CN106160480A - 功率变换器装置 - Google Patents

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Abstract

一种功率变换器装置，该功率变换器装置包括：开关器件和控制器，利用控制器控制开关器件的通与断来实现电源之间的转换。其中，开关器件包括：至少一个常通型开关器件，该常通型开关器件的工作频率大于1KHZ；以及至少一个常闭型开关器件，该常闭型开关器件的工作频率大于1KHZ，且常通型开关器件与常闭型开关器件串联连接；以及控制器分别输出第一控制信号和第二控制信号，以对应地控制该常通型开关器件和该常闭型开关器件，使得在第一控制信号控制该常通型开关器件关闭后第二控制信号控制常闭型开关器件导通。本发明使用电路中原有的具备电压阻断能力的常闭型开关器件来实现常通型开关器件的直接使用，从而能够进一步提高开关电源的效率和功率密度。

Description

功率变换器装置
技术领域
本发明涉及一种功率变换器装置，尤其涉及基于常通型开关器件的功率变换器装置。
背景技术
有源功率器件是开关电源的重要组件，其特性对于开关电源的性能十分关键。随着半导体技术的发展，采用有源功率器件组成的例如功率因数校正电路(PFC)或直流/直流转换电路(D2D)等的转换效率目前已高达97％，其功率密度也达到相当高的程度。然而基于硅(Si)材料的有源功率器件特性已经接近理论极限，继续发展的空间较小，阻碍了开关电源效率和功率密度的进一步提高。
基于宽禁带材料例如氮化镓(GaN)或碳化硅(SiC)等的有源功率器件内阻更小，开关损耗更小，并且能够承受更高的工作温度，从而能够进一步提高开关电源的效率和功率密度。
宽禁带材料有源功率器件通常包含至少三个端子，其中一端为控制端，即栅极，用于控制该器件的导通及关断。以金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)为例，三个端子分别是栅极、源极和漏极。而有源功率器件通常又分为常通型和常闭型两种，以常通型MOSFET器件为例，当栅极源极间电压为零时，器件导通；当栅极源极为负压时，器件关断。以常闭型MOSFET器件为例，当栅极源极间电压为正时，器件导通；栅极源极间电压为零时，器件关断。然而，使用常通型开关器件的一个最大的困难问题就是如何解决电路的启动问题，下面以降压式(Buck)电路为例来说明这一问题。
图1是说明一种采用常通型开关器件组成的Buck电路的示意图。如图1中所示，Buck电路中的开关元件Q1和Q2为常通型半导体器件，例如为常通型GaN器件。该电路被期望能够通过中点O经电感L1向电容Co输出电压。然而由于在该电路的初始状态，即该电路还未加电工作的时刻，直流输入电压Vin为零，辅助电源Vaux和控制/驱动模块C&D也未提供控制信号给Q1和Q2，这样，Q1和Q2的栅极源极电压也为零，因此Q1和Q2处于导通状态。而当该电路加电时，也即Vin开始建立，不等于零时，由于Vaux和C&D建立控制信号的时间落后于Vin，也即Q1和Q2的栅极源极电压并未达到使其保持关断状态的负压，则Q1和Q2上的电流会从Vin的正极“+”直通到地G而导致电路损坏。也就是说，由常通型开关器件组成的电路存在启动问题。
基于图1，图2是说明一种采用电子开关解决由常通型开关器件组成的电路的启动问题的示意图。如图2中所述，在Vin、Q1和Q2形成的回路中串联了一个电子开关Qin。Qin为常闭型开关，如由Si制作的金属氧化物半导体(MOS)器件。由于加电前，常闭型开关器件的栅极电压为零，处于关断状态。当Vin加电时，在C&D完全建立控制信号前，Qin都处于关断状态，这样就不会发生Q1和Q2直通现象，即可保证电路安全。而当Vaux和C&D完全建立控制信号后，也即此时Q1和Q2的驱动信号开始正常工作后，则使Qin长期导通。这样就实现了电路的安全启动。但这样的不足是，Qin的电压应力与Q1和Q2一样，均为Vin。而Qin通常为Si的MOS器件，在与宽禁带半导体器件如GaN的MOS器件电压等级一样的情况下，其通态电阻造成的损耗不容忽视。这种电子开关通常不是作为功率转换电路的用于实现电源转换的开关器件，而是常通型器件应用时的辅助电子开关，该电子开关的工作频率相对会较低，通常低于1KHZ。
为了解决额外增加的Si器件的耐压问题，以及为了使GaN器件可以直接替代传统的Si的MOS器件而无需改变控制和驱动方案，提出了图3的方案。图3是说明一种通过将常闭型开关器件与常通型开关器件串联作为一个组合来简单替换电路中的常闭型开关器件的示意图。如图3中所示，耐压40V的常闭型Si开关器件QL与耐压600V的常通型GaN开关器件QH串联形成一个组合，QH的源极与QL的漏极连接在一起，QH的栅极与QL的源极连接在一起，QH的漏极D用作该组合的漏极，QL的源极S用作该组合的源极，该组合可具备类似于传统Si器件的常闭控制特性，又利用了GaN器件的一些优点。但是，图3所示的方案增加了电路的驱动损耗、回路电感、电磁干扰、反向恢复损耗，另外很难进行器件的参数搭配，无法充分发挥出GaN器件的优良特性。
发明内容
本发明相对于传统常通型的应用，在此提供了一种常通型器件在功率转换器装置中应用的一种方式。在此，本发明提供了一种功率变换器装置，不同于传统的功率变换器装置，此种功率变换器装置中用于电源转换的开关器件至少包括两个开关器件，该两个开关器件一种是常通型开关器件，该常通型开关器件的工作频率大于1KHZ；另一种是一个常闭型开关器件，该常闭型开关器件的工作频率大于1KHZ。该功率变换器装置中的控制器，分别输出第一控制信号和第二控制信号，以对应地控制常通型开关器件和常闭型开关器件，使得在第一控制信号控制常通型开关器件关闭后第二控制信号控制常闭型开关器件导通。
在此提供的功率变换器装置中，使电路中的开关器件中常通型器件和常闭型搭配使用，实现常通性器件的应用，在不改变功率变换器装置的电路结构的同时，有利于提高开关电源的效率。
附图说明
图1是说明一种传统的常通型开关器件应用于Buck电路的示意图；
图2是说明一种传统的采用电子开关解决常通型开关器件应用于Buck时的启动问题的示意图；
图3是说明另一种传统的解决常通型器件作为开关器件应用时的传统方式示意图；
图4是说明根据本发明第一实施例的功率变换器装置的示意图；
图5是说明根据本发明第一实施例的功率变换器装置的工作时序的示意图；
图6是说明根据本发明第二实施例的功率变换器装置的示意图；
图7是说明根据本发明第二实施例的功率变换器装置的工作时序的示意图；
图8是说明根据本发明第三实施例的功率变换器装置的示意图；
图9是说明根据本发明第四实施例的功率变换器装置的示意图；
图10是说明根据本发明第五实施例的功率变换器装置的示意图；
图11是说明根据本发明第六实施例的功率变换器装置的示意图；
图12是说明根据本发明第七实施例的功率变换器装置的示意图；
图13是说明根据本发明第八实施例的功率变换器装置的示意图；以及
图14是说明根据本发明第九实施例的功率变换器装置的示意图。
具体实施方式
下面将结合图4至图14详细描述本发明，其中，相同的附图标记表示相同或相似的设备或信号，另外，作为连接导线的线段之间如果存在交叉点，那么交叉点上带有黑点“·”则表示所述交叉点是连接点，交叉点上不带有黑点“·”则表示所述交叉点不是连接点而仅仅是相互穿越；各元件的符号不但代表所述元件自身，还可以表示所述元件的容量的代数符号。
这里本发明所限定的器件或器件组合不同于图2中所示的Qin。Qin的耐压等级必须大于等于Vin，而且工作频率相对较低(例如通常在10HZ以下)，远低于该电路中用于形成功率转换器桥臂的开关元件的工作频率(如1KHZ以上)。而本发明所限定的器件或器件组合虽然其耐压等级也大于等于Vin，但其自身为形成功率转换器部分桥臂的开关元件，其工作频率等于功率转换器开关工作频率之一，通常是1kHZ以上，而且不是如图2中所示的额外设置的电子开关。
下面将结合图4至图14详细描述本发明提供的功率转换器装置。
如图4中所示，根据本发明第一实施例的功率变换器装置中，功率变换器装置至少包括两个开关器件SW(为便于描述，这里只用了一个虚线框表示)和一控制器Ctr，控制器Ctr控制该两个开关器件SW的通与断实现输入电压Vin至输出电压Vout的转换。开关器件SW包括：至少一个常通型开关器件Qon，常通型开关器件的工作频率例如大于1KHZ；以及至少一个常闭型开关器件Qoff，常闭型开关器件Qoff的工作频率例如大于1KHZ，且常通通型开关器件Qon与常闭型开关器件Qoff串联连接。控制器Ctr，分别输出第一组控制信号Sig1和第二组控制信号Sig2以对应地控制常通型开关器件Qon和常闭型开关器件Qoff，使得在第一控制信号Sig1控制常通型开关器件Qon关闭后第二控制信号Sig2控制常闭型开关器件Qoff导通。
图5是说明根据本发明第一实施例的功率变换器装置的工作时序的示意图。如图5中所示，Vin为输入电压的波形，第一组控制信号Sig1和第二组控制信号Sig2分别为常通型开关器件Qon和常闭型开关器件Qoff的栅极源极驱动电压波形。如图5中所示，在t0时刻，Vin等于0，Sig1和Sig2都为0，这样常通型开关器件Qon处于导通状态，常闭型开关器件Qoff处于关断状态。在t1时刻，Vin开始建立，此时Sig1和Sig2都仍旧为0。在t2时刻，Sig1开始出现负压，也即常通型开关器件Qon处于关断状态，建立关断能力，此时，Sig2仍旧为0，也即常闭型开关器件Qoff仍旧维持关断状态。在t3时刻，Sig2开始出现正脉冲，也即加电状态完成，电路进入正常工作状态，此时，常闭型开关器件Qoff开始进入正常的高频工作状态。其中常闭型开关器件Qoff与常通型开关器件Qon的工作频率可以相同，也可以不同。图6中纵轴上的“1”表示驱动该器件开通，“0”表示驱动该器件关断。
如图5中所示，在常通型开关器件Qon的驱动电压未能给予关断能力前，常闭型开关器件Qoff处于将Vin和常通型开关器件Qon隔离的工作状态下，确保了电路的安全。在常通型开关器件Qon的驱动驱动电压可以给予关断能力后，常闭型开关器件Qoff处于正常高频工作状态之下，此时常通型开关器件Qon也处于高频工作状态之下。也就是说，常闭型开关器件Qoff从长期关闭状态(即t0到t3期间)开始第一次开通的时刻(即t3)延迟于常通型开关器件Qon从长期开通状态(即t0到t2期间)开始第一次关断的时刻(即t2)，两个时刻之间的时间间隔为DL1。这样，DL1的存在即可保证电路可靠启动正常工作。
该功率转换器装置中使用电路中原有的具备电压阻断能力的常闭型开关器件Qoff来实现常通型开关器件Qon的直接使用，电路结构简单，且可以直接充分发挥出常通型开关器件Qon的优良特性，提高整个功率转换器装置的效率。
同样，为了电路安全，如图5中所示，常通型开关器件Qon从高频工作受控状态转为失去关闭能力状态的时刻t5，延迟于常闭型开关器件Qoff进入长期关闭状态的时刻t4，这两个时刻之间的时间间隔为DL2，从而确保了电路的可靠关闭。
为便于理解本发明，下面将通过更具体的例子来描述本发明。
图6是说明根据本发明第二实施例的功率变换器装置的示意图。图7是说明根据本发明第二实施例的功率变换器装置的工作时序的示意图。
如图7中所示，第二实施例中功率变换器装置为一直流/直流变换器装置。该直流/直流变换器装置包含了级联的两级架构。
前一级D2D变换器例如为隔离型直流变换器(DCX)Tri，包括：常闭型开关器件Si1、Si2、Si3和Si4；输入电容Cin；谐振电感Li；谐振电容Ci；变压器Ti和中间电容Cbus，它们的连接关系如图中所示。Tri接收输入电压Vin+和Vin-，且在中间电容Cbus上产生中间电压Vbus+和Vbus-。
后一级D2D变换器例如为非隔离式负载点变换器(POL)Tra，包括：常通型开关器件Sa1和Sa2；储能电感La和输出电容Cout，它们的连接关系如图中所示。Tra接收中间电压Vbus+和Vbus-，且在输出电容Cout上产生输出电压Vout+和Vout-。
根据第二实施例的直流/直流变换器装置还包含控制器Ctr、第一驱动模块Dr1、第二驱动模块Dr2和辅助电源Vaux。其中，Vaux为Ctr提供工作电压，可以是不同于输入电压Vin+和Vin-的另一个电源，Ctr分别产生第一组控制信号Sig11(这里分别用DR1到开关器件Sa1和Sa2各自栅极的两条细实线表示)和第二组控制信号Sig12(这里分别用DR1到开关器件Si1、Si2、Si3和Si4各自栅极的四条细实线表示)。其中第一组控制信号Sig11经由第一驱动模块Dr1对应地控制常通型开关器件Sa1和Sa2，以及第二组控制信号Sig12经由第二驱动模块Dr2对应地控制常闭型开关器件Si1、Si2、Si3和Si4。
在图6所示的两级电路中，每级中的开关器件必须在时序上互相配合才能分别产生各自的输出电压，即中间电压Vbus+和Vbus，以及输出电压Vout+和Vout-，而两级电路间的开关元件则没有必须的时序配合关系，也即彼此间可以配合也可以不配合。
通常，图6所示的两级电路中间会连接有能量存储单元，该能量存储单元至少包含一个容性元件，如电容Cbus，以利前后级电路能量传递。一般说来前级电路在该能量存储单元，尤其是该容性器件上产生一个电压，作为前级的输出以及后级的输入。很显然，当多级电路级联时，对于后级电路来讲，前级电路天然就具备了前文中所述的常闭型开关器件的功能。
如图6中所示，前级电路Tri为有隔离作用的D2D变换器，可以是谐振型电路例如半桥谐振电路(LLC)，也可以是脉冲宽度调制(PWM)电路，例如半桥，全桥，返驰式(Flyback)，正激式(Forward)变换器等电路。此外，该前级电路可以工作于开环状态(如DCX)或者闭环状态。当然，前级电路可以为带变压器的隔离型电路，也可以为不隔离型电路。后级为由Buck电路组成的POL，也可以以闭环或者开环方式工作。以DCX+POL架构为例，由于DCX有原副边隔离阻断的能力，DCX即可视为常闭型开关器件。如图6中所示，前级电路的开关元件都采用了常闭型器件。因此，作为后级的POL的所有开关器件，均可以直接使用常通型器件，即视为常通型器件。只要按图6处理好常通型器件和常闭型器件的时序，而无需像前述的各种现有技术那样额外增加功率器件。
如图7中所示，图6的功率变换器装置的工作过程可以是这样：由于常闭型开关器件Si1、Si2、Si3和Si4为常闭型隔离器件组合，在Vin上电时，也即t1时刻，即便常通型开关器件Sa1和Sa2不具备自我阻断能力(如图7中所示，Sig11＝0)，此时，由于Sig12＝0，也即常闭型开关器件Si1、Si2、Si3和Si4处于关断状态，能独自承担Vin，使得常通型开关器件Sa1和Sa2的真正意义上的输入电压Vbus也即前后级电路之间的能量存储单元Cbus上的电压保持近零电位，从而不会对常通型开关器件Sa1和Sa2造成伤害。当常通型开关器件Sa1和Sa2的驱动电压在t2时刻可以提供关断信号，即栅极电压低于关断阀值如-5V后，由于常通型开关器件Sa1和Sa2可以因此自主关断，则可以让常闭型开关器件Si1、Si2、Si3和Si4开始正常高频工作，使得Vbus开始上升，常通型开关器件Sa1和Sa2所在的后级电路如Buck电路也可以开始正常高频工作。如图7中所示，常通型开关器件Sa1和Sa2开始高频工作的时间晚于闭型开关器件Si1、Si2、Si3和Si4，延迟了DL1，即在t3之后。事实上，常通型开关器件Sa1和Sa2的栅极可以更早开始施加高频驱动电压，如t2即开始。这样，只要将原有电路中的各器件的驱动电压上电时序合理安排，就可以在电路的部分位置处直接使用常通型器件，几无额外代价。
同样，为了电路安全，如图7中所示，常通型开关器件Sa1和Sa2从高频工作受控状态转为失去关闭能力状态的时刻t6，延迟于闭型开关器件Si1、Si2、Si3和Si4进入长期关闭状态的时刻t5，这两个时刻之间的时间间隔为DL2，从而确保了电路的可靠关闭。
图8是说明根据第三实施例的功率变换器装置的示意图。如图8中所示，图8的方案是图6方案的进一步改进，将常通型开关器件的使用范围扩展到了前一级隔离型直流变换器Tri的变压器Ti次级的开关器件Si3和Si4，使得可以更加充分发挥出常通型开关器件的优良特性。
图9是说明四例的功率变换器装置的示意图。如图9中所示，图9的方案是图8方案的进一步改进，将常通型开关器件的使用范围扩展到了前一级隔离型直流变换器Tri的变压器Ti初级的开关器件Si2，使得可以更加充分发挥出常通型开关器件的优良特性。
图10是说明根据第五实施例的功率变换器装置的示意图。如图10中所示，图10的方案是图9方案的变形，将常通型开关器件的使用范围扩展到了前一级隔离型直流变换器Tri的变压器Ti初级的开关器件Si1，而保留Si2为常闭型开关器件，使得本领域技术人员进一步理解本发明技术方案在电路设计上的灵活性。
图11是说明根据第六实施例的功率变换器装置的示意图。如图11中所示，图11的方案是图8所示方案的进一步改进，仅在前级中有部分开关器件例如开关器件Si3和Si4为常通型开关器件，而在后级直流/直流转换电路的开关器件中，保留例如开关器件Sa1和Sa2为常闭型开关器件，用于防止外部电流倒灌，使得图11的方案更加适合于例如给蓄电池充电以及多个电源并联应用的情况。当然，在其他的实施例中后级直流/直流转换电路中也可以仅保留一个开关器件为常闭型开关器件，用于防止外部电流倒灌。
图12是说明根据第七实施例的功率变换器装置的示意图。图13是说明根据本发明第八实施例的功率变换器装置的示意图。图14是说明根据本发明第九实施例的功率变换器装置的示意图。图12至图14中描述了，在本发明的功率变换器装置中，前级直流/直流转换电路可以为不隔离调整D2D转换电路Tra1，后级D2D转换电路可以为隔离不调整D2D转换电路Tri1。它们所包含的元件及其连接关系如图12至图14中所示，由于其描述过程与前述图6至图11类似，因此不再赘述。
根据本发明功率变换器装置，使用电路中原有的具备电压阻断能力的常闭型开关器件来实现常通型开关器件的直接使用，电路结构简单，成本较低，且可以直接充分发挥出常通型开关器件的优良特性，从而能够进一步提高开关电源的效率和功率密度。
虽然已参照典型实施例描述了本发明，但应当理解，这里所用的术语是说明性和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等同范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (14)

1.一种功率变换器装置，从一个电源获得电力，所述功率变换器装置包括：
开关器件，所述开关器件包括：
至少一个常通型开关器件，所述常通型开关器件的工作频率大于1KHZ；以及
至少一个常闭型开关器件，所述常闭型开关器件的工作频率大于1KHZ，且所述常通型开关器件与所述常闭型开关器件串联连接；以及
控制器，分别输出第一控制信号和第二控制信号，以对应地控制所述常通型开关器件和所述常闭型开关器件，使得在所述第一控制信号控制所述常通型开关器件关闭后所述第二控制信号控制所述常闭型开关器件导通。
2.如权利要求1所述的功率变换器装置，其中，当所述功率变换器装置关闭时，在所述第二控制信号关闭所述常闭型开关器件后，所述第一控制信号维持关闭所述常通型开关器件预设时间后关闭所述第一控制信号。
3.如权利要求1所述的功率变换器装置，其中，所述功率变换器装置为直流/直流转换装置。
4.如权利要求3所述的功率变换器装置，其中，所述功率变换器装置为两级级联结构的直流/直流转换装置，且所述两级级联结构的直流/直流转换装置包括：前级直流/直流转换电路和后级直流/直流转换电路。
5.如权利要求4所述的功率变换器装置，其中，所述前级直流/直流转换电路为隔离不调整直流/直流转换电路，且所述后级直流/直流转换电路为不隔离调整直流/直流转换电路。
6.如权利要求4所述的功率变换器装置，其中，所述前级直流/直流转换电路为不隔离调整直流/直流转换电路，且所述后级直流/直流转换电路为隔离不调整直流/直流转换电路。
7.如权利要求5或6所述的功率变换器装置，其中，所述隔离不调整直流/直流转换电路包括一个变压器，且所述变压器的原边和副边各连接有所述开关器件。
8.如权利要求7所述的功率变换器装置，其中，所述变压器的原边连接的所述开关器件为两个开关器件，所述两个开关器件组成一个半桥逆变电路，且所述变压器的原边的一端连接到所述半桥逆变电路的输出端。
9.如权利要求8所述的功率变换器装置，其中，所述两个开关器件一个为常通型开关器件，另一个为常闭型开关器件。
10.如权利要求7所述的功率变换器装置，其中，所述变压器的副边连接的所述开关器件为两个开关器件，所述两个开关器件为两个常闭型开关器件、一个常闭型开关器件和一个常通型开关器件、或两个常通型开关器件。
11.如权利要求5所述的功率变换器装置，其中，所述不隔离调整直流/直流转换电路中的所述开关器件中的一部分或全部为常通型开关器件。
12.如权利要求6所述的功率变换器装置，其中，所述不隔离调整直流/直流转换电路中的所述开关器件中至少有一个为常闭型开关器件。
13.如权利要求1所述的功率变换器装置，其中，所述控制器由一个辅助电源提供电源。
14.如权利要求4所述的功率变换器装置，其中，在所述后级直流/直流转换电路的所述开关器件中，至少有一个开关器件为常闭型开关器件，用于防止外部电流倒灌。
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