CN111713001A - 自供电开关装置以及操作这种装置的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种负载的开关装置(1)，该开关装置包括：‑两个开关端子(2a、2b)；‑串联设置在两个开关端子(2a、2b)之间并限定中点(M)的耗尽型高压晶体管(5)和增强型低压晶体管(6)；‑控制电路(4)，其生成低压晶体管(5)的栅极的控制信号(IN)，以选择性地将装置(1)置于导通状态或截止状态；‑供电电路(7)，其包括连接至中点(M)的输入端(7a)和向控制电路(4)提供供电电压(Va)的输出端(7b)。供电电路包括储能电容器(Cm)，储能电容器连接至对储能电容器(Cm)充电的常通开关(7c)，储能电容器在将开关装置(1)连接至负载时向控制电路(4)提供供电电压(Va)。
Description
技术领域
本发明涉及电气负载的开关装置。更具体地，本发明旨在一种包括控制电路和该控制电路的供电电路的开关装置。
背景技术
串联地组合耗尽型高压晶体管和增强型低压晶体管的负载开关装置在本领域中是已知的。根据施加至所述装置的引脚的外部切换信号的值，对晶体管进行控制以选择性地将所述装置置于进行传导的导通状态或者置于截止状态。该开关装置旨在集成到系统中，在该系统中，该开关装置电连接至由电源电路和发电机组成的负载，并且使得可以在传导时段期间将电力从发电机传递至电源电路。由发电机提供的电压通常较高，例如，400V、600V或更高。
这两个晶体管可以以共源共栅方式安装，在这种情况下，将低压晶体管的源极电连接至高压晶体管的栅极。该装置的控制电路可以通过施加至低压晶体管的栅极的控制信号来选择性地将该装置置于导通状态或者截止状态。
这两个晶体管可以另选地以级联方式安装，在这种情况下，控制电路生成第一控制信号和第二控制信号，该第一控制信号和第二控制信号被分别施加至低压晶体管的栅极和高压晶体管的栅极，以选择性地将该装置置于导通状态或者截止状态。
在两种情况下，该开关装置是常断的；换句话说，当该装置没有电力时，特别是在控制电路没有电力时，该开关装置处于非活动模式、截止状态。这避免过早地将该装置接通至负载进而潜在地导致严重的安全问题。
除了对开关装置的传导状态进行控制的功能外，控制电路还确保所述装置的良好功能。如果检测到故障或者有可能导致这种故障的事件，则该控制电路生成控制信号，以将该装置置于非活动模式，在该非活动模式下，该装置被断开。如果该装置的工作温度过高或者特定电压偏离关联的设定点电压，那么情况就尤其如此。
控制电路是以集成形式实现的，例如，以可编程逻辑门系统的形式、以分立组件的形式或者以适当编程的微控制器的形式来实现。在所有情况下，控制电路根据外部切换信号的值以及装置的内部状态对控制信号进行适当的排序。
必须向控制电路供电，为此，该装置通常设置有供电引脚，从而将来自系统的专用电路的电源电压施加至该控制电路。该电路实现了诸如二极管、电感器和/或电容器的高电压组件，以从系统的切换的负载汲取电力并处理该电力，从而向该装置提供具有相对较低幅度(几伏特)的稳定供电电压。这种类型的外部供电电路实现起来复杂且昂贵。
EP0585788公开了一种电气负载的开关装置，该开关装置包括由外部变压器的次级线圈以低电压供电的控制电路。在需要由变压器的次级提供的电压的开关装置的工作期间，起动器电路使得可以发起控制电路和电力供应的启动。
一些现有技术文件提供了一种开关装置的辅助内部电源。在US9590507中情况尤其如此。
发明内容
本发明涉及提出现有技术解决方案的另选解决方案。本发明具体涉及提出了一种负载的开关装置，所述开关装置包括：两个开关端子；耗尽型高压晶体管和增强型低压晶体管，所述耗尽型高压晶体管和所述增强型低压晶体管串联布置在所述两个开关端子之间并且限定中点；控制电路，所述控制电路生成所述低压晶体管的栅极的控制信号，以便选择性地将所述开关装置置于导通状态或者截止状态；以及供电电路，所述供电电路包括连接至所述中点的输入端和向所述控制电路提供供电电压的输出端。
根据本发明，所述供电电路包括储能电容，所述储能电容在所述开关装置连接至所述负载时，建立向所述控制电路提供的所述供电电压。
根据本发明，所述供电电路还包括常通开关，所述常通开关布置在所述输入端与所述储能电容之间，并且适于在所述开关打开时将所述储能电容与所述中点电隔离。
根据本发明，所述储能电容在所述开关装置连接至所述负载时，建立向所述控制电路提供的所述供电电压，在所述开关打开时，所述储能电容与所述中点电隔离。
由此提供了所述控制电路的自供电电路，并且不必提供在所述装置外部的供电电路。
根据本发明的单独地或者以任何技术上可行的组合采用的其它有利的、非限制的特征：
-所述高压晶体管的栅极电连接至所述低压晶体管的源极；
-所述控制电路生成所述低压晶体管的栅极的第二控制信号；
-所述开关包括耗尽型低压晶体管和二极管，所述二极管电连接至所述电路的输入端并且与所述耗尽型低压晶体管串联地布置；
-所述开关包括串联连接的第一耗尽型低压晶体管和第二耗尽型低压晶体管；
-所述供电电路还包括对供电电压进行调节的电路；
-所述控制电路被配置成生成所述开关的停用信号，使得生成用于将所述装置置于导通状态的所述第一控制信号；
-所述高压晶体管具有绝对值大于所述供电电压的阈值电压，所述供电电压足以使所述控制装置起作用；
-所述控制电路被配置成，在所述供电电压(Va)超过阈值电压时，生成所述开关的停用信号；
-所述控制电路被配置成，在所述供电电压下降到最小阈值电压以下时，将所述装置置于受保护配置。
本发明还涉及一种对这种开关装置进行控制的方法，所述方法包括以下步骤：
-截止阶段，在所述截止阶段期间，所述控制电路生成控制信号以打开所述低压晶体管；
-导通阶段，在所述导通阶段期间，所述控制电路生成控制信号以闭合所述低压晶体管。
根据本发明，所述方法包括以下步骤：所述控制电路至少在所述开关装置的导通阶段期间，生成停用信号以打开所述供电电路的开关。
附图说明
根据下面参照附图进行的本发明的详细描述，本发明的进一步特征和优点将变得显而易见，其中：
-图1示出了根据本发明的开关装置的示例实施方式；
-图2是根据本发明的装置在工作期间出现的电压的计时图；
-图3a至图3d示意性地示出了根据本发明的装置在其操作的不同步骤中的状态；
-图4示出了根据本发明的开关装置1的改进版本；
-图5示出了对供电电压进行调节的电路的示例实施方式；
-图6示出了根据本发明的供电电路的第一实施方式；
-图7A至图7D示出了根据本发明的供电电路的四个其它实施方式。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的开关装置1的示例实施方式。
该开关装置包括两个开关端子2a、2b，(如图中的虚线所示)这两个开关端子可以连接至负载P和发电机G，该发电机表示连接至开关装置1的电源电路。发电机G的电压VBus可能相当大，例如，400V、600V或更高，并且可以在电力装置中流动的电流可能很高，例如，大于1A。
众所周知，开关装置1使得可以根据切换信号COM选择性地将发电机G的电压施加至负载P，该切换信号可以被施加至装置的引脚以提供给控制电路4。还可以想到，该切换信号COM是由开关装置1本身或者更具体地由该装置1的控制电路4生成的。
开关装置1包括耗尽型高压晶体管5。
“高压晶体管”是指包括漏极、源以及栅极的晶体管，施加至栅极的低振幅电压(大约几伏特)可以使漏极与源极之间的连接在电气上导通或截止。在截止状态下，在漏极与源极之间出现的电压可以是高振幅(例如，400V、600V或更高)，而不会损坏晶体管。
耗尽型晶体管具有负电压阈值(在本发明的上下文中，通常在-8V与-5V之间)。因此，栅极与源极之间的电压必须为负且低于该阈值电压，以使该晶体管截止。
耗尽型高压晶体管5可以是例如基于GaN或SiC的HEMT晶体管。这种类型的晶体管具有高振幅的雪崩电压(换句话说，在不损坏晶体管的情况下，可以施加在该晶体管的漏极与源极之间的最大电压，该最大电压可以是击穿电压)，该雪崩电压被选择为大于电源电路的发电机的电压，例如，大于400V或600V。
开关装置1还包括具有漏极、源极以及栅极的增强型低压晶体管6。
增强型晶体管具有正阈值电压。因此，栅极与源极之间的电压必须为正且大于该阈值电压，以使该晶体管导通。
低压晶体管6可以是基于硅的MOSFET晶体管。低压晶体管的雪崩电压低于高压晶体管的雪崩电压。低压晶体管的雪崩电压例如可能约为30V。
低压晶体管6和高压晶体管5串联设置在两个开关端子2a、2b之间。因此，高压晶体管的漏极连接至这两个端子中的一个端子，并且低压晶体管的源极连接至这两个端子中的另一端子。高压晶体管5的源极在中点M处连接至低压晶体管6的漏极。在所示示例中，第一端子2a连接至负载，并且第二端子2b连接至系统的电气地，但是本发明决不限于这种特定的配置。
在所示示例中，低压晶体管6和高压晶体管5是以共源共栅方式安装的；换句话说，低压晶体管的在此连接至系统的地的源极还被电连接至高压晶体管5的栅极。
在该配置中，装置1的导通状态或截止状态由施加至低压晶体管6的栅极的电压确定。高于该晶体管的阈值电压Vt的电压使该晶体管导通，并且低于该阈值电压Vt的电压使该晶体管截止。
进一步描述图1的开关装置1，该开关装置还包括控制电路4。如已经看到的，该电路可以接收在装置1外部生成的切换信号COM。另选地，控制电路4本身可以根据装置的状态生成该切换信号，换句话说，根据从装置汲取的特定电压或特定电流的测量结果生成该切换信号，该测量结果是经由电气连接(示意图1中未示出)传送至该控制电路的。无论控制电路4如何接收或生成该切换信号COM，控制装置对该信号进行处理，以建立并生成向低压晶体管6的栅极施加的控制信号IN，从而有效地将装置1置于导通状态或截止状态。
如已经看到，控制电路4是有源电路，因此需要向该控制电路供电。为此，装置1设置有供电电路7。该电路包括输入端7a，该输入端电连接至限定在高压晶体管5与低压晶体管6之间的中点M。该电路还具有输出端7b，该输出端提供供电电压Va并且被电连接至控制电路7。与在开关端子2a、2b或者中点M处可能出现的电压相比，供电电压Va具有较低的值。该供电电压大约为几伏特，例如，5V。
供电电路7包括储能电容器Cm，该储能电容器的其中一个电极连接至输出端7b，并且另一电极连接至系统的电气地或者该系统的另一参考电压。该电容器Cm具有存储在中点M处汲取的负载以便建立将被提供给控制电路的供电电压Va的功能。
在装置的操作期间，中点M处的电压Vm在装置导通时的系统的电气地与装置截止时的低压晶体管的雪崩电压之间变化。
供电电路7包括开关7c，开关7c设置在输入端7a与承载供电电压Va的储能电容器Cm的对应于输出端7b的端子之间。开关7c是常通的；换言之，该开关在没有任何命令的情况下是闭合的，并且在这种情况下，储能电容器连接至装置1的中点M。
开关7c的“常通”功能很重要，因为它确保在装置1启动时，换句话说，在将该装置置于与两个开关端子2a、2b处的负载电接触的时刻，供电电路可以在中点M处汲取电荷以填充储能电容器Cm，并且逐渐获得和提供足够的供电电压Va以使能够启用控制装置7。稍后将在本公开中更详细地解释装置的操作。
借助于由控制电路4生成的停用信号DIS使开关7c打开。在控制电路4被供电并可工作时，在控制信号IN被生成时，该控制电路建立并生成开关7c的停用信号DIS，以将装置1置于导通状态。因此，在该时段期间，供电电路7与高压晶体管5和低压晶体管6相隔离。更具体地，储能电容器Cm与中点电隔离，该中点在装置的传导阶段期间通过高强度电流，该高强度电流不得转向供电电路7。
众所周知，开关7c可以包括常通晶体管，举例来说，诸如耗尽型MOSFET晶体管的低压晶体管。这种类型的晶体管固有存在的体二极管(body diode)会导致反向电流流入晶体管。由于存在这种反向电流，因此这种类型的晶体管就其本身而言无法构成开关，即，该开关在打开时使得可以将储能电容器Cm与中点M电隔离。
在图6所示的本发明的第一实施方式中，开关7c包括耗尽型低压晶体管和二极管，该二极管被电连接至所述电路的输入端7a并且与该耗尽型低压晶体管串联设置。
如果中点M的电压已经下降到储能电容器Cm的端子处可用的供电电压以下，则这种类型的二极管的存在就具有使得可以避免储能电容器Cm向高压晶体管5和低压晶体管6中的一个晶体管放电并由此保存电荷的优点。
在这种情形下，二极管和耗尽型低压晶体管的串联连接使得可以将储能电容器Cm与中点电隔离。
耗尽型低压晶体管可以是P沟道晶体管。在这种情况下，耗尽型低压晶体管的漏极连接至储能电容器Cm的端子，耗尽型低压晶体管的源极连接至二极管，并且耗尽型低压晶体管的栅极连接至控制电路4。因此，当耗尽型低压晶体管处于导通状态时，电流从中点流向储能电容器Cm。当耗尽型低压晶体管处于截止状态时，所述体二极管使电流从漏极流向源极，所述二极管阻止流过该体二极管的电流，从而将储能电容器Cm与中点M相隔离。
另选地，耗尽型低压晶体管可以是N沟道晶体管。在这种情况下，耗尽型低压晶体管的源极连接至储能电容器Cm的端子，耗尽型低压晶体管的漏极连接至二极管，并且耗尽型低压晶体管的栅极连接至控制电路4。因此，当耗尽型低压晶体管处于导通状态时，电流从中点流向储能电容器Cm。当耗尽型低压晶体管处于截止状态时，所述体二极管使电流从源极流向漏极，所述二极管阻止流过该体二极管的电流，从而将储能电容器Cm与中点M相隔离。
图7A至图7D示出了根据本发明的四个其它实施方式。在这四个实施方式中，将串联连接的二极管和耗尽型低压晶体管替换成了串联连接的第一耗尽型低压晶体管和第二耗尽型低压晶体管。
在一个实施方式中，第一耗尽型低压晶体管和第二耗尽型低压晶体管是两个N沟道晶体管或者两个P沟道晶体管，将各个晶体管的漏极互连或者将各个晶体管的源极互连。
如图7A所示，第一耗尽型低压晶体管和第二耗尽型低压晶体管可以是两个P沟道晶体管。在这种情形下，各个晶体管的体二极管可使电流从源极流向漏极，从而这两个晶体管应背对背放置。因此，当这两个耗尽型低压晶体管处于导通状态(换句话说，处于这两个耗尽型低压晶体管的默认状态)时，电流从中点M流向储能电容器Cm。当这两个耗尽型低压晶体管处于截止状态时，这两个耗尽型低压晶体管的体二极管以相反方向设置，电流无法沿任何方向流动，从而将储能电容器Cm与中点M相隔离。
另选地，如图7B所示，第一耗尽型低压晶体管和第二耗尽型低压晶体管可以是两个N沟道晶体管。在这种情形下，各个晶体管的体二极管可使电流从漏极流向源极，这两个晶体管同样应背对背放置。因此，当这两个耗尽型低压晶体管处于导通状态时，电流从中点M流向储能电容器Cm。当这两个耗尽型低压晶体管处于截止状态时，这两个耗尽型低压晶体管的体二极管是以相反方向设置的，电流无法沿任何方向流动，从而将储能电容器Cm与中点M相隔离。
术语“背对背”是指各个晶体管的漏极互连或者各个晶体管的源极互连。因此，在所有这些配置中，第一晶体管的漏极连接至中点，第一晶体管的源极连接至第二晶体管的源极，并且第二晶体管的漏极连接至储能电容器Cm的端子。
自然地，可以按以下方式将第一晶体管的端子和第二晶体管的端子颠倒：将第一晶体管的源极连接至中点，将第一晶体管的漏极连接至第二晶体管的漏极，并且将第二晶体管的源极连接至储能电容器Cm的端子。
在另一实施方式中，第一耗尽型低压晶体管和第二耗尽型低压晶体管分别是N沟道晶体管和P沟道晶体管或者是P沟道晶体管和N沟道晶体管，第一晶体管的源极连接至第二晶体管的漏极。
如图7C所示，第一晶体管可以是N沟道晶体管，第二晶体管可以是P沟道晶体管。在这种情形下，相应地，N沟道晶体管的体二极管使电流从源极流向漏极，并且P沟道晶体管的体二极管使电流从漏极流向源极，从而应将这两个晶体管串联布置，意指第一晶体管的源极连接至第二晶体管的漏极。因此，当这两个耗尽型低压晶体管处于导通状态时，电流从中点M流向储能电容器Cm。当这两个耗尽型低压晶体管处于截止状态时，这两个耗尽型低压晶体管的体二极管是以相反方向设置的，电流无法沿任何方向流动，从而将储能电容器Cm与中点M相隔离。
另选地，如图7D所示，第一晶体管可以是P沟道晶体管，第二晶体管可以是N沟道晶体管。在这种情形下，相应地，P沟道晶体管的体二极管使电流从漏极流向源极，并且N沟道晶体管的体二极管使电流从源极流向漏极，从而这两个晶体管应串联布置，意指第一晶体管的源极连接至第二晶体管的漏极。因此，当这两个耗尽型低压晶体管处于导通状态时，电流从中点M流向储能电容器Cm。当这两个耗尽型低压晶体管处于截止状态时，这两个耗尽型低压晶体管的体二极管是以相反方向设置的，电流无法沿任何方向流动，从而将储能电容器Cm与中点M相隔离。
自然地，可以按以下方式将第一晶体管的端子和第二晶体管的端子颠倒：第一晶体管的源极连接至中点M，第一晶体管的漏极连接至第二晶体管的源极，并且第二晶体管的漏极连接至储能电容器Cm的端子。
不管所选择的实施方式如何，在热方面特别有利的是，形成开关7c的两个晶体管同时处于导通状态或者截止状态。
同时闭合两个晶体管使得可以迫使电流流过这两个晶体管中的各个晶体管的沟道，从而将这两个晶体管的体二极管短路。这种类型的短路可以避免通过体二极管的散热。
有利地，为了使所述晶体管中的各个晶体管的导通或截止状态同步，开关7c可以包括控制盒CTRL，该控制盒CTRL旨在调节提供给栅极的电压电平。如图7A至图7D所示，这个盒布置在控制电路4与所述耗尽型低压晶体管中的各个耗尽型低压晶体管的栅极之间。控制盒CTRL被配置为调节由控制电路递送的信号，以向这些栅极中的各个栅极施加电压，从而使两个晶体管同时处于导通状态或截止状态。这种类型的盒子的配置本身是众所周知的，并且根据耗尽型低压晶体管的性质，例如可以包括逆变器。
不管所选择的配置如何，实际上，开关7c是常通开关，该开关在打开时适于将储能电容器Cm与中点M电隔离。
作为例示，图2是在装置1的操作期间该装置逐渐获得的电压的计时图。
非常普遍，控制电路4命令装置1交替：
-截止阶段，在该截止阶段，控制电路4生成控制信号IN以打开低压晶体管6。该信号在图2的计时图中处于0V。该电压低于低压晶体管6的阈值电压Vt，以使该低压晶体管截止。
-导通(或传导)阶段，在该导通阶段，控制电路4生成控制信号以闭合低压晶体管6。这个信号可能具有几伏特，但是在所有情况下都大于低压晶体管6的阈值电压Vt以使该低压晶体管导通。同样，在该阶段，控制电路生成停用信号DIS，以使供电电路7的开关7c打开。
返回至图2的描述，时间t0被定义为装置1物理连接至该装置的负载的时间。因此，在该时间t0，将储能电容器Cm完全放电，并且供电电压Va为零。控制电路4不能工作，换句话说，不能提供诸如低压晶体管的栅极的命令IN或者开关的控制DIS的命令。然而，低压晶体管5和高压晶体管6的“共源共栅”配置确保装置1确实处于截止状态。
图3a示意性地示出了该装置在该启动时间t0的状态。控制电路4未通电，控制信号IN具有零电压，该零电压小于增强型低压晶体管的阈值电压Vt，因此该增强型低压晶体管是打开的。供电电路7的常通开关7c闭合，控制电路4不能提供停用信号DIS。耗尽型高压晶体管5的源极的电压(对应于该晶体管的控制电压Vgs)在启动时间t0同样大致为零，但仍大于该晶体管的阈值电压Vt'(该阈值电压为负)，因此该晶体管导通。因此，在时间t0之后的时刻期间，借助于在高压晶体管5中流动的电流I在中点处汲取电荷。储能电容器Cm被充电，并且逐渐建立供电电压Va。如果忽略高压晶体管的漏极-源极电阻，则高压晶体管的端子处的电压VDM在该晶体管导通时大致为零(并且在任何情况下比发电机VBus的电压小至少一个数量级)。
当该供电电压Va足够时，例如当该供电电压达到控制电路4的标称供电电压(该标称供电电压例如可以为5V)时，控制电路4被启用并且变得可工作。换言之，控制电路4因此由供电电路7供电，并因此可工作并准备生成命令以使可以操作装置1。
自然地，高压晶体管的阈值电压Vt'被选择成(在绝对值上)大于足以使控制装置4工作的供电电压Va。
中点的电压Vm等于供电电压。因此，该电压随着供电电压逐渐增加。t0'指示这样的时刻，即，在该时刻，中点电压的发展变化使得控制电压Vgs(对应于相反的中点电压Vm)在高压晶体管的阈值电压Vt'之下通过。从该时刻t0'起，高压晶体管5打开，并且在该高压晶体管的端子之间施加的电压VDM大致是以发电机VBus的电压建立的。然而，通过该晶体管的泄漏电流导致电压从中点持续增加，直到低压晶体管6的雪崩电压VBR。图3b示出了装置1从该时间t0'开始的示意状态。
为了避免继续将储能电容Vm充电直到低压晶体管6的雪崩电压VBR(这可能会过大)，可以以供电电压Va足够的方式设置：控制装置4在启动时生成用于打开开关的命令DIS。在为说明图2和图3b中的装置1的操作而示出的示例中，在中点已经达到低压晶体管6的雪崩电压VBR之后的时间，控制装置在时刻t1生成开关7c的停用信号DIS。结果，开关7c打开，并且储能电容器Cm的被汲取以提供给控制电路的电荷不会被更新。因此，供电电压Va从该时间t1开始降低。
例如，如果开关7c是由耗尽型低压晶体管和二极管的串联组合形成的，则开关的打开命令DIS可以对应于向该晶体管施加低于该晶体管的阈值电压的栅极电压，从而使该晶体管置于截止状态。二极管与晶体管的串联组合使得可以将储能电容器Cm与中点M电隔离。
如果开关7c是由两个耗尽型低压晶体管的组合形成的，则打开开关的命令DIS可以对应于向这些晶体管中的各个晶体管施加小于该晶体管的阈值电压的栅极电压，从而使这些晶体管置于截止状态。采用上述配置中的一种配置的这两个晶体管的组合使得可以将储能电容器Cm与中点M电隔离。
另选地且有利地，打开开关的命令DIS可以对应于向控制盒CTRL提供信号，该控制盒被配置成调节提供给栅极的电压电平，并且同时将耗尽型低压晶体管置于截止状态。
如上面已经描述的，这种同时性使得可以避免在一晶体管处于导通状态时跨置于截止状态的另一晶体管的体二极管的散热。
在时间t2，控制电路4生成低压晶体管的栅极的命令IN，该命令旨在使该晶体管闭合并且使装置1进入传导阶段。如已经看到的，这可以通过外部切换信号COM的转换实现。控制电路4已经确保在该事件之前在时间t1停用供电电路7的开关7c，以防止(如已经示出的)在该阶段期间该电路保持连接至中点M。因此，通常并且如果已经不是这种情况，则控制电路4被配置成在生成低压晶体管的栅极的控制信号IN以使该低压晶体管闭合之前，通过生成该开关的打开控制DIS来停用供电电路的开关7c。
控制装置4生成低压晶体管6的栅极的控制信号IN，以将装置1置于导通状态达持续到时间t3的时段，如图2和图3c所示那样。贯穿时间t2与t3之间的该时段，控制电路4以开关7c打开的方式保持该开关的停用信号DIS。因此，随着供应控制电路的电荷的消耗，储能电容器Cm继续放电。
在时刻t3，控制装置4切换低压晶体管6的栅极的控制IN以使该低压晶体管打开并且将装置1的传导阶段中断。该时间t3可以是将外部切换信号COM切换至装置1而引起的，或者可以是由控制电路4本身建立的，例如在确定的传导阶段期间结束时建立的。
在该时间t3之后不久，在时间t4，控制装置4切换开关7c的停用信号DIS，以将储能电容器Cm布置回到与中点M相接触并使该储能电容器充电。在彼此非常接近的时间t3与t4之间，中点的电压朝着低压晶体管6的雪崩电压VBR逐渐地上升。高压晶体管5保持闭合，并且忽略高压晶体管5的漏极-源极电阻，在端子之间施加的电压VDM大致为零。在图3d中示意性地示出了装置在时间t3与t4之间的状态。
在时间t4，装置返回到与时间t0或t0'的状态类似的状态。因此，该装置的导通阶段和断开阶段可以彼此跟随(根据切换信号COM的状态)，并且再现刚刚已经阐明的周期。
在根据本发明的装置1的工作的补充说明中，图2示出了如下情形：在时间t5，当供电电压Va达到小于低压晶体管6的雪崩电压VBR的预定阈值Vamax时，生成开关7c的停用信号DIS。将该电压Vamax选择成大于控制电路4的标称供电电压。为了避免对储能电容器过度充电直到低压晶体管6的雪崩电压VBR，控制电路被配置成一旦由供电电路7提供的供电电压Va超过该阈值Vamax，就生成开关7c的停用信号DIS以将该开关打开从而停止对储能电容器Cm充电。
由此可以在图2中看出，从时间t5开始，打开开关7c导致中点Vm的电压陡然上升至低压晶体管的雪崩电压VBR。还要注意，在高压晶体管5的栅极-源极电压Vgs在该晶体管的阈值电压Vt'之下通过的同时，导致该晶体管打开，并且使发电机的电压Vbus施加在该晶体管的端子之间。控制电路4的电气消耗持续，从而导致供电电路提供的供电电压Va降低。
在未示出的变型例中，同样可以设置：将控制电路配置成检测在预定的最小阈值Vamin之下通过的供电电压Va。低于该阈值供电电压，不再保证控制电路的正常工作。而且，控制电路是按以下方式配置的：该检测导致装置1进入受保护的配置。这例如可以涉及一旦供电电压下降到该最小阈值Vamin以下，就将低压晶体管6的栅极的控制信号保持在打开状态或切换成打开状态。因此，将装置1置于受保护的截止状态。
图4示出了根据本发明的开关装置1的改进形式，为了更加清楚，省略了高压晶体管5和低压晶体管6。
除了已经结合图1的装置描述的部件之外，装置1的改进形式的供应电路7在供电电路中包括电压调节器LDO，该电压调节器设置在储能电容器Vm与调节电容器CR之间，该调节电容器CR连接至电路的输出端7b并且将供电电压Va提供给控制电路。这些附加的组件使得可以提供供电电压Va，该供电电压Va比在储能电容器Cm的端子处出现的振荡显著更少，根据充电/放电周期进行波动，并且与装置1的截止/导通阶段连接起来。
应注意到，仍然是将储能电容器Cm的端子处出现的电压提供给控制电路4，在该电路的高阻抗测量输入端处，对该电压的测量可能有用：如上说明的，当测量出的电压超过预定阈值Vamax时，将所述测量用于生成开关7c的停用信号；或者如果测量出的电压低于最小阈值电压Vamin，则将所述测量用于将装置置于受保护的配置。
众所周知并且如图5所示，调节电路LDO通常包括晶体管，该晶体管的栅极连接至参考电压比较器(诸如带隙电压)的输出，并且具有表示在调节电容器CR的端子处出现的电压的电压。比较器按以下方式根据需要使晶体管导通或截止以便将储能电容器Cm的电荷传递至调节电容CR：调节电容CR的端子处的电压Va大致等于足以向控制电路4供电并使该控制电路正常工作的设定点电压。该设定点电压是由分压器桥的电阻值确定的，该分压器桥的中点电压与参考电压进行比较。
不将供电电压Va的这种调节功能集成到此处提出的供电电压7中，而是可以设置：将该功能集成到控制电路4中。这导致了与图1所示的配置类似的配置。
通常，根据本发明的开关装置由此使得在装置1截止的阶段期间可以在供电电路7的储能电容器Cm中累积电荷。在装置1导通的阶段期间，使供电电路与大电流流过的节点相隔离。因此，按以下方式选择储能电容器Cm：当供电电路7被隔离时，该储能电容器累积足够的电荷来向控制电路供电。类似地，在装置1截止的阶段期间，开关7c将保持闭合足够长的时间，以对储能电容器Cm充分充电。在实践中，开关7c闭合的这个持续时间可能非常短(例如大约几百纳秒)，以便不限制装置1以非常高的频率从一个阶段切换成另一阶段的能力。
因此，本发明描述了一种包括内部供电电路的开关装置，该内部供电电路使得可以在不需要任何外部电源的情况下向该装置供电。
应注意到，未使该供电电路暴露于小的电压(相当于低压晶体管6的雪崩电压VBR)，因而该供电电路可以由容易制造或提供的组件组成，由此变得便宜。因此，可以低成本地从装置外部的电力供应换成所述供电电路。
自然地，本发明不限于所描述的实现，并且在不脱离由权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以将各种变型实施方式应用于所述实现。
因此，尽管已经示出低压晶体管6和低压晶体管5是以共源共栅配置连接的，但是可以以级联配置来实现根据本发明的开关装置1。在该配置中，低压晶体管5的栅极不连接至低压晶体管6的源极，因此，控制电路4逐渐获得第二控制信号IN'，以控制高压晶体管5的栅极。由此，对这两个信号IN、IN'进行控制，使得可以在装置1截止的阶段期间在供电电路7中累积电荷，如实际上已在本说明书中例示的。
根据本发明的开关装置可以以半桥配置用于电力转换系统中。众所周知，这种类型的系统包括连接至两个连接端子的高开关(switcher)和低开关(该高开关和低开关中的各个开关皆可以是根据本发明的)。将这些端子中的一个端子连接至高连续电压源，并且另一端子连接至地。这两个开关限定了与谐振负载连接的中点。
Claims (11)
1.一种负载的开关装置(1)，所述开关装置包括：
-两个开关端子(2a、2b)；
-耗尽型高压晶体管(5)和增强型低压晶体管(6)，所述耗尽型高压晶体管和所述增强型低压晶体管串联设置在所述两个开关端子(2a、2b)之间并且限定中点(M)；
-控制电路(4)，所述控制电路生成所述低压晶体管(6)的栅极的控制信号(IN)，以便选择性地将所述装置(1)置于导通状态或者截止状态；
-供电电路(7)，所述供电电路包括连接至所述中点(M)的输入端(7a)以及向所述控制电路(4)提供供电电压(Va)的输出端(7b)；
所述供电电路包括：
-储能电容器(Cm)，所述储能电容器在所述开关装置(1)连接至所述负载时建立提供给所述控制电路(4)的所述供电电压(Va)；
-常通开关(7c)，所述常通开关被设置在所述输入端(7a)与所述储能电容器(Cm)之间，并且适于在所述开关打开时将所述储能电容器与所述中点(M)电隔离。
2.根据前述权利要求所述的开关装置(1)，其中，所述高压晶体管(5)的栅极电连接至所述低压晶体管(6)的源极。
3.根据权利要求1所述的开关装置(1)，其中，所述控制电路生成所述高压晶体管(5)的栅极的第二控制信号。
4.根据前述权利要求中任一项所述的开关装置(1)，其中，所述开关(7c)包括耗尽型低压晶体管和二极管，所述二极管电连接至所述电路的输入端(7a)并且与所述耗尽型低压晶体管串联设置。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的开关装置，其中，所述开关(7c)包括串联连接的第一耗尽型低压晶体管和第二耗尽型低压晶体管。
6.根据前述权利要求中任一项所述的开关装置(1)，其中，所述供电电路(7)还包括用于调节所述供电电压的电路。
7.根据前述权利要求中任一项所述的开关装置(1)，其中，所述控制电路(4)被配置成生成针对所述开关(7c)的停用信号(DIS)，使得生成所述第一控制信号以将所述装置(1)置于导通状态。
8.根据前述权利要求中任一项所述的开关装置(1)，其中，所述高压晶体管(5)具有绝对值大于所述供电电压(Va)的阈值电压(Vt')，所述供电电压足以使所述控制装置(4)工作。
9.根据前述权利要求中任一项所述的开关装置(1)，其中，所述控制电路(4)被配置成在所述供电电压(Va)超过阈值电压(Vamax)时，生成针对所述开关(7c)的停用信号(DIS)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的开关装置(1)，其中，所述控制电路(4)被配置成在所述供电电压(Va)下降到最小阈值电压(Vamin)以下时，将所述装置置于受保护配置。
11.一种对根据前述权利要求中任一项所述的开关装置(1)进行控制的方法，所述方法包括：
-截止阶段，在所述截止阶段，所述控制电路(4)生成打开所述低压晶体管(6)的控制信号；
-导通阶段，在所述导通阶段，所述控制电路(4)生成闭合所述低压晶体管(6)的控制信号；
所述方法包括以下步骤：所述控制电路(4)至少在所述开关装置(1)的导通阶段期间，生成打开所述供电电路(7)的开关(7c)的停用信号(DIS)。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20200925 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |