TWI677179B - 全整合主動式交流轉直流整流器 - Google Patents

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TWI677179B
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張振豪
Robert Chen Hao Chang
陳威志
Wei Chih Chen
劉霖
Lin Lin Liu Liu
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國立中興大學
National Chung Hsing University
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Abstract

本發明揭示全整合主動式交流轉直流整流器，用於將一交流電壓轉換成一輸出電壓，包含：一第一P型功率電晶體；一第二P型功率電晶體；一第一N型功率電晶體；一第二N型功率電晶體；至少一電壓比較器，用於比較該交流端電壓與該輸出電壓之大小，以確定是否導通該第一N型功率電晶體或該第二N型功率電晶體；一交流週期比較器，用於判斷該交流電壓的正負半周期；以及一非重疊控制電路，根據該交流週期比較器輸出之一輸出電壓訊號，輸出一控制訊號開啟對應的N型功率電晶體。本發明揭示之全整合主動式交流轉直流整流器，能達到有效提升交流轉直流整流器轉換效率與電壓轉換率的功能。

Description

全整合主動式交流轉直流整流器
本發明係有一種主動式交流轉直流整流器，其特別有關於使用新偵測方式與非重疊控制電路的全整合主動式交流轉直流整流器。
隨著科技日益進化，日常生活中總是能看到各式各樣的電子產品，因此我們對於能量的需求也因此日漸提高。由於我們對於自然資源的濫用影響了地球的環境以及生態，近年來能量的議題漸漸的浮現。一般常見的電力來源大致分為幾種，火力發電與核能發電等等。以傳統的火力發電為例，使用不環保的化石燃料或天然氣，排放了大量的二氧化碳，進而影響環境，因此綠色能源已經漸漸的受到重視。
此外，近年來互聯網與人工智慧的應用需求也日漸增高。為了因應這類需要長時間使用需求的應用，電子產品大多需要使用可重覆充放電的電池來做為各項環境感測器與晶片的能源。但目前能源產生方式會造成額外的環境汙染，例如火力發電造成的空氣汙染；核能發電造成的核廢料問題等，為了可以達到獲取能源且不會汙染環境的目的，綠色能源為目前主要發展的趨勢。
特別是對於儲能用的電池而言，需要經常進行更換或是充電。然而，在一些感測器或是生醫電子而言，電池有更換上的難度。因此希望能夠直接透過獵能器來作為其能量的來源。由於上述的各種發電缺陷，促進了綠色能源獵取的發展。獵能即為將環境中的能源擷取並保存下來的一 種方式，不僅能直接作為感測器與晶片的能量來源，更可以將多餘的能量儲存於電池中，達到確保能源來源且對環境不會造成汙染的目的。
在傳統的交流轉直流整流器中，大多使用了二極體來做為迴路的開關。雖然有架構簡單且能有效消除逆向漏電流的情形，但也因為二極體本身的導通電壓造成了額外的導通損耗，導致整體轉換效率與電壓轉換率下降等問題。在目前熱烈發展的互聯網應用中，會在電子產品中加入各種環境感測晶片用來感測各項參數。這類產品大多都是使用電池作為晶片供電來源，而傳統交流轉直流整流器的低轉換效率與電壓轉換率問題是造成不適用於互聯網應用上的主要原因。
現有的技術主動控制整流器可以分為閘極交錯式與全比較器主動控制整流器。在閘極交錯式方面，使用上方兩個P型功率電晶體閘極交錯，配合下方兩個不對稱電流的共閘極比較器，使其產生偏置電壓控制兩個N型功率電晶體。透過偏置電壓產生N型功率電晶體開關的延遲，避免有逆向漏電流的產生。然而該方式仍受到製程變異的影響，若延遲稍微有變化還是有逆電流以及在N型功率電晶體閘極發生震盪的問題。全比較器主動控制整流器則為將上方與下方的功率電晶體都使用比較器控制，避免開關訊號受到製程變異而產生逆向漏電流。但因為比較器控制訊號有重疊的問題，造成在某些狀況下仍然會有逆向漏電流的產生，使電壓轉換率與整流器效率大幅降低。。
有鑑於上述問題，有必要提出一種能解決上述問題之主動式交流轉直流整流器。
鑒於前述之習知技術的缺點，本發明之主要目的係提出一全整合主動式交流轉直流整流器，用以解決傳統交流轉直流整流器低轉換效率與電壓轉換率的問題，其主要使用了功率電晶體替換了傳統二極體來達到改善效能降低的問題。在其導通時，只會有極小的導通電阻(約毫歐姆)，且 可以整合於晶片中，不僅可以降低導通時的導通損耗，更可以大幅縮減外在電路板上的元件面積成本。
本發明之另一要目的係提出一全整合主動式交流轉直流整流器，要改善的則是逆向漏電流的問題。由於使用功率電晶體替換了二極體後，在其導通後視為一個電阻並無方向性，所以當整流電壓大於交流端電壓時，會有逆向漏電流由輸出端流入輸入端，造成轉換效率與電壓轉換率的下降。
為達本發明之主要目的，本發明提出一種全整合主動式交流轉直流整流器，用於將一交流電壓轉換成一輸出電壓，包含：一第一P型功率電晶體，具有一源極、一汲極與一閘極；一第二P型功率電晶體，具有一源極、一汲極與一閘極；一第一N型功率電晶體，具有一源極、一汲極與一閘極，串接該第一P型功率電晶體於一接點B；一第二N型功率電晶體，具有一源極、一汲極與一閘極，串接該第二P型功率電晶體於一接點A，該接點A藉由一RC並聯電路電性連接於該接點B；至少一電壓比較器，用於比較該交流端電壓與該輸出電壓之大小，以確定是否導通該第一或第二N型功率電晶體；一交流週期比較器，用於判斷該交流電壓的正負半周期；以及一非重疊控制電路，根據該交流週期比較器輸出之一輸出電壓訊號，輸出一控制訊號開啟對應的N型功率電晶體；其中，該接點A與該接點B作為該全整合主動式交流轉直流整流器之輸入端，接收該交流電壓之輸入。
根據本發明之一特徵，該第一P型功率電晶體之汲極電性連接該第一N型功率電晶體之汲極於該接點B，該第一P型功率電晶體之源極 電性連接該第二P型功率電晶體之源極於一接點Vs+，該第二P型功率電晶體之汲極電性連接該第二N型功率電晶體之汲極於該接點A，該第一N型功率電晶體之源極電性連接該第二N型功率電晶體之源極於一接點Vs-，其中該接點Vs+與該接點Vs-電壓差形成該全整合主動式交流轉直流整流器之該輸出電壓。
根據本發明之一特徵，該至少一電壓比較器包含：一第一電壓比較器，具有一正輸入端、一負輸入端與一輸出端，該正輸入端電性連接於該第一P型功率電晶體之源極，該負輸入端電性連接於該第一P型功率電晶體之汲極，且該輸出端電性連接於該第一P型功率電晶體之閘極；以及一第二電壓比較器，具有一正輸入端、一負輸入端與一輸出端，該正輸入端電性連接於該第二P型功率電晶體之源極，該負輸入端電性連接於該第二P型功率電晶體之汲極，且該輸出端電性連接於該第二P型功率電晶體之閘極。
根據本發明之一特徵，該至少一電壓比較器是一共閘極比較器，具有一偏壓電路與複數個P型功率電晶體與複數個N型功率電晶體，該複數個N型功率電晶體之閘極係電性連接，用於比較該交流端電壓與該輸出電壓之大小，當第一P型功率電晶體在該接點B之該交流電壓大於該輸出電壓時，導通該第一N型功率電晶體，或當第二P型功率電晶體在該接點A之該交流電壓大於該輸出電壓時，導通該第二N型功率電晶體。
根據本發明之一特徵，該交流週期比較器，具有一正輸入端、一負輸入端與一輸出端，該正輸入端電性連接於該第一P型功率電晶體之汲極，該負輸入端電性連接於該第二P型功率電晶體之汲極，且該輸出端電性連接於該非重疊控制電路。
根據本發明之一特徵，該交流週期比較器是一二階式比較器， 具有複數個P型功率電晶體與複數個N型功率電晶體，用來判斷該交流電壓的正負半周期，並根據該交流電壓大小開啟對應的N型功率電晶體。
根據本發明之一特徵，該非重疊控制電路具有一輸入端，一第一輸出端與一第二輸出端，該輸入端電性連接於該交流週期比較器之該輸出端，該第一輸入端電性連接於該第一N型功率電晶體之閘極，且該第二輸入端電性連接於該第二N型功率電晶體之閘極。
根據本發明之一特徵，非重疊控制電路，由八個反向器以及兩個NAND邏輯閘組成。
根據本發明之一特徵，全整合主動式交流轉直流整流器係整合於單一晶片電路中。
本發明之全整合主動式交流轉直流整流器具有以下功效：
1.解決傳統交流轉直流整流器低轉換效率與電壓轉換率的問題。
2.在導通時，只會有極小的導通電阻(約毫歐姆)，可以降低導通時的導通損耗。
3.可以整合於晶片中，大幅縮減外在電路板上的元件面積成本，達到全整合的晶片方式。
4.加入了新型的電壓偵測電路配合非重疊控制電路來改善功率電晶體逆向漏電流與閘極震盪的缺點。
5.加入的電路功率消耗極小，在輕載時，不會造成額外的功率損耗導致轉換效率降低。
6.利用環境中的震盪源來發展一個新的交流轉直流整流器，透過全整合的晶片方式，達到高電壓轉換率與高效電源轉換效率的目的。
10‧‧‧第一P型功率電晶體
11‧‧‧源極
12‧‧‧汲極
13‧‧‧閘極
20‧‧‧第二P型功率電晶體
21‧‧‧源極
22‧‧‧汲極
23‧‧‧閘極
30‧‧‧第一N型功率電晶體
31‧‧‧源極
32‧‧‧汲極
33‧‧‧閘極
40‧‧‧第二N型功率電晶體
41‧‧‧源極
42‧‧‧汲極
43‧‧‧閘極
50‧‧‧電阻電容(RC)並聯電路
100‧‧‧全整合主動式交流轉直流整流器
210‧‧‧電壓比較器
211‧‧‧正輸入端
212‧‧‧負輸入端
213‧‧‧輸出端
214‧‧‧緩衝器
260‧‧‧電壓比較器
261‧‧‧正輸入端
262‧‧‧負輸入端
263‧‧‧輸出端
264‧‧‧緩衝器
300‧‧‧交流週期比較器
301‧‧‧正輸入端
302‧‧‧負輸入端
303‧‧‧輸出端
400‧‧‧非重疊控制電路
401‧‧‧輸入端
402‧‧‧第一輸出端
403‧‧‧第二輸出端
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉數個較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
第1圖 全整合主動式交流轉直流整流器之(a)整體電路架構與(b)時序圖。
第2圖 全整合主動式交流轉直流整流器中之(a)第一電壓比較器與(b)第二電壓比較器之電路示意圖。
第3圖 全整合主動式交流轉直流整流器之交流週期比較器之電路示意圖。
第4圖 全整合主動式交流轉直流整流器之非重疊控制電路之電路示意圖。
第5圖 全整合主動式交流轉直流整流器中之動作示意圖，(a)正半週期中，接點A之電壓VA下上升，接點B之電壓VB下降，但電壓VA小於輸出電壓(VOUT)；(b)正半週期中，接點A之電壓VA大於輸出電壓(VOUT)；(c)正半週期中，接點A之電壓VA再度小於輸出電壓(VOUT)；(d)正半週期，接點A之電壓VA下降至小於接點B之電壓VB。
第6圖 全整合主動式交流轉直流整流器之非重疊控制電路之模擬波形圖。
雖然本發明可表現為不同形式之實施例，但附圖所示者及於本文中說明者係為本發明可之較佳實施例。熟習此項技術者將瞭解，本文所特定描述且在附圖中繪示之裝置及方法係考量為本發明之一範例，非限制性例示性實施例，且本發明之範疇僅由申請專利範圍加以界定。結合一例示性實施例繪示或描述之特徵可與其他實施例之諸特徵進行結合。此等修飾及變動將包括於本發明之範疇內。
在研究過習知之閘極交錯式與全比較器主動控制方式的整流器後，發現逆向漏電流為整流器必要的解決問題，否則會造成相當大的功率損耗。然而，上述兩種控制方法仍然會因為製程變異與開關訊號重疊的問題，造成逆向漏電流不能完全改善，導致電壓轉換率與整體轉換效率大幅降低。
為了改善主動式整流器的逆向電流問題，本發明專利提出了一個新型偵測電路結合非重疊控制技術，可以有效改善主動式整流器的逆向電流與震盪問題問題。亦即，在整流器運作時，主動偵測正負半波週期，並讓控制訊號產生非重疊的方式，防止逆向漏電流的發生，經由所提出的控制技術，逆向漏電流會被大幅改善，並提升整流器整體效率，使其適合應用於將環境中的震動能源轉換為各感測器晶片與電池的能量來源。
請參照第1圖，其顯示為本發明之全整合主動式交流轉直流整流器100之(a)整體電路架構與(b)時序圖，其結構與全比較器控制主動式轉換器相似。本發明之優點在於能有效的整合於晶片中，對於節省外部電路板面積是一項很大的改善。整流模組加入判斷交流源正負半周的新型偵測電路方式結合了非重疊控制電路，所有的電路與動作原理將會在下方做介紹。
在第1圖中，該全整合主動式交流轉直流整流器100，用於將一交流電壓轉換成一輸出電壓，包含：一第一P型功率電晶體10(Mp1)；一第二P型功率電晶體20(Mp2)；一第一N型功率電晶體30(MN3)；一第二N型功率電晶體40(MN4)；至少一電壓比較器210、260；一交流週期比較器300；以及一非重疊控制電路400。其中，該第一P型功率電晶體10；該第二P型功率電晶體20；該第一N型功率電晶體30與該第二N型功率電晶體40組合成一整流模組。本發明之全整合主動式交流轉直流整流器100可以整合於一晶片中，亦即是以半導體製程將所有電路元件製作於單一矽基或三五族晶片上，大幅縮減外在電路板上的元件面積成本，達到 全整合的晶片方式。
該第一P型功率電晶體10，具有一源極11、一汲極12與一閘極13。該第二P型功率電晶體20，具有一源極21、一汲極22與一閘極23。該第一N型功率電晶體30，具有一源極31、一汲極32與一閘極33，串接該第一P型功率電晶體10於一接點B。該第二N型功率電晶體40，具有一源極41、一汲極42與一閘極43，串接該第二P型功率電晶體20於一接點A，該接點A藉由一電阻電容(RC)並聯電路50電性連接於該接點B。該至少一電壓比較器210、260，用於比較該交流端電壓與該輸出電壓之大小，以確定是否導通該第一N型功率電晶體30或第二N型功率電晶體40。該交流週期比較器300，用於判斷該交流電壓的正負半周期。該非重疊控制電路400，根據該交流週期比較器300輸出之一輸出電壓訊號，輸出一控制訊號開啟對應的N型功率電晶體。該接點A與該接點B作為該全整合主動式交流轉直流整流器之輸入端，接收一獵能器之交流電壓之輸入。該電阻電容(RC)並聯電路50包含一電阻器Rp、一電容器Cp與一電流源Ip，該三個元件係並聯成電阻電容(RC)並聯電路50，提供該接點A與該接點B之電性連接。
該第一P型功率電晶體10之汲極12電性連接該第一N型功率電晶體30之汲極32於該接點B，該第一P型功率電晶體10之源極11電性連接該第二P型功率電晶體20之源極21於一接點Vs+，該第二P型功率電晶體20之汲極22電性連接該第二N型功率電晶體40之汲極42於該接點A，該第一N型功率電晶體30之源極31電性連接該第二N型功率電晶體40之源極41於一接點Vs-(VSS)，其中該接點Vs+與該接點Vs-電壓差形成該全整合主動式交流轉直流整流器100之該輸出電壓(VOUT)。
第2圖顯示本發明全整合主動式交流轉直流整流器100中之(a)第一電壓比較器210與(b)第二電壓比較器260之電路示意圖。亦即，該至 少一電壓比較器210、260包含：一第一電壓比較器210與一第二電壓比較器260。
該第一電壓比較器210，具有一正輸入端211、一負輸入端212與一輸出端213，該正輸入端211電性連接於該第一P型功率電晶體10之源極11，該負輸入端212電性連接於該第一P型功率電晶體10之汲極12，且該輸出端213電性連接於該第一P型功率電晶體10之閘極13。
該第二電壓比較器360，具有一正輸入端261、一負輸入端262與一輸出端263，該正輸入端261電性連接於該第二P型功率電晶體20之源極21，該負輸入端262電性連接於該第二P型功率電晶體20之汲極22，且該輸出端263電性連接於該第二P型功率電晶體20之閘極23。
該第一電壓比較器210與該第二電壓比較器260是一共閘極比較器，具有一偏壓電路220、270與複數個P型功率電晶體與複數個N型功率電晶體，該複數個N型功率電晶體之閘極係電性連接，用於比較該交流端電壓與該輸出電壓之大小。當第一P型功率電晶體10在該接點B之該交流電壓大於該輸出電壓時，導通該第一N型功率電晶體30，或當第二P型功率電晶體20在該接點A之該交流電壓大於該輸出電壓時，導通該第二N型功率電晶體40。
第3圖顯示本發明之全整合主動式交流轉直流整流器100之交流週期比較器300之電路示意圖。該交流週期比較器300，具有一正輸入端301、一負輸入端302與一輸出端303，該正輸入端301電性連接於該第一P型功率電晶體10之汲極12，該負輸入端302電性連接於該第二P型功率電晶體20之汲極22，且該輸出端303電性連接於該非重疊控制電路400。
該交流週期比較器300是一二階式比較器，具有複數個P型功 率電晶體與複數個N型功率電晶體，用來判斷該交流電壓的正負半周期，並根據該交流電壓大小開啟對應的N型功率電晶體。
第4圖顯示本發明之全整合主動式交流轉直流整流器100之非重疊控制電路400之電路示意圖。該非重疊控制電路400，根據該交流週期比較器300輸出之一輸出電壓訊號，輸出一控制訊號開啟對應的N型功率電晶體。該非重疊控制電路400具有一輸入端401，一第一輸出端402與一第二輸出端403，該輸入端401電性連接於該交流週期比較器300之該輸出端303，該第一輸入端401電性連接於該第一N型功率電晶體30之閘極33，且該第二輸入端302電性連接於該第二N型功率電晶體40之閘極43。在一實施例中，該非重疊控制電路400係由八個反向器以及兩個NAND邏輯閘組成。表一為該非重疊控制電路400之真值表。
本發明的全整合主動式交流轉直流整流器100使用了兩種放大器來做為電壓比較器使用，分別為偵測第1圖中第一P型功率電晶體10與第二P型功率電晶體20的電壓比較器，如第2圖所示，與未加入米勒補償電容的電壓比較器，如第3圖所示。
該電壓比較器210、260是用來判斷輸出電壓與交流電壓大小，確保該第一P型功率電晶體10或該第二P型功率電晶體20在交流電壓大於輸出電壓才會導通該第一N型功率電晶體30或該第二N型功率電晶體40，避免輸出電壓大於交流端電壓造成的逆向漏電流產生。該交流週期比 較器300是二階式比較器，則是用來判斷交流電源的正負半周期，並根據交流端電壓大小開啟對應的N型功率電晶體。
第5圖顯示全整合主動式交流轉直流整流器中之動作示意圖。其以正半週期並用開關代表四個主動電晶體：該第一P型功率電晶體10；該第二P型功率電晶體20；該第一N型功率電晶體30與該第二N型功率電晶體40。該接點A與該接點B作為該全整合主動式交流轉直流整流器之輸入端，接收該交流電壓之輸入。在正半週期間，一獵能器往該接點A端輸入一交流電流或一能量，而在負半週期間，該獵能器往該接點B端輸入一交流電流或一能量。
第5(a)圖所示，在正半週期間，一獵能器往該接點A端輸入一電流或一能量，因此該接點A之電壓VA上升、接點B之電壓VB下降，因此該交流週期比較器300之輸出端303之電壓VCPN輸出1。電壓VCPN輸出經過該非重疊控制電路400之輸入端401後，第一輸出端402輸出電壓訊號電壓VG3=1，且第二輸出端403輸出電壓訊號VG4=0，因此，導通該第一N型功率電晶體30，接點B之電壓VB綁至VSS，接點A之電壓VA電壓持續上升。
第5(b)圖所示，在正半週期間，直到當接點A之電壓VA大於該全整合主動式交流轉直流整流器100之輸出電壓(VOUT)時，該電壓比較器210之輸出端213將輸出低電位電壓(VDD2)，再經過一緩衝器214後，輸出給該第二P型功率電晶體20上的電壓控制訊號VG2為0，因此導通該第二P型功率電晶體20，形成正週期充電迴路，對該全整合主動式交流轉直流整流器100之輸出端進行充電。
第5(c)圖所示，在正半週期間，當接點A之電壓VA開始下降，直到VA小於VOUT時，該電壓比較器210之輸出端213將輸出高電位電壓(VDD2)，再經過一緩衝器後，輸出給該第二P型功率電晶體20的電壓控 制訊號VG2為1，因此關地該第二P型功率電晶體20。
第5(d)圖所示，最後當接點A之電壓VA下降至小於當接點B之電壓VB，並經過該非重疊控制電路400輸出VG3為0、且VG4為0，關閉該第一N型功率電晶體30，結束正半週運作。
其中，在正半週運作期間，由於接點B之電壓VB小於該全整合主動式交流轉直流整流器100之輸出端之電壓VOUT，因此該電壓比較器260之輸出端263輸出高電位電壓(VDD1=1)，該第一P型功率電晶體10並不會導通。
在負半週期間，電路動作的原理大致與在正半週期間類似與對稱，因此以下簡述。當獵能器往接點B之電壓VB端輸入電流或一能量，因此接點B之電壓VB上升、接點A之電壓VA下降，該交流週期比較器300之輸出端303之電壓VCPN輸出0，因此VG3輸出0、VG4輸出1，導通該第二N型功率電晶體40，故VA電壓綁至VSS；接點B之電壓VB電壓持續上升，直到當接點B之電壓VB大於該全整合主動式交流轉直流整流器100之輸出端VOUT時，該電壓比較器260將輸出低電位，再經過一緩衝器264後，進而輸出該第一P型功率電晶體10上的電壓控制訊號VG1為0，因此導通該第一P型功率電晶體10，形成負週期充電迴路，並對該全整合主動式交流轉直流整流器100之輸出端進行充電。當接點B之電壓VB開始下降，直到VB小於VOUT時，該電壓比較器260之輸出端263將輸出高電位電壓(VDD1)，再經過一緩衝器後，輸出給該第一P型功率電晶體10的電壓控制訊號VG1為1，因此關地該第一P型功率電晶體10。最後當接點B之電壓VB下降至小於當接點A之電壓VA，並經過該非重疊控制電路400輸出電壓控制訊號VG3為0、且VG4為0，關閉該第二N型功率電晶體40，結束負半週運作。
參考第4圖，為防止電晶體開關延遲而造成功率損耗，該該非重疊控制電路由八個反向器以及兩個NAND邏輯閘組成，其類似一個SR正反器。當交流電源在正負半周，該非重疊控制電路400變化時，根據該電壓比較器210、260的輸出訊號，會輸出控制訊號開啟對應的N型功率電晶體，且會防止兩個N型功率電晶體，該第一N型功率電晶體30與該第二N型功率電晶體40，有同時導通的現象，避免形成由交流電源對地的迴路，造成交流電源的漏電流產生。
在正半週運作時，最後當接點A之電壓VA下降至小於當接點B之電壓VB，並經過該非重疊控制電路400同時輸出VG3為0、VG4為0，且在負半週運作時，最後當接點B之電壓VB下降至小於當接點A之電壓VA，並經過該非重疊控制電路400同時輸出VG3為0、VG4為0。同時輸出VG3為0、VG4為0的現象是由於該非重疊控制電路400之特殊設計。請參考第6圖，其顯示全整合主動式交流轉直流整流器100之該非重疊控制電路400之模擬波形圖。由電路模擬可以發現，所使用的該非重疊控制電路400能產生一延遲時間，一實施例中是300ns的延遲時間，因此能有效避免兩個功率電晶體，該第一N型功率電晶體30與該第二N型功率電晶體40，同時導通。透過該非重疊控制電路400所提出的電壓訊號控制，可以使電壓轉換率及轉換效率大幅提升。
表二為全整合主動式交流轉直流整流器與先前技術之功能比較表。顯示本發明之全整合主動式交流轉直流整流器比起先前技術有較佳之功能。本專利提出具不重疊控制之全整合主動式交流轉直流整流器。在加入了新型的電壓偵測電路與非重疊控制電路後，整流器的逆向漏電流會大幅改善；且因為所提出的偵測方式與非重疊控制電路消耗能量僅需要奈米瓦特(nano walt)的功率消耗。所以，全整合主動式交流轉直流整流器在輕載的時候，也不會影響到電壓轉換率與電源轉換效率。相較於傳統的整流器，本發明之全整合主動式交流轉直流整流器的效能會大幅的提高。
綜上所述，本發明之全整合主動式交流轉直流整流器具有以下功效：
1.解決傳統交流轉直流整流器低轉換效率與電壓轉換率的問題。
2.在導通時，只會有極小的導通電阻(約毫歐姆)，可以降低導通時的導通損耗。
3.可以整合於晶片中，大幅縮減外在電路板上的元件面積成本，達到全整合的晶片方式。
4.加入了新型的電壓偵測電路配合非重疊控制電路來改善功率電晶體逆向漏電流的缺點。
5.加入的電路功率消耗極小，在輕載時，不會造成額外的功率損耗導致轉換效率降低。
6.利用環境中的震盪源來發展一個新的交流轉直流整流器，透過全整合的 晶片方式，達到高電壓轉換率與高效電源轉換效率的目的。
雖然本發明已以前述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與修改。如上述的解釋，都可以作各型式的修正與變化，而不會破壞此發明的精神。因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (10)

  1. 一種全整合主動式交流轉直流整流器，用於將一交流電壓轉換成一輸出電壓，包含：一第一P型功率電晶體，具有一源極、一汲極與一閘極；一第二P型功率電晶體，具有一源極、一汲極與一閘極；一第一N型功率電晶體，具有一源極、一汲極與一閘極，串接該第一P型功率電晶體於一接點B；一第二N型功率電晶體，具有一源極、一汲極與一閘極，串接該第二P型功率電晶體於一接點A，該接點A藉由一RC並聯電路電性連接於該接點B；至少一電壓比較器，用於比較該交流端電壓與該輸出電壓之大小，以確定是否導通該第一N型功率電晶體或該第二N型功率電晶體；一交流週期比較器，用於判斷該交流電壓的正負半周期；以及一非重疊控制電路，根據該交流週期比較器輸出之一輸出電壓訊號，輸出一控制訊號開啟對應的N型功率電晶體；其中，該接點A與該接點B作為該全整合主動式交流轉直流整流器之輸入端，接收該交流電壓之輸入。
  2. 如請求項1所述之全整合主動式交流轉直流整流器，其中該第一P型功率電晶體之汲極電性連接該第一N型功率電晶體之汲極於該接點B，該第一P型功率電晶體之源極電性連接該第二P型功率電晶體之源極於一接點Vs+，該第二P型功率電晶體之汲極電性連接該第二N型功率電晶體之汲極於該接點A，該第一N型功率電晶體之源極電性連接該第二N型功率電晶體之源極於一接點Vs-，其中該接點Vs+與該接點Vs-電壓差形成該全整合主動式交流轉直流整流器之該輸出電壓。
  3. 如請求項1所述之全整合主動式交流轉直流整流器，其中該至少一電壓比較器包含：一第一電壓比較器，具有一正輸入端、一負輸入端與一輸出端，該正輸入端電性連接於該第一P型功率電晶體之源極，該負輸入端電性連接於該第一P型功率電晶體之汲極，且該輸出端電性連接於該第一P型功率電晶體之閘極；以及一第二電壓比較器，具有一正輸入端、一負輸入端與一輸出端，該正輸入端電性連接於該第二P型功率電晶體之源極，該負輸入端電性連接於該第二P型功率電晶體之汲極，且該輸出端電性連接於該第二P型功率電晶體之閘極。
  4. 如請求項1所述之全整合主動式交流轉直流整流器，其中該至少一電壓比較器是一共閘極比較器，具有一偏壓電路與複數個P型功率電晶體與複數個N型功率電晶體，該複數個N型功率電晶體之閘極係電性連接，用於比較該交流端電壓與該輸出電壓之大小，當第一P型功率電晶體在該接點B之該交流電壓大於該輸出電壓時，導通該第一N型功率電晶體，或當第二P型功率電晶體在該接點A之該交流電壓大於該輸出電壓時，導通該第二N型功率電晶體。
  5. 如請求項1所述之全整合主動式交流轉直流整流器，其中該交流週期比較器，具有一正輸入端、一負輸入端與一輸出端，該正輸入端電性連接於該第一P型功率電晶體之汲極，該負輸入端電性連接於該第二P型功率電晶體之汲極，且該輸出端電性連接於該非重疊控制電路。
  6. 如請求項1所述之全整合主動式交流轉直流整流器，其中該交流週期比較器是一二階式比較器，具有複數個P型功率電晶體與複數個N型功率電晶體，用來判斷該交流電壓的正負半周期，並根據該交流電壓大小開啟對應的N型功率電晶體。
  7. 如請求項1所述之全整合主動式交流轉直流整流器，其中該非重疊控制電路具有一輸入端，一第一輸出端與一第二輸出端，該輸入端電性連接於該交流週期比較器之該輸出端，該第一輸入端電性連接於該第一N型功率電晶體之閘極，且該第二輸入端電性連接於該第二N型功率電晶體之閘極。
  8. 如請求項1所述之全整合主動式交流轉直流整流器，其中非重疊控制電路，由八個反向器以及兩個NAND邏輯閘組成。
  9. 如請求項1所述之全整合主動式交流轉直流整流器，其係整合於單一晶片電路中。
  10. 如請求項1所述之全整合主動式交流轉直流整流器，其中該非重疊控制電路能產生一延遲時間，避免該第一N型功率電晶體與該第二N型功率電晶體同時導通。
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