CN106059275A - 具有涌入电流限制的功率转换器 - Google Patents

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Abstract

本公开的各种实施例涉及具有涌入电流限制的功率转换器。一种AC/DC转换器在第一端子和第二端子处接收AC电压。整流桥具有经由电阻性元件耦合到第一端子的第一输入端子和连接到第二端子的第二输入端子，并且整流桥的输出端子耦合到转换器的用于生成DC电压的第三端子和第四端子。第一可控整流元件将第一端子耦合到第三端子并且第二可控整流元件将第四端子耦合到第一端子。电阻性元件在晶闸管被关断的第一阶段期间工作为涌入保护器件。在第二阶段中，晶闸管被选择性地致动。

Description

具有涌入电流限制的功率转换器
优先权要求
本申请要求与2015年4月7日提交的申请号为15/52987的法国申请的优先权权益，其内容通过至法律允许的最大程度上整体引用而并入于此。
技术领域
本公开内容一般涉及电子器件，并且更具体地涉及AC/DC转换器。本公开内容一般适用于使用整流桥的任何系统，例如，用于控制电机的电路、充电器、开关式电源等。
背景技术
许多基于整流元件的AC/DC转换器架构是已知的，该整流元件可以是可控的(例如，晶闸管)或者不可控的(二极管)，其组装为整流桥，用AC电压供电并且给出DC电流，此DC电压有可能自身转换回AC电压。
通常期望限制涌入电流(inrush current)，即只要在整流桥的输出处的跨电容器的电压还没有达到足够水平的情况下的在AC电压的半波上出现的电流峰值，并且尤其是在启动阶段限制涌入电流。
美国专利号6,493,255和日本公开JP-H-1278258的文档(其都通过引用并入)描述了AC/DC转换器的示例。
发明内容
实施例克服了通常的功率转换器控制电路的所有或者部分缺点。
实施例旨在提供用于限制功率转换器中的涌入电流的电路。
实施例提供了与用AC电压供电的整流桥的级别的倍压功能相兼容的解决方案。
因而提供了一种AC/DC转换器，包括：旨在于接收AC电压的第一端子和第二端子；旨在于供应第一DC电压的第三端子和第四端子；具有分别经由电阻性元件耦合到第一端子和连接到第二端子的输入端子并且具有分别连接到第三端子和第四端子的输出端子的整流桥；将第一端子耦合到第三端子的第一可控整流元件；以及将第四端子耦合到第一端子的第二可控整流元件。
根据实施例，整流元件在其中电阻性元件限制涌入电流的启动阶段之后被控制。
根据实施例，两个串联连接的电容性元件耦合第三端子和第四端子，并且开关将电容性元件的接合点连接到第二端子。
根据实施例，第一整流元件和第二整流元件是阴极栅极晶闸管。
根据实施例，第一整流元件是能够通过提取栅极电流来控制的阳极栅极晶闸管，并且第二整流元件是能够通过注入或者提取栅极电流来控制的阴极栅极晶闸管。
根据实施例，晶闸管的栅极能够通过由AC信号所激发的同一变压器来控制。
根据实施例，晶闸管栅极通过由周期性的方波正和负信号激发的同一变压器来控制。
附图说明
将在下面的结合附图对特定实施例的非限制性描述中详细论述前述和其它的特征和优点。
图1示意性地示出了配备有涌入电流限制电路的AC/DC转换器的通常架构的示例；
图2示意性地示出了用以形成倍压转换器的图1的组件的修改例；
图3示意性地示出了AC/DC转换器的实施例；
图4A、4B、4C和4D在定时图中示出了处于倍压模式的图3的转换器的操作；
图5A、5B、5C和5D在定时图中示出了处于跟随器模式的图3的转换器的操作；
图6部分地示出了转换器的另一实施例；
图7示出了转换器的又一实施例；
图8是具有正栅极电流的阴极栅极晶闸管的实施例的简化截面图；
图9是具有负栅极电流的阴极栅极晶闸管的实施例的简化截面图；
具体实施方式
在不同的附图中已经用相同的附图标记来表示相同的元件。具体而言，对于不同实施例而言共同的结构和/或功能元件可以用相同的附图标记表示并且可以具有相同的结构、尺寸和材料性质。为了清楚的目的，仅示出并将详述对于所描述的实施例的理解有用的那些步骤和元件。具体而言，未详述由功率转换器供电的电路，所描述的实施例与通常的应用相兼容。在公开内容中，术语“连接”表示在两个元件之间的直接连接，而术语“耦合”和“链接”表示在两个元件之间的连接，其可以是直接的或者经由一个或者多个其它元件。在引用术语“约”、“近似”或“在…的数量级”时，其意思是在10％以内，优选地到5％以内。
图1示意性地示出了配备有涌入电流限制电路的AC/DC转换器的通常架构的示例。
两个输入端子12和14旨在于接收AC电压Vac，例如配电网络的电压(例如，230或120伏，50或60Hz)。端子12经由涌入电流限制组件2耦合到(例如全波)整流桥3的第一整流输入端子32，整流桥3的第二整流输入端子34连接到端子14。该桥的经整流的输出36和38分别连接到输出端子16和18，递送DC电压Vdc。存储和平流电容器C0耦合端子16和18。涌入电流限制组件由将端子12和32耦合的电阻器22、可以被控制为将电阻器22短路的开关24组成。在启动时(电容器C0已放电)，开关24被关断并且电阻器22限制电容器C0的充电电流。在稳态中，开关24被导通以将电容器短路并且降低损耗。
图2示意性地示出了用以形成倍压转换器的图1的组件的修改例。端子34经由开关21耦合到将端子16和18连接的两个电容性元件(电容器C01和C02)的接合点(有可能抑制电容器C0)。假设元件C01和C02具有相同的电容，端子16和18之间的电压Vdc在稳态中对应于端子12和14之间的峰值电压Vac的近似两倍。
如在美国专利号6,493,245的文档中公开的，其它解决方案大多使用晶闸管类型的受控开关来将使涌入电流限制的电阻器短路。该文档描述了多个实施例，或者具有单个晶闸管，或者具有两个晶闸管。这两个实施例允许了在倍压器件连接到电路输出时没有对由电阻性元件造成的涌入电流的限制。实际上，在元件21导通时没有电阻性元件限制电容器C02的充电电流。
诸如在美国专利申请公开号2012/0230075的文档中所公开的(通过引用并入)的更为复杂的解决方案在施加AC电压的输入端子和整流桥之间使用用于控制桥导通相位角的器件，即用于选择整流桥从其供电的AC电压的每个半波的时间。在这样的情况中，转换器的启动需要电压源来对用于控制相位控制开关的电路供电。这样的当前的解决方案经常需要复杂的组件来准确地设置导通时间。
在图1的组件中，开关24的存在在稳态中生成损耗。在实践中，这一开关可以由三端双向可控硅形成并且损耗是由于这一三端双向可控硅的导通状态串联电阻。
图3示意性地示出了AC/DC转换器的实施例。
其示出具有与施加AC电压Vac的第一和第二端子12和14耦合的输入端子32和34并且具有连接到用于供应DC电压Vdc的第三和第四端子16和18的整流后的输出端子36和38的整流桥。至少一个电容性元件将端子16和18互连。
在这一示例中，整流桥3由四个二极管D31、D33、D35和D37形成。二极管D31和D33分别将端子32和32耦合到端子36(二极管D31和D33的阴极在端子36一侧)并且二极管D35和D37分别将端子32和34耦合到端子38(二极管D35和D37的阳极在端子38的一侧)。
在图3的示例中，呈现了能够在倍压模式或者跟随器模式中操作的转换器。因此，提供了在端子16和18之间串联连接的(具有相同数值的)两个电容性元件C01和C02以及将电容性元件C01和C02的接合点44连接到端子14(并且因此连接到端子34)的元件21(例如，跳接线、开关、继电器等)。在连接21断开时(在端子14和节点44之间没有连接)，桥3在跟随器模式中操作，即电压Vdc的最大值对应于电压Vac的峰值(到损耗以内)。在连接21活跃时，转换器在倍压模式中操作，即电压Vdc的最大值近似对应于电压Vac的峰值的二倍。
为了实现在转换器的启动时的涌入电流限制功能，电阻性元件22连接端子12和32。然而，代替用如图1中的双向开关24来短路这一元件，这里提供了两个可控单相整流元件，在实践中为将端子12分别耦合到端子36和端子38的晶闸管Th2和Th2。晶闸管Th1的阳极在端子12一侧。晶闸管Th2的阳极在端子38一侧。
优选地，在端子12和电阻器22之间插入电感性电路元件(电感器L)，晶闸管Th1和Th2被连接到电阻器和电感器L的接合点。
晶闸管Th1和Th2受电子电路(例如微处理器26)控制，该电子电路负责生成用于控制晶闸管Th1和Th2和经由光、磁或电容技术的一个或两个绝缘的耦合器(图3中未示出)来控制这些晶闸管的栅极的脉冲。微控制器26接收不同的设定点CT或测量结果以根据由转换器供电的负载的需要及其它来在正确的时间生成脉冲。
图4A、4B、4C和4D在定时图中示出了处于倍压模式的图3的转换器的操作。图4A示出了电压Vac和获得的电压Vdc的形状的示例。图4B图示了电阻器22中的电流I22的形状。图4C和图4D图示了晶闸管Th1和Th2中的电流I1和I2的形状。
在第一阶段I中，只要电压Vdc还没有达到其稳态值，即近似于电压Vac的峰值的两倍，晶闸管Th1和Th2就保持关断。电容器C01和C02然后以非受控方式通过电阻器R22和桥3进行充电。在正半波期间，电流从端子12流过可选的电感L流过电阻器22、二极管D31、电容器C01和开关21以达到端子14。在负半波期间，电流从端子14流过开关21、电容器C02、二极管D35、电阻器22和可选的电感L以达到端子12。
在第二稳态阶段II中，其中电阻器22对于限制涌入电流不再必要，对于电压Vac的每个半波，电阻器22根据该半波的符号而被晶闸管Th1和Ths中的一个或另一个短路。在正半波期间，电流从端子12流过可选的电感L，流过晶闸管Th1、电容器C01和开关21以达到端子14。在负半波期间，电流从端子14流过开关21、电容器C02、晶闸管Th2、和可选的电感L以达到端子12。
图5A、5B、5C和5D在定时图中示出了处于跟随器模式(开关21关断)的图3的转换器的操作。图5A示出了电压Vac和获得的电压Vdc的形状的示例。图5B图示了电阻器22中的电流I22的形状。图5C和图5D图示了晶闸管Th1和Th2中的电流I1和I2的形状。
与针对图4A到4D所说明的操作相比，差别在于电压Vdc的幅度不超过电压Vac的峰值。
在第一阶段I中，只要电压Vdc还没有达到其稳态值，即近似于电压Vac的峰值的两倍，晶闸管Th1和Th2保持关断。电容器C01和C02然后以非受控方式通过电阻器R22和桥3进行充电。在正半波期间，电流从端子12流过可选的电感L，流过电阻器22、二极管D31、电容器C01、电容器C02和二极管D37以达到端子14。在负半波期间，电流从端子14流过二极管D33、电容器C01、电容器C02、二极管D35、电阻器22和可选的电感L以达到端子12。
在第二稳态阶段II中，其中电阻器22对于限制涌入电流不再必要，对于电压Vac的每个半波，电阻器22如在倍压模式中一样，根据该半波的符号而被晶闸管Th1和Ths中的一个或另一个短路。在正半波期间，电流从端子12流过可选的电感L，流过晶闸管Th1、电容器C01、电容器C02和二极管37以达到端子14。在负半波期间，电流从端子14流过二极管D33、电容器C01、电容器C02、晶闸管Th2、和可选的电感L以达到端子12。
晶闸管Th1和Th2在阶段II中优选地被相位角控制为根据电容器的充电程度而在减少经整流的电压Vac的相位中成为导电的。
在图4C、4D、5C和5D的重现中，根据半波的电流I1和I2的幅度取决于转换器的下游功率消耗并且展示出任意的示例。
图6部分地示出了转换器的另一实施例。
与图3的实施例相比，用阳极栅极晶闸管Th1’来替代晶闸管Th1。在这种情况中，可以通过使用脉冲变压器从相同的辅助电源来控制两个晶闸管，而在图3的情况中，从不具有相同参考的电压来生成电流是必要，这需要针对每个晶闸管Th1和Th2的不同的绝缘耦合器。
在图6的示例中，变压器4的第一绕组L41从用DC电压Vcc供电的微控制器26接收脉冲控制。绕组L41的另一端耦合到在电源端子Vcc和接地端之间的两个电容性元件C43和C44的接合点。变压器4的第二绕组L42使其一端连接到晶闸管Th1’和Th2’的接合点，并且使其另一端耦合到晶闸管Th1’和Th2的栅极。这一耦合经由可选串联电阻器R45和两个二极管D46和D47来执行，该两个二极管D46和D47分别将绕组L42(或电阻器R45)连接到晶闸管Th1’和Th2的栅极。晶闸管Th1’的阳极栅极连接到二极管D46的阳极，而晶闸管Th2的阴极栅极耦合到二极管D47的阴极栅极，二极管D46的阴极和二极管D47的阳极连接到绕组L42(或电阻器R45)。
图6的电路因而使得能够向晶闸管Th2中注入栅极电流，以及从晶闸管Th1’提取栅极电流。两个晶闸管因而每次在向变压器4的主绕组L41施加AC脉冲(+Vcc/2-Vcc/2类型)时被控制。
如果两个控制希望例如通过在电压Vac的正半波期间仅仅控制晶闸管Th1’，并且在电压Vac的负半波期间仅仅控制晶闸管Th2而被区别，可以通过分别在这两个类型的半波期间跨L41施加类型为-Vcc/0的信号(以导通晶闸管Th1’)和类型为+Vcc/0的信号(以导通晶闸管Th2)。由于这样的信号具有DC分量，所以变压器4不应当具有可饱和的磁材料以避免该材料的饱和并且确保控制信号传递的正常操作。因而可以例如使用没有磁芯的变压器(或者“空气变压器”)。为了跨绕组L41生成控制信号+Vcc/0和-Vcc/0，用由两个晶体管形成的所谓的推拉组件来替代由C43和C44形成的分压桥。
根据另一实施例，选择晶闸管Th1’和Th2以使两者通过从其栅极提取电流来操作。因而，相同的所谓负电源电压Vdd(即，使其高电平VDD连接到端子32，其自身耦合到电源的端子12)足以向两个晶闸管Th1”和Th2供电。这一相同的电源可以用于向三端双向可控硅的栅极供电，所述三端双向可控硅的控制参考连接到端子32。这样的三端双向可控硅对于控制用电压Vac供电的AC电流负载可能是有用的。
图7示出了转换器的又一实施例。
与图3的实施例相比，用阳极栅极晶闸管Th1’来替代晶闸管Th1。另外，用可由负栅极电流控制(即通过从其栅极吸取电流)的晶闸管Th2’替代晶闸管Th2。在这种情况中，可以通过从相同的所谓的负次要电源VDD(即，使其高电平VDD耦合到电源端子12)来控制两个晶闸管。
可以从关于图3论述的操作来推断出图6和图7的组件的操作。
可由负电流控制的阴极栅极晶闸管的形成本身是已知的。
图8和图9是分别具有正栅极电流或者电流注入(最大电流情况)、以及负栅极电流或者电流提取的阴极栅极晶闸管的实施例的简化截面图。
根据这些示例，在N型衬底51中形成晶闸管。在后表面处，P型层52限定阳极区域，阳极电极A通过区域52的接触金属53来获得。在前表面处形成P型阱54。在阱54中形成N型阴极区域55(N1)并且这一区域55的接触金属56限定阴极电极K。
在图8的情况中，在P型阱54的层级处形成栅极接触57。因而，如果晶闸管被适当偏置(正阳极-阴极电压)，则栅极电流的注入启动晶闸管。
在图9的情况中，在栅极接触57下面添加了N型区域58(N2)。通过允许向N型衬底51中的电子注入，区域58允许了通过负栅极电流的导通(即从阴极K流到栅极G)，衬底51对应于由区域52-51-54形成的NPN型双极型晶体管的基极。
作为变化，区域58可以至少被分为两部分以允许P区域(54)与栅极的直接接触。这样的变化称为“短路空穴”，其使得能够改善对晶闸管的电压过渡的抗干扰性并且因而允许了正栅极电流的控制(即，从栅极G流到阴极K)。
已经描述了各种实施例。本领域技术人员将想到各种变更、修改和改进。例如，可以用三端双向可控硅来替代晶闸管，该三端双向可控硅每个与二极管串联或者不串联。另外，基于上文给出的功能性指示，已经描述的实施例的实际实现方式在本领域技术人员的能力之内。具体而言，微控制器的编程取决于应用，并且描述的实施例与使用微控制器等来控制转换器的通常的应用相兼容。
这样的变更、修改和改进旨在于成为本公开内容的一部分，并且旨在于处于本发明的精神和范围之内。因此，上面的描述仅仅为示例型并且并不旨在于为限制性的。仅在以下权利要求及其等同方案中对本发明做出限定。

Claims (15)

1.一种AC/DC转换器，包括：
被配置为接收AC电压的第一端子和第二端子；
被配置为供应第一DC电压的第三端子和第四端子；
具有分别经由电阻性元件耦合到所述第一端子和连接到所述第二端子的输入端子并且具有分别连接到所述第三端子和所述第四端子的输出端子的整流桥；
将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
将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.根据权利要求1所述的转换器，其中所述第一可控整流元件和所述第二可控整流元件被控制为在其中所述电阻性元件限制涌入电流的启动阶段完成之后被选择性地导通。
3.根据权利要求1所述的转换器，进一步包括：
耦合所述第三端子和所述第四端子的两个串联连接的电容性元件，以及
将所述电容性元件之间的接合点连接到所述第二端子的开关。
4.根据权利要求1所述的转换器，其中所述第一整流元件和所述第二整流元件是阴极栅极晶闸管。
5.根据权利要求1所述的转换器，其中所述第一整流元件是能够通过提取第一栅极电流控制的阳极栅极晶闸管，并且所述第二整流元件是能够通过注入或者提取第二栅极电流控制的阴极栅极晶闸管。
6.根据权利要求5所述的转换器，其中所述阳极栅极晶闸管和所述阴极栅极晶闸管的栅极能够通过由AC信号激发的同一变压器电路来控制。
7.根据权利要求5所述的转换器，其中所述阳极栅极晶闸管和所述阴极栅极晶闸管的栅极通过由周期性的方波正和负信号激发的同一变压器来控制。
8.一种AC/DC转换器，包括：
第一输入端子和第二输入端子；
整流桥，所述整流桥具有经由电阻性电路元件耦合到所述第一输入端子的第一输入端和连接到所述第二输入端子的第二输入端并且具有第一输出端和第二输出端；
第一晶闸管，所述第一晶闸管具有耦合到所述第二输出端的阳极端子和耦合到所述第一输入端的阴极端子；
第二晶闸管，所述第二晶闸管具有耦合到所述第一输入端的阳极端子和耦合到所述第一输出端的阴极端子；以及
控制电路，所述控制电路被配置为生成用于向所述第一晶闸管和所述第二晶闸管的栅极端子施加的控制信号。
9.根据权利要求8所述的转换器，其中所述控制电路被配置用于在第一阶段中操作，在所述第一阶段中所述控制电路将所述第一晶闸管和所述第二晶闸管两者配置为关断且所述电阻性电路元件工作以限制涌入电流，并且所述控制电路被进一步配置用于在第二阶段中操作，在所述第二阶段中所述控制电路将所述第一晶闸管和所述第二晶闸管两者配置为选择性导通以将所述电阻性电路元件旁路。
10.根据权利要求8所述的转换器，进一步包括与所述输入端子串联耦合的电感器。
11.根据权利要求8所述的转换器，进一步包括：
在所述输入端子和所述第一晶闸管和所述第二晶闸管的所述栅极端子之间耦合的第一电感器；以及
磁耦合到所述第一电感器并且电耦合到所述控制电路的输出端的第二电感器。
12.根据权利要求11所述的转换器，进一步包括：
在所述第一电感器和所述第一晶闸管的所述栅极端子之间耦合的第一二极管；以及
在所述第一电感器和所述第二晶闸管的所述栅极端子之间耦合的第二二极管。
13.根据权利要求8所述的转换器，进一步包括分别耦合到所述整流桥的所述第一输出端和所述第二输出端的第一输出端子和第二输出端子。
14.根据权利要求8所述的转换器，其中所述第一晶闸管和所述第二晶闸管都是阴极栅极类型晶闸管。
15.根据权利要求8所述的转换器，其中所述第一晶闸管是阴极栅极类型晶闸管并且所述第二晶闸管是阳极栅极类型晶闸管。
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