电容器的充电的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种对电容器充电的方法。在一个示例中，一种方法包括交替地接通与电容器串联连接并与第一电容元件并联连接的第一开关，和与所述电容器串联连接并与第二电容元件并联连接的第二开关。具有所述第一开关、所述电容器和所述第二开关的串联电路耦合至电源节点以接收电源电压。
【专利说明】电容器的充电
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电源转换器电路、开关电路和包括电容器的其他类似的电路。
【背景技术】
[0002] 电源转换器电路，比如在汽车中用于驱动电动机的电源转换器电路（换流器），通 常包括用于缓冲从电源（比如电池）处接收到的能量的输入电容器。电源转换器电路还可 用于很多其他类型的应用中。
【发明内容】
[0003] 第一个示例涉及一种方法。该方法包括交替地接通与电容器串联连接并与第一电 容元件并联连接的第一开关，和与该电容器串联连接并与第二电容元件并联连接的第二开 关，其中具有第一开关、电容器和第二开关的串联电路耦合至电源节点以用于接收电源电 压。
[0004] 第二个示例涉及开关电路。该开关电路包括配置为与电源连接的输入端，和配置 为与电容器连接的输出端，与第一电容元件并联连接且连接在输入端和输出端之间的第一 开关，与第二电容元件并联连接且连接在输入端和输出端之间的第二开关，以及控制电路。 该控制电路配置为在预充电模式下通过交替地接通第一开关和第二开关来操作第一开关 和第二开关。
【专利附图】
【附图说明】
[0005] 现在将参考附图对示例进行说明。附图用于举例说明一些原理，所以仅图示了理 解这些原理所必要的方面。附图并不是按比例的。在附图中相同的附图标记表示相同的特 征。
[0006] 图1示意性地示出了一种电子电路，其包括耦合于电源和电容器之间的开关电 路；
[0007] 图2举例说明了开关电路的一个示例；
[0008] 图3示出了时序图，其举例说明了在一个开关周期内开关电路的一种运行方式；
[0009] 图4示出了时序图，其举例说明了在预充电模式下电容器两端的电压；
[0010] 图5示出了时序图，其举例说明了依照进一步的示例的开关电路的一种运行方 式；
[0011] 图6示出了开关电路状态图的一个示例；
[0012] 图7举例说明了开关电路状态图的进一步不例；
[0013] 图8举例说明了一种包括结电容器的开关电路；
[0014] 图9详细地举例说明了结电容器的一个示例；
[0015] 图10举例说明了包括MOSFETs的开关电路的一个示例；
[0016] 图11示出了依照一个示例的MOSFET的垂直截面图；
[0017] 图12示意性地示出了结电容器的电容，其取决于结电容器两端的电压；
[0018] 图13示出了时序图，其举例说明了在包括结电容器的电子电路中流进电容器的 电流和电容器两端的电压；
[0019] 图14不出了一种依照另一不例的开关电路；
[0020] 图15示出了一种依照另一示例的开关电路；
[0021] 图16示出了一种依照另一示例的开关电路。
【具体实施方式】
[0022] 本公开的示例涉及用于对电容器充电的方法，特别是在电源转换器电路中用于对 电容器预充电的方法，以及涉及开关电路。
[0023]电源转换器电路，比如在汽车中用于驱动电动机的电源转换器电路（换流器），通 常包括用来缓冲从电源比如电池处接收到的能量的输入电容器。该电容器可具有比较高的 电容，比如几百微法拉（μF)。为了能够断开电源转换器电路和电源之间的连接，可设置开 关电路。在常规系统中，该开关电路包括至少一个第一继电器。在正常运行模式下，该至少 一个第一继电器将电源连接到电源转换器电路。在该运行模式下，要求第一继电器具有低 的电阻，以保持低损耗。在输入电容器放电后，第一次接通开关电路时，高的浪涌电流可从 电源流入输入电容器。在该运行模式下，要求开关电路将流入输入电容器的电流限制在预 定的电流水平。为此可设置与第一继电器并联的第二继电器。第二继电器可比第一继电器 具有更高的电阻，或者可具有与其串联连接的电阻器。在这种类型的开关电路中，第二继电 器用于对输入电容器预充电，其中在输入电容器被预充电至预定的充电电平后接通第一继 电器。
[0024]在现代的电动汽车中，低重量和低尺寸的驱动系统是至关重要的。由于继电器沉 重、占用空间，并且会逐渐磨损，所以有需要提供可靠的开关电路，其包括更少的开关器件、 以及更轻和更小的开关器件。
[0025]在下面的详细描述中参照了附图。附图构成说明书的一部分，并以举例说明的方 式示出了特定的示例。应当理解的是，除非另有特别注明，本文描述的各种示例或实施例的 特征可彼此相互结合。
[0026] 图1示意性地示出了电子电路的一个示例。该电子电路包括开关电路2,其具有耦 合至电源3的输入端24^24 2，和稱合于电容器4的输出端25^25；^。负载Z(虚线所不）可 与电容器4连接。图1所示的电子电路例如是用于电动车辆或混合动力汽车中的电子电路。 在这种情况下，电源3可以是电池，特别是可充电电池，而负载Z可包括电源转换器（换流 器）和由电源转换器驱动的电动机。在这种类型的应用中，电容器4可以是电源转换器电 路的输入电容器，并且用来缓冲从电源3处接收到的能量。电源电压V3的电压电平例如是 几百伏（比如约400伏），而电容器4的电容例如是几百微法（μF)。
[0027]根据一个示例，开关电路2可在正常运行模式下和在预充电模式下运行。在正常 运行模式下，开关电路2将电容器4和负载Z连接到电源3。在预充电模式下，开关电路3 对电容器4预充电。在电容器4(完全）放电后，有必要对其进行预充电。当电容器4已放 电时，简单地将电容器4连接到电源3可导致高的浪涌电流，这可能会损坏电源、将电源耦 合到电容器的开关和电容器中的至少一个。
[0028] 图2更详细地示出了开关电路2的一个示例。在该示例中，开关电路2包括f禹合 于输入端24^242和输出端25^25；^之间并且与第一电容兀件22i并联连接的第一开关2L; 以及耦合于输入端24、242和输出端25i、252之间并且与第二电容元件222并联连接的第二 开关212。在本示例中，第一开关2^耦合于第一输入节点24和第一输出节点25i之间，而 第二开关212耦合于第二输入节点242和第二输出节点25 2之间。第一开关2^和第二开关 212中的每一个皆与电容器4串联连接，并且具有第一开关、电容器4和第二开关21 2的 串联电路耦合于第一输入节点和第二输入节点21、242之间。
[0029] 参考图2,开关电路2进一步包括控制电路20。控制电路20配置为驱动第一开关 和第二开关21 2。即控制电路20生成由第一开关21接收的第一驱动信号S2h，以及由 第二开关212接收的第二驱动信号S212。第一开关2^和第二开关212中每一个的接通和 截止分别地取决于相应的驱动信号S2L和S212的信号电平。
[0030] 控制电路20在预充电模式下可运行开关电路2。在预充电模式下，控制电路20交 替地接通第一开关2^和第二开关21 2，以形成多个后续的开关周期，其中在每个开关周期 中在第一接通期（on-period)内接通第一开关，并且，在第一接通期后，在第二接通期内 接通第二开关212。在下一个开关周期中，再次接通第一开关211，以此类推。在这些开关 周期的每一个中，电荷存储在电容器4中。这将在下面更详细地进行说明。
[0031] 开关电路2在一个开关周期中的运行将参考图3说明如下。图3示意性地示出了 第一驱动信号S2L、第二驱动信号S212、第一电容兀件ZZ1两端的电压VZZ1、第二电容兀件 2?两端的电压V222以及电容器4两端的电压V4的时序图。以举例说明为目的，假定电容 器4在预充电过程开始之前已经完全放电。仅以说明为目的，第一驱动信号和第二驱动信 号S21pS212其中的一个的高电平表示接通相应开关的接通电平（on-level)，而低电平表 示截止相应开关的截止电平（off-level)。
[0032] 图3举例说明了一个开关周期的时序图，其包括接通第一开关的第一接通时 间（on-time)Tonl,以及接通第二开关222的第二接通时间Ton2。第一接通时间Tonl和第 二接通时间Τοη2并适时地（timely)重叠。也就是说，一次仅接通第一开关21^和第二开 关212其中的一个。
[0033] 当第一开关2^接通并且第二开关212关断时，电容器4和第二电容元件2?构成 电容分压器，其耦合于第一输入节点24和第二输入节点212之间。参考图3,当第一开关21ι 接通时，电容器4两端的电压V4和第二电容元件222两端的电压V222增加。电压V4、V22a 的增加速率，除其他方面以外，取决于第一开关21的导通电阻，取决于电连接电子电路中 的单个部件的连接线的线电阻，以及取决于电子电路的分立电感（discreteinductances) 或者寄生电感（parasiticinductances) 〇
[0034] 仅以说明为目的，假定电容器4的电容C4和电容器222的电容C222基本上恒定且 基本上独立于相应的电容器两端电压的电压电平。但是参考图3说明的运行方式，并不只 限于在单个电容器具有恒定电容的电子电路中（例如本文下面将参考图8至图11说明的 具有压敏电容的电容器）。以说明为目的，进一步假定第一接通期Tonl足够长，以使具有电 容器4和第二电容元件2?的串联电路其两端的电压V4+V222增加至电源电压V3。在这种 情况下，在第一接通期Tonl结束时，电压V4和V222如下：
【权利要求】
1. 一种方法，包括： 交替地接通与电容器串联连接并与第一电容元件并联连接的第一开关，和与所述电容 器串联连接并与第二电容元件并联连接的第二开关， 其中具有所述第一开关、所述电容器和所述第二开关的串联电路耦合至电源节点用于 接收电源电压。
2. 如权利要求1所述的方法， 其中交替地接通所述第一开关和所述第二开关的步骤包括一次仅接通所述第一开关 和所述第二开关其中的一个开关。
3. 如权利要求1所述的方法， 其中交替地接通所述第一开关和所述第二开关的步骤包括多个适时地随后的开关周 期， 其中所述多个开关周期中的每一个开关周期包括： 在第一接通期接通所述第一开关，并且，在所述第一接通期后，在第二接通期接通所述 第二开关。
4. 如权利要求3所述的方法， 其中所述第一接通期和所述第二接通期基本上相等。
5. 如权利要求3所述的方法， 其中所述第一接通期和所述第二接通期基本上是固定的时长。
6. 如权利要求3所述的方法，其中所述多个开关周期中的每一个开关周期进一步包 括： 在所述第一接通期之后和所述第二接通期之前的第一空载时间，以及在所述第二接通 期之后和随后的开关周期的所述第一接通期之前的第二空载时间。
7. 如权利要求1所述的方法，进一步包括： 检测所述电容器两端的电压的电压电平，以及当所述电压电平达到预定电平时接通所 述第一开关和所述第二开关。
8. 如权利要求7所述的方法， 其中所述预定电平高于所述电源电压的电压电平的80 %。
9. 如权利要求1所述的方法， 其中电感器与所述电容器串联连接。
10. 如权利要求9所述的方法， 其中至少一个整流器元件与包括所述电容器和所述电感器的串联电路并联连接。
11. 如权利要求1所述的方法， 其中所述第一电容元件和所述第二电容元件中的至少一个电容元件包括结电容器。
12. 如权利要求11所述的方法， 其中所述第一电容元件和所述第二电容元件中的至少一个电容元件包括MOSFET，其中 所述结电容器由所述MOSFET的体区和漂移区形成。
13. 如权利要求1所述的方法， 其中第一整流器元件与所述第一电容元件串联连接，且具有所述第一整流器元件和所 述第一电容元件的串联电路与所述第一开关并联耦合，以及 其中第二整流器元件与所述第二电容元件串联连接，且具有所述第二整流器元件和所 述第二电容元件的串联电路与所述第二开关并联耦合。
14. 如权利要求13所述的方法， 其中所述第一电容元件通过所述第二整流器元件耦合至所述电容器，以及 其中所述第二电容元件通过所述第一整流器元件耦合至所述电容器。
15. -种电子电路，包括： 配置为连接至电源的输入端，和配置为连接至电容器的输出端， 与第一电容元件并联连接且连接于所述输入端和所述输出端之间的第一开关， 与第二电容元件并联连接且连接于所述输入端和所述输出端之间的第二开关，和 配置为交替地接通所述第一开关和所述第二开关的控制电路。
16. 如权利要求15所述的电子电路， 其中所述控制电路配置为一次仅接通所述第一开关和所述第二开关其中的一个开关。
17. 如权利要求15所述的电子电路， 其中所述控制电路配置为在多个适时地随后的驱动周期中，驱动所述第一开关和所述 第二开关，和 其中所述控制电路，在每个驱动周期中，配置为： 在第一接通期接通所述第一开关，并且，在所述第一接通期之后，在第二接通期期间接 通所述第二开关。
18. 如权利要求17所述的电子电路， 其中所述第一接通期和所述第二接通期基本上相等。
19. 如权利要求17所述的电子电路， 其中所述第一接通期和所述第二接通期是基本上固定的时长。
20. 如权利要求17所述的电子电路， 其中所述控制电路，在每个驱动周期中，进一步配置为在所述第一接通期之后和所述 第二接通期之前生成第一空载时间，和在所述第二接通期之后和随后的开关周期的所述第 一接通期之前生成第二空载时间。
21. 如权利要求15所述的电子电路， 其中所述控制电路进一步配置为检测所述输出端处电压的电压电平，并当所述电压电 平达到预定电平时接通所述第一开关和所述第二开关。
22. 如权利要求21所述的电子电路， 其中所述预定电平高于所述输入端处的电压电平的80%。
23. 如权利要求15所述的电子电路， 其中所述第一电容元件和所述第二电容元件中的至少一个电容元件包括结电容器。
24. 如权利要求23所述的电子电路， 其中所述第一电容元件和所述第二电容元件中的至少一个电容元件包括MOSFET，其中 所述结电容器由所述MOSFET的体区和漂移区形成。
25. -种开关电路，包括： 交替地接通与电容器串联连接并与第一电容元件并联连接的第一开关，和与所述电容 器串联连接并与第二电容元件并联连接的第二开关的装置， 其中具有所述第一开关、所述电容器和所述第二开关的串联电路耦合至电源节点用于 接收电源电压。
【文档编号】H02M1/32GK104426342SQ201410429477
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2014年8月27日 优先权日:2013年8月30日
【发明者】W·勒斯勒尔 申请人:英飞凌科技股份有限公司