CN103997193A - 整流电路及电源电路 - Google Patents

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大武宽和
北村纪之
高桥雄治
赤星博
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Abstract

本发明提供一种能够高速动作的整流电路及电源电路。根据实施方式，整流电路具备第1二极管、开关元件和第2二极管。第1二极管在第1端子与第2端子之间将从第2端子朝向第1端子的方向作为正向而连接。开关元件具有：与第1端子连接的第1主电极、与第1二极管的负极连接的第2主电极、与第1二极管的正极连接的栅极电极。第2二极管在开关元件的第1主电极与第2主电极之间，将从第1二极管的负极朝向第1端子的方向作为正向而相对于开关元件并联连接。

Description

整流电路及电源电路
技术领域
本发明涉及一种整流电路。
背景技术
以往，提出有将作为常通元件的单极型FET（Field Effect Transistor：场效应管）和二极管进行栅-阴连接的整流电路的方案。该整流电路的开关速度依赖于二极管，元件耐压能力依赖于FET。
当将这种整流电路用于例如进行高速动作的开关电源的续流二极管的情况下，存在因在FET的栅极·源极之间寄生的电容而使变为导通迟缓的情况。
【专利文献】
【专利文献1】日本特开2008-198735号公报
发明内容
根据实施方式提供一种能够高速动作的整流电路。
根据实施方式，整流电路具备第1二极管、开关元件和第2二极管。所述第1二极管在第1端子与第2端子之间将从所述第2端子朝向所述第1端子的方向作为正向而连接。所述开关元件具有：与所述第1端子连接的第1主电极、与所述第1二极管的负极连接的第2主电极、与所述第1二极管的正极连接的栅极电极。所述第2二极管在所述开关元件的所述第1主电极与所述第2主电极之间，将从所述第1二极管的所述负极朝向所述第1端子的方向作为正向而相对于所述开关元件并联连接。
本发明还提供一种电源电路，其具备：电感器；所述的整流电路，其中所述第1端子或所述第2端子与所述电感器连接。
发明效果
根据实施方式，提供一种能够高速动作的整流电路。
附图说明
图1是实施方式的整流电路的电路图。
图2是实施方式的电源电路的电路图。
图3是表示实施方式的电源电路的动作的时序图。
图4是表示实施方式的整流电路的动作的时序图。
图5是实施方式的其他具体例的电源电路的电路图。
图6是实施方式的其他具体例的电源电路的电路图。
图中：
50，50’…整流电路、51…第1端子、52…第2端子、D1…第1二极管、D2…第2二极管、Q1…开关元件
具体实施方式
以下，参照附图对实施方式进行说明。需要说明的是，在各图中，对相同要件标注相同符号。
图1（a）是实施方式的整流电路50的电路图。
实施方式的整流电路50具有连接在第1端子51与第2端子52之间的开关元件Q1和第1二极管D1。开关元件Q1和第1二极管D1在第1端子51和第2端子52之间栅-阴连接。
第1端子51作为整流电路50的负极端子发挥作用，第2端子52作为整流电路50的正极端子发挥作用。
开关元件Q1为单极型FET（Field Effect Transistor），具有作为第1主电极的漏极电极、作为第2主电极的源极电极和栅极电极。
开关元件Q1是未向栅极电极赋予控制电位的状态下导通的常通元件。例如，作为开关元件Q1可以使用采用了比硅带隙更大的材料的HEMT（High Electron Mobility Transistor：高电子迁移率晶体管）。
第1二极管D1将从第2端子52朝向第1端子51的方向作为正向而连接在第1端子51与第2端子52之间。第1二极管D1的正极与第2端子52连接。第1二极管D1的负极与开关元件Q1的源极电极连接。
开关元件Q1的漏极电极与第1端子51连接。开关元件Q1的源极电极与第1二极管D1的负极连接。开关元件Q1的栅极电极与第1二极管D1的正极连接。
另外，整流电路50具有第2二极管D2。第2二极管D2将从第1二极管D1的负极朝向第1端子51的方向作为正向而相对于开关元件Q1并联连接。
第2二极管D2的正极与第1二极管D1的负极及开关元件Q1的源极电极连接。第2二极管D2的负极与开关元件的漏极电极及第1端子51连接。
对于第1二极管D1，当正向电压低时，要求开关速度快。
对于第2二极管D2，要求耐压性。
例如，第1二极管D1为肖特基势垒二极管。例如，第2二极管D2为快恢复二极管。相对于通常的整流二极管的反向恢复时间为数十μsec～100μsec左右，作为快恢复二极管的第2二极管D2的反向恢复时间更短，为例如100nsec以下。
开关元件Q1的栅极电极的阈值电压比第1二极管D1的正向电压更低。开关元件Q1的导通饱和电压比第2二极管D2的正向电压更低。
实施方式的整流电路50例如可以用于电源电路。
图2是使用了实施方式的整流电路50的电源电路的电路图。
在图2中作为电源电路例示了降压型的DC-DC转换器（降压转换器）。
通过将与直流电源10连接的高边开关元件Q2、整流电路50交替导通断开，从而能够向负载输出比来自直流电源10的输入电压更低的电压。
负载为例如发光元件20。发光元件20为例如LED（Light EmittingDiode）。另外，作为发光元件20，除LED以外，可以使用有机发光二极管（Organic Light Emitting Diode：OLED）、无机电致（InorganicElectroLuminescence）发光元件、有机电致（Organic ElectroLuminescence）发光元件、或者其他的场致发光型的发光元件等。
整流电路50的第1端子51与高边开关元件Q2的源极电极连接。另外，整流电路50的第1端子51及高边开关元件Q2的源极电极与电感器L的一端连接。
电感器L的另一端与降压转换器的输出端子连接。输出端子上连接有用于使输出电压不会在短时间内产生大变动的电容器C。
高边开关元件Q2的栅极电极与未图示的控制电路连接，通过来自该控制电路的控制信号，控制高边开关元件Q2的导通断开。
其次，参照图3（a）及（b），对图2所示的电源电路（降压转换器）的动作进行说明。
图3（a）及（b）中的横轴表示时间。
图3（a）表示在电感器L中流动的电感器电流IL。
图3（b）表示向负载（发光元件20）输出的电流Iout。
在高边开关元件Q2导通而整流电路50断开时，电流I1从直流电源10经由高边开关元件Q2及电感器L向输出端子流动。此时，电感器电流IL增加，在电感器L中蓄积能量。
并且，当高边开关元件Q2断开时，由于蓄积在电感器L上的能量所产生的电动势，再生电流I2经由整流电路50及电感器L向输出端子流动。此时的电感器电流IL成为与时间一起减少的减少电流。
通过高边开关元件Q2与整流电路50交替导通断开，而使电感器电流IL的增加和减少重复，将电感器电流IL平均后的直流电流Iout向发光元件20供给。
其次，参照图4（a）～（f）对整流电路50的动作进行说明。
图4（a）～（f）中的横轴表示时间。
图4（a）表示开关元件Q1的漏极相对于源极的电位Vd。
图4（b）表示第1二极管D1的负极相对于正极的电位Vf1。
图4（c）表示开关元件Q1的栅极相对于源极的电位Vgs。
图4（d）表示第1二极管D1的正向电流If1。
图4（e）表示第2二极管D2的正向电流If2。
图4（f）表示从开关元件Q1的源极向漏极流动的电流Id。
当高边开关元件Q2断开，蓄积在电感器L的能量产生电动势时，第1端子51的电位相对于第2端子52的电位降低。
并且，如图4（a）所示，开关元件Q1的漏极电位Vd开始降低。进而，如图4（b）所示，第1二极管的负极电位Vf1开始降低，如图4（d）所示，正向电流If1开始向第1二极管D1流动。此时，向第2二极管D2施加正向电压，如图4（e）所示，正向电流If2也开始向第2二极管D2流动。
当向第1二极管D1流动正向电流If1时，开关元件Q1的栅极/源极之间被施加第1二极管D1的正向电压，如图4（c）所示，开关元件Q1的栅极电位Vgs开始上升。开关元件Q1的栅极电极的阈值电压比第1二极管D1的正向电压更低，因此，开关元件Q1转为导通。
这种情况下，在现有技术的电路中，由于不具有蓄积在开关元件Q1的栅极/源极间的寄生电容Cgs、第1二极管D1的结电容（接合电容）中的电荷的放电路径，因此，存在开关元件Q1不变为导通、变为导通迟缓之虞。
然而，根据实施方式，在开关元件Q1变为导通时，能够从第2端子52经由第1二极管D1及第2二极管D2向第1端子51流动电流。从而，能够将蓄积在开关元件Q1的栅极/源极间的寄生电容Cgs、第1二极管D1的结电容中的电荷经由第2二极管D2放电。由此，能够将开关元件Q1高速变为导通。
当开关元件Q1导通时，如图4（f）所示，漏电流Id开始流动。
当开关元件Q1导通时，第2二极管D2的两端子与开关元件Q1的漏极/源极间连接，因开关元件Q1而被短路。开关元件Q1的导通饱和电压比第2二极管D2的正向电压更低，因此，第2二极管D2断开。
从而，图2所示的再生电流I2从第2端子52经由第1二极管D1和开关元件Q1向第1端子51流动，不在第2二极管D2流动。
线路电流I2不向第2二极管D2流动，因此，不在第2二极管D2蓄积电荷。从而，在接下来高边开关元件Q2导通，向第2二极管D2施加反向电压时，能够抑制通过第2二极管D2流动的恢复电流。因此，能够抑制该恢复电流导致的电力损失。
作为第1二极管D1，与PN结、PIN结构的二极管等相比，优选导通损失小的肖特基势垒二极管。另外，肖特基势垒二极管原理上不存在反向恢复时间，或者反向恢复时间极其短，开关速度比PN结、PIN结构的二极管等快。
对于第2二极管D2，要求比第1二极管D1耐压高。因此，作为第2二极管D2，优选比肖特基势垒二极管耐压高的例如快恢复二极管。
快恢复二极管比肖特基势垒二极管正向电压高，导通损失大。然而，根据实施方式，在整流电路50导通时流动的电流（再生电流I2）在导通损失小的肖特基势垒二极管即第1二极管D1及作为导通电阻低的FET即开关元件Q1中流动，不在第2二极管D2流动。因此，能够抑制第2二极管D2导致的导通损失。
整流电路50的耐压由比第1二极管D1耐压高的第2二极管D2及开关元件Q1确保。
需要说明的是，对于施加在整流电路50的电压例如60～100V左右比较低的情况下，也可以第1二极管D1和第2二极管D2两者均使用肖特基势垒二极管。
根据以上说明的实施方式的整流电路50，由于可以不受开关元件Q1的栅极/源极间的寄生电容的影响而高速变为导通，因此，适合用作例如进行高速开关动作的开关电源的续流二极管。
施加到整流电路50的各要件上的电压由开关元件Q1的漏极/源极间的寄生电容、栅极/源极间的寄生电容、第1二极管D1的结电容、第2二极管D2的结电容等确定。
例如，为了确保开关元件Q1的栅极电极的耐压，Vd×（Cak2/（Cak2＋Cgs＋Cak1））设定为比开关元件Q1的栅极电极的阈值电压Vth小。
Vd表示施加在第1端子51与第2端子52之间的电压，Cgs表示开关元件Q1的栅极电极与源极电极之间的寄生电容，Cak1表示第1二极管D1的结电容，Cak2表示第2二极管D2的结电容。
寄生电容设定的自由度低。在此，在图1（b）所示的整流电路50’中，将电容器C1连接在开关元件Q1的栅极电极与源极电极之间。
通过电容器C1的电容控制，可以设计为向栅极电极施加的施加电压不超过耐压。
图1（b）所示的整流电路50’中，相对于图1（a）所示的整流电路50追加了电容器C1，其他结构与图1（a）的整流电路50相同，动作也相同。
栅极/源极间的电容如前所述，可能成为使开关元件Q1变为导通延迟的原因。然而，在图1（b）所示的整流电路50’中，也在开关元件Q1变为导通时，使电流从第2端子52经由第1二极管D1及第2二极管D2向第1端子51流动。从而，可以使蓄积在电容器C1中的电荷经由第2二极管D2放电。由此，能够使开关元件Q1高速变为导通。
以上说明的实施方式的整流电路50、50’可以用于降压型转换器以外的其他的电源电路。
图5（a）是使用了整流电路50的升压型转换器（升压转换器）的电路图。
整流电路50的第2端子52与电感器L及高边开关元件Q2连接，第1端子51与升压转换器的输出端子连接。
当高边开关元件Q2导通时，通过从直流电源10流入的电流使电感器L蓄积能量。当高边开关元件Q2断开时，电感器L想要维持电流而放出蓄积的能量，产生电动势而在整流电路50流动电流。在输入电压上增加了来自电感器L的能量，从而输出升压了输入电压的电压。
图5（b）是使用了整流电路50的升降压型转换器（升降压转换器）的电路图。
升降压转换器为与图2所示的降压转换器的整流电路50的朝向反向的结构，输出电压的极性反转，升压及降压均可。
图6是使用了整流电路50的反激式（Fly-buck）转换器的电路图。
该反激式转换器为使用了变压器30的绝缘型DC-DC转换器。变压器30具有铁芯、卷绕在铁芯上的一次绕组31和二次绕组32。
当开关元件Q2导通时，在一次绕组31上流过电流I1，通过产生的磁通而使铁芯磁化（蓄积能量）。这时，在反向的整流电路50的作用下，感应电流不向二次绕组32流动。
当开关元件Q2断开时，蓄积在铁芯中的能量被放出，电流I2通过整流电路50流动。
虽然对本发明的几个实施方式进行了说明，但这些实施方式作为例示，并没有限定本发明的范围。这些新的实施方式可以由其他各种方式来实施，在不脱离本发明的主旨的范围内，可以进行各种省略、置换、变更。这些实施方式和其变形均包含在本发明的范围、主旨内，并且，包含在权利要求书记载的发明和与其等同的范围内。

Claims (10)

1.一种整流电路，其具备：
第1二极管，其在第1端子与第2端子之间将从所述第2端子朝向所述第1端子的方向作为正向而连接；
开关元件，其包括：与所述第1端子连接的第1主电极、与所述第1二极管的负极连接的第2主电极、与所述第1二极管的正极连接的栅极电极；
第2二极管，其在所述开关元件的所述第1主电极与所述第2主电极之间将从所述第1二极管的所述负极朝向所述第1端子的方向作为正向而相对于所述开关元件并联连接。
2.根据权利要求1所述的整流电路，其中，
在所述开关元件变为导通时，电流流过所述第2二极管，在所述开关元件变为导通后，电流不流过所述第二开关元件。
3.根据权利要求1所述的整流电路，其中，
所述第2二极管的耐压比所述第1二极管的耐压高。
4.根据权利要求1所述的整流电路，其中，
所述第1二极管为肖特基势垒二极管。
5.根据权利要求1所述的整流电路，其中，
所述第2二极管为快恢复二极管。
6.根据权利要求1所述的整流电路，其中，
所述开关元件的所述栅极电极的阈值电压比所述第1二极管的正向电压低。
7.根据权利要求1所述的整流电路，其中，
所述开关元件的导通饱和电压比所述第2二极管的正向电压低。
8.根据权利要求1所述的整流电路，其中，
将施加在所述第1端子与所述第2端子之间的电压设为Vd，将所述开关元件的所述栅极电极与所述第2主电极之间的寄生电容设为Cgs，将所述第1二极管的结电容设为Cak1，将所述第2二极管的结电容设为Cak2，将所述开关元件的所述栅极电极的阈值电压设为Vth时，
Vd×（Cak2/（Cak2＋Cgs＋Cak1））比Vth小。
9.根据权利要求1所述的整流电路，其中，
还具备连接在所述开关元件的所述栅极电极与所述第2主电极之间的电容器。
10.一种电源电路，其具备：
电感器；
权利要求1所述的整流电路，所述第1端子或所述第2端子与所述电感器连接。
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