包括恒定功率控制器的电气开关系统及相关方法技术方案

一种电气开关系统包括恒定功率控制器和电耦合在第一节点与第二节点之间的开关器件。该恒定功率控制器被配置为(a)生成数字控制信号以控制该开关器件，(b)至少部分地基于该开关器件两端的电压来控制该数字控制信号的活动阶段的持续时间，以及(c)控制该数字控制信号的峰值以调节流过该开关器件的电流的峰值幅值。幅值。幅值。

【技术实现步骤摘要】
包括恒定功率控制器的电气开关系统及相关方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2020年3月10日提交的美国临时专利申请序列号62/987,491的优先权权益，该美国临时专利申请通过引用并入本文。

技术介绍

[0003]诸如晶体管等开关器件通常用于控制电路中的电流流动。例如，开关器件可以用作断路器，以诸如响应于故障或过载状况而中断电路中的电流流动。开关器件有时电耦合到能量储存器件，诸如电容器、电感器和/或电池。因此，开关器件可能需要处理与对能量储存器件进行充电和/或放电相关联的大电流幅值。
附图说明
[0004]图1是展示了在启动期间开关器件的输出电压和功率消耗的曲线图，其中，开关器件被配置为用作恒定电流发生器。
[0005]图2是展示了在启动期间开关器件的输出电压和功率消耗的另一个曲线图，其中，开关器件被配置为用作恒定电流发生器。
[0006]图3是展示了在启动期间开关器件的输出电压和功率消耗的另一个曲线图，其中，开关器件被配置为用作恒定电流发生器。
[0007]图4是根据实施例的包括电气开关系统的电路的框图，其中，电气开关系统包括恒定功率控制器。
[0008]图5是展示了在启动期间图4的电气开关系统的数字控制信号的一个示例的曲线图。
[0009]图6是展示了在启动期间图4的电气开关系统的操作的一个示例的曲线图。
[0010]图7是展示了在启动期间图4的电气开关系统的操作的另一个示例的曲线图。
[0011]图8是根据实施例的包括电气开关系统的另一个电路的框图，其中，电气开关系统包括恒定功率控制器。
[0012]图9是根据实施例的包括电气开关系统的另一个电路的框图，其中，电气开关系统包括恒定功率控制器。
[0013]图10是展示了图9的恒定功率控制器的操作的一个示例的曲线图。
[0014]图11是图8和图9中描绘的放大器的一个可能实施例的框图。
[0015]图12是展示了根据实施例的用于开关器件的恒定功率控制的方法的框图。
具体实施方式
[0016]诸如晶体管等开关器件可能会因高电流幅值而损坏，例如由于超出开关器件的安全工作区(SOA)和/或由于与开关器件中的功率消耗相关联的发热而损坏。在开关器件电耦合到能量储存器件并且在能量储存器件的充电或放电期间开关器件承受大电流幅值的应用中，损坏的可能性可能特别大。开关器件在高压应用中也可能特别容易损坏，因为开关器
件中的功率消耗与开关器件两端的电压幅值成正比。因此，可能需要保护开关器件以使得不超过其SOA和/或最大功率额定值。
[0017]常规地，通过使开关器件在启动期间用作恒定电流发生器来保护开关器件免受损坏，从而限制在启动期间流过开关器件的电流的幅值。例如，在场效应晶体管(FET)用作开关器件的情况下，控制电路系统可以在启动期间保持恒定的栅极到源极电压，使得FET在启动期间用作恒定电流发生器。
[0018]然而，由于可用于给能量储存器件充电的电流有限，因此在启动期间将开关器件作为恒定电流发生器来操作可能导致启动时间过长。另外，除非恒定电流的幅值很小，否则可能会超过开关器件中的最大允许功率消耗。例如，图1是展示了在启动期间开关器件的输出电压102和功率消耗104的曲线图，其中，输出电压102是开关器件的输出端的电压，并且功率消耗104是开关器件中的功率消耗。启动在时间t0处开始，开关器件开始传导电流，并且启动在时间t1处结束，此时输出电压102等于输入电压V
输入
。该示例中的开关器件作为恒定电流发生器操作，并且生成具有小幅值的电流，从而防止功率消耗104超过开关器件的最大允许功率消耗P
最大
。因此，防止了开关器件出现过度的功率消耗，并且开关器件能够在其SOA内操作。然而，启动时间(即，在启动在时间t0开始之后输出电压102达到输入电压V
输入
所需的时间)具有相对较长的值t
su1
。
[0019]图2的曲线图类似于图1的曲线图，但是其中，开关器件生成的恒定电流具有比图1的示例更大的幅值。较大的恒定电流幅值导致输出电压102在时间t2达到V
输入
，使得启动时间具有值t
su2
。因此，图2的示例中的启动时间比图1的示例中的启动时间短。然而，功率消耗104在启动过程的一部分期间超过了最大允许功率消耗P
最大
，如图2中的阴影线所示。虽然开关器件可能不会超过其SOA，但是启动期间的大功率消耗可能会损坏开关器件。
[0020]图3的曲线图类似于图1和图2的曲线图中的每一个，但是其中，开关器件生成的恒定电流具有比图1和图2的示例更大的幅值。因此，图3的示例中的启动时间t
su3
比图1的示例或图2的示例中的任一个的启动时间短。然而，功率消耗104在启动过程的一部分期间远远超过了最大允许功率消耗P
最大
，如图3中的阴影线所示。因此，开关器件可能遭受长期的劣化和/或故障。
[0021]因此，当在启动期间将开关器件作为恒定电流发生器操作时，可能难以或甚至不可能同时实现令人满意的短启动时间和足够的开关器件保护。操作开关器件以使其在启动期间生成两个不同幅值的恒定电流可以使启动时间有所缩短，但是上面讨论的缺点通常仍然适用。
[0022]此外，诸如由于FET的亚阈值特性的变化和/或FET中的沟道调制效应，可能难以准确地控制由FET实施的恒定电流发生器的幅值。另外，开关器件中的功率消耗会随着启动时间而发生显著变化，尤其是在高压应用中。例如，图1至图3中的功率消耗104在启动过程期间发生了显著变化。因此，恒定电流发生器可能需要被配置为生成具有小幅值的电流，以确保在最坏情况下开关器件受到保护。然而，如此小的电流幅值限制了相关联的能量储存器件可以被充电的速度，从而导致长的启动时间。
[0023]本文披露了包括恒定功率控制器的新型电气开关系统，其可以至少部分地克服以上讨论的一个或多个缺点。恒定功率控制器生成数字控制信号以控制开关器件。至少部分地基于开关器件两端的电压来控制数字控制信号的活动阶段的持续时间，以在开关器件中
实现恒定的平均功率消耗。另外，控制数字控制信号的持续时间以调节流过开关器件的电流的峰值幅值。因此，恒定功率控制器有利地能够控制开关器件以同时实现短启动时间和足够的开关器件保护。另外，某些实施例可以实现比常规的开关器件控制器更好的电流控制精度。此外，一些实施例可在大范围的负载能量储存容量下操作。
[0024]图4是包括电气开关系统400的电路的框图，其中，电气开关系统400是本文披露的新型电气开关系统的实施例。电气开关系统400包括开关器件402、恒定功率控制器404和电流感测模块406。开关器件402电耦合在节点408与节点410之间，并且电源412电耦合到节点408。电源412提供在节点408处具有电压V
输入
的电功率。虽然电源412被描绘本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电气开关系统，包括：开关器件，该开关器件电耦合在第一节点与第二节点之间；以及恒定功率控制器，该恒定功率控制器生成脉冲宽度调制信号以控制该开关器件并且(a)至少部分地基于该开关器件两端的电压(V
s
)设置在活动阶段期间该脉冲宽度调制信号的持续时间(ta)，并且(b)设置该脉冲宽度调制信号的幅度，以调节流过该开关器件的电流(I
s
)的峰值幅度。2.如权利要求1所述的电气开关系统，该恒定功率控制器进一步至少部分地通过控制该脉冲宽度调制信号的占空比(t
a
/T)来设置在该活动阶段期间该脉冲宽度调制信号的持续时间(t
a
)。3.如权利要求1所述的电气开关系统，该恒定功率控制器进一步至少部分地通过控制该脉冲宽度调制信号的频率(1/T)来设置在该活动阶段期间该脉冲宽度调制信号的持续时间(t
a
)。4.如权利要求3所述的电气开关系统，该恒定功率控制器被配置为基于(a)表示流过该开关器件的电流(I
s
)的幅值的信号与(b)参考信号之间的差来控制该脉冲宽度调制信号的峰值。5.如权利要求4所述的电气开关系统，其中，该恒定功率控制器放大表示流过该开关器件的电流(I
s
)的幅值的信号与该参考信号之间的差以确定该峰值。6.如权利要求5所述的电气开关系统，当该脉冲宽度调制信号处于非活动阶段时，该恒定功率控制器进一步将该脉冲宽度调制信号设置为具有零值。7.如权利要求1所述的电气开关系统，其中，该开关器件包括场效应晶体管(FET)。8.如权利要求7所述的电气开关系统，其中，该恒定功率控制器包括：电压感测模块，该电压感测模块生成表示该开关器件两端的电压(V
s
)的第一信号；比较模块，该比较模块生成第三信号，该第三信号表示(a)表示流过该开关器件的电流(I
s
)的幅值的第二信号与(b)参考信号之间的差；第一驱动器开关和第二驱动器开关，该第一驱动器开关和该第二驱动器开关从该第三信号生成该脉冲宽度调制信号；以及调制模块，该调制模块至少部分地基于该第一信号来设置该第一驱动器开关和该第二驱动器开关。9.一种开关器件的恒定功率控制方法，包括：生成表示该开关器件两端的电压(V
s
)的第一信号；生成表示流过该开关器件的电流(I
s
)的幅值的第二信号；生成表示该第二信号与参考信号之间的差的第三信号；以及生成脉冲宽度调制信号以控制该开关...

【专利技术属性】
技术研发人员：P，
申请(专利权)人：马克西姆综合产品公司，
类型：发明
国别省市：