ОДНОТАКТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК H02M3/335 

Изобретение относится к электротехнике, радиоэлектронике и может быть использовано для преобразования напряжений, например, для питания интегральных схем.

Широко известны преобразователи напряжения с разделительным трансформатором и внешним возбуждением. Один из вариантов такого преобразователя содержит задающий генератор, подключенный между источником входного напряжения и общей шиной, биполярный транзистор, база которого подключена к выходу задающего генератора, а эмиттер - к общей шине, трансформатор, первичная обмотка которого подключена между источником входного напряжения и коллектором транзистора, и выпрямитель, подключенный ко вторичной обмотке трансформатора. При замене биполярного транзистора на МДП-транзистор удается повысить частоту преобразования и улучшить массогабаритные показатели. Однако, в обоих случаях имеет место относительно небольшой КПД, что и является основным недостатком аналогов.

Наиболее близким техническим решением является однотактный преобразователь напряжения (прототип), содержащий трансформатор, первичная обмотка которого первым своим выводом подключена к клемме источника входного напряжения, транзистор со статической индукцией (СИТ), сток которого подключен ко второму выводу первичной обмотки трансформатора, а исток - к общей шине, блок управления, подключенный между клеммой источника входного напряжения и общей шиной, два выпрямителя, входные выводы первого из которых подключены ко вторичной обмотке трансформатора, пьезоэлектрический трансформатор, вывод от генераторной секции которого подключен ко входному выводу второго выпрямителя, диод и два резистора, первый вывод первого из которых подключен к затвору СИТ и выходу блока управления, а второй вывод - к аноду диода, катод которого подключен к выходному выводу второго выпрямителя, общий вывод которого подключен к общей шине устройства и первому выводу секции возбуждения пьезоэлектрического трансформатора, второй вывод которой подключен к первому выводу второго резистора, второй вывод которого подключен к клемме источника входного напряжения. Для успешной работы прототипа требуется мощный блок управления, обеспечивающий двухполярные управляющие сигналы. Относительно большие потери в СИТ и в блоке управления снижают КПД прототипа, что и является основным его недостатком.

Цель изобретения - повышение КПД устройства, при этом достигается требуемый технический результат за счет форсированного переключения СИТ и использования маломощного блока управления, в однотактном преобразователе напряжения, содержащем трансформатор, первичная обмотка которого первым своим выводом подключена к клемме источника входного напряжения, транзистор со статической индукцией, сток которого подключен ко второму выводу первичной обмотки трансформатора, а исток - к общей шине, блок управления, подключенный между клеммой источника входного напряжения и общей шиной. Отличительные от прототипа признаки заключаются в том, что резистор и диод, анод которого подключен к первому выводу резистора, за счет введения МДП-транзисторы с n-каналом, МДП-транзистора с p-каналом и конденсатора, первая обкладка которого подключена к затвору транзистора и катоду диода, а вторая обкладка - ко второму выводу резистора и стокам обоих МДП-транзисторов, затворы которых подключены к выходу блока управления, исток и подложка МДП-транзистора с n-каналом подключены к общей шине, а исток и подложка МДП-транзистора с p-каналом - к клемме источника входного напряжения.

При открывании МДП-транзистора с p-каналом клемма источника входного напряжения оказывается подключенной к затвору СИТ, что обеспечивает его быстрое открывание. При этом происходит заряд конденсатора. При открывании МДП-транзистора с n-каналом (и закрывании МДП-транзистора с p-каналом) напряжение на заряженном конденсаторе знаком "минус" оказывается приложенным к затвору СИТ, чем обеспечивается его форсированное закрывание. Снижение динамических потерь в СИТ обеспечивает повышение КПД устройства.

На чертеже представлена принципиальная схема однотактного преобразователя напряжения, содержащая трансформатор 1, транзистор со статической индукцией 2, блок управления 3, резистор 4, диод 5, МДП-транзистор с индуцированным n-каналом 6, МДП-транзистор с индуцированным p-каналом 7 и конденсатор 8. Трансформатор 1 имеет две обмотки: первичную и вторичную. Первичная обмотка включена между клеммой входного напряжения и стоком СИТ 2, исток которого подключен к истоку с подложкой МДП-транзистора 6 и общей шине. Блок управления 3 подключен между клеммой источника входного напряжения и общей шиной. Исток и подложка МДП-транзистора 7 подключены к клемме источника входного напряжения U_вх. Выход блока 3 подключен к затворам МДП-транзисторов 6 и 7, стоки которых подключены ко второй обкладке конденсатора 8 и второму выводу резистора 4, первый вывод которого подключен к аноду диода 5. Затвор СИТ 2 подключен к катоду диода 5 и первой обкладки конденсатора 8.

Для получения на выходе устройства постоянного напряжения выводы вторичной обмотки трансформатора 1 могут быть подключены к выпрямителю, который можно выполнить различным образом. Блок управления 3 может быть выполнен как в прототипе или иным образом, например, как в (Высокочастотные транзисторные преобразователи). Ромаш Э. М. и др. , М. : Радио и связь, 1988, стр. 144-145).

Предлагаемое устройство работает следующим образом. При отсутствии сигнала на выходе блока управления 3 Uупр = 0 МДП-транзистор 6 закрыт, а МДП-транзистор 7 - открыт. Конденсатор 8 будет заряжаться от U_вх через открытый МДП-транзистор 7 и p-n переход затвор-исток СИТ 2. Ток заряда конденсатора 8 является током затвора СИТ 2, чем и осуществляется его форсированное открывание. Цепь из резистора 4 и диода 5 призвана поддерживать открытое состояние СИТ 2 в тех режимах, когда конденсатор 8 уже зарядился, но требуется сохранить форсированно открытое состояние СИТ 2.

При поступлении сигнала управления Uупр положительной полярности с блока 3 МДП-транзистор 6 переходит в открытое состояние, а МДП-транзистор 7 - в закрытое. В этом случае оказывается, что положительно заряженная обкладка конденсатора 8 подключена (через открытый МДП-транзистор 6) к общей шине, а отрицательно заряженная обкладка - к затвору СИТ 2. В результате СИТ 2 форсированно закрывается.

Для успешной работы заявляемого устройства желательно, чтобы емкость конденсатора 8 была значительно больше емкости затвор-исток СИТ 2, что просто реализуется на практике. Помимо быстрого переключения СИТ 2 в этом случае напряжение на конденсаторе 8 сможет поддерживать запертое состояние СИТ 2 длительное время, если произойдут неполадки в блоке 3 и на его выходе будет присутствовать U_вх.

За счет быстрого переключения СИТ 2 в предлагаемом устройстве снижаются динамические потери, что приводит к повышению КПД. Кроме того, предлагаемое устройство осуществляет свою работу при использовании только положительных управляющих сигналов U_упр (т. к. нет необходимости в получении двухполярного U_упр как в прототипе). Это обстоятельство позволяет использовать простой блок управления 3 со всеми вытекающими отсюда последствиями (улучшение массогабаритных показателей, снижение стоимости, уменьшение потребляемой мощности, повышение надежности).

Экспериментальная проверка работы однотактного преобразователя напряжения была проведена на СИТах КП801 и КП802, МДП-транзисторах КП701, КП702, КП902 и КП905. По сравнению с прототипом в предлагаемом устройстве удалось повысить КПД. Так, при частоте преобразования 200 кГц в прототипе КПД составлял примерно 0,92, а в предлагаемом устройстве ≈ 0,94. (56) Ромаш Э. М. Высокочастотные транзисторные преобразователи. М. : Радио и связь, с. 142, 32, 1988.

Авторское свидетельство СССР N 1713048, кл. Н 02 М 3/335, 1992.

Использование: для преобразования напряжений, например, для питания интегральных схем. Сущность изобретения: однотактный преобразователь напряжения содержит трансформатор 1, первичная обмотка которого через транзистор со статической индукцией 2 включена между входным и общим выводами. Затвор транзистора со статической индукцией 2 через конденсатор 8, зашунтированный диодом 5 и резистором 4, подсоединен к выходу комплементарной пары МДП-транзисторов 6, 7, соединенной с блоком управления 3. За счет тока заряда и разряда конденсатора 8 происходит формированное отпирание и запирание транзистора 2, что приводит к повышению КПД. 1 ил.

ОДНОТАКТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий трансформатор, первичная обмотка которого первым своим выводом подключена к входному выводу, транзистор со статической индукцией, сток которого подключен к второму выводу первичной обмотки трансформатора, а исток - к общей шине, блок управления, подключенный к входному выводу и общей шине, резистор и диод, анод которого соединен с первым выводом резистора, отличающийся тем, что в него введены МДП-транзистор с n-каналом, МДП-транзистор с p-каналом и конденсатор, первая обкладка которого подключена к затвору транзистора со статической индукцией и катоду диода, а вторая обкладка - к второму выводу резистора и стокам обоих МДП-транзисторов, затворы которых подключены к выходу блока управления, исток и подложка МДП-транзистора с n-каналом подключены к общей шине, а исток и подложка МДП-транзистора с p-каналом - к входному выводу.