本发明涉及一种功率转换装置。

背景技术

开关元件或续流二极管，在开关元件进行通断时会发生开关损耗。开关损耗因产生热量而可能引起热破坏，所以会使可靠性降低。另外，如所公知，开关损耗与开关频率成正比。因此，现有的功率转换装置为了确保针对热破坏的可靠性，而尽可能地降低开关频率。

另一方面，虽然因人而异，但如果特定的开关频率处在人类可听见的频带内，则来自与功率转换装置连接的电动机或电抗器等的电磁噪声有时会成为问题。另外，与高开关频率相比，在开关频率较低的情况下，因为高次谐波大量叠加在电动机或电抗器的电流中，而使电动机或电抗器的损耗增大，因此希望提高开关频率。

因此，为了确保可靠性并提高开关频率，使用作为与Si相比低损耗的功率器件的SiC开关元件及续流二极管。

此外，虽然发明的目的与上述内容有一些不同，但例如在下述专利文献1中公示了下述结构，即，作为功率转换装置（逆变器）所具有的晶体管，使用SiC-JFET，作为与SiC-JFET反并联连接的续流二极管，使用SiC-SBD（肖特基势垒二极管）。

专利文献1：日本特开2000－224867号公报

发明内容

但是，如果构成功率转换装置的开关元件及续流二极管全部使用SiC，则芯片本身的成本增加成为课题。另外，由于SiC器件特有的高速动作，可以预想到噪声增大。在使用SiC的情况下的开关波形中，就SiC的构造而言，因为会在接通的同时发生振荡（ringing）现象，所以会导致噪声增大。

本发明是鉴于上述情况而提出的，其目的在于提供一种功率转换装置，该功率转换装置构成为，可以确保针对热破坏的可靠性，并减少电磁噪声和电动机损耗，进而可以抑制成本上升和噪声的增大。

为了解决上述课题、实现目的，本发明涉及的功率转换装置的特征在于，具有电压型电桥电路，该电压型电桥电路采用的是将下述两个元件对串联连接的上下桥臂结构：一个元件对是将由SiC构成的开关元件和由Si构成的续流二极管反并联连接而构成的，另一个元件对是将由Si构成的开关元件和由SiC构成的续流二极管反并联连接而构成的。

发明的效果

根据本发明涉及的功率转换装置，实现下述效果，即，可以确保针对热破坏的可靠性，并且减少电磁噪声和电动机损耗，进而抑制成本上升和噪声增大。

附图说明

图1是表示实施方式1涉及的功率转换装置的结构的图。

图2是表示使用Si及SiC时的接通开关波形的图。

图3是表示将图1的上桥臂与下桥臂调换的功率转换装置的图。

图4是表示实施方式1涉及的升降压斩波电路中的功率转换装置的图。

图5是表示将图4的上桥臂与下桥臂调换的功率转换装置的图。

图6是表示实施方式2涉及的单相全桥电路中的功率转换装置的图。

图7是表示将图4的上桥臂与下桥臂调换的功率转换装置的图。

图8是表示实施方式2涉及的三相功率转换装置的图。

图9是表示将图8的上桥臂与下桥臂调换的功率转换装置的图。

图10是表示实施方式3涉及的功率转换装置的结构的图。

图11是表示图10中的极性判别器的详细结构的图。

图12是表示使用电流极性实现的开关频率切换涉及的控制部的详细结构的图。

图13是表示电流极性为正时的电流流向的图。

图14是表示图10中的开关指令的图。

图15是表示实施方式3涉及的并联连接有多个电压型电桥电路的功率转换装置的图。

图16是表示图15中的使用电流极性实现的开关频率切换涉及的控制部的详细结构的图。

图17是表示图15中的开关指令的图。

图18是表示实施方式3涉及的功率转换装置的与图10不同的电流极性判别单元的图。

图19是表示实施方式3涉及的功率转换装置的与图10、图18不同的电流极性判别单元的图。

图20是表示使用电流有效值实现的开关频率切换涉及的控制部的详细结构的图。

图21是表示使用温度实现的开关频率切换涉及的控制部的详细结构的图。

图22是表示使用开关频率与电流有效值的对应图表实现的开关频率切换涉及的控制部的详细结构的图。

图23是表示使用开关频率与温度的对应图表实现的开关频率切换涉及的控制部的详细结构的图。

图24是表示使用电流极性和电流有效值实现的开关频率切换涉及的控制部的详细结构的图。

图25是表示使用电流极性、电流有效值和图表实现的开关频率切换涉及的控制部的详细结构的图。

具体实施方式

下面，参照附图，对本发明的实施方式涉及的功率转换装置进行说明。此外，本发明并不由下述实施方式限定。

实施方式1

图1是表示本发明的实施方式1涉及的功率转换装置的结构的图。实施方式1涉及的功率转换装置由电压型电桥电路22和平滑用电容器11a、11b构成，该电压型电桥电路22采用的是将下述两个元件对串联连接的上下桥臂结构，即：一个元件对（第一元件对）是由碳化硅（SiC）构成的开关元件3a和由硅元素（Si）构成的续流二极管2a反并联连接而构成的，另一个元件对（第二元件对）是由Si构成的开关元件1b和由SiC构成的续流二极管4b反并联连接而构成的，该平滑用电容器11a、11b串联连接后与该电压型电桥电路22并联。此外，电压型电桥电路22的上下桥臂的连接点与平滑用电容器11a、11b的连接点经由电感性负载12连接。

另外，控制部14例如将从外部施加的速度指令转换为对各开关元件的开关指令，将转换后的开关指令向对应的开关元件施加。在被施加了各开关指令的开关元件中，可以将积蓄在平滑电容器11a、11b中的直流电压调制成任意宽度的脉冲，通过由上下桥臂进行互补的接通/断开动作，向电感性负载12供应期望电压/期望频率的虚拟正弦波。

实施方式1的功率转换装置的重点在于，由SiC构成上桥臂的开关元件，并且由SiC构成下桥臂的续流二极管。如果具体地说明，则在图1的结构中，由Si构成的开关元件1b例如是Si-IGBT（Si-InsulatedGateBipolarTransistor），由Si构成的续流二极管2a例如是Si-FRD（Si-FastRecoveryDiode），由SiC构成的开关元件3a例如是SiC-MOSFET（SiC-MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor），由SiC构成的续流二极管4b例如是SiC-SBD（SiC-SchottkyBarrierDiode）。即，在实施方式1涉及的功率转换装置中，使用SiC的开关元件和使用SiC的续流二极管为配置在对角线位置的结构。

在这里，图2是表示使用Si及SiC时的开启开关波形的图。如果进一步详细地说明，则上侧的图（a）是作为开关元件使用Si-IGBT时的启动开关波形的一个例子，下侧的图（b）是作为开关元件使用SiC-MOSFET时的启动开关波形。在开关元件使用SiC的情况下，发生如下侧的图中粗线所示的振荡现象，而在开关元件使用Si的情况下，不会发生像SiC那样的振荡现象。因此，实施方式1涉及的功率转换装置，与构成第一元件对的各元件和构成第二元件对的各元件这两者都使用SiC的情况相比，可以减少噪声的发生量。

即，根据实施方式1涉及的功率转换装置，通过使用作为低损耗的功率器件的SiC，可以减少元件的导通损耗及开关损耗，并且与构成功率转换装置的开关元件及续流二极管全都使用SiC的情况相比，可以抑制成本上升及噪声增大。

此外，在上述图1中，作为一个例子对下述功率转换装置进行了说明，即，由SiC构成电压型电桥电路的上桥臂的开关元件，由Si构成上桥臂的续流二极管，由Si构成下桥臂的开关元件，由SiC构成下桥臂的续流二极管，但并不限定于该结构。例如，如图3所示，由Si构成上桥臂的开关元件，由SiC构成上桥臂的续流二极管，由SiC构成下桥臂的开关元件，由Si构成下桥臂的续流二极管，也可以实现上述效果。

另外，例如，还可以用于将线圈13作为电感性负载而构成的如图4所示的升降压斩波电路，同样可以实现上述效果。此外，在图4的结构中，是由SiC构成上桥臂的开关元件，由SiC构成下桥臂的续流二极管，当然也可以将上下关系调换，如图5所示，由SiC构成下桥臂的开关元件，由SiC构成上桥臂的续流二极管。

如上所述，根据实施方式1的功率转换装置，构成功率转换装置的开关元件及续流二极管的一部分使用SiC，因此可以确保针对损耗导致的热破坏的可靠性，并且抑制成本上升和SiC特有的噪声增大。

实施方式2

下面，对实施方式2进行说明。图6是表示本发明的实施方式2涉及的功率转换装置的结构的图。在实施方式1中，作为一个例子，对使用了一个上下桥臂结构的电压型电桥电路22而构成的所谓单相半桥结构的功率转换装置进行了说明，而图6是使用了两个上下桥臂结构的电压型电桥电路22而构成的所谓单相全桥结构的功率转换装置。此外，其他结构与实施方式1相同。

上述结构也可以同样地实现实施方式1所示的效果。此外，在图6的结构中，由SiC构成的开关元件仅构成为上桥臂的开关元件，由SiC构成的续流二极管仅构成为下桥臂的续流二极管，当然也可以将上下关系调换，如图7所示，将由SiC构成的开关元件仅构成为下桥臂的开关元件，将由SiC构成的续流二极管仅构成为上桥臂的续流二极管。

另外，例如，也可以用于图8所示的三相功率转换装置，同样可以实现上述效果。此外，在图8的结构中，由SiC构成上桥臂的开关元件，由SiC构成下桥臂的续流二极管，当然也可以将上下关系调换，如图9所示，由SiC构成下桥臂的开关元件，由SiC构成上桥臂的续流二极管。

如上所述，根据实施方式2的功率转换装置，构成功率转换装置的开关元件及续流二极管的一部分使用SiC，因此可以确保针对损耗导致的热破坏的可靠性，并且抑制成本上升和SiC特有的噪声增大。

实施方式3

下面，对实施方式3进行说明。图10是表示本发明的实施方式3涉及的功率转换装置的结构的图。此外，作为前提的电压型电桥电路22和平滑用电容器11a、11b及电感性负载12的结构与实施方式1相同。

另外，在电压型电桥电路22的上下桥臂的连接点与电感性负载12之间设置检测电流信息的电流传感器16，电流传感器16检测出的电流信息向极性判别器15输入。图11是表示极性判别器15的详细结构的图。通过差动放大器202对两个输入电压的电位差进行放大后，通过比较器203与零进行比较，判别是正的电流极性或负的电流极性。判别出的正的电流极性或负的电流极性向控制部14输入。此外，在这里，将从图10所示的电压型电桥电路22的连接点向电感性负载12流动的电流方向作为正的电流极性。

图12是表示使用电流极性实现的开关频率的切换涉及的控制部14的详细结构的图。控制部14具有：生成并输出预先设定的低开关频率（第一开关频率）的结构部；以及生成并输出比该第一开关频率高的开关频率（第二开关频率）的结构部，并且具有切换器17，该切换器17与极性判别器15输出的正的电流极性或负的电流极性相对应，如果电流极性为正，则输出高开关频率作为开关指令，如果电流极性为负，则输出低开关频率作为开关指令。如上所述，控制部14作为开关频率切换部动作。

在这里，图13是表示电流极性为正时的电流流向的图，粗线表示电流的流向。电流极性为正时，在任何动作条件下，无论是流过由SiC构成的开关元件的漏极电流103，还是流过由SiC构成的续流二极管的正向电流105，均会流过SiC元件。

图14是表示图10所示的功率转换装置的电流和与所述电流相对应的开关指令的图。（a）表示流过电感性负载12或线圈13的负载电流301的波形，（b）表示开关电压302的波形。根据负载电流301的电流极性，正的电流极性时，输出高开关频率的开关电压302，负的电流极性时，输出低开关频率的开关电压302。

这样，在负载电流301为正，即，流过由SiC构成的开关元件或续流二极管的期间内，开关频率变高，在负载电流301为负，即，流过由Si构成的开关元件或续流二极管的期间内，开关频率变低。因此，可以作为功率转换装置临时提高开关频率。在这里，如果是SiC，则由于低损耗性，即使提高开关频率，损耗也是可以接受的，因此不会使可靠性降低。

此外，图15是表示将电压型电桥电路并联连接的功率转换装置的结构的图，以此为基础对动作进行说明。具体地说，其为将三个上下桥臂结构的电压型电桥电路22并联连接的结构，即，是形成U相、V相、W相的三相功率转换装置。另外，由SiC构成的开关元件在U相、V相、W相都仅位于电压型电桥电路的上桥臂上。

图16是表示在三相功率装置的情况下使用电流极性实现的开关频率的切换涉及的控制部14的详细结构的图。与极性判别器15输出的U相、V相、W相的各电流极性相对应，如果电流极性为正，则输出高开关频率，如果电流极性为负，则输出低开关频率，分别作为各相的开关指令。

此时，图17是表示图15所示的三相功率转换装置的电流和与电流相对应的开关指令的图。（a）表示由电流传感器16a、16b、16c检测出的三相电流波形，即，U相电流303、V相电流304、W相电流305。另外，（b）是U相开关指令306，U相电流303为正的电流极性时成为高开关频率，为负的电流极性时成为低开关频率。另外，（c）是V相开关指令307，V相电流304为正的电流极性时成为高开关频率，为负的电流极性时成为低开关频率。另外，（d）是W相开关指令308，W相电流305为正的电流极性时成为高开关频率，为负的电流极性时成为低开关频率。

这样，在三相交流电流中，总是至少有一相向反方向流动，因此，如果将由SiC构成的开关元件仅配置在上桥臂中，则必然流过SiC。由此，在任何运转状态下，都可以充分使用SiC，效率最好。

如上所述，根据实施方式3的功率转换装置，可以确保针对热破坏的可靠性，并且，积极地充分使用SiC而对应于动作条件来提高开关频率，因此，可以实现由开关引起的电磁噪声或由高次谐波电流引起的电动机损耗的减少，而且与全部的开关元件及续流二极管使用SiC的情况相比，可以抑制成本及噪声。

在这里，在上述实施方式3中，如图10及图15所示，电流极性是根据电流传感器16或16a、16b、16c的电流信息获得的，但也并非仅限于电流传感器，如图18所示，也可以从与下桥臂的开关元件串联连接的分流电阻器18的端子间电压检测出电流信息。另外，如图19所示，也可以根据开关元件的集电极—发射极之间的电压，检测出电流信息。

另外，在上述实施方式3中，如图10或图15所示，作为开关频率的切换要素，使用了从极性判别器15输出的电流极性，但也并非仅限于电流极性，如图20所示，也可以使用从有效值检测器19输出的电流有效值。在这种情况下，相对于预先设定的阈值，如果电流有效值＜阈值，则输出高开关频率作为开关指令，如果电流有效值＞阈值，则输出低开关频率作为开关指令。另外，如图21所示，也可以使用从温度检测单元20输出的温度，该温度检测单元20测量或推定开关元件及续流二极管的温度。在这种情况下，相对于预先设定的阈值，如果温度＜阈值，则输出高开关频率作为开关指令，如果温度＞阈值，则输出低开关频率作为开关指令。

另外，如图22所示，也可以基于预先设定的开关频率与从有效值检测器19输出的电流有效值的对应关系（在该图中例示了图表21a），改变开关频率，将该开关频率作为开关指令。另外，如图23所示，也可以基于预先设定的开关频率与从温度检测单元20输出的温度的对应关系（在该图中例示了图表21b），改变开关频率，将该开关频率作为开关指令。

此外，在上述实施方式3中，如图12、图20、图21所示，向切换器17只输入一个信息，但并不限定于一个。例如，图24是表示使用电流极性和电流有效值实现的开关频率切换涉及的控制部14的详细结构的图。控制部14对应于极性判别器15判别出的正的电流极性或负的电流极性和有效值检测器19输出的电流有效值，如果电流极性为正或电流有效值＜阈值，则输出高开关频率作为开关指令，如果电流极性为负且电流有效值＞阈值，则输出低开关频率作为开关指令。

另外，例如，图25是表示使用电流极性和开关频率与电流有效值的对应关系图表21a实现的开关频率切换涉及的控制部14的详细结构的图。控制部14对应于极性判别器15判别出的正的电流极性或负的电流极性、有效值检测器19输出的电流有效值，在电流极性为正时，输出高开关频率作为开关指令，在电流极性为负时，基于预先设定的开关频率与电流有效值的对应关系图表21a，输出开关频率作为开关指令。

此外，在实施方式1至3中，公示了使用低损耗的功率器件即SiC的结构，但并不限定于SiC。基于SiC与Si相比带隙较宽这一特性，SiC是称为宽带隙半导体的半导体的一个例子（相对于此，Si是称为窄带隙半导体的半导体的一个例子）。除了该SiC之外，使用例如氮化镓类材料（GaN）或金刚石（C）形成的半导体也属于宽带隙半导体，它们的特性与SiC有很多类似之处。因此，使用除了SiC之外的其他宽带隙半导体的结构，也会实现本发明的要点。

另外，由上述宽带隙半导体形成的开关元件及续流二极管耐电压性高，因此可以实现开关元件及续流二极管小型化，可以实现半导体元件模块小型化。另外，由宽带隙半导体形成的元件耐热性也高，因此可以实现散热器小型化，可以实现冷却半导体元件模块的冷却构造小型化。

工业实用性

如上所述，本发明涉及的功率转换装置，作为可以确保针对热破坏的可靠性，并且减少电磁噪声和电动机损耗，进而抑制成本上升和噪声增大的发明而具有实用性。

Claims (12)

1.一种功率转换装置，其特征在于，

具有电压型电桥电路，该电压型电桥电路采用的是将第一元件对和第二元件对串联连接的上下桥臂结构，该第一元件对是将由宽带隙半导体形成的开关元件和由窄带隙半导体形成的续流二极管反并联连接而构成的，该第二元件对是将由窄带隙半导体形成的开关元件和由宽带隙半导体形成的续流二极管反并联连接而构成的。

2.根据权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于，

并联连接大于或等于两个所述上下桥臂结构的电压型电桥电路，将由所述宽带隙半导体形成的开关元件仅配置在所述电压型电桥电路的上桥臂或下桥臂中的任意一方上。

3.根据权利要求1或2所述的功率转换装置，其特征在于，

具有开关频率切换部，该开关频率切换部具有生成并输出预先设定的第一开关频率的结构部，和生成并输出与所述第一开关频率相比较高的第二开关频率的结构部，所述开关频率切换部将对所述第一元件对的开关元件或所述第二元件对的开关元件中的至少一方的元件进行接通/断开控制时的开关频率，切换为所述第一开关频率或所述第二开关频率中的任一个。

4.根据权利要求3所述的功率转换装置，其特征在于，

在所述电压型电桥电路中具有电流检测单元，

所述开关频率切换部根据从所述电流检测单元获得的电流极性的正负，对所述开关频率进行切换。

5.根据权利要求3所述的功率转换装置，其特征在于，

在所述电压型电桥电路中具有电流检测单元，

所述开关频率切换部通过从所述电流检测单元获得的电流有效值和预先设定的阈值的大小比较，对所述开关频率进行切换。

6.根据权利要求3所述的功率转换装置，其特征在于，

具有温度检测单元，该温度检测单元测量或推定所述开关元件及所述续流二极管元件中的至少大于或等于一个的温度，

所述开关频率切换部通过从所述温度检测单元获得的温度和预先设定的阈值的大小比较，对所述开关频率进行切换。

7.根据权利要求5所述的功率转换装置，其特征在于，

设有下述单元，即，其预先设定所述电流有效值与开关频率的对应关系，使对由所述窄带隙半导体形成的开关元件或由所述宽带隙半导体形成的开关元件中的至少一方的元件进行接通/断开控制时的开关频率，按照所述关系变化。

8.根据权利要求6所述的功率转换装置，其特征在于，

设有下述单元，即，其预先设定从所述温度检测单元获得的温度与开关频率的对应关系，使对由所述窄带隙半导体形成的开关元件或由所述宽带隙半导体形成的开关元件中的至少一方的元件进行接通/断开控制时的开关频率，按照所述关系变化。

9.根据权利要求3所述的功率转换装置，其特征在于，

在输出侧设置电流检测单元，

所述开关频率切换部根据从所述电流检测单元获得的电流极性的正负，对所述开关频率进行切换。

10.根据权利要求4所述的功率转换装置，其特征在于，

所述电流极性根据与接通的开关元件串联连接的分流电阻获得。

11.根据权利要求4所述的功率转换装置，其特征在于，

所述电流极性根据接通的开关元件的集电极—发射极间电压或漏极—源极间电压获得。

12.根据权利要求1、2、4至6中任一项所述的功率转换装置，其特征在于，

所述宽带隙半导体是使用碳化硅、氮化镓或金刚石的半导体。