CN111656658B - 负电压生成电路和使用该负电压生成电路的电力转换装置 - Google Patents

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Abstract

负电压生成电路(200)具有：第一直流电压源(201)，其中，正极端连接到第一节点N1(Vin)；第一二极管(201)，其中，阴极连接到第一直流电压源(201)的负极端，并且阳极连接到第一负电压VC1的输出端(第四节点N4)；以及第一电容(204)，其中，第一端与第一负电压VC1的输出端连接，并且第二端与第二节点N2(Vs_high)连接，第一负电压VC1被提供给第一驱动器20，第一驱动器20执行连接在第一节点N1(Vin)和第二节点N2(Vs_high)之间的第一NMOSFET 11(第一开关元件)的开关控制。

Description

负电压生成电路和使用该负电压生成电路的电力转换装置
技术领域
本说明书中公开的发明涉及负电压生成电路和使用该负电压生成电路的电力转换装置。
背景技术
传统上，为了提高开关元件的关断速度，已知一种在关断开关元件时施加负电压的方法。
注意，存在作为与上述描述相关的传统技术的示例的专利文献1。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：JP-A-2011-66963(图1)
发明内容
发明所解决的技术问题
然而，专利文献1描述了一种正电极连接到开关元件的电源(图1的第一电源111b)，用于生成负电压，并且其电路结构具有进一步改进的空间。
鉴于本申请的发明人发现的上述问题，本说明书中公开的本发明的目的是提供一种小型电路规模的负电压生成电路。
解决问题的手段
本说明书中公开的负电压生成电路包括：第一DC电压源，该第一DC电压源具有连接到第一节点的正极端子；第一二极管，该第一二极管具有连接到所述第一DC电压源的负极端子的阴极和连接到第一负电压的输出端子的阳极；以及第一电容器，该第一电容器具有连接到所述第一负电压的所述输出端子的第一端子和连接到第二节点的第二端子，其中，所述第一负电压被提供给第一驱动器，该第一驱动器被布置为执行连接在所述第一节点和所述第二节点之间的第一开关元件的开关控制。
注意，通过以下给出的最佳模式实施例和相关附图的描述，本发明的其它特征、元件、步骤、优点和特征将变得更加明显。
发明的效果
根据本说明书中公开的发明，可以提供一种小型电路规模的负电压生成电路。
附图说明
图1是示出开关电源装置的第一实施例的图。
图2是示出第一实施例中的充电电压和栅极-源极电压的行为的图。
图3是示出开关电源装置的第二实施例的图。
图4是示出当输出电流增加时充电电压和栅极-源极电压的行为的图。
图5是示出开关电源装置的第三实施例的图。
图6是示出第三实施例中的充电电压和栅极-源极电压的行为的图。
图7是示出开关电源装置的第四实施例的图。
图8是示出开关电源装置的第五实施例的图。
图9是示出第五实施例中的充电电压和栅极-源极电压的行为的图。
图10是示出开关电源装置的第六实施例的图。
图11是示出三相逆变器的第一结构示例的图。
图12是示出三相逆变器的第二结构示例的图。
图13是示出第一结构示例中的部件布局的图。
图14是示出第二结构示例中的部件布局的图。
具体实施方式
<第一实施例>
图1是示出开关电源装置的第一实施例的图。本实施方式的开关电源装置1是对从DC电压源2输入的输入电压Vin进行降压而生成期望的输出电压Vout(和输出电流Iout)并将其提供给负载3的电力转换装置。开关电源装置1包括开关输出级10、高侧驱动器20、低侧驱动器30、正电压生成电路100和负电压生成电路200。
开关输出级10包括N沟道型金属氧化物半导体场效应晶体管(NMOSFET)11和12(分别对应于高侧开关和低侧开关)、电感器13和电容器14。
NMOSFET 11的漏极连接到开关输出级10的节点N1(即，向其施加输入电压Vin的输入节点)。NMOSFET 11的源极和背栅极以及NMOSFET 12的漏极连接到开关输出级10的节点N2(即，向其施加矩形波的高侧源极电压Vs_high的开关节点)。NMOSFET 12的源极和背栅极连接到开关输出级10的节点N3(即，向其施加接地电平的低侧源极电压Vs_low的接地节点)。
电感器13的第一端子连接到节点N2。电感器13的第二端子和电容器14的第一端子连接到作为输出电压Vout的输出端子的负载3的第一端子。电容器14的第二端子和负载3的第二端子连接到节点N3。
高侧驱动器20是根据从未示出的开关控制器输入的高侧控制信号GH生成高侧栅极电压Vg_high并将其输出到NMOSFET 11的栅极的电路块，并且包括npn型双极晶体管21、pnp型双极晶体管22以及电阻器23和24。作为双极型晶体管的替代，例如可以使用MOSFET作为晶体管21和22。
晶体管21的集电极连接到正电压Vg1的施加端子。晶体管21和22的基极彼此连接，并且其连接节点经由电阻器23连接到高侧控制信号GH的施加端子。晶体管21和22的发射极彼此连接，并且其连接节点经由电阻器24连接到NMOSFET 11的栅极。晶体管22的集电极连接到负电压VC1的施加端子。
注意，当高侧控制信号GH为高电平时，晶体管21导通，而晶体管22截止。因此，高侧栅极电压Vg_high为高电平(即Vg1)，因此NMOSFET 11导通。相比之下，当高侧控制信号GH为低电平时，晶体管21截止，而晶体管22导通。因此，高侧栅极电压Vg_high为低电平(即VC1)，因此NMOSFET 11截止。
低侧驱动器30是根据从未示出的开关控制器输入的低侧控制信号GL生成低侧栅极电压Vg_low并将其输出到NMOSFET 12的栅极的电路块，并且包括npn型双极晶体管31、pnp型双极晶体管32以及电阻器33和34。作为双极型晶体管的替代，例如可以使用MOSFET作为晶体管31和32。
晶体管31的集电极连接到正电压Vg2的施加端子。晶体管31和32的基极彼此连接，并且其连接节点经由电阻器33连接到低侧控制信号GL的施加端子。晶体管31和32的发射极彼此连接，并且其连接节点经由电阻器34连接到NMOSFET 12的栅极。晶体管32的集电极连接到负电压VC2的施加端子。
注意，当低侧控制信号GL为高电平时，晶体管31导通，而晶体管32截止。因此，低侧栅极电压Vg_low为高电平(即Vg2)，因此NMOSFET 12导通。相比之下，当低侧控制信号GL为低电平时，晶体管31截止，而晶体管32导通。因此，低侧栅极电压Vg_low为低电平(即VC2)，因此NMOSFET 12截止。
正电压生成电路100是将正电压Vg1和Vg2分别提供给高侧驱动器20和低侧驱动器30的电路块，并且包括DC电压源101、二极管102和电容器103。
DC电压源101的正极端子(即DC电压V1的输出端子)连接到晶体管31的集电极和二极管102的阳极。DC电压源101的负极端子接地。二极管102的阴极和电容器103的第一端子连接到正电压Vg1的输出端子(即，晶体管21的集电极)。电容器103的第二端子连接到节点N2(即，高侧源极电压Vs_high的施加端子)。
如上所述配置的正电压生成电路100用作正侧自举电路，并且生成总是比高侧源极电压Vs_high高出电容器103的端子之间的电压的正电压Vg1(Vg1＝Vs_high+V1-Vf102，其中，Vf102表示二极管102的正向电压降)。
负电压生成电路200是将负电压VC1和VC2分别提供给高侧驱动器20和低侧驱动器30的电路块，并且包括DC电压源201、二极管202和203以及电容器204和205。注意，负电压VC1是相对于Vs_high的负电压(即，相对于作为参考电位的高侧源极电压Vs_high具有负电位的电压)。相比之下，负电压VC2是相对于Vs_low的负电压(即，相对于作为参考电位的低侧源极电压Vs_low(即GND)具有负电位的电压)。
DC电压源201的正极端子与节点N1连接。DC电压源202的负极端子(即，DC电压(Vin-V2)的输出端子)连接到二极管202的阴极。二极管202的阳极和电容器204的第一端子连接到节点N4(即，负电压VC1的输出端子)。电容器204的第二端子连接到节点N2(即，高侧源极电压Vs_high的施加端子)。
此外，二极管203的阴极连接到节点N4。二极管203的阳极和电容器205的第一端子连接到节点N5(即，负电压VC2的输出端子)。电容器205的第二端子连接到节点N3(即，低侧源极电压Vs_low的施加端子)。
注意，该图中的粗实线箭头指示在NMOSFET 11的导通时段期间的电流路径。以此方式，在NMOSFET 11的导通时段期间，电流在包括DC电压源201、NMOSFET 11、电容器204和二极管202的闭合电路中流动。
相比之下，该图中的粗虚线箭头指示在NMOSFET 12的导通时段期间的电流路径。以此方式，在NMOSFET 12的导通时段期间，电容器204变为DC电压源，并且电流在包括电容器204、NMOSFET 12、电容器205和二极管203的闭合电路中流动。
如上所述配置的负电压生成电路200用作负侧自举电路，并且生成总是比高侧源极电压Vs_high低出电容器204的端子之间的电压的负电压VC1(VC1＝-V2+Vf202+Von_high，其中，VF202是二极管202的正向电压降，Von_high是NMOSFET 11在其导通时段期间的漏极-源极电压降)，以及始终比低侧源极电压Vs_low低出电容器205两端的电压的负电压VC2(VC2＝VC1+Vf203+Von_low，其中，Vf203是二极管203的正向电压降，Von_low是NMOSFET12在其导通时段期间的漏极-源极电压降)。
以此方式，如上所述配置的负电压生成电路200可以使用单个DC电压源201将负电压VC1和VC2分别提供给高侧驱动器20和低侧驱动器30。
图2是示出第一实施例中的充电电压VC1和VC2以及栅极-源极电压Vgs_high和Vgs_low的行为的图(当V1＝18.6V、V2＝6.5V、并且Iout＝1A成立时的仿真结果)。
从该图可以确认，负电压VC1和VC2分别被正确地提供给高侧驱动器20和低侧驱动器30，并且NMOSFET 11和12的栅极-源极电压Vgs_high和Vgs_low分别在NMOSFET 11和12的截止时段期间下降到负电压VC1和VC2。
<第二实施例>
图3是示出开关电源装置的第二实施例的图。本实施例的开关电源装置1基于第一实施例(图1)，并且作为示例，开关输出级10具有多个相位(在该图中为两个相位)。注意，在该图中，为了简单描述，仅示出了负电压生成电路200和连接到负电压生成电路200的电路组件，而未示出诸如正电压生成电路100的其它电路组件。
如该图所示，由于开关输出级10具有多相，因此为多相中的每一相设置负电压生成电路200的二极管202和203以及电容器204和205。相比之下，单个DC电压源201被共同地设置到多相。
具体说明各组件的连接关系。注意，在以下描述中，由具有后缀(1)的数字表示的组件属于第一相，由具有后缀(2)的数字表示的组件属于第二相。
NMOSFET 11(1)和11(2)的漏极连接到节点N1。NMOSFET 11(1)的源极和背栅极以及NMOSFET 12(1)的漏极连接到节点N2(1)。NMOSFET11(2)的源极和背栅极以及NMOSFET 12(2)的漏极连接到节点N2(2)。NMOSFET 12(1)的源极和背栅极连接到节点N3(1)。NMOSFET12(2)的源极和背栅极连接到节点N3(2)。NMOSFET 11(1)的栅极连接到晶体管22(1)的发射极。NMOSFET 12(1)的栅极连接到晶体管32(1)的发射极。NMOSFET 11(2)的栅极连接到晶体管22(2)的发射极。NMOSFET 12(2)的栅极连接到晶体管32(2)的发射极。
DC电压源201的正极端子与节点N1连接。DC电压源201的负极端子连接到二极管202(1)和202(2)的阴极。二极管202(1)的阳极和电容器204(1)的第一端子各自连接到晶体管22(1)的集电极(即，节点N4(1))。电容器204(1)的第二端子连接到节点N2(1)。相比之下，二极管202(2)的阳极和电容器204(2)的第一端子连接到晶体管22(2)的集电极(即，节点N4(2))。电容器204(2)的第二端子连接到节点N2(2)。
此外，二极管203(1)的阴极连接到节点N4(1)。二极管203(1)的阳极和电容器205(1)的第一端子连接到晶体管32(1)的集电极(即，节点N5(1))。电容器205(1)的第二端子连接到节点N3(1)。相比之下，二极管203(2)的阴极连接到节点N4(2)。二极管203(2)的阳极和电容器205(2)的第一端子连接到晶体管32(2)的集电极(即，节点N5(2))。电容器205(2)的第二端子连接到节点N3(2)。
注意，该图中的粗实线箭头表示在NMOSFET 11(1)的导通时段期间的电流路径。以此方式，在NMOSFET 11(1)的导通时段期间，电流在包括DC电压源201、NMOSFET 11(1)、电容器204(1)和二极管202(1)的闭合电路中流动。
相比之下，该图中的细实线箭头表示在NMOSFET 11(2)的导通时段期间的电流路径。以此方式，在NMOSFET 11(2)的导通时段期间，电流在包括DC电压源201、NMOSFET 11(2)、电容器204(2)和二极管202(2)的闭合电路中流动。
此外，该图中的粗虚线箭头指示在NMOSFET 12(1)的导通时段期间的电流路径。以此方式，在NMOSFET 12(1)的导通时段期间，电容器204变为DC电压源，并且电流在包括电容器204(1)、NMOSFET 12(1)、电容器205(1)和二极管203(1)的闭合电路中流动。
相比之下，该图中的细虚线箭头表示在NMOSFET 12(2)的导通时段期间的电流路径。以此方式，在NMOSFET 12(2)的导通时段期间，电容器204变为DC电压源，并且电流在包括电容器204(2)、NMOSFET 12(2)、电容器205(2)和二极管203(2)的闭合电路中流动。
在如上所述配置的负电压生成电路200中，即使开关输出级10的相数增加，仅一个电源(即，仅DC电压源201)足以生成负电压，因此可以避免电路规模的增加。
<输出电流增加时的问题>
图4是示出当输出电流Iout增加时充电电压VC1和VC2以及栅极-源极电压Vgs_high和Vgs_low的行为的图(当V1＝18.6V、V2＝6.5V、并且Iout＝20A成立时的仿真结果)。
当输出电流Iout增加时，在导通时段期间NMOSFET 11和12的漏极-源极电压降Von_high和Von_low增加。结果，从该图和图2之间的比较可以清楚地看出，负电压VC1和VC2从原始电压值偏移，因此存在栅极-源极电压Vgs_high和Vgs_low中的每一个的高电平和低电平的变化。下面提出了该问题的解决方案。
<第三实施例>
图5是示出开关电源装置的第三实施例的图。本实施例的开关电源装置1基于第一实施例(图1)，并且稳压器110被添加到正电压生成电路100，同时稳压器210和220被添加到负电压生成电路200。因此，与第一实施例中相同的部件由与图1中相同的数字或符号表示，因此省略重复描述，并且以下主要描述本实施例的特征部分。
稳压器110包括控制器IC 111和电容器114。控制器IC 111的IN引脚连接到电容器103的第一端子。控制器IC 111的GND引脚连接到节点N2。控制器IC 111的OUT引脚连接到正电压Vg1的输出端子。电容器114连接在OUT引脚和GND引脚之间。
如上所述配置的稳压器110稳定正电压Vg1。
稳压器210包括控制器IC 211和电容器214。控制器IC 211的IN引脚连接到二极管202的阳极。控制器IC 211的GND引脚连接到节点N2。控制器IC 211的OUT引脚连接到负电压VC1的输出端子(即，节点N4)。电容器214连接在IN引脚和GND引脚之间。
如上所述配置的稳压器210稳定负电压VC1。
稳压器220包括控制器IC 221和电容器224。控制器IC 221的IN引脚连接到二极管203的阳极。控制器IC 221的GND引脚连接到节点N3。控制器IC 221的OUT引脚连接到负电压VC2的输出端子(即，节点N5)。电容器224连接在IN引脚和GND引脚之间。
如上所述配置的稳压器220稳定负电压VC2。
图6是示出第三实施例中的充电电压VC1和VC2以及栅极-源极电压Vgs_high和Vgs_low的行为的图(当V1＝18.6V、V2＝6.5V、并且Iout＝20A成立时的仿真结果)。
从该图可以确认，即使当输出电流Iout增加时，由于稳压器210和220，也可以抑制负电压VC1和VC2中的电压波动(以及栅极-源极电压Vgs_high和Vgs_low中的变化)。
<第四实施例>
图7是示出开关电源装置的第四实施例的图。本实施例的开关电源装置1基于第一实施例(图1)，并且添加齐纳二极管206和207作为负电压生成电路200的组件。因此，与第一实施例中相同的部件由与图1中相同的数字或符号表示，因此省略重复描述，并且以下主要描述本实施例的特征部分。
齐纳二极管206的阳极连接到电容器204的第一端子(即，作为负电压VC1的输出端子的节点N4)。齐纳二极管206的阴极连接到电容器204的第二端子(即，节点N2)。
齐纳二极管207的阳极连接到电容器205的第一端子(即，作为负电压VC2的输出端子的节点N5)。齐纳二极管207的阴极连接到电容器205的第二端子(即，节点N3)。
注意，齐纳二极管206和207用作分别将电容器204和205两端的电压限制为预定上限值或更低的钳位器。然而，钳位器不限于齐纳二极管206和207，并且可以使用具有与齐纳二极管206和207相同的作用和效果的其它元件或电路。
即使当输出电流Iout增加时，由于齐纳二极管206和207，本实施例的开关电源装置1也可以通过比第三实施例(图5)更少的元件来抑制栅极-源极电压Vgs_high和Vgs_low的变化。然而，必须注意，由于齐纳二极管206和207的电流-电压特性，在负电压VC1和VC2中出现一些电压波动。
<第五实施例>
图8是示出开关电源装置的第五实施例的图。本实施例的开关电源装置1基于第一实施例(图1)，并且添加二极管208作为负电压生成电路200的部件。因此，与第一实施例中相同的部件由与图1中相同的数字或符号表示，因此省略重复描述，并且以下主要描述本实施例的特征部分。
二极管208的阴极连接到节点N2。二极管208的阳极连接到节点N3。换句话说，二极管208在相同方向上并联连接到NMOSFET 12的体二极管12D。
注意，作为二极管208，优选使用具有比NMOSFET 12的体二极管更低的正向电压降的元件。下面描述使用二极管208的技术意义。
注意，该图中的粗虚线箭头指示在NMOSFET 12的截止时段期间的电流路径。这样，在NMOSFET 12的截止时段期间，电流在包括电容器204、电感器13、负载3、电容器205和二极管203的闭合电路中流动，并且回流电流在包括NMOSFET 12的体二极管12D和附加二极管208的路径中流动。
如果不添加二极管208，则节点N2处的高侧源极电压Vs_high由体二极管12D产生的电压降限定。在体二极管12D中流动的回流电流越大，上述电压降越大，这导致负电压VC1和VC2的变化(以及栅极-源极电压Vgs_high和Vgs_low的变化)。
因此，具有比体二极管12D低的正向电压降的二极管208与体二极管12D并联连接，因此可以抑制上述电压降。
图9是示出第五实施例中的充电电压VC1和VC2以及栅极-源极电压Vgs_high和Vgs_low的行为的图(当V1＝18.6V、V2＝6.5V、并且Iout＝20A成立时的仿真结果)。
从该图中可以确认，即使当输出电流Iout增加时，由于二极管208，栅极-源极电压Vgs_high和Vgs_low的变化也可以通过比第三实施例(图5)更少的元件被抑制。此外，与第四实施例(图7)相比，在负电压VC1和VC2中几乎不发生电压波动。
<第六实施例>
图10是示出开关电源装置的第六实施例的图。本实施例的开关电源装置1基于第二实施例(图3)，并且二极管15(1)和15(2)分别用作开关输出级10(1)和10(2)的低侧开关。换句话说，开关输出级10(1)和10(2)从同步整流方法改变为二极管整流方法(即，异步整流方法)。此外，随着该方法改变，从负电压生成电路200的部件去除二极管203(1)和203(2)以及电容器205(1)和205(2)。
这样，在开关输出级10(1)和10(2)采用二极管整流方法的情况下，负电压生成电路200也可以用作向高侧驱动器20(1)和20(2)提供负电压的装置。
此外，在该图中，描述基于第二实施例(图3)，其中开关输出级10具有多相，但是不必说，在第一实施例(图1)，第三实施例(图5)或第四实施例(图7)被用作基础的情况下，负电压生成电路200也可以用作用于将负电压提供给高侧驱动器20的装置，并且单相开关输出级10被改变为二极管整流方法。
<在三相逆变器中的应用>
图11是示出三相逆变器(其中不使用负电压生成电路200)的第一结构示例的图。该结构示例的三相逆变器是一种将DC电力转换为AC电力的电力转换装置，并且包括开关SW1至SW6(例如NMOSFET)、电容器C1至C6、pnp型双极晶体管Q1至Q6以及DC电压源E1至E4。注意，在该图中，为了简单描述，仅示出了负侧电路部件，而没有示出正侧电路部件。
开关SW1、SW3和SW5的漏极连接到节点N10。开关SW1的源极和背栅极、开关SW2的漏极、电容器C1的第一端子和DC电压源E1的正极端子连接到节点N21。开关SW3的源极和背栅极、开关SW4的漏极、电容器C3的第一端子和DC电压源E2的正极端子连接到节点N22。开关SW5的源极和背栅极、开关SW6的漏极、电容器C5的第一端子和DC电压源E3的正极端子连接到节点N23。开关SW1、SW3和SW5的栅极分别连接到晶体管Q1、Q3和Q5的发射极。晶体管Q1的集电极、电容器C1的第二端子和DC电压源E1的负极端子连接到节点N41。晶体管Q3的集电极、电容器C3的第二端子和DC电压源E2的负极端子连接到节点N42。晶体管Q5的集电极、电容器C5的第二端子和DC电压源E3的负极端子连接到节点N43。
开关SW2的源极和背栅极以及电容器C2的第一端子连接到节点N31(接地端子)。开关SW4的源极和背栅极以及电容器C4的第一端子连接到节点N32(接地端子)。开关SW6的源极和背栅极以及电容器C6的第一端子连接到节点N33(接地端子)。开关SW2、SW4和SW6的栅极分别连接到晶体管Q2、Q4和Q6的发射极。晶体管Q2、Q4和Q6的集电极、电容器C2、C4和C6的第二端子以及DC电压源E4的负极端子连接到节点N50。DC电压源E4的正极端子与接地端子连接。
如该图所示，在不使用负电压生成电路200的第一结构示例中，需要总共四个DC电压源(分别用于开关SW1、SW3和SW5的DC电压源E1至E3，以及由开关SW2、SW4和SW6共享的DC电压源E4)作为用于生成负电压的装置。
图12是示出三相逆变器(其中使用负电压生成电路200)的第二结构示例的图。该结构示例的三相逆变器包括二极管D1至D6和DC电压源E，而不是上述DC电压源E1至E4。
开关SW1、SW3和SW5的漏极以及DC电压源E的正极端子连接到节点N10。开关SW1的源极和背栅极、开关SW2的漏极以及电容器C1的第一端子连接到节点N21。开关SW3的源极和背栅极、开关SW4的漏极以及电容器C3的第一端子连接到节点N22。开关SW5的源极和背栅极、开关SW6的漏极以及电容器C5的第一端子连接到节点N23。开关SW1、SW3和SW5的栅极分别连接到晶体管Q1、Q3和Q5的发射极。晶体管Q1的集电极、电容器C1的第二端子、二极管D1的阳极和二极管D2的阴极连接到节点N41。晶体管Q3的集电极、电容器C3的第二端子、二极管D3的阳极和二极管D4的阴极连接到节点N42。晶体管Q5的集电极、电容器C5的第二端子、二极管D5的阳极和二极管D6的阴极连接到节点N43。二极管D1、D3和D5的阴极连接到DC电压源E1的负极端子。
开关SW2的源极和背栅极以及电容器C2的第一端子连接到节点N31(接地端子)。开关SW4的源极和背栅极以及电容器C4的第一端子连接到节点N32(接地端子)。开关SW6的源极和背栅极以及电容器C6的第一端子连接到节点N33(接地端子)。开关SW2、SW4和SW6的栅极分别连接到晶体管Q2、Q4和Q6的发射极。晶体管Q2的集电极、电容器C2的第二端子和二极管D2的阳极连接到节点N51。晶体管Q4的集电极、电容器C4的第二端子和二极管D4的阳极连接到节点N52。晶体管Q6的集电极、电容器C6的第二端子和二极管D6的阳极连接到节点N53。
注意，该结构示例的三相逆变器可以被理解为图3的开关电源1作为三相输出类型的扩展。换句话说，开关SW1、SW3和SW5分别对应于NMOSFET 11(1)至11(3)，并且开关SW2、SW4和SW6分别对应于NMOSFET 12(1)至12(3)。晶体管Q1、Q3、Q5分别对应于晶体管22(1)至22(3)，晶体管Q2、Q4、Q6分别对应于晶体管32(1)至32(3)。电容器C1、C3和C5分别对应于电容器204(1)至204(3)，并且电容器C2、C4和C6分别对应于电容器205(1)至205(3)。二极管D1、D3和D5分别对应于二极管202(1)至202(3)，并且二极管D2、D4和D6分别对应于二极管203(1)至203(3)。此外，DC电压源E对应于DC电压源201。
如该图所示，即使输出相数增加，使用负电压生成电路200的第二结构示例也仅需要一个电源(即，仅DC电压源E)来生成负电压，因此可以避免电路规模的增加。
图13是示出安装有第一结构示例(图11)的三相逆变器的基板B1上的部件布局示例的图。注意，在以下描述中，纸张的垂直方向(上下方向)和横向方向(左右方向)分别被定义为用于具体描述的基板B1的垂直方向(上下方向)和横向方向(左右方向)。此外，基板B1的垂直方向(上下方向)对应于垂直边B1x的延伸方向。此外，基板B1的横向方向(左右方向)对应于横向侧B1y的延伸方向。注意，基板B1可以被理解为印刷线路板或模块基板。
开关SW1至SW6中的每一个被密封在矩形封装中，该矩形封装在平面图中具有纵向方向和短边方向。开关SW1、SW3和SW5以图中所示的顺序在横向方向(左右方向)上布置，使得其纵向方向平行于横向侧B1y。因此，开关SW1、SW3和SW5从其纵向方向(即，从垂直侧B1x)观看时看起来彼此重叠。此外，以开关SW2、SW4和SW6的纵向方向平行于横向侧B1y的方式，开关SW2、SW4和SW6以图中所示的顺序布置在横向方向(左右方向)上。因此，开关SW2、SW4和SW6从其纵向方向(即，从垂直侧B1x)观看时看起来彼此重叠。
开关SW1和SW2按图中所示的顺序排列在垂直方向(上下方向)上。因此，开关SW1和SW2从其短边方向(即，从横向侧B1y)观看时看起来彼此重叠。以相同的方式，开关SW3和SW4以图中所示的顺序在垂直方向(上下方向)上布置。因此，开关SW3和SW4从其短边方向观看时看起来彼此重叠。此外，开关SW5和SW6以图中所示的顺序在垂直方向(上下方向)上布置。因此，开关SW5和SW6从其短边方向观看时看起来彼此重叠。
电容器C1至C6中的每一个具有矩形形状，在平面图中具有纵向方向和短边方向，并且是比开关SW1至SW6中的每一个小的离散部件。电容器C1、C3和C5分别在开关SW1、SW3和SW5的左侧和右侧之间的中间横向地布置在开关SW1、SW3和SW5的上方，使得电容器C1、C3和C5的纵向方向平行于横向侧B1y。从开关SW1、SW3和SW5的短边方向(即，从横向侧B1y)观看时，电容器C1、C3和C5看起来分别与开关SW1、SW3和SW5重叠。此外，电容器C2、C4和C6分别在开关SW2、SW4和SW6的左侧和右侧之间的中间横向地布置在开关SW2、SW4和SW6的下方，使得电容器C2、C4和C6的纵向方向平行于横向侧B1y。因此，从开关SW2、SW4和SW6的短边方向(即，从横向侧B1y)观看时，电容器C2、C4和C6看起来分别与开关SW2、SW4和SW6重叠。
晶体管Q1至Q6中的每一个具有矩形形状，在平面图中具有纵向方向和短边方向，并且是比开关SW1至SW6中的每一个小并且比电容器C1至C6中的每一个大的离散部件。晶体管Q1、Q3和Q5以其纵向方向平行于横向侧B1y的方式分别设置在电容器C1、C3和C5的右侧。注意，从开关SW1、SW3和SW5的短边方向(即，从横向侧B1y)观看时，晶体管Q1、Q3和Q5看起来分别与开关SW1、SW3和SW5重叠，并且至少部分地与开关SW1、SW3和SW5重叠。晶体管Q2、Q4和Q6以其纵向方向平行于横向侧B1y的方式分别设置在电容器C2、C4和C6的右侧。注意，从开关SW2、SW4和SW6的短边方向(即，从横向侧B1y)观看时，晶体管Q2、Q4和Q6看起来分别与开关SW2、SW4和SW6重叠，并且至少部分地与开关SW2、SW4和SW6重叠。
这样，第1相(SW1、SW2、Q1、Q2、C1、C2)的开关输出级、第2相(SW3、SW4、Q3、Q4、C3、C4)的开关输出级、第3相(SW5、SW6、Q5、Q6、C5、C6)的开关输出级按图中所示在横向方向(左右方向)依次排列。
注意，为了在开关SW1至SW6中的每一个的栅极和源极之间形成小的闭环，优选将电容器C1至C6和晶体管Q1至Q6布置得尽可能靠近开关SW1至SW6。例如，以电容器C1至C6与开关SW1至SW6之间的距离短于开关SW1至SW6的长边的方式布置电容器C1至C6就足够了。对于晶体管Q1至Q6也是如此。
DC电压源E1至E4是分别形成在电容器C2、C4和C6以及晶体管Q2、Q4和Q6下方的区域中的电路块，并且按照图中所示的顺序在横向(左右方向)上排列。因此，从垂直侧B1x看，DC电压源E1至E4看起来彼此重叠。此外，从横向侧B1y看，DC电压源E1看起来与开关SW1和SW2重叠。从横向侧B1y看，DC电压源E2和E3看起来与开关SW3和SW4部分重叠。从横向侧B1y观看时，DC电压源E4看起来与开关SW5和SW6大部分重叠。
图14是示出安装有第二结构示例(图12)的三相逆变器的基板B2上的布局示例的图。注意，以与以上描述相同的方式，在以下描述中，纸张的垂直方向(上下方向)和横向方向(左右方向)分别被定义为用于具体描述的基板B2的垂直方向(上下方向)和横向方向(左右方向)。这里，开关SW1至SW6和电容器C1至C6的布局与上述图13的布局相同，并且省略重复的描述。
二极管D1至D6中的每一个具有矩形形状，在平面图中具有纵向方向和短边方向，并且是比开关SW1至SW6中的每一个小的离散部件，并且具有与电容器C1至C6中的每一个基本相同的尺寸。二极管D1至D6以其纵向平行于横向侧B1y的方式分别设置在电容器C1至C6的左侧。换句话说，二极管D1至D6、电容器C1至C6和晶体管Q1至Q6分别以图中所示的顺序在横向方向(左右方向)上对准。注意，从开关SW1、SW3和SW5的短边方向(即，从横向侧B1y)观看时，二极管D1、D3和D5看起来分别与开关SW1、SW3和SW5重叠。此外，从开关SW2、SW4和SW6的短边方向(即，从横向侧B1y)观看时，二极管D2、D4和D6看起来分别与开关SW2、SW4和SW6重叠。
DC电压源E是设置在开关SW1和SW2的左侧区域中的电路块，从而与开关SW1和SW2相邻。换句话说，DC电压源E设置在与各个相的开关输出级相同的行中。此外，布置DC电压源E和各个相的开关输出级的第一方向(横向方向)垂直于布置开关SW1和SW2(或开关SW3和SW4，或开关SW5和SW6)的第二方向(垂直方向)。注意，从垂直侧B1x观看时，DC电压源E看起来与开关SW1至SW6、电容器C1至C6、晶体管Q1至Q6以及二极管D1至D6大部分重叠。
这样，第二结构示例的三相逆变器仅通过添加二极管D1至D6就可以减少三个大且昂贵的DC电压源。因此，从图13和图14之间的比较可以清楚地看出，基板B2的面积可以比基板B1的面积小得多。
<总结>
在下面的描述中，总结了本说明书中公开的各种实施例。
本说明书中公开的负电压生成电路包括：第一DC电压源，该第一DC电压源具有连接到第一节点的正极端子；第一二极管，该第一二极管具有连接到所述第一DC电压源的负极端子的阴极和连接到第一负电压的输出端子的阳极；以及第一电容器，该第一电容器具有连接到所述第一负电压的所述输出端子的第一端子和连接到第二节点的第二端子，其中，所述第一负电压被提供给第一驱动器，该第一驱动器被布置为执行连接在所述第一节点和所述第二节点之间的第一开关元件的开关控制(第一结构)。
注意，在具有上述第一结构的负电压生成电路中，优选采用第一DC电压源被公共地设置成多相并且第一二极管和第一电容器针对多相中的每一个分开地设置的结构(第二结构)。
此外，在具有上述第一或第二结构的负电压生成电路中，优选采用进一步包括被布置为稳定第一负电压的稳压器的结构(第三结构)。
此外，在具有上述第一或第二结构的负电压生成电路中，优选采用进一步包括布置成限制第一电容器的端子之间的电压的钳位器的结构(第四结构)。
此外，在具有上述第四结构的负电压生成电路中，优选采用钳位器是具有连接到第一负电压的输出端子的阳极和连接到第二节点的阴极的齐纳二极管的结构(第五结构)。
此外，在具有上述第一至第五结构中的任何一个的负电压生成电路中，优选采用以下结构，该结构进一步包括：第二二极管，该第二二极管具有连接到第一负电压的输出端子的阴极和连接到第二负电压的输出端子的阳极；以及第二电容器，该第二电容器具有连接到第二负电压的输出端子的第一端子和连接到第三节点的第二端子，其中，第二负电压被施加到第二驱动器，该第二驱动器被布置为执行连接在第二节点和第三节点之间的第二开关元件的开关控制(第六结构)。
此外，在具有上述第六结构的负电压生成电路中，优选采用如下结构，其中，第一开关元件和第二开关元件中的每一个都是NMOSFET，并且负电压生成电路还包括第三二极管，该第三二极管具有连接到第二节点的阴极、连接到第三节点的阳极、以及比第二开关元件的体二极管的正向电压降更低的正向电压降(第七结构)。
此外，本说明书中公开的电力转换装置包括开关输出级，该开关输出级包括第一开关元件、第一驱动器、布置成向第一驱动器提供第一正电压的正电压生成电路、以及布置成向第一驱动器提供第一负电压的具有上述第一至第五结构中的任一个的负电压生成电路(第八结构)。
此外，本说明书中公开的电力转换装置包括开关输出级，该开关输出级包括第一开关元件和第二开关元件、第一驱动器、第二驱动器、布置成分别向第一驱动器和第二驱动器提供第一正电压和第二正电压的正电压生成电路、以及布置成分别向第一驱动器和第二驱动器提供第一负电压和第二负电压的具有第六或第七结构的负电压生成电路(第九结构)。
注意，在具有上述第八或第九结构的电力转换装置中，优选采用如下结构，其中，正电压生成电路包括：第二DC电压源；第四二极管，该第四二极管具有连接到第二DC电压源的正极端子的阳极和连接到第一正电压的输出端子的阴极；以及第三电容器，该第三电容器具有连接到第一正电压的输出端子的第一端子和连接到第二节点的第二端子(第十结构)。
此外，在具有上述第八至第十结构中的任何一个的电力转换装置中，优选采用如下结构，其中，多个开关输出级用于将DC电力转换为AC电力(第十一结构)。
此外，在具有上述第十一结构的电力转换装置中，优选采用多个开关输出级排列成一行的结构(第十二结构)。
此外，在具有上述第十二结构的电力转换装置中，优选采用第一DC电压源设置在与多个开关输出级相同的行中的结构(第十三结构)。
此外，在具有上述第九结构的电力转换装置中，优选采用如下结构，其中，布置第一DC电压源和开关输出级的第一方向垂直于布置第一开关元件和第二开关元件的第二方向(第十四结构)。
此外，在具有上述第十一至第十四结构中的任何一个的电力转换装置中，优选采用第一电容器与第一开关元件之间的距离短于第一开关元件的长边的结构(第十五结构)。
此外，在具有上述第十一至第十五结构中的任何一个的电力转换装置中，优选采用第一二极管、第一电容器、以及与第一二极管和第一电容器连接的第一驱动器的晶体管排列成一行的结构(第十六结构)。
<其它变型例>
注意，除了上述实施例之外，本说明书中公开的各种技术特征可以在不脱离本发明的精神的情况下在本发明的范围内进行各种修改。例如，上述负电压生成电路可以应用于各种电力转换装置而不限于三相逆变器，并且还可以应用于电力转换装置以外的装置。
此外，虽然上述实施例例示了开关输出级具有两级结构(即，两个NMOSFET串联连接的结构)的情况，但是不用说，上述负电压生成电路也可以应用于开关输出级具有多级(三级或更多级)的情况。
换句话说，上述实施方式仅仅是每个方面的示例，不应被解释为限制。本发明的技术范围不限于上述实施例，而是应当理解为包括在与权利要求等同的含义和范围内的所有修改。
此外，虽然上述实施例仅描述了使用NMOSFET作为开关元件的情况，但是不仅可以使用由Si制成的结型场效应晶体管(JFET)或绝缘栅双极晶体管(IGBT)，而且可以使用由SiC或GaN制成的半导体开关作为开关元件。
此外，与传统结构相比，上述实施例不仅可以提高开关元件的关断速度，而且可以防止开关损耗的降低或称为点火故障的故障。
行业实用性
本说明书中公开的负电压生成电路一般可用于诸如开关电源装置等的电力变换装置。
符号的说明
1开关电源装置(电力转换装置)
2DC电压源
3 负载
10 开关输出级
11NMOSFET(高侧开关)
12NMOSFET(低侧开关)
12D 体二极管
13 电感器
14 电容器
15二极管(低侧开关)
20高侧驱动器
21npn型双极晶体管
22pnp型双极晶体管
23、24 电阻器
30 低侧驱动器
31npn型双极晶体管
32pnp型双极晶体管
33、34 电阻器
100 正电压生成电路
101DC电压源
102 二极管
103 电容器
110 稳压器
111控制器IC
114 电容器
200 负电压生成电路
201DC电压源
202、203 二极管
204、205电容器
206、207齐纳二极管(钳位器)
208 二极管
210、220 稳压器
211、221控制器IC
214、224电容器
B1、B2基板
C1至C6电容器
D1至D6二极管
E1至E4，E DC电压源
N1、N10第一节点(输入节点)
N2、N21至N23第二节点(开关节点)
N3,N31至N33第三节点(接地节点)
N4、N41至N43第四节点(第一负输出节点)
N5、N50、N51至N53第五节点(第二负输出节点)
Q1至Q6 pnp型双极晶体管
SW1至SW6开关元件(NMOSFET)

Claims (14)

1.一种负电压生成电路，其包括：
第一DC电压源，该第一DC电压源具有连接到第一节点的正极端子；
第一二极管，该第一二极管具有连接到所述第一DC电压源的负极端子的阴极和连接到第一负电压的输出端子的阳极；
第一电容器，该第一电容器具有连接到所述第一负电压的所述输出端子的第一端子和连接到第二节点的第二端子；
第二二极管，该第二二极管具有连接到所述第一负电压的所述输出端子的阴极和连接到第二负电压的输出端子的阳极；以及
第二电容器，该第二电容器具有连接到所述第二负电压的所述输出端子的第一端子和连接到第三节点的第二端子，其中，
所述第一负电压被提供给第一驱动器，该第一驱动器被布置为执行连接在所述第一节点和所述第二节点之间的第一开关元件的开关控制，
所述第二负电压被施加到第二驱动器，该第二驱动器被布置为执行连接在所述第二节点和所述第三节点之间的第二开关元件的开关控制。
2.根据权利要求1所述的负电压生成电路，其中，
所述第一DC电压源被公共地设置到多个相，并且
所述第一二极管和所述第一电容器针对所述多个相中的每个相单独设置。
3.根据权利要求1或2所述的负电压生成电路，所述负电压生成电路还包括被布置为稳定所述第一负电压的稳压器。
4.根据权利要求1或2所述的负电压生成电路，所述负电压生成电路还包括钳位器，所述钳位器被布置为限制所述第一电容器的端子之间的电压。
5.根据权利要求4所述的负电压生成电路，其中，所述钳位器是齐纳二极管，所述齐纳二极管具有连接到所述第一负电压的输出端子的阳极和连接到所述第二节点的阴极。
6.根据权利要求1或2所述的负电压生成电路，其中，
所述第一开关元件和所述第二开关元件中的每一个是NMOSFET，并且
所述负电压生成电路还包括第三二极管，该第三二极管具有连接到所述第二节点的阴极、连接到所述第三节点的阳极以及比所述第二开关元件的体二极管的正向电压降更低的正向电压降。
7.一种电力转换装置，其包括：
开关输出级，该开关输出级包括第一开关元件和第二开关元件；
第一驱动器；
第二驱动器，
正电压生成电路，该正电压生成电路被布置为分别向所述第一驱动器和所述第二驱动器提供第一正电压和第二正电压；以及
根据权利要求1至6中任一项所述的负电压生成电路，其被布置为分别向所述第一驱动器和所述第二驱动器提供所述第一负电压和所述第二负电压。
8.根据权利要求7所述的电力转换装置，其中，所述正电压生成电路包括：
第二DC电压源；
第四二极管，该第四二极管具有连接到所述第二DC电压源的正极端子的阳极和连接到所述第一正电压的输出端子的阴极；以及
第三电容器，该第三电容器具有连接到所述第一正电压的所述输出端子的第一端子和连接到所述第二节点的第二端子。
9.根据权利要求7所述的电力转换装置，其中，多个开关输出级用于将DC电力转换为AC电力。
10.根据权利要求9所述的电力转换装置，其中，所述多个开关输出级排列成一行。
11.根据权利要求10所述的电力转换装置，其中，所述第一DC电压源设置在与所述多个开关输出级相同的行中。
12.根据权利要求7所述的电力转换装置，其中，布置所述第一DC电压源和所述开关输出级的第一方向垂直于布置所述第一开关元件和所述第二开关元件的第二方向。
13.根据权利要求9所述的电力转换装置，其中，所述第一电容器与所述第一开关元件之间的距离短于所述第一开关元件的长边。
14.根据权利要求9所述的电力转换装置，其中，所述第一二极管、所述第一电容器、以及与所述第一二极管和所述第一电容器连接的所述第一驱动器的晶体管排列成一行。
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