УСТРОЙСТВО ВОЗБУЖДЕНИЯ ДЛЯ УСТРОЙСТВА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ МОЩНОСТИ И СПОСОБ ВОЗБУЖДЕНИЯ УСТРОЙСТВА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ МОЩНОСТИ Российский патент 2015 года по МПК H02M1/08 

Область техники

[0001] Изобретение относится к устройству возбуждения для преобразователя мощности и к способу возбуждения преобразователя мощности.

Предшествующий уровень техники

[0002] Технология для возбуждения переключающих элементов (полупроводниковых элементов), используемых в преобразователях мощности и т.п., включает в себя технологию формирования схемы возбуждения затвора с простой конфигурацией, состоящей из небольшого числа компонентов, посредством активного использования емкости затвора полупроводникового элемента (например, см. патентный документ 1, описанный ниже). При этой технологии, схема возбуждения затвора, в которой соединяются параллельно конденсатор и резистор, вставляется между затвором и переключающей выходной схемой таким образом, что взаимосвязь между емкостью Cis затвора полупроводникового элемента и емкостью Cg удовлетворяет соотношению (выходное напряжение схемы управления переключением во время включения)*(Cg/(Cg+Cis))>(пороговое напряжение), и резистор схемы возбуждения затвора подает в затвор полупроводникового элемента на основе возбуждения затвора ток, подходящий для модуляции проводимости. Соответственно, выходное напряжение схемы управления переключением надлежащим образом разделяется и прикладывается к контактному выводу затвора полупроводникового элемента, за счет этого реализуя схему возбуждения затвора с простой схемной конфигурацией, состоящую из небольшого числа компонентов.

[0003] Кроме того, предусмотрена технология для уменьшения обратного тока восстановления диода свободного хода посредством использования схемы, которая прикладывает напряжение ниже приложенного напряжения в установившемся режиме в течение определенного периода времени, заданного посредством таймера во время включения или посредством использования переключающих элементов, имеющих различные времена переключения, в качестве пары переключающих элементов в выходном каскаде схемы возбуждения затвора и посредством задания напряжения, которое должно прикладываться к затвору полупроводникового элемента, относительно низким (например, см. патентный документ 2, описанный ниже).

[0004] Кроме того, предусмотрена технология, в которой напряжение затвора постепенно увеличивается во время включения вследствие конденсатора, соединенного между затвором и эмиттером; тем не менее, во время выключения конденсатор не функционирует, и тем самым dv/dt не становится постепенной увеличивающейся, в силу этого не допуская увеличения потерь на переключение (например, см. патентный документ 3, описанный ниже).

Список библиографических ссылок

Патентные документы

[0005] Патентный документ 1. Выложенная заявка на патент (Япония) номер 2010-51165.

Патентный документ 2. Выложенная заявка на патент (Япония) номер H02-179262.

Патентный документ 3. Выложенная заявка на патент (Япония) номер 2002-300016.

Краткое изложение сущности изобретения

[0006] В технологии в патентном документе 1, описанном выше, потери на переключение уменьшаются посредством быстрого повышения напряжения затвора и увеличения скорости переключения. Напротив, в технологии в патентном документе 2, описанном выше, способность к блокированию проведения в обратном направлении диода свободного хода восстанавливается посредством включения полупроводникового элемента с относительно низким напряжением во время включения, другими словами, переключение выполняется постепенно, за счет этого уменьшая шум. Таким образом, технология в патентном документе 1, описанном выше, и технология в патентном документе 2, описанном выше, конфликтуют между собой; как следствие, возникает проблема в том, что уменьшение потерь на переключение и уменьшение шума при переключении не может достигаться одновременно.

[0007] Кроме того, технология, раскрытая в патентном документе 3, описанном выше, разрешает проблему увеличения потерь на переключение во время выключения посредством постепенного увеличения напряжения затвора только во время включения. Тем не менее, эта технология представляет собой решение для переключающего элемента, изготовленного из кремния, который является традиционным материалом. Если переключающий элемент изготовлен из кремния, необязательно увеличивать скорость включения и не возникает шум от затухающих колебаний, вызываемый посредством эквивалентной емкости самого переключающего элемента. Следовательно, например, когда используется такой переключающий элемент, как полупроводник с широкой запрещенной зоной, для которого необходимо подавлять шум от затухающих колебаний при выполнении высокоскоростного переключения, шум от затухающих колебаний не может быть уменьшен.

[0008] Настоящее изобретение осуществлено с учетом вышеизложенного, и задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы получить устройство возбуждения для преобразователя мощности и способ возбуждения преобразователя мощности, допускающие подавление затухающих колебаний во время включения и выключения, когда выполняется высокоскоростное переключение.

[0009] Чтобы решить вышеописанные проблемы и достигать цели, предоставляется устройство возбуждения для преобразователя мощности, причем устройство возбуждения возбуждает преобразователь мощности, который включает в себя переключающий элемент, сформированный из полупроводника с широкой запрещенной зоной, при этом устройство включает в себя модуль вывода ШИМ-сигналов, который формирует возбуждающий сигнал, который возбуждает переключающий элемент с помощью ШИМ; модуль уменьшения скорости включения, который, когда переключающий элемент переключается из выключенного состояния во включенное, уменьшает частоту изменения возбуждающего сигнала; и модуль повышения скорости выключения, который, когда переключающий элемент переключается из включенного состояния в выключенное, извлекает заряд из переключающего элемента на высокой скорости и с производительностью извлечения заряда, превышающей производительность извлечения заряда в момент, когда переключающий элемент переключается из выключенного состояния во включенное.

[0010] Согласно настоящему изобретению, получается такое преимущество, что можно подавлять затухающие колебания во время включения и выключения.

Краткое описание чертежей

[0011] Фиг. 1 является схемой, иллюстрирующей пример конфигурации устройства возбуждения для преобразователя мощности согласно настоящему изобретению.

Фиг. 2 является схемой, иллюстрирующей сравнение между полупроводником с широкой запрещенной зоной и традиционным кремниевым полупроводником.

Фиг. 3 является схемой, иллюстрирующей принцип паразитной емкости в полупроводнике с широкой запрещенной зоной.

Фиг. 4 является схемой, иллюстрирующей пример работы варианта осуществления.

Фиг. 5 является схемой, иллюстрирующей один пример формы сигнала реакции на ступенчатое воздействие, когда LCR-схема используется в качестве модуля 13 уменьшения скорости включения.

Фиг. 6 является схемой, иллюстрирующей пример конфигурации модуля уменьшения скорости включения, который выполняет операцию "И" для предварительно определенной формы сигнала и возбуждающего сигнала.

Фиг. 7 является схемой, иллюстрирующей один пример форм управляющего сигнала в примере конфигурации на фиг. 6.

Фиг. 8 является схемой, иллюстрирующей другой пример конфигурации преобразователя мощности.

Фиг. 9 является схемой, иллюстрирующей один пример форм сигнала переключающих элементов в примере конфигурации на фиг. 8.

Фиг. 10 является схемой, иллюстрирующей еще один другой пример конфигурации преобразователя мощности.

Описание предпочтительных вариантов осуществления

[0012] Ниже подробно поясняются примерные варианты осуществления устройства возбуждения для преобразователя мощности и способа возбуждения преобразователя мощности согласно настоящему изобретению со ссылкой на чертежи. Это изобретение не ограничено вариантами осуществления.

[0013] Вариант осуществления

Фиг. 1 является схемой, иллюстрирующей пример конфигурации устройства возбуждения для преобразователя мощности согласно настоящему изобретению. Устройство 15 возбуждения (устройство возбуждения) преобразователя мощности в настоящем варианте осуществления возбуждает преобразователь 9 мощности. Преобразователь 9 мощности включает в себя источник 1 питания постоянного тока, реактор 2, переключающий элемент 3, не проводящий в обратном направлении диод 4, сглаживающий конденсатор 5, нагрузку 6 и резисторы 7 и 8. Устройство 15 возбуждения включает в себя модуль 11 вывода ШИМ-сигналов, модуль 12 возбуждения затвора, модуль 13 уменьшения скорости включения и модуль 14 повышения скорости выключения. Конфигурация преобразователя 9 мощности является примером и не ограничена конфигурацией на фиг. 1 при условии, что конфигурация является такой, что полупроводник с широкой запрещенной зоной используется в качестве переключающего элемента.

[0014] Преобразователь 9 мощности и устройство 15 возбуждения в настоящем варианте осуществления используются, например, в компрессоре в кондиционере и т.п. Когда преобразователь 9 мощности и устройство 15 возбуждения используются в компрессоре и т.п., нагрузка 6 является, например, индуктивной нагрузкой. Преобразователь 9 мощности и устройство 15 возбуждения в настоящем варианте осуществления не ограничены этим и могут быть использованы в общих бытовых приборах, таких как холодильники, осушители, водонагреватели со встроенным тепловым насосом, шкафы-витрины и пылесосы, в дополнение к морозильникам и стиральным машинам с сушкой. Кроме того, преобразователь 9 мощности и устройство 15 возбуждения могут быть использованы в вентиляторных электродвигателях, вентиляторах, сушилках для рук, плитах с индукционным нагревом и т.п. Кроме того, преобразователь 9 мощности и устройство 15 возбуждения могут быть использованы в инверторах привода электродвигателя для промышленного оборудования, такого как лифты и эскалаторы, инверторах привода электродвигателя для заводского оборудования, инверторах для электрических железных дорог и электромобилей и гибридных транспортных средств, в дополнение к бытовым приборам.

[0015] Переключающий элемент 3 формируется из полупроводника, называемого "полупроводником с широкой запрещенной зоной". Полупроводник с широкой запрещенной зоной изготавливается из материала на основе GaN (нитрида галлия), материала на основе SiC (карбида кремния) или других материалов, таких как алмаз. Полупроводник с широкой запрещенной зоной представляет собой полупроводник, который привлекает внимание в качестве нового полупроводникового устройства благодаря таким характеристикам, как работа на высокой скорости, низкие потери и повышенная теплостойкость.

[0016] С другой стороны, вследствие нововведений в материалах и исходных материалах для полупроводников, производительность переключающих элементов повышается посредством использования полупроводников с широкой запрещенной зоной, описанных выше, и, в частности, резко возрастает рабочая скорость переключающих элементов; как следствие, возникает новая проблема. В традиционных технологиях, до того как активируется высокоскоростное переключение, возникают проблемы вследствие эффекта импеданса межсоединений; тем не менее, можно принимать меры против этой проблемы. Напротив, когда активируется высокоскоростное переключение, традиционно принимаемые меры не могут применяться и эффект импеданса межсоединений является основной проблемой.

[0017] Фиг. 2 является схемой, иллюстрирующей сравнение между полупроводником с широкой запрещенной зоной и традиционным кремниевым полупроводником. Фиг. 2(a) иллюстрирует форму управляющего сигнала, когда традиционный кремниевый полупроводник используется в качестве переключающего элемента, а фиг. 2(b) иллюстрирует форму управляющего сигнала, когда полупроводник с широкой запрещенной зоной используется в качестве переключающего элемента. На обеих схемах горизонтальная ось указывает время, и напряжение на обоих концах переключающего элемента, ток переключающего элемента и ток возбуждения переключающего элемента проиллюстрированы последовательно начиная сверху.

[0018] Когда используется полупроводник с широкой запрещенной зоной, времена T1 и T2 перехода вследствие переключения становятся меньше времен перехода в случае, если используется кремниевый полупроводник; как следствие, может быть реализовано высокоскоростное переключение, и за счет этого может выполняться высокочастотное возбуждение. Поскольку время перехода является коротким в случае полупроводника с широкой запрещенной зоной, потери на переключение не возникают, даже если выполняется высокочастотное возбуждение. Следовательно, считается, что полупроводник с широкой запрещенной зоной является полупроводником, подходящим для высокочастотного возбуждения.

[0019] С другой стороны, хотя не проиллюстрировано, компоненты индуктивности межсоединений присутствуют в точке A, точке B и точке C на фиг. 1. Эти компоненты индуктивности рассчитываются с возможностью быть чрезвычайно небольшими, т.е. составлять не более нескольких нГн, и вызывают меньшие проблемы, если используется традиционный кремниевый полупроводник. Тем не менее, поскольку индуктивность межсоединений представляет L-компоненту, когда частота увеличивается, полное сопротивление, представленное посредством jωL, увеличивается, где ω является угловой частотой (ω=2πf: f является частотой) и j является мнимой единицей.

[0020] В случае полупроводника с широкой запрещенной зоной, компонент емкости, называемый паразитной емкостью между контактными выводами переключающего элемента, увеличивается на один-два порядка величины по сравнению с компонентом емкости в традиционном кремниевом полупроводнике. Фиг. 3 является схемой, иллюстрирующей принцип паразитной емкости в полупроводнике с широкой запрещенной зоной. Емкости 16-1-16-3, проиллюстрированные посредством пунктирных линий на фиг. 3, представляют собой емкости, которые являются паразитной емкостью и не присутствуют на принципиальной схеме.

[0021] Кроме того, в случае полупроводника с широкой запрещенной зоной, LC-резонанс вследствие емкостей, называемых паразитной емкостью и индуктивностями межсоединений, возникает в качестве затухающих колебаний на более высокой частоте, чем LC-резонанс в преобразователе мощности, состоящем из традиционного кремниевого полупроводника, как проиллюстрировано на фиг. 2. В случае традиционного кремниевого полупроводника, ток восстановления формируется вследствие задержки в восстановлении блокирования проведения в обратном направлении. Напротив, в случае полупроводника с широкой запрещенной зоной, обратное восстановление является быстрым, и в силу этого ток восстановления не формируется; тем не менее, эквивалентная емкость полупроводника увеличивается и за счет этого возникают затухающие колебания вследствие LC-резонанса.

[0022] В частности, ток затухающих колебаний, который накладывается на ток, протекающий в переключающем элементе, выступает в качестве источника формирования шума, и электрическое поле излучается из схемы вследствие затухающих колебаний или проводится в источник питания переменного тока. Следовательно, необходимо уменьшать шум посредством принятия таких мер, как увеличение времен T1 и T2 перехода при переключении, проиллюстрированном на фиг. 2; тем не менее, невозможно использовать преимущество характеристик полупроводника с широкой запрещенной зоной, т.е. высокоскоростного переключения, посредством простого увеличения времен перехода.

[0023] Таким образом, в настоящем варианте осуществления выполняется следующая операция с тем, чтобы реализовывать уменьшение шума вследствие затухающих колебаний, вызываемых посредством LC-резонанса индуктивностей межсоединений и эквивалентной емкости полупроводника с широкой запрещенной зоной, при одновременном использовании преимущества характеристик полупроводника с широкой запрещенной зоной, т.е. высокоскоростного переключения и низких потерь.

[0024] Преобразователь 9 мощности, проиллюстрированный на фиг. 1, типично представляет собой повышающий преобразователь мощности постоянного тока. Когда переключающий элемент 3 включается, источник 1 питания постоянного тока замыкается накоротко через реактор 2 и переключающий элемент 3; как следствие, заряд накапливается в реакторе 2. Когда переключающий элемент 3 выключается, заряд, накопленный в реакторе 2, протекает в сглаживающий конденсатор 5 через не проводящий в обратном направлении диод 4, и в силу этого повышается напряжение на обоих концах сглаживающего конденсатора 5.

[0025] Когда переключающий элемент 3, состоящий из полупроводника с широкой запрещенной зоной, включается, обратный ток протекает из сглаживающего конденсатора 5 в не проводящий в обратном направлении диод 4. Если не проводящий в обратном направлении диод 4 состоит из полупроводника с широкой запрещенной зоной, этот обратный ток является небольшим и не проводящий в обратном направлении диод 4 выключается. Нормально, когда не проводящий в обратном направлении диод 4 выключается, ток восстановления исчезает и шум не формируется; тем не менее, возникает LC-резонанс вследствие эквивалентной емкости и индуктивностей межсоединений, в частности, в пути (точка B на фиг. 1), через который ток прекращает протекать.

[0026] LC-резонанс возникает, когда индуктивность присутствует между конденсаторами. Следовательно, эквивалентные емкости вследствие полупроводников с широкой запрещенной зоной не проводящего в обратном направлении диода 4 и переключающего элемента 3 и индуктивности межсоединений между этими эквивалентными емкостями, т.е. между точкой B и точкой C на фиг. 1, служат в качестве источников формирования LC-резонанса. Шум формируется вследствие энергии, обусловленной затухающими колебаниями, вызываемыми посредством LC-резонанса.

[0027] Таким образом, как проиллюстрировано на фиг. 1, устройство 15 возбуждения в настоящем варианте осуществления включает в себя модуль 13 уменьшения скорости включения в дополнение к модулю 11 вывода ШИМ-сигналов и модулю 12 возбуждения затвора. В настоящем варианте осуществления, переключение выполняется с уменьшенной скоростью включения, так что не возникает LC-резонанса без постепенного выполнения переключения для обратного восстановления диода свободного хода и т.п., как проиллюстрировано в патентном документе 2, описанном выше.

[0028] Когда пошаговое изменение подается в переключающий элемент 3, поскольку компонент сопротивления, который должен быть затухающим членом, является небольшим в точке B и точке C на фиг. 1, LC-резонанс продолжает обеспечивать колебания и вызывает затухающие колебания. Компонент сопротивления и т.п. может быть вставлен, чтобы подавлять эти затухающие колебания; тем не менее, возникают потери вследствие противодействующего компонента, который должен быть вставлен, и в силу этого трудно в полной мере воспользоваться характеристиками полупроводника с широкой запрещенной зоной. Следовательно, нежелательно вставлять противодействующий компонент в силовую схему в преобразователе 9 мощности.

[0029] Соответственно, в настоящем варианте осуществления, устройство 15 возбуждения сконфигурировано с возможностью осуществлять управление таким образом, что формируется управляющий сигнал, который не подает пошаговое изменение в переключающий элемент 3. Фиг. 4 является схемой, иллюстрирующей пример работы варианта осуществления. Модуль 11 вывода ШИМ-сигналов формирует и выводит ШИМ-сигнал для возбуждения переключающего элемента в преобразователе 9 мощности аналогично традиционным технологиям. Верхняя стадия на фиг. 4 иллюстрирует пример ШИМ-сигнала (возбуждающего сигнала), выводимого из модуля 11 вывода ШИМ-сигналов, средняя стадия на фиг. 4 иллюстрирует напряжение между контактными выводами через G (затвор) и S (исток) переключающего элемента 3, а нижняя стадия на фиг. 4 иллюстрирует ток в переключающем элементе 3.

[0030] Как проиллюстрировано на фиг. 4, напряжение через G и S переключающего элемента 3 изменяется согласно переднему фронту, указывающему время включения возбуждающего сигнала переключающего элемента 3, выводимого из модуля 11 вывода ШИМ-сигналов; тем не менее, в этот момент напряжение через G и S принудительно постепенно изменяется только до и после того, как возбуждающий сигнал переключается из выключенного состояния во включенное, другими словами, напряжение через G и S принудительно следует S-форме по мере того, как она изменяется.

[0031] Поскольку полупроводник с широкой запрещенной зоной, который работает на высокой скорости, также использует транзисторную структуру, ток переключающего элемента 3 постепенно нарастает посредством приложения напряжения через G и S, как проиллюстрировано на фиг. 4. Кроме того, высокоскоростное переключение, которое является характеристикой полупроводника с широкой запрещенной зоной, реализуется после нарастания; как следствие, может поддерживаться переключение с малыми потерями. Кроме того, операция переключения завершается постепенным изменением на последней стадии времени перехода при переключении; как следствие, не допускается быстрое пошаговое переключение переключающего элемента 3, за счет этого прерывая энергию реакции на ступенчатое воздействие, которая вызывает затухающие колебания. Устройство 15 возбуждения сконфигурировано с возможностью осуществлять операцию включения так, как описано выше, в силу этого уменьшая затухающие колебания. Соответственно, можно уменьшать формирование шума, который является проблемой в полупроводнике с широкой запрещенной зоной.

[0032] Пример схемы, которая выполняет операцию включения, описанную выше, проиллюстрирован в качестве модуля 13 уменьшения скорости включения на фиг. 1. Модуль 13 уменьшения скорости включения, проиллюстрированный на фиг. 1, сконфигурирован как фильтр нижних частот, состоящий из LCR (катушки L, конденсатора C и резистора R). Другими словами, модуль 13 уменьшения скорости включения является схемой, которая имеет такую конфигурацию, в которой изменение при нарастании и непосредственно перед окончанием времени перехода задается постепенным посредством использования LC, и выброс, который возникает вследствие LC-резонанса, ослабляется посредством R.

[0033] Фиг. 5 является схемой, иллюстрирующей один пример формы сигнала реакции на ступенчатое воздействие, когда схема LCR используется в качестве модуля уменьшения скорости включения. Фиг. 5 иллюстрирует, в качестве примера, форму сигнала реакции на ступенчатое воздействие, когда R=15 Ω, L=2 мГн и C=22 пФ. На фиг. 5 форма 21 сигнала указывает входной сигнал, а форма 22 сигнала указывает выходной сигнал. Обнаружено, что изменение становится постепенным (частота изменения становится низкой) сразу после начала и окончания времени перехода посредством использования фильтра нижних частот, состоящего из LCR.

[0034] Пример конфигурации модуля 13 уменьшения скорости включения, проиллюстрированного на фиг. 1, реализует напряжение через G и S, проиллюстрированное на фиг. 4, посредством использования схемных аппаратных средств (H/W); тем не менее, способ реализации модуля 13 уменьшения скорости включения не ограничивается примером на фиг. 1. Например, конфигурация может быть такой, что предварительно определенная форма сигнала и возбуждающий сигнал подвергаются операции "И". Фиг. 6 является схемой, иллюстрирующей пример конфигурации модуля 13a уменьшения скорости включения, который выполняет операцию "И" для предварительно определенной формы сигнала и возбуждающего сигнала, а фиг. 7 является схемой, иллюстрирующей один пример форм управляющего сигнала. Формы сигнала, соответствующие символам (D-H) в скобках на фиг. 7, указывают формы сигнала в позициях, указываемых посредством соответствующих символов на фиг. 6, соответственно.

[0035] ШИМ-сигнал (возбуждающий сигнал) выводится из точки D на фиг. 6. Форма сигнала в точке E на фиг. 6 является идентичной форме сигнала в точке D, и эта форма сигнала проиллюстрирована в (D) на фиг. 7. Когда ШИМ-сигнал передается из точки E в точку F на фиг. 6, присутствует CR-фильтр нижних частот; как следствие, форма сигнала изменяется на форму сигнала, передний фронт которой становится пологой кривой, как проиллюстрировано в (F) на фиг. 7. Модуль 17 формирования форм сигналов формирует предварительно определенную форму сигнала (пилообразную волну в этом варианте осуществления), проиллюстрированную в (G) на фиг. 7. Модуль 18 сравнения сравнивает пилообразную волну, сформированную посредством модуля 17 формирования форм сигналов, и возбуждающий сигнал и выводит сигнал, и логическая схема 19 "И" выводит результат ((H) на фиг. 7), полученный посредством выполнения операции "И" для сигнала, выводимого из модуля 18 сравнения, и возбуждающего сигнала. Форма сигнала, сформированная посредством модуля 17 формирования форм сигналов, не ограничивается пилообразной волной и может представлять собой любую форму сигнала при условии, что может быть получено идентичное преимущество.

[0036] В случае формы сигнала на фиг. 7(H), когда используется полупроводник с широкой запрещенной зоной, переключающий элемент может реагировать на высокой скорости; тем не менее, если пилообразная волна является быстрой, так что сигнал может быть сглажен посредством фильтра, состоящего из резистора 8 затвора и эквивалентной емкости между G и S переключающего элемента 3, в этом случае также может быть реализовано плавное возбуждение затвора. Кроме того, нет проблемы, даже если возбуждающий сигнал выводится непосредственно в логическую схему 19 "И" из модуля 11 вывода ШИМ-сигналов. S-образная нарастающая характеристика может задаваться более точно посредством вывода возбуждающего сигнала непосредственно в логическую схему 19 "И" из модуля 11 вывода ШИМ-сигналов.

[0037] Как описано выше, вместо устройства возбуждения 15 на фиг. 1, можно использовать устройство возбуждения 15a, которое включает в себя модуль 13a уменьшения скорости включения, проиллюстрированный на фиг. 6, вместо модуля 13 уменьшения скорости включения, проиллюстрированного на фиг. 1. В конфигурации, проиллюстрированной на фиг. 6, катушка L может исключаться из примера конфигурации на фиг. 1; как следствие, когда устройство возбуждения помещается в корпус, можно уменьшать его размер.

[0038] Далее приводится пояснение для случая выключения. Затухающие колебания, вызываемые посредством LC-резонанса вследствие эквивалентной емкости переключающего элемента 3, возникают также во время выключения. Тем не менее, величина затухающих колебаний является небольшой по сравнению с величиной затухающих колебаний во время включения. Величина затухающих колебаний отличается от величины затухающих колебаний во время включения, поскольку диод соединяется антипараллельно с переключающим элементом 3. LC-резонанс, сформированный между переключающим элементом 3 и не проводящим в обратном направлении диодом 4, протекает только в направлении из антипараллельного диода переключающего элемента 3, не проводящего в обратном направлении диода 4 и сглаживающего конденсатора 5, даже если переключающий элемент 3 выключается; тем не менее, путь тока формируется и в силу этого возникает затухающий эффект вследствие заряда в сглаживающий конденсатор 5.

[0039] Кроме того, поскольку LC-резонанс обусловлен эквивалентной емкостью переключающего элемента 3 и не проводящего в обратном направлении диода 4, когда заряд извлекается (потребляется) из затвора переключающего элемента 3, заряд также извлекается из эквивалентной емкости одновременно. Вследствие этого, когда используется полупроводник с широкой запрещенной зоной, устройство 15 возбуждения должно иметь более высокую допустимую нагрузку по току во время выключения, чем допустимая нагрузка по току во время включения. В настоящем варианте осуществления операция выключения выполняется посредством дополнительного использования модуля 14 повышения скорости выключения, который извлекает заряд из переключающего элемента 3 на высокой скорости; как следствие, заряд, который должен быть источником формирования затухающих колебаний вследствие LC-резонанса, извлекается из эквивалентной емкости переключающего элемента, за счет этого подавляя затухающие колебания.

[0040] Соответственно, во время выключения, отличие от времени включения заключается в том, что необходимо предоставлять устройство возбуждения, которое является быстрым и имеет способность к извлечению заряда, превышающую способность к извлечению заряда во время включения. Следовательно, устройство 15 возбуждения на фиг. 1 включает в себя модуль 14 повышения скорости выключения, который повышает скорость выключения. Модуль 14 повышения скорости выключения на фиг. 1 формирует схему, которая извлекает заряд на высокой скорости посредством использования, например, PNP-транзистора. Соответственно, модуль 14 повышения скорости выключения позволяет одновременно достигать уменьшения потерь на переключение и уменьшения шума вследствие затухающих колебаний. В случае такой схемной конфигурации PNP-транзистор модуля 14 повышения скорости выключения соединяется параллельно с PNP-транзистором модуля 12 возбуждения затвора только во время выключения, в которое извлекается заряд, как проиллюстрировано на фиг. 4; как следствие, ток переключающего элемента резко уменьшается во время выключения.

[0041] Если заряд извлекается в достаточной степени посредством модуля 12 возбуждения затвора, проблем не возникает; тем не менее, если модуль 12 возбуждения затвора имеет бестрансформаторную двухтактную структуру или комплементарную структуру "металл-оксид-полупроводник" (CMOS), необходимо, чтобы производительности верхнего и нижнего транзисторов совпадали. Соответственно, если величина подаваемого заряда увеличивается также на стороне включения, увеличиваются и затухающие колебания во время включения. Следовательно, уместно, чтобы устройство возбуждения для полупроводника с широкой запрещенной зоной включало в себя схему, которая компенсирует высокую скорость только во время выключения, пример которой представляет собой модуль 14 повышения скорости выключения. Следовательно, формирование шума вследствие высокоскоростного переключения может подавляться без ухудшения характеристики полупроводника с широкой запрещенной зоной.

[0042] Фиг. 8 является схемой, иллюстрирующей другой пример конфигурации преобразователя мощности. Преобразователь мощности, проиллюстрированный на фиг. 8, представляет собой устройство преобразования переменного тока в постоянный, которое включает в себя источник 31 питания переменного тока, диоды 32-1-32-6, катушки 33-1 и 33-2, переключающие элементы 34 и 35, сглаживающий конденсатор 36 и нагрузку 37. Преобразователь мощности на фиг. 8 может быть использован вместо преобразователя 9 мощности на фиг. 1.

[0043] Устройство преобразования переменного тока в постоянный на фиг. 8 принудительно задает фазы двух переключающих элементов 34 и 35 инвертированными относительно друг друга, чтобы работать с формой сигнала, как проиллюстрировано на фиг. 9, в силу этого уменьшая слабопульсирующий ток вследствие переключения. Фиг. 9(a) иллюстрирует пример формы сигнала тока посредством операции переключающего элемента 34 на фиг. 8, а фиг. 9(b) иллюстрирует пример формы сигнала тока посредством операции переключающего элемента 35. Фиг. 9(c) иллюстрирует синтезированную форму сигнала тока для формы сигнала на фиг. 9(a) и формы сигнала на фиг. 9(b). Формы сигнала синтезируются; как следствие, пульсация становится в два раза большей пульсации при операциях переключающих элементов 34 и 35; как следствие, это является эквивалентным выполнению операции за половину периода.

[0044] Соответственно, операция выполняется на высокой скорости, как и в случае использования полупроводника с широкой запрещенной зоной, и пульсация тока на частоте, в два раза превышающей частоту переключающих элементов, протекает к источнику питания переменного тока, что может обрабатываться посредством использования небольшой дроссельной катушки и т.п. Следовательно, влияние на аппаратуру, к примеру трансформатор, может быть уменьшено. Хотя два переключающих элемента проиллюстрированы на фиг. 8, число переключающих элементов не ограничивается двумя и может составлять три или больше. Когда число переключающих элементов составляет n, эта конфигурация может быть реализована без отступления от вышеуказанного влияния посредством инструктирования переключающим элементам работать с разностью фаз 360/n относительно друг друга.

[0045] Фиг. 10 является схемой, иллюстрирующей еще один другой пример конфигурации преобразователя мощности. Преобразователь мощности, проиллюстрированный на фиг. 10, включает в себя источник 41 питания, сглаживающий конденсатор 42, резистор 43 и модуль 44 переключения. Модуль 44 переключения включает в себя шесть переключающих элементов. В преобразователе мощности, имеющем такую конфигурацию, когда полупроводник с широкой запрещенной зоной используется для переключающих элементов, шум может быть уменьшен без ухудшения характеристик полупроводника с широкой запрещенной зоной посредством возбуждения переключающих элементов с использованием устройства 15 возбуждения, описанного выше. Это обусловлено тем, что, когда используется полупроводник с широкой запрещенной зоной, шум формируется вследствие затухающих колебаний, вызываемых посредством LC-резонанса между эквивалентной емкостью полупроводника с широкой запрещенной зоной и индуктивностью межсоединений, и, следовательно, механизм отличается от механизма формирования шума вследствие тока восстановления, вызываемого посредством обратного восстановления, как в традиционном приведенном примере.

[0046] Как описано выше, в настоящем варианте осуществления, предоставляются модуль 13 уменьшения скорости включения, который делает изменение при нарастании и непосредственно перед окончанием времени перехода постепенным, когда возбуждающий сигнал включается, и модуль 14 повышения скорости выключения, который извлекает заряд на высокой скорости, когда возбуждающий сигнал выключается. Следовательно, когда преобразователь мощности возбуждается посредством выполнения высокоскоростного переключения с использованием полупроводника с широкой запрещенной зоной, затухающие колебания во время включения и выключения могут подавляться.

Промышленная применимость

[0047] Как описано выше, устройство возбуждения для преобразователя мощности согласно настоящему изобретению является подходящим для преобразователя мощности, для которого может использоваться полупроводник с широкой запрещенной зоной, т.е. для устройства, которое возбуждает преобразователь мощности, к примеру, для преобразования переменного тока в постоянный, преобразования постоянного тока, преобразования постоянного тока в переменный и преобразования переменного тока. В частности, устройство возбуждения для преобразователя мощности согласно настоящему изобретению предоставляет устройство возбуждения, которое может использоваться для преобразователя, инвертора и т.п. и может уменьшать уровень шума, формируемого вследствие высокоскоростного переключения, при реализации энергосбережения посредством использования полупроводника с широкой запрещенной зоной. Устройство возбуждения для преобразователя мощности согласно настоящему изобретению может быть использовано в общих бытовых приборах, таких как холодильники, осушители, водонагреватели со встроенным тепловым насосом, шкафы-витрины и пылесосы, в дополнение к кондиционерам, морозильникам и стиральным машинам с сушкой, а также может быть использовано в вентиляторных электромоторах, вентиляторах, сушилках для рук, плитах с индукционным нагревом и т.п. Кроме того, устройство возбуждения для преобразователя мощности согласно настоящему изобретению может быть использовано в инверторах привода электромотора для промышленного оборудования, такого как лифты и эскалаторы, инверторах привода электромотора для заводского оборудования, инверторах для электрических железных дорог и электромобилей и гибридных транспортных средств, в дополнение к бытовым приборам.

Список номеров ссылок

[0048] 1, 41 - источник питания постоянного тока

2 - реактор

3, 34, 35 - переключающий элемент

4 - не проводящий в обратном направлении диод

5, 36, 42 - сглаживающий конденсатор

6, 37 - нагрузка

7, 8, 43, R - резистор

11 - модуль формирования ШИМ-сигналов

12 - модуль возбуждения затвора

13 - модуль уменьшения скорости включения

14 - модуль повышения скорости выключения

15 - устройство возбуждения для преобразователя мощности

16-1-16-3 - емкость

17 - модуль формирования форм сигналов

18 - модуль сравнения

19 - логическая схема "И"

31 - источник питания переменного тока

32-1-32-6 - диод

33-1, 33-2, L - катушка

44 - модуль переключения

C - конденсатор

21, 22 - форма сигнала

Изобретение относится к преобразовательной технике. Устройство возбуждения (15), возбуждающее преобразователь мощности (9), который включает в себя переключающий элемент(3), сформированный из полупроводника с широкой запрещенной зоной, включает в себя модуль (11) вывода ШИМ-сигналов, который формирует возбуждающий сигнал, который возбуждает переключающий элемент (3) с помощью ШИМ; модуль (13) уменьшения скорости включения, который, когда переключающий элемент (3) переключается из выключенного состояния во включенное, уменьшает частоту изменения возбуждающего сигнала; и модуль (14) повышения скорости выключения, который, когда переключающий элемент (3) переключается из включенного состояния в выключенное, извлекает заряд из переключающего элемента (3) на высокой скорости и с производительностью извлечения заряда, превышающей производительность извлечения заряда в момент, когда переключающий элемент (3) переключается из выключенного состояния во включенное. Техническим результатом является улучшение переходных характеристик при коммутации. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Устройство возбуждения для преобразователя мощности, причем устройство возбуждения возбуждает преобразователь мощности, который включает в себя переключающий элемент, сформированный из полупроводника с широкой запрещенной зоной, причем устройство содержит:
- модуль вывода ШИМ-сигналов, который формирует возбуждающий сигнал, который возбуждает переключающий элемент с помощью ШИМ;
- модуль уменьшения скорости включения, который, когда переключающий элемент переключается из выключенного состояния во включенное, уменьшает частоту изменения возбуждающего сигнала сразу после начала и непосредственно перед окончанием времени выполнения операции перехода переключающего элемента из выключенного состояния во включенное по сравнению с частотой изменения возбуждающего сигнала в течение времени выполнения операции перехода, исключая время сразу после начала и непосредственно перед окончанием; и
- модуль повышения скорости выключения, который, когда переключающий элемент переключается из включенного состояния в выключенное, извлекает заряд из переключающего элемента с производительностью извлечения заряда, превышающей производительность извлечения заряда в момент, когда переключающий элемент переключается из выключенного состояния во включенное.

2. Устройство возбуждения для преобразователя мощности по п. 1, в котором частота изменения возбуждающего сигнала изменяется непрерывно, так что возбуждающий сигнал плавно изменяется в течение времени выполнения операции перехода.

3. Устройство возбуждения для преобразователя мощности по п. 1, в котором модуль уменьшения скорости включения уменьшает частоту изменения таким образом, что подавляются затухающие колебания, которые возникают вследствие LC-резонанса, обусловленного эквивалентной емкостью переключающего элемента.

4. Устройство возбуждения для преобразователя мощности по п. 1, в котором модуль повышения скорости выключения принудительно разряжает заряд, накопленный в эквивалентной емкости переключающего элемента, в ответ на переключение переключающего элемента из включенного состояния в выключенное.

5. Устройство возбуждения для преобразователя мощности по п. 1, в котором когда переключающий элемент переключается из включенного состояния в выключенное, модуль повышения скорости выключения извлекает заряд таким образом, что величина переноса заряда превышает величину переноса заряда, когда переключающий элемент переключается из выключенного состояния во включенное.

6. Устройство возбуждения для преобразователя мощности по п. 1, в котором преобразователь мощности включает в себя множество переключающих элементов и переключающие элементы возбуждаются с фазами, которые отличны относительно друг друга.

7. Устройство возбуждения для преобразователя мощности по п. 1, в котором преобразователь мощности представляет собой преобразователь мощности постоянного тока в мощность переменного тока, с которым индуктивная нагрузка соединена в качестве нагрузки.

8. Устройство возбуждения для преобразователя мощности по п. 7, в котором преобразователь мощности управляет компрессором.

9. Способ возбуждения преобразователя мощности для возбуждения преобразователя мощности, который включает в себя переключающий элемент, сформированный из полупроводника с широкой запрещенной зоной, при этом способ содержит:
- этап вывода ШИМ-сигналов, на котором формируют возбуждающий сигнал, который возбуждает переключающий элемент с помощью ШИМ;
- этап уменьшения скорости включения, на котором, когда переключающий элемент переключается из выключенного состояния во включенное, уменьшают частоту изменения возбуждающего сигнала сразу после начала и непосредственно перед окончанием времени выполнения операции перехода переключающего элемента из выключенного состояния во включенное по сравнению с частотой изменения возбуждающего сигнала в течение времени выполнения операции перехода, исключая время сразу после начала и непосредственно перед окончанием; и
- этап повышения скорости выключения, на котором, когда переключающий элемент переключается из включенного состояния в выключенное, извлекают заряд из переключающего элемента с производительностью извлечения заряда, превышающей производительность извлечения заряда в момент, когда переключающий элемент переключается из выключенного состояния во включенное.