[發明專利]功率電路及電源系統

有效

• 申請號: 201310694494.3
• 申請日: 2013-12-16
• 公開（公告）號: CN104716815B
• 公開（公告）日: 2018-09-04
• 發明（設計）人: 曾劍鴻;羅昉
• 申請（專利權）人: 臺達電子企業管理（上海）有限公司
• 主分類號: H03K17/10
• 分類號: H03K17/10;H03K17/567;H02M1/08;H02M1/36;H03K17/74;H01L27/06;H01L27/085
• 代理公司: 北京律誠同業知識產權代理有限公司 11006
• 代理人: 徐金國

一種功率電路、控制方法、電源系統及功率電路的封裝結構在此揭露。功率電路包含準級聯功率單元。準級聯功率單元包含常通式開關、常閉式開關、控制單元、第一開關單元及第二開關單元。常閉式開關以串聯方式電性耦接至常通式開關。控制單元的第一端及第三端分別電性耦接至常閉式開關的控制端及常通式開關的控制端。第一開關單元的第一端及第二端分別電性耦接至常通式開關的控制端及常閉式開關的第二端。第二開關單元的第一端及控制端分別電性耦接至控制單元的第二端及常通式開關的第二端。

技術領域

本案是關于一種功率電路、控制方法、電源系統及功率電路的封裝結構，且特別是關于一種具有準級聯架構的功率電路、控制方法、電源系統及功率電路的封裝結構。

背景技術

高效率和高功率密度一直是業界對電源變換裝置的要求。高效率代表著減少能量損耗，并有效地利用能源以利于節能減碳與保護環境。高功率密度則代表著體積小、重量輕，減少空間需求，進而減少成本。

作為開關電源的重要組成元件之一，有源功率元件的特性對電源的性能就具有非常關鍵性作用。隨著半導體業的持續進步，且基于硅(Si)材料的有源功率元件特性已經接近理論極限，電源特性也因此被提升到相當高的程度。基于碳化硅(SiC)及氮化鎵(GaN)等寬禁帶材料的功率有源元件有機會具備更小內部阻抗、更小開關損耗及更高的工作溫度，可提升效率和功率密度而越來越被關注。

碳化硅及氮化鎵元件等包含常通型(即，柵極電壓為零時，元件導通；柵極電壓為負時，元件關斷)和常閉型(即，柵極電壓為正時，元件導通；柵極電壓為零時，元件關斷)兩種。然而，常通型元件的一個最明顯的問題，就是如何解決啟動的問題。

如圖1A所示，降壓式(Buck)電路10中的開關元件為常通式開關。舉例來說，常通式開關(例如：晶體管Q1及晶體管Q2)在柵極電壓為零時，為導通狀態，而在柵極為負壓時為關斷。由于在電路的初始狀態(即，電路還未供電的時段；輸入電源Vin＝0)，晶體管Q1及晶體管Q2的柵極電壓為零伏特，因此晶體管Q1及晶體管Q2處于導通狀態。在電路上電時，即輸入電源Vin不等于零時，則晶體管Q1及晶體管Q2會貫穿而導致損壞。

如圖1B所示，即在降壓式電路11的輸入電源Vin加入常閉式開關(例如：晶體管Qin)。由于供電前，晶體管Qin的柵極電壓為零伏特，所以處于關斷狀態。當輸入電源Vin供電時，常閉式開關Qin負責阻斷，即可保證安全。當常通式開關的控制信號開始正常工作后，使得晶體管Qin長期導通，這樣就實現了安全啟動。但不足的是，晶體管Qin的電壓應力與晶體管Q1及晶體管Q2一樣，均為輸入電源Vin。此外，晶體管Qin通常為硅金屬氧化半導體晶體管(Si MOS)，在與氮化鎵功率元件的電壓等級一樣的情況下，晶體管Qin的通態電阻造成的損耗不容忽視，因此較難普及。

如圖1C所示，降壓式電路12為串聯(Cascade)結構，為較普遍地被設計在氮化鎵(GaN)元件的應用中，特別是在電壓較高的情況，例如：耐壓600伏特。高壓元件串聯低壓元件(例如：耐壓40伏特的元件)形成的結構，可以具備類似于傳統硅元件的常閉式元件的較佳控制特性。

然而，由于氮化鎵元件和硅元件均工作在高頻狀態，因此控制的損耗是兩者相加，也就是，控制的損耗增大。此外，由于硅元件是以串聯方式加入，且工作于高頻狀態，因此直接導致分布電感增大，產生更多電磁干擾。再者，氮化鎵元件是依據關斷電流來決定關斷控制，因此關斷電流越大，關斷的控制就越快；相對地，關斷電流越小，關斷控制就越慢，因此無法發揮氮化鎵的最佳特性。另外，氮化鎵元件本身是沒有反向恢復的，但是與其串聯的硅元件的二極管具有較大反向恢復，因此會消去氮化鎵元件沒有反向恢復的優勢，使氮化鎵元件不適用于反向恢復大的情況。

綜上所述，如何提升氮化鎵元件的能力，以解決控制損耗增大、回路電感增大、反向恢復損耗增大及氮化鎵元件特性被限制等問題，進而提升電源變換裝置的功率密度或者是變換效率，確實為所屬技術領域中亟需克服的重要課題。

發明內容