CN105281550A - 电源电路和功率因数校正电路 - Google Patents

Abstract

本公开提供了电源电路和功率因数校正电路，该电源电路包括开关元件和控制部。控制部将开关元件操作时产生的反电动势转换成光能并且将光能转换成电信号。此外，控制部基于通过转换光能获得的电信号来驱动开关元件。因此，与通过谐振重新产生浪涌能量的情况不同，不需要使用诸如电感器的谐振元件。因此，减小了电路规模。

Description

电源电路和功率因数校正电路

技术领域

本文讨论的实施方式涉及电源电路和功率因数校正电路。

背景技术

近年来，其中氮化镓(GaN)层用作电子渡越层的高电子迁移率晶体管(HEMT)取得了进步。

GaN具有约3.4eV的带隙，其带隙比硅(Si)的带隙(1.1eV)或砷化镓(GaAs)的带隙(1.4eV)更宽。因此，基于GaN的HEMT(GaN-HEMT)的击穿电压高于基于Si或基于GaAs的器件的击穿电压，GaN-HEMT被认为有希望作为高击穿电压功率器件。

另一方面，如果出现浪涌，则在GaN-HEMT中可能出现故障等。因此，需要有效抑制浪涌的措施。

过去，提出了一种用于抑制浪涌电压的技术：通过执行控制以在连接到执行逆变器装置的高频开关的开关元件的缓冲电路中给电源返回充电电荷。此外，提出了一种用于通过将光接收元件产生的光电动势施加到晶体管而将漏源状态从导通状态改变到断开状态的技术。

国际公开号WO2011/067838

日本专利公开号2002-353798

过去，其中组合了电感器和电容器的电路被用作防浪涌措施。例如，下面的技术是可能的。与开关元件相对应的再生电路中的反应器(电感器)与缓冲电路中的缓冲电容器共振。因此，缓冲电容器的充电电荷被返回到电源以抑制浪涌电压。

然而，在无源元件中电感器的尺寸是大的，并且电感器的安装区域也大。因此，其中使用电感器的电路规模较大。

发明内容

根据一个方面，提供了一种包括开关元件和控制部的电源电路，该控制部将开关元件操作时产生的反电动势转换成光能并且基于通过转换光能获得的电信号来驱动开关元件。

附图说明

图1示出了根据第一实施方式的电源电路的示例；

图2示出了根据第二实施方式的电源电路的示例；

图3示出了GaN-HEMT的结构的示例；

图4示出了功率因数校正电路的示例；

图5示出了控制部的示例；

图6示出了其中产生负电压的状态的示例；

图7示出了控制部的变型例；

图8示出了其中产生浪涌电压的状态的示例；

图9示出了其中抑制浪涌电压的状态的示例；以及

图10示出了负电压的产生的示例。

具体实施方式

现在将参照附图描述实施方式，其中在全文中相同的附图标记表示相似的元件。

(第一实施方式)

图1示出了根据第一实施方式的电源电路的示例。

电源电路1包括开关元件2和控制部3。电源电路1重新产生开关元件2操作时产生的反电动势，并且使用该反电动势用于驱动开关元件2。在下面的描述中，反电动势将被称为浪涌。然而，反电动势(其可以称为噪声)可以比浪涌更小。

开关元件2例如是场效应晶体管(FET)并且基于控制信号被接通或关断。

控制部3将开关元件2操作时出现的浪涌转换成光能。此外，控制部3将光能转换成电信号并且基于该电信号驱动开关元件2。

具有以上结构的电源电路1将浪涌转换成光能并且基于通过转换光能获得的电信号来驱动开关元件2。因此，不需要使用谐振元件诸如电感器作为防浪涌措施。因此，减小了电路规模。另外，浪涌被转换成光能，从而抑制了浪涌。

(第二实施方式)

图2示出了根据第二实施方式的电源电路的示例。

电源电路1a包括晶体管(场效应晶体管)20和控制部30。控制部30包括发送器31、光电耦合器(转换器)32和信号发生器33。晶体管20对应于图1中所示的开关元件2，控制部30具有图1中所示的控制部3的功能。

晶体管20执行开关以使信号da或不使信号da流向负载侧。当晶体管20断开时，信号da流向负载侧。当晶体管20接通时，信号da流向晶体管20侧。

发送器31向光电耦合器32发送晶体管20中稳定状态之外瞬时出现的浪涌。光电耦合器32包括光发射元件32a和光接收元件32b。光发射元件32a将晶体管20驱动期间出现的浪涌转换成光能。光接收元件32b将光能转换成电信号。

信号发生器33根据从光电耦合器32输出的电信号产生要被供应到晶体管20的栅极的栅极信号。例如，当浪涌出现时，信号发生器33产生作为栅极信号的关断电压信号，通过该关断电压信号，晶体管20被关断。此外，信号发生器33以确定的开关断开定时产生关断电压信号，通过该关断电压信号，晶体管20被关断。

此外，当浪涌电压尚未产生时，信号发生器33以确定的开关接通定时产生接通电压信号，通过该接通电压信号，晶体管20被接通。

现在将描述晶体管20的示例。例如，GaN-HEMT被用作晶体管20。

图3示出了GaN-HEMT的结构的示例。

在衬底层(导电衬底)21上形成有GaN-HEMT20a、缓冲层22、有意未掺杂的氮化镓(i-GaN)层23和n型氮化镓铝(n-AlGaN)层24。

此外，栅电极26形成在n-AlGaN层24上，源电极25和漏电极27在它们之间形成有栅电极26。

n-AlGaN层24是电子供给层，i-GaN层23是电子渡越层。此外，在i-GaN层23和n-AlGaN层24的界面附近产生二维电子气(2DEG)28。例如，因为诸如2DEG28的高载流子浓度和高电子饱和速度的特性，实现了具有低通态电阻和高击穿电压的高速半导体器件。

现在将描述应用上述电源电路1a的功率因数校正(PFC)电路。

图4示出了功率因数校正电路的示例。功率因数校正电路4产生与输入电压类似的电流波形(电流与输入电压同相并且电流的波形具有正弦波的形状)以提高功率因数。

功率因数校正电路4包括输入电压部Vin、电容器C0和C1、电阻器R0、电感器L1、Lp1和Lp2、晶体管Tr以及二极管D1。在下面的描述中，常导通状态GaN-HEMT被用作晶体管Tr。然而，结型FET(JFET)可以被用作晶体管Tr。

以如下方式连接每个元件。输入电压部Vin的正极端子(+)连接到电容器C1的正极端子(+)和电感器L1的一端。电感器L1的另一端连接到二极管D1的阳极、电感器Lp1的一端以及控制部30的输入端。

电感器Lp1的另一端连接到晶体管Tr的漏极。晶体管Tr的栅极连接到控制部30的输出端，晶体管Tr的源极连接到电感器Lp2的一端。

二极管D1的阴极连接到电容器C0的一端、电阻器R0的一端以及输出端子OUT。

输入电压部Vin的负极端子(-)连接到电容器C1的负极端子(-)、电感器Lp2的另一端、电容器C0的另一端、电阻器R0的另一端以及GND。

输入电压部Vin产生输入电压。电容器C1对输入电压进行平滑。电感器L1是升压电感器并且将经平滑的电压提高到确定的值。此外，流过电感器L1的信号流向二极管D1或控制部30。二极管D1对从电感器L1输出的信号进行整流。

另一方面，晶体管Tr被用作开关元件。电感器Lp1和Lp2是寄生电感器，其在晶体管Tr安装在板上时作为寄生元件出现。控制部30控制晶体管Tr的开关(稍后将在图5中描述控制部30的内部结构的示例)。

当晶体管Tr断开时，从电感器L1输出的信号流过二极管D1并且对电容器C0(平滑电容器)充电。当晶体管Tr接通时，从电感器L1输出的信号流过控制部30。此外，控制部30抑制由晶体管Tr附近的寄生电感器Lp1和Lp2产生的浪涌电压。

假设晶体管Tr是常导通GaN-HEMT。为了接通晶体管Tr，控制部30将0V作为接通电压信号施加到晶体管Tr的栅极。此外，为了关断晶体管Tr，控制部30将负电压作为关断电压信号施加到晶体管Tr的栅极。

作为功率因数校正电路4的应用的示例，如果功率因数校正电路4包括在开关电源装置中，则输入电压由二极管桥等全波整流，并且全波整流之后的输出信号被包括在功率因数校正电路4中的电容器C1进行平滑。此外，直流(DC)-DC转换器位于功率因数校正电路的输出级处以将从输出端子OUT输出的信号转换成确定的DC电压。

现在将描述控制部30的电路的示例。

图5示出了控制部的示例。

控制部30包括发送器31、光电耦合器32和信号发生器33。

发送器31包括二极管D2、电阻器R1和电容器C2。光电耦合器32包括作为光发射元件的发光二极管D11以及作为光接收元件的光电二极管D12和D13。信号发生器33包括电容器C3、电阻器R2和脉冲发生器33a。

以如下方式连接每个元件。二极管D2的阳极连接到电阻器R1的一端、图4中所示的电感器L1的另一端、图4中所示的电感器Lp1的一端以及图4中所示的二极管D1的阳极。

二极管D2的阴极连接到包括在光电耦合器32中的二极管D11的阳极。电阻器R1的另一端连接到电容器C2的一端以及包括在光电耦合器32中的二极管D11的阴极。电容器C2的另一端连接到GND。

电容器C3的一端连接到脉冲发生器33a的输入端以及包括在光电耦合器32中的二极管D12的阳极。二极管D12的阴极连接到包括在光电耦合器32中的二极管D13的阳极。

电容器C3的另一端连接到包括在光电耦合器32中的二极管D13的阴极和GND。脉冲发生器33a的输出端连接到电阻器R2的一端。电阻器R2的另一端连接到图4中所示的晶体管Tr的栅极。

控制部30的电路是示例。例如，光电二极管的数量不限于两个。

如果在驱动常导通GaN-HEMT的晶体管Tr时产生基于浪涌的高压(下文中称为浪涌电压)，则通过浪涌电压接通二极管D2。因此，由于浪涌电压而流过二极管D2的电流(浪涌电流)在正向上流过包括在光电耦合器32中的发光二极管D11并且使发光二极管D11发光。

包括在光电耦合器32中的光电二极管D12和D13接收由发光二极管D11发射的光并且将其转换成电信号。也就是说，光电耦合器32将浪涌电压转换成光能并且将光能转换成电能。

此时，光接收电流流过光电二极管D12和D13。该光接收电流在从光电二极管D12和D13的阴极到阳极的方向上流动。因此，在节点P0处产生负电压。电容器C3通过与浪涌电压相对应的负电压存储负电荷。

脉冲发生器33a基于施加的负电压产生负电压脉冲信号并且经由电阻器R2将负电压脉冲信号施加到晶体管Tr的栅极以关断晶体管Tr。

电荷泵电路可以用作产生负电压的电路。然而，在这种情况下，电容较大的电容器用于获得稳定的输出。另一方面，如果通过采用上面的电路结构来产生负电压，则不需要使用电荷泵电路。这减小了电路面积。

图6示出了其中产生负电压的状态的示例。

在图6中，纵轴表示电压，横轴表示时间。图6表示功率因数校正电路4中点P处电压下降水平的模拟结果。在时间0ms处点P处的电压水平是0V(这时未产生浪涌电压)。

当产生浪涌电压时，点P处的电压水平在Δt时间内快速地从0V下降到约-3.5V，然后在某一时间段内保持在-3.5V。如从图6可以看出，在某一时间段内获得负电压。

另一方面，在其中晶体管Tr中不产生浪涌电压的稳定状态中，流到控制部30中的信号(图4中的漏极信号Tdrain)的电压振幅值小于浪涌电压值。在这种情况下，二极管D2断开，所以电流不流向光电耦合器32。此时，在节点P0处不产生负电压。如果输入处于这样的水平，则脉冲发生器33a在确定的周期中将开关接通信号和开关断开信号传送到晶体管Tr的栅极。

现在将描述控制部30的修改。

图7示出了控制部的变型例。

通过将作为新电路元件的齐纳二极管Dz添加到图5中所示的电路来获得作为控制部30的变型例的控制部30a。

齐纳二极管Dz的阳极连接到包括在光电耦合器32中的光电二极管D13的阴极，齐纳二极管Dz的阴极连接到电容器C3的另一端和GND。在其他方面，控制部30a与图5中所示的控制部30相同。

如图7所示，布置齐纳二极管Dz以保护光电耦合器32免受施加到包括在光电耦合器32中的光电二极管D13的阴极的反向电压。因此，施加到光电耦合器32的反向电压保持为比击穿电压更低的电压。这阻止了光电耦合器32中出现故障。

现在将描述其中通过采用本公开抑制浪涌电压的模拟结果。

图8示出了其中产生浪涌电压的状态的示例。

在图8中，纵轴表示电压，横轴表示时间。图8示出了未应用本公开的功率因数校正电路的开关晶体管中开关时的漏极信号的振幅的状态。

周期性地重复接通和关断开关晶体管，所以漏极信号采用脉冲的形式。在图8的情况下，通常漏极信号的振幅的峰值是410V。在普通的功率因数校正电路中，在开关晶体管的开关操作时(例如，紧接着在开关晶体管关断之后)产生浪涌电压并且浪涌电压的峰值上升到420V。

图9示出了其中浪涌电压被抑制的状态的示例。

在图9中，纵轴表示电压，横轴表示时间。图8示出了未应用本公开的功率因数校正电路4的晶体管Tr中开关时的漏极信号的振幅的状态。如从图9可以看出，浪涌电压在功率因数校正电路4中被抑制。

图10示出了负电压的产生的示例。

在图10中，纵轴表示电压，横轴表示时间。图10示出了未应用本公开的功率因数校正电路4的晶体管Tr中开关时产生的负电压Vneg和漏极信号Tdrain的状态。

如从图10可以看出，负电压Vneg下降，也就是说，当漏极信号Tdrain上升时，例如在t1或t2时刻，产生负电压。该负电压用作开关晶体管的关断电压。

正如前面描述的，根据本公开，浪涌能量被转换成光能，以采取措施防止驱动晶体管时出现的浪涌。此外，光能被转换为电能。用于使晶体管的开关断开的断开电压基于电能产生并且被供应到晶体管。

以前，组合电感器和电容器来抑制浪涌电压。这增加了电路规模。另一方面，采用本公开，不需要使用谐振元件诸如电感器作为防浪涌措施。这防止了电路规模的增加并且抑制了浪涌。

此外，开关元件(晶体管)对应于浪涌发生部分。以前，开关元件的数量的增加导致电感器的数量的增加。因此，显著增大了电路规模。另一方面，采用本公开，不需要使用电感器。因此，即使开关元件的数量增加，也防止了电路规模的增加并且极其精确地抑制了浪涌电压。

另一方面，基于Si的场效应晶体管不可避免地包括体二极管，该体二极管反向并联连接到晶体管。因此，即使浪涌出现，雪崩击穿也出现，因此，晶体管具有浪涌电阻。

然而，GaN-HEMT不一定包括体二极管。因此，如果浪涌出现，则故障等也趋向于出现。因此，通过将根据本公开的防浪涌措施尤其应用于其中GaN-HEMT用作开关元件的电路来有效抑制浪涌。

前面已经描述了实施方式。然而，实施方式中指出的每个部件可以用具有相同功能的其他单元替换。此外，可以增加任何其他的部件或过程。

根据公开的电源电路或功率因数校正电路，减小了电路规模。

Claims (5)

1.一种电源电路，包括：

开关元件；以及

控制部，所述控制部将所述开关元件操作时产生的反电动势转换成光能并且基于通过转换所述光能获得的电信号来驱动所述开关元件。

2.根据权利要求1所述的电源电路，其中：

所述开关元件是场效应晶体管；以及

所述控制部包括：

转换器，所述转换器包括光发射元件和光接收元件，所述光发射元件将所述反电动势转换成所述光能，所述光接收元件将所述光能转换成所述电信号；

发送器，所述发送器将所述反电动势发送到所述转换器；以及

信号发生器，所述信号发生器在产生所述反电动势时根据所述电信号产生要被供应到所述场效应晶体管的栅极的栅极信号。

3.根据权利要求2所述的电源电路，其中：

所述发送器包括二极管、电阻器和电容器；以及

所述二极管的阳极连接到所述电阻器的一端，所述二极管的阴极连接到所述光发射元件的一端，所述电阻器的另一端连接到所述光发射元件的另一端以及所述电容器的一端。

4.根据权利要求2或3所述的电源电路，其中，所述信号发生器：

包括连接到所述光接收元件的电容器；以及

在所述光接收元件和所述电容器之间的节点处通过所述转换器通过转换所述光能获得的所述电信号来产生负电压，并且基于所述负电压产生所述栅极信号。

5.一种功率因数校正电路，其产生与输入电压类似的电流波形以提高功率因数，所述电路包括：

电感器，所述电感器提高所述输入电压；

二极管，所述二极管对来自所述电感器的输出信号进行整流；

开关元件，所述开关元件执行被输入到所述二极管的输出信号的开关；

电容器，所述电容器对来自所述二极管的输出电压进行平滑；以及

控制部，所述控制部将所述开关元件操作时产生的反电动势转换成光能并且基于通过转换所述光能获得的电信号驱动所述开关元件。