CN117242685A - 功率转换电路、功率转换装置以及控制系统 - Google Patents
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Abstract
提供一种能够在维持开关特性的同时提高短路耐量的功率转换电路以及功率转换系统。一种功率转换电路，具有相互并联连接的第一开关元件和第二开关元件以及对各开关元件进行导通关断控制的控制部，在使正向电流流过所述第一开关元件时的电流电压特性与使电流流过所述第二开关元件时的电流电压特性的交叉点处的电流值大于所述功率转换装置的额定电流。
Description
技术领域
本发明涉及一种功率转换电路、功率转换装置以及控制系统。
背景技术
近年来，研究了在功率转换电路中将第一开关元件和第二半导体元件并联连接，使这些半导体元件进行开关操作。研究了使用例如MOSFET作为第一半导体元件，使用例如IGBT作为第二半导体元件。如此，研究了通过将特性不同的开关元件并联连接来提高功率转换电路整体的特性。
另一方面，作为能够实现高耐压、低损耗及高耐热的下一代开关元件，使用带隙大的氧化镓(Ga2O3)的半导体装置备受瞩目，期待着将其应用于逆变器或转换器等功率半导体装置。而且，由于宽带隙，也期待着作为LED或传感器等光收发装置的应用。关于该氧化镓，根据非专利文献1，通过与铟和铝分别地或组合地进行混晶，能够进行带隙控制，作为InAlGaO系半导体而构成极具魅力的材料系统。在这里，所谓InAlGaO系半导体，表示InXAlYGaZO3(0≤X≤2，0≤Y≤2，0≤Z≤2，X+Y+Z＝1.5～2.5),可将其概观为包含氧化镓在内的同一材料系统。
作为使第一开关元件和第二开关元件并联连接来加以使用的目的，可以举出短路电流保护或导通电阻最优化等。例如，在专利文献1中公开了一种控制装置，该控制装置被构成为，在对并联连接的IGBT和MOSFET的驱动进行控制时，当IGBT的每单位面积的导通电阻大于MOSFET的每单位面积的导通电阻时，使IGBT导通后使MOSFET关断，当IGBT的每单位面积的导通电阻小于MOSFET的每单位面积的导通电阻时，使MOSFET关断后再使IGBT关断。另外，在专利文献2中公开了一种功率转换装置，该功率转换装置具备：开关电路，具有相互并联连接的第一开关元件和第二开关元件；控制装置，基于针对开关电路的电流指令值和流过开关电路的实际电流，来选择性地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，其中控制装置在第一开关控制的执行过程中，当电流指令值和实际电流中的至少一方超过规定的阈值时，转移到第二开关控制。此外，在专利文献1和2中，作为半导体材料，虽然也记载了上述带隙大的氧化镓等，但关于在将使用了氧化镓的开关元件实际应用于电路时的问题等，尚未进行研究。
另外，在专利文献1及专利文献2所记载的控制装置或功率转换装置中，存在着需要多个栅极驱动器或者控制本身变得复杂化等问题。为此，期待一种能够在不使控制方法或控制装置复杂化的情况下提高短路耐量的功率转换电路。
专利文献1：日本专利公开2020-61810号公报
专利文献2：日本专利公开2020-114052号公报
非专利文献1：金子健太郎，《刚玉结构氧化镓系混晶薄膜的生长与物性》，京都大学博士论文，平成25年3月。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够在维持开关特性的同时提高短路耐量的功率转换电路。
本发明人等为了达成上述目而进行了深入研究，结果认为，如下功率转换电路能够在不损害由例如氧化镓等宽带隙半导体带来的开关特性的提高效果的情况下提高短路耐量，该功率转换电路具有相互并联连接的第一开关元件和第二开关元件以及对各开关元件进行导通关断控制的控制部，使正向电流流过所述第一开关元件时的电流电压特性与使电流流过所述第二开关元件时的电流电压特性的交叉点处的电流值大于所述功率转换装置的额定电流。进而，本发明人等认为，如下功率转换电路能够在不损害由例如氧化镓等宽带隙半导体带来的开关特性的提高效果的情况下提高短路耐量，该功率转换电路至少具有相互并联连接的第一开关元件和第二开关元件以及对各开关元件进行导通关断控制的控制部，其特征在于，具备与所述第二开关元件串联连接的电抗器。并且发现这种功率转换电路能够解决上述现有问题。
即，本发明涉及以下的发明。
[1]一种功率转换电路，具有相互并联连接的第一开关元件和第二开关元件以及对各开关元件进行导通关断控制的控制部，其特征在于，
在使正向电流流过所述第一开关元件时的电流电压特性与使电流流过所述第二开关元件时的电流电压特性的交叉点处的电流值大于所述功率转换装置的额定电流。
[2]根据上述[1]所述的功率转换电路，其中，所述交叉点处的电压值为所述功率转换装电路的额定电压的2倍以上。
[3]根据上述[1]或[2]所述的功率转换电路，其中，所述第二开关元件是包括宽带隙半导体的开关元件。
[4]根据上述[1]～[3]中任一项所述的功率转换电路，其中，所述第二开关元件包括氧化镓系MOSFET、氧化镓系IGBT、氮化镓系HEMT、SiC系MOSFET或SiC系IGBT。
[5]根据上述[1]～[4]中任一项所述的功率转换电路，其中，所述第二开关元件是氧化镓系MOSFET。
[6]根据上述[1]～[5]中任一项所述的功率转换电路，其中，所述第二开关元件是沟槽MOSFET。
[7]根据上述[1]～[6]中任一项所述的功率转换电路，其中，所述第一开关元件包括硅系MOSFFET或硅系IGBT。
[8]根据上述[1]～[7]中任一项所述的功率转换电路，其中，包括与所述第一开关元件串联连接的二极管。
[9]一种功率转换电路，至少具有相互并联连接的第一开关元件和第二开关元件以及对各开关元件进行导通关断控制的控制部，其特征在于，
具备与所述第二开关元件串联连接的电抗器。
[10]根据上述[9]所述的功率转换电路，其中，所述第二开关元件是包括宽带隙半导体的开关元件。
[11]根据上述[9]或[10]所述的功率转换电路，其中，所述第二开关元件包括氧化镓系MOSFET、氧化镓系IGBT、氮化镓系HEMT、SiC系MOSFET或SiC系IGBT。
[12]根据上述[9]～[11]中任一项所述的功率转换电路，其中，所述第二开关元件是氧化镓系MOSFET。
[13]根据上述[9]～[12]中任一项所述的功率转换电路，其中，所述第一开关元件包括硅系MOSFET或硅系IGBT。
[14]根据上述[9]～[13]中任一项所述的功率转换电路，其中，所述电抗器的电感被调整为，当在所述功率转换电路中产生了规定的短路电流时，在所述第一开关元件中使施加在所述第一开关元件上的电压不超过所述第一开关元件的容许耐压值的值。
[15]一种功率转换装置，具备在电源与负载之间进行功率转换并且被设置在从所述电源向所述负载的供电路径上的功率转换电路，其特征在于，使用上述[1]～[14]中任一项所述的功率转换电路作为所述功率转换电路。
[16]一种控制系统，使用了上述[1]～[14]中任一项所述的功率转换电路或者上述[9]所述的功率转换装置。
根据本发明的功率转换电路，能够在维持开关特性的同时提高短路耐量。
附图说明
图1是示意性地示出本发明第一实施方式所涉及的控制系统的方框结构图。
图2是示意性地示出本发明第一实施方式所涉及的功率转换装置的电路图。
图3是示出本发明实施方式所涉及的第一开关元件和第二开关元件的电流电压特性的图。
图4是示意性地示出本发明实施方式中的第一开关元件和第二开关元件被并联连接的开关电路的图。
图5是示意性地示出本发明第二实施方式所涉及的功率转换装置的电路图。
图6是示意性地示出本发明第二实施方式中的第一开关元件和第二开关元件被并联连接的开关电路的图。
具体实施方式
以下对本发明实施方式所涉及的功率转换装置进行说明。此外，本发明并不限定于以下所示的实施方式。
图1的控制系统是一个示例，搭载在混合动力车、燃料电池车或电动汽车等汽车上，在电池1与对车轮进行驱动的电机5之间进行功率转换。但是，本实施例所公开的技术不仅可以在搭载于汽车上的使用功率转换装置的控制系统中采用，还可以在各种各样的使用功率转换装置的控制系统中采用。此外，图1中的包括电池1、功率转换装置3和电机5的系统构成了本发明的控制系统。
电机5有时作为电动机来发挥功能，另外，有时也作为发电机来发挥功能。当电机5作为电动机而发挥功能时，从电池1通过功率转换装置3向电机5供电。此时，电池1成为电源，电机5成为负载。另一方面，当电机作为电动机而发挥功能时，从电机505通过功率转换装置3向电池1供电。此时，电机1成为电源，电池1成为负载。
如图1所示，功率转换装置3具备DC-DC转换器2、逆变器4和控制部6。DC-DC转换器2设置在电池1与逆变器4之间。DC-DC转换器2是升降压型DC-DC转换器，能够在电池1与逆变器4之间进行直流电的升压及降压。逆变器4设置在DC-DC转换器2与电机5之间。逆变器4是三相逆变器，能够在DC-DC转换器2与电机1之间进行从直流电向三相交流电的转换及其逆转换。
例如，在电机1作为电动机而发挥功能的情况下，从电池1供给的直流电在DC-DC转换器2中被升压，进而在逆变器4中被转换为三相交流电，之后被供给到电机4。据此，通过从电池1供给的直流电，三相交流型的电机5被驱动。另一方面，在电机5作为发电机而发挥功能的情况下，从电机5供给的三相交流电在逆变器4中被转换为直流电，进而在DC-DC转换器2中被降压，之后被供给到电池1。据此，由电机5发电产生的电力被充电到电池1。
图2示出DC-DC转换器2及逆变器4的电路结构的一个示例作为本发明的第一实施方式。如图2所示，DC-DC转换器2及逆变器4使用多个开关电路10来构成。各个开关电路10被设置在电池1与电机5之间的供电路径上，其操作由控制部6来控制。每个开关电路10具备第一开关元件11和第二开关元件12。关于开关电路10的结构，将在后续段落中详细说明。
除了开关电路10的结构以外，DC-DC转换器2及逆变器4的其他结构与公知的DC-DC转换器及逆变器是共同的。例如，DC-DC转换器具有开关电路10、电感器和平滑电容器。关于逆变器4，具有6个开关电路10。各个开关电路10分别设置在U相的上臂13a、U相的下臂13b、V相的上臂13c、V相的下臂13d、W相的上臂13e、W相的下臂13f上。图2的DC-DC转换器2及逆变器4的结构是一个示例，可以根据用途来适当地变更。另外，功率转换装置3也可以仅为升压型(或降压型)的DC-DC转换器。如图2中以虚线所示，在控制部6内设有由中央处理单元(CPU，Central Processing Unit)构成的运算部7以及由非易失性存储器构成的存储部8。输入到驱动控制部6的信号被提供给运算部507，通过进行必要的运算，生成针对各开关元件的反馈信号。另外，存储部8暂时保持运算部7的运算结果，或者以表的形式积累驱动控制所需的物理常数和函数等并适当地输出到运算部7。运算部7和存储部8可以采用公知的结构，其处理能力等也可以任意选定。
每个开关电路10具备第一开关元件11和第二开关元件12。第一开关元件11和第二开关元件12相互并联连接。第一开关元件11例如包括硅系MOSFET或硅系IGBT。只要不阻碍本发明的目的，所述第二开关元件就不特别限定。在本发明的实施方式中，优选地，所述第二开关元件为包括宽带隙半导体(例如，氮化镓、碳化硅、氧化镓、金刚石等)的开关元件。例如，只要不阻碍本发明的目的，所述开关元件就不特别限定，可以是MOSFET，也可以是IGBT。作为所述第二开关元件，例如可以举出氧化镓系MOSFET、氧化镓系IGBT、氮化镓系HEMT、SiC系MOSFET或SiC系IGBT、Si系MOSFET或Si系IGBT等。在本发明的实施方式中，优选地，所述第二开关元件为氧化镓系MOSFET、氧化镓系IGBT、氮化镓系HEMT、SiC系MOSFET或SiC系IGBT。另外，在本发明的实施方式中，优选地，所述第二开关元件具备回流二极管(未图示)。所述回流二极管可以内置于开关元件中，也可以外置于开关元件。
图3示出了使正向电流流过图2的所述第一开关元件时的电流电压特性与使电流流过所述第二开关元件时的电流电压特性之间的关系。在图3中，作为一个示例，示出了所述第一开关元件为硅系IGBT且所述第二开关元件为氧化镓系MOSFET时的例子。如图3所示，所述第一开关元件的电流电压特性与所述第二开关元件的电流电压特性的交叉点处的电流值成为比功率转换装置中的额定电流值大的值。因此，在所述功率转换装置3在额定电压范围内工作的情况下，电流会流过第二开关元件(氧化镓系MOSFET)。另外，由于在短路时是由短路耐量更大的SiIGBT来承担电流，因此能够抑制氧化镓系MOSFET因短路电流而被击穿。因此，能够实现在额定电压的范围内最大限度地发挥开关速度等开关特性更为优异的氧化镓系MOSFET的优点，并且短路电流耐性优异的功率转换装置。另外，在本发明的实施方式中，通过组合使用第一开关元件(硅系IGBT)和第二开关元件(氧化镓系MOSFET)，能够将与各开关元件相对应的栅极驱动器的数量限制在最小限度。另外，根据本发明的实施方式，由于不需要分别分开地进行对第一开关元件和第二开关元件的控制，因此能够在不使控制程序等复杂化的情况下获得上述效果。
只要不阻碍本发明的目的，如图3所示，用于将所述第一开关元件的电流电压特性和所述第二开关元件的电流电压特性的交叉点处的电流值设为比功率转换装置的额定电流大的值的结构就不特别限定。在本发明的实施方式中，通过适当地组合所述第一开关元件和/或所述第二开关元件的特性，能够使所述交叉点处的电流值大于功率转换装置的额定电流。在本发明的实施方式中，例如，通过使图3中的所述第一开关元件的电流电压特性的曲线向右偏移或者斜率减小，能够增大所述交叉点处的电流值。另外，例如通过增大所述第二开关元件的电流电压特性的曲线的斜率，也能够增大所述交叉点处的电流值。作为用于增大所述第一开关元件的开启电压的结构，例如，如图4所示，可以举出与第一开关元件串联地配置二极管(例如，PN二极管等)等。另外，作为增大所述第二开关元件的电流电压特性的斜率的方法，例如可以举出使用导通电阻更低的器件作为所述第二开关元件。在本发明的实施方式中，优选地，例如使用沟槽MOSFET作为第二开关元件。
图5示出DC-DC转换器2及逆变器4的电路结构的一个示例作为本发明的第二实施方式。如图5所示，DC-DC转换器2及逆变器4使用多个开关电路10来构成。各个开关电路10被设置在电池1与电机5之间的供电路径上，其操作由控制部6来控制。每个开关电路10具备第一开关元件11和第二开关元件12。关于开关电路10的结构，将在后续段落中详细说明。
除了开关电路10的结构以外，DC-DC转换器2及逆变器4的其他结构与公知的DC-DC转换器及逆变器是共同的。例如，DC-DC转换器具有开关电路10、电感器和平滑电容器。关于逆变器4，具有6个开关电路10。各个开关电路10分别设置在U相的上臂13a、U相的下臂13b、V相的上臂13c、V相的下臂13d、W相的上臂13e、W相的下臂13f上。图5的DC-DC转换器2及逆变器4的结构是一个示例，可以根据用途来适当地变更。另外，功率转换装置3也可以仅为升压型(或降压型)的DC-DC转换器。如图5中以虚线所示，在控制部6内设有由中央处理单元(CPU，Central Processing Unit)构成的运算部7以及由非易失性存储器构成的存储部8。输入到驱动控制部6的信号被提供给运算部507，通过进行必要的运算，生成针对各开关元件的反馈信号。另外，存储部8暂时保持运算部7的运算结果，或者以表的形式积累驱动控制所需的物理常数和函数等并适当地输出到运算部7。运算部7和存储部8可以采用公知的结构，其处理能力等也可以任意选定。
每个开关电路10具备第一开关元件11和第二开关元件12。第一开关元件11和第二开关元件12相互并联连接。另外，在所述第二开关元件12上串联连接有电抗器15。第一开关元件11例如包括硅系MOSFET或硅系IGBT。关于第二开关元件12，例如，只要不阻碍本发明的目的，所述开关元件就不特别限定，可以是MOSFET，也可以是IGBT。只要不阻碍本发明的目的，所述第二开关元件就不特别限定。在本发明的实施方式中，优选地，所述第二开关元件为包括宽带隙半导体(例如，氮化镓、碳化硅、氧化镓、金刚石等)的开关元件。作为所述第二开关元件，更具体而言，例如可以举出氧化镓系MOSFET、氧化镓系IGBT、氮化镓系HEMT、SiC系MOSFET或SiC系IGBT、Si系MOSFET或Si系IGBT等。在本发明的实施方式中，优选地，所述第二开关元件为氧化镓系MOSFET、氧化镓系IGBT、氮化镓系HEMT、SiC系MOSFET或SiC系IGBT。另外，在本发明的实施方式中，优选地，所述第二开关元件具备回流二极管(未图示)。所述回流二极管可以内置于开关元件中，也可以外置于开关元件。另外，所述电抗器并不特别限定，可以是公知的电抗器。
图6示意性地示出了图5的开关电路10，即所述第一开关元件11与所述第二开关元件12被并联连接且电抗器15被串联连接到所述第二开关元件12的电路。在所述开关电路10中，在通常工作时，施加在所述第一开关元件11侧的电压由所述第一开关元件承担，施加在所述第二开关元件12侧的电压由所述第二开关元件12和所述电抗器15承担。在产生短路电流时，流过所述开关电路10的电流的时间变化率大幅增加，但由于电抗器15承担了增加量中的预定电压，因此能够将施加于所述第二开关元件的电压设为规定的电压以下。即，通过串联连接所述第二开关元件12和所述电抗器15，能够抑制当在开关电路10中产生了短路电流时流过所述第二开关元件的短路电流，从而保护所述第二开关元件不被短路电流击穿。在此，所述电抗器15的电感被调整为，当在所述功率转换电路中产生了规定的短路电流时，在所述第一开关元件中使施加在所述第一开关元件上的电压不超过所述第一开关元件的容许耐压值的值。因此，能够实现在额定电压的范围内最大限度地发挥开关速度等开关特性更为优异的氧化镓系MOSFET的优点，并且短路电流耐性优异的功率转换装置。另外，在本发明的实施方式中，通过组合使用第一开关元件(硅系IGBT)和第二开关元件(氧化镓系MOSFET)，能够将与各开关元件相对应的栅极驱动器的数量限制在最小限度。另外，根据本发明的实施方式，由于不需要分别分开地执行对第一开关元件和第二开关元件的控制，因此能够在不使控制程序等复杂化的情况下获得上述效果。
此外，当然也可以组合本发明所涉及的多个实施方式，或者将一部分构成要素应用于其他的实施方式中，另外，也可以增减一部分构成要素的数量，或者进一步与其他的公知技术组合，只要不阻碍本发明的目的，就可以变更来进行构成，如省略一部分等，这些也属于本发明的实施方式。
符号说明
1 电池
2 DC-DC转换器
3 功率转换装置
4 逆变器
5 电机
6 控制部
7 运算部
8 存储部
10开关电路
11第一开关元件
12第二开关元件
13a、13c、13e逆变器的上臂
13b、13d、13f逆变器的下臂
14二极管
Claims (16)
1.一种功率转换电路，具有相互并联连接的第一开关元件和第二开关元件以及对各开关元件进行导通关断控制的控制部，其特征在于，
在使正向电流流过所述第一开关元件时的电流电压特性与使电流流过所述第二开关元件时的电流电压特性的交叉点处的电流值大于所述功率转换装置的额定电流。
2.根据权利要求1所述的功率转换电路，其中，
所述交叉点处的电压值为所述功率转换装电路的额定电压的2倍以上。
3.根据权利要求1或2所述的功率转换电路，其中，
所述第二开关元件是包括宽带隙半导体的开关元件。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的功率转换电路，其中，
所述第二开关元件包括氧化镓系MOSFET、氧化镓系IGBT、氮化镓系HEMT、SiC系MOSFET或SiC系IGBT。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的功率转换电路，其中，
所述第二开关元件是氧化镓系MOSFET。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的功率转换电路，其中，
所述第二开关元件是沟槽MOSFET。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的功率转换电路，其中，
所述第一开关元件包括硅系MOSFFET或硅系IGBT。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的功率转换电路，其中，
包括与所述第一开关元件串联连接的二极管。
9.一种功率转换电路，至少具有相互并联连接的第一开关元件和第二开关元件以及对各开关元件进行导通关断控制的控制部，其特征在于，
具备与所述第二开关元件串联连接的电抗器。
10.根据权利要求9所述的功率转换电路，其中，
所述第二开关元件是包括宽带隙半导体的开关元件。
11.根据权利要求9或10所述的功率转换电路，其中，
所述第二开关元件包括氧化镓系MOSFET、氧化镓系IGBT、氮化镓系HEMT、SiC系MOSFET或SiC系IGBT。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的功率转换电路，其中，
所述第二开关元件是氧化镓系MOSFET。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的功率转换电路，其中，
所述第一开关元件包括硅系MOSFET或硅系IGBT。
14.根据权利要求9至13中任一项所述的功率转换电路，其中，
所述电抗器的电感被调整为，当在所述功率转换电路中产生了规定的短路电流时，在所述第一开关元件中使施加在所述第一开关元件上的电压不超过所述第一开关元件的容许耐压值的值。
15.一种功率转换装置，具备在电源与负载之间进行功率转换并且被设置在从所述电源向所述负载的供电路径上的功率转换电路，其特征在于，使用权利要求1至14中任一项所述的功率转换电路作为所述功率转换电路。
16.一种控制系统，使用了权利要求1至14中任一项所述的功率转换电路或者权利要求15所述的功率转换装置。
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