具有宽带隙半导体的功率转换器的制作方法

具有宽带隙半导体的功率转换器
1.相关申请
2.本技术要求于2019年9月13日提交的申请号为62/900,252的美国临时专利申请的权益，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
3.本公开涉及诸如充电器、交流/直流适配器、电池供电的便携式电源等的功率转换器装置。


背景技术：

4.在建筑工地和其他地点使用多种无绳直流(dc)电动工具和有绳交流(ac)电动工具。在特定的位置可能并不总是有交流和直流两种形式的操作电力，并且用户可能拥有使用不可用的电力形式的电动工具。例如，用户可能在没有可用的交流电力的地点拥有交流电动工具。


技术实现要素：

5.功率转换装置可以将一种形式的可用电力(例如，直流)转换成另一种形式的电力(例如，交流)，以使电动工具和其他装置能够操作，而不管在特定位置有何种形式的电力可用。然而，功率转换装置包括庞大、笨重且在操作期间缺乏效率的内置转换器。例如，一些便携式电源使用包括多个金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)的逆变器，以将电力从直流转换成交流。基于mosfet的设计体积大、重量重，并且在高频率下操作时会以热量的形式损失大量的能量。为了从基于mosfet的设计中获得更多电力，需要使用额外的电路和散热特征，这增加了便携式电源的尺寸和重量。此外，mosfet无法在高开关频率下有效操作。这进而又导致了由于mosfet的低频率操作而使用大型的无源部件。当在功率转换电路中使用mosfet时，其他功率转换器装置也有类似的问题。
6.因此，需要更小、更轻和更高效的功率转换解决方案，并且需要在高频率下更高效的功率转换装置中的开关。
7.本文所述的便携式电源包括：壳体，联接在壳体上的电池，设置在壳体上并且被配置为向便携式电源外部的装置供电的插座，联接在电池和插座之间并且被配置为转换从电池接收的电力的功率转换器。功率转换器包括第一宽带隙场效应晶体管(fet)。便携式电源还包括电子处理器，其联接到功率转换器并被配置为通过控制第一宽带隙fet来控制功率转换器的操作。
8.在一些方面，电池具有在12伏(v)和680v之间的标称电压。在一些方面，标称电压在12v和1200v之间。
9.在一些方面，壳体包括用于接收电池的电池组接口，并且其中电池是电动工具电池组，其具有选自由以下各项组成的组的标称电压：12v、18v、60v、80v和在12v和80v之间。
10.在一些方面，功率转换器包括逆变器，其包括第一宽带隙fet并且被配置为将从电
池接收的直流(dc)电力转换成交流(ac)电力，其中在插座处提供该交流电力。
11.在一些方面，电子处理器以至少100千赫兹(khz)的开关频率控制第一宽带隙fet。在一些方面，开关频率至少为125khz。
12.在一些方面，功率转换器进一步包括直流-直流转换器，其被配置为将从电池组接收的第一电压的直流电力转换成第二电压的直流电力，并且将第二电压的直流电力提供给逆变器，其中直流-直流转换器包括第二宽带隙fet。
13.在一些方面，电子处理器以至少200khz的开关频率控制第二宽带隙fet。在一些方面，开关频率至少为400khz。
14.在一些方面，逆变器包括具有第一高侧fet和第一低侧fet的第一桥电路，以及具有第二高侧fet和第二低侧fet的第二桥电路；其中第一高侧fet、第一低侧fet、第二高侧fet和第二低侧fet中的至少一个是第一宽带隙fet；并且其中第一高侧fet、第一低侧fet、第二高侧fet和第二低侧fet中的至少另一个是金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)。
15.在一些方面，第一高侧fet是第一宽带隙fet并且第一低侧fet是第二宽带隙fet，并且第二高侧fet和第二低侧fet是mosfet。
16.在一些方面，第一高侧fet是第一宽带隙fet并且第二高侧fet是第二宽带隙fet，并且其中第一低侧fet和第二低侧fet是mosfet。
17.在一些方面，第一低侧fet是第一宽带隙fet并且第二低侧fet是第二宽带隙fet，并且其中第一高侧fet和第二高侧fet是mosfet。
18.在一些方面，电子处理器以第一频率操作第一宽带隙fet并且以第二频率操作mosfet，并且其中第一频率高于第二频率。
19.在一些方面，功率转换器包括直流-直流转换器，其具有第一宽带隙fet并且被配置为将从电池组接收的第一电压的直流电力转换成第二电压，以及在插座处提供该第二电压的直流电力。
20.在一些方面，电子处理器以至少200(khz)的开关频率控制第一宽带隙fet。在一些方面，开关频率至少为400khz。
21.在一些方面，电子处理器以100khz和400khz之间的开关频率控制第一宽带隙fet。
22.在一些方面，便携式电源包括：电源输入，其设置在壳体上以从外部电源接收交流电力，以及第二功率转换器，其联接在电源输入和电池之间并且被配置为转换从电源输入接收的电力。功率转换器包括第二宽带隙场效应晶体管(fet)。
23.在一些方面，第二功率转换器包括交流-直流转换器，其具有第一宽带隙fet并且被配置为将从电源输入接收的交流电力转换成提供给电池的直流电力以对电池充电。
24.本文所述的电动工具电池组充电器提供：壳体，设置在壳体上以从外部电源接收的交流电力的电源输入，设置在壳体上并且被配置为接收第一类型的电动工具电池组的第一电池组接口，以及联接在电源输入和第一电池组接口之间并且被配置为转换从电源输入接收的电力的功率转换器。功率转换器包括第一宽带隙场效应晶体管(fet)。电动工具电池组充电器还包括电子处理器，其联接到功率转换器并且被配置为通过控制第一宽带隙fet来控制功率转换器的操作。
25.在一些方面，第二电池组接口设置在壳体上并且被配置为接收第二类型的电动工具电池组，其中第二类型的电动工具电池组具有比第一类型的电动工具电池组更高的标称
电压，并且其中功率转换器进一步联接在电源输入和第二电池组接口之间。
26.在一些方面，功率转换器包括交流-直流转换器，其具有第一宽带隙fet并且被配置为将从电源输入接收的交流电力转换成提供给第一电池组接口的直流电力，以用于对第一类型的电动工具电池组充电。
27.在一些方面，电子处理器以至少200(khz)的开关频率控制第一宽带隙fet。在一些方面，开关频率至少为400khz。
28.在一些方面，功率转换器是有源钳位反激式转换器。
29.在一些方面，电子处理器以100khz和400khz之间的开关频率控制第一宽带隙fet。
30.本文所述的交流/直流适配器组件包括：电源箱；设置在电源箱上以从外部电源接收交流电力的电源输入；联接到电源箱并包括被配置为插入到电动工具的电池组接口的电动工具接口；联接在电源输入和适配器之间并且被配置为转换从电源输入接收的电力的功率转换器，该功率转换器包括第一宽带隙场效应晶体管(fet)；以及联接到电源转换器并且被配置为通过控制第一宽带隙fet来控制功率转换器的操作的电子处理器。
31.在一些方面，适配器线将电源箱联接到适配器。
32.在一些方面，电动工具是重型电动工具，其被配置为在60v和120v之间的额定电压下操作。
33.在一些方面，功率转换器包括交流-直流转换器，其包括第一宽带隙fet并且被配置为将从电源输入接收的交流电力转换成提供给适配器的直流电力。
34.在一些方面，电子处理器以至少200(khz)的开关频率控制第一宽带隙fet。在一些方面，开关频率至少为400khz。
35.在一些方面，功率转换器是llc转换器。
36.在一些方面，电子处理器以100khz和400khz之间的开关频率控制第一宽带隙fet。
37.一个实施方式提供了一种功率转换器装置，其包括：电源，联接到电源的功率转换器，以及联接到功率转换器以控制功率转换器的操作的电子处理器。功率转换器被配置为从电源接收一种形式的输入电力并将输入电力转换成另一种形式的输出电力。功率转换器包括至少一个宽带隙场效应晶体管，其由电子处理器控制以将输入电力转换成输出电力。
38.在一个示例中，例如当功率转换器是逆变器时，电子处理器以至少100khz的开关频率控制至少一个宽带隙场效应晶体管。在一个示例中，开关频率至少为125khz。
39.在另一个示例中，例如当功率转换器是直流-直流转换器时，电子处理器以至少200khz的开关频率控制至少一个宽带隙场效应晶体管。
40.在一个示例中，功率转换器是从由以下各项组成的组中选择的一个或多个：全桥转换器、反激式转换器、有源钳位反激式转换器、llc转换器和功率因数校正转换器。
41.在另一个示例中，功率转换器装置是从由以下各项组成的组中选择的一个：电动工具电池组充电器、交流/直流适配器组件和便携式电源。
42.另一个实施方式提供了一种功率转换器装置，其包括：电源，联接到电源的功率转换器，以及联接到功率转换器以控制功率转换器的操作的电子处理器。功率转换器被配置为从电源接收一种形式的输入电力并将输入电力转换成另一种形式的输出电力。功率转换器包括至少一个宽带隙fet和至少一个mosfet。通过电子处理器，宽带隙fet在第一频率下操作而mosfet在第二频率下操作，以将输入电力转换成输出电力。第一频率高于第二频率。
43.在一个示例中，功率转换器是全桥转换器。
44.在另一个示例中，功率转换器装置是便携式电源。
45.在详细解释任何实施方式之前，应当理解，实施方式的应用不限于在以下描述中阐述或在附图中示出的构造细节和部件布置。实施方式能够以不同方式实践或实施。此外，应当理解，本文所使用的措词和术语是出于描述的目的而不应被认为是限制性的。“包括”、“包含”和“具有”及其变型的使用意在涵盖其后列出的项目及其等同项目以及附加的项目。除非另有说明或限制，否则术语“安装”、“连接”、“支撑”和“联接”及其变型被广义地使用并且涵盖直接和间接的安装、连接、支撑和联接。
46.此外，应当理解，实施方式可以包括硬件、软件和电子部件或模块，其中为了讨论的目的，它们可能被示出为和描述为好像大多数部件仅在硬件中实现一样。然而，本领域的普通技术人员基于对本详细描述的阅读将认识到，在至少一个实施方式中，基于电子的方面可在可由一个或多个处理单元(例如，微处理器和/或专用集成电路(“asic”))执行的软件(例如，存储在非暂时性计算机可读介质上)实现。因此，应当理解，可以利用多个基于硬件和软件的装置以及多个不同结构部件来实现实施方式。例如，说明书中描述的“服务器”、“计算装置”、“控制器”、“处理器”等可以包括一个或多个处理单元、一个或多个计算机可读介质模块、一个或多个输入/输出接口，以及连接不同部件的各种连接件(例如，系统总线)。
47.与数量或条件结合使用的相对性术语(例如“约”、“大约”、“大体上”等)将被本领域普通技术人员理解为包括所述的值并且具有上下文规定的含义(例如，该术语至少包括与测量精确度相关的误差程度，与特定值相关的公差[例如制造、组装、使用等]等)。此类术语也应被视为公开了由两个端点的绝对值限定的范围。例如，表述“约2至约4”也公开了“2至4”的范围。相对性术语可以指在特定的值上加或减一定百分比(例如，1％、5％、10％或更多)。
[0048]
应当理解，虽然某些附图示出了硬件和软件位于特定装置中，但是这些图示仅用于说明的目的。在本文中被描述为由一个部件执行的功能可以由多个部件以分布式的方式执行。同样，由多个部件执行的功能可以合并并由单个部件执行。在一些实施方式中，所示的部件可以组合或划分为单独的软件、固件和/或硬件。例如，逻辑和处理可以分布在多个电子处理器之间，而不是位于单个电子处理器内并由单个电子处理器执行。不管它们如何组合或划分，硬件和软件部件可以位于同一计算装置上或者可以分布在通过一个或多个网络或其他合适的通信链路连接的不同计算装置之间。类似地，被描述为执行特定功能的部件也可以执行本文中未描述的其他功能。例如，以某种方式“配置”的装置或结构至少以该种方式配置，但也可能以未明确列出的方式配置。
[0049]
通过考虑详细描述和附图，实施方式的其他方面将变得显而易见。
附图说明
[0050]
图1a是根据一些实施方式的体现为电动工具电池组充电器的功率转换器装置的透视图。
[0051]
图1b是根据一些实施方式的体现为交流/直流电源适配器的功率转换器装置的透视图。
[0052]
图1c是根据一些实施方式的体现为便携式电源的功率转换器装置的透视图。
[0053]
图2是根据一些实施方式的图1a至图1c的功率转换器装置的简化框图。
[0054]
图3是根据一些实施方式的用作图1a至图1c的功率转换器装置中的功率转换器的全桥转换器的简化框图。
[0055]
图4是根据一些实施方式的用作图1a至图1c的功率转换器装置中的功率转换器的全桥转换器的简化框图。
[0056]
图5是根据一些实施方式的用作图1a至图1c的功率转换器装置中的功率转换器的反激式转换器的简化框图。
[0057]
图6是根据一些实施方式的用作图1a至图1c的功率转换器装置中的功率转换器的有源钳位反激式转换器的简化框图。
[0058]
图7是根据一些实施方式的用作图1a至图1c的功率转换器装置中的功率转换器的llc转换器的简化框图。
[0059]
图8是根据一些实施方式的用作图1a至图1c的功率转换器装置中的功率转换器的功率因数转换(pfc)转换器的简化框图。
[0060]
图9是示出根据一些实施方式的用于将电力从一种形式转换成另一种形式的宽带隙fet和mosfet的操作差异的时序图。
具体实施方式
[0061]
在图1a至图1c中示出了功率转换器装置100a-100c。功率转换器装置100a-100c单独被称为功率转换器装置100并且被统称为功率转换器装置100。功率转换器装置100用于多种目的，其与在工作场所的电动工具的操作相关。此外，功率转换器装置100a可以更具体地被称为充电器100a(参见图1a)。功率转换器装置100b可以更具体地被称为交流/直流适配器组件100b(参见图1b)。功率转换器装置100c可以更具体地被称为便携式电源100c(参见图1c)。
[0062]
参考图1a，充电器100a(例如，功率转换器装置)是用于电动工具电池组的充电器，并且被示出为包括壳体105，设置在壳体105上用于接收第一类型的电池组的第一凹槽110，设置在壳体上用于接收第二类型的电池组(例如，具有比第一类型的电池组更高的标称电压)的第二凹槽115，以及电源线120。电源线120可以插入例如壁装插座以向充电器100a提供交流电力。充电器100a将交流电力转换成直流电力并提供直流电力以为电池组充电。
[0063]
参考图1b，交流/直流适配器组件100b(例如，功率转换器装置)被示出为包括电源箱135、适配器140、适配器线145和适配器电源线150。适配器电源线150可以插入例如壁装插座以向电源箱135提供交流电力。电源箱135将交流电力转换成直流电力，并通过适配器140提供直流电力以操作重型电动工具。重型电动工具被配置为在例如60v、80v、120v和更高的额定电压下操作。重型电动工具通常在电动工具的电池组接口处接收电池组。适配器140包括与电动工具的电池组接口配合的电动工具接口。适配器线145将直流电力从电源箱135提供到适配器140。
[0064]
参考图1c，便携式电源100c(例如，功率转换器装置)被示出为包括壳体165。壳体165具有设置在壳体165顶部以接收第一重型电池组的第一接口170和设置在壳体165底部以接收第二重型电池组的第二接口175。重型电池组例如是用于为如上所述的重型电动工具供电的电池组。重型电池组具有例如至少60v、80v、120v和更高的标称输出电压。壳体165
包括功率转换电路，例如，用于将来自重型电池组的直流电力转换成将在交流插座180处提供的交流电力的逆变器。交流插座180设置在壳体165上以向例如有线交流电动工具供电。
[0065]
在一些实施方式中，便携式电源100c可以包括内置不可拆卸电池而没有用于接收电池组的接口。内置电池可能具有在40v和60v之间的标称电压。在一个实施方式中，内置电池具有50.4v的标称电压。在一些实施方式中，内置电池可以是可扩展的，以使得技术人员可以将电池单元移除或添加到内置电池。在此示例中，基于内置电池中的电池单元的配置，内置电池的电压可能会在12v和680v或更高之间变化。在一个示例中，对于三相交流电源，内置电池的电压可以在12v和1200vdc之间。便携式电源100c可以包括逆变器以外的其他形式的转换器。例如，便携式电源100c可以包括如下进一步描述的直流-直流转换器。通过提供如上所述的高电压内置电池，可以减少一些电子电路。例如，提供更高电压的内置电池允许跳过升压直流-直流转换器并允许将内置电池的电压直接提供给逆变器。在一些实施方式中，图1c所示的便携式电源100c可以接收低电压电池组，例如电动工具电池组。在一个示例中，便携式电源100c可以接收12v和/或18v电池组。
[0066]
图2示出了功率转换器装置100的一个示例实施方式，包括电源200、功率转换器210、电子处理器220、存储器230、收发器240、一个或多个电力输出250(例如，到负载)以及栅极驱动器260。在一些实施方式中，电源200是交流电源并且向功率转换器210提供交流电力。例如，电源200从电源线120、150接收交流电力并将交流电力提供给功率转换器210。在其他实施方式中，电源200是直流电源并向功率转换器210提供直流电力。例如，电源200包括接收在便携式电源100c中的重型电池组并将直流电力从电池组提供到功率转换器210。
[0067]
功率转换器210被配置为例如逆变器(如图3和图4所示)、反激式转换器(如图5所示)、有源钳位反激式转换器(如图6所示)、llc转换器(如图7所示)、pfc转换器(如图8所示)等。功率转换器210以一种形式(例如，直流或交流)或以第一电压从电源200接收电力，并将电力转换成另一种形式(例如，直流或交流中的另一种)或第二电压，以在一个或多个电力输出250处提供电力。以下针对每个相应的功率转换器配置提供关于功率转换器210的附加细节。
[0068]
存储器230包括只读存储器(rom)、随机存取存储器(ram)、其他非临时性计算机可读介质或它们的组合。电子处理器220被配置为与存储器230通信以存储数据和检索存储的数据。电子处理器220被配置为从存储器230接收指令和数据并执行指令等。具体地，电子处理器220执行存储在存储器230中的指令以执行功率转换器装置100的功能，包括例如控制功率转换器210的开关元件。在一些实施方式中，电子处理器220和存储器230是微控制器集成电路的一部分，而不是例如安装在电路板上的独立元件。在一些实施方式中，电子处理器220是具有独立存储器(例如存储器230)的微处理器。在一些实施方式中，电子处理器220是包括存储器的微控制器，并且可能不需要存储器230或者可以相应地修改存储器230。电子处理器220可以实现为现场可编程门阵列、特定应用集成电路、硬件实现的状态机等。在其他实施方式中，电子处理器220可以实现为专用于控制本文描述的各种开关装置的集成电路。在一些实施方式中，电子处理器220可以使用多个处理器来实现。
[0069]
收发器240允许功率转换器装置100与其他装置(例如电动工具电池组、重型电动工具、重型电池组等)之间的有线或无线通信。在一些实施方式中，收发器240可以包括发射器和接收器两者。在其他实施方式中，收发器240可以包括用于发送和接收的单个装置。
[0070]
功率转换器210包括一个或多个fet，例如由栅极驱动器260驱动的宽带隙fet。栅极驱动器260通过通信总线270从电子处理器220接收控制信号以控制fet的操作。电子处理器220和栅极驱动器260向fet提供脉冲宽度调制(pwm)信号以根据功率转换器装置100的转换要求而以特定的频率和特定的占空比开关fet。
[0071]
图3示出了用作功率转换器210的全桥转换器300的一个示例实施方式。在所示的示例中，全桥转换器300是直流-交流转换器，其将来自电源200的直流电力转换成在电力输出250(例如，到负载)处的交流电力。全桥转换器300包括第一高侧场效应晶体管(fet)330、第一低侧fet 340、第二高侧fet 350、第二低侧fet 360、电感器370和电容器380。全桥转换器300可以包括比图3中所示的部件更多或更少的部件。
[0072]
第一高侧fet 330的漏极联接到电源200的正极并且第一高侧fet 330的源极联接到连接点335。第一低侧fet 340的漏极联接到连接点335并且第一低侧fet 340的源极联接到电源200的负极。第二高侧fet 350的漏极联接到电源200的正极并且第二高侧fet 350的源极联接到连接点355。第二低侧fet 360的漏极联接到连接点355并且第二低侧fet 360的源极联接到电源200的负极。fet330、340、350、360的栅极联接到由电子处理器220控制的栅极驱动器260。电子处理器220向栅极驱动器260提供控制信号以控制fet 330、340、350、360的操作。具体地，电子处理器220通过在fet330、340、350、360的栅极处提供脉冲宽度调制(pwm)信号来控制fet 330、340、350、360。
[0073]
电容器380与负载250并联联接，而电感器370与负载250和电容器380串联联接。电感器370联接在负载250的正极。fet 330、340、350、360以互补方式被控制，以使得第一高侧fet 330和第二低侧fet 360在时间段的前半部分内操作，而第二高侧fet 350并且第一低侧fet 340在时间段的后半部分内操作。对于时间段的前半部分，电流从电源200的正极流向负载250的正极，从而在负载250处提供交流电流周期的正半部分。对于时间段的后半部分，电流从电源200的正极流向负载250的负极，从而在负载250处提供交流电流周期的负半部分。
[0074]
通常，金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)用于全桥转换器。mosfet在高频率下操作时效率低下并且会损失大量的能量。为了消减mosfet的损耗，使用了额外的电路和散热功能，这增加了便携式电源的尺寸和重量。此外，为了提高效率，mosfet在较低的开关频率下操作，随着开关频率的降低，电路中无源部件(例如电感器和电容器)的尺寸会增加，这进而会增加便携式电源的尺寸和重量。还需要使用更大的散热器来吸收作为mosfet热量损失的能量。
[0075]
在全桥转换器300中，将宽带隙半导体fet(而不是mosfet)用于fet 330、340、350、360。宽带隙半导体由例如亚硝酸镓(gan)、碳化硅(sic)等制成，并且具有在例如大约3至4电子伏(ev)的范围内的带隙。宽带隙半导体表现出优于mosfet的几个特性。具体地，宽带隙半导体可以在非常高的频率(例如100khz、200khz、400khz以及更多)下操作，同时与在较低频率(例如25khz、50khz等)下操作的mosfet相比，以热量形式损失的能量更少。
[0076]
因为宽带隙半导体可以在非常高的频率下操作，所以使用宽带隙半导体的功率转换器210在输出提供更高分辨率的信号。由于功率转换器210的输出信号的高分辨率，因此可以使用更小的无源部件和/或滤波部件，即电感器和电容器。此外，可以使用更小的散热器和风扇，因为宽带隙半导体比mosfet操作效率更高并因此在操作期间产生的热量更少。
与mosfet相比，在宽带隙半导体操作期间的频率增加也导致对于相同的总输出能量等级可以降低能量存储容量。因此，通过使用宽带隙半导体器件代替mosfet，可以减小部件的尺寸和重量并可以提高功率转换器装置100的效率。
[0077]
图4示出了可以用作功率转换器210的混合型全桥转换器400的一个示例实施方式。在所示的示例中，全桥转换器400在结构和操作上与图3的全桥转换器300相似。全桥400的不同之处在于：宽带隙fet用于第一高侧fet330和第一低侧fet 340，而mosfet用于第二高侧fet 350和第二低侧fet 360。在其他实施方式中，可以在全桥转换器300中使用宽带隙fet和mosfet的任何组合。可以基于功率转换器210的期望操作来确定在fet 330、340、350、360之间的宽带隙fet和mosfet的分布。
[0078]
在一个示例中，当低侧fet 340、360以比高侧fet更高的频率进行开关时，宽带隙fet用于低侧fet 340、360而mosfet用于高侧fet 330、350。类似地，在第二fet 350、360以比第一fet 330、340更高的频率开关的另一个示例中，宽带隙fet用于第二fet 350、360并且mosfet用于第一fet 330、340。换言之，当转换器中的一些fet以比其他fet更高的频率进行开关时，以更高频率开关的fet可以用宽带隙fet代替，因为如前所述，宽带隙开关被配置为以比mosfet更少的调节(例如，用于空间和热量产生)实现更高的开关速率。因此，在一些实施方式中，通过在功率转换器210中使用一个或多个宽带隙fet和一个或多个mosfet仍然可以实现功率转换器210的期望操作、减少热量产生和减小尺寸，同时减少功率转换器210相对于完全使用宽带隙fet(通常比mosfet更昂贵)的功率转换器210的成本。
[0079]
图5示出了可以在功率转换器210中使用的反激式转换器500的一个示例实施方式。反激式转换器500可以用作功率转换器210内的升压或降压直流-直流转换器。在所示的示例中，反激式转换器500从电源200接收电力并且包括通过双绕组电感器530联接的初级侧电路510和次级侧电路520。反激式转换器500可以包括比图5中所示的部件更多或更少的部件。
[0080]
初级侧电路510包括与双绕组电感器530的初级侧串联联接的反激式开关fet 540和与反激式开关fet 540和双绕组电感器530并联联接的输入电容器550。输入电容器550与电源200并联联接。无源钳位电阻-电容-二极管(rcd)缓冲电路580也可以与反激式开关fet 540串联连接并与双绕组电感器530的初级侧并联连接。无源钳位rcd缓冲电路限制反激式开关fet540上的电压尖峰。次级侧电路520包括输出二极管560和输出电容器570。输出二极管560串联联接在双绕组电感器530的次级侧的正极上。输出电容器570在输出二极管560下游与双绕组电感器530的次级侧并联联接。负载250与输出电容器570并联联接。
[0081]
在操作期间，反激式开关fet 540被启动以将来自电源200的能量存储在双绕组电感器530上。在反激式开关fet 540的导通时间内，输出电容器570向负载250提供操作电力。当反激式开关fet 540关断时，存储在双绕组电感器530上的能量被传送到输出电容器570和负载250。在所示的示例中，宽带隙fet用作反激式开关fet 540以实现高频率操作。反激式开关fet540由栅极驱动器260驱动，栅极驱动器260由电子处理器220控制。电子处理器220向栅极驱动器260提供控制信号以控制反激式开关fet 540的操作。在一些实施方式中，可以使用宽带隙fet来代替二极管560，以进一步增加反激式转换器500的操作频率。
[0082]
图6示出了可以在功率转换器210中使用的有源钳位反激式转换器600的一个示例实施方式。有源钳位反激式转换器600可以用作功率转换器210内的升压或降压直流-直流
转换器。在所示的示例中，有源钳位反激式转换器600从电源200接收电力并且包括通过双绕组电感器630联接的初级侧电路610和次级侧电路620。有源钳位反激式转换器600可以包括比图6所示的更多或更少的部件。
[0083]
初级侧电路610包括与双绕组电感器630的初级侧串联联接的反激式开关fet 640和与反激式开关fet 640和双绕组电感器630并联联接的输入电容器650。输入电容器650与电源200并联联接。次级侧电路620包括输出二极管660和输出电容器670。输出二极管660串联联接在双绕组电感器630的次级侧的正极上。输出电容器670在输出二极管660下游与双绕组电感器630的次级侧并联联接。负载250与输出电容器670并联联接。
[0084]
初级侧电路610还包括有源钳位电路690，其包括串联连接的钳位fet694和钳位电容器698。有源钳位电路690与双绕组电感器630的初级侧并联连接并且与反激式开关fet 640串联连接。
[0085]
在操作期间，反激式开关fet 640被启动以将来自电源200的能量存储在双绕组电感器630上。在反激式开关fet 640的导通时间内，输出电容器670向负载250提供操作电力。当反激式开关fet 640关断时，存储在双绕组电感器630上的能量被传输到输出电容器670和负载250。钳位fet 694在反激式开关fet 640的关断状态期间启动，以减少反激式开关fet 640上的应力。在所示的示例中，基于功率转换器210的期望特性，宽带隙fet用于反激式开关fet 640、输出二极管660和钳位fet 694中的一个或多个。具体地，对于反激式开关fet 640和钳位fet 694，通过使用宽带隙fet，与使用mosfet的有源钳位反激式转换器相比，可以减小电感和电容器部件的尺寸。反激式开关fet 640和钳位fet 694由栅极驱动器260驱动，栅极驱动器260由电子处理器220控制。电子处理器220向栅极驱动器260提供控制信号以控制反激式开关fet 640和钳位fet 694的操作。
[0086]
图7示出了可以用作功率转换器210的llc转换器700的一个示例实施方式。在所示的示例中，llc转换器包括将初级侧电路710连接到次级侧电路715的变压器705。初级侧电路710包括半桥720和谐振回路725。次级侧电路715包括第一输出二极管730、第二输出二极管735和输出电容器740。变压器705包括连接到初级侧电路710的一个初级绕组745以及连接到次级侧电路715的第一次级绕组750和第二次级绕组755。llc转换器700可以包括比图7中所示的部件更多或更少的部件。
[0087]
半桥720包括串联连接的高侧fet 760和低侧fet 765，其中高侧fet760的源极在连接点770处连接到低侧fet 765的漏极。fet 760、765由栅极驱动器260驱动，栅极驱动器260由电子处理器220控制。电子处理器220向栅极驱动器260提供控制信号以操作fet 760、765。半桥720与电源200并联联接。在一些实施方式中，初级侧电路710可以包括具有附加的高侧和低侧fet的全桥。
[0088]
谐振回路725包括串联连接并连接到连接点770的电容器775和第一电感器780。电容器775和第一电感器780也与初级绕组745串联连接。谐振回路725还包括第二电感器785，其为变压器705的磁化电感，其与电容器775和第一电感器780串联连接以及与初级绕组745并联连接。
[0089]
第一输出二极管730与第一次级绕组750串联连接，而第二输出二极管735与第二次级绕组755串联连接。输出电容器740与第一次级绕组750和第二次级绕组755并联连接。输出电容器740也与负载250并联连接。在一些实施方式中，次级侧电路715还可以包括二极
管全桥。
[0090]
在操作期间，电子处理器220控制高侧fet 760和低侧fet 765的开关以将来自电源200的交流电压转换成负载250处的直流电压。宽带隙fet代替mosfet以用于高侧fet 760和低侧fet 765。与包括mosfet的llc转换器相比，使用宽带隙fet使得llc转换器尺寸更小以及效率更高。宽带隙装置也可用于次级侧电路715中的二极管。
[0091]
图8示出了可以用作功率转换器210的功率因数校正(pfc)转换器800的一个示例实施方式。pfc转换器800包括二极管整流器810、电感器820、转换器fet 830、输出二极管840、输出电容器850和栅极驱动器260。二极管整流器810从交流电源(例如电源200)接收交流输入电压。二极管整流器810将交流电压整流成在输出的整流的交流电压。
[0092]
电感器820与二极管整流器810串联连接以接收整流的电压。输出二极管840和输出电容850与电感器820串联连接。负载250与输出电容器850并联连接以及与输出二极管840串联连接。转换器fet 830与电感器820串联连接以及与输出二极管840和输出电容器850并联连接。
[0093]
栅极驱动器260驱动转换器fet 830以操作pfc转换器800。栅极驱动器260从电子处理器220接收控制信号以控制转换器fet 830的操作。电子处理器220实施功率因数控制算法以驱动转换器fet 830并将交流电压转换成负载250处的直流电压。宽带隙fet用于转换器fet 830以提高效率并减小pfc转换器800的尺寸。
[0094]
图9示出了功率转换器210的一个示例实施方式的时序图900，其示出了功率转换器210中的mosfet和宽带隙fet的操作之间的差异。在此实施方式中，功率转换器210用于将直流电力转换成60hz的交流输出。输出交流信号910在时序图900的底部示出并且包括具有60hz频率的正弦波输出。在使用mosfet的功率转换器210中，mosfet被控制在与交流输出的输出频率相似的频率(例如，第二频率)。也就是说，mosfet被控制在60hz以将直流输入转换成交流输出。60hz的pwm信号被输入到栅极驱动器以驱动mosfet。mosfet时序波形920显示在时序图900的顶部。
[0095]
在使用宽带隙fet的功率转换器210中，宽带隙fet被控制在比提供给mosfet的pwm信号的频率的交流输出的输出频率高得多的频率(例如，第一频率)。在一个示例中，可以通过提供频率在100khz至400khz之间的pwm信号来控制宽带隙fet。宽带隙fet时序波形930显示在时序图900的中间。正相940期间的放大版本示出了交流输出信号的正相期间的相应信号。负相950期间的放大版本示出了交流输出信号的负相期间的相应信号。在正相期间提供给宽带隙fet的pwm信号的占空比(例如，90％)远高于在负相期间的占空比(例如，10％)。利用高频率控制fet允许更平滑的交流输出信号并提高功率转换器210的效率。
[0096]
因此，本文描述的多种实施方式提供了具有宽带隙半导体的功率转换器装置。在以下权利要求中阐述了多种特征和优点。