專利名稱：改進(jìn)效率的橋式電力變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用自動(dòng)斷開元件并具有改進(jìn)的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)特性的橋式電力逆變器。
往往將IGBT(絕緣柵雙級(jí)晶體管)用作由晶體管構(gòu)成的電壓型逆變器的逆變器電橋的開關(guān)元件。
圖2表示使用IGBT的驅(qū)動(dòng)電壓VGE(柵-發(fā)射極電壓)作為參數(shù)的VCE(集電極-發(fā)射極電壓)對(duì)Ic(集電極電流)特性曲線圖。晶體管或功率元件的特征是當(dāng)集電極-發(fā)射極電壓VCE超過某一預(yù)定值時(shí)，集電極電流Ic基本恒定。換句話說，這種晶體管式功率元件具有一種恒定電流特性。
然而，晶體管式功率元件相對(duì)于給定的恒定電流來說，具有較高的電壓VCE，即具有大的直流電阻。
可用MCT(MOS控制的閘流晶體管)構(gòu)成這種逆變器電橋的開關(guān)元件。在這種情況下，將用以抑制電流增長(zhǎng)率的電抗器連接在直流電源與逆變器電橋之間，并將用以抑制由該電抗器產(chǎn)生的浪涌電壓的高速二極管連接在它們之間與電抗器并聯(lián)。
如圖4所示，MCT有PNP和NPN晶體管構(gòu)成的閘流晶體管結(jié)構(gòu)。當(dāng)選通信號(hào)接通ONFET時(shí)，NPN晶體管接通，PNP晶體管被接通。因此，MCT得以自保持從而完成等效于閘流晶體管的操作，并在陽極和陰極之間呈現(xiàn)低的電壓降特性。當(dāng)選通信號(hào)接通OFF FET時(shí)，短路了PNP晶體管的基極-發(fā)射極電路從而斷開PNP晶體管，同時(shí)NPN晶體管也被斷開，由此中止閘流晶體管操作。圖5表示MCT的電路符號(hào)。
圖6表示MCT的陽極電流IA對(duì)陽極-陰極電壓VA-K的特性曲線圖。如圖7所示，MCT斷開時(shí)幾乎無電流流過，而接通MCT時(shí)電壓降呈現(xiàn)低值。此外，和晶體管式元件不同，MCT沒有恒定電流特性，因此，當(dāng)它接通時(shí)可把它看作低電阻的電阻器。
在使用晶體管式元件作為逆變器電橋開關(guān)元件的電壓型逆變器中，如果負(fù)載電動(dòng)機(jī)端子被短路或該電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生層間短路時(shí)，如圖3A和3B所示可實(shí)現(xiàn)保護(hù)性操作。也就是說，在時(shí)刻t1(圖3B)接通晶體管后，在時(shí)刻t2(圖3A)檢出一過電流從而斷開驅(qū)動(dòng)信號(hào)，由此到時(shí)刻t3(圖3A)為止斷開受晶體管恒定電流特性所抑制的故障電流。
然而，由于晶體管式元件如圖2所示，對(duì)于大的Ic有很大的電壓降VCE(即，直流電阻很大)，所以在逆變器部分中功耗很大造成低效率。
盡管象MCT那樣的閘流晶體管式元件即使流過大的IA其電壓降VAK也是很小的，但該元件沒有電流抑制效應(yīng)(恒定電流特性)。因此，將一電抗器插入逆變器的直流電路以抑制在電流量值方面的增長(zhǎng)率，并在電流過分增大之前斷開驅(qū)動(dòng)信號(hào)。在圖7A和7B中示出上述操作。作為確保斷開操作上限的最大電流Ioffmax存在于MCT之中，MCT必須由該最大電流或比其小的電流使之?dāng)嚅_。
不用電抗器時(shí)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)端子被短路時(shí)所得到的電流如圖7A中虛線所示。在這種情況下，由于電流迅速上升，故而無法在達(dá)到電流Ioffmax之前斷開MCT。
當(dāng)插入一電抗器時(shí)，如圖7A中實(shí)線所示電流的前沿被抑制。因此，如果在時(shí)刻t2(圖7B)斷開驅(qū)動(dòng)信號(hào)，在時(shí)刻t3(圖7A)可將電流置為零。
雖然MCT被接通時(shí)，因?yàn)殡妷航岛苄∷跃哂懈咝?，但它需要電抗器和用以抑制浪涌電壓的高速二極管。此外，由于該電抗器必須有很大的容量以便即使有過電流也不至于飽和，因此就不可能經(jīng)濟(jì)地設(shè)計(jì)具有小或中等容量的逆變器。
同時(shí)，電壓型逆變器的主電路和驅(qū)動(dòng)器通常將IGBT和諸如MOSFET、雙極晶體管以及MCT之類的自熄滅(self_extinguishing)元件用作逆變器電橋元件。例如，這樣安排電路使得直流功率輸出經(jīng)由一快速熔斷器供給晶體管電橋，通過電橋的開關(guān)動(dòng)作將直流功率轉(zhuǎn)換成交流功率，將將經(jīng)轉(zhuǎn)換的電力供給負(fù)載。
上述的晶體管電橋由IGBT構(gòu)成三相電橋。借助于從一獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電源把驅(qū)動(dòng)信號(hào)供給IGBT的柵極而驅(qū)動(dòng)在正側(cè)的各個(gè)IGBT。另一方面，在負(fù)側(cè)的IGBT的發(fā)射極是公共連接的，可從公共驅(qū)動(dòng)電源把選通驅(qū)動(dòng)信號(hào)供給各IGBT的柵極。
當(dāng)增大逆變器的功率容量時(shí)，增大了負(fù)側(cè)每一IGBT的電流，從而使通常連接發(fā)射極布線中增大電壓降(假設(shè)如果導(dǎo)線的電感為L(zhǎng)，在改變電流時(shí)就產(chǎn)生電壓L di/dt，此處i為電流而t為時(shí)間)。在這種情況下，如果驅(qū)動(dòng)電源是共用的話，就會(huì)把L(di/dt)的噪聲加到其他IGBT的柵極上而產(chǎn)生誤操作。因此，在負(fù)側(cè)和在正側(cè)相似，各元件必須使用三個(gè)驅(qū)動(dòng)電源，也就是必須使用總數(shù)為六個(gè)的驅(qū)動(dòng)電源。
另外，大多數(shù)當(dāng)前使用的晶體管是稱之為組件型(module type)的元件，在這種組件型元件中，主電極和冷卻表面電絕緣，組件中晶體管芯片通過焊接線連接到組件外面一電極上。連接到正和負(fù)側(cè)的某一晶體管損壞(燒毀)而短路直流電源的正和負(fù)端時(shí)，過電流流經(jīng)晶體管就會(huì)熔斷組件中的焊接線。結(jié)果，產(chǎn)生的電弧危險(xiǎn)地散射組件型晶體管的外壁。因此，要使用快速熔斷器以阻斷故障電流。
當(dāng)增大逆變器容量時(shí)，必須用大量并聯(lián)組件型元件。在這種情況下，為防止擊穿組件型元件的外壁，要給每一IGBT的集電極都接上一個(gè)快速熔斷器，因?yàn)樵趯?shí)踐中，很難于獲得適于保護(hù)相互并聯(lián)在一起的單獨(dú)組件元件的共用熔斷器。而且，因?yàn)楸仨毎袸GBT的柵驅(qū)動(dòng)信號(hào)共用地加到IGBT的發(fā)射極和柵極上，故要將熔斷器接到每一IGBT的集電極上。
在具有上述配置的電路中，由于在三相逆變器的情況下必須使用至少四個(gè)、最好六個(gè)半導(dǎo)體元件驅(qū)動(dòng)電源，因而使電路復(fù)雜化導(dǎo)致成本增加。
另外，如果采用給每一IGBT的集電極接上一個(gè)熔斷器的電路結(jié)構(gòu)，增加了用于熔斷器的電線長(zhǎng)度，從而增大電感(L)和熔線本身的電感。結(jié)果，增大了在斷開時(shí)加給IGBT的浪涌電壓(-L di/dt)從而降低IGBT元件的可靠性。
尤其在具有高速開關(guān)轉(zhuǎn)換速度的元件中，在切換電流中的變化率(di/dt)其值被增大到常規(guī)雙極晶體管的幾倍，相應(yīng)地也增大了浪涌電壓。因此，從實(shí)際出發(fā)無法采用常規(guī)的電路結(jié)構(gòu)。
為了吸收這種浪涌電壓，可通過一電容器和二極管的串聯(lián)電路箝位在連接器和一IGBT的發(fā)射極之間的沖擊能量，然后使被箝位的能量經(jīng)由一電阻器釋放。
然而，在該電路中，增加了構(gòu)成元件數(shù)使電路配置復(fù)雜化，而且，必須為每個(gè)相互并聯(lián)連接的IGBT配置浪涌箝位電路。另外，在用以通過沖擊能量放電電流的電阻器中，產(chǎn)生能耗從而使效率降低。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種解決上述問題，即具有高效率，緊湊而且經(jīng)濟(jì)的橋式電力變換器。
為達(dá)到上述目的，在本發(fā)明的橋式電力變換器中，在逆變器電橋中串聯(lián)的半導(dǎo)體元件之一是用諸如MCT的一種第一自熄滅開關(guān)元件構(gòu)成的，所述MCT在導(dǎo)通情況下具有小的電壓降而且具有低損耗特性(基本上具有恒定電壓特性);而其他半導(dǎo)體元件是用象IGBT之類的第二自熄滅開關(guān)元件構(gòu)成的，所述IGBT具有按照驅(qū)動(dòng)信號(hào)而受抑制的電流并具有恒定電流特性。故障電流借助于第二自熄滅開關(guān)元件的抑流效應(yīng)受到抑制，并通過斷開第一和第二自熄滅開關(guān)元件而得以安全地阻斷。
在本發(fā)明的橋式電路中，由發(fā)射極與柵極之間供應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)接通/斷開IGBT的發(fā)射極，和由陰極與柵極之間供應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)接通/斷開MCT的陽極進(jìn)行連接而被用作輸出端;將IGBT的集電極經(jīng)由熔斷器連接到直流母線的正側(cè);將MCT的陰極經(jīng)由熔斷器連接到直流母線的負(fù)側(cè);并將緩沖器電路連接在IGBT的集電極與MCT的陰極之間。在該布局中，一公共驅(qū)動(dòng)電源供各IGBT用，一公共驅(qū)動(dòng)電源供各MCT用。
由于來自經(jīng)由熔斷器的直流電源連接IGBT的連接器和MCT的陰極，一緩沖電容連接在所述集電極與陰極之間吸收由熔線電路的電感引起的沖擊能量，從而阻止浪涌電壓加到元件(IGBT和MCT)上。
另外，由于IGBT的發(fā)射極和MCT的陽極都是公共連接的，所以可分別用公共驅(qū)動(dòng)電源驅(qū)動(dòng)IGBT和MCT。
本發(fā)明更多的目的和優(yōu)點(diǎn)將在以下說明中舉出，且部分地將從說明中顯而易見，或可通過本發(fā)明的實(shí)踐得到明確。借助于權(quán)利要求書中專門指出的手段和組合可確認(rèn)并獲得本發(fā)明的各種目的和優(yōu)點(diǎn)。
結(jié)合進(jìn)并構(gòu)成本說明書的各附圖舉例說明本發(fā)明的現(xiàn)有最佳實(shí)施例，同時(shí)以上給出的總體說明和下文給出的最佳實(shí)施例的詳細(xì)說明有助于闡明本發(fā)明的各種原理。


圖1是按照本發(fā)明一實(shí)施例的橋式電力變換器的電路圖，圖2是IGBT的典型Ic-VCE特性曲線圖，圖3A和3B是說明用于晶體管(IGBT)逆變器的保護(hù)操作的波形圖，圖4表示MCT的等效電路，圖5表示MCT的電路符號(hào)，圖6是MCT的典型IA-VAK特性曲線圖，圖7A和7B是說明用于閘流晶體管(MCT)逆變器的保護(hù)操作的波形圖，圖8是表示圖1中驅(qū)動(dòng)控制器結(jié)構(gòu)的方框圖，圖9A至9F是說明圖8中驅(qū)動(dòng)控制器操作的波形圖，圖10是表示圖1中驅(qū)動(dòng)控制器結(jié)構(gòu)的方框圖，圖11A至11H是說明圖10中驅(qū)動(dòng)控制器操作的波形圖，圖12是按照本發(fā)明另一實(shí)施例的逆變器電路圖，圖13示出用于圖12中逆變器的IGBT/MCT驅(qū)動(dòng)器，圖14示出圖12中逆變器之一部分等效電路圖，圖15是包含一個(gè)IGBT晶體管組件的剖視圖，圖16示出可用于圖1中電力變換器的逆變器電橋一支路的實(shí)例圖，圖17示出可用于圖1中電力變換器的逆變器電橋一支路的另一實(shí)例圖，圖18示出可用于圖1中電力變換器的三相交流開關(guān)的再一實(shí)例圖，圖19示出圖12中逆變器的部分變型，圖20是按照本發(fā)明再一個(gè)實(shí)施例的附加IGBT逆變器的電路圖，圖21是用以驅(qū)動(dòng)圖20中附加IGBT的信號(hào)的波形圖，圖22A至22C表示可用于圖12實(shí)施例的各種不同類型的緩沖器電路圖。
參照?qǐng)D1下面將描述作為本發(fā)明一實(shí)施例的、使用晶體管電壓型逆變器的主電路和保護(hù)電路。
來自交流電源1的交流電壓通過二極管電橋2變換為直流電壓，并通過電容器3加以平滑。該直流電壓通過逆變器電橋4變換為第二交流電壓，并供給負(fù)載電動(dòng)機(jī)5。將MCT 51、53和55連接到逆變器電橋4的正直流母線P，而將IGBT 42、44和46連接到其負(fù)直流母線N。
用電流檢測(cè)器6和7檢測(cè)負(fù)載電流，用電流檢測(cè)器8檢測(cè)直流電流。當(dāng)產(chǎn)生過電流時(shí)，驅(qū)動(dòng)控制器9檢出來自這些檢測(cè)器的輸出電平并斷開驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從而斷開過電流完成保護(hù)操作。
參照?qǐng)D1，如果負(fù)載端中出現(xiàn)短路時(shí)，來自直流電源(1至3)的電流通過各MCT和IGBT流往負(fù)載5。故障電流借助IGBT的晶體管效應(yīng)(恒定電流特性)受到抑制。當(dāng)由檢測(cè)器8檢出被抑制的過電流時(shí)，由控制器9迅速斷開各MCT和IGBT，該電流可在MCT的最大斷開電流以下被中斷。
圖8是表示圖1中驅(qū)動(dòng)控制器結(jié)構(gòu)的方框圖。圖9A至9F是說明圖8中控制器操作的波形圖。
由電流互感器8檢測(cè)圖1逆變器中流經(jīng)IGBT/MCT對(duì)任一支路的負(fù)載電流作為負(fù)載電流信號(hào)e8。在負(fù)載電流信號(hào)e8超過圖9a中示出的預(yù)定過電流檢測(cè)電平IL1時(shí)，過電流檢測(cè)器102如圖9B中所示在時(shí)刻t10產(chǎn)生過電流信號(hào)e102。
將過電流信號(hào)e102供給“與”門104和105。PWN控制器103把如圖9C和9D所示脈寬調(diào)制控制信號(hào)PWM1和PWM2分別供給“與”門104和105?！芭c”門104把信號(hào)e102和PWM1的邏輯積e104供給選通電路106，而“與”門105把信號(hào)e102和PWM2的邏輯積e105供給選通電路107。
然后，電路106把IGBT選通信號(hào)G41如圖9E所示供給IGBT42-46的每一個(gè)，而電路107把MCT選通信號(hào)G44如圖9F所示供給MCT51-55的每一個(gè)。于是，當(dāng)在時(shí)刻t10檢出過電流時(shí)，選通信號(hào)G41和G44為斷開(OFF)信號(hào)，并在稍后于時(shí)刻t10時(shí)，圖1中示出的逆變器中每一支路的IGBT和MCT均被斷開。
圖10是表示圖1中驅(qū)動(dòng)控制器結(jié)構(gòu)的方框圖。圖11A至11F是說明圖10中驅(qū)動(dòng)控制器操作的波形圖。
由電流互感器8通過負(fù)載電流信號(hào)e8檢測(cè)負(fù)載電流。當(dāng)負(fù)載電流信號(hào)e8超過圖11A中示出的預(yù)定過電流檢測(cè)電平IL1時(shí)，過電流檢測(cè)器102如圖11B中所示在時(shí)刻t10產(chǎn)生過電流信號(hào)e102。
將過電流信號(hào)e102供給衰變柵壓發(fā)生器108和延遲電路110。在從時(shí)刻t10逝去某一預(yù)定時(shí)間周期(例如，0.3至0.5微秒)之后，發(fā)生器108產(chǎn)生如圖11C在時(shí)刻t12所示具有某一預(yù)定信號(hào)電平的步進(jìn)信號(hào)e108。同時(shí)，在從時(shí)刻t10逝去另一預(yù)定時(shí)間周期(例如，5至10微秒)之后，電路110產(chǎn)生如圖11D中時(shí)刻t14所示的延遲的信號(hào)e110。
PWM控制器103分別產(chǎn)生如圖11E和11F所示的脈寬調(diào)制控制信號(hào)PWM1和PWN2。信號(hào)PWM1和PWM2分別供給“與”門104和105。“與”門104和105兩者都接收來自延遲電路110的延遲的信號(hào)e110?！芭c”門104把信號(hào)PWM1和e110的邏輯積e104供給選通電路106，而“與”門105把信號(hào)e110和PWM2供給選通電路107。
選通電路106接收來自衰變柵壓發(fā)生器108的步進(jìn)信號(hào)e108，并用信號(hào)e108調(diào)制IGBT選通信號(hào)G41的振幅。然后，電路106把具有如圖11G所示波形的IGBT選通信號(hào)G41供給IGBT42-46的每一個(gè)，而電路107把如圖11H所示MCT選通信號(hào)G44供給MCT 51-55的每一個(gè)。(可使IGBT選通信號(hào)的振幅按指數(shù)律地進(jìn)行衰變，如圖11G中用虛線G41＊所示出的)。
當(dāng)把如圖11G所示具有臺(tái)階形波形的選通信號(hào)G41供給IGBT時(shí)，IGBT的集電極電流響應(yīng)圖11G中在時(shí)刻t12處信號(hào)G41電平的減小而減小，使得負(fù)載電流如圖14A所示在時(shí)間t12后也相應(yīng)地減小。其后在時(shí)間t14斷開圖1示出的在逆變器的每一支路中的IGBT和MCT，此時(shí)過電流已從其峰值下降一定數(shù)值。
另外，流經(jīng)IGBT的集電極-發(fā)射極電路的過電流可通過檢測(cè)每一IGBT的集電極-發(fā)射極電壓VCE值而進(jìn)行檢測(cè)。這種用VCE的過電流檢測(cè)可用于代替圖8或10中過電流檢測(cè)器102。
在1988年6月26日頒發(fā)的美國專利第4，721，869號(hào)中公開過上述用IGBT的VCE檢測(cè)過電流的一個(gè)實(shí)例。上述美國專利的全部公開內(nèi)容都被結(jié)合在本發(fā)明的詳細(xì)說明之中。
按照該實(shí)施例，可將MCT的低損耗特性(恒定電壓特性)和IGBT的恒定電流特性有效地用于改進(jìn)操作效率，并可不用象電抗器那樣的大器件而在MCT的安全斷開電流范圍內(nèi)中斷由于負(fù)載短路所引起的過電流。因此，可獲得一種緊湊而經(jīng)濟(jì)的橋式電力變換器。
另外，由于將MCT安排在直流母線的正側(cè)，只需要一個(gè)選通電源用于各MCT，同樣地，由于將IGBT安排在直流母線的負(fù)側(cè)，只需要一個(gè)選通電源用于各IGBT。因此，可獲得一種非常緊湊而經(jīng)濟(jì)的橋式電力變換器。
應(yīng)當(dāng)指出，可顛倒圖1中示出的MCT與IGBT之間的位置關(guān)系。
盡管已描述的逆變器電橋中串聯(lián)元件數(shù)是兩個(gè)，但串聯(lián)元件個(gè)數(shù)或橋路的布局并不局限于這種逆變器電橋。例如，可將本發(fā)明應(yīng)用到如圖16至18所示的諸結(jié)構(gòu)。
另外，所述元件也并不局限于MCT和IGBT。例如，場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)、靜態(tài)感應(yīng)晶體管(SIT)、靜態(tài)感應(yīng)閘流晶體管(SITH)、閘門電路斷開閘流晶體管(GTO)，等等都可用作上述元件。
按照本發(fā)明，由于可以采用具有象閘流晶體管之類低損耗特性的開關(guān)元件，因而可實(shí)現(xiàn)高效操作。而且由于可以采用具有象晶體管(IGBT)那樣的恒定電流特性的開關(guān)元件，因而可既不用大容量電抗器又不用昂貴的高速二極管而使故障電流在開關(guān)元件可允許的最大電流之下得以抑制并安全地被中斷。
而且，將MCT作為具有低損耗特性的開關(guān)元件連接到直流母線的正側(cè)，而將IGBT作為具有恒定電流特性的開關(guān)元件連接到直流母線的負(fù)側(cè)。因此，可以使選通驅(qū)動(dòng)電源的尺寸減為最小從而實(shí)現(xiàn)一種緊湊而經(jīng)濟(jì)的橋式電力變換器。
下面，將參照?qǐng)D12和13描述本發(fā)明另一實(shí)施例的電路。圖12示出逆變器電橋的一相。
電源10的直流母線正側(cè)部分別經(jīng)由熔斷器31a、31b和31c連接到各IGBT 41a、41b和41c的集電極。將IGBT的發(fā)射極相互并聯(lián)，并連接到并聯(lián)的各MCT54a、54b和54c的陽極以形成橋路的輸出端GO。
MCT 54a、54b和54c的陰極分別經(jīng)由熔斷器32a、32b和32c連接到直流母線的負(fù)側(cè)N。將IGBT 41a、41b和41c的柵極并聯(lián)連接到端子G41，并將MCT 54a、54b和54c的柵極并聯(lián)連接到端子G44。
緩沖電容器6a連接在IGBT 41a的集電極與MCT 54a的陰極之間。緩沖電容器6b連接在IGBT 41b的集電極與MCT 54b的陰極之間。緩沖電容器6c連接在IGBT 41c的集電極與MCT 54c的陰極之間。
如圖13所示，一選通驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)由驅(qū)動(dòng)電源11a與11b的中點(diǎn)GO和IGBT驅(qū)動(dòng)器106供給各IGBT的柵極G41，并經(jīng)由中點(diǎn)GO和MCT驅(qū)動(dòng)器107供給各MCT的柵極G44。選通信號(hào)的公共點(diǎn)GO對(duì)IGBT和MCT是共用的。
當(dāng)在MCT 54a的柵極(G)和陽極(A)之間加上一負(fù)選通信號(hào)時(shí)，接通ON FET。然后接通構(gòu)成MCT的一個(gè)NPN晶體管，使基極電流流向PNP晶體管，從而接通所述PNP晶體管。結(jié)果，MCT的兩個(gè)晶體管起一個(gè)閘流晶體管作用。為斷開該MCT就把正柵壓加到柵極G。結(jié)果，由于接通OFFFET使PNP晶體管的基極和發(fā)射極短路，斷開PNP晶體管從而也斷開了NPN晶體管。
如圖14所示，借助電容器6a吸收由安裝熔線31a所產(chǎn)生雜散電感7和8的能量，以及由安裝熔線32a所產(chǎn)生雜散電感9和10的能量。因此，可接通/斷開IGBT和MCT而不會(huì)由于所安裝熔線招致增大電感而受到不利影響。另外，由于電容器6a的電容很小，即使元件出現(xiàn)短路，其放電能量如此小以致也不會(huì)損壞元件的外壁。
圖15示出組件晶體管的實(shí)用結(jié)構(gòu)。參照?qǐng)D15，將良導(dǎo)熱陶瓷片81粘著于銅基底80上用以形成散熱片輻射熱量，并將銅電極82、集電極83和發(fā)射極84粘著于陶瓷片81上。晶體管的小彈丸(pellet)85有一粘著于銅電極82上的集電極和一粘著于其上的發(fā)射極端子，該端子通過焊接線87連接到發(fā)射極84。焊接線86連接到集電極83并將其引出作為集電極。
在這種結(jié)構(gòu)的情況下，由于焊接線86的冷卻效率高而焊接線87的冷卻效率低，所以焊接線87總是在焊接線86之前被熔化。
在這種熔化之前，必須借助一快速熔斷器斷開故障電流。
另外，如圖12所示，由于可利用信號(hào)線GO既供給IGBT 41a、41b和41c的選通信號(hào)，又可供給MCT 54a、54b和54c的選通信號(hào)，所以驅(qū)動(dòng)電源11a和11b可共用于IGBT和MCT。
如上所述，按照本發(fā)明由于可將選通驅(qū)動(dòng)電源共用于電橋的上和下元件，故而可提供一種緊湊而經(jīng)濟(jì)的橋路。
另外，由于在直流部分元件側(cè)提供的緩沖電路可以吸收由安裝熔線產(chǎn)生增大的雜散電感而造成的沖擊能量。故而可抑制浪涌電壓。因此，可提供高度安全和高效率的半導(dǎo)體元件電橋電路。
雖然在圖12中示出的電路中使用了IGBT和MCT的組合，但如果完善了IGBT的附加P溝道(當(dāng)前，P溝道只有狹窄的操作范圍，所以還沒有投入實(shí)用)，本發(fā)明可只利用IGBT來加以實(shí)現(xiàn)。而且，將來還將發(fā)展到用另外的元件組合來獲得相同的效果。
圖20示出由P/N互補(bǔ)IGBT構(gòu)成的逆變器的一相電路圖。供給圖20中P/N IGBT的選通信號(hào)可具有如圖21A和21B所示的波形。在圖21A和21B中，提供周期Tx1和Tx2以制止兩個(gè)P/N IGBT同時(shí)接通。
而且，緩沖電路可采用如圖22A至22C所示，例如二極管、電容器和電阻等各種不同類型的組合。
此外，如圖19所示，可將單個(gè)熔斷器插入用于多個(gè)元件。
如上已描述的，按照本發(fā)明把一熔斷器與一元件串聯(lián)以防止元件的外壁被擊壞。另外，由配置到橋路的元件側(cè)直流端的緩沖電路吸收由連接該熔線產(chǎn)生增大電感而造成的開關(guān)能量，由引給開關(guān)元件的安全操作范圍置定一個(gè)界限。因此，可改進(jìn)橋路的可靠性，并因?yàn)闇p少開關(guān)損耗而提高其效率。
此外，可將一共用驅(qū)動(dòng)電源用于電橋的上部和下部各元件，從而提供一種緊湊而經(jīng)濟(jì)的半導(dǎo)體開關(guān)元件電橋電路。
對(duì)本行技術(shù)人員來說很容易想到另外的優(yōu)點(diǎn)和變型。因此，本發(fā)明在廣義范圍并不局限于已示出和描述的說明細(xì)節(jié)和代表性設(shè)備。從而，在不違背由附錄權(quán)利要求書和它們的相等物所定義總體發(fā)明概念的精神或范圍條件下可作出各種不同變型。
權(quán)利要求
1.一種橋式電力變換器，其特征在于它包含配置有第一和第二接線端(陽極和陰極)并具有低導(dǎo)電電阻但無限流特性(圖6)的第一開關(guān)元件(5)，配置有第一和第二接線端(集電極和發(fā)射極)并基本上具有恒定電流特性(圖2)的第二開關(guān)元件(42)，配置有第一和第二接線端(陽級(jí)和陰極)并具有低導(dǎo)電電阻但無限流特性(圖6)的第三開關(guān)元件(53)，配置有第一和第二接線端(集電極和發(fā)射極)、并基本上具有恒定電流特性(圖2)的第四開關(guān)元件(44)，由第一線路(P)和第二線路(N)構(gòu)成的一對(duì)直流線路(P和N)，所述第一線路(P)被連接到所述第一和第三開關(guān)元件(51、53)的第一接線端，而所述第二線路(N)被連接到所述第二和第四開關(guān)元件(42、44)的第二接線端，具有第一和第二節(jié)點(diǎn)的負(fù)載電路(5)，將其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)連接到所述第一開關(guān)元件(51)的第二接線端和所述第二開關(guān)元件(41)的第一接線端，而將其中的另一節(jié)點(diǎn)連接到所述第三開關(guān)元件(53)的第二接線端和所述第四開關(guān)元件(44)的第一接線端，以及用以控制所述第一至第四開關(guān)元件(51、42、53、44)的通/斷狀態(tài)的裝置(8，9)。
2.按照權(quán)利要求1的電力變換器，其特征在于所述控制裝置(8，9)包括用于檢測(cè)流過所述第一和第二開關(guān)元件(51、53)之一和流過所述第二和第四開關(guān)元件(42、44)之一的電流信息、并提供第一信號(hào)(e8)的裝置(8)，用于把所述第一信號(hào)(e8)的電平與預(yù)定的代表所述第一至第四開關(guān)元件(51、42、53、44)中任一的過電流電平(IL1)作比較，并在所述第一信號(hào)(e8)超過超過所述預(yù)定電平(IL1)時(shí)產(chǎn)生第二信號(hào)(e102)的裝置(102)，以及響應(yīng)所述第二信號(hào)(e102)、用于強(qiáng)制斷開所述第一至第四開關(guān)元件(51、42、53、44)中至少兩個(gè)用以通過與所述預(yù)定電平(IL1)相應(yīng)的過電流的裝置(104、105)。
3.按照權(quán)利要求1或2的電力變換器，其特征在于所述控制裝置(8，9)包括用于共用控制所述第一和第三開關(guān)元件(51、53)的通/斷狀態(tài)的裝置(106)，以及用于共用控制所述第二和第四開關(guān)元件(42、44)的通/斷狀態(tài)的裝置(107)。
4.按照權(quán)利要求1至3中任何一項(xiàng)的電力變換器，其特征在于另外還包含(圖19)插入在所述直流線路(P和N)的第一線路(P)和所述第一與第三開關(guān)元件(41a、41b)的第一接線端之間，用于防止過電流流到所述第一與第三開關(guān)元件(41a、41b)的第一過電流防護(hù)裝置(31a)，以及插入在所述直流線路(P和N)的第二線路(N)和所述第二與第四開關(guān)元件(54a、54b)的第二接線端之間、用于防止過電流流到所述第二與第四開關(guān)元件(54a、54b)的第二過電流防護(hù)裝置(32a)。
5.按照權(quán)利要求4的電力變換器，其特征在于進(jìn)一步包含具有第一和第二端的緩沖電路(圖22A至22C)，將所述第一端連接到在所述第一過電流防護(hù)裝置(31a)與所述第一和第三開關(guān)元件(41a、41b)之間的結(jié)點(diǎn)上，而將所述第二端點(diǎn)連接到在所述第二過電流防護(hù)裝置(32a)與所述第二和第四開關(guān)元件(54a、54b)之間的結(jié)點(diǎn)上。
6.按照權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)的電力變換器，其特征在于另外還包含插入在所述直流線路(P和N)的第一線路(P)和所述第一開關(guān)元件(41a)的第一接線端之間，用于防止過電流流到所述第一開關(guān)元件(41a)的第一過電流防護(hù)裝置(31a)，以及插入在所述直流線路(P和N)的第二線路(N)和所述第二開關(guān)元件(54a)的第二接線端之間、用于防止過電流流到所述第二開關(guān)元件(54a)的第二過電流防護(hù)裝置(32a)。
7.按照權(quán)利要求6的電力變換器，其特征在于進(jìn)一步包含具有第一和第二端的緩沖電路(圖22A至22C)，將所述第一端連接到在所述第一過電流防護(hù)裝置(31a)與所述第一開關(guān)元件(41a)之間的結(jié)點(diǎn)上，而將所述第二端點(diǎn)連接到在所述第二過電流防護(hù)裝置(32a)與所述第二開關(guān)元件(54a)之間的一結(jié)點(diǎn)上。
8.按照權(quán)利要求1的電力變換器，其特征在于所述控制裝置(8，9)包括(圖8)用于檢測(cè)流過所述負(fù)載電路(5)的電流信息從而產(chǎn)生第一信號(hào)(e8)的裝置(8)，用于把所述第一信號(hào)(e8)的電平與某一給定的過電流檢測(cè)電平(IL1)作比較，從而在所述第一信號(hào)(e8)的電平達(dá)到所述過電流檢測(cè)電平(IL1)時(shí)產(chǎn)生第二信號(hào)(e102)的裝置(102)，用以產(chǎn)生第一通/斷控制信號(hào)(PWM1)和第二通/斷控制信號(hào)(PWM2)的裝置(103)，當(dāng)產(chǎn)生所述第二信號(hào)(e102)時(shí)用于通過所述第一通/斷控制信號(hào)(PWM1)而提供第三信號(hào)(e104)的第一門裝置(104)，當(dāng)產(chǎn)生所述第二信號(hào)(e102)時(shí)用于通過所述第二通/斷控制信號(hào)(PWM2)而提供第四信號(hào)(e105)的第二門裝置(105)，用于響應(yīng)所述第三信號(hào)(e104)驅(qū)動(dòng)所述第二和第四開關(guān)元件(42，44)，以便對(duì)所述第二和第四開關(guān)元件(42、44)進(jìn)行通/斷控制的第一驅(qū)動(dòng)裝置(106)，以及用于響應(yīng)所述第四信號(hào)(e105)驅(qū)動(dòng)所述第一和第三開關(guān)元件(51，53)，以便對(duì)所述第一和第三開關(guān)元件(51、53)進(jìn)行通/斷控制的第二驅(qū)動(dòng)裝置(107)。
9.按照權(quán)利要求1的電力變換器，其特征在于所述控制裝置(8，9)包括(圖10)用于檢測(cè)流過所述負(fù)載電路(5)的電流信息從而產(chǎn)生第一信號(hào)(e8)的裝置(8)，用于把所述第一信號(hào)(e8)的電平與某一給定的過電流檢測(cè)電平(IL1)作比較，從而在所述第一信號(hào)(e8)的電平達(dá)到所述過電流檢測(cè)電平(IL1)時(shí)產(chǎn)生第二信號(hào)(e102)的裝置(102)，用以產(chǎn)生第一通/斷控制信號(hào)(PWM1)和第二通/斷控制信號(hào)(PWM2)的裝置(103)，用于使所述第二信號(hào)(e102)延遲某一預(yù)定時(shí)間周期(數(shù)微秒)而提供經(jīng)延遲的信號(hào)(e110)的裝置(110)，當(dāng)提供所述延遲信號(hào)(e110)時(shí)用于通過所述第一通/斷控制信號(hào)(PWM1)而提供第三信號(hào)(e104)的第一門裝置(104)，當(dāng)提供所述延遲信號(hào)(e110)時(shí)用于通過所述第二通/斷控制信號(hào)(PWM2)而提供第四信號(hào)(e105)的第二門裝置(105)，用于響應(yīng)所述第三信號(hào)(e104)驅(qū)動(dòng)所述第二和第四開關(guān)元件(42，44)，以便對(duì)所述第二和第四開關(guān)元件(42、44)進(jìn)行通/斷控制的第一驅(qū)動(dòng)裝置(106)，用于響應(yīng)所述第四信號(hào)(e105)驅(qū)動(dòng)所述第一和第三開關(guān)元件(51，53)，以便對(duì)所述第一和第三開關(guān)元件(51、53)進(jìn)行通/斷控制的第二驅(qū)動(dòng)裝置(107)，以及響應(yīng)所述第二信號(hào)(e102)用以衰變驅(qū)動(dòng)所述第二和第四開關(guān)元件(42、44)的振幅的裝置(108)。
10.按照權(quán)利要求1的電力變換器，其特征在于每個(gè)所述第一和第三開關(guān)元件(51、53)包括一MOS控制的閘流晶體管(MCT)，而每個(gè)所述第二和第四開關(guān)元件(42，44)包括一個(gè)絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。
全文摘要
在橋式電力變換器中，逆變器電橋的串聯(lián)連接的半導(dǎo)體元件之一由MCT(51，53)構(gòu)成，而串聯(lián)連接的另一半導(dǎo)體元件則由IGBT(42、44)構(gòu)成。所述MCT在導(dǎo)電情況下具有小的電壓降及低損耗特性，即基本上恒定電壓特性；所述IGBT具有按照驅(qū)動(dòng)信號(hào)抑制電流的恒定電流特性。借助IGBT的抑流效應(yīng)使故障電流得以抑制，并通過斷開MCT和IGBT使之安全地被中斷。
文檔編號(hào)H02M7/5387GK1052401SQ9010978
公開日1991年6月19日 申請(qǐng)日期1990年12月4日 優(yōu)先權(quán)日1989年12月4日
發(fā)明者岡上千尋 申請(qǐng)人:株式會(huì)社東芝