TW201330478A - 應用在ｐｆｃ電源轉換器的橋式整流器 - Google Patents

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Abstract

一種橋式整流器，以MOSFET取代二極體，因此具有較佳的效能。該橋式整流器藉偵測其交流輸入端的電壓來判斷交流電壓的正負半週，因而可以準確的控制這些MOSFET的切換。

Description

應用在PFC電源轉換器的橋式整流器
本發明係有關一種交流轉直流的整流電路，特別是關於一種橋式整流器(bridge rectifier)。
在功率因數校正(Power Factor Correction;PFC)電源轉換器的應用中，需要橋式整流器將交流波形轉換為直流波形。如圖1所示，傳統的橋式整流器10使用四個二極體D1、D2、D3及D4架橋，將交流電壓VACIN整流成為直流電壓VIN給PFC電源轉換器12。二極體的順向偏壓約為0.6V，假設通過二極體D1、D2、D3及D4的電流峰值為0.2A，則二極體導通時將造成0.076W的功率損失。
為了降低橋式整流器的功率損失以提高效能，已經有部分的橋式整流器使用金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)取代二極體，例如美國專利號7,411,768及美國專利公開號2009/0257259。一般而言，MOSFET的導通阻值為mΩ等級，假設MOSFET的導通阻值為1Ω，而通過MOSFET的電流峰值為0.2A，則MOSFET消耗的功率為0.02W，因此以MOSFET取代二極體可以降低功率損失，得到較佳的效能。然而，現有的MOSFET橋式整流器在高側需要使用高壓的PMOSFET，例如參照美國專利號7,411,768及美國專利公開號2009/0257259，因此成本較高。
再者，使用MOSFET的橋式整流器需要判斷交流電壓VACIN的正負半週以控制MOSFET的切換，因此也需要能準確控制MOSFET的電路。
本發明的目的之一，在於提出一種應用在PFC電源轉換器的橋式整流器。
本發明的目的之一，在於提出一種能準確控制MOSFET切換的橋式整流器。
本發明的目的之一，在於提出一種在高側使用NMOSFET的橋式整流器。
根據本發明，一種應用在PFC電源轉換器的橋式整流器包括第一MOSFET連接在該橋式整流器的第一交流輸入端及直流輸出端之間，第二MOSFET連接在該第一交流輸入端及地端之間，第三MOSFET連接在該橋式整流器的第二交流輸入端及該直流輸出端之間，第四MOSFET連接在該第二交流輸入端及該地端之間，偵測器偵測該第一交流輸入端的第一電壓及該第二交流輸入端的第二電壓，並在該第一電壓大於第一預設值時產生第一偵測信號，在該第二電壓大於第二預設值時產生第二偵測信號，以及浮動閘驅動器根據該第一偵測信號控制該第一及第三MOSFET，根據該第二偵測信號控制該第二及第四MOSFET。由於浮動閘驅動器可以提供高壓的控制信號，因此在高側的第一及第三MOSFET可以使用NMOSFET以減少成本。
根據本發明，一種應用在PFC電源轉換器的橋式整流器包括第一MOSFET連接在該橋式整流器的第一交流輸入端及直流輸出端之間，受控於第一控制信號，第二MOSFET連接在該第一交流輸入端及地端之間，受控於第二控制信號，第三MOSFET連接在該橋式整流器的第二交流輸入端及該直流輸出端之間，受控於第三控制信號，第四MOSFET連接在該第二交流輸入端及該地端之間，受控於第四控制信號，偵測器偵測該第一交流輸入端的第一電壓及該第二交流輸入端的第二電壓產生該第二及第四控制信號，以及準位平移器平移該第二及第四控制信號產生該第一及第三控制信號。當該第一電壓大於第一預設值時，該第一及第四MOSFET導通，當該第二電壓大於第二預設值時，該第二及第三MOSFET導通。
本發明的橋式整流器使用MOSFET取代二極體，因此具有較佳的效能，而且藉偵測第一及第二交流輸入端的電壓來判斷交流電壓的正負半週，因而可以準確控制這些MOSFET的切換。
參照圖2，根據本發明的橋式整流器20具有交流輸入端28及30供連接交流電壓源VACIN以及直流輸出端32供連接PFC電源轉換器22。橋式整流器20包括NMOSFET M1、M2、M3及M4、浮動閘驅動器24以及偵測器26。NMOSFET M1連接在直流輸出端32及交流輸入端28之間，受控於控制信號UG1；NMOSFET M2連接在交流輸入端28及地端GND之間，受控於控制信號LG2；NMOSFET M3連接在直流輸出端32及交流輸入端30之間，受控於控制信號UG2；NMOSFET M4連接在交流輸入端30及地端GND之間，受控於控制信號LG1。偵測器26偵測交流輸入端28及30的電壓V1及V2分別產生偵測信號Sc1及Sc2，浮動閘驅動器24根據偵測信號Sc1產生控制信號UG1及LG1，根據偵測信號Sc2產生控制信號UG2及LG2，控制信號UG1、LG2、UG2及LG1分別控制NMOSFET M1、M2、M3及M4的切換，將交流電壓VACIN轉換為直流電壓VIN給PFC電源轉換器22。如圖3的波形所示，當交流輸入端28的電壓V1大於預設值Vth時，偵測器26發出偵測信號Sc1，浮動閘驅動器24將導通(turn on)NMOSFET M1及M4；當交流輸入端30的電壓V2大於預設值Vth時，偵測器26發出偵測信號Sc2，浮動閘驅動器24將導通NMOSFET M2及M3。在圖2的實施例中，橋式整流器20使用浮動閘驅動器24提供高壓的控制信號UG1及UG2，因而可以在高側使用NMOSFET M1及M3以減少成本。
圖2的浮動閘驅動器24包括高側浮動電路34及40、準位平移器36及42、低側電路38及44、電容Cb1及Cb2以及二極體D1及D2。二極體D1連接在電源電壓端Vcc及高側浮動電路34的電源輸入端342之間；二極體D2連接在電源電壓端Vcc及高側浮動電路40的電源輸入端402之間；電容Cb1連接在交流輸入端28及高側浮動電路34的電源輸入端342之間，使電壓Vc1隨電壓V1變化；電容Cb2連接在交流輸入端30及高側浮動電路40的電源輸入端402之間，使電壓Vc2隨電壓V2變化。低側電路38根據偵測信號Sc1產生控制信號LG1、設定信號Ss1及重置信號Sr1。準位平移器36平移設定信號Ss1及重置信號Sr1產生設定信號Ss2及重置信號Sr2。高側浮動電路34根據設定信號Ss2及重置信號Sr2決定控制信號UG1，高側浮動電路34的電源輸入端342及344分別接收電壓Vc1及V1，以使其所輸出的控制信號UG1可以驅動NMOSFET M1。低側電路44根據偵測信號Sc2產生控制信號LG2、設定信號Ss3及重置信號Sr3。準位平移器42平移設定信號Ss3及重置信號Sr3產生設定信號Ss4及重置信號Sr4。高側浮動電路40根據設定信號Ss4及重置信號Sr4決定控制信號UG2，高側浮動電路40的電源輸入端402及404分別接收電壓Vc2及V2，以使其所輸出的控制信號UG2可以驅動NMOSFET M3。
圖4係圖2中高側浮動電路34及準位平移器36的實施例。高側浮動電路34包括電壓過低關閉(Under Voltage Lock Out;UVLO)電路50、SR正反器52及驅動器54。SR正反器52根據設定信號Ss2及重置信號Sr2決定信號Q，驅動器54根據信號Q產生控制信號UG1，UVLO電路50偵測電壓Vc1，在電壓Vc1低於預設的臨界值時關閉SR正反器52。準位平移器36包括電阻R5及R6、二極體D3及D4、開關M5及M6以及反相器57及59。電阻R5連接在電壓端Vc1及節點56之間，二極體D3與電阻R5並聯以限制節點56的電壓，開關M5連接在節點56及地端GND之間，反相器57連接節點56，根據節點56的電壓產生重置信號Sr2，電阻R6連接在電壓端Vc1及節點58之間，二極體D4與電阻R6並聯以限制節點58的電壓，開關M6連接在節點58及地端GND之間，反相器59連接節點58，根據節點56的電壓產生設定信號Ss2。開關M5及M6分別受控於重置信號Sr1及設定信號Ss1，當開關M5導通(turn on)而開關M6關閉(turn off)時，節點56的電壓為低準位，故重置信號Sr2為高準位，而節點58的電壓為高準位，故設定信號Ss2為低準位，因而使高側浮動電路34結束控制信號UG1。當開關M5關閉而開關M6導通時，節點56的電壓為高準位，故重置信號Sr2為低準位，而節點58的電壓為低準位，故設定信號Ss2為高準位，因而使高側浮動電路34觸發控制信號UG1。圖2中高側浮動電路40及準位平移42的架構與圖4的高側浮動電路34及36相同，不再贅述。
圖2及圖4係以最常見的浮動閘驅動器為實施例，本發明亦可使用其他架構的浮動閘驅動器，例如美國專利號5,552,731及7,236,020。
圖2的偵測器26包括電阻R1、R2、R3及R4以及比較器46及48。電阻R1及R2串聯在交流輸入端28及地端GND之間，將交流輸入端28的電壓V1分壓產生電壓Vd1，比較器46比較電壓Vd1及參考電壓Vref產生偵測信號Sc1，電阻R3及R4串聯在交流輸入端30及地端GND之間，將交流輸入端30的電壓V2分壓產生電壓Vd2，比較器48比較電壓Vd2及參考電壓Vref產生偵測信號Sc2。如圖3的波形所示，當電壓Vd1大於參考電壓Vref時，表示電壓V1大於預設值Vth，比較器46發出偵測信號Sc1；當電壓Vd2大於參考電壓Vref時，表示電壓V2大於預設值Vth，比較器48發出偵測信號Sc2。
圖5係圖2中偵測器26的第二實施例，其係藉偵測通過NMOSFET M1及M3的電流I1及I3來判斷交流輸入端28及30的電壓，進而決定偵測信號Sc1及Sc2。圖5的偵測器26包括電流感測器60及62、比較器46及48以及電流源64及66。電流感測器60及62分別感測NMOSFET M1及M3的電流I1及I3產生電流感測信號I2及I4，電流源64及66提供固定的電流Iref，當交流輸入端28的電壓V1上升時，NMOSFET M1的基底二極體(body diode)Db1導通，因而產生電流I1由交流輸入端28經基底二極體Db1流向直流輸出端32，電流I1及電流感測信號I2將隨著電壓V1的上升而上升，當電流感測信號I2大於電流Iref時，節點68的電壓Vd1上升，在電壓Vd1大於參考電壓Vref時，比較器46發出偵測信號Sc1。當交流輸入端30的電壓V2上升時，NMOSFET M3的基底二極體Db2導通，電流I3從交流輸入端30經基底二極體Db2流向直流輸出端32，電流I3及電流感測信號I4將隨著電壓V2的上升而上升，當電流感測信號I4大於電流Iref時，節點70的電壓Vd2上升，在電壓Vd2大於參考電壓Vref時，比較器48發出偵測信號Sc2。電流感測器60包括電感L1及L2，電感L1與NMOSFET M1串聯，因此電感L1的電流等於NMOSFET M1的電流I1，電感L2感應電感L1的電流I1產生電流感測信號I2。電流感測器62包括電感L3及L4，電感L3與NMOSFET M3串聯，因此電感L3的電流等於NMOSFET M3的電流I3，電感L4感應電感L3的電流I3產生電流感測信號I4。
圖6係圖2中偵測器26的第三實施例，其係將圖2的電阻R1及R3以閘極接地的N型空乏型電晶體M7及M8取代。當電壓V1及V2為0時，空乏型電晶體M7及M8為導通狀態。當交流輸入端28的電壓V1上升時，空乏型電晶體M7的源極電壓Vd1隨之上升，當電壓Vd1達到空乏型電晶體M7的臨界電壓時，空乏型電晶體M7關閉，因而限制電壓Vd1的最大值，防止高電壓進入偵測器26，在電壓Vd1大於參考電壓Vref時，比較器46發出偵測信號Sc1。同理，當交流輸入端30的電壓V2上升時，電壓Vd2跟著上升，當電壓Vd2達到空乏型電晶體M8的臨界電壓時，空乏型電晶體M8關閉，因而限制電壓Vd2的最大值，在電壓Vd2大於參考電壓Vref時，比較器48發出偵測信號Sc2。在此實施例中，電阻R2及R4係作為限流電阻。
圖7係橋式整流器20的第二實施例，其包括NMOSFET M2及M4、PMOSFET M9及M10、偵測器26以及準位平移器36。PMOSFET M9連接在直流輸出端32及交流輸入端28之間，NMOSFET M2連接在交流輸入端28及地端GND之間，PMOSFET M10連接在直流輸出端32及交流輸入端30之間，NMOSFET M4連接在交流輸入端30及地端GND之間，偵測器26偵測交流輸入端28及30的電壓V1及V2產生控制信號LG1及LG2分別控制NMOSFET M4及M2，準位平移器36平移控制信號LG1及LG2產生控制信號UG1及UG2分別控制PMOSFET M9及M10。
圖7的偵測器26包括電阻R1、R2、R3及R4以及比較器46及48。電阻R1及R2串聯在交流輸入端28及地端GND之間，將電壓V1分壓產生電壓Vd1，比較器46比較電壓Vd1及參考電壓Vref產生控制信號LG1，電阻R3及R4串聯在交流輸入端30及地端GND之間，將電壓V2分壓產生電壓Vd2，比較器48比較電壓Vd2及參考電壓Vref產生控制信號LG2。圖7的偵測器26亦可修改成如圖6所示的偵測器。
圖7的準位平移器36包括電阻R5及R6、二極體D3及D4、開關M5及M6以及空乏型電晶體M11及M12。電阻R5及二極體D3並聯在直流輸出端32及PMOSFETM9的閘極之間，電阻R6及二極體D4並聯在直流輸出端32及PMOSFET M10的閘極之間，空乏型電晶體M11連接在PMOSFET M9的閘極及開關M5之間，空乏型電晶體M12連接在PMOSFET M10的閘極及開關M6之間，空乏型電晶體M11及M12係用以阻隔高壓，避免開關M5及M6上的跨壓過高。如圖3所示，當電壓V1大於預設值Vth，電壓Vd1大於參考電壓Vref，控制信號LG1導通NMOSFET M4，同時開關M5也被控制信號LG1導通，因而使控制信號UG1轉為低準位而導通PMOSFET M9。當電壓V2大於預設值Vth，電壓Vd2大於參考電壓Vref，控制信號LG2導通NMOSFET M2及開關M6，開關M6導通時，控制信號UG2轉為低準位，因而導通PMOSFET M10。
10．．．橋式整流器
12．．．PFC電源轉換器
20．．．橋式整流器
22．．．PFC電源轉換器
24．．．浮動閘驅動器
26．．．偵測器
28．．．交流輸入端
30．．．交流輸入端
32．．．直流輸出端
34．．．高側浮動電路
36．．．準位平移器
38．．．低側電路
40．．．高側浮動電路
42．．．準位平移器
44．．．低側電路
46．．．比較器
48．．．比較器
50．．．電壓過低關閉電路
52．．．SR正反器
54．．．驅動器
56．．．節點
57．．．反相器
58．．．節點
59．．．反相器
60．．．電流感測器
62．．．電流感測器
64．．．電流源
66．．．電流源
68．．．節點
70．．．節點
圖1係傳統的橋式整流器；
圖2係本發明的橋式整流器的第一實施例；
圖3係圖2電路的波形圖；
圖4係圖2中高側浮動電路及準位平移器的實施例；
圖5係圖2中偵測器的第二實施例；
圖6係圖2中偵測器的第三實施例；以及
圖7係本發明的橋式整流器的第二實施例。
20．．．橋式整流器
22．．．PFC電源轉換器
24．．．浮動閘驅動器
26．．．偵測器
28．．．交流輸入端
30．．．交流輸入端
32．．．直流輸出端
34．．．高側浮動電路
36．．．準位平移器
38．．．低側電路
40．．．高側浮動電路
42．．．準位平移器
44．．．低側電路
46．．．比較器
48．．．比較器

Claims (13)

  1. 一種應用在PFC電源轉換器的橋式整流器，包括：第一及第二交流輸入端，供連接交流電源；直流輸出端，供連接該PFC電源轉換器；第一MOSFET，連接在該第一交流輸入端及該直流輸出端之間；第二MOSFET，連接在該第一交流輸入端及地端之間；第三MOSFET，連接在該第二交流輸入端及該直流輸出端之間；第四MOSFET，連接在該第二交流輸入端及該地端之間；偵測器，連接該第一及第二交流輸入端，偵測該第一交流輸入端的第一電壓及該第二交流輸入端的第二電壓，並在該第一電壓大於第一預設值時產生第一偵測信號，在該第二電壓大於第二預設值時產生第二偵測信號；以及浮動閘驅動器，連接該偵測器、第一MOSFET、第二MOSFET、第三MOSFET及第四MOSFET，根據該第一及第二偵測信號控制該第一、第二、第三及第四MOSFET。
  2. 如請求項1之橋式整流器，其中該第一及第三MOSFET具有N型通道。
  3. 如請求項1之橋式整流器，其中該偵測器包括：第一對串聯的電阻，連接該第一交流輸入端，將該第一電壓分壓產生第三電壓；第一比較器，連接該第一對串聯的電阻，比較該第三電壓及第一參考電壓產生該第一偵測信號；第二對串聯的電阻，連接該第二交流輸入端，將該第二電壓分壓產生第四電壓；以及第二比較器，連接該第二對串聯的電阻，比較該第四電壓及第二參考電壓產生該第二偵測信號。
  4. 如請求項1之橋式整流器，其中該偵測器包括：第一比較器，比較與該第一電壓相關的第三電壓及第一參考電壓產生該第一偵測信號；以及第一電流感測器，連接該第一比較器，感測該第一MOSFET的電流產生第一電流感測信號以決定該第三電壓；第二比較器，比較與該第二電壓相關的第四電壓及第二參考電壓產生該第二偵測信號；以及第二電流感測器，連接該第二比較器，感測該第三MOSFET的電流產生第二電流感測信號以決定該第四電壓。
  5. 如請求項4之橋式整流器，其中該第一電流感測器包括：第一電感，與該第一MOSFET串聯；以及第二電感，與該第一電感耦合，感應該第一電感的電流產生該第一電流感測信號。
  6. 如請求項4之橋式整流器，其中該第二電流感測器包括：第一電感，與該第三MOSFET串聯；以及第二電感，與該第一電感耦合，感應該第一電感的電流產生該第二電流感測信號。
  7. 如請求項1之橋式整流器，其中該偵測器包括：第一空乏型電晶體，連接該第一交流輸入端，接收該第一電壓以產生第三電壓，並限制該第三電壓的最大值；以及第一比較器，連接該第一空乏型電晶體，比較該第三電壓及第一參考電壓產生該第一偵測信號；第二空乏型電晶體，連接該第二交流輸入端，接收該第二電壓以產生第四電壓，並限制該第四電壓的最大值；以及第二比較器，連接該第二空乏型電晶體，比較該第四電壓及第二參考電壓產生該第二偵測信號。
  8. 如請求項1之橋式整流器，其中該浮動閘驅動器包括：第一高側浮動電路，具有第一電源輸入端及第二電源輸入端，該第二電源輸入端連接該第一交流輸入端，該第一高側浮動電路提供第一控制信號控制該第一MOSFET；第一電容，連接在該第一交流輸入端及該第一電源輸入端之間；第一低側電路，連接該偵測器，根據該第一偵測信號決定第二控制信號、第一設定信號及第一重置信號，該第二控制信號控制該第四MOSFET；第一準位平移器，連接該第一高側浮動電路及該第一低側電路，平移該第一設定信號及該第一重置信號產生第二設定信號及第二重置信號給該第一高側浮動電路，以決定該第一控制信號；第二高側浮動電路，具有第三電源輸入端及第四電源輸入端，該第四電源輸入端連接該第二交流輸入端，該第二高側浮動電路提供第三控制信號控制該第三MOSFET；第二電容，連接在該第二交流輸入端及該第三電源輸入端之間；第二低側電路，連接該偵測器，根據該第二偵測信號決定第四控制信號、第三設定信號及第四重置信號，該第四控制信號控制該第二MOSFET；以及第二準位平移器，連接該第二高側浮動電路及該第二低側電路，平移該第三設定信號及第三重置信號給該高側浮動電路，以決定該第三控制信號。
  9. 一種應用在PFC電源轉換器的橋式整流器，包括：第一及第二交流輸入端，供連接交流電源；直流輸出端，供連接該PFC電源轉換器；第一MOSFET，連接在該第一交流輸入端及該直流輸出端之間，受控於第一控制信號；第二MOSFET，連接在該第一交流輸入端及地端之間，受控於第二控制信號；第三MOSFET，連接在該第二交流輸入端及該直流輸出端之間，受控於第三控制信號；第四MOSFET，連接在該第二交流輸入端及該地端之間，受控於第四控制信號；偵測器，偵測該第一交流輸入端的第一電壓及該第二交流輸入端的第二電壓產生該第二及第四控制信號；以及準位平移器，連接該第一MOSFET、第三MOSFET及該偵測器，平移該第二及第四控制信號產生該第一及第三控制信號；其中，在該第一電壓大於第一預設值時，該第一及第四MOSFET導通，在該第二電壓大於第二預設值時，該第二及第三MOSFET導通。
  10. 如請求項9之橋式整流器，其中該第一及第三MOSFET具有P型通道。
  11. 如請求項9之橋式整流器，其中該偵測器包括：第一對串聯的電阻，連接該第一交流輸入端，將該第一電壓分壓產生第三電壓；第一比較器，連接該第一對串聯的電阻，比較該第三電壓及第一參考電壓產生該第四控制信號；第二對串聯的電阻，連接該第二交流輸入端，將該第二電壓分壓產生第四電壓；以及第二比較器，連接該第二對串聯的電阻，比較該第四電壓及第二參考電壓產生該第二控制信號。
  12. 如請求項9之橋式整流器，其中該偵測器包括：第一空乏型電晶體，連接該第一交流輸入端，接收該第一電壓以產生第三電壓，並限制該第三電壓的最大值；以及第一比較器，連接該第一空乏型電晶體，比較該第三電壓及第一參考電壓產生該第四控制信號；第二空乏型電晶體，連接該第二交流輸入端，接收該第二電壓以產生第四電壓，並限制該第四電壓的最大值；以及第二比較器，連接該第二空乏型電晶體，比較該第四電壓及第二參考電壓產生該第二控制信號。
  13. 如請求項9之橋式整流器，其中該準位平移器包括：第一電阻，連接在該直流輸出端及該第一MOSFET的閘極之間；第一二極體，與該第一電阻並聯，用以限制該第一電阻的跨壓；第一開關，因應該第四控制信號而切換，以決定提供至該第一MOSFET的閘極的第一控制信號；第一空乏型電晶體，連接在該第一MOSFET的閘極及該第一開關之間，用以限制該第一開關的最大跨壓；第二電阻，連接在該直流輸出端及該第三MOSFET的閘極之間；第二二極體，與該第二電阻並聯，用以限制該第二電阻的跨壓；第二開關，因應該第二控制信號而切換，以決定提供至該第三MOSFET的閘極的第三控制信號；以及第二空乏型電晶體，連接在該第三MOSFET的閘極及該第二開關之間，用以限制該第二開關的最大跨壓。
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