主動整流

主動整流(Active rectification)或同步整流(synchronous rectification)是由主動控制的電子開關取代二極管,以提昇整流效率的技術,使用的電子開關多半是功率MOSFET双极性晶体管[1]。一般半導體的二極體壓降固定,約為0.5至1V,在工作電流範圍內,壓降不會隨電流有明顯的變化,主動整流器的壓降比較像是電阻,在低電流時的壓降很小。

二極體和MOSFET的壓降比較。MOSFET的低導通電阻特性使其產生的歐姆損失比二極體要少(至少在電流32A以下是如此),二極體即使在低電流時仍會有很大的壓降。若並聯二顆MOSFET(粉紅色線)會讓損失降的更低,而並聯數顆二極體不會降低壓降

整流器是將交流的電壓轉換為直流的電壓,使用主動整流時,會在輸入電壓為正時將開關打開,輸入電壓為負時關閉開關。因為開關的導通和關閉和電壓同步,或是和電路中的其他開關有同步的關係,因此稱為同步整流

以往用振動器驅動的開關,或是用馬達驅動的換相器也曾用在機械整流器及同步整流[2]

主動整流有很多的應用,常用在太阳能光伏板的陣列中,在使得功率損失最小的情形下,也避免因為部份光伏板未曬到太陽,電流回灌造成的過熱。主動整流也常用在開關模式電源(SMPS)裡[1]

有關主動整流的架構,可以參考H桥。像是降压变换器中也會用同步整流代替二極體。

目的

標準PN结二極管的固定電壓降約在0.7 V至1.7 V之間,因此二極體上會產生相當的功率損失。功率是電壓和電流的乘積,若任何一個增加,功率就會增加。

在低電壓的直流-直流轉換器(約10V或是更低),電壓降(若是矽二極體,在額定電流下約在0.7V至1V),對效率有不良的影響。傳統的作法是將標準的二極體改為電壓降非常低(約0.3V)的肖特基二极管。不過就算是肖特基二极管,在大電流及小電壓時,其功率損失仍然會比主動整流要大。

若處理很低電壓的轉換器,例如電腦中央处理器降压变换器(輸出電壓約為1伏特,輸出電流為數安培)。肖特基二极管所產生的損失太大,因此無法達到所需的效率。在這類的應用裡,需要用到主動整流技術[1]

敘述

簡化的同步整流降压变换器架構,開關S2就是主動整流的開關

主動整流的重點就是將二極體換成主動控制的功率晶體(例如MOSFET)。MOSFET導通時的電阻(RDS(on))很低,可以做到10 mΩ甚至更小。因此功率晶體上的電壓降可以降低,減少損失並且提高效率。不過MOSFET的壓降會依照欧姆定律,因此若高電流時,其壓降可能會超過二極體。此限制一般會用並聯多個功率晶體來改善(因此每一個功率晶體流過的電流減小)或是導通面積更大的元件(例如FET)。

主動整流的控制電路一般會用比较器來偵測輸入的交流電壓,並且在正確的方向時導通功率晶體,允許電流流過。其中的時序非常重要,因為需要避免輸入側的短路,若交流輸入用主動整流進行全波整流,二個晶體不能同時導通,若一個晶體尚未關閉時,另一個晶體就已導通,就會造成輸入側的短路。主動整流器也像一般的整流器一樣,需要平滑电容器

若用主動整流來實現整流器,其設計就可以有進一步的改善(不過也更複雜),來達到輸入功率因数修正的目的,也就是強迫電流波形依照電壓波形而變化,可以消除無功電流,也會讓系統的效率再提昇。

理想二極體

有主動控制的MOSFET,可以有類似整流體的作用,電壓為正時打開,允許電流通過,電壓為負時關閉,不允許電流通過,因此也稱為理想二極體。在光伏陣列電路、反向電池保護或是二極體電橋中,可以用理想二極體取代標準的二極體,以減少損失的功率,提高效率,因為散熱量減少,電路板以及散熱片可以縮小,重量也可以減輕[3][4][5][6][7][8]

這類以MOSFET為基礎的理想二極體和用運算放大器為基礎的超級二極體不同,超級二極體的電壓非常準確,用在高精度的信號處理上,不會用來作為功率轉換的整流體。

相關條目

  • 降壓變換器#同步整流

參考資料

  1. Ali Emadi. . CRC Press. 2009: 145–146 [2020-02-06]. ISBN 978-1-4398-0069-0. (原始内容存档于2016-12-23).
  2. Maurice Agnus Oudin. 5th. Van Nostrand. 1907: 236.
  3. "Ideal Diode for Solar Panel Bypass" 页面存档备份,存于.
  4. "Ideal Diode Bridge Controller" 页面存档备份,存于.
  5. . [2020-02-06]. (原始内容存档于2016-10-18).
  6. "Reverse-Current Circuitry Protection" 页面存档备份,存于.
  7. "Reverse Current/Battery Protection Circuits" 页面存档备份,存于.
  8. "Reverse Power Protection using Power MOSFETs" 页面存档备份,存于.

延伸閱讀

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