CN200983560Y

CN200983560Y - 一种组合式开关及电源装置

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Publication number: CN200983560Y
Application number: CNU2006201354610U
Authority: CN
Inventors: 任文华
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-09-05
Filing date: 2006-09-05
Publication date: 2007-11-28
Anticipated expiration: 2016-09-05

Abstract

本实用新型涉及一种组合式开关及电源装置。一种组合式开关，包括：功率MOSFET(S)；与功率MOSFET串联的第一开关二极管(D₁)；与由功率MOSFET和第一开关二极管所组成的串联电路进行并联的第二开关二极管(D₂)；其特征在于，在第一开关二极管(D₁)上还并联有电容器(C₁)。以及一种电源装置，其特征在于，包含有至少一个组合式开关。本实用新型的装置能高速、可靠地运行，可采用软开关方式来减少其损耗、提高其效率，适合作为中、大功率的开关和电源装置使用。

Description

一种组合式开关及电源装置

技术领域

本实用新型涉及一种功率开关，具体地说，本实用新型涉及一种能高速运行的组合式开关。本实用新型还涉及一种电源装置，具体地说，涉及一种具有这种组合式开关的开关电源装置。

背景技术

一般来说，开关电源装置包含有开关电路，用于把直流电变换成高频交流电，或者把某一电压的直流电变换成另一电压的直流电。在开关电路中，其功率开关装置具有十分重要的作用。目前在高频开关电路中，大量使用被称为功率MOSFET的功率开关。由于功率MOSFET存在寄生二极管，而这一寄生二极管的反向恢复时间较长，特别是大功率的功率MOSFET，其寄生二极管的反向恢复时间很长，难以适应开关电路的高速运行。为此，人们提出了一种含有功率MOSFET的组合式开关，以使所含的功率MOSFET的寄生二极管不正向导通，而不存在反向恢复的问题，以实现高频运行。1998年6月电子工业出版社出版的《开关电源的原理与设计》一书，其中的第119页描述了这种含有功率MOSFET的组合式开关，即在功率MOSFET上串联一个肖特基二极管，再并联上一个超快速二极管。这种组合式开关使所含的功率MOSFET的寄生二极管不存在反向恢复的问题，提高了功率开关的高速运行性能。但是，该种组合式开关，特别是在电源装置的应用中存在如下问题：第一，该种组合式开关的高频开关损耗很大，严重影响该种组合式开关的高频性能及电源装置的效率；第二，该种组合式开关的安全性能差，其内的肖特基二极管很容易过压而被反向击穿，从而导致其电源装置的损坏。

发明内容

本实用新型的目的是要提供一种新的组合式开关，使其具有较好的高频运行性能，特别是具有较高的可靠性。本实用新型的另一目的是要提供一种具有这种组合式开关的电源装置，以使电源装置具有较高的可靠性和效率，适合作为中、大功率的电源。

为了达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种组合式开关，包括：功率MOSFET；与功率MOSFET串联的第一开关二极管，其功率MOSFET的寄生二极管与第一开关二极管属反向串联；与由功率MOSFET和第一开关二极管所组成的串联电路进行并联的第二开关二极管；其特征在于，在第一开关二极管上还并联有电容器。

关于功率MOSFET与第一开关二极管的串联，可以采用第一开关二极管的一端与所述的功率MOSFET的漏极相连，也可以采用第一开关二极管的一端与所述的功率MOSFET的源极相连。

所述的第一开关二极管优选地使用肖特基二极管；所述的第二开关二极管优选地使用超快速二极管。

所述的功率MOSFET可以采用一个功率MOSFET，也可以采用由多个相互并联的功率MOSFET组成的组合式功率MOSFET，即也可以在所述的功率MOSFET上并联有另外的至少一个功率MOSFET。

所述的电容器，其容量可以位于C(U-50)/(U_F1+U_F2+50)-C_D1至CU/(U_F1+U_F2)-C_D1之间，优选地位于C(U-20)/(U_F1+U_F2+20)-C_D1至CU/(U_F1+U_F2)-C_D1之间，其中，U为功率MOSFET的工作电压，U_F1为第一开关二极管的正向压降，U_F2为第二开关二极管的正向压降，C为功率MOSFET的总输出电容或为多个相互并联的功率MOSFET的总输出电容，C_D1为第一开关二极管的寄生电容。这里要说明的是，由于在功率MOSFET上的工作电压与在组合式开关上的工作电压近似相等，U也可认为是组合式开关上的工作电压。

一种电源装置，其特征在于，包含有至少一个组合式开关，所述的组合式开关由功率MOSFET、第一开关二极管、第二开关二极管和电容器所构成，第一开关二极管与电容器并联后与功率MOSFET进行串联，其功率MOSFET的寄生二极管与第一开关二极管属反向串联连接，第二开关二极管与由功率MOSFET、第一开关二极管和电容器所组成的电路进行并联。

在所述的一种电源装置中，在所述的功率MOSFET上还并联有另外的至少一个功率MOSFET。所述的第一开关二极管优选地使用肖特基二极管；所述的第二开关二极管优选地使用超快速二极管。

在所述的一种电源装置中，包含有半桥变换器和二个组合式开关，这二个组合式开关分别作为半桥变换器的两个桥臂。

在所述的一种电源装置中，包含有全桥变换器和四个组合式开关，这四个组合式开关分别作为全桥变换器的四个桥臂。

在所述的一种电源装置中，所包含的组合式开关最好采用软开关方式工作，以减少电磁干扰和减少组合式开关的开关损耗。

在所述的一种电源装置中，所述的电容器的容量位于C(U-50)/(U_F1+U_F2+50)-C_D1至CU/(U_F1+U_F2)-C_D1之间，优选地位于C(U-20)/(U_F1+U_F2+20)-C_D1至CU/(U_F1+U_F2)-C_D1之间，其中，U为功率MOSFET的工作电压，U_F1为第一开关二极管的正向压降，U_F2为第二开关二极管的正向压降，C为功率MOSFET的总输出电容或为多个相互并联的功率MOSFET的总输出电容，C_D1为第一开关二极管的寄生电容。由于在功率MOSFET上的工作电压与在组合式开关上的工作电压近似相等，U也可认为是组合式开关上的工作电压。

本实用新型具有如下积极效果：

首先，本实用新型的组合式开关及具有这种开关的电源装置的可靠性较高。现有技术的组合式开关，由于功率MOSFET在断开时，功率MOSFET的寄生输出电容已存储有大量的电荷，这些电荷在功率MOSFET的源极的电位升高时，将向所串联的第一开关二极管即肖特基二极管的寄生电容充电，当其电位升高到所并联的第二开关二极管即超快速二极管正向导通时，肖特基二极管的寄生电容上所充的电荷最多，其电压最高，这一电压值很容易超过肖特基二极管的反向最高耐压，即容易导致肖特基二极管损坏，事实上，肖特基二极管的反向耐压较低，通常在50伏左右，一般不超过100伏，如果肖特基二极管的寄生电容较小，而功率MOSFET的寄生输出电容较大，当功率MOSFET的工作电压较高时，很容易发生肖特基二极管被反向击穿而损坏；而本实用新型的组合式开关，由于在第一开关二极管上并连有一定容量的电容器，只要其容量选用适当，就可以使第一开关二极管上的最高反向电压远低于其反向击穿电压，同时也能保证使所含的功率MOSFET的寄生二极管始终处于正向工作状态，既不存在反向恢复问题，从而保证了组合式开关和整个电源装置的安全运行和高速运行，该电容器的存在产生了这一令人惊奇的效果。

其次，本实用新型装置可采用软开关方式工作，来减少其功率MOSFET的寄生输出电容所带来的开关损耗，有利于提高其开关或电源装置的效率。在开关电源装置中，为了减少功率MOSFET的寄生输出电容在高频开关时所带来的开关损耗，常采用一种被称为零电压开关的软开关方式；现有技术的组合式开关，由于所含的功率MOSFET，其寄生输出电容无法通过零电压开关这样的软开关方式来减少开关损耗，因而无论在硬开关或软开关方式下工作，其开关损耗都很大，其功率MOSFET的寄生输出电容在开关时所带来的损耗值可用FCU²/2来估算，其中：F为开关频率，C为功率MOSFET的总输出电容，U为功率MOSFET的工作电压，例如对于型号为IRFP460的功率MOSFET，其寄生输出电容达870PF，在工作电压为400伏、开关频率为400KHz下运行时，损耗值约为27.8W，这样大的损耗很难使人接受，即使减少一半，也难以接受；而本实用新型的组合式开关，由于在第一开关二极管上并连有一定容量的电容器，可以使所含的功率MOSFET的寄生输出电容以零电压开关这样的软开关方式来减少开关损耗，有利于提高其效率。

附图说明

图1是现有技术的组合式开关的电路结构；

图2展示了本实用新型的组合式开关的电路结构；

图3是本实用新型的组合式开关的另一个实施例；

图4是本实用新型的组合式开关的又一个实施例。

图5是本实用新型的电源装置的电路结构示意图。

图6展示了本实用新型的电源装置的另一个实施例。

图7展示了本实用新型的电源装置的又一个实施例。

图8是本实用新型的电源装置的第四个实施例。

图9是本实用新型的电源装置的第五个实施例。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本实用新型的技术方案作进一步描述。以下实施例是对本实用新型的进一步说明，而不构成对本实用新型的限定。

图1示出了现有技术的组合式开关的电路结构。从图中可见，这种组合式开关，包括：功率MOSFET S；与功率MOSFET串联的第一开关二极管D₁，其功率MOSFET的寄生二极管与第一开关二极管D₁属反向串联；与由功率MOSFET和第一开关二极管所组成的串联电路进行并联的第二开关二极管D₂。这种组合式开关使所含的功率MOSFET的寄生二极管不存在反向恢复的问题，提高了功率开关的高速运行性能。但是，由于所含的功率MOSFET具有寄生的输出电容，该寄生的输出电容在高频开关时，无论是在硬开关方式下工作还是在软开关方式下工作，都会带来很大的开关损耗，同时由于该寄生输出电容的充放电，使得第一开关二极管D₁要承受很高的反向电压，该反向电压值容易超过第一开关二极管的反向最高耐压，致使其损坏。

图2展示出了本实用新型的组合式开关的电路结构。与图1所示的现有技术相比，本实用新型的组合式开关在现有技术的第一开关二极管D₁上还并联有电容器C₁。正是该电容器的存在，改变了所含的功率MOSFET的寄生输出电容对整个组合式开关的影响。只要该电容器的容量选定适当，就可以使第一开关二极管D₁在工作时所承受的最高反向电压远低于其反向击穿电压，同时也能保证使所含的功率MOSFET的寄生二极管始终处于正向工作状态，即不存在反向恢复问题，从而保证本实用新型的组合式开关能安全运行和高速运行；另外也由于该电容器的存在，可以使所含的功率MOSFET的寄生输出电容以零电压开关这样的软开关方式来减少开关损耗，从而提高其效率。

图3是本实用新型的组合式开关的另一个实施例。与图2所示的电路结构相比，只是由第一开关二极管D₁和电容器C₁所构成的并联电路与功率MOSFET S的串联的连接点有所不同。图2所示的由第一开关二极管D₁和电容器C₁所构成的并联电路在功率MOSFET的漏极处与功率MOSFET进行串联；而图3所示的是在功率MOSFET的源极处与功率MOSFET进行串联。

图4是本实用新型的组合式开关的又一个实施例。它与图2所示的相似，只是在所述的功率MOSFET S上还并联有另一个功率MOSFET。这属于多个功率MOSFET的并联使用。在大功率应用场合，可以使用几十个同型号的功率MOSFET进行并联使用。同样，图2、图3、图4所示结构的任一组合式开关都可以进行多个甚至几十个进行并联使用，这样可以提高其功率容量。

图5是本实用新型的电源装置的电路结构示意图。从图中可见，该电源装置包括：控制电路、负载电路、半桥变换器和二个组合式开关K₁、K₂；组合式开关K₁由功率MOSFET S₁、第一开关二极管D₁、第二开关二极管D₂和电容器C₁所构成，第一开关二极管D₁与电容器C₁并联后与功率MOSFET S₁进行串联，第二开关二极管D₂与由功率MOSFET S₁、第一开关二极管D₁和电容器C₁所组成的电路进行并联；同样，组合式开关K₂由功率MOSFET S₂、第一开关二极管D₃、第二开关二极管D₄和电容器C₂所构成；这两个组合式开关K₁、K₂分别作为半桥变换器的两个桥臂。一输入电压为V_IN的直流电经过半桥变换器的变换后成为交流电，然后输送给负载电路。这里的输入电压为V_IN的直流电通常是由公用的交流电源经过整流和滤波等处理后得到的，或是由公用的交流电源经过整流、功率因素校正和滤波等处理后得到的，或本身是由一直流电源提供的；这里的负载电路通常是由耦合电路、交流负载等电路所构成，或是有耦合电路、整流电路、直流负载等电路所构成；这些是本技术领域的人员所公知的。很显然，该电源装置的二个组合式开关K₁、K₂如工作在零电压开关这样的软开关方式下，将具有很低的开关损耗，这有利于提高电源装置的效率；另外只要二个电容器C₁、C₂的容量选用合理，其二个组合式开关K₁、K₂将具有较高的安全性能，能适应高速运行的需要，例如能在400KHz的高频下运行。

图6展示了本实用新型的电源装置的另一个实施例。该实施例与图5所示的实施例相似，只是其负载电路的连接方式有所不同，这种负载电路的连接方式在照明电源即电子整流器中十分常见。

图7展示了本实用新型的电源装置的又一个实施例。从图中可见，该电源装置包括：控制电路、负载电路、半桥变换器和四个组合式开关K₁、K₂、K₃、K₄；组合式开关K₁由功率MOSFET S₁、第一开关二极管D₁、第二开关二极管D₂和电容器C₁所构成；组合式开关K₂由功率MOSFET S₂、第一开关二极管D₃、第二开关二极管D₄和电容器C₂所构成；组合式开关K₃由功率MOSFET S₃、第一开关二极管D₅、第二开关二极管D₆和电容器C₃所构成；组合式开关K₄由功率MOSFET S₄、第一开关二极管D₇、第二开关二极管D₈和电容器C₄所构成；组合式开关K₁、K₃并联后构成半桥变换器的上桥臂；组合式开关K₂、K₄并联后构成半桥变换器的下桥臂。其实该实施例与图5所示的实施例很相似，只是该实施例由二个组合式开关并联后构成一桥臂，这是为了提高其功率容量。为了能提供大功率，甚至可以采用几十个组合式开关并联构成一桥臂。这是在高频固态电源中可以方便使用的技术方案，高频固态电源在高频焊接、高频加热等领域有广泛的应用。

图8展示了本实用新型的电源装置的第四个实施例。从图中可见，该电源装置包括：控制电路、负载电路、全桥变换器和四个组合式开关K₁、K₂、K₃、K₄；组合式开关K₁由功率MOSFET S₁、第一开关二极管D₁、第二开关二极管D₂和电容器C₁所构成；组合式开关K₂由功率MOSFET S₂、第一开关二极管D₃、第二开关二极管D₄和电容器C₂所构成；组合式开关K₃由功率MOSFET S₃、第一开关二极管D₅、第二开关二极管D₆和电容器C₃所构成；组合式开关K₄由功率MOSFET S₄、第一开关二极管D₇、第二开关二极管D₈和电容器C₄所构成；四个组合式开关K₁、K₂、K₃、K₄分别作为全桥变换器的四个桥臂。

图9是本实用新型的电源装置的第五个实施例。从图中可见，该电源装置包括：控制电路、零电压开关谐振变换器。该变换器是人们熟悉的boost型零电压开关谐振变换器，其开关是一组合式开关K₁，该开关由功率MOSFET S₁、第一开关二极管D₁、第二开关二极管D₂和电容器C₁所构成；其电感L₁为储能电感，Lr为谐振电感，电容Cr与组合式开关K₁的输出电容之和为谐振电容。输入电压为V_IN的直流经过该boost型零电压开关谐振变换器变换后，成为输出电压为V₀的直流，这是在开关稳压电源中可用的一种电路结构。同样，使用该种组合式开关，很容易设计出含有人们所熟悉的buck型零电压开关谐振变换器或buck-boost型零电压开关谐振变换器的电源装置，这是本技术领域的人员容易做到的。

尽管已经展示和描述了目前认为是优选的本实用新型的实施例，但显而易见，本领域的技术人员可以进行各种改变和改进，而不背离由所附权利要求书所限定的本实用新型的范围。

Claims

1、一种组合式开关，包括：功率MOSFET(S)；与功率MOSFET串联的第一开关二极管(D₁)，其功率MOSFET的寄生二极管与第一开关二极管属反向串联；与由功率MOSFET和第一开关二极管所组成的串联电路进行并联的第二开关二极管(D₂)；其特征在于，在第一开关二极管(D₁)上还并联有电容器(C₁)。

2、如权利要求1所述的一种组合式开关，其特征在于，所述的第一开关二极管(D₁)的一端与所述的功率MOSFET的漏极相连。

3、如权利要求1所述的一种组合式开关，其特征在于，所述的第一开关二极管(D₁)的一端与所述的功率MOSFET的源极相连。

4、如权利要求1所述的一种组合式开关，其特征在于，在所述的功率MOSFET(S)上还并联有另外的至少一个功率MOSFET。

5、如权利要求1至4之一所述的一种组合式开关，其特征在于，所述的电容器(C₁)的容量位于C(U-50)/(U_F1+U_F2+50)-C_D1至CU/(U_F1+U_F2)-C_D1之间，其中，U为功率MOSFET的工作电压，U_F1为第一开关二极管的正向压降，U_F2为第二开关二极管的正向压降，C为功率MOSFET的总输出电容，C_D1为第一开关二极管的寄生电容。

6、一种电源装置，其特征在于，包含有至少一个组合式开关，所述的组合式开关由功率MOSFET(S)、第一开关二极管(D₁)、第二开关二极管(D₂)和电容器(C₁)所构成，第一开关二极管与电容器并联后与功率MOSFET进行串联，其功率MOSFET的寄生二极管与第一开关二极管属反向串联连接，第二开关二极管与由功率MOSFET、第一开关二极管和电容器所组成的电路进行并联。

7、如权利要求6所述的一种电源装置，其特征在于，在所述的功率MOSFET(S)上还并联有另外的至少一个功率MOSFET。

8、如权利要求6或7所述的一种电源装置，其特征在于，包含有半桥变换器和二个组合式开关，这二个组合式开关分别作为半桥变换器的两个桥臂。

9、如权利要求6或7所述的一种电源装置，其特征在于，包含有全桥变换器和四个组合式开关，这四个组合式开关分别作为全桥变换器的四个桥臂。

10、如权利要求6或7所述的一种电源装置，其特征在于，所述的电容器(C1)的容量位于C(U-50)/(U_F1+U_F2+50)-C_D1至CU/(U_F1+U_F2)-C_D1之间，其中，U为功率MOSFET的工作电压，U_F1为第一开关二极管的正向压降，U_F2为第二开关二极管的正向压降，C为功率MOSFET的总输出电容，C_D1为第一开关二极管的寄生电容。