TWI578674B - 電源供應電路及功率因數校正電路 - Google Patents

電源供應電路及功率因數校正電路 Download PDF

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Description

電源供應電路及功率因數校正電路 發明領域
此處討論之實施例係有關於電源供應電路及功率因數校正電路。
發明背景
近年來，其中氮化鎵(GaN)層發揮功能作為電子傳輸層之高電子遷移率電晶體(HEMT)之發展已經有進展。
GaN具有約3.4eV之一帶隙，其係比矽(Si)之帶隙(1.1eV)或砷化鎵(GaAs)之帶隙(1.4eV)更寬。據此，以GaN為主之HEMT(GaN-HEMT)之崩潰電壓係高於以矽為主之或以砷化鎵為主之裝置的崩潰電壓，GaN-HEMT被考慮為有展望用作為高崩潰電壓功率裝置。
另一方面，若出現突波，則在一GaN-HEMT可能出現故障等。據此要求有效遏止突波之辦法。
過去，提出一種用於遏止突波電壓之技術，該技術藉由執行控制使得一充電電荷在連結至一切換元件之一緩衝電路中回送至一電源供應器，該切換元件執行一反相器設備之高頻切換。又復，提出一種藉由施加由一光接收 元件產生的光電動勢給一電晶體用以改變一汲-源態自導通態切換成關閉態之技術。
國際公告案小冊第WO2011/067838號
日本公開專利案第2002-353798號
過去，使用一電路其中電感器與電容器組合作為抗突波措施。舉例言之，下列技術為可能。在一再生電路中相對應於切換元件之一反應器(電感器)與在一緩衝電路中之緩衝電容器共振。結果，緩衝電容器之充電電荷回送給電源供應器以遏止突波電壓。
但在被動元件中電感器之尺寸大及其安裝面積也大。因此，其中使用電感器的電路規模也大。
發明概要
依據一面向，提出一電源供應電路包括一切換元件及一控制區段其將在該切換元件的操作的時間產生的反電動勢轉換成光能及其基於藉由轉換該光能獲得的一電氣信號而驅動該切換元件。
1、1a‧‧‧電源供應電路
2‧‧‧切換元件
3、30、30a‧‧‧控制區段
4‧‧‧功率因數校正電路
20‧‧‧電晶體
20a‧‧‧GaN-HEMT
21‧‧‧基體層
22‧‧‧緩衝層
23‧‧‧蓄意未經摻雜之氮化鎵(i-GaN)層
24‧‧‧n型氮化鋁鎵(n-AlGaN)層
25‧‧‧源極電極
26‧‧‧閘極電極
27‧‧‧汲極電極
28‧‧‧二維電子氣體(2DEG)
31‧‧‧發送器
32‧‧‧光耦合器
32a‧‧‧發光元件
32b‧‧‧光接收元件
33‧‧‧信號產生器
33a‧‧‧脈衝產生器
C0-3‧‧‧電容器
D1、D12、D13‧‧‧光二極體
D2‧‧‧二極體
D11‧‧‧發光二極體
da‧‧‧信號
Dz‧‧‧曾納二極體
GND‧‧‧地電位端
L1、Lp1-2‧‧‧電感器
OUT‧‧‧輸出端子
P‧‧‧點
P0‧‧‧節點
R0-2‧‧‧電阻器
Tdrain‧‧‧汲極信號
Tr‧‧‧電晶體
Vin‧‧‧輸入電壓區段
Vneg‧‧‧負電壓
圖1例示依據第一實施例一電源供應電路之一實施例；圖2例示依據第二實施例一電源供應電路之一實施例；圖3例示一GaN-HEMT之結構之一實施例；圖4例示一功率因數校正電路之一實施例；圖5例示一控制區段之一實施例； 圖6例示其中產生負電壓之一狀態之一實施例； 圖7例示該控制區段之一修改之一實施例； 圖8例示其中產生突波電壓之一狀態之一實施例； 圖9例示其中突波電壓被遏止之一狀態之一實施例；及 圖10例示負電壓之產生之一實施例。
較佳實施例之詳細說明
現在將參考附圖描述實施例，其中相似的元件符號係指全文中相似的元件。
(第一實施例)
圖1例示依據第一實施例之電源供應電路之一實施例。
電源供應電路1包括一切換元件2及一控制區段3。該電源供應電路1再生在該切換元件2操作時產生的反電動勢，及使用該反電動勢驅動該切換元件2。於後文詳細說明部分中，反電動勢將被稱作為一突波。但反電動勢(可稱為雜訊)可小於一突波。
切換元件2例如為一場效電晶體(FET)且根據一控制信號而開或關。
控制區段3將在該切換元件2操作時出現的一突波轉換成光能。又復，控制區段3將該光能轉換成一電氣信號，及根據該電氣信號驅動該切換元件2。
具有如上結構之電源供應電路1將一突波轉換成光能及根據由將該光能轉換成一電氣信號驅動該切換元件 2。結果，無需使用一共振元件，諸如一電感器作為抗突波措施。據此，電路規模縮小。此外，一突波被轉換成光能，故突波受遏止。
(第二實施例)
圖2例示依據第二實施例之電源供應電路之一實施例。
一電源供應電路1a包括一電晶體(場效電晶體)20及一控制區段30。該控制區段30包括一發送器31、光耦合器32、及一信號產生器33。該電晶體20係相對應於圖1例示之該切換元件2及控制區段30具有圖1例示之該控制區段3之功能。
電晶體20執行切換以使得或不使得一信號da流至一負載端。當該電晶體20為關閉時，該信號da流至該負載端。當該電晶體20為導通時，該信號da流至該電晶體20端。
該發送器31將在電晶體20內之一穩態之後瞬時出現的一突波發送給該光耦合器32。該光耦合器32包括一發光元件32a及一光接收元件32b。該發光元件32a將該電晶體20驅動期間出現的一突波轉換成光能。該光接收元件32b將該光能轉換成一電氣信號。
該信號產生器33將自該光耦合器32輸出的該電氣信號產生一閘極信號用以供給該電晶體20之一閘極。舉例言之，當出現一突波時，該信號產生器33產生一關閉電壓信號作為一閘極信號，藉此信號該電晶體20被關閉。又 復，於一預定關閉時間該信號產生器33產生一關閉電壓信號，藉此信號該電晶體20被關閉。
此外，當突波電壓尚未產生時，於一預定關閉時間該信號產生器33產生一導通電壓信號，藉此信號該電晶體20被導通。
現在將描述電晶體20之一實施例。舉例言之，一GaN-HEMT用作為電晶體20。
圖3例示一GaN-HEMT之結構之一實施例。
使用一GaN-HEMT 20a，一緩衝層22、一蓄意未摻雜氮化鎵(i-GaN)層23、及一n-型氮化鋁鎵(n-AlGaN)層24係形成於一基體層(傳導性基體)21上方。
又復，一閘極電極26係形成於該n-AlGaN層24上方，及形成一源極電極25及一汲極電極27而有該閘極電極26介於其間。
該n-AlGaN層24為一電子供應層及該i-GaN層23為一電子傳輸層。又復，接近該n-AlGaN層24與該i-GaN層23之一界面產生二維電子氣體(2DEG)28。舉例言之，因該2DEG 28之該等特性，諸如高載子濃度及高電子飽和速度，故實現了具有低導通態電阻及高崩潰電壓之一高速半導體裝置。
現在將描述被施加前述電源供應電路1a之一功率因數校正(PFC)電路。
圖4例示一功率因數校正電路之一實施例。一功率因數校正電路4產生類似輸入電壓之一電流波形(電流其 係與輸入電壓同相位及其波形具有正弦波形狀)以改良一功率因數。
該功率因數校正電路4包括一輸入電壓區段Vin、電容器C0及C1、一電阻器R0、電感器L1、Lp1、及Lp2、一電晶體Tr、及一二極體D1。於後文詳細說明部分中，使用正常導通的GaN-HEMT作為電晶體Tr。但可使用接合型FET(JFET)作為電晶體Tr。
各個元件係以下述方式連結。該輸入電壓區段Vin之一正端子(+)係連結至該電容器C1之一正端子(+)及該電感器L1之一端。該電感器L1之另一端係連結至該二極體D1之一陽極、該電感器Lp1之一端、及一控制區段30之一輸入端子。
該電感器Lp1之另一端係連結至電晶體Tr之一汲極。該電晶體Tr之一閘極係連結至該控制區段30之一輸出端，及該電晶體Tr之一源極係連結至該電感器Lp2之一端。
該二極體D1之一陰極係連結至該電容器C0之一端、該電阻器R0之一端、及一輸出端子OUT。
該輸入電壓區段Vin之一負端子(-)係連結至該電容器C1之一負端子(-)、該電感器Lp2之另一端、該電容器C0之另一端、該電阻器R0之另一端、及GND。
該輸入電壓區段Vin產生輸入電壓。電容器C1平滑化該輸入電壓。該電感器L1為一步進升壓電感器，及將該平滑化電壓升高至一預定值。此外，流經該電感器L1之一信號流至該二極體D1或控制區段30。該二極體D1整流自 該電感器L1輸出之信號。
另一方面，電晶體Tr係用作為一切換元件。電感器Lp1及Lp2為寄生電感器，當電晶體Tr安裝於一板上方時該等元件出現為寄生元件。控制區段30控制電晶體Tr之切換(控制區段30之內部結構之實施例容後於圖5中詳細說明)。
當電晶體Tr關閉時，自電感器L1輸出之信號流經二極體D1及充電電容器C0(平滑電容器)。當電晶體Tr為導通時，自電感器L1輸出之信號流經控制區段30。此外，控制區段30遏止由環繞該電晶體Tr之電感器Lp1及Lp2所產生的突波電壓。
假設電晶體Tr為正常導通GaN-HEMT。為了導通電晶體Tr，控制區段30施加0V給該電晶體Tr之閘極作為導通電壓信號。又復，為了關閉電晶體Tr，控制區段30施加負電壓給該電晶體Tr之閘極作為關閉電壓信號。
若該功率因數校正電路4係結合於一切換式電源供應設備作為該功率因數校正電路4之該應用實施例，輸入電壓係藉二極體橋接器等全波整流，及在該全波整流後之一輸出信號係藉含括於該功率因數校正電路4中之該電容器C1予以平滑化。又復，一直流電(DC)-DC轉換器係位在該功率因數校正電路4之輸出階段以將自該輸出端子OUT輸出的一信號轉換成預定DC電壓。
現在將描述控制區段30之一電路之一實施例。
圖5例示該控制區段之一實施例。
該控制區段30包括發送器31、光耦合器32、及信號產生器33。
該發送器31包括一二極體D2、一電阻器R1、及一電容器C2。該光耦合器32包括一發光二極體D11其為一發光元件，及光二極體D12及D13其為光接收元件。該信號產生器33包括一電容器C3、一電阻器R2、及一脈衝產生器33a。
各個元件係以後述方式連結。二極體D2之陽極係連結至電阻器R1之一端、圖4中例示之電感器L1之另一端、圖4中例示之電感器Lp1之一端、圖4中例示之二極體D1之陽極。
二極體D2之陰極係連結至含括於光耦合器32中之二極體D11之陽極。電阻器R1之另一端係連結至電容器C2之一端及含括於光耦合器32中之二極體D11之陰極。電容器C2之另一端係連結至GND。
電容器C3之一端係連結至脈衝產生器33a之一輸入端及含括於光耦合器32中之二極體D12之陽極。該二極體D12之陰極係連結至含括於光耦合器32中之二極體D13之陽極。
電容器C3之另一端係連結至含括於光耦合器32中之二極體D13之陰極及GND。脈衝產生器33a之一輸出端係連結至電阻器R2之一端。電阻器R2之另一端係連結至圖4中例示之電晶體Tr之閘極。
控制區段30之電路乃一實施例。舉例言之，該的 光二極體之數目並不限於2個。
若基於一突波之一高電壓(後文稱作為突波電壓)係在驅動屬於正常導通GaN-HEMT的該電晶體Tr時產生，則該二極體D2由該突波電壓導通。結果，由突波電壓所致而流動之電流(突波電流)流經該二極體D2，流經於正向含括於光耦合器32之該發光二極體D11，及使得該發光二極體D11發光。
含括於光耦合器32之光二極體D12及D13接收由該發光二極體D11發送之光且將該光轉換成電氣信號。換言之，光耦合器32將該突波電壓轉換成光能且轉換光能成為電能。
此時，光接收電流流經該等光二極體D12及D13。此種光接收電流於該等光二極體D12及D13自陰極至陽極之方向流動。結果，在一節點P0產生一負電壓。該電容器C3由相對應於該突波電壓之該負電壓儲存一負電荷。
脈衝產生器33a基於所施加之負電壓產生一負電壓脈衝信號，及透過電阻器R2施加至電晶體Tr之閘極以關閉該電晶體Tr。
一電荷泵浦電路可用作為產生負電壓之電路。但於該種情況下，電容大的一電容器係用以儲存穩定輸出。另一方面，若藉採用前述電路結構而產生一負電壓，則無需使用一電荷泵浦電路。如此縮小了電路面積。
圖6例示其中產生一負電壓之一態之一實施例。
於圖6中，縱軸指示電壓，及橫軸指示時間。圖6 指示在功率因數校正電路4中在點P一電壓降位準之模擬結果。於時間0毫秒(此時突波電壓尚未產生)於點P之電壓位準為0V。
當產生突波電壓時，於點P之電壓位準快速地自0V降至約-3.5V歷時時間△t，及然後於-3.5V維持歷經某個時間週期。如從圖6可見，獲得一負電壓歷經某個時間週期。
另一方面，於一穩態其中於電晶體Tr未產生突波電壓，流入控制區段30之一信號(圖4中之汲極信號Tdrain)之電壓幅值係小於一突波電壓值。於此種情況下，二極體D2為關閉，故電流不流至光耦合器32。此時，在節點P0不產生負電壓。若輸入係在此種位準，則以預定週期脈衝產生器33a發送一導通信號及一關閉信號給該電晶體Tr之閘極。
現在將描述控制區段30之修改。
圖7例示該控制區段30之修改。
一控制區段30a，其為該控制區段30之修改，係藉增加一曾納二極體Dz作為一新電路元件至圖5中例示之電路獲得。
該曾納二極體Dz之一陽極係連結至含括於一光耦合器32中之一光二極體D13之一陰極，及該曾納二極體Dz之一陰極係連結至電容器C3之另一端及GND。於其它面向中，控制區段30a係與圖5中例示之控制區段30相同。
如圖7中例示，定位曾納二極體Dz以保護光耦合器32對抗反向電壓施加至含括於一光耦合器32中之一光二 極體D13之一陰極。結果，施加至光耦合器32之反向電壓係維持於低於崩潰電壓之電壓。如此防止光耦合器32中出現故障。
現在描述藉由採用本文揭示遏止突波電壓之模擬結果。
圖8例示其中產生突波電壓之狀態之一實施例。
於圖8中，縱軸指示電壓及橫軸指示時間。圖8例示於未施用本文揭示之功率因數校正電路之一切換電晶體中在切換時間一汲極信號之振幅狀態。
切換電晶體週期性地重複開關，故汲極信號呈脈衝形式。以圖8為例，通常汲極信號之振幅之峰值為410V。於尋常功率因數校正電路中，突波電壓係在切換電晶體之切換操作時(例如，恰在切換電晶體關閉之後)產生及其峰值升高至420V。
圖9例示其中突波電壓受遏止狀態之一實施例。
於圖9中，縱軸指示電壓及橫軸指示時間。圖8例示於施用本文揭示之功率因數校正電路4之該電晶體Tr中在切換時間一汲極信號之振幅狀態。如圖9可知，在功率因數校正電路4中之突波電壓受遏止。
圖10例示負電壓之產生之一實施例。
於圖10中，縱軸指示電壓及橫軸指示時間。圖10例示於施用本文揭示之功率因數校正電路4之該電晶體Tr中在切換時間該汲極信號Tdrain及一所產生之負電壓Vneg之狀態。
如圖10可知，負電壓Vneg降低，換言之，當汲極信號Tdrain升高時，例如於時間t1或t2，產生負電壓。此種負電壓用作為切換電晶體之關閉電壓。
如前文描述，依據本文揭示，突波能轉換成光能以便採取措施對抗在驅動一電晶體時出現一突波。此外，光能被轉換成電能。基於電能產生用於使得電晶體切換為關閉所使用的關閉電壓，及供給電晶體。
先前一電感器與一電容器組合而遏止突波電壓。如此增加電路規模。另一方面，使用本文揭示，無需使用一共振元件諸如電感器作為抗突波措施。如此檢驗電路規模之增加及遏止突波。
此外，切換元件(電晶體)相對應於一突波出現部分。先前切換元件數目增加導致電感器數目增加。結果，電路規模顯著增加。另一方面，使用本文揭示，無需使用電感器。據此，即便切換元件數目增加，檢驗電路規模的增加，及突波電壓係以大的準確度遏止。
另一方面，以矽為主之場效電晶體無可避免地包括一本體二極體，及此種本體二極體以反並聯連結至該電晶體。據此，即便出現突波，出現突崩式崩潰，因此電晶體具有突波電阻。
但GaN-HEMT不會無可避免地包括一本體二極體。結果，若現一突波，傾向於出現故障等。據此，藉由施用依據本文揭示之抗突波措施特別地施用至一電路，其中使用一GaN-HEMT作為切換元件有效地遏止突波。
前文已經描述實施例。但於實施例中指示之各個組件可以具有相同功能的另一個單元置換。又復，可增加任何其它組件或製程。
根據所揭示之電源供應電路或功率因數校正電路，縮小電路規模。
1‧‧‧電源供應電路
2‧‧‧切換元件
3‧‧‧控制區段

Claims (4)

  1. 一種電源供應電路，其包含：一切換元件；及一控制區段，其將在該切換元件的操作的時間產生的反電動勢轉換成光能，及基於藉由轉換該光能獲得的一電氣信號來驅動該切換元件；其中：該切換元件為一場效電晶體；及該控制區段包括：一光耦合器，其包括將該反電動勢轉換成該光能的一發光元件、及將該光能轉換成該電氣信號的一光接收元件；一發送器，其將該反電動勢發送給該光耦合器；及一信號產生器，其從該電氣信號產生一閘極信號用以在該反電動勢被產生的時間供應至該場效電晶體之一閘極。
  2. 如請求項1之電源供應電路，其中：該發送器包括一二極體、一電阻器、及一電容器；及該二極體之一陽極係連結至該電阻器之一端，該二極體之一陰極係連結至該發光元件之一端，及該電阻器之另一端係連結至該發光元件之另一端及該電容器之 一端。
  3. 如請求項1之電源供應電路，其中該信號產生器：包括連結至該發光元件之一電容器；及藉由該光耦合器藉轉換該光能所獲得的該電氣信號而在該光接收元件與該電容器之間的一節點產生一負電壓，及基於該負電壓產生該閘極信號。
  4. 一種功率因數校正電路，其產生類似輸入電壓之一電流波形以改良一功率因數，該電路包含：一電感器，其升高該輸入電壓；一二極體，其整流來自該電感器之一輸出信號；一切換元件，其執行輸入至該二極體之該輸出信號的切換；一電容器，其平滑化來自該二極體之輸出電壓；及一控制區段，其將在該切換元件的操作的時間產生的反電動勢轉換成光能，及基於藉由轉換該光能獲得的一電氣信號而驅動該切換元件；其中：該切換元件為一場效電晶體；及該控制區段包括：一光耦合器，其包括將該反電動勢轉換成該光能的一發光元件、及將該光能轉換成該電氣信號的一光接收元件；一發送器，其將該反電動勢發送給該光耦合器；及 一信號產生器，其從該電氣信號產生一閘極信號用以在該反電動勢被產生的時間供應至該場效電晶體之一閘極。
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