CN116491056A - 共振型电力变换装置 - Google Patents

Abstract

共振型电力变换装置具有：主电路(10)，其具有半导体开关(5)以及与半导体开关(5)串联或并联连接的电容器(3)以及电感器(4)；以及驱动电路(20)，其对半导体开关(5)进行驱动。半导体开关(5)根据向栅极端子输入的控制电压而变为断开状态或接通状态，驱动电路(20)具有大于或等于2种的控制电压作为半导体开关5变为断开状态的控制电压。

Description

共振型电力变换装置

技术领域

本发明涉及共振型电力变换装置。

背景技术

专利文献1公开了如下E类放大电路，即，包含由在动作频率附近具有共振点的共振用线圈以及共振用电容器构成的串联电路。在该E类放大电路与共振用电容器并联连接有电容器和开关元件的串联电路。能够对开关元件的断开及短路进行切换而变更与共振用电容器并联的合成电容。

专利文献1：日本特开平6-243985号公报

发明内容

然而，关于专利文献1中公开的方法，需要在主电路中追加电容器以及开关元件等电路部件，存在电路结构变得复杂的问题。

本发明就是鉴于上述问题而提出的，其目的在于提供形成为简单的电路结构并且能够实现开关损失的降低的共振型电力变换装置。

本发明的一个方式所涉及的共振型电力变换装置具有：主电路，其具有开关元件、以及与开关串联或并联连接的电容器及电感器；以及驱动电路，其对开关元件进行驱动。驱动电路具有大于或等于2种的信号值作为开关元件变为断开状态的控制信号的信号值。

发明的效果

根据本发明，能够形成为简单的电路结构并且实现开关损失的降低。

附图说明

图1是表示第1实施方式所涉及的共振型电力变换装置的结构图。

图2是表示半导体开关的控制定时(timing)的时序图。

图3是表示第1实施方式所涉及的半导体开关的控制定时的时序图。

图4是表示控制电压与半导体开关的输出电容的关系的图。

图5是表示第2实施方式所涉及的半导体开关的控制定时的时序图。

图6是表示第2实施方式所涉及的半导体开关的控制定时的时序图。

图7是表示共振型电力变换装置的变形例的图。

图8是表示共振型电力变换装置的变形例的图。

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的实施方式进行说明。在附图的记载中，对相同部分标注相同标号并省略说明。

(第1实施方式)

参照图1对本实施方式所涉及的共振型电力变换装置的结构进行说明。本实施方式所涉及的共振型电力变换装置具有：主电路10，其对输入的电力进行变换而输出；以及驱动电路20，其对主电路10进行驱动。在主电路10连接有电源1及负载2。电源1例如为直流电源。

主电路10具有电容器3、电感器4以及半导体开关5。主电路10是在半导体开关5处于断开状态的期间使得电压共振的电压型共振电路。

电容器3以及电感器4在电源1至负载2之间按照电容器3以及电感器4的顺序串联连接。

半导体开关5是具有高电位端子、低电位端子以及控制端子的开关元件。半导体开关5例如为MOSFET，漏极端子D、源极端子S以及栅极端子G分别相当于高电位端子、低电位端子以及控制端子。

半导体开关5的漏极端子D与电容器3和电感器4的连接点连接。半导体开关5的源极端子S与电源1连接。

驱动电路20将控制信号向栅极端子G输出而对半导体开关5进行驱动。半导体开关5根据向栅极端子G输入的控制信号的信号值、具体而言为施加于栅极端子G的电压(下面称为“控制电压”)而变为断开状态或接通状态。

半导体开关5在控制电压超过阈值时变为接通状态，即，漏极端子D与源极端子S之间接通。另外，半导体开关5在控制电压小于或等于阈值时变为断开状态，即，漏极端子D与源极端子S之间断开。下面，将半导体开关5变为接通状态的控制电压称为“接通控制电压”，将半导体开关5变为断开状态的控制电压称为“断开控制电压”。

在本实施方式中，驱动电路20具有大于或等于2种的断开控制电压，即，具有分别小于或等于阈值的电压的大于或等于2种的控制电压。而且，驱动电路20能够利用大于或等于2种的断开控制电压对断开控制电压进行变更。如后所述，大于或等于2种的断开控制电压分别根据应当在主电路10产生的共振频率而设定。

下面，参照图2至图4，对基于驱动电路20的半导体开关5的控制方法进行说明。图2及图3表示相对于施加于栅极端子G的控制电压Vgs的、漏极-源极电压ΔVds的电压变化量。图4表示相对于控制电压Vgs的、半导体开关5的输出电容Coss的变化。

首先，对通常的软开关的概念进行说明。如图2所示，驱动电路20将半导体开关5以接通状态和断开状态交替地进行切换。关于作为电压型共振电路的主电路10，在半导体开关5处于断开状态时，漏极-源极电压ΔVds振荡，漏极-源极电压ΔVds的电压变化量产生共振波形。

共振波形是通过电容器3、电感器4以及半导体开关5的输出电容Coss产生的，其周期与依赖于电容器3、电感器4以及半导体开关5的输出电容Coss的主电路10的共振频率相关。如果电容器3、电感器4以及半导体开关5的输出电容Coss为相同条件，则共振频率也恒定，因此漏极-源极电压ΔVds的电压变化量也变为恒定周期Ta的共振波形。

因此，驱动电路20以与主电路10的共振频率相应的开关频率对栅极端子G施加接通控制电压或者断开控制电压。由此，能够实现软开关或者低损失的开关。图2举例示出了半波共振，但也可以是全波共振。

但是，在根据主电路10的输出等的变更而使开关定时变化的情况下，在开关频率与共振频率之间会产生偏差。因此，有可能无法实现软开关或者低损失的开关。在本实施方式中，与所需的开关频率相应地对主电路10的共振频率进行变更而实现软开关或者低损失的开关。

驱动电路20具有3种断开控制电压，在图3中示出了3种断开控制电压V0、V1、V2。断开控制电压V0、V1、V2分别为小于或等于半导体开关5的阈值的电压值，V1的电压低于V0，V2的电压低于V1。在图3所示的第1个断开期间施加断开控制电压V0，在第1个断开期间之后且在经过接通期间而到来的第2个断开期间施加断开控制电压V1。同样地，在第2个断开期间之后且经过接通期间而到来的第3个断开期间施加断开控制电压V2。

这里，如图4所示，在控制电压Vgs与输出电容Coss之间存在如下关系，即，如果控制电压Vgs下降，则输出电容Coss减小。因而，降低从驱动电路20施加于栅极端子G的断开控制电压而使得输出电容Coss减小。

因此，如图3所示，降低断开控制电压V0、V1、V2而使得共振波形的周期Ta、Tb、Tc缩短，即，使得主电路10中产生的共振频率提高。根据这种关系，基于主电路10中应当产生的共振频率而设定驱动电路20具有的断开控制电压V0、V1、V2。

而且，根据与断开控制电压V0、V1、V2对应的共振波形的周期Ta、Tb、Tc对开关周期进行变更，能够实现软开关或者低损失的开关。例如，如果是主电路10的输出增大的状况，则在相对于在先的断开期间而接下来到来的断开期间，需要延长开关周期。因而，与在先的断开期间的断开控制电压相比，提高接下来到来的断开期间的断开控制电压。由此，能够根据主电路10的输出变更对开关周期进行变更，并且实现软开关或者低损失的开关。

这样，根据本实施方式，驱动电路20具有大于或等于2种的断开控制电压。在断开控制电压施加于栅极端子G的情况下，半导体开关5的输出电容Coss根据其电压值(断开控制电压的种类)而不同。因此，根据驱动电路20输出的断开控制电压的种类，半导体开关5的输出电容Coss如可变电容那样变化。由此，能够自由地控制主电路10中产生的共振频率。而且，对主电路10中产生的共振频率和开关频率进行调整而能够实现开关损失的降低。另外，仅利用大于或等于2种的断开控制电压即可，因此无需对主电路10追加电路部件。由此，能够实现简单的结构，并且实现开关损失的降低。

另外，驱动电路20具有的大于或等于2种的断开控制电压分别根据主电路10中应当产生的共振频率而设定。根据该结构，能够根据大于或等于2种的断开控制电压而任意地控制主电路10中产生的共振频率。而且，对主电路10中产生的共振频率以及开关频率进行调整而能够进行软开关的状况增加，因此能够实现开关损失的降低。

另外，驱动电路20利用大于或等于2种的断开控制电压而能够对断开控制电压进行变更。根据该结构，驱动电路20对断开控制电压进行变更而使得半导体开关5的输出电容Coss如可变电容那样变化，因此能够控制主电路10中产生的共振频率。而且，对主电路10中产生的共振频率和开关频率进行调整而能够进行软开关的状况增加，因此能够实现开关损失的降低。

另外，在在先的断开期间之后，在经过接通期间而向接下来的断开期间变更的情况下，驱动电路20能够从在先的断开期间的断开控制电压对接下来的断开期间的断开控制电压进行变更。根据该结构，能够在每个断开期间对施加于栅极端子G的断开控制电压进行变更，因此能够增加使共振频率实现优化的次数。由此，能够实现开关损失的降低。

在该情况下，驱动电路20能够基于主电路10的输出而对接下来的断开期间的断开控制电压进行变更。能够对主电路10中产生的共振频率、和与主电路10的输出对应的开关频率进行调整。由此，能够进行软开关的状况增加，因此能够实现开关损失的降低。

具体而言，在主电路10的输出增加的情况下，驱动电路20使得接下来到来的断开期间的断开控制电压高于在先的断开期间的断开控制电压。根据该结构，能够使得与主电路10的输出增加相应的开关频率的变更和主电路10的共振频率的变更对应。由此，能够实现开关损失的降低。

此外，在本实施方式中，对驱动电路20基于主电路10的输出而变更断开控制电压的内容进行说明。然而，驱动电路20可以基于主电路10的输入而对断开控制电压进行变更。另外，根据半导体开关5、电容器3以及电感器4的电压、电流以及温度的变化而对主电路10的共振频率进行变更。因此，驱动电路20可以基于半导体开关5、电容器3以及电感器4的电压、电流以及温度而对断开控制电压进行变更。由此，无论主电路10的输入输出变动、或者环境变动如何，都能够实现开关损失的降低。

(第2实施方式)

下面，对第2实施方式所涉及的共振型电力变换装置进行说明。第2实施方式所涉及的共振型电力变换装置与第1实施方式所涉及的共振型电力变换装置的不同点在于断开控制电压的控制方法。省略与第1实施方式共通的说明，下面，以不同点为中心进行说明。

关于上述第1实施方式的驱动电路20，如果处于1个断开期间内，则不管时间的推移如何都能够将断开控制电压控制为恒定。另一方面，如图5所示，本实施方式的驱动电路20在1个断开期间内对2种断开控制电压V0、V1进行切换。具体而言，驱动电路20在断开期间开始的定时T0至定时T1为止的第1期间将断开控制电压V1输出，在定时T1至断开期间结束的定时T2为止的第2期间将断开控制电压V0输出。

在该情况下，漏极-源极电压ΔVds的共振波形在定时T0至定时T1为止的第1期间表示与断开控制电压V1对应的响应，在定时T1至定时T2为止的第2期间表示与断开控制电压V0对应的响应。在与断开控制电压V1对应的第1期间产生周期较短的共振波形，因此与在整个断开期间一律施加了断开控制电压V0的情况相比，共振波形的周期缩短。

这样，在1个断开期间中，设定断开控制电压V1的第1期间、和高于断开控制电压V1的断开控制电压V0的第2期间而能够提高主电路10中产生的共振频率。

另外，对第1期间和第2期间的比例进行变更而使得共振波形的周期不同。具体而言，如果增大第1期间的比例，则共振波形的周期相对缩短。由此，能够提高主电路10中产生的共振频率。

另外，施加于第1期间的断开控制电压并不局限于断开控制电压V1，只要是低于断开控制电压V0的电压值即可。此时，施加于第1期间的断开控制电压越低于施加于第2期间的断开控制电压，共振波形的周期相对越短。由此，能够提高主电路10中产生的共振频率。

这样，根据本实施方式，驱动电路20能够在1个断开期间内对断开控制电压进行变更，因此能够任意地控制主电路10中产生的共振频率。由此，能够对主电路10中产生的共振频率和开关频率进行调整。其结果，能够进行软开关的状况增加，因此能够实现开关损失的降低。

另外，驱动电路20能够对第1期间和第2期间的比例进行变更、或者对施加于第1期间的断开控制电压和施加于第2期间的断开控制电压的电压比率进行变更。由此，能够灵活地控制主电路10中产生的共振频率。

此时，与第1实施方式相同地，驱动电路20能够基于主电路10的输入及输出、以及半导体开关5、电容器3以及电感器4的电压、电流以及温度中的大于或等于1个的值，对第1期间和第2期间的比例、或者电压比率进行变更。由此，无论主电路10的输入输出变动、或者环境变动如何，都能够实现开关损失的降低。

此外，驱动电路20利用2种断开控制电压在1个断开期间中进行切换。然而，驱动电路20也可以利用大于或等于3种的断开控制电压进行切换。

另外，在本实施方式中，在从第1期间向第2期间切换时，驱动电路20从较低的断开控制电压向较高的断开控制电压切换。由此，断开期间结束时的电压变为较高的断开控制电压。因此，相对于接通控制电压的偏差较小，因此能够顺畅地转换为接通期间。但是，在从第1期间向第2期间切换时，驱动电路20可以从较高的断开控制电压向较低的断开控制电压切换。

另外，在上述实施方式中，驱动电路20对断开控制电压进行阶梯式的变更。然而，1个断开期间中的断开控制电压的切换方法并不限定于此。

如图6所示，驱动电路20可以在1个断开期间中与时间的推移相应地连续对断开控制电压进行变更。在该图所示的例子中，关于断开控制电压，在断开期间开始时变为V1，与时间的推移相应地连续升高，在断开期间开始时变为V0。根据该结构，与在整个断开期间一律施加了断开控制电压V0的情况相比，共振波形的周期相对缩短。由此，能够适当地控制主电路10中产生的共振频率。

在该情况下，驱动电路20能够对断开期间开始时的断开控制电压以及断开期间结束时的断开控制电压的一者或两者进行变更而变更断开控制电压的斜率。由此，能够适当地控制主电路10中产生的共振频率。

在图6所示的例子中，从断开期间开始时起直至结束时为止，驱动电路20对断开控制电压进行线性变更，但并不局限于此。驱动电路20可以对断开控制电压进行非线性变更。

此外，在上述第1实施方式以及第2实施方式中，作为主电路10，示出了图1所示的结构。然而，主电路10并不局限于电压型共振电路，也可以是半导体开关5在接通状态的期间使得电流共振的电流型共振电路。

例如，如图7所示，主电路10可以使电容器3相对于电源1并联连接而构成共振电路。例如，如图8所示，主电路10还具有电容器7以及电感器8，作为E类放大电路而起作用。在该主电路10中，电感器8具有使电流恒定的作用，电容器7设置为使得在半导体开关5处于断开状态的时间区域，电流在负载2流通。

另外，在本实施方式中，作为半导体开关5的一个例子而示出了MOSFET。然而，主电路10的开关元件并不局限于单极型、双极型、元件材料的带隙等，可以使用任何类型。

例如，半导体开关可以与输入至控制端子的控制信号的信号值、具体而言为供给至控制端子的电流(下面称为“控制电流”)相应地，变为断开状态或者接通状态。因此，在控制电流超过阈值时，半导体开关变为接通状态。另外，在控制电流小于或等于阈值时，半导体开关变为断开状态。下面，将半导体开关5变为接通状态的控制电压称为“接通控制电压”，将半导体开关5变为断开状态的控制电压称为“断开控制电压”。

在该情况下，驱动电路20具有大于或等于2种的断开控制电流、即分别小于或等于阈值的电流的大于或等于2种的控制电流。在该情况下，驱动电路20能够任意地对大于或等于2种的断开控制电流进行变更，与上述实施方式相同地，大于或等于2种的断开控制电压分别基于应当在主电路10中产生的共振频率而设定。

如上所述，对本发明的实施方式进行了记载，但不应当理解为构成该公开的一部分的论述及附图对本发明进行限定。根据该公开，各种代替实施方式、实施例以及运用技术对于本领域技术人员而言变得明朗。

标号的说明

1电源

2负载

10主电路

3电容器

4电感器

5半导体开关

20驱动电路

G栅极端子(控制端子)

D漏极端子(高电位端子)

S源极端子(低电位端子)

Claims (10)

1.一种共振型电力变换装置，其中，

所述共振型电力变换装置具有：

主电路，其具有开关元件、以及电容器和电感器，对输入的电力进行变换而输出，所述开关元件具有高电位端子、低电位端子以及控制端子，所述电容器和电感器与所述高电位端子或低电位端子串联或并联连接；以及

驱动电路，其将控制信号向所述控制端子输出，对所述开关元件进行驱动，

所述开关元件根据向所述控制端子输入的所述控制信号的信号值而变为断开状态或接通状态，

所述驱动电路具有大于或等于2种的信号值作为所述开关元件变为断开状态的所述控制信号的信号值。

2.根据权利要求1所述的共振型电力变换装置，其中，

所述大于或等于2种的信号值分别根据所述主电路中应当产生的共振频率而设定。

3.根据权利要求1或2所述的共振型电力变换装置，其中，

所述驱动电路利用所述大于或等于2种的信号值对所述开关元件变为断开状态的所述控制信号的信号值进行变更。

4.根据权利要求3所述的共振型电力变换装置，其中，

在使所述开关元件在第1断开期间之后经过接通期间而向第2断开期间变化的情况下，所述驱动电路使所述第2断开期间的所述控制信号的信号值从所述第1断开期间的所述控制信号的信号值进行变更。

5.根据权利要求4所述的共振型电力变换装置，其中，

所述驱动电路基于所述主电路的输入和输出、以及所述开关元件、所述电容器以及所述电感器的电压、电流以及温度中的大于或等于1个的值，使所述第2断开期间的所述控制信号的信号值从所述第1断开期间的所述控制信号的信号值进行变更。

6.根据权利要求5所述的共振型电力变换装置，其中，

在所述主电路的输出增加的情况下，所述驱动电路使得所述第2断开期间的所述控制信号的信号值高于所述第1断开期间的所述控制信号的信号值。

7.根据权利要求3所述的共振型电力变换装置，其中，

所述驱动电路在1个断开期间中将所述控制信号的信号值变更大于或等于1次，在所述断开期间中设定所述控制信号的信号值较低的第1期间以及所述控制信号的信号值高于所述第1期间的第2期间。

8.根据权利要求7所述的共振型电力变换装置，其中，

所述驱动电路基于所述主电路的输入和输出、以及所述开关元件、所述电容器以及所述电感器的电压、电流以及温度中的大于或等于1个的值，对所述断开期间的所述第1期间与所述第2期间的比例、以及所述第1期间的所述控制信号的信号值和所述第2期间的所述控制信号的信号值的比率的一者或两者进行变更。

9.根据权利要求7或8所述的共振型电力变换装置，其中，

所述驱动电路按照所述第1期间、所述第2期间的顺序在所述断开期间中设定所述第1期间及所述第2期间。

10.根据权利要求3所述的共振型电力变换装置，其中，

所述驱动电路在1个断开期间中将所述控制信号的信号值与时间的推移相应地连续进行变更。