电子开关和调光器制造技术

技术编号:22139129 阅读:50 留言:0更新日期:2019-09-18 12:24
描述了一种用于控制从AC源到负载的功率的双向开关。该方法使用双向开关子电路配置中的功率MOSFET,所述双向开关子电路配置具有光耦合的、电气浮置控制电路,该电气浮置控制电路将开关自偏置至“开启”状态,并且使用光耦合控制元件来迫使开关进入“关闭”状态。控制电路的时间常数足够快,得以进行相位控制以及开启‑关闭(on‑off)控制。包括升压电路以确保控制电压超过MOSFET的阈值电压,以迫使进入关闭状态。可以容易地级联多个子电路以提供改进的性能。

Electronic switch and dimmer

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】电子开关和调光器相关申请的交叉引用本申请要求于2016年12月9日提交的专利技术名称为ElectronicSwitchandDimmer(电子开关和调光器)的美国临时申请62/431926,以及于2016年10月28日提交的专利技术名称为HighEfficiencyACtoDCConverterandMethods(高效率AC到DC转换器和方法)的美国临时申请62/414467的优先权。这两项申请包括共同的专利技术人并且目前正在申请中。关于联邦政府资助的研究或开发的声明不适用
本专利技术涉及一种提供电子开关和调光控制的电源管理系统及方法。
技术介绍
在家庭和商业环境中,传统的对于交流(AC)电源的接入是通过连接到设备电气系统的机械插座来提供的。使用诸如保险丝和断路器的机电器件来保护这些插座免受过大的电气负载或潜在的危险接地故障。同样地,对于诸如照明和吊扇的常规的电气室内用具的控制通过使用机电开关来实现。这些基本的机械控制器件提供简单的开启-关闭控制,并且不可避免地磨损,并且随着时间的推移,可能导致短路或潜在危险的电弧。典型地,通过诸如三端双向可控硅元件的电子器件来提供对于一般的电气用具的更加细微的控制,所述电子器件允许在逐周期的基础上中断AC干线波形,即所谓的相位控制。虽然效率显著的优于先于其的变阻器或自耦变压器,但是三端双向可控硅元件的效率仍然太低以至于无法有效地用在小型封闭外壳中用于控制大型电气负载,并且会诱导电气噪声进入设备电气系统。因此,需要一种改进的电子控制系统,该系统可以为设备电气系统中的广泛应用提供范围更广的更加可靠且高效的控制选项。此外,需要一种控制系统,该系统可以通过使用半导体器件来实现,该半导体器件可以与用于可以以低成本制造的高级功率控制功能的其他电路集成。
技术实现思路
本专利技术涉及一种在整个设备电气系统中控制AC电源的新方法,其范围从简单的插座开启-关闭(on-off)切换到施加的AC电源的连续变化,例如,用于电气照明的调光。更加具体地,本专利技术涉及在一个实施例中提供的AC干线波形的开启-关闭和相位控制两者的功能的结合。一个实施例使用连接在AC干线电源和期望负载之间的具有非常低的“开启”电阻的功率MOS场效应晶体管(MOSFET)作为电子开关。由于典型的功率MOSFET固有地包含与导电沟道并联的体二极管,因此将一对器件以具有共同源极端子的背对背布置的方式连接,以提供真正的双向(AC)开关配置。为了控制功率MOSFET的开关动作,采用新型浮置控制电路,该浮置控制电路使用连接在漏极上的整流二极管以对栅-源偏置电压进行预充电,从而将两个器件均转为“开启”,并且使用将栅极端子短接至公共源端子的光耦合光电晶体管,以在被隔离的光源照射时迫使器件进入“关闭”状态。因此,除非被光控制信号迫使“关闭”,否则功率MOSFET开关通常为“开启”。可以持续地施加光控制信号,用于传递到负载的功率的标称开启-关闭控制,或者其可以与AC干线波形同步以提供相位控制。用于光控制信号的集成控制电路能够提供优选用于切换无功负载的前沿相位控制,或优选用于诸如LED的非线性负载的后沿相位控制。具体示例不旨在将本专利技术构思限制于示例性应用。从附图和详细描述中,本专利技术的其他方面和优点将显而易见。附图说明图1为基本的功率MOSFET双向开关单元的示意图。图2为使用光电偏置的现有技术双向开关的示意图。图3为改进的双向开关的基本元件的示意图。图4为改进的双向开关的实施例的示意图。图5为图3的实施例的示意图,其使用两个开关元件来减小开关“开启”总电阻并增加开关“关闭”总电阻。图6为与图3的实施例相似的实施例的示意图,但是在AC电源的两个臂中具有开关元件。图7为图5的实施例的示意图,其使用四个开关元件以进一步减小开关“开启”总电阻并增加开关“关闭”总电阻。具体实施方式图1为示出控制从AC源101传递至负载108的功率的基本功率MOSFET双向开关的示意图。功率MOSFET102和103分别包括体二极管104和105。开关106控制施加到功率MOSFET102和103上的栅极-源极偏置电压。在“开启”位置,偏置电压107被施加到功率MOSFET的栅极端子。电压107为大于功率MOSFET的阈值电压(典型地5到10伏)的电压,导致形成反型层,从而生成从每个器件的漏极延伸到源极的导电沟道。在该“开启”状态,每个功率MOSFET的漏极-源极的特性可以建模为低值电阻器Rds。只要漏极和源极之间的电压压降保持低于大约0.6伏,体二极管就保持非导通,并且可以被忽略。在“开启”状态下,图1的电路等效于负载108通过具有2Rds值的串联电阻器连接到AC源101。在开关106的“关闭”位置,功率MOSFET的栅极端子短接到源极端子,并且只要漏极-源极电压保持低于体二极管的击穿电压,漏极-源极导电沟道就会消失。在“关闭”状态下,图1的电路等效于负载108通过背对背的体二极管104和105连接到AC源101,这有效地从源101断开了负载108。在“关闭”状态下,对于功率MOSFET的漏极-源极电压保持低于体二极管的击穿电压Vbr的要求,体二极管的击穿电压需要超过AC源101的峰值电压。因此,例如,假设源101对应于一般的120伏(有效值)的AC干线,则每个体二极管的击穿电压必须超过170伏的峰值源电压。对于功率MOSFET结构的更加详细的分析示出体二极管实际上是与MOSFET沟道并联连接的双极晶体管的基极-集电极结。附加的寄生元件包括基极-集电极结的电容和基极与发射极之间的寄生电阻。该AC-耦合电路限制了漏极-源极电压的变化率dVds/dt,以避免基极-发射极结的正向偏置,从而导致双极晶体管导通,而MOSFET沟道“关闭”。虽然产生的漏电流可能不足以激励负载108,但它可能足够大以引起额外的效率或安全考量。同样地,对于在“开启”状态下的限制的考虑,要求每个功率MOSFET的由Rds*Iload给出的漏极-源极的压降小于大约0.6伏。潜在的更加重要的是在“开启”状态下由Rds*Iload2给出的每个功率MOSFET中消耗的功率,该功率必须保持小于几瓦以避免过于升高的温度。因此,例如,从具有典型的20安培的限制的120伏的AC干线中对普通的家用电路进行开关切换,要求每个功率MOSFET的Rds小于0.005欧姆(5毫欧姆)。在本领域中众所周知的是,通过改变器件中的结构和掺杂水平,可以有利地将体二极管的击穿电压针对Rds的值进行折衷。尤其是,已经示出Rds的值与Vbr2.5成比例。因此,例如,将Vbr减半会导致Rds减小5.7倍。图1的电路示出包括开关106和电压源107的概念偏置开关电路以背对背的功率MOSFET102和103的公共源端子电气地浮置,其在源101的整个峰到峰的范围内变化。在概念上虽然简单,但是在现实中该电路可能难以以低成本实现。图2示出控制电路的现有技术方法的示意图。图1中的电压源106被光伏二极管堆201代替,当被发光二极管(LED)206照射时,该光伏二极管堆201提供所需的栅极-源极偏置电压,该LED由分离的低压电源203供电并且通过限流电阻器205被开关204控制。假设元件203至206在二极管堆201的光学邻近范围内。当将LED206切换为关闭时本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种双向开关,所述开关包括:a.第一和第二串联连接的电子开关器件,每个开关器件均具有漏极端子、源极端子以及栅极端子,并且所述电子开关器件的特征在于所述栅极端子和所述源极端子之间指定的阈值电压,其中,所述第一开关器件的所述漏极端子包括固态双向开关的输入端子,并且所述第二开关器件的所述漏极端子包括固态双向开关的输出端子,所述第一和第二开关器件的所述源极端子在第一控制端子处相互连接,并且所述第一和第二开关器件的所述栅极端子在第二控制端子处相互连接,以及,b.第一控制开关,所述第一控制开关连接在所述第一控制端子和所述第二控制端子之间,以及,c.偏置端子,所述偏置端子通过第二控制开关连接到所述第二控制端子,以及,d.电压调节器器件,所述电压调节器器件连接在所述偏置端子和所述第一控制端子之间,以及,e.电容器,所述电容器与所述电压调节器器件并联连接,以及,f.第一整流器器件,所述第一整流器器件从所述开关电路的所述输入端子通过第一限流电阻器连接到所述偏置端子,以及,g.第二整流器器件,所述第二整流器器件从所述开关电路的所述输出端子通过第二限流电阻器连接到所述偏置端子,以及,h.开关控制电路,所述开关控制电路具有控制所述第一控制开关以及所述第二控制开关的控制信号,以致当所述第二控制开关打开时所述第一控制开关闭合,并且反之亦然。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.10.28 US 62/414,467;2016.12.09 US 62/431,926;1.一种双向开关,所述开关包括:a.第一和第二串联连接的电子开关器件,每个开关器件均具有漏极端子、源极端子以及栅极端子,并且所述电子开关器件的特征在于所述栅极端子和所述源极端子之间指定的阈值电压,其中,所述第一开关器件的所述漏极端子包括固态双向开关的输入端子,并且所述第二开关器件的所述漏极端子包括固态双向开关的输出端子,所述第一和第二开关器件的所述源极端子在第一控制端子处相互连接,并且所述第一和第二开关器件的所述栅极端子在第二控制端子处相互连接,以及,b.第一控制开关,所述第一控制开关连接在所述第一控制端子和所述第二控制端子之间,以及,c.偏置端子,所述偏置端子通过第二控制开关连接到所述第二控制端子,以及,d.电压调节器器件,所述电压调节器器件连接在所述偏置端子和所述第一控制端子之间,以及,e.电容器,所述电容器与所述电压调节器器件并联连接,以及,f.第一整流器器件,所述第一整流器器件从所述开关电路的所述输入端子通过第一限流电阻器连接到所述偏置端子,以及,g.第二整流器器件,所述第二整流器器件从所述开关电路的所述输出端子通过第二限流电阻器连接到所述偏置端子,以及,h.开关控制电路,所述开关控制电路具有控制所述第一控制开关以及所述第二控制开关的控制信号,以致当所述第二控制开关打开时所述第一控制开关闭合,并且反之亦然。2.根据权利要求1所述的双向开关,其中,所述第一控制开关和所述第二控制开关为光电晶体管,并且所述开关控制信号为光信号。3.根据权利要求1所述的双向开关,其中,所述第一和第二电子开关器件为MOSFET。4.根据权利要求1所述的双向开关,进一步包括向所述开关控制电路提供DC电源的AC到DC转换器。5.根据权利要求4所述的双向开关,其中,所述AC到DC转换器包括:a.分压器,所述分压器连接到所述AC电源,以及,b.第一半导体开关,所述第一半导体开关具有输入和输出,并且通过其输入连接到所述分压器,以及,c.第二半导体开关,所述第二半导体开关具有输入和输出,并且其输入连接到所述第一开关的输出,以及,d.存储电容器,所述存储电容器通过二极管连接到所述第二开关的输出,以及e.感测电阻器,所述感测电阻器连接在所述存储电容器和所述分压器之间,从而提供反馈控制,以及,f.齐纳二极管,所述齐纳二极管连接在所述第二半导体开关的输入和输出之间,从而将所述第二半导体开关的输出和输入的电压钳位于所述齐纳二极管的齐纳电压,以及,g.DC负载,所述DC负载连接到所述存储电容器。6.根据权利要求5所述的双向开关,进一步包括电子电路,所述电子电路介于所述第一半导体电子开关和所述存储电容器之间,以限制流过所述第一半导体开关的电流。7.根据权利要求5所述的双向开关,其中,所述第一半导体开关和所述第二半导体开关均为MOS场效应晶体管。8.根据权利要求1所述的双向开关,其中,所述控制信号为与AC电源同步的脉冲,以向所述负载提供所述AC电源的相位控制。9.根据权利要求1所述的双向开关,其中,所述控制信号为与所述AC干线波形同步的一系列脉冲,并且具有可调整的脉冲宽度,以有效地控制传递到所述负载的平均电流/功率,从而为光源负载提供调光效果,并且为AC马达负载提供速度控制。10.一种用于从具有线路和回路的AC源向负载供电的电气电路,所述电气电路包括:a.连接在所述线路中的第一双向开关,所述第一双...

【专利技术属性】
技术研发人员:马克·特勒富斯哈利·罗德里古伊兹
申请(专利权)人:因特莱索有限责任公司
类型:发明
国别省市:美国,US

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