改进效率的桥式电力变换器制造技术

在桥式电力变换器中，逆变器电桥的串联连接的半导体元件之一由ＭＣＴ（５１，５３）构成，而串联连接的另一半导体元件则由ＩＧＢＴ（４２、４４）构成。所述ＭＣＴ在导电情况下具有小的电压降及低损耗特性，即基本上恒定电压特性；所述ＩＧＢＴ具有按照驱动信号抑制电流的恒定电流特性。借助ＩＧＢＴ的抑流效应使故障电流得以抑制，并通过断开ＭＣＴ和ＩＧＢＴ使之安全地被中断。（*该技术在2010年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及使用自动断开元件并具有改进的驱动和保护特性的桥式电力逆变器。往往将IGBT(绝缘栅双级晶体管)用作由晶体管构成的电压型逆变器的逆变器电桥的开关元件。图2表示使用IGBT的驱动电压VGE(栅-发射极电压)作为参数的VCE(集电极-发射极电压)对Ic(集电极电流)特性曲线图。晶体管或功率元件的特征是当集电极-发射极电压VCE超过某一预定值时，集电极电流Ic基本恒定。换句话说，这种晶体管式功率元件具有一种恒定电流特性。然而，晶体管式功率元件相对于给定的恒定电流来说，具有较高的电压VCE，即具有大的直流电阻。可用MCT(MOS控制的闸流晶体管)构成这种逆变器电桥的开关元件。在这种情况下，将用以抑制电流增长率的电抗器连接在直流电源与逆变器电桥之间，并将用以抑制由该电抗器产生的浪涌电压的高速二极管连接在它们之间与电抗器并联。如图4所示，MCT有PNP和NPN晶体管构成的闸流晶体管结构。当选通信号接通ONFET时，NPN晶体管接通，PNP晶体管被接通。因此，MCT得以自保持从而完成等效于闸流晶体管的操作，并在阳极和阴极之间呈现低的电压降特性。当选通信号接通OFF FET时，短路了PNP晶体管的基极-发射极电路从而断开PNP晶体管，同时NPN晶体管也被断开，由此中止闸流晶体管操作。图5表示MCT的电路符号。图6表示MCT的阳极电流IA对阳极-阴极电压VA-K的特性曲线图。如图7所示，MCT断开时几乎无电流流过，而接通MCT时电压降呈现低值。此外，和晶体管式元件不同，MCT没有恒定电流特性，因此，当它接通时可把它看作低电阻的电阻器。在使用晶体管式元件作为逆变器电桥开关元件的电压型逆变器中，如果负载电动机端子被短路或该电动机产生层间短路时，如图3A和3B所示可实现保护性操作。也就是说，在时刻t1(图3B)接通晶体管后，在时刻t2(图3A)检出一过电流从而断开驱动信号，由此到时刻t3(图3A)为止断开受晶体管恒定电流特性所抑制的故障电流。然而，由于晶体管式元件如图2所示，对于大的Ic有很大的电压降VCE(即，直流电阻很大)，所以在逆变器部分中功耗很大造成低效率。尽管象MCT那样的闸流晶体管式元件即使流过大的IA其电压降VAK也是很小的，但该元件没有电流抑制效应(恒定电流特性)。因此，将一电抗器插入逆变器的直流电路以抑制在电流量值方面的增长率，并在电流过分增大之前断开驱动信号。在图7A和7B中示出上述操作。作为确保断开操作上限的最大电流Ioffmax存在于MCT之中，MCT必须由该最大电流或比其小的电流使之断开。不用电抗器时，当电动机端子被短路时所得到的电流如图7A中虚线所示。在这种情况下，由于电流迅速上升，故而无法在达到电流Ioffmax之前断开MCT。当插入一电抗器时，如图7A中实线所示电流的前沿被抑制。因此，如果在时刻t2(图7B)断开驱动信号，在时刻t3(图7A)可将电流置为零。虽然MCT被接通时，因为电压降很小所以具有高效率，但它需要电抗器和用以抑制浪涌电压的高速二极管。此外，由于该电抗器必须有很大的容量以便即使有过电流也不至于饱和，因此就不可能经济地设计具有小或中等容量的逆变器。同时，电压型逆变器的主电路和驱动器通常将IGBT和诸如MOSFET、双极晶体管以及MCT之类的自熄灭(self_extinguishing)元件用作逆变器电桥元件。例如，这样安排电路使得直流功率输出经由一快速熔断器供给晶体管电桥，通过电桥的开关动作将直流功率转换成交流功率，将将经转换的电力供给负载。上述的晶体管电桥由IGBT构成三相电桥。借助于从一独立的驱动电源把驱动信号供给IGBT的栅极而驱动在正侧的各个IGBT。另一方面，在负侧的IGBT的发射极是公共连接的，可从公共驱动电源把选通驱动信号供给各IGBT的栅极。当增大逆变器的功率容量时，增大了负侧每一IGBT的电流，从而使通常连接发射极布线中增大电压降(假设如果导线的电感为L，在改变电流时就产生电压L di/dt，此处i为电流而t为时间)。在这种情况下，如果驱动电源是共用的话，就会把L(di/dt)的噪声加到其他IGBT的栅极上而产生误操作。因此，在负侧和在正侧相似，各元件必须使用三个驱动电源，也就是必须使用总数为六个的驱动电源。另外，大多数当前使用的晶体管是称之为组件型(module type)的元件，在这种组件型元件中，主电极和冷却表面电绝缘，组件中晶体管芯片通过焊接线连接到组件外面一电极上。连接到正和负侧的某一晶体管损坏(烧毁)而短路直流电源的正和负端时，过电流流经晶体管就会熔断组件中的焊接线。结果，产生的电弧危险地散射组件型晶体管的外壁。因此，要使用快速熔断器以阻断故障电流。当增大逆变器容量时，必须用大量并联组件型元件。在这种情况下，为防止击穿组件型元件的外壁，要给每一IGBT的集电极都接上一个快速熔断器，因为在实践中，很难于获得适于保护相互并联在一起的单独组件元件的共用熔断器。而且，因为必须把IGBT的栅驱动信号共用地加到IGBT的发射极和栅极上，故要将熔断器接到每一IGBT的集电极上。在具有上述配置的电路中，由于在三相逆变器的情况下必须使用至少四个、最好六个半导体元件驱动电源，因而使电路复杂化导致成本增加。另外，如果采用给每一IGBT的集电极接上一个熔断器的电路结构，增加了用于熔断器的电线长度，从而增大电感(L)和熔线本身的电感。结果，增大了在断开时加给IGBT的浪涌电压(-L di/dt)从而降低IGBT元件的可靠性。尤其在具有高速开关转换速度的元件中，在切换电流中的变化率(di/dt)其值被增大到常规双极晶体管的几倍，相应地也增大了浪涌电压。因此，从实际出发无法采用常规的电路结构。为了吸收这种浪涌电压，可通过一电容器和二极管的串联电路箝位在连接器和一IGBT的发射极之间的冲击能量，然后使被箝位的能量经由一电阻器释放。然而，在该电路中，增加了构成元件数使电路配置复杂化，而且，必须为每个相互并联连接的IGBT配置浪涌箝位电路。另外，在用以通过冲击能量放电电流的电阻器中，产生能耗从而使效率降低。本专利技术的一个目的是提供一种解决上述问题，即具有高效率，紧凑而且经济的桥式电力变换器。为达到上述目的，在本专利技术的桥式电力变换器中，在逆变器电桥中串联的半导体元件之一是用诸如MCT的一种第一自熄灭开关元件构成的，所述MCT在导通情况下具有小的电压降而且具有低损耗特性(基本上具有恒定电压特性);而其他半导体元件是用象IGBT之类的第二自熄灭开关元件构成的，所述IGBT具有按照驱动信号而受抑制的电流并具有恒定电流特性。故障电流借助于第二自熄灭开关元件的抑流效应受到抑制，并通过断开第一和第二自熄灭开关元件而得以安全地阻断。在本专利技术的桥式电路中，由发射极与栅极之间供应的驱动信号接通/断开IGBT的发射极，和由阴极与栅极之间供应的驱动信号接通/断开MCT的阳极进行连接而被用作输出端;将IGBT的集电极经由熔断器连接到直流母线的正侧;将MCT的阴极经由熔断器连接到直流母线的负侧;并将缓冲器电路连接在IGBT的集电极与MCT的阴极之间。在该布局中，一公共驱动电源供各IGBT用，一公共驱动电源供各MCT用。由于来自经由熔断器的直流电源连接IGBT的连接器和MCT的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种桥式电力变换器，其特征在于它包括：配置有第一和第二接线端（阳极和阴极）并具有低导电电阻但无限流特性（图６）的第一开关元件（５），配置有第一和第二接线端（集电极和发射极）并基本上具有恒定电流特性（图２）的第二开关元件（４２），配置 有第一和第二接线端（阳级和阴极）并具有低导电电阻但无限流特性（图６）的第三开关元件（５３），配置有第一和第二接线端（集电极和发射极）、并基本上具有恒定电流特性（图２）的第四开关元件（４４），由第一线路（Ｐ）和第二线路（Ｎ）构成的一对 直流线路（Ｐ和Ｎ），所述第一线路（Ｐ）被连接到所述第一和第三开关元件（５１、５３）的第一接线端，而所述第二线路（Ｎ）被连接到所述第二和第四开关元件（４２、４４）的第二接线端，具有第一和第二节点的负载电路（５），将其中一个节点连接到所述第 一开关元件（５１）的第二接线端和所述第二开关元件（４１）的第一接线端，而将其中的另一节点连接到所述第三开关元件（５３）的第二接线端和所述第四开关元件（４４）的第一接线端，以及用以控制所述第一至第四开关元件（５１、４２、５３、４４）的通／ 断状态的装置（８，９）。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：冈上千寻，
申请(专利权)人：株式会社东芝，
类型：发明
国别省市：JP[日本]