СИНХРОННЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ

Полезная модель относится к радиоэлектронной технике и может быть использована при разработке и изготовлении мощных импульсных вторичных источников электропитания, в качестве выпрямительного устройства во вторичных цепях трансформатора для получения постоянного напряжения, используя в качестве выпрямительного элемента полевой транзистор с изолированным затвором.
Известно устройство синхронного выпрямителя, выбранное в качестве аналога (патент US 6605980, опубликовано 04.04.2002 г.), содержащее первый и второй силовые МОП-транзисторы, трансформатор с двумя силовыми обмотками и двумя дополнительными для управления МОП-транзисторами, LC-фильтр и нагрузку.
Недостатками данного устройства являются снижение надежности и ухудшение характеристик. Для согласования сигнала управления с выхода дополнительных обмоток трансформатора с затвором МОП - транзисторов требуются дополнительные дискретные элементы, что усложняет устройство в части схемы управления МОП - транзисторами и снижает надежность устройства. Использование трансформатора с двумя дополнительными обмотками увеличивается габаритные размеры трансформатора, что ухудшает характеристики устройства.
Известен синхронный выпрямитель, выбранный в качестве прототипа (патент РФ №57059 на полезную модель от 28.04.2006 г.), содержащий трансформатор, дроссель, МОП транзистор, первый и второй n-p-n (p-n-p) транзисторы, первый, второй и третий резисторы, первый и второй маломощные кремниевые диоды, первый и второй конденсаторы.
Недостатками данного устройства являются снижение надежности и КПД. Наличие LC фильтра вносит задержку в начальный этап передачи энергии от трансформатора в нагрузку, обусловленную временем накопления энергии дросселем L и зарядом конденсатора С на момент включения силового МОП транзистора, что снижает надежность устройства. Применение биполярного транзистора в схеме управления силовым МОП транзистором, который не способен за короткое время сформировать необходимую величину тока для заряда емкости затвор-исток МОП транзистора, вносит дополнительную задержку во времени для создания малого сопротивления открытого канала МОП транзистора, происходит его нагрев при протекании тока на стадии открытия канала, что снижает КПД устройства.
Технические результаты заявленной полезной модели заключаются в повышении надежности и увеличении КПД за счет уменьшения вероятности отказа устройства в процессе работы и быстродействия открытия силового МОП транзистора, что снижает потерю энергии.
Для достижения указанного технического результата устройство содержит трансформатор, n-канальный МОП транзистор со встроенным обратным диодом, конденсатор, положительный вывод которого соединен со вторым выводом вторичной обмотки трансформатора, а отрицательный вывод конденсатора соединен с шиной «земля», компаратор, инвертирующий вход которого подключен к источнику опорного напряжения, а не инвертирующий вход соединен с шиной «земля» и с одним из выводов токоизмерительного резистора, второй вывод которого соединен с истоком МОП транзистора и выводами отрицательного питания компаратора и драйвера тока. Выводы положительного питания компаратора и драйвера тока соединены со вторым выводом вторичной обмотки трансформатора, причем выход компаратора соединен с входом драйвера тока, выход которого соединен с затвором МОП транзистора, сток которого соединен с первым выводом вторичной обмотки трансформатора.
Полезная модель поясняется схемами:
- фиг. 1 - Синхронный выпрямитель на n-канальном МОП транзисторе;
- фиг. 2 - Диаграмма работы синхронного выпрямителя.
Синхронный выпрямитель содержит:
1 - трансформатор;
1.1 - вывод вторичной обмотки трансформатора 1;
1.2 - вывод вторичной обмотки трансформатора 1;
2 - n-канальный МОП транзистор;
3 - токоизмерительный резистор;
4 - источник опорного напряжения (ИОН);
5 - компаратор;
6 - драйвер тока;
7 - конденсатор.
Первый вывод 1.1 вторичной обмотки трансформатора 1 соединен со стоком МОП транзистора 2, а второй вывод 1.2 вторичной обмотки трансформатора 1 соединен с выводами положительного питания компаратора 5 и драйвера тока 6 и положительным выводом конденсатора 7, отрицательный вывод которого соединен с шиной «земля». Исток МОП транзистора 2 соединен с одним из выводов токоизмерительного резистора 3, который также соединен с выводами отрицательного питания компаратора 5 и драйвера тока 6. Инвертирующий вход компаратора 5 подключен к источнику опорного напряжения (ИОН) 4, а не инвертирующий соединен с шиной «земля» и со вторым выводом токоизмерительного резистора 3. Выход компаратора 5 соединен с входом драйвера тока 6, выход которого соединен с затвором МОП транзистора 2
Функционирование устройства происходит следующим образом.
VD
min
min
max
VT
При возникновении отрицательного импульса на выводе 1.1 вторичной обмотки трансформатора 1 МОП транзистор 2 закрыт, внутренний диод МОП транзистора 2 смещается прямо и начинает протекать ток по цепи: шина «земля», резистор 3, внутренний диод МОП транзистора 2, вывод 1.1 вторичной обмотки трансформатора 1 (t на фигуре 2). Создается падение напряжения на резисторе 3, при этом формируется потенциал на не инвертирующем входе компаратора 5. Кроме того, на втором выводе резистора 3 формируется потенциал, который является отрицательным питанием компаратора 5 и драйвера тока 6, при этом положительное питание компаратора 5 и драйвера тока 6 формируется на выводе 1.2 вторичной обмотки трансформатора 1. Компаратор 5 сравнивает значение сформированного напряжения на не инвертирующем входе со значением напряжения на инвертирующем входе, сформированного источником опорного напряжения 4. Источник опорного напряжения 4 определяет величину Uref (фигура 2), которая прямо пропорциональна значению минимального тока (I на фигуре 2) на момент его начального формирования. Когда величина тока прямо смещенного диода достигнет порогового значения, определяемого величиной Uref (фигура 2), на выходе компаратора 5 формируется логическая «1», которая открывает драйвер тока 6. Происходит заряд емкости затвор-исток МОП транзистора 2, который открывается, тем самым он шунтирует свой внутренний диод, пропуская большую часть тока (I - I на фигуре 2) через открытый канал, имеющий малое сопротивление (Пут на фигуре 2). Таким образом, вывод 1.1 вторичной обмотки трансформатора 1 оказывается подключенный через открытый МОП транзистор 2 к шине «земля», вывод 1.2 вторичной обмотки трансформатора 1 подключен к положительному выводу конденсатора 7, при этом заряжается накопительный конденсатор 7, то есть энергия из трансформатора 1 поступает в нагрузку. При положительном импульсе напряжения на выводе 1.1 вторичной обмотки импульсного трансформатора 1 меняется полярность на не инвертирующем входе компаратора 5. Когда величина тока прямо смещенного диода достигнет порогового значения, определяемого величиной Uref (фигура 2), на выходе компаратора 5 формируется логический «0», драйвер тока 6 выключается, потенциал затвора снижается и МОП транзистор 2 закрывается (t2 на фигуре 2). При возникновении следующего отрицательного импульса на выводе 1.1 вторичной обмотки импульсного трансформатора 1 принципы действия устройства повторяются.
Устройство реализует принцип синхронного выпрямителя, при этом используется минимальное количество элементов, что уменьшается вероятность отказа устройства в процессе работы, в результате чего повышается надежность устройства.
Использования в схеме управления МОП транзистора компаратора, драйвера тока и источника опорного напряжения обеспечивает быстродействие открытия силового МОП транзистора, снижает потерю энергии, в результате чего увеличивается КПД, что улучшает мощностные характеристики и повышает эффективность устройства.
Таким образом, использование предложенного технического решения в качестве выпрямительного устройства во вторичных цепях трансформатора для получения постоянного напряжения за счет уменьшения вероятности отказа устройства в процессе работы и обеспечения быстродействия открытия силового МОП транзистора позволит повысить надежность и увеличить КПД устройства.