CN115956336A - 基于氮化物的ac-dc转换器 - Google Patents

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Abstract

本公开提供一种基于氮化物的AC‑DC转换器和一种系统。所述转换器包含变压器、第一开关元件、第二开关元件、第三开关元件和第四开关元件。所述变压器包含耦合到AC源的初级绕组和耦合到负载的次级绕组。所述次级绕组包含第一区段和第二区段。所述第一开关元件通过保险丝耦合到所述AC源的负极端子。所述第二开关元件耦合在所述第一开关元件与所述变压器的所述初级绕组之间。所述第一开关元件和所述第二开关元件串联耦合。所述第三开关元件耦合到所述变压器的所述次级绕组的所述第一区段。所述第四开关元件耦合到所述变压器的所述次级绕组的所述第二区段。

Description

基于氮化物的AC-DC转换器
技术领域
本发明总体上涉及AC-DC转换器，且更确切地说，本发明涉及紧凑且节能的基于氮化物的AC-DC转换器。
背景技术
归因于低功率损耗和快速开关转变，基于氮化镓(GAN)的装置已经广泛地在多种多样的应用中使用，这些应用从电信、服务器、马达驱动器和膝上型计算机适配器到用于电动车辆的车载充电器。与硅(Si)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)相比，GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)在高功率且高频的应用中具有更好的品质因数和更具前景的性能。
AC-DC转换器是用于通过提供直流(DC)电源为许多家庭和工业机器的不可避免的装置，所述DC电源已经从由AC源提供的交流(AC)电源整流。随着适配器尺寸减小，需要在不影响AC-DC转换器性能的情况下通过采用简化的架构来缩小AC-DC转换器的布局面积。
随着设计紧凑型AC-DC转换器的要求，可能需要开发布局面积较小的AC-DC转换器，而不影响用于本领域中的某些应用的AC-DC转换器的效率。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种基于氮化物的AC-DC转换器。所提供的基于氮化物的AC-DC转换器包含：变压器、第一开关元件、第二开关元件、第三开关元件和第四开关元件。变压器包含初级绕组和次级绕组。初级绕组耦合到AC源并且次级绕组耦合到负载。次级绕组包含第一区段和第二区段。第一开关元件通过保险丝耦合到AC源的负极端子。第二开关元件耦合在第一开关元件与变压器的初级绕组之间。第一开关元件和第二开关元件串联耦合。第三开关元件耦合到变压器的次级绕组的第一区段。第四开关元件耦合到变压器的次级绕组的第二区段。当第一开关元件和第二开关元件打开时，在AC源的正半循环中电流流过次级绕组的第一区段和第三开关元件，并且在AC源的负半循环中电流流过次级绕组的第二区段和第四开关元件。当第一开关元件和第二开关元件关闭时，在AC源的正半循环中电流流过次级绕组的第二区段和第四开关元件，并且在AC源的负半循环中电流流过次级绕组的第一区段和第三开关元件。
基于上文，在本发明的实施例中，AC-DC转换器不需要使用桥式整流器电路和高压介电电容器进行AC-DC整流，因此有效地减小AC-DC转换器的布局面积。另外，AC-DC转换器中的变压器漏电流吸收不再需要RCD电路。最终，AC-DC转换器实现更高效率。通过采用紧凑设计，通过消除AC-DC转换器中的发热元件来实现较少发热。
附图说明
通过参考附图的以下详细描述，可以容易地理解本公开的各个方面。图解可能未必按比例绘制。也就是说，为了论述清楚起见，可以任意增加或减小各种特征的尺寸。归因于制造工艺和公差，本公开中的工艺再现与实际设备之间可能存在区别。贯穿图式和详细描述使用共同附图标记来指示相同或相似元件。
图1说明常规AC-DC转换器的电路图。
图2说明根据本公开的示例性实施例的AC-DC转换器的电路图。
图3示出用于控制图2的AC-DC转换器中的开关元件的驱动信号的波形。
图4A到4D说明图2的AC-DC转换器的开关操作。图4A和4B说明在AC源的正半循环期间的开关操作。图4C和4D说明在AC源的负半循环期间的开关操作。
图5A和5B分别示出在AC源的正半循环和负半循环期间的整流后AC输入电压的波形。
图6说明根据本公开的示例性实施例的AC-DC转换器的电路图。
图7说明根据本公开的示例性实施例的系统的框图。
具体实施方式
在以下描述中，将阐述本公开的优选实例作为应被视为说明性而非限制性的实施例。可以省略特定细节以免使本公开模糊不清；然而，编写本公开是为了使本领域技术人员能够在不进行不当实验的情况下实践本文中的教示。
应理解，在不脱离本发明范围的情况下，可以利用另一实施例并且可以做出结构改变。而且，应理解，本文所使用的措辞和术语是出于描述的目的，而不应被视为是限制性的。本文使用“包含”、“包括”或“具有”以及其变体意图涵盖其后列出的项目以及其等效物以及额外项目。除非另有限制，否则术语“连接(connected)”、“耦合(coupled)”以及“安装(mounted)”以及其在本文中的变体是广义上使用的并且涵盖直接和间接连接、耦合和安装。
图1是AC-DC转换器的对比实施例的电路图。AC-DC转换器100包含AC源110、保险丝120、整流器电桥电路130、残余电流装置(RCD)电路140和回扫电路150。
整流器电桥电路130包含二极管D1、二极管D2、二极管D3和二极管D4。回扫电路150包含RCD电路140、电容器C1、MOSFET M1、二极管D5、变压器T。变压器T包含初级绕组T1和次级绕组T2。电容器C1是高压介电电容器。RCD电路140包含电阻器R1、电容器C2和二极管D6。
RCD电路140用于AC-DC转换器100中的残余电流吸收。
在AC源110的正半循环期间，电流流过整流器电桥电路130的二极管D1和二极管D3以及电容器C1。类似地，在AC源110的负半循环期间，电流流过整流器电桥电路130的二极管D2和二极管D4以及电容器C1。
在AC源110的正半循环期间，电流流过回扫电路150的电容器C1、MOSFET M1和初级绕组T1。应注意，没有电流流过回扫电路150的RCD电路140和次级绕组T2。
在AC源110的负半循环期间，电流流过AC-DC转换器100的RCD电路140、初级绕组T1和次级绕组T2。应注意，没有电流流过MOSFET M1和电容器C1。
以此方式，AC-DC转换器100被配置成在AC源110的正半循环和负半循环中将AC输入电压整流成DC输出电压。
基于上文，AC-DC转换器100需要较大布局面积。具体来说，整流器电桥电路130和电容器C1占据总面积的30％。此外，RCD电路140占据额外面积，由此紧凑AC-DC转换器100的设计具有挑战性。
图2说明根据本公开的示例性实施例的AC-DC转换器的电路图。参考图2，AC-DC转换器200包含AC源210、保险丝220、第一开关元件230、第二开关元件240、变压器250、第一二极管260、第二二极管270、负载电容器280和控制器290。
AC-DC转换器200是基于氮化物的AC-DC转换器。
第一开关元件230通过保险丝220耦合到AC源210的负极端子。
第二开关元件240耦合在第一开关元件与变压器250的初级绕组251之间。应注意，第一开关元件230和第二开关元件串联耦合。
第一开关元件230包含源极端子、栅极端子和漏极端子。类似地，第二开关元件240包含源极端子、栅极端子和漏极端子。
第一开关元件230的源极端子耦合到第二开关元件240的源极端子。第一开关元件230的漏极端子耦合到保险丝220，并且第二开关元件240的漏极端子耦合到变压器250的初级绕组251。
在一个实施例中，第一开关元件230和第二开关元件240是n型MOSFET。
在一些实施例中，第一开关元件230和第二开关元件240是p型MOSFET，因此第一开关元件230和第二开关元件240的类型在本公开中不受限制。
在一些实施例中，第一开关元件230和第二开关元件240是SiC MOSFET。
在一些实施例中，第一开关元件230和第二开关元件240可以是GaN装置或双极结晶体管(BJT)或绝缘栅双极晶体管(IGBT)或闸流晶体管或开关装置的组合，因此AC-DC转换器200中的开关元件的类型在本公开中不受限制。在一些实施例中，第一开关元件230和第二开关元件240可以是AlGaN/GaN增强型高电子迁移率场效应晶体管。
第一开关元件230和第二开关元件240由控制器290控制。具体来说，通过控制第一开关元件230和第二开关元件240的栅极端子来控制第一开关元件230和第二开关元件240的开关操作。在操作期间，开关元件230和240可以同时打开和关闭，使得开关元件230和240可以作为AC开关或双向开关一起工作。在一些实施例中，可以通过两个相同且同步的驱动信号Vdrv1和Vdrv2控制开关元件230和240，其中Vdrv1＝Vdrv2。在一些实施例中，开关元件230和240的栅极端子可以电短接在一起，并且用单个驱动信号Vdrv控制。驱动信号Vdrv1和Vdrv2(或Vdrv)可以具有如图3中所示的脉冲宽度调制波形。参考图3，开关元件230和240可以在驱动信号为高时，即在接通时间持续时间Ton期间接通，并且在驱动信号为低时，即在断开时间持续时间Toff期间断开。第一二极管260和第二二极管270耦合到变压器250的次级绕组252。
次级绕组252包含第一区段253和第二区段254。
第一二极管260包含阳极和阴极。类似地，第二二极管270包含阳极和阴极。
第一二极管260的阳极耦合到次级绕组252的第一区段253，并且第一二极管260的阴极耦合到负载电容器280。
第二二极管270的阳极耦合到次级绕组252的第二区段254，并且第二二极管270的阴极耦合到负载电容器280。
负载电容器280包含第一端子和第二端子。负载电容器280的第一端子耦合到第一二极管260的阴极和第二二极管270的阴极。负载电容器280的第二端子耦合到接地电位。
负载电容器280的第二端子耦合到端子，所述端子耦合次级绕组252的第一区段253和第二区段254。
图4A到4D说明根据本公开的示例性实施例的AC-DC转换器的开关操作。参考图2，AC-DC转换器200被配置成通过控制第一开关元件230和第二开关元件240将AC输入电压整流成DC输出电压。
参考图2，图4A示出在AC源210的正半循环中，当第一开关元件230和第二开关元件240打开时，电流流过次级绕组252的第一区段253、第一二极管260和负载电容器280。
参考图2，图4B示出在AC源210的正半循环中，当第一开关元件230和第二开关元件240关闭时，电流流过次级绕组252的第二区段254、第二二极管270和负载电容器280。
图5A示出在AC源210的正半循环期间，通过打开第一MOSFET 230和第二MOSFET240以使电流流过第一二极管260，AC-DC转换器200将AC输入电压(Vin)整流成DC输出电压。
参考图2，图4C示出在AC源210的负半循环中，当打开第一开关元件230和第二开关元件240时，电流流过次级绕组252的第二区段254、第二二极管270和负载电容器280。
参考图2，图4D示出在AC源210的负半循环中，当第一开关元件230和第二开关元件240关闭时，电流流过次级绕组252的第一区段253、第一二极管260和负载电容器280。
图5B示出在AC源210的负半循环期间，通过打开第一开关元件230和第二开关元件240以使电流流过第二二极管270，AC-DC转换器200将AC输入电压(Vin)整流成DC输出电压。
基于上文，在本发明的实施例中，AC-DC转换器200不需要使用桥式整流器电路和高压介电电容器，因此有效地减小AC-DC转换器200的布局面积。另外，AC-DC转换器200中的变压器漏电流吸收不再需要RCD电路。
图6说明根据本公开的另一示例性实施例的AC-DC转换器的电路图。参考图6，AC-DC转换器400包含AC源410、保险丝420、第一开关元件430、第二开关元件440、变压器450、第三开关元件460、第四开关元件470、负载电容器480和控制器490。
参考图2，AC-DC转换器400中的AC源410、保险丝420、第一开关元件430、第二开关元件440、变压器450、负载电容器480和控制器490类似于AC-DC转换器200中的AC源210、保险丝220、第一开关元件230、第二开关元件240、变压器250、负载电容器280和控制器290，因此本文中省略AC-DC转换器400中的AC源410、保险丝420、第一开关元件430、第二开关元件440、变压器450、负载电容器480和控制器490的详细描述。
第三开关元件460和第四开关元件470耦合到变压器450的次级绕组452。
在一个实施例中，第三开关元件460和第四开关元件470是n型MOSFET。
在一些实施例中，第三开关元件460和第四开关元件470是p型MOSFET，因此第三开关元件460和第四开关元件470的类型在本公开中不受限制。
在一些实施例中，第三开关元件460和第四开关元件470是SiC MOSFET。
在一些实施例中，第三开关元件460和第四开关元件470可以由GaN装置或双极结晶体管(BJT)或绝缘栅双极晶体管(IGBT)或闸流晶体管或开关装置的组合替换，因此AC-DC转换器400中的开关元件的类型在本公开中不受限制。在一些实施例中，第一开关元件230和第二开关元件240可以是AlGaN/GaN增强型高电子迁移率场效应晶体管。
次级绕组452包含第一区段453和第二区段454。
第三开关元件460包含源极端子、漏极端子和栅极端子。
第三开关元件460的源极端子耦合到次级绕组452的第一区段453，并且第三开关元件460的漏极端子耦合到负载电容器480。
第四开关元件470包含源极端子、漏极端子和栅极端子。
第四开关元件470的源极端子耦合到次级绕组452的第二区段454，并且第四开关元件470的漏极端子耦合到负载电容器480。
负载电容器480包含第一端子和第二端子。负载电容器480的第一端子耦合到第三开关元件460的漏极端子和第四开关元件470的漏极端子。负载电容器480的第二端子耦合到接地电位。
图7说明根据本公开的示例性实施例的系统的框图。系统500包含电源适配器510、AC-DC转换器520和电池530。
电源适配器510被配置成从AC源向连接到电源适配器510的装置提供AC电压。
电池530附接到装置以将DC电压提供到装置。
在一个实施例中，参考图2，AC-DC转换器520类似于AC-DC转换器200。
在一些实施例中，参考图6，AC-DC转换器520类似于AC-DC转换器400，因此本文省略AC-DC转换器520的详细描述。
基于上文，在本发明的实施例中，AC-DC转换器520不需要使用桥式整流器电路和高压介电电容器进行AC-DC整流，因此有效地减小AC-DC转换器520的布局面积。另外，AC-DC转换器520中的变压器漏电流吸收不再需要RCD电路。最终，AC-DC转换器520实现更高效率。通过采用紧凑设计，通过消除AC-DC转换器520中的发热元件来实现较少发热。
选择和描述实施例是为了最好地解释本发明的原理以及其实际应用，由此使得本领域的其他技术人员能够以适合于所预期的特定用途的各种修改来最佳地理解本发明的各种实施例。虽然本文中公开的方法已参考按特定次序执行的特定操作进行描述，但应理解，可以在不脱离本公开的教示的情况下组合、细分或重新排序这些操作以形成等效方法。因此，除非在本文中具体指示，否则操作的次序和分组并非限制性的。虽然本文中公开的设备已参考特定结构、形状、材料、物质组成和关系等进行描述，但这些描述和说明并非限制性的。可以作出修改以使特定情形适用于本公开的目标、精神和范围。所有此类修改旨在落入所附权利要求的范围内。

Claims (25)

1.一种基于氮化物的AC-DC转换器，其特征在于，包括：
变压器，所述变压器包括耦合到AC源的初级绕组和耦合到负载的次级绕组，其中所述次级绕组包括第一区段和第二区段；
第一开关元件，所述第一开关元件通过保险丝耦合到所述AC源的负极端子；
第二开关元件，所述第二开关元件耦合在所述第一开关元件与所述变压器的所述初级绕组之间，其中所述第一开关元件和所述第二开关元件串联耦合；
第三开关元件，所述第三开关元件耦合到所述变压器的所述次级绕组的所述第一区段；
第四开关元件，所述第四开关元件耦合到所述变压器的所述次级绕组的所述第二区段，
其中当所述第一开关元件和所述第二开关元件打开时，在所述AC源的正半循环中电流流过所述次级绕组的所述第一区段和所述第三开关元件，并且在所述AC源的负半循环中所述电流流过所述次级绕组的所述第二区段和所述第四开关元件，以及
其中当所述第一开关元件和所述第二开关元件关闭时，在所述AC源的所述正半循环中所述电流流过所述次级绕组的所述第二区段和所述第四开关元件，并且在所述AC源的所述负半循环中所述电流流过所述次级绕组的所述第一区段和所述第三开关元件。
2.根据权利要求1所述的基于氮化物的AC-DC转换器，其特征在于，所述第一开关元件的源极端子耦合到所述第二开关元件的源极端子。
3.根据权利要求2所述的基于氮化物的AC-DC转换器，其特征在于，
在所述AC源的所述正半循环期间，通过打开所述第一开关元件和所述第二开关元件以使所述电流流过所述第三开关元件，所述AC-DC转换器将AC输入电压整流成DC输出电压；以及
在所述AC源的所述负半循环期间，通过打开所述第一开关元件和所述第二开关元件以使所述电流流过所述第四开关元件，所述AC-DC转换器将所述AC输入电压整流成所述DC输出电压。
4.根据权利要求3所述的基于氮化物的AC-DC转换器，其特征在于，进一步包括：
负载电容器，所述负载电容器分别通过所述第三开关元件耦合到所述次级绕组的所述第一区段并且通过所述第四开关元件耦合到所述次级绕组的所述第二区段。
5.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的基于氮化物的AC-DC转换器，其特征在于，所述第一开关元件是第一GaN开关装置，并且所述第二开关元件是第二GaN开关装置。
6.根据权利要求5所述的基于氮化物的AC-DC转换器，其特征在于，所述第一GaN开关装置是第一AlGaN/GaN晶体管，并且所述第二GaN开关装置是第二AlGaN/GaN晶体管。
7.根据权利要求6所述的基于氮化物的AC-DC转换器，其特征在于，所述第一AlGaN/GaN晶体管和所述第二AlGaN/GaN晶体管是增强型高电子迁移率场效应晶体管。
8.根据权利要求5至7中任一权利要求所述的基于氮化物的AC-DC转换器，其特征在于，所述第三开关元件是第一二极管并且所述第四开关元件是第二二极管。
9.根据权利要求8所述的基于氮化物的AC-DC转换器，其特征在于，
所述第一二极管的阳极耦合到所述变压器的所述次级绕组的所述第一区段，并且所述第一二极管的阴极耦合到负载电容器；并且
所述第二二极管的阳极耦合到所述变压器的所述次级绕组的所述第二区段，并且所述第二二极管的阴极耦合到所述负载电容器。
10.根据权利要求5至8中任一权利要求所述的基于氮化物的AC-DC转换器，其特征在于，所述第三开关元件是第三MOSFET并且所述第四开关元件是第四MOSFET。
11.根据权利要求11所述的基于氮化物的AC-DC转换器，其特征在于，所述第三MOSFET和所述第四MOSFET是n型MOSFET。
12.根据权利要求1所述的基于氮化物的AC-DC转换器，其特征在于，所述第一开关元件是第一SiC MOSFET并且所述第二开关元件是第二SiC MOSFET。
13.根据权利要求13所述的基于氮化物的AC-DC转换器，其特征在于，所述第三开关元件是第三SiC MOSFET并且所述第四开关元件是第四SiC MOSFET。
14.根据权利要求14所述的基于氮化物的AC-DC转换器，其特征在于，
所述第三MOSFET的漏极端子耦合到负载电容器，并且所述第三MOSFET的源极端子耦合到所述变压器的所述次级绕组的所述第一区段；并且
所述第四MOSFET的漏极端子耦合到负载电容器，并且所述第四MOSFET的源极端子耦合到所述变压器的所述次级绕组的所述第二区段。
15.根据权利要求1至15中任一权利要求所述的基于氮化物的AC-DC转换器，其特征在于，进一步包括控制器，所述控制器被配置成控制所述第一开关元件和所述第二开关元件的开关操作。
16.一种系统，其特征在于，包括：
电源适配器，所述电源适配器被配置成从AC源向连接到所述电源适配器的装置提供AC电压；
电池，所述电池附接到所述装置以将DC电压提供到所述装置；
基于氮化物的AC-DC转换器，所述基于氮化物的AC-DC转换器耦合到所述电源适配器和所述电池，其中所述基于氮化物的AC-DC转换器被配置成将所述AC电压转换成所述DC电压，
所述基于氮化物的AC-DC转换器包括：
变压器，所述变压器包括耦合到所述AC源的初级绕组和耦合到负载的次级绕组，其中所述次级绕组包括第一区段和第二区段；
第一开关元件，所述第一开关元件通过保险丝耦合到所述AC源的负极端子；
第二开关元件，所述第二开关元件耦合在所述第一开关元件与所述变压器的所述初级绕组之间，其中所述第一开关元件和所述第二开关元件串联耦合；
第三开关元件，所述第三开关元件耦合到所述变压器的所述次级绕组的所述第一区段；
第四开关元件，所述第四开关元件耦合到所述变压器的所述次级绕组的所述第二区段，
其中当所述第一开关元件和所述第二开关元件打开时，在所述AC源的正半循环中电流流过所述次级绕组的所述第一区段和所述第三开关元件，并且在所述AC源的负半循环中所述电流流过所述次级绕组的所述第二区段和所述第四开关元件，以及
其中当所述第一开关元件和所述第二开关元件关闭时，在所述AC源的所述正半循环中所述电流流过所述次级绕组的所述第二区段和所述第四开关元件，并且在所述AC源的所述负半循环中所述电流流过所述次级绕组的所述第一区段和所述第三开关元件。
17.根据权利要求16所述的系统，其特征在于，所述第一开关元件的源极端子耦合到所述第二开关元件的源极端子。
18.根据权利要求17所述的系统，其特征在于，
在所述AC源的所述正半循环期间，通过打开所述第一开关元件和所述第二开关元件以使所述电流流过所述第三开关元件，所述AC-DC转换器将AC输入电压整流成DC输出电压；以及
在所述AC源的所述负半循环期间，通过打开所述第一开关元件和所述第二开关元件以使所述电流流过所述第四开关元件，所述AC-DC转换器将所述AC输入电压整流成所述DC输出电压。
19.根据权利要求18所述的系统，其特征在于，进一步包括：
负载电容器，所述负载电容器分别通过所述第三开关元件耦合到所述次级绕组的所述第一区段并且通过所述第四开关元件耦合到所述次级绕组的所述第二区段。
20.根据权利要求16至19中任一权利要求所述的系统，其特征在于，所述第一开关元件是第一GaN开关装置，并且所述第二开关元件是第二GaN开关装置。
21.根据权利要求20所述的系统，其特征在于，所述第三开关元件是第一二极管并且所述第四开关元件是第二二极管。
22.根据权利要求21所述的系统，其特征在于，
所述第一二极管的阳极耦合到所述变压器的所述次级绕组的所述第一区段，并且所述第一二极管的阴极耦合到负载电容器；并且
所述第二二极管的阳极耦合到所述变压器的所述次级绕组的所述第二区段，并且所述第二二极管的阴极耦合到所述负载电容器。
23.根据权利要求20所述的系统，其特征在于，所述第三开关元件是第三MOSFET并且所述第四开关元件是第四MOSFET。
24.根据权利要求23所述的系统，其特征在于，
所述第三MOSFET的漏极端子耦合到负载电容器，并且所述第三MOSFET的源极端子耦合到所述变压器的所述次级绕组的所述第一区段；并且
所述第四MOSFET的漏极端子耦合到负载电容器，并且所述第四MOSFET的源极端子耦合到所述变压器的所述次级绕组的所述第二区段。
25.根据权利要求16至24中任一权利要求所述的系统，其特征在于，进一步包括控制器，所述控制器被配置成控制所述第一开关元件和所述第二开关元件的开关操作。
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