桥式创新设计消除交流电压向直流转换的技术缺口

桥式创新设计消除交流电压向直流转换的技术缺口

  如今，低功率解决方案已成为行业的热门话题，尤其是电池供电的便携式设备上的节能方案更是备受关注。一般来说，在较低电压下工作的半导体器件，能够延长手机和多媒体播放器等便携设备在一次充电后的使用时间。然而，在关注便携式设备的同时，人们很容易忽略了其他便携性较低的设备，这些设备其实也要求更高的效率。环保问题和不断上涨的电费，使市场更加重视日常电子设备的整体功率要求。

    虽然我们倾向于从低电压的角度去思考节能，但其实大部分电子设备都是通过国家供应的高压电来运行的，有的采用直接通电，有的利用适配器充电。毫无疑问，采用高压配电是将电力分配到广阔地域的最有效方法，但这么高的电压对用电地区来说实在太高，必须进行低效率的降压过程。

    因此，改进这个效率缺口的目的显而易见，那就是如何能够在将高AC电压转换为实用性更高的DC电压的过程中，尽量提升效率。这种效率的最大化，对那些直接连接AC主电源的电气设备来说尤其重要。

二极管桥式电路

    二极管桥式电路是电子工程领域的最基本元素。工程人员广泛使用二极管桥式电路来为AC电压进行全波整流，使之开始与DC电源的特性相近。然后采用电阻、电容和电感网络滤波，使输出直流电压更加平滑。

    二极管是由半导体材料P-N结形成的有源器件。但与硅控整流器和晶体管等更先进的有源器件相比，缺少了可控功能。所以标准二极管在正向导通时会出现约0.7V的正向导通电压降，导致全波整流效率降低。这也反映了在大电流应用中，这种功率耗散可以造成非常大的热量损耗和功率损耗。传统的全波输入桥式整流电路的另一个特点，就是不论任何时间，都会有两个二极管同时进行导通，使功耗进一步加大。

    虽然拥有以上的缺点，但该拓扑电路在低负载应用中仍是一个高性价比的解决方案。同时，它也在高功率应用中广泛使用，并且日趋流行。比如DC电机现正逐渐取代AC感应电机，而这类设计多会通过二极管桥式电路来提供电压转换。此时的功率代价更为明显。

同步整流

    针对这个问题，国际整流器公司(IR)利用MOSFET的寄生二极管，开发了能够更好利用半导体技术的全新解决方案。该解决方案改用四个FET来建立桥式结构(如图1)电路，避免了使用二极管而产生的功率损耗。

                  

图1：用四个FET来建立桥式结构电路

    同步整流技术会尽量保持晶体管在半个周期内处于导同状态，从而减少晶体管体内寄生二极管的导通时间。当晶体管导通时，电流不会通过体二极管，从而与跨越整个半周期相比，大幅降低了功率损耗。

    在运行状态下，在AC电源半周期起始时，电流开始通过FET的体二极管，晶体管的漏极和源极之间便产生负电压。检测这个负电压，控制电路便开通FET，从而使电流流过FET本体，而不是寄生二极管，从而降低器件的功耗。晶体管的RDS(on)越低，代表解决方案的效率越高。

该技术的效能高低主要取决于两个因素：所用的FETS和控制电路的准确性。如图2所示，IR两款同步整流控制芯片IRF1166和IRF1167为200V以下电压提供一个简单的分离式解决方案。这与采用4个FET来驱动无刷式DC电机的电路结构相似，必须确保正确的FET开关时间以避免短路。当AC电压由0V开始上升，电流也会开始流过FET，从而产生负电压, 此时，选用的FET决定了控制电路能否有效地感应到此负电压。

      

图2：IR两款同步整流控制芯片IRF1166和IRF1167为200V以下电压提供一个简单的分离式解决方案

    该设计的另一个挑战，在于确保控制IC的比较器能够承受高供电电压，同时亦能检测到体二极管的小反向偏压。IR先进的Gen 5 HVIC技术，将精准低电压功能与采用高压隔离的高压器件集成，从而成功战胜这一挑战。

    为了取得最大效益，FET必须在半个周期内全部导通，直到输入电压到0V，当然不能交****导通。然而，控制电路有可能把这些缓慢变化的电压/电流信号，错误当作下一个周期的电流前沿或后沿。当电流升高引起的压降足够高时，电路可能在输入电压过零点时，短时间反复启动和关闭FET。这种情况最容易在电阻负载的电路中发生，因为电流变化率在该电路中比电容负载等其它电路慢。

    解决这个问题的方法，是把一个RC网络，两个自举二极管和自举电容器加到控制电路中。这会在0V电压范围注入更多电流，在这个不确定电压范围内，确保FET源漏级电压高于二极管阈值电压。

如果电压高达600V，单IC方案可以集成自举二极管，每个驱动器部分也可以用专用的可配置消隐时间模块取代RC网络，让设计能够容纳不同的FET。设计也可以把FET、自举电容器和控制功能集成到同一个器件中，成为现有二极管全波桥式整流器的直接代替品。这不仅能够显著节省功率，同时也大幅度减少所需的PCB空间。图3展示了可以实现这种功能的集成动态桥式器件。

    

图3：把FET、自举电容器和控制功能集成到同一个器件中的集成动态桥式器件