Синхронный выпрямитель

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована для питания устройств, потребляющих большое количество энергии. Синхронный выпрямитель, содержащий трансформатор, n-канальный МОП транзистор со встроенным обратным диодом; первый, второй и третий резисторы; первый и второй маломощные импульсные кремниевые диоды; первый и второй конденсаторы, отличающийся тем, что в него дополнительно введены дроссель, вход которого соединен с первым выходом вторичной обмотки трансформатора, а выход - со стоком силового n-канального МОП транзистора, при этом сток и исток МОП транзистора зашунтированы первым конденсатором, а исток подключен к шине «земля», первый n-р-n транзистор, эмиттер которого соединен с затвором МОП транзистора и анодом первого маломощного кремниевого диода, коллектор соединен со вторым выходом вторичной обмотки трансформатора, с первым и вторым резисторами и вторым конденсатором, подключенным к шине «земля», причем первый резистор соединен с базой первого n-р-n транзистора и катодом первого маломощного кремниевого диода; второй n-р-n транзистор, коллектор которого соединен с катодом первого маломощного кремниевого диода, база соединена со вторым резистором и анодом второго маломощного кремниевого диода, катод которого соединен с первым выходом вторичной обмотки трансформатора, эмиттер второго n-р-n транзистора соединен с третьим резистором, другой выход которого подключен к шине «земля».

В мощных импульсных обратноходовых преобразователях напряжения во вторичных цепях трансформатора применяются нелинейные элементы для получения постоянного напряжения. Наиболее часто применяются полупроводниковые диоды. Прямое падение напряжения на полупроводниковом диоде составляет от 0.4 В (для диодов с барьером Шоттки) до 1.2 В (для обычных диодов в мощных цепях). При токе через нагрузку в несколько ампер мощность, выделяемая в виде тепла на диоде, может составлять несколько ватт, и даже десятков ватт. Это в целом понижает КПД и надежность устройства, кроме того, создает трудности при отводе тепла.

Полевой транзистор с изолированным затвором имеет малое сопротивление открытого канала, кроме того, у таких транзисторов есть встроенный обратный диод, обусловленный технологией изготовления. Из отдельных дискретных транзисторов производятся сборки с большим суммарным током. Используя их в качестве выпрямительных элементов, можно обойти недостатки диодных выпрямителей.

При использовании полевого транзистора в качестве выпрямительного элемента возникает проблема в правильном управлении. Транзистор должен открываться строго во время передачи энергии от трансформатора в нагрузку и немедленно закрываться при окончании цикла. При неправильном управлении может возникнуть ситуация, когда вся мощность преобразователя может быть приложена к транзистору.

Для преобразователей напряжения с широтно-импульсной модуляцией самым простым способом является синхронное управление выпрямителем. Источник работает на определенной частоте и через цепи гальванической развязки есть возможность передавать информацию о ширине обратного импульса и тактировать выпрямляющую схему.

В настоящее время широко распространены квазирезонансные источники питания. Они имеют лучшие характеристики, но протекающие в них процессы более сложны. Изменяется частота и скважность в зависимости от нагрузки и входного напряжения. Форма тока через вторичные обмотки трансформатора в любом из режимов имеет сложный вид. Современные микросхемы для квазирезонансных источников намеренно качают частоту даже в стационарном режиме для улучшения электромагнитной совместимости. Все выше перечисленное налагает более жесткие требования на синхронный выпрямитель. Синхронный выпрямитель должен безошибочно отслеживать все изменения частоты и скважности напряжения на вторичной обмотке трансформатора.

Известны синхронные выпрямители фирм International Rectifier и Thomson Semiconductors. На фиг.1 приведена схема синхронного выпрямителя фирмы Thomson Semiconductors STSR03.

Наиболее близким техническим решением, отвечающим требованиям безошибочного отслеживания всех изменений частоты и скважности напряжения на вторичной обмотке трансформатора, является синхронный выпрямитель фирмы Thomson Semiconductors STSR03.

Однако данное устройство довольно дорого, требует большого количества вспомогательных дискретных элементов и дополнительного питания +5 В, позволяет управлять только n-канальным транзистором, что накладывает существенные ограничения по его использованию.

Цель полезной модели - упростить и удешевить синхронный выпрямитель, используя минимум дискретных элементов и обеспечивая возможность исполнения схемы синхронного выпрямителя совместно с силовыми р- и n-канальными МОП транзисторами, в том числе и в виде отдельной монолитной интегральной схемы, без потери функциональных и мощностных характеристик. Кроме того, устройство с р-канальным МОП транзистором можно использовать как полный аналог выпрямительного диода без изменения схемотехники уже имеющихся блоков.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее трансформатор, n-канальный МОП транзистор со встроенным обратным диодом; первый, второй и третий резисторы; первый и второй маломощные импульсные кремниевые диоды; первый и второй конденсаторы дополнительно введены дроссель, вход которого соединен с первым выходом вторичной обмотки трансформатора, а выход - со стоком силового n-канального МОП транзистора, при этом сток и исток МОП транзистора зашунтирован первым конденсатором, а исток подключен к шине «земля», первый n-р-n транзистор, эмиттер которого соединен с затвором МОП транзистора и анодом первого маломощного кремниевого диода, коллектор

соединен со вторым выходом вторичной обмотки трансформатора, с первым и вторым резисторами и вторым конденсатором, подключенным к шине «земля», причем первый резистор соединен с базой первого n-р-n транзистора и катодом первого маломощного кремниевого диода; второй n-р-n транзистор, коллектор которого соединен с катодом первого маломощного кремниевого диода, база соединена со вторым резистором и анодом второго маломощного кремниевого диода, катод которого соединен с первым выходом вторичной обмотки трансформатора, эмиттер второго n-р-n транзистора соединен с третьим резистором, второй выход которого подключен к шине «земля».

На фиг.2, 3 представлены схемы предлагаемого устройства для n-МОП и р-МОП транзисторов соответственно.

Устройство включает: трансформатор Т1, дроссель L1, n(p) - МОП транзистор VT1, первый и второй n-р-n (р-n-р) транзисторы VT2, VT3, первый, второй и третий резисторы R1, R2, R3, первый и второй маломощные кремниевые диоды VD1, VD2, первый и второй конденсаторы С1, C _n.

Сравнение с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых элементов и их связями между собой. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию «новизна».

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что перечисленные элементы являются известными, однако их введение в указанной связи с остальными элементами приводит к улучшению характеристик и удешевлению изделия в целом. Это подтверждает соответствие технического решения критерию «существенные отличия».

Устройство работает следующим образом.

Принцип действия устройства рассмотрим на примере схемы с n-канальным МОП транзистором.

При возникновении отрицательного импульса на выводе 2 вторичной обмотки импульсного трансформатора ток, втекающий в базу транзистора VT3, прекращается и начинает протекать через диод VD2, соответственно транзистор VT3 закрывается. Потенциал на его коллекторе возрастает и открывается транзистор VT2, этот транзистор работает как эмиттерный повторитель, соответственно при возрастании напряжения на базе транзистора VT2 возрастает напряжение и на его эмиттере. При возрастании напряжения на эмиттере транзистора VT2 открывается силовой n- канальный МОП транзистор VT1, тем самым он шунтирует свой внутренний диод, пропуская большую часть тока через открытый канал, имеющий очень малое сопротивление. Таким образом, вывод 2 вторичной обмотки трансформатора оказывается подключенным через открытый МОП транзистор и встроенный в него диод к «земле», при этом заряжается накопительный конденсатор С_n, то есть энергия из трансформатора поступает в нагрузку. При отрицательном импульсе напряжения на выводе 1 вторичной обмотки трансформатора Т1 ток через диод VD2 становится пренебрежимо мал, соответственно ток

начинает втекать в базу транзистора VT3 при этом транзистор открывается, через него начинает протекать ток и напряжение на его коллекторе падает, соответственно закрывается транзистор VT1, прямо смещается диод VD1 и через него разряжается емкость затвор-исток транзистора VT1. Потенциал затвора снижается, и силовой МОП транзистор VT1 закрывается. Далее все повторяется. Сигнал для управления МОП транзистором снимается с рабочей вторичной обмотки трансформатора, при этом отпадает необходимость в дополнительной обмотке, что в свою очередь, удешевляет трансформатор.

Синхронный выпрямитель, построенный на р-канальном МОП транзисторе, работает аналогично.

Таким образом, предлагаемое техническое решение реализует принцип синхронного выпрямителя, используя минимум дискретных элементов и обеспечивая возможность исполнения схемы совместно с силовыми р- и n-канальными МОП транзисторами.

Синхронный выпрямитель, содержащий трансформатор, n-канальный МОП транзистор со встроенным обратным диодом; первый, второй и третий резисторы; первый и второй маломощные импульсные кремниевые диоды; первый и второй конденсаторы, отличающийся тем, что в него дополнительно введены дроссель, вход которого соединен с первым выходом вторичной обмотки трансформатора, а выход - со стоком силового n-канального МОП транзистора, при этом сток и исток МОП транзистора зашунтирован первым конденсатором, а исток подключен к шине "земля", первый n-р-n транзистор, эмиттер которого соединен с затвором МОП транзистора и анодом первого маломощного кремниевого диода, коллектор соединен со вторым выходом вторичной обмотки трансформатора, с первым и вторым резисторами и вторым конденсатором, подключенным к шине "земля", причем первый резистор соединен с базой первого n-р-n транзистора и катодом первого маломощного кремниевого диода; второй n-р-n транзистор, коллектор которого соединен с катодом первого маломощного кремниевого диода, база соединена со вторым резистором и анодом второго маломощного кремниевого диода, катод которого соединен с первым выходом вторичной обмотки трансформатора, эмиттер второго n-р-n транзистора соединен с третьим резистором, второй выход которого подключен к шине "земля".