具有涌入電流限制的ac/dc轉換器的制造方法
【專利摘要】一種具有涌入電流限制的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；該橋的第一支路在輸出端子之間包括分別具有陽極柵極和陰極柵極的兩個串聯連接的晶閘管，該兩個晶閘管的接合點被連接到所述輸入端子中的第一個輸入端子并且陽極柵極晶閘管是可通過從其柵極提取電流來控制的。
【專利說明】具有涌入電流限制的AC/DC轉換器
[0001]本申請要求于2015年4月7日提交的申請號為15/52985的法國專利申請的優先權，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
[0002]本發明一般涉及電子設備，并且更具體地涉及AC/DC轉換器。本公開內容一般適用于任何使用整流橋的系統，例如，用于控制電機的電路、充電器、開關式電源等。
【背景技術】
[0003]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電壓供電并且遞送DC電流，此DC電壓有可能自身轉換回AC電壓。
[0004]—般希望限制涌入電流(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。
[0005]文檔US 2012/230075描述了 AC/DC轉換器的示例。
【發明內容】
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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。
[0009]因而，實施例提供了一種AC/DC轉換器，包括:
[0010]旨在于接收AC電壓的第一端子和第二端子；
[0011]旨在于供應第一 DC電壓的第三端子和第四端子；
[0012]具有分別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；
[0013]該橋的第一支路在輸出端子之間包括分別具有陽極柵極和陰極柵極的兩個串聯連接的晶閘管，該兩個晶閘管的接合點被連接到所述輸入端子中的第一個輸入端子并且陽極柵極晶閘管是可通過從其柵極提取電流來控制的。
[0014]根據實施例，該橋的第二支路包括在輸出端子之間串聯連接的第一二極管和第二二極管，二極管的接合點被連接到所述輸入端子中的第二個輸入端子。
[0015]根據實施例，陰極柵極晶閘管通過將電流注入到其柵極中來控制。
[0016]根據實施例，兩個晶閘管都通過從其柵極提取電流來控制。
[0017]根據實施例，晶閘管由相同的脈沖信號來控制。
[0018]根據實施例，晶閘管是相位角控制的。
[0019]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，開關將電容性元件的接合點連接到第二端子。
[0020]根據實施例，晶閘管的柵極由AC信號激發的同一變壓器來控制。
[0021]根據實施例，晶閘管的柵極由周期性的方波正和負信號激發的同一變壓器來控制。
[0022]根據實施例，該轉換器進一步包括:
[0023]變壓器，該變壓器用于至少從連接到所述輸入端子中的第一個輸入端子的第三二極管生成用于向用于控制晶閘管的電路供電的第一 DC電壓和向輸入端子中的所述第一個輸入端子施加的第二 DC電壓。
[0024]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。
【附圖說明】
[0025]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；
[0026]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；
[0027]圖3示意性地示出了 AC/DC轉換器的實施例；
[0028]圖4是用于控制圖3的轉換器的電路的實施例的部分電路圖；
[0029]圖5是具有正柵極電流的陰極柵極的實施例的簡化截面圖；
[0030]圖6是具有負柵極電流的陰極柵極的實施例的簡化截面圖；
[0031]圖7A、7B、7C和7D在定時圖中圖示出了處于倍壓模式的圖3的轉換器的操作；
[0032]圖8A、8B、8C和8D在定時圖中圖示出了處于跟隨器模式的圖3的轉換器的操作；
[0033]圖9示出了轉換器的另一實施例；以及
[0034]圖10部分示出了轉換器控制元件。
【具體實施方式】
[0035]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。
[0036]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。
[0037]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限制損耗。
[0038]更復雜的解決方案在應用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。當前的解決方案經常使用復雜的組件。
[0039]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的兩倍。
[0040]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。
[0041]圖3示意性地示出了 AC/DC轉換器的實施例。
[0042]其不出具有與應用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。在圖3的示例中，在遞送電壓Vac的端子(這里是端子12)和橋之間插入電感性元件。
[0043]然而，不像圖1的整流橋，這里整流橋3由在橋的支路中連接，即在端子36和38之間串聯的兩個可控的晶閘管類型的整流元件Thl和Th2組成。在圖3的示例中，具有陽極柵極的晶閘管Thl將端子32連接到端子36，其中其陽極在端子32 —側，而具有陰極柵極的晶閘管Th2將端子38連接到端子32，其中其陽極在端子38 —側。兩個二極管D33和D35通過分別將端子34耦合到端子36并且將端子38耦合到端子34來完成橋，二極管D33和D35的陽極分別在端子34 —側和在端子38 —側。
[0044]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的最大值對應于電壓Vac的峰值的二倍。
[0045]晶閘管Thl和Th2由電子電路(例如為微處理器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來在正確的時間生成脈沖。
[0046]圖4部分地示出用于控制圖3的組件的晶閘管Thl和Th2的電路的實施例。
[0047]選擇晶閘管Thl和Th2以使得它們的控制參照相同的點。因而，晶閘管Thl是陽極柵極晶閘管。它的控制因而參照端子32。晶閘管Th2是陰極柵極晶閘管。它的控制因而參照同一端子32。
[0048]在圖4的實施例中，選擇晶閘管Thl和Th2以分別通過柵極電流提取和柵極電流注入來操作。
[0049]在圖4的電路中，變壓器4的第一繞組L41從用DC電壓Vcc供電的控制器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使其一端連接到端子32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的陽極柵極耦合到二極管D46的陽極，而晶閘管Th2的陰極柵極連接到二極管D47的陰極，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) ο
[0050]圖4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。
[0051]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，則有可能通過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”)。
[0052]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，具有連接到端子32的其高電平VDD，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電流負載可能是有利的。
[0053]可由電流提取控制的陰極柵極晶閘管的功能的實現是已知的。例如可以使用與要被制成單向的二極管連接的三端雙向可控硅
[0054]圖5和圖6是陰極柵極晶閘管的實施例的簡化截面圖，所述陰極柵極晶閘管分別具有正柵極電流或電流注入(最大電流情況)以及具有負柵極電流或者電流提取。
[0055]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。
[0056]在圖5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，則柵極電流的注入導通晶閘管(正陽極-陰極電壓)。
[0057]在圖6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流向柵極G)，襯底51對應于由區域52-51-54形成的NPN型雙極性晶體管的基極。
[0058]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)。這樣的變化因而使得晶閘管能夠在圖4的電路中的部件Th2的層面使用。
[0059]為了實現在轉換器的啟動時的涌入電流限制器功能，使用晶閘管使得相位角控制成為可能并且因而使得能夠逐漸增加晶閘管導通時間以確保在端子36和38之間連接的電容器的正充電，并且因此限制在電路上電時輸入端子12和14之間吸收的涌入電流。
[0060]圖7A、7B、7C和7D在定時圖中圖示了在其中在倍壓模式中(開關21導通)晶閘管Thl和Th2都通過從其柵極提取電流來操作的實施例中，圖3的轉換器的操作。這些附圖圖示了在轉換器啟動時的操作，即只要電壓Vdc還沒有達到其穩態值，即近似于電壓Vac的峰值的兩倍(近似320伏)。圖7A示出了電壓Vac的形狀的示例。圖7B圖示了電感L中的電流IL的形狀。圖7C圖示了晶閘管Thl和Th2的柵極電壓Vct的形狀(兩個中的一個峰值對應于晶閘管中的每個晶閘管)。圖7D圖示了獲得的電壓Vdc的形狀。
[0061]在圖7A至圖7D的示例中，假設了具有50Hz頻率的峰到峰為320伏的電壓Vac。
[0062]圖8A、8B、8C和8D在定時圖中圖示了在其中在跟隨器模式中(開關21關斷)晶閘管Thl和Th2都通過從其柵極提取電流來操作的實施例中，圖3的轉換器的操作。這些附圖圖示了在轉換器的啟動時的操作，即，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(近似320伏)。圖8A示出了電壓Vac的形狀的示例。圖8B圖示了電感L中的電流IL的形狀。圖8C圖示了晶閘管Thl和Th2的柵極電壓Vct的形狀(兩個中的一個峰值對應于晶閘管中的每個晶閘管)。圖8D圖示了獲得的電壓Vdc的形狀。
[0063]在圖8A到8D的示例中，假設了具有50Hz頻率的峰到峰為320伏的電壓Vac。在跟隨器模式(圖8D)中獲得的電壓Vdc的幅度因而為如圖7D中的近似320伏。
[0064]通過根據電容器充電水平而在經整流的電壓Vac的下降的相位中被導通的晶閘管Thl和Th2的相位角控制有效地使得能夠通過執行如圖7和8所示的軟啟動而在啟動時限制涌入電流。
[0065]在圖7B和SB的展示中，根據半波的電流IL的幅度取決于轉換器的下游功率消耗并且圖示出任意的示例。
[0066]圖9示出了 AC/DC轉換器的另一實施例。
[0067]與圖3的實施例相比，提供了用于生成要被施加到端子32的電壓VDD2的電路9。電壓VDD2由變壓器91生成，該變壓器91從第一繞組L92生成跨兩個耦合的繞組L93和L94的兩個DC電壓VDDl和VDD2 (繞組L93耦合到繞組L92并且繞組L94耦合到繞組L93)。二極管Dl將端子32耦合到繞組L92 (端子32 —側的陽極)，繞組92的另一端通過一般集成MOSFET晶體管(其控制繞組L92在開關模式中的電流)的電子控制電路95耦合到端子18 (并且因而耦合到端子38)。繞組L93的一端通過二極管D96 (陽極在繞組側)耦合到端子32。其另一端形成電壓VDD2的參考。繞組L94的一端通過二極管D97(陽極在繞組側)耦合到提供電壓VDDl的端子98。繞組L94的另一端連接到端子18并且電容器C99將端子98耦合到端子18。二極管D2可以將端子14耦合到繞組L92以在圖3的控制電路26使Th2導通時來通過全波整流來向電路95供電。
[0068]這樣的實施例在晶閘管Thl和Th2在相位角被控制的情況下使得能夠限制涌入電流以實現軟啟動功能。
[0069]在圖9中，進一步與電容器COl和C02的串聯關聯并行地放置電容器CO。
[0070]圖10在部分圖中圖示了通過由微控制器生成的脈沖控制晶閘管Thl和Th2的示例。晶閘管Thl和Th2通過電阻器R3和R4耦合到光耦合器4的光晶體管的集電極，其發射極連接到接地。光耦合器4的光電二極管被微控制器26的脈沖激活。
[0071]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，每個三端雙向可控硅與二極管串聯。另外，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，對微處理器的編程取決于應用，并且描述的實施例與使用微處理器等來控制轉換器的通常的應用相兼容。
[0072]這樣的變更、修改和改進旨在于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性的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: 旨在于接收AC電壓(Vac)的第一端子(12)和第二端子(14); 旨在于供應第一 DC電壓(Vdc)的第三端子(16)和第四端子(18); 具有被分別耦合到所述第一端子和連接到所述第二端子的輸入端子(32，34)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(36，38)的整流橋(3); 所述橋的第一支路在所述輸出端子之間包括分別具有陽極柵極(Thl)和陰極柵極(Th2)的兩個串聯連接的晶閘管，所述兩個晶閘管的接合點被連接到所述輸入端子中的第一個輸入端子并且所述陽極柵極晶閘管是能夠通過從其柵極提取電流來控制的。2.根據權利要求1所述的轉換器，其中所述橋的第二支路包括在所述輸出端子(16，18)之間串聯連接的第一二極管(D33)和第二二極管(D35)，所述二極管的接合點被連接到所述輸入端子中的第二個輸入端子(34)。3.根據權利要求1所述的轉換器，其中所述陰極柵極晶閘管(Th2)通過將電流注入到其柵極中來控制。4.根據權利要求1所述的轉換器，其中兩個所述晶閘管(Thl，Th2)都通過從其柵極提取電流來控制。5.根據權利要求1所述的轉換器，其中所述晶閘管由相同的脈沖信號來控制。6.根據權利要求1所述的轉換器，其中所述晶閘管是相位角控制的。7.根據權利要求1所述的轉換器，其中兩個串聯連接的電容性元件(C01，C02)耦合所述第三端子和所述第四端子(16，18)，開關(21)將所述電容性元件的接合點(44)連接到所述第二端子(14)。8.根據權利要求3所述的轉換器，其中所述晶閘管的所述柵極通過由AC信號激發的同一變壓器(4)來控制。9.根據權利要求3所述的轉換器，其中所述晶閘管的所述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。10.根據權利要求2和權利要求3至6中任一項所述的轉換器，進一步包括: 變壓器(9)，所述變壓器用于至少從連接到所述輸入端子中的所述第一個輸入端子(32)的第三二極管(Dl)生成用于向用于控制(95)所述晶閘管的電路供電的第一 DC電壓(VDDl)和向所述輸入端子中的所述第一個輸入端子施加的第二 DC電壓(VDD2)。
【文檔編號】H02M7/155GK106059337SQ201510830997
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2015年11月25日
【發明人】L·宮蒂爾, M·尼納, R·皮雄
【申請人】意法半導體(圖爾)公司