CN104426342A - 电容器的充电 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对电容器充电的方法。在一个示例中，一种方法包括交替地接通与电容器串联连接并与第一电容元件并联连接的第一开关，和与所述电容器串联连接并与第二电容元件并联连接的第二开关。具有所述第一开关、所述电容器和所述第二开关的串联电路耦合至电源节点以接收电源电压。

Description

电容器的充电

技术领域

本发明涉及电源转换器电路、开关电路和包括电容器的其他类似的电路。

背景技术

电源转换器电路，比如在汽车中用于驱动电动机的电源转换器电路(换流器)，通常包括用于缓冲从电源(比如电池)处接收到的能量的输入电容器。电源转换器电路还可用于很多其他类型的应用中。

发明内容

第一个示例涉及一种方法。该方法包括交替地接通与电容器串联连接并与第一电容元件并联连接的第一开关，和与该电容器串联连接并与第二电容元件并联连接的第二开关，其中具有第一开关、电容器和第二开关的串联电路耦合至电源节点以用于接收电源电压。

第二个示例涉及开关电路。该开关电路包括配置为与电源连接的输入端，和配置为与电容器连接的输出端，与第一电容元件并联连接且连接在输入端和输出端之间的第一开关，与第二电容元件并联连接且连接在输入端和输出端之间的第二开关，以及控制电路。该控制电路配置为在预充电模式下通过交替地接通第一开关和第二开关来操作第一开关和第二开关。

附图说明

现在将参考附图对示例进行说明。附图用于举例说明一些原理，所以仅图示了理解这些原理所必要的方面。附图并不是按比例的。在附图中相同的附图标记表示相同的特征。

图1示意性地示出了一种电子电路，其包括耦合于电源和电容器之间的开关电路；

图2举例说明了开关电路的一个示例；

图3示出了时序图，其举例说明了在一个开关周期内开关电路的一种运行方式；

图4示出了时序图，其举例说明了在预充电模式下电容器两端的电压；

图5示出了时序图，其举例说明了依照进一步的示例的开关电路的一种运行方式；

图6示出了开关电路状态图的一个示例；

图7举例说明了开关电路状态图的进一步示例；

图8举例说明了一种包括结电容器的开关电路；

图9详细地举例说明了结电容器的一个示例；

图10举例说明了包括MOSFETs的开关电路的一个示例；

图11示出了依照一个示例的MOSFET的垂直截面图；

图12示意性地示出了结电容器的电容，其取决于结电容器两端的电压；

图13示出了时序图，其举例说明了在包括结电容器的电子电路中流进电容器的电流和电容器两端的电压；

图14示出了一种依照另一示例的开关电路；

图15示出了一种依照另一示例的开关电路；

图16示出了一种依照另一示例的开关电路。

具体实施方式

本公开的示例涉及用于对电容器充电的方法，特别是在电源转换器电路中用于对电容器预充电的方法，以及涉及开关电路。

电源转换器电路，比如在汽车中用于驱动电动机的电源转换器电路(换流器)，通常包括用来缓冲从电源比如电池处接收到的能量的输入电容器。该电容器可具有比较高的电容，比如几百微法拉(μF)。为了能够断开电源转换器电路和电源之间的连接，可设置开关电路。在常规系统中，该开关电路包括至少一个第一继电器。在正常运行模式下，该至少一个第一继电器将电源连接到电源转换器电路。在该运行模式下，要求第一继电器具有低的电阻，以保持低损耗。在输入电容器放电后，第一次接通开关电路时，高的浪涌电流可从电源流入输入电容器。在该运行模式下，要求开关电路将流入输入电容器的电流限制在预定的电流水平。为此可设置与第一继电器并联的第二继电器。第二继电器可比第一继电器具有更高的电阻，或者可具有与其串联连接的电阻器。在这种类型的开关电路中，第二继电器用于对输入电容器预充电，其中在输入电容器被预充电至预定的充电电平后接通第一继电器。

在现代的电动汽车中，低重量和低尺寸的驱动系统是至关重要的。由于继电器沉重、占用空间，并且会逐渐磨损，所以有需要提供可靠的开关电路，其包括更少的开关器件、以及更轻和更小的开关器件。

在下面的详细描述中参照了附图。附图构成说明书的一部分，并以举例说明的方式示出了特定的示例。应当理解的是，除非另有特别注明，本文描述的各种示例或实施例的特征可彼此相互结合。

图1示意性地示出了电子电路的一个示例。该电子电路包括开关电路2，其具有耦合至电源3的输入端24₁、24₂，和耦合于电容器4的输出端25₁、25₂。负载Z(虚线所示)可与电容器4连接。图1所示的电子电路例如是用于电动车辆或混合动力汽车中的电子电路。在这种情况下，电源3可以是电池，特别是可充电电池，而负载Z可包括电源转换器(换流器)和由电源转换器驱动的电动机。在这种类型的应用中，电容器4可以是电源转换器电路的输入电容器，并且用来缓冲从电源3处接收到的能量。电源电压V3的电压电平例如是几百伏(比如约400伏)，而电容器4的电容例如是几百微法(μF)。

根据一个示例，开关电路2可在正常运行模式下和在预充电模式下运行。在正常运行模式下，开关电路2将电容器4和负载Z连接到电源3。在预充电模式下，开关电路3对电容器4预充电。在电容器4(完全)放电后，有必要对其进行预充电。当电容器4已放电时，简单地将电容器4连接到电源3可导致高的浪涌电流，这可能会损坏电源、将电源耦合到电容器的开关和电容器中的至少一个。

图2更详细地示出了开关电路2的一个示例。在该示例中，开关电路2包括耦合于输入端24₁、24₂和输出端25₁、25₂之间并且与第一电容元件22₁并联连接的第一开关21₁；以及耦合于输入端24₁、24₂和输出端25₁、25₂之间并且与第二电容元件222并联连接的第二开关21₂。在本示例中，第一开关21₁耦合于第一输入节点24₁和第一输出节点25₁之间，而第二开关21₂耦合于第二输入节点24₂和第二输出节点25₂之间。第一开关21₁和第二开关21₂中的每一个皆与电容器4串联连接，并且具有第一开关21₁、电容器4和第二开关21₂的串联电路耦合于第一输入节点和第二输入节点24₁、24₂之间。

参考图2，开关电路2进一步包括控制电路20。控制电路20配置为驱动第一开关21₁和第二开关21₂。即控制电路20生成由第一开关21₁接收的第一驱动信号S21₁，以及由第二开关21₂接收的第二驱动信号S21₂。第一开关21₁和第二开关21₂中每一个的接通和截止分别地取决于相应的驱动信号S21₁和S21₂的信号电平。

控制电路20在预充电模式下可运行开关电路2。在预充电模式下，控制电路20交替地接通第一开关21₁和第二开关21₂，以形成多个后续的开关周期，其中在每个开关周期中在第一接通期(on-period)内接通第一开关21₁，并且，在第一接通期后，在第二接通期内接通第二开关21₂。在下一个开关周期中，再次接通第一开关211，以此类推。在这些开关周期的每一个中，电荷存储在电容器4中。这将在下面更详细地进行说明。

开关电路2在一个开关周期中的运行将参考图3说明如下。图3示意性地示出了第一驱动信号S21₁、第二驱动信号S21₂、第一电容元件22₁两端的电压V22₁、第二电容元件22₂两端的电压V22₂以及电容器4两端的电压V4的时序图。以举例说明为目的，假定电容器4在预充电过程开始之前已经完全放电。仅以说明为目的，第一驱动信号和第二驱动信号S21₁、S21₂其中的一个的高电平表示接通相应开关的接通电平(on-level)，而低电平表示截止相应开关的截止电平(off-level)。

图3举例说明了一个开关周期的时序图，其包括接通第一开关21₁的第一接通时间(on-time)Ton1，以及接通第二开关22₂的第二接通时间Ton2。第一接通时间Ton1和第二接通时间Ton2并适时地(timely)重叠。也就是说，一次仅接通第一开关21₁和第二开关21₂其中的一个。

当第一开关21₁接通并且第二开关21₂关断时，电容器4和第二电容元件22₂构成电容分压器，其耦合于第一输入节点24₁和第二输入节点21₂之间。参考图3，当第一开关21₁接通时，电容器4两端的电压V4和第二电容元件22₂两端的电压V22₂增加。电压V4、V22₂的增加速率，除其他方面以外，取决于第一开关21₁的导通电阻，取决于电连接电子电路中的单个部件的连接线的线电阻，以及取决于电子电路的分立电感(discrete inductances)或者寄生电感(parasiticinductances)。

仅以说明为目的，假定电容器4的电容C4和电容器22₂的电容C22₂基本上恒定且基本上独立于相应的电容器两端电压的电压电平。但是参考图3说明的运行方式，并不只限于在单个电容器具有恒定电容的电子电路中(例如本文下面将参考图8至图11说明的具有压敏电容的电容器)。以说明为目的，进一步假定第一接通期Ton1足够长，以使具有电容器4和第二电容元件22₂的串联电路其两端的电压V4+V22₂增加至电源电压V3。在这种情况下，在第一接通期Ton1结束时，电压V4和V22₂如下：

${V22}_2=\frac{C4}{C4+{C22}_2}\·V3---\left(1a\right)$

$V4=\frac{{C22}_2}{C4+{C22}_2}\·V3---\left(1b\right)$

其中C4是电容器4的电容，C22₂是第二电容元件22₂的电容。

根据一个示例，电容器4的电容C4明显高于第二电容元件22₂的电容C22₂(C4>>C22₂)。在这种情况下，在第一次接通第一开关21₁之后，电压V4明显低于电压V22₂。在第一接通期Ton1内第一电容元件22₁两端的电压V22₁基本上为零，因为第一开关21₁基本上短路了第一电容元件22₁。

当在第二接通期Ton2开始时接通第二开关21₂(而第一开关21₁已截止)，第二电容元件22₂放电，所以电压V22₂基本上变成零。在第二接通期Ton2期间内，电容元件22₁和电容器4构成了电容分压器，耦合于第一输入节点24₁和第二输入节点24₂之间。在第二接通期Ton2期间内，第一电容元件22₁和电容器4充电，因此第一电容元件22₁两端的电压V22₁和电容器4两端的电压V4增加。由于在第二接通期Ton2之前第一电容元件22₁已完全放电，所以电压V22₁基本上从零开始增加。电容器4两端的电压V4从在先前的第一接通期Ton1内已充电所达到的电压开始增加。下文中该电压称为V4(1)。以说明为目的，假定第二接通期Ton2足够长，以使具有第一电容元件22₁和电容器4的串联电路两端的电压V4+V22₁增加至电源电压V3。在这种情况下，第一电容元件22₁两端的电压V22₂和电容器4两端的电压V4如下：

${V22}_1=\frac{C4}{C4+{C22}_1}\·(V3-V4\left(1\right))---\left(2a\right)$

$V4=\frac{{C22}_1}{C4+{C22}_1}\·(V3-V4\left(1\right))---\left(2b\right)$

其中V4(1)表示先前的第一接通期Ton1结束时电容器4两端的电压，V3表示输入电压，C22₁表示第一电容元件22₁的电容。

参考图3说明的开关周期是多次重复的，因此存在有多个后续的开关周期。在每个开关周期中，在第一接通期Ton1(原文是on-Ton1)内第一开关21₁接通，并在第二接通期Ton2内第二开关21₂接通。根据一个示例，在一个开关周期内第一接通期Ton1和第二接通期Ton2基本上相等。进一步地，在每一个随后的开关周期中第一接通期Ton1可基本上相等，并且在每一个随后的开关周期中第二接通期Ton2可基本上相等。在每个开关周期中，其余的电荷存储在电容器4中，因此电容器4两端的电压V4逐渐增加。第一接通期Ton1和第二接通期Ton2，例如是介于10微秒(μs)至70微秒之间，特别是介于30微秒至50微秒之间。

在第一接通期Ton1内接通第一开关21₁，或在第二接通期Ton2内接通第二开关21₂的运行在下文被称为半周期。参考方程式(1b)和(2b)，电容器4两端的电压V4在每个半周期中增加。在每个半周期电压V4的增加约为：

$\mathrm{\ΔV}4=V4\left(k\right)-V4=(k-1)\frac{C22}{C4+C22}\·(V3-V4(k-1))---\left(3\right)$

其中V4(k)表示在一个半周期(第k个半周期)结束时电容器两端的电压V4，V4(k-1)表示先前的半周期(第k-1个半周期)结束时电容器4两端的电压，C22表示在第k个半周期中第一电容元件和第二电容元件22₁、22₂其中充电的一个的电容。参考方程式(3)，在每个半周期中，电压的增量ΔV4随着电容器4两端的电压V4的增加而减少。

图4示意性地示出了电压V4随时间t的增加。参考图3，电容器电压V4在每个半周期中阶梯式地增加。但是图4示出了电压V4在一个时间段内的增加，该时间段包括多个比如几百、几千或者甚至几万个开关周期，因此图4所示的示意图中看不到电压V4的阶梯式增加。在预充电过程中，可对电容器4充电至其电压基本上相当于输入电压。预充电过程的时长(预充电时间)，即直到电容器电压V4基本上相当于输入电压V3时的时长，取决于电容器的电容C4、第一电容元件和第二电容元件22₁、22₂的电容C22₁、C22₂、接通期Ton1和Ton2的时长以及输入电压的电压电平。例如，在电子电路中，电容器4的电容C4为几百微法拉比如500微法拉和900微法拉，第一电容元件和第二电容元件22₁、22₂的电容为约1微法拉，以及接通期Ton1和Ton2的时长为几十微秒比如介于30微秒至50微秒之间，则将电容电压V4充电至基本上为输入电压V3可能需时为介于几十微秒至几百微秒之间，比如在50微秒和200微秒之间。总体而言，当采用具有较小电容的第一电容元件和第二电容元件22₁、22₂时，预充电的时间增加。然而在这种情况下，可将接通期Ton1和Ton2布置得比较短，以至少部分抵消充电时间的这种增加。

图5示出了依照进一步的示例的第一控制信号和第二控制信号S21₁、S21₂的时序图。在该示例中，在第一接通期Ton1之后和第二接通期Ton2之前存在有第一空载时间(dead-time)Td1(，在第二接通期Ton2之后和随后的时间周期的第一接通期之前存在有第二空载时间Td2。在第一空载时间Td1和第二空载时间Td2期间，第一开关21₁和第二开关21₂皆关断。设置空载时间Td1、Td2用来确保在预充电模式下没有开关21₁、21₂皆接通的时期，以避免高的浪涌电流。空载时间Td1、Td2例如大于几十纳秒，用以安全地避免同时导通开关21₁、21₂。

参考图2，电子电路可包括与电容器4串联连接的电感器51。电感器51可以是分立电子器件，或者由电子电路中连接单个电子器件的连接线的线路电感构成，特别是将电容器4和负载Z连接到开关电路2的连接线。在预充电过程中，当电流自电源3经过第一开关和第二开关21₁、21₂中的一个流向电容器4时，能量磁性地存储于电感器51中。在该第一开关和第二开关21₁、21₂中的一个关断后，续流元件52继续允许电流流经电感器51，因此将存储在电感器51中的能量转移至电容器4。当接通该第一开关和第二开关21₁、21₂中的一个时，也有电流流经续流元件52，但与电容器4串联耦合的电容元件(22₂或者22₁)已完全充电，也即那时具有电容器4和电容元件(22₂或者22₁)的串联电路两端的电压已经增加至输入电压。此时，电感器51驱动电容器电流I4流经电容器4和续流元件52。续流元件52与包括电容器4和电感器51的串联电路并联连接。

参考以上的说明，在预充电过程期间，接通期Ton1、Ton2可以基本上恒定。参考方程式(3)和图4所示的曲线图，在一个开关周期中或一个半周期中，存储在电容器4中的电荷量随着电容器4两端电压的增加而减少。因此，电流流入电容器的时长随着电容器电压V4的增加而减少。根据一个示例，调节第一接通期和第二接通期Ton1、Ton2的时长被调整为随着电容器电压V4的增加减少。

根据进一步的示例，在接通期Ton1、Ton2开始时，第一开关和第二开关21₁、21₂其中的一个接通之后，分别地检测流入电容器4的电流I4，而当该电流已减小至为零时，相应的接通期结束(也即该第一开关和第二开关21₁、21₂其中的一个关断)。或者，检测该第一开关和第二开关21₁、21₂其中的一个两端的电压，而当该电压表明通过该开关的电流变为零时，相应的接通期结束。

根据另一个示例，检测流经续流元件52的电流I52。该检测可以不同方式进行。根据一个示例，当续流元件52开始导通电流时，在一个半周期中第一开关和第二开关21₁、21₂中接通的那一个则截止。在该示例中，其中流经续流元件52的电流I52用来定义接通期的结束，流经续流元件52的电流可进一步用来调整空载时间(deadtime)。当流经续流元件52的电流I52减小到零时，空载时间可能结束并且第一开关和第二开关21₁、21₂其中的另一个可被接通。根据进一步的示例，每当流经续流元件52的电流I52减小到零时，接通期结束。

在图2示出的电子电路中，每个半周期开始时存在有浪涌电流。然而，由于第一电容元件和第二电容元件221、222中每一个的电容明显小于电容器4的电容，因此该浪涌电流明显小于将电容器4直接耦合到第一输入节点和第二输入节点24₁、24₂时所产生的浪涌电流。根据一个示例，电容器4的电容C4高于第一电容元件和第二电容元件221、222中每一个电容的一百倍、一千倍，甚至是一万倍。

根据一个示例，控制电路20配置为，检测电容器4两端电压V4的电压电平，并且，当该电压电平达到预定阈值电平V4_TH时，在正常运行模式下运行开关电路2。在正常运行模式下，为了将电容器4和负载Z直接耦合至电源3，第一开关和第二开关21₁、21₂皆接通。根据一个示例，阈值电平V4TH高于电源电压V3的电压电平的80％、90％甚至95％。

参考图2，控制电路20可接收表示电容器电压V4的电压电平的电压测量信号S_V4，从而检测电容器电压V4的电压电平。电压测量信号SV4可通过使用电压测量电路测量电容器电压V4而获得。电压测量电路可通过常规手段来实现，并且未在图2中举例说明。

图6和图7示出了说明了本文前面说明的开关电路2的运行方式的状态图。在图6和图7中举例说明的单独的运行状态都由控制电路20控制。该控制电路可包括可编程的信号处理电路，比如微处理器。

参考图6，开关电路2可假定有第一开关21₁和第二开关21₂皆截止时的截止状态(off-state)110。一旦启动条件出现，开关电路2进入预充电电容器4的预充电状态(预充电模式)120。根据一个示例，控制电路20接收外部控制信号S_ON/OFF(见图2)，该信号表明是否需要将电源连接到电容器4。根据一个示例，当信号S_ON/OFF的信号电平表明需要将电容器4耦合至电源3时，满足启动条件。

在预充电模式下，开关电路2在第一开关21₁接通而第二开关21₂截止的第一接通状态(on-state)121，以及第二开关212接通而第一开关21₁截止的第二接通状态122之间交替地切换。根据一个示例(图6所示)，开关电路2在接通期Ton1期间处于第一接通状态，然后切换成第二接通状态122，并且在第二接通期Ton2期间处于第二接通状态122，再然后切换回第一接通状态121。

根据进一步的示例，在图7中举例说明的，开关电路2在第一接通期Ton1之后，从第一接通状态121切换成开关21₁、21₂皆关断的第一空载状态(dead-time state)123，在第一延迟时间Td1之后，从第一空载状态123切换成第二接通状态122。在第二接通期Ton2之后，开关电路2从第二接通状态122切换成第二空载状态124，并且在第二延迟时间Td2之后，开关电路2从第二空载状态124切换成第一接通状态121。

参考图6和图7，当电容器4两端的电压V4达到阈值电平V4TH时，开关电路2从预充电状态120切换成正常运行状态(正常运行模式)130。在正常运行模式130下，第一开关21₁和第二开关21₂皆接通。

当电容器4在开关电路2从截止状态110变换成预充电状态120之前已经预充电时，开关电路2可立即切换成正常状态130，而不用经历一个开关周期。

当出现错误条件或者当控制信号S_ON/OFF表明需要断开电容器4和负载Z与电源3之间的连接时，开关电路2可从正常状态130切换回截止状态110。

根据一个示例，在图6和图7中以虚线举例说明，当在预定时期T_LIM内电容器没能充电至阈值电压V4_TH时，开关电路2从预充电模式120切换回关断模式(off-mode)。

第一电容元件和第二电容元件22₁、22₂可以用常规电容器来实现，该常规电容器包括第一电容电极和第二电容电极以及第一电容电极和第二电容电极之间的电容器介电质。第一开关和第二开关21₁、21₂中的每一个可以用电子开关来实现，特别是具有常关(normally-off)特性的电子开关，比如常关型晶体管，或者具有常关特性的晶体管电路。具有常关特性的晶体管电路，例如是级联电路，包括常开型晶体管，比如JFET(结型场效应晶体管)，和控制常开型晶体管的常关型晶体管，比如增强型MOSFET(金属氧化物场效应晶体管)。晶体管可以使用常规的半导体材料来实现，比如硅(Si)、碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、砷化镓(GaAs)。

根据图8中举例说明的一个示例，第一电容元件和第二电容元件22₁、22₂包括结电容器。在图8举例说明的示例中，结电容器用双极型二极管表示。结电容器是包括pn-结的电容器，并且配置为当pn-结反向偏压时存储电荷(在耗尽区或空间电荷区)。

图9示意性地示出了结电容器(双极型二极管)的横截面图。图9中附图标记22表示第一电容元件和第二电容元件22₁,22₂其中的一个。参考图9，结电容器包括p型第一发射区221、n型第二发射区223以及第一发射区和第二发射区221、223之间的n型或者p型基区222。基区222的掺杂浓度低于第一发射区和第二发射区221、223的掺杂浓度。在图9所示的示例中，基区222是n型区。在该结电容器中，pn-结形成于第一发射区221和基区222之间。当向第一发射区和第二发射区221、223之间施加反向偏压pn-结的电压时，空间电荷区(耗尽区)主要在低掺杂的基区222扩展。空间电荷区的扩展与基区222中的掺杂原子的离子化以及第一发射区221有关。掺杂原子的离子化等同于在结电容器(双极型二极管)中存储电荷。参考图8，由于结电容器(双极型二极管)22₁、22₂与电容器4串联连接，因此，当接通第二开关21₂时电源电压V3反向偏压第一结电容器22₁，而当接通第一个开关21₁时电源电压V3反向偏压第二结电容器22₂。在该示例中，构成第一结电容器22₁的双极型二极管的负极与第一输入节点24₁连接，而构成第二结电容器22₂的双极型二极管的正极与第二输入节点24₂连接。

第一开关和第二开关21₁、21₂中的每一个以及相应的第一电容元件和第二电容元件22₁、22₂可以用单独的分立电子器件来实现。甚至一个开关以及相应的电容元件可能使用不同的技术来实现。例如，开关可使用碳化硅技术来实现，而电容元件可使用硅技术来实现。

根据进一步的示例，一个开关以及相应的电容元件集成于共同的半导体主体中，并且构成一个半导体器件的部分。根据一个示例，开关以MOSFET来实现，而相应的电容元件是由该MOSFET的体二极管构成的结电容器。在下文中参考图11对此进行了更加详细地说明。

图10示出了开关电路2的电路图，其中第一开关和第二开关21₁、21₂以及相应的电容元件22₁、22₂均以MOSFET来实现。在本示例中，MOSFET是n型增强型MOSFET。然而，这仅是示例。也可以使用p型MOSFET来代替n型MOSFET使用。甚至，可能以n型MOSFET来实现MOSFET中的一个，而以p型MOSFET来实现MOSFET中的另一个。

虽然图10仅示出了一个MOSFET，其用于实现第一开关和第二开关21₁、21₂其中的一个，但为了实现第一开关和第二开关21₁、21₂其中的一个也可并联连接数个MOSFET。并联连接数个MOSFET降低了由该数个MOSFET实现的开关的导通电阻。根据一个示例，第一开关和第二开关21₁、21₂其中的一个由并联连接的三个或者更多个MOSFET来实现。

构成第一开关和第二开关21₁、21₂其中的一个的，或构成第一开关和第二开关21₁、21₂其中的一个的部件的每个MOSFET的电压阻断能力高于最大电源电压V3。根据一个示例，最大电源电压V3为约400伏，而每个MOSFET的电压阻断能力为约600伏。

根据连接到电容器4的负载Z的类型，可存在当电容器电压V4的电压电平上升至高于电压电源V3的电压电平时的运行方案。例如，可能存在有电动机作为发动机给电容器4提供能量的运行方案。该能量可用于电源3的再充电。如图8和图10中举例说明的以结电容器实现的开关电路2，当电容器电压V4上升至高于电池电压V3时，可始终允许电流从电容器4流向电源3。然而，也可能存在不需要通过负载Z对电池充电的方案，例如，当电源已完全充电时。因此，开关电路2可选择地包括用来中断电源3和电容器4之间的导通路径的第三开关21₃。参考图10，该第三开关21₃可用另一个MOSFET来实现，其体二极管与实现第一开关和第二开关21₁、21₂的MOSFET的体二极管背对背连接。

图11举例所明了半导体主体100的横截面示意图，在其中集成有第一开关和第二开关21₁、21₂其中的一个。开关21(其中开关21表示第一开关和第二开关21₁、21₂其中的一个)以MOSFET来实现，并且包括漂移区11、源区12、漂移区11和源区12之间的体区13以及漏区17。漂移区11布置于体区12和漏区17之间。MOSFET进一步包括邻近于体区13且通过栅极绝缘层15与体区13介质绝缘的栅极电极14。漏区17耦合至漏端D，源区12和体区13耦合至源端S，栅极电极14耦合至栅端G。在图11所示的示例中，源极电极18电连接至源区12和体区13，其中与体区13具有相同的掺杂类型但掺杂更高的接触区19，将源极电极18连接至体区13。源极电极18连接至源端S。在图11中示意性地示出了栅极电极14与栅端G之间的连接。

参考图11，MOSFET可包括多个晶体管单元10，其中每个晶体管单元10包括源区12、体区13、栅极电极14和栅极绝缘层15。个别晶体管单元可共享漂移区11和漏区17。该个别晶体管单元10通过将源区12和体区13耦合至源端S，并通过将栅极电极14耦合至栅端G而形成并联连接。

MOSFET实现为n型MOSFET或者p型MOSFET。在n型MOSFET中，源区12、漂移区11和漏区17是n掺杂，而体区13是p掺杂。在p型MOSFET中，源区12、漂移区11和漏区17是p掺杂，而体区13是n掺杂。MOSFET可以通过给栅端G施加以合适的驱动电势来开启和截止。在MOSFET的开启状态中，栅极电极14沿着位于源区12和漂移区11之间的栅极绝缘层15产生导电通道(反向通道)。MOSFET还包括体二极管。该体二极管由体区13、漂移区11和漏区17构成，其中该体二极管的pn结构成于体区13和漂移区11之间。当MOSFET处于开启状态时，该沿着栅极绝缘层15的导电通道绕过pn结，以致于在该运行状态下体二极管不激活。然而，当MOSFET截止时，以致于不存在沿着位于源区12和漂移区11之间的栅极绝缘层15的导电通道，体二极管可反向偏压，因而充当结电容器。在n型MOSFET中，当在漏端D和源端S之间施加正电压时，体二极管反向偏压，而在p型MOSFET中，当在源端S和漏端D之间施加正电压时，体二极管反向偏压。

可选地，MOSFET(MOSFET中的每一个晶体管单元10)包括掺杂类型与漏区11的掺杂类型互补的补偿区16，并在漂移区11中以漏区17的方向延伸。根据一个示例，每个补偿区16耦合至一个体区13。当给定MOSFET的导通电阻时，在常规方式中，补偿区16有助于增加MOSFET的电压阻断能力。补偿区16在漏区11和体区13之间进一步产生大的pn结，从而具有补偿区16的MOSFET(被称为超结MOSFET)的体二极管比不具有补偿区的MOSFET能够存储更大的电荷量。根据一个示例，掺杂进补偿区中的全部的掺杂物基本上相当于掺杂进漏区11中的全部的掺杂物。

结电容器，比如图8中所示的双极型二极管，或者图10中所示的MOSFET的体二极管，其电容取决于反向偏压结电容器的pn结的电压，其中电容随着反向偏压电压的增加而减小。图12示意性地示出了结电容器电容的对数尺度，该电容取决于反向偏压结电容器的pn结的电压Vc。参考图12，该电容在低电压Vc时相对高，并且随着电压V的增加而减小。换言之，电容C随着耗尽区在结电容器中进一步地扩展而减小。

在本文前面说明的电子电路中，在预充电模式期间，结电容器的使用对于运行损耗是有利的。这将在下文中进行说明。当电容器4在预充电模式下逐渐充电时，第一电容元件和第二电容元件22₁、22₂在每个开关周期中放电。充电第一电容元件和第二电容元件22₁、22₂所需的能量取决于流入相应的电容元件22₁、22₂的电流，并取决于电容元件22₁、22₂两端的电压。在低电压时具有高电容的电容元件中，当电压低时则有相对高的电流流通，然而该电流可随着电压的增加而减小。因此，相对高的电荷量(相当于存储在电容器4中的电荷量)可以需要相对少量的能量存储在相应的电容元件22₁、22₂中。电压阻断能力为600伏且导通电阻为19毫欧姆(mΩ)的超结MOSFE的最大电容，例如在一百至数百毫微纳法拉(nF)之间。

图13示意性地示出了第一电容元件和第二电容元件其中的一个(在该示例中是第二电容元件22₂)在开关电路2的一个半周期开始时其两端的电压V22₂，在该电路中采用的第一电容元件和第二电容元件22₁、22₂以具有非线性电容的结电容器来实现，图13进一步示出了在该半周期中接通的开关(在该示例中是第一开关22₁)的控制信号S22₁。

参考图13，在半周期开始时，电容器电流I4基本上是线性地增加。该电容器电流I4基本上线性的增加是由(寄生)电感器51导致的。虽然电流I4基本上线性地增加，但电压V22₂的增加不是线性，而是开始时缓慢地增加然后迅速地增加。这是由于电容元件22₂的非线性电容。当电容元件22₂两端的电压V22₂达到最大电平时，流经第一开关21₁的电流变为零，而电容器电流I4相当于流经电感器51和续流元件52的电流。电压V22₂的最大电平基本上相当于输入电压V3(如果忽略续流元件两端的正向电压)。在续流阶段，电容器电流I4增加，而电感器51两端的电压V51的大小基本上相当于电容器电压V4，其中这些电压具有相反符号，所以V51≈-V4。当电感器51退磁时，电容器电流I4减小为零。此时，电感器51两端的电压V51变为零，反向偏压续流元件52，且电容元件22₂两端的电压V22₂减少至为V3-V4。电压V22₂在电压电平减小至V3-V4时可发生振荡。然而，这些由于寄生电感和寄生电容所导致的振荡并未在图13中示出。

参考本文前面的说明，当电容器电流I4开始流经续流元件的时候，也是电压V22₂达到最大电平时，接通期Ton1可结束。或者，当流经续流元件的电流减少至为零时，接通期Ton1可结束。然而，也可调整接通期Ton1使其具有固定的时长，或者随着电容器电压V4的增加而增加的时长。

图14举例说明了电子电路的另一个示例。在该示例中，第一开关和第二开关在开关电路的输入节点其中的一个(比如第一输入节点24₁)和输出节点其中的一个(比如第一输出节点25₁)之间串联连接。如本文前面说明的示例中，第一开关和第二开关21₁、21₂在预充电模式下支撑对电容器4的充电，并且也有助于开关电路2的高安全电平。开关21₁、21₂中的每一个具有至少相当于输入电压V3的最大电压电平的电压闭锁容量。因此，当需要断开电源3与电容器4和负载Z之间的连接时，和当开关21₁、21₂其中的一个故障时，另一个开关可以安全地断开电源3与电容器4和负载Z之间的连接。

图15和图16举例说明了开关电路2进一步的示例。在该示例中，第一整流器元件52，比如二极管，与第一电容元件22₁串联连接，且具有第一电容元件22₁和第一整流器元件52₁的串联电路与第一开关211并联连接。进一步，第二整流器元件52₂，比如二极管，与第二电容元件22₂串联连接，且具有第二电容元件22₂和第二整流器元件52₂的串联电路与第二开关21₂并联连接。连接第一开关和第二开关211、212、第一电容元件和第二电容元件22₁、22₂以及第一整流器元件和第二整流器元件52₁、52₂，以使第二电容元件22₂在第二开关21₂截止而第一开关21₁接通的半周期中，可通过第二整流器元件52₂进行充电，并在随后的第二开关21₂接通而第一开关21₁截止的半周期中，可通过第一整流器元件52₁进行放电。进一步地，连接第一开关和第二开关21₁、21₂、第一电容元件和第二电容元件22₁、22₂以及第一整流器元件和第二整流器元件52₁、52₂，以使第一电容元件221在第一开关21₁截止而第二开关21₂接通的半周期中，可通过第一整流器元件52₁进行充电，并在随后的第一开关21₁接通而第二开关21₂截止的半周期中，可通过第二整流器元件52₂进行放电。为此，在图15所示的示例中，第一电容元件22₁通过第二整流器元件52₂耦合至输出节点的其中的一个(比如第二输出节点25₂)而第二电容元件22₂通过第一整流器元件52₁耦合至输出节点的其中的另一个(比如第一输出节点25₁)。进一步地，具有第一电容元件和第二电容元件22₁、22₂的串联电路耦合于输入节点24₁、24₂之间，而具有第一整流器元件和第二整流器元件52₁、52₂的串联电路与具有电感器51和电容器4的串联电路并联连接。因此，当第一电容元件和第二电容元件其中的一个已充电至电源电压V3时，则具有第一整流器元件和第二整流器元件52₁、52₂的串联电路充当接收电容器电流I4的续流元件(续流电路)，由电感器51驱动。

第一电容元件和第二电容元件可由具有电容器介质的电容器来实现(见图15)。然而，参考图16，则也可以由如结电容器的那些电容器来实现。第一开关和第二开关21₁、21₂可依照之前说明的示例中的一种来实现。根据一个示例，第一开关和第二开关21₁、21₂中的至少一个开关包括MOSFET，如超结MOSFET。然而，图15中所示的第一电容元件和第二电容元件22₁、22₂都不是该MOSFET中的体二极管。该体二极管(图15中未示出)并联耦合于包括第一电容元件和第二电容元件22₁、22₂其中的一个和第一整流器元件和第二整流器元件52₁、52₂其中的一个的串联电路。

在预充电模式下，图15和图16中所示的电子电路的一种运行方式将在下文中进行说明。在第一开关21₁接通且第二开关21₂关断的第一半周期中，具有第一开关21₁、电容器4、第二整流器元件52₂和第二电容元件22₂的串联电路，耦合于输入节点24₁、24₂之间，以使电流从电源3流出，流经第一开关21₁、电容器4、第二整流器元件52₂和第二电容元件22₂。在该种方式中，电容器4和第二电容元件22₂构成电容分压器，并且以参考图2说明的同样的方式进行充电。在第一半周期中，第一电容元件随着第二电容元件22₂的充电而放电(在预充电阶段开始时，第一电容元件和第二电容元件22₁、22₂通过电源3充电，其中当电容元件22₁、22₂的电容基本上相等时，V22₁实质上等于V22₂)，以使具有第一电容元件和第二电容元件22₁、222的串联电路两端的电压V22₁+V22₂等于电源电压V3。

在随后的第二开关21₂接通且第一开关21₁截止的第二半周期中，具有第二开关21₂、电容器4、第一整流器元件52₁和第一电容元件22₁的串联电路耦合至输入节点24₁、24₂之间，以使电流从电源3流出，流经第一电容元件22₁、第一整流器元件52₁、电容器4和第二开关21₂。在该种方式中，电容器4和第一电容元件22₁构成电容分压器，并且以参考图2说明的同样的方式进行充电。在第二半周期中，第二电容元件22₂随着第一电容元件22₁的充电而放电，以使具有第一电容元件和第二电容元件22₁、22₂的串联电路两端的电压V22₁+V22₂等于电源电压V3。在该示例中，第一电容元件和第二电容元件22₁、22₂放电给电容器4(或者电源3)，以使该开关电路可以低损耗运行。

除图15和图16所示的第一电容元件和第二电容元件22₁、22₂之外，开关电路可包括直接地与第一开关21₁并联耦合(与图2所示的第一电容元件22₁相同的方式)的第三电容元件23₁，以及直接地与第二开关21₂并联耦合(与图2所示的第二电容元件22₂相同的方式)的第四电容元件23₂。当第一开关21₁接通且第二开关21₂截止时，第四电容元件23₂与第二电容元件22₂并联连接，而当第二开关21₂接通且第一开关21₁截止时，第三电容元件23₁与第一电容元件22₁并联连接。第三电容元件23₁的功能相当于图2所示的第一电容元件的功能，且第四电容元件23₂的功能相当于图2所示的第二电容元件的功能。

除了开关21₁、21₂和相应的电容元件22₁、22₂由具有体二极管的MOSFET构成的示例之外，第一开关和第二开关21₁、21₂中的每一个还可以由继电器来实现。

虽然整流器元件52、52₁、52₂在本文前面说明的示例中以双极型二极管示出，但也可以采用其他类型的整流器元件，比如肖特基二极管，或者二极管接法晶体管。

本文前面描述中，方向性术语，比如“顶(top)”、“底(bottom)”、“前(front)”、“后(back)”、“通向(leading)”、“沿着(trailing)”等，是参考所描述的附图的方位来使用的。由于示例的部件可以放置于多种不同的方位，所以方向性术语的使用是以举例说明为目的，且并不作为限制。应该理解的是，不脱离本说明书范围，可以利用其他的示例，和作出结构上的或者逻辑上的变化。因此，下面的详细描述并不作为限制，且本说明书的范围由所附权利要求定义。

虽然本文公开了多种例示性的示例，但在不脱离本说明书的精神和范围的情况下，本领域的技术人员显然可以作出各种变化和修改以达到本发明的一些优点。本文中描述的部件可以由执行相同功能的其他部件适当地代替。应当提及的是，即使在并没有明确地提及的情况下，参考特定附图说明的特征可与其他附图的特征相结合。另外，本发明的方法可以通过使用适当的处理器指令全部以软件实现，或者可以利用硬件逻辑和软件逻辑的结合以得到相同结果来混合实现。这些对本发明构思的修改将被所附权利要求的范围覆盖。

使用空间相关术语比如“下(under、below)”、“低于(lower)”、“上(over)”、“上部(upper)”等等，是为了易于描述一个元件相对第二个元件的定位。这些术语旨在涵盖除了那些在附图中已描绘的不同方位之外的，器件的不同方位。另外，术语如“第一(first)”、“第二(second)”等等，也用于描述各种元件、区域、部分等，且也并非意在限制。贯穿整个描述，相同的术语指代相同的元件。

如本文所用，术语“具有(having)”、“包括(containing、including、comprising)”等是开放性术语，表明所陈述元件或特征的存在，并不排除其他的元素或者特征。冠词“一(a、an)”和“该(the)”旨在包括复数以及单数，除非在上下文中有明确说明。

考虑到上述范围的变化和应用，应当理解的是，本发明并不受上述描述限制，也不受附图限制。相反，本发明的范围仅受限于所附权利要求及其法律等同物。

应当理解的是，本文中描述的各种示例的特征可彼此相结合，除非特别注明。

Claims (25)

1.一种方法，包括：

交替地接通与电容器串联连接并与第一电容元件并联连接的第一开关，和与所述电容器串联连接并与第二电容元件并联连接的第二开关，

其中具有所述第一开关、所述电容器和所述第二开关的串联电路耦合至电源节点用于接收电源电压。

2.如权利要求1所述的方法，

其中交替地接通所述第一开关和所述第二开关的步骤包括一次仅接通所述第一开关和所述第二开关其中的一个开关。

3.如权利要求1所述的方法，

其中交替地接通所述第一开关和所述第二开关的步骤包括多个适时地随后的开关周期，

其中所述多个开关周期中的每一个开关周期包括：

在第一接通期接通所述第一开关，并且，在所述第一接通期后，在第二接通期接通所述第二开关。

4.如权利要求3所述的方法，

其中所述第一接通期和所述第二接通期基本上相等。

5.如权利要求3所述的方法，

其中所述第一接通期和所述第二接通期基本上是固定的时长。

6.如权利要求3所述的方法，其中所述多个开关周期中的每一个开关周期进一步包括：

在所述第一接通期之后和所述第二接通期之前的第一空载时间，以及在所述第二接通期之后和随后的开关周期的所述第一接通期之前的第二空载时间。

7.如权利要求1所述的方法，进一步包括：

检测所述电容器两端的电压的电压电平，以及当所述电压电平达到预定电平时接通所述第一开关和所述第二开关。

8.如权利要求7所述的方法，

其中所述预定电平高于所述电源电压的电压电平的80％。

9.如权利要求1所述的方法，

其中电感器与所述电容器串联连接。

10.如权利要求9所述的方法，

其中至少一个整流器元件与包括所述电容器和所述电感器的串联电路并联连接。

11.如权利要求1所述的方法，

其中所述第一电容元件和所述第二电容元件中的至少一个电容元件包括结电容器。

12.如权利要求11所述的方法，

其中所述第一电容元件和所述第二电容元件中的至少一个电容元件包括MOSFET，其中所述结电容器由所述MOSFET的体区和漂移区形成。

13.如权利要求1所述的方法，

其中第一整流器元件与所述第一电容元件串联连接，且具有所述第一整流器元件和所述第一电容元件的串联电路与所述第一开关并联耦合，以及

其中第二整流器元件与所述第二电容元件串联连接，且具有所述第二整流器元件和所述第二电容元件的串联电路与所述第二开关并联耦合。

14.如权利要求13所述的方法，

其中所述第一电容元件通过所述第二整流器元件耦合至所述电容器，以及

其中所述第二电容元件通过所述第一整流器元件耦合至所述电容器。

15.一种电子电路，包括：

配置为连接至电源的输入端，和配置为连接至电容器的输出端，

与第一电容元件并联连接且连接于所述输入端和所述输出端之间的第一开关，

与第二电容元件并联连接且连接于所述输入端和所述输出端之间的第二开关，和

配置为交替地接通所述第一开关和所述第二开关的控制电路。

16.如权利要求15所述的电子电路，

其中所述控制电路配置为一次仅接通所述第一开关和所述第二开关其中的一个开关。

17.如权利要求15所述的电子电路，

其中所述控制电路配置为在多个适时地随后的驱动周期中，驱动所述第一开关和所述第二开关，和

其中所述控制电路，在每个驱动周期中，配置为：

在第一接通期接通所述第一开关，并且，在所述第一接通期之后，在第二接通期期间接通所述第二开关。

18.如权利要求17所述的电子电路，

其中所述第一接通期和所述第二接通期基本上相等。

19.如权利要求17所述的电子电路，

其中所述第一接通期和所述第二接通期是基本上固定的时长。

20.如权利要求17所述的电子电路，

其中所述控制电路，在每个驱动周期中，进一步配置为在所述第一接通期之后和所述第二接通期之前生成第一空载时间，和在所述第二接通期之后和随后的开关周期的所述第一接通期之前生成第二空载时间。

21.如权利要求15所述的电子电路，

其中所述控制电路进一步配置为检测所述输出端处电压的电压电平，并当所述电压电平达到预定电平时接通所述第一开关和所述第二开关。

22.如权利要求21所述的电子电路，

其中所述预定电平高于所述输入端处的电压电平的80％。

23.如权利要求15所述的电子电路，

其中所述第一电容元件和所述第二电容元件中的至少一个电容元件包括结电容器。

24.如权利要求23所述的电子电路，

其中所述第一电容元件和所述第二电容元件中的至少一个电容元件包括MOSFET，其中所述结电容器由所述MOSFET的体区和漂移区形成。

25.一种开关电路，包括：

交替地接通与电容器串联连接并与第一电容元件并联连接的第一开关，和与所述电容器串联连接并与第二电容元件并联连接的第二开关的装置，

其中具有所述第一开关、所述电容器和所述第二开关的串联电路耦合至电源节点用于接收电源电压。