半導體開關和配備半導體開關的功率轉換系統的制作方法

專利名稱：半導體開關和配備半導體開關的功率轉換系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及半導體開關和功率轉換系統，并具體涉及用于抑制功 率轉換電路中續流二極管的反向恢復電流的半導體開關，所述功率轉
換電路具有其中續流二極管和主電路開關元件反向并聯的結構；并且 本發明還涉及應用所述半導體開關的功率轉換系統。
背景技術：
在常規上，作為具有其中續流二極管和主電路中的開關元件反向 并聯的結構的功率轉換電路，已經提出了降低由于被導通的續流二極 管的反向恢復電流所導致的損耗的功率轉換電路。例如，在日本專利 公開No. 2006-141167 (專利文獻1)和日本專利公開No. 2006-141168 (專利文獻2)中公開了這種具有功率轉換電路的功率轉換系統。
但是，在如專利文獻1或專利文獻2中所公開的這種常規功率轉 換系統中，主電路的大電流在續流二極管反向恢復時暫時流入附加電 路中，從而導致附加電路規模增大。結果，常規功率轉換系統具有以 下問題要求具有相對較大容量的相對較大容量輔助電源。此外，出 現了對用于產生附加電路中使用的開關元件的柵極脈沖信號的邏輯 電路的需要。因此，常規功率轉換系統提出了其電路變得復雜的問題。 此外，在主電路的死區時間期間，需要使能附加電路中使用的開關元 件。這導致定時約束緊張，因此使得所述功率轉換系統不適于高速開 關。

發明內容
為了解決上述問題完成了本發明。因此，本發明的目的是提供一 種半導體開關，通過有效地抑制續流二極管的反向恢復電流進一步降低損耗并且增加開關速度，同時筒化電路結構，以及提供一種應用所 述半導體開關的功率轉換系統。
為了解決上述問題，根據本發明的半導體開關的特征在于包含 主元件，具有反向導通性，并用作具有高耐受電壓的電壓驅動開關元 件；輔助元件，用作具有低于所述主元件的耐受電壓的電壓驅動開關 元件；以及高速續流二極管，具有等于主元件的耐受電壓的耐受電壓， 其中，主元件的負極連接到輔助元件的負極以便把主元件的正極定義 為正極端子，并把輔助元件的正極定義為負極端子，并且，高速續流 二極管并聯在正極端子和負極端子之間，以使從負極端子向正極端子 的方向為正向。
主元件可以由MOSFET構成。
此外，輔助元件可以由FET構成。
通過把多個高速續流二極管串聯可以構成高速續流二極管，以便 實現和主元件的相同的耐受電壓。
高速續流二極管可以是使用具有比硅的禁帶更寬的禁帶的半導 體材料制造的二極管。
可以跨輔助元件的正極和負極并聯電容器。
同樣地，可以跨輔助元件的正極和負極并聯其正向是從輔助元件 的負極向正極的二極管。
柵極驅動器的輸出側可以被連接到主元件和輔助元件的柵極端 子，公共柵極信號被輸入到所述柵極驅動器。
電壓箝位電路可以被沿著從負極端子到柵極驅動器的電源的正 極側的方向連接。
此外，主元件、輔助元件和高速續流二極管的半導體芯片可以被 整體形成在單個襯底上。
此外，為了解決上述問題，根據本發明的功率轉換系統的特征在 于在通過把兩個開關元件串聯到DC主電源而構建的橋接電路中， 通過應用上述半導體開關中的任何一個來構建所述兩個開關元件中 至少正極側上的開關元件。更進一步，為了解決上述問題， 一種根據本發明的功率轉換系統
的特征在于在具有多個分別通過把兩個開關元件串聯到DC主電源 構建的橋接電路的多相橋接電路中，通過應用上述半導體開關中的任 何一個來構建所述兩個開關元件中至少負極側上的開關元件，并且負 極側上的開關元件的柵極驅動電源被公用，以便從單個電源通過電阻 器給每一相提供功率，或者從單個電源通過開關給每一相提供功率。
更進一步，為了解決上述問題， 一種根據本發明的功率轉換系統 的特征在于在具有至少兩個分別通過把兩個開關元件串聯到DC主 電源構建的橋接電路的橋接電路中，通過把上述半導體開關中的任何 一個應用于所述兩個開關元件來構建所述橋接電路中的至少一個，以 使所述橋接電路的開關頻率高于其他橋接電路的開關頻率。
根據本發明，可以更有效地抑制續流二極管的反向恢復電流，同 時使得電路結構與常規技術相比更為簡單。因此，可以提供一種損耗 被進一步降低的半導體開關，以及應用所述半導體開關的功率轉換系 統。此外，由于本發明不受對開關定時的常規約束的限制，因此可以 提供一種具有比常規技術更高的開關速度的半導體開關，并且也提供 一種應用所述半導體開關的功率轉換系統。


圖1是示出根據本發明的第一實施例的半導體開關的電路結構 的電路圖。
圖2是示出根據本發明的第二實施例的半導體開關的電路結構 的電路圖。
圖3是示出根據本發明的第三實施例的半導體開關的電路結構 的電路圖。
圖4是示出根據本發明的第四實施例的半導體開關的電路結構 的電路圖。
圖5是示出根據本發明的第五實施例的半導體開關的電路結構 的電路圖。圖6是示出根據本發明的第六實施例的半導體開關的電路結構 的電路圖。
圖7是示出根據本發明的第七實施例的半導體開關的電路結構 的電路圖。
圖8是示出根據本發明的第八實施例的半導體開關的電路結構 的電路圖。
圖9是示出根據本發明的第九實施例的半導體開關的電路結構 的電路圖。
圖IO是示出根據本發明的第一功率轉換系統(通過應用根據本 發明的半導體開關構建的功率轉換系統)的電路結構的電路圖。
圖11是示出根據本發明的第二功率轉換系統(通過應用根據本 發明的半導體開關構建的功率轉換系統)的電路結構的電路圖。
圖12是示出根據本發明的第三功率轉換系統(通過應用根據本 發明的半導體開關構建的功率轉換系統)的電路結構的電路圖。
圖13是示出根據本發明的第四功率轉換系統(通過應用根據本 發明的半導體開關構建的功率轉換系統)的電路結構的電路圖。
具體實施例方式
下文將參考附圖描述根據本發明的半導體開關和應用所述半導 體開關的功率轉換系統的實施例。 [第一實施例l
圖1是示出根據本發明的第 一 實施例的半導體開關1A的電路結 構的電路圖。
半導體開關1A被如下構建將輔助元件3和用作公用功率轉換 電路的開關元件的主元件2串聯，并把具有和主元件2相同的耐壓性 (耐受電壓)的高速續流二極管4與主元件2和輔助元件3的串聯連 接反向并聯。即，通過把包含輔助元件3和高速續流二極管4的附加 電路添加到主元件2來構建半導體開關1A。
半導體開關1A的主元件2是耐壓性(耐受電壓)高的高耐壓、電壓驅動元件，并且包含例如反向導通二極管5的IGBT 2A被應用 于主元件2。主元件2的耐受電壓是可實現的電壓，優選是100V或 者更高，更優選是200V或更高，并且250 V或更高則更為優選。在 正常情況下，使用具有250 V或更高的耐受電壓的元件。
輔助元件3是電壓驅動元件，和主元件2的耐受電壓相比，具有 大約一半或更低的耐壓性(耐受電壓)。具有例如幾十伏的耐受電壓 的低壓MOSFET ,皮應用于輔助元件3。
這里，附圖標記6表示MOSFET 3的寄生二極管。反向導通二 極管5和寄生二極管6實現IGBT 2A (主元件2 )和低壓MOSFET (輔助元件)3的反向導通性。此外，高速續流二極管4指與內置于 主元件2中的反向導通二極管5相比，芯片面積較小、正向電壓降較 大、并且反向恢復特性更佳的二極管。
通過把IGBT 2A (主元件2 )的對應于其負極的發射極連接到低 壓MOSFET (輔助元件)3的對應于其負極的源極端子，在主元件2 和輔助元件3之間進行連接。即，對應于主元件2的正極的IGBT2A 的集電極被定義為正極端子7，并且對應于輔助元件3的正極的低壓 MOSFET 3的漏極端子被定義為負極端子8。連接高速續流二極管4， 使從負極端子8向正極端子7的方向為正向("p"極一^n"極)。
接著，將對半導體開關1A的主元件2和輔助元件3的柵極定時 做出說明。
半導體開關1A在從圖1中未示出的柵極驅動器接收到柵極信號 時工作。與主元件2的通/斷定時同步地提供柵極信號，并且這種定時 也用于開啟/關斷輔助元件3。即，當把ON信號施加到主元件2的柵 極時，ON信號也被施加到輔助元件3的柵極。相反，當OFF信號被 施加到主元件2的柵極時，OFF信號也纟皮施加到輔助元件3的柵極。 盡管在實踐中伴隨著某些定時誤差，但是主元件2和輔助元件3彼此 同步地執行開關操作。
半導體開關1A將實現下列功能和效果。
在如圖1中所示構建并且其柵極定時受到控制的半導體開關1A中，通過將具有足夠低的耐受電壓(例如幾十伏)的MOSFET用于 輔助元件3，可以把導通電阻的增大抑制到極小的量。此外，通過將 具有足夠低的耐受電壓的MOSFET用于輔助元件3，可以使輔助元 件3的半導體芯片更小，同時降低其導通電阻。這歸功于MOSFET 的導通電阻特性(后面描述為表達式l)。
一般可知，如下面給出的表達式(l)中所示，MOSFET的導通電 阻Ron與元件耐受電壓V的2.5次冪約成正比，并且反比于芯片面積 S。這里，表達式(l)的右方項中的"k"表示比例常數。
表達式(1)<formula>formula see original document page 9</formula>
即，基于上面給出的表達式(l)來考慮，元件耐受電壓V的2.5 次冪大體上和導通電阻Ron與芯片面積S的乘積成正比。例如，如果 元件耐受電壓V減小到其值的1/5倍，則導通電阻Ron與芯片面積S 的乘積可以減小到1/5的2.5次冪(大約1/56)。如果導通電阻減小 到其值的1/7,則芯片面積也可以同時減小到其值的1/8倍，從而使半 導體芯片更小。
當主電流沿正向流動時，即從正極端子7向負極端子8流動時， 半導體開關1A處于極低電阻狀態，因為ON信號也被施加到輔助元 件3的柵極。當主電流沿反方向流動時，即從負極端子8向正極端子 7流動時，半導體開關1A也處于極低電阻狀態，因為ON信號也被 施加到輔助元件3的柵極。因此，從負極端子8流入的主電流通過輔 助元件3到達內置于主元件2中的反向導通二極管5，并流入正極端 子7。
如果主元件2此時被斷開，則輔助元件3也被同步地斷開。因此， 主電流不再能夠通過輔助元件3。結果，主電流被迫換向到具有較大 正向電壓降的高速續流二極管4。在完成此換向前的瞬間，沖擊電壓 被暫時施加在用作輔助元件3的低壓MOSFET3的漏極和源極端子之 間。 一般來說，幾十伏的耐受電壓就足以承受這個沖擊電壓。即使要 在極短的時間期間施加超過所述耐受電壓的沖擊電壓，即，即使在完成換向前的瞬間施加超過所述耐受電壓的沖擊電壓，mosfet 3也能 夠承受所述沖擊電壓，因為mosfet 3或多或少具有雪崩電阻。
因此，在其中兩個互補工作的半導體開關1a串聯到dc主電路 的橋接電路中，即使一個半導體開關1a導通， 一旦在另一個(關斷 的)半導體開關ia中主電流被換向到高速續流二極管4，反向恢復 電流也不流過反向導通二極管5。因此，反向恢復現象被有效地抑制 了。
根據半導體開關1a，可以減小由于流過和主元件2反向并聯的 反向導通二極管5的反向恢復電流導致的損耗。此外，由于這導致了 開關損耗的減小，所以高速開關將變得可能。更進一步地，可以最小 化添加到公用半導體開關(對應于主元件2)的高速續流二極管4和 輔助元件3的芯片面積。此外，這些部件不要求任何額外的電源，因 此，可以構建尺寸小并且成本低的附加電路(輔助元件3和高速續流 二極管4 )。
圖11是示出第二功率轉換系統30B (通過應用根據本發明的半 導體開關構建的功率轉換系統)的電路結構的電路圖，第二功率轉換 系統3 0 B是根據本發明的實施例的功率轉換系統的 一 個例子。
和圖10的情況一樣，圖11中所示的第二功率轉換系統30B也 是三相橋接電路，其中設置了三個電橋，分別通過在從DC主電源31 延伸的正側DC總線32和負側DC總線33之間串聯兩個主電路開關 元件構建。在每一個正側開關元件和每一個負側開關元件之間的連接 點是輸出端子35，并且三相分別對應于輸出端子35a、 35b和35c。
更具體地，在第二功率轉換系統30B中，半導體開關1G(圖7 中所示)被應用于正側(在正側DC總線32那側)上的三個開關元 件，并且半導體開關1H (圖8中所示)被應用于負側(在負側DC 總線33那側)上的三個開關元件。功率從各負側開關元件(半導體 開關1H)的公共柵極驅動電源37通過每一個電流控制電阻器38被 供應到每一個相。由于使柵極驅動電源16公用，所以圖ll中所示的 每一個半導體開關1H的柵極驅動電源16被改變為電容器39。
在以這種方式構建的第二功率轉換系統30B中，根據本發明的 能夠比常規技術更高速開關的半導體開關(圖11中所示的例子中的 半導體開關1G和半導體開關1H)既被設置在正側上，也^皮設置在負側上。因此，除了第一功率轉換系統30A的優點以外，和第一功率轉 換系統30A相比，可以使開關速度更高。此外，由于可以利用沖擊電 壓的能量作為柵極驅動電源，所以柵極驅動電源的功耗可以被減小。
此外，在圖11中所示的第二功率轉換系統30B中，半導體開關 1G (圖7中所示)被應用于正側(在正側DC總線32那側)上的三 個開關元件，并且半導體開關1H (圖8中所示)被應用于負側(在 負側DC總線33那側)上的三個開關元件。但是，要應用的本發明 的半導體開關不局限于這些半導體開關。例如，半導體開關1H(圖8
中所示)可以被應用于正側(在正側DC總線32那側)上和負側(在 負側DC總線33那側)上的六個開關元件。 [第十二實施例
圖12是示出第三功率轉換系統30C (通過應用根據本發明的半 導體開關構建的功率轉換系統)的電路結構的電路圖，第三功率轉換 系統30C是根據本發明的實施例的功率轉換系統的 一 個例子。
第三功率轉換系統30C與第二功率轉換系統30B(圖11中所示) 的不同之處在于第三功率轉換系統30C包括代替電阻器38的充電開 關40。但是，這些功率轉換系統在結構的剩余部分并無顯著的不同。 因此，和功率轉換系統30B的部件并無顯著不同的部件被用同樣的附 圖標記表示，并且將不再次說明。
和圖11的情況一樣，圖12中所示的第三功率轉換系統30C也 是三相橋接電路，其中設置了三個電橋，分別通過在從DC主電源31 延伸的正側DC總線32和負側DC總線33之間串聯兩個主電路開關 元件構建。在每一個正側開關元件和每一個負側開關元件之間的連接 點是輸出端子35,并且三相分別對應于輸出端子35a、 35b和35c。
更具體地，半導體開關1G (圖7中所示)被應用于正側(在正 側DC總線32那側)上的三個開關元件，并且半導體開關1H (圖8 中所示)被應用于負側(在負側DC總線33那側)上的三個開關元 件。此外，功率從各負側(在負側DC總線33那側)半導體開關1H 的公共柵極驅動電源37通過每一個充電開關40供應到每一個相。在以這種方式構建的第三功率轉換系統30C中，每一個充電開 關40與同相的主元件2和輔助元件3的通/斷定時同步。更具體地， 只有在同相的主元件2和輔助元件3被開啟時充電開關40才被開啟。
根據第三功率轉換系統30C，除了第二功率轉換系統30B的優 點以外，提供了進一步的優點。即，通過控制充電開關40的通/斷定 時，可以比在第二功率轉換系統30B中使用電阻器38的情況中更多 地減小損耗。因此，可以把第三功率轉換系統30C的電路構建得在尺 寸上比第二功率轉換系統30B的電路更小。同樣地，和第二功率轉換 系統30B—樣，在圖12中所示的第三功率轉換系統30C中應用的本
發明的半導體開關不局限于圖中所示的那些。 [第十三實施例]
圖13是示出第四功率轉換系統30D (通過應用根據本發明的半 導體開關構建的功率轉換系統)的電路結構的電路圖，第四功率轉換 系統3 OD是根據本發明的實施例的功率轉換系統的 一 個例子。
如圖13中所示，第四功率轉換系統30D是單相全橋電路，其中 設置了兩個電橋，分別通過在從DC主電源31延伸的正側DC總線 32和負側DC總線33之間串聯兩個主電路開關元件構建。
對于兩個電橋其中之一，構建高速開關橋接電路41，其中，應 用半導體開關1G作為正側(在正側DC總線32那側)上和負側(在 負側DC總線33那側)上的開關元件，半導體開關1G是根據本發明 的半導體開關的一個例子。對于另一電橋，構建低速開關橋接電路43， 其中，應用IGBT 42作為正側(在正側DC總線32那側)上和負側 (在負側DC總線33那側)上的開關元件，IGBT 42是常規的開關 元件。
以這種方式構建的第四功率轉換系統30D工作，以^使高速開關 橋接電路41的開關頻率高于低速開關橋接電路43的開關頻率。通過 以這種方式執行工作控制，可以實現能夠高速開關的具有與常規技術 相比更高的效率、更低的成本和更簡單的電路結構的功率轉換系統。
此外，盡管已經對其中圖13中所示的第四功率轉換系統30D是
22單相全橋電路的例子進行了說明，但是第四功率轉換系統30D不局限 于單相全橋電路。另選地，第四功率轉換系統30D可以是包括多個通 過串聯兩個主電路開關元件構建的電橋，并具有至少一個高速開關橋 接電路41的橋接電路。例如，第四電源轉換系統30D可以是圖10到 圖12中所示的三相橋接電路中的任何一個。
如上所述，根據本發明，可以更有效地抑制續流二極管的反向恢 復電流，同時使電路結構比常規技術筒單。因此，可以提供進一步減 小損耗的半導體開關和應用所述半導體開關的功率轉換系統。此外， 由于本發明不受對開關定時的常規約束的限制，因此可以提供一種與 常規技術相比開關速度更高的半導體開關，和應用所述半導體開關的 功率轉換系統。應該注意，本發明不局限于上述各個實施例，在實際 使用時，組成元件可以在不偏離本發明的主題的情況下被修改和具體 實施。
權利要求
1.一種半導體開關，包含主元件，具有反向導通性，并用作具有高耐受電壓的電壓驅動開關元件；輔助元件，用作具有低于主元件的耐受電壓的電壓驅動開關元件；以及高速續流二極管，具有等于主元件的耐受電壓；其中，主元件的負極連接到輔助元件的負極，以便把主元件的正極定義為正極端子并把輔助元件的正極定義為負極端子，并且，高速續流二極管并聯在正極端子和負極端子之間，以使從負極端子向正極端子的方向構成為正向。
2. 如權利要求1所述的半導體開關，其中，主元件是MOSFET。
3. 如權利要求1所述的半導體開關，其中，輔助元件由FET構成。
4. 如權利要求1所述的半導體開關，其中，通過把多個高速續 流二極管串聯來構建高速續流二極管以便實現與主元件相同的耐受 電壓。
5. 如權利要求1所述的半導體開關，其中，高速續流二極管是 使用具有比硅的禁帶更寬的禁帶的半導體材料制造的二極管。
6. 如權利要求1所述的半導體開關，其中，跨輔助元件的正極 和負極兩端并聯電容器。
7. 如權利要求1所述的半導體開關，其中，跨輔助元件的正極 和負極并聯二極管，其中該二極管的正向是從輔助元件的負極向正極 的方向。
8. 如權利要求1所述的半導體開關，其中，柵極驅動器的輸出 側被連接到主元件和輔助元件的柵極端子，公共柵極信號被輸入到所 述柵極驅動器。
9. 如權利要求8所述的半導體開關，其中，電壓箝位電路被沿著從負極端子到柵極驅動器的電源的正極側的方向連接。
10. 如權利要求l所述的半導體開關，其中，主元件、輔助元件和高速續流二極管的半導體芯片被整體形成在單個襯底上。
11. 一種功率轉換系統，其中在通過把兩個開關元件串聯到DC 主電源而構建的橋接電路中，通過應用如權利要求1到10所述的半 導體開關中的任何一個來構建所述兩個開關元件中至少正極側上的 開關元件。
12. —種功率轉換系統，其中，在具有多個分別通過把兩個開關 元件串聯到DC主電源而構建的橋接電路的多相橋接電路中，通過應 用如權利要求1到10所述的半導體開關中的任何一個來構建所述兩 個開關元件中至少負極側上的開關元件，并且負極側上的開關元件的 柵極驅動電源被公用，以便從單個電源通過電阻器給每一相提供功率。
13. —種功率轉換系統，其中，在具有多個分別通過把兩個開關 元件串聯到DC主電源而構建的橋接電路的多相橋接電路中，通過應 用如權利要求1到10所述的半導體開關中的任何一個來構建所述兩 個開關元件中至少負極側上的開關元件，并且負極側上的開關元件的 柵極驅動電源被公用，以便從單個電源通過開關給每一相提供功率。
14. 一種功率轉換系統，其中，在具有至少兩個分別通過把兩個開關元件串聯到DC主電源而構建的橋接電路的橋接電路中，通過把如權利要求1到10所述的半導體開關中的任何一個應用于所述兩個開關元件來構建所述橋接電路中的至少一個，以使所述橋接電路的開 關頻率高于其他橋接電路的開關頻率。
全文摘要
一種半導體開關，配備有主元件，具有反向導通性，并用作具有高耐受電壓的電壓驅動開關元件；輔助元件，用作具有低于所述主元件的耐受電壓的電壓驅動開關元件；以及高速續流二極管，具有等于主元件的耐受電壓，其中，主元件的負極連接到輔助元件的負極以便把主元件的正極定義為正極端子，并把輔助元件的正極定義為負極端子，并且，高速續流二極管并聯在正極端子和負極端子之間，以使從負極端子向正極端子的方向構成為正向。
文檔編號H02M1/08GK101632214SQ20088000788
公開日2010年1月20日 申請日期2008年2月4日 優先權日2007年2月6日
發明者小山建夫, 津田純一, 葛卷淳彥, 餅川宏 申請人:株式會社東芝