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基于LM74670-Q1智能二极管整流控制器的全波桥式整流器的设计方案

2018-07-03
类别:设计应用
eye 214
文章创建人 拍明芯城

贵州快三网址 www.iuhmn.cn

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。

表1:MOSFET与二极管功率损耗比较

表1:MOSFET与二极管功率损耗比较.png

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。

图1:LM74670-Q1智能二极管桥式整流器运行.png

图1:LM74670-Q1智能二极管桥式整流器运行

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。

图2:AC输入正周期内的正向传导.png

图2:AC输入正周期内的正向传导

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。

图3:AC输入负周期内的正向传导.png

图3:AC输入负周期内的正向传导

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4:LM74670-Q1智能桥式经整流输出.png

图4:LM74670-Q1智能桥式经整流输出

图5比较了LM74670-Q1智能桥式整流器(配置有4个CSD18532KCS N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。

图5:与一个常规二极管整流器的热性能比较.png

图5:与一个常规二极管整流器的热性能比较

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。

【LM74670-Q1】

具有 70uA 栅极驱动电流的零 Iq 反极性?;ぶ悄芏芸刂破?/span>

描述

LM74670-Q1 是一种控制器器件,可在交流发电机的全桥或半桥整流器架构中与 N 通道 MOSFET 搭配使用。它旨在驱动外部 MOSFET 以模拟理想二极管。此方案独一无二的优势在于其并无接地基准,因此其具有零 IQ。采用全桥或半桥整流器和交流发电机的肖特基二极管可以替换为 LM74670-Q1 解决方案,以避免正向导电二极管损耗并使交流/直流转换器更加高效。

LM74670-Q1 控制器为外部 N 通道 MOSFET 提供栅极驱动,并配有快速响应内部比较器,可使 MOSFET 栅极在反极性情况下放电。此器件支持频率高达 300Hz 的交流信号。

特性

符合 AEC-Q100 标准,其中包括以下内容:

器件温度 1 级:-40℃ 至 +125℃ 的环境工作温度范围

超出人体模型 (HBM) 静电放电 (ESD) 分类等级 2

器件充电器件模型 (CDM) ESD 分类等级 C4B

峰值输入交流电压:42V

零 IQ

适用于外部 N 通道 MOSFET 的电荷泵栅极驱动器

与肖特基二极管相比,正向压降和功耗更低

能够处理频率高达 300Hz 的交流信号




责任编辑:Davia

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