CN103199717A - 应用在pfc电源转换器的桥式整流器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种桥式整流器，以MOSFET取代二极管，因此具有较佳的效能。该桥式整流器藉检测其交流输入端的电压来判断交流电压的正负半周，因而可以准确的控制这些MOSFET的切换。

Description

应用在PFC电源转换器的桥式整流器
技术领域
本发明系有关一种交流转直流的整流电路，特别是关于一种桥式整流器(bridgerectifier)。
背景技术
在功率因数校正(Power Factor Correction；PFC)电源转换器的应用中，需要桥式整流器将交流波形转换为直流波形。如图1所示，传统的桥式整流器10使用四个二极管D1、D2、D3及D4架桥，将交流电压VACIN整流成为直流电压VIN给PFC电源转换器12。二极管的顺向偏压约为0.6V，假设通过二极管D1、D2、D3及D4的电流峰值为0.2A，则二极管导通时将造成0.076W的功率损失。
为了降低桥式整流器的功率损失以提高效能，已经有部分的桥式整流器使用金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)取代二极管，例如美国专利号7,411,768及美国专利公开号2009/0257259。一般而言，MOSFET的导通阻值为mΩ等级，假设MOSFET的导通阻值为1Ω，而通过MOSFET的电流峰值为0.2A，则MOSFET消耗的功率为0.02W，因此以MOSFET取代二极管可以降低功率损失，得到较佳的效能。然而，现有的MOSFET桥式整流器在高侧需要使用高压的PMOSFET，例如参照美国专利号7,411,768及美国专利公开号2009/0257259，因此成本较高。
再者，使用MOSFET的桥式整流器需要判断交流电压VACIN的正负半周以控制MOSFET的切换，因此也需要能准确控制MOSFET的电路。
发明内容
本发明的目的之一，在于提出一种应用在PFC电源转换器的桥式整流器。
本发明的目的之一，在于提出一种能准确控制MOSFET切换的桥式整流器。
本发明的目的之一，在于提出一种在高侧使用NMOSFET的桥式整流器。
根据本发明，一种应用在PFC电源转换器的桥式整流器包括第一MOSFET连接在该桥式整流器的第一交流输入端及直流输出端之间，第二MOSFET连接在该第一交流输入端及地端之间，第三MOSFET连接在该桥式整流器的第二交流输入端及该直流输出端之间，第四MOSFET连接在该第二交流输入端及该地端之间，检测器检测该第一交流输入端的第一电压及该第二交流输入端的第二电压，并在该第一电压大于第一预设值时产生第一检测信号，在该第二电压大于第二预设值时产生第二检测信号，以及浮动闸驱动器根据该第一检测信号控制该第一及第四MOSFET，根据该第二检测信号控制该第二及第三MOSFET。由于浮动闸驱动器可以提供高压的控制信号，因此在高侧的第一及第三MOSFET可以使用NMOSFET以减少成本。
根据本发明，一种应用在PFC电源转换器的桥式整流器包括第一MOSFET连接在该桥式整流器的第一交流输入端及直流输出端之间，受控于第一控制信号，第二MOSFET连接在该第一交流输入端及地端之间，受控于第二控制信号，第三MOSFET连接在该桥式整流器的第二交流输入端及该直流输出端之间，受控于第三控制信号，第四MOSFET连接在该第二交流输入端及该地端之间，受控于第四控制信号，检测器检测该第一交流输入端的第一电压及该第二交流输入端的第二电压产生该第二及第四控制信号，以及准位平移器平移该第二及第四控制信号产生该第一及第三控制信号。当该第一电压大于第一预设值时，该第一及第四MOSFET导通，当该第二电压大于第二预设值时，该第二及第三MOSFET导通。
本发明的桥式整流器使用MOSFET取代二极管，因此具有较佳的效能，而且藉检测第一及第二交流输入端的电压来判断交流电压的正负半周，因而可以准确控制这些MOSFET的切换。
附图说明
图1系传统的桥式整流器；
图2系本发明的桥式整流器的第一实施例；
图3系图2电路的波形图；
图4系图2中高侧浮动电路及准位平移器的实施例；
图5系图2中检测器的第二实施例；
图6系图2中检测器的第三实施例；以及
图7系本发明的桥式整流器的第二实施例。
主要元件符号说明：
10  桥式整流器
12  PFC电源转换器
20  桥式整流器
22  PFC电源转换器
24  浮动闸驱动器
26  检测器
28  交流输入端
30  交流输入端
32  直流输出端
34  高侧浮动电路
36  准位平移器
38  低侧电路
40  高侧浮动电路
42  准位平移器
44  低侧电路
46  比较器
48  比较器
50  电压过低关闭电路
52  SR正反器
54  驱动器
56  节点
57  反相器
58  节点
59  反相器
60  电流感测器
62  电流感测器
64  电流源
66  电流源
68  节点
70  节点
具体实施方式
参照图2，根据本发明的桥式整流器20具有交流输入端28及30供连接交流电压源VACIN以及直流输出端32供连接PFC电源转换器22。桥式整流器20包括NMOSFET M1、M2、M3及M4、浮动闸驱动器24以及检测器26。NMOSFET M1连接在直流输出端32及交流输入端28之间，受控于控制信号UG1；NMOSFET M2连接在交流输入端28及地端GND之间，受控于控制信号LG2；NMOSFET M3连接在直流输出端32及交流输入端30之间，受控于控制信号UG2；NMOSFET M4连接在交流输入端30及地端GND之间，受控于控制信号LG1。检测器26检测交流输入端28及30的电压V1及V2分别产生检测信号Sc1及Sc2，浮动闸驱动器24根据检测信号Sc1产生控制信号UG1及LG1，根据检测信号Sc2产生控制信号UG2及LG2，控制信号UG1、LG2、UG2及LG1分别控制NMOSFET M1、M2、M3及M4的切换，将交流电压VACIN转换为直流电压VIN给PFC电源转换器22。如图3的波形所示，当交流输入端28的电压V1大于预设值Vth时，检测器26发出检测信号Sc1，浮动闸驱动器24将导通(turn on)NMOSFET M1及M4；当交流输入端30的电压V2大于预设值Vth时，检测器26发出检测信号Sc2，浮动闸驱动器24将导通NMOSFET M2及M3。在图2的实施例中，桥式整流器20使用浮动闸驱动器24提供高压的控制信号UG1及UG2，因而可以在高侧使用NMOSFET M1及M3以减少成本。
图2的浮动闸驱动器24包括高侧浮动电路34及40、准位平移器36及42、低侧电路38及44、电容Cb1及Cb2以及二极管D1及D2。二极管D1连接在电源电压端Vcc及高侧浮动电路34的电源输入端342之间；二极管D2连接在电源电压端Vcc及高侧浮动电路40的电源输入端402之间；电容Cb1连接在交流输入端28及高侧浮动电路34的电源输入端342之间，使电压Vc1随电压V1变化；电容Cb2连接在交流输入端30及高侧浮动电路40的电源输入端402之间，使电压Vc2随电压V2变化。低侧电路38根据检测信号Sc1产生控制信号LG1、设定信号Ss1及重置信号Sr1。准位平移器36平移设定信号Ss1及重置信号Sr1产生设定信号Ss2及重置信号Sr2。高侧浮动电路34根据设定信号Ss2及重置信号Sr2决定控制信号UG1，高侧浮动电路34的电源输入端342及344分别接收电压Vc1及V1，以使其所输出的控制信号UG1可以驱动NMOSFET M1。低侧电路44根据检测信号Sc2产生控制信号LG2、设定信号Ss3及重置信号Sr3。准位平移器42平移设定信号Ss3及重置信号Sr3产生设定信号Ss4及重置信号Sr4。高侧浮动电路40根据设定信号Ss4及重置信号Sr4决定控制信号UG2，高侧浮动电路40的电源输入端402及404分别接收电压Vc2及V2，以使其所输出的控制信号UG2可以驱动NMOSFET M3。
图4系图2中高侧浮动电路34及准位平移器36的实施例。高侧浮动电路34包括电压过低关闭(Under Voltage Lock Out；UVLO)电路50、SR正反器52及驱动器54。SR正反器52根据设定信号Ss2及重置信号Sr2决定信号Q，驱动器54根据信号Q产生控制信号UG1，UVLO电路50检测电压Vc1，在电压Vc1低于预设的临界值时关闭SR正反器52。准位平移器36包括电阻R5及R6、二极管D3及D4、开关M5及M6以及反相器57及59。电阻R5连接在电压端Vc1及节点56之间，二极管D3与电阻R5并联以限制节点56的电压，开关M5连接在节点56及地端GND之间，反相器57连接节点56，根据节点56的电压产生重置信号Sr2，电阻R6连接在电压端Vc1及节点58之间，二极管D4与电阻R6并联以限制节点58的电压，开关M6连接在节点58及地端GND之间，反相器59连接节点58，根据节点56的电压产生设定信号Ss2。开关M5及M6分别受控于重置信号Sr1及设定信号Ss1，当开关M5导通(turn on)而开关M6关闭(turn off)时，节点56的电压为低准位，故重置信号Sr2为高准位，而节点58的电压为高准位，故设定信号Ss2为低准位，因而使高侧浮动电路34结束控制信号UG1。当开关M5关闭而开关M6导通时，节点56的电压为高准位，故重置信号Sr2为低准位，而节点58的电压为低准位，故设定信号Ss2为高准位，因而使高侧浮动电路34触发控制信号UG1。图2中高侧浮动电路40及准位平移42的架构与图4的高侧浮动电路34及36相同，不再赘述。
图2及图4系以最常见的浮动闸驱动器为实施例，本发明亦可使用其他架构的浮动闸驱动器，例如美国专利号5,552,731及7,236,020。
图2的检测器26包括电阻R1、R2、R3及R4以及比较器46及48。电阻R1及R2串联在交流输入端28及地端GND之间，将交流输入端28的电压V1分压产生电压Vd1，比较器46比较电压Vd1及参考电压Vref产生检测信号Sc1，电阻R3及R4串联在交流输入端30及地端GND之间，将交流输入端30的电压V2分压产生电压Vd2，比较器48比较电压Vd2及参考电压Vref产生检测信号Sc2。如图3的波形所示，当电压Vd1大于参考电压Vref时，表示电压V1大于预设值Vth，比较器46发出检测信号Sc1；当电压Vd2大于参考电压Vref时，表示电压V2大于预设值Vth，比较器48发出检测信号Sc2。
图5系图2中检测器26的第二实施例，其系藉检测通过NMOSFET M1及M3的电流I1及I3来判断交流输入端28及30的电压，进而决定检测信号Sc1及Sc2。图5的检测器26包括电流感测器60及62、比较器46及48以及电流源64及66。电流感测器60及62分别感测NMOSFET M1及M3的电流I1及I3产生电流感测信号I2及I4，电流源64及66提供固定的电流Iref，当交流输入端28的电压V1上升时，NMOSFET M1的基底二极管(body diode)Db1导通，因而产生电流I1由交流输入端28经基底二极管Db1流向直流输出端32，电流I1及电流感测信号I2将随着电压V1的上升而上升，当电流感测信号I2大于电流Iref时，节点68的电压Vd1上升，在电压Vd1大于参考电压Vref时，比较器46发出检测信号Sc1。当交流输入端30的电压V2上升时，NMOSFET M3的基底二极管Db2导通，电流I3从交流输入端30经基底二极管Db2流向直流输出端32，电流I3及电流感测信号I4将随着电压V2的上升而上升，当电流感测信号I4大于电流Iref时，节点70的电压Vd2上升，在电压Vd2大于参考电压Vref时，比较器48发出检测信号Sc2。电流感测器60包括电感L1及L2，电感L1与NMOSFET M1串联，因此电感L1的电流等于NMOSFET M1的电流I1，电感L2感应电感L1的电流I1产生电流感测信号I2。电流感测器62包括电感L3及L4，电感L3与NMOSFET M3串联，因此电感L3的电流等于NMOSFETM3的电流I3，电感L4感应电感L3的电流I3产生电流感测信号I4。
图6系图2中检测器26的第三实施例，其系将图2的电阻R1及R3以闸极接地的N型空乏型晶体管M7及M8取代。当电压V1及V2为0时，空乏型晶体管M7及M8为导通状态。当交流输入端28的电压V1上升时，空乏型晶体管M7的源极电压Vd1随之上升，当电压Vd1达到空乏型晶体管M7的临界电压时，空乏型晶体管M7关闭，因而限制电压Vd1的最大值，防止高电压进入检测器26，在电压Vd1大于参考电压Vref时，比较器46发出检测信号Sc1。同理，当交流输入端30的电压V2上升时，电压Vd2跟着上升，当电压Vd2达到空乏型晶体管M8的临界电压时，空乏型晶体管M8关闭，因而限制电压Vd2的最大值，在电压Vd2大于参考电压Vref时，比较器48发出检测信号Sc2。在此实施例中，电阻R2及R4系作为限流电阻。
图7系桥式整流器20的第二实施例，其包括NMOSFET M2及M4、PMOSFET M9及M10、检测器26以及准位平移器36。PMOSFET M9连接在直流输出端32及交流输入端28之间，NMOSFET M2连接在交流输入端28及地端GND之间，PMOSFET M10连接在直流输出端32及交流输入端30之间，NMOSFET M4连接在交流输入端30及地端GND之间，检测器26检测交流输入端28及30的电压V1及V2产生控制信号LG1及LG2分别控制NMOSFET M4及M2，准位平移器36平移控制信号LG1及LG2产生控制信号UG1及UG2分别控制PMOSFET M9及M10。
图7的检测器26包括电阻R1、R2、R3及R4以及比较器46及48。电阻R1及R2串联在交流输入端28及地端GND之间，将电压V1分压产生电压Vd1，比较器46比较电压Vd1及参考电压Vref产生控制信号LG1，电阻R3及R4串联在交流输入端30及地端GND之间，将电压V2分压产生电压Vd2，比较器48比较电压Vd2及参考电压Vref产生控制信号LG2。图7的检测器26亦可修改成如图6所示的检测器。
图7的准位平移器36包括电阻R5及R6、二极管D3及D4、开关M5及M6以及空乏型晶体管M11及M12。电阻R5及二极管D3并联在直流输出端32及PMOSFET M9的闸极之间，电阻R6及二极管D4并联在直流输出端32及PMOSFET M10的闸极之间，空乏型晶体管M11连接在PMOSFET M9的闸极及开关M5之间，空乏型晶体管M12连接在PMOSFET M10的闸极及开关M6之间，空乏型晶体管M11及M12系用以阻隔高压，避免开关M5及M6上的跨压过高。如图3所示，当电压V1大于预设值Vth，电压Vd1大于参考电压Vref，控制信号LG1导通NMOSFET M4，同时开关M5也被控制信号LG1导通，因而使控制信号UG1转为低准位而导通PMOSFET M9。当电压V2大于预设值Vth，电压Vd2大于参考电压Vref，控制信号LG2导通NMOSFET M2及开关M6，开关M6导通时，控制信号UG2转为低准位，因而导通PMOSFET M10。

Claims (13)

1.一种应用在PFC电源转换器的桥式整流器，其特征在于，所述的桥式整流器包括：
第一及第二交流输入端，供连接交流电源；
直流输出端，供连接所述的PFC电源转换器；
第一MOSFET，连接在所述的第一交流输入端及所述的直流输出端之间；
第二MOSFET，连接在所述的第一交流输入端及地端之间；
第三MOSFET，连接在所述的第二交流输入端及所述的直流输出端之间；
第四MOSFET，连接在所述的第二交流输入端及所述的地端之间；
检测器，连接所述的第一及第二交流输入端，检测所述的第一交流输入端的第一电压及所述的第二交流输入端的第二电压，并在所述的第一电压大于第一预设值时产生第一检测信号，在所述的第二电压大于第二预设值时产生第二检测信号；以及
浮动闸驱动器，连接所述的检测器、第一MOSFET、第二MOSFET、第三MOSFET及第四MOSFET，根据所述的第一及第二检测信号控制所述的第一、第二、第三及第四MOSFET。
2.如权利要求1所述的桥式整流器，其特征在于，所述的第一及第三MOSFET具有N型通道。
3.如权利要求1所述的桥式整流器，其特征在于，所述的检测器包括：
第一对串联的电阻，连接所述的第一交流输入端，将所述的第一电压分压产生第三电压；
第一比较器，连接所述的第一对串联的电阻，比较所述的第三电压及第一参考电压产生所述的第一检测信号；
第二对串联的电阻，连接所述的第二交流输入端，将所述的第二电压分压产生第四电压；以及
第二比较器，连接所述的第二对串联的电阻，比较所述的第四电压及第二参考电压产生所述的第二检测信号。
4.如权利要求1所述的桥式整流器，其特征在于，所述的检测器包括：
第一比较器，比较与所述的第一电压相关的第三电压及第一参考电压产生所述的第一检测信号；以及
第一电流感测器，连接所述的第一比较器，感测所述的第一MOSFET的电流产生第一电流感测信号以决定所述的第三电压；
第二比较器，比较与所述的第二电压相关的第四电压及第二参考电压产生所述的第二检测信号；以及
第二电流感测器，连接所述的第二比较器，感测所述的第三MOSFET的电流产生第二电流感测信号以决定所述的第四电压。
5.如权利要求4所述的桥式整流器，其特征在于，所述的第一电流感测器包括：
第一电感，与所述的第一MOSFET串联；以及
第二电感，与所述的第一电感耦合，感应所述的第一电感的电流产生所述的第一电流感测信号。
6.如权利要求4所述的桥式整流器，其特征在于，所述的第二电流感测器包括：
第一电感，与所述的第三MOSFET串联；以及
第二电感，与所述的第一电感耦合，感应所述的第一电感的电流产生所述的第二电流感测信号。
7.如权利要求1所述的桥式整流器，其特征在于，所述的检测器包括：
第一空乏型晶体管，连接所述的第一交流输入端，接收所述的第一电压以产生第三电压，并限制所述的第三电压的最大值；以及
第一比较器，连接所述的第一空乏型晶体管，比较所述的第三电压及第一参考电压产生所述的第一检测信号；
第二空乏型晶体管，连接所述的第二交流输入端，接收所述的第二电压以产生第四电压，并限制所述的第四电压的最大值；以及
第二比较器，连接所述的第二空乏型晶体管，比较所述的第四电压及第二参考电压产生所述的第二检测信号。
8.如权利要求1所述的桥式整流器，其特征在于，所述的浮动闸驱动器包括：
第一高侧浮动电路，具有第一电源输入端及第二电源输入端，所述的第二电源输入端连接所述的第一交流输入端，所述的第一高侧浮动电路提供第一控制信号控制所述的第一MOSFET；
第一电容，连接在所述的第一交流输入端及所述的第一电源输入端之间；
第一低侧电路，连接所述的检测器，根据所述的第一检测信号决定第二控制信号、第一设定信号及第一重置信号，所述的第二控制信号控制所述的第四MOSFET；
第一准位平移器，连接所述的第一高侧浮动电路及所述的第一低侧电路，平移所述的第一设定信号及所述的第一重置信号产生第二设定信号及第二重置信号给所述的第一高侧浮动电路，以决定所述的第一控制信号；
第二高侧浮动电路，具有第三电源输入端及第四电源输入端，所述的第四电源输入端连接所述的第二交流输入端，所述的第二高侧浮动电路提供第三控制信号控制所述的第三MOSFET；
第二电容，连接在所述的第二交流输入端及所述的第三电源输入端之间；
第二低侧电路，连接所述的检测器，根据所述的第二检测信号决定第四控制信号、第三设定信号及第三重置信号，所述的第四控制信号控制所述的第二MOSFET；以及
第二准位平移器，连接所述的第二高侧浮动电路及所述的第二低侧电路，平移所述的第三设定信号及第三重置信号产生第四设定信号及第四重置信号给所述的第二高侧浮动电路，以决定所述的第三控制信号。
9.一种应用在PFC电源转换器的桥式整流器，其特征在于，所述的桥式整流器包括：
第一及第二交流输入端，供连接交流电源；
直流输出端，供连接所述的PFC电源转换器；
第一MOSFET，连接在所述的第一交流输入端及所述的直流输出端之间，受控于第一控制信号；
第二MOSFET，连接在所述的第一交流输入端及地端之间，受控于第二控制信号；
第三MOSFET，连接在所述的第二交流输入端及所述的直流输出端之间，受控于第三控制信号；
第四MOSFET，连接在所述的第二交流输入端及所述的地端之间，受控于第四控制信号；
检测器，检测所述的第一交流输入端的第一电压及所述的第二交流输入端的第二电压产生所述的第二及第四控制信号；以及
准位平移器，连接所述的第一MOSFET、第三MOSFET及所述的检测器，平移所述的第二及第四控制信号产生所述的第一及第三控制信号；
其中，在所述的第一电压大于第一预设值时，所述的第一及第四MOSFET导通，在所述的第二电压大于第二预设值时，所述的第二及第三MOSFET导通。
10.如权利要求9所述的桥式整流器，其特征在于，所述的第一及第三MOSFET具有P型通道。
11.如权利要求9所述的桥式整流器，其特征在于，所述的检测器包括：
第一对串联的电阻，连接所述的第一交流输入端，将所述的第一电压分压产生第三电压；
第一比较器，连接所述的第一对串联的电阻，比较所述的第三电压及第一参考电压产生所述的第四控制信号；
第二对串联的电阻，连接所述的第二交流输入端，将所述的第二电压分压产生第四电压；以及
第二比较器，连接所述的第二对串联的电阻，比较所述的第四电压及第二参考电压产生所述的第二控制信号。
12.如权利要求9所述的桥式整流器，其特征在于，所述的检测器包括：
第一空乏型晶体管，连接所述的第一交流输入端，接收所述的第一电压以产生第三电压，并限制所述的第三电压的最大值；以及
第一比较器，连接所述的第一空乏型晶体管，比较所述的第三电压及第一参考电压产生所述的第四控制信号；
第二空乏型晶体管，连接所述的第二交流输入端，接收所述的第二电压以产生第四电压，并限制所述的第四电压的最大值；以及
第二比较器，连接所述的第二空乏型晶体管，比较所述的第四电压及第二参考电压产生所述的第二控制信号。
13.如权利要求9所述的桥式整流器，其特征在于，所述的准位平移器包括：
第一电阻，连接在所述的直流输出端及所述的第一MOSFET的闸极之间；
第一二极管，与所述的第一电阻并联，用以限制所述的第一电阻的跨压；
第一开关，因应所述的第四控制信号而切换，以决定提供至所述的第一MOSFET的闸极的第一控制信号；
第一空乏型晶体管，连接在所述的第一MOSFET的闸极及所述的第一开关之间，用以限制所述的第一开关的最大跨压；
第二电阻，连接在所述的直流输出端及所述的第三MOSFET的闸极之间；
第二二极管，与所述的第二电阻并联，用以限制所述的第二电阻的跨压；
第二开关，因应所述的第二控制信号而切换，以决定提供至所述的第三MOSFET的闸极的第三控制信号；以及
第二空乏型晶体管，连接在所述的第三MOSFET的闸极及所述的第二开关之间，用以限制所述的第二开关的最大跨压。
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