[发明专利]用于单相和多相系统的通用AC-DC同步整流技术

说明书

发明领域

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。 

发明背景 

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V_F和正向传导电流I_F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，D1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)，即，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。n沟道(n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D1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p型MOSFET M1和M2以及两个n型MOSFET M3和M4代替。M1和M3通过感测点B的电压来驱动，而M2和M4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M1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n型功率MOSFET具有比p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n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。