專利名稱：功率轉(zhuǎn)換裝置的制作方法
功率轉(zhuǎn)換裝置發(fā)明背景 1.發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種使用半導體開關(guān)器件的功率轉(zhuǎn)換裝置。2.背景技術(shù)描述例如，圖8所示的結(jié)構(gòu)被稱為此類功率轉(zhuǎn)換裝置。圖8所示的功率轉(zhuǎn)換裝置具有單相交流電源101、用于將交流電源101的交流輸 出功率轉(zhuǎn)換為直流功率的整流器102、用于平滑從整流器102的正極側(cè)線Lp和負極側(cè)線Ln 輸出的直流功率的平滑電容器103、以及連接在正極側(cè)線Lp和負極側(cè)線Ln之間的直流負載 104。整流器102被構(gòu)造成串聯(lián)電路107和108并聯(lián)地連接在正極側(cè)線Lp和負極側(cè)線 Ln之間。在每個串聯(lián)電路107、108中，作為整流器件的二極管10fe、105b以及例如作為半 導體開關(guān)器件的MOSFET 106a、106b串聯(lián)地連接。在此，因為每個MOSFET 106a、106b在內(nèi) 部具有體二極管，M0SFET106aU06b無關(guān)于其柵極電壓對于反向電流始終導通。對應于每個串聯(lián)電路107、108中的二極管l(^a、105b和M0SFET106a、106b之間的 連接點的每個交流輸入點Pia、Pib通過電感器109a、109b連接到交流電源101。此外，作為噪聲濾波器的接地電容器1 IOa和1 IOb的串聯(lián)電路連接在電源線La和 Lb之間，該電源線分別將電感器109a和109b連接到交流電源101的輸出側(cè)。接地電容器 IlOa和IlOb之間的連接點連接至地電位G。圖8所示的功率轉(zhuǎn)換裝置具有可使輸入到整流器102的交流電源101的交流輸入 電流Iin(I輸入)形成正弦波形的功能，該正弦波的相位等于交流輸入電壓Vin(V輸入) 而直流輸出電壓Ed保持在高于交流輸入電壓Vin峰值的期望值。下面將描述用于實現(xiàn)這種功能的操作。例如，假設(shè)交流輸入電壓Vin為正。在此情況下，當MOSFET 106a開啟時，電流在 從交流電源101經(jīng)由電源線La、電感器109a、M0SFET 106a,MOSFET 106b、電感器109b以及 電源線Lb返回至交流電源101的路徑中流動。因此，向電感器109a和109b各施加交流電 源101的電壓的一半，從而增大交流輸入電流Iin。當MOSFET 106a在該狀態(tài)下關(guān)斷時，電流在從交流電源101經(jīng)由電源線La、電感器 109a、二極管105a、平滑電容器103、MOSFET 106b、電感器109b以及電源線Lb返回至交流 電源101的路徑中流動。此時，向電感器109a和109b各施加直流輸出電壓Ed與交流輸入 電壓Vin之間的差分電壓的一半。由于電路的操作，直流輸出電壓Ed被保持高于交流輸入 電壓Vin的峰值，因此交流輸入電流Iin減小。相應地，當控制MOSFET 106a的開啟時間和關(guān)斷時間之比(即占空比)時，能夠理 想地控制交流輸入電流Iin的波形和大小。因此，交流輸入電流Iin能夠形成為正弦波形 (這里不考慮紋波成分)。此外，當根據(jù)負載功率控制交流輸入電流Iin的振幅時，直流輸 出電壓Ed可保持期望值。
當交流輸入電壓Vin為負時，由MOSFET 106b的開啟一關(guān)斷操作來執(zhí)行相似操作。 在此，當交流輸入電壓Vin為正時，MOSFET 106b無關(guān)于其柵極信號反向?qū)?MOSFET 106a 執(zhí)行開啟一關(guān)斷操作)；并且當交流輸入電壓Vin為負時，MOSFET 106a無關(guān)于其柵極信號 反向?qū)?MOSFETlOm3執(zhí)行開啟一關(guān)斷操作)。通常，在執(zhí)行開關(guān)的功率轉(zhuǎn)換裝置中，由于每次開關(guān)所提供的電位波動，因此產(chǎn)生 噪聲。由作為噪聲濾波器的接地電容器IlOa和IlOb來防止噪聲流向外部。在此，當交流輸 入電壓Vin的中性點電位對應于地電位G時，每個接地電容器IlOaUlOb的電壓是Vin/2。 圖9示出每個點的相對于地電位G的由于開關(guān)的電位變化。在MOSFET 106a和106b開啟的 時刻，在接地電容器IlOa和IlOb相對端的U點和V點短路，且如在先描述，電感器109a和 109b相對端的電壓VLl和VL2由VLl = VL2 = Vin/2來表示。在此，U點電位為+Vin/2, V 點電位為-Vin/2，因此每個交流輸入點Pia、Pib的電位為0V。MOSFET 106a和106b導通， 因此交流輸入點Pia、Pib的電位也等于平滑電容器103的負極側(cè)點N的電位。因此，N點 的電位為0V。平滑電容器103的正極側(cè)點P的電位等于N點電位與直流輸出電壓Ed之和。 因此，P點電位等于直流輸出電壓Ed。另一方面，在交流輸入電壓Vin為正且MOSFET 106a關(guān)斷的時刻，交流輸入點Pia 的電位等于P點電位，并且交流輸入點Pib的電位等于N點電位。相應地，直流輸出電壓Ed 施加于在接地電容器IlOa和IlOb的相對端的U點和V點之間。因此建立VLl = VL2 = (Vin-Ed)/2的關(guān)系。因此，Pia點的電位(=P點電位)用Vin/2-(Vin-Ed)/2 = +Ed/2來 表示，Pib點的電位用-Vin/2+(Vin-Ed)/2 = -Ed/2來表示。即Pia點的電位波動+Ed/2, Pib, P以及N各點的電位波動-Ed/2。由于同樣的操作，當交流輸入電壓Vin為負且MOSFET 106b關(guān)斷的時刻，Pib點的 電位波動+Ed/2，Pia、P以及N各點的電位波動-Ed/2。當M0SFET106a和10 重新開啟時， 電位波動反轉(zhuǎn)。在如圖8所示的背景技術(shù)示例中，非預期的寄生電容111至114存在于該裝置的 各個點和框架re之間。出于安全原因?qū)⒖蚣躵e接地，因此寄生電容ill至114作為對地 電容。由于上述電位波動，電流流向每個寄生電容，以使電流Ie在如圖8所示的經(jīng)過接地 電容器IlOa和IlOb的電路中循環(huán)。此時，在每個接地電容器IlOa與IlOb中生成稱為噪 聲端電壓的高頻電壓。為了不對連接到交流電源101的其他裝置造成壞影響，噪聲端電壓必須受到限 制。最簡單的方法是增大接地電容器IlOa和IlOb的電容。然而，接地電容器IlOa與IlOb 不僅允許高頻電流，還允許源自交流輸入電壓Vin的作為漏電流的低頻電流。因此，電容太 大可導致如地泄漏斷路器跳閘等問題。另一種公知的方法是在該裝置與電源之間插入共模 扼流線圈。然而，共模扼流線圈必須允許主電路電流流進其中，必定要增大其外形。因此， 共模扼流線圈阻止功率轉(zhuǎn)換裝置的小型化，并且還導致成本增加。另一方面，作為利用開關(guān)單元抑制噪聲的方法，已知如下的降噪裝置(例如參見 JP-A-2002-119065)。即，例如在該降噪裝置中，包括開關(guān)器件的用于生成與由噪聲感測單 元所測得的噪聲電流反向的電流的電流源電路連接在利用能量再生變換器的連接到平滑 電容器的電壓箝位電路與地電位G之間，以此抑制噪聲。作為抑制噪聲的另一種方法，有如下的已知電動車輛(例如，參考JP-A-2009-33891)。即，在電動車輛中，靜電電容與包括逆變器或馬達發(fā)電機的高壓系統(tǒng)組 件和車輛接地之間的本征雜散電容串聯(lián)，并且連接開關(guān)與靜電電容并聯(lián)，從而當負載被驅(qū) 動時，連接開關(guān)被控制成開啟；當負載未被驅(qū)動時，連接開關(guān)被控制成關(guān)斷。然而，在JP-A-2002-119065所揭示的背景技術(shù)示例中，開關(guān)單元本身必須產(chǎn)生電 流以消除噪聲。因此，仍然存在未解決的問題，即因為開關(guān)單元需要在極高速下開關(guān)，且同 時要高速地控制，所以開關(guān)單元的結(jié)構(gòu)變得復雜。另一方面，在JP-A-2009-33891所揭示的背景技術(shù)示例中，對地電容隨著整個裝 置與外部的連接狀態(tài)而變化，用以調(diào)整裝置的電位波動和漏電流的大小。仍然存在如下未 解決的問題。即，當整個裝置與外部的連接狀態(tài)固定時，不能應用此背景技術(shù)示例，此外，當 作為噪聲源的裝置在工作時，不能減少漏電流。

發(fā)明內(nèi)容
因此，注意到上述背景技術(shù)中未解決的問題，開發(fā)了本發(fā)明。本發(fā)明的目的是，提 供能夠減小噪聲端電壓的功率轉(zhuǎn)換裝置，同時解決體積和成本問題。為了達到上述目的，根據(jù)本發(fā)明的一個方面提供一種功率轉(zhuǎn)換裝置，其包括交流 電源；以及將從交流電源輸入的交流功率轉(zhuǎn)換成直流功率的整流電路，該整流電路被構(gòu)造 成串聯(lián)電路在正極側(cè)線與負極側(cè)線之間并聯(lián)連接，每個串聯(lián)電路包括串聯(lián)連接的整流器件 與半導體開關(guān)器件，并且串聯(lián)電路的數(shù)目與交流輸入的相數(shù)相對應，交流電源分別通過電 感器件連接到與串聯(lián)電路的整流器件和半導體開關(guān)器件之間的連接點相相應的交流輸入 點；其中串聯(lián)電路的交流輸入點與作為地電位的點通過噪聲抑制串聯(lián)電路連接，在每個 噪聲抑制電路中開關(guān)單元和電容器串聯(lián)連接；以及每個噪聲抑制串聯(lián)電路的開關(guān)單元被控 制成在連接到噪聲抑制串聯(lián)電路的半導體開關(guān)器件在高頻下開關(guān)的時刻開啟，而在上述時 刻之外的其他時刻關(guān)斷。此外，根據(jù)本發(fā)明的另一個方面提供一種功率轉(zhuǎn)換裝置，其中每個噪聲抑制串聯(lián) 電路包括與開關(guān)單元并聯(lián)連接的電阻器，且電阻器的電阻值設(shè)置為充分低于電容器的與交 流輸入點的交流輸入功率的頻率對應的阻抗，且充分高于電容器的與半導體開關(guān)器件的開 關(guān)頻率對應的阻抗。另外，根據(jù)本發(fā)明的再一個方面，提供一種功率轉(zhuǎn)換裝置，其包括將直流輸入功 率轉(zhuǎn)換為交流功率的逆變器電路，該逆變器電路被構(gòu)造成開關(guān)臂在正極側(cè)線與負極側(cè)線之 間并聯(lián)連接，每個開關(guān)臂包括串聯(lián)連接的多個半導體開關(guān)器件，并且開關(guān)臂的數(shù)目與要輸 出的交流功率的相數(shù)相對應，開關(guān)臂的交流輸出點分別通過電感器件與交流輸出端連接； 其中開關(guān)臂的交流輸出點與作為地電位的點通過噪聲抑制串聯(lián)電路連接，在每個噪聲抑 制串聯(lián)電路中開關(guān)單元和電容器串聯(lián)連接；以及每個噪聲抑制串聯(lián)電路的開關(guān)單元被控制 成在連接到噪聲抑制串聯(lián)電路的半導體開關(guān)器件在高頻下開關(guān)的時刻開啟，在上述時刻之 外的其他時刻關(guān)斷。此外，根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種功率轉(zhuǎn)換裝置，其中每個噪聲抑制 串聯(lián)電路包括與開關(guān)單元并聯(lián)連接的電阻器，且電阻器的電阻值設(shè)置為充分低于電容器的 與交流輸出點的交流輸出功率的頻率對應的阻抗，且充分高于電容器的與半導體開關(guān)器件 的開關(guān)頻率對應的阻抗。
此外，根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種功率轉(zhuǎn)換裝置，其中開關(guān)單元包括將 連接到每個開關(guān)臂的連接點作為開啟一關(guān)斷控制的基準電位使用的輔助半導體開關(guān)器件， 且輔助半導體開關(guān)器件的開啟一關(guān)斷控制端通過電容器連接到直流功率的正極側(cè)或負極 側(cè)。此外，根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種功率轉(zhuǎn)換裝置，其中開關(guān)單元包括能 夠?qū)φ螂娏鬟M行開啟一關(guān)斷控制并且對于反向電流始終導通的輔助半導體開關(guān)器件。此外，根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種功率轉(zhuǎn)換裝置，其中輔助半導體開關(guān) 器件將連接到每個開關(guān)臂的連接點作為開啟一關(guān)斷控制的基準電位使用，且輔助半導體開 關(guān)器件的開啟一關(guān)斷控制端通過電容器連接到直流功率的正極側(cè)或負極側(cè)。根據(jù)本發(fā)明，因為根據(jù)每個半導體開關(guān)器件的工作添加了接地電容器，使得相對 于地電位其電位為正的點的對地電容等于相對于地電位其電位為負的點的對地電容，從而 來自那些點的高頻漏電流可相互抵消。因此，具有在不提供大尺寸噪聲減少組件的情況下 能夠抑制噪聲端電壓的效果。附圖簡述

圖1是示出本發(fā)明第一實施例的功率轉(zhuǎn)換裝置的電路圖；圖2A-2G是為了說明第一實施例的工作而提供的波形圖；圖3是示出本發(fā)明第二實施例的功率轉(zhuǎn)換裝置的電路圖；圖4是示出本發(fā)明第三實施例的功率轉(zhuǎn)換裝置的電路圖；圖5是示出本發(fā)明第四實施例的功率轉(zhuǎn)換裝置的電路圖。圖6是示出可應用本發(fā)明的開關(guān)電路的特定結(jié)構(gòu)的電路圖；圖7是示出圖6所示開關(guān)電路的變體的電路圖；圖8是示出根據(jù)背景技術(shù)的功率轉(zhuǎn)換裝置的電路圖；以及圖9是為了說明根據(jù)背景技術(shù)的功率轉(zhuǎn)換裝置的工作而提供的信號波形圖。發(fā)明的詳細描述下文將參考附圖描述本發(fā)明的實施例。圖1是示出根據(jù)本發(fā)明第一實施例的功率轉(zhuǎn)換裝置的電路圖。圖1中，附圖標記 10代表用于驅(qū)動直流負載的功率轉(zhuǎn)換裝置。例如，功率裝換裝置10具有單相交流電源11、 整流電路12、平滑電容器13以及直流負載14。整流電路12將交流電源11的交流輸出功 率轉(zhuǎn)換成直流功率。平滑電容器13平滑從整流電路12的正極側(cè)線Lp和負極側(cè)線Ln輸出 的直流功率。直流負載14連接在正極側(cè)線Lp和負極側(cè)線Ln之間。整流電路12被構(gòu)造成串聯(lián)電路17和18在正極側(cè)線Lp和負極側(cè)線Ln之間并聯(lián)連 接。在每個串聯(lián)電路17、18中，作為整流器件的二極管15a、15b以及例如作為半導體開關(guān) 器件的MOSFET 16a、16b串聯(lián)連接。在此，每個MOSFET 16a、16b在內(nèi)部具有體二極管。因 此，MOSFET 16a、16b無關(guān)于其柵極電壓對于反向電流始終導通。對應于在串聯(lián)電路17、18的二極管15a、15b和MOSFET 16a、16b之間的連接點的 交流輸入點Pia、Pib通過電感器19a、19b連接到交流電源11。此外，構(gòu)成噪聲濾波器的接地電容器20a和20b的串聯(lián)電路連接在電源線La和Lb 之間，La和Lb將電感器19a和19b連接至交流電源11的輸出側(cè)，并且接地電容器20a和 20b之間的連接點連接到地電位G。
上述結(jié)構(gòu)類似于上述背景技術(shù)示例的結(jié)構(gòu)。然而，根據(jù)本發(fā)明，由作為開關(guān)單元的 開關(guān)電路21、22以及電容器23、24構(gòu)成的噪聲抑制串聯(lián)電路25 J6連接在整流電路12中 的串聯(lián)電路17、18的交流輸入點Pia、Pib與地電位G間之間。在此，例如每個開關(guān)電路21、22由兩個串聯(lián)且互相反向連接的MOSFET構(gòu)成。此 外，電容器23的電容設(shè)置成使得寄生電容31與電容器23的電容之和的值等于寄生電容32 至34之和的值。寄生電容31存在于交流輸入點Pia和地電位G之間。寄生電容32存在 于交流輸入點Pib和地電位G之間。寄生電容33存在于P點和地電位G之間。P點對應 于平滑電容器13連接至正極側(cè)線Lp的連接點。寄生電容34存在于N點和地電位G之間。 N點對應于平滑電容器13連接至負極側(cè)線Ln的連接點。另外，電容器M的電容設(shè)置成使 得存在于交流輸入點Pib和地電位G之間的寄生電容32與電容器M的電容之和的值等于 存在于交流輸入點Pia和地電位G之間的寄生電容31、存在于P點即對應于平滑電容器13 連接至正極側(cè)線Lp的連接點和地電位G間的寄生電容33、以及存在于N點即對應于平滑電 容器13連接至負極側(cè)線Ln的連接點和地電位G之間的寄生電容34之和的值。圖1所示的功率轉(zhuǎn)換裝置具有如下功能。即，供給于整流電路12的交流電源11 的交流輸入電流Iin形成為正弦波形，其相位等于交流輸入電壓Vin的相位，而直流輸出電 壓Ed保持在高于交流輸入電壓Vin的峰值的期望值。由控制單元40控制MOSFET 16a、16b以及開關(guān)電路21、22的開啟一關(guān)斷。接下來，將參考圖2A-2G所示的信號波形圖來描述第一實施例的操作。例如，如圖2A的Tl部分所示，假設(shè)交流輸入電壓Vin為正。在此狀態(tài)下當MOSFET 16a開啟時，電流在從交流電源11經(jīng)由電源線La、電感器19a、M0SFET 16a,MOSFET 16b、電 感器19b以及電源線Lb返回至交流電源11的路徑中流動。因此，向電感器19a和19b各 施加交流電源11的電壓的一半以增大交流輸入電流Iin。在此狀態(tài)下當MOSFET 16a關(guān)斷時，電流在從交流電源11經(jīng)由電源線La、電感器 19a、二極管15a、平滑電容器13、M0SFET 16b、電感器19b以及電源線Lb返回至交流電源11 的路徑中流動。此時，向電感器19a和19b各施加直流輸出電壓Ed與交流輸入電壓Vin之 間的差分電壓的一半。由于電路的工作，直流輸出電壓Ed保持高于交流輸入電壓Vin的峰 值，因此交流輸入電流Iin減小。相應地，當控制MOSFET 16a的開啟時間和關(guān)斷時間之比(即占空比)時，能夠理 想地控制交流輸入電流Iin的波形和大小。因此，交流輸入電流Iin能夠形成為正弦波形 (這里不考慮紋波成分)。此外，當根據(jù)負載功率控制交流輸入電流Iin的振幅時，直流輸 出電壓Ed可保持在期望值。如圖2A的T2部分所示，當交流輸入電壓Vin為負時，由M0SFET16b的開啟一關(guān)斷 操作來執(zhí)行相似操作。在此，當交流輸入電壓Vin為正時，MOSFET 16b無關(guān)于其柵極信號 反向?qū)?MOSFET 16a執(zhí)行開啟一關(guān)斷操作)，而當交流輸入電壓Vin為負時，MOSFET 16a 無關(guān)于其柵極信號反向?qū)?MOSFET 16b執(zhí)行開啟一關(guān)斷操作)。通常，在執(zhí)行開關(guān)的功率轉(zhuǎn)換裝置中，由于每次開關(guān)所提供的電位的波動產(chǎn)生噪 聲。由作為噪聲濾波器的接地電容器20a和20b來防止噪聲流向外部。在此，當交流輸入 電壓Vin的中性點電位對應于地電位G時，每個接地電容器20a、20b的電壓是Vin/2。圖 2B至2G示出由開關(guān)引起的每個點處的電位相對于地電位G的變化。7
在MOSFET 16a和16b開啟的時刻，在接地電容器20a和20b相對端的U點和V 點短路，且電感器19a和19b相對端的電壓VLl和VL2如先前所描述表示為VLl = VL2 = Vin/2。在此，U點電位為+Vin/2, V點電位為-Vin/2,因此每個交流輸入點Pia、Pib的電 位為0V。MOSFET 16a和16b導通，因此交流輸入點Pia、Pib的電位也等于平滑電容器13 的負極側(cè)點N的電位。因此，N點的電位為0V。平滑電容器13的正極側(cè)點P的電位等于N 點電位與直流輸出電壓Ed之和。因此，P點電位等于直流輸出電壓Ed。另一方面，在交流輸入電壓Vin為正電壓且MOSFET 16a關(guān)斷的時刻，交流輸入點 Pia的電位等于P點電位，并且交流輸入點Pib的電位等于N點電位。相應地，直流輸出電壓 Ed施加于在接地電容器20a和20b的相對端的U點和V點之間。因此，建立VLl = VL2 = (Vin-Ed)/2的關(guān)系。因此，Pia點的電位(=P點電位)用Vin/2-(Vin-Ed)/2 = +Ed/2來 表示，而Pib點的電位用-Vin/2+(Vin-Ed)/2 = -Ed/2來表示。即Pia點的電位波動+Ed/2， 而Pib、P以及N各點的電位波動-Ed/2。由于同樣的操作，在交流輸入電壓Vin為負且MOSFET 16b關(guān)斷的時刻，Pib點的 電位波動+Ed/2，而Pia、P以及N各點的電位波動-Ed/2。當MOSFET sl6a和16b重新開啟 時，電位波動反轉(zhuǎn)。如圖2A的Tl部分所示，當交流輸入電壓Vin為正時，執(zhí)行高頻開關(guān)以在高頻率下 開啟/關(guān)斷MOSFET 16a。此時，開關(guān)電路21被控制成開啟。因此，電容器23以與存在于交 流輸入點Pia和地電位G之間的寄生電容31并聯(lián)的方式插入。此時，如圖2F所示，電容器 23的電位將等于交流輸入點Pia的電位。因此，當MOSFET 16a關(guān)斷時，存在于此節(jié)點和對 地電位為正的點之間的電容將等于電位為負的點的對地電容，從而通過這些點流向框架re 的電流將相互抵消。即，寄生電容的電流僅通過功率轉(zhuǎn)換裝置10內(nèi)部的框架re循環(huán)，從而 可防止流向外部。因此，噪聲端電壓能夠被抑制。同樣，如圖2A的T2部分所示，當交流輸入電壓Vin為負時，執(zhí)行高頻開關(guān)以在高 頻率下開啟/關(guān)斷MOSFET 16b。此時，開關(guān)電路22被控制成開啟。因此，電容器M以與存 在于交流輸入點Pib和地電位G之間的寄生電容32并聯(lián)的方式插入。在這種情況下，如圖 2G所示，電容器M的電位將等于交流輸入點Pib的電位。因此，當MOSFET 16b關(guān)斷時，電 位為正的點的對地電容將等于電位為負的點的對地電容，從而通過這些點流向框架re的 電流將相互抵消。即，寄生電容的電流僅通過功率轉(zhuǎn)換裝置10內(nèi)部的框架re循環(huán)，從而可 防止流向外部。因此，噪聲端電壓能夠被抑制。以此方式，開關(guān)電路21和22在交流輸入電壓Vin的每半個周期中交替開啟，從而 可抑制噪聲端電壓。因此沒有必要給開關(guān)電路21和22提供高頻開關(guān)能力。此外，可按照 一種簡單的方式來控制開關(guān)電路21和22，即僅根據(jù)交流輸入電壓Vin的極性進行開關(guān)電路 21和22的開啟/關(guān)斷操作。因此，可使控制單元40的結(jié)構(gòu)簡單。此外，通過積極利用功率轉(zhuǎn)換裝置10中的電位波動的極性的不同部分，可抑制漏 電流。接下來，將參考圖3描述本發(fā)明的第二實施例。在此第二實施例中，制造了一種結(jié)構(gòu)以防止開關(guān)電路在對功率轉(zhuǎn)換裝置進行耐壓 測試期間受損壞。S卩，如圖3所示，除了電阻器41和42與開關(guān)電路21和22并聯(lián)連接之外，第二實施例與圖1的第一實施例具有相似的結(jié)構(gòu)。與圖1相對應的那些部分由相同的附圖標記表 示，且省略其詳細描述。在供電系統(tǒng)中，通常要求功率轉(zhuǎn)換裝置10可耐受足夠高的電壓以耐受對地電壓。 利用在地電位與功率轉(zhuǎn)換裝置10的一個或兩個輸入線之間施加的電壓來執(zhí)行耐壓測試。 測試電壓設(shè)定成高于電路工作電壓。提供電阻器41和42是為了防止測試電壓施加到開關(guān) 電路21和22。選擇電阻器41、42的電阻使得其值充分小于電容器23J4在具有商用電源 頻率的電壓作為測試電壓下的阻抗，并且充分大于電容器23、對在不低于MOSFET 16a、16b 的開關(guān)頻率的頻率下的阻抗。例如，假設(shè)電容器23、24的電容為IOOOpF,商用電源頻率為50Hz，以及MOSFET 16a、16b的開關(guān)頻率為100kHz。在此情況下，電容器23、24的電容在50Hz下具有的阻抗 為
1/(2 π X 50 X IOOOp) = 3. 18M Ω在IOOkHz下，電容器23、24的電容具有的阻抗為1/(2 π X IOOkX IOOOp) = 1. 59k Ω因此在這種情況下，電阻器41、42的電阻值被選擇為約IOOkQ。根據(jù)第二實施例，為了耐壓測試，與開關(guān)電路21和22并聯(lián)連接的每個電阻器41 和42的電阻值設(shè)置為充分小于電容器23、對在商用電源頻率的電壓作為耐受電壓下的阻 抗，并且充分大于電容器23、24在不低于MOSFET 16a、16b的開關(guān)頻率的頻率下的阻抗。例 如，電阻值設(shè)置成約IOOkQ。因此在耐壓測試期間，大部分測試電壓由電容器23和M分 享，從而測試電壓幾乎不施加到開關(guān)電路21和22。此外，由MOSFET 16a和16b的開關(guān)而產(chǎn) 生的高頻電流中的流經(jīng)電阻器41和42的部分可忽略。因為這個原因，如果開關(guān)電路21和22被設(shè)計成能夠耐受耐壓測試中的測試電壓， 則將導致應用部件的尺寸會增大的問題。根據(jù)此實施例，通過將電阻器41、42并聯(lián)到開關(guān) 電路21和22的簡單方法，開關(guān)電路21和22不必耐受高電壓，從而防止組成部件的尺寸增大。接下來，將參考圖4描述本發(fā)明的第三實施例。在該第三實施例中，上述第一實施例中與每個開關(guān)電路21、22串聯(lián)連接的電容器 在開關(guān)電路21和22之間共用。即如圖4所示，除了開關(guān)電路21和22通過共用電容器51連接到地電位G之夕卜， 第三實施例與圖1的第一實施例具有相同的結(jié)構(gòu)。省略對應于圖1的由同樣的附圖標記表 示的部分及其詳細描述。在此第三實施例中，為了保障電路的對稱性，通常使用與第一實施例中的二極管 15a、1 和MOSFET 16a、16b相同的組件。此外，當結(jié)構(gòu)上保障電路的對稱性時，寄生電容31 和32也將基本上相等。因此，第一實施例中所要求的電容器23和M的電容值也將相等。 相應地，可如圖4所示應用共用電容器51。在此情況下，共用電容器51用于防止由控制單 元40同時開啟開關(guān)電路21和22。下面，將參考圖5描述本發(fā)明的第四實施例。在此第四實施例中，整流電路被允許作為逆變器工作。即如圖5所示，除了上述第 一實施例中的整流電路12的二極管1 和1 被移除并且與MOSFET 16a和16b具有相同結(jié)構(gòu)的MOSFET 61a和61b被應用于替代二極管1 和1 之外，第四實施例的結(jié)構(gòu)與圖1 的第一實施例的結(jié)構(gòu)相同。與圖1的部分相對應的部分由同樣的附圖標記表示，且將省略 其詳細描述。在此，為了將直流負載的直流功率再生為交流電源11，由控制單元40控制MOSFET 61a和61b，使得當交流電壓Vin為正時，MOSFET 16b被控制成開啟并且MOSFET 61a和16a 以高頻率交替開啟。相反地，當交流輸入電壓Vin為負時，MOSFET 16a被控制成開啟并且 MOSFET 61b和16b以高頻率交替開啟。由于此結(jié)構(gòu)，當交流電源11的交流功率被整流電路12整流時，MOSFET 61a和61b 被控制成關(guān)斷。因此，MOSFET 61a和61b可作為二極管工作，從而以如第一實施例的同樣 方式執(zhí)行整流操作。此外，當直流負載14包括具有動態(tài)制動的電機或電池時，假設(shè)根據(jù)必要性將直流 功率再生為交流電源11。在此情況下，如上所述，由控制單元40根據(jù)交流電源11的電壓極 性控制MOSFET 16a、16b、61a和61b的開啟/關(guān)斷，從而作為逆變器工作。因此，直流功率 可轉(zhuǎn)換成交流功率并且可再生成為交流電源11。在第四實施例中，也可應用與第二或第三實施例相同的結(jié)構(gòu)。此外，在具有逆變器功能的整流電路12的結(jié)構(gòu)中已對第四實施例進行了描述。然 而，本發(fā)明不限于此。如果由直流電源替代直流負載14，并且由交流負載替代交流電源11， 則第四實施例可適用于一般將直流電源的直流功率轉(zhuǎn)換成交流功率的逆變器。在此情況 下，也可獲得與上述的一樣的操作和效果。此外，已在構(gòu)成逆變器的每個上臂和下臂由一個開關(guān)器件組成的情況下對第四實 施例進行了描述。然而，本發(fā)明不限于此。第四實施例可適用于上臂和下臂由串聯(lián)連接的 多個開關(guān)器件組成的結(jié)構(gòu)。此外，已在MOSFET作為開關(guān)器件16a、16b,61a和61b和開關(guān)電路21和22使用的 情況下對第一至第四實施例進行了描述。然而，本發(fā)明不限于此?？筛鶕?jù)使用功率使用任 一開關(guān)器件，諸如絕緣柵雙極晶體管(IGBT)、可關(guān)斷晶閘管(GTO)或靜電感應晶體管(SIT)等。此外，如圖6所示，為構(gòu)成開關(guān)電路21，不僅采用了開關(guān)器件，而且采用了開關(guān)電 路70。開關(guān)電路70由在上述第一實施例中的交流輸入點Pia和電容器23之間并聯(lián)連接的 第一和第二開關(guān)部分71和72構(gòu)成。第一開關(guān)部分71具有作為輔助開關(guān)器件的η溝道型輔助M0SFET71a和二極管71b 的串聯(lián)電路。輔助MOSFET 71a的源極連接到交流輸入點Pia。二極管71b的負極連接到輔 助MOSFET 71a的漏極，并且二極管71b的正極連接到電容器23。在此，輔助MOSFET 71a在內(nèi)部具有體二極管。因此，輔助M0SFET71a無關(guān)于其柵 極電壓對于反向電流始終導通。此外，在輔助MOSFET 71a的柵極和源極之間存在寄生電容 71c。放電電阻器71d與寄生電容71c并聯(lián)連接。二極管71e的負極連接到輔助MOSFET 71a的作為開啟一關(guān)斷控制端的柵極。二 極管71e的正極通過電容器73連接到負極側(cè)線Ln。以同樣的方式，第二開關(guān)部分72具有作為輔助開關(guān)裝置的ρ溝道型輔助MOSFET 7 和二極管72b的串聯(lián)電路。輔助MOSFET 7 的源極連接到交流輸入點Pia。二極管72b的正極連接到輔助MOSFET 72a的漏極，并且二極管72b的負極連接到電容器23。在此，輔助MOSFET 7 在內(nèi)部具有體二極管。因此，輔助M0SFET7M無關(guān)于其柵 極電壓對于反向電流始終導通。此外，在輔助MOSFET 7 的柵極和源極之間存在寄生電容 72c。放電電阻器72d與寄生電容72c并聯(lián)連接。二極管72e的正極連接到輔助MOSFET 7 的作為開啟一關(guān)斷控制端的柵極。二 極管72e的負極通過電容器73連接到負極側(cè)線Ln。第一和第二開關(guān)部分71和72的放電電阻器71d和72d的放電時間常數(shù)設(shè)置成大 于MOSFET 16a的開關(guān)周期。已參照附圖6僅描述了與第一實施例中的開關(guān)電路21相對應的開關(guān)電路70。具 有與圖6所示結(jié)構(gòu)相同的結(jié)構(gòu)的另一開關(guān)電路70也應用于開關(guān)電路22。接下來，將對具有上述結(jié)構(gòu)的開關(guān)電路70的操作進行描述。同樣，如圖2A的Tl 部分所示，當交流輸入電壓Vin為正時，執(zhí)行高頻開關(guān)以在高頻率下開啟/關(guān)斷作為主要電 路器件的MOSFET 16b。此時，在第二開關(guān)部分72的寄生電容72c和電容器73已被放電的狀態(tài)下，當 MOSFET 16a關(guān)斷時，提供到交流輸入點Pia的交流輸入電流Iin的一部分通過寄生電容 72c和電容器73流向負極側(cè)線Ln。因此，寄生電容72c和電容器73被充電。當寄生電容72c被充電，輔助MOSFET 7 的源極與柵極之間的電壓增大以開啟該 輔助MOSFET 72a。其結(jié)果是，交流輸入點Pia與電容器23通過輔助MOSFET 72a、二極管72b 和電容器23相連接以給電容器23充電。在此，寄生電容72c的充電電壓可由電容器73的 電容調(diào)整。隨著對寄生電容72c和電容器73進行更多充電，流經(jīng)寄生電容72c和電容器73 的電流減小。一旦兩者都被完全充電，流經(jīng)寄生電容72c和電容器73的電流就消失。寄生 電容72c由放電電阻器72d逐漸放電。之后，當已關(guān)斷的MOSFET 16a開啟時，提供到交流輸入點Pia的輸入電流Iin通 過MOSFET 16a流向負極側(cè)線Ln，以將交流輸入點Pia的電位設(shè)置成負。因此，第二開關(guān)部 分72的寄生電容72c中積聚的電荷通過放電電阻器72d逐漸放電。同時，電容器73通過構(gòu)成范圍為從電容器73的正極側(cè)開始經(jīng)由第一開關(guān)部分71 的二極管71e和寄生電容71c、MOSFET 16a和負極側(cè)線Ln到電容器73的負極側(cè)的放電電 流路徑放電。此時，電容器73的電荷轉(zhuǎn)移至寄生電容71c以增加寄生電容71c的端電壓并且因 此開啟輔助MOSFET 71a。因此，電容器23通過二極管71b和輔助MOSFET 71a連接到交流 輸入點Pia。之后，當MOSFET 16a關(guān)斷時，如上所述，開始對第二開關(guān)部分72的寄生電容72c 和電容器73進行充電。因此，第一開關(guān)部分71的寄生電容71c由放電電阻器71d逐漸放 H1^ ο因為放電電阻器71d和72d的放電時間常數(shù)設(shè)置成長于M0SFET16a的開關(guān)周期， 所以第一開關(guān)部分71的輔助MOSFET 71a和第二開關(guān)部分72的輔助MOSFET 7 在MOSFET 16a的高頻開關(guān)期間里(即圖2A的Tl部分中)保持開啟。因此，電容器23通過第一開關(guān) 部分71和第二開關(guān)部分72連接到交流輸入點Pia。11
之后，當MOSFET 16a固定成開啟或關(guān)斷時，電荷不會供應到第一開關(guān)部分71的輔 助MOSFET 71a的柵極和第二開關(guān)部分72的輔助MOSFET 72a的柵極。因此，寄生電容71c 和72c由放電電阻器71d和72d逐漸放電以降低輔助MOSFET 71a和72a的柵極電壓。因 此,輔助M0SFET71a和7 關(guān)斷。因此，在具有上述結(jié)構(gòu)的開關(guān)電路70中，也可執(zhí)行與根據(jù)第一實施例的開關(guān)電路 21相同的操作。在此情況下，不必控制第一開關(guān)部分71的輔助MOSFET 71a的柵極和第二 開關(guān)部分72的輔助MOSFET 7 的柵極的驅(qū)動。因此，在不必提供特殊控制電路或絕緣柵 驅(qū)動電路的情況下，操作開關(guān)電路70變得可行。由于機械開關(guān)的響應速度和壽命，難以在根據(jù)第一實施例的開關(guān)電路21中應用 如繼電器等機械開關(guān)。因此，以與主電路相同的方式使用半導體開關(guān)器件，并且通過柵驅(qū)動 電路驅(qū)動該半導體開關(guān)器件。在此情況下，每個開關(guān)電路21、22的電位由于主電路器件的 開關(guān)而波動。因此，用于驅(qū)動開關(guān)電路21、22的柵驅(qū)動電路要具有從控制電位向開關(guān)器件 的電位傳輸開啟/關(guān)斷信號的功能。可通過使用脈沖變壓器或光電耦合器的孤立的信號傳 輸來實現(xiàn)這個功能。然而，柵驅(qū)動電路可能變得復雜而增加其所占體積或其價格。另一方 面，當使用具有圖6結(jié)構(gòu)的開關(guān)電路70時，可省卻這種柵驅(qū)動電路從而能夠為小型化帶來 巨大貢獻。在作為主電路器件的MOSFET 16a的一個開關(guān)周期中，開關(guān)電路70不必經(jīng)常從關(guān) 斷狀態(tài)切換到開啟狀態(tài)。電容器73的電容可設(shè)置成小值，而放電電阻器71d和72d的電阻 值設(shè)置成大值，以使寄生電容71c和72c的電壓可被多次充電并且提高以開啟輔助MOSFET 71a和72a。在此情況下，可減小充電電路的電流以小型化組件以及減少損失。此外，如果 在某些條件下MOSFET 71a和71b的柵電壓提高太多，則可提供與每個放電電阻器71d、72d 并聯(lián)連接的齊納二極管等以抑制過電壓。此外，雖然已對將輔助MOSFET 71a和71b作為第一和第二開關(guān)部分71和72的 開關(guān)器件使用的情況進行了描述，但是本發(fā)明不限于此。可使用雙極結(jié)型晶體管代替每個 M0SFET。在此情況下，以上述同樣的方式向作為開啟一關(guān)斷控制端的晶體管的基極供給基 極電流，從而可控制該晶體管的開啟一關(guān)斷。另外，已對圖6的結(jié)構(gòu)進行了描述，其中第一開關(guān)部分71的輔助MOSFET 71a的柵 極以及第二開關(guān)部分72的輔助MOSFET 7 的柵極通過電容器73連接到負極側(cè)線Ln。然 而，本發(fā)明不限于此。第一開關(guān)部分71的輔助MOSFET 71a的柵極以及第二開關(guān)部分72的 輔助MOSFET 72a的柵極可通過電容器73連接到正極側(cè)線Lp。在此情況下，電容器73的電 壓極性會反轉(zhuǎn)。當作為主電路器件的MOSFET 16a在MOSFET 16a以高頻率開關(guān)的狀態(tài)下開 啟時，電流從正極側(cè)線Lp通過電容器73、二極管71e、寄生電容71c以及MOSFET 16a流向 負極側(cè)線Ln，從而開啟第一開關(guān)部分71的輔助MOSFET 71a。當作為主電路器件的MOSFET 16a在此狀態(tài)下關(guān)斷時，供給到交流輸入點Pia的輸入電流Iin通過第二開關(guān)部分72的寄 生電容72c和二極管7 流向電容器73的負極側(cè)，從而開啟第二開關(guān)部分72的輔助MOSFET 72a。因此，獲得與圖6相似的操作和效果是可行的。此外，已對圖6的結(jié)構(gòu)進行了描述，其中開關(guān)電路70由兩個開關(guān)部分構(gòu)成，即由第 一開關(guān)部分71和第二開關(guān)部分72構(gòu)成。然而，本發(fā)明不限于此，但可有圖7所示的結(jié)構(gòu)。 即，可從圖6的開關(guān)電路70中移除第二開關(guān)部分72，并且可提供二極管74替代第二開關(guān)部分72。在此情況下，二極管74的正極連接到交流輸入點Pia，而二極管74的負極連接到電 容器73。另外，可移除第一開關(guān)部分71的二極管71b。在此結(jié)構(gòu)中，在作為主電路器件的MOSFET 16a被操作成以高頻率開關(guān)的狀態(tài)下， 當MOSFET 16a關(guān)斷時，電容器73通過二極管74充電，而當MOSFET 16a開啟時，電容器73 通過第一開關(guān)部分71的二極管71e、寄生電容71c以及MOSFET 16a放電。此時，第一開關(guān) 部分71的輔助MOSFET 71a由寄生電容71c的電壓控制成開啟。只要MOSFET 16a的高頻 開關(guān)狀態(tài)持續(xù)，輔助MOSFET 71a就保持開啟。在具有圖7的結(jié)構(gòu)的開關(guān)電路70中，在圖2A的T2期間，其中作為主電路器件的 MOSFET 16a不執(zhí)行高頻率開關(guān)，輔助MOSFET 71a只能阻塞給電容器23放電的方向上的電 流，而不能夠控制給電容器23充電的方向上的電流。然而，如在前已描述的圖2B所示，交流輸入點Pia的電位波動的峰值基本上固定。 相應地，一旦電容器23已充電，電容器23就不能夠再次充電直到被放電為止。利用這個特 性，通過使用阻塞充電電流或放電電流的簡單方法，就基本上可防止任何電流流向電容器 23。即，實質(zhì)上可從該電路中移除電容器23。因此，電容器23通過輔助MOSFET 71a和其體二極管連接到交流輸入點Pia，從而 可獲得與第一實施例相似的操作和效果。根據(jù)圖7的結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)與圖6的結(jié)構(gòu)相似的功 能，而組件的數(shù)目幾乎減少一半。已對圖7的結(jié)構(gòu)進行了描述，其中第二開關(guān)部分72從圖6的結(jié)構(gòu)中移除。本發(fā)明 不限于此。即使替代地移除第一開關(guān)部分71，也可獲得與圖6相似的操作和效果。如果在圖7的結(jié)構(gòu)中電容器73未連接到負極側(cè)線Ln而連接到正極側(cè)線Lp，可獲 得與上述一樣的操作和效果。另外，在將電感器19a和19b作為電感器件使用的情況下對第一至第四實施例進 行了描述。本發(fā)明不限于此?？墒褂貌季€電感其他電感。另外，在由整流電路12將單相交流功率轉(zhuǎn)換成直流功率的情況下，對第一至第四 實施例進行了描述。本發(fā)明不限于此。由整流電路12可將三相或更多相的多相交流功率 可轉(zhuǎn)換成直流功率。在此情況下，其數(shù)目相應于多相交流功率的相數(shù)的串聯(lián)電路可在正極 側(cè)線Lp和負極側(cè)線Ln之間并聯(lián)連接。
權(quán)利要求
1 一種功率轉(zhuǎn)換裝置，包括交流電源；以及將從所述交流電源輸入的交流功率轉(zhuǎn)換成直流功率的整流電路，所述整流電路被構(gòu)造 成串聯(lián)電路在正極側(cè)線與負極側(cè)線之間并聯(lián)連接，每個所述串聯(lián)電路包括串聯(lián)連接的整流 器件與半導體開關(guān)器件，并且所述串聯(lián)電路的數(shù)目與交流輸入的相數(shù)相對應，所述交流電 源分別通過電感器件連接到與所述串聯(lián)電路的整流器件和半導體開關(guān)器件之間的連接點 相對應的交流輸入點；其中所述串聯(lián)電路的交流輸入點與作為地電位的點通過噪聲抑制串聯(lián)電路連接，在每個所 述噪聲抑制電路中開關(guān)單元和電容器串聯(lián)連接；以及每個所述噪聲抑制串聯(lián)電路的開關(guān)單元被控制成在連接到所述噪聲抑制串聯(lián)電路的 半導體開關(guān)器件在高頻率下開關(guān)的時刻開啟，而在除上述時刻之外的其它時刻關(guān)斷。
2.如權(quán)利要求1所述的功率轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于每個所述噪聲抑制串聯(lián)電路包括與所述開關(guān)單元并聯(lián)連接的電阻器，并且所述電阻器 的電阻值設(shè)置為充分低于所述電容器的與交流輸入點的交流輸入功率的頻率對應的阻抗， 且充分高于所述電容器的與半導體開關(guān)器件的開關(guān)頻率對應的阻抗。
3.—種功率轉(zhuǎn)換裝置，包括將直流功率轉(zhuǎn)換成交流功率的逆變器電路，所述逆變器電路被構(gòu)造成開關(guān)臂在正極側(cè) 線與負極側(cè)線之間并聯(lián)連接，每個所述開關(guān)臂包括串聯(lián)連接的多個半導體開關(guān)器件，并且 所述開關(guān)臂的數(shù)目與要輸出的交流功率的相數(shù)相對應，所述開關(guān)臂的交流輸出點分別通過 電感器件與交流輸出端連接；其中所述開關(guān)臂的交流輸入點與作為地電位的點通過噪聲抑制串聯(lián)電路連接，在每個所述 噪聲抑制串聯(lián)電路中開關(guān)單元和電容器串聯(lián)連接；以及每個所述噪聲抑制串聯(lián)電路的開關(guān)單元被控制成在連接到所述噪聲抑制串聯(lián)電路的 半導體開關(guān)器件在高頻率下開關(guān)的時刻開啟，而在除上述時刻之外的其它時刻時關(guān)斷。
4.如權(quán)利要求3所述的功率轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于每個所述噪聲抑制串聯(lián)電路包括與所述開關(guān)單元并聯(lián)連接的電阻器，并且所述電阻器 的電阻值設(shè)置為充分低于所述電容器的與交流輸出點的交流輸出功率的頻率對應的阻抗， 且充分高于所述電容器的與半導體開關(guān)器件的開關(guān)頻率對應的阻抗。
5.如權(quán)利要求3或4所述的功率轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于所述開關(guān)單元包括將連接到每個所述開關(guān)臂的連接點作為開啟一關(guān)斷控制的基準電 位使用的輔助半導體開關(guān)器件，且所述輔助半導體開關(guān)器件的開啟一關(guān)斷控制端通過電容 器連接到所述直流功率的正極側(cè)或負極側(cè)。
6.如權(quán)利要求1至4中的任一項所述的功率轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于所述開關(guān)單元包括能夠?qū)φ螂娏鬟M行開啟一關(guān)斷控制并且對于反向電流始終導通 的輔助半導體開關(guān)器件。
7.如權(quán)利要求6所述的功率轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于所述輔助半導體開關(guān)器件將連接到每個所述開關(guān)臂的連接點作為開啟一關(guān)斷控制的 基準電位使用，并且所述輔助半導體開關(guān)器件的開啟一關(guān)斷控制端通過電容器連接到所述 直流功率的正極側(cè)或負極側(cè)。
全文摘要
一種功率轉(zhuǎn)換裝置，該裝置提供整流電路以將從交流電源供給的交流功率轉(zhuǎn)換成直流功率。整流電路被構(gòu)造成與輸入交流的相數(shù)相對應的數(shù)目的串聯(lián)電路在正極側(cè)線和負極側(cè)線之間并聯(lián)連接。每個串聯(lián)電路具有串聯(lián)連接的整流器件和半導體開關(guān)器件。交流電源分別通過電感器件連接到交流輸入點。每個交流輸入點與每個串聯(lián)電路中的在整流器件和半導體開關(guān)器件之間的連接點相對應。串聯(lián)電路的交流輸入點分別通過噪聲抑制串聯(lián)電路連接到具有地電位的點。在每個噪聲抑制串聯(lián)電路中，開關(guān)單元和電容器串聯(lián)連接。以這種方式，可以提供能夠減小噪聲端電壓的功率轉(zhuǎn)換裝置，同時解決體積和成本問題。
文檔編號H02M7/12GK102055355SQ201010534900
公開日2011年5月11日 申請日期2010年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月28日
發(fā)明者山田隆二 申請人:富士電機控股株式會社