CN112072937A - 一种由二极管和开关管组合的整流桥的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种由二极管和开关管组合的整流桥的控制方法。随着新的能效规范生效，对电源效率的要求越来越高，整流桥上的导通损耗也被重视起来，采用两颗开关管替代二极管整流桥上的两个下臂的二极管，利用开关管比二极管低的导通压降来降低损耗，最高可减小近50％的整流桥损耗。本发明使用极简的控制线路来控制该组合整流桥中的开关管，可降低输入整流损耗，提高效率。本发明提供的控制方法相比其他采用芯片控制或分立器件的方案，具有结构简单，成本低廉，可靠性高等优点。

Description

一种由二极管和开关管组合的整流桥的控制方法
技术领域
本发明涉及交流输入电源应用技术领域，尤其涉及开关电源中一种由二极管和开关管组合的整流桥的控制方法。
背景技术
降低输入整流桥损耗在低压输入时尤为重要，以100W交流转直流开关电源为例，100V输入时的输入电流有效值为1A，半波周期平均电流0.9A，如桥臂二极管平均压降为0.9V，总损耗即为1.62W。如采用二极管和开关管组合的整流桥方案，所选开关管导通电阻为0.2欧姆，总损耗为1.01W，比二极管整流桥可降低0.61W损耗，提高0.6％的整机效率。目前针对降低整流桥损耗的方案有:适合1KW功率以上的无桥PFC；用专用控制IC控制的全MOS管整流桥；用IC控制的半MOS管整流桥等。
无桥PFC方案效率最高，但控制最复杂，成本高，对设计者的技术要求也很高，适合1KW大功率以上的高端电源使用；
用IC控制的全MOS管整流桥方案，一般用常见的同步整流控制IC来搭建，电路结构复杂，控制IC相互之间也很难做到统一控制，容易共通，可靠性不太高；
用IC控制半MOS管整流桥方案，采用两颗MOS替代下桥臂的两个二极管，其驱动简单，容易做到互锁，可防共通，但结构相对复杂，成本也高。
因此，有必要提供一种更简单可靠的方案来实现上述功能。
发明内容
本发明提供一种由二极管和开关管组合的整流桥的控制方法，采用非常简单的电路设计，利用开关管比二极管低的导通压降来降低损耗，提高效率。
为解决上述技术问题，本发明提供的由二极管和开关管组合的整流桥的控制方法包括：VDC和GND，所述VDC与所述GND之间电性连接有C1，所述C1的两端并联有等效负载Rload；D1与D3串联，D2与D4串联，再与所述C1并联；D3两端并联有开关管S1，D4两端并联有开关管S2；D1与D3的串联中间结点接输入AC1，D2与D4的串联中间结点接输入AC2，S1的输入极1脚与S2的控制极3脚并联有关断与互锁电路；S2的输入极1脚与S1的控制极3脚也并联有关断与互锁电路；S1的控制极3脚与S2的控制极3脚连到驱动控制。所述的关断与互锁通过检测其中一个开关管的输入电压，控制另一个开关管的关断；所述的驱动控制提供一电压分别控制两个开关管的开通与关断。
优选的，所述开关管可以是硅MOS管，三极管，IGBT,碳化硅MOS，氮化镓开关管等具有开关特性的受控半导体器件。
优选的，所述关断与互锁可由附图6中R3,D5或R4,D6组成，所述驱动控制可由附图6中R1,R5,R2,R6和电压V1组成。
优选的，所述关断与互锁通过检测其中一个开关管输入极的电压来关断另一个开关管，使同一时刻只有一个开关管处于完全导通状态，实现互锁功能，防止共通。
优选的，所述驱动控制提供一个电压和驱动电路来驱动两个开关管的开通与关断，为降低系统待机时功耗，该驱动电压可由来自后级的PWM驱动输出提供，亦可在轻载或待机状态下根据应用需要被关断。
与相关技术相比较，本发明提供的二极管和开关管组合的整流桥的控制方法具有如下有益效果：
本发明采用非常简单的线路设计，只用几个电阻，二极管，开关(MOS)管就可以降低传统二极管整流桥部分最高达50％的损耗，相比于无桥PFC，虽损耗会大些，但其设计简单，又不需要昂贵又复杂的专用控制芯片和线路，非常适合中小功率的应用。
附图说明
图1为本发明提供的现有的传统二极管整流桥电路；
图2为本发明提供的现有的无桥PFC电路；
图3为本发明提供的现有的IC控制的全MOS管整流桥电路；
图4为本发明提供的现有的IC控制的二极管和MOS管整流桥电路；
图5为本发明提供的由二极管和开关管组合的整流桥的控制方法基本结构框图；
图6为本发明提供的基于图5的一种二极管和MOS管组合的整流桥和其控制电路；
图7为本发明提供的基于图6的一个开关管的电路；
图8为图6的带电压电流标示的电路；
图9为图6的工作时序波形图。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。
请结合参阅图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7和图8，其中，图1为现有的传统二极管整流桥电路；图2为现有的无桥PFC电路；图3为现有的IC控制的全MOS管整流桥电路；图4为现有的IC控制的二极管和MOS管整流桥电路；图5为本发明提供的由二极管和开关管组合的整流桥的控制方法基本结构框图；图6为本发明提供的基于图5的一种二极管和MOS管组合的整流桥和其控制电路；图7为本发明提供的基于图6只用一个开关管的电路；图8为图6的带电压电流标示的电路；图9为图6的工作时序波形图。
一种用二极管和开关管组合的整流桥的控制方法包括：VDC和GND，所述VDC与所述GND之间电性连接有C1，所述C1的两端并联有等效负载Rload；D1与D3串联，D2与D4串联，再与所述C1并联；D3两端并联有开关管S1，D4两端并联有开关管S2；D1与D3的串联中间结点接输入AC1，D2与D4的串联中间结点接输入AC2，S1的输入极1脚与S2的控制极3脚并联有关断与互锁电路；S2的输入极1脚与S1的控制极3脚也并联有关断与互锁电路；S1的控制极3脚与S2的控制极3脚连到驱动控制。所述的关断与互锁通过检测其中一个开关管的输入电压，控制另一个开关管的关断；所述的驱动控制提供一电压分别控制两个开关管开通与关断。
本发明采用简单可靠的线路设计，减小了整流桥的损耗，又防止了两颗MOS管互通的问题，提高了整机效率的同时可靠性还高。
现有的无桥PFC线路效率会更高，但结构复杂，成本高，适合大功率应用场合。
所述开关管可以是硅MOS管，三极管，IGB,碳化硅MOS，氮化镓开关管等具有开关特性的受控半导体器件；
所述关断与互锁通过检测其中一个开关管输入极电压来关断另一个开关管，实现互锁功能，使同一时刻只有一个开关管处于完全导通状态，以防共通；
所述驱动控制提供一个电压和驱动电路来驱动两个开关管的开通与关断，为降低系统待机时功耗，该驱动电压可由来自后级的PWM驱动输出提供，亦可在轻载或待机状态下根据应用需要被关断。
附图5是该发明基本的结构框架，图6为基于图5的一种实现电路。
以下说明以图6中的具体电路为例来说明本发明的结构组成：
所述关断与互锁由R3,D5和R4,D6组成，所述开关管由Q1,Q2-MOS管组成，所述驱动控制由电压V1,R1,R5,R2和R6组成；
所述关断与互锁，R3和D5通过采集MOS管Q2的输入极Vd2上的低电压来拉低MOS管Q1的驱动极Vg1电压，关断Q1。R4和D6通过采集MOS管Q1的输入极Vd1上的低电压来拉低MOS管Q2的驱动极Vg2电压，关断Q2；
所述驱动控制由电压V1通过R1和R5分压给Q1的驱动Vg1，在D5截止的情况下驱动Q1导通；电压V1通过R2和R6分压给Q2的驱动Vg2，在D6截止的情况下驱动Q2导通；
0～0.5T时段，交流正半波周期，输入电压AC1>AC2，输入电流从AC1流经D1,C1或Rload,DQ2或Q2，再流回AC2。此时DQ2或Q2导通，Vd2电压在0V以下，R3和D5导通，拉低Q1的驱动电压Vg1，使Q1处于关断状态；
0.5T～T时段,交流负半波周期，输入电压AC2>AC1，输入电流从AC2流经D2,C1或Rload,DQ1或Q1，再流回AC1。此时DQ1或Q1导通，Vd1电压在0V以下，R4和D6导通，拉低Q2的驱动电压Vg2，使Q2处于关断状态；
Q1导通时会拉低Q2驱动Vg2，Q2导通时又会拉低Q1驱动Vg1，所以可以实现互锁功能，确保同一时刻只有一个开关管导通，防止共通；
T～1.5T，1.5T～2T分别重复0～0.5T，0.5T～T时段的操作；
与相关技术相比较，本发明提供的控制方法具有如下有益效果：
本发明采用非常简单的线路设计，只用几个电阻，二极管，开关(MOS)管就可以降低传统二极管整流桥部分最高达50％的损耗，相比于无桥PFC，虽损耗会大些，但其设计简单，又不需要昂贵又复杂的专用控制芯片和线路，非常适合中小功率的应用。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种由二极管和开关管组合的整流桥的控制方法，包括：VDC和GND，所述VDC与所述GND之间电性连接有C1，所述C1的两端并联有等效负载Rload；D1与D3串联，D2与D4串联，再与上所述C1并联；D3两端并联有开关管S1，D4两端并联有开关管S2；D1与D3的串联中间结点接输入AC1，D2与D4的串联中间结点接输入AC2，S1的输入极1脚与S2的控制极3脚并联有关断与互锁电路；S2的输入极1脚与S1的控制极3脚也并联有关断与互锁电路；S1的控制极3脚与S2的控制极3脚连到驱动控制。其特征在于，包括：
所述开关管S1,S2为半导体器件，用于替代传统二极管整流桥中下臂二极管，利用开关管比二极管低的导通压降,来降低整流桥的导通损耗；
所述的关断与互锁通过检测其中一个开关管的输入电压，控制另一个开关管的关断；
所述驱动控制提供一个电压和驱动电路来驱动两个开关管的开通与关断。
2.根据权利要求1所述的由二极管和开关管组合的整流桥的控制方法，其特征在于，D1,D2,S1和S2组合成整流桥；D3,D4可为S1,S2体内寄生二极管或者外加二极管。
3.根据权利要求2所述的由二极管和开关管组合的整流桥的控制方法，其特征在于，所述关断与互锁并联连接于S2的输入端与S1的驱动端，所述另一关断与互锁并联连接于S1的输入端与S2的驱动端。
4.根据权利要求3所述的由二极管和开关管组合的整流桥的控制方法，其特征在于，所述驱动控制分别连接在S1,S2的驱动端。
5.根据权利要求4所述的由二极管和开关管组合的整流桥的控制方法，其特征在于，所述驱动控制提供一个电压和驱动电路来驱动两个开关管的开通与关断。
6.根据权利要求5所述的由二极管和开关管组合的整流桥的控制方法，其特征在于，所述关断与互锁通过检测其中一个开关管的输入电压，控制另一个开关管的关断，确保同一时刻只有一个开关管导通，形成互锁，防止共通。
7.根据权利要求6所述的由二极管和开关管组合的整流桥的控制方法，其特征在于，如只用一个开关管，其工作原理不变。
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