电功率转换装置的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种电功率转换装置。直交流转换电路(120)构成为由六个开关元件(130)进行同步整流。所述开关元件(130)是由使用宽带隙半导体的单极元件(在此是碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管)构成。直交流转换电路(120)使用碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(130)作为回流二极管，进行同步整流。
【专利说明】
电功率转换装置
[0001 ] 本申请是申请号为20098010W91.X的发明专利申请（国际申请号：PCT/JP2009/ 000205，申请日：2009年01月21日，发明名称:电功率转换装置)的分案申请。
技术领域
[0002] 本发明设及一种具有由使用宽带隙半导体的单极元件构成的开关元件的电功率 转换装置。
【背景技术】
[0003] 作为电功率转换装置开关元件的材料，现在广泛地使用娃。然而，用娃作为材料的 开关元件的特性，越来越接近理论极限。超过娃的理论极限的材料碳化娃（SiC)、氮化嫁 (GaN)、金刚石等宽带隙半导体的开发正在进行。使用宽带隙半导体的电功率装置中具有超 低损耗、高速高溫动作的特点。运些宽带隙半导体中，作为功率装置最受注目的是氮化娃装 置，作为电功率转换装置的开关元件，碳化娃金属氧化物半导体场效应晶体管（SiC M0SFET)被视为是最有前景的。
[0004] 在驱动电感负载的直交流转换器中，是在开关元件上并联了二极管。运样的二极 管被称作回流二极管，向相反方向流动电流。作为开关元件使用了碳化娃金属氧化物半导 体场效应晶体管的直交流转换器上，并列于碳化娃金属氧化物半导体场效应晶体管连接了 碳化娃肖脱基阻碍二极管(SiC S抓），将碳化娃肖脱基阻碍二极管作为回流二极管使用，运 种构成正被研究。
[0005] 专利文献1:日本公开专利公报特开平10-327585号公报
[0006] 专利文献2:日本公开专利公报特开2007-129848号公报
[0007] 非专利文献1:日刊工业新闻社《半导体碳化娃技术和应用》，松波弘之编著，2003 [000引非专利文献2:欧姆社《碳化娃元件的基础和应用》，荒井和雄、吉田贞史共著，2003
【发明内容】
[0009] -发明所要解决的技术问题一
[0010] 通过W上所述那样的构成可W使在回流二极管上的损耗降到最低，但是因为需要 碳化娃肖脱基阻碍二极管而招致装置变大及成本增加的问题。
[0011] -为解决问题的技术方案一
[0012] 根据本发明的电功率转换装置，是构成为由开关元件130进行同步整流的电功率 转换装置，W所述开关元件130是由使用宽带隙半导体的单极元件构成，所述单极元件内的 寄生二极管131作为回流二极管使用为特征的。
[0013] 还有，W作为所述回流二极管用的寄生二极管131中流过逆向电流之际接通所述 单极元件并在所述单极元件一侧流过逆向电流，由此进行同步整流为特征的。
[0014] 运样通过使用寄生二极管131，不再需要另外设置回流二极管132,只由开关元件 130就可构成，运样就降低了成本。还有，通过同步整流，开关元件130通电，就可W比寄生二 极管131单体还要抑制通态损耗。
[0015] 还有，W所述电功率转换装置是使用于空调机的装置为特征的。再有，W所述空调 机的制热中间负载条件中所述开关元件130的电流实效值Irms和通态电阻Ron的关系为： l;rms<0.9/Ron 为特征的。
[0016] 只要选定运样的开关元件130进行同步整流，在制热中间负载条件中，即便是不设 置回流二极管132,也可W达到同等W上的效果，并且能够使降低成本和提高效率双方成 立。
[0017]还有，W所述宽带隙半导体采用碳化娃(SiC)、氮化嫁(GaN)、或金刚石中的任何一 种为特征的。
[0018] 还有，W所述单极元件是金属氧化物半导体场效应晶体管(M0 SFET)为特征的。
[0019] 还有，W包括构成为由所述开关元件130进行同步整流的直交流转换器120、交直 流转换器110、矩阵交直流转换器700、升压斩波器111的至少一个为特征的。
[0020] 本发明提供一种电功率转换装置，构成为由开关元件进行同步整流，其特征在于， 所述开关元件由使用宽带隙半导体的单极元件构成，所述单极元件具有寄生二极管，所述 同步整流时的所述单极元件的导通电压低于所述单极元件内的寄生二极管的上升电压。
[0021] -发明的效果_
[0022] 本发明的电功率转换装置，因为是将开关元件130的寄生二极管131用作回流二极 管，所W不需要另外设置回流二极管132,抑制了成本的提高。还有，通过同步整流，在开关 元件130中流过逆向电流，比起寄生二极管131单体还可W抑制通态损耗。
[0023] 还有，只要选择空调机的制热中间负载条件中所述开关元件130的电流实效值 Irms和通态电阻Ron的关系成为I;rms<0.9/Ron的开关元件进行同步整流，在制热中间负载 条件中，即便是不另外设置回流二极管132,也可W达成同等W上的效率，并且能够使降低 成本和提高效率双方成立。
【附图说明】
[0024] 图1是表示本发明第一实施方式的电功率转换装置构成的图。
[0025] 图2是表示同步整流的基本概念的图，其中，（a)表示无同步整流的情况，（b)表示 有同步整流的情况。
[0026] 图3是表示在碳化娃金属氧化物半导体场效应晶体管上并联碳化娃肖脱基阻碍二 极管作为回流二极管使用的构成的一例的图。
[0027] 图4是表示碳化娃金属氧化物半导体场效应晶体管、碳化娃肖脱基阻碍二极管的 寄生二极管，碳化娃肖脱基阻碍二极管132的电压-电流特性的概略图。
[0028] 图5是表示本发明第二实施方式的电功率转换装置构成的图。
[0029] 图6是表示本发明第Ξ实施方式的电功率转换装置构成的图。
[0030] 图7的(a)是表示本发明第四实施方式的电功率转换装置构成的图；图7的(b)是表 示图7的(a)所示的双向开关710的构成的图。
[0031] _符号说明_
[003^ 10 交流电源
[003：3] 20 马达
[0034] 100、500、600 电功率转换装置
[0035] 110 交直流转换电路
[0036] 111 升压斩波电路(功率因素改善电路）
[0037] 120 直交流转换电路
[0038] 130 碳化娃金属氧化物半导体场效应晶体管(开关元件）
[0039] 131 寄生二极管
[0040] 700 矩阵交直流转换器
【具体实施方式】
[0041] W下，参照【附图说明】本发明的实施方式。另外，附图中相同或者相当的部分标注同 样的参照符号并不重复它的说明。还有，W下优选的实施方式的说明，从本质上说不过是个 示例，无意于限制本发明、本发明的适用物及其用途。
[0042] (第一实施方式）
[0043] 本发明的第一实施方式的电功率转换装置构成由图1表示。运个电功率转换装置 100，是由交直流转换电路110整流交流电源10，再由直交流转换电路120将该直流电转换为 Ξ相交流电供给马达20的装置。运个马达20设置在空调机的制冷剂回路中驱动压缩机。另 夕h图1中，交流电源10是单相交流，但也可W是Ξ相交流。
[0044] 直交流转换电路120构成为由六个开关元件130进行同步整流。所述开关元件130 是由使用宽带隙半导体的单极元件(在此，是碳化娃金属氧化物半导体场效应晶体管）构 成。直交流转换电路120将碳化娃金属氧化物半导体场效应晶体管130的寄生二极管131用 作回流二极管，进行同步整流。另外，所谓的同步整流，如图2所示，是在回流二极管131中流 过逆向电流之际导通碳化娃金属氧化物半导体场效应晶体管130并在金属氧化物半导体场 效应晶体管一侧流过逆向电流的控制方法。由此可W降低流过逆向电流之际的通态损耗。
[0045] 作为将寄生二极管用作回流二极管进行同步整流的现有技术，是将娃金属氧化物 半导体场效应晶体管(Si M0SFET)的寄生二极管作为回流二极管使用的技术。然而，因为娃 金属氧化物半导体场效应晶体管的寄生二极管的上升电压较低（约0.7V)，所W，尽管进行 同步整流，也马上使得寄生二极管导通。因此同步整流的效果小。对此，将本实施方式那样 的碳化娃金属氧化物半导体场效应晶体管(SiC M0SFETH30的寄生二极管131作为回流二 极管使用的情况下，碳化娃金属氧化物半导体场效应晶体管130的寄生二极管131的上升电 压高(约3V)，因此若进行同步整流，则电流不变大寄生二极管131就不导通。所W，如本实施 方式那样将碳化娃金属氧化物半导体场效应晶体管130的寄生二极管131作为回流二极管 使用，则比将娃金属氧化物半导体场效应晶体管的寄生二极管作为回流二极管使用的情况 同步整流的效果更大。
[0046] 还有，将娃金属氧化物半导体场效应晶体管的寄生二极管作为回流二极管使用进 行同步整流的情况，由于寄生二极管而流过还原电流成为问题。为此，减慢开关速度减小还 原电流，在电路构成上想办法使得不在寄生二极管上流过电流，增加电路减小还原电流的 损耗(专利文献1、2)。
[0047] 正如"【背景技术】"中所说明的，将碳化娃金属氧化物半导体场效应晶体管作为开关 元件使用的情况下，如图3所示，研究在碳化娃金属氧化物半导体场效应晶体管130上并联 碳化娃肖脱基阻碍二极管132作为回流二极管使用的构成。按照运个构成，由于碳化娃金属 氧化物半导体场效应晶体管130的寄生二极管131的上升电压（约3V)和碳化娃肖脱基阻碍 二极管132的上升电压（约IV)区别大，所W可W只使还原电流小的碳化娃肖脱基阻碍二极 管132流过逆向电流，而使寄生二极管131上不流过逆向电流。碳化娃肖脱基阻碍二极管，可 W大幅度降低还原电流和开关损耗之事已为所知，根据运样的碳化娃金属氧化物半导体场 效应晶体管，与娃金属氧化物半导体场效应晶体管相比，简单地就可W实现还原电流的抑 审IJ。另外，娃金属氧化物半导体场效应晶体管中，能够并联作为回流二极管使用的二极管的 上升电压，与娃金属氧化物半导体场效应晶体管的寄生二极管一样，无法使得寄生二极管 上不流过逆向电流。
[004引另一方面，与碳化娃金属氧化物半导体场效应晶体管130的寄生二极管131相同构 造的碳化娃pn二极管的还原电流小，比娃pn二极管的开关损耗是不同数量级的小，所W本 实施方式中就可W大幅度降低还原电流、开关损耗。
[0049] 图3所示的构成中需要碳化娃肖脱基阻碍二极管132就会招致成本升高的问题，但 是使用本实施方式的碳化娃金属氧化物半导体场效应晶体管130的寄生二极管131作为回 流二极管使用进行同步整流，就可W不设置碳化娃肖脱基阻碍二极管132只由碳化娃金属 氧化物半导体场效应晶体管130构成，抑制了成本的升高。还有，通过进行同步整流，金属氧 化物半导体场效应晶体管一侧通电，就可W比寄生二极管131单体时抑制通态损耗。特别是 低负载中，比使用碳化娃肖脱基阻碍二极管132更能够抑制损耗(有关运一点在后叙述）。
[0050] 另外，对于图1中直交流转换电路120内的六个开关元件130的全部都是将寄生二 极管131作为回流二极管使用进行同步整流适用的构成，但是只是一部分开关元件130适用 也是可W的。
[0051] (开关元件的选定条件）
[0052] 本实施方式的直交流转换电路120中在同步整流中碳化娃金属氧化物半导体场效 应晶体管130通电，迄今为止的构成中（在碳化娃金属氧化物半导体场效应晶体管130上并 联碳化娃肖脱基阻碍二极管132作为回流二极管使用的构成，参照图3)是碳化娃肖脱基阻 碍二极管132通电。在此，碳化娃金属氧化物半导体场效应晶体管130、碳化娃金属氧化物半 导体场效应晶体管130的寄生二极管131、碳化娃肖脱基阻碍二极管132的电压-电流特性的 概略情况如图4所示。碳化娃金属氧化物半导体场效应晶体管130表示定电阻特性。碳化娃 肖脱基阻碍二极管132的上升电压约IV，碳化娃金属氧化物半导体场效应晶体管130的寄生 二极管131的上升电压约3V。另外，上升电压由物性值决定而无法任意设定。
[0053] 比较本实施方式的构成和迄今为止的构成（图3)的特性进行考虑，端子电压若在 碳化娃肖脱基阻碍二极管132的上升电压W下，则本实施方式的效果好。然而，进一步流过 电流，迄今为止的构成效率好。为此，在定额条件、重负载，流动大电流的运转状态下适用碳 化娃肖脱基阻碍二极管132的迄今为止的构成效率好。另一方面，轻负载下，碳化娃肖脱基 阻碍二极管132的效果低，只由碳化娃金属氧化物半导体场效应晶体管130构成本实施方式 效率好。
[0054] 在此，作为电流，流过i=(冶"）Irniss虹Θ时的本实施方式和迄今为止的构成（图3) 损耗分别由W下的(式1)至(式3)表示。
[0055] ?本实施方式
[0056](式l)RonX I;rms2 [0化7] ?迄今为止的构成
[0化引（式2) Vfx (2·%/?/π)Ιι·η?8 · · ·其中Vf = const.
[0059] (式3)alrnis2+p (2、尽,''7〇I;rms · · ·其中Vf(i) =α?+β
[0060] Irms是电流实效值，Ron是碳化娃金属氧化物半导体场效应晶体管130的通态电阻 值，Vf是碳化娃肖脱基阻碍二极管132的端子电压。（式2)是Vf为一定值时的近似值，（式3) 是Vf的一次近似值。
[0061] 从图4W及W上的式子所知，额定负载W及重负载中本实施方式的损耗变大，但在 轻负载中却是本实施方式的损耗小。与重视定额负载时的效率的一般负载不同，空调用途 中轻负载的运转时间长。因此，为了节能提出了轻负载的运转效率的要求。在日本国内对实 际节能最有影响的是，相对于制热额定能力输出1/2的能力的条件，被称作制热中间负载的 运转条件。
[0062] 若使制热中间负载中的电流实效值为Irms时，选定碳化娃金属氧化物半导体场效 应晶体管130使得W下(式4)、（式5)所示的条件成立。
[0063] (式4)|"1-"< (2 (·η/^ ) /jr)Vf/R〇n · · ·其中Vf = const.
[0064] (式5) |rms< (2 ('记> /扣.)0/R〇n_c〇 · · ·其中Vf = ai+0
[0065] 只要运样地选定开关元件进行同步整流，在制热中间负载中，即便是不使用碳化 娃肖脱基阻碍二极管132,也可W达成同等W上的效率，使得成本下降和高效双方都能成 立。
[0066] 再有，从碳化娃肖脱基阻碍二极管132的上升电压约IV运一点考虑，使Vf也为IV， 则所述(式4)就可W简化为W下的(式6)。
[0067] (式6)Irmsl<0.9/Ron
[0068] 由此开关元件的选定更容易。
[0069] (第二实施方式）
[0070] 本发明的第二实施方式的电功率转换装置构成表示在图5中。运个电功率转换装 置500中，作为功率因数改善电路使用的升压斩波电路111的二极管使用了碳化娃金属氧化 物半导体场效应晶体管130的寄生二极管131，进行同步整流。由运个同步整流，改善了特别 是轻负载的效率。还有因为是使用了碳化娃装置，所W与娃装置相比显著地减小了开始电 流，可W降低开关损耗。
[0071] (第S实施方式）
[0072] 本发明的第Ξ实施方式的电功率转换装置构成表示在图6中。运个电功率转换装 置600中，作为交直流转换电路110的整流二极管使用了碳化娃金属氧化物半导体场效应晶 体管130的寄生二极管131，进行同步整流。另外，图6中，是用商业用电源10作为单相交流， 但是Ξ相交流亦可。还有，只是交直流转换电路110的整流二极管的一部分作为碳化娃金属 氧化物半导体场效应晶体管130的寄生二极管131，剩下的可W是一般的二极管。
[007引（第四实施方式）
[0074]本发明的第四实施方式的电功率转换装置构成表示在图7(a)中。运个电功率转换 装置700,是在各个Ξ相交流电源30的电线和Ξ相交流马达20的定子电线可能组合的九个 接点上设置使用了开关元件的双向开关710的矩阵交直流转换器，将输入的交流电压不改 变成直流电而是直接改变成交流电输出。因为矩阵交直流转换器通过电流的元件少，所W 从原理上讲能够是小型高效的。因为使用于矩阵变频器的开关元件710有必要双向导通，所 W本实施方式中如图7(b)所示，采用两个碳化娃金属氧化物半导体场效应晶体管130逆向 串联构成开关元件710。
[0075] 另外，所述各实施方式中使用宽带隙半导体的单极元件的一例碳化娃金属氧化物 半导体场效应晶体管，但是也可W同样地考虑使用氮化嫁W及金刚石等其它的宽带隙半导 体的单极元件。
[0076] _产业上的实用性_
[0077] 通过W上说明，本发明的电功率转换装置，适用于比起定额负载的效率轻负载的 效率更重要的空调机等是有用的。
【主权项】
1. 一种电功率转换装置，构成为由开关元件（130)进行同步整流，其特征在于， 所述开关元件（130)由使用宽带隙半导体的单极元件构成， 所述单极元件具有寄生二极管（131)， 所述同步整流时的所述单极元件的导通电压低于所述单极元件内的寄生二极管（131) 的上升电压。2. 根据权利要求1所述的电功率转换装置，其特征在于， 所述单极元件内的寄生二极管（131)用作回流二极管。3. 根据权利要求1或2所述的电功率转换装置，其特征在于， 所述寄生二极管（131)中流过逆向电流之际接通所述单极元件，并在所述单极元件一 侧流过逆向电流，由此进行同步整流。4. 根据权利要求1至3中任一项所述的电功率转换装置，其特征在于， 所述电功率转换装置是使用于空调机的装置。5. 根据权利要求4所述的电功率转换装置，其特征在于， 构成为所述空调机的制热中间负载条件中所述开关元件（130)的电流实效值（Irms)和 通态电阻(Ron)之间的关系为：Irms〈0.9/Ron〇6. 根据权利要求1至5中任一项所述的电功率转换装置，其特征在于， 所述宽带隙半导体采用碳化硅、氮化镓、金刚石中的任何一种。7. 根据权利要求1至6中任一项所述的电功率转换装置，其特征在于， 所述单极元件是金属氧化物半导体场效应晶体管。8. 根据权利要求1至7中任一项所述的电功率转换装置，其特征在于， 具有构成为由所述开关元件（130)进行同步整流的直交流转换器（120)、交直流转换器 (110)、矩阵交直流转换器(700)、升压斩波器(111)的至少一个。
【文档编号】H02M5/458GK105871222SQ201610204821
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2009年1月21日
【发明人】前田敏行, 关本守满, 日比野宽
【申请人】大金工业株式会社