专利名称：用于单相和多相系统的通用ac-dc同步整流技术的制作方法
技术领域：
本发明涉及自驱动半桥和全桥同步整流，尤其是涉及用于单相到多相的通用同步整流技术和多级AC到DC功率转换。
背景技术：
二极管整流器的传导损耗明显促成电源中的总功率损耗，特别是在低输出电压应用中。整流器传导损耗是其正向电压降^和正向传导电流If的乘积。
图1(a)示出称为 “倍流器”的一种整流器电路。即使在使用低正向降肖特基二极管时，Dl或D2两端的电压降(通常为0. 3-0. 4V)与低输出电压(例如，等于或小于5V)比较也仍然明显。如果通过二极管的电流是1A，则来自二极管的功率损耗是大约0. 3W-0. 4W，其与输出功率例如5W比较相当大。在现有技术中已知的一个解决方案是“同步整流”(SR)，S卩，使用在第三象限中操作的低传导损耗有源开关例如MOSFET来代替二极管。η沟道(η型)象限III MOSFET意味着源极端子连接到比漏极端子高的电压，且电流从源极流到漏极。P沟道(P型)象限III MOSFET意味着漏极端子连接到比源极端子高的电压，且电流从漏极流到源极。在传导期间 MOSFET的内部电阻通常非常低，这因此减小了整流器传导损耗。图1(b)是应用于倍流器的自驱动SR的简单示意图。MOSFET的栅极驱动方案是将驱动器交叉耦合到输入AC电压。现有技术描述了应用于正向整流器的自驱动SR(例如参考文献[1] [3] [5] [6] [9] [13])、应用于中心抽头整流器的自驱动SR(例如参考文献[7] [19])、应用于倍流器的自驱动SR(例如参考文献[8])、应用于正向整流器的具有辅助绕组的SR(例如参考文献[4] [10] [18])、应用于中心抽头整流器的具有辅助绕组的SR(例如参考文献[4] [10] [11] [17])、应用于倍流器的具有辅助绕组的SR(例如参考文献[4] [10] [16])、应用于正向整流器的外部控制的SR(例如参考文献[2] [14])、应用于倍流器的外部控制的SR(例如参考文献[12] [20])和应用于反激式整流器的外部控制的SR(例如参考文献[15])。在现有技术的上面例子中，与辅助绕组版本和外部控制版本比较，自驱动SR是最简单的，因为不需要额外的绕组或额外的控制器。然而从现有技术的回顾中可看到，到此为止还没有提供自驱动全桥SR的成功尝试。全桥整流器是具有广泛应用的重要整流器电路。图2(a)和(b)中示出了一般单相全桥整流器。AC输入可以是电流源或电压源。在如图2(a)所示的第一半周期中，电流流经也称为电流环的输入、二极管D1、负载和二极管D4。 当电流方向反转时，二极管Dl和D4自动关断。电流接着流经作为另一电流环的输入、二极管D2、负载和二极管D3，如图2(b)所示。应注意，二极管的自动关断特性对电路的正常操作是关键的。实际自驱动全桥SR因此必须具有用于感测反向电流以关断适当的开关的机制。通过扩展应用于其它整流器(如图1(b)所示的整流器)的现有自驱动SR，可得到简单的自驱动全桥SR电路，如图3(a)所示，其中四个二极管由两个ρ型MOSFET Ml和M2 以及两个η型MOSFET Μ3和Μ4代替。Ml和Μ3通过感测点B的电压来驱动，而Μ2和Μ4通过感测点A的电压来驱动。这样的方法称为“电压控制的自驱动”(VCSD)，因为驱动信号耦合到电压。然而，在这个电路中存在缺陷。如图3(b)所示，通过Ml和M4的电流环可在两个方向上流动，因为VSCD栅极驱动器不能检测反向电流。电流也可在通过M2和M3的环中在两个方向上流动。与当电流被反转时可自动关断的图2中的二极管不同，具有双向开关电流流动的这样的开关可能使通信失败。因为η型功率MOSFET具有比ρ型MOSFET更低的导通状态电阻，对于高电流应用， 前面提到的两个P型MOSFET也可由2个η型MOSFET代替，假定额外的反转级被添加在如图4所示的栅极驱动电路中，以便保持基于检测输入ac电源的“自驱动”特征。一些现有技术使用其它方法来处理全桥SR(例如参考文献[21] [23] [24] [25] [26] [27] [28])，这些方法使用适合于应用PFC (功率因数校正)的外部控制器。也在现有技术中已知的是参考文献[22]，但该提议需要在次级绕组处产生正弦电压波形的谐振电容器和在输出处增强关断定时的平流电感器的帮助。但无源电容器和电感器在尺寸上较大， 且这不可避免地产生驱动脉冲之间的大的死时间，驱动脉冲在一个周期中不利地影响功率转移的持续时间。这种方法具有较大的限制。最终这种方法被改变为使用外部数字PLL控制的SR来实现小型化。这仍然不是自驱动全桥SR的例子。发明概述 根据本发明，提供了半桥或全桥整流器，其配置成使用电流源或电压源来提供同步整流，所述整流器包括上分支和下分支以及至少两个电流环，每个所述分支包括电压或电流控制的有源开关、电感器、二极管或其组合，其选择成使得所述环包括来自所述上分支的一个有源开关、电感器或二极管以及来自所述下分支的一个有源开关、电感器或二极管， 且其中每个所述电流环包括至少一个二极管、电感器或电流控制的有源开关，且其中至少一个电压或电流控制的有源开关包括在所述上分支或下分支之一中，且以没有电流环可包含两个电感器为条件。优选地，电压和电流控制的有源开关是自驱动的，且不需要外部控制信号。这样的电压控制的有源开关的一个例子是由输入ac电压驱动的开关，该输入ac电压通过栅极驱动电路被提供到所述开关。电流控制的有源开关的例子是通过感测开关的电流方向并根据电流方向将信号提供到栅极驱动电路来驱动的开关。有源开关可包括功率MOSFET或某个其它半导体开关器件。感测电阻器可用于感测电流方向，包括电流控制的有源开关的内部电阻可用于感测电流方向的可能性。整流器可配置成接收电流源或电压源。在本发明的一个实施方式中，上分支包括两个电压控制的有源开关，而下分支包括两个电流控制的有源开关，或一个电流控制的开关和一个二极管，或两个二极管。在本发明的另一实施方式中，上分支包括一个电压控制的有源开关和一个电流控制的有源开关或二极管，而下分支包括一个电压控制的有源开关和一个电流控制的有源开关或二极管，其中电流控制的有源开关或二极管没有设置在同一电流环中。在本发明的另一实施方式中，上分支包括一个电压控制的有源开关和一个电流控制的有源开关或二极管，而下分支包括两个电流控制的有源开关，或一个电流控制的开关和一个二极管，或两个二极管。在本发明的另一实施方式中，上分支包括两个电流控制的有源开关，或一个电流控制的有源开关和一个二极管，或两个二极管，而下分支包括两个电压控制的有源开关。
在本发明的另一实施方式中，上分支包括两个电流控制的有源开关，或一个电流控制的有源开关和一个二极管，或两个二极管，而下分支包括一个电压控制的有源开关和一个电流控制的有源开关或一个二极管。在本发明的另一实施方式中，整流器只包括在上分支和下分支中的电流控制的有源开关和/或二极管，且其中这些分支中的至少一个包括至少一个电流控制的有源开关。在本发明的另一实施方式中，整流器是半桥整流器，其中上分支和下分支每个都包括电容器、以及电流控制的有源开关、电感器或二极管之一，服从于这些分支的不超过一个包括二极管的限制。在本发明的另一实施方式中，整流器是包括上分支和下分支以及六个电流环的三相全桥整流器，每个分支包括电压或电流控制的有源开关、二极管或其组合，该有源开关、 二极管或其组合被选择成使得每个环包括来自上分支的一个有源开关或二极管以及来自下分支的一个有源开关或二极管，且其中每个电流环包括至少一个二极管或电流控制的有源开关，且其中至少一个电压或电流控制的有源开关包括在所述上分支或下分支之一中。在该实施方式的一种形式中，上分支包括三个电流控制的有源开关或二极管。在该实施方式的另一形式中，下分支包括三个电流控制的有源开关或二极管。在该实施方式的又一形式中，下分支和上分支每个包括两个电流控制的有源开关或二极管，且每个电流环包括至少一个电流控制的有源开关或二极管。根据本发明，还提供了多级整流器，其中每个级包括至少一个电路拓扑，电路拓扑包括上分支和下分支以及两个电流环，且其中至少所述电路拓扑配置成使得每个所述分支包括电压或电流控制的有源开关、电感器、二极管或其组合，该有源开关、电感器、二极管或其组合被选择成使得每个环包括来自所述上分支的一个有源开关、电感器或二极管以及来自所述下分支的一个有源开关、电感器或二极管，且其中每个所述电流环包括至少一个二极管或电流控制的有源开关，且其中至少一个电压或电流控制的有源开关包括在所述上分支或下分支之一中，且以没有电流环可包含两个电感器为条件。根据本发明，还进一步提供了包括上分支和下分支以及两个电流环的倍流器，其中上分支包括两个电感器，而下分支包括电压或电流控制的有源开关、二极管或其组合，且下分支包括至少一个电压控制的有源开关或至少一个电流控制的有源开关。附图的简要说明
现在作为例子并参考附图来描述本发明的一些实施方式，其中图1 (a)是根据现有技术的倍流整流器的电路图，图1 (b)示出自驱动SR对图1 (a)的倍流器的应用，图2是根据现有技术的二极管全桥整流器，图3是示出用MOSFET简单地代替二极管而没有感测反向电流的问题的图示，图4是根据本发明的一个实施方式的在上分支处使用η型MOSFET作为有源开关的自驱动全桥整流器，图5(a)_(c)分别示出(a) —个电流环以及VCSD和CCSD的实现的实施方式，(b) 一个电流环以及CCSD的第二可选的实现的实施方式，以及(c) 一个电流环以及CCSD的第三可选的实现的实施方式，图6是示出根据本发明的一个实施方式的全桥整流器系统中的分支位置的结构
6图，图7是示出根据本发明的一个实施方式的半桥整流器或倍压器系统中的分支位置的结构图，图8是示出根据本发明的一个实施方式的倍流器系统中的分支位置的结构图，图9是示出根据本发明的一个实施方式的三相整流器系统中的分支位置的结构图，图10是示出根据本发明的一个实施方式的多级级联的全桥整流器系统中的分支位置的结构图，图11是示出根据本发明的一个实施方式的电流源输入上半VCSD全桥同步整流电路的电路图，图12 (a) - (f)示出图11的电路中的电流流动，图13示出图11的电路的波形，图14示出用在全桥整流器(图2)中的肖特基二极管和用在SD SR(图11)中的有源开关(MOSFET)之间的传导损耗的比较，图15是示出根据本发明的一个实施方式的电流源输入上半VCSD和下半CCSD全桥同步整流电路的电路图，图16(a)_(j)示出图15的电路中的电流流动，图17示出图15的电路的波形，图18示出用在全桥整流器(图2)中的肖特基二极管和用在SD SR(图15)中的有源开关(MOSFET)之间的传导损耗的比较，图19是示出根据本发明的一个实施方式的电压源输入上半VCSD和下半CCSD全桥同步整流电路的电路图，图20 (a)-(1)示出图19的电路中的电流流动，图21示出图19的电路的波形，图22是示出根据本发明的一个实施方式的具有在下分支中的100-220V ac电压源输入VCSD开关的AC到DC同步整流系统的电路图，图23示出图22的波形，图M是示出根据本发明的一个实施方式的具有在下分支中的100-220V ac电压源输入CCSD开关和在上分支中的P沟道MOSFET VCSD开关的AC到DC同步整流系统的电路图，图25示出图M的波形，图沈是示出根据本发明的一个实施方式的具有在下分支中的100-220V ac电压源输入CCSD开关和在上分支中的N沟道M0SFETVCSD开关的AC到DC同步整流系统的电路图，图27是根据本发明的一个实施方式的具有电压源输入的三相自驱动下半VCSD全桥同步整流系统，图观示出图27的波形，图四是根据本发明的一个实施方式的具有电压源输入的多级自驱动下半VCSD全桥同步整流系统，
图30示出根据本发明的一个实施方式的具有电压源输入的2级自驱动下半VCSD 全桥同步整流系统的波形，以及图31是根据本发明的一个实施方式的合并SR电路的次级组件的结构图。优选实施方式的详细描述为了解决图3所示的电路中的缺陷，新的原理被提出如下在任何电流环(例如由图3(b)中的Ml和M4形成的电流环)中，不能存在两个电压控制的自驱动(VCSD)MOSFET。 在每个电流环中的开关的至少一个必须是二极管、有源开关或具有与二极管类似的特性的其它部件，因为有源开关或其它部件在其电流被反转时将被关断。在图5(a)-(c)中，例如，只以由Sl和S4形成的一个电流环作为例子。假设Sl是VCSD有源开关，则S4必须是二极管或有源开关或具有在电流反转方向时阻止电流流动的能力的某个其它部件。在图 5(a)到(c)中，也示出了开关的实现。Sl是由Ql和Q2所形成的互补栅极驱动电路驱动的 VCSDM0SFET，且该栅极驱动电路的输入交叉连接到一个输入电压端子(在本例中的点B)。 S4可以是二极管或有源开关。如果它是有源开关，则它必须通过感测电流来控制。这样的有源开关可称为电流控制的自驱动(CCSD)有源开关。如图5(a)所示，感测电阻器Rsen用于检测S4的电流流动方向。比较器Ul可根据Rsen所检测的电流流动方向来产生驱动脉冲。通过S4的正电流(“正”被定义为从地到点B的电流流动)将使比较器Ul的输出为高。比较器输出的高电压电平又将驱动由Q7和Q8形成的互补栅极驱动电路。S4因此根据其正电流流动方向被导通，并以相反的方式被关断。VCSD和CCSD有源开关在它们不需要外部控制电路的意义上都是自驱动的。图5(b)示出CCSD有源开关的第二可选的实现。如图5(b)所示，在图5(a)中示出的前面的电阻器Rsen被移除。这个CCSD有源开关使用其内部电阻来检测电流流动方向。比较器Ul仍可根据内部有源开关电阻所检测的电流流动方向来产生驱动脉冲。对Q7 和Q8的驱动脉冲控制机制仍然与图5(a)中的机制相同。该CCSD有源开关的优点是消除感测电阻器的使用。然而，缺点是它可能不适合于高电压整流，因为在比较器Ul的感测管脚处的太高的电压将是不够的。图5 (c)示出CCSD有源开关的第三可选的实现。这个CCSD有源开关使用用于检测 S4的电流流动方向的电阻器Rsen。然而，比较器Ul使用其非反相管脚作为电流感测检测管脚。在反相管脚处的电压偏置或电平移位电压以及以S4(例如，充当有源开关的M0SFET) 的“源级”为基准的比较器的地被添加。通过S4的正电流流动在电阻器Rsen的帮助下由比较器Ul检测到。正驱动脉冲接着产生，且Q7和Q8的脉冲控制机制被保持，如图5 (a)所示。当反向电流出现在开关S4时，偏置电压的添加减小了关断延迟时间。在引入应用例子的详细描述之前，将示出用于单相、多相系统的AC-DC同步整流技术的一般化，以便说明对通用电力线整流、三相(或多相)和多级系统提出的电路的有用性。一些应用的电路和原理作为例子被给出，其中自驱动全桥SR在下面的实施方式中被实现。因为有在整流系统中使用CCSD、VCSD和二极管的很多可能的组合，必须系统地识别出有效的配置，而不考虑AC-DC整流器系统有多少相和多少级。图3示出无效的SR配置之一，其有不阻止整流器的电流环中的反向电流的问题。必须识别出所有有效的SR电路， 这些电路是实际的。在这个特定例子中示出了单相、三相和多级自驱动全桥同步整流，且提出了 SR识别的系统方式，以及相应地用表格列出整流系统中的所有可能的SR电路。一般化AC-DC自驱动同步整流系统的系统地方式被显示如下在整流器中的上分支元件的位置被定义为Xi = 1. . η在整流器中的下分支元件的位置被定义为Xj\k^..n =k + n
j^i+n在上分支中的电路元件(其可为有源开关、二极管或其它电路元件)被定义为SXi在下分支中的电路元件被定义为SXj其中X代表分支中的电路元件的类型。电流控制的自驱动0XSD)有源开关、二极管和电感器与“1”的逻辑值相关。这些类型的电路元件展示抵抗瞬时电流变化的能力(虽然不是在传统意义上的开关，电感器可在本发明的实施方式中成功地起作用，好像它是CCSD有源开关一样，因为它能够抵抗在电流方向上的瞬时变化，然而应注意，包括两个电感器的电流环将不起作用)。电压控制的自驱动(VCSD)有源开关和电容器没有这种抵抗瞬时电流变化的能力。因此，它们被分配给 “0”的逻辑值。表1示出每个电路元件的相应逻辑值。
权利要求
1.一种半桥或全桥整流器，其配置成使用电流源或电压源来提供同步整流，所述整流器包括上分支和下分支以及至少两个电流环，每个所述分支包括电压或电流控制的有源开关、电感器、二极管或其组合，该有源开关、电感器、二极管或其组合被选择成使得所述环包括来自所述上分支的一个有源开关、电感器或二极管以及来自所述下分支的一个有源开关、电感器或二极管，且其中每个所述电流环包括至少一个二极管、电感器或电流控制的有源开关，且其中至少一个电压或电流控制的有源开关包括在所述上分支或下分支之一中， 且以没有电流环可包含两个电感器为条件。
2.如权利要求1所述的整流器，其中所述电压和电流控制的有源开关是自驱动的，且不需要外部控制信号。
3.如权利要求2所述的整流器，其中所述电压控制的有源开关由输入ac电压驱动，所述输入ac电压通过栅极驱动电路被提供到所述开关。
4.如权利要求2所述的整流器，其中所述电流控制的有源开关通过感测开关的电流方向并根据所述电流方向将信号提供到栅极驱动电路来驱动。
5.如权利要求4所述的整流器，其中所述有源开关包括功率MOSFET或某些其它半导体开关器件。
6.如权利要求4所述的整流器，还包括用于感测所述电流方向的感测电阻器。
7.如权利要求4所述的整流器，其中所述电流控制的有源开关的内部电阻用于感测所述电流方向。
8.如权利要求1所述的整流器，其中所述整流器配置成接收电流源。
9.如权利要求1所述的整流器，其中所述整流器配置成接收电压源。
10.如权利要求1所述的整流器，其中所述整流器是包括两个电流环的单相全桥整流
11.如权利要求10所述的整流器，其中所述上分支包括两个电压控制的有源开关，而所述下分支包括两个电流控制的有源开关，或一个电流控制的开关和一个二极管，或两个二极管。
12.如权利要求10所述的整流器，其中所述上分支包括一个电压控制的有源开关和一个电流控制的有源开关或二极管，而所述下分支包括一个电压控制的有源开关和一个电流控制的有源开关或二极管，其中所述电流控制的有源开关或二极管没有设置在同一电流环中。
13.如权利要求10所述的整流器，其中所述上分支包括两个电压控制的有源开关和一个电流控制的有源开关或二极管，而所述下分支包括两个电流控制的有源开关，或一个电流控制的开关和一个二极管，或两个二极管。
14.如权利要求10所述的整流器，其中所述上分支包括两个电流控制的有源开关，或一个电流控制的有源开关和一个二极管，或两个二极管，而所述下分支包括两个电压控制的有源开关。
15.如权利要求10所述的整流器，其中所述上分支包括两个电流控制的有源开关，或一个电流控制的有源开关和一个二极管，或两个二极管，而所述下分支包括一个电压控制的有源开关和一个电流控制的有源开关或一个二极管。
16.如权利要求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电流控制的有源开关和/或二极管，且其中所述分支中的至少一个包括至少一个电流控制的有源开关。
17.如权利要求1所述的整流器，其中所述整流器是半桥整流器，其中所述上分支和所述下分支每个都包括电容器、以及电流控制的有源开关、电感器或二极管之一，服从于所述分支的不超过一个包括二极管的限制。
18.如权利要求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个电流环的三相全桥整流器，每个所述分支包括电压或电流控制的有源开关、二极管或其组合， 其被选择成使得每个环包括来自所述上分支的一个有源开关或二极管以及来自所述下分支的一个有源开关或二极管，且其中每个电流环包括至少一个二极管或电流控制的有源开关，且其中至少一个电压或电流控制的有源开关包括在所述上分支或下分支之一中。
19.如权利要求18所述的整流器，其中所述上分支包括三个电流控制的有源开关或二极管。
20.如权利要求18所述的整流器，其中所述下分支包括三个电流控制的有源开关或二极管。
21.如权利要求18所述的整流器，其中所述下分支和上分支每个包括两个电流控制的有源开关或二极管，且每个电流环包括至少一个电流控制的有源开关或二极管。
22.—种多级整流器，其中每个级包括至少一个电路拓扑，所述电路拓扑包括上分支和下分支以及两个电流环，且其中至少所述电路拓扑配置成使得每个所述分支包括电压或电流控制的有源开关、电感器、二极管或其组合，该有源开关、电感器、二极管或其组合被选择成使得每个环包括来自所述上分支的一个有源开关、电感器或二极管以及来自所述下分支的一个有源开关、电感器或二极管，且其中每个所述电流环包括至少一个二极管，电感器或电流控制的有源开关，且其中至少一个电压或电流控制的有源开关包括在所述上分支或下分支之一中，且以没有电流环可包含两个电感器为条件。
23.一种包括上分支和下分支以及两个电流环的倍流器，其中所述上分支包括两个电感器，而所述下分支包括电压或电流控制的有源开关、二极管或其组合，且所述下分支包括至少一个电压控制的有源开关或至少一个电流控制的有源开关。
全文摘要
描述了用于单相和多相、单级和多级全桥和半桥整流的电路配置和拓扑，在所述整流器中二极管由电压控制的自驱动有源开关、电流控制的自驱动有源开关和电感器代替，以便减少在二极管中的传导损耗的效应。
文档编号H02M7/219GK102246405SQ200980132255
公开日2011年11月16日 申请日期2009年8月19日 优先权日2008年8月20日
发明者何永财, 刘逊, 蔡伟邦, 许树源 申请人:电方便有限公司