阅读说明：本技术 一种全波同步整流的摩托车全mos管调压器 (full-MOS tube voltage regulator of motorcycle of full-wave synchronous rectification ) 是由 李红星 付强 王开云 于 2019-09-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种全波同步整流的摩托车全MOS管调压器,包括全MOS管整流回路,该全MOS管整流回路包括整流桥和滤波电容,所述整流桥的各相均包括上桥臂和下桥臂,所述上桥臂和下桥臂均由MOS管构成；对应各上桥臂分别设有一电压检测单元、信号识别单元和上桥臂MOS管驱动单元；还包括控制芯片、相位采集电路、电压反馈电路以及下桥臂MOS管驱动电路。本发明能够有效降低发热量,减少损耗并提升效率。(the invention discloses a full-MOS tube voltage regulator of a full-wave synchronous rectification motorcycle, which comprises a full-MOS tube rectification loop, wherein the full-MOS tube rectification loop comprises a rectifier bridge and a filter capacitor, each phase of the rectifier bridge comprises an upper bridge arm and a lower bridge arm, and the upper bridge arm and the lower bridge arm are both formed by MOS tubes; a voltage detection unit, a signal identification unit and an upper bridge arm MOS tube driving unit are respectively arranged corresponding to each upper bridge arm; the bridge-arm power supply further comprises a control chip, a phase acquisition circuit, a voltage feedback circuit and a lower bridge arm MOS tube driving circuit. The invention can effectively reduce the heat productivity, reduce the loss and improve the efficiency.)

一种全波同步整流的摩托车全MOS管调压器

技术领域

本发明涉及摩托车电压转换技术领域，尤其涉及一种全波同步整流的摩托车全MOS管调压器。

背景技术

现有摩托车电压转换器主流采用可控硅、二极管/可控硅构建的整流电路相控整流输出直流电压给后端设备供电的方式。采用整流二极管、可控硅等器件，其导通压降大、损耗发热量大，可靠性降低，效率不高。为克服发热量大的问题，目前出现了采用用二极管/MOS管、全MOS管主电路部分的代替了整流二极管、可控硅构成的主电路，其目的就是利用MOS管低导通电阻特性降低发热量。

对于全MOS管主电路，上桥臂MOS管工作于二极管状态，等效于二极管，处于整流和阻断状态；下桥臂MOS处于低导通电阻状态，显著减少了下桥臂产生的热量，整机效率提升。但是由于上桥臂仍然为二极管状态，上桥臂热量降低有限；从热量产生看，肖特基二极管/MOS、全MOS管这两种主回路热量产生主要来源于上桥臂肖特基二极管或者MOS管体二极管。因此，如何进一步降低发热量，减少损耗并提升效率，已成为本领域技术人员急需解决的技术问题。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于解决现有全MOS管调压器发热量高，损耗高，效率低的问题，提供一种全波同步整流的摩托车全MOS管调压器，能够有效降低发热量，减少损耗并提升效率。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是这样的：一种全波同步整流的摩托车全MOS管调压器，包括全MOS管整流回路，该全MOS管整流回路包括整流桥和滤波电容，所述整流桥的各相均包括上桥臂和下桥臂，所述上桥臂和下桥臂均由MOS管构成；其特征在于：

对应各上桥臂分别设有一电压检测单元、信号识别单元和上桥臂MOS管驱动单元，所述电压检测单元用于采集发电机输出电压和整流输出电压的电压差，并将采集到的电压差信号输送给信号识别单元，信号识别单元接收到电压差信号后判断是否处于整流状态，若是，则发送导通信号给上桥臂MOS管驱动单元，通过上桥臂MOS管驱动单元控制上桥臂MOS管导通；反之，则发送截止信号给上桥臂MOS管驱动单元，通过上桥臂MOS管驱动单元控制上桥臂MOS管截止；

还包括控制芯片、相位采集电路、电压反馈电路以及下桥臂MOS管驱动电路，所述相位采集电路用于采集发电机输出相位信号，并将采集到的输出相位信号输送给控制芯片，电压反馈电路与全MOS管整流回路的整流输出端相连，用于采集全MOS管整流回路的输出电压信号，并将采集到的输出电压信号输送给控制芯片，控制芯片根据接收到的相位信号和输出电压信号通过MOS管驱动电路控制整流桥下桥臂的MOS管导通或截止。

进一步地，所述电压检测单元采集到电压差信号为：U_DIF＝k(U_i-U_b)，

式中；k为(U_i-U_b)的系数，U_u为交流输入相电压和整流输出电压U_b。

进一步地，在信号识别单元内预设有电压阈值U_Δ，信号识别单元接收到电压差信号后，将电压差U_DIF与电压阈值U_Δ进行比较：

当U_DIF＞U_Δ时，判定该相整流器处于整流状态，并发送导通信号给该相上桥臂MOS管驱动单元，上桥臂MOS管驱动单元接收到导通信号后，发送高电平触发信号给MOS管栅极使得MOS管导通；

当U_DIF＜U_Δ时，判定该相整流器处于非整流状态，并发送截止信号给该相上桥臂MOS管驱动单元，上桥臂MOS管驱动单元接收到截止信号后，给MOS管栅极提供一条到漏极的低阻抗通路，抽取MOS管栅极储存的电荷，加速Q2截止。

进一步地，在控制芯片中设定电压控制周期T和控制周期数N，并采集发电机的交流电压周期t；当T≤t×N时，采用导通角α控制方式控制下桥臂MOS管导通或关断来控制整流输出电压；当T＞t×N时，采用周波占空比方式控制下桥臂MOS管导通或关断来控制整流输出电压。

进一步地，采用导通角α控制整流输出电压时，MOS管导通角的角度α由电压控制量u_C转换得到：

式中，u_C为电压控制量，α为本周控制角，α_N-1为上周周期计量，k_θ为控制量角度转换系数；

电压控制量u_C由比例方式或者比例积分方式获得，其中：

比例方式P获取电压控制量：

u_C＝k_P×(U_b-U_REF)；

式中，u_C为电压控制量，U_b为反馈采样值，k_P为放大倍数。

U_REF为整流输出目标值：

U_REF＝(U_max+U_min)/2；

U_max为设定目标电压最大值，U_min为设定目标电压最小值。

比例积分方式PI获取电压控制量：

记初始u_C(0)＝0，式中，k_P为比例放大倍数，T_I为积分常数，U_f(k)为本次直流输出电压反馈采样值，U_f(k-1)为上一次直流输出电压反馈采样值，U_ref为直流输出电压设定值，u_C(k-1)为上一次电压控制量，u_C(k)为本次电压控制量。

进一步地，采用占空比控制整流输出电压时，计算N个交流正弦波中需要过零输出n个交流正弦波正半波，其占空比δ计算如下：

式中，δ为占空比；以N个交流正弦波为控制周期，则在这N个交流正弦波中，占空比δ对应的输出周波个数：n＝N×δ。

进一步地，在控制周期的交流波形中，下桥臂导通上桥臂截止、下桥臂截止上桥臂导通，下桥臂MOS管导通截止受导通角α或者占空比δ控制，上桥臂MOS管随动下桥臂MOS管，其导通截止和下桥臂MOS管导通截止互斥，二者存在导通死区。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：整流桥上桥臂功率器件(MOS管)热量损耗为原来损耗的1/5以下，整体功耗降为原来1/3，功耗更低，调压器温度也大大降低，器件寿命延长、热失效率降低，从而大大提高效率，并且可以选择普通温度器件，从而成本得到有效降低。

附图说明

图1为全波同步整流的摩托车全MOS管调压器原理示意图。

图2为单相导通角控制输出电能图。

图3为三相占空比控制输出电能图。

图4为上桥臂MOS管驱动单元和下桥臂MOS管驱动电路的电路原理图。

图5为上、下桥臂导通截止曲线图。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

实施例：参见图1至图5，一种全波同步整流的摩托车全MOS管调压器，包括全MOS管整流回路，该全MOS管整流回路包括整流桥和滤波电容，所述整流桥的各相均包括上桥臂和下桥臂，所述上桥臂和下桥臂均由MOS管构成。具体实施时，如图1所示，所述全MOS管整流回路为两相整流桥，其中，U相整流桥包括下桥臂MOS管Q1和上桥臂MOS管Q2，V相整流桥包括下桥臂MOS管Q3和上桥臂MOS管Q4。上桥臂MOS Q2管源极以及下桥臂MOS管Q1的漏极同时与发电机的交流输出相U相连；上桥臂MOS Q4管源极以及下桥臂MOS管Q3的漏极同时与发电机的交流输出相V相连，使上桥臂MOS管漏极以及下桥臂MOS管源极形成两个整流输出端，两相整流桥的上桥臂和下桥臂的输出端还同时与滤波电容相连，其中，该滤波电容采用电解电容。

对应各上桥臂分别设有一电压检测单元、信号识别单元和上桥臂MOS管驱动单元，所述电压检测单元用于采集发电机输出电压和整流输出电压的电压差，并将采集到的电压差信号输送给信号识别单元，信号识别单元与上桥臂MOS管驱动单元相连，所述上桥臂MOS管驱动单元与上桥臂MOS管的栅极相连；信号识别单元接收到电压差信号后判断是否处于整流状态，若是，则发送导通信号给上桥臂MOS管驱动单元，通过上桥臂MOS管驱动单元控制上桥臂MOS管导通；反之，则发送截止信号给上桥臂MOS管驱动单元，通过上桥臂MOS管驱动单元控制上桥臂MOS管截止。

还包括控制芯片、相位采集电路、电压反馈电路以及下桥臂MOS管驱动电路，所述相位采集电路、电压反馈电路以及下桥臂MOS管驱动电路均与控制芯片相连，所述相位采集电路用于采集发电机输出相位信号，并将采集到的输出相位信号输送给控制芯片，电压反馈电路与全MOS管整流回路的整流输出端相连，用于采集全MOS管整流回路的输出电压信号，并将采集到的输出电压信号输送给控制芯片，所述下桥臂MOS管驱动电路与下桥臂MOS管的栅极相连；控制芯片根据接收到的相位信号和输出电压信号通过MOS管驱动电路控制整流桥下桥臂的MOS管导通或截止。

所述电压检测单元采集到电压差信号为：U_DIF＝k(U_i-U_b)，

式中；k为(U_i-U_b)的系数，U_u为交流输入相电压和整流输出电压U_b。

在信号识别单元内预设有电压阈值U_Δ，信号识别单元接收到电压差信号后，将电压差U_u-DIF与电压阈值U_Δ进行比较：

当U_u-DIF＞U_Δ时，判定该相整流器处于整流状态，并发送导通信号给该相上桥臂MOS管驱动单元，上桥臂MOS管驱动单元接收到导通信号后，发送高电平触发信号给MOS管栅极使得MOS管导通；

当U_u-DIF＜U_Δ时，判定该相整流器处于非整流状态，并发送截止信号给该相上桥臂MOS管驱动单元，上桥臂MOS管驱动单元接收到截止信号后，给MOS管栅极提供一条到漏极的低阻抗通路，抽取MOS管栅极储存的电荷，加速Q2截止。

在控制芯片中设定电压控制周期T和控制周期数N，并采集发电机的交流电压周期t其中，根据系统调节电压要求，T可以选择20ms，也可以选择50ms等；控制周期数N可以选择20，或者10，具体取值以便于进行周波控制时取整为宜。当T≤t×N时，采用导通角α控制方式控制下桥臂MOS管导通或关断来控制整流输出电压；当T＞t×N时，采用周波占空比方式控制下桥臂MOS管导通或关断来控制整流输出电压；由于同一相整流桥的上桥臂MOS管的导通或关断与下桥臂MOS管的导通或关断互斥，因此，采用这种上、下桥臂协调控制方式能够有效降低MOS管的发热量，并降低能耗。

采用导通角α控制整流输出电压时，MOS管导通角的角度α由电压控制量u_C转换得到：

式中，u_C为电压控制量，α为本周控制角，α_N-1为上周周期计量，k_θ为控制量角度转换系数；

电压控制量u_C由比例方式或比例积分方式获得，其中：

P调节器获取电压控制量：

u_C＝k_P×(U_b-U_REF)；

式中，u_C为电压控制量，U_b为反馈采样值，k_P为放大倍数。

U_REF为整流输出目标值：

U_REF＝(U_max+U_min)/2；

U_max为设定目标电压最大值，U_min为设定目标电压最小值。

PI调节器获取电压控制量：

记初始u_C(0)＝0，式中，k_P为比例放大倍数，T_I为积分常数，U_f(k)为本次直流输出电压反馈采样值，U_f(k-1)为上一次直流输出电压反馈采样值，U_ref为直流输出电压设定值，u_C(k-1)为上一次电压控制量，u_C(k)为本次电压控制量。

具体地，在一个控制周期中，U相下桥臂MOS管Q1和V相下桥臂MOS管Q3导通角均为α。

当U相交流正半波时，在0～α(α≤180°)时间内，U相处于整流状态，U相给后端设备供电，U相下桥臂MOS管Q1截止，U相上桥臂MOS管Q2导通，电流从Q2漏极流向Q2源极。为了在这段时间使得U相上桥臂MOS管Q2导通，其工作过程如下：

对应U相上桥臂MOS设置有电压检测单元1、信号识别单元1、上桥臂MOS管驱动单元1；电压检测单元1检测U相交流电压U_u和其对应的整流输出电压U_b的电压差：

U_u-DIF＝k×(U_u-U_b)；

其中，k为(U_u-U_b)的系数，U_u-DIF为U相交流电压U_u和整流输出电压U_b的电压差转换结果；差值U_u-DIF送给U相上半桥MOS管控制电路的信号识别单元1。

信号识别单元1有预先设置好的阈值U_Δ，当转换结果U_u-DIF和设置阈值U_Δ满足如下要求：

U_u-DIF＞U_Δ；

则，信号识别单元1判定U相处于整流态，送导通MOS管Q2信号给MOS管驱动单元1；MOS管驱动单元1接收到导通MOS管Q2信号，驱动电路送高电平触发信号给MOS管Q2栅极使得MOS管Q2导通。

当转换结果U_u-DIF和设置阈值U_Δ满足如下要求：

U_u-DIF＜U_Δ；

则信号识别单元1判定U相处于非整流态，送截止MOS管Q2信号给上桥臂MOS管驱动单元1；上桥臂MOS管驱动单元1接收到截止MOS管Q2信号，驱动电路给MOS管Q2栅极提供一条到漏极的低阻抗通路，抽取MOS管Q2栅极储存的电荷，加速Q2截止。

当U相交流负半波时，在α～360°时间内，下桥臂MOS管Q1导通，电能通过下桥臂MOS管Q1回流到发电机，U相处于非整流状态，U相不给后端设备供电，U_u-DIF＝U_u-U_b＜U_Δ，U相上桥臂MOS管Q2截止并承受反压，为了在这段时间使得U相上桥臂MOS管Q2截止，其工作过程如下：

电压检测单元1检测U相交流电压U_u和整流输出电压U_b的电压差：

U_u-DIF＝k×(U_u-U_b)，

差值U_u-DIF送给U相上半桥MOS管控制电路的信号识别单元1；由于下桥臂MOS管Q1导通，使得U相交流电压U_u远小于整流输出电压U_b，即下式：

U_u-DIF＝k×(U_u-U_b)＜＜0；

信号识别单元1可判别出下式：

U_u-DIF＜＜U_Δ；

则信号识别单元1判定U相处于非整流态，送截止MOS管Q2信号给上桥臂MOS管驱动单元1；上桥臂MOS管驱动单元1接收到截止MOS管Q2信号，驱动电路给MOS管Q2栅极提供一条到漏极的低阻抗通路，抽取MOS管Q2栅极储存的电荷，加速Q2截止。

同理，当V相交流正半波时，在0～α(α≤180°)时间内，V相处于整流状态，V相给后端设备供电，V相下桥臂MOS管Q4截止，V相上桥臂MOS管Q4导通，电流从Q4漏极流向Q4源极。为了在这段时间使得V相上桥臂MOS管Q4导通，其工作过程如下：

对应V相上桥臂MOS设置电压检测单元2、信号识别单元2、上桥臂MOS管驱动单元2；电压检测单元2检测V相交流电压U_v和整流输出电压U_b的电压差：

U_v-DIF＝k×(U_v-U_b)，；

其中，k为(U_v-U_b)的系数，U_v-DIF为V相交流电压U_v和整流输出电压U_b的电压差转换结果；差值U_v-DIF送给V相上半桥MOS管控制电路的信号识别单元2。

信号识别单元2有预先设置好的阈值U_Δ，当转换结果U_v-DIF和设置阈值U_Δ满足如下要求：

U_v-DIF＞U_Δ；

则，信号识别单元2判定V相处于整流态，送导通MOS管Q4信号给上桥臂MOS管驱动单元2；上桥臂MOS管驱动单元2接收到导通MOS管Q4信号，驱动电路送高电平触发信号给MOS管Q4栅极使得MOS管Q4导通。

当转换结果U_v-DIF和设置阈值U_Δ满足如下要求：

U_v-DIF＜U_Δ；

则信号识别单元2判定V相处于非整流态，送截止MOS管Q4信号给上桥臂MOS管驱动单元2。

上桥臂MOS管驱动单元2接收到截止MOS管Q4信号，驱动电路给MOS管Q4栅极提供一条到漏极的低阻抗通路，抽取MOS管Q4栅极储存的电荷，加速Q4截止。

当V相交流负半波时，在α～360°时间内，下桥臂MOS管Q3导通，电能通过下桥臂MOS管Q3回流到发电机，V相处于非整流状态，V相不给后端设备供电，V相上桥臂MOS管Q4截止并承受反压，为了在这段时间使得V相上桥臂MOS管Q4截止，其工作过程如下：

电压检测单元2检测V相交流电压U_v和整流输出电压U_b的电压差：

U_v-DIF＝k×(U_v-U_b)；

差值U_v-DIF送给V相上半桥MOS管控制电路的信号识别单元2，由于下桥臂MOS管Q3导通，使得V相交流电压U_v远小于整流输出电压U_b，即下式：

U_v-DIF＝k×(U_v-U_b)＜＜0；

信号识别单元2可判别出下式：

U_v-DIF＜＜U_Δ；

则信号识别单元2判定V相处于非整流态，送截止MOS管Q4信号给上桥臂MOS管驱动单元2；上桥臂MOS管驱动单元2接收到截止MOS管Q4信号，驱动电路给MOS管Q4栅极提供一条到漏极的低阻抗通路，抽取MOS管Q4栅极储存的电荷，加速Q4截止。

在采用占空比控制整流输出电压时，计算N个交流正弦波中需要过零输出n个交流正弦波正半波，其占空比δ计算如下：

式中，δ为占空比；以N个交流正弦波为控制周期，则在这N个交流正弦波中，占空比δ对应的输出周波个数：n＝N×δ。

在控制周期的交流波形中，下桥臂导通上桥臂截止、下桥臂截止上桥臂导通，下桥臂MOS管导通截止受导通角α或者占空比δ控制，上桥臂MOS管随动下桥臂MOS管，其导通截止和下桥臂MOS管导通截止互斥，二者存在导通死区。

具体地，计算所得占空比δ和输出周波个数n为U相下桥臂MOS管Q1和V相下桥臂MOS管Q3的正半波过零导通控制参数，表示在N个交流正弦波中，输出周波个数n，使得输出电压U_b处于区间U_b∈[U_min,U_max]。

计算所得需要在N个交流周期中输出n个交流周期的电能，控制周期起始时，需要让n个交流周期对应的下桥臂MOS管在该相正半波时截止，在该相负半波时导通，其后N-n个交流周期该相下桥臂MOS管导通。

在这N个交流周期中，下桥臂MOS管n个交流周期截止，则该相交流电压正半波时该相处于整流状态，该相交流电压负半波时该相为非整流态。下桥臂MOS管N-n个交流周期导通，则该相交流电压正半波和负半波均处于非整流状态。

本方案中，上桥臂MOS管驱动单元包括协调电路、电源电路、抽取电路以及电阻R1和R2，其中，协调电路的信号输入端与信号识别电路相连，其输出控制端与电源电路和抽取电路相连，电源电路和抽取电路分别经电阻R1和R2与上桥臂MOS管的栅极相连，所述抽取电路与发电机的交流输出相相连；工作过程中，协调电路根据信号识别电路输送的信号，控制电源电路电阻R1为上桥臂MOS管提供触发电源或控制抽取电路将上桥臂MOS管栅极储存电荷通过电阻R2泄放到上桥臂MOS管的漏极。

具体地，上桥臂MOS管Q2导通时，电源通过电阻R1为MOS管Q2提供触发电源；上桥臂MOS管Q2需要截止时，MOS管Q2栅极储存电荷通过R2泄放到Q2漏极，其中，R1和R2选择关系：R2＜＜R1；使得MOS管Q2开通线斜率比截止线斜率更小。

下桥臂MOS管驱动电路包括电阻R3和二极管D，控制芯片经电阻R3后与下桥臂MOS管的栅极相连，所述电阻二极管D和R3并联，其中二极管的正极与下桥臂MOS管的栅极相连，其负极与控制芯片相连。

具体地，下桥臂MOS管Q1导通时，电源通过电阻R3为MOS管提供触发电源，MOS管Q1需要截止时，MOS管Q1栅极储存电荷通过二极管D泄放到地线，反并联关系使得MOS管Q1开通线斜率比截止线斜率更小。

上桥臂MOS管Q2和下桥臂MOS管Q1开通截止速度差，且上桥臂MOS管Q2控制模式，使得该桥臂存在导通死区，保证了桥臂安全。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。