CN113394976A - 辅助电源电路以及电源装置 - Google Patents
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Abstract
辅助电源电路(1)从负极连接于开关节点的辅助电源(AV1)接受电力，并且向负极连接于高电位节点的电容器(AV2)供给电力，辅助电源电路(1)包括：开关元件(HS1)，连接于所述高电位节点与所述开关节点之间；以及二极管(SD1)，其阳极与辅助电源(AV1)的正极连接，并且阴极与电容器(AV2)的正极连接，开关节点的电压交替地切换为(i)与所述高电位节点的电压大致相同电压的第一电压和(ii)比所述第一电压低的第二电压。
Description
技术领域
以下的公开涉及一种辅助电源电路。
背景技术
辅助电源电路供给辅助电路动作的辅助电源。在辅助电源电路中，小型化也很重要。日本特开2015-154682号公开了一种以辅助电源电路的小型化为目的的自举电路。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：特开2015-154682号
发明内容
但是，在现有的小型化的辅助电源电路中，无法向高电位节点供给辅助电源。本公开的一方面的目的在于，提供能够向高电位节点供给辅助电源的辅助电源电路。
为了解决上述问题，本公开的一方面涉及的辅助电源电路从负极连接于开关节点的辅助电源接受电力，并且向负极连接于高电位节点的电容器供给电力，所述辅助电源电路包括：开关元件，连接于所述高电位节点与所述开关节点之间；以及二极管，其阳极与所述辅助电源的正极连接，并且阴极与所述电容器的正极连接，所述开关节点的电压交替地切换为(i)与所述高电位节点的电压大致相同电压的第一电压和(ii)比所述第一电压低的第二电压。
根据本公开的一方式，能够提供可以向高电位节点供给辅助电源的辅助电源电路。
附图说明
图1是示出第一实施方式的电源电路的电路构成的图。
图2是示出辅助电源电路的各电压、电流的波形的图。
图3是示出辅助电源电路的电流的路径的图。
图4是示出第二实施方式的电源电路的电路构成的图。
图5是示出第三实施方式的电源装置的图。
具体实施方式
〔第一实施方式〕
以下使用图1说明第一实施方式的辅助电源电路1和电源电路10。并且，为了便于说明，对与在第一实施方式中说明的部件具有相同功能的部件，在后续的各实施方式中，标注相同的附图标记，并不再重复其说明。为了简化描述，例如，也将“电源HV1”简单地记为“HV1”。另外，请注意以下所述的各数值仅为一个示例。
(用语的定义)
在辅助电源电路1的说明之前，在本说明书中，如下定义各用语。
“电源电路”：从输入侧的电源朝向输出侧的电源进行电力转换的电路。作为一个示例，从AC230V的电源向DC400V的电源进行电力转换的电路。电力转换例如包括公知的交流、直流转换或交流频率转换。
“电源装置”：具备电源电路的装置。
“电源”：是指从电源电路或电源装置输出的能量(电力)。该电源虽然严格来说不是电路元件，但是在电路图上使用电源符号来表现。
“辅助电源电路”：为了使电源电路或电源装置动作而设置在电路内的辅助电源电路。
“辅助电源”：是指从辅助电源电路输出的能量(电力)。该辅助电源虽然严格来说不是电路元件，但在电路图上使用电源符号或者电容器符号来表现。
“整流元件”：仅在一个方向流过电流的元件。作为整流元件的一个示例，能够列举出二极管。作为整流元件的另一个示例，也能够列举出晶体管。详细而言，这是因为，在整流元件为晶体管的情况下，该整流元件在栅极截止时使电流从源极向漏极导通，并且切断从漏极朝向源极的电流。因此，在该另一个示例中，可以考虑分别(i)将源极置换为节点，(ii)将漏极置换为阴极。
“晶体管元件”：通过MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field EffectTransistor：金属氧化物半导体场效应晶体管)的栅极导通、截止，切换电流是否从漏极朝向源极流动。另外，在元件是双极型晶体管或者IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor：绝缘栅双极晶体管)等的情况下，可以考虑分别(i)将漏极置换为集电极，(ii)将源极置换为发射极。
“开关元件”：可以使任意节点(例如：开关节点)的电压变化的元件。开关元件包括整流元件、晶体管元件以及磁元件(例如：变压器的绕组以及线圈)。
(电源电路10的构成的概要)
电源电路10是能够在高电压电源与低电压电源之间双向地传输电力的双向DCDC转换器。在电源电路10中设置有(i)辅助电源电路1和(ii)用于消耗辅助电源的电力的试验目的的负载。该负载是用于辅助电源的动作确认的电路元件，在电源电路10的实际使用时被置换为任意的电路。
(电源电路10的高电压部的构成)
在高电压部设置有电源HV1和电容器HC1。电源符号的(+)侧表示正极侧，㈠侧表示负极侧。HV1的负极的电压为0V，正极的电压为400V。HC1的静电电容为lmF。
在第一实施方式中，将0V作为基准电位。并且，将0V的节点称为基准电位节点。此外，将比基准电位高的电位称为高电位。然后，将高电位的节点称为高电位节点。本说明书中的高电位例如为10V至1200V的电压。400V的节点是高电位节点的一个示例。
(电源电路10的低电压部的构成)
在低电压部设置有电源LV1、电容器LC1和线圈CO1。LV1的电压是200V。LC1的静电电容为lmF。CO1的电感为lmH，CO1的平均电流为12A。LV1的电压被设计为成为HV1的电压的1/2。
(电源电路10的开关部的构成)
开关部具备开关元件HS1和开关元件LS1的半桥结构。作为HS1与LS1的连接点的开关节点连接有CO1的一端。开关节点的电压通过HS1或者LS1的开关，以频率100kHz交替切换为第一电压和第二电压。
第一电压是与高电位节点的电压(400V)大致相同的电压。第二电压是比第一电压低的电压。在第一实施方式的示例中，第二电压约为0V。
本说明书中的第一电压是指相对于高电位节点的电压在±5V范围内的电压。在第一实施方式的示例中，第一电压是395V以上且405V以下范围内的电压。第一电压的范围依赖于HS1的电压下降量。
HS1及LS1均是漏极耐压为650V、且导通电阻为50mΩ的级联型的GaN-HEMT。在图1的示例中，使用MOSFET的电路符号来表示共源共栅GaN-HEMT。
(电源电路10的辅助电源电路1的构成1)
辅助电源电路1具备HS1、辅助电源AV1、辅助电源AV2(在第一实施方式中也称为电容器)以及二极管SD1。
辅助电源电路1构成为从在开关节点连接有负极的AV1接收电力(受电)。进而，辅助电源电路1构成为向与高电位节点连接有负极的AV2供给电力(送电)。在图1的示例中，AV2的上侧的端子是该AV2的正极。这样，辅助电源电路1从开关节点向高电位节点供给辅助电源。
在高电位节点和开关节点之间连接有HS1。SD1的阳极连接到AV1的正极。另外，SD1的阴极连接到AV2的正极。
AV1是从使用了绝缘变压器的回扫电路(未图示)输出的辅助电源。AV1是以开关节点为基准的15V的辅助电源。AV2是以高电位节点为基准的15V的辅助电源。AV2的静电电容为100μF。SD1的导通开始时刻的正向电压(VF)为0.7V。导通状态下的SD1的电阻为0.1Ω。
(电源电路10的辅助电源电路1的构成2)
辅助电源电路1在AV2和SD1的基础上，还具备辅助电源AV3(在第一实施方式中也称为电容器)和二极管SD2。
辅助电源电路1被配置为在向AV2供电的基础上，还向AV3供电。
AV3是以高电位节点为基准的15V的辅助电源。在图1的示例中，AV3的上侧的端子是该AV3的正极。AV3的静电电容为1μF。SD2是与SD1相同规格的元件。
另外，在AV3的充电路径(后述)中设置有线圈PL1(电感1μH)。PL1是为了电路稳定性评价而连接的电路元件。PL1不是辅助电源电路1的动作所需的电路元件。
在第一实施方式中，为了辅助电源电路1的动作证实，连接负载电阻AL1～AL3。AL1与AV1并联连接。AL2与AV2并联连接。AL1、AL2各自的电阻值为7.5Ω。AL3与AV3并联连接。AL3的电阻值为750Ω。
(电源电路10的动作的说明)
电源电路10进行与通常的双向DCDC转换器相同的动作。电源电路10的升压动作如下所述。在以下说明中，假设HS1被预先截止。
(1)首先，通过使LS1导通，电流从LV1的正极经由CO1和LS1流向LV1的负极。此时，开关节点的电压降低到大约0V(第二电压)。
(2)首先，通过使LS1导通，电流从LV1的正极经由CO1和HS1和HV1流向LV1的负极。此时，开关节点的电压上升到高电位节点的电压(第一电压)。
在升压动作中，按顺序重复上述(1)和(2)。
另一方面，在电源电路10的降压动作中，切换HS1的导通、截止，使电流从HV1向LV1侧流动。在降压动作中，也与上述的升压动作的情况同样地，开关节点的电压交替地切换为第一电压和第二电压。
(示出辅助电源电路1的动作的图的说明)
使用图2以及图3对辅助电源电路1的动作进行说明。图2是表示辅助电源电路1中的各部的波形的图表。这些波形基于共同的时间轴(横轴)示出。波形分别示出：
·SWNV(开关节点电压)：开关节点相对于基准电位的电压；
·HS1I(HS1的电流)：从开关节点朝向高电位节点流动的电流；
·SD1I(SD1的电流)：从阳极朝向阴极流动的电流；
·SD2I(SD2的电流)：从阳极朝向阴极流动的电流；
·AV2V(AV2的电压)：以负极为基准的正极的电压；
·AV3V(AV3的电压)：以负极为基准的正极的电压。
在图3中示出了与图1相同的电路图，但是适当地省略了图1的附图标记。在图3中，用箭头表示对AV2和AV3进行充电时的电流路径。
(辅助电源电路1的驱动方法)
在辅助电源电路1的驱动方法中，按照该顺序执行以下三个工序。
·第一工序：使SWNV上升至第一电压的工序；
·第二工序：流过SD1I对AV2进行充电的工序；
·第三工序：将SWNV降低到第二电压的工序。
(第一工序：使SWNV上升)
在第一工程之前，由于HS1的截止，HS1的源极、漏极间电压变为约为400V(SWNV约为0V)。在该状态下，将整流电流流过HS1，使HS1导通。即，HS1成为导通状态。由此，SWNV上升到400V，成为第一电压。图2中的时刻“约1.00E-5sec”是SWNV转移到第一电压的时间。从该时刻开始，AV1和AV2的负极的电压均成为约400V。
(第二工序：流过SD1I对AV2充电)
随着SWNV的上升，SD1I流动，对AV2进行充电。这是由以下原因构成的。
AV2为电容器。因此，随着AL2的能量消耗，AV2的电压降低。另一方面，AV1是使用绝缘变压器的辅助电源电路的输出电源。因此，不会引起AV1的电压降低。其结果，AV2的电压相对于AV1的电压变小。
因此，当AV1和AV2的各个的负极的电压成为相同电位时，电流从AV1流向电压更小的AV2。图3中的实线箭头AR1对应于该电流路径。该电流经由SD1流动，因此通过测量SD1I，能够判别AV2的充电。
在图2的期间“约1.00E-5～1.50E-5sec”内，能够确认SD1I是否流动。另外，在该期间中，能够确认AV2V从15.05V向15.15V充电。
(第三工序：将SWNV降低到规定电压)
在AV2的充电后，将SWNV设为大约0V。第一实施方式中，对HS1的寄生电容进行充电，将SWNV设为第二电压。因此，AV1和AV2各自的负极的电位差约为400V。因此，SD1I不从AV1的正极(约15V)流向AV2的正极(415V)。即，AV2的充电暂时停止。
(AV3的充电)
在AV2的基础上，辅助电源电路1还包括AV3。为了对AV3进行充电，使用SD2。通过测量SD2I，可以确认AV3的充电。AV3的充电路径是图3的双箭头AR2。
在辅助电源电路1中，仅通过添加二极管和电容器就可以制作多个辅助电源。另外，即使辅助电源电路1中存在相当于PL1的寄生电感，也没有特别的问题。
(用于使辅助电源电路1动作的改进点1～3)
多个优选的改进点应用于第一实施方式。以下，对这些优选的改进点进行说明。
(改进点1：AV1的电压小于第一电压)
第一实施方式中，第一电压约为400V。另一方面，AV1的电压为15V，小于400V。
假设，在AV1的电压大于第一电压的情况下(例如，AV1的电压为450V的情况下)，有可能向HS1施加高电压。具体而言，在电源电路10停止的状态下使AV1启动的情况下，经由SD1对HS1的寄生电容进行充电，对HS1施加450V的电压。寄生电容的充电路径是图3的AR1。
本来，施加到HS1的电压假定为400V。因此，存在因过电压而导致HS1损伤的可能性。因此，AV1的电压优选小于第一电压。
(改进点2：SD1的寄生电容为AV2的静电电容的1/20以下)
在第一实施方式的示例中，SD1的寄生电容为30pF。在开关节点电压上升了的情况下，向该SD1施加反向电压。此时，对该30pF的寄生电容充电的电流从AV2的正极流向AV1的正极。由于使得AV2的电压降低，因此优选将SD1的寄生电容设定得小。
在第一实施方式中，SD1的寄生电容被设定为AV2的静电电容的5％(1/20)以下。通过这样设定SD1的寄生电容，能够将因上述放电引起的AV2的电压降低率降低到5％左右以内(在可以视为是误差的范围内)。
(改进点3：电流经由HS1从开关节点流向高电位节点时，电流经由SD1从AV1的正极流向AV2的正极)
通过HS1朝向高电位节点流过整流电流，HS1中产生导通损耗。另一方面，AV2的充电电流(SD1I)的方向是在HS1的位置处与上述整流电流的方向相反的方向。因此，流过HS1的电流被SD1I抵消。其结果，减轻了HS1的导通损失。
该抵消后的HS1I可以在图2的期间“约1.00E-5～1.50E-5sec”内内确认。可以确认，将原本应流过12A的电流(CO1的电流)减少约4A后的值(约8A)。即，AV2的充电电流(SD1I的4A)使HS1I减少约4A。
〔第二实施方式〕
本发明的一方面涉及的辅助电源电路1也可以用于HS1或LS1中产生的开关损耗的削減。具体而言，通过削減开关时产生的瞬态电流来削減开关损耗。这里所说的瞬态电流例如是指恢复电流或寄生电容的充电电流。
图4的电源电路20与电源电路10相同，是双向DCDC转换器。在电源电路20中，相对于电源电路10，将AL1、AL2替换为HS1以及LS1中产生的瞬态电流的削减电路。
对针对HS1的瞬态电流的削减电路进行说明。附加到AV2周围的辅助开关AS2、辅助线圈AC2、辅助二极管AD2可以削減HS1中产生的瞬态电流。削减方法如下。首先，在瞬态电流流动之前，通过使AS2导通，AV2的能量通过流过AC2而转换为磁能。然后，通过使AS2截止，将磁能转换为通过AD2的电流并流向HS1。因此，可以削减流过AD2的电流的瞬态电流。
对于LS1，也构成与HS1的示例同样的瞬态电流的削减电路。附加到AV1周围的辅助开关AS1、辅助线圈AC1、辅助二极管AD1是相对于LS1的瞬态电流削减电路。瞬态电流的削减方法也是同样的。
在电源电路20中，电源电路10的AL3被栅极驱动电路GD1置换。GD1驱动AS2的栅极。
〔第三实施方式〕
根据本公开的一方面的电源电路10，除了可以应用于双向DCDC转换器之外，还可以应用于逆变器电路以及图腾柱PFC(Power Factor Correction，功率因数校正)电路等。
图5是示出具备电源电路10的电源装置100的图。根据辅助电源电路1，可以向电源电路10、电源装置100提供以高电位节点为基准的辅助电源。而且，电源电路10包括控制电路9。控制电路9控制设置在电源电路10上的各元件的导通/截止的切换。尤其地，控制电路9控制HS1和LS1的导通/截止的切换。
〔总结〕
本公开的方式1涉及的辅助电源电路从负极连接于开关节点的辅助电源接受电力，并且向负极连接于高电位节点的电容器供给电力，所述辅助电源电路包括：开关元件，连接于所述高电位节点与所述开关节点之间；以及二极管，其阳极与所述辅助电源的正极连接，并且阴极与所述电容器的正极连接，所述开关节点的电压交替地切换为(i)与所述高电位节点的电压大致相同电压的第一电压和(ii)比所述第一电压低的第二电压。
根据上述构成，通过开关节点的电压切换为第一电压(例:高电位)，辅助电源经由二极管和开关元件对电容器进行充电。另一方面，在开关节点的电压切换为第二电压的情况下，能够通过二极管防止电容器的放电。具体而言，二极管切断从电容器流向辅助电源的电流。因此，电容器作为辅助电源发挥功能。
本公开的方式2涉及的辅助电源电路中，所述辅助电源的电压小于所述第一电压。
根据上述构成，通过辅助电源的电压，不会导致对开关元件施加过电压而使其损伤。
本公开的方式3涉及的辅助电源电路中，所述二极管的寄生电容为所述电容器的静电电容的1/20以下。
根据上述构成，能够将开关节点的电压变为第二电压时产生的电容器的电压降低减少至约5％以下。
本公开的方式4涉及的辅助电源电路中，在电流经由所述开关元件从所述开关节点向所述高电位节点流动时,电流经由所述二极管从所述辅助电源的正极向所述电容器的正极流动。
根据上述构成，由于开关元件的电流减少,因此能够减少该开关元件的导通损耗及发热。
本公开的方式5涉及的辅助电源电路中，包括本公开的一方式的辅助电源电路。
根据上述构成，能够实现在高电位节点具备辅助电源的电源装置。
〔附记事项〕
本公开的一方式不限于上述各实施方式，能在权利要求所示的范围中进行各种变更，将不同的实施方式中分别公开的技术手段适当组合得到的实施方式也包含于本发明的技术范围。而且，能够通过组合各实施方式分别公开的技术方法来形成新的技术特征。
Claims (5)
1.一种辅助电源电路，其特征在于，
所述辅助电源电路，从负极连接于开关节点的辅助电源接受电力，并且向负极连接于高电位节点的电容器供给电力，
所述辅助电源电路包括：
开关元件，连接于所述高电位节点与所述开关节点之间；以及
二极管，其阳极与所述辅助电源的正极连接，并且阴极与所述电容器的正极连接，
所述开关节点的电压交替地切换为(i)与所述高电位节点的电压相同电压即第一电压和(ii)比所述第一电压低的第二电压。
2.如权利要求1所述的辅助电源电路，其特征在于，
所述辅助电源的电压小于所述第一电压。
3.如权利要求1所述的辅助电源电路，其特征在于，
所述二极管的寄生电容为所述电容器的静电电容的1/20以下。
4.如权利要求1所述的辅助电源电路，其特征在于，
在电流经由所述开关元件从所述开关节点向所述高电位节点流动时，电流经由所述二极管从所述辅助电源的正极向所述电容器的正极流动。
5.一种电源装置，其特征在于，
包括权利要求1所述的辅助电源电路。
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