一种基于理想二极管的全桥整流器的制作方法

1.本实用新型涉及一种全桥整流器，具体是一种基于理想二极管的全桥整流器。


背景技术：

2.经典的无源二极管桥式整流器是一种得到广泛使用的电路，在需要进行ac-dc转换的应用中广泛采用这种电路。在大多数应用场合中，它都体现出简单和经济划算的特点。然而在高功率应用中，二极管会消耗大量的功率，产生很大的热耗散，而且当采用低电压输入时，二极管正向导通时，固有的管压降将大幅削减工作电压。
3.针对经典二极管桥式整流器的不足，可采用低导通内阻(rds-on)的mosfet替代全桥式整流器中的4个二极管，利用mosfet的体二极管作为整流二极管，当施加正向偏置电压时，每个mosfet都近似一个理想导体，当施加反向电压时，每个mosfet都近似一个理想绝缘体，因此每个mosfet都可以近似看作理想二极管。同时，通过驱动电路控制mosfet的源漏极与体二极管同步通断，让整流电流同时通过mosfet的体二极管和源流极，可显著电流通过能力和降低功率耗散。
4.采用mosfet构成全桥整流电路时，两个上桥臂采用两颗p沟道mosfet，两个下桥臂采用两颗n沟道mosfet，这种结构整流器的驱动电路虽然构建简单，但由于p沟道mosfet难以做到高耐压和通过大的电流，导通内阻大，且相同性能的p沟道mosfet的价格一般远高于n沟道mosfet，所以采用p沟道和n沟道mosfet搭建的全桥整流电路的应用受到极大的限制。


技术实现要素：

5.本实用新型针对现有技术的不足，提出了一种基于理想二极管的全桥整流器。
6.本实用新型解决技术问题所采取的技术方案为：
7.本实用新型包括：
8.全桥整流电路，由四个理想二极管元件构成；
9.四个驱动器单元，与所述四个理想二极管连接，用于控制各自对应的理想二极管的通断；
10.控制模块，连接到每个驱动器单元，还连接到全桥整流电路的交流输入电压和直流输出电压；
11.所述控制模块连接到交流输入电压两端以测量其相位变化，使用测量得到的相位变化确定理想二极管的通断控制并输出对应的控制信号到驱动单元，使所述驱动单元根据控制信号通断控制理想二极管，以将来自交流输入电压转换成直流输出电压，进而传送到负载。
12.进一步说，所述的理想二极管元件采用低导通电阻的n沟道mosfet管，四个驱动器单元分别由驱动芯片ic1和驱动芯片ic2实现；
13.驱动芯片ic1的输出out1连接mosfet管q1的栅极，输出out2连接mosfet管q2的栅极，用来驱动mosfet管q1、q2；
14.驱动芯片ic2的输出out1连接mosfet管q3的栅极，输出out2连接mosfet管q4的栅极，用来驱动mosfet管q3、q4；
15.驱动芯片ic1的输入信号in1、in2连接到控制模块的高边控制信号tg1、tg2；
16.驱动芯片ic2的输入信号in1和in2连接到控制模块的低边控制信号bg1、bg2；
17.驱动芯片ic1的电源正极vin连接控制模块的输出电源vb，驱动芯片ic1的电源负极com连接控制模块的输出电源gb；
18.驱动芯片ic2的电源正极vin连接到控制模块的输出电源va, 驱动芯片ic2的电源负极com连接到控制模块的输出电源gnd；
19.控制模块的输入包括vcc、gnd、ac1和ac2，分别是全桥整流电路的直流输出正极vcc和负极gnd；以及交流输入电压ac1、ac2。
20.进一步说，所述的控制模块由电源电路和控制电路组成；
21.所述电源电路由ic1供电电路和ic2供电电路组成，ic1供电电路的输入vcc通过稳压管和电阻，将vcc电压值下拉至较vcc-vza，vza是稳压管的稳压值，再经过boost升压电路，将电压升高至vb，确保驱动信号可完全开通或关断mosfet管；
22.所述控制电路通过比较器电路比较ac1与vcc、ac2与vcc电压，输出控制信号cp1和cp2，其中控制信号cp1用来控制mosfet管q1、q4的通断，控制信号cp2用来控制mosfet管q2、q3的通断。
23.本实用新型的有益效果：本实用新型通过设计控制电路，实现理想二极管全桥整流电路的n沟道mosfet的体二极管与mos管同步快速开通与关断，使得整流电流可同时流过体二极管和mos管，增加了电流通过能力，结合选用低导通电阻的mosfet，整流桥的热耗散也大大降低。
附图说明
24.图1是根据一个实施案例的理想二极管全桥整流器的示例性示意图。
25.图2是图1所示电路的详细示例。
26.图3是图2所示电路中控制模块的具体实施电路。
27.图4是理想二极管整流桥mosfet通断时序图。
具体实施方式
28.为使本实用新型的上述特征更加清晰，下面结合附图对本实用新型的具体实施做详细的说明。
29.如图1所示，本实施例包括四个理想二极管元件01、02、03、04构成的全桥整流电路，整流电路还包括与四个理想二极管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的理想二极管的通断，在整流电路工作过程中，理想二极管01、04，理想二极管02、03是成对导通或关断，其导通或关断由整流桥的交流输入信号电压值大小决定。控制模块10连接到每个驱动器单元，还连接到整流桥的交流输入和直流输出。控制模块连接到交流输入20两端以测量电源的相位变化。使用这些测量，控制模块被用于确定理想二极管的通断控制并输出对应的控制信号到驱动单元，使驱动单元通断控制理想二极管，以将来自电源的交流(ac)输入电压转换成直流(dc)输出电压，进而以传送到负载30。
30.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。该电路包括具有低导通电阻的n沟道mosfet q1、q2、q3和q4，驱动芯片ic1和ic2，ic1和ic2是包含常见的双通道的低边驱动芯片，实施案例选用的型号是ir4427，驱动芯片可由其它相同功能的单通道、双通道或多通道低边驱动芯片替代。所构建的整流电路采用4个n沟道mosfet，n沟道mosfet构成的全桥电路，两个下桥臂mosfet可用低边驱动芯片直接驱动芯片，实现mosfet的连续通断。
31.ic1的输出out1连接q1的栅极，out2连接q2的栅极，用来驱动q1和q2，ic2的输出out1连接q3的栅极，out2连接q4的栅极，用来驱动q3和q4，电阻r1、r2、r3和r4是限流作用，电阻r5、r6、r7和r8是下拉作用。ic1的输入信号in1和in2连接到控制模块的高边控制信号tg1和tg2，ic2的输入信号in1和in2连接到控制模块的低边控制信号bg1和bg2，ic1的电源正极vin连接控制模块的输出电源vb，ic1的电源负极com连接控制模块的输出电源gb，gb是vb的参考地。ic2的电源正极vin连接到控制模块的输出电源va,ic2的电源负极com连接到控制模块的输出电源gnd，gnd是系统的公共参考地。
32.控制模块的输入包括vcc、gnd、ac1和ac2，分别是整流桥的直流输出电源正负极和交流输入信号，vcc和gnd经由电源电路生成ic1和ic2的供电电源(vb，gb)和（va,gnd）。ac1和ac2经由控制电路生成控制型号tg1、tg2、bg1和bg2，作为ic1和ic2的输入信号。
33.图3是控制模块的具体实施电路，该控制模块由电源电路和控制电路组成。
34.控制模块的电源电路由ic1供电电路和ic2供电电路组成，ic1供电电路的输入电源vcc通过稳压管za1和电阻r9，可将vcc电压值下拉至较vcc-vza，vza是稳压管vz1的稳压值，再经过boost升压模块，可将电压升高至vb，vb的大小通常确定为高于vcc电压10v左右，确保驱动信号可完全开通或关断mosfet。ic2供电电路输入电压vcc通过buck降压模块，将vcc电压降低至va，ic2供电电源的参考地为系统的公共参考地。va的大小通常确定为10v左右，确保驱动信号可完全开通或关断mosfet。本实施例采用升压电路解决了理想二极管全桥整流电路上桥臂n沟道mosfet驱动信号电压必须高于供电电压vcc的问题，并实现mosfet负电压关断，提高关断的可靠性。
35.控制模块的控制电路通过比较器电路比较ac1与vcc、ac2与vcc电压，输出控制信号cp1和cp2，cp1控制信号用来控制q1和q4的通断，cp2用来控制q2和q3的通断。实施案例采用双通道比较器ic3，型号为lm2903。
36.cp1与cp2控制信号的生成机理如下：交流输入ac1和ac2上电后，先通过mosfet的体二极管整流，该电源给后级电路的电容充电，当后级电容端电压达到降压模块启动电压阈值时，则降压模块将启动工作，降压模块工作后，输出vcc给控制电路供电，控制电路开始工作，令mosfet体二极管导通压降为vd，当ac1-ac2》vcc+2*vd时，q1和q4的体二极管导通，由于q4的体二极管导通，则ac2-vd=gnd，ac2电压值被限制在gnd附近，由此可知ac1》vcc，ac2《vcc，则ac1与vcc、ac2与vcc经过比较器电路，可得到输出cp1为高电平，cp2为低电平，cp1和cp2经由驱动电路，cp1可控制q1和q4导通，cp2可控制q2和q3关断。
37.同理，当ac2-ac1》vcc+2*vd时，比较器电路的输出cp1为低电平，cp2为高电平，此时，可控制q1和q4关断，q2和q3导通，q1、q2、q3和q4的通断时序如图4所示。由于比较器的延时较小，可忽略比较电路的延时因素，mosfet开通关断时序与mosfet体二极管的导通截止时序可保持一致，并且可以做到较高的整流频率。
38.生成的cp1和cp2控制信号经由双通道低边驱动芯片ic1和ic2控制整流桥上、下桥臂mosfet的导通与关断，其控制机理完全相同。此处以cp1信号为例介绍其驱动原理：cp1控制信号其中ic1的通道1（in1和out1）驱动上桥臂q1，ic2的通道1（in1和out1）驱动下桥臂q4，下桥臂可直接由电平驱动，因此cp1可经由低边驱动芯片直接驱动q4的导通与关断。对于上桥臂的驱动信号，因ic1的供电电路可使得vcc,vb和vgb之间满足vcc
–
vgb=vza（vza是稳压管za1的稳压值）；vb
–
vcc=vb
–
vgb
–
vza。由于vcc》vgb，因此只需控制信号cp1开通npn三极管q7，从而使能pnp三极管q5导通，即可使驱动芯片ic1的vout1等于vb，又由于vb》vcc，因此q1可以可靠开通。当控制信号cp1关断q7从而关断q5，使ic1的输出vout1电平等于vgb，由于vgb《vcc从而使q1负压关断，关断可靠性更高，速度也更快。