基于理想二极管桥应用于汽车三相发电整流器的设计

摘 要：本文提出了利用MOSFET管导通压降低，把MOSFET管组成整流桥，并且采用凌力尔特公司提供的LT4320理想二极管桥控制器，实现三相汽车发电机整流，详述了基于LT4320芯片实现理想二极管三相整流桥的电路组成，最后进行了对照实验，对验证电路的测试结果表明，本文所提供的电路设计性能完全满足设计要求，值得推广。

关键词：整流器；二极管桥；理想；LT4320

一、引言

当前汽车行业当中普遍采用三相交流发电机进行发电，为了得到直流电，多采用二极管整流桥进行交直流转换。然而二极管的正向导通压降比较高，器件损耗问题尤为突出，相比之下，场效应管（MOSFET）的导通压降极低，可大大降低了器件损耗。本文针对汽车三相交流电机整流器的电路结构和原理，采用MOSFET管组成三相整流桥，并运用凌力尔特公司出品的芯片LT4320进行控制，设计了一种理想二极管三相整流器，不但能够克服现有的汽车用发电机采用二极管整流发电机器件损耗高的缺陷，而且能够提高其使用寿命。

二、理想二极管三相整流桥

如图1所示，理想二极管三相整流桥由6个N沟道MOSFET管组成，首先每两个MOSFET管为一组，把其中的一个源极与另一个漏极相串联后组成一个桥臂，其中间连接端口用于接三相交流电源的一相，再把每个组成的桥臂空置没有接线的漏极连接在一起组成三相整流的直流输出正端Vout+，把空置没有接线漏极连接在一起组成三相整流的直流输出负端Vout-。由于MOSFET的导通内阻可以达到几mΩ，大大降低了压降损耗。在大功率应用中，不仅实现了效率更高的解决方案，而且由于无需散热器，所以节省了大量的电路板面积，也减少了设备的散热源。

三、单个桥臂的TL4320控制电路

如图2所示，为单个桥臂的TL4320控制电路。由三相输入端口、2个MOSFET管、芯片TL4320电路和一些外围电路以及输出端口。三相输入端口为，PHASE1、PHASE2、PHASE3，输出端口为直流正端和负端。MOSFET管MTG2与MOSFET管MBG1分别连接芯片TL4320的TG1与BG2脚组成三相桥臂中的一个桥臂。

四、总体设计

如图3所示，三相理想二极管整流桥由三个电路内部结构相同的桥臂组成，每个桥臂又包含3个交流输入端和2个直流输出端，其中的3个交流输入端分别为1个主输入端和2个参考输入端，2个直流输出端分别为直流正端和负端。

每个桥臂的主输入端接对应的三相交流母线其中的一相，其余参考输入端分别接对应的三相交流母线的另外两相；直流输出端的正端相连并汇集于Vout+，直流输出端的负端相连并汇集于Vout-，在输出端Vout+与Vout-之间并联稳压二极管D1与滤波电容C1。

图3.三相理想二极管整流桥总体结构

五、实物测试

为了做对比试验，根据上述负载和输入和输出条件分别采用传统二极管的整流桥，理想二极管三相整流桥制作了两块PCB板。测试条件在环境温度25℃，输入三相交流电压24V，带5A的负载电流。使用红外热像仪进行了图像采集和数据对比，采用传统二极管的整流桥测得的结果有48℃温升，理想二极管三相整流桥测得的结果仅有10℃温升。

六、结语

采用传统二极管整流方式的汽车发电机输出电压低，虽然结构简单成本低廉，但是二极管的正向导通压降比较高，器件损耗问题尤为突出。相比之下，场效应管（MOSFET）的导通压降极低，可大大降低了器件损耗。凌力尔特公司为业界提供的LT4320理想二极管桥控制器，其原理是利用MOSFET管导通压降低，把MOSFET管组成整流桥，近似地实现理想二极管桥功能[4][5]。经过本设计的对比测试后，发现理想二极管三相整流桥整流电压输出特性与传统的二极管三相整流桥区别不大，但是功耗可以大大的降低，不但能够克服现有的汽车用发电机采用二极管整流发电机器件损耗高的缺陷，而且能够提高其使用寿命，值得大力推广。

参考文献：

[1]孔伟伟，杨殿阁，李兵等.传统汽车发电机的智能化控制及改造[J].清华大学学报（自然科学报），2014，54（6）：738-743.

[2]杨斯泐，王自强.汽车发电机的低速设计与优化[J].应用装置，2011，（2）：25-33.

[3]陈天殷.美日汽车发电机性能指标解析[J].汽车电器，2008，（10）：1-4.

[4]魏克银，刘德志，欧阳斌等.三相四线制二极管整流桥的动态平均值模型[J].电工技术学报，2009，24（11）：102-107.

[5]刘志刚，叶斌，梁辉.电力电子学[M].北京：清华大学出版社，2009：72-75.

作者简介：

刘远廷（1993—），男，湖南邵阳人，湖南工业大学，学生，研究方向：电气工程及其自动化。

（作者单位：湖南工业大学）