TWI381616B - 閘控整流器及其應用於整流電路 - Google Patents

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Description

閘控整流器及其應用於整流電路
本發明揭示一種閘控整流器及其應用於整流電路以提高整流效率。
習知的整流電路(rectification circuits)利用二極體(diodes)之單向導通(unidirectional conduction)特性將交流弦波電壓(AC sinusoidal voltage)整流成直流脈波電壓(DC pulsating voltage)。例如，圖1為半波整流電路(half-wave rectification circuit)；圖2A、2B、3A與3B為全波整流電路(full-wave rectification circuit)；其中，L與N分別為火線(line)與中性線(neutral)；T1與T2為隔離變壓器(isolation transformers)；D0、D1、D2與D3為整流二極體(rectification diodes)；BD1與BD2為橋式二極體(bridge diodes)；R0為負載電阻(load resistors)。
二極體整流器通常苦於較高的導通損失(conduction loss)。本發明揭示一種閘控整流器以降低導通損失且提高整流效率。
一種閘控整流器包含一線電壓(line voltage)極性偵測電路、一固定電壓源、一驅動電路與一閘控電晶體。
該閘控電晶體可為一金氧半場效電晶體(MOSFET)或一絕緣閘雙極電晶體(IGBT)。若負載為電阻性(resistive)，該閘控電晶體可為一雙向MOSFET(BMOS)、一單向MOSFET(UMOS)或一IGBT。若負載為電容性(capacitive)，該閘控電晶體須為一UMOS或一IGBT。該固定電壓源由外部電路提供或感應且被參考至該MOSFET之源極或該IGBT之射極。該線電壓極性偵測電路偵測線電壓之極性且控制該驅動電路以導通或截止該閘控電晶體。
上述閘控整流器，其可以離散零件(discrete components)或積體電路(integrated circuits)實現，可被應用於整流電路以降低導通損失且提高整流效率。
一般而言，二極體、UMOS與絕緣閘雙極電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)具有單向導通(unidirectional conduction)的特性但BMOS具有雙向導通(bidirectional conduction)的特性。在圖6B中負載R0為電阻性，閘控電晶體可為BMOS Q0、Q1、Q2與Q3、UMOS或IGBT。在圖6C中負載C7為電容性，閘控電晶體須為UMOS U0、U1、U2與U3或IGBT。本發明中的閘控電晶體可為但不受限於(can be but not limited to)NMOS。為便於說明，本文假設該閘控電晶體為NMOS且線電壓源為單相(single-phase)。
以NMOS取代整流電路中的二極體須滿足兩個條件：(1)該NMOS之本體二極體(body diode)與該二極體同向(in the same direction)；圖4、圖5A、圖5B、圖6A與圖6B分別對應於圖1、圖2A、圖2B、圖3A與圖3B。(2)該NMOS須被一驅動結構正確地驅動以維持與二極體相同的導通特性；本發明所揭示之驅動結構示於圖7A、圖7B、圖8、圖9與圖10。
須強調閘控整流器之應用於整流電路可為但不受限於單相整流電路諸如圖4、圖5A、圖5B、圖6A、圖6B與圖6C且可被推廣至兩相(two-phase)或三相(three-phase)整流電路等等。
圖7A為根據本發明之第一實施例的NMOS驅動結構電路示意圖，其中NMOS整流器35具有五個外部接腳(external pins)：一火線L、 一中性線N、一固定電壓VCC、一參考端REF與一汲極端D且包含四個內部方塊(internal blocks)：一線電壓極性偵測電路40、一固定電壓源44a、一驅動電路42a與一閘控電晶體46a。該閘控電晶體46a包含一NMOS Q0且具有一閘極(Gate)G、一源極(Source)S與一汲極(Drain)D。該固定電壓源44a由外部電路(external circuits)提供(supplied)或感應(induced)以供應一直流定電壓(DC constant voltage)VCC給該驅動電路42a。因該NMOS Q0之導通或截止取決於閘極與源極間之相對電位差(relative potential difference)，故VCC必須被參考至(referred to)該NMOS Q0之源極不論源極電位為何。須強調在本發明中該線電壓極性偵測電路40與該驅動電路42a間之通信(communication)可為但不受限於光耦合、磁耦合等等。為簡化說明，根據本發明之所有實施例以光耦合實現。該線電壓極性偵測電路40中的光二極體(optodiode)U1A與該驅動電路42a中的光電晶體(optotransistor)U1B分別為光發射器(optotransmitter)與光接收器(optoreceiver)。
該線電壓極性偵測電路40，其包含一限流電阻RL 與一光二極體(optodiode)U1A，用以偵測線電壓之極性且發射一光控制信號(optical control signal)至該驅動電路42a。於正半週期(positive half cycles)，該光二極體U1A受線電壓順偏(forward-biased)而導通；線電流可流經該光二極體U1A；該光二極體U1A受線電流激勵(excited)而發光。於負半週期(negative half cycles)，該光二極體U1A受線電壓逆偏(reverse-biased)而截止；線電流無法流經該光二極體U1A；該光二極體U1A未受線電流激勵而不發光。
該驅動電路42a，其包含一光電晶體U1B與一第一電阻R1，用以接收來自該線電壓極性偵測電路40之一光控制信號且驅動該NMOS Q0。於正半週期，該光電晶體U1B受光控制信號激勵而導通；驅動電流可流經該第一電阻R1；該NMOS Q0受驅動電壓(driving voltage)驅動而導通。於負半週期，該光電晶體U1B未受光控制信號激勵而截止； 驅動電流無法流經該第一電阻R1；該NMOS O0未受驅動電壓驅動而截止。
因圖7B中的光二極體U2A與圖7A中的光二極體U1A反向(in the opposite direction)，故圖7A中的NMOS Q0於正半週期導通但於負半週期截止；圖7B中的NMOS Q1於正半週期截止但於負半週期導通。任何整流電路可由此二基本NMOS整流器組成。例如，考慮分別以圖7A與圖7B取代圖2A中的D0與D1。U2A可先與U1A反向並聯(in anti-parallel)再與RL 串聯(in series)；固定電壓源44a與44b分別被參考至Q0與Q1之源極；Q0由驅動電路42a驅動且Q1由驅動電路42b驅動。
NMOS Q0的放電時間(discharging time)T dischg 可被表示為 ，其中C iss 為NMOS Q0之輸入電容值(input capacitance)。線電壓之週期T line (period)可被表示為 ，其中f line 為線頻率(line frequency)。NMOS Q0之安全操作須滿足下列條件T dischg <<T line 假設典型值(typical values)：R 1 =10K Ω、且f line =60Hz ，則 亦即，NMOS Q0的放電時間遠短於線電壓之週期。加速NMOS Q0之截止的方法以圖8說明。
圖8為根據本發明之第二實施例的NMOS驅動結構電路示意圖。相較於圖7A，圖8引進一圖騰柱電路(totem-pole circuit)54a 至其驅動電路42a。該圖騰柱電路54a包含一NPN雙極電晶體Q4與一PNP雙極電晶體Q5，各具有一基極(B)、一射極(E)與一集極(C)。兩基極(B)連接至光電晶體U1B的第3端；兩射極(E)連接至NMOS Q0的閘極(G)；NPN雙極電晶體Q4的集極(C)與PNP雙極電晶體Q5的集極(C)分別連接至光電晶體U1B的第4端與NMOS Q0的源極(S)。
於正半週期，光電晶體U1B受光控制信號激勵而導通；驅動電流可流經第一電阻R1；NPN雙極電晶體Q4受驅動電壓順偏而導通但PNP雙極電晶體Q5受驅動電壓逆偏而截止；NMOS Q0經由NPN雙極電晶體Q4充電而導通。於負半週期，光電晶體U1B未受光控制信號激勵而截止；驅動電流無法流經第一電阻R1；PNP雙極電晶體Q5受閘極電荷(gate charge)順偏而導通但NPN雙極電晶體Q4受閘極電荷逆偏而截止；NMOS Q0經由PNP雙極電晶體Q5放電而截止。
因圖7A中的NMOS Q0經由R1放電但圖8中的NMOS Q0經由PNP雙極電晶體Q5放電，故圖8中的NMOS Q0的截止速度較快於圖7A中的NMOS Q0的截止速度。然而，圖7A、圖7B與圖8之驅動電壓仍有下列兩項缺點：(1)上升邊緣(rising edge)與下降邊緣(falling edge)為弦波(sinusoidal wave)。(2)平頂電壓(plateau voltage)之振幅(amplitude)隨線電壓之振幅而變。以圖7A之正半週期說明上述兩項缺點。光二極體U1A之順向電流(forward current)i F (t )可被表示為 ，其中v L-N (t )為弦波線電壓(sinusoidal line voltage)且V F 為光二極體U1A之順向電壓降(forward voltage drop)。光電晶體U1B之集極電流(collector current)i C (t )可被表示為 ，其中η為U1B對U1A之電流轉移比(Current Transfer Ratio,CTR)。NMOS Q0之驅動電壓v D (t )可被表示為 由上式可看出圖7A、圖7B與圖8之驅動電壓為一可變振幅弦波(variable amplitude sinusoidal wave)。
一般而言，NMOS之通道臨界電壓(channel threshold voltage)V th =3V 。當v D (t )<V th ，通道無法被形成；線電流無法流經通道；此時間稱為死寂時間(dead time)。當v D (t ) V th ，通道可被形成；線電流可流經通道；此時間稱為導通時間(conduction time)。死寂時間有下列優缺點：(1)優點：死寂時間可預防反相(in the opposite phase)NMOS間之交互導通(cross conduction)。(2)缺點：於死寂時間線電流只能流經NMOS的本體二極體；導致較高的導通損失。在無交互導通的情況下，死寂時間應盡可能短以提高整流效率。就驅動NMOS開關而論，固定振幅比可變振幅更適合於驅動NMOS開關。此外，一方波比一弦波有一較短的死寂時間。產生一固定振幅方波(constant amplitude square wave)的方法示於圖9與圖10。
圖9為根據本發明之第三實施例的NMOS驅動結構電路示意圖。相較於圖7A，圖9引進一開關電路64a至其驅動電路42a。該開關電路64a包含一臨界開關(threshold switch)U4、一PNP雙極電晶體Q5、一第二電阻R2、一第三電阻R3與一第四電阻R4。
該臨界開關U4以一可規劃穩壓器(programmable regulator)實現且具有一參考端(reference)R、一正極(anode)A、一負極(cathode)K與一臨界電壓(threshold voltage)V th 。當v R-A (t )<V th ，K與A間之通道截止。當v R-A (t ) V th ，K與A間之通道導通。
於正半週期，光電晶體U1B受光控制信號激勵而導通；驅動電流可流經第一電阻R1。當v R-A (t )<V th ，K與A間之通道截止；PNP雙極電晶 體Q5未被VCC順偏而截止；NMOS Q0經由第四電阻R4放電而截止。當v R-A (t ) V th ，K與A間之通道導通；PNP雙極電晶體Q5被VCC順偏而導通；NMOS Q0經由PNP雙極電晶體Q5充電而導通。於負半週期，光電晶體U1B未受光控制信號激勵而截止；驅動電流無法流經第一電阻R1；v R-A (t )<V th ；K與A間之通道截止；PNP雙極電晶體Q5未被VCC順偏而截止；NMOS Q0經由第四電阻R4放電而截止。
於正半週期且當v R-A (t ) V th ，PNP雙極電晶體Q5被VCC順偏而導通；NMOS Q0的閘-源極電壓v GS (t )=V CC 。在其他情況下，v GS (t )=0。因此，NMOS Q0之驅動電壓為一固定振幅方波。圖9中的可規劃穩壓器臨界電壓之兩種典型值為V th =2.5V (TL431)與V th =1.25V (TL432)。由上述可知：臨界電壓越低；死寂時間越短；整流效率越高。臨界電壓可被圖10之驅動結構進一步降低。
圖10為根據本發明之第四實施例的NMOS驅動結構電路示意圖。相較於圖7A，圖10引進一開關電路74a至其驅動電路42a。該開關電路74a包含一臨界開關(threshold switch)(NPN雙極電晶體Q4)、一PNP雙極電晶體Q5、一第二電阻R2、一第三電阻R3、一第四電阻R4與一第五電阻R5。該臨界開關以一NPN雙極電晶體Q4實現且具有一基極B、一射極E、一集極C與一臨界電壓V th <1.25V 。圖10之動作原理類似於圖9，此處不再贅述。
須強調，上述閘控整流器可為但不受限於上述電路且可以離散零件或積體電路實現。再者，上述閘控整流器之導通或截止必須等效於(equivalent to)二極體整流器之導通或截止。當負載為電阻性，閘控電晶體可為BMOS、UMOS或IGBT。當負載為電容性，閘控電晶體須為UMOS或IGBT。UMOS的詳細內容已於申請人的台灣專利申請號97135084中說明；此處不再贅述。
以上所述之實施例僅係為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當無法以之 限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。
D0、D1、D2、D3‧‧‧二極體
BD1、BD2‧‧‧橋式二極體
RL 、R0、R1、R2、R3、R4、R5‧‧‧電阻
Q0、Q1、Q2、Q3‧‧‧金氧半場效電晶體
Q4、Q5‧‧‧雙極電晶體
U1A、U2A‧‧‧光二極體
U1B、U2B‧‧‧光電晶體
U0、U1、U2、U3‧‧‧單向金氧半場效電晶體
U4‧‧‧臨界開關
B+‧‧‧橋式正端點
B-‧‧‧橋式負端點
L‧‧‧火線
N‧‧‧中性線
C1、C2、C7‧‧‧電容
VCC‧‧‧固定電壓
REF‧‧‧參考端
G‧‧‧閘極
S‧‧‧源極、低壓端
D‧‧‧汲極、高壓端
B‧‧‧基極
E‧‧‧射極
C‧‧‧集極
R‧‧‧參考端
A‧‧‧正極
K‧‧‧負極
1、2、3、4、5、6、7、8‧‧‧端
35‧‧‧NMOS整流器
40‧‧‧線電壓極性偵測電路
42a、42b‧‧‧驅動電路
44a、44b‧‧‧固定電壓源
46a、46b‧‧‧閘控電晶體
54a‧‧‧圖騰柱電路
64a‧‧‧開關電路
74a‧‧‧開關電路
圖1為習知半波整流器之電路圖。
圖2A、2B、3A與3B為習知全波整流器之電路圖。
圖4、5A、5B、6A、6B與6C為根據本發明之NMOS整流器的電路圖。
圖7A與圖7B為根據本發明之第一實施例的NMOS驅動結構電路示意圖。
圖8為根據本發明之第二實施例的NMOS驅動結構電路示意圖。
圖9為根據本發明之第三實施例的NMOS驅動結構電路示意圖。
圖10為根據本發明之第四實施例的NMOS驅動結構電路示意圖。
40．．．線電壓極性偵測電路
L．．．火線
N．．．中性線
RL ．．．電阻
U1A．．．光二極體
1、2、3、4．．．端
44a．．．固定電壓源
VCC．．．固定電壓
REF．．．參考端
C1．．．電容
42a．．．驅動電路
U1B．．．光電晶體
R1．．．第一電阻
46a．．．閘控電晶體
Q0．．．金氧半場效電晶體
G．．．閘極
D．．．汲極
S．．．源極

Claims (18)

  1. 一種閘控整流器，包含：一閘控電晶體具有一閘極、一高壓端與一低壓端；一固定電壓源，其被參考至該閘控電晶體的該低壓端；一線電壓極性偵測電路，其偵測一線電壓之極性；及一驅動電路，其受控於該線電壓極性偵測電路的偵測以決定該閘控電晶體的該高壓端與該低壓端的通道是否形成。
  2. 如請求項1所述之閘控整流器，其中該驅動電路包含：一光電晶體，具有一第一端與一第二端，該第一端連接該固定電壓源；及一第一電阻連接於該光電晶體的該第二端與該低壓端之間。
  3. 如請求項2所述之閘控整流器，其中該驅動電路更包含一圖騰柱電路，該圖騰柱電路包含：一NPN雙極電晶體，具有一基極、一射極與一集極；及一PNP雙極電晶體，具有一基極、一射極與一集極，其中該NPN雙極電晶體的該基極與該PNP雙極電晶體的該基極相連接並連接至該光電晶體的第二端與該第一電阻之間，該兩射極相連接並連接至該閘控電晶體的閘極，該NPN雙極電晶體的該集極連接至該光電晶體的該第一端，該PNP雙極電晶體的該集極連接至該低壓端。
  4. 如請求項3所述之閘控整流器，其中該線電壓極性偵測電路包含：一限流電阻；及一光二極體連接該限流電阻並對應該光電晶體，其中該光二極體偵測線電壓之極性。
  5. 如請求項2所述之閘控整流器，其中該驅動電路更包含：一臨界開關具有一參考端、一正極與一負極，該參考端連接至該光電晶體的該第二端與該第一電阻之間，該正極連接至該閘控電晶體的該低壓端； 一PNP雙極電晶體具有一基極、一射極與一集極，該集極連接該閘控電晶體的閘極；一第二電阻跨接於該PNP雙極電晶體的該基極與該臨界開關的該負極；一第三電阻跨接於該PNP雙極電晶體的該射極與該PNP雙極電晶體的該基極之間；及一第四電阻跨接於該閘控電晶體的該閘極與該低壓端之間。
  6. 如請求項5所述之閘控整流器，其中該線電壓極性偵測電路包含：一限流電阻；及一光二極體連接該限流電阻並對應該光電晶體，其中該光二極體偵測線電壓之極性。
  7. 如請求項2所述之閘控整流器，其中該驅動電路更包含：一PNP雙極電晶體具有一基極、一射極與一集極，該集極連接該閘控電晶體的閘極；一NPN雙極電晶體具有一基極、一射極與一集極，該射極連接至該低壓端；一第二電阻跨接於該PNP雙極電晶體的該基極與該NPN雙極電晶體的該集極之間；一第三電阻跨接於該PNP雙極電晶體的該射極與該PNP雙極電晶體的該基極之間；一第四電阻跨接於該閘控電晶體的閘極與該低壓端之間；及一第五電阻跨接於該光電晶體的該第二端與該NPN雙極電晶體的該基極之間。
  8. 如請求項7所述之閘控整流器，其中該線電壓極性偵測電路包含：一限流電阻；及一光二極體連接該限流電阻並對應該光電晶體，其中該光二極體偵測線電壓之極性。
  9. 如請求項1所述之閘控整流器，更包含一電阻負載連接至該閘控電晶體。
  10. 如請求項9所述之閘控整流器，其中該閘控電晶體為一N通道金屬氧化物半導體場效應電晶體、P通道金屬氧化物半導體場效應電晶體、單向金屬氧化物半導體場效應電晶體、雙向金屬氧化物半導體場效應電晶體或絕緣閘雙極電晶體。
  11. 如請求項1所述之閘控整流器，更包含一電容負載連接至該閘控電晶體。
  12. 如請求項11所述之閘控整流器，其中該閘控電晶體為一單向金屬氧化物半導體場效應電晶體。
  13. 如請求項11所述之閘控整流器，其更包含以一積體電路實現。
  14. 一種閘控整流器，包含：一閘控電晶體，其包含一閘極、一參考端與一輸出端；一定電壓輸入，其參考至該參考端；及一線電壓輸入，其中該線電壓輸入的極性控制是否以該定電壓輸入生一驅動電流導通該閘控電晶體。
  15. 如請求項14所述之閘控整流器，更包含一第一電阻連接於該固定電壓輸入與該參考端之間，其中該驅動電流流經該第一電阻以導通該閘控電晶體。
  16. 如請求項15所述之閘控整流器，更包含一光耦合器連接該定電壓輸入與該線電壓輸入，其中該光耦合器根據該線電壓輸入的極性以被導通產生該驅動電流或被截止以截止該閘控電晶體。
  17. 如請求項15所述之閘控整流器，更包含一磁耦合器連接該定電壓輸入與該線電壓輸入，其中該磁耦合器根據該線電壓輸入的極性以被導通產生該驅動電流或被截止以截止該閘控電晶體。
  18. 如請求項14所述之閘控整流器，其更包含以一積體電路實現。
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