TWI703805B

TWI703805B - 整流控制模組、主動式橋式整流控制裝置及其操作方法

Info

Publication number: TWI703805B
Application number: TW108119017A
Authority: TW
Inventors: 温聖宇; 林政毅; 蔡仁傑
Original assignee: 台達電子工業股份有限公司
Priority date: 2019-05-31
Filing date: 2019-05-31
Publication date: 2020-09-01
Also published as: TW202046621A

Abstract

一種主動式橋式整流控制裝置，包括橋式整流單元及整流控制模組。整流控制模組包括相位控制單元、下橋驅動單元及自驅動單元。相位控制單元根據交流電源的正半週和負半週提供火線訊號與地線訊號；下橋驅動單元根據火線訊號與地線訊號提供下橋控制訊號；自驅動單元根據交流電源的正半週與負半週而建立驅動電壓，且根據下橋控制訊號而提供上橋控制訊號；橋式整流單元根據下橋控制訊號、上橋控制訊號及驅動電壓將交流電源整流為直流電源。

Description

整流控制模組、主動式橋式整流控制裝置及其操作方法

本發明係有關一種整流控制模組、主動式橋式整流控制裝置及其操作方法，尤指一種主動式控制的整流控制模組、主動式橋式整流控制裝置及其操作方法。

整流器是現今電源供應器不可或缺的部份，其主要功用是將交流電源轉換成直流電源。目前電子領域中，整流器大多為全橋式或半橋式的橋式整流器，其中又以使用全橋式的橋式整流器為主。現今電子領域中，全橋式的橋式整流器大多主要是由四個二極體所構成的被動式橋式整流器，交流電源通過二極體的順偏或逆偏來整流為直流電源。

但是，由於由四個二極體所構成的橋式整流器在二極體順偏時，二極體順偏的電壓較高(順偏電壓大概為0.7伏特)，因此，若在輸入電流較大的情況，會造成橋式整流器的功率消耗較大，意即，功率消耗P=順偏電壓*輸入電流*2。所以，若是以現今電源供應器越來越講求高效率的情況下，被動式橋式整流器並不符合節能的需求。

因此，如何設計出一種整流控制模組、主動式橋式整流控制裝置及其操作方法，主動地將輸入電源整流為輸出電源，以降低橋式整流器的功率消耗，乃為本案創作人所欲行研究的一大課題。

為了解決上述問題，本發明係提供一種主動式橋式整流控制裝置，以克服習知技術的問題。因此，本發明主動式橋式整流控制裝置，包括：橋式整流單元，且由火線與地線接收交流電源。及整流控制模組，包括：相位控制單元，包括耦接火線的火線開關與耦接地線的地線開關。下橋驅動單元，耦接火線開關、地線開關及橋式整流單元。及自驅動單元，耦接下橋驅動單元與橋式整流單元。其中，交流電源的正半週導通火線開關而提供火線訊號，且交流電源的負半週導通地線開關而提供地線訊號；下橋驅動單元根據火線訊號與地線訊號提供下橋控制訊號；自驅動單元根據交流電源而建立驅動電壓，且根據下橋控制訊號上橋控制訊號；橋式整流單元根據下橋控制訊號、上橋控制訊號及驅動電壓將交流電源整流為一直流電源。

為了解決上述問題，本發明係提供一種整流控制模組，以克服習知技術的問題。因此，本發明整流控制模組控制橋式整流單元將交流電源整流為直流電源，整流控制模組包括：相位控制單元，包括耦接火線的火線開關與耦接地線的地線開關，火線與地線接收交流電源。下橋驅動單元，耦接火線開關、地線開關及橋式整流單元。及自驅動單元，耦接下橋驅動單元與橋式整流單元。其中，交流電源的正半週導通火線開關而提供火線訊號，且交流電源的負半週導通地線開關而提供地線訊號；下橋驅動單元根據火線訊號與地線訊號提供下橋控制訊號，且提供下橋控制訊號控制橋式整流單元；自驅動單元根據交流電源而建立驅動電壓，且根據下橋控制訊號而提供驅上橋控制訊號，以及提供驅動電壓與上橋控制訊號控制橋式整流單元。

為了解決上述問題，本發明係提供一種主動式橋式整流控制裝置之操作方法，以克服習知技術的問題。因此，本發明主動式橋式整流控制裝置之操作方法，包括下列步驟：橋式整流單元由火線與地線接收交流電源。交流電源的正半週導通相位控制單元的火線開關而提供火線訊號，且交流電源的負半週導通相位控制單元的地線開關而提供地線訊號。下橋驅動單元根據火線訊號與地線訊號提供下橋控制訊號。自驅動單元根據交流電源而建立驅動電壓，且根據下橋控制訊號而提供上橋控制訊號。及橋式整流單元根據下橋控制訊號、上橋控制訊號及驅動電壓將交流電源整流為直流電源。

為了能更進一步瞭解本發明為達成預定目的所採取之技術、手段及功效，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，相信本發明之目的、特徵與特點，當可由此得一深入且具體之瞭解，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。

100:主動式橋式整流控制裝置

10:橋式整流單元

102:上橋單元

104:下橋單元

Q1:第一開關

Q2:第二開關

Q3:第三開關

Q4:第四開關

D1:第一二極體

D2:第二二極體

D3:第三二極體

D4:第四二極體

20:整流控制模組

202:相位控制單元

202-1:火線開關

202-2:地線開關

204:自驅動單元

204-1:第一自驅動單元

C1:第一自舉電容

U1:第一驅動單元

204-2:第二自驅動單元

C2:第二自舉電容

U2:第二驅動單元

C3:儲能電容

206:電壓調整電路

208:負載控制單元

208-1:電流偵測單元

208-2:計數單元

208-3:關斷控制單元

210:下橋驅動單元

212:下降沿調整電路

Vin:交流電源

Vo:直流電源

Vcc:輸入電源

Vd1:第一驅動電壓

Vd2:第二驅動電壓

Iin:輸入電流

Vth:導通電壓

Vf:二極體接面電壓

L:火線

N:地線

S1、S2:上橋控制訊號

S3、S4:下橋控制訊號

S1:第一控制訊號

S2:第二控制訊號

S3:第三控制訊號

S4:第四控制訊號

S1:火線訊號

Sn:地線訊號

Si:電流訊號

Poff:關斷點

P1~P3:下降點

(I)、(II):波形

圖1為本發明主動式橋式整流控制裝置之電路方塊示意圖；圖2為本發明下降沿調整電路之控制波形示意圖；圖3為本發明整流控制模組之電路示意圖；圖4A為本發明主動式橋式整流控制裝置之第一個半週波期間控制時序圖；圖4B為本發明主動式橋式整流控制裝置之第二個半週波期間控制時序圖；圖4C為本發明主動式橋式整流控制裝置之第三個半週波期間控制時序圖；及圖5為本發明主動式橋式整流控制裝置之電壓波形示意圖。

茲有關本發明之技術內容及詳細說明，配合圖式說明如下：請參閱圖1為本發明主動式橋式整流控制裝置之電路方塊示意圖。主動式橋式整流控制裝置100將交流電源Vin整流為直流電源Vo，且包括橋式整流單元10與整流控制模組20。橋式整流單元10耦接整流控制模組20，且整流控制模組20包括相位控制單元202、自驅動單元204及下橋驅動單元210。橋式整流單元10由火線L與地線N接收交流電源Vin，且主動或被動地將交流電源Vin整流為直流電源Vo。橋式整流單元10包括上橋單元102與下橋單元104，上橋單元102包括第一開關Q1與第二開關Q2，且下橋單元104包括第三開關Q3與第四開關Q4。第一開關Q1耦接火線L，且並聯第一二極體D1，第二開關Q2耦接地線N與第一開關Q1，且並聯第二二極體D2。第三開關Q3串聯耦接火線L與第一開關Q1，且並聯第三二極體D3。第四開關Q4耦接第三開關Q3，且串聯耦接地線N與第二開關Q2，以及並聯第四二極體D4。直流電源Vo的一端耦接第一開關Q1與第二開關Q2之間的接點，直流電源Vo的另一端耦接第三開關Q3與第四開關Q4之間的接點。

相位控制單元202耦接交流電源Vin與下橋驅動單元210，且偵測交流電源Vin在正半週或負半週而提供火線訊號Sl或地線訊號Sn至下橋驅動單元210。下橋驅動單元210耦接橋式整流單元10與自驅動單元204，且根據火線訊號Sl與地線訊號Sn提供下橋控制訊號S3、S4至橋式整流單元10與自驅動單元 204。自驅動單元204耦接橋式整流單元10，且根據交流電源Vin的正半週與負半週而建立驅動電壓，以及根據下橋控制訊號S3、S4而提供上橋控制訊號S1、S2至橋式整流單元10。橋式整流單元10根據下橋控制訊號S3、S4、上橋控制訊號S1、S2及驅動電壓將交流電源Vin整流為直流電源Vo。

具體而言，上橋控制訊號S1、S2包括提供至第一開關Q1的第一控制訊號S1，提供至第二開關Q2的第二控制訊號S2。下橋控制訊號S3、S4包括提供至第三開關Q3的第三控制訊號S3，提供至第四開關Q4的第四控制訊號S4。相位控制單元202根據交流電源Vin在正半週時，提供火線訊號Sl至下橋驅動單元210。下橋驅動單元210根據火線訊號Sl提供第四控制訊號S4至第四開關Q4與自驅動單元204，且自驅動單元204根據第四控制訊號S4而提供第一控制訊號S1至第一開關Q1。相位控制單元202根據交流電源Vin在負半週時，提供地線訊號Sn至下橋驅動單元210。下橋驅動單元210根據地線訊號Sn提供第三控制訊號S3至第三開關Q3與自驅動單元204，且自驅動單元204根據第三控制訊號S3而提供第二控制訊號S2至第二開關Q2。

進一步而言，由於橋式整流單元10的第三開關Q3與第四開關Q4接地，因此第三開關Q3與第四開關Q4需導通的參考電位為接地電位。所以下橋驅動單元210所提供的第三控制訊號S3與第四控制訊號S4能夠直接地導通第三開關Q3與第四開關Q4。但是，由於第一開關Q1與第二開關Q2需導通的參考電位並非為接地電位(因為參考電位為火線L或地線N)，因此必須經過自驅動單元204提供驅動電壓，方能順利地利用第一控制訊號S1導通第一開關Q1與利用第二控制訊號S2導通第二開關Q2。值得一提，於本發明之一實施例中，相位控制單元202、自驅動單元204及下橋驅動單元210可整合為微控制器，且微控制器可包括橋式整流單元10或不包括橋式整流單元10，但不以此為限。換言之，主動式橋式整流控制裝置100也可為以電路元件構成的控制裝置。

復參閱圖1，整流控制模組20更包括電壓調整電路206，且電壓調整電路206耦接下橋驅動單元210。電壓調整電路206調整驅動下橋單元104的電壓準位，使第三控制訊號S3與第四控制訊號S4能夠順利地導通第三開關Q3與第四開關Q4。具體而言，由於橋式整流單元10內的開關Q1~Q4種類眾多，不同的開關導通所需求的導通電壓不盡相同(例如但不限於，3伏特~20伏特)，因此通過電壓調整電路206調整提供至下橋單元104的電壓準位，可使第三控制訊號S3與第四控制訊號S4能夠順利地導通第三開關Q3與第四開關Q4。值得一提，於本發明之一實施例中，電壓調整電路206是利用一電阻調整提供至下橋單元104的電壓準位，但不以此為限。換言之，只要可調整電壓準位的電壓調整電路206，皆應包涵在本實施例之範疇當中。

整流控制模組20更包括負載控制單元208，且負載控制單元208包括電流偵測單元208-1、計數單元208-2及關斷控制單元208-3。電流偵測單元208-1耦接交流電源Vin，計數單元208-2耦接電流偵測單元208-1與關斷控制單元208-3，且關斷控制單元208-3耦接輸入電源Vcc與接地端之間。電流偵測單元208-1偵測交流電源Vin的輸入電流Iin，且根據輸入電流Iin提供電流訊號Si至關斷控制單元208-3。同時，計數單元208-2提供計數時段至關斷控制單元208-3。關斷控制單元208-3根據電流訊號Si與計數時段而判斷是否將輸入電源Vcc耦接至接地端。

具體而言，關斷控制單元208-3根據電流訊號Si判斷橋式整流單元10是否為輕載狀態，且當橋式整流單元10為輕載狀態時，計數單元208-2開始計數。當橋式整流單元10為輕載狀態的時間大於等於計數單元208-2所設定的計數時段時，關斷控制單元208-3導通內部開關(圖未示)，以使整流控制模組20運作所需的輸入電源Vcc接地。由於，輸入電源Vcc也耦接下橋驅動單元210與自驅動單元204之故，因此當輸入電源Vcc接地時，下橋驅動單元210與自驅動單元204也同時未有運作所需的輸入電源Vcc而不運作。由於下橋驅動單元210與自驅動單元204不運作，因此橋式整流單元10被動地將交流電源Vin整流為直流電源Vo。此時，橋式整流單元10僅能被動地通過第一二極體D1與第四二極體D4，或第二二極體D2與第三二極體D3將交流電源Vin整流為直流電源Vo。進一步而言，由於開關Q1~Q4運作在輕載時，效率會較為低落，此時將橋式整流單元10由主動模式(意即整流控制模組20提供控制訊號S1~S4控制開關Q1~Q4，使交流電源Vin通過開關Q1~Q4整流為直流電源Vo)變為被動模式(意即整流控制模組20不提供控制訊號S1~S4控制開關Q1~Q4，且交流電源Vin通過二極體D1~D4整流為直流電源Vo)可提高橋式整流單元10在輕載時的效率。值得一提，於本發明之一實施例中，二極體D1~D4的功用除了可被動地轉換交流電源Vin為直流電源Vo外，還具有例如但不限於，防止浪湧電流或防止直流電源Vo逆流等，旁路多餘的能量之功用。

請參閱圖2為本發明下降沿調整電路之控制波形示意圖，復配合參閱圖1，且反覆參閱圖1~2。如圖1所示，整流控制模組20更包括下降沿調整電路212，且下降沿調整電路212耦接相位控制單元202與下橋驅動單元210。下降沿調整電路212根據相位控制單元202所提供的火線訊號Sl與地線訊號Sn調整第三控制訊號S3與第四控制訊號S4的下降沿的下降點，以避免第一開關Q1與第三開關Q3，或第二開關Q2與第四開關Q4同時導通而造成短路。

如圖2所示，當第三控制訊號S3導通第三開關Q3或第四控制訊號S4導通第四開關Q4時，下橋控制訊號S3、S4會導致開關Q3、Q4的閘極(G)至源極(S)的電位會被拉起而導通(波形II)。由於開關Q3、Q4被導通，使得開關Q3、Q4的汲極(D)至源極(S)的電位會被拉至低電位(波形I)。當開關Q3、Q4閘極(G)至源極(S)的電位低至關斷點Poff時，開關Q3、Q4關斷。下降沿調整電路212根據火線訊號Sl或地線訊號Sn調整第三控制訊號S3或第四控制訊號S4的下降沿的下降點P1~P3，使開關Q3、Q4根據下降點P1~P3而提早前置時段關斷(其中，下降點P1~P3至關斷點Poff的期間即為前置時段)。值得一提，於本發明之一實施例中，下降沿調整電路212是利用一電阻調整第三控制訊號S3與第四控制訊號S4的下降沿的下降點，但不以此為限。換言之，只要可調整第三控制訊號S3與第四控制訊號S4的下降沿的下降點的下降沿調整電路212，皆應包涵在本實施例之範疇當中。

請參閱圖3為本發明整流控制模組之電路示意圖，復配合參閱圖1~2。相位控制單元202包括火線開關202-1與地線開關202-2。火線開關202-1一端耦接火線L，另一端耦接下橋驅動單元210，以及控制端耦接輸入電源Vcc。地線開關202-2一端耦接地線N，另一端耦接下橋驅動單元210，以及控制端耦接輸入電源Vcc。當具有交流電源Vin時，交流電源Vin的正半週導通火線開關202-1，以使相位控制單元202提供火線訊號Sl至下橋驅動單元210，且交流電源Vin的負半週導通地線開關202-2，以使相位控制單元202提供地線訊號Sn至下橋驅動單元210。儲能電容C3耦接輸入電源Vcc與下橋驅動單元210，且輸入電源Vcc對儲能電容C3充電，以提供下橋驅動單元210運作所需的電源。

自驅動單元204包括第一自驅動單元204-1、第二自驅動單元204-2。第一自驅動單元204-1包括第一自舉電容C1與第一驅動單元U1，第一自舉電容C1的一端耦接火線L，另一端耦接第一驅動單元U1與輸入電源Vcc，且第一驅動單元U1耦接下橋驅動單元210與第一開關Q1。第二自驅動單元204-2包括第二自舉電容C2與第二驅動單元U2，第二自舉電容C2的一端耦接地線N，另一端耦接第二驅動單元U2與輸入電源Vcc，且第二驅動單元U2耦接下橋驅動單元210與第二開關Q2。

具體而言，在具有交流電源Vin時，輸入電源Vcc對儲能電容C3充電，使儲能電容C3提供下橋驅動單元210運作所需的電源。在交流電源Vin為正半週時，火線開關202-1導通，以提供火線訊號Sl至下橋驅動單元210。下橋驅動單元210根據火線訊號Sl而提供第四控制訊號S4至第一驅動單元U1，且第一驅動單元U1根據第四控制訊號S4提供第一控制訊號S1至第一開關Q1。在交流電源Vin為負半週時，地線開關202-2導通，以提供地線訊號Sn至下橋驅動單元210。下橋驅動單元210根據地線訊號Sn而提供第三控制訊號S3至第二驅動單元U2，且第二驅動單元U2根據第三控制訊號S3提供第二控制訊號S2至第二開關Q2。

在交流電源Vin為正半週時，由輸入電源Vcc至地線N的路徑對第二自舉電容C2充電，且無法對第一自舉電容C1充電(因為火線L為高電位)，使第二自舉電容C2建立第二驅動電壓Vd2。而且，在交流電源Vin為負半週時，第二驅動電壓Vd2通過第二驅動單元U2提供至第二開關Q2，使第二開關Q2根據第二控制訊號S2與第二驅動電壓Vd2而導通。在交流電源Vin為負半週時，由輸入電源Vcc至火線L的路徑對第一自舉電容C1充電，且無法對第二自舉電容C2充電(因為地線N為高電位)，使第一自舉電容C1建立第一驅動電壓Vd1。而且，在交流電源Vin為正半週時，第一驅動電壓Vd1通過第一驅動單元U1提供至第一開關Q1，使第一開關Q1根據第一控制訊號S1與第一驅動電壓Vd1而導通。

請參閱圖4A為本發明主動式橋式整流控制裝置之第一個半週波期間控制時序圖、圖4B為本發明主動式橋式整流控制裝置之第二個半週波期間控制時序圖、圖4C為本發明主動式橋式整流控制裝置之第三個半週波期間控制時序圖，以及圖5為本發明主動式橋式整流控制裝置之電壓波形示意圖，復配合參閱圖1~3，且反覆參閱圖4A~5。以第一個半週波為正半週為例，當具有交流電源Vin時(請參閱圖4A、5)，火線L的電壓導通火線開關202-1而使火線開關202-1產生火線訊號Sl。此時，輸入電源Vcc開始對儲能電容C3充電，但尚未充電完成。因此，雖然具有火線訊號Sl，但儲能電容C3所儲存的電源無法滿足下橋驅動單元210運作所需的電源因而不運作，使得下橋驅動單元210無法根據火線訊號Sl提供第四控制訊號S4。此時，輸入電源Vcc對第二自舉電容C2的儲能路徑為輸入電源Vcc、第二自舉電容C2至地線N，以建立第二驅動電壓Vd2，以對負半週時驅動第二開關Q2做準備。由於下橋驅動單元210不運作，因此整流控制模組20並未輸出控制訊號。此時，交流電源Vin流過第一二極體D1與第四二極體D4，以被動地將交流電源Vin(即輸入電源)整流為直流電源Vo(即輸出電源)。由於整流控制模組20在具有交流電源Vin的瞬間可運作的電源尚未建立完成而尚未穩定運作，因此在具有交流電源Vin的第一個半週波時，先使橋式整流單元10使用被動模式的整流方式，可避免整流控制模組20因尚未穩定運作而故障。

進一步而言，當交流電源Vin的電壓未超過輸入電源Vcc減去導通電壓Vth減去火線開關202-1的二極體接面電壓Vf的電壓值時，火線開關202-1為未飽和狀態而落在歐姆區。當交流電源Vin的電壓值超過輸入電源Vcc的電壓值時，會使得火線開關202-1進入截止區。因此，火線訊號Sl的電壓波形即為梯形波，且最高的電壓值即為輸入電源Vcc減去火線開關202-1的導通電壓Vth。當交流電源Vin的電壓逐漸下降而低於輸入電源Vcc減去導通電壓Vth減去火線開關202-1的二極體接面電壓Vf時，火線開關202-1即關斷。值得一提，地線開關202-2的相位偵測及控制方式亦是如此。

請參閱圖4B、5，當交流電源Vin在第二個半週波時(負半週)，儲能電容C3已充電完成，且對下橋驅動單元210提供運作所需的電源，使得下橋驅動單元210開始運作(此後下橋驅動單元210皆運作)。此時，地線N的電壓導通地線開關202-2而使地線開關202-2產生地線訊號Sn。下橋驅動單元210根據地線訊號Sn產生第三控制訊號S3，且將第三控制訊號S3提供至第二驅動單元U2與導通第三開關Q3。此時，輸入電源Vcc對第一自舉電容C1的儲能路徑為輸入電源 Vcc、第一自舉電容C1至火線L，以建立第一驅動電壓Vd1，而對正半週驅動第一開關Q1做準備(如圖4A所示)。由於電位的差異，輸入電源Vcc無法對第二自舉電容C2充電，此時，第二自舉電容C2通過第二驅動單元U2提供第二驅動電壓Vd2至第二開關Q2，且第二驅動單元U2接收第三控制訊號S3，且根據第三控制訊號S3而提供第二控制訊號S2至第二開關Q2。由於第二開關Q2接收第二控制訊號S2與第二驅動電壓Vd2，因此第二開關Q2導通。此時，交流電源Vin通過第二開關Q2與第三開關Q3的導通而整流為直流電源Vo。

請參閱圖4C、5，當交流電源Vin在第三個半週波時(正半週)，火線L的電壓導通火線開關202-1而使火線開關202-1產生火線訊號Sl。下橋驅動單元210根據火線訊號Sl產生第四控制訊號S4，且將第四控制訊號S4提供至第一驅動單元U1與導通第四開關Q4。此時，輸入電源Vcc對第二自舉電容C2的儲能路徑為輸入電源Vcc、第二自舉電容C2至地線N，以建立第二驅動電壓Vd2，而對負半週驅動第二開關Q2做準備(如圖4B所示)。由於電位的差異，輸入電源Vcc無法對第一自舉電容C1充電，此時，第一自舉電容C1通過第一驅動單元U1提供第一驅動電壓Vd1至第一開關Q1，且第一驅動單元U1接收第四控制訊號S4，且根據第四控制訊號S4而提供第一控制訊號S1至第一開關Q1。由於第一開關Q1接收第一控制訊號S1與第一驅動電壓Vd1，因此第一開關Q1導通。此時，交流電源Vin通過第一開關Q1與第四開關Q4的導通而整流為直流電源Vo。此後，主動式橋式整流控制裝置100通過圖4B及圖4C的步驟，反覆且持續地將交流電源Vin主動地整流為直流電源Vo。

綜上所述，本發明的主要功效在於，主動式橋式整流控制裝置主動地將輸入電源整流為輸出電源，因此可達到降低主動式橋式整流控制裝置的功率消耗而提高效率，進而符合節能的需求之功效。

惟，以上所述，僅為本發明較佳具體實施例之詳細說明與圖式，惟本發明之特徵並不侷限於此，並非用以限制本發明，本發明之所有範圍應以下述之申請專利範圍為準，凡合於本發明申請專利範圍之精神與其類似變化之實施例，皆應包括於本發明之範疇中，任何熟悉該項技藝者在本發明之領域內，可輕易思及之變化或修飾皆可涵蓋在以下本案之專利範圍。