电子开关和调光器的制作方法

本申请要求于2016年5月12日提交的发明名称为“ac直接lvo电子调光开关”(acdirectlvoelectronicdimmingswitch)的美国临时专利申请62/335495和于2016年12月9日提交的发明名称为“电子开关和调光器”(electronicswitchanddimmer)的美国临时专利申请62/431926的优先权，二者包括共同的发明人且当前未决。

关于联邦政府资助研究或开发的声明

不适用。

本发明涉及一种电力管理系统以及提供电子开关和调光控制的方法。

背景技术：

家庭和商业环境下获取交流(ac)电力的传统方法是由接线至设施电气系统的机械插座来提供。这些插座使用例如熔断器和断路器的机电设备来保护其免于过大的电气负载或潜在的危险接地故障。类似地，例如照明和吊扇的传统电气室内设备使用机电开关进行控制。这些基本的机械控制设备提供简单的导通-关断控制并且不可避免地磨损，随着时间的推移，可能引起短路或者潜在的危险的电弧放电。

通常通过例如三端双向可控硅开关的电子器件来更精细地控制常见电器，三端双向可控硅开关允许ac干线(mains)波形在逐周期的基础上被中断，称作相位控制。虽然三端双向可控硅开关比在其之前的变阻器或自耦变压器明显更有效，但三端双向可控硅开关仍然效率太低，不能有效地用于小型外壳中以控制大电气负载，并且可能将电气噪声引回到设施电气系统中。

因此，需要一种改进的电子控制系统，其为设施电气系统中的广泛应用提供更广泛更可靠和高效的控制选择。此外，需要这样一种控制系统，其可以使用半导体器件来实现，该半导体器件可以与制造成本低的用于高级功率控制功能的其他电路集成。

技术实现要素：

本发明涉及一种用于在整个设施电气系统中控制ac电力的新方法，其范围从简单的插座开关切换到用于例如电灯调光的所施加ac电力的连续变化。

更具体地，本发明涉及在一个实施例中提供ac干线波形的导通-关断和相位控制的功能组合。

一个实施例使用功率mos场效应晶体管(mosfet)作为连接在ac干线电源和期望负载之间的具有很低“导通”电阻的电子开关。由于典型的功率mosfet固有地将体二极管与导电沟道并联，因此成对的器件以背对背的方式连接，其具有共同的源极端以提供真正的双向(ac)开关配置。为了控制功率mosfet的开关动作，采用了一种新的浮动控制电路，其使用连接在漏极的整流二极管来对栅极-源极偏置电压预充电，从而将两个器件都“导通”，并且使用光耦合光电晶体管，当被隔离光源照射时，光耦合光电晶体管将栅极端短接至共同的源极端以迫使器件进入其“关断”状态。这样，除非被光学控制信号强制“关断”，否则功率mosfet开关通常是“导通”的。光学控制信号可被连续施加以用于对传输给负载的电力进行额定导通-关断控制，或者其可与ac干线波形同步以提供相位控制。用于光学控制信号的集成控制电路可以提供优选用于切换无功负载的前沿相位控制或优选用于如led的非线性负载的后沿相位控制。具体示例并不旨在将本发明构思限制于示例应用。根据附图和详细描述，本发明的其他方面和优点将显而易见。

附图说明

图1是基本功率mosfet双向开关单元的示意图。

图2是使用光电偏置产生的现有技术双向开关的示意图。

图3是改进的双向开关的基本元件的示意图。

图4是改进的双向开关的实施例的示意图。

图5是使用两个开关元件以减少总开关“导通”电阻并增加总开关“关断”电阻的图3实施例的示意图。

图6是与图3的实施例类似的实施例的示意图，但是其在ac电源的两个臂中都具有开关元件。

图7是使用四个开关元件以进一步减少总开关“导通”电阻并进一步增加总开关“关断”电阻的图5的实施例的示意图。

具体实施方式

图1是示出控制从ac电源101输送到负载108的电力的基本功率mosfet双向开关的示意图。功率mosfet102和103分别包括体二极管104和105。开关106控制施加到功率mosfet102和103的栅极-源极偏置电压。在“导通”位置，偏置电压107被施加到功率mosfet的栅极端。电压107是大于功率mosfet的阈值电压(通常为5到10伏)的电压，其导致形成反型层，从而生成从每个器件的漏极延伸到源极的导电沟道。在这种“导通”状态下，每个功率mosfet的漏极-源极特性可以被建模为低值电阻rds。只要漏极和源极之间的电压降保持在约0.6伏以下，体二极管就保持不导通并且可以被忽略。在该“导通”状态下，图1的电路等效于通过具有值2rds的串联电阻器连接到ac电源101的负载108。

在开关106的“关断”位置，只要漏极-源极电压保持低于体二极管的击穿电压，功率mosfet的栅极端就短接到源极端并且漏极-源极导电沟道消失。在“关断”状态下，图1的电路等效于通过背对背体二极管104和105连接到ac电源101的负载108，背对背体二极管104和105有效地将负载108从电源101断开连接。

在“关断”状态下，对功率mosfet的漏极-源极电压保持低于体二极管的击穿电压vbr的需求要求体二极管的击穿电压超过ac电源101的峰值电压。因此，例如，假设电源101对应于公共120伏(rms)ac干线，则每个体二极管的击穿电压必须超过170伏的峰值电源电压。

对功率mosfet结构的更详细分析表明，体二极管实际上是与mosfet沟道并联连接的双极晶体管的基极-集电极结。额外的寄生元件包括基极-集电极结的电容和基极与发射极之间的寄生电阻。该ac耦合电路限制了漏极-源极电压的变化率dvds/dt，以避免基极-发射极结的正向偏置，从而导致双极晶体管导通，而mosfet沟道“关断”。虽然所产生的漏电流可能不足以激励负载108，但它可能足够大到引起额外的效率或安全问题。

类似地，考虑到“导通”状态下的约束要求由rds*iload给出的每个功率mosfet的漏极-源极电压降小于约0.6伏。可能更重要的是由rds*iload²给出的“导通”状态下每个功率mosfet消耗的功率，其必须保持小于几瓦以避免温度过度升高。因此，例如，将普通家用电路从具有20安培的典型限制的120伏ac干线切换，要求每个功率mosfet的rds小于0.005欧姆(5毫欧)。

本领域众所周知的是，通过改变器件中的结构和掺杂水平，可以有利地对体二极管的击穿电压与rds的值进行折衷。特别地，已经表明rds的值与vbr^2.5成比例。因此，例如，将vbr减少一半导致rds减小5.7倍。图1的电路示出了包括开关106和电压源107的概念性偏置开关电路，其与在电源101的整个峰峰范围上变化的背靠背功率mosfet102和103的公共源极端电气地浮置。虽然在概念上很简单，但这种电路在实践中很难以低成本实现。

图2示出了控制电路的现有技术方法的示意图。图1中的电压源106被光伏二极管堆201代替，当被发光二极管(led)206照射时，该光伏二极管堆201提供所需的栅极-源极偏置电压，led206由单独的低压电源203供电并通过限流电阻器205由开关204控制。假设元件203-206位于二极管堆201的光学邻近范围内。当led206关断时，二极管堆201上的电压通过电阻器202被释放，功率mosfet进入“关断”状态。

尽管图2的电路适用于简单的导通-关断开关应用，但与通过偏置电路对功率mosfet的栅极-源极电容充电和放电相关的时间常数通常太大，从而影响了50/60hzac干线中的相位控制。

图3是示出了改进的开关电路的基本元件的示意图。尽管功率mosfet是在以下描述中讨论的优选实施例开关器件，但是对于本领域技术人员来说显而易见的是，在改进的电路中可以有利地采用其他类型的场效应晶体管。如图1所示，电压107用于将功率mosfet102和103偏置到其“导通”状态。与图1中电路的操作相反，只要开关106保持打开，功率mosfet就“导通”。当开关106闭合时，功率mosfet就被迫进入其“关断”状态，这是因为它们的栅极和源极短接在一起并且电压107在电阻器300上下降。

图4是示出本发明电路的实施例的示意图。图1中的电压源106在开关单元400中用齐纳二极管402替换，齐纳二极管402的齐纳电压大于功率mosfet的阈值电压。齐纳二极管402通过连接在功率mosfet的漏极端处并分别由限流电阻器403和405进行保护的整流二极管404和406加以偏置。因此，在没有照明的情况下，电阻器-二极管支路403-404和405-406在任一漏极端超过齐纳电压时为齐纳二极管402提供偏置，将功率mosfet102和103置于“导通”状态。当由led206照射时，光电晶体管401将来自支路403-404和405-406的偏置电流分流到功率mosfet的源极端，使它们处于“关断”状态。在该电路中，导通时间常数由限流电阻器403和405以及功率mosfet的栅极-源极电容的值决定，而关断时间常数由光电晶体管401在led206提供的照度水平下的饱和电流决定。这两个时间常数均可以设计得比ac干线的周期短得多，从而允许该实施例在导通-关断和相位控制模式下操作。

图5是使用两个开关单元400来改善电路性能的图4的实施例的示意图。在该实施例中，假设功率mosfet被选择为具有图4中使用的单元的击穿电压的一半。因此，可以预期各个开关单元的导通电阻减小5.7倍，如上所述，串联连接的两个开关单元的总导通电阻相对于图4中的电路减小了2.8倍。另外，处于“关断”状态的每个开关单元上的电压降减半，从而将每个单元所经历的dvds/dt降低两倍，继而减小“关断”状态漏电流。

图5还包括用于控制led206的照明的电子开关电路。来自电压源203的led206中的电流受到电阻器205的限制并且由晶体管500控制。晶体管500由施加到控制端501的外部控制电压控制。这允许通过外部控制电路(未示出)与ac干线波形同步地快速切换led，以提供对所施加的ac波形的相位控制，如在调光器应用中所使用的。在另一实施例中，控制信号是与ac干线波形同步并具有可调脉冲宽度的一系列脉冲，以有效地控制传送到负载的平均电流/功率，从而为光源负载提供调光效果和为交流电机负载提供速度控制。在另一实施例中，控制信号是与ac干线波形无关的一系列具有固定或可变频率的脉冲，从而在负载端处产生射频(rf)功率波形，以用作无线充电器/发生器。在另一实施例中，控制信号是可变dc电压，其允许led的可变照明，从而允许mosfet以线性模式操作。

图6是与图5的实施例类似的实施例的示意图，但是在ac电源的每个臂中放置有单独的开关单元400。发明人发现该电路配置进一步改善了开关器件的关断特性，进一步降低了漏电流。

图7是在ac电源的每个臂中使用两个开关单元400以进一步改善电路性能的图6的实施例的示意图。在该实施例中，假设功率mosfet被选择为具有图3中使用的单元的击穿电压的四分之一。这样，可以预期各个开关单元的导通电阻减小32倍，如上所述，并且相对于图4中的电路，串联连接的两个开关单元的总导通电阻减小了8倍。另外，处于“关断”状态的每个开关单元上的电压降为四分之一，从而将每个单元所经历的dvds/dt减小四倍，继而相对于图4中的电路进一步减小了“关断”状态漏电流。如上所述，发明人发现该电路配置进一步改善了开关器件的关断特性，进一步减少了漏电流。

总结

描述了一种用于在整个设施电气系统中控制ac电力的新方法。该方法在双向开关子电路配置中使用功率mosfet，双向开关子电路配置具有光耦合的电气浮动控制电路，其将开关自偏置到“导通”状态并使用光耦合控制元件来迫使开关进入“关断”状态。控制电路的时间常数足够快以允许相位控制以及导通-关断控制。多个子电路可以容易地级联以提供改进的性能。