CN103501125A - 高频有源整流装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高频有源整流装置，主要解决现有技术在高频下驱动信号与母线电流不同步且易产生逻辑混乱的问题。该装置包括MOS管全桥（1）、电流鉴相器（2）、两个比较器（3，4）、两个缓冲器（5，6）、耦合电容（7）和高频变压器（8）。电流鉴相器（2）对母线电流进行采样，两个比较器（3，4）对采样信号进行整形，两个缓冲器（5，6）对整形后信号进行功率放大后输出给高频变压器（8），驱动MOS管全桥（1）工作，输出整流后的电压。本发明能够使驱动信号与母线电流保持同步，在高频下仍能保证控制逻辑的正确性和安全性，且具有整流效率高、高频工作可靠的优点，适用于对高频、大功率电压进行整流。

Description

高频有源整流装置

技术领域

本发明属于电路技术领域，涉及一种高频有源整流装置，适用于大功率高频交流电的高效率整流。

技术背景

目前的大功率整流桥大都由功率二极管搭建而成，二极管是无源器件，具有成本低、电路简单的优点。但二极管的通态损耗很大，若应用在大功率的整流电路中，会严重影响整流效率。因此，需要用一种通态损耗较小的晶体管替代。

功率MOSFET的通态电阻很小，用MOS管代替功率二极管能够在很大程度提高整流电路的工作效率。但是，要实现MOS管的全桥整流，需要对其施加时序严格的控制信号：一方面，需保证左半桥的上臂和右半桥的下臂同步导通，左半桥的下臂和右半桥的上臂同步导通，同时两组MOS管交替导通；另一方面，控制信号需同母线电流相位保持同步。现有的MOS管整流电路在低频应用中基本能够提供逻辑正确的控制信号，而在高频应用中，仍存在以下两个问题：（1）响应时间过长，控制信号与母线电流相位不同步；（2）高频下控制逻辑易产生混乱。这两种情况都会导致左半桥或右半桥的直通，烧毁MOS管。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提供一种高频有源整流装置，以减小响应时间，使控制信号与母线电流相位同步，获得逻辑正确的控制信号，驱动MOS管全桥正常工作，实现大功率高频交流电的高效整流。

为实现上述目的，本发明包括：MOS管全桥、电流鉴相器、两个比较器、两个缓冲器和耦合电容，其特征在于：还包括有高频变压器，该高频变压器的初级两端分别与第二缓冲器的输出端和耦合电容的一端连接，四组次级匝数相同，其两端分别与MOS管全桥的四个MOS管栅极和源极连接，用于将初级输入的双极性类方波信号U₇耦合到四组次级，得到四组幅度相等、相位同步且相互隔离的驱动信号，驱动MOS管全桥正常工作，输出全波整流后的电压信号。

作为优选，所述MOS管全桥，由四个增强型N沟道MOS管M1，M2，M3，M4组成，高频变压器由一组初级T0和四组次级T1，T2，T3，T4组成，其中：

第一MOS管M1与第四MOS管M4，组成MOS管全桥的第一组对管，第一MOS管M1，其栅极串联电阻R1后与第一组次级T1的同名端连接，其源极与第一组次级T1的异名端连接；第四MOS管M4，其栅极串联电阻R4后与第四组次级T4的同名端连接，其源极与第四组次级T4的异名端连接，保证第一MOS管M1与第四MOS管M4同时导通或截止；

第二MOS管M2和第三MOS管M3，组成MOS管全桥的第二组对管，第二MOS管M2，其栅极串联电阻R2后与第二组次级T2的异名端连接，其源极与第二组次级T2的同名端连接；第三MOS管M3，其栅极串联电阻R3后与第三组次级T3的异名端连接，其源极与第三组次级T3的同名端连接，保证第二MOS管M2与第三MOS管M3同时导通或截止；

所述第一组对管和第二组对管交替导通，以对输入的正弦电压U₁进行全波整流。

作为优选，所述两个比较器与两个缓冲器电连接，即第一比较器的输出端与第一缓冲器的输入端连接，第二比较器的输出端与第二缓冲器的输入端连接；

所述第一比较器，其反相输入端与第二比较器的同相输入端连接，作为两个比较器的输入端，其同相输入端与预设的正门限电压U_HT连接，用于将输入电压U₂与正门限电压U_HT比较后，输出单极性类方波信号U₃给第一缓冲器进行功率放大，输出单极性类方波信号U₅；

所述第二比较器，其同相输入端与第一比较器的反相输入端连接，其反相输入端与预设的负门限电压U_LT连接，用于将输入电压U₂与负门限电压U_HT比较后，输出单极性类方波信号U₄给第二缓冲器进行功率放大，输出单极性类方波信号U₆。

作为优选，所述电流鉴相器，由电流互感器T_C和采样电阻R0组成；该采样电阻R0并联在电流互感器T_C的次级两端，用于对检测到的电流做I/V变化，将电流转换为电压；该电流互感器T_C，其初级两端分别与母线输出端和MOS管全桥的输入端连接，用于检测母线电流，其次级的异名端与两个比较器的输入端连接，输出电压U₂，同名端与参考电压U₀连接，该电压U₀按如下公式设置：

$U_0=\frac{U_{\mathrm{HT}}+U_{\mathrm{LT}}}{2}$

式中，U_HT是比较器的预设正门限电压，U_LT是比较器预设的负门限电压。

作为优选，所述耦合电容，其两端分别与第一缓冲器的输出端和高频变压器的初级同名端连接，用于滤除单极性类方波信号U₅和U₆中的直流成分，得到双极性类方波信号U₇。

相比于现有的大功率整流装置，本发明具有以下优点：

1、本发明由于采用MOS管代替功率二极管，导通压降小，降低了整流过程中的通态损耗，提高了整流装置的工作效率；

2、本发明由于采用高频变压器驱动MOS管全桥，缩短了响应时间，使得MOS管的驱动信号能够与输入电压保持相位同步；

3、本发明由于采用四组次级匝数相同的高频变压器，所产生的四组驱动信号幅度相等、相位同步、相互隔离，因而在高频下仍能够保证控制逻辑的正确性和安全性。

下面结合附图对本发明做进一步说明：

附图说明

图1是本发明的结构框图；

图2是本发明的电路原理图；

图3是本发明中的高频变压器结构图；

图4是本发明的各点工作电压波形示意图；

具体实施方式

参照图1和图2，本发明的高频有源整流装置包括MOS管全桥1、电流鉴相器2、比较器、缓冲器、耦合电容7和高频变压器8。其中：

所述MOS管全桥1，由四个增强型N沟道MOS管M1，M2，M3，M4组成，该四个MOS管分别存在寄生体二极管D1，D2，D3，D4，该MOS管全桥1的输出端连接滤波电容C，高频变压器8，由一组初级T0和四组次级T1，T2，T3，T4组成，其中：

第一MOS管M1与第四MOS管M4组成MOS管全桥1的第一组对管，第一MOS管M1，其栅极串联电阻R1后与第一组次级T1的同名端连接，其源极与第一组次级T1的异名端连接；第四MOS管M4，其栅极串联电阻R4后与第四组次级T4的同名端连接，其源极与第四组次级T4的异名端连接，保证第一MOS管M1与第四MOS管M4同时导通或截止；

第二MOS管M2和第三MOS管M3，组成MOS管全桥1的第二组对管，第二MOS管M2，其栅极串联电阻R2后与第二组次级T2的异名端连接，其源极与第二组次级T2的同名端连接；第三MOS管M3，其栅极串联电阻R3后与第三组次级T3的异名端连接，其源极与第三组次级T3的同名端连接，保证第二MOS管M2与第三MOS管M3同时导通或截止；该第一组对管和第二组对管交替导通，以对输入的正弦电压U₁进行全波整流；这四个MOS管M1，M2，M3，M4均采用IRFB4115芯片，但不局限于此型号，该MOS管具有导通阻抗低、输入电容小、击穿电压高的特点。

所述电流鉴相器2，由电流互感器T_C和采样电阻R0组成；该采样电阻R0并联在电流互感器T_C的次级两端，用于对检测到的电流做I/V变化，将电流转换为电压；该电流互感器T_C，其初级两端分别与母线输出端和MOS管全桥1的输入端连接，用于检测母线电流，其次级的异名端与比较器的输入端连接，输出电压U₂，同名端与参考电压U₀连接，该电压U₀按如下公式设置：

$U_0=\frac{U_{\mathrm{HT}}+U_{\mathrm{LT}}}{2}$

式中，U_HT是比较器的预设正门限电压，U_LT是比较器预设的负门限电压；该电流互感器T_C采用高频互感器。

所述比较器，包括第一比较器3和第二比较器4。该第一比较器3，其反相输入端与第二比较器4的同相输入端连接后，作为比较器的输入端，其同相输入端与预设的正门限电压U_HT连接，用于将输入电压U₂与正门限电压U_HT比较后，输出单极性类方波信号U₃给第一缓冲器5；该第二比较器4，其同相输入端与第一比较器3的反相输入端连接，其反相输入端与预设的负门限电压U_LT连接，用于将输入电压U₂与负门限电压U_HT比较后，输出单极性类方波信号U₄给第二缓冲器6；该第一比较器3和第一比较器4均采用LM119芯片，但不局限于此型号，该比较器具有高带宽、高转换效率的特点。

所述缓冲器，包括第一缓冲器5和第二缓冲器6，其中：第一缓冲器5对输入的单极性类方波信号U₃进行功率放大，输出单极性类方波信号U₅；第二缓冲器6对输入的单极性类方波信号U₄进行功率放大，输出单极性类方波信号U₆；该第一缓冲器5和第一缓冲器6均采用TC4420芯片，但不局限于此型号，该缓冲器具有传输延迟低、输出电流大的特点。

所述耦合电容7，其两端分别与第一缓冲器5的输出端和高频变压器8的初级同名端连接，用于滤除单极性类方波信号U₅和U₆中的直流成分，得到双极性类方波信号U₇；该耦合电容7，采用低ESR的射频型电容，但不局限于此型号，该耦合电容具有等效串联阻抗低的特点。

所述高频变压器8的初级两端分别与第二缓冲器6的输出端和耦合电容7连接，四组次级的匝数相同，其两端分别与MOS管全桥1的四个MOS管栅极和源极连接，用于将初级输入的双极性类方波信号U₇耦合到四组次级，得到四组幅度相等、相位同步、相互隔离的驱动信号，驱动MOS管全桥1正常工作，输出全波整流后的电压信号；该高频变压器8采用漆包铜线在铁氧体磁芯上绕制而成，其结构如图3所示。

该实施例的工作原理如下：

该装置有交流电压U₁输入时，四个MOS管的寄生体二极管D1，D2，D3，D4组成无源整流桥。当输入电压U₁为正半周时，寄生体二极管D1、滤波电容C和寄生体二极管D4组成电流回路，当输入电压U₁为负半周时，寄生体二极管D2、滤波电容C和寄生体二极管D3组成电流回路，此时，母线中有电流通过，电流互感器T_C感应到母线电流，采样电阻R0将感应到的电流转换为相位同步变化的电压U₂，如图4所示。

第一比较器3和第二比较器4分别将电压U₂与正门限电压U_HT和负门限电压U_LT进行比较，当电压U₂低于负门限电压U_LT时，第一比较器3和第二比较器4分别输出高电平+VDD和低电平0给第一缓冲器5和第二缓冲器6，经过功率放大后，在高频变压器8的初级两端获得的电压U₇为+VDD；当电压U₂高于正门限电压U_HT时，第一比较器3和第二比较器4分别输出低电平0和高电平+VDD给第一缓冲器5和第二缓冲器6，经过功率放大后，在高频变压器8的初级两端获得的电压U₇为-VDD；当电压U₂高于负门限电压U_LT且低于正门限电压U_HT时，第一比较器3和第二比较器4同时输出高电平+VDD给第一缓冲器5和第二缓冲器6，经过功率放大后，在高频变压器8的初级两端获得的电压U₇为0；如此，当该装置有交流电压U₁输入时，在高频变压器8的初级两端就会获得与输入电压U₁相位同步变化的双极性类方波信号U₇，如图4所示。

高频变压器8将初级输入的双极性类方波信号U₇耦合到四组次级，输出四组幅度相等、相位同步、相互隔离的驱动信号，分别驱动MOS管全桥1的四个MOS管工作；根据所述的高频变压器8和四个MOS管连接关系，第一组对管和第二组对管交替导通，对输入的电压U₁进行全波整流。

由如图4可见，MOS管的驱动电压U₇与输入电压U₁保持相位同步。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明的内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高频有源整流装置，包括：MOS管全桥（1）、电流鉴相器（2）、两个比较器（3，4）、两个缓冲器（5，6）和耦合电容（7），其特征在于：还包括有高频变压器（8），该高频变压器（8）的初级两端分别与第二缓冲器（6）的输出端和耦合电容（7）的一端连接，四组次级匝数相同，其两端分别与MOS管全桥（1）的四个MOS管栅极和源极连接，用于将初级输入的双极性类方波信号U₇耦合到四组次级，得到四组幅度相等、相位同步并且相互隔离的驱动信号，驱动MOS管全桥（1）正常工作，输出全波整流后的电压信号。

2.根据权利要求1所述的高频有源整流装置，其特征在于：MOS管全桥（1），由四个增强型N沟道MOS管M1，M2，M3，M4组成，高频变压器（8）由一组初级T0和四组次级T1，T2，T3，T4组成，其中：

第一MOS管M1与第四MOS管M4，组成MOS管全桥（1）的第一组对管，第一MOS管M1，其栅极串联电阻R1后与第一组次级T1的同名端连接，其源极与第一组次级T1的异名端连接；第四MOS管M4，其栅极串联电阻R4后与第四组次级T4的同名端连接，其源极与第四组次级T4的异名端连接，保证第一MOS管M1与第四MOS管M4同时导通或截止；

第二MOS管M2和第三MOS管M3，组成MOS管全桥（1）的第二组对管，第二MOS管M2，其栅极串联电阻R2后与第二组次级T2的异名端连接，其源极与第二组次级T2的同名端连接；第三MOS管M3，其栅极串联电阻R3后与第三组次级T3的异名端连接，其源极与第三组次级T3的同名端连接，保证第二MOS管M2与第三MOS管M3同时导通或截止；

所述第一组对管和第二组对管交替导通，以对输入的正弦电压U₁进行全波整流。

3.根据权利要求1所述的高频有源整流装置，其特征在于：两个比较器（3，4）与两个缓冲器（5，6）电连接，即第一比较器（3）的输出端与第一缓冲器（5）的输入端连接，第二比较器（4）的输出端与第二缓冲器（6）的输入端连接；

所述第一比较器（3），其反相输入端与第二比较器（4）的同相输入端连接，作为两个比较器（3，4）的输入端，其同相输入端与预设的正门限电压U_HT连接，用于将输入电压U₂与正门限电压U_HT比较后，输出单极性类方波信号U₃给第一缓冲器（5）进行功率放大，输出单极性类方波信号U₅；

所述第二比较器（4），其同相输入端与第一比较器（3）的反相输入端连接，其反相输入端与预设的负门限电压U_LT连接，用于将输入电压U₂与负门限电压U_HT比较后，输出单极性类方波信号U₄给第二缓冲器（6）进行功率放大，输出单极性类方波信号U₆。

4.根据权利要求1所述的高频有源整流装置，其特征在于：电流鉴相器（2），由电流互感器T_C和采样电阻R0组成；该采样电阻R0并联在电流互感器T_C的次级两端，用于对检测到的电流做I/V变化，将电流转换为电压；该电流互感器T_C，其初级两端分别与母线输出端和MOS管全桥（1）的输入端连接，用于检测母线电流，其次级的异名端与两个比较器（3，4）的输入端连接，输出电压U₂，同名端与参考电压U₀连接，该电压U₀按如下公式设置：

$U_0=\frac{U_{\mathrm{HT}}+U_{\mathrm{LT}}}{2}$

式中，U_HT是比较器（3，4）的预设正门限电压，U_LT是比较器（3，4）预设的负门限电压。

5.根据权利要求1所述的高频有源整流装置，其特征在于：耦合电容（7），其两端分别与第一缓冲器（5）的输出端和高频变压器（8）的初级同名端连接，用于滤除单极性类方波信号U₅和U₆中的直流成分，得到双极性类方波信号U₇。

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