三電平逆變器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及可使功率轉(zhuǎn)換效率提高并使裝置小型化、低成本化的三電平逆變器的結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]圖6表示專利文獻1中公開的三電平逆變器的一個相的電路。
圖6中，1為太陽能電池等的直流電源，其電壓E由串聯(lián)連接的電容器2、3分壓成電壓E!、E2(通常 E!= E2)。
由M0SFET構(gòu)成的半導體開關(guān)(以下簡稱為開關(guān))4?7可控制正向電流的導通/斷開，且相對于反向電流始終處于導通狀態(tài)。開關(guān)6、7彼此反向地串聯(lián)連接，構(gòu)成可控制正反兩方向電流的導通/斷開的雙向開關(guān)。這里，為了方便起見將開關(guān)4、5稱為上下臂、開關(guān)6、7的串聯(lián)電路稱為中間臂。再有，由電抗器8和電容器9構(gòu)成LC濾波器，電容器9的兩端的輸出端子經(jīng)由變壓器100與電力系統(tǒng)300相連。
[0003]圖6的U點((交流端子)分別通過開關(guān)4的導通與P點成為同電位、通過開關(guān)5的導通與N點成為同電位、通過開關(guān)6、7的導通與Μ點成為同電位。也就是說，該電路的特征在于:利用開關(guān)4?7的導通狀態(tài)能夠輸出三個電壓電平，構(gòu)成雙向開關(guān)的開關(guān)6、7的耐壓可以為開關(guān)4、5的1/2。
圖7表示該電路的輸出電壓波形，使具有上述三個電壓電平的U-M間電壓的脈沖串通過LC濾波器，從而將輸出電壓V?？刂瞥烧也?。
[0004]在將圖6的電路用作太陽能發(fā)電用的互連逆變器時，直流電源(太陽能電池)1的電壓Ε由于環(huán)境條件而有大的變動。
另一方面，交流輸出電壓t和系統(tǒng)電壓V 3之間通過變壓器100進行匹配。系統(tǒng)電壓^在小范圍內(nèi)變動但基本恒定，若不進行抽頭切換等則變壓器100的變壓比也是一定的，因此需要將交流輸出電壓L保持在與系統(tǒng)電壓V s成比例的大致恒定的值上。
[0005]圖6的電路為電壓型逆變器的一種，交流輸出電壓V。的峰值可在直流輸入電壓以下的范圍內(nèi)控制，因此如圖7所示，V。的正峰值在E i以下，負峰值在E 2以下。
因此，L被認為是即使Ε pE2為工作范圍內(nèi)的最小值也可輸出的電壓；根據(jù)該V ^的大小確定變壓器100的變壓比，并且在Ep E/j、的情況下擴大PWM控制的脈沖寬度(圖7(a))，在Ep E2大的情況下收窄脈沖寬度(圖7 (b))，以保持V。恒定。
[0006]圖8表示交流輸出電壓V。和電流I之間的相位關(guān)系。
在太陽能發(fā)電用的互連逆變器中，為了將該發(fā)電電力提供給電力系統(tǒng)300，如圖8(a)那樣，進行系統(tǒng)電壓Vs的相位即輸出電壓V。的相位與輸出電流I的相位基本上一致的功率因數(shù)為1的運行，但是也有故意注入無功功率，從而如圖8(b)那樣建立極性不一致的期間T。，使功率因數(shù)降低，進行連接點的電壓調(diào)整的情況。
[0007]上述圖6(a)所示的電流路徑⑴?(4)是輸出電壓和輸出電流的極性一致的功率因數(shù)1的情況，⑴、⑶是圖7的電壓施加期間1；的路徑，⑵、(4)是回流期間T b的路徑。
如圖7(a)所示，直流電壓低時，特別是在L的峰值附近開關(guān)4或5導通的時間比率變大，上下臂的導通損失比率變大。如圖7(b)所示，直流電壓高時，開關(guān)6、7導通的時間比率變大，中間臂的導通損失比率變大。再有，如圖7(c)所示，在使用后述的電壓變動補償電路設定成直流電壓總是為高時，與圖7(a) —樣，上下臂的導通損失比率變大。
[0008]從圖6(a)的路徑⑴向⑵的轉(zhuǎn)移通過開關(guān)4的斷開來執(zhí)行。另外，從路徑⑵向(1)的轉(zhuǎn)移通過使開關(guān)7的柵極導通、開關(guān)6的柵極預先截止來阻止開關(guān)4 —開關(guān)6 (M0SFET本體部分)一開關(guān)7的路徑的短路電流之后，將開關(guān)4的柵極導通來執(zhí)行。另外，伴隨開關(guān)4的導通，開關(guān)6的逆并聯(lián)二極管因反向恢復而斷開電流。從路徑(3)向(4)、從(4)向(3)的轉(zhuǎn)移是對稱的動作，所以同樣地進行。因此，圖6(a)中，開關(guān)4或5產(chǎn)生導通損失和斷開損失，開關(guān)6或7產(chǎn)生反向恢復損失。
[0009]另一方面，圖6(b)所不的路徑(5)?(8)是輸出電壓和輸出電流的極性不一致的情況，(5)、(7)是圖7的電壓施加期間1；的路徑，(6)、⑶是回流期間Tb的路徑。詳述從略，但圖6(b)中，開關(guān)6或7產(chǎn)生導通損失和斷開損失，開關(guān)4或5產(chǎn)生反向恢復損失。
如上所述，在該現(xiàn)有技術(shù)中，各半導體開關(guān)產(chǎn)生的導通損失的比率、開關(guān)損失的內(nèi)容因工作條件而異。
現(xiàn)有技術(shù)文獻專利文獻
[0010]專利文獻1:日本專利特開2010-288415號公報(圖3等)
【發(fā)明內(nèi)容】
發(fā)明所要解決的技術(shù)問題
[0011]作為適用于圖6的電路的半導體開關(guān)，近年來，SiC (碳化硅)制的M0SFET(以下稱為SiC-MOSFET)等可高速動作的半導體開關(guān)元件正在實用化。與常規(guī)的硅(Si)制IGBT (絕緣柵雙極晶體管)相比，這種新型元件還具有可以高速切換、對于正反兩方向的電流導通損失小、若切換頻率高則可將LC濾波器小型化等優(yōu)點。
然而，SiC-MOSFET等的新型元件比常規(guī)元件價格高，如果開關(guān)4?7全部使用這種新型元件，則存在裝置成本增加的問題。
因此，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，通過將常規(guī)廉價的元件用作半導體開關(guān)的一部分，以提供可在降低成本的同時實現(xiàn)高效率化、小型化的三電平逆變器。
解決技術(shù)問題的方法
[0012]為了解決上述技術(shù)問題，根據(jù)權(quán)利要求1的發(fā)明是這樣的三電平逆變器，
其包括可通過向控制端子施加導通信號或斷開信號來控制正向電流的導通/斷開且相對于反向電流始終處于導通狀態(tài)的第一半導體開關(guān)和第二半導體開關(guān)，
在直流電源上并聯(lián)連接第一電容器與第二電容器的串聯(lián)電路、以及所述第一半導體開關(guān)與所述第二半導體開關(guān)的串聯(lián)電路，
在所述第一電容器與所述第二電容器的串聯(lián)連接點上連接可控制正反兩方向電流的導通/斷開的雙向開關(guān)的一端，并且在所述第一半導體開關(guān)與所述第二半導體開關(guān)的串聯(lián)連接點上連接所述雙向開關(guān)的另一端， 所述雙向開關(guān)具有可通過向控制端子施加導通信號或斷開信號來控制正向電流的導通/斷開且相對于反向電流始終處于導通狀態(tài)或者始終處于斷開狀態(tài)或者是不具有耐壓的非導通狀態(tài)中的任一狀態(tài)的第三半導體開關(guān)和第四半導體開關(guān)、與所述第三半導體開關(guān)串聯(lián)連接的第一二極管、以及與所述第四半導體開關(guān)串聯(lián)連接的第二二極管，所述雙向開關(guān)是將所述第三半導體開關(guān)與所述第一二極管的串聯(lián)電路、和所述第四半導體開關(guān)與所述第二二極管的串聯(lián)電路反向地并聯(lián)連接而構(gòu)成的，
通過所述第一至第四半導體開關(guān)的動作可輸出三個電壓電平，
所述三電平逆變器進行運行以使得滿足交流輸出電壓的峰值成為所述第一電容器或所述第二電容器的電壓的80%以上的值的條件、或輸出功率因數(shù)成為0.8以上的條件中至少一個條件。
[0013]根據(jù)權(quán)利要求2的發(fā)明是這樣的三電平逆變器，在如權(quán)利要求1所述的三電平逆變器中，所述第一半導體開關(guān)和所述第二半導體開關(guān)由SiC(碳化硅)所制成的半導體開關(guān)元件構(gòu)成，或由SiC所制成的半導體開關(guān)元件和SiC所制成的肖特基勢皇二極管(SiC-SBD)的逆并聯(lián)電路構(gòu)成。
[0014]根據(jù)權(quán)利要求3的發(fā)明是這樣的三電平逆變器，在如權(quán)利要求1或如權(quán)利要求2所述的三電平逆變器中，所述第三半導體開關(guān)和所述第四半導體開關(guān)使用由硅制成的IGBT或M0SFET，并且所述第一二極管和所述第二二極管使用其反向恢復時間等于、小于所述第一半導體開關(guān)或所述第二半導體開關(guān)的切換時間的二極管。
[0015]根據(jù)權(quán)利要求4的發(fā)明是這樣的三電平逆變器，在如權(quán)利要求3所述的三電平逆變器中，所述第一二極管和所述第二二極管為SiC-SBD。
[0016]根據(jù)權(quán)利要求5的發(fā)明是這樣的三電平逆變器，在直流電源中有電壓變動的情況下，在直流電源和所述第一電容器與所述第二電容器的串聯(lián)電路之間包括對所述直流電源的電壓變動進行補償以穩(wěn)定所述串聯(lián)電路兩端電壓的電壓變動補償電路。
[0017]再有，如權(quán)利要求6所述的那樣，所述第一半導體開關(guān)和所述第二半導體開關(guān)收納在第一模塊中，所述第三半導體開關(guān)和所述第四半導體開關(guān)收納在第二模塊中，所述第一二極管和所述第二二極管收納在第三模塊中，所述第一至第三模塊之間可以通