CN203911750U - 主动式单向导通装置 - Google Patents

Abstract

一种主动式单向导通装置，用以导通第一端点与第二端点之间的第一路径，包括第一开关电路、控制电路、储能电路、第二开关电路与单向导通电路；第一开关电路根据第一开关控制信号控制第一路径的导通或截止；控制电路根据第一端点与第二端点之间的电压差输出第一开关控制信号；储能电路接收充电电源而储存工作电源；第二开关电路控制储能电路与控制电路之间的第二路径的导通或截止，以使控制电路于第二路径导通时接收工作电源；单向导通电路根据第一端点与第二端点之间的电压差而导通或截止，且于导通时提供充电电源对储能电路充电。本实用新型主动式单向导通装置解决传统自我供电单向导通装置于待机状态时的耗能、成本增加、待机时间减少的问题。

Description

主动式单向导通装置

技术领域

本实用新型涉及一种单向导通装置，尤其涉及一种主动式单向导通装置。

背景技术

常见的交流电的来源有单相及三相，此交流信号通常是无法提供给复杂控制电路的电源所需，因此需要交直流转换器将转换成所需的特定电压直流电，而转换器的第一级电路就是整流器。整流器最常使用的结构是全波整流桥(full bridge rectifier)，其中所需的元件为双端单相导通元件。近来节能意识增强，采用传统二极管组成的整流器，存在最低顺向导通压降太大的问题，造成大电流通过时,产生耗能及发热现象，不符节能需求，并且带来高温所造成的散热成本提升及耐用度的疑虑，因此主动式整流器渐成主流。主动式整流器采用主动式功率元件产生极低的顺向导通压降，从而降低转换耗能与发热，大幅提升交直流转换效率。

请参照图1A、1B及1C，图1A是传统二极管装置的电路图。当二极管1的端点P电压高于端点N约0.7V以上，产生顺向导通电流；反之，当二极管1的端点N电压高于P则无电流导通，然而0.7V的顺向压降在导通电流大时便会产生耗能，因而发热损失能量，此为其最大缺点。图1B是传统二极管装置所组成的三相全波整流器的电路图，图1C是传统二极管装置所组成的三相全波整流器的波形图。PH1、PH2、PH3是三相交流电源，Vbat是整流后的电压波形，由图1C可知，Vbat电压与交流电输入存在电压差异，此即为所消耗的能量。因此，为减少耗能提升效率，需改为主动式元件来整流。又为了减低电路复杂度，故采用自我供电单向导通元件来实现此双端单向导通元件。

接下来，请参照图2A，图2A是传统自我供电单向导通装置的主要元件电路图。借助于采用功率元件取代二极管以降低顺向导通压降，达到高效率的需求。传统自我供电单向导通装置2包括功率元件20、单向导通元件21、储能元件22与控制电路单元24。AC输入端点P与N分别用以取代传统二极管整流器的正极(Anode)与负极(Cathode)输入。BD是功率元件本身内存的寄生二极管(Body Diode)。当端点N电压高于端点P电压并足以导通单向导通元件21，电荷便流经单向导通元件21并且储存在储能元件22，此电荷用以提供控制电路单元24的电源。控制电路单元24的正输入端电性耦接至P端点，而控制电路单元24的负输入端则耦接至N端点。控制电路单元24的输出端则耦接功率元件20的栅极(Gate)输入以控制其开启或关闭。简单说，当端点N电压高于端点P时，储能元件22处于充电状态，此时功率元件20的端点Gate为低电压，因此功率元件20关闭。而当端点N电压低于端点P时，储能元件22处于放电状态，此时功率元件20的端点Gate为高电压，因此功率元件20开启，使端点P与端点N之间为低阻抗，达到高效率导通的目的。

请参照图2B，图2B为端点P到端点N弦波振幅的输入电压相位信号(V(P)-V(N))与储能元件22所储存的电压V(VC)及流经功率元件20以外的电流(IC)的波形图。图2B左半部的波形代表P-N逆接的相位信号，此时可以看到存在电流消耗(一般约1～10uA)。图2B右半部的波形代表P-N顺接的相位信号，此时可以看到不存在电流消耗(由电容提供电流给比较器)。

请参照图2C及图2D，图2C为采用图2A的传统自我供电单向导通装置2取代图1B二极管所组成的自我供电主动式整流器，图2D所示的为传统自我供电单向导通装置的主要元件波形图。由图2D所示Vbat的波形可看出与输入的交流电压几乎无电压差异。

然而，图2A的装置在整流器待机状态时，端点N电压高于端点P电压，控制电路单元24依然处于耗电状态，造成系统不运作时会有从端点N流经单向导通元件21及控制电路单元24至端点P的漏电电流。此逆电压耗电在负载为电池时将造成应用上的重大缺点，电池在待机时会一直处于耗电状态，待机时间会减少。以及单向导通元件21在功率元件20逆偏压时将电荷储存在储能元件22并直接供应给控制电路单元24，因此控制电路单元24一直处于耗电状态。为了将此耗电降低，必须将控制电路单元24操作电流缩小，结果造成功率元件20开关速度变慢的缺点。并且因应控制电路单元24一直耗电，储能元件22势必也要加大，亦造成成本的增加。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足提供一种主动式单向导通装置，通过采用互补式的导通控制，以有效降低漏电流的产生。

本实用新型所要解决的技术问题是通过如下技术方案实现的：

本实用新型提供一种主动式单向导通装置，用以导通第一端点与第二端点之间的第一路经，主动式单向导通装置包括第一开关电路、控制电路、储能电路、第二开关电路与单向导通电路。第一开关电路耦接于第一端点与第二端点之间，所述第一开关电路受控于第一开关控制信号，以决定第一路径为导通或截止状态；控制电路耦接于第一端点、第二端点与第一开关电路，所述控制电路根据第一端点与第二端点之间的电压差以输出第一开关控制信号给第一开关电路；储能电路耦接于第二端点，所述储能电路根据充电电源而储存工作电源；第二开关电路耦接于第一端点、控制电路与储能电路，所述第二开关电路用以控制储能电路与控制电路之间的第二路径的导通或截止状态，以使控制电路于第二路径导通时接收工作电源；单向导通电路耦接于第一端点、储能电路与第二开关电路，所述单向导通电路根据第一端点与第二端点之间的电压差以决定导通或截止状态，并且当单向导通电路于导通状态时，会提供充电电源对储能电路进行充电；当第二开关电路于单向导通电路为导通状态时，会控制第二路径为截止状态；当第二开关电路于单向导通电路为截止状态时，会控制第二路径为导通状态。

基于上述，本实用新型所提出的主动式单向导通装置，在单向导通电路为导通状态时，会提供充电电源对储能电路进行充电，并且第二开关电路会控制第二路径为截止状态，停止对控制电路输出工作电源，以截断漏电电流的产生。在单向导通电路为截止状态时，储能电路会进行释放工作电源，第二开关电路会控制第二路径为导通状态，以使控制电路于第二路径导通时接收工作电源。本实用新型所提供的主动式单向导通装置采用互补式的导通和截止控制，以停止漏电电流的产生，由此解决传统自我供电单向导通装置于待机状态时的耗能、成本增加、待机时间减少的问题。

为了更进一步了解本实用新型所采取的技术、方法及功效，请参阅以下有关本实用新型的详细说明与附图，相信本实用新型的特征与特点，当可由此得以深入且具体的了解，然而此等说明与附图提供参考与用来说明本实用新型，而非对本实用新型权利要求保护范围加以限制。

附图说明

图1A为传统二极管装置的电路图；

图1B为传统二极管装置所组成的三相全波整流器的电路图；

图1C为传统二极管装置所组成的三相全波整流器的波形图；

图2A为传统自我供电单向导通装置的主要元件电路图；

图2B为传统自我供电单向导通装置的主要元件波形图；

图2C为传统自我供电单向导通装置所组成的自我供电主动式整流器的电路图；

图2D为传统自我供电单向导通装置所组成的自我供电主动式整流器的波形图；

图3为本实用新型的主动式单向导通装置的方块示意图；

图4为本实用新型的主动式单向导通装置的主要元件电路图；

图5为本实用新型的主动式单向导通装置的操作电压及电流波形图。

【附图标记说明】

1：二极管

2：传统自我供电单向导通装置

20：功率元件

21：单向导通元件

22：储能元件

24：控制电路单元

3：主动式单向导通装置

4：主动式单向导通装置

30、40：第一开关电路

31、41：单向导通电路

32、42：储能电路

33、43：第二开关电路

34、44：控制电路

N：第一端点

P：第二端点

Gate：功率元件栅极

IC：电流

BD：寄生二极管

PH1、PH2、PH3：三向交流电源

Vbat：整流后的电压

Battery：电池

VC：储能元件电压

具体实施方式

请先参照图3，图3为本实用新型的主动式单向导通装置的方块示意图。如图3所示，主动式单向导通装置3是指可以在第一端点N及第二端点P的两端之间进行导通的单向导通装置。具体来说，主动式单向导通装置包括一第一开关电路30、一单向导通电路31、一储能电路32、一第二开关电路33以及一控制电路34。须注意的是，所述开关电路(switch circuit)可以任何形式的开关电路，本揭露内容并不是以开关电路的形式来作为限制，并且在一实施例中，储能电路32可以是电容(capacitance)或是其他可以达到储能功能的电路元件。以下分别说明主动式单向导通装置3的中各部元件的相对关系以及功能。

第一开关电路30耦接于第一端点N、第二端点P与控制电路34之间，用以控制第一端点N和第二端点P之间的第一路径的导通或截止。第一开关电路30的控制端连接控制电路34，用以接收控制电路34的第一开关控制信号以控制第一端点N与第二端点P之间的第一路径的导通或截止状态。具体来说，第一开关电路30的导通或截止是受控于第一开关控制信号，而第一路径的导通或截止是受控于第一开关电路30。也就是说，当第一开关电路30导通则第一路径亦导通，反之当第一开关电路30截止则第一路径亦截止。

单向导通电路31的一端连接第一端点N，单向导通电路31的另一端连接储能电路32。在此，单向导通电路31可于导通时提供充电电源对储能电路32进行充电。于实务上，单向导通电路31受控于第一端点N的电压电平与第二端点P的电压电平的电压差以决定本身的导通或截止状态。当第一端点N的电压电平大于第二端点P的电压电平时，单向导通电路31为导通状态，并以第一端点N与第二端点P之间的电压差作为充电电源而对储能电路32进行充电。

储能电路32耦接于单向导通电路31、第二开关电路33与第二端点P之间。当单向导通电路31为导通状态(第一端点N的电压电平大于第二端点P的电压电平)时，储能电路32通过单向导通电路31接收第一端点N的充电电源进行充电，使得储能电路32能根据此充电电源而储存工作电源。当单向导通电路31为截止状态(第一端点N的电压电平小于第二端点P的电压电平)时，储能电路32可以经由第二开关电路33而对控制电路34进行放电，也就是说储能电路32能提供工作电源给控制电路34使用。

第二开关电路33耦接于单向导通电路31、第一端点N、控制电路34与储能电路32之间，用以控制储能电路32与控制电路34之间的第二路径的导通或截止状态。第二开关电路33的控制端连接第一端点N，当第一端点N的电压电平大于第二端点P的电压电平时，第二开关电路33控制储能电路32与控制电路34之间的第二路径为截止状态。反之，当第一端点N的电压电平小于第二端点P的电压电平时，第二开关电路32控制储能电路32与控制电路34之间的第二路径为导通状态，以使控制电路34于第二路径导通时接收工作电源。更详细地说，第二开关电路33于单向导通电路31导通时控制第二路径为截止状态，以及于单向导通电路31截止时控制第二路径为导通状态。

控制电路34耦接于第一端点N、第二端点P、第一开关电路30与第二开关电路33。控制电路34根据第一端点N与第二端点P的电压电平以输出导通或截止的第一开关控制信号至第一开关电路30。在本实施例中，当第一端点N的电压电平小于第二端点P的电压电平时，控制电路34输出导通的第一开关控制信号至第一开关电路30，以使得第一路径导通。当第一端点N的电压电平大于第二端点P的电压电平时，控制电路34输出截止的第一开关控制信号至第一开关电路30，以使得第一路径截止。

据此，本实施例所述的主动式单向导通装置3通过设置第二开关电路33于控制电路34与储能电路32之间，且单向导通电路31与第二开关电路33采用互补式的导通控制而于同一时间仅有其中一个为导通，也就是说当单向导通电路31导通时，第二开关电路33将截止，如此即可以有效避免于单向导通电路31导通时的电流因流通于控制电路34所产生的漏电流。

接下来，将进一步说明主动式单向导通装置3的各电路实施细节，请参照图4与图5，图4为本实用新型的主动式单向导通装置的主要元件电路图，图5为本实用新型的主动式单向导通装置的操作电压及电流波形图。如图4所示，主动式单向导通装置4包括一第一开关电路40、一单向导通电路41、一储能电路42、一第二开关电路43以及一控制电路44。图4中的主动式单向导通装置4的各电路之间的连接关系相同于图3所述电路，而主动式单向导通装置4中各电路包括的元件揭露于下述说明。

第一开关电路40包括第一晶体管，且第一晶体管具有寄生二极管BD，寄生二极管BD的阴极端耦接于第一端点N，寄生二极管BD的阳极端耦接于第二端点P。单向导通电路41包括二极管。储能电路42包括电容。第二开关电路43包括第二晶体管。控制电路44包括比较器。

第一开关电路40的第一晶体管的栅极端连接控制电路44的比较器，用以接收第一开关控制信号以控制第一路径的导通或截止状态。第一开关电路40的第一晶体管的漏极端与寄生二极管BD的阴极端耦接于第一端点N。第一开关电路40的第一晶体管的源极端与寄生二极管的阳极端耦接于第二端点P。值得一提的是，第一开关电路40例如可以是金氧半场效晶体管(MOSFET)或绝缘栅双极晶体管(IGBT)，第一开关电路不以晶体管的实施方式为限。

单向导通电路41的二极管的阳极端耦接第一端点N，二极管的阴极端耦接储能电路42的电容的一端。单向导通电路41的二极管根据阳极端与阴极端之间的电压电平(第一端点N的电压电平与第二端点P的电压电平)以决定本身的导通或截止状态。当二极管的阳极端电压电平大于阴极端电压电平时，单向导通电路41的二极管为导通状态，故由第一端点N所提供的充电电源将可对储能电路42的电容进行储存工作电源。为了方便说明，本实施例的单向导通电路41以二极管为例，但本实用新型不以二极管为限，单向导通电路41例如可以是稳压二极管(Zener diode)或其他可能的元件。

储能电路42的电容，一端耦接于单向导通电路41的二极管的阴极端和第二开关电路43的第二晶体管之间，另一端耦接于第二端点P。当单向导通电路41的二极管为导通状态(阳极端的电压电平大于阴极端的电压电平)时，储能电路42的电容通过单向导通电路41的二极管接收第一端点N的充电电源进行储存工作电源。当单向导通电路41的二极管为截止状态(阳极端的电压电平小于阴极端的电压电平)时，储能电路42的电容经由第二开关电路43的第二晶体管的导通而对控制电路提供工作电源。为了方便说明，本实施例的储能电路42以电容为例，但并不以为限。

第二开关电路43的第二晶体管的第一端(栅极端)连接第一端点N，用以控制储能电路42与控制电路44之间的第二路径的导通或截止状态。第二开关电路43的二晶体管的第二端(源极端)耦接于储能电路42的电容的一端与二极管的阴极端，用以接收工作电源。第二开关电路43的的第二晶体管的第三端(漏极端)耦接于控制电路44，用以输出工作电源至控制电路44的比较器。当第一端点N的电压电平大于第二端点P的电压电平时，第二开关电路43的第二晶体管控制储能电路42与控制电路44之间的第二路径为截止状态。反之，当第一端点N的电压电平小于第二端点P的电压电平时，第二开关电路43的晶体管控制储能电路42与控制电路44之间的第二路径为导通状态，以使控制电路44的比较器于第二路径导通时接收工作电源。更详细地说，第二开关电路43的第二晶体管于单向导通电路41的二极管于导通时控制第二路径为截止状态，以及于单向导通电路41的二极管于截止时控制第二路径为导通状态。于实务上，第二开关电路43的晶体管可以为P通道晶体管，但本实用新型的第二开关电路不以晶体管为限。

控制电路44可以是比较器，会根据第一端点N与第二端点P的电压电平以输出导通或截止的第一开关控制信号至第一开关电路40的第一晶体管的栅极端。在本实施例中，比较器的负输入端连接第一端点N，比较器的正输入端连接第二端点P。也就是说，比较器用以比较第一端点N的电压电平与第二端点P的电压电平。因此当比较器接收到储能电路42提供的工作电压之后，比较器即开始比较第一端点N的电压电平与第二端点P的电压电平，当第一端点N的电压电平小于第二端点P的电压电平时，比较器输出高逻辑电压电平(即导通的第一开关控制信号)，使得第一路径导通；以及当第一端点N的电压电平大于第二端点P的电压电平时，比较器输出低逻辑电压电平(即截止的第一开关控制信号)，使得第一路径截止。

接下来，请一并参见图4与图5。如图所示，当第一端点N的电压电平大于第二端点P的电压电平(V(P)-V(N)<0V)时，单向导通电路41的二极管为导通状态，第一端点N输出充电电源至储能电路42的电容进行充电及储存工作电源。此外，第二开关电路43的晶体管为截止状态，并藉此关闭第二路径以停止储能电路42提供工作电源至控制电源44的比较器，且使得第一开关电路40的第一晶体管栅极端接收截止的第一开关控制信号，进而使第一路径为截止。也就是说，控制电路44的比较器因第二路径截止而没有接收工作电源而处于关闭状态，故可以避免导通二极管的电流IC流经比较器所额外产生的漏电电流。

另一方面，当第一端点N的电压电平小于第二端点P的电压电平(V(P)-V(N)>0V)时，单向导通电路41的二极管为截止状态，第二开关电路43的第二晶体管导通，故连接于控制电路44与储能电路42之间的第二路径即导通，使得储能电路42的电容对控制电路44的比较器释放工作电源。因此当比较器接收到工作电源之后，则用以比较第一端点N的电压电平与第二端点P的电压电平。而在本实施例中，控制电路44的比较器只有在第一端点N的电压电平小于第二端点P的电压才能顺利接收到工作电源，故当比较器收到工作电源之后由于第一端点N的电压电平小于第二端点P的电压，控制电路44的比较器是输出导通的第一开关控制信号给第一开关电路40中的第一晶体管。

综上所述，本实用新型提供的主动式单向导通装置，将单向导通电路及第二开关电路设计成同一时间只有其中一个为导通状态，此一设计即可在第一端点N的电压高于第二端点P的逆偏压时，使得控制电路因无法工作而不会产生漏电流。也就是说，本实用新型因不会有额外的漏电电流产生，故可避免多余的功率损耗，藉此以达到接近无漏电流产生的一种主动式单向导通装置。

以上所述，仅为本实用新型的较佳可行实施例，并非用以局限本实用新型的权利要求保护范围，故凡运用本实用新型说明书及附图内容所为的等效技术变化，均包含于本实用新型的权利要求保护范围内。

Claims (9)

1.一种主动式单向导通装置，其特征在于，用以导通一第一端点与一第二端点之间的一第一路经，包括：

一第一开关电路，耦接于该第一端点与该第二端点之间，该第一开关电路根据一第一开关控制信号控制该第一路径为导通或截止；

一控制电路，耦接于该第一端点、该第二端点与该第一开关电路，该控制电路根据该第一端点与该第二端点之间的电压差输出该第一开关控制信号；

一储能电路，耦接该第二端点，该储能电路根据一充电电源而储存一工作电源；

一第二开关电路，耦接于该第一端点、该控制电路与该储能电路，该第二开关电路控制该储能电路与该控制电路之间的一第二路径的导通或截止，以使该控制电路于该第二路径导通时接收该工作电源；以及

一单向导通电路，耦接于该第一端点、该储能电路与该第二开关电路，该单向导通电路根据该第一端点与该第二端点之间的电压差而导通或截止，且该单向导通电路于导通时提供该充电电源对该储能电路充电；

其中该第二开关电路于该单向导通电路导通时控制该第二路径截止，以及于该单向导通电路截止时控制该第二路径导通。

2.如权利要求1所述的主动式单向导通装置，其特征在于，其中该第一开关电路为第一晶体管，且该第一晶体管具有一寄生二极管，该寄生二极管的阴极端耦接于该第一端点，该寄生二极管的阳极端耦接于该第二端点。

3.如权利要求2所述的主动式单向导通装置，其特征在于，其中该第一晶体管为金氧半场效晶体管或绝缘栅双极晶体管。

4.如权利要求1所述的主动式单向导通装置，其特征在于，其中该控制电路具有一比较器，该比较器的负输入端耦接该第一端点，该比较器的正输入端耦接该第二端点，该比较器的输出端耦接该第一开关电路的控制端。

5.如权利要求1所述的主动式单向导通装置，其特征在于，其中该储能电路为电容。

6.如权利要求1所述的主动式单向导通装置，其特征在于，其中该单向导通电路为二极管，该二极管的阳极端耦接于该第一端点，该二极管的阴极端耦接于该第二开关电路及该储能电路。

7.如权利要求6所述的主动式单向导通装置，其特征在于，其中该二极管为稳压二极管。

8.如权利要求6所述的主动式单向导通装置，其特征在于，其中该第二开关电路为第二晶体管，该第二晶体管的一第一端耦接于该第一端点，该第二晶体管的一第二端耦接于该二极管的阴极端，该第二晶体管的一第三端耦接于该控制电路的电源输入端。

9.如权利要求8所述的主动式单向导通装置，其特征在于，其中该第二晶体管为P通道晶体管，该第二晶体管的该第一端为栅极端，该第二晶体管的该第二端为源极端，该第二晶体管的该第三端为漏极端。