專利名稱：功率變換裝置的制作方法
技術領域：
這里描述的實施例涉及功率變換裝置。
背景技術：
近年來，完成了對使用SiC的功率半導體元件的研究和開發。SiC在半導體特性上優于傳統的Si。具體而言，Sic有高的電介質擊穿強度，并且SiC的使用可以實現與Si相比更高耐電壓性的元件。雖然利用使用Si的SBD(肖特基二極管)或JBS (結勢壘受控肖特基)二極管可以實現數百伏的低耐電壓性，但是通過使用SiC可以實現1700伏或更高的高耐電壓性。在SBD或JBS 二極管用作功率變換電路的續流二極管的情況下，由于不同于傳統 PiN 二極管，SBD或JBS 二極管不是雙極器件，因此在關斷時間不會發生反向恢復并且二極管恢復損耗變得基本上可忽略。因此，損耗的減小對增強器件效率和減小器件尺寸有好處。如果在具有兩電平或三電平電路的功率變換裝置中由于元件故障或控制錯誤而在正極和負極之間發生短路，則正電極和負電極之間的電容器中的電荷突然地流過短路電路。在電容器已經放電之后，由于電容器的電容和主電路的電感之間的關系，電壓和電流變得振蕩，由此在一些情況下產生反向電流(電流從負電極流向正電極)。雖然元件不會在發生短路之后由電流立即破壞，但是仍然有可能發生元件損壞并且可能更糟，這是因為遠大于額定值的反向電流將分流到續流二極管。雖然SBD或JBS 二極管能夠有助于損耗減小，但是它們具有其浪涌阻抗小于PiN 二極管的浪涌阻抗的缺點。為此，認為SBD或JBS 二極管往往比PiN 二極管更易于被遠大于額定值的電流所破壞，例如，被在正電極和負電極之間發生短路之后流動的反向電流所破壞。因此，所關心的是這可能降低裝置可靠性。在地鐵中使用的功率變換裝置的情況下，供應諸如3300V、4500V或6500V之類的高電壓，并且可能出現更大的問題。
圖1是示出第一實施例的功率變換裝置的電路圖； 圖2是示出第二實施例的功率變換裝置的電路圖； 圖3是示出第三實施例的功率變換裝置的電路圖； 圖4是示出第四實施例的功率變換裝置的電路圖； 圖5是示出第五實施例的功率變換裝置的電路圖； 圖6是示出第六實施例的功率變換裝置的電路圖； 圖7是示出第七實施例的功率變換裝置的電路圖； 圖8是示出第八實施例的功率變換裝置的電路圖； 圖9是示出針對第八實施例的功率變換裝置的短路模擬的電路圖；以及圖10是由于短路模擬的電流電壓波形圖。
具體實施例方式根據一個實施例的功率變換裝置包括正電極；負電極；由SBD或JBS 二極管形成的續流二極管；以及與一對臂連接的PiN(P-本征-N) 二極管，所述PIN 二極管反并聯連接在所述功率變換裝置的DC側處的所述正電極和所述負電極之間；由此當在所述正電極和所述負電極之間發生短路時，抑制元件損壞。以下將參考附圖詳細描述某些實施例。第一實施例圖1示出了第一實施例的功率變換裝置。該實施例涉及由兩電平三相電路形成的功率變換裝置。用于功率變換電路的U、V和W各相的橋的上臂和下臂是包括如下部件的一對臂諸如IGBT (絕緣柵雙極晶體管)元件的半導體開關元件Qll到Q32 ；由SiC制成的 SBD或JBS續流二極管Dll到D32，所述續流二極管Dll到D32分別反并聯連接到各半導體開關元件Qll到Q32。電容器Cl連接在功率變換電路的DC側的正電極P和負電極N之間， 同時PiN 二極管Dl連接到在電容器Cl的AC側的正電極P和負電極N之間反并聯連接的一對臂。本實施例的功率變換裝置操作如下。一般地，在兩電平三相電路形成的功率變換裝置中，如果如圖9所示上半導體開關元件Qll和下半導體開關元件Q12同時處于導通狀態，并且因此，正電極P和負電極N之間發生短路，由于主電路電感Ll和L2以及電容器Cl， 因此電壓和電流變得振蕩，由此產生由虛線所示的從負電極N流向正電極P的反向電流。當反向電流分流到正常元件的續流二極管Dll和D12時，由于SBD和JBS具有低于PiN 二極管的浪涌阻抗，因此與使用PiN 二極管作為續流二極管Dll和D12的功率變換裝置相比，元件損壞的可能性變得更大。因此，在本實施例的功率變換裝置中，與一對臂連接的PiN 二極管Dl反并聯連接在電容器Cl的AC側的正電極P和負電極N。因此，如果在正電極P和負電極N之間發生短路并且因此反向電流流動，則反向電流分流到PiN 二極管Dl以及續流二極管Dll到D32。 在這種情況下，SiC制成的SBD 二極管的內阻高于PiN 二極管的內阻。例如，在圖10示出的圖中，因為SBD 二極管的阻抗變成浪涌電流IOOkA的額定電流的一百倍或更高，因此浪涌電流很難分流到SBD 二極管但是會分流到PiN 二極管。因此，根據本實施例，有可能向PiN 二極管分流大部分浪涌電流，最終減小了流過SBD和JBS 二極管續流二極管Dll到D32的電流。這使得可以抑制SBD或JBS續流二極管的損壞，并且抑制IGBT模塊的損壞的發生和擴大。第二實施例圖2示出了第二實施例的功率變換裝置。該實施例涉及由三電平三相電路形成的功率變換裝置。用于功率變換電路的U、v和W各相的橋的上臂和下臂是包括如下部件構成的一對臂諸如IGBT元件的半導體開關元件Qlll到Q322 ；由SiC制成的SBD或JBS續流二極管Dlll到D322，所述續流二極管Dlll到D322分別反并聯連接到各半導體開關元件 Qlll到Q322 ；由SiC制成的SBD或JBS續流二極管DlOl到D302，所述續流二極管DlOl到 D302分別連接到中點C和上臂的元件連接點之間以及中點C和下臂的元件連接點之間。電容器C2U和C2D分別連接到正電極P和中點C之間以及中點C和負電極N之間，同時，與一對臂連接的PiN 二極管D2反并聯連接到在電容器C2U和C2D的AC側的正電極P和負電極N之間。如果在由三電平三相電路形成的功率變換裝置中的正電極P和負電極N之間發生短路，則由于主電路電感以及電容器C2U和C2D，因此電壓和電流變得振蕩，由此產生從負電極N流向正電極P的反向電流。但是，在本實施例的功率變換裝置中，與一對臂連接的 PiN 二極管D2反并聯連接到在電容器C2U和C2D的AC側的正電極P和負電極N之間。因此，如果正電極P和負電極N之間發生短路并且因此反向電流流動，則可能反向電流分流到PiN 二極管D2以及續流二極管D111-D322以及D101-D302，最終減小了流過續流二極管 D111-D322和D101-D302的SBD和JBS 二極管的電流。這可以抑制SBD或JBS續流二極管的損壞并且抑制IGBT模塊的損壞的出現和擴大。第三實施例圖3示出第三實施例的功率變換裝置。該實施例涉及由三電平三相電路形成的功率變換裝置。用于功率變換電路的U、v和W各相的橋的上臂和下臂是包括如下部件構成的一對臂諸如IGBT元件的半導體開關元件Qlll到Q322 ；由SiC制成的SBD或JBS續流二極管Dlll到D322，所述續流二極管Dlll到D322分別反并聯連接到各半導體開關元件Qlll 到Q322 ；由SiC制成的SBD或JBS續流二極管DlOl到D302，所述續流二極管DlOl到D302 分別連接到中點C和上臂的元件連接點之間以及中點C和下臂的元件連接點之間。電容器 C2U和C2D分別連接到正電極P和中點C之間以及中點C和負電極N之間，同時，與一對臂連接的PiN 二極管D2U和D2D反并聯連接到在電容器C2U和C2D的AC側的正電極P和中點C之間以及中點C和負電極N之間。如果由三電平三相電路形成的功率變換裝置中的正電極P和負電極N之間發生短路，則由于主電路電感以及電容器C2U和C2D，因此電壓和電流變得振蕩，由此產生從負電極N流向正電極P的反向電流。但是，在本實施例的功率變換裝置中，與一對臂連接的 PiN 二極管D2U和D2D反并聯連接到在電容器C2U和C2D的AC側的正電極P和中點C之間以及中點C和負電極N之間。因此，如果正電極P和負電極N之間發生短路并且因此反向電流流動，則可能反向電流分流到PiN 二極管D2U和D2D以及續流二極管D111-D322以及 D101-D302，最終減小了流過續流二極管D111-D322和D101-D302的SBD和JBS 二極管的電流。這可以抑制SBD或JBS續流二極管的損壞并且抑制IGBT模塊的損壞的出現和擴大。此外，在由三電平三相電路形成的功率變換裝置中，像在正電極P和負電極N之間發生短路一樣，還會在正電極P和中點C之間發生短路或在中點C和負電極N之間發生短路。這這種情況下，由于主電路電感以及電容器C2U和C2D，因此電壓和電流變得振蕩，由此產生從中點C流向正電極P的反向電流或從負電極N流向中點C的反向電流。但是，在本實施例中，與一對臂連接的PiN 二極管D2U和D2D反并聯連接到在電容器C2U和C2D的AC 側的正電極P和中點C之間以及中點C和負電極N之間。因此，這可以減小用作續流二極管的SBD和JBS 二極管的分流比，并且抑制甚至分流到PiN 二極管D2U和D2D的反向電流而造成的元件損壞。第四實施例圖4示出了第四實施例的功率變換裝置。該實施例涉及由兩電平單相電路形成的功率變換裝置。用于功率變換電路的U和V各相的橋的上臂和下臂是包括如下部件的一對臂諸如IGBT元件的半導體開關元件Qll到Q22 ；由SiC制成的SBD或JBS續流二極管Dll到D22，所述續流二極管Dll到D22分別反并聯連接到各半導體開關元件Qll到Q22。電容器Cl連接到功率變換電路的DC側的正電極P和負電極N之間，同時，與一對臂連接的PiN 二極管Dl反并聯連接到在電容器Cl的AC側的正電極P和負電極N之間。在本實施例的功率變換裝置中，與一對臂連接的PiN 二極管Dl反并聯連接到在電容器Cl的AC側的正電極P和負電極N之間。因此，如果在正電極P和負電極N之間發生短路并且因此反向電流流動，則反向電流分流到PiN 二極管Dl以及續流二極管Dll到D22， 最終減小了流過SBD和JBS 二極管續流二極管Dll到D22的電流。這使得可以抑制SBD或 JBS續流二極管的損壞，并且抑制IGBT模塊的損壞的發生和擴大。第五實施例圖5示出了第五實施例的功率變換裝置。該實施例涉及由三電平單相電路形成的功率變換裝置。用于功率變換電路的U和V各相的橋的上臂和下臂是包括如下部件的一對臂諸如IGBT元件的半導體開關元件Qlll到Q222 ；由SiC制成的SBD或JBS續流二極管Dlll到D222，所述續流二極管Dlll到D222分別反并聯連接到各半導體開關元件Qlll 到Q222 ；由SiC制成的SBD或JBS續流二極管DlOl到D202，所述續流二極管DlOl到D202 分別連接到中點C和上臂的元件連接點之間以及中點C和下臂的元件連接點之間。電容器 C2U和C2D分別連接到正電極P和中點C之間以及中點C和負電極N之間，同時，與一對臂連接的PiN 二極管D2反并聯連接到在電容器C2U和C2D的AC側的正電極P和負電極N之間。如果在由三電平單相電路形成的功率變換裝置中的正電極P和負電極N之間發生短路，則由于主電路電感以及電容器C2U和C2D，因此電壓和電流變得振蕩，由此產生從負電極N流向正電極P的反向電流。但是，在本實施例的功率變換裝置中，與一對臂連接的 PiN 二極管D2反并聯連接到在電容器C2U和C2D的AC側的正電極P和負電極N之間。因此，如果正電極P和負電極N之間發生短路并且因此反向電流流動，則可能反向電流分流到 PiN 二極管D2以及續流二極管D111-D222以及D101-D202，最終減小了流過用作續流二極管D111-D222和D101-D202的SBD和JBS 二極管的電流。這可以抑制SBD或JBS續流二極管的損壞并且抑制IGBT模塊的損壞的出現和擴大。第六實施例圖6示出了第六實施例的功率變換裝置。該實施例涉及由三電平單相電路形成的功率變換裝置。用于功率變換電路的U和V各相的橋的上臂和下臂是包括如下部件的一對臂例如由IGBT元件等形成的半導體開關元件Qlll到Q222 ；由SiC制成的SBD或JBS續流二極管Dlll到D222，所述續流二極管Dlll到D222分別反并聯連接到各半導體開關元件 Qlll到Q222 ；由SiC制成的SBD或JBS續流二極管DlOl到D202，所述續流二極管DlOl到 D202分別連接到中點C和上臂的元件連接點之間以及中點C和下臂的元件連接點之間。電容器C2U和C2D分別連接到正電極P和中點C之間以及中點C和負電極N之間，同時，與一對臂連接的PiN 二極管D2U和D2D分別連接到在電容器C2U和C2D的AC側的正電極P和中點C之間以及中點C和負電極N之間。如果在由三電平單相電路形成的功率變換裝置中的正電極P和負電極N之間發生短路，則由于主電路電感以及電容器C2U和C2D，因此電壓和電流變得振蕩，由此產生從負電極N流向正電極P的反向電流。但是，在本實施例的功率變換裝置中，與一對臂連接的PiN 二極管D2U和D2D反并聯連接到在電容器C2U和C2D的AC側的正電極P和中點C之間和中點C和負電極N之間。因此，如果正電極P和負電極N之間發生短路并且因此反向電流流動，則可能反向電流分流到PiN 二極管D2U和D2D以及續流二極管D111-D222以及 D101-D202，最終減小了流過用作續流二極管D111-D222和D101-D202的SBD和JBS 二極管的電流。這可以抑制SBD或JBS續流二極管的損壞并且抑制IGBT模塊的損壞的出現和擴大。在三電平單相電路形成的功率變換裝置中，像在正電極P和負電極N之間發生短路一樣，還會在正電極P和中點C之間發生短路或在中點C和負電極N之間發生短路。在這種情況下，由于主電路電感以及電容器C2U和C2D，因此電壓和電流變得振蕩，由此產生從中點C流向正電極P的反向電流或從負電極N流向中點C的反向電流。但是，在本實施例中，PiN 二極管D2U和D2D連接到在電容器C2U和C2D的AC側的正電極P和中點C之間以及中點C和負電極N之間。因此，這可以減小用作續流二極管的SBD和JBS 二極管的分流比，并且抑制甚至分流到PiN 二極管D2U和D2D的反向電流而造成的元件損壞。第七實施例在第一和第四實施例中，電容器Cl和PiN 二極管Dl并聯連接在正電極P和負電極N之間。在第三和第六實施例中，電容器C2U和PiN 二極管D2U并聯連接在正電極P和中點C之間，并且電容器C2D和PiN 二極管D2D并聯連接在中點C和負電極N之間。如圖7所示，第七實施例的特征在于，PiN 二極管Dl直接連接到由兩電平單相電路形成的功率變換裝置的電容器Cl的兩端。其它電路部件保持與圖4所示的第四實施例的電路部件相同。與第四實施例相同，在本實施例的功率變換裝置中，如果在正電極P和負電極N之間發生短路并且因此反向電流流動，則反向電流分流到PiN 二極管Dl以及續流二極管Dll 到D22，最終減小了流過SBD和JBS 二極管續流二極管Dll到D22的電流。這使得可以抑制 SBD或JBS續流二極管的損壞，并且抑制IGBT模塊的損壞的發生和擴大。就像本實施例一樣，圖1示出的第一實施例的兩電平三相功率變換裝置可以采用 PiN 二極管Dl直接連接到電容器Cl的兩個端子的配置。此外，第三實施例和第六實施例中的每一個也可以采用PiN 二極管D2U直接連接到電容器C2U的兩個端子并且PiN 二極管D2D直接連接到電容器C2D的兩個端子的配置。第八實施例圖8示出了第八實施例的功率變換裝置的電路。本實施例的功率變換裝置采用如下配置用于將單相交流電變換為直流電的變換器電路和用于將直流電變換為三相交流電的逆變器電路使用布置在其間的電容器C4和Cl彼此連接。在變換器電路中，上臂和下臂是包括如下部件的一對臂諸如IGBT元件之類的半導體開關元件Q61到Q72 ；由SiC制成的SBD或JBS續流二極管D61到D72，所述續流二極管D61到D72反并聯連接到各半導體開關元件Q61到Q72。電容器C4連接到DC側處的正電極P和負電極N之間，同時，與一對臂連接的PiN 二極管D5反并聯連接到在電容器C4的 AC側的正電極P和負電極N之間。在本實施例中，PiN 二極管D4還直接連接到電容器C4 的兩個端子。在逆變器電路中，與圖1示出的第一實施例相同，用于U、V和W各相的橋的上臂和下臂是包括如下部件的一對臂諸如IGBT元件的半導體開關元件Qll到Q32 ；由SiC制成的SBD或JBS續流二極管Dll到D32，所述續流二極管Dll到D32反并聯連接到各半導體開關元件Qll到Q32。電容器Cl連接到逆變器電路的DC側的正電極P和負電極N之間， 同時，與一對臂連接的PiN 二極管D3連接到在電容器Cl的AC側的正電極P和負電極N之間。在本實施例中，PiN 二極管Dl還直接連接到電容器Cl的兩個端子。在變換器電路和逆變器電路形成的功率變換裝置的某處，如果正電極P和負電極 N之間發生短路并且因此反向電流流動，則反向電流分流到PiN 二極管以及續流二極管，最終減小了流過SBD和JBS 二極管續流二極管的電流。這使得可以抑制SBD或JBS續流二極管的損壞，并且抑制IGBT模塊的損壞的發生和擴大。與使用PiN 二極管作為續流二極管的功率變換裝置相比，使用SBD和JBS 二極管作為續流二極管的前述各個實施例的功率變換裝置能夠通過損耗減小來增強裝置效率并且減小裝置大小，同時抑制由于元件失效導致的可靠性降低。雖然已經描述了一些實施例，但是這些實施例僅用于示例，而不旨在限定本發明的范圍。事實上，本申請所描述的新型功率變換裝置的可以以各種其它形式來實現；更進一步地，可以對本申請描述的功率變換裝置進行各種省略、替換和改變，而不脫離本發明的精神。隨附權利要求及其等效物旨在覆蓋落入本發明的范圍和精神的各種形式或修改。
權利要求
1.一種兩電平三相功率變換裝置，包括 正電極；負電極；由SBD或JBS 二極管形成的續流二極管；以及與一對臂連接的PiN 二極管，所述PiN 二極管反并聯連接在所述功率變換裝置的DC側處的所述正電極和所述負電極之間；從而當在所述正電極和所述負電極之間發生短路時，抑制元件損壞。
2.一種三電平三相功率變換裝置，包括 正電極；負電極；由SBD或JBS 二極管形成的續流二極管；以及與一對臂連接的PiN 二極管，所述PiN 二極管反并聯連接在所述功率變換裝置的DC側處的所述正電極和所述負電極之間；從而當在所述正電極和所述負電極之間發生短路時，抑制元件損壞。
3.一種三電平三相功率變換裝置，包括 正電極；負電極，其中中點位于所述正電極和所述負電極之間； 由SBD或JBS 二極管形成的續流二極管；以及與一對臂連接的多個PiN 二極管，所述多個PiN 二極管分別反并聯連接在所述裝置的 DC側處的所述正電極與所述中點之間以及所述中點與所述負電極之間；從而當在所述正電極和所述中點之間發生短路以及在所述中點和所述負電極之間發生短路時，抑制元件損壞。
4.一種兩電平單相功率變換裝置，包括 正電極；負電極；由SBD或JBS 二極管形成的續流二極管；以及與一對臂連接的PiN 二極管，所述PiN 二極管反并聯連接在所述裝置的DC側處的所述正電極和所述負電極之間；從而當在所述正電極和所述負電極之間發生短路時，抑制元件損壞。
5.一種三電平單相功率變換裝置，包括 正電極；負電極；由SBD或JBS 二極管形成的續流二極管；以及與一對臂連接的PiN 二極管，所述PiN 二極管反并聯連接在所述裝置的DC側處的所述正電極和所述負電極之間；從而當在所述正電極和所述負電極之間發生短路時，抑制元件損壞。
6.一種三電平單相功率變換裝置，包括 正電極；負電極，其中中點位于所述正電極和所述負電極之間；由SBD或JBS 二極管形成的續流二極管；以及與一對臂連接的多個PiN 二極管，所述多個PiN 二極管分別反并聯連接在所述裝置的 DC側處的所述正電極和所述中點之間以及所述中點和所述負電極之間；從而當在所述正電極和所述中點之間發生短路以及在所述中點和所述負電極之間發生短路時，抑制元件損壞。
全文摘要
本發明涉及一種功率變換裝置。根據一個實施例，一種兩電平三相功率變換裝置包括正電極；負電極；連接到所述正電極和所述負電極的續流二極管，所述續流二極管由SBD或JBS二極管形成；以及與一對臂連接的PiN二極管，所述PiN二極管反并聯連接在所述裝置的DC側處的所述正電極和所述負電極之間。
文檔編號H02M7/48GK102299654SQ201110178638
公開日2011年12月28日 申請日期2011年6月22日 優先權日2010年6月22日
發明者中澤洋介, 南貴彥, 安岡育雄, 戶田伸一, 武田亮, 沼崎光浩, 高木隆志 申請人:株式會社東芝