电子开关和调光器制造技术

一种用于控制AC电力的新方法是在双向开关子电路配置中使用功率MOSFET，该子电路配置有光耦合的电气浮动控制电路，其将开关自偏置到“导通”状态并使用光耦合控制元件来迫使开关进入“关断”状态。控制电路的时间常数足够快以允许相位控制以及导通‑关断控制。多个子电路可以容易地级联以提供改进的性能。

Electronic switch and dimmer

A new method to control AC power is to use power MOSFET in bi-directional switching sub-circuit configuration. The sub-circuit is equipped with an optically coupled electric floating control circuit, which biases the switch to the \on\ state and uses optically coupled control elements to force the switch into the \off\ state. The time constant of the control circuit is fast enough to allow phase control and turn-on and turn-off control. Multiple subcircuits can be cascaded easily to provide improved performance.

【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5月12日提交的专利技术名称为“AC直接LVO电子调光开关”(ACDirectLVOElectronicDimmingSwitch)的美国临时专利申请62/335495和于2016年12月9日提交的专利技术名称为“电子开关和调光器”(ElectronicSwitchandDimmer)的美国临时专利申请62/431926的优先权，二者包括共同的专利技术人且当前未决。关于联邦政府资助研究或开发的声明不适用。
本专利技术涉及一种电力管理系统以及提供电子开关和调光控制的方法。
技术介绍
家庭和商业环境下获取交流(AC)电力的传统方法是由接线至设施电气系统的机械插座来提供。这些插座使用例如熔断器和断路器的机电设备来保护其免于过大的电气负载或潜在的危险接地故障。类似地，例如照明和吊扇的传统电气室内设备使用机电开关进行控制。这些基本的机械控制设备提供简单的导通-关断控制并且不可避免地磨损，随着时间的推移，可能引起短路或者潜在的危险的电弧放电。通常通过例如三端双向可控硅开关的电子器件来更精细地控制常见电器，三端双向可控硅开关允许AC干线(mains)波形在逐周期的基础上被中断，称作相位控制。虽然三端双向可控硅开关比在其之前的变阻器或自耦变压器明显更有效，但三端双向可控硅开关仍然效率太低，不能有效地用于小型外壳中以控制大电气负载，并且可能将电气噪声引回到设施电气系统中。因此，需要一种改进的电子控制系统，其为设施电气系统中的广泛应用提供更广泛更可靠和高效的控制选择。此外，需要这样一种控制系统，其可以使用半导体器件来实现，该半导体器件可以与制造成本低的用于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用于在整个设施电气系统中控制AC电力的新方法，其范围从简单的插座开关切换到用于例如电灯调光的所施加AC电力的连续变化。更具体地，本专利技术涉及在一个实施例中提供AC干线波形的导通-关断和相位控制的功能组合。一个实施例使用功率MOS场效应晶体管(MOSFET)作为连接在AC干线电源和期望负载之间的具有很低“导通”电阻的电子开关。由于典型的功率MOSFET固有地将体二极管与导电沟道并联，因此成对的器件以背对背的方式连接，其具有共同的源极端以提供真正的双向(AC)开关配置。为了控制功率MOSFET的开关动作，采用了一种新的浮动控制电路，其使用连接在漏极的整流二极管来对栅极-源极偏置电压预充电，从而将两个器件都“导通”，并且使用光耦合光电晶体管，当被隔离光源照射时，光耦合光电晶体管将栅极端短接至共同的源极端以迫使器件进入其“关断”状态。这样，除非被光学控制信号强制“关断”，否则功率MOSFET开关通常是“导通”的。光学控制信号可被连续施加以用于对传输给负载的电力进行额定导通-关断控制，或者其可与AC干线波形同步以提供相位控制。用于光学控制信号的集成控制电路可以提供优选用于切换无功负载的前沿相位控制或优选用于如LED的非线性负载的后沿相位控制。具体示例并不旨在将本专利技术构思限制于示例应用。根据附图和详细描述，本专利技术的其他方面和优点将显而易见。附图说明图1是基本功率MOSFET双向开关单元的示意图。图2是使用光电偏置产生的现有技术双向开关的示意图。图3是改进的双向开关的基本元件的示意图。图4是改进的双向开关的实施例的示意图。图5是使用两个开关元件以减少总开关“导通”电阻并增加总开关“关断”电阻的图3实施例的示意图。图6是与图3的实施例类似的实施例的示意图，但是其在AC电源的两个臂中都具有开关元件。图7是使用四个开关元件以进一步减少总开关“导通”电阻并进一步增加总开关“关断”电阻的图5的实施例的示意图。具体实施方式图1是示出控制从AC电源101输送到负载108的电力的基本功率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的栅极-源极偏置电压。在“导通”位置，偏置电压107被施加到功率MOSFET的栅极端。电压107是大于功率MOSFET的阈值电压(通常为5到10伏)的电压，其导致形成反型层，从而生成从每个器件的漏极延伸到源极的导电沟道。在这种“导通”状态下，每个功率MOSFET的漏极-源极特性可以被建模为低值电阻Rds。只要漏极和源极之间的电压降保持在约0.6伏以下，体二极管就保持不导通并且可以被忽略。在该“导通”状态下，图1的电路等效于通过具有值2Rds的串联电阻器连接到AC电源101的负载108。在开关106的“关断”位置，只要漏极-源极电压保持低于体二极管的击穿电压，功率MOSFET的栅极端就短接到源极端并且漏极-源极导电沟道消失。在“关断”状态下，图1的电路等效于通过背对背体二极管104和105连接到AC电源101的负载108，背对背体二极管104和105有效地将负载108从电源101断开连接。在“关断”状态下，对功率MOSFET的漏极-源极电压保持低于体二极管的击穿电压Vbr的需求要求体二极管的击穿电压超过AC电源101的峰值电压。因此，例如，假设电源101对应于公共120伏(rms)AC干线，则每个体二极管的击穿电压必须超过170伏的峰值电源电压。对功率MOSFET结构的更详细分析表明，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。额外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“关断”。虽然所产生的漏电流可能不足以激励负载108，但它可能足够大到引起额外的效率或安全问题。类似地，考虑到“导通”状态下的约束要求由Rds*Iload给出的每个功率MOSFET的漏极-源极电压降小于约0.6伏。可能更重要的是由Rds*Iload2给出的“导通”状态下每个功率MOSFET消耗的功率，其必须保持小于几瓦以避免温度过度升高。因此，例如，将普通家用电路从具有20安培的典型限制的120伏AC干线切换，要求每个功率MOSFET的Rds小于0.005欧姆(5毫欧)。本领域众所周知的是，通过改变器件中的结构和掺杂水平，可以有利地对体二极管的击穿电压与Rds的值进行折衷。特别地，已经表明Rds的值与Vbr2.5成比例。因此，例如，将Vbr减少一半导致Rds减小5.7倍。图1的电路示出了包括开关106和电压源107的概念性偏置开关电路，其与在电源101的整个峰峰范围上变化的背靠背功率MOSFET102和103的公共源极端电气地浮置。虽然在概念上很简单，但这种电路在实践中很难以低成本实现。图2示出了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，LED206由单独的低压电源203供电并通过限流电阻器205由开关204控制。假设元件203-206位于二极管堆201的光学邻近范围内。当LED206关断时，二极管堆201上的电压通过电阻器202被释放，功率MOSFET进入“关断”状态。尽管图2的电路适用于简单的导通-本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双向电子开关电路，具有输入端和输出端，并且进一步包括：a.串联连接的第一电子开关器件和第二电子开关器件，每个开关器件具有漏极端、源极端和栅极端，并且其特征在于在栅极端和源极端之间指定的阈值电压，其中所述第一开关器件的漏极端包括所述开关电路的输入端并且所述第二开关器件的漏极端包括所述开关电路的输出端，所述第一开关器件和所述第二开关器件的源极端在第一控制端处被互连并且所述第一开关器件和所述第二开关器件的栅极端在第二控制端处被互连，以及b.电压源，所述电压源具有超过开关器件阈值电压的电压，并且通过限流电阻器跨在第一开关器件控制端和第二开关器件控制端上被施加；以及c.开关，所述开关跨接在第一器件控制端和第二器件控制端之间。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.05.12 US 62/335,495;2016.12.09 US 62/431,9261.一种双向电子开关电路，具有输入端和输出端，并且进一步包括：a.串联连接的第一电子开关器件和第二电子开关器件，每个开关器件具有漏极端、源极端和栅极端，并且其特征在于在栅极端和源极端之间指定的阈值电压，其中所述第一开关器件的漏极端包括所述开关电路的输入端并且所述第二开关器件的漏极端包括所述开关电路的输出端，所述第一开关器件和所述第二开关器件的源极端在第一控制端处被互连并且所述第一开关器件和所述第二开关器件的栅极端在第二控制端处被互连，以及b.电压源，所述电压源具有超过开关器件阈值电压的电压，并且通过限流电阻器跨在第一开关器件控制端和第二开关器件控制端上被施加；以及c.开关，所述开关跨接在第一器件控制端和第二器件控制端之间。2.如权利要求1所述的双向电子开关电路，其中所述电压源包括从所述开关电路的输入端连接至第二开关器件控制端的第一整流器器件、从所述开关电路的输出端连接至第二开关器件控制端的第二整流器器件、以及从第一开关器件控制端连接至第二开关器件控制端的电压调节器器件。3.如权利要求1所述的双向电子开关电路，进一步包括第一双向电子开关控制端和第二双向电子开关控制端，其中所述开关包括：光激活的电子器件，其特征在于电导与入射在所述光激活的电子器件上的照射强度成比例，并且从第一开关器件控制端连接至第二开关器件控制端；以及发光器件，所述发光器件连接至第一双向电子开关控制端和第二双向电子开关控制端并且被布置为照射所述光激活的器件，其中所述发光器件发出的光的强度与施加到第一双向电子开关控制端和第二双向电子开关控制端的外部控制信号的幅度成比例。4.如权利要求1所述的双向电子开关电路，其中所述第一电子开关器件和所述第二电子开关器件是MOSFET。5.如权利要求2所述的双向电子开关电路，其中所述整流器器件包括第一半导体二极管和第二半导体二极管，每个半导体二极管具有阳极端和阴极端，其中所述第一半导体二极管的阳极端通过限流电阻器连接至所述双向开关电路的输入端，所述第二半导体二极管的阳极端通过限流电阻器连接至所述双向开关电路的输出端，并且所述第一半导体二极管和所述第二半导体二极管的阴极端连接至所述开关器件的公共栅极端。6.如权利要求2所述的双向开关电路，其中所述电压调节器器件包括具有阳极端和阴极端的半导体齐纳二极管，其中阳极端连接至所述开关器件的公共源极端，并且阴极端连接至所述开关器件的公共栅极端。7.如权利要求3所述的双向开关电路，其中所述光激活的器件包括具有集电极端和发射极端的半导体光电晶体管，其中发射极端连接至所述开关器件的公共源极端，并且集电极端连接至所述开关器件的公共栅极端。8.如权利要求3所述的双向开关电路，其中电子控制的所述发光器件包括具有阳极端和阴极端的半导体发光二极管，其中阳极端连接至所述双向开关电路的第一控制端，并且阴极端连接至所述双向开关电路的第二控制端。9.一种使用如权利要求3所述的双向电子开关电路将AC电力耦合到负载器件的方法，包括：a.用于从AC电源接收电力的第一电力输入端和第二电力输入端；b.用于将AC电力提供到所述负载器件的第一电力输出端和第二电力输出端；c.将所述双向电子开关电路的输入端连接至第一电力输入端，并且将所述双向电子开关电路的输出端连接至第一电力输出端；d.将第二电力输入端连接至第二电力输出端；以及e.将电子控制信号提供到所述双向电子开关电路的第一控制端和第二控制端。10.如权利要求9所述的方法，其中被施加到所述双向电子开关电路的第一控制端和第二控制端的控制信号与所述AC电源同步地脉动以提供耦合至所述负载的AC电力的相位控制。11.一种使用如权利要求3所述的双向电子开关电路将AC电力耦合到负载器件的方法，包括：a.用于从AC电源接收电力的第一电力输入端和第二电力输入端；b.用于将AC电力提供到所述负载器件的第一电力输出端和第二电力输出端；c.第一双向电子开关电路和第二双向电子开关电路；d.将所述第一双向电子开关电路的输入端连接至第一电力输入端...

【专利技术属性】
技术研发人员：马克·特勒富斯，布雷德利·拉森，哈里·罗德里格斯，
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