阅读说明：本技术 交流发电机以及整流装置 (Alternator and rectifier device ) 是由 陈维忠 锺尚书 陈宴毅 王惠琪 于 2019-01-15 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种交流发电机以及整流装置。整流装置包括晶体管以及栅极驱动电路。晶体管的控制端接收栅极电压。栅极驱动电路依据整流电压以及输入电压的电压差以产生栅极电压。栅极驱动电路检测电压差小于第一预设临界电压的初始时间点,在初始时间点后的第一时间区间中提供栅极电压以导通晶体管,并使电压差等于第一参考电压。栅极驱动电路在第一时间区间后的第二时间区间中,通过调整栅极电压以使电压差等于第二参考电压。(The invention provides an AC generator and a rectifying device. The rectifying device comprises a transistor and a gate drive circuit. The control terminal of the transistor receives the gate voltage. The gate driving circuit generates a gate voltage according to a voltage difference between the rectified voltage and the input voltage. The gate driving circuit detects an initial time point when the voltage difference is smaller than a first preset threshold voltage, provides a gate voltage to turn on the transistor in a first time interval after the initial time point, and makes the voltage difference equal to a first reference voltage. The grid driving circuit adjusts the grid voltage to enable the voltage difference to be equal to the second reference voltage in a second time interval after the first time interval.)

交流发电机以及整流装置

技术领域

本发明涉及一种交流发电机以及整流装置，尤其涉及一种可减低功率损耗的交流发电机以及整流装置。

背景技术

在交流发电机中，常利用整流器装置针对交流输入电压进行整流，并产生可视为直流电压的整流电压。在已知技术领域中，常利用二极管或晶体管来进行输入电压的整流动作。在理想状态下，整流电压在负半周中，电压值应维持在等于基准电压(例如0伏特)，但在实际的情况下，如图1示出的已知的整流电压的波形图所示，峰值为电压VP的整流电压，在其负半周TN中，整流电压的电压值会低于其基准电压V0。也就是说，在整流电压的负半周TN中，会产生功率耗损(power loss)的现象，降低系统的工作效率。

发明内容

本发明提供一种交流发电机以及整流装置，可降低功率损耗。

本发明的整流装置包括晶体管以及栅极驱动电路。晶体管具有第一端接收输入电压，晶体管的第二端产生整流电压，晶体管的控制端接收栅极电压。栅极驱动电路耦接至晶体管，依据整流电压以及输入电压的电压差以产生栅极电压。其中，栅极驱动电路检测电压差小于第一预设临界电压的初始时间点，在初始时间点后的第一时间区间中提供栅极电压以导通晶体管，并使电压差等于第一参考电压；栅极驱动电路在第一时间区间后的第二时间区间中，通过调整栅极电压以使电压差等于第二参考电压。

在本发明的一实施例中，上述的第一参考电压可大于、小于或等于第二参考电压。

在本发明的一实施例中，上述的第一参考电压等于晶体管的导通电阻与晶体管流过电流的乘积。

在本发明的一实施例中，上述的栅极驱动电路并在第二时间区间后的第三时间区间，检测电压差由第二参考电压上升至第二预设临界电压的第二时间点，并第二时间点之后，调整栅极电压以使晶体管被截止。

在本发明的一实施例中，上述的栅极驱动电路包括运算放大器、第一开关以及第二开关。运算放大器接收电压差以及调整电压，依据控制信号以在输出端产生栅极电压。第一开关串接在第一电压与输出端间，依据第二控制信号以被导通或断开。第二开关串接在第二电压与输出端间，依据第三控制信号以被导通或断开。

在本发明的一实施例中，上述的栅极驱动电路还包括控制信号产生器。控制信号产生器使电压差与第一预设临界电压或第二预设临界电压进行比较以产生比较结果，并依据比较结果以产生第一控制信号、第二控制信号以及第三控制信号。

在本发明的一实施例中，上述的控制信号产生器包括比较器、选择器以及计数器。比较器接收电压差以及选中电压，并产生比较结果。计数器耦接比较器，依据比较结果以进行计数动作，并产生第一控制信号、第二控制信号以及第三控制信号。

在本发明的一实施例中，上述的计数器在第一时间点与第二时间点间执行计数动作，以产生一计数值，其中，在计数值小于参考值时，为第一时间区间，在计数值介于参考值与最大计数值间时，为第二间区间。

在本发明的一实施例中，上述的栅极驱动电路还包括电压产生器。电压产生器依据操作电源以产生第二电压、第二参考电压、第一预设临界电压以及第二预设临界电压。

在本发明的一实施例中，上述的电压产生器包括电压调整器以及参考电压产生器。电压调整器依据操作电源以产生第一电压，并产生运算放大器以及计数器的第一电源以及第二电源。参考电压产生器依据操作电源以产生第一预设临界电压、第二预设临界电压以及调整电压。

在本发明的一实施例中，整流装置还包括二极管以及电容。二极管的阳极耦接至晶体管的第一端，二极管的阴极耦接至栅极驱动电路接收操作电源的端点。电容耦接在二极管的阴极以及晶体管的第二端间。

本发明的交流发电机包括转子、定子以及多个如前所述的整流装置。各整流装置接收对应的交流输入电压以作为输入电压，整流装置共同产生整流电压。

基于上述，本发明的整流装置通过使晶体管两端的电压差在负半周期的第一时间区间维持等于第一参考电压，第一参考电压的产生为导通晶体管的等效电阻与流过导通晶体管电流的乘积值，并在第二时间区间维持等于第二参考电压，其中第一参考电压可大于或小于或等于第二参考电压。如此一来，整流装置中的功率损耗可以降低，提升工作效能。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。

附图说明

图1示出已知的整流电压的波形；

图2示出本发明一实施例的整流装置的示意图；

图3A示出本发明一实施例的电压差的波形示意图；

图3B以及图3C示出本发明不同实施例的电压差的波形示意图；

图4A示出本发明实施例的电压差、晶体管电流以及栅极电压的波形示意图；

图4B则示出图4A中的电压差以及栅极电压的局部放大波形图；

图4C示出本发明另一实施例的电压差、晶体管电流以及栅极电压的波形示意图；

图4D则示出图4C中的电压差以及栅极电压的局部放大波形图；

图5示出本发明一实施例的栅极驱动电路的示意图；

图6示出本发明一实施例的控制信号产生器的实施方式；

图7示出本发明实施例的计数器的计数动作的实施方式的示意图；

图8示出本发明一实施例的电压产生器的实施方式；

图9示出本发明另一实施例的整流装置的示意图；

图10示出本发明一实施例的交流发电机的示意图。

附图标号说明：

200：整流装置

210：栅极驱动电路

500：栅极驱动电路

600：控制信号产生器

610：选择器

620：计数器

800：电压产生器

810：电压调整器

820：参考电压产生器

900：整流装置

910：栅极驱动电路

1000：交流发电机

1010、1020、1030：整流电路

1011～1032：整流装置

VP：电压

V0：基准电压

TN：负半周

TD1：晶体管

VS：输入电压

VD：整流电压

VG：栅极电压

VDS：电压差

t1、t2、t0：时间点

VDS_ON：第一预设临界电压

VDS_OFF：第二预设临界电压

TP1：初始时间点

TP2：第二时间点

VDS_SW2：第一参考电压

VDS_REG：第二参考电压

TZ1：第一时间区间

TZ2：第二时间区间

TZ3：第三时间区间

IDS：晶体管电流

EN_OPA、EN_SW1、EN_SW2：控制信号

VH：电压

OT：输出端

OP1：运算放大器

SW1、SW2：开关

CMP1：比较器

VCMP：比较结果

REFV：参考值

C(n)：最大计数值

a1：比例值

VA、VC：电源

VHH：操作电源

DP：二极管

CP、C1：电容

RT：转子

ST：定子

VU、VV、VW：相电压

R1：电阻

具体实施方式

请参照图2，图2示出本发明一实施例的整流装置的示意图。整流装置200包括晶体管TD1以及栅极驱动电路210。晶体管TD1具有第一端接收输入电压VS，晶体管TD1的第二端产生整流电压VD，晶体管TD1的控制端接收栅极电压VG。在本实施例中，通过栅极电压VG，晶体管TD1的操作等效于一二极管，晶体管TD1的第一端可等效于二极管的阴极，晶体管TD1的第二端可等效于二极管的阳极。

栅极驱动电路210耦接至晶体管TD1，并用以提供栅极电压VG。栅极驱动电路210接收整流电压VD与输入电压VS间的电压差VDS，并依据电压差VDS来产生栅极电压VG。关于栅极电压VG的产生细节，栅极驱动电路210检测电压差VDS的变化。栅极驱动电路210检测电压差VDS小于第一预设临界电压的初始时间点，并在初始时间点后的第一时间区间中提供栅极电压VG以导通所述晶体管TD1。并且，在晶体管TD1依据栅极电压VG被导通的条件下，电压差VDS可等于第一参考电压。

接着，栅极驱动电路210在第一时间区间后的第二时间区间中，通过调整栅极电压VG以调整晶体管TD1所提供的等效电阻值，并使电压差VDS可等于第二参考电压，其中，第一参考电压可大于、小于或等于第二参考电压。

在此请注意，在第一时间区间中，以晶体管TD1为N型晶体管为例栅极驱动电路210可提供相对高电压的栅极电压VG至晶体管TD1的控制端，并使晶体管TD1完全导通。在此情况下，上述的第一参考电压可等于完全导通或不完全导通的晶体管TD1的导通电阻与流过晶体管TD1的电流的乘积。若晶体管TD1在完全导通的状态下，晶体管TD1的导通电阻极微小，所以电压差VDS可以维持等于接近于0伏特的第一参考电压。在第一时间区间后的第二时间区间中，栅极驱动电路210可调降栅极电压VG的电压值，并使晶体管TD1在导通状态下的电阻增加。在此时，栅极驱动电路210所提供的栅极电压VG可使电压差VDS为大于、小于或等于第一参考电压的第二参考电压。其中，在一实施范例中，第二参考电压可约等于-70毫伏(mV)。

在另一方面，栅极驱动电路210通过检测电压差VDS是否小于第一预设临界电压来决定初始时间点。其中，在本发明实施例中，第一预设临界电压可小于第一参考电压以及第二参考电压。在当电压差VDS下降至低于第一预设临界电压时，栅极驱动电路210可决定初始时间点，并启动栅极电压VG的调整机制。在一实施范例中，第一预设临界电压可以等于-300毫伏。

由上述的说明可以得知，本发明实施例的整流装置200中，通过栅极驱动电路210针对栅极电压VG进行调整，可控制电压差VDS中，低于0V的电压值范围，有效减低不必要的功率损耗。

承续上述的实施例，在第二时间区间后，随着输入电压的变化，流通晶体管TD1的电流变小。而随着栅极电压VG的调整动作，电压差VDS在第二时间区间后的第三时间区间开始上升。栅极驱动电路210并可在第三时间区间中检测电压差VDS是否由第二参考电压上升至等于第二预设临界电压，并在当电压差VDS上升至等于第二预设临界电压时设定第二时间点。进一步的，栅极驱动电路210在第二时间点后通过调整栅极电压VG，以使晶体管TD1被截止。

以下请同时参照图2以及图3A，其中，图3A示出本发明一实施例的电压差的波形示意图。电压差VDS具有的峰值为电压VP，并具有基准电压V0。电压差VDS的正半周介于时间点t0以及t1间，电压差VDS的负半周介于时间点t1以及t2间。在时间点t1后，栅极驱动电路210检测电压差VDS是否低于第一预设临界电压VDS_ON，并在当电压差VDS低于第一预设临界电压VDS_ON时，设定初始时间点TP1。

在初始时间点TP1后的第一时间区间TZ1中，栅极驱动电路210可通过提供栅极电压VG以使晶体管TD1被导通，并使电压差VDS实质上维持等于第一参考电压VDS_SW2；在此，第一参考电压VDS_SW2为晶体管的导通电阻与流过晶体管的电流的乘积。

接着，栅极驱动电路210可在第一时间区间TZ1后的第二时间区间TZ2中，通过调整栅极电压VG以使电压差VDS维持等于第二参考电压VDS_REG。

在第二时间区间TZ2后的第三时间区间TZ3中，随着通过晶体管TD1的电流下降以及栅极电压VG的调整动作，电压差VDS开始上升。并且，栅极驱动电路210可检测电压差VDS是否大于第二预设临界电压VDS_OFF，并在当电压差VDS大于第二预设临界电压VDS_OFF时设定第二时间点TP2。栅极驱动电路210在第二时间点TP2后通过调整栅极电压VG以使晶体管TD1被截止。

在本实施例中，第二预设临界电压VDS_OFF大于第一参考电压VDS_SW2，第一参考电压VDS_SW2大于第二参考电压VDS_REG，且第二参考电压VDS_REG大于第一预设临界电压VDS_ON。

另外，请参照图3B以及图3C，图3B以及图3C示出本发明不同实施例的电压差的波形示意图。与图3A实施例不相同的，在图3B中，第一参考电压VDS_SW2小于第二参考电压VDS_REG。而在图3C中，第一参考电压VDS_SW2则等于第二参考电压VDS_REG。

以下请参照图4A以及图4B，其中图4A示出本发明实施例的电压差、晶体管电流以及栅极电压的波形示意图，图4B则示出图4A中的电压差以及栅极电压的局部放大波形图。在图4A中，在第一时间区间TZ1中，栅极电压产生电路调整栅极电压VG具有相对高的电压值，并藉以使晶体管被完全导通，并使电压差VDS实质上维持等于第一参考电压。而在第二时间区间TZ2、第三时间区间TZ3间，栅极电压产生电路通过调降栅极电压VG，使电压差VDS在第二时间区间TZ2等于第二参考电压，并使电压差VDS在第三时间区间TZ3开始微幅上升。栅极电压产生电路并在第三时间区间TZ3结束后提供具有相对低电压的栅极电压VG，以使晶体管被截止。在图4A中，晶体管电流IDS则周期性产生变化。

关于第一参考电压以及第二参考电压的关系，可参照图4B。在图4中，通过具有相对高电压的栅极电压VG，电压差VDS在第一时间区间TZ1中可等于第一参考电压VDS_SW2。值得一提的，在图4B中，电压差VDS在第一时间区间TZ1中并非快速的等于第一参考电压VDS_SW2，而是逐渐的接近第一参考电压VDS_SW2，这是因为电路元件中的寄生电容效应所产生的。基本上，电压差VDS在第一时间区间TZ1中实质上可等于第一参考电压VDS_SW2。

在第二时间区间TZ2中，栅极驱动电路提供逐渐下降的栅极电压VG，并使电压差VDS在第二时间区间TZ1中实质上可等于第二参考电压VDS_REG。

在图4A以及图4B中，第三时间区间TZ3相对于第二时间区间TZ2的长度是很短的。

以下请参照图4C以及图4D，其中图4C示出本发明另一实施例的电压差、晶体管电流以及栅极电压的波形示意图，图4D则示出图4C中的电压差以及栅极电压的局部放大波形图。在图4C中，在第一时间区间TZ1中，栅极电压产生电路调整栅极电压VG具有相对低(相对于第二时间区间TZ2)的电压值，并藉以使晶体管被部分导通，并使电压差VDS实质上等于第一参考电压。而在第二时间区间TZ2、第三时间区间TZ3间，栅极电压产生电路通过调高栅极电压VG，使电压差VDS在第二时间区间TZ2等于第二参考电压，并使电压差VDS在第三时间区间TZ3开始微幅上升。其中，由图4D可清楚得知，电压差VDS在第一时间区间TZ1实质上等于第一参考电压VDS_SW2，并在第二时间区间TZ2实质上等于第二参考电压VDS_REG，其中的第一参考电压VDS_SW2小于第二参考电压VDS_REG。

同样的，在图4D中，电压差VDS在第一时间区间TZ1中并非快速的等于第一参考电压VDS_SW2，而是逐渐的接近第一参考电压VDS_SW2，这是因为电路元件中的寄生电容效应所产生的。基本上，电压差VDS在第一时间区间TZ1中实质上可等于第一参考电压VDS_SW2。电压差VDS在第二时间区间TZ2中也并非快速的等于第二参考电压VDS_REG，而是逐渐的接近第二参考电压VDS_REG，这是因为电路元件中的寄生电容效应所产生的。基本上，电压差VDS在第二时间区间TZ2中实质上可等于第二参考电压VDS_REG。

请参照图5，图5示出本发明一实施例的栅极驱动电路的示意图。栅极驱动电路500包括运算放大器OP1、开关SW1以及开关SW2。运算放大器OP1接收电压差VDS以及作为第二参考电压VDS_REG的调整电压，并依据控制信号EN_OPA以在输出端OT产生栅极电压VG。此外，运算放大器OP1接收电源VA以作为工作电源，并接收电压VS以作为参考接地电压。开关SW2串接在电压VH与输出端OT间。开关SW2依据控制信号EN_SW2以被导通或断开。开关SW1则串接在电压VS与输出端OT间。开关SW1依据控制信号EN_SW1以被导通或断开。

在动作细节方面，栅极驱动电路500在电压差VDS小于第一预设临界电压的初始时间点后(第一时间区间中)，通过控制信号EN_OPA使运算放大器OP1被禁能，并通过控制信号EN_SW2使开关SW2导通，以拉高栅极电压VG至电压VH。在此同时，开关SW1依据控制信号EN_SW1而被断开。接着，在第一时间区间后的第二时间区间，栅极驱动电路500通过控制信号EN_SW2以及EN_SW1以分别使开关SW2以及SW1被断开，并通过控制信号EN_OPA以使运算放大器OP1被启动。在第二时间区间中，运算放大器OP1通过控制使电压差VDS等于第二参考电压VDS_REG来在输出端OT提供栅极电压VG。接着，在第三时间区间中，栅极驱动电路500通过控制信号EN_SW2以及EN_OPA以分别使开关SW2被断开，并使运算放大器OP1被禁能。并且，在第三时间区间中，栅极驱动电路500通过控制信号EN_SW1以使开关SW1被导通。通过被导通的开关SW1，栅极电压VG被拉低至等于电压VS，并使晶体管被截止。

关于上述实施例中，控制信号EN_OPA、EN_SW1以及EN_SW2的产生方式，可通过在栅极驱动电路500中设置控制信号产生器来产生。关于控制信号产生器的实施方式，可请参照图6。在图6中，控制信号产生器600包括选择器610、比较器CMP1以及计数器620。选择器610接收第一预设临界电压VDS_ON以及第二预设临界电压VDS_OFF，并用以选择第一预设临界电压VDS_ON或第二预设临界电压VDS_OFF以提供至比较器CMP1。比较器CMP1耦接至选择器610，并使电压差VDS与第一预设临界电压VDS_ON以及第二预设临界电压VDS_OFF的其中之一进行比较，来产生比较结果VCMP。值得注意的，比较结果VCMP可反馈至选择器610，以使选择器610可依据比较结果VCMP来选择第一预设临界电压VDS_ON以及第二预设临界电压VDS_OFF的其中之一以进行输出。细节上来说明，在初始状态下，选择器610选择第一预设临界电压VDS_ON以输出至比较器CMP1。比较器CMP1使电压差VDS与第一预设临界电压VDS_ON进行比较，并在当电压差VDS小于第一预设临界电压VDS_ON时(初始时间点)，通过调整比较结果VCMP以使选择器610改选择第二预设临界电压VDS_OFF以输出至比较器CMP1。

承续上述的实施例，接着，比较器CMP1使电压差VDS与第二预设临界电压VDS_OFF进行比较，并在当电压差VDS大于第二预设临界电压VDS_OFF时(第二时间点)，通过调整比较结果VCMP以变更选择器610以重新选择第一预设临界电压VDS_ON以输出至比较器CMP1。

在另一方面，关于计数器620的计数动作，请同步参照图6以及图7，其中图7示出本发明实施例的计数器的计数动作的实施方式的示意图。计数器620耦接至比较器CMP1，并依据比较结果VCMP执行计数动作。计数器620的计数动作在初始时间点TP1开始，并在第二时间点TP2结束。计数器620的计数动作可产生逐渐变化(递增或是递减)的计数值。以递增的计数动作为范例，计数器620可在计数值小于一参考值REFV时，设定栅极驱动电路操作在第一时间区间TZ1，并在计数值介于参考值REFV与最大计数值C(n)间时，设定栅极驱动电路操作在第二间区间TZ2或第三时间区间TZ3。并且，计数器620可依据栅极驱动电路操作在第一时间区间TZ1、第二时间区间TZ2或第三时间区间TZ3，来产生对应的控制信号EN_OPA、EN_SW1以及EN_SW2。

关于上述参考值REFV的设定，可以设定为计数动作的最大计数值C(n)与一比例值a1的乘积，其中的比例值a1大于等于0且小于等于1，其中附图中的C(n-1)为前一个周期中初始时间点TP1至第二时间点TP2的长度。

在另一方面，关于上述图5的实施例中，电压VH、第二参考电压VDS_REG、第一预设临界电压VDS_ON以及第二预设临界电压VDS_OFF、电源VA以及电源VC的产生方式，可通过在栅极驱动电路500中设置电压产生器来产生。关于电压产生器的实施方式，请参照图8。在图8中，电压产生器800包括电压调整器810以及参考电压产生器820。电压调整器810接收操作电源VHH，并依据操作电源VHH以进行电压调整动作，来产生电压VH、电源VA以及电源VC。参考电压产生器820同样接收操作电源VHH，并用以产生第二参考电压VDS_REG、第一预设临界电压VDS_ON以及第二预设临界电压VDS_OFF。

关于电压调整器810以及参考电压产生器820的硬件架构，可应用本领域技术人员所熟知的任意的电压产生电路来建构，没有特别的限制。

以下请参照图9，图9示出本发明另一实施例的整流装置的示意图。整流装置900包括晶体管TD1、栅极驱动电路910、二极管DP以及电容CP。栅极驱动电路910可应用前述的栅极驱动电路500来实施。二极管DP的阳极耦接至晶体管TD1的第一端，二极管DP的阴极耦接至栅极驱动电路910接收操作电源VHH的端点。电容CP则耦接在二极管DP的阴极以及晶体管TD1的第二端间。

请参照图10，图10示出本发明一实施例的交流发电机的示意图。交流发电机1000包括转子RT、定子ST以及多个整流装置1011～1032。在本实施例中，定子ST产生多个相电压VU、VV以及VW。相电压VU、VV以及VW分别提供至不同相位的多个整流电路1010、1020以及1030。整流电路1010中包括串联耦接的整流装置1011、1012，整流电路1020中包括串联耦接的整流装置1021、1022，整流电路1030中包括串联耦接的整流装置1031、1032。在本实施例中，交流发电机1000并包括并联耦接的电阻R1(为等效负载或充电电池的等效电阻)以及为等效充电电容的电容C1，用以产生接近于直流的整流输出电压。

综上所述，本发明通过栅极驱动电路以产生栅极电压，并通过栅极电压来在晶体管两端的电压差的负半周中，控制器电压差的电压值。如此一来，整流装置所可能产生的功率损耗可以降低，提升工作效能。

虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更改与润饰，故本发明的保护范围当视权利要求所界定的为准。