CN109417354A - 三电平逆变器 - Google Patents

三电平逆变器 Download PDF

Info

Publication number
CN109417354A
CN109417354A CN201780040045.3A CN201780040045A CN109417354A CN 109417354 A CN109417354 A CN 109417354A CN 201780040045 A CN201780040045 A CN 201780040045A CN 109417354 A CN109417354 A CN 109417354A
Authority
CN
China
Prior art keywords
thyristor
diode
direct current
voltage
level inverter
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201780040045.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109417354B (zh
Inventor
陈塽清
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fuji Electric Co Ltd filed Critical Fuji Electric Co Ltd
Publication of CN109417354A publication Critical patent/CN109417354A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109417354B publication Critical patent/CN109417354B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H02M7/487—Neutral point clamped inverters
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/12—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
    • H01L29/16—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed including, apart from doping materials or other impurities, only elements of Group IV of the Periodic Table
    • H01L29/1608—Silicon carbide
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/86—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable only by variation of the electric current supplied, or only the electric potential applied, to one or more of the electrodes carrying the current to be rectified, amplified, oscillated or switched
    • H01L29/861—Diodes
    • H01L29/872—Schottky diodes
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection
    • H02M1/34—Snubber circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0048—Circuits or arrangements for reducing losses
    • H02M1/0051—Diode reverse recovery losses
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection
    • H02M1/34—Snubber circuits
    • H02M1/346—Passive non-dissipative snubbers
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B70/00—Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

实现使用单极型二极管作为续流二极管的三电平逆变器的更低损耗化。具备：设置在直流高电位端子与交流输出端子之间的第一半导体开关元件；设置在与直流高电位端子成对的直流低电位端子与所述交流输出端子之间的第二半导体开关元件；分别与所述第一半导体开关元件和第二半导体开关元件反向并联地设置的第一续流二极管和第二续流二极管；将被施加到直流中间电位端子的直流中间电压选择性地施加于所述第一半导体开关元件和第二半导体开关元件而控制所述第一半导体开关元件的栅电压和第二半导体开关元件的栅电压的半导体电路。特别地，在所述第一续流二极管和第二续流二极管分别串联地连接电感元件，使经由所述第一续流二极管和第二续流二极管的电路电感提高。

Description

三电平逆变器
技术领域
本发明涉及将直流电压转换为交流电压的三电平逆变器。
背景技术
作为将直流电压转换为交流电压的电力转换装置，已知有逆变器。尤其是近来，与基于直流电压Ed生成以零点为中心的±Ed的PWM脉冲电压而得到交流输出的两电平逆变器相比，生成由以零点为中心的±Ed和±(Ed/2)构成的2种PWM脉冲电压而得到交流输出的三电平逆变器受到注目。
图5是示出所谓ANPC(Advanced Neutral Point Clamped：有源中点钳位，)式的三电平逆变器1的示意构成的图。该三电平逆变器1通过以利用直流中间电压(Ed/2)对施加于直流高电位端子P与直流低电位端子N之间的直流电压Ed进行钳位而得的电压进行开关，从而在交流输出端子AC生成上述两级的电压电平的PWM脉冲电压。例如利用未图示的LC滤波器对这些PWM脉冲电压进行滤波(filtering)，由此生成交流电压。由该三电平逆变器1生成的交流电压的波形是比由两电平逆变器生成的交流电压的波形更平滑的近似于正弦波形的波形。
具体地，三电平逆变器1具备第一半导体开关元件T1和与该第一半导体开关元件T1反向并联连接的第一续流二极管D1，第一半导体开关元件T1设置于直流高电位端子P与交流输出端子AC之间，在正电压输出模式时进行导通/关断。另外，三电平逆变器1具备第二半导体开关元件T2和与该第二半导体开关元件T2反向并联连接的第二续流二极管D2，第二半导体开关元件T2设置在与直流高电位端子P成对的直流低电位端子N与交流输出端子AC之间，在负电压输出模式时进行导通/关断。并且，第1半导体开关元件T1和第二半导体开关元件T2由例如耐高压的IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：绝缘栅双极型晶体管)构成。另外，第一续流二极管D1和第二续流二极管D2通常由以Si为基底的双极型二极管构成。
三电平逆变器1还具备在直流中间电位端子M与交流输出端子AC之间设置的双向开关电路BSW。该双向开关电路BSW例如是利用将由具有反向耐压的IGBT构成的第三半导体开关元件T3和第四半导体开关元件T4反向并联连接而构成的、所谓的RB-IGBT(ReverseBlocking IGBT：逆阻型IGBT)而构成。另外，在直流中间电位端子M施加有利用串联设置在直流高电位端子P与直流低电位端子N之间的电容C1、C2而将直流电压Ed分压而得的直流中间电压(Ed/2)。
双向开关电路BSW起导如下作用：将施加在直流中间电位端子M的直流中间电压(Ed/2)选择性地施加于交流输出端子AC，从而将分别施加在第一半导体开关元件T1和第二半导体开关元件T2的电压作为电压Ed或电压(Ed/2)而分别变化为两个级别。
关于如此构成的三电平逆变器1的基本动作，例如如同在专利文献1等详细介绍的那样。并且，获得三相交流输出的电力转换装置构成为：并联设置三组上述构成的三电平逆变器1，通过使这些三电平逆变器1具有120°的相位差而进行驱动，从而生成由U相、V相、W相组成的三相交流电压。
这里，作为第一续流二极管D1和第二续流二极管D2，在专利文献2中提倡使用作为宽带隙半导体的、例如以碳化硅(SiC)作为基底的单极型二极管来代替以往通常的将硅(Si)作为基底的双极型二极管。通过将这样的单极型二极管(SiC二极管)用作第一续流二极管D1和第二续流二极管D2，从而如专利文献2所介绍的那样，能够抑制伴随着第一半导体开关元件T1和第二半导体开关元件T2的反向恢复动作的开关损耗，即所谓的恢复损耗。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2012-130224号公报
专利文献2：日本特开2014-57520号公报
发明内容
然而，在上述构成的三电平逆变器中，例如如果在施加了直流电压Ed的状态下第二半导体开关元件T2关断，则具有伴随着第二半导体开关元件T2的反向恢复动作，反向恢复电流经由本来处于关断状态的第一续流二极管D1持续1μs以下的微小时间流通的情况。这样的现象在施加了直流电压Ed的状态下第一半导体开关元件T1关断时也同样产生。在该情况下，伴随着第一半导体开关元件T1的反向恢复动作，反向恢复电流经由本来处于关断状态的第二续流二极管D2持续1μs以下的微小时间流通。
并且，经由第一续流二极管D1流通的反向恢复电流成为在第二半导体开关元件T2产生高的浪涌电压Vcep的主要原因。在将电流路径的电路电感设为L，并将关断电流设为[di/dt]时，该浪涌电压Vcep表示为
Vcep＝(Ed/2)+L×|di/dt|。
另外，在浪涌电压Vcep比直流电压Ed大的情况下，本来经由双向开关电路BSW流向直流中间电位端子M侧的第二半导体开关元件T2的关断后的反向恢复电流容易经由由单极型二极管构成的第一续流二极管D1流向直流高电位端子P侧。即，直流中间电位端子M与交流输出端子AC之间的电路阻抗(电感成分)比直流高电位端子P与交流输出端子AC之间的电路阻抗(电感成分)大，因此上述关断电流变得容易经由第一续流二极管D1而流通。
这样，因该电流在第一续流二极管D1发生急剧的电压变化，据此有导致第一续流二极管D1破坏的隐患。而且，由在第一续流二极管D1所发生的急剧的电压变化而导致其频率成分经由第一半导体开关元件T1的寄生电容Cres而施加到第一半导体开关元件，因此有招致栅电压急剧变化的隐患。该栅电压的急剧变化也是导致第一半导体开关元件T1的栅极破坏的主要原因。并且，经由第一续流二极管D1流通的电流也成为逆变器中的损耗产生的主要原因。
同样地，经由双向开关电路BSW流向直流中间电位端子M侧的第一半导体开关元件T1的关断电流变得容易经由由单极型二极管构成的第二续流二极管D2流向直流低电位端子N侧。因此，在第一半导体开关元件T1关断时，也产生与上述第二半导体开关元件T2关断时同样的问题。
本发明是考虑到上述事项而做出的，其目的在于，提供在半导体开关元件关断时阻止续流电流经由续流二极管的不需要的流通，并实现其低损耗化的简单的构成的三电平逆变器。
为了达到上述目的，本发明的三电平逆变器的特征在于，具备：
第一半导体开关元件，其设置在直流高电位端子与交流输出端子之间，在正电压输出模式时进行被导通/关断；
第一续流二极管，其与所述第一半导体开关元件反向并联地设置；
第二半导体开关元件，其设置在与直流高电位端子成对的直流低电位端子与所述交流输出端子之间，在负电压输出模式时被导通/关断；
第二续流二极管，其与所述第二半导体开关元件反向并联地设置；
半导体电路，其根据直流中间电压使所述交流输出端子的电位变化，对所述第一半导体开关元件的栅电压和第二半导体开关元件的栅电压进行控制，所述直流中间电压是将施加在所述直流高电位端子与所述直流低电位端子之间的直流电压分压而得的电压；
第一电感元件和第二电感元件，其分别与所述第一续流二极管和所述第二续流二极管串联地连接。
并且，第一电感元件和第二电感元件起到分别提高对于经由第一续流二极管和第二续流二极管流通的续流电流的电路阻抗的作用。
根据上述构成的三电平逆变器，在第一续流二极管和第二续流二极管分别串联地连接有第一电感元件和第二电感元件。并且，利用这些电感元件，经由第一续流二极管和第二续流二极管流通的电流的电路阻抗得到提高。其结果是，直流中间电位端子M与交流输出端子AC之间的电感比直流高电位端子P与交流输出端子AC之间的电感以及直流低电位端子N与交流输出端子AC之间的电感小。据此，第一半导体开关元件和第二半导体开关元件关断时的电流难以经由第一续流二极管和第二续流二极管流通，主要流向直流中间电位端子侧。
另外，所述第一半导体开关元件和所述第二半导体开关元件均为例如由IGBT等构成的高耐压的绝缘栅型半导体元件，所述第一续流二极管和所述第二续流二极管均由单极型半导体元件构成。具体地，由所述单极型半导体元件构成的第一续流二极管和第二续流二极管均由例如SiC二极管构成。
另外，所述半导体电路实现为例如双向开关电路，该双向开关电路是将第三半导体开关元件和第四半导体开关元件反向并联地连接而构成，该双向开关电路设置在施加有所述直流中间电压的直流中间电位端子与所述交流输出端子之间。或者，所述半导体电路实现为例如双向开关电路，该双向开关电路构成为具备将通电方向相反地串联连接的第三半导体开关元件和第四半导体开关元件、以及与所述第三半导体开关元件和所述第四半导体开关元件分别反向并联地连接的第三二极管和第四二极管，该双向开关电路设置在施加有所述直流中间电压的直流中间电位端子与所述交流输出端子之间。
应予说明，在电力转换装置构成为具备由在所述第一半导体开关元件与所述交流输出端子之间设置的第五半导体开关元件、和在所述第二半导体开关元件与所述交流输出端子之间设置的第六半导体开关元件构成的辅助开关电路的情况下，所述半导体电路实现为在该辅助开关电路的两端之间选择性地施加所述直流中间电压的二极管电路。
这里，所述直流中间电压是例如通过在所述直流高电位端子与所述直流低电位端子之间设置的第一电容和第二电容进行电容分压，而生成为在所述直流高电位端子与所述直流低电位端子之间施加的直流电压的[1/2]倍的直流电压。
根据本发明的三电平逆变器，能够防止半导体开关元件关断时产生的电流经由第一续流二极管和第二续流二极管的流通。因此，起到不导致构成无益的复杂化而能够实现低损耗化等的效果。
附图说明
图1是本发明的第1实施方式的ANPC式的三电平逆变器的示意构成图。
图2是本发明的第2实施方式的ANPC式的三电平逆变器的示意构成图。
图3是本发明的第三实施方式的NPC式的三电平逆变器的示意构成图。
图4是本发明的第四实施方式的NPC式的三电平逆变器的示意构成图。
图5是以往通常的ANPC式的三电平逆变器的示意构成图。
符号说明
1、2、3、4、5 三电平逆变器
T1 第一半导体开关元件
T2 第二半导体开关元件
T3 第三半导体开关元件
T4 第四半导体开关元件
T5 第五半导体开关元件
T6 第六半导体开关元件
D1 第一续流二极管(宽带隙半导体的二极管)
D2 第二续流二极管(宽带隙半导体的二极管)
D5 第五续流二极管(宽带隙半导体的二极管)
D6 第六续流二极管(宽带隙半导体的二极管)
D7、D8、D9、D10 二极管
BSW 双向开关电路(半导体电路)
L1、L2、L3、L4 电感元件
C1、C2 电容
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的三电平逆变器的实施方式进行说明。
图1是示出本发明的第1实施方式的ANPC式的三电平逆变器2的示意构成的图。该三电平逆变器2基本上与图5所示的三电平逆变器1相同地，具备第一半导体开关元件T1和第二半导体开关元件T2，第一半导体开关元件T1设置在直流高电位端子P与交流输出端子AC之间，在正电压输出模式时进行导通/关断，第二半导体开关元件T2设置在与直流高电位端子P成对的直流低电位端子N与交流输出端子AC之间，在负电压输出模式时进行导通/关断。在此，与第一半导体开关元件T1反向并联地设置有第一续流二极管D1，与第二半导体开关元件T2反向并联地设置有第二续流二极管D2。这些第一续流二极管D1和第二续流二极管D2是作为宽带隙半导体的单极型二极管，具体地，由以碳化硅(SiC)为基底的肖特基势垒二极管构成。在此，在附图中，空心的二极管记号表示宽带隙半导体的单极型二极管，另外，涂满色的二极管记号表示通常的以Si为基底的双极型二极管或宽带隙半导体的单极型二极管。
另外，在直流高电位端子P与直流低电位端子N之间设置有串联连接的第一电容C1和第二电容C2。这些第一电容C1和第二电容C2起到如下作用：将施加在直流高电位端子P与直流低电位端子N之间的直流电压Ed分压而生成直流中间电压[Ed/2]，并将该直流中间电压[Ed/2]施加到直流中间电位端子M。
据此，在施加有直流中间电压[Ed/2]的直流中间电位端子M与交流输出端子AC之间，作为使交流输出端子AC的电位变化来控制第一半导体开关元件T1和第二半导体开关元件T2的导通/关断动作电压的半导体电路而设置有双向开关电路BSW。该双向开关电路BSW例如是利用将由具有反向耐压的IGBT构成的第三半导体开关元件T3和第四半导体开关元件T4反向并联地连接而构成的、所谓的RB-IGBT(Reverse Blocking IGBT：逆阻型IGBT)而构成。
这里，本发明的三电平逆变器的特征在于，在上述构成的基础上还具备与第一续流二极管D1串联连接的第一电感元件L1。并且特征还在于，三电平逆变器2具备与第二续流二极管D2串联连接的第二电感元件L2。
并且，关于第一电感元件L1和第二电感元件L2，可以是线圈等独立的电路部件，但也可以是例如在由IGBT构成的第一半导体开关元件T1和第二半导体开关元件T2的集电极-发射极间反向并联连接第一续流二极管D1和第二续流二极管D2的基础上以预定长度的布线材料来实现。
应予说明，在图1中示出了在第一续流二极管D1和第二续流二极管D2的阳极侧分别串联连接了第一电感元件L1和第二电感元件L2的例子，但当然也可以在第一续流二极管D1和第二续流二极管D2的阴极侧分别串联连接地设置第一电感元件L1和第二电感元件L2。
据此，在本发明的三电平逆变器中，在分别与第一半导体开关元件T1和第二半导体开关元件T2反向并联连接的第一续流二极管D1和第二续流二极管D2的各电流路径中，分别串联安装有第一电感元件L1和第二电感元件L2。因此，能够使经由第一电感元件L1和第二电感元件L2的电流路径的电路阻抗均比经由双向开关电路BSW的电流路径的电路阻抗高。
因此，根据上述构成的三电平逆变器2，例如在正电压输出模式中，在施加有直流电压Ed的状态下第二半导体开关元件T2进行了关断时，伴随着第二半导体开关元件T2的反向恢复动作时而流通的反向恢复电流主要经由电路阻抗低的双向开关电路BSW而流通。换言之，反向恢复电流大部分流向第一续流二极管D1侧的情况消失。同样地，在负电压输出模式中，在施加有直流电压Ed的状态下第一半导体开关元件T1关断了时，伴随着第一半导体开关元件T1的反向恢复动作时而流通的反向恢复电流主要经由电路阻抗低的双向开关电路BSW而流通。换言之，反向恢复电流大部分流向第二续流二极管D2侧的情况消失。
其结果是，由于反向恢复电流经由第一续流二极管D1和第二续流二极管D2流通的情况消失，因此能够抑制在第一续流二极管D1和第二续流二极管D2上的浪费的能量损失。并且，由于能够防止经由第一续流二极管D1和第二续流二极管D2的反向恢复电流的流通，因此还能够抑制上述高浪涌电压Vcep的产生。因此，起到能够防止第一半导体开关元件T1和第二半导体开关元件T2上的栅电压的振动(振荡)，并将第一半导体开关元件T1和第二半导体开关元件T2的栅破坏防患于未然的作用等效果。其结果是，即使在采用单极型二极管作为第一续流二极管和第二续流二极管的情况下，也能够有效地降低第一续流二极管和第二续流二极管中的损耗。
并且，关于分别包括第一续流二极管和第二续流二极管的电路电感，在将三电平逆变器模块化时，例如针对与第一半导体开关元件和第二半导体开关元件相对的第一续流二极管和第二续流二极管的布线长度设定得较长等而能够容易地应对。
图2的(a)和图2的(b)分别示出本发明的三电平逆变器的第二实施方式。该实施方式的三电平逆变器3基本上与图1所示的三电平逆变器2同样地构成。然而，不同点在于：如图2的(a)和图2的(b)所示，在直流中间电位端子M与交流输出端子AC之间设置的双向开关电路BSW是由通电方向相反地串联连接的、例如由通常的IGBT构成的第三半导体开关元件T3和第四半导体开关元件T4构成。
由于这些第三半导体开关元件T3和第四半导体开关元件T4与上述RB-IGBT不同而没有反向耐压性，因此在第三半导体开关元件T3和第四半导体开关元件T4分别反向并联连接有第三二极管D3和第四二极管D4。在此，如图2的(c)所示的变形例那样，双向开关电路BSW也可以是将第三半导体开关元件T3与二极管D3a串联连接的电路和第四半导体开关元件T4与二极管D4a串联连接的电路并联连接而构成。
在这样构成的三电平逆变器3中，与图1所示的三电平逆变器2相同地，针对第一续流二极管D1和第二续流二极管D2分别串联连接有电感元件L1、L2。
因此，在图2的(a)、图2的(b)、图2的(c)所示的构成的三电平逆变器3中，也与参照图1说明的三电平逆变器2相同地，能够提高经由第一续流二极管D1和第二续流二极管D2的电流路径的电路阻抗。因此，能够防止在第一半导体开关元件T1和第二半导体开关元件T2关断时的瞬间的反向恢复电流的流通，能够使全部反向恢复电流经由双向开关电路BSW流向直流中间电位端子M侧。因此，能够抑制经由第一续流二极管D1和第二续流二极管D2的反向恢复电流的浪费的电力消耗，降低开关损耗(恢复损耗)。
接着，对本发明的第三实施方式和第四实施方式进行说明。该三电平逆变器分别如图3和图4所示，作为NPC(Neutral Point Clamped：中点钳位)式的三电平逆变器4、5来实现。
具体地，NPC式的三电平逆变器4、5在第一半导体开关元件T1与交流输出端子AC之间设置第五半导体开关元件T5，并且在第二半导体开关元件T2与交流输出端子AC之间设置第六半导体开关元件T6而构成。应予说明，在这些第五半导体开关元件T5和第六半导体开关元件T6也分别反向并联连接有第五续流二极管D5和第六续流二极管D6。并且第一续流二极管D1、第二二极管D2、第五续流二极管D5和第六续流二极管D6例如由作为以碳化硅(SiC)为基底的单极型半导体的肖特基势垒二极管构成。
并且，三电平逆变器4、5以经由二极管D7沿正向在第一半导体开关元件T1与第五半导体开关元件T5的连接点施加直流中间电压(Ed/2)，并且经由二极管D8沿反向在第二半导体开关元件T2与第六半导体开关元件T6的连接点施加直流中间电压(Ed/2)的方式构成。这些二极管D7、D8起到如下作用：将分别在上述第一半导体开关元件T1和第二半导体开关元件T2施加的电压稳定地钳位在直流中间电压(Ed/2)。
在基本上这样构成的三电平逆变器4中，在由单极型半导体构成的第一续流二极管D1、第二续流二极管D2、第五续流二极管D5和第六续流二极管D6分别串联连接有电感元件L1、L2、L5、L6。应予说明，在图4所示的三电平逆变器5中，将第五续流二极管D5和第六续流二极管D6设为通常的双极型二极管D9、D10，仅将与直接参与直流电压Ed的开关的第一半导体开关元件T1和第二半导体开关元件T2反向并联地连接的第一续流二极管D1和第二续流二极管D2设为单极型二极管。
因此，即使在这样构成的三电平逆变器4、5中，也与在先作为第一实施方式和第二实施方式说明了的三电平逆变器2、3相同地，能够使经由第一电感元件L1和第二电感元件L2的电流路径的电路阻抗分别比经由二极管D7、D8的电流路径的电路阻抗高。因此，即使在第三实施方式和第四实施方式的三电平逆变器4、5中，也与在先说明的第一实施方式和第二实施方式的三电平逆变器2、3相同地，能够有效地防止反向恢复电流经由第一续流二极管D1和第二续流二极管D2的流通。并且，能够抑制第一半导体开关元件T1和第二半导体开关元件T2中的上述高浪涌电压Vcep的产生。其结果是，起到能够防止第一半导体开关元件T1和第二半导体开关元件T2中的栅电压的振动(振荡)，将第一半导体开关元件T1和第二半导体开关元件T2的栅极破坏防患于未然等的效果。
这里，图3所示的实施方式示出了将第一半导体开关元件T1、第二半导体开关元件T2、第五半导体开关元件T5和第六半导体开关元件T6串联连接作为半导体模块而进行了一体化的情况的构成例。另外，图4所示的实施方式示出了将第一半导体开关元件T1和二极管D7作为断路模块而进行一体化，还将第二半导体开关元件T2和二极管D8作为断路模块而进行一体化，针对这两个断路模块连接将第五半导体开关元件T5和第六半导体开关元件T6串联连接而成的半导体模块来构成三电平逆变器5的情况的例子。
如这些例子所示，上述电感元件L1、L2起如下作用：防止第一半导体开关元件T1和第二半导体开关元件T2关断时的关断电流经由第一续流二极管D1和第二续流二极管D2而流通，第一续流二极管D1和第二续流二极管D2分别与第一半导体开关元件T1和第二半导体开关元件T2反向并联地连接。因此，即使在以降低开关损耗(恢复损耗)为目的，而将单极型二极管应用于第一续流二极管D1和第二续流二极管D2的情况下，也能够使经由第一续流二极管D1和第二续流二极管D2的电流路径的电路阻抗足够高。因此，利用针对第一续流二极管D1和第二续流二极管D2串联地连接电感元件L1、L2这样的简单的构成，能够有效地抑制第一续流二极管D1和第二续流二极管D2中浪费的电力损耗。
应予说明，本发明并不限定于上述各实施方式。这里，以使用以碳化硅(SiC)为基底的单极型二极管作为第一续流二极管D1和第二续流二极管D2的情况为例进行了说明，但作为单极型二极管也可以是以氮化镓系的材料、金刚石等的半导体为基底。另外，关于电感元件L1、L2，例如当然可以通过多个半导体模块间的布线材料的长度的调整和/或布线图案的设计等来实现。另外，本发明在不脱离其主旨的范围内能够进行各种改变来实施。

Claims (7)

1.一种三电平逆变器，其特征在于，具备：
第一半导体开关元件，其设置在直流高电位端子与交流输出端子之间，在正电压输出模式时被导通/关断；
第一续流二极管，其与所述第一半导体开关元件反向并联地设置；
第二半导体开关元件，其设置在与直流高电位端子成对的直流低电位端子和所述交流输出端子之间，在负电压输出模式时被导通/关断；
第二续流二极管，其与所述第二半导体开关元件反向并联地设置；
半导体电路，其根据直流中间电压使所述交流输出端子的电位变化，而对所述第一半导体开关元件的栅电压和所述第二半导体开关元件的栅电压进行控制，所述直流中间电压是将被施加在所述直流高电位端子与所述直流低电位端子之间的直流电压分压而得的电压；以及
第一电感元件和第二电感元件，其分别与所述第一续流二极管和所述第二续流二极管串联地连接。
2.如权利要求1所记载的三电平逆变器，其特征在于，
所述第一半导体开关元件和所述第二半导体开关元件均为绝缘栅型半导体元件，所述第一续流二极管和所述第二续流二极管均为单极型半导体的二极管。
3.如权利要求2所记载的三电平逆变器，其特征在于，
所述单极型的第一续流二极管和第二续流二极管均为宽带隙半导体的二极管。
4.如权利要求1所记载的三电平逆变器，其特征在于，
所述半导体电路包括双向开关电路，所述双向开关电路是将第三半导体开关元件和第四半导体开关元件反向并联地连接而构成，所述双向开关电路设置在施加有所述直流中间电压的直流中间电位端子与所述交流输出端子之间。
5.如权利要求1所记载的三电平逆变器，其特征在于，
所述半导体电路包括双向开关电路，所述双向开关电路构成为具备将通电方向相反地串联连接的第三半导体开关元件和第四半导体开关元件、以及与所述第三半导体开关元件和所述第四半导体开关元件分别反向并联地连接的第三二极管和第四二极管，所述双向开关电路设置在施加有所述直流中间电压的直流中间电位端子与所述交流输出端子之间。
6.如权利要求1所记载的三电平逆变器，其特征在于，
所述半导体电路包括辅助开关电路和在所述辅助开关电路的两端之间选择性地施加所述直流中间电压的二极管电路，
所述辅助开关电路包括设置在所述第一半导体开关元件与所述交流输出端子之间的第五半导体开关元件、和设置在所述第二半导体开关元件与所述交流输出端子之间的第六半导体开关元件。
7.如权利要求1所记载的三电平逆变器，其特征在于，
所述直流中间电压是通过在所述直流高电位端子与所述直流低电位端子之间设置的第一电容和第二电容进行电容分压，而生成为所述直流高电位端子与所述直流低电位端子之间施加的直流电压的[1/2]倍的直流电压。
CN201780040045.3A 2017-01-18 2017-12-04 三电平逆变器 Active CN109417354B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017-007128 2017-01-18
JP2017007128 2017-01-18
PCT/JP2017/043527 WO2018135159A1 (ja) 2017-01-18 2017-12-04 ３レベル・インバータ

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109417354A true CN109417354A (zh) 2019-03-01
CN109417354B CN109417354B (zh) 2021-03-19

Family

ID=62909164

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201780040045.3A Active CN109417354B (zh) 2017-01-18 2017-12-04 三电平逆变器

Country Status (4)

Country Link
US (1) US10554150B2 (zh)
JP (1) JP6597917B2 (zh)
CN (1) CN109417354B (zh)
WO (1) WO2018135159A1 (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109873570A (zh) * 2019-03-26 2019-06-11 沈阳远大电力电子科技有限公司 一种三电平t字型拓扑结构以及单相逆变器和三相逆变器
CN110323720A (zh) * 2019-08-05 2019-10-11 珠海格力电器股份有限公司 Igbt模块保护装置、igbt模块及变频器
CN111049409A (zh) * 2020-01-06 2020-04-21 阳光电源股份有限公司 一种电压混合型钳位式三电平逆变电路及其应用装置
CN113890072A (zh) * 2021-11-19 2022-01-04 江苏莱提电气股份有限公司 一种先进分布式模块化无线并联动态电压恢复器

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3826166A1 (en) * 2019-11-25 2021-05-26 Carrier Corporation Power module and converter with asymmetrical semiconductor rating arrangement
CN112968624A (zh) * 2021-03-17 2021-06-15 山特电子（深圳）有限公司 双向dc-ac变换电路及其启动方法
JP2024093968A (ja) * 2022-12-27 2024-07-09 株式会社デンソー ３レベルインバータ及びプログラム

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102237813A (zh) * 2010-05-07 2011-11-09 三菱电机株式会社 功率变换电路
US20120025794A1 (en) * 2010-07-29 2012-02-02 Denso Corporation Drive controller
CN102739100A (zh) * 2012-06-11 2012-10-17 合肥工业大学 三电平三相四桥臂变流器
CN104467400A (zh) * 2013-09-20 2015-03-25 株式会社东芝 电力转换装置
CN106160424A (zh) * 2015-04-21 2016-11-23 台达电子工业股份有限公司 功率开关电路

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5554140B2 (ja) 2009-09-04 2014-07-23 三菱電機株式会社 電力変換回路
JP5534076B2 (ja) * 2010-07-29 2014-06-25 株式会社デンソー 駆動制御装置
JP5163734B2 (ja) 2010-12-17 2013-03-13 富士電機株式会社 ３レベルインバータ装置
JP5644943B2 (ja) * 2011-06-10 2014-12-24 富士電機株式会社 半導体モジュール、上下アームキットおよび３レベルインバータ
EP2793387A4 (en) * 2012-03-30 2015-07-01 Fuji Electric Co Ltd ELECTRIC POWER CONVERTING APPARATUS
JP6186183B2 (ja) * 2013-06-13 2017-08-23 株式会社日立製作所 電力変換装置
JP6086157B2 (ja) * 2013-10-02 2017-03-01 富士電機株式会社 ３レベルインバータ
KR101972240B1 (ko) * 2014-08-29 2019-04-24 도시바 미쓰비시덴키 산교시스템 가부시키가이샤 인버터
US10298115B2 (en) 2014-09-11 2019-05-21 Mitsubishi Electric Corporation Semiconductor device
US10123443B2 (en) 2014-12-25 2018-11-06 Fuji Electric Co., Ltd. Semiconductor device
JP2016123259A (ja) 2014-12-25 2016-07-07 富士電機株式会社 半導体装置
JP6613883B2 (ja) * 2015-12-25 2019-12-04 富士電機株式会社 ３レベル電力変換回路

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102237813A (zh) * 2010-05-07 2011-11-09 三菱电机株式会社 功率变换电路
US20120025794A1 (en) * 2010-07-29 2012-02-02 Denso Corporation Drive controller
CN102739100A (zh) * 2012-06-11 2012-10-17 合肥工业大学 三电平三相四桥臂变流器
CN104467400A (zh) * 2013-09-20 2015-03-25 株式会社东芝 电力转换装置
CN106160424A (zh) * 2015-04-21 2016-11-23 台达电子工业股份有限公司 功率开关电路

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109873570A (zh) * 2019-03-26 2019-06-11 沈阳远大电力电子科技有限公司 一种三电平t字型拓扑结构以及单相逆变器和三相逆变器
CN110323720A (zh) * 2019-08-05 2019-10-11 珠海格力电器股份有限公司 Igbt模块保护装置、igbt模块及变频器
CN111049409A (zh) * 2020-01-06 2020-04-21 阳光电源股份有限公司 一种电压混合型钳位式三电平逆变电路及其应用装置
CN113890072A (zh) * 2021-11-19 2022-01-04 江苏莱提电气股份有限公司 一种先进分布式模块化无线并联动态电压恢复器
CN113890072B (zh) * 2021-11-19 2023-12-15 江苏莱提电气股份有限公司 一种先进分布式模块化无线并联动态电压恢复器

Also Published As

Publication number Publication date
CN109417354B (zh) 2021-03-19
US20190140555A1 (en) 2019-05-09
US10554150B2 (en) 2020-02-04
JPWO2018135159A1 (ja) 2019-04-18
JP6597917B2 (ja) 2019-10-30
WO2018135159A1 (ja) 2018-07-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109417354A (zh) 三电平逆变器
KR101410553B1 (ko) 파워 반도체 모듈, 전력 변환 장치, 및 철도 차량
CN108631552B (zh) 电力转换装置
CN105656323B (zh) 电力变换装置以及具备该电力变换装置的铁道车辆
JP5289536B2 (ja) パワー半導体モジュール
JP2015509665A (ja) 半導体パワーモジュール及びデバイス
JP2004214452A (ja) 電力用半導体モジュールおよび外部電極との結線方法
CN102214984A (zh) 功率半导体器件及使用该器件的功率转换系统
KR20130135979A (ko) 역방향 도통 전력 반도체 스위치를 포함하는 모듈식 다중 컨버터
JP5223610B2 (ja) 電力変換回路
US10439606B2 (en) Semiconductor module
JPH0583947A (ja) インバータ装置
JP2019037119A (ja) 半導体モジュール
JP5695379B2 (ja) 電力変換装置
JP2018029412A (ja) 電力変換装置、および電力変換システム
JP2009089491A (ja) 電力変換装置
CN111133577A (zh) 2合1型斩波器模块
CN1441989A (zh) 用于与电源连接的闸流管电桥的保护电路
JP2019024289A (ja) 電力変換装置の駆動方法
SU1649644A1 (ru) Плечо моста и полууправл ема электронна пара
CN113852288A (zh) 有源整流器电路
JP2015156795A (ja) 半導体スイッチ回路および電力変換装置
CN215835344U (zh) 用于操作带中间电路电容器的电动车辆驱动器的功率模块
JP6888456B2 (ja) 電力変換装置
JP2017162884A (ja) 半導体装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant