CN111510048B - 电力变换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电力变换装置，其开关电路具有彼此并联连接的第一开关元件以及第二开关元件。控制装置根据针对开关电路的电流指令值以及流过开关电路的实际电流，选择执行驱动第一开关元件的第一开关控制和驱动第二开关元件的第二开关控制中的一个。第一开关元件使用第一半导体材料制成，第二开关元件使用带隙比第一半导体材料窄的第二半导体材料制成。第二开关元件的尺寸比第一开关元件的尺寸大。控制装置在执行第一开关控制中电流指令值和实际电流的至少其中一个超过规定阈值时，切换到第二开关控制。

Description

电力变换装置
技术领域
本说明书公开的技术涉及一种电力变换装置。
背景技术
已知DC-DC转换器或逆变器等在电源与负载之间进行电力变换的电力变换装置。这种电力变换装置经由一个或多个开关电路将电源与负载之间连接，对各个开关电路进行例如PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)控制，从而在电源与负载之间进行电力变换。
例如，日本特开2014-27816号公报公开了一种逆变器。在该逆变器中，每个开关电路都具有并联连接的两个开关元件，根据开关电路中流动的电流而优先驱动两个开关元件之一。一个开关元件是IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极晶体管)，另一个开关元件是MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)。而且，对于制成MOSFET的半导体材料，提出采用碳化硅(SiC)的方案。
发明内容
碳化硅的带隙比硅(Si)宽，碳化硅的开关元件与硅的开关元件相比具有例如功率损耗低等优点。另一方面，碳化硅的开关元件比硅的开关元件价格高，通过采用碳化硅的开关元件，电力变换装置的制造成本增加。因此，在日本特开2014-27816号公报中记载的逆变器中，两个开关元件中只有一个采用碳化硅(或其他宽带隙半导体)的开关元件。这种结构能够兼顾电力变换装置的性能提高和成本降低。本说明书提供一种技术，能够通过适当地控制这两个开关元件来进一步增强这种优点。
本说明书公开的技术具体化为在电源与负载之间进行电力变换的电力变换装置。该电力变换装置具备开关电路和控制装置。开关电路具有第一开关元件和第二开关元件，第一开关元件和第二开关元件设置在从电源到负载的电力供给路径上并且彼此并联连接。控制装置根据针对开关电路的电流指令值以及流过开关电路的实际电流，选择执行驱动第一开关元件的第一开关控制和驱动第二开关元件的第二开关控制中的一个。第一开关元件使用第一半导体材料制成，第二开关元件使用带隙比第一半导体材料窄的第二半导体材料制成。第二开关元件的尺寸比第一开关元件的尺寸大。控制装置在执行第一开关控制中电流指令值和实际电流的至少其中一个超过规定阈值时，切换到第二开关控制。另外，这里所说的“根据流过开关电路的实际电流”不限于根据直接测量该实际电流得到的指标，也包括根据与该实际电流相应地变动的指标等能够推定实际电流的其他指标。
在上述电力变换装置中，第一开关元件的尺寸比第二开关元件的尺寸小，该较小的第一开关元件采用带隙宽的半导体材料(例如，宽带隙半导体)。一般地，开关元件的制造成本与其尺寸成正比地增加，该倾向在采用宽带隙半导体的开关元件中尤为明显。因此，关于采用宽带隙半导体的第一开关元件，通过减小其尺寸，能够特意降低电力变换装置的制造成本。
如果减小第一开关元件的尺寸，则第一开关元件的容许电流也降低。因此，在上述电力变换装置中，根据针对开关电路的电流指令值以及流过开关电路的实际电流，选择执行第一开关控制和第二开关控制中的一个。在第一开关控制中，仅驱动第一开关元件，不驱动第二开关元件。另一方面，在第二开关控制中，仅驱动第二开关元件，不驱动第一开关元件。由此，当电流指令值小于阈值时，执行第一开关控制，能够仅利用功率损耗小的第一开关元件。另一方面，当电流指令值大于阈值时，执行第二开关控制，能够仅利用容许电流较大的第二开关元件。
然而，即使在电流指令值小于阈值的情况下，有时由于某些理由而流过开关电路(即，第一开关元件)的电流会超过阈值。因此，在上述电力变换装置中，即使在电流指令值小于阈值时，也会当流过开关电路的实际电流超过阈值时，从第一开关控制切换到第二开关控制。由此，能够预先避免第一开关元件中流过过大的电流。
另外，即使仅根据流过开关电路的实际电流而进行第一开关控制与第二开关控制之间的转换，也能够避免第一开关元件中流过过大的电流。然而，流过开关电路的实际电流在开关控制的一个控制周期(例如，PWM控制中的载波频率的一个周期)的期间大幅变动。因此，如果仅根据流过开关电路的实际电流而进行开关控制的转换，则开关控制的转换可能频繁发生。与此相对，根据上述电力变换装置，不仅考虑流过开关电路的实际电流，还考虑针对开关电路的电流指令值，从而能够保护第一开关元件中不会流过过大的电流，并且适当抑制开关控制的转换频次。
附图说明
图1示出了表示电力变换装置10的构成的框图。
图2示出了表示电力变换装置10的电路结构的一个例子的电路图。
图3示出了表示控制装置16的构成的一个例子的框图。
图4示出了例示开关元件22、24的尺寸与热时间常数的关系的曲线图。
图5是示出针对开关电路20的电流指令值以及流过开关电路20的实际电流的曲线图，示出了仅执行第一开关控制的状态的一个例子。
图6是示出针对开关电路20的电流指令值以及流过开关电路20的实际电流的曲线图，示出了选择执行第一开关控制和第二开关控制中的一个的状态的一个例子。在该例子中，在切换到第二开关控制之后，当电流指令值和实际电流两者都小于阈值时，进行向第一开关控制的切换。添加阴影线的范围表示执行第一开关控制的时间带，其他范围表示执行第二开关控制的时间带。这一点对于图7至图11同样适用。
图7是示出针对开关电路20的电流指令值以及流过开关电路20的实际电流的曲线图，示出了选择执行第一开关控制和第二开关控制中的一个的状态的一个例子。在该例子中，在切换到第二开关控制之后，当电流指令值和实际电流两者都小于阈值时，进行向第一开关控制的切换。
图8是示出针对开关电路20的电流指令值以及流过开关电路20的实际电流的曲线图，示出了选择执行第一开关控制和第二开关控制中的一个的状态的一个例子。在该例子中，在切换到第二开关控制之后，当第二开关控制的一个控制周期T结束时，进行向第一开关控制的切换。
图9是示出针对开关电路20的电流指令值以及流过开关电路20的实际电流的曲线图，示出了选择执行第一开关控制和第二开关控制中的一个的状态的一个例子。在该例子中，在切换到第二开关控制之后，当第二开关控制的一个控制周期T结束时，进行向第一开关控制的切换。
图10是示出针对开关电路20的电流指令值以及流过开关电路20的实际电流的曲线图，示出了选择执行第一开关控制和第二开关控制中的一个的状态的一个例子。在该例子中，当预测电流指令值和实际电流的至少其中一个超过阈值时，预先进行向第二开关控制的切换。
图11是示出针对开关电路20的电流指令值以及流过开关电路20的实际电流的曲线图，示出了选择执行第一开关控制和第二开关控制中的一个的状态的一个例子。在该例子中，当预测电流指令值和实际电流的至少其中一个超过阈值时，预先进行向第二开关控制的切换。
具体实施方式
在本发明的一实施方式中，控制装置在切换到第二开关控制之后，当电流指令值和实际电流两者都小于所述阈值时，可以切换到第一开关控制。例如，在执行第二开关控制中实际电流变得小于阈值的情况下，即使在其控制周期的中途也可以进行向第一开关控制的切换。根据该结构，通过增加驱动第一开关元件的机会，能够降低例如开关电路中的功率损耗。
在本发明的一个实施方式中，控制装置在切换到第二开关控制之后，当第二开关控制的一个控制周期结束时，可以切换到第一开关控制。即，即使在执行第二开关控制中实际电流变得小于阈值的情况下，也可以继续第二开关控制直到其一个控制周期结束为止。根据该结构，抑制了开关控制的转换频次，能够降低第一开关元件的开关次数。
在本发明的一个实施方式中，控制装置在预测电流指令值和实际电流的至少其中一个超过所述阈值时，可以执行第二开关控制。例如，当电流指令值从超过阈值的值向小于阈值的值急剧变化时，大多情况下，流过开关电路的实际电流无法跟随该变化，在此后的一个或多个控制周期中，流过开关电路的实际电流超过阈值。因此，当电流指令值发生这种变化时，可以与流过开关电路的实际电流无关地，在此后的一个或多个控制周期中，继续第二开关控制。
在本发明的一个实施方式中，第一半导体材料是碳化硅，第二半导体材料是硅。但是，第一半导体材料不限于碳化硅，可以是例如氮化镓(GaN)、氧化镓(Ga2O3)或金刚石等其他宽带隙半导体。另外，这里所说的宽带隙半导体泛指带隙比硅宽的半导体材料。关于第二半导体材料，也不限于硅，可以是例如宽带隙半导体材料。只要是第一开关元件的第一半导体材料具有比第二开关元件的第二半导体材料更宽的带隙即可。
在本发明的一个实施方式中，第一开关元件是MOSFET，第二开关元件是IGBT。但是，作为其他实施方式，第一开关元件以及第二开关元件各自不限于MOSFET或IGBT，可以是被分类至其他种类的开关元件。
以下，参照附图，详细说明本发明的具有代表性但不进行限定的具体例。该详细说明仅意在向本领域技术人员示出用于实施本发明的若干例子的细节，并无意图限定本发明的保护范围。此外，下面公开的附加特征及技术可以单独使用或与其他特征及发明组合使用，以提供进一步被改善的电力变换装置及其使用方法和制造方法。
另外，在以下详细说明中公开的特征或工序的组合，并非是最大范围下实施本发明时所必需的，其仅是为了特别说明本发明的代表性具体例而记载的内容。另外，上述及下述代表性具体例的各种特征、以及独立权利要求及从属权利要求中记载的各种特征，都无需按照提供本发明的附加性的实用实施方式时所记载的具体例、或所列举的顺序进行组合。
记载在本说明书和/或权利要求书的范围内的所有特征的目的在于，在实施例和/或权利要求中记载的特征的构成之外，还作为对本发明的原始公开的内容以及要求保护的特定内容的限定而单独且彼此独立地公开的特征。此外，所有数值范围、以及涉及组或群的记载的目的在于，都是作为对本发明的原始公开及要求保护的特定内容的限定而公开了其中的构成。
实施例
参照附图，对实施例的电力变换装置10进行说明。作为一个例子，本实施例的电力变换装置10搭载在混合动力车辆、燃料电池车辆或电动车等汽车上，在电池2与驱动车轮的发动机4之间进行电力变换。但是，本实施例公开的技术不仅可以应用于搭载在汽车上的电力变换装置10，还可以应用于各种用途的电力变换装置。
发动机4可以作为电动机起作用，或者作为发电机起作用。当发动机4作为电动机起作用时，从电池2通过电力变换装置10向发动机4供给电力。在该情况下，电池2为电源，发动机4为负载。另一方面，当发动机4作为发电机起作用时，从发动机4通过电力变换装置10向电池2供给电力。在该情况下，发动机4为电源，电池2为负载。
如图1所示，电力变换装置10具备DC-DC转换器12、逆变器14、以及控制装置16。DC-DC转换器12设置在电池2与逆变器14之间。DC-DC转换器12是升降压型DC-DC转换器，能够在电池2与逆变器14之间进行直流电的升压及降压。逆变器14设置在DC-DC转换器12与发动机4之间。逆变器14是三相逆变器，能够在DC-DC转换器12与发动机4之间进行由直流电向三相交流电的变换及其逆变换。
例如，在发动机4作为电动机起作用的情况下，从电池2供给的直流电在DC-DC转换器12中被升压，再在逆变器14中被变换为三相交流电之后，供给至发动机4。由此，通过从电池2供给的直流电驱动三相交流发动机4。另一方面，在发动机4作为发电机起作用的情况下，从发动机4供给的三相交流电在逆变器14中被变换为直流电，再在DC-DC转换器12中被降压之后，供给至电池2。由此，通过发动机4产生的电力给电池2充电。
图2示出了DC-DC转换器12以及逆变器14的电路结构的一个例子。如图2所示，DC-DC转换器12以及逆变器14是利用多个开关电路20构成的。各个开关电路20设置在电池2与发动机4之间的电力供给路径上，其动作由控制装置16控制。每个开关电路20具备第一开关元件22、第二开关元件24、以及二极管26。关于开关电路20的结构，在后面的段落进行详细说明。
除了开关电路20的结构之外，DC-DC转换器12和逆变器14的其他结构与公知的DC-DC转换器和逆变器相同。例如，DC-DC转换器12具有两个开关电路20、电感器30、以及平滑电容器32。一个开关电路20设置在DC-DC转换器12的上臂12a，另一个开关电路20设置在DC-DC转换器12的下臂12b。逆变器14具有六个开关电路20。各个开关电路20分别设置在U相的上臂14a、U相的下臂14b、V相的上臂14c、V相的下臂14d、W相的上臂14e以及W相的下臂14f。这里说明的DC-DC转换器12以及逆变器14的结构是一个例子，可以进行适当变更。另外，作为其他实施方式，电力变换装置10可以只具有DC-DC转换器12，也可以只具有逆变器14。此外，电力变换装置10可以是升压型(或降压型)DC-DC转换器，在该情况下，只具备一个开关电路20即可。
如前所述，每个开关电路20都具备第一开关元件22和第二开关元件24。第一开关元件22和第二开关元件24彼此并联连接。第一开关元件22是使用碳化硅(SiC)制成的MOSFET，第二开关元件24是使用硅(Si)制成的IGBT。碳化硅具有比硅宽的带隙，称为宽带隙半导体。另外，碳化硅是本发明中的第一半导体材料的一个例子，硅是本发明中的第二半导体材料的一个例子。第一开关元件22所采用的第一半导体材料不限于碳化硅，可以是例如氮化镓(GaN)、氧化镓(Ga2O3)或金刚石等其他宽带隙半导体。此外，第二开关元件24所采用的第二半导体材料不限于硅。第一开关元件22所采用的第一半导体材料只要具有比第二开关元件24所采用的第二半导体材料更宽的带隙即可。此外，第一开关元件22并不一定限定为MOSFET，第二开关元件24并不一定限定为IGBT。
如图3所示，第一开关元件22和第二开关元件24与控制装置16连接，分别由控制装置16控制。控制装置16能够根据例如从汽车的电子控制单元输入的电流指令值，选择执行对第一开关元件22进行PWM控制的第一开关控制和对第二开关元件24进行PWM控制的第二开关控制中的一个。这里所说的电流指令值包括针对DC-DC转换器12的电流指令值和针对逆变器14的电流指令值。设置在DC-DC转换器12中的两个开关电路20是与针对DC-DC转换器12的电流指令值相应地被控制的。另一方面，设置在逆变器14中的六个开关电路20是与针对逆变器14的电流指令值相应地被控制的。
第一开关元件22设置有电流感测端子22a。电流感测端子22a输出与流过第一开关元件22的实际电流成正比的微小电流。第一开关元件22的电流感测端子22a经由第一分流电阻元件22b与基准电位连接。由此，在第一分流电阻元件22b中，产生与电流感测端子22a的输出电流相对应的电压降。第一分流电阻元件22b的一端与控制装置16连接，在第一分流电阻元件22b中发生的电压作为第一开关元件22的实际电流信号输入到控制装置16。如前所述，电流感测端子22a的输出电流与流过第一开关元件22的实际电流成正比。因此，输入到控制装置16的第一开关元件22的实际电流信号与流过第一开关元件22的实际电流对应地变化。控制装置16能够根据该实际电流信号来掌握流过第一开关元件22的实际电流。另外，作为其他实施方式，控制装置16也可以根据例如第一开关元件22的两端之间的电压等其他指标，掌握流过第一开关元件22的实际电流。
同样，第二开关元件24设置有电流感测端子24a。电流感测端子24a输出与流过第二开关元件24的实际电流成正比的微小电流。第二开关元件24的电流感测端子24a经由第二分流电阻元件24b与基准电位连接。由此，在第二分流电阻元件24b中，产生与电流感测端子24a的输出电流相对应的电压降。第二分流电阻元件24b的一端与控制装置16连接，在第二分流电阻元件24b中发生的电压作为第二开关元件24的实际电流信号输入到控制装置16。控制装置16能够根据该实际电流信号来掌握流过第二开关元件24的实际电流。另外，作为其他实施方式，控制装置16也可以根据例如第二开关元件24的两端之间的电压等其他指标，掌握流过第二开关元件24的实际电流。
本实施例中的控制装置16具有处理器34和栅极驱动电路36。前述电流指令值和两个实际电流信号输入到处理器34。处理器34根据输入的电流指令值和两个实际电流信号，将栅极驱动信号GS以及选择信号SS1或SS2向栅极驱动电路36输出。栅极驱动电路36根据栅极驱动信号GS以及选择信号SS1或SS2，执行第一开关控制和第二开关控制中的一个。具体地，当处理器34输出选择信号SS1时，执行第一开关控制，基于栅极驱动信号GS驱动第一开关元件22。另一方面，当处理器34输出选择信号SS2时，执行第二开关控制，基于栅极驱动信号GS驱动第二开关元件24。
在本实施例的电力变换装置10中，第一开关元件22采用作为宽带隙半导体的碳化硅。一般地，开关元件22、24的制造成本与其尺寸成正比地增加，并且该趋势在采用宽带隙半导体的第一开关元件22中尤为明显。因此，在本实施例中，使第一开关元件22的尺寸比第二开关元件24的尺寸小，从而实现制造成本的降低。另一方面，如图4所示，开关元件22、24的尺寸越小，则开关元件22、24的热时间常数就越短(即，越容易被加热)。因此，如果减小第一开关元件22的尺寸，则第一开关元件22由于热经历而遭受的疲劳也增加。此外，第一开关元件22的尺寸越小则第一开关元件22的強度就越低。即，如果为了降低电力变换装置10的制造成本，减小采用碳化硅的第一开关元件22的尺寸，则第一开关元件22遭受的损害增加，例如电力变换装置10的耐久性下降。另外，本说明书中的开关元件22、24的尺寸意指俯视时的尺寸，例如也称为芯片尺寸。
对于上述问题，在本实施例的电力变换装置10中，控制装置16根据针对开关电路20的电流指令值以及流过开关电路20的实际电流，选择执行第一开关控制和第二开关控制中的一个。详细地，如图5所示，如果针对开关电路20的电流指令值和流过开关电路20的实际电流两者都小于阈值，则控制装置16执行第一开关控制，仅驱动功率损耗小的第一开关元件22。然后，如图6、图7所示，控制装置16在执行第一开关控制中电流指令值和实际电流的至少其中一个超过阈值时，切换到第二开关控制。由此，控制装置16中止第一开关元件22的驱动，仅驱动容许电流(额定电流)大的第二开关元件24。由此，能够预先避免第一开关元件22中流过过大的电流。
如上所述，在本实施例的电力变换装置10中，根据针对开关电路20的电流指令值以及流过开关电路20的实际电流，选择执行第一开关控制和第二开关控制中的一个。由此，当电流指令值小于阈值时，执行第一开关控制，能够仅利用功率损耗小的第一开关元件22。另一方面，当电流指令值大于阈值时，执行第二开关控制，能够仅利用容许电流大的第二开关元件24。
然而，即使在电流指令值小于阈值的情况下，有时由于某些理由而流过开关电路20(即，第一开关元件22)的电流超过阈值。例如，如图6所示，由于意外干扰，流过开关电路20的电流可能暂时超过阈值。或者，如图7所示，当电流指令值从超过阈值的值向小于阈值的值急剧变化时，有时流过开关电路20的实际电流无法跟随该变化，会在此后的一个或多个控制周期T中实际电流超过阈值。因此，在本实施例的电力变换装置10中，即使在电流指令值小于阈值时，当流过开关电路20的实际电流超过阈值时，从第一开关控制切换到第二开关控制，中止第一开关元件22的驱动。由此，预先避免第一开关元件22中流过过大的电流。
另外，即使仅根据流过开关电路20的实际电流而进行第一开关控制与第二开关控制之间的转换，也能够避免第一开关元件22中流过过大的电流。然而，如图5至7所示，流过开关电路20的实际电流在开关控制的一个控制周期T的期间内大幅变动。因此，如果仅根据流过开关电路20的实际电流而进行开关控制的转换，则开关控制的转换可能频繁发生。与此相对，根据本实施例的电力变换装置10，不仅考虑流过开关电路20的实际电流，还考虑针对开关电路20的电流指令值，从而能够保护第一开关元件22中不会流过过大的电流，并且适当抑制开关控制的转换频次。
在上述电力变换装置10中，控制装置16在切换到第二开关控制之后，当电流指令值和实际电流两者都小于阈值时，切换到第一开关控制。例如，在执行第二开关控制中实际电流变得小于阈值的情况下，即使在其控制周期T的中途，也进行向第一开关控制的切换。根据该结构，通过增加驱动第一开关元件22的机会，能够降低例如开关电路20中的功率损耗。
另一方面，也可以如图8、图9所示，控制装置16在切换到第二开关控制之后，当第二开关控制的一个控制周期T结束时，切换到第一开关控制。即，即使在执行第二开关控制中实际电流变得小于阈值的情况下，也可以继续第二开关控制直到其一个控制周期T结束为止。根据该结构，能够抑制开关控制的转换频次，降低第一开关元件22的开关次数。
也可以如图10、图11所示，在上述方式之外增加下述方式、或者替换上述方式而使用下述方式：控制装置16当预测电流指令值和实际电流的至少其中一个超过所述阈值时，执行第二开关控制。如前所述，当电流指令值从超过阈值的值向小于阈值的值急剧变化时，有时流过开关电路20的实际电流无法跟随该变化，会在此后的一个或多个控制周期T中，流过开关电路20的实际电流超过阈值。因此，可以如图11所示，当电流指令值发生这种变化时，与流过开关电路20的实际电流无关地，在此后的一个或多个控制周期T中，继续第二开关控制。即，控制装置16可以在该一个或多个控制周期T内暂停向第一开关控制的切换。
标号的说明
2：电池
4：发动机
10：电力变换装置
12：DC-DC转换器
12a：DC-DC转换器的上臂
12b：DC-DC转换器的下臂
14：逆变器
14a、14c、14e：逆变器的上臂
14b、14d、14f：逆变器的下臂
16：控制装置
20：开关电路
22：第一开关元件
24：第二开关元件
26：二极管
30：电感器
32：平滑电容器
34：处理器
36：栅极驱动电路

Claims (6)

1.一种电力变换装置，其在电源和负载之间进行电力变换，其特征在于，具备：
开关电路，其具有第一开关元件和第二开关元件，所述第一开关元件和所述第二开关元件设置在从所述电源到所述负载的电力供给路径上并且彼此并联连接；以及
控制装置，其根据针对所述开关电路的电流指令值以及流过所述开关电路的实际电流，选择执行驱动所述第一开关元件的第一开关控制和驱动所述第二开关元件的第二开关控制中的一个，
所述第一开关元件使用第一半导体材料制成，
所述第二开关元件使用带隙比所述第一半导体材料窄的第二半导体材料制成，并且所述第二开关元件的尺寸比所述第一开关元件的尺寸大，
所述控制装置当在执行所述第一开关控制中所述电流指令值和所述实际电流的至少其中一个超过规定阈值时，切换到所述第二开关控制。
2.根据权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于，
所述控制装置在切换到所述第二开关控制之后，当所述电流指令值和所述实际电流两者都小于所述阈值时，切换到所述第一开关控制。
3.根据权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于，
所述控制装置在切换到所述第二开关控制之后，当所述第二开关控制的一个控制周期结束时，切换到所述第一开关控制。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的电力变换装置，其特征在于，
所述控制装置当预测所述电流指令值和所述实际电流的至少其中一个超过所述阈值时，执行所述第二开关控制。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的电力变换装置，其特征在于，
所述第一半导体材料是碳化硅(SiC)，所述第二半导体材料是硅(Si)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的电力变换装置，其特征在于，
所述第一开关元件是MOSFET，所述第二开关元件是IGBT。
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