[发明专利]功率转换设备

说明书

本发明涉及一种使用半导体器件的功率转换设备。

近年来，为了满足对较小尺寸和较高效率的功率转换设备的要求，尽管一直希望研制具有较高耐电压和提供大电流的半导体开关器件，但是已经研制了如3.kV-1.2kA类的绝缘栅双极晶体管(在下文简短地称为IGBT)和6kV-6kA类的门电路断开可控硅整流器(在下文简短地称为GTO)那样的大容量器件。

图5表示用GTO作半导体开关的常规单相换流器。这种换流器通过交替地接通-断开GTO(41,42,43,44)，以用从直流电源1转换的交流功率供给负载10。在断开GTO时，存储在布线电感2和阳极电抗器(31,32,33,34)中的能量变为施加在GTO上的过电压。因此，一般设有用于抑制该过电压的缓冲电路。参考图5，把缓冲二极管(71,72,73,74)和缓冲电容器(91,92,93,94)分别与阳极电抗器(31,32,33,34)，并且通过二极管(111,112,113,114)与用于缓冲电容器(91,92,93,94)的能量恢复电路(121,122,123,124)串联连接。因此，在GTO断开时的波形变成如图6所示。

关于这样换流器的最大输出，在额定操作时的最大切断电流由这样一些因素来确定，如电流供给条件和装置冷却特性的损耗特性，以及其他类似因素，而在进行故障保护时的最大切断电流确定在器件的额定可控电流的范围以内。

另一方面，关于电压，安排缓冲电路并确定电源电压，以便在发生故障而切断电流之时的瞬时过冲电压不会超过器件的额定耐电压。因此，现今实行的是使电源电压降低到接近于器件的耐电压的一半。

在这些情况下，公开了一种用于抑制过电压的方法，在一种与主开关装置并联的由缓冲二极管、缓冲电容器和缓冲电阻器所构成的缓冲电路的布置中，把一个电压调节二极管与缓冲电容器并联连接(Japanese PatentLaid-open No.Hei7-143733)。

图8表示半导体器件的耐电压与操作损耗之间关系的一例。当器件的耐电压增加时，变得有必要增加半导体晶片的厚度，并且因此使工作时间电压增加。因此，工作时间稳态损耗与耐电压成正比增加。同时，由于断开时操作电压和尾电流(参考图6)都增加，所以开关损耗实际上与耐电压的平方成正比。尽管开关损耗和工作时间稳态损耗的相对大小随电流供给条件变化，但是为了防止这样的损耗增加并使装置的冷却变得容易，因此具有较高耐电压的器件伴随有器件面积和组件尺寸增加、冷却功率增加等。

然而，在上述现有技术中，由于在保护故障时发生的瞬时过冲电压大，所以不可避免地使电源电压降低到接近于经很大努力才得到提高的器件耐电压的一半的水平。由于这个原因，为了阻止使转换设备尺寸较大，所以仅能获得相对小的转换功率。

此外，当设置一个缓冲电路来抑制过冲电压时，总是伴随有线电感(81,82,83,84)的产生。其中存储的能量最终由作为主开关装置的GTO(41,42,43,44)、续流二极管(51,52,53,54)和缓冲二极管(71,72,73,74)来消耗。此外，当时流过的电流在缓冲布线电感(81,82,83,84)与缓冲二极管(71,72,73,74)或缓冲电容器(91,92,93,94)的寄生电容之间产生共振,这样在GTO(41,42,43,44)和缓冲二极管(71,62,73,74)上施加过电压，引起器件损耗增加，并且使器件击穿。

本发明的一个目的是抑制在功率转换设备中所使用的半导体器件上施加的过电压和振荡电压，从而使功率转换设备提供较高输出，并且以较高可靠性操作。

本发明的功率转换设备包括一组半导体开关，这组半导体开关至少包括一个半导体开关。该组半导体开关与一对具有直流电势的直流接线端连接。这对直流接线端例如对应于一个直流电源与该功率转换设备的主电路的连接点。此外，在按照本发明的功率转换设备的半导体开关两端之间或直流接线端之间，并联连接一个箝位电路。利用该箝位电路，使施加在半导体开关上的电压箝位在一个比直流接线端之间的电压高，而比半导体开关的耐电压低的电压。

按照本发明，即使半导体开关在进行功率转换设备的故障保护时断开比额定操作下大的电流，也使施加在半导体开关上的过冲电压箝位在比该半导体开关的耐电压低的电压值。因此，能降低半导体开关的耐电压，并且因而能降低半导体开关中的损耗。此外，能提高功率转换设备的电源电压。因此，能实现具有一种较高效率和较高功率输出能力的功率转换设备。