專利名稱:電功率轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及控制半導(dǎo)體開關(guān)器件的開關(guān)比并且將DC電壓或AC電壓從電源送入負載的電功率轉(zhuǎn)換器。本發(fā)明尤其涉及便于防止半導(dǎo)體開關(guān)器件發(fā)生故障的電功率轉(zhuǎn)換器。
(2)背景技術(shù)圖6是常規(guī)整體轉(zhuǎn)換器的方框電路圖。
現(xiàn)在參考圖6,常規(guī)電功率轉(zhuǎn)換器包括DC電源1、控制電源2、控制電路3、負載電路4、作為半導(dǎo)體開關(guān)器件的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)5和6、二極管7、電容器8、以及電阻器9和10。負載電路4是通過電抗器連接到負載的非絕緣型電路,或是通過變換器和整流器連接到負載的絕緣型電路??刂齐娐?在高電位一側(cè)驅(qū)動并控制MOSFET 5,在低電位一側(cè)驅(qū)動并控制MOSFET 6。電容器8被連接在電路的電源輸入點之間,它驅(qū)動控制電路3的MOSFET 5。常規(guī)電功率轉(zhuǎn)換器使控制電路3控制MOSFET 5和6的開關(guān)比并將DC電壓從DC電源1提供給負載。由于常規(guī)電功率轉(zhuǎn)換器的操作是通用的,因此省略其詳細說明僅說明操作。下面將描述在MOSFET 5開始開關(guān)之前常規(guī)電功率轉(zhuǎn)換器實施的操作。
當控制電路3打開MOSFET 6時,二極管7和電容器8的串聯(lián)電路與電源2并聯(lián)。結(jié)果,電容器8由控制電源2充電。
然后,關(guān)閉MOSFET 6。如果電容器8的電壓比當控制電路3工作以接通MOSFET5時能夠驅(qū)動MOSFET 5的值(下文中稱為閾值選通電壓)高,則接通MOSFET 5。如果電容器8的電壓低于閾值選通電壓,則MOSFET不會被接通,電容器8將在MOSFET 6再次被接通時被充電。控制電路3通過重復(fù)MOSFET 6的ON和OFF對電容器8進行的所謂電荷泵唧而確保驅(qū)動MOSFET 5的某個足夠高的電壓。因此,常規(guī)電功率轉(zhuǎn)換器開始開關(guān)以把電功率提供給負載。
通常,MOSFET具有寄生電容,如輸入電容和輸出電容以及反向轉(zhuǎn)移電容。圖7是考慮到其寄生電容的MOSFET的等價電路圖。在圖7中,僅示出DC電源1以及MOSFET 5和6。
現(xiàn)在參考圖7,電容器11和14表示柵極和漏極間的電容CGD,電容器12和15表示柵極和源極間的電容CGS,電容器13和16表示漏極和源極間的電容CDS。MOSFET的輸入電容CiSS由CiSSCGS+CGD表示。MOSFET的輸出電容COSS由CiSSCDS+CGD表示。由于當MOSFET 6接通時電容器8未在控制電路3開始后立即被充足電,因此MOSFET5不能在這段時間內(nèi)工作。當MOSFET 5不能工作時,其輸入級的阻抗保持為高。
一旦MOSFET 6以高速導(dǎo)通,即一旦漏極和源極間的電壓以高變化速率(dv/dt)發(fā)生變化時,充電電流CGD×(dv/dt)就流入MOSFET 5的柵源電容CGS,且MOSFET 5的柵極和源極間的電壓升高。一旦柵極和源極間的電壓超出閾值選通電壓,MOSFET5就錯誤地導(dǎo)通,即引起MOSFET 5的錯誤導(dǎo)通。當引起MOSFET 5的錯誤導(dǎo)通時,短路電流從DC電壓1通過MOSFET 5和6流動。短電路電流可能擊穿MOSFET 5和6。為了避免該問題,在MOSFET 5的柵極和源極間插入電阻器9并且在MOSFET 6的柵極和源極間插入電阻器10,以減少MOSFET 5的柵極和源極間的阻抗以及MOSFET 6的柵極和源極間的阻抗,并且阻止MOSFET 5柵極和源極間的電壓以及MOSFET 6柵極和源極間的電壓增加。因此,電阻器9和10防止引起MOSFET 5的錯誤導(dǎo)通。
(3)發(fā)明內(nèi)容[要由本發(fā)明解決的問題]當在半導(dǎo)體開關(guān)器件的柵極和源極間連接電阻時,當半導(dǎo)體開關(guān)器件的dv/dt較高時電阻值應(yīng)該較低。然而,較低的電阻導(dǎo)致驅(qū)動電路中更多的損耗(下文中稱為“驅(qū)動損耗”)并且損害了電功率轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率。這對于滿足MOSFET的較快轉(zhuǎn)換的最新需求是危險的。
考慮到上述問題,因此期望減少半導(dǎo)體開關(guān)器件的驅(qū)動損耗并且改進電功率轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率。根據(jù)本發(fā)明的第一方面,提供了一種電功率轉(zhuǎn)換器,包括一個由串聯(lián)連接的半導(dǎo)體開關(guān)器件組成的串聯(lián)電路;該串聯(lián)電路與DC電源并聯(lián);電功率轉(zhuǎn)換器控制半導(dǎo)體開關(guān)器件的開關(guān)比來將電功率從DC電源送至負載;電功率轉(zhuǎn)換器包括控制電路的電源;以及連接半導(dǎo)體開關(guān)器件之一的柵極和源極的第一保護電路,它在從電功率轉(zhuǎn)換器開啟到這個半導(dǎo)體開關(guān)器件第一次導(dǎo)通為止的時間段內(nèi)具有低阻抗,在這個半導(dǎo)體開關(guān)裝置已經(jīng)開始開關(guān)后具有高阻抗,用于防止這個半導(dǎo)體開關(guān)器件錯誤地接通并且減少這個半導(dǎo)體開關(guān)器件的驅(qū)動損耗。
第一保護電路最好包括一個并聯(lián)電路,它包括互相并聯(lián)的電容器和電阻器,以及與該并聯(lián)電路串聯(lián)的二極管,且第一保護電路在這個半導(dǎo)體開關(guān)器件的柵極和源極之間相連。
第一保護電路最好包括檢測控制電路電源的電壓電平的第一檢測電路以及包括基極的晶體管,第一檢測電路的輸出被輸入至那里,射極和集電極在這個半導(dǎo)體開關(guān)器件的柵極和源極之間相連。
電功率轉(zhuǎn)換器最好還包括連接另一個半導(dǎo)體開關(guān)器件的柵極和源極的第二保護電路,它在從電功率轉(zhuǎn)換器開啟到這另一個半導(dǎo)體開關(guān)器件第一次接通為止的時間段內(nèi)具有低阻抗,在這另一個半導(dǎo)體開關(guān)裝置已經(jīng)開始開關(guān)后具有高阻抗,用于防止這另一個半導(dǎo)體開關(guān)器件錯誤地接通并且減少這另一個半導(dǎo)體開關(guān)器件的驅(qū)動損耗。
第二保護電路最好包括一個并聯(lián)電路,它包括互相并聯(lián)的電容器和電阻器,以及與該并聯(lián)電路串聯(lián)的二極管,且第二保護電路在這另一個半導(dǎo)體開關(guān)器件的柵極和源極之間相連。
第二保護電路最好包括檢測控制電路電源的電壓電平的第二檢測電路以及包括基極的晶體管,第二檢測電路的輸出被輸入至那里,射極和集電極在這另一個半導(dǎo)體開關(guān)器件的柵極和源極之間相連。
按照本發(fā)明的第二方面,提供了包括串聯(lián)電路和二極管的電功率轉(zhuǎn)換器;該串聯(lián)電路包括串聯(lián)連接的電抗器和半導(dǎo)體開關(guān)器件;該串聯(lián)電路與DC電源并聯(lián);該二極管在電抗器和半導(dǎo)體開關(guān)器件的公共連接點以及負載之間相連;該電功率轉(zhuǎn)換器控制半導(dǎo)體開關(guān)器件的開關(guān)比來將電功率從DC電源送至負載;電功率轉(zhuǎn)換器包括控制電路的電源;連接半導(dǎo)體開關(guān)器件的柵極和漏極的保護電路,它在從電功率轉(zhuǎn)換器開啟到半導(dǎo)體開關(guān)器件第一次接通為止的時間段內(nèi)具有低阻抗,在半導(dǎo)體開關(guān)裝置已經(jīng)開始開關(guān)后具有高阻抗,用于防止半導(dǎo)體開關(guān)器件錯誤地接通并且減少半導(dǎo)體開關(guān)器件的驅(qū)動損耗。
保護電路最好包括一個并聯(lián)電路,它包括互相并聯(lián)的電容器和電阻器,以及與該并聯(lián)電路串聯(lián)的二極管,且該保護電路在半導(dǎo)體開關(guān)器件的柵極和源極之間相連。
保護電路最好包括檢測控制電路電源的電壓電平的檢測電路以及包括基極的晶體管,檢測電路的輸出被輸入至那里,射極和集電極在半導(dǎo)體開關(guān)器件的柵極和源極之間相連。
(4)
圖1是按照本發(fā)明第一實施例的電功率轉(zhuǎn)換器的電路框圖。
圖2是按照本發(fā)明第二實施例的電功率轉(zhuǎn)換器的電路框圖。
圖3是描述欠壓鎖定(UVLO)電路操作的時序圖。
圖4是按照本發(fā)明第三實施例的電功率轉(zhuǎn)換器的電路框圖。
圖5是按照本發(fā)明第四實施例的電功率轉(zhuǎn)換器的電路框圖。
圖6是常規(guī)電功率轉(zhuǎn)換器的電路框圖。
圖7是考慮到其中寄生電容的MOSFET的等價電路圖。
(5)具體實施方式
[實現(xiàn)本發(fā)明的模式]下面將參考說明了本發(fā)明優(yōu)選實施例的附圖而詳細描述本發(fā)明。
圖1是按照本發(fā)明第一實施例的電功率轉(zhuǎn)換器的電路框圖。
按照第一實施例的電功率轉(zhuǎn)換器尤其包括用于防止錯誤接通的電路17和18。下文中,用于防止錯誤導(dǎo)通的電路將被稱為“保護電路”。由于按照第一實施例在電功率轉(zhuǎn)換器內(nèi)的另一電路配置類似于圖6所示常規(guī)電功率轉(zhuǎn)換器內(nèi)的電路配置,因此下面將僅說明按照第一實施例的電功率轉(zhuǎn)換器以及常規(guī)電功率轉(zhuǎn)換器之間的差異。
現(xiàn)在參考圖1,保護電路17和18由電容器和電阻器的并聯(lián)電路以及與該并聯(lián)電路串聯(lián)的二極管形成。當控制電路3導(dǎo)通MOSFET 6時,對MOSFET 5的未示出的輸入電容CiSS充電的電流流動。由于電流以圖1箭頭所示方向流經(jīng)保護電路17內(nèi)的電容器并且流經(jīng)MOSFET 5柵極和源極間的電容CGS,因此防止了MOSFET 5的柵極和源極間的電壓上升。這樣防止了MOSFET 5被錯誤地導(dǎo)通。
通過在DC電源1開始輸出電功率時將對寄生電容充電的電流分流至保護電路18的電容器,從而以與上述相似的方式防止MOSFET 6被錯誤地導(dǎo)通。當控制電路3接通MOSFET 5和6時,保護電路17和18內(nèi)的電容器被進一步充電。保護電路17和18內(nèi)的二極管防止保護電路17和18的電容器內(nèi)存儲的電荷或被放電至控制電路3這側(cè)、或被放電至MOSFET 5和6這側(cè)。通過把保護電路17和18內(nèi)電容器和電阻器的放電時間常數(shù)設(shè)為遠大于開關(guān)周期,電流在導(dǎo)通信號電壓超出電容器電壓和二極管正向電壓之和時從控制電路3流入保護電路17和18。因此,減少了驅(qū)動損耗。代替保護電路17和18中二極管所使用的齊納(Zener)二極管可以顯示出相同的效應(yīng)。
圖1中二極管以及電容器和電阻器的并聯(lián)電路的順序可以是反向順序。
圖2是按照本發(fā)明第二實施例的電功率轉(zhuǎn)換器的電路框圖。
現(xiàn)在參考圖2,按照第二實施例的電功率轉(zhuǎn)換器尤其包括保護電路19和20,保護電路19和20分別包括一般在電功率轉(zhuǎn)換器的控制IC中使用的欠壓鎖定電路(下文中被稱為“UVLO電路”)21和22。
圖3是描述UVLO電路操作的時序圖。
現(xiàn)在參考圖3,UVLO電路21和22在輸入電壓超過第一參考電壓Va時開始輸出到高側(cè),并且在輸入電壓超過第二參考電壓Vb時停止輸出到低側(cè)。
通過如圖2所示將UVLO電路21和22連接至控制電源2,使得控制電路3在UVLO電路21和22未輸出時不工作,當控制電源2的電壓低時防止控制電路3不正常工作。UVLO電路21與電容器8并聯(lián),以便UVLO電路21在電容器8的電壓達到能驅(qū)動MOSFET 5的某個值之前輸出一個低電平輸出來導(dǎo)通晶體管24。當控制電路3導(dǎo)通MOSFET 5時,使對MOSFET 5的輸入電容CiSS充電的充電電流流動。通過使充電電流流入晶體管24,防止MOSFET 5的柵極和源極間的電壓增加。
電容器8的電壓一達到能驅(qū)動MOSFET 5的值時,UVLO電路21就輸出一個高電平輸出來關(guān)閉晶體管24。由于一旦MOSFET 5開始開關(guān)之后就沒有任何電流在晶體管24內(nèi)流動,因此減少了驅(qū)動損耗。
由于除了保護電路20檢測電源2的電壓電平,電源1開始輸出后以及MOSFET開始開關(guān)之后緊接的保護電路20的操作與保護電路19的操作相同,因此將省略對保護電路20的操作的解釋。盡管用于保護電路19和20內(nèi)的半導(dǎo)體開關(guān)器件假定為雙極型晶體管,然而保護電路19和20中可以使用MOSFET及其它這種類型的半導(dǎo)體開關(guān)器件。盡管已經(jīng)為半導(dǎo)體開關(guān)器件結(jié)合MOSFET的使用描述了按照第一和第二實施例的電功率轉(zhuǎn)換器,然而可以通過使用絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)來獲得類似的效果。
圖4是按照本發(fā)明第三實施例的電功率轉(zhuǎn)換器的電路框圖。
按照第三實施例的電功率轉(zhuǎn)換器是升壓轉(zhuǎn)換器的典型示例?,F(xiàn)在參考圖4,按照第三實施例的電功率轉(zhuǎn)換器包括DC電源1、電源2、控制電路3、負載電路4、作為半導(dǎo)體開關(guān)器件的MOSFET 25、保護電路26、電抗器27以及二極管28。控制電路3控制MOSFET 25的開關(guān)比來把DC電壓從DC電源送入負載。盡管下面將描述在MOSFET 25開始開關(guān)之前由電功率轉(zhuǎn)換器按照第三實施例實施的操作,然而將省略對由控制電路3實施的全部控制操作的說明,這是因為由控制電路3實施例的控制操作是通用的。
當在DC電源1中產(chǎn)生DC電壓時,對MOSFET 25的寄生電容充電的充電電流流經(jīng)電抗器27和MOSFET 25。由于對MOSFET 25的寄生電容充電的充電電流被分流至保護電路內(nèi)的電容器,因此防止MOSFET 25的柵極和源極間的電壓增加,并且防止MOSFET錯誤地被導(dǎo)通。在MOSFET 25已開始開關(guān)之后,按照第三實施例的電功率轉(zhuǎn)換器便于以與按照第一實施例的電功率轉(zhuǎn)換器類似的方式來減少驅(qū)動損耗。
圖4中二極管以及電容器和電阻器的并聯(lián)電路的順序可以是反向順序。
圖5是按照本發(fā)明第四實施例的電功率轉(zhuǎn)換器的電路框圖。
按照第四實施例的電功率轉(zhuǎn)換器是圖4所示按照第三實施例的電功率轉(zhuǎn)換器的修改。
按照第四實施例的電功率轉(zhuǎn)換器包括由參考圖2所述的UVLO電路30和晶體管31形成的保護電路29,它代替了圖4所示的保護電路26。由于按照第四實施例的電功率轉(zhuǎn)換器的基本操作、功能和效果與那些按照第三和第四實施例的電功率轉(zhuǎn)換器的基本操作、功能和效果相同,因此為了避免冗余描述而省略了它們的詳細描述。通過在電功率轉(zhuǎn)換器開啟時將對半導(dǎo)體開關(guān)器件的寄生電容充電的充電電流分流至用于防止半導(dǎo)體開關(guān)器件錯誤地被導(dǎo)通的電路(保護電路),按照本發(fā)明的電功率轉(zhuǎn)換器便于防止其中的半導(dǎo)體開關(guān)器件錯誤地被導(dǎo)通。按照本發(fā)明的電功率轉(zhuǎn)換器在任一半導(dǎo)體開關(guān)器件開始開關(guān)后抑制電流流入保護電路,便于減少其中的驅(qū)動損耗并改進其中的轉(zhuǎn)換效率。
權(quán)利要求
1.一種包括串聯(lián)電路的電功率轉(zhuǎn)換器,串聯(lián)電路包括串聯(lián)連接的半導(dǎo)體開關(guān)器件;所述串聯(lián)電路與DC電源并聯(lián);所述電功率轉(zhuǎn)換器控制半導(dǎo)體開關(guān)器件的開關(guān)比,從而將電功率從DC電源送入負載;所述電功率轉(zhuǎn)換器的特征在于包括控制電路的電源;以及連接半導(dǎo)體開關(guān)器件之一的柵極和源極的第一保護電路,它在從電功率轉(zhuǎn)換器開啟直到這個半導(dǎo)體開關(guān)器件第一次導(dǎo)通為止的時間段內(nèi)具有低阻抗,在這個半導(dǎo)體開關(guān)裝置已經(jīng)開始開關(guān)后具有高阻抗,用于防止這個半導(dǎo)體開關(guān)器件錯誤地導(dǎo)通并且從而減少這個半導(dǎo)體開關(guān)器件的驅(qū)動損耗。
2.如權(quán)利要求1所述的電功率轉(zhuǎn)換器,其特征在于,所述第一保護電路包括一個并聯(lián)電路,它包括互相并聯(lián)的電容器和電阻器,以及與該并聯(lián)電路串聯(lián)的二極管,且所述第一保護電路在這個半導(dǎo)體開關(guān)器件的柵極和源極之間相連。
3.如權(quán)利要求1所述的電功率轉(zhuǎn)換器,其特征在于,所述第一保護電路包括檢測控制電路電源的電壓電平的第一檢測電路以及包括基極的晶體管,第一檢測電路的輸出被輸入至那里,射極和集電極在這個半導(dǎo)體開關(guān)器件的柵極和源極之間相連。
4.如任一權(quán)利要求1至3所述的電功率轉(zhuǎn)換器,其特征在于還包括連接另一個半導(dǎo)體開關(guān)器件的柵極和源極的第二保護電路,它在從電功率轉(zhuǎn)換器開啟直到這另一個半導(dǎo)體開關(guān)器件第一次導(dǎo)通為止的時間段內(nèi)具有低阻抗,在這另一個半導(dǎo)體開關(guān)裝置已經(jīng)開始開關(guān)后具有高阻抗,用于防止這另一個半導(dǎo)體開關(guān)器件錯誤地導(dǎo)通并且從而減少這另一個半導(dǎo)體開關(guān)器件的驅(qū)動損耗。
5.如權(quán)利要求4所述的電功率轉(zhuǎn)換器,其特征在于,所述第二保護電路包括一個并聯(lián)電路,它包括互相并聯(lián)的電容器和電阻器,以及與該并聯(lián)電路串聯(lián)的二極管,且所述第二保護電路在這另一個半導(dǎo)體開關(guān)器件的柵極和源極之間相連。
6.如權(quán)利要求4所述的電功率轉(zhuǎn)換器,其特征在于,所述第二保護電路包括檢測控制電路電源的電壓電平的第二檢測電路以及包括基極的晶體管,第二檢測電路的輸出被輸入至那里,射極和集電極在這另一個半導(dǎo)體開關(guān)器件的柵極和源極之間相連。
7.一種包括串聯(lián)電路和二極管的電功率轉(zhuǎn)換器;所述串聯(lián)電路包括串聯(lián)連接的電抗器和半導(dǎo)體開關(guān)器件;所述串聯(lián)電路與DC電源并聯(lián);所述二極管在電抗器和半導(dǎo)體開關(guān)器件的公共連接點以及負載之間相連;所述電功率轉(zhuǎn)換器控制半導(dǎo)體開關(guān)器件的開關(guān)比,從而將電功率從DC電源送入負載;所述電功率轉(zhuǎn)換器的特征在于包括控制電路的電源;以及連接半導(dǎo)體開關(guān)器件的柵極和源極的保護電路,它在從電功率轉(zhuǎn)換器開啟直到半導(dǎo)體開關(guān)器件第一次導(dǎo)通為止的時間段內(nèi)具有低阻抗,在半導(dǎo)體開關(guān)裝置已經(jīng)開始開關(guān)后具有高阻抗,用于防止半導(dǎo)體開關(guān)器件錯誤地導(dǎo)通并且從而減少半導(dǎo)體開關(guān)器件的驅(qū)動損耗。
8.如權(quán)利要求7所述的電功率轉(zhuǎn)換器,其特征在于,所述保護電路包括一個并聯(lián)電路,它包括互相并聯(lián)的電容器和電阻器,以及與該并聯(lián)電路串聯(lián)的二極管,且所述保護電路在半導(dǎo)體開關(guān)器件的柵極和源極之間相連。
9.如權(quán)利要求7所述的電功率轉(zhuǎn)換器,其特征在于,所述保護電路包括檢測控制電路電源的電壓電平的檢測電路以及包括基極的晶體管,檢測電路的輸出被輸入至那里,射極和集電極在半導(dǎo)體開關(guān)器件的柵極和源極之間相連。
全文摘要
本發(fā)明提供了包括串聯(lián)電路和二極管的電功率轉(zhuǎn)換器。串聯(lián)電路包括串聯(lián)連接的電抗器和半導(dǎo)體開關(guān)器件,它與DC電源并聯(lián)。二極管在電抗器和半導(dǎo)體開關(guān)器件的公共連接點以及負載之間相連。電功率轉(zhuǎn)換器控制半導(dǎo)體開關(guān)器件的開關(guān)比來將電功率從DC電源送至負載。電功率轉(zhuǎn)換器包括控制電路的電源;連接半導(dǎo)體開關(guān)器件的柵極和漏極的保護電路,它在從電功率轉(zhuǎn)換器開啟直到半導(dǎo)體開關(guān)器件第一次接通為止的時間段內(nèi)具有低阻抗,在半導(dǎo)體開關(guān)裝置已經(jīng)開始開關(guān)后具有高阻抗,以防止半導(dǎo)體開關(guān)器件錯誤地導(dǎo)通并且減少半導(dǎo)體開關(guān)器件的驅(qū)動損耗。
文檔編號H02M3/158GK1495990SQ0313319
公開日2004年5月12日 申請日期2003年7月25日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月26日
發(fā)明者野澤武史 申請人:富士電機株式會社