[發明專利]電力轉換裝置以及電力轉換方法

有效

• 申請號: 201880054985.2
• 申請日: 2018-08-28
• 公開（公告）號: CN111052577B
• 公開（公告）日: 2023-07-25
• 發明（設計）人: 栗原直樹;仲田清;石川勝美;河野恭彥
• 申請（專利權）人: 株式會社日立制作所
• 主分類號: H02M1/08
• 分類號: H02M1/08;H03K17/687
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 劉建

本發明是一種電力轉換裝置(1)，其具備：開關模塊(300)，其具備功率半導體元件來作為開關元件；柵極驅動器(320)，其將用于驅動所述開關元件的驅動信號向所述開關模塊的控制端子輸出；以及布線體(108)，其利用隔著間隔呈面狀對置的多個導體將所述控制端子與所述柵極驅動電路的輸出端子之間連接。

技術領域

本發明涉及電力轉換裝置以及電力轉換方法，特別是，適合應用于在馬達驅動的鐵道車輛、鋼鐵的軋制機、風力發電機等中使用的大電力的電力轉換裝置。

背景技術

對于鐵道車輛、鋼鐵的軋制機、風力發電機等，將大電力在直流與交流之間轉換的電力轉換裝置利用能夠在超過1kV的高電壓下控制幾百A以上的大電流的功率半導體元件來作為用于電力轉換的開關元件。例如，已知有利用絕緣柵雙極型晶體管(IGBT：InsulatedGate?Bipolor?Transistor)來作為開關元件的電力轉換裝置(專利文獻1)。

IGBT是將輸入部設為MOSFET構造，將輸出部設為BIPOLAR構造進行復合化，為雙極，并且兼顧低飽和電壓和較快的開關特性的元件，該IGBT具備將主電源通電的兩個主端子(集電極端子、發射極端子)、以及作為控制電流的控制端子的柵極端子，在柵極端子連接有控制柵極電壓的柵極驅動電路。柵極驅動電路使柵極電壓變化，從而控制在集電極端子與發射極端子之間流動的主電流。

另一方面，以電力轉換裝置的效率提高和小型化為目的，在電力轉換裝置中應用SiC(碳化硅)、GaN(氮化鎵)、或者金剛石等的寬帶隙半導體的元件來代替硅(非專利文獻1)。

由于寬帶隙半導體的絕緣破壞電場強度大到硅的數倍(SiC、GaN約為10倍，金剛石約為30倍)，因此除了能夠提高芯片的雜質濃度以外，還能夠將芯片的厚度較薄地構成。由此，電流通電時的導通電阻變小，能夠減少導通損失。因而，由于開關元件的導通電阻被抑制得較小，所以開關元件也可以不是雙極構造的IGBT，而是具有更快的開關特性的單級構造的功率MOSFET。而且，硅半導體在200℃左右為極限，但由于寬帶隙半導體能夠耐受超過該極限的高溫，因此也能夠簡化電力轉換器的冷卻器，使電力轉換器變得小型。

在先技術文獻

專利文獻

專利文獻1：日本特開2015-198545號公報

非專利文獻

非專利文獻1：“Gate-Driver?with?Full?Protection?for?SiC-MOSFETModules”，VDE?Conference?Publication，Karsten?Fink?and?Andreas?Volke，PowerIntegrations?GmbH，Germany，Winson?Wei，Power?Integrations，China、and?EugenWiesner?and?Eckhard?ThaI，Mitsubishi?Electric?Europe?B.V.，Germany，Date?ofConference：28-30June?2016.

發明內容

發明要解決的課題

柵極驅動電路通過布線(柵極布線)與開關元件連接，但其布線長度為50cm～1m程度。如此加長布線長度的原因在于，當功率半導體元件在高電壓、大電流下執行開關時，柵極驅動電路不會因開關時的電磁場噪聲而誤動作。而且，說明了寬帶隙半導體應用于電力轉換器的開關元件，能夠使電力轉換裝置的冷卻器小型化的情況，但通過加長布線長度，能夠使柵極驅動電路不受開關元件的發熱的影響，能夠抑制柵極驅動電路的劣化。

另外，在開關元件斷開時、或者相對于開關元件以反向并聯的方式連接的續流二極管電流斷開(以下，也稱為“反向恢復”)時，由于開關元件的集電極-發射極間的電壓的急劇變化，從而電流經由集電極-柵極間的反饋電容流向集電極向柵極，柵極電壓變動，由此，為了使開關元件不引起誤動作，也嘗試在開關元件的柵極-發射極端子間連接電容器。