ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК H02M7/538 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в преобразовательной технике, а именно в источниках вторичного электропитания, осуществляющих импульсное преобразование электрической энергии постоянного напряжения.

Известны импульсные транзисторные преобразователи с применением МДП транзисторов [1] .

Однако они обладают невысоким быстродействием.

Более эффективными являются схемы управления МДП-транзисторами, применяющиеся в импульсных преобразователях, у которых осуществляется форсирование процессов переключения. В этих устройствах форсирование достигнуто увеличением положительного напряжения на затворе в момент открывания МДП-транзистора и введением отрицательного импульса напряжения на этапе запирания [2] . Меры по форсированию напряжения осуществляются за счет источников внешних импульсов. Это решение является наиболее близким по технической сущности к предлагаемому.

Недостатком такого технического решения является значительное энергопотребление по входной цепи управления МДП транзистором, а также существенное негативное влияние эффекта Миллера, обусловленное интегрирующим действием емкости перехода сток-затвор.

Целью изобретения является устранение этих недостатков, а именно расширение функциональных возможностей применения схемы за счет уменьшения мощности, потребляемой по управляющей цепи, и устранение негативного влияния эффекта Миллера.

Это достигается тем, что форсирование напряжения на затворе МДП-транзистора осуществляется за счет трансформации коммутируемого напряжения сток-исток МДП-транзистора в цепь его затвора. Трансформация достигается дифференцирующим трансформатором, подключенным первичной обмоткой параллельно стоку и истоку МДП транзистора, а вторичной через первый диод - к цепи затвор-исток. Кроме того, параллельно первому резистору включен второй диод, а параллельно первому диоду включен второй резистор.

На чертеже приведена схема преобразователя напряжения.

Преобразователь содержит МДП транзистор 1, сток которого через нагрузку 2 соединен с первым входным выводом преобразователя 3, а исток - со вторым входным выводом преобразователя 4. Сток транзистора 1 подключен катод второго диода 5. Затвор МДП-транзистора подключен к управляющему входу 6 преобразователя, с которым соединены также анод первого диода 7 и первый вывод второго резистора 8, параллельно второму диоду 5 подключен первый резистор 8, а анод диода 5 соединен с началом первичной обмотки 10 дифференцирующего трансформатора 11, концом подключенной к истоку транзистора 1 и началу вторичной обмотки 12 трансформатора 11. Конец обмотки 12 соединен с анодом диода 7 и вторым выводом резистора 8. Источник управляющих импульсов изображен в виде источника импульсов напряжения 13 с последовательно включенным внутренним сопротивлением 14. Параллельно затвору и истоку транзистора 1 катодом и анодом соответственно подключен стабилитрон 15.

Преобразователь работает следующим образом. Примем за исходное запертое положение МДП-транзистора 1, когда напряжение на его затворе равно нулю, а напряжение сток-исток велико.

С появлением положительного импульса напряжения источника управляющих импульсов 13 начинается заряд емкости затвор-исток транзистора 1. Напряжение на затворе увеличивается и по достижении значения порогового напряжения транзистор 1 начинает открываться, напряжение на его стоке уменьшается. Так как на этом этапе времени транзистор 1 находится в линейном режиме работы, то транзисторный каскад совместно с емкостью сток-затвор образует интегратор Миллера, замедляющий увеличение напряжения затвор-исток. Однако в рассматриваемой схеме открывание транзистора 1 приводит к тому, что ранее накопленный в индуктивности намагничивания трансформатора 11 ток начинает протекать в открывающийся переход сток-исток транзистора 1. Это обусловливает появление тока во вторичной обмотке 12, направление которого вызывает появление через диод 7 форсированного импульса тока, обусловливающего положительное напряжение на затворе.

Ток вторичной обмотки 12 имеет импульсную форму, длительность которой определяется временем разряда индуктивности намагничивания трансформатора 11. Амплитуда форсированного импульса увеличения напряжения на затворе зависит от величины сопротивления резистора 14. Таким образом, на этапе времени включения МДП транзистора напряжение на затворе должно было бы уменьшиться за счет разряда емкости сток-затвор и влияния, вследствие этого, эффекта Миллера, но в данной схеме напряжение затвор-исток увеличивается из-за использования дифференцирующего трансформатора. Этим достигается увеличение быстродействия транзисторного ключа, а именно уменьшение длительности спада напряжения сток-исток.

Когда спад напряжения сток-исток заканчивается, увеличенное напряжение на затворе транзистора 1 все еще продолжает иметь место, а заканчивается этот импульс после разряда индуктивности намагничивания трансформатора 11. Для защиты цепи затвора от импульсных перенапряжений на входе транзистора 1 установлен стабилитрон 15, ограничивающий входное напряжение транзистора 1 до напряжения стабилизации стабилитрона 15. Этим обеспечивается независимость амплитуды импульса напряжения на затворе от изменения временных или потенциальных параметров схемы.

Когда индуктивность намагничивания трансформатора разрядится, напряжение на затворе транзистора 12 станет равным амплитуде импульса управляющего источника 13. МДП-транзистор при этом открыт и в нагрузку 2 поступает ток стока. После окончания импульса управления источника 13 напряжние на затворе транизстора 1 уменьшается и в соответствии с разрядом емкости затвор-исток достигнет порогового напряжения выключения транизстора 1, который начнет запираться. Увеличение напряжения сток-исток вызовет также, как и на предыдущем рассмотренном этапе, негативное влияние эффекта Миллера через емкость сток-затвор, увеличивающее длительность фронта напряжения сток-исток.

Однако увеличение напряжения сток-исток приводит к появлению тока в первичной обмотке 10 трансформатора 11. При этом ток ограничивается на требуемом уровне резистором 9. Появляется импульс тока во вторичной обмотке 12, длительность которого определяется продолжительностью линейного режима работы сердечника трансформатора 11 до его входа в насыщение. Этот импульс вызывает форсированное снижение напряжения на затворе, причем степень снижения напряжения определяется делителем напряжения, состоящим из резисторов 14 и 8, а величина сопротивления резистора 8 должна определяться также из соображений достаточно малого шунтирования положительного сигнала управляющего импульса источника 13 на этапе включенного состояния транзистора 1. Защита затвора от отрицательного напряжения выполняется стабилитроном 15 (в прямом его включении).

Таким образом, во время выключения МДП-транзистора 1 в индуктивности намагничивания трансформатора 11 накапливается ток, который затем на этапе включения транзистора 1 разряжается на его открытый переход сток-исток.

Следовательно, введение дифференцирующего трансформатора 11 с разрядом индуктивности намагничивания на открытый МДП транзистор 1 позволяет получить форсированное увеличение напряжения на затворе во время формирования спада импульса напряжения сток-исток. Этим компенсируется уменьшение напряжения на затворе, вызванное влиянием эффекта Миллера. Заряд током индуктивности намагничивания дифференцирующего трансформатора дает увеличение степени снижения напряжения на затворе транзистора 1. Этими мерами увеличивается как быстродействие МДП-транзистора 1, так и уменьшается мощность, рассеиваемая им в моменты коммутации, что наиболее важно для схем двухтактных преобразователей.

Таким образом, введение дифференцирующего трансформатора с соответствующей описанной организацией заряда и разряда его индуктивности намагничивания позволяет увеличить степень форсирования напряжения затвор-исток и сделать ее независимой от параметров соединительной линии между МДП силовым транзистором и источником управляющих импульсов и от характеристик внутреннего сопротивления этого источника.

Применение предлагаемого технического решения позволяет повысить быстродействие транзисторного ключа в преобразователе, снизить мощность коммутационных потерь, а также уменьшить мощность, потребляемую от источника управляющих импульсов. Этим расширяются функциональные возможности применения предлагаемого технического решения в современных высокоэффективных системах вторичного электропитания. (56) 1. Патент США 4695936, кл. H 02 M 7/48, 1988.

2. Патент США N 4695936, кл. H 02 M 3/335, 1987.

Использование: преобразование постоянного напряжения в переменное для систем вторичного электропитания. Сущность изобретения: преобразователь МДП-транзистор 1, в цепь стока которого включена нагрузка 2. Дифференцирующий трансформатор 11 обеспечивает форсированную подачу напряжения на затвор МДП-транзистора 1, которое нейтрализует негативное влияние эффекта Миллера, обусловленного емкостью сток-затвор. В момент запирания МДП-транзистора 1 фронт импульса напряжения сток-исток через резистор 9 передается на первичную обмотку 10 дифференцирующего трансформатора 11 и далее через резистор 8 поступает на затвор МДП-транзистора 1, форсируя его запирание. При открывании МДП-транзистора 1 ток цепи намагничивания трансформатора 11 проходит через открывающийся МДП-транзистор и через диод 5, чем вызывается появление положительной полярности напряжения на затворе МДП-транзистора 1, поступающего через диод 7. Таким образом, напряжение на затворе МДП транзистора 1 в момент коммутации напряжения его цепи сток-исток форсируется и нейтрализуется действие емкости перехода сток-затвор МДП-транзистора 1. 2 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий МДП-транзистор, подключенный стоком через нагрузку к первому входному выводу преобразователя, а истоком - к второму входному выводу преобразователя, причем между затвором и истоком МДП-транзистора включен стабилитрон, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей применения путем уменьшения мощности управления, введен дифференцирующий трансформатор, первичная обмотка которого началом через первый резистор подключены к стоку МДП-транзистора, а концом - к истоку МДП-транзистора и началу вторичной обмотки этого трансформатора, конец которой соединен через первый диод с затвором МДП-транзистора. 2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что параллельно первому резистору включен второй диод. 3. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что параллельно первому диоду подключен второй резистор.