功率电路及电源系统技术方案

一种功率电路、控制方法、电源系统及功率电路的封装结构在此揭露。功率电路包含准级联功率单元。准级联功率单元包含常通式开关、常闭式开关、控制单元、第一开关单元及第二开关单元。常闭式开关以串联方式电性耦接至常通式开关。控制单元的第一端及第三端分别电性耦接至常闭式开关的控制端及常通式开关的控制端。第一开关单元的第一端及第二端分别电性耦接至常通式开关的控制端及常闭式开关的第二端。第二开关单元的第一端及控制端分别电性耦接至控制单元的第二端及常通式开关的第二端。

【技术实现步骤摘要】

本案是关于一种功率电路、控制方法、电源系统及功率电路的封装结构，且特别是关于一种具有准级联架构的功率电路、控制方法、电源系统及功率电路的封装结构。
技术介绍
高效率和高功率密度一直是业界对电源变换装置的要求。高效率代表着减少能量损耗，并有效地利用能源以利于节能减碳与保护环境。高功率密度则代表着体积小、重量轻，减少空间需求，进而减少成本。作为开关电源的重要组成元件之一，有源功率元件的特性对电源的性能就具有非常关键性作用。随着半导体业的持续进步，且基于硅(Si)材料的有源功率元件特性已经接近理论极限，电源特性也因此被提升到相当高的程度。基于碳化硅(SiC)及氮化镓(GaN)等宽禁带材料的功率有源元件有机会具备更小内部阻抗、更小开关损耗及更高的工作温度，可提升效率和功率密度而越来越被关注。碳化硅及氮化镓元件等包含常通型(B卩，栅极电压为零时，元件导通；栅极电压为负时，元件关断)和常闭型(即，栅极电压为正时，元件导通；栅极电压为零时，元件关断)两种。然而，常通型元件的一个最明显的问题，就是如何解决启动的问题。如图1A所示，降压式(Buck)电路10中的开关元件为常通式开关。举例来说，常通式开关(例如:晶体管Ql及晶体管Q2)在栅极电压为零时，为导通状态，而在栅极为负压时为关断。由于在电路的初始状态(即，电路还未供电的时段；输入电源Vin=O),晶体管Ql及晶体管Q2的栅极电压为零伏特，因此晶体管Ql及晶体管Q2处于导通状态。在电路上电时，即输入电源Vin不等于零时，则晶体管Ql及晶体管Q2会贯穿而导致损坏。如图1B所示，即在降压式电路11的输入电源Vin加入常闭式开关(例如:晶体管Qin)。由于供电前，晶体管Qin的栅极电压为零伏特，所以处于关断状态。当输入电源Vin供电时，常闭式开关Qin负责阻断，即可保证安全。当常通式开关的控制信号开始正常工作后，使得晶体管Qin长期导通，这样就实现了安全启动。但不足的是，晶体管Qin的电压应力与晶体管Ql及晶体管Q2 —样，均为输入电源Vin。此外，晶体管Qin通常为硅金属氧化半导体晶体管(Si M0S)，在与氮化镓功率元件的电压等级一样的情况下，晶体管Qin的通态电阻造成的损耗不容忽视，因此较难普及。如图1C所示，降压式电路12为串联(Cascade)结构，为较普遍地被设计在氮化镓(GaN)元件的应用中，特别是在电压较高的情况，例如:耐压600伏特。高压元件串联低压元件(例如:耐压40伏特的元件)形成的结构，可以具备类似于传统硅元件的常闭式元件的较佳控制特性。然而，由于氮化镓元件和硅元件均工作在高频状态，因此控制的损耗是两者相加，也就是，控制的损耗增大。此外，由于硅元件是以串联方式加入，且工作于高频状态，因此直接导致分布电感增大，产生更多电磁干扰。再者，氮化镓元件是依据关断电流来决定关断控制，因此关断电流越大，关断的控制就越快；相对地，关断电流越小，关断控制就越慢，因此无法发挥氮化镓的最佳特性。另外，氮化镓元件本身是没有反向恢复的，但是与其串联的硅元件的二极管具有较大反向恢复，因此会消去氮化镓元件没有反向恢复的优势，使氮化镓元件不适用于反向恢复大的情况。综上所述，如何提升氮化镓元件的能力，以解决控制损耗增大、回路电感增大、反向恢复损牦增大及氮化镓元件特性被限制等问题，进而提升电源变换装置的功率密度或者是变换效率，确实为所属
中亟需克服的重要课题。
技术实现思路
为解决上述的问题，本专利技术提供相对低压的常闭式开关，以协助至少一相对高压的常通式开关在无控制信号时，确实地被阻断，而且在控制信号工作时，仅高压的常通式开关进行高频地开关工作，并使相对低压的常闭式开关保持导通状态，借此解决控制损耗增大、回路电感增大、反向恢复损牦增大及氮化镓元件特性被限制等问题，进而提升电源变换装置的功率密度或者是变换效率。本专利技术的一方面是关于一种功率电路，包含一第一准级联功率单元。第一准级联功率单元包含一常通式开关、一常闭式开关、一控制单元、一第一开关单元及一第二开关单元。常通式开关包含一第一端、一第二端及一控制端。常闭式开关以串联方式电性耦接至常通式开关，包含一第一端、一第二端及一控制端。控制单兀包含一第一端、一第二端、一第三端及一第四端，其中控制单元的第一端电性耦接至常闭式开关的控制端，控制单元的第三端电性耦接至常通式开关的控制端。第一开关单元包含一第一端及一第二端，其中第一开关单元的第一端电性耦接至常通式开关的控制端，第一开关单元的第二端电性耦接至常闭式开关的第二端。第二开关单元包含一第一端及一控制端，其中第二开关单元的控制端电性耦接至控制单元的第二端，且第二开关单元的第二端电性耦接至常通式开关的第二端。依据本专利技术一实施例，其中第一开关单元还包括一控制端，控制端电性耦接至控制单元的第一端以接收控制单元传送的一切换信号。依据本专利技术一实施例，其中控制单元包含一第一控制器及一第二控制器，第一控制器包含一第一端及一第二端，第二控制器包含一第一端及一第二端，第一控制器的第一端及第二端分别为控制单元的第一端及第四端，第二控制器的第一端为控制单元的第三端、第二控制器的第二端为控制单元的第二端。依据本专利技术一实施例，其中第一开关单元为一二极管，第一开关单元的第一端为二极管的阳极，第一开关单元的第二端为二极管的阴极。依据本专利技术一实施例，准及联功率电路还包含一电阻器，电性耦接于常闭式开关的控制端及第二端之间。依据本专利技术一实施例，其中电阻器的阻值可在100欧姆与1000000欧姆之间。依据本专利技术一实施例，功率电路还包含一二极管，其中二极管的阳极电性耦接控制单元，二极管的阴极电性耦接常通式开关的第二端。依据本专利技术一实施例，其中第二开关单元还包括一第二控制端，第二控制端电性耦接至控制单元的第一端以接收控制单元传送的一切换信号。依据本专利技术一实施例，其中第二开关单元包括一第一常闭式开关、一第二常闭式开关、一第三常闭式开关及一电压源，第一常闭式开关、第二常闭式开关和第三常闭式开关中每一者包含一第一端、一第二端及一控制端，第三常闭式开关的控制端自控制单元的第一端接收切换信号，第一常闭式开关的控制端及第二常闭式开关的控制端自控制单元的第二端接收一驱动信号，其中电压源的负极电性耦接至控制单元的第三端，电压源的正极电性耦接至第一常闭式开关的第二端。依据本专利技术一实施例，其中第二开关单元包含一第一常闭式开关、一第二常闭式开关、一电阻器、一电容器及一二极管，第一常闭式开关及第二常闭式开关中每一者包含一第一端、一第二端及一控制端，电阻器电性耦接于控制单元的第二端与第三端之间，第一常闭式开关的控制端及第二常闭式开关的控制端用以自控制单元的第二端接收一驱动信号，第一常闭式开关的第二端电性耦接至二极管的阴极，电容器电性耦接于控制单元的第三端及二极管的阴极之间，二极管的阳极电性耦接至一电压源。依据本专利技术一实施例，其中第二开关单元是整合于控制单元中。依据本专利技术一实施例，功率电路还包含一二极管，电性耦接于常通式开关的第一端及第二端之间，其中二极管的阳极电性耦接至常通式开关的第二端，二极管的阴极电性耦接至常通式开关的第一端。依据本专利技术一实施例，其中控制单元包含一第五端，第五端电性耦接至常通式开关的第一端以检测常通式开关的电流本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种功率电路，其特征在于，该功率电路包含一第一准级联功率单元，该第一准级联功率单元包含：一常通式开关，包含一第一端、一第二端及一控制端；一常闭式开关，以串联方式电性耦接至该常通式开关，包含一第一端、一第二端及一控制端；一控制单元，包含一第一端、一第二端、一第三端及一第四端，其中该控制单元的该第一端电性耦接至该常闭式开关的该控制端，该控制单元的该第三端电性耦接至该常通式开关的该控制端；一第一开关单元，包含一第一端及一第二端，其中该第一开关单元的该第一端电性耦接至该常通式开关的该控制端，该第一开关单元的该第二端电性耦接至该常闭式开关的该第二端；以及一第二开关单元，包含一第一端及一控制端，其中该第二开关单元的该控制端电性耦接至该控制单元的该第二端，该第二开关单元的该第一端电性耦接至该常通式开关的该第二端。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：曾剑鸿，罗昉，
申请(专利权)人：台达电子企业管理上海有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31