電容器的充電的製作方法

2023-05-09 14:00:41 2

電容器的充電的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種對電容器充電的方法。在一個示例中，一種方法包括交替地接通與電容器串聯連接並與第一電容元件並聯連接的第一開關，和與所述電容器串聯連接並與第二電容元件並聯連接的第二開關。具有所述第一開關、所述電容器和所述第二開關的串聯電路耦合至電源節點以接收電源電壓。
【專利說明】電容器的充電

【技術領域】
[0001] 本發明涉及電源轉換器電路、開關電路和包括電容器的其他類似的電路。

【背景技術】
[0002] 電源轉換器電路，比如在汽車中用於驅動電動機的電源轉換器電路（換流器），通 常包括用於緩衝從電源（比如電池）處接收到的能量的輸入電容器。電源轉換器電路還可 用於很多其他類型的應用中。


【發明內容】

[0003] 第一個示例涉及一種方法。該方法包括交替地接通與電容器串聯連接並與第一電 容元件並聯連接的第一開關，和與該電容器串聯連接並與第二電容元件並聯連接的第二開 關，其中具有第一開關、電容器和第二開關的串聯電路耦合至電源節點以用於接收電源電 壓。
[0004] 第二個示例涉及開關電路。該開關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，與第一電容元件並聯連接且連接在輸入端和輸出端之間的第一 開關，與第二電容元件並聯連接且連接在輸入端和輸出端之間的第二開關，以及控制電路。 該控制電路配置為在預充電模式下通過交替地接通第一開關和第二開關來操作第一開關 和第二開關。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0005] 現在將參考附圖對示例進行說明。附圖用於舉例說明一些原理，所以僅圖示了理 解這些原理所必要的方面。附圖並不是按比例的。在附圖中相同的附圖標記表示相同的特 徵。
[0006] 圖1示意性地示出了一種電子電路，其包括耦合於電源和電容器之間的開關電 路；
[0007] 圖2舉例說明了開關電路的一個示例；
[0008] 圖3示出了時序圖，其舉例說明了在一個開關周期內開關電路的一種運行方式；
[0009] 圖4示出了時序圖，其舉例說明了在預充電模式下電容器兩端的電壓；
[0010] 圖5示出了時序圖，其舉例說明了依照進一步的示例的開關電路的一種運行方 式；
[0011] 圖6示出了開關電路狀態圖的一個示例；
[0012] 圖7舉例說明了開關電路狀態圖的進一步不例；
[0013] 圖8舉例說明了一種包括結電容器的開關電路；
[0014] 圖9詳細地舉例說明了結電容器的一個示例；
[0015] 圖10舉例說明了包括MOSFETs的開關電路的一個示例；
[0016] 圖11示出了依照一個示例的MOSFET的垂直截面圖；
[0017] 圖12示意性地示出了結電容器的電容，其取決於結電容器兩端的電壓；
[0018] 圖13示出了時序圖，其舉例說明了在包括結電容器的電子電路中流進電容器的 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電路；
[0020] 圖15示出了一種依照另一示例的開關電路；
[0021] 圖16示出了一種依照另一示例的開關電路。

【具體實施方式】
[0022] 本公開的示例涉及用於對電容器充電的方法，特別是在電源轉換器電路中用於對 電容器預充電的方法，以及涉及開關電路。
[0023]電源轉換器電路，比如在汽車中用於驅動電動機的電源轉換器電路（換流器），通 常包括用來緩衝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換器電路和電源之間的連接，可設置開 關電路。在常規系統中，該開關電路包括至少一個第一繼電器。在正常運行模式下，該至少 一個第一繼電器將電源連接到電源轉換器電路。在該運行模式下，要求第一繼電器具有低 的電阻，以保持低損耗。在輸入電容器放電後，第一次接通開關電路時，高的浪湧電流可從 電源流入輸入電容器。在該運行模式下，要求開關電路將流入輸入電容器的電流限制在預 定的電流水平。為此可設置與第一繼電器並聯的第二繼電器。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連接的電阻器。在這種類型的開關電路中，第二繼電 器用於對輸入電容器預充電，其中在輸入電容器被預充電至預定的充電電平後接通第一繼 電器。
[0024]在現代的電動汽車中，低重量和低尺寸的驅動系統是至關重要的。由於繼電器沉 重、佔用空間，並且會逐漸磨損，所以有需要提供可靠的開關電路，其包括更少的開關器件、 以及更輕和更小的開關器件。
[0025]在下面的詳細描述中參照了附圖。附圖構成說明書的一部分，並以舉例說明的方 式示出了特定的示例。應當理解的是，除非另有特別註明，本文描述的各種示例或實施例的 特徵可彼此相互結合。
[0026] 圖1示意性地示出了電子電路的一個示例。該電子電路包括開關電路2,其具有耦 合至電源3的輸入端24^24 2，和稱合於電容器4的輸出端25^25；^。負載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於電動車輛或混合動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，而負載Z可包括電源轉換器（換流 器）和由電源轉換器驅動的電動機。在這種類型的應用中，電容器4可以是電源轉換器電 路的輸入電容器，並且用來緩衝從電源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]根據一個示例，開關電路2可在正常運行模式下和在預充電模式下運行。在正常 運行模式下，開關電路2將電容器4和負載Z連接到電源3。在預充電模式下，開關電路3 對電容器4預充電。在電容器4(完全）放電後，有必要對其進行預充電。當電容器4已放 電時，簡單地將電容器4連接到電源3可導致高的浪湧電流，這可能會損壞電源、將電源耦 合到電容器的開關和電容器中的至少一個。
[0028] 圖2更詳細地示出了開關電路2的一個示例。在該示例中，開關電路2包括f禹合 於輸入端24^242和輸出端25^25；^之間並且與第一電容兀件22i並聯連接的第一開關2L; 以及耦合於輸入端24、242和輸出端25i、252之間並且與第二電容元件222並聯連接的第二 開關212。在本示例中，第一開關2^耦合於第一輸入節點24和第一輸出節點25i之間，而 第二開關212耦合於第二輸入節點242和第二輸出節點25 2之間。第一開關2^和第二開關 212中的每一個皆與電容器4串聯連接，並且具有第一開關、電容器4和第二開關21 2的 串聯電路耦合於第一輸入節點和第二輸入節點21、242之間。
[0029] 參考圖2,開關電路2進一步包括控制電路20。控制電路20配置為驅動第一開關 和第二開關21 2。即控制電路20生成由第一開關21接收的第一驅動信號S2h，以及由 第二開關212接收的第二驅動信號S212。第一開關2^和第二開關212中每一個的接通和 截止分別地取決於相應的驅動信號S2L和S212的信號電平。
[0030] 控制電路20在預充電模式下可運行開關電路2。在預充電模式下，控制電路20交 替地接通第一開關2^和第二開關21 2，以形成多個後續的開關周期，其中在每個開關周期 中在第一接通期（on-period)內接通第一開關，並且，在第一接通期後，在第二接通期內 接通第二開關212。在下一個開關周期中，再次接通第一開關211，以此類推。在這些開關 周期的每一個中，電荷存儲在電容器4中。這將在下面更詳細地進行說明。
[0031] 開關電路2在一個開關周期中的運行將參考圖3說明如下。圖3示意性地示出了 第一驅動信號S2L、第二驅動信號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的時序圖。以舉例說明為目的，假定電容 器4在預充電過程開始之前已經完全放電。僅以說明為目的，第一驅動信號和第二驅動信 號S21pS212其中的一個的高電平表示接通相應開關的接通電平（on-level)，而低電平表 示截止相應開關的截止電平（off-level)。
[0032] 圖3舉例說明了一個開關周期的時序圖，其包括接通第一開關的第一接通時 間（on-time)Tonl,以及接通第二開關222的第二接通時間Ton2。第一接通時間Tonl和第 二接通時間Τοη2並適時地（timely)重疊。也就是說，一次僅接通第一開關21^和第二開 關212其中的一個。
[0033] 當第一開關2^接通並且第二開關212關斷時，電容器4和第二電容元件2?構成 電容分壓器，其耦合於第一輸入節點24和第二輸入節點212之間。參考圖3,當第一開關21ι 接通時，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，取決於第一開關21的導通電阻，取決於電連接電子電路中 的單個部件的連接線的線電阻，以及取決於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基本上恆定且 基本上獨立於相應的電容器兩端電壓的電壓電平。但是參考圖3說明的運行方式，並不只 限於在單個電容器具有恆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結束時，電壓V4和V222如下：

【權利要求】
1. 一種方法，包括： 交替地接通與電容器串聯連接並與第一電容元件並聯連接的第一開關，和與所述電容 器串聯連接並與第二電容元件並聯連接的第二開關， 其中具有所述第一開關、所述電容器和所述第二開關的串聯電路耦合至電源節點用於 接收電源電壓。
2. 如權利要求1所述的方法， 其中交替地接通所述第一開關和所述第二開關的步驟包括一次僅接通所述第一開關 和所述第二開關其中的一個開關。
3. 如權利要求1所述的方法， 其中交替地接通所述第一開關和所述第二開關的步驟包括多個適時地隨後的開關周 期， 其中所述多個開關周期中的每一個開關周期包括： 在第一接通期接通所述第一開關，並且，在所述第一接通期後，在第二接通期接通所述 第二開關。
4. 如權利要求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長。
6. 如權利要求3所述的方法，其中所述多個開關周期中的每一個開關周期進一步包 括： 在所述第一接通期之後和所述第二接通期之前的第一空載時間，以及在所述第二接通 期之後和隨後的開關周期的所述第一接通期之前的第二空載時間。
7. 如權利要求1所述的方法，進一步包括： 檢測所述電容器兩端的電壓的電壓電平，以及當所述電壓電平達到預定電平時接通所 述第一開關和所述第二開關。
8. 如權利要求7所述的方法， 其中所述預定電平高於所述電源電壓的電壓電平的80 %。
9. 如權利要求1所述的方法， 其中電感器與所述電容器串聯連接。
10. 如權利要求9所述的方法， 其中至少一個整流器元件與包括所述電容器和所述電感器的串聯電路並聯連接。
11. 如權利要求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電容元件包括結電容器。
12. 如權利要求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電容元件包括MOSFET，其中 所述結電容器由所述MOSFET的體區和漂移區形成。
13. 如權利要求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電路與所述第一開關並聯耦合，以及 其中第二整流器元件與所述第二電容元件串聯連接，且具有所述第二整流器元件和所 述第二電容元件的串聯電路與所述第二開關並聯耦合。
14. 如權利要求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， 與第一電容元件並聯連接且連接於所述輸入端和所述輸出端之間的第一開關， 與第二電容元件並聯連接且連接於所述輸入端和所述輸出端之間的第二開關，和 配置為交替地接通所述第一開關和所述第二開關的控制電路。
16. 如權利要求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和所述第二開關其中的一個開關。
17. 如權利要求15所述的電子電路， 其中所述控制電路配置為在多個適時地隨後的驅動周期中，驅動所述第一開關和所述 第二開關，和 其中所述控制電路，在每個驅動周期中，配置為： 在第一接通期接通所述第一開關，並且，在所述第一接通期之後，在第二接通期期間接 通所述第二開關。
18. 如權利要求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長。
20. 如權利要求17所述的電子電路， 其中所述控制電路，在每個驅動周期中，進一步配置為在所述第一接通期之後和所述 第二接通期之前生成第一空載時間，和在所述第二接通期之後和隨後的開關周期的所述第 一接通期之前生成第二空載時間。
21. 如權利要求15所述的電子電路， 其中所述控制電路進一步配置為檢測所述輸出端處電壓的電壓電平，並當所述電壓電 平達到預定電平時接通所述第一開關和所述第二開關。
22. 如權利要求21所述的電子電路， 其中所述預定電平高於所述輸入端處的電壓電平的80%。
23. 如權利要求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電容元件包括結電容器。
24. 如權利要求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電容元件包括MOSFET，其中 所述結電容器由所述MOSFET的體區和漂移區形成。
25. -種開關電路，包括： 交替地接通與電容器串聯連接並與第一電容元件並聯連接的第一開關，和與所述電容 器串聯連接並與第二電容元件並聯連接的第二開關的裝置， 其中具有所述第一開關、所述電容器和所述第二開關的串聯電路耦合至電源節點用於 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 優先權日:2013年8月30日
【發明者】W·勒斯勒爾 申請人:英飛凌科技股份有限公司