CN104467400B - 电力转换装置 - Google Patents

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Abstract

提供一种电力转换装置，抑制由电路的寄生电感和功率半导体元件的结电容引起的高频振动。通过具有电源、第1寄生电感、第1二极管、与第1二极管串联的第2寄生电感、与第1二极管并联连接的第2二极管、与第2二极管串联的第3寄生电感、开关元件、栅极电路及负载的等效电路来表示，电源、第1寄生电感、第1二极管、第2寄生电感、开关元件、栅极电路构成第1电路环路，电源、第1寄生电感、第2二极管、第3寄生电感、开关元件、栅极电路构成第2电路环路，第1电路环路的第1寄生电感和第2寄生电感与第1二极管的结电容之间的LC共振频率f1和第2电路环路的第1寄生电感和第3寄生电感与第2二极管的结电容之间的LC共振频率f2不同。

Description

电力转换装置
技术领域
实施方式涉及电力转换装置。
背景技术
近年来，对电力转换装置的高电力密度化(电力密度＝电力转换器的输出电力/电力转换器的体积)的期望越来越高。为了实现高电力密度化，要求减小电力转换装置的体积。
电力转换装置的体积的主要部分是冷却器、电容器或电感器等无源部件，为了实现冷却器的小型化，需要电力转换器的损失的减少，为了实现无源部件的小型化，需要开关频率的高频化。
一般而言，电力转换装置的负载中含有电感成分。在图1中示出了以往的电力转换装置的基本等效电路。图1的电力转换装置的基本等效电路包括电源1、寄生电感2、二极管3(回流二极管)、开关元件4、负载5、栅极电路6。
在图1的等效电路中，若开关元件4接通，则在由电源1、寄生电感2、负载5、开关元件4构成的电路环路中流动电流。
接下来，若开关元件4关断，则负载5由于包含有电感成分，因此，负载5中流动的电流不会急剧地变为零，所以由负载5、二极管3构成的电路环路中流动有电流。然后，若开关元件4再度接通，则形成由电源1、寄生电感2、负载5、开关元件4构成的电路环路，二极管3中流动的电流减少，开关元件4中流动的电流增加。在图2的图表中示出了此时的开关元件4的接通电流波形。
这样，在以往的电力转换装置中，在开关元件4接通时电流波形中产生高频振动，成为噪声源。
先行技术文献
专利文献
专利文献1：特开2011－82764
发明内容
实施方式的目的在于提供一种抑制由电路的寄生电感和开关元件的结电容(接合容量)引起的高频振动的电力转换装置。
实施方式的电力转换装置通过具有电源、第1寄生电感、第1二极管、与第1二极管串联连接的第2寄生电感、与第1二极管并联连接的第2二极管、与第2二极管串联连接的第3寄生电感、开关元件、栅极电路以及负载的等效电路来表示，在等效电路中，由电源、第1寄生电感、第1二极管、第2寄生电感、开关元件、栅极电路构成第1电路环路，在等效电路中，由电源、第1寄生电感、第2二极管、第3寄生电感、开关元件、栅极电路构成第2电路环路，将第1电路环路的第1寄生电感和第2寄生电感与第1二极管的结电容之间的LC共振频率设为f1，将第2电路环路的第1寄生电感和第3寄生电感与第2二极管的结电容之间的LC共振频率设为f2，f1和f2为不同的频率。
附图说明
图1是以往的电力转换装置的等效电路。
图2是表示以往的电力转换装置中的开关元件的接通电流波形的图表，使用肖特基势垒二极管来表示MOSFET接通电流波形振动。
图3是第1实施方式的电力转换装置的等效电路图。
图4是表示第1实施方式的电力转换装置中的开关元件的接通电流波形的图表。
图5是第4实施方式的三相逆变器的等效电路图，是说明低端侧的开关元件接通时的电路动作的图。
图6是第4实施方式的三相逆变器的等效电路图，是说明高端侧的开关元件接通时的电路动作的图。
附图标记的说明
1……输入电源
2……第1寄生电感
3……第2寄生电感
4……第1回流二极管
5……第3寄生电感
6……第2回流二极管
7……开关元件
8……栅极电路
9……负载
10……第1电路环路
11……第2电路环路
12……电容器
13……与负载连接的逆变器的输出端子
14……第3电路环路
15……第4电路环路
具体实施方式
如上所述，在以往的电力转换装置中，开关元件4关断时的开关元件4的电流波形在到达负载电流后重叠有高频振动成分。
该高频振动在由电源1、寄生电感2、回流二极管3、开关元件4构成的电路环路内产生，起因于寄生电感2与回流二极管3的结电容(未图示)之间的LC共振。
电路的寄生电感(总寄生电感)一般为几十nH～几百nH的等级。此外，回流二极管的结电容为几百pF～几pF的等级。根据寄生电感和结电容，高频振动(LC共振频率)的频率成为几十MHz等级的高频。存在几十MHz等级的高频成为高频噪声源的问题。
如果将开关元件的开关速度设为低速则高频振动得以抑制，但是若将开关速度设为低速则存在开关损失增加的问题。即，高频振动抑制与损失减少处于折衷的关系。
能够通过使寄生电感的值接近于零来减少振动。但是，在使用封装为TO－220封装件等的开关元件的情况下，封装件固有的寄生电感约有10nH，因此，原理上来讲不能设为零。
于是，本实施方式的电力转换装置在回流二极管中使用了宽带隙半导体制肖特基势垒二极管，其中，通过2芯片以上的多个芯片的并联连接来构成肖特基势垒二极管，使得包含有肖特基势垒二极管的电路环路存在有多个。并且，通过将各个电路环路的寄生电感的值设为不同值，或者将各个电路环路的结电容的值设为不同值，或者将各个电路环路的寄生电感的值与结电容的值之间的积设为不同值，来使由肖特基势垒二极管的结电容和寄生电感产生的LC共振频率成为不同值。通过使各个电路环路的LC共振频率成为不同值，能够通过使各自的共振频率重合来抑制开关元件中重叠的高频振动。通过抑制高频振动，实施方式具有高频噪声得以减少的优点。
在此，作为可低损化的开关元件，优选为使用了Si的半导体、宽带隙半导体。作为开关元件，作为宽隙半导体，能够列举出SiC、氮化物半导体或金刚石等。作为氮化物半导体，能够列举出GaN、AlGaN、InGaN或AlInGaN。作为回流二极管，期待为宽带隙半导体制的肖特基势垒二极管。肖特基势垒二极管也优选使用上述列举的SiC等的宽隙半导体。
肖特基势垒二极管是用于流动半导体中的电流的载流子仅为电子的单极型器件，因此，与载流子为电子和空穴的双极型器件的PiN二极管相比，开关为高速。通过高速开关，能够减少开关损失，因此，能够实现电力转换装置的效率提高和开关频率的高频化。另外，实施方式中，优选开关元件和回流二极管使用宽隙半导体。实施方式中，使用宽隙半导体，例如以10kHz以上1000kHz以下的频率进行开关。
根据上述结构，能够不将开关元件4的开关速度设为低速地使高频振动迅速衰减。即，能够同时实现高频振动抑制和损失减少。
以下，使用附图详细地说明本实施方式。
[第1实施方式]
首先，说明第1实施方式的电力转换装置。第1实施方式中涉及输入电压为直流、电力转换后的输出电压为直流的电力转换装置。
图3是本实施方式的电力转换装置的等效电路。图3的等效电路包括：输入电源1(电源)、第1寄生电感2、第1回流二极管4(二极管)、与第1回流二极管4串联连接的第2寄生电感3、第2回流二极管6、与第2回流二极管6(二极管)串联连接的第3寄生电感5、开关元件7、栅极电路8以及负载9。第1回流二极管4和第2回流二极管6并联连接。此外，第2寄生电感3和第3寄生电感5并联连接。开关元件7的栅电极与连接有电源的栅极电路8连接。负载9与回流二极管并联连接。
图3的等效电路中，由输入电源1、第1寄生电感2、第1回流二极管4、与第1回流二极管4串联连接的第2寄生电感3、开关元件7构成第1电路环路10。此外，图3的等效电路中，由输入电源1、第1寄生电感2、第2回流二极管6、与第2回流二极管6串联连接的第3寄生电感5、开关元件7构成第2电路环路11。
另外，多个回流二极管在实际电路中，可以由多个肖特基势垒二极管芯片构成，也可以将多个肖特基势垒二极管收纳于1个封装件。进而，开关元件7在实际电路中，可以使用MOSFET或IGBT等单独元件的封装件，也可以是将FET或IGBT和多个肖特基势垒二极管收纳于1个封装件。通过封装件化，能够实现电力转换装置的小型化。
图3所示的电路中，将与第1回流二极管4串联连接的第2寄生电感3和与第2回流二极管6串联连接的第3寄生电感5设定为不同值。寄生电感例如通过实际电路的布线长、所使用的半导体元件等而成为不同值。另外，第1回流二极管3和第2回流二极管5具有相同的结电容。
因此，第1电路环路10的第1LC共振频率f1和第2电路环路11的第2LC共振频率f2成为不同值。
开关元件7中流动的电流中重叠的高频振动为f1与f2的叠合，因此，通过以使各自的频率成分抵消的方式选择f1、f2，能够减少开关元件7中流动的电流中重叠的高频振动。通过第2寄生电感3和第3寄生电感5(第1环路10的总寄生电感值和第2环路的总寄生电感值)具有不同值，使得第1LC共振频率f1和第2LC共振频率f2不同。由于第1LC共振频率f1和第2LC共振频率f2具有不同值，所以在实施方式的电力转换装置中，能够减少开关元件7中流动的电流中重叠的高频振动。
图3的等效电路中，构成为电路环路为2个，但是，电路环路的个数能够根据并联连接的回流二极管的个数来任意地设计。通过增加电路环路的个数，能够进一步减少高频振动，但是，若电路环路的个数增加，则电力转换装置的面积会增大，所以，根据设计条件来设定电路环路的优选的个数。
接下来说明未图示的第3电路环路被包含在实施方式的电力转换装置中的情况。例如，使第3回流二极管与第1和第2回流二极管4、6并联连接，进一步设置与第3回流二极管串联连接的第4寄生电感。并且，由输入电源1、第1寄生电感2、第3回流二极管(二极管)、与第3回流二极管串联连接的第4寄生电感、开关元件7构成第3电路环路。将第3电路环路的LC共振频率设为f3时，通过使f3与f1和f2的双方不同，能够减少开关元件7中流动的高频振动。在电路环路数为4以上的情况下，能够与第2电路环路11或者第3电路环路同样地设计第4以后的环路电路。
举例说明图3的等效电路。通过将第1电路环路10的LC共振频率f1设为第2电路环路11的LC共振频率f2的2n倍(n为1以上的整数)，使得电路环路10的共振波形的振幅成为最大值的时间与电路环路11的共振波形的振幅成为0的时间一致。结果，叠合了各自的共振波形而成的波形的振幅减少效果变大，是优选的。另外，在电路环路数为3以上的情况下也是，优选同样地设定LC共振频率。
举例说明图3的等效电路。输入电源1的直流电压一般被设定为开关元件7的耐电压的一半的电压。在此，若由第1电路环路10或者第2电路环路11的各寄生电感产生的感应电力(L×di/dt)比电源1的直流电压大，则施加到开关元件7的电压会超过耐电压，从而使开关元件7破坏。通过将由第1电路环路10或者第2电路环路11中的至少某个的寄生电感产生的感应电力设为电源1的直流电压以下，能够防止对开关元件7施加超过耐电压以上或耐电压的电压，是优选的。另外，在电路环路数为3以上的情况下，也优选同样地设定开关元件7的耐压、感应电力。
接下来，对图3的电路实施电路模拟，检查验证了实施方式的高频振动抑制的效果。表1中示出了模拟的电路条件。
【表1】
输入电压1的电压 300V
输入电压 直流
输出电压 直流
开关频率 1MHz
二极管的结电容 35pF
第1寄生电感器2的电感 30nH
第2寄生电感器3的电感 10nH
第3寄生电感器5的电感 40nH
负载9的电流 10A
图4是应用了本实施方式的情况和以往方式的情况的开关元件的电流波形的模拟结果的图表。确认到：通过应用本实施方式的方式，高频振动迅速地衰减。由此，验证了本实施方式的有效性。
[第2实施方式]
接下来，说明第2实施方式的电力转换装置。
该实施方式的电力转换装置在回流二极管中使用了宽带隙半导体制肖特基势垒二极管，其中，通过2芯片以上的多个芯片的并联连接来构成肖特基势垒二极管，使包含有肖特基势垒二极管的电路环路存在有多个。并且，通过使各个电路环路的肖特基势垒二极管的芯片尺寸不同，使得由肖特基势垒二极管的结电容和寄生电感引起的各个电路环路的LC共振频率成为不同值。通过各自的LC共振频率叠合来抑制LC共振，能够减少高频振动。
第2实施方式中，通过使作为回流二极管而使用的肖特基势垒二极管的芯片尺寸不同，来改变二极管的结电容，从而错开各个电路环路的LC共振频率。
[第3实施方式]
接下来，说明第3实施方式的电力转换装置。
该实施方式的电力转换装置在回流二极管中使用了宽带隙半导体制肖特基势垒二极管，其中，通过2芯片以上的多个芯片的并联连接来构成肖特基势垒二极管，使包含有肖特基势垒二极管的电路环路存在有多个。并且，通过将各个电路环路的寄生电感的值设为不同值，并且使肖特基势垒二极管的芯片尺寸不同，由此，使得由肖特基势垒二极管的结电容和寄生电感引起的各个电路环路的LC共振频率成为不同值。通过各自的LC共振频率叠合来抑制LC共振，由此能够减少高频振动。
第3实施方式中，通过改变各个电路环路的布线长来将寄生电感的值设为不同值，进而使作为回流二极管而使用的肖特基势垒二极管的芯片尺寸不同，来改变二极管的结电容，由此，使各个电路环路的LC共振频率错开。
[第4实施方式]
第4实施方式涉及输入电压为直流且输出电压为交流的电力转换装置，或者，输入电压为交流且输出电压为直流的电力转换装置。图5是本实施方式的三相逆变器的等效电路。作为第4实施方式，使用图5的等效电路，以输入电压为直流且输出电压为交流的电力转换装置为例进行说明。包括：输入电源1、电容器12、第1寄生电感2、第1回流二极管4、与第1回流二极管4串联连接的第2寄生电感3、第2回流二极管6、与第2回流二极管6串联连接的第3寄生电感5、开关元件7、栅极电路8、与负载连接的逆变器的输出端子13。
图5所示的电路中，将与第1回流二极管4串联连接的第2寄生电感3和与第2回流二极管6串联连接的第3寄生电感5设定为不同值。
在此，说明在图5所示的三相逆变器中低端侧的开关元件7进行开关时的电路动作。在接通了低端侧的开关元件7时，由电容器12、第1寄生电感2、高端侧的第1回流二极管4、与高端侧的第1回流二极管4串联连接的第2寄生电感3、低端侧的开关元件7构成的电路环路10的LC共振频率f1、和由电容器12、高端侧的第2回流二极管6、与高端侧的第2回流二极管6串联连接的第3寄生电感5、低端侧的开关元件7构成的电路环路11的LC共振频率f2成为不同值。
低端侧的开关元件7中流动的电流中重叠的高频振动成为f1与f2的叠合，因此，通过以使各自的频率成分抵消的方式选择f1、f2，能够减少低端侧的开关元件7中流动的电流中重叠的高频振动。
接下来，图6中示出高端侧的开关元件7进行开关时的电路动作。接通了高端侧的开关元件7时，由电容器12、第1寄生电感2、低端侧的第1回流二极管4、与低端侧的第1回流二极管4串联连接的第2寄生电感3、高端侧的开关元件7构成的电路环路14的LC共振频率f1、和由电容器12、低端侧的第2回流二极管6、与低端侧的第2回流二极管6串联连接的第3寄生电感5、高端侧的开关元件7构成的电路环路11的LC共振频率f2成为不同值。
高端侧的开关元件7中流动的电流中重叠的高频振动成为f1与f2的叠合，因此，通过以使各自的频率成分抵消的方式选择f1、f2，能够减少高端侧的开关元件7中流动的电流中重叠的高频振动。
以上说明了本发明的若干实施方式，但是这些实施方式只是作为例子提出，不意欲限定发明的范围。这些新的实施方式能够以其他各种方式来实施，在不脱离发明的主旨的范围内能够进行各种省略、置换、变更。这些实施方式及其变形包含在发明的范围和主旨内，也包含在权利要求所记载的发明及其等同范围内。

Claims (15)

1.一种电力转换装置，其特征在于，
该电力转换装置通过具有电源、第1寄生电感、第1二极管、第2寄生电感、第2二极管、第3寄生电感、开关元件、栅极电路及负载的等效电路来表示，所述第1二极管和所述第2寄生电感构成第1串联支路，所述第2二极管和所述第3寄生电感构成第2串联支路，所述第1串联支路与所述第2串联支路并联连接；
在所述等效电路中，由所述电源、所述第1寄生电感、所述第1二极管、所述第2寄生电感和所述开关元件构成第1电路环路，
在所述等效电路中，由所述电源、所述第1寄生电感、所述第2二极管、所述第3寄生电感和所述开关元件构成第2电路环路，
将所述第1电路环路的第1寄生电感和第2寄生电感与第1二极管的结电容之间的LC共振频率设为f1，
将所述第2电路环路的第1寄生电感和第3寄生电感与第2二极管的结电容之间的LC共振频率设为f2，
所述f1和f2为不同的频率，
所述第1二极管的结电容与所述第2二极管的结电容为不同值。
2.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，
在所述等效电路中，还具有第3二极管和第4寄生电感，所述第3二极管和所述第4寄生电感构成第3串联支路，所述第3串联支路与所述第1串联支路并联连接，
在所述等效电路中，由所述电源、所述第1寄生电感、所述第3二极管、所述第4寄生电感和所述开关元件构成第3电路环路，
将所述第3电路环路的第1寄生电感和第4寄生电感与第3二极管的结电容之间的LC共振频率设为f3，
所述f3是与所述f1及f2不同的频率。
3.如权利要求2所述的电力转换装置，其特征在于，
所述第1二极管的结电容、所述第2二极管的结电容、所述第3二极管的结电容全部为不同值。
4.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，
所述第2寄生电感与所述第3寄生电感为不同值。
5.如权利要求2所述的电力转换装置，其特征在于，
所述第2寄生电感、所述第3寄生电感、所述第4寄生电感全部为不同值。
6.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，
所述第1电路环路的LC共振频率为所述第2电路环路的LC共振频率的2n倍，其中，n为1以上的整数。
7.如权利要求2所述的电力转换装置，其特征在于，
所述第1电路环路、所述第2电路环路及所述第3电路环路中，任意一个电路环路的LC共振频率为剩余的电路环路中的任意电路环路的LC共振频率的2n倍，其中，n为1以上的整数。
8.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，
所述第1电路环路和所述第2电路环路中，任意1个电路环路的寄生电感产生的感应电压为电力转换装置的输入直流电压以下。
9.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，
所述第1二极管和所述第2二极管，在实际电路中将多个肖特基势垒二极管芯片收纳于一个封装件。
10.如权利要求9所述的电力转换装置，其特征在于，
所述开关元件为MOSFET或IGBT，
在实际电路中，将所述MOSFET或IGBT与所述肖特基势垒二极管芯片收纳于同一封装件。
11.如权利要求9所述的电力转换装置，其特征在于，
所述肖特基势垒二极管芯片使用了SiC或氮化物半导体或者金刚石半导体。
12.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，
所述电力转换装置的输入电压为直流且电力转换后的输出电压为直流。
13.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，
所述电力转换装置的输入电压为交流且电力转换后的输出电压为直流。
14.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，
所述电力转换装置的输入电压为直流且电力转换后的输出电压为交流。
15.如权利要求1至14中任一项所述的电力转换装置，其特征在于，
所述开关元件的开关频率为10kHz以上1000kHz以下。
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