專利名稱：用于控制a.c.開關的電路的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及電子電路，更具體地，涉及通過隔離阻擋，借助相對低幅度的 D.C.(直流電)信號控制相對高的A.C.(交流電)電壓的開關。
本發(fā)明的應用的實例涉及配備電子家用電器(例如，洗衣機、烤箱、冰箱 等)的控制電路。 一般地說，本發(fā)明應用到從低壓信號相對于供給它的高A.C. 電壓控制的電器。
背景技術(shù)：
借助低壓D.C.電路(至多幾十伏)，由高A.C.電壓(例如，幾百伏的電源 電壓)供電的高壓負載的控制，需要該電路和A.C.開關之間的隔離阻擋。這種 隔離阻擋不僅用于保護低壓電路而且用于保護使用者在開動連接到電子電路的 控制元件時不會因可能的觸電而死亡。而且，A.C.開關是具有控制的雙向用于 電流和電壓的集成元件，該控制需要低壓D.C.電壓來重新啟動A.C.電壓的每個 半波的開關。這些例如是用于執(zhí)行相同功能的三端雙向可控硅開關或其它集成 器件。具有隔離阻擋的D.C,D.C.轉(zhuǎn)換器則必需執(zhí)行這樣的功能。
通常使用初級由整流的高頻信號(D.C.或A.C.脈沖信號)激勵和次級濾波 的隔離變壓器來開啟A.C.開關。例如，文獻WO-A-2006/023767描述了利用H橋 的變壓器的轉(zhuǎn)換器，以產(chǎn)生與初級隔離的電源供應。使用隔離變壓器龐大且昂 貴。
其它系統(tǒng)(例如，如US專利號6728320中所描述的)使用電容元件在集成 電路和A.C.開關控制電路之間傳輸控制信號。然而這種傳輸僅涉及控制設定點， 且在A.C.開關一側(cè)，需要產(chǎn)生低電源電壓且由此需要另一變壓器提供連續(xù)開關 觸發(fā)所必需的電能。
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還可使用光耦合器，但這會引起可靠性問題，而沒有避免在次級需要電源 供應。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實施例目的在于克服具有電隔離以控制A.C.開關的已知D.C.-D.C.
轉(zhuǎn)換技術(shù)的全部或部分缺點。
更具體地，目的在于避免使用隔離變壓器。 另 一 目的還是提供小體積的解決方案。
為了完成這些和其它目的的全部或一部分，本發(fā)明提供一種電路，用于由 基準為第二電位的高頻信號產(chǎn)生D.C.信號，該信號用于控制基準為第一電位的 A.C.開關，包括
第一電容元件，將用于接收高頻信號的第一輸入端子連接到整流元件的第 一端子，該整流元件的第二端子連接到用于連接至開關的控制端子的第一輸出 端子；和
第二電容元件，將用于連接第二基準電位的第二輸入端子連接到用于被連 接至第一基準電位的第二輸出端子，第二整流元件使第一整流元件的第一端子 連接到第二輸出端子。
根據(jù)實施例，第一整流元件的第一端子是它的陰極，其陽極連接至第一輸 出端子。
根據(jù)實施例，第二輸出端子用于連接到A.C.開關的電源端子。 根據(jù)實施例，電容元件為高壓電容器。
根據(jù)實施例，電容將第一整流元件的第二端子連接到第二輸出端子。 根據(jù)實施例，高頻信號為D.C.脈沖信號。 根據(jù)實施例，電容元件具有幾皮法的值。 根據(jù)實施例，整流元件為肖特基二極管。
本發(fā)明還提供了 一種系統(tǒng)，用于借助相對低的D.C.電壓控制將相對高的 A.C.電源電壓供給負載，包括
連接至該負載的至少一個A.C.開關； 用于提供D.C.電壓的電子電路；和 用于產(chǎn)生控制A.C.開關的D.C.信號的電路。
結(jié)合附圖，從以下具體實施例的非限制性描述，將詳細地論述本發(fā)明的前 述和其它目的、特征和優(yōu)點。


圖1是用于控制A.C.開關的系統(tǒng)的方塊圖2示出了用于控制A.C.開關的D.C.-D.C.轉(zhuǎn)換器的實施例；
圖3A、 3B、 3C、 3D、 3E和3F是示例圖2的轉(zhuǎn)換器工作在穩(wěn)態(tài)的時序圖4A和4B是示例轉(zhuǎn)換器工作在通電時的時序圖；和
圖5是結(jié)合了形成轉(zhuǎn)換器的電路的封裝的方塊圖。
在以不合規(guī)定比例畫出的不同圖中，已用相同的附圖標記指定了相同的元 件，尤其是用于時序圖。
為了清楚起見，已示出且將描述僅用于理解本發(fā)明的那些元件。尤其是， 沒有詳細說明由A.C.開關控制的負載，本發(fā)明適合于由這種開關控制的任一負 載。
具體實施例方式
圖1是借助A.C.開關K用于控制用相對高幅度和相對低頻率的A.C.電壓 Vac(例如，電力分配系統(tǒng)A.C.電壓)供給負載1 (Q)的系統(tǒng)的方塊圖。負載 l是與施加的電壓Vac的兩個端子P和N之間的開關K串聯(lián)連接。
開關K通過由D.C.-D.C.轉(zhuǎn)換器2 (DC/DC IB)提供的相對低幅度的D.C. 信號Vc控制，以隔離阻擋施加在兩個輸入端子21和22之間的低D.C.電壓Vdc。 例如，通過微控制器類型的未示出的電子電路，提供電壓Vdc。電壓Vdc為至 多幾十伏且優(yōu)選小于10伏。微控制器例如接收到來自可以由使用者處理的外部 按鈕的控制設定點和/或由對于負載編程所希望的操作周期產(chǎn)生信號Vdc。電壓
Vdc基準為電壓Ml,而轉(zhuǎn)換器2的輸出端子23和24之間的電壓Vc基準為不 同于電位M1的電位M2。
圖2示出了轉(zhuǎn)換器2的實施例。
轉(zhuǎn)換器2包括包含射頻振蕩器的集成電路3 (HF IC)，將D.C.電壓Vdc 轉(zhuǎn)換成相對低幅度和相對高頻率的信號Vrf，用于穿過隔離阻擋。信號Vrf的頻 率在幾百kHZ和幾GHz之間的范圍內(nèi)。信號Vrf是提供在端子31上的D.C. (非A.C.)脈沖信號，且其基準為信號Vdc的接地Ml (端子22或32)。
隔離阻擋4由兩個高壓電容元件(保持至少1,000伏的電壓)Cl和C2形 成，第一高壓電容元件的各個電極連接至端子31和32，第二高壓電容元件的 各個電極連接至整流電路5的輸入端子51和52。
電路4包括第一二極管Dl,其陰極連接至端子51且其陽極連接至轉(zhuǎn)換器 2的輸出端子23,用于連接至A.C.開關的控制電極G。第二二極管D2連接端 子51和52，其陽極在端子51—側(cè)。端子52和24互連。二極管Dl和D2是 足夠快的(高頻)二極管以電壓Vrf的速度開關。
在圖2的實例中，A.C.開關是三端雙向可控硅開關T，其兩個導電或電源 端子11和12分別連接至該負載和施加有A.C.電壓Vac的端子中的一個(N)。 對于它的導通，電流必須從A.C.電壓Vac的每個半波上的三端雙向可控硅開關 柵極提取。作為一變形，開關K是由STMicroelectronics出售的、已知商標為 "ACS"的A.C.開關。 一般地說，可使用任意的A.C.開關。例如，A.C.開關是 具有負控制或正控制的IGBT晶體管或MBS晶體管。在正控制的情況下，二極 管D1和D2的偏壓被反轉(zhuǎn)了。
借助連接端子G和N的電容元件C控制電壓Vc,平滑地施加到三端雙向 可控硅開關T的柵極上。元件C可以是電容或在其端子G和12之間的開關T 的固有電容。
圖3A、 3B、 3C、 3D、 3E和3F示例了圖2的電路在穩(wěn)態(tài)的操作。圖3A 示出了射頻控制信號Vrf的形狀的實例。圖3B至3E示例了電容元件Cl、 二極 管D2、 二極管Dl和電容元件C的各個電流IC1、 ID2、 Im和Ic。圖3F示例了
控制電壓Vc的形狀。用圖2中所示的方向給出電流和電壓，假定電壓Vrf相對 于地Ml為正。
在信號Vrf的每個上升沿(時間t0、 t10、 t20、圖3A)，正脈沖流過電容 Cl、 二極管D2和電容C2。在信號Vrf的每個下降沿(時間tl、 tll、 t21 )， 負脈沖經(jīng)由電容元件C和二極管Dl流過電容Cl 。由此電容C相對于信號Vrf 每個下降沿的結(jié)點N的電壓充電有負電壓，其中沒有使用信號Vrf的上升沿的 電源。電壓Vc,在穩(wěn)態(tài)，具有由電源開關的輸入特性設置的電平-Vc。
圖4A和4B示例了系統(tǒng)的起動。從元件C兩端的零電壓Vc起動(圖4B )， 電流IC1的第一連續(xù)負脈沖轉(zhuǎn)化為負性充電電容C的電流Ic的正脈沖。由此電 壓Vc用了射頻信號Vrf的幾個周期來達到能夠開啟三端雙向可控硅開關元件的 電平-Vo信號Vrf的頻率越高，該穩(wěn)定時間就越短。元件C1和C2的電容越 低，該時間就越長。在穩(wěn)態(tài)，在信號Vrf的每個下降沿上傳遞的電力足以保持 電平-Vc。
圖5是示例集成在集合了其不同的部件、也就是集成電路3 (HFIC)、電 容性隔離阻擋4和整流電流5 ( D )的封裝6中的轉(zhuǎn)換器2的方塊圖。封裝6則 包括兩個輸入端子21和22，用于施加基準為地M1且來自于低壓電子電路7 (例如，微控制器)aC)的低D.C.控制電壓Vdc ;和兩個輸出端子23和24，提 供基準為高A.C.電壓Vac的地M2的開關K的D.C.控制電壓Vc。
根據(jù)具體實施例
電容元件C1和C2是高壓電容，每個都具有在幾皮法和幾十皮法之間變化 的值(例如，10pF);
二極管Dl和D2是肖特基二極管；
電壓Vrf具有接近5伏的幅度和接近lGHz的頻率；
電平-Vo為約-1.2伏，電流Ic具有幾十微安的幅度。
獲得從2,000到2，500伏的隔離電壓需要在電容元件C1和C2的兩個電極 之間的幾微米厚的印刷電路類型(PCB)的隔離體。
所描述的轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點是釆用電容阻擋不僅能傳遞控制設定點、而且能傳
遞電能。
轉(zhuǎn)換器的另一優(yōu)點是當反轉(zhuǎn)A.C.開關控制電壓時特別簡單(電壓Vc相對 于其基準電位M2為負，而電壓Vrf相對于其基準電位Ml為正)。
另一優(yōu)點是可簡化產(chǎn)生信號Vrf的集成電路。實際上，使用脈沖變壓器將 需要產(chǎn)生關于與變壓器帶寬有關的特定頻率的諧波限制的正弦信號。該問題不 會是由電容阻擋引起的。由此信號Vrf可以是D.C.脈沖序列，其比A.C.信號產(chǎn) 生更簡單。
另一優(yōu)點是轉(zhuǎn)換器顯示出對電磁干擾良好的抗擾性。在具有跡線或?qū)щ姲?的實施例中，電容的平面電極會產(chǎn)生比變壓器的平面纏繞更少的天線效應。
另一優(yōu)點是，由于隔離變壓器的電容元件C1和C2的串聯(lián)電阻小于感應元 件的串聯(lián)電阻，而提高了效率。這補償了由于信號Vrf正邊沿的電能恢復的缺 乏引起的損耗。
已描述了本發(fā)明的具體實施例。本領域技術(shù)人員會想到各種替換和修改。 具體地，電容元件和肖特基二極管的值的選擇取決于該應用，尤其是取決于隔 離阻擋下游所需要的控制功率。例如，幾個A.C.開關可由同一轉(zhuǎn)換器控制。而 且，作為一變形，轉(zhuǎn)換器的微控制器類型上游的電子電路可直接提供高頻電壓 Vrf。
這樣的替換、修改和改進指的是該公開的一部分，且指的是在本發(fā)明的精 神和范圍內(nèi)。因此，前述描述僅是實例性的且不是指限制性的。本發(fā)明僅由以 下權(quán)利要求和其等效物所定義的那樣限制。
權(quán)利要求
1、一種電路(4，5)，用于由基準為第二電位(M1)的高頻信號(Vrf)產(chǎn)生D.C.信號(VC)，該信號用于控制基準為第一電位(M2)的A.C.開關(K，T)，包括第一電容元件(C1)，將用于接收高頻信號的第一輸入端子(31)耦合到整流元件(D1)的第一端子，該整流元件的第二端子連接到用于耦合到開關的控制端子(G)的第一輸出端子(23)；和第二電容元件(C2)，將用于連接第二基準電位的第二輸入端子(32)耦合到用于被耦合至第一基準電位的第二輸出端子(24)，第二整流元件(D2)將第一整流元件的第一端子耦合到第二輸出端子。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l的電路，其中第一整流元件(D1)的第一端子是它的陰 極，其陽極連接至第一輸出端子(23)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l的電路，其中第二輸出端子(24)用于被耦合到A.C.開 關(K, T)的電源端子(12)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l的電路，其中電容元件(CI, C2)為高壓電容器。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l的電路，其中電容(C)將第一整流元件(Dl)的第二 端子耦合到第二輸出端子(24)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l的電路，其中高頻信號(Vrf)為D.C.脈沖信號。
7、 根據(jù)權(quán)利要求l的電路，其中電容元件(Cl, C2)具有幾皮法的值。
8、 根據(jù)權(quán)利要求l的電路，其中整流元件(Dl， D2)為肖特基二極管。
9、 一種系統(tǒng)，用于借助相對低的D.C.電壓(Vdc)控制將相對高的A.C.電 源電壓(Vac)供給負載(1),包括連接至負載的至少一個A.C.開關(K); 用于提供D.C.電壓的電子電路(7);和 前述權(quán)利要求中任一項的電路。
全文摘要
一種電路，用于由基準為第二電位的高頻信號產(chǎn)生D.C.信號，該信號用于控制基準為第一電位的A.C.開關，包括第一電容元件，將用于接收高頻信號的第一輸入端子連接到整流元件的陰極，該整流元件的陽極連接到用于連接到開關的控制端子的第一輸出端子；和第二電容元件，將用于連接到第二基準電位的第二輸入端子連接到用于被連接至第一基準電位的第二輸出端子，第二整流元件使第一整流元件的陰極連接到第二輸出端子。
文檔編號H02M3/335GK101388608SQ20081013286
公開日2009年3月18日 申請日期2008年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月12日
發(fā)明者塞繆爾·蒙納德, 杰羅姆·赫尤蒂爾, 阿爾諾·弗羅倫斯 申請人:意法半導體有限公司