应用于开关电源供电系统的控制装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及用于开关电源供给系统的控制装置（1）以控制开关电源供给系统的DC/DC转换器，控制装置包括：第一输入端子（A）和第二输入端子（B）；第一晶体管（T1），经由其源极连接至第二输入端子（B）；以及第二晶体管（T2），所述第二晶体管设置有栅极（G）并且经由其漏极（D）连接至第一输入端子（A）并经由其源极（S）连接至所述第一晶体管（T1），所述控制装置包括：控制组件，连接至所述第二晶体管（T2）的栅极（G）并且连接至所述第二输入端子（B）以及所述控制组件包括电容器（Ca）和串联至所述电容器（Ca）的第一齐纳二极管（Dz1）以及连接在所述第二晶体管（T2）的栅极（G）和源极（S）之间的第二齐纳二极管（Dz2）。
【专利说明】应用于开关电源供电系统的控制装置
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及应用于开关电源供电系统中的控制装置。
【背景技术】
[0002]开关电源供电系统(也称为“开关式电源SMPS”)能够基于在输入端处所分接(tapoff)的DC电压而输送一种或多种DC电压作为输出。这种类型的开关电源供电系统尤其用于可变速驱动器。在可变速驱动器中，于是开关电源供电系统承担提供辅助DC电压的任务，使得能够通过从可变速驱动器的DC电源总线所分接的主DC电压供电给可变速驱动器的所有的电子器件。
[0003]DC电压总线提供的主DC电压可以在350Vcc至大于IOOOVcc的范围内变化。因此，应用于开关电源供电系统中的控制装置能够在1700VCC下切换高达2A的电流。以已知的方式，控制装置可以包括击穿电压介于1200V至1700V的单个MOSFET型晶体管。然而，在这些击穿电压下，MOSFET晶体管具有其技术限制。而且，MOSFET晶体管成本高并且在操作期间，MOSFET晶体管通过焦耳效应所产生的损耗特别大。
[0004]为了缓和这些缺点，已知将具有较低击穿电压(在600V至900V之间变化)的两个MOSFET晶体管串联。因此，两个串联的晶体管中的每个晶体管都承受较低的电压，以与MOSFET技术的最优应用兼容。
[0005]在现有技术中，已经提出了两个串联的晶体管的几种设置。Robert L Hess和Russel Jacob Baker 于 2000 年 9 月在 IEEE transactions on power electronics (第 5册第 15 卷)上发表的标题为 “Transformerless Capacitive Coupling of Gate Signalsfor Series Operation of Power MOS Devices”的文章描述了包括串联的至少两个MOSFET型晶体管的控制装置。在图1A中示出了该拓扑结构。在该拓扑结构中，控制装置包括两个输入端子A、B和第一晶体管Tl，其中，该第一晶体管连接至第二输入端子B并且在其栅极处接收来自控制单元U的控制信号。第二晶体管T2与第一晶体管Tl串联地连接并且连接至第一输入端子A。电容器Cl连接至在第二晶体管T2的栅极和第二输入端子B之间。电容器Cl具有双重作用:提供足够的电荷以控制第二晶体管并且将第一晶体管的端子之间的电压限制为最优值。
[0006]为了避免取决于这两个条件，尤其提出了用齐纳二极管Dzl来替换电容器，于是能够固定第一晶体管Tl的端子之间的电压。在图1B中示出了该已知的第二拓扑结构。在该设置中，于是依靠由齐纳二极管Dzl的杂散电容(Cz)所存储的电荷来确保第二晶体管T2的控制。然而，如果通过齐纳二极管Dzl的杂散电容所传输的电荷低于(例如，由于DC总线的电压太低)准确控制第二晶体管T2所必需的电荷，则有必要添加与该齐纳二极管并联的电容器，以确保第二晶体管的适当控制。通过添加与齐纳二极管并联的电容器，使在第一设置方面所识别出的缺点再现。
[0007]在这两种设置中，无论电容器是固有的还是附加的，第二晶体管T2的控制都取决于电容器的电容和电容器的端子之间的电压电平。为了基于电容器(齐纳二极管Dzl固有的或者附加的)的端子之间较低的电压来以适当的方式控制第二晶体管T2，有必要增加与晶体管T2的栅极G串联连接的电容器的电容。然而，电容器的电容不能无限增大。
[0008]在专利申请EP0453376A2 和 EP0140349A2 以及由 Herbert L Hess 于 2000 年 9 月
I日发表的标题为“Transformerless Capacitive coupling of Gate Signals for SeriesOperation of Power MOS Devices”(XP011043472)的出版物中已经描述了各种控制方案。
[0009]本发明的目的是为了提出意欲应用于开关电源供电系统中的具有串联的两个晶体管的控制装置，该控制装置不管主DC电压电平是多少，都允许适当控制第二晶体管，而不增大电容器的电容。
【发明内容】
[0010]通过意欲应用于开关电源供电系统的控制装置来实现该目的，控制装置控制所述开关电源供电系统的DC/DC转换器，所述控制装置包括:第一输入端子和第二输入端子；第一晶体管，所述第一晶体管经由其源极连接至第二输入端子并且布置有意欲接收来自于控制单元的控制信号的栅极；以及第二晶体管，所述第二晶体管设置有栅极并且经由其漏极连接至第一输入端子并经由其源极连接至所述第一晶体管，其特征在于，所述控制装置包括:
[0011]控制组件，所述控制组件连接至所述第二晶体管的栅极并且连接至所述第二输入端子以及所述控制组件包括电容器和串联至所述电容器的电压钳位/路由装置，
[0012]齐纳二极管，所述齐纳二极管连接在所述第二晶体管的栅极和源极之间。
[0013]根据具体特征，所述装置包括一个或多个重叠的完全相同的图案，每个图案都包括:
[0014]两个连接点，
[0015]电容器，所述电容器连接至第一连接点，
[0016]第一齐纳二极管，所述第一齐纳二极管与所述电容器串联，
[0017]第三晶体管，所述第三晶体管布置有连接至所述电容器的栅极和连接至第二连接点的源极，
[0018]齐纳二极管，所述齐纳二极管连接在所述第三晶体管的栅极和源极之间，
[0019]第一添加的图案在上面通过其所述第二连接点连接至所述第二晶体管的漏极并且通过其所述第一连接点连接至所述第二晶体管的栅极，
[0020]每个附加图案都在上面通过其所述第二连接点连接至所述先前图案的晶体管的漏极并且通过其所述第一连接点连接至所述先前图案的所述晶体管的栅极。
[0021]本发明涉及一种开关电源供电系统的控制装置，包括其间连接DC电压源的第一端子和第二端子，连接至第一端子的DC/DC转换器以及与所述DC/DC转换器串联地连接并连接至所述第二端子的控制装置，所述控制装置是根据以上所定义的控制装置。
[0022]根据具体特征，所述DC/DC转换器为绝缘“反激”型、绝缘“正激”型、升压型或者降压型。
[0023]本发明最后涉及一种意欲控制电力负载的可变速驱动器，所述可变速驱动器包括:
[0024]整流模块，所述整流模块意欲对由配电网络所提供的AC电压进行整流，[0025]DC电源总线，所述DC电源总线连接至所述整流模块并且包括正电势处的第一电源供给线和负电势处的第二电源供给线，所述第一电源供给线和所述第二电源供给线之间施加通过所述整流模块所提供的主DC电压，
[0026]总线电容器，所述总线电容器连接至所述第一电源供给线和所述第二电源供给线，
[0027]逆变模块，包括几个开关晶体管，所述开关晶体管意欲将所述总线上可用的DC电压变换为预定用于所述电力负载的可变电压，
[0028]根据以上所定义的开关电源供给系统，所述开关电源供给系统的第一端子连接至DC电源总线的第一电源供给线并且所述开关电源供给系统的第二端子连接至DC电源总线的第二电源供给线。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]在关于附图所提供的以下具体描述中，其他特征和优点变得显而易见，其中:
[0030]图1A示出了根据第一现有技术具有串联的两个晶体管的控制装置；
[0031]图1B示出了根据第二现有技术具有串联的两个晶体管的控制装置；
[0032]图2示出了开关电源供电系统；
[0033]图3示出了应用本发明的开关电源供电系统的可变速驱动器；
[0034]图4示出了根据本发明具有串联的两个晶体管的控制装置，该控制装置与降压型转换器结合；
[0035]图5A至图5C示出了本发明的控制装置的工作方法；
[0036]图6示出了在本发明的控制装置上多次进行级联的图案；以及
[0037]图7示出了包括级联的几个晶体管的本发明的控制装置。
【具体实施方式】
[0038]在图1A和图1B中所表示的解决方法形成现有技术的一部分并且以上在说明书的引言部分中已经对其进行了描述。
[0039]在随后的描述中，只要所应用的部件完全相同并实现完全相同的功能，对于本发明的描述就保留图1A和图1B的描述中所应用的某些参照。
[0040]本发明涉及意欲应用于开关电源供电系统中的控制装置I。这种开关电源供电系统应用于诸如图3中所示的可变速驱动器。
[0041]参照图3，可变速驱动器由输送AC电压的三相供电网R进行供电并且基于AC/DC/AC拓扑结构(AC=交流，DC=直流)。因此，可变速驱动器(诸如该可变速驱动器)包括:
[0042]-整流模块REC，意欲对由网络所提供的AC电压进行整流，
[0043]-DC电源总线，连接至整流模块并且包括位于正电势处的第一电源线10和位于负电势处的第二电源线11，其中，将由整流模块所提供的主DC电压Vbus施加在第一电源线和第二电源线之间，
[0044]-总线电容器Cbus，连接至第一电源线10和第二电压线11并且意欲将DC电压Vbus保持为恒值，
[0045]-逆变模块INV包括几个开关晶体管，意欲将总线上可用的DC电压变换为去往电力负载M的可变电压。
[0046]主DC电压Vbus用于供电给开关电源供电系统。开关电源供电系统尤其用于为逆变模块INV的晶体管提供控制电压。
[0047]诸如图2中所示的开关电源供电系统包括意欲连接至DC电源总线的第一电源线10的第一端子X和意欲连接至第二电源线11的第二端子Y。系统包括:连接至其第一端子X的DC/DC转换器；以及与DC/DC转换器串联并且连接至其第二端子Y的控制装置I。DC/DC转换器可以采用各种已知的拓扑结构的形式，诸如，绝缘“反激”、绝缘“正激”、降压(“降压式”)或者升压(“升压式”)。图2示出了与“反激”型转换器连接的本发明的控制装置。
[0048]参照图4，与降压型转换器结合的本发明的控制装置I包括两个输入端子A、B。第一输入端子A意欲连接至开关电源供电系统的降压转换器并且第二输入端子B意欲连接至系统的第二端子Y。
[0049]控制装置I包括在其第一输入端子A和其第二输入端子B之间串联地连接的两个晶体管T1、T2。优选地， 带隙材料”)所制造的晶体管。选择串联的两个晶体管能将每个晶体管的端子之间所支持的电压二等分(halve)，因此能相对于支持全部电压的单个晶体管降低了其成本并且减小了其体积。
[0050]每个晶体管Tl、T2都具有栅极G，其栅极控制能够使漏极D和源极S之间流过电流。如图4中所示，第一晶体管Tl的源极S连接至第二输入端子B，第二晶体管T2的源极S连接至第一晶体管Tl的漏极，并且第二晶体管T2的漏极连接至第一输入端子A。
[0051]第一晶体管Tl的栅极G连接至控制单元U，该控制单元提供诸如PWM (脉宽调制)型的控制信号，以使第一晶体管Tl导通或截止。第二晶体管T2的栅极G是浮置控制型。因此，该第二晶体管的栅极通过本发明的主题的特定控制组件连接至第二输入端子B。
[0052]该控制组件包括:电容器Ca，串联地连接至第二输入端子B和钳位/路由(!outing)装置，例如连接至电容器Ca以及第二晶体管T2的栅极G的齐纳二极管Dzl。齐纳晶体管Dzl与电容器Ca串联地连接。
[0053]控制组件还包括连接在第二晶体管T2的栅极G和源极S之间的第二齐纳二极管Dz20
[0054]因此，通过第二晶体管T2的栅极G进行放电并且通过对晶体管T2的漏源杂散电容Co2进行充电来自动供电给电容器Ca。在第一晶体管Tl的导通阶段期间，会产生这种自动电力供电。在该阶段，齐纳二极管Dzl进行钳位并且反向导电。
[0055]下文中将对控制组件的截止状态和导通状态进行说明:
[0056]截Ih状杰:
[0057]开始，两个晶体管T、T2都导通。
[0058]MM:控制单元U对第一晶体管Tl的栅极G分配导通信号。第一晶体管Tl的漏源电压Vdsi开始增大，从而引起齐纳二极管Dzl的端子之间的电压Vdz1增大。电流Ip (变压器的一次侧电流)流过第二晶体管T2的栅极G并且对齐纳二极管Dzl的杂散电容Cz、第一晶体管Tl的杂散电容Col以及电容器Ca的电容进行充电，并且将转换器的二极管Dl的杂散电容Cp进行放电。该电流Ip允许齐纳二极管Dzl的端子之间的电压Vdz1和电容器Ca的端子之间的电压Va增大。这还允许第二晶体管T2的栅极G放电。然而，第二晶体管T2仍处于导通状态。
[0059]图5B:只要第二晶体管T2的栅源电压Ves2降低为低于状态改变极限电压，第二晶体管T2就转到开路状态，从而导致漏源电压Vds2增大。当第二晶体管T2处于开路状态时，电流Ip对杂散电容Col、Co2、Cz进行充电并且继续将第二晶体管T2的栅极和杂散电容Cp放电。
[0060]图5C:—旦第一晶体管Tl的漏源电压Vdsi达到齐纳二极管Dzl的钳位电压，晶体管Tl的杂散电容器Col的充电就结束并且流经第一晶体管Tl的电流Idsi变为O。
[0061]只要第二晶体管T2和二极管Dl各自的杂散电容Co2、Cp没有充满电，电流Ip就继续对它们进行充电和放电。齐纳二极管Dz2以正向模式导通而齐纳二极管Dzl以反向模式导通，直到分别完成杂散电容Co2、Cp的充电和放电。
[0062]截Ih状杰:
[0063]开始，两个晶体管Tl、T2都截止。
[0064]控制单元U对第一晶体管Tl的栅极分配导通信号。第一晶体管Tl的端子之间的漏源电压Vdsi下降，直到第一晶体管完全导通，以代表其电阻式状态。
[0065]然后，电容器Ca的端子之间的电压Va足以正确地引导第二晶体管T2。以下列方式来表不该自适应电压Va:
[0066]Va=VfwDzl+VDz2+ (IdT1*Rdsw—T1)
[0067]其中:
[0068]-Va表示电容器Ca的端子之间的电压，
[0069]-Vfwllzl表示齐纳二极管Dzl的正向导通阈值电压，
[0070]-Vdz2表示齐纳二极管Dz2的钳位电压，
[0071]-1dn表示流经第一晶体管Tl的漏源电流，
[0072]-Rds001表示第一晶体管Tl的导通状态电阻。
[0073]从上文所述的体系结构开始，本发明还包括第二晶体管T2之上的级联晶体管。
[0074]为此，可在先前所述的并且包括两个晶体管Tl、T2的体系结构上添加一个或多个完全相同的图案。第一图案连接至第二晶体管T2的栅极G和漏极D。
[0075]参照图6，图案包括两个连接点M、N。每个图案都包括:连接至第一连接点M的电容器Cb，该电容器可以与上述电容器Ca相同；与电容器Cb串联地连接的齐纳二极管Dzl，该齐纳二极管与先前的齐纳二极管相同以符合电压的共享；与主晶体管T1、T2的类型相同的晶体管T3_i (i=l至n)，其栅极G连接至电容器Cb，并且其源极S连接至第二连接点N。图案还包括连接在晶体管T3_i的栅极G和源极S之间的齐纳二极管Dz3 (可选地，与Dz2相同)。
[0076]每个添加的图案都在上面通过其第二连接点N连接至先前图案的晶体管(T3_η-1)的漏极D并且通过其第一连接点M连接至先前图案的晶体管(Τ3_η-1)的栅极G。
[0077]最后图案的晶体管(Τ3_η)的漏极D连接至上文所述的第一输入端子A。
[0078]当通过控制单元U使第一晶体管Tl截止时，通过电流Ip对级联的晶体管的杂散电容充电。每个晶体管T3_i的端子之间的电压被钳位于齐纳二极管Dzl的电压。齐纳二极管导通并且对图案的电容器Cb充电。
[0079]在导通时，图案的每个电容器Cb的端子之间的电压补偿电压下降。以下列方式来表示图案的每个电容器Cb的端子之间的该电压Vl:
[0080]Vl= (VDz3 — VDz2) +VfwDzl+IdT2*Rdson T2 ；
[0081 ] Vn= (VDz3 - VDz2) +VfwllzAIURdson Tn ；
[0082]如果VDz3=VDz2，并且晶体管的导通状态电阻(Rdsm Tn)相同，则我们获得:
[0083]Vl=V2=Vn=VfwDzl+IdT2*Rdson Tn
[0084]利用级联的两个以上的MOSFET型晶体管的所谓的“浮置”电容器能补偿相关联的齐纳二极管Dzl的电压下降以及与晶体管的导通状态电阻相关的电压下降。
【权利要求】
1.一种用于开关电源供电系统的控制装置(1)，以控制所述开关电源供电系统的DC/DC转换器，所述控制装置包括:第一输入端子(A)和第二输入端子(B);第一晶体管(Tl)，所述第一晶体管经由其源极连接至第二输入端子(B)并且布置有栅极(G)以接收来自于控制单元(U)的控制信号；以及第二晶体管(T2)，所述第二晶体管设置有栅极(G)并且经由其漏极(D)连接至第一输入端子(A)并经由其源极(S)连接至所述第一晶体管(Tl)，其特征在于，所述控制装置包括: 控制组件，所述控制组件连接至所述第二晶体管(T2)的栅极(G)并且连接至所述第二输入端子(B)以及所述控制组件包括电容器(Ca)和串联地连接至所述电容器(Ca)的电压钳位/路由装置， 齐纳二极管(Dz2)，所述齐纳二极管连接在所述第二晶体管(T2)的栅极(G)和源极(S)之间。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电压钳位/路由装置包括齐纳二极管(Dzl)0
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置包括一个或多个重叠的相同的图案，每个图案都包括: 两个连接点(M，N)， 电容器(Cb)，所述电容器连接至第一连接点(M)， 第一齐纳二极管(Dzl)，所述第一齐纳二极管与所述电容器(Cb)串联地连接， 第三晶体管(T3_i)，所述第三晶体管布置有连接至所述电容器(Cb)的栅极(G)和连接至第二连接点(N)的源极(S)， 齐纳二极管(Dz3)，所述齐纳二极管连接在所述第三晶体管(T3_i)的栅极(G)和源极(S)之间， 第一添加的图案在上面通过其所述第二连接点(N)连接至所述第二晶体管(T2)的漏极(D)并且通过其所述第一连接点(M)连接至所述第二晶体管(T2)的栅极(G)， 每个附加图案都在上面通过其所述第二连接点(N)连接至所述先前图案的晶体管(T3_n-1)的漏极(D)并且通过其所述第一连接点(M)连接至所述先前图案的所述晶体管(Τ3_η-1)的栅极(G)。
4.一种开关电源供电系统，包括其间连接DC电压源的第一端子(X)和第二端子(Y)，连接至第一端子(X)的DC/DC转换器以及与所述DC/DC转换器串联地连接并连接至所述第二端子(Y)的控制装置(1)，其特征在于，所述控制装置(I)是根据权利要求1至3中的任一项所述的控制装置(I)。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述DC/DC转换器为绝缘“反激”型。
6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述DC/DC转换器为绝缘“正激”型。
7.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述DC/DC转换器为升压型。
8.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述DC/DC转换器为降压型。
9.一种用于控制电力负载(M)的可变速驱动器，包括: 整流模块(REC)，所述整流模块意欲对由配电网络(R)所提供的AC电压进行整流， DC电源总线，所述DC电源总线连接至所述整流模块(REC)并且包括正电势处的第一电源供给线(10)和负电势处的第二电源供给线(11)，所述第一电源供给线和所述第二电源供给线之间施加由所述整流模块所提供的主DC电压(Vbus)， 总线电容器(Cbus)，所述总线电容器连接至所述第一电源供给线(10)和所述第二电源供给线(11)， 逆变模块(INV)，包括几个开关晶体管，所述开关晶体管意欲将所述总线上可用的DC电压(Vbus)变换为预定用于所述电力负载(M)的可变电压， 其特征在于，所述可变速驱动器包括: 根据权利要求4至8中的任一项所述的开关电源供给系统并且其特征在于，所述开关电源供给系统的第一端子(X)连接至DC电源总线的第一电源供给线(10)并且所述开关电源供给系统的第二端 子(Y)连接至DC电源总线的第二电源供给线(11)。
【文档编号】H02M3/335GK104009642SQ201410063195
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年2月25日 优先权日:2013年2月25日
【发明者】A.P.巴劳纳, H.波尔哈特斯 申请人:施耐德东芝换流器欧洲公司