電力轉(zhuǎn)換裝置制造方法
【專(zhuān)利摘要】一種電力轉(zhuǎn)換裝置，具備雙向開(kāi)關(guān)，該雙向開(kāi)關(guān)插入安裝于串聯(lián)連接且被相互關(guān)聯(lián)地進(jìn)行導(dǎo)通關(guān)斷驅(qū)動(dòng)來(lái)轉(zhuǎn)換直流電壓的一對(duì)或多對(duì)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件的串聯(lián)連接點(diǎn)與電源部之間，將上述半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件鉗位在上述直流電壓的中間電位點(diǎn)，該電力轉(zhuǎn)換裝置用于防止上述半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件進(jìn)行關(guān)斷動(dòng)作時(shí)上述雙向開(kāi)關(guān)損壞。將上述半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件進(jìn)行關(guān)斷動(dòng)作時(shí)在上述雙向開(kāi)關(guān)處產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)抑制為上述雙向開(kāi)關(guān)開(kāi)始正向恢復(fù)時(shí)的柵極電壓與柵極閾值電壓之差以下，從而防止上述雙向開(kāi)關(guān)正向恢復(fù)時(shí)的異常電壓上升。
【專(zhuān)利說(shuō)明】電力轉(zhuǎn)換裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種在成對(duì)的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件的串聯(lián)連接點(diǎn)與電源部之間插入安裝有雙向開(kāi)關(guān)的中性點(diǎn)鉗位(NPC)式電力轉(zhuǎn)換裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]作為小型且高效的電力轉(zhuǎn)換裝置，已知一種逆變器，該逆變器對(duì)串聯(lián)連接的一對(duì)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件以相互關(guān)聯(lián)的方式進(jìn)行導(dǎo)通關(guān)斷(0N/0FF)驅(qū)動(dòng)來(lái)轉(zhuǎn)換直流電壓。其中尤其是以三電平逆變器為代表的多電平逆變器與一般的兩電平逆變器相比在實(shí)現(xiàn)小型化、高效化的方面具有很多優(yōu)點(diǎn)。順帶一提，三電平逆變器也被稱(chēng)為中性點(diǎn)鉗位式(NPC ；NeutralPoint Clamped)逆變器。如果將上述直流電壓設(shè)為Vin，則針對(duì)該中性點(diǎn)的輸出電壓為土Vin/2以及O這三個(gè)值。因而，使用了三電平逆變器的三相逆變器中的輸出電壓取土Vin、土Vin/2以及O這五個(gè)值。由此，生成接近正弦波的交流電壓(例如參照專(zhuān)利文獻(xiàn)1、2)。
[0003]圖1表示構(gòu)建了三相交流用電力轉(zhuǎn)換裝置的改進(jìn)型NPC式逆變器的概要結(jié)構(gòu)圖。該逆變器(電力轉(zhuǎn)換裝置)具備三對(duì)(六個(gè))半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件(例如IGBT:1nsulated GateBipolar Transistor,絕緣柵雙極型晶體管)Q1、Q2?Q6,這三對(duì)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件分別串聯(lián)連接而形成三組半橋電路，被相互關(guān)聯(lián)地進(jìn)行導(dǎo)通關(guān)斷驅(qū)動(dòng)來(lái)轉(zhuǎn)換直流電壓Vin。這些半橋電路并聯(lián)連接而構(gòu)成針對(duì)三相交流的全橋電路。此外，圖中D1、D2?D6是被設(shè)置成與上述各半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件Q1、Q2?Q6分別反并聯(lián)的多個(gè)續(xù)流二極管(free-wheeling diode)。另夕卜，在上述各半橋電路的中間點(diǎn)與電源部之間，分別插入安裝有將上述半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件Q1、Q2?Q6鉗位在上述直流電壓Vin的中性點(diǎn)(中間電位點(diǎn)；Vin/2)的三個(gè)雙向開(kāi)關(guān)S1、S2、S3。
[0004]這些雙向開(kāi)關(guān)S1、S2、S3例如圖2的(a)所示那樣由反并聯(lián)連接的開(kāi)關(guān)元件(例如IGBT)Q11、Q12以及與各開(kāi)關(guān)元件Q11、Q12分別串聯(lián)連接的二極管D11、D12構(gòu)成。這些二極管D11、D12起到提高上述開(kāi)關(guān)元件Q11、Q12的反向耐壓的作用。另外，最近，將提高了反向耐壓的開(kāi)關(guān)元件(例如逆阻型IGBT)Q21、Q22如圖2的(b)所示那樣反并聯(lián)連接來(lái)構(gòu)建上述雙向開(kāi)關(guān)S1、S2、S3的情況也多(例如參照專(zhuān)利文獻(xiàn)3、4)。
[0005]此外，也有時(shí)使用MOS-FET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor:金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管)來(lái)代替上述IGBT作為上述半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件Ql、Q2?Q6，另外還有時(shí)使用逆阻型MOS-FET代替逆阻型IGBT來(lái)構(gòu)建上述雙向開(kāi)關(guān)S1、S2、S3。
[0006]專(zhuān)利文獻(xiàn)1:日本特開(kāi)2012-253981號(hào)公報(bào)
[0007]專(zhuān)利文獻(xiàn)2:日本特開(kāi)2011-223867號(hào)公報(bào)
[0008]專(zhuān)利文獻(xiàn)3:日本特開(kāi)2011-193646號(hào)公報(bào)
[0009]專(zhuān)利文獻(xiàn)4:日本特開(kāi)2008-193779號(hào)公報(bào)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]發(fā)明要解決的問(wèn)題[0011]但是，隨著上述IGBT、MOS-FET的開(kāi)關(guān)速度的提高，NPC式逆變器中的各種部位處的布線電感越來(lái)越成為問(wèn)題。例如當(dāng)上述半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件(IGBT)Ql、Q2?Q6與上述雙向開(kāi)關(guān)(反向耐壓IGBT) S1、S2、S3之間的布線電感大時(shí)，該半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件(IGBT) Ql、Q2?Q6進(jìn)行關(guān)斷動(dòng)作時(shí)的浪涌電壓變大。因此，上述半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件(IGBT)Ql、Q2?Q6以及上述雙向開(kāi)關(guān)(反向耐壓IGBT)S1、S2、S3需要具備電壓耐量高的特性。
[0012]但是在這種情況下，會(huì)招致上述半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件(IGBT)Ql、Q2?Q6等的大型化、成本提高的問(wèn)題。因此，以往例如嘗試了以下做法:將分別構(gòu)成上述各半橋電路的一對(duì)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件以及上述雙向開(kāi)關(guān)收納在一個(gè)封裝中來(lái)模塊化，減小該半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件與雙向開(kāi)關(guān)之間的布線電感。
[0013]然而，在如上所述那樣構(gòu)成的NPC式逆變器中確認(rèn)出，在上述半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件QU Q2?Q6的開(kāi)關(guān)速度(關(guān)斷速度)快的情況下，會(huì)產(chǎn)生如下現(xiàn)象:在該半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件Ql、Q2?Q6進(jìn)行關(guān)斷動(dòng)作時(shí)上述雙向開(kāi)關(guān)會(huì)隨著發(fā)熱而發(fā)生元件損壞。為了消除這種問(wèn)題，例如考慮增大針對(duì)雙向開(kāi)關(guān)的冷卻裝置，但是這自然是有限的。
[0014]本發(fā)明是考慮到這種情形而完成的，其目的在于提供一種即使在半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件的開(kāi)關(guān)速度(關(guān)斷速度)快的情況下也能夠有效避免該半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件進(jìn)行關(guān)斷動(dòng)作時(shí)的雙向開(kāi)關(guān)的元件損壞的電力轉(zhuǎn)換裝置。
[0015]用于解決問(wèn)題的方案
[0016]本發(fā)明是著眼于半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件進(jìn)行關(guān)斷動(dòng)作時(shí)的上述雙向開(kāi)關(guān)的行為而完成的。即，在半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件進(jìn)行關(guān)斷動(dòng)作時(shí)，構(gòu)成上述雙向開(kāi)關(guān)的元件(逆阻型IGBT或逆阻型M0S-FET)以二極管模式進(jìn)行動(dòng)作。此時(shí)，上述逆阻型IGBT(逆阻型M0S-FET)處于其柵極被正偏置而溝道打開(kāi)的狀態(tài)，在該狀態(tài)下如圖3的(a)所示那樣從反向偏置狀態(tài)切換為正向偏置狀態(tài)。在此，圖3示出了在上述半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件進(jìn)行關(guān)斷動(dòng)作時(shí)施加于上述逆阻型IGBT (逆阻型M0S-FET)的電壓(Vce)和流過(guò)該逆阻型IGBT的電流(Ic)的變化。
[0017]順帶一提，上述逆阻型IGBT(逆阻型M0S-FET)以上述的二極管模式進(jìn)行動(dòng)作的狀態(tài)是與二極管的正向恢復(fù)相當(dāng)?shù)膭?dòng)作模式。而且確認(rèn)出，在該動(dòng)作模式下，若上述半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件的關(guān)斷速度快，則會(huì)例如圖3的(b)所示那樣施加于上述逆阻型IGBT(逆阻型M0S-FET)的電壓(Vce)異常地上升。于是，此時(shí)流過(guò)上述逆阻型IGBT(逆阻型M0S-FET)的電流(Ic)大，與此相應(yīng)地該逆阻型IGBT(逆阻型M0S-FET)中的損耗變大。本發(fā)明是著眼于因這種現(xiàn)象導(dǎo)致發(fā)生元件損壞的情況而完成的。
[0018]因此，本發(fā)明所涉及的電力轉(zhuǎn)換裝置基本上構(gòu)成為具備:一對(duì)或多對(duì)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件，各對(duì)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件串聯(lián)連接而形成半橋電路，被相互關(guān)聯(lián)地進(jìn)行導(dǎo)通關(guān)斷驅(qū)動(dòng)來(lái)轉(zhuǎn)換直流電壓；多個(gè)續(xù)流二極管，該多個(gè)續(xù)流二極管被設(shè)置成與各半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件分別反并聯(lián)；以及雙向開(kāi)關(guān)，其插入安裝于上述半橋電路的中間點(diǎn)與電源部之間，將上述半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件鉗位在上述直流電壓的中間電位點(diǎn)，該電力轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行設(shè)定，使得避免在上述半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件進(jìn)行關(guān)斷動(dòng)作時(shí)上述雙向開(kāi)關(guān)變?yōu)殛P(guān)斷狀態(tài)。
[0019]而且，特別是在本發(fā)明中，特征在于，上述電力轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行設(shè)定，使得將伴隨上述半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件的關(guān)斷動(dòng)作而在上述雙向開(kāi)關(guān)正向恢復(fù)時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)抑制為上述雙向開(kāi)關(guān)開(kāi)始正向恢復(fù)時(shí)的柵極電壓與柵極閾值電壓之差以下。
[0020]順帶一提，上述半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件是絕緣柵雙極型晶體管即IGBT或者金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管即MOS-FET，而且上述雙向開(kāi)關(guān)由反并聯(lián)連接的一對(duì)逆阻型IGBT或者逆阻型MOS-FET構(gòu)成。此外，當(dāng)然也能夠使用以下結(jié)構(gòu)的雙向開(kāi)關(guān):將一對(duì)IGBT或MOS-FET反并聯(lián)連接，并且在上述各IGBT或MOS-FET上分別串聯(lián)連接二極管來(lái)提高耐壓。
[0021]具體地說(shuō)，以依賴(lài)于上述半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件的關(guān)斷速度的上述雙向開(kāi)關(guān)的正向恢復(fù)速度與該雙向開(kāi)關(guān)的電感之積來(lái)求出上述雙向開(kāi)關(guān)正向恢復(fù)時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，進(jìn)行設(shè)定使得該感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為上述柵極電壓與上述柵極閾值電壓之差以下。
[0022]另外，本發(fā)明所涉及的電力轉(zhuǎn)換裝置的特征在于，在上述的基本結(jié)構(gòu)下，特別進(jìn)行設(shè)定，使得在將伴隨上述半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件的關(guān)斷動(dòng)作的上述雙向開(kāi)關(guān)開(kāi)始正向恢復(fù)時(shí)的上述雙向開(kāi)關(guān)的柵極電壓設(shè)為Vg、將柵極閾值電壓設(shè)為Vg(th)、將上述雙向開(kāi)關(guān)的電感設(shè)為L(zhǎng)e、將直到達(dá)到最大正向恢復(fù)電流為止的正向恢復(fù)電流的時(shí)間變化設(shè)為di/dt、將直到達(dá)到上述最大正向恢復(fù)電流為止的時(shí)間設(shè)為tr、將上述雙向開(kāi)關(guān)的柵極電阻設(shè)為Rg、將上述雙向開(kāi)關(guān)的柵極輸入電容設(shè)為Cg、且正向恢復(fù)時(shí)的上述雙向開(kāi)關(guān)的集電極電壓的上升延遲時(shí)間為上述柵極電壓Vg降低到上述柵極閾值電壓Vg(th)的時(shí)間的3倍左右時(shí)，滿足以下的關(guān)系:
[0023]Vg-Vg (th) ^ Le.(di/dt) [ β / Y ].α
[0024]a =l_exp {-tr/ (Rg .Cg)}
[0025]β =l_exp {- (2/9) tr/ (Rg.Cg)}
[0026]y =l-exp {- (2/3) tr/ (Rg.Cg)}。
[0027]此時(shí)，在上述(β/GAMMA)在[0〈tr/(Rg.Cg) < °o ]的范圍內(nèi)取[1/3~I]的值的情況下，也可以簡(jiǎn)單地設(shè)定為滿足以下關(guān)系:
[0028]Vg-Vg (th) ^ (1/3).Le.(di/dt).α
[0029]a =l_exp {-tr/ (Rg.Cg)}。
[0030]另外，本發(fā)明所涉及的另一電力轉(zhuǎn)換裝置的特征在于，在上述的基本結(jié)構(gòu)下進(jìn)行設(shè)定使得滿足以下關(guān)系:
[0031]Vg-Vg (th) ^ Le.(di/dt).α
[0032]a =l_exp {-tr/ (Rg.Cg)}。
[0033]此時(shí)，也可以簡(jiǎn)單地設(shè)定為滿足以下關(guān)系:
[0034]Vg-Vg(th) ^ Le.(di/dt)。
[0035]順帶一提，通過(guò)使上述雙向開(kāi)關(guān)的柵極驅(qū)動(dòng)電壓從上述雙向開(kāi)關(guān)即將正向恢復(fù)起在產(chǎn)生正向恢復(fù)電流的時(shí)間變化的整個(gè)期間內(nèi)上升，來(lái)實(shí)現(xiàn)滿足上述各條件的設(shè)定。具體地說(shuō)，通過(guò)對(duì)上述雙向開(kāi)關(guān)中的柵極電路的時(shí)間常數(shù)進(jìn)行增大設(shè)定，例如通過(guò)在上述雙向開(kāi)關(guān)的柵極-發(fā)射極間或柵極-源極間插入安裝電容器、或者對(duì)上述雙向開(kāi)關(guān)的柵極電路附加電感成分，來(lái)實(shí)現(xiàn)滿足上述各條件的設(shè)定。
[0036]發(fā)明的效果
[0037]根據(jù)上述結(jié)構(gòu)的電力轉(zhuǎn)換裝置，即使在半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件進(jìn)行關(guān)斷動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生因雙向開(kāi)關(guān)的正向恢復(fù)導(dǎo)致的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，上述雙向開(kāi)關(guān)的柵極電壓也不會(huì)降低到使該雙向開(kāi)關(guān)關(guān)斷的電壓以下，上述雙向開(kāi)關(guān)會(huì)保持為導(dǎo)通狀態(tài)。即，在上述半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件進(jìn)行關(guān)斷動(dòng)作時(shí)流過(guò)上述雙向開(kāi)關(guān)的正向恢復(fù)電流發(fā)生變化的期間，該雙向開(kāi)關(guān)的柵極電壓不會(huì)達(dá)到流通上述正向恢復(fù)電流所需的柵極電壓。其結(jié)果，施加于上述雙向開(kāi)關(guān)的集電極電壓不會(huì)急劇上升，從而能夠避免正向恢復(fù)時(shí)異常電壓上升。
[0038]因而，即使在上述半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件的開(kāi)關(guān)速度(關(guān)斷速度)快的情況下，也能夠有效避免上述半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件進(jìn)行關(guān)斷動(dòng)作時(shí)因伴隨上述雙向開(kāi)關(guān)的正向恢復(fù)所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)導(dǎo)致的元件損壞。因此，能夠不招致元件的大型化、成本提高等問(wèn)題而實(shí)現(xiàn)高效的電力轉(zhuǎn)換裝置。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0039]圖1是本發(fā)明所涉及的三相交流用的電力轉(zhuǎn)換裝置(改進(jìn)型NPC式逆變器)的概要結(jié)構(gòu)圖。
[0040]圖2是表示圖1所示的電力轉(zhuǎn)換裝置中的雙向開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)例的圖。
[0041]圖3是表示在半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件進(jìn)行關(guān)斷動(dòng)作時(shí)施加于雙向開(kāi)關(guān)(逆阻型IGBT)的電壓(Vce)和流過(guò)逆阻型IGBT的電流(Ic)的變化的圖。
[0042]圖4是用于說(shuō)明半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件Q2進(jìn)行關(guān)斷動(dòng)作時(shí)的雙向開(kāi)關(guān)SI的動(dòng)作的電路圖。
[0043]圖5是將圖4所示的電路等效簡(jiǎn)化來(lái)示出的圖。
[0044]圖6是表示發(fā)生因雙向開(kāi)關(guān)SI的正向恢復(fù)導(dǎo)致的電壓異常產(chǎn)生時(shí)的電壓和電流的變化的圖。
[0045]圖7是表示減小雙向開(kāi)關(guān)SI的發(fā)射極電感來(lái)避免因正向恢復(fù)導(dǎo)致的電壓異常產(chǎn)生時(shí)的電壓和電流的變化的圖。
[0046]圖8是表示正向恢復(fù)時(shí)的(β/y)的變化的情形的圖。
[0047]圖9是表示預(yù)測(cè)雙向開(kāi)關(guān)SI的集電極電壓的上升延遲來(lái)避免因正向恢復(fù)導(dǎo)致的電壓異常產(chǎn)生時(shí)的電壓和電流的變化的圖。
[0048]圖10是表示增大雙向開(kāi)關(guān)SI的柵極電感來(lái)避免因正向恢復(fù)導(dǎo)致的電壓異常產(chǎn)生時(shí)的電壓電流變化的圖。
[0049]附圖標(biāo)記說(shuō)明
[0050]Q1、Q2~Q6:半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件(IGBT) ;D1、D2~D6:續(xù)流二極管；S1、S2、S3:雙向開(kāi)關(guān)；Q21、Q22:逆阻型IGBT ；RL:負(fù)載。
【具體實(shí)施方式】
[0051]下面，參照附圖來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式所涉及的電力轉(zhuǎn)換裝置。
[0052]該實(shí)施方式所涉及的電力轉(zhuǎn)換裝置由改進(jìn)型NPC式三相交流用逆變器構(gòu)成。該逆變器(電力轉(zhuǎn)換裝置)基本上如圖1所示那樣具備串聯(lián)連接而形成三組半橋電路的三對(duì)(六個(gè))半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件(例如IGBT)Q1、Q2~Q6。對(duì)這些各半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件Q1、Q2~Q6，分別以反并聯(lián)的方式設(shè)置有續(xù)流二極管D1、D2~D6。而且，在上述各半橋電路的中間點(diǎn)與電源部之間分別插入安裝有雙向開(kāi)關(guān)S1、S2、S3。
[0053]在此，著眼于一個(gè)相(U相)來(lái)說(shuō)明半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件(IGBT)Q2進(jìn)行關(guān)斷動(dòng)作時(shí)的雙向開(kāi)關(guān)SI的動(dòng)作。當(dāng)著眼于如圖4所示那樣伴隨U相的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件Q2和V相的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件Q3的導(dǎo)通動(dòng)作而向負(fù)載RL的U-V相間供給電力的狀態(tài)時(shí)，能夠如圖5所示那樣等效簡(jiǎn)化地表示該狀態(tài)。[0054]此外,在圖5中，Lm表示負(fù)載RL的電感(主電感)，Le1、Lc1、Lgl表示半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件(IGBT)Q2的發(fā)射極、集電極以及柵極的各電感，Rgl表示上述半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件(IGBT)Q2的柵極電阻。另外，Le2、Lc2、Lg2表示構(gòu)成雙向開(kāi)關(guān)SI的元件(逆阻型IGBT)Q22的發(fā)射極、集電極以及柵極的各電感，Rg2表示上述元件(逆阻型IGBT)Q22的柵極電阻。而且，LsU Ls2表示電源線上的U相和V相的布線電感。
[0055]參照該圖5來(lái)說(shuō)明上述元件(逆阻型IGBT)Q22中產(chǎn)生的正向恢復(fù)時(shí)的異常電壓上升。在上述半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件(IGBT) Q2處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)、即進(jìn)行關(guān)斷動(dòng)作之前，上述半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件(IGBT)Q2和上述元件(逆阻型IGBT)Q22均被施加有+15V的柵極電壓。而且，主電流I從負(fù)載RL經(jīng)由半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件(IGBT) Q2而流動(dòng)。此時(shí)，上述元件(逆阻型IGBT)Q22的集電極-發(fā)射極間被施加反向電壓，該元件(逆阻型IGBT)Q22處于關(guān)斷狀態(tài)。
[0056]當(dāng)從該狀態(tài)起向上述半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件(IGBT)Q2施加-15V的柵極電壓而由此上述半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件(IGBT)Q2開(kāi)始進(jìn)行關(guān)斷動(dòng)作時(shí)，該半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件(IGBT)Q2的集電極電壓開(kāi)始上升。然后，當(dāng)上述半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件(IGBT)Q2的集電極電壓超過(guò)了該電力轉(zhuǎn)換裝置的電源電壓Vin(270V)時(shí)，上述元件(逆阻型IGBT)Q22被施加正向電壓。由此，原本流過(guò)上述半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件(IGBT) Q2的電流I作為上述元件(逆阻型IGBT)Q22的正向恢復(fù)電流而流入。這樣經(jīng)由上述元件(逆阻型IGBT)Q22而流入的正向恢復(fù)電流作為回流電流IfV在與上述主電感Lm之間回流。
[0057]此時(shí)，直到上述回流電流(正向恢復(fù)電流)Ifw達(dá)到其最大值(最大正向恢復(fù)電流)為止的時(shí)間性變化di/dt被稱(chēng)為關(guān)斷動(dòng)作di/dt或正向恢復(fù)di/dt。該關(guān)斷動(dòng)作di/dt (正向恢復(fù)di/dt)主要由上述半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件(IGBT)Q2的開(kāi)關(guān)速度(關(guān)斷速度)決定。而且，根據(jù)該關(guān)斷動(dòng)作di/dt (正向恢復(fù)di/dt)和上述元件(逆阻型IGBT)Q22的發(fā)射極電感Le2而在該元件(逆阻型IGBT)Q22處產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，使得上述元件(逆阻型IGBT)Q22的發(fā)射極電位上升。
[0058]于是，施加于上述元件(逆阻型IGBT)Q22的柵極-發(fā)射極間的電壓Vge相對(duì)于施加于該元件(逆阻型IGBT)Q22的柵極的柵極電壓Vg(15V)降低上述感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)AV的量。其結(jié)果，在上述元件(逆阻型IGBT) Q22的柵極處生成負(fù)的電流Ig (從柵極流出的電流)。而且，在上述感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)AV大的情況下，上述元件(逆阻型IGBT)Q22開(kāi)始關(guān)斷。
[0059]此時(shí)，即使上述回流電流達(dá)到最大正向恢復(fù)電流而上述關(guān)斷動(dòng)作di/dt(正向恢復(fù)di/dt)變?yōu)榱?0)，也會(huì)在由上述元件(逆阻型IGBT)Q22的柵極電阻和該元件(逆阻型IGBT)Q22的柵極電容決定的電路常數(shù)下，在由該電路常數(shù)決定的時(shí)間內(nèi)上述負(fù)的柵極電流Ig繼續(xù)流動(dòng)。因此，上述元件(逆阻型IGBT)Q22的關(guān)斷動(dòng)作繼續(xù)。
[0060]在這樣負(fù)的柵極電流Ig繼續(xù)流動(dòng)的期間，上述元件(逆阻型IGBT)Q22中的反饋電容Cgc的放電繼續(xù)。然后，上述元件(逆阻型IGBT)Q22進(jìn)入其柵極-發(fā)射極間電壓Vge固定的所謂的鏡像期間(mirror period)的狀態(tài)。于是，上述元件(逆阻型IGBT)Q22的集電極電流按照如下式所示的柵極電流與位移電流之間的關(guān)系而上升。
[0061 ] 即，根據(jù)上述元件(逆阻型IGBT) Q22的柵極-發(fā)射極間電壓Vge與上述反饋電容Cgc的伴隨放電的時(shí)間性變化之間的關(guān)系，上述柵極電流Ig呈如下的變化。
[0062]Ig=Vge.(dCgc/dt)...(I)
[0063]此外，上述元件(逆阻型IGBT)Q22的上述反饋電容Cgc根據(jù)其元件結(jié)構(gòu)，以[0064]Cgc=Cox.Cfd/ (Cox 十 Cfd)...(2)
[0065]Cox= ε ox.(S/tox)
[0066]Cfd= ε si.(S/d)
[0067]來(lái)提供。其中，ε si是構(gòu)成上述元件(逆阻型IGBT)Q22的基體(硅)的介電常數(shù)，ε οχ是該元件(逆阻型IGBT)Q22的柵極氧化膜的介電常數(shù)，而且tox是上述柵極氧化膜的厚度。另外，d是上述元件(逆阻型IGBT)Q22中的耗盡層的寬度，S是柵電極與集電極的對(duì)置面積。
[0068]而且，在將元電荷設(shè)為q、將該元件(逆阻型IGBT)Q22的漂移區(qū)中的施主濃度(donor concentration)設(shè)為Nd時(shí),施加于上述元件(逆阻型IGBT) Q22的集電極-發(fā)射極間電壓Vce以
[0069]Vce= {(q.Nd) / (2.ε si)}.d2…(3)
[0070]來(lái)提供。
[0071]在此，在上述元件(逆阻型IGBT)Q22的集電極-發(fā)射極間施加有幾十V左右的電壓時(shí)，由于處于上述耗盡層的寬度d充分大于上述柵極氧化膜的厚度tox的狀態(tài)，因此上述反饋電容Cgc為
[0072]Cgc= ε si.(S/d)...(4)。
[0073]另外，此時(shí)的上述柵極電流Ig為
[0074]Ig=-A.(dVce1/2/dt)
[0075]A=S.Vge.( ε si.q.Nd/2)1/2…(5)。
[0076]因而，根據(jù)上述(5)式可知:如果上述柵極電流Ig為負(fù)，則由此施加于上述元件(逆阻型IGBT) Q22的集電極-發(fā)射極間電壓Vce變大。而且，直到上述柵極電流Ig切換為正或者上述元件(逆阻型IGBT)Q22雪崩擊穿(avalanche breakdown)為止,該集電極電壓(集電極-發(fā)射極間電壓Vce)的上升持續(xù)。
[0077]順帶一提，在上述感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)AV小的情況下、即沒(méi)有負(fù)的柵極電流Ig流過(guò)上述元件(逆阻型IGBT)Q22的情況下，不會(huì)發(fā)生上述的元件(逆阻型IGBT)Q22的正向恢復(fù)。因而，在這種情況下，隨著上述半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件Q2的關(guān)斷動(dòng)作完成，原本流過(guò)該半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件Q2的電流I從上述元件(逆阻型IGBT)Q22通過(guò)上述負(fù)載RL (主電感Lm)而回流。
[0078]圖6示出了表示上述元件(逆阻型IGBT)Q22中的正向恢復(fù)時(shí)的異常電壓上升的電流電壓變化的情形。此外，圖6示出了上述元件(逆阻型IGBT)Q22的發(fā)射極電感Le2為ΙΟηΗ、柵極電容Cg為5nF、柵極電阻Rg2為5 Ω、柵極閾值電壓Vg(th)為10V、且施加15V作為關(guān)斷動(dòng)作開(kāi)始時(shí)的柵極電壓Vg時(shí)的特性(實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù))。
[0079]在該圖6所示的特性例中，基于流過(guò)上述元件(逆阻型IGBT)Q22的電流(集電極電流Ic)從10%變化到90%的期間tr的值，來(lái)求出上述正向恢復(fù)di/dt為大約3000A/yso另外，由于上述元件(逆阻型IGBT)Q22的發(fā)射極電感Le2如上所述那樣為ΙΟηΗ，因此該元件(逆阻型IGBT)Q22的發(fā)射極-集電極間產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)AV為大約30ν(=10ηΗ.3000Α/μ S)。因而，在這種情況下，認(rèn)為施加于上述元件(逆阻型IGBT)Q22的發(fā)射極-柵極間的電壓過(guò)渡性地從約15V變化(降低)到-15V。而且，認(rèn)為由于該電壓降低而上述元件(逆阻型IGBT)Q22變得無(wú)法保持導(dǎo)通狀態(tài)，其結(jié)果，發(fā)生了因正向恢復(fù)導(dǎo)致的異常電壓上升。[0080]順帶一提，在圖6所示的例子中，從上述半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件(IGBT)Q2開(kāi)始關(guān)斷動(dòng)作時(shí)起140ns后產(chǎn)生上述元件(逆阻型IGBT)Q22的正向恢復(fù)di/dt，與此同時(shí)該元件(逆阻型IGBT)Q22的柵極電壓Vg開(kāi)始降低。另外，同時(shí)從上述元件(逆阻型IGBT)Q22的柵極流出負(fù)的電流。而且，在180ns后上述元件(逆阻型IGBT)Q22的柵極電壓Vg變?yōu)榱魍?00A的電流所需的10V，此后進(jìn)入鏡像期間。之后，上述元件(逆阻型IGBT)Q22的集電極電壓Vce繼續(xù)上升,在經(jīng)過(guò)200ns的時(shí)間點(diǎn)上述正向恢復(fù)di/dt消失,但是負(fù)的電流雖然減少但繼續(xù)流過(guò)上述元件(逆阻型IGBT)Q22的柵極。然后，在210ns后，發(fā)生集電極電壓Vce的急劇上升。并且在220ns后上述柵極電流轉(zhuǎn)換為正，上述集電極電壓Vce開(kāi)始減少。
[0081]另一方面，與這種正向恢復(fù)時(shí)的異常電壓上升相比，在同一電路結(jié)構(gòu)且將上述發(fā)射極電感Le2減小為2nH的情況下，會(huì)成為如圖7所示的電流電壓變化。在這種情況下，在該元件(逆阻型IGBT)Q22的發(fā)射極-集電極間產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)AV為大約6V(=2nH.3000Α/μ s)。因而，在這種情況下，認(rèn)為施加于上述元件(逆阻型IGBT)Q22的發(fā)射極-柵極間的電壓僅是過(guò)渡性地從15V變化為9V。在后面敘述，若考慮柵極的時(shí)間常數(shù)，則在上述情況下，施加于上述元件(逆阻型IGBT)Q22的柵極的電壓不會(huì)降低到上述柵極閾值電壓Vg(th) (=10V)以下，因此不會(huì)發(fā)生上述的正向恢復(fù)，因而不會(huì)發(fā)生異常電壓上升。
[0082]本發(fā)明是基于對(duì)上述雙向開(kāi)關(guān)SI中正向恢復(fù)時(shí)異常電壓上升的分析而完成的。即，本發(fā)明的特征在于，通過(guò)避免在上述半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件(IGBT)Q2進(jìn)行關(guān)斷動(dòng)作時(shí)構(gòu)成上述雙向開(kāi)關(guān)的元件(逆阻型IGBT)Q22變?yōu)殛P(guān)斷，來(lái)避免該元件(逆阻型IGBT)Q22的正向恢復(fù)時(shí)的異常電壓上升。
[0083]具體地說(shuō)，進(jìn)行條件設(shè)定，使得施加于上述雙向開(kāi)關(guān)的元件(逆阻型IGBT)Q22的開(kāi)始正向恢復(fù)時(shí)的柵極電壓Vg與正向恢復(fù)時(shí)上述元件(逆阻型IGBT)Q22處產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)AV之差[Vg-AV]為柵極閾值電壓Vg(th)以上。即，設(shè)定成滿足以下條件。
[0084]Vg- Δ V ^ Vg (th)
[0085]Δ V=Le.(di/dt)…(6)
[0086]而且，特征在于，通過(guò)該條件設(shè)定來(lái)避免在上述半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件(IGBT) Q2進(jìn)行關(guān)斷動(dòng)作時(shí)構(gòu)成上述雙向開(kāi)關(guān)的元件(逆阻型IGBT)Q22變?yōu)殛P(guān)斷狀態(tài)。
[0087]即，如果將上述的圖6和圖7所示的電壓和電流的變化特性進(jìn)行對(duì)比則明確可知:如果以滿足上述條件的方式設(shè)定電路條件，則能夠有效避免因在上述半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件(IGBT)Q2進(jìn)行關(guān)斷動(dòng)作時(shí)上述元件(逆阻型IGBT)Q22變?yōu)檎蚧謴?fù)狀態(tài)而發(fā)生異常電壓上升的現(xiàn)象。另外，即使如上所述那樣產(chǎn)生了上述元件(逆阻型IGBT)Q22的正向恢復(fù)，也能夠通過(guò)由上述柵極電阻Rg2和柵極電容Cgc決定的時(shí)間常數(shù)來(lái)使柵極電壓的降低產(chǎn)生延遲，從而抑制上述元件(逆阻型IGBT)Q22的異常電壓上升。因而，可以說(shuō)以滿足上述條件的方式設(shè)定電路條件在防止上述元件(逆阻型IGBT)Q22因發(fā)熱導(dǎo)致的元件損壞這方面上是非常有用的。
[0088]此外，即使不滿足上述條件，也可以設(shè)成將由上述雙向開(kāi)關(guān)的電感Le和直到達(dá)到最大正向恢復(fù)電流為止的正向恢復(fù)電流的時(shí)間變化di/dt(正向恢復(fù)di/dt)決定的上述感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Λ V在 直到上述半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件(IGBT)Q2的關(guān)斷完成為止的期間抑制得低。具體地說(shuō)，也可以增大由上述元件(逆阻型IGBT)Q22的柵極電阻和上述柵極電容(反饋電容Cgc)決定的時(shí)間常數(shù)，由此減慢上述感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Λ V的上升速度。而且，只要設(shè)定成在上述半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件(IGBT) Q2進(jìn)行關(guān)斷動(dòng)作時(shí)上述元件(逆阻型IGBT)Q22的柵極電壓不會(huì)降低到上述柵極閾值電壓Vg(th)以下即可。
[0089]在 此，在將初始柵極電壓設(shè)為Vgo時(shí)，將從產(chǎn)生上述感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)AV起的經(jīng)過(guò)時(shí)間設(shè)為t時(shí)的柵極電壓Vg能夠表示為
[0090]Vg=Vgo- Δ V.A
[0091 ] A=l_exp {_t/ (Rg.Cg)}…(7)。
[0092]因而，如果將該條件代入上述的(6)式并將產(chǎn)生正向恢復(fù)di/dt的時(shí)間(直到達(dá)到最大正向恢復(fù)電流為止的時(shí)間)設(shè)為tr來(lái)進(jìn)行整理，則能夠得到上述元件(逆阻型IGBT)Q22的柵極電壓不會(huì)降低到上述柵極閾值電壓Vg(th)以下的下述條件。
[0093]Vg (th) ^ Vgo- Δ V.α
[0094]a =l_exp {-tr/ (Rg.Cg)}…(8)
[0095]或者
[0096]Le ^ {I/(di/dt)}.{(Vgo-Vg (th)) / α }
[0097]a =l_exp {-tr/ (Rg.Cg)}…(9)
[0098]因而，可以說(shuō)如果滿足⑶式或(9)式所示的條件則能夠在上述的正向恢復(fù)電流發(fā)生變化的期間避免因該正向恢復(fù)電流導(dǎo)致的異常電壓上升。
[0099]順帶一提，當(dāng)將得到上述的圖7所示的電壓電流特性的電路條件、即5nF的柵極電容Cg、5Q的柵極電阻Rg2、10V的柵極閾值電壓Vg(th)、15V的關(guān)斷動(dòng)作開(kāi)始時(shí)的柵極電壓Vgo代入上述(9)式時(shí)，能夠得到[Le<2.5nH]的運(yùn)算結(jié)果。而且，上述的電路條件中，發(fā)射極電感Le2被設(shè)定為小至2nH，因此上述電路條件滿足(9)式。因而，能夠確認(rèn)出，通過(guò)滿足上述條件，能夠如圖7所示那樣避免正向恢復(fù)時(shí)的異常電壓上升。
[0100]另外，即使柵極電壓Vg達(dá)到了柵極閾值電壓Vg(th)也不會(huì)立即產(chǎn)生正向恢復(fù)時(shí)的集電極電壓的上升。而且，集電極電壓如上述的(5)式所示那樣延遲由上述元件(反向耐壓IGBT)Q22的反饋電容Cgc、柵極電阻Rg等決定的時(shí)間后上升。該集電極電壓的上升以何種程度延遲還依賴(lài)于上述元件(反向耐壓IGBT)Q22的特性，因此難以唯一地決定。但是，根據(jù)圖6所示的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，能夠預(yù)測(cè)為正向恢復(fù)時(shí)的集電極電壓開(kāi)始顯著上升為止的時(shí)間為柵極電壓Vg降低到上述柵極閾值電壓Vg(th)的時(shí)間的3倍左右。
[0101]據(jù)此，能夠認(rèn)為在上述集電極電壓開(kāi)始顯著上升為止的時(shí)間的1/3左右的時(shí)間內(nèi)，產(chǎn)生了成為使上述柵極電壓Vg降低到流通正向恢復(fù)電流所需的上述柵極閾值電壓Vg (th)的主要原因的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Λ V’。而且，該感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Λ V’能夠使用上述的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)ΔV而表示為
[0102]Δ ν' = Δ V.(Χ/Υ)
[0103]X=l-exp{-tl/(Rg.Cg)}
[0104]Y=l_exp {- (1/3) tl/ (Rg.Cg)}…(10)。
[0105]此外，(10)式中的tl是最大也比產(chǎn)生上述正向恢復(fù)di/dt的時(shí)間tr短的時(shí)間。在圖6所示的電壓和電流的變化特性中，在[tl ^ (2/3) tr]的時(shí)間在正向恢復(fù)時(shí)產(chǎn)生了異常電壓上升，因此可以說(shuō)在[tl< (2/3)tr]的期間產(chǎn)生上述異常電壓上升的可能性大。即，通過(guò)將上述[tl ^ (2/3) tr]的條件代入(10)式，可知在
[0106]Λ V’ ≥ AV.(gamma/β)[0107]β =l-exp {- (2/9) tr/ (Rg.Cg)}
[0108]y =l-exp {-(2/3) tr/ (Rg.Cg)}…(11)
[0109]的情況下，正向恢復(fù)時(shí)產(chǎn)生異常電壓上升的可能性變大。
[0110]另外，通過(guò)將(10)式所示的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Λ V’代入(8)式，能夠求出
[0111]Vg (th) ^ Vgo- Δ V'.( β / Y ).α
[0112]a =l_exp {-tr/ (Rg.Cg)}
[0113]β =l-exp {- (2/9) tr/ (Rg.Cg)}
[0114]y =l-exp {- (2/3) tr/ (Rg.Cg)}
[0115]Δ V' =Le.(di/dt)...(12)
[0116]來(lái)作為避免因正向恢復(fù)導(dǎo)致的異常電壓上升的條件。
[0117]此外，上述(β/Y)如圖8所示那樣在[0<tr/(Rg*Cg)< -]的范圍內(nèi)取[1/3~I]的值。因而，通過(guò)附加該條件，能夠?qū)?12)式簡(jiǎn)化為
[0118]Vg (th) ^ Vgo- (1/3) Δ V'.α [0119]a =l_exp {-tr/ (Rg.Cg)}
[0120]Δ v，=Le.(di/dt)...(13)。
[0121]因而，雖然比(12)式所示的限制條件寬松，但是通過(guò)以滿足(13)式所示的條件的方式進(jìn)行設(shè)定也能夠避免因正向恢復(fù)導(dǎo)致的異常電壓上升。
[0122]順帶一提，當(dāng)作為電路條件將5nF的柵極電容Cg、5 Ω的柵極電阻Rg2、10V的柵極閾值電壓Vg(th)、15V的關(guān)斷動(dòng)作開(kāi)始時(shí)的柵極電壓Vgo代入上述(12)式時(shí)，能夠得到[Le ( 6.5nH]的運(yùn)算結(jié)果，另外，當(dāng)代入上述(13)式時(shí)能夠得到[Le ( 7.5nH]的運(yùn)算結(jié)果。而且，在將發(fā)射極電感Le2設(shè)為4nH的情況下，能夠得到圖9所示的電壓電流特性，據(jù)此也能夠確認(rèn)出以滿足(12)式或(13)式的方式進(jìn)行條件設(shè)定時(shí)能夠避免正向恢復(fù)時(shí)的異常電壓上升。
[0123]順帶一提，上述的研究是以通過(guò)減小構(gòu)成雙向開(kāi)關(guān)SI的元件(反向耐壓IGBT)Q22的發(fā)射極電感Le來(lái)避免正向恢復(fù)時(shí)的異常電壓上升為前提的。但是，當(dāng)然也能夠代替減小發(fā)射極電感Le而通過(guò)增大上述元件(反向耐壓IGBT)Q22的柵極電阻Rg或柵極輸入電容Cg來(lái)避免正向恢復(fù)時(shí)的異常電壓上升。
[0124]在此，引起上述正向恢復(fù)di/dt或者流通上述正向恢復(fù)電流所需的柵極電壓Vg在上述半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件Q2切斷最大電流時(shí)最大，這是明顯的。因而，如果在上述半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件Q2切斷了最大電流時(shí)，此時(shí)的柵極電壓Vg(th)與開(kāi)始正向恢復(fù)時(shí)的柵極電壓Vgo之差[Vgo-Vg(th)]滿足下述的條件
[0125]Vgo-Vg (th) ^ AVmaX.( β / Y ).α …(12，)
[0126]Vgo-Vg (th) ^ (1/3) Δ VmaX.α …(10，)
[0127]Vgo-Vg (th) ^ Δ Vmax.α …(7，)
[0128]Vgo-Vg (th) ^ AVmaX…(6，),
[0129]則能夠避免正向恢復(fù)時(shí)的異常電壓上升。
[0130]其中，在上述(12，)式、(10，)式、(7，)式以及(6，)式中，
[0131 ] a =l_exp {-tr/ (Rg.Cg)}
[0132]β =l-exp {-(2/9) tr/(Rg.Cg)}[0133]y =l-exp {-(2/3).tr/(Rg.Cg)}。
[0134]順帶一提，可以說(shuō)上述各條件按(12’ )式、(10’ )式、(7’ )式、(6’ )式的順序而
限制變嚴(yán)格。
[0135]另外，一般來(lái)說(shuō)，大多使用常閉型的反向耐壓IGBT來(lái)作為構(gòu)成上述雙向開(kāi)關(guān)SI的元件Q22，另外大多使用15V作為其柵極驅(qū)動(dòng)電壓，在考慮這些的情況下，基于[Vg(th)≥0V]求出[Vgo-Vg(th) ≤15V]的關(guān)系。因而，能夠?qū)?12，)式改寫(xiě)為
[0136]Le ≤ {15/(dimaX/dt)}.{ Y / ( β.α)}…(13，)。
[0137]因而，如果以滿足(13)式的方式來(lái)選定構(gòu)成雙向開(kāi)關(guān)SI的元件(反向耐壓IGBT)Q22的柵極電阻Rg、發(fā)射極電感Le、柵極輸入電容Cg或者正向恢復(fù)dimax/dt，則能夠避免正向恢復(fù)時(shí)的異常電壓上升。
[0138]另外，與(13’ )式同樣地，能夠?qū)?10’ )式、(7’ )式以及(6’ )式分別改寫(xiě)為
[0139]Le ≤ /(dimax/dt)}.(I/ α )...(14)
[0140]Le ≤{15/(dimax/dt)}.(I/α )...(15)
[0141]Le ≤ 15/ (dimax/dt)...(16)。
[0142]因而，如果以滿足(14)式、(15)式、(16)式的方式來(lái)選定構(gòu)成雙向開(kāi)關(guān)SI的元件(反向耐壓IGBT)Q22的柵極電阻Rg、發(fā)射極電感Le、柵極輸入電容Cg或者正向恢復(fù)dimax/dt，則能夠避免正向恢復(fù)時(shí)的異常電壓上升。
[0143]此外，本發(fā)明并不限定于上述的實(shí)施方式。例如通過(guò)在構(gòu)成上述雙向開(kāi)關(guān)SI的元件(反向耐壓IGBT)Q22的柵極-發(fā)射極間插入電容器來(lái)增大其柵極輸入電容也是有效的。并且，也可以通過(guò)將初始柵極電壓Vg設(shè)定成高于動(dòng)作時(shí)的柵極驅(qū)動(dòng)電壓(15V)來(lái)滿足上述條件。在這種情況下，只要例如在柵極驅(qū)動(dòng)電路中構(gòu)成上述雙向開(kāi)關(guān)SI的元件(反向耐壓IGBT)Q22進(jìn)入正向恢復(fù)動(dòng)作之前或者在正向恢復(fù)動(dòng)作過(guò)程中提高柵極驅(qū)動(dòng)電壓即可。
[0144]另外，將構(gòu)成上述雙向開(kāi)關(guān)SI的元件(反向耐壓IGBT)Q22的、一般來(lái)說(shuō)設(shè)定得盡可能小的柵極電感Lg2增大也是有用的。圖10對(duì)比地示出了使上述元件(反向耐壓IGBT)Q22的柵極電感Lg2為49nH、200nH、500nH時(shí)的電流和電壓的變化。如該圖10所示，通過(guò)增大上述元件(反向耐壓IGBT)Q22的柵極電感Lg2，也能夠避免正向恢復(fù)時(shí)的異常電壓上升。SP，這是由于在抑制柵極電壓降低的方向上產(chǎn)生AV2=Lg2.(dig/dt)的電動(dòng)勢(shì)AV2。
[0145]并且，在使用MOS-FET和反向耐壓MOS-FET代替IGBT和反向耐壓IGBT來(lái)構(gòu)成逆變器的情況下也同樣能夠適用。另外，不僅是三電平逆變器，在構(gòu)成五電平逆變器的情況下也能夠應(yīng)用本發(fā)明，這是不言而喻的。除此以外，本發(fā)明能夠在不脫離其宗旨的范圍內(nèi)進(jìn)行各種變形來(lái)實(shí)施。
【權(quán)利要求】
1.一種電力轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，具備: 一對(duì)或多對(duì)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件，各對(duì)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件串聯(lián)連接而形成半橋電路，被相互關(guān)聯(lián)地進(jìn)行導(dǎo)通關(guān)斷驅(qū)動(dòng)來(lái)轉(zhuǎn)換直流電壓； 多個(gè)續(xù)流二極管，該多個(gè)續(xù)流二極管被設(shè)置成與各半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件分別反并聯(lián)；以及雙向開(kāi)關(guān)，其插入安裝于上述半橋電路的中間點(diǎn)與電源部之間，將上述半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件鉗位在上述直流電壓的中間電位點(diǎn)， 該電力轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行設(shè)定，使得避免在上述半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件進(jìn)行關(guān)斷動(dòng)作時(shí)上述雙向開(kāi)關(guān)變?yōu)殛P(guān)斷狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于， 該電力轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行設(shè)定，使得將伴隨上述半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件的關(guān)斷動(dòng)作而在上述雙向開(kāi)關(guān)正向恢復(fù)時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)抑制為上述雙向開(kāi)關(guān)開(kāi)始正向恢復(fù)時(shí)的柵極電壓與柵極閾值電壓之差以下。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于， 上述半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件是絕緣柵雙極型晶體管即IGBT或者金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管即MOS-FET，上述雙向開(kāi)關(guān)由反并聯(lián)連接的一對(duì)逆阻型IGBT或者逆阻型MOS-FET構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電力轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于， 以依賴(lài)于上述半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件的關(guān)斷速度的上述雙向開(kāi)關(guān)的正向恢復(fù)速度與該雙向開(kāi)關(guān)的電感之積來(lái)求出上述雙向開(kāi)關(guān)正向恢復(fù)時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，進(jìn)行設(shè)定使得該感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為上述柵極電壓與上述柵極閾值電壓之差以下。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的電力轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于， 通過(guò)使上述雙向開(kāi)關(guān)的柵極驅(qū)動(dòng)電壓從上述雙向開(kāi)關(guān)即將正向恢復(fù)起在產(chǎn)生正向恢復(fù)電流的時(shí)間變化的整個(gè)期間內(nèi)上升，來(lái)實(shí)現(xiàn)上述設(shè)定。
6.根據(jù)權(quán)利要求1~4中的任一項(xiàng)所述的電力轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于， 通過(guò)對(duì)上述雙向開(kāi)關(guān)中的柵極電路的時(shí)間常數(shù)進(jìn)行增大設(shè)定，來(lái)實(shí)現(xiàn)上述設(shè)定。
7.根據(jù)權(quán)利要求1~4中的任一項(xiàng)所述的電力轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于， 通過(guò)在上述雙向開(kāi)關(guān)的柵極-發(fā)射極間或柵極-源極間插入安裝電容器，來(lái)實(shí)現(xiàn)上述設(shè)定。
8.根據(jù)權(quán)利要求1~4中的任一項(xiàng)所述的電力轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于， 通過(guò)對(duì)上述雙向開(kāi)關(guān)的柵極電路附加電感成分，來(lái)實(shí)現(xiàn)上述設(shè)定。
9.一種電力轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，具備: 一對(duì)或多對(duì)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件，各對(duì)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件串聯(lián)連接而形成半橋電路，被相互關(guān)聯(lián)地進(jìn)行導(dǎo)通關(guān)斷驅(qū)動(dòng)來(lái)轉(zhuǎn)換直流電壓； 多個(gè)續(xù)流二極管，該多個(gè)續(xù)流二極管被設(shè)置成與各半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件分別反并聯(lián)；以及雙向開(kāi)關(guān)，其插入安裝于上述半橋電路的中間點(diǎn)與電源部之間，將上述半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件鉗位在上述直流電壓的中間電位點(diǎn)， 其中，該電力轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行設(shè)定，使得在將伴隨上述半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件的關(guān)斷動(dòng)作的上述雙向開(kāi)關(guān)開(kāi)始正向恢復(fù)時(shí)的上述雙向開(kāi)關(guān)的柵極電壓設(shè)為Vg、將柵極閾值電壓設(shè)為Vg(th)、將上述雙向開(kāi)關(guān)的電感設(shè)為L(zhǎng)e、將直到達(dá)到最大正向恢復(fù)電流為止的正向恢復(fù)電流的時(shí)間變化設(shè)為di/dt、將直到達(dá)到上述最大正向恢復(fù)電流為止的時(shí)間設(shè)為tr、將上述雙向開(kāi)關(guān)的柵極電阻設(shè)為Rg、將上述雙向開(kāi)關(guān)的柵極輸入電容設(shè)為Cg、且正向恢復(fù)時(shí)的上述雙向開(kāi)關(guān)的集電極電壓的上升延遲時(shí)間為上述柵極電壓Vg降低到上述柵極閾值電壓Vg(th)的時(shí)間的3倍左右時(shí),滿足以下的關(guān)系:
Vg-Vg (th) ^ Le.(di/dt) [ β / Y ].α
a =l_exp{_tr/(Rg.Cg)}
β =l-exp{-(2/9)tr/(Rg.Cg)}
Y=l-exp{-(2/3)tr/(Rg.Cg)}。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電力轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于， 該電力轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行設(shè)定，使得在將上述開(kāi)始正向恢復(fù)時(shí)的上述雙向開(kāi)關(guān)的柵極電壓設(shè)為Vg、將上述柵極閾值電壓設(shè)為Vg(th)、將上述雙向開(kāi)關(guān)的電感設(shè)為L(zhǎng)e、將直到達(dá)到最大正向恢復(fù)電流為止的正向恢復(fù)電流的時(shí)間變化設(shè)為di/dt、將直到達(dá)到上述最大正向恢復(fù)電流為止的時(shí)間設(shè)為tr、將上述雙向開(kāi)關(guān)的柵極電阻設(shè)為Rg、將上述雙向開(kāi)關(guān)的柵極輸入電容設(shè)為Cg、 且正向恢復(fù)時(shí)的上述雙向開(kāi)關(guān)的集電極電壓的上升延遲時(shí)間為上述柵極電壓Vg降低到上述柵極閾值電壓Vg(th)的時(shí)間的3倍左右時(shí)，滿足以下的關(guān)系:
Vg-Vg (th) ^ (1/3).Le.(di/dt).α
a =l-exp{-tr/(Rg.Cg)}。
11.一種電力轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，具備: 一對(duì)或多對(duì)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件，各對(duì)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件串聯(lián)連接而形成半橋電路，被相互關(guān)聯(lián)地進(jìn)行導(dǎo)通關(guān)斷驅(qū)動(dòng)來(lái)轉(zhuǎn)換直流電壓； 多個(gè)續(xù)流二極管，該多個(gè)續(xù)流二極管被設(shè)置成與各半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件分別反并聯(lián)；以及雙向開(kāi)關(guān)，其插入安裝于上述半橋電路的中間點(diǎn)與電源部之間，將上述半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件鉗位在上述直流電壓的中間電位點(diǎn)， 其中，該電力轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行設(shè)定，使得在將伴隨上述半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件的關(guān)斷動(dòng)作的上述雙向開(kāi)關(guān)開(kāi)始正向恢復(fù)時(shí)的上述雙向開(kāi)關(guān)的柵極電壓設(shè)為Vg、將柵極閾值電壓設(shè)為Vg(th)、將上述雙向開(kāi)關(guān)的電感設(shè)為L(zhǎng)e、將直到達(dá)到最大正向恢復(fù)電流為止的正向恢復(fù)電流的時(shí)間變化設(shè)為di/dt、將直到達(dá)到上述最大正向恢復(fù)電流為止的時(shí)間設(shè)為tr、將上述雙向開(kāi)關(guān)的柵極電阻設(shè)為Rg、將上述雙向開(kāi)關(guān)的柵極輸入電容設(shè)為Cg時(shí)，滿足以下的關(guān)系:
Vg-Vg (th) ^ Le.(di/dt).α
a =l-exp{-tr/(Rg.Cg)}。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的電力轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于， 該電力轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行設(shè)定，使得在將開(kāi)始正向恢復(fù)時(shí)的上述雙向開(kāi)關(guān)的柵極電壓設(shè)為Vg、將上述柵極閾值電壓設(shè)為Vg(th)、將上述雙向開(kāi)關(guān)的電感設(shè)為L(zhǎng)e、將直到達(dá)到最大正向恢復(fù)電流為止的正向恢復(fù)電流的時(shí)間變化設(shè)為di/dt時(shí)，滿足以下的關(guān)系:
Vg-Vg(th) ^ Le.(di/dt)。
【文檔編號(hào)】H02M7/5387GK103986359SQ201410050416
【公開(kāi)日】2014年8月13日 申請(qǐng)日期:2014年2月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年2月13日
【發(fā)明者】吉川功 申請(qǐng)人:富士電機(jī)株式會(huì)社