DC－DC轉換器的製作方法

2023-05-10 03:14:51

本發明涉及一種DC－DC轉換器。

背景技術：

當前，所謂的同步整流型DC－DC轉換器被廣泛使用，該同步整流型DC－DC轉換器構成為，進行使串聯連接的2個半導體開關元件交替地通斷的驅動，與此同時，通過電感器及電容器對由此產生的交流成分進行平滑。

例如專利文獻1所公開的同步整流型DC－DC轉換器在電氣負載較高的情況下驅動低電位側的開關元件而進行同步整流，在電氣負載低的情況下不驅動低電位側的開關元件，由與之並聯連接的二極體進行非同步整流(二極體整流)。根據上述技術，能夠實現電流變換效率的提高。

專利文獻1：日本特開2006－296186號公報

技術實現要素：

但是，在當前技術中，不論工作周圍溫度如何，都是僅與電氣負載相應地進行同步/非同步的切換，因此在實際使用上存在變換效率不一定提高這一問題。特別地，將矽等作為原材料的半導體元件存在下述問題，即，由於在高溫時電氣損耗變大，因此變換效率顯著下降。

因此，本發明就是鑑於上述問題而提出的，其目的在於提供一種不論工作周圍溫度如何都能夠提高變換效率的技術。

本發明所涉及的DC－DC轉換器具有：高電位側的開關元件及低電位側的開關元件；驅動部，其驅動所述高電位側的開關元件及所述低電位側的開關元件而進行同步整流；續流二極體，其與所述低電位側的開關元件並聯連接；以及溫度檢測部，其對所述續流二極體的溫度進行檢測。所述驅動部在由所述溫度檢測部檢測出的溫度小於或等於預先確定的第1閾值的情況下將所述低電位側的開關元件的驅動停止。

發明的效果

根據本發明，不論工作周圍溫度如何都能夠提高DC－DC轉換器的變換效率。

通過以下的詳細說明和附圖，使得本發明的目的、特徵、方式以及優點更清楚。

附圖說明

圖1是表示實施方式1所涉及的DC－DC轉換器的結構的電路圖。

圖2是表示實施方式1所涉及的DC－DC轉換器的驅動方式的圖。

圖3是表示實施方式2所涉及的DC－DC轉換器的結構的電路圖。

圖4是表示實施方式3所涉及的DC－DC轉換器的結構的電路圖。

圖5是表示實施方式3的變形例所涉及的DC－DC轉換器的結構的電路圖。

具體實施方式

＜實施方式1＞

圖1是表示本發明的實施方式1所涉及的DC－DC轉換器的結構的電路圖。在圖1中示出降壓轉換器作為DC－DC轉換器的一個例子，其中，該降壓轉換器輸出比被輸入的直流電壓低的直流電壓。

圖1的DC－DC轉換器具有：高電位側的開關元件1；低電位側的開關元件2；二極體1a；二極體2a；續流二極體3；電感器4；電容器5；溫度檢測電路11；基準電壓源12a；比較器12b；以及驅動電路12c。

開關元件1、2串聯連接於高電位(Vin)和低電位(接地電位)之間。開關元件1的漏極與高電位連接，開關元件1的源極與開關元件2的漏極連接，開關元件2的源極與低電位連接。此外，在圖1中，應用n溝道MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)作為開關元件1、2，但不限於此。

二極體1a的陰極與開關元件1的漏極連接，二極體1a的陽極與開關元件1的源極連接。同樣地，二極體2a的陰極與開關元件2的漏極連接，二極體2a的陽極與開關元件2的源極連接。

與二極體2a同樣地，續流二極體3與開關元件2並聯連接。即，續流二極體3的陰極與開關元件2的漏極連接，續流二極體3的陽極與開關元件2的源極連接。此外，例如應用肖特基勢壘二極體作為續流二極體3。

電感器4的一端與開關元件1的源極及開關元件2的漏極連接，電感器4的另一端成為DC－DC轉換器的輸出端。

電容器5的一端與電感器4的另一端連接，電容器5的另一端與接地電位連接。

溫度檢測電路11(溫度檢測部)對續流二極體3的溫度進行檢測，將與該溫度相對應的電壓Vt輸出至比較器12b。溫度檢測電路11例如包含半導體元件、熱敏電阻以及熱電偶等溫度－電壓變換器。該溫度－電壓變換器例如配置(搭載)於續流二極體3附近或者其所在晶片，能夠輸出與周邊溫度相應的電壓。

基準電壓源12a、比較器12b及驅動電路12c構成驅動部12。該驅動部12原則上是驅動高電位側的開關元件1及低電位側的開關元件2而進行同步整流。但是，驅動部12在由溫度檢測電路11檢測出的溫度小於或等於預先確定的第1閾值的情況下將開關元件2的驅動停止。下面，對具有上述功能的驅動部12的結構要素進行說明。

基準電壓源12a將與第1閾值相對應的電壓Vref輸出至比較器12b。

比較器12b對來自溫度檢測電路11的電壓Vt和來自基準電壓源12a的電壓Vref進行比較，將其比較結果輸出至驅動電路12c。即，比較器12b將表示由溫度檢測電路11檢測出的溫度是否小於或等於第1閾值的結果輸出至驅動電路12c。在這裡，在檢測溫度大於第1閾值的情況下，比較器12b輸出用於驅動低電位側的開關元件2的H(High)信號。另一方面，在檢測溫度小於或等於第1閾值的情況下，比較器12b輸出用於將低電位側的開關元件2的驅動停止的L(Low)信號。

驅動電路12c能夠將電壓施加於開關元件1、2的柵極VPG、VNG各自而對開關元件1、2進行通斷。

圖2是表示驅動電路12c的針對開關元件1、2的驅動方式(控制方式)的波形圖。驅動電路12c在從比較器12b接收到表示檢測溫度大於第1閾值的比較結果(H信號)的情況下進行下述驅動，即，對開關元件1、2交替同步地進行通斷。另一方面，驅動電路12c在從比較器12b接收到表示檢測溫度小於或等於第1閾值的比較結果(L信號)的情況下，維持高電位側的開關元件1的驅動，與此同時，將低電位側的開關元件2的驅動停止。

＜動作＞

通過反覆進行高電位側的開關元件1的通斷，從而在電感器4的一端生成包含交流成分的電壓。電感器4及電容器5通過對該包含交流成分的電壓進行平滑化，從而生成比輸入電壓(Vin)低的輸出電壓(Vout)。此時，通過進行PWM(脈衝寬度調製)，從而能夠對輸出電壓的電壓值進行調整，其中，該PWM對將開關元件1截止的期間和導通的期間進行調整。

此外，在開關元件1剛從導通切換至截止後，電感器4以通過感應電動勢來維持電流的流動的方式起作用。為了抑制該作用對元件的影響，開關元件2及續流二極體3具有使電流在從接地電位朝向電感器4的方向上流過的整流功能。

在本實施方式1中，在續流二極體3的溫度大於第1閾值的情況下，高電位側的開關元件1和低電位側的開關元件2同步地進行驅動，進行同步整流。另一方面，在續流二極體3的溫度小於或等於第1閾值的情況下，開關元件2的驅動停止，由續流二極體3進行非同步整流(二極體整流)。此外，二極體1a也可以還承擔非同步整流的功能。

＜實施方式1的總結＞

根據上述本實施方式1所涉及的DC－DC轉換器，由於能夠抑制續流二極體3的電氣損耗所導致的溫度上升，因此能夠抑制高溫時的電氣損耗。因此，不論工作周圍溫度如何都能夠提高DC－DC轉換器的變換效率。另外，在續流二極體3溫度低時(負載低時)，能夠抑制向開關元件2的逆流電流，能夠減輕由此導致的損耗。與此相伴，能夠期待半導體元件的長壽命化。認為例如在使用幾百伏的電壓的DC－DC轉換器中，上述效果尤其有效。另外，還能夠期待冷卻機構的小型化、低成本化。

＜實施方式1的變形例＞

圖1的驅動部12(在這裡是基準電壓源12a、比較器12b及驅動電路12c)既可以由一個IC(Integrated Circuit)構建，也可以由多個IC構建。但是，就驅動部12由一個IC構建的結構而言，能夠期待裝置的小型化、輕量化以及低成本化。

另外，構成DC－DC轉換器的半導體元件的至少任一個例如也可以由碳化矽(SiC)、氮化鎵(GaN)等寬帶隙半導體構成。根據上述結構，由於能夠抑制高溫時的通斷損耗，因此，對於如上所述與溫度狀況相應地對驅動及停止進行切換的結構尤其有效。此外，作為在這裡所謂的半導體元件，例如設想出開關元件1、2、二極體1a、2a、以及續流二極體3等，但不限於它們。

此外，以上的變形例還能夠應用於後述的實施方式2、3。

＜實施方式2＞

圖3是表示本發明的實施方式2所涉及的DC－DC轉換器的結構的電路圖。此外，在本實施方式2以及後面的DC－DC轉換器中，對與以上說明的結構要素相同或者類似的結構要素標註相同的參照標號，以不同的部分為主進行說明。如圖3所示，本實施方式2所涉及的DC－DC轉換器是對圖1的結構追加了電壓監視電路16後的DC－DC轉換器。此外，在圖3中省略溫度檢測電路11的圖示。

電壓監視電路16(電壓檢測部)對續流二極體3的正向電壓(電壓)進行監視(檢測)，將與該正向電壓相對應的電壓VF輸出至比較器12b。

與由溫度檢測電路11檢測出的溫度同樣地，驅動部12在由電壓監視電路16檢測出的電壓小於或等於預先確定的第2閾值的情況下將低電位側的開關元件2的驅動停止。

根據上述本實施方式2所涉及的DC－DC轉換器，能夠針對電氣負載得到與實施方式1相同的效果。

＜實施方式3＞

圖4是表示本發明的實施方式3所涉及的DC－DC轉換器的結構的電路圖。如圖4所示，在本實施方式3所涉及的DC－DC轉換器中，多個低電位側的開關元件2(開關元件2－1、2－2、…、2－n)彼此並聯連接。另外，同樣地，多個二極體2a(二極體2a－1、2a－2、…、2a－n)也彼此並聯連接。

在本實施方式3中，驅動部12在由溫度檢測電路11檢測出的溫度小於或等於預先確定的第1閾值的情況下將多個開關元件2的驅動一律停止。

根據上述本實施方式3所涉及的DC－DC轉換器，與實施方式1相比，更能夠抑制續流二極體3的電氣損耗所導致的溫度上升。另外，與實施方式1相比，更能夠期待開關元件2等半導體元件的長壽命化。

＜實施方式3的變形例＞

圖5是表示實施方式3的變形例所涉及的DC－DC轉換器的結構的電路圖。

在上述實施方式3中，驅動部12在由溫度檢測電路11檢測出的溫度小於或等於預先確定的第1閾值的情況下將多個開關元件2的驅動一律停止。

與此相對，在本變形例中，驅動部12在由溫度檢測電路11檢測出的溫度小於或等於預先確定的第1閾值的情況下獨立地將多個開關元件2的驅動停止。由此，驅動部12能夠基於由溫度檢測電路11檢測出的溫度將應驅動的低電位側的開關元件2的數量進行變更。此外，作為將應驅動的低電位側的開關元件2的數量進行變更的一個例子而設想出下述情況等，即，驅動部12隨著由溫度檢測電路11檢測出的溫度變低而不斷減少應驅動的開關元件2的數量(不斷增加應停止的開關元件2的數量)。

根據上述本變形例所涉及的DC－DC轉換器，與實施方式1相比，更能夠抑制續流二極體3的電氣損耗所導致的溫度上升。另外，與實施方式1相比，更能夠期待開關元件2等半導體元件的長壽命化。

此外，在圖5中設置有對多個開關元件2的驅動進行控制的一個驅動電路12c。但是不限於此，也可以設置對多個開關元件2的驅動分別進行控制的多個驅動電路12c。

另外，本發明能夠在其發明的範圍內對各實施方式及各變形例自由地進行組合，或者對各實施方式適當地進行變形、省略。

詳細地說明了本發明，但上述說明在所有方面均為例示，本發明不限定於此。可以理解為能夠在不超出本發明的範圍的狀態下想到未例示的無數變形例。

標號的說明

1、2開關元件，3續流二極體，11溫度檢測電路，12驅動部，16電壓監視電路。