一種全新的全波橋式整流器設計方法

2021-01-14 EETOP

大多數電子元器件都需要一個來自AC電力線的輸入電源。對於電壓穩壓器、開關模式電源和其它下遊電子組件來說，一個全橋或半橋二極體整流器器件對正弦AC電壓波形進行整流，並將其轉換為一個DC電壓。

使用橋式整流器配置中的四個二極體是對AC電壓進行整流的最簡單、也是最常規的方法。在一個橋式整流器中運行一個二極體可以為全橋整流器和汽車用交流發電機提供一個簡單、划算且零靜態電流的解決方案。

不過，雖然二極體通常對負電壓具有最快的響應速度，但它們會由於正負結正向電壓壓降 (Vf ~0.7V)的原因而導致較高的功率損耗。這些功率損耗會引起發熱，需要設計人員執行散熱管理，從而增加系統成本和解決方案尺寸。二極體的另外一個缺點就是較高的反向洩露電流—最高會達到大約1mA。

用N溝道MOSFET替換高損耗二極體可以通過消除二極體整流器件正向壓降來大幅降低功率損耗。N溝道MOSFET具有小RDSON，並且它們相關的壓降也是最小的。

表1中是一個5A (I_rms = 3.5A) 二極體整流器與一個10mΩ基於MOSFET的整流器件之間的比較。


表1：MOSFET與二極體功率損耗比較

很明顯，在使用MOSFET時，功率損耗小到令人難以置信，而設計人員也不用使用昂貴且笨重的散熱片進行熱管理。然而，凡事皆有代價。N溝道MOSFET需要一個柵極驅動來將電流從源極傳導至漏極，並且需要在AC正弦波變為負值時快速關斷。通過將N溝道MOSFET與4個LM74670-Q1智能二極體整流控制器組合在一起，可以在在正弦波的負周期內關閉MOSFET柵極。LM74670-Q1設計用於單獨驅動每一個N溝道MOSFET，以便仿真一個沒有正向傳導損耗的理想二極體。LM74670-Q1用一個懸浮拓撲和電荷泵來實現真正的二極體替換。

圖1顯示的是在一個全波橋式整流器設計中運行的LM74670-Q1。

圖1：LM74670-Q1智能二極體橋式整流器運行

在這個橋式整流器方法中，每個二極體被LM74670-Q1解決方案所替代，這個解決方案包括集成電路MOSFET和一個電荷泵電容器。每個解決方案獨立運行，並且像二極體一樣對AC輸入波形做出響應。LM74670-Q1用陽極和陰極引腳持續感測MOSFET上的電壓，並且根據電壓極性來打開和關閉MOSFET柵極。在AC波形的正周期內，如圖2中所示，MOSFET M1和M3導電，而針對M2和M4的柵極被相應的LM74670-Q1關斷。


圖2：AC輸入正周期內的正向傳導

當AC波形變為負值時，與M1和M3相對應的LM74670-Q1在2μs的時間內對負電壓做出響應，並且關斷兩個MOSFET的柵極。在這個時間內，如圖3所示，M2和M4 MOSFET接通。

圖3：AC輸入負周期內的正向傳導

這個應用中使用的MOSFET必須具有一個小於等於3V的柵源電壓 (VGS) 閥值，以及低柵極電容。另外一個重要的電氣參數是MOSFET體二極體上的電壓，這個值必須在低輸出電流時為0.48V左右。德州儀器 (TI) 60V CSD18532KCS N溝道功率MOSFET或其它NexFET™ MOSFET是這個應用的最佳選擇。

圖4顯示的是一個針對基於LM74670-Q1、具有4個CSD18532KCS MOSFET的智能橋式整流器的示波器曲線圖。這個整流器由一個12V 60Hz的AC輸入電源供電運行，在這個示例中產生一個經整流的輸出。針對MOSFET M1的VGS顯示的是LM74670-Q1對於流經MOSFET的正向傳導的控制方式，以及如何通過關斷柵極來阻斷反向電壓。


圖4：LM74670-Q1智能橋式經整流輸出

圖5比較了LM74670-Q1智能橋式整流器（配置有4個CSD18532KCS N溝道 MOSFET）（左圖）與一個常規低正向壓降二極體 (Vf = 0.5V) 整流器（右圖）之間的熱性能。兩個設計都運行在高電流 (10A) 下，且沒有熱管理和空氣流量。一個二極體整流器中每個二極體的溫度達到大約71°C，而LM74670-Q1整流器中的CSD18532KCS MOSFET在同樣運行條件下的溫度大約為31°C。

圖5：與一個常規二極體整流器的熱性能比較

總之，基於LM74670-Q1的智能二極體全橋整流器設計具有以下這些特點和優勢：


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