本發(fā)明涉及將sic(siliconcarbide：碳化硅)元件與si(silicon：硅)元件相組合而成的三電平功率轉(zhuǎn)換電路(例如為逆變器)。

背景技術(shù)：

如下述專利文獻(xiàn)1及2所示，以往已知有如下三電平逆變器：利用能獲得兩電平的輸出的兩電平逆變器來獲得三電平的輸出，能減少輸出電壓中所包含的高次諧波。即。

下述專利文獻(xiàn)1的圖11、圖16等所示的現(xiàn)有的三電平逆變器的第一示例將串聯(lián)連接于直流高電位端子p與直流低電位端子n之間的兩個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)元件(例如igbt：insulatedgatebipolartransistor，絕緣柵雙極型晶體管)相連接，進(jìn)而將兩個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)元件的連接點(diǎn)與ac輸出端子相連，將直流高電位側(cè)p及直流低電位側(cè)n被分割成相對于中間電位端子m對稱。

此外，還公開了三電平逆變器(本說明書中將該第一示例的三電平逆變器在后述中稱為“t型三電平逆變器”)，其在ac輸出端子與中間電位端子m之間，具備利用兩個(gè)igbt相互反向連接地構(gòu)成的雙向開關(guān)。

該情況下，專利文獻(xiàn)1中公開了t型三電平逆變器的開關(guān)元件使用si(silicon：硅)元件，二極管使用sic(siliconcarbide：碳化硅)元件的示例。

另外，在三電平逆變器的第二示例中，如下述專利文獻(xiàn)1的圖1、圖4等所示，公開了一種三電平逆變器(本說明書中將該第二示例的三電平逆變器在后述中稱為“i型三電平逆變器”)，其將四個(gè)igbt(igbt：insulatedgatebipolartransistor：絕緣柵雙極型晶體管)串聯(lián)連接于直流高電位端子p與直流低電位端子n之間，構(gòu)成四串聯(lián)連接，將四串聯(lián)連接一分為二的igbt的連接點(diǎn)與ac輸出端子相連接，并且，四串聯(lián)連接被一分為二而得的成對的兩串聯(lián)連接的各兩個(gè)igbt的連接點(diǎn)與中間電位端子m之間連接有鉗位二極管，從而構(gòu)成上述三電平逆變器。

該情況下，專利文獻(xiàn)1中公開了i型三電平逆變器的開關(guān)元件使用si(silicon：硅)元件，二極管使用sic(siliconcarbide：碳化硅)元件的示例。

圖1是示出現(xiàn)有的三電平功率轉(zhuǎn)換電路用t型三電平逆變器來實(shí)現(xiàn)時(shí)的結(jié)構(gòu)例的圖，其記載于下述專利文獻(xiàn)2中。圖1中提出如下方案，將與半導(dǎo)體開關(guān)元件(例如igbt：insulatedgatebipolartransistor，絕緣柵雙極型晶體管)t13、t14并聯(lián)的二極管d13、d14的電流容量降低得小于半導(dǎo)體開關(guān)元件(例如igbt：insulatedgatebipolartransistor，絕緣柵雙極型晶體管)t11、t12的電流容量。

此外，圖1中，標(biāo)號p、n、m與上述相同，表示直流高電位端子、直流低電位端子以及中間電位端子，另外，101、102表示作為提供直流電壓的電源的電容器。

然而，與半導(dǎo)體開關(guān)元件t13、t14并聯(lián)連接的二極管d13、d14的電流容量與半導(dǎo)體開關(guān)元件t13、t14的電流容量之間的關(guān)系并未在專利文獻(xiàn)2中提及。

作為寬帶隙半導(dǎo)體已實(shí)用化的sic(siliconcarbide：碳化硅)制器件由于工作溫度較高、成本較貴，因此在經(jīng)濟(jì)方面考慮希望芯片面積上盡可能得少用。

另一方面，功率轉(zhuǎn)換裝置要求以更高的效率進(jìn)行工作，因此為了降低有負(fù)載電流流過的二極管的導(dǎo)通電壓而需要增大芯片面積。

已認(rèn)識(shí)到，上述要求為要么著重于成本、要么著重于效率的矛盾要求，以往難以解決該問題。

專利文獻(xiàn)1：日本專利第5554140號公報(bào)

專利文獻(xiàn)2：日本專利第5774086號公報(bào)

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于，提供一種三電平功率轉(zhuǎn)換電路，其能夠采用sic制器件來滿足降低成本及為降低二極管的導(dǎo)通電壓而擴(kuò)大芯片面積以提高效率這樣相互矛盾的要求。

為了解決上述問題，本發(fā)明在三電平功率轉(zhuǎn)換電路(例如逆變器)中，在直流中性點(diǎn)與交流輸出間有電流流過的情況下，

(1)t型三電平功率轉(zhuǎn)換電路中，構(gòu)成為經(jīng)由acsw(對直流進(jìn)行切換以生成交流的雙向開關(guān))用的si制開關(guān)元件與sic制二極管。

(2)i型三電平功率轉(zhuǎn)換電路中，構(gòu)成為經(jīng)由在直流高電位端子p與直流低電位端子n之間串聯(lián)連接的四個(gè)開關(guān)元件內(nèi)的交流輸出所連接的兩個(gè)si制開關(guān)元件與sic制鉗位二極管。

通過如上述(1)及(2)所示構(gòu)成，三電平功率轉(zhuǎn)換裝置的導(dǎo)通損耗為si制開關(guān)元件(例如為igbt)與sic制二極管中產(chǎn)生的損耗之和，因此能夠通過減小si制開關(guān)元件的導(dǎo)通損耗來降低為降低成本而增加的sic制二極管的導(dǎo)通損耗。

根據(jù)本發(fā)明的三電平功率轉(zhuǎn)換電路，通過減小sic制二極管的電流容量來降低成本，并且，另一方面，通過增大si制開關(guān)元件的電流容量，即使為降低成本而增加sic制二極管的導(dǎo)通損耗，仍能降低三電平功率轉(zhuǎn)換電路本身的導(dǎo)通損耗。

附圖說明

圖1是示出現(xiàn)有的三電平功率轉(zhuǎn)換電路用t型三電平逆變器來實(shí)現(xiàn)時(shí)的結(jié)構(gòu)例的圖。

圖2是示出本發(fā)明實(shí)施方式所涉及的三電平功率轉(zhuǎn)換電路用t型三電平逆變器來實(shí)現(xiàn)時(shí)的實(shí)施例的圖。

圖3是示出本發(fā)明實(shí)施方式所涉及的三電平功率轉(zhuǎn)換電路用i型三電平逆變器來實(shí)現(xiàn)時(shí)的實(shí)施例的圖。

圖4是示出圖2所示的本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的t型三電平逆變器的一部分整流情況的變化圖。

圖5是示出圖3所示的本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的i型三電平逆變器的一部分整流情況的變化圖。

具體實(shí)施方式

以下詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施方式。

(實(shí)施例1)

圖2是示出本發(fā)明實(shí)施方式所涉及的三電平功率轉(zhuǎn)換電路用t型三電平逆變器來實(shí)現(xiàn)時(shí)的實(shí)施例的圖。

圖2所示的t型三電平逆變器與上述圖1所示的現(xiàn)有例中的t型三電平逆變器相同，將串聯(lián)連接于直流高電位端子p與直流低電位端子n之間的兩個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)元件(例如mosfet：metaloxidesemiconductorfieldeffecttransistor，金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)相連接，進(jìn)而將上述兩個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)元件的連接點(diǎn)與ac輸出端子相連，將直流高電位側(cè)p及直流低電位側(cè)n構(gòu)成為相對于中間電位(直流中性點(diǎn))端子m對稱。

其中，在ac輸出端子與中間電位端子m之間，具備利用兩個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)元件(例如為igbt：insulatedgatebipolartransistor，絕緣柵雙極型晶體管)相互反向連接地構(gòu)成的雙向開關(guān)。

此外，圖2中，標(biāo)號p、n、m表示直流高電位端子、直流低電位端子以及中間電位端子，另外，ac表示ac輸出端子，11、12表示作為提供直流電壓的電源的電容器。

圖2所示的本發(fā)明實(shí)施方式所涉及的t型三電平逆變器與圖1所示的現(xiàn)有的t型三電平逆變器在結(jié)構(gòu)上的不同點(diǎn)在于，圖2中將二極管d3及d4的電流容量設(shè)定得小于半導(dǎo)體開關(guān)元件(例如為igbt)t3及t4。

圖2所示的二極管d3及d4由多個(gè)芯片結(jié)構(gòu)來構(gòu)成，因此將二極管d3及d4的電流容量設(shè)定得小于半導(dǎo)體開關(guān)元件t3及t4會(huì)導(dǎo)致當(dāng)有相同電流流過時(shí)所產(chǎn)生的導(dǎo)通電壓變大。

另一方面，半導(dǎo)體開關(guān)元件d3及d4也由多個(gè)芯片結(jié)構(gòu)來構(gòu)成，因此將半導(dǎo)體開關(guān)元件t3及t4的電流容量設(shè)定得大于二極管d3及d4的電流容量會(huì)導(dǎo)致當(dāng)有相同電流流過時(shí)所產(chǎn)生的導(dǎo)通電壓變小。

圖4是示出圖2所示的本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的t型三電平逆變器的一部分整流情況的變化圖。此外，圖4中，t型三電平逆變器的一部分整流動(dòng)作(t1→d3以及t4→t1)。說明該變化。

首先，如(1)所示，在半導(dǎo)體開關(guān)元件t1導(dǎo)通，從而在半導(dǎo)體開關(guān)元件t1有負(fù)載電流流過時(shí)，在半導(dǎo)體開關(guān)元件t1產(chǎn)生導(dǎo)通損耗(psat)。

接著，如(2)所示，若半導(dǎo)體開關(guān)元件t1截止，則半導(dǎo)體開關(guān)元件t1中產(chǎn)生關(guān)斷損耗(eoff)，負(fù)載電流流過二極管d3、半導(dǎo)體開關(guān)元件t4，因此在二極管d3產(chǎn)生導(dǎo)通損耗psat，半導(dǎo)體開關(guān)元件t4中也產(chǎn)生導(dǎo)通損耗psat。

接著，如(3)所示，即使在(1)及(2)中截止的半導(dǎo)體開關(guān)元件t3導(dǎo)通，損耗的產(chǎn)生情況也不發(fā)生變化。

接著，如(4)所示，即使在(3)中導(dǎo)通的半導(dǎo)體開關(guān)元件t3截止，損耗的產(chǎn)生情況也不發(fā)生變化。

最后，如(5)所示，若半導(dǎo)體開關(guān)元件t1導(dǎo)通，則在二極管d3產(chǎn)生反向恢復(fù)損耗(err)，在半導(dǎo)體開關(guān)元件t1產(chǎn)生接通損耗eon、導(dǎo)通損耗psat。

圖4所示的整流動(dòng)作例示出了其一部分動(dòng)作，即使整流動(dòng)作為(t2→d4及t3→t2)，本領(lǐng)域技術(shù)人員也能理解其動(dòng)作。

通過上述說明可知，在結(jié)溫所允許的范圍內(nèi)減小二極管d3的電流容量，另一方面，通過增大半導(dǎo)體開關(guān)元件t4的電流容量，從而減小半導(dǎo)體開關(guān)元件t4的導(dǎo)通損耗psat，能降低成本，而不會(huì)增加三電平功率轉(zhuǎn)換電路本身的導(dǎo)通損耗。

此外，為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)效果，優(yōu)選為，在中間電位端子m與交流端子ac之間，寬帶隙以外的半導(dǎo)體開關(guān)元件例如使用si(硅)制開關(guān)元件，另外，二極管d3及d4使用作為寬帶隙半導(dǎo)體元件的sic制二極管。

(實(shí)施例2)

圖3是示出本發(fā)明實(shí)施方式所涉及的三電平功率轉(zhuǎn)換電路用i型三電平逆變器來實(shí)現(xiàn)時(shí)的實(shí)施例的圖。

圖3所示的本發(fā)明實(shí)施方式所涉及的i型三電平逆變器與上述現(xiàn)有例中的i型三電平逆變器相同，其將四個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)元件按照mosfet-igbt-igbt-mosfet那樣，串聯(lián)連接于直流高電位端子p與直流低電位端子n之間，構(gòu)成四串聯(lián)連接，將四串聯(lián)連接一分為二的半導(dǎo)體開關(guān)元件的連接點(diǎn)與ac輸出端子相連接，并且，四串聯(lián)連接被一分為二而得的成對的兩串聯(lián)連接的兩個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)元件的各連接點(diǎn)與中間電位端子m之間連接有鉗位二極管c3、c4，從而構(gòu)成上述三電平逆變器。

此外，圖3中，標(biāo)號p、n、m表示直流高電位端子、直流低電位端子以及中間電位端子，另外，ac表示ac輸出端子，11、12表示作為提供直流電壓的電源的電容器。

圖3所示的本發(fā)明實(shí)施方式所涉及的i型三電平逆變器與現(xiàn)有的i型三電平逆變器在結(jié)構(gòu)上的不同點(diǎn)在于，圖3中將鉗位二極管c3及c4的電流容量設(shè)定得小于半導(dǎo)體開關(guān)元件(例如為igbt)t24及t23。

由于該鉗位二極管c3及c4由多芯片結(jié)構(gòu)構(gòu)成，因此電流容量較小會(huì)導(dǎo)致有相同電流流過時(shí)產(chǎn)生的導(dǎo)通電壓變大。

另一方面，即使在半導(dǎo)體開關(guān)元件t24、t23中由多芯片結(jié)構(gòu)構(gòu)成，因此電流容量較大會(huì)導(dǎo)致有相同電流流過時(shí)產(chǎn)生的導(dǎo)通電壓變小。

圖5是示出圖3所示的本發(fā)明的實(shí)施方式所涉及的i型三電平逆變器的一部分整流情況的變化圖。也就是說，圖5中，示出了i型三電平逆變器的一部分整流動(dòng)作(t21及t24→c3以及t24→t21及t24)。說明該變化。

首先，如(11)所示，在半導(dǎo)體開關(guān)元件t21、t24導(dǎo)通，從而在半導(dǎo)體開關(guān)元件t21、t24有負(fù)載電流流過時(shí)，在半導(dǎo)體開關(guān)元件t21、t24產(chǎn)生導(dǎo)通損耗(psat)。

接著，如(12)所示，若半導(dǎo)體開關(guān)元件t21截止，則半導(dǎo)體開關(guān)元件t21中產(chǎn)生關(guān)斷損耗(eoff)，負(fù)載電流流過鉗位二極管c3、半導(dǎo)體開關(guān)元件t24，因此在二極管c3產(chǎn)生導(dǎo)通損耗psat，半導(dǎo)體開關(guān)元件t24中產(chǎn)生導(dǎo)通損耗psat。

接著，如(13)所示，即使在(11)及(12)中截止的半導(dǎo)體開關(guān)元件t23導(dǎo)通，損耗的產(chǎn)生情況也不發(fā)生變化。

接著，如(14)所示，即使在(13)中導(dǎo)通的半導(dǎo)體開關(guān)元件t23截止，損耗的產(chǎn)生情況也不發(fā)生變化。

最后，如(15)所示，若半導(dǎo)體開關(guān)元件t21導(dǎo)通，則在鉗位二極管c3產(chǎn)生反向恢復(fù)損耗(err)，在半導(dǎo)體開關(guān)元件t21產(chǎn)生接通損耗eon、導(dǎo)通損耗psat，另外，在半導(dǎo)體開關(guān)元件t24產(chǎn)生導(dǎo)通損耗(psat)。

圖5所示的整流動(dòng)作例示出了其一部分動(dòng)作，即使整流動(dòng)作為(t22及t23→c4及t23→t22及t23)，本領(lǐng)域技術(shù)人員也能理解其動(dòng)作。

通過上述說明可知，在結(jié)溫所允許的范圍內(nèi)減小半導(dǎo)體開關(guān)元件t23的二極管d23的電流容量，另一方面，通過增大半導(dǎo)體開關(guān)元件t24的電流容量，從而減小半導(dǎo)體開關(guān)元件t24的導(dǎo)通損耗psat，能降低成本，而不會(huì)增加三電平功率轉(zhuǎn)換電路本身的導(dǎo)通損耗。

此外，為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)效果，優(yōu)選為，將中間電位端子m與交流端子ac之間連接的鉗位二極管使用sic制二極管，另外，中間電位端子m與交流端子ac之間連接的兩個(gè)開關(guān)元件使用si制半導(dǎo)體器件。

工業(yè)上的實(shí)用性

本發(fā)明能夠適用于將太陽能電池逆變器等的直流電轉(zhuǎn)換成交流來進(jìn)行輸出的逆變器。