專利名稱：驅(qū)動(dòng)功率轉(zhuǎn)換設(shè)備中的開關(guān)元件的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種開關(guān)型功率轉(zhuǎn)換設(shè)備中的開關(guān)電路和驅(qū)動(dòng)該開關(guān)電路的方法。具體地講，本發(fā)明涉及一種包含開關(guān)電路的功率轉(zhuǎn)換設(shè)備，其中電流控制型半導(dǎo)體開關(guān)元件被提供有驅(qū)動(dòng)功率，用于響應(yīng)于控制信號(hào)切換半導(dǎo)體開關(guān)元件，并且作為輔助電源的電流互感器(current transformer)連接到該開關(guān)元件，本發(fā)明還涉及一種驅(qū)動(dòng)功率轉(zhuǎn)換設(shè)備的方法。
背景技術(shù)：
從能量的使用效率方面來(lái)看，由于采用半導(dǎo)體開關(guān)元件的功率轉(zhuǎn)換設(shè)備的功率轉(zhuǎn)換效率優(yōu)異，這種功率轉(zhuǎn)換設(shè)備在極廣泛的領(lǐng)域內(nèi)得到了應(yīng)用。在這種功率轉(zhuǎn)換設(shè)備領(lǐng)域中，采用了各種方法來(lái)提高效率。例如，在日本電氣工程師協(xié)會(huì)會(huì)刊(Transactions of the Institute of Electrical Engineers of Japan)、第116-D卷，第12期，1205-1210頁(yè)(1996)中提出，采用一種具有小傳導(dǎo)損耗的晶體管作為開關(guān)電路的開關(guān)元件，連接兩個(gè)這種晶體管來(lái)形成達(dá)林頓(Darlington)連接，其中，兩個(gè)晶體管中的主要的一個(gè)被用作驅(qū)動(dòng)晶體管，用作輔助電源的電流互感器設(shè)置在驅(qū)動(dòng)晶體管和開關(guān)晶體管之間。該文章指出，與傳統(tǒng)的開關(guān)元件相比，上述電路將傳導(dǎo)損耗降低到約1/3。
根據(jù)該文章所敘述的電路，由于輔助電源，開關(guān)元件在接通狀態(tài)下的壓降變得等于開關(guān)元件的飽和電壓，從而可以以比在被連接用來(lái)構(gòu)成普通達(dá)林頓連接的晶體管的接通狀態(tài)下的壓降低的壓降來(lái)操作開關(guān)元件，并且可以改善效率。在這種情況下，電流互感器起的作用是響應(yīng)于開關(guān)元件的輸出電流來(lái)改變由輔助電源提供的電路。
在該傳統(tǒng)電路中，由于開關(guān)元件的驅(qū)動(dòng)電流是由電流互感器的線圈比來(lái)限定的，因此，必須根據(jù)開關(guān)元件的最小電流放大系數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)電流互感器。因此，開關(guān)元件可能會(huì)在低負(fù)載情況下被非期望地驅(qū)動(dòng)而運(yùn)行到飽和狀態(tài)，從而難以實(shí)現(xiàn)最佳傳導(dǎo)損耗。
本發(fā)明概述本發(fā)明是為了解決在上述日本電氣工程師協(xié)會(huì)會(huì)刊提出的前述電路的問題而提出的。因此，本發(fā)明的目的在于提供一種能夠降低傳導(dǎo)損耗、提高效率從而減小尺寸和減輕重量的功率轉(zhuǎn)換設(shè)備和用于驅(qū)動(dòng)這種功率轉(zhuǎn)換設(shè)備的方法。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出了一種驅(qū)動(dòng)功率轉(zhuǎn)換設(shè)備中的開關(guān)元件的方法，該功率轉(zhuǎn)換設(shè)備包括開關(guān)元件驅(qū)動(dòng)電路和驅(qū)動(dòng)電流產(chǎn)生電路，開關(guān)元件驅(qū)動(dòng)電路包括電流互感器，其具有連接到電流控制型開關(guān)元件的初級(jí)線圈，驅(qū)動(dòng)電流產(chǎn)生電路是由電流互感器的次級(jí)線圈和連接到次級(jí)線圈的整流電路構(gòu)成的，驅(qū)動(dòng)電流產(chǎn)生電路中產(chǎn)生的輸出電流被提供給開關(guān)元件作為開關(guān)元件的驅(qū)動(dòng)電流。該方法包括下述步驟檢測(cè)開關(guān)元件的輸出電流；和將驅(qū)動(dòng)電流產(chǎn)生電路的輸出電流的一部分提取到開關(guān)元件驅(qū)動(dòng)電路的外部，從而響應(yīng)于開關(guān)元件的輸出電流可變地控制開關(guān)元件的驅(qū)動(dòng)電流。最好，提取到開關(guān)元件區(qū)電路外部的驅(qū)動(dòng)電流產(chǎn)生電路的輸出電流被提供給任意其他輔助電源作為再生功率。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，考慮到開關(guān)元件的傳導(dǎo)損耗和驅(qū)動(dòng)開關(guān)元件所必需的驅(qū)動(dòng)功率，提取到開關(guān)元件驅(qū)動(dòng)電路外部的輸出電流被確定為基本上達(dá)到用于使總傳導(dǎo)損耗最小的最佳驅(qū)動(dòng)電流值的特定值。最好，響應(yīng)于開關(guān)元件的溫度，可變地控制開關(guān)元件的驅(qū)動(dòng)電流。
另一方面，本發(fā)明還提供了一種功率轉(zhuǎn)換設(shè)備。該功率轉(zhuǎn)換設(shè)備包括電流控制型開關(guān)元件；電流互感器，具有初級(jí)線圈和次級(jí)線圈，初級(jí)線圈串聯(lián)到開關(guān)元件；驅(qū)動(dòng)電流產(chǎn)生電路，由電流互感器的次級(jí)線圈和連接到次級(jí)線圈的整流電路構(gòu)成；開關(guān)元件驅(qū)動(dòng)電路，用于將在驅(qū)動(dòng)電流產(chǎn)生電路中產(chǎn)生的輸出電流提供給開關(guān)元件作為開關(guān)元件的驅(qū)動(dòng)電流。作為本發(fā)明的特征，該功率轉(zhuǎn)換設(shè)備還包括輸出電流檢測(cè)器件，用于檢測(cè)開關(guān)元件的輸出電流；控制器件，用于響應(yīng)于由輸出電流檢測(cè)器件檢測(cè)到的開關(guān)元件的輸出電流值，產(chǎn)生一控制信號(hào)，以可變地控制開關(guān)元件的驅(qū)動(dòng)電流；和電流提取電路，其響應(yīng)于控制信號(hào)進(jìn)行操作，用于從驅(qū)動(dòng)電流產(chǎn)生電路中的輸出電流中將具有對(duì)應(yīng)于控制信號(hào)的特定值的電流提取到開關(guān)元件驅(qū)動(dòng)電路的外部。最好，電流提取電路被配置成再生電路，用于將提取到開關(guān)元件驅(qū)動(dòng)電路外部的電流提供給任意其他輔助電源作為再生電流。最好，再生電路適用于通過(guò)開關(guān)操作來(lái)執(zhí)行功率再生。
本發(fā)明的功率轉(zhuǎn)換設(shè)備適用于檢測(cè)開關(guān)元件的輸出電流，并將驅(qū)動(dòng)電流產(chǎn)生電路的一部分輸出電流提取到開關(guān)元件驅(qū)動(dòng)電路的外部，以便響應(yīng)于開關(guān)元件的輸出電流可變地控制開關(guān)元件的驅(qū)動(dòng)電流。因此，可響應(yīng)于開關(guān)元件的輸出電流將最佳驅(qū)動(dòng)電流提供給開關(guān)元件，從而可使開關(guān)元件的傳導(dǎo)損耗最小。例如，考慮到開關(guān)元件的傳導(dǎo)損耗和驅(qū)動(dòng)開關(guān)元件所必需的驅(qū)動(dòng)功率，可通過(guò)確定提取到開關(guān)元件驅(qū)動(dòng)電路外部的輸出電流值基本上達(dá)到用于使總傳導(dǎo)損耗最小的最佳驅(qū)動(dòng)電流值，來(lái)優(yōu)化開關(guān)元件的驅(qū)動(dòng)電流。
附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明
圖1的電路圖表示的是本發(fā)明一實(shí)施例的功率轉(zhuǎn)換設(shè)備的開關(guān)電路；圖2的示意圖表示的是晶體管中基極電流和傳導(dǎo)損耗/驅(qū)動(dòng)功率之間的關(guān)系；圖3的示意圖表示的是晶體管中集電極電流和最佳基極電流之間的關(guān)系；圖4的示意圖表示的是在各晶體管溫度下類似于圖3的曲線的曲線；圖5的波形圖表示的是圖1所示集電極電流、基極電流和再生電流；圖6的電路圖表示的是本發(fā)明另一實(shí)施例的開關(guān)電路；圖7的電路圖表示的是本發(fā)明又一實(shí)施例的開關(guān)電路；圖8的電路圖表示的是本發(fā)明再一實(shí)施例的開關(guān)電路；和圖9的電路圖表示的是本發(fā)明再一實(shí)施例的開關(guān)電路。
實(shí)施本發(fā)明的最好模式以下，參照附圖來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施例。圖1表示的是本發(fā)明一實(shí)施例的功率轉(zhuǎn)換設(shè)備的開關(guān)電路。該開關(guān)電路上設(shè)有作為開關(guān)元件并且具有集電極1a、發(fā)射極1b和基極1c的電流控制型晶體管1。開關(guān)電路的輸出電流以從集電極1a至發(fā)射極1b的方向流過(guò)晶體管1。
向開關(guān)元件提供驅(qū)動(dòng)電流的驅(qū)動(dòng)電路包括彼此串聯(lián)的兩個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)2和3，半導(dǎo)體開關(guān)2和3的連接點(diǎn)被連接到晶體管1的基極1c。具有初級(jí)線圈4a和次級(jí)線圈4b的電流互感器4上設(shè)置有驅(qū)動(dòng)電流產(chǎn)生電路，用于產(chǎn)生晶體管1的驅(qū)動(dòng)電流。電流互感器4的初級(jí)線圈連接到晶體管1的集電極1a。電流互感器4的次級(jí)線圈4b的兩端連接到由二極管5和電容器6構(gòu)成的整流電路。另外，電流互感器4的次級(jí)線圈4b的一端和另一端分別連接到半導(dǎo)體開關(guān)2和晶體管1的發(fā)射極1b。因此，在半導(dǎo)體開關(guān)2的接通狀態(tài)下，在次級(jí)線圈4b中產(chǎn)生與晶體管1的輸出電流IC成比例的電流，從而與輸出電流IC成比例的電流流入晶體管1的基極1c。
該開關(guān)電路還設(shè)置有具有輔助電源變壓器7的激勵(lì)電路8。該輔助電源變壓器7包括彼此串聯(lián)的第一和第二次級(jí)線圈7a和7b。第一次級(jí)線圈7a的兩端分別連接到電流互感器4的次級(jí)線圈4b的兩端。第二次級(jí)線圈7b的兩端連接到由電容器9和二極管10構(gòu)成的整流電路。第二次級(jí)線圈7b構(gòu)成晶體管1的反向偏壓電路的一部分。第二次級(jí)線圈7b的一端和另一端分別連接到晶體管1的發(fā)射極1b和半導(dǎo)體開關(guān)3。
作為本發(fā)明的一個(gè)特性，該開關(guān)電路上設(shè)置有再生電路11，用于提取在電流互感器4的次級(jí)線圈4b中產(chǎn)生的電流的一部分。再生電路11包括半導(dǎo)體開關(guān)13，它經(jīng)電感12連接到電流互感器4的次級(jí)線圈4b的兩端。半導(dǎo)體開關(guān)13經(jīng)由整流元件14和電容器15構(gòu)成的整流電路連接到再生輸出端16和17。再生輸出端16和17例如連接到任意合適的輔助電源等，以便響應(yīng)于開關(guān)電路13的開關(guān)操作將從再生電路提取的功率提供給任意其他電路。
開關(guān)電路還設(shè)置有控制電路18，用于控制半導(dǎo)體開關(guān)2、3和半導(dǎo)體開關(guān)13的每個(gè)操作。提供了幾個(gè)檢測(cè)器件，用于檢測(cè)控制電路18必需的信號(hào)。這些檢測(cè)器件包括輸出電流檢測(cè)器件19，用于檢測(cè)晶體管1的輸出電流IC；和溫度檢測(cè)器件20，用于檢測(cè)晶體管1的溫度，這些檢測(cè)器件的每個(gè)檢測(cè)信號(hào)被輸入到控制電路18。電阻12設(shè)置在連接在電流互感器4的次級(jí)線圈4b和晶體管1的發(fā)射極1b之間的線路上。設(shè)置了基極電流檢測(cè)器件22，用于檢測(cè)電阻21每端上的每個(gè)電壓，以檢測(cè)晶體管1的基極電流，然后將基極電流信號(hào)提供給控制電路18。
為了使晶體管1進(jìn)入接通狀態(tài)，接通半導(dǎo)體開關(guān)2并且切斷半導(dǎo)體開關(guān)3?；鶚O電流IB從電流互感器4的次級(jí)線圈4b提供給晶體管1的基極1c，以便晶體管1保持在接通狀態(tài)。電流檢測(cè)器件19檢測(cè)作為晶體管1的輸出電流的集電極電流，并將所檢測(cè)到的信號(hào)發(fā)送給控制電路18。與此同時(shí)，由溫度檢測(cè)器件20檢測(cè)晶體管1的溫度，并由基極電流檢測(cè)器件20檢測(cè)晶體管1的基極電流。每個(gè)檢測(cè)電流均被發(fā)送到控制電路18。
電流互感器4的次級(jí)線圈4b中產(chǎn)生的電流的值由電流互感器4的線圈比和晶體管1的輸出電流、即集電極電流IC確定?？刂齐娐?8響應(yīng)于輸入到半導(dǎo)體開關(guān)2的切換信號(hào)輸出一切換信號(hào)，以對(duì)半導(dǎo)體開關(guān)2進(jìn)行切換。
參照?qǐng)D2，曲線A和B分別表示的是在晶體管處于接通狀態(tài)、集電極電流恒定、而基極電流變化的情況下，晶體管的驅(qū)動(dòng)功率及集電極和發(fā)射極之間的傳導(dǎo)損耗。曲線C表示的是通過(guò)對(duì)損耗A和損耗B求和而得出的總損耗?？蓮脑搱D看出，在集電極電流恒定情況下，當(dāng)基極電流值為OP時(shí)，總損耗C變得最小。圖3表示的是對(duì)每個(gè)集電極電流的最佳基極電流值，這是通過(guò)改變集電極電流進(jìn)行與圖2相同的測(cè)量而得出的結(jié)果。圖4表示的是在各個(gè)晶體管溫度下繪出與圖3的曲線相類似的曲線而得出的結(jié)果。
控制電路18事先存儲(chǔ)如圖4所示的數(shù)據(jù)，并且響應(yīng)于輸入信號(hào)記錄最佳基極電流值。然后，根據(jù)基極電流檢測(cè)器件22的檢測(cè)值，控制電路18產(chǎn)生一控制信號(hào)，以控制再生電路11的半導(dǎo)體開關(guān)13的操作，從而獲得最佳基極電流。通過(guò)該控制，從再生電路11中提取在電流互感器4的次級(jí)線圈4b中生成的電流中超過(guò)最佳基極電流值的特定電流，將其作為再生電流ID。
圖5的波形圖表示的是在圖1的開關(guān)電路中每個(gè)部分上的電流。最佳基極電流IB隨集電極電流IC的變化而變化，并且超出的電流被作為再生電流ID提取。因此，響應(yīng)于所述集電極電流，最佳基極電流被提供給晶體管1，從而可在晶體管1的接通狀態(tài)下使晶體管1的總損耗最小。
為了使晶體管1進(jìn)入切斷狀態(tài)，半導(dǎo)體開關(guān)3接通，而半導(dǎo)體開關(guān)2切斷。在這種狀態(tài)下，將反向偏壓提供給晶體管1的基極，以便在短時(shí)間內(nèi)去除晶體管1中累積的電荷，從而能夠高速地切斷晶體管1。因此，晶體管1切斷狀態(tài)下的噪聲容限可能增大。
當(dāng)將晶體管1從切斷狀態(tài)激活到接通狀態(tài)時(shí)，半導(dǎo)體開關(guān)2被帶入接通狀態(tài)，并且電容器6起初通過(guò)激勵(lì)輔助電源8來(lái)充電。當(dāng)電容器6已充電時(shí)，基極電流流過(guò)晶體管1，以使晶體管1進(jìn)入接通狀態(tài)。然后，電流互感器4將對(duì)應(yīng)于晶體管1的輸出電流的電流通過(guò)半導(dǎo)體開關(guān)2提供給晶體管1的基極1c。
圖6表示的是本發(fā)明的另一實(shí)施例。該實(shí)施例的電路上設(shè)置有場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)5a和14a以分別替代圖1所示電路的二極管5和14，并且該電路被用作同步換向器(commutator)型電路，其中，這些晶體管與半導(dǎo)體開關(guān)2和13的每個(gè)操作同步地切換。
圖7表示的是圖6的實(shí)施例的改進(jìn)。在該示例中提供另一同步換向器型電路，在連接在激勵(lì)輔助電源8的輔助電源變壓器7的第一次級(jí)線圈7a和電流互感器4的次級(jí)線圈4b之間的線路上設(shè)置場(chǎng)效應(yīng)晶體管23。
圖8表示本發(fā)明的又一實(shí)施例。該實(shí)施例的電路上設(shè)置有逆程(flyback)變換器，其中，除半導(dǎo)體開關(guān)13之外，再生電路還包括具有線圈24a和24b的變壓器24、二極管14和電容器15。其他結(jié)構(gòu)與圖7的相同。
圖9表示的是圖6的實(shí)施例的另一種改進(jìn)。在該示例中，省略了圖6電路中的激勵(lì)線圈7a。該電路用于在晶體管的激勵(lì)操作中通過(guò)接通半導(dǎo)體開關(guān)14a來(lái)提供激勵(lì)功率，而不采用激勵(lì)線圈7a。激勵(lì)之后，半導(dǎo)體開關(guān)14a形成再生電路。該操作與圖6和7的電路中的半導(dǎo)體開關(guān)14a的操作相同。
權(quán)利要求
1.一種用于驅(qū)動(dòng)功率轉(zhuǎn)換設(shè)備中的開關(guān)元件的方法，其中該功率轉(zhuǎn)換設(shè)備包括開關(guān)元件驅(qū)動(dòng)電路和驅(qū)動(dòng)電流產(chǎn)生電路，所述開關(guān)元件驅(qū)動(dòng)電路包括電流互感器，其具有連接到電流控制型開關(guān)元件的初級(jí)線圈，所述驅(qū)動(dòng)電流產(chǎn)生電路是由所述電流互感器的次級(jí)線圈和連接到所述次級(jí)線圈的整流電路構(gòu)成的，所述驅(qū)動(dòng)電流產(chǎn)生電路中產(chǎn)生的輸出電流被提供給所述開關(guān)元件作為所述開關(guān)元件的驅(qū)動(dòng)電流，所述方法包括下述步驟檢測(cè)所述開關(guān)元件的輸出電流；和將所述驅(qū)動(dòng)電流產(chǎn)生電路的所述輸出電流的一部分提取到所述開關(guān)元件驅(qū)動(dòng)電路的外部，從而響應(yīng)于所述開關(guān)元件的所述輸出電流可變地控制所述開關(guān)元件的驅(qū)動(dòng)電流。
2.如權(quán)利要求1所述的驅(qū)動(dòng)開關(guān)元件的方法，其中，提取到所述開關(guān)元件驅(qū)動(dòng)電路外部的所述驅(qū)動(dòng)電流產(chǎn)生電路的所述輸出電流被提供給任意其他輔助電源作為再生功率。
3.如權(quán)利要求1或2所述的驅(qū)動(dòng)開關(guān)元件的方法，其中，考慮到所述開關(guān)元件的傳導(dǎo)損耗和驅(qū)動(dòng)所述開關(guān)元件所必需的驅(qū)動(dòng)功率，提取到所述開關(guān)元件驅(qū)動(dòng)電路外部的所述輸出電流被確定為基本上達(dá)到用于使總傳導(dǎo)損耗最小的最佳驅(qū)動(dòng)電流值的特定值。
4.如權(quán)利要求1至3中的任一項(xiàng)所述的驅(qū)動(dòng)開關(guān)元件的方法，其中，響應(yīng)于所述開關(guān)元件的溫度，可變地控制所述開關(guān)元件的所述驅(qū)動(dòng)電流。
5.一種功率轉(zhuǎn)換設(shè)備，包括電流控制型開關(guān)元件；電流互感器，具有初級(jí)線圈和次級(jí)線圈，所述初級(jí)線圈串聯(lián)到所述開關(guān)元件；驅(qū)動(dòng)電流產(chǎn)生電路，由所述電流互感器的所述次級(jí)線圈和連接到所述次級(jí)線圈的整流電路構(gòu)成；開關(guān)元件驅(qū)動(dòng)電路，用于將在所述驅(qū)動(dòng)電流產(chǎn)生電路中產(chǎn)生的輸出電流提供給所述開關(guān)元件作為所述開關(guān)元件的驅(qū)動(dòng)電流；輸出電流檢測(cè)器件，用于檢測(cè)所述開關(guān)元件的輸出電流；控制器件，用于響應(yīng)于由所述輸出電流檢測(cè)器件檢測(cè)到的所述開關(guān)元件的所述輸出電流值，產(chǎn)生一控制信號(hào)，以可變地控制所述開關(guān)元件的所述驅(qū)動(dòng)電流；和電流提取電路，其響應(yīng)于所述控制信號(hào)進(jìn)行操作，用于從所述驅(qū)動(dòng)電流產(chǎn)生電路中的所述輸出電流中將具有對(duì)應(yīng)于所述控制信號(hào)的特定值的電流提取到所述開關(guān)元件驅(qū)動(dòng)電路的外部。
6.如權(quán)利要求5所述的功率轉(zhuǎn)換設(shè)備，其中，所述電流提取電路是再生電路，用于將提取到所述開關(guān)元件驅(qū)動(dòng)電路外部的所述電流提供給任意其他輔助電源作為再生電流。
7.如權(quán)利要求6所述的功率轉(zhuǎn)換設(shè)備，其中，所述再生電路適用于通過(guò)開關(guān)操作來(lái)執(zhí)行功率再生。
全文摘要
一種低傳導(dǎo)損耗、高效率的小型、輕重量功率轉(zhuǎn)換器。該功率轉(zhuǎn)換器包括用于驅(qū)動(dòng)開關(guān)元件的驅(qū)動(dòng)電路,其中電流控制型開關(guān)元件連接到電流互感器的初級(jí)端,開關(guān)元件被提供有驅(qū)動(dòng)電流,該驅(qū)動(dòng)電流是驅(qū)動(dòng)電流產(chǎn)生器產(chǎn)生的輸出電流,該驅(qū)動(dòng)電流產(chǎn)生器由電流互感器的次級(jí)繞組和連接到次級(jí)繞組的整流器構(gòu)成。檢測(cè)開關(guān)元件輸出電流,驅(qū)動(dòng)電流產(chǎn)生器的一部分輸出電流被送至驅(qū)動(dòng)電路外部,從而開關(guān)元件的驅(qū)動(dòng)電流可隨所檢測(cè)到的輸出電流改變。從驅(qū)動(dòng)電流產(chǎn)生器送出的輸出電流最好被作為再生功率提供給任意輔助電源。
文檔編號(hào)H02M1/08GK1327628SQ00802113
公開日2001年12月19日 申請(qǐng)日期2000年9月29日 優(yōu)先權(quán)日1999年10月7日
發(fā)明者伊藤一行, 沖田美久, 田中克明, 高柳善信 申請(qǐng)人:Tdk股份有限公司