一种智能二极管全桥整流器设计

大多数电子元器件都需要一个来自AC电力线的输入电源。对于电压稳压器、开关模式电源和其它下游电子组件来说，一个全桥或半桥二极管整流器器件对正弦AC电压波形进行整流，并将其转换为一个DC电压。
使用桥式整流器配置中的四个二极管是对AC电压进行整流的最简单、也是最常规的方法。在一个桥式整流器中运行一个二极管可以为全桥整流器和汽车用交流发电机提供一个简单、划算且零静态电流的解决方案。
不过，虽然二极管通常对负电压具有最快的响应速度，但它们会由于正负结正向电压压降 (Vf ~0.7V) 的原因而导致较高的功率损耗。这些功率损耗会引起发热，需要设计人员执行散热管理，从而增加系统成本和解决方案尺寸。二极管的另外一个缺点就是较高的反向泄露电流—最高会达到大约1mA。
用N沟道MOSFET替换高损耗二极管可以通过消除二极管整流器件正向压降来大幅降低功率损耗。N沟道MOSFET具有小RDSON，并且它们相关的压降也是最小的。
表1中是一个5A (I_rms = 3.5A) 二极管整流器与一个10mΩ基于MOSFET的整流器件之间的比较。



很明显，在使用MOSFET时，功率损耗小到令人难以置信，而设计人员也不用使用昂贵且笨重的散热片进行热管理。然而，凡事皆有代价。N沟道MOSFET需要一个栅极驱动来将电流从源极传导至漏极，并且需要在AC正弦波变为负值时快速关断。通过将N沟道MOSFET与4个LM74670-Q1智能二极管整流控制器组合在一起，可以在在正弦波的负周期内关闭MOSFET栅极。LM74670-Q1设计用于单独驱动每一个N沟道MOSFET，以便仿真一个没有正向传导损耗的理想二极管。LM74670-Q1用一个悬浮拓扑和电荷泵来实现真正的二极管替换。
图1显示的是在一个全波桥式整流器设计中运行的LM74670-Q1。


在这个桥式整流器方法中，每个二极管被LM74670-Q1解决方案所替代，这个解决方案包括集成电路MOSFET和一个电荷泵电容器。每个解决方案独立运行，并且像二极管一样对AC输入波形做出响应。LM74670-Q1用阳极和阴极引脚持续感测MOSFET上的电压，并且根据电压极性来打开和关闭MOSFET栅极。在AC波形的正周期内，如图2中所示，MOSFET M1和M3导电，而针对M2和M4的栅极被相应的LM74670-Q1关断。



当AC波形变为负值时，与M1和M3相对应的LM74670-Q1在2μs的时间内对负电压做出响应，并且关断两个MOSFET的栅极。在这个时间内，如图3所示，M2和M4 MOSFET接通。


这个应用中使用的MOSFET必须具有一个小于等于3V的栅源电压 (VGS) 阀值，以及低栅极电容。另外一个重要的电气参数是MOSFET体二极管上的电压，这个值必须在低输出电流时为0.48V左右。德州仪器 (ti) 60V CSD18532KCS N沟道功率MOSFET或其它NexFET™ MOSFET是这个应用的最佳选择。
图4显示的是一个针对基于LM74670-Q1、具有4个CSD18532KCS MOSFET的智能桥式整流器的示波器曲线图。这个整流器由一个12V 60Hz的AC输入电源供电运行，在这个示例中产生一个经整流的输出。针对MOSFET M1的VGS显示的是LM74670-Q1对于流经MOSFET的正向传导的控制方式，以及如何通过关断栅极来阻断反向电压。



图5比较了LM74670-Q1智能桥式整流器（配置有4个CSD18532KCSN沟道 MOSFET）（左图）与一个常规低正向压降二极管 (Vf = 0.5V) 整流器（右图）之间的热性能。两个设计都运行在高电流 (10A) 下，且没有热管理和空气流量。一个二极管整流器中每个二极管的温度达到大约71°C，而LM74670-Q1整流器中的CSD18532KCS MOSFET在同样运行条件下的温度大约为31°C。


总之，基于LM74670-Q1的智能二极管全桥整流器设计具有以下这些特点和优势：

• 将系统效率提高了大约10倍。
• MOSFET无需任何针对高电流应用的热管理。
• 这个设计降低了系统成本，并且减少了印刷电路板上的空间。
• 支持高达400Hz的更高频率，以及高达45V的AC电压电平，这使其成为汽车用交流发电机应用的合适替代器件。