RU2009604C1

RU2009604C1 - Single-ended voltage converter

Info

Publication number: RU2009604C1
Authority: RU
Inventors: Д.В. Игумнов; В.А. Масловский; А.С. Сигов
Original assignee: Московский институт радиотехники, электроники и автоматики
Priority date: 1992-01-15
Filing date: 1992-01-15
Publication date: 1994-03-15

Abstract

FIELD: voltage converters. SUBSTANCE: single-ended voltage converter has transformer 1 which has primary winding connected between input and common wires through static induction transistor 2. Gate of transistor 2 is connected with output of complementary pair of IGFETs 6 and 7 through capacitor 8 shunted by diode 5 and resistor 4. The pair of transistors is connected with control unit 3. Transistor 2 is turned on and turned off by means of charging and discharging capacitor 8. EFFECT: improved efficiency. 1 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике, радиоэлектронике и может быть использовано для преобразования напряжений, например, для питания интегральных схем. The invention relates to electrical engineering, electronics and can be used to convert voltages, for example, to power integrated circuits.

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. Voltage converters with an isolation transformer and external excitation are widely known. One of the options for such a converter contains a master oscillator connected between the input voltage source and a common bus, a bipolar transistor whose base is connected to the master oscillator output, and an emitter to a common bus, a transformer whose primary winding is connected between the input voltage source and the transistor collector, and a rectifier connected to the secondary winding of the transformer. When replacing a bipolar transistor with an MIS transistor, it is possible to increase the conversion frequency and improve the overall dimensions. However, in both cases there is a relatively small efficiency, which is the main disadvantage of analogues.

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. The closest technical solution is a single-cycle voltage converter (prototype), containing a transformer, the primary winding of which is connected first to the terminal of the input voltage source, a transistor with static induction (SIT), the drain of which is connected to the second terminal of the primary winding of the transformer, and the source to a common bus, a control unit connected between the input voltage source terminal and the common bus, two rectifiers, the input terminals of the first of which are connected to the secondary winding t of the transformer, a piezoelectric transformer, the output from the generator section of which is connected to the input terminal of the second rectifier, a diode and two resistors, the first terminal of the first of which is connected to the gate of the SIT and the output of the control unit, and the second terminal is connected to the anode of the diode, the cathode of which is connected to the output terminal the second rectifier, the common output of which is connected to the device common bus and the first output of the excitation section of the piezoelectric transformer, the second output of which is connected to the first output of the second resistor, the second The output of which is connected to the terminal of the input voltage source. For the successful operation of the prototype requires a powerful control unit that provides bipolar control signals. The relatively large losses in the SIT and in the control unit reduce the efficiency of the prototype, which is its main drawback.

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. The purpose of the invention is to increase the efficiency of the device, while achieving the required technical result due to forced switching of the SIT and the use of a low-power control unit, in a single-cycle voltage converter containing a transformer, the primary winding of which is connected to the input voltage source terminal, a transistor with static induction, the drain of which is connected to the second terminal of the primary winding of the transformer, and the source to the common bus, a control unit connected between the source terminal ika input voltage and the common bus. Distinctive features from the prototype are that the resistor and the diode, the anode of which is connected to the first output of the resistor, due to the introduction of MOS transistors with an n-channel, an MOS transistor with a p-channel and a capacitor, the first lining of which is connected to the gate of the transistor and the diode cathode, and the second lining - to the second output of the resistor and the drains of both MOS transistors, the gates of which are connected to the output of the control unit, the source and substrate of the MOS transistor with n-channel are connected to the common bus, and the source and substrate of the MOS transistor with p -channel - to cl MME input voltage source.

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. When you open the MOS transistor with a p-channel, the input voltage source terminal is connected to the SIT gate, which ensures its quick opening. In this case, the capacitor charges. When you open the MOS transistor with an n-channel (and close the MIS transistor with a p-channel), the voltage on the charged capacitor with a minus sign is applied to the gate of the SIT, which ensures its forced closing. The reduction of dynamic losses in the SIT provides increased efficiency of the device.

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.The drawing shows a schematic diagram of a single-cycle voltage converter containing a transformer 1, a transistor with static induction 2, a control unit 3, a resistor 4, a diode 5, an MOS transistor with an induced n-channel 6, an MIS transistor with an induced p-channel 7, and a capacitor 8. Transformer 1 has two windings: primary and secondary. The primary winding is connected between the input voltage terminal and the drain of CIT 2, the source of which is connected to the source with the substrate of the MOS transistor 6 and the common bus. The control unit 3 is connected between the input voltage source terminal and the common bus. The source and substrate of the MOS transistor 7 are connected to the terminal of the input voltage source U _I. The output of block 3 is connected to the gates of the MOS transistors 6 and 7, the drains of which are connected to the second plate of the capacitor 8 and the second terminal of the resistor 4, the first terminal of which is connected to the anode of the diode 5. The gate SIT 2 is connected to the cathode of the diode 5 and the first plate of the capacitor 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). To obtain a constant voltage output from the device, the terminals of the secondary winding of the transformer 1 can be connected to a rectifier, which can be performed in various ways. The control unit 3 can be performed as in the prototype or in another way, for example, as in (High-frequency transistor converters). Romash E.M. et al., M.: Radio and Communications, 1988, pp. 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.The proposed device operates as follows. If there is no signal at the output of the control unit 3, Upr = 0, the MOS transistor 6 is closed, and the MIS transistor 7 is open. The capacitor 8 will be charged from U _input through an open MIS transistor 7 and pn gate-source SIT 2. The charge current of the capacitor 8 is the gate current SIT 2, which is why it is forced to open. The circuit from resistor 4 and diode 5 is designed to maintain the open state of SIT 2 in those modes when the capacitor 8 is already charged, but it is required to maintain the forced open state of SIT 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. Upon receipt of the control signal Uadr of positive polarity from block 3, the MOS transistor 6 goes into the open state, and the MOS transistor 7 goes into the closed state. In this case, it turns out that the positively charged capacitor plate 8 is connected (via an open MIS transistor 6) to the common bus, and the negatively charged plate is connected to the gate of the SIT 2. As a result, the SIT 2 is forced to close.

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.For the successful operation of the inventive device, it is desirable that the capacitance of the capacitor 8 is significantly larger than the gate-source capacity of the CIT 2, which is simply implemented in practice. In addition to quickly switching the CIT 2, in this case, the voltage across the capacitor 8 will be able to maintain the locked state of the CIT 2 for a long time if a malfunction occurs in block 3 and U _input will be present at its output.

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).Due to the rapid switching of CIT 2 in the proposed device, dynamic losses are reduced, which leads to increased efficiency. In addition, the proposed device performs its work using only positive control signals U _CPR (since there is no need to obtain a bipolar U _CPR as in the prototype). This circumstance makes it possible to use a simple control unit 3 with all the ensuing consequences (improving overall dimensions, reducing costs, reducing power consumption, improving reliability).

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. An experimental check of the operation of a single-cycle voltage converter was carried out on the KP801 and KP802 SITs, KP701, KP702, KP902 and KP905 MOS transistors. Compared with the prototype in the proposed device was able to increase efficiency. So, with a conversion frequency of 200 kHz in the prototype, the efficiency was approximately 0.92, and in the proposed device ≈ 0.94. (56) Romash E.M. High-frequency transistor converters. M.: Radio and communications, p. 142, 32, 1988.

Авторское свидетельство СССР N 1713048, кл. Н 02 М 3/335, 1992. USSR copyright certificate N 1713048, cl. H 02 M 3/335, 1992.

Claims

A SINGLE-STROKE VOLTAGE CONVERTER containing a transformer, the primary winding of which is connected first to the input terminal, a transistor with static induction, the drain of which is connected to the second terminal of the transformer primary winding, and the source to the common bus, a control unit connected to the input terminal and the common bus , a resistor and a diode, the anode of which is connected to the first output of the resistor, characterized in that an MOS transistor with an n-channel is introduced, an MIS transistor with a p-channel and a capacitor, the first lining of which connected to the gate of the transistor with static induction and the cathode of the diode, and the second lining - to the second terminal of the resistor and the drains of both MOS transistors, the gates of which are connected to the output of the control unit, the source and substrate of the MOS transistor with n-channel are connected to the common bus, and source and substrate of an MOS transistor with a p-channel to the input terminal.