一种理想二极管桥式整流电路及其控制方法技术

本发明专利技术提出了一种改进型CMOS整流电路，并阐述了电路的相应控制方法，使用全波整流桥将交流(AC)输入电压转换为直流(DC)输出电压。由于CMOS电路的引入，有效的降低了导通压降；同时运用处理器精准控制，使得CMOS准确的“导通”或“关断”，从而减小了死区时间，最终降低了电路功耗并提高了能量传输效率。同时基于CMOS工艺易于集成的特点，对广范围的应用具有重大意义。

An Ideal Diode Bridge Rectifier Circuit and Its Control Method

The invention provides an improved CMOS rectifier circuit, and expounds the corresponding control method of the circuit. The AC input voltage is converted to the DC output voltage by using the full wave rectifier bridge. Due to the introduction of CMOS circuit, the on-voltage drop is effectively reduced; at the same time, the precise control of processor is used to make CMOS \on\ or \off\ accurately, which reduces the dead time, and ultimately reduces the power consumption of the circuit and improves the energy transmission efficiency. At the same time, CMOS technology is easy to integrate, which is of great significance for wide range of applications.

【技术实现步骤摘要】
一种理想二极管桥式整流电路及其控制方法
本专利技术提出了一种涉及电源单元(PSU)的设计。
技术介绍
大多数开关模式电源(SMPS)器件在整流级中使用全波整流桥将交流(AC)输入电压转换为直流(DC)输出电压。经典二极管整流桥的缺点是当电流流动时，两个二极管间有不可避免的正向压降。对于传统硅二极管，这可以达到1.5V或更高，其结果是浪费了电力并降低了效率。当利用金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的理想二极管桥式整流，输入电压不能超过MOSFET的栅—源极电压额定值，这对于高电压应用是不合需要的。因此，需要改进的桥式整流器设计。
技术实现思路
本专利技术公开了一种整流电路及其控制方法。改进的桥式整流器包括理想的二极管电桥和控制电路，用于控制理想二极管电桥的通断转换。附图说明图1是根据一个实施例的理想二极管全桥整流器的示例性示意图。图2是图1的整流器的详细示例。图3是详细描述图2理想二极管电桥配置的示意图。图4是根据实施例的用于驱动理想二极管桥式整流器的方法的流程图。图5是图4方法的步骤示例实施例。在系列附图中，相似特征由相同的附图标记表示。具体实施方式为使本专利技术的上述特征和优点更加清晰，下面结合附图对本专利技术的具体实施做详细的说明。图1所示为整流电路。整流电路包括以桥配置连接的四个理想二极管元件01、02、03、04，该桥可以是半桥或全桥。整流电路还包括与理想二极管相对应连接的四个驱动器单元05、06、07、08。驱动器单元用于控制各自对应二极管的“开—关”转换，使每个二极管导通或根据需要关断。控制器09连接到每个驱动器单元，还连接到用于测量流过负载的电流的负载15。为此，在控制器中提供电流传感器21。电流传感器可以各种方式实现，诸如使用感测电阻器、变压器、电流钳形表或霍尔效应传感器等。控制器还连接在电源20两端以测量电源的相位。使用这些测量，控制器被用于确定理想二极管的导通设置并输出一个或多个控制信号到驱动器单元，使驱动器单元根据导通设置按顺序导通理想二极管以将来自电源的交流(AC)输入电压转换成直流(DC)输出电压，以传送到负载。理想二极管01、02、03、04可以用金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)来实现。在一实施例中，MOSFET是具有低RDS-on的标准MOSFET。在另一个实施例中，MOSFET是具有高性能的氮化镓(GaN)MOSFET。其他配置也可适用。当施加正向偏置电压时，每个MOSFET都像一个完美的导体，当施加反向偏置电压时，就像一个完美的绝缘体。MOSFET以相反导通方式连接成对，由此每对的导电性可依施加电压的极性的函数而导通。在本实施例中，AC电源提供85V至264V之间的电压输入，以获得线性电压和中性线之间测量值。图2是使用MOSFET作为理想二极管01、02、03、04实现的整流电路更详细示例。电路包括电阻器R1、R2、R3和R4，每个电阻器连接到相应MOSFET的漏极。具体地，电阻器R1连接在MOSFET01的漏极和MOSFET02的漏极之间，电阻R2连接到MOSFET02的漏极，电阻R3连接在MOSFET03的漏极和MOSFET04的漏极之间，电阻R4连接到MOSFET04的漏极。四个驱动器单元05、06、07、08由集成电路(IC)组成以驱动MOSFET01、02、03、04并且限制它们的栅极电压以服从MOSFET的最大栅极到源极电压(VGS)的规范，通常最大VGS约为20V。为此，驱动器单元05连接在MOSFET01的栅极和源极之间，驱动器单元06连接到MOSFET02的栅极，驱动器单元07连接在MOSFET03的栅极和源极之间，驱动器单元08连接到MOSFET04的栅极。驱动器单元05、06、07、08由处理器10控制，该处理器为控制器09的一部分并使MOSFET01、02、03、04产生期望的导电行为。处理器10可以是任何可以对数据执行操作的设备，如中央处理单元(CPU)、微处理器、现场可编程门阵列(FPGA)或可重构处理器。控制器也可以是处理器与可访问的存储器一起提供(或与之通信)。存储器可以是主存储器，如高速随机存取存储器(RAM)或辅助存储器单元，如硬盘、闪存、磁带驱动器。存储器也可以是任意其他类型的存储器，如只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、铁电RAM(FRAM)、视频盘或光盘的光存储介质。在图2的实施例中，MOSFET02和04被称为与处理器10有相同的电位。因此，MOSFET02和04不需要任何绝缘来创建虚拟接地，从而分别用于驱动MOSFET02和04的驱动器单元06和08可以使用不需要虚拟接地的标准(或“现成”)栅极驱动器来实现。驱动器单元06和08可以包括分立组件，诸如晶体管、电阻器和二极管。其他配置也亦可适用。由于MOSFET01和03在整流电路上部的位置，MOSFET01和03的参考点与AC输入的参考点相同，为MOSFET01和03提供虚拟地。在一个实施例中，通过用光耦合器实现驱动器单元05和07，为MOSFET01和03创建虚拟地。然后使用从处理器到光耦合器路径中的电阻器R5和R6来激活每个驱动器单元的光电耦合器二极管。电阻器R5和R6，分别用于限制(例如至10mA)流向驱动器单元05和07的电流。在另一个实施例中，虚拟地可以通过由处理器驱动的变压器提供。参考图2，在实施例中，驱动器单元05和07以及驱动器单元06和08被设计为具有快速关断特性，该快速关闭可避免同一支路上的两个MOSFET同时接通。以这种方式，可以防止短路并且减小米勒效应。处理器10连接到相位检测器单元14和电流—电压转换器16，也是控制器09的一部分。整流电路还可以包括低损耗二极管12和通用DC-DC转换模块13，其连接到AC输入端并形成辅助发电单元。二极管12可以是低压肖特基二极管，而DC-DC转换模块13可以是50mA降压转换器。其他配置亦可适用。二极管12与转换模块13一起使用以产生用于给本地电子器件(如处理器10和相位检测器单元14)供电的辅助电力(在图2中被称为“辅助VCC”)。参考图3，相位检测器单元14接收从由电阻器R1和R2的串联连接创建的第一分压器获得的第一电压(在图3中被称为“线性值”)，其上端(被称为图3中的“线”)，连接在电阻器R1和R2的节点处。该电压在下面的表1中被称为线性电压。相位检测器单元14还接收从电阻器R3和R4的串联连接产生的第二分压器获得的第二电压(在图3中被称为“中性值”)，其中下端(被称为“中性”在图3中示出)经电阻器R3和R4的节点处连接AC输，该电压在下面的表1中被称为中性电压。从接收到的电压中，相位检测器单元14确定AC输入电源的相位(即，线性信号和中性信号之间的相位差)，并将相位信息(连同线性电压和中性电压的值)传递给处理器10。然后，处理器使用相位信息来确定何时切换MOSFET01、02、03、04。因为线性信号和中性信号具有相同的频率但相位相差180度，所以线性和中性信号的相移在线性和中性电压的过零点处被检测到。因此，当处理器10检测到180度相移时，其断定发生了AC输入电压信号的过零点行为。然后处理器确定应用设置，并将一个或多个控本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种整流电路，用于将来自电源的交流(AC)输入电压转换为直流(DC)输出电压并传送到负载，所述电路包括：四个理想二极管元件，以桥式配置连接；四个驱动器单元，每一个驱动器单元连接到对应的一个理想二极管；以及控制器，所述控制器连接到驱动器单元并用于：获取流过负载电流和电源相位的测量值；根据测量值确定四个理想二极管的相应传导特征，并且输出至少一个控制信号以驱动理想二极管。

【技术特征摘要】
1.一种整流电路，用于将来自电源的交流(AC)输入电压转换为直流(DC)输出电压并传送到负载，所述电路包括：四个理想二极管元件，以桥式配置连接；四个驱动器单元，每一个驱动器单元连接到对应的一个理想二极管；以及控制器，所述控制器连接到驱动器单元并用于：获取流过负载电流和电源相位的测量值；根据测量值确定四个理想二极管的相应传导特征，并且输出至少一个控制信号以驱动理想二极管。2.根据权利要求1所述的电路，其中：所述四个理想二极管元件以全桥配置连接；所述驱动器单元中至少两个是被设置成为对应的两个理想二极管创建虚拟地的隔离驱动器单元；还包括四个电阻器R1、R2、R3、R4，每一个电阻器连接到MOSFET对应的漏极；以及用于为所述控制器供电的辅助发电单元，该辅助发电单元包括降压转换器和肖特基二极管。3.根据权利要求2所述的电路，每个隔离驱动器单元包括连接到相应理想二极管的光耦合器以及在所述控制器和光耦合器之间的电阻器R5、R6。4.根据权利要求2所述的电路，其中所述控制器包括：连接到驱动器单元的处理器；连接到由R1和R2分压的相位检测器，以及由R3和R4形成的分压器，并连接到处理器；在负载和电源路径之间的电阻Rsense；以及连接于电阻Rsen...

【专利技术属性】
技术研发人员：李高，李威，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51