[发明专利]功率半导体器件及使用该器件的功率转换系统

说明书

技术领域

本发明涉及应用于具有三个或更多个电平的多电平功率转换系统的功率半导体模块，且涉及应用该模块的功率转换系统。

背景技术

图11示出三电平逆变器的电路示例，其为将直流转换成交流的功率转换电路。在其中C1和C2串联连接(可使用大电容电容器来替代)的直流电源中，正侧电位为Cp，负侧电位为Cn，以及中间点电位为Cm(Cm1和Cm2)。通常，从交流电源系统配置直流电源时，可以通过应用整流器、大电容电解电容器等来配置。

附图标记3和4是连接到正侧电位Cp的上臂的IGBT和二极管，附图标记5和6是连接到负侧电位Cn的下臂的IGBT和二极管，且上臂与下臂串联连接，从而配置一个相臂。三相电路由三个相臂来配置。此外，附图标记7、8、9和10是配置连接在直流电源中间点电位Cm(Cm1和Cm2)和交流输出端子11之间的双向开关的元件，其中7和8是IGBT，9和10是二极管。图11中的双向开关具有的配置为反并联连接有二极管的IGBT之间反串联连接，并应用到各相中。在图中，IGBT 7和IGBT 8用共发射极反串联连接，但是还可用共集电极配置来实现该开关，或者如图13B所示，用具有反向阻断电压的IGBT 12和IGBT 13反并联连接的配置来实现该开关。

Lo是滤波电抗器，且2是系统的负载。通过采用该电路配置，能够向输出端子11输出直流电源正侧电位Cp、负侧电位Cn以及中间点电位Cm。即，该电路是输出三个电压波形电平的三电平逆变器电路。图12示出输出电压(Vout)波形的示例。其特性为与具有两电平的逆变器相比具有较少低阶谐波分量(接近正弦波)，可缩小输出滤波电抗器Lo。

另外，图14示出由PWM转换器(CONV)和PWM逆变器(INV)配置的双转换器型功率转换系统，其中PWM转换器将交流转换成直流，PWM逆变器将直流转换成交流。该配置如下，以三相交流电源1作输入，由输入滤波电抗器Li、三相三电平PWM转换器CONV、串联连接的大电容电容器C1和C2、三相三电平PWM逆变器INV以及输出滤波器Lo生成稳定交流电压；并向负载2供给交流功率。

在JP-A-2008-193779中示出用专用IGBT模块配置三电平转换器(转换器或逆变器)的情形的示例。图15B示出该模块的外部结构视图，且图15A示出内部电路示例。附图标记24、25、26和27分别为连接到电位Cp的端子P、连接到电位Cm的端子M、连接到电位Cn的端子N、以及交流输出端子U。可通过使用三个该模块配置三相逆变器，且寻求更大容量时，可通过并联连接该模块来实现。

图16示出聚焦于图15A和15B的模块的内部导线电感器(L1至L5)来描述的等效电路。各电感器主要由在模块输出端子与半导体芯片之间以及在半导体芯片之间的导线来形成。因为各导线通常为大致数厘米，各电感值约为10nH。

图17是用于说明该问题的电路图。图17中，当IGBT T1在导通状态时，电流I沿着用虚线表示的路径(从电容器C1穿过电感器L1、IGBT T1、电感器L3至电抗器Lo的路径)流动。接下来，当IGBT T1截止时，预先导通的IGBT T4具有连续性，且电抗器Lo的电流转移到从电抗器Lo穿过电抗器L2和IGBT T4至电抗器Lo的电流路径28中。在此时，根据IGBT电流变化率(di/dt)在电感器L1、L2、L3中在图中的箭头方向上瞬间生成电压。

其结果为当忽略外部导线的导线电感时，方程1中示出的电压最大值施加在IGBT T1的集电极和发射极之间。图18示出IGBT T1截止时的集电极电流(ic)和在集电极和发射极之间的电压(V_CE)的波形。

V_CE(峰值)＝Edp+(L1+L2+L3)·di/dt...方程1

浪涌电压ΔV＝(L1+L2+L3)·di/dt...方程2

Edp：直流电源1的直流电压

di/dt：IGBT截止时的IGBT电流变化率

L1+L2+L3：导线电感值

作为一示例，IGBT在百安培级的情况下，因为其di/dt是约2,000A/μs的最大值，当L1+L2+L3＝30nH时，根据方程1，浪涌电压量(L1+L2+L3)·di/dt为60V。