专利名称：用于控制a.c.开关的电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及电子电路，更具体地，涉及通过隔离阻挡，借助相对低幅度的 D.C.(直流电)信号控制相对高的A.C.(交流电)电压的开关。
本发明的应用的实例涉及配备电子家用电器(例如，洗衣机、烤箱、冰箱 等)的控制电路。 一般地说，本发明应用到从低压信号相对于供给它的高A.C. 电压控制的电器。
背景技术：
借助低压D.C.电路(至多几十伏)，由高A.C.电压(例如，几百伏的电源 电压)供电的高压负载的控制，需要该电路和A.C.开关之间的隔离阻挡。这种 隔离阻挡不仅用于保护低压电路而且用于保护使用者在开动连接到电子电路的 控制元件时不会因可能的触电而死亡。而且，A.C.开关是具有控制的双向用于 电流和电压的集成元件，该控制需要低压D.C.电压来重新启动A.C.电压的每个 半波的开关。这些例如是用于执行相同功能的三端双向可控硅开关或其它集成 器件。具有隔离阻挡的D.C,D.C.转换器则必需执行这样的功能。
通常使用初级由整流的高频信号(D.C.或A.C.脉冲信号)激励和次级滤波 的隔离变压器来开启A.C.开关。例如，文献WO-A-2006/023767描述了利用H桥 的变压器的转换器，以产生与初级隔离的电源供应。使用隔离变压器庞大且昂 贵。
其它系统(例如，如US专利号6728320中所描述的)使用电容元件在集成 电路和A.C.开关控制电路之间传输控制信号。然而这种传输仅涉及控制设定点， 且在A.C.开关一侧，需要产生低电源电压且由此需要另一变压器提供连续开关 触发所必需的电能。
3
还可使用光耦合器，但这会引起可靠性问题，而没有避免在次级需要电源 供应。
发明内容
本发明的实施例目的在于克服具有电隔离以控制A.C.开关的已知D.C.-D.C.
转换技术的全部或部分缺点。
更具体地，目的在于避免使用隔离变压器。 另 一 目的还是提供小体积的解决方案。
为了完成这些和其它目的的全部或一部分，本发明提供一种电路，用于由 基准为第二电位的高频信号产生D.C.信号，该信号用于控制基准为第一电位的 A.C.开关，包括
第一电容元件，将用于接收高频信号的第一输入端子连接到整流元件的第 一端子，该整流元件的第二端子连接到用于连接至开关的控制端子的第一输出 端子；和
第二电容元件，将用于连接第二基准电位的第二输入端子连接到用于被连 接至第一基准电位的第二输出端子，第二整流元件使第一整流元件的第一端子 连接到第二输出端子。
根据实施例，第一整流元件的第一端子是它的阴极，其阳极连接至第一输 出端子。
根据实施例，第二输出端子用于连接到A.C.开关的电源端子。 根据实施例，电容元件为高压电容器。
根据实施例，电容将第一整流元件的第二端子连接到第二输出端子。 根据实施例，高频信号为D.C.脉冲信号。 根据实施例，电容元件具有几皮法的值。 根据实施例，整流元件为肖特基二极管。
本发明还提供了 一种系统，用于借助相对低的D.C.电压控制将相对高的 A.C.电源电压供给负载，包括
连接至该负载的至少一个A.C.开关； 用于提供D.C.电压的电子电路；和 用于产生控制A.C.开关的D.C.信号的电路。
结合附图，从以下具体实施例的非限制性描述，将详细地论述本发明的前 述和其它目的、特征和优点。
图1是用于控制A.C.开关的系统的方块图2示出了用于控制A.C.开关的D.C.-D.C.转换器的实施例；
图3A、 3B、 3C、 3D、 3E和3F是示例图2的转换器工作在稳态的时序图4A和4B是示例转换器工作在通电时的时序图；和
图5是结合了形成转换器的电路的封装的方块图。
在以不合规定比例画出的不同图中，已用相同的附图标记指定了相同的元 件，尤其是用于时序图。
为了清楚起见，已示出且将描述仅用于理解本发明的那些元件。尤其是， 没有详细说明由A.C.开关控制的负载，本发明适合于由这种开关控制的任一负 载。
具体实施例方式
图1是借助A.C.开关K用于控制用相对高幅度和相对低频率的A.C.电压 Vac(例如，电力分配系统A.C.电压)供给负载1 (Q)的系统的方块图。负载 l是与施加的电压Vac的两个端子P和N之间的开关K串联连接。
开关K通过由D.C.-D.C.转换器2 (DC/DC IB)提供的相对低幅度的D.C. 信号Vc控制，以隔离阻挡施加在两个输入端子21和22之间的低D.C.电压Vdc。 例如，通过微控制器类型的未示出的电子电路，提供电压Vdc。电压Vdc为至 多几十伏且优选小于10伏。微控制器例如接收到来自可以由使用者处理的外部 按钮的控制设定点和/或由对于负载编程所希望的操作周期产生信号Vdc。电压
Vdc基准为电压Ml,而转换器2的输出端子23和24之间的电压Vc基准为不 同于电位M1的电位M2。
图2示出了转换器2的实施例。
转换器2包括包含射频振荡器的集成电路3 (HF IC)，将D.C.电压Vdc 转换成相对低幅度和相对高频率的信号Vrf，用于穿过隔离阻挡。信号Vrf的频 率在几百kHZ和几GHz之间的范围内。信号Vrf是提供在端子31上的D.C. (非A.C.)脉冲信号，且其基准为信号Vdc的接地Ml (端子22或32)。
隔离阻挡4由两个高压电容元件(保持至少1,000伏的电压)Cl和C2形 成，第一高压电容元件的各个电极连接至端子31和32，第二高压电容元件的 各个电极连接至整流电路5的输入端子51和52。
电路4包括第一二极管Dl,其阴极连接至端子51且其阳极连接至转换器 2的输出端子23,用于连接至A.C.开关的控制电极G。第二二极管D2连接端 子51和52，其阳极在端子51—侧。端子52和24互连。二极管Dl和D2是 足够快的(高频)二极管以电压Vrf的速度开关。
在图2的实例中，A.C.开关是三端双向可控硅开关T，其两个导电或电源 端子11和12分别连接至该负载和施加有A.C.电压Vac的端子中的一个(N)。 对于它的导通，电流必须从A.C.电压Vac的每个半波上的三端双向可控硅开关 栅极提取。作为一变形，开关K是由STMicroelectronics出售的、已知商标为 "ACS"的A.C.开关。 一般地说，可使用任意的A.C.开关。例如，A.C.开关是 具有负控制或正控制的IGBT晶体管或MBS晶体管。在正控制的情况下，二极 管D1和D2的偏压被反转了。
借助连接端子G和N的电容元件C控制电压Vc,平滑地施加到三端双向 可控硅开关T的栅极上。元件C可以是电容或在其端子G和12之间的开关T 的固有电容。
图3A、 3B、 3C、 3D、 3E和3F示例了图2的电路在稳态的操作。图3A 示出了射频控制信号Vrf的形状的实例。图3B至3E示例了电容元件Cl、 二极 管D2、 二极管Dl和电容元件C的各个电流IC1、 ID2、 Im和Ic。图3F示例了
控制电压Vc的形状。用图2中所示的方向给出电流和电压，假定电压Vrf相对 于地Ml为正。
在信号Vrf的每个上升沿(时间t0、 t10、 t20、图3A)，正脉冲流过电容 Cl、 二极管D2和电容C2。在信号Vrf的每个下降沿(时间tl、 tll、 t21 )， 负脉冲经由电容元件C和二极管Dl流过电容Cl 。由此电容C相对于信号Vrf 每个下降沿的结点N的电压充电有负电压，其中没有使用信号Vrf的上升沿的 电源。电压Vc,在稳态，具有由电源开关的输入特性设置的电平-Vc。
图4A和4B示例了系统的起动。从元件C两端的零电压Vc起动(图4B )， 电流IC1的第一连续负脉冲转化为负性充电电容C的电流Ic的正脉冲。由此电 压Vc用了射频信号Vrf的几个周期来达到能够开启三端双向可控硅开关元件的 电平-Vo信号Vrf的频率越高，该稳定时间就越短。元件C1和C2的电容越 低，该时间就越长。在稳态，在信号Vrf的每个下降沿上传递的电力足以保持 电平-Vc。
图5是示例集成在集合了其不同的部件、也就是集成电路3 (HFIC)、电 容性隔离阻挡4和整流电流5 ( D )的封装6中的转换器2的方块图。封装6则 包括两个输入端子21和22，用于施加基准为地M1且来自于低压电子电路7 (例如，微控制器)aC)的低D.C.控制电压Vdc ;和两个输出端子23和24，提 供基准为高A.C.电压Vac的地M2的开关K的D.C.控制电压Vc。
根据具体实施例
电容元件C1和C2是高压电容，每个都具有在几皮法和几十皮法之间变化 的值(例如，10pF);
二极管Dl和D2是肖特基二极管；
电压Vrf具有接近5伏的幅度和接近lGHz的频率；
电平-Vo为约-1.2伏，电流Ic具有几十微安的幅度。
获得从2,000到2，500伏的隔离电压需要在电容元件C1和C2的两个电极 之间的几微米厚的印刷电路类型(PCB)的隔离体。
所描述的转换器的优点是釆用电容阻挡不仅能传递控制设定点、而且能传
递电能。
转换器的另一优点是当反转A.C.开关控制电压时特别简单(电压Vc相对 于其基准电位M2为负，而电压Vrf相对于其基准电位Ml为正)。
另一优点是可简化产生信号Vrf的集成电路。实际上，使用脉冲变压器将 需要产生关于与变压器带宽有关的特定频率的谐波限制的正弦信号。该问题不 会是由电容阻挡引起的。由此信号Vrf可以是D.C.脉冲序列，其比A.C.信号产 生更简单。
另一优点是转换器显示出对电磁干扰良好的抗扰性。在具有迹线或导电板 的实施例中，电容的平面电极会产生比变压器的平面缠绕更少的天线效应。
另一优点是，由于隔离变压器的电容元件C1和C2的串联电阻小于感应元 件的串联电阻，而提高了效率。这补偿了由于信号Vrf正边沿的电能恢复的缺 乏引起的损耗。
已描述了本发明的具体实施例。本领域技术人员会想到各种替换和修改。 具体地，电容元件和肖特基二极管的值的选择取决于该应用，尤其是取决于隔 离阻挡下游所需要的控制功率。例如，几个A.C.开关可由同一转换器控制。而 且，作为一变形，转换器的微控制器类型上游的电子电路可直接提供高频电压 Vrf。
这样的替换、修改和改进指的是该公开的一部分，且指的是在本发明的精 神和范围内。因此，前述描述仅是实例性的且不是指限制性的。本发明仅由以 下权利要求和其等效物所定义的那样限制。
权利要求
1、一种电路(4，5)，用于由基准为第二电位(M1)的高频信号(Vrf)产生D.C.信号(VC)，该信号用于控制基准为第一电位(M2)的A.C.开关(K，T)，包括第一电容元件(C1)，将用于接收高频信号的第一输入端子(31)耦合到整流元件(D1)的第一端子，该整流元件的第二端子连接到用于耦合到开关的控制端子(G)的第一输出端子(23)；和第二电容元件(C2)，将用于连接第二基准电位的第二输入端子(32)耦合到用于被耦合至第一基准电位的第二输出端子(24)，第二整流元件(D2)将第一整流元件的第一端子耦合到第二输出端子。
2、 根据权利要求l的电路，其中第一整流元件(D1)的第一端子是它的阴 极，其阳极连接至第一输出端子(23)。
3、 根据权利要求l的电路，其中第二输出端子(24)用于被耦合到A.C.开 关(K, T)的电源端子(12)。
4、 根据权利要求l的电路，其中电容元件(CI, C2)为高压电容器。
5、 根据权利要求l的电路，其中电容(C)将第一整流元件(Dl)的第二 端子耦合到第二输出端子(24)。
6、 根据权利要求l的电路，其中高频信号(Vrf)为D.C.脉冲信号。
7、 根据权利要求l的电路，其中电容元件(Cl, C2)具有几皮法的值。
8、 根据权利要求l的电路，其中整流元件(Dl， D2)为肖特基二极管。
9、 一种系统，用于借助相对低的D.C.电压(Vdc)控制将相对高的A.C.电 源电压(Vac)供给负载(1),包括连接至负载的至少一个A.C.开关(K); 用于提供D.C.电压的电子电路(7);和 前述权利要求中任一项的电路。
全文摘要
一种电路，用于由基准为第二电位的高频信号产生D.C.信号，该信号用于控制基准为第一电位的A.C.开关，包括第一电容元件，将用于接收高频信号的第一输入端子连接到整流元件的阴极，该整流元件的阳极连接到用于连接到开关的控制端子的第一输出端子；和第二电容元件，将用于连接到第二基准电位的第二输入端子连接到用于被连接至第一基准电位的第二输出端子，第二整流元件使第一整流元件的阴极连接到第二输出端子。
文档编号H02M3/335GK101388608SQ20081013286
公开日2009年3月18日 申请日期2008年7月11日 优先权日2007年7月12日
发明者塞缪尔·蒙纳德, 杰罗姆·赫尤蒂尔, 阿尔诺·弗罗伦斯 申请人:意法半导体有限公司