专利名称：用于互连电解电容器的开关装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于将具有至少500μF电容量的电解电容器受控并联开关至另一储能电解电容器的开关装置。该装置包括由半导体器件形成的电子开关以及延迟部件，其中半导体器件具有控制输入并且该输入通过电阻电容(RC)型延迟部件被连接至提供开关信号的控制输入。该开关装置具有确定持续时间的开关延迟。
背景技术：
当对充有能量的电容器突然放电或充电的时候，在特定的时间内会流过非常大的瞬态电流，其可能会同时损害电容器和实现瞬态过程的开关器件。
在公开的匈牙利专利申请No.P9902383中，公开了一种包括电容器的电池充电电路。通过开关与该电容器并联的另一电容器，开关增加了该电容器的容量。如该专利申请参照的图4所示，串联的电感电容(LC)部件被接入到开关通路中。
要被充电的电容器的容量典型地具有100-10000μF的容量，但优选地是在500-10000μF的范围内。最普遍的半导体开关器件是MOSFET型场效应晶体管，它的内阻在开路状态时非常小，并且它可以在非常高的输入阻抗时易于断开和闭合。
场效应晶体管适于开关大电流的开关性能在不断地增进，但是在任何特定的类型中，超过特定强度的电流会危害晶体管的稳健性。在示例性使用中，最大允许的电流强度是180A。当场效应晶体管被用作开关器件的时候，在瞬时开关过程期间，半导体器件上的热量耗散也构成了障碍。在开路状态时，场效应晶体管的残余电压非常低，其典型地是在50mV的范围内；由于该原因，这样的晶体管中的功率损耗即使在大电流的情况下也非常小。然而，在瞬态开关过程期间，下述危险是非常大的，即场效应晶体管承载的负载大于允许的极限值。
因而，在开关大能量的时候，必须引起注意的是开关器件所允许承载的适当的负载，以及开关电路所允许的最大负载。开关电路上的负载可以通过延迟瞬态过程而减少。与此同时，在特定的应用中这也是目标，即确保开关自身对开关电路中出现的瞬态过程的影响仅达到绝对必要的程度，就是说，达到防止超过针对元件所确定的极限。
为了延迟的目的，通常在开关电路的主电路中使用电感元件。使用电感元件所带来的问题是，仅在伴有特定量值的欧姆电阻的情况下可以获得用于实现延迟所必需的感应率，并且主电路中电阻分量的存在会造成持续的损耗以及在已不再是瞬态开关现象的过程中产生负面影响。
在上述匈牙利专利申请所提到的使用中，通过在100-200A的电流范围的情况下从开关瞬态获得的热应力形成了边界条件，在该边界条件处，瞬态过程必要的延迟时间要长于普通的电子半导体器件所能承受的时间。与此同时，这样的延迟时间又足够短，以至于使通常应用的电感延迟元件不可用，这是因为在获得所需感应率值时出现的电阻分量的存在。
由于所描述的需求彼此矛盾，即其中包含很大能量的大容量电解电容器必须和另一能量相对少、但也是大容量的电解电容器并联连接，并且其中需要尽可能小地影响形成的瞬态过程，因此迄今为止这样的任务只能利用断开和闭合接点来解决。然而，就其成本、速度、控制的方便性及其低等级的可靠性来说，利用机械接点的解决方案与其它方便、快速和可靠的电子器件的使用相比是不利的。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于具有至少500μF容量的电解电容器和另一储能电解电容器的受控并联开关的开关装置，其中开关元件由半导体器件形成，并且该装置能够保护半导体器件以及相连的电解电容器均免受作为开关瞬态出现的电流浪涌的破坏性影响，但其同时对开关过程的影响仅达到保护必要的程度。
为了实现上述目的，可以认识到，防止开关瞬态的保护可以以分离的方式解决。因而，在场效应晶体管的栅极处形成的RC部件确保了所需延迟的一部分，并且仅是主要利用了该器件的栅极自身的输入电容。基于场效应晶体管的负载极限值确定第一延迟的范围。穿过铁氧体磁心内径的电感部件确保必要的附加延迟。该电感部件具有非常低的欧姆电阻并且只有一匝，或至多几匝。该电感部件与半导体器件的主电路串联连接。
因此，根据本发明提供了一种用于将具有至少500μF容量的电解电容器受控并联开关至另一储能电解电容器的开关装置。所述开关装置包括由半导体器件形成的电子开关和延迟部件。所述半导体器件具有控制输入，其通过RC型延迟部件被连接至提供开关信号的控制输入。所述开关装置具有预先确定范围的开关延迟。根据本发明，所述半导体器件是场效应晶体管，它的主电路通过实现第二延迟的电感元件被连接至要被开关的电容器。所述电感元件是被高频铁氧体磁心围绕的确定长度的导体。进一步，由RC部件实现的延迟仅确保规定的开关延迟中用于在场效应晶体管的负载极限内的加载所需要的那部分延迟。剩余的延迟由所述电感元件提供。
鉴于本发明所提出的电感元件的分离以及特别的结构，可以获得一种解决方案作为对彼此矛盾的需求的特别的折衷来满足所有条件。根据本发明的解决方案，影响场效应晶体管的热负载在开关瞬态期间处于允许的范围内。进一步，电解电容器上电流的峰值没有超过将会引起损害的水平。与此同时，开关和所需的延迟仅引入最小的电阻损耗到主电路中，因此其功能基本上不受开关过程所必需的电路的存在的影响。
根据优选的实施例，所述铁氧体磁心具有两个轴平行的并且相互之间以特定的距离间隔开的内径。进一步，所述导体具有两个穿过各自内径的引线。
依据优选结构的实施例，所述铁氧体磁心具有多个短的、层叠的铁氧体磁心。然而，所述铁氧体磁心也可以由单个、长的窄条组成。
在另一优选的实施例中，RC部件中的电容元件由场效应晶体管的输入电容以及不可避免的杂散(scattered)电容构成。
电解电容器的容量典型地在10,000μF的范围内。
根据本发明的开关装置使得对于特定的任务，有可能使用快速、便宜且可靠的场效应晶体管作为开关器件，因而无需机械接点。
通过示例性实施例并结合附图，根据本发明的解决方案的进一步细节将变得显而易见，其中图1是根据本发明的开关装置的电路原理图；图2是电感元件的第一实施例的示意图；图3是第一铁氧体磁心的透视图；图4是电感元件的第二实施例的示意图；以及图5是第二铁氧体磁心的透视图。
具体实施例方式
图1所示的开关装置的基本任务是将具有至少100μF的容量、但优选地是例如500-10000μF范围内的更大容量的大容量电解电容器C1与另一同样是大容量的电解电容器C2并联连接，或彼此断开。根据前面提到的匈牙利专利申请的图4所示的装置，电容器C1和C2可以被置于未示出的电池的充电电路中。电容器C1和C2各自的电容器板(armature)中的一个相互连接并且相对于地具有可变量值的电位；在特定的例子中存在相当大的正电位。在另一电容器板(在这种情况下是负极性的)和地之间的通路中安置了电子控制的开关，它的开关元件由场效应晶体管FT形成。针对大电流强度所设计的电感元件L与场效应晶体管FT的源极S和漏极D之间的通路串联连接。电感元件L的构造是关键性的，这是因为它的直流电阻应当最小，否则在充电或放电期间产生的并且可能达到几百安培强度的电流会造成相当大的损耗。在场效应晶体管FT的栅极G和地之间存在由器件的内部电容以及杂散电容所确定的虚拟电容。在图1中，该虚拟电容由虚拟电容器C3用虚线表示，其典型的容量是50-100pF。栅极G被连接至电阻R，电阻R的另一端构成开关器件的控制输入VS。
图2至图5说明了电感元件L的各种结构。电感元件L具有有两个引线的U型导体10以及铁氧体磁心11或12(分别为图3和图5)，其中导体10由例如铜或镀银的铜导线形成，并且铁氧体磁心11或12具有两个内径轴平行的并且相互之间有确定距离的内径。导体10的引线之间的距离对应于内径轴之间的距离。在图2所示的实施例中，导体10的长度对应于多个(例如6-10个)短的铁氧体磁心11的长度。导体10的引线穿过短的铁氧体磁心11的内径，短的铁氧体磁心11因而在导体10上形成层叠。相邻的铁氧体磁心11优选地通过胶粘被彼此粘固并粘附于导体10上。就铁氧体磁心11的构造来说，它和在其它应用领域的对称/非对称变压器(平衡-不平衡变压器)中广泛使用的铁氧体磁心的结构完全相同。以这样的方式构造的电感元件L具有非常低的欧姆电阻，以及刚好合适的感应率。如果导体10的直径是1mm并且它的长度允许在其上层叠10个铁氧体磁心11，那么所测量的感应率在频率为1kHz时是71.7μH而在频率为100kHz时是70μH。
图4和图5所说明的实施例与图2和图3中的实施例的区别在于它包括特别为本发明构造的、替换了层叠的铁氧体磁心11的单个长的铁氧体磁心12。
电感元件L的长的、窄的构造就其在所用器件中的适应性来说是有优势的，这是因为它的容积仅在单一方向上是大的。因而，在这样的电感元件L垂直定向的情况下，可以在小面积中安置相对大的数量。
为了理解根据本发明的开关器件的运作，假定在地和连接至电容器C1的电容器C2的电极之间测量到大的正电压，例如40-50V，并且将断开指示中的突发电压(即相对于地为正的电压)应用于早先为地电位的输入VS。出现在栅极G上的突发电压已经具有由电阻R和虚拟电容器C3形成的RC部件所造成的少量起动(run-up)延迟。电阻R典型地处于150kΩ的范围内。基于这些数据，由RC部件造成的延迟时间典型地会是大约0.075-0.15μs。场效应晶体管FT可以假定其开路状态具有这样的延迟，并且在漏极D和源极S之间会出现短路(除了数量级大约为50mV的残余电压之外)。在瞬态现象期间，场效应晶体管FT上出现了热损耗，此时漏极D和源极S之间的电压还不为零，但是电流已经处于可估计的水平。在输入端获得的延迟仍然太短而不能将启动电流限制到电容器C1也可以承受的量值。如果通过增加电阻R或电容器C3的值来增加时间常数，那么可能会增加场效应晶体管FT上的热负载，其可能为器件所不能承受。
然而，电感元件L的感应率造成了附加的起动延迟，由于器件的小欧姆电阻，该延迟仅产生非常少的热量，并且可利用非常大的表面来耗散该热量。置于场效应晶体管外部的分离电感延迟元件的存在减少了场效应晶体管在瞬态过程期间所吸收的热量，这是因为器件的内阻在输入时间延迟期间假定为它的最小值，并且电流在该延迟时间的增加仍然有限。两个延迟分量共同作用，在此期间，场效应晶体管FT也运作在允许的极限值内，并且在给电容器C1充电的时候，电流最大值也没有超过允许的峰值。为电感元件L所选择的构造确保了在合适的感应率值处非常低的欧姆电阻。然而，整个起动延迟并不大于所用器件和元件的安全运作所必需的延迟，从而使得电流的信号形状由包括电容器C1和C2的主电路的属性确定。
鉴于下述事实，即可以使用场效应晶体管FT替换涉及更大容积和更多损耗的可选的解决方案，可以以更小的物理尺寸、降低的成本和更有利的电参数来实现开关。
权利要求
1.一种用于将具有至少500μF容量的电解电容器受控并联开关至另一储能电解电容器的开关装置；所述开关装置包括由半导体器件形成的电子开关以及延迟部件；所述半导体器件具有控制输入，其通过电阻电容型延迟部件被连接至提供开关信号的控制输入(VS)；所述开关装置具有预先确定范围的开关延迟；其特征在于，所述半导体器件是场效应晶体管(FT)；所述场效应晶体管(FT)的主电路通过提供第二延迟的电感元件(L)被连接至要被开关的电容器(C1)；所述电感元件是被高频铁氧体磁心(11，12)围绕的确定长度的导体(10)；由电阻电容部件实现的延迟仅确保规定的开关延迟中用于在所述场效应晶体管(FT)的负载极限内的加载所需要的那部分延迟，并且剩余的延迟由所述电感元件(L)提供。
2.根据权利要求1所述的开关装置，其特征在于，所述铁氧体磁心(11，12)具有两个内径，所述内径相互之间有预先确定的距离并且其具有平行的轴；所述导体(10)具有两个穿过所述内径的引线。
3.根据权利要求2所述的开关装置，其特征在于，其包括多个短的、层叠的铁氧体磁心(11)。
4.根据权利要求1所述的开关装置，其特征在于，在所述电阻电容部件中，电容元件由所述场效应晶体管(FT)的输入电容以及不可避免的杂散电容形成。
5.根据权利要求1所述的开关装置，其特征在于，所开关的电解电容器的容量在10,000μF的范围内。
全文摘要
一种用于互连电解电容器的开关装置，其包括由半导体器件形成的电子开关以及延迟部件。所述半导体器件具有控制输入，其通过RC型延迟部件被连接至提供开关信号的控制输入(VS)。所述开关装置具有预先确定的开关延迟。所述半导体器件是场效应晶体管(FT)，其主电路通过提供第二延迟的电感元件(L)被连接至要被开关的电容器(C1)。所述电感元件(L)是被高频铁氧体磁心(11，12)所围绕的具有确定长度的导体(10)。由RC部件实现的延迟仅确保开关延迟中用于所述器件在其允许的负载极限内被加载的那部分延迟，并且剩余的延迟由所述电感元件(L)提供。
文档编号H01F17/06GK1918765SQ200580005023
公开日2007年2月21日 申请日期2005年2月16日 优先权日2004年2月16日
发明者安德拉斯·法扎卡斯 申请人:安德拉斯·法扎卡斯