[发明专利]具有低待用电耗的功率控制器

说明书

本发明涉及一种直流电动机的功率放大器或控制器，尤其涉及一种具有近零待用电耗的装置。

以前，是用半导体器件装置来完成直流电动机的控制的。图1a-c是一种由4个开关SW1-4组成的半导体功率控制器，用以控制通常用字母M表示的电动机或负载。在断开状态，开关SW3和SW4闭合，在马达M两端施加一短路箱位。本技术领域中的人都知道，在电枢控制永磁直流电动机中，动态制动是通过把直流马达的两端A和B短路来实现的。负载或马达的正向转动则通常闭合开关SW1和SW4来实现。在这种情况下，电流将从A端流向B端。闭合开关SW2和SW3，则使电流从B端向A端作反向流动，从而使负载或马达换向。利用图1中的电路，可以构成一个基本的半导体功率控制器。如图2a所示，控制器应用了金属氧化物硅场效应晶体管（MOSFET）。图2a示出的是N型MOSFET，但也可用P型MOSFET，如果是P型MOSFET，所描述的电流方向中的电压极性将反转。图2c示出了一种用P型MOSFET的互补对称电路。

MOSFET一般包括三个作用电极，即一个栅极G，一个漏极D和一个源极S。图2a中在用作开关SW1的晶体管Q5上注明了这三个极。众所周知，MOSFET晶体管Q5还包括一个对应于晶体管基体或基片的一个极（B）。参见图1和图2a，开关SW1-4通过四个MOSFET晶体管Q5、Q6、Q13和Q14来实现。负载如马达M连接在A端和B端之间，A端和B端分别是各个晶体管对Q5-Q13和Q6-Q14的源极和漏极之间的连接点。

从图2a中可以看出，晶体管Q5和Q6的漏极连接到正电位（+V），晶体管Q13和Q14的源极连接到负电位（-V）。如果本发明应用在移动的场合，电压源可以用汽车用蓄电池来提供，+V等于B+，-V等于地电位。晶体管Q13的栅极接收24端的逻辑信号/FWD，晶体管Q14的栅极接收26端的另一个逻辑信号/REV。逻辑信号/FWD和/REV从+V变到-V作双态变化。FWD和REV信号上的一划（-）是表示互补逻辑信号的符号。本附图中这种符号写在基本信号的上面，然而，在书面的说明书中，逻辑补码信号就被打印成/FWD，/REV等。逻辑信号/FWD和/REV被分别连接到电荷泵汲（charge  pump）电路22a和22b。这些电荷泵汲电路22a和22b也受在C端接收到的电荷泵汲驱动信号的控制。这些电荷泵汲电路的输出端分别连接到晶体管Q5和Q6的栅极。应当理解，要把如图2a所示的MOSFET器件翻转成导通状态，需要在栅极施加高于相应源极电压的电位。这个功能由电荷泵汲电路来实现。简单地说，这个电路就是产生一个大于正电位+V的输出信号的电路。图2b图示了一种连接到正电位和负电位的基本电荷泵汲电路22a。该电荷泵汲电路22a包括电容器C1、二极管D1和D3和一通常以SWT表示的开关。如电路22a所示的电荷泵汲电路由可以是如下所示的/FWD、/REV信号或类相似信号之一的控制信号来控制。在栅极和负电位-V之间的电容CG（虚线所示）表示如Q5或Q6的MOSFET器件的栅极和源极之间的等效输入电容。开关SWT是一个单刀双掷开关，它使电容器C1的一侧交替地在正电位和负电位（+V和-V）之间转换。当开关SWT闭合与负电位（-V）接通时，电容器C1将通过二极管D1充电，最接近开关SWT的一端被充负电。当然接近两二极管连接点的另一端将被充正电。当开关拨至和正电位+V接触时，等效栅-源极电容CG将通过二极管D1和D3充电至正电位+V电平，并且，存贮在电容器C1的电压也通过二极管D3对电容CG充电，这样，电容CG两端的电压将近似等于V_CG＝2＊V＊C1/（C1+CG）。在下一次泵汲期间，电容CG两端电压将再增加，这一过程一直持续到等效电容CG两端电压近似等于两倍的正电位。上述关系可以近似地表达为V_CG＝2＊V＊（1-a^K），其中a＝CG/（C1+CG），k是充电泵汲的次数。因为a＜1，当k增加时，a^K趋向于0，V_CG趋向于2V。众所周知，根据实际情况可以理解，器件Q5或Q6的栅-源极电容在加到负载M上的电源电压关闭时就必须立即放电，也就是说这将在晶体管Q13和Q14同时接通和当/FWD＝+V及/REV＝+V时发生。另外，在如图2a所示的电路的非驱动侧的另一个电荷泵汲22b不应被触发，即，在/FWD驱动信号情况下的晶体管Q6一侧或在/REV驱动信号情况下的晶体管Q5一侧不应被触发。例如，在FWD（正向）状态，即/FWD＝-V，晶体管Q5和Q14导通，电荷泵汲在Q5一侧上实现。如果在Q6一侧上也实现了电荷泵汲，Q6也将导通。那种情况下，导通的晶体管Q6和Q14将在+V和-V线之间形成接近短路的状态。简单地说，（回到图2a）图中所示的/FWD和/REV信号将驱动负载或马达（M）正向转动。当然信号将翻转以驱动马达反向转动，如果/FWD＝/REV＝+V，马达不动或停止。