專利名稱：功率轉(zhuǎn)換裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及使用場效應晶體管和二極管的功率轉(zhuǎn)換裝置。
背景技術：
作為現(xiàn)有的使用寬帶隙半導體元件的功率轉(zhuǎn)換裝置，存在一種具有2個半導體開關的電壓型功率轉(zhuǎn)換裝置，其中半導體開關由寬帶隙半導體FET(場效應晶體管)和反向并聯(lián)連接(反并聯(lián)連接)于上述FET的寬帶隙半導體回流二極管構成，且上述2個半導體開關與起到作為電壓源作用的電容器相連接。該功率轉(zhuǎn)換裝置通過使上述2個半導體開關FET互補地進行開關動作來進行功率轉(zhuǎn)換。相對于硅半導體IGBT和二極管而言，寬帶隙半導體FET和二極管可在高溫下進行動作，且開關損耗較小。因此，通過用寬帶隙半導體來替換硅半導體，從而可減小半導體的 面積，或可簡化對半導體進行冷卻的冷卻器。此外，通過進行高頻開關動作，可實現(xiàn)電容器或電抗器等無源元器件的小型化，從而可實現(xiàn)功率轉(zhuǎn)換裝置的小型化。使用FET作為半導體開關元件的情況下，可不使用回流二極管，而使用內(nèi)置寄生于FET中的二極管(體二極管)。但是，由于可通過使用可進行高速動作的肖特基勢壘二極管等作為回流二極管來改善開關動作的特性，因此利用回流二極管。此外，在寬帶隙半導體即SiC半導體FET中，若體二極管通電，則可預想會因體二極管所進行的雙極性動作而導致SiC半導體發(fā)生結(jié)晶劣化。因此，利用導通電壓比體二極管的通電開始電壓要低的回流二極管(例如，參照專利文獻I)?，F(xiàn)有技術文獻專利文獻專利文獻I :日本國專利特開2007-305836號公報

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明所要解決的技術問題然而，由于在現(xiàn)有的功率轉(zhuǎn)換裝置中使用可進行雙向通電(從漏極到源極的方向以及從源極到漏極的方向)的FET，因此，在FET的導通狀態(tài)下，幾乎沒有電流流過回流二極管，而電流流過導通電壓比回流二極管要低的FET。因此，在2個串聯(lián)連接的半導體開關的FET的互補開關動作中，存在以下問題由于電流在死區(qū)時間(dead time)的期間以外流過FET，使得FET發(fā)熱，因此，F(xiàn)ET的溫度與回流二極管相比則較高，功率轉(zhuǎn)換裝置的最大輸出功率受限于FET的溫度。本發(fā)明是為了解決上述問題而完成的，其目的在于提供一種降低功率轉(zhuǎn)換裝置的FET的發(fā)熱、提高最大輸出功率的改良后的功率轉(zhuǎn)換裝置。用于解決技術問題的技術手段本發(fā)明所涉及的功率轉(zhuǎn)換裝置具有進行開關動作的2個I組的半導體開關，其中半導體開關由FET和反并聯(lián)連接于所述FET的回流二極管構成；以及平滑電容器，僅使所述2個I組的半導體開關中的一方通電，通過開關動作進行功率轉(zhuǎn)換，這種電壓型的功率轉(zhuǎn)換裝置包括對流過所述半導體開關的電流的方向進行檢測的單元；以及控制部，該控制部在流過所述半導體開關的電流的方向為負時，使所述半導體開關的PWM選通脈沖信號成為相對于互補選通脈沖信號而抽去了一部分或全部導通信號的選通脈沖信號。發(fā)明效果若采用本發(fā)明所涉及的功率轉(zhuǎn)換裝置，則當半導體開關的電流的方向為負時，通過對PWM選通脈沖信號(gate signal)進行抽去,從而縮短電流流過FET的期間，而電流流過回流ニ極管的期間相應増加。因此，能増加回流ニ極管的發(fā)熱但降低FET的發(fā)熱，能降低FET的溫度，能提高功率轉(zhuǎn)換裝置的最大輸出功率。


圖I是表示本發(fā)明的實施方式I所涉及的功率轉(zhuǎn)換裝置的結(jié)構的電路圖。圖2是表示使用本發(fā)明的實施方式I所涉及的功率轉(zhuǎn)換裝置的半橋逆變器的結(jié)構的電路圖。圖3是表示本發(fā)明的實施方式I所涉及的功率轉(zhuǎn)換裝置的控制部的框圖。圖4是本發(fā)明的實施方式I所涉及的FET的電壓電流特性圖和回流ニ極管的電壓電流特性圖。圖5是表示本發(fā)明的實施方式I所涉及的半導體開關的電流的圖。圖6是構成本發(fā)明的實施方式I所涉及的半導體開關的FET和回流ニ極管的結(jié)構圖。圖7是表示本發(fā)明的實施方式I所涉及的功率轉(zhuǎn)換裝置的互補開關模式中的動作的波形圖。圖8是表示本發(fā)明的實施方式I所涉及的功率轉(zhuǎn)換裝置的抽去開關模式中的動作的波形圖。圖9是表示使用本發(fā)明的實施方式I所涉及的功率轉(zhuǎn)換裝置的三相逆變器的結(jié)構的電路圖。圖10是表示使用本發(fā)明的實施方式I所涉及的功率轉(zhuǎn)換裝置的DC/DC轉(zhuǎn)換器的電路圖。圖11是表示本發(fā)明的實施方式2所涉及的功率轉(zhuǎn)換裝置的結(jié)構的電路圖。
具體實施例方式以下，參照附圖，對本發(fā)明所涉及的功率轉(zhuǎn)換裝置的優(yōu)選實施方式進行說明。此外，本發(fā)明并非限于本實施方式，而是包含各種設計變更。實施方式I圖I是表示本發(fā)明的實施方式I所涉及的功率轉(zhuǎn)換裝置的主電路和控制部的結(jié)構的電路圖。實施方式I所涉及的功率轉(zhuǎn)換裝置10是具有以下功能的電壓型功率轉(zhuǎn)換裝置通過I組半導體開關Sla、Slb的互補開關動作，將電壓端子VH與電壓端子VL之間的直流電壓Vl轉(zhuǎn)換成矩形波狀的電壓并輸出到電壓端子VMl。
在圖I中，功率轉(zhuǎn)換裝置10包括對直流電壓Vl進行平滑化的平滑電容器Cl ；1組半導體開關Sla、Slb ;作為對流過該半導體開關Sla、Slb的電流進行檢測的單元的電流傳感器CSl ;以及選通脈沖(gate)生成部11。I組半導體開關Sla、Slb由寬帶隙半導體FET即FETla、FETlb (以下為了方便說明，簡單稱作FETla、FETlb)、以及分別與FETla、FETlb反并聯(lián)連接的回流二極管Dla、Dlb構成。FETla、FETlb分別具有源極端子和漏極端子、以及柵極端子。各回流二極管Dla、Dlb分別具有陽極端子和陰極端子，由肖特基勢壘二極管構成。FETla的源極端子與二極管Dla的陽極端子相連接，F(xiàn)ETla的漏極端子與二極管Dla的陰極端子相連接。而且，F(xiàn)ETlb的源極端子與二極管Dlb的陽極端子相連接，F(xiàn)ETlb的漏極端子與二極管Dlb的陰極端子相連接。接著，對功率轉(zhuǎn)換裝置10的連接情況進行詳細說明 。構成半導體開關Sla的FETla的源極端子與平滑電容器Cl的低壓側(cè)端子VL相連接，而FETla的漏極端子與電壓端子VMl相連接。此外，構成半導體開關Slb的FETlb的源極端子與電壓端子VMl相連接，而FETlb的漏極端子與平滑電容器Cl的高壓側(cè)端子VH相連接。此外，由半導體開關Sla、Slb和起到作為電壓源作用的平滑電容器Cl來構成電壓型功率轉(zhuǎn)換裝置10。電壓端子VMl與電壓端子VMMl相連接，且在電壓端子VMl-VMMl之間連接有電流傳感器CS1。電流傳感器CSl是將從電壓端子VMl流到電壓端子VMMl的方向的電流作為正向來進行檢測的電流傳感器。通過開關動作，僅使半導體開關Sla、Slb中的一個導通。因此，當半導體開關Slb導通時，半導體開關Slb的電流等于電流傳感器CSl的檢測電流。同樣地，當半導體開關Sla導通時，半導體開關Sla的電流相對于電流傳感器CSl的檢測電流而言成為正負反轉(zhuǎn)的電流。此外，當電流傳感器CSl的電流為正時，半導體開關Sla導通時的電流為負向，半導體開關Slb導通時的電流為正向。同樣地，當電流傳感器CSl的電流為負時，半導體開關Sla導通時的電流為正向，半導體開關Slb導通時的電流為負向。換言之，電流傳感器CSl不僅對電壓端子VMl-VMMl之間的電流進行檢測，還起到對半導體開關Sla、Slb的電流進行檢測的作用。將構成半導體開關Sla的FETla的柵極端子與柵極驅(qū)動電路IOla的輸出端子相連接，且向該柵極驅(qū)動電路IOla的輸入端子輸入選通脈沖信號Gla。將構成半導體開關Slb的FETlb的柵極端子與柵極驅(qū)動電路IOlb的輸出端子相連接，且向該柵極驅(qū)動電路IOlb的輸入端子輸入選通脈沖信號Gib。將電流傳感器CSl的檢測電流Ml輸入到選通脈沖生成部11，由選通脈沖生成部11輸出選通脈沖信號Gla、Glb。選通脈沖信號Gla、Glb經(jīng)由柵極驅(qū)動電路IOlaUOlb與各半導體開關Sla、Slb相連接。構成半導體開關Sla、Slb的FETla、FETlb在各選通脈沖信號Gla、Glb成為高電平信號(導通信號)時導通，在選通脈沖信號Gla、Glb成為低電平信號(截止信號)時截止。圖2是表示功率轉(zhuǎn)換裝置10和電源、負載的連接情況的整體簡圖，其構成半橋逆變器。
在圖2中，電容器Cl的高壓側(cè)端子VH與電容器CH的高壓側(cè)端子相連接，電容器Cl的低壓側(cè)端子VL與電容器CL的低壓側(cè)端子相連接，電容器CH的低壓側(cè)端子和電容器CL的高壓側(cè)端子與電壓端子VNl相連接。電容器CH、CL是對電容器Cl的電壓Vl進行分壓并進行平滑化的平滑用電容器。在功率轉(zhuǎn)換裝置10的電壓端子VH-VL之間，連接有起到作為電壓源作用的電池Vsl，在電壓端子VMMl-VNl之間，連接有交流感性負載Load。然后，進行以下動作將輸入到電壓端子VH-VL之間的直流電壓Vl輸出到負載Load的逆變器動作；以及將積累在負載Load中的能量輸出到電壓端子VH-VL之間的整流動作。利用負載Load的電壓/電流的相位，能夠?qū)δ孀兤鲃幼骱驼鲃幼鬟M行調(diào)整。圖3是表示功率轉(zhuǎn)換裝置10的控制部即選通脈沖生成部11的結(jié)構的框圖。選通脈沖生成部11包含PWM生成部110、模式選擇部111、以及選通脈沖抽去部(gate skippingportion)112。在PWM生成部110輸入電壓端子VMl的電壓指令值VM1*，并輸出互補選通脈沖信 號Gla’、Gib’。在模式選擇部111輸入電流傳感器CSl的檢測電流頂1，并輸出模式信號Mode。在選通脈沖抽去部112輸入互補選通脈沖信號Gla’、Glb’、模式信號Mode、檢測電流頂1，并輸出選通脈沖信號Gla、Gib。在模式選擇部111中，計算出電流皿的有效值，在電流皿的有效值為規(guī)定閾值IMlth以上的較大值的情況下，使模式信號Mode =抽去開關模式(電流為負時，對于互補選通脈沖信號、抽去PWM選通脈沖信號的一部分或全部導通信號的開關模式)并輸出，在電流IMl的有效值為小于閾值IMlth的較小值的情況下，使模式信號Mode =互補開關模式并輸出。閾值Mlth是用于選擇抽去開關模式和互補開關模式的閾值。PWM生成部110基于電壓指令值VM1*，輸出互補選通脈沖信號Gla’、Gib’?；パa選通脈沖信號Gla’、Gib’是彼此互補地進行動作的信號，除了為防止半導體開關Sla、Slb的短路而設的死區(qū)時間的期間以外，選通脈沖信號Gla’為導通信號時，選通脈沖信號Gib’成為截止信號，選通脈沖信號Gla’為截止信號時，選通脈沖信號Gib’成為導通信號。死區(qū)時間是選通脈沖信號Gla’、Gib’轉(zhuǎn)移時的、選通脈沖信號Gla’、Gib’均成為截止信號的期間，是與開關周期相比要短得多的時間。死區(qū)時間是用于防止半導體開關Sla、Slb在開關過渡時的短路的期間。在選通脈沖抽去部112中，基于模式信號Mode、互補選通脈沖信號Gla’、Gib’、電流頂1，來確定選通脈沖信號Gla、Gib。當模式信號Mode =互補開關模式時，使選通脈沖信號Gla =選通脈沖信號Gla’、選通脈沖信號Glb =選通脈沖信號Gib’，并輸出選通脈沖信號Gla、Glb。此外，當模式信號Mode =抽去開關模式時，在半導體開關SleuS Ib的電流為負的情況下，作為選通脈沖信號Gla、Glb,輸出對于選通脈沖信號Gla’、Gib’抽去一部分或全部導通信號的信號。當模式信號Mode =抽去開關模式、半導體開關Sla的電流為負、電流皿比閾值Ip (O以上的閾值)要大時，使選通脈沖信號Gla=低電平信號(截止信號)、選通脈沖信號Glb =選通脈沖信號Gib’，抽去選通脈沖信號Gla的導通信號，并輸出選通脈沖信號Gla、Gib。此外，當模式信號Mode =抽去開關模式、半導體開關Slb的電流為負、電流頂1比閾值-Ip (O以下的閾值)要小時，使選通脈沖信號Gla =選通脈沖信號Gla’、選通脈沖信號Glb =低電平信號(截止信號)，抽去選通脈沖信號Glb的導通信號，并輸出選通脈沖信號Gla、Gib。此外，當模式信號Mode =抽去開關模式、電流頂I比閾值-Ip要大且比閾值Ip要小吋，使選通脈沖信號Gla =選通脈沖信號Gla’、選通脈沖信號Glb =選通脈沖信號Gib’,并輸出選通脈沖信號Gla、Glb0在選通脈沖抽去部112中，閾值Ip是用于在處于抽去開關模式時、確定抽去選通脈沖信號的期間(比率)的閾值。另外，PWM生成部110、模式選擇部111、選通脈沖抽去部112可用微機來實現(xiàn)，也可用電子電路等來實現(xiàn)。圖4是FET的電壓電流特性圖和回流ニ極管的電壓電流特性圖。圖4的縱軸是FET導通狀態(tài)下的電流(從源極到漏極的電流)和回流ニ極管的電流(從陽極到陰極的電 流)。此外，圖4的橫軸是FET導通狀態(tài)下的電壓降(源扱-漏極間電壓降)以及回流ニ極管的電壓降(陽極-陰極間電壓降)。與回流ニ極管的電壓降相比，F(xiàn)ET的電壓降較小。圖5是表示流過半導體開關的電流的圖，圖中電流沿負向流過半導體開關。在圖5(a)中，F(xiàn)ET處于導通狀態(tài)，電流流過電壓降比回流ニ極管要小的FET。在圖5(b)中，F(xiàn)ET處于截止狀態(tài)，電流流過回流ニ極管。因此，在電流沿負向流過半導體開關的情況下，若FET處于導通狀態(tài)，則電流流過FET而幾乎沒有電流流過回流ニ極管。圖6是FET和回流ニ極管的結(jié)構圖。FET的漏極電位面經(jīng)由焊料60與板狀散熱器61的一表面相連接?；亓鳐藰O管的陰極電位面經(jīng)由焊料62與散熱器61的同一表面相連接。此外，散熱器61的相反面經(jīng)由絕緣片63與銅箔64的一表面相連接。銅箔64的相反面經(jīng)由油脂65與散熱片(heat sink)66相連接。FET中產(chǎn)生的損耗(發(fā)熱)依次導熱至焊料60、散熱器61、絕緣片63、銅箔64、油脂65，用散熱片66進行冷卻?；亓鳐藰O管中產(chǎn)生的損耗(發(fā)熱)依次導熱至焊料62、散熱器61、絕緣片63、銅箔64、油脂65，用散熱片66進行冷卻。因此，盡管FET和回流ニ極管彼此進行熱干擾，但其影響較小。此外，為了比較，假設采用將回流ニ極管經(jīng)由焊料與FET的源極電位面相連接的結(jié)構的情況下，熱干擾増大。接著，參照圖7和圖8，對實施方式I所涉及的功率轉(zhuǎn)換裝置10的動作進行說明。圖7是互補開關模式時的動作波形圖。即，圖7是電流頂I的有效值為小于閾值IMlth的較小值時的動作波形圖。圖8是抽去開關模式時的動作波形圖。即，圖8是電流IMl的有效值為閾值Mlth以上的較大值時的動作波形圖。在圖7和圖8中，沿著同一時間軸，表示I個電流周期的電壓指令值VM1*、電流頂I、選通脈沖信號Gla’、Glb’、Gla、Glb、半導體開關Sla和Slb的電流、FETla和FETlb的電流、回流ニ極管Dla和Dlb的電流。此外，盡管在圖7和圖8中僅記載了 I個電流周期，然而在實際動作中，是多個周期連續(xù)進行。首先，參照圖7，在下文中對互補開關模式時的動作(電流頂I的有效值為小于閾值IMlth的較小值時的動作)進行說明。在PWM生成部110中，基于所輸入的正弦波狀的電壓指令值VM1*，輸出互補PWM信號 Gla，、Glb，ο由于電流頂I的有效值為小于閾值頂Ith的較小值，因此在模式選擇部111中輸出模式信號Mode =互補開關模式。由于向選通脈沖抽去部112輸入模式信號=互補開關模式，因此，選通脈沖信號Gla、Glb成為Gla = Gla’、Glb = Gib’，在死區(qū)時間以外的期間中輸出互補地進行動作的信號。由于FET的電壓降相比回流二極管的要小，因此當半導體開關的FET處于導通狀態(tài)時，無論電流是正還是負，電流都流過FET。當選通脈沖信號Gla為導通信號時,半導體開關Sla的FETla導通,當選通脈沖信號Glb為導通信號時,半導體開關Slb的FETlb導通。此外，當選通脈沖信號Gla、Glb均為截止信號(死區(qū)時間)時，若電流頂I為正，則回流二極管Dal導通，若電流頂I為負，則回流二極管Dbl導通。在死區(qū)時間的期間以外，與回流二極管相比電壓降較小的FET導通。S卩，能實現(xiàn)導通損耗小、功率轉(zhuǎn)換效率高的功率轉(zhuǎn)換裝置。此外，與回流二極管相比，雖然FET的導通損耗(發(fā)熱)增大，但由于電流較小，因此，F(xiàn)ET的溫度不會超過能使用的上限溫度。這樣，由于在電流較小時進行互補開關動作，因此，能實現(xiàn)導通損耗較小(功率轉(zhuǎn)換效率較高)的功 率轉(zhuǎn)換裝置。接著，參照圖8，在下文中對抽去開關模式時的動作(電流IMl的有效值為閾值IMlth以上的較大值時的動作)進行說明。在PWM生成部110中，與互補開關模式時相同，基于所輸入的正弦波狀的電壓指令值VM1*，輸出互補PWM信號Gla，、Gib，。由于電流頂1的有效值為閾值Mlth以上的較大值，因此在模式選擇部111輸出模式信號Mode =抽去開關模式。由于向選通脈沖抽去部112輸入模式信號=抽去開關模式，因此，當半導體開關Sla、Slb的電流為負時,選通脈沖信號Gla、Glb對于選通脈沖信號Gla’、Gib’，成為抽去了導通信號的抽去選通脈沖信號。當電流IMl為正時，通電時有負向電流流過半導體開關Sla，而通電時有正向電流流過半導體開關Sib。當電流Ml為正(半導體開關Sla的通電電流為負)、且電流頂1為閾值Ip (O以上的閾值)以上時，將選通脈沖信號Sla的導通信號抽去，成為截止信號。此時，半導體開關Sla的電流不流過FETla而流過回流二極管Dla。此外，當電流Ml為正且小于閾值Ip時，選通脈沖信號Sla、Slb為互補信號，半導體開關S Ia的電流在死區(qū)時間的期間以外流過FETla。因此，可通過對閾值Ip的值進行調(diào)整來變更FETla和Dal的通電時間比率。同樣地，當電流頂1為負(半導體開關Slb的通電電流為負)、且電流頂1為小于閾值-Ip(O以下的閾值)的較小值時，將選通脈沖信號SIb的導通信號抽去，成為截止信號。此時，半導體開關Slb的電流不流過FETlb而流過回流二極管Dlb。此外，當電流頂I為負且為閾值-Ip以上時，選通脈沖信號Sla、Slb為互補信號，半導體開關Slb的電流在死區(qū)時間的期間以外流過FETlb。因此，可通過對閾值Ip的值進行調(diào)整來變更FETlb和Dlb的通電時間比率。以上設閾值Ip為固定值來進行了說明，但也可根據(jù)電流頂1的有效值來對其進行變更。即使在相同的抽去開關模式中，當電流頂I的有效值越大時，流過FET的電流越大，F(xiàn)ET越易達到高溫。因此，當電流頂1的有效值越大時，若減小閾值Ip，則FET的通電時間縮短，因而是有效的。
此外，也可包括對FET的溫度進行測量的溫度傳感器，可根據(jù)FET的溫度來對閾值Ip進行變更。例如，在FETla處于規(guī)定溫度以上的高溫時，若減小閾值Ip，則FETla的通電時間縮短，F(xiàn)ETla的發(fā)熱得以降低，能使FETla的溫度下降。這樣，在電流IMl較大的情況下，當半導體開關Sla、Slb的通電電流為負時，由于進行抽去開關動 作，因此，能縮短FETla、FETlb的通電時間，F(xiàn)ETla、FETlb的發(fā)熱得以降低，能使FETla、FETlb的溫度下降。因而，能増加受限于FET的溫度的功率轉(zhuǎn)換裝置的通電電流，能提高最大輸出功率。另外，在抽去開關模式中，雖然回流ニ極管Dla、Dlb的通電時間變長，回流ニ極管Dla, Dlb的發(fā)熱増大，但由于FETla、FETlb與回流ニ極管Dla、Dlb的熱干擾較小，因此，回流ニ極管Dla、Dlb的發(fā)熱所引起的FETla、FETlb的溫度上升較小，從而不會帶來問題。作為ー示例，當為調(diào)制率I (VM1*的振幅為O. 5XV1)且負載功率因數(shù)為O. 6的情況下，通過在半導體開關Sla、Slb的電流為負時進行抽去開關動作，從而相對于互補開關動作，F(xiàn)ETla、FETlb的發(fā)熱下降30%左右，F(xiàn)ETla、FETlb的溫度上升也下降30%左右。因此，通過進行抽去開關動作，能使通電電流増大10 20%，還能使最大輸出功率也得到10 20 %的提聞。如上所述，若采用實施方式I的功率轉(zhuǎn)換裝置，具備2個(I組)半導體開關，其中半導體開關由FET和反并聯(lián)連接于上述FET的回流ニ極管構成，且2個(I組)半導體開關與起到作為電壓源作用的電容器相連接，在這種電壓型功率轉(zhuǎn)換裝置中，具備對流過半導體開關的電流的方向進行檢測的電流傳感器CS1，當流過半導體開關的電流的大小為小于規(guī)定閾值的較小值吋，設為互補開關模式(進行互補開關動作)，從而能提高功率轉(zhuǎn)換效率，當流過半導體開關的電流的大小為規(guī)定閾值以上的較大值吋，設為抽去開關模式(電流為負時，進行對于互補選通脈沖信號、抽去了 PWM選通脈沖信號的一部分或全部導通信號的開關動作)，從而提高功率轉(zhuǎn)換裝置的最大輸出功率。 此外，在上述實施方式I中，設閾值Mlth為固定值來進行了說明，但也可具備對FET的溫度進行檢測的溫度傳感器，且使閾值Mlth可根據(jù)FET的溫度而變化，當FET的溫度為規(guī)定溫度以上的高溫時，減小閾值頂1th，當FET的溫度為小于上述規(guī)定溫度的低溫時，增大閾值IMlth。通過這樣，當FET的溫度較低且具有余量(margin)時,盡可能設為互補開關模式，而當FET的溫度較高且余量較少時，能設為抽去開關模式。此外，即使并未根據(jù)電流閾值頂Ith對互補開關模式和抽去開關模式進行切換，而是在FET的溫度為小于規(guī)定溫度的低溫時設為互補開關模式，在FET的溫度為規(guī)定溫度以上的高溫時設為抽去開關模式，也能獲得相同效果。此外，也可用對冷卻FET或回流ニ極管的散熱片的溫度進行檢測的溫度傳感器、或?qū)ι崞评鋭┑臏囟冗M行檢測的溫度傳感器來替代對FET的溫度進行檢測的溫度傳感器。此外，盡管在上述實施方式I中使用電流傳感器CSl對半導體開關Sla、Slb的電流進行檢測，但也可使用串聯(lián)連接于半導體開關Sla、Slb的電流傳感器來替代。此外，盡管利用電流傳感器CSl來檢測出半導體開關Sla、Slb的電流的方向，但也可通過測量死區(qū)時間中電壓端子VMl的電位來辨別半導體開關的電流的方向。若對電壓端子VMl的電位與半導體開關的電流方向之間的關系進行說明的話，則由于當死區(qū)時間中電壓端子VMl的電位與電壓端子VH大致相等時，半導體開關Slb的二極管Dlb導通，因此，半導體開關Slb中有負電流流過。同樣地，由于當死區(qū)時間中電壓端子VMl的電位與電壓端子VL大致相等時，半導體開關Sla的二極管Dla導通，因此，半導體開關Sla中有負電流流過。此外，上述實施方式I中具有互補開關模式和抽去開關模式這2種模式，但也可僅具有抽去開關模式。在這種情況下，由于在電流大小較小時也成為抽去開關模式，因此，功率轉(zhuǎn)換效率降低，但與上述實施方式I相同，可提高最大輸出。此外，在上述實施方式I中，對使用了 I組功率轉(zhuǎn)換裝置10的電壓型半橋逆變器進行了說明，但即使是使用了 3組功率轉(zhuǎn)換裝置10的電壓型三相逆變器、或是使用了 I組功率轉(zhuǎn)換裝置、電抗器和電容器的電壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器也是相同的。圖9示出表示使用了 3組功率轉(zhuǎn)換裝置10的電壓型三 相逆變器、電池Vsl、電動發(fā)電機MG的結(jié)構的電路圖。3組功率轉(zhuǎn)換裝置10分別被識別為10-U、10-V、10-W。設功率轉(zhuǎn)換裝置10-U、10-V、10-W的電壓端子VH分別為電壓端子VH-U、VH-V, VH-W。而且，同樣地，設功率轉(zhuǎn)換裝置10-U、10-V, IO-W的電壓端子VL分別為電壓端子VL-U、VL-V、VL-W，設功率轉(zhuǎn)換裝置10-U、10-V、10-W的電壓端子VMMl分別為電壓端子VIMM1-U、VMM1-V、VMM1-W。電壓端子VL-U、VL-V, VL-W彼此相連接，將它們的連接點連接到電池Vsl的低壓偵U。電壓端子VH-U、VH-V、VH-W彼此相連接，將它們的連接點連接到電池Vsl的高壓側(cè)。而且，電壓端子VMM1-U、VMM1-V、VMM1-W與三相電動發(fā)電機MG相連接。另外，各功率轉(zhuǎn)換裝置10-U、10-V、10-W也可共用電容器Cl。而且，各功率轉(zhuǎn)換裝置的選通脈沖生成部11也可形成為一體。此外，三相逆變器中，由于各功率轉(zhuǎn)換裝置的電流傳感器CSl的電流之和成為0，因此，電流傳感器CSl也可僅裝載于功率轉(zhuǎn)換裝置io-uuo-ν，并且通過運算來導出IO-W的電流。圖10表示使用了功率轉(zhuǎn)換裝置10的DC/DC轉(zhuǎn)換器的電路圖。將電抗器L的一端子與電壓端子VMMl相連接，而將電抗器的另一端子與平滑用電容器C2的高壓側(cè)端子相連接。電容器C2的低壓側(cè)端子與電壓端子VL相連接。而且，也可將電池Vsl與電壓端子VH、VL相連接，將直流負載Loaddc與電容器C2的高壓側(cè)端子、低壓側(cè)端子相連接。該DC/DC轉(zhuǎn)換器是用于降低電池Vsl的電壓、并將其作為電壓V2輸出到電容器C2的降壓用DC/DC轉(zhuǎn)換器。以上，詳細說明了實施方式I所涉及的功率轉(zhuǎn)換裝置10，但該功率轉(zhuǎn)換裝置10并不限于半橋逆變器，還可適用于各種電壓型逆變器或整流器、DC/DC轉(zhuǎn)換器。實施方式2接著，對本發(fā)明的實施方式2所涉及的功率轉(zhuǎn)換裝置進行說明。圖11是表示實施方式2所涉及的功率轉(zhuǎn)換裝置的主電路和控制部的結(jié)構的電路圖。實施方式2所涉及的功率轉(zhuǎn)換裝置20是具有以下功能的電壓型功率轉(zhuǎn)換裝置通過2組半導體開關S2a和S2b以及S3a和S3b的開關動作，將電壓端子VH與電壓端子VL之間的直流電壓Vl轉(zhuǎn)換成具有3種電位的電壓并輸出到電壓端子VM1。在實施方式I所涉及的功率轉(zhuǎn)換裝置10中，轉(zhuǎn)換成具有2種電位的電壓(矩形波電壓)并輸出到電壓端子VM1，但實施方式2所涉及的功率轉(zhuǎn)換裝置20是轉(zhuǎn)換成具有3種電位的電壓并輸出到電壓端子VMl的3電平電壓型功率轉(zhuǎn)換裝置。在圖11中，功率轉(zhuǎn)換裝置20包括對直流電壓Vl進行平滑化的平滑電容器Cl ;平滑電容器Cll ;半導體開關S2a和S2b以及S3a和S3b ;對半導體開關S2a和S2b以及S3a和S3b的電流進行檢測的電流傳感器CSl ;以及選通脈沖生成部12、13。選通脈沖生成部12,13與實施方式I的選通脈沖生成部11具有相同功能，將選通脈沖生成部的輸出即選通脈沖信號Gla、Glb變更為選通脈沖信號G2a和G2b以及G3a和G3b。與實施方式I相同，半導體開關S2a、S2b由寬帶隙半導體FET2a、FET2b和反并聯(lián)連接于它們的回流ニ極管D2a、D2b構成，半導體開關S3a、S3b由寬帶隙半導體FET3a、FET3b和反并聯(lián)連接于它們的回流ニ極管D3a、D3b構成。此外，同樣地，F(xiàn)ET2a的源極端子與ニ極管D2a的陽極端子相連接，F(xiàn)ET2a的漏極端子與ニ極管D2a的陰極端子相連接。FET2b的源極端子與ニ極管D2b的陽極端子相連接，F(xiàn)ET2b的漏極端子與ニ極管D2b的陰極端子相連接。FET3a的源極端子與ニ極管D3a的陽 極端子相連接，F(xiàn)ET3a的漏極端子與ニ極管D3a的陰極端子相連接。FET3b的源極端子與ニ極管D3b的陽極端子相連接，F(xiàn)ET3b的漏極端子與ニ極管D3b的陰極端子相連接。接著，對功率轉(zhuǎn)換裝置20的連接情況進行詳細說明。半導體開關S2a的FET2a的源極端子與平滑電容器Cll的低壓側(cè)端子相連接，而FET2a的漏極端子與電壓端子VMl相連接。半導體開關S2b的FET2b的源極端子與電壓端子VMl相連接，而FET2b的漏極端子與平滑電容器Cll的高壓側(cè)端子相連接。半導體開關S3a的FET3a的源極端子與平滑電容器Cl的低壓側(cè)端子VL相連接，而FET3a的漏極端子與平滑電容器Cll的低壓側(cè)端子相連接。半導體開關S3b的FET3b的源極端子與平滑電容器Cll的高壓側(cè)端子相連接，而FET3b的漏極端子與平滑電容器Cl的高壓側(cè)端子VH相連接。通過開關動作，僅使半導體開關S2a、S2b中的ー個導通，同樣地，通過開關動作，僅使半導體開關S3a、S3b中的一個導通。而且，電容器Cll的電壓Vll是電容器Cl的電壓Vl的一半。因此，當半導體開關S2a、S3a導通時，電壓端子VHl的電位與電壓端子VL相等。此外，當半導體開關S2b、S3a導通時，電壓端子VMl的電位成為將電壓端子VL的電位與電壓Vll( = V1/2)相加的電位。即，成為電壓端子VL與VH的平均電位。此外，當半導體開關S2b、S3b導通時，電壓端子VMl的電位與電壓端子VH相等。此外，當半導體開關S2a、S3b導通吋，電壓端子VMl的電位成為從電壓端子VH的電位減去電壓VlI ( = V1/2)的電位。即，成為電壓端子VL與VH的平均電位。這樣，電壓端子VMl的電位成為與電壓端子VL相同的電位、與VH相同的電位、以及VL與VH的平均電位這3種電位。利用半導體開關S2a和S2b以及S3a和S3b、以及起到作為電壓源作用的平滑電容器CUCll來構成3電平電壓型功率轉(zhuǎn)換裝置。與實施方式I相同，電壓端子VMl與電壓端子VMMl相連接，且在電壓端子VMl-VMMl之間連接有電流傳感器CSl。由于通過開關動作僅使半導體開關S2a和S2b中的一個以及S3a和S3b中的ー個導通，因此，與實施方式I相同，電流傳感器CSl不僅起到檢測電壓端子VMl-VMMl之間的電流的作用，還起到檢測半導體開關S2a和S2b以及S3a和S3b的電流的作用。當半導體開關S2b導通時，半導體開關S2b的電流等于電流傳感器CSl的檢測電流。同樣地，當半導體開關S2a導通時，半導體開關S2a的電流相對于電流傳感器CSl的檢測電流而言成為正負反轉(zhuǎn)的電流。當半導體開關S3b導通時，半導體開關S3b的電流等于電流傳感器CSl的檢測電流。當半導體開關S3a導通時，半導體開關S3a的電流相對于電流傳感器CSl的檢測電流而言成為正負反轉(zhuǎn)的電流。將半導體開關S2a的FET2a的柵極端子與柵極驅(qū)動電路102a的輸出端子相連接，且向該柵極驅(qū)動電路102a的輸入端子輸入選通脈沖信號G2a。將半導體開關S2b的FET2b的柵極端子與柵極驅(qū)動電路102b的輸出端子相連接，且向該柵極驅(qū)動電路102b的輸入端子輸入選通脈沖信號G2b。將半導體開關S3a的FET3a的柵極端子與柵極驅(qū)動電路103a的輸出端子相連接，且向該柵極驅(qū)動電路103a的輸入端子輸入選通脈沖信號G3a。將半導體開關S3b的FET3b的柵極端子與柵極驅(qū)動電路103b的輸出端子相連接，且向該柵極驅(qū)動電路103b的輸入端子輸入選通脈沖信號G3b。將電流傳感器CSl的檢測電流頂I輸入到選通脈沖生成部12、13，利用各選通脈沖生成部12、13輸出選通脈沖信號G2a和G2b以及G3a和G3b。選通脈沖信號G2a和G2b以及G3a和G3b經(jīng)由柵極驅(qū)動電路與各半導體開關S2a和S2b以及S3a和S3b相連接。此外，功率轉(zhuǎn)換裝置20的主電路的結(jié)構例如與日本專利第3414749號公報所揭示的結(jié)構相同，但 控制部即選通脈沖生成部12、13不同。選通脈沖生成部12、13與實施方式I的選通脈沖生成部11相同，在電流頂1的有效值為小于規(guī)定閾值頂Ith的較小值時，進行互補開關動作，而在電流Ml的有效值為閾值IMlth以上的較大值時，進行抽去開關動作。因而，由于在電流頂1較小時進行互補開關動作，因此，在死區(qū)時間的期間以外使FET導通，能實現(xiàn)導通損耗較小(功率轉(zhuǎn)換效率較高)的功率轉(zhuǎn)換裝置。此外，在電流Ml較大的情況下，當半導體開關S2a和S2b以及S3a和S3b的通電電流為負時，由于進行抽去開關動作，因此，能縮短FET2a和FET2b以及FET3a和FET3b的通電時間，F(xiàn)ET2a和FET2b以及FET3a和FET3b的發(fā)熱得以降低，能使FET2a和FET2b以及FET3a和FET3b的溫度下降。因而，能增加受限于FET的溫度的功率轉(zhuǎn)換裝置的通電電流，能提高最大輸出功率。如上所述，若采用實施方式2所涉及的功率轉(zhuǎn)換裝置，具備4個(2組)半導體開關，其中半導體開關由FET和反并聯(lián)連接于該FET的回流二極管構成，將2組半導體開關與起到作為電壓源作用的電容器相連接，在這種3電平電壓型功率轉(zhuǎn)換裝置中，具備對半導體開關的電流的方向進行檢測的電流傳感器CS1，當流過半導體開關的電流較小時，進行互補開關動作，從而能提高功率轉(zhuǎn)換效率，當流過半導體開關的電流較大且電流為負時，進行將PWM選通脈沖信號的導通信號抽去的抽去開關動作，從而能提高功率轉(zhuǎn)換裝置的最大輸出功率。此外，盡管本實施方式中，選通脈沖生成部12和13是分別形成的，但也可以形成為一體。此外，在本實施方式中示出了使用了 2組半導體開關的3電平電壓型功率轉(zhuǎn)換裝置，但如上述日本專利第3414749號公報所揭示那樣的使用了多組(η組)半導體開關的、多電平((η+1)電平)電壓型功率轉(zhuǎn)換裝置的情形下也是相同的。而且，平成12年11月30日OHM公司第一版第一次印刷發(fā)行的電氣學會/半導體功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)調(diào)查委員會編輯的功率電子電路(POWER ELECTRONICS CIRCUIT compiledby DENKI GAKKAI HANDOUTAI DENRYOKU HENKAN SISUTEMU TYOUSA IINKAI， Ohmsha Ltd.，first edition, first print, November 30,2000 :平成 12 年 11 月 30 日オ一ム社第 I 版第I刷発行電気學會·半導體電力変換システム調(diào)查委員會編パワーュレクトロニクス回路)(P140-P143)所示那種使用了 η組半導體開關、η個電容器、ニ極管的其它形式的多電平((η+1)電平)電壓型功率轉(zhuǎn)換裝置的情形下也是相同的。標號說明10、20、10-U、10-V、10_W 功率轉(zhuǎn)換裝置11、12、13選通脈沖生成部60、62 焊料61散熱器
63絕緣片64 銅箔65 油脂66散熱片101a、101b、102a、102b、103a、103b 柵極驅(qū)動電路110 PWM 生成部111模式選擇部112選通脈沖抽去部C1、C2、C11、CH、CL 電容器Sla、Slb、S2a、S2b、S3a、S3b 半導體開關元件FETla、FETlb、FET2a、FET2b、FET3a、FET3b FETDla、Dlb、D2a、D2b、D3a、D3b 回流ニ極管CSl電流傳感器VH、VL、VH-U, VH-V, VH-W、VL-U, VL-V, VL-W、VMU VMMU VMMl-U, VMM1-V、VMMl-ff,VNl電壓端子Gla、Glb、G2a、G2b、G3a、G3b、Gla’、Glb’ 選通脈沖信號Mode模式信號Vsl 電池L電感器MG電動發(fā)電機LoacULoaddc 負載
權利要求
1.一種功率轉(zhuǎn)換裝置，具有進行開關動作的2個I組的半導體開關(Sla、Slb)，其中半導體開關由FET(FETla、FETlb)和反并聯(lián)連接于所述FET(FETla、FETlb)的回流二極管(Dla、Dlb)構成；以及平滑電容器(Cl)，僅使所述2個I組的半導體開關(Sla、Slb)中的一方通電，通過開關動作進行功率轉(zhuǎn)換，這種電壓型的功率轉(zhuǎn)換裝置(10)的特征在于，包括 對流過所述半導體開關(Sla、Slb)的電流的方向進行檢測的單元(CSl);以及控制部(11)，該控制部(11)在流過所述半導體開關(Sla、Slb)的電流的方向為負時，使所述半導體開關(Sla、Slb)的PWM選通脈沖信號成為對于互補選通脈沖信號、抽去了一部分或全部導通信號的選通脈沖信號。
2.如權利要求I所述的功率轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，設所述2個I組的半導體開關(Sla, Slb)為η組、所述平滑電容器(Cl)為η個時，η = I。
3.如權利要求I所述的功率轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，設所述2個I組的半導體開關(Sla, Slb)為η組、所述平滑電容器(Cl)為η個時，η = 2。
4.如權利要求I 3中任一項所述的功率轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于， 包括對流過所述半導體開關(Sla、Slb)的電流的大小進行檢測的單元(CSl)， 所述控制部(11)在流過所述半導體開關(Sla、Slb)的電流的大小為規(guī)定閾值以上的較大值、且所述半導體開關(Sla、Slb)的電流的方向為負時，使所述PWM選通脈沖信號成為對于互補選通脈沖信號、抽去了一部分或全部導通信號的選通脈沖信號， 所述控制部(11)在流過所述半導體開關(Sla、Slb)的電流為小于所述規(guī)定閾值的較小值時，使所述PWM選通脈沖信號作為互補選通脈沖信號輸出。
5.如權利要求I 3中任一項所述的功率轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于， 包括對所述半導體開關(Sla、Slb)的溫度進行檢測的單元， 所述控制部(11)在所述半導體開關(Sla、Slb)為規(guī)定溫度以上的高溫、且流過所述半導體開關(Sla、Slb)的電流的方向為負時，使所述PWM選通脈沖信號成為對于互補選通脈沖信號、抽去了一部分或全部導通信號的選通脈沖信號， 所述控制部(11)在所述半導體開關(Sla、Slb)為低于所述規(guī)定溫度的低溫時，輸出互補選通脈沖信號。
6.如權利要求I 3中任一項所述的功率轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于， 包括對冷卻所述半導體開關(Sla、Slb)的散熱片(66)的溫度進行檢測的單元， 所述控制部(11)在所述散熱片￠6)為規(guī)定溫度以上的高溫、且流過所述半導體開關(Sla、Slb)的電流的方向為負時，使所述PWM選通脈沖信號成為對于互補選通脈沖信號、抽去了一部分或全部導通信號的選通脈沖信號， 所述控制部(11)在所述散熱片￠6)為低于所述規(guī)定溫度的低溫時，輸出互補選通脈沖信號。
7.如權利要求I 3中任一項所述的功率轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于， 包括對冷卻所述半導體開關(Sla、Slb)的散熱片(66)的制冷劑溫度進行檢測的單元，所述控制部(11)在所述制冷劑為規(guī)定溫度以上的高溫、且流過所述半導體開關(Sla、Slb)的電流的方向為負時，使所述PWM選通脈沖信號成為對于互補選通脈沖信號、抽去了一部分或全部導通信號的選通脈沖信號， 所述控制部(11)在所述制冷劑為低于所述規(guī)定溫度的低溫時，輸出互補選通脈沖信號。
8.如權利要求I 3中任一項所述的功率轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，所述FET(FETla、FETlb)為SiC、GaN等寬帶隙半導體。
9.如權利要求I 3中任一項所述的功率轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，所述回流二極管(Dla, Dlb)為使用了 SiC、GaN等寬帶隙半導體的肖特基勢壘二極管。
全文摘要
本發(fā)明獲得降低構成功率轉(zhuǎn)換裝置的FET的發(fā)熱、并提高最大輸出功率的改良后的功率轉(zhuǎn)換裝置。其具有進行開關動作的2個1組的半導體開關，其中半導體開關由FET1a、FET1b和反并聯(lián)連接于FET1a、FET1b的回流二極管構成；以及平滑電容器，通過半導體開關的FET1a、FET1b的互補開關動作進行功率轉(zhuǎn)換，這種功率轉(zhuǎn)換裝置包括對流過半導體開關的電流的方向進行檢測的電流傳感器；以及在流過半導體開關的電流的方向為負時、抽去半導體開關的PWM選通脈沖信號的導通信號的選通脈沖生成部。
文檔編號H02M7/537GK102857135SQ20121011911
公開日2013年1月2日 申請日期2012年4月20日 優(yōu)先權日2011年6月29日
發(fā)明者池田又彥, 小林勝, 森武直紀, 三井貴夫, 前川博敏, 石橋誠治, 井出之上慎介 申請人:三菱電機株式會社