整流电路以及电源装置的制作方法

以下的公开涉及整流电路以及电源装置。

背景技术：

已知有在用于电源电路的整流元件中，产生瞬态电流的情况。该瞬态电流通过对整流元件施加反向电压而产生。由于该瞬态电流产生损耗，因此正在研究各种对策方法。

在日本专利公开2011-36075号公报以及日本专利公开2013-198298号公报中，公开了一种以降低瞬态电流为一个目的的电路。

例如，在日本专利公开2011-36075号公报中所公开的电路中，为了降低瞬态电流，设置有与整流元件并联的二极管和变压器(transformer)。在日本专利公开2013-198298号公报中，也公开了一种与日本专利公开2011-36075号公报相同的电路。

技术实现要素：

然而，如后述那样，对于用于降低整流电路中的瞬态电流的措施仍存在改进的空间。本发明的一个方式的目的在于有效地降低整流电路中的瞬态电流。

为了解决上述问题，本公开的一个方式所涉及的整流电路为整流电流从第二端子流向第一端子的整流电路，所述整流电路的特征在于，具备：第三端子，其配置在所述第一端子与所述第二端子之间；第一整流元件，其被连接至所述第一端子和所述第二端子；线圈，其被连接至所述第一端子和所述第三端子；第二整流元件，其被连接至所述第三端子和所述第二端子；晶体管，其以源极或发射极连接所述第三端子；电源，其以负极连接所述第二端子；以及第三整流元件，其以阳极连接至所述电源的正极，并以阴极连接至所述晶体管的漏极或集电极。

根据本公开的一个方式的整流电路，可以有效地降低瞬态电流。

附图说明

图1是表示第一实施方式的电源电路的电路构成的图。

图2是表示各电压·电流的波形的图。

图3是将图2的各图表放大表示的图。

图4是用于说明第一至第四工序中的各电流路径的图。

图5是表示比较例的电源电路中的各电压·电流的波形的图。

图6是表示第二实施方式的电源装置的图。

具体实施方式

〔第一实施方式〕

以下，说明第一实施方式的整流电路1和电源电路10。为了便于说明，对与在第一实施方式中说明的构件具有相同功能的构件，在后续的各实施方式中标注相同的附图标记，且不重复其说明。

(整流电路1的目的)

如上所述，通过对整流元件施加反向电压产生瞬态电流。在具有pn结的整流元件中产生的瞬态电流也称为反向恢复电流。

另一方面，即使在没有pn结的整流元件中也产生瞬态电流。在该整流元件中，由于施加反向电压而引起的寄生电容的充电电流作为瞬态电流流通。作为不具有pn结的半导体元件的例子，例举出sic-sbd(schottkybarrierdiode，肖特基势垒二极管)或gan-hemt(highelectronmobilitytransistor，高电子迁移率晶体管)等。

整流电路1是以降低这些瞬态电流为目的而制作的。

(用语的定义)

在说明整流电路1之前，在本说明书中，各术语定义如下。

“正向电压”：是指用于使正向电流流过整流元件的电压。

作为第一个例子，考虑整流元件为二极管的情况。此时，正向电压是指用于使正向电流流过二极管而施加的电压。

作为第二个例子，考虑整流元件为晶体管的情况。在这种情况下，正向电压是指“当栅极截止时，在以漏极为基准将正电压施加到源极的情况下，整流电流导通的电压”。

上述两个例子与下述情况相同：以整流电路1的第一端子ft1(下述)为基准，对第二端子st1(下述)施加正电压。正向电压的大小取决于元件的种类，例如是0.1v至5v。随着正向电压的施加而产生的正向电流的大小取决于线圈等的电感元件的电流，例如是0.1a至100a。

“整流电流”：是指流过整流元件或整流电路的正向电流。

“反向电压”：是指以不流过正向电流的方式施加到整流元件或整流电路的电压。

作为第一个例子，考虑整流元件为二极管的情况。此时，以该二极管中不流过正向电流的方式所施加的电压是反向电压。

作为第二个例子，考虑整流元件为晶体管的情况。此时，反向电压是指“当栅极截止时，以源极为基准对二极管施加的正电压”。

上述两个示例与下述情况相同：以整流电路1的st1为基准，对ft1施加正电压。反向电压的大小取决于电路规格，例如是1v至1200v。

“瞬态电流”：指的是反向恢复电流以及整流元件的寄生电容的充电电流的统称。即，瞬态电流是指当将反向电压施加到整流元件时产生的瞬态的电流。在图1的例子中，可以在fs1和ss1的位置测量瞬态电流。

“整流功能”：表示仅在一个方向上流过电流的功能。

作为第一个例子，考虑整流元件为二极管的情况。在这种情况下，整流功能表示二极管的使正向电流导通并切断反向电流的功能。

作为第二个例子，考虑整流元件为晶体管的情况。在这种情况下，整流功能表示如下功能：在栅极截止时，从源极向漏极的电流导通，并切断从漏极流向源极的电流。因此，与寄生二极管的有无无关。

“整流元件”：统一地表示具有整流功能的元件。

“晶体管功能”：是指根据晶体管的栅极的导通/截止，来切换是否使电流从漏极向源极流通的功能。当然，为了使电流流通，还需要以源极为基准对漏极施加正电压。

此外，在元件是双极晶体管或igbt(insulatedgatebipolatransistor，绝缘栅双极晶体管)等的情况下，可以考虑分别(i)以集电极代替漏极，(ii)以发射极代替源极。

“晶体管元件”：统一地表示具有晶体管功能的元件。mosfet(metaloxidesemiconductorfiledeffecttransistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)和gan-hemt对应于晶体管元件。若是这两者，则兼具有晶体管功能和整流功能。

(电源电路10的构成的概要)

图1是表示第一实施方式的电源电路10的电路构成的图。电源电路10是用于将高压转换为低压的降压dcdc转换器。在电源电路10中，公知的降压dcdc转换器的整流元件被取代为整流电路1。另外，要留意的是下面描述的各数值仅是一个例子。

(电源电路10的高压部的构成)

在高压部中，设有电源hv1和电容器hc1。在以下的说明中，为了简化记载，例如，将“电源hv1”也简单地表示为“hv1”。电源符号的(+)侧表示正极侧，(-)侧表示负极侧。hv1的负极的电压为0v，正极的电压为400v。hc1的静电容为1mf。

(电源电路10的低压部的构成)

在低压部中，设有线圈co1和电容器lc1和负载lo1。co1的电感为1mh，平均电流为12.5a。电容器lc1的静电容为1mf，电压为200v。lo1是一个消耗2.5kw的功率的负载电阻。在电源电路10中，lc1的电压被设计为hv1的电压的1/2倍。

(电源电路10的整流电路1的构成)

一般的整流电路仅具备第一整流元件fr1作为整流元件。相对于此，在整流电路1中，在第一整流元件fr1的基础上，还设置有第二整流元件sr1、第三整流元件tr1、第四整流元件hr1、线圈ac1、晶体管at1、第一电容器afc1和第二电容器asc1和电源av1。

“第一整流元件fr1”是共源共栅型的gan-hemt。fr1的漏极耐压为650v，导通电阻为50mω。在图1的例子中，使用与mosfet(metaloxidesemiconductorfiledeffecttransistor，金属-氧化物半导体场效应晶体管)相同的电路附图标记表示共源共栅gan-hemt。

“第二整流元件sr1”是耐压为650v的sic-sbd。导通起始时刻的sr1的正向电压为0.9v。正向电流流过时的sr1的电阻为50mω。

“第三整流元件tr1”是反向耐压为600v的frd(fastrecoverydiode，快恢复二极管)。导通起始时刻的tr1的正向电压为0.9v。导通时的tr1的电阻是0.1ω。

“第四整流元件hr1”是与tr1相同种类的二极管。

“线圈ac1”是电感为1μh且直流电阻为50mω的线圈。

“晶体管at1”是导通电阻为40mω的mosfet。

“第一电容器afc1”是静电容为100μf的电容器。

“第二电容器asc1”是静电容为1μf的电容器。

“电源av1”是电压为15v的电源。

“第一端子ft1”表示fr1、ac1和afc1之间的电连接点。

“第二端子st1”表示fr1、sr1和av1之间的电连接点。

“第三端子tt1”表示sr1、ac1、at1和asc1之间的电连接点。

“fs1和ss1”表示可以测量整流电路1的电流的部分。在fs1以及ss1中都可以监测到相同的电流值。电流传感器可以使用任何的构成。作为电流传感器，例如，可以使用霍尔元件型电流传感器、ct(currenttransformer，电流变换器)传感器、罗哥夫斯基线圈以及分流电阻等。

(电源电路10的晶体管功能部的构成)

在晶体管功能部中设置有晶体管swt1。作为swt1，使用与fr1相同种类的元件。

电源电路10中的各个元件的栅极端子与后述的图6的控制电路9连接。因此，由控制电路9执行栅极导通/截止的切换。

(比较例的电路构成)

电源电路10r(未图示)是比较例的升压dcdc转换器。电源电路10r使仅以fr1取代电源电路10的整流电路1的构成。首先，说明电源电路10r的动作和瞬态电流，然后说明电源电路10。

(比较例的动作1)

首先，在swt1的导通期间内，开关节点的电压约为400v。因此，对co1施加约200v的电压，并增加线圈电流。该线圈电流按照“hv1的正极→swt1→co1→lo1→hv1的负极”的路径。

(比较例的动作2)

随后，使swt1切换为截止。其结果是，通过co1的电动势使st1的电压比ft1的电压变高约1v。该约1v的电压作为正向电压被施加于fr1，且整流电流从fr1流向co1。该电流按照“lo1→fr1→co1→lo1”的路径。

(比较例的动作3)

接着，使swt1切换为导通。其结果是，开关节点的电压变为大约400v。由此，fr1被施加约400v的反向电压，且流过瞬态电流。

这些动作1至3以100khz的频率重复执行。swt1的占空比为50％。因此，在fr1中以每隔5μsec被交替地施加正向电压和反向电压。

(用于解说整流电路1的动作的图2至图4的说明)

图2是表示整流电路1中的各部分的电压和电流的波形的图表。这些波形表示为公用的时间轴(横轴)。图2所示的波形分别是：

·rfv(整流电路1的电压)：以st1为基准施加到ft1的电压；

·rfi(整流电路1的电流)：从st1流向ft1的电流；

·ac1i(ac1的电流)：从tt1流向ft1的电流；

·sr1i(sr1的电流)：从st1流向tt1的电流；

tr1i(tr1的电流)：从阳极流向阴极的电流。

图2的横轴中示出了第一至第四工序(后述)的时序。

图3是将图2的rfv、rfi、ac1i和sr1i汇总在一个图表中并放大表示的图。在图3中，为了便于放大表示，rfv从图表的上端伸出。

图4是用于说明第一至第四工序中的各电流路径的图。具体地，图4中的400a至400d分别对应于第一至第四工序的电流路径。为了便于图示，在图4中，省略已在图1中标注的各元件的附图标记。

(整流电路1的驱动方法：第一工序至第四工序)

在整流电路1的驱动方法中，按依次执行以下四个工序。

·第一工序：对整流电路1施加正向电压，并流过整流电流的工序；

·第二工序：通过使at1导通，使ac1流过电流的工序；

·第三工序：通过使at1截止，使sr1流过电流的工序；

·第四工序：对fr1施加反向电压，并使整流电流停止的工序。

(第一工序：使整流电路流过整流电流)

在第一工序之前，电流从swt1流向co1。因此，在第一工序中，通过使swt1截止，而使co1产生电动势。通过该电动势，可以对fr1施加大约1v的正向电压。其结果是，可以使整流电流流过fr1。该整流电流流过图4中的400a的rfik所示的路径。

此外，在第一工序中，sr1中流过的电流小于fr1中流过的电流。因此，在图4的400a中，与图4的400c～400d不同地，未图示出sr1i。

此外，在此第一工序中，由于fr1的导通，ft1的电压约为-1v。因此，afc1通过tr1ik路径进行充电。若没有afc1，则该tr1ik几乎不会流通。

(第二工序：使ac1流过电流)

继第一工序之后，通过使at1导通来使ac1i流通。此ac1i是来自tr1的电流和来自afc1的电流之和。即，ac1i流过图4的400b所示的两条路径(ac1ik和ac1im)。通过该第二工序的ac1i，能量被蓄积在线圈中。

(第三工序：使sr1流过电流)

继第二工序之后，通过使at1截止来使sr1i流通。sr1i流过图4的400c所示的路线sr1ik。即，线圈的能量变为sr1i而流通。

sr1i的电流路径也可以从另一个角度进行说明。特别地说明流过图4的400c中的fr1的电流。在图4的400c中的fr1中同时示出了向上的rfik和向下的sr1ik。fr1中流过彼此相反方向的电流，意味着电流值彼此抵消。

(第四工序：对整流电路施加反向电压)

在第四工序中，通过使swt1导通，对整流电路1施加400v的反向电压。作为施加反向电压的方法，可以根据电源电路的种类选择各种方法。

在施加反向电压的同时，产生对fr1的寄生电容进行充电的瞬态电流(反向rfi)。在图4的400d的rfik中所示的路径中流过瞬态电流。另外，虽在图4的400d中省略图示，但是从第四工序的起始时刻起，流过“hv1正极→swt1→co1→lo1→hv1负极”的路径的电流。

在此第四工序中，ft1的电压为400v。因此，afc1的正极电压变为415v。通过tr1阻止从该415v的节点(afc1的正电极)对av1的正电极(15v)的放电。

同样，asc1的正极电压也为415v。通过hr1阻止从该415v节点(asc1的正电极)对av1的正电极(15v)的放电。

(根据fr1i的瞬态电流降低的原理)

在整流电路1中，当sr1i在供fr1的寄生电容充电的路径中流通时，施加反向电压以流过瞬态电流。也就是说，可以通过sr1i和rfi对fr1的寄生电容进行充电。因此，瞬态电流变为减去了sr1i的值。即，与以往相比，可以有效地减小瞬态电流。

(与瞬态电流的比较和降低效果的确认)

与比较例的电源电路10r的瞬态电流和电源电路10的瞬态电流相比，并确认通过整流电路1降低瞬态电流的效果。

(比较例的瞬态电流)

图5是示出作为比较例的电源电路10r的整流电路电压(rfvc)以及整流电路电流(rfic)的波形的图表。图5的图表中的横轴和纵轴的刻度被设定为与图3的图表的刻度相同。

如图5所示，可知，在比较例中，流过了瞬态电流即负25a的rfic。施加到整流电路的电压即反向电压(rfvc)与图3的例子相同地为400v。

(整流电路1的瞬态电流)

参照图3描述电源电路10的整流电路1的瞬态电流。在图3的例子中，瞬态电流(负的rfi)的大小为20a。如此，已确认到：根据整流电路1，与比较例相比可以降低瞬态电流。

(为了使整流电路1有效地动作的改进点1至3)

实施方式1中应用了多个优选的改进点。以下，对这些优选的改进点进行说明。

(改进点1：当整流电流流过整流电路1时，使at1导通)通过使整流电流流过fr1会发生导通损耗。在第一实施方式中，在第二工序中使ac1i流过ac1ik的路径。这是因为如上所述，蓄积用于降低瞬态电流的线圈的能量。该ac1ik在fr1的位置与rfik相反。通过用反方向的电流抵消fr1i，可以降低第二工序中fr1的导通损耗。

(改进点2：通过afc1的导通使tr1i平滑)

afc1不一定要以降低瞬态电流为目的。设置afc1的目的在于减低tr1的导通损耗。在第二工序中，当没有afc1时从tr1i提供ac1i。那时的tr1i变为约10a。若连接afc1，则来自ac1im的电流提供会添加到ac1i中。其结果是，tr1i减小到大约3a。第一工序期间内的tr1i是afc1的充电电流。这样，通过连接afc1使tr1i平滑，从而降低了导通损耗。

(改进点3：用hr1和asc1做成at1的栅极驱动用电源)

at1中也需要栅极驱动用电源。在第一实施方式中，使用hr1和asc1来做成at1的栅极驱动用电源。

在整流电流流过整流电路1的期间内，asc1通过hr1充电，可以确保栅极驱动用电源。asc1的充电路径是“av1的正极→hr1→asc1→ac1→fr1→av1的负极”。

以这种方式，通过简化的电路来做成at1的栅极驱动用电源。

〔变形例：元件的应用范围〕

在第一实施方式中，示例出fr1是共源共栅gan-hemt，sr1是sic-sbd，并且tr1和hr1是frd的情况。这些元件的种类没有特别限定，只要包含于上述各元素的范畴内即可。同样地，swt1的种类也没有特别限定，只要其具有晶体管功能即可。此外，关于整流元件，通过应用通常使用的同步整流，可以降低导通损耗。

〔第二实施方式〕

根据本公开的一个实施方式的整流电路可以应用于使用整流电路的电源电路。作为电源电路的例子，可以例举出斩波电路、逆变电路以及pfc(powerfactorcorrection，功率因数校正)电路等。

图6是示出包括了电源电路10的电源装置100的图。根据整流电路1，可以降低电源电路10·电源装置100的损耗。进一步地，电源电路10包括控制电路9。控制电路9控制设置在电源电路10中的各个元件的导通/截止的切换。也可以通过控制电路9控制设置在电源电路10中的各元件的导通/截止来执行第一至第四工序。

〔总结〕

本公开的方式1所涉及的整流电路为整流电流从第二端子流向第一端子的整流电路，所述整流电路的特征在于，具备：第三端子，其配置在所述第一端子与所述第二端子之间；第一整流元件，其被连接至所述第一端子和所述第二端子；线圈，其被连接至所述第一端子和所述第三端子；第二整流元件，其被连接至所述第三端子和所述第二端子；晶体管，其以源极或发射极连接所述第三端子；电源，其以负极连接所述第二端子；以及第三整流元件，其以阳极连接至所述电源的正极，并以阴极连接至所述晶体管的漏极或集电极。

如上所述，瞬态电流使电路中发生损耗。因此，本申请的发明人基于“线圈的能量与瞬态电流的抑制有关”的构思，提出了上述构成。

根据上述构成，通过使晶体管导通，电流流过线圈，并蓄积能量。然后，通过使晶体管截止，该能量被转换成流向第二整流元件的电流(第二整流元件电流)，并且降低瞬态电流。

这是由于该第二整流元件电流将作为瞬态电流的电流分量在流向由线圈、第二整流元件和第一整流元件形成的路径。

在本公开的方式2所涉及的整流电路中，在所述整流电路流过整流电流的期间内，通过使所述晶体管的栅极导通，所述整流电路的整流电流的一部分流向所述第三整流元件。

根据上述构成，能够使流过第一整流元件或第二整流元件的整流电流换流至第三整流元件。因此，减少了整流电路的导通损耗。

在本公开的方式3所涉及的整流电路中，第一电容器，其以正极连接至所述晶体管的漏极或集电极，并以负极连接至所述第一端子。

根据上述构成，可以使流过第三整流元件的整流电流平滑，从而可以减小导通损耗。

在本公开的方式4所涉及的整流电路中，第二电容器，其以负极连接所述第三端子；以及第四整流元件，其以阳极连接至所述电源的正极，并以阴极连接至所述第二电容器的正极。

根据上述构成，可以使第二电容器的负极和晶体管的源极或发射极设为相同电位的节点。因此，可以将上述第二电容器用于上述晶体管的栅极驱动用电源。

本公开的方式5所涉及的电源装置包括有本公开的一个方式所涉及的整流电路。

根据上述构成，通过使用削減了瞬态电流的整流电路，可以实现削減了损耗的电源装置。

〔附记事项〕

本发明的一个方式不限于上述各实施方式，能在权利要求所示的范围中进行各种变更，将不同的实施方式中分别公开的技术手段适当组合得到的实施方式也包含于本发明的一个方式的技术范围。而且，能够通过组合各实施方式分别公开的技术方法来形成新的技术特征。