【導(dǎo)讀】大多數(shù)電子元器件都需要一個(gè)來自AC電力線的輸入電源。對于電壓穩(wěn)壓器、開關(guān)模式電源和其它下游電子組件來說，一個(gè)全橋或半橋二極管整流器器件對正弦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AC電壓進(jìn)行整流的最簡單、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)簡單、劃算且零靜態(tài)電流的解決方案。
不過，雖然二極管通常對負(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消除二極管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，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)浜碗姾杀脕韺?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AC輸入波形做出響應(yīng)。LM74670-Q1用陽極和陰極引腳持續(xù)感測MOSFET上的電壓，并且根據(jù)電壓極性來打開和關(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相對應(yīng)的LM74670-Q1在2μs的時(shí)間內(nèi)對負(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。德州儀器 (TI) 60V CSD18532KCS N溝道功率MOSFET或其它NexFET™ MOSFET是這個(gè)應(yīng)用的最佳選擇。
圖4顯示的是一個(gè)針對基于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MOSFET M1的VGS顯示的是LM74670-Q1對于流經(jīng)MOSFET的正向傳導(dǎo)的控制方式，以及如何通過關(guān)斷柵極來阻斷反向電壓。
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。
圖5：與一個(gè)常規(guī)二極管整流器的熱性能比較
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：
● 將系統(tǒng)效率提高了大約10倍。
● MOSFET無需任何針對高電流應(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。
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