本發(fā)明涉及一種功率變換器裝置，尤其涉及基于常通型開關(guān)器件的功率變換器裝置。

背景技術(shù)：

有源功率器件是開關(guān)電源的重要組件，其特性對于開關(guān)電源的性能十分關(guān)鍵。隨著半導體技術(shù)的發(fā)展，采用有源功率器件組成的例如功率因數(shù)校正電路(PFC)或直流/直流轉(zhuǎn)換電路(D2D)等的轉(zhuǎn)換效率目前已高達97％，其功率密度也達到相當高的程度。然而基于硅(Si)材料的有源功率器件特性已經(jīng)接近理論極限，繼續(xù)發(fā)展的空間較小，阻礙了開關(guān)電源效率和功率密度的進一步提高。

基于寬禁帶材料例如氮化鎵(GaN)或碳化硅(SiC)等的有源功率器件內(nèi)阻更小，開關(guān)損耗更小，并且能夠承受更高的工作溫度，從而能夠進一步提高開關(guān)電源的效率和功率密度。

寬禁帶材料有源功率器件通常包含至少三個端子，其中一端為控制端，即柵極，用于控制該器件的導通及關(guān)斷。以金屬氧化物半導體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)為例，三個端子分別是柵極、源極和漏極。而有源功率器件通常又分為常通型和常閉型兩種，以常通型MOSFET器件為例，當柵極源極間電壓為零時，器件導通；當柵極源極為負壓時，器件關(guān)斷。以常閉型MOSFET器件為例，當柵極源極間電壓為正時，器件導通；柵極源極間電壓為零時，器件關(guān)斷。然而，使用常通型開關(guān)器件的一個最大的困難問題就是如何解決電路的啟動問題，下面以降壓式(Buck)電路為例來說明這一問題。

圖1是說明一種采用常通型開關(guān)器件組成的Buck電路的示意圖。如圖1中所示，Buck電路中的開關(guān)元件Q1和Q2為常通型半導體器件，例如為常通型GaN器件。該電路被期望能夠通過中點O經(jīng)電感L1向電容Co輸出電 壓。然而由于在該電路的初始狀態(tài)，即該電路還未加電工作的時刻，直流輸入電壓Vin為零，輔助電源Vaux和控制/驅(qū)動模塊C&D也未提供控制信號給Q1和Q2，這樣，Q1和Q2的柵極源極電壓也為零，因此Q1和Q2處于導通狀態(tài)。而當該電路加電時，也即Vin開始建立，不等于零時，由于Vaux和C&D建立控制信號的時間落后于Vin，也即Q1和Q2的柵極源極電壓并未達到使其保持關(guān)斷狀態(tài)的負壓，則Q1和Q2上的電流會從Vin的正極“+”直通到地G而導致電路損壞。也就是說，由常通型開關(guān)器件組成的電路存在啟動問題。

基于圖1，圖2是說明一種采用電子開關(guān)解決由常通型開關(guān)器件組成的電路的啟動問題的示意圖。如圖2中所述，在Vin、Q1和Q2形成的回路中串聯(lián)了一個電子開關(guān)Qin。Qin為常閉型開關(guān)，如由Si制作的金屬氧化物半導體(MOS)器件。由于加電前，常閉型開關(guān)器件的柵極電壓為零，處于關(guān)斷狀態(tài)。當Vin加電時，在C&D完全建立控制信號前，Qin都處于關(guān)斷狀態(tài)，這樣就不會發(fā)生Q1和Q2直通現(xiàn)象，即可保證電路安全。而當Vaux和C&D完全建立控制信號后，也即此時Q1和Q2的驅(qū)動信號開始正常工作后，則使Qin長期導通。這樣就實現(xiàn)了電路的安全啟動。但這樣的不足是，Qin的電壓應(yīng)力與Q1和Q2一樣，均為Vin。而Qin通常為Si的MOS器件，在與寬禁帶半導體器件如GaN的MOS器件電壓等級一樣的情況下，其通態(tài)電阻造成的損耗不容忽視。這種電子開關(guān)通常不是作為功率轉(zhuǎn)換電路的用于實現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換的開關(guān)器件，而是常通型器件應(yīng)用時的輔助電子開關(guān)，該電子開關(guān)的工作頻率相對會較低，通常低于1KHZ。

為了解決額外增加的Si器件的耐壓問題，以及為了使GaN器件可以直接替代傳統(tǒng)的Si的MOS器件而無需改變控制和驅(qū)動方案，提出了圖3的方案。圖3是說明一種通過將常閉型開關(guān)器件與常通型開關(guān)器件串聯(lián)作為一個組合來簡單替換電路中的常閉型開關(guān)器件的示意圖。如圖3中所示，耐壓40V的常閉型Si開關(guān)器件QL與耐壓600V的常通型GaN開關(guān)器件QH串聯(lián)形成一個組合，QH的源極與QL的漏極連接在一起，QH的柵極與QL的源極連接在一起，QH的漏極D用作該組合的漏極，QL的源極S用作該組合的源極，該組合可具備類似于傳統(tǒng)Si器件的常閉控制特性，又利用了GaN器件 的一些優(yōu)點。但是，圖3所示的方案增加了電路的驅(qū)動損耗、回路電感、電磁干擾、反向恢復(fù)損耗，另外很難進行器件的參數(shù)搭配，無法充分發(fā)揮出GaN器件的優(yōu)良特性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明相對于傳統(tǒng)常通型的應(yīng)用，在此提供了一種常通型器件在功率轉(zhuǎn)換器裝置中應(yīng)用的一種方式。在此，本發(fā)明提供了一種功率變換器裝置，不同于傳統(tǒng)的功率變換器裝置，此種功率變換器裝置中用于電源轉(zhuǎn)換的開關(guān)器件至少包括兩個開關(guān)器件，該兩個開關(guān)器件一種是常通型開關(guān)器件，該常通型開關(guān)器件的工作頻率大于1KHZ；另一種是一個常閉型開關(guān)器件，該常閉型開關(guān)器件的工作頻率大于1KHZ。該功率變換器裝置中的控制器，分別輸出第一控制信號和第二控制信號，以對應(yīng)地控制常通型開關(guān)器件和常閉型開關(guān)器件，使得在第一控制信號控制常通型開關(guān)器件關(guān)閉后第二控制信號控制常閉型開關(guān)器件導通。

在此提供的功率變換器裝置中，使電路中的開關(guān)器件中常通型器件和常閉型搭配使用，實現(xiàn)常通性器件的應(yīng)用，在不改變功率變換器裝置的電路結(jié)構(gòu)的同時，有利于提高開關(guān)電源的效率。

附圖說明

圖1是說明一種傳統(tǒng)的常通型開關(guān)器件應(yīng)用于Buck電路的示意圖；

圖2是說明一種傳統(tǒng)的采用電子開關(guān)解決常通型開關(guān)器件應(yīng)用于Buck時的啟動問題的示意圖；

圖3是說明另一種傳統(tǒng)的解決常通型器件作為開關(guān)器件應(yīng)用時的傳統(tǒng)方式示意圖；

圖4是說明根據(jù)本發(fā)明第一實施例的功率變換器裝置的示意圖；

圖5是說明根據(jù)本發(fā)明第一實施例的功率變換器裝置的工作時序的示意圖；

圖6是說明根據(jù)本發(fā)明第二實施例的功率變換器裝置的示意圖；

圖7是說明根據(jù)本發(fā)明第二實施例的功率變換器裝置的工作時序的示意 圖；

圖8是說明根據(jù)本發(fā)明第三實施例的功率變換器裝置的示意圖；

圖9是說明根據(jù)本發(fā)明第四實施例的功率變換器裝置的示意圖；

圖10是說明根據(jù)本發(fā)明第五實施例的功率變換器裝置的示意圖；

圖11是說明根據(jù)本發(fā)明第六實施例的功率變換器裝置的示意圖；

圖12是說明根據(jù)本發(fā)明第七實施例的功率變換器裝置的示意圖；

圖13是說明根據(jù)本發(fā)明第八實施例的功率變換器裝置的示意圖；以及

圖14是說明根據(jù)本發(fā)明第九實施例的功率變換器裝置的示意圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合圖4至圖14詳細描述本發(fā)明，其中，相同的附圖標記表示相同或相似的設(shè)備或信號，另外，作為連接導線的線段之間如果存在交叉點，那么交叉點上帶有黑點“·”則表示所述交叉點是連接點，交叉點上不帶有黑點“·”則表示所述交叉點不是連接點而僅僅是相互穿越；各元件的符號不但代表所述元件自身，還可以表示所述元件的容量的代數(shù)符號。

這里本發(fā)明所限定的器件或器件組合不同于圖2中所示的Qin。Qin的耐壓等級必須大于等于Vin，而且工作頻率相對較低(例如通常在10HZ以下)，遠低于該電路中用于形成功率轉(zhuǎn)換器橋臂的開關(guān)元件的工作頻率(如1KHZ以上)。而本發(fā)明所限定的器件或器件組合雖然其耐壓等級也大于等于Vin，但其自身為形成功率轉(zhuǎn)換器部分橋臂的開關(guān)元件，其工作頻率等于功率轉(zhuǎn)換器開關(guān)工作頻率之一，通常是1kHZ以上，而且不是如圖2中所示的額外設(shè)置的電子開關(guān)。

下面將結(jié)合圖4至圖14詳細描述本發(fā)明提供的功率轉(zhuǎn)換器裝置。

如圖4中所示，根據(jù)本發(fā)明第一實施例的功率變換器裝置中，功率變換器裝置至少包括兩個開關(guān)器件SW(為便于描述，這里只用了一個虛線框表示)和一控制器Ctr，控制器Ctr控制該兩個開關(guān)器件SW的通與斷實現(xiàn)輸入電壓Vin至輸出電壓Vout的轉(zhuǎn)換。開關(guān)器件SW包括：至少一個常通型開關(guān)器件Qon，常通型開關(guān)器件的工作頻率例如大于1KHZ；以及至少一個常閉型開關(guān)器件Qoff，常閉型開關(guān)器件Qoff的工作頻率例如大于1KHZ，且常通 通型開關(guān)器件Qon與常閉型開關(guān)器件Qoff串聯(lián)連接?？刂破鰿tr，分別輸出第一組控制信號Sig1和第二組控制信號Sig2以對應(yīng)地控制常通型開關(guān)器件Qon和常閉型開關(guān)器件Qoff，使得在第一控制信號Sig1控制常通型開關(guān)器件Qon關(guān)閉后第二控制信號Sig2控制常閉型開關(guān)器件Qoff導通。

圖5是說明根據(jù)本發(fā)明第一實施例的功率變換器裝置的工作時序的示意圖。如圖5中所示，Vin為輸入電壓的波形，第一組控制信號Sig1和第二組控制信號Sig2分別為常通型開關(guān)器件Qon和常閉型開關(guān)器件Qoff的柵極源極驅(qū)動電壓波形。如圖5中所示，在t0時刻，Vin等于0，Sig1和Sig2都為0，這樣常通型開關(guān)器件Qon處于導通狀態(tài)，常閉型開關(guān)器件Qoff處于關(guān)斷狀態(tài)。在t1時刻，Vin開始建立，此時Sig1和Sig2都仍舊為0。在t2時刻，Sig1開始出現(xiàn)負壓，也即常通型開關(guān)器件Qon處于關(guān)斷狀態(tài)，建立關(guān)斷能力，此時，Sig2仍舊為0，也即常閉型開關(guān)器件Qoff仍舊維持關(guān)斷狀態(tài)。在t3時刻，Sig2開始出現(xiàn)正脈沖，也即加電狀態(tài)完成，電路進入正常工作狀態(tài)，此時，常閉型開關(guān)器件Qoff開始進入正常的高頻工作狀態(tài)。其中常閉型開關(guān)器件Qoff與常通型開關(guān)器件Qon的工作頻率可以相同，也可以不同。圖6中縱軸上的“1”表示驅(qū)動該器件開通，“0”表示驅(qū)動該器件關(guān)斷。

如圖5中所示，在常通型開關(guān)器件Qon的驅(qū)動電壓未能給予關(guān)斷能力前，常閉型開關(guān)器件Qoff處于將Vin和常通型開關(guān)器件Qon隔離的工作狀態(tài)下，確保了電路的安全。在常通型開關(guān)器件Qon的驅(qū)動驅(qū)動電壓可以給予關(guān)斷能力后，常閉型開關(guān)器件Qoff處于正常高頻工作狀態(tài)之下，此時常通型開關(guān)器件Qon也處于高頻工作狀態(tài)之下。也就是說，常閉型開關(guān)器件Qoff從長期關(guān)閉狀態(tài)(即t0到t3期間)開始第一次開通的時刻(即t3)延遲于常通型開關(guān)器件Qon從長期開通狀態(tài)(即t0到t2期間)開始第一次關(guān)斷的時刻(即t2)，兩個時刻之間的時間間隔為DL1。這樣，DL1的存在即可保證電路可靠啟動正常工作。

該功率轉(zhuǎn)換器裝置中使用電路中原有的具備電壓阻斷能力的常閉型開關(guān)器件Qoff來實現(xiàn)常通型開關(guān)器件Qon的直接使用，電路結(jié)構(gòu)簡單，且可以直接充分發(fā)揮出常通型開關(guān)器件Qon的優(yōu)良特性，提高整個功率轉(zhuǎn)換器裝置的效率。

同樣，為了電路安全，如圖5中所示，常通型開關(guān)器件Qon從高頻工作受控狀態(tài)轉(zhuǎn)為失去關(guān)閉能力狀態(tài)的時刻t5，延遲于常閉型開關(guān)器件Qoff進入長期關(guān)閉狀態(tài)的時刻t4，這兩個時刻之間的時間間隔為DL2，從而確保了電路的可靠關(guān)閉。

為便于理解本發(fā)明，下面將通過更具體的例子來描述本發(fā)明。

圖6是說明根據(jù)本發(fā)明第二實施例的功率變換器裝置的示意圖。圖7是說明根據(jù)本發(fā)明第二實施例的功率變換器裝置的工作時序的示意圖。

如圖7中所示，第二實施例中功率變換器裝置為一直流/直流變換器裝置。該直流/直流變換器裝置包含了級聯(lián)的兩級架構(gòu)。

前一級D2D變換器例如為隔離型直流變換器(DCX)Tri，包括：常閉型開關(guān)器件Si1、Si2、Si3和Si4；輸入電容Cin；諧振電感Li；諧振電容Ci；變壓器Ti和中間電容Cbus，它們的連接關(guān)系如圖中所示。Tri接收輸入電壓Vin+和Vin-，且在中間電容Cbus上產(chǎn)生中間電壓Vbus+和Vbus-。

后一級D2D變換器例如為非隔離式負載點變換器(POL)Tra，包括：常通型開關(guān)器件Sa1和Sa2；儲能電感La和輸出電容Cout，它們的連接關(guān)系如圖中所示。Tra接收中間電壓Vbus+和Vbus-，且在輸出電容Cout上產(chǎn)生輸出電壓Vout+和Vout-。

根據(jù)第二實施例的直流/直流變換器裝置還包含控制器Ctr、第一驅(qū)動模塊Dr1、第二驅(qū)動模塊Dr2和輔助電源Vaux。其中，Vaux為Ctr提供工作電壓，可以是不同于輸入電壓Vin+和Vin-的另一個電源，Ctr分別產(chǎn)生第一組控制信號Sig11(這里分別用DR1到開關(guān)器件Sa1和Sa2各自柵極的兩條細實線表示)和第二組控制信號Sig12(這里分別用DR1到開關(guān)器件Si1、Si2、Si3和Si4各自柵極的四條細實線表示)。其中第一組控制信號Sig11經(jīng)由第一驅(qū)動模塊Dr1對應(yīng)地控制常通型開關(guān)器件Sa1和Sa2，以及第二組控制信號Sig12經(jīng)由第二驅(qū)動模塊Dr2對應(yīng)地控制常閉型開關(guān)器件Si1、Si2、Si3和Si4。

在圖6所示的兩級電路中，每級中的開關(guān)器件必須在時序上互相配合才能分別產(chǎn)生各自的輸出電壓，即中間電壓Vbus+和Vbus，以及輸出電壓Vout+和Vout-，而兩級電路間的開關(guān)元件則沒有必須的時序配合關(guān)系，也即彼此 間可以配合也可以不配合。

通常，圖6所示的兩級電路中間會連接有能量存儲單元，該能量存儲單元至少包含一個容性元件，如電容Cbus，以利前后級電路能量傳遞。一般說來前級電路在該能量存儲單元，尤其是該容性器件上產(chǎn)生一個電壓，作為前級的輸出以及后級的輸入。很顯然，當多級電路級聯(lián)時，對于后級電路來講，前級電路天然就具備了前文中所述的常閉型開關(guān)器件的功能。

如圖6中所示，前級電路Tri為有隔離作用的D2D變換器，可以是諧振型電路例如半橋諧振電路(LLC)，也可以是脈沖寬度調(diào)制(PWM)電路，例如半橋，全橋，返馳式(Flyback)，正激式(Forward)變換器等電路。此外，該前級電路可以工作于開環(huán)狀態(tài)(如DCX)或者閉環(huán)狀態(tài)。當然，前級電路可以為帶變壓器的隔離型電路，也可以為不隔離型電路。后級為由Buck電路組成的POL，也可以以閉環(huán)或者開環(huán)方式工作。以DCX+POL架構(gòu)為例，由于DCX有原副邊隔離阻斷的能力，DCX即可視為常閉型開關(guān)器件。如圖6中所示，前級電路的開關(guān)元件都采用了常閉型器件。因此，作為后級的POL的所有開關(guān)器件，均可以直接使用常通型器件，即視為常通型器件。只要按圖6處理好常通型器件和常閉型器件的時序，而無需像前述的各種現(xiàn)有技術(shù)那樣額外增加功率器件。

如圖7中所示，圖6的功率變換器裝置的工作過程可以是這樣：由于常閉型開關(guān)器件Si1、Si2、Si3和Si4為常閉型隔離器件組合，在Vin上電時，也即t1時刻，即便常通型開關(guān)器件Sa1和Sa2不具備自我阻斷能力(如圖7中所示，Sig11＝0)，此時，由于Sig12＝0，也即常閉型開關(guān)器件Si1、Si2、Si3和Si4處于關(guān)斷狀態(tài)，能獨自承擔Vin，使得常通型開關(guān)器件Sa1和Sa2的真正意義上的輸入電壓Vbus也即前后級電路之間的能量存儲單元Cbus上的電壓保持近零電位，從而不會對常通型開關(guān)器件Sa1和Sa2造成傷害。當常通型開關(guān)器件Sa1和Sa2的驅(qū)動電壓在t2時刻可以提供關(guān)斷信號，即柵極電壓低于關(guān)斷閥值如-5V后，由于常通型開關(guān)器件Sa1和Sa2可以因此自主關(guān)斷，則可以讓常閉型開關(guān)器件Si1、Si2、Si3和Si4開始正常高頻工作，使得Vbus開始上升，常通型開關(guān)器件Sa1和Sa2所在的后級電路如Buck電路也可以開始正常高頻工作。如圖7中所示，常通型開關(guān)器件Sa1和Sa2開始 高頻工作的時間晚于閉型開關(guān)器件Si1、Si2、Si3和Si4，延遲了DL1，即在t3之后。事實上，常通型開關(guān)器件Sa1和Sa2的柵極可以更早開始施加高頻驅(qū)動電壓，如t2即開始。這樣，只要將原有電路中的各器件的驅(qū)動電壓上電時序合理安排，就可以在電路的部分位置處直接使用常通型器件，幾無額外代價。

同樣，為了電路安全，如圖7中所示，常通型開關(guān)器件Sa1和Sa2從高頻工作受控狀態(tài)轉(zhuǎn)為失去關(guān)閉能力狀態(tài)的時刻t6，延遲于閉型開關(guān)器件Si1、Si2、Si3和Si4進入長期關(guān)閉狀態(tài)的時刻t5，這兩個時刻之間的時間間隔為DL2，從而確保了電路的可靠關(guān)閉。

圖8是說明根據(jù)第三實施例的功率變換器裝置的示意圖。如圖8中所示，圖8的方案是圖6方案的進一步改進，將常通型開關(guān)器件的使用范圍擴展到了前一級隔離型直流變換器Tri的變壓器Ti次級的開關(guān)器件Si3和Si4，使得可以更加充分發(fā)揮出常通型開關(guān)器件的優(yōu)良特性。

圖9是說明四例的功率變換器裝置的示意圖。如圖9中所示，圖9的方案是圖8方案的進一步改進，將常通型開關(guān)器件的使用范圍擴展到了前一級隔離型直流變換器Tri的變壓器Ti初級的開關(guān)器件Si2，使得可以更加充分發(fā)揮出常通型開關(guān)器件的優(yōu)良特性。

圖10是說明根據(jù)第五實施例的功率變換器裝置的示意圖。如圖10中所示，圖10的方案是圖9方案的變形，將常通型開關(guān)器件的使用范圍擴展到了前一級隔離型直流變換器Tri的變壓器Ti初級的開關(guān)器件Si1，而保留Si2為常閉型開關(guān)器件，使得本領(lǐng)域技術(shù)人員進一步理解本發(fā)明技術(shù)方案在電路設(shè)計上的靈活性。

圖11是說明根據(jù)第六實施例的功率變換器裝置的示意圖。如圖11中所示，圖11的方案是圖8所示方案的進一步改進，僅在前級中有部分開關(guān)器件例如開關(guān)器件Si3和Si4為常通型開關(guān)器件，而在后級直流/直流轉(zhuǎn)換電路的開關(guān)器件中，保留例如開關(guān)器件Sa1和Sa2為常閉型開關(guān)器件，用于防止外部電流倒灌，使得圖11的方案更加適合于例如給蓄電池充電以及多個電源并聯(lián)應(yīng)用的情況。當然，在其他的實施例中后級直流/直流轉(zhuǎn)換電路中也可以僅保留一個開關(guān)器件為常閉型開關(guān)器件，用于防止外部電流倒灌。

圖12是說明根據(jù)第七實施例的功率變換器裝置的示意圖。圖13是說明根據(jù)本發(fā)明第八實施例的功率變換器裝置的示意圖。圖14是說明根據(jù)本發(fā)明第九實施例的功率變換器裝置的示意圖。圖12至圖14中描述了，在本發(fā)明的功率變換器裝置中，前級直流/直流轉(zhuǎn)換電路可以為不隔離調(diào)整D2D轉(zhuǎn)換電路Tra1，后級D2D轉(zhuǎn)換電路可以為隔離不調(diào)整D2D轉(zhuǎn)換電路Tri1。它們所包含的元件及其連接關(guān)系如圖12至圖14中所示，由于其描述過程與前述圖6至圖11類似，因此不再贅述。

根據(jù)本發(fā)明功率變換器裝置，使用電路中原有的具備電壓阻斷能力的常閉型開關(guān)器件來實現(xiàn)常通型開關(guān)器件的直接使用，電路結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，且可以直接充分發(fā)揮出常通型開關(guān)器件的優(yōu)良特性，從而能夠進一步提高開關(guān)電源的效率和功率密度。

雖然已參照典型實施例描述了本發(fā)明，但應(yīng)當理解，這里所用的術(shù)語是說明性和示例性、而非限制性的術(shù)語。由于本發(fā)明能夠以多種形式具體實施，所以應(yīng)當理解，上述實施例不限于任何前述的細節(jié)，而應(yīng)在隨附權(quán)利要求所限定的范圍內(nèi)廣泛地解釋，因此落入權(quán)利要求或其等同范圍內(nèi)的全部變化和改型都應(yīng)為隨附權(quán)利要求所涵蓋。