橋式創(chuàng)新設(shè)計消除交流電壓向直流轉(zhuǎn)換的技術(shù)缺口

如今，低功率解決方案已成為行業(yè)的熱門話題，尤其是電池供電的便攜式設(shè)備上的節(jié)能方案更是備受關(guān)注。一般來說，在較低電壓下工作的半導(dǎo)體器件，能夠延長手機(jī)和多媒體播放器等便攜設(shè)備在一次充電后的使用時間。然而，在關(guān)注便攜式設(shè)備的同時，人們很容易忽略了其他便攜性較低的設(shè)備，這些設(shè)備其實(shí)也要求更高的效率。環(huán)保問題和不斷上漲的電費(fèi)，使市場更加重視日常電子設(shè)備的整體功率要求。

雖然我們傾向于從低電壓的角度去思考節(jié)能，但其實(shí)大部分電子設(shè)備都是通過國家供應(yīng)的高壓電來運(yùn)行的，有的采用直接通電，有的利用適配器充電。毫無疑問，采用高壓配電是將電力分配到廣闊地域的最有效方法，但這么高的電壓對用電地區(qū)來說實(shí)在太高，必須進(jìn)行低效率的降壓過程。

因此，改進(jìn)這個效率缺口的目的顯而易見，那就是如何能夠在將高AC電壓轉(zhuǎn)換為實(shí)用性更高的DC電壓的過程中，盡量提升效率。這種效率的最大化，對那些直接連接AC主電源的電氣設(shè)備來說尤其重要。

二極管橋式電路

二極管橋式電路是電子工程領(lǐng)域的最基本元素。工程人員廣泛使用二極管橋式電路來為AC電壓進(jìn)行全波整流，使之開始與DC電源的特性相近。然后采用電阻、電容和電感網(wǎng)絡(luò)濾波，使輸出直流電壓更加平滑。

二極管是由半導(dǎo)體材料P-N結(jié)形成的有源器件。但與硅控整流器和晶體管等更先進(jìn)的有源器件相比，缺少了可控功能。所以標(biāo)準(zhǔn)二極管在正向?qū)〞r會出現(xiàn)約0.7V的正向?qū)妷航?，?dǎo)致全波整流效率降低。這也反映了在大電流應(yīng)用中，這種功率耗散可以造成非常大的熱量損耗和功率損耗。傳統(tǒng)的全波輸入橋式整流電路的另一個特點(diǎn)，就是不論任何時間，都會有兩個二極管同時進(jìn)行導(dǎo)通，使功耗進(jìn)一步加大。

雖然擁有以上的缺點(diǎn)，但該拓?fù)潆娐吩诘拓?fù)載應(yīng)用中仍是一個高性價比的解決方案。同時，它也在高功率應(yīng)用中廣泛使用，并且日趨流行。比如DC電機(jī)現(xiàn)正逐漸取代AC感應(yīng)電機(jī)，而這類設(shè)計多會通過二極管橋式電路來提供電壓轉(zhuǎn)換。此時的功率代價更為明顯。

同步整流

針對這個問題，國際整流器公司(IR)利用MOSFET的寄生二極管，開發(fā)了能夠更好利用半導(dǎo)體技術(shù)的全新解決方案。該解決方案改用四個FET來建立橋式結(jié)構(gòu)(如圖1)電路，避免了使用二極管而產(chǎn)生的功率損耗。

圖1：用四個FET來建立橋式結(jié)構(gòu)電路。

同步整流技術(shù)會盡量保持晶體管在半個周期內(nèi)處于導(dǎo)同狀態(tài)，從而減少晶體管體內(nèi)寄生二極管的導(dǎo)通時間。當(dāng)晶體管導(dǎo)通時，電流不會通過體二極管，從而與跨越整個半周期相比，大幅降低了功率損耗。

在運(yùn)行狀態(tài)下，在AC電源半周期起始時，電流開始通過FET的體二極管，晶體管的漏極和源極之間便產(chǎn)生負(fù)電壓。檢測這個負(fù)電壓，控制電路便開通FET，從而使電流流過FET本體，而不是寄生二極管，從而降低器件的功耗。晶體管的RDS(on)越低，代表解決方案的效率越高。

該技術(shù)的效能高低主要取決于兩個因素：所用的FETS和控制電路的準(zhǔn)確性。如圖2所示，IR兩款同步整流控制芯片IRF1166和IRF1167為200V以下電壓提供一個簡單的分離式解決方案。這與采用4個FET來驅(qū)動無刷式DC電機(jī)的電路結(jié)構(gòu)相似，必須確保正確的FET開關(guān)時間以避免短路。當(dāng)AC電壓由0V開始上升，電流也會開始流過FET，從而產(chǎn)生負(fù)電壓, 此時，選用的FET決定了控制電路能否有效地感應(yīng)到此負(fù)電壓。

圖2：IR兩款同步整流控制芯片IRF1166和IRF1167為200V以下電壓提供一個簡單的分離式解決方案。

該設(shè)計的另一個挑戰(zhàn)，在于確保控制IC的比較器能夠承受高供電電壓，同時亦能檢測到體二極管的小反向偏壓。IR先進(jìn)的Gen 5 HVIC技術(shù)，將精準(zhǔn)低電壓功能與采用高壓隔離的高壓器件集成，從而成功戰(zhàn)勝這一挑戰(zhàn)。

為了取得最大效益，F(xiàn)ET必須在半個周期內(nèi)全部導(dǎo)通，直到輸入電壓到0V，當(dāng)然不能交叉導(dǎo)通。然而，控制電路有可能把這些緩慢變化的電壓/電流信號，錯誤當(dāng)作下一個周期的電流前沿或后沿。當(dāng)電流升高引起的壓降足夠高時，電路可能在輸入電壓過零點(diǎn)時，短時間反復(fù)啟動和關(guān)閉FET。這種情況最容易在電阻負(fù)載的電路中發(fā)生，因為電流變化率在該電路中比電容負(fù)載等其它電路慢。

解決這個問題的方法，是把一個RC網(wǎng)絡(luò)，兩個自舉二極管和自舉電容器加到控制電路中。這會在0V電壓范圍注入更多電流，在這個不確定電壓范圍內(nèi)，確保FET源漏級電壓高于二極管閾值電壓。

如果電壓高達(dá)600V，單IC方案可以集成自舉二極管，每個驅(qū)動器部分也可以用專用的可配置消隱時間模塊取代RC網(wǎng)絡(luò)，讓設(shè)計能夠容納不同的FET。設(shè)計也可以把FET、自舉電容器和控制功能集成到同一個器件中，成為現(xiàn)有二極管全波橋式整流器的直接代替品。這不僅能夠顯著節(jié)省功率，同時也大幅度減少所需的PCB空間。圖3展示了可以實(shí)現(xiàn)這種功能的集成動態(tài)橋式器件。

圖3：把FET、自舉電容器和控制功能集成到同一個器件中的集成動態(tài)橋式器件。