专利名称：电力变换系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及包括多个功率器件的电力变换系统。
由于在诸如逆变器之类的电力变换系统中使用的半导体开关不是理想的开关，因此需要弥补这些开关的缺点的方法。一个方法是使用缓冲电路。对于此种缓冲电路，需要以下所示的两大作用。
以下，把电压增长率dv/dt简单地写作dv/dt，把电流增长率di/dt简单地写作di/dt。
(1)一个作用是减少加到半导体器件的dv/dt，从而减轻半导体器件上的能量负载，并在半导体器件断开时通过吸收半导体器件不能完全吸收的能量(即缓冲电路(充电/放电缓冲电路)电容器中的一部分断开损耗)，来防止破坏半导体器件。
(2)另一个作用是在半导体器件断开时，把电路的线路电感(L)所产生的过压v＝L.di/dt抑制到低于半导体器件(钳位缓冲电路)的耐压。
具有这两种作用的缓冲电路不仅可应用于常规的GTO，也可应用于IGBT、IEGT(注入增强控制极晶体管)以及4-27505号日本专利公报(公开)和6-504173号日本专利公报(公表)中所揭示的硬驱动GTO。相应于各个半导体器件的特性，把与充电/放电缓冲电路和钳位缓冲电路连用的组合用作缓冲电路。
此外，如果充电/放电缓冲电路中缓冲电容器的电容是足够的，则充电/放电缓冲电路也可吸收线路电感的能量。
这里，常规的GTO是在断开时其dv/dt耐受值小于1kv/μs的功率器件，具有例如3-10kv/μs的较大dv/dt耐受值的功率器件叫做具有大dv/dt耐受值的功率器件(硬驱动GTO、IGBT、IEGT等)。
考虑到以上的几个方面，将用图6来描述电力变换系统中常规缓冲电路的一个例子。
图6是4-289778号日本专利公报(公开)中所揭示的电力变换系统的缓冲电路。在图6中，把由缓冲电阻器RS1-RS2、可变电容型缓冲电容器CSR1-CSR2和缓冲二极管DS1-DS2构成的诸如RCD缓冲电路之类的充电/放电缓冲电路分别连到半导体器件GTO1。此外，把由钳位电阻器RK、钳位电容器CK和钳位二极管DK所构成的钳位缓冲电路也连到GTO1。
此外，在图6中，P和N是DC电源的正侧端子和负侧端子，L是电力变换系统的AC输出端子，LA是阳极电抗器，DLA是二极管，RLA是电阻器。
在图6中，当上臂的GTO1断开时，有负载电流流入GTO1的上RCD缓冲电路，以把加到GTO1的电压过充电到超出电源电压。然而，当GTO1的缓冲电容器CSR1被类似地过充电到超出电源电压时，其过充电能量被分路到钳位电容器CK，钳位电容器CK的电容比缓冲电容器CSR1的电容大，于是，可抑制缓冲电容器CSR1的过充电电压。
然而，在上述电力变换系统的常规充电/放电缓冲电路中，使用可变电容型缓冲电容器，该电容器具有这样的特性，即在低压范围电容变大，而在高压范围电容变小，从而减少缓冲器损耗并抑制过压。这里，在比DC电源电压高的电压范围内，可变电容型缓冲电容器的电容变得非常小，它不足以抑制过压。因此，为了抑制过压，还另外设置了钳位电容器CK。例如，在电力变换系统中使用诸如常规GTO之类的半导体器件(该器件在断开操作的起始处需要大电容的电容器以抑制dv/dt)时，可把这种可变电容型电容器用于缓冲电路中。这是因为在常规GTO的情况下，与GTO断开时吸收线路电感能量所需的电容器电容相比，在GTO断开时抑制dv/dt所需的电容器电容更大。相应地，即使在充电/放电缓冲电路中使用可变电容型电容器时，也可执行缓冲电路的作用。
然而，由于具有固定小电容的电容器足以用于具有大dv/dt耐受值的半导体器件，所以不需要再大胆地使用不便于操纵的可变型电容器。因此，例如IGBT之类的MOS控制极型半导体器件具有大的dv/dt耐受值，它在断开操作的起始处完全不需要电容器(在低压IGBT的情况下)或者不需要具有大电容的电容器(在高压IGBT的情况下)。在此情况下，对于缓冲电容器来说，小电容就足够了。相应地，在缓冲电路中使用可变型电容器是令人怀疑的，因为这样增加了缓冲电路中的损耗。
此外，在dv/dt耐受值比常规GTO的耐受值大的功率器件(诸如IEGT和硬驱动GTO之类)的情况下，缓冲电路所需的作用是吸收线路电感能量的作用，而不是抑制dv/dt的作用。换句话说，对于这些半导体器件，充电/放电缓冲电路电容器的电容可以比常规GTO的情况更小，而且钳位缓冲电路电容器的电容比充电/放电缓冲电路电容器的电容大得多。因此，充电/放电缓冲电路不需要使用可变电容型电容器。
此外，如图6所示，在上和下臂半导体器件中设置共用的钳位缓冲电路时，如果在这两个半导体器件之间产生过压差，则产生的问题是此钳位缓冲电路不能个别地适用于上和下臂。
相应地，本发明的目的是提供一种由dv/dt耐受值大的多个功率器件构成的电力变换系统，该系统可保护功率器件不被破坏，在功率器件断开时减少缓冲电路中的功耗，并通过抑制dv/dt和过压，进一步个别地抑制各臂中的过压。
通过提供一种电力变换系统可实现本发明的这些和其它目的，该系统包括连接在DC电源正端子和负端子之间的上臂和下臂的串联电路。上下臂都由具有大dv/dt耐受值的功率器件和与功率器件并联的第一缓冲电路构成。每个第一缓冲电路都由至少一个具有固定电容的第一电容器构成。电力变换系统还包括两个第二缓冲电路，每个电路由与上下臂中的一个臂并联的第二二极管和第二电容器的串联电路，以及连接在第二二极管与第二电容器的连接点与DC电源的负端子和正端子中一个端子之间的第二电阻器构成。
参考以下详细描述并结合附图，在更好地理解本发明后可容易地获得更完整的评价及其许多附加的优点，其中
图1是示出依据本发明第一实施例的一部分电力变换系统结构的方框图；图2是示出依据本发明第二实施例的一部分电力变换系统结构的方框图；图3是示出依据本发明第三实施例的一部分电力变换系统结构的方框图；图4是示出依据本发明第四实施例的一部分电力变换系统结构的方框图；图5A是示出依据本发明第五实施例的一部分电力变换系统结构的方框图；图5B是用于说明图5A所示实施例的作用的方框图；图5C是示出依据本发明第六实施例的一部分电力变换系统结构的方框图；以及图6是示出一部分常规电力变换系统结构的方框图。
现在将参考附图对本发明的实施例进行描述，图中以相同的标号表示相同或相应的部分。
用图1来描述本发明的第一实施例。在图1中，对电力变换系统上臂中的IGBT 5a设置诸如RCD缓冲电路之类由电容器2a、二极管3a和电阻器4a构成的充电/放电缓冲电路以及由电容器2b、二极管3b和电阻器4b构成的钳位缓冲电路。此外，对于下臂中的IGBT 5b，设置诸如RCD缓冲电路之类由电容器2c、二极管3c和电阻器4c构成的充电/放电缓冲电路以及由电容器2d、二极管3d和电阻器4d构成的钳位缓冲电路。在图1中，6是线路电感，7是DC电源。
经上RCD缓冲电路的二极管3a由电容器2a吸收流入IGBT 5a的电流，从而在电流被截断时，高电压和大电流不同时加到IGBT 5a。即，对于加到IGBT 5a的电压，在电容器2a被充电时抑制dv/dt。相应地，高电压和大电流不同时加到IGBT 5a，从而不会损坏IGBT 5a。通过电阻器4a和IGBT 5a消耗存储在电容器2a中的电荷，于是在下一次接通时损耗功率。因此，从功耗的观点来看，电容器2a的电容最好相当小。然而，如果电容器2a的电容太小，则不能抑制dv/dt，而高压和大电流将同时加到IGBT 5a。因此，需要把电容器2a的电容保持在不破坏IGBT 5a的值上。
接着，在电流被截断时，因为电容器2a的电容很小，RCD缓冲电路中的电容器2a不抑制线路电感6所产生的过压。相反，此过压是由与RCD缓冲电路分开设置的钳位缓冲电路来抑制的。因此，可使RCD缓冲电路中电容器的电容小于钳位缓冲电路中电容器2b的电容。钳位缓冲电路中的电容器2b已被充电到电路电压，该电容器用作防止过压超出电路电压的电容器。换句话说，线路电感6的能量通过二极管3b充入电容器2b，结果，使该电容器可抑制由线路电感6所产生的过压。
此外，根据IGBT 5a耐压的幅值以及线路电感6的大小来确定电容器2b的电容。线路电感6越大，则产生的过压越大。然而，过压的值应小于IGBT 5a的耐压。
因此，需要把电容器2b的电容确定为IGBT 5a不会被过压破坏的值。
如上所述，在本实施例中，由RCD缓冲电路抑制dv/dt，由钳位缓冲电路抑制线路电感所产生的过压。此外，从功耗的观点来看，RCD缓冲电路的电容器足以把dv/dt抑制到不破坏IGBT的电平，因此，非常小的电容就足够了。相应地，可把具有固定小电容的电容器用作RCD缓冲电路的电容器，即使它在完全充电或放电时，也可减少缓冲损耗。此外，在钳位缓冲电路中，功耗也更少，因为即使在电容器具有大电容时，电容器的电荷也被放电直至达到电路电压。此外，每个IGBT设有钳位缓冲电路，可相应于每个IGBT单独地抑制过压。
此外，虽然未示出，但可通过把齐纳二极管与每个电容器2a、2b并联成为电压钳位电路来抑制尖峰电压。此结构、作用和效果也可应用于以下所示的实施例。
接着，将用图2来描述本发明的第二实施例。
本实施例与第一实施例的共同之处在于连接了钳位缓冲电路，其差别在于使用RC缓冲电路，而不是RCD缓冲电路作为充电/放电缓冲电路。即，在图2中，省略了图1所示实施例中所使用的二极管3a和3d。使用RC缓冲电路的结果是利用电阻器4a充入将要充入电容器2a的电流。此实施例中抑制dv/dt的能力不及第一实施例中RCD缓冲电路抑制dv/dt的能力。然而，与只由钳位缓冲电路构成的缓冲电路结构相比，本实施例更能抑制dv/dt。应如下所述设定电容器2a和电阻器4a。即，电容器2a的电容应设定为比抑制dv/dt的电容值更大的值，从而不破坏IGBT 5a，电阻器4a的电阻应设定为比抑制dv/dt的电阻值更小的值，从而不破坏IGBT 5a。
如上所述，与第一实施例相同，按照本实施例也可抑制dv/dt和过压。此外，与第一实施例相比，本实施例还有以下的优点。即，在第一实施例中，当从DC电源7的电压为E且IGBT 5a、5b都断开的状态开始操作时，RCD缓冲电路的缓冲电容器2a和2c的电压分别为E/2。在IGBT 5a、5b中的任一个接通时，连到另一个IGBT的缓冲电容器立即从E/2充电到E。充电电流不能抑制di/dt，因为在充电电流的路径中只有线路电感6用作阻抗元件。如果在IGBT 5a、5b接通时可能由di/dt破坏IGBT 5a、5b，则为了增加电感，从而抑制di/dt必须加上阳极电抗器。这将导致增加缓冲电路中的功耗。然而，在本实施例中，在RC缓冲电路中的电阻器4a、4c分别串联到电容器2a、2c，因此，由于与第一实施例相同的原因需要设置阳极电抗器。相应地，可进一步减少功耗。
接着，将用图3描述本发明的第三实施例。
本实施例与第一实施例的相同之处在于都连接了钳位缓冲电路，其差别在于使用只由电容器2a、2c构成的充电/放电缓冲电路，而不是RCD缓冲电路。即，在图3中，省略图1所示实施例中所使用的二极管3a和3d以及电阻器4a、4c。作为使用只由电容器2a、2c构成的缓冲电路，而不是RCD缓冲电路或RC缓冲电路的结果，本实施例与第一和第二实施例的不同之处在于以下几点。在本实施例中，当IGBT 5a、5b接通时，电容器2a、2c的电荷直接放电到IGBT 5a、5b，而不通过电阻器4a、4c。结果，难于抑制di/dt。然而，在电容器2a、2c的电容可以非常小或IGBT 5a、5b对di/dt耐受值很大的情况下，即使在不通过电阻器4a、4c而使电容器2a、2c的电荷放电时，也不会有问题。此外，在本实施例中，可简化电路结构，并提高整个电力变换系统的可靠性。此外，与第一和第二实施例相比，本实施例还具有较大的dv/dt抑制效果。
虽然在以上实施例中描述了使用半导体器件IGBT的情况，但本发明还可应用于由诸如IEGT或硬驱动GTO之类具有大的dv/dt耐受值的半导体功率器件构成的电力变换系统。作为此电力变换系统的一个例子，在图4中示出了本发明的第四实施例。在图4中，使用硬驱动GTO 8a、8b，而不是图1所示第一实施例中的IGBT 5a、5b。
此外，可使用具有大的dv/dt耐受值的功率器件，而不是图2和3所示电力变换系统中的GTO 5a、5b。
接着，将用图5A描述本发明的第五实施例。在图5A中，如此构成电力变换系统，从而功率器件在上下臂中分别串联，从而提供了一种高压电力变换系统。在图5A中，分别使用三个IGBT 5a、5b、电容器2a、2c、二极管3a、3c和电阻器4a、4c，给它们的标号分别加上下标1、2和3来区分各个元件。对于钳位缓冲电路，与第一实施例相同，每个钳位缓冲电路分别连到上下臂中的一个臂。
在此实施例中，可获得与以上实施例相同的结果。此外，可期望获得的另一个效果是，如果由充电/放电缓冲电路稍稍减少dv/dt，则在所有的IGBT断开时，便于均衡上臂中的IGBT 5a1、5a2和5a3或下臂中的IGBT 5b1、5b2和5b3的串联均分电压。
此外，可使用诸如硬驱动GTO之类具有大的dv/dt耐受值的功率器件，而不是以上实施例的电力变换系统中的GTO 5a、5b。
接着，图5B是用于说明图5A中所示电力变换系统作用的方框图。在图5A所示电力变换系统的电路结构中，靠近各个IGBT 5a1、5a2、5a3和IGBT 5b1、5b2和5b3设置充电/放电缓冲电路(RCD缓冲电路)。结果，在图5B的充电/放电缓冲电路中由标号La1、La2、La3和Lc1、Lc2、Lc3所示的线路电感很小。另一方面，在图5B的钳位缓冲电路中由标号Lb、Ld所示分别为上下臂集中提供的线路电感较大。在IGBT 5a1、5a2和5a3或IGBT 5b1、5b2和5b3断开且充电/放电缓冲电路中电容器2a1、2a2、2a3或电容器2c1、2c2、2c3的充电电压大于DC电源7的电源电压的三分之一(E/3)的情况下，存储在线路电感6中的能量不充入钳位缓冲电路的电容器2b或2d，相反，这些能量充入充电/放电缓冲电路的电容器2a1、2a2、2a3或电容器2c1、2c2、2c3。由于充电/放电缓冲电路中电容器2a1、2a2、2a3或电容器2c1、2c2、2c3的电容非常小，所以电容器2a1、2a2、2a3或电容器2c1、2c2、2c3的充电电压变得极高，其结果是过压可能破坏IGBT 5a1、5a2和5a3或IGBT 5b1、5b2和5b3。
为了防止破坏IGBT，如图5C所示提供了第六实施例。除了如图5C所示在上下臂中分别设置阳极电抗器LAa和LAb以外，第六实施例与第五实施例相同。由以下公式确定阳极电抗器LAa和Lab的电感阳极电抗器LAa(LAb)的电感+(La1+La2+La3)((Lc1+Lc2+Lc3))的线路电感＞Lb(Ld)的线路电感。
通过在上下臂中设置阳极电抗器LAa和LAb，当加到上或下臂的电压大于电源电压E时，则主要由上或下钳位缓冲电路中的电容器2b或2d对存储在线路电感6中的能量进行注入。结果，抑制了加到IGBT 5a1、5a2和5a3或IGBT 5b1、5b2和5b3的过压，从而防止这些IGBT被破坏。
如上所述，依据本发明，可提供一种由dv/dt耐受值大的多个功率器件构成的电力变换系统，该系统可保护功率器件不被破坏，在功率器件断开时减少缓冲电路中的功耗，并通过抑制dv/dt和过压，分别进一步抑制各臂中的过压。
很明显，可依据上述内容对本发明作大量修改和变化。因此，可理解除这里特别所述的之外，可在所附权利要求书的范围内实施本发明。
权利要求
1.一种电力变换系统，其特征在于包括连接在DC电源正侧端子和负侧端子之间的上臂和下臂的串联电路；每个所述上下臂都由具有大的dv/dt耐受值的功率器件和与所述功率器件并联的第一缓冲电路构成；每个所述第一缓冲电路都由至少一个具有固定电容的第一电容器构成；以及两个第二缓冲电路，每个所述电路由与所述上下臂中的一个臂并联的第二二极管和第二电容器的串联电路，以及分别连接在所述第二二极管与所述第二电容器的连接点与所述DC电源的所述负侧端子和所述正侧端子中一个端子之间的第二电阻器构成。
2.如权利要求1所述的电力变换系统，其特征在于每个所述第一缓冲电路由所述第一电容器以及第一电阻器和第一二极管的并联电路的串联电路构成。
3.如权利要求1所述的电力变换系统，其特征在于每个第一缓冲电路由所述第一电容器和第一电阻器的串联电路构成。
4.如权利要求1、2和3中任一项所述的电力变换系统，其特征在于所述第一缓冲电路中所述第一电容器的电容小于所述第二缓冲电路中所述第二电容器的电容，并且大于在所述功率器件断开时抑制dv/dt所需的电容。
5.如权利要求1、2和3中任一项所述的电力变换系统，其特征在于每个所述第一缓冲电路还包括与所述第一电容器并联的电压钳位电路。
6.如权利要求1、2和3中任一项所述的电力变换系统，其特征在于每个所述上和下臂由具有大的dv/dt耐受值的多个所述功率器件与多个所述第一缓冲电路的串联电路构成，每个所述第一缓冲电路分别与所述功率器件中的一个装置并联。
7.如权利要求6所述的电力变换系统，其特征在于所述第一缓冲电路中所述第一电容器的电容小于所述第二缓冲电路中所述第二电容器的电容，并且大于在所述功率器件断开时抑制dv/dt所需的电容。
8.如权利要求6所述的电力变换系统，其特征在于每个所述第一缓冲电路还包括与所述第一电容器并联的电压钳位电路。
9.如权利要求1、2和3中任一项所述的电力变换系统，其特征在于每个所述上和下臂由阳极电抗器、具有大的dv/dt耐受值的多个所述功率器件以及多个所述第一缓冲电路的串联电路构成，每个所述第一缓冲电路分别与所述功率器件中的一个装置并联。
10.如权利要求9所述的电力变换系统，其特征在于所述第一缓冲电路中所述第一电容器的电容小于所述第二缓冲电路中所述第二电容器的电容，并且大于在所述功率器件断开时抑制dv/dt所需的电容。
11.如权利要求9所述的电力变换系统，其特征在于每个所述第一缓冲电路还包括与所述第一电容器并联的电压钳位电路。
全文摘要
一种电力变换系统,包括连接在DC电源正侧端子和负侧端子之间的上和下臂的串联电路以及两个第二缓冲电路。上下臂都由具有大的dv/dt耐受值的功率器件和与功率器件并联的第一缓冲电路构成。每个第一缓冲电路由至少一个具有固定电容的第一电容器构成。每个第二缓冲电路由与上下臂中一个臂并联的第二二极管和第二电容器的串联电路,以及连接在第二二极管与第二电容器的连接点与DC电源负侧端子和正侧端子中一个端子之间的第二电阻器构成。
文档编号H02M7/538GK1182972SQ9712057
公开日1998年5月27日 申请日期1997年10月7日 优先权日1996年10月7日
发明者星公弘 申请人:东芝株式会社