CN103051223A - 偶级反相器 - Google Patents

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金兑勋
朴晟濬
宋斗咏
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Abstract

本发明提供了一种偶级反相器，包括：分压电路，将输入AC电源分成偶数个电压电平；多个开关装置，连接至具有偶数个电压电平的分压电路的各个节点；以及双向开关装置，通过多个开关装置中的至少一个连接至分压电路的各个节点并且包括至少两个晶体管。根据本发明，双向开关装置无需二极管来实现，从而降低了包含在相关技术中的双向开关装置的反平行二极管所导致的传导损耗，并且分压电路的中性点与开关装置电分离，从而控制了无功功率。

Description

偶级反相器
相关申请的交叉引用
本申请要求2011年10月14日于韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2011-0105234号的优先权，其全部内容结合于此作为参考。
技术领域
本发明涉及偶级反相器，该偶级反相器将输入DC电源的电压分成偶数个电压电平，并且通过使用多个开关装置生成具有偶数个电压电平的AC输出信号，同时通过从双向开关装置中去除反平行二极管以及将分压电路的中心抽头与开关装置分离来降低传导损耗并控制无功功率。
背景技术
反相器(在接收DC电源之后输出AC信号的电路)可以控制输出AC信号的大小、频率和谐波分量。通常，根据输出交流信号的电平(大小)，反相器可以分为2级反相器、3级反相器等，并且可以包括将输入DC电源的电压分割成所需要的电平数量的电路以及从被电压分割成所需要的电平的输入DC电源生成AC输出信号的开关电路。
在通常广泛使用的3级反相器中，将输入DC电源的电压分成三个电平的电路可由具有相同容量的电容器来实现，开关电路可以包括多个其中晶体管和二极管彼此连接的开关装置。具体地，在根据相关技术的反相器电路中，双向开关装置连接至分压电路的中心抽头，以根据每个操作模式提供输出信号所需的通路。
然而，如相关技术中所述，由于相关技术的反相器电路的结构为开关装置直接连接至分压电路的中心抽头，所以很难控制无功功率。此外，由于晶体管和反平行二极管包含在所有的开关装置中，所以传导损失劣化。
[相关技术]
[专利文献]
(专利文献1)美国专利申请公开号US 2011/0103099
发明内容
本发明的一个方面提供了一种反相器，所述反相器能够通过将电压分割输入DC电源的电路的中心抽头(中性点)与开关装置分离并仅使用晶体管而不使用反平行二极管来实现双向开关装置来降低传导损耗和控制无功功率。
根据本发明的一个方面，提供了一种偶级反相器，包括：分压电路，将输入AC电源分成偶数个电压电平；多个开关装置，连接至具有偶数个电压电平的分压电路的各个节点；以及双向开关装置，通过多个开关装置中的至少一个连接至分压电路的各个节点并且包括至少两个晶体管。
分压电路可以包括至少两个电容器，并且至少两个电容器之间的节点可以与多个开关装置和双向开关装置电分离。
分压电路可以进一步包括分别连接到至少两个电容器的多个升压电路，并且多个升压电路可共享至少一个节点。
由多个升压电路共享的节点可连接到至少两个电容器之间的节点。
多个开关装置可以包括至少一个晶体管和至少一个二极管，并且多个开关装置的结构可以与双向开关装置的结构不同。
双向开关装置可以仅包括晶体管。
多个开关装置和双向开关装置根据从分压电路输出的四个电压电平可以提供不同的电流通路。
分压电路可将输入DC电源分成四个电压电平。
根据本发明的另一方面，提供了一种偶级反相器，包括：分压电路，生成具有偶数个电压电平的输入DC电源；以及开关电路，接收输入DC电源并且生成AC输出信号，其中，分压电路包括多个串联连接的电容器，并且串联连接的多个电容器之间的节点与开关电路电分离。
开关电路可以包括多个第一开关装置和至少一个第二开关装置，所述第一开关装置包含晶体管和二极管，所述第二开关装置仅包含多个晶体管。
第一开关装置和第二开关装置根据输入DC电源的电压电平可以提供不同的电流通路。
分压电路可将输入DC电源分成四个电压电平。
附图说明
结合附图，通过下面的具体描述，将更清楚地理解本发明的上述以及其他的方面、特点和其他优点，其中：
图1为根据本发明实施方式的偶级反相器的示意性方框图；
图2为根据本发明实施方式的偶级反相器的电路图；
图3为示出根据本发明实施方式的偶级反相器的驱动拓扑的电路图；
图4为示出根据本发明实施方式的基于偶级反相器的操作的信号波形的曲线图；以及
图5至图7为示出根据本发明实施方式的偶级反相器的各电平处的电流通路的电路图。
具体实施方式
将参照附图详细描述本发明的实施方式。将详细描述这些实施方式，以使得本领域技术人员能够实施本发明。应该理解的是，本发明的各个实施方式是不同的，但并不是必然性地排外。例如，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以在另一个实施方式中实现本发明的一个实施方式中所描述的具体形状、配置以及特征。此外，应该理解的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以改变每个公开的实施方式中的各个元件的位置和排列。因此，下述详细描述不应被解释为具有限制性的。此外，如果适当的话，仅由所附权利要求及其等同替换来限定本发明的范围。在整个附图中，类似的参考标号用于描述具有相同或相似的功能的部件。
在下文中，将参照附图详细描述本发明的实施方式，从而使得本领域的技术人员可容易地实施本发明。
图1为根据本发明实施方式的偶级反相器的示意性框图。参照图1，根据本发明实施方式的偶级反相器100包括分压电路110和开关电路120。
分压电路110接收输入DC电源DCin并生成具有预定电平数量的信号。由于假设在该实施方式中采用4级反相器，所以分压电路110可生成具有一共四个不同电平的信号。分压电路110可以包括多个电容器和升压电路，以产生具有不同电平的信号。将由分压电路110产生的具有不同电平的信号传输至用来产生AC输出信号ACout的开关电路120。
开关电路120包括多个开关装置，并从由分压电路110生成的具有不同电平的信号生成AC输出信号ACout。开关电路120内所包含的多个开关装置可以分为具有不同结构的第一开关装置和第二开关装置，至少一个开关装置可以仅由晶体管而无二极管构成。下文中，为便于说明，假设第二开关装置为仅由晶体管而无二极管构成的双向开关装置，而第一开关装置由晶体管和二极管构成。
包含在开关电路120中以生成AC输出信号ACout的多个开关装置根据从分压电路110传输的信号的电平产生不同的电流通路。例如，当假设具有四个不同电压电平的信号被施加至开关电路120时，开关电路120可以包括四个第一开关装置和单个第二开关装置。如上所述，四个第一开关装置可以通过将晶体管(优选地，NMOS场效应晶体管)和二极管并联连接而配置，而第二开关装置可以通过将两个晶体管并联连接而配置。
作为双向开关装置操作的第二开关装置可以连接至所有四个第一开关装置，而四个第一开关装置可以连接至输出具有四个不同电压电平的信号的分压电路110的输出抽头，并且可以根据输入其中的信号的电压电平形成各个电流通路。同时，第一和第二开关装置被定位为从分压电路110的中性点电分离，从而可以有效地控制无功功率。
图2为根据本发明实施方式的偶级反相器的电路图。
参照图2，根据本发明实施方式的偶级反相器200包括分压电路210、连接到分压电路210以将输出AC信号IA传输至输出端ARM的开关电路220以及包含在开关电路220中以形成输出AC信号IA的电流通路的双向开关装置230。
分压电路210包括升压电路、多个电容器C1至C4、电感器LBU和LBD、开关装置QBU和QBD以及二极管DBU和DBD，升压电路包含生成输入DC电源的DC电源电池。如图2所示，DC电源电池的输出电压Vcell由串联的电容器C1和C2分成将被传输至开关装置QLU和QLD的对应于Vcell/2的电压。同时，穿过电感器LBU和LBD与二极管DBU和DBD的对应于Vcell/2的电压由电容器C3和C4分成具有VB/2电平的DC电压并被传输至开关装置QHU和QHD。
即，分压电路210结果生成具有总共四个电平的DC电压，诸如±Vcell/2和±VB/2，这些电压被分别传输至开关装置QHU、QHD、QLU和QLD。每个开关装置QHU、QHD、QLU和QLD具有其中晶体管(NMOS场效应晶体管)和二极管并联连接的结构。穿过二极管或晶体管的电流通路根据传输的电压而形成，结果，输出AC信号根据具有四个电平和操作模式的电压而通过不同的电流通路被传输至输出端ARM。在下面的等式1中示出了传输至开关装置QHU、QHD、QLU和QLD的电压的绝对值之间的关系：
|VB|＞|Vcell|...等式1
因此，关于具有最高电平的DC电压的电流通路通过开关装置QHU和QHD形成，而关于具有中间电平的DC电压的电流通路通过开关装置QLU和QLD形成。
关于具有四个电平的电压的多个电流通路中的至少一些可以被形成为穿过双向开关装置230的通路。在该实施方式中，从形成电流通路并包含在开关电路220中的双向开关装置230中去除了反平行二极管，且仅彼此并联连接了两个晶体管，由此可以降低反平行二极管导致的传导损耗。
图3为根据本发明实施方式的偶级反相器的驱动拓扑的电路图。
参照图3，输入DC电源Vdc由三个电容器分成对应于Vdc/3的电压，并且所述电压分别通过电压输出节点DC LEV0至LEV3被传输至开关装置。为了简单地示出驱动拓扑电路300，分压电路310由一个输入DC电源Vdc和三个电容器C1至C3构成，但是应该注意的是，升压电路可以包含在其中。
基本上，中间电压输出节点(中性点)必须将输入DC电源分成奇数个电平。在普通的反相器的情况下，中性点连接至任何一个开关装置。然而，在该实施方式中，输入DC电源Vdc被分成偶数割电平，因此可省略输出中间电平电压的中间电压输出节点(中性点)。此外，如图2所示，设置了两个并联连接的升压电路，结果，即使生成中性点时，该中性点没有连接至开关装置而是连接至接地，从而可以控制无功功率。
图4为示出根据本发明实施方式的基于偶级反相器的操作的信号波形的曲线图。
参照图4，可以看出，具有不同电平的电压以模式1至3输出，从而具有四个不同电平的电压以AC波形图样输出。在下文中，将描述开关装置在每个模式处的操作。将在与图3的拓扑电路300中所描述的分压电路310、多个开关装置320以及双向开关装置330相同的条件下来描述所述操作。此外，为了便于描述，将参照图5至图7。
图5至图7为示出根据本发明实施方式的在偶级反相器的各电平处的电流通路的示图。在下文中，在图5至图7中，实线所示的通路表示通过输出端ARMA的电压输出的传输，而虚线所示的通路表示用于通过输出端ARMA生成电压输出的电流通路。输出端ARMA中实际测量的输出电压的电平可以根据图3的拓扑电路300中包含在分压电路310(由虚线表示的电流通路穿过所述分压电路)内的串联电容器C1到C3的数量来确定。
首先，将参照图5来描述根据该实施方式的反相器电路的操作，在图5中，参照电流通路描述了以模式1产生的电压电平。在模式1处，当开关装置328由从分压电路210输出的电压-VB/2导通时，如图5A所示，输出0-电平电压。当将图5的电流通路应用于图3的拓扑电路300时，电流IA沿着仅穿过开关装置328而不穿过双向开关装置330电流通路流动，结果，电流的电压电平为Vdc/3。由于电流不会穿过三个串联的电容器C1至C3中的任一个，所以通过输出端ARMA输出了0-电平电压。
同时，在模式1处，当开关装置324由从分压电路210输出的电压-Vcell/2导通时，如图5B所示，输出了1-电平电压。即，与以模式1输出0-电平电压的情况不同，电流通路被形成为穿过双向开关装置330。电流IA穿过双向开关装置330，结果，分压电路310的节点DC LEV1和节点DC LEV0之间的电容器C3包含在电流IA的通路中。因此，通过输出端ARMA输出了对应于Vdc/3电平的电压。
图6为用于描述以模式2产生的电源通路和所得的输出电压的电路图。参照图6A，在模式2处，当开关装置324由电压-Vcell/2导通时，形成了与图5B中所示的输出1-电平电压的情况相同的电流通路。因此，与图5B的情况一样，由于电流IA沿着穿过连接在节点DC LEV1和节点DCLEV0之间的电容器C3的电流通路流动，所以通过输出端ARMA输出了对应于Vdc/3电平的电压。
同时，参照图6B，在模式2处，当开关装置322由电压-Vcell/2导通时，电流通路被形成为穿过双向开关装置330和导通的开关装置。当将图6B的电流通路应用于图3的拓扑电路300时，沿着由虚线表示的电流通路输入的电流IA到达分压电路310，之后，顺序穿过节点(DC LEV2-＞DC LEV1-＞DC LEV0)和电容器C2与C3。因此，如图6B所示，电平为2Vdc/3的电压被输出至输出端ARMA。
参照图7A，在模式3处，当开关装置322由电压Vcell/2导通时，形成了与图6B相似的电流通路。即，电流IA通过双向开关装置330和导通的开关装置322到达分压电路310，并顺序穿过节点(DC LEV2-＞DCLEV1-＞DC LEV0)和电容器C2与C3。因此，电平为2Vdc/3的电压被传输至输出端ARMA。
最后，参照图7B，在模式3处，当开关装置326由电压VB/2导通时，电流IA通过仅穿过导通的开关装置326而不穿过双向开关装置330直接传输至分压电路310的节点DC LEV3。由于传输至节点DC LEV3的电流IA沿着穿过所有电容器C1至C3的电流通路流动，所以通过输出端ARMA输出了电平为Vdc的电压。
如上所述，由于选择性地导通或断开多个开关装置322至328和双向开关装置330，所以，偶级反相器200可以在如图3所示的拓扑电路300中形成不同的电流通路。具有四个电平(在图5到图7的情况下为电平0至3)的AC信号类型的输出电压通过输出端子ARMA从不同的电路通路生成。同时，在本发明的实施方式中，双向开关装置330仅由晶体管而无二极管构成，分压电路310中输出中间电平电压的中性点甚至不连接至双向开关装置330以及多个开关装置322至328，由此可以降低传导损耗，并且可控制无功功率。
如上所述，根据本发明的实施方式，将输入DC电源分成多个电压电平的分压电路的中性点(中心抽头)与开关装置电分离，并且双向开关装置仅由晶体管而无反平行二极管构成。因此，可以降低传导损耗，并且可有效地控制无功功率。
尽管已经结合实施方式示出和描述了本发明，但是对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以进行修改和变形。

Claims (12)

1.一种偶级反相器，包括：
分压电路，将输入DC电源分成偶数个电压电平；
多个开关装置，连接至具有所述偶数个电压电平的所述分压电路的各个节点；以及
双向开关装置，通过所述多个开关装置中的至少一个连接至所述分压电路的各个节点并且包括至少两个晶体管。
2.根据权利要求1所述的偶级反相器，其中，所述分压电路包括至少两个电容器，并且
所述至少两个电容器之间的节点与所述多个开关装置和所述双向开关装置电分离。
3.根据权利要求2所述的偶级反相器，其中，所述分压电路进一步包括分别连接至所述至少两个电容器的多个升压电路，并且
所述多个升压电路共享至少一个节点。
4.根据权利要求3所述的偶级反相器，其中，由所述多个升压电路共享的节点连接至所述至少两个电容器之间的节点。
5.根据权利要求1所述的偶级反相器，其中，所述多个开关装置包括至少一个晶体管和至少一个二极管，并且
所述多个开关装置具有不同于所述双向开关装置的结构的结构。
6.根据权利要求1所述的偶级反相器，其中，所述双向开关装置仅包括晶体管。
7.根据权利要求1所述的偶级反相器，其中，所述多个开关装置和所述双向开关装置根据从所述分压电路输出的四个电压电平提供不同的电流通路。
8.根据权利要求1所述的偶级反相器，其中，所述分压电路将输入DC电源分成四个电压电平。
9.一种偶级反相器，包括：
分压电路，生成具有偶数个电压电平的输入DC电源；以及
开关电路，接收所述输入DC电源并且生成AC输出信号，
其中，所述分压电路包括串联连接的多个电容器，并且
串联连接的所述多个电容器之间的节点与所述开关电路电分离。
10.根据权利要求9所述的偶级反相器，其中，所述开关电路包括多个第一开关装置和至少一个第二开关装置，所述第一开关装置包含晶体管和二极管，所述第二开关装置仅包含多个晶体管。
11.根据权利要求10所述的偶级反相器，其中，所述第一开关装置和所述第二开关装置根据输入DC电源的电压电平提供不同的电流通路。
12.根据权利要求9所述的偶级反相器，其中，所述分压电路将输入DC电源分成四个电压电平。
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