CN1495990A - 电功率转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了包括串联电路和二极管的电功率转换器。串联电路包括串联连接的电抗器和半导体开关器件，它与DC电源并联。二极管在电抗器和半导体开关器件的公共连接点以及负载之间相连。电功率转换器控制半导体开关器件的开关比来将电功率从DC电源送至负载。电功率转换器包括：控制电路的电源；连接半导体开关器件的栅极和漏极的保护电路，它在从电功率转换器开启直到半导体开关器件第一次接通为止的时间段内具有低阻抗，在半导体开关装置已经开始开关后具有高阻抗，以防止半导体开关器件错误地导通并且减少半导体开关器件的驱动损耗。

Description

电功率转换器
(1)技术领域
本发明涉及控制半导体开关器件的开关比并且将DC电压或AC电压从电源送入负载的电功率转换器。本发明尤其涉及便于防止半导体开关器件发生故障的电功率转换器。
(2)背景技术
图6是常规整体转换器的方框电路图。
现在参考图6，常规电功率转换器包括DC电源1、控制电源2、控制电路3、负载电路4、作为半导体开关器件的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)5和6、二极管7、电容器8、以及电阻器9和10。负载电路4是通过电抗器连接到负载的非绝缘型电路，或是通过变换器和整流器连接到负载的绝缘型电路。控制电路3在高电位一侧驱动并控制MOSFET 5，在低电位一侧驱动并控制MOSFET 6。电容器8被连接在电路的电源输入点之间，它驱动控制电路3的MOSFET 5。常规电功率转换器使控制电路3控制MOSFET 5和6的开关比并将DC电压从DC电源1提供给负载。由于常规电功率转换器的操作是通用的，因此省略其详细说明仅说明操作。下面将描述在MOSFET 5开始开关之前常规电功率转换器实施的操作。
当控制电路3打开MOSFET 6时，二极管7和电容器8的串联电路与电源2并联。结果，电容器8由控制电源2充电。
然后，关闭MOSFET 6。如果电容器8的电压比当控制电路3工作以接通MOSFET5时能够驱动MOSFET 5的值(下文中称为阈值选通电压)高，则接通MOSFET 5。如果电容器8的电压低于阈值选通电压，则MOSFET不会被接通，电容器8将在MOSFET 6再次被接通时被充电。控制电路3通过重复MOSFET 6的ON和OFF对电容器8进行的所谓电荷泵唧而确保驱动MOSFET 5的某个足够高的电压。因此，常规电功率转换器开始开关以把电功率提供给负载。
通常，MOSFET具有寄生电容，如输入电容和输出电容以及反向转移电容。图7是考虑到其寄生电容的MOSFET的等价电路图。在图7中，仅示出DC电源1以及MOSFET 5和6。
现在参考图7，电容器11和14表示栅极和漏极间的电容CGD，电容器12和15表示栅极和源极间的电容CGS，电容器13和16表示漏极和源极间的电容CDS。MOSFET的输入电容CiSS由CiSSCGS+CGD表示。MOSFET的输出电容COSS由CiSSCDS+CGD表示。由于当MOSFET 6接通时电容器8未在控制电路3开始后立即被充足电，因此MOSFET5不能在这段时间内工作。当MOSFET 5不能工作时，其输入级的阻抗保持为高。
一旦MOSFET 6以高速导通，即一旦漏极和源极间的电压以高变化速率(dv/dt)发生变化时，充电电流CGD×(dv/dt)就流入MOSFET 5的栅源电容CGS，且MOSFET 5的栅极和源极间的电压升高。一旦栅极和源极间的电压超出阈值选通电压，MOSFET5就错误地导通，即引起MOSFET 5的错误导通。当引起MOSFET 5的错误导通时，短路电流从DC电压1通过MOSFET 5和6流动。短电路电流可能击穿MOSFET 5和6。为了避免该问题，在MOSFET 5的栅极和源极间插入电阻器9并且在MOSFET 6的栅极和源极间插入电阻器10，以减少MOSFET 5的栅极和源极间的阻抗以及MOSFET 6的栅极和源极间的阻抗，并且阻止MOSFET 5栅极和源极间的电压以及MOSFET 6栅极和源极间的电压增加。因此，电阻器9和10防止引起MOSFET 5的错误导通。
(3)发明内容
[要由本发明解决的问题]
当在半导体开关器件的栅极和源极间连接电阻时，当半导体开关器件的dv/dt较高时电阻值应该较低。然而，较低的电阻导致驱动电路中更多的损耗(下文中称为“驱动损耗”)并且损害了电功率转换器的转换效率。这对于满足MOSFET的较快转换的最新需求是危险的。
考虑到上述问题，因此期望减少半导体开关器件的驱动损耗并且改进电功率转换器的转换效率。
[解决问题的装置]
根据本发明的第一方面，提供了一种电功率转换器，包括一个由串联连接的半导体开关器件组成的串联电路；该串联电路与DC电源并联；电功率转换器控制半导体开关器件的开关比来将电功率从DC电源送至负载；电功率转换器包括：控制电路的电源；以及连接半导体开关器件之一的栅极和源极的第一保护电路，它在从电功率转换器开启到这个半导体开关器件第一次导通为止的时间段内具有低阻抗，在这个半导体开关装置已经开始开关后具有高阻抗，用于防止这个半导体开关器件错误地接通并且减少这个半导体开关器件的驱动损耗。
第一保护电路最好包括一个并联电路，它包括互相并联的电容器和电阻器，以及与该并联电路串联的二极管，且第一保护电路在这个半导体开关器件的栅极和源极之间相连。
第一保护电路最好包括检测控制电路电源的电压电平的第一检测电路以及包括基极的晶体管，第一检测电路的输出被输入至那里，射极和集电极在这个半导体开关器件的栅极和源极之间相连。
电功率转换器最好还包括连接另一个半导体开关器件的栅极和源极的第二保护电路，它在从电功率转换器开启到这另一个半导体开关器件第一次接通为止的时间段内具有低阻抗，在这另一个半导体开关装置已经开始开关后具有高阻抗，用于防止这另一个半导体开关器件错误地接通并且减少这另一个半导体开关器件的驱动损耗。
第二保护电路最好包括一个并联电路，它包括互相并联的电容器和电阻器，以及与该并联电路串联的二极管，且第二保护电路在这另一个半导体开关器件的栅极和源极之间相连。
第二保护电路最好包括检测控制电路电源的电压电平的第二检测电路以及包括基极的晶体管，第二检测电路的输出被输入至那里，射极和集电极在这另一个半导体开关器件的栅极和源极之间相连。
按照本发明的第二方面，提供了包括串联电路和二极管的电功率转换器；该串联电路包括串联连接的电抗器和半导体开关器件；该串联电路与DC电源并联；该二极管在电抗器和半导体开关器件的公共连接点以及负载之间相连；该电功率转换器控制半导体开关器件的开关比来将电功率从DC电源送至负载；电功率转换器包括：控制电路的电源；连接半导体开关器件的栅极和漏极的保护电路，它在从电功率转换器开启到半导体开关器件第一次接通为止的时间段内具有低阻抗，在半导体开关装置已经开始开关后具有高阻抗，用于防止半导体开关器件错误地接通并且减少半导体开关器件的驱动损耗。
保护电路最好包括一个并联电路，它包括互相并联的电容器和电阻器，以及与该并联电路串联的二极管，且该保护电路在半导体开关器件的栅极和源极之间相连。
保护电路最好包括检测控制电路电源的电压电平的检测电路以及包括基极的晶体管，检测电路的输出被输入至那里，射极和集电极在半导体开关器件的栅极和源极之间相连。
(4)附图说明
图1是按照本发明第一实施例的电功率转换器的电路框图。
图2是按照本发明第二实施例的电功率转换器的电路框图。
图3是描述欠压锁定(UVLO)电路操作的时序图。
图4是按照本发明第三实施例的电功率转换器的电路框图。
图5是按照本发明第四实施例的电功率转换器的电路框图。
图6是常规电功率转换器的电路框图。
图7是考虑到其中寄生电容的MOSFET的等价电路图。
(5)具体实施方式
[实现本发明的模式]
下面将参考说明了本发明优选实施例的附图而详细描述本发明。
图1是按照本发明第一实施例的电功率转换器的电路框图。
按照第一实施例的电功率转换器尤其包括用于防止错误接通的电路17和18。下文中，用于防止错误导通的电路将被称为“保护电路”。由于按照第一实施例在电功率转换器内的另一电路配置类似于图6所示常规电功率转换器内的电路配置，因此下面将仅说明按照第一实施例的电功率转换器以及常规电功率转换器之间的差异。
现在参考图1，保护电路17和18由电容器和电阻器的并联电路以及与该并联电路串联的二极管形成。当控制电路3导通MOSFET 6时，对MOSFET 5的未示出的输入电容CiSS充电的电流流动。由于电流以图1箭头所示方向流经保护电路17内的电容器并且流经MOSFET 5栅极和源极间的电容CGS，因此防止了MOSFET 5的栅极和源极间的电压上升。这样防止了MOSFET 5被错误地导通。
通过在DC电源1开始输出电功率时将对寄生电容充电的电流分流至保护电路18的电容器，从而以与上述相似的方式防止MOSFET 6被错误地导通。当控制电路3接通MOSFET 5和6时，保护电路17和18内的电容器被进一步充电。保护电路17和18内的二极管防止保护电路17和18的电容器内存储的电荷或被放电至控制电路3这侧、或被放电至MOSFET 5和6这侧。通过把保护电路17和18内电容器和电阻器的放电时间常数设为远大于开关周期，电流在导通信号电压超出电容器电压和二极管正向电压之和时从控制电路3流入保护电路17和18。因此，减少了驱动损耗。代替保护电路17和18中二极管所使用的齐纳(Zener)二极管可以显示出相同的效应。
图1中二极管以及电容器和电阻器的并联电路的顺序可以是反向顺序。
图2是按照本发明第二实施例的电功率转换器的电路框图。
现在参考图2，按照第二实施例的电功率转换器尤其包括保护电路19和20，保护电路19和20分别包括一般在电功率转换器的控制IC中使用的欠压锁定电路(下文中被称为“UVLO电路”)21和22。
图3是描述UVLO电路操作的时序图。
现在参考图3，UVLO电路21和22在输入电压超过第一参考电压Va时开始输出到高侧，并且在输入电压超过第二参考电压Vb时停止输出到低侧。
通过如图2所示将UVLO电路21和22连接至控制电源2，使得控制电路3在UVLO电路21和22未输出时不工作，当控制电源2的电压低时防止控制电路3不正常工作。UVLO电路21与电容器8并联，以便UVLO电路21在电容器8的电压达到能驱动MOSFET 5的某个值之前输出一个低电平输出来导通晶体管24。当控制电路3导通MOSFET 5时，使对MOSFET 5的输入电容CiSS充电的充电电流流动。通过使充电电流流入晶体管24，防止MOSFET 5的栅极和源极间的电压增加。
电容器8的电压一达到能驱动MOSFET 5的值时，UVLO电路21就输出一个高电平输出来关闭晶体管24。由于一旦MOSFET 5开始开关之后就没有任何电流在晶体管24内流动，因此减少了驱动损耗。
由于除了保护电路20检测电源2的电压电平，电源1开始输出后以及MOSFET开始开关之后紧接的保护电路20的操作与保护电路19的操作相同，因此将省略对保护电路20的操作的解释。尽管用于保护电路19和20内的半导体开关器件假定为双极型晶体管，然而保护电路19和20中可以使用MOSFET及其它这种类型的半导体开关器件。尽管已经为半导体开关器件结合MOSFET的使用描述了按照第一和第二实施例的电功率转换器，然而可以通过使用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)来获得类似的效果。
图4是按照本发明第三实施例的电功率转换器的电路框图。
按照第三实施例的电功率转换器是升压转换器的典型示例。现在参考图4，按照第三实施例的电功率转换器包括DC电源1、电源2、控制电路3、负载电路4、作为半导体开关器件的MOSFET 25、保护电路26、电抗器27以及二极管28。控制电路3控制MOSFET 25的开关比来把DC电压从DC电源送入负载。尽管下面将描述在MOSFET 25开始开关之前由电功率转换器按照第三实施例实施的操作，然而将省略对由控制电路3实施的全部控制操作的说明，这是因为由控制电路3实施例的控制操作是通用的。
当在DC电源1中产生DC电压时，对MOSFET 25的寄生电容充电的充电电流流经电抗器27和MOSFET 25。由于对MOSFET 25的寄生电容充电的充电电流被分流至保护电路内的电容器，因此防止MOSFET 25的栅极和源极间的电压增加，并且防止MOSFET错误地被导通。在MOSFET 25已开始开关之后，按照第三实施例的电功率转换器便于以与按照第一实施例的电功率转换器类似的方式来减少驱动损耗。
图4中二极管以及电容器和电阻器的并联电路的顺序可以是反向顺序。
图5是按照本发明第四实施例的电功率转换器的电路框图。
按照第四实施例的电功率转换器是图4所示按照第三实施例的电功率转换器的修改。
按照第四实施例的电功率转换器包括由参考图2所述的UVLO电路30和晶体管31形成的保护电路29，它代替了图4所示的保护电路26。由于按照第四实施例的电功率转换器的基本操作、功能和效果与那些按照第三和第四实施例的电功率转换器的基本操作、功能和效果相同，因此为了避免冗余描述而省略了它们的详细描述。
[发明效果]
通过在电功率转换器开启时将对半导体开关器件的寄生电容充电的充电电流分流至用于防止半导体开关器件错误地被导通的电路(保护电路)，按照本发明的电功率转换器便于防止其中的半导体开关器件错误地被导通。按照本发明的电功率转换器在任一半导体开关器件开始开关后抑制电流流入保护电路，便于减少其中的驱动损耗并改进其中的转换效率。

Claims (9)

1.一种包括串联电路的电功率转换器，串联电路包括串联连接的半导体开关器件；所述串联电路与DC电源并联；所述电功率转换器控制半导体开关器件的开关比，从而将电功率从DC电源送入负载；所述电功率转换器的特征在于包括：
控制电路的电源；以及
连接半导体开关器件之一的栅极和源极的第一保护电路，它在从电功率转换器开启直到这个半导体开关器件第一次导通为止的时间段内具有低阻抗，在这个半导体开关装置已经开始开关后具有高阻抗，用于防止这个半导体开关器件错误地导通并且从而减少这个半导体开关器件的驱动损耗。
2.如权利要求1所述的电功率转换器，其特征在于，所述第一保护电路包括一个并联电路，它包括互相并联的电容器和电阻器，以及与该并联电路串联的二极管，且所述第一保护电路在这个半导体开关器件的栅极和源极之间相连。
3.如权利要求1所述的电功率转换器，其特征在于，所述第一保护电路包括检测控制电路电源的电压电平的第一检测电路以及包括基极的晶体管，第一检测电路的输出被输入至那里，射极和集电极在这个半导体开关器件的栅极和源极之间相连。
4.如任一权利要求1至3所述的电功率转换器，其特征在于还包括连接另一个半导体开关器件的栅极和源极的第二保护电路，它在从电功率转换器开启直到这另一个半导体开关器件第一次导通为止的时间段内具有低阻抗，在这另一个半导体开关装置已经开始开关后具有高阻抗，用于防止这另一个半导体开关器件错误地导通并且从而减少这另一个半导体开关器件的驱动损耗。
5.如权利要求4所述的电功率转换器，其特征在于，所述第二保护电路包括一个并联电路，它包括互相并联的电容器和电阻器，以及与该并联电路串联的二极管，且所述第二保护电路在这另一个半导体开关器件的栅极和源极之间相连。
6.如权利要求4所述的电功率转换器，其特征在于，所述第二保护电路包括检测控制电路电源的电压电平的第二检测电路以及包括基极的晶体管，第二检测电路的输出被输入至那里，射极和集电极在这另一个半导体开关器件的栅极和源极之间相连。
7.一种包括串联电路和二极管的电功率转换器；所述串联电路包括串联连接的电抗器和半导体开关器件；所述串联电路与DC电源并联；所述二极管在电抗器和半导体开关器件的公共连接点以及负载之间相连；所述电功率转换器控制半导体开关器件的开关比，从而将电功率从DC电源送入负载；所述电功率转换器的特征在于包括：
控制电路的电源；以及
连接半导体开关器件的栅极和源极的保护电路，它在从电功率转换器开启直到半导体开关器件第一次导通为止的时间段内具有低阻抗，在半导体开关装置已经开始开关后具有高阻抗，用于防止半导体开关器件错误地导通并且从而减少半导体开关器件的驱动损耗。
8.如权利要求7所述的电功率转换器，其特征在于，所述保护电路包括一个并联电路，它包括互相并联的电容器和电阻器，以及与该并联电路串联的二极管，且所述保护电路在半导体开关器件的栅极和源极之间相连。
9.如权利要求7所述的电功率转换器，其特征在于，所述保护电路包括检测控制电路电源的电压电平的检测电路以及包括基极的晶体管，检测电路的输出被输入至那里，射极和集电极在半导体开关器件的栅极和源极之间相连。
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