CN109586587A - 电力转换器 - Google Patents

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Abstract

一种电力转换器包括一个以上第一转换电路、一个以上第二转换电路和控制器。所述第一转换电路被配置为使用沟槽型的晶体管。所述第二转换电路被配置为使用平面型的晶体管。所有的所述一个以上第一转换电路和所有的所述一个以上第二转换电路彼此并联连接或者彼此串联连接。所述控制器在输出命令值低于预定输出阈值时停止所有的所述一个以上第二转换电路并且操作一个以上所述第一转换电路。所述控制器在所述输出命令值超过所述预定输出阈值的情况下操作所有的所述一个以上第一转换电路并且操作一个以上所述第二转换电路。

Description

电力转换器
技术领域
本公开涉及一种电力转换器。特别地，本公开涉及一种使用具有不同特性的开关元件的电力转换器。
背景技术
已知一种使用具有不同特性的开关元件作为用于电力转换的开关元件的电力转换器。日本未审查专利申请公开第08-182342号(JP08-182342A)公开了上述电力转换器的示例。JP08-182342A中公开的电力转换器是输出三个电平的脉冲信号的器件。在电力转换器中，用于产生长周期脉冲信号的第一转换电路和用于产生短周期脉冲信号的第二转换电路彼此并联连接。通过叠加第一转换电路的输出信号和第二转换电路的输出信号来获得电力转换器的输出。栅极可关断晶闸管(所谓的GTO)用作产生长周期脉冲信号的第一转换电路。绝缘栅双极晶体管(所谓的IGBT)用作产生短周期脉冲信号的第二转换电路。与IGBT相比，GTO具有小的导通电阻(恒定损耗)但是具有大的开关损耗。相比之下，与GTO相比，IGBT具有小的开关损耗但是具有大的导通电阻。在JP08-182342A中公开的电力转换器中，采用GTO作为以相对少的开关次数产生长周期脉冲信号的第一转换电路，并且采用IGBT作为以相对大的开关次数产生短周期脉冲信号的第二转换电路，从而抑制整个转换器的损耗。
发明内容
JP08-182342A中公开的电力转换器需要结构非常不同的称为晶闸管和晶体管的两种类型的元件。因此，开发成本增加。在JP08-182342A中公开的电力转换器中，以输出脉冲信号的频率选择性地使用开关元件。因此，JP08-182342A中公开的电力转换器不能用作能够改变输出幅度的电力转换器。本公开涉及一种能够改变输出幅度的电力转换器，并且提供一种电力转换器，能够进一步抑制开发成本并且进一步抑制整个转换器的损耗。
本发明的方案涉及一种电力转换器，包括一个以上第一转换电路、一个以上一个以上第二转换电路和控制器。所述第一转换电路被配置为使用沟槽型的晶体管作为用于电力转换的开关元件。所述第二转换电路被配置为使用平面型的晶体管作为用于电力转换的开关元件。所有的所述一个以上第一转换电路和所有的所述一个以上第二转换电路彼此并联连接，或者所有的所述一个以上第一转换电路和所有的所述一个以上第二转换电路彼此串联连接。所述控制器被配置为根据对所述电力转换器的输出命令值(下文简称为输出命令值)来选择待被操作的转换电路。所述控制器被配置为在所述输出命令值低于预定输出阈值时停止所有的所述一个以上第二转换电路并且操作一个以上所述一个以上第一转换电路。所述控制器被配置为在所述输出命令值超过所述预定输出阈值的情况下操作所有的所述一个以上第一转换电路并且操作一个以上所述一个以上第二转换电路。
沟槽型的晶体管具有比平面型的晶体管更小的导通电阻(恒定损耗)。相反，平面型的晶体管具有比沟槽型的晶体管更小的开关损耗。因此，在根据本公开的方案的电力转换器中，在输出命令值小于预定输出阈值的情况下，仅使用采用具有相对小的导通电阻(恒定损耗)的沟槽型的晶体管的第一转换电路。在输出命令值小于预定输出阈值的燃料消耗区域中，开关损耗对晶体管的发热量的影响小于导通电阻(恒定损耗)对晶体管的发热量的影响。在输出命令值大于预定输出阈值的高负载区域中，开关损耗对晶体管的发热量的影响大于导通电阻(恒定损耗)对晶体管的发热量的影响。然而，在输出命令值小于预定输出阈值的范围内，即使在少量电力转换电路操作以产生热量的情况下，只要整个电力转换器的发热量相对较小，冷却器就可以集中冷却包括具有相对较大发热量的晶体管的第一转换电路。在输出命令值小于预定输出阈值的范围内，通过优选使用采用具有相对小的导通电阻(恒定损耗)的沟槽型的晶体管的第一转换电路，可以抑制整个器件的损耗。
另一方面，在输出命令值增加的情况下，需要操作多个转换电路，即，多个晶体管。在这种情况下，所有的晶体管的发热量成为问题。因此，在输出命令值大于预定输出阈值的情况下，采用具有相对小的开关损耗的平面型的晶体管作为待操作的转换电路。以这种方式，由于抑制了所有晶体管的发热量，所以抑制了整个器件的损耗。
根据输出命令值使用不同类型的晶体管特别适用于电动车辆的需要低输出的频率高于需要高输出的频率的电力转换器(用于将直流电源的输出电力转换成行驶用电动机的驱动电力的电力转换器)。
沟槽型的晶体管和平面型的晶体管之间的结构差异不如GTO和IGBT之间的结构差异那么大。因此，可以抑制同时开发两种类型的开关元件的成本。沟槽型的晶体管和平面型的晶体管可以是IGBT或金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
在根据本公开的方案所述的电力转换器中，所述控制器可以被配置为将在所有的所述一个以上第一转换电路和所有的所述一个以上第二转换电路都被操作的情况下的载波频率设定为高于在所述第二转换电路未被操作的情况下的载波频率。
根据本公开的方案所述的电力转换器还可包括：用于电力转换的电抗器；以及温度传感器，其被配置为监测所述电抗器的温度。所述控制器可以被配置为在所述电抗器的所述温度超过预定的第一温度阈值的情况下将载波频率设定为高于在超过所述第一温度阈值之前的载波频率。
根据本公开的方案所述的电力转换器还可以包括：电容器；以及温度传感器，其被配置为监测所述电容器的温度。所述控制器可以被配置为在所述电容器的所述温度超过预定的第一温度阈值的情况下，将载波频率设定为高于在超过所述第一温度阈值之前的载波频率。
在载波频率增加的情况下，可以抑制流过电抗器或电容器的电流的交流分量的幅度。因此，可以防止电抗器或电容器的过热。根据本公开的电力转换器在采用具有相对小的开关损耗的平面型的晶体管的所有的一个以上第二转换电路正在操作的情况下，增加载波频率。因此，即使在电抗器或电容器的发热量相对较大的情况下，也可以抑制整个电力转换器的损耗。
在根据本公开的方案所述的电力转换器中，所述控制器可以被配置为在所有的所述一个以上第一转换电路和所有的所述一个以上第二转换电路中的任一个的所述晶体管的温度超过预定的第二温度阈值的情况下，将载波频率设定为低于在超过所述第二温度阈值之前的载波频率。在载波频率增加的情况下，可以在晶体管的发热量增加(在多个平面型的晶体管和多个沟槽型的晶体管正在工作的情况下，尽管平面型的晶体管的开关损耗相对较小，但整个晶体管的发热量也增加)的同时抑制电抗器或电容器的过热。因此，在晶体管的温度超过预定的第二温度阈值的情况下，可以再次降低载波频率以保护晶体管。
由于抑制整个器件的损耗导致抑制整个器件的发热量，因此减小了冷却器上的负载。因此，在上述结构中，可以获得减小包括冷却器的整个电力转换系统的尺寸的效果。下面将在“具体实施方式”中描述本公开的细节和进一步改进。
附图说明
下面将参照附图描述本发明的示例性实施例的特征、优点以及技术和工业重要性，附图中相同的数字表示相同的元件，并且其中：
图1是包括第一实施例的电力转换器的电动车辆的电力系统的框图；
图2是示出沟槽型的晶体管和平面型的晶体管的特性之间的差异的曲线图；
图3是示出驱动相位数的开关控制的曲线图；
图4是示出载波频率的开关控制的第一示例的曲线图；
图5是示出载波频率的开关控制的第二示例的曲线图；
图6是以变形例示出驱动相位数的开关控制的曲线图；
图7是包括第二实施例的电力转换器的电动车辆的电力系统的框图；
图8是示出第二实施例的电力转换器中的驱动相位数的开关控制的曲线图；以及
图9是以参考例示出驱动相位数的开关控制的曲线图。
具体实施方式
第一实施例
将参考附图描述第一实施例的电力转换器。第一实施例的电力转换器2安装在电动车辆100中。图1示出了电动车辆100的电力系统的框图。电动车辆100包括直流电源21、电力转换器2、逆变器31和行驶电动机32。电力转换器2是使直流电源21的输出电压升压并将升压的输出电压提供给逆变器31的器件。逆变器31将由电力转换器2升压的直流电力(DC电力)转换为适合于驱动行驶电动机32的交流电力。即，电力转换器2是与逆变器31一起操作并且将直流电源21的电力转换为行驶电动机32的驱动电力的器件。直流电源21是诸如锂离子电池的二次电池。直流电源21也可以是燃料电池。
电力转换器2包括四个电力转换电路10a至10d、电容器22，24和控制器17。
四个电力转换电路10a到10d在公共输入端子12a，12b和公共输出端子13a，13b之间彼此并联连接。所有的四个电力转换电路10a至10d都是使输入电力的电压升压并输出的升压转换器。电力转换电路10a，10b具有相同的结构。除了使用的开关元件的类型之外，电力转换电路10c，10d具有与电力转换电路10a相同的结构。
电容器22连接在公共输入端子12a，12b之间。电容器24连接在公共输出端子13a，13b之间。电容器22平滑输入到电力转换电路10a到10d的电流。电容器24平滑从电力转换电路10a到10d输出的电流。电容器22包括温度传感器23。电容器24包括温度传感器25。温度传感器23，25的测量值被发送到控制器17。
将描述电力转换电路10a。电力转换电路10a包括开关元件3a、二极管4a、电抗器5a、二极管6a和两个温度传感器7a，8a。电抗器5a的一端连接到输入端子正电极12a，而电抗器5a的另一端连接到二极管6a的阳极。二极管6a的阴极连接到输出端子正电极13a。
电力转换电路10a的输入端子负电极12b和输出端子负电极13b彼此直接连接。开关元件3a连接在电抗器5a和二极管6a之间的中间点与输入端子负电极12b(输出端子负电极13b)之间。二极管4a与开关元件3a反并联连接。
开关元件3a由控制器17控制。在开关元件3a以预定占空比导通和关断的情况下，施加到输入端子12a，12b的直流电源21的电力的电压被升压并从输出端子13a，13b输出。由于图1所示的电力转换电路10a的电路和操作是公知的，所以将省略其详细描述。
温度传感器7a设置在开关元件3a附近。温度传感器8a设置在电抗器5a附近。温度传感器7a测量开关元件3a的温度。温度传感器8a测量电抗器5a的温度。温度传感器7a，8a的测量值被发送到控制器17。
电力转换电路10b包括开关元件3b、二极管4b、电抗器5b、二极管6b和两个温度传感器7b，8b。电力转换电路10b的结构与电力转换电路10a的结构相同。温度传感器7b，8b的测量值被发送到控制器17。在从温度传感器7b，8b延伸的虚线末端的“toCntller”是“到控制器(到控制器17)”的缩写。
电力转换电路10a的开关元件3a和电力转换电路10b的开关元件3b都是沟槽型的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
电力转换电路10c，10d也具有与电力转换电路10a相同的结构。电力转换电路10c，10d和电力转换电路10a之间的唯一区别在于电力转换电路10c，10d的开关元件3c，3d不是沟槽型而是平面型MOSFET。
将简要描述沟槽型的晶体管和平面型的晶体管之间的差异。图2示出了示出沟槽型的晶体管和平面型的晶体管的特性之间的差异的曲线图。在图2的曲线图中，横轴表示开关损耗的大小，而纵轴表示导通电阻(恒定损耗)的大小。在曲线图的右下区域中，导通电阻(恒定损耗)小于开关损耗。在曲线图的左上区域中，开关损耗小于导通电阻(恒定损耗)。
点P1表示沟槽型的晶体管的特性，而点P2表示平面型的晶体管的特性。沟槽型的晶体管的特性(点P1)属于图2的曲线图的右下区域，而平面型的晶体管的特性(点P2)属于曲线图的左上区域。也就是说，沟槽型的晶体管的特征在于导通电阻(恒定损耗)小于平面型的晶体管的导通电阻，而平面型的晶体管具有开关损耗小于沟槽型的晶体管的特性。
与平面型MOSFET相比，沟槽型MOSFET没有结型场效应晶体管(JFET)电阻。因此，可以缩短间距。原则上，沟槽型MOSFET具有相对小的导通电阻(恒定损耗)，但其电容相对较大。另外，由于沟槽结构的必要性和技术困难，沟槽型MOSFET的制造成本相对较高。同时，由于不需要形成沟槽，所以平面型MOSFET的制造成本相对较低。原则上，平面型MOSFET具有比沟槽型MOSFET小的电容，因此开关损耗相对较小。这适用于增加载波频率。由于开关损耗相对较小，因此可以将用于冷却晶体管的冷却器制造得相对较小。因此，可以进一步抑制系统成本。
沟槽型和平面型之间的差异在例如文献(《功率半导体器件基础》，B·贾扬特·巴利加(B.Jayant Baliga)著,斯普林格(Springer)2008版)中有所描述。
电力转换器2的控制器17根据从主机控制器(未示出)发送的输出电流命令值的大小在电力转换电路10a到10d之中选择要操作的电力转换电路。为了便于描述，电力转换电路10a被称为第一相位转换电路10a，电力转换电路10b被称为第二相位转换电路10b，电力转换电路10c被称为第三相位转换电路10c，并且电力转换电路10d称为第四相位转换电路10d。随着输出电流命令值增加，控制器17按照第一相位到第四相位的顺序增加要操作的转换电路的数量。
在电力转换器2的输出电流命令值低于预定输出阈值的情况下，控制器17停止第三相位转换电路10c和第四相位转换电路10d，并根据输出电流命令值的大小判定是仅操作第一相位转换电路10a还是操作第一相位转换电路10a和第二相位转换电路10b两者。也就是说，虽然输出电流命令值相对较小，但是控制器17优选地使用包括沟槽型的晶体管的电力转换电路(第一相位转换电路10a和第二相位转换电路10b)。
如上所述，输出电流命令值从主机控制器(未示出)发送到控制器17。主机控制器从加速器操作量、车速、直流电源21的剩余量等确定从行驶电动机32输出的电力(目标电力)。主控制器根据直流电源21的电压和目标电力确定要从电力转换器2输出的电流值(输出电流命令值)，并向控制器17发出指令。控制器17根据输出电流命令值的大小选择要操作的电力转换电路，并将预定占空比的驱动信号提供给所选择的电力转换电路的开关元件。
图3是示出驱动相位数的开关控制的曲线图。在图3的曲线图中，横轴表示输出电流命令值，而纵轴表示要驱动的转换电路的数量。图3中的纵轴上的“一个相位”表示仅驱动第一相位转换电路10a。纵轴上的“两个相位”意味着第三相位转换电路10c和第四相位转换电路10d停止，并且第一相位转换电路10a和第二相位转换电路10b被驱动。纵轴上的“三个相位”意味着第四相位转换电路10d停止并且第一相位转换电路10a至第三相位转换电路10c被驱动。
当输出电流命令值低于电流Ir4时，控制器17停止第三相位转换电路10c和第四相位转换电路10d，并且根据输出电流命令值的大小判定是仅操作第一相位转换电路10a还是同时操作第一相位转换电路10a和第二相位转换电路10b两者。在输出电流命令值超过电流Ir4的情况下，除了操作第一相位转换电路10a和第二相位转换电路10b之外，控制器17还根据输出电流命令值的大小判定是操作第三相位转换电路10c还是操作第三相位转换电路10c和第四相位转换电路10d两者。
具体地，在输出电流命令值低于电流Ir2的情况下，控制器17仅驱动第一相位转换电路10a。控制器17将预定占空比的驱动信号提供给第一相位转换电路10a的开关元件3a，使得电力转换器2的输出与输出电流命令值匹配。
在输出电流命令值超过电流Ir2的情况下，除了第一相位转换电路10a之外，控制器17还驱动第二相位转换电路10b。控制器17将预定占空比的驱动信号提供给第一相位转换电路10a和第二相位转换电路10b的各开关元件3a，3b，使得第一相位转换电路10a和第二位转换电路10b的总输出匹配该输出电流命令值。在图3中，I1max表示第一相位转换电路10a的最大输出电流，而I2max表示第二相位转换电路10b的最大输出电流。
如上所述，在输出电流命令值低于电流Ir4的同时，控制器17停止采用平面型的晶体管的第三相位转换电路10c和第四相位转换电路10d，并且仅利用采用沟槽型的晶体管第一相位转换电路10a和第二相位转换电路10b实现输出电流命令值。
用于判定是否操作第三相位转换电路10c的电流Ir4对应于上述输出阈值。输出阈值被设定为通过从采用沟槽型的晶体管的第一相位转换电路10a和第二相位转换电路10b的总最大输出电流(I1max+I2max)减去小的余量Mg而获得的值。对应于输出阈值的电流Ir4被设定为大于第一相位转换电路10a的最大输出电流I1max的值。
在输出电流命令值超过电流Ir4的情况下，除了沟槽型第一相位转换电路10a和沟槽型第二相位转换电路10b之外，控制器17还操作平面型第三相位转换电路10c以实现输出电流命令值。在输出电流命令值超过电流Ir6的情况下，控制器17操作所有的电力转换电路10a至10d。I3max表示第三相位转换电路10c的最大输出电流。在输出电流命令值超过第一相位转换电路10a至第三相位转换电路10c的总最大输出电流(I1max+I2max+I3max)的情况下，控制器17操作所有的电力转换电路10a至10d。实际上，通过从第一相位转换电路10a到第三相位转换电路10c的总最大输出电流减去余量Mg而获得的电流Ir6也成为第四相位转换电路10d的操作开始的阈值。
在输出电流命令值超过电流Ir6并且所有的电力转换电路10a至10d开始操作之后，控制器17在输出电流命令值变得低于电流Ir5(<Ir6)的情况下停止第四相位转换电路10d。在第一相位转换电路10a至第三相位转换电路10c正在操作的同时，控制器17在输出电流命令值变得低于电流Ir3(<电流Ir4)的情况下停止第三相位转换电路10c。在第一相位转换电路10a和第二相位转换电路10b正在操作的同时，控制器17在输出电流命令值低于电流Ir1(<电流Ir2)的情况下停止第二相位转换电路10b。
在减少驱动相位数的情况下的阈值Ir1，Ir3，Ir5略小于在增加驱动相位数的情况下的阈值Ir2，Ir4，Ir6的原因是为了防止频繁切换驱动相位数的摆动(hunting)。
在要操作的相位数是三以下的情况下，在确定作为开关元件3a至3c的驱动命令值的脉冲宽度调制(PWM)信号时的载波频率是fa。在控制器17开始操作所有相位的情况下，载波频率从fa增加到fc。电力转换器2包括冷却器(未示出)。这是为了抑制由于在所有的电力转换电路10a至10d都操作的情况下冷却器的容量变得不足而引起的设置在电力转换电路10a至10d中的电抗器5a至5d的发热。
在输出电流命令值相对较小时，电力转换器2仅使用采用沟槽型的晶体管(开关元件3a，3b)的第一相位转换电路10a和第二相位转换电路10b。在输出电流命令值增加的情况下，除了第一相位转换电路10a和第二相位转换电路10b之外，电力转换器2还使用采用平面型的晶体管(开关元件3c，3d)的第三相位转换电路10c和第四相位转换电路10d。将描述上述内容的优点。尽管未示出，但是电力转换器2包括用于冷却各个电力转换电路的开关元件3a至3d和电抗器5a至5d的冷却器。冷却器还冷却电容器22，24(参见图1)。
如上所述，沟槽型的晶体管的导通电阻(恒定损耗)低于平面型的晶体管的导通电阻。特别地，导通电阻(恒定损耗)对器件的发热量有影响。也就是说，沟槽型的晶体管的发热量小于平面型的晶体管的发热量。在第三相位转换电路10c和第四相位转换电路10d停止的同时，电力转换器2的总发热量相对较小。因此，即使在第一相位转换电路10a和第二相位转换电路10b的开关元件3a，3b(沟槽型的晶体管)的发热量相对较大的情况下，冷却器也可以集中冷却开关元件3a，3b。另一方面，由于沟槽型的晶体管的导通电阻(恒定损耗)相对较小，所以在仅有第一相位转换电路10a和第二相位转换电路10b在操作时，电力转换器2的总损耗保持相对较低。
另一方面，在输出电流命令值增加的情况下，除非在第一相位转换电路10a和第二相位转换电路10b之外还使用第三相位转换电路10c和第四相位转换电路10d，否则不能实现输出电流命令值。在输出电流命令值增加的情况下，电力转换器2的总发热量也增加。这里，在第三相位转换电路10c和第四相位转换电路10d中采用的开关元件3c，3d是平面型的晶体管，并且对高负载区域中的发热量具有大的影响的开关损耗相对较小。因此，由于抑制了在操作第三相位转换电路10c和第四相位转换电路10d的情况下的发热量的增加，所以冷却器可以继续冷却整个电力转换器2。通过抑制电力转换器2的温度上升，也可以抑制整个电力转换器2的损耗。
沟槽型MOSFET的结构和平面型MOSFET的结构并没有很大不同。其优点是同时开发两种MOSFET的成本相对较低。
将再次描述由控制器17执行的驱动相位数的开关控制。除了图3所示的驱动相位数的开关控制之外，控制器17还根据电抗器5a至5d和电容器22，24的温度切换载波频率。电力转换电路10a至10d具有用于测量电抗器5a至5d的温度的温度传感器8a至8d，并且温度传感器8a至8d的测量值分别发送至控制器17。电力转换器2包括用于测量电容器22的温度的温度传感器23和用于测量电容器24的温度的温度传感器25，并且温度传感器23，25的测量值被发送到控制器17。控制器17在电抗器5a到5d和电容器22，24中的任何一个的温度超过阈值的情况下增加载波频率。图4是示出根据电抗器/电容器的温度的载波频率的开关控制的曲线图。
开关元件3a至3d中的每一个的载波频率的初始值是fa。在电抗器5a至5d和电容器22，24中的任何一个的温度超过温度T2的情况下，控制器17将载波频率增加至fb。在电抗器5a至5d和电容器22，24中的任何一个的温度超过温度T4的情况下，控制器17将载波频率增加至fc。载波频率越高，流过电抗器5a至5d和电容器22，24的电流的交流分量的幅度越小，从而抑制了热量的产生。频率fa，fb，fc之间的关系是fc>fb>fa。频率fa没有特别限制，优选为10[kHz]。
在电抗器5a至5d和电容器22，24中的任何一个的温度超过温度T4并且载波频率变为fc之后，在各组件温度中的最高温度变得低于温度T3的情况下，控制器17将载波频率降低到fb。在载波频率为fb的同时电抗器5a至5d和电容器22，24的温度中的最高温度变得低于温度T1的情况下，控制器17将载波频率降低至fa。在增加载波频率的情况下的阈值T2，T4略低于在降低载波频率的情况下的阈值T1，T3的原因是为了防止频繁切换载波频率的摆动。上述开关控制如下。电力转换器2包括用于电力转换的电容器22，24和电抗器5a至5d。在电抗器5a至5d的温度或电容器22，24的温度超过第一温度阈值T2，T4的情况下，控制器17使载波频率高于在超过第一温度阈值之前的载波频率。
控制器17还根据开关元件3a至3d的温度改变载波频率。图5是示出根据开关元件的温度的载波频率的开关控制的曲线图。在图5中，横轴表示开关元件的温度，而纵轴表示载波频率。图5中的温度T5是高于图4中的温度T4的温度。开关元件3a至3d的温度分别由温度传感器7a至7d测量，并且测量数据被发送至控制器17(参见图1)。
如上所述，在电抗器5a至5d和电容器22，24中的任何一个的温度超过温度T4的情况下，控制器17将载波频率增加至fc[kHz]。随着载波频率增加，开关元件的开关次数增加，并且开关元件的发热量增加。在开关元件3a至3d中的任何一个的温度超过温度T6(>T4)的情况下，控制器17将载波频率从fc降低到fa。也就是说，在电力转换电路10a到10d的开关元件3a到3d中的任何一个的温度超过预定的第二温度阈值T6的情况下，控制器17使载波频率低于在超过第二温度阈值之前的载波频率。这是因为防止开关元件的过热比防止上述控制中的电抗器或电容器的过热更重要。
在开关元件的温度变得低于温度T5的情况下，控制器17再次将载波频率增加到fc。在增加载波频率的情况下的阈值(温度T5)略低于在降低载波频率的情况下的阈值(温度T6)的原因是为了防止频繁切换载波频率的摆动。
图6示出了根据输出电流命令值的驱动相位数的开关控制的变型例。在图6所示的开关控制中，当输出电流命令值低于电流Ir4(输出阈值)时，控制器17停止第三相位转换电路10c和第四相位转换电路10d，并且操作第一相位转换电路10a和第二相位转换电路10b两者。在输出电流命令值超过电流Ir4的情况下，除了第一相位转换电路10a和第二相位转换电路10b之外，控制器17还操作第三相位转换电路10c。在输出电流命令值超过电流Ir6的情况下，控制器17操作所有的电力转换电路10a至10d。如上所述，在输出电流命令值低于电流Ir4(输出阈值)的情况下，可以操作第一相位转换电路10a和第二相位转换电路10b，即，可以操作采用沟槽型的晶体管的所有的电力转换电路。
同样在图6所示的示例中，在减少驱动相位数的情况下的阈值Ir3，Ir5略小于在增加驱动相位数的情况下的阈值Ir4，Ir6的原因是为了防止频繁切换驱动相位数的摆动。
第二实施例
将参考图7和图8描述第二实施例的电力转换器2a。第二实施例的电力转换器2a安装在电动车辆100a中。图7是示出包括电力转换器2a的电动车辆100a的框图。由于除了电力转换器2a的内部之外，电动车辆100a与第一实施例的电动车辆100相同，因此将省略其描述。
第二实施例的电力转换器2a包括四个电力转换电路10a至10d、电容器22，24和控制器17。电力转换电路10a至10d中的每个的配置与第一实施例中的转换电路的相同。第二实施例的电力转换器2a与第一实施例的电力转换器2的不同之处在于，四个电力转换电路10a至10d彼此串联连接。四个电力转换电路10a至10d中的每一个是升压转换器。电力转换器2a的输出电压是通过将作为输入的直流电源21的电压乘以要操作的电力转换电路(升压转换器)的升压比而获得的值。
电力转换器2a的控制器17从主机控制器(未示出)接收将从电力转换器2a输出的电压的命令(输出电压命令值)。控制器17根据电力转换器2a的输出电压命令值的大小确定要操作的电力转换电路的数量。图8示出了示出电力转换电路的驱动相位数的开关控制的曲线图。在图8中，横轴表示输出电压命令值，而纵轴表示驱动相位数。与第一实施例的情况一样，采用沟槽型的晶体管作为用于电力转换的开关元件的电力转换电路10a，10b分别被称为第一相位转换电路10a和第二相位转换电路10b。采用平面型的晶体管作为用于电力转换的开关元件的电力转换电路10c，10d分别被称为第三相位转换电路10c和第四相位转换电路10d。图8中的纵轴上的“一个相位”表示仅驱动第一相位转换电路10a。纵轴上的“两个相位”意味着第三相位转换电路10c和第四相位转换电路10d停止，并且第一相位转换电路10a和第二相位转换电路10b被驱动。纵轴上的“三个相位”意味着第四相位转换电路10d停止并且第一相位转换电路10a至第三相位转换电路10c被驱动。
当输出电压命令值低于电压Vr4(输出阈值)时，控制器17停止第三相位转换电路10c和第四相位转换电路10d，并根据输出电压命令值确定在第一相位转换电路10a和第二相位转换电路10b中要驱动的转换电路的数量。在输出电压命令值超过电压Vr4的情况下，控制器17停止第一相位转换电路10a和第二相位转换电路10b，并根据输出电压命令值确定在第三相位转换电路10c和第四相位转换电路10d中要驱动的转换电路的数量。
具体地，在输出电压命令值低于电压Vr2的情况下，控制器17仅驱动第一相位转换电路10a。控制器17将预定占空比的驱动信号提供给第一相位转换电路10a的开关元件3a，使得电力转换器2的输出与输出电压命令值匹配。
在输出电压命令值超过电压Vr2的情况下，除了第一相位转换电路10a之外，控制器17还驱动第二相位转换电路10b。控制器17将预定占空比的驱动信号提供给第一相位转换电路10a和第二相位转换电路10b的各开关元件3a，3b，使得电力转换器2a的输出电压与输出电压命令值匹配。
在输出电压命令值超过电压Vr4的情况下，除了包括沟槽型的晶体管的第一相位转换电路10a和第二相位转换电路10b之外，控制器17还操作包括平面型的晶体管的第三相位转换电路10c，以实现输出电压命令值。在输出电压命令值超过电压Vr6的情况下，控制器17操作所有的电力转换电路10a至10d。
图8中的电压Vr1，Vr3，Vr5是在减少驱动相位数的情况下的阈值。在减少驱动相位数的情况下的阈值Vr1，Vr3，Vr5略小于在增加驱动相位数的情况下的阈值Vr2，Vr4，Vr6的原因是为了防止频繁切换驱动相位数的摆动。
第二实施例的电力转换器2a也具有与第一实施例的电力转换器2相同的优点。
参照例
为了实现输出电流(电压)命令值，电力转换器2(2a)可以将负载分散到电力转换电路10a到10d。通过使用上述特征，可以避免电抗器5a至5d的发热量不同的情况。将参考图9描述在这种情况下的驱动相位数的开关控制。图9可以应用于图1所示的电力转换器2，并且也可以应用于图7所示的电力转换器2a。
控制器17监测电力转换电路10a至10d的每个电抗器5a至5d的温度。如图1和图7所示，电抗器5a至5d的温度分别由温度传感器8a至8d测量，并且测量数据被发送至控制器17(参见图1和图7)。首先，控制器17仅操作第一相位转换电路10a。在电抗器5a至5d的温度中的最高温度(在这种情况下，电抗器5a的温度)超过温度T2的情况下，控制器17操作第二相位转换电路10b。然后，在电抗器5a至5d的温度中的最高温度(在这种情况下，电抗器5a或5b的温度)超过温度T4的情况下，控制器17还操作第三相位转换电路10c。然后，在电抗器5a至5d的温度中的最高温度(在这种情况下，电抗器5a或5b或5c的温度)超过温度T6的情况下，控制器17还操作第四相位转换电路10d。如上所述，在电抗器的温度超过预定温度阈值T2，T4，T6的情况下，可以通过增加要操作的转换电路的数量以分配负载，来防止特定电抗器的发热量增加。
在图9中，在减少驱动相位数的情况下的阈值T1，T3，T5略微小于在增加驱动相位数的情况下的阈值T2，T4，T6的原因是为了防止频繁切换驱动相位数的摆动。
用于均衡负载的驱动相位数的选择不限于基于电抗器温度的情况。例如，控制器可以根据每个电力转换电路的开关元件的最高温度来选择驱动相位数。
将描述关于各实施例中描述的技术的要点。各自包括沟槽型的晶体管作为用于电力转换的开关元件的第一相位转换电路10a和第二相位转换电路10b是第一转换电路的示例。各自包括平面型的晶体管作为用于电力转换的开关元件的第三相位转换电路10c和第四相位转换电路10d是第二转换电路的示例。
在第一转换电路中采用的沟槽型的晶体管和在第二转换电路中采用的平面型的晶体管不受特别限制。然而，理想的是在第一转换电路中采用的沟槽型的晶体管和在第二转换电路中采用的平面型的晶体管具有以下特征。在某些条件下，沟槽型的晶体管的总损耗和平面型的晶体管的总损耗几乎相同。然而，沟槽型的晶体管和平面型的晶体管具有损耗平衡：在低频和低负载的情况下沟槽型的晶体管比平面型的晶体管更有利，而在高频和高负荷的情况下平面型的晶体管比沟槽型的晶体管更有利。沟槽型的晶体管和平面型的晶体管是尺寸差异不大的器件。
输出电流命令值和输出电压命令值是输出命令值的示例。图3中的电流Ir4和图8中的电压Vr4是输出阈值的示例。在电力转换器包括采用沟槽型的晶体管的“n”个电力转换电路的情况下，输出阈值可以设定在“n”个电力转换电路的总输出与“n-1”个电力转换电路的总输出之间。
包括在每个电力转换器2，2a中的电力转换电路10a到10d是升压转换器。本公开不限于升压转换器。包括在电力转换器中的电力转换电路可以是降压转换器或逆变器。或者，包括在电力转换器中的电力转换电路可以是双向DC-DC转换器。双向DC-DC转换器的典型电路配置是在如图1所示的电路中开关元件和二极管的反并联电路代替二极管设置在二极管6a(6b至6d)的位置处的配置。开关元件和二极管的反并联电路设置在阴极连接到输出端子正电极13a的方向上。
用于电力转换的开关元件不限于MOSFET，并且可以是双极晶体管(BJT)、异质结场效应晶体管(HFET)、高电子迁移率晶体管(HEMT)、结型FET(JFET)、绝缘栅型双极晶体管(IGBT)、反向导通IGBT(RC-IGBT)和栅极可关断晶闸管(GTO)。无论采用何种类型的开关元件，晶体管的主要结构相同并且晶体管中一个是沟槽型而另一个是平面型即足够。在主要结构相同的情况下，可以抑制同时开发沟槽型元件和平面型元件的成本。
各实施例的每个电力转换器2，2a包括采用沟槽型的晶体管的两个电力转换电路和采用平面型的晶体管的两个电力转换电路。然而，在本公开中，可以包括采用沟槽型的晶体管的一个以上电力转换电路和采用平面型的晶体管的一个以上电力转换电路。
第一转换电路和第二转换电路中采用的晶体管可以由碳化硅(SiC)形成，或者可以由硅形成。在第一转换电路和第二转换电路中采用的晶体管可以是称为宽带隙半导体(SiC、氮化镓(GaN)、氧化镓(Ga2O3)、金刚石)型。在本公开中，晶体管的类型无关紧要。
本公开适用于电动车辆的电力转换器(用于将DC电力转换成电动机驱动电力的装置)。电动车辆仅在总运行时段的约90％以最大输出的约50％以上的输出运转。本实施例的频繁使用具有相对小的导通电阻(恒定损耗)的沟槽型的晶体管的技术适用于在上述情况下使用的电力转换器。这里，“电动车辆”包括具有行驶用电动机和发动机两者的混合动力车辆以及具有发电机以诸如燃料电池作为电源的车辆。此外，本公开还适用于除车辆之外的应用的电力转换器。
虽然上面已经详细描述了本公开的具体示例，但是这些仅仅是说明性的，并不限制权利要求的范围。权利要求中描述的技术包括上面举例说明的具体实例的各种变化和变型。本说明书或附图中描述的技术要素单独地或以各种组合表现出技术效用，并且不限于在提交时在权利要求中描述的组合。在本说明书或附图中举例说明的技术使得可以同时实现多个目的，并且具有实现一个目的而自身具有技术实用性。

Claims (5)

1.一种电力转换器，其特征在于包括：
一个以上第一转换电路，其被配置为使用沟槽型的晶体管作为用于电力转换的开关元件；
一个以上第二转换电路，其被配置为使用平面型的晶体管作为用于电力转换的开关元件；以及
控制器，其被配置为根据对所述电力转换器的输出命令值来选择待被操作的转换电路，其中：
所有的所述一个以上第一转换电路和所有的所述一个以上第二转换电路彼此并联连接，或者所有的所述一个以上第一转换电路和所有的所述一个以上第二转换电路彼此串联连接；以及
所述控制器被配置为
在所述输出命令值低于预定输出阈值时，停止所有的所述一个以上第二转换电路并且操作一个以上所述第一转换电路，以及
在所述输出命令值超过所述预定输出阈值的情况下，操作所有的所述一个以上第一转换电路并且操作一个以上所述第二转换电路。
2.根据权利要求1所述的电力转换器，其特征在于，所述控制器被配置为将在所有的所述一个以上第一转换电路和所有的所述一个以上第二转换电路都被操作的情况下的载波频率设定为高于在所述第二转换电路未被操作的情况下的载波频率。
3.根据权利要求1所述的电力转换器，其特征在于还包括：
用于电力转换的电抗器；以及
温度传感器，其被配置为监测所述电抗器的温度，
其中，所述控制器被配置为在所述电抗器的所述温度超过预定的第一温度阈值的情况下，将载波频率设定为高于在超过所述第一温度阈值之前的载波频率。
4.根据权利要求1所述的电力转换器，其特征在于还包括：
电容器；以及
温度传感器，其被配置为监测所述电容器的温度，
其中，所述控制器被配置为在所述电容器的所述温度超过预定的第一温度阈值的情况下，将载波频率设定为高于在超过所述第一温度阈值之前的载波频率。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的电力转换器，其特征在于，所述控制器被配置为在所有的所述一个以上第一转换电路和所有的所述一个以上第二转换电路中的任一个的所述晶体管的温度超过预定的第二温度阈值的情况下，将载波频率设定为低于在超过所述第二温度阈值之前的载波频率。
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