CN112019081B - 半导体功率开关器件集成电路及其控制方法、控制电路 - Google Patents

半导体功率开关器件集成电路及其控制方法、控制电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种半导体功率开关器件集成电路及其控制方法、控制电路，半导体功率开关器件集成电路包括第一储能器件、第二储能器件以及三个开关器件，第一开关器件与第二开关器件用于在第一时段将直流电源输入的直流信号转换为交流信号的正半周信号并输出，第一开关器件与第三开关器件用于在第二时段将直流电源输入的直流信号转换为交流信号的负半周信号并输出，第一储能器件用于在第一开关器件导通时储能以及在第一开关器件关断时释放能量，第二储能器件用于在第一开关器件关断时储能以及在第一开关器件导通时释放能量。通过本发明的技术方案，完成直流信号转交流信号的同时，简化了集成电路的电路结构。

Description

半导体功率开关器件集成电路及其控制方法、控制电路
技术领域
本发明实施例涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种半导体功率开关器件集成电路及其控制方法、控制电路。
背景技术
电路集成化是当前开关电路中解决系统体积大、成本高以及由寄生参数引起的各种开关干扰的有效途径，在各类集成开关电路中，DC/AC(Direct Current/AlternatingCurrent，直流转交流)变换电路因应用广泛一直以来不断被工程师们进行设计与优化。
传统的DC/AC集成变换电路主要分为电压源DC/AC变换电路和电流源DC/AC变换电路两大类，电压源DC/AC变换电路在本质上为一个降压型DC/AC变换电路，为了实现升压与逆变的功能，需要在其电路中增加额外的升压变换电路，例如在其交流输出的后级增加隔离变压器可以有效实现电路输出电压泵升，但会极大地增加电路体积、重量和成本，不易于电路集成。电流源DC/AC变换电路可以实现升压逆变功能，但这种结构一般至少需要四个甚至更多的开关器件，在增加电路成本的同时增加了电路集成与系统控制的难度。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种半导体功率开关器件集成电路及其控制方法、控制电路，完成了直流信号到交流信号转换的同时，简化了集成电路的电路结构，降低了集成电路的设计成本以及电路集成难度，提高了集成电路的可靠性。
第一方面，本发明实施例提供了一种半导体功率开关器件集成电路，包括：
第一储能器件、第二储能器件以及三个开关器件，所述开关器件包括第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件；
所述第一开关器件与所述第二开关器件用于在第一时段将直流电源输入的直流信号转换为交流信号的正半周信号并输出；
所述第一开关器件与所述第三开关器件用于在第二时段将直流电源输入的直流信号转换为交流信号的负半周信号并输出；
所述第一储能器件用于在所述第一开关器件导通时储能以及在所述第一开关器件关断时释放能量，所述第二储能器件用于在所述第一开关器件关断时储能以及在所述第一开关器件导通时释放能量。
进一步地，所述第一储能器件包括电感元件和电磁耦合器，所述电感元件与所述直流电源电连接，所述电磁耦合器的原边电路接入直流输入侧，所述电磁耦合器的副边电路接入交流输出侧；
所述第二储能器件包括电容元件，所述电容元件与所述电感元件电连接且所述电容元件串联于直流输入侧与交流输出侧之间。
进一步地，所述电感元件的第一端与所述直流电源的正输入端电连接，第二端与所述电容元件的第一端以及所述第一开关器件的第一端电连接，所述第一开关器件的第二端与所述直流电源的负输入端电连接；
所述电容元件的第二端与所述第二开关器件的第一端以及所述原边电路的正输入端电连接，所述原边电路的负输入端与所述直流电源的负输入端电连接；
所述第二开关器件的第二端电连接至正交流输出节点，所述直流电源的负输入端电连接至负交流输出节点；
所述副边电路的负输出端电连接至所述正交流输出节点且所述副边电路的正输出端与所述第三开关器件的第一端电连接且所述第三开关器件的第二端电连接至所述负交流输出节点；或者，所述副边电路的正输出端电连接至所述负交流输出节点且所述副边电路的负输出端与所述第三开关器件的第二端电连接且所述第三开关器件的第一端电连接至所述正交流输出节点。
进一步地，所述半导体功率开关器件集成电路还包括：
滤波电路，所述滤波电路电连接于正交流输出节点与负交流输出节点之间。
进一步地，所述滤波电路包括滤波电感元件和滤波电容元件，所述滤波电感元件的第一端电连接至所述正交流输出节点，所述滤波电感元件的第二端作为正交流输出端，所述滤波电容元件的第一端与所述滤波电感元件的第一端电连接，所述滤波电容元件的第二端电连接至所述负交流输出节点并作为负交流输出端。
进一步地，所述开关器件包括电力二极管和功率开关管，所述电力二极管的阳极作为所述开关器件的第一端，所述电力二极管的阴极与所述功率开关管的漏极电连接，所述功率开关管的栅极作为所述开关器件的控制端，所述功率开关管的源极作为所述开关器件的第二端。
进一步地，所述电力二极管为快恢复二极管、超快恢复二极管、肖特基二极管、碳化硅二极管或氮化镓二极管中的任意一种；
所述功率开关管为三极管、金属氧化物半导体场效应晶体管、碳化硅晶体管、氮化镓晶体管、高电子迁移率晶体管或绝缘栅双极型晶体管中的任意一种。
第二方面，本发明实施例还提供了一种控制方法，用于控制如第一方面所述的半导体功率开关器件集成电路，所述控制方法包括：
在所述交流信号的正半周时段，控制所述第一开关器件与所述第二开关器件以SPWM方式高频互补导通，控制所述第三开关器件关断；
在所述交流信号的负半周时段，控制所述第一开关器件与所述第三开关器件以SPWM方式高频互补导通，控制所述第二开关器件关断。
第三方面，本发明实施例还提供了一种控制电路，用于控制如第一方面所述的半导体功率开关器件集成电路，所述控制电路包括占空比反馈电路、调制电路、极性判定电路和逻辑处理电路，所述调制电路分别与所述占空比反馈电路以及所述逻辑处理电路电连接，所述极性判定电路与所述逻辑处理电路电连接；
所述占空比反馈电路根据接收到的所述直流信号和所述交流信号调节输出至所述调制电路的占空比信号；其中，所述占空比信号包含所述第一开关器件的导通占空比信息；
所述调制电路根据接收到的所述占空比信号以及载波信号和调制信号调节输出至所述逻辑处理电路的第一脉宽调制信号；
所述极性判定电路根据接收到的所述交流信号以及参考信号调节输出至所述逻辑处理电路的极性脉冲信号；
所述逻辑处理电路根据接收到的所述第一脉宽调制信号和所述极性脉冲信号分别调节输出的第一开关控制信号、第二开关控制信号以及第三开关控制信号；
其中，在所述交流信号的正半周时段，所述第一开关器件与所述第二开关器件在对应的开关控制信号的作用下以SPWM方式高频互补导通，所述第三开关器件在对应的开关控制信号的作用下关断；在所述交流信号的负半周时段，所述第一开关器件与所述第三开关器件在对应的开关控制信号的作用下以SPWM方式高频互补导通，所述第二开关器件在对应的开关控制信号的作用下关断。
进一步地，所述占空比反馈电路包括加法器和除法器，所述加法器用于对所述直流信号与所述交流信号进行加法运算得到叠加信号，所述除法器用于对所述交流信号以及所述叠加信号进行除法运算；
所述调制电路包括乘法器与第一运算放大器，所述乘法器用于对所述占空比信号与所述调制信号进行乘法运算得到乘积信号，第一运算放大器的同向输入端接入所述乘积信号，反向输入端接入所述载波信号，输出端输出所述第一脉宽调制信号；
所述极性判定电路包括第二运算放大器，所述第二运算放大器的同向输入端接入所述交流信号，所述第二运算放大器的反向输入端接入所述参考信号，输出端输出所述极性脉冲信号；
所述逻辑处理电路包括第一非门、第二非门、第一与门和第二与门，所述第一非门的输入端接入所述第一脉宽调制信号，输出端输出所述第一开关控制信号，所述第一与门的第一输入端接入所述极性脉冲信号，第二端与所述第一非门的输出端电连接，输出端输出所述第二开关控制信号，所述第二非门的输入端接入所述极性脉冲信，输出端与所述第二与门的第一输入端电连接，第二与门的第二输入端与所述第一非门的输出端电连接，所述第二与门的输出端输出所述第三开关控制信号。
本发明实施例提供了一种半导体功率开关器件集成电路及其控制方法、控制电路，半导体功率开关器件集成电路包括第一储能器件、第二储能器件以及第一开关器件至第三开关器件，通过设置第一储能器件在第一开关器件导通时储能以及在第一开关器件关断时释放能量，第二储能器件在第一开关器件关断时储能以及在第一开关器件导通时释放能量，使得第一开关器件导通时段存在储能器件存储直流电源输出的能量，第一开关器件关断时段存在储能器件释放能量至输出端，且设置第一开关器件与第二开关器件在第一时段将直流电源输入的直流信号转换为交流信号的正半周信号并输出，第一开关器件与第三开关器件在第二时段将直流电源输入的直流信号转换为交流信号的负半周信号并输出，仅利用三个开关器件即完成了直流信号到交流信号的转换，避免了增加额外的变换电路导致的电路结构复杂，以及采用至少四个开关器件构成的桥臂结构存在桥臂直通导致的电路失效和电路集成难度大的问题，简化了集成电路的电路结构，降低了集成电路的设计成本以及电路集成难度，提高了集成电路的可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或背景技术中的技术方案，下面将对实施例或背景技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例的示意图，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的方案。
图1为本发明实施例提供的一种半导体功率开关器件集成电路的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种半导体功率开关器件集成电路的具体电路结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种输入的直流信号与输出的交流信号的波形示意图；
图4为本发明实施例提供的一种不同开关器件对应的开关控制信号的波形示意图；
图5即为本发明实施例提供的一种第一开关器件的占空比控制信号的波形示意图；
图6为本发明实施例提供的另一种半导体功率开关器件集成电路的具体电路结构示意图；
图7为本发明实施例提供的一种开关器件的结构示意图；
图8为本发明实施例提供的一种控制方法的流程示意图；
图9为本发明实施例提供的一种控制电路的结构示意图；
图10为本发明实施例提供的另一种控制电路的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。贯穿本说明书中，相同或相似的附图标号代表相同或相似的结构、元件或流程。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
图1为本发明实施例提供的一种半导体功率开关器件集成电路的结构示意图。如图1所示，半导体功率开关器件集成电路包括第一储能器件1、第二储能器件2以及三个开关器件3，开关器件3包括第一开关器件31、第二开关器件32、第三开关器件33，第一开关器件31与第二开关器件32用于在第一时段将直流电源Vin输入的直流信号转换为交流信号的正半周信号并输出，第一开关器件31与第三开关器件33用于在第二时段将直流电源Vin输入的直流信号转换为交流信号的负半周信号并输出，第一储能器件1用于在第一开关器件31导通时储能以及在第一开关器件31关断时释放能量，第二储能器件2用于在第一开关器件31关断时储能以及在第一开关器件31导通时释放能量。
具体地，如图1所示，第一开关器件31与第二开关器件32在第一时段将直流电源Vin输入的直流信号转换为交流信号的正半周信号并输出，第一开关器件31与第三开关器件33在第二时段将直流电源Vin输入的直流信号转换为交流信号的负半周信号并输出，输出的交流信号与输入的直流信号的关系取决于第一开关器件31的导通时段，设置第一储能器件1在第一开关器件31导通时储能以及在第一开关器件31关断时释放能量，第二储能器件2在第一开关器件31关断时储能以及在第一开关器件31导通时释放能量，使得在第一开关器件31导通时段存在储能器件存储直流电源Vin输出的能量，第一开关器件31关断时段存在储能器件释放能量至输出端，进而实现输入端到输出端能量的传输，这样仅利用三个开关器件即完成了直流信号到交流信号的转换，避免了增加额外的变换电路导致的电路结构复杂，以及采用至少四个开关器件构成的桥臂结构存在桥臂直通导致的电路失效和电路集成难度大的问题，简化了集成电路的电路结构，降低了集成电路的设计成本以及电路集成难度，提高了集成电路的可靠性。
图2为本发明实施例提供的一种半导体功率开关器件集成电路的具体电路结构示意图。结合图1和图2，可以设置第一储能器件1包括电感元件L1和电磁耦合器T，电感元件L1与直流电源Vin电连接，电磁耦合器T的原边电路T1接入直流输入侧，电磁耦合器T的副边电路T2接入交流输出侧，第二储能器件2包括电容元件C1，电容元件C1与电感元件L1电连接且电容元件C1串联于直流输入侧与交流输出侧之间，其中，直流输入侧可以理解为A节点与B节点左侧部分电路，交流输出侧可以理解为A节点与B节点右侧部分电路。
具体地，如图1所示，可以设置电感元件L1为直流电感元件，直流电感元件作为储能电感元件，电感元件L1与直流电源Vin电连接，用于对直流输入侧输入的信号进行升压储能，且可以对直流输入侧输入信号中的电流纹波进行控制。电磁耦合器T可以为隔离型的电磁变换器，电磁耦合器T的原边电路T1接入直流输入侧，电磁耦合器T的副边电路T2接入交流输出侧，电磁耦合器T能够有效实现原边电路T1功率与副边电路T2功率的传输，且能够实现原边电路T1与副边电路T2的电气隔离。电容元件C1作为存储电容，可以设置电容元件C1为电解电容、薄膜电容以及超级电容中的任意一种，电容元件C1主要用于平衡直流输入侧和交流输出侧之间的瞬时能量。
结合图1和图2，可以设置电感元件L1的第一端与直流电源Vin的正输入端电连接，第二端与电容元件C1的第一端以及第一开关器件31的第一端a2电连接，第一开关器件31的第二端a3与直流电源Vin的负输入端电连接。电容元件C1的第二端与第二开关器件32的第一端a2以及原边电路T1的正输入端，即原边电路T1标有黑点的一端电连接，原边电路T1的负输入端，即原边电路T1未标有黑点的一端与直流电源Vin的负输入端电连接。第二开关器件32的第二端a3电连接至正交流输出节点A，直流电源Vin的负输入端电连接至负交流输出节点B。如图2所示，可以设置副边电路T2的负输出端，即副边电路T2未标有黑点的一端电连接至正交流输出节点A，副边电路T2的正输出端，即副边电路T2标有黑点的一端与第三开关器件33的第一端a2电连接，第三开关器件33的第二端a3电连接至负交流输出节点B。
图3为本发明实施例提供的一种输入的直流信号与输出的交流信号的波形示意图，图4为本发明实施例提供的一种不同开关器件对应的开关控制信号的波形示意图。结合图1至图4，图3和图4两张图中的横坐标均代表时间t，单位为ms，纵坐标均代表电压，单位为V，图3中曲线a代表直流电源Vin输入端的直流信号，曲线b代表集成电路输出的交流信号，图4中Vgs1代表用于控制第一开关器件31的第一开关控制信号，Vgs2代表用于控制第二开关器件32的第二开关控制信号，Vgs3代表用于控制第三开关器件33的第三开关控制信号。需要说明的是，由于不同开关器件对应的开关控制信号均为高频信号，图4仅以10ms为示意单位示出了不同开关控制信号的变化情况，本领域技术人员可以理解每个10ms时段内均包含有多个高频变换的脉冲信号。
结合图1至图4，在集成电路输出的交流信号的正半周，例如1ms到10ms时段或者20ms到30ms时段，通过调节第一开关控制信号Vgs1和第二开关控制信号Vgs2可以控制第一开关器件31和第二开关器件32以SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation，正弦脉宽调制)方式高频互补导通，通过调节第三开关控制信号Vgs3可以控制第三开关器件33常关闭。具体地，当第一开关器件31导通，第二开关器件32关闭时，直流电源Vin向电感元件L1充电，使得电感元件L1储能，电容元件C1放电，向电磁耦合器T的原边电路T1充电，使其原边电路T1储能。当第一开关器件31关闭，第二开关器件32导通时，电感元件L1放电以释放能量，电感元件L1一边给电容元件C1充电，一边给输出负载Vs供电，同时电磁耦合器T会将原边电路T1之前存储的能量传递给副边电路T2，并通过负载Vs释放掉，以有效防止电磁耦合器T饱和，降低电磁耦合器T烧毁的概率。
结合图1至图4，在集成电路输出的交流信号的负半周，例如10ms到20ms时段或者30ms到40ms时段，通过调节第一开关控制信号Vgs1和第三开关控制信号Vgs3可以控制第一开关器件31和第三开关器件33以SPWM方式高频互补导通，通过调节第二开关控制信号Vgs2可以控制第二开关器件32常关闭。具体地，当第一开关器件31导通，第三开关器件33关闭时，直流电源Vin向电感元件L1充电，使得电感元件L1储能，电容元件C1放电，向电磁耦合器T的原边电路T1充电，使其原边电路T1储能。当第一开关器件31关闭，第三开关器件33导通时，电感元件L1放电以释放能量，电感元件L1一边给电容元件C1充电，一边给输出负载Vs供电，同时电磁耦合器T会将原边电路T1之前存储的能量传递给副边电路T2，并通过负载Vs释放掉，以有效防止电磁耦合器T饱和，降低电磁耦合器T烧毁的概率。另外，由图4也可以看出，在半个正弦波周期内，第二开关器件32和第三开关器件33始终只有一个开关器件导通。
结合图1至图4，通过设置在交流信号的正半周时段，控制第一开关器件31与第二开关器件32以SPWM方式高频互补导通，控制第三开关器件33关断。在交流信号的负半周时段，控制第一开关器件31与第三开关器件33以SPWM方式高频互补导通，控制第二开关器件32关断，使得集成电路能够实现直流电源输入的直流信号到正弦交流信号的完美转换，且仅利用三个开关器件即完成了直流信号到交流信号的转换，简化了集成电路的电路结构，降低了集成电路的设计成本以及电路集成难度，提高了集成电路的可靠性。
基于上述分析，可以得到图1和图2所示的半导体功率开关器件集成电路中，输入的直流信号vin(t)与输出的交流信号vo(t)满足如下关系：
Figure BDA0002075225720000121
上述公式中d(t)表示控制第一开关器件31的控制端a1的占空比控制信号，表示第一开关器件31的导通占空比，由上述公式(1)可知，集成电路输出的交流信号vo(t)与输入的直流信号vin(t)的关系取决于第一开关器件31的导通时段，即取决于第一开关器件31的导通占空比，可以看出，设置第一开关器件31的导通占空比大于50％，使集成电路实现直流信号向交流信号转换的同时，实现了升压功能。另外，由图3也可以看出，集成电路输入的直流信号vin(t)远低于输出的交流信号vo(t)，且输出的交流信号vo(t)的正弦度较好，能满足交流用电设备的电能质量要求。
另外，上述公式(1)可以理解为仅针对交流信号的正半周或负半周适用，以直流信号vin(t)的电平值大于零为例，上述公式计算得到的交流信号vo(t)为正半周的交流信号，负半周的交流信号在上述公式(1)中交流信号vo(t)的前面添加负号即可，图5即为本发明实施例提供的一种第一开关器件的占空比控制信号的波形示意图，图5中横坐标均代表时间t，单位为ms，纵坐标均代表第一开关器件的导通占空比d，无单位。
图6为本发明实施例提供的另一种半导体功率开关器件集成电路的具体电路结构示意图，与图2所示结构的半导体功率开关器件集成电路不同的是，图6所示结构的半导体功率开关器件集成电路设置副边电路T2的正输出端，即副边电路T2标有黑点的一端电连接至负交流输出节点B，副边电路图的负输出端，即副边电路T2未标有黑点的一端与第三开关器件33的第二端a3电连接，第三开关器件33的第一端a1电连接至正交流输出节点A。图2与图6所示结构的半导体功率开关器件集成电路均能有效实现直流信号到交流信号的转换，优选图2所示结构的半导体功率开关器件集成电路，可以设置直流电源Vin的负输入端接地，则第一开关器件31与第三开关器件33的第二端a3均接地，即均可以采用接地驱动，有利于更准确地实现对第一开关器件31与第三开关器件33开关状态的控制，降低了集成电路的设计难度。
可选地，结合图1、图2和图6，半导体功率开关器件集成电路还可以包括滤波电路4，滤波电路4电连接于正交流输出节点A与负交流输出节点B之间。示例性地，可以设置滤波电路4包括滤波电感元件Lf和滤波电容元件Cf，滤波电感元件Lf的第一端电连接至正交流输出节点A，滤波电感元件Lf的第二端作为正交流输出端Vo+，滤波电容元件Cf的第一端与滤波电感元件Lf的第一端电连接，滤波电容元件Cf的第二端电连接至负交流输出节点B并作为负交流输出端Vo-。具体地，结合图1、图2和图6，滤波电感元件Lf和滤波电容元件Cf共同构成滤波电路4，能够有效滤除集成电路输出的交流信号中的高次谐波，即能够有效滤除输出的交流信号中的干扰信号，使得输出的交流信号更接近于正弦信号。
图7为本发明实施例提供的一种开关器件的结构示意图。结合图1、图2和图6以及图7，可以设置开关器件3包括电力二极管Dn和功率开关管Tn，电力二极管Dn的阳极作为开关器件3的第一端a2，电力二极管Dn的阴极与功率开关管Tn的漏极d电连接，功率开关管Tn的栅极g作为开关器件3的控制端a1，功率开关管Tn的源极s作为开关器件3的第二端a3。具体地，功率开关管Tn能够有效实现开关器件3的开关功能，而功率开关管Tn的电流流向均为由漏极d流向源极s，电力二极管Dn的连接方式能够防止功率开关管存在电流反灌的问题。
示例性地，可以设置电力二极管Dn为快恢复二极管、超快恢复二极管、肖特基二极管、碳化硅二极管或氮化镓二极管中的任意一种，优选设置电力二极管Dn为肖特基二极管、碳化硅二极管或氮化镓二极管中的一种，三种二极管均属于宽禁带的二极管，具有反向电流小的优点。另外，可以设置功率开关管Tn为三极管、金属氧化物半导体场效应晶体管、碳化硅晶体管、氮化镓晶体管、高电子迁移率晶体管或绝缘栅双极型晶体管中的任意一种，优选设置功率开关管Tn为碳化硅晶体管、氮化镓晶体管或高电子迁移率晶体管中的一种，其中，高电子迁移率晶体管为氮化镓晶体管中的一种，三种晶体管同样均属于宽禁带的晶体管，具有反向电流小的优点。
本发明实施例还提供了一种控制方法，图8为本发明实施例提供的一种控制方法的流程示意图，该控制方法用于控制上述实施例中的半导体功率开关器件集成电路，如图8所示，控制方法包括：
S110、在交流信号的正半周时段，控制第一开关器件与第二开关器件以SPWM方式高频互补导通，控制第三开关器件关断。
结合图1至图7，在集成电路输出的交流信号的正半周，通过调节第一开关控制信号Vgs1和第二开关控制信号Vgs2可以控制第一开关器件31和第二开关器件32以SPWM方式高频互补导通，通过调节第三开关控制信号Vgs3可以控制第三开关器件33常关闭。具体地，当第一开关器件31导通，第二开关器件32关闭时，直流电源Vin向电感元件L1充电，使得电感元件L1储能，电容元件C1放电，向电磁耦合器T的原边电路T1充电，使其原边电路T1储能。当第一开关器件31关闭，第二开关器件32导通时，电感元件L1放电以释放能量，电感元件L1一边给电容元件C1充电，一边给输出负载供电，同时电磁耦合器T会将原边电路T1之前存储的能量传递给副边电路T2，并通过负载释放掉。
S120、在交流信号的负半周时段，控制第一开关器件与第三开关器件以SPWM方式高频互补导通，控制第二开关器件关断。
结合图1至图7，在集成电路输出的交流信号的负半周，通过调节第一开关控制信号Vgs1和第三开关控制信号Vgs3可以控制第一开关器件31和第三开关器件33以SPWM方式高频互补导通，通过调节第二开关控制信号Vgs2可以控制第二开关器件32常关闭。具体地，当第一开关器件31导通，第三开关器件33关闭时，直流电源Vin向电感元件L1充电，使得电感元件L1储能，电容元件C1放电，向电磁耦合器T的原边电路T1充电，使其原边电路T1储能。当第一开关器件31关闭，第三开关器件33导通时，电感元件L1放电以释放能量，电感元件L1一边给电容元件C1充电，一边给输出负载供电，同时电磁耦合器T会将原边电路T1之前存储的能量传递给副边电路T2，并通过负载释放掉。
这样，使得集成单路能够实现直流电源输入的直流信号到正弦交流信号的完美转换，简化了集成电路的电路结构，降低了集成电路的设计成本以及电路集成难度，提高了集成电路的可靠性。
本发明实施例还提供了一种控制电路，图9为本发明实施例提供的一种控制电路的结构示意图，该控制电路用于控制上述实施例中的半导体功率开关器件集成电路，结合图1至图9，控制电路包括占空比反馈电路5、调制电路6、极性判定电路7和逻辑处理电路8，调制电路6分别与占空比反馈电路5以及逻辑处理电路8电连接，极性判定电路7与逻辑处理电路8电连接。
占空比反馈电路5根据接收到的直流信号vin(t)和交流信号vo(t)调节输出至调制电路6的占空比信号d(t)，占空比信号d(t)包含第一开关器件31的导通占空比信息。调制电路6根据接收到的占空比信号d(t)以及载波信号vtri(t)和调制信号vm(t)调节输出至逻辑处理电路8的第一脉宽调制信号vPWM(t)。极性判定电路7根据接收到的交流信号vo(t)以及参考信号调节输出至逻辑处理电路8的极性脉冲信号p(t)。逻辑处理电路8根据接收到的第一脉宽调制信号vPWM(t)和极性脉冲信号p(t)分别调节输出的第一开关控制信号vgs1(t)、第二开关控制信号vgs2(t)以及第三开关控制信号vgs3(t)。其中，在交流信号的正半周时段，第一开关器件31与第二开关器件32在对应的开关控制信号的作用下以SPWM方式高频互补导通，第三开关器件33在对应的开关控制信号的作用下关断；在交流信号的负半周时段，第一开关器件31与第三开关器件33在对应的开关控制信号的作用下以SPWM方式高频互补导通，第二开关器件32在对应的开关控制信号的作用下关断。
可选地，结合图1至图9，可以设置占空比反馈电路5包括加法器51和除法器52，加法器51用于对直流信号vin(t)和交流信号vo(t)进行加法运算得到叠加信号，除法器52用于对交流信号vo(t)以及叠加信号进行除法运算。调制电路6包括乘法器61与第一运算放大器62，乘法器61用于对占空比信号d(t)与调制信号vm(t)进行乘法运算得到乘积信号，第一运算放大器62的同向输入端接入乘积信号，反向输入端接入载波信号vtri(t)，输出端输出第一脉宽调制信号vPWM(t)。极性判定电路7包括第二运算放大器71，第二运算放大器71的同向输入端接入交流信号vo(t)，第二运算放大器71的反向输入端接入参考信号，输出端输出极性脉冲信号p(t)。逻辑处理电路8包括第一非门81、第二非门82、第一与门83和第二与门84，第一非门81的输入端接入第一脉宽调制信号vPWM(t)，输出端输出第一开关控制信号vgs1(t)，第一与门83的第一输入端接入极性脉冲信号p(t)，第二端与第一非门81的输出端电连接，输出端输出第二开关控制信号vgs2(t)，第二非门82的输入端接入极性脉冲信p(t)，输出端与第二与门84的第一输入端电连接，第二与门84的第二输入端与第一非门81的输出端电连接，第二与门84的输出端输出第三开关控制信号vgs3(t)。
具体地，结合图1至图9，该控制电路可以理解为多控制变量复合控制电路，由上述公式(1)可以得出，
Figure BDA0002075225720000171
占空比反馈电路5将采样获得的交流信号vo(t)首先经过半波整流得到正弦馒头波信号|vo(t)|，然后通过除法器52和加法器51得到占空比控制信号d(t)，并输出至调制电路6。
调制电路6根据接收到的占空比控制信号d(t)、载波信号vtri(t)和调制信号vm(t)调制后输出第一脉宽调制信号vPWM(t)，载波信号vtri(t)可以为三角波会锯齿波，调制信号vm(t)为恒定电平信号，仅由载波信号vtri(t)和调制信号vm(t)得到的脉宽调制信号可以作为基准脉宽调制信号，将基准脉宽调制信号乘以第一开关器件31的占空比控制信号d(t)即可间接得到第一开关器件31的第一开关控制信号vgs1(t)。
极性判定电路7根据接收到的交流信号vo(t)以及参考信号，例如可以为接地信号，调节输出至逻辑处理电路8的极性脉冲信号p(t)，当交流信号vo(t)的电平值大于参考信号，例如地信号的电平值时，极性判定电路7输出高电平信号，相反，极性判定电路7输出低电平信号，以形成极性脉冲信号p(t)。
逻辑处理电路8根据接收到的第一脉宽调制信号vPWM(t)和极性脉冲信号p(t)分别调节输出的第一开关控制信号vgs1(t)、第二开关控制信号vgs2(t)以及第三开关控制信号vgs3(t)，即逻辑处理电路8对第一脉宽调制信号vPWM(t)和极性脉冲信号p(t)进行逻辑运算后输出第一开关控制信号vgs1(t)、第二开关控制信号vgs2(t)以及第三开关控制信号vgs3(t)。
由图9可以得出，逻辑运算关系满足
Figure BDA0002075225720000181
Figure BDA0002075225720000182
这样得到的第一开关控制信号vgs1(t)等于第一脉宽调制信号vPWM(t)的反向，而第一脉宽调制信号vPWM(t)又包含有第一开关器件31的导通占空比信息，第二开关控制信号vgs2(t)以及第三开关控制信号vgs3(t)均为第一脉宽调制信号vPWM(t)的反向信号的基础上乘以极性脉冲信号p(t)或者极性脉冲信号p(t)的反向信号，极性脉冲信号p(t)包含有交流信号vo(t)与零的相对关系，既包含了交流信号vo(t)的正负半周信息，进而使得第二开关器件32和第三开关器件33分别在正负半周得到相应的控制，即第一开关控制信号vgs1(t)、第二开关控制信号vgs2(t)以及第三开关控制信号vgs3(t)满足图4所示的波形。
图10为本发明实施例提供的另一种控制电路的结构示意图，与图9所示结构的控制电路不同的是，图10所示结构的控制电路设置载波信号vtri(t)电连接至第一运算放大器62的同向输入端，调制信号vm(t)电连接至第一运算放大器62的反向输入端，则最终的第一开关控制信号vgs1(t)、第二开关控制信号vgs2(t)以及第三开关控制信号vgs3(t)的计算公式中，第一脉宽调制信号vPWM(t)的反向可以替换为第一脉宽调制信号vPWM(t)。
在交流信号的正半周时段，第一开关器件31与第二开关器件32在对应的开关控制信号的作用下以SPWM方式高频互补导通，第三开关器件33在对应的开关控制信号的作用下关断；在交流信号的负半周时段，第一开关器件31与第三开关器件33在对应的开关控制信号的作用下以SPWM方式高频互补导通，第二开关器件32在对应的开关控制信号的作用下关断，以实现直流信号到交流信号的转换。这样，利用结构较为简单的控制电路即可生成的开关控制信号，以使半导体功率开关器件集成电路完成直流信号到交流信号的转换，有利于简化集成电路的电路结构，降低集成电路的设计成本以及电路集成难度，提高集成电路的可靠性。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (8)

1.一种半导体功率开关器件集成电路，其特征在于，包括：
第一储能器件、第二储能器件以及三个开关器件，所述开关器件包括第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件；
所述第一开关器件与所述第二开关器件用于在第一时段将直流电源输入的直流信号转换为交流信号的正半周信号并输出；
所述第一开关器件与所述第三开关器件用于在第二时段将直流电源输入的直流信号转换为交流信号的负半周信号并输出；
所述第一储能器件用于在所述第一开关器件导通时储能以及在所述第一开关器件关断时释放能量，所述第二储能器件用于在所述第一开关器件关断时储能以及在所述第一开关器件导通时释放能量；
所述第一储能器件包括电感元件和电磁耦合器，所述电感元件与所述直流电源电连接，所述电磁耦合器的原边电路接入直流输入侧，所述电磁耦合器的副边电路接入交流输出侧；
所述第二储能器件包括电容元件，所述电容元件与所述电感元件电连接且所述电容元件串联于直流输入侧与交流输出侧之间；
所述电感元件的第一端与所述直流电源的正输入端电连接，第二端与所述电容元件的第一端以及所述第一开关器件的第一端电连接，所述第一开关器件的第二端与所述直流电源的负输入端电连接；
所述电容元件的第二端与所述第二开关器件的第一端以及所述原边电路的正输入端电连接，所述原边电路的负输入端与所述直流电源的负输入端电连接；
所述第二开关器件的第二端电连接至正交流输出节点，所述直流电源的负输入端电连接至负交流输出节点；
所述副边电路的负输出端电连接至所述正交流输出节点且所述副边电路的正输出端与所述第三开关器件的第一端电连接且所述第三开关器件的第二端电连接至所述负交流输出节点；或者，所述副边电路的正输出端电连接至所述负交流输出节点且所述副边电路的负输出端与所述第三开关器件的第二端电连接且所述第三开关器件的第一端电连接至所述正交流输出节点。
2.根据权利要求1所述的半导体功率开关器件集成电路，其特征在于，还包括：
滤波电路，所述滤波电路电连接于正交流输出节点与负交流输出节点之间。
3.根据权利要求2所述的半导体功率开关器件集成电路，其特征在于，所述滤波电路包括滤波电感元件和滤波电容元件，所述滤波电感元件的第一端电连接至所述正交流输出节点，所述滤波电感元件的第二端作为正交流输出端，所述滤波电容元件的第一端与所述滤波电感元件的第一端电连接，所述滤波电容元件的第二端电连接至所述负交流输出节点并作为负交流输出端。
4.根据权利要求1所述的半导体功率开关器件集成电路，其特征在于，所述开关器件包括电力二极管和功率开关管，所述电力二极管的阳极作为所述开关器件的第一端，所述电力二极管的阴极与所述功率开关管的漏极电连接，所述功率开关管的栅极作为所述开关器件的控制端，所述功率开关管的源极作为所述开关器件的第二端。
5.根据权利要求4所述的半导体功率开关器件集成电路，其特征在于，所述电力二极管为快恢复二极管、超快恢复二极管、肖特基二极管、碳化硅二极管或氮化镓二极管中的任意一种；
所述功率开关管为三极管、金属氧化物半导体场效应晶体管、碳化硅晶体管、氮化镓晶体管、高电子迁移率晶体管或绝缘栅双极型晶体管中的任意一种。
6.一种控制方法，其特征在于，用于控制如权利要求1-5任一项所述的半导体功率开关器件集成电路，所述控制方法包括：
在所述交流信号的正半周时段，控制所述第一开关器件与所述第二开关器件以SPWM方式高频互补导通，控制所述第三开关器件关断；
在所述交流信号的负半周时段，控制所述第一开关器件与所述第三开关器件以SPWM方式高频互补导通，控制所述第二开关器件关断。
7.一种控制电路，其特征在于，用于控制如权利要求1-5任一项所述的半导体功率开关器件集成电路，所述控制电路包括占空比反馈电路、调制电路、极性判定电路和逻辑处理电路，所述调制电路分别与所述占空比反馈电路以及所述逻辑处理电路电连接，所述极性判定电路与所述逻辑处理电路电连接；
所述占空比反馈电路根据接收到的所述直流信号和所述交流信号调节输出至所述调制电路的占空比信号；其中，所述占空比信号包含所述第一开关器件的导通占空比信息；
所述调制电路根据接收到的所述占空比信号以及载波信号和调制信号调节输出至所述逻辑处理电路的第一脉宽调制信号；
所述极性判定电路根据接收到的所述交流信号以及参考信号调节输出至所述逻辑处理电路的极性脉冲信号；
所述逻辑处理电路根据接收到的所述第一脉宽调制信号和所述极性脉冲信号分别调节输出的第一开关控制信号、第二开关控制信号以及第三开关控制信号；
其中，在所述交流信号的正半周时段，所述第一开关器件与所述第二开关器件在对应的开关控制信号的作用下以SPWM方式高频互补导通，所述第三开关器件在对应的开关控制信号的作用下关断；在所述交流信号的负半周时段，所述第一开关器件与所述第三开关器件在对应的开关控制信号的作用下以SPWM方式高频互补导通，所述第二开关器件在对应的开关控制信号的作用下关断。
8.根据权利要求7所述的控制电路，其特征在于，
所述占空比反馈电路包括加法器和除法器，所述加法器用于对所述直流信号与所述交流信号进行加法运算得到叠加信号，所述除法器用于对所述交流信号以及所述叠加信号进行除法运算；
所述调制电路包括乘法器与第一运算放大器，所述乘法器用于对所述占空比信号与所述调制信号进行乘法运算得到乘积信号，第一运算放大器的同向输入端接入所述乘积信号，反向输入端接入所述载波信号，输出端输出所述第一脉宽调制信号；
所述极性判定电路包括第二运算放大器，所述第二运算放大器的同向输入端接入所述交流信号，所述第二运算放大器的反向输入端接入所述参考信号，输出端输出所述极性脉冲信号；
所述逻辑处理电路包括第一非门、第二非门、第一与门和第二与门，所述第一非门的输入端接入所述第一脉宽调制信号，输出端输出所述第一开关控制信号，所述第一与门的第一输入端接入所述极性脉冲信号，第二端与所述第一非门的输出端电连接，输出端输出所述第二开关控制信号，所述第二非门的输入端接入所述极性脉冲信，输出端与所述第二与门的第一输入端电连接，第二与门的第二输入端与所述第一非门的输出端电连接，所述第二与门的输出端输出所述第三开关控制信号。
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