PL216786B1 - Moduł prostowniczy - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest moduł prostowniczy przeznaczony do niskonapięciowych układów konwersji energii elektrycznej.

Diody mocy, dzisiaj głównie wykonywane na bazie krzemu, służą jako popularne elementy prostownicze prądów przemiennych, a także jako wentyle zwrotne prądów stałych, umożliwiające przepływ tych prądów w jednym żądanym kierunku. Cechą każdej diody jest nieunikniony spadek napięcia na niej wywołany przepływem prądu w kierunku przewodzenia. Powoduje to stratę energii na ciepło Joule'a, która jest proporcjonalna do spadku napięcia i wartości przepływającego przez diodę prądu. W odróżnieniu od małych diod, w miliardowej skali stosowanych w globalnej elektronice, a przewodzących prądy rzędu mikro- i miliamperów - diody mocy wykorzystywane są w wielokrotnie mniejszej proporcji ilościowej zarówno w układach zasilania zespołów elektroniki, jak i przede wszystkim w dużych zestawach prostowania prądów przemiennych w elektronice przemysłowej oraz w energetyce. Rozpiętość przewodzonych prądów jest bardzo wielka, od ułamków do tysięcy Amperów. Zatem, każde usprawnienie, które spowoduje obniżenie spadku napięcia na elemencie prostowniczym dużej mocy warte jest przeanalizowania. Funkcję elementu prostowniczego mogą pełnić także sterowane elementy półprzewodnikowe, w oparciu o które realizuje się synchroniczne podzespoły detekcyjne, a przypadku układów transformacji energii elektrycznej synchroniczne konwertery AC/DC.

Z amerykańskiego opisu patentowego nr US 6 621 722 znany jest układ prostowniczy, w którym zastosowano, normalnie wyłączone, tranzystory J-FET. Przez połączenie bramek tranzystorów do odczepów uzwojenia transformatora, które dostarczają wyższe napięcie od napięcia będącego przedmiotem konwersji AC/DC zrealizowano synchroniczny przełączany przy zerowym napięciu układ prostowniczy, który charakteryzuje się małymi stratami energetycznymi. Konwerter AC/DC może pracować w zakresie wielkich częstotliwości, ponieważ większościowe nośniki prądu stanowią elektrony. Obwód może zastąpić prostowniki z diodami Schottkiego, szczególnie predestynowany jest do konwerterów zasilanych napięciem poniżej 3V.

W amerykańskim opisie patentowym nr US 6 549439 ujawniono dwa wykonania pełnookresowego mostka prostowniczego zrealizowane w oparciu o wzbogacane unipolarne tranzystory polowe. Czterokońcówkowa struktura mostka stanowi pełny zamiennik konwencjonalnego mostka diodowego zapewniając jednocześnie mniejsze straty energetyczne.

Przykład wykonania mostka prostowniczego w oparciu o wzbogacane tranzystory MOS z kanałem typu „n” ujawniono a amerykańskim opisie patentowym nr US 6 097 158. W celu zapewnienia lepszego wysterowania tranzystorów MOS, sygnały napięciowe sterujące bramkami tranzystorów MOS, pobrane z odczepów uzwojenia wtórnego transformatora, poddawane są procesowi kondycjonowania w układzie podwajacza napięcia. Umożliwia to synchroniczne przełączanie tranzystorów nawet przy zerowym napięciu na wyjściu transformatora. Układ według wynalazku przeznaczony jest do pracy w zakresie średnich częstotliwości, tj. 30 kHz.

Wymienione przykłady realizacji synchronicznych prostowników wymagają obecności wcześniej przygotowanych obwodów sterujących bramkami tranzystorów mocy.

Przedmiot wynalazku pośrednio wiąże się z zakresem prądów przewodzenia dostępnych tranzystorów MOS-FET, który przeważnie nie przekracza wartości 200 A, ewentualnie pewnej krotności tej wartości w przypadku równoległych połączeń tranzystorów.

Celem wynalazku jest moduł prostowniczy, który może stanowić autonomiczny zamiennik konwencjonalnego elementu prostowniczego.

Moduł prostowniczy według wynalazku ma tranzystor połowy MOS z kanałem typu „n” połączony ze wzmacniaczem, którego wejście odwracające połączone jest poprzez pierwszy rezystor z drenem tranzystora, a wejście nieodwracające połączone jest ze źródłem tranzystora poprzez drugi rezystor, natomiast wyjście wzmacniacza połączone jest z bramką tranzystora, przy czym wzmacniacz zasilany jest ze źródła zasilania, którego ujemny biegun połączony jest także ze źródłem tranzystora.

W odmianie modułu prostowniczego zawierający tranzystor polowy MOS połączony jest ze wzmacniaczem, którego wejście odwracające połączone jest poprzez rezystor z drenem tranzystora, wejście nieodwracające połączone jest ze źródłem tranzystora poprzez rezystor, natomiast wyjście wzmacniacza połączone jest z bramką tranzystora, przy czym wzmacniacz zasilany jest z dwóch źródeł zasilania, a wspólny węzeł pomiędzy źródłami połączony jest ze źródłem tranzystora.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania odtworzony jest na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat modułu prostowniczego zrealizowanego w oparciu o wzbogacany tranzystor

PL 216 786 B1

MOS z kanałem typu „n”, natomiast fig. 2 przedstawia odmianę modułu prostowniczego, w której możliwe jest zastosowanie wzbogacanego tranzystora MOS dowolnego typu.

W układzie według wynalazku tranzystor 1 połowy MOS pełni funkcję sterowanego łącznika, który jest załączany lub wyłączany w zależności od wartości napięcia wyjściowego na wyjściu wzmac-4 -5 niacza 2. Z uwagi na duże wartości wzmocnienia wzmacniacza 2, typowo 10^- -10^- , bramka tranzystora 1 MOS zostanie w pełni wysterowana dużym napięciem, a tym samym zostanie załączony tranzystor 1, już przy niewielkiej różnicy napięcia pomiędzy drenem a źródłem. Należy zwrócić uwagę, że tranzystor 1 z kanałem „n” pracuje w konfiguracji inwersyjnej, czyli w stanie załączenia źródło tranzystora i MOS ma wyższy potencjał od potencjału drenu. Dzięki takiej konfiguracji sterowany łącznik, zrealizowany na bazie tranzystora 5, pełni funkcję prostownika, który jest połączony równolegle z drugim prostownikiem, czyli wewnętrzną diodą tranzystora 1. Wewnętrzna dioda stanowi dodatkowe zabezpieczenie sterowanego łącznika.

W stanie ustalonym dla kierunku przewodzenia, z uwagi na małą wartość rezystancji w stanie załączenia tranzystora 1, prąd płynie tylko przez tranzystor, natomiast w stanie przejściowym, ze względu na stosunkowo dużą wartość pojemności bramka-źródło oraz ograniczony czas reakcji wzmacniacza 2, wysterowanie bramki tranzystora 1 może okazać się niewystarczające. W tej sytuacji dodatkowa wewnętrzna dioda stanowi zabezpieczenie przed pojawieniem się dużego napięcia, w stanie przejściowym, na sterowanym elemencie prostowniczym. Rezystory 3 i 4 dołączone do wejść wzmacniacza 2 stanowią zabezpieczenie jego obwodów wejściowych. Wzmacniacz 2 zasilany jest ze źródła zasilania pojedynczego 5 lub podwójnego 5 i 6, które mogą być zrealizowane w oparciu o ogniwa stałe lub obwody z separacją galwaniczną, np. transformatory ceramiczne.

Claims (2)

1. Moduł prostowniczy zawierający tranzystor polowy, znamienny tym, że ma tranzystor (1) polowy MOS z kanałem typu „n” połączony ze wzmacniaczem (2), którego wejście odwracające połączone jest poprzez rezystor (3) z drenem tranzystora (1), wejście nieodwracające połączone jest ze źródłem tranzystora (1) poprzez rezystor (4), natomiast wyjście wzmacniacza (2) połączone jest z bramką tranzystora (1), przy czym wzmacniacz (2) zasilany jest ze źródła zasilania (5), którego ujemny biegun połączony jest także ze źródłem tranzystora (1).

2. Moduł prostowniczy zawierający tranzystor polowy, znamienny tym, że ma tranzystor (1) połowy MOS połączony ze wzmacniaczem (2), którego wejście odwracające połączone jest poprzez rezystor (3) z drenem tranzystora (1), wejście nieodwracające połączone jest ze źródłem tranzystora (1) poprzez rezystor (4), natomiast wyjście wzmacniacza (2) połączone jest z bramką tranzystora (1), przy czym wzmacniacz (2) zasilany jest z dwóch źródeł zasilania (5), (6), a wspólny węzeł pomiędzy źródłami (5) i (6) połączony jest ze źródłem tranzystora (1).