CN106160536B - 一种用于电机发电的整流电路 - Google Patents

Abstract

本发明属于电子电路技术，具体的说是涉及一种用于电机发电的整流电路。本发明主要通过电荷泵的方式实现自驱动；其中包括比较器、VDMOS、驱动模块、检测模块、LDMOS、电阻R1、电容C1、逻辑模块、振荡器模块、电荷泵模块、负载。本发明中整流管VDMOS工作在反向电阻区，实现整流。采用电荷泵将VDMOS寄生二极管的导通电压泵升至规定值，通过逻辑控制模块等的处理，实现同步整流电路的自驱动。其驱动方式的简单性可同硅整流方案媲美，同时实现较低的导通损耗，提高发电机整体效率，起到节约能源，清洁环保的作用。

Description

一种用于电机发电的整流电路

技术领域

本发明属于电子电路技术，具体的说是涉及一种用于电机发电的整流电路。

背景技术

目前发电机整流器主要使用硅二极管作为整流元件，硅二极管正向压降大约为0.4～1V，大电流时通态功耗很大。随着汽车的大量普及，由硅二极管整流带来的功耗不容忽视。

同步整流技术(Synchronous Rectification，SR)采用低电压功率MOS管作为整流器件。利用其较低的正向压降和很小的通态电阻，可以很好的降低整流器模块的整体功耗。采用同步整流技术的主要难度在于其整流管的栅极控制。

整流管的驱动主要采用PWM方式，其实现较为复杂，需要建立空间矢量数学模型，进行复杂的变换求解。电路组成上需要大量的逻辑处理，增加技术难度和成本。汽车发电机受汽车转速影响，更增加了控制算法的难度。应用成本太高，不利于同步整流技术的普及。

发明内容

本发明的目的，就是针对目前同步整流技术的上述问题，提出一种用于电机发电的整流电路。

本发明技术方案：一种用于电机发电的整流电路，包括依次连接的发电机绕组、整流电路模块和负载模块；所述整流电路模块包括多个整流电路，每个整流电路分别连接发电机绕组输出的不同相电压，每个整流电路包括多个整流单元；所述整流单元由比较器、整流管、电荷泵单元、逻辑控制模块、电压检测模块、驱动模块、振荡器模块、LDMOS、VDMOS、电容和电阻构成；其中，VDMOS的源极接比较器的正输入端，VDMOS的漏极接比较器的负输入端，比较器的输出端接逻辑控制模块的第一输入端；VDMOS的漏极接负载模块；VDMOS的漏极接LDMOS的源极，LDMOS的栅极通过电阻后接VSMOS的源极，LDMOS的漏极接电容的下极板；驱动模块的输出端接VDMOS的栅极，驱动模块的电源端接电容的上极板，驱动模块的地端接电容的下极板；检测模块的电源端接电容的上极板，检测模块的地端接电容的下极板，检测模块的输出端接逻辑控制模块的第二输入端；逻辑控制模块的电源端接电容的上极板，逻辑控制模块的地端接电容的下极板，逻辑控制模块的输出端接振荡器的使能信号端，逻辑控制模块的第三输入端接电荷泵的输出端；振荡器模块的电源端接VDMOS的源极，振荡器模块的地端接LDMOS的漏极，振荡器的输出端接电荷泵的输入端；电荷泵的电源端接VDMOS的源极，电荷泵的地端接LDMOS的漏极；

所述逻辑控制模块用于控制振荡器的工作，所述振荡器用于控制电荷泵的工作，所述电荷泵用于通过逻辑模块向电容充电，所述电容通过驱动模块为VDMOS提供栅极驱动。

本发明的有益效果为：不使用复杂的PWM驱动方式，利用VDMOS的寄生二极管，使用电荷泵为VDMOS提供驱动，可以实现整流电路的自驱动。

附图说明

图1是本发明的逻辑结构示意图；

图2是发电机二次侧绕组电压波形图，也即整流电路的输入电压波形；

图3是电荷泵的逻辑结构示意图；

图4是逻辑模块的框架图；

图5是电压检测的框架图；

图6是电荷泵基本单元的电路图；

图7是驱动模块的框架图；

图8是振荡器模块的框架图。

具体实施方式

下面结合附图，详细描述本发明的技术方案：

如图1所示，本发明的一种用于电机发电的整流电路，采用电荷泵来代替传统的PWM驱动方式。其特征在于，包括比较器、VDMOS、驱动模块、检测模块、LDMOS、电阻R1、电容C1、逻辑模块、振荡器模块、电荷泵模块、负载。

VDMOS的S端接比较器COMP的+端，VDMOS的D端接比较器COMP的—端，比较器COMP的输出接逻辑模块的C1控制端。VDMOS的D端接负载的正端。VDMOS的D端接LDMOS的S端，LDMOS的栅极G端接电阻R1，R1接VSMOS的S端，LDMOS的D端接电容C1的下极板。驱动模块的DG端接VDMOS的栅极G端，驱动模块的DVDC端接电容C1的上极板，驱动模块的DVGND接电容C1的下极板。检测模块的TVDC接电容C1上极板，检测模块的TGND接电容C1的下极板，检测模块的CTRL端接逻辑模块的C2端。逻辑模块的LVDC接电容C1的上极板，逻辑模块的LGND接电容C1的下极板，逻辑模块的EN使能端，接振荡器的E端，逻辑模块的CH端接电荷泵的OUT端。振荡器模块的OVDC接VDMOS的S端，振荡器模块的OGND接LDMOS的D端，振荡器的OSC端接电荷泵IN端。电荷泵的PVDC端接VDMOS的S端，电荷泵的PGND端接VDMOS的LDMOS的D端。VDMOS寄生二极管有电流流过时产生的压降作为逻辑控制模块和电荷泵模块的电源，VDMOS的D端作为逻辑控制模块和电荷泵模块的地。电容C1上储存的电能为电压检测模块、控制模块、驱动模块提供电源，电容的下极板为电压检测模块、控制模块。驱动模块的地。检测模块检测电容C1的上极板电压，通过逻辑控制模块控制振荡器的工作，从而控制电荷泵的工作，电荷泵通过逻辑模块向电容C1充电，电容C1通过驱动模块为VDMOS提供栅极驱动。

图1中显示的是三相全波同步整流电路的电路架构，完成整流功能，需要对VDMOS的栅极进行控制，本发明中采用电荷泵方式对整流管进行控制，从而实现自驱动。本实施例包括三角形绕组、发电机星形绕组、3组整流电路共6个整流单元、电荷泵模块、汽车蓄电池负载。其中将S1、S3、S5三个VDMOS称为共阴极组，S2、S4、S6三个VDMOS称为共阳极组。VDMOS应当按照S1-S2-S3-S4-S5-S6的顺序导通。

VDMOS的S端接比较器COMP的+端，VDMOS的D端接比较器COMP的—端，比较器COMP的输出接逻辑模块的C1控制端。VDMOS的D端接负载的正端。VDMOS的D端接LDMOS的S端，LDMOS的栅极G端接电阻R1，R1接VSMOS的S端，LDMOS的D端接电容C1的下极板。驱动模块的DG端接VDMOS的栅极G端，驱动模块的DVDC端接电容C1的上极板，驱动模块的DVGND接电容C1的下极板。检测模块的TVDC接电容C1上极板，检测模块的TGND接电容C1的下极板，检测模块的CTRL端接逻辑模块的C2端。逻辑模块的LVDC接电容C1的上极板，逻辑模块的LGND接电容C1的下极板，逻辑模块的EN使能端，接振荡器的E端，逻辑模块的CH端接电荷泵的OUT端。振荡器模块的OVDC接VDMOS的S端，振荡器模块的OGND接LDMOS的D端，振荡器的OSC端接电荷泵IN端。电荷泵的PVDC端接VDMOS的S端，电荷泵的PGND端接VDMOS的LDMOS的D端。

为说明工作原理，结合图2进行具体叙述。

图2是典型的发电机二次侧绕组输出电压波形。触发角a＝0°。根据电子电路原理，整流管VDMOS在自然换相点换相。对于共阴极组的3个VDMOS，其S端(也即寄生二极管的阳极)所接交流电压最高时导通，对于共阴极组的3个VDMOS，其D端(也即寄生二极管的阴极)所接交流电压最低时(绝对值最高时)导通。任意时刻共阴极组和共阳极组中分别只有一个VDMOS导通，从而实现整流。

如图3所示，以共阳极组的S1为例并结合图2，在wt1时刻，Ua交流电压升为最高，O1点电位同前一时刻输出电压Ub相同，Ua>Ub，此时LDMOS的VGS>0，因此LDMOS导通。S1并未导通，共阴极组寄生二极管D1上产生正向压降，D1的阳极接电荷泵模块的PVDC，D1的阴极接电荷泵模块的PGND，为电荷泵提供输入。D1的阳极接振荡器的OVDC，D1的阴极接振荡器的OGND，为振荡器提供工作电源，此时逻辑模块并不工作，逻辑模块使能端EN输出为低，振荡器可以工作，振荡器OSC端口输出方波使电荷泵模块工作，电荷泵将D1的导通压降VF1泵升，通过逻辑控制模块给电容C1的上极板充电。电容C1上极板接检测模块的TVDC，充电达到检测电压的阈值时，为检测模块提供工作电源，检测模块开始工作，检测模块的输出端口CTRL接逻辑模块的C2输入端，经过逻辑模块的处理，使能端EN为高，从而关闭振荡器模块，电荷泵停止工作。电容C1的上极板接驱动模块的DVDC，电容C1经过驱动模块向S1的栅极提供驱动电压，S1导通。当电容C1上的电压降低到一定阈值时，检测模块停止工作，逻辑模块的使能端口EN变为低，振荡器工作，电荷泵正常工作，向电容C1充电。通过不断的C1的充电和放电从而实现S1的导通。当进入wt2时刻，Ua交流电压降低，此时比较器COMP的+端电压小于—端电压，COMP的输出接逻辑模块的C1端，此时逻辑模块的使能端口EN关闭振荡器和电荷泵，并且通过在逻辑模块中设置电流泄放支路，将电容C1中储存的电荷泄放掉，从而实现S1的完全关断。并且，此时LDMOS的VGS<0，LDMOS关断，整个模块将无法工作。

根据整流管的导通条件，共阴极组的3个VDMOS其S端所接电压值最高的一个导通，共阳极组的3个VDMOS其D端所接电压值最低的一个导通。因此在wt1～wt这段时间，S1和S6将导通，在wt～wt2这段时间，S1和S2将导通。其中，wt1为Ua相同Uc相的自然换相点，wt为Ub相同Uc相的自然换相点,wt2为Ua相同Ub相的自然换相点。如前所述，本架构可控制各整流管在自然换相点处换相，实现控制逻辑。

可根据VDMOS的工作状态将模块的工作模式定义为导通模式和截止模式，在VDMOS导通的过程中，电容C1又存在充电和放电这两种不同的状态。因此可将模块的整体工作状态定义为充电导通状态、放电导通状态、截止状态。

当Ua<O1时，高压LDMOS关断，模块处于截止状态，此时VDMOS也不工作。

当Ua>O1时，LDMOS导通，模块从截止状态转化为导通状态。此时电容C1上并无电荷存储，因此通过电荷泵向电容C1充电，进入充电导通状态。此时电荷泵模块，逻辑控制模块，振荡器模块工作，VDMOS尚未导通。

当电容C1上电压足够高时，电压检测模块，驱动模块工作，并且通过逻辑控制模块关闭电荷泵和振荡器模块。此时电容C1通过驱动模块为VDMOS提供栅极电压，进入放电导通状态，VDMOS导通，同步整流电路实现整流。

直到电容C1两端的电压下降到阈值，逻辑控制模块重新开启，进入充电导通状态。

当比较器检测到Ua<O1时，通过逻辑控制模块关闭电荷泵和振荡器。并且LDMOS关断，整个模块停止工作，电容C1通过逻辑模块中的泄放通路将多余的电荷泄放掉防止VDMOS继续开启。

图4是逻辑模块的框架图。该模块处理检测模块的输出LOGIC信号以及CTRL信号，和来自比较器的C2信号，输出使能控制信号，控制振荡器的工作，电荷泵模块通过CH端实现对C1的充电。

图5是电压检测的框架图。该模块主要检测电容C1上极板电压，输出LOGIC信号和CTRL信号，实现对逻辑模块的控制。

图6是电荷泵基本单元的电路图。将VDMOS寄生二极管上的导通电压泵升到一定值，通过OUT给电容C1充电。

图7是驱动模块的框架图。将电容C1的电压转化为栅极驱动电压，提高驱动能力。

图8是振荡器模块的框架图。该模块产生时钟信号，输出到电荷泵，实现电荷泵的工作。

综上所述，本发明提出了一种电机发电的整流电路，通过电荷泵的方式实现自驱动。其中包括比较器、VDMOS、驱动模块、检测模块、LDMOS、电阻R1、电容C1、逻辑模块、振荡器模块、电荷泵模块、负载。本发明中整流管VDMOS工作在反向电阻区，实现整流。采用电荷泵将VDMOS寄生二极管的导通电压泵升至规定值，通过逻辑控制模块等的处理，实现同步整流电路的自驱动。其驱动方式的简单性可同硅整流方案媲美，同时实现较低的导通损耗，提高发电机整体效率，起到节约能源，清洁环保的作用。

Claims (1)

1.一种用于电机发电的整流电路，包括依次连接的发电机绕组、整流电路模块和负载模块；所述整流电路模块包括多个整流电路，每个整流电路分别连接发电机绕组输出的不同相电压，每个整流电路包括多个整流单元；所述整流单元由比较器、整流管、电荷泵单元、逻辑控制模块、电压检测模块、驱动模块、振荡器模块、LDMOS、VDMOS、电容和电阻构成；其中，VDMOS的源极接比较器的正输入端和整流管的正极，VDMOS的漏极接比较器的负输入端和整流管的负极，比较器的输出端接逻辑控制模块的第一输入端；VDMOS的漏极接负载模块；VDMOS的漏极接LDMOS的源极，LDMOS的栅极通过电阻后接VSMOS的源极，LDMOS的漏极接电容的下极板；驱动模块的输出端接VDMOS的栅极，驱动模块的电源端接电容的上极板，驱动模块的地端接电容的下极板；检测模块的电源端接电容的上极板，检测模块的地端接电容的下极板，检测模块的输出端接逻辑控制模块的第二输入端；逻辑控制模块的电源端接电容的上极板，逻辑控制模块的地端接电容的下极板，逻辑控制模块的输出端接振荡器的使能信号端，逻辑控制模块的第三输入端接电荷泵的输出端；振荡器模块的电源端接VDMOS的源极，振荡器模块的地端接LDMOS的漏极，振荡器的输出端接电荷泵的输入端；电荷泵的电源端接VDMOS的源极，电荷泵的地端接LDMOS的漏极；

所述逻辑控制模块用于控制振荡器的工作，所述振荡器用于控制电荷泵的工作，所述电荷泵用于通过逻辑模块向电容充电，所述电容通过驱动模块为VDMOS提供栅极驱动。