CN112636595A - 辅助电源电路、电源装置及电源电路 - Google Patents

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Abstract

辅助电源电路(1)从正极连接到开关节点的辅助电源(AV1)接收电力，并且向正极连接到基准电位节点的电容器(AV2)供给电力。辅助电源电路(1)包括连接到基准电位节点和开关节点之间的开关元件(LS1)和阳极连接到电容器(AV2)的负极并且阴极连接到辅助电源的负极的二极管(SD1)。开关节点的电压交替地切换为(i)与基准电位节点的电压大致相同的第一电压和(ii)比该第一电压高的第二电压。

Description

辅助电源电路、电源装置及电源电路
技术领域
以下的公开是关于辅助电源电路、电源装置以及电源电路。
背景技术
辅助电源电路提供辅助电路动作的辅助电源。因为辅助电源被提供给多个不同的节点，所以辅助电源电路的小型化变得重要。
日本特开2015-154682号公报公开了以辅助电源电路的小型化为目的的电路。
具体而言，在日本特开2015-154682号公报中，公开了使用二极管和电容器的自举电路。
发明内容
但是，在以往的小型化的辅助电源电路中，不能输入输出负电压的辅助电源。本公开的一个方面的目的在于提供一种可以输入/输出负电压的辅助电源的辅助电源电路。
为了解决上述的课题，本公开的一个方面所涉及的辅助电源电路从正极连接到开关节点的辅助电源接收电力的同时，向正极连接到基准电位节点的电容器供电，上述辅助电源电路包括开关元件和二极管，上述开关元件连接到上述基准电位节点和上述开关节点之间，上述二极管的阳极连接到上述电容器的负极，并且阴极连接到上述辅助电源的负极，上述开关节点的电压交替地切换为(i)与上述基准电位节点的电压大致相同的第一电压和(ii)比所述第一电压高的第二电压。
另外，为了解决上述的课题，本公开的一个方面所涉及的电源电路是具备本公开的一个方面所涉及的辅助电源电路的电源电路，上述辅助电源电路从正极连接到开关节点的辅助电源接收电力，并且向正极连接到基准电位节点的电容器供给电力，上述辅助电源电路包括连接到上述基准电位节点和上述开关节点之间的开关元件和阳极连接到上述电容器的负极并且阴极连接到上述辅助电源的负极的二极管，上述开关节点的电压交替地切换为(i)与上述基准电位节点的电压大致相同的第一电压和 (ii)比上述第一电压高的第二电压，上述电源电路还包括连接到上述开关节点的第二开关元件，上述电源电路包括上述第一开关元件和上述第二开关元件的半桥结构，上述电源电路还包括第一线圈、第一晶体管元件和第一整流元件，上述电容器的正极连接到上述第一开关元件的阳极和上述第一线圈的一端，上述电容器的负极连接到上述第一晶体管元件的源极或发射极，上述第一晶体管元件的漏极或集电极连接到上述第一线圈的另一端和上述第一整流元件的阳极，上述第一开关元件的阴极与上述第一整流元件的阴极连接，上述电源电路还包括第二线圈、第二晶体管元件和第二整流元件，上述辅助电源的正极连接到上述第二开关元件的阳极和上述第二线圈的一端，上述辅助电源的负极连接到上述第二晶体管元件的源极或发射极，上述第二晶体管元件的漏极或集电极连接到上述第二线圈的另一端和上述第二整流元件的阳极，上述第二开关元件的阴极与上述第二整流元件的阴极连接。
根据本公开的一个方面，提供可以输入/输出负电压的辅助电源的辅助电源电路成为可能。
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是表示辅助电源电路的各电压·电流的波形的图。
图3是表示辅助电源电路的充电电流的路径的图。
图4是表示第二实施方式的电源电路的电路构成的图。
图5是表示第三实施方式的电源装置的图。
具体实施方式
[第一实施方式]
下面将参考图1说明第一实施方式的辅助电源电路1和电源电路10。为了便于说明，在以后的各实施方式中，对与在第一实施方式中说明的部件具有相同功能的部件附加相同的附图标记，不重复其说明。另外，需要注意的是，以下所述的各数值只是一个例子。
(辅助电源电路1的目的)
如上所述，在现有的辅助电源电路中，不能输入输出负电压的辅助电源。负电压的辅助电源是指正极被连接到辅助电源电路的主要节点(例如，基准电位节点或开关节点)的辅助电源。第一实施方式的辅助电源电路1以输入输出负电压的辅助电源为目的而创作。
(术语的定义)
在说明辅助电源电路1之前，在本说明书中，如下定义各术语。
“电源电路”：从输入侧的电源向输出侧的电源进行功率转换的电路。作为一例，从AC230V的电源朝向DC400V的电源进行功率转换的电路。功率转换包括例如已知的交流·直流电转换或交流电频率转换。
“电源装置”：具备电源电路的装置。
“电源”：指从电源电路或电源装置输出的能量(电力)。该电源严格来说不是电路元件，但在电路图上使用电源符号来表示。
“辅助电源电路”：设置在电路内的辅助的电源电路，用于使电源电路或电源装置动作。
“辅助电源”：指从辅助电源电路输出的能量(电力)。虽然该辅助电源严格上不是电路元件，但在电路图上使用电源符号或电容器符号来表示。
“整流元件”：仅向一个方向流通电流的元件。作为整流元件的一个例子，可以列举二极管。
作为整流元件的另一个例子，也可以列举晶体管。具体地说，当整流元件是晶体管时，该整流元件在栅极关闭时使电流从源极导通至漏极，并且用于切断从漏极朝向源极的电流。因此，在另一示例中，可以考虑分别(i)将源极替换为阳极，(ii) 将漏极替换为阴极。
“晶体管元件”：通过MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Filed EffectTransistor)的栅极ON/OFF，切换电流是否从漏极流向源极的元件。另外，在元件为双极晶体管或IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等的情况下，可以考虑分别将(i)漏极置换为集电极，(ii)将源极置换为发射极。
“开关元件”：能够使任意节点(例如：开关节点)的电压发生变化的元件。开关元件包括整流元件和晶体管元件。另外，开关元件还包括磁性元件(例如，变压器的绕组和线圈)。
(电源电路10的构成的概要)
电源电路10是能够在高电压电源和低电压电源之间双向地传输功率的双向DCDC转换器。在该电源电路10中设置有(i) 辅助电源电路1和(ii)用于消耗辅助电源的功率的测试目的的负载。该负载用于辅助电源的动作确认，在电源电路10的实际使用时，被替换为任意的电路(也参照第二实施方式)。
(电源电路10的高电压部的构成)
在高电压部设置有电源HV1和电容器HC1。在以下说明中，为了简化描述，例如，将“电源HV1”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的负极电压为0V，正极的电压为400V。HC1的静电电容为1mF。
在第一实施方式中，将0V作为基准电位。并且，将0V的节点称为基准电位节点。
(电源电路10的低电压部的构成)
低电压部上设置有电源LV1、电容器LC1和线圈CO1。 LV1的电压为200V。LC1的静电电容为1mF。CO1的电感为 1mH，CO1的平均电流为12A。LV1的电压被设计为成为HV1 的电压的1/2。
(电源电路10的开关部的构成)
开关部设有开关元件HS1(第二开关元件)和开关元件LS1 (第一开关元件)。这样，电源电路10包括HS1和LS1的半桥结构。
HS1和LS1的连接点是开关节点。该开关节点连接到CO1 的一端。开关节点的电压通过LS1的开关，以频率100kHz交替切换为第一电压和第二电压。
第一电压和第二电压分别表示开关节点相对于基准电位的电压。第一电压是与基准电位大致相同的电压(约0V)。第二电压是比第一电压高的电压。在第一实施方式中，第二电压约为400V。
本说明书中的第一电压表示相对于基准电位在±5V的范围内的电压。在第一实施方式的示例中，第一电压是-5V以上且 5V以下的范围内的电压。第一电压的范围取决于开关元件(例如LS1)的电压下降量。
HS1和LS1都是级联型的GaN-HEMT。在图1的例子中，使用MOSFET的电路符号来表示级联GaN-HEMT。HS1和LS1 的漏极耐压均为650V，导通电阻为50mΩ。
(电源电路10的辅助电源电路1的构成)
如上所述，辅助电源电路1具备LS1、辅助电源AV1、辅助电源AV2(在第一实施方式中也称为电容器)和二极管SD1。
更详细地说，辅助电源电路1被配置为从正极被连接到开关节点的AV1接收电力(受电)。另外，辅助电源电路1构成为向正极被连接到基准电位节点的AV2供给电力(输电)。在图1的例子中，AV2的上侧的端子是该AV2的正极。这样，辅助电源电路1针对基准电位节点和开关节点，输入输出负电压的辅助电源。
在基准电位节点和开关节点之间，连接有LS1。SD1的阳极连接到AV2的负极(AV2的下侧的端子)。另外，SD1的阴极连接到AV1的负极。
AV1是从使用了绝缘变压器的反激电路(未图示)输出的辅助电源。AV1是相对于开关节点-15V的辅助电源。AV2是相对于基准电位节点-15V的辅助电源。AV2的静电电容为100μF。 SD1的导通开始时刻的正向电压(VF)为0.7V。导通状态下的 SD1的电阻为0.1Ω。
在第一实施方式中，为了验证辅助电源电路1的动作，将作为负载的电阻AL1、AL2连接到辅助电源电路1。AL1和AL2 各自的电阻值为7.5Ω。AL1与AV1并联连接。AL2与AV2并联连接。
(电源电路10的动作的说明)
电源电路10进行与一般的双向DCDC转换器相同的动作。
电源电路10的具体降压动作如下。在以下的说明中，假定LS1 被预先关闭。
(1)首先，通过接通HS1，从HV1的正极，经由HS1、 CO1和LV1，向HV1的负极流通电流。此时，开关节点的电压上升到HV1的电压(第二电压)。(2)接着，通过将HS1切换为OFF，从LV1的负极，经由LS1和CO1，向LV1的正极流通电流。此时，开关节点的电压下降到大致基准电位(第一电压)。在降压动作中，按顺序重复上述(1)和(2)。
另一方面，在电源电路10的升压动作中，切换LS1的导通/关断，从LV1向HV1侧流通电流。在升压动作中，与上述的降压动作的情况相同，开关节点的电压交替地切换为第一电压和第二电压。
(表示辅助电源电路1的动作的图的说明)
参照图2和图3说明辅助电源电路1的动作。图2是表示辅助电源电路1中的四个电压和电流的波形的图形。这些波形在共同的时间轴(横轴)下被示出。该四个波形分别表示：
·SWNV(开关节点电压)：开关节点相对于基准电位的电压；
·LS1I(LS1的电流)：从基准电位节点流向开关节点的电流；
·SD1I(SD1的电流)：从阳极流向阴极的电流；
·AV2V(AV2的电压)：以AV2的正极为基准时的该AV2 的负极的电压。
图3是表示对AV2进行充电时的电流路径的图。
(辅助电源电路1的驱动方法)
在辅助电源电路1的驱动方法中，以下三个工序按照该顺序被执行。
·第一工序：使SWNV降低到大致基准电位(第一电压) 的工序；
·第二工序：流经SD1I给AV2充电的工序；
·第三工序：使SWNV上升至规定的电压(第二电压)的工序；
(第一工序：使SWNV降低到大致基准电位)
在第一工序之前，通过HS1的导通，LS1的寄生电容被充电，LS1的电压上升。由此，SWNV变为400V。因此，通过关断HS1，整流电流流向LS1。由于该电流，LS1的寄生电容放电， LS1的电压降低。由此，SWNV降低到大致基准电位。图2中的时间点“约1.00E-5sec”对应于该下降时间点。从该时间点开始， AV1和AV2的正极的电压均成为基准电位。
(第二工序：流经SD1I给AV2充电)
随着SWNV的下降，SD1I流动以对AV2充电。这是基于以下因素。
AV2是电容器。因此，随着AL2的能量消耗，AV2的电压降低。另一方面，AV1是使用了绝缘变压器的辅助电源电路的输出电源。因此，不会发生AV1的电压降低。其结果是， AV2的电压相对于AV1的电压变小。
因此，如果AV1和AV2各自的正极的电压都成为基准电位，则电流从AV1朝向电压较小的AV2流动。图3的箭头AR1 与该电流路径对应。由于该电流经由SD1流动，因此通过测量SD1I，可以判别AV2的充电。
在图2的期间“约1.00E-5～1.50E-5sec”中，能够确认SD1I 处于流动中。另外，在该期间中，能够确认AV2V从-15V向- 15.1V被充电。
(第三工序：使SWNV上升至规定的电压)
在AV2的充电后，使SWNV的电压上升。通过接通HS1， LS1的寄生电容被充电，LS1的电压上升。由此，SWNV上升至约400V。因此，AV1和AV2各自的正极的电位差成为约400V。因此，SD1I从AV2的负极(约-15V)朝向AV1的负极(385V)，不流动。也就是说，AV2的充电暂时停止。
(用于使辅助电源电路1动作的改进点1～3)
多个优选的改进点适用于第一实施方式。以下，对这些优选的改进点进行说明。
(改进点1：AV1的电压的绝对值小于第二电压)
在第一实施方式中，开关节点的第二电压约为400V。另一方面，AV1的电压的绝对值是15V，比400V小。
假设AV1的电压的绝对值大于第二电压(例如，当AV1 的电压的绝对值为450V时)，则可能向LS1施加高电压。具体而言，在以电源电路10停止的状态使AV1启动的情况下，对LS1的寄生电容进行充电的电流经由SD1流动，开关节点电压上升至450V。该电流的路径如图3的箭头AR1所示。
本来，假定开关节点电压为400V。因此，如上述例子那样，在开关节点电压上升至450V的情况下，由于过电压而产生 LS1损伤的可能性。因此，优选AV1的电压的绝对值小于第二电压。
(改进点2:SD1的寄生电容在AV2的静电电容的1/20以下)
在第一实施方式的例子中，SD1的寄生电容是30pF。在开关节点电压上升的情况下，向该SD1施加反向电压。此时，与该30pF的寄生电容对应的充电电流从AV2的负极流向基准电位节点。因此，AV2放电，其结果是，AV2的电压的绝对值降低。因此，优选将SD1的寄生电容设定得较小。
因此，在第一实施方式中，SD1的寄生电容被设定为AV2 的静电电容的5％(1/20)以下。通过这样设定SD1的寄生电容，能够将上述放电引起的AV2的电压的绝对值的下降率降低到5％左右以内(在可以认为是误差的范围内)。
(改进点3:电流从基准电位节点经由LS1向开关节点流通时，电流经由SD1从AV2的负极流向AV1的负极)
通过LS1作为整流元件向CO1流通整流电流，从而使LS1 产生导通损失。该整流电流的朝向是从基准电位节点朝向开关节点的方向。另一方面，AV2的充电电流(SD1I)的朝向在LS1 的位置上，与上述整流电流的朝向相反。因此，流经LS1的电流被SD1I抵消。其结果是，LS1的导通损失被减轻。
该抵消后的LS1I可以在图2的时段“约1.00E-5～1.50E-5sec”中确认。可以确认：原本12A流动的电流(CO1的电流)成为减少了约4A的约8A。也就是说，AV2的充电电流(SD1I的4A) 使LS1I减少约4A。
[第二实施方式]
本发明的一个方面涉及的辅助电源电路(例如，辅助电源电路1)也可以用于减少HS1和LS1的各自中所产生的开关损耗。具体地，通过减少HS1和LS1的各自开关时产生的瞬态电流来减少开关损耗。开关时产生的瞬态电流例如是指(i)恢复电流或 (ii)寄生电容的充电电流。
图4的电源电路20与电源电路10相同，是双向DCDC转换器。在电源电路20中，电源电路10的AL1被替换为用于减少HS1中产生的瞬态电流的电路。以下，将针对HS1的瞬态电流减少电路也称为第二瞬态电流减少电路。
同样地，在电源电路20中，电源电路10的AL2被替换为用于减少LS1中产生的瞬态电流的电路。以下，将针对LS1的瞬态电流减少电路也称为第一瞬态电流减少电路。
首先，对第二瞬态电流减少电路进行说明。电源电路20 具备辅助开关AS1(第二晶体管元件)、辅助线圈AC1(第二线圈)和辅助二极管AD1(第二整流元件)。第二瞬态电流减少电路由AS1、AC1和AD1构成。第二瞬态电流减少电路相对于 AV1而设置。
第二瞬态电流减少电路通过以下描述的方法来减少HS1中产生的瞬态电流。首先，通过在瞬态电流流动之前导通AS1，使AV1的能量流向AC1，将该能量转换成磁能。接着，通过关断AS1，使磁能变化为经过AD1的电流并流向HS1，从而减少瞬态电流。具体地，可以仅减少流到AD1的电流的瞬态电流。
接着，说明第一瞬态电流减少电路。第一瞬态电流减少电路是与第二瞬态电流减少电路成对的瞬态电流减少电路。电源电路20具备辅助开关AS2(第一晶体管元件)、辅助线圈AC2 (第一线圈)和辅助二极管AD2(第一整流元件)。第一瞬态电流减少电路由AS2、AC2和AD2构成。第一瞬态电流减少电路相对于AV2而设置。第一瞬态电流减少电路通过与第二瞬态电流减少电路同样的动作来减少LS1中产生的瞬态电流。
特别地，通过第二瞬态电流减少电路而实现的HS1的瞬态电流的减少在电源电路20的升压动作时是有效的。另一方面，通过第一瞬态电流减少电路而实现的LS1的瞬态电流的减少在电源电路20的降压动作时是有效的。
通过使用辅助电源电路1，在电源电路20的升压动作和降压动作中，都可以应对瞬态电流的减少。
[第三实施方式]
本发明的一个方面涉及的电源电路(例如，电源电路10)可以应用于多种电源电路。作为电源电路10的应用示例，可以列举逆变电路和图腾柱PFC(Power Factor Correction)电路等。
图5是表示具备电源电路10的电源装置100的图。根据辅助电源电路1，可以向电源电路10和电源装置100提供与负电压对应的辅助电源电路。此外，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上的各元件的ON/OFF的切换。特别地，控制电路9控制HS1和LS1的ON/OFF的切换。
〔总结〕
本公开的方面1所涉及的辅助电源电路从正极连接到开关节点的辅助电源接收电力，并且向正极连接到基准电位节点的电容器供给电力，上述辅助电源电路包括连接到上述基准电位节点和上述开关节点之间的开关元件和阳极连接到上述电容器的负极并且阴极连接到上述辅助电源的负极的二极管，上述开关节点的电压交替地切换为(i)与上述基准电位节点的电压大致相同的第一电压和(ii)比上述第一电压高的第二电压。
根据上述结构，通过开关节点的电压切换为第一电压(例如：基准电位)，从辅助电源的正极经由开关元件和二极管对电容器进行充电。另一方面，在开关节点的电压切换为第二电压的情况下，能够防止电流从开关节点流向辅助电源电路。具体地，在经由二极管和电容器的路径中，电流被二极管切断。另外，在经由开关元件的路径中，由于开关节点的电压是第二电压(比第一电压高的电压)，所以电流不流向该路径。
在本公开的方面2涉及的辅助电源电路中，上述辅助电源的电压的绝对值小于上述第二电压。
根据上述结构，能够防止通过辅助电源对开关元件施加过电压。
在本公开的方面3涉及的辅助电源电路中，上述二极管的寄生电容在上述电容器的静电电容的1/20以下。
根据上述结构，能够减轻开关节点的电压上升时产生的电容器的电压降低。
在本公开的方面4涉及的辅助电源电路中，当电流经由上述开关元件从上述基准电位节点流向上述开关节点时，电流经由上述二极管从上述电容器的负极流向上述辅助电源的负极。
根据上述结构，由于开关元件的电流被降低，因此能够减少该开关元件的导通损失。
本公开的方面5涉及的电源装置具备本公开的一个方面涉及的辅助电源电路。
根据上述结构，能够实现小型化的电源装置。
本公开的发面6所涉及的电源电路是具备本公开的一个方面所涉及的辅助电源电路的电源电路，上述辅助电源电路从正极连接到开关节点的辅助电源接收电力，并且向正极连接到基准电位节点的电容器供给电力，上述辅助电源电路包括连接到上述基准电位节点和上述开关节点之间的开关元件和阳极连接到上述电容器的负极并且阴极连接到上述辅助电源的负极的二极管，上述开关节点的电压交替地切换为(i)与上述基准电位节点的电压大致相同的第一电压和(ii)比上述第一电压高的第二电压，上述电源电路还包括连接到上述开关节点的第二开关元件，上述电源电路包括上述第一开关元件和上述第二开关元件的半桥结构，上述电源电路还包括第一线圈、第一晶体管元件和第一整流元件，上述电容器的正极连接到上述第一开关元件的阳极和上述第一线圈的一端，上述电容器的负极连接到上述第一晶体管元件的源极或发射极，上述第一晶体管元件的漏极或集电极连接到上述第一线圈的另一端和上述第一整流元件的阳极，上述第一开关元件的阴极与上述第一整流元件的阴极连接，上述电源电路还包括第二线圈、第二晶体管元件和第二整流元件，上述辅助电源的正极连接到上述第二开关元件的阳极和上述第二线圈的一端，上述辅助电源的负极连接到上述第二晶体管元件的源极或发射极，上述第二晶体管元件的漏极或集电极连接到上述第二线圈的另一端和上述第二整流元件的阳极，上述第二开关元件的阴极与上述第二整流元件的阴极连接。
〔附记事项〕
本公开的一个方面不限于上述各实施方式，可以在权利要求所示的范围内进行各种变更，且将分别在不同实施方式中公开的技术手段适当组合而得到实施方式也包括在本公开的一个方面的技术范围内。此外，可以通过组合各实施方式中分别公开的技术手段来形成新的技术特征。

Claims (6)

1.一种辅助电源电路，其特征在于，
所述辅助电源电路从正极被连接到开关节点的辅助电源接收电力的同时，向正极被连接到基准电位节点的电容器供电，
所述辅助电源电路包括：
开关元件，其连接到所述基准电位节点和所述开关节点之间；
二极管，其阳极连接到所述电容器的负极，并且阴极连接到所述辅助电源的负极，
所述开关节点的电压交替地切换为(i)与上述基准电位节点的电压相同的第一电压和(ii)比所述第一电压高的第二电压。
2.根据权利要求1所述的辅助电源电路，其特征在于，所述辅助电源的电压的绝对值小于所述第二电压。
3.根据权利要求1或2所述的辅助电源电路，其特征在于，所述二极管的寄生电容在所述电容器的静电电容的1/20以下。
4.根据权利要求1至3的任意一项所述的辅助电源电路，其特征在于，电流经由所述开关元件从所述基准电位节点向所述开关节点流动时，电流经由所述二极管从所述电容器的负极流向所述辅助电源的负极。
5.一种电源装置，其特征在于，具备权利要求1至4的任意一项所述的辅助电源电路。
6.一种电源电路，其具备辅助电源电路，其特征在于，
所述辅助电源电路从正极被连接到开关节点的辅助电源接收电力，同时向正极被连接到基准电位节点的电容器供电，
所述辅助电源电路包括：
第一开关元件，其连接在所述基准电位节点和所述开关节点之间；
二极管，其阳极连接到所述电容器的负极，并且阴极连接到所述辅助电源的负极，
所述开关节点的电压交替地切换为(i)与上述基准电位节点的电压相同的第一电压和(ii)比所述第一电压高的第二电压，
所述电源电路还包括连接到所述开关节点的第二开关元件，
所述电源电路包括所述第一开关元件和所述第二开关元件的半桥结构，
所述电源电路还包括第一线圈、第一晶体管元件和第一整流元件，
所述电容器的正极连接到所述第一开关元件的阳极和所述第一线圈的一端，
所述电容器的负极连接到所述第一晶体管元件的源极或发射极，
所述第一晶体管元件的漏极或集电极连接到所述第一线圈的另一端和所述第一整流元件的阳极，
所述第一开关元件的阴极与所述第一整流元件的阴极连接，
所述电源电路还包括第二线圈、第二晶体管元件和第二整流元件，
所述辅助电源的正极连接到所述第二开关元件的阳极和所述第二线圈的一端，
所述辅助电源的负极连接到所述第二晶体管元件的源极或发射极，
所述第二晶体管元件的漏极或集电极连接到所述第二线圈的另一端和所述第二整流元件的阳极，
所述第二开关元件的阴极与所述第二整流元件的阴极连接。
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