Двухполупериодный синхронный выпрямитель

Читать все новости

Одна из важнейших задач, стоящих перед конструкторами современных источников пита­ния (ИП), - достижение высокого КПД при мини­мальной массе и габаритах источника. Но в на­стоящее время большинство выпрямителей ИП выполнено на кремневых диодах.Обычно падение напряжения на кремниевых диодах равно 1 В, на диодах Шоттки - 0.5 В. Оно мало зависит от тока нагрузки и числа парал­лельно включенных диодов. Особенно это важно для выпрямителей с выходным напряжением ме­нее 5 В. Большие потери мощности на кремние­вых диодах вынуждают ставить их на мощные ра­диаторы.

Существенно меньшие потери обеспечивают синхронные выпрямители на полевых транзисто­рах (при отсутствии сквозного тока). В синхрон­ном выпрямителе диоды заменены полевыми транзисторами. Сопротивление канала полевых транзисторов доведено до единиц мОм. Это поз­воляет на порядок снизить падение напряжения и, соответственно, тепловыделение. Но при при­менении полевых транзисторов в выпрямителях есть несколько особенностей.

Во-первых, полевые транзисторы для силовой электроники изготавливаются со встроенным об­ратным диодом. Поэтому в синхронном выпря­мителе полевые транзисторы включаются в ин­версном режиме. Если на полевой транзистор подать напряжение обратной полярности, то от­кроется обратный диод транзистора. Подав син­хронно на затвор транзистора открывающее на­пряжение, мы также откроем канал полевого транзистора, который окажется подключенным параллельно обратному диоду. Так как сопротив­ление канала открытого полевого транзистора значительно меньше сопротивления открытого диода, то весь ток потечет по каналу. При подаче на полевой транзистор правильной полярности напряжения, на затвор надо подавать запираю­щее канал напряжение. Таким образом, будет обеспечено надежное закрытие канала.

Во-вторых, особенностью полевого транзис­тора является задержка на время включения и выключения. Существование задержки обуслов­лено наличием паразитных емкостей. Эти емкос­ти сильно зависят от напряжения между их «об­кладками», т.е. они велики при малых напряжени­ях и малы при большом. Чтобы гарантированно открыть транзистор, необходимо зарядить его входную емкость затвор-исток до напряжения 10...12 В. Процесс заряда осложняет эффект Миллера, заключающийся в увеличении входной емкости на порядок. При подаче прямоугольного импульса транзистор откроется только при до­стижении некоторого порогового напряжения. Ти­повое значение порогового напряжения 2...5 В. За­тем начинает срабатывать «эффект Миллера», и входная емкость резко увеличивается. Скорость открывания транзистора замедляется.

В последнее время все чаще завоевывают по­пулярность полевые транзисторы с пониженным напряжением отпирания затвор-исток. Они от­крываются при напряжении 2...4 В. В совокупно­сти с небольшим статическим током управления и емкостью затвора это позволяет управлять транзистором сигналом непосредственно от вы­ходов логических микросхем. Транзисторы, рас­считанные на управление логическими уровня­ми, имеют в названии букву L. Например, транзи­стор IRL2505. Он имеет в открытом состоянии со­противление канала 0.008 Ом, обеспечивает ток в 74 А при температуре корпуса 100°С, отличает­ся высокой крутизной — 59 А/В. Мощность, рас­сеиваемая транзистором, составляет 200 Вт.

Работа устройства

На рис.1 показана принципиальная электриче­ская схема синхронного выпрямителя. Выпрями­тель предназначен для выпрямления входного пря­моугольного или синусоидального напряжения. Для формирования управляющего напряжения служит оптрон U1. Следует учесть, что время нарастания и спада импульса для такого оптрона типа AOT101AC составляет 10 мкс. Поэтому частота входного сигна­ла не должна превышать 10 кГц. Для работы выпря­мителя на больших частотах необходимо исполь­зовать более быстродействующие оптроны.

Рис. 1

Предлагаемое устройство формирует откры­вающее напряжение на полевые транзисторы VT1 и VT2 в момент, когда напряжение на стоке поле­вого транзистора, выступающего в роли диода, превышает напряжение на его истоке. Это важно при емкостной нагрузке выпрямителя или нали­чия собственной ЭДС. В качестве драйвера ис­пользуется микросхема IR4427, которая питается от источника питания с напряжением 6...20 В. На входах ИМС имеются КМОП триггеры Шмитта, а следова­тельно, на выходе получаются крутые фронты импульсов, даже при медлен­но меняющихся сигналах на входе. Эти микросхемы имеют согласованную за­держку распространения сигналов по обоим каналам. Время задержки рас­пространения равно 65 не. Выходной ток микросхемы достигает 1.5 А, что позволяет управлять мощными поле­выми транзисторами. При этом вы­ходной сигнал микросхемы IR4427 совпадает по фазе с входным.

Работает синхронный выпрямитель следующим образом. Пусть на стоке транзистора VT1 действу­ет положительная полуволна (полупериод). На ди­оде оптрона U1.1 будет положительное напряже­ние 0.7 В, и он излучает свет, который открывает транзистор этого оптрона. Это приводит к появле­нию на входе драйвера А (выв. 2) ИМС DA1 низкого уровня напряжения, а следовательно, и на его вы­ходе (выв.7) будет низкий уровень напряжения.

Транзистор VT1 будет закрыт (заметим, что его диод открывается отрицательной полуволной). Пусть на стоке транзистора VT1 действует отрица­тельная полуволна напряжения. Открывается об­ратный диод транзистора. Диод оптрона не излу­чает свет, и его транзистор закрыт. Таким образом, на входе и выходе драйвера присутствует высокий уровень. Транзистор VT1 открывается. Работа вто­рого канала аналогична работе первого.

На ИМС DD1 выполнен узел контроля правиль­ной работы выпрямителя. Она содержит 4 логических элемента «исключающее ИЛИ». Дело в том, что в момент перехода синусоидального напря­жения через нуль закрыты оба транзистора оп­трона U1, т.е. на выводах 6 и 7 будут присутство­вать одновременно высокие уровни напряжения. Это приведет к одновременному открытию тран­зисторов VT1, VT2, что недопустимо из-за возни­кающего при этом сквозного тока через них.

Рассмотрим работу этого DD1. Пусть на выво­дах 6 и 7 оптрона присутствуют высокие уровни напряжения. Такому сочетанию входных сигна­лов на входе логического элемента DD1.1 соот­ветствует низкий уровень напряжения на его вы­ходе (выв. 3). На логическом элементе DD1.2 вы­полнен инвертор, для чего на вывод 13 подается напряжение питания (высокий уровень). Таким образом, на выходе (выв. 6) логического элемен­та DD1.3 и входе (выв. 9) логического элемента DD1.4 будет высокий уровень напряжения, и они также будут работать инверторами. В результате на обоих входах драйвера DA1 будет низкий уро­вень напряжения, транзисторы VT1, VT2 закрыты, и сквозного тока не будет.

В случае противофазных сигналов на выходах оптрона и соответственно на входах DD1.1, на его выходе (выв. 3 DD1.1) будет действовать вы­сокий уровень напряжения. После инверсии в ло­гическом элементе DD1.2 низкий уровень напря­жения переводит логические элементы DD1.3 и DD1.4 в повторители сигналов. Поэтому сигналы с выходов оптрона U1 пройдут без изменения на выходы драйвера DA1. Один из транзисторов бу­дет открыт, другой закрыт.

Для нормальной работы выпрямителя необхо­дим стабилизатор напряжения, в качестве кото­рого используется ИМС L4812CV или 7812.

Рис. 2

Печатная плата с установленными на неё сило­выми транзисторами имеет размеры 100x53 мм и приведена на рис.2.

Автор: Вячеслав Калашник, г. Воронеж
Источник: Радиоаматор №4/2018

Возможно, Вам это будет интересно:

Постоянная ссылка на это сообщение: http://meandr.org/archives/36344

Добавить комментарий