功率转换装置制造方法
【专利摘要】本发明提供一种功率转换装置，其即使在作为各桥臂的开关元件而使用多个元件的情况下也可以抑制成本增加。其具有：栅极驱动电路（8），其基于对逆变器电路输出的交流电进行控制的电压指令及作为载波信号的三角波，生成对IGBT（4a）及MOSFET（4b）的导通进行控制的栅极驱动信号（A）；以及栅极驱动信号选择电路（10），其基于载波信号的频率及逆变器电路的输出电流，选择是仅输出对IGBT（4a）的第1栅极驱动信号（B）及对MOSFET（4b）的第2栅极驱动信号（C）中的某一个，还是输出第1栅极驱动信号（B）及第2栅极驱动信号（C）这两者。
【专利说明】功率转换装置【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种具有逆变器电路的功率转换装置。
【背景技术】
[0002]在当前的功率转换装置中，对于构成逆变器电路的6个开关元件，使用宽带隙半导体(例如SiC元件)构成(例如下述专利文献I)。
[0003]专利文献1:日本特开2009 - 183115号公报 [0004]但是，在上述现有的功率转换装置中，由于各桥臂的开关元件仅由SiC元件构成，所以在作为各桥臂的开关元件而使用多个元件的情况下，存在导致成本增加的课题。
【发明内容】
[0005]本发明就是鉴于上述情况而提出的，其目的在于，提供一种功率转换装置，其即使在作为各桥臂的开关元件而使用多个元件的情况下，也可以抑制成本增加。
[0006]为了解决上述课题，实现目的，本发明提供一种功率转换装置，其具有由并联连接IGBT和MOSFET而成的元件对构成各桥臂元件的逆变器电路，该功率转换装置的特征在于，具有:电流检测电路，其对所述逆变器电路的输出电流进行检测；电压指令生成电路，其基于所述电流检测电路检测到的所述输出电流，生成对所述逆变器电路输出的交流电进行控制的电压指令；栅极驱动电路，其基于所述电压指令及载波信号，生成对所述IGBT及所述MOSFET的导通进行控制的栅极驱动信号；以及栅极驱动信号选择电路，其将所述栅极驱动信号分为针对所述IGBT的第I栅极驱动信号和针对所述MOSFET的第2栅极驱动信号，基于所述载波信号的载波频率及能够预测所述逆变器电路的损耗的信息，选择是仅输出所述第I及第2栅极驱动信号中的某一个、还是输出所述第I栅极驱动信号及所述第2栅极驱动信号这两者。
[0007]发明的效果
[0008]根据本发明，可以实现下述效果，即，即使在作为各桥臂的开关元件使用多个元件的情况下也可以抑制成本增加。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1是表示实施方式I所涉及的功率转换装置的一个结构例的图。
[0010]图2是用于说明实施方式I所涉及的栅极驱动电路及栅极驱动信号选择电路的动作的框图。
[0011]图3是表示将IGBT和MOSFET并联连接的情况下的电压一电流特性的图。
[0012]图4是表示对低电流时的同时使用IGBT和MOSFET的情况下的导通损耗进行估算所得到的结果的图。
[0013]图5是表示对大电流时的同时使用IGBT和MOSFET的情况下的导通损耗进行估算所得到的结果的图。[0014]图6是说明以使得对MOSFET的开关次数多于对IGBT的开关次数的方式进行控制的情况下的动作的图。
[0015]图7是说明以使得对IGBT的开关次数多于对MOSFET的开关次数的方式进行控制的情况下的动作的图。
[0016]标号的说明
[0017]I转换器电路、2平滑电路、2a电容器、3逆变器电路、4 U相电路、4a IGBT、4bMOSFET、4c 二极管、5 V相电路、6 W相电路、7电压指令生成电路、8栅极驱动电路、9电流检测电路、10栅极驱动信号选择电路、11电动机、12比较器、20交流电源。
【具体实施方式】
[0018]下面，参照附图，说明本发明的实施方式所涉及的功率转换装置。此外，本发明并不由以下所示的实施方式限定。
[0019]实施方式I
[0020]图1是表示本发明的实施方式I所涉及的功率转换装置的一个结构例的图。实施方式I所涉及的功率转换装置构成为，具有:转换器电路1，其将从交流电源20供给来的交流电压变换为所期望的直流电压；平滑电路2，其具有将由转换器电路I变换得到的直流电压进行平滑的电容器2a ;逆变器电路3，其将平滑后的直流电压通过开关控制变换为所期望的交流电压，并向作为负载的电动机11供给；电压指令生成电路7，其生成用于对逆变器电路3输出的交流电进行控制的电压指令；栅极驱动电路8，其基于电压指令及载波信号生成栅极驱动信号，该栅极驱动信号对逆变器电路3具有的两种开关元件(IGBT4a、M0SFET4b)的导通进行控制；电流检测电路9，其对逆变器电路3的输出电流进行检测；以及栅极驱动信号选择电路10，其将栅极驱动电路8生成的栅极驱动信号分为对IGBT4a的第I栅极驱动信号和对M0SFET4b的第2栅极驱动信号，选择是仅输出上述第I及第2栅极驱动信号中的某一个、还是输出第I栅极驱动信号及第2栅极驱动信号这两者。
[0021]逆变器电路3具有将IGBT4a和M0SFET4b并联连接且将二极管4c与上述IGBT4a及M0SFET4b以反并联的方式连接而成的元件组，将上述元件组作为上下一对的桥臂元件串联连接而构成逆变器电路3。此外，二极管4c也可以用M0SFET4b的体二极管(bodydiode)代替。另外，在图1中，例示了由U相电路4、V相电路5及W相电路6构成的3相逆变器电路，但在负载为单相电动机的情况下，不需要W相电路6。另外，转换器电路I也可以是单纯的整流电路。
[0022]图2是用于说明本实施方式所涉及的栅极驱动电路8及栅极驱动信号选择电路10的动作的框图。栅极驱动电路8具有比较器12，通过利用比较器12将电压指令生成电路7生成的电压指令与作为载波信号的三角波进行比较，从而生成栅极驱动信号A。栅极驱动信号选择电路10将栅极驱动信号A作为输入信号,基于所输入的规定信息(IGBT4a及M0SFET4b的正向电流、载波频率、逆变器电路3的温度、逆变器电路3的负载率等)，选择对IGBT4a的第I栅极驱动信号B及对M0SFET4b的第2栅极驱动信号C中的至少一个进行输出。在栅极驱动信号选择电路10中始终输入由电流检测电路9检测到的逆变器电路3的输出电流的信息，在该信息的基础上，还输入载波频率、逆变器电路3的温度及逆变器电路3的负载率等可以对损耗进行预测(评价)的信息(损耗预测信息)中的至少一个信息。此夕卜，正向电流及负载率可以基于逆变器电路3的输出电流而在栅极驱动信号选择电路10的内部进行运算，也可以在外部进行运算后输入栅极驱动信号选择电路10。
[0023]下面，参照图3，说明作为各桥臂元件而将IGBT和MOSFET并联连接的情况下的效果。图3是表示将IGBT和MOSFET并联连接的情况下的电压一电流特性的图，横轴表示各元件的正向电压，纵轴表示正向电流。
[0024]在图3中，以实线示出的波形是MOSFET的电压一电流特性，以虚线示出的波形是IGBT的电压一电流特性，以点划线示出的波形是充分运用两者的特征而进行控制的情况下的电压一电流特性。
[0025]在图3中，例如将IGBT的电压一电流特性和MOSFET的电压一电流特性的交点处的正向电流设为阈值电流时，在以该阈值电流作为边界而电流小于该阈值电流的区域(以下称为“低电流区域”)中，IGBT的损耗降低效果较大。此外，这里所称的“IGBT的损耗降低效果”是指，在以仅使用IGBT作为各桥臂元件的情况为基准时的使用IGBT及MOSFET这两者的情况的效果。如图所示，在低电流区域中，与MOSFET相比，IGBT相对于同一电流的接通电压较大，因此，与单独使用IGBT相比，同时使用IGBT及MOSFET可以减少导通损耗。
[0026]另一方面，在以图3的阈值电流为边界而电流大于该阈值电流的区域(以下称为“大电流区域”)中，MOSFET的损耗降低效果较大。此外，这里所称的“M0SFET的损耗降低效果”是指，在以仅使用MOSFET作为各桥臂元件的情况为基准时的使用IGBT及MOSFET这两者的情况的效果。如图所示，在大电流区域中，与IGBT相比，MOSFET相对于同一电流的接通电压较大，因此，与单独使用MOSFET相比，同时使用IGBT及MOSFET可以减少导通损耗。
[0027]图4是表示对在低电流时同时使用IGBT和MOSFET的情况的导通损耗进行估算的结果的图。根据该估算结果，在某一低电流时，在同时使用IGBT和MOSFET的情况下，可以得到略高于20%的损耗降低效果。
[0028]另外，图5是表示对在大电流时同时使用IGBT和MOSFET的情况的导通损耗进行估算的结果的图。根据该估算结果，在某一大电流时，在同时使用IGBT和MOSFET的情况下，可以得到略低于20%的损耗降低效果。
[0029]图6及图7是本实施方式所涉及的功率转换装置的要部动作的一个例子，图6是说明以使得对M0SFET4b的开关次数多于对IGBT4a的开关次数的方式进行控制的情况下的动作的图，图7是说明以使得对IGBT4a的开关次数多于对M0SFET4b的开关次数的方式进行控制的情况下的动作的图。在上述图6及图7中，上段部分的波形是栅极驱动电路8生成的栅极驱动信号A，与此相对，中段部分及下段部分的波形分别是栅极驱动信号选择电路10所选择的第I栅极驱动信号B及第2栅极驱动信号C。
[0030]在这里，例如在载波频率超过预先设定的阈值、且根据检测电流推测出的IGBT4a或M0SFET4b的正向电流小于规定的阈值的情况下，如图6所示，下述实施方式是优选的，即，将应向IGBT4a输出的第I栅极驱动信号B中的一部分接通信号(接通脉冲)剔除，以使得对M0SFET4b的开关次数多于对IGBT4a的开关次数的方式进行控制。这是由于，在正向电流小于阈值的情况下，如图3所示，通过使M0SFET4b优先动作，可以提高损耗降低效果。
[0031]另一方面，与上述情况相反地，例如在载波频率超过预先设定的阈值且正向电流大于或等于规定阈值的情况下，如图7所示，下述实施方式是优选的，即，将应向M0SFET4b输出的第2栅极驱动信号C中的一部分接通信号(接通脉冲)剔除，以使得对IGBT4a的开关次数多于对M0SFET4b的开关次数(对M0SFET4b的开关次数少于对IGBT4a的开关次数)的方式进行控制。这是由于，在正向电流大于或等于阈值的情况下，如图3所示，通过使IGBT4a优先动作，可以提高损耗降低效果。
[0032]根据图6及图7的开关波形可以理解，栅极驱动信号选择电路10通过将栅极驱动电路8生成的栅极驱动信号A的信号脉冲的一部分剔除而进行开关次数控制。因此，不需要复杂的电路，可以使电路结构简化。此外，在图6中，如果将应向IGBT4a输出的第I栅极驱动信号B中的所有接通脉冲剔除，则仅输出应向M0SFET4b输出的第2栅极驱动信号C。另外，在图7中，如果将应向M0SFET4b输出的第2栅极驱动信号C中的所有接通脉冲剔除，则仅输出应向IGBT4a输出的第I栅极驱动信号B。
[0033]另外，作为优选的其它实施方式，也可以替代载波频率的信息而使用逆变器电路3的温度信息。即，优选在逆变器电路3的温度超过预先设定的阈值且正向电流小于阈值的情况下，以使得对M0SFET4b的开关次数多于对IGBT4a的开关次数的方式进行控制，另一方面，在逆变器电路3的温度超过预先设定的阈值且正向电流大于或等于阈值的情况下，以使得对IGBT4a的开关次数多于对M0SFET4b的开关次数的方式进行控制。
[0034]此外，在上述的说明中，在电流的阈值判定中，使用根据检测电流推测出的IGBT4a或M0SFET4b的正向电流，但也可以不使用推测出的正向电流，而是直接使用电流检测电路9检测出的输出电流进行控制。
[0035]另外，作为优选的其它实施方式，也可以替代载波频率或逆变器电路3的温度信息而使用逆变器电路3的负载率信息。即，优选在逆变器电路3的负载率超过预先设定的阈值且正向电流小于阈值的情况下，以使得对M0SFET4b的开关次数多于对IGBT4a的开关次数的方式进行控制，另一方面，在逆变器电路3的负载率超过预先设定的阈值且正向电流大于或等于阈值的情况下，以使得对IGBT4a的开关次数多于对M0SFET4b的开关次数的方式进行控制。
[0036]如以上说明所示，根据实施方式I的功率转换装置，将基于电压指令及载波信号而由栅极驱动电路生成的栅极驱动信号分为对IGBT的第I栅极驱动信号和对MOSFET的第2栅极驱动信号，栅极驱动信号选择电路形成下述结构，即，可以选择仅输出上述第I及第2栅极驱动信号中的某一个、或者输出第I栅极驱动信号及第2栅极驱动信号这两者而进行输出，由此，得到下述效果，即，即使在作为各桥臂的开关元件而使用多个元件(例如IGBT、MOSFET)的情况下，无需在各桥臂的开关元件中全部使用损耗较小的SiC元件，即使在使用多个元件作为各桥臂的开关元件的情况下，也可以抑制成本增加。
[0037]另外，根据实施方式I的功率转换装置，由于可以将IGBT及MOSFET各自的开关次数与功率转换装置的运行状态对应而自由变更，所以得到下述效果，即，可以适当地控制开关元件的导通损耗、开关损耗、发热量等，其中，上述IGBT及MOSFET作为各桥臂的开关元件而并联设置。
[0038]实施方式2
[0039]在实施方式2中，说明构成开关元件的原料。作为逆变器电路3所使用的开关元件，通常使用以硅(Si)作为原材料的半导体开关元件(Si元件)，但也可以使用专利文献I所使用的以碳化硅(SiC)作为原材料的半导体开关元件(SiC元件)构成。
[0040]但是，由于当前SiC元件价格非常高，所以所有开关元件都使用SiC元件是低效的。另一方面，已知MOSFET构造的SiC元件可以大幅降低开关损耗。因此，在实施方式2的功率转换装置中，将M0SFET4b作为SiC元件而构成。
[0041]在如上所述构成的功率转换装置中，由于可以降低在使M0SFET4b动作的情况下的开关损耗，所以得到可以更高效地进行控制的效果。
[0042]此外，SiC具有与Si相比带隙较大的特性，是被称为宽带隙半导体的半导体的一个例子(与此相对，Si被称为窄带隙半导体)。除了该SiC之外，例如使用氮化镓类材料或金刚石形成的半导体也属于宽带隙半导体，它们的特性也大多与碳化硅类似。由此，使用除了碳化硅之外的其它宽带隙半导体的结构也符合本发明的宗旨。
[0043]另外，利用上述宽带隙半导体形成的开关元件，耐电压性高且容许电流密度也较高，因此可以使开关元件小型化，通过使用上述小型化的开关元件，可以使组装有这些元件的半导体模块小型化。
[0044]另外，由于由宽带隙半导体形成的开关元件的耐热性也较高，所以在需要散热器等冷却机构的开关元件的情况下，可以使冷却机构小型化，可以使开关元件模块进一步小型化。
[0045]此外，上述实施方式1、2所示的结构仅为本发明的结构的一个例子，当然可以与其它公知技术进行组合，也可以在不脱离本发明的主旨的范围内，以省略一部分等方式进行变更而构成。
[0046]工业实用性
[0047]如上所述，本发明作为即使在作为各桥臂的开关元件使用多个元件的情况下也可以抑制成本增加的功率转换装置起作用。
【权利要求】
1.一种功率转换装置，其具有由并联连接IGBT和MOSFET而成的元件对构成各桥臂元件的逆变器电路， 该功率转换装置的特征在于，具有: 电流检测电路，其对所述逆变器电路的输出电流进行检测； 电压指令生成电路，其基于所述电流检测电路检测到的所述输出电流，生成对所述逆变器电路输出的交流电进行控制的电压指令； 栅极驱动电路，其基于所述电压指令及载波信号，生成对所述IGBT及所述MOSFET的导通进行控制的栅极驱动信号；以及 栅极驱动信号选择电路，其将所述栅极驱动信号分为针对所述IGBT的第I栅极驱动信号和针对所述MOSFET的第2栅极驱动信号，基于所述载波信号的载波频率及能够预测所述逆变器电路的损耗的信息，选择是仅输出所述第I及第2栅极驱动信号中的某一个、还是输出所述第I栅极驱动信号及所述第2栅极驱动信号这两者。
2.根据权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于， 所述栅极驱动信号选择电路在所述载波频率超过预先设定的阈值且所述输出电流小于阈值的情况下，以使得所述MOSFET的开关次数多于所述IGBT的开关次数的方式，对所述第I栅极驱动信号或所述第。2栅极驱动信号进行控制。
3.根据权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于， 所述栅极驱动信号选择电路在所述载波频率超过预先设定的阈值且所述输出电流大于或等于阈值的情况下，以使得所述IGBT的开关次数多于所述MOSFET的开关次数的方式，对所述第I栅极驱动信号或所述第2栅极驱动信号进行控制。
4.根据权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于， 所述栅极驱动信号选择电路在所述逆变器电路的温度超过预先设定的阈值且所述输出电流小于阈值的情况下，以使得所述MOSFET的开关次数多于所述IGBT的开关次数的方式，对所述第I栅极驱动信号或所述第2栅极驱动信号进行控制。
5.根据权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于， 所述栅极驱动信号选择电路在所述逆变器电路的温度超过预先设定的阈值且所述输出电流大于或等于阈值的情况下，以使得所述IGBT的开关次数多于所述MOSFET的开关次数的方式，对所述第I栅极驱动信号或所述第2栅极驱动信号进行控制。
6.根据权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于， 所述栅极驱动信号选择电路在所述逆变器电路的负载率超过预先设定的阈值且所述输出电流小于阈值的情况下，以使得MOSFET的开关次数多于IGBT的开关次数的方式，对所述第I栅极驱动信号或所述第2栅极驱动信号进行控制。
7.根据权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于， 所述栅极驱动信号选择电路在所述逆变器电路的负载率超过预先设定的阈值且所述输出电流大于或等于阈值的情况下，以使得所述IGBT的开关次数多于所述MOSFET的开关次数的方式，对所述第I栅极驱动信号或所述第2栅极驱动信号进行控制。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的功率转换装置，其特征在于， 所述栅极驱动信号选择电路在使得所述MOSFET的开关次数多于所述IGBT的开关次数的情况下，进行将所述第I栅极驱动信号中的规定的接通脉冲剔除的控制，在使得所述IGBT的开关次数多于所述MOSFET的开关次数的情况下，进行将所述第2栅极驱动信号中的规定的接通脉冲剔除的控制。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的功率转换装置，其特征在于， 所述MOSFET是由宽带隙半导体形成的开关元件。
10.根据权利要求9所述的功率转换装置，其特征在于， 所述宽带隙半导体是使用碳化硅`、氮化镓类材料或金刚石的半导体。
【文档编号】H02M1/08GK103580526SQ201310014583
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年1月15日 优先权日:2012年7月27日
【发明者】关本安泰, 野尻祐二, 加藤昌则 申请人:三菱电机株式会社