[发明专利]三电平功率转换装置

说明书

技术领域

本发明涉及三电平的直流－交流转换装置或交流－直流转换装置的电路构成方法，和半导体开关元件的浪涌电压抑制技术。

背景技术

图11表示专利文献1所示的现有技术的电路构成。图11表示单相或多相逆变器（inverter）的一相的量。在此，所谓逆变器是将直流电力转换为交流电力的电路，但是如公知那样，也可能是将交流电力转换成直流电力的动作。以下说明适用于两方面的动作、功能。

直流电源1和2的串联电路、电容器3和4的串联电路、以及二极管反向并联连接的半导体开关（在此为IGBT：Integrated Gate Bipolar Transistor）5和6的串联电路并联连接。直流电源1和2的串联连接点与电容器3和4的串联连接点连接，在上述串联连接点与半导体开关5和6的串联连接点之间连接双向开关，上述双向开关反向串联连接分别反向并联连接有二极管的半导体开关7和8。而且，由二极管202、电容器201和电阻203构成的电压钳位型缓冲器连接于半导体开关8。在这样的构成中，直流电源1和2的电压E1和E2一般作为相同值。双向开关能控制顺向/逆向两方向的电流的导通/断开。

在图11中，交流输出端U点的电位与半导体开关5导通时直流电源的正极P点的电位相等，与半导体开关6导通时N点的电位相等，还与半导体开关7和8导通时M点的电位相等。即，本电路是能根据各半导体开关的导通状态将三种电压电平输出到U点的三电平转换电路。该电路的特征在于，构成双向开关的半导体开关7、8的耐压为半导体开关5、6的耐压的二分之一就行。即，当半导体开关6导通时，直流电源PN间的电压E1＋E2施加在半导体开关5上，当半导体开关5导通时，同样地直流电源PN间的电压E1＋E2施加在半导体开关6上，与此相对，当半导体开关5导通时，仅直流电源1的电压E1施加在半导体开关7上，当半导体开关6导通时，仅直流电源2的电压E2施加在半导体开关8上，不存在施加直流电源电压E1＋E2的模式。

符号100～105是存在于配线上的寄生电感（以下，称为“配线电感”）。如公知那样，各半导体开关截断电流时，与电流变化率成比例的电压（以下，称为“浪涌电压”）出现在配线电感上，该电压在多数的情况下以加在直流电压（E1、E2或E1＋E2）上的方式施加在半导体开关。由于该电压成为半导体开关的过压破坏的原因，所以有必要对其进行抑制。为此，使用缓冲电路。

图11的缓冲电路例为电压钳位型缓冲器，其与半导体开关8并联连接电容器201和二极管202的串联电路，在该串联连接点和直流电源的负极N之间连接有电阻203。电容器201通过电阻203连接到直流电源2的两端，因此对电容器201稳定地以直流电源2的电压E2充电。例如，半导体开关8截断以M点→配线电感104→半导体开关8→半导体开关7的二极管→配线电感105→U点的路径流动的电流的情况下，电流继续以M点→配线电感104→电容器201→二极管202→半导体开关7的二极管→配线电感105→U点的路径流动，配线电感104和105的电流变化率与没有缓冲电路的情况相比减少。

这时，半导体开关8的两端电压大体上与电容器201的电压Vs1相等。通过该动作，电容器201得到充电，电压Vs1比直流电源2的电压E2高。这时，从U点流出的电流因负载的电感或交流电抗器（reactor）（都未图示）在开关前后保持一定。因此，相对在上述路径的电流减少，半导体开关6的二极管导通，以半导体开关6→配线电感103→U点的路径供给与减少部分相当的电流，因此U点电位大致与N点（负极）电位相等。在该状态下，电容器201的电压Vs1和直流电源2的电压E2的电压差作为对抗电压施加在配线电感104、105，因此上述路径的电流减少，不久成为0A，另一方面，通过半导体开关6流动的电流与来自U点的输出电流相等，换流结束。

此后，以电容器201→配线电感104→直流电源2→电阻203→电容器201的路径平缓放电，电容器201的电压Vs1再次成为直流电源2的电压E2。该缓冲器作为电压钳位型RCD缓冲器为人们所公知。图示省略，半导体开关5和6也能适用同样的缓冲器。

另一方面，对于半导体开关7，适用电压钳位型RCD缓冲器很困难，对于浪涌电压的保护很困难。其理由参照图12进行说明。图12是将电压钳位型RCD缓冲器安装在半导体开关7的情况。在半导体开关5和7交替导通的动作中，图中A点（半导体开关7和8的连接点）与M点电位相等，能实行与图11相同的动作。