全波橋式整流器的設(shè)計(jì)方案（思路分享）

大多數(shù)電子元器件都需要一個(gè)來(lái)自AC電力線的輸入電源。對(duì)于電壓穩(wěn)壓器、開(kāi)關(guān)模式電源和其它下游電子組件來(lái)說(shuō)，一個(gè)全橋或半橋二極管整流器器件對(duì)正弦AC電壓波形進(jìn)行整流，并將其轉(zhuǎn)換為一個(gè)DC電壓。

使用橋式整流器配置中的四個(gè)二極管是對(duì)AC電壓進(jìn)行整流的最簡(jiǎn)單、也是最常規(guī)的方法。在一個(gè)橋式整流器中運(yùn)行一個(gè)二極管可以為全橋整流器和汽車用交流發(fā)電機(jī)提供一個(gè)簡(jiǎn)單、劃算且零靜態(tài)電流的解決方案。

不過(guò)，雖然二極管通常對(duì)負(fù)電壓具有最快的響應(yīng)速度，但它們會(huì)由于正負(fù)結(jié)正向電壓壓降 (Vf ~0.7V) 的原因而導(dǎo)致較高的功率損耗。

這些功率損耗會(huì)引起發(fā)熱，需要設(shè)計(jì)人員執(zhí)行散熱管理，從而增加系統(tǒng)成本和解決方案尺寸。二極管的另外一個(gè)缺點(diǎn)就是較高的反向泄露電流—最高會(huì)達(dá)到大約1mA。

用N溝道MOSFET替換高損耗二極管可以通過(guò)消除二極管整流器件正向壓降來(lái)大幅降低功率損耗。N溝道MOSFET具有小RDSON，并且它們相關(guān)的壓降也是最小的。

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

表1：MOSFET與二極管功率損耗比較

很明顯，在使用MOSFET時(shí)，功率損耗小到令人難以置信，而設(shè)計(jì)人員也不用使用昂貴且笨重的散熱片進(jìn)行熱管理。然而，凡事皆有代價(jià)。

N溝道MOSFET需要一個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)來(lái)將電流從源極傳導(dǎo)至漏極，并且需要在AC正弦波變?yōu)樨?fù)值時(shí)快速關(guān)斷。通過(guò)將N溝道MOSFET與4個(gè)LM74670-Q1智能二極管整流控制器組合在一起，可以在在正弦波的負(fù)周期內(nèi)關(guān)閉MOSFET柵極。

LM74670-Q1設(shè)計(jì)用于單獨(dú)驅(qū)動(dòng)每一個(gè)N溝道MOSFET，以便仿真一個(gè)沒(méi)有正向傳導(dǎo)損耗的理想二極管。LM74670-Q1用一個(gè)懸浮拓?fù)浜碗姾杀脕?lái)實(shí)現(xiàn)真正的二極管替換。

圖1顯示的是在一個(gè)全波橋式整流器設(shè)計(jì)中運(yùn)行的LM74670-Q1。

圖1：LM74670-Q1智能二極管橋式整流器運(yùn)行

在這個(gè)橋式整流器方法中，每個(gè)二極管被LM74670-Q1解決方案所替代，這個(gè)解決方案包括集成電路MOSFET和一個(gè)電荷泵電容器。

每個(gè)解決方案獨(dú)立運(yùn)行，并且像二極管一樣對(duì)AC輸入波形做出響應(yīng)。LM74670-Q1用陽(yáng)極和陰極引腳持續(xù)感測(cè)MOSFET上的電壓，并且根據(jù)電壓極性來(lái)打開(kāi)和關(guān)閉MOSFET柵極。

在AC波形的正周期內(nèi)，如圖2中所示，MOSFET M1和M3導(dǎo)電，而針對(duì)M2和M4的柵極被相應(yīng)的LM74670-Q1關(guān)斷。

圖2：AC輸入正周期內(nèi)的正向傳導(dǎo)

當(dāng)AC波形變?yōu)樨?fù)值時(shí)，與M1和M3相對(duì)應(yīng)的LM74670-Q1在2μs的時(shí)間內(nèi)對(duì)負(fù)電壓做出響應(yīng)，并且關(guān)斷兩個(gè)MOSFET的柵極。在這個(gè)時(shí)間內(nèi)，如圖3所示，M2和M4 MOSFET接通。

圖3：AC輸入負(fù)周期內(nèi)的正向傳導(dǎo)

這個(gè)應(yīng)用中使用的MOSFET必須具有一個(gè)小于等于3V的柵源電壓 (VGS) 閥值，以及低柵極電容。另外一個(gè)重要的電氣參數(shù)是MOSFET體二極管上的電壓，這個(gè)值必須在低輸出電流時(shí)為0.48V左右。

圖4顯示的是一個(gè)針對(duì)基于LM74670-Q1、具有4個(gè)CSD18532KCS MOSFET的智能橋式整流器的示波器曲線圖。這個(gè)整流器由一個(gè)12V 60Hz的AC輸入電源供電運(yùn)行，在這個(gè)示例中產(chǎn)生一個(gè)經(jīng)整流的輸出。

針對(duì)MOSFET M1的VGS顯示的是LM74670-Q1對(duì)于流經(jīng)MOSFET的正向傳導(dǎo)的控制方式，以及如何通過(guò)關(guān)斷柵極來(lái)阻斷反向電壓。

圖4：LM74670-Q1智能橋式經(jīng)整流輸出

圖5比較了LM74670-Q1智能橋式整流器(配置有4個(gè)CSD18532KCS N溝道 MOSFET)(左圖)與一個(gè)常規(guī)低正向壓降二極管 (Vf = 0.5V) 整流器(右圖)之間的熱性能。

兩個(gè)設(shè)計(jì)都運(yùn)行在高電流 (10A) 下，且沒(méi)有熱管理和空氣流量。一個(gè)二極管整流器中每個(gè)二極管的溫度達(dá)到大約71°C，而LM74670-Q1整流器中的CSD18532KCS MOSFET在同樣運(yùn)行條件下的溫度大約為31°C。

總之，基于LM74670-Q1的智能二極管全橋整流器設(shè)計(jì)具有以下這些特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：

將系統(tǒng)效率提高了大約10倍。

MOSFET無(wú)需任何針對(duì)高電流應(yīng)用的熱管理。

這個(gè)設(shè)計(jì)降低了系統(tǒng)成本，并且減少了印刷電路板上的空間。

支持高達(dá)400Hz的更高頻率，以及高達(dá)45V的AC電壓電平，這使其成為汽車用交流發(fā)電機(jī)應(yīng)用的合適替代器件。