專利名稱：射頻變壓器控制集成開關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及需要在控制電路和供率電路之間電隔離的功率電路控制系統(tǒng)。這樣的系統(tǒng)通常用于控制由交流(A.C)電源供電的負(fù)載。電隔離實質(zhì)上起到保護(hù)控制電路及其用戶的作用。
背景技術(shù)：
圖1示出了一個在控制電路和供率電路之間實現(xiàn)電隔離的傳統(tǒng)設(shè)備的第一實施例。該設(shè)備是一個變壓器T，形成了一個隔離屏障IB，該變壓器具有一個初級繞組T1連接至控制電路1的兩個輸出端，一個第二繞組T2用來控制一個功率開關(guān)K。在圖1的實施例中，開關(guān)K是一個硅控整流器，連接在功率電路(未示出)的兩端口2和3之間。硅控整流器K的柵極(陰極)連接于繞組T2的一端，繞組T2的另一端連接于端口3，該端口通常表示一個參考電壓(如地)。在初級繞組一側(cè)，控制電路1通常由一個低電壓源(未示出)供電。可以提供低頻控制變壓器(至幾十千赫)，也可提供由第二側(cè)的交流電壓的每半波的同步脈沖激勵的變壓器。
圖1所示的這類控制系統(tǒng)的缺點是需要一個分離的變壓器，而這不僅體積大，而且造價高。
圖2示出了一個已知的電隔離控制系統(tǒng)的第二實施例。在圖2的實施例中，隔離屏障IB的交叉口處是光學(xué)器件。一個光耦合器OP，其激勵二極管D從電路4(CTRL)接收一個控制信號，其光電晶體管TO為電路5(PWCTRL)提供一個控制信號，例如用于控制開關(guān)K。如上所述，開關(guān)K連接在隔離屏障的出口的兩個端口2和3之間。在圖2的實施例中，所述開關(guān)也是一個硅控整流器，其柵極連接至控制電路5。
即使光耦合器在某些情況下也可以被集成，在隔離屏障的出口處使用控制器件(電路5)經(jīng)常是一個嚴(yán)重的缺陷。
已知的還有其它的電隔離屏障，如最簡單的構(gòu)成是在每一要被隔離的導(dǎo)體上連接電容。電容必須保持高電壓，因此也是體積龐大，價格昂貴。而且，如圖2中的實施例，它們需要電子電路來控制構(gòu)成隔離屏障的開關(guān)出口的硅控整流器或三端可控硅器件。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一個用于控制功率開關(guān)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)滿足控制部分和功率部分間的電隔離的限制，并且該系統(tǒng)不需要所述隔離屏蔽的出口控制器件。
本發(fā)明的另一目的是提供一個既不龐大也不昂貴的技術(shù)方案。
本發(fā)明的另一目的是提供一個優(yōu)化的控制系統(tǒng)集成方案。
為了達(dá)到這些目的，本發(fā)明提供了一個電路，通過至少一個電隔離變壓器實現(xiàn)對功率開關(guān)的控制，該變壓器的構(gòu)造為在一個絕緣襯底上設(shè)置平面導(dǎo)電線圈，構(gòu)成激勵變壓器的初級線圈的高頻振蕩電路的無源元件集成在襯底上，變壓器的襯底放置在一個極板上，該極板上還安裝有集成功率開關(guān)的電路芯片。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，控制變壓器的振蕩電路的一個有源器件以集成電路芯片的形式置于所述的襯底的另一個表面，即相對于安裝于所述極板的表面。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，激勵變壓器的振蕩電路的振蕩頻率大于40MHz。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，襯底是玻璃質(zhì)的。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，變壓器的第二繞組通過一個二極管連至功率開關(guān)的一個控制電極，該二極管與該功率開關(guān)控制電極的一個寄生電容共同構(gòu)成一個峰值檢測器。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，功率開關(guān)是一個硅控整流器或一個三端可控硅器件。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，電路包括兩個變壓器，用于分別控制兩個與交流電源的一極相連的功率開關(guān)，所述兩個變壓器的兩個初級繞組受同一振蕩電路控制。
本發(fā)明還提供了一種低頻供電網(wǎng)絡(luò)中對高頻信號的發(fā)射接收設(shè)備，該設(shè)備包括一個發(fā)射器，由驅(qū)動第一變壓器的初級繞組的高頻振蕩信號構(gòu)成，該第一變壓器的第二繞組與網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)體相連；一個接收器，由第二電隔離變壓器構(gòu)成，該第二變壓器用于控制一個開關(guān)，至少所述的第一變壓器是由平面導(dǎo)電線圈置于一個第一絕緣襯底上形成，組成振蕩電路的無源器件集成在該襯底上。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述的第二變壓器是由平面導(dǎo)電線圈置于一個第二絕緣襯底上形成，該第二襯底位于安裝有集成所述開關(guān)的電路芯片的極板上。
本發(fā)明的上述和其它目的、特征和優(yōu)點將在下面的非限制性的特定實施例中結(jié)合附圖進(jìn)行詳細(xì)描述。其中圖1和2，如上所述，意在表明現(xiàn)有技術(shù)及要解決的技術(shù)問題；圖3簡示了本發(fā)明的一個控制功率開關(guān)的電路的實施例；圖4示出了本發(fā)明的一個集成了一個隔離變壓器的電路的實施例的頂視圖；圖5示出了本發(fā)明的一個高頻控制電路及一個隔離變壓器的實施例；圖6示出了本發(fā)明的一個集成電路的簡化剖視圖；圖7示出了本發(fā)明的一個控制兩個功率開關(guān)的電路的實施例；圖8示出了本發(fā)明的一個電路應(yīng)用于傳送功率開關(guān)中的控制信號通過一個交流電功率系統(tǒng)。
具體實施例方式
不同附圖中相同的器件標(biāo)注了相同的標(biāo)記。為清楚起見，附圖中僅示出了那些對于理解本發(fā)明必要的內(nèi)容，并將在下面進(jìn)行描述。特別的，功率開關(guān)控制的電路沒有示出，因為那不是本發(fā)明的目的。還有那些用于提供隔離屏障的控制電路入口處的工作設(shè)置點的可能的電路也沒有示出。
圖3示出了一個具有電隔離屏障(屏障IB)的功率開關(guān)K的控制電路10的一個實施例。圖3的內(nèi)容應(yīng)該與傳統(tǒng)的圖1和2中的內(nèi)容進(jìn)行比較。
根據(jù)本發(fā)明，采用了一個甚高頻(至少幾十MHz)變壓器11，該變壓器具有一個受電路13(OSC)控制的初級繞組12，一個第二繞組14用于控制隔離屏障IB的出口的功率開關(guān)K。如上所述，開關(guān)K連至被控制的電路的兩個端口2和3之間。在圖3的實施例中，開關(guān)K由一個硅控整流器(thyristor)構(gòu)成，該硅控整流器的柵極(陰極)通過一個二極管D1連至繞組14的第一端口，二極管D1的陰極連接至硅控整流器K的柵極。二極管的作用是與硅控整流器K的結(jié)電容一起構(gòu)成繞組14的峰值檢測器。
首先，電路13形成了一個低直流電壓(VCC-GND)供電的振蕩器。電路13的控制端15接收一個控制信號以禁止電路13的振蕩。電路13的輸出端16與變壓器11的初級繞組12的第一端口相連，繞組12的第二端口接地GND。
本發(fā)明的一個特點是采用集成在一個絕緣襯底(最好是玻璃的)上的變壓器。為了集成變壓器，本發(fā)明的激勵頻率高達(dá)幾十MHz，最好是大于40MHz。
本發(fā)明的另一個特點是變壓器的絕緣襯底上集成了構(gòu)成控制電路13的所有無源器件。
本發(fā)明的另一個特點是使用集成有變壓器11的絕緣襯底來隔離襯底上集成的無源器件與開關(guān)第二側(cè)的功率電極。該特點在下面對圖6的描述中更容易理解。
圖4和圖5通過等效電路框圖和絕緣襯底的頂視圖分別示出了本發(fā)明的振蕩電路13、控制電路10及變壓器11。
在圖4的實施例中，電路13由一個考畢茲(collpits)型的振蕩器構(gòu)成。它包括一個NPN型的雙極性晶體管N。晶體管N的集電極接電源電壓VCC端23。其射極通過一個電容C1連至變壓器11的初級繞組12的第一端口12’。晶體管N的基極通過一個與電容C2串連的電感L接地GND。晶體管N的基極還連至兩個電阻R1和R2的接點24，電阻R1和R2在端點23和22之間形成了一個極性分割橋。電容C3和C4串聯(lián)，一端接晶體管N的基極，一端接地。該串聯(lián)的中點連接晶體管N的射極。這是一個振蕩器的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可以通過晶體管射極的反饋獲得一個負(fù)電阻(基-射連接及電容C3和C4)。電阻R3將晶體管N的射極連至一個控制輸入端26。電阻R3偏置晶體管并設(shè)置其集電極(或射極)的電流。晶體管N的基極-射極電壓由電阻R1與電阻R2加R3的和之比設(shè)定。當(dāng)輸入端26接地時，振蕩器激活。為了停止振蕩器，端點26接電源VCC正極，從而消除了晶體管N的集電極-射極電壓。
振蕩頻率是由關(guān)系式 提供的，其中C代表C2、C3、C4的串聯(lián)等效電容，忽略晶體管的結(jié)電容。
圖4中描述的不同的無源器件也出現(xiàn)在圖5的頂視圖中。
在圖5的實施例中，襯底(圖4中用點劃線20表示)是玻璃襯底，其上敷有導(dǎo)電層以形成集成無源器件。第一金屬層敷于玻璃襯底上，用于確定連接構(gòu)成變壓器11的平面線圈12和14的中央端點軌線33和38。第二金屬層31確定用于連接電路的外部(圖4中的端點22)的接地面。
在圖5的實施例中，使用一個絕緣體將三層金屬層彼此隔開。金屬層尤其是第二層(接地面)包括參與器件形成的多個開口。
變壓器11由兩個同心導(dǎo)電軌線構(gòu)成。這兩個軌線例如分別形成在第二和第三金屬層。第一軌線確定了初級繞組12，該初級繞組12的第一端口12’通過第一金屬層的區(qū)域33與接地面31相連。繞組12的第二端口12”例如連接至形成在第二層的電容C1的第一電極。例如形成在第一層的電容C1的第二電極，連接至圖4的中點25所代表的第二層的導(dǎo)電區(qū)25’。導(dǎo)電區(qū)25’連接晶體管N的射極27至例如形成在第一層的電容C3的第一電極，至形成在第二層的電容C4的第一電極，至電容C1的第二電極，及至電阻R3的第一端口。電阻R3，類似于R1和R2，例如由一個TaN(鉭氮化物)軌線在金屬層的開口處形成。電阻R3的另一端口，例如在第二層的端口，連接至控制信號的應(yīng)用端26。例如形成在第一層的電容C4的第二電極連接至接地面31。例如形成在第二層的電容C3的第二電極連接至圖4中的點24表示的第二層的導(dǎo)電區(qū)24’。導(dǎo)電區(qū)24’連接晶體管N的基極28、電容C3的第二電極、電容C2的第一電極，它們形成在電阻R1和R2各自的第一端口的第二層中。電阻R1的第二端口連接至晶體管N的集電極29。電阻R2的第二端口與接地面31相連。例如形成在第一層的電容C2的第二電極連接至形成在一個平面同心線圈的第一端口，該平面共心線圈形成在接地平面形口34的第二層并定義了電感L。電感L的線圈的第二(中央)端口通過運(yùn)行于線圈之上的第三層的區(qū)域35連接至接地面31。變壓器11的第二繞組通過第三層的一個導(dǎo)電線圈14構(gòu)成，該導(dǎo)電線圈14與繞組12同心，其兩端口分別連接于電路的焊盤36和37。線圈14的中央端點通過第一層的區(qū)域38連至軌線連接端37。不同導(dǎo)電層的不同連接通過通道實現(xiàn)。
在圖5的實施例中，變壓器11的初級和第二繞組具有相同數(shù)目的線圈。因此轉(zhuǎn)換率是1。
在圖5的實施例中，接地面所在的第二金屬層也是大多數(shù)連接軌線形成的層。其它的配置當(dāng)然也是可能的。
或者，僅使用兩層金屬層。則變壓器11由兩個同心共面的導(dǎo)電軌線構(gòu)成。這些軌線形成在作為接地平面的第一金屬層，如圖5所示，第一金屬層的開口處形成了連接軌線、電容的電極及線圈L和電阻。變壓器的第二繞組與第一繞組同心、共面。繞組的中央端點與外圍器件的連接也形成在同一層上。
圖5所示的變壓器11的電介質(zhì)是空氣，另一可選方案是，用一種絕緣材料(例如樹脂)覆蓋玻璃襯底20的前表面，該絕緣材料作為變壓器的電介質(zhì)。
圖6是本發(fā)明的集成有開關(guān)K的電路的剖面簡化示圖。在圖6的實施例中，硅芯片40置于一個襯底42上，例如一個印刷電路板或包裝之上，開關(guān)K形成在硅芯片中。不同的導(dǎo)電軌線可以出現(xiàn)在襯底上并由金屬層41表示。硅控整流器40簡示于圖6，并由一個N型襯底43表示，其后表面表示陽極。層41的軌線連接該陽極至端點2。前表面表示一個P型區(qū)44，其中的P+區(qū)45形成了硅控整流器的陰極(它因此連接至端點3)，硅控整流器的柵極連接至區(qū)域44。在芯片40的周圍，示出了使電路的反向電壓保持的井(well)。圖6的表示完全是任意的和示例性的。特別地，為了簡化，二極管D1未在圖6中示出。實際上，它將與開關(guān)K一起集成在芯片40中。功率開關(guān)的構(gòu)成本身不是本發(fā)明的目的。重要的是把芯片40的一個功率電極置于襯底42的金屬層41中。根據(jù)本發(fā)明，支承集成的無源器件的玻璃襯底或極板20也將其后表面(相對于形成不同元件的金屬層)置于襯底42上。在玻璃襯底20的前表面，不同的無源器件由層47表示?？刂齐娐返娜齻€導(dǎo)體22、23和26從該層47向芯片40擴(kuò)展。導(dǎo)體48連接焊盤36(圖5)至開關(guān)K的陰極3。導(dǎo)體49連接第二繞組14的另一焊盤37至區(qū)域44。
圖6表示本發(fā)明的另一實施例，其中變壓器N以集成電路芯片50的形式置于位于玻璃襯底20的前表面上。調(diào)整該前表面，使變壓器N的集電極、射極、基極的接觸焊盤出現(xiàn)在芯片50前，這對于本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見的。
圖6所示的玻璃襯底20不僅起到變壓器11的電隔離屏障的作用，而且還電隔離控制電路與印刷電路42的軌線。這特別有利，因為通常襯底42上還放有除硅控整流器K和二極管D1之外的其它元件。
實際上，本發(fā)明的電路中的所有無源器件可以集成在一個具有5至10毫米數(shù)量級邊長的玻璃襯底上。電感L的電感值最好小于幾百納亨。各電容的電容值最好小于1納法。各電阻的電阻值最好小于100千歐。
本發(fā)明的一個優(yōu)點是能夠集成功率開關(guān)控制電路的所有器件，而不需要關(guān)于控制信號的隔離屏障低電壓控制電路出口。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點是在變壓器的選擇頻率上，其控制電路中的振蕩器的電容是可集成的。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點是控制電路的體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的控制電路。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點是，尤其是與光耦合器電路相比，不需要相對于接收機(jī)放置光發(fā)射器。這點在傳統(tǒng)的電路中即使以集成的方式也是很難實現(xiàn)的。
雖然前面對由硅控整流器構(gòu)成的功率開關(guān)的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了描述，所述的開關(guān)可以是任何功率開關(guān)，例如是一個三端可控硅器件或一個陽極柵極硅控整流器。
圖7示出了本發(fā)明的功率開關(guān)控制電路的第二實施例。在該實施例中，在隔離屏障IB的出口使用了兩個硅控整流器Th1和Th2。硅控整流器Th1的陽極及硅控整流器Th2的陰極與端口2相連。硅控整流器Th1的陰極及硅控整流器Th2的陽極與端口3相連。硅控整流器Th1和Th2的柵極分別與二極管D1和D2的陰極相連，D1和D2的陽極分別與不同的變壓器55和56的第二繞組53和54的第一端口相連。各隔離變壓器55和56的構(gòu)成參照前面所討論的第一實施例。因此，變壓器55和56的各初級繞組57和58受振蕩電路13的控制。一個振蕩電路13已經(jīng)足夠，其輸出端16連接至繞組57和58的第一端口。繞組57和58的第二端口連接至初級線圈側(cè)的地22。另一側(cè)，繞組53和54的端點各自連于端口2和3。圖7所示的電路的運(yùn)行可以參考前面對圖4的描述推導(dǎo)出。
圖8是應(yīng)用本發(fā)明來傳送控制信號通過電功率系統(tǒng)(干線)的簡化電路框圖。該系統(tǒng)在圖8中用傳送低頻交流電壓(例如220V，50Hz)的兩個導(dǎo)體P和N來表示該系統(tǒng)。系統(tǒng)中某處提供了一個發(fā)射器60。該發(fā)射器使用了本發(fā)明的一個第一變壓器61，該變壓器61受所連接的電路13的控制，如前面的實施例所述。欲發(fā)送的信號的調(diào)制例如由控制電路13的禁用控制信號(端點26)實現(xiàn)。變壓器61的初級線圈62是用于隔離變壓器控制與電力系統(tǒng)的第一隔離屏障IB1的入口。變壓器的第二繞組64通過其各個端口連接至干線的導(dǎo)體P和N。優(yōu)選的，在干線的一個導(dǎo)體和繞組64之間插入一個耦合電容Ca。該系統(tǒng)的另一處，提供了一個接收由變壓器61所發(fā)送的甚高頻信號的接收器70。在接收方，變壓器71用于傳送這些信號通過接收電路的一個相對于電系統(tǒng)的第二隔離屏障IB2。變壓器71的初級繞組72與干線的導(dǎo)體P和N相連。優(yōu)選的，在一個導(dǎo)體和繞組72的一個端口之間插入一個解耦合電容Cb。變壓器71的第二繞組74與功率開關(guān)K的控制端相連。開關(guān)K的兩個功率電極2和3與負(fù)載或受控的負(fù)載串聯(lián)連接。如上所述，二極管D1插入在控制電極(例如硅控整流器的柵極)和繞組74之間。相對于變壓器61，變壓器71根據(jù)本發(fā)明為甚高頻變壓器。因此在發(fā)射器60端，振蕩器13和變壓器61集成在同一玻璃襯底上。在接收器端，變壓器71集成在玻璃襯底上。開關(guān)K和二極管D1做成集成電路芯片置于與變壓器71相同的絕緣襯底上。
當(dāng)然，本發(fā)明可能會有各種變化，修改及改進(jìn)，這對于本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見的。特別地，本發(fā)明中的控制電路的不同元件的尺寸，本領(lǐng)域技術(shù)人員在前面給定的功能性指示及應(yīng)用的基礎(chǔ)上可以有很多變化。另外，也可以使用其它的振蕩器結(jié)構(gòu)。很多的振蕩器結(jié)構(gòu)，最好是基于感性、容性、阻性元件并具有至少一個雙極性晶體管的振蕩器對于本領(lǐng)域技術(shù)人員都是可用的。
權(quán)利要求
1.一種通過至少一個電隔離變壓器(11，55，56)來控制功率開關(guān)(K，Th1，Th2)的控制電路，其特征在于所述變壓器由絕緣襯底(20)上的平面導(dǎo)電線圈(12，14；57，53；58，54)構(gòu)成，組成高頻振蕩電路(13)的無源器件集成在該襯底上，該高頻振蕩電路用于驅(qū)動變壓器的初級繞組(12，57，58)，所述變壓器的襯底置于極板(42)上，其中集板(42)安裝有集成了功率開關(guān)的電路芯片(40)。
2.如權(quán)利要求1所述的控制電路，其特征在于用于控制變壓器(11，55，56)的振蕩電路(13)的有源器件(N)由置于所述襯底(20)一個表面上的集成電路芯片(50)構(gòu)成，所述的襯底一個表面與安裝了該襯底的極板(42)相對。
3.如權(quán)利要求1或2所述的控制電路，其特征在于振蕩電路(13)的頻率大于40MHz。
4.如權(quán)利要求1至3任一所述的控制電路，其特征在于所述的襯底(20)是玻璃的。
5.如權(quán)利要求1至4中任一所述的控制電路，其特征在于變壓器的第二繞組(14，53，54)通過一個二極管(D1，D2)與功率開關(guān)(K，Th1，Th2)的一個控制電極相連，所述二極管與功率開關(guān)的控制電極的寄生電容一起構(gòu)成一個峰值檢測器。
6.如權(quán)利要求1至5中任一所述的控制電路，其特征在于所述的功率開關(guān)(K，Th1，Th2)是一個硅控整流器或一個三端可控硅器件。
7.如權(quán)利要求1至6中任一所述的控制電路，其特征在于該控制電路包括兩個變壓器(55，56)，用于控制兩個分別與交流電源的一極相連的功率開關(guān)(Th1，Th2)，這兩個變壓器的初級繞組(57，58)受同一振蕩電路(13)控制。
8.低頻供電網(wǎng)絡(luò)中高頻信號的發(fā)射-接收裝置，包括一個發(fā)射器(60)，由驅(qū)動第一變壓器(61)的初級繞組(62)的高頻振蕩電路(13)構(gòu)成，所述第一變壓器的第二繞組(64)與網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)體(P，N)相連；一個接收器(70)，由用于控制開關(guān)(K)的第二電隔離變壓器(71)構(gòu)成；其特征在于至少所述的第一變壓器由一個第一絕緣襯底上的平面導(dǎo)電線圈(62，64)構(gòu)成，所述第一絕緣襯底上集成有組成振蕩電路(13)的無源器件。
9.如權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，所述的第二變壓器(71)由一個第二絕緣襯底上的平面導(dǎo)電線圈(72，74)構(gòu)成，該第二襯底置于一個極板上，該極板上安裝有集成了開關(guān)(K)的電路芯片。
10.如權(quán)利要求8或9所述的裝置，其特征在于所述的振蕩電路(13)即權(quán)利要求2或3所述的控制電路。
11.如權(quán)利要求8至10中任一所述的裝置，其特征在于所述的第二變壓器(71)即權(quán)利要求5所述的控制電路。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種通過電隔離變壓器的方式控制功率開關(guān)的控制電路，該變壓器由絕緣襯底(20)上的平面導(dǎo)電線圈構(gòu)成，組成驅(qū)動變壓器的初級繞組的高頻振蕩電路的無源器件集成在該襯底上，該變壓器的襯底直接置于一個極板(24)上，該極板上安裝有集成了功率開關(guān)的電路芯片(40)。
文檔編號H01F27/28GK1481562SQ0182107
公開日2004年3月10日 申請日期2001年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月21日
發(fā)明者法布萊斯·基頓, 羅伯斯·佩澤尼, 佩澤尼, 法布萊斯 基頓 申請人:St微電子公司