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.
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 100×53 мм и приведена на рис.2.
Автор: Вячеслав Калашник, г. Воронеж
Источник: Радиоаматор №4/2018