整流桥控制电路的制作方法
【专利摘要】提供了整流桥控制电路。一种AC/DC变换器，包括第一端子和第二端子，用于接收交流电压，以及第三端子和第四端子，用于传递直流电压。整流桥设置在变换器中。可控开关或者整流元件具有被配置为接收控制电流的控制端子。第一开关，耦合在供电电压和控制端子之间，以注入控制电流。第二开关，耦合在供电端子和参考电压之间，以汲取控制电流。第一和第二开关选择性地由控制电路启动。
【专利说明】整流桥控制电路
[0001]相关串请的交叉引用
[0002]本申请要求于2015年4月7日的申请号为15/52983的法国专利的优先权，其内容通过参考其全文并入至法律所允许的最大程度结合于此。
技术领域
[0003]本公开涉及电子设备，并且特别涉及交流到直流(AC/DC)变换器。本公开一般而言应用于使用整流桥的任何系统，例如，用于控制电动机、电动充电器、开关电源等的电路。
【背景技术】
[0004]基于可以是可控的(例如，晶体管)或者不可控的(例如，二极管)的整流元件，作为整流桥安装，采用AC电压供电并传递DC电压的许多AC/DC变换器架构是已知的，该DC电压本身可能转变回至AC电压。
[0005]通常希望最小化待机时的功耗，即变换器采用AC电压供电但是没有负载从输出端汲取功率时的功耗。
[0006]进一步地，通常希望限制浪涌电流，即只要在跨整流桥输出的电容器的电压未达到足够大的值，特别是在启动阶段，AC电压的每个半波中出现的电流峰值。
[0007]美国专利号5，715，154，美国专利申请公开号2002/0080630，以及日本公开号JPS62135269描述了 AC/DC变换器的示例(通过引用并入所有参考文献)。
【发明内容】
[0008]一个实施例克服了普通功率变换器控制电路的所有或者部分缺点。
[0009]一个实施例提供了减小待机损耗的变换器启动电路方案。
[0010]因此，一个实施例提供了一种AC/DC变换器，包括:第一端子和第二端子，用来接收交流电压；第三端子和第四端子，用来提供第一直流电压；具有分别连接到第一和第二端子的输入端子的整流桥；以及具有分别通过可控开关元件耦合到第三端子和连接到第四端子的输出端子，或者具有分别连接到第三和第四端子的输出端子，分别将第一和第二端子耦合至第三端子的桥的两个可控整流元件。
[0011]根据一个实施例，用于控制开关元件的电极或者用于控制整流元件的电极，通过第一开关耦合至用于提供正向电位的端子以及通过第二开关耦合至第四端子。
[0012]根据一个实施例，变换器进一步包括用于提供正向电位的电路，通过至少一个二极管耦合到第一端子。
[0013]根据一个实施例，变换器进一步包括用于控制第一开关和第二开关的微控制器，由正向电位供电。
[0014]根据一个实施例，第一开关是PNP类型的双极晶体管或者P沟道MOS晶体管，第二开关是NPN类型的双极晶体管或者N沟道MOS晶体管。
[0015]根据一个实施例，开关元件是双向晶闸管。
[0016]根据一个实施例，开关元件是能够由注入电流至栅极并从栅极汲取电流控制的阴极-栅极晶体管。
[0017]根据一个实施例，可控开关元件是能够由注入电流至栅极并从栅极汲取电流控制的阴极-栅极晶体管。
[0018]一个实施例提供了一种控制变换器的方法，其中在第一阶段，第一开关注入电流至开关元件或者整流元件的栅极，之后，在第二阶段，第二开关从开关元件或者整流元件汲取栅极电流。
[0019]根据一个实施例，在第二阶段，开关元件和整流元件被控制在相角以限制浪涌电流。
【附图说明】
[0020]将结合附图在具体实施例的下述非限制性描述中讨论前述以及其它特征和优点，其中:
[0021]图1显示了 AC/DC变换器的一个实施例；
[0022]图2A、2B、2C、2D和2E示出了图1的变换器的操作时序图；
[0023]图3显示了 AC/DC变换器的另一个实施例；
[0024]图4显示了 AC/DC变换器的另一个实施例的细节；
[0025]图5是具有正向栅极电流的阴极-栅极晶体管的一个实施例的简化截面图；以及
[0026]图6是具有负向栅极电流的阴极-栅极晶体管的一个实施例的简化截面图。
【具体实施方式】
[0027]在不同附图中相同的元件用相同的标号指示。特别地，对于不同实施例通用的结构和/或功能元件采用相同的标号指示并可以具有一致的结构、尺寸和材料特性。为清楚起见，仅仅显示并详细说明了有助于理解所述实施例的那些步骤和元件。特别地，没有详细描述由功率变换器供电的电路，所述实施例是符合普通应用的。在本公开中，术语“连接”表示两个元件之间的直接连接，而术语“耦合”和“链接”表示两个元件之间的连接可以是直接的或者通过一个或者多个其它元件的。当引用术语“大致”、“近似地”或者“大约”时，这表示在10%范围内，优选为5%范围内。
[0028]图1原理性地显示了 AC/DC变换器的一个实施例。
[0029]两个输入端子12和14旨在于接收AC电压Vac，例如，配电网的电压(例如，230或者120V，50或者60Hz)。端子12连接到整流桥3 (例如，全波)的第一整流输入端子32，其具有第二整流输入端子34连接到端子14。桥3的第一整流的输出端子36通过开关(在本示例中是双向晶闸管T)耦合到提供高电位的DC电压Vdc的第一输出端子16。桥3的第二整流的输出端子38连接到提供低电位的DC电压Vdc的第二输出端子18。在图1的示例中，端子38和18定义了组件的参考电位(地)，于是输出电压Vdc是正的。存储和平滑电容器CO耦合端子16和18。
[0030]在本示例中，整流桥3由四个二极管D31、D33、D35和D37形成。二极管D31和D33分别耦合端子32和34至端子36 ( 二极管D31和D33的阴极在端子36的一侧)，以及二极管D35和D37分别耦合端子32和34至端子38 ( 二极管D35和D37的阳极位于端子38的一侧)。端子36和38之间的电压Vr对应于整流的且未滤波的电压Vac。
[0031]双向晶闸管T具有控制输出电源的功能。其被控制在脉冲模式，即控制电路2在交流电压Vac的每个半波施加脉冲在其栅极。然后，双向晶闸管T保持导通直到其传导的电流消失。
[0032]控制电路2包括负责产生双向晶闸管T的控制脉冲的数字电路22，例如，微控制器(μ C)。微控制器22接收不同的参考值CT或者检测值，以根据其中通过变换器供电的负载的需求在正确的时刻产生脉冲。
[0033]微控制器22由桥3供电，即不需要提供直接从电压Vac采样电源的辅助电路。在所示示例中，电源电路24(PW)是在端子36和38之间与电容元件Cl串联连接的。用于为微控制器22供电的两个端子222和224连接到传递电源电压Vdd的电容Cl的两端。电路24具有调节电压Vdd的功能，使得其保持符合微控制器的电源需求。实际上，相比于电压Vac、Vr和Vdc,电压Vdd是低压。典型地，电压Vdd是低于1V的。
[0034]作为一个示例，电路24可以是开关电源。于是其形式为由集成电路调节电压Vdd控制的MOS晶体管。这种MOS晶体管通常控制电感或者磁性变压器的初级。
[0035]微控制器22控制耦合端子222 (在电位Vdd)至双向晶闸管T的栅极的第一晶体管Tl。在图1的示例中，晶体管Tl是PNP类型的双极晶体管，具有其发射极连接到端子222，以及其集电极通过与可选电阻Rl串联连接的二极管Dl耦合到双向晶闸管T的栅极。晶体管Tl的基极可选地通过电阻器R2耦合到微控制器22的第一输出端子。
[0036]微控制器22还控制用于控制双向晶闸管T的第二晶体管T2。在图1的示例中，晶体管T2是NPN类型的双极晶体管，具有其发射极连接到地38，以及其集电极通过与电阻器R3连接到双向晶闸管T的栅极。晶体管T2的基极可选地通过电阻R4耦合到微控制器22的第二输出端子。
[0037]图2A、2B、2C、2D和2E是图1的变换器在启动时的操作时序图。图2A显示了电压Vac的形状的一个示例。图2B显示了电压Vdd的对应形状。图2C显示了双向晶闸管T的栅极电流Ig的形状。图2D显示了从交流电源采样的电流Iac的形状。图2E显示了电压Vdc的对应形状。
[0038]最初，电容器CO和Cl被放电。因此，微控制器22未上电，并且双向晶闸管T关断。
[0039]当AC电源Vac施加在端子12和14之间时(例如，通过通电的开关，未示出)，电容器Cl通过电源模块24充电直到其达到微控制器22操作所需的电压Vdd。
[0040]但是，因为电容器CO被放电，不能从晶体管T2的分支汲取电流以启动双向晶闸管To因此，正向栅极电流可以施加到双向晶闸管上使其导通并开始对电容器CO充电。这是晶体管Tl的功能。在电压Vac的第一个半波结束时(或者更多地是在微控制器上电但电容CO被放电的半波的末段)，微控制器通过在短时间周期(例如，持续I μ s至大约Ims的脉冲)内汲取基极电流到晶体管Tl上控制其导通。这导致正向电流Ig注入双向晶闸管的栅极并且导通双向晶闸管直到半波结束。然后在整个半波结束时，电容器CO充电。为了限制浪涌电流，在半波结束处附近使得晶体管Tl导通，并且双向晶闸管T因此导通。
[0041]只要跨电容器CO的电压Vdc足够大，微控制器22在每个半波及脉冲模式下控制晶体管Τ2汲取电流进入双向晶闸管的栅极(负向栅极电流Ig)并引起电容CO的渐进充电(电压Vdc从一个半波到下一个半波渐进地增大)。
[0042]考虑到软启动和限制电流浪涌，微控制器22以相角控制晶体管T2，即其在半波的减小部分开始导通晶体管并根据电容CO的充电电平是越来越快的。只要电容CO充足地充电，可以通过DC或者脉冲信号控制双向晶闸管。在脉冲控制的情况下，控制可能与电容器在每个半波(即当电压Vdc变得小于电压Vac时)被再充电的时间是同步的。
[0043]启动电容器CO充电并因此唤醒系统所需的周期的数量(晶体管Tl的导通周期的数量)，以及启动(直到电容器CO充电)所需的周期数量是用于基于应用场合和启动时可能的下游功耗的。
[0044]实际上，单个周期通常是足够的，以充足地对电容器CO充电，以具有足够的电压提供所需的栅极电流以通过控制晶体管T2导通双向晶闸管。因此，在这种情况下，每次变换器启动时仅仅使用一次晶体管Tl。
[0045]一个优点是，电源和控制信号的所有参考是共用的(地)。例如，与文档JP62135269相反地，因此避免了光耦、变压器或者相同类型的元件。
[0046]其它的优点是，因为在第一个半波，双向晶闸管T可以立即用于相位控制，因此变换器启动时不再需要使用阻性元件来限制浪涌电流。
[0047]图3显示了用两个阴极-栅极晶体管Thl和Th2替代双向晶闸管T的另一个实施例。实际上，这相当于用晶体管Thl和Th2替代桥3的二极管D31和D33，以在桥中集成控制。为了允许电路24的供电，于是提供了耦合端子12至电路24的至少一个二极管D2。在图3的示例中，微控制器22的电源整流是半波，其通常是足够的，因为所需功率很小。作为一个变形，提供了耦合端子14至电路24的另一个二极管(图3中虚线中的D3)，以执行全波整流。
[0048]可以从讨论的与图1有关的操作推导出图3的电路的操作。但是，所形成的晶体管Thl和Th2同时由负向栅极电流和正向栅极电流控制。这样，相当于使用半个双向晶闸管以保持晶体管的整流特性。
[0049]图4部分地显示了变换器的一个实施例。
[0050]与图1的组件相比，晶闸管T被晶体管Th所替代。实际上，此处并没有使用双向晶闸管的双向导通特性。重要的是，能够采用正向或者负向栅极电流控制位于端子12和16之间的开关。对于图3的实施例，阴极-栅极晶体管应当能够由汲取到其栅极的电流控制。
[0051]图5和图6是分别具有正向栅极电流或者电流注入(多数现有情况)和具有负向栅极电流或者电流汲取的阴极-栅极晶体管的实施例的简化截面图。
[0052]根据这些示例，在N型衬底51中形成晶体管。在背面，P型层52定义了阳极区域，阳极电极A通过区域52的接触金属化层53获得。P型井54形成在正面。N型阴极区域55 (NI)形成在井54中并且该区域55的接触金属化层56定义了阴极电极K。
[0053]在图5的情况中，在P型井54的层形成栅极触点57。因此，如果适当偏置(正阳极-阴极电压)，栅极电流注入启动晶体管。
[0054]在图6的情况中，在栅极触点57下方增加了 N型区域58(N2)。区域58允许由负向栅极电流导通(即，从栅极流向阴极)，通过允许电子注入N型衬底51，其对应于区域52-51-54形成的NPN型的双极型晶体管的基极。
[0055]区域N2被分割为至少两个区域58和58’，以允许在栅极上的区域54的直接接触。这个实施例，所谓的“短路孔”，能够提高对晶体管暂态干扰的免疫力和正向栅极电流(即，从栅极G流向阴极Kl)的控制。因此，本实施例使晶体管能够用于形成图3的电路中的晶体管Thl和Th2或者图4中的晶体管Th。
[0056]描述了各种实施例。本领域技术人员可以发现各种替换、修正和改进。例如，可以使用电流源替换电阻器R3以保证从部件T、Thl、Th2和Th汲取栅极电流，其大体保持恒定而不管电容C的电压。进一步地，所述实施例的实际应用是在本领域技术人员的能力范围内基于上面所给出的功能指示的。特别地，微控制器的编程取决于应用场合以及与使用微控制器等以控制变换器的普通应用兼容的所述实施例。进一步地，用作正常导通的开关元件(双向晶闸管)或者整流元件(晶体管)的形成，通过施加到控制电极的正向或者负向脉冲可控导通的，是在本领域技术人员的能力范围内基于上面所给出的指示的。
[0057]这种替换、修正和改进意在成为本公开的一部分，并且是在本发明的精神和范围内的。因此，前述描述仅仅为示例的方式而不意在限制。本发明仅仅被下面的权利要求及其等效所定义的限制。
【主权项】
1.一种交流至直流(AC/DC)变换器，包括 第一端子和第二端子，被配置为接收交流电压； 第三端子和第四端子，被配置为提供第一直流电压； 整流桥，所述整流桥具有分别连接到所述第一端子和所述第二端子的输入子端，以及进一步具有输出端子； 可控开关元件，所述可控开关元件耦合在所述输出端子中的一个输出端子和所述第三端子之间，所述可控开关元件具有控制电极； 第一开关，所述第一开关将所述控制电极耦合至用于提供正向电位的端子；以及 第二开关，所述第二开关将所述控制电极耦合至所述第四端子。2.根据权利要求1所述的变换器，进一步包括电路，所述电路被配置为使用耦合到所述第一端子的至少一个二极管传递所述正向电位。3.根据权利要求1所述的变换器，进一步包括微控制器，所述微控制器被配置为控制所述第一开关和所述第二开关的控制激励。4.根据权利要求3所述的变换器，其中:所述微控制器用于在交流电压的初始阶段启动时，激活所述第一开关，然后在紧随所述初始阶段的交流电压的阶段，周期性地激活所述第二开关。5.根据权利要求3所述的变换器，其中:在第一阶段，所述微控制器用于激活所述第一开关，以注入电流至的所述可控开关元件的所述控制电极，之后，在第二阶段，所述微控制器用于激活所述第二开关，以从所述可控开关元件的控制电极汲取电流。6.根据权利要求5所述的变换器，其中，在所述第二阶段，所述可控开关元件的激活由所述微控制器以与交流电压相关的相位角进行控制，以限制浪涌电流。7.根据权利要求1所述的变换器，其中所述第一开关是PNP类型的双极晶体管或者P沟道MOS晶体管中的一个，并且其中所述第二开关是NPN类型的双极晶体管或者N沟道MOS晶体管中的一个。8.根据权利要求1所述的变换器，其中所述可控开关元件是双向晶闸管。9.一种交流至直流(AC/DC)变换器，包括 第一端子和第二端子，被配置为接收交流电压； 第三端子和第四端子，被配置为提供第一直流电压； 整流桥，所述整流桥具有分别连接到所述第一端子和所述第二端子的输入端子，以及进一步具有耦合到所述第三端子和所述第四端子的输出端子； 其中所述整流桥包括耦合在所述第一端子和所述第三端子之间的第一可控整流元件，所述第一可控整流元件具有所述第一控制电极； 第一开关，所述第一开关将所述第一控制电极耦合至用于提供正向电位的端子；以及 第二开关，所述第二开关将所述第一控制电极耦合至所述第四端子。10.根据权利要求9所述的变换器，进一步包括电路，所述电路被配置为使用耦合到所述第一端子的至少一个二极管传递所述正向电位。11.根据权利要求9所述的变换器，进一步包括微控制器，所述微控制器被配置为控制所述第一开关和所述第二开关的控制激励。12.根据权利要求9所述的变换器，其中:所述微控制器用于在交流电压的初始阶段启动时，激活所述第一开关，然后在紧随所述初始阶段的交流电压的阶段，周期性地激活所述第二开关。13.根据权利要求12所述的变换器，其中:在第一阶段，所述微控制器用于激活所述第一开关，以注入电流至可控整流元件的所述第一控制电极，之后，在第二阶段，所述微控制器用于激活所述第二开关，以从所述可控整流元件的所述第一控制电极汲取电流。14.根据权利要求13所述的变换器，其中，在所述第二阶段，所述第一可控整流元件由所述微控制器以相位角控制，以限制浪涌电流。15.根据权利要求9所述的变换器，其中:所述第一开关是PNP类型的双极晶体管或者P沟道MOS晶体管中的一个，并且其中所述第二开关是NPN类型的双极晶体管或者N沟道MOS晶体管中的一个。16.根据权利要求9所述的变换器，其中:所述第一整流元件是阴极-栅极晶闸管。17.根据权利要求9所述的变换器，其中:所述整流桥进一步包括耦合在所述第二端子和所述第三端子之间的第二可控整流元件，所述第二可控整流元件具有第二控制电极，其中所述第一开关进一步将所述第二控制电极耦合至用于提供正向电位的所述端子，以及其中所述第二开关进一步将所述第二控制电极耦合至所述第四端子。18.根据权利要求17所述的变换器，其中:所述第一可控整流元件和所述第二可控整流元件是阴极-栅极晶体管。
【文档编号】H02M3/158GK106059295SQ201510846181
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2015年11月26日
【发明人】L·宫蒂尔, R·拉罗萨, G·左皮
【申请人】意法半导体(图尔)公司, 意法半导体股份有限公司