Синхронный выпрямитель

Уровень техники
Из уровня техники известны выпрямители переменного тока, содержащие диоды (источник в сети Интернет: https://www.bsatu.by/sites/default/files/field/publikatsiya_file/osnovy-elektroniki-i-mikroprocessornoy-tehniki-uchebno-metodicheskiy-kompleks_3.pdf , дата обращения 10.11.2021).
Из уровня техники также известен синхронный выпрямитель, патент РФ № 2013850, содержащий силовой трансформатор, два диода, два выпрямительных транзистора, два ограничительных резистора, защитный транзистор и делитель выходного напряжения. Однако в таком выпрямителе возможно образование сквозных токов. Также из уровня техники известен ряд синхронных выпрямителей, где предлагается использовать оптроны или специализированные микросхемы (например, IR1161L и IR11688S) с четырьмя драйверами для диагонального управления СТК. Такие решения имеют следующие недостатки:
- Оптроны имеют низкую надежность, а также узкий температурный диапазон работы.
- Специализированные микросхемы не выпускаются Отечественными производителями.
- Специализированные микросхемы также имеют узкий температурный диапазон работы.
- Использование оптронов, специализированных микросхем или любых других драйверов требуют как минимум один канал блока вспомогательного напряжения (БВН), входящего в состав преобразователя электрической энергии.
- Для того, чтобы избежать сквозных токов необходимо использовать специальные RC цепи, обеспечивающие задержку на включении, без задержки на выключении.
Техническая проблема, решаемая заявленным техническим решением, заключается в повышении надежности и расширении температурного диапазона работы синхронного выпрямителя, упрощение его схемы, а также уменьшение потерь при работе синхронного выпрямителя.
Технический результат - повышение надежности и расширение температурного диапазона работы синхронного выпрямителя, упрощение его схемы, а также уменьшение потерь при работе синхронного выпрямителя.
Технический результат достигается тем, что синхронный выпрямитель, содержит четыре силовых транзистора со встроенными обратными диодами, включенные по мостовой схеме таким образом, что первый вход U1 подключен между истоком силового транзистора VT1 и стоком силового транзистора VT2, а второй вход U2 между истоком транзистора VT3 и стоком силового транзистора VT4, положительный выход U+ которого подключен к объединенным стокам силовых транзисторов VT1 и VT3, а отрицательный выход U- подключен к объединенным истокам силовых транзисторов VT2 и VT4,отличающийся тем, что в состав синхронного выпрямителя также входят диоды VD1 и VD3 и два стабилитрона VD2 и VD4, включенные по мостовой схеме с дополнительными последовательно включенными конденсаторами, конденсатор С1 подключен одним выводом к первому входу синхронного выпрямителя, а другим выводом между анодом VD3 и катодом VD4, конденсатор С2 подключен одним выводом ко второму входу синхронного выпрямителя, а другим выводом между анодом VD1 и катодом VD2, объединенные катоды диодов VD1 и VD3 подключены к первым выводам резисторов R5,R6,R14,R15, а также к положительному выводу конденсатора С3, отрицательный вывод которого подключен к объединенным анодам стабилитронов VD2 и VD4, а также ко вторым выводам резисторов R7, R8, R13, R16, истокам силовых транзисторов VT2 и VT4, а также к эмиттерам биполярных транзисторов VT7, VT8, VT11, VT12, первый вывод резистора R7 подключен к затвору силового транзистора VT2, а также ко второму выводу резистора R5 и коллектору биполярного транзистора VT7, база которого подключена ко второму выводу резистора R6 и коллектору биполярного транзистора VT8, база которого подключена к первому выводу резистора R8 и ко второму выводу резистора R10, первый вывод которого является точкой соединения второго вывода резистора R9, коллектора биполярного транзистора VT9 и базы биполярного транзистора VT10, объединенные эмиттеры биполярных транзисторов VT9 и VT10 подключены ко второму выводу конденсатора C5, базе биполярного транзистора VT9, истоку силового транзистора VT3, а также второму выводу резистора R12, первый вывод которого подключен к затвору силового транзистора VT3, коллектору биполярного транзистора VT10 и ко второму выводу резистора R11, первый вывод которого подключен к первому выводу резистора R9, первому выводу конденсатора С5, а также катоду диода VD6, анод которого подключен к положительному выводу конденсатора С3 и к аноду диода VD5, катод которого подключен к первому выводу конденсатора С4 и первым выводам резисторов R1 и R3, второй вывод резистора R1 подключен к затвору силового транзистора VT1, первому выводу резистора R2, а также коллектору биполярного транзистора VT5, эмиттер которого является точкой соединения истока силового транзистора VT1, второго вывода резистора R2, второго вывода конденсатора С4, а также базы и эмиттера биполярного транзистора VT6, коллектор которого подключен к базе биполярного транзистора VT5, второму выводу резистора R3, а также первому выводу резистора R4, второй вывод которого подключен к первому выводу резистора R13 и базе биполярного транзистора VT11, коллектор которого подключен ко второму выводу резистора R14 и базе биполярного транзистора VT12, коллектор которого подключен ко второму выводу резистора R15, первому выводу R16 и к затвору силового транзистора VT4.
Сущность заявленного технического решения поясняется чертежами Фиг.1-3, где
-на фиг.1 представлена схема синхронного выпрямителя;
-на фиг.2 представлена осциллограмма работы синхронного выпрямителя;
- на фиг.3 показаны графики выделения мощности потерь классического диодного выпрямителя (сверху) и синхронного выпрямителя (снизу) при равном значении тока, протекающего через них.
Ниже приведен пример осуществления технического решения:
Для подпитки драйверов силовых транзисторов используется маломощное выпрямительное устройство, построенное на конденсаторах C1, C2 и диодах VD1, VD2, VD5, VD6. Для стабилизации выходного напряжения маломощного выпрямителя используются стабилитроны VD2, VD4. В качестве сглаживающих емкостных фильтров применяются конденсаторы C3-C5. Силовые транзисторы (VT1,VT2,VT3,VT4) со встроенными обратными диодами переключаются попарно диагонально в противофазе VT1,VT4 и VT2,VT3 за счет перекрестных связей через высокоомные резисторы R4, R10. Драйверы для силовых транзисторов выполнены на биполярных транзисторах VT5-VT12 таким образом, чтобы предотвращать возможность протекания сквозных токов. Выпрямитель также содержит резисторы R1-R16. Резисторы R2, R7, R12, R16 - являются защитными. В случае так называемого «обрыва в цепи затвора» существует вероятность, что силовой транзистор останется в открытом проводящем состоянии, что приведет к КЗ (короткому замыканию). Применение резистора между затвором и истоком позволяет создать контур протекания тока в случае «обрыва цепи затвора», что позволит разрядиться всем внутренним емкостям транзистора, и он перейдет в закрытое, не проводящее состояние.
Резисторы R1, R5, R11, R15 необходимы для ограничения тока, протекающего в затвор на этапе включения силовых транзисторов VT1, VT2, VT3, VT4.
Резисторы R3, R6, R9, R14 необходимы для ограничения тока базы биполярных транзисторов VT5, VT7, VT10, VT12.
Резисторы R4, R13 и R10, R8 представляют собой резистивные делители напряжения и ограничения тока базы биполярных транзисторов VT8 и VT11.
Силовые транзисторы (VT1, VT2, VT3, VT4) с встроенными обратными диодами, включены по мостовой схеме таким образом, что первый вход U1 подключен между истоком силового транзистора VT1 и стоком силового транзистора VT2, второй вход U2 между истоком транзистора VT3 и стоком силового транзистора VT4. Положительный выход U+ которого подключен к объединенным стокам силовых транзисторов VT1 и VT3, а отрицательный выход U- подключен к объединенным истокам силовых транзисторов VT2 и VT4.
Диоды VD1 и VD3 и два стабилитрона VD2 и VD4, включены по мостовой схеме с последовательно включенными конденсаторами С1 и С2. Конденсатор С1 подключен одним выводом к первому входу синхронного выпрямителя, а другим выводом между анодом VD3 и катодом VD4. Конденсатор С2 подключен одним выводом ко второму входу синхронного выпрямителя U2, а другим выводом между анодом VD1 и катодом VD2.
Объединенные катоды диодов VD1 и VD3 подключены к первым выводам резисторов R5,R6,R14,R15, а также к положительному (первому) выводу конденсатора С3. Отрицательный (второй) вывод конденсатора C3 подключен к объединенным анодам стабилитронов VD2 и VD4, а также ко вторым выводам резисторов R7,R8, R13,R16, истокам силовых транзисторов VT2 и VT4, а также к эмиттерам биполярных транзисторов VT7, VT8, VT11, VT12. Первый вывод резистора R7 подключен к затвору силового транзистора VT2, а также ко второму выводу резистора R5 и коллектору биполярного транзистора VT7, база которого подключена ко второму выводу резистора R6 и коллектору биполярного транзистора VT8. База биполярного транзистора VT8 подключена к первому выводу резистора R8 и ко второму выводу резистора R10. Первый вывод резистора R10 является точкой соединения второго вывода резистора R9, коллектора биполярного транзистора VT9 и базы биполярного транзистора VT10. Объединенные эмиттеры биполярных транзисторов VT9 и VT10 подключены ко второму выводу конденсатора C5, базе биполярного транзистора VT9, истоку силового транзистора VT3, а также второму выводу резистора R12. Первый вывод резистора R12 подключен к затвору силового транзистора VT3, коллектору биполярного транзистора VT10 и ко второму выводу резистора R11.
Первый вывод резистора R11 подключен к первому выводу резистора R9, первому выводу конденсатора С5, а также катоду диода VD6, анод которого подключен к положительному выводу конденсатора С3 и к аноду диода VD5. Катод диода VD5 подключен к первому выводу конденсатора С4 и первым выводам резисторов R1 и R3. Второй вывод резистора R1 подключен к затвору силового транзистора VT1, первому выводу резистора R2, а также коллектору биполярного транзистора VT5, эмиттер которого является точкой соединения истока силового транзистора VT1, второго вывода резистора R2, второго вывода конденсатора С4, а также базы и эмиттера биполярного транзистора VT6. Коллектор биполярного транзистора VT6 подключен к базе биполярного транзистора VT5, второму выводу резистора R3, а также первому выводу резистора R4. Второй вывод резистора R4 подключен к первому выводу резистора R13 и базе биполярного транзистора VT11, коллектор которого подключен ко второму выводу резистора R14 и базе биполярного транзистора VT12, коллектор которого подключен ко второму выводу резистора R15, первому выводу R16 и к затвору силового транзистора VT4.
Принцип работы переключения силовых транзисторов:
Для обеспечения переключения силовых транзисторов VT1-VT4 используется заряд конденсаторов С3-С5. При этом уровень напряжения на конденсаторе С3 поддерживается на всех этапах работы. Конденсатор С4 заряжается через диод VD5 на этапе, когда силовой транзистор VT2 находится в проводящем состоянии, а конденсатор С5 заряжается через диод VD6 на этапе, когда силовой транзистор VT4 находится в проводящем состоянии.
В начальный момент времени на положительном полупериоде питающего сетевого напряжения заряжается конденсатор С3. При этом биполярный транзистор VT6 работает в режиме инверсной проводимости, поэтому биполярный транзистор VT11 переходит в открытое проводящее состояние, запирая биполярный транзистор VT12 и на затвор транзистора VT4 подается напряжение, равное напряжению стабилизации стабилитронов VD2, VD4 и силовой транзистор VT4 открывается и переходит в проводящее состояние. При этом силовой ток протекает от источника (U1, U2) через внутренний диод транзистора VT1, нагрузку (U+,U-) и канал силового транзистора VT4 в инверсном направлении. При этом заряжается конденсатор С5 через диод VD6 до уровня стабилизации стабилитронов VD2, VD4.
На отрицательном полупериоде питающего сетевого напряжения конденсатор С5 находится уже в заряженном состоянии. Биполярный транзистор VT9 работает в режиме инверсной проводимости, запирая при этом биполярный транзистор VT10 и открывая транзистор VT8, который в свою очередь запирает биполярный транзистор VT7. Таким образом, на затвор силового транзистора VT3 подается напряжение, равное напряжение на конденсаторе С5 и силовой транзистор VT3 открывается, переходя в проводящее состояние, в это же время на затвор силового транзистора VT2 подается напряжение, равное напряжению стабилизации стабилитронов VD2,VD4 и силовой транзистор VT2 открывается, переходя в проводящее состояние. В этот же момент биполярный транзистор VT6 находится в закрытом, не проводящем состоянии, поэтому биполярный транзистор VT5 находится в открытом проводящем состоянии, запирая тем самым силовой транзистор VT1. Также, за счет того, что биполярный транзистор VT6 заперт, закрывается и биполярный транзистор VT11, за счет чего биполярный транзистор VT12 переходит в проводящее состояние, запирая при этом силовой транзистор VT4.
При этом силовой ток протекает от источника (U1, U2) через канал силового транзистора VT3 в инверсном направлении, нагрузку (U+,U-) и канал силового транзистора VT2 в инверсном направлении. При этом конденсатор С4 заряжается через диод VD5.
На следующем этапе работы при положительной полуволне питающего напряжения происходят те же процессы, описанные ранее, за исключением того, что конденсатор С4 уже заряжен. Поэтому за счет того, что биполярный транзистор VT6 работает в инверсном режиме, биполярный транзистор VT5 находится в запертом состоянии и на затвор силового транзистора VT1 подается напряжение, равное напряжению на конденсаторе С4 и силовой транзистор VT1 переходит в открытое проводящее состояние.
При этом силовой ток протекает от источника (U1,U2) через канал силового транзистора VT1 в инверсном направлении, нагрузку (U+,U-) и канал силового транзистора VT4 в инверсном направлении.
Синхронный выпрямитель может быть выполнен на печатной плате.
Осциллограммы, поясняющие работу универсального синхронного выпрямителя представлены на фиг.2.
Таким образом, предложенное решение позволяет повысить надежность и расширить температурный диапазон работы синхронного выпрямителя, решив проблему возникновения сквозных токов через силовые транзисторы без использования оптронов, специализированных микросхем или любых других драйверов, использования специальных RC цепей, обеспечивающих задержку на включении, без задержки на выключении, что показано на осциллограммах работы на фиг.2.
Предлагаемое техническое решение обеспечивает и упрощение схемы синхронного выпрямителя.
При этом предлагаемое техническое решение обеспечивает также уменьшение потерь при работе синхронного выпрямителя. На фиг.3 представлены осциллограммы, демонстрирующие разницу в мощности потерь между классическим диодным выпрямителем (сверху) и предлагаемым синхронным выпрямителем (снизу) при равном значении тока, протекающем через них.