專利名稱：半導(dǎo)體開關(guān)和配備半導(dǎo)體開關(guān)的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體開關(guān)和功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，并具體涉及用于抑制功 率轉(zhuǎn)換電路中續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電流的半導(dǎo)體開關(guān)，所述功率轉(zhuǎn)
換電路具有其中續(xù)流二極管和主電路開關(guān)元件反向并聯(lián)的結(jié)構(gòu)；并且 本發(fā)明還涉及應(yīng)用所述半導(dǎo)體開關(guān)的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在常規(guī)上，作為具有其中續(xù)流二極管和主電路中的開關(guān)元件反向 并聯(lián)的結(jié)構(gòu)的功率轉(zhuǎn)換電路，已經(jīng)提出了降低由于被導(dǎo)通的續(xù)流二極 管的反向恢復(fù)電流所導(dǎo)致的損耗的功率轉(zhuǎn)換電路。例如，在日本專利 公開No. 2006-141167 (專利文獻(xiàn)1)和日本專利公開No. 2006-141168 (專利文獻(xiàn)2)中公開了這種具有功率轉(zhuǎn)換電路的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。
但是，在如專利文獻(xiàn)1或?qū)＠墨I(xiàn)2中所公開的這種常規(guī)功率轉(zhuǎn) 換系統(tǒng)中，主電路的大電流在續(xù)流二極管反向恢復(fù)時暫時流入附加電 路中，從而導(dǎo)致附加電路規(guī)模增大。結(jié)果，常規(guī)功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)具有以 下問題要求具有相對較大容量的相對較大容量輔助電源。此外，出 現(xiàn)了對用于產(chǎn)生附加電路中使用的開關(guān)元件的柵極脈沖信號的邏輯 電路的需要。因此，常規(guī)功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)提出了其電路變得復(fù)雜的問題。 此外，在主電路的死區(qū)時間期間，需要使能附加電路中使用的開關(guān)元 件。這導(dǎo)致定時約束緊張，因此使得所述功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)不適于高速開 關(guān)。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問題完成了本發(fā)明。因此，本發(fā)明的目的是提供一 種半導(dǎo)體開關(guān)，通過有效地抑制續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電流進一步降低損耗并且增加開關(guān)速度，同時筒化電路結(jié)構(gòu)，以及提供一種應(yīng)用所 述半導(dǎo)體開關(guān)的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。
為了解決上述問題，根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體開關(guān)的特征在于包含 主元件，具有反向?qū)ㄐ?，并用作具有高耐受電壓的電壓?qū)動開關(guān)元 件；輔助元件，用作具有低于所述主元件的耐受電壓的電壓驅(qū)動開關(guān) 元件；以及高速續(xù)流二極管，具有等于主元件的耐受電壓的耐受電壓， 其中，主元件的負(fù)極連接到輔助元件的負(fù)極以便把主元件的正極定義 為正極端子，并把輔助元件的正極定義為負(fù)極端子，并且，高速續(xù)流 二極管并聯(lián)在正極端子和負(fù)極端子之間，以使從負(fù)極端子向正極端子 的方向為正向。
主元件可以由MOSFET構(gòu)成。
此外，輔助元件可以由FET構(gòu)成。
通過把多個高速續(xù)流二極管串聯(lián)可以構(gòu)成高速續(xù)流二極管，以便 實現(xiàn)和主元件的相同的耐受電壓。
高速續(xù)流二極管可以是使用具有比硅的禁帶更寬的禁帶的半導(dǎo) 體材料制造的二極管。
可以跨輔助元件的正極和負(fù)極并聯(lián)電容器。
同樣地，可以跨輔助元件的正極和負(fù)極并聯(lián)其正向是從輔助元件 的負(fù)極向正極的二極管。
柵極驅(qū)動器的輸出側(cè)可以被連接到主元件和輔助元件的柵極端 子，公共柵極信號被輸入到所述柵極驅(qū)動器。
電壓箝位電路可以被沿著從負(fù)極端子到柵極驅(qū)動器的電源的正 極側(cè)的方向連接。
此外，主元件、輔助元件和高速續(xù)流二極管的半導(dǎo)體芯片可以被 整體形成在單個襯底上。
此外，為了解決上述問題，根據(jù)本發(fā)明的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的特征在 于在通過把兩個開關(guān)元件串聯(lián)到DC主電源而構(gòu)建的橋接電路中， 通過應(yīng)用上述半導(dǎo)體開關(guān)中的任何一個來構(gòu)建所述兩個開關(guān)元件中 至少正極側(cè)上的開關(guān)元件。更進一步，為了解決上述問題， 一種根據(jù)本發(fā)明的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)
的特征在于在具有多個分別通過把兩個開關(guān)元件串聯(lián)到DC主電源 構(gòu)建的橋接電路的多相橋接電路中，通過應(yīng)用上述半導(dǎo)體開關(guān)中的任 何一個來構(gòu)建所述兩個開關(guān)元件中至少負(fù)極側(cè)上的開關(guān)元件，并且負(fù) 極側(cè)上的開關(guān)元件的柵極驅(qū)動電源被公用，以便從單個電源通過電阻 器給每一相提供功率，或者從單個電源通過開關(guān)給每一相提供功率。
更進一步，為了解決上述問題， 一種根據(jù)本發(fā)明的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng) 的特征在于在具有至少兩個分別通過把兩個開關(guān)元件串聯(lián)到DC主 電源構(gòu)建的橋接電路的橋接電路中，通過把上述半導(dǎo)體開關(guān)中的任何 一個應(yīng)用于所述兩個開關(guān)元件來構(gòu)建所述橋接電路中的至少一個，以 使所述橋接電路的開關(guān)頻率高于其他橋接電路的開關(guān)頻率。
根據(jù)本發(fā)明，可以更有效地抑制續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電流，同 時使得電路結(jié)構(gòu)與常規(guī)技術(shù)相比更為簡單。因此，可以提供一種損耗 被進一步降低的半導(dǎo)體開關(guān)，以及應(yīng)用所述半導(dǎo)體開關(guān)的功率轉(zhuǎn)換系 統(tǒng)。此外，由于本發(fā)明不受對開關(guān)定時的常規(guī)約束的限制，因此可以 提供一種具有比常規(guī)技術(shù)更高的開關(guān)速度的半導(dǎo)體開關(guān)，并且也提供 一種應(yīng)用所述半導(dǎo)體開關(guān)的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。


圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的半導(dǎo)體開關(guān)的電路結(jié)構(gòu) 的電路圖。
圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的半導(dǎo)體開關(guān)的電路結(jié)構(gòu) 的電路圖。
圖3是示出根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的半導(dǎo)體開關(guān)的電路結(jié)構(gòu) 的電路圖。
圖4是示出根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的半導(dǎo)體開關(guān)的電路結(jié)構(gòu) 的電路圖。
圖5是示出根據(jù)本發(fā)明的第五實施例的半導(dǎo)體開關(guān)的電路結(jié)構(gòu) 的電路圖。圖6是示出根據(jù)本發(fā)明的第六實施例的半導(dǎo)體開關(guān)的電路結(jié)構(gòu) 的電路圖。
圖7是示出根據(jù)本發(fā)明的第七實施例的半導(dǎo)體開關(guān)的電路結(jié)構(gòu) 的電路圖。
圖8是示出根據(jù)本發(fā)明的第八實施例的半導(dǎo)體開關(guān)的電路結(jié)構(gòu) 的電路圖。
圖9是示出根據(jù)本發(fā)明的第九實施例的半導(dǎo)體開關(guān)的電路結(jié)構(gòu) 的電路圖。
圖IO是示出根據(jù)本發(fā)明的第一功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(通過應(yīng)用根據(jù)本 發(fā)明的半導(dǎo)體開關(guān)構(gòu)建的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng))的電路結(jié)構(gòu)的電路圖。
圖11是示出根據(jù)本發(fā)明的第二功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(通過應(yīng)用根據(jù)本 發(fā)明的半導(dǎo)體開關(guān)構(gòu)建的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng))的電路結(jié)構(gòu)的電路圖。
圖12是示出根據(jù)本發(fā)明的第三功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(通過應(yīng)用根據(jù)本 發(fā)明的半導(dǎo)體開關(guān)構(gòu)建的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng))的電路結(jié)構(gòu)的電路圖。
圖13是示出根據(jù)本發(fā)明的第四功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(通過應(yīng)用根據(jù)本 發(fā)明的半導(dǎo)體開關(guān)構(gòu)建的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng))的電路結(jié)構(gòu)的電路圖。
具體實施例方式
下文將參考附圖描述根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體開關(guān)和應(yīng)用所述半導(dǎo) 體開關(guān)的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的實施例。 [第一實施例l
圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的第 一 實施例的半導(dǎo)體開關(guān)1A的電路結(jié) 構(gòu)的電路圖。
半導(dǎo)體開關(guān)1A被如下構(gòu)建將輔助元件3和用作公用功率轉(zhuǎn)換 電路的開關(guān)元件的主元件2串聯(lián)，并把具有和主元件2相同的耐壓性 (耐受電壓)的高速續(xù)流二極管4與主元件2和輔助元件3的串聯(lián)連 接反向并聯(lián)。即，通過把包含輔助元件3和高速續(xù)流二極管4的附加 電路添加到主元件2來構(gòu)建半導(dǎo)體開關(guān)1A。
半導(dǎo)體開關(guān)1A的主元件2是耐壓性(耐受電壓)高的高耐壓、電壓驅(qū)動元件，并且包含例如反向?qū)ǘO管5的IGBT 2A被應(yīng)用 于主元件2。主元件2的耐受電壓是可實現(xiàn)的電壓，優(yōu)選是100V或 者更高，更優(yōu)選是200V或更高，并且250 V或更高則更為優(yōu)選。在 正常情況下，使用具有250 V或更高的耐受電壓的元件。
輔助元件3是電壓驅(qū)動元件，和主元件2的耐受電壓相比，具有 大約一半或更低的耐壓性(耐受電壓)。具有例如幾十伏的耐受電壓 的低壓MOSFET ,皮應(yīng)用于輔助元件3。
這里，附圖標(biāo)記6表示MOSFET 3的寄生二極管。反向?qū)ǘ?極管5和寄生二極管6實現(xiàn)IGBT 2A (主元件2 )和低壓MOSFET (輔助元件)3的反向?qū)ㄐ?。此外，高速續(xù)流二極管4指與內(nèi)置于 主元件2中的反向?qū)ǘO管5相比，芯片面積較小、正向電壓降較 大、并且反向恢復(fù)特性更佳的二極管。
通過把IGBT 2A (主元件2 )的對應(yīng)于其負(fù)極的發(fā)射極連接到低 壓MOSFET (輔助元件)3的對應(yīng)于其負(fù)極的源極端子，在主元件2 和輔助元件3之間進行連接。即，對應(yīng)于主元件2的正極的IGBT2A 的集電極被定義為正極端子7，并且對應(yīng)于輔助元件3的正極的低壓 MOSFET 3的漏極端子被定義為負(fù)極端子8。連接高速續(xù)流二極管4， 使從負(fù)極端子8向正極端子7的方向為正向("p"極一^n"極)。
接著，將對半導(dǎo)體開關(guān)1A的主元件2和輔助元件3的柵極定時 做出說明。
半導(dǎo)體開關(guān)1A在從圖1中未示出的柵極驅(qū)動器接收到柵極信號 時工作。與主元件2的通/斷定時同步地提供柵極信號，并且這種定時 也用于開啟/關(guān)斷輔助元件3。即，當(dāng)把ON信號施加到主元件2的柵 極時，ON信號也被施加到輔助元件3的柵極。相反，當(dāng)OFF信號被 施加到主元件2的柵極時，OFF信號也纟皮施加到輔助元件3的柵極。 盡管在實踐中伴隨著某些定時誤差，但是主元件2和輔助元件3彼此 同步地執(zhí)行開關(guān)操作。
半導(dǎo)體開關(guān)1A將實現(xiàn)下列功能和效果。
在如圖1中所示構(gòu)建并且其柵極定時受到控制的半導(dǎo)體開關(guān)1A中，通過將具有足夠低的耐受電壓(例如幾十伏)的MOSFET用于 輔助元件3，可以把導(dǎo)通電阻的增大抑制到極小的量。此外，通過將 具有足夠低的耐受電壓的MOSFET用于輔助元件3，可以使輔助元 件3的半導(dǎo)體芯片更小，同時降低其導(dǎo)通電阻。這歸功于MOSFET 的導(dǎo)通電阻特性(后面描述為表達(dá)式l)。
一般可知，如下面給出的表達(dá)式(l)中所示，MOSFET的導(dǎo)通電 阻Ron與元件耐受電壓V的2.5次冪約成正比，并且反比于芯片面積 S。這里，表達(dá)式(l)的右方項中的"k"表示比例常數(shù)。
表達(dá)式(1)<formula>formula see original document page 9</formula>
即，基于上面給出的表達(dá)式(l)來考慮，元件耐受電壓V的2.5 次冪大體上和導(dǎo)通電阻Ron與芯片面積S的乘積成正比。例如，如果 元件耐受電壓V減小到其值的1/5倍，則導(dǎo)通電阻Ron與芯片面積S 的乘積可以減小到1/5的2.5次冪(大約1/56)。如果導(dǎo)通電阻減小 到其值的1/7,則芯片面積也可以同時減小到其值的1/8倍，從而使半 導(dǎo)體芯片更小。
當(dāng)主電流沿正向流動時，即從正極端子7向負(fù)極端子8流動時， 半導(dǎo)體開關(guān)1A處于極低電阻狀態(tài)，因為ON信號也被施加到輔助元 件3的柵極。當(dāng)主電流沿反方向流動時，即從負(fù)極端子8向正極端子 7流動時，半導(dǎo)體開關(guān)1A也處于極低電阻狀態(tài)，因為ON信號也被 施加到輔助元件3的柵極。因此，從負(fù)極端子8流入的主電流通過輔 助元件3到達(dá)內(nèi)置于主元件2中的反向?qū)ǘO管5，并流入正極端 子7。
如果主元件2此時被斷開，則輔助元件3也被同步地斷開。因此， 主電流不再能夠通過輔助元件3。結(jié)果，主電流被迫換向到具有較大 正向電壓降的高速續(xù)流二極管4。在完成此換向前的瞬間，沖擊電壓 被暫時施加在用作輔助元件3的低壓MOSFET3的漏極和源極端子之 間。 一般來說，幾十伏的耐受電壓就足以承受這個沖擊電壓。即使要 在極短的時間期間施加超過所述耐受電壓的沖擊電壓，即，即使在完成換向前的瞬間施加超過所述耐受電壓的沖擊電壓，mosfet 3也能 夠承受所述沖擊電壓，因為mosfet 3或多或少具有雪崩電阻。
因此，在其中兩個互補工作的半導(dǎo)體開關(guān)1a串聯(lián)到dc主電路 的橋接電路中，即使一個半導(dǎo)體開關(guān)1a導(dǎo)通， 一旦在另一個(關(guān)斷 的)半導(dǎo)體開關(guān)ia中主電流被換向到高速續(xù)流二極管4，反向恢復(fù) 電流也不流過反向?qū)ǘO管5。因此，反向恢復(fù)現(xiàn)象被有效地抑制 了。
根據(jù)半導(dǎo)體開關(guān)1a，可以減小由于流過和主元件2反向并聯(lián)的 反向?qū)ǘO管5的反向恢復(fù)電流導(dǎo)致的損耗。此外，由于這導(dǎo)致了 開關(guān)損耗的減小，所以高速開關(guān)將變得可能。更進一步地，可以最小 化添加到公用半導(dǎo)體開關(guān)(對應(yīng)于主元件2)的高速續(xù)流二極管4和 輔助元件3的芯片面積。此外，這些部件不要求任何額外的電源，因 此，可以構(gòu)建尺寸小并且成本低的附加電路(輔助元件3和高速續(xù)流 二極管4 )。
圖11是示出第二功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)30B (通過應(yīng)用根據(jù)本發(fā)明的半 導(dǎo)體開關(guān)構(gòu)建的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng))的電路結(jié)構(gòu)的電路圖，第二功率轉(zhuǎn)換 系統(tǒng)3 0 B是根據(jù)本發(fā)明的實施例的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的 一 個例子。
和圖10的情況一樣，圖11中所示的第二功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)30B也 是三相橋接電路，其中設(shè)置了三個電橋，分別通過在從DC主電源31 延伸的正側(cè)DC總線32和負(fù)側(cè)DC總線33之間串聯(lián)兩個主電路開關(guān) 元件構(gòu)建。在每一個正側(cè)開關(guān)元件和每一個負(fù)側(cè)開關(guān)元件之間的連接 點是輸出端子35，并且三相分別對應(yīng)于輸出端子35a、 35b和35c。
更具體地，在第二功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)30B中，半導(dǎo)體開關(guān)1G(圖7 中所示)被應(yīng)用于正側(cè)(在正側(cè)DC總線32那側(cè))上的三個開關(guān)元 件，并且半導(dǎo)體開關(guān)1H (圖8中所示)被應(yīng)用于負(fù)側(cè)(在負(fù)側(cè)DC 總線33那側(cè))上的三個開關(guān)元件。功率從各負(fù)側(cè)開關(guān)元件(半導(dǎo)體 開關(guān)1H)的公共柵極驅(qū)動電源37通過每一個電流控制電阻器38被 供應(yīng)到每一個相。由于使柵極驅(qū)動電源16公用，所以圖ll中所示的 每一個半導(dǎo)體開關(guān)1H的柵極驅(qū)動電源16被改變?yōu)殡娙萜?9。
在以這種方式構(gòu)建的第二功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)30B中，根據(jù)本發(fā)明的 能夠比常規(guī)技術(shù)更高速開關(guān)的半導(dǎo)體開關(guān)(圖11中所示的例子中的 半導(dǎo)體開關(guān)1G和半導(dǎo)體開關(guān)1H)既被設(shè)置在正側(cè)上，也^皮設(shè)置在負(fù)側(cè)上。因此，除了第一功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)30A的優(yōu)點以外，和第一功率轉(zhuǎn) 換系統(tǒng)30A相比，可以使開關(guān)速度更高。此外，由于可以利用沖擊電 壓的能量作為柵極驅(qū)動電源，所以柵極驅(qū)動電源的功耗可以被減小。
此外，在圖11中所示的第二功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)30B中，半導(dǎo)體開關(guān) 1G (圖7中所示)被應(yīng)用于正側(cè)(在正側(cè)DC總線32那側(cè))上的三 個開關(guān)元件，并且半導(dǎo)體開關(guān)1H (圖8中所示)被應(yīng)用于負(fù)側(cè)(在 負(fù)側(cè)DC總線33那側(cè))上的三個開關(guān)元件。但是，要應(yīng)用的本發(fā)明 的半導(dǎo)體開關(guān)不局限于這些半導(dǎo)體開關(guān)。例如，半導(dǎo)體開關(guān)1H(圖8
中所示)可以被應(yīng)用于正側(cè)(在正側(cè)DC總線32那側(cè))上和負(fù)側(cè)(在 負(fù)側(cè)DC總線33那側(cè))上的六個開關(guān)元件。 [第十二實施例
圖12是示出第三功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)30C (通過應(yīng)用根據(jù)本發(fā)明的半 導(dǎo)體開關(guān)構(gòu)建的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng))的電路結(jié)構(gòu)的電路圖，第三功率轉(zhuǎn)換 系統(tǒng)30C是根據(jù)本發(fā)明的實施例的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的 一 個例子。
第三功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)30C與第二功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)30B(圖11中所示) 的不同之處在于第三功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)30C包括代替電阻器38的充電開 關(guān)40。但是，這些功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)的剩余部分并無顯著的不同。 因此，和功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)30B的部件并無顯著不同的部件被用同樣的附 圖標(biāo)記表示，并且將不再次說明。
和圖11的情況一樣，圖12中所示的第三功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)30C也 是三相橋接電路，其中設(shè)置了三個電橋，分別通過在從DC主電源31 延伸的正側(cè)DC總線32和負(fù)側(cè)DC總線33之間串聯(lián)兩個主電路開關(guān) 元件構(gòu)建。在每一個正側(cè)開關(guān)元件和每一個負(fù)側(cè)開關(guān)元件之間的連接 點是輸出端子35,并且三相分別對應(yīng)于輸出端子35a、 35b和35c。
更具體地，半導(dǎo)體開關(guān)1G (圖7中所示)被應(yīng)用于正側(cè)(在正 側(cè)DC總線32那側(cè))上的三個開關(guān)元件，并且半導(dǎo)體開關(guān)1H (圖8 中所示)被應(yīng)用于負(fù)側(cè)(在負(fù)側(cè)DC總線33那側(cè))上的三個開關(guān)元 件。此外，功率從各負(fù)側(cè)(在負(fù)側(cè)DC總線33那側(cè))半導(dǎo)體開關(guān)1H 的公共柵極驅(qū)動電源37通過每一個充電開關(guān)40供應(yīng)到每一個相。在以這種方式構(gòu)建的第三功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)30C中，每一個充電開 關(guān)40與同相的主元件2和輔助元件3的通/斷定時同步。更具體地， 只有在同相的主元件2和輔助元件3被開啟時充電開關(guān)40才被開啟。
根據(jù)第三功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)30C，除了第二功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)30B的優(yōu) 點以外，提供了進一步的優(yōu)點。即，通過控制充電開關(guān)40的通/斷定 時，可以比在第二功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)30B中使用電阻器38的情況中更多 地減小損耗。因此，可以把第三功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)30C的電路構(gòu)建得在尺 寸上比第二功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)30B的電路更小。同樣地，和第二功率轉(zhuǎn)換 系統(tǒng)30B—樣，在圖12中所示的第三功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)30C中應(yīng)用的本
發(fā)明的半導(dǎo)體開關(guān)不局限于圖中所示的那些。 [第十三實施例]
圖13是示出第四功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)30D (通過應(yīng)用根據(jù)本發(fā)明的半 導(dǎo)體開關(guān)構(gòu)建的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng))的電路結(jié)構(gòu)的電路圖，第四功率轉(zhuǎn)換 系統(tǒng)3 OD是根據(jù)本發(fā)明的實施例的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的 一 個例子。
如圖13中所示，第四功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)30D是單相全橋電路，其中 設(shè)置了兩個電橋，分別通過在從DC主電源31延伸的正側(cè)DC總線 32和負(fù)側(cè)DC總線33之間串聯(lián)兩個主電路開關(guān)元件構(gòu)建。
對于兩個電橋其中之一，構(gòu)建高速開關(guān)橋接電路41，其中，應(yīng) 用半導(dǎo)體開關(guān)1G作為正側(cè)(在正側(cè)DC總線32那側(cè))上和負(fù)側(cè)(在 負(fù)側(cè)DC總線33那側(cè))上的開關(guān)元件，半導(dǎo)體開關(guān)1G是根據(jù)本發(fā)明 的半導(dǎo)體開關(guān)的一個例子。對于另一電橋，構(gòu)建低速開關(guān)橋接電路43， 其中，應(yīng)用IGBT 42作為正側(cè)(在正側(cè)DC總線32那側(cè))上和負(fù)側(cè) (在負(fù)側(cè)DC總線33那側(cè))上的開關(guān)元件，IGBT 42是常規(guī)的開關(guān) 元件。
以這種方式構(gòu)建的第四功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)30D工作，以^使高速開關(guān) 橋接電路41的開關(guān)頻率高于低速開關(guān)橋接電路43的開關(guān)頻率。通過 以這種方式執(zhí)行工作控制，可以實現(xiàn)能夠高速開關(guān)的具有與常規(guī)技術(shù) 相比更高的效率、更低的成本和更簡單的電路結(jié)構(gòu)的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。
此外，盡管已經(jīng)對其中圖13中所示的第四功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)30D是
22單相全橋電路的例子進行了說明，但是第四功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)30D不局限 于單相全橋電路。另選地，第四功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)30D可以是包括多個通 過串聯(lián)兩個主電路開關(guān)元件構(gòu)建的電橋，并具有至少一個高速開關(guān)橋 接電路41的橋接電路。例如，第四電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)30D可以是圖10到 圖12中所示的三相橋接電路中的任何一個。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，可以更有效地抑制續(xù)流二極管的反向恢 復(fù)電流，同時使電路結(jié)構(gòu)比常規(guī)技術(shù)筒單。因此，可以提供進一步減 小損耗的半導(dǎo)體開關(guān)和應(yīng)用所述半導(dǎo)體開關(guān)的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。此外， 由于本發(fā)明不受對開關(guān)定時的常規(guī)約束的限制，因此可以提供一種與 常規(guī)技術(shù)相比開關(guān)速度更高的半導(dǎo)體開關(guān)，和應(yīng)用所述半導(dǎo)體開關(guān)的 功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。應(yīng)該注意，本發(fā)明不局限于上述各個實施例，在實際 使用時，組成元件可以在不偏離本發(fā)明的主題的情況下被修改和具體 實施。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體開關(guān)，包含主元件，具有反向?qū)ㄐ裕⒂米骶哂懈吣褪茈妷旱碾妷候?qū)動開關(guān)元件；輔助元件，用作具有低于主元件的耐受電壓的電壓驅(qū)動開關(guān)元件；以及高速續(xù)流二極管，具有等于主元件的耐受電壓；其中，主元件的負(fù)極連接到輔助元件的負(fù)極，以便把主元件的正極定義為正極端子并把輔助元件的正極定義為負(fù)極端子，并且，高速續(xù)流二極管并聯(lián)在正極端子和負(fù)極端子之間，以使從負(fù)極端子向正極端子的方向構(gòu)成為正向。
2. 如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體開關(guān)，其中，主元件是MOSFET。
3. 如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體開關(guān)，其中，輔助元件由FET構(gòu)成。
4. 如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體開關(guān)，其中，通過把多個高速續(xù) 流二極管串聯(lián)來構(gòu)建高速續(xù)流二極管以便實現(xiàn)與主元件相同的耐受 電壓。
5. 如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體開關(guān)，其中，高速續(xù)流二極管是 使用具有比硅的禁帶更寬的禁帶的半導(dǎo)體材料制造的二極管。
6. 如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體開關(guān)，其中，跨輔助元件的正極 和負(fù)極兩端并聯(lián)電容器。
7. 如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體開關(guān)，其中，跨輔助元件的正極 和負(fù)極并聯(lián)二極管，其中該二極管的正向是從輔助元件的負(fù)極向正極 的方向。
8. 如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體開關(guān)，其中，柵極驅(qū)動器的輸出 側(cè)被連接到主元件和輔助元件的柵極端子，公共柵極信號被輸入到所 述柵極驅(qū)動器。
9. 如權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體開關(guān)，其中，電壓箝位電路被沿著從負(fù)極端子到柵極驅(qū)動器的電源的正極側(cè)的方向連接。
10. 如權(quán)利要求l所述的半導(dǎo)體開關(guān)，其中，主元件、輔助元件和高速續(xù)流二極管的半導(dǎo)體芯片被整體形成在單個襯底上。
11. 一種功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中在通過把兩個開關(guān)元件串聯(lián)到DC 主電源而構(gòu)建的橋接電路中，通過應(yīng)用如權(quán)利要求1到10所述的半 導(dǎo)體開關(guān)中的任何一個來構(gòu)建所述兩個開關(guān)元件中至少正極側(cè)上的 開關(guān)元件。
12. —種功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中，在具有多個分別通過把兩個開關(guān) 元件串聯(lián)到DC主電源而構(gòu)建的橋接電路的多相橋接電路中，通過應(yīng) 用如權(quán)利要求1到10所述的半導(dǎo)體開關(guān)中的任何一個來構(gòu)建所述兩 個開關(guān)元件中至少負(fù)極側(cè)上的開關(guān)元件，并且負(fù)極側(cè)上的開關(guān)元件的 柵極驅(qū)動電源被公用，以便從單個電源通過電阻器給每一相提供功率。
13. —種功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中，在具有多個分別通過把兩個開關(guān) 元件串聯(lián)到DC主電源而構(gòu)建的橋接電路的多相橋接電路中，通過應(yīng) 用如權(quán)利要求1到10所述的半導(dǎo)體開關(guān)中的任何一個來構(gòu)建所述兩 個開關(guān)元件中至少負(fù)極側(cè)上的開關(guān)元件，并且負(fù)極側(cè)上的開關(guān)元件的 柵極驅(qū)動電源被公用，以便從單個電源通過開關(guān)給每一相提供功率。
14. 一種功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中，在具有至少兩個分別通過把兩個開關(guān)元件串聯(lián)到DC主電源而構(gòu)建的橋接電路的橋接電路中，通過把如權(quán)利要求1到10所述的半導(dǎo)體開關(guān)中的任何一個應(yīng)用于所述兩個開關(guān)元件來構(gòu)建所述橋接電路中的至少一個，以使所述橋接電路的開 關(guān)頻率高于其他橋接電路的開關(guān)頻率。
全文摘要
一種半導(dǎo)體開關(guān)，配備有主元件，具有反向?qū)ㄐ裕⒂米骶哂懈吣褪茈妷旱碾妷候?qū)動開關(guān)元件；輔助元件，用作具有低于所述主元件的耐受電壓的電壓驅(qū)動開關(guān)元件；以及高速續(xù)流二極管，具有等于主元件的耐受電壓，其中，主元件的負(fù)極連接到輔助元件的負(fù)極以便把主元件的正極定義為正極端子，并把輔助元件的正極定義為負(fù)極端子，并且，高速續(xù)流二極管并聯(lián)在正極端子和負(fù)極端子之間，以使從負(fù)極端子向正極端子的方向構(gòu)成為正向。
文檔編號H02M1/08GK101632214SQ20088000788
公開日2010年1月20日 申請日期2008年2月4日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月6日
發(fā)明者小山建夫, 津田純一, 葛卷淳彥, 餅川宏 申請人:株式會社東芝