一种有源全桥整流器的制作方法

本发明涉及整流器领域，具体地，涉及一种有源全桥整流器。

背景技术：

全波整流桥是一种被大量使用的电子元件，其主要用途有：

1.用于ac/dc电源中，主要用作在ac输入端，作为整流器，将交流电整流为直流电，用于做后续的处理，如pfc，产生5v，12v等直流电，以做后续处理。

2.对于一些直流供电的电子设备中，实现无极性输入。

请参考图1，传统的全波整流桥通常由四个功率二极管构成，这些二极管主要有肖特基二极管(ss54)，雪崩二极管等等，低压直流输入的电子设备常使用肖特基二极管。而汽车和大型家电等用电设备中常使用雪崩二极管。

1.在低压电子设备中通常使用肖特基二极管做反接保护或者全波整流，以提供无极性供电功能，肖特基二极管的导通电压在0.4～0.7v左右，当通过2a电流的情况下，会使得肖特基二极管的功耗高达0.8～1.4w，如果电流增加，二极管整流桥的功耗也会相应增加，该增加的功耗对低压供电设备来说，可能占到整个设备耗电的10％。一方面降低了设备的效率，另外一方面增加了散热设计的难度。另外肖特基二极管在高温下，存在反向漏电的问题，该漏电会进一步增加设备的功耗，降低用电设备的可靠性。

2.汽车发电机整流桥中，通常使用雪崩二极管，该二极管的导通压降高达1.2v，在30a的电流下，单颗二极管的功耗高达40w，整流桥的功耗更是高达80w，将降低汽车的碳排放性能。最新的mcd(moscontrolleddiode)二极管能够将导通压降降低至0.6v，但是仍然存在高功耗的问题。

3.在大功率用电设备如电动汽车充电桩、电焊机和大型空调当中，也需要使用二极管作为整流桥使用，其耐压可以达到750v，通过电流30a时，其导通压降高达1.5v，功率损耗较大，散热设计复杂。

技术实现要素：

本发明提供了一种有源全桥整流器，能够大幅度降低整流桥的导通压降，从而降低整流桥堆的功耗和发热，提升整流桥的效率。

为实现上述发明目的，本申请提供了一种有源全桥整流器，所述整流器包括：

有源同步整流半桥控制器、4个nmosfet管、4个二极管、电容；4个nmosfet管分别为：qah、qbh、qal、qbl；4个二极管分别为第一至第四二极管；

有源同步整流全桥控制器的vcc端与整流器的vdc输出端连接；有源同步整流全桥控制器的vsa端与整流器的vac+输入端连接，有源同步整流全桥控制器的vsb端与整流器的vac-输出端连接；有源同步整流全桥控制器的agnd端接地；第一二极管的正极、qah的源极均与整流器的vac+输入端连接，第一二级管的负极和qah的漏极均与整流器的vdc输出端连接，qah的栅极与有源同步整流全桥控制器的drvah端连接；第二二极管的正极、qbh的源极均与整流器的vac-输出端连接，第二二级管的负极和qbh的漏极均与整流器的vdc输出端连接，qbh的栅极与有源同步整流全桥控制器的drvbh端连接；第三二极管的正极、qal的源极均接地，第三二级管的负极和qal的漏极均与整流器的vac+输入端连接，qal的栅极与有源同步整流全桥控制器的drval端连接；第四二极管的正极、qbl的源极均接地，第四二级管的负极和qbl的漏极均与整流器的vac-输出端连接，qbl的栅极与有源同步整流全桥控制器的drvbl端连接；电容一端与整流器的vdc输出端连接，电容另一端接地。

本申请还提供了另外一种有源全桥整流器，所述整流器包括：

第一有源同步整流半桥控制器、第二有源同步整流半桥控制器、4个nmosfet管、4个二极管、电容；4个nmosfet管分别为：qah、qbh、qal、qbl；4个二极管分别为第一至第四二极管；第一有源同步整流半桥控制器的vcc端和第二有源同步整流半桥控制器的vcc端均与整流器的vdc输出端连接；第一有源同步整流半桥控制器的vsense端与整流器的vac+输入端连接，第二有源同步整流半桥控制器的vsense端与整流器的vac-输出端连接；第一有源同步整流半桥控制器的agnd端和第二有源同步整流半桥控制器的agnd端均接地；第一二极管的正极、qah的源极均与整流器的vac+输入端连接，第一二级管的负极和qah的漏极均与整流器的vdc输出端连接，qah的栅极与第一有源同步整流半桥控制器的drvh端连接；第二二极管的正极、qbh的源极均与整流器的vac-输出端连接，第二二级管的负极和qbh的漏极均与整流器的vdc输出端连接，qbh的栅极与第二有源同步整流半桥控制器的drvh端连接；第三二极管的正极、qal的源极均接地，第三二级管的负极和qal的漏极均与整流器的vac+输入端连接，qal的栅极与第一有源同步整流半桥控制器的drvl端连接；第四二极管的正极、qbl的源极均接地，第四二级管的负极和qbl的漏极均与整流器的vac-输出端连接，qbl的栅极与第二有源同步整流半桥控制器的drvl端连接；电容一端与整流器的vdc输出端连接，电容另一端接地。

进一步的，整流全桥整流器包括2个半桥同步整流器，半桥同步整流器包括：上nmosfet管qh、下nmosfet管ql、逻辑控制模块、vac低电压检测模块、欠压封锁模块、振荡器、稳压电源、电荷泵、电平位移器、电容、高侧栅极驱动、高侧迟滞比较器、低侧迟滞比较器、低侧栅极驱动、上二极管、下二极管；

半桥同步整流器的vac输入端通过vac低电压检测模块与逻辑控制模块连接，逻辑控制模块与欠压封锁模块连接，欠压封锁模块与半桥同步整流器的vcc端连接；振荡器、电荷泵、电平位移器、高侧迟滞比较器的输出端、低侧迟滞比较器的输出端、低侧栅极驱动的输入端均与逻辑控制模块连接；振荡器与电荷泵和稳压电源均连接，稳压电源与电荷泵和半桥同步整流器的vcc端均连接，电荷泵与电容的正极、高侧栅极驱动均连接，电平位移器与电容的负极、高侧栅极驱动的输入端、上nmosfet管qh的源极均连接，高侧栅极驱动的输出端与上nmosfet管qh的栅极连接，上nmosfet管qh的漏极与半桥同步整流器的vcc端连接，上nmosfet管qh的源极与半桥同步整流器的vac输出端连接，上二极管的正极与上nmosfet管qh的源极连接，上二极管的负极与上nmosfet管qh的漏极连接；半桥同步整流器的vcc端与高侧迟滞比较器的正输入端连接，高侧迟滞比较器的负输入端和低侧迟滞比较器的正输入端均与半桥同步整流器的vac输出端连接，低侧迟滞比较器的负输入端接地；低侧栅极驱动的输出端与下nmosfet管ql的栅极连接，下nmosfet管ql的源极、下二极管的正极均接地，下nmosfet管ql的漏极和下二极管的负极均与半桥同步整流器的vac输出端连接。

进一步的，vcc是两个半桥同步整流器的输出端，gnd是两个半桥同步整流器的接地点，vac是前级电源的一个输出端；qh和ql分别用高侧栅极驱动电路和低侧栅极驱动电路进行开启和关断；高侧迟滞比较器检测qh源漏极电压降，当vac>vcc+400mv，高侧迟滞比较器输出zcd_hs为低电平；当vac<vcc+10mv，高侧迟滞比较器输出zcd_hs为高电平；低侧迟滞比较器检测ql源漏极电压降，当vac<-400mv，低侧迟滞比较器输出zcd_ls为低电平；当vac>-10mv，低侧迟滞比较器输出zcd_ls为高电平；欠压封锁模块为逻辑控制模块电源欠压检测电路，当vcc>7v，uv＝l，vcc<6.5v，uv＝h；vac低电压检测模块为输入电源vac欠压检测电路，当vac>3v，aclow＝l，vac<2.5v,aclow＝h；稳压电源用于给内部其他电路模块提供电源电压和所需的偏置电压、偏置电流；电荷泵电路用于产生一个偏置电压vcp＝vac+5v，给高侧栅极驱动电路和电平位移电路提供电源电压；振荡器电路生成一个5mhz时钟ck_5m给电荷泵电路，自举v6到vcp＝vac+5v；电平位移器用于把从逻辑控制电路输出的低压上管控制信号hson转换到vcp和vac之间的高电压域。

进一步的，逻辑控制模块内部控制时序为：vac从0v开始上升，vcc通过qh的体二极管跟踪vac上电，当vcc>7v后，uv＝l；电荷泵使能信号encp＝h，同时开启振荡器和电荷泵，vcp电压被自举到vac+5v，给高侧栅极驱动电路提供电源电压；当zcd_hs＝l后，qh打开，负载电流从二极管转移到mos管沟道，导通压降vdson从0.7v减小到io*rdson，rdson是qh的导通电阻；vac从最高电压开始下降，当zcd_hs＝h后，qh关断，负载电流全部由vcc的输出电容提供；vac下降到低于2.5v后，aclow＝h，encp＝l,电荷泵和振荡器停止工作，vcp最低电压稳定在5.3v；vac重新升高到vcc+0.4后，再开启qh；下电过程为vac持续为低，输出电流对vcc电容放电，直到vcc<6.5v，uv＝h，关断芯片内功能电路，芯片复位。

进一步的，qh、ql的开关控制过程包括：

qh开启：vac电压为正，且升高到vcc+0.4v，高侧迟滞比较器输出电压zcd_hs变为低电平，经过一段传播延时后，drvh-vac变高，打开qh功率管，vac输入电流从mos管沟道流到vcc，其源漏导通压降为ivac*ron；

qh关断：vac从高于vcc开始降低，输入电流ivac随之变小，当vac-vcc<10mv时，高侧迟滞比较器输出电压zcd_hs变为高电平，经过一段传播延时后，drvh-vac变低，关断qh功率管，vac输入电流降低到0；

ql开启：vac电压从高于0v开始降低，当vac<-400mv时，低侧迟滞比较器输出电压zcd_ls变为低电平，经过一段传播延时后，drvl变高，打开ql功率管，vac输入电流从gnd经mos管沟道流到vac，其源漏导通压降为-ivac*ron

ql关断：vac电压从低于0v开始升高，当vac>-10mv时，低侧迟滞比较器输出电压zcd_ls变为高电平，经过一段传播延时后，drvl变低，关断ql功率管，vac输入电流降低到0。

本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

有源整流桥由于其导通压降低，可以为电器带来以下效果：提升整体效率，有源整流桥的导通电压相比于普通二极管可以降低90％；整机效率也能够有不同的提升，在低压12v输入的应用中，效率可提升10％；由于发热降低，可以降低系统的散热成本，提升可靠性；整流器件的发热降低，可以大幅度减小器件的体积，减小了pcb板面积，降低了系统设计难度。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；

图1是传统二极管整流桥堆示意图；

图2是本申请中有源全桥整流器的结构示意图；

图3是本申请中两个整流器半桥构成的全桥整流器的结构示意图；

图4是本申请中有源全桥整流器工作原理示意图；

图5是本申请中半桥同步整流器内部结构示意图；

图6是本申请中半桥同步整流器内部控制信号时序示意图；

图7是本申请中qh开关过程示意图；

图8是本申请中ql开关过程示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

针对低压应用二极管发热严重，而受其固有物理特性无法改善的原因，本申请提出了一种有源整流桥堆。该整流桥堆采用了感应控制ic，驱动nmosfet()作为开关控制电流的导通与截止。由于mosfet导通的时候，其内部结构为一个电阻，mosfet漏端和源端的电压受其电流大小的影响，当nmosfet的导通电阻(rdson)足够低的时候，nmosfet的功耗将远远低于二极管，压降可以从0.5～0.6v降低到0.05～0.15v,功耗下降90～80％，整流桥的发热大幅度降低，提升了效率，降低了散热成本。

有源整流桥采用mosfet作为控制开关使用，其特性是双向导通，与二极管单向导通特点有较大的不同，因此nmosfet在整理桥堆中使用的时候，必须有电路流配合，避免电流从输出端反向流到输入端。

有源全桥整流器工作原理：vac为输入交流或极性未知电源，两个端子l和n分别接到两个半桥整流器的上下管公共端。假设l为正极，n为负极，负载电流从vac->l->qah->vcc->rl->gnd->qbl->n回路返回电源(实线箭头方向)，此时，半桥控制器a打开上管qah，半桥控制器b打开下管qbl；反之，假设n为正极，l为负极，负载电流从vac->n->qbh->vcc->rl->gnd->qal->l回路返回电源(虚线箭头方向)，此时，半桥控制器b打开上管qbh，半桥控制器a打开下管qal，同样，回路中的主要损耗元件也只有两个nmos管的导通电阻rdson。通过设计合理的rdson，可使得整个负载范围内，vdson<0.1v，达到降低功耗提升效率的目的。

半桥有源同步整流器内部结构图。vcc是两个半桥整流器的输出公共端，gnd是两个半桥整流器的接地点，vac是前级电源的一个输出端，可以为vac+/vac-中的任意一个。qh和ql是nmos功率开关管，分别用高侧栅极驱动电路和低侧栅极驱动电路进行开启和关断。高侧迟滞比较器检测上管qh源漏极电压降，当vac>vcc+400mv，高侧迟滞比较器输出zcd_hs为低电平；当vac<vcc+10mv，高侧迟滞比较器输出zcd_hs为高电平。低侧迟滞比较器检测下管ql源漏极电压降，当vac<-400mv，低侧迟滞比较器输出zcd_ls为低电平；当vac>-10mv，低侧迟滞比较器输出zcd_ls为高电平。欠压封锁是芯片电源欠压检测电路，当vcc>7v，uv＝l(低电平)，vcc<6.5v,uv＝h(高电平)。vac低电压检测是输入电源vac欠压检测电路，当vac>3v，aclow＝l(低电平)，vac<2.5v,aclow＝h(高电平)。稳压电源给内部其他电路模块提供5.5v，6v电源电压和所需的偏置电压、偏置电流。电荷泵电路的作用是产生一个偏置电压vcp＝vac+5v，给高侧栅极驱动电路和电平位移电路提供电源电压。振荡器电路生成一个5mhz时钟ck_5m给电荷泵电路，自举v6到vcp＝vac+5v。电平位移电路是把从逻辑控制电路输出的低压上管控制信号hson转换到vcp和vac之间的高电压域。

芯片内部控制时序，以vac输入正电压说明。vac从0v开始上升，vcc通过上管qh的体二极管跟踪vac上电，当vcc>7v后，uv＝l，使能片内大部分电路；此时vac＝vcc+0.7＝7.7v>3v，所以aclow＝l；电荷泵使能信号encp＝h，同时开启振荡器和电荷泵，vcp电压被自举到vac+5v，给高侧栅极驱动电路提供电源电压。当zcd_hs＝l后，上管qh打开，负载电流从体二极管转移到mos管沟道，导通压降vdson从0.7v减小到io*rdson，rdson是qh的导通电阻。vac从最高电压开始下降，当zcd_hs＝h后，上管qh关断，防止vcc通过qh沟道电阻对vac放电，此后，负载电流全部由vcc的输出电容提供；vac下降到低于2.5v后，aclow＝h，encp＝l,电荷泵和振荡器停止工作，vcp最低电压稳定在5.3v左右。vac重新升高到vcc+0.4后，再开启上管qh，重复之前的过程。下电过程是vac持续为低，输出电流对vcc电容放电，直到vcc<6.5v，uv＝h，关断片内大部分功能电路，芯片复位。

下面逐个说明qh、ql的开关控制过程。

1a.qh开启：vac电压为正，且逐渐升高到vcc+0.4v，高侧迟滞比较器输出电压zcd_hs变为低电平，经过一段传播延时后，drvh-vac变高，打开qh功率管，vac输入电流从mos管沟道流到vcc，其源漏导通压降为ivac*ron。

1b.qh关断：vac从高于vcc开始降低，输入电流ivac随之变小，当vac-vcc<10mv时，高侧迟滞比较器输出电压zcd_hs变为高电平，经过一段传播延时后，drvh-vac变低，关断qh功率管，vac输入电流降低到0；

2a.ql开启：vac电压从高于0v开始降低，当vac<-400mv时，低侧迟滞比较器输出电压zcd_ls变为低电平，经过一段传播延时后，drvl变高，打开ql功率管，vac输入电流从gnd经mos管沟道流到vac，其源漏导通压降为-ivac*ron。

2b.ql关断：vac电压从低于0v开始升高，当vac>-10mv时，低侧迟滞比较器输出电压zcd_ls变为高电平，经过一段传播延时后，drvl变低，关断ql功率管，vac输入电流降低到0。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。