CN105164908A - 三电平功率转换装置 - Google Patents

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Abstract

构成三电平功率转换装置中的一个相的功率转换电路的第一至第六开关元件(1～6)包括晶体管元件(1a～6a)和与晶体管元件(1a～6a)反向并联连接的二极管元件(1b～6b)。利用能双向导通的MOSFET构成第二、第三、第五及第六晶体管元件(2a，3a，5a，6a)。

Description

三电平功率转换装置
技术领域
本发明涉及三电平功率转换装置。
背景技术
现有的三电平功率转换装置包括：依次串联连接在上位侧直流端子P和交流端子AC之间的第一及第二IGBT；连接至第一及第二IGBT的连接点和中间电位端子C之间的第一耦合(箝位)二极管；依次串联连接在交流电位端子AC和下位侧直流端子N之间的第三及第四IGBT；以及连接至第三及第四IGBT的连接点和中间电位端子C之间的第二耦合(箝位)二极管，对上述第一至第四IGBT进行适当的导通/截止控制，以从交流端子AC输出三电平电压(例如下述的专利文献1)。
另外，现有的三电平功率转换装置中，第一及第二耦合二极管分别与电位稳定用的平衡电阻并联连接(例如下述的专利文献2)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第3229931号公报
专利文献2：国际公开第2008/075418号
发明内容
发明所要解决的技术问题
但是，在上述现有的三电平功率转换装置中存在以下问题：即，输出与中间电位端子(也称为“中性点”)相同的电位时的电流路径仅有一个，因而该路径的电流密度增大，导通损耗增大，因此位于中间电位端子侧的元件的温度可能高于其他元件。
本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供一种能降低导通损耗的三电平功率转换装置。
解决技术问题所采用的技术方案
为了解决上述问题并达到目的，本发明的三电平功率转换装置具有功率转换电路，该功率转换电路的一个相的功率转换电路选择上位侧直流端子、中间电位端子、及下位侧直流端子中的任一电位并输出到交流端子，包括：依次串联连接在上述上位侧直流端子和上述下位侧直流端子之间的第一、第二、第三、第四开关元件；连接在上述第一开关元件和上述第二开关元件的连接部与上述中间电位端子之间的第五开关元件；以及连接在上述第三开关元件和上述第四开关元件的连接部与上述中间电位端子之间的第六开关元件，所述交流端子连接到上述第二开关元件和上述第三开关元件的连接部，其特征在于，上述第一至第六开关元件分别具有晶体管元件和与上述晶体管元件反向并联连接的二极管元件，上述第二、第三、第五、及第六开关元件的上述晶体管元件由MOSFET构成。
发明效果
根据本发明，能够起到能力图降低三电平功率转换装置的导通损耗的效果。
附图说明
图1是说明实施方式1的三电平功率转换装置的电路结构的局部电路图。
图2-1是示出实施方式1的功率转换电路的动作状态及通电路径的图((1)元件电流＞0且U相电压＝+1，(2)元件电流＞0且U相电压＝0)。
图2-2是示出实施方式1的功率转换电路的动作状态及通电路径的图((3)元件电流＞0、U相电压＝－1，(2)元件电流＜0、U相电压＝+1)。
图2-3是示出实施方式1的功率转换电路的动作状态及通电路径的图((5)元件电流＜0且U相电压＝0，(2)元件电流＜0且U相电压＝－1)。
图3-1是以使用IGBT及箝位二极管的现有结构的功率转换电路的动作状态及通电路径作为比较例而示出的图((1)元件电流＞0且U相电压＝+1，(2)元件电流＞0且U相电压＝0)。
图3-2是以使用IGBT及箝位二极管的现有结构的功率转换电路的动作状态及通电路径作为比较例而示出的图((3)元件电流＞0、U相电压＝－1，(2)元件电流＜0、U相电压＝+1)。
图3-3是以使用IGBT及箝位二极管的现有结构的功率转换电路的动作状态及通电路径作为比较例而示出的图((5)元件电流＜0且U相电压＝0，(6)元件电流＜0且U相电压＝－1)。
图4-1是说明抑制U相电压＝0且元件电流为正(元件电流＞0)时的部分开关元件的温度的控制动作的图((1)第二：导通，第三：导通，第五：导通，第六：导通，(2)第二：截止，第三：导通，第五：导通，第六：导通)。
图4-2是说明抑制U相电压＝0且元件电流为正(元件电流＞0)时的部分开关元件的温度的控制动作的图((3)第二：导通，第三：导通，第五：截止，第六：导通，(4)第二：截止，第三：导通，第五：截止，第六：导通)。
图4-3是说明抑制U相电压＝0且元件电流为正(元件电流＞0)时的部分开关元件的温度的控制动作的图((5)第二：导通，第三：导通，第五：导通，第六：截止，(2)第二：导通，第三：截止，第五：导通，第六：导通)。
图4-4是说明抑制U相电压＝0且元件电流为正(元件电流＞0)时的部分开关元件的温度的控制动作的图((7)第二：导通，第三：截止，第五：导通，第六：截止)。
图5-1是说明抑制U相电压＝0且元件电流为负(元件电流＜0)时的部分开关元件的温度的控制动作的图((1)第二：导通，第三：导通，第五：导通，第六：导通，(2)第二：导通，第三：导通，第五：截止，第六：导通)。
图5-2是说明抑制U相电压＝0且元件电流为负(元件电流＜0)时的部分开关元件的温度的控制动作的图((3)第二：截止，第三：导通，第五：导通，第六：导通，(4)第二：截止，第三：导通，第五：截止，第六：导通)。
图5-3是说明抑制U相电压＝0且元件电流为负(元件电流＜0)时的部分开关元件的温度的控制动作的图((3)第二：导通，第三：截止，第五：导通，第六：导通，(2)第二：导通，第三：导通，第五：导通，第六：截止)。
图5-4是说明抑制U相电压＝0且元件电流为负(元件电流＜0)时的部分开关元件的温度的控制动作的图((7)第二：导通，第三：截止，第五：导通，第六：截止)。
图6是表示具有用于稳定电位的平衡电阻的现有技术的功率转换电路的结构的图。
图7是说明实施方式2的三电平功率转换装置的电路结构的局部电路图。
图8是表示使用双元件装入式模块构成三电平功率转换装置的情况下的区分示例的图。
图9是表示使用双元件装入式模块构成三电平功率转换装置的情况下的其他区分示例的图。
图10是对图9的电路图附加电感环的图。
图11是说明实施方式4的三电平功率转换装置的电路结构的局部电路图。
图12是说明实施方式5的三电平功率转换装置的电路结构的局部电路图。
具体实施方式
下面，参照附图对本发明的实施方式所涉及的三电平功率转换装置进行说明。此外，本发明并不局限于以下示出的实施方式。
实施方式1.
图1是说明本发明的实施方式1的三电平功率转换装置的电路结构的局部电路图，图示出了三电平功率转换装置中的一个相的功率转换电路的结构。该一个相的功率转换电路中，如图1所示，在上位侧直流端子P和下位侧直流端子N之间按照第一至第四开关元件(1至4)的顺序依次串联连接有第一至第四开关元件。在该第一开关元件1和第二开关元件2的连接部与中间电位端子C之间连接有第五开关元件5。在该第三开关元件3和第四开关元件4的连接部与中间电位端子C之间连接有第六开关元件6。第二开关元件2和第三开关元件3的连接部连接到交流端子AC。能视作为第五开关元件5和第六开关元件6的连接部连接到中间电位端子C。在上位侧直流端子P和下位侧直流端子N之间设置有保持直流电压的电容器8a、8b，电容器8a、8b的连接点与中间电位端子C相连接。第五开关元件5是在电流流向交流端子AC的情况下、用于将交流端子AC的电位保持为中间电位端子C而进行动作的上位电位侧的中性点箝位元件。第六开关元件6是在电流从交流端子AC流出的情况下进行动作的下位电位侧的中性点箝位元件。一个相的功率转换电路选择上位侧直流端子P、中间电位端子C及下位侧直流端子N中的任意电位，并输出到交流端子AC。
即，实施方式1的一个相的功率转换电路包括：位于上位电位侧的外侧的第一开关元件1；位于上位电位侧的内侧的第二开关元件2；位于下位电位侧的内侧的第三开关元件3；位于下位电位侧的外侧的第四开关元件4；作为上位电位侧的中性点箝位元件进行动作的第五开关元件5；以及作为下位电位侧的中性点箝位元件进行动作的第六开关元件6。
第一开关元件1由晶体管元件即IGBT1a、和与IGBT1a反向并联连接的所谓作为续流二极管进行动作的二极管元件(以下标记为“FWD”)1b构成。同样地，第四开关元件4也由IGBT4a、和与IGBT4a反向并联连接的FWD4b构成。
与此相对，第二开关元件2由晶体管元件即MOSFET2a、和与MOSFET2a反向并联连接的FWD2b构成。同样地，第三开关元件3也由MOSFET3a、和与MOSFET3a反向并联连接的FWD3b构成。第五开关元件5及第六开关元件6的情况也相同，第五开关元件5由MOSFET5a、和与MOSFET5a反向并联连接的FWD5b构成，第六开关元件6由MOSFET6a、和与MOSFET6a反向并联连接的FWD6b构成。IGBT中仅能单向地流过电流，与此相对，MOSFET的沟道中能双向地流过电流。
上述第二开关元件2、第三开关元件3、第五开关元件5、及第六开关元件6与上述第一开关元件1和第四开关元件6的不同点在于所使用的晶体管元件的性质。若进行具体说明，则第二开关元件2、第三开关元件3、第五开关元件5、及第六开关元件6所使用的晶体管元件是电流能双向地在沟道中流动的MOSFET，与此相对，第一开关元件1及第四开关元件4所使用的晶体管元件是电流仅能单相地流动的IGBT。即，实施方式1的功率转换电路的要点之一在于，采用电流能双向地流动的晶体管来构成第二开关元件2、第三开关元件3、第五开关元件5、及第六开关元件6的各个晶体管元件。此外，将电流流动称为通电，将电流流动的路径称为通电路径。
此外，MOSFET中存在结构上的特征即体二极管。在以上结构中，通过使用体二极管，从而对于上述各个开关元件及箝位元件中的、具有能双向地通电的MOSFET的第二开关元件2、第三开关元件3、第五开关元件5、及第六开关元件6的各晶体管元件而言，也能不具有反向并联连接的FWD。此外，在第一开关元件及第四开关元件使用能双向地通电、并在结构上存在体二极管的MOSFET的情况下，第一开关元件及第四开关元件也能不具有反向并联连接的FWD。
接着，对实施方式1的三相功率转换装置的动作进行说明。图2-1至图2-3是示出实施方式1的功率转换电路(例如U相)的动作状态及通电路径的图。图3-1至图3-3是以使用IGBT及箝位二极管的现有结构的功率转换电路的动作状态及通电路径作为比较例而示出的图。在图2及图3中，箭头所示的路径表示开关元件、箝位元件或箝位二极管的任一者中电流流动(以下称为“元件电流”)的通电路径。此外，对于元件电流，将流入交流端子AC的方向设为正方向。将向交流端子AC施加上位侧直流端子P的电位(正极电位)时标记为“U相电压＝+1”，将向交流端子AC施加下位侧直流端子N的电位(负极电位)时标记为“U相电压＝－1”，将向交流端子AC施加中间电位端子C的电位(中性点电位)时标记为“U相电压＝0”。下文中的标记也同样。
若比较图2-1至图2－3和图3-1至图3－3，则在“元件电流＞0且U相电压＝+1”、“元件电流＞0且U相电压＝-1”、“元件电流＜0且U相电压＝+1”、及“元件电流＜0且U相电压＝－1”的动作状态下，如上述各图的(1)、(3)、(4)、(6)所示那样，被控制为导通的元件和通电路径相同。另一方面，在“元件电流＞0且U相电压＝0”、“元件电流＜0且U相电压＝0”的动作状态下，如上述各图的(2)及(5)所示那样，两者的通电路径不同。若具体进行说明，则如下所述。此外，下文中将导通也称为“ON(导通)”，将非导通称为“OFF(截止)”。
在实施方式1的三电平功率转换装置中，在将“U相电压＝0”即中性点电位输出到交流端子AC时，如图2－1(2)及图2-3(5)所示，将第二开关元件2、第三开关元件3、第五开关元件5、及第六开关元件6的各个MOSFET控制为导通。在图3的结构中，将第二开关元件2和第三开关元件3控制为导通，但是与中性点连接的仅有箝位二极管7a、7b，因此在“元件电流＞0且U相电压＝0”时，仅箝位二极管7a和第二开关元件2构成的路径成为通电路径。同样地，在“元件电流＜0且U相电压＝0”时，仅箝位二极管7b和第三开关元件3构成的路径成为通电路径。由此，在现有结构中，存在两个将中性点电位输出到交流端子AC的路径，但不能同时使用这两个路径。
与此相对，在实施方式1中，通过使第二开关元件2、第三开关元件3、第五开关元件5、及第六开关元件6的各个MOSFET执行导通动作，从而相比现有结构能增加将中性点电位输出到交流端子AC的路径。由于MOSFET中电流能双向地在沟道中流动，因此电流能同时流过通过第五开关元件5和第二开关元件2的路径、和通过第六开关元件5和第三开关元件2的路径这两者。
另外，MOSFET与FWD反向并联连接，且MOSFET中存在结构上的特征即体二极管。因此，对于现有结构中电流仅流向FWD的部位，电流能同时流过MOSFET的沟道、体二极管及FWD这三个路径。具体而言，在元件电流＞0且U相电压＝0时，作为通过第五开关元件5的路径，能利用MOSFET的沟道、体二极管及FWD这三个路径，作为通过第三开关元件3的路径，能利用MOSFET的沟道、体二极管及FWD这三个路径。同样地，在元件电流＜0且U相电压＝0时，作为通过第二开关元件2的路径，能利用MOSFET的沟道、体二极管及FWD这三个路径，作为通过第六开关元件6的路径，能利用MOSFET的沟道、体二极管及FWD这三个路径。
如上所述，在将中性点电位输出到交流端子AC时，能将现有结构中的一个路径分流为两个以上的路径来进行输出，因此，能降低开关元件的导通损耗。由于能对电流进行分流，因此，能分散开关元件所产生的热量，能力图简化冷却器。而且，能至少使第二开关元件2、第三开关元件3、第五开关元件5、及第六开关元件6中的任一个开关元件的电流容量小于现有结构中的电流容量。
在上文中，在将中性点电位输出到交流端子AC时，说明了利用以下路径的控制动作：即，中间电位端子C→第五开关元件5→第二开关元件2→交流端子AC这一路径；及中间电位端子C→第六开关元件6→第三开关元件3→交流端子AC这一路径，但是为了抑制功率模块(开关元件)的温度，进行分开使用上述路径的控制也是有效的。下面，说明该控制。
众所周知在使三电平功率转换装置进行动作时会在各个功率模块间产生温度的高低差。为了保护功率模块，可能会对功率模块、冷却器设置温度传感器，从而能对功率模块进行温度推定。此外，即使不设置温度传感器，也能基于发送给功率模块的控制信号的履历来推定功率模块间温度的高低。因此，例如在推定为部分功率模块相比其他功率模块的温度要高的情况下，或者在推定为部分功率模块相比其他功率模块而言当前温度并不高，但因控制信号的变化而在邻近的既定长度的时间内温度会大幅上升、或温度会开始上升的情况下，通过减小具备该功率模块的路径中的电流或使具备该功率模块的路径中无电流流过，从而进行抑制该功率模块的温度的控制是有效的。所谓抑制温度是指使温度降低、使温度不上升、即使温度上升但上升量较小。
此处，温度最高的功率模块是具有温度最高的MOSFET或二极管元件的功率模块。温度上升最多的功率模块是包含温度上升最多的MOSFET或二极管元件的功率模块。此外，在预测为之后的温度上升最多的情况下，该功率模块也包含在温度上升最多的功率模块中。
图4－1至图4-4及图5-1至图5-4是用于说明该控制的图。图4-1至图4-4中示出了元件电流为正(元件电流＞0)的情况，图5-1至图5-4中示出了元件电流为负(元件电流＜0)的情况。
若进行具体说明，在通常U相电压＝0且元件电流为正(元件电流＞0)的情况下，如图4－1(1)所示，对第二开关元件2、第三开关元件3、第五开关元件5、第六开关元件6发出导通指令，利用中间电位端子C→第五开关元件5→第二开关元件2→交流端子AC这一路径(为了方便说明称为“第一路径”)，以及中间电位端子C→第六开关元件6→第三开关元件3→交流端子AC这一路径(为了方便说明称为“第二路径”)这两个路径。但是，例如在第一路径中的一个或多个开关元件的温度较高的情况下，如图4-1(2)所示，可以对仅在MOSFET的沟道中流过电流的第二开关元件2发出截止指令，来暂时断开第一路径，而仅利用第二路径。通过使得不流过电流从而能抑制第一路径中的开关元件的温度。此外，在图4-1(1)所示的状态下，为了暂时断开第一路径，也可以向第二开关元件2和第五开关元件5发出截止指令，以获得后述图4-2(4)所示的状态。对于暂时断开一个路径的其他情况，也可以使仅MOSFET的沟道中流过电流的开关元件截止，并使该路径上的其他开关元件截止。
作为其他例子，如图4-2(3)所示，也可以对MOSFET的沟道、体二极管、FWD中流过电流的第五开关元件5发出截止指令，使MOSFET的沟道中不流过电流，从而暂时减少第一路径的电流。在图中，在MOSFET的沟道中不流过电流的情况下，在二极管元件附近示出了表示电流流动的带箭头的线。通过减小电流从而能抑制第一路径中的开关元件的温度。
在图4-2(3)的状态下无法充分抑制第一路径中的开关元件的温度的情况下，如图4-2(4)所示那样，也能采用以下方式：即，还对第二开关元件2发出截止指令，以暂时断开第一路径，而仅利用第二路径。通过使得不流过电流，从而能进一步抑制第一路径中的开关元件的温度。
在第二路径中的一个或多个开关元件的温度较高的情况下，如图4-3(5)所示，可以对仅在MOSFET的沟道中流过电流的第六开关元件6发出截止指令，来暂时断开第二路径，而仅利用第一路径。通过使得不流过电流，从而能抑制第一路径中的开关元件的温度。
作为其他例子，如图4-3(6)所示，也可以对MOSFET的沟道、体二极管、FWD中流过电流的第三开关元件3发出截止指令，使MOSFET的沟道中不流过电流，从而暂时减少第二路径的电流。通过减小电流，从而能抑制第二路径中的开关元件的温度。
在图4-3(6)的状态下无法充分抑制第二路径中的开关元件的温度的情况下，如图4-4(7)所示那样，也能采用以下方式：即，还对第六开关元件6发出截止指令，以暂时断开第二路径，而仅利用第一路径。通过使得不流过电流，从而能进一步抑制第二路径中的开关元件的温度。
通过进行上述控制，则能降低比其他元件温度要高的元件的温度、或使温度不上升、或减小温度上升，具有抑制各个元件的温度差异的效果。
图4-1至图4-4是说明元件电流为正(元件电流＞0)时的控制动作的图，但元件电流为负(元件电流＜0)时也同样。即，在通常U相电压＝0且元件电流为负(元件电流＜0)的情况下，如图5－1(1)所示，对第二开关元件2、第三开关元件3、第五开关元件5、第六开关元件6发出导通指令，利用交流端子AC→第二开关元件2→第五开关元件5→中间电位端子C这一路径(为了方便说明称为“第三路径”)，以及交流端子AC→第三开关元件3→第六开关元件6→中间电位端子C这一路径(为了方便说明称为第四路路径)这两个路径。但是，例如在第一路径中的一个或多个开关元件的温度较高的情况下，如图5-1(2)所示，可以对仅在MOSFET的沟道中流过电流的第五开关元件5发出截止指令，来暂时断开第三路径，而仅利用第四路径。通过使得不流过流动，从而能抑制第三路径中的开关元件的温度。
作为其他例子，如图5-2(3)所示，也可以对MOSFET的沟道、体二极管、FWD中流过电流的第二开关元件2发出截止指令，使MOSFET的沟道中不流过电流，从而暂时减少第三路径的电流。通过减小电流，从而能抑制第三路径中的开关元件的温度。
在图5-2(3)的状态下无法充分抑制第三路径中的开关元件的温度的情况下，如图5-2(4)所示那样，也能采用以下方式：即，还对第五开关元件5发出截止指令，以暂时断开第三路径，而仅利用第四路径。通过使得不流过电流，从而能进一步抑制第三路径中的开关元件的温度。
在第四路径中的一个或多个开关元件的温度较高的情况下，如图5-3(5)所示，可以对仅在MOSFET的沟道中流过电流的第三开关元件3发出截止指令，来暂时断开第四路径，而仅利用第三路径。通过使得不流过电流，从而能抑制第四路径中的开关元件的温度。
作为其他例子，如图5-3(6)所示，也可以对MOSFET的沟道、体二极管、FWD中流过电流的第六开关元件6发出截止指令，使MOSFET的沟道中不流过电流，从而暂时减少第四路径的电流。通过减小电流，从而能抑制第四路径中的开关元件的温度。
在图5-3(6)的状态下无法充分抑制第四路径中的开关元件的温度的情况下，如图5-4(7)所示那样，也能采用以下方式：即，还对第三开关元件3发出截止指令，以暂时断开第四路径，而仅利用第三路径。通过使得不流过电流，从而能进一步抑制第四路径中的开关元件的温度。
通过进行上述控制，则能降低温度较高的元件的温度、或使温度不上升、或减小温度上升，具有抑制各个元件的温度差异的效果。
接着，在与现有技术同样地将开关元件控制为导通或非导通的情况下，使用电流能双向地在沟道中流动的MOSFET来代替IGBT，从而能增加电流路径并降低损耗，下文中将说明该效果。
如图3-2(4)所示那样，在U相电压＝1且元件电流为负(元件电流＜0)的情况下，在第二开关元件2为IGBT时仅FWD中流过电流。本实施方式中，利用MOSFET构成第二开关元件2，因此如图2-2(4)所示，为了输出U相电压＝1而被导通的第二开关元件2中，MOSFET的沟道、体二极管、FWD这三个路径中流过电流。与IGBT的情况相比较，MOSFET的沟道、体二极管中也流过电流，因此电流密度降低，损耗减小。此外，若第一开关元件1也为MOSFET，则能获得进一步降低损耗的效果。
U相电压＝－1且元件电流为正(元件电流＞0)的情况下也同样。如图3-2(3)所示，在第三开关元件3为IGBT的情况下仅FWD中流过电流。本实施方式中，利用MOSFET构成第三开关元件3，因此如图2-2(3)所示，为了输出U相电压＝－1而被导通的第三开关元件3中，MOSFET的沟道、体二极管、FWD这三个路径中流过电流。与IGBT的情况相比较，MOSFET的沟道、体二极管中也流过电流，因此电流密度降低，损耗减小。此外，若第四开关元件4也为MOSFET，则能获得进一步降低损耗的效果。
接着，对用于稳定电位的平衡电阻进行说明。图6是表示具有用于稳定电位的平衡电阻的现有技术的功率转换电路的结构的图。将电容器8a、8b控制为电压相同，若以变量V进行表示，则在图6中，上位侧直流端子P的电位为2V，中间电位端子C的电位为V，下位侧直流端子N的电位为0。在第一开关元件31、第二开关元件32、第三开关元件33、及第四开关元件34全部为截止的情况下，若假设对上述各个元件都施加相等的电压这一初始条件，则施加到各个元件的两端的电压为0.5V。在该状态下，交流端子AC的电位为V。若从该状态起，将第一开关元件31及第二开关元件31控制为导通，将第三开关元件33及第四开关元件34控制为截止，则流过图6所示的电流。此处，因为第一开关元件31及第二开关元件32的导通电阻较小，因此若将其设为0，则交流端子AC的电位为2V。在开关元件全部截止的情况下，交流端子AC的电位为V，但使交流端子AC的电位上升V而成为2V。在不存在电位稳定用电阻37、38的情况下，根据情况进行变化，从而由第三开关元件33和第四开关元件34中的某一个来负担电压上升量V。但是，若第三开关元件33和第四开关元件34的连接部B的电位高于V，则箝位二极管7b导通，电位下降到V。因而，连接部B的电位为0.5V到V之间的值，因而不稳定。
例如，在连接部B的电位为0.5V的情况下，向第三开关元件33施加1.5V(2V-0.5V)的电压，即，向第三开关元件33施加所有元件为非导通时的三倍的电压。图6中的电位稳定用电阻37、38用于使上述不稳定电位稳定，其目的在于使连接部A、B的电位通过各电位稳定用电阻37、38而与中间电位端子C的电位相一致。
另外，实施方式1的三电平功率转换装置中，在开关控制的周期中将中间电位端子C的电位输出到交流端子AC的期间，将第五开关元件5及第六开关元件6控制为导通，使连接部A、B的电位与中间电位端子C的电位大致一致，因此能无需电位稳定用电阻37、38。
如上所述，根据实施方式1的三电平功率转换装置，对于采用具有晶体管元件和与晶体管元件反向并联连接的二极管这一结构的第一及第六开关元件，利用IGBT构成第一及第四晶体管元件，利用电流能双向流通的MOSFET构成第二、第三、第五及第六晶体管元件，因此能增加输出中性点电位时的电流路径，因此能获得降低导通损耗及力图实现元件发热量均匀的效果。
根据实施方式1的三电平功率转换装置，不需要现有技术中设置的电位稳定用电阻，因此能减少元件数量，能降低成本。能消除电位稳定用电阻的功率损耗，因此能组装出比现有装置效果更高的三电平功率转换装置。
实施方式2.
图7是说明本发明的实施方式2的三电平功率转换装置的电路结构的局部电路图。实施方式1的三电平功率转换装置中，利用电流能双向地导通的MOSFET来构成中性点周围的四个晶体管元件，但是在实施方式2中，使用MOSFET来构成所有晶体管元件。根据上述结构，由于所有元件的结构相同，因此，能利用同一种元件模块进行组装，具有无需准备多种元件模块的效果。
接着，对实施方式2的三电平功率转换装置的模块结构进行说明。最近，有时会使用将两个元件收纳于一个模块内的双元件装入式模块。若使用该双元件装入式模块，则能利用三个模块来构成三电平功率转换装置的一个相。此外，在利用三个模块来构成一个相的情况下，例如以图8中如虚线所示的划分来进行模块化时，能使将第五开关元件5及第六开关元件6构成为一个模块10A的电流容量小于其他模块10B、10C的电流容量。另外，例如以图9中虚线所示的划分进行模块化的情况下，能使将第二开关元件2及第三开关元件3构成为一个模块11A的电流容量小于其他模块11B、11C的电流容量。
在图9所示的模块结构中，具有能活用双元件装入式模块的特征来构成低电感电路的效果。参照图10对该效果进行说明。
图10是对图9的电路图附加了电感环20后的图。众所周知图示的电感环20是表示受到进行开关时所产生的急剧的电流变化率(di/dt)的影响的路径的环路之一。由电感环20构成的路径中除了直流环的部分之外都通过模块11B的内部。模块之间几乎不存在路径，电感环较短且较小，因此根据本结构能将电感环20设为低电感电路。因此，作为要求低电感电路的用途，将图5所示的模块结构用于例如需要大电流的铁路车辆用的三电平功率转换装置是非常有用的。
如上所述，在使用双元件装入式模块来构成实施方式2的三电平功率转换装置的情况下，能应对例如图8所示的模块情况及图9所示的模块结构，因此能获得具有构成双元件装入式模块时的柔软性的效果。
实施方式3.
实施方式3中，说明形成晶体管元件、二极管元件的原材料。作为用于功率转换电路的晶体管元件、二极管元件，一般使用硅(Si)。在上述实施方式1、2所说明的技术中，能够使用该一般的Si元件来构成。
另一方面，上述实施方式1、2的技术并不仅限于该Si元件。也能使用近年来颇受瞩目的以碳化硅(SiC)为原材料的晶体管元件(SiC元件)和二极管元件(SiC元件)来构成，以代替硅(Si)。
SiC元件与Si元件相比具有以下优异特性：即，热传导率较大，能在高温下进行动作，开关损耗较小。功率转换电路中的晶体管元件和二极管元件中的一个或两者采用SiC元件，从而能利用SiC的优点。即，由于热传导率较大、能在高温下进行动作，因此，能实现冷却机构的小型化，能进一步减小模块的尺寸。另外，由于开关损耗较小，因此能抑制发热，实现冷却机构的小型化，进一步减小模块的尺寸。
另外，SiC具有带隙大于Si的特征，是被称为宽带隙半导体的半导体的一个示例(与此相对地，Si被称为窄带隙半导体)。除了上述SiC以外，例如使用氮化钙类材料或者金刚石而形成的半导体也属于宽带隙半导体，它们的特性中也有许多与碳化硅相似之处。因此，使用SiC以外的其它宽带隙半导体的结构也能实现本发明的主要思想。
如上所述，SiC元件是非常有希望的元件，但是SiC元件的制造技术不如Si元件发达。例如元件材料即SiC晶片的口径小于Si晶片，晶片中的缺陷数量较多。在芯片尺寸增大的情况下或芯片排列数增加的情况下，相比Si元件，SiC元件的生产率会大幅恶化。生产率的恶化会导致元件可靠性的降低、制作成本的增加。即，为了将使用当前的SiC元件的制造技术而得到的SiC元件用于功率转换电路的晶体管元件和二极管元件中的一者或两者，力求减小SiC元件的芯片尺寸，并减小芯片排列数。在本发明中进行控制，使得将中性点电位输出到交流端子的通电路径为多个，因此能减小各路径中流过的电流。根据本发明，能减小SiC元件的芯片尺寸，能减少芯片排列数，能实现使用SiC元件的功率转换电路。如上所述，对于使用SiC元件的功率转换装置，本发明特别有用。
实施方式4.
图11是说明本发明的实施方式4的三电平功率转换装置的电路结构的局部电路图。实施方式1的三电平功率转换装置中，利用电流能双向地导通的MOSFET来构成中性点周围的四个晶体管元件，并设置与MOSFET反向并联连接的二极管元件，但是在实施方式4中，仅利用电流能双向地导通的MOSFET来构成中性点周围的四个晶体管元件。
MOSFET具有体二极管，因此即使不设置二极管元件，功率转换装置也能进行动作。动作与实施方式1的情况相同。由于可以不设置二极管元件，因此，能减小模块尺寸。
实施方式5.
图12是说明本发明的实施方式5的三电平功率转换装置的电路结构的局部电路图。实施方式2的三电平功率转换装置中，利用电流能双向地导通的MOSFET来构成所有晶体管元件，并设置与MOSFET反向并联连接的二极管元件，但是在实施方式5中，仅利用电流能双向地导通的MOSFET来构成所有晶体管元件。
由于所有元件都具有相同结构，因此能利用同一种元件模块来进行组装，具有无需准备多种元件模块的效果，这点与实施方式2相同。模块的构成方法、动作及效果与实施方式2相同。由于可以不设置二极管元件，因此，能减小模块尺寸。
此外，以上的实施方式1至5所示的结构是本发明结构的一个示例，也可以与其它公知技术进行组合，在不脱离本发明要点的范围内，当然也可以省略一部分等或进行变更来构成。
工业上的实用性
如上所述，本发明的三电平功率转换装置作为能降低导通损耗的发明是有用的。
标号说明
1、31第一开关元件
2、32第二开关元件
3、33第三开关元件
4、34第四开关元件
5第五开关元件
6第六开关元件
10A、10B、10C、11A、11B、11C模块
11B，11Cモジュール
20电感环
37、38电位稳定用电阻
A、B连接端
AC交流端子
P上位侧直流端子
C中间电位端子
N下位侧直流端子。

Claims (11)

1.一种三电平功率转换装置，
具有功率转换电路，该功率转换电路的一个相选择上位侧直流端子、中间电位端子、及下位侧直流端子中的任一电位并输出到交流端子，包括：依次串联连接在所述上位侧直流端子和所述下位侧直流端子之间的第一开关元件、第二开关元件、第三开关元件和第四开关元件；连接在所述第一开关元件和所述第二开关元件的连接部与所述中间电位端子之间的第五开关元件；以及连接在所述第三开关元件和所述第四开关元件的连接部与所述中间电位端子之间的第六开关元件，所述交流端子连接到所述第二开关元件和所述第三开关元件的连接部，其特征在于，
所述第一开关元件至第六开关元件分别具有晶体管元件和与所述晶体管元件反向并联连接的二极管元件，
所述第二开关元件、第三开关元件、第五开关元件、及第六开关元件的所述晶体管元件由MOSFET构成。
2.一种三电平功率转换装置，
具有功率转换电路，该功率转换电路的一个相选择上位侧直流端子、中间电位端子、及下位侧直流端子中的任一电位并输出到交流端子，包括：依次串联连接在所述上位侧直流端子和所述下位侧直流端子之间的第一开关元件、第二开关元件、第三开关元件、第四开关元件；连接在所述第一开关元件和所述第二开关元件的连接部与所述中间电位端子之间的第五开关元件；以及连接在所述第三开关元件和所述第四开关元件的连接部与所述中间电位端子之间的第六开关元件，所述交流端子连接到所述第二开关元件和所述第三开关元件的连接部，其特征在于，
所述第一开关元件至第四开关元件分别具有晶体管元件和与所述晶体管元件反向并联连接的二极管元件，
所述第二开关元件、第三开关元件、第五开关元件、及第六开关元件分别具有MOSFET。
3.一种三电平功率转换装置，
具有功率转换电路，该功率转换电路的一个相选择上位侧直流端子、中间电位端子、及下位侧直流端子中的任一电位并输出到交流端子，包括：依次串联连接在所述上位侧直流端子和所述下位侧直流端子之间的第一开关元件、第二开关元件、第三开关元件、第四开关元件；连接在所述第一开关元件和所述第二开关元件的连接部与所述中间电位端子之间的第五开关元件；以及连接在所述第三开关元件和所述第四开关元件的连接部与所述中间电位端子之间的第六开关元件，所述交流端子连接到所述第二开关元件和所述第三开关元件的连接部，其特征在于，
所述第一开关元件至第六开关元件分别具有MOSFET。
4.如权利要求1至3的任一项所述的三电平功率转换装置，其特征在于，
在将所述中间电位端子的电位输出到所述交流端子时，将所述第二开关元件、第三开关元件、第五开关元件、及第六开关元件的所述MOSFET控制为导通。
5.如权利要求4所述的三电平功率转换装置，其特征在于，
在将所述中间电位端子的电位输出到所述交流端子时，在所述第二开关元件、第三开关元件、第五开关元件、及第六开关元件的所述MOSFET和所述二极管元件之中，将包含温度最高的元件或温度上升最多的元件的路径上的至少一个所述MOSFET控制为截止。
6.如权利要求1至3的任一项所述的三电平功率转换装置，其特征在于，
使得所述第二开关元件、第三开关元件、第五开关元件、及第六开关元件中的至少一个的电流容量小于所述第一开关元件及所述第四开关元件。
7.如权利要求1所述的三电平功率转换装置，其特征在于，
所述第一开关元件及第四开关元件的所述晶体管元件由MOSFET构成。
8.如权利要求7所述的三电平功率转换装置，其特征在于，
包括：具有所述第一开关元件及第二开关元件的第一双元件装入式模块；具有所述第三开关元件及第四开关元件的第二双元件装入式模块；以及具有所述第五开关元件及第六开关元件且电流容量小于所述第一双元件装入式模块及第二双元件装入式模块的第三双元件装入式模块。
9.如权利要求7所述的三电平功率转换装置，其特征在于，
包括：具有所述第一开关元件及第五开关元件的第一双元件装入式模块；具有所述第四开关元件及第六开关元件的第二双元件装入式模块；以及具有所述第二开关元件及第三开关元件且电流容量小于所述第一双元件装入式模块及第二双元件装入式模块的第三双元件装入式模块。
10.如权利要求1至权利要求9的任一项所述的三电平功率转换装置，其特征在于，
所述晶体管元件及所述二极管元件中的一个或两者由宽带隙半导体形成。
11.如权利要求10所述的三电平功率转换装置，其特征在于，
所述宽带隙半导体是使用了碳化硅、氮化镓类材料、或者金刚石的半导体。
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