專利名稱：電容性電源系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電容性電源系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
用于向電負載C提供電力的電源系統(tǒng)典型地包含兩個輸入端，即一個 正極端和一個負極端，連接到施加AC電壓的供電干線上；和一個整流器模 塊，包含例如二極管橋，用于從供電干線的AC電壓產(chǎn)生DC總線上的DC電 壓。該系統(tǒng)還包括一個連接在DC總線的正極線和負極線之間的總線電容器。
當(dāng)電源系統(tǒng)是一個電阻性電力系統(tǒng)時，它包括一個連接到位于整流器模 塊上游的輸入端的電阻器。當(dāng)電源系統(tǒng)是一個電容性電源系統(tǒng)時，它包括一 個在整流器模塊上游并與輸入端串聯(lián)連接的輸入電容器C1。當(dāng)前，在該輸入 電容器的上游端，電容性電源系統(tǒng)包括一個電阻器，其被設(shè)計用于承受在系 統(tǒng)起動時通過該輸入電容器引起的較大的電涌。
盡管電容性電源系統(tǒng)的效率優(yōu)于電阻性電源系統(tǒng)的效率，但是電容性電 源系統(tǒng)存在體積龐大的主要缺陷。這是由于輸入電容器必須足夠大以便承受 干線上的過電壓。此外，與輸入電容器串聯(lián)連接的電阻器通常僅僅用于在系 統(tǒng)起動時限制較大的電涌?，F(xiàn)在， 一旦起動完成，所述電阻器就會發(fā)熱從而 耗散大量的能量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種簡單的、緊湊的電容性電源系統(tǒng)，其中限制在 電源起動時發(fā)生的電涌并且降低在正常操作下的耗散損失。
通過一種用于向電負載提供電力的電源系統(tǒng)來實現(xiàn)所述目的，該系統(tǒng)包
括
-兩個輸入端，即正極端和負極端，連接到傳遞AC電壓的供電干線上； -輸入電容器，連接到系統(tǒng)的一個端子；
-整流器模塊，用于從AC電 產(chǎn)生DC總線上的DC電壓；和-總線電容器，連接在DC總線的正極線和負極線之間， 其特征在于
-該系統(tǒng)包括與輸入電容器串聯(lián)連接且在其上游的串聯(lián)連接的兩個常開 (normally-on)雙向半導(dǎo)體晶體管，所述常開雙向半導(dǎo)體晶體管以寬帶隙 (wide-bandgap )材料制成并能夠以限流模式工作。
根據(jù)一個特征，該系統(tǒng)的所述兩個半導(dǎo)體晶體管為JFET (結(jié)型場效應(yīng)晶 體管)型。優(yōu)選地，以碳化硅或氮化鎵制成所述系統(tǒng)的兩個半導(dǎo)體晶體管。
根據(jù)另一個特征，該系統(tǒng)的半導(dǎo)體晶體管以這樣的方式背對背連接第 一半導(dǎo)體晶體管的漏極連接到供電干線，第二半導(dǎo)體晶體管的漏極連接到在
下游連接的輸入電容器，兩個半導(dǎo)體晶體管的源極連接在一起，并且兩個半 導(dǎo)體晶體管的柵極也連接在一起且每個^H及被回送到源極的公共電勢。
由雷擊或電感性或電容性負載開關(guān)操作引起的過電壓進行有效保護的多個組 件。所述電容性電源系統(tǒng)因此可以被有效保護而并不增加電源系統(tǒng)的體積。
因此，該電源系統(tǒng)可包括雙向瞬變二極管或變阻器，連接到所述兩個半 導(dǎo)體晶體管的下游和輸入電容器的上游，并連接在與正才及端相連的電流線和 與負極端相連的電流線之間。
同樣，該電源系統(tǒng)還可以包括與兩個半導(dǎo)體晶體管并聯(lián)連接的電阻器。


在通過參照以示例的方式給出并通過附圖表示的實施例進行的下述詳細 描述，其他特征和優(yōu)點將變得顯而易見，其中
圖1示出了一個依據(jù)本發(fā)明的電容性電源系統(tǒng)； 圖2示出了本發(fā)明的電容性電源系統(tǒng)的改進。
具體實施例方式
參照圖1,與現(xiàn)有技術(shù)一樣，本發(fā)明的電源系統(tǒng)用于向電負載C提供電 力，并且具有連接到施加以例如50Hz的頻率產(chǎn)生的AC電壓的電源干線A 的兩個輸入端、即一個正極端和一個負才及端，所述AC電壓例如 于230VAC 或400VAC。系統(tǒng)3還包括 一個例如由二極管橋組成的整流器模塊33，用 于從供電干線A的AC電壓產(chǎn)生DC總線上的DC電壓； 一個連接在DC總線中的正極線31和負極線32之間并位于整流器模塊33的下游的總線電容器 Cb;和一個一側(cè)連接到正極端且另一側(cè)連接到二極管橋的一個支路的輸入電 容器C1。所述系統(tǒng)3還可以包括用于限制由電源系統(tǒng)傳遞的電壓的裝置，該 裝置包括例如連接在DC總線的正極線31和負極線32之間且位于總線電容 器Cb的下游的一個齊納二極管Dz。
代替通常所采用的用于限制起動時的電涌的輸入電阻器，本發(fā)明的所述 系統(tǒng)3包括兩個例如同樣的、串聯(lián)連接而安裝的雙向半導(dǎo)體元件T1和T2作 為限流器。以諸如碳化硅(SiC)或氮化鎵(GaN)的寬帶隙材料制造這兩個 半導(dǎo)體晶體管，因此所述半導(dǎo)體晶體管被給定了較低的導(dǎo)通狀態(tài)電阻RDS,。n
和承受較高電壓(超過1000V)的能力。
這詢個半導(dǎo)體晶體管Tl、 T2優(yōu)選是JFET晶體管。JFET晶體管是公知 的電子器件，包括其功能是允許或阻止電流在漏極(D)和源極(S)之間流 動的控制柵極(G)。如果柵極和源極之間的電壓Vgs接近于零，則這樣的晶 體管被稱為是常開型(normally-on type)的。這意味著在缺少控制電壓VGS 的情況下漏極-源極路徑也是導(dǎo)通的。相反地，如果在缺少柵極和源極之間的 電壓Vcs的情況下漏極-源極路徑是不導(dǎo)通的，則這種JFET晶體管被稱為是 常閉型(normally-off type)的。在本發(fā)明中，晶體管T1、 T2是常開晶體管。
參照圖1，晶體管T1、 T2相連作為限流器并與輸入電容器C1串聯(lián)。這 兩個晶體管以這樣的方式背靠背連接晶體管Tl的漏極(D)連接到AC干 線A,晶體管T2的漏極(D)連接到輸入電容器C1，晶體管T1、 T2的源極 (S)連接在一起，并且兩個晶體管的柵極也連接在一起并且每個柵極被回送 到源極(S)的公共電勢。
這樣的布置因而具有的優(yōu)點是通過限制啟動電流而保護電源系統(tǒng)3免受 激勵時出現(xiàn)的過流影響。在電源系統(tǒng)起動時，由輸入電容器C1經(jīng)歷的較大的 電壓改變導(dǎo)致較大的電涌通過兩個晶體管Tl、 T2。當(dāng)電流增加并且大于晶體 管T1的電流極限時，晶體管T1切換為限制模式，使得其內(nèi)部電阻增加。由 于其電阻增加，所以通過晶體管Tl兩端的電壓增加。晶體管T2也是同樣的 情況。因此，發(fā)生在起動時的較大的電壓變化被晶體管吸收。另外，在正常 工作時，兩個晶體管Tl、 T2的導(dǎo)通狀態(tài)電阻非常低，因此只會產(chǎn)生很小的 耗散損失。
如圖2所示，還可以保護電源系統(tǒng)3免受出現(xiàn)在供電干線A上的過電壓的影響。根據(jù)本發(fā)明，為了保護系統(tǒng)3免受在供電干線A上的特別是由雷電 引起的過電壓的影響，該電源系統(tǒng)3包括一個連接在晶體管T2的下游和輸入 電容器C1的上游、并且連接在與該系統(tǒng)的正極端相連的電流線和與該系統(tǒng)的 負極端連接的電流線之間的變阻器類型的箝位器或雙向瞬變二極管Dl。兩個 晶體管Tl、 T2與包括圖2中的二極管Dl的箝位器的組合使得能夠保護電源 系統(tǒng)3免受較高的高能過壓的影響，而不必不利地增大設(shè)備的體積。瞬變二 極管Dl的目的是固定系統(tǒng)3輸出的最大電壓，并且為在過壓期間流過的電 流提供優(yōu)先路徑。如杲總線電容器Cb具有的電容量使得在過壓期間在其兩端 產(chǎn)生的電壓增加不超過電源系統(tǒng)3所允許的最大電壓，則顯然可以省略該棒 變二極管D1。
通過以限流模式運行，JFET晶體管根據(jù)其原理顯箸降低了由過壓引起的 電流，并且因此與傳統(tǒng)的沒有晶體管的電源系統(tǒng)相比減少了被電源系統(tǒng)3吸 收的能量。依賴于過壓的幅度，要被耗散的剩余能量分布在瞬變二極管Dl 和兩個串聯(lián)連接的晶體管Tl、 T2之間。在達到接近于瞬變二極管D1的箝位 電壓的過壓之前，大部分的能量都耗散在瞬變二極管中。對于更高的過壓， 則由晶體管T1、 T2接管來耗散額外的能量。
以這樣的方式來選擇每個晶體管Tl、 T2的電流極限，以便能夠提供電 子系統(tǒng)3的負載所必需的起動電流。為了最優(yōu)化對雷電引起的過壓的保護， 電流極限被降低到負載C正常運行所需的最小值，以便減少在過壓的情況下 在每個晶體管T1、 T2中或在瞬變二極管D1中要被耗散的能量。然而，當(dāng)由
切換操作時出現(xiàn)較大的電壓變化。由于瞬變二極管Dl固定了本發(fā)明的設(shè)備 的輸出電壓，所以所有其余的過壓施加到晶體管T1、 T2。然后，操作過電壓 (switching overvoltage)期間產(chǎn)生的感應(yīng)電流可能會大大超過晶體管Tl、 T2 的電流極限。在這種情況下，在通過設(shè)備2兩端的電壓顯著增加，直到晶體 管Tl、 T2進入雪崩模式，并且因此晶體管不再限制電流。然后，考慮在該 晶體管上耗散的能量，其可能導(dǎo)致該元件的毀壞。
為了解決操作過電壓問題，可以將晶體管Tl、 T2設(shè)計為使得它們能夠 承受最大的能量。然而，這種解決方案特別昂貴?？商鎿Q地，可以配置一個 與兩個JFET晶體管并聯(lián)連接的合適大小的電阻器Rl，以便其中能夠耗散掉 由操作過電壓產(chǎn)生的所有能量。在這個替換方案中，每個晶體管Tl、 T2因此可以保持適度的尺寸和合理的成本。并聯(lián)連接的電阻器Rl的大小因此必須 能夠?qū)㈦妷合拗茷榈陀诰w管Tl、 T2承受的最大電壓。
應(yīng)該指出，JFET晶體管電流限制特征依賴于溫度。隨著過壓期間電壓的 升高，首先在瞬變二極管D1中看到耗散，然后出現(xiàn)在晶體管T1、 T2上，導(dǎo) 致晶體管逐步加熱并因此降低了電流限制電平。當(dāng)發(fā)生雷電導(dǎo)致的過壓時， 因為JFET中的電流和瞬變二極管D1中的電流由其自己限制，所以這種熱效 應(yīng)因為能夠限制要被耗散的能量從而是有益的。相反地，在出現(xiàn)操作過電壓 和感應(yīng)電流的情況下，電流不能流過所述JFET,導(dǎo)致在達到JFET的雪崩閾 值之前電壓迅速增加，其后電流可以沒有任何限制地流過JFET晶體管。根據(jù) 本發(fā)明，在滿足下面等式的時候，與JFET并聯(lián)連接的電阻器R1構(gòu)成了通過 感應(yīng)電流的路徑
Umax=(Imax-IlimJFET)Rl
因此，依賴于Imax (感應(yīng)電流)的最大值，可以限定電阻R1，以使所述
U脆小于UbrjFET，從而防止JFET進入雪崩模式。所述JFET的溫度敏感性因
此使其能夠促進將能量耗散轉(zhuǎn)移到電阻器Rl ，從而提高了設(shè)備的魯棒性。
^沒計示例
給定Rl = UbrJFET/ (I隱-I脇FET) =1176 ohms 300VA網(wǎng)絡(luò)上的感應(yīng)負載具有Imax=1.8A; JFET晶體管的電流極限IlimjFET = 0.1A; JFET晶體管承受的最大電壓Ubr;FET = 2000V。
當(dāng)然，在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，可以設(shè)想其它的變化形式和具 體改進，并且也可以想到使用其等同實施方式。
權(quán)利要求
1、一種用于向電負載(C)提供電力的電源系統(tǒng)(3)，所述系統(tǒng)包括-兩個輸入端，即正極端和負極端，連接到傳遞AC電壓的供電干線(A)上；-輸入電容器(C1)，連接到系統(tǒng)的一個端子；-整流器模塊(33)，用于從AC電壓產(chǎn)生DC總線上的DC電壓；和-總線電容器(Cb)，連接在DC總線的正極線(31)和負極線(32)之間，其特征在于-該系統(tǒng)包括與輸入電容器(C1)串聯(lián)連接且在其上游的串聯(lián)連接的兩個常開雙向半導(dǎo)體晶體管(T1、T2)，所述常開雙向半導(dǎo)體晶體管以寬帶隙材料制成并能夠以限流模式工作。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述兩個半導(dǎo)體晶體管為 JFET型。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，以碳化硅或氮化鎵制成所 述兩個半導(dǎo)體晶體管(T1， T2)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的系統(tǒng)，其特征在于，所迷半導(dǎo)體晶體管(Tl 、 T2)以這樣的方式背對背連接第一半導(dǎo)體晶體管(Tl)的漏極(D)連接 到供電干線(A),第二半導(dǎo)體晶體管(T2)的漏極(D)連接到在下游連接 的輸入電容器(C1)，半導(dǎo)體晶體管(T1、 T2)的源極(S)連4妄在一起，并 且兩個半導(dǎo)體晶體管(Tl、 T2)的柵極(G)也連接在一起且每個柵極(G) 被回送到源極(S)的公共電勢。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1至4中的一個所述的系統(tǒng)，其特征在于，其包括雙向 瞬變二極管(Dl)或變阻器，連接到所述兩個半導(dǎo)體晶體管(T1、 T2)的下 游和輸入電容器(CI)的上游，并連接在與正極端相連的電流線和與負極端 相連的電流線之間。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1至5中的一個所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包 括與所述兩個半導(dǎo)體晶體管(Tl、 T2)并連連接的電阻器(Rl)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于向電負載(C)提供電力的電源系統(tǒng)(3)，該系統(tǒng)包括兩個輸入端，即正極端和負極端，連接到傳遞AC電壓的供電干線(A)上；輸入電容器(C1)，連接到系統(tǒng)的一個端子；整流器模塊(33)，用于從AC電壓產(chǎn)生DC總線上的DC電壓；總線電容器(Cb)，連接在DC總線的正極線(31)和負極線(32)之間；并且在輸入電容器(C1)的上游，兩個常開雙向半導(dǎo)體晶體管(T1、T2)串聯(lián)連接，所述常開雙向半導(dǎo)體晶體管以寬帶隙材料制成并能夠以限流模式工作。
文檔編號H02M7/217GK101604921SQ20091015959
公開日2009年12月16日 申請日期2009年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月20日
發(fā)明者塞巴斯蒂恩·卡庫特, 迪迪爾·倫納德 申請人:施耐德電器工業(yè)公司