CN112655144A - 用于半导体器件的电压平衡电路 - Google Patents

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Abstract

包括相互串联连接的第1和第2半导体器件的电压平衡电路包括：具有1次绕组和二次绕组的第1变压器、具有1次绕组和二次绕组的第2变压器、相互串联连接且连接在多个半导体器件的输出端子之间的一对电容器，第1控制信号经由第1变压器的一次绕组施加到第1半导体器件的控制端子，第2控制信号经由第2变压器的一次绕组施加到第2半导体器件的控制端子，各二次绕组的一端相互连接。

Description

用于半导体器件的电压平衡电路
技术领域
本发明涉及例如用于串联连接的多个半导体器件的电压平衡电路和使用该电压平衡电路的开关电路及电力转换装置。
背景技术
例如，将作为开关元件的多个半导体器件串联连接，将它们作为1个元件，使开关导通/截止同步地动作，由此能够实现以低耐受电压的器件得到高耐受电压特性的开关电路。在此，低耐压的半导体器件与高耐压的半导体器件相比价格明显便宜，导通电阻也小，因此能够实现低成本和动作的高效率化。但是，由于半导体器件的电特性的偏差，有时电压平衡被破坏，超出电压设计的基准。特别是，当半导体器件的输出电容存在偏差时，有可能发生这样的情况。
为了解决该课题，例如，在专利文献1中，为了在串联连接了多个半导体器件的现有例电路中，在开关时使各半导体器件的漏极-源极电压(Vds)平衡，在各驱动电路中使用一个变压器使各半导体器件的栅极电流(Ig1、Ig2)平衡。其中，来自第1驱动电路的开关控制信号经由该变压器的一次绕组驱动第1半导体器件，另一方面，来自第2驱动电路的开关控制信号经由该变压器的二次绕组驱动第2半导体器件。另外，第1驱动电路和第2驱动电路与半导体器件的各栅极连接成使得该变压器的一次绕组中的由开关控制信号引起的感应电压与二次绕组中的由开关控制信号引起的感应电压成为彼此相反的方向。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特许第4760256号公报
发明内容
发明要解决的问题
关于上述现有例电路，本发明人进行了模拟，确认了在各半导体器件的输出电容存在20％偏差的情况下，各半导体器件的栅极电流一致，但漏极-源极电压Vds存在偏离。
在上述现有例电路中，由于使用大的变压器，因此存在电路规模大型化，并且由于半导体器件的偏差(例如输出电容、阈值等)而产生电压不平衡的问题。其结果，有可能超过元件耐压的电压被施加到半导体器件，该半导体器件被破坏，或者开关时产生的损耗发生大的偏差，从而对半导体器件的发热或寿命带来大的影响。
本发明的目的在于解决以上的问题，提供一种如下的电压平衡电路以及使用该电压平衡电路的开关电路及电力转换装置：在多个半导体器件串联连接的电路中，与现有技术相比能够高精度地实现多个半导体器件间的开关时的输出电压的电压平衡。
用于解决问题的方案
本发明的一个方式的电压平衡电路用于使相互串联连接的多个半导体器件的各输出电压平衡，
所述多个半导体器件至少包含第1半导体器件和第2半导体器件，所述第1半导体器件和所述第2半导体器件各自具有控制端子以及第1元件端子和第2元件端子，
所述电压平衡电路具备：
具有一次绕组和二次绕组的第1变压器；
具有一次绕组和二次绕组的第2变压器；以及
相互串联连接的第1电容器和第2电容器，
所述第1电容器的一端与所述第1半导体器件的第1元件端子连接，
所述第2电容器的一端与所述第2半导体器件的第2元件端子连接，
所述第1电容器和所述第2电容器的各另一端相互连接，并且与所述第1变压器的二次绕组的另一端连接，
控制所述第1半导体器件的第1控制信号的第1输出端子与第1变压器的一次绕组的一端连接，所述第1变压器的一次绕组的另一端与所述第1半导体器件的控制端子连接，
所述第1控制信号的第2输出端子与所述第1半导体器件的第2元件端子、所述第2半导体器件的第1元件端子以及所述第2变压器的一次绕组的另一端连接，
控制所述第2半导体器件的第2控制信号的第1输出端子与第2变压器的一次绕组的一端连接，所述第2变压器的一次绕组的另一端与所述第2半导体器件的控制端子连接，
所述第2控制信号的第2输出端子与所述第2半导体器件的第2元件端子连接，
所述第1控制信号经由所述第1变压器的一次绕组施加到所述第1半导体器件的控制端子，
所述第2控制信号经由所述第2变压器的一次绕组施加到所述第2半导体器件的控制端子，
各所述二次绕组的一端相互连接。
发明效果
因此，根据本发明，在多个半导体器件串联连接的电路中，与现有技术相比，能够高精度地实现多个半导体器件间的开关时的输出电压的电压平衡。
附图说明
图1是表示实施方式1的开关电路100及其周边电路的结构例的电路图。
图2是表示实施方式2的开关电路100及其周边电路的结构例的电路图。
图3A是图2的电极41部分的俯视图。
图3B是沿图3A的A-A'线的纵剖视图。
图4是表示变形例的电极形式的一次绕组21A以及二次绕组22A的结构例的俯视图。
图5是表示实施方式3的电力转换装置的结构例的电路图。
图6是表示实施方式4的电力转换装置的结构例的电路图。
图7是表示实施方式5的电力转换装置的结构例的电路图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。另外，对相同或同样的构成要素标注相同的标号。
实施方式1.
图1是表示实施方式1的开关电路100及其周边电路的结构例的电路图。在图1中，开关电路100包括控制信号产生电路10、一对驱动电路11和12、以及一对变压器20和30。在此，一对变压器20、30构成电压平衡电路50，该电压平衡电路50用于在向一对半导体器件Q1、Q2的各栅极(控制端子)施加开关控制信号时，取得该半导体器件Q1、Q2的漏极(第1元件端子)-源极(第2元件端子)间电压(输出电压)的电压平衡。
在图1中，半导体器件Q1、Q2例如是N沟道MOS场效应晶体管，相互串联连接。即，对半导体器件Q1的漏极施加输入电压Vin，半导体器件Q2的源极与半导体器件Q2的漏极连接，半导体器件Q2的源极接地。
变压器20具有一次绕组21和二次绕组22，变压器30具有一次绕组31和二次绕组32。变压器20的一次绕组21的卷绕开始端子21a与驱动电路11的信号输出端子11a连接，一次绕组21的卷绕结束端子21b与半导体器件Q1的栅极连接。另外，变压器30的一次绕组31的卷绕开始端子31a与驱动电路12的信号输出端子12a连接，一次绕组31的卷绕结束端子31b与半导体器件Q2的栅极连接。
驱动电路11的信号基准端子11b与半导体器件Q1的源极连接，驱动电路12的信号基准端子12b接地。二次绕组32的卷绕结束端子32b与半导体器件Q1的源极以及半导体器件Q2的漏极连接。半导体器件Q1的漏极经由连接点P1、电容器C1以及连接点P2与二次绕组22的卷绕结束端子22b连接。半导体器件Q2的源极经由连接点P3、电容器C2以及连接点P2与二次绕组22的卷绕结束端子22b连接。此外，电容器C1和C2的电容彼此相等。
在图1中，控制信号产生电路10产生例如作为矩形波的开关控制信号Sc并分别输出到驱动电路11、12。驱动电路11在将所输入的开关控制信号放大后，将放大后的开关控制信号经由变压器20的一次绕组21施加到半导体器件Q1的栅极，由此进行导通/截止驱动。驱动电路12在将输入的开关控制信号放大后，将放大后的开关控制信号经由变压器30的一次绕组31施加到半导体器件Q2的栅极，由此进行导通/截止驱动。
如上那样构成的图1的开关电路100根据开关控制信号Sc对半导体器件Q1、Q2进行导通/截止驱动，从而对输入电压Vin进行开关。在此，在电压平衡电路50中，由施加于变压器20、30的各一次绕组21、31的开关控制信号Sc引起的二次绕组22、32中的感应电压的方向成为彼此相反的方向，并且在相互串联连接的半导体器件Q1、Q2的输出侧以连接点P2为基准对象地连接有一对电容器C1、C2。即，电容器C1、C2的连接点P2经由变压器20、30的各二次绕组22、32与半导体器件Q1、Q2的连接点连接，使用电容器C1、C2感测漏极-源极电压的平均值(Vds1+Vds)/2，在各半导体器件Q1、Q2的漏极-源极间电压Vds1、Vds2不相等，电压平衡破坏时，向变压器20、30的二次绕组22、32流通规定电流并且利用变压器20、30与栅极侧的一次绕组电路磁耦合，从而向使得各半导体器件Q1、Q2的漏极-源极间电压Vds1、Vds2取得电压平衡的方向对各半导体器件Q1、Q2流通规定的电流。
如上所说明的那样，与现有技术相比，能够高精度地实现各半导体器件Q1、Q2间的开关时的漏极-源极间电压Vds1、Vds2的电压平衡，由此，能够大幅抑制半导体器件Q1、Q2的故障。另外，本发明人等在半导体器件Q1、Q2的器件容量存在20％偏差的情况下，执行模拟来确认了电压平衡。
实施方式2.
图2是表示实施方式2的开关电路100及其周边电路的结构例的电路图。此外，图3A是图2的电极41部分的俯视图，图3B是关于图3A的A-A'线的纵剖视图。图2的开关电路100的周边电路与图1的周边电路相比，特征在于，构成为分别用寄生电容C1p、C2p置换了电容器C1、C2。
具体而言，如图3A和图3B所示，寄生电容C1p寄生地形成在一对电极41、42之间，该一对电极41、42将安装有半导体器件Q1、Q2的电介质基板40夹在其间并且电极彼此对置，寄生电容C2p也与寄生电容C1p同样，寄生地形成在夹设电介质基板40的一对电极42、43之间。
在以上结构的电压平衡电路50中也是，由施加于变压器20、30的各一次绕组21、31的开关控制信号Sc引起的二次绕组22、32中的感应电压的方向成为彼此相反的方向，并且在相互串联连接的半导体器件Q1、Q2的输出侧以电极42为基准对象地连接有一对寄生电容C1p、C2p。因此，能够使各半导体器件Q1、Q2的栅极电流(Ig1、Ig2)平衡，能够与现有技术相比，高精度地实现各半导体器件Q1、Q2间的开关时的漏极-源极间电压(输出电压)的电压平衡。
变形例.
图4是表示实施方式1或实施方式2的变形例的电极形式的一次绕组21A及二次绕组22A的结构例的俯视图。在表示变形例的图4中，变压器20的一次绕组21及二次绕组22可以分别是在电介质基板40上以相互电磁耦合的方式使电极彼此对置的例如条状的电极形式的一次绕组21A以及二次绕组22A。变压器30的一次绕组31和二次绕组32也可以分别是在电介质基板40上以相互电磁耦合的方式形成的例如条状的电极形式的一次绕组和二次绕组。另外，也可以在电介质基板40的正面设置电极形式的一次绕组21A，在电介质基板40的背面设置电极形式的二次绕组22A。根据这样的结构，一次绕组21A和二次绕组22A可以相互电磁耦合，通过寄生成分实现变压器的功能。如上那样构成的电压平衡电路50也具有与实施方式1和2相同的作用效果。
实施方式3.
图5是表示实施方式3的电力转换装置的结构例的电路图。图5的电力转换装置是使用了具有图1的电压平衡电路50的开关电路100的非同步整流型升压斩波电路。
在图5中，来自直流电压源1的输入电压Vin经由电抗器Lr施加到半导体器件Q1、Q2的串联电路。半导体器件Q1的漏极经由整流二极管D1与平滑用电解电容器Cb和负载电阻2连接。
在如上那样构成的电力转换装置中，能够通过非同步整流对输入电压Vin进行升压并输出到负载电阻2。另外，电压平衡电路50的作用效果与实施方式1和2相同。
实施方式4.
图6是表示实施方式4的电力转换装置的结构例的电路图。图6的电力转换装置是使用了具有图1的电压平衡电路50的开关电路100的同步型升压斩波电路。
在图6中，来自直流电压源1的输入电压Vin经由电抗器Lr施加到半导体器件Q1、Q2的串联电路。半导体器件Q1的漏极经由半导体器件Q4、Q3与平滑用电解电容器Cb和负载电阻2连接。这里，半导体器件Q3、Q4、Q1、Q2串联连接，由开关电路100驱动。另外，半导体器件Q1、Q2的导通/截止与半导体器件Q3、Q4的导通/截止相互反转。
在如上那样构成的电力转换装置中，能够将输入电压Vin同步升压并输出到负载电阻2。另外，电压平衡电路50的作用效果与实施方式1和2相同。
实施方式5.
图7是表示实施方式5的电力转换装置的结构例的电路图。图7的电力转换装置是使用了具有图1的电压平衡电路50的开关电路100的桥型逆变器电路。
在图7中，半导体器件Q1～Q4相互串联连接，半导体器件Q5～Q8相互串联连接。半导体器件Q1～Q4的串联电路与半导体器件Q5～Q8的串联电路并联连接。来自直流电压源1的输入电压Vin施加到这些各串联电路，从半导体器件Q2的源极与半导体器件Q3的漏极之间的连接点P11以及半导体器件Q3的源极与半导体器件Q4的漏极之间的连接点P12输出输出电压Vout。这里，半导体器件Q3、Q4、Q1、Q2串联连接，由开关电路100驱动。另外，另外，半导体器件Q1、Q2、Q7、Q8的导通/截止与半导体器件Q3、Q4、Q5、Q6的导通/截止相互反转。
在如上那样构成的电力转换装置中，能够对输入电压Vin同步地进行开关，生成并输出规定的交流信号。另外，电压平衡电路50的作用效果与实施方式1和2相同。
在以上的实施方式中，作为一例示出了非同步整流型升压斩波电路、同步型斩波电路、逆变器电路等，但本实施方式的电压平衡电路50除了上述电路以外还可以应用于其他的DC/DC转换器等电力转换装置、逆变器拓扑电路。
产业上的可利用性
如上所述，在多个半导体器件串联连接的电路中，与现有技术相比，能够高精度地实现多个半导体器件间的切换时的输出电压的电压平衡。
标号说明
1：直流电压源；2：负载电阻；10：控制信号产生电路；11、12：驱动电路；11a、12a：信号输出端子；11b、12b：信号基准端子；20、30：变压器；21、21A、31：一次绕组；22、22A、32：二次绕组；21a、22a、31a、32a：卷绕开始端子；21b、22b、31b、32b：卷绕结束端子；40：电介质基板；41、42、43：电极；50：电压平衡电路；100：开关电路；C1、C2：电容器；Cb：电解电容器；C1p、C2p：寄生电容；D1：整流二极管；Lr：电抗器；P1～P3：连接点；Q1～Q8：MOS晶体管。

Claims (5)

1.一种电压平衡电路，其用于使相互串联连接的多个半导体器件的各输出电压平衡，
所述多个半导体器件至少包含第1半导体器件和第2半导体器件，所述第1半导体器件和所述第2半导体器件各自具有控制端子以及第1元件端子和第2元件端子，
所述电压平衡电路具备：
具有一次绕组和二次绕组的第1变压器；
具有一次绕组和二次绕组的第2变压器；以及
相互串联连接的第1电容器和第2电容器，
所述第1电容器的一端与所述第1半导体器件的第1元件端子连接，
所述第2电容器的一端与所述第2半导体器件的第2元件端子连接，
所述第1电容器和所述第2电容器的各另一端相互连接，并且与所述第1变压器的二次绕组的另一端连接，
控制所述第1半导体器件的第1控制信号的第1输出端子与第1变压器的一次绕组的一端连接，所述第1变压器的一次绕组的另一端与所述第1半导体器件的控制端子连接，
所述第1控制信号的第2输出端子与所述第1半导体器件的第2元件端子、所述第2半导体器件的第1元件端子以及所述第2变压器的一次绕组的另一端连接，
控制所述第2半导体器件的第2控制信号的第1输出端子与第2变压器的一次绕组的一端连接，所述第2变压器的一次绕组的另一端与所述第2半导体器件的控制端子连接，
所述第2控制信号的第2输出端子与所述第2半导体器件的第2元件端子连接，
所述第1控制信号经由所述第1变压器的一次绕组施加到所述第1半导体器件的控制端子，
所述第2控制信号经由所述第2变压器的一次绕组施加到所述第2半导体器件的控制端子，
各所述二次绕组的一端相互连接。
2.根据权利要求1所述的电压平衡电路，其中，
所述第1电容器和所述第2电容器是电极彼此对置的寄生电容。
3.根据权利要求1或2所述的电压平衡电路，其中，
所述第1变压器和所述第2变压器的一次绕组和二次绕组是电极彼此对置而相互电磁耦合的一对电极。
4.一种开关电路，具备作为开关元件的所述第1半导体器件和所述第2半导体器件，开关地将输入电压输出，
所述第1控制信号和所述第2控制信号分别是第1开关控制信号和第2开关控制信号，
所述开关电路具备权利要求1～3中的任一项所述的电压平衡电路。
5.一种电力转换装置，其具备权利要求4所述的开关电路，所述电力转换装置对输入电压进行电力转换而转换为规定的电压，
所述电力转换装置具备：
电抗器，其输入所述输入电压并输出到所述第1半导体器件和所述第2半导体器件的串联电路；以及
电解电容器，其使由所述第1半导体器件和所述第2半导体器件开关后的电压平滑。
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