一种列车车辆用低损耗整流电路的制作方法

本实用新型涉及整流电路技术领域，尤其涉及一种列车车辆用低损耗整流电路。

背景技术：

随着电子设备和仪器向小型化发展趋势的不断推进，促使整流器向小体积大功率方向发展需求剧增，特别是在轨道交通行业，由于列车车辆可使用的空间有限及能源资源宝贵，于是小体积大功率整流二极管的匮乏成为提高小体积整流器功率的技术瓶颈。

实践方面，目前市面上的整流器大部分是由二极管组成的桥式整流器或半波整流器，当输出电流较大时，整流二极管上的损耗将会较高，进而增加了关于整流二极管散热方面的设计成本，同时也降低了整流器的效率，且浪费能源。

理论方面，在某些科学刊物和学术论文中也有针对MOS管组成的低损耗整流电路进行的讨论和分析，但是也存在不全面、不合理的缺陷，综合表现在以下几点：①、输入交流电压的范围没有界定；②、输出直流电压的范围没有说明；③、整流器内部集成电路芯片的供电电压范围与整流器输出直流电压范围是否匹配没有说明，就直接利用直流输出电压给集成电路供电，这种做法不符合逻辑，但是许多操作者是这么做的，如果不匹配，应该如何处理，也未阐述；④、关于MOS管的驱动控制部分，大部分操作者使用中央处理器来控制过于复杂，同时有些驱动控制部分只是论述了结构框图，没有给出实际电路和软件控制策略，缺乏实际运用价值；⑤、有关MOS管组成整流桥方面，各MOS管管脚之间的连接关系不清晰，MOS管的类型说明(是PMOS管，还NMOS管的问题)含糊不清，也没有分析MOS管的寄生参数对整流桥的影响，在什么情况下需要考虑MOS管的寄生参数，在什么情况下不需要考虑MOS管的寄生参数，这些问题都没有进行分析和说明，致使理论内容缺乏实际运用价值。

技术实现要素：

本实用新型所解决的技术问题在于提供一种列车车辆用低损耗整流电路，以解决上述背景技术中的缺点。

本实用新型所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

一种列车车辆用低损耗整流电路，包括第一级整流电路、第二级电压过零点检测机构、第三级驱动控制机构及第四级直流电源，其中，第一级整流电路分别与第二级电压过零点检测机构、第三级驱动控制机构及第四级直流电源连接，第二级电压过零点检测机构分别与第三级驱动控制机构、第四级直流电源连接，第三级驱动控制机构与第四级直流电源连接；且第一级整流电路包括由MOS管及栅极偏置电阻组成的桥式整流电路，第二级电压过零点检测机构包括电源电压幅值限幅器和正负电压比较器，第三级驱动控制机构包括光电耦合隔离器及模拟电子开关，第四级直流电源包括由电阻和稳压管组成的稳压电源。

在本实用新型中，各个组成部分具体结构如下：

所述第一级整流电路包括第一PMOS管、第二PMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管、第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻、第十五电阻、第十六电阻、第十七电阻、第十八电阻和第十九电阻，其中，第一PMOS管的第四脚、第四NMOS管的第一脚分别与输入交流电源火线连接，第二PMOS管的第四脚、第三NMOS管的第一脚分别与输入交流电源零线连接，第一PMOS管的第三脚(源极)与第二PMOS管的第三脚连接后作为输出直流电源正极，第三NMOS管的第二脚与第四NMOS管的第二脚连接后作为输出直流电源负极；第十六电阻的一端与第一PMOS管的第一脚连接,第十六电阻的另一端与第十二电阻的一端连接第四集成电路模拟电子开关的第一脚,第十二电阻的另一端连接输出直流电源正极；第十七电阻的一端与第二PMOS管的第一脚连接,第十七器电阻的另一端与第十三电阻的一端连接至第四集成电路模拟电子开关的第三脚,第十三电阻的另一端连接输出直流电源正极；第十八电阻的一端、第十四电阻的一端分别与第三NMOS管的第三脚连接,第十八电阻的另一端与第五集成电路电子模拟开关的第三脚连接,第十四电阻的另一端与输出直流电源负极连接；第十九电阻的一端、第十五电阻的一端分别与第四NMOS管的第三脚连接,第十九电阻的另一端与第五集成电路模拟电子开关的第一脚连接,第十五电阻的另一端与输出直流电源负极连接；

第二级电压过零点检测机构包括第三集成电路电压比较器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一电容、第二电容及组成电源电压幅值限幅器的第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第八稳压管、第九稳压管，其中，第八稳压管的阳极与第九稳压管的阳极连接，第二电容与第二电阻并联，且第九稳压管的阴极、第二电容的一端、第二电阻的一端、第一电阻的一端、第一二极管的阴极及第二二极管的阳极共同连接后分别与第三集成电路电压比较器的反相输入端第二脚、同相输入端第五脚连接；第四稳压管的阴极、第二电容的另一端、第二电阻的另一端、第三电阻的一端、第四二极管的阴极及第三二极管的阳极共同连接后分别与第三集成电路电压比较器的同相输入端第三脚、反相输入端第六脚连接；第一电阻的另一端连接输入交流电源火线，第三电阻的另一端连接输入交流电源零线，第一二极管的阳极和第四二极管的阳极分别与第一稳压管的阳极连接，第二二极管的阴极和第三二极管的阴极分别连接第一稳压管的阴极；第三集成电路电压比较器的电源端第八脚与第一电容的一端连接后再与第一稳压管的阴极连接，第三集成电路电压比较器的接地端第四脚与第一电容的另一端连接后再与第一稳压管的阳极连接,第三集成电路电压比较器的输出端第一脚连接第一集成电路光电耦合隔离器的第一脚，第三集成电路电压比较器的输出端第七脚连接第二集成电路光电耦合隔离器的第一脚；

所述第三级驱动控制机构包括第一集成电路光电耦合隔离器、第二集成电路光电耦合隔离器、第四集成电路模拟电子开关、第五集成电路模拟电子开关、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第五电容及第六电容，其中，第一集成电路光电耦合隔离器输入端的第一脚与第八电阻的一端连接后再与第三集成电路电压比较器输出端的第一脚连接，第一集成电路光电耦合隔离器输入端的第二脚与第五稳压管阳极连接；第二集成电路光电耦合隔离器输入端的第一脚与第九电阻的一端连接后再与第三集成电路电压比较器输出端的第七脚连接，第二集成电路光电耦合隔离器输入端的第二脚与第五稳压管阳极连接，第八电阻的另一端、第九电阻的另一端分别与第五稳压管阴极连接；第一集成电路光电耦合隔离器输出端的第四脚与第十电阻的一端连接后再与第四集成电路模拟电子开关输入端的第六脚连接，第一集成电路光电耦合隔离器输出端的第三脚与第六稳压管阳极连接；第二集成电路光电耦合隔离器输出端的第四脚与第十一电阻的一端连接后再与第五集成电路模拟电子开关输入端的第六脚连接，第二集成电路光电耦合隔离器输出端的第三脚与第七稳压管阳极连接；第十电阻的另一端、第六电容的一端及第六稳压管阴极连接于一点，第六电容的另一端与第六稳压管阳极连接；第十一电阻的另一端、第五电容的一端及第七稳压管阴极连接于一点，第五电容的另一端与第七稳压管阳极连接；

所述第四级直流电源包括第四电阻、第五电阻、第三电容、第四电容、第七电容、第八电容、第九电容、第五稳压管、第六稳压管及第七稳压管，其中，第四电阻一端与第六稳压管阳极连接，另一端与第五稳压管阴极连接；第五电阻一端与第五稳压管阳极连接，另一端与第七稳压管阴极连接；第三电容一端与第六稳压管阴极连接，另一端与第六稳压管阳极连接；第四电容一端与第七稳压管阴极连接，另一端与第七稳压管阳极连接；第七电容与第五稳压管并联；第八电容与第六稳压管并联；第九电容与第七稳压管并联。

在本实用新型中，四个MOS管的漏极与源极之间分别设置有寄生二极管，且四个寄生二极管组成桥式整流电路，在输入交流电源电压过零点附近起到整流器开启作用。

有益效果：本实用新型采用MOS管代替整流二极管组成整流电路以实现减小整流电路损耗，且可有效地提高整流电路效率，进而节约列车车辆的能源；并通过第二级电压过零点检测机构、第三级驱动控制机构及第四级直流电源三级浮空处理，有效解决了集成电路芯片供电电压范围与直流输出电压范围不匹配的问题及MOS管驱动控制信号的产生，相比于利用处理器产生驱动控制信号具有简单、实用、易维护及低成本等特点，同时可降低整流器设计当中花费在散热和结构设计方面的开支，以提高整流器的性价比，具有广阔的市场前景。

附图说明

图1为本实用新型的较佳实施例的结构示意图。

图2为本实用新型的较佳实施例的电路连接图。

图3为本实用新型的较佳实施例中的第一级整流电路电路连接图。

图4为本实用新型的较佳实施例中的第二级电压过零点检测机构电路连接图。

图5为本实用新型的较佳实施例中的第三级驱动控制机构电路连接图。

图6为本实用新型的较佳实施例中的第四级直流电源电路连接图。

具体实施方式

为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本实用新型。

参见图1～图2的一种列车车辆用低损耗整流电路，包括第一级整流电路、第二级电压过零点检测机构、第三级驱动控制机构及第四级直流电源，其中，

第一级整流电路分别与第二级电压过零点检测机构、第三级驱动控制机构及第四级直流电源连接，第二级电压过零点检测机构分别与第三级驱动控制机构、第四级直流电源连接，第三级驱动控制机构与第四级直流电源连接；且第一级整流电路包括由MOS管及栅极偏置电阻组成的桥式整流电路，第二级电压过零点检测机构包括电源电压幅值限幅器和正负电压比较器，第三级驱动控制机构包括光电耦合隔离器及模拟电子开关，第四级直流电源包括由电阻和稳压管组成的稳压电源。

参见图3所示，所述第一级整流电路包括第一PMOS管、第二PMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管、第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻、第十五电阻、第十六电阻、第十七电阻、第十八电阻和第十九电阻，其中，第一PMOS管的第四脚(漏极)、第四NMOS管的第一脚(漏极)分别与输入交流电源火线连接，第二PMOS管的第四脚(漏极)、第三NMOS管的第一脚(漏极)分别与输入交流电源零线连接，第一PMOS管的第三脚(源极)与第二PMOS管的第三脚(源极)连接后作为输出直流电源正极，第三NMOS管的第二脚(源极)与第四NMOS管的第二脚(源极)连接后作为输出直流电源负极；第十六电阻的一端与第一PMOS管的第一脚(栅极)连接,第十六电阻的另一端与第十二电阻的一端连接至第四集成电路模拟电子开关(U₄)的第一脚(标号为V_gsp1),第十二电阻的另一端连接至输出直流电源正极；第十七电阻的一端与第二PMOS管的第一脚(栅极)连接,第十七器电阻的另一端与第十三电阻的一端连接至第四集成电路模拟电子开关(U₄)的第三脚(标号为V_gsp2),第十三电阻的另一端连接至输出直流电源正极；第十八电阻的一端与第十四电阻的一端连接至第三NMOS管的第三脚(栅极),第十八电阻的另一端连接至第五集成电路电子模拟开关(U₅)的第三脚(标号为V_gsp3),第十四电阻的另一端连接至输出直流电源负极；第十九电阻的一端与第十五电阻的一端连接到第四NMOS管的第三脚(栅极),第十九电阻的另一端连接至第五集成电路模拟电子开关(U₅)的第一脚(标号为V_gsp4),第十五电阻的另一端连接到输出直流电源负极。

参见图4所示，第二级电压过零点检测机构包括第三集成电路电压比较器(U₃)、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第八稳压管、第九稳压管、第一电容及第二电容，其中，第八稳压管的阳极与第九稳压管的阳极连接，第二电容与第二电阻并联，且第九稳压管的阴极、第二电容的一端、第二电阻的一端、第一电阻的一端、第一二极管的阴极及第二二极管的阳极共同连接至第三集成电路电压比较器(U₃)的反相输入端第二脚和同相输入端第五脚；第八稳压管的阴极、第二电容的另一端、第二电阻的另一端、第三电阻的一端、第四二极管的阴极及第三二极管的阳极共同连接至第三集成电路电压比较器(U₃)的同相输入端第三脚和反相输入端第六脚；第一电阻的另一端连接输入交流电源火线，第三电阻的另一端连接输入交流电源零线，第一二极管的阳极和第四二极管的阳极分别连接第五稳压管的阳极，第二二极管的阴极和第三二极管的阴极分别连接第五稳压管的阴极；第三集成电路电压比较器(U₃)的电源端第八脚与第一电容的一端连接后再与第五稳压管的阴极连接，第三集成电路电压比较器(U₃)的接地端第四脚与第一电容的另一端连接后再与第五稳压管的阳极连接,第三集成电路电压比较器(U₃)的输出端第一脚和第七脚分别连接第一集成电路光电耦合隔离器(U₁)的第一脚和第二集成电路光电耦合隔离器(U₂)的第一脚；

参见图5所示，所述第三级驱动控制机构包括第一集成电路光电耦合隔离器(U₁)、第二集成电路光电耦合隔离器(U₂)、第四集成电路模拟电子开关(U₄)、第五集成电路模拟电子开关(U₅)、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第五电容及第六电容，其中，第一集成电路光电耦合隔离器(U₁)输入端的第一脚与第八电阻的一端连接后再与第三集成电路电压比较器(U₃)输出端的第一脚连接，第一集成电路光电耦合隔离器(U₁)输入端的第二脚与第五稳压管的阳极连接；第二集成电路光电耦合隔离器(U₂)输入端的第一脚与第九电阻的一端连接后再与第三集成电路电压比较器(U₃)输出端的第七脚连接，第二集成电路光电耦合隔离器(U₂)输入端的第二脚与第五稳压管的阳极连接，第八电阻的另一端和第九电阻的另一端分别与第五稳压管的阴极连接；第一集成电路光电耦合隔离器(U₁)输出端的第四脚与第十电阻的一端连接后再与第四集成电路模拟电子开关(U₄)输入端的第六脚连接，第一集成电路光电耦合隔离器(U₁)输出端的第三脚与第二稳压管的阳极连接；第二集成电路光电耦合隔离器(U₂)输出端的第四脚与第十一电阻的一端连接后再与第五集成电路模拟电子开关(U₅)输入端的第六脚连接，第二集成电路光电耦合隔离器(U₂)输出端的第三脚与第七稳压管的阳极连接；第十电阻的另一端、第六电容的一端及第六稳压管的阴极连接于一点，第六电容的另一端与第六稳压管的阳极连接；第十一电阻的另一端、第五电容的一端及第七稳压管的阴极连接于一点，第五电容的另一端与第七稳压管的阳极连接；

参见图6所示，所述第四级直流电源包括第四电阻、第五电阻、第三电容、第四电容、第七电容、第八电容、第九电容、第五稳压管、第六稳压管及第七稳压管，其中，第四电阻一端与第六稳压管的阳极连接，另一端与第五稳压管的阴极连接；第五电阻一端与第五稳压管的阳极连接，另一端与第七稳压管的阴极连接；第三电容一端与第六稳压管的阴极连接，另一端与第六稳压管的阳极连接；第四电容一端与第七稳压管的阴极连接，另一端与第七稳压管的阳极连接；第七电容与第五稳压管并联；第八电容与第六稳压管并联；第九电容与第七稳压管并联。

本实施例的原理分析如下：

在第一级整流电路中，二个PMOS管(Q₁和Q₂)和二个NMOS管(Q₃和Q₄)组成桥式整流电路：二个PMOS管(Q₁和Q₂)的源极连接作为输出直流电源的正极；二个NMOS管(Q₃和Q₄)的源极连接作为输出直流电源的负极；第一PMOS管(Q₁)的漏极和第四NMOS管(Q₄)的漏极相连接到输入交流电源火线；第二PMOS管(Q₂)的漏极和第三NMOS管(Q₃)的漏极连接到输入交流电源零线；由于四个MOS管是分立器件(如果四个MOS管不是分立器件，而是集成在一起的，通常情况下无需考虑漏极与源极之间的寄生二极管)，即二个单独的PMOS管(Q₁和Q₂)和二个单独的NMOS管(Q₃和Q₄)，因此四个MOS管都需考虑寄生参数对电路的影响，四个MOS管的漏极与源极之间的寄生二极管刚好也组成桥式整流电路，四个寄生二极管组成的桥式整流电路在输入交流电源电压过零点附近起到整流器开启作用，当正负过零点电压绝对值超过第三集成电路电压比较器(U₃)所设定的正负门限值时，四个MOS管的相关MOS管将导通或截止形成桥式整流,同时四个MOS管漏源极间的寄生二极管分为两组(一组：第一PMOS管(Q₁)漏源极间的寄生二极管和第三NMOS管(Q₃)漏源极间的寄生二极管；另一组：第二PMOS管(Q₂)漏源极间的寄生二极管和第四NMOS管(Q₄)漏源极间的寄生二极管)将被MOS管漏源极间的低导通电阻(一组：R_{ds_Q1}和R_{ds_Q3}；另一组：R_{ds_Q2}和R_{ds_Q4})轮流短接；四个MOS管的栅极驱动电压时序将由后续的电压过零点检测和驱动控制部分产生栅极电压驱动信号；

在第二级电压过零点检测机构与第三级驱动控制机构中，当输入交流电源电压处于正半周时，假设输入交流电源电压的正极性门限值为V_{+th_in}，此时V_{+th_in}满足下面的关系式时，V_{th_A}＝|V_{+th_in}|*((R₂/2)/(R₁+R₂+R₃))＞V_{IO max}≈9mV，第三集成电路电压比较器(U₃)输出端的第一脚输出低电压，于是第一集成电路光电耦合隔离器(U₁)输入端的发光二极管截止，故第一集成电路光电耦合隔离器(U₁)输出端的第四脚为高电平，即第四集成电路模拟电子开关(U₄)输入端的第六脚为高电平，第四集成电路模拟电子开关(U₄)的常开触点接通及常闭触点开路，第四集成电路模拟电子开关(U₄)的输出端的第一脚为低电平(V_gsp1＝V_L)和第三脚为高电平(即V_gsp2＝V_H，因为第四集成电路模拟电子开关的第三脚被第十三电阻上拉到输出直流电源正极，所以为高电平)；此时第一PMOS管的栅极为低电平，于是第一PMOS管导通；此时第二PMOS管的栅极电压为高电平，于是第二PMOS管截止；第三集成电路电压比较器(U₃)输出端的第七脚输出高电平，于是第二集成电路光电耦合隔离器(U₂)输入端的发光二极管导通，所以第二集成电路光电耦合隔离器(U₂)输出端的第四脚为低电平，即第五集成电路模拟电子开关(U₅)输入端的第六脚为低电平，第五集成电路模拟电子开关(U₅)的常开触点开路及常闭触点接通；第五集成电路模拟电子开关(U₅)的输出端的第一脚为低电平(即V_gsp4＝V_L，因为第五集成电路模拟电子开关的第一脚被第十五电阻下拉到输出直流电源负极，所以为低电平)和第三脚为高电平(V_gsp3＝V_H)，于是第三NMOS管的栅极为高电平，第三NMOS管导通,第四NMOS管的栅极电压为低电平，第四NMOS管截止。于是形成一个完整的整流回路：第一PMOS管导通，第二PMOS管截止，第三NMOS管导通，第四NMOS管截止。

当输入交流电源电压处于负半周时，假设输入交流电源电压的负极性门限值为V_{-th_in}，此时V_{-th_in}满足下面的关系式时，V_{th_B}＝|V_{-th_in}|*((R₂/2)/(R₁+R₂+R₃))＞V_{IO max}≈9mV第三集成电路电压比较器(U₃)输出端的第一脚输出高电压，于是第一集成电路光电耦合隔离器(U₁)输入端的发光二极管导通，所以第一集成电路光电耦合隔离器(U₁)的输出端第四脚为低电平，即第四集成电路模拟电子开关(U₄)输入端的第六脚为低电平，第四集成电路模拟电子开关(U₄)的常开触点截止及常闭触点导通，第四集成电路模拟电子开关(U₄)的输出端的第一脚为高电平(V_gsp1＝V_H,因为第四集成电路模拟电子开关的第一脚被第十二电阻上拉到输出直流电源正极，所以为高电平)，和第三脚为低电平(V_gsp2＝V_L)，于是第一PMOS管的栅极为高电平，第一PMOS管截止,第二PMOS管的栅极电压为低电平，第二PMOS管导通；第三集成电路电压比较器(U₃)输出端的第七脚输出为低电平，于是第二集成电路光电耦合隔离器(U₂)输入端的发光二极管截止，所以第二集成电路光电耦合隔离器(U₂)输出端的第四脚为高电平，即第五集成电路模拟电子开关(U₅)输入端的第六脚为高电平，第五集成电路模拟电子开关(U₅)的常开触点接通及常闭触点开路，第五集成电路模拟电子开关(U₅)输出端的第一脚为高电平(V_gsp4＝V_H)和第三脚为低电平(即V_gsp3＝V_L，因为第五集成电路模拟电子开关(U₅)的第三脚被第十四电阻下拉到输出直流电源负极，所以为低电平)，于是第三NMOS管的栅极为低电平，第三NMOS管截止,第四NMOS管的栅极电压为高电平，第四NMOS管导通；于是形成另一个完整的整流回路：第一PMOS管截止，第二PMOS管导通，第三NMOS管截止，第四NMOS管导通。

在第四级直流电源中，第二稳压管两端产生的直流电源给第一集成电路光电耦合隔离器(U₁)输出端和第四集成电路模拟电子开关供电；第一稳压管两端产生的直流电源给第三集成电路电压比较器(U₄)、第一集成电路光电耦合隔离器(U₁)输入端及第二集成电路光电耦合隔离器(U₂)输入端等处供电；第三稳压管两端产生的直流电压给第二集成电路光电耦合隔离器(U₂)输出端和第五集成电路模拟电子开关供电；第四电阻和第五电阻的阻值由输入交流电源电压峰值及第五稳压管、第六稳压管及第七稳压管的稳定电压值及所有集成电路供电端口参数决定。第六稳压管稳压参数范围由第一集成电路光电耦合隔离器及第四集成电路模拟电子开关等芯片耐压值决定；第七稳压管稳压参数范围由第二集成电路光电耦合隔离器及第五集成电路模拟电子开关等芯片耐压值决定；第五稳压管稳压参数范围由第三集成电路电压比较器和第一集成电路光电耦合隔离器及第二集成电路光电耦合隔离器等芯片耐压值决定。通过调整第四电阻阻值和第五电阻阻值参数大小来协调输出直流电源电压值与集成电路芯片供电电压值不匹配的问题。

输入交流电源电压范围的调节方法如下：

如图3所示，第二电阻与第一电阻、第二电阻及第三电阻的三个电阻值之和的分压比、电压比较器的输入失调电压、输入交流电源电压峰值决定整流MOS管导通的占空比，通常占空比取0.95；第二电阻的阻值越小，输入交流电源电压的峰值就越大；整流MOS管的耐压值越高，输入端交流电源电压范围就越宽。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。