专利名称：可变控制设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及负责利用来自于交流单相电力网络(交流电源)的可变电压控制电力 负载的可变控制设备。本发明特别在能够特别为灯(诸如白炽灯)提供可变电力的功率控 制器或电子变化器(也称为“变光器”)方面有着应用。
背景技术：
变光器与电力负载串联连接以控制通常输送230V的交流电压的交流单相电力网 络的一相。变光器通常包括MOSFET类型晶体管的电子功率开关，与负载串联连接以便根据 晶体管栅极上的输入控制信号来改变(commute)负载(连接或断开)。这类晶体管的优点 在于通常是断开的，即在没有控制信号的情况下(特别在电源开启期间)维持在阻塞状态 并且不导电。对于变速逆变器中的可控硅整流器(thyristor)来说，这些晶体管的控制通 过相角来容易地完成，附加的可能性是在任何时间阻塞(断开状态或不导电状态)这些晶 体管。然而，这些变光器的主要缺点是由MOSFET晶体管在导电状态(闭合状态)期间产 生的热耗散。实际上，这些晶体管包括导电状态下的实质电阻(substantial resistance), 大约为一百毫欧姆。该热耗散是电消耗和这样的变光器的小型化的限制的缺点。存在具有低的热耗散的电子功率开关，特别是JFET型(联合场效应晶体管)的 场效应晶体管。在导电状态期间的它们的电阻实际上明显小于对等尺寸的MOSFET晶体管 的电阻。但是，当这些JFET晶体管的栅极-源极电压Ves等于零时(或者存在零控制信号 时)，它们通常导电(通常称为“正常ON”或正常闭合)，S卩，它们处于导电状态。必须施加 足够的负的栅极-源极电压Ves以使得它们变换在阻塞状态(或断开状态)。此特征明显 可能产生工作和安全问题。当前，正常ON型的JFET晶体管通常由碳化硅(SiC)制成，但是也可以使用宽带隙 材料(也称为具有大带隙的材料)，即在导电状态时呈现出低电阻Rds。n并且能够支持相当 的电压(高达1000V)，例如氮化镓(GaN)。
发明内容
因此，本发明的目的是设计使用正常ON JFET晶体管的可变控制设备，特别是便于 最小化电消耗和增加它们的能效，但是在不存在电源或没有控制信号时却不会产生工作或 安全问题。本发明的另一个目的是通过使用碳化硅(SiC)功率晶体管来增加功率控制器或 变光器的可靠性和使用寿命，因为碳化硅技术(SiC)比硅技术(Si)更鲁棒，特别是对温度 和过电压行为而言。本发明的另一个目的是设计一种自动控制设备，其仅需要该设备连接到的交流电 网络的一相作为单个电源。为此，本发明描述了一种在交流电网络的一相上与要被控制的电力负载串联连接的可变控制设备。该控制设备包括正常ON类型的两个JFET功率开关，它们的栅极连接在 一起；两个极化电阻器，每个极化电阻器分别连接在功率开关之一的栅极和源极之间；由 公共控制信号控制的两个控制开关，每个控制开关分别与极化电阻器中的一个并联连接。根据一个特征，该功率开关是氮化镓或碳化硅JFET晶体管。根据一个特征，该可变控制设备还包括备用能量电容器和该电容器的充电电路， 该电容器具有连接到该功率开关的栅极的第一端子。该电容器用来为输送该控制信号的电 子电路供电，以使得可变控制设备能够是完全自动的。根据另一个特征，该控制开关是MOSFET晶体管，其源极连接在一起且连接到该功 率开关的栅极，其漏极分别连接到相应功率开关的源极。可替换地，该控制开关是MEMS微 致动器(微机电开关)，其线圈由该控制信号供电。由于功率晶体管的较低的热耗散，本发明将优选地不但使得可以降低包括这样的 控制设备的功率控制器或变光器的体积(较大程度的小型化)而且也将使得可以利用相等 尺寸的设备控制较大的负载。
其它特征和优点将出现在后面的具体实施方式
中，同时参考作为示例给出并且由 附图表示的实施例，其中图1表示根据本发明的可变控制设备的第一简单实施例；图2表示根据本发明的可变控制设备的第二实施例；图3、4和5示出了在不同的工作步骤期间图2的设备中的电流的流动。
具体实施例方式参考图1，可变控制设备10负责利用可变电压控制电子负载12，从控制信号S开 始。控制设备10与负载12串联连接到输送电压Um的交流电源的仅仅一相，并且不需要连 接到该交流电源的中点(neutral point)，这使得它在例如家庭自动电器中的使用非常容 易和简单。这样的设备特别适合于用在功率控制器中，例如用于控制诸如灯的电力负载的 变光器(例如被230V的交流电源供电并且具有小于等于1000W的功率)。控制设备10包括作为正常ON型场效应晶体管的两个JFET功率开关Jl和J2。优 选地，这两个功率开关Jl和J2由碳化硅(SiC)制成，但是也可以使用其它宽带隙材料，诸 如氮化镓。在示出的示例中，功率开关Jl和J2是具有N沟道的JFET。控制设备10还包括两个极化电阻器(也称为偏置电阻器)Rl和R2和两个控制开 关Ml禾口 M2。功率开关Jl和J2的栅极G彼此连接。开关Jl和J2与负载12串联头铲 (head-spade)安装，以使得开关Jl的漏极D连接到交流电源，开关J2的漏极D连接到负载 12的一端，并且开关Jl和J2的源极S通过极化电阻器Rl和R2连接在一起。因而，每个电 阻器Rl和R2分别连接在功率开关Jl和J2的栅极和源极之间。优选地，开关Jl和J2相 同，电阻器Rl和R2相同。每个控制开关Ml和M2分别与极化电阻器Rl和R2中的一个并联连接。控制开关 Ml和M2可以是诸如小型继电器或微机电开关(MEMS)之类的机电部件，或者优选地是诸如低电压MOSFET晶体管之类的半导体电子部件。在机电部件的情况下，控制信号S连接到Ml 和M2的控制线圈。在半导体电子部件的情况下，控制信号S经由栅极电阻器连接到部件Ml 和M2的栅极。控制设备10还可以包括两个相同的保护齐纳二极管Zl和Z2，它们与极化电阻器 Rl和R2并联连接。Zl和Z2的阴极分别连接到开关Jl和J2的源极，Zl和Z2的阳极分别 连接到开关Jl和J2的栅极。这些齐纳二极管保护JFET开关，因为它们总是能够限制一个 方向上它们的齐纳电压V2(或击穿电压)(例如大约-15V)和另一个方向上它们的直流压 降(例如+0. 7V)之间的栅极-源极电压Vgs。图1的实施例的工作模式如下A.开始时，假定电源电压Um等于零，因此开关JFET Jl和J2各自的栅极和源极之 间的电压Vesi和Ves2等于零，因而开关JFET Jl和J2均闭合(导电状态)，因为它们是正常 ON类型的。还假定不存在控制信号S，因而控制开关Ml和M2处于断开状态(阻塞状态)。B.当电源电压Um出现时，例如在所谓的正拱形(arch)期间，电流I开始在由图1 中的箭头I指示的方向上流入J1、R1、R2、J2中。该电流I在电阻器Rl的端子之间非常迅速 地产生正电压Vki。由于基于构建的Vki = -Vesi，则正电压Vki在JFET开关Jl的栅极和源极 之间产生负电压Vesi。选择Rl的值以使得Vesi电压快速达到锁定电压(或夹断(pinching) 电压)VP，以使得开关Jl变换到断开状态(不导电状态)。然后流过电阻器Rl的电流下降， 直到Vesi再一次达到锁定电压Vp之上，这使得JFET开关Jl再次稍微导电。因而电流I将 再次增加，直到Vri再次到达锁定电压VP，以便再次阻塞Jl，等等。在此正拱形期间，JFET开 关Jl安装在电源中，因而电流依赖于电阻器Rl和锁定电压VP。因而，Jl和Rl的配置致使，在正拱形期间，电流I低于或等于非常低的值的剩余 电流Imin，很不足以正确地为负载12供电，特别是不足以接通灯。例如，如果Rl = IOKΩ且 如果 Vp = -10V，则 Imin = ImA0此外，在此正拱形期间，齐纳二极管Zl被阻塞并且齐纳二极管Ζ2导通。因而Ζ2 的端子之间的电压Vz2等于齐纳二极管的直流压降(通常大约为0. 7V)，这使得可以限制R2 的端子之间的电压Vk2，从而限制电压Ves2的正值，以避免开关J2的栅极问题。C.在接下来的负拱形期间，电流I改变方向，电阻器R2和JFET开关J2的操作类 似于上面已经描述的。负方向上流动的电流I在电阻器R2的端子之间非常迅速地产生正 电压VK2。由于基于构建的Vk2 = -Vgs2，则正电压Vk2在JFET开关J2的栅极和源极之间产生 负电压Ves2。选择R2的值以使得Ves2电压快速达到锁定电压VP，以使得开关J2变换到断开 状态(不导电状态)。在此负拱形期间，JFET开关J2安装在电源中，因而电流依赖于电阻 器R2和锁定电压Vp。因而，在不存在控制信号S的情况下，流入负载12的电流I永远保持低于或等于 Imin，这使得可以安全地确保，尽管使用正常ON功率开关，在不存在任何控制信号S的情况 下也不会为电力负载供电。D.当控制信号S出现时，控制开关Ml和M2变为闭合，这使得旁路(shunt)电阻器 Rl和R2。因而，电压Vki和Vk2变为基本等于零(仅为大约几十毫伏)，因为Vki = RonM1*I, 其中Rmimi对应于低电压MOSFET晶体管Ml的导电状态下的非常低的电阻，I对应于流入负 载12的电流。这也导致开关Jl和J2的栅极-源极电SVesi和Ves2强制为零。因此，在电流I的每个方向，开关Jl和J2均变换到导电状态并且为电力负载12供电。根据图2中描述的优选实施例，控制设备10还包括电容器C，用于与电容器充电 电路相关的能量备用。电容器C具有连接到功率开关Jl和J2的栅极的第一端。电容器C 的充电电路包括两个充电二极管Dl和D2，每个二极管Dl和D2各自的阴极连接在电容器C 的第二端，而二极管Dl和D2各自的阳极分别连接到功率开关Jl和J2的漏极。此外，电容 器C的充电电流可以被位于与二极管Dl和D2串联连接的充电电路中的可能的附加电阻器 Ra(图中未示出)限制。图2中的实施例的工作模式如下A.假定开始时电源电压Um等于零，因此开关JFET Jl和J2各自的栅极和源极之 间的电压Vesi和Ves2等于零，因而开关Jl和J2均闭合(导电状态)，因为它们是正常ON类 型的。还假定不存在控制信号S，因而控制开关Ml和M2处于断开状态(阻塞状态)。B.当电源电压Um出现时，例如在所谓的正拱形期间，电流I开始在由图3中的箭 头I指示的方向上流入J1、R1、R2、J2中。该电流I在电阻器Rl的端子之间非常迅速地产 生正电压VK1。由于基于构建的Vki = -Vesi,则正电压Vki在JFET开关Jl的栅极和源极之间 产生负电压Vesi。选择Rl的值以使得Vesi电压快速达到锁定电压(或夹断电压)VP，以使得 开关Jl变换到断开状态(不导电状态)。因而，对于图1的操作，流入Jl的电流低于或等 于非常低的值的剩余电流Imin。另一方面，在电流的正拱形期间，二极管Dl导电并且二极管 D2阻塞。因而，电流I源自二极管D1，并且可以对电容器C充电。然后电流I流过R2，这 在JFET开关J2的栅极和源极之间施加正的Ves2电压。因而，只要电容器C不被完全充电， 则J2就变为导电。自动地，电容器C的充电电流由电阻器R2以及由位于充电电路中的可 能的附加电阻器&(图中未示出)限制，以使得电力负载12仅仅由低电流供电，并且在它 的端子之间不会出现显著的电压。C.在接下来的负拱形期间，电流I改变方向，并且电阻器R2和JFET开关J2的操 作类似于上面已经描述的(参见图4)。负方向上流动的电流I在电阻器R2的端子之间非 常迅速地产生正电压VK2。由于基于构建的Vk2 = -Ves2，则正电压Vk2产生负电压νκ2，νκ2阻 塞JFET开关J2。二极管D2导电并且二极管Dl阻塞。因而，电流I源自二极管D2，并且可 以为电容器C充电。然后电流I流过R1，这在JFET开关Jl的栅极和源极之间施加正的Vesi 电压。因而，只要电容器C没有被完全充电，Jl就变为导电。因而，上述工作模式的步骤B和C使得为电容器C充电，因为电流I总是以相同的 方向流过C。当对电容器C的充电完成时，电容器C的端子之间的电压不再变化，并且稳定 在接近于电源Um的峰值电压的值。D.当控制信号S出现时，控制开关Ml和Μ2变为闭合(参见图5)，这使得旁路电 阻器Rl和R2。因而，电压Vki和Vk2变为基本等于零，结果也强制开关Jl和J2的栅极-源 极电压Vesi和Ves2为零。因此，在电流I的每个方向，开关Jl和J2均变换到导电状态并且 为电力负载12供电。该可变控制设备还包括控制电子电路(图中未示出)，预期输送来自于控制命令 的公共控制信号S，该控制命令例如在变光器的情况下来自于几个位置按钮，或者来自于任 何其它外部元件。按照传统方式，为了向电力负载12提供可变电压，控制信号S可能仅仅 出现在电源Um的每个弧形的一部分上。
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由于本发明，控制电子电路优选地由向控制电子电路的供电模块(回扫或SMPS型 的)提供能量源的电容器C供电。因而，可变控制设备完全是自动的，并且不需要任何能量 源(电池)来运行，除了电力负载12的交流电源Um的一相之外。同样地，该设备不需要交 流单相电力网络的相点和中点之间的连接。与上面的工作模式所述的相似，交流电源的电 源电压Um —出现，电容器C就被再充电。在实践中，仅仅几个半波就足够为电容器C充电， 因为控制电子电路不消耗大量能量(仅大约1W)。但是，如果控制信号S永远存在(上面图5的工作模式的步骤D)，则电容器C不 再被供电，因而可以在长时间后放电。这就是为什么本发明提供了，周期性地(例如，电流 I的每个半波)，控制信号S短时间内不存在，以便在该短时间内断开控制开关Ml和M2，以 便维持电容器C的电荷(上面的步骤B和C)。将该短时间确定为不损害电力负载12的运 行，特别是不产生被命令的灯的强度的任何可察觉的下降。本发明使得可以使用利用低电压MOSFET晶体管(即当前具有低于60V的电压)实 现的控制开关Ml和M2，这给了在导电状态下具有非常低的电阻(仅为约几毫欧)的优点。 实际上，当控制信号S被切断以断开Ml和M2时，出现在开关Ml和M2的源极和漏极之间的 电压Vds总是等于电阻器Rl和R2的端子之间的电压，而电阻器Rl和R2的端子之间的电压 本身是由JFET开关Jl和J2的夹断电压Vp引起的。在开始期间的电流峰值的情况下，电压 Vds由齐纳二极管Zl和Z2限制，最大值为大约例如15到20V，而不是交流网络Um的峰值电 压 230V。能够使用这样低电压的MOSFET晶体管使得大大降低了热耗散并且提供了变光器 小型化的更大的可能性。当控制开关Ml和M2是机电MEMS微致动器时该优点也存在，因为 它们在导电状态下的电阻器也非常低。
权利要求
一种在交流电网络的一相上与要被控制的电力负载(12)串联连接的可变控制设备，其特征在于该控制设备(10)包括正常ON类型的两个JFET功率开关(J1，J2)，它们的栅极连接在一起；两个极化电阻器(R1，R2)，每个极化电阻器分别连接在功率开关(J1，J2)之一的栅极和源极之间；由公共控制信号(S)控制的两个控制开关(M1，M2)，每个控制开关分别与极化电阻器(R1，R2)中的一个并联连接。
2.根据权利要求1所述的可变控制设备，其特征在于，该功率开关(Jl，J2)是碳化硅 JFET晶体管。
3.根据权利要求1所述的可变控制设备，其特征在于，该功率开关(Jl，J2)是氮化镓 JFET晶体管。
4.根据权利要求1所述的可变控制设备，其特征在于，该可变控制设备(10)还包括备 用能量电容器(C)和该电容器的充电电路，该电容器(C)具有连接到该功率开关(Jl，J2) 的栅极的第一端子。
5.根据权利要求4所述的可变控制设备，其特征在于，该充电电路包括两个二极管 (Dl, D2)，每个二极管的阴极连接到电容器(C)的第二端子，并且每个二极管的阳极分别连 接到功率开关(Jl，J2)的一个的漏极。
6.根据权利要求4所述的可变控制设备，其特征在于，该控制设备(10)还包括电子控 制电路，其输送该公共控制信号(S)并且由该电容器(C)供电。
7.根据权利要求1所述的可变控制设备，其特征在于，该控制开关(Ml，M2)是MOSFET 晶体管，其源极连接在一起且连接到功率开关(Jl，J2)的栅极，其漏极分别连接到相应功 率开关(Jl，J2)的源极。
8.根据权利要求7所述的可变控制设备，其特征在于，每个MOSFET晶体管(M1，M2)的 栅极经由栅极电阻器连接到控制信号(S)。
9.根据权利要求1所述的可变控制设备，其特征在于，该控制开关(M1，M2)是MEMS微 致动器，其线圈由控制信号(S)供电。
10.根据权利要求1所述的可变控制设备，其特征在于，该控制设备(10)包括与极化电 阻器(R1，R2)并联连接的两个限制齐纳二极管(Z1，Z2)。
11.一种用于控制电力负载(12)的功率控制器，其特征在于，其包括根据前述权利要 求中的任意一个所述的可变控制设备。
全文摘要
本发明涉及一种在交流电路的一相上与要被控制的电力负载(12)串联连接的可变控制设备(10)。该控制设备(10)包括正常导电JFET类型的两个功率开关(J1，J2)，它们的栅极(G)连接在一起；两个偏置电阻器(R1，R2)，每个偏置电阻器(R1，R2)分别连接在功率开关(J1，J2)的一个的栅极(G)和源极(S)之间；以及由公共控制信号控制的两个控制开关(M1，M2)，每个控制开关(M1，M2)分别与偏置电阻器(R1，R2)中的一个并联连接。应用于变光器。
文档编号H02M5/293GK101897111SQ200880120798
公开日2010年11月24日 申请日期2008年10月10日 优先权日2007年10月16日
发明者塞巴斯蒂安·卡库特, 雅克·埃克拉比 申请人:施耐德电器工业公司