CN103081329B - Dc/dc转换器 - Google Patents

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Abstract

提供一种DC/DC转换器，该DC/DC转换器具备被输入DC电源的DC输入端子和变压器，在上述变压器的初级侧具备双向开关元件。

Description

DC/DC转换器
技术领域
本发明涉及一种具备DC输入端子的DC/DC转换器。
背景技术
以往，为了将直流电压升压或降压后输出，使用具备DC输入端子的DC/DC转换器(例如参照专利文献1)。在这种具备DC输入端子的DC/DC转换器中，如果弄错极性地连接到DC输入端子，则转换器的内部电路会破损。因此，作为针对这种对于DC输入端子的反向连接的对策，以往已知如图28所示的各种结构。
在图28中，(a)是以下的结构：在一方的输入端子上串联地插入二极管，防止在反向连接时对DC/DC转换器的内部电路施加电压。在该结构下，在正常连接(正常连接)到DC输入端子的情况下，由于所插入的二极管处的压降，始终产生电压损耗。另外，由于在反向连接时不对DC/DC转换器的内部电路施加电压，因此DC/DC转换器不动作。
在图28中，(b)是以下的结构：从一方的输入端子向另一方的输入端子连接二极管，在反向连接时通过利用二极管造成短路来防止在反向连接时对DC/DC转换器的内部电路施加反向电压。在该结构下，另外需要保护电路，该保护电路用于保护连接于DC输入端子的电路免受短路电流的影响。或者，只限于应用于如太阳能发电面板那样有电流限制作用的电源。另外，由于在反向连接时不对DC/DC转换器的内部电路施加电压，因此DC/DC转换器不动作。
在图28中，(c)是以下的结构：与连接交流电源的情况同样地，在输入部处设置桥电路，无论正向连接还是反向连接都对DC/DC转换器的内部电路施加正常的电压。在该结构下，无论正向连接还是反向连接，DC/DC转换器都动作，但是始终产生与两个构成桥电路的二极管相应的电压损耗。
专利文献1：日本特开2010-022077号公报
本发明是为了解决上述问题而完成的，其目的在于提供一种即使在反向连接时也能够不产生电压损耗地正常动作的DC/DC转换器。
发明内容
为了达到上述目的，本发明的DC/DC转换器的特征在于，具备被输入DC电源的DC输入端子和变压器，在上述变压器的初级侧具备双向开关元件。
在本发明中，优选的是，利用一对上述双向开关元件来形成半桥电路。
在本发明中，优选的是，利用两对上述双向开关元件来形成全桥电路。
在本发明中，优选的是，利用一对上述双向开关元件来形成推挽电路。
在本发明中，优选的是，利用一对上述双向开关元件来形成复谐振电路(複合共振回路)。
在本发明中，优选的是，使构成一个上述双向开关元件的两个开关元件中的某一方的开关元件相对于另一方的开关元件错开定时地接通。
在本发明中，优选的是，使构成一个上述双向开关元件的两个开关元件中的某一方的开关元件与构成其它上述双向开关元件的开关元件的断开同时地接通。
在本发明中，优选的是，在上述变压器的次级侧具备一对开关元件，通过使某一方的开关元件始终接通，使另一方的开关元件始终断开，来进行正激(forward)动作。
在本发明中，优选的是，通过将上述双向开关元件控制为接通时间比断开时间长，来进行反激(flyback)动作。
在本发明中，优选的是，使构成一个上述双向开关元件的两个开关元件中的某一方的开关元件始终接通。
在本发明中，优选的是，具有连接于上述DC输入端子的极性判别电路，根据由极性判别电路判别出的上述DC输入端子的极性来控制构成上述双向开关元件的两个开关元件的接通定时。
在本发明中，优选的是，具有连接于上述DC输入端子的极性判别电路，根据由极性判别电路判别出的上述DC输入端子的极性来控制上述开关元件的接通或断开。
在本发明中，优选的是，上述双向开关元件是具有使用了GaN/AlGaN的横向晶体管结构的双向开关元件。
发明的效果
根据本发明的DC/DC转换器，无论是以正向连接的方式还是以反向连接的方式连接了DC电源，都能够使适当的电流流过变压器的初级侧，能够不产生电压损耗地进行动作。
附图说明
图1是基于本发明的一个实施方式的半桥方式的DC/DC转换器的电路图。
图2是表示该DC/DC转换器的动作例的时序图。
图3是表示该DC/DC转换器的另一动作例的时序图。
图4是表示该DC/DC转换器的又一动作例的时序图。
图5是基于上述实施方式的变形例的全桥方式的DC/DC转换器的电路图。
图6是表示该DC/DC转换器的动作例的时序图。
图7是表示该DC/DC转换器的另一动作例的时序图。
图8是表示该DC/DC转换器的又一动作例的时序图。
图9是基于上述实施方式的另一变形例的推挽方式的DC/DC转换器的电路图。
图10是表示该DC/DC转换器的动作例的时序图。
图11是表示该DC/DC转换器的另一动作例的时序图。
图12是表示该DC/DC转换器的又一动作例的时序图。
图13是基于上述实施方式的又一变形例的复谐振方式的DC/DC转换器的电路图。
图14是表示该DC/DC转换器的动作例的时序图。
图15是表示该DC/DC转换器的另一动作例的时序图。
图16是基于上述实施方式的又一变形例的单管正激(一石フォワード)方式的DC/DC转换器的电路图。
图17是表示该DC/DC转换器的动作例的时序图。
图18是表示该DC/DC转换器的另一动作例的时序图。
图19是基于上述实施方式的又一变形例的单管反激(一石フライバック)方式的DC/DC转换器的电路图。
图20是表示该DC/DC转换器的动作例的时序图。
图21是表示该DC/DC转换器的另一动作例的时序图。
图22是基于上述实施方式的又一变形例的具备极性判别电路等的DC/DC转换器的电路图。
图23是表示双向开关元件(单栅极)的结构的平面图。
图24是图23中的范围A的放大图。
图25是图23中的XXV-XXV截面图。
图26是表示双向开关元件(双栅极)的结构的平面图。
图27是图26中的XXVII-XXVII截面图。
图28是表示以往的DC/DC转换器中的DC电源的反向连接对策的电路图。
具体实施方式
下面，参照形成本说明书的一部分的附图来更详细地说明本发明的实施方式。在所有附图中对同一或类似的部分附加同一参照标记并省略说明。
(第一实施方式)
参照附图来说明基于本发明的一个实施方式的DC/DC转换器。DC/DC转换器例如嵌入于笔记本型PC的内部，将直流电压转换为与其不同的直流电压后供给至PC的各部。图1表示半桥方式的DC/DC转换器的电路结构。DC/DC转换器1具有：被输入DC电源11的一对DC输入端子2a、2b；初级侧连接有DC输入端子2a、2b的变压器3；位于变压器3的初级侧的一对双向开关元件4、5和一对电容器C1、C2。由变压器3和双向开关元件4、5在变压器3的初级侧形成半桥电路。双向开关元件4具有开关元件Q1、Q2。双向开关元件5具有Q3、Q4。变压器3的次级侧连接有负载12，由变压器3转换后平滑化而得到的直流电压施加到负载12。
在DC输入端子2a、2b上连接DC电源11。下面，将以图1中A所表示的极性将DC电源11连接在DC输入端子2a、2b上的情况设为正向连接，将以B所表示的极性将DC电源11连接在DC输入端子2a、2b上的情况设为反向连接。在本DC/DC转换器1中，无论是以正向连接的方式还是以反向连接的方式连接了DC电源11，都能够如以下所说明的那样通过双向开关元件4、5使适当的电流流过变压器3的初级侧。
图2表示构成双向开关元件4、5的开关元件Q1、Q2、Q3、Q4的开闭定时(各开关元件的栅极电压)的一例。关于开关元件Q1、Q2、Q3、Q4，从针对每个元件设置的驱动电路输出的驱动信号被输入到各开关元件的栅极，各开关元件进行接通/断开动作。驱动电路根据从控制电路输入的控制信号输出驱动信号。
在图2中，(a)表示在如图1中A所示那样将DC电源11正向连接的情况下的开关元件Q1、Q2、Q3、Q4的开闭定时。构成双向开关元件4的开关元件Q1、Q2以相同的定时重复接通/断开。另一方面，构成双向开关元件5的开关元件Q3、Q4以相同的定时重复接通/断开。双向开关元件4与双向开关元件5交替地重复接通/断开。即，在开关元件Q1、Q2断开的期间，开关元件Q3、Q4接通，在开关元件Q3、Q4断开的期间，开关元件Q1、Q2接通。当开关元件Q1、Q2接通而开关元件Q3、Q4断开时，通过被充入电容器C1中的电荷，电流依次流过双向开关元件4、变压器3的初级侧。当开关元件Q1、Q2断开而开关元件Q3、Q4接通时，通过被充入电容器C2中的电荷，电流依次流过变压器3的初级侧、双向开关元件5。通过这样重复，在变压器3的初级侧交替地流动方向不同的电流。
在图2中，(b)表示在如图1中B所示那样将DC电源11反向连接的情况下的开关元件Q1、Q2、Q3、Q4的开闭定时。在这种情况下，构成双向开关元件4、5的开关元件Q1、Q2、Q3、Q4也同样重复接通/断开。即，当开关元件Q3、Q4接通而开关元件Q1、Q2断开时，通过被充入电容器C2中的电荷，电流依次流过双向开关元件5、变压器3的初级侧。当开关元件Q3、Q4断开而开关元件Q1、Q2接通时，通过被充入电容器C1中的电荷，电流依次流过变压器3的初级侧、双向开关元件4。通过这样重复，在变压器3的初级侧交替地流动方向不同的电流。
根据DC/DC转换器1，通过如图2所示那样驱动双向开关元件4、5，无论是以正向连接的方式还是以反向连接的方式连接了DC电源11，都能够使适当的电流流过变压器3的初级侧。由此，能够废除图28的(a)至(c)所示的输入部的二极管。
另外，当构成双向开关元件4的开关元件Q1、Q2接通时，电流会流过任一个构成开关元件Q1、Q2的FET。同样地，当构成双向开关元件5的开关元件Q3、Q4接通时，电流会流过任一个构成开关元件Q3、Q4的FET。但是，由于FET的导通电阻小于构成图28的(c)所示的桥电路的二极管的电阻，因此能够抑制电压损耗。
图3表示构成双向开关元件4、5的开关元件Q1、Q2、Q3、Q4的开闭定时的另一例子。在本动作例中，根据DC电源11进行了正向连接方式的连接还是反向连接方式的连接，开关元件Q1、Q2、Q3、Q4的开闭定时不同，因此另外设置有极性判别电路(参照图22)。
在图3中，(a)表示在如图1中A所示那样将DC电源11正向连接的情况下的开关元件Q1、Q2、Q3、Q4的开闭定时。在本动作例中，为了吸收开关元件Q4关断(turn off)时的浪涌电压，使连接于绕组的反方向侧的开关元件Q2的体二极管(body diode)导通。因此，为了使Q1的接通定时与Q4的断开定时为同时，使Q1的接通定时以比Q2的接通定时提早的方式与Q2的接通定时错开。另外，同样地，为了使Q3的接通定时与Q2的断开定时为同时，使Q3的接通定时以比Q4的接通定时提早的方式与Q4的接通定时错开。
在图3中，(b)表示在如图1中B所示那样将DC电源11反向连接的情况下的开关元件Q1、Q2、Q3、Q4的开闭定时。在本动作例中，为了使Q2的接通定时与Q3的断开定时为同时，使Q2的接通定时以比Q1的接通定时提早的方式与Q1的接通定时错开。另外，同样地，为了使Q4的接通定时与Q1的断开定时为同时，使Q4的接通定时以比Q3的接通定时提早的方式与Q3的接通定时错开。
根据本动作例，无论是以正向连接的方式还是以反向连接的方式连接了DC电源11，都能够保护开关元件免受关断时的浪涌电压的影响。
图4表示构成双向开关元件4、5的开关元件Q1、Q2、Q3、Q4的开闭定时的又一例子。在本动作例中，根据DC电源11进行了正向连接方式的连接还是反向连接方式的连接，开关元件Q1、Q2、Q3、Q4的开闭定时不同，因此另外设置有极性判别电路(参照图22)。
在图4中，(a)表示在如图1中A所示那样将DC电源11正向连接的情况下的开关元件Q1、Q2、Q3、Q4的开闭定时。在本动作例中，使开关元件Q1、Q3始终处于接通状态。与图2的(a)同样地，当开关元件Q2接通而开关元件Q4断开时，通过被充入电容器C1中的电荷，电流依次流过双向开关元件4、变压器3的初级侧。当开关元件Q2断开而开关元件Q4接通时，通过被充入电容器C2中的电荷，电流依次流过变压器3的初级侧、双向开关元件5。通过这样重复，在变压器3的初级侧交替地流动方向不同的电流。
在图4中，(b)表示在如图1中B所示那样将DC电源11反向连接的情况下的开关元件Q1、Q2、Q3、Q4的开闭定时。在本动作例中，使开关元件Q2、Q4始终处于接通状态。与图2的(b)同样地，当开关元件Q3接通而开关元件Q1断开时，通过被充入电容器C2中的电荷，电流依次流过双向开关元件5、变压器3的初级侧。当开关元件Q3断开而开关元件Q1接通时，通过被充入电容器C1中的电荷，电流依次流过变压器3的初级侧、双向开关元件4。
根据本动作例，使构成双向开关元件4的开关元件Q1、Q2中的任一方和构成双向开关元件5的开关元件Q3、Q4中的任一方始终处于接通状态。因而，虽然控制双向开关元件4、5时的损失增加，但是能够使控制变得简单，能够实现控制电路的成本下降。
(变形例)
图5作为DC/DC转换器的电路结构的变形例示出了全桥方式的DC/DC转换器。该DC/DC转换器1具有一对DC输入端子2a、2b、变压器3、位于变压器3的初级侧的两对双向开关元件4、5、6、7以及电容器C3。由变压器3和双向开关元件4、5、6、7在变压器3的初级侧形成全桥电路。双向开关元件4具有开关元件Q1、Q2。双向开关元件5具有Q3、Q4。双向开关元件6具有开关元件Q5、Q6。双向开关元件7具有Q7、Q8。变压器3的次级侧连接有负载12，由变压器3转换后平滑化而得到的直流电压施加到负载12。
图6表示在图5的DC/DC转换器1中构成双向开关元件4、5、6、7的开关元件Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8的开闭定时的一例。
在图6中，(a)表示在图5的DC/DC转换器1中如图1中A所示那样将DC电源11正向连接的情况下的开关元件Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8的开闭定时。构成双向开关元件4、7的开关元件Q1、Q2、Q7、Q8以相同的定时重复接通/断开。另一方面，构成双向开关元件5、6的开关元件Q3、Q4、Q5、Q6以相同的定时重复接通/断开。即，双向开关元件4与双向开关元件7以相同的定时重复接通/断开。同样地，双向开关元件5与双向开关元件6以相同的定时重复接通/断开。另外，双向开关元件4与双向开关元件5交替地重复接通/断开。同样地，双向开关元件6与双向开关元件7交替地重复接通/断开。
即，在开关元件Q1、Q2、Q7、Q8断开的期间，开关元件Q3、Q4、Q5、Q6接通，在开关元件Q3、Q4、Q5、Q6断开的期间，开关元件Q1、Q2、Q7、Q8接通。当开关元件Q1、Q2、Q7、Q8接通而开关元件Q3、Q4、Q5、Q6断开时，电流从DC电源11依次流过双向开关元件4、变压器3的初级侧、双向开关元件7、DC电源11。当开关元件Q1、Q2、Q7、Q8断开而开关元件Q3、Q4、Q5、Q6接通时，电流从DC电源11依次流过双向开关元件6、变压器3的初级侧、双向开关元件5、DC电源11。通过这样重复，在变压器3的初级侧交替地流动方向不同的电流。
在图6中，(b)表示在图5的DC/DC转换器1中如图1中B所示那样将DC电源11反向连接的情况下的开关元件Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8的开闭定时。在这种情况下，构成双向开关元件4、5、6、7的开关元件Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8也同样地重复接通/断开。即，当开关元件Q3、Q4、Q5、Q6接通而开关元件Q1、Q2、Q7、Q8断开时，电流从DC电源11依次流过双向开关元件5、变压器3的初级侧、双向开关元件6、DC电源11。当开关元件Q3、Q4、Q5、Q6断开而开关元件Q1、Q2、Q7、Q8接通时，电流从DC电源11依次流过双向开关元件7、变压器3的初级侧、双向开关元件4、DC电源11。通过这样重复，在变压器3的初级侧交替地流动方向不同的电流。
根据本变形例的DC/DC转换器1，通过如图6所示那样驱动双向开关元件4、5、6、7，无论以正向连接的方式还是以反向连接的方式连接了DC电源11，都能够使适当的电流流过变压器3的初级侧。由此，能够废除图28的(a)至(c)所示的输入部的二极管。另外，与图1所示的DC/DC转换器1同样地，由于FET的导通电阻小于构成图28的(c)所示的桥电路的二极管的电阻，因此能够抑制电压损耗。另外，通过全桥电路的结构，DC电源11的电压几乎原样施加到变压器3的初级侧，因此能够提高变压器3的效率。
图7表示在图5的DC/DC转换器1中构成双向开关元件4、5、6、7的开关元件Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8的开闭定时的另一例子。在本动作例中，根据DC电源11进行了正向连接方式的连接还是反向连接方式的连接，开关元件Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8的开闭定时不同，因此另外设置有极性判别电路(参照图22)。
在图7中，(a)表示在图5的DC/DC转换器1中如图1中A所示那样将DC电源11正向连接的情况下的开关元件Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8的开闭定时。在本动作例中，与图3的(a)同样地，为了使Q1、Q7的接通定时与Q4、Q6的断开定时为同时，使Q1、Q7的接通定时以比Q2、Q8的接通定时提早的方式与Q2、Q8的接通定时错开。另外，为了使Q3、Q5的接通定时与Q2、Q8的断开定时为同时，使Q3、Q5的接通定时以比Q4、Q6的接通定时提早的方式与Q4、Q6的接通定时错开。
在图7中，(b)表示在图5的DC/DC转换器1中如图1中B所示那样将DC电源11反向连接的情况下的开关元件Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8的开闭定时。在本动作例中，为了使Q2、Q8的接通定时与Q3、Q5的断开定时为同时，使Q2、Q8的接通定时以比Q1、Q7的接通定时提早的方式与Q1、Q7的接通定时错开。另外，同样地，为了使Q4、Q6的接通定时与Q1、Q7的断开定时为同时，使Q4、Q6的接通定时以比Q3、Q5的接通定时提早的方式与Q3、Q5的接通定时错开。
根据本动作例，无论是以正向连接的方式还是以反向连接的方式连接了DC电源11，都能够保护开关元件免受关断时的浪涌电压的影响。
图8表示在图5的DC/DC转换器1中构成双向开关元件4、5、6、7的开关元件Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8的开闭定时的又一例子。在本动作例中，根据DC电源11进行了正向连接方式的连接还是反向连接方式的连接，开关元件Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8的开闭定时不同，因此另外设置有极性判别电路(参照图22)。
在图8中，(a)表示在图5的DC/DC转换器1中如图1中A所示那样将DC电源11正向连接的情况下的开关元件Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8的开闭定时。在本动作例中，与图6的(a)同样地，使开关元件Q1、Q3、Q5、Q7始终处于接通状态。当开关元件Q2、Q8接通而开关元件Q4、Q6断开时，电流从DC电源11依次流过双向开关元件4、变压器3的初级侧、双向开关元件7、DC电源11。当开关元件Q2、Q8断开而开关元件Q4、Q6接通时，电流从DC电源11依次流过双向开关元件6、变压器3的初级侧、双向开关元件5、DC电源11。通过这样重复，在变压器3的初级侧交替地流动方向不同的电流。
在图8中，(b)表示在图5的DC/DC转换器1中如图1中B所示那样将DC电源11反向连接的情况下的开关元件Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8的开闭定时。在本动作例中，使开关元件Q2、Q4、Q6、Q8始终处于接通状态。与图6的(b)同样地，当开关元件Q3、Q5接通而开关元件Q1、Q7断开时，电流从DC电源11依次流过双向开关元件5、变压器3的初级侧、双向开关元件6、DC电源11。当开关元件Q3、Q5断开而开关元件Q1、Q7接通时，电流从DC电源11依次流过双向开关元件7、变压器3的初级侧、双向开关元件4、DC电源11。通过这样重复，在变压器3的初级侧交替地流动方向不同的电流。
根据本动作例，使构成双向开关元件4的开关元件Q1、Q2中的任一方和构成双向开关元件5的开关元件Q3、Q4中的任一方始终处于接通状态。与此同时，使构成双向开关元件6的开关元件Q5、Q6中的任一方和构成双向开关元件7的开关元件Q7、Q8中的任一方始终处于接通状态。因而，虽然控制双向开关元件4、5、6、7时的损失增加，但是能够使控制变得简单，能够实现控制电路的成本下降。
(变形例)
图9作为DC/DC转换器的电路结构的变形例示出了推挽(push pull)方式的DC/DC转换器。该DC/DC转换器1具有一对DC输入端子2a、2b、变压器3、位于变压器3的初级侧的一对双向开关元件4、5以及电容器C4。由变压器3和双向开关元件4、5在变压器3的初级侧形成推挽电路。双向开关元件4具有开关元件Q1、Q2。双向开关元件5具有Q3、Q4。变压器3的次级侧连接有负载12，并根据需要连接有平滑用的线圈，由变压器3转换后平滑化而得到的直流电压施加到负载12。
图10表示在图9的DC/DC转换器1中构成双向开关元件4、5的开关元件Q1、Q2、Q3、Q4的开闭定时的一例。
在图10中，(a)表示在图9的DC/DC转换器1中如图1中A所示那样将DC电源11正向连接的情况下的开关元件Q1、Q2、Q3、Q4的开闭定时。构成双向开关元件4的开关元件Q1、Q2以相同的定时重复接通/断开。另一方面，构成双向开关元件5的开关元件Q3、Q4以相同的定时重复接通/断开。双向开关元件4与双向开关元件5交替地重复接通/断开。即，在开关元件Q1、Q2断开的期间，开关元件Q3、Q4接通，在开关元件Q3、Q4断开的期间，开关元件Q1、Q2接通。当开关元件Q1、Q2接通而开关元件Q3、Q4断开时，电流从DC电源11依次流过变压器3的初级侧N11绕组、双向开关元件4、DC电源11。当开关元件Q1、Q2断开而开关元件Q3、Q4接通时，电流从DC电源11依次流过变压器3的初级侧N12绕组、双向开关元件5、DC电源11。通过这样重复，在变压器3的初级侧交替地流动方向不同的电流。
在图10中，(b)表示在图9的DC/DC转换器1中如图1中B所示那样将DC电源11反向连接的情况下的开关元件Q1、Q2、Q3、Q4的开闭定时。在这种情况下，构成双向开关元件4、5的开关元件Q1、Q2、Q3、Q4也同样地重复接通/断开。即，当开关元件Q3、Q4接通而开关元件Q1、Q2断开时，电流从DC电源11依次流过双向开关元件5、变压器3的初级侧N12绕组、DC电源11。当开关元件Q3、Q4断开而开关元件Q1、Q2接通时，电流从DC电源11依次流过双向开关元件4、变压器3的初级侧N11绕组、DC电源11。通过这样重复，在变压器3的初级侧交替地流动方向不同的电流。
根据本变形例的DC/DC转换器1，通过如图10所示那样驱动双向开关元件4、5，无论是以正向连接的方式还是以反向连接的方式连接了DC电源11，都能够使适当的电流流过变压器3的初级侧。由此，能够废除图28的(a)至(c)所示的输入部的二极管。另外，与图1所示的DC/DC转换器1同样地，由于FET的导通电阻小于构成图28的(c)所示的桥电路的二极管的电阻，因此能够抑制电压损耗。
图11表示在图9的DC/DC转换器1中构成双向开关元件4、5的开关元件Q1、Q2、Q3、Q4的开闭定时的另一例子。在本动作例中，根据DC电源11进行了正向连接方式的连接还是反向连接方式的连接，开关元件Q1、Q2、Q3、Q4的开闭定时不同，因此另外设置有极性判别电路(参照图22)。
在图11中，(a)表示在图9的DC/DC转换器1中如图1中A所示那样将DC电源11正向连接的情况下的开关元件Q1、Q2、Q3、Q4的开闭定时。在本动作例中，为了吸收开关元件Q4关断时的浪涌电压，使连接于绕组的反方向侧的开关元件Q2的体二极管导通。因此，为了使Q1的接通定时与Q4的断开定时为同时，使Q1的接通定时以比Q2的接通定时提早的方式与Q2的接通定时错开。另外，同样地为了使Q3的接通定时与Q2的断开定时为同时，使Q3的接通定时以比Q4的接通定时提早的方式与Q4的接通定时错开。
在图11中，(b)表示在图9的DC/DC转换器1中如图1中B所示那样将DC电源11反向连接的情况下的开关元件Q1、Q2、Q3、Q4的开闭定时。在本动作例中，为了使Q2的接通定时与Q3的断开定时为同时，使Q2的接通定时以比Q1的接通定时提早的方式与Q1的接通定时错开。另外，同样地为了使Q4的接通定时与Q1的断开定时为同时，使Q4的接通定时以比Q3的接通定时提早的方式与Q3的接通定时错开。
根据本动作例，无论是以正向连接的方式还是以反向连接的方式连接了DC电源11，都能够保护开关元件免受关断时的浪涌电压的影响。
图12是表示在图9的DC/DC转换器1中构成双向开关元件4、5的开关元件Q1、Q2、Q3、Q4的开闭定时的又一例子。在本动作例中，根据DC电源11进行了正向连接方式的连接还是反向连接方式的连接，开关元件Q1、Q2、Q3、Q4的开闭定时不同，因此另外设置有极性判别电路(参照图22)。
在图12中，(a)表示在图9的DC/DC转换器1中如图1中A所示那样将DC电源11正向连接的情况下的开关元件Q1、Q2、Q3、Q4的开闭定时。在本动作例中，使开关元件Q1、Q3始终处于接通状态。与图10的(a)同样地，当开关元件Q2接通而开关元件Q4断开时，电流从DC电源11依次流过变压器3的初级侧N11绕组、双向开关元件4、DC电源11。当开关元件Q2断开而开关元件Q4接通时，电流从DC电源11依次流过变压器3的初级侧N12绕组、双向开关元件5、DC电源11。通过这样重复，在变压器3的初级侧交替地流动方向不同的电流。
在图12中，(b)表示在图9的DC/DC转换器1中如图1中B所示那样将DC电源11反向连接的情况下的开关元件Q1、Q2、Q3、Q4的开闭定时。在本动作例中，使开关元件Q2、Q4始终处于接通状态。与图10的(b)同样地，当开关元件Q3接通而开关元件Q1断开时，电流从DC电源11依次流过双向开关元件5、变压器3的初级侧N12绕组、DC电源11。当开关元件Q3断开而开关元件Q1接通时，电流从DC电源11依次流过双向开关元件4、变压器3的初级侧N11绕组、DC电源11。通过这样重复，在变压器3的初级侧交替地流动方向不同的电流。
根据本动作例，使构成双向开关元件4的开关元件Q1、Q2中的任一方和构成双向开关元件5的开关元件Q3、Q4中的任一方始终处于接通状态。因而，虽然控制双向开关元件4、5时的损失增加，但是能够使控制变得简单，能够实现控制电路的成本下降。
(变形例)
图13作为DC/DC转换器的电路结构的变形例示出了复谐振方式的DC/DC转换器。该DC/DC转换器1具有一对DC输入端子2a、2b、变压器3、位于变压器3的初级侧的一对双向开关元件4、5、电容器C5、C6以及线圈L。由变压器3、双向开关元件4、5、电容器C6以及线圈L在变压器3的初级侧形成复谐振电路。双向开关元件4具有开关元件Q1、Q2。双向开关元件5具有Q3、Q4。变压器3的次级侧连接有负载12，由变压器3转换后平滑化而得到的直流电压施加到负载12。
图14表示在图13的DC/DC转换器1中构成双向开关元件4、5的开关元件Q1、Q2、Q3、Q4的开闭定时的一例。根据DC电源11进行了正向连接方式的连接还是反向连接方式的连接，开关元件Q1、Q2、Q3、Q4的开闭定时不同，因此DC/DC转换器1中另外设置有极性判别电路(参照图22)。
在图14中，(a)表示在图13的DC/DC转换器1中如图1中A所示那样将DC电源11正向连接的情况下的开关元件Q1、Q2、Q3、Q4的开闭定时。当开关元件Q1、Q2接通而开关元件Q3、Q4断开时，电流从DC电源11依次流过双向开关元件4、变压器3的初级侧，电荷充入电容器C6中。当开关元件Q1、Q2断开而开关元件Q3、Q4接通时，电流从电容器C6依次流过变压器3的初级侧、双向开关元件5。通过这样重复，在变压器3的初级侧交替地流动方向不同的电流。在本变形例中，也与图3的(a)所示的动作同样地，为了使再生电流流动，使Q1的接通定时以比Q2的接通定时提早的方式与Q2的接通定时错开，以使Q1的接通定时与Q4的断开定时为同时。另外，同样地为了使Q3的接通定时与Q2的断开定时为同时，使Q3的接通定时以比Q4的接通定时提早的方式与Q4的接通定时错开。
在图14中，(b)表示在图13的DC/DC转换器1中如图1中B所示那样将DC电源11反向连接的情况下的开关元件Q1、Q2、Q3、Q4的开闭定时。当开关元件Q3、Q4断开而开关元件Q1、Q2接通时，电流依次流过变压器3的初级侧、双向开关元件4，电荷充入电容器C6中。当开关元件Q3、Q4接通而开关元件Q1、Q2断开时，电流从电容器C6依次流过双向开关元件5、变压器3的初级侧。通过这样重复，在变压器3的初级侧交替地流动方向不同的电流。在本变形例中，也为了使再生电流流动，与图3的(b)所示的动作同样地，使Q2的接通定时以比Q1的接通定时提早的方式与Q1的接通定时错开，以使Q2的接通定时与Q3的断开定时为同时。另外，同样地为了使Q4的接通定时与Q1的断开定时为同时，使Q4的接通定时以比Q3的接通定时提早的方式与Q3的接通定时错开。
根据本变形例的DC/DC转换器1，通过如图14所示那样驱动双向开关元件4、5，无论是以正向连接的方式还是以反向连接的方式连接了DC电源11，都能够使适当的电流流过变压器3的初级侧。由此，能够废除图28的(a)至(c)所示的输入部的二极管。另外，与图1所示的DC/DC转换器1同样地，由于FET的导通电阻小于构成图28的(c)所示的桥电路的二极管的电阻，因此能够抑制电压损耗。另外，能够通过复谐振电路的谐振现象使开关元件以软开关方式进行动作，从而能够抑制噪声，并且能够实现开关损失的降低。
图15表示在图13的DC/DC转换器1中构成双向开关元件4、5的开关元件Q1、Q2、Q3、Q4的开闭定时的又一例子。在本动作例中，根据DC电源11进行了正向连接方式的连接还是反向连接方式的连接，开关元件Q1、Q2、Q3、Q4的开闭定时不同，因此另外设置有极性判别电路(参照图22)。
在图15中，(a)表示在图13的DC/DC转换器1中如图1中A所示那样将DC电源11正向连接的情况下的开关元件Q1、Q2、Q3、Q4的开闭定时。在本动作例中，使开关元件Q1、Q3始终处于接通状态。在图15中，(b)表示在图13的DC/DC转换器1中如图1中B所示那样将DC电源11反向连接的情况下的开关元件Q1、Q2、Q3、Q4的开闭定时。在本动作例中，使开关元件Q2、Q4始终处于接通状态。无论是哪种情况下的DC/DC转换器1的动作，都与图14相同，因此省略说明。
根据本动作例，使构成双向开关元件4的开关元件Q1、Q2中的任一方和构成双向开关元件5的开关元件Q3、Q4中的任一方始终处于接通状态。因而，虽然控制双向开关元件4、5时的损失增加，但是能够使控制变得简单，能够实现控制电路的成本下降。
(变形例)
图16作为DC/DC转换器的电路结构的变形例示出了单管正激方式的DC/DC转换器。该DC/DC转换器1具有一对DC输入端子2a、2b、变压器3、位于变压器3的初级侧的一个双向开关元件4、电容器C7以及位于变压器3的次级侧的开关元件Q3、Q4。
图17表示在图16的DC/DC转换器1中开关元件Q3、Q4以及构成双向开关元件4的开关元件Q1、Q2的开闭定时的一例。根据DC电源11进行了正向连接方式的连接还是反向连接方式的连接，开关元件Q1、Q2、Q3、Q4的开闭定时不同，因此DC/DC转换器1中另外设置有极性判别电路(参照图22)。
在图17中，(a)表示在图16的DC/DC转换器1中如图1中A所示那样将DC电源11正向连接的情况下的开关元件Q1、Q2、Q3、Q4的开闭定时。在本动作例中，使变压器3的初级侧的开关元件Q1、Q2同时接通/断开。另外，使变压器3的次级侧的开关元件Q3始终接通，并且使开关元件Q4始终断开来使反激侧的次级侧N22绕组为开路状态，由此能够进行正激动作。
在图17中，(b)表示在图16的DC/DC转换器1中如图1中B所示那样将DC电源11反向连接的情况下的开关元件Q1、Q2、Q3、Q4的开闭定时。在本动作例中，也使变压器3的初级侧的开关元件Q1、Q2同时接通/断开。另外，使变压器3的次级侧的开关元件Q4始终接通，并且使开关元件Q3始终断开来使反激侧的次级侧N21绕组为开路状态，由此能够进行正激动作。
根据本变形例的DC/DC转换器1，通过如图17所示那样驱动双向开关元件4，无论是以正向连接的方式还是以反向连接的方式连接了DC电源11，都能够使适当的电流流过变压器3的初级侧。由此，能够废除图28的(a)至(c)所示的输入部的二极管。另外，与图1所示的DC/DC转换器1同样地，由于FET的导通电阻小于构成图28的(c)所示的桥电路的二极管的电阻，因此能够抑制电压损耗。
图18表示在图16的DC/DC转换器1中开关元件Q3、Q4以及构成双向开关元件4的开关元件Q1、Q2的开闭定时的又一例子。在本动作例中，也根据DC电源11进行了正向连接方式的连接还是反向连接方式的连接，开关元件Q1、Q2、Q3、Q4的开闭定时不同，因此另外设置有极性判别电路(参照图22)。
在图18中，(a)表示在图16的DC/DC转换器1中如图1中A所示那样将DC电源11正向连接的情况下的开关元件Q1、Q2、Q3、Q4的开闭定时。在本动作例中，使变压器3的初级侧的开关元件Q1始终处于接通状态。另外，使变压器3的次级侧的开关元件Q3始终接通，并且使开关元件Q4始终断开来使反激侧的次级侧N22绕组为开路状态，由此能够进行正激动作。
在图18中，(b)表示在图16的DC/DC转换器1中如图1中B所示那样将DC电源11反向连接的情况下的开关元件Q1、Q2、Q3、Q4的开闭定时。在本动作例中，使变压器3的初级侧的开关元件Q2始终处于接通状态。另外，使变压器3的次级侧的开关元件Q3始终断开，并且使开关元件Q4始终接通，来使反激侧的次级侧N21绕组为开路状态，由此能够进行正激动作。
根据本动作例，使构成双向开关元件4的开关元件Q1或Q2中的任一方始终处于接通状态。因而，虽然控制双向开关元件4时的损失增加，但是能够使控制变得简单，能够实现控制电路的成本下降。
(变形例)
图19作为DC/DC转换器的电路结构的变形例示出单管反激方式的DC/DC转换器。该DC/DC转换器1具有一对DC输入端子2a、2b、变压器3、位于变压器3的初级侧的一个双向开关元件4以及电容器C7。在图19所示的结构的DC/DC转换器1中，以下面的式子来表示正激侧的输出电压Vfw和反激输出电压Vfb。
Vfw=(N21/N11)×Vin
Vfb=(N21/N11)×(Ton/Toff)×Vin
N11：变压器的初级侧的匝数
N21=N22：变压器的次级侧的匝数
Ton：开关元件Q1、Q2的接通时间
Toff：开关元件Q1、Q2的断开时间
Vin：输入电压
根据两个式子，当在Ton>Toff下进行动作时，为Vfb>Vfw，能够进行反激动作。
图20表示本变形例中的构成双向开关元件4的开关元件Q1、Q2的开闭定时的一例。在本变形例中，使变压器3的初级侧的开关元件Q1、Q2同时接通/断开。另外，被设定成开关元件Q1、Q2的接通时间Ton比断开时间Toff长。此外，在图20所示的动作例中，无论是以正向连接的方式还是以反向连接的方式连接了DC电源11，都能够进行正常的动作，因此不需要极性判别电路。
根据本变形例的DC/DC转换器1，通过如图20所示那样驱动双向开关元件4，无论是以正向连接的方式还是以反向连接的方式连接了DC电源11，都能够进行正常的动作。由此，能够废除图28的(a)至(c)所示的输入部的二极管。另外，与图1所示的DC/DC转换器1同样地，由于FET的导通电阻小于构成图28的(c)所示的桥电路的二极管的电阻，因此能够抑制电压损耗。
图21表示在图19的DC/DC转换器1中构成双向开关元件4的开关元件Q1、Q2的开闭定时的又一例子。在本动作例中，根据DC电源11进行了正向连接方式的连接还是反向连接方式的连接，开关元件Q1、Q2的开闭定时不同，因此另外设置有极性判别电路(参照图22)。
在图21中，(a)表示在图19的DC/DC转换器1中如图1中A所示那样将DC电源11正向连接的情况下的开关元件Q1、Q2的开闭定时。在本动作例中，使变压器3的初级侧的开关元件Q1始终处于接通状态。在图21中，(b)表示在图19的DC/DC转换器1中如图1中B所示那样将DC电源11反向连接的情况下的开关元件Q1、Q2的开闭定时。在本动作例中，使变压器3的初级侧的开关元件Q2始终处于接通状态。
根据本动作例，使构成双向开关元件4的开关元件Q1和Q2中的任一方始终处于接通状态。因而，虽然控制双向开关元件4时的损失增加，但是能够使控制变得简单，能够实现控制电路的成本下降。
(变形例)
图22表示图1所示的半桥方式的DC/DC转换器的变形例。该DC/DC转换器1相对于图1的DC/DC转换器还具有输入极性判别电路8等。输入极性判别电路8判别DC输入端子的极性。控制电路9根据由极性判别电路判别出的DC输入端子的极性来向驱动电路10输出控制信号以控制驱动电路10。针对每个构成双向开关元件4、5的开关元件Q1、Q2、Q3、Q4设置有驱动电路10，该驱动电路10根据从控制电路9输出的控制信号来驱动开关元件Q1、Q2、Q3、Q4的栅极。在图3、图4所示的动作例中，根据DC电源11进行了正向连接方式的连接还是反向连接方式的连接，开关元件Q1、Q2、Q3、Q4的开闭定时不同。因而，具有极性判别电路8、控制电路9、驱动电路10的本DC/DC转换器1适合。此外，也可以将与极性判别电路8、控制电路9、驱动电路10相当的结构应用于图5、图9、图13、图16、图19所示的DC/DC转换器1。
图23至图27示出了能够应用于构成本实施方式的DC/DC转换器1的双向开关元件4、5、6、7的、具有横向晶体管结构的双向开关元件100。具有使用了GaN/AlGaN的横向晶体管结构的双向开关元件具有以下的优点：不存在由二极管结构引起的损失，与FET相比损失低，且能够实现控制电路的一体化。下面，说明具有使用了GaN/AlGaN的横向晶体管结构的双向开关元件100的详情。
图23是表示双向开关元件100的结构的平面图，图24是范围A的放大图，图25是XXV-XXV截面图。此外，该双向开关元件100由于在两个电极D1和D2之间只设置有一个栅极G而被称为单栅极(single gate)型。
如图25所示，双向开关元件100的基板101由导体层101a以及层叠在导体层101a之上的GaN层101b和AlGaN层101c构成。在本实施方式中，将在AlGaN/GaN异质界面上产生的二维电子气层用作沟道层。如图23所示，在基板101的表面101d上，形成有与直流电源2及负载3分别串联连接的第一电极D1和第二电极D2、以及相对于第一电极D1的电位和第二电极D2的电位成为中间电位的中间电位部S。并且，在中间电位部S之上层叠形成有控制电极(栅极)G。例如将肖特基电极用作控制电极G。第一电极D1和第二电极D2为具有彼此相互平行地排列的多个电极部111、112、113…和121、122、123…的梳齿状，被配置成以梳齿状排列的电极部彼此相互相向。中间电位部S和控制电极G分别配置在以梳齿状排列的电极部111、112、113…和121、122、123…之间，具有与形成在电极部之间的空间的平面形状相似的形状(大致呈鱼脊骨状)。
接着，说明构成双向开关元件100的横向的晶体管结构。如图24所示，第一电极D1的电极部111与第二电极D2的电极部121被排列成它们的宽度方向上的中心线位于同一条线上。另外，中间电位部S和控制电极G被设置成分别与第一电极D1的电极部111和第二电极D2的电极部121的排列平行。上述宽度方向上的第一电极D1的电极部111和第二电极D2的电极部121与中间电位部S及控制电极G之间的距离被设定为能够维持规定的耐电压的距离。在与上述宽度方向正交的方向、即第一电极D1的电极部111和第二电极D2的电极部121的长度方向上也是同样的。另外，关于它们的关系对于其它电极部112和122、113…以及123…也是同样的。即，中间电位部S和控制电极G被配置在相对于第一电极D1和第二电极D2能够维持规定的耐电压的位置。
因此，在第一电极D1为高电位侧、第二电极D2为低电位侧的情况下，当双向开关元件100断开时，至少在第一电极D1与控制电极G及中间电位部S之间，电流被可靠地切断(在控制电极(栅极)G的正下方电流被阻止)。另一方面，当双向开关元件100接通时、即向控制电极G施加了规定的阈值以上的电压的信号时，如图中箭头所示那样，电流以第一电极D1(电极部111…)、中间电位部S、第二电极D2(电极部121…)的路径流动。相反的情况下也同样。其结果，即使将施加至控制电极G的信号的阈值电压降低至所需最低限度的水平，也能够使双向开关元件100可靠地接通/断开，能够实现低导通电阻。另外，能够将第一电极D1的电极部111、112、113…和第二电极D2的电极部121、122、123…排列成梳齿状，能够不加大双向开关元件100的芯片尺寸而取出大电流。
图26和图27表示具有使用了GaN/AlGaN的横向晶体管结构的其它双向开关元件300的结构。图26是表示双向开关元件300的结构的平面图，图27是XXVII-XXVII截面图。此外，该双向开关元件300由于在两个电极D1与D2之间设置有两个栅极G1和G2，因此被称为双栅极(dual gate)型。
如图26和图27所示，横向的双栅极晶体管结构的主开关元件300为实现将维持耐压的位置设为一处的损失小的双向元件的结构。即，漏电极D1和D2分别形成为到达GaN层，栅电极G1和G2分别形成在AlGaN层之上。在未对栅电极G1、G2施加电压的状态下，在栅电极G1、G2的正下方的AlGaN/GaN异质界面上产生的二维电子气层中产生电子的空白地带，电流不流动。另一方面，当对栅电极G1、G2施加电压时，从漏电极D1向D2(或者与其相反地)在AlGaN/GaN异质界面电流流动。栅电极G1与G2之间需要耐电压，需要设置一定的距离，但是漏电极D1与栅电极G1之间以及漏电极D2与栅电极G2之间不需要耐电压。因此，漏电极D1与栅电极G1以及漏电极D2与栅电极G2也可以隔着绝缘层In相重叠。此外，该结构的元件需要以漏电极D1、D2的电压为基准来进行控制，需要向两个栅电极G1、G2分别输入驱动信号(因此，称为双栅极晶体管结构)。
此外，本发明并不限于上述实施方式的结构，只要构成为至少具备被输入DC电源的DC输入端子、变压器以及位于变压器的初级侧的双向开关元件即可。另外，本发明能够进行各种变形，例如，并不限于笔记本型PC的电源电路，在元件的耐压所允许的范围内能够应用于大容量的电源电路。
上述的多样的各个实施例能够适当地进行组合。例如，能够将图26所示的双向开关元件应用于图13所示的DC/DC转换器1。
以上，说明了本发明的优选实施方式，但是本发明并不限定于这些特定实施方式，在后述的权利要求书的范围内能够进行各种变更和修正，可以说这些变更和修正也属于本发明的范畴。

Claims (6)

1.一种DC/DC转换器，其特征在于，
具备被输入DC电源的DC输入端子和变压器，在上述变压器的初级侧具备一对或两对的双向开关元件，
各双向开关元件由两个开关元件构成，
使上述两个开关元件中的某一方的开关元件相对于另一方的开关元件错开定时地预先接通，
使上述某一方的开关元件与构成其它双向开关元件的开关元件的断开同时地接通。
2.根据权利要求1所述的DC/DC转换器，其特征在于，
利用一对上述双向开关元件来形成半桥电路。
3.根据权利要求1所述的DC/DC转换器，其特征在于，
利用两对上述双向开关元件来形成全桥电路。
4.根据权利要求1所述的DC/DC转换器，其特征在于，
利用一对上述双向开关元件来形成推挽电路。
5.根据权利要求1所述的DC/DC转换器，其特征在于，
利用一对上述双向开关元件来形成复谐振电路。
6.根据权利要求1所述的DC/DC转换器，其特征在于，
具有连接于上述DC输入端子的极性判别电路，根据由极性判别电路判别出的上述DC输入端子的极性来控制构成上述各双向开关元件的两个开关元件的接通定时。
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