具有涌入電流限制的功率轉換器的制造方法

具有涌入電流限制的功率轉換器的制造方法
【專利摘要】本公開的各種實施例涉及具有涌入電流限制的功率轉換器。一種AC/DC轉換器在第一端子和第二端子處接收AC電壓。整流橋具有經由電阻性元件耦合到第一端子的第一輸入端子和連接到第二端子的第二輸入端子，并且整流橋的輸出端子耦合到轉換器的用于生成DC電壓的第三端子和第四端子。第一可控整流元件將第一端子耦合到第三端子并且第二可控整流元件將第四端子耦合到第一端子。電阻性元件在晶閘管被關斷的第一階段期間工作為涌入保護器件。在第二階段中，晶閘管被選擇性地致動。
【專利說明】具有涌入電流限制的功率轉換器
[0001]優先權要求
[0002]本申請要求與2015年4月7日提交的申請號為15/52987的法國申請的優先權權益，其內容通過至法律允許的最大程度上整體引用而并入于此。
技術領域
[0003]本公開內容一般涉及電子器件，并且更具體地涉及AC/DC轉換器。本公開內容一般適用于使用整流橋的任何系統，例如，用于控制電機的電路、充電器、開關式電源等。
【背景技術】
[0004]許多基于整流元件的AC/DC轉換器架構是已知的，該整流元件可以是可控的(例如，晶閘管)或者不可控的(二極管)，其組裝為整流橋，用AC電壓供電并且給出DC電流，此DC電壓有可能自身轉換回AC電壓。
[0005]通常期望限制涌入電流(inrush current)，即只要在整流橋的輸出處的跨電容器的電壓還沒有達到足夠水平的情況下的在AC電壓的半波上出現的電流峰值，并且尤其是在啟動階段限制涌入電流。
[0006]美國專利號6，493，255和日本公開見-!1-1278258的文檔(其都通過引用并入)描述了 AC/DC轉換器的示例。

【發明內容】

[0007]實施例克服了通常的功率轉換器控制電路的所有或者部分缺點。
[0008]實施例旨在提供用于限制功率轉換器中的涌入電流的電路。
[0009]實施例提供了與用AC電壓供電的整流橋的級別的倍壓功能相兼容的解決方案。
[0010]因而提供了一種AC/DC轉換器，包括:旨在于接收AC電壓的第一端子和第二端子；旨在于供應第一 DC電壓的第三端子和第四端子；具有分別經由電阻性元件耦合到第一端子和連接到第二端子的輸入端子并且具有分別連接到第三端子和第四端子的輸出端子的整流橋；將第一端子耦合到第三端子的第一可控整流元件；以及將第四端子耦合到第一端子的第二可控整流元件。
[0011]根據實施例，整流元件在其中電阻性元件限制涌入電流的啟動階段之后被控制。
[0012]根據實施例，兩個串聯連接的電容性元件耦合第三端子和第四端子，并且開關將電容性元件的接合點連接到第二端子。
[0013]根據實施例，第一整流元件和第二整流元件是陰極柵極晶閘管。
[0014]根據實施例，第一整流元件是能夠通過提取柵極電流來控制的陽極柵極晶閘管，并且第二整流元件是能夠通過注入或者提取柵極電流來控制的陰極柵極晶閘管。
[0015]根據實施例，晶閘管的柵極能夠通過由AC信號所激發的同一變壓器來控制。
[0016]根據實施例，晶閘管柵極通過由周期性的方波正和負信號激發的同一變壓器來控制。
【附圖說明】
[0017]將在下面的結合附圖對特定實施例的非限制性描述中詳細論述前述和其它的特征和優點。
[0018]圖1示意性地示出了配備有涌入電流限制電路的AC/DC轉換器的通常架構的示例；
[0019]圖2示意性地示出了用以形成倍壓轉換器的圖1的組件的修改例；
[0020]圖3示意性地示出了 AC/DC轉換器的實施例；
[0021]圖4A、4B、4C和4D在定時圖中示出了處于倍壓模式的圖3的轉換器的操作；
[0022]圖5A、5B、5C和f5D在定時圖中示出了處于跟隨器模式的圖3的轉換器的操作；
[0023]圖6部分地示出了轉換器的另一實施例；
[0024]圖7示出了轉換器的又一實施例；
[0025]圖8是具有正柵極電流的陰極柵極晶閘管的實施例的簡化截面圖；
[0026]圖9是具有負柵極電流的陰極柵極晶閘管的實施例的簡化截面圖；
【具體實施方式】
[0027]在不同的附圖中已經用相同的附圖標記來表示相同的元件。具體而言，對于不同實施例而言共同的結構和/或功能元件可以用相同的附圖標記表示并且可以具有相同的結構、尺寸和材料性質。為了清楚的目的，僅示出并將詳述對于所描述的實施例的理解有用的那些步驟和元件。具體而言，未詳述由功率轉換器供電的電路，所描述的實施例與通常的應用相兼容。在公開內容中，術語“連接”表示在兩個元件之間的直接連接，而術語“耦合”和“鏈接”表示在兩個元件之間的連接，其可以是直接的或者經由一個或者多個其它元件。在引用術語“約”、“近似”或“在…的數量級”時，其意思是在10%以內，優選地到5%以內。
[0028]圖1示意性地示出了配備有涌入電流限制電路的AC/DC轉換器的通常架構的示例。
[0029]兩個輸入端子12和14旨在于接收AC電壓Vac，例如配電網絡的電壓(例如，230或120伏，50或60Hz)。端子12經由涌入電流限制組件2耦合到(例如全波)整流橋3的第一整流輸入端子32，整流橋3的第二整流輸入端子34連接到端子14。該橋的經整流的輸出36和38分別連接到輸出端子16和18，遞送DC電壓Vdc。存儲和平流電容器CO耦合端子16和18。涌入電流限制組件由將端子12和32耦合的電阻器22、可以被控制為將電阻器22短路的開關24組成。在啟動時(電容器CO已放電)，開關24被關斷并且電阻器22限制電容器CO的充電電流。在穩態中，開關24被導通以將電容器短路并且降低損耗。
[0030]圖2示意性地示出了用以形成倍壓轉換器的圖1的組件的修改例。端子34經由開關21耦合到將端子16和18連接的兩個電容性元件(電容器COl和C02)的接合點(有可能抑制電容器CO)。假設元件COl和C02具有相同的電容，端子16和18之間的電壓Vdc在穩態中對應于端子12和14之間的峰值電壓Vac的近似兩倍。
[0031]如在美國專利號6，493，245的文檔中公開的，其它解決方案大多使用晶閘管類型的受控開關來將使涌入電流限制的電阻器短路。該文檔描述了多個實施例，或者具有單個晶閘管，或者具有兩個晶閘管。這兩個實施例允許了在倍壓器件連接到電路輸出時沒有對由電阻性元件造成的涌入電流的限制。實際上，在元件21導通時沒有電阻性元件限制電容器C02的充電電流。
[0032]諸如在美國專利申請公開號2012/0230075的文檔中所公開的(通過引用并入)的更為復雜的解決方案在施加AC電壓的輸入端子和整流橋之間使用用于控制橋導通相位角的器件，即用于選擇整流橋從其供電的AC電壓的每個半波的時間。在這樣的情況中，轉換器的啟動需要電壓源來對用于控制相位控制開關的電路供電。這樣的當前的解決方案經常需要復雜的組件來準確地設置導通時間。
[0033]在圖1的組件中，開關24的存在在穩態中生成損耗。在實踐中，這一開關可以由三端雙向可控硅形成并且損耗是由于這一三端雙向可控硅的導通狀態串聯電阻。
[0034]圖3示意性地示出了 AC/DC轉換器的實施例。
[0035]其不出具有與施加AC電壓Vac的第一和第二端子12和14親合的輸入端子32和34并且具有連接到用于供應DC電壓Vdc的第三和第四端子16和18的整流后的輸出端子36和38的整流橋。至少一個電容性元件將端子16和18互連。
[0036]在這一示例中，整流橋3由四個二極管D31、D33、D35和D37形成。二極管D31和D33分別將端子32和32耦合到端子36 ( 二極管D31和D33的陰極在端子36 —側)并且二極管D35和D37分別將端子32和34耦合到端子38 ( 二極管D35和D37的陽極在端子38的一側)。
[0037]在圖3的示例中，呈現了能夠在倍壓模式或者跟隨器模式中操作的轉換器。因此，提供了在端子16和18之間串聯連接的(具有相同數值的)兩個電容性元件COl和C02以及將電容性元件COl和C02的接合點44連接到端子14(并且因此連接到端子34)的元件21 (例如，跳接線、開關、繼電器等)。在連接21斷開時(在端子14和節點44之間沒有連接)，橋3在跟隨器模式中操作，即電壓Vdc的最大值對應于電壓Vac的峰值(到損耗以內)。在連接21活躍時，轉換器在倍壓模式中操作，即電壓Vdc的最大值近似對應于電壓Vac的峰值的二倍。
[0038]為了實現在轉換器的啟動時的涌入電流限制功能，電阻性元件22連接端子12和32。然而，代替用如圖1中的雙向開關24來短路這一元件，這里提供了兩個可控單相整流元件，在實踐中為將端子12分別耦合到端子36和端子38的晶閘管Th2和Th2。晶閘管Thl的陽極在端子12 —側。晶閘管Th2的陽極在端子38 —側。
[0039]優選地，在端子12和電阻器22之間插入電感性電路元件(電感器L)，晶閘管Thl和Th2被連接到電阻器和電感器L的接合點。
[0040]晶閘管Thl和Th2受電子電路(例如微處理器26)控制，該電子電路負責生成用于控制晶閘管Thl和Th2和經由光、磁或電容技術的一個或兩個絕緣的耦合器(圖3中未示出)來控制這些晶閘管的柵極的脈沖。微控制器26接收不同的設定點CT或測量結果以根據由轉換器供電的負載的需要及其它來在正確的時間生成脈沖。
[0041]圖4A、4B、4C和4D在定時圖中示出了處于倍壓模式的圖3的轉換器的操作。圖4A示出了電壓Vac和獲得的電壓Vdc的形狀的示例。圖4B圖示了電阻器22中的電流122的形狀。圖4C和圖4D圖示了晶閘管Thl和Th2中的電流Il和12的形狀。
[0042]在第一階段I中，只要電壓Vdc還沒有達到其穩態值，即近似于電壓Vac的峰值的兩倍，晶閘管Thl和Th2就保持關斷。電容器COl和C02然后以非受控方式通過電阻器R22和橋3進行充電。在正半波期間，電流從端子12流過可選的電感L流過電阻器22、二極管D31、電容器COl和開關21以達到端子14。在負半波期間，電流從端子14流過開關21、電容器C02、二極管D35、電阻器22和可選的電感L以達到端子12。
[0043]在第二穩態階段II中，其中電阻器22對于限制涌入電流不再必要，對于電壓Vac的每個半波，電阻器22根據該半波的符號而被晶閘管Thl和Ths中的一個或另一個短路。在正半波期間，電流從端子12流過可選的電感L，流過晶閘管Thl、電容器COl和開關21以達到端子14。在負半波期間，電流從端子14流過開關21、電容器C02、晶閘管Th2、和可選的電感L以達到端子12。
[0044]圖5A、5B、5C和在定時圖中示出了處于跟隨器模式(開關21關斷)的圖3的轉換器的操作。圖5A示出了電壓Vac和獲得的電壓Vdc的形狀的示例。圖5B圖示了電阻器22中的電流122的形狀。圖5C和圖圖示了晶閘管Thl和Th2中的電流11和12的形狀。
[0045]與針對圖4A到4D所說明的操作相比，差別在于電壓Vdc的幅度不超過電壓Vac的峰值。
[0046]在第一階段I中，只要電壓Vdc還沒有達到其穩態值，即近似于電壓Vac的峰值的兩倍，晶閘管Thl和Th2保持關斷。電容器COl和C02然后以非受控方式通過電阻器R22和橋3進行充電。在正半波期間，電流從端子12流過可選的電感L，流過電阻器22、二極管D31、電容器COl、電容器C02和二極管D37以達到端子14。在負半波期間，電流從端子14流過二極管D33、電容器C01、電容器C02、二極管D35、電阻器22和可選的電感L以達到端子12。
[0047]在第二穩態階段II中，其中電阻器22對于限制涌入電流不再必要，對于電壓Vac的每個半波，電阻器22如在倍壓模式中一樣，根據該半波的符號而被晶閘管Thl和Ths中的一個或另一個短路。在正半波期間，電流從端子12流過可選的電感L，流過晶閘管Thl、電容器C01、電容器C02和二極管37以達到端子14。在負半波期間，電流從端子14流過二極管D33、電容器C01、電容器C02、晶閘管Th2、和可選的電感L以達到端子12。
[0048]晶閘管Thl和Th2在階段II中優選地被相位角控制為根據電容器的充電程度而在減少經整流的電壓Vac的相位中成為導電的。
[0049]在圖4C、4D、5C和的重現中，根據半波的電流Il和12的幅度取決于轉換器的下游功率消耗并且展示出任意的示例。
[0050]圖6部分地示出了轉換器的另一實施例。
[0051]與圖3的實施例相比，用陽極柵極晶閘管Thl’來替代晶閘管Thl。在這種情況中，可以通過使用脈沖變壓器從相同的輔助電源來控制兩個晶閘管，而在圖3的情況中，從不具有相同參考的電壓來生成電流是必要，這需要針對每個晶閘管Thl和Th2的不同的絕緣親合器。
[0052]在圖6的示例中，變壓器4的第一繞組L41從用DC電壓Vcc供電的微控制器26接收脈沖控制。繞組L41的另一端耦合到在電源端子Vcc和接地端之間的兩個電容性元件C43和C44的接合點。變壓器4的第二繞組L42使其一端連接到晶閘管Thl’和Th2’的接合點，并且使其另一端耦合到晶閘管Thl’和Th2的柵極。這一耦合經由可選串聯電阻器R45和兩個二極管D46和D47來執行，該兩個二極管D46和D47分別將繞組L42 (或電阻器R45)連接到晶閘管Thl’和Th2的柵極。晶閘管Thl’的陽極柵極連接到二極管D46的陽極，而晶閘管Th2的陰極柵極耦合到二極管D47的陰極柵極，二極管D46的陰極和二極管D47的陽極連接到繞組L42 (或電阻器R45)。
[0053]圖6的電路因而使得能夠向晶閘管Th2中注入柵極電流，以及從晶閘管Thl’提取柵極電流。兩個晶閘管因而每次在向變壓器4的主繞組L41施加AC脈沖(+VCC/2-VCC/2類型)時被控制。
[0054]如果兩個控制希望例如通過在電壓Vac的正半波期間僅僅控制晶閘管Thl’，并且在電壓Vac的負半波期間僅僅控制晶閘管Th2而被區別，可以通過分別在這兩個類型的半波期間跨L41施加類型為-Vcc/0的信號(以導通晶閘管Thl’ )和類型為+Vcc/0的信號(以導通晶閘管Th2)。由于這樣的信號具有DC分量，所以變壓器4不應當具有可飽和的磁材料以避免該材料的飽和并且確保控制信號傳遞的正常操作。因而可以例如使用沒有磁芯的變壓器(或者“空氣變壓器”)。為了跨繞組L41生成控制信號+Vcc/0和-Vcc/0，用由兩個晶體管形成的所謂的推拉組件來替代由C43和C44形成的分壓橋。
[0055]根據另一實施例，選擇晶閘管Thl’和Th2以使兩者通過從其柵極提取電流來操作。因而，相同的所謂負電源電壓Vdd (即，使其高電平VDD連接到端子32，其自身耦合到電源的端子12)足以向兩個晶閘管Thl”和Th2供電。這一相同的電源可以用于向三端雙向可控硅的柵極供電，所述三端雙向可控硅的控制參考連接到端子32。這樣的三端雙向可控硅對于控制用電壓Vac供電的AC電流負載可能是有用的。
[0056]圖7示出了轉換器的又一實施例。
[0057]與圖3的實施例相比，用陽極柵極晶閘管Thl’來替代晶閘管Thl。另外，用可由負柵極電流控制(即通過從其柵極吸取電流)的晶閘管Th2’替代晶閘管Th2。在這種情況中，可以通過從相同的所謂的負次要電源VDD (即，使其高電平VDD耦合到電源端子12)來控制兩個晶閘管。
[0058]可以從關于圖3論述的操作來推斷出圖6和圖7的組件的操作。
[0059]可由負電流控制的陰極柵極晶閘管的形成本身是已知的。
[0060]圖8和圖9是分別具有正柵極電流或者電流注入(最大電流情況)、以及負柵極電流或者電流提取的陰極柵極晶閘管的實施例的簡化截面圖。
[0061]根據這些示例，在N型襯底51中形成晶閘管。在后表面處，P型層52限定陽極區域，陽極電極A通過區域52的接觸金屬53來獲得。在前表面處形成P型阱54。在阱54中形成N型陰極區域55 (NI)并且這一區域55的接觸金屬56限定陰極電極K。
[0062]在圖8的情況中，在P型阱54的層級處形成柵極接觸57。因而，如果晶閘管被適當偏置(正陽極-陰極電壓)，則柵極電流的注入啟動晶閘管。
[0063]在圖9的情況中，在柵極接觸57下面添加了 N型區域58 (N2)。通過允許向N型襯底51中的電子注入，區域58允許了通過負柵極電流的導通(即從陰極K流到柵極G)，襯底51對應于由區域52-51-54形成的NPN型雙極型晶體管的基極。
[0064]作為變化，區域58可以至少被分為兩部分以允許P區域(54)與柵極的直接接觸。這樣的變化稱為“短路空穴”，其使得能夠改善對晶閘管的電壓過渡的抗干擾性并且因而允許了正柵極電流的控制(即，從柵極G流到陰極K)。
[0065]已經描述了各種實施例。本領域技術人員將想到各種變更、修改和改進。例如，可以用三端雙向可控硅來替代晶閘管，該三端雙向可控硅每個與二極管串聯或者不串聯。另夕卜，基于上文給出的功能性指示，已經描述的實施例的實際實現方式在本領域技術人員的能力之內。具體而言，微控制器的編程取決于應用，并且描述的實施例與使用微控制器等來控制轉換器的通常的應用相兼容。
[0066]這樣的變更、修改和改進旨在于成為本公開內容的一部分，并且旨在于處于本發明的精神和范圍之內。因此，上面的描述僅僅為示例型并且并不旨在于為限制性的。僅在以下權利要求及其等同方案中對本發明做出限定。
【主權項】
1.一種AC/DC轉換器，包括: 被配置為接收AC電壓的第一端子和第二端子； 被配置為供應第一 DC電壓的第三端子和第四端子； 具有分別經由電阻性元件耦合到所述第一端子和連接到所述第二端子的輸入端子并且具有分別連接到所述第三端子和所述第四端子的輸出端子的整流橋； 將所述第一端子耦合到所述第三端子的第一可控整流元件；以及 將所述第四端子耦合到所述第一端子的第二可控整流元件。2.根據權利要求1所述的轉換器，其中所述第一可控整流元件和所述第二可控整流元件被控制為在其中所述電阻性元件限制涌入電流的啟動階段完成之后被選擇性地導通。3.根據權利要求1所述的轉換器，進一步包括: 耦合所述第三端子和所述第四端子的兩個串聯連接的電容性元件，以及 將所述電容性元件之間的接合點連接到所述第二端子的開關。4.根據權利要求1所述的轉換器，其中所述第一整流元件和所述第二整流元件是陰極柵極晶閘管。5.根據權利要求1所述的轉換器，其中所述第一整流元件是能夠通過提取第一柵極電流控制的陽極柵極晶閘管，并且所述第二整流元件是能夠通過注入或者提取第二柵極電流控制的陰極柵極晶閘管。6.根據權利要求5所述的轉換器，其中所述陽極柵極晶閘管和所述陰極柵極晶閘管的柵極能夠通過由AC信號激發的同一變壓器電路來控制。7.根據權利要求5所述的轉換器，其中所述陽極柵極晶閘管和所述陰極柵極晶閘管的柵極通過由周期性的方波正和負信號激發的同一變壓器來控制。8.一種AC/DC轉換器，包括: 第一輸入端子和第二輸入端子； 整流橋，所述整流橋具有經由電阻性電路元件耦合到所述第一輸入端子的第一輸入端和連接到所述第二輸入端子的第二輸入端并且具有第一輸出端和第二輸出端； 第一晶閘管，所述第一晶閘管具有耦合到所述第二輸出端的陽極端子和耦合到所述第一輸入端的陰極端子； 第二晶閘管，所述第二晶閘管具有耦合到所述第一輸入端的陽極端子和耦合到所述第一輸出端的陰極端子；以及 控制電路，所述控制電路被配置為生成用于向所述第一晶閘管和所述第二晶閘管的柵極端子施加的控制信號。9.根據權利要求8所述的轉換器，其中所述控制電路被配置用于在第一階段中操作，在所述第一階段中所述控制電路將所述第一晶閘管和所述第二晶閘管兩者配置為關斷且所述電阻性電路元件工作以限制涌入電流，并且所述控制電路被進一步配置用于在第二階段中操作，在所述第二階段中所述控制電路將所述第一晶閘管和所述第二晶閘管兩者配置為選擇性導通以將所述電阻性電路元件旁路。10.根據權利要求8所述的轉換器，進一步包括與所述輸入端子串聯耦合的電感器。11.根據權利要求8所述的轉換器，進一步包括: 在所述輸入端子和所述第一晶閘管和所述第二晶閘管的所述柵極端子之間耦合的第一電感器；以及 磁耦合到所述第一電感器并且電耦合到所述控制電路的輸出端的第二電感器。12.根據權利要求11所述的轉換器，進一步包括: 在所述第一電感器和所述第一晶閘管的所述柵極端子之間耦合的第一二極管；以及 在所述第一電感器和所述第二晶閘管的所述柵極端子之間耦合的第二二極管。13.根據權利要求8所述的轉換器，進一步包括分別耦合到所述整流橋的所述第一輸出端和所述第二輸出端的第一輸出端子和第二輸出端子。14.根據權利要求8所述的轉換器，其中所述第一晶閘管和所述第二晶閘管都是陰極柵極類型晶閘管。15.根據權利要求8所述的轉換器，其中所述第一晶閘管是陰極柵極類型晶閘管并且所述第二晶閘管是陽極柵極類型晶閘管。
【文檔編號】H02M1/32GK106059275SQ201510846707
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2015年11月26日
【發明人】L·宮蒂爾, M·尼納
【申請人】意法半導體(圖爾)公司