开关电路和逆变器电路的制作方法

本发明涉及非共振地进行zcs/zvs动作的开关电路和逆变器电路。

背景技术：

1、为了改善电动车辆的续航距离和改善混合动力车辆的油耗而搭载的逆变器要求较高的电力转换效率。另外，为了提高马达效率，需要逆变器的动作频率即载流子的高频化。与此同时，期望将所产生的电磁噪声抑制得较低而改善emc性能，并且削减噪声对策所花费的成本。

2、专利文献1公开了进行zcs动作的逆变器电路

3、专利文献2公开了使用触发器的逆变器电路。

4、图27示出了3相逆变器的1个相的输出电路，将电感性负载与高端侧连接，设定为电源电压48v、驱动频率50khz、占空比(duty)50％，并为了防止击穿而设定规定的死区时间。

5、负载位于高端侧，电流方向为朝向半桥的流入方向。因此，底部开关160侧mosfet成为主开关，顶部开关150侧进行飞轮电路动作。

6、图28示出对底部开关接通时的顶部开关和底部开关的电压/电流/损失进行模拟而得到的结果。

7、(条件)

8、·底部接通动作分析

9、·电源电压48v

10、·负载电感10uh

11、·负载电阻0.15ω(48v 0.15ω＝320a，由于为占空比(duty)50％驱动，因此相当于160a)

12、·栅极电阻2.2ω

13、·固定常数电路(布线电感＝0)

14、在底部开关160即将接通之前的状态下，由负载电感引起的负载电流≈160a经由顶部开关150向电源方向流动。这时底部开关160接通，因此在由顶部开关150的体二极管和外部附接的肖特基二极管的正向电流引起的热载流子消失的时间≈6ns的期间，较大的恢复电流流过上下开关。

15、在顶部开关侧，s-d间电压较小，因此损失较小，而在底部开关侧产生较大的电力损失。在载流子消失后，对顶部开关侧mosfet的d-s电容进行充电，同时上下mosfet的d-s间电压呈指数函数地增加(减少)，该电压成为输出端子电压波形。

16、另外，上述恢复电流直接在电源电流中成为较大的谐波纹波而流动。

17、现有技术文献

18、专利文献

19、专利文献1：日本特开2014-220913号公报

20、专利文献2：日本特开2015-76989号公报

技术实现思路

1、发明要解决的课题

2、图29示出对底部开关断开时的顶部开关和底部开关的电压/电流/损失进行模拟而得到的结果。

3、在底部开关160即将断开之前的状态下，由负载电感引起的负载电流≈160a经由底部开关160向gnd方向流动。

4、这时底部开关160断开，因此负载电流以电流值被电感元件保持的状态，底部开关160的电流减少量作为顶部开关150的电流而增加。

5、示出顶部侧开关与底部侧开关的s-d间电压与漏极电流与损失的关系。这样，对于顶部侧开关，由于初始状态为断开，电流的增加相对于电压的增加较慢，因此损失比较小，但对于底部侧开关，在维持负载电流的160a的状态下s-d间电压增加，因此会产生较大的损失。

6、以上的各开关动作所带来的损失和电力转换效率如下。

7、底部开关侧mosfet损失(1个)11.872w

8、底部侧恢复降低肖特基二极管损失＝266uw

9、顶部开关侧mosfet损失(1个)4.122w

10、顶部侧恢复降低肖特基二极管损失＝373.8mw

11、负载电力＝3.6757kw

12、电源电力＝3.7235kw

13、效率＝98.71％

14、作为降低开关损失而提高效率的方法，通常具有如下的方法：通过共振(局部共振)进行zvs、zcs动作，在开关元件的电压与电流的相位之间设置差，由此降低v×i损失。但是，该方法具有构造复杂且难以控制时机的难点。此外，在以往的zcs、zvs的逆变器电路中，用于zcs、zvs动作的能量被直接消耗，因此无法提高效率。

15、本发明的目的在于，提供高频率且具有较高的电力转换效率，将所产生的电磁噪声抑制得较低而改善了emc性能的开关电路和逆变器电路。

16、用于解决课题的手段

17、本发明的开关电路(110)是使从电源(e)供给的电力间断地对负载单元(r)进行驱动的开关电路，其为在向内置于该开关电路的开关单元(m)施加的电压与在该开关单元(m)中流动的电流之间设置时间差来降低开关损失的软开关方式。而且，该开关电路(110)具有：电感器(l)，其配设于所述负载单元(r)与所述开关单元(m)之间；第一整流单元(d1)和第一电容器(c1)，它们串联地配设于所述开关单元(m)与所述电源或接地之间；第二整流单元(d2)和第二电容器(c2)，它们经由所述电感器(l)而与串联地配设的所述第一整流单元(d1)和所述第一电容器(c1)并联连接；以及第三整流单元(d3)，其配设于所述第一整流单元(d1)和所述第一电容器(c1)的连接部与所述第二电容器(c2)和所述第二整流单元(d2)的连接部之间。

18、本发明的逆变器电路具有：半桥逆变器，其具有顶部逆变器开关(50)和底部逆变器开关(60)；顶部侧辅助电路(20t)，其在所述顶部逆变器开关(50)的接通/断开时进行zvs/zcs动作；以及底部侧辅助电路(20b)，其在所述底部逆变器开关(60)的接通/断开时进行zvs/zcs动作。所述逆变器电路还具有：顶部侧电感器(l3)，其连接于所述顶部逆变器开关(50)与负载单元(lu)之间，在所述顶部逆变器开关(50)、所述底部逆变器开关(60)的接通转变时进行zcs动作；以及底部侧电感器(l4)，其连接于所述底部逆变器开关(60)与负载单元(l1)之间，并且与所述顶部侧电感器(l3)连接。而且，所述顶部侧辅助电路(20t)具有：第一整流单元(d1)和第一电容器(c1)，它们串联地配设于所述顶部逆变器开关(50)与电源或接地之间；第二整流单元(d2)和第二电容器(c2)，它们经由所述顶部侧电感器(l3)而与串联地配设的所述第一整流单元(d1)和所述第一电容器(c2)并联连接；以及第三整流单元(d3)，其配设于所述第一整流单元(d1)和所述第一电容器(c1)的连接部与所述第二电容器(c2)和所述第二整流单元(d2)的连接部之间。

19、另外，上述各括号内的标号表示与后述的实施方式所记载的具体的手段的对应关系。

20、发明效果

21、在第1方面的开关电路中，用于通过zcs使开关单元(m)接通的电感器(l)的能量在开关单元(m)的接通期间积蓄于第一电容器(c1)。而且，利用第一电容器(c1)的能量(电压)，通过zvs使开关单元(m)断开，在开关单元(m)的断开期间，使第一电容器(c1)的能量向电源侧回流，而使第一电容器(c1)完全放电。在以往的zcs、zvs的逆变器电路中，用于zcs、zvs动作的能量被直接消耗，与此相对，在第1方面的逆变器电路中，使用于zcs、zvs动作的能量向电源侧回流，因此能够发挥较高的效率。

22、在第2方面的开关电路中，第一整流单元(d1)能够防止第一电容器(c1)的电荷在开关单元(m)发生短路，第三整流单元(d3)能够防止电感器(l)的短路。

23、在第3方面的开关电路中，第二整流单元(d2)能够使第二电容器(c2)的电荷向电源(e)回流。

24、在第4方面的开关电路中，负载单元是电阻性负载(r)，开关单元由仅通过单侧开关模式驱动的单侧开关的开关元件(m)构成。由于不使用两侧开关模式，因此构造简单。

25、在第5方面的开关电路中，负载单元是电感性负载(l1)，该开关电路具有用于使飞轮电流流动的整流元件(df)。在第5方面的逆变器电路中，使飞轮电流在整流元件(df)中流动，因此控制结构简单。

26、在第6方面的开关电路中，电感器被分割成两部分(l3、l4)，在分割出的连接点连接有电感性负载(l1)的一端(out)，电感性负载(l1)的另一端(vb)与电源连接或接地，被分割成两部分的电感器(l3、l4)与整流元件(df)的一端(阳极)串联连接，整流元件(df)的另一端(阴极)与电源连接或接地。在第6方面的逆变器电路中，使飞轮电流在整流元件(df)中流动，因此控制结构简单。

27、在第7方面的开关电路中，负载单元是电感性负载(l1)，开关电路还具有用于使飞轮电流流动的开关元件(m1)。在第7方面的逆变器电路中，使飞轮电流在开关元件(m1)中流动，因此与使用整流元件的情况相比损失较低。

28、在第8方面的开关电路中，电感器被分割成两部分(l3、l4)，在分割出的连接点连接有电感性负载(l1)的一端(out)，电感性负载的另一端(vb)与电源连接或接地，被分割成两部分的电感器(l3、l4)与开关元件(m1)的一端(漏极或源极)串联连接，开关元件的另一端(源极或漏极)与电源连接或接地。在第8方面的逆变器电路中，使飞轮电流在开关元件(m1)中流动，因此与使用整流元件的情况相比损失较低。

29、在第9方面的逆变器电路中，使在主开关接通转变时向成为飞轮开关的相反侧的逆变器开关流动的开关恢复电流(能量)蓄积于顶部侧电感器(l3)和底部侧电感器(l4)，并通过下一次开关断开时的动作使其向电源再生，因此电力转换效率能够提高。另外，通过将开关恢复电流积蓄于顶部侧电感器(l3)和底部侧电感器(l4)而对其进行抑制，能够实现低噪声化。

30、在第9方面的逆变器电路中，用于通过zcs使顶部开关(50)和底部开关(60)接通的负载单元(lu)的能量在顶部开关和底部开关的接通期间积蓄于第一电容器(c1)。而且，利用第一电容器(c1)的能量(电压)，通过zvs使顶部开关和底部开关断开，在顶部开关和底部开关的断开期间，使第一电容器(c1)的能量向电源侧回流，使第一电容器(c1)完全放电。在以往的zcs、zvs的逆变器电路中，用于zcs、zvs动作的能量被直接消耗，与此相对，在第9方面的逆变器电路中，使用于zcs、zvs动作的能量向电源侧回流，因此能够发挥较高的效率。

31、第10方面的逆变器电路是3相逆变器。即使在高频的情况下也能够以较低的损失来驱动3相马达。

32、在第11方面的逆变器电路中，底部侧辅助电路(20b)具有：第一整流单元(d1)和第一电容器(c1)，它们串联地配设于底部逆变器开关(60)与电源或接地之间；第二整流单元(d2)和第二电容器(c2)，它们经由底部侧电感器(l4)而与串联地配设的第一整流单元(d1)和第一电容器(c1)并联连接；以及第三整流单元(d3)，其配设于第一整流单元(d1)和第一电容器(c1)的连接部与第二电容器(c2)和第二整流单元(d2)的连接部之间。第11方面的逆变器电路使向逆变器开关流动的开关恢复电流(能量)蓄积于顶部侧电感器(l3)和底部侧电感器(l4)，并通过下一次开关断开时的动作使其向电源再生，因此电力转换效率能够提高。

33、第12方面的逆变器电路具有：检测单元(70)，其检测顶部逆变器开关(50)和底部逆变器开关(60)中的哪一个成为主开关；以及辅助电路切断单元(sw1、sw2)，其使主开关侧的顶部侧辅助电路(20t)或底部侧辅助电路(20b)能够进行动作，使不是主开关的一侧的顶部侧辅助电路(20t)或底部侧辅助电路(20b)不能进行动作。第12方面的逆变器电路一边使用顶部逆变器开关、底部逆变器开关的两侧开关模式，一边适当地使向逆变器开关流动的开关恢复电流(能量)蓄积于顶部侧电感器(l3)和底部侧电感器(l4)，并通过下一次开关断开时的动作使其向电源再生，因此电力转换效率能够提高。

34、第13方面的逆变器电路具有触发器(a3)，该触发器(a3)具有构成检测单元的输入端子(d、clk)和对辅助电路切断单元进行控制的输出端子(q、q反)。因此，在第13方面的逆变器电路中，判断电流负载是来自逆变器电路的流出方向还是流入方向来检测主开关，使主开关侧的顶部侧辅助电路(20t)或底部侧辅助电路(20b)能够进行动作，使不是主开关的一侧的顶部侧辅助电路(20t)或底部侧辅助电路(20b)不能进行动作。

35、在第14方面的逆变器电路中，检测单元(70)由电阻(r22)、第1比较器(cpt)以及第2比较器(cpb)构成，该电阻(r22)连接于顶部侧电感器(l3)和底部侧电感器(l4)的连接部(cn)与负载(lu)之间，第1比较器(cpt)和第2比较器(cpb)与电阻的两端连接，该第1比较器(cpt)在负载侧的电位低于连接部侧的电位时产生输出，该第2比较器(cpb)在负载侧的电位高于连接部侧的电位时产生输出。辅助电路切断单元由第1开关(sw1)和第2开关(sw2)构成，该第1开关(sw1)和第2开关(sw2)利用第1比较器、第2比较器的输出，使主开关侧的顶部侧辅助电路(20t)或底部侧辅助电路(20b)能够进行动作，使不是主开关的一侧的顶部侧辅助电路或底部侧辅助电路不能进行动作。在第14方面的逆变器电路中，判断电流负载是来自逆变器电路的流出方向还是流入方向来检测主开关，使主开关侧的顶部侧辅助电路(20t)或底部侧辅助电路(20b)能够进行动作，使不是主开关的一侧的顶部侧辅助电路(20t)或底部侧辅助电路(20b)不能进行动作。第14方面的逆变器电路由检测单元(70)、电阻(r22)、第1比较器(cpt)以及第2比较器(cpb)构成，因此结构简单。

36、第15方面的逆变器电路具有：比较单元(cpu2、cpv2、cpw2)，其对u相控制输入信号、v相控制输入信号、w相控制输入信号进行比较；以及辅助电路切断单元(sw1、sw2)，其使主开关侧的顶部侧辅助电路(20t)或底部侧辅助电路(20b)能够进行动作，使不是主开关的一侧的顶部侧辅助电路或底部侧辅助电路不能进行动作。第15方面的逆变器电路能够根据u相控制输入信号、v相控制输入信号、w相控制输入信号来检测主开关，使主开关侧的顶部侧辅助电路(20t)或底部侧辅助电路(20b)能够进行动作，使不是主开关的一侧的顶部侧辅助电路(20t)或底部侧辅助电路(20b)不能进行动作。第15方面的逆变器电路能够在不使负载电流向电阻流动的情况下切断辅助电路，因此没有电阻损失而效率较高。

37、在第16方面的逆变器电路中，比较单元(80)由u相控制用的比较器(cpu2)、v相控制用的比较器(cpv2)以及w相控制用的比较器(cpw2)构成，该u相控制用的比较器(cpu2)对w相控制输入信号与u相控制输入信号进行比较，该v相控制用的比较器(cpv2)对u相控制输入信号与v相控制输入信号进行比较，该w相控制用的比较器(cpw2)对v相控制输入信号与w相控制输入信号进行比较。辅助电路切断单元由u相的辅助电路切断单元(sw1u、sw2u)、v相的辅助电路切断单元(sw1v、sw2v)以及w相的辅助电路切断单元(sw1w、sw2w)构成，该u相的辅助电路切断单元(sw1u、sw2u)根据u相控制用的比较器的输出，使u相(110u)的主开关侧的顶部侧辅助电路(20t)或底部侧辅助电路(20b)能够进行动作，使不是主开关的一侧的顶部侧辅助电路或底部侧辅助电路不能进行动作，该v相的辅助电路切断单元(sw1v、sw2v)根据v相控制用的比较器的输出，使v相(110v)的主开关侧的顶部侧辅助电路(20t)或底部侧辅助电路(20b)能够进行动作，使不是主开关的一侧的顶部侧辅助电路或底部侧辅助电路不能进行动作，该w相的辅助电路切断单元(sw1w、sw2w)根据w相控制用的比较器的输出，使w相(110w)的主开关侧的顶部侧辅助电路(20t)或底部侧辅助电路(20b)能够进行动作，使不是主开关的一侧的顶部侧辅助电路或底部侧辅助电路不能进行动作。第16方面的逆变器电路能够根据u相控制输入信号、v相控制输入信号、w相控制输入信号来检测主开关，使主开关侧的顶部侧辅助电路(20t)或底部侧辅助电路(20b)能够进行动作，使不是主开关的一侧的顶部侧辅助电路(20t)或底部侧辅助电路(20b)不能进行动作。第16方面的逆变器电路能够在不使负载电流向电阻流动的情况下切断辅助电路，因此没有电阻损失而效率较高。

38、在第17方面的逆变器电路中，与顶部逆变器开关(122)连接的顶部侧电感器(l3)和与底部逆变器开关(118)连接的底部侧电感器(l4)是构成输出端子(124)的金属板的一部分，由以延伸方向大致垂直的方式形成的一对延伸片(124a、124b)构成。在第17方面的逆变器电路中，顶部侧电感器l3、底部侧电感器l4是构成输出端子124的金属板的一部分，因此能够廉价地构成，并且机械强度较高，可靠性较高。在两延伸片124a、124b中相对于延伸方向呈螺旋状地产生磁通，但两延伸片124a、124b以延伸方向大致垂直的方式形成，因此磁通不会相互干涉。

39、在第18方面的逆变器电路中，延伸片(124a、124b)为恒定宽度，从构成输出端子(124)的金属板的两侧端(124l、124r)延伸。在第18方面的逆变器电路中，顶部侧电感器l3、底部侧电感器l4是构成输出端子124的金属板的一部分，因此能够廉价地构成，并且机械强度较高，可靠性较高。

40、第19方面的逆变器电路具有：半桥逆变器，其具有顶部逆变器开关(50、122)和底部逆变器开关(60、118)；顶部侧电感器(l3)，其与顶部逆变器开关(50)连接；以及底部侧电感器(l4)，其与底部逆变器开关(60)连接，与顶部逆变器开关(122)连接的顶部侧电感器(l3)和与底部逆变器开关(118)连接的底部侧电感器(l4)是构成输出端子(124)的金属板的一部分，由以延伸方向大致垂直的方式形成的一对延伸片(124a、124b)构成。在第19方面的逆变器电路中，顶部侧电感器l3、底部侧电感器l4是构成输出端子124的金属板的一部分，因此能够廉价地构成，并且机械强度较高，可靠性较高。在两延伸片124a、124b中相对于延伸方向呈螺旋状地产生磁通，但两延伸片124a、124b以延伸方向大致垂直的方式形成，因此磁通不会相互干涉。

41、在第20方面的逆变器电路中，延伸片(124a、124b)为恒定宽度，从构成输出端子(124)的金属板的两侧端(124l、124r)延伸。在第20方面的逆变器电路中，顶部侧电感器l3、底部侧电感器l4是构成输出端子124的金属板的一部分，因此能够廉价地构成，并且机械强度较高，可靠性较高。