[发明专利]无损耗电子转换开关

说明书

本发明涉及所谓的“转换辅助”的装置，适用于改进通常的半导体器件、“双极”晶体管、“MOSFET”晶体管、闸流管、IGBT等的特性，所述器件是用在电能的转换中，而且事实上受到通过电抗性负载的电流的转换对它们起的作用的影响。

事实上，在这些情况下，功率双极晶体管的性能不完全像一个转换器，而且在完全没有转换辅助装置时，它表现出图1所表示的电压/电流曲线。图1所展示出的是由剖面线三角形ABG所体现的导通损耗和由剖面线三角形EFH所体现的阻断损耗。

同样，图2表示一个在这同样条件下使用的场效应MOS晶体管所记录的损耗。

在以上情况下，导通损耗几乎为零而由剖面线梯形D’E’F’H’表示的阻断损耗仍然很大。

附带说一下，在这里指出下面一点是有用的，即在恒定的转换功率时，由剖面线三角形A’D’H’表示的场效应晶体管的导通损耗比被限制在剖面线梯形CDGH所占据的较小面积上的双极晶体管的导通损耗更大。

现有技术描述了各种不同的半导体转换辅助装置，但作为低Knoll损耗网络的例外，这些装置中没有一个改善了能量效率。

事实上，这些装置中的大部分只是在一种不危险的形式下耗散和上述剖面线三角形相对应的全部能量。

一个这样的解决办法，尽管不够简单明了，仍然表现出有使这样保护着的半导体能够避免受到楞次定律的破坏作用的不可否认的优点。

至于复杂的Knoll电路，它被保留作很专门的应用，这些应用能够支持它需要的所有构成部分的增添所决定的体积和成本的增加。

由于这些原因，按照现有技术的复杂的转换辅助装置未被保留在价格低廉的追求大力简化、追求高的能量效率的有市场的电路中。

这样，在小转换器的制造中，应该采用权宜的办法以较低价格解决此问题。

此技巧在图3上表示的非常标准的转换器的构成中体现。

此转换器具有一种电容半桥式结构，其第一个分枝由两个串联安装的电容器5a和5b组成，而第二个分枝由串联安装的晶体管1a和1b组成，分别和“自由轮转”的两个二极管2a和2b并联联接。

至少包括有一个电感的一个电抗性负载4被连接在桥的上述分枝的每个中点之间。

极化公共端子6a和6b被连接到一个能提供适宜于被“划分”的连续能量的供电电源。

晶体管1a和1b用一个这里未表示出的控制方法周期性地被交替导通。

在这种情况下，一个频率可以很高的交变电流会穿过负载4。

如果这样实现的电路被装置在此，则可以发现图1表示的各种损耗，并且该电路在长时间工作后不能不大量发热，其累积结果立即会引起作为转换器使用的半导体的损坏。

由于电容器3，被连接在由晶体管1a和1b组成的桥的上述分支的中点之间的所说的“缓冲器”，如图4所示，缩小三角形损耗区变得有可能。

正如从此图上可见，电容器3实际上与电流Ic的dI/dt无关，但与电压Vce的dV/dt有关。

这样一来，先前具有几乎为距形的电压信号Vce这时具有几乎为等腰梯形的形状。

可归因于存在此“缓冲器”的确定结果如下：

a)大大缩小损耗面积A”B”G”和E”F”H”，

b)对于在这种条件下使用的半导体而经常具有严重危险的“交叉导电”的危险的降低，

c)应能支持组成该所说的半导体的硅“晶片”的薄片的电位梯度的降低。

完成上述“缓冲器”的功能，与其并联联接有一个高值电阻7。

此电阻可以排除在每个半波之间在电容器3中支持着二极管2a和2b的整流负载。

如果一个这样的装置在极低功率的应用中运行得足够正确，它总是表现出以下的重大缺点：

a)当负载4的组成电感中使用的磁性材料暂时饱和时，该装置加电压时“交叉导通”的重大危险，

b)由于上述原因而要求有低转换时间和超大尺寸几何形状的半导体的必要，

c)意味着热耗散量最低的高的转换损耗，

d)有争议的能量效率，

e)通常的随机可靠性，

f)原则上和该所述的半导体的质量有关的相当高的总成本。

按照本发明的该装置能够基本上根除上面指出的各种缺点。

为此，本发明提出一种对一种被用作转换器的受控半导体进行开关的转换辅助装置，用于经一个电抗性负载保证对连接在两个端子之间的直流电源输出的电流按照加在负载的一个电极和半导体的一个公共极之间的分割电压进行分割。该装置的特征在于它包括有：