CN110855132B - 具有晶闸管的整流电路 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及具有晶闸管的整流电路。一种整流电路，包括：第一输入端子和第二输入端子；第一输出端子和第二输出端子；电感器，耦合至所述第一输入端子和所述第二输入端子之一；第一二极管，耦合在所述第一输入端子与所述第二输出端子之间；第一晶闸管，具有耦合到所述第一输入端子的阴极和耦合到所述第二输出端子的阳极；以及第一控制级，在操作中，所述第一控制级控制所述第一晶闸管，所述第一控制级耦合在第一电压与第二电压之间，所述第一电压相对于所述第二输出端子处的电压为正，并且所述第二电压相对于所述第二输出端子处的电压为负。

Description

具有晶闸管的整流电路
本申请是申请日为2016年05月30日、申请号为“201610416443.8”、发明名称为“具有晶闸管的整流电路”的中国专利申请的分案申请。
本申请要求2015年12月15日提交的法国专利申请号15/62393的优先权，其内容在此处以法律允许的最大程度通过引入整体合并于此。
技术领域
本公开总体上涉及电子电路，并且更具体地涉及基于二极管和晶闸管形成整流桥。
背景技术
已知基于晶闸管的使用的可控整流桥的多种实施方式。
例如，美国专利号6493245描述了一种整流桥，其具有设置在桥上部中的阴极-门极晶闸管，即，阴极被连接到整流电压的正电位。
发明内容
一个实施例克服了具有晶闸管的常见整流桥的所有或部分缺点。
另一实施例更具体地提供了一种具有简化控制的可控整流桥。
另一实施例提供了一种与由桥控制的负载的电流以显著的比例变化的应用兼容的可控整流桥。
由此，一个实施例提供了一种整流电路，包括：
至少一个第一二极管，在施加AC电压的第一端子和传输整流电压的第一端子之间；
至少一个第一阳极-门极晶闸管，在施加AC电压的第二端子和传输整流电压的第二端子之间，第一晶闸管的阳极被连接到第二整流电压传输端子；
至少一个第一级，用于控制第一晶闸管，包括：
第一晶体管，其将晶闸管的门极耦合到相对于第二整流电压传输端子的电位是负电位的传输端子；以及
第二晶体管，其将第一晶体管的控制端子连接到相对于第二整流电压传输端子的电位是正电位的传输端子，
第一晶闸管的阳极被连接到由所述正和负电位定义的电压的公共电位。
根据一个实施例，该电路进一步包括：
至少一个第二二极管，在施加AC电压的第二端子和传输整流电压的第一端子之间；
至少一个第二阳极-门极晶闸管，在施加AC电压的第一端子和传输整流电压的第二端子之间，第二晶闸管的阳极被连接到传输整流电压的第二端子；以及
至少一个第二级，用于控制第二晶闸管，包括：
第三晶体管，其将第二晶闸管的门极耦合到传输所述负电位的所述端子；以及
第四晶体管，其将第三晶体管的控制端子连接到传输所述正电位的所述端子。
一个实施例提供了一种整流电路，包括：
第一端子和第二端子，旨在接收AC电压；
第三端子和第四端子，旨在传输整流电压；
整流桥，其具有分别连接到第一和第二端子的输入端子，并具有
分别连接到第三端子并通过第一阳极-门极晶闸管被连接到第四端子的输出端子；
用于控制晶闸管的级，包括：
第一晶体管，其将第一晶闸管的门极耦合到相对于传输整流电压的第二端子的电位是负电位的传输端子；以及
第二晶体管，其将第一晶体管的控制端子连接到相对于第二整流电压传输端子的电位是正电位的传输端子，
第一晶闸管的阳极被连接到由所述正和负电位定义的电压的公共电位。
根据一个实施例，第二或第二和第四晶体管由数字电路控制。
根据一个实施例，电阻元件被***在第一或每个晶闸管的门极与第一晶体管或第一和第三晶体管中的每个之间。
根据一个实施例，电阻元件被***在第一或每个第一和第三晶体管的基极与第二或第二和第四MOS晶体管中的每个之间。
根据一个实施例，第一或第一和第三晶体管是双极晶体管，优选NPN型。
根据一个实施例，第二或第二和第四晶体管是MOS晶体管。
根据一个实施例，控制电路由通过电源电路传输的正电压(Vdd)供电，电源电路连接到第一整流电压传输端子，电容器将电源电路连接到第二整流电压端子。
根据一个实施例，所述负电位由电荷泵电路从电源电路获得。
根据一个实施例，与电阻元件串联连接的至少一个二极管将传输整流电压的第二端子连接到施加AC电压的端子中的一个。
前述以及其他特点和优势将在下面的具体实施例的非限制性描述中结合附图详细讨论。
附图说明
图1是具有晶闸管的常见整流桥的示例的电路图；
图2是具有晶闸管的可控整流电路的实施例的方框图；
图3是图2的电路的实施例的电路图；
图4图示了用于生成用于图2和3的整流桥的负电压的电路的示例；
图5部分地示出了备选实施例；
图6部分地示出了另一备选实施例；以及
图7部分地示出了另一实施例。
具体实施方式
相同的元件在不同的附图中被指定相同的附图标记。为了清楚，只有那些对理解所描述的实施例有用的步骤和元件被示出和详述。具体而言，整流电压如何使用没有被详述，所描述的实施例与这种整流电压的常见应用兼容。而且，用于从微控制器生成控制信号的电路也没有被详述，此处所描述的实施例还与常见控制信号生成电路兼容。为了简化，在下面的说明中，二极管和晶闸管中的正向压降将被忽略。
图1是上面提及的文档US 6493245中描述的类型的具有晶闸管的可控整流桥的示例的电路图。该桥是全波桥，并且包括在传输整流电压Vout的两个端子11和12之间的两个并联支路。每条支路分别包括分别连接到二极管D1和D2的晶闸管Th1和Th2，二极管的阳极在端子12那一侧，其限定了整流电压Vout的最负电位(通常是接地或基准电位)。晶闸管和二极管的相应连接点限定了施加待整流的AC电压Vac的两个端子13和14。电容元件C通常被连接在端子11和12之间来平滑整流电压。
晶闸管Th1和Th2是旨在由信号CT控制的阴极-门极晶闸管。
在这种可控整流桥中，不能应用直接源自微控制器的控制电压，更一般地，也不能应用直接参照基准电位12的电压，因为晶闸管Th1和Th2的阴极的参照在整流电压的最正电位(端子11)侧。这使得使用电流隔离变压器或光耦合器类型的转换元件15来转换控制信号的参照。
这种实施方式增加了可控整流桥的生产成本。
图2以框图的形式非常示意地示出可控整流电路(具有晶闸管的整流桥)的一个实施例。该电路包括整流桥，其具有传输整流电压Vout的两个端子21和22之间的两条并联支路，端子22表示基准电位，通常是接地GND。每个支路包括在端子21和22之间分别连接到晶闸管TH1、TH2的二极管D3、D4，晶闸管的阳极被连接到端子22，二极管的阴极被连接到端子21。两条支路的各自中点限定了施加待整流的AC电压Vac的端子23和24，端子23被连接到二极管D3的阳极和晶闸管TH1的阴极，端子24被连接到二极管D4的阳极和晶闸管TH2的阴极。优选地，滤波电容元件C连接端子21和22。
晶闸管TH1和TH2是阳极-门极晶闸管。晶闸管TH1和TH2的各自门极经由级4和5接收来自电路3的控制信号，其中电路3是数字控制电路或微控制器类型(CTRL)的。例如，控制电路3是由低正电压供电(例如，具有从3.3伏至12伏范围的值)的微控制器或集成电路。低正电压Vdd被提供在端子25和端子22之间，端子25在正电位Vdd。与电压Vout(在从几十伏到数百伏的范围内)相比，电压Vdd更低。
为了电流在晶闸管TH1和TH2之一中流动，其阳极电压应该大于它的阴极电压，并且它应该通过将电流汲取到其门极上而被激活。由于晶闸管TH1和TH2的阳极被连接到端子22，为了汲取电流到它们各自的门极上，后者必须被置于相对于接地的负电位。为了能够直接处理(没有光耦合器等)从电路3接收的控制信号，级4和5由正电位Vdd(端子25)供电。然而，为了将门极置于负电位，级4和5的基准(低电位)是提供在端子26上的负电位-Vdd′，而不是接地。根据适配到应用和所使用的部件和电路的正电压和负电压，电位Vdd和-Vdd′的绝对值可以相同或不同。
图3是图2的电路的实施例的电路图。特别地，图3详述了形成级4和5和生成正电压Vdd的示例。
每一级4、5分别包括分别与NPN型双极晶体管T4、T5串联在晶闸管TH1、TH2的门极与电位-Vdd的端子26之间的电阻器R4、R5，晶体管T4或T5的发射极被连接到端子26。晶体管T4、T5的基极分别经由分别与电阻器R4′、R5′串联连接的MOS晶体管M4、M5连接到电位Vdd的端子25。晶体管M4、M5分别在端子25侧。晶体管M4和M5的栅极被连接到提供DC控制信号的控制电路3的输出。另一方面，电路或微控制器3可从未示出的其它电路接收信息。
在静态中，晶体管M4和M5的栅极在电位Vdd。因此，晶体管M4和M5以及晶体管T4和T5关断。然后晶闸管TH1和TH2关断，并且整流桥关断。
为了接通晶闸管TH1或TH2中的一个，电路3将其连接到对应晶体管M4或M5门极的输出置于接地。因此，晶体管M4、M5分别被接通。接着，基极电流被分别注入晶体管T4、T5的基极，将其接通。然后，门极电流被汲取到相关的晶闸管TH1或TH2的门极上，因此桥的对应支路导通。
实际上，晶闸管TH2在输入电压Vac的正半波期间被接通，晶闸管TH1在负半波期间被接通。
电阻器R4′、R5′、R4和R5使得能够设置晶体管T4和T5各自的基极中以及晶闸管TH1和TH2各自的门极中的电流。
作为变化，MOS晶体管M4和M5可用双极晶体管代替，例如，如果电路3能够提供电流控制。类似地，双极晶体管T4和T5可用MOS晶体管代替。
正电压Vdd可源自外部电源，但是，优选地，由电源电路6(DC/DC)从电压Vout产生。电容元件Ca连接在电路6和端子22之间。电路6是电压调节器类型的，用来提供适用于电路3的电源电压。
优选地，负电压-Vdd′通过电路7(NS)间接从电压Vout获得，电路7从电压Vdd产生电压-Vdd′。
图4示出了用于产生负电压-Vdd的电路7的示例。
在该示例中，电路7具有电容电荷泵的形式，并且，在端子26和22之间，包括并联的第一电容器C71与两个串联连接的二极管D72和D73，二极管D72和D73的阳极在端子26侧。二极管D72和D73的连接点74(二极管D73的阳极和二极管D72的阴极)通过与电阻器R76串联的第二电容器C75连接到端子77，端子77被施加一系列Vdd电位的脉冲。端子77例如被连接到数字电路3的输出端子。诸如图4所示的电荷泵电路的操作本质上是常见的。
生成负电源电压的其他结构例如可被提供为具有多个电容级。
与图1的电路相比，所描述的实施例的优势在于，不再需要使用光耦合器或电流绝缘变压器类型的转换元件来为晶闸管施加控制信号。这显著简化了可控整流桥的形成，并降低了其成本。
在电压Vdd和-Vdd′由外部电路提供的实施例中，控制信号可由电路3提供，电路3甚至具有初始放电的电容器C。
在图3的实施例中，电压Vdd和-Vdd′从电压Vout获得，应当提供启动辅助。
图5部分地图示了启动电路的实施例。
根据该示例，电感元件L被设置在端子23和24之一(图5中，端子23)与桥的输入之间，其中桥具有连接到其的这一端子。该电感的作用是当晶闸管TH1和TH2接通时，而电容器C没有或仅仅被稍微充电时，减慢从端子23和24采样的电流的增长。
电感元件(未示出)例如也可被放置在端子21与晶闸管TH1和TH2的两个阳极的公共点之间的输出处。该电感元件可被放置在电容器C的上游或下游。这种类型的元件例如可被用在开关电源电路中，用来校正从网络采样的电流的功率因数。
图6部分地图示了启动电路的变化。
根据该示例，二极管D6经由电阻器R6将输入端子之一(例如，端子24)连接到接地22。另一二极管D7可将另一输入端子(例如，端子23)连接到电阻器R6，以在全波模式中启动。该电阻(其通常具有温度变化系数)用于使电容器C在通电时充电，而电路3还没有被通电，从而不能控制晶闸管TH1和TH2，因此晶闸管TH1和TH2在关断状态(否则阻止C的任何充电)。这种实施例使能对电路3供电，同时避免桥输入处的电感元件。
图7部分地图示了另一实施例，其中整流桥是仅由二极管D1、D2、D3和D4形成的全波桥。这相当于用二极管D1和D2代替晶闸管TH1和TH2。那么该桥由单个阳极-门极晶闸管TH控制，晶闸管TH连接在二极管D1和D2的公共阳极与端子22之间。晶闸管TH由电路4控制。
已经描述了各种实施例。本领域技术人员将想到各种替换、修改和改进。更具体地，虽然结合与全波整流桥相关的示例描述了这些实施例，但是可通过使用单个晶闸管来提供半波桥。也可提供多相网络，其具有与相数同样多的晶闸管-二极管臂(例如，用于三相网络的三个晶闸管和三个二极管)。此外，能够控制整流桥的控制信号的生成取决于应用，并且在本领域技术人员根据该应用的能力范围内。此外，基于上面描述的功能指示，已经描述的实施例的实际实现在本领域技术人员的能力范围内。
这种替换、修改和改进旨在作为本公开的一部分，并旨在本发明的精神和范围内。因此，前面的描述仅是示例的方式，不是旨在限制。本发明仅由下面定义的权利要求及其等价形式限定。

Claims (20)

1.一种整流电路，包括：
第一输入端子和第二输入端子；
第一输出端子和第二输出端子；
电感器，耦合至所述第一输入端子和所述第二输入端子之一；
第一二极管，耦合在所述第一输入端子与所述第二输出端子之间；
第一晶闸管，具有耦合到所述第一输入端子的阴极和耦合到所述第二输出端子的阳极；以及
第一控制级，在操作中，所述第一控制级控制所述第一晶闸管，所述第一控制级耦合在第一电压与第二电压之间，所述第一电压相对于所述第二输出端子处的电压为正，并且所述第二电压相对于所述第二输出端子处的电压为负。
2.根据权利要求1所述的电路，其中所述第一控制级包括：
第一晶体管，耦合在所述第一晶闸管的栅极与所述第二电压之间；以及
第二晶体管，耦合在所述第一晶体管的栅极与所述第一电压之间。
3.根据权利要求2所述的电路，进一步包括：
第二二极管，耦合在所述第二输入端子与所述第一输出端子之间；
第二晶闸管，具有耦合到所述第二输入端子的阴极和耦合到所述第二输出端子的阳极；以及
第二控制级，在操作中，所述第二控制级控制所述第二晶闸管，所述第二控制级耦合在所述第一电压与所述第二电压之间。
4.根据权利要求3所述的电路，其中所述电感器连接在所述第二输入端子与第一中间节点之间，所述第二二极管连接在所述第一中间节点与所述第一输出端子之间，并且所述第二晶闸管连接在所述第一中间节点与所述第二输出端子之间。
5.根据权利要求3所述的电路，其中所述第二控制级包括：
第三晶体管，耦合在所述第二晶闸管的栅极与所述第二电压；以及
第四晶体管，耦合在所述第三晶体管的栅极与所述第一电压之间。
6.根据权利要求5所述的电路，进一步包括电子控制电路，所述电子控制电路在操作中控制所述第二晶体管和所述第四晶体管中的至少一个。
7.根据权利要求5所述的电路，进一步包括：
第一电阻器，耦合在所述第一晶闸管的栅极与所述第一晶体管之间；以及
第二电阻器，耦合在所述第二晶闸管的栅极与所述第三晶体管之间。
8.根据权利要求5所述的电路，进一步包括：
第一电阻器，耦合在所述第一晶体管的栅极与所述第二晶体管之间；以及
第二电阻器，耦合在所述第三晶体管的栅极与所述第四晶体管之间。
9.根据权利要求1所述的电路，其中所述电感器连接在所述第一输入端子与第一中间节点之间，所述第一二极管连接在所述第一中间节点与所述第一输出端子之间，并且所述第一晶闸管连接在所述第一中间节点与所述第二输出端子之间。
10.根据权利要求1所述的电路，进一步包括：
电源电路，所述电源电路在操作中生成所述第一电压，所述电源电路具有耦合到所述第一输出端子的输入以及输出所述第一电压的输出；以及
电容器，耦合在所述电源电路的输出与所述第二输入端子之间。
11.根据权利要求10所述的电路，进一步包括：
电荷泵电路，所述电荷泵电路在操作中生成并输出所述第二电压。
12.一种电路，包括：
整流桥；所述整流桥包括：
第一输入端子和第二输入端子；
第一输出端子和第二输出端子；以及
第一晶闸管和第二晶闸管，所述第一晶闸管和所述第二晶闸管中的每一个耦合在所述第一输入端子和所述第二输入端子中的相应一个与所述第二输出端子之间；
电感器，耦合至所述整流桥的第一输入端子和第二输入端子之一；
第一控制级，被配置为控制所述第一晶闸管，所述第一控制级耦合在供应第一电压的第一电压端子与供应第二电压的第二电压端子之间，所述第一电压相对于所述第二输出端子处的电压为正，并且所述第二电压相对于所述第二输出端子处的电压为负；以及
第二控制级，被配置为控制所述第二晶闸管，所述第二控制级耦合在所述第一电压端子与所述第二电压端子之间。
13.根据权利要求12所述的电路，其中所述第一控制级包括：
第一晶体管，耦合在所述第一晶闸管的栅极与所述第二电压端子之间；以及
第二晶体管，耦合在所述第一晶体管的栅极与所述第一电压端子之间。
14.根据权利要求13所述的电路，其中所述第二控制级包括：
第三晶体管，耦合在所述第二晶闸管的栅极与所述第二电压端子之间；以及
第四晶体管，耦合在所述第三晶体管的栅极与所述第一电压端子之间。
15.根据权利要求14所述的电路，进一步包括数字控制电路，所述数字控制电路被配置为控制所述第二晶体管和所述第四晶体管。
16.根据权利要求12所述的电路，其中所述整流桥进一步包括：
第一二极管，耦合在所述整流桥的第一输入端子与第二输出端子之间；以及
第二二极管，耦合在所述整流桥的第二输入端子与第一输出端子之间。
17.根据权利要求12所述的电路，进一步包括：
电源电路，具有耦合到所述整流桥的第一输出端子的输入，所述电源电路被配置为生成所述第一电压并将所述第一电压输出给所述第一电压端子；以及
电容器，耦合在所述第一电压端子与所述第二输出端子之间。
18.一种用于整流的方法，包括：
将电感器耦合到整流电路的第一输入端子和第二输入端子之一；
将第一二极管耦合在所述第一输入端子与所述整流电路的第一输出端子之间；
将第一晶闸管的阴极耦合到所述第一输入端子；
将所述第一晶闸管的阳极耦合到所述整流电路的第二输出端子；
将所述第一晶闸管的门极经由第一晶体管耦合到负电位电源端子；以及
将所述第一晶体管的栅极经由第二晶体管耦合到正电位电源端子。
19.根据权利要求18所述的方法，进一步包括：
将所述电感器连接在所述第一输入端子与第一中间节点之间；
将所述第一二极管连接在所述第一中间节点与所述第一输出端子之间；以及
将所述第一晶闸管连接在所述第一中间节点与所述第二输出端子之间。
20.根据权利要求18所述的方法，进一步包括：
将第二二极管耦合在所述第二输入端子与所述第一输出端子之间；
将第二晶闸管的阴极耦合到所述第二输入端子；
将所述第二晶闸管的阳极耦合到所述第二输出端子；
将所述第二晶闸管的门极经由第三晶体管耦合到所述负电位电源端子；以及
将所述第三晶体管的栅极经由第四晶体管耦合到所述正电位电源端子。
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