用於單相和多相系統的通用ac-dc同步整流技術的製作方法
2023-09-18 00:54:10 1
專利名稱：用於單相和多相系統的通用ac-dc同步整流技術的製作方法
技術領域：
本發明涉及自驅動半橋和全橋同步整流，尤其是涉及用於單相到多相的通用同步整流技術和多級AC到DC功率轉換。
背景技術：
二極體整流器的傳導損耗明顯促成電源中的總功率損耗，特別是在低輸出電壓應用中。整流器傳導損耗是其正向電壓降^和正向傳導電流If的乘積。
圖1(a)示出稱為 「倍流器」的一種整流器電路。即使在使用低正向降肖特基二極體時，Dl或D2兩端的電壓降(通常為0. 3-0. 4V)與低輸出電壓(例如，等於或小於5V)比較也仍然明顯。如果通過二極體的電流是1A，則來自二極體的功率損耗是大約0. 3W-0. 4W，其與輸出功率例如5W比較相當大。在現有技術中已知的一個解決方案是「同步整流」(SR)，S卩，使用在第三象限中操作的低傳導損耗有源開關例如MOSFET來代替二極體。η溝道(η型)象限III MOSFET意味著源極端子連接到比漏極端子高的電壓，且電流從源極流到漏極。P溝道(P型)象限III MOSFET意味著漏極端子連接到比源極端子高的電壓，且電流從漏極流到源極。在傳導期間 MOSFET的內部電阻通常非常低，這因此減小了整流器傳導損耗。圖1(b)是應用於倍流器的自驅動SR的簡單示意圖。MOSFET的柵極驅動方案是將驅動器交叉耦合到輸入AC電壓。現有技術描述了應用於正向整流器的自驅動SR(例如參考文獻[1] [3] [5] [6] [9] [13])、應用於中心抽頭整流器的自驅動SR(例如參考文獻[7] [19])、應用於倍流器的自驅動SR(例如參考文獻[8])、應用於正向整流器的具有輔助繞組的SR(例如參考文獻[4] [10] [18])、應用於中心抽頭整流器的具有輔助繞組的SR(例如參考文獻[4] [10] [11] [17])、應用於倍流器的具有輔助繞組的SR(例如參考文獻[4] [10] [16])、應用於正向整流器的外部控制的SR(例如參考文獻[2] [14])、應用於倍流器的外部控制的SR(例如參考文獻[12] [20])和應用於反激式整流器的外部控制的SR(例如參考文獻[15])。在現有技術的上面例子中，與輔助繞組版本和外部控制版本比較，自驅動SR是最簡單的，因為不需要額外的繞組或額外的控制器。然而從現有技術的回顧中可看到，到此為止還沒有提供自驅動全橋SR的成功嘗試。全橋整流器是具有廣泛應用的重要整流器電路。圖2(a)和(b)中示出了一般單相全橋整流器。AC輸入可以是電流源或電壓源。在如圖2(a)所示的第一半周期中，電流流經也稱為電流環的輸入、二極體D1、負載和二極體D4。 當電流方向反轉時，二極體Dl和D4自動關斷。電流接著流經作為另一電流環的輸入、二極體D2、負載和二極體D3，如圖2(b)所示。應注意，二極體的自動關斷特性對電路的正常操作是關鍵的。實際自驅動全橋SR因此必須具有用於感測反向電流以關斷適當的開關的機制。通過擴展應用於其它整流器(如圖1(b)所示的整流器)的現有自驅動SR，可得到簡單的自驅動全橋SR電路，如圖3(a)所示，其中四個二極體由兩個ρ型MOSFET Ml和M2 以及兩個η型MOSFET Μ3和Μ4代替。Ml和Μ3通過感測點B的電壓來驅動，而Μ2和Μ4通過感測點A的電壓來驅動。這樣的方法稱為「電壓控制的自驅動」(VCSD)，因為驅動信號耦合到電壓。然而，在這個電路中存在缺陷。如圖3(b)所示，通過Ml和M4的電流環可在兩個方向上流動，因為VSCD柵極驅動器不能檢測反向電流。電流也可在通過M2和M3的環中在兩個方向上流動。與當電流被反轉時可自動關斷的圖2中的二極體不同，具有雙向開關電流流動的這樣的開關可能使通信失敗。因為η型功率MOSFET具有比ρ型MOSFET更低的導通狀態電阻，對於高電流應用， 前面提到的兩個P型MOSFET也可由2個η型MOSFET代替，假定額外的反轉級被添加在如圖4所示的柵極驅動電路中，以便保持基於檢測輸入ac電源的「自驅動」特徵。一些現有技術使用其它方法來處理全橋SR(例如參考文獻[21] [23] [24] [25] [26] [27] [28])，這些方法使用適合於應用PFC (功率因數校正)的外部控制器。也在現有技術中已知的是參考文獻[22]，但該提議需要在次級繞組處產生正弦電壓波形的諧振電容器和在輸出處增強關斷定時的平流電感器的幫助。但無源電容器和電感器在尺寸上較大， 且這不可避免地產生驅動脈衝之間的大的死時間，驅動脈衝在一個周期中不利地影響功率轉移的持續時間。這種方法具有較大的限制。最終這種方法被改變為使用外部數字PLL控制的SR來實現小型化。這仍然不是自驅動全橋SR的例子。發明概述 根據本發明，提供了半橋或全橋整流器，其配置成使用電流源或電壓源來提供同步整流，所述整流器包括上分支和下分支以及至少兩個電流環，每個所述分支包括電壓或電流控制的有源開關、電感器、二極體或其組合，其選擇成使得所述環包括來自所述上分支的一個有源開關、電感器或二極體以及來自所述下分支的一個有源開關、電感器或二極體， 且其中每個所述電流環包括至少一個二極體、電感器或電流控制的有源開關，且其中至少一個電壓或電流控制的有源開關包括在所述上分支或下分支之一中，且以沒有電流環可包含兩個電感器為條件。優選地，電壓和電流控制的有源開關是自驅動的，且不需要外部控制信號。這樣的電壓控制的有源開關的一個例子是由輸入ac電壓驅動的開關，該輸入ac電壓通過柵極驅動電路被提供到所述開關。電流控制的有源開關的例子是通過感測開關的電流方向並根據電流方向將信號提供到柵極驅動電路來驅動的開關。有源開關可包括功率MOSFET或某個其它半導體開關器件。感測電阻器可用於感測電流方向，包括電流控制的有源開關的內部電阻可用於感測電流方向的可能性。整流器可配置成接收電流源或電壓源。在本發明的一個實施方式中，上分支包括兩個電壓控制的有源開關，而下分支包括兩個電流控制的有源開關，或一個電流控制的開關和一個二極體，或兩個二極體。在本發明的另一實施方式中，上分支包括一個電壓控制的有源開關和一個電流控制的有源開關或二極體，而下分支包括一個電壓控制的有源開關和一個電流控制的有源開關或二極體，其中電流控制的有源開關或二極體沒有設置在同一電流環中。在本發明的另一實施方式中，上分支包括一個電壓控制的有源開關和一個電流控制的有源開關或二極體，而下分支包括兩個電流控制的有源開關，或一個電流控制的開關和一個二極體，或兩個二極體。在本發明的另一實施方式中，上分支包括兩個電流控制的有源開關，或一個電流控制的有源開關和一個二極體，或兩個二極體，而下分支包括兩個電壓控制的有源開關。
在本發明的另一實施方式中，上分支包括兩個電流控制的有源開關，或一個電流控制的有源開關和一個二極體，或兩個二極體，而下分支包括一個電壓控制的有源開關和一個電流控制的有源開關或一個二極體。在本發明的另一實施方式中，整流器只包括在上分支和下分支中的電流控制的有源開關和/或二極體，且其中這些分支中的至少一個包括至少一個電流控制的有源開關。在本發明的另一實施方式中，整流器是半橋整流器，其中上分支和下分支每個都包括電容器、以及電流控制的有源開關、電感器或二極體之一，服從於這些分支的不超過一個包括二極體的限制。在本發明的另一實施方式中，整流器是包括上分支和下分支以及六個電流環的三相全橋整流器，每個分支包括電壓或電流控制的有源開關、二極體或其組合，該有源開關、 二極體或其組合被選擇成使得每個環包括來自上分支的一個有源開關或二極體以及來自下分支的一個有源開關或二極體，且其中每個電流環包括至少一個二極體或電流控制的有源開關，且其中至少一個電壓或電流控制的有源開關包括在所述上分支或下分支之一中。在該實施方式的一種形式中，上分支包括三個電流控制的有源開關或二極體。在該實施方式的另一形式中，下分支包括三個電流控制的有源開關或二極體。在該實施方式的又一形式中，下分支和上分支每個包括兩個電流控制的有源開關或二極體，且每個電流環包括至少一個電流控制的有源開關或二極體。根據本發明，還提供了多級整流器，其中每個級包括至少一個電路拓撲，電路拓撲包括上分支和下分支以及兩個電流環，且其中至少所述電路拓撲配置成使得每個所述分支包括電壓或電流控制的有源開關、電感器、二極體或其組合，該有源開關、電感器、二極體或其組合被選擇成使得每個環包括來自所述上分支的一個有源開關、電感器或二極體以及來自所述下分支的一個有源開關、電感器或二極體，且其中每個所述電流環包括至少一個二極體或電流控制的有源開關，且其中至少一個電壓或電流控制的有源開關包括在所述上分支或下分支之一中，且以沒有電流環可包含兩個電感器為條件。根據本發明，還進一步提供了包括上分支和下分支以及兩個電流環的倍流器，其中上分支包括兩個電感器，而下分支包括電壓或電流控制的有源開關、二極體或其組合，且下分支包括至少一個電壓控制的有源開關或至少一個電流控制的有源開關。附圖的簡要說明
現在作為例子並參考附圖來描述本發明的一些實施方式，其中圖1 (a)是根據現有技術的倍流整流器的電路圖，圖1 (b)示出自驅動SR對圖1 (a)的倍流器的應用，圖2是根據現有技術的二極體全橋整流器，圖3是示出用MOSFET簡單地代替二極體而沒有感測反向電流的問題的圖示，圖4是根據本發明的一個實施方式的在上分支處使用η型MOSFET作為有源開關的自驅動全橋整流器，圖5(a)_(c)分別示出(a) —個電流環以及VCSD和CCSD的實現的實施方式，(b) 一個電流環以及CCSD的第二可選的實現的實施方式，以及(c) 一個電流環以及CCSD的第三可選的實現的實施方式，圖6是示出根據本發明的一個實施方式的全橋整流器系統中的分支位置的結構
6圖，圖7是示出根據本發明的一個實施方式的半橋整流器或倍壓器系統中的分支位置的結構圖，圖8是示出根據本發明的一個實施方式的倍流器系統中的分支位置的結構圖，圖9是示出根據本發明的一個實施方式的三相整流器系統中的分支位置的結構圖，圖10是示出根據本發明的一個實施方式的多級級聯的全橋整流器系統中的分支位置的結構圖，圖11是示出根據本發明的一個實施方式的電流源輸入上半VCSD全橋同步整流電路的電路圖，圖12 (a) - (f)示出圖11的電路中的電流流動，圖13示出圖11的電路的波形，圖14示出用在全橋整流器(圖2)中的肖特基二極體和用在SD SR(圖11)中的有源開關(MOSFET)之間的傳導損耗的比較，圖15是示出根據本發明的一個實施方式的電流源輸入上半VCSD和下半CCSD全橋同步整流電路的電路圖，圖16(a)_(j)示出圖15的電路中的電流流動，圖17示出圖15的電路的波形，圖18示出用在全橋整流器(圖2)中的肖特基二極體和用在SD SR(圖15)中的有源開關(MOSFET)之間的傳導損耗的比較，圖19是示出根據本發明的一個實施方式的電壓源輸入上半VCSD和下半CCSD全橋同步整流電路的電路圖，圖20 (a)-(1)示出圖19的電路中的電流流動，圖21示出圖19的電路的波形，圖22是示出根據本發明的一個實施方式的具有在下分支中的100-220V ac電壓源輸入VCSD開關的AC到DC同步整流系統的電路圖，圖23示出圖22的波形，圖M是示出根據本發明的一個實施方式的具有在下分支中的100-220V ac電壓源輸入CCSD開關和在上分支中的P溝道MOSFET VCSD開關的AC到DC同步整流系統的電路圖，圖25示出圖M的波形，圖沈是示出根據本發明的一個實施方式的具有在下分支中的100-220V ac電壓源輸入CCSD開關和在上分支中的N溝道M0SFETVCSD開關的AC到DC同步整流系統的電路圖，圖27是根據本發明的一個實施方式的具有電壓源輸入的三相自驅動下半VCSD全橋同步整流系統，圖觀示出圖27的波形，圖四是根據本發明的一個實施方式的具有電壓源輸入的多級自驅動下半VCSD全橋同步整流系統，
圖30示出根據本發明的一個實施方式的具有電壓源輸入的2級自驅動下半VCSD 全橋同步整流系統的波形，以及圖31是根據本發明的一個實施方式的合併SR電路的次級組件的結構圖。優選實施方式的詳細描述為了解決圖3所示的電路中的缺陷，新的原理被提出如下在任何電流環(例如由圖3(b)中的Ml和M4形成的電流環)中，不能存在兩個電壓控制的自驅動(VCSD)MOSFET。 在每個電流環中的開關的至少一個必須是二極體、有源開關或具有與二極體類似的特性的其它部件，因為有源開關或其它部件在其電流被反轉時將被關斷。在圖5(a)-(c)中，例如，只以由Sl和S4形成的一個電流環作為例子。假設Sl是VCSD有源開關，則S4必須是二極體或有源開關或具有在電流反轉方向時阻止電流流動的能力的某個其它部件。在圖 5(a)到(c)中，也示出了開關的實現。Sl是由Ql和Q2所形成的互補柵極驅動電路驅動的 VCSDM0SFET，且該柵極驅動電路的輸入交叉連接到一個輸入電壓端子(在本例中的點B)。 S4可以是二極體或有源開關。如果它是有源開關，則它必須通過感測電流來控制。這樣的有源開關可稱為電流控制的自驅動(CCSD)有源開關。如圖5(a)所示，感測電阻器Rsen用於檢測S4的電流流動方向。比較器Ul可根據Rsen所檢測的電流流動方向來產生驅動脈衝。通過S4的正電流(「正」被定義為從地到點B的電流流動)將使比較器Ul的輸出為高。比較器輸出的高電壓電平又將驅動由Q7和Q8形成的互補柵極驅動電路。S4因此根據其正電流流動方向被導通，並以相反的方式被關斷。VCSD和CCSD有源開關在它們不需要外部控制電路的意義上都是自驅動的。圖5(b)示出CCSD有源開關的第二可選的實現。如圖5(b)所示，在圖5(a)中示出的前面的電阻器Rsen被移除。這個CCSD有源開關使用其內部電阻來檢測電流流動方向。比較器Ul仍可根據內部有源開關電阻所檢測的電流流動方向來產生驅動脈衝。對Q7 和Q8的驅動脈衝控制機制仍然與圖5(a)中的機制相同。該CCSD有源開關的優點是消除感測電阻器的使用。然而，缺點是它可能不適合於高電壓整流，因為在比較器Ul的感測管腳處的太高的電壓將是不夠的。圖5 (c)示出CCSD有源開關的第三可選的實現。這個CCSD有源開關使用用於檢測 S4的電流流動方向的電阻器Rsen。然而，比較器Ul使用其非反相管腳作為電流感測檢測管腳。在反相管腳處的電壓偏置或電平移位電壓以及以S4(例如，充當有源開關的M0SFET) 的「源級」為基準的比較器的地被添加。通過S4的正電流流動在電阻器Rsen的幫助下由比較器Ul檢測到。正驅動脈衝接著產生，且Q7和Q8的脈衝控制機制被保持，如圖5 (a)所示。當反向電流出現在開關S4時，偏置電壓的添加減小了關斷延遲時間。在引入應用例子的詳細描述之前，將示出用於單相、多相系統的AC-DC同步整流技術的一般化，以便說明對通用電力線整流、三相(或多相)和多級系統提出的電路的有用性。一些應用的電路和原理作為例子被給出，其中自驅動全橋SR在下面的實施方式中被實現。因為有在整流系統中使用CCSD、VCSD和二極體的很多可能的組合，必須系統地識別出有效的配置，而不考慮AC-DC整流器系統有多少相和多少級。圖3示出無效的SR配置之一，其有不阻止整流器的電流環中的反向電流的問題。必須識別出所有有效的SR電路， 這些電路是實際的。在這個特定例子中示出了單相、三相和多級自驅動全橋同步整流，且提出了 SR識別的系統方式，以及相應地用表格列出整流系統中的所有可能的SR電路。一般化AC-DC自驅動同步整流系統的系統地方式被顯示如下在整流器中的上分支元件的位置被定義為Xi = 1. . η在整流器中的下分支元件的位置被定義為Xj\k^..n =k + n
j^i+n在上分支中的電路元件(其可為有源開關、二極體或其它電路元件)被定義為SXi在下分支中的電路元件被定義為SXj其中X代表分支中的電路元件的類型。電流控制的自驅動0XSD)有源開關、二極體和電感器與「1」的邏輯值相關。這些類型的電路元件展示抵抗瞬時電流變化的能力(雖然不是在傳統意義上的開關，電感器可在本發明的實施方式中成功地起作用，好像它是CCSD有源開關一樣，因為它能夠抵抗在電流方向上的瞬時變化，然而應注意，包括兩個電感器的電流環將不起作用)。電壓控制的自驅動(VCSD)有源開關和電容器沒有這種抵抗瞬時電流變化的能力。因此，它們被分配給 「0」的邏輯值。表1示出每個電路元件的相應邏輯值。
權利要求
1.一種半橋或全橋整流器，其配置成使用電流源或電壓源來提供同步整流，所述整流器包括上分支和下分支以及至少兩個電流環，每個所述分支包括電壓或電流控制的有源開關、電感器、二極體或其組合，該有源開關、電感器、二極體或其組合被選擇成使得所述環包括來自所述上分支的一個有源開關、電感器或二極體以及來自所述下分支的一個有源開關、電感器或二極體，且其中每個所述電流環包括至少一個二極體、電感器或電流控制的有源開關，且其中至少一個電壓或電流控制的有源開關包括在所述上分支或下分支之一中， 且以沒有電流環可包含兩個電感器為條件。
2.如權利要求1所述的整流器，其中所述電壓和電流控制的有源開關是自驅動的，且不需要外部控制信號。
3.如權利要求2所述的整流器，其中所述電壓控制的有源開關由輸入ac電壓驅動，所述輸入ac電壓通過柵極驅動電路被提供到所述開關。
4.如權利要求2所述的整流器，其中所述電流控制的有源開關通過感測開關的電流方向並根據所述電流方向將信號提供到柵極驅動電路來驅動。
5.如權利要求4所述的整流器，其中所述有源開關包括功率MOSFET或某些其它半導體開關器件。
6.如權利要求4所述的整流器，還包括用於感測所述電流方向的感測電阻器。
7.如權利要求4所述的整流器，其中所述電流控制的有源開關的內部電阻用於感測所述電流方向。
8.如權利要求1所述的整流器，其中所述整流器配置成接收電流源。
9.如權利要求1所述的整流器，其中所述整流器配置成接收電壓源。
10.如權利要求1所述的整流器，其中所述整流器是包括兩個電流環的單相全橋整流
11.如權利要求10所述的整流器，其中所述上分支包括兩個電壓控制的有源開關，而所述下分支包括兩個電流控制的有源開關，或一個電流控制的開關和一個二極體，或兩個二極體。
12.如權利要求10所述的整流器，其中所述上分支包括一個電壓控制的有源開關和一個電流控制的有源開關或二極體，而所述下分支包括一個電壓控制的有源開關和一個電流控制的有源開關或二極體，其中所述電流控制的有源開關或二極體沒有設置在同一電流環中。
13.如權利要求10所述的整流器，其中所述上分支包括兩個電壓控制的有源開關和一個電流控制的有源開關或二極體，而所述下分支包括兩個電流控制的有源開關，或一個電流控制的開關和一個二極體，或兩個二極體。
14.如權利要求10所述的整流器，其中所述上分支包括兩個電流控制的有源開關，或一個電流控制的有源開關和一個二極體，或兩個二極體，而所述下分支包括兩個電壓控制的有源開關。
15.如權利要求10所述的整流器，其中所述上分支包括兩個電流控制的有源開關，或一個電流控制的有源開關和一個二極體，或兩個二極體，而所述下分支包括一個電壓控制的有源開關和一個電流控制的有源開關或一個二極體。
16.如權利要求10所述的整流器，其中所述整流器只包括在所述上分支和下分支中的電流控制的有源開關和/或二極體，且其中所述分支中的至少一個包括至少一個電流控制的有源開關。
17.如權利要求1所述的整流器，其中所述整流器是半橋整流器，其中所述上分支和所述下分支每個都包括電容器、以及電流控制的有源開關、電感器或二極體之一，服從於所述分支的不超過一個包括二極體的限制。
18.如權利要求1所述的整流器，其中所述整流器是包括上分支和下分支以及六個電流環的三相全橋整流器，每個所述分支包括電壓或電流控制的有源開關、二極體或其組合， 其被選擇成使得每個環包括來自所述上分支的一個有源開關或二極體以及來自所述下分支的一個有源開關或二極體，且其中每個電流環包括至少一個二極體或電流控制的有源開關，且其中至少一個電壓或電流控制的有源開關包括在所述上分支或下分支之一中。
19.如權利要求18所述的整流器，其中所述上分支包括三個電流控制的有源開關或二極體。
20.如權利要求18所述的整流器，其中所述下分支包括三個電流控制的有源開關或二極體。
21.如權利要求18所述的整流器，其中所述下分支和上分支每個包括兩個電流控制的有源開關或二極體，且每個電流環包括至少一個電流控制的有源開關或二極體。
22.—種多級整流器，其中每個級包括至少一個電路拓撲，所述電路拓撲包括上分支和下分支以及兩個電流環，且其中至少所述電路拓撲配置成使得每個所述分支包括電壓或電流控制的有源開關、電感器、二極體或其組合，該有源開關、電感器、二極體或其組合被選擇成使得每個環包括來自所述上分支的一個有源開關、電感器或二極體以及來自所述下分支的一個有源開關、電感器或二極體，且其中每個所述電流環包括至少一個二極體，電感器或電流控制的有源開關，且其中至少一個電壓或電流控制的有源開關包括在所述上分支或下分支之一中，且以沒有電流環可包含兩個電感器為條件。
23.一種包括上分支和下分支以及兩個電流環的倍流器，其中所述上分支包括兩個電感器，而所述下分支包括電壓或電流控制的有源開關、二極體或其組合，且所述下分支包括至少一個電壓控制的有源開關或至少一個電流控制的有源開關。
全文摘要
描述了用於單相和多相、單級和多級全橋和半橋整流的電路配置和拓撲，在所述整流器中二極體由電壓控制的自驅動有源開關、電流控制的自驅動有源開關和電感器代替，以便減少在二極體中的傳導損耗的效應。
文檔編號H02M7/219GK102246405SQ200980132255
公開日2011年11月16日 申請日期2009年8月19日 優先權日2008年8月20日
發明者何永財, 劉遜, 蔡偉邦, 許樹源 申請人:電方便有限公司