TW201236348A - Bridge rectifier circuit - Google Patents

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201236348 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 [0001] 本發明涉及電路領域’具體地，涉及一種橋式整流電路 ，該橋式整流電路中所含開關裝置的驅動電壓受到限制 [先前技術] [0002] 橋式整流電路廣泛用於各種應用中，特別是用來將交流 (AC)電流整流為直流（DC)電流。第1圖中示出了一種 常規的橋式整流電路。如第1圖所示，該橋式整流電路包 括4個二極體1〇1、1〇2、103、104，這四個二極體成電 橋連接。在第一輸入IN1和第二輸入IN2處輸入的AC電流 ’通過該橋式整流電路，可以在第一輸出OUT1和OUT2處 變換為DC電流。通常，例如可以在輸出OUT1和OUT2之間 連接電容器C1以便提供穩定的DC輸出電壓。 輸出OUT1和OUT2之間的輸出電壓Vout可以如下計算： V〇ut = MAX(ABS(VIN1 - VIN2)) - 2*Vdiode * 其中，MAX(x)表示取“χ”的最大值，ABS(x)表示取“x 的絕對值，Vlpn和VIN2分別表示輸入INI和IN2處的電 壓，以及Vdiode表示二極體（101，102，103，104) 導通時的壓降。 如果輸入電壓足夠高（即，vIN1和vIN2相差足夠大），則 輸出電壓也足夠大，二極體上的壓降Vdiode可以忽略不 計。此時，電路的轉換效率較高。 然而’當前的電路應用，特別是積體電路應用，趨向於 使用小的DC電壓。因此，在這種低輸出電壓應用中，二 極體上的壓降相對較大，從而導致電路的轉換效率降低 1013165377-0 第3頁/共20頁 201236348 為了提高電路的轉換效率，可以使用導通時壓降較小的 肖特基二極體。第2圖中示出了這樣一種橋式整流電路， 與第1圖所示的電路相比，其中的整流二極體均替換為肖 特基二極體201、202、203、204。 為進一步提高電路的效率’還可以使用開關裝置如金屬 氧化物半導體場效應電晶體（MOSFET)來代替橋式整流 電路中的二極體元件。第3圖中示出了這樣一種橋式整流 電路，與第2圖所示的電路相比，以兩個NMOSFET (N型 MOSFET) 303和304代替了兩個下側肖特基二極體2〇3和 204，在電橋上侧則仍然採用了兩個肖特基二極體3〇1和 302。 在第3圖所示的橋式整流電路中，當輸入IN1與IN2之間的 電壓差大於輸出電壓時，二極體301將被正向偏置並因此 導通。因此，電流從第一輸入IN1通過二極體3〇1而對電 容器C1充電，並通過NMOSFET 304而返回到第二輸入 IN2。同樣’當輸入IN2與IN1之間的電壓差大於輸出電 壓時’二極體302將導通。此時，電流從第二輸入IN2通 過二極體302而對電容器C1充電，並通過NMOSFET 303 而返回到第一輸入IN1。 如果將NMOSFET 303和304的導通電阻做得極低（這是可 以通過當前的半導體工藝實現的），那麼整個整流電路 上的壓降可以僅為一個二極體（301或302 )上的電壓， 從而可以進一步提升電路的轉換效率。 第3圖所示的電路當以分立裝置來實現時，可以很好地工 作。但是，如果需要將這種電路集成到晶片中，則可能 1013165377-0 1Q11Q474]*單編號A0101 第4頁/共20頁 201236348 存在問題。具體來說，在當前的積體電路工藝中，電晶 體的柵介質層做得越來越薄，以實現更好的源漏導通電 阻性能。這使得M0SFET的柵源電壓（Vgs)存在上限， 否則栅介質層將可能擊穿。因此，當第3圖的電路實現為 積體電路時，如果輸入IN1和IN2之間的電壓差相對於

Vgs的上限過大時，將不能如第3圖所示那樣來直接驅動 M0SFET。 為了避免M0SFET的駆動電壓過局而導致其棚·介質擊穿， 已經提出了使用單獨的驅動電路來為M0SFET提供較低驅 動電壓。這種驅動電路需要單獨的電源來為其供電。而 且由於通常需要MOSFET進行快速.開關；，.因此這種電源廡 當是強電源。此外，驅動電路的時序需嚴格辉制，以避 免2個M0SFET 303和304同時導通。因此，這種驅動電路 及相應電源的實現成本較高。 有黎於此，有必要提供一種新穎的橋式整流電路，該電 路使用開關裝置以增加轉換效率，同時又以簡單的配置 實現開關裝置的驅動® 【發明内容】 [0003] 本發明的目的在於提供一種橋式整流電路，該電路可以 以簡單的配置實現，且其中所含的開關裝置的驅動電壓 可以受到限制。 根據本發明的一個方面，提供了一種橋式整流電路，包 括：成電橋連接的整流部分，包括位於電橋下側的整流 開關裝置；以及驅動部分，接收各整流開關裝置的相應 驅動電壓，並將上限值受限的驅動電壓輸出至相應整流 開關裝置的控制端子。 1013165377-0 1011〇474产單編號A〇1〇l 第5頁/共2〇頁 201236348 優選地，驅動部分還接收參考電壓，並根據接收到的參 考電壓來限制驅動電壓的上限值。例如，該橋式整流電 路可以包括參考電麇生成部分，用於生成參考電壓。這 種參考電壓生成部分玎以包括：串聯連接的電流源和齊 納二極體’其中所述電流源的電流流過所述齊納二極體 而生成所述參考電塵。 優選地，驅動部分玎以包括開關裝置。驅動部分根據參 考電壓，並利用開關裝置的閾值電壓，來將驅動電壓的 上限值限制為等於參考電壓減去閾值電壓的值。

這種開關裝置可以包n關裝置，連接在相應的 整流開μ置的控制端子及針對該整流開關裝置的驅動 電壓之間’且該第-開關裝置的控制端子接收參考電壓 、及第—開關裝置，連接在相應的另—整流開關裝置 的控制端子以及針對該另—整流關裝置的驅動電壓之 間’且㈣二開關裝置的控制端子接收參考電壓。 優選地’第-開關裝置可以包括第一金屬氧化物半導體 場效應電日3體（MGSFET)，該第-MQSFET的柵極接收4 考電壓，源極連接 心供至相應的整流開關裝置的控制端子， 以及漏極連接至斜 該整流開關裝置的驅動電壓；以及 第一開關裝置可以6 5*括第二M0SFET，該第二M0SFET的本 極接收參考電壓， #、極連接至相應的另一整流開關裝置 的控制端子，以及、、e "極連接至針對該另一整流開關裝置 的驅動電壓。 進一步優選地， °亥橋式整流電路還可以包括：與第一 M0SFET並聯的第__ _ 二極體；以及與第二M0SFET並聯的第 二二極體。 10_4严單編號A〇101 第6頁/共20頁 1013165377-0 201236348 優選地，整流部分可以包括：第一二極體，連接在第一 輸入與第一輸出之間；第二二極體，連接在第二輸入與 第一輸出之間；第一整流開關裝置，連接在第一輸入與 第二輸出之間，其控制端子連接至驅動部分以接收相應 的驅動電壓；以及第二整流開關裝置，連接在第二輸入 與第二輸出之間，其控制端子連接至驅動部分以接收相 應的驅動電壓，其中，第一二極體、第二二極體、第一 開關裝置和第二開關裝置的電流傳導路徑構成電橋連接 〇 〇 第一整流開關裝置可以包括第一NM0SFET，其漏極連接至 第一輸入，源極連接至第二輸出。第二整流開關裝置可 以包括第二NM0SFET，其漏極連接至第二輸入，源極連接 至第二輸出。 優選地，驅動部分接收第二輸入處的電壓作為第一整流 開關裝置的驅動電壓；以及驅動部分接收第一輸入處的 電壓作為第二整流開關裝置的驅動電壓。 根據本發明，以一種簡單的配置，實現了對驅動電壓具 ^ 有限壓作用的驅動部分，從而可以容易地驅動橋式整流 電路下侧所包含的開關裝置，而不會由於過高的驅動電 壓而造成開關裝置損壞。 【實施方式】 [0004] 以下，通過附圖中示出的具體實施例來描述本發明。但 是應該理解，這些描述只是示例性的，而並非要限制本 發明的範圍。此外，在以下說明中，省略了對公知結構 和技術的描述，以避免不必要地混淆本發明的概念。 第4圖示出了根據本發明一個實施例的橋式整流電路的示 101104741^· AQ1()1 ^ 7 1 / * 20 1 1013165377-0 201236348 意圖。 如第4圖所示’該橋式整流電路包括按電橋形式連接的二 極體401、402以及開關裝置403、404所構成的整流部分 。該整流部分在第一輸入IN1和第二輸入IN2之間例如接 收AC電流，並在第一輸出ουτί和第二輸出OUT2之間例如 輸出DC電流。該DC電流例如可以通過電容器C1而轉換為 DC電壓。在此，開關裝置403和404可以包括NMOSFET。 在此需要指出的是，這種電橋連接形式的整流部分本身 在本領域中是公知的，例如參見第3圖所示。具體地，例 如二極體401連接在第一輸入IN1與第一輸出ουτί之間， 二極體402連接在第二輸入丨⑽與第一輸出OUT1之間，開 關裝置403連接在第一輸入ini與第二輸出OUT2之間，開 關裝置404連接在第二輸入IN2與第二輸出OUT2之間。在 此’與第一輸出OUT1相連的元件（二極體401、402 )稱 作“上侧”元件’與第二輸出OUT2相連的元件（開關裝 置403、404)稱作“下側”元件。 這裏，整流部分中各元件的電流傳導路徑應被適配為實 現整流電橋。例如’在第4圖所示的實施例中，二極體 401的陽極連接至第一輸入ini，陰極連接至第一輸出 OUT1 ;二極體402的陽極連接至第二輸入IN2，陰極連接 至第一輸出OUT1 ; NMOSFET 403的漏極連接至第一輸入 IN1，源極連接至第二輸出〇UT2 ; NMOSFET 404的漏極 連接至第二輸入IN2，源極連接至第二輸出〇UT2。 參照第3圖所示的現有技術電路圖，為了實現開關裝置 403和404的正確驅動時序以實現整流目的，可以以第一 輸入IN1處的電壓作為開關裝置404的驅動電壓，以第二 10110474产單編號 A0101 第8頁/共20頁 1013165377 201236348 輸入IN2處的電壓作為開關裝置403的驅動電壓。為避免 現有技術中的問題（輸入IN1與IN2之間的電壓差過大可 能導致損壞開關裝置403、404 )，根據本發明該實施例 的橋式整流電路還包括驅動部分405。該驅動部分接收針 對開關裝置403、404的驅動電壓，即輸入IN2、IN1處的 電壓’並且將上限值受限的驅動電壓送至開關裝置4〇3、 404的控制端子。具體來說’驅動部分405將第一輸入 IN1處的電壓傳輸至開關裝置404的控制端子處，但將該 驅動電壓的上限值限制在預定值；將第二輸入IN2處的電 壓傳輸至開關裝置4 0 3的控制端子處，但將該驅動電壓的 上限值限制在預定值。從而，可以正常地骚動開關裝置 403、404。所述預定值可以根據開關裝置4〇3、404的特 性來確定。例如，當開關裝置403、404為NMOSFET時， 可以根據其柵介質擊穿的條件來確定所述上限值。 根據本發明的有利實施例’這種驅動電路例如可以由開 關裝置（例如MOSFET或者具艟地NMOSFET)來構成。利 用開關裝置的閾值電壓’可以實現驅動電路的上述《限 壓”動作。具體地，例如開關裝置的控制端子可以接收 一參考電壓，而其電流傳導路徑連接在相應的驅動電壓 (IN1/IN2處的電壓）與相應整流開關裝置（4〇3/4〇4) 的控制端子之間。這樣’在開關裝置導通的情沉下，其 將驅動電壓（IN1/IN2處的電壓）幾乎原樣不變地送至相 應整流開關裝置（403/404)的控制端子，從而有效地驅 動整流開關裝置。而開關裝置在導通狀態下控制端子與 另一端子之間的壓降應該大於閾值電壓（例如，對於 NMOSFET而言，栅源電壓大於閾值電壓） 1〇11〇474产單編號A0101 第9頁/共20頁 由於開關裝置 1013165377-0 201236348 在控制端子處接收固定的參考電壓，因此在導通狀態下 該開關裝置所述另一端子處的電壓不會超出參考電壓減 去閾值電壓的值。利用開關裝置的這一固有特性，可以 實現上述“限壓”。 第5圖示出了根據本發明另一實施例的橋式整流電路的示 意圖。在該實施例中，特別示出了上述驅動部分的具體 示例並示出了用於生成上述參考電壓的參考電壓生成部 分的示例。 如第5圖所示，根據該實施例的橋式整流電路包括按電橋 形式連接的二極體501、502以及開關裝置503、504所構 成的整流部分。該整流部分在第一輸入IN1和第二輸入 IN2之間例如接收AC電流，並在第一輸出OUT1和第二輸 出OUT2之間例如輸出DC電流。該DC電流例如可以通過電 容器C1而轉換為DC電壓。在此，開關裝置503和504可以 包括NMOSFET。關於該整流部分的具體連接關係，可以參 照以上針對第4圖所示實施例的描述。 在該實施例中，該橋式整流電路包括驅動部分505a和參 考電壓生成部分505b。 參考電壓生成部分505b可以生成恒定的參考電壓Vk.。 bias 例如，該參考電壓生成部分505b可以包括串聯連接的電 流源5 0 5 5和齊納二極體5 0 5 6。電流源5 0 5 5的電流11流過 齊納二極體5056，從而相對於第二輸出OUT2生成恒定的 參考電壓Vh.。可選地，該參考電壓生成部分505b還可 以包括與齊納二極體5056並聯連接的電容器50 57，用以 穩定輸出的參考電壓Vu.。該電流源5 0 5 5例如可以是其 bias 他電路中所生成的電流，或者可以由電荷泵或升壓電路 101104741^單編號 A0101 第10頁/共20頁 1013165377-0 201236348

(尤其在低輪入電壓的應用中）來實現。本領域 員可以設想多種方式來實現這種參考電壓生成部分。 驅動部分祕在正常情況下（即，開關裝置的驅動 較小時）可以將驅動電壓直接傳送至相應開關農置…、 504的控制端子。而當開關裴置的驅動電壓較大時，軀、 部分505b可以根據參考電縣來限_減壓的上限= ’並將上限值受限的驅動電壓輪出至相應開置…、 504的控制端子。 進-步，這種驅動部分505b可以通過開關裝置來實現。 具體地，如第5圖所示，驅動部分5()^可以包括兩俩開艮 裝置5051、5052，例如NM0SFET。開關裝置5〇51連== 相應的開關裝置503的控制端子與針對開關裝置5〇3的驅 動電壓節點IN2之間，以便能夠將IN2處的驅動電壓傳= 至開關裝置503。開關裝置5051的控制端子連接至參考' 壓生成部分505b接收參考電壓。因此，開關裝置電 5051的控制端子處的電壓被限制在參考電壓v b 1 a s。同樣 地，開關裝置5052連接在相應的開關裝置5〇4的栓制蠕 與針對開關裝置504的驅動電壓節點ιΝ1之間，以便萨^ 將IN1處的驅動電壓傳送至開關裝置5〇4。開關裝置 的控制端子連接至參考電壓生成部分5〇5b接收參考電

VbiaS。因此，開關裝置5052的控制端子處的電壓被限制 在參考電壓。 bias 在開關裝置5051、5052為NMOSFET的情況下，如第5圖 所示，NMOSFET 5051的漏極連接至第二輸入IN2，源極 連接至開關裝置503的控制端子且可以通過下拉電阻器 5053連接至第二輸出0UT2 ; NMOSFET 5052的漏極連接 来單編號A0101 第11頁/共20頁 10110474Γ 1013165377-0 201236348 至第一輸入INI，源極連接至開關裝置504的控制端子且 可以通過下拉電阻器5054連接至第二輸出OUT2。

這樣’對於NMOSFET 5051和5052而言，當其漏極處的 電壓（從輸入IN1/IN2處接收到的驅動電壓）較小時，具 體地’小於等於（V -Vth)(其中，Vth為NMOSFET bias 5051、5052的閾值電壓）時，NMOSFET 5051 和5052處 於正常的導通狀態，從而其源極電壓近似等於其漏極電 壓。也就是說，NMOSFET 5051和5052直接將漏極處的 電壓（驅動電壓）傳送至源極並進一步傳送至相應開關 裳置504和503的控制端子處，以正常驅動開關裝置504 和503 〇 而當NMOSFET 5051和5052漏極處的電壓（從輸入 IN1/IN2處接收到的驅動電壓）較大時，在此具體地大於 (Vbias_Vth)時’ NM0SFET 5〇51 和 5052 的源極電壓將 不再跟隨漏極電壓。這是因為，NMOSFET 5051和5052 處於導通時，其源極電壓等於柵極電壓（為“V ，，） bias 減去閾值電壓（Vth)。也就是說，NMOSFET 5051和 5052的源極電壓被限制在（Vbias-Vth)。也就是說，（

Vbias-Vth)對應於受限驅動電壓的上限值，該上限值可 以通過選擇vbias (具體地，例如通過選擇齊納二極體 5056的規格）來設置。 可以看出，開關裝置503和504實際接收到的驅動電壓的 上限值被限制在（VbUs-Vth) ’從而可以有效地避免損 壞開關裝置503和504。 在此，可選地可以設置分別與開關裴置5〇51和5〇52並聯 的一極體5058和5059，來幫助傳輪電流。具體地，二極 101104741^單編號A0101 第12頁/共20頁 1013165377-0 201236348 體5058的陽極和陰極分別連接至開關裝置5051的源極和 漏極，二極體5059的陽極和陰極分別連接至開關裝置 5 0 5 2的源極和漏極。 根據本發明的實施例’無需花費額外的精力來控制開關 裝置503和504的驅動時序。具體來說，當輸入ini與IN2 之間的電壓差大於開關裝置504的閾值電壓時，開關裝置 504導通而開關裝置503將截止。同樣，當輸入IN2與IN1 之間的電壓差大於開關裝置5 0 3的閾值時，開關裝置5 〇 3 導通而開關裝置504截止。因此，開關裝置503和504不 〇 會同時導通。 以上參照本發明的實施例對本發明予以了說明。但是， 這些實施例僅僅是為了說明的目的，而並非為了限制本 發明的範圍。本發明的範圍由所附申請專利範圍及其等 價物限定。不脫離本發明的範圍，本領域技術人員可以 做出多種替代和修改’這些替代和修改都應落在本發明 的範圍之内。 0 【圖式簡單說明】 [0005] 通過以下參照附圖對本發明實施例的描述，本發明的上 述以及其他目的、特徵和有點將更為清楚，在附圖中： 第卜3圖出了根據現有技術的橋式整流電路的示意圖； 第4圖示出了根據本發明一個實施例的橋式整流電路的示 意圖；以及 第5圖示出了根據本發明另一實施例的橋式整流電路的示 意圖。 【主要元件符號說明】 10110474#單編號 A〇101 第13頁/共20頁 1013165377-0 201236348 [0006] 501、502 '50 58、5059 '101、102'103'104、401 、402 :二極體 503、504、403、404 :開關裝置 INI、IN2 :輸入 505a :驅動部分 505b :參考電壓生成部分 5 0 5 5 :電流源 5056 :齊納二極體 5053、5054 :電阻器 201、202、203、204、301、302 :肖特基二極體 303、304 : NMOSFET (N型MOSFET) 40 5 :驅動部分 II :電流

Vu.:參考電壓 bias 5051 、 5052 : NMOSFET (N型MOSFET) 0UT1、0UT2 :輸出 C1 :電容器 1011〇474产單編號 A0101 1013165377-0 第14頁/共20頁

Claims (1)

1. 201236348 七、申請專利範圍： 1 . 一種橋式整流電路，包括： 成電橋連接的整流部分，包括位於電橋下側的整流開關裝 置；以及 驅動部分，接收各整流開關裝置的相應驅動電壓，並將上 限值受限的驅動電壓輸出至相應整流開關裝置的控制端子 0 2 .如申請專利範圍第丨項所述的橋式整流電路，其中，所述 0 驅動部分還接收參考電壓，並根據接收到的參考電壓來限 制驅動電壓的上限值。 3 .如申請專利範圍第2項所述的橋式整流電路，還包括參考 電壓生成部分，用於生成所述參考電壓。 4 .如申請專利範圍第3項所述的橋式整流電路，其中，所述 參考電壓生成部分包括： 串聯連接的電流源和齊納二極體，其中所述電流源的電流 流過所述齊納二極體而生成所述參考電壓（v bias 夕 Ο .如申凊專利範圍項2項所述的橋式整流電路，其中所述驅 動部分包括開關裝置，以及 所述驅動部分根據所述參考電壓（v )，並利用開關 D 1 d S 裝置的閾值電壓，來將驅動電壓的上限值限制為等於所述 參考電壓減去所述閾值電壓的值。 6 .如申請專利範圍第5項所述的橋式整流電路，其中所述開 關裝置包括： 第一開關裝置，連接在相應的整流開關裝置的控制端子及 針對該整流開關裝置的驅動電壓之間，且該第一開關裝置 1〇11〇474卢單編號 A0101 第15頁/共20頁 1013165377-0 201236348 的控制端子接收所述參考電壓（vk.);以及 bias 第二開關裝置，連接在相應的另一整流開關裝置的控制端 子以及針對該另一整流開關裝置的驅動電壓之間，且該第 二開關裝置的控制端子接收所述參考電壓（vk.)。 bias 7. 如申請專利範圍第6項所述的橋式整流電路，其中， 所述第一開關裝置包括第一金屬氧化物半導體場效應電晶 體M0SFET，該第一MOSFET的柵極接收所述參考電壓（ Vbias)，源極連接至相應的整流開關裝置的控制端子， 以及漏極連接至針對該整流開關裝置（ 503 )的驅動電壓 (IN2);以及 所述第二開關裝置包括第二MOSFET，該第二MOSFET的柵 極接收所述參考電壓（VK.)，源極連接至相應的另一 bias 整流開關裝置的控制端子，以及漏極連接至針對該另一整 流開關裝置的驅動電壓。 8. 如申請專利範圍第7項所述的橋式整流電路，還包括： 與第一MOSFET並聯的第一二極體；以及 與第二MOSFET並聯的第二二極體。 9 .如申請專利範圍第1項所述的橋式整流電路，其中，所述 整流部分包括： 第一二極體，連接在第一輸入與第一輸出之間； 第二二極體，連接在第二輸入與第一輸出之間； 第一整流開關裝置，連接在第一輸入與第二輸出之間，其 控制端子連接至所述驅動部分以接收相應的驅動電壓；以 及 第二整流開關裝置，連接在第二輸入與第二輸出之間，其 控制端子連接至所述驅動部分以接收相應的驅動電壓， 047#單編號删1 第16頁/共20頁 1013165377-0 201236348 其中，所述第一二極體、第二二極體（、第一開關裝置和 第二開關裝置的電流傳導路徑構成電橋連接。 10 .如申請專利範圍第9項所述的橋式整流電路，其中 所述第一整流開關裝置包括第一NMOSFET，其漏極連接至 第一輸入，源極連接至第二輸出， 所述第二整流開關裝置包括第二NMOSFET，其漏極連接至 第二輸入，源極連接至第二輸出。 11 .如申請專利範圍第9項所述的橋式整流電路，其中， 所述驅動部分接收所述第二輸入處的電壓作為所述第一整 流開關裝置的驅動電壓；以及 所述驅動部分接收所述第一輸入處的電壓作為所述第二整 流開關裝置的驅動電壓。 10110474产單編號 A0101 第17頁/共20頁 1013165377-0