CN1290422A - 用于将磁场能转换到电场能的电子线路装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于将磁场能(M)转换(W)到电场能(E)的电子线路装置(G),它包括至少一个用于磁场能(M)的第一存储元件(L),一个用于电场能(E)的第二存储元件(C),一个半导体整流元件(D)和一个电气开关元件(S)。根据本发明,该半导体整流元件(D)的半导体材料的能带宽度(VB)至少为2eV,其击穿强度(EK)至少为5*10^5V/cm。该半导体整流元件(D)的半导体材料特别包括碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、或金刚石(Cdia)。半导体整流元件(D)尤其是一个半导体二极管,优选是肖特基—二极管。基于本发明,半导体整流元件(D)具有较小的动态开关损耗,本发明电子线路装置可以以最小的体积应用于高工作电压和高开关频率的环境下。

Description

用于将磁场能转换到电场能的电子线路装置
本发明涉及一种用于将磁场能转换到电场能的电子线路装置，包括至少一个用于磁场能的第一存储元件，一个用于电场能的第二存储元件，一个半导体整流元件和一个电气开关元件。其中，电气开关元件可以至少包含第一和第二开关状态(S1，S2)。这些元件以这种方式相互连接，以便在开关元件的第一开关状态，磁场能能够存储在第一存储元件中，而在开关元件的第二开关状态，该磁场能从第一存储元件流向半导体整流元件，并转换为第二存储元件中的电场能。
公知的那种用于将磁场能转换到电场能的电子线路装置中的半导体整流元件特别表现出的一个弱点是：在每次的能量转换过程中，半导体整流元件一方面要在导通时承受高达接近线路装置输入电压的巨大的电压波动，另一方面，要在截止时承受耐压达线路装置输入电压的数倍。此时，半导体整流元件要在导通状态和截止状态之间承受巨大的交变载荷。因此，半导体整流元件的效率直接限制了线路装置的总体效率。
传统的半导体整流元件通常是由硅Si制造出来的。这种方法的缺点是：高的截止电压只能通过适当增加半导体整流元件中的半导体结层厚度来实现。但加厚的半导体结层的缺点是加大了动态开关损耗。而动态开关损耗主要产生于半导体整流元件从截止状态到导通状态的转换或相反的过程中，特别是在少数载流子或多数载流子的建立和消除过程中。动态开关损耗相应地导致高的热损耗，因而可能导致半导体整流元件的不稳定。此外，半导体整流元件能够输出的最大损耗功率，因其最大的热稳定性限定了线路装置开关元件的开关频率，因而也限定了其效率。特别地，用于磁场能的第一存储元件和用于电场能的第二存储元件的尺寸大小是与开关频率成反比的。开关频率越高，元件的体积可相应地越小。
本发明的任务是，给出一种用于将磁场能转换到电场能的电子线路装置，这种装置可以显著地减少上述缺点。
该任务的解决方法是采用由权利要求1，5，7和9所给出的电子线路装置，以及根据权利要求15至20所应用的电子线路装置。
根据本发明所述的电子线路装置的优点是，半导体整流元件的半导体材料的能带宽度至少为2eV，其击穿强度至少为5*10＾5V／cm。
根据本发明所述的电子线路装置的其它实施例的特别优点是，半导体整流元件的半导体材料包含碳化硅、氮化稼、或金刚石。
根据本发明所述的电子线路装置的其它实施例的特别优点是，半导体整流元件的半导体材料包含碳化硅，特别地，其能带宽度大约为3eV，其击穿强度大约为25*10^5V／cm。
根据本发明所述的电子线路装置的其它实施例的特别优点是，半导体整流元件的半导体材料包含氮化稼，特别地，其能带宽度大约为3．2eV，其击穿强度大约为30*10^5V／cm。
根据本发明所述的电子线路装置的其它实施例的特别优点是，半导体整流元件的半导体材料包含金刚石，特别地，其能带宽度大约为5．5eV，其击穿强度大约为100*10^5V／cm。
与硅材料相比，根据本发明所述的电子线路装置中的半导体整流元件的对应的半导体材料具有更大的能带宽度，其优点是，半导体整流元件具有高的热稳定性。因而，半导体整流元件即使在高的工作温度下，也能保持完全的高效能，并处于稳定的工作状态。此外，与硅材料相比，根据本发明所述的电子线路装置，由于其半导体整流元件的对应的半导体材料具有更高的击穿强度，也能工作在高工作电压下。由此，根据本发明所述的电子线路装置可以有利地作为功率电路工作在高的截止电压下。
特别地，由于击穿强度高，半导体整流元件的半导体材料的厚度可以减小。由此可以有利地降低半导体整流元件的动态损耗和热损耗。一方面，半导体整流元件因此只承受很小的负荷，另一方面，可以增大线路装置开关元件的开关频率。更高的开关频率使得显著地降低元件的尺寸大小成为可能，优选的是降低用于磁场能的第一存储元件和用于电场能的第二存储元件的尺寸。由此，一方面，可以提高整个电子线路装置的效率，另一方面，可以减小电子线路装置的体积。
本发明的一个实施例的特别优势在于，半导体整流元件是一个二极管，或更确切地说，特别是一个肖特基-二极管。具有以上所述特性的半导体材料的肖特基-二极管具有明显的优势。肖特基-二极管不需要或只需要稍大点的尺寸，就至少可以具有以上技术特征。肖特基-二极管的截止电压也足够高，使得根据本发明所述的电子线路装置，也可用于高的工作电压。另一方面，虽然肖特基-二极管的截止电压承受能力要求高，但其半导体-金属-结可以做得很薄，以便在开关元件的开关频率很高时，也能具有较小的动态损耗。这就使得可以将肖特基-二极管的具有优势的特性，作为本发明电子线路装置的半导体整流元件，应用于工作电压高、开关频率高的场合。
在本发明的其它实施例中，本发明线路装置将应用于高偏置调节电路、低偏置调节电路、流量变压器电路和功率因数控制电路。
本发明的其它优选实施例在相应的从属权利要求中给出。
下面通过附图所示实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是用于将磁场能转换到电场能的电子线路装置，
图2表示半导体整流元件的半导体材料的能带宽度至少为2eV，作为例子，采用金属肖特基触点的结，
图3表示半导体整流元件的半导体材料的击穿强度至少为5*10＾5V／cm，
图4是使用本发明电子线路装置的高偏置调节电路，
图5是使用本发明电子线路装置的低偏置调节电路，
图6是使用本发明电子线路装置的流量变压器电路，以及
图7是使用本发明电子线路装置的功率因数控制电路。
在图1中，作为示例，表示一个根据本发明的用于将磁场能M转换W到电场能E的电子线路装置G。该电子线路装置G特别接入输入电压UE，并包括至少一个用于磁场能M的第一存储元件L，一个用于电场能E的第二存储元件C。此外该电子线路装置G还包括一个半导体整流元件D和一个电气开关元件S。电气开关元件S可以至少包含第一和第二开关状态S1和S2。第一存储元件L、第二存储元件C、半导体整流元件D和电气开关元件S以这种方式相互连接，以便在开关元件S的第一开关状态S1，磁场能M能够存储在第一存储元件L中，在开关元件S的第二开关状态S2，该磁场能M从第一存储元件L转换为第二存储元件C中的电场能E。在从磁场能M到电场能E转换过程中产生的能量流动是通过半导体整流元件D实现的。其中半导体整流元件D特别包括一个导通方向和一个截止方向，在导通方向能够使磁场能M转换成电场能E，存储在第二存储元件C中的电场能E由于截止方向，而不能回过来影响第一存储元件L。
在图1的例子中，在开关元件S的第一开关状态S1，从输入电压UE流出的电流I1流过第一存储元件L，由此在第一存储元件L中建立磁场能M。输入电压UE可以是交流，但也可以是直流电压。当开关元件S转换到第二开关状态S2时，电流I1被切断，由此至少产生一个电流I2，从第一存储元件L流出，并以导通方向流过半导体整流元件D。电流I2流入第二存储元件C，并导致在其中建立起电场能E，特别是以电压UC的方式。
如在图1中作为例子已经表示的，在本发明的一个实施例中，第一存储元件L优选为一个电感元件L，例如线圈。在本发明的另一个实施例中，第二存储元件C优选为一个电容元件C，例如电容器。在本发明的另一个实施例中，电气开关元件S优选为一个半导体开关元件，例如场效应晶体管。在本发明的另一个实施例中，半导体整流元件D至少与另一个，特别是相同类型的半导体整流元件D′并联连接。并联连接有利地无需其它附加条件就能实现，因为将在下面进一步描述的半导体整流元件D或D′具有正的温度系数。这个特性尤其存在于二极管，优选是肖特基-二极管中。下面将通过在此处作为例子提到的元件，对本发明作进一步说明。
在图2和图3中作为例子表示的是，根据本发明，半导体整流元件D的半导体材料的能带宽度VB至少为2eV，单位是电子伏特，其击穿强度EK至少为5*10^5V／cm，单位是伏特每厘米。在此表达式″10^5″与表达式″1E+5″含义相同。
在图2中，作为例子，根据本发明，半导体整流元件D的半导体材料的能带宽度VB至少表示为2eV。此处，能带宽度VB是价带能级EV与导带能级EC之间的能量差。作为帮助，图中还另画出费米能级。作为示例，图2中画的是沿纵坐标方向金属肖特基触点的半导体结。在图3中，作为示例，根据本发明，半导体整流元件D的半导体材料的击穿强度EK象征性地至少表示为5*10^5V／cm。作为示例，在图3中的横坐标上示出半导体整流元件D的半导体材料以1／cm^3为单位的掺杂值。这些掺杂数据仅仅是示例性选出的。
在本发明电子线路装置G的各种实施例中，半导体整流元件D的半导体材料特别包含碳化硅SiC、氮化稼GaN、或金刚石Cdia，即具有金刚石晶格结构的碳。其中，半导体材料的能带宽度VB至少为2eV，其击穿强度EK至少为5*10^5V／cm。
在本发明的其它实施形式中，半导体整流元件D的半导体材料特别包含碳化硅SiC、氮化稼GaN、或金刚石Cdia。
若根据本发明的电子线路装置G的一个实施例，或本发明的一个实施形式，半导体整流元件D的半导体材料包含碳化硅SiC，则这种材料特别具有大约3eV的能带宽度VB，和大约为25*10^5V／cm的击穿强度EK，如图2和3中所示的那样。
若根据本发明的电子线路装置G的一个实施例，或本发明的一个实施形式，半导体整流元件D的半导体材料包含氮化稼GaN，则这种材料特别具有大约3．2eV的能带宽度VB，和大约为30*10^5V／cm的击穿强度EK，如图2和3中所示的那样。
若根据本发明的电子线路装置G的一个实施例，或本发明的一个实施形式，半导体整流元件D的半导体材料包含金刚石Cdia，则这种材料特别具有大约5．5eV的能带宽度VB，和大约为100*10＾5V／cm的击穿强度EK，同样如图2和3中所示的那样。
在图4至7中表示的是应用本发明的具有优点的线路装置的例子。
图4中表示使用本发明电子线路装置G的高偏置调节电路H，该电路的输入电压是UE1，输出电压是UA1。作为例子，高偏置调节电路H具有一个线圈L11、一个场效应晶体管S11、一个半导体二极管D11，特别是一个肖特基-二极管，以及一个电容器C11。线圈L11与输入电压UE1串联。在线圈L11之后，与输入电压UE1并联的是场效应晶体管S11以及电容器C11。在场效应晶体管S11和电容器C11之间，与线圈L11串联的是以导通方向连接的半导体二极管D11。根据本发明，半导体二极管D11具有本发明所述的半导体材料。通过场效应晶体管S11的开和关，将磁场能从线圈L11转换为电容器C11中的电场能。
图5中表示使用本发明电子线路装置G的低偏置调节电路T，该电路的输入电压是UE2，输出电压是UA2。作为例子，低偏置调节电路T具有一个线圈L21、一个场效应晶体管S21、一个半导体二极管D21，特别是一个肖特基-二极管，以及一个电容器C21。场效应晶体管S21与输入电压UE2串联。在场效应晶体管S21之后，与输入电压UE2并联的是以截止方向连接的半导体二极管D21以及电容器C21。在半导体二极管D21和电容器C21之间，与场效应晶体管S21串联的是线圈L21。根据本发明，半导体二极管D21具有本发明所述的半导体材料。通过场效应晶体管S21的开和关，将磁场能从线圈L21转换为电容器C21中的电场能。
图6中表示使用本发明电子线路装置G的流量变压器电路DW，该电路的输入电压是UE3，输出电压是UA3。其中，流量变压器电路DW的一初级回路DW1和／或一次级回路DW2具有本发明电子线路装置G。初级和次级回路DW1和DW2优选通过变压器T3相互分开。作为示例，该初级回路DW1具有一个第一电容器C31、一个第一线圈L31、一个第一半导体二极管D31，尤其是一个肖特基-二极管，以及一个第一场效应晶体管S31。通常此处的第一线圈L31是初级线圈绕组的部分绕组，特别是变压器T3的一所谓退磁绕组。作为示例，该次级回路DW2包括一个第二半导体二极管D32、尤其是一个肖特基-二极管，一个第三半导体二极管D33、一个第二线圈L32和一个第二电容器C32。通过场效应晶体管S31的开和关，将磁场能从第一线圈L31转换为第一电容器C31中的电场能。
在初级回路DW1中与输入电压UE3并联的是，电容器C31、与第一半导体二极管D31串联又以截止方向相连的第一线圈L31、以及与变压器T3的初级端串联的第一场效应晶体管S31。通过场效应晶体管S31的开和关，将磁场能从第一线圈L31转换为第一电容器C31中的电场能。
在次级回路DW2中，第三半导体二极管D33以导通方向与变压器T3的次级端串联相连。在第三半导体二极管D33之后，与变压器T3的次级端并联的，是以截止方向相连的第二半导体二极管D32，以及第二电容器C32。在第二半导体二极管D32和第二电容器C32之间，与第三半导体二极管D33串联的是第二线圈L32。通过场效应晶体管S31的开和关，将磁场能从第二线圈L32转换为第二电容器C32中的电场能。
第一和／或第二半导体二极管D31和D32，优选两者都根据本发明具有本发明所述的半导体材料。第三半导体二极管D33同样可以具有本发明所述的半导体材料。
图7中表示使用本发明电子线路装置G的功率因数控制电路PFC，该电路的输入电压是UE4，输出电压是UA4。功率因数控制电路PFC也就是所谓的″Power-Factor-Controller″-电路。其中，功率因数控制电路PFC的一个外部级联回路PA和／或一个内部级联回路PI具有本发明电子线路装置G。作为示例，外部级联回路PA例如包括一个第一线圈L41、一个第一场效应晶体管S41和一个第一半导体二极管D41，尤其是一个肖特基-二极管。作为示例，该内部级联回路PI包括一个第二线圈L42、一个第二半导体二极管D42，尤其是一个肖特基-二极管，以及一个第三半导体二极管D43。外部级联回路PA和内部级联回路PI包含一个公用的电容器C41。通过第一和第二场效应晶体管S41或S42的开和关，将第一线圈L41中的磁场能和第二线圈L42中的磁场能转换为电容器C41中的电场能。
在外部级联回路PA中，第一线圈L41与输入电压UE4串联。在第一线圈L41之后，与输入电压UE4并联的是第一场效应晶体管S41和电容器C41。在第一场效应晶体管S41和电容器C41之间，与第一线圈L41串联的是以导通方向连接的第一半导体二极管D41。通过第一场效应晶体管S41的开和关，将第一线圈L41中的磁场能转换为电容器C41中的电场能。
在内部级联回路PI中，与第一线圈L41、第一场效应晶体管S41和第一半导体二极管D41的公共接合点相连的是第二线圈L42。在第二线圈L42之后，与第一场效应管S41并联的是与以导通方向连接的第三半导体二极管D43串联的第二场效应晶体管S42，以及电容器C41。在第二场效应晶体管S42和电容器C41之间，与第二线圈L42串联的是以导通方向连接的第二半导体二极管D42。
第一和／或第二半导体二极管D41和D42，优选是两者都根据本发明具有本发明所述的半导体材料。第三半导体二极管D43同样可以具有本发明所述的半导体材料。

Claims (21)

1．一种用于将磁场能(M)转换(W)到电场能(E)的电子线路装置(G)，它包括至少一个用于磁场能(M)的第一存储元件(L)，一个用于电场能(E)的第二存储元件(C)，一个半导体整流元件(D)和一个电气开关元件(S)，其中，该电气开关元件(S)可以至少有第一和第二开关状态(S1，S2)，
a)这些元件相互连接，使得
a1)在开关元件(S)的第一开关状态(S1)，磁场能(M)能够存储在第一存储元件(L)中，以及
a2)在开关元件(S)的第二开关状态(S2)，该磁场能(M)从第一存储元件(L)流向半导体整流元件(D)，并转换为第二存储元件(C)中的电场能(E)(图1)，
其特征是，
b)该半导体整流元件(D)的能带宽度(VB)至少为2eV，其击穿强度(EK)至少为5*10^5V／cm。(图2，图3)
2．根据权利要求1所述的电子线路装置，其特征是，半导体整流元件(D)的半导体材料包含碳化硅(SiC)。
3．根据权利要求1所述的电子线路装置，其特征是，半导体整流元件(D)的半导体材料包含氮化稼(GaN)。
4．根据权利要求1所述的电子线路装置，其特征是，半导体整流元件(D)的半导体材料包含金刚石(Cdia)。
5．一种用于将磁场能(M)转换(W)到电场能(E)的电子线路装置(G)，它包括至少一个用于磁场能(M)的第一存储元件(L)，一个用于电场能(E)的第二存储元件(C)，一个半导体整流元件(D)和一个电气开关元件(S)，其中，该电气开关元件(S)可以至少有第一和第二开关状态(S1，S2)，
a)这些元件相互连接，使得
a1)在开关元件(S)的第一开关状态(S1)，磁场能(M)能够存储在第一存储元件(L)中，以及
a2)在开关元件(S)的第二开关状态(S2)，该磁场能(M)从第一存储元件(L)流向半导体整流元件(D)，并转换为第二存储元件(C)中的电场能(E)(图1)，
其特征是，
b)半导体整流元件(D)的半导体材料包含碳化硅(SiC)。
6．根据权利要求1，2或5中的任一项所述的电子线路装置，其特征是，半导体整流元件(D)的能带宽度(VB)大约为3eV，其击穿强度(EK)大约为25*10^5V／cm。(图2，图3，SiC)
7．一种用于将磁场能(M)转换(W)到电场能(E)的电子线路装置(G)，它包括至少一个用于磁场能(M)的第一存储元件(L)，一个用于电场能(E)的第二存储元件(C)，一个半导体整流元件(D)和一个电气开关元件(S)，其中，该电气开关元件(S)可以至少有第一和第二开关状态(S1，S2)，
a)这些元件相互连接，使得
a1)在开关元件(S)的第一开关状态(S1)，磁场能(M)能够存储在第一存储元件(L)中，以及
a2)在开关元件(S)的第二开关状态(S2)，该磁场能(M)从第一存储元件(L)流向半导体整流元件(D)，并转换为第二存储元件(C)中的电场能(E)(图1)，
其特征是，
b)半导体整流元件(D)的半导体材料包含氮化稼(GaN)。
8．根据权利要求1，3或7中的任一项所述的电子线路装置，其特征是，半导体整流元件(D)的能带宽度(VB)大约为3．2eV，其击穿强度(EK)大约为30*10＾5V／cm。(图2，图3，GaN)
9．一种用于将磁场能(M)转换(W)到电场能(E)的电子线路装置(G)，它包括至少一个用于磁场能(M)的第一存储元件(L)，一个用于电场能(E)的第二存储元件(C)，一个半导体整流元件(D)和一个电气开关元件(S)，其中，该电气开关元件(S)可以至少有第一和第二开关状态(S1，S2)，
a)这些元件相互连接，使得
a1)在开关元件(S)的第一开关状态(S1)，磁场能(M)能够存储在第一存储元件(L)中，以及
a2)在开关元件(S)的第二开关状态(S2)，该磁场能(M)从第一存储元件(L)流向半导体整流元件(D)，并转换为第二存储元件(C)中的电场能(E)(图1)，
其特征是，
b)半导体整流元件(D)的半导体材料包含金刚石(Cdia)。
10．根据权利要求1，4或9中的任一项所述的电子线路装置，其特征是，半导体整流元件(D)的能带宽度(VB)大约为5．5eV，其击穿强度(EK)大约为100*10^5V／cm。(图2，图3，Cdia)
11．根据上述任一项权利要求所述的电子线路装置，其特征是，用于磁场能(M)的第一存储元件(L)是一个电感元件(L)，尤其是一个线圈。
12．根据上述任一项权利要求所述的电子线路装置，其特征是，用于电场能(E)的第二存储元件(C)是一个电容元件(C)，尤其是一个电容器。
13．根据上述任一项权利要求所述的电子线路装置，其特征是，电气开关元件(S)是一个半导体开关元件(S)，尤其是一个场效应晶体管。
14．根据上述任一项权利要求所述的电子线路装置，其特征是，半导体整流元件(D)与至少另一个半导体整流元件(D′)并联连接。
15．根据上述任一项权利要求所述的电子线路装置，其特征是，半导体整流元件(D)和／或另一个半导体整流元件(D′)是一个肖特基-二极管。
16．将上述任一项权利要求所述的电子线路装置用在高偏置调节电路(Hochsetzstellerschaltung)中。(H，D11；图4)
17．将上述任一项权利要求所述的电子线路装置用在低偏置调节电路(Tiefsetzstellerschaltung)中。(T，D21；图5)
18．将上述任一项权利要求所述的电子线路装置用在一流量变压器电路(Durchflusswandlerschaltung)(DW；图6)的初级回路(DW1，D31)中。
19．将上述任一项权利要求所述的电子线路装置用在一流量变压器电路(Durchflusswandlerschaltung)(DW；图6)的次级回路(DW2，D32)中。
20．将上述任一项权利要求所述的电子线路装置用在一功率因数控制电路(PFC；图7)的外部级联回路(PA，D41)中。
21．将上述任一项权利要求所述的电子线路装置用在一功率因数控制电路(PFC；图7)的内部级联回路(PI，D42)中。
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