УСТРОЙСТВО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ МОЩНОСТИ Российский патент 2019 года по МПК H02M7/797 H02M7/81 H02M1/88 H02P27/08 H02P9/30 

Область техники

Технология, описанная в этом описании, относится к устройству преобразования мощности.

Уровень техники

Известно устройство преобразования мощности, которое выполняет преобразование мощности между источником мощности и нагрузкой, такое как DC-DC-преобразователь и инвертор. В этом типе устройства преобразования мощности источник мощности и нагрузка соединяются через один или множество переключающих элементов, и, например, посредством выполнения управления с широтно-импульсной модуляцией (PWM) на каждом переключающем элементе, преобразование мощности выполняется между источником мощности и нагрузкой.

Например, инвертор описывается в публикации заявки на патент Японии № 2014-27816 (JP 2014-27816 A). В этом инверторе применяются два переключающих элемента, соединенных параллельно, и один из двух переключающих элементов предпочтительно работает согласно току, протекающему в этих двух переключающих элементах. Один переключающий элемент является биполярным транзистором с изолированным затвором (IGBT), а другой переключающий элемент является полевым транзистором со структурой металл-оксид-полупроводник (MOSFET). Что касается полупроводникового материала, составляющего MOSFET, было предложено применять карбид кремния (SiC).

Сущность изобретения

Карбид кремния имеет более широкую запрещенную зону, чем кремний, и такой полупроводниковый материал называется полупроводником с широкой запрещенной зоной. Хотя полупроводник с широкой запрещенной зоной превосходит кремний с точки зрения рабочей характеристики, полупроводник с широкой запрещенной зоной имеет проблему относительной дороговизны. Следовательно, в инверторе, описанном в JP 2014-27816 A, полупроводник с широкой запрещенной зоной применяется только для одного из двух переключающих элементов. Такая конфигурация может добиваться как улучшения в рабочей характеристике, так и уменьшения стоимости устройства преобразования мощности, но все еще существует пространство для улучшения.

Следовательно, настоящее описание предоставляет новую технологию, которая может добиваться и улучшения в рабочей характеристике, и уменьшения стоимости производства устройства преобразования мощности.

Первый аспект изобретения относится к устройству преобразования мощности, которое выполняет преобразование мощности между источником мощности и нагрузкой. Это устройство преобразования мощности включает в себя первый переключающий элемент, предусмотренный на пути подачи мощности от источника мощности к нагрузке и сформированный путем использования первого полупроводникового материала, и второй переключающий элемент, соединенный параллельно с первым переключающим элементом и сформированный путем использования второго полупроводникового материала, имеющего более узкую запрещенную зону, чем запрещенная зона первого полупроводникового материала. Устройство преобразования мощности дополнительно включает в себя устройство управления, которое выборочно выполняет первое управление переключением для периодического включения первого переключающего элемента согласно командному значению тока и второе управление переключением для периодического включения второго переключающего элемента согласно командному значению тока. Размер первого переключающего элемента меньше размера второго переключающего элемента. Тогда, устройство управления выбирает первое управление переключением, если командное значение тока меньше первого порогового значения, и выбирает второе управление переключением, если командное значение тока больше второго порогового значения.

В вышеописанном устройстве преобразования мощности размер первого переключающего элемента может быть меньше размера второго полупроводникового элемента, и полупроводниковый материал, имеющий широкую запрещенную зону (далее в данном документе называемый полупроводником с широкой запрещенной зоной), применяется для первого переключающего элемента. В целом, стоимость производства переключающего элемента увеличивается пропорционально его размеру, и эта тенденция становится заметной в переключающем элементе, применяющем полупроводник с широкой запрещенной зоной. Следовательно, что касается первого переключающего элемента, применяющего полупроводник с широкой запрещенной зоной, стоимость производства устройства преобразования мощности может быть значительно уменьшена посредством уменьшения размера.

С другой стороны, когда размер первого переключающего элемента уменьшается, номинальный ток первого переключающего элемента также уменьшается. Следовательно, в вышеописанном устройстве преобразования мощности первое управление переключением для приведения в действие первого переключающего элемента и второе управление переключением для приведения в действие второго переключающего элемента выборочно выполняются согласно командному значению тока. В результате, посредством приведения в действие первого переключающего элемента, только если командное значение тока является относительно небольшим, чрезмерный ток, протекающий в первом переключающем элементе, пресекается. В целом, во многих случаях, период, в течение которого устройство преобразования мощности работает с большим командным значением тока, является коротким, и первое управление переключением выбирается больше второго управления переключением. Следовательно, даже в случае, когда первый переключающий элемент приводится в действие, только если командное значение тока является относительно небольшим, частота использования первого переключающего элемента становится относительно высокой, так что преимущество применения полупроводника с широкой запрещенной зоной может быть получено в достаточной степени.

При этом, в устройстве преобразования мощности, таком как DC-DC-преобразователь или инвертор, фактически протекающий ток (так называемый мгновенный ток) значительно колеблется в течение периода управления переключением (например, одного периода несущей частоты в PWM-управлении). При таких обстоятельствах, если выбор между первым управлением переключением и вторым управлением переключением выполняется на основе мгновенного тока, протекающего в устройстве преобразования мощности, существует проблема в том, что переключение для управления переключением может происходить часто. В таком случае, суммарное число раз переключения первого переключающего элемента и второго переключающего элемента увеличивается, что вызывает проблему энергетической потери, сопровождающей переключение. Кроме того, так как число раз колебания температуры первого переключающего элемента и второго переключающего элемента увеличивается, усталость первого переключающего элемента и второго переключающего элемента, вызванная тепловой предысторией, также увеличивается. Следовательно, в устройстве преобразования мощности согласно настоящему варианту осуществления, выбор между первым управлением переключением и вторым управлением переключением выполняется на основе не мгновенного тока, а командного значения тока (например, целевого значения эффективного тока в случае инвертора и целевого значения среднего тока в случае DC-DC-преобразователя). В результате, чрезмерное переключение для управления переключением устраняется, так что энергетическая потеря, сопровождающая переключение, сдерживается.

В первом аспекте изобретения устройство управления может выполнять выбор первого управления переключением или второго управления переключением в единицах одного или множества периодов управления переключением. С такой конфигурацией возможно запрещать переключение переключающих элементов, которые должны быть включены, в течение одного периода управления переключением. В результате, увеличение в суммарном числе раз переключения первого переключающего элемента и второго переключающего элемента устраняется, так что возможно сдерживать энергетическую потерю, сопровождающую переключение. Кроме того, так как колебание температур первого переключающего элемента и второго переключающего элемента сдерживается, усталость первого переключающего элемента и второго переключающего элемента, вызванная тепловой предысторией, также уменьшается.

В первом аспекте изобретения первое пороговое значение и второе пороговое значение могут иметь одинаковое значение. Альтернативно, в качестве другого аспекта, второе пороговое значение может быть больше первого порогового значения. В этом случае, когда выполняется первое управление переключением, устройство управления может переходить ко второму управлению переключением, если командное значение тока превышает второе пороговое значение. Кроме того, когда выполняется второе управление переключением, устройство управления может переходить к первому управлению переключением, если командное значение тока падает ниже первого порогового значения. Таким образом, так называемый гистерезис может быть обеспечен для переключения между первым управлением переключением и вторым управлением переключением.

В первом аспекте изобретения устройство управления может изменять, по меньшей мере, одно из первого порогового значения и второго порогового значения согласно температуре, по меньшей мере, одного из первого переключающего элемента и второго переключающего элемента. С такой конфигурацией возможно надлежащим образом выполнять переключение между первым управлением переключением и вторым управлением переключением, в то же время предотвращая перегрев первого переключающего элемента и второго переключающего элемента.

В первом аспекте изобретения, в первом управлении переключением, PWM-управление может выполняться на первом переключающем элементе на первой несущей частоте, а во втором управлении переключением PWM-управление может выполняться на втором переключающем элементе на второй несущей частоте. Однако, в качестве другого аспекта, в первом управлении переключением, управление с частотно-импульсной модуляцией (PFM) может выполняться на первом переключающем элементе, а во втором управлении переключением PFM-управление может выполняться на втором переключающем элементе.

В первом аспекте изобретения первая несущая частота в первом управлении переключением и вторая несущая частота во втором управлении переключением могут иметь одинаковое значение. С такой конфигурацией структура управления устройства управления может быть сделана относительно простой. Однако, в качестве другого аспекта, первая несущая частота и вторая несущая частота могут отличаться друг от друга. Кроме того, по меньшей мере, одна из первой несущей частоты и второй несущей частоты может изменяться согласно различным показателям.

В первом аспекте изобретения устройство преобразования мощности может включать в себя инвертор, который выводит AC (переменный ток) мощность. В таком случае, устройство управления может изменять, по меньшей мере, одну из первой несущей частоты и второй несущей частоты согласно выходной частоте AC-мощности. С такой конфигурацией, когда выходная частота AC-мощности является относительно низкой, посредством уменьшения первой несущей частоты или второй несущей частоты возможно пресекать потерю при переключении. С другой стороны, когда выходная частота AC-мощности является относительно высокой, посредством увеличения первой несущей частоты или второй несущей частоты возможно выводить AC-мощность, имеющую плавную форму волны.

В первом аспекте изобретения устройство преобразования мощности может быть инвертором, который выводит AC-мощность. В таком случае, когда выходная частота AC-мощности меньше заданного нижнего предельного значения, устройство управления может выбирать второе управление переключением, даже если командное значение тока меньше первого порогового значения. Когда выходная частота AC-мощности является небольшой, ток, протекающий в переключающем элементе, также слегка изменяется, так что температура переключающего элемента имеет тенденцию значительно колебаться. В таком случае, даже если командное значение тока (т.е., эффективное значение тока) является относительно небольшим, температура переключающего элемента иногда достигает высокой температуры. Следовательно, когда выходная частота AC-мощности является относительно небольшой, второе управление переключением может быть выбрано независимо от командного значения тока, чтобы запрещать срабатывание первого переключающего элемента, имеющего небольшой размер.

Краткое описание чертежей

Признаки, преимущества и техническое и промышленное значение примерных вариантов осуществления изобретения будут описаны ниже со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых аналогичные номера обозначают аналогичные элементы, и на которых:

Фиг. 1 является блок-схемой, иллюстрирующей конфигурацию устройства преобразования мощности;

Фиг. 2 является принципиальной схемой, иллюстрирующей пример схемной структуры устройства преобразования мощности;

Фиг. 3 является блок-схемой, иллюстрирующей пример конфигурации устройства управления;

Фиг. 4 является графиком, показывающим соотношение между сигналами выбора и первым пороговым значением и вторым пороговым значением для командного значения тока;

Фиг. 5 является графиком, показывающим соотношение между размерами и тепловыми временными константами переключающих элементов;

Фиг. 6 является графиком, показывающим соотношение между токами и падениями напряжения (напряжениями включения) переключающих элементов;

Фиг. 7 является графиком, схематично показывающим мгновенный ток DC-DC-преобразователя;

Фиг. 8 является графиком, схематично показывающим мгновенный ток инвертора;

Фиг. 9 является графиком, показывающим пример соотношения между скоростью вращения мотора, командным значением тока и несущей частотой;

Фиг. 10 является графиком, показывающим другой пример соотношения между скоростью вращения мотора, командным значением тока и несущей частотой;

Фиг. 11 является графиком, показывающим пример соотношения между скоростью вращения мотора, командным значением тока и управлением переключением, которое должно быть выбрано; и

Фиг. 12 является графиком, показывающим другой пример соотношения между скоростью вращения мотора, командным значением тока и управлением переключением, которое должно быть выбрано.

Подробное описание вариантов осуществления изобретения

Устройство 10 преобразования мощности согласно варианту осуществления будет описано со ссылкой на чертежи. В качестве примера, устройство 10 преобразования мощности согласно настоящему варианту осуществления устанавливается на автомобиле, таком как гибридный автомобиль, автомобиль на топливных элементах или электрический автомобиль, и выполняет преобразование мощности между аккумулятором 2 и мотором 4, который приводит в движение колеса. Однако, технология, описанная в настоящем варианте осуществления, может быть применена не только для устройства 10 преобразования мощности, установленного в автомобиле, но также для устройства преобразования мощности для различных использований.

Мотор 4 может функционировать как электромотор или может функционировать как электрический генератор. Когда мотор 4 функционирует как электромотор, мощность подается от аккумулятора 2 к мотору 4 через устройство 10 преобразования мощности. В таком случае, аккумулятор 2 служит в качестве источника мощности, а мотор 4 служит в качестве нагрузки. С другой стороны, когда мотор 4 функционирует как электромотор, мощность подается от мотора 4 к аккумулятору 2 через устройство 10 преобразования мощности. В таком случае, мотор 4 служит в качестве источника мощности, а аккумулятор 2 служит в качестве нагрузки.

Как иллюстрировано на фиг. 1, устройство 10 преобразования мощности включает в себя DC-DC-преобразователь 12, инвертор 14 и устройство 16 управления. DC-DC-преобразователь 12 предусматривается между аккумулятором 2 и инвертором 14. DC-DC-преобразователь 12 является DC-DC-преобразователем повышающего/понижающего типа, который может повышать и понижать DC-мощность между аккумулятором 2 и инвертором 14. Инвертор 14 предусматривается между DC-DC-преобразователем 12 и мотором 4. Инвертор 14 является трехфазным инвертором, приспособленным для преобразования DC-мощности в трехфазную AC (переменный ток) мощность и наоборот между DC-DC преобразователем 12 и мотором 4.

Например, в случае, когда мотор 4 функционирует как электромотор, DC-мощность, подаваемая от аккумулятора 2, повышается в DC-DC-преобразователе 12, дополнительно преобразуется в трехфазную AC-мощность в инверторе 14 и затем подается к мотору 4. В результате, мотор 4 трехфазного AC-типа приводится в действие посредством DC-мощности, подаваемой от аккумулятора 2. С другой стороны, когда мотор 4 функционирует как электрический генератор, трехфазная AC-мощность, подаваемая от мотора 4, преобразуется в DC-мощность посредством инвертора 14, далее понижается посредством DC-DC-преобразователя 12, затем подается к аккумулятору 2. В результате, электрическая мощность, формируемая мотором 4, заряжается в аккумулятор 2.

Фиг. 2 иллюстрирует пример схемной структуры DC-DC-преобразователя 12 и инвертора 14. Как иллюстрировано на фиг. 2, DC-DC-преобразователь 12 и инвертор 14 конфигурируются путем использования множества переключающих схем 20. Каждая из переключающих схем 20 предусматривается на пути подачи мощности между аккумулятором 2 и мотором 4, и работа переключающей схемы управляется посредством устройства 16 управления. Каждая из переключающих схем 20 включает в себя первый переключающий элемент 22, второй переключающий элемент 24 и диод 26. Конфигурация переключающей схемы 20 будет описана подробнее позже.

За исключением конфигурации переключающей схемы 20, другие конфигурации DC-DC-преобразователя 12 и инвертора 14 являются общими для известных DC-DC-преобразователей и инверторов. Например, DC-DC-преобразователь 12 имеет две переключающие схемы 20, дроссель 30 и сглаживающий конденсатор 32. Одна переключающая схема 20 предусматривается в верхней ветви 12a DC-DC-преобразователя 12, а другая переключающая схема 20 предусматривается в нижней ветви 12b DC-DC-преобразователя 12. Инвертор 14 имеет шесть переключающих схем 20. Переключающие схемы 20 предусматриваются для верхней ветви 14a U-фазы, нижней ветви 14b U-фазы, верхней ветви 14c V-фазы, нижней ветви 14d V-фазы, верхней ветви 14e W-фазы и нижней ветви 14f W-фазы, соответственно. Конфигурации DC-DC-преобразователя 12 и инвертора 14, описанные в данном документе, являются простыми примерами и могут быть соответствующим образом изменены. Кроме того, в качестве другого варианта осуществления, устройство 10 преобразования мощности может включать в себя только DC-DC-преобразователь 12 или может включать в себя только инвертор 14. Кроме того, устройство 10 преобразования мощности может быть DC-DC-преобразователем повышающего типа (или понижающего типа), и, в таком случае, только одна переключающая схема 20 может быть предусмотрена.

Как описано выше, каждая из переключающих схем 20 включает в себя первый переключающий элемент 22 и второй переключающий элемент 24. Первый переключающий элемент 22 представляет собой MOSFET, сформированный путем использования карбида кремния (SiC), а второй переключающий элемент 24 представляет собой IGBT, сформированный путем использования кремния (Si). Карбид кремния имеет более широкую запрещенную зону, чем кремний, и, таким образом, карбид кремния называется полупроводником с широкой запрещенной зоной. Кроме того, карбид кремния является примером первого полупроводникового материала в настоящей технологии, а кремний является примером второго полупроводникового материала в настоящей технологии. Первый полупроводниковый материал, применяемый для первого переключающего элемента 22, не ограничивается карбидом кремния, но другие полупроводники с широкой запрещенной зоной, такие как нитрид галлия (GaN), оксид галлия (Ga₂O₃) и алмаз, могут быть использованы. Кроме того, второй полупроводниковый материал, применяемый для второго переключающего элемента 24, не ограничивается карбидом кремния. Первый полупроводниковый материал, применяемый для первого переключающего элемента 22, может иметь более широкую запрещенную зону, чем второй полупроводниковый материал, применяемый для второго переключающего элемента 24. Кроме того, первый переключающий элемент 22 необязательно ограничивается MOSFET, а второй переключающий элемент 24 необязательно ограничивается IGBT.

Как иллюстрировано на фиг. 3, первый переключающий элемент 22 и второй переключающий элемент 24 соединяются с устройством 16 управления и управляются посредством устройства 16 управления, соответственно. Например, устройство 16 управления может выборочно выполнять первое управление переключением для выполнения PWM-управления на первом переключающем элементе 22 и второе управление переключением для выполнения PWM-управления на втором переключающем элементе 24 согласно командному значению тока, введенному из электронного блока управления автомобиля. Командное значение тока, на которое выполняется ссылка в данном документе, включает в себя командное значение тока для DC-DC-преобразователя 12 и командное значение тока для инвертора 14. Командное значение тока для DC-DC-преобразователя 12 является средним током DC-мощности, который должен выводиться DC-DC-преобразователем 12. Командное значение тока для инвертора 14 является эффективным током AC-мощности, который должен выводиться инвертором 14. Первый переключающий элемент 22 и второй переключающий элемент 24 двух переключающих схем 20, предусмотренных в DC-DC-преобразователе 12, управляются согласно командному значению тока для DC-DC-преобразователя 12. С другой стороны, первый переключающий элемент 22 и второй переключающий элемент 24 шести переключающих схем 20, предусмотренных в инверторе 14, управляются согласно командному значению тока для инвертора 14.

В качестве примера, устройство 16 управления согласно настоящему варианту осуществления включает в себя процессор 34 и схему 36 возбуждения затвора. Командное значение тока вводится в процессор 34. Процессор 34 выводит сигнал GS возбуждения затвора и сигнал SS1 или SS2 выбора для схемы 36 возбуждения затвора согласно входному командному значению тока. Схема 36 возбуждения затвора выполняет одно из первого управления переключением и второго управления переключением согласно сигналу GS возбуждения затвора и сигналу SS1 или SS2 выбора. Например, когда процессор 34 выводит сигнал SS1 выбора, схема 36 возбуждения затвора выполняет PWM-управление на первом переключающем элементе 22 на основе сигнала GS возбуждения затвора. С другой стороны, когда процессор 34 выводит сигнал SS2 выбора, схема 36 возбуждения затвора выполняет PWM-управление на втором переключающем элементе 24 на основе сигнала GS возбуждения затвора. Т.е., когда процессор 34 выводит сигнал SS1 выбора, выполняется первое управление переключением, а когда процессор 34 выводит сигнал SS2 выбора, выполняется второе управление переключением.

Как показано на фиг. 4, если командное значение тока меньше первого порогового значения C1, процессор 34 выводит сигнал SS1 выбора, инструктирующий первое управление переключением, а если командное значение тока больше второго порогового значения C2, процессор 34 выводит сигнал SS2 выбора, инструктирующий второе управление переключением. При этом, второе пороговое значение C2 больше первого порогового значения C1, и гистерезис обеспечивается между первым пороговым значением C1 и вторым пороговым значением C2. Т.е., в то время как выполняется первое управление переключением, сигнал выбора переключается с SS1 на SS2, если командное значение тока превышает второе пороговое значение C2, а в то время как выполняется второе управление переключением, сигнал выбора переключается с SS2 на SS1, если командное значение тока падает ниже первого порогового значения C1. Кроме того, такой гистерезис не всегда является необходимым, и первое пороговое значение C1 и второе пороговое значение C2 могут иметь одинаковое значение.

В устройстве 10 преобразования мощности согласно настоящему варианту осуществления, SiC, который является полупроводником с широкой запрещенной зоной, применяется для первого переключающего элемента 22. В целом, стоимость производства переключающих элементов 22 и 24 увеличивается пропорционально их размеру, и тенденция этого становится заметной в первом переключающем элементе 22, применяющем полупроводник с широкой запрещенной зоной. Следовательно, в настоящем варианте осуществления, размер первого переключающего элемента 22 может быть меньше размера второго переключающего элемента 24 посредством сдерживания номинального тока, так что стоимость производства уменьшается. С другой стороны, как показано на фиг. 5, так как размер переключающих элементов 22 и 24 уменьшается, тепловая временная константа переключающих элементов 22 и 24 уменьшается (т.е., переключающий элемент становится легко нагреваемым). Следовательно, если размер первого переключающего элемента 22 уменьшается, усталость первого переключающего элемента 22, вызванная тепловой предысторией, также увеличивается. Кроме того, так как размер первого переключающего элемента 22 уменьшается, интенсивность первого переключающего элемента 22 уменьшается, и, в результате, необходимо увеличивать размер первого переключающего элемента 22. Следовательно, в устройстве 10 преобразования мощности согласно настоящему варианту осуществления выполняется такое конфигурирование, что, как описано выше, первое управление переключением и второе управление переключением выборочно выполняются согласно командному значению тока, и если командное значение тока является относительно небольшим, первый переключающий элемент 22 приводится в действие. Таким образом, избыточный ток, протекающий в первом переключающем элементе 22, сдерживается. Кроме того, так как выбор между первым управлением переключением и вторым управлением переключением выполняется на основе командного значения тока, в сравнении со случаем, когда выбор выполняется на основе мгновенного тока, число раз колебания температуры первого переключающего элемента 22 сдерживается, и усталость первого переключающего элемента 22, вызванная тепловой предысторией, уменьшается. Кроме того, размер переключающих элементов 22 и 24 в этом описании подразумевается как размер, когда рассматривается в плане, а также называется размером микросхемы, например.

Фиг. 6 показывает соотношение между токами, протекающими в переключающих элементах 22 и 24, и падением напряжения (также называемым напряжением включения) относительно их. График A на чертеже показывает характеристики первого переключающего элемента 22, который представляет собой MOSFET, сформированный путем использования карбида кремния, а график B на чертеже показывает характеристики второго переключающего элемента 24, который представляет собой IGBT, сформированный путем использования кремния. Как понятно из фиг. 6, в диапазоне, где ток является относительно небольшим, энергетическая потеря может сдерживаться путем использования первого переключающего элемента 22 вместо второго переключающего элемента 24. Напротив, в диапазоне, где ток является относительно большим, энергетическая потеря может сдерживаться путем использования второго переключающего элемента 24 вместо первого переключающего элемента 22. Касаясь этого момента, в устройстве 10 преобразования мощности согласно настоящему варианту осуществления, первый переключающий элемент 22 используется в диапазоне, где ток является относительно небольшим, а второй переключающий элемент 24 используется в диапазоне, где ток является относительно большим, так что энергетическая потеря вследствие переключающих элементов 22 и 24 эффективно сдерживается. При этом, также является эффективным определение первого порогового значения C1 и второго порогового значения C2 для командного значения тока, относящегося к переключению для управления переключением, согласно пересечению графиков A и B на фиг. 6.

Кроме того, во многих случаях, период, в течение которого устройство 10 преобразования мощности работает с большим командным значением тока, является коротким, и, в целом, первое управление переключением выбирается больше второго управления переключением. Например, в случае, когда устройство 10 преобразования мощности применяется в автомобиле, устройство 10 преобразования мощности работает с большим командным значением тока, когда водитель в значительной степени задействует педаль акселератора. Однако, водитель в значительной степени задействует педаль акселератора в коротком периоде, например, при ускорении из остановленного состояния, а в течение других периодов, например, во время движения в крейсерском режиме, например, устройство 10 преобразования мощности работает с относительно небольшим командным значением тока. Следовательно, даже в случае, когда первое управление переключением выбирается (т.е., используется первый переключающий элемент 22), только если командное значение тока является относительно небольшим, частота использования первого переключающего элемента 22 становится относительно высокой, так что преимущество применения полупроводника с широкой запрещенной зоной может быть в достаточной степени получено.

В качестве другого варианта осуществления может рассматриваться то, что выбор между первым управлением переключением и вторым управлением переключением выполняется на основе фактического тока, протекающего в DC-DC-преобразователе 12 и инверторе 14. Однако, как показано на фиг. 7, например, фактический ток (т.е., мгновенный ток), протекающий в DC-DC-преобразователе 12, значительно колеблется в течение одного периода PWM-управления. При таких обстоятельствах, если выбор между первым управлением переключением и вторым управлением переключением выполняется на основе мгновенного тока, протекающего в DC-DC-преобразователе 12, переключение между двумя управлениями переключениями часто происходит. В таком случае, так как суммарное число раз переключения первого переключающего элемента 22 и второго переключающего элемента 24 увеличивается, энергетическая потеря, сопровождающая переключение, становится проблемой. То же применяется к инвертору 14, как показано на фиг. 8, фактический ток (т.е., мгновенный ток), протекающий в инверторе 14, значительно колеблется в течение одного периода PWM-управления. При таких обстоятельствах, если выбор между первым управлением переключением и вторым управлением переключением выполняется на основе мгновенного тока, протекающего в инверторе 14, переключение между двумя управлениями переключениями часто происходит.

Что касается вышеописанных моментов, в устройстве 10 преобразования мощности согласно настоящему варианту осуществления выбор между первым управлением переключением и вторым управлением переключением выполняется на основе не мгновенного значения тока, а командного значения тока. Таким образом, даже в случае, когда мгновенное значение тока временно увеличивается или уменьшается, переключение управления переключением избегается, так что энергетическая потеря, сопровождающая увеличение в числе раз переключения, сдерживается. Кроме того, устройство 16 управления согласно настоящему варианту осуществления конфигурируется, чтобы выполнять выбор между первым управлением переключением и вторым управлением переключением в единицах одного или множества периодов PWM-управления. С такой конфигурацией возможно предоставлять возможность запрещать переключение переключающих элементов 22 и 24 во включенное состояние в течение одного периода PWM-управления. В результате, увеличение в суммарном числе раз переключения первого переключающего элемента 22 и второго переключающего элемента 24 устраняется, так что возможно сдерживать энергетическую потерю, сопровождающую переключение. Кроме того, так как число раз колебания температур первого переключающего элемента 22 и второго переключающего элемента 24 также сдерживается, усталость первого переключающего элемента 22 и второго переключающего элемента 24, вызванная тепловой предысторией, также уменьшается.

В качестве примера, первое пороговое значение C1 и второе пороговое значение C2 для командного значения тока, связанного с переключением управления переключением, может быть изменено согласно температуре, по меньшей мере, одного из первого переключающего элемента 22 и второго переключающего элемента 24. В частности, первое пороговое значение C1 может быть изменено согласно температуре первого переключающего элемента 22, а второе пороговое значение C2 может быть изменено согласно температуре второго переключающего элемента 24. В частности, когда температура первого переключающего элемента 22 является высокой, посредством изменения первого порогового значения C1 на меньшее значение использование первого переключающего элемента 22 может сдерживаться. Альтернативно, когда температура второго переключающего элемента 24 является высокой, посредством изменения второго порогового значения C2 на большее значение использование второго переключающего элемента 24 может сдерживаться. С такой конфигурацией переключение между первым управлением переключением и вторым управлением переключением может быть надлежащим образом выполнено, в то же время предотвращая перегрев первого переключающего элемента 22 и второго переключающего элемента 24.

Альтернативно, относительно первого порогового значения C1 и второго порогового значения C2 для командного значения тока, связанного с переключением управления переключением, по меньшей мере, одно из первого порогового значения C1 и второго порогового значения C2 может быть использовано в качестве различных значений между переключающими схемами 20, расположенными в верхних ветвях 12a, 14a, 14c и 14e, и переключающими схемами 20, расположенными в нижних ветвях 12b, 14b, 14d и 14f. Дополнительно или альтернативно, по меньшей мере, одно из первого порогового значения C1 и второго порогового значения C2 может быть использовано в качестве различных значений между значениями во время операции движения от мощности, в которой устройство 10 преобразования мощности подает мощность от аккумулятора 2 к мотору 4, и во время операции рекуперации, в которой устройство 10 преобразования мощности подает мощность от мотора 4 аккумулятору 2.

Несущая частота (далее в данном документе называемая первой несущей частотой), используемая в первом управлении переключением, и несущая частота (далее в данном документе называемая второй несущей частотой), используемая во втором управлении переключением, могут быть одинаковыми или отличаться друг от друга. Например, что касается инвертора 14, как показано на фиг. 9, первая несущая частота и вторая несущая частота могут изменяться согласно скорости вращения мотора 4. Кроме того, в примере, показанном на фиг. 9, первая несущая частота и вторая несущая частота конфигурируются, чтобы изменяться между тремя значениями f1, f2 и f3. При этом, отношение величин для трех значений f1, f2 и f3 является f1 < f2 < f3, и каждая несущая частота конфигурируется, чтобы увеличиваться, когда скорость вращения мотора 4 увеличивается. С такой конфигурацией, когда скорость вращения мотора 4 является относительно низкой (т.е., выходная частота AC-мощности является относительно низкой), посредством уменьшения каждой несущей частоты потеря при переключении может сдерживаться. С другой стороны, когда скорость вращения мотора 4 является относительно высокой (т.е., когда выходная частота AC-мощности является относительно высокой), посредством увеличения каждой несущей частоты AC-мощность, имеющая плавную форму волны, может быть выведена.

Альтернативно, как показано на фиг. 10, например, постоянное значение f4 может быть использовано для первой несущей частоты первого управления переключением, независимо от скорости вращения мотора 4. Что касается первого переключающего элемента 22 MOSFET, применяющего карбид кремния, так как потеря при переключении является относительно небольшой, первая несущая частота может быть зафиксирована в относительно высоком значении, так что возможно упрощать структуру управления. Кроме того, в другом варианте осуществления, не только первая несущая частота, но также вторая несущая частота может быть зафиксирована в постоянном значении с тем, чтобы дополнительно упрощать структуру управления.

Устройство 10 преобразования мощности согласно настоящему варианту осуществления включает в себя инвертор 14. Выходная частота AC-мощности посредством инвертора 14 изменяется согласно скорости вращения мотора 4. Когда выходная частота AC-мощности является небольшой, ток, протекающий в переключающих элементах 22 и 24, также слегка изменяется, так что температура переключающих элементов 22 и 24 имеет тенденцию значительно колебаться. В таком случае, даже если командное значение тока (т.е., эффективное значение тока) является относительно небольшим, ток больше командного значения тока протекает в течение относительно длительного периода, так что температура переключающих элементов 22 и 24 может достигать высокой температуры. Например, в случае автомобиля, когда колеса находятся в соприкосновении с колесными стопорами или т.п., так что колеса блокируются, существует проблема в том, что переключающие элементы 22 и 24 перегреваются. Следовательно, когда выходная частота AC-мощности является относительно небольшой, посредством выбора второго управления переключением независимо от командного значения тока, работа первого переключающего элемента 22, имеющего небольшой размер (т.е., первого переключающего элемента 22, имеющего небольшую тепловую временную константу), может быть запрещена. Например, как показано на фиг. 11, когда скорость вращения мотора 4 падает ниже заданного нижнего предельного значения RL, второе управление переключением может быть сформировано, чтобы выбираться независимо от командного значения тока. Альтернативно, в качестве другого варианта осуществления, когда скорость вращения мотора 4 падает ниже заданного нижнего предельного значения RL во время выполнения первого управления переключением, первая несущая частота может быть уменьшена.

Альтернативно, как показано на фиг. 12, когда скорость вращения мотора 4 падает ниже заданного нижнего предельного значения RL, первое управление переключением может быть сформировано, чтобы выбираться, только если командное значение тока падает ниже третьего порогового значения, меньшего, чем первое пороговое значение C1 или второе пороговое значение C2. Кроме того, но не ограничивается примером, показанным на фиг. 12, пороговые значения C1 и C2 для командных значений тока, относящихся к переключению между первым управлением переключением и вторым управлением переключением, могут по-разному изменяться согласно скорости вращения мотора 4.

В устройстве 10 преобразования мощности согласно настоящему варианту осуществления каждая переключающая схема 20 включает в себя один первый переключающий элемент 22 и один второй переключающий элемент 24. Однако, в качестве другого варианта осуществления, переключающая схема 20 может включать в себя множество первых переключающих элементов 22 или может включать в себя множество вторых переключающих элементов 24. В таком случае, множество первых переключающих элементов 22 или множество вторых переключающих элементов 24 могут соединяться параллельно друг с другом. Кроме того, в устройстве 10 преобразования мощности согласно настоящему варианту осуществления, инвертор 14 является трехфазным инвертором, но число фаз инвертора 14 или мотора 4 особым образом не ограничивается.

Хотя было описано несколько конкретных примеров подробно выше, они являются просто иллюстративными и не ограничивают рамки формулы изобретения. Технологии, описанные в формуле изобретения, включают в себя технологии, в которых конкретные примеры, приведенные выше, являются различным образом модифицированными и измененными. Технические элементы, описанные в этом описании, или чертежи будут проявлять техническую пользу отдельно или в различных сочетаниях.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в устройствах преобразования мощности. Техническим результатом является улучшение работы устройства за счет уменьшения потерь на коммутацию. Устройство преобразования мощности включает в себя первый переключающий элемент, сформированный путем использования полупроводникового материала, и второй переключающий элемент, соединенный параллельно с первым переключающим элементом и сформированный путем использования второго полупроводникового материала, имеющего запрещенную зону, более узкую, чем запрещенная зона первого полупроводникового материала. Устройство преобразования мощности дополнительно включает в себя устройство управления, выполненное с возможностью выборочно выполнять какое-либо одно из первого управления переключением и второго управления переключением для периодического включения первого переключающего элемента и второго переключающего элемента, соответственно, согласно командному значению тока. Размер первого переключающего элемента меньше размера второго переключающего элемента. Устройство управления выбирает первое управление переключением, если командное значение тока меньше первого порогового значения, и выбирает второе управление переключением, если командное значение тока больше второго порогового значения. 10 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Устройство преобразования мощности, выполненное с возможностью выполнения преобразования мощности между источником мощности и нагрузкой, при этом устройство преобразования мощности содержит:

первый переключающий элемент, обеспеченный на пути подачи мощности от источника мощности к нагрузке и сформированный путем использования первого полупроводникового материала;

второй переключающий элемент, соединенный параллельно с первым переключающим элементом и сформированный путем использования второго полупроводникового материала, имеющего запрещенную зону, более узкую, чем запрещенная зона первого полупроводникового материала; и

устройство управления, выполненное с возможностью выборочного выполнения любого одного из первого управления переключением и второго управления переключением, причем первое управление переключением является управлением для периодического включения первого переключающего элемента согласно командному значению тока, а второе управление переключением является управлением для периодического включения второго переключающего элемента согласно командному значению тока;

при этом размер первого переключающего элемента меньше размера второго переключающего элемента,

причем устройство управления выполнено с возможностью выбора первого управления переключением, если командное значение тока меньше первого порогового значения, и выбора второго управления переключением, если командное значение тока больше второго порогового значения.

2. Устройство преобразования мощностью по п. 1, в котором устройство управления выполнено с возможностью выбора первого управления переключением или второго управления переключением в единицах периода первого управления переключением или второго управления переключением.

3. Устройство преобразования мощности по п. 1 или 2, в котором

второе пороговое значение больше первого порогового значения,

при этом устройство управления выполнено таким образом, что:

когда выполняется первое управление переключением, устройство управления переходит ко второму управлению переключением, если командное значение тока превышает второе пороговое значение, и

когда выполняется второе управление переключением, устройство управления переходит к первому управлению переключением, если командное значение тока падает ниже первого порогового значения.

4. Устройство преобразования мощности по п. 1 или 2, в котором устройство управления выполнено с возможностью изменения, по меньшей мере, однго из первого порогового значения и второго порогового значения согласно температуре, по меньшей мере, одного из первого переключающего элемента и второго переключающего элемента.

5. Устройство преобразования мощности по п. 1 или 2, в котором устройство управления выполнено таким образом, что:

в первом управлении переключением PWM-управление выполняется на первом переключающем элементе на первой несущей частоте; а

во втором управлении переключением PWM-управление выполняется на втором переключающем элементе на второй несущей частоте.

6. Устройство преобразования мощности по п. 5, в котором первая несущая частота в первом управлении переключением и вторая несущая частота во втором управлении переключением имеют одинаковое значение.

7. Устройство преобразования мощности по п. 5, в котором первая несущая частота в первом управлении переключением отличается от второй несущей частоты во втором управлении переключением.

8. Устройство преобразования мощности по п. 6, дополнительно содержащее инвертор, выполненный с возможностью вывода AC-мощности, при этом устройство управления выполнено с возможностью изменения, по меньшей мере, одной из первой несущей частоты и второй несущей частоты согласно выходной частоте AC-мощности.

9. Устройство преобразования мощности по п. 6, дополнительно содержащее инвертор, выполненный с возможностью вывода AC-мощности, при этом устройство управления выполнено с возможностью выбора второго управления переключением, даже если командное значение тока меньше первого порогового значения, когда выходная частота AC-мощности меньше заданного нижнего предельного значения.

10. Устройство преобразования мощности по п. 1 или 2, в котором первый полупроводниковый материал является карбидом кремния (SiC), а второй полупроводниковый материал является кремнием (Si).

11. Устройство преобразования мощности по п. 1 или 2, в котором первый переключающий элемент представляет собой MOSFET, а второй переключающий элемент представляет собой IGBT.