电源电路及极性反转保护电路的制作方法
【专利摘要】一种用于升压电路(24)的电源电路(22)包括一个二极管(34)和第一可控半导体(28)，其中，在第一可控半导体(28)的主电流方向(38)上，二极管(34)与第一可控半导体(28)串联连接。二极管(34)将第一可控半导体(28)的输出端(32)电连接至电源电路(22)的输出端(44)。用于电负载(12)的极性反转保护电路(10)包括输出级(26)、升压电路(24)以及根据本发明的电源电路(22)。
【专利说明】电源电路及极性反转保护电路
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于升压电路(voltage step-up circuit)的电源电路,其中，电源电路包括二极管和第一可控半导体，在第一可控半导体的主电流方向上，二极管与第一可控半导体串联连接。
[0002]本发明进一步涉及一种用于电负载的极性反转保护电路，其中，极性反转保护电路包括输出级和升压电路。
【背景技术】
[0003]US6611410B1描述了一种包括N沟道MOSFET的极性反转保护电路。该MOSFET与负载串联，以使MOSFET的(内部)体二极管在不具有反转极性的常规操作中正向连接，并防止在电源电压端的极性反转的情况下电流流过负载。为获得导通状态下MOSFET的漏极和源极之间的最小可能的电压降，栅极电势须高于极性反转保护电路的电源电势。极性反转保护通过用于MOSFET的栅极的触发电路实现，该触发电路在不具有极性反转的常规操作中仅产生足够高以将MOSFET切换到导通状态的栅极电压。利用直流电动机和相位开关的感应性，触发电路被供应有来自逆变器电路的电力。
[0004]如果没有感应性可被用于该目的，则触发电路的电压必须以另一种方式产生。DE19655180C2描述了包括倍压器电路(被实现为充电泵)的极性反转保护电路，其分别用于生成用于功率MOSFET的栅极电压。为开通或关断倍压器电路，提供了也可由MOSFET实现的电子开关。
[0005]DE19845673A1描述了一种电路，其中，通过桥电路保护充电泵以防止电源的极性反转。
【发明内容】
[0006]本发明的一个目的是提供一种电源电路，其比传统的电源电路更具能量效率，和/或比传统的电源电路在其生产中更具成本效益。
[0007]此外，本发明的一个目的是提供一种具有这种优势的用于电负载的极性反转保护电路。
[0008]该目的通过独立权利要求的特征实现。本发明的有益实施例在从属权利要求中被描述。
[0009]本发明基于传统的电源电路，其中二极管将第一可控半导体的输出端电连接至电源电路的输出端。以这种方式，电源电路自身可在极性相反的情况下去激活。由于在这里单个二极管的阻塞能力是适当的这一事实，可获得极性反转保护功能的高可靠性。通过两个二极管的串联连接替代单个二极管，在两个二极管中的一个变得不起作用的情况下，极性反转保护电路的可靠性可进一步提高。
[0010]电源电路可包括第一电或电子部件，第一电或电子部件将电源电路的电压供给端电连接到电源电路的输出。[0011]第一电或电子部件还可包括第一阻抗。第一阻抗提供差分电压至可能的第一电源电压端子。通过第一用电或电子部件的电子构造，电源电路中的欧姆损耗可被最小化。为此目的，电源电路可被配置为推挽输出级，例如，作为互补的输出级或作为准互补的输出级。此外，如果第一阻抗包括电抗，提供给升压电路的交流电压的信号形式和/或频谱可被第一阻抗影响。
[0012]第一阻抗可以包括第一电阻器。MOSFET在非导通状态下在反向具有非常好的禁用(disabling)性能，在导通状态下在正向具有非常好的导通性能。但是，也可使用另一种类型的场效应晶体管、双极晶体管、IGBT或另一种类型的可控半导体开关，代替MOSFET用于第一可控半导体。
[0013]第一可控半导体可包括M0SFET，尤其是N沟道MOSFET。
[0014]第一可控半导体可包括双极型晶体管，尤其是npn晶体管。
[0015]本发明基于传统的极性反转保护电路，其中极性反转保护电路包括根据本发明的电源电路。以这种方式，可在极性反转的情况下，防止电压将施加于输出级的控制输入端，在极性反转的情况下，其可能将输出级切换至导通状态。
[0016]极性反转保护电路可包括第二电或电子部件，其将输出级的控制输入端电连接到输出级的电压供给端。利用第二电或电子部件的电子构造，通过增加欧姆导通状态的DC电阻，输出级的欧姆损耗可被最小化，而无需在输出级的控制输入端和电压供给端之间的电压均衡。如果阻抗包括电抗分量，它可用于影响提供给输出级的控制输入端的交流电压的信号形式和/或频谱。
[0017]第二电或电子部件可包括第二阻抗。
[0018]第二阻抗可包括第二电阻器。
[0019]输出级可包括第二可控半导体。
[0020]第二可控半导体的源电极或漏电极可电连接到极性反转保护电路的电压供给端。以这种方式，电负载的电源电压也可用于该电源电路。
[0021]在输出级的正常工作模式下，第二可控半导体的体二极管被定向于正向。
[0022]第二可控半导体可包括M0SFET，尤其是N沟道MOSFET。MOSFET在非导通状态下在反向具有非常好的势垒(barrier)性能，在导通状态下在正向具有非常好的导通性能。但是，也可使用另一种类型的场效应晶体管、双极晶体管、IGBT或另一种类型的可控半导体开关，代替MOSFET用于第二可控半导体。
[0023]升压电路可包括倍压器电路和/或维拉德(Villad)电路和/或格莱纳赫(Greinacher)电路和/或德隆(Delon)电路。以这种方式可在不具有感应性的情况下实现电压增加。感应性通常难以在集成电路中实现。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]现将参考附图，借助特别优选的实施例通过举例的方式描述本发明，在附图中:
[0025]图1示出了用于电负载的极性反转保护电路的示意性框图
【具体实施方式】
[0026]首先，将描述图中I所示的极性反转保护电路10的实施例的构造。用于电负载12的电压供应的极性反转保护电路10可包括一对用于电源电压Utl的端子14、16、一对用于交流电压信号Uw的端子18、20、电源电路22、升压电路24以及输出级26。
[0027]电源电路22可包括增强型的第一 N沟道M0SFET28，该M0SFET28的源电极30被连接到电源电压U0的负端16。第一 M0SFET28的漏电极32可通过串联连接34、36连接到电源电压U0的正端14。该串联连接34、36可包括在正常操作(不具有极性反转的操作)下被切换到正向38中的二极管34，以及第一电阻器36。第一电阻器36的第一端40可被连接到电源电压U0的正端14。二极管34的阴极42可被连接到第一 M0SFET28的漏电极32。电阻器36的另一端41可被连接到二极管34的阳极43，并可作为电源电路22的输出端44，输出端44被提供并且适于为升压电路24的输入端46提供交流电压Uy。
[0028]在图中I所示的实施例中，本领域技术人员熟知的格莱纳赫电路被用作升压电路24。可替换的，本文也可使用包括或不包括感应性的任何其他类型的升压电路24。升压电路24的输出端47可连接到输出级26的控制输入端48。第二可控半导体50的栅极电容，可部分或甚至专门地用作格莱纳赫电路的电容C2。
[0029]输出级26可包括第二 N沟道M0SFET50和第二电阻器52。第二 M0SFET50的源电极54可连接到电源电压Utl的正端14。第二 M0SFET50的漏电极56可连接到用于连接和操作电负载12的受控的负载输出端58。负载12可连接和工作在负载输出端58和电源电压UO的负端16之间。第二电阻器52可连接在第二 M0SFET50的栅极60和电源电压U0的正端14之间。
[0030]第二 M0SFET50可包括体二极管62。该体二极管62可被切换到输出级26的主要正向64上，用于不具有极性反转保护电路10的极性反转的操作模式。在具有反转极性的操作模式下，那么，体二极管62被切换到反向。
[0031]现在，将对极性反转保护电路10的实施例的功能性原则进行解释。极性反转保护电路10可包括两个反转极性保护功能。第一反转极性保护功能可保护电负载12以防极性反转。该第一反转极性保护功能存在于:在电源电压Utl的极性反转的情况下，第二M0SFET50的漏极56和源极54之间区段是高欧姆。一方面，这可通过在电路中设置第二M0SFET50以使得其体二极管62在极性反转的情况下被定向于反向来实现。由此得出，在正常操作和无反转极性期间，体二极管62可被定向于输出级26的正向64。
[0032]因此，在正常操作中，输出级26不是必须被提供用于开通和关断电负载12。另一方面，体二极管62通常只具有适度的导通状态属性，以便应用是良好可想象的，其中，第二M0SFET50在贯通连接及非贯通连接状态下的电导之间的差值是足够用于该应用的适当的操作，虽然体二极管62被定向在正向64。在这些情况下，第二M0SFET50不仅可用作反转极性保护，也可用作切换应用。
[0033]为保护电负载12以防止极性反转，在电源电压Utl的极性反转的情况下，第二M0SFET50不切换到导通状态。要做到这一点，可将能够影响第二 M0SFET50的栅电极60和源电极54之间的电压降低的电阻器52设置在第二 M0SFET50的栅极60和第一电源电压端14之间。为防止栅电极60和源电极54之间产生电压Uz，在极性反转的情况下，无论如何需中断或禁用栅极60的电压供应。这可通过在极性反转的情况下(并且，特别是还在极性反转期间的激活的情况下)阻止电流流经电源电路22来实现。为此，二极管34可然后被切换至反向。以此方式，在极性反转的情况下，电源电路22不会放大由交流电压信号源0%所提供的交流电压信号uw。电源电路22可然后不再为升压电路24提供交流电压Uy。因此，升压电路24也就无法提供高到足以将第二 M0SFET50切换到导通状态的输入电压U0+Uz至输出级26的控制输入端48。在极性反转期间的激活的情况下，二极管34尤其也可防止第二可控半导体50的栅极60被供应有激活脉冲，激活脉冲否则在极性反转的情况下将经由第一可控半导体28、输入电容器Cl和串联二极管D2被传输至栅极60，并且激活脉冲对输出级26和/或电负载12的影响是特别不利的。
[0034]利用所建议的在电源电路22中的单电流阀34的有利的设置，可成功地提供有效的反转极性保护，因为与常规的极性反转保护电路相比，其需要较少的元件数量。
[0035]说明书、权利要求书和附图旨在还公开了与所明确描述的实施例互补的实施例。例如，如果采用P沟道MOSFET替代N沟道M0SFET28、50，则可使用负电源电压替代正电源电压Utl，且升压电路24的输出的极性是相反的，或使用互补的升压电路。
[0036]附图标记
[0037]10极性反转保护电路
[0038]12电负载
[0039]14 电源电压U。的正端
[0040]16电源电压U。的负端
[0041]18交流电压信号Uw的第一端
[0042]20交流电压信号Uw的第二端
[0043]22电源电路
[0044]24升压电路
[0045]26输出级
[0046]28第一可控半导体；第一 MOSFET
[0047]30 第一 M0SFET28 的源电极
[0048]32 第一 M0SFET28 的漏电极
[0049]34 二极管
[0050]36第一电阻器
[0051]38第一 M0SFET28的主要正向
[0052]40 电阻器36的第一端
[0053]41电阻器36的第二端
[0054]42 二极管34的阴极
[0055]43 二极管34的阳极
[0056]44电源电路22的输出端
[0057]46升压电路24的输入端
[0058]47升压电路24的输出端
[0059]48输出级26的控制输入端
[0060]50第二可控半导体；第二 MOSFET
[0061]52第二电阻器
[0062]54 第二 M0SFET50 的源电极
[0063]56 第二 M0SFET50 的漏电极[0064]58输出级26的负载输出端
[0065]60 第二 M0SFET50 的栅极
[0066]62体二极管
[0067]64输出级26的正向，
[0068]Osc振荡器
[0069]U0电源电压
[0070]Uw交流电压信号
[0071]Uy交流电压
[0072]Uz升压(boost)
[0073]Cl格莱纳赫电路24的输入电容器
[0074]C2格莱纳赫电路24的平滑电容器
[0075]Dl格莱纳赫电路24的钳位二极管
[0076]D2格莱纳赫电路24的串联二极管
【权利要求】
1.一种用于升压电路(24)的电源电路(22)，其中，所述电源电路(22)包括二极管(34)和第一可控半导体(28)，在所述第一可控半导体(28)的主电流方向(38)上，所述二极管(34)与所述第一可控半导体(28)串联连接，其特征在于，所述二极管(34)将所述第一可控半导体(28)的输出端(32)电连接至所述电源电路(22)的输出端(44)。
2.根据权利要求1所述的电源电路(22)，其特征在于，所述电源电路(22)包括第一电或电子部件(36)，所述第一电或电子部件(36)将所述电源电路(22)的电压供给端(14)电连接到所述电源电路(22)的输出端(44)。
3.根据权利要求2所述的电源电路(22)，其特征在于，所述第一电或电子部件(36)包括第一阻抗(36)。
4.根据权利要求3所述的电源电路(22)，其特征在于，所述第一阻抗(36)包括第一电阻器(36) ο
5.根据权利要求1-4中的任一项所述的电源电路(22)，其特征在于，所述第一可控半导体(28)包括MOSFET，尤其包括N沟道MOSFET。
6.根据权利要求1-5中的任一项所述的电源电路(22)，其特征在于，所述第一可控半导体(28)包括双极型晶体管，尤其包括npn晶体管。
7.一种用于电负载(12)的极性反转保护电路(10)，其中，所述极性反转保护电路(10)包括输出级(26)和升压电路(24)，其特征在于，还包括根据权利要求1-6中的任一项所述的电源电路(22)。
8.根据权利要求7所述的极性反转保护电路(10)，其特征在于，第二电或电子部件(52)将所述输出级(26)的控制输入端(48)电连接到所述输出级(26)的电压供给端(14)。
9.根据权利要求8所述的极性反转保护电路(10)，其特征在于，所述电或电子部件(52)为第二阻抗(52)。
10.根据权利要求9所述的极性反转保护电路(10)，其特征在于，所述第二阻抗(52)为第二电阻器(52)。
11.根据权利要求7-10中的任一项所述的极性反转保护电路(10)，其特征在于，所述输出级(26)包括第二可控半导体(50)。
12.根据权利要求11所述的极性反转保护电路(10)，其特征在于，所述第二可控半导体(50)的源电极(54)或漏电极(56)电连接到所述极性反转保护电路(10)的电压供给端(14)。
13.根据权利要求11或12所述的极性反转保护电路(10)，其特征在于，在所述输出级(26)的正常操作模式下，所述第二可控半导体(50)的体二极管(62)被定向于正向(38)。
14.根据权利要求11-13中的任一项所述的极性反转保护电路(10)，其特征在于，所述第二可控半导体(50)包括MOSFET，尤其包括N沟道MOSFET。
15.根据权利要求7-14中的任一项所述的极性反转保护电路(10)，其特征在于，所述升压电路(24)包括倍压器电路和/或维拉德电路和/或格莱纳赫电路和/或德隆电路。
【文档编号】H02J7/00GK103765517SQ201280026816
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2012年5月7日 优先权日:2011年5月30日
【发明者】U·里希特 申请人:韦巴斯托股份公司