CN108880302A - 一种理想二极管桥式整流电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种改进型CMOS整流电路，并阐述了电路的相应控制方法，使用全波整流桥将交流(AC)输入电压转换为直流(DC)输出电压。由于CMOS电路的引入，有效的降低了导通压降；同时运用处理器精准控制，使得CMOS准确的“导通”或“关断”，从而减小了死区时间，最终降低了电路功耗并提高了能量传输效率。同时基于CMOS工艺易于集成的特点，对广范围的应用具有重大意义。

Description

一种理想二极管桥式整流电路及其控制方法

技术领域

本发明提出了一种涉及电源单元(PSU)的设计。

背景技术

大多数开关模式电源(SMPS)器件在整流级中使用全波整流桥将交流(AC)输入电压转换为直流(DC)输出电压。经典二极管整流桥的缺点是当电流流动时，两个二极管间有不可避免的正向压降。对于传统硅二极管，这可以达到1.5V或更高，其结果是浪费了电力并降低了效率。当利用金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的理想二极管桥式整流，输入电压不能超过MOSFET的栅—源极电压额定值，这对于高电压应用是不合需要的。因此，需要改进的桥式整流器设计。

发明内容

本发明公开了一种整流电路及其控制方法。

改进的桥式整流器包括理想的二极管电桥和控制电路，用于控制理想二极管电桥的通断转换。

附图说明

图1是根据一个实施例的理想二极管全桥整流器的示例性示意图。

图2是图1的整流器的详细示例。

图3是详细描述图2理想二极管电桥配置的示意图。

图4是根据实施例的用于驱动理想二极管桥式整流器的方法的流程图。

图5是图4方法的步骤示例实施例。

在系列附图中，相似特征由相同的附图标记表示。

具体实施方式

为使本发明的上述特征和优点更加清晰，下面结合附图对本发明的具体实施做详细的说明。

图1所示为整流电路。整流电路包括以桥配置连接的四个理想二极管元件01、02、03、04，该桥可以是半桥或全桥。整流电路还包括与理想二极管相对应连接的四个驱动器单元05、06、07、08。驱动器单元用于控制各自对应二极管的“开—关”转换，使每个二极管导通或根据需要关断。

控制器09连接到每个驱动器单元，还连接到用于测量流过负载的电流的负载15。为此，在控制器中提供电流传感器21。电流传感器可以各种方式实现，诸如使用感测电阻器、变压器、电流钳形表或霍尔效应传感器等。控制器还连接在电源20两端以测量电源的相位。使用这些测量，控制器被用于确定理想二极管的导通设置并输出一个或多个控制信号到驱动器单元，使驱动器单元根据导通设置按顺序导通理想二极管以将来自电源的交流(AC)输入电压转换成直流(DC)输出电压，以传送到负载。

理想二极管01、02、03、04可以用金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)来实现。在一实施例中，MOSFET是具有低RDS-on的标准MOSFET。在另一个实施例中，MOSFET是具有高性能的氮化镓(GaN)MOSFET。其他配置也可适用。当施加正向偏置电压时，每个MOSFET都像一个完美的导体，当施加反向偏置电压时，就像一个完美的绝缘体。MOSFET以相反导通方式连接成对，由此每对的导电性可依施加电压的极性的函数而导通。在本实施例中，AC电源提供85V至264V之间的电压输入，以获得线性电压和中性线之间测量值。

图2是使用MOSFET作为理想二极管01、02、03、04实现的整流电路更详细示例。电路包括电阻器R1、R2、R3和R4，每个电阻器连接到相应MOSFET的漏极。具体地，电阻器R1连接在MOSFET 01的漏极和MOSFET 02的漏极之间，电阻R2连接到MOSFET 02的漏极，电阻R3连接在MOSFET 03的漏极和MOSFET 04的漏极之间，电阻R4连接到MOSFET 04的漏极。四个驱动器单元05、06、07、08由集成电路(IC)组成以驱动MOSFET 01、02、03、04并且限制它们的栅极电压以服从MOSFET的最大栅极到源极电压(VGS)的规范，通常最大VGS约为20V。为此，驱动器单元05连接在MOSFET 01的栅极和源极之间，驱动器单元06连接到MOSFET 02的栅极，驱动器单元07连接在MOSFET 03的栅极和源极之间，驱动器单元08连接到MOSFET 04的栅极。

驱动器单元05、06、07、08由处理器10控制，该处理器为控制器09的一部分并使MOSFET 01、02、03、04产生期望的导电行为。处理器10可以是任何可以对数据执行操作的设备，如中央处理单元(CPU)、微处理器、现场可编程门阵列(FPGA)或可重构处理器。控制器也可以是处理器与可访问的存储器一起提供(或与之通信)。存储器可以是主存储器，如高速随机存取存储器(RAM)或辅助存储器单元，如硬盘、闪存、磁带驱动器。存储器也可以是任意其他类型的存储器，如只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、铁电RAM(FRAM)、视频盘或光盘的光存储介质。

在图2的实施例中，MOSFET 02和04被称为与处理器10有相同的电位。因此，MOSFET02和04不需要任何绝缘来创建虚拟接地，从而分别用于驱动MOSFET 02和04的驱动器单元06和08可以使用不需要虚拟接地的标准(或“现成”)栅极驱动器来实现。驱动器单元06和08可以包括分立组件，诸如晶体管、电阻器和二极管。其他配置也亦可适用。

由于MOSFET 01和03在整流电路上部的位置，MOSFET 01和03的参考点与AC输入的参考点相同，为MOSFET 01和03提供虚拟地。在一个实施例中，通过用光耦合器实现驱动器单元05和07，为MOSFET 01和03创建虚拟地。然后使用从处理器到光耦合器路径中的电阻器R5和R6来激活每个驱动器单元的光电耦合器二极管。电阻器R5和R6，分别用于限制(例如至10mA)流向驱动器单元05和07的电流。在另一个实施例中，虚拟地可以通过由处理器驱动的变压器提供。

参考图2，在实施例中，驱动器单元05和07以及驱动器单元06和08被设计为具有快速关断特性，该快速关闭可避免同一支路上的两个MOSFET同时接通。以这种方式，可以防止短路并且减小米勒效应。处理器10连接到相位检测器单元14和电流—电压转换器16，也是控制器09的一部分。整流电路还可以包括低损耗二极管12和通用DC-DC转换模块13，其连接到AC输入端并形成辅助发电单元。二极管12可以是低压肖特基二极管，而DC-DC转换模块13可以是50mA降压转换器。其他配置亦可适用。二极管12与转换模块13一起使用以产生用于给本地电子器件(如处理器10和相位检测器单元14)供电的辅助电力(在图2中被称为“辅助VCC”)。

参考图3，相位检测器单元14接收从由电阻器R1和R2的串联连接创建的第一分压器获得的第一电压(在图3中被称为“线性值”)，其上端(被称为图3中的“线”)，连接在电阻器R1和R2的节点处。该电压在下面的表1中被称为线性电压。相位检测器单元14还接收从电阻器R3和R4的串联连接产生的第二分压器获得的第二电压(在图3中被称为“中性值”)，其中下端(被称为“中性”在图3中示出)经电阻器R3和R4的节点处连接AC输，该电压在下面的表1中被称为中性电压。

从接收到的电压中，相位检测器单元14确定AC输入电源的相位(即，线性信号和中性信号之间的相位差)，并将相位信息(连同线性电压和中性电压的值)传递给处理器10。然后，处理器使用相位信息来确定何时切换MOSFET 01、02、03、04。因为线性信号和中性信号具有相同的频率但相位相差180度，所以线性和中性信号的相移在线性和中性电压的过零点处被检测到。因此，当处理器10检测到180度相移时，其断定发生了AC输入电压信号的过零点行为。然后处理器确定应用设置，并将一个或多个控制信号输出到驱动器单元05、06、07、08，以根据导通设置来切换合适的MOSFET 01、02、03、04组。表1举例说明了根据负载电流和电源相位测量值进行MOSFET操作的设置。

表1

在开关MOSFET 01、02、03、04闭合时，能量流向负载15，向其提供正极性的直流(DC)。为了确保能量流动保持单一方向，如，从主输入源到负载，在AC输入源20和负载15之间的路径包括电阻器Rsense，该电阻器可以用作电流传感器11，用于监测电流流入负载。为此，连接到电阻器两端的电流—电压转换器16测量电阻器的电压降。然后发送至处理器10，可以在控制器09内部提供模数转换器(ADC)，用于感测由电流至电压转换器测量的电压，然后处理器将测得的电压(使用欧姆定律并且知道电阻Rsense的值)转换为表示流过电阻器的电流值。这又提供了流入负载的电流的指示。

在实施例中，控制器09内部或与其分开地提供的存储器中存储了定义哪些MOSFET01、02、03、04应该被“接通”或“断开”的传导设置。处理器10可以在相位检测器单元14和电流—电压转换器16接收到输入数据时查询存储器以确定适用于给定感测值的状态(线性电压、中性电压、Rsense电压、线性与中性之间的相位)。当通过电阻器Rsense的压降以及流过的相应电流为正(表1中称为“高”)时，处理器选择MOSFET 01、02、03、04中的一个导通。特别地，当Rsense电压为“高”时，线性电压为“高”，中性电压为“高”，线性和中线间的相位差为180度，处理器将MOSFET 01和04“接通”以及MOSFET 02和03“断开”。当线性电压较高时，电流从线性导体流过MOSFET 01的体二极管，然后流过负载15，并流过MOSFET 04的体二极管回到中性导体。每个MOSFET 01和04的栅—源电压变得大于导通阈值，使得MOSFET 01和04导通。在图3中用箭头A表示，当线性电压为高时，线性电流的方向。可以看出，线电流流过MOSFET 01和04，但不流过MOSFET 02和03。

当线性和中性之间的相位差为180度时，Rsense电压和中性电压为“高”，线性电压为“低”(为了确保负载电流从正到负的单方向，只有中性电压能说明性地在“高”和“低”值之间转换)，处理器10将MOSFET 02和03“接通”，并将MOSFET 01和04“断开”。当中性电压较高时，电流从中性导体流过MOSFET 03的体二极管，然后流过负载15，并流过MOSFET 02的体二极管回到线性导体，使得MOSFET 02和03导通。在图3中用箭头B表示，当线性电压为低时，线性电流的方向。可以看出，线电流流过MOSFET 02和03，但不流过MOSFET 01和04。通过确保正极性DC输出电压来对DC输出进行整流。

对于线性电压、中性电压、Rsense电压以及线性与中性线之间相位差的任何其它取值，处理器10使得MOSFET 01、02、03、04均为“断开”。如上所述，当Rsense电压达到零伏(即，“低”)时，MOSFET 01、02、03、04被关断。在一个实施例中，在120V有效值下，约60V的电压被称为“高”而大约-60V的电压被称为“低”；而在240V有效值下，约120V的电压被称为“高”而大约-120V的电压被称为“低”。在将任何MOSFET 01、02、03、04作“开”或“关”切换之前，处理器10根据从电流—电压转换器16和相位检测器14接收到的输入数据(如，电压值和相位信息)预定有效次数，这避免了错误的切换并且使系统不易受到噪声和故障的影响。在本实施例中，处理器在引起MOSFET 01,02,03,04的“开”“关”之前，五次验证输入数据，这取决于应用，除了五以外的采样值亦可应用。

参考图4，现在将描述用于驱动整流电路的方法。该方法可以在电路的控制器09处实现。在步骤301处，获取负载电流和电源相位的测量结果。在步骤302，根据负载电流和电源相位确定理想二极管的对应传导设置。在步骤303，输出至少一个控制信号以使连接到理想二极管的驱动器单元根据相应传导设置导通理想二极管。

图5是用于执行步骤301方法的示例实施例。该方法包括在步骤31处评估是否已经采集了预定持续时间的采样值，如10μs，预定数量的采样已被采集。实际上，控制器09被设置为在预定的转换时间帧上对数据采样预定次数(如，5次)。转换时间帧的值和采样次数可以存储在存储器中，该采样可以确保采样数据的值是准确的，并且整流器的MOSFET在适当的时间切换。如果在预定时间范围内对数据采样了预定次数后，确定所有采样值相同，则可以得出结论：采样数据确实是准确的。如果在步骤31确定数据未在给定持续时间内被采样，则方法301再次开始并重复步骤31，直到数据已经被采样达到期望的持续时间。之后在步骤32中对线性电压进行采样。下一步骤33评估线性电压是否为高(即，正)。如果是该情况，则在步骤34评估线性采样时间是否等于预定持续时间并已经获得了预定数量的采样。如上所述，通过确保数据已被采样预定次数来避免错误切换。如果在步骤34确定线性电压尚未被采样，则下一个步骤45将增加线性电压采样时间，以便获得更多的线性电压采样值当重复步骤32时，方法301返回到步骤31。否则，如果在步骤34确定线性电压已被采样5次，则下一个步骤35将采样中性电压。在步骤33确定线性电压不为高且因此在步骤46结束线性电压等于零伏特之后，执行步骤35，因为线性电压在采样时，只能是高电压或零伏。

在执行步骤35之后，下一步骤36将评估中性电压是否高。如果为该情况，则在步骤37评估中性电压采样时间是否等于5us。如果并非如此，则下一个步骤43增加中性电压采样时间，以便在重复步骤35时获得更多的中性电压采样值。如果在步骤37确定中性电压已被采样五次，则下一步骤38是对流向负载15的电流进行采样，即通过检测电阻器Rsense从电流—电压转换器16的电压降，并确定流过电流的样本值。步骤38在步骤36确定中性电压不为高，因此在步骤44结束中性电压等于零伏。

在步骤38对电流进行采样后，评估采样电流是否超过预定的最小值。在一个实施例中，流过感测电阻器Rsense的电流的最小值是大约40mA。如果为该情况，则下一步骤40是确定当前采样时间是否等于5us。如果并非如此，则下一个步骤41将递增当前采样时间，以便在重复步骤38时获取更多当前采样值。如果在步骤39确定采样电流超过预定的最小值，则在步骤42中得出结论：采样电流等于零。

虽然方法301按照线性电压的测量顺序呈现，然后是中性电压，随后是负载电流，但可以使用不同的顺序。如，可首先测量负载电流，然后测量线路电压，然后测量中性电压。另外，负载电流可以与线电压或中性电压同时测量。如果使用不同的顺序，则可以使用不同的顺序来调整方法301。

参考图5，展示出了用于步骤302的示例性实施例。该方法包括在步骤47确定采样电流的值(在步骤38处获得)，采样线性电压(在步骤32处获得)，采样中性电压(在步骤35处获得)保持为高。如果在步骤47中确定采样值在采样持续时间内确实保持为高，则下一个步骤49找到对应的导通设置，其为图1的MOSFET 01和04(称为Q1和Q4)为“ON”以及图1的MOSFET 02和03(称为Q2和Q3)为“OFF”。

如果在步骤47中确定采样值在采样持续时间内不保持高，则下一个步骤48将评估采样电流和采样中性电压的值在采样持续时间内是否保持高电平，并且采样时间内采样线性电压的值保持较低。如果是该情况，则下一个步骤50是设置MOSFET 02和03(称为Q2和Q3)为“ON”以及MOSFET 01和04(称为Q1和Q4)为“OFF””。否则，如果在步骤238确定采样电流和采样中性电压在采样持续时间内保持高电平并且在采样持续时间中采样线电压的值不保持低电平，则下一步骤51将相应的导通设置为MOSFET 01、02、03、04均“OFF”。在已经执行了步骤49、50或51之后，方法302返回到步骤31。

类似于图5的方法302，也可以使用不同的排序顺序来执行。如，首先可以根据步骤47确定采样电流和中性电压值是否保持高，并且采样线性电压值在采样持续时间内保持低，然后确定采样电流、中性电压、线性电压值在采样持续时间内保持高。一个或多个确定可以同时执行，或者都可以顺序执行。

使用在此讨论所提出的电路和方法，MOSFET 01、02、03、04可以安全有效的方式切换并被阻止工作于饱和模式。具体地，通过隔离MOSFET 01和03(如，使用光耦合器驱动器单元05和07)，可以激活MOSFET，同时确保任何单个MOSFET的栅极到源极电压(VGS)是有限的并遵守MOSFET的最大栅极—源极电压规定(如20V)。因此，使用所提出的整流器架构，由电源20输入电压主要限制MOSFET的漏极—源极击穿电压(BVDS)额定值(即，限定MOSFET最大漏极至源极电压超过该值时可能发生的击穿)。以这种方式，可以将输入电压从栅极—源极电压(VGS)增加到漏极—源极击穿电压。这对于高于20伏的电压应用证明特别有用。

本发明作为方法执行，可以体现在系统中或非暂时性计算机可读介质上。以上所述的本发明实施例仅为示例性的。因此，本发明的范围仅由所附权利要求的范围来限定。

Claims (9)

1.一种整流电路，用于将来自电源的交流(AC)输入电压转换为直流(DC)输出电压并传送到负载，所述电路包括：四个理想二极管元件，以桥式配置连接；四个驱动器单元，每一个驱动器单元连接到对应的一个理想二极管；以及控制器，所述控制器连接到驱动器单元并用于：获取流过负载电流和电源相位的测量值；根据测量值确定四个理想二极管的相应传导特征，并且输出至少一个控制信号以驱动理想二极管。

2.根据权利要求1所述的电路，其中：所述四个理想二极管元件以全桥配置连接；所述驱动器单元中至少两个是被设置成为对应的两个理想二极管创建虚拟地的隔离驱动器单元；还包括四个电阻器R1、R2、R3、R4，每一个电阻器连接到MOSFET对应的漏极；以及用于为所述控制器供电的辅助发电单元，该辅助发电单元包括降压转换器和肖特基二极管。

3.根据权利要求2所述的电路，每个隔离驱动器单元包括连接到相应理想二极管的光耦合器以及在所述控制器和光耦合器之间的电阻器R5、R6。

4.根据权利要求2所述的电路，其中所述控制器包括：连接到驱动器单元的处理器；连接到由R1和R2分压的相位检测器，以及由R3和R4形成的分压器，并连接到处理器；在负载和电源路径之间的电阻Rsense；以及连接于电阻Rsense和处理器两端的电流—电压转换器。

5.一种用于驱动整流电路的方法，所述整流电路将来自电源的交流(AC)输入电压转换为直流(DC)输出电压并传送至负载，所述方法包括：获取流过负载电流和电源相位的测量值；根据测量值确定以桥连接的四个理想二极管对应的传导特征；输出至少一个控制信号以使连接到理想二极管的驱动器单元根据相应的传导设置来驱动理想二极管。

6.根据权利要求5所述的方法，获取所述电源相位的测量值包括：测量所述电源线性电压和中性电压并确定两者之间的相位差。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所获测量结果包括：确定线性电压是高还是零，中性电压是高还是零；流过负载的电流是否高于预定最小值，其中所获流过负载的电流的测量值还包括感测负载和电源之间的电阻器两端的电压；对预定持续时间和预定次数的至少一个采样值。

8.根据权利要求5所述的方法，其中第一导电配置对应于使第一组理想二极管导通，第二组理想二极管不导通；第二导电配置对应于使第二组在第一组不导电时进行；第三导电配置对应于使所有理想二极管均不导通。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述第一导电配置和第二导电配置对应于高线性电压、高中性电压、高电流电压，所述线性电压与中性电压之间有180度的相位差。