TWI677178B - 整流器和相關整流電路 - Google Patents

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Abstract

一種整流器，包含：一第一輸入端、一第二輸入端以及一第一輸出端以及至少一整流電路。每一整流電路包含：具有一電晶體的一開關電路以及一驅動電路，驅動電路耦接至開關電路並用以控制開關電路的一開關狀態，並包含一圖騰柱電路以及一輸入電晶體。圖騰柱電路包含一輸入端以及耦接至電晶體的一輸出端。輸入電晶體耦接於圖騰柱電路與開關電路之間。該至少一整流電路包含一第一整流電路與一第二整流電路，第一整流電路與第二整流電路的電晶體耦接至第一輸出端，第一整流電路以及第二整流電路的輸入電晶體分別耦接至第一輸入端與第二輸入端。

Description

整流器和相關整流電路
本發明係有關於一種整流器以及一相關整流電路。
傳統的橋式整流器通常使用四個二極體來實現，參考第1圖，第1圖為先前技術中以二極體實現之橋式整流器1的示意圖，其包含二極體D1-D4、輸入端IN1及IN2以及輸出端OUT1與OUT2，而傳統上橋式整流器具有變壓器體積較小的優點，但以二極體來實現的橋式整流器，二極體的逆向峰值電壓通常需要到達一定程度，而採用如此較高規格的二極體將提高製造成本，因此，需要一種新的整流器架構來解決上述問題。
本發明的目的之一在於提供一種整流器與相關整流電路來解決上述問題。
依據本發明的一實施例，揭露一種整流器。該整流器包含：一第一輸入端、一第二輸入端以及一第一輸出端以及至少一整流電路。該至少一整流電路中的每一整流電路皆包含：一開關電路以及一驅動電路。該開關電路包含一電晶體；該驅動電路耦接至該開關電路並用以控制該開關電路的一開關狀態，且該驅動電路包含一圖騰柱電路以及一輸入電晶體。該圖騰柱電路包含一輸入端以及一輸出端，且該輸出端耦接至該電晶體。該輸入電晶體耦接於該圖騰柱電路以及該開關電路之間。該至少一整流電路中包含一第一整流電路以及一第二整流電路，該第一整流電路以及該第二整流電路中的該電晶體耦接至該第一輸出端，且該第一整流電路以及該第二整流電路中的該輸入電晶體分別耦接至該 第一輸入端以及該第二輸入端。
依據本發明的一實施例，揭露一種整流電路。該整流電路包含一開關電路以及一驅動電路。該開關電路包含一電晶體；該驅動電路耦接至該開關電路並用以控制該開關電路的一開關狀態，且該驅動電路包含一圖騰柱電路以及一輸入電晶體。該圖騰柱電路包含一輸入端以及一輸出端，且該輸出端耦接至該電晶體。該輸入電晶體耦接於該圖騰柱電路以及該開關電路之間。
IN1、IN2、N1‧‧‧輸入端
OUT1、OUT2、N2‧‧‧輸出端
D1-D4‧‧‧二極體
20‧‧‧橋式整流器
210-240‧‧‧整流電路
C1-C2‧‧‧電容
R1-R2‧‧‧電阻
DR‧‧‧驅動電路
SW‧‧‧開關電路
T1-T4‧‧‧電晶體
N3-N4‧‧‧端點
V1、V2‧‧‧電壓
Vcc‧‧‧參考電壓
第1圖係先前技術中全波整流器的示意圖。
第2圖係根據本發明一實施例之全波整流器的示意圖。
第3圖係根據本發明一實施例之輸入電壓差值與輸出電壓的波形圖。
在說明書及後續的申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。所屬領域中具有通常知識者應可理解，硬體製造商可能會用不同的名詞來稱呼同一個元件。本說明書及後續的申請專利範圍並不以名稱的差異來作為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來作為區分的準則。在通篇說明書及後續的請求項當中所提及的「包含」係為一開放式的用語，故應解釋成「包含但不限定於」。此外，「耦接」一詞在此係包含任何直接及間接的電氣連接手段，因此，若文中描述一第一裝置耦接於一第二裝置，則代表該第一裝置可直接電氣連接於該第二裝置，或者透過其他裝置或連接手段間接地電氣連接至該第二裝置。
第2圖係根據本發明一實施例之橋式整流器20的示意圖，如第2圖所 示，橋式整流器包含整流電路210、220、230以及240、輸入端IN1與IN2、輸出端OUT1與OUT2，其中輸入端IN1為零線端，而輸入端IN2為火線端，輸入端IN1與IN2用以耦接電磁干擾濾波電路(圖未示)，對照第1圖與第2圖可發現，本發明所提出的整流電路210-240可分別類比第1圖中的二極體D1-D4，整流電路210-240基本上大致一致，參考第2圖可知，整流電路210-240皆包含一開關電路SW以及一驅動電路DR，其中開關電路SW由一N型金屬氧化物半導體場效電晶體T3(後續簡稱電晶體T3)來實現，而驅動電路DR包含由雙載子接面電晶體(bipolar junction transistor,BJT)所組成的一圖騰柱電路以及由一npn雙載子接面電晶體實現的一輸入電晶體T4。驅動電路DR所包含的圖騰柱電路分別由一npn雙載子接面電晶體T1(後續簡稱為電晶體T1)以及一pnp雙載子接面電晶體T2(後續簡稱為電晶體T2)所組成，且圖騰柱電路另包含一輸入端N1、一輸出端N2以及端點N3與N4，其中輸入端N1耦接至電晶體T1與T2的基極端，輸出端N2耦接至電晶體T1與T2的射極端以及電晶體T3的一閘極端，端點N3耦接至電晶體T1的一集極端，而端點N4耦接至電晶體T2的一集極端。另外，如第2圖所示，驅動電路DR中的輸入電晶體T4耦接於圖騰柱電路以及開關電路SW之間。詳細來說，輸入電晶體T4的一基極耦接至端點N4、一集極耦接至端點N1、而一射極耦接至電晶體T3的一源極端。另外，整流電路210與220的電晶體T3的一汲極端耦接至輸出端OUT1而整流電路230與240的電晶體T3的源極端耦接至輸出端OUT2。
再次參考第2圖，整流電路210與220分別包含一自舉式(bootstrap)電路，利用一參考電壓Vcc與該自舉式電路來提升端點N3上的電壓值，以提供電源至圖騰柱電路及輸入電晶體T4，在本實施例中，參考電壓Vcc最大值為12伏特。整流電路210中的自舉式電路由一二極體D1與一電容C1所組成，詳細來說，二極體D1的一陽極端耦接至一參考電壓Vcc，二極體D1的一陰極端耦接至端點N3，電容C1的一端點耦接至端點N3，而另一端點耦接至輸入電晶體T4的源極端以及 輸入端IN1；另外，整流電路220中的自舉式電路由一二極體D2與一電容C2所組成，詳細來說，二極體D2的一陽極端耦接至參考電壓Vcc，二極體D2的一陰極端耦接至端點N3，電容C2的一端點耦接至端點N3，而另一端點耦接至輸入電晶體T4的該源極端以及輸入端IN2。
整流電路210-240分別包含電阻R1與R2，其中對於整流電路210，其電阻R1的一端點耦接至端點N1，而另一端點耦接至端點N3，電阻R2的一端點耦接至端點N4，而另一端點耦接至整流電路220中的端點N3；對於整流電路220，其電阻R1的一端點耦接至端點N1，而另一端點耦接至端點N3，電阻R2的一端點耦接至端點N4，而另一端點耦接至整流電路210中的端點N3；對於整流電路230，其電阻R1的一端點耦接至端點N1，而另一端點耦接至整流電路240中的電晶體T3的一汲極端，電阻R2的一端點耦接至端點N4，而另一端點耦接至輸入端IN2；對於整流電路240，其電阻R1的一端點耦接至端點N1，而另一端點耦接至輸入端IN2，電阻R2的一端點耦接至端點N4，而另一端點耦接至整流電路240中的電晶體T3的一汲極端。
本案所提出的橋式整流器20的操作具有三種狀態，將於下面段落敘述。
當輸入端IN1上的電壓(第2圖中以V1標註)與輸入端IN2上的電壓(第2圖中以V2標註)的差值的一絕對值小於參考電壓Vcc，即｜V1-V2｜<Vcc時，輸入電晶體T4將導通，使得大量電流透過圖騰柱電路流向輸入電晶體T4，導致端點N2上的電壓降低，而電晶體T3將因此關閉，因此，當輸入端IN1上的電壓(第2圖中以V1標註)與輸入端IN2上的電壓(的2圖中以V2標註)的差值的一絕對值小於參考電壓Vcc時，整流電路210-240將全數關閉。
當輸入端IN1上的電壓(第2圖中以V1標註)與輸入端IN2上的電壓(第2圖中以V2標註)的差值大於參考電壓Vcc，即V1-V2>Vcc時輸入電壓差值為負半 週波形(請參閱第3圖之輸入電壓差值)，整流電路220與240的輸入電晶體T4導通，使得整流電路220與240的端點N2上的電壓下降，導致整流電路220與240的電晶體T3關閉；相反地，整流電路210與230的輸入電晶體T4並未導通，電流自端點N3流向端點N2，使得整流電路210與230的電晶體T3受圖騰柱電路的驅動而導通，因此，當輸入端IN1上的電壓(第2圖中以V1標註)與輸入端IN2上的電壓(的2圖中以V2標註)的差值大於參考電壓Vcc時，整流電路210與位於其對稱方的整流電路230將導通，而整流電路220與位於其對稱方的整流電路240將關閉。
當輸入端IN2上的電壓(第2圖中以V2標註)與輸入端IN1上的電壓(第2圖中以V1標註)的差值大於參考電壓Vcc，即V2-V1>Vcc時輸入電壓差值為正半週波形，整流電路210與230的輸入電晶體T4導通，使得整流電路210與230的端點N2上的電壓下降，導致整流電路210與230的電晶體T3關閉；相反地，整流電路220與240的輸入電晶體T4並未導通，電流自端點N3流向端點N2，使得整流電路220與240的電晶體T3受圖騰柱電路的驅動而導通，因此，當輸入端IN2上的電壓(第2圖中以V2標註)與輸入端IN1上的電壓(第2圖中以V1標註)的差值大於參考電壓Vcc時，整流電路220與位於其對稱方的整流電路240將導通，而整流電路210與位於其對稱方的整流電路230將關閉。
正常情況下，輸入端IN1上的電壓(第2圖中以V1標註)與輸入端IN2上的電壓(第2圖中以V2標註)的差值會呈現一正弦波，並且透過橋式整流器20的整流效果，使得輸出端OUT1或輸出端OUT2上的電壓值呈現全波整流效果，但透過本發明所提出的架構，在｜V1-V2｜<Vcc時，將造成整流電路210-240的電晶體T3短暫關閉，使得輸出電壓將不會降至0伏特，參考第3圖，第3圖根據本發明一實施例之輸入電壓差值與輸出電壓的波形圖，如同輸入電壓差值(V1-V2)的波形圖所示，當V1-V2的波形圖進入正負12伏特(即參考電壓Vcc的電壓值)時，輸出電壓將維持在大約10伏特的位置；當V1-V2的波形圖持續下降時，橋式整流器 20將進入整流電路210與230開啟而整流電路220與240關閉的狀態，而輸出電壓的波形將呈現全波整流的波形；相反地，當V1-V2的波形圖持續上升時，橋式整流器20將進入整流電路220與240開啟而整流電路210與230關閉的狀態，而輸出電壓的波形將同樣呈現全波整流的波形。
需注意的是，本案所提出的橋式整流器20可類比為傳統上以二極體實現的橋式整流器，差別在於本發明以電晶體取代二極體，並且以雙載子接面電晶體來實現驅動電路，然而，本領域具通常知識者應能理解，全波整流器並不限定以4顆二極體的橋式整流器來實現，單純以2顆二極體同樣能實現全波整流器，因此若以兩個本發明所提出的整流電路(如整流電路210與230)來實現一整流器，應同樣能具有整流效果，換句話說，本發明並不限定以4個整流電路，即整流電路210-240來實現整流器。
簡單歸納本發明，透過本發明所提出的架構，當輸入端突然的短路時，輸出端仍然能維持在一固定電壓值，避免電壓的大幅度跳動造成電路損壞，另外，本發明係用雙載子接面電晶體來實現驅動電路，相較於以驅動積體電路來驅動整流電路，將可節省大量製造成本。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

Claims (20)

  1. 一種整流器，包含：一第一輸入端、一第二輸入端以及一第一輸出端；以及至少一整流電路，其中該至少一整流電路中的每一整流電路包含：一開關電路，其中該開關電路包含一電晶體；以及一驅動電路，耦接至該開關電路，其中該驅動電路係用以控制該開關電路的一開關狀態，包含：一圖騰柱電路，包含一輸入端以及一輸出端，其中該輸出端耦接至該電晶體；以及一輸入電晶體，耦接於該圖騰柱電路以及該開關電路之間；其中該至少一整流電路包含一第一整流電路以及一第二整流電路，該第一整流電路以及該第二整流電路中的該電晶體耦接至該第一輸出端，且該第一整流電路以及該第二整流電路中的該輸入電晶體分別耦接至該第一輸入端以及該第二輸入端。
  2. 如申請專利範圍第1項的整流器，其中該第一整流電路以及該第二整流電路分別包含一自舉式(bootstrap)電路，其中該自舉式電路包含：一二極體，其中該二極體的一陽極端耦接至一參考電壓，而該二極體的一陰極端耦接至該圖騰柱電路；以及一電容，其中該電容的一端點耦接至該二極體的該陰極端，而該電容的另一端點耦接至該第一輸入端或該第二輸入端的其中之一。
  3. 如申請專利範圍第1項的整流器，其中該第一整流電路包含一電阻，該電阻的一端點耦接至該第一整流電路的該圖騰柱電路的該輸入端，該電阻的另一端點耦接至該第一整流電路的該圖騰柱電路中的一電晶體。
  4. 如申請專利範圍第1項的整流器，其中該第一整流電路包含一電阻，該電阻的一端點耦接至該第一整流電路的該輸入電晶體，而該電阻的另一端點耦接至該第二整流電路中的一二極體的一陰極端。
  5. 如申請專利範圍第1項的整流器，其中該至少一整流電路另包含一第三整流電路以及一第四整流電路，該第三整流電路和該第四整流電路中的該電晶體耦接至該第一輸入端以及該第二輸入端的其中之一，且第三整流電路和該第四整流電路中的該輸入電晶體耦接至一該整流器的一第二輸出端。
  6. 如申請專利範圍第5項的整流器，其中該第三整流電路和該第四整流電路中的該圖騰柱電路耦接至一參考電壓。
  7. 如申請專利範圍第5項的整流器，其中該第三整流電路包含一電阻，其中該電阻的一端點耦接至該輸入電晶體，而該電阻的另一端點耦接至該電晶體。
  8. 如申請專利範圍第5項的整流器，其中該第三整流電路包含一電阻，其中該電阻的一端點耦接至該圖騰柱電路的該輸入端，而該電阻的另一端點耦接至該第一輸入端與該第二輸入端的其中之一。
  9. 如申請專利範圍第5項的整流器，其中當該第一輸入端與該第二輸入端之間的一電壓差的一絕對值小於一參考電壓時，該至少一整流電路中的每一整流電路的該開關電路的該開關狀態為關閉。
  10. 如申請專利範圍第5項的整流器，其中當該第一輸入端上的一電位較該第二輸入端上的一電位大於一參考電壓時，該第一整流電路與該第二整流電路的其中之一的該開關電路與該第三整流電路與該第四整流電路的其中之一的該開關電路為導通，該第一整流電路與該第二整流電路的另一的該開關電路與該第三整流電路與該第四整流電路的另一的該開關電路為關閉。
  11. 如申請專利範圍第5項的整流器，其中該至少一整流電路的該開關電路中的該電晶體為一N型金屬氧化物半導體場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)，該第一整流電路與該第二整流電路的該電晶體的一汲極端耦接至該第一輸出端，該第一整流電路與該第二整流電路的該電晶體的一源極端分別耦接至該第一輸入端與該第二輸入端的其中之一，該第三整流電路與該第四整流電路的該電晶體的一汲極端分別耦接至該第一輸入端與該第二輸入端的其中之一，該第三整流電路與該第四整流電路的該電晶體的一源極端耦接至該第二輸出端。
  12. 如申請專利範圍第1項的整流器，其中該圖騰柱電路包含一npn雙載子接面電晶體(bipolar junction transistor，BJT)以及一pnp雙載子接面電晶體，該npn雙載子接面電晶體的一射極端以及該pnp雙載子接面電晶體的一射極端耦接至該圖騰柱電路的該輸出端，且該npn雙載子接面電晶體的一基極端以及該pnp雙載子接面電晶體的一基極端耦接至該圖騰柱電路的該輸入端。
  13. 如申請專利範圍第12項的整流器，其中該輸入電晶體為一npn雙載子接面電晶體，且該輸入電晶體的一基極端耦接至該圖騰柱電路的該pnp雙載子接面電晶體的一集極端，該輸入電晶體的一集極端耦接至該圖騰柱電路的該輸入端，且該輸入電晶體的一射極端耦接至該第一輸入端與該第二輸入端的其中之一。
  14. 一種整流電路，包含：一開關電路，直接連接於該整流電路的一輸出端以及一輸入端之間，其中該開關電路包含一電晶體；以及一驅動電路，耦接至該開關電路，其中該驅動電路係用以控制該開關電路的一開關狀態，包含：一圖騰柱(totem-pole driver)電路，包含一輸入端以及一輸出端，其中該圖騰柱電路的該輸出端耦接至該電晶體；以及一輸入電晶體，耦接於該圖騰柱電路以及該開關電路之間。
  15. 如申請專利範圍第14項的整流電路，另包含：一自舉式(bootstrap)電路，包含：一二極體，其中該二極體的一陽極端耦接至一參考電壓，而該二極體的一陰極端耦接至該圖騰柱電路；以及一電容，其中該電容的一端點耦接至該二極體的該陰極端，而該電容的另一端點耦接至該整流電路的該輸入端。
  16. 如申請專利範圍第14項的整流電路，其中該開關電路中的該電晶體為一N型金屬氧化物半導體場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)，該電晶體的一汲極端耦接至該整流電路的該輸出端，該電晶體的一源極端耦接至該整流電路的該輸入端。
  17. 如申請專利範圍第14項的整流電路，其中該圖騰柱電路包含一npn雙載子接面電晶體(bipolar junction transistor，BJT)以及一pnp雙載子接面電晶體，該npn雙載子接面電晶體的一射極端以及該pnp雙載子接面電晶體的一射極端耦接至該圖騰柱電路的該輸出端，且該npn雙載子接面電晶體的一基極端以及該pnp雙載子接面電晶體的一基極端耦接至該圖騰柱電路的該輸入端。
  18. 如申請專利範圍第17項的整流電路，其中該輸入電晶體為一npn雙載子接面電晶體，且該輸入電晶體的一基極端耦接至該圖騰柱電路的該pnp雙載子接面電晶體的一集極端，該輸入電晶體的一集極端耦接至該圖騰柱電路的該輸入端，且該輸入電晶體的一射極端耦接至該整流電路的該輸入端。
  19. 如申請專利範圍第14項的整流電路，另包含：一電阻，其中該電阻的一端點耦接至該圖騰柱電路的該輸入端，而該電阻的另一端點耦接至該圖騰柱電路的一電晶體。
  20. 如申請專利範圍第14項的整流電路，另包含：一電阻，其中該電阻的一端點耦接至該輸入電晶體，而該電阻的另一端點耦接至一參考電壓。
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