专利名称：功率变换装置的制作方法
技术领域：
这里描述的实施例涉及功率变换装置。
背景技术：
近年来，完成了对使用SiC的功率半导体元件的研究和开发。SiC在半导体特性上优于传统的Si。具体而言，Sic有高的电介质击穿强度，并且SiC的使用可以实现与Si相比更高耐电压性的元件。虽然利用使用Si的SBD(肖特基二极管)或JBS (结势垒受控肖特基)二极管可以实现数百伏的低耐电压性，但是通过使用SiC可以实现1700伏或更高的高耐电压性。在SBD或JBS 二极管用作功率变换电路的续流二极管的情况下，由于不同于传统 PiN 二极管，SBD或JBS 二极管不是双极器件，因此在关断时间不会发生反向恢复并且二极管恢复损耗变得基本上可忽略。因此，损耗的减小对增强器件效率和减小器件尺寸有好处。如果在具有两电平或三电平电路的功率变换装置中由于元件故障或控制错误而在正极和负极之间发生短路，则正电极和负电极之间的电容器中的电荷突然地流过短路电路。在电容器已经放电之后，由于电容器的电容和主电路的电感之间的关系，电压和电流变得振荡，由此在一些情况下产生反向电流(电流从负电极流向正电极)。虽然元件不会在发生短路之后由电流立即破坏，但是仍然有可能发生元件损坏并且可能更糟，这是因为远大于额定值的反向电流将分流到续流二极管。虽然SBD或JBS 二极管能够有助于损耗减小，但是它们具有其浪涌阻抗小于PiN 二极管的浪涌阻抗的缺点。为此，认为SBD或JBS 二极管往往比PiN 二极管更易于被远大于额定值的电流所破坏，例如，被在正电极和负电极之间发生短路之后流动的反向电流所破坏。因此，所关心的是这可能降低装置可靠性。在地铁中使用的功率变换装置的情况下，供应诸如3300V、4500V或6500V之类的高电压，并且可能出现更大的问题。
图1是示出第一实施例的功率变换装置的电路图； 图2是示出第二实施例的功率变换装置的电路图； 图3是示出第三实施例的功率变换装置的电路图； 图4是示出第四实施例的功率变换装置的电路图； 图5是示出第五实施例的功率变换装置的电路图； 图6是示出第六实施例的功率变换装置的电路图； 图7是示出第七实施例的功率变换装置的电路图； 图8是示出第八实施例的功率变换装置的电路图； 图9是示出针对第八实施例的功率变换装置的短路模拟的电路图；以及图10是由于短路模拟的电流电压波形图。
具体实施例方式根据一个实施例的功率变换装置包括正电极；负电极；由SBD或JBS 二极管形成的续流二极管；以及与一对臂连接的PiN(P-本征-N) 二极管，所述PIN 二极管反并联连接在所述功率变换装置的DC侧处的所述正电极和所述负电极之间；由此当在所述正电极和所述负电极之间发生短路时，抑制元件损坏。以下将参考附图详细描述某些实施例。第一实施例图1示出了第一实施例的功率变换装置。该实施例涉及由两电平三相电路形成的功率变换装置。用于功率变换电路的U、V和W各相的桥的上臂和下臂是包括如下部件的一对臂诸如IGBT (绝缘栅双极晶体管)元件的半导体开关元件Qll到Q32 ；由SiC制成的 SBD或JBS续流二极管Dll到D32，所述续流二极管Dll到D32分别反并联连接到各半导体开关元件Qll到Q32。电容器Cl连接在功率变换电路的DC侧的正电极P和负电极N之间， 同时PiN 二极管Dl连接到在电容器Cl的AC侧的正电极P和负电极N之间反并联连接的一对臂。本实施例的功率变换装置操作如下。一般地，在两电平三相电路形成的功率变换装置中，如果如图9所示上半导体开关元件Qll和下半导体开关元件Q12同时处于导通状态，并且因此，正电极P和负电极N之间发生短路，由于主电路电感Ll和L2以及电容器Cl， 因此电压和电流变得振荡，由此产生由虚线所示的从负电极N流向正电极P的反向电流。当反向电流分流到正常元件的续流二极管Dll和D12时，由于SBD和JBS具有低于PiN 二极管的浪涌阻抗，因此与使用PiN 二极管作为续流二极管Dll和D12的功率变换装置相比，元件损坏的可能性变得更大。因此，在本实施例的功率变换装置中，与一对臂连接的PiN 二极管Dl反并联连接在电容器Cl的AC侧的正电极P和负电极N。因此，如果在正电极P和负电极N之间发生短路并且因此反向电流流动，则反向电流分流到PiN 二极管Dl以及续流二极管Dll到D32。 在这种情况下，SiC制成的SBD 二极管的内阻高于PiN 二极管的内阻。例如，在图10示出的图中，因为SBD 二极管的阻抗变成浪涌电流IOOkA的额定电流的一百倍或更高，因此浪涌电流很难分流到SBD 二极管但是会分流到PiN 二极管。因此，根据本实施例，有可能向PiN 二极管分流大部分浪涌电流，最终减小了流过SBD和JBS 二极管续流二极管Dll到D32的电流。这使得可以抑制SBD或JBS续流二极管的损坏，并且抑制IGBT模块的损坏的发生和扩大。第二实施例图2示出了第二实施例的功率变换装置。该实施例涉及由三电平三相电路形成的功率变换装置。用于功率变换电路的U、v和W各相的桥的上臂和下臂是包括如下部件构成的一对臂诸如IGBT元件的半导体开关元件Qlll到Q322 ；由SiC制成的SBD或JBS续流二极管Dlll到D322，所述续流二极管Dlll到D322分别反并联连接到各半导体开关元件 Qlll到Q322 ；由SiC制成的SBD或JBS续流二极管DlOl到D302，所述续流二极管DlOl到 D302分别连接到中点C和上臂的元件连接点之间以及中点C和下臂的元件连接点之间。电容器C2U和C2D分别连接到正电极P和中点C之间以及中点C和负电极N之间，同时，与一对臂连接的PiN 二极管D2反并联连接到在电容器C2U和C2D的AC侧的正电极P和负电极N之间。如果在由三电平三相电路形成的功率变换装置中的正电极P和负电极N之间发生短路，则由于主电路电感以及电容器C2U和C2D，因此电压和电流变得振荡，由此产生从负电极N流向正电极P的反向电流。但是，在本实施例的功率变换装置中，与一对臂连接的 PiN 二极管D2反并联连接到在电容器C2U和C2D的AC侧的正电极P和负电极N之间。因此，如果正电极P和负电极N之间发生短路并且因此反向电流流动，则可能反向电流分流到PiN 二极管D2以及续流二极管D111-D322以及D101-D302，最终减小了流过续流二极管 D111-D322和D101-D302的SBD和JBS 二极管的电流。这可以抑制SBD或JBS续流二极管的损坏并且抑制IGBT模块的损坏的出现和扩大。第三实施例图3示出第三实施例的功率变换装置。该实施例涉及由三电平三相电路形成的功率变换装置。用于功率变换电路的U、v和W各相的桥的上臂和下臂是包括如下部件构成的一对臂诸如IGBT元件的半导体开关元件Qlll到Q322 ；由SiC制成的SBD或JBS续流二极管Dlll到D322，所述续流二极管Dlll到D322分别反并联连接到各半导体开关元件Qlll 到Q322 ；由SiC制成的SBD或JBS续流二极管DlOl到D302，所述续流二极管DlOl到D302 分别连接到中点C和上臂的元件连接点之间以及中点C和下臂的元件连接点之间。电容器 C2U和C2D分别连接到正电极P和中点C之间以及中点C和负电极N之间，同时，与一对臂连接的PiN 二极管D2U和D2D反并联连接到在电容器C2U和C2D的AC侧的正电极P和中点C之间以及中点C和负电极N之间。如果由三电平三相电路形成的功率变换装置中的正电极P和负电极N之间发生短路，则由于主电路电感以及电容器C2U和C2D，因此电压和电流变得振荡，由此产生从负电极N流向正电极P的反向电流。但是，在本实施例的功率变换装置中，与一对臂连接的 PiN 二极管D2U和D2D反并联连接到在电容器C2U和C2D的AC侧的正电极P和中点C之间以及中点C和负电极N之间。因此，如果正电极P和负电极N之间发生短路并且因此反向电流流动，则可能反向电流分流到PiN 二极管D2U和D2D以及续流二极管D111-D322以及 D101-D302，最终减小了流过续流二极管D111-D322和D101-D302的SBD和JBS 二极管的电流。这可以抑制SBD或JBS续流二极管的损坏并且抑制IGBT模块的损坏的出现和扩大。此外，在由三电平三相电路形成的功率变换装置中，像在正电极P和负电极N之间发生短路一样，还会在正电极P和中点C之间发生短路或在中点C和负电极N之间发生短路。这这种情况下，由于主电路电感以及电容器C2U和C2D，因此电压和电流变得振荡，由此产生从中点C流向正电极P的反向电流或从负电极N流向中点C的反向电流。但是，在本实施例中，与一对臂连接的PiN 二极管D2U和D2D反并联连接到在电容器C2U和C2D的AC 侧的正电极P和中点C之间以及中点C和负电极N之间。因此，这可以减小用作续流二极管的SBD和JBS 二极管的分流比，并且抑制甚至分流到PiN 二极管D2U和D2D的反向电流而造成的元件损坏。第四实施例图4示出了第四实施例的功率变换装置。该实施例涉及由两电平单相电路形成的功率变换装置。用于功率变换电路的U和V各相的桥的上臂和下臂是包括如下部件的一对臂诸如IGBT元件的半导体开关元件Qll到Q22 ；由SiC制成的SBD或JBS续流二极管Dll到D22，所述续流二极管Dll到D22分别反并联连接到各半导体开关元件Qll到Q22。电容器Cl连接到功率变换电路的DC侧的正电极P和负电极N之间，同时，与一对臂连接的PiN 二极管Dl反并联连接到在电容器Cl的AC侧的正电极P和负电极N之间。在本实施例的功率变换装置中，与一对臂连接的PiN 二极管Dl反并联连接到在电容器Cl的AC侧的正电极P和负电极N之间。因此，如果在正电极P和负电极N之间发生短路并且因此反向电流流动，则反向电流分流到PiN 二极管Dl以及续流二极管Dll到D22， 最终减小了流过SBD和JBS 二极管续流二极管Dll到D22的电流。这使得可以抑制SBD或 JBS续流二极管的损坏，并且抑制IGBT模块的损坏的发生和扩大。第五实施例图5示出了第五实施例的功率变换装置。该实施例涉及由三电平单相电路形成的功率变换装置。用于功率变换电路的U和V各相的桥的上臂和下臂是包括如下部件的一对臂诸如IGBT元件的半导体开关元件Qlll到Q222 ；由SiC制成的SBD或JBS续流二极管Dlll到D222，所述续流二极管Dlll到D222分别反并联连接到各半导体开关元件Qlll 到Q222 ；由SiC制成的SBD或JBS续流二极管DlOl到D202，所述续流二极管DlOl到D202 分别连接到中点C和上臂的元件连接点之间以及中点C和下臂的元件连接点之间。电容器 C2U和C2D分别连接到正电极P和中点C之间以及中点C和负电极N之间，同时，与一对臂连接的PiN 二极管D2反并联连接到在电容器C2U和C2D的AC侧的正电极P和负电极N之间。如果在由三电平单相电路形成的功率变换装置中的正电极P和负电极N之间发生短路，则由于主电路电感以及电容器C2U和C2D，因此电压和电流变得振荡，由此产生从负电极N流向正电极P的反向电流。但是，在本实施例的功率变换装置中，与一对臂连接的 PiN 二极管D2反并联连接到在电容器C2U和C2D的AC侧的正电极P和负电极N之间。因此，如果正电极P和负电极N之间发生短路并且因此反向电流流动，则可能反向电流分流到 PiN 二极管D2以及续流二极管D111-D222以及D101-D202，最终减小了流过用作续流二极管D111-D222和D101-D202的SBD和JBS 二极管的电流。这可以抑制SBD或JBS续流二极管的损坏并且抑制IGBT模块的损坏的出现和扩大。第六实施例图6示出了第六实施例的功率变换装置。该实施例涉及由三电平单相电路形成的功率变换装置。用于功率变换电路的U和V各相的桥的上臂和下臂是包括如下部件的一对臂例如由IGBT元件等形成的半导体开关元件Qlll到Q222 ；由SiC制成的SBD或JBS续流二极管Dlll到D222，所述续流二极管Dlll到D222分别反并联连接到各半导体开关元件 Qlll到Q222 ；由SiC制成的SBD或JBS续流二极管DlOl到D202，所述续流二极管DlOl到 D202分别连接到中点C和上臂的元件连接点之间以及中点C和下臂的元件连接点之间。电容器C2U和C2D分别连接到正电极P和中点C之间以及中点C和负电极N之间，同时，与一对臂连接的PiN 二极管D2U和D2D分别连接到在电容器C2U和C2D的AC侧的正电极P和中点C之间以及中点C和负电极N之间。如果在由三电平单相电路形成的功率变换装置中的正电极P和负电极N之间发生短路，则由于主电路电感以及电容器C2U和C2D，因此电压和电流变得振荡，由此产生从负电极N流向正电极P的反向电流。但是，在本实施例的功率变换装置中，与一对臂连接的PiN 二极管D2U和D2D反并联连接到在电容器C2U和C2D的AC侧的正电极P和中点C之间和中点C和负电极N之间。因此，如果正电极P和负电极N之间发生短路并且因此反向电流流动，则可能反向电流分流到PiN 二极管D2U和D2D以及续流二极管D111-D222以及 D101-D202，最终减小了流过用作续流二极管D111-D222和D101-D202的SBD和JBS 二极管的电流。这可以抑制SBD或JBS续流二极管的损坏并且抑制IGBT模块的损坏的出现和扩大。在三电平单相电路形成的功率变换装置中，像在正电极P和负电极N之间发生短路一样，还会在正电极P和中点C之间发生短路或在中点C和负电极N之间发生短路。在这种情况下，由于主电路电感以及电容器C2U和C2D，因此电压和电流变得振荡，由此产生从中点C流向正电极P的反向电流或从负电极N流向中点C的反向电流。但是，在本实施例中，PiN 二极管D2U和D2D连接到在电容器C2U和C2D的AC侧的正电极P和中点C之间以及中点C和负电极N之间。因此，这可以减小用作续流二极管的SBD和JBS 二极管的分流比，并且抑制甚至分流到PiN 二极管D2U和D2D的反向电流而造成的元件损坏。第七实施例在第一和第四实施例中，电容器Cl和PiN 二极管Dl并联连接在正电极P和负电极N之间。在第三和第六实施例中，电容器C2U和PiN 二极管D2U并联连接在正电极P和中点C之间，并且电容器C2D和PiN 二极管D2D并联连接在中点C和负电极N之间。如图7所示，第七实施例的特征在于，PiN 二极管Dl直接连接到由两电平单相电路形成的功率变换装置的电容器Cl的两端。其它电路部件保持与图4所示的第四实施例的电路部件相同。与第四实施例相同，在本实施例的功率变换装置中，如果在正电极P和负电极N之间发生短路并且因此反向电流流动，则反向电流分流到PiN 二极管Dl以及续流二极管Dll 到D22，最终减小了流过SBD和JBS 二极管续流二极管Dll到D22的电流。这使得可以抑制 SBD或JBS续流二极管的损坏，并且抑制IGBT模块的损坏的发生和扩大。就像本实施例一样，图1示出的第一实施例的两电平三相功率变换装置可以采用 PiN 二极管Dl直接连接到电容器Cl的两个端子的配置。此外，第三实施例和第六实施例中的每一个也可以采用PiN 二极管D2U直接连接到电容器C2U的两个端子并且PiN 二极管D2D直接连接到电容器C2D的两个端子的配置。第八实施例图8示出了第八实施例的功率变换装置的电路。本实施例的功率变换装置采用如下配置用于将单相交流电变换为直流电的变换器电路和用于将直流电变换为三相交流电的逆变器电路使用布置在其间的电容器C4和Cl彼此连接。在变换器电路中，上臂和下臂是包括如下部件的一对臂诸如IGBT元件之类的半导体开关元件Q61到Q72 ；由SiC制成的SBD或JBS续流二极管D61到D72，所述续流二极管D61到D72反并联连接到各半导体开关元件Q61到Q72。电容器C4连接到DC侧处的正电极P和负电极N之间，同时，与一对臂连接的PiN 二极管D5反并联连接到在电容器C4的 AC侧的正电极P和负电极N之间。在本实施例中，PiN 二极管D4还直接连接到电容器C4 的两个端子。在逆变器电路中，与图1示出的第一实施例相同，用于U、V和W各相的桥的上臂和下臂是包括如下部件的一对臂诸如IGBT元件的半导体开关元件Qll到Q32 ；由SiC制成的SBD或JBS续流二极管Dll到D32，所述续流二极管Dll到D32反并联连接到各半导体开关元件Qll到Q32。电容器Cl连接到逆变器电路的DC侧的正电极P和负电极N之间， 同时，与一对臂连接的PiN 二极管D3连接到在电容器Cl的AC侧的正电极P和负电极N之间。在本实施例中，PiN 二极管Dl还直接连接到电容器Cl的两个端子。在变换器电路和逆变器电路形成的功率变换装置的某处，如果正电极P和负电极 N之间发生短路并且因此反向电流流动，则反向电流分流到PiN 二极管以及续流二极管，最终减小了流过SBD和JBS 二极管续流二极管的电流。这使得可以抑制SBD或JBS续流二极管的损坏，并且抑制IGBT模块的损坏的发生和扩大。与使用PiN 二极管作为续流二极管的功率变换装置相比，使用SBD和JBS 二极管作为续流二极管的前述各个实施例的功率变换装置能够通过损耗减小来增强装置效率并且减小装置大小，同时抑制由于元件失效导致的可靠性降低。虽然已经描述了一些实施例，但是这些实施例仅用于示例，而不旨在限定本发明的范围。事实上，本申请所描述的新型功率变换装置的可以以各种其它形式来实现；更进一步地，可以对本申请描述的功率变换装置进行各种省略、替换和改变，而不脱离本发明的精神。随附权利要求及其等效物旨在覆盖落入本发明的范围和精神的各种形式或修改。
权利要求
1.一种两电平三相功率变换装置，包括 正电极；负电极；由SBD或JBS 二极管形成的续流二极管；以及与一对臂连接的PiN 二极管，所述PiN 二极管反并联连接在所述功率变换装置的DC侧处的所述正电极和所述负电极之间；从而当在所述正电极和所述负电极之间发生短路时，抑制元件损坏。
2.一种三电平三相功率变换装置，包括 正电极；负电极；由SBD或JBS 二极管形成的续流二极管；以及与一对臂连接的PiN 二极管，所述PiN 二极管反并联连接在所述功率变换装置的DC侧处的所述正电极和所述负电极之间；从而当在所述正电极和所述负电极之间发生短路时，抑制元件损坏。
3.一种三电平三相功率变换装置，包括 正电极；负电极，其中中点位于所述正电极和所述负电极之间； 由SBD或JBS 二极管形成的续流二极管；以及与一对臂连接的多个PiN 二极管，所述多个PiN 二极管分别反并联连接在所述装置的 DC侧处的所述正电极与所述中点之间以及所述中点与所述负电极之间；从而当在所述正电极和所述中点之间发生短路以及在所述中点和所述负电极之间发生短路时，抑制元件损坏。
4.一种两电平单相功率变换装置，包括 正电极；负电极；由SBD或JBS 二极管形成的续流二极管；以及与一对臂连接的PiN 二极管，所述PiN 二极管反并联连接在所述装置的DC侧处的所述正电极和所述负电极之间；从而当在所述正电极和所述负电极之间发生短路时，抑制元件损坏。
5.一种三电平单相功率变换装置，包括 正电极；负电极；由SBD或JBS 二极管形成的续流二极管；以及与一对臂连接的PiN 二极管，所述PiN 二极管反并联连接在所述装置的DC侧处的所述正电极和所述负电极之间；从而当在所述正电极和所述负电极之间发生短路时，抑制元件损坏。
6.一种三电平单相功率变换装置，包括 正电极；负电极，其中中点位于所述正电极和所述负电极之间；由SBD或JBS 二极管形成的续流二极管；以及与一对臂连接的多个PiN 二极管，所述多个PiN 二极管分别反并联连接在所述装置的 DC侧处的所述正电极和所述中点之间以及所述中点和所述负电极之间；从而当在所述正电极和所述中点之间发生短路以及在所述中点和所述负电极之间发生短路时，抑制元件损坏。
全文摘要
本发明涉及一种功率变换装置。根据一个实施例，一种两电平三相功率变换装置包括正电极；负电极；连接到所述正电极和所述负电极的续流二极管，所述续流二极管由SBD或JBS二极管形成；以及与一对臂连接的PiN二极管，所述PiN二极管反并联连接在所述装置的DC侧处的所述正电极和所述负电极之间。
文档编号H02M7/48GK102299654SQ201110178638
公开日2011年12月28日 申请日期2011年6月22日 优先权日2010年6月22日
发明者中泽洋介, 南贵彦, 安冈育雄, 户田伸一, 武田亮, 沼崎光浩, 高木隆志 申请人:株式会社东芝