具有涌入电流限制的ac/dc转换器的制造方法
【专利摘要】一种具有涌入电流限制的AC/DC转换器包括：旨在于接收AC电压的第一端子和第二端子；旨在于供应第一DC电压的第三端子和第四端子；具有分别耦合到第一端子和连接到第二端子的输入端子并且具有分别连接到第三端子和第四端子的输出端子的整流桥；该桥的第一支路在输出端子之间包括分别具有阳极栅极和阴极栅极的两个串联连接的晶闸管，该两个晶闸管的接合点被连接到所述输入端子中的第一个输入端子并且阳极栅极晶闸管是可通过从其栅极提取电流来控制的。
【专利说明】具有涌入电流限制的AC/DC转换器
[0001]本申请要求于2015年4月7日提交的申请号为15/52985的法国专利申请的优先权，其内容通过至法律允许的最大程度上整体引用而并入于此。
技术领域
[0002]本发明一般涉及电子设备，并且更具体地涉及AC/DC转换器。本公开内容一般适用于任何使用整流桥的系统，例如，用于控制电机的电路、充电器、开关式电源等。
【背景技术】
[0003]许多基于整流元件的AC/DC转换器架构是已知的，该整流元件可以是可控的(例如，晶闸管)或者不可控的(二极管)，其组装为整流桥，用AC电压供电并且递送DC电流，此DC电压有可能自身转换回AC电压。
[0004]—般希望限制涌入电流(inrush current)，即只要在整流桥的输出处的跨电容器的电压还没有达到足够水平的情况下的在AC电压的半波上出现的电流峰值，并且尤其是在启动阶段限制涌入电流。
[0005]文档US 2012/230075描述了 AC/DC转换器的示例。
【发明内容】
[0006]实施例克服了通常的功率转换器控制电路的所有或者部分缺点。
[0007]实施例旨在提供用于限制功率转换器中的涌入电流的电路。
[0008]实施例提供了与用AC电压供电的整流桥的级别的倍压功能相兼容的解决方案。
[0009]因而，实施例提供了一种AC/DC转换器，包括:
[0010]旨在于接收AC电压的第一端子和第二端子；
[0011]旨在于供应第一 DC电压的第三端子和第四端子；
[0012]具有分别耦合到第一端子和连接到第二端子的输入端子并且具有分别连接到第三端子和第四端子的输出端子的整流桥；
[0013]该桥的第一支路在输出端子之间包括分别具有阳极栅极和阴极栅极的两个串联连接的晶闸管，该两个晶闸管的接合点被连接到所述输入端子中的第一个输入端子并且阳极栅极晶闸管是可通过从其栅极提取电流来控制的。
[0014]根据实施例，该桥的第二支路包括在输出端子之间串联连接的第一二极管和第二二极管，二极管的接合点被连接到所述输入端子中的第二个输入端子。
[0015]根据实施例，阴极栅极晶闸管通过将电流注入到其栅极中来控制。
[0016]根据实施例，两个晶闸管都通过从其栅极提取电流来控制。
[0017]根据实施例，晶闸管由相同的脉冲信号来控制。
[0018]根据实施例，晶闸管是相位角控制的。
[0019]根据实施例，两个串联连接的电容性元件耦合第三端子和第四端子，开关将电容性元件的接合点连接到第二端子。
[0020]根据实施例，晶闸管的栅极由AC信号激发的同一变压器来控制。
[0021]根据实施例，晶闸管的栅极由周期性的方波正和负信号激发的同一变压器来控制。
[0022]根据实施例，该转换器进一步包括:
[0023]变压器，该变压器用于至少从连接到所述输入端子中的第一个输入端子的第三二极管生成用于向用于控制晶闸管的电路供电的第一 DC电压和向输入端子中的所述第一个输入端子施加的第二 DC电压。
[0024]将在下面的结合附图对特定实施例的非限制性描述中详细论述前述和其它的特征和优点。
【附图说明】
[0025]图1示意性地示出了配备有涌入电流限制电路的AC/DC转换器的通常架构的示例；
[0026]图2示意性地示出了用以形成倍压转换器的图1的组件的修改例；
[0027]图3示意性地示出了 AC/DC转换器的实施例；
[0028]图4是用于控制图3的转换器的电路的实施例的部分电路图；
[0029]图5是具有正栅极电流的阴极栅极的实施例的简化截面图；
[0030]图6是具有负栅极电流的阴极栅极的实施例的简化截面图；
[0031]图7A、7B、7C和7D在定时图中图示出了处于倍压模式的图3的转换器的操作；
[0032]图8A、8B、8C和8D在定时图中图示出了处于跟随器模式的图3的转换器的操作；
[0033]图9示出了转换器的另一实施例；以及
[0034]图10部分示出了转换器控制元件。
【具体实施方式】
[0035]在不同的附图中已经用相同的附图标记来表示相同的元件。具体而言，对于不同实施例而言共同的结构和/或功能元件可以用相同的附图标记表示并且可以具有相同的结构、尺寸和材料性质。为了清楚的目的，仅示出并将详述对于所描述的实施例的理解有用的那些步骤和元件。具体而言，未详述由功率转换器供电的电路，所描述的实施例与通常的应用相兼容。在公开内容中，术语“连接”表示在两个元件之间的直接连接，而术语“耦合”和“链接”表示在两个元件之间的连接，其可以是直接的或者经由一个或者多个其它元件。在引用术语“约”、“近似”或“在……的数量级”时，其意思是在10%以内，优选地到5%以内。
[0036]图1示意性地示出了配备有涌入电流限制电路的AC/DC转换器的通常架构的示例。
[0037]两个输入端子12和14旨在于接收AC电压Vac，例如配电网络的电压(例如，230或120伏，50或60Hz)。端子12经由涌入电流限制组件2耦合到(例如全波)整流桥3的第一整流输入端子32，整流桥3的第二整流输入端子34连接到端子14。该桥的经整流的输出36和38分别连接到输出端子16和18，递送DC电压Vdc。存储和平流电容器CO耦合端子16和18。涌入电流限制组件由将端子12和32耦合的电阻器22、可以被控制为将电阻器22短路的开关24组成。在启动时(电容器CO已放电)，开关24被关断并且电阻器22限制电容器CO的充电电流。在稳态中，开关24被导通以将电容器短路并且限制损耗。
[0038]更复杂的解决方案在应用AC电压的输入端子和整流桥之间使用用于控制桥导通相位角的器件，即用于选择整流桥从其供电的AC电压的每个半波的时间。在这样的情况中，转换器的启动需要电压源来对用于控制相位控制开关的电路供电。当前的解决方案经常使用复杂的组件。
[0039]图2示意性地示出了用以形成倍压转换器的图1的组件的修改例。端子34经由开关21耦合到将端子16和18连接的两个电容性元件COl和C02的接合点(有可能抑制电容器CO)。假设元件COl和C02具有相同的电容，端子16和18之间的电压Vdc在稳态中对应于端子12和14之间的峰值电压Vac的两倍。
[0040]在图1的组件中，开关24的存在在稳态中生成损耗。在实践中，这一开关可以由三端双向可控硅形成并且损耗是由于这一三端双向可控硅的导通状态串联电阻。
[0041]图3示意性地示出了 AC/DC转换器的实施例。
[0042]其不出具有与应用AC电压Vac的第一和第二端子12和14親合的输入端子32和34并且具有连接到用于供应DC电压Vdc的第三和第四端子16和18的整流输出端子36和38的整流桥。至少一个电容性元件将端子16和18互连。在图3的示例中，在递送电压Vac的端子(这里是端子12)和桥之间插入电感性元件。
[0043]然而，不像图1的整流桥，这里整流桥3由在桥的支路中连接，即在端子36和38之间串联的两个可控的晶闸管类型的整流元件Thl和Th2组成。在图3的示例中，具有阳极栅极的晶闸管Thl将端子32连接到端子36，其中其阳极在端子32 —侧，而具有阴极栅极的晶闸管Th2将端子38连接到端子32，其中其阳极在端子38 —侧。两个二极管D33和D35通过分别将端子34耦合到端子36并且将端子38耦合到端子34来完成桥，二极管D33和D35的阳极分别在端子34 —侧和在端子38 —侧。
[0044]在图3的示例中，呈现了能够在倍压模式或者跟随器模式中操作的转换器。因此，提供了在端子16和18之间串联连接的(具有相同值的)两个电容性元件COl和C02以及将电容性元件COl和C02的接合点44连接到端子14 (并且因此连接到端子34)的元件21 (例如，跳接线、开关、继电器等)。在连接21断开时(在端子14和节点44之间没有连接，桥3在跟随器模式中操作，即电压Vdc的最大值对应于电压Vac的峰值(到损耗以内)。在连接21活跃时，转换器在倍压模式中操作，即电压Vdc的最大值对应于电压Vac的峰值的二倍。
[0045]晶闸管Thl和Th2由电子电路(例如为微处理器26)控制，该电子电路负责生成用于控制晶闸管Thl和Th2和经由光、磁或电容技术的一个或两个绝缘的耦合器(图3中未示出)来控制这些晶闸管的脉冲。微控制器26接收不同的设定点CT或测量结果以根据由转换器供电的负载的需要来在正确的时间生成脉冲。
[0046]图4部分地示出用于控制图3的组件的晶闸管Thl和Th2的电路的实施例。
[0047]选择晶闸管Thl和Th2以使得它们的控制参照相同的点。因而，晶闸管Thl是阳极栅极晶闸管。它的控制因而参照端子32。晶闸管Th2是阴极栅极晶闸管。它的控制因而参照同一端子32。
[0048]在图4的实施例中，选择晶闸管Thl和Th2以分别通过栅极电流提取和栅极电流注入来操作。
[0049]在图4的电路中，变压器4的第一绕组L41从用DC电压Vcc供电的控制器26接收脉冲控制。绕组L41的另一端耦合到在电源端子Vcc和接地端之间的两个电容性元件C43和C44的接合点。变压器4的第二绕组L42使其一端连接到端子32并且使其另一端耦合到晶闸管Thl和Th2的栅极。这一耦合经由可选串联电阻器R45和两个二极管D46和D47来执行，该两个二极管D46和D47分别将绕组L42 (或电阻器R45)连接到晶闸管Thl和Th2的栅极。晶闸管Thl的阳极栅极耦合到二极管D46的阳极，而晶闸管Th2的阴极栅极连接到二极管D47的阴极，二极管D46的阴极和二极管D47的阳极连接到绕组L42 (或电阻器R45) ο
[0050]图4的电路因而使得能够向晶闸管Th2中注入栅极电流，以及从晶闸管Thl提取栅极电流。两个晶闸管因而每次在向变压器4的主绕组L41施加AC脉冲(+VCC/2-VCC/2类型)时被控制。
[0051]如果两个控制希望例如通过在电压Vac的正半波期间仅仅控制晶闸管Thl，并且在电压Vac的负半波期间仅仅控制晶闸管Th2而被区别，则有可能通过在这两个类型的半波期间跨L41施加类型为-Vcc/0的信号(以导通晶闸管Thl)和类型为+Vcc/0的信号(以导通晶闸管Th2)。由于这样的信号具有DC分量，所以变压器4不应当具有可饱和的磁材料以避免该材料的饱和并且确保控制信号传递的正常操作。因而可以例如使用没有磁芯的变压器(或者“空气变压器”)。
[0052]根据另一实施例，选择晶闸管Thl和Th2以使两者通过从其栅极提取电流来操作。因而，相同的所谓负电源电压Vdd (即，具有连接到端子32的其高电平VDD，其自身耦合到电源的端子12)足以向两个晶闸管Thl和Th2供电。这一相同的电源可以用于向三端双向可控硅的栅极供电，所述三端双向可控硅的控制参考连接到端子32。这样的三端双向可控硅对于控制用电压Vac供电的AC电流负载可能是有利的。
[0053]可由电流提取控制的阴极栅极晶闸管的功能的实现是已知的。例如可以使用与要被制成单向的二极管连接的三端双向可控硅
[0054]图5和图6是阴极栅极晶闸管的实施例的简化截面图，所述阴极栅极晶闸管分别具有正栅极电流或电流注入(最大电流情况)以及具有负栅极电流或者电流提取。
[0055]根据这些示例，在N型衬底51中形成晶闸管。在后表面处，P型层52限定阳极区域，阳极电极A通过区域52的接触金属53来获得。在前表面处形成P型阱54。在阱54中形成N型阴极区域55 (NI)并且这一区域55的接触金属56限定阴极电极K。
[0056]在图5的情况中，在P型阱54的层级处形成栅极接触57。因而，如果晶闸管被适当偏置，则栅极电流的注入导通晶闸管(正阳极-阴极电压)。
[0057]在图6的情况中，在栅极接触57下面添加了 N型区域58 (N2)。通过允许向N型衬底51中的电子注入，区域58允许了通过负栅极电流的导通(即从阴极K流向栅极G)，衬底51对应于由区域52-51-54形成的NPN型双极性晶体管的基极。
[0058]作为变化，区域58可以至少被分为两部分以允许P区域(54)与栅极的直接接触。这样的变化称为“短路空穴”，其使得能够改善对晶闸管的电压过渡的抗干扰性并且因而允许了正栅极电流的控制(即，从栅极G流到阴极K)。这样的变化因而使得晶闸管能够在图4的电路中的部件Th2的层面使用。
[0059]为了实现在转换器的启动时的涌入电流限制器功能，使用晶闸管使得相位角控制成为可能并且因而使得能够逐渐增加晶闸管导通时间以确保在端子36和38之间连接的电容器的正充电，并且因此限制在电路上电时输入端子12和14之间吸收的涌入电流。
[0060]图7A、7B、7C和7D在定时图中图示了在其中在倍压模式中(开关21导通)晶闸管Thl和Th2都通过从其栅极提取电流来操作的实施例中，图3的转换器的操作。这些附图图示了在转换器启动时的操作，即只要电压Vdc还没有达到其稳态值，即近似于电压Vac的峰值的两倍(近似320伏)。图7A示出了电压Vac的形状的示例。图7B图示了电感L中的电流IL的形状。图7C图示了晶闸管Thl和Th2的栅极电压Vct的形状(两个中的一个峰值对应于晶闸管中的每个晶闸管)。图7D图示了获得的电压Vdc的形状。
[0061]在图7A至图7D的示例中，假设了具有50Hz频率的峰到峰为320伏的电压Vac。
[0062]图8A、8B、8C和8D在定时图中图示了在其中在跟随器模式中(开关21关断)晶闸管Thl和Th2都通过从其栅极提取电流来操作的实施例中，图3的转换器的操作。这些附图图示了在转换器的启动时的操作，即，只要电压Vdc还没有达到其稳态值，即近似于电压Vac的峰值的两倍(近似320伏)。图8A示出了电压Vac的形状的示例。图8B图示了电感L中的电流IL的形状。图8C图示了晶闸管Thl和Th2的栅极电压Vct的形状(两个中的一个峰值对应于晶闸管中的每个晶闸管)。图8D图示了获得的电压Vdc的形状。
[0063]在图8A到8D的示例中，假设了具有50Hz频率的峰到峰为320伏的电压Vac。在跟随器模式(图8D)中获得的电压Vdc的幅度因而为如图7D中的近似320伏。
[0064]通过根据电容器充电水平而在经整流的电压Vac的下降的相位中被导通的晶闸管Thl和Th2的相位角控制有效地使得能够通过执行如图7和8所示的软启动而在启动时限制涌入电流。
[0065]在图7B和SB的展示中，根据半波的电流IL的幅度取决于转换器的下游功率消耗并且图示出任意的示例。
[0066]图9示出了 AC/DC转换器的另一实施例。
[0067]与图3的实施例相比，提供了用于生成要被施加到端子32的电压VDD2的电路9。电压VDD2由变压器91生成，该变压器91从第一绕组L92生成跨两个耦合的绕组L93和L94的两个DC电压VDDl和VDD2 (绕组L93耦合到绕组L92并且绕组L94耦合到绕组L93)。二极管Dl将端子32耦合到绕组L92 (端子32 —侧的阳极)，绕组92的另一端通过一般集成MOSFET晶体管(其控制绕组L92在开关模式中的电流)的电子控制电路95耦合到端子18 (并且因而耦合到端子38)。绕组L93的一端通过二极管D96 (阳极在绕组侧)耦合到端子32。其另一端形成电压VDD2的参考。绕组L94的一端通过二极管D97(阳极在绕组侧)耦合到提供电压VDDl的端子98。绕组L94的另一端连接到端子18并且电容器C99将端子98耦合到端子18。二极管D2可以将端子14耦合到绕组L92以在图3的控制电路26使Th2导通时来通过全波整流来向电路95供电。
[0068]这样的实施例在晶闸管Thl和Th2在相位角被控制的情况下使得能够限制涌入电流以实现软启动功能。
[0069]在图9中，进一步与电容器COl和C02的串联关联并行地放置电容器CO。
[0070]图10在部分图中图示了通过由微控制器生成的脉冲控制晶闸管Thl和Th2的示例。晶闸管Thl和Th2通过电阻器R3和R4耦合到光耦合器4的光晶体管的集电极，其发射极连接到接地。光耦合器4的光电二极管被微控制器26的脉冲激活。
[0071]已经描述了各种实施例。本领域技术人员将想到各种变更、修改和改进。例如，可以用三端双向可控硅来替代晶闸管，每个三端双向可控硅与二极管串联。另外，基于上文给出的功能性指示，已经描述的实施例的实际实现方式在本领域技术人员的能力之内。具体而言，对微处理器的编程取决于应用，并且描述的实施例与使用微处理器等来控制转换器的通常的应用相兼容。
[0072]这样的变更、修改和改进旨在于为本公开内容的一部分，并且旨在于处于本发明的精神和范围之内。因此，上面的描述仅仅为示例性的并且并不旨在于为限制性的。仅在以下权利要求及其等同方案中对本发明做出限定。
【主权项】
1.一种AC/DC转换器，包括: 旨在于接收AC电压(Vac)的第一端子(12)和第二端子(14); 旨在于供应第一 DC电压(Vdc)的第三端子(16)和第四端子(18); 具有被分别耦合到所述第一端子和连接到所述第二端子的输入端子(32，34)并且具有分别连接到所述第三端子和所述第四端子的输出端子(36，38)的整流桥(3); 所述桥的第一支路在所述输出端子之间包括分别具有阳极栅极(Thl)和阴极栅极(Th2)的两个串联连接的晶闸管，所述两个晶闸管的接合点被连接到所述输入端子中的第一个输入端子并且所述阳极栅极晶闸管是能够通过从其栅极提取电流来控制的。2.根据权利要求1所述的转换器，其中所述桥的第二支路包括在所述输出端子(16，18)之间串联连接的第一二极管(D33)和第二二极管(D35)，所述二极管的接合点被连接到所述输入端子中的第二个输入端子(34)。3.根据权利要求1所述的转换器，其中所述阴极栅极晶闸管(Th2)通过将电流注入到其栅极中来控制。4.根据权利要求1所述的转换器，其中两个所述晶闸管(Thl，Th2)都通过从其栅极提取电流来控制。5.根据权利要求1所述的转换器，其中所述晶闸管由相同的脉冲信号来控制。6.根据权利要求1所述的转换器，其中所述晶闸管是相位角控制的。7.根据权利要求1所述的转换器，其中两个串联连接的电容性元件(C01，C02)耦合所述第三端子和所述第四端子(16，18)，开关(21)将所述电容性元件的接合点(44)连接到所述第二端子(14)。8.根据权利要求3所述的转换器，其中所述晶闸管的所述栅极通过由AC信号激发的同一变压器(4)来控制。9.根据权利要求3所述的转换器，其中所述晶闸管的所述栅极通过由周期性的方波正和负信号激发的同一变压器来控制。10.根据权利要求2和权利要求3至6中任一项所述的转换器，进一步包括: 变压器(9)，所述变压器用于至少从连接到所述输入端子中的所述第一个输入端子(32)的第三二极管(Dl)生成用于向用于控制(95)所述晶闸管的电路供电的第一 DC电压(VDDl)和向所述输入端子中的所述第一个输入端子施加的第二 DC电压(VDD2)。
【文档编号】H02M7/155GK106059337SQ201510830997
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2015年11月25日
【发明人】L·宫蒂尔, M·尼纳, R·皮雄
【申请人】意法半导体(图尔)公司