CN209676139U - 桥式电路结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种桥式电路结构，包括第一开关元件、第二开关元件和驱动模块，驱动模块包括驱动电路、辅助电源及升压电容，其中驱动电路分别电性耦接至所述第一开关元件和所述第二开关元件的控制端，用于提供第一开关元件及第二开关元件各自的驱动信号，所述第一开关元件的第二端与所述第二开关元件的第一端电性连接，并通过升压电容电性耦接至所述辅助电源，以及第一旁路元件，与所述第二开关元件并联连接，其中第一旁路元件的导通电压降小于第二开关元件的第二端至第一端的导通电压降。本实用新型的桥式电路结构通过与第二开关元件并联的第一旁路元件的续流稳压作用，使升压电容电压稳定，并降低开关元件的损耗，提升变换器的性能。

Description

桥式电路结构

技术领域

本实用新型涉及电力电子领域，特别涉及一种桥式电路结构。

背景技术

近年来，宽禁带半导体器件由于其优良的开关特性被越来越多地应用于开关变换器中，有利于提高开关频率，进而提高功率密度，减小损耗。开关变换器可以工作于电感电流断续模式(DCM，Discontinue Current Mode)，电感电流临界连续模式(CRM，CriticalConduction Mode)和电感电流连续模式(CCM，Continue Current Mode)下。桥式电路是常见的开关变换器电路结构之一，通常由一个或多个桥臂构成，每一桥臂具有两个开关元件，可以应用于例如图腾柱功率因数校正(PFC，Power Factor Correction)变换器，当其工作于常见的DCM，CRM和CCM三种模式，在构成桥臂的两个开关元件交替工作的死区时间内，施加使其关断的驱动信号于开关元件，则当电感电流流经开关元件时，开关元件处于反向导通状态。

现有技术中将宽禁带半导体器件，例如GaN-FET，应用于桥式电路中，以提高电路整体地性能。然而，当桥式电路中开关元件在无导通的驱动信号且工作于反向导通状态时，由于宽禁带半导体器件具有较高的反向导通电压降，反向导通状态引起的损耗不容忽视，将使变换器整体的效率降低；另外由于较高的反向导通电压降，驱动电路中上桥臂驱动电路的升压电容的充电电压不稳定，上桥臂驱动电路与下桥臂驱动电路的一致性无法得到保证，这将对开关元件和驱动电路的安全可靠工作造成不利影响。

因此，需要提供一种新的桥式电路结构，使其能够充分发挥宽禁带半导体器件的优良特性，提高变换器整体的性能。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种桥式电路结构，包括第一开关元件、第二开关元件和驱动模块，驱动模块包括驱动电路、辅助电源及升压电容，以及第一旁路元件，与所述第二开关元件并联连接，其中第一旁路元件的导通电压降小于第二开关元件的第二端至第一端的导通电压降。本实用新型的桥式电路结构通过与第二开关元件并联的第一旁路元件的续流稳压作用，使升压电容电压稳定，并降低开关元件的损耗，提升变换器的性能。

本实用新型的其它特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本实用新型的实践而习得。

根据本实用新型的第一个方面，提供一种桥式电路结构，所述桥式电路结构包括第一开关元件，包括第一端、第二端及控制端；第二开关元件，包括第一端、第二端及控制端；驱动模块，包括：驱动电路、辅助电源及升压电容，其中，驱动电路分别电性耦接至所述第一开关元件和所述第二开关元件的控制端，用于提供所述第一开关元件及所述第二开关元件各自的驱动信号；所述第一开关元件的第二端与所述第二开关元件的第一端电性连接，并通过所述升压电容电性耦接至所述辅助电源；以及第一旁路元件，与所述第二开关元件并联连接，其中，所述第一旁路元件的导通电压降小于所述第二开关元件的第二端至第一端的导通电压降。

可选地，所述第一旁路元件为二极管，所述第一旁路元件的阳极电性连接至所述第二开关元件的第二端，所述第一旁路元件的阴极电性连接至所述第二开关元件的第一端。

可选地，所述第一旁路元件为金属氧化物半导体场效应晶体管，所述第一旁路元件的源极电性连接至所述第二开关元件的第二端，以及漏极电性连接至所述第二开关元件的第一端。

可选地，所述桥式电路结构还包括第二旁路元件，与所述第一开关元件并联连接，其中，所述第二旁路元件的导通电压降小于所述第一开关元件的第二端至第一端的导通电压降。

可选地，所述第二旁路元件为二极管，所述第二旁路元件的阳极电性连接至所述第一开关元件的第二端以及阴极电性耦接至所述第一开关元件的第一端。

可选地，所述第二旁路元件为金属氧化物半导体场效应晶体管，所述第二旁路元件的源极电性连接至所述第一开关元件的第二端，以及漏极电性连接至所述第一开关元件的第一端。

可选地，所述第一开关元件和所述第二开关元件工作于互补式高频开关模式。

可选地，所述第一开关元件或所述第二开关元件为单个开关管。

可选地，所述第一开关元件或所述第二开关元件包括多个并联的开关管。

可选地，所述开关管为宽禁带半导体器件。

可选地，所述第一开关元件和所述第二开关元件为GaN-FET。

可选地，所述桥式电路结构适用于图腾柱功率因数校正变换器。

可选地，所述驱动电路包括多个驱动芯片，每一所述驱动芯片电性耦接至所述第一开关元件或所述第二开关元件的控制端。

可选地，所述驱动电路包括一驱动芯片，所述驱动芯片电性耦接至所述第一开关元件和所述第二开关元件的控制端。

与现有技术相比，本实用新型的桥式电路结构包括第一开关元件、第二开关元件和驱动模块，驱动模块包括驱动电路、辅助电源及升压电容，以及第一旁路元件，与所述第二开关元件并联连接，其中第一旁路元件的导通电压降小于第二开关元件的第二端至第一端的导通电压降。通过与第二开关元件并联的第一旁路元件的续流稳压作用，本实用新型的桥式电路结构可以使升压电容电压稳定，并降低开关元件的损耗，提升变换器的性能。

为使能更进一步了解本实用新型的特征及技术内容，请参阅以下有关本实用新型的详细说明与附图，但是这里的详细说明以及附图仅是用来说明本实用新型，而非对本实用新型的权利要求范围作任何的限制。

附图说明

通过参照附图详细描述其示例实施方式，本实用新型的上述和其它特征及优点将变得更加明显。

图1为本实用新型第一实施例的桥式电路结构示意图；

图2为本实用新型第二实施例的桥式电路结构示意图；

图3为本实用新型第三实施例的桥式电路结构示意图；

图4为本实用新型第四实施例的桥式电路结构示意图。

附图标记：

1 桥式电路 31 第一开关元件的第一端

21 驱动电路 32 第一开关元件的第二端

22 辅助电源 33 第一开关元件的控制端

Cb 升压电容 41 第二开关元件的第一端

Q1 第一开关元件 42 第二开关元件的第二端

Q2 第二开关元件 43 第二开关元件的控制端

D2 第一旁路元件 D1 第二旁路元件

Db 二极管 IN1IN2 控制信号

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本实用新型将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的组件，因而将省略它们的详细描述。

此外，所描述的特征、组件或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本实用新型的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本实用新型的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的组件、部件、步骤、方法等。在其它情况下，不详细示出或描述公知组件、部件或者操作以避免模糊本实用新型的各方面。

为了解决现有技术中的技术问题，本实用新型提供了一种桥式电路结构，包括第一开关元件、第二开关元件和驱动模块，驱动模块包括驱动电路、辅助电源及升压电容，以及第一旁路元件，与所述第二开关元件并联连接，其中第一旁路元件的导通电压降小于第二开关元件的第二端至第一端的导通电压降。通过与第二开关元件并联的第一旁路元件的续流稳压作用，本实用新型的桥式电路结构可以使升压电容电压稳定，并降低开关元件的损耗，提升变换器的性能。

本实用新型的桥式电路结构可以有多种实现形式。下面结合四个实施例具体介绍。其中，图1示出了第一实施例的桥式电路结构，图2示出了第二实施例的桥式电路结构，图3示出了第三实施例的桥式电路结构，图4示出了第四实施例的桥式电路结构。此处仅结合此四个实施例介绍本实用新型的桥式电路结构可能的实现形式，但本实用新型不限于此，在此基础上的合理拓展和润饰，均属于本实用新型的保护范围之内。

如图1所示，为本实用新型第一实施例的桥式电路结构示意图。在该实施例中，所述桥式电路1包括第一开关元件Q1，包括第一端31、第二端32及控制端33；第二开关元件Q2，包括第一端41、第二端42及控制端43；驱动模块，包括：驱动电路21、辅助电源22及升压电容Cb，其中，驱动电路21包括一驱动芯片，可以接收两路控制信号IN1和IN2，输出两路独立的驱动信号，但本实用新型不限于此。驱动电路21分别电性耦接至所述第一开关元件Q1和所述第二开关元件Q2的控制端33和43，用于提供所述第一开关元件Q1及所述第二开关元件Q2各自的驱动信号。所述第一开关元件Q1的第二端32与所述第二开关元件Q2的第一端41电性连接，并通过所述升压电容Cb电性耦接至所述辅助电源22，在本实施例中，升压电容Cb通过二极管Db电性耦接至辅助电源22，但本实用新型不限于此。第一实施例的桥式电路1还包括第一旁路元件D2，与所述第二开关元件Q2并联连接，其中，所述第一旁路元件D2的导通电压降小于所述第二开关元件Q2的第二端42至第一端41的导通电压降。

值得注意的是，本实施例中第一开关元件Q1和第二开关元件Q2为半导体场效应管，第一开关元件Q1的第一端31和第二开关元件Q2的第一端41为半导体场效应管的漏极，第一开关元件Q1的第二端32和第二开关元件Q2的第二端42为半导体场效应管的源极，第一开关元件Q1的控制端33和第二开关元件Q2的控制端43为半导体场效应管的门极，但本实用新型并不以此为限。

优选地，本实施例中第一开关元件Q1和第二开关元件Q2为宽禁带半导体器件，例如GaN-FET，但本实用新型并不以此为限。

本实施例中的桥式电路1工作于CCM模式、CRM模式或DCM模式时，在死区时间内，第二开关元件Q2接收关断的驱动信号，当电流流经第二开关元件Q2时，在现有的方案中，当第二开关元件Q2为宽禁带半导体器件，例如GaN-FET，电流从宽禁带器件的源极向该宽禁带器件的漏极流动时，产生较高的电势差，此时第二开关元件Q2的第二端42至第一端41具有一较大的压降，此电压与驱动模块中辅助电源22的电压叠加，并作用于升压电容Cb上，导致升压电容Cb两端的电压出现较大波动，影响驱动电路的稳定工作，降低其安全可靠性。与现有方案不同，本实施例所提供的桥式电路1，在第二开关元件Q2两端并联第一旁路元件D2，其中，所述第一旁路元件D2的导通电压降小于所述第二开关元件Q2的第二端42至第一端41的导通电压降，这样在第二开关管Q2关断时，电流流经第一旁路元件D2，第二开关元件Q2的第二端42至第一端41的电压降被第一旁路元件D2钳位至一较低电压，避免了升压电容Cb两端的电压出现较大波动，提高驱动电路以及开关元件、桥式电路的安全可靠性。

值得注意的是，本实施例中第一旁路元件D2为二极管，D2的阴极电性连接至第二开关元件Q2的第一端41，D2的阳极电性连接至第二开关元件Q2的第二端42。进一步的，第一旁路元件D2可以为但不限于快恢复二极管、SiC二极管，或可控开关器件，如MOSFET等。在某些实施例中，第一旁路元件D2为MOSFET，D2的源极电性连接至第二开关元件Q2的第二端42，D2的漏极电性连接至第二开关元件Q2的第一端41。

在另一实施例中，如图2所示，桥式电路1还包括第二旁路元件D1，与第一开关元件Q1并联，其中，所述第二旁路元件D1的导通电压降小于所述第一开关元件Q1的第二端32至第一端31的导通电压降。桥式电路1工作于CCM模式、CRM模式或DCM模式时，在死区时间内，第一开关元件Q1接收关断的驱动信号，当电流流经桥臂时，电流将流过第二旁路元件D1。由于所述第二旁路元件D1的导通电压降小于所述第一开关元件Q1的第二端32至第一端31的导通电压降，此阶段第一开关元件Q1上的损耗得以降低，从而提高桥式电路1的整体效率。

值得注意的是，本实施例中第二旁路元件D1为二极管，D1的阴极电性连接至第一开关元件Q1的第一端31，D1的阳极电性连接至第一开关元件Q1的第二端32。进一步的，第二旁路元件D1可以为但不限于快恢复二极管、SiC二极管，或可控开关器件，如MOSFET等。在某些实施例中，第二旁路元件D1为MOSFET，D1的源极电性连接至第一开关元件Q1的第二端32，D1的漏极电性连接至第一开关元件Q1的第一端31。

在其他实施方式中，第一开关元件Q1及/或第二开关元件Q2可以包括多个并联的开关管，所述多个开关管的第一端电性连接，且对应的第二端也电性连接，且开关管可为宽禁带半导体器件。并联开关管的个数和种类可以根据实际需要来确定。如图3中所示，本实用新型的第三实施例中第二开关元件为两个开关管并联构成，但本实用新型不限于此。

在另一实施例中，第一开关元件Q1和第二开关元件Q2工作于互补式高频开关模式，即开关元件的工作频率远远高于电网频率，且在任一时刻，第一开关元件Q1和第二开关元件Q2其中一个导通，另一个关断。优选地，在第一开关元件Q1和第二开关元件Q2的导通时间段之间，设置有死区时间，在死区时间内，第一开关元件Q1和第二开关元件Q2均被施加关断的驱动信号，但本实用新型并不以此为限。

在另一实施例中，本实用新型提供的桥式电路可以应用于图腾柱PFC变换器，进一步的，还可应用于两相或多相交错并联的图腾柱PFC变换器，但本实用新型并不以此为限。

在本实用新型的第四实施例中，如图4所示，驱动模块包括多个辅助电源22，驱动电路21包括多个驱动芯片，每一所述驱动芯片接收一控制信号，输出一路驱动信号，并电性耦接至所对应开关元件的控制端33或43，但不以图中示出的为限，可以根据需要设置和选择，均属于本实用新型的保护范围之内。

综上所述，与现有技术相比，本实用新型的桥式电路结构包括第一开关元件、第二开关元件和驱动模块，驱动模块包括驱动电路、辅助电源及升压电容，以及第一旁路元件，与所述第二开关元件并联连接，其中第一旁路元件的导通电压降小于第二开关元件的第二端至第一端的导通电压降。通过与第二开关元件并联的第一旁路元件的续流稳压作用，本实用新型的桥式电路结构可以使升压电容电压稳定，并降低开关元件的损耗，提升变换器的性能。

本实用新型已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本实用新型的范例。必需指出的是，已公开的实施例并未限制本实用新型的范围。相反地，在不脱离本实用新型的构思和范围内所作的变动与润饰，均属本实用新型的专利保护范围。

Claims (14)

1.一种桥式电路结构，其特征在于，所述桥式电路结构包括：

第一开关元件，包括第一端、第二端及控制端；

第二开关元件，包括第一端、第二端及控制端；

驱动模块，包括：驱动电路、辅助电源及升压电容，其中，

驱动电路分别电性耦接至所述第一开关元件和所述第二开关元件的所述控制端，用于提供所述第一开关元件及所述第二开关元件各自的驱动信号；

所述第一开关元件的第二端与所述第二开关元件的第一端电性连接，并通过所述升压电容电性耦接至所述辅助电源；以及

第一旁路元件，与所述第二开关元件并联连接，其中，所述第一旁路元件的导通电压降小于所述第二开关元件的所述第二端至所述第一端的导通电压降。

2.根据权利要求1所述的桥式电路结构，其特征在于，所述第一旁路元件为二极管，所述第一旁路元件的阳极电性连接至所述第二开关元件的所述第二端，所述第一旁路元件的阴极电性连接至所述第二开关元件的所述第一端。

3.根据权利要求1所述的桥式电路结构，其特征在于，所述第一旁路元件为金属氧化物半导体场效应晶体管，所述第一旁路元件的源极电性连接至所述第二开关元件的所述第二端以及漏极电性连接至所述第二开关元件的所述第一端。

4.根据权利要求1至3任意一所述的桥式电路结构，其特征在于，所述桥式电路结构还包括第二旁路元件，与所述第一开关元件并联连接，其中，所述第二旁路元件的导通电压降小于所述第一开关元件的所述第二端至所述第一端的导通电压降。

5.根据权利要求4所述的桥式电路结构，其特征在于，所述第二旁路元件为二极管，所述第二旁路元件的阳极电性连接至所述第一开关元件的所述第二端以及阴极电性耦接至所述第一开关元件的所述第一端。

6.根据权利要求4所述的桥式电路结构，其特征在于，所述第二旁路元件为金属氧化物半导体场效应晶体管，所述第二旁路元件的源极电性连接至所述第一开关元件的第二端以及漏极电性连接至所述第一开关元件的第一端。

7.根据权利要求1所述的桥式电路结构，其特征在于，所述第一开关元件和所述第二开关元件工作于互补式高频开关模式。

8.根据权利要求1所述的桥式电路结构，其特征在于，所述第一开关元件或所述第二开关元件为单个开关管。

9.根据权利要求1所述的桥式电路结构，其特征在于，所述第一开关元件或所述第二开关元件包括多个并联的开关管。

10.根据权利要求8或9任意一所述的桥式电路结构，其特征在于，所述开关管为宽禁带半导体器件。

11.根据权利要求10所述的桥式电路结构，其特征在于，所述开关管为GaN-FET。

12.根据权利要求1所述的桥式电路结构，其特征在于，所述桥式电路结构适用于图腾柱功率因数校正变换器。

13.根据权利要求1所述的桥式电路结构，其特征在于，所述驱动电路包括多个驱动芯片，每一所述驱动芯片电性耦接至所述第一开关元件或所述第二开关元件的所述控制端。

14.根据权利要求1所述的桥式电路结构，其特征在于，所述驱动电路包括一驱动芯片，所述驱动芯片电性耦接至所述第一开关元件和所述第二开关元件的所述控制端。