本發(fā)明涉及一種功率開關(guān)電路。

背景技術(shù)：

現(xiàn)代電力電子裝置作為電力轉(zhuǎn)換的重要組成部分，是現(xiàn)代電力、電子、電機和能源行業(yè)必不可少的裝置部分。電力電子裝置的電能轉(zhuǎn)換效率一直是重要的追求目標(biāo)，電力電子裝置的效率也可以用裝置損耗來表征。

其中功率半導(dǎo)體作為現(xiàn)代電力電子設(shè)備的核心部件，其損耗是裝置損耗最重要的組成部分，其性能直接決定了電力電子裝置的可靠性和電能轉(zhuǎn)換效率。為了設(shè)計更高性能的電力電子設(shè)備，希望功率半導(dǎo)體具備功率損耗低的特性。

現(xiàn)代電力電子設(shè)備根據(jù)實際不同的應(yīng)用條件，采用功率開關(guān)器件組合成不同的電路拓撲，常用的有Buck，Boost，半橋，二極管鉗位三電平，T型三電平等不同功率開關(guān)電路拓撲。對于本領(lǐng)域人員來說，比較熟知的為功率開關(guān)電路中通常至少包括一個開關(guān)管和控制器；控制器控制開關(guān)管的通與斷來實現(xiàn)功率之間的轉(zhuǎn)換，例如直流和直流，交流和直流之間的轉(zhuǎn)換等。

以上所描述電路的功率開關(guān)器件通常工作于開關(guān)狀態(tài)，功率開關(guān)器件的損耗主要由兩部份組成：導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗。當(dāng)功率開關(guān)器件導(dǎo)通時，電流流經(jīng)功率開關(guān)器件產(chǎn)生導(dǎo)通損耗；當(dāng)器件由導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)換到關(guān)斷狀態(tài)，或者由關(guān)斷狀態(tài)轉(zhuǎn)換到導(dǎo)通狀態(tài)，器件會產(chǎn)生開關(guān)損耗，可進一區(qū)分開關(guān)損耗為：由導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)換到關(guān)斷狀態(tài)為關(guān)斷損耗，由關(guān)斷狀態(tài)轉(zhuǎn)換到導(dǎo)通狀態(tài)為開通損耗。

在實際工作中，開通損耗與功率開關(guān)器件本身，寄生電感以及續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電荷相關(guān)。關(guān)斷損耗與功率開關(guān)器件本身，寄生電感相關(guān)，與續(xù)流二極管的正向?qū)P(guān)聯(lián)較小。

以Buck電路為例進行說明。圖1中為現(xiàn)有技術(shù)中的Buck電路，包括功 率開關(guān)器件S、續(xù)流二極管D、與功率開關(guān)器件S串聯(lián)的寄生電感Ls、輸入電壓Vin、輸入電容器件Cdc、輸出濾波電感Lo、輸出負載Load。其中功率開關(guān)器件S與寄生電感Ls構(gòu)成一開關(guān)管1-1，通過控制開關(guān)管1-1的導(dǎo)通和關(guān)斷實現(xiàn)電源的轉(zhuǎn)換，該開關(guān)管1-1的輸入電壓Vin與輸入電容器件Cdc并聯(lián)，具有正電壓端子P和負電壓端子N，功率開關(guān)器件S與寄生電感的串聯(lián)支路連接到正電壓端子，續(xù)流二極管D連接到負電壓端子，功率開關(guān)器件S與續(xù)流二極管D的中點與輸出濾波電感Lo、負載Load連接。

功率開關(guān)器件S通過柵極G的控制，可以工作在開通和關(guān)斷兩種狀態(tài)。

當(dāng)開關(guān)管1-1開通時，電流從輸入端和輸入電容器件Cdc經(jīng)過功率開關(guān)器件S，流到輸出濾波電感Lo和負載Load，此時在功率開關(guān)器件S上產(chǎn)生開通損耗。寄生電感Ls的存在會減緩功率開關(guān)器件的開通電流變化率，使電流的變化滯后于電壓的變化，減小電流與電壓的交疊時間，降低功率開關(guān)器件的開通損耗，但也會降低開通速度；另一方面，寄生電感Ls會減小二極管反向恢復(fù)過程的電流變化率，產(chǎn)生較低的反向電流，降低反向恢復(fù)損耗。因此增加寄生電感Ls可以降低開通損耗。

當(dāng)開關(guān)管1-1關(guān)斷時，經(jīng)過功率開關(guān)器件S的電流被阻斷，輸出濾波電感Lo和負載Load的電流經(jīng)過寄生電感Ls和功率開關(guān)器件S的電流減小，同時續(xù)流二極管D的正向電流增加，此過程產(chǎn)生功率開關(guān)器件S的關(guān)斷損耗。由于寄生電感Ls的存在，會減緩功率開關(guān)器件的關(guān)斷電流變化率，使電流變化與電壓變化的交疊時間更長，增加功率開關(guān)器件的關(guān)斷損耗。

因此寄生電感對于損耗的影響可以描述為：在功率開關(guān)器件開通過程，寄生電感有利于降低開通損耗；在功率開關(guān)器件關(guān)斷過程，寄生電感會增加關(guān)斷損耗。

傳統(tǒng)降低功率半導(dǎo)體損耗的方法有：

1)設(shè)計合適的寄生電感，兼顧開通和關(guān)斷損耗。但該方法不能同時滿足開通損耗最低和關(guān)斷損耗最低。

2)采用軟開關(guān)電路技術(shù)?？梢越档凸β拾雽?dǎo)體器件的開通或關(guān)斷損耗，但通常需增加額外的軟開關(guān)電路。

3)采用更高性能的半導(dǎo)體器件材料。如新一代的寬禁帶器件，可以降低半導(dǎo)體損耗，但往往帶來半導(dǎo)體成本增加。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提出一種新的減少功率半導(dǎo)體器件損耗的技術(shù)解決方案，在不需要增加額外軟開關(guān)電路的同時，可降低電力電子半導(dǎo)體器件的開通和關(guān)斷損耗。

為達上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

功率開關(guān)電路，包括至少一開關(guān)管，通過控制該開關(guān)管的開通和關(guān)斷實現(xiàn)電源的轉(zhuǎn)換。本方案中功率開關(guān)電路包括至少一開關(guān)管單元。該開關(guān)管單元包括至少一第一開關(guān)管和一第二開關(guān)管，第一開關(guān)管和第二開關(guān)管并聯(lián)連接。開關(guān)管單元的控制時序和控制周期由所述開關(guān)管單元所包括的開關(guān)管的控制時序和周期合并構(gòu)成且等同于功率開關(guān)電路中一個開關(guān)管的控制時序和控制周期，其中第一開關(guān)管的開通損耗小于第二開關(guān)管的開通損耗，第一開關(guān)管的關(guān)斷損耗大于第二開關(guān)管的關(guān)斷損耗。在開關(guān)管單元的一個控制周期內(nèi)，控制開關(guān)管單元開啟時，控制第一開關(guān)管的開通時刻早于第二開關(guān)管的開通時刻，控制開關(guān)管單元關(guān)斷時，控制第二開關(guān)管的關(guān)斷時刻晚于第一開關(guān)管的關(guān)斷時刻。

其中，第二開關(guān)管的開通時刻與第一開關(guān)管開通時刻的時間差至少大于第一開關(guān)管完全開通所需時間；第二開關(guān)管關(guān)斷時刻與第一開關(guān)管關(guān)斷時刻的時間差至少大于第一開關(guān)管完全關(guān)斷所需時間。

其中，在一些實施例中，功率開關(guān)電路僅包含一個開關(guān)管單元。在另外的實施例中，功率開關(guān)電路包含兩個開關(guān)管單元，兩個開關(guān)管單元的控制時序互補以控制兩個開關(guān)管單元交替開通和關(guān)斷。

為使得開關(guān)單元的開通損耗和關(guān)斷損耗滿足以上要求，在一些實施例中，第一開關(guān)管的寄生電感值大于或等于第二開關(guān)管寄生電感值的5倍。在另一些實施例中，第一開關(guān)管的額定電流大于所述第二開關(guān)管的額定電流。在一些實施例中，為降低第一開關(guān)管關(guān)斷時的尖峰電壓，第一開關(guān)管的兩端并接有一電壓鉗位電路。

本發(fā)明所提出的功率開關(guān)電路中設(shè)置的開關(guān)管單元，可降低功率開關(guān)電路的損耗，提高功率開關(guān)電路的效率。

附圖說明

圖1是示出現(xiàn)有技術(shù)中的Buck電路的電路圖；

圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的功率開關(guān)電路的電路圖；

圖3是示出圖2中所示電路的控制時序的示意圖；

圖4是示出根據(jù)本發(fā)明實施例一的Buck電路的電路圖；

圖5是示出發(fā)出柵極驅(qū)動信號的電路的示意圖；

圖6是示出根據(jù)本發(fā)明實施例二的Boost電路的電路圖；

圖7是示出根據(jù)本發(fā)明實施例三的半橋電路的電路圖；

圖8是示出圖7中所示電路的控制時序的示意圖；

圖9是示出根據(jù)本發(fā)明實施例四的T型三電平電路的電路圖；

圖10是示出圖9中所示電路的控制時序的示意圖；

圖11是示出根據(jù)本發(fā)明實施例五的二極管鉗位三電平電路的電路圖；

圖12是示出圖11中所示電路的控制時序的示意圖；

圖13是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的電壓鉗位電路的電路圖；以及

圖14是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的另一種電壓鉗位電路的電路圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明?？梢岳斫獾氖?，此處所描述的具體實施例僅用于解釋本發(fā)明，而非對本發(fā)明的限定。另外還需要說明的是，為了便于描述，附圖中僅示出了與本發(fā)明相關(guān)的部分而非全部結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明提供的一種功率開關(guān)電路，其中一實施例如圖2所示。該功率開關(guān)電路包括至少一開關(guān)管單元，通過控制該開關(guān)管單元的開通和關(guān)斷來實現(xiàn)電源的轉(zhuǎn)換。開關(guān)管單元包括第一開關(guān)管2-1和第二開關(guān)管2-2。在此實施例中，第一開關(guān)管2-1和第二開關(guān)管2-2均為MOSFET開關(guān)管。此類MOSFET開關(guān)管通常并聯(lián)有一體二極管，圖2中示意出的二極管D1和二極管D2。當(dāng)然在其他實施例中，第一開關(guān)管和第二開關(guān)管可以是其他類型的開關(guān)器件，例如GaN HEMT,SiC MOS或IGBT等開關(guān)管。寄生電感Ls1代表第一開關(guān)管2-1所在支路的寄生電感，寄生電感Ls2代表第二開關(guān)管2-2所在支路的 寄生電感。在該功率開關(guān)電路中，寄生電感Ls1遠大于寄生電感Ls2。由于寄生電感Ls1比較大，第一開關(guān)管2-1可以獲得較低的開通損耗，而寄生電感Ls2比較小，第二開關(guān)管2-2可以獲得較低的關(guān)斷損耗。寄生電感Ls1遠大于寄生電感Ls2，第一開關(guān)管2-1的開通損耗小于第二開關(guān)管2-2的開通損耗，而第一開關(guān)管2-1的關(guān)斷損耗大于第二開關(guān)管2-2的關(guān)斷損耗。

在該功率開關(guān)電路中配置第一開關(guān)管的開通損耗小于第二開關(guān)管的開通損耗，第一開關(guān)管的關(guān)斷損耗大于所述第二開關(guān)管的關(guān)斷損耗。在該功率開關(guān)電路中，整個開關(guān)管單元的控制時序和控制周期由并聯(lián)連接的第一開關(guān)管2-1和第二開關(guān)管2-2合并構(gòu)成，并且等同于圖1中的功率開關(guān)電路的一個開關(guān)管1-1的控制時序和控制周期。由于第一開關(guān)管2-1的開通損耗小于第二開關(guān)管2-2的開通損耗，而第一開關(guān)管2-1的關(guān)斷損耗大于第二開關(guān)管2-2的關(guān)斷損耗，因此可以通過控制第一開關(guān)管2-1和第二開關(guān)管2-2的開通和關(guān)斷時序獲得整個開關(guān)管單元較低的開通損耗和關(guān)斷損耗。

如圖3所示為圖2所示的電路結(jié)構(gòu)相應(yīng)的控制方法。Vg1為第一開關(guān)管2-1的控制信號，Vg2為第二開關(guān)管2-2的控制信號，Vds為圖2中的A、B端口電壓，Is1為第一開關(guān)管2-1的電流，Is2為第二開關(guān)管2-2的電流。第一開關(guān)管2-1的開通損耗較小，第二開關(guān)管2-2的關(guān)斷損耗較小。在一個開關(guān)周期中，t0時刻第一開關(guān)管2-1、第二開關(guān)管2-2都處在關(guān)斷狀態(tài)，第一開關(guān)管2-1在t1時刻先開通，第二開關(guān)管2-2在t2時刻后開通。由于第二開關(guān)管2-2開通的時刻第一開關(guān)管2-1已經(jīng)完全開通，因此，第二開關(guān)管2-2是零電壓開通，幾乎無開通損耗。在t3時刻第一開關(guān)管2-1先關(guān)斷，第一開關(guān)管2-2在t4時刻后關(guān)斷。因為第一開關(guān)管2-1先于第二開關(guān)管2-2關(guān)斷，因此第一開關(guān)管2-1是零電壓關(guān)斷，幾乎無關(guān)斷損耗。這樣，通過控制并聯(lián)連接的第一開關(guān)管2-1和第二開關(guān)管2-2的開通及關(guān)斷的時序，整個電路可以同時獲得較低的開通損耗和關(guān)斷損耗。

以下例舉幾種方案用于實現(xiàn)第一開關(guān)管的開通損耗小于第二開關(guān)管的開通損耗，第一開關(guān)管的關(guān)斷損耗大于第二開關(guān)管的關(guān)斷損耗。較為簡便的一種方式是利用第一開關(guān)管和第二開關(guān)管各自所在支路的寄生電感參數(shù)來實現(xiàn)。利用第一開關(guān)管所在支路寄生電感遠大于第二開關(guān)管所在支路的寄生電感來實現(xiàn)：第一開關(guān)管的開通損耗小于第二開關(guān)管的開通損耗同時第一開關(guān) 管的關(guān)斷損耗大于第二開關(guān)管的關(guān)斷損耗。較佳地，在此實施例中可設(shè)置第一開關(guān)管2-1的寄生電感值大于或等于第二開關(guān)管2-2的寄生電感值的5倍，使得第一開關(guān)管2-1與第二開關(guān)管2-2之間的開通損耗或者關(guān)斷損耗之間的差別更為顯著。另一種方式為第一開關(guān)管和第二開關(guān)管設(shè)置為不同類型的功率開關(guān)器件以使得第一開關(guān)管和第二開關(guān)管的開通損耗和關(guān)斷損耗有效為明顯的差別。這里提到的不同類型的功率開關(guān)器件可以有兩種含義:第一種是不同類型的功率開關(guān)，功率開關(guān)器件S1是IGBT(絕緣柵雙極晶體管)和功率開關(guān)器件S2是MOSFFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)。功率開關(guān)器件S2的關(guān)斷損耗較小，控制功率開關(guān)S2后關(guān)斷，可以獲得更小的關(guān)斷損耗。當(dāng)然也可以是GaN，SiC MOS，IGBT和MOSFET等不同類功率開關(guān)器件的并聯(lián)組合。

還有一種方式為第一開關(guān)管和第二開關(guān)管是同類型不同型號的功率開關(guān)。例如，第一開關(guān)管2-1和第二開關(guān)管2-2是不同額定電流的IGBT功率開關(guān)。第一開關(guān)管2-1是額定電流更大的IGBT，第二開關(guān)管2-2是額定電流更小的IGBT。第二開關(guān)管2-2的關(guān)斷損耗較小，控制第二開關(guān)管2-2后關(guān)斷，可以獲得更小的關(guān)斷損耗。

以下例舉五種不同的具體功率開關(guān)電路拓撲圖結(jié)構(gòu)，然而本發(fā)明中開關(guān)管單元的應(yīng)用并不局限于此五種功率開關(guān)電路。本發(fā)明中開關(guān)管單元利于減小功率開關(guān)電路的損耗，從而提高功率開關(guān)電路的效率。

實施例一

本實施例描述一種Buck電路，該Buck電路應(yīng)用上述本發(fā)明的功率開關(guān)電路。

圖4示出了本實施例的Buck電路的電路圖。如圖4所示該Buck電路與圖1不同之處是，圖4中為開關(guān)管單元替換了圖1所示的單一的開關(guān)管。如圖4所示，開關(guān)管單元包括第一開關(guān)管S1和第二開關(guān)管S2。第一開關(guān)管S1串聯(lián)一其所在支路的等效寄生電感Ls1；第二開關(guān)管S2串聯(lián)有一等效寄生電感Ls2。第一開關(guān)管S1和第二開關(guān)管S2并聯(lián)連接。該Buck電路還包括續(xù)流二極管D、輸入電壓Vin、輸入電容器件Cdc、輸出濾波電感Lo、輸出負載Load。

輸入電壓Vin與輸入電容器件Cdc并聯(lián)，第一開關(guān)管3-1與第二開關(guān)管 3-2并聯(lián)連接形成的開關(guān)管單元連接到正電壓端子，續(xù)流二極管D連接到負電壓端子，第一開關(guān)管S1與第二開關(guān)管S2并聯(lián)連接形成的開關(guān)管單元與續(xù)流二極管D的中點與輸出濾波電感Lo、負載Load連接。在此實施例中，功率開關(guān)器件S1、S2是MOSFET，Ls1遠大于Ls2(。因為Ls1比Ls2大，如前所述利用第一開關(guān)管S1具有較大的寄生電感Ls1，在開通第一開關(guān)管S1時具有比第二開關(guān)管S2更低的開通損耗；另一方面，因為Ls2比Ls1小，利用第二開關(guān)管S2具有較小的寄生電感Ls2，在關(guān)斷第一開關(guān)管3-2時具有比第一開關(guān)管S1更低的關(guān)斷損耗。將第一開關(guān)管S1(Ls1和S1)與第一開關(guān)管S2(Ls2和S2)的開通和關(guān)斷分離開，可以同時獲得較低的開通損耗和關(guān)斷損耗。電路中寄生電感Ls1和Ls2的值，可以通過較多種方式獲得。例如，可以通過對電路進行建模后采用電磁場仿真工具確定。在本實施例的Buck電路中，假設(shè)在輸出電壓1.8V，輸出電流即load為20A，開關(guān)S1或S2的工作頻率為600kHz的條件下，獲得一個比較理想的Ls1值為1到3nH，Ls2值小于0.2nH。

對第一開關(guān)管和第二開關(guān)管的控制在上述內(nèi)容中已有描述過，因此不再贅述。在此，對如何產(chǎn)生圖3所示開關(guān)管單元中第一開關(guān)管和第二開關(guān)管的控制信號進行舉例說明。如圖5所示，圖5提供了一種開關(guān)管單元中兩相互配合的控制信號產(chǎn)生的一種方式。以控制信號為PWM控制信號進行說明，PWM控制器發(fā)出的信號Vg，連接至Vg1作為功率開關(guān)器件S1的柵極驅(qū)動信號，Vg經(jīng)過電阻R、電容C和運算放大器Op延遲環(huán)節(jié)，連接至Vg2作為功率開關(guān)S2的柵極驅(qū)動信號，電容一端與運算放大器Op連接，另一端連接到PWM控制器的公共端com，連接至功率開關(guān)器件S1和S2的源極source1/2。

延遲時間ΔT可以通過調(diào)整R，C的值改變，R、C值越大延遲時間越長。一方面，延遲時間ΔT應(yīng)大于S1開通或關(guān)斷過程時間，使S1開通或關(guān)斷完成后，S2再進行開通或關(guān)斷，以充分的實現(xiàn)S2的零電壓開通及S1的零電壓關(guān)斷；另一方面，太長的延遲時間ΔT會造成S1或S2單獨開通的時間增加，帶來額外的開通損耗，因此延遲時間ΔT應(yīng)選取一個較合適的中間值。

延遲時間的選取主要與器件開通、關(guān)斷速度有關(guān)。在本例的Buck電路中，采用MOSFET功率開關(guān)器件，開關(guān)過程時間約在1～50ns(納秒)，一個 比較理想的延遲時間ΔT在3ns至100ns之間。如果采用更快速GaN HEMT器件，比較理想的延遲時間ΔT在1ns至40ns之間。如果選用慢速的IGBT器件，比較理想的延遲時間ΔT在100ns至10us之間。

當(dāng)然，由于開關(guān)元件開通和關(guān)斷的過程可能并不完全相同，因此圖3中所示時間段t4-t3可以與時間段t2-t1不同。

實施例二

本實施例所描述的功率開關(guān)電路為Boost電路。

圖6示出了本實施例的Boost電路的電路圖。如圖6所示，該Boost電路中開關(guān)管單元包括第一開關(guān)管S1和第二開關(guān)管S2。在第一開關(guān)管S1所在支路存在串聯(lián)的寄生電感Ls1；在第二開關(guān)管S2所在支路存在串聯(lián)的寄生電感Ls2。第一開關(guān)管S1和第二開關(guān)管S2并聯(lián)連接。該Boost電路還包括續(xù)流二極管D、輸入電壓Vin、輸入電容器件Cdc、輸入濾波電感Lin、輸出負載Load。

在該開關(guān)管單元中，第一開關(guān)管S1與第二開關(guān)管S2并聯(lián)連接。輸入電壓Vin與輸入濾波電感Lin串聯(lián)，連接到續(xù)流二極管D和開關(guān)管單元的中點；輸出負載Load與輸入電容器件Cdc并聯(lián)，具有正電壓端子和負電壓端子；開關(guān)管單元連接到負電壓端子，續(xù)流二極管D連接到正電壓端子。

在此實施例中，開關(guān)管單元中第一開關(guān)管S1、第二開關(guān)管S2均為MOSFET，D是二極管，寄生電感Ls1遠大于寄生電感Ls2(Ls1至少是Ls2的5倍)。因為寄生電感Ls1比寄生電感Ls2大，如前所述利用第一開關(guān)管S1具有較大的寄生電感Ls1，在開通第一開關(guān)管S1時具有比第二開關(guān)管S2更低的開通損耗；另一方面，因為Ls2比Ls1小，利用第二開關(guān)管S2具有較小的寄生電感Ls2，在關(guān)斷第二開關(guān)管S2時具有比第一開關(guān)管S1更低的關(guān)斷損耗。將第一開關(guān)管S1(Ls1和S1)與第二開關(guān)管S2(Ls2和S2)的開通和關(guān)斷分離開，可以同時獲得較低的開通損耗和關(guān)斷損耗。

在本實施例中，例如對于Boost電路，若輸出電壓400V，輸出電流即load為4A，開關(guān)元件的工作頻率為100kHz，則一個比較理想的Ls1值為10到20nH，Ls2值小于2nH。

圖6中電路所對應(yīng)的控制方式同樣參考圖3。功率開關(guān)器件S1和S2的柵極控制信號與上述Buck電路相同，如圖3所示，在一個開關(guān)周中，t0時 刻S1、S2都處在關(guān)斷狀態(tài)，功率開關(guān)器件S1在t1時刻先開通，功率開關(guān)器件S2在延遲ΔT時間后t2時刻開通；功率開關(guān)器件S1在t3時刻先關(guān)斷，功率開關(guān)器件S2在在延遲ΔT時間后t4時刻關(guān)斷。S2是零電壓開通，幾乎無損耗，功率開關(guān)器件S1開通損耗較?。还β书_關(guān)器件S1是零電壓關(guān)斷，幾乎無損耗，功率開關(guān)器件S2關(guān)斷損耗較小。因此對整個電路可以同時獲得較低的開通損耗和關(guān)斷損耗。相應(yīng)的延遲時間的選取和考量也基本與前面例子相同。

實施例三

在本實施例中，功率開關(guān)電路為一種半橋電路。。

圖7示出了本實施例的半橋電路的電路圖。如圖7所示，該半橋電路包括兩個開關(guān)管單元，分別為第一開關(guān)管單元7-10和第二開關(guān)管單元7-20。在此實施例中兩個開關(guān)管單元的控制時序互補以控制兩個開關(guān)管單元交替開通和關(guān)斷。在此實施例中開關(guān)管單元中的第一開關(guān)管和第二開關(guān)管均為IGBT類開關(guān)管。

第一開關(guān)管單元7-10包括第一開關(guān)管S11和第二開關(guān)管S12。第一開關(guān)管S11反向并聯(lián)有二極管D11，第一開關(guān)管S11所在支路存在與第一開關(guān)管S11串聯(lián)的寄生電感Ls1；第二開關(guān)管S12反向并聯(lián)有二極管D12，第二開關(guān)管S2所在支路存在與第二開關(guān)管S12串聯(lián)的寄生電感Ls2。第一開關(guān)管S11和第二開關(guān)管S12并聯(lián)連接。

第二開關(guān)管單元7-20包括第一開關(guān)管S21和第二開關(guān)管S22。第一開關(guān)管S21反向并聯(lián)有二極管D21，第一開關(guān)管S21所在支路存在與第一開關(guān)管S21串聯(lián)的寄生電感Ls3；第二開關(guān)管反向并聯(lián)有二極管D22，第二開關(guān)管S22所在支路存在與第二開關(guān)管串聯(lián)的寄生電感Ls4。第一開關(guān)管S21和第二開關(guān)管S22并聯(lián)連接。

該半橋電路還包括直流電容器件Cdc，直流電容器件Cdc具有正電壓端子P和負電壓端子N，第一開關(guān)管單元7-10連接到正電壓端子P，第二開關(guān)管單元7-20連接到負電壓端子N。第一開關(guān)管單元7-10和第二開關(guān)管單元7-20的中點與ac端連接。

通過控制第一開關(guān)管單元7-10和第二開關(guān)管單元7-20交替的導(dǎo)通，在ac端口提供交流電壓。當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)管單元7-10處于導(dǎo)通狀態(tài)，ac端子為高 電壓，當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)管單元7-20處于導(dǎo)通狀態(tài)，ac端子為低電壓。

寄生電感Ls1遠大于寄生電感Ls2(Ls1至少是Ls2的5倍)，寄生電感Ls4遠大于寄生電感Ls3(Ls4至少是Ls3的5倍)。因為Ls1比Ls2大，如前所述利用第一開關(guān)管S11所在支路具有較大的寄生電感Ls1，在開通第一開關(guān)管S11時具有比第二開關(guān)管S12更低的開通損耗；另一方面，因為Ls2比Ls1小，利用第二開關(guān)管S12所在支路具有較小的寄生電感Ls2，在關(guān)斷第二開關(guān)管S12時具有比S11更低的關(guān)斷損耗。將第一開關(guān)管與第二開關(guān)管的開通和關(guān)斷分離開，可以同時獲得較低的開通損耗和關(guān)斷損耗。按照相同的理論，可以得到將第二開關(guān)管單元7-20的第一開關(guān)管S21與第二開關(guān)管S22的開通和關(guān)斷分離開，可以同時獲得較低的開通損耗和關(guān)斷損耗。

在本例的半橋電路中，一個比較理想的寄生電感Ls1(Ls4)值為10nH到50nH，寄生電感Ls2(Ls3)值小于5nH。如圖8為圖7所示的電路結(jié)構(gòu)相應(yīng)的控制方法。第一開管單元中第一開關(guān)管S11、第二開關(guān)管S12和第二開關(guān)管單元中第一開關(guān)管S21和第二開關(guān)管S22對應(yīng)的柵極控制信號分別是Vg11、Vg12、Vg21和Vg22。如圖8所示，在一個開關(guān)周期中，S21、S22與S11、S12是互補的信號，S12比S11延遲ΔT(ΔT＝t1-t2)時間開通和關(guān)斷，并且S22比S21延遲ΔT(ΔT＝t1-t2)時間開通和關(guān)斷。具體工作如下：在t0時刻S11和S12處于導(dǎo)通狀態(tài)，S21和S22處于關(guān)斷狀態(tài)；S11在t1時刻先關(guān)斷，S12在t2時刻后關(guān)斷；S21在t2時刻先開通，S22在t3時刻后開通；S21在t4時刻先關(guān)斷，S22在t5時刻后關(guān)斷；S11在t5時刻先開通，S12在t6時刻后開通。因此對整個半橋電路可以同時獲得較低的開通損耗和關(guān)斷損耗。當(dāng)然，開通及關(guān)斷的延遲時間可以不同，也即t2-t1與t6-t5不同，t3-t2與t5-t4不同。相應(yīng)的延遲時間的選取也與前面例子相同。

實施例四

在本實施例中，功率開關(guān)電路為一種T型三電平電路。

圖9示出了本實施例的T型三電平電路的電路圖。如圖9所示，該T型三電平電路包括兩個開關(guān)管單元。每個開關(guān)管單元包含的第一開關(guān)管和第二開關(guān)管均為IGBT開關(guān)器件。

第一開關(guān)管單元包括第一開關(guān)管S11和第二開關(guān)管S12。第一開關(guān)管S11反并聯(lián)有二極管D11，第一開關(guān)管S11所在支路存在與第一開關(guān)管S11串聯(lián) 的寄生電感Ls1；第二開關(guān)管S12反并聯(lián)有二極管D12，第二開關(guān)管S12所在支路存在與第二開關(guān)管S12串聯(lián)支路的寄生電感Ls2。第一開關(guān)管S11和第二開關(guān)管S12并聯(lián)連接。

第二開關(guān)管單元包括第一開關(guān)管S41和第二開關(guān)管S42。第一開關(guān)管S41反并聯(lián)有二極管D41，第一開關(guān)管S41所在支路存在與第一開關(guān)管S41串聯(lián)的寄生電感Ls4；第二開關(guān)管S42反并聯(lián)有二極管D42，第二開關(guān)管S42所在支路存在與第二開關(guān)管S42串聯(lián)的寄生電感Ls5。第一開關(guān)管和第二開關(guān)管并聯(lián)連接。

該T型三電平電路還包括直流電容器件Cdc1和Cdc2、中性橋臂開關(guān)管S2和與S2并聯(lián)的二極管D2、S3和與S3并聯(lián)的二極管D3以及與S2、S3串聯(lián)的寄生電感Ls3。Cdc1具有正電壓端子P和零電壓端子O，Cdc2具有負電壓端子N和零電壓端子O；第一開關(guān)管單元連接到正電壓端子P，第一開關(guān)管單元連接到負電壓端子N；第一開關(guān)管單元與第二開關(guān)管單元的中點與ac端連接；S3并聯(lián)D3支路與S2并聯(lián)D2支路串聯(lián)中性橋臂開關(guān)管S3的一端與零端子O和中心橋臂開關(guān)管S2的一端與ac端子電性連接。

控制第一開關(guān)管單元和第二開關(guān)管單元交替的導(dǎo)通，在ac端口提供正、負的交流電壓。當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)管單元處于導(dǎo)通狀態(tài)時，ac端子為正電壓，當(dāng)?shù)诙_關(guān)管單元處于導(dǎo)通狀態(tài)時，ac端子為負電壓。當(dāng)S2、S3處于導(dǎo)通狀態(tài)時，ac端子為零電壓。

同理，在此實施例中寄生電感Ls1遠大于寄生電感Ls2(寄生電感Ls5遠大于寄生電感Ls4)。因為Ls1比Ls2大，如前所述利用第一開關(guān)管S11所在支路具有較大的寄生電感Ls1，在開通S11時具有比S12更低的開通損耗；另一方面，因為Ls2比Ls1小，利用第二開關(guān)管S12所在支路具有較小的寄生電感Ls2，在關(guān)斷S12時具有比S11更低的關(guān)斷損耗。將第一開關(guān)管單元中的第一開關(guān)管與第二開關(guān)管的開通和關(guān)斷分離開，可以同時獲得較低的開通損耗和關(guān)斷損耗。按照相同的理論，可以得到將第二開關(guān)管單元中的第一開關(guān)管與第二開關(guān)管的開通和關(guān)斷分離開，可以同時獲得較低的開通損耗和關(guān)斷損耗。

在本例的T型三電平電路中，一個比較理想的Ls1(Ls5)值為10nH到50nH，Ls2(Ls4)值小于5nH。Ls1(Ls5)是Ls2(Ls4)的5倍以上。

如圖10為圖9所示的電路結(jié)構(gòu)相應(yīng)的控制方法。功率開關(guān)器件S11、S12、S2、S3、S41和S42對應(yīng)的柵極控制信號分別是Vg11、Vg12、Vg2、Vg3、Vg41和Vg42，如圖10所示，在輸出正電壓半周期中，ac端口電壓在正和零之間變換，S12比S11延遲(ΔT＝t1-t2)時間開通和關(guān)斷。具體工作如下：在t0時刻S11、S12、S41和S42處于關(guān)斷狀態(tài)，S2、S3處于導(dǎo)通狀態(tài)；t1時刻S2、S3關(guān)斷，S11在t1時刻先開通，S12在t2時刻后開通；S11在t3時刻先關(guān)斷，S12在t4時刻后關(guān)斷，隨后S2、S3開通。在輸出負電壓的半周期中，ac端口電壓在零和負之間變換，S42比S41延遲(ΔT＝t1-t2)時間開通和關(guān)斷。具體工作過程如下：在t4時刻S11、S12、S41和S42處于關(guān)斷狀態(tài)，S2、S3處于導(dǎo)通狀態(tài)；t5時刻S2、S3關(guān)斷，S41在t5時刻先開通，S22在t6時刻后開通；S41在t7時刻先關(guān)斷，S42在t8時刻后關(guān)斷，隨后S2、S3開通。因此對整個三電平電路可以同時獲得較低的開通損耗和關(guān)斷損耗。

同樣，該實施例中延遲時間的選取主要與器件開通、關(guān)斷速度有關(guān)。采用MOSFET開關(guān)管，開關(guān)過程時間約在5～50ns，一個比較理想的延遲時間ΔT在10ns至100ns之間。如果采用更快速GaN HEMT開關(guān)管，比較理想的延遲時間ΔT在5ns至40ns之間。如果選用慢速的IGBT開關(guān)管，比較理想的延遲時間ΔT在100ns至10us(微秒)之間。

實施例五

本實施例中功率開關(guān)電路為一種二極管鉗位三電平電路。圖11示出了本實施例的二極管鉗位三電平電路的電路圖。如圖11所示，該二極管鉗位三電平電路包括兩個開關(guān)管單元。在此實施例中，開關(guān)管單元中第一開關(guān)管和第二開關(guān)管均為IGBT開關(guān)管。

第一開關(guān)管單元包括第一開關(guān)管和第二開關(guān)管。第一開關(guān)管S11反并聯(lián)二極管D11，第一開關(guān)管S11所在支路存在與第一開關(guān)管S11串聯(lián)的寄生電感Ls1；第二開關(guān)管S12反并聯(lián)有二極管D12，第二開關(guān)管S12所在支路存在與第二開關(guān)管S12串聯(lián)的寄生電感Ls2。第一開關(guān)管S11和第二開關(guān)管S12并聯(lián)連接。

第二開關(guān)管單元包括第一開關(guān)管和第二開關(guān)管。第一開關(guān)管S41反并聯(lián)二極管D41，第一開關(guān)管S41所在支路存在與第一開關(guān)管S41串聯(lián)的寄生電 感Ls4。第二開關(guān)管S42反并聯(lián)有二極管D42，第二開關(guān)管S42所在支路存在與第二開關(guān)管S42串聯(lián)的寄生電感Ls5；第一開關(guān)管S41和第二開關(guān)管S42并聯(lián)連接。

該二極管鉗位三電平電路還包括直流電容器件Cdc1和Cdc2，中性橋臂開關(guān)S2和與S2反并聯(lián)的二極管D2，S3和與S3反并聯(lián)的二極管D3，以及D5和D6和與D5、D6串聯(lián)的寄生電感Ls3。Cdc1具有正電壓端子P和零電壓端子O，Cdc2具有負電壓端子N和零電壓端子O；第一開關(guān)管單元連接到正電壓端子P，第一開關(guān)管單元連接到負電壓端子N；D5和D6串聯(lián)兩端分別連接第一開關(guān)管單元和第二開關(guān)管單元，D5和D6的中點連接到零電壓端子O，D5和D6至零電壓端子O之間存在寄生電感Ls3，S2和S3串聯(lián)兩端分別連接第一開關(guān)管單元和第二開關(guān)管單元；S2和S3的中點連接到ac端子。

控制第一開關(guān)管單元和第二開關(guān)管單元交替的導(dǎo)通，在ac端口提供正、負的交流電壓。當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)管單元導(dǎo)通時，ac端子為正電壓，當(dāng)?shù)诙_關(guān)管單元導(dǎo)通時，ac端子為負電壓。當(dāng)S2和D5導(dǎo)通或者S3與D6導(dǎo)通時，ac端子為零電壓。

在此實施例中，Ls1遠大于Ls2(Ls1至少是Ls2的5倍)，Ls5遠大于Ls4(Ls5至少是Ls4的5倍)。因為Ls1比Ls2大，如前所述利用功率開關(guān)器件S11所在支路具有較大的寄生電感Ls1，則在開通S11時具有比S12更低的開通損耗；另一方面，因為Ls2比Ls1小，利用功率開關(guān)器件S12所在支路具有較小的寄生電感Ls2，則在關(guān)斷S12時具有比S11更低的關(guān)斷損耗。將第一開關(guān)管單元的第一開關(guān)管與第二開關(guān)管的開通和關(guān)斷分離開，可以同時獲得較低的開通損耗和關(guān)斷損耗。按照相同的理論，可以得到將第二開關(guān)管單元的第一開關(guān)管(Ls4和S42)與第二開關(guān)管(Ls5和S41)的開通和關(guān)斷分離開，可以同時獲得較低的開通損耗和關(guān)斷損耗。

在本例的二極管鉗位三電平電路中，一個比較理想的Ls1(Ls5)值為10nH到50nH，Ls2(Ls4)值小于5nH。如圖12為圖11所示的電路結(jié)構(gòu)相應(yīng)的控制方法。第一開關(guān)管單元和第二開關(guān)管單元中開關(guān)管S11、S12、S2、S3、S41和S42對應(yīng)的柵極控制信號分別是Vg11、Vg12、Vg2、Vg3、Vg41和Vg42，如圖12所示，在輸出正電壓半周期中，ac端口電壓在正和零之間變 換，S12比S11延遲(ΔT＝t1-t2)時間開通和關(guān)斷。具體工作如下：在t0時刻S11、S12、S41和S42處于關(guān)斷狀態(tài)，S2、S3處于導(dǎo)通狀態(tài)；t1時刻S3關(guān)斷，S11在t1時刻先開通，S12在t2時刻后開通；S11在t3時刻先關(guān)斷，S12在t4時刻后關(guān)斷，隨后S3開通。在輸出負電壓的半周期中，ac端口電壓在零和負之間變換，S42比S41延遲(ΔT＝t1-t2)時間開通和關(guān)斷。具體工作如下：在t4時刻S11、S12、S41和S42處于關(guān)斷狀態(tài)，S2、S3處于導(dǎo)通狀態(tài)；t5時刻S2關(guān)斷，S41在t5時刻先開通，S22在t6時刻后開通；S41在t7時刻先關(guān)斷，S42在t8時刻后關(guān)斷，隨后S2開通。因此對整個半橋電路可以同時獲得較低的開通損耗和關(guān)斷損耗。說明各延遲時間間的關(guān)系。

開關(guān)管單元中開關(guān)管之間的延遲時間的選取主要與器件開通、關(guān)斷速度有關(guān)。采用MOSFET功率開關(guān)器件，開關(guān)過程時間約在5～50ns，一個比較理想的延遲時間ΔT在10ns至100ns之間。如果采用更快速GaN HEMT器件，比較理想的延遲時間ΔT在5ns至40ns之間。如果選用慢速的IGBT器件，比較理想的延遲時間ΔT在100ns至10us之間。

前述實施例一至實施例五描述了五種不同的功率開關(guān)電路。然而這些功率開關(guān)電路中開關(guān)管單元中第一開關(guān)管所在支路的寄生電感較大，會面臨著第一開關(guān)管關(guān)斷時的尖峰電壓的問題。

為解決這一問題，可以在開關(guān)管兩端并接一電壓鉗位電路以降低開關(guān)管單元中寄生電感較大的支路中的開關(guān)管兩端的尖峰電壓。以圖4所示的buck電路為例，與第一開關(guān)管S1串聯(lián)的寄生電感Ls1值較大，因此關(guān)斷時容易在第一開關(guān)管S1上產(chǎn)生較高的電壓尖峰。

一種解決此問題的方法是在第一開關(guān)管S1兩端并聯(lián)RCD鉗位電路，如圖13所示。其中D1是鉗位二極管，C1是鉗位電容，R1是泄放電阻，其余部分與圖4所示Buck電路部分一致，不再贅述。

鉗位二極管D1的陽極與第一開關(guān)管S1的一端連接，鉗位電容C1的一端與第一開關(guān)管S1的另一端連接，鉗位二極管D1與鉗位電容C1串聯(lián)，泄放電阻R1與鉗位電容C1并聯(lián)。當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)管S1兩端電壓產(chǎn)生較高電壓尖峰，超過鉗位電容C1電壓時，鉗位二極管D1續(xù)流鉗位住第一開關(guān)管S1兩端電壓；鉗位時充入鉗位電容C1的能量通過R1泄放。

另一種解決開關(guān)管單元中寄生電感較大支路中開關(guān)管兩端尖峰電壓的方 法是在較大寄生電感所在支路第一開關(guān)管S1的一端接入鉗位二極管，如圖14所示。其中D1是鉗位二極管，其余部分與圖4所示Buck電路部分一致，不再贅述。

鉗位二極管D1的陽極與第一開關(guān)管S1的漏極一端連接，鉗位二極管D1的陰極與Cdc電容的正端連接。當(dāng)S1漏極端電位超過Cdc電壓時，鉗位二極管D1續(xù)流鉗位住功率開關(guān)器件S1的漏極電位。

上述兩種鉗位電路也適用于Boost、半橋、T型三電平和二極管鉗位三電平電路，此處不再贅述。

雖然在以上實施例中例舉的開關(guān)管單元中僅包括兩個并聯(lián)連接的開關(guān)管，但從以上開關(guān)管單元的工作原理可知，實際開關(guān)管單元也可以包含兩個以上并聯(lián)連接的開關(guān)管，只要滿足其中一部分開關(guān)管所在支路的寄生電感與另一部分開關(guān)端所在支路寄生電感相差較為明顯，例如以上例舉的5倍以上，即可。控制較大寄生電感所在支路開關(guān)管先開通和先關(guān)斷，而控制較小寄生電感所在支路的開關(guān)管后開通和后關(guān)斷而實現(xiàn)對應(yīng)開關(guān)管單元的控制即可降低整個功率開關(guān)電路的損耗。此類開關(guān)管單元的應(yīng)用也利于設(shè)計者選購數(shù)個額定電流較小的開關(guān)管去構(gòu)成額定電流較大的開關(guān)管單元，從而一定程度也利于降低整個功率開關(guān)電路的成本。

注意，上述僅為本發(fā)明的較佳實施例及所運用技術(shù)的原理。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不限于這里所述的特定實施例，對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說能夠進行各種明顯的變化、重新調(diào)整和替代而不會脫離本發(fā)明的保護范圍。因此，雖然通過以上實施例對本發(fā)明進行了較為詳細的說明，但是本發(fā)明不僅僅限于以上實施例，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的情況下，還可以包括更多其他等效實施例，而本發(fā)明的范圍由所附的權(quán)利要求決定。