專利名稱：電力變換裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電力變換裝置，特別是涉及一種使回流二極管中 的損耗降低的電力變換裝置。
背景技術(shù)：
通常的變流器(inverter)裝置利用橋式連接了開關(guān)元件的變流 器電路而將來自直流電源的直流變換為交流從而得到交流輸出。在這 種情況下，負(fù)載的功率因數(shù)未必是l，因此在各個(gè)開關(guān)元件上反并聯(lián) 連接回流二極管。根據(jù)該結(jié)構(gòu)，當(dāng)開關(guān)元件關(guān)斷時(shí)，蓄積在負(fù)載上的能量將通過回流二極管回流。當(dāng)回流二極管上流過順方向電流時(shí)，如果與該回流二極管相反極 性的臂的開關(guān)元件導(dǎo)通，則直流電壓作為反向偏置而施加在回流二極 管兩端上。此時(shí)，回流二極管的電流在通過殘留電荷而流過反方向電 流后切斷。因此，由直流電壓和上述反方向電流而在回流二極管上產(chǎn) 生大的損耗，因此變流器裝置的效率惡化。另外，為此需要使裝置的 冷卻器大型化。因此，在特開平10-327585號(hào)公報(bào)的第3-5頁(yè)以及圖1中公開有 如下方法在變流器裝置上設(shè)置反向電壓施加電路，當(dāng)切斷回流二極 管時(shí)，從反向電壓施加電路向回流二極管施加小的反向電壓，由反向 電壓施加電路的低電壓直流電源引起回流二極管的反向恢復(fù)，從而降 低回流二極管中產(chǎn)生的損耗。根據(jù)上述的現(xiàn)有技術(shù)，反向電壓施加電路具有反向電壓施加用開 關(guān)元件，使該反向電壓施加用開關(guān)元件在回流二極管的反向恢復(fù)時(shí)導(dǎo) 通從而施加低電壓直流電壓，因此能夠以低損耗使回流二極管反向恢 復(fù)。
但是，在該現(xiàn)有技術(shù)中，反向電壓施加電路中具有由二極管以及 電容器構(gòu)成的輔助電源電路，通過該輔助電源驅(qū)動(dòng)反向電壓施加開關(guān) 元件，因此存在反向電壓施加電路的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜、反向電壓施加電 路的體積也變大的問題點(diǎn)。另外，為了給電容器充電，構(gòu)成為二極管中流過電流，因此存在如下問題點(diǎn)由于該電流，不僅在二極管上產(chǎn) 生發(fā)熱損耗，而且充電到電容器的電壓比低電壓直流電壓下降與二極 管的損耗相應(yīng)的電壓量。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明是鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)的問題所作出的，其目的在于，提供二極管的反向恢復(fù)損耗的電力變換裝置。為了達(dá)成上述目的，本發(fā)明的電力變換裝置的特征在于，具有 直流電源；為了將上述直流電源的直流變換為交流而橋式連接、并分 別反并聯(lián)連接了回流二極管的多個(gè)主電路開關(guān)元件；以及反向電壓施 加單元，當(dāng)切斷上述回流二極管的回流電流時(shí)，向上迷回流二極管施 加小于上述直流電源的反向電壓，上述反向電壓施加單元由電壓〗氐于 上述直流電源的電壓的低電壓直流電源、上述回流二極管的反向恢復(fù) 時(shí)導(dǎo)通且耐壓低于上述主電路開關(guān)元件的反向電壓施加開關(guān)元件、以 及反向恢復(fù)時(shí)間比上述回流二極管短的輔助二極管的串聯(lián)連接所構(gòu) 成，上述反向電壓施加開關(guān)元件是多數(shù)載流子為空穴的元件。另外，本發(fā)明的電力變換裝置的特征在于，具有直流電源；為 了將上述直流電源的直流變換為交流而橋式連接、并分別反并聯(lián)連接 了回流二極管的多個(gè)主電路開關(guān)元件；正常導(dǎo)通型開關(guān)元件，其分別 串聯(lián)連接在上述主電路開關(guān)元件中的負(fù)側(cè)臂的主電路開關(guān)元件上，并 將其柵極和上述主電路開關(guān)元件的負(fù)極分別連接成與上述負(fù)側(cè)臂的主 電路開關(guān)元件的導(dǎo)通關(guān)斷同步地進(jìn)行導(dǎo)通關(guān)斷；以及反向電壓施加單 元，當(dāng)切斷上述回流二極管中的負(fù)側(cè)臂的回流二極管的回流電流時(shí)， 向上述負(fù)側(cè)臂的回流二極管施加小于上述直流電源的反向電壓，上述 述回流二極管的反向恢復(fù)時(shí)導(dǎo)通且耐壓低于上述主電路開關(guān) 元件的反向電壓施加開關(guān)元件、以及反向恢復(fù)時(shí)間比上述回流二極管 短的輔助二極管的串聯(lián)連接所構(gòu)成，上述反向電壓施加開關(guān)元件是多數(shù)載流子為空穴的元件。根據(jù)本發(fā)明，能夠提供一種能夠由簡(jiǎn)單的電路結(jié)構(gòu)且低損耗的反 向電壓施加電路來降低回流二極管的反向恢復(fù)損耗的電力變換裝置。圖


圖1是與本發(fā)明的第1實(shí)施例有關(guān)的電力變換裝置的電路結(jié)構(gòu)圖2是與本發(fā)明的第2實(shí)施例有關(guān)的電力變換裝置的電路結(jié)構(gòu) 圖3是與本發(fā)明的第3實(shí)施例有關(guān)的電力變換裝置的電路結(jié)構(gòu) 圖4是與本發(fā)明的第4實(shí)施例有關(guān)的電力變換裝置的電路結(jié)構(gòu)圖5是與本發(fā)明的第5實(shí)施例有關(guān)的電力用半導(dǎo)體裝置的反向電 壓施加電路的電路結(jié)構(gòu)圖。圖6是與本發(fā)明的第6實(shí)施例有關(guān)的電力用半導(dǎo)體裝置的反向電 壓施加電路的電路結(jié)構(gòu)圖。圖7是與本發(fā)明的第7實(shí)施例有關(guān)的功率用半導(dǎo)體裝置的反向電 壓施加電路的電路結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施方式
下面根據(jù)附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施方式。實(shí)施例1圖1是與本發(fā)明的第1實(shí)施例有關(guān)的電力變換裝置的電路結(jié)構(gòu) 圖。在圖1中，直流電壓源l是例如將3相直流電源進(jìn)行整流而成的、、/直壓電壓電電于壓電加壓電反9 電壓源，直流電壓源1的正側(cè)直流母線la和負(fù)側(cè)直流母線lb之間連 接有濾波電容器2以及變流器主電路3。變流器主電路3是將與正側(cè) 臂的主電路開關(guān)元件相當(dāng)?shù)闹麟娐烽_關(guān)元件4u、 4v及4w、以及負(fù)側(cè) 臂的主電路開關(guān)無件4x、 4y及4z進(jìn)行3相橋式連接而成。在這些主 電路開關(guān)元件4u、 4v、 4w、 4x、 4y以及4z的正極和負(fù)極之間，分別 反并聯(lián)連接有回流二極管5u、 5v、 5w、 5x、 5y以及5z。另外，作為 變流器主電路3的輸出的A、 B以及C點(diǎn)連接在例如像交流電動(dòng)機(jī)那 樣的負(fù)載6上。此外，還有回流二極管5u、 5v、 5w、 5x、 5y以及5z 分別被內(nèi)置在主電路開關(guān)元件4u、 4v、 4w、 4x、 4y以及4z內(nèi)的情況。 回流二極管5u、 5v、 5w、 5x、 5y以及5z的各個(gè)上并聯(lián)連接有 反向電壓施加電路7。反向電壓施加電路7具有電壓值低于直流電壓 源1的〗氐電壓直流電源8，在主電路開關(guān)元件4u、 4v、 4w、 4x、 4y 以及4z的正極和負(fù)極之間分別連接有該低電壓直流電源8的電源線 8a、 8b。下面對(duì)u相的回流二極管5u用的反向電壓施加電路7說明 其結(jié)構(gòu)。此外，u相以外的回流二極管用的反向電壓施加電路7基本 上與u相的回流二極管5u用的反向電壓施加電路7相同，因此省略 它們的說明。反向電壓施加電路7具有柵極驅(qū)動(dòng)電路9，柵極驅(qū)動(dòng)電路9電氣 性地并聯(lián)連接在低電壓直流電源8上，其輸出通過柵極電阻10連接 在主電路開關(guān)元件4u的柵極上。然后，當(dāng)從省略圖示的開關(guān)時(shí)序生 成電路向該柵極驅(qū)動(dòng)電路9輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，柵極驅(qū)動(dòng)電路9被來自 低電壓直流電源8的電壓驅(qū)動(dòng)，使主電路開關(guān)元件4u導(dǎo)通。反向電壓施加電路7具有串聯(lián)插入到低電壓直流電源8的電源線 8a上的反向電壓施加開關(guān)元件11。反向電壓施加開關(guān)元件11從低電 壓直流電源8的正極通過輔助二極管12連接在回流二極管5u的陰極 上。將該反向電壓施加開關(guān)元件11的耐壓選定為低于主電路開關(guān)元 件4u的耐壓。反向電壓施加開關(guān)元件11使得在回流二極管5u的反 向恢復(fù)時(shí)導(dǎo)通地進(jìn)行動(dòng)作。在此，該反向電壓施加開關(guān)元件只要是多 數(shù)載流子為空穴的開關(guān)元件即可，雖然使用了 p溝道MOSFET，但
是不限于p溝道MOSFET，還能夠應(yīng)用例如pnp晶體管。當(dāng)從根據(jù)變流器主電路3的A點(diǎn)電位輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)的省略圖示 的電位判定電路向柵極驅(qū)動(dòng)電路13輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，該柵極驅(qū)動(dòng)電 路13進(jìn)行動(dòng)作，通過柵極電阻14使反向電壓施加開關(guān)元件11導(dǎo)通。 由此，從《氐電壓直流電源8通過反向電壓施加開關(guān)元件11以及輔助 二極管12，向回流二極管5u施加電壓值低于直流電壓源1的反向電 壓。由此，通過電源線8a向回流二極管5u提供反向電流，因此流經(jīng) 回流二極管5u的主電路電流減少。即，利用反向電壓施加電路7的 低電壓直流電源8的施加電壓進(jìn)行反向恢復(fù)。此外，在圖1中，柵極 驅(qū)動(dòng)電路13通過電源線13a、 13b連接在低電壓直流電源8的電源線 8a、 8b上。當(dāng)流經(jīng)回流二極管5u的主電路電流減少時(shí)，從負(fù)載6經(jīng)過回流 二極管5u向直流電壓源1的正側(cè)直流母線la流過的主電路電流流入 反向電壓施加電路7。流入反向電壓施加電路7的主電路電流通過低 電壓直流電源8的電源線8b流入低電壓直流電源8。并且，經(jīng)過反向 電壓施加開關(guān)元件11和輔助二極管12向直流電壓源la的正側(cè)直流 母線la流過。之后，當(dāng)與u相相反極性的x相的主電路開關(guān)元件4x導(dǎo)通時(shí)， 流經(jīng)反向電壓施加電路7的主電路電流流經(jīng)主電路開關(guān)元件4x。當(dāng)主 電路開關(guān)元件4x上流經(jīng)主電路電流時(shí)，在輔助二極管12上被施加反 向電壓，輔助二極管12在反向恢復(fù)后關(guān)斷，流經(jīng)反向電壓施加電路7 的主電路電流不再流過。在此，輔助二極管12選定了反向恢復(fù)時(shí)間 比回流二極管5u短的高速二極管，因此輔助二極管12的反向恢復(fù)損 失小。此外，對(duì)于u相以外的其他相的反向電壓施加動(dòng)作基本上與u 相相同，因此省略它們的說明。在這樣構(gòu)成的第1實(shí)施例的電力變換裝置中，作為反向電壓施加 開關(guān)元件11使用了多數(shù)載流子是空穴的p溝道MOSFET，因此能夠 從低電壓直流電源8直接獲得用于驅(qū)動(dòng)反向電壓施加開關(guān)元件11的
柵極驅(qū)動(dòng)電路13的驅(qū)動(dòng)電源。因而，不需要柵極驅(qū)動(dòng)用的輔助電源， 能夠簡(jiǎn)化反向電壓施加電路7。此外，在上述說明中，將變流器主電路3作為2電平的3相輸出 變流器而進(jìn)行了說明，但可以是3電平以上的多電平變流器，另外輸 出相既可以是單相也可以是多相。[第2實(shí)施例圖2是與本發(fā)明的第2實(shí)施例有關(guān)的電力變換裝置的電路結(jié)構(gòu) 圖。對(duì)于該實(shí)施例的各部分，與圖1所示的第1實(shí)施例所涉及的電力 變換裝置的電路結(jié)構(gòu)圖的各部分相同的部分用相同符號(hào)表示，省略其 說明。該實(shí)施例與第1實(shí)施例的不同點(diǎn)在于，其結(jié)構(gòu)是將主電路開 關(guān)元件4ul、 4vl、 4wl、 4xl、 4yl以及4zl設(shè)為低耐壓元件，在這些20u、 20v、 20w、 20x、 20y以及20z，將這些正常導(dǎo)通型開關(guān)元件20u、 20v、 20w、 20x、 20y以及20z的柵極分別連接在主電路開關(guān)元件4u、 4v、 4w、 4x、 4y以及4z的負(fù)極上。這樣構(gòu)成主電路3，例如在將u相的正側(cè)臂的正常導(dǎo)通型開關(guān)元 件20u選定為高耐壓、將主電路開關(guān)元件4ul選定為低耐壓時(shí)，由正 常導(dǎo)通型開關(guān)元件20u、主電路開關(guān)元件4ul以及回流二極管5u形 成復(fù)合主電路元件。將該復(fù)合主電路元件稱作共發(fā)共基放大器 (cascode )元件21u。作為正常導(dǎo)通型開關(guān)元件，例如能夠使用結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管 JFET、靜電感應(yīng)型晶體管SIT。正常導(dǎo)通型開關(guān)元件能夠向順方向、 反方向兩個(gè)方向流過主電路電流。 一般正常導(dǎo)通型開關(guān)元件的電阻比 正常關(guān)斷型開關(guān)元件例如MOSFET低，損耗小。此外，如圖所示， 正常導(dǎo)通型開關(guān)元件的柵極端子連接到低耐壓的主電路開關(guān)元件例 如MOSFET的源極端子上來^吏用。正常導(dǎo)通型開關(guān)元件20u在其柵極端子和源極端子之間被施加 足夠使正常導(dǎo)通型開關(guān)元件關(guān)斷的負(fù)電壓時(shí)關(guān)斷，當(dāng)柵極端子和源極 端子之間的電壓變成零以上的電壓時(shí)導(dǎo)通。正常導(dǎo)通型開關(guān)元件20u的柵極端子連接在主電路開關(guān)元件4ul的源極端子上，正常導(dǎo)通型開 關(guān)元件20u的源極端子和主電路開關(guān)元件4ul的漏極端子相連接。因 而，在主電路開關(guān)元件4ul為關(guān)斷狀態(tài)下，正常導(dǎo)通型開關(guān)元件20u 的柵極端子和源極端子之間被施加負(fù)電壓，因此正常導(dǎo)通型開關(guān)元件 20u也變成關(guān)斷狀態(tài)。另外，當(dāng)主電路開關(guān)元件4ul為導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)， 正常導(dǎo)通型開關(guān)元件20u的柵極端子和源極端子之間的電壓幾乎變成 零，因此正常導(dǎo)通型開關(guān)元件20u也變成導(dǎo)通狀態(tài)。即，關(guān)于共發(fā)共 基放大器元件21u,通過使主電路開關(guān)元件4ul導(dǎo)通關(guān)斷而能夠使共 發(fā)共基放大器元件21u也與其同步地導(dǎo)通關(guān)斷。另外，共發(fā)共基放大 器元件21u能夠作為通常關(guān)斷型而進(jìn)行動(dòng)作。在圖2中，檢測(cè)變流器主電路3的A點(diǎn)的電壓，當(dāng)判定為是進(jìn) 行處于共發(fā)共基放大器元件21u內(nèi)的回流二極管5u的反向恢復(fù)的狀 態(tài)時(shí)，向柵極驅(qū)動(dòng)電路13輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使反向電壓施加開關(guān)元件 11導(dǎo)通。由此，從低電壓直流電源8向正常導(dǎo)通型開關(guān)元件20u以及 回流二極管5u施加小的反向電壓，通過電源線8a以及正常導(dǎo)通型開 關(guān)元件20u向回流二極管5u提供反向電流，因此流經(jīng)回流二極管5u 的主電路電流減少。即，利用反向電壓施加電路7的低電壓直流電源 8的施加電壓進(jìn)行反向恢復(fù)。當(dāng)流經(jīng)回流二極管5u的主電路電流減少時(shí)，從負(fù)載6經(jīng)由回流 二極管5u和正常導(dǎo)通型開關(guān)元件20u向直流電壓源1的正側(cè)直流母 線la流過的主電路電流流入反向電壓施加電路7。流入反向電壓施加 電路7的主電路電流通過^f氐電壓直流電源8的電源線8b流入^氐電壓 直流電源8。并且，經(jīng)由反向電壓施加開關(guān)元件11和輔助二極管12 向直流電壓源1的正側(cè)直流母線la流過。在該期間，回流二極管5u的反向恢復(fù)結(jié)束，回流二極管5u中 不再流過主電路電流。之后，當(dāng)與u相相反極性的x相的共發(fā)共基放大器元件21x導(dǎo)通 時(shí)，流經(jīng)反向電壓施加電路7的主電路電流流過共發(fā)共基放大器元件 21x。當(dāng)共發(fā)共基放大器元件21x上流過主電路電流時(shí)，輔助二極管12被施加反向電壓，在輔助二極管12反向恢復(fù)后關(guān)斷，因此流經(jīng)反 向電壓施加電路7的主電路電流不再流過。在此，輔助二極管12選 定了反向恢復(fù)時(shí)間比回流二極管5u短的高速二極管，因此輔助二極 管12的反向恢復(fù)損失小。在這樣構(gòu)成的第2實(shí)施例的電力變換裝置中，通過將高耐壓且低 損耗的正常導(dǎo)通型開關(guān)元件作為與低耐壓的主電路開關(guān)元件的共發(fā) 共基放大器元件而使用，能夠進(jìn)一步降低發(fā)熱損耗。[第3實(shí)施例圖3是與本發(fā)明的第3實(shí)施例所涉及的電力變換裝置的電路結(jié)構(gòu) 圖。對(duì)于該實(shí)施例的各部分，與圖2所示的第2實(shí)施例有關(guān)的電力變 換裝置的電路結(jié)構(gòu)圖的各部分相同的部分用相同符號(hào)表示，省略其說 明。該實(shí)施例與第2實(shí)施例的不同點(diǎn)在于，在反向電壓施加電路7A 的低電壓直流電源8的正極側(cè)插入限流電阻，另外在該限流電阻15 和低電壓直流電源8的負(fù)極之間設(shè)置了高頻電容器16。低電壓直流電源8的電壓選定為直流電壓源l的電壓的1/4以下， 高頻電容器16不是濾波用的電解電容器，而是使用陶瓷電容器、薄 膜電容器等高頻用電容器。另外，限流電阻15例如能夠使用布線基 板的銅箔圖案的布線電阻、銅板等的布線電阻。此外，在圖3中，關(guān)于包含有高頻電容器16、反向電壓施加用 開關(guān)元件11、輔助二極管12、正常導(dǎo)通型開關(guān)元件20u以及回流二 極管5u的放電路徑，重要的是以極短的布線減少電路電感。并且， 在圖3中，作為低耐壓的主電路開關(guān)元件4ul的柵極驅(qū)動(dòng)電路9的電 源，能夠直接使用低電壓直流電源8的電壓。通過該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化反向電 壓施加電路7A的結(jié)構(gòu)。在該實(shí)施例的電力變換裝置中，通過以上結(jié)構(gòu)，利用限流電阻 15和高頻電容器16產(chǎn)生高頻阻抗降低的作用，低電壓直流電源8不 流過伴隨回流二極管5的反向恢復(fù)的脈沖狀電流，因此在回流二極管 5的反向恢復(fù)時(shí)低電壓直流電源8的電壓變動(dòng)也變得非常小。在向回流二極管5提供反向恢復(fù)電流的期間內(nèi)，主電路電流(負(fù)
載電流)也通過反向電壓施加電路7A,因此主電路電流引起的損耗 也將增大。因而，希望盡快完成回流二極管5的反向恢復(fù)，根據(jù)該實(shí) 施例就能夠達(dá)成該目的。并且，減輕帶給低電壓直流電源8的負(fù)擔(dān)， 因此低電壓直流電源8用小容量的電源即可，降低了低電壓直流電源 8的內(nèi)部發(fā)熱，因此能夠達(dá)成反向電壓施加電路7A的小型化。 [第4實(shí)施例圖4是與本發(fā)明的第4實(shí)施例有關(guān)的電力變換裝置的電路結(jié)構(gòu) 圖。對(duì)于該實(shí)施例的各部分，與圖3所示的第3實(shí)施例所涉及的電力 變換裝置的電路結(jié)構(gòu)圖的各部分相同的部分用相同符號(hào)表示，省略其 說明。另外，在圖4中，為了簡(jiǎn)單而省略了反向電壓施加電路7A以 及7B內(nèi)的柵極驅(qū)動(dòng)電路9以及柵極驅(qū)動(dòng)電路13的圖示。該實(shí)施例與第3實(shí)施例的不同點(diǎn)在于將變流器主電路3的正側(cè) 臂元件替代為共發(fā)共基放大器元件21u、 21v、 21w來設(shè)為主電路開關(guān) 元件4u2、 4v2以及4w2，省略了這些元件的反向電壓施加電路；負(fù) 側(cè)臂的共發(fā)共基放大器元件21y以及21z用的反向電壓施加電路7B 構(gòu)成為從共發(fā)共基放大器元件21x用的反向電壓施加電路7A內(nèi)的低 電壓直流電源8接受低電壓直流的提供。在此，在正側(cè)臂用主電路開關(guān)元件4u2、 4v2以及4w2中使用了 未內(nèi)置回流二極管的IGBT，因此對(duì)主電路開關(guān)元件4u2、 4v2以及 4w2反并聯(lián)連接反向恢復(fù)時(shí)間短、反向恢復(fù)損耗少的回流二極管5u、 5v以及5w。如果這樣使用反向恢復(fù)損耗少的回流二極管，則回流二 極管的反向恢復(fù)時(shí)的損耗降低，因此反向電壓施加電路變成可省略的 結(jié)構(gòu)。另一方面，在負(fù)側(cè)共發(fā)共基放大器元件21x、 21y以及21z中連 接有反向電壓施加電路7A以及7B。反向電壓施加電路7A具有對(duì)x 相、y相以及z相的3相電路共用的低電壓直流電源8。這是因?yàn)閤 相、y相以及z相的反向電壓施加電路的電源線的一方能夠共用在直 流電壓源1的負(fù)側(cè)直流母線lb上，另一方能夠共用在低電壓直流電 源8的電源線8a上。
根據(jù)該第4實(shí)施例，只在負(fù)側(cè)共發(fā)共基放大器元件21x、 21y以 及21z上應(yīng)用了反向電壓施加電路，因此沒有必要對(duì)各相的每相準(zhǔn)備 3相部分的低電壓直流電源8，各相共用具備一個(gè)即可。因而，能夠 實(shí)現(xiàn)反向電壓施加電路的簡(jiǎn)化。[第5實(shí)施例圖5是與本發(fā)明的第5實(shí)施方式有關(guān)的電力變換裝置中使用的反 向電壓施加電路7C的電路結(jié)構(gòu)圖。對(duì)于該實(shí)施例的各部分，與圖3 所示的第3實(shí)施例所涉及的電力變換裝置中使用的反向電壓施加電路 7A的電路結(jié)構(gòu)圖的各部分相同的部分用相同符號(hào)表示，省略其說明。 另外，為了簡(jiǎn)化而省略了柵極驅(qū)動(dòng)電路13的圖示。該實(shí)施例中的反向電壓施加電路7C與第3實(shí)施例中的反向電壓 施加電路7A的不同點(diǎn)在于，構(gòu)成為與柵極電阻10并聯(lián)設(shè)置了電壓變 化率促進(jìn)用二極管17、使該并聯(lián)電路作為電壓變化率促進(jìn)電路18而 動(dòng)作。當(dāng)共發(fā)共基放大器元件21關(guān)斷時(shí)，通過柵極驅(qū)動(dòng)電路9的動(dòng)作， 不會(huì)輸出向主電路開關(guān)元件4ul的柵極端子輸入的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)。在 此，通過電壓變化率促進(jìn)電路18的電壓變化率促進(jìn)用二極管17，當(dāng) 進(jìn)行關(guān)斷時(shí)不經(jīng)由柵極電阻10而是經(jīng)由電壓變化率促進(jìn)用二極管17 除去柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)。即，通過阻抗低于柵極電阻10的電壓變化率促 進(jìn)用二極管17除去柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，因此與通過柵極電阻10進(jìn)行關(guān)斷 相比能夠更高速地進(jìn)行關(guān)斷。根據(jù)該第5實(shí)施例，能夠通過電壓變化率促進(jìn)電路18高速地關(guān) 斷主電路開關(guān)元件4ul，因此促進(jìn)共發(fā)共基放大器元件21u的正負(fù)極 之間的電壓變化率，共發(fā)共基放大器元件的關(guān)斷變快。因而，能夠降 低共發(fā)共基放大器元件的關(guān)斷損耗，因此能夠提供更小型且低損耗的 電力變換裝置。第6實(shí)施例圖6是與本發(fā)明的第6實(shí)施方式有關(guān)的電力變換裝置中使用的反 向電壓施加電路7 D的電路結(jié)構(gòu)圖。對(duì)于該實(shí)施例中的反向電壓施加
電路7D的各部分，與圖5所示的第5實(shí)施例所涉及的電力變換裝置 中使用的反向電壓施加電路7C的電路結(jié)構(gòu)圖的各部分相同的部分用 相同符號(hào)表示，省略其說明。另外，為了簡(jiǎn)化而省略了柵極驅(qū)動(dòng)電路 13的圖示。該實(shí)施例與第5實(shí)施例的不同點(diǎn)在于，其結(jié)構(gòu)是代替與柵極電阻 10并聯(lián)連接的電壓變化率促進(jìn)用二極管而通過將電壓變化率促進(jìn)用 晶體管19設(shè)置在開關(guān)元件4ul的柵極-負(fù)極之間來構(gòu)成電壓變化率促 進(jìn)電路18A，將該電壓變化率促進(jìn)用晶體管19的柵極連接在柵極電 阻10的低壓電源側(cè)端子上。通過這樣構(gòu)成，當(dāng)向主電路開關(guān)元件4ul提供柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)， 電壓變化率促進(jìn)用晶體管19關(guān)斷，但是當(dāng)為了關(guān)斷主電路開關(guān)元件 4ul而從柵極驅(qū)動(dòng)電路9除去柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，電壓變化率促進(jìn)用晶 體管19導(dǎo)通，能夠通過不經(jīng)由柵極電阻10的低阻抗環(huán)路而高速地關(guān) 斷主電路開關(guān)元件4ul，因此促進(jìn)共發(fā)共基放大器元件21u的正負(fù)極 之間的電壓變化率。因而，與第5實(shí)施例的情況相同，能夠降低共發(fā) 共基放大器元件21u的關(guān)斷損耗，因此能夠提供小型且低損耗的電力 變換裝置。[第7實(shí)施例圖7是與本發(fā)明的第7實(shí)施例有關(guān)的電力變換裝置中使用的反向 電壓施加電路7E的電路結(jié)構(gòu)圖。對(duì)于該實(shí)施例的各部分，與圖6所 示的第6實(shí)施例所涉及的電力變換裝置中使用的反向電壓施加電路 7D的電路結(jié)構(gòu)圖的各部分相同的部分用相同符號(hào)表示，省略其說明。 另外，為了簡(jiǎn)化而省略了柵極驅(qū)動(dòng)電路13的圖示。該實(shí)施例與第6實(shí)施例的不同點(diǎn)在于，其結(jié)構(gòu)是將輔助二極管 12A設(shè)為耐壓更低的二極管，將該輔助二極管12A的陰極連接在回流 二極管5u的陰極上。如在圖1所示的第1實(shí)施例中所述那樣，流經(jīng)回流二極管5u的 主電路電流能夠通過反向電壓施加電路7進(jìn)行反向恢復(fù)。在該第7實(shí) 施例中，流入反向電壓施加電路7E的主電路電流通過低電壓直流電 源8的電源線8b流入低電壓直流電源8和高頻電容器15。并且，經(jīng) 由反向電壓施加開關(guān)元件11、輔助二極管12A、正常導(dǎo)通型開關(guān)元件 20u向直流電壓源1的正側(cè)直流母線la側(cè)流過。在此，正常導(dǎo)通型開關(guān)元件20u的柵極-源極端子之間被施加低 電壓直流電源8的電壓。然而，正常導(dǎo)通型開關(guān)元件20u在低電壓直 流電源8的電壓下不會(huì)關(guān)斷，因此流入反向電壓施加電路7E的主電 路電流能夠通過正側(cè)直流母線la流過直流電壓源1。之后，當(dāng)與u相相反極性的x相的共發(fā)共基放大器元件21x導(dǎo)通 時(shí)，流經(jīng)反向電壓施加電路7E的主電路電流流過共發(fā)共基放大器元 件21x。當(dāng)共發(fā)共基放大器元件21x上流經(jīng)主電路電流時(shí)，主電路開 關(guān)元件4ul被施加電壓，由此在正常導(dǎo)通型開關(guān)元件20u的柵極-源 極端子之間被施加足夠使正常導(dǎo)通型開關(guān)元件20u關(guān)斷的電壓，正常 導(dǎo)通型開關(guān)元件20u關(guān)斷。通過使正常導(dǎo)通型開關(guān)元件20u關(guān)斷，從 而不會(huì)流過流經(jīng)反向電壓施加電路7E的主電路電流。輔助二極管12A被施加與主電路開關(guān)元件4ul幾乎相同程度的 反向電壓，在輔助二極管12A反向恢復(fù)后關(guān)斷。 一般二極管反向恢復(fù) 時(shí)產(chǎn)生的反向恢復(fù)損耗和元件的耐壓存在折衷(trade-off)的關(guān)系， 因此通過將輔助二極管12A的耐壓選定得低，還能夠縮短反向恢復(fù)時(shí) 間，降低輔助二極管12A的反向恢復(fù)損耗。另外，當(dāng)二極管中流過電 流時(shí)產(chǎn)生的導(dǎo)通損耗也與元件的耐壓存在折衷的關(guān)系，因此通過將輔 助二極管12A的耐壓選定得低，還能夠降低輔助二極管12A的導(dǎo)通 損耗。如以上所說明，4艮據(jù)第7實(shí)施例，通過將反向電壓施加電路7E 中的輔助二極管12A選定得其耐壓比主電路開關(guān)元件4ul低，能夠降 低該反向恢復(fù)損耗以及導(dǎo)通損耗，能夠提供更小型且低損耗的電力變 換裝置。在以上的笫1實(shí)施例 第7實(shí)施例中，當(dāng)輔助二極管12、 12A應(yīng) 用由寬禁帶(wide gap)半導(dǎo)體構(gòu)成的輔助二極管時(shí)，能夠進(jìn)一步降 低損耗。作為該寬禁帶半導(dǎo)體，能夠應(yīng)用SiC (碳化硅)、GaN (氮
化鎵)、以及金剛石。由寬禁帶半導(dǎo)體構(gòu)成的輔助二極管與硅半導(dǎo)體相比能夠使絕緣 破壞電場(chǎng)強(qiáng)度加大1位數(shù)(1桁)左右，能夠?qū)崿F(xiàn)輔助二極管的高耐 壓化。即使是例如在硅半導(dǎo)體中對(duì)輔助二極管只能使用雙極性二極管 這樣的耐壓高的輔助二極管，在寬禁帶半導(dǎo)體中也能夠使用單極性二 極管。當(dāng)使用單極性二極管時(shí)，沒有少數(shù)載流子的蓄積，不會(huì)形成反 向恢復(fù)電荷，因此不會(huì)流過反向恢復(fù)電流，反向恢復(fù)損耗本質(zhì)上變成 零。單極性二極管雖然有蓄積在結(jié)電容中的電荷，但是該結(jié)電容的充 放電電流很小。因而，能夠降低輔助二極管的損耗。另外，反向恢復(fù) 電流不會(huì)流入反向電壓施加電路以及主電路開關(guān)元件，因此能夠降低 反向恢復(fù)電流引起的損耗。這樣，如果輔助二極管應(yīng)用寬禁帶半導(dǎo)體， 則能夠降低反向恢復(fù)電流引起的損耗，因此能夠提供更小型且低損耗 的電力變換裝置。另外，在以上的第1實(shí)施例 第7實(shí)施例中，作為主電路開關(guān)元 件以及正常導(dǎo)通型開關(guān)元件，當(dāng)應(yīng)用由寬禁帶半導(dǎo)體構(gòu)成的開關(guān)元件 時(shí)，能夠進(jìn)一步降低損耗。作為寬禁帶半導(dǎo)體，能夠應(yīng)用SiC(碳化 硅)、GaN (氮化鎵)、以及金剛石。在利用寬禁帶半導(dǎo)體形成的開關(guān)元件中，與硅半導(dǎo)體相比能夠使 絕緣破壞電場(chǎng)強(qiáng)度加大1個(gè)位數(shù)左右，能夠?qū)⒂糜诒３纸^緣破壞耐壓 的漂移層變薄到1/10左右，因此能夠降低開關(guān)元件的導(dǎo)通損耗。并且, 與硅半導(dǎo)體相比，能夠?qū)柡碗娮悠扑俣燃涌?倍左右，因此能夠 實(shí)現(xiàn)10倍左右的高頻化。由此，能夠降低開關(guān)元件的導(dǎo)通/關(guān)斷損耗。 這樣如果主電路開關(guān)元件以及正常導(dǎo)通型開關(guān)元件應(yīng)用寬禁帶半導(dǎo) 體，則能夠降低開關(guān)元件的導(dǎo)通損耗和導(dǎo)通/關(guān)斷損耗，能夠提供更小 型且低損耗的電力變換裝置。
權(quán)利要求
1. 一種電力變換裝置，其特征在于，具有直流電源；為了將上述直流電源的直流變換為交流而橋式連接、并分別反并聯(lián)連接了回流二極管的多個(gè)主電路開關(guān)元件；以及反向電壓施加單元，當(dāng)切斷上述回流二極管的回流電流時(shí)，向上述回流二極管施加小于上述直流電源的電壓的反向電壓，上述反向電壓施加單元由電壓低于上述直流電源的低電壓直流電源、上述回流二極管的反向恢復(fù)時(shí)導(dǎo)通且耐壓低于上述主電路開關(guān)元件的反向電壓施加開關(guān)元件、以及反向恢復(fù)時(shí)間比上述回流二極管短的輔助二極管的串聯(lián)連接所構(gòu)成，上述反向電壓施加開關(guān)元件是多數(shù)載流子為空穴的元件。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電力變換裝置，其特征在于， 在上述低電壓直流電源上串聯(lián)連接了限流電阻， 在上述低電壓直流電源和上述限流電阻的串聯(lián)電路上并聯(lián)連接了高頻電容器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的電力變換裝置，其特征在于， 由上述低電壓直流電源的輸出來驅(qū)動(dòng)上述主電路開關(guān)元件。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的電力變換裝置，其特征在于， 設(shè)置了電壓變化率促進(jìn)單元以促進(jìn)上述主電路開關(guān)元件的輸出電壓 的時(shí)間變化，該電壓變化率促進(jìn)單元在上述主電路開關(guān)元件關(guān)斷時(shí)使 該主電路開關(guān)元件的柵極驅(qū)動(dòng)阻抗降低。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的電力變換裝置，其特征在于， 上述輔助二極管由寬禁帶半導(dǎo)體構(gòu)成。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的電力變換裝置，其特征在于，上述寬 禁帶半導(dǎo)體由Sic (碳化硅)、GaN (氮化鎵)或者金剛石構(gòu)成。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的電力變換裝置，其特征在于， 上述主電路開關(guān)元件由寬禁帶半導(dǎo)體構(gòu)成。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的電力變換裝置，其特征在于，上述寬 禁帶半導(dǎo)體由Sic (碳化硅)、GaN (氮化鎵)或者金剛石構(gòu)成。
9. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電力變換裝置，其特征在于， 在上述主電路開關(guān)元件上串聯(lián)設(shè)置了正常導(dǎo)通型開關(guān)元件， 使上述正常導(dǎo)通型開關(guān)元件與上述主電路開關(guān)元件的導(dǎo)通關(guān)斷同步地進(jìn)行導(dǎo)通關(guān)斷地、連接了上述正常導(dǎo)通型開關(guān)元件的柵極和上 述主電路開關(guān)元件的負(fù)極。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的電力變換裝置，其特征在于， 在上述低電壓直流電源上串聯(lián)連接了限流電阻， 在上述低電壓直流電源和上述限流電阻的串聯(lián)電路上并聯(lián)連接了高頻電容器。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9或者IO所述的電力變換裝置，其特征在于， 設(shè)置了電壓變化率促進(jìn)單元以促進(jìn)上述主電路開關(guān)元件的輸出電壓 的時(shí)間變化，該電壓變化率促進(jìn)單元在上述主電路開關(guān)元件關(guān)斷時(shí)使.該主電路開關(guān)元件的柵極驅(qū)動(dòng)阻抗降低。
12. 根據(jù)權(quán)利要求9或者IO所述的電力變換裝置，其特征在于， 通過上述低電壓直流電源的輸出來驅(qū)動(dòng)上述主電路開關(guān)元件。
13. 根據(jù)權(quán)利要求9或者IO所述的電力變換裝置，其特征在于， 上述輔助二極管的耐壓比上述正常導(dǎo)通型開關(guān)元件的耐壓低，上述反 向電壓施加單元并聯(lián)連接在上述主電路開關(guān)元件上。
14. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的電力變換裝置，其特征在于，上述 輔助二極管的耐壓比上述正常導(dǎo)通型開關(guān)元件的耐壓低，上述反向電壓施加單元并聯(lián)連接在上述主電路開關(guān)元件上。
15. 根據(jù)權(quán)利要求9或者IO所述的電力變換裝置，其特征在于， 上述輔助二極管由寬禁帶半導(dǎo)體構(gòu)成。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的電力變換裝置，其特征在于，上述 寬禁帶半導(dǎo)體由Sic (碳化硅)、GaN (氮化鎵)或者金剛石構(gòu)成。
17. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的電力變換裝置，其特征在于，上述 輔助二極管由寬禁帶半導(dǎo)體構(gòu)成。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的電力變換裝置，其特征在于，上述 寬禁帶半導(dǎo)體由Sic (碳化硅)、GaN (氮化鎵)或者金剛石構(gòu)成。
19. 根據(jù)權(quán)利要求9或者IO所述的電力變換裝置，其特征在于， 上述主電路開關(guān)元件由寬禁帶半導(dǎo)體構(gòu)成。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的電力變換裝置，其特征在于，上述 寬禁帶半導(dǎo)體由Sic (碳化硅)、GaN (氮化鎵)或者金剛石構(gòu)成。
21. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的電力變換裝置，其特征在于，上述 主電路開關(guān)元件由寬禁帶半導(dǎo)體構(gòu)成。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的電力變換裝置，其特征在于，上述 寬禁帶半導(dǎo)體由Sic (碳化硅)、GaN (氮化鎵)或者金剛石構(gòu)成。
23. 根據(jù)權(quán)利要求9或者IO所述的電力變換裝置，其特征在于， 上述正常導(dǎo)通型開關(guān)元件由寬禁帶半導(dǎo)體構(gòu)成。
24. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的電力變換裝置，其特征在于，上述 寬禁帶半導(dǎo)體由Sic (碳化硅)、GaN (氮化鎵)或者金剛石構(gòu)成。
25. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的電力變換裝置，其特征在于，上述 正常導(dǎo)通型開關(guān)元件由寬禁帶半導(dǎo)體構(gòu)成。
26. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的電力變換裝置，其特征在于，上述 寬禁帶半導(dǎo)體由Sic (碳化硅)、GaN (氮化鎵)或者金剛石構(gòu)成。
27. —種電力變換裝置，其特征在于，具有 直流電源；為了將上述直流電源的直流變換為交流而橋式連接、并分別反并 聯(lián)連接了回流二極管的多個(gè)主電路開關(guān)元件；正常導(dǎo)通型開關(guān)元件，其分別串聯(lián)連接在上述主電路開關(guān)元件中 的負(fù)側(cè)臂的主電路開關(guān)元件上，并將其柵極和上述主電路開關(guān)元件的 負(fù)極分別連接成與上迷負(fù)側(cè)臂的主電路開關(guān)元件的導(dǎo)通關(guān)斷同步地 進(jìn)行導(dǎo)通關(guān)斷；以及反向電壓施加單元，當(dāng)切斷上述回流二極管中的負(fù)側(cè)臂的回流二 極管的回流電流時(shí)，向上述負(fù)側(cè)臂的回流二極管施加小于上述直流電 源的電壓的反向電壓，上述反向電壓施加單元由電壓低于上述直流電源的低電壓直流 電源、當(dāng)上述回流二極管的反向恢復(fù)時(shí)導(dǎo)通且耐壓低于上述主電路開 關(guān)元件的反向電壓施加開關(guān)元件、以及反向恢復(fù)時(shí)間比上述回流二極 管短的輔助二極管的串聯(lián)連接所構(gòu)成，上述反向電壓施加開關(guān)元件是多數(shù)載流子為空穴的元件。
28. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的電力變換裝置，其特征在于， 在上述低電壓直流電源上串聯(lián)連接了限流電阻， 在上述低電壓直流電源和上迷限流電阻的串聯(lián)電路上并聯(lián)連接了高頻電容器。
29. 根據(jù)權(quán)利要求27或者28所述的電力變換裝置，其特征在于， 利用上述低電壓直流電源的輸出來驅(qū)動(dòng)上述主電路開關(guān)元件。
30. 根據(jù)權(quán)利要求27或者28所述的電力變換裝置，其特征在于， 設(shè)置了電壓變化率促進(jìn)單元以促進(jìn)上述主電路開關(guān)元件的輸出電壓 的時(shí)間變化，該電壓變化率促進(jìn)單元在上述主電路開關(guān)元件關(guān)斷時(shí)使 該主電路開關(guān)元件的柵極驅(qū)動(dòng)阻抗降低。
31. 根據(jù)權(quán)利要求27或者28所述的電力變換裝置，其特征在于， 上述輔助二極管的耐壓比上述正常導(dǎo)通型開關(guān)元件的耐壓低，上述反向電壓施加單元并聯(lián)連接在上述主電路開關(guān)元件上。
32. 根據(jù)權(quán)利要求30所述的電力變換裝置，其特征在于，上述 輔助二極管的耐壓比上述正常導(dǎo)通型開關(guān)元件的耐壓低，上述反向電 壓施加單元并聯(lián)連接在上述主電路開關(guān)元件上。
33. 根據(jù)權(quán)利要求27或者28所述的電力變換裝置，其特征在于， 上述輔助二極管由寬禁帶半導(dǎo)體構(gòu)成。
34. 根據(jù)權(quán)利要求33所述的電力變換裝置，其特征在于，上述 寬禁帶半導(dǎo)體由sic (碳化硅)、GaN (氮化鎵)或者金剛石構(gòu)成。
35. 根據(jù)權(quán)利要求29所述的電力變換裝置，其特征在于，上述 輔助二極管由寬禁帶半導(dǎo)體構(gòu)成。
36. 根據(jù)權(quán)利要求35所述的電力變換裝置，其特征在于，上述 寬禁帶半導(dǎo)體由sic (碳化硅)、GaN (氮化鎵)或者金剛石構(gòu)成。
37. 根據(jù)權(quán)利要求27或者28所述的電力變換裝置，其特征在于， 上述主電路開關(guān)元件由寬禁帶半導(dǎo)體構(gòu)成。
38. 根據(jù)權(quán)利要求37所述的電力變換裝置，其特征在于，上述 寬禁帶半導(dǎo)體由Sic (碳化硅)、GaN (氮化鎵)或者金剛石構(gòu)成。
39. 根據(jù)權(quán)利要求29所述的電力變換裝置，其特征在于，上述 主電路開關(guān)元件由寬禁帶半導(dǎo)體構(gòu)成。
40. 根據(jù)權(quán)利要求39所述的電力變換裝置，其特征在于，上述 寬禁帶半導(dǎo)體由sic (碳化硅)、GaN (氮化鎵)或者金剛石構(gòu)成。
41，根據(jù)權(quán)利要求27或者28所述的電力變換裝置，其特征在于， 上述正常導(dǎo)通型開關(guān)元件由寬禁帶半導(dǎo)體構(gòu)成。
42. 根據(jù)權(quán)利要求41所述的電力變換裝置，其特征在于，上述 寬禁帶半導(dǎo)體由sic (碳化硅)、GaN (氮化鎵)或者金剛石構(gòu)成。
43. 根據(jù)權(quán)利要求29所述的電力變換裝置，其特征在于，上述 正常導(dǎo)通型開關(guān)元件由寬禁帶半導(dǎo)體構(gòu)成。
44. 根據(jù)權(quán)利要求43所述的電力變換裝置，其特征在于，上述 寬禁帶半導(dǎo)體由sic (碳化硅)、GaN (氮化鎵)或者金剛石構(gòu)成。
全文摘要
一種電力變換裝置，其特征在于具備直流電源(1)；為了將直流電源的直流變換為交流而橋式連接、并分別反并聯(lián)連接了回流二極管(5u，5v，…)的多個(gè)主電路開關(guān)元件(4u，4v，…)；以及反向電壓施加電路(7)，當(dāng)切斷回流二極管的回流電流時(shí)，向回流二極管施加小于直流電源的反向電壓，反向電壓施加電路由電壓低于直流電源電壓的低電壓直流電源(8)、在回流二極管反向恢復(fù)時(shí)導(dǎo)通且耐壓低于主電路開關(guān)元件的反向電壓施加開關(guān)元件(11)、以及反向恢復(fù)時(shí)間比回流二極管短的輔助二極管(12)的串聯(lián)連接所構(gòu)成，反向電壓施加開關(guān)元件是多數(shù)載流子為空穴的元件。
文檔編號(hào)H02M7/5387GK101401289SQ20078000903
公開日2009年4月1日 申請(qǐng)日期2007年2月16日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月15日
發(fā)明者小山建夫, 葛卷淳彥, 餅川宏 申請(qǐng)人:株式會(huì)社東芝