RU161494U1

RU161494U1 - SYNCHRONOUS RECTIFIER

Info

Publication number: RU161494U1
Application number: RU2015112410/07U
Authority: RU
Inventors: Николай Александрович Волобуев; Аркадий Владимирович Макаров
Original assignee: Акционерное общество "Научно-производственное объединение автоматики имени академика Н.А. Семихатова"
Priority date: 2015-04-06
Filing date: 2015-04-06
Publication date: 2016-04-20

Abstract

Синхронный выпрямитель, содержащий 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", отличающийся тем, что в него введен 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, причём выход компаратора соединен с входом драйвера тока, выход которого соединен с затвором МОП-транзистора, сток которого соединен с первым выводом вторичной обмотки трансформатора.A synchronous rectifier comprising a transformer, an n-channel MOS transistor with a built-in reverse diode, a capacitor whose positive terminal is connected to the second terminal of the secondary winding of the transformer, and the negative terminal of the capacitor is connected to the ground bus, characterized in that a comparator is inserted into it, the inverting input of which is connected to the reference voltage source, and not the inverting input is connected to the ground bus and to one of the terminals of the current-measuring resistor, the second terminal of which is connected to the source of the MOS trans the stator and the negative power terminals of the comparator and the current driver, the positive power terminals of the comparator and the current driver are connected to the second terminal of the transformer secondary, the output of the comparator connected to the input of the current driver, the output of which is connected to the gate of the MOS transistor, the drain of which is connected to the first terminal of the secondary transformer windings.

Description

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.The utility model relates to electronic equipment and can be used in the design and manufacture of high-power pulsed secondary power sources, as a rectifier device in the secondary circuits of a transformer to obtain a constant voltage, using an insulated gate field effect transistor as a rectifier element.

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.A synchronous rectifier device is known, selected as an analogue (US patent 6605980, published 04.04.2002), containing the first and second power MOS transistors, a transformer with two power windings and two additional for controlling MOS transistors, an LC filter and a load .

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.The disadvantages of this device are reduced reliability and performance degradation. To coordinate the control signal from the output of the additional transformer windings with the gate of the MOS transistors, additional discrete elements are required, which complicates the device in terms of the control circuit of the MOS transistors and reduces the reliability of the device. Using a transformer with two additional windings increases the overall dimensions of the transformer, which degrades the characteristics of the device.

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.Known synchronous rectifier selected as a prototype (RF patent No. 57059 for utility model dated 04/28/2006), containing a transformer, inductor, MOS transistor, first and second npn (pnp) transistors, first, second and third resistors, first and the second low-power silicon diodes, the first and second capacitors.

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.The disadvantages of this device are the decrease in reliability and efficiency. The presence of an LC filter introduces a delay in the initial stage of energy transfer from the transformer to the load, due to the time of energy storage by the inductor L and the charge of the capacitor C at the time of switching on the power MOS transistor, which reduces the reliability of the device. The use of a bipolar transistor in the control circuit of a power MOS transistor, which is not able in a short time to generate the required current value for the gate-source capacitance charge of the MOS transistor, introduces an additional time delay to create a small resistance of the open channel of the MOS transistor, it heats up when current flows on stage of opening the channel, which reduces the efficiency of the device.

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.The technical results of the claimed utility model are to increase reliability and increase efficiency by reducing the likelihood of device failure during operation and the speed of opening the power MOS transistor, which reduces energy loss.

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.To achieve the specified technical result, the device comprises a transformer, an n-channel MOS transistor with a built-in reverse diode, a capacitor whose positive terminal is connected to the second terminal of the transformer secondary, and the negative terminal of the capacitor is connected to the ground bus, a comparator whose inverting input is connected to the voltage reference source, and not the inverting input, is connected to the ground bus and to one of the terminals of the current-measuring resistor, the second terminal of which is connected to the source of the MOS nzistora and negative supply terminals of the comparator and the current driver. The terminals of the positive power supply of the comparator and the current driver are connected to the second terminal of the secondary winding of the transformer, and the output of the comparator is connected to the input of the current driver, the output of which is connected to the gate of the MOS transistor, the drain of which is connected to the first terminal of the secondary winding of the transformer.

Полезная модель поясняется схемами:The utility model is illustrated by diagrams:

- фиг. 1 - Синхронный выпрямитель на n-канальном МОП транзисторе;- FIG. 1 - Synchronous rectifier on an n-channel MOS transistor;

- фиг. 2 - Диаграмма работы синхронного выпрямителя.- FIG. 2 - Diagram of the operation of a synchronous rectifier.

Синхронный выпрямитель содержит:Synchronous rectifier contains:

1 - трансформатор;1 - transformer;

1.1 - вывод вторичной обмотки трансформатора 1;1.1 - output of the secondary winding of the transformer 1;

1.2 - вывод вторичной обмотки трансформатора 1;1.2 - output of the secondary winding of the transformer 1;

2 - n-канальный МОП транзистор;2 - n-channel MOS transistor;

3 - токоизмерительный резистор;3 - current-measuring resistor;

4 - источник опорного напряжения (ИОН);4 - reference voltage source (ION);

5 - компаратор;5 - a comparator;

6 - драйвер тока;6 - current driver;

7 - конденсатор.7 - capacitor.

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 2The first terminal 1.1 of the secondary winding of the transformer 1 is connected to the drain of the MOSFET of transistor 2, and the second terminal 1.2 of the secondary winding of the transformer 1 is connected to the terminals of the positive power supply of the comparator 5 and the current driver 6 and the positive terminal of the capacitor 7, the negative terminal of which is connected to the ground bus. The source of the MOS transistor 2 is connected to one of the terminals of the current-measuring resistor 3, which is also connected to the negative power terminals of the comparator 5 and current driver 6. The inverting input of the comparator 5 is connected to a reference voltage source (ION) 4, and not the inverting one is connected to the ground bus and with the second output of the current-measuring resistor 3. The output of the comparator 5 is connected to the input of the current driver 6, the output of which is connected to the gate of the MOS transistor 2

Функционирование устройства происходит следующим образом.The operation of the device is as follows.

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_VD 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_min 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_min - I_max 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_VT на фигуре 2). При возникновении следующего отрицательного импульса на выводе 1.1 вторичной обмотки импульсного трансформатора 1 принципы действия устройства повторяются.When a negative pulse occurs at terminal 1.1 of the secondary winding of transformer 1, the MOS transistor 2 is closed, the internal diode of the MOS transistor 2 is shifted directly and current flows through the circuit: ground bus, resistor 3, internal diode of the MOS transistor 2, terminal 1.1 of the secondary winding of the transformer 1 (t _VD in figure 2). A voltage drop is created across the resistor 3, and a potential is generated at the non-inverting input of the comparator 5. In addition, a potential is formed on the second output of the resistor 3, which is the negative power supply to the comparator 5 and current driver 6, while the positive supply to the comparator 5 and current driver 6 is formed at terminal 1.2 of the secondary winding of the transformer 1. Comparator 5 compares the value of the generated voltage at the non-inverting input with the voltage value at the inverting input formed by the reference source oh voltage 4. The source of the reference voltage 4 determines the value Uref (figure 2), which is directly proportional to the value of the minimum current (I _min in figure 2) at the time of its initial formation. When the current value of the directly biased diode reaches the threshold value determined by the value Uref (figure 2), a logical “1” is formed at the output of the comparator 5, which opens the current driver 6. There is a charge of the gate-source capacitance of the MOS transistor 2, which opens, thereby shunts its internal diode, passing most of the current (I _min - I _max in figure 2) through an open channel having a low resistance (Put in figure 2). Thus, the terminal 1.1 of the secondary winding of the transformer 1 is connected through an open MOS transistor 2 to the ground bus, the terminal 1.2 of the secondary winding of the transformer 1 is connected to the positive terminal of the capacitor 7, while the storage capacitor 7 is charged, that is, the energy from the transformer 1 is supplied to load. With a positive voltage pulse at terminal 1.1 of the secondary winding of the pulse transformer 1, the polarity changes at the non-inverting input of the comparator 5. When the current value of the directly biased diode reaches the threshold value determined by the value Uref (figure 2), a logical “0” is generated at the output of the comparator 5, the driver current 6 turns off, the gate potential decreases and the MOS transistor 2 closes (t2 _VT in figure 2). When the next negative pulse occurs at terminal 1.1 of the secondary winding of the pulse transformer 1, the operating principles of the device are repeated.

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.The device implements the principle of a synchronous rectifier, using the minimum number of elements, which reduces the likelihood of a device failure during operation, resulting in increased reliability of the device.

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.The use of a comparator transistor, a current driver, and a reference voltage source in the MOSFET control circuit ensures a quick opening of the power MOS transistor, reduces energy loss, resulting in increased efficiency, which improves power characteristics and increases the efficiency of the device.

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.Thus, the use of the proposed technical solution as a rectifier device in the secondary circuits of the transformer to obtain a constant voltage by reducing the likelihood of device failure during operation and ensuring the speed of opening the power MOS transistor will improve reliability and increase the efficiency of the device.

Claims

Синхронный выпрямитель, содержащий 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", отличающийся тем, что в него введен 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, причём выход компаратора соединен с входом драйвера тока, выход которого соединен с затвором МОП-транзистора, сток которого соединен с первым выводом вторичной обмотки трансформатора.

A synchronous rectifier comprising a transformer, an n-channel MOS transistor with a built-in reverse diode, a capacitor whose positive terminal is connected to the second terminal of the secondary winding of the transformer, and the negative terminal of the capacitor is connected to the ground bus, characterized in that a comparator is inserted into it, the inverting input of which is connected to the reference voltage source, and not the inverting input is connected to the ground bus and to one of the terminals of the current-measuring resistor, the second terminal of which is connected to the source of the MOS trans the stator and the negative power terminals of the comparator and the current driver, the positive power terminals of the comparator and the current driver are connected to the second terminal of the transformer secondary, the output of the comparator connected to the input of the current driver, the output of which is connected to the gate of the MOS transistor, the drain of which is connected to the first terminal of the secondary transformer windings.