CN115023889A - 开关转换器 - Google Patents
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Abstract
开关转换器(100)具备：电抗器(2)，一端与交流电源(1)连接；整流电路(10)，与电抗器(2)的另一端连接，将被从交流电源(1)施加的电源电压转换为直流电压。整流电路(10)具有第1支路(50)和与第1支路(50)并联连接的第2支路(52)。第1支路(50)的第1上臂元件与第1下臂元件串联连接。第2支路(52)的第2上臂元件与第2下臂元件串联连接。在第1支路以及第2支路(50、52)中的任一方的支路中的上下臂元件分别连接有包括电阻(13)和电容(14)的缓冲电路(11、12)。在第1支路以及第2支路(50、52)中的另一方的支路中的上下臂元件分别未连接缓冲电路。
Description
技术领域
本公开涉及将交流电压转换为直流电压的开关转换器。
背景技术
在下述专利文献1中公开了一种在第1二极管和第2二极管的连接点与第1金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor：MOSFET)和第2MOSFET的连接点经由电抗器连接有交流电源的结构的开关转换器。第1二极管以及第1MOSFET是与平滑电容器的正极侧连接的上臂元件，第2二极管以及第2MOSFET是与平滑电容器的负极侧连接的下臂元件。第1二极管以及第2二极管与第1MOSFET以及第2MOSFET被桥接而构成整流电路。
在专利文献1的技术中，当电流在第1MOSFET的寄生二极管流动的时机使第1MOSFET导通动作，当电流在第2MOSFET的寄生二极管流动的时机使第2MOSFET导通动作。该技术被称为同步整流。通过同步整流来高效地控制直流电源装置。
另外，专利文献1中公开了在整流器的输入侧具备与整流器并联连接并用于将交流电源的输出借助电抗器短路的短路电路的结构。在短路电路连接有短路开关元件，若短路开关元件进行导通动作，则交流电源的输出通过短路电路而短路。由此，能够在进行同步整流的同时实现功率因数的改善。
专利文献1：日本特开2011－151984号公报
然而，在专利文献1的技术中，为了实现功率因数改善，除了整流电路之外还需要短路开关元件和短路电路。因此，部件个数变多，存在装置昂贵这一问题。
另外，在专利文献1的技术中，在半个周期使短路电路仅动作1次，难以说功率因数的改善充分。
并且，在专利文献1的结构中，为了实现功率因数改善，还考虑增加第1以及第2MOSFET的开关次数。然而，若使开关次数增加，则开关时产生的过电压浪涌以及EMC(Electro－Magnetic Compatibility)噪声增加。因此，为了增加开关次数，需要一些噪声对策。在专利文献1中没有描述对于过电压浪涌以及EMC噪声的对策。
发明内容
本公开是鉴于上述而完成的，其目的在于，获得在抑制部件个数的同时能够实现同步整流带来的效率改善、功率因数改善、以及过电压浪涌及EMC噪声的抑制的开关转换器。
为了解决上述的课题、实现目的，本公开所涉及的开关转换器具备：电抗器，一端与交流电源连接；和整流电路，与电抗器的另一端连接，将被从交流电源施加的电源电压转换为直流电压。整流电路具有第1支路和与第1支路并联连接的第2支路。第1支路的第1上臂元件与第1下臂元件串联连接，第2支路的第2上臂元件与第2下臂元件串联连接。在第1支路以及第2支路中的任一方的支路中的上下臂元件分别连接有包括电阻和电容器的缓冲电路。与此相对，在第1支路以及第2支路中的另一方的支路中的上下臂元件分别未连接缓冲电路。
根据本公开所涉及的开关转换器，起到既能够抑制部件个数、又实现同步整流带来的效率改善、功率因数改善以及过电压浪涌及EMC噪声的抑制这一效果。
附图说明
图1是表示实施方式所涉及的开关转换器的构成例的图。
图2是表示实施方式中的缓冲电路的其他例子的图。
图3是表示实施方式所涉及的开关转换器中的主要部分的动作波形的图。
图4是表示在实施方式中的整流电路流动的电流的路径的第1图。
图5是表示在实施方式中的整流电路流动的电流的路径的第2图。
图6是表示在实施方式中的整流电路流动的电流的路径的第3图。
图7是表示在实施方式中的整流电路流动的电流的路径的第4图。
图8是表示在一般的半导体开关元件可能产生的过渡现象的说明中使用的图。
图9是表示在实施方式的半导体开关元件产生了过渡现象时的电流的流动的第1图。
图10是表示在实施方式的半导体开关元件产生了过渡现象时的电流的流动的第2图。
图11是表示实施方式的变形例所涉及的开关转换器的构成例的图。
图12是表示在实施方式的变形例中的整流电路流动的电流的路径的第1图。
图13是表示在实施方式的变形例中的整流电路流动的电流的路径的第2图。
图14是表示在实施方式的变形例中的整流电路流动的电流的路径的第3图。
图15是表示在实施方式的变形例中的整流电路流动的电流的路径的第4图。
具体实施方式
图1是表示实施方式所涉及的开关转换器的构成例的图。如图1所示，实施方式所涉及的开关转换器100具备平滑用的电抗器2、驱动电路9以及整流电路10。电抗器2的一端与交流电源1的一侧连接，电抗器2的另一端与整流电路10的一方的输入端连接。整流电路10的另一方的输入端与交流电源1的另一侧连接。
整流电路10具有第1支路(leg)50和与第1支路50并联连接的第2支路52。第1支路50具有作为第1上臂元件的半导体开关元件3和作为第1下臂元件的半导体开关元件4。半导体开关元件3与半导体开关元件4串联连接。第2支路52具有作为第2上臂元件的半导体开关元件5和作为第2下臂元件的半导体开关元件6。半导体开关元件5与半导体开关元件6串联连接。
另外，整流电路10具有缓冲电路11、12。缓冲电路11、12是包括电阻13和电容器14的电路。缓冲电路11与半导体开关元件3的两端连接，缓冲电路12与半导体开关元件4的两端连接。另一方面，在半导体开关元件5、6未连接缓冲电路。在半导体开关元件5、6未连接缓冲电路的理由将后述。
在图1中，例示了电阻13与电容器14串联连接的结构，但并不限定于此。图2是表示实施方式中的缓冲电路的其他例子的图。如图2所示，缓冲电路也可以具备并联连接在电阻13的两端的二极管15。此外，图2的电路构成也是一个例子，公知有将作为电路要件的电阻13、电容器14以及二极管15串联或者并联组合的几个变更。即，缓冲电路可以由电阻以及电容器的串联电路、或者将电阻、电容器以及二极管串联或并联组合而成的电路构成。
半导体开关元件3、4、5、6的一个例子是图示的MOS－FET。此外，如后述那样，半导体开关元件5、6可以被置换为公知的二极管。另外，也可以是对这些半导体开关元件3、4、5、6分别并联插入二极管而成的结构。在半导体开关元件3、4、5、6使用MOS－FET的情况下，在元件内部存在寄生二极管。因此，在截止状态下，半导体开关元件3、4、5、6成为二极管。
在整流电路10的输出端间连接有平滑电容器7。平滑电容器7被整流电路10的输出充电。以下，将该动作适当地称为“充电动作”。平滑电容器7使从整流电路10输出了的直流电压平滑。在平滑电容器7的两端连接有负载8。负载8包括使用平滑电容器7的电力进行动作的逆变器、被逆变器驱动的马达、以及被马达驱动的设备。
驱动电路9生成驱动信号S1、S2、S3、S4并输出。驱动信号S1是用于控制半导体开关元件3的导通的信号。驱动信号S2是用于控制半导体开关元件4的导通的信号。驱动信号S3是用于控制半导体开关元件5的导通的信号。驱动信号S4是用于控制半导体开关元件6的导通的信号。在驱动半导体开关元件3、4、5、6时，驱动信号S1、S2、S3、S4被转换为能够驱动半导体开关元件3、4、5、6的电压电平而输出。驱动电路9使用电平移动电路等来实现。
接下来，参照图3～图10的附图来对实施方式所涉及的开关转换器的动作进行说明。图3是表示实施方式所涉及的开关转换器中的主要部分的动作波形的图。图4是表示在实施方式中的整流电路流动的电流的路径的第1图。图5是表示在实施方式中的整流电路流动的电流的路径的第2图。图6是表示在实施方式中的整流电路流动的电流的路径的第3图。图7是表示在实施方式中的整流电路流动的电流的路径的第4图。图8是在一般的半导体开关元件可能产生的过渡现象的说明中使用的图。图9是表示在实施方式中的半导体开关元件产生了过渡现象时的电流的流动的第1图。图10是表示在实施方式中的半导体开关元件产生了过渡现象时的电流的流动的第2图。其中，在以下的说明中，设半导体开关元件3、4、5、6为MOS－FET。
在图3的(a)中示出了从交流电源1输出的电源电压Vs的波形。对于电源电压Vs的极性而言，将与电抗器2连接的一侧的电位高于不与电抗器2连接的一侧的电位时定义为正。在图3的(b)中示出了用于驱动半导体开关元件3的驱动信号S1。在图3的(c)中示出了用于驱动半导体开关元件4的驱动信号S2。在图3的(d)中示出了用于驱动半导体开关元件5的驱动信号S3。在图3的(e)中示出了用于驱动半导体开关元件6的驱动信号S4。
通过上述的被称为同步整流的技术来控制半导体开关元件5、6。具体而言，当电流在半导体开关元件5的寄生二极管流动的时机，在半导体开关元件5的栅极与源极之间被施加使半导体开关元件5导通动作的电压。另外，当电流在半导体开关元件6的寄生二极管流动的时机，在半导体开关元件6的栅极与源极之间被施加使半导体开关元件6导通动作的电压。
图4以及图5是电源电压Vs为正极性的情况下的例子。图3的左侧的半周期与之对应，半导体开关元件6进行导通动作，半导体开关元件5为截止动作。图6以及图7是电源电压Vs为负极性的情况下的例子。图3的右侧的半周期与之对应，半导体开关元件5进行导通动作，半导体开关元件6为截止动作。其中，在以下的记载中，存在将电源电压Vs的周期称为“电源周期”的情况。
在图4所示的电流路径的情况下，由于半导体开关元件4、6导通，所以成为电源电压Vs经由电抗器2、半导体开关元件4以及半导体开关元件6而短路的动作。将该动作适当地称为“电源短路”或者“电源短路动作”。通过电源短路来在电抗器2蓄存能量。然后，半导体开关元件6保持导通不变，使半导体开关元件4截止，使半导体开关元件3导通。即，若半导体开关元件6保持导通不变，且使半导体开关元件3、4的动作反转，则电源短路被解除，流动图5所示的路径的电流，平滑电容器7被充电。即，若在能量的蓄存后解除电源短路，则蓄存于电抗器2的能量被移送至平滑电容器7而被蓄存。此时，对平滑电容器7施加电源电压Vs与在电抗器2产生的电压的相加电压。由此，能够实现被平滑电容器7保持的电压亦即电容器电压的升压。
另外，在图6所示的电流路径的情况下，由于半导体开关元件3、5导通，所以成为电源电压Vs经由半导体开关元件5、半导体开关元件3以及电抗器2而短路的动作。通过该电源短路来在电抗器2蓄存能量。然后，半导体开关元件5保持导通不变，使半导体开关元件3截止，使半导体开关元件4导通。即，若半导体开关元件5保持导通不变，并使半导体开关元件3、4的动作反转，则电源短路被解除，流动图7所示的路径的电流，平滑电容器7被充电。此时，对平滑电容器7施加电源电压Vs与在电抗器2产生的电压的相加电压。由此，与电源电压Vs为正极性的情况同样，能够实现电容器电压的升压。
无论电源电压Vs的极性如何，半导体开关元件3、4均在任意的时机交替地进行开关。通过进行任意次数的电源短路以及充电动作，能够实现电源电压Vs的升压。另外，通过在电源电压Vs的1个周期的整个区域进行半导体开关元件3、4的开关动作，能够实现交流电源1的功率因数改善。其中，将该动作、即在电源电压Vs的1个周期的整个区域进行半导体开关元件3、4的开关动作适当地称为“整个区域开关”。
在半导体开关元件3、4中，被施加从交流电源1产生的电压的朝向与半导体开关元件3、4的寄生二极管中的导通方向的朝向不一定一致。因此，半导体开关元件3、4无法置换为二极管。
另一方面，半导体开关元件5、6进行与电源电压Vs的极性对应的整流动作。因此，针对平滑电容器7的充电以及升压的功能而言，能够置换为二极管。然而，在本实施方式的开关转换器100中，不将半导体开关元件5、6置换为二极管。之所以成为具备半导体开关元件5、6而非二极管的结构是为了能够应用同步整流来减少整流电路10中的导通损耗。
一般，在半导体开关元件导通或者截止时，在半导体开关元件的漏极/源极间会发生电压的过渡现象。该过渡现象一般被称为“振铃”。图8中示出了振铃波形的例子。在图8中，横轴表示时间，纵轴表示漏极·源极间电压。
振铃成为上述的过电压浪涌以及EMC噪声的原因。若提高半导体开关元件的开关频率，则功率因数改善效果变高，但过电压浪涌以及EMC噪声的发生量也变大。开关频率是电源电压Vs的每1个周期或者半周期的开关次数。
过电压浪涌的大小影响半导体开关元件的耐受电压。因此，若过电压浪涌变大，则需要选定耐受电压高的半导体开关元件，成本变高。另一方面，关于EMC噪声产生量，存在基于法规以及标准的限制。EMC噪声不仅在导体中传播，还能够在空间传播。因此，存在因EMC噪声的产生而在开关转换器100的周边产生通信环境变差、集成电路的误动作的担忧。在现有的开关转换器中，在半导体开关元件中的耐受电压以下的过电压浪涌且EMC噪声产生量的条件下限制开关频率，按照在电源半周期中短路1次的1次开关、或者在电源半周期中短路少数次的多次开关来动作。
与此相对，在本实施方式中，对半导体开关元件3设置有缓冲电路11。在半导体开关元件3截止时，半导体开关元件3的漏极/源极间电压从零急剧地增加。通过该电压来将电荷充电至缓冲电路11中的电容器14。图9中示出了此时的电流的流动。该电流因缓冲电路11中的电阻13而衰减。因此，在半导体开关元件3产生的振铃减少。由此，能够减少半导体开关元件3中的过电压浪涌以及EMC噪声。
在半导体开关元件3导通时，半导体开关元件3的漏极/源极间电压急剧地降低至零。此时，已被充电至缓冲电路11中的电容器14的电荷经由半导体开关元件3被放电。图10中示出了此时的电流的流动。该电流因缓冲电路11中的电阻13而衰减。因此，在半导体开关元件3产生的振铃减少。由此，在半导体开关元件3导通时，也能够减少半导体开关元件3中的过电压浪涌以及EMC噪声。
如以上说明那样，因缓冲电路11的存在而能够保护半导体开关元件3不受过电压浪涌影响。另外，能够将EMC噪声减少至标准值以内。另外，半导体开关元件4也同样，因缓冲电路12的存在而能够保护半导体开关元件3不受过电压浪涌影响，将EMC噪声减少至标准值以内。
另外，如图3的(d)、(e)所示，半导体开关元件5、6在电源电压Vs的半周期仅导通或者截止1次。因此，在半导体开关元件5、6中，振铃的发生频度低，缓冲电路带来的效果低。因此，在实施方式所涉及的开关转换器100中，对半导体开关元件5、6反而不设置缓冲电路。通过仅对半导体开关元件3、4设置缓冲电路11、12，能够减少部件个数。由此，能够既抑制装置的成本增加、又实现过电压浪涌以及EMC噪声的减少。
此外，在图1中仅对半导体开关元件3、4设置有缓冲电路11、12，但并不限定于该结构。图11是表示实施方式的变形例所涉及的开关转换器的构成例的图。也可以如图11所示的开关转换器100A那样，构成为仅对半导体开关元件5、6设置有缓冲电路11、12。在该结构的情况下，上述的电源短路动作以及充电动作如图12～图15那样。图12是表示在实施方式的变形例中的整流电路流动的电流的路径的第1图。图13是表示在实施方式的变形例中的整流电路流动的电流的路径的第2图。图14是表示在实施方式的变形例中的整流电路流动的电流的路径的第3图。图15是表示在实施方式的变形例中的整流电路流动的电流的路径的第4图。
在实施方式的变形例所涉及的开关转换器100A的情况下，图4以及图6所示的电源短路动作分别变成图12以及图14所示的电源短路动作。另外，图5以及图7所示的充电动作分别变成图13以及图15所示的充电动作。
另外，虽然图示省略，但在图1中公开了1个电抗器2与交流电源1的一侧连接的结构，可是并不限定于该结构。也可以是1个电抗器2与交流电源1的另一侧连接的结构。另外，也可以是分割了的2个电抗器2与交流电源1的一侧和另一侧双方连接的结构。
其中，作为在本实施方式的整流电路10中使用的开关元件，一般是使用以Si(硅)作为材料的半导体开关元件(以下称为“Si元件”)的结构。另一方面，最近在关注代替Si而以近些年备受瞩目的SiC(碳化硅)作为材料的半导体开关元件(以下称为“SiC元件”)。
作为SiC元件的特征，相对于现有元件(例如Si元件)能够非常缩短开关时间(约1/10以下)。因此，开关损耗变小。另外，SiC元件的导通损耗也小。因此，稳定时的损耗也能够比现有元件大幅减少(约1/10以下)。
作为本实施方式所涉及的手法的特征，进行上述的整个区域开关。因此，与现有手法相比，开关次数增加。因此，开关损耗以及导通损耗小的SiC元件适合在本实施方式所涉及的开关转换器100、100A中使用。
需要说明的是，SiC具有带隙大于Si这一特性，是被称为宽带隙半导体的半导体的一个例子。除了该SiC以外，例如使用氮化镓、氧化镓或者金刚石形成的半导体也属于宽带隙半导体，它们的特性也大多类似于碳化硅。因此，使用SiC以外的其他宽带隙半导体的机构也构成本发明的主旨。
如以上说明那样，根据实施方式所涉及的开关转换器，整流电路具备：第1支路，第1上臂元件与第1下臂元件串联连接；第2支路，第2上臂元件与第2下臂元件串联连接，并与第1支路并联连接。在第1支路以及第2支路中的任一方的支路中的上下臂元件分别连接有包括电阻和电容器的缓冲电路。另一方面，在第1支路以及第2支路中的另一方的支路中的上下臂元件分别未连接缓冲电路。未连接缓冲电路的上下臂元件被按照电源周期驱动，连接有缓冲电路的上下臂元件被按照比电源周期短的周期驱动。由此，能够既抑制部件个数、又实现同步整流带来的效率改善、功率因数改善以及过电压浪涌及EMC噪声的抑制。
此外，以上的实施方式所示的结构表示了一个例子，还能够与其他的公知技术组合，在不脱离主旨的范围内还能够省略、变更结构的一部分。
附图标记说明：
1…交流电源；2…电抗器；3、4、5、6…半导体开关元件；7…平滑电容器；8…负载；9…驱动电路；10…整流电路；11、12…缓冲电路；13…电阻；14…电容器；15…二极管；50…第1支路；52…第2支路；100、100A…开关转换器。
Claims (4)
1.一种开关转换器，其特征在于，具备：
电抗器，一端与交流电源连接；和
整流电路，与所述电抗器的另一端连接，将被从所述交流电源施加的电源电压转换为直流电压，
所述整流电路具有第1支路和与所述第1支路并联连接的第2支路，
所述第1支路的第1上臂元件与第1下臂元件串联连接，
所述第2支路的第2上臂元件与第2下臂元件串联连接，
在所述第1支路以及第2支路中的任一方的支路中的上下臂元件分别连接有包括电阻和电容器的缓冲电路，
在所述第1支路以及第2支路中的另一方的支路中的上下臂元件分别未连接所述缓冲电路。
2.根据权利要求1所述的开关转换器，其特征在于，
未连接所述缓冲电路的上下臂元件被按照所述电源电压的周期亦即电源周期驱动，
连接有所述缓冲电路的上下臂元件被按照比所述电源周期短的周期驱动。
3.根据权利要求1或2所述的开关转换器，其特征在于，
所述第1支路以及第2支路中的上下臂元件由宽带隙半导体形成。
4.根据权利要求3所述的开关转换器，其特征在于，
所述宽带隙半导体是碳化硅、氮化镓、氧化镓或者金刚石。
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