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TWI549415B - 電流整流裝置、多階整流器、當由ａｃ輸入電壓驅動時允許有利於單向流動之電流的閘極增壓整流器與方法 - Google Patents

電流整流裝置、多階整流器、當由ａｃ輸入電壓驅動時允許有利於單向流動之電流的閘極增壓整流器與方法 Download PDF

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TWI549415B
TWI549415B TW104100371A TW104100371A TWI549415B TW I549415 B TWI549415 B TW I549415B TW 104100371 A TW104100371 A TW 104100371A TW 104100371 A TW104100371 A TW 104100371A TW I549415 B TWI549415 B TW I549415B
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王毓駒
廖以諾
蔡昭漢
錦江 李
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國立交通大學
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Description

電流整流裝置、多階整流器、當由AC輸入電壓驅動時允許有利於單向流動之電流的閘極增壓整流器與方法
本發明係相關於電流整流裝置，且尤指一種當由交流電(AC)輸入電壓驅動時允許有利於單向流動之電流的整流裝置，並尤指一種基於該整流裝置之轉換AC輸入電壓為輸出DC電流的同相位閘極增壓整流器(IGR)。
在RF(射頻)對DC(直流電)整流器之應用中，可藉由增加操作頻率而減小天線尺寸。然而，當頻率增加，由於來自被動及主動裝置的寄生電容開始主導等效電容值，使得整流器之靈敏性快速下降。
為了改進整流器之高頻性能，理想情況下係使用具有降低之順向壓降及反向漏電流之二極體改進感應性。在某些手段中，可使用接成二極體形式之金氧半場效電晶體(diode-connected MOSFET)而實行雙端二極體(two-terminal diode)，且可藉由減少電晶體之整流閾值電壓而減少順向 壓降。然而，由於閾值電壓之技術問題，電晶體式二極體之輸出電流將僅在瞬間Vin大於該MOSFET之閾值電壓Vth時才產生，該技術問題大大地影響靈敏性。
雖然閾值電壓Vth可藉由提供閘極偏壓而減低，然而大閘極偏壓並不只是減少有效閾值電壓，還會增加反向漏電流。此外，既然所有內部電壓係初始為零，為了能夠觸發電路，輸入電壓擺幅仍須要高於閾值電壓Vth。
為了從輸入電壓擺幅產生更大的MOSFET閘極電壓擺幅，已提出感應尖峰的方法。該感應尖峰之方法的手段係利用電感器以產生較大的閘極電壓擺幅，以解決觸發的技術問題。然而，在此方法中，閘極-源極電壓VGS及汲極-源極電壓VDS係為非同相位，如此將產生過度的反向漏電流。另外，由於串聯之閘極電感器及閘極電容器的共振電路將導致整流器之輸入阻抗降低，且如此低的共振阻抗將於汲極及源極之間分流並減小VDS的電壓擺幅。
從上文來看，如何找到提供具有減少之順向壓降及反向漏電流之二極體的方法已變成所屬技術領域中具有通常知識者所追尋的標的。
基於先前技術之上述缺點，本發明提供一種同相位閘極增壓整流器，其基於本發明所提供之使用阻抗轉換器的整流裝置，以於當由交流電(AC)輸入電壓驅動時允許有利於單向流動之電流，且結果可改進整流器的性能。
為了達到上述及其它目的，本發明提供一種當由交流 電(AC)輸入電壓驅動時允許有利於單向流動之電流的電流整流裝置。該電流整流裝置係包括開關組件及阻抗轉換器。該開關組件包含第一節點、第二節點、控制參考節點及高阻抗控制節點。在該第一節點與該第二節點之間的電導度係基於該高阻抗控制節點與該控制參考節點之間的電壓而控制，且該電導度決定允許在該第一節點與該第二節點之間的電流量。該阻抗轉換器包含正輸入節點、負輸入節點、正輸出節點及負輸出節點。該正輸入節點係基於該第一節點及第二節點之電壓擺幅而電性連接至該第一節點及第二節點之其中一者，且該正輸出節點係電性連接該高阻抗控制節點。該阻抗轉換器係以該正輸入節點及負輸入節點感應由AC輸入電壓驅動的AC電壓擺幅，並提供該高阻抗控制節點與該控制參考節點之間的AC電壓擺幅，而該高阻抗控制節點與該控制參考節點之間的該AC電壓擺幅大於由該AC輸入電壓驅動之AC電壓擺幅。並且，該第一節點與該第二節點之間的AC電壓擺幅係本質上與該第一節點與該第二節點之間的電導度同相位，以允許由該AC輸入電壓驅動之電流有利於從該第一節點至該第二節點單向流動。
在一實施例中，該開關組件係為場效電晶體(FET)，而該場效電晶體之塊體節點作用為該控制參考節點，且該場效電晶體之閘極節點作用為該控制節點。
本發明亦提供一種轉換AC信號為輸出DC電流的整流器，該整流器係包括AC輸入節點、具有電性連接至該AC 輸入節點的一個端部之第一電容器、DC輸入節點、上述之第一電流整流裝置、DC輸出節點、上述之第二電流整流裝置、接地節點及電性跨接該DC輸出節點及接地節點的第二電容器。該第一電流整流裝置之第一節點係電性連接至該DC輸入節點，且該第一電流整流裝置之第二節點係電性連接至該第一電容器的另一端部。另外，該第二電流整流裝置之第一節點係電性連接至該第一電容器的該另一端部，且該第二電流整流裝置之第二節點係電性連接至該DC輸出節點。
此外，本發明提供一種多階整流器，其轉換AC信號為輸出DC電流，該多階整流器係包括多階AC輸入節點、多階DC正輸出節點、多階DC負輸出節點、上述之第一整流器及上述之第二整流器。該第一整流器之輸入DC節點係電性連接至該多階DC負輸出節點，該第一整流器之輸出DC節點係電性連接至該第二整流器的DC輸入節點，且該第二整流器的DC輸出節點係電性連接至該多階DC正輸出節點，且其中，該第一整流器及第二整流器之AC輸入節點係電性連接至該多階AC輸入節點。
本發明復提供一種當由AC輸入電壓驅動時允許有利於單向流動之電流的方法，係包括提供具有第一節點、第二節點及控制節點的開關組件；將該第一節點電性連接至該AC輸入；基於該第一節點及第二節點的AC電壓擺幅而將阻抗轉換器電性連接至該第一節點及第二節點之一者；以及從該阻抗轉換器輸出本質上與該開關組件之電導度同 相位的AC電壓擺幅至該開關組件的控制節點。
100‧‧‧電流整流裝置
100’‧‧‧第一電流整流裝置
100”‧‧‧第二電流整流裝置
110‧‧‧開關組件
111、111’、111”‧‧‧第一節點
112、112’、112”‧‧‧第二節點
113、113’、113”‧‧‧高阻抗控制節點
114‧‧‧控制參考節點
120‧‧‧阻抗轉換器
121‧‧‧正輸入節點
122‧‧‧負輸入節點
123‧‧‧正輸出節點
124‧‧‧負輸出節點
130‧‧‧電容器
140‧‧‧偏壓電路
141‧‧‧接成二極體形式之電晶體
142‧‧‧第一電阻
143‧‧‧第二電阻
200‧‧‧整流器
201‧‧‧AC輸入節點
202‧‧‧DC輸入節點
203‧‧‧DC輸出節點
204‧‧‧接地節點
220、320‧‧‧等效阻抗轉換器
225、226‧‧‧電容器
230、330‧‧‧適配網路
231‧‧‧RF(射頻)輸入節點
240‧‧‧外部RF源
300‧‧‧多階整流器
301‧‧‧多階AC輸入節點
302‧‧‧多階DC正輸出節點
303‧‧‧多階DC負輸出節點
321‧‧‧等效正輸入節點
322‧‧‧等效負輸入節點
323‧‧‧等效正輸出節點
324‧‧‧等效負輸出節點
325、326‧‧‧多重AC耦接電容器
331‧‧‧RF輸入節點
340‧‧‧RF源
350‧‧‧負載
C1‧‧‧第一輸入電容器
C21‧‧‧第一電容器
C22‧‧‧第二電容器
Cshunt‧‧‧分流電容器
L1‧‧‧第一線圈
L2‧‧‧第二線圈
IDC‧‧‧電流
S1~SM‧‧‧階
VAC‧‧‧AC輸入電壓
VA1~VA7、VB1~VB7‧‧‧電壓
Vin‧‧‧輸入電壓
Vac,in‧‧‧輸入AC電壓信號
Vdc,in‧‧‧輸入DC電壓訊號
Vdc,out‧‧‧輸出DC電壓訊號
Vground‧‧‧接地電壓訊號
Vth‧‧‧閾值電壓
VREF‧‧‧偏壓電壓
VSS‧‧‧電壓
X‧‧‧內部節點
本發明可藉由伴隨參照所附圖式而閱讀以下較佳實施例之詳細描述而完全清楚明白，其中：第1圖係依據本發明電流整流裝置的系統結構圖；第2圖係依據本發明之實施例之電流整流裝置的示意電路；第3圖係依據本發明之實施例之電流整流裝置的示意電路；第4圖係依據本發明之實施例之具有偏壓電路的電流整流裝置的示意電路；第5圖係第4圖之偏壓電路的示意電路；第6圖係依據本發明之實施例之阻抗轉換器的示意電路；第7圖係依據本發明之實施例之阻抗轉換器的示意電路；第8圖係依據本發明之整流器的示意電路；第9圖係依據本發明之實施例之整流器的示意電路；第10圖係依據本發明之實施例之整流器的示意電路；第11圖係依據本發明之多階整流器的示意電路；第12圖係依據本發明之實施例之多階整流器的示意電路；第13圖係依據本發明之實施例之等效阻抗轉換器的示意圖；以及 第14圖係依據本發明之實施例之多階整流器的示意電路。
在下文中，特定實施例係提供以說明本發明的詳細描述。所屬技術領域中具有通常知識者可基於本說明書而輕易設想本發明之其它優點及效果。本發明亦可由其它不同實施例實施或應用。
如第1圖顯示，說明依據本發明之電流整流裝置100的系統結構圖。電流整流裝置100包含開關組件110及作用為被動同相位(in phase)電壓倍增器(multiplier)網路的阻抗轉換器120。開關組件110包含第一節點111、第二節點112、高阻抗控制節點113及控制參考節點114，用以控制流通第一節點111及第二節點112之電流IDC的量。舉例而言，第一節點111與第二節點112之間的電導度可基於高阻抗控制節點113與控制參考節點114之間的電壓而控制，如此可確定准許於第一節點111與第二節點112之間流動之電流IDC的量。
當交流(AC)輸入電壓VAC施加至第一節點111且AC耦接至高阻抗控制節點113時，基於由開關組件110之閾值電壓所引起的觸發問題(starting up problem)，須要足夠大之高阻抗控制節點113的電壓擺幅，以准許電流IDC從第一節點111流動至第二節點112。因此，提供具有正輸入節點121、負輸入節點122、正輸出節點123及負輸出節點124之阻抗轉換器120可以在負載來自高阻抗控制節點113 的寄生阻抗時，以增益Av放大AC輸入電壓VAC，以利於增加高阻抗控制節點113與控制參考節點114之間的電壓擺幅。
舉例而言，正輸入節點121係電性連接至第一節點111，且正輸出節點123係電性連接至高阻抗控制節點113。應理解的是，正輸入節點121並非只受限為電性連接至第一節點111。例如，若第二節點112處之電壓擺幅係大於第一節點111處之電壓擺幅，正輸入節點121可電性連接至第二節點112，以更佳地增加高阻抗控制節點113與控制參考節點114之間的電壓擺幅。
鑑於上述結構，阻抗轉換器120可通過正輸入節點121及負輸入節點122感測由AC輸入電壓VAC驅動的AC電壓擺幅，且提供高阻抗控制節點113與控制參考節點114之間的較佳AC電壓擺幅。如此，第一節點111與第二節點112之間的電導度係本質上與第一節點111及第二節點112之間的電壓擺幅同相位，以利於得到高阻抗控制節點113與控制參考節點114之間較大振幅的AC電壓擺幅。
以此方式，從第一節點111至第二節點112之瞬時電流增加，且從第二節點112至第一節點111之瞬時電流將受到抑制。換句話說，在AC循環中之流經開關組件110的平均電流將會本質上傾向於從作用為正極之第一節點111流向作用為負極之第二節點112。
在一實施例中，負輸入節點122與負輸出節點124係電性連接。
較佳地，如第2圖所顯示，開關組件110係為場效電晶體(FET)，而FET之塊體節點(bulk node)係作用為控制參考節點114，FET之閘極節點係作用為高阻抗控制節點113，依FET之導電類型，FET之源極節點係作用為第一節點111及第二節點112的其中之一者，且FET之汲極節點係而作用為第一節點111及第二節點112的其中之另外一者。舉例而言，若FET係為具有N型導電類型之FET，汲極節點可作用為第一節點111，且源極節點可作用為第二節點112。另外，在一實施例中，控制參考節點114係依導電類型而電性連接至第一節點111或第二節點112。也就是，控制參考節點114可以是與第一節點111相同或與第二節點112相同之節點。
在一實施例中，如第3圖所顯示，開關組件110亦可為雙載子接面電晶體(BJT)，而BJT之基極節點係作用為高阻抗控制節點113，依BJT之導電類型，BJT之集極節點係作用為第一節點111及第二節點112的其中之一者，且BJT之射極節點係作用為為第一節點111及第二節點112的其中之另外一者。在此實施例中，控制參考節點114可電性連接至BJT之射極節點或BJT之基板。
應注意的是，在PMOS MOSFET(p通道金氧半場效電晶體)或PNP BJT(PNP型雙載子接面電晶體)的情況中，於113處之閘極電壓越低，第一節點111與第二節點112之間的電導度則越高。舉例而言，當開關組件110為由高阻抗控制節點113與第一節點111之間的電壓擺幅(例如， PMOS之Vgs)所控制參考節點114係AC耦接於第一節點111所控制之電壓擺幅、且第二節點112係本質上為DC旁路的PMOS時，從第一節點111到高阻抗控制節點113與第一節點111(控制參考節點114)之間的電壓擺幅的有效電壓增益Av,eff將為1+|Av|。在此情況下，Av將與於第一節點111處之輸入電壓擺幅為異相位(out-of-phase)，故第一節點111與第二節點112之間的AC電壓擺幅係本質上與第一節點111與第二節點112之間的電導度同相位。如此，若增益Av之增益值係為2並具有180度的相位移，仍可得到增益值為3的有效增益Av,eff。因此，假設AC輸入電壓VAC具有1V的振幅且高阻抗控制節點113之電壓(例如，PMOSMOSFET的閘極電壓)係為2V且具有180度之相位移，高阻抗控制節點113與第一節點111(亦為控制參考節點114)之間的電壓擺幅將為1+|2|=3V。此外，在相同之振幅為1V的輸入電壓擺幅而增益Av為0.5之其它情況中，高阻抗控制節點113將為具有180度相位移的0.5V電壓，因此高阻抗控制節點113與第一節點111(亦為控制參考節點114)之電壓擺幅係為1.5V，其仍大於AC輸入電壓VAC。
在一實施例中，開關組件110復包括用於調整第一節點與第二節點之間的電導度之偏壓節點。如此，可補償開關組件110的閾值電壓。
如第4圖所說明，提供電性連接至高阻抗控制節點113之偏壓電路140，用以減少FET之有效閾值電壓。在此實施例中，高阻抗控制節點113及正輸出節點123可通過電 容器130而電性連接，如此一來，僅有從阻抗轉換器120來的AC電壓擺幅可准許到高阻抗控制節點113。換句話說，從正輸出節點123來的DC信號係由電容器130所抑制。雖然在第4圖中說明之偏壓電路140係由NMOS組構所實現，所屬技術領域中具有通常知識者可作出各種修飾以達到等效偏壓功能。舉例而言，在一實施例中，在不同偏壓需要下，NMOS電晶體可以PMOS電晶體替換。
在一實施例中，如第5圖所顯示，偏壓電路140包含接成二極體形式之電晶體(diode-electrically connected transistor)141、第一電阻142及第二電阻143。第一電阻142係電性連接至接成二極體形式之電晶體141，因此當由接成二極體形式之電晶體141所產生之電流流過第一電阻142時，可提供偏壓電壓Vref。另外，第二電阻143係電性連接至接成二極體形式之電晶體141與第一電阻142之間的節點，如此一來，當第二電阻143之另一端電性連接至高阻抗控制節點113時，第二電阻143可防止偏壓電路140影響從阻抗轉換器120來的AC電壓擺幅。
在一實施例中，若開關組件110為一般型，則阻抗轉換器本質上呈現0度相位偏移，而若開關組件110為互補型，則阻抗轉換器本質上呈現180度相位偏移。應理解的是，若較大之控制電壓可增加開關組件110之開關電導度，則我們將此開關組件110稱為一般型，同時若較大之控制電壓係降低開關組件110之開關電導度，則我們將此開關組件110稱為互補型。
第6圖係依據本發明之實施例的阻抗轉換器120的示意電路。阻抗轉換器120係呈現差分模式的組構，且電壓增益之正負可藉由交換正輸出節點123及負輸出節點124而互換，如此一來，輸出之電壓擺幅係與第一節點111與第二節點112之間的電導度同相位。
在一實施例中，如第6圖所說明之阻抗轉換器120係包含轉換器單元、第一輸入電容器C1及分流電容器Cshunt。轉換器單元具有第一線圈L1及第二線圈L2，且第一線圈L1對第二線圈L2之匝數比係為1比N，其中，N為正整數。第一輸入電容器C1係於正輸入節點121與第一線圈L1之間電性並串聯連接，且分流電容器Cshunt係於正輸出節點123與負輸出節點124之間電性連接且並聯於第二線圈L2。
在一實施例中，阻抗轉換器120復包含於負輸入節點122與第一線圈L1之間電性並串聯連接的第二輸入電容器C2。另外，在一實施例中，分流電容器Cshunt可為從分流電容器Cshunt之輸出負載所貢獻的寄生電容器。
此外，如第7圖所顯示，阻抗轉換器120係表現為共模模式(單端(single-ended))組構，其中負輸入節點122及負輸出節點124係為電性連接，且阻抗轉換器120在某些高頻率下提供異相位電壓轉換功能，例如提供180度相位移。此外，阻抗轉換器120在某些極低頻率下也是有可能提供同相位電壓轉換功能，例如提供0度相位移。
在一實施例中，如第7圖所說明之阻抗轉換器120係包含第一電感器L1、第二電感器L2、第一分流電容器C1 及第二分流電容器Cshunt。第一電感器L1係電性連接至正輸入節點121。第二電感器L2係於第一電感器L1與正輸出節點123之間電性並串聯連接。第一分流電容器C1係電性跨接內部節點X及負輸入節點122，而內部節點X係於第一電感器L1與第二電感器L2之間電性並串聯連接。第二分流電容器Cshunt係於正輸出節點123與負輸出節點124之間電性連接。在一實施例中，分流電容器Cshunt係為從分流電容器Cshunt之輸出負載所貢獻的寄生電容器。
第8圖係依據本發明之整流器200的示意電路。整流器200具有AC輸入節點201、供輸入DC電壓訊號Vdc,in輸入之DC輸入節點202、供輸出DC電壓訊號Vdc,out輸出之DC輸出節點203及供連接至接地電壓訊號Vground之接地節點204，且轉換AC信號成輸出DC電流。整流器200復包括依據上文所述之實施例的第一電流整流裝置100'和第二電流整流裝置100"、以及第一電容器C21和第二電容器C22。
由於電流整流裝置100表現出類似傳統二極體的功能，但具有減少之有效正向壓降和反向漏電流及增加之正向電流，該電流整流裝置係以類似二極體之符號而表現，而該電流整流裝置之符號具有位於第一節點或第二節點112上之粗體線，以判別具有較大AC電壓擺幅之端點。舉例而言，如第8圖所說明，第一電流整流裝置100'之粗體線係在第二節點112'上，而第二電流整流裝置100"之粗體線係在第一節點111"上。阻抗轉換器120之正輸入節點121 一般係連接至第一節點111或第二節點112中具有最大電壓擺幅者，以達到最佳電流整流性能。這些符號係於後續圖式中使用。
如第8圖所顯示，第一電流整流裝置100'之第一節點111'係電性連接至DC輸入節點202，第一電流整流裝置100'之第二節點112'係電性連接至第一電容器C21的另一端部，第二電流整流裝置100"之第一節點111"係電性連接至第一電容器C21的另一端部，且第二電流整流裝置100"之第二節點112"係電性連接至DC輸出節點203。另外，第二電容器C22係電性跨接DC輸出節點203及接地節點204。如此一來，當輸入AC電壓信號VAC,in施加至AC輸入節點201時，於DC輸出節點203處可得到輸出DC電流，且可因此伴隨負載至DC輸出節點203之負載而得到輸出DC電壓訊號Vdc,out。在一實施例中，第一電流整流裝置100'及第二電流整流裝置100"之開關組件110的至少一者復包括偏壓節點，其用於個別調整第一電流整流裝置100'及第二電流整流裝置100"之第一節點111'、111"及第二節點112'、112"之間的電導度。
在第8圖所顯示之實施例中，係使用兩個電流整流裝置(即第一電流整流裝置100'及第二電流整流裝置100")以完成整流器200。然而，第一電流整流裝置100'及第二電流整流裝置100"之各阻抗轉換器可能佔有顯著空間或電路布局面積並增加成本。因此，在第9圖所顯示之實施例中，阻抗轉換器120可合併成一個等效阻抗轉換器220， 使得輸入電壓Vin擺幅經過等效阻抗轉換器220而得到AC輸出電壓擺幅，並藉由使用電性連接於等效阻抗轉換器220的等效輸出節點與第一電流整流裝置100'及第二電流整流裝置100"中之開關組件110'、110"的高阻抗控制節點113'、113"之間的AC耦接電容器225、226而分享該來自等效阻抗轉換器220之AC輸出電壓擺幅。
第10圖係根據本發明之實施例的整流器200之示意性電路。如第10圖所顯示，整流器200復包括用於電性連接外部RF源240及適配網路230的RF(無線射頻)輸入節點231。適配網路230係電性連接至RF輸入節點231用以將外部RF源240從RF輸入節點231適配至AC輸入節點201，以便減少來自AC輸入節點201的功率反射(power reflection)。由於用於將外部RF源從RF輸入節點適配至AC輸入節點之手段係所屬技術領域中所習知，關於適配網路230之特定描述係在此省略。
第11圖係根據本發明之實施例的多階整流器300之示意性電路。多階整流器300具有多階AC輸入節點301、多階DC正輸出節點302及多階DC負輸出節點303，且轉換AC信號為輸出DC電流。如第11圖所顯示，多階整流器300包含根據上述實施例之複數個整流器200，而整流器200電性以串級(cascade)配置連接。在串級配置中，第一階S1之整流器200的DC輸入節點202係電性連接至多階DC負輸出節點303，除了最後一階SM之下一階(例如，第1階S1至第M-1階SM-1)之整流器200的DC輸出節點203係 電性連接至下一階(第2階S2至第M階SM其中之一者)整流器200的DC輸入節點202，最後一階SM之整流器200的DC輸出節點203係電性連接至多階DC正輸出節點302，且第1階S1至第M階SM之各別的整流器200的AC輸入節點201係電性連接至多階AC輸入節點301。因此，當輸入AC電壓信號施加於多階AC輸入節點301時，可於多階DC正輸出節點302處得到輸出DC電流，且藉由電性連接於多階DC正輸出節點302與多階DC負輸出節點303之間的負載350，可因此得到輸出DC電壓。在一實施例中，第一電流整流裝置100'及第二電流整流裝置100"之至少一個開關組件110復包括用於調整在第一節點111與第二節點112之間電導度的偏壓節點。
通常情況下，多階整流器300中之偏壓節點係如第12圖之左邊部分所顯示地係由具有電壓VDD之多階DC正輸出節點302或具有電壓VSS之多階DC負輸出節點303而施加偏壓。在一實施例中，為了進一步減少多階整流器300之DC電力消耗，施加至各偏壓節點之電壓係不受限於使用在多階DC正輸出節點302處的電壓VDD或在多階DC負輸出節點303處的電壓VSS。舉例而言，在示例性之7階整流器300中，在一整流器200中之開關組件110的各偏壓節點可如第12圖之右邊部分所顯示地以累進方式連接至另一整流器200之具有電壓VB1至VB5之DC輸出節點203的其中之一者或具有電壓VA1至VA7的AC輸入節點201的其中之一者。應理解的是，雖然第12圖說明具有7階的示 例性多階整流器300，多階整流器300之階數不受限於7。事實上，階數M可為所屬技術領域中具有通常知識者所選取的任何數目。
在第13圖中顯示的一實施例中，與第9圖中顯示的實施例類似，多階整流器300中之個別阻抗轉換器120可合併成具有等效正輸入節點321、等效負輸入節點322、等效正輸出節點323及等效負輸出節點324的一個等效阻抗轉換器320中，如此一來，來自等效阻抗轉換器320的AC輸出電壓擺幅係藉由使用電性連接於等效阻抗轉換器320的等效輸出節點與整流器200之電流整流裝置100中之開關組件110的高阻抗控制節點113之間的多重AC耦接電容器325、326而分享。
詳而言之，在同時具有一般型及互補型開關組件之多階整流器中，這些整流器200之阻抗轉換器120可基於它們相對之輸入及輸出相位而分類。通常，阻抗轉換器120可基於阻抗轉換器120之輸入及輸出的電壓擺幅之相位而分類成如下列之四種基本情況：
(1)同相輸入，同相輸出
(2)同相輸入，異相輸出
(3)異相輸入，同相輸出
(4)異相輸入，異相輸出
阻抗轉換器120可藉由進行二步驟的程序而合併。在第一步驟中，阻抗轉換器120係基於上述四情況而分類。接著，進行合併之第二步驟而得到等效阻抗轉換器320。 舉例而言，在該第二步驟中，所有同相位輸出係電性連接至等效正輸出節點323，所有異相位輸出係電性連接至等效負輸出節點324，所有同相位輸入係電性連接至等效正輸入節點321，而所有異相位輸入係電性連接至等效負輸入節點322。
第14圖係根據本發明之實施例的多階整流器300之示意性電路。如第14圖所顯示，多階整流器300復包括用於電性連接至外部RF源340的RF輸入節點331及適配網路330。適配網路330係電性連接至RF輸入節點331用以將外部RF源340從RF輸入節點331適配至AC輸入節點301，以便減少來自AC輸入節點301的功率反射。由於將外部RF源從RF輸入節點適配至AC輸入節點的手段係所屬技術領域中所習知，關於適配網路330之特定描述係在此省略。
從上文所述，本發明提供一種藉由使用阻抗轉換器減少有效正向(forward)壓降及漏電流，且增加正向電流的電流整流裝置。如此一來，當電流整流裝置用以形成IGR時，可改善整流器的靈敏性及效率。
上述實施例係用以例示性說明本發明之原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修改。因此本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。
100‧‧‧電流整流裝置
110‧‧‧開關組件
111‧‧‧第一節點
112‧‧‧第二節點
113‧‧‧高阻抗控制節點
114‧‧‧控制參考節點
120‧‧‧阻抗轉換器
121‧‧‧正輸入節點
122‧‧‧負輸入節點
123‧‧‧正輸出節點
124‧‧‧負輸出節點
IDC‧‧‧電流
VAC‧‧‧AC輸入電壓

Claims (27)

  1. 一種當由交流電(AC)輸入電壓驅動時允許有利於單向流動之電流的電流整流裝置，係包括：開關組件，包含第一節點、第二節點、控制參考節點及高阻抗控制節點，其中，在該第一節點與該第二節點之間的電導度係基於該高阻抗控制節點與該控制參考節點之間的電壓而控制，以確定在該第一節點與該第二節點之間的電流量；以及阻抗轉換器，包含正輸入節點、負輸入節點、正輸出節點、負輸出節點及由被動元件所組成的被動元件單元，且該被動元件單元連接正輸入節點、負輸入節點、正輸出節點及負輸出節點，其中，該正輸入節點係基於該第一節點及該第二節點之電壓擺幅而電性連接至該第一節點及該第二節點之其中一者，且該正輸出節點係電性連接該高阻抗控制節點，使該阻抗轉換器以該正輸入節點及該負輸入節點感應由該AC輸入電壓驅動的AC電壓擺幅，並提供該高阻抗控制節點與該控制參考節點之間的AC電壓擺幅，而該高阻抗控制節點與該控制參考節點之間的AC電壓擺幅係大於由該AC輸入電壓驅動之AC電壓擺幅，且該第一節點與該第二節點之間的AC電壓擺幅係本質上與該第一節點與該第二節點之間的該電導度同相位，使得由該AC輸入電壓驅動之電流有利於從該第一節點至該第二節點單向流動。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電流整流裝置，其中，該開關組件係場效電晶體(FET)，且該場效電晶體之塊體節點作用為該控制參考節點，而該場效電晶體之閘極節點作用為該高阻抗控制節點。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之電流整流裝置，還包括偏壓電路，係電性連接至該高阻抗控制節點，用以減少該場效電晶體之有效閾值電壓，其中，該高阻抗控制節點及該正輸出節點係通過電容器而電性連接。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之電流整流裝置，其中，該偏壓電路係包括：接成二極體形式之電晶體；第一電阻，係電性連接至該接成二極體形式之電晶體，以於該接成二極體形式之電晶體所產生的電流流過該第一電阻時提供偏壓電壓；以及第二電阻，係電性連接至該接成二極體形式之電晶體與該第一電阻之間的節點。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之電流整流裝置，其中，該開關組件係雙載子接面電晶體(BJT)，以及該雙載子接面電晶體之基極節點係作用為該高阻抗控制節點。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之電流整流裝置，其中，該第一節點係正極，以及該第二節點係負極。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之電流整流裝置，其中，該控制參考節點係基於該開關組件之導電類型而電性連接至該第一節點及該第二節點之其中一者。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之電流整流裝置，其中，該開關組件還包括偏壓節點，係用於調整該第一節點與該第二節點之間的該電導度。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之電流整流裝置，其中，當負載有來自該高阻抗控制節點的寄生阻抗時，該正輸入節點與該負輸入節點之間的該AC電壓擺幅係通過該阻抗轉換器放大變為該正輸出節點與該負輸出節點之間的較大AC電壓擺幅。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之電流整流裝置，其中，該阻抗轉換器係基於該正輸入節點與該負輸入節點之間的該AC電壓擺幅而本質上表現0度或180度之相位移。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之電流整流裝置，其中，該阻抗轉換器之被動元件單元係包括：轉換器單元，係具有第一線圈及第二線圈，其中，該第一線圈對該第二線圈之匝數比例為1比N，N為正整數；第一輸入電容器，於該正輸入節點與該第一線圈之間電性串聯連接；以及分流電容器，於該正輸出節點與該負輸出節點之間電性連接且與該第二線圈並聯。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之電流整流裝置，其中，該分流電容器係由該分流電容器之輸出負載所貢獻的寄生電容器。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之電流整流裝置，該被動元件單元還包括第二輸入電容器，係於該負輸入節點與該第一線圈之間電性串聯連接。
  14. 如申請專利範圍第11項所述之電流整流裝置，其中，該負輸出節點係電性連接至該負輸入節點。
  15. 如申請專利範圍第9項所述之電流整流裝置，其中，該負輸出節點係電性連接至該負輸入節點。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之電流整流裝置，其中，該阻抗轉換器之被動元件單元係包括：第一電感器，係電性連接至該正輸入節點；第二電感器，係於該第一電感器與該正輸出節點之間電性串聯連接；第一分流電容器，係電性跨接內部節點及該負輸入節點，其中，該內部節點係於該第一電感器與該第二電感器之間電性串聯連接；以及第二分流電容器，係於該正輸出節點與該負輸出節點之間電性連接。
  17. 一種整流器，係轉換AC信號為輸出DC電流，該整流器包括：AC輸入節點；第一電容器，係具有電性連接該AC輸入節點的一端部；DC輸入節點；DC輸出節點； 兩個如申請專利範圍第1項所述之電流整流裝置，分別為第一電流整流裝置與第二電流整流裝置，其中，該第一電流整流裝置之第一節點係電性連接至該DC輸入節點，且該第一電流整流裝置之第二節點係電性連接至該第一電容器的另一端部，而該第二電流整流裝置之第一節點係電性連接至該第一電容器的該另一端部，且該第二電流整流裝置之第二節點係電性連接至該DC輸出節點；接地節點；以及第二電容器，係電性跨接該DC輸出節點及該接地節點。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之整流器，其中，該第一電流整流裝置及該第二電流整流裝置之至少一個開關組件還包括用於調整該第一節點與該第二節點之間的電導度之偏壓節點。
  19. 如申請專利範圍第17項所述之整流器，其中，該第一電流整流裝置之阻抗轉換器及該第二電流整流裝置之阻抗轉換器係合併成為一個等效阻抗轉換器，使得該等效阻抗轉換器之AC輸出電壓擺幅藉由使用電性連接於該等效阻抗轉換器的等效輸出節點與該第一電流整流裝置及該第二電流整流裝置中之開關組件的高阻抗控制節點之間的AC耦接電容器而分享。
  20. 如申請專利範圍第17項所述之整流器，還包括：射頻(RF)輸入節點，係用以電性連接外部射頻源； 以及適配網路，係電性連接至該射頻輸入節點，用以將該外部射頻源從該射頻輸入節點適配至該AC輸入節點，以減少來自該AC輸入節點的功率反射。
  21. 一種多階整流器，係轉換AC信號為輸出DC電流，該多階整流器包括：多階AC輸入節點；多階DC正輸出節點；多階DC負輸出節點；以及兩個如申請專利範圍第17項所述之整流器，分別為第一整流器與第二整流器，其中，該第一整流器之輸入DC節點係電性連接至該多階DC負輸出節點，且該第一整流器之輸出DC節點係電性連接至該第二整流器的DC輸入節點，而該第二整流器的DC輸出節點係電性連接至該多階DC正輸出節點，以及其中，該第一整流器及該第二整流器之AC輸入節點係電性連接至該多階AC輸入節點。
  22. 如申請專利範圍第21項所述之多階整流器，還包括另一如申請專利範圍第17項所述之整流器，係電性連接於該第一整流器與該第二整流器之間，其中，該第一整流器之輸出DC節點係電性連接至該另一整流器的DC輸入節點，以及該另一整流器的輸出DC節點係電性連接至該第二整流器的DC輸入節點。
  23. 如申請專利範圍第22項所述之多階整流器，其中，至 少一個該開關組件還包括於該第一節點與該第二節點之間用於調整該第一節點與該第二節點之間的電導度之偏壓節點。
  24. 如申請專利範圍第23項所述之多階整流器，其中，至少一個該開關組件之偏壓節點係依據該開關組件之導電類型，藉由非該多階DC正輸出節點或非該多階DC負輸出節點之節點而施加偏壓。
  25. 如申請專利範圍第21項所述之多階整流器，其中，該電流整流裝置之阻抗轉換器係合併成為一個等效阻抗轉換器，使得該阻抗轉換器之AC輸出電壓擺幅藉由使用電性連接於該等效阻抗轉換器的等效輸出節點與該電流整流裝置中之開關組件的高阻抗控制節點之間的AC耦接電容器而分享。
  26. 如申請專利範圍第21項所述之多階整流器，還包括：射頻輸入節點；以及用於電性連接外部射頻源至該射頻輸入節點以及將該外部射頻源從該射頻輸入節點適配至該多階AC輸入節點的手段，以減少來自該多階AC輸入節點的功率反射。
  27. 一種於經AC輸入電壓驅動時允許有利於單向流動之電流的方法，係包括：提供具有第一節點、第二節點及控制節點的開關組件；將該第一節點電性連接至該AC輸入電壓； 將阻抗轉換器電性連接至該第一節點及該第二節點之其中一者，其中，該阻抗轉換器包含正輸入節點、負輸入節點、正輸出節點、負輸出節點及由被動元件所組成的被動元件單元，而該被動元件單元連接正輸入節點、負輸入節點、正輸出節點及負輸出節點，且該正輸入節點係基於該第一節點及第二節點之AC電壓擺幅而電性連接至該第一節點及第二節點之其中一者；以及從該阻抗轉換器輸出本質上與該開關組件之電導度同相位的AC電壓擺幅至該開關組件的控制節點。
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