开关单元及电源电路的制作方法
【专利摘要】本发明涉及开关单元及电源电路，开关单元具备：常通型的第1开关元件；常断型的第2开关元件，非电位基准侧导通端子连接于该第1开关元件的电位基准侧导通端子；串联电容器，连接在所述第1开关元件的导通控制端子与所述第2开关元件的导通控制端子之间；以及二极管，阳极与所述第1开关元件的导通控制端子连接，阴极与所述第1开关元件与所述第2开关元件的共同连接点连接。
【专利说明】
开关单元及电源电路
技术领域
[0001]本发明的实施方式涉及将常通型的开关元件和常断型的开关元件串联连接而成的开关单元、以及具备该开关单元而构成的电源电路。
【背景技术】
[0002]在例如逆变器或转换器这样的电力变换电路中，作为开关元件使用双极晶体管或FET等。FET包括向栅极-源极间施加驱动电压时导通的常断型、以及在不向栅极-源极间施加驱动电压的OV的状态下导通的常通型。例如GaN_HEMT(Gallium Nitride High ElectronMobility Transistor)在多数情况下是常通型的FET，是具有高的耐电压性且能够高速动作的元件。
[0003]在电源电路等中，从安全性和减少系统中内置的电源相关的元件数的观点出发，使用常断型的元件。一般来说，在使用常通型的开关元件时，多数情况下与常断型的开关元件串联连接，并且将常断型的源极连接到常通型的栅极，由此进行常断型的动作。
[0004]这种情况下，通过常通型元件的源极和常断型元件的漏极的连接点的电位上升，使得常断型的栅极电位相对地下降，元件进行开关动作。如果使常通型的栅极电位相对地下降，则能够得到更稳定的动作(例如参照欧洲专利第2693639号说明书)。但是，这种情况下，常通型元件的动作变得不稳定，可能存在被施加过电压等情况。
【发明内容】
[0005]实施方式的开关单元，具备:常通型的第I开关元件;常断型的第2开关元件，非电位基准侧导通端子连接于该第I开关元件的电位基准侧导通端子；串联电容器，连接在所述第I开关元件的导通控制端子与所述第2开关元件的导通控制端子之间；以及二极管，阳极与所述第I开关元件的导通控制端子连接，阴极与所述第I开关元件与所述第2开关元件的共同连接点连接。
[0006]实施方式的电源电路，具备:常通型的第I开关元件;常断型的第2开关元件，非电位基准侧导通端子连接于所述第I开关元件的电位基准侧导通端子；串联电容器，连接在所述第I开关元件的导通控制端子与所述第2开关元件的导通控制端子之间；二极管，阳极与所述第I开关元件的导通控制端子连接，阴极与所述第I开关元件与所述第2开关元件的共同连接点连接；以及驱动电路，向由以上要素构成的开关单元输出驱动信号，通过所述驱动信号使所述开关单元进行开关动作，由此生成规定电平的电源电压。
【附图说明】
[0007]图1是表示第I实施方式的开关单元的电路图。
[0008]图2是表示开关元件Ql及Q2的漏极-源极间电压Vds的变化的时序图。
[0009]图3是表示开关元件Ql及Q2的栅极-源极间电压Vgs的变化的时序图。
[0010]图4是表示第2实施方式的与图1相当的图。
[0011]图5是表示第3实施方式的与图1相当的图。
[0012]图6是表示第4实施方式的LLC转换器的电路图。
【具体实施方式】
[0013]实施方式的开关单元，具备:常通型的第I开关元件;常断型的第2开关元件，非电位基准侧导通端子连接于该第I开关元件的电位基准侧导通端子；串联电容器，连接在所述第I开关元件的导通控制端子与所述第2开关元件的导通控制端子之间；以及二极管，阳极与所述第I开关元件的导通控制端子连接，阴极与所述第I开关元件与所述第2开关元件的共同连接点连接。
[0014](第丨实施方式)
[0015]以下，参照图1?图3说明第I实施方式。图1示出了开关单元的电构成。开关单元I具备常通型的例如作为HEMT的开关元件Ql和常断型的例如作为N沟道MOSFET的开关元件Q2的串联电路(共源共栅连接)。这些开关元件Ql及Q2由驱动器2驱动。驱动器2的低电位侧输出端子与开关元件Q2的源极(电位基准侧导通端子)连接。驱动器2的高电位侧输出端子与开关元件Q2的栅极(导通控制端子)直接连接，并且经由电容器Cgl与开关元件Ql的栅极连接。开关元件Ql的栅极与二极管Dl的阳极连接，开关元件Ql的源极与二极管Dl的阴极连接。
[0016]在此，电容器Cgl的电容设定为至少比开关元件Ql的输入电容大的值。并且，电容器Cgl的电容优选设定为尽量大的值，以避免在开关元件Ql及Q2的漏电流、或者Ql的漏极及Q2的源极间的电压由于外部因素而成为OV的情况下，电容器Cgl中充电的电荷流失而引起开关元件Ql的驱动不良。通过像这样使用大电容的电容器，能够将开关元件Q2的驱动所需的电压变动幅度以上的电压变动作为开关元件Ql的栅极-源极间电压来施加。
[0017]接下来，参照图2及图3说明本实施方式的作用。图2是表示开关单元I的动作时的开关元件Ql及Q2的漏极(非电位基准侧导通端子)-源极间电压Vds的变化的时序图。图中的单点划线是开关元件Ql，虚线是开关元件Q2。此外，图3是表示与图2对应的栅极-源极间电压Vgs的变化的时序图，图中的单点划线、虚线的对应与图2相同。为了便于说明，设为预先在电容器Cgl中产生与开关元件Ql的驱动电压同等的电位差，开关元件Ql的栅极电位处于比驱动器2侧的电位低的状态。
[0018]首先，说明从驱动器2向开关单元I输入了使开关元件Q2接通的电压的情况、即开通(turn on)时。另外，即使在驱动器2的驱动电压为低电平的断开状态下，也由于开关元件Q2的输出电容被充电，所以开关元件Q2的漏极-源极间电压Vds表现出超过OV的规定的电位。
[0019]在驱动器2的驱动电压成为高电平的开通时，电容器Cgl想要保持该时点的充电电压，所以开关元件Ql的栅极电位上升。这时，开关元件Ql的栅极-源极间电压Vgs的电位差消失。开关元件Ql的电压Vgs有时转为正极性，但是由于二极管Dl处于导通状态，所以不会成为二极管Dl的顺向电压以上。
[0020]在开通后的一定时间内，由驱动器2持续施加将开关元件Q2维持为接通状态的电压(高电平)。这时，电容器Cgl的电容被设定为，不会由于开关元件Ql及Q2的漏电流等而导致电容器Cgl的电荷流失而端子电压较大地下降。
[0021]接着，说明从驱动器2输入了使开关元件Q2断开的电压OV(低电平)的情况、即关断(turn off)时。与开通时同样，电容器Cgl想要保持被充电的电压，所以开关元件Ql的栅极电位下降。这时，二极管Dl被施加的电压成为逆偏压，所以开关元件Ql的栅极-源极间被施加负电压。由此，常通型的开关元件Ql转变为断开状态。然后，断开状态被维持一定时间。这种情况下，与接通状态时同样，电容器Cgl的电容值被设定为，不会由于漏电流等而导致电容器Cgl的电荷流失而开关元件Ql不接通。
[0022]如以上那样，根据本实施方式，将常通型的开关元件Ql和常断型的开关元件Q2串联连接。在开关元件Ql的栅极和开关元件Q2的栅极之间连接电容器Cgl。并且，具备阳极与开关元件Ql的栅极连接、阴极与开关元件Ql及Q2的共同连接点连接的二极管Dl，由此构成了开关单元I。
[0023]由此，能够适当地控制将开关元件Ql及Q2组合而成的电路的通断，并且通过二极管Dl来限制开关元件Ql的栅极-源极间电压Vgs，能够防止过电压。
[0024](第2实施方式)
[0025]图4是第2实施方式，对于与第I实施方式相同的部分，赋予同一符号并省略说明，以下说明不同的部分。第2实施方式的开关单元3中，将第I实施方式的二极管Dl置换为齐纳二极管ZDl，并且与电容器Cgl并联地连接二极管D2 ο 二极管D2的阳极、阴极分别与开关元件Q1、Q2的栅极连接。
[0026]齐纳二极管ZDl的齐纳电压Vz设定为开关元件Ql的阈值电压以上、且开关元件Ql的栅极-源极间电压Vgs的耐压以内。由此，能够保护开关元件Ql不受过电压、以适当的驱动电压进行动作。
[0027]此外，还对开关元件Q2的漏极-源极间电压Vds进行保护，所以以齐纳电压Vz和二极管D2的顺向电压Vf之和至少为电压Vds的耐压以内为条件。在向开关元件Q2的漏极-源极间施加有电压的断开状态下，从驱动器2向开关元件Q2的栅极输入比阈值电压低的电压。这时，漏极-源极间被施加电压(Vz+Vf)和驱动器2的输出电压。如果所述输出电压为电压Vds的耐压以内，则能够保护开关元件Q2。
[0028]如以上那样，根据第2实施方式，将开关单元3构成为，在开关元件Ql的栅极-源极间连接齐纳二极管ZDl，并且相对于电容器Cgl并联地具备二极管D2，该二极管D2的阳极与开关元件Ql的栅极连接。由此，开关元件Q2的漏极-源极间电压Vds也能够被保护而不会成为过电压。
[0029](第3实施方式)
[0030]在图5所示的第3实施方式的开关单元4中，在开关元件Ql的栅极插入有电阻元件Rgl，在驱动器2的高电位侧输出端子和开关元件Q2的栅极之间连接有电阻元件Rg及Rg2的串联电路。此外，相对于开关元件Ql及Q2的串联电路，并联地连接有作为飞轮二极管的肖特基势皇二极管D3。此外，相对于开关元件Q2并联地连接有电容器Csl。各电阻元件Rgl、Rg及Rg2是出于误点火防止及调整开关速度的目的而配置的。此外，电容器Csl是出于开关元件Q2的电容调整及动作的稳定化的目的而配置的。
[0031]如以上那样，根据第3实施方式，对开关元件Ql的栅极插入有电阻元件Rgl，在驱动器2的高电位侧输出端子和开关元件Q2的栅极之间连接有电阻元件Rg及Rg2的串联电路，所以能够防止开关元件Ql及Q2的误点火，并且能够通过它们的电阻值来调整开关单元4的开关速度。
[0032]此外，相对于开关元件Ql及Q2的串联电路，并联地连接有肖特基势皇二极管D3，所以通过开关单元4进行开关动作时，能够在关断时流动回流电流。
[0033](第4实施方式)
[0034]图6所示的第4实施方式中，使用第2实施方式的开关单元3及驱动器2，构成了半桥型的LLC转换器11(开关电源电路)。但是，二极管D2置换成了肖特基势皇二极管。相对于输入电源Vin，并联地连接有电容器Cin，并且并联地连接有开关单元3h及31的串联电路。进而，相对于输入电源Vin，并联地连接有电容器Cresh及Cres I的串联电路。
[0035]变压器12的I次侧线圈Lin连接在开关元件Q2h及Qll的共同连接点与电容器Cresh及Cresl的共同连接点之间。在该2次侧线圈Lout的两端，连接着二极管Drect及电容器Cout的串联电路。电容器Cout与表示负载的电阻元件RL连接。
[0036]例如，设想使用从图1所示的开关单元I除去了电容器Cgl及二极管Dl后的电路来构成同样的LLC转换器的情况。这样，开关元件Qlh或Qll的栅极-源极间电压Vgs变高，所以可能会产生自开通导致的损失。即，在开关单元3h及31中的开关元件Ql及Q2的共源共栅连接的一方或双方处于断开状态时，若开关元件Ql的漏极与开关元件Q2的源极之间的电压成为0V，则各开关元件中充电的电荷被放电。由此，开关元件Ql开通而流动漏极电流，产生自开通损失。
[0037]与此相对，根据LLC转换器11，能够抑制开关元件Ql的栅极-源极间电压Vgs的变化，所以能够防止产生自开通。
[0038]如以上那样，根据第4实施方式，使用开关单元3h及31、以及驱动器2h及21构成LLC转换器11，该LLC转换器11通过上述器件进行开关动作来生成规定电平的电源电压。由此，能够防止产生自开通损失，能够提高LLC转换器11的效率。
[0039](其他实施方式)
[0040]也可以在第2实施方式的构成中追加电容器Csl。
[0041 ]也可以将二极管Dl?D3替换为齐纳二极管。此外，也可以将肖特基势皇二极管D3
替换为二极管。
[0042]也可以将二极管D2替换为电阻元件。
[0043]也可以与电容器Csl并联地连接电阻元件。
[0044]在第3实施方式中，根据需要设置二极管D3即可。此外，对于第I及第2实施方式的构成，也可以根据需要连接二极管D3。
[0045]不限于第4实施方式中的LLC转换器11，也可以由全桥型构成，或者应用于其他形式的开关电源电路。
[0046]开关元件Ql为常通型、开关元件Q2为常断型即可，晶体管可的种类没有限制。
[0047]以上说明了本发明的几个实施方式，但是这些实施方式只是作为例子提示，不意图限定发明的范围。这些新的实施方式能够以其他各种方式来实施，能够在不脱离发明的主旨的范围内进行各种省略、置换、变更。这些实施方式及其变形包含在发明的范围和主旨内，并且包含在权利要求所记载的发明及其等同的范围内。
【主权项】
1.一种开关单元，具备: 常通型的第I开关元件； 常断型的第2开关元件，非电位基准侧导通端子连接于所述第I开关元件的电位基准侧导通端子； 串联电容器，连接在所述第I开关元件的导通控制端子与所述第2开关元件的导通控制端子之间；以及 二极管，阳极与所述第I开关元件的导通控制端子连接，阴极与所述第I开关元件与所述第2开关元件的共同连接点连接。2.如权利要求1所述的开关单元， 所述二极管是齐纳二极管， 还具备相对于所述串联电容器并联、而且阳极与第I开关元件的导通控制端子连接的二极管。3.如权利要求1或2所述的开关单元， 具备连接在所述第2开关元件的导通控制端子与所述串联电容器之间的电阻元件。4.如权利要求3所述的开关单元， 在对所述串联电容器输入高电位驱动信号的路径中具备电阻元件。5.如权利要求1所述的开关单元， 还具备相对于所述第I及第2开关元件的串联电路并联、而且阴极与第I开关元件的非电位基准侧导通端子连接而阳极与第2开关元件的电位基准侧导通端子连接的二极管。6.如权利要求2所述的开关单元， 还具备相对于所述第I及第2开关元件的串联电路并联、而且阴极与第I开关元件的非电位基准侧导通端子连接而阳极与第2开关元件的电位基准侧导通端子连接的二极管。7.如权利要求3所述的开关单元， 还具备相对于所述第I及第2开关元件的串联电路并联、而且阴极与第I开关元件的非电位基准侧导通端子连接而阳极与第2开关元件的电位基准侧导通端子连接的二极管。8.如权利要求4所述的开关单元， 还具备相对于所述第I及第2开关元件的串联电路并联、而且阴极与第I开关元件的非电位基准侧导通端子连接而阳极与第2开关元件的电位基准侧导通端子连接的二极管。9.一种电源电路，具备: 常通型的第I开关元件； 常断型的第2开关元件，非电位基准侧导通端子连接于所述第I开关元件的电位基准侧导通端子； 串联电容器，连接在所述第I开关元件的导通控制端子与所述第2开关元件的导通控制端子之间； 二极管，阳极与所述第I开关元件的导通控制端子连接，阴极与所述第I开关元件与所述第2开关元件的共同连接点连接;以及 驱动电路，向由以上要素构成的开关单元输出驱动信号， 通过所述驱动信号使所述开关单元进行开关动作，由此生成规定电平的电源电压。
【文档编号】H03K17/74GK106059548SQ201610027553
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年1月15日 公开号201610027553.5, CN 106059548 A, CN 106059548A, CN 201610027553, CN-A-106059548, CN106059548 A, CN106059548A, CN201610027553, CN201610027553.5
【发明人】长谷川光平, 安住壮纪
【申请人】株式会社东芝