專利名稱：用于互連電解電容器的開關(guān)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于將具有至少500μF電容量的電解電容器受控并聯(lián)開關(guān)至另一儲(chǔ)能電解電容器的開關(guān)裝置。該裝置包括由半導(dǎo)體器件形成的電子開關(guān)以及延遲部件，其中半導(dǎo)體器件具有控制輸入并且該輸入通過電阻電容(RC)型延遲部件被連接至提供開關(guān)信號(hào)的控制輸入。該開關(guān)裝置具有確定持續(xù)時(shí)間的開關(guān)延遲。
背景技術(shù)：
當(dāng)對(duì)充有能量的電容器突然放電或充電的時(shí)候，在特定的時(shí)間內(nèi)會(huì)流過非常大的瞬態(tài)電流，其可能會(huì)同時(shí)損害電容器和實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)過程的開關(guān)器件。
在公開的匈牙利專利申請(qǐng)No.P9902383中，公開了一種包括電容器的電池充電電路。通過開關(guān)與該電容器并聯(lián)的另一電容器，開關(guān)增加了該電容器的容量。如該專利申請(qǐng)參照的圖4所示，串聯(lián)的電感電容(LC)部件被接入到開關(guān)通路中。
要被充電的電容器的容量典型地具有100-10000μF的容量，但優(yōu)選地是在500-10000μF的范圍內(nèi)。最普遍的半導(dǎo)體開關(guān)器件是MOSFET型場(chǎng)效應(yīng)晶體管，它的內(nèi)阻在開路狀態(tài)時(shí)非常小，并且它可以在非常高的輸入阻抗時(shí)易于斷開和閉合。
場(chǎng)效應(yīng)晶體管適于開關(guān)大電流的開關(guān)性能在不斷地增進(jìn)，但是在任何特定的類型中，超過特定強(qiáng)度的電流會(huì)危害晶體管的穩(wěn)健性。在示例性使用中，最大允許的電流強(qiáng)度是180A。當(dāng)場(chǎng)效應(yīng)晶體管被用作開關(guān)器件的時(shí)候，在瞬時(shí)開關(guān)過程期間，半導(dǎo)體器件上的熱量耗散也構(gòu)成了障礙。在開路狀態(tài)時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)晶體管的殘余電壓非常低，其典型地是在50mV的范圍內(nèi)；由于該原因，這樣的晶體管中的功率損耗即使在大電流的情況下也非常小。然而，在瞬態(tài)開關(guān)過程期間，下述危險(xiǎn)是非常大的，即場(chǎng)效應(yīng)晶體管承載的負(fù)載大于允許的極限值。
因而，在開關(guān)大能量的時(shí)候，必須引起注意的是開關(guān)器件所允許承載的適當(dāng)?shù)呢?fù)載，以及開關(guān)電路所允許的最大負(fù)載。開關(guān)電路上的負(fù)載可以通過延遲瞬態(tài)過程而減少。與此同時(shí)，在特定的應(yīng)用中這也是目標(biāo)，即確保開關(guān)自身對(duì)開關(guān)電路中出現(xiàn)的瞬態(tài)過程的影響僅達(dá)到絕對(duì)必要的程度，就是說，達(dá)到防止超過針對(duì)元件所確定的極限。
為了延遲的目的，通常在開關(guān)電路的主電路中使用電感元件。使用電感元件所帶來的問題是，僅在伴有特定量值的歐姆電阻的情況下可以獲得用于實(shí)現(xiàn)延遲所必需的感應(yīng)率，并且主電路中電阻分量的存在會(huì)造成持續(xù)的損耗以及在已不再是瞬態(tài)開關(guān)現(xiàn)象的過程中產(chǎn)生負(fù)面影響。
在上述匈牙利專利申請(qǐng)所提到的使用中，通過在100-200A的電流范圍的情況下從開關(guān)瞬態(tài)獲得的熱應(yīng)力形成了邊界條件，在該邊界條件處，瞬態(tài)過程必要的延遲時(shí)間要長(zhǎng)于普通的電子半導(dǎo)體器件所能承受的時(shí)間。與此同時(shí)，這樣的延遲時(shí)間又足夠短，以至于使通常應(yīng)用的電感延遲元件不可用，這是因?yàn)樵讷@得所需感應(yīng)率值時(shí)出現(xiàn)的電阻分量的存在。
由于所描述的需求彼此矛盾，即其中包含很大能量的大容量電解電容器必須和另一能量相對(duì)少、但也是大容量的電解電容器并聯(lián)連接，并且其中需要盡可能小地影響形成的瞬態(tài)過程，因此迄今為止這樣的任務(wù)只能利用斷開和閉合接點(diǎn)來解決。然而，就其成本、速度、控制的方便性及其低等級(jí)的可靠性來說，利用機(jī)械接點(diǎn)的解決方案與其它方便、快速和可靠的電子器件的使用相比是不利的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于具有至少500μF容量的電解電容器和另一儲(chǔ)能電解電容器的受控并聯(lián)開關(guān)的開關(guān)裝置，其中開關(guān)元件由半導(dǎo)體器件形成，并且該裝置能夠保護(hù)半導(dǎo)體器件以及相連的電解電容器均免受作為開關(guān)瞬態(tài)出現(xiàn)的電流浪涌的破壞性影響，但其同時(shí)對(duì)開關(guān)過程的影響僅達(dá)到保護(hù)必要的程度。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，可以認(rèn)識(shí)到，防止開關(guān)瞬態(tài)的保護(hù)可以以分離的方式解決。因而，在場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極處形成的RC部件確保了所需延遲的一部分，并且僅是主要利用了該器件的柵極自身的輸入電容?；趫?chǎng)效應(yīng)晶體管的負(fù)載極限值確定第一延遲的范圍。穿過鐵氧體磁心內(nèi)徑的電感部件確保必要的附加延遲。該電感部件具有非常低的歐姆電阻并且只有一匝，或至多幾匝。該電感部件與半導(dǎo)體器件的主電路串聯(lián)連接。
因此，根據(jù)本發(fā)明提供了一種用于將具有至少500μF容量的電解電容器受控并聯(lián)開關(guān)至另一儲(chǔ)能電解電容器的開關(guān)裝置。所述開關(guān)裝置包括由半導(dǎo)體器件形成的電子開關(guān)和延遲部件。所述半導(dǎo)體器件具有控制輸入，其通過RC型延遲部件被連接至提供開關(guān)信號(hào)的控制輸入。所述開關(guān)裝置具有預(yù)先確定范圍的開關(guān)延遲。根據(jù)本發(fā)明，所述半導(dǎo)體器件是場(chǎng)效應(yīng)晶體管，它的主電路通過實(shí)現(xiàn)第二延遲的電感元件被連接至要被開關(guān)的電容器。所述電感元件是被高頻鐵氧體磁心圍繞的確定長(zhǎng)度的導(dǎo)體。進(jìn)一步，由RC部件實(shí)現(xiàn)的延遲僅確保規(guī)定的開關(guān)延遲中用于在場(chǎng)效應(yīng)晶體管的負(fù)載極限內(nèi)的加載所需要的那部分延遲。剩余的延遲由所述電感元件提供。
鑒于本發(fā)明所提出的電感元件的分離以及特別的結(jié)構(gòu)，可以獲得一種解決方案作為對(duì)彼此矛盾的需求的特別的折衷來滿足所有條件。根據(jù)本發(fā)明的解決方案，影響場(chǎng)效應(yīng)晶體管的熱負(fù)載在開關(guān)瞬態(tài)期間處于允許的范圍內(nèi)。進(jìn)一步，電解電容器上電流的峰值沒有超過將會(huì)引起損害的水平。與此同時(shí)，開關(guān)和所需的延遲僅引入最小的電阻損耗到主電路中，因此其功能基本上不受開關(guān)過程所必需的電路的存在的影響。
根據(jù)優(yōu)選的實(shí)施例，所述鐵氧體磁心具有兩個(gè)軸平行的并且相互之間以特定的距離間隔開的內(nèi)徑。進(jìn)一步，所述導(dǎo)體具有兩個(gè)穿過各自內(nèi)徑的引線。
依據(jù)優(yōu)選結(jié)構(gòu)的實(shí)施例，所述鐵氧體磁心具有多個(gè)短的、層疊的鐵氧體磁心。然而，所述鐵氧體磁心也可以由單個(gè)、長(zhǎng)的窄條組成。
在另一優(yōu)選的實(shí)施例中，RC部件中的電容元件由場(chǎng)效應(yīng)晶體管的輸入電容以及不可避免的雜散(scattered)電容構(gòu)成。
電解電容器的容量典型地在10,000μF的范圍內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明的開關(guān)裝置使得對(duì)于特定的任務(wù)，有可能使用快速、便宜且可靠的場(chǎng)效應(yīng)晶體管作為開關(guān)器件，因而無需機(jī)械接點(diǎn)。


通過示例性實(shí)施例并結(jié)合附圖，根據(jù)本發(fā)明的解決方案的進(jìn)一步細(xì)節(jié)將變得顯而易見，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明的開關(guān)裝置的電路原理圖；圖2是電感元件的第一實(shí)施例的示意圖；圖3是第一鐵氧體磁心的透視圖；圖4是電感元件的第二實(shí)施例的示意圖；以及圖5是第二鐵氧體磁心的透視圖。
具體實(shí)施例方式
圖1所示的開關(guān)裝置的基本任務(wù)是將具有至少100μF的容量、但優(yōu)選地是例如500-10000μF范圍內(nèi)的更大容量的大容量電解電容器C1與另一同樣是大容量的電解電容器C2并聯(lián)連接，或彼此斷開。根據(jù)前面提到的匈牙利專利申請(qǐng)的圖4所示的裝置，電容器C1和C2可以被置于未示出的電池的充電電路中。電容器C1和C2各自的電容器板(armature)中的一個(gè)相互連接并且相對(duì)于地具有可變量值的電位；在特定的例子中存在相當(dāng)大的正電位。在另一電容器板(在這種情況下是負(fù)極性的)和地之間的通路中安置了電子控制的開關(guān)，它的開關(guān)元件由場(chǎng)效應(yīng)晶體管FT形成。針對(duì)大電流強(qiáng)度所設(shè)計(jì)的電感元件L與場(chǎng)效應(yīng)晶體管FT的源極S和漏極D之間的通路串聯(lián)連接。電感元件L的構(gòu)造是關(guān)鍵性的，這是因?yàn)樗闹绷麟娮钁?yīng)當(dāng)最小，否則在充電或放電期間產(chǎn)生的并且可能達(dá)到幾百安培強(qiáng)度的電流會(huì)造成相當(dāng)大的損耗。在場(chǎng)效應(yīng)晶體管FT的柵極G和地之間存在由器件的內(nèi)部電容以及雜散電容所確定的虛擬電容。在圖1中，該虛擬電容由虛擬電容器C3用虛線表示，其典型的容量是50-100pF。柵極G被連接至電阻R，電阻R的另一端構(gòu)成開關(guān)器件的控制輸入VS。
圖2至圖5說明了電感元件L的各種結(jié)構(gòu)。電感元件L具有有兩個(gè)引線的U型導(dǎo)體10以及鐵氧體磁心11或12(分別為圖3和圖5)，其中導(dǎo)體10由例如銅或鍍銀的銅導(dǎo)線形成，并且鐵氧體磁心11或12具有兩個(gè)內(nèi)徑軸平行的并且相互之間有確定距離的內(nèi)徑。導(dǎo)體10的引線之間的距離對(duì)應(yīng)于內(nèi)徑軸之間的距離。在圖2所示的實(shí)施例中，導(dǎo)體10的長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)于多個(gè)(例如6-10個(gè))短的鐵氧體磁心11的長(zhǎng)度。導(dǎo)體10的引線穿過短的鐵氧體磁心11的內(nèi)徑，短的鐵氧體磁心11因而在導(dǎo)體10上形成層疊。相鄰的鐵氧體磁心11優(yōu)選地通過膠粘被彼此粘固并粘附于導(dǎo)體10上。就鐵氧體磁心11的構(gòu)造來說，它和在其它應(yīng)用領(lǐng)域的對(duì)稱/非對(duì)稱變壓器(平衡-不平衡變壓器)中廣泛使用的鐵氧體磁心的結(jié)構(gòu)完全相同。以這樣的方式構(gòu)造的電感元件L具有非常低的歐姆電阻，以及剛好合適的感應(yīng)率。如果導(dǎo)體10的直徑是1mm并且它的長(zhǎng)度允許在其上層疊10個(gè)鐵氧體磁心11，那么所測(cè)量的感應(yīng)率在頻率為1kHz時(shí)是71.7μH而在頻率為100kHz時(shí)是70μH。
圖4和圖5所說明的實(shí)施例與圖2和圖3中的實(shí)施例的區(qū)別在于它包括特別為本發(fā)明構(gòu)造的、替換了層疊的鐵氧體磁心11的單個(gè)長(zhǎng)的鐵氧體磁心12。
電感元件L的長(zhǎng)的、窄的構(gòu)造就其在所用器件中的適應(yīng)性來說是有優(yōu)勢(shì)的，這是因?yàn)樗娜莘e僅在單一方向上是大的。因而，在這樣的電感元件L垂直定向的情況下，可以在小面積中安置相對(duì)大的數(shù)量。
為了理解根據(jù)本發(fā)明的開關(guān)器件的運(yùn)作，假定在地和連接至電容器C1的電容器C2的電極之間測(cè)量到大的正電壓，例如40-50V，并且將斷開指示中的突發(fā)電壓(即相對(duì)于地為正的電壓)應(yīng)用于早先為地電位的輸入VS。出現(xiàn)在柵極G上的突發(fā)電壓已經(jīng)具有由電阻R和虛擬電容器C3形成的RC部件所造成的少量起動(dòng)(run-up)延遲。電阻R典型地處于150kΩ的范圍內(nèi)。基于這些數(shù)據(jù)，由RC部件造成的延遲時(shí)間典型地會(huì)是大約0.075-0.15μs。場(chǎng)效應(yīng)晶體管FT可以假定其開路狀態(tài)具有這樣的延遲，并且在漏極D和源極S之間會(huì)出現(xiàn)短路(除了數(shù)量級(jí)大約為50mV的殘余電壓之外)。在瞬態(tài)現(xiàn)象期間，場(chǎng)效應(yīng)晶體管FT上出現(xiàn)了熱損耗，此時(shí)漏極D和源極S之間的電壓還不為零，但是電流已經(jīng)處于可估計(jì)的水平。在輸入端獲得的延遲仍然太短而不能將啟動(dòng)電流限制到電容器C1也可以承受的量值。如果通過增加電阻R或電容器C3的值來增加時(shí)間常數(shù)，那么可能會(huì)增加場(chǎng)效應(yīng)晶體管FT上的熱負(fù)載，其可能為器件所不能承受。
然而，電感元件L的感應(yīng)率造成了附加的起動(dòng)延遲，由于器件的小歐姆電阻，該延遲僅產(chǎn)生非常少的熱量，并且可利用非常大的表面來耗散該熱量。置于場(chǎng)效應(yīng)晶體管外部的分離電感延遲元件的存在減少了場(chǎng)效應(yīng)晶體管在瞬態(tài)過程期間所吸收的熱量，這是因?yàn)槠骷膬?nèi)阻在輸入時(shí)間延遲期間假定為它的最小值，并且電流在該延遲時(shí)間的增加仍然有限。兩個(gè)延遲分量共同作用，在此期間，場(chǎng)效應(yīng)晶體管FT也運(yùn)作在允許的極限值內(nèi)，并且在給電容器C1充電的時(shí)候，電流最大值也沒有超過允許的峰值。為電感元件L所選擇的構(gòu)造確保了在合適的感應(yīng)率值處非常低的歐姆電阻。然而，整個(gè)起動(dòng)延遲并不大于所用器件和元件的安全運(yùn)作所必需的延遲，從而使得電流的信號(hào)形狀由包括電容器C1和C2的主電路的屬性確定。
鑒于下述事實(shí)，即可以使用場(chǎng)效應(yīng)晶體管FT替換涉及更大容積和更多損耗的可選的解決方案，可以以更小的物理尺寸、降低的成本和更有利的電參數(shù)來實(shí)現(xiàn)開關(guān)。
權(quán)利要求
1.一種用于將具有至少500μF容量的電解電容器受控并聯(lián)開關(guān)至另一儲(chǔ)能電解電容器的開關(guān)裝置；所述開關(guān)裝置包括由半導(dǎo)體器件形成的電子開關(guān)以及延遲部件；所述半導(dǎo)體器件具有控制輸入，其通過電阻電容型延遲部件被連接至提供開關(guān)信號(hào)的控制輸入(VS)；所述開關(guān)裝置具有預(yù)先確定范圍的開關(guān)延遲；其特征在于，所述半導(dǎo)體器件是場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FT)；所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FT)的主電路通過提供第二延遲的電感元件(L)被連接至要被開關(guān)的電容器(C1)；所述電感元件是被高頻鐵氧體磁心(11，12)圍繞的確定長(zhǎng)度的導(dǎo)體(10)；由電阻電容部件實(shí)現(xiàn)的延遲僅確保規(guī)定的開關(guān)延遲中用于在所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FT)的負(fù)載極限內(nèi)的加載所需要的那部分延遲，并且剩余的延遲由所述電感元件(L)提供。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)裝置，其特征在于，所述鐵氧體磁心(11，12)具有兩個(gè)內(nèi)徑，所述內(nèi)徑相互之間有預(yù)先確定的距離并且其具有平行的軸；所述導(dǎo)體(10)具有兩個(gè)穿過所述內(nèi)徑的引線。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的開關(guān)裝置，其特征在于，其包括多個(gè)短的、層疊的鐵氧體磁心(11)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)裝置，其特征在于，在所述電阻電容部件中，電容元件由所述場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FT)的輸入電容以及不可避免的雜散電容形成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)裝置，其特征在于，所開關(guān)的電解電容器的容量在10,000μF的范圍內(nèi)。
全文摘要
一種用于互連電解電容器的開關(guān)裝置，其包括由半導(dǎo)體器件形成的電子開關(guān)以及延遲部件。所述半導(dǎo)體器件具有控制輸入，其通過RC型延遲部件被連接至提供開關(guān)信號(hào)的控制輸入(VS)。所述開關(guān)裝置具有預(yù)先確定的開關(guān)延遲。所述半導(dǎo)體器件是場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FT)，其主電路通過提供第二延遲的電感元件(L)被連接至要被開關(guān)的電容器(C1)。所述電感元件(L)是被高頻鐵氧體磁心(11，12)所圍繞的具有確定長(zhǎng)度的導(dǎo)體(10)。由RC部件實(shí)現(xiàn)的延遲僅確保開關(guān)延遲中用于所述器件在其允許的負(fù)載極限內(nèi)被加載的那部分延遲，并且剩余的延遲由所述電感元件(L)提供。
文檔編號(hào)H01F17/06GK1918765SQ200580005023
公開日2007年2月21日 申請(qǐng)日期2005年2月16日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月16日
發(fā)明者安德拉斯·法扎卡斯 申請(qǐng)人:安德拉斯·法扎卡斯