電容器的充電的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種對電容器充電的方法。在一個(gè)示例中，一種方法包括交替地接通與電容器串聯(lián)連接并與第一電容元件并聯(lián)連接的第一開關(guān)，和與所述電容器串聯(lián)連接并與第二電容元件并聯(lián)連接的第二開關(guān)。具有所述第一開關(guān)、所述電容器和所述第二開關(guān)的串聯(lián)電路耦合至電源節(jié)點(diǎn)以接收電源電壓。
【專利說明】電容器的充電

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電源轉(zhuǎn)換器電路、開關(guān)電路和包括電容器的其他類似的電路。

【背景技術(shù)】
[0002] 電源轉(zhuǎn)換器電路，比如在汽車中用于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的電源轉(zhuǎn)換器電路（換流器），通 常包括用于緩沖從電源（比如電池）處接收到的能量的輸入電容器。電源轉(zhuǎn)換器電路還可 用于很多其他類型的應(yīng)用中。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 第一個(gè)示例涉及一種方法。該方法包括交替地接通與電容器串聯(lián)連接并與第一電 容元件并聯(lián)連接的第一開關(guān)，和與該電容器串聯(lián)連接并與第二電容元件并聯(lián)連接的第二開 關(guān)，其中具有第一開關(guān)、電容器和第二開關(guān)的串聯(lián)電路耦合至電源節(jié)點(diǎn)以用于接收電源電 壓。
[0004] 第二個(gè)示例涉及開關(guān)電路。該開關(guān)電路包括配置為與電源連接的輸入端，和配置 為與電容器連接的輸出端，與第一電容元件并聯(lián)連接且連接在輸入端和輸出端之間的第一 開關(guān)，與第二電容元件并聯(lián)連接且連接在輸入端和輸出端之間的第二開關(guān)，以及控制電路。 該控制電路配置為在預(yù)充電模式下通過交替地接通第一開關(guān)和第二開關(guān)來操作第一開關(guān) 和第二開關(guān)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0005] 現(xiàn)在將參考附圖對示例進(jìn)行說明。附圖用于舉例說明一些原理，所以僅圖示了理 解這些原理所必要的方面。附圖并不是按比例的。在附圖中相同的附圖標(biāo)記表示相同的特 征。
[0006] 圖1示意性地示出了一種電子電路，其包括耦合于電源和電容器之間的開關(guān)電 路；
[0007] 圖2舉例說明了開關(guān)電路的一個(gè)示例；
[0008] 圖3示出了時(shí)序圖，其舉例說明了在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)開關(guān)電路的一種運(yùn)行方式；
[0009] 圖4示出了時(shí)序圖，其舉例說明了在預(yù)充電模式下電容器兩端的電壓；
[0010] 圖5示出了時(shí)序圖，其舉例說明了依照進(jìn)一步的示例的開關(guān)電路的一種運(yùn)行方 式；
[0011] 圖6示出了開關(guān)電路狀態(tài)圖的一個(gè)示例；
[0012] 圖7舉例說明了開關(guān)電路狀態(tài)圖的進(jìn)一步不例；
[0013] 圖8舉例說明了一種包括結(jié)電容器的開關(guān)電路；
[0014] 圖9詳細(xì)地舉例說明了結(jié)電容器的一個(gè)示例；
[0015] 圖10舉例說明了包括MOSFETs的開關(guān)電路的一個(gè)示例；
[0016] 圖11示出了依照一個(gè)示例的MOSFET的垂直截面圖；
[0017] 圖12示意性地示出了結(jié)電容器的電容，其取決于結(jié)電容器兩端的電壓；
[0018] 圖13示出了時(shí)序圖，其舉例說明了在包括結(jié)電容器的電子電路中流進(jìn)電容器的 電流和電容器兩端的電壓；
[0019] 圖14不出了一種依照另一不例的開關(guān)電路；
[0020] 圖15示出了一種依照另一示例的開關(guān)電路；
[0021] 圖16示出了一種依照另一示例的開關(guān)電路。

【具體實(shí)施方式】
[0022] 本公開的示例涉及用于對電容器充電的方法，特別是在電源轉(zhuǎn)換器電路中用于對 電容器預(yù)充電的方法，以及涉及開關(guān)電路。
[0023]電源轉(zhuǎn)換器電路，比如在汽車中用于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的電源轉(zhuǎn)換器電路（換流器），通 常包括用來緩沖從電源比如電池處接收到的能量的輸入電容器。該電容器可具有比較高的 電容，比如幾百微法拉（μF)。為了能夠斷開電源轉(zhuǎn)換器電路和電源之間的連接，可設(shè)置開 關(guān)電路。在常規(guī)系統(tǒng)中，該開關(guān)電路包括至少一個(gè)第一繼電器。在正常運(yùn)行模式下，該至少 一個(gè)第一繼電器將電源連接到電源轉(zhuǎn)換器電路。在該運(yùn)行模式下，要求第一繼電器具有低 的電阻，以保持低損耗。在輸入電容器放電后，第一次接通開關(guān)電路時(shí)，高的浪涌電流可從 電源流入輸入電容器。在該運(yùn)行模式下，要求開關(guān)電路將流入輸入電容器的電流限制在預(yù) 定的電流水平。為此可設(shè)置與第一繼電器并聯(lián)的第二繼電器。第二繼電器可比第一繼電器 具有更高的電阻，或者可具有與其串聯(lián)連接的電阻器。在這種類型的開關(guān)電路中，第二繼電 器用于對輸入電容器預(yù)充電，其中在輸入電容器被預(yù)充電至預(yù)定的充電電平后接通第一繼 電器。
[0024]在現(xiàn)代的電動(dòng)汽車中，低重量和低尺寸的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是至關(guān)重要的。由于繼電器沉 重、占用空間，并且會逐漸磨損，所以有需要提供可靠的開關(guān)電路，其包括更少的開關(guān)器件、 以及更輕和更小的開關(guān)器件。
[0025]在下面的詳細(xì)描述中參照了附圖。附圖構(gòu)成說明書的一部分，并以舉例說明的方 式示出了特定的示例。應(yīng)當(dāng)理解的是，除非另有特別注明，本文描述的各種示例或?qū)嵤├?特征可彼此相互結(jié)合。
[0026] 圖1示意性地示出了電子電路的一個(gè)示例。該電子電路包括開關(guān)電路2,其具有耦 合至電源3的輸入端24^24 2，和稱合于電容器4的輸出端25^25；^。負(fù)載Z(虛線所不）可 與電容器4連接。圖1所示的電子電路例如是用于電動(dòng)車輛或混合動(dòng)力汽車中的電子電路。 在這種情況下，電源3可以是電池，特別是可充電電池，而負(fù)載Z可包括電源轉(zhuǎn)換器（換流 器）和由電源轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)。在這種類型的應(yīng)用中，電容器4可以是電源轉(zhuǎn)換器電 路的輸入電容器，并且用來緩沖從電源3處接收到的能量。電源電壓V3的電壓電平例如是 幾百伏（比如約400伏），而電容器4的電容例如是幾百微法（μF)。
[0027]根據(jù)一個(gè)示例，開關(guān)電路2可在正常運(yùn)行模式下和在預(yù)充電模式下運(yùn)行。在正常 運(yùn)行模式下，開關(guān)電路2將電容器4和負(fù)載Z連接到電源3。在預(yù)充電模式下，開關(guān)電路3 對電容器4預(yù)充電。在電容器4(完全）放電后，有必要對其進(jìn)行預(yù)充電。當(dāng)電容器4已放 電時(shí)，簡單地將電容器4連接到電源3可導(dǎo)致高的浪涌電流，這可能會損壞電源、將電源耦 合到電容器的開關(guān)和電容器中的至少一個(gè)。
[0028] 圖2更詳細(xì)地示出了開關(guān)電路2的一個(gè)示例。在該示例中，開關(guān)電路2包括f禹合 于輸入端24^242和輸出端25^25；^之間并且與第一電容兀件22i并聯(lián)連接的第一開關(guān)2L; 以及耦合于輸入端24、242和輸出端25i、252之間并且與第二電容元件222并聯(lián)連接的第二 開關(guān)212。在本示例中，第一開關(guān)2^耦合于第一輸入節(jié)點(diǎn)24和第一輸出節(jié)點(diǎn)25i之間，而 第二開關(guān)212耦合于第二輸入節(jié)點(diǎn)242和第二輸出節(jié)點(diǎn)25 2之間。第一開關(guān)2^和第二開關(guān) 212中的每一個(gè)皆與電容器4串聯(lián)連接，并且具有第一開關(guān)、電容器4和第二開關(guān)21 2的 串聯(lián)電路耦合于第一輸入節(jié)點(diǎn)和第二輸入節(jié)點(diǎn)21、242之間。
[0029] 參考圖2,開關(guān)電路2進(jìn)一步包括控制電路20?？刂齐娐?0配置為驅(qū)動(dòng)第一開關(guān) 和第二開關(guān)21 2。即控制電路20生成由第一開關(guān)21接收的第一驅(qū)動(dòng)信號S2h，以及由 第二開關(guān)212接收的第二驅(qū)動(dòng)信號S212。第一開關(guān)2^和第二開關(guān)212中每一個(gè)的接通和 截止分別地取決于相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號S2L和S212的信號電平。
[0030] 控制電路20在預(yù)充電模式下可運(yùn)行開關(guān)電路2。在預(yù)充電模式下，控制電路20交 替地接通第一開關(guān)2^和第二開關(guān)21 2，以形成多個(gè)后續(xù)的開關(guān)周期，其中在每個(gè)開關(guān)周期 中在第一接通期（on-period)內(nèi)接通第一開關(guān)，并且，在第一接通期后，在第二接通期內(nèi) 接通第二開關(guān)212。在下一個(gè)開關(guān)周期中，再次接通第一開關(guān)211，以此類推。在這些開關(guān) 周期的每一個(gè)中，電荷存儲在電容器4中。這將在下面更詳細(xì)地進(jìn)行說明。
[0031] 開關(guān)電路2在一個(gè)開關(guān)周期中的運(yùn)行將參考圖3說明如下。圖3示意性地示出了 第一驅(qū)動(dòng)信號S2L、第二驅(qū)動(dòng)信號S212、第一電容兀件ZZ1兩端的電壓VZZ1、第二電容兀件 2?兩端的電壓V222以及電容器4兩端的電壓V4的時(shí)序圖。以舉例說明為目的，假定電容 器4在預(yù)充電過程開始之前已經(jīng)完全放電。僅以說明為目的，第一驅(qū)動(dòng)信號和第二驅(qū)動(dòng)信 號S21pS212其中的一個(gè)的高電平表示接通相應(yīng)開關(guān)的接通電平（on-level)，而低電平表 示截止相應(yīng)開關(guān)的截止電平（off-level)。
[0032] 圖3舉例說明了一個(gè)開關(guān)周期的時(shí)序圖，其包括接通第一開關(guān)的第一接通時(shí) 間（on-time)Tonl,以及接通第二開關(guān)222的第二接通時(shí)間Ton2。第一接通時(shí)間Tonl和第 二接通時(shí)間Τοη2并適時(shí)地（timely)重疊。也就是說，一次僅接通第一開關(guān)21^和第二開 關(guān)212其中的一個(gè)。
[0033] 當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)2^接通并且第二開關(guān)212關(guān)斷時(shí)，電容器4和第二電容元件2?構(gòu)成 電容分壓器，其耦合于第一輸入節(jié)點(diǎn)24和第二輸入節(jié)點(diǎn)212之間。參考圖3,當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)21ι 接通時(shí)，電容器4兩端的電壓V4和第二電容元件222兩端的電壓V222增加。電壓V4、V22a 的增加速率，除其他方面以外，取決于第一開關(guān)21的導(dǎo)通電阻，取決于電連接電子電路中 的單個(gè)部件的連接線的線電阻，以及取決于電子電路的分立電感（discreteinductances) 或者寄生電感（parasiticinductances) 〇
[0034] 僅以說明為目的，假定電容器4的電容C4和電容器222的電容C222基本上恒定且 基本上獨(dú)立于相應(yīng)的電容器兩端電壓的電壓電平。但是參考圖3說明的運(yùn)行方式，并不只 限于在單個(gè)電容器具有恒定電容的電子電路中（例如本文下面將參考圖8至圖11說明的 具有壓敏電容的電容器）。以說明為目的，進(jìn)一步假定第一接通期Tonl足夠長，以使具有電 容器4和第二電容元件2?的串聯(lián)電路其兩端的電壓V4+V222增加至電源電壓V3。在這種 情況下，在第一接通期Tonl結(jié)束時(shí)，電壓V4和V222如下：

【權(quán)利要求】
1. 一種方法，包括： 交替地接通與電容器串聯(lián)連接并與第一電容元件并聯(lián)連接的第一開關(guān)，和與所述電容 器串聯(lián)連接并與第二電容元件并聯(lián)連接的第二開關(guān)， 其中具有所述第一開關(guān)、所述電容器和所述第二開關(guān)的串聯(lián)電路耦合至電源節(jié)點(diǎn)用于 接收電源電壓。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法， 其中交替地接通所述第一開關(guān)和所述第二開關(guān)的步驟包括一次僅接通所述第一開關(guān) 和所述第二開關(guān)其中的一個(gè)開關(guān)。
3. 如權(quán)利要求1所述的方法， 其中交替地接通所述第一開關(guān)和所述第二開關(guān)的步驟包括多個(gè)適時(shí)地隨后的開關(guān)周 期， 其中所述多個(gè)開關(guān)周期中的每一個(gè)開關(guān)周期包括： 在第一接通期接通所述第一開關(guān)，并且，在所述第一接通期后，在第二接通期接通所述 第二開關(guān)。
4. 如權(quán)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. 如權(quán)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時(shí)長。
6. 如權(quán)利要求3所述的方法，其中所述多個(gè)開關(guān)周期中的每一個(gè)開關(guān)周期進(jìn)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載時(shí)間，以及在所述第二接通 期之后和隨后的開關(guān)周期的所述第一接通期之前的第二空載時(shí)間。
7. 如權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括： 檢測所述電容器兩端的電壓的電壓電平，以及當(dāng)所述電壓電平達(dá)到預(yù)定電平時(shí)接通所 述第一開關(guān)和所述第二開關(guān)。
8. 如權(quán)利要求7所述的方法， 其中所述預(yù)定電平高于所述電源電壓的電壓電平的80 %。
9. 如權(quán)利要求1所述的方法， 其中電感器與所述電容器串聯(lián)連接。
10. 如權(quán)利要求9所述的方法， 其中至少一個(gè)整流器元件與包括所述電容器和所述電感器的串聯(lián)電路并聯(lián)連接。
11. 如權(quán)利要求1所述的方法， 其中所述第一電容元件和所述第二電容元件中的至少一個(gè)電容元件包括結(jié)電容器。
12. 如權(quán)利要求11所述的方法， 其中所述第一電容元件和所述第二電容元件中的至少一個(gè)電容元件包括MOSFET，其中 所述結(jié)電容器由所述MOSFET的體區(qū)和漂移區(qū)形成。
13. 如權(quán)利要求1所述的方法， 其中第一整流器元件與所述第一電容元件串聯(lián)連接，且具有所述第一整流器元件和所 述第一電容元件的串聯(lián)電路與所述第一開關(guān)并聯(lián)耦合，以及 其中第二整流器元件與所述第二電容元件串聯(lián)連接，且具有所述第二整流器元件和所 述第二電容元件的串聯(lián)電路與所述第二開關(guān)并聯(lián)耦合。
14. 如權(quán)利要求13所述的方法， 其中所述第一電容元件通過所述第二整流器元件耦合至所述電容器，以及 其中所述第二電容元件通過所述第一整流器元件耦合至所述電容器。
15. -種電子電路，包括： 配置為連接至電源的輸入端，和配置為連接至電容器的輸出端， 與第一電容元件并聯(lián)連接且連接于所述輸入端和所述輸出端之間的第一開關(guān)， 與第二電容元件并聯(lián)連接且連接于所述輸入端和所述輸出端之間的第二開關(guān)，和 配置為交替地接通所述第一開關(guān)和所述第二開關(guān)的控制電路。
16. 如權(quán)利要求15所述的電子電路， 其中所述控制電路配置為一次僅接通所述第一開關(guān)和所述第二開關(guān)其中的一個(gè)開關(guān)。
17. 如權(quán)利要求15所述的電子電路， 其中所述控制電路配置為在多個(gè)適時(shí)地隨后的驅(qū)動(dòng)周期中，驅(qū)動(dòng)所述第一開關(guān)和所述 第二開關(guān)，和 其中所述控制電路，在每個(gè)驅(qū)動(dòng)周期中，配置為： 在第一接通期接通所述第一開關(guān)，并且，在所述第一接通期之后，在第二接通期期間接 通所述第二開關(guān)。
18. 如權(quán)利要求17所述的電子電路， 其中所述第一接通期和所述第二接通期基本上相等。
19. 如權(quán)利要求17所述的電子電路， 其中所述第一接通期和所述第二接通期是基本上固定的時(shí)長。
20. 如權(quán)利要求17所述的電子電路， 其中所述控制電路，在每個(gè)驅(qū)動(dòng)周期中，進(jìn)一步配置為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載時(shí)間，和在所述第二接通期之后和隨后的開關(guān)周期的所述第 一接通期之前生成第二空載時(shí)間。
21. 如權(quán)利要求15所述的電子電路， 其中所述控制電路進(jìn)一步配置為檢測所述輸出端處電壓的電壓電平，并當(dāng)所述電壓電 平達(dá)到預(yù)定電平時(shí)接通所述第一開關(guān)和所述第二開關(guān)。
22. 如權(quán)利要求21所述的電子電路， 其中所述預(yù)定電平高于所述輸入端處的電壓電平的80%。
23. 如權(quán)利要求15所述的電子電路， 其中所述第一電容元件和所述第二電容元件中的至少一個(gè)電容元件包括結(jié)電容器。
24. 如權(quán)利要求23所述的電子電路， 其中所述第一電容元件和所述第二電容元件中的至少一個(gè)電容元件包括MOSFET，其中 所述結(jié)電容器由所述MOSFET的體區(qū)和漂移區(qū)形成。
25. -種開關(guān)電路，包括： 交替地接通與電容器串聯(lián)連接并與第一電容元件并聯(lián)連接的第一開關(guān)，和與所述電容 器串聯(lián)連接并與第二電容元件并聯(lián)連接的第二開關(guān)的裝置， 其中具有所述第一開關(guān)、所述電容器和所述第二開關(guān)的串聯(lián)電路耦合至電源節(jié)點(diǎn)用于 接收電源電壓。
【文檔編號】H02M1/32GK104426342SQ201410429477
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2014年8月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月30日
【發(fā)明者】W·勒斯勒爾 申請人:英飛凌科技股份有限公司