CN105337509A - 功率转换装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种功率转换装置，其在向功率转换装置供给的电源断开时等，能够防止过大的电流流过主电路的开关元件，从而防止该开关元件受到破坏。该功率转换装置包含串联连接多个开关元件而形成的第一开关部，该功率转换装置的特征在于，所述多个开关元件包含至少大于或等于1个栅极电压阈值小于或等于规定值的开关元件、以及至少大于或等于1个栅极电压阈值大于规定值的开关元件。

Description

功率转换装置

本申请是基于2013年9月10日提出的中国国家申请号201180069181.8(PCT/JP2011/001403)申请(功率转换装置)的分案申请，以下引用其内容。

技术领域

本发明涉及一种功率转换装置，特别涉及功率转换装置中的开关元件和其周边电路。

背景技术

例如，在专利文献1中公开了一种升压斩波电路，其在当前的功率转换装置的开关元件中，使用以SiC或GaN等形成的宽带隙半导体，充分发挥开关元件的高速通断特性。

另外，在专利文献2中公开了开关元件使用SiC元件的3相逆变器的例子，此外，在专利文献3中公开了3相3级转换器的开关元件使用SiC元件的例子。并且，在专利文献4中公开了在基于交流电源得到直流电压的PWM转换器中使用以SiC或GaN等形成的宽带隙半导体的例子。

专利文献1：日本特开2006－67696号公报

专利文献2：日本特开2000－224867号公报

专利文献3：日本特开2001－112260号公报

专利文献4：日本特开2008－61403号公报

发明内容

通常，SiC－MOS晶体管具有通断损耗小，能够高速通断的特点。由此，例如在将SiC－MOS晶体管用于功率转换装置的情况下，能够使该功率转换装置的滤波器或电流限制用的电抗器小型化，另外，在用作为电动机驱动用逆变器的情况下，能够减少电动机损耗。

但是，如果不将SiC－MOS晶体管芯片设计为栅极阈值电压低，则SiC－MOS晶体管的导通电阻增加，因此存在导通损耗增加的缺点。为了解决上述缺点，大多将上述芯片设计为栅极阈值电压接近零电压，或将上述芯片设计为栅极阈值电压小于或等于零电压即作为所谓的常通(normallyon)型。

在将以上述栅极阈值电压小于或等于零电压的方式设计出的SiC－MOS晶体管用作功率转换装置的开关元件的情况下，为了将该SiC－MOS晶体管置于断开状态，必须作为栅极电压而持续施加负电压。另外，即使对于使用以栅极阈值电压为正电压的方式设计出的SiC－MOS晶体管的情况，在该栅极阈值电压接近零电压的情况下，有时由于外部噪声等的影响发生误动作而导通。因此，为了防止由上述误动作引起的导通，与使用以上述栅极阈值电压小于或等于零电压的方式设计出的SiC－MOS晶体管的情况相同地，必须作为栅极电压而持续施加负电压。

在此，在作为上述例子而举出的当前的功率转换装置中，在与功率转换装置连接的电源断路器断开，或由于停电等原因而在开关主电路电压下降之前对开关主电路进行控制的控制电路电压被切断的情况下，无法作为栅极电压而持续施加负电压，栅极电压为零。此时，如果累积在电容器等中的主电路电压向SiC－MOS晶体管的漏极－源极之间施加，则原本应处于断开状态的SiC－MOS晶体管成为接通状态，包含电容器放电电流在内的过大电流会流过SiC－MOS晶体管，存在SiC－MOS晶体管被破坏的问题。

并且，在向功率转换装置供给的电源接通时，在控制电路的电压上升至控制电路能够动作的值之前，如果主电路电压上升而向SiC－MOS晶体管的漏极－源极之间施加电压，则由于栅极电压为零电压，因此SiC－MOS晶体管成为接通状态，因此，与上述情况相同地，包含电容器放电电流在内的过大电流会流过SiC－MOS晶体管，存在SiC－MOS晶体管被破坏的问题。

另外，除了上述的过大电流会流过SiC－MOS晶体管的问题之外，还存在下述问题，即，在当前的使用SiC－MOS晶体管的功率转换装置中，在发生接地故障等的情况下，即使SiC－MOS晶体管的栅极电压为零电压的状态，SiC－MOS晶体管也仍然变为接通状态，因此，过大的接地电流经由SiC－MOS晶体管而流过，由此，SiC－MOS晶体管被破坏。

本发明就是鉴于上述情况而提出的，其提供一种功率转换装置，该功率转换装置在向控制开关元件的控制电路供给的电源断开时，或在接通电源后的控制电源电压上升的过程中等，在施加有主电路电压的状态下控制电路电压降低的情况下，能够防止过大的电流流过开关元件，防止开关元件的破坏。

本发明所涉及的功率转换装置的特征在于，由第一开关元件和第二开关元件构成的一对开关部与向该开关部输入直流电压的直流电源输入端子连接，其中，该第一开关元件的栅极电压阈值为第一规定值，该第二开关元件的栅极电压阈值为比所述第一规定值高的第二规定值，所述第一开关元件和所述第二开关元件的连接点与负载连接，该功率转换装置具有第一控制部，该第一控制部对开关元件的栅极信号进行控制，以使得所述第一开关元件通断的次数比所述第二开关元件通断的次数多。(技术方案1)。

另外，所述功率转换装置的特征在于，由第一开关元件和第二开关元件构成的一对开关部与第三开关元件连接，其中，该第一开关元件的栅极电压阈值为第一规定值，该第二开关元件的栅极电压阈值为比所述第一规定值高的第二规定值，该第三开关元件与所述开关部串联连接，该第三开关元件的栅极电压阈值低于所述第二规定值，所述开关部和所述第三开关元件的串联电路与向该串联电路输入直流电压的直流电源输入端子连接，所述开关部和所述第三开关元件的连接点与负载连接，该功率转换装置具有第一控制部，该第一控制部对开关元件的栅极信号进行控制，以使得所述第一开关元件通断的次数比所述第二开关元件通断的次数多(技术方案2)。

另外，所述功率转换装置的特征在于，所述负载是电动机、交流电源或电抗器(技术方案3)。

并且，所述功率转换装置的特征在于，所述功率转换装置是升压斩波电路，该升压斩波电路将串联连接由第一开关元件和第二开关元件构成的一对开关部和二极管而形成的电路与所述输出端子并联连接，其中，该第一开关元件的栅极电压阈值为第一规定值，该第二开关元件的栅极电压阈值为比所述第一规定值高的第二规定值，所述二极管和所述开关部的连接点与电抗器连接，所述电抗器的一端和所述开关部的一端与向所述升压斩波电路输入直流电压的直流电源输入端子连接，该功率转换装置具有第一控制部，该第一控制部对开关元件的栅极信号进行控制，以使得所述第一开关元件通断的次数比所述第二开关元件通断的次数多(技术方案4)。

并且，所述功率转换装置的特征在于，所述第一控制部在输入了足以正常进行动作的直流电压时，以使向所述第一开关元件输入的输入信号始终接通，对向该第二开关元件的栅极端子输入的输入信号进行脉宽调制的方式，控制所述第一开关元件及所述第二开关元件的栅极驱动信号(技术方案5)。

另外，所述功率转换装置的特征在于，具有：开关电路，在该开关电路中，多个开关部与向该开关部施加直流电压的直流电源输入端子并联连接，其中，该开关部具有串联连接的多个第一开关元件，该第一开关元件的栅极电压阈值为第一规定值；控制部，其将所述第一开关元件控制为接通或断开；以及第二开关元件，其位于所述开关电路与所述直流电源输入端子之间，栅极电压阈值为比所述第一规定值高的第二规定值，所述串联连接的多个第一开关元件之间的任意一个连接点与负载连接，所述控制部在使所述第二开关元件接通后，进行使第一开关元件接通或断开的控制，以向所述负载施加期望的电压。(技术方案6)。

另外，所述功率转换装置的特征在于，所述第二开关元件连接至所述开关电路的正极侧和所述直流电源输入端子的正极侧之间(技术方案7)。

另外，所述功率转换装置的特征在于，所述第二开关元件连接至所述开关电路的负极侧和所述直流电源输入端子的负极侧之间(技术方案8)。

另外，所述功率转换装置的特征在于，所述第二开关元件连接至所述开关电路的正极侧和所述直流电源输入端子的正极侧之间以及所述开关电路的负极侧和所述直流电源输入端子的负极侧之间(技术方案9)。

另外，所述功率转换装置的特征在于，具有：开关电路，在该开关电路中，多个开关部与向该开关部施加直流电压的直流电源输入端子并联连接，其中，该开关部是将第一开关元件和第二开关元件串联连接而成的，该第一开关元件的栅极电压阈值为第一规定值，该第二开关元件的栅极电压阈值为比所述第一规定值高的第二规定值；以及控制部，其将所述第一开关元件及所述第二开关元件控制为接通或断开，在所述开关部中，所述第一开关元件与所述直流电源输入端子的正极侧连接，所述第二开关元件与所述直流电源输入端子的负极侧连接，该功率转换装置具有第三开关元件，该第三开关元件位于所述开关电路的正极侧和所述直流电源输入端子的正极侧之间，栅极电压阈值为比所述第一规定值高的第三规定值，所述串联连接的第一开关元件和第二开关元件之间的任意一个连接点与负载连接，所述控制部在使所述第三开关元件接通后，进行使第一及第二开关元件接通或断开的控制，以向所述负载施加期望的电压。(技术方案10)。

另外，所述功率转换装置的特征在于，该功率转换装置具有第三开关元件，该第三开关元件位于所述开关电路的负极侧和所述直流电源输入端子的负极侧之间，栅极电压阈值为比所述第一规定值高的第三规定值(技术方案11)。

另外，所述功率转换装置的特征在于，具有：开关电路，在该开关电路中，多个开关部与向该开关部施加直流电压的直流电源输入端子并联连接，其中，该开关部是将第一开关元件和第二开关元件串联连接而成的，该第一开关元件的栅极电压阈值为第一规定值，该第二开关元件的栅极电压阈值为比所述第一规定值高的第二规定值；以及控制部，其将所述第一开关元件及所述第二开关元件控制为接通或断开，在所述开关部中，所述第一开关元件与所述直流电源输入端子的负极侧连接，所述第二开关元件与所述直流电源输入端子的正极侧连接，该功率转换装置具有第三开关元件，该第三开关元件位于所述开关电路的负极侧和所述直流电源输入端子的负极侧之间，栅极电压阈值为比所述第一规定值高的第三规定值，所述串联连接的第一开关元件和第二开关元件之间的任意一个连接点与负载连接，所述控制部在使所述第三开关元件接通后，进行使第一及第二开关元件接通或断开的控制，以向所述负载施加期望的电压(技术方案12)。

并且，所述功率转换装置的特征在于，具有第三开关元件，该第三开关元件位于所述开关电路的正极侧和所述直流电源输入端子的正极侧之间，栅极电压阈值为比所述第一规定值高的第三规定值(技术方案13)。

并且，所述功率转换装置的特征在于，与所述第二开关元件反向并联地连接二极管(技术方案14)。

并且，所述功率转换装置的特征在于，与所述第三开关元件反向并联地连接二极管(技术方案15)。

并且，所述功率转换装置的特征在于，所述第二开关元件及所述第三开关元件是栅极电压阈值高于2V的开关元件(技术方案16)。

并且，所述功率转换装置的特征在于，所述第一开关元件是栅极阈值电压小于或等于2V的开关元件(技术方案17)。

并且，所述功率转换装置的特征在于，所述第二开关元件及所述第三开关元件是由硅制作出的IGBT或MOSFET(技术方案18)。

并且，所述功率转换装置的特征在于，所述第一开关元件是作为宽带隙半导体的SiC(碳化硅)或GaN(氮化镓)的单极开关元件(技术方案19)。

发明的效果

如上所述，根据本发明所涉及的功率转换装置，通过构成为，由第一开关元件和第二开关元件构成的一对开关部与向该开关部输入直流电压的直流电源输入端子连接，其中，该第一开关元件的栅极电压阈值为第一规定值，该第二开关元件的栅极电压阈值为比所述第一规定值高的第二规定值，从而在向控制所述第一开关元件及第二开关元件的电路供给的电源断开时，即使在所述开关元件中，第一开关元件无法成为断开状态，第二开关元件也能够成为断开状态，其中，第一开关元件的栅极电压阈值为第一规定值，第二开关元件的栅极电压阈值为比第一规定值高的第二规定值。其结果，即使向上述控制电路供给的电源断开，也能够防止过大的电流流过上述第一开关元件及第二开关元件，从而防止开关元件被破坏。另外，通过构成为具有第一控制部，其对开关元件的栅极信号进行控制，以使得所述第一开关元件通断的次数比所述第二开关元件通断的次数多，从而能够低损耗地使功率转换装置动作。

另外，通过将所述功率转换装置构成为，由第一开关元件和第二开关元件构成的一对开关部与向该开关部输入直流电压的直流电源输入端子连接，与第三开关元件连接，其中，该第一开关元件的栅极电压阈值为第一规定值，该第二开关元件的栅极电压阈值为比所述第一规定值高的第二规定值，该第三开关元件与所述开关部串联连接，该第三开关元件的栅极电压阈值低于所述第二规定值，所述开关部和所述第三开关元件的连接点与负载连接，从而，即使断开向用于控制所述开关部内的各开关元件及所述第三开关元件的电路供给的电源，也能够通过所述开关部内的第二开关元件可靠地切断电流。并且，通过所述开关部、和与其串联连接的栅极电压阈值低于第二规定值的第三开关元件，能够低损耗地向负载施加任意的电压。并且，通过构成为具有第一控制部，其对开关元件的栅极信号进行控制，以使得所述第一开关元件通断的次数比所述第二开关元件通断的次数多，从而能够低损耗地使功率转换装置动作。

另外，通过形成为升压斩波电路，该升压斩波电路构成为，将由第一开关元件和第二开关元件构成的一对开关部与向该开关部输入直流电压的直流电源输入端子连接，并具有与负载连接的输出端子，其中，该第一开关元件的栅极电压阈值为第一规定值，该第二开关元件的栅极电压阈值为比所述第一规定值高的第二规定值，将串联连接所述开关部和二极管而形成的电路与所述输出端子并联连接，所述二极管和所述开关部的连接点与电抗器连接，从而能够高可靠性地构成低损耗、能够进行高载波动作的升压斩波电路。并且，通过构成为具有第一控制部，其对开关元件的栅极信号进行控制，以使得所述第一开关元件通断的次数比所述第二开关元件通断的次数多，从而能够低损耗地使功率转换装置动作。

另外，所述第一控制部在输入了足以正常动作的直流电压时，以使向所述第一开关元件输入的输入信号始终接通，对向该第二开关元件的栅极端子输入的输入信号进行脉宽调制的方式，控制所述第一开关元件及所述第二开关元件的栅极驱动信号，由此，例如在向功率转换装置供给的电源接通时，能够防止由于错误导致所述第一开关元件及所述第二开关元件双方同时成为接通状态而在所述第一开关元件和第二开关元件中流过过大的电流，从而防止开关元件被破坏。

另外，通过构成为具有：开关电路，在该开关电路中，多个开关部与向该开关部施加直流电压的直流电源输入端子并联连接，其中，开关部具有串联连接的多个第一开关元件，该第一开关元件的栅极电压阈值为第一规定值；控制部，其将所述第一开关元件控制为接通或断开；以及第二开关元件，其位于所述开关电路与所述直流电源输入端子之间，其栅极电压阈值为比所述第一规定值高的第二规定值，所述串联连接的多个第一开关元件之间的任意一个连接点与负载连接，所述控制部在使所述第二开关元件接通后，进行使第一开关元件接通或断开的控制，以向所述负载施加期望的电压，从而仅通过追加1个开关元件，就能够形成可以实现下述效果的结构，即，即使在控制电源电压下降时断开向上述控制电路供给的电源，也能够防止在上述多个开关元件中流过过大的电流。

并且，通过与所述栅极电压阈值为第二规定值的第二开关元件和栅极电压阈值低于所述第二规定值的第三开关元件反向并联地连接二极管，从而能够防止通断时的电涌电压，另外，在功率转换装置的负载为电动机等的情况下，能够将累积在负载侧的电感中的能量再生至直流电源，防止在所述第二开关元件和所述第三开关元件中产生过大的电压。

并且，关于所述栅极电压阈值为第一规定值的第一开关元件，通过使用栅极电压阈值为小于或等于2V的开关元件，从而能够低损耗或高载波地使功率转换装置进行通断。

并且，第二开关元件和第三开关元件通过使用由硅制作出的IGBT或MOSFET，从而具有能够廉价地构成的优点，其中，该第二开关元件的栅极电压阈值为第二规定值，该第三开关元件的栅极电压阈值低于所述第二规定值。

并且，关于栅极电压阈值为第一规定值的第一开关元件，通过使用作为宽带隙半导体的SiC(碳化硅)或GaN(氮化镓)的单极开关元件，从而能够低损耗或高载波地使功率转换装置进行通断。

附图说明

图1是本发明的实施方式1中的功率转换装置，是用于升压斩波电路的情况下的结构例。

图2是本发明的实施方式1中的功率转换装置，是用于3相逆变器电路的情况下的结构例。

图3是本发明的实施方式2中的功率转换装置，是用于3相逆变器电路的情况下的结构例。

图4是本发明的实施方式3中的功率转换装置，是用于3相逆变器电路的情况下的结构例。

图5是本发明的实施方式4中的功率转换装置，是用于3相逆变器电路的情况下的结构例。

具体实施方式

下面，基于附图，对本发明所涉及的功率转换装置的实施方式进行详细说明。此外，本发明并不受本实施方式限定。

实施方式1

图2是本发明的实施方式1中的功率转换装置，是用于3相逆变器电路的情况下的结构例。在图2中，从交流电源20输入的三相交流电压经由开关21通过二极管电桥22进行整流，并作为直流电压供给至电容器23。另外，栅极电压阈值为第一规定值的第一开关元件24a和24b、25a和25b以及26a和26b分别串联连接，并且，栅极电压阈值为比第一规定值高的第二规定值的第二开关元件40a与上述24b、栅极电压阈值为比第一规定值高的第二规定值的第二开关元件41a与上述25b、以及栅极电压阈值为比第一规定值高的第二规定值的第二开关元件42a与26b分别串联连接而构成1个支路并作为第一开关部。并且，在电容器23的两端具有将电容器23的直流电压向所述第一开关部输入的直流电源输入端子33a及33b，经由该直流电源输入端子，所述第一开关部与电容器23并联连接而构成3个支路。另外，开关元件24a和24b的连接点、25a和25b的连接点以及26a和26b的连接点分别与三相电动机28连接。在此，在图2中，利用在栅极电压阈值为第一规定值的第一开关元件24a、24b、25a、25b、26a及26b各自的元件内形成的体二极管，构成反向并联二极管，作为所述各开关元件的续流二极管。此外，栅极电压阈值为比第一规定值高的第二规定值的第二开关元件40a、41a、42a分别与续流二极管40b、41b、42b反向并联连接。

作为上述栅极电压阈值为第一规定值的第一开关元件，为了减少功率转换装置的通断损耗或导通损耗，使用作为宽带隙半导体的SiC(碳化硅)或GaN(氮化镓)的单极开关元件。并且，经由开关21而与交流电源20连接的控制电源29供给用于使第二控制部30a内的控制电路动作的控制电路电压，从该第二控制部30a输出栅极驱动信号31a，该栅极驱动信号31a用于使开关元件24a、24b、25a、25b、26a、26b和40a、41a、42a接通、断开。

在此，在开关21接通的情况下，从交流电源20向电容器23施加电压，并且，从控制电源29输出第二控制部30a所需的电压。在第二控制部30a中，如果从控制电源29输出的控制电路电压大于或等于足以使该第二控制部30a的内部电路正常动作的规定值，则以使与第二控制部30a串联连接的开关元件24a和24b、25a和25b及26a和26b的组合各自的某一方接通，另一方断开的方式，输出栅极驱动信号31a，以向三相电动机28施加期望的电压。此外，开关元件24a、24b、25a、25b、26a及26b的栅极电压阈值为第一规定值，该规定值为小于或等于2V的低电压，因此，在使所述各开关元件接通时，将正极性的电压作为栅极驱动信号31a而从第二控制部30a输出，反之，在使所述开关元件断开时，将负极性的电压作为栅极驱动信号31a而从第二控制部30a输出，以可靠地确保开关元件处于断开状态。

另外，在第二控制部30a中，如果从控制电源29输出的控制电路电压大于或等于规定值，则以开关元件40a、40b、40c成为接通状态的方式输出栅极驱动信号31a。反之，如果三相交流电源20的输出电压下降，或开关21断开，则控制电源29的输出电压不断下降。在此，在第二控制部30a中，对从控制电源29输出的控制电路电压进行监视，如果所述控制电路电压小于或等于预先设定的值，则输出栅极驱动信号31a将开关元件40a、41a、42a设为断开。

在上述的现有技术中，由于没有栅极电压阈值为比第一规定值高的第二规定值的第二开关元件40a、41a及42a，因此，在从控制电源29输出的第二控制部30a的控制电路电压为零时在电容器23的两端具有残留电压的状况下，在栅极电压阈值为第一规定值的第一开关元件24a、24b、25a、25b、26a及26b中，例如如开关元件24a和24b那样，如果彼此串联连接的2个开关元件由于噪声等发生误动作而接通，则电容器23短路而在所述开关元件中流过过大的电流，因此，所述第一开关元件被破坏。

另外，在不是如上所述串联连接的2个开关元件，而是例如如开关元件24a和25b那样，不同支路的上侧的开关元件和下侧的开关元件同时接通的情况时，在所述开关元件同时接通的期间较长的情况下，经由三相电动机28而流过所述开关元件的电流增大，上述开关元件被破坏。特别地，在开关元件24a、24b、25a、25b、26a及26b的栅极电压阈值为小于或等于零电压的情况下，控制电源29的输出电压下降，第二控制部30a的控制电路电压成为零电压，即使栅极驱动信号31a输出零电压，第一开关元件24a、24b、25a、25b、26a及26b仍然成为接通状态，即使没有噪声等的影响，电容器23也会短路而在所述开关元件中流过过大的电流，因此，所述第一开关元件会容易地被破坏。

但是，如图2所示，在本发明的实施方式1中的3相逆变器电路中，通过栅极电压阈值为比第一规定值高的第二规定值的第二开关元件40a、41a及42a将要流过所述开关元件的过大的电流切断，因此，能够防止因上述的开关元件24a、24b、25a、25b、26a及26b的误触发而破坏开关元件。

在本实施例中示出了下述例子，即，通过第二控制部30a监视从控制电源29输出的控制电路电压，如果小于或等于预先设定的值，则以使第二开关元件40a、41a及42a断开的方式输出栅极驱动信号31a，但即使控制电路电压没有下降，在第一开关元件24a、24b、25a、25b、26a及26b断开的情况下，第二控制部30a可以进行控制以使第二开关元件40a、41a及42a断开。

另外，在图2中，利用在栅极电压阈值为第一规定值的第一开关元件24a、24b、25a、25b、26a及26b的元件内形成的体二极管，构成作为续流二极管的反向并联二极管，但通过将其他的二极管与上述各开关元件反向并联连接，使其具有与所述续流二极管相同的功能，当然可以实现与上述相同的效果。并且，在下支路侧设置有栅极电压阈值为比第一规定值高的第二规定值的第二开关元件40a、41a及42a，但也可以将该第二开关元件设置在上支路侧，只要位于能够切断来自电容器23的电流的位置，则当然可以实现相同的效果。并且，即使构成为在3个支路中，在某一个支路中将栅极电压阈值为比第一规定值高的第二规定值的第二开关元件设置在上支路侧，在其他的支路中将栅极电压阈值为比第一规定值高的第二规定值的第二开关元件设置在下支路侧，也当然可以实现与上述相同的效果。

图1是本发明的实施方式1中的另一实施例的功率转换装置，是用于升压斩波电路的情况下的结构例。在图1中，从交流电源1输入的交流电压经由开关2通过二极管电桥3进行整流，并作为直流电压供给至电容器4。另外，栅极电压阈值为第一规定值的第一开关元件6、和栅极电压阈值为比第一规定值高的第二规定值的第二开关元件7串联连接而构成第一开关部。并且，在电容器4的两端具有将电容器4的直流电压向所述第一开关部输入的直流电源输入端子17a及17b，另外，在电容器9的两端具有用于将来自该升压斩波电路的电压向负载输出的输出端子18a及18b。

并且，在将所述第一开关部和二极管5串联连接的电路中，二极管5的负极和电容器9的正极侧连接，所述第一开关部内的第二开关元件7的与连接在第一开关元件6上的那个端子相反侧的端子与电容器9的负极侧连接。另外，所述输入端子17a和线圈8的一端连接，线圈8的另一端和所述二极管5的正极连接。并且，电容器9的正极端子和输出端子18a连接，电容器9的负侧端子和输入端子17b、第二开关元件7的与连接在第一开关元件6上的那个端子相反侧的端子及输出端子18b连接。并且，在输出端子18a和18b之间连接有例如逆变器电路、电阻器、电池等负载装置10。

另外，经由开关2而与交流电源1连接的控制电源11供给用于使第一控制部12内的控制电路动作的控制电路电压。第一控制部12输入有来自直流电压指令设定器13的输出和由直流电压检测器14检测到的电容器9的电压，分别输出第一开关元件6和第二开关元件7的栅极驱动信号15及16。

在此，在开关2接通的情况下，从交流电源1通过控制电源11将交流变换为直流，并输出第一控制部12所需的直流电压。并且，在开关2接通，控制电源11输出上述第一控制部12所需的直流电压时，第一控制部12输出以使得电容器9的两端的电压与由直流电压指令设定器13设定的电容器9的直流电压指令值一致的方式进行脉宽控制后的栅极驱动信号15，并输出始终接通的栅极驱动信号16。

此外，关于栅极电压阈值为第一规定值的第一开关元件6的栅极驱动信号15，在使第一开关元件6的输出接通时输出正极性的电压，反之，在断开时输出负极性的电压，以可靠地确保开关元件6为断开状态。另外，关于栅极电压阈值为比第一规定值高的第二规定值的第二开关元件7的栅极驱动信号16，在使开关元件7的输出接通时输出正极性的电压，反之，在断开时输出负极性的电压或零电压。

下面，如果开关2断开，则控制电源11的输出电压逐渐下降。在第一控制部12中，对从控制电源11输入的控制电路电压进行监视，如果该控制电路电压小于或等于预先设定的值，则分别输出栅极驱动信号15及16，以使第一开关元件6及第二开关元件7的输出断开。即，针对栅极驱动信号15输出负极性的电压，针对栅极驱动信号16输出负极性或零电压。

并且，如果控制电源11的输出电压下降，第一控制部12的控制电路电压成为零电压，则此前输出负极性电压的栅极驱动信号15也成为零电压。此时，第一开关元件6的栅极电压阈值为第一规定值，该规定值是小于或等于2V的低电压，因此，如果由于噪声的叠加等，使得栅极驱动信号15的电压超过第一开关元件6的栅极电压阈值，则第一开关元件6的输出成为接通状态。另外，在第一开关元件6的栅极电压阈值为小于或等于零电压的情况下，即使不叠加噪声，在栅极驱动信号15下降至零电压的时刻，此前断开的第一开关元件6的输出重新成为接通状态。

在上述的现有技术中，如果在电容器4的两端存在残留电压，则所述第一开关元件6的输出重新成为接通状态，由此，电容器4放电所形成的过大的电流经由电抗器8而流过第一开关元件6，因此，第一开关元件6被破坏。但是，在图1所示的本发明的实施方式1中的升压斩波电路中，与第一开关元件6串联连接的第二开关元件7的栅极电压阈值为比第一规定值高的第二规定值，因此，即使发生了噪声的叠加等，栅极驱动信号16的电压也不会超过第二开关元件7的栅极电压阈值，第二开关元件7的输出不会接通，因此，能够防止由第一开关元件6的误触发所产生的破坏。此外，在没有开关2的情况下，在由于停电等导致交流电源1的电压下降时，也会发生与上述相同的问题，但在该情况下，通过应用本实施方式1，能够防止开关元件的破坏。

特别地，在作为第一开关元件6而使用栅极电压阈值为小于或等于零电压的开关元件时，在控制电源11的输出电压下降，第一控制部12的控制电路电压成为零电压的情况下，即使栅极驱动信号15处于输出零电压的状态，第一开关元件6的输出也仍然成为接通状态。另一方面，通常根据经验可知，只要是栅极电压阈值高于2V的开关元件，则即使从外部叠加噪声等，开关元件仍持续断开状态而不发生误动作。因此，为了使得在栅极驱动信号16为零电压时可靠地使开关元件的输出处于断开，如果作为第二开关元件7而使用栅极电压阈值高于2V的开关元件，则更加有效。

另外，作为栅极电压阈值为第一规定值的第一开关元件6，如果使用作为宽带隙半导体的SiC(碳化硅)或GaN(氮化镓)的单极开关元件，则与使用作为双极元件的IGBT等的情况相比，能够减少通断损耗。

由此，如上所述，在控制电源11输出足以使第一控制部12正常动作的大小的电压时，由第一控制部12对栅极驱动信号15的脉宽进行控制，以使由直流电压检测器14检测出的电容器9的两端电压，与由直流电压指令设定器13设定的电容器9的直流电压指令值一致。并且，将该栅极驱动信号15输入至栅极电压阈值为第一规定值的第一开关元件6中而进行通断，栅极电压阈值为比第一规定值高的第二规定值的第二开关元件7始终为接通状态，由此，仅在栅极电压阈值为第一规定值的通断损耗小的第一开关元件6中发生通断损耗，因此具有能够减少电路整体的损耗的效果。另外，为了抑制栅极电压阈值为第一规定值的第一开关元件6的发热，也可以将其通断动作的一部分由栅极电压阈值为比第一规定值高的第二规定值的第二开关元件7分担，对第二开关元件7进行控制而使其以比第一开关元件6低的频度进行通断。

此外，可以将第一开关元件6和第二开关元件7的位置调换，另外，可以附加与它们反向并联的二极管。并且，可以取代二极管5而使用开关元件。另外，在图1中示出了交流电源1为单相交流电源的情况，但当然也可以是三相交流电源，或是电池等直流电源。并且，也能够对第一控制部12的内部结构进行设计，以检测电抗器8的电流并用于控制等，其全部当然包含在本发明中。

并且，在本发明的实施方式1中示出了下述例子，即，第一控制部12监视从控制电源11输入的控制电路电压，如果小于或等于预先设定的值，则输出栅极驱动信号15及16，以使第一开关元件6及第二开关元件7断开，但在构成为除了上述第一控制部12之外另外设置其它开关，在该开关断开时，开关元件6及开关元件7断开的这种电路的情况下，在控制电源11下降时，也能够通过与上述相同的动作，防止由于开关元件6的误触发而产生的破坏。

实施方式2

图3是本发明的实施方式2中的功率转换装置，是用于3相逆变器电路的情况下的结构例。此外，对于与图1相同的结构，标注相同的标号，并省略对它们的说明。在图3中，栅极电压阈值为第一规定值的第一开关元件24a及24b、25a及25b、26a及26b分别串联连接而构成1个支路并作为第二开关部。并且，在电容器23的两端具有将电容器23的直流电压向所述第二开关部输入的直流电源输入端子33a及33b，经由该直流电源输入端子，所述第二开关部与电容器23并联连接而并联地构成3个支路。在上述3个支路和直流电源输入端子33a之间，连接有栅极电压阈值为比第一规定值高的第二规定值的第二开关元件27a。

作为上述栅极电压阈值为第一规定值的第一开关元件，为了减少通断损耗或导通损耗，使用作为宽带隙半导体的SiC(碳化硅)或GaN(氮化镓)的单极开关元件。并且，经由开关21而与交流电源20连接的控制电源29供给用于使第三控制部30b动作的控制电路电压，从该第三控制部30b输出栅极驱动信号31b和开关控制信号32，该栅极驱动信号31b使开关元件24a、24b、25a、25b、26a、26b接通或断开，该开关控制信号32使栅极电压阈值为比第一规定值高的第二规定值的第二开关元件27a接通或断开。

在所述第三控制部30b中，如果从控制电源29输出的控制电路电压大于或等于规定值，则以使串联连接的第一开关元件24a和24b、25a和25b、26a和26b各组中的某一方接通，另一方断开的方式，输出栅极驱动信号31b，以向电动机28施加期望的电压。此外，开关元件24a、24b、25a、25b、26a及26b的栅极电压阈值为第一规定值，该规定值为小于或等于2V的低电压，因此，在使所述各开关元件接通时，将正极性的电压作为栅极驱动信号31b而从第三控制部30b输出，在使所述各开关元件断开时，将负极性的电压作为栅极驱动信号31b而从第三控制部30b输出，以可靠地确保开关元件处于断开状态。

另外，在第三控制部30b中，如果从控制电源29输出的控制电路电压大于或等于规定值，则以第二开关元件27a成为接通状态的方式输出开关控制信号32。反之，如果三相交流电源20的电压下降，或开关21断开，则控制电源29的输出电压不断下降。在第三控制部30b中，对从控制电源29输入的控制电路电压进行监视，如果所述控制电路电压小于或等于预先设定的值，则输出开关控制信号32将第二开关元件27a设为断开。该第二开关元件27a以将从电容器23的正侧端子向与开关元件24a、25a及26a的连接点流入的方向的电流切断的极性设置，是栅极电压阈值为比第一规定值高的第二规定值的第二开关元件，并且，与该开关元件反向并联地连接有二极管27b。

在上述的现有技术中，由于没有所述开关元件27a，因此，在从控制电源29输出的第三控制部30b的控制电路电压为零时在电容器23的两端具有残留电压的状况下，如果在所述栅极电压阈值为第一规定值的第一开关元件24a、24b、25a、25b、26a及26b中，例如如开关元件24a和24b那样，所述1个支路的串联连接的2个开关元件由于噪声等影响发生误动作而接通，则电容器23短路而在所述开关元件中流过过大的电流，因此，所述开关元件被破坏。

另外，在不是如上所述串联连接的2个开关元件，而是例如如开关元件24a和25b那样，不同支路的上侧的开关元件和下侧的开关元件同时接通的情况时，在所述开关元件同时接通的期间较长的情况下，经由电动机28而流过所述开关元件的电流增大，上述开关元件被破坏。特别地，在第一开关元件24a、24b、25a、25b、26a及26b的栅极电压阈值小于或等于零电压的情况下，控制电源29的输出电压下降，第三控制部30b的控制电路电压成为零电压，栅极驱动信号31b为输出零电压，即使在该状态下，第一开关元件24a、24b、25a、25b、26a及26b仍然成为接通状态，即使不叠加噪声，电容器23也会短路而在所述开关元件中流过过大的电流，因此，所述第一开关元件会容易地被破坏。

但是，如图3所示，在本发明的实施方式2中的3相逆变器电路中，通过设置栅极电压阈值为比第一规定值高的第二规定值的第二开关元件27a、和与该开关元件27a反向并联连接的二极管27b，从而如果控制电源29的输出电压下降，则由于所述第二开关元件27a断开，而能够切断流向所述第一开关元件24a、24b、25a、25b、26a及26b的过大的电流。并且，通过与所述第二开关元件27a反向并联连接的二极管27b，不会对电容器23吸收来自电动机28的再生能量和第一开关元件24a、24b、25a、25b、26a及26b通断时的电涌电压的动作造成妨碍，因此，能够防止所述第一开关元件24a、24b、25a、25b、26a及26b成为过电压。此外，在第二开关元件27a使用MOSFET的情况等下，二极管27b可以是在第二开关元件27a的芯片内形成的体二极管。并且，可以取代第二开关元件27a而使用继电器等开关。

在图3所示的实施例中示出了下述例子，即，第三控制部30b监视从控制电源29输出的控制电路电压，如果小于或等于预先设定的值，则以断开第二开关元件27a的方式输出开关控制信号32，但所述第三控制部30b可以构成为，可以通过其他判断单元输出开关控制信号32，即使控制电路电压没有下降，在所述第一开关元件24a、24b、25a、25b、26a及26b断开的情况下，断开所述第二开关元件27a。另外，在图3中示出了在电源输入端子33a和电容器23的正侧端子之间设置第二开关元件27a的例子，但也可以在电源输入端子33b和电容器23的负侧端子之间设置第二开关元件27a。

并且，可以在上述的第二开关部并联连接的3个支路和直流电源输入端子33a之间，以及在上述的第二开关部并联连接的3个支路和电源输入端子33b之间设置所述第二开关元件27a和与其反向并联连接的二极管27b。由此，在刚接通开关21后等电动机控制装置启动时，在从控制电源29输出的控制电路电压上升至足以使第三控制部30b动作的电压之前的状态下，即使电动机28或其配线发生接地故障，也能够对通过第一开关元件24a、25a或26a而流出的接地电流和通过第一开关元件24b、25b或26b而流出的接地电流双方进行切断，从而能够防止所述第一开关元件24a、24b、25a、25b、26a及26b被破坏。另外，在图3中，利用在栅极电压阈值为第一规定值的第一开关元件24a、24b、25a、25b、26a及26b各元件内形成的体二极管，构成作为续流二极管的反向并联二极管，但即使将二极管与所述各开关元件反向并联连接而作为续流二极管，也当然能够实现相同的效果。

实施方式3

图4是本发明的实施方式3中的功率转换装置，是用于3相逆变器电路的情况下的结构例。此外，对于与图1及图3相同的结构，标注相同的标号，并省略对它们的说明。在图4中，将栅极电压阈值为第一规定值的第一开关元件24a的漏极端子与直流电源输入端子33a连接，将栅极电压阈值为比第一规定值高的第二规定值的第二开关元件40a的源极端子与直流电源输入端子33b连接，并且，将所述第一开关元件和第二开关元件串联连接而构成1个支路并作为第三开关部。相同地，将栅极电压阈值为第一规定值的第一开关元件26a的漏极端子与直流电源输入端子33a连接，将栅极电压阈值为比第一规定值高的第二规定值的第二开关元件42a的源极端子与直流电源输入端子33b连接，并且，将所述第一开关元件和第二开关元件串联连接而构成1个支路并作为第三开关部。

另外，将栅极电压阈值为比第一规定值高的第二规定值的第二开关元件41a的漏极端子与直流电源输入端子33a连接，将栅极电压阈值为第一规定值的第一开关元件25a的源极端子与直流电源输入端子33b连接，并且，将所述第二开关元件和第一开关元件串联连接而构成1个支路并作为第四开关部。并且，将所述两组第三开关部和一组第四开关部并联连接而构成3个支路，并与电容器23并联连接。另外，开关元件24a及40a、41a及25a、以及26a及42a各自的连接点与电动机28连接。

在此，在图4中示出了下述例子，即，第一开关元件24a、25a及26a分别使用与所述各开关元件在相同的芯片上构成的体二极管作为反向并联的续流二极管，第二开关元件40a、41a及42a则是将分别构成为另一个芯片的二极管40b、41b及42b与所述第二开关元件40a、41a及42a反向并联连接。此外，作为所述续流二极管的反向并联二极管是使用与开关元件在相同的芯片上构成的体二极管，还是设置以另一个芯片构成的二极管，并不是本发明的实质内容，可以采用任意方式。并且，经由开关21而与交流电源20连接的控制电源29供给用于使第四控制部30c动作的控制电路电压，从该第四控制部30c输出使所述各开关元件24a、25a、26a、40a、41a及42a接通或断开的栅极驱动信号31c。

在此，在开关21接通的情况下，从交流电源20向电容器23施加电压，并且，从控制电源29向第四控制部30c供给使第四控制部30c正常动作所需的电压。在第四控制部30c中，如果来自所述控制电源29的控制电路电压大于或等于规定值，则以使在所述第三开关部及所述第四开关部中分别串联连接的开关元件24a和40a、25a和41a及26a和42a各组中的某一方接通，另一方断开的方式，输出栅极驱动信号31c，以向电动机28施加期望的电压。

如上所述，将栅极电压阈值为第一规定值的第一开关元件和栅极电压阈值为比第一规定值高的第二规定值的第二开关元件串联连接，与直流电源输入端子33a或33b的某一方连接的多个开关元件由栅极电压阈值为第一规定值的开关元件构成，另一方由栅极电压阈值比第一规定值高的第二开关元件构成，由此，在控制电源29的输出电压为零时，即使在电容器23中具有残留电压的状况下，由于栅极电压阈值为比第一规定值高的第二规定值的第二开关元件可靠地断开，因此，同相的上下支路开关元件或不同的支路的上下开关元件不会经由电动机28而使电容器23短路，能够防止上述任一个开关元件由于过电流被破坏。

此外，在图4中示出了将两组第三开关部和一组第四开关部并联连接而构成3个支路，并与电容器23并联连接的实施例，但由一组第三开关部和两组第四开关部构成3个支路并与电容器23并联连接，另外，仅将多个第三开关部或第四开关部进行组合，当然也都能够实现与上述相同的效果。

此外，在图4中，对用于3相逆变器电路的情况进行了说明，但用于单相逆变器电路显然也能够实现相同的效果。另外，对作为逆变器的负载而使用电动机的情况进行了说明，但在取代电动机而使用与电抗器和电源连接的PWM转换器的情况下也当然能够实现相同的效果。并且，可以以栅极电压阈值为第一规定值的第一开关元件与栅极电压阈值为比第一规定值高的第二规定值的第二开关元件相比导通时间比率较大的方式控制栅极驱动信号。由此，能够减少栅极电压阈值高于规定值的开关元件的导通损耗。

实施方式4

图5是本发明的实施方式4中的功率转换装置，是用于3相逆变器电路的情况的结构例。此外，对于与图1、图3及图4相同的结构，标注相同的标号，并省略对它们的说明。在图5中，将栅极电压阈值为第一规定值的第一开关元件24a与直流电源输入端子33a的正极侧连接，将栅极电压阈值为比第一规定值高的第二规定值的第二开关元件40a与直流电源输入端子33b的负极侧连接，将所述第一开关元件和第二开关元件串联连接而构成1个支路并作为第三开关部，将3个支路并联连接而形成三相逆变器，在第三开关部各自的上侧支路和直流电源输入端子33a之间设置有上述的本发明的实施方式2所说明的开关元件27a及与该开关元件27a反向并联连接的二极管27b。

如上所述，构成为在连接有栅极电压阈值为第一规定值的第一开关元件的一侧设置开关元件27a，在控制电源29的输出电压下降至小于或等于规定值时，断开开关元件27a。因此，即使在刚接通开关21后等控制电路电压上升至足以使第五控制部30d正常动作的电压之前的状态下，由于某种原因导致电动机28或从电动机控制装置至电动机28的配线发生接地等，也能够对通过所述栅极电压阈值为第一规定值的第一开关元件24a、25a以及26a的接地电流进行切断，能够防止上述开关元件被破坏。另外，通过与所述开关元件27a反向并联连接的二极管27b，不会对电容器23吸收来自电动机28的再生能量和开关元件24a、25a及26a以及40a、41a及42a的通断时的电涌电压的动作造成妨碍，因此，能够防止所述开关元件24a、25a及26a以及40a、41a及42a成为过电压。

此外，可以将上述实施方式组合使用，能够将基于上述实施方式的技术用于除了在此举出的升压斩波器或电动机驱动用逆变器之外的结构即降压斩波器、PWM转换器电路、再生转换器电路、太阳能用功率调节器、UPS等功率转换装置。

另外，在上述本发明的实施方式1至4中所说明的与开关元件反向并联连接的二极管可以是作为宽带隙半导体的SiC(碳化硅)或GaN(氮化镓)，也可以是现有技术的Si元件。并且，在作为开关元件使用单极元件的情况下，也可以使用与单极元件在相同的芯片上形成的寄生二极管。

标号的说明

2开关

4电容器

11控制电源

12第一控制部

21开关

23电容器

24a、24b开关元件

25a、25b开关元件

26a、26b开关元件

29控制电源

30a第二控制部

30b第三控制部

30c第四控制部

30d第五控制部

33a、33b直流电源输入端子

40a、41a、42a开关元件

40b、41b、42b续流二极管。

Claims (10)

1.一种功率转换装置，其特征在于，具有：

开关电路，在该开关电路中，多个开关部与向该开关部施加直流电压的直流电源输入端子并联连接，其中，该开关部是将第一开关元件和第二开关元件串联连接而成的，该第一开关元件的栅极电压阈值为第一规定值，该第二开关元件的栅极电压阈值为比所述第一规定值高的第二规定值；以及

控制部，其将所述第一开关元件及所述第二开关元件控制为接通或断开，

在所述开关部中，所述第一开关元件与所述直流电源输入端子的正极侧连接，所述第二开关元件与所述直流电源输入端子的负极侧连接，

该功率转换装置具有第三开关元件，该第三开关元件位于所述开关电路的正极侧和所述直流电源输入端子的正极侧之间，栅极电压阈值为比所述第一规定值高的第三规定值，

所述串联连接的第一开关元件和第二开关元件之间的任意一个连接点与负载连接，所述控制部在使所述第三开关元件接通后，进行使第一及第二开关元件接通或断开的控制，以向所述负载施加期望的电压。

2.根据权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于，

该功率转换装置具有第三开关元件，该第三开关元件位于所述开关电路的负极侧和所述直流电源输入端子的负极侧之间，栅极电压阈值为比所述第一规定值高的第三规定值。

3.一种功率转换装置，其特征在于，具有：

开关电路，在该开关电路中，多个开关部与向该开关部施加直流电压的直流电源输入端子并联连接，其中，该开关部是将第一开关元件和第二开关元件串联连接而成的，该第一开关元件的栅极电压阈值为第一规定值，该第二开关元件的栅极电压阈值为比所述第一规定值高的第二规定值；以及

控制部，其将所述第一开关元件及所述第二开关元件控制为接通或断开，

在所述开关部中，所述第一开关元件与所述直流电源输入端子的负极侧连接，所述第二开关元件与所述直流电源输入端子的正极侧连接，

该功率转换装置具有第三开关元件，该第三开关元件位于所述开关电路的负极侧和所述直流电源输入端子的负极侧之间，栅极电压阈值为比所述第一规定值高的第三规定值，

所述串联连接的第一开关元件和第二开关元件之间的任意一个连接点与负载连接，所述控制部在使所述第三开关元件接通后，进行使第一及第二开关元件接通或断开的控制，以向所述负载施加期望的电压。

4.根据权利要求3所述的功率转换装置，其特征在于，

该功率转换装置具有第三开关元件，该第三开关元件位于所述开关电路的正极侧和所述直流电源输入端子的正极侧之间，栅极电压阈值为比所述第一规定值高的第三规定值。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的功率转换装置，其特征在于，

与所述第二开关元件反向并联地连接二极管。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的功率转换装置，其特征在于，

与所述第三开关元件反向并联地连接二极管。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的功率转换装置，其特征在于，

所述第二开关元件及所述第三开关元件是栅极电压阈值高于2V的开关元件。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的功率转换装置，其特征在于，

所述第一开关元件是栅极阈值电压小于或等于2V的开关元件。

9.根据权利要求1至4中任一项所述的功率转换装置，其特征在于，

所述第二开关元件及所述第三开关元件是由硅制作出的IGBT或MOSFET。

10.根据权利要求1至3中任一项所述的功率转换装置，其特征在于，

所述第一开关元件是作为宽带隙半导体的SiC或GaN的单极开关元件，其中，SiC为碳化硅，GaN为氮化镓。