專利名稱：柵控整流器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型有關(guān)一種柵控整流器以提高整流效率。
背景技術(shù)：
已知的整流電路(rectification circuits)利用二極管(diodes)的單向?qū)?(unidirectional conduction)特性將交流弦波電壓(AC sinusoidal voltage)整流 成直流脈波電壓(DC pulsating voltage)。例如，圖1為半波整流電路(half-wave rectification circuit);圖2A、 2B、 3A與3B為全波整流電路(full-wave rectification circuit);其中，L與N分別為火線(line)與中性線(neutral) ; T1與T2為隔 離變壓器(isolation transformers); D0、 D1 、 D2與D3為整流二極管(rectification diodes) ; BD1與BD2為橋式二極管(bridge diodes) ; RO為負(fù)載電阻(load resistors)。
二極管整流器通?？嘤谳^高的導(dǎo)通損失(conduction loss)。
實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是提供一種柵控整流器以降低導(dǎo)通損失且提高整流效率。 本實(shí)用新型的柵控整流器包含一線電壓(line voltage)極性檢測(cè)電路、 一固 定電壓源、 一驅(qū)動(dòng)電路與一柵控晶體管。
該柵控晶體管可為一金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)或一絕緣 柵雙極晶體管(IGBT)。若負(fù)載為電阻性(resistive)，該柵控晶體管可為一雙向 MOSFET (BMOS)、 一單向MOSFET (UMOS)或一 IGBT。若負(fù)載為電容性 (capacitive)，該柵控晶體管須為一 UMOS或一 IGBT。該固定電壓源由外部電 路提供或感應(yīng)且被參考至該MOSFET的源極或該IGBT的發(fā)射極。該線電壓極性 檢測(cè)電路檢測(cè)線電壓的極性且控制該驅(qū)動(dòng)電路以導(dǎo)通或截止該柵控晶體管。本實(shí)用新型的柵控整流器，其優(yōu)點(diǎn)是可以離散零件(discrete components) 或集成電路(integrated circuits)實(shí)現(xiàn)，可被應(yīng)用于整流電路以降低導(dǎo)通損失且提 高整流效率。


圖1為已知的半波整流器的電路圖。
圖2A、 2B、 3A與3B為已知的全波整流器的電路圖。
圖4、 5A、 5B、 6A、 6B與6C為根據(jù)本實(shí)用新型的NMOS整流器的電路圖。
圖7A與圖7B為根據(jù)本實(shí)用新型的第一實(shí)施例的NMOS驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)電路示意圖。
圖8為根據(jù)本實(shí)用新型的第二實(shí)施例的NMOS驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)電路示意圖。 圖9為根據(jù)本實(shí)用新型的第三實(shí)施例的NMOS驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)電路示意圖。 圖10為根據(jù)本實(shí)用新型的第四實(shí)施例的NMOS驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)電路示意圖。
具體實(shí)施方式
一般而言，二極管、UMOS與絕緣柵雙極晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)具有單向?qū)?unidirectional conduction)的特性但BMOS具 有雙向?qū)?bidirectional conduction)的特性。在圖6B中負(fù)載R0為電阻性，柵 控晶體管可為BMOS Q0、 Q1、 Q2與Q3、 UMOS或IGBT。在圖6C中負(fù)載C7 為電容性，柵控晶體管須為UMOS U0、 U1、 U2與U3或IGBT。本實(shí)用新型中的 柵控晶體管可為但不受限于(canbebutnotlimitedto) NMOS。為便于說明，本 文假設(shè)該柵控晶體管為NMOS且線電壓源為單相(single-phase)。
以NMOS取代整流電路中的二極管須滿足兩個(gè)條件(1)該NMOS的本體 二極管(body diode)與該二極管同向(in the same direction);圖4、圖5A、 圖5B、圖6A與圖6B分別對(duì)應(yīng)于圖1、圖2A、圖2B、圖3A與圖3B。
(2)該 NMOS須被一驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)正確地驅(qū)動(dòng)以維持與二極管相同的導(dǎo)通特性；本實(shí)用新型 所揭示的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)示于圖7A、圖7B、圖8、圖9與圖10。
須強(qiáng)調(diào)柵控整流器的應(yīng)用于整流電路可為但不受限于單相整流電路諸如圖4、 圖5A、圖5B、圖6A、圖6B與圖6C且可被推廣至兩相(two-phase)或三相 (three-phase)整流電路等等。圖7A為根據(jù)本實(shí)用新型的第一實(shí)施例的NMOS驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)電路示意圖，其中 NMOS整流器35具有五個(gè)外部接腳(external pins): —火線L、 一中性線N、 —固定電壓VCC、 一參考端REF與一漏極端D且包含四個(gè)內(nèi)部方塊(internal blocks): —線電壓極性檢測(cè)電路40、 一固定電壓源44a、 一驅(qū)動(dòng)電路42a與一 柵控晶體管46a。該柵控晶體管46a包含一NMOSQ0且具有一柵極(Gate) G、 一源極(Source) S與一漏極(Drain) D。該固定電壓源44a由外部電路(external circuits)提供(supplied)或感應(yīng)(induced)以供應(yīng)一直流定電壓(DC constant voltage) VCC給該驅(qū)動(dòng)電路42a。因該NMOS QO的導(dǎo)通或截止取決于柵極與源 極間的相對(duì)電位差(relative potential difference)，故VCC必須被參考至(referred to)該NMOS QO的源極不論源極電位為何。須強(qiáng)調(diào)在本實(shí)用新型中該線電壓極性 檢測(cè)電路40與該驅(qū)動(dòng)電路42a間的通信(communication)可為但不受限于光耦 合、磁耦合等等。為簡(jiǎn)化說明，根據(jù)本實(shí)用新型的所有實(shí)施例以光耦合實(shí)現(xiàn)。該線 電壓極性檢測(cè)電路40中的光二極管(optodiode) U1A與該驅(qū)動(dòng)電路42a中的光 敏晶體管(optotransistor) U1B分別為光發(fā)射器(optotransmitter)與光接收器 (optoreceiver)。
該線電壓極性檢測(cè)電路40，其包含一限流電阻F^與一光二極管(optodiode) U1A，用以檢測(cè)線電壓的極性且發(fā)射一光控制信號(hào)(optical control signal)至該驅(qū) 動(dòng)電路42a。于正半周期(positive half cycles)，該光二極管U1A受線電壓順偏 (forward-biased)而導(dǎo)通；線電流可流經(jīng)該光二極管U1A;該光二極管U1A受 線電流激勵(lì)(excited)而發(fā)光。于負(fù)半周期(negative half cycles)，該光二極管 U1A受線電壓逆偏(reverse-biased)而截止；線電流無法流經(jīng)該光二極管U1A; 該光二極管U1A未受線電流激勵(lì)而不發(fā)光。
該驅(qū)動(dòng)電路42a，其包含一光敏晶體管U1B與一第一電阻R1，用以接收來 自該線電壓極性檢測(cè)電路40的一光控制信號(hào)且驅(qū)動(dòng)該NMOS Q0。于正半周期， 該光敏晶體管U1B受光控制信號(hào)激勵(lì)而導(dǎo)通；驅(qū)動(dòng)電流可流經(jīng)該第一電阻R1; 該NMOSQO受驅(qū)動(dòng)電壓(driving voltage)驅(qū)動(dòng)而導(dǎo)通。于負(fù)半周期，該光敏晶 體管U1B未受光控制信號(hào)激勵(lì)而截止；驅(qū)動(dòng)電流無法流經(jīng)該第一電阻R1;該 NMOS QO未受驅(qū)動(dòng)電壓驅(qū)動(dòng)而截止。
因圖7B中的光二極管U2A與圖7A中的光二極管U1A反向(in the opposite direction)，故圖7A中的NMOS QO于正半周期導(dǎo)通但于負(fù)半周期截止；圖7B 中的NMOS Q1于正半周期截止但于負(fù)半周期導(dǎo)通。任何整流電路可由此二基本NMOS整流器組成。例如，考慮分別以圖7A與圖7B取代圖2A中的D0與D1。 U2A可先與U1A反向并聯(lián)(in anti-parallel)再與Rl串朕(in series);固定電 壓源44a與44b分別被參考至QO與Q1的源極；QO由驅(qū)動(dòng)電路42a驅(qū)動(dòng)且Q1 由驅(qū)動(dòng)電路42b驅(qū)動(dòng)。
NMOSQO的放電時(shí)間(discharging time) ^"咖可被表示為
其中G"為NMOS QO的輸入電容值(input capacitance)。線電壓的周期7^ (period)可被表示為
其中/^為線頻率(line frequency) 。 NMOS QO的安全操作須滿足下列條件
假設(shè)典型值(typical values):《=10《Q、且力靴=60他，貝廿 4咖《 5/ ,C,,, = 0.375臘《 rtae = + = 16.6667附s
亦即，NMOS QO的放電時(shí)間遠(yuǎn)短于線電壓的周期。力fl速NMOS QO的截止 的方法以圖8說明。
圖8為根據(jù)本實(shí)用新型的第二實(shí)施例的NMOS驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)電路示意圖。相較于 圖7A，圖8引進(jìn)一圖騰柱電路(totem-pole circuit) 54a至其驅(qū)動(dòng)電路42a。該圖 騰柱電路54a包含一 NPN雙極晶體管Q4與一 PNP雙極晶體管Q5，各具有一基 極(B)、 一發(fā)射極(E)與一集電極(C)。兩基極(B)連接至光敏晶體管U1B 的第3端；兩發(fā)射極(E)連接至NMOSQ0的柵極(G) ; NPN雙極晶體管Q4 的集電極(C)與PNP雙極晶體管Q5的集電極(C)分別連接至光敏晶體管U1B 的第4端與NMOSQ0的源極(S)。
于正半周期，光敏晶體管U1B受光控制信號(hào)激勵(lì)而導(dǎo)通；驅(qū)動(dòng)電流可流經(jīng)第 一電阻R1; NPN雙極晶體管Q4受驅(qū)動(dòng)電壓順偏而導(dǎo)通但PNP雙極晶體管Q5 受驅(qū)動(dòng)電壓逆偏而截止；NMOS Q0通過NPN雙極晶體管Q4充電而導(dǎo)通。于負(fù) 半周期，光敏晶體管U1B未受光控制信號(hào)激勵(lì)而截止；驅(qū)動(dòng)電流無法流經(jīng)第一電 阻R1; PNP雙極晶體管Q5受柵極電荷(gate charge)順偏而導(dǎo)通但NPN雙極 晶體管Q4受柵極電荷逆偏而截止；NMOS QO通過PNP雙極晶體管Q5放電而 截止。因圖7A中的NMOS Q0通過R1放電但圖8中的NMOS Q0通過PNP雙極 晶體管Q5放電，故圖8中的NMOS Q0的截止速度較快于圖7A中的NMOS Q0 的截止速度。然而，圖7A、圖7B與圖8的驅(qū)動(dòng)電壓仍有下列兩項(xiàng)缺點(diǎn)(1)上 升邊緣(rising edge)與下降邊緣(falling edge)為弦波(sinusoidal wave)。 (2)平頂電壓(plateau voltage)的振幅(amplitude)隨線電壓的振幅而變。以 圖7A的正半周期說明上述兩項(xiàng)缺點(diǎn)。光二極管U1A的順向電流(forward current) ^(0可被表示為
其中^-wW為弦波線電壓(sinusoidal line voltage)且^為光二極管U1A的 順向電壓降(forward voltage drop)。光敏晶體管U1B的集電極電流(collector current) "O可被表示為
其中^為U1B對(duì)U1A的電流轉(zhuǎn)移比(Current Transfer Ratio, CTR) 。 NMOS
Q0的驅(qū)動(dòng)電壓^(0可被表示為
由上式可看出圖7A、圖7B與圖8的驅(qū)動(dòng)電壓為一可變振幅弦波(variable amplitude sinusoidal wave)。
一般而言，NMOS的通道臨界電壓(channel threshold voltage) ^=3r。 當(dāng) (,)<^，通道無法被形成；線電流無法流經(jīng)通道；此時(shí)間稱為死寂時(shí)間(dead time)。當(dāng) &)24，通道可被形成；線電流可流經(jīng)通道；此時(shí)間稱為導(dǎo)通時(shí)間 (conduction time)。死寂時(shí)間有下列優(yōu)缺點(diǎn)(1)優(yōu)點(diǎn)死寂時(shí)間可預(yù)防反相 (in the opposite phase) NMOS間的交互導(dǎo)通(cross conduction) 。 (2)缺點(diǎn) 于死寂時(shí)間線電流只能流經(jīng)NMOS的本體二極管；導(dǎo)致較高的導(dǎo)通損失。在無交 互導(dǎo)通的情況下，死寂時(shí)間應(yīng)僅可能短以提高整流效率。就驅(qū)動(dòng)NMOS開關(guān)而論， 固定振幅比可變振幅更適合于驅(qū)動(dòng)NMOS開關(guān)。此外， 一方波比一弦波有一較短 的死寂時(shí)間。產(chǎn)生一固定振幅方波(constant amplitude square wave)的方法示 于圖9與圖10。
圖9為根據(jù)本實(shí)用新型的第三實(shí)施例的NMOS驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)電路示意圖。相較于 圖7A，圖9引進(jìn)一開關(guān)電路64a至其驅(qū)動(dòng)電路42a。該開關(guān)電路64a包含一臨界開關(guān)(threshold switch) U4、 一 PNP雙極晶體管Q5、 一第二電阻R2、 一第三 電阻R3與一第四電阻R4。
該臨界開關(guān)U4以一可編程穩(wěn)壓器(programmable regulator)實(shí)現(xiàn)且具有一 參考端(reference) R、 一正極(anode) A、 一負(fù)極(cathode) K與一臨界電壓 (threshold voltage) ^。當(dāng)l力)<^， k與A間的通道截止。當(dāng)v"0^， k 與A間的通道導(dǎo)通。
于正半周期，光敏晶體管U1B受光控制信號(hào)激勵(lì)而導(dǎo)通；驅(qū)動(dòng)電流可流經(jīng)第 一電阻R1。當(dāng)l"0<^， K與A間的通道截止；PNP雙極晶體管Q5未被VCC 順偏而截止；NMOS Q0通過第四電阻R4放電而截止。當(dāng)、-^hF'/>， K與A間 的通道導(dǎo)通；PNP雙極晶體管Q5被VCC順偏而導(dǎo)通；NMOS Q0通過PNP雙 極晶體管Q5充電而導(dǎo)通。于負(fù)半周期，光敏晶體管U1B未受光控制信號(hào)激勵(lì)而
截止；驅(qū)動(dòng)電流無法流經(jīng)第一電阻R1; v 」(0<^; K與A間的通道截止；PNP
雙極晶體管Q5未被VCC順偏而截止；NMOS Q0通過第四電阻R4放電而截止。
于正半周期且當(dāng)^"(0》F" ， PNP雙極晶體管Q5被VCC順偏而導(dǎo)通；NMOS Q0的柵-源極電壓^(0-「cc。在其它情況下，v^(0 =()。因此，NMOS Q0的驅(qū)
動(dòng)電壓為一固定振幅方波。圖9中的可規(guī)劃穩(wěn)壓器臨界電壓的兩種典型值為 C2'5K (TL431)與K',L25K (TL432)。由上述可知臨界電壓越低；死寂時(shí)
間越短；整流效率越高。臨界電壓可被圖10的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步降低。
圖10為根據(jù)本實(shí)用新型的第四實(shí)施例的NMOS驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)電路示意圖。相較于 圖7A，圖10引進(jìn)一開關(guān)電路74a至其驅(qū)動(dòng)電路42a。該開關(guān)電路74a包含一臨 界開關(guān)(threshold switch) (NPN雙極晶體管Q4)、 一PNP雙極晶體管Q5、 一第 二電阻R2、 一第三電阻R3、 一第四電阻R4與一第五電阻R5。該臨界開關(guān)以一 NPN雙極晶體管Q4實(shí)現(xiàn)且具有一基極B、 一發(fā)射極E、 一集電極C與一臨界電 壓^<1'25「。圖10的動(dòng)作原理類似于圖9，此處不再贅述。
須強(qiáng)調(diào)，上述柵控整流器可為但不受限于上述電路且可以離散零件或集成電 路實(shí)現(xiàn)。再者，上述柵控整流器的導(dǎo)通或截止必須等效于(equivalentto) 二極管 整流器的導(dǎo)通或截止。當(dāng)負(fù)載為電阻性，柵控晶體管可為BMOS、 UMOS或IGBT。 當(dāng)負(fù)載為電容性，柵控晶體管須為UMOS或IGBT。 UMOS的詳細(xì)內(nèi)容已于申請(qǐng) 人的中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?00810168066.6中說明；此處不再贅述。以上所述的實(shí)施例僅為說明本實(shí)用新型的技術(shù)思想及特點(diǎn)，其目的在使熟悉此項(xiàng)技 術(shù)的人士能夠了解本實(shí)用新型的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，當(dāng)無法以其限定本實(shí)用新型的專 利范圍，即凡是根據(jù)本實(shí)用新型所揭示的精神所作的均等變化或修飾，仍應(yīng)涵蓋在 本實(shí)用新型的專利范圍內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種柵控整流器，其特征在于，包含一柵控晶體管具有一柵極、一高壓端與一低壓端；一固定電壓源，其被參考至該柵控晶體管的該低壓端；一線電壓極性檢測(cè)電路，其包含一限流電阻及一光二極管連接該限流電阻，其中該光二極管檢測(cè)一線電壓的極性；及一驅(qū)動(dòng)電路，其受控于該光二極管的檢測(cè)以決定該柵控晶體管的該高壓端與該低壓端的通道是否形成。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的柵控整流器，其特征在于，該驅(qū)動(dòng)電路包含 一光敏晶體管，具有一第一端與一第二端，該第一端連接該固定電壓源并對(duì)應(yīng)該光二極管；及一第一電阻連接于該光敏晶體管的該第二端與該低壓端之間。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的柵控整流器，其特征在于，該驅(qū)動(dòng)電路還包含一圖 騰柱電路，該圖騰柱電路包含一NPN雙極晶體管，具有一基極、 一發(fā)射極與一集電極；及 一PNP雙極晶體管，具有一基極、 一發(fā)射極與一集電極，其中 該NPN雙極晶體管的該基極與該P(yáng)NP雙極晶體管的該基極相連接并連接至 該光敏晶體管的第二端與該第一電阻之間，該兩發(fā)射極相連接并連接至該柵極，該NPN雙極晶體管的該集電極連接至該光敏晶體管的該第一端，該P(yáng)NP雙極晶體管的該集電極連接至該低壓端。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的柵控整流器，其特征在于，該驅(qū)動(dòng)電路還包含一臨界開關(guān)具有一參考端、 一正極與一負(fù)極，該參考端連接至該光敏晶體管的該第二端與該第一電阻之間，該正極連接至該柵控晶體管的該低壓端；一 PNP雙極晶體管具有一基極、 一發(fā)射極與一集電極，該集電極連接該柵極; 一第二電阻跨接于該P(yáng)NP雙極晶體管的該基極與該臨界開關(guān)的該負(fù)極；一第三電阻跨接于該P(yáng)NP雙極晶體管的該發(fā)射極與該P(yáng)NP雙極晶體管的該基極之間；及一第四電阻跨接于該柵控晶體管的該柵極與該低壓端之間。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的柵控整流器，其特征在于，該驅(qū)動(dòng)電路還包含一 PNP雙極晶體管具有一基極、 一發(fā)射極與一集電極，該集電極連接該柵極；一NPN雙極晶體管具有一基極、 一發(fā)射極與一集電極，該發(fā)射極連接至該低壓端；一第二電阻跨接于該P(yáng)NP雙極晶體管的該基極與該NPN雙極晶體管的該集 電極之間；一第三電阻跨接于該P(yáng)NP雙極晶體管的該發(fā)射極與該P(yáng)NP雙極晶體管的該 基極之間；一第四電阻跨接于該柵極與該低壓端之間；及一第五電阻跨接于該光敏晶體管的該第二端與該NPN雙極晶體管的該基極之間。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的柵控整流器，其特征在于，還包含一電阻負(fù)載連接 至該柵控晶體管，且該柵控晶體管為一N通道金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管、P 通道金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管、單向金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管、雙向 金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管或絕緣柵雙極晶體管。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的柵控整流器，其特征在于，還包含一電容負(fù)載連接 至該柵控晶體管且該柵控晶體管為一單向金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的柵控整流器，其特征在于，包含一集成電路。
9. 一種柵控整流器，其特征在于，包含 一柵控晶體管，其包含一柵極、 一參考端與一輸出端； 一定電壓輸入，其參考至該參考端；及一線電壓輸入，其中該線電壓輸入的極性控制是否以該定電壓輸入產(chǎn)生一驅(qū) 動(dòng)電流導(dǎo)通該柵控晶體管。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的柵控整流器，其特征在于，包含一集成電路。
專利摘要本實(shí)用新型是一種柵控整流器，該柵控整流器包含一線電壓極性檢測(cè)電路、一固定電壓源、一驅(qū)動(dòng)電路與一柵控晶體管。該線電壓極性檢測(cè)電路檢測(cè)線電壓的極性且控制該驅(qū)動(dòng)電路以導(dǎo)通或截止該柵控晶體管。該柵控晶體管可為一金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有一柵極、一源極與一漏極或一絕緣柵雙極晶體管具有一柵極、一發(fā)射極與一集電極。該固定電壓源由外部電路提供或感應(yīng)且被參考至該金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管的該源極或該絕緣柵雙極晶體管的該發(fā)射極。由于較低的導(dǎo)通損失，此柵控整流器可被應(yīng)用于整流電路以提高整流效率從而克服傳統(tǒng)的二極管整流器通?？嘤谳^高的導(dǎo)通損失的缺點(diǎn)。
文檔編號(hào)H02M7/23GK201365205SQ20082017690
公開日2009年12月16日 申請(qǐng)日期2008年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月11日
發(fā)明者余金生, 王志良, 翁博泰 申請(qǐng)人:洋鑫科技股份有限公司;王志良