專利名稱：功率轉(zhuǎn)換裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于DC電源的功率轉(zhuǎn)換裝置，該功率轉(zhuǎn)換裝置使用諸如功率MOSFET的開關(guān)元件。
背景技術(shù)：
逆變器、DC-DC轉(zhuǎn)換器等用作用于DC電源的功率轉(zhuǎn)換裝置，該功率轉(zhuǎn)換裝置使用諸如功率MOSFET的開關(guān)元件。在圖14A中由附圖標(biāo)記90示出和指示一個示意性的功率轉(zhuǎn)換裝置。該功率轉(zhuǎn)換裝置90包括構(gòu)成逆變電路的一相的基本部分的半橋電路。該半橋電路包括高壓側(cè)開關(guān)元 件SWl和低壓側(cè)開關(guān)元件SW2。通過互補(bǔ)性地操作開關(guān)元件SWl和SW2，將DC電壓El轉(zhuǎn)換為AC電壓，以將電功率提供給電感負(fù)載LD?？梢允褂霉β蔒OSFET (金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)、IGBT (絕緣柵雙極晶體管)、SJ-M0SFET(超級結(jié)(super-junction)MOSFET)等作為開關(guān)元件SWl和SW2。開關(guān)元件SWl和SW2具有分別是體二極管的寄生二極管Dl和D2。在驅(qū)動電感負(fù)載LD時，寄生二極管Dl和D2用作續(xù)流二極管(freewheeling diode)。然而該寄生二極管Dl和D2通常具有差的反向恢復(fù)特性。因此，在反向恢復(fù)時間產(chǎn)生在二極管中反向流動的大反向恢復(fù)電流，并且感應(yīng)出浪涌電壓和稱為振鈴(ringing)的共振。功率轉(zhuǎn)換裝置90如圖14B所示進(jìn)行操作，其中以放大的方式示出在開關(guān)元件SWl導(dǎo)通時產(chǎn)生的電流ISl和電壓V2的上升特性。在逆變器電路中，為了防止開關(guān)元件SWl和SW2同時導(dǎo)通而造成電源的短路，通常提供大約幾微秒(ym)的時間段作為如圖14B所示的死區(qū)時間段(ATd)。當(dāng)在續(xù)流電流在死區(qū)時間段ATd期間從電感負(fù)載LD正向流動至寄生二極管D2的情況下開關(guān)元件SWl導(dǎo)通時，將負(fù)載電流切換至流向開關(guān)元件SWl的電流ISl0在該情況下，將反向電壓施加至寄生二極管D2。因此，如由圖14B中的電流ISl和電壓V2的波形所示，疊加了大的反向恢復(fù)電流并產(chǎn)生電流浪涌和電壓浪涌。即使在寄生二極管D2中的少量載流子消失并且寄生二極管D2關(guān)斷之后，由于導(dǎo)電電線的寄生電感和寄生電阻以及開關(guān)元件SWl和寄生二極管Dl的電容而產(chǎn)生振鈴(持續(xù)共振)。在以下專利文獻(xiàn)I中公開了作為開關(guān)電源裝置的一種示例裝置，其解決了反向恢復(fù)電流的上述缺陷，該開關(guān)電源裝置包括主振蕩元件TRl和同步整流元件。專利文獻(xiàn)I JP 2009-273230A (US2011/0018512)專利文獻(xiàn)I公開了圖15A和15B中示出的開關(guān)電源裝置20，圖15A和15B示出圖15C中所示的時間段TD和TE中的操作狀態(tài)。該裝置20配置為抑制恢復(fù)電流。開關(guān)電源裝置20將輸入電壓轉(zhuǎn)換為期望的DC電壓，以給負(fù)載LD提供電功率。它包括與輸入電源E串聯(lián)連接主振蕩元件TRl、互補(bǔ)性地導(dǎo)通和關(guān)斷的同步整流元件SRl以及寄生二極管DSR1，將該寄生二極管DSRl以將電流提供給平滑電路16的方向連接到同步整流元件SRl的兩端，該平滑電路16包括串聯(lián)連接的電感器LO和電容器CO。在寄生二極管DSRl的兩端，設(shè)置整流協(xié)助電路22。該整流協(xié)助電路22由輔助開關(guān)元件Ql和輔助電容器Cl的串聯(lián)電路構(gòu)成，該串聯(lián)電路由控制電路(未圖示)驅(qū)動。通過圖15C中所示的控制脈沖Vga、Vgb以及Vgc來控制主振蕩元件TRl、同步整流元件SRl以及輔助開關(guān)元件Q1。控制脈沖Vga、Vgb以及Vgc的信號電平，并且因此控制元件TRl、SRl以及Ql的導(dǎo)通/關(guān)斷狀態(tài)，以在每個周期時間段改變，該每個周期時間段由圖15C中指示的時間段TA、TB、TC、TD以及TE構(gòu)成。在開關(guān)電源裝置20中，在如圖15A所示的時間段TD中由控制脈沖Vga來關(guān)斷主振蕩元件TR1，并且由控制脈沖Vgb來導(dǎo)通同步整流元件SR1。輔助開關(guān)元件Ql由控制脈沖Vgc來保持關(guān)斷。當(dāng)主振蕩元件TRl從導(dǎo)通狀態(tài)變?yōu)殛P(guān)斷時，電感器LO產(chǎn)生反電動勢。如圖15A中的虛線箭頭所示，電流因此在由電容器CO、負(fù)載LD以及同步整流元件SRl構(gòu)成的路徑中流動。因此，在主振蕩元件TRl的導(dǎo)通狀態(tài)期間在電感器LO中充入的電磁能量被釋放。因?yàn)橥秸髟Rl的導(dǎo)通電阻小，在寄生二極管DSRl中沒有正向流動的正向電流。該正向是用于充電造成反向恢復(fù)電流的反向恢復(fù)電荷。在圖15C的時序圖中從時間段TD改變至?xí)r間段TE的時刻，在主振蕩元件TRl保 持關(guān)斷的同時，同步整流元件SRl也從導(dǎo)通狀態(tài)變?yōu)殛P(guān)斷，并且進(jìn)入死區(qū)時間段狀態(tài)。響應(yīng)于同步整流元件SRl的關(guān)斷時刻，輔助開關(guān)元件Ql如所示地同時導(dǎo)通，或在略微延遲之后導(dǎo)通，該略微延遲在圖中無法辨別。提供該略微延遲以使得在同步整流元件SRl已經(jīng)基本關(guān)斷之后輔助開關(guān)元件Ql基本導(dǎo)通的時刻不會相反。將略微延遲確定為同步整流元件SRl和輔助開關(guān)元件Ql的操作速度以及電路基底(未圖示)上的布線圖的寄生電感和寄生電容的函數(shù)。將該略微延遲調(diào)整為處于從零(O)到死區(qū)時間段ATd的范圍內(nèi)。在時間段TE中的操作中，如圖15B所示，電流流經(jīng)輔助開關(guān)元件Q1。將輔助電容器Cl充電到通常等于電源電壓的電壓，該輔助電容器Cl在由圖15B中的虛線箭頭指示的不同路徑中放電和提供電流。電流穿過輔助開關(guān)元件Q1、電感器L0、電容器CO以及負(fù)載LD。輔助電容器Cl具有大于預(yù)定值的電容。因此，即使在由上述放電將部分電荷釋放時，其兩端的電壓仍保持高于預(yù)定電壓。因此，輔助電容器Cl繼續(xù)其放電操作，并且引起反向恢復(fù)電流的正向電流并不在寄生二極管DSRl中流動。在開關(guān)電源裝置20中，在死區(qū)時間段期間盡可能最早的時刻形成充電電容器CO的放電電流流向負(fù)載LD的路線，以使得不允許負(fù)載電流在寄生二極管DSRl中流動。因此，通過防止充電載流子在同步整流元件SRl保持關(guān)斷時保持在寄生二極管DSRl中，防止反向恢復(fù)電流在主振蕩元件TRl導(dǎo)通時流動。在開關(guān)電源裝置20中，防止引起反向恢復(fù)電流的正向電流在時間段TE中的操作中流向寄生二極管DSR1。因此，能夠抑制由參照圖14B所描述的大反向恢復(fù)電流造成的電流浪涌和電壓浪涌。在開關(guān)電源裝置20中，在如圖15B所示的死區(qū)時間段期間時間段TE中的操作中，將電流持續(xù)提供給由虛線箭頭指示的路徑。因此，輔助電容器Cl需要具有大的電容，并且因此在輔助電容器Cl中出現(xiàn)大的損耗。具體來說，在將電阻器和二極管的時間常數(shù)開關(guān)電路設(shè)置在整流協(xié)助電路中以減輕施加到主振蕩元件TRl等的電流應(yīng)力的開關(guān)電源裝置中，在死區(qū)時間段期間由該時間常數(shù)開關(guān)電路的電阻器造成損耗。專利文獻(xiàn)I還公開了提供略微延遲，以避免輔助開關(guān)元件Ql發(fā)生短路，該短路由同步整流元件SRl的關(guān)斷時刻和輔助開關(guān)元件Ql的導(dǎo)通時刻的顛倒而造成。然而，這樣的略微延遲的最優(yōu)值取決于寄生電感和寄生電容的值。如在開關(guān)電源裝置20中所執(zhí)行的響應(yīng)于同步整流元件SRl的關(guān)斷時刻來最優(yōu)地控制輔助開關(guān)元件Ql的導(dǎo)通是困難的。從安全的角度看也并不是優(yōu)選的。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于提供用于DC電源的使用開關(guān)元件的功率轉(zhuǎn)換裝置。該功率轉(zhuǎn)換裝置抑制由反向恢復(fù)電流造成的電流浪涌和電壓浪涌，執(zhí)行安全并且最優(yōu)的控制并且減少死區(qū)時間段(dead t ime period)中的損耗。為了實(shí)現(xiàn)該目的，一種功率轉(zhuǎn)換裝置用于將DC電源的電功率經(jīng)轉(zhuǎn)換后提供給電感負(fù)載，所述功率轉(zhuǎn)換裝置由一組主電路、輔助電路以及控制電路構(gòu)成。主電路組串聯(lián)連接，并且在所述DC電源的高壓側(cè)和低壓側(cè)連接于所述DC電源，以從所述主電路之間的結(jié)點(diǎn)提供所述電功率。每個主電路包括主開關(guān)元件和并聯(lián)連接于所述主開關(guān)元件的兩端之間的二極管。輔助電路包括輔助開關(guān)元件和與所述輔助開關(guān)元件串聯(lián)連接的電容器。所述輔助電路并聯(lián)連接到所述主電路中包括作為續(xù)流二極管的所述二極管的一個主電路?？刂齐娐吩陂_關(guān)時刻利用死區(qū)時間段來交替導(dǎo)通所述主電路中的所述主開關(guān)元件，以使得在死區(qū)時間段期間兩個所述主開關(guān)元件關(guān)斷。所述控制電路進(jìn)一步在死區(qū)時間段中導(dǎo)通所述輔助開關(guān)元件，以使電容器放電。所述控制電路在所述死區(qū)時間段中相對于基準(zhǔn)時刻提前所述電容器的放電時間段的間隔時導(dǎo)通所述輔助開關(guān)元件。所述基準(zhǔn)時刻是在所述主電路中的所述一個主電路的所述主開關(guān)元件處于關(guān)斷狀態(tài)的情況下導(dǎo)通所述主電路中的另一個主電路的所述主開關(guān)元件的時間點(diǎn)。


在附圖中圖IA和圖IB分別是示出功率裝換裝置的主要部分的電路圖，以及示出圖IA中所示的功率裝換裝置的一個周期操作的時序圖；圖2A和圖2B分別是示出圖IA中所示的功率裝換裝置的詳細(xì)配置的電路圖，以及示出圖2A中所示的功率裝換裝置的重復(fù)的控制周期的時序圖；圖3A、圖3B和圖3C是分別示出圖2B中指示的時間點(diǎn)tal、tb以及tc的電流流動狀態(tài)的電路圖；圖4A和圖4B是分別示出圖2B中指示的時間點(diǎn)td和Te的電流流動狀態(tài)的電路圖；圖5A、圖5B和圖5C是分別示出圖2B中指示的時間點(diǎn)tfl、tf2以及ta2的電流流動狀態(tài)的電路圖；圖6是示出圖2A中所示的功率裝換裝置的變型的電路圖；圖7A和圖7B分別是示出圖IA中所示的功率裝換裝置的變型的電路圖，以及示出圖7A中所示的功率裝換裝置的一個周期操作的時序圖；圖8A和圖8B是示出圖7A中所示的功率裝換裝置的變型的電路圖；圖9是示出圖7A中所示的功率裝換裝置的變型的電路圖；圖10是示出圖7A中所示的功率裝換裝置的變型的電路圖11A、圖IlB以及圖IlC是在圖10中所示的變型中使用的示意性部分的電路圖；圖12是用作用于驅(qū)動三相感應(yīng)電動機(jī)的功率轉(zhuǎn)換裝置的逆變器的電路圖；圖13A和圖13B分別是示出圖12中所示的逆變器的一相的電路圖，以及示出圖13A所示的逆變器的一相的控制流程圖；圖14A和圖14B是示出作為傳統(tǒng)功率轉(zhuǎn)換裝置的一相部分的基本部分的半橋電路的電路圖，以及示出圖14A中所示的功率裝換裝置的一個周期操作的時序圖；以及圖15A、圖15B以及圖15C分別是示出于傳統(tǒng)功率轉(zhuǎn)換裝置的操作狀態(tài)的電路圖，以及示出圖15A和圖15B中所示的傳統(tǒng)功率裝換裝置的操作的時序圖。
具體實(shí)施例方式參照示出半橋電路的圖1A，該半橋電路是逆變器電路的一相的基本部分，由點(diǎn)劃線來指示功率轉(zhuǎn)換裝置100。功率轉(zhuǎn)換裝置100可以應(yīng)用于用于將DC功率逆變?yōu)锳C功率的逆變器或應(yīng)用于DC-DC轉(zhuǎn)換器。功率轉(zhuǎn)換裝置100具有一組(兩個)彼此串聯(lián)連接并且由控制電路10控制的主電路IH和1L。將主電路IH和IL分別設(shè)置在DC電源E的高電位側(cè)和低電位側(cè)。功率轉(zhuǎn)換裝置100轉(zhuǎn)換DC電源E的電功率，以將電功率提供給由控制電路10控制下的電感負(fù)載LD。負(fù)載電流ILD在從主電路IH和IL之間的結(jié)點(diǎn)起的方向上流動。主電路IH和IL分別包括作為第一開關(guān)元件的高壓側(cè)主開關(guān)元件SWl和低壓側(cè)主開關(guān)元件SW2。開關(guān)元件SWl和SW2的每一個例如可以是功率MOSFET、IGBT, SJ-M0SFET等。主電路IH和IL還分別包括二極管Dl和D2。將二極管Dl和D2以反向偏置的方向并聯(lián)連接到開關(guān)元件SWl和SW2的兩端。對該組主電路IH和IL中的開關(guān)元件SWl和SW2繼續(xù)開關(guān)控制，以如圖IB所示地交替地導(dǎo)通。設(shè)置死區(qū)時間段ATd，以使得開關(guān)元件SWl和SW2兩者在開關(guān)時刻保持在關(guān)斷狀態(tài)。在死區(qū)時間段Λ Td期間，主電路IL的二極管D2用作續(xù)流二極管。在主電路IL中的開關(guān)元件SW2處于關(guān)斷狀態(tài)的情況下，主電路IH中的開關(guān)元件SWl在基準(zhǔn)時刻RT導(dǎo)通。功率轉(zhuǎn)換裝置100還包括也由控制電路10控制的輔助電路2L。輔助電路2L由輔助開關(guān)元件SW3和電容器C構(gòu)成，該輔助開關(guān)元件SW3是第二開關(guān)元件，該電容器C并聯(lián)連接到包括二極管D2的主電路IL上。功率轉(zhuǎn)換裝置100配置為使得在死區(qū)時間段Λ Td期間，輔助電路2L中的開關(guān)元件SW3在相對于基準(zhǔn)時刻RT提前C電容器的放電時間段ΛΤ2的時長時導(dǎo)通。在充電時間段Λ Tl期間，通過利用開關(guān)元件SWl的導(dǎo)通狀態(tài)對電容器C充電。分別并聯(lián)并且以反向偏置方向連接到該組主電路IH和IL中的開關(guān)元件SWl和SW2的兩端之間的二極管Dl和D2可以是外部連接到開關(guān)元件SWl和SW2的二極管，或寄生在開關(guān)元件SWl和SW2中的寄生二極管。在使用開關(guān)元件SWl和SW2的寄生二極管的情況下，與使用外部二極管的情況相比，能夠?qū)崿F(xiàn)尺寸減小和成本減少。功率轉(zhuǎn)換裝置100通過互補(bǔ)性地操作開關(guān)元件SWl和SW2來將電功率提供給電感負(fù)載LD。在該操作中，設(shè)置如圖IB所示的大約幾微秒(μπι)的死區(qū)時間段ATd，以使得第一開關(guān)元件SWl和SW2兩者保持在關(guān)斷狀態(tài)，以防止DC電源E通過主電路IH和IL發(fā)生短路。在開關(guān)元件SW2關(guān)斷之后的死區(qū)時間段ATd期間，并聯(lián)并且反向偏置地連接到開關(guān)元件SW2的二極管D2用作續(xù)流二極管。S卩，在死區(qū)時間段ATd期間，允許電流在二極管D2的正向偏置方向從電感負(fù)載LD流動，以使得負(fù)載電流ILD持續(xù)流動。如參照圖14A中所示的功率轉(zhuǎn)換裝置90所描述的，在死區(qū)時間段ATd期間，大續(xù)流電流在作為續(xù)流二極管操作的二極管D2中流動，并且大量電荷(反向恢復(fù)電荷)被充電(存儲或累積)。當(dāng)開關(guān)元件SWl在該情況下導(dǎo)通時，負(fù)載電流切換為在開關(guān)元件SWl中流動的電流。將電壓反向施加到意見作為續(xù)流二極管操作的二極管D2，并且所存儲的反向恢復(fù)電荷的反向恢復(fù)電流流動。因此，反向恢復(fù)電流被疊加在導(dǎo)通的開關(guān)元件SWl的電流上，從而產(chǎn)生如圖14B中所示的電流浪涌和和電壓浪涌。進(jìn)而，感應(yīng)出被稱為振鈴的共振。反向恢復(fù)電流成為大的功率損耗。這些是阻礙功率轉(zhuǎn)換效率提高的主要因素。在使用寄生在元件SWl和SW2中的寄生二極管作為二極管Dl和D2的情況下，寄生二極管的差的反向恢復(fù)特性造成大功率損耗?？梢酝ㄟ^使用將其恢復(fù)(反向恢復(fù))時間設(shè)計為較短的快速恢復(fù)二極管，或通過防止電流浪涌和電壓浪涌來減少功率損耗。然而，這種對于反向恢復(fù)電流的應(yīng)對措施對于抑制功率損耗而言是昂貴的或不足的。振鈴仍然沒有減輕。 因此，輔助電路2L由彼此串聯(lián)連接的開關(guān)元件SW3和電容器C構(gòu)成。將輔助電路2L并聯(lián)連接到包括作為續(xù)流二極管的二極管D2的主電路1L。如圖IB中所示驅(qū)動開關(guān)元件Sff30 S卩，在死區(qū)時間段ATd期間，在相對于基準(zhǔn)時刻RT提前電容器C的放電時間段ΛΤ2的間隔時導(dǎo)通開關(guān)元件SW3?；鶞?zhǔn)時刻RT是在主電路IL的開關(guān)元件SW2處于關(guān)斷狀態(tài)的情況下主電路IH中的開關(guān)元件SWl導(dǎo)通的時刻。在輔助電路2L所并聯(lián)連接的開關(guān)元件SW2從導(dǎo)通狀態(tài)變?yōu)殛P(guān)斷，并且圖IB中所示的死區(qū)時間段ATd開始時，電流在二極管D2的正向中流動，并且將反向恢復(fù)電荷存儲在二極管D2中。這些電荷通過圖IA中的正號⑴和負(fù)號㈠指示。然而，可以對輔助電路2L的電容器C預(yù)充電，如圖IA中分別由六個+和-符號來指示的，并且導(dǎo)通開關(guān)元件SW3，以在放電時間段ΛΤ2中釋放預(yù)充電的電荷，該放電時間段ΛΤ2在死區(qū)時間段期間先于基準(zhǔn)時刻RT。因此，可以在死區(qū)時間段ΛΤ2的最后間隔中的放電時間段ΛΤ2中使在死區(qū)時間段ATd的初始時間段中存儲在二極管D2中的反向恢復(fù)電荷消失。即，可以通過將從電容器C流動到二極管D2的放電電流增大到大于二極管D2中正向流動的續(xù)流電流并且將續(xù)流電流減小至0，來使反向恢復(fù)電荷消失。因此，即使當(dāng)開關(guān)元件SWl在基準(zhǔn)時刻RT導(dǎo)通時，也不會由反向恢復(fù)電荷造成電流浪涌和電壓浪涌，并且能夠消除由反向恢復(fù)電流造成的功率損耗。在功率轉(zhuǎn)換裝置100中，當(dāng)開關(guān)元件SWl導(dǎo)通并且開關(guān)元件SW3處于導(dǎo)通狀態(tài)時，電流從電源E經(jīng)過導(dǎo)通狀態(tài)的開關(guān)元件SWl和輔助電路2L流動到GND。因?yàn)閷㈦娙萜鰿設(shè)置在該電流環(huán)路中的輔助電路2L中，與沒有設(shè)置輔助電路2L的情況相比，減少了由電路基底上的寄生電感造成的持續(xù)共振(振鈴)。與沒有設(shè)置電容器C的情況相比，使得基底上的寄生電感對于振鈴造成較小的影響，并且因此能夠以更大自由度來設(shè)計電路布線。當(dāng)開關(guān)元件SWl導(dǎo)通時，電容器C被重新充電，并準(zhǔn)備進(jìn)行下一次放電。根據(jù)上述功率轉(zhuǎn)換裝置100，輔助電路2L被驅(qū)動為在死區(qū)時間段ATd期間，相對于基準(zhǔn)時刻RT提前放電時間段ΛΤ2的間隔對輔助電路2L的電容器C放電。因此，預(yù)存儲在電容器C中的電荷被盡可能得僅用于消除存儲在二極管D2中的反向恢復(fù)電荷。輔助電路2L的電容器C的電容可以僅小于圖15A和圖15B中所示的開關(guān)電源電路20的輔助電容器Cl的電容。與圖15A和圖15B中所示的傳統(tǒng)開關(guān)電源裝置20中的驅(qū)動控制相比，圖IB中所示的功率轉(zhuǎn)換裝置100中的驅(qū)動控制能夠縮短電流在輔助電路2L的電容器C中流動的時間。因此，與傳統(tǒng)開關(guān)電源裝置20相比，能夠減小并且最小化在死區(qū)時間段期間由輔助電路2L的電容器C造成的損耗。如下所述，功率轉(zhuǎn)換裝置100的驅(qū)動控制容易被優(yōu)化，并且即使當(dāng)放電時間段ΛΤ2和放電電荷變化時也能夠保持安全。功率轉(zhuǎn)換裝置100重復(fù)圖IB中所示的周期，以轉(zhuǎn)換DC電源E的功率，并且將所轉(zhuǎn)換的功率提供給負(fù)載LD。以下將參照圖2A至圖5C詳細(xì)描述每個周期中功率轉(zhuǎn)換裝置100的一系列操作。如圖2A中所示，因?yàn)殚_關(guān)元件SWl和SW2在于減少制造成本，開關(guān)元件SW3優(yōu)選由絕緣柵晶體管構(gòu)成。開關(guān)元件SW3還優(yōu)選由通常具有相同耐受電壓電平的絕緣 柵晶體管構(gòu)成。通常要求開關(guān)元件SWl和SW2具有諸如高速開關(guān)、小的反向恢復(fù)電荷、耐受電壓以及耐受電流的性能特性。開關(guān)元件SW3僅需要具有與耐受電壓以及耐受電流有關(guān)的性能特性。與開關(guān)速度和反向恢復(fù)電荷有關(guān)的性能特性并不是非常的關(guān)鍵。然而，在這種情況下，需要將開關(guān)元件SW3的寄生二極管如圖2A中所示的方向連接。將參照圖2B中所示的時序圖來描述功率轉(zhuǎn)換裝置100在圖3A至圖5C中示出的時間點(diǎn)tal、tb、tc、td、te、tfl、tf2以及ta2的一系列操作。在圖2B中的時間點(diǎn)tal，功率轉(zhuǎn)換裝置100呈現(xiàn)圖3A中所示的狀態(tài)。該狀態(tài)是在開關(guān)元件SWl導(dǎo)通的基準(zhǔn)時刻RTl之后立即出現(xiàn)的狀態(tài)。如圖2B所示，開關(guān)元件SWl處于導(dǎo)通狀態(tài)，開關(guān)元件SW2處于關(guān)斷狀態(tài)，并且開關(guān)元件SW3處于導(dǎo)通狀態(tài)。在該狀態(tài)下，將在開關(guān)元件SWl中流動的電流ISl作為負(fù)載電流ILD提供給負(fù)載LD。電路IC的一部分流向電容器C作為電容器C的充電電流。充電器C在從所示的基準(zhǔn)時刻RTl至開關(guān)元件SW3的關(guān)斷的時間段△!!中是可充電的。然而，充電在圖2B中所示的非常短的時間段ΛΤ3內(nèi)完成，并且之后流向電容器C的電流IC變?yōu)镺。在圖2B中的時間點(diǎn)tb，功率轉(zhuǎn)換裝置100呈現(xiàn)圖3B中所示的狀態(tài)。該狀態(tài)是在開關(guān)元件SW3關(guān)斷之后立即出現(xiàn)的狀態(tài)。在該狀態(tài)中，開關(guān)元件SWl處于導(dǎo)通狀態(tài)，開關(guān)元件SW2處于關(guān)斷狀態(tài)，并且開關(guān)元件SW3處于關(guān)斷狀態(tài)。在該狀態(tài)中，如上所述地完成電容器C的充電，流經(jīng)充電狀態(tài)的電容器C和開關(guān)元件SWl的負(fù)載電流ILD即使在開關(guān)元件SW3關(guān)斷時也不改變。在圖2B中的時間點(diǎn)tc，功率轉(zhuǎn)換裝置100呈現(xiàn)圖3C中所示的狀態(tài)。該狀態(tài)是在開關(guān)元件SWl關(guān)斷之后立即出現(xiàn)的狀態(tài)。開關(guān)元件SWl處于關(guān)斷狀態(tài)，開關(guān)元件SW2處于關(guān)斷狀態(tài)，并且開關(guān)元件SW3處于關(guān)斷狀態(tài)。在該狀態(tài)中，在兩個開關(guān)元件SWl和SW2的關(guān)斷狀態(tài)的死區(qū)時間段ATd中，二極管D2作為續(xù)流二極管操作。二極管D2作為續(xù)流二極管操作。即，即使在開關(guān)元件SWl關(guān)斷之后，負(fù)載電流ILD仍在二極管D2中作為續(xù)流電流的正向持續(xù)流動。二極管D2處于內(nèi)部存儲大量電荷的狀態(tài)。在圖2B中的時間點(diǎn)td，功率轉(zhuǎn)換裝置100呈現(xiàn)圖4A中所示的狀態(tài)。該狀態(tài)是在開關(guān)元件SW2導(dǎo)通并且死區(qū)時間段ATd完成之后立即出現(xiàn)的狀態(tài)。開關(guān)元件SWl處于關(guān)斷狀態(tài)，開關(guān)元件SW2處于導(dǎo)通狀態(tài)，并且開關(guān)元件SW3處于關(guān)斷狀態(tài)。在該狀態(tài)中，將在二極管D2中流動的續(xù)流電流切換到在開關(guān)元件SW2中流動的續(xù)流電流，以使得負(fù)載電流ILD作為流經(jīng)開關(guān)元件SW2的續(xù)流電流持續(xù)流動。已經(jīng)由二極管D2內(nèi)部充電的大量電荷在圖3C中所示的時間點(diǎn)tc處消失。在圖2B中的時間點(diǎn)te，功率轉(zhuǎn)換裝置100呈現(xiàn)圖4B中所示的狀態(tài)。該狀態(tài)是在開關(guān)元件SW2關(guān)斷之后立即出現(xiàn)的狀態(tài)。開關(guān)元件SWl處于關(guān)斷狀態(tài)，開關(guān)元件SW2處于關(guān)斷狀態(tài)，并且開關(guān)元件SW3處于關(guān)斷狀態(tài)。在該狀態(tài)中，死區(qū)時間段ATd再一次開始，并且二極管D2作為續(xù)流二極管操作。因此，二極管D2處于與圖3C所示的時間點(diǎn)tc的狀態(tài)類似地存儲(累 積)大量的電荷(反向恢復(fù)電荷)的狀態(tài)。在圖2B中的時間點(diǎn)tfl，功率轉(zhuǎn)換裝置100呈現(xiàn)圖5A中所示的狀態(tài)。該狀態(tài)是在死區(qū)時間段ATd的期間中輔助電路2L的開關(guān)元件SW3導(dǎo)通之后立即出現(xiàn)的狀態(tài)。開關(guān)元件SWl處于關(guān)斷狀態(tài)，開關(guān)元件SW2處于關(guān)斷狀態(tài)，并且開關(guān)元件SW3處于導(dǎo)通狀態(tài)。在該狀態(tài)中，存儲在輔助電路2L的電容器C中的電荷被釋放，從而消除在圖4B中的時間點(diǎn)te存儲在二極管D2中的反向恢復(fù)電荷。從電容器C釋放的電流IC被部分分支流向負(fù)載LD。流向二極管D2的電流成為消除存儲在二極管D2中的反向恢復(fù)電荷的電流。在圖2B中的時間點(diǎn)tf2，功率轉(zhuǎn)換裝置100呈現(xiàn)圖5B中所示的狀態(tài)。該狀態(tài)接近于開關(guān)元件SWl導(dǎo)通的基準(zhǔn)時刻RT2的狀態(tài)。在該狀態(tài)中，存儲在二極管D2中的所有反向恢復(fù)電荷被釋放，并且反向電荷被存儲以耗盡二極管D2，S卩，以相反極性的電荷對二極管D2充電。先于圖2B中所示的基準(zhǔn)時刻RT2的電容器C的放電時間段Λ Τ2設(shè)定為盡可能短但是足以消除存儲在二極管D2中的反向恢復(fù)電荷。在圖2Β中的時間點(diǎn)ta2，功率轉(zhuǎn)換裝置100呈現(xiàn)圖5C中所示的狀態(tài)。該狀態(tài)是在圖2B中所示的開關(guān)元件SWl導(dǎo)通的基準(zhǔn)時刻RT2之后立即出現(xiàn)的狀態(tài)。在完成一個周期的控制之后，該狀態(tài)與圖3A中所示的時間點(diǎn)tal的狀態(tài)相同。當(dāng)開關(guān)元件SWl在基準(zhǔn)時刻RT2導(dǎo)通，通過在開關(guān)元件SWl中流動的電流IS1，立即對電容器C放電，并且隨后通過流向電容器C的電流IC進(jìn)一步充電。重復(fù)執(zhí)行功率轉(zhuǎn)換裝置100的上述一個周期操作。在開始操作功率轉(zhuǎn)換裝置100的時刻，開關(guān)元件SWl和開關(guān)元件SW2導(dǎo)通以對電容器C進(jìn)行預(yù)充電。在圖14A至圖15C中所示的傳統(tǒng)裝置中，當(dāng)在將反向恢復(fù)電荷存儲在二極管D2中的狀態(tài)下，在死區(qū)時間段Λ Td期間導(dǎo)通開關(guān)元件SWl時，出現(xiàn)如圖14Β中所示的電流浪涌和電壓浪涌。根據(jù)圖I中所示的功率轉(zhuǎn)換裝置100，如圖5Α和圖5Β中所示，在開關(guān)元件SWl導(dǎo)通的基準(zhǔn)時刻RT2處完全消除在死區(qū)時間段的初始時間段中存儲的反向恢復(fù)電荷。因此，如由圖2Β中所示的電流ISl的波形所指示的，在功率轉(zhuǎn)換裝置100中，能夠抑制在基準(zhǔn)時刻RT2由反向恢復(fù)電荷造成的電流浪涌、電壓浪涌以及持續(xù)共振，并且能夠減少由反向恢復(fù)電流造成的功率損耗。執(zhí)行圖5Α和圖5Β中所示的輔助電路2L的驅(qū)動控制，以僅使用電容器C中預(yù)充電的電荷來消除存儲在二極管D2中的反向恢復(fù)電荷。在消除反向恢復(fù)電荷的時刻，盡可能早地導(dǎo)通開關(guān)元件SW1。因此，與圖15Α和圖15Β中所示的傳統(tǒng)開關(guān)電源裝置20相比，功率轉(zhuǎn)換裝置100的驅(qū)動控制有效地縮短了電流流向輔助電路2L的電容器C的時間段。而且，能夠減少并且最小化在死區(qū)時間段期間輔助電路2L的電容器C中的損耗。使用諸如功率MOSFET的開關(guān)元件SWl和SW2的功率轉(zhuǎn)換裝置100用于DC電源Ε。功率轉(zhuǎn)換裝置100能夠抑制由反向恢復(fù)電流造成的電流浪涌、電壓浪涌以及持續(xù)的共振。另外，與傳統(tǒng)的裝置相比，功率轉(zhuǎn)換裝置100能夠安全地并且最優(yōu)地執(zhí)行其控制，并且減少在死區(qū)時間段λ Td期間的功耗。在圖IA中所示的功率轉(zhuǎn)換裝置100中，必需以多于存儲在二極管D2中的反向恢復(fù)電荷的電荷對輔助電路2L的電容器C充電，以使得存儲在二極管D2中的反向恢復(fù)電荷由輔助電路2L的電容器C中預(yù)充電的電荷完全消除。因此，優(yōu)選在死區(qū)時間段Λ Td期間啟動電容器C放電的開關(guān)元件SW3導(dǎo)通的時亥IJ，將電容器C的存儲電荷設(shè)置為多于存儲在作為續(xù)流二極管操作的二極管中的反向恢復(fù)電荷。然而，即使電容器C的存儲電荷少于存儲在二極管D2中的反向恢復(fù)電荷，也能夠獲 得抑制由反向恢復(fù)電荷造成的電流浪涌和電壓浪涌的優(yōu)點(diǎn)?？梢赃M(jìn)一步對電容器C放電，以存儲耗盡二極管D2的反向電荷。因此，如圖5Β所示，在基準(zhǔn)時刻RT耗盡作為續(xù)流二極管操作的二極管D2。因此，能夠有利地執(zhí)行軟開關(guān)操作，以進(jìn)一步減少開關(guān)損耗。功率轉(zhuǎn)換裝置100可以修改為如圖6至圖10所示，該圖6至圖10示出修改的功率轉(zhuǎn)換裝置101至106。在圖6中示出功率轉(zhuǎn)換裝置101。將圖2Β中指示的死區(qū)時間段Λ Td期間的時間點(diǎn)tc或時間點(diǎn)te的電流流動狀態(tài)疊加在電路圖上。代替圖2A中所示的功率轉(zhuǎn)換裝置100的電容器C，功率轉(zhuǎn)換裝置101包括多個并聯(lián)連接的電容器Ca至Ce以及選擇這些電容器組合的開關(guān)元件SW4和SW5。控制電路10包括選擇部件11，該選擇部件11配置為通過測量流向負(fù)載LD的負(fù)載電流ILD，以在導(dǎo)通開關(guān)元件SW3之前選擇多個電容器Ca至Ce的組合中的最優(yōu)的一個，以用于放電時間段Λ T2中。通過根據(jù)反向恢復(fù)電荷量來選擇電容器Ca至Ce的組合，可以優(yōu)化從電容器釋放的充分消除反向恢復(fù)電荷所必需的放電量，該反向恢復(fù)電荷量存儲在二極管D2中并且隨著負(fù)載電流ILD的幅度而變化。在功率轉(zhuǎn)換裝置100和101中，優(yōu)選如圖2Β的時序圖中所示的，在基準(zhǔn)時刻RTl和RT2導(dǎo)通的開關(guān)元件SWl關(guān)斷之前，將輔助電路2L中的開關(guān)元件SW3設(shè)置為關(guān)斷。因此，在保持開關(guān)元件SW3處于導(dǎo)通狀態(tài)的同時，能夠在基準(zhǔn)時刻RTl和RT2開關(guān)元件SWl導(dǎo)通的時刻，切換電容器C和Ca至Ce從放電到充電。因此，能夠以簡化的方式來控制電容器C、Ca至Ce的充電和放電。在功率轉(zhuǎn)換裝置100和101中，圖2Β中所示的放電時間段ΛΤ2例如可以設(shè)定為短于死區(qū)時間段ATd的一半的時間段。為了確定無疑地防止電源E通過主電路IH和IL的短路，如上所述，必需提供大約幾Pm的死區(qū)時間段ATd。電容器C、Ca至Ce的放電時間段ΛΤ2可以設(shè)定為充分短于死區(qū)時間段ATd。因此，通過將電容器的放電時間段設(shè)定為短于死區(qū)時間段ATd的一半，能夠?qū)㈦娏鱅C流向電容器C和Ca至Ce的時間設(shè)定得盡可能短。在圖7A和圖7B中示出功率轉(zhuǎn)換裝置102。功率轉(zhuǎn)換裝置102的基本配置與功率轉(zhuǎn)換裝置100相似。然而，不同之處在于電阻器R添加到輔助電路2L中。即，不同于功率轉(zhuǎn)換裝置100，電阻器R與開關(guān)元件SW3和電容器C串聯(lián)連接。電阻器R用于控制電容器C的充電和放電電流(充電和放電時間段)。即，在不包括電阻器R的功率轉(zhuǎn)換裝置100中，圖IB和圖2B中所示的電容器C的放電時間段△ T2和實(shí)質(zhì)放電時間段ΛΤ3是瞬時的。相反，在包括輔助電路2L中的電阻器R的功率轉(zhuǎn)換裝置102中，減小了圖7B中所示的電容器的充電和放電電流1C，并且放電時間段AT2r和實(shí)質(zhì)充電時間AT3r變得更長。因此，能夠穩(wěn)定電容器C的充電和放電。電阻器R的電阻R需要滿足以下關(guān)系，即，電源電壓(E)除以電阻(R)大于負(fù)載電流(ILD)，E/R> ILD。通過設(shè)置電阻器R，在輔助電路2L的開關(guān)元件SW3和主電路IH的開關(guān)元件SWl處于導(dǎo)通狀態(tài)(緊接著基準(zhǔn)時刻RT之后的電容器C的充電時間)的情況下，形成了從DC電源E經(jīng)過開關(guān)元件SWl和SW2到地的電流路徑。因此，能夠通過抑制振鈴(持續(xù)共振)來減少噪聲。即使在通過功率轉(zhuǎn)換裝置100中的電容器C的放電來完全消除反向恢復(fù)電荷的情況下，因?yàn)樵诨鶞?zhǔn)時刻RT導(dǎo)通的開關(guān)元件SWl的陡峭上升和基底上諸如電子元件的電路布線和引線的寄生電感，仍然出現(xiàn)振鈴。為了抑制振鈴，通過串聯(lián)連接的電容器C、電阻器R以及布線的寄生電感，將指示共振系統(tǒng)持續(xù)振蕩特性的串聯(lián)共振值Q具體設(shè)定為滿足過衰減條件Q < 1/2或臨界衰減條件Q = 1/2。假定電容器C具有電容C，電阻器R具有電阻R并且在基底上的寄生電感是L,則確定C、R以及L的組合，以使得串聯(lián)共振Q值(
權(quán)利要求
1.一種功率轉(zhuǎn)換裝置，用于將DC電源(E)的電功率經(jīng)轉(zhuǎn)換后提供給電感負(fù)載(LD)，所述功率轉(zhuǎn)換裝置包括 一組主電路(1H，1L)，所述主電路(1H，1L)串聯(lián)連接并且在所述DC電源的高壓側(cè)和低壓側(cè)連接至所述DC電源，以從所述主電路之間的結(jié)點(diǎn)提供所述電功率，每個主電路均包括主開關(guān)元件(SW1，SW2)和并聯(lián)連接于所述主開關(guān)元件的兩端之間的二極管(D1，D2)； 輔助電路(2L)，所述輔助電路(2L)包括輔助開關(guān)元件(SW3)和與所述輔助開關(guān)元件串聯(lián)連接的電容器(C)，所述輔助電路并聯(lián)連接于所述主電路中的、包括作為續(xù)流二極管的所述二極管的一個主電路；以及 控制電路(10)，用于在開關(guān)時刻以死區(qū)時間段(ATd)來交替導(dǎo)通所述主電路中的所述主開關(guān)元件，以使得在所述死區(qū)時間段期間兩個所述主開關(guān)元件均關(guān)斷，所述控制電路進(jìn)一步在所述死區(qū)時間段中導(dǎo)通所述輔助開關(guān)元件，以使所述電容器放電， 其特征在于 所述控制電路(10)在所述死區(qū)時間段中相對于基準(zhǔn)時刻(RT)提前所述電容器的放電時間段的間隔(ΛΤ2)導(dǎo)通所述輔助開關(guān)元件，所述基準(zhǔn)時刻是在所述主電路中的所述一個主電路的所述主開關(guān)元件處于關(guān)斷狀態(tài)的情況下所述主電路中的另一個主電路的所述主開關(guān)元件導(dǎo)通的時間點(diǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的功率轉(zhuǎn)換裝置，其中 所述電容器(C)設(shè)置為在所述輔助開關(guān)元件導(dǎo)通的時間點(diǎn)所具有的電荷多于存儲在所述續(xù)流二極管中的反向恢復(fù)電荷。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的功率轉(zhuǎn)換裝置，其中 所述電容器(C)被放電以存儲在所述基準(zhǔn)時刻耗盡所述續(xù)流二極管的反向電荷。
4.根據(jù)權(quán)利要求I至3中任一項(xiàng)所述的功率轉(zhuǎn)換裝置，其中 所述電容器(C)包括多個彼此并聯(lián)連接的電容器(Ca至Ce);以及 所述控制電路(10)測量流向所述負(fù)載的電流并且在所述輔助開關(guān)元件導(dǎo)通之前根據(jù)所測量的電流，選擇在所述放電時間段中使用的所述多個電容器的組合。
5.根據(jù)權(quán)利要求I至3中任一項(xiàng)所述的功率轉(zhuǎn)換裝置，其中 所述控制電路(10)在所述主開關(guān)元件處于所述導(dǎo)通狀態(tài)之前使所述輔助開關(guān)元件關(guān)斷，所述輔助開關(guān)元件在所述基準(zhǔn)時刻已經(jīng)導(dǎo)通。
6.根據(jù)權(quán)利要求I至3中任一項(xiàng)所述的功率轉(zhuǎn)換裝置，其中 所述放電時間段(ΛΤ2)設(shè)定為短于所述死區(qū)時間段的一半。
7.根據(jù)權(quán)利要求I至3中任一項(xiàng)所述的功率轉(zhuǎn)換裝置，其中 所述輔助電路(2L)包括與所述輔助開關(guān)元件和所述電容器串聯(lián)連接的電阻器(R)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的功率轉(zhuǎn)換裝置，其中 所述電容器(C)、與所述電容器串聯(lián)連接的所述電阻器(R)和基底上的寄生電感被設(shè)置為使得串聯(lián)共振值Q滿足過衰減條件Q < 1/2或臨界衰減條件Q = 1/2。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的功率轉(zhuǎn)換裝置，其中 所述電阻器(R)包括多個并聯(lián)或串聯(lián)連接的電阻器(Ra至Rc、Rd至Rf);以及 所述控制電路(10)測量流向所述負(fù)載的電流，并且在死區(qū)時間段期間所述輔助開關(guān)元件導(dǎo)通之前根據(jù)所測量的電流，選擇在所述放電時間段中使用的所述多個電阻器的組合
10.根據(jù)權(quán)利要求I至3中任一項(xiàng)所述的功率轉(zhuǎn)換裝置，其中 所述控制電路(10)測量流向所述負(fù)載的電流，并且在所述死區(qū)時間段期間中在與所述測量的電流相對應(yīng)的時間點(diǎn)使所述輔助開關(guān)元件導(dǎo)通。
11.根據(jù)權(quán)利要求I至3中任一項(xiàng)所述的功率轉(zhuǎn)換裝置，其中 所述控制電路(10)測量在所述續(xù)流二極管中流動的電流，并且在所述死區(qū)時間段中在與所測量的電流相對應(yīng)的時間點(diǎn)使所述主電路中的所述另一個主電路的所述主開關(guān)元件導(dǎo)通。
12.根據(jù)權(quán)利要求I至3中任一項(xiàng)所述的功率轉(zhuǎn)換裝置，還包括 延遲電路(11A至11C)，用于控制所述主開關(guān)元件或所述輔助開關(guān)元件導(dǎo)通。
13.根據(jù)權(quán)利要求I至3中任一項(xiàng)所述的功率轉(zhuǎn)換裝置，其中 所述主開關(guān)元件(SW1，SW2)是絕緣柵晶體管；并且 所述二極管(D1，D2)是寄生于所述絕緣柵晶體管的寄生二極管。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的功率轉(zhuǎn)換裝置，其中 所述絕緣柵晶體管是超級結(jié)MOSFET。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的功率轉(zhuǎn)換裝置，其中 所述輔助開關(guān)元件(2L)是具有與所述主開關(guān)元件相同耐受電壓電平的絕緣柵晶體管。
16.根據(jù)權(quán)利要求I至3中任一項(xiàng)所述的功率轉(zhuǎn)換裝置，其中 所述主電路(1H，1L)構(gòu)成逆變器的一部分，所述逆變器將DC電源的所述電功率轉(zhuǎn)換為提供給所述電感負(fù)載的AC功率；并且 所述輔助電路(2L)并聯(lián)連接至每一個所述主電路。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的功率轉(zhuǎn)換裝置，其中 所述電感負(fù)載(LD)是三相感應(yīng)電動機(jī)(M);以及 該組主電路(1H，1L)設(shè)置在所述電動機(jī)的三相(R，S，T)中的每一相中。
18.根據(jù)權(quán)利要求I至3中任一項(xiàng)所述的功率轉(zhuǎn)換裝置，其中 所述電感負(fù)載(LD)安裝在車輛中；并且 所述DC電源(E)是所述車輛的電池。
全文摘要
本發(fā)明公開一種功率轉(zhuǎn)換裝置(100至107)，包括主電路(1H，1L)，其中開關(guān)元件(SW1，SW2)分別與二極管(D1，D2)并聯(lián)連接。由串聯(lián)連接的第二開關(guān)元件(SW3)和電容器(C)構(gòu)成的輔助電路(2L)與作為續(xù)流二極管操作的二極管(D2)并聯(lián)連接。與輔助電路(2L)相對的主電路(1L)的開關(guān)元件(SW2)設(shè)置為在基準(zhǔn)時刻(RT)導(dǎo)通。輔助電路(2L)的第二開關(guān)元件(SW3)設(shè)置為在死區(qū)時間段(ΔTd)中，相對于基準(zhǔn)時刻(RT)提前電容器(C)的放電時間段(ΔT2)的間隔時導(dǎo)通。
文檔編號H02M3/07GK102655369SQ201210053058
公開日2012年9月5日 申請日期2012年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月4日
發(fā)明者堀江真清, 小林敦, 木村友則, 王帆, 石原秀昭 申請人:株式會社電裝