專利名稱：具有低待用電耗的功率控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種直流電動(dòng)機(jī)的功率放大器或控制器，尤其涉及一種具有近零待用電耗的裝置。
以前，是用半導(dǎo)體器件裝置來(lái)完成直流電動(dòng)機(jī)的控制的。

圖1a-c是一種由4個(gè)開關(guān)SW1-4組成的半導(dǎo)體功率控制器，用以控制通常用字母M表示的電動(dòng)機(jī)或負(fù)載。在斷開狀態(tài)，開關(guān)SW3和SW4閉合，在馬達(dá)M兩端施加一短路箱位。本技術(shù)領(lǐng)域中的人都知道，在電樞控制永磁直流電動(dòng)機(jī)中，動(dòng)態(tài)制動(dòng)是通過(guò)把直流馬達(dá)的兩端A和B短路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。負(fù)載或馬達(dá)的正向轉(zhuǎn)動(dòng)則通常閉合開關(guān)SW1和SW4來(lái)實(shí)現(xiàn)。在這種情況下，電流將從A端流向B端。閉合開關(guān)SW2和SW3，則使電流從B端向A端作反向流動(dòng)，從而使負(fù)載或馬達(dá)換向。利用圖1中的電路，可以構(gòu)成一個(gè)基本的半導(dǎo)體功率控制器。如圖2a所示，控制器應(yīng)用了金屬氧化物硅場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)。圖2a示出的是N型MOSFET，但也可用P型MOSFET，如果是P型MOSFET，所描述的電流方向中的電壓極性將反轉(zhuǎn)。圖2c示出了一種用P型MOSFET的互補(bǔ)對(duì)稱電路。
MOSFET一般包括三個(gè)作用電極，即一個(gè)柵極G，一個(gè)漏極D和一個(gè)源極S。圖2a中在用作開關(guān)SW1的晶體管Q5上注明了這三個(gè)極。眾所周知，MOSFET晶體管Q5還包括一個(gè)對(duì)應(yīng)于晶體管基體或基片的一個(gè)極(B)。參見圖1和圖2a，開關(guān)SW1-4通過(guò)四個(gè)MOSFET晶體管Q5、Q6、Q13和Q14來(lái)實(shí)現(xiàn)。負(fù)載如馬達(dá)M連接在A端和B端之間，A端和B端分別是各個(gè)晶體管對(duì)Q5-Q13和Q6-Q14的源極和漏極之間的連接點(diǎn)。
從圖2a中可以看出，晶體管Q5和Q6的漏極連接到正電位(+V)，晶體管Q13和Q14的源極連接到負(fù)電位(-V)。如果本發(fā)明應(yīng)用在移動(dòng)的場(chǎng)合，電壓源可以用汽車用蓄電池來(lái)提供，+V等于B+，-V等于地電位。晶體管Q13的柵極接收24端的邏輯信號(hào)/FWD，晶體管Q14的柵極接收26端的另一個(gè)邏輯信號(hào)/REV。邏輯信號(hào)/FWD和/REV從+V變到-V作雙態(tài)變化。FWD和REV信號(hào)上的一劃(-)是表示互補(bǔ)邏輯信號(hào)的符號(hào)。本附圖中這種符號(hào)寫在基本信號(hào)的上面，然而，在書面的說(shuō)明書中，邏輯補(bǔ)碼信號(hào)就被打印成/FWD，/REV等。邏輯信號(hào)/FWD和/REV被分別連接到電荷泵汲(charge pump)電路22a和22b。這些電荷泵汲電路22a和22b也受在C端接收到的電荷泵汲驅(qū)動(dòng)信號(hào)的控制。這些電荷泵汲電路的輸出端分別連接到晶體管Q5和Q6的柵極。應(yīng)當(dāng)理解，要把如圖2a所示的MOSFET器件翻轉(zhuǎn)成導(dǎo)通狀態(tài)，需要在柵極施加高于相應(yīng)源極電壓的電位。這個(gè)功能由電荷泵汲電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。簡(jiǎn)單地說(shuō)，這個(gè)電路就是產(chǎn)生一個(gè)大于正電位+V的輸出信號(hào)的電路。圖2b圖示了一種連接到正電位和負(fù)電位的基本電荷泵汲電路22a。該電荷泵汲電路22a包括電容器C1、二極管D1和D3和一通常以SWT表示的開關(guān)。如電路22a所示的電荷泵汲電路由可以是如下所示的/FWD、/REV信號(hào)或類相似信號(hào)之一的控制信號(hào)來(lái)控制。在柵極和負(fù)電位-V之間的電容CG(虛線所示)表示如Q5或Q6的MOSFET器件的柵極和源極之間的等效輸入電容。開關(guān)SWT是一個(gè)單刀雙擲開關(guān)，它使電容器C1的一側(cè)交替地在正電位和負(fù)電位(+V和-V)之間轉(zhuǎn)換。當(dāng)開關(guān)SWT閉合與負(fù)電位(-V)接通時(shí)，電容器C1將通過(guò)二極管D1充電，最接近開關(guān)SWT的一端被充負(fù)電。當(dāng)然接近兩二極管連接點(diǎn)的另一端將被充正電。當(dāng)開關(guān)撥至和正電位+V接觸時(shí)，等效柵-源極電容CG將通過(guò)二極管D1和D3充電至正電位+V電平，并且，存貯在電容器C1的電壓也通過(guò)二極管D3對(duì)電容CG充電，這樣，電容CG兩端的電壓將近似等于VCG＝2＊V＊C1/(C1+CG)。在下一次泵汲期間，電容CG兩端電壓將再增加，這一過(guò)程一直持續(xù)到等效電容CG兩端電壓近似等于兩倍的正電位。上述關(guān)系可以近似地表達(dá)為VCG＝2＊V＊(1-aK)，其中a＝CG/(C1+CG)，k是充電泵汲的次數(shù)。因?yàn)閍＜1，當(dāng)k增加時(shí)，aK趨向于0，VCG趨向于2V。眾所周知，根據(jù)實(shí)際情況可以理解，器件Q5或Q6的柵-源極電容在加到負(fù)載M上的電源電壓關(guān)閉時(shí)就必須立即放電，也就是說(shuō)這將在晶體管Q13和Q14同時(shí)接通和當(dāng)/FWD＝+V及/REV＝+V時(shí)發(fā)生。另外，在如圖2a所示的電路的非驅(qū)動(dòng)側(cè)的另一個(gè)電荷泵汲22b不應(yīng)被觸發(fā)，即，在/FWD驅(qū)動(dòng)信號(hào)情況下的晶體管Q6一側(cè)或在/REV驅(qū)動(dòng)信號(hào)情況下的晶體管Q5一側(cè)不應(yīng)被觸發(fā)。例如，在FWD(正向)狀態(tài)，即/FWD＝-V，晶體管Q5和Q14導(dǎo)通，電荷泵汲在Q5一側(cè)上實(shí)現(xiàn)。如果在Q6一側(cè)上也實(shí)現(xiàn)了電荷泵汲，Q6也將導(dǎo)通。那種情況下，導(dǎo)通的晶體管Q6和Q14將在+V和-V線之間形成接近短路的狀態(tài)。簡(jiǎn)單地說(shuō)，(回到圖2a)圖中所示的/FWD和/REV信號(hào)將驅(qū)動(dòng)負(fù)載或馬達(dá)(M)正向轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)然信號(hào)將翻轉(zhuǎn)以驅(qū)動(dòng)馬達(dá)反向轉(zhuǎn)動(dòng)，如果/FWD＝/REV＝+V，馬達(dá)不動(dòng)或停止。
參見圖2c。Q5和Q6是P型MOSFET，如果P型MOSFET晶體管Q5和Q6的柵極負(fù)壓比它們的源極更負(fù)時(shí)，就可使它們導(dǎo)通。如果，控制信號(hào)在-V和+V之間變動(dòng)，那么靜態(tài)時(shí)，/FWD和/REV均為+V，使晶體管Q13和Q14完全導(dǎo)通，Q5和Q6完全截止。在/REV保持為+V時(shí)，如果/FWD轉(zhuǎn)換成-V，晶體管Q5和Q14導(dǎo)通，晶體管Q6和Q13截止，從而使負(fù)載電流從A端流到B端(正或正向驅(qū)動(dòng))。另一方面，如果在/FWD為+V時(shí)/REV轉(zhuǎn)換為-V，晶體管Q6和Q13將完全導(dǎo)通，Q5和Q14將完全截止，使負(fù)載電流從B端流到A端。
盡管在概念上圖2c的互償對(duì)稱電路比圖2a簡(jiǎn)單得多，但它受到很大的限制。例如，要找到一種能連續(xù)流過(guò)大于-20A的電流的P型MOSFET器件是困難的。另外，P型MOSFET器件比N型MOSFET貴得多。
如果必須使用大于20A的電流或者成本是一個(gè)重要因素時(shí)，那么圖2a中所示的結(jié)構(gòu)是唯一一種可行的方法。
本發(fā)明的目的是提供一種待用電耗基本為零的用于馬達(dá)的半導(dǎo)體功率控制器。本發(fā)明的進(jìn)一步目的是把門控電荷泵汲電路安裝到這種功率放大器內(nèi)。因此，本發(fā)明的最簡(jiǎn)單形式包含一個(gè)用于諸如直流馬達(dá)的負(fù)載的功率控制器，該功率制控制器包含方向控制裝置，它包括一個(gè)包含一個(gè)連接在正電位(+V)和負(fù)載一端之間的MOSFET晶體管的第一方向開關(guān)，在啟動(dòng)時(shí)使負(fù)載在第一方向上運(yùn)轉(zhuǎn)。功率控制器另外還包括與第一方向開關(guān)相聯(lián)的第一電荷泵汲裝置。第一電荷泵汲裝置包括第一裝置(Q1，D1，D3，C1)，用于響應(yīng)第一控制信號(hào)的第一狀態(tài)，在第一方向開關(guān)的柵極產(chǎn)生絕對(duì)值大于正電位(+V)的第一電壓信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)該開關(guān)于導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)之間和第二裝置，當(dāng)?shù)谝环较蜷_關(guān)處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)工作，以使第一方向開關(guān)的柵-源極電容放電。實(shí)際上，控制器包括四個(gè)聯(lián)接成H型橋的MOSFET晶體管開關(guān)，上面的開關(guān)各有一個(gè)電荷泵汲，以便響應(yīng)第一和第二控制信號(hào)的互補(bǔ)信號(hào)組控制其啟動(dòng)。每個(gè)電荷泵汲包括對(duì)這些開關(guān)的柵-源極電容放電的裝置。兩個(gè)電荷泵汲由同一個(gè)電荷泵汲驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)，該電荷泵汲驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生一個(gè)在給定的電壓范圍內(nèi)振蕩的方波電荷泵汲驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使相應(yīng)的電容器充電至使上面的開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)的電平。
本發(fā)明的諸多其它目的和用途將通過(guò)下面結(jié)合附圖所作的詳細(xì)描述而變得更為清楚。
圖1a、b和c所示是一種已有技術(shù)的功率放大器。
圖2a示出了圖1所示的功率放大器的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。
圖2b圖解說(shuō)明了一種已有的電荷泵汲電路。
圖2c圖解說(shuō)明了另一種已有技術(shù)的功率放大器。
圖3a圖解說(shuō)明了按照本發(fā)明構(gòu)成的功率放大器。
圖3b圖解說(shuō)明了一種改進(jìn)的電荷泵汲電路。
圖4圖解說(shuō)明了本發(fā)明的一種更完整的電路圖。
圖5圖解說(shuō)明了能用于本發(fā)明的輔助電路。
上面對(duì)已有技術(shù)作了說(shuō)明，圖3a則是本發(fā)明的功率控制器或放大器的一個(gè)實(shí)施例30。從圖3a能夠看到，除了電荷泵汲電路32a和b(圖中虛線內(nèi)所示)之外，圖3a的基本結(jié)構(gòu)與圖2a相似。電荷泵汲32b在形式和功能上與32a相同。請(qǐng)參見圖3b，圖3b中示出了該門控或開關(guān)控制的電荷泵汲電路32a的示意圖。可以看出，這個(gè)電荷泵汲電路的結(jié)構(gòu)與圖2b中所示的相似。比圖2b的電荷泵汲電路增加的是另一個(gè)與二極管D1串聯(lián)的開關(guān)SWA和一個(gè)并聯(lián)跨接在一典型MOSFET器件的柵-源極電容CG(虛線所示)的開關(guān)SWB。盡管在較佳實(shí)施例中用的是二極管，在這一技術(shù)領(lǐng)域的人都知道，晶體管也可以用于本發(fā)明，它被看作是和二極管等效的。這些開關(guān)SWA和SWB也可以分別稱作晶體管Q1和Q9。另外，如在下面將要描述的，這些增加的開關(guān)SWA和SWB能由單一的邏輯(門)信號(hào)諸如/FWD和/或/REV控制。當(dāng)某一組方向控制開關(guān)(Q5，Q14或Q6，Q13，見圖3a)被觸發(fā)時(shí)，在相應(yīng)的電荷泵汲內(nèi)的開關(guān)SWA閉合，開關(guān)SWB打開。如上所述，開關(guān)SWA接通了電容器C1、二極管D1、D3和柵-源極電容CG之間的電路。當(dāng)開關(guān)SWA打開時(shí)，電容器C1的充電通路被斷開，從而在電容器C1和CG之間不產(chǎn)生電荷泵汲，即靜態(tài)電流為零。在控制器30支路內(nèi)的方向控制開關(guān)SW1(Q5)和SW2(Q6)維持?jǐn)嚅_狀態(tài)。在這種工作狀態(tài)期間(即開關(guān)SWA打開)，開關(guān)SWB被閉合，因此，所有不需要的進(jìn)入柵-源極電容CG的漏電電荷被旁路到負(fù)電位(-V)線上。
參見圖3a，并假設(shè)是使負(fù)載或馬達(dá)(M)正向運(yùn)轉(zhuǎn)的情況。在這種情況時(shí)，負(fù)(-V)邏輯信號(hào)/FWD送至34端，正(+V)邏輯信號(hào)/REV送于36端。在這種情況下，信號(hào)/FWD將使P型MOSFET器件的晶體管Q1(屬于電荷泵汲電路32a)導(dǎo)通，由此，使電荷泵汲電路32a工作。對(duì)應(yīng)于開關(guān)SWD的，被畫成N型MOSFET器件的晶體管Q9維持截止。另一個(gè)門控電壓信號(hào)施加于C端(也稱38)，該信號(hào)來(lái)自電荷泵汲驅(qū)動(dòng)電路振蕩器(下面將描述)用以交替地驅(qū)動(dòng)該端于正和負(fù)電位(+V和-V)之間。由于晶體管Q1(開關(guān)SWA)閉合，電荷被不斷傳送(泵送)至晶體管Q5的柵-源極電容CG。另外，信號(hào)/FWD使N型MOSFET器件Q13截止。由于晶體管Q9截止，電荷泵汲電路工作而實(shí)現(xiàn)如圖3b所示的條件。由于晶體管Q13截止，阻止了電流從負(fù)載的A端流向負(fù)電位，也阻止了Q5和Q13之間的短路。在電荷泵汲電路32a的輸出端即G節(jié)點(diǎn)40取出的增加了的正電位把晶體管Q5(開關(guān)SW1)置于導(dǎo)通狀態(tài)。
在上面描述的圖3a右側(cè)工作的同時(shí)，正/REV信號(hào)將使電荷泵汲32b內(nèi)的相應(yīng)的晶體管Q9′截止。由于這時(shí)相應(yīng)的開關(guān)SWA即晶體管Q1′截止，圖3a的右面部分將不發(fā)生電荷泵汲。而且，由于端36響應(yīng)/REV處于高電壓狀態(tài)，晶體管Q14(開關(guān)SW4)被驅(qū)動(dòng)至全導(dǎo)通。由于導(dǎo)通晶體管Q9′兩端產(chǎn)生短路，晶體管Q6(開關(guān)SW2)將被箱位于負(fù)電位(-V)，/REV信號(hào)將使晶體管Q6(開關(guān)SW2)處于截止?fàn)顟B(tài)。晶體管Q5全導(dǎo)通后，負(fù)載(M)的A端箱位于正電位(+V)線上。晶體管Q14全導(dǎo)通或閉合后，負(fù)載(M)的B端將被箱位于負(fù)電位(-V)線上。這樣，根據(jù)上述的邏輯輸入和門控電荷泵汲電路的工作可以看出，電流將從A端通過(guò)負(fù)載流向B端，使負(fù)載以第一(正)方向或正向運(yùn)轉(zhuǎn)。上面電路的工作在上述功率放大器30兩側(cè)是對(duì)稱的，當(dāng)/FWD和/REV信號(hào)的極性反轉(zhuǎn)時(shí)，將發(fā)生類似的動(dòng)作，使電流反向流動(dòng)(即從B到A)。當(dāng)/FWD和/REV均為高電平時(shí)，控制器30處于靜態(tài)。
與二極管D1串聯(lián)的電阻R3，為晶體管Q5的導(dǎo)通轉(zhuǎn)換提供一很小的延時(shí)，以避免晶體管Q5和Q13(開關(guān)SW1和SW3)兩端短路。
圖4是按照本發(fā)明制造的功率放大器30的一種擴(kuò)展形式。增加了以互補(bǔ)方式使用的晶體管對(duì)(互補(bǔ)射極跟隨器)Q3，Q7和Q4，Q8，以在電荷泵汲驅(qū)動(dòng)電路(在節(jié)點(diǎn)C或38產(chǎn)生信號(hào)CHP)和電荷泵汲電路32a和b之間增加一些功率放大量。另外增加了晶體管對(duì)Q11，Q15和Q12，Q16，以提高產(chǎn)生邏輯信號(hào)/FWD和/REV的控制電路(未畫出)和功率晶體管Q13和Q14的柵極之間的電流驅(qū)動(dòng)能力。由于在大電流MOSFET器件例如晶體管Q13和Q14的柵極電容為幾個(gè)毫微法拉，而且對(duì)于大電流功率放大器，往往兩個(gè)或更多個(gè)晶體管(圖中的晶體管Q13和Q14)并聯(lián)連接，使初始柵極電流較大，所以增加這種特點(diǎn)是有必要的。
圖4所示的電路，盡管增加了多組互補(bǔ)射極跟隨電路，其工作大體上還是與圖3a的工作一樣的?；パa(bǔ)對(duì)Q11，Q15和Q12，Q16的工作相似，因此，僅詳細(xì)描述晶體管對(duì)Q11，Q15。當(dāng)Q11，Q15的共基驅(qū)動(dòng)信號(hào)/FWD從+V變到-V時(shí)，晶體管Q11截止，Q15導(dǎo)通。因此，貯存在Q13柵極電容內(nèi)的電荷將通過(guò)電阻R5和晶體管Q15放電，晶體管Q15也將對(duì)Q9的柵極電容放電。結(jié)果是Q9和Q13將截止。晶體管Q15將對(duì)Q1的柵極電容反(負(fù))向充電，因此，它將導(dǎo)通。當(dāng)信號(hào)/FWD從-V變到+V時(shí)，晶體管Q11將對(duì)Q9和Q13的柵極電容正向充電，因此，這些晶體管導(dǎo)通，并使Q1的柵極放電，從而Q1被截止。應(yīng)當(dāng)知道，當(dāng)馬達(dá)關(guān)閉時(shí)，/FWD和/REV均為高電壓(關(guān))。然后，這些信號(hào)將使晶體管Q1和Q1′分別截止(開關(guān)SWA)。在這截止?fàn)顟B(tài)，一旦晶體管Q5和Q6(開關(guān)SW1和SW2)的柵極電容放電，晶體管Q9和Q9′將不會(huì)導(dǎo)通任何穩(wěn)態(tài)電流。
圖5是典型的電荷泵汲驅(qū)動(dòng)電路或振蕩器50。MOSFET晶體管Q18和Q19是在功率放大器30和以與上述產(chǎn)生/FWD和/REV信號(hào)的方式互補(bǔ)的方式產(chǎn)生FWD和REV信號(hào)的ECU(未畫出)的微處理機(jī)出入口之間的接口器件。當(dāng)FWD或REV信號(hào)有一為高電平時(shí)，在產(chǎn)生負(fù)向互償/FWD和/REV信號(hào)時(shí)，功率放大器30被觸發(fā)，如果以正輸入信號(hào)(FWD)加給晶體管Q18的柵極(或+REV加給晶體管Q19)，該晶體管將導(dǎo)通，產(chǎn)生一負(fù)向/FWD(/REV)信號(hào)?；蛘?，如果負(fù)向信號(hào)被送至晶體管Q18(或Q19)的柵極，對(duì)/FWD(或/REV)的電壓信號(hào)變成高電壓狀態(tài)。每個(gè)晶體管Q18和Q19的輸出(/FWD或/REV)被送到由二極管D5和D6組成的或門。信號(hào)/FWD或/REV的存在將使二極管D5或D6相應(yīng)的負(fù)極處于或接近負(fù)電位(-V)。這樣晶體管Q17將變成導(dǎo)通，晶體管Q20將截止。
下面描述與圖3a中C端相連的電荷泵汲信號(hào)(CHP)是如何產(chǎn)生的。
當(dāng)晶體管Q20截止時(shí)，比較器52的輸出信號(hào)(OUT)不再被箱位于負(fù)電位(-V)。如果電壓線SWV值接近正電位(+V)，或正電池電位，比較器52將被驅(qū)動(dòng)。比較器52和有關(guān)電路組成一硬激振蕩器。當(dāng)晶體管Q20截止，信號(hào)SWV接通時(shí)，電容C3將由晶體管Q20通過(guò)電阻R13放電，使比較器52的負(fù)輸入節(jié)點(diǎn)處于負(fù)電位(-V)上。由于SWV信號(hào)比負(fù)電位(-V)正，比較器52正節(jié)點(diǎn)的電壓為V(+)＝SWV (R14)/(R14+R11(R10+R12)/(R10+R11+R12)) (1)可以看出，比較器52的輸出也近似于SWV信號(hào)的電位。如果電阻13遠(yuǎn)大于電阻R10，而R11，R12，R14相等(R)，且也遠(yuǎn)大于電阻R10，上述等式(1)能近似為下式(2)V(+)＝SWV (R)/(R+R/2比較器52的輸出將保持在高電壓狀態(tài)，) ＝SWV＊(2/3) (2)一直到電容C3充電上升到近SWV的2/3。眾所周知，電容C3的充電將是指數(shù)式的，其時(shí)間常數(shù)TC＝R13＊C3(近似值)。
只要比較器52的輸出接近SWV的電壓電平，晶體管Q17就導(dǎo)通，通過(guò)電阻R17把CHP信號(hào)箱位于負(fù)電壓電位(-V)或接近負(fù)電位(-V)。當(dāng)電容C3兩端的電壓達(dá)到(SWV)＊(2/3)時(shí)，比較器52的輸出信號(hào)OUT開始朝電壓-V移動(dòng)，使正節(jié)點(diǎn)電壓比較器的V(+)向小于SWV＊(2/3)移動(dòng)，后者把比較器鎖定在相反狀態(tài)，即，OUT等于-V，V(+)近似等于SWV＊(1/3)。在這狀態(tài)下，電容器C3通過(guò)電阻R13放電，電容C3兩端的電壓(或V(-))變化是與V(+)正向變化時(shí)類似特性的指數(shù)函數(shù)。只要V(-)比V(+)正，比較器就保持在這種狀態(tài)?？傊娮鑂12提供了正反饋通路，R13和C3允許在輸出端OUT和負(fù)節(jié)點(diǎn)之間有一延時(shí)，所有這些條件的結(jié)合導(dǎo)致電路50連續(xù)振蕩。當(dāng)比較器輸出OUT為SWV時(shí)，晶體管Q17導(dǎo)通，即其漏極(CHP)被箝在-V上，當(dāng)OUT為-V時(shí)，晶體管Q17截止，使其漏極(CHP)成為+V。然而，任何CHP電壓變化的主要條件是Q18或Q19至少有一個(gè)暫時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)。
電壓信號(hào)SWV通過(guò)專門的開關(guān)裝置從正電位+V線上獲得。在有些情況下，不希望功率控制器工作。在那些情況下，在+V和SWV之間開關(guān)(機(jī)械的或電子的)打開。通過(guò)這種簡(jiǎn)便的裝置，可以不中斷輸送大電流的+V線部分而啟動(dòng)或關(guān)閉功率控制器。
總之，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)包括a)電路中所有有源大功率元件(Q5、Q6、Q13、Q14)都不在正電位和負(fù)電位之間提供直流短路通路;
b)待用電耗基本為零，至多等于半導(dǎo)體元件的漏電電流;
c)放大器電路應(yīng)用了門控電荷泵汲概念，減少了對(duì)未經(jīng)選擇的或無(wú)源側(cè)的電荷泵汲元件的負(fù)擔(dān);
d)靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，功率放大器在負(fù)載兩端提供一短路通路，以保證電樞控制永磁直流馬達(dá)的動(dòng)態(tài)制動(dòng)，和e)在截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，放大器的元件被適當(dāng)?shù)仄?，處于可靠的安全狀態(tài)。
對(duì)上述本發(fā)明的實(shí)施例，可以不脫離本發(fā)明的范圍而作出種種改變和變化，因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍僅受所附權(quán)利要求書所闡述的范圍的限制。
權(quán)利要求
1.一種用于諸如直流馬達(dá)等負(fù)載的功率控制器(30)，包含方向控制裝置，它包括一個(gè)由一個(gè)連接在正電位(+V)和負(fù)載(M)一端之間的MOSFET晶體管組成的第一方向開關(guān)(Q5)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)時(shí)，第一方向開關(guān)使負(fù)載在第一方向上運(yùn)轉(zhuǎn)；第一方向開關(guān)(Q5)的第一電荷泵汲裝置(32a)，包括第一裝置(Q1，D1，D3，C1)，用于響應(yīng)第一控制信號(hào)的第一狀態(tài)，在第一方向開關(guān)的柵極端產(chǎn)生絕對(duì)值大于正電位(+V)的第一電壓信號(hào)，從而驅(qū)動(dòng)該開關(guān)于導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)之間；和第二裝置(Q9)，當(dāng)?shù)谝环较蜷_關(guān)處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)工作，使第一方向開關(guān)的柵-源極電容CG放電。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于第一裝置包含第一充電開關(guān)(Q1，SWA)，其輸入端用于接收第一控制信號(hào)/FWD)，并連接在第一二極管(D1)和正電位之間，第一二極管(D1)連接在串聯(lián)的第一電容(C1)和第二二極管(D3)的共同端上，第二二極管連接在第一方向開關(guān)(Q5)的柵極上;第一充電開關(guān)包括響應(yīng)于第一控制信號(hào)的狀態(tài)、連接到第一電容器另一端的發(fā)生裝置(50)，用于產(chǎn)生可控地振蕩于正電壓電位和負(fù)電位或地電位之間的電荷泵汲驅(qū)動(dòng)信號(hào)(CHP)。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于第二裝置包含一個(gè)響應(yīng)于第一控制信號(hào)(/FWD)、連接在第一方向開關(guān)(Q5)柵極和負(fù)電位或地電位之間的第二充電開關(guān)(Q9)。
4.如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于方向控制裝置包含一個(gè)連接在負(fù)載(M)一端和負(fù)電位或地電位之間的、能響應(yīng)第一控制信號(hào)的第一和第二狀態(tài)而轉(zhuǎn)換于截止和導(dǎo)通狀態(tài)之間的第二方向開關(guān)(Q13)。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于方向控制開關(guān)進(jìn)一步包括與負(fù)載(M)的第二端連接的第三方向開關(guān)(Q6)，當(dāng)負(fù)載被驅(qū)動(dòng)時(shí)，使負(fù)載以反方向，即第二方向運(yùn)轉(zhuǎn);第三方向開關(guān)(Q6)的第二電荷泵汲裝置(32b)，包括在第三方向開關(guān)(Q6)的柵極上產(chǎn)生絕對(duì)值大于正電位(+V)值的，用于驅(qū)動(dòng)第三方向開關(guān)在截止和導(dǎo)通之間轉(zhuǎn)換的第二電壓信號(hào)(/REV)的第三裝置(Q1′，D1′，D3′，C1′)和當(dāng)?shù)谌b置處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)工作的，用于使第三方向開關(guān)(Q6)的柵-源極電容(CG)放電的第四裝置(Q9′)。
6.如權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于第三裝置包含一第三充電開關(guān)(Q1′)，其輸入端用于接收第二控制信號(hào)(/REV)，連接在第三二極管(D1′)和正電位之間，第三二極管(D1′)連接在串聯(lián)的第二電容器(C1′)和第四二極管(D2′)的共同端上，第四二極管(D2′)連接在第三方向開關(guān)(Q6)的柵極，該發(fā)生裝置也響應(yīng)于第二控制信號(hào)(/REV)的狀態(tài)，電荷泵汲驅(qū)動(dòng)信號(hào)(CHP)也被連接到第二電容器(C1′)的另一端。
7.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于第四裝置包含一個(gè)響應(yīng)于第二控制信號(hào)(/REV)的第四充電開關(guān)(Q9′)，它連接在第三方向開關(guān)(Q6)的柵極和負(fù)電位或地電位之間，該方向控制裝置包括一第四方向開關(guān)(Q14)，連接在負(fù)載(M)的第二端和負(fù)電位或地電位之間，能夠響應(yīng)于第二控制信號(hào)(/REV)的第一和第二狀態(tài)而在在導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)之間轉(zhuǎn)換。
8.如權(quán)利要求7所述的裝置，包括產(chǎn)生使負(fù)載以第一方向和第二方向運(yùn)轉(zhuǎn)和使負(fù)載停止的第一和第二控制信號(hào)(/FWD，/REV)的控制裝置，該控制裝置包括第一方向裝置，用于產(chǎn)生第一控制信號(hào)的負(fù)向第一狀態(tài)和第二控制信號(hào)的正向第一狀態(tài)，其中，響應(yīng)于第一控制信號(hào)(/FWD)的第一狀態(tài)，發(fā)生裝置被激勵(lì)以產(chǎn)生電荷泵汲驅(qū)動(dòng)信號(hào)(CHP)，第一充電開關(guān)(Q1)被置于導(dǎo)通狀態(tài)，以使第一電容器(C1)上的電壓上升，由此使第一方向開關(guān)(Q5)處于導(dǎo)通狀態(tài)，第二充電開關(guān)(Q9)和第二方向開關(guān)(Q13)被置于截止?fàn)顟B(tài);響應(yīng)于第二控制信號(hào)(.REV)的第一狀態(tài)，第三充電開關(guān)(Q1′)被置于截止?fàn)顟B(tài)，使第二電容器(C1′)上的電壓不能升高，第四充電開關(guān)(Q9′)被置于導(dǎo)通狀態(tài)，使第三方向開關(guān)(Q6)的柵-源極電容放電，第四方向開關(guān)(Q14)被置于導(dǎo)通狀態(tài)，分別通過(guò)第一和第四方向開關(guān)(Q5、Q14)在負(fù)載兩端提供一電流通路，和控制裝置，包括用于產(chǎn)生第一控制信號(hào)的正向第二狀態(tài)和第二控制信號(hào)的負(fù)向第二狀態(tài)的第二方向裝置，其中，響應(yīng)于第一控制信號(hào)(/FWD)的第二狀態(tài)，第一充電開關(guān)(Q1)被置于截止?fàn)顟B(tài)，由此，使第一電容器(C1)上的電壓不能上升，第二充電開關(guān)(Q9)被置于導(dǎo)通狀態(tài)，使第一方向開關(guān)(Q5)的柵-源極電容放電，第二方向開關(guān)(Q13)被置于導(dǎo)通狀態(tài)，其中，響應(yīng)于第二控制信號(hào)(/REV)的第一狀態(tài)，第三充電開關(guān)(Q6)被置于導(dǎo)通狀態(tài)，使第二電容器(C1′)上的電壓能上升，由此，把第三方向開關(guān)(Q6)置于導(dǎo)通狀態(tài)，以分別通過(guò)第二和第三方向開關(guān)(Q13，Q6)為負(fù)載提供一反向電流通路，進(jìn)一步使第四充電開關(guān)(Q9′)和第四方向開關(guān)(Q14)置于截止?fàn)顟B(tài);控制裝置，包括同時(shí)產(chǎn)生第一和第二控制信號(hào)的第二和第一狀態(tài)的停止裝置，它使相應(yīng)的第一充電開關(guān)(Q1)和第三充電開關(guān)(Q1′)去激勵(lì)，從而第一和第三方向開關(guān)(Q5，Q6)維持不導(dǎo)通狀態(tài)，使負(fù)載(M)不能運(yùn)轉(zhuǎn)。
9.如權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于第一和第二控制信號(hào)的相應(yīng)狀態(tài)被基本上同時(shí)產(chǎn)生，如果第一和第二控制信號(hào)具有相同的狀態(tài)，馬達(dá)不被驅(qū)動(dòng)，如果第一控制信號(hào)為第一狀態(tài)，第二控制信號(hào)為第二狀態(tài)，則馬達(dá)被正向驅(qū)動(dòng)，如果對(duì)應(yīng)于正向驅(qū)動(dòng)的狀態(tài)和控制信號(hào)反向，則使馬達(dá)被反向驅(qū)動(dòng)。
10.如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于第一裝置和第二裝置均包括延時(shí)裝置，分別防止第一方向開關(guān)(Q5)和第三方向開關(guān)(Q6)在第二方向開關(guān)(Q13)和第四方向開關(guān)(Q14)成為截止之前導(dǎo)通，從而防止負(fù)載相應(yīng)兩端之間短路。
11.如權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于延時(shí)裝置包括與第一充電開關(guān)(Q1)和第一二極管(D1)相連的第一電阻(R1)和與第三充電開關(guān)(Q1′)和第三二極管(D1′)相連的第二電阻(R1′)。
12.如權(quán)利要求11所述的裝置，包括一個(gè)產(chǎn)生電荷泵汲信號(hào)(CHP)的電荷泵汲驅(qū)動(dòng)電路，該電路包含響應(yīng)于輸入信號(hào)以產(chǎn)生第一(/FWD)和第二(/REV)控制信號(hào)的反向裝置(Q18，Q19);與反向裝置(Q18，Q19)和負(fù)電位(-V)或地電位連接的或門(D5，D6);第一門控開關(guān)(Q17)被連接成響應(yīng)于負(fù)向第一或第二控制信號(hào)而截止，它的漏極與正電位(+V)連通，漏極被形成電荷泵汲信號(hào)(CHP)，其中，當(dāng)該開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，CHP信號(hào)處于或接近于正電位，當(dāng)該開關(guān)處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，CHP信號(hào)處于或接近于負(fù)電位或地電位，其源極與硬激振蕩器的門控輸入端連接，其柵極與硬激振蕩器的輸出(OUT)端連接，硬激振蕩器的門控輸入端包含一連接在輸出端(OUT)和負(fù)(-V)電位或地位之間的第二門控開關(guān)(Q20)，當(dāng)?shù)谝婚T控開關(guān)(Q17)被激勵(lì)時(shí)，第二門控開關(guān)截止，使輸出端(OUT)不再被箱位于負(fù)(-V)電位或地電位;硬激振蕩器進(jìn)一步包括比較器52，具有一負(fù)輸入端，一正輸入端和輸出(OUT)端，負(fù)輸入端通過(guò)第三電容器(C3)與負(fù)電位(-V)相連，通過(guò)第一控制電阻(R13)與輸出(OUT)端相連，正輸入端通過(guò)第二控制電阻(R12)與輸出端相連，并通過(guò)電阻電橋(R11，R14)連接在負(fù)電位和轉(zhuǎn)換電壓源(SWV)之間，轉(zhuǎn)負(fù)電壓源(SWV)為正電位(+V)值或接近正電位(+V)值，并當(dāng)?shù)诙T控開關(guān)截止時(shí)，轉(zhuǎn)換至導(dǎo)通狀態(tài)，當(dāng)?shù)诙T控開關(guān)(Q20)轉(zhuǎn)換至導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，第三電容(C3)放電，促使負(fù)輸入端電壓朝負(fù)電位變動(dòng)，使輸出(OUT)端處于可使第一門控開關(guān)(Q17)導(dǎo)通的正電壓上，把第一門控開關(guān)(Q17)的漏極(CHP信號(hào))箝位于負(fù)電位，此后，當(dāng)?shù)谌娙萜?C3)充電時(shí)，比較器(52)的輸出端將改變狀態(tài)，截止第一門控開關(guān)(Q17)，使其漏極端(CHP)維持在正電位值或接近正電位值。
全文摘要
一種功率控制器(30)包含用于控制流過(guò)負(fù)載諸如直流馬達(dá)(M)的多個(gè)MOSFET晶體管開關(guān)(Q5，Q6，Q13，Q14)，所提供的門控電荷泵汲電路(32a，b)控制兩開關(guān)(Q5，Q6)的導(dǎo)通，以響應(yīng)于確定方向的控制信號(hào)(/FWD，/REV)把驅(qū)動(dòng)電壓加于馬達(dá)，從而控制馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，由于電荷泵汲電路的電路結(jié)構(gòu)，其靜態(tài)電流為零。
文檔編號(hào)H03K17/06GK1050651SQ9010767
公開日1991年4月10日 申請(qǐng)日期1990年9月10日 優(yōu)先權(quán)日1989年9月26日
發(fā)明者托馬什·帕坦尤斯 申請(qǐng)人:聯(lián)合信號(hào)股份有限公司