功率变换装置以及电梯的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种功率变换装置以及电梯，在逆变器侧也进行同步整流的低损耗化，并且在由于异常而导致在逆变器电路中不能进行同步整流控制且开关元件为断开状态的情况下，也能够防止来自感性负载的再生所导致的开关元件的热损坏。PWM整流电路以及逆变器电路具有由具有寄生二极管的SiC-MOSFET或者具有寄生二极管的GaN-MOSFET构成的开关元件，在PWM整流电路的开关元件不连接外部二极管而进行通过使开关元件接通从而使回流电流导通的同步整流控制，在逆变器电路的开关元件反并联连接外部二极管，并且在从感性负载进行再生时进行通过使开关元件接通从而使回流电流导通的同步整流控制。
【专利说明】
功率变换装置以及电梯
技术领域
[0001]本发明涉及功率变换装置以及使用了该功率变换装置的电梯。
【背景技术】
[0002]当前，在电梯等的可变速驱动中，通常采用如下方式:通过转换器(pmi整流电路)将来自电源的交流变换为直流后，通过逆变器(逆变器电路)将该直流变换为可变频的交流，进行电动机驱动。迄今为止，逆变器的功率半导体开关元件以使用了硅(Si)的绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor:1GBT)为主流。
[0003]但是，近年来，作为功率半导体的宽禁带半导体元件，碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等备受关注。这些材料与Si相比，能带隙较大，具有约10倍的高击穿电压强度，能够将用于确保耐压的漂移层减薄至1/10左右，所以能够实现功率器件的低接通电阻化。此外，因为是单极型，所以还能够实现开关速度的高速化，可预期低损耗化。通过功率模块成为低损耗，从而转换器可以使冷却器等周边设备小形化。进而，MOSFET在漏极-源极间具有pn结二极管即所谓的寄生二极管的特性，因此能够是去掉由IGBT构成功率变换电路时所需要的外部的二极管的、无外部二极管的结构，功率模块还可以小形化。
[0004]作为使用了MOSFET的功率变换装置，在专利文献1、专利文献2中记载了如下功率变换装置:在转换器侧，由MOSFET构成开关元件，并且不连接外部二极管，并且进行同步整流控制；在逆变器侧，由IGBT或者MOSFET构成开关元件，并且反并联连接了外部二极管。另夕卜，在逆变器侧，因为反并联连接了外部二极管，所以不需要同步整流控制。
[0005]这里，所谓同步整流，是指利用MOSFET所具有的反向导通特性，通过使MOSFET的栅极接通，从而通过MOSFET而并非寄生二极管来流通回流电流等向源极-漏极方向的电流的方法。由此，不再需要反并联连接外部二极管，并且与寄生二极管单体相比，能够抑制导通损耗。
[0006]专利文献1: JP特开2010-017061号公报
[0007]专利文献2: JP特开2009-183115号公报
[0008]这里，图1中示出SiC-M0SFET、SiC-肖特基势皇二极管(ShotkeyBarrier D1de:SBD)、寄生二极管的反向导通特性。如图1所示，在小电流Il即低负载区域中使SiC-MOSFET的栅极接通而导通的同步整流是最低损耗，继而SiC-SBD为低损耗。而且，若成为大电流12即高负载区域，则相较于Si C-MOSFET的同步整流，Si C-SBD变为低损耗。
[0009]另一方面，对于SiC-MOSFET的寄生二极管而言，如图1所示，因为SiC的能带隙较大，所以pn 二极管的上升沿电压变大到3V左右，若电流仅流过寄生二极管，则与使用了同步整流或SiC-SBD的情况相比，变为数倍?数10倍的损耗。
[0010]因此，如专利文献I或专利文献2的转换器侧那样，在省略外部的二极管仅采用寄生二极管并且使用同步整流来实现低损耗、小形化的情况下，会产生如下问题:例如若在发生了由于停电所引起的电源丧失或检测到异常所导致的转换器以及逆变器的动作停止等异常的情况下，不能进行同步整流，SiC-MOSFET的栅极变得不能接通，则变为仅在寄生二极管流过电流，损耗大幅增加，开关元件、使用了开关元件的模块或芯片等有可能发生热损坏。该问题在发生来自感性负载的再生时尤其显著。
[0011]这里，若如专利文献I或专利文献2的逆变器侧那样，不进行同步整流而使用外部二极管，则即使在发生了异常的情况下，也由于能够在外部二极管流过回流电流，因此不会产生热损坏的问题，但是存在没有异常的状态下的动作中损耗增加这样的问题。另外，在专利文献I或专利文献2中，因为原本针对发生了异常的情况并未作任何考虑、以及具有能够省略外部二极管这样的优点，所以在省略外部二极管的同时进行了同步整流，因此并未考虑在逆变器侧连接外部二极管的同时进行同步整流。
[0012]此外，尤其是对于电梯的功率变换装置而言，若地震发生时或轿厢极度的摇晃、升降中的轿厢以及电梯门厅的门开闭的异常等电梯异常发生，则会使PWM整流电路和逆变器电路的全部开关元件的栅极断开，使电梯在最近楼层紧急停止。在该情况下，从逆变器电路流过电动机的电流由于再生而回流，在构成逆变器电路的开关元件中的几个开关元件中会向源极-漏极方向流动电流。但是，由于异常检测而导致栅极断开，因而不能进行需要使栅极接通的同步整流动作。因此，假设在逆变器侧在开关元件中使用MOSFET而省略外部二极管来进行了同步整流的情况下，在发生电梯故障或者异常而进行了紧急停止时，用于从作为感性负载的电动机向逆变器电路流动回流电流的路径仅是寄生二极管，与通常动作即同步整流动作时相比，会发生数倍?数10倍的损耗，作为二次损伤，开关元件或使用了开关元件的模块有可能发生热损坏。在该情况下，恢复电梯服务花费时间，存在导致服务大幅降低这样的问题。
【发明内容】
[0013]本发明的课题是提供一种功率变换装置以及使用了该功率变换装置的电梯，在采用了SiC-M0SFET、GaN-M0SFET这样的能带隙较大的半导体开关元件的功率变换装置中，在逆变器侧也进行同步整流的低损耗化，同时即使在由于异常而导致在逆变器电路中不能进行同步整流控制、开关元件变为了断开状态的情况下，也能够防止由于来自感性负载的再生而导致的开关元件的热损坏。
[0014]为了解决上述课题，本发明的功率变换装置例如具有将从电源供给的第I交流电变换为直流电的PWM整流电路、和将从所述PffM整流电路供给的直流电变换为第2交流电并提供给感性负载的逆变器电路，其特征在于，所述PWM整流电路以及所述逆变器电路具有由具有寄生二极管的SiC-MOSFET或者具有寄生二极管的GaN-MOSFET构成的开关元件，在所述PffM整流电路的所述开关元件不连接外部二极管而进行通过使所述开关元件接通从而使回流电流导通的同步整流控制，在所述逆变器电路的所述开关元件反并联连接外部二极管，并且在从所述感性负载进行再生时，进行通过使所述开关元件接通从而使回流电流导通的同步整流控制。
[0015]此外，本发明的电梯的特征在于，具有这种功率变换装置、构成所述感性负载的电动机、和由所述电动机驱动的轿厢。
[0016]发明效果
[0017]根据本发明，在采用了SiC-M0SFET、GaN-M0SFET这样的能带隙较大的半导体开关元件的功率变换装置以及使用了该功率变换装置的电梯中，在逆变器电路的开关元件连接外部二极管，并且在从感性负载进行再生时进行通过接通开关元件从而使回流电流导通的同步整流控制，所以在逆变器侧也进行同步整流的低损耗化，同时即使在由于异常而导致在逆变器电路中不能进行同步整流控制且开关元件成为断开状态的情况下，来自感性负载的再生所引起的回流电流会流过外部二极管，所以能够防止开关元件的热损坏。
【附图说明】
[0018]图1示出SiC-MOSFET以及SiC-SBD的源极-漏极间电压与源极电流特性的比较。
[0019]图2示出本发明的第I实施例的功率变换装置的概略构成。
[0020]图3示出SiC-MOSFET以及各种SiC-SBD的源极-漏极间电压与源极电流特性的比较。
[0021]图4示出本发明的第2实施例的功率变换装置的概略构成。
[0022]符号说明
[0023]100…功率变换电路、101."PWM整流电路、102…逆变器电路、103、103a?103f、104、104a ?104f".SiC-M0SFET、105、105a ?105f、106、106a ?106f...SiC-MOSFET 中的MOSFET 部、107、107a ?107f、108、108a ?108f."SiC-MOSFET 中的寄生二极管、109 …平滑电容器、110、IlOa ?IlOf …SiC-SBD、111...电源、112 …切断装置、113、113a、113b、113c...电感器、114…感性负载、115…电动机、120…电梯控制装置、121、122…驱动电路、123…转换器控制装置、124…检测装置、131…绳索、132…轿厢、133…配重、134a、134b、134c、134d…电梯门厅门、135…轿厢门。
【具体实施方式】
[0024]参考附图来说明本发明的实施例。另外，在各图以及各实施例中，对同一或者类似的构成要素标注相同的符号，省略说明。
[0025]【实施例1】
[0026]图2中示出本发明的第I实施例的功率变换装置的概略构成。功率变换装置的功率变换电路100构成为包括作为第I变换电路的PWM整流电路(转换器电路)101、平滑电容器109、以及作为第2变换电路的逆变器电路102，PWM整流电路101经由切断装置112与电源111连接，逆变器电路102与例如电动机等感性负载114连接。在切断装置112与PffM整流电路101之间连接有电感器113a?113 c，作为滤波电路。这里，PWM整流电路1I利用由S i C-MOSFET构成的半导体开关元件103a?103f构成，未设置由SiC-SBD构成的外部二极管。逆变器电路102通过由SiC-MOSFET构成的半导体开关元件104a?104f、和与半导体开关元件103a?103f反并联连接的由SiC-SBD构成的外部二极管IlOa?110f构成。SiC-M0SFET103a?103f由 MOSFET 部 105a ?105f 和寄生二极管 107a ?107f 构成，SiC-M0SFET104a ?104f 由 MOSFET 部106a?106f和寄生二极管108a?108f构成。
[0027]这里，P丽整流电路101使用了由SiC-MOSFET构成的半导体开关元件103a?103f，但只要是与SiC-MOSFET同样地，通过如GaN等那样实现低损耗的宽禁带半导体来构成，并具有在漏极-源极间具有由pn结构成的寄生二极管的器件结构，则不局限于SiC-MOSFETt^b夕卜，逆变器电路102的开关元件也使用了由SiC-MOSFET构成的半导体开关元件104a?104f，但只要是如GaN等那样能带隙较宽、寄生二极管的上升沿电压与SiC同样大，则能够预期与SiC-MOSFET同样地防止热损坏等的效果。因此，作为半导体开关元件103a?103f、104a?104f，也可以使用由GaN-MOSFET构成的半导体开关元件。
[0028]即，在第i实施例的功率变换装置中具有:将从电源111供给的第I交流电变换为直流电的PWM整流电路11、和将从PWM整流电路1I供给的直流电变换为第2交流电并提供给感性负载114的逆变器电路102。这里，PffM整流电路101以及逆变器电路102具有由具有寄生二极管的SiC-MOSFET或者具有寄生二极管的GaN-MOSFET构成的开关元件103a?103f、104a?104fo
[0029]这里，在PWM整流电路101的开关元件103a?103f不连接外部二极管，进行通过使开关元件103a?103f接通而使回流电流导通的同步整流控制。据此，能够实现低损耗，并且因为能够省略外部二极管所以能够实现小型化。
[0030]此外，在逆变器电路102的开关元件104a?104f反并联连接外部二极管I1a?IlOf，并且从感性负载114进行再生时，进行通过使开关元件104a?104f接通而使回流电流导通的同步整流控制。
[0031]另外，PffM整流电路101和逆变器电路102的同步整流控制，通过由未图示的控制装置控制开关元件103a?103f、104a?104f的栅极的接通/断开(0N/0FF)来进行。
[0032]通常，若在逆变器电路102中进行同步整流控制，则能够省略外部二极管I1a?IlOf。但是，在由于异常而导致在逆变器电路102中不能进行同步整流控制，并且开关元件104a?104f为断开状态的情况下，有可能从感性负载114进行再生。在该情况下，会仅在寄生二极管108a?1Sf流过回流电流，有可能发生热损坏。因此，在本实施例中，即使在进行同步整流控制的情况下，也有意追加外部二极管IlOa?IlOf，由此即使发生那样的异常的状态从而SiC-M0SFET104a?104f的栅极变为断开状态，漏极-源极间的回流电流也流向SiC-MOSFET的寄生二极管108a?108f和外部二极管IlOa?IlOf的双方，所以能够抑制仅流向寄生二极管108a?108f的情况那样的损耗的大幅增加，并且防止热损坏。
[0033]此时，对于外部二极管I1a?I1f的特性而言，从防止热损坏的观点出发，优选具有与寄生二极管108a?108f相比回流电流会较多地流过外部二极管IlOa?IlOf的特性。此夕卜，如图3所示的SiC-SBDl那样，优选上升沿电压小于SiC-M0SFET104a?104f的寄生二极管的上升沿电压。进一步讲，如图3所示的SiC-SBD2那样，即使在减少模块内的二极管的芯片数、实现了模块的小形化的情况下、或者在使用了导通特性较差的二极管的情况下，也优选开关元件、使用了该开关元件的模块的额定电流流动时的寄生二极管的电压值Vdi为额定电流流动时的外部二极管IlOa?IlOf的电压值Vsbd以上。例如，相当于图3的SiC-SBD2的额定电流时的电压值Vsbd2 = Vd i的情况，更优选的是，满足S i C-SBDI的额定电流时的电压值VsbdKVdi的关系。若该关系反转，如图3所示的SiC-SBD3那样变为Vdi <Vsbd3，则栅极断开时流过电流的路径在寄生二极管106a?106f的一方较多，损耗大幅增加，发生热损坏的可能性增高。但是，若与没有附加外部二极管的情况相比，则能够降低热损坏的可能性。另夕卜，外部二极管IlOa?IlOf例示了SiC-SBD的情况，但只要具有所需的特性，也可以采用其他二极管。
[0034]此外，如例如检测到感性负载114的异常的情况等那样，在检测到某些异常的情况下，优选使PWM整流电路101以及逆变器电路102的开关元件103a?103f、104a?104f全部断开。进而，在运转中断开全部SiC-M0SFET103a?103f、104a?104f的栅极的情况下，优选通过切断装置102来切断对PWM整流电路101的供电。这些控制，通过未图示的控制装置来进行。
[0035]在该情况下，在PffM整流电路101侧，即使在全部栅极都断开了的情况下，也只要仅使电感器113a?113c中残余的电力再生即可，该电感器113a?113c与连接于逆变器电路的感性负载114相比，是较小的值，所以流动的电流也较小，即使由于无二极管从而仅在寄生二极管107a?107e中流动电流，可以认为也不会引起热损坏。
[0036]另一方面，即使在运转中检测到任何异常而使SiC_M0SFET103a?103f、104a?104f的栅极全部断开的情况下，逆变器电路102与感性负载114也不切断。这是因为，为了切断感性负载114和逆变器电路102，需要能够在感性负载114的最大电流值下使用的切断装置，会导致大形化。因此，逆变器电路102和感性负载114通过不设置切断装置，从而实现小形化。在该情况下，感性负载114具有的电力被再生，通过逆变器电路102的二极管IlOa?IlOf和寄生二极管108a?108f而回流。
[0037]【实施例2】
[0038]图4中示出本发明的第2实施例的功率变换装置以及电梯的概略构成。对于与第I实施例相同的部件、部位，记载了同一标号。另外，构成PWM整流电路101以及逆变器电路102的三相开关元件，分别使用SiC-M0SFET103、104和SiC-SBDllO来进行了简化记载，但作为构成，与图2相同。关于进行同步整流控制，也与第I实施例相同。关于SiC-M0SFET103、104的内部构成，分别通过MOSFET部105和寄生二极管107、以及MOSFET部106和寄生二极管108进行了简化，但其是与第I实施例全部相同的构成，能够得到与通过第I实施例而得到的效果相同的效果。
[0039]在第2实施例中，使用电动机115作为感性负载，在绳索131的两端，设置升降机的轿厢132以及配重133，通过将由功率变换电路100变换后的电力提供给电动机115，从而使轿厢132升降。此外，作为控制装置，电梯控制装置120具有转换器控制装置123以及检测装置124，通过由转换器控制装置123得到的控制信号，使用作为控制装置的驱动电路121、122，来使SiC-M0SFET103a?103f以及104a?104f的栅极接通/断开。这里，检测装置124是检测电梯的异常的检测装置，对轿厢132的异常、电梯门厅门134a?134d或者轿厢门135的开闭的异常进行检测，若检测到异常，则向转换器控制装置123发送异常检测信号，从转换器控制装置123向驱动电路121以及122发送用于使栅极停止的信号，从驱动电路121以及122向SiC-M0SFET103a?103f以及104a?104f全部供给栅极断开电压，PffM整流电路101以及逆变器电路102的所有开关元件全部被断开。此时，检测装置124也同样地向切断装置112发送切断指令，将电源111和PWM整流电路1I切断。
[0040]检测装置124也可以检测地震作为电梯的异常。对于电梯而言，在地震或电梯的轿厢的异常摇晃等即使系统没有问题的情况下，也有时为了确保搭乘者的安全而紧急停止。即使在这种情况下，通过应用本实施例的构成，也能够防止曾进行正常动作的开关元件的损坏，并能够使电梯的通常运转及早恢复。
[0041]以上，对本发明的实施例进行了说明，但是之前的各实施例所说明的构成仅是一例，本发明在不脱离技术思想的范围内能够适当变更。此外，在各个实施例中所说明的构成在不相互矛盾的情况下，也可以组合使用。
【主权项】
1.一种功率变换装置，具有将从电源供给的第I交流电变换为直流电的HVM整流电路、和将从所述PWM整流电路供给的直流电变换为第2交流电并提供给感性负载的逆变器电路，所述功率变换装置的特征在于， 所述PffM整流电路以及所述逆变器电路具有由具有寄生二极管的SiC-MOSFET或者具有寄生二极管的GaN-MOSFET构成的开关元件， 在所述PffM整流电路的所述开关元件不连接外部二极管而进行通过使所述开关元件接通从而使回流电流导通的同步整流控制， 在所述逆变器电路的所述开关元件反并联连接外部二极管，并且在从所述感性负载进行再生时，进行通过使所述开关元件接通从而使回流电流导通的同步整流控制。2.根据权利要求1所述的功率变换装置，其特征在于， 在由于异常而导致在所述逆变器电路中不能进行所述同步整流控制且所述开关元件为断开状态的情况下，与所述寄生二极管相比回流电流较多地流过所述外部二极管。3.根据权利要求2所述的功率变换装置，其特征在于， 在由于异常而导致在所述逆变器电路中不能进行所述同步整流控制且所述开关元件为断开状态、且在所述开关元件流过所述开关元件的额定电流时，所述寄生二极管的电压值为所述外部二极管的电压值以上。4.根据权利要求1所述的功率变换装置，其特征在于， 在检测到所述感性负载的异常的情况下，使所述HVM整流电路以及所述逆变器电路的所述开关元件全部断开。5.根据权利要求1所述的功率变换装置，其特征在于， 在发生了异常的情况下，使所述PWM整流电路以及所述逆变器电路的所述开关元件全部断开，并且切断从所述电源供给的所述第I交流电。6.根据权利要求1所述的功率变换装置，其特征在于， 所述感性负载由电动机构成。7.—种电梯，其特征在于具有: 权利要求1?6中任一项的功率变换装置； 构成所述感性负载的电动机;和 通过所述电动机而被升降的轿厢。8.根据权利要求7所述的电梯，其特征在于具有: 检测装置，其对所述电梯的异常进行检测;和 控制装置，其在所述检测装置检测到异常的情况下，使所述PWM整流电路以及所述逆变器电路的所述开关元件全部断开。9.根据权利要求8所述的电梯，其特征在于具有: 切断装置，该切断装置在所述检测装置检测到异常的情况下，切断从所述电源供给的所述第I交流电。10.根据权利要求8所述的电梯，其特征在于， 所述检测装置对地震、所述轿厢的异常、所述轿厢门或电梯门厅的门的开闭的异常中的任一者进行检测。
【文档编号】H02M5/458GK105915069SQ201610096182
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年2月22日
【发明人】加藤香, 森和久, 大沼直人, 松本洋平
【申请人】株式会社日立制作所