PL B1 G05F 1/46 (11) (1 2 ) OPIS PATENTOWY (19) PL (13) B1 H02M 7/02 RZECZPOSPOLITA POLSKA. Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (1 2 ) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (21) Numer zgłoszenia: (22) Data zgłoszenia: (5 1) IntCl6: H02M 7/02 G05F 1/46 (54) Prostownik synchroniczny z transformatorem (43) Zgłoszenie ogłoszono: (73) Uprawniony z patentu: BUP 07/96 Politechnika Warszawska, Warszawa, PL (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: (72) Twórca wynalazku: WUP 08/98 Mirosław Mikołajewski, Warszawa, PL PL B1 (57)1. Prostownik synchroniczny z. transformatorem, którego uzwojenie pierwotne połączone jest z generatora mocy wielkiej częstotliwości, a do uzwojenia wtórnego dołączony jest prostownik diodowy z filtrem i obciążeniem, znamienny tym, że ma sprzężone magnetycznie z uzwojeniem transformatora (Tr) uzwojenie sterujące (Ns), na wyjściu którego włączony jest moduł sterujący (MS1) złożony z kondensatora (C) oraz dwóch dwukierunkowych kluczy, składających się z dwóch tranzystorów (T1, T2) i dwóch diod (D 1, D2), przy czym dren pierwszego tranzystora (T1) połączony z katodą pierwszej diody (D1) i jedną okładziną kondensatora (C) stanowi pierwszy zacisk wyjściowy (A1wy) modułu (MS1), zaś drugi zacisk wyjściowy (A2wy) tego modułu (MS1) połączony jest z drugą okładziną kondensatora (C) oraz katodą drugiej diody (D2) i drenem drugiego tranzystora (T2), natomiast anody pierwszej i drugiej diody (D1, D2) i dreny pierwszego i drugiego tranzystorów (T1, T2) są połączone ze sobą wspólnie oraz pierwszym i drugim zaciskiem wejściowym. (A12we, A22we) modułu (MS1), zaś bramka pierwszego tranzystora (T1) połączona jest z trzecim zaciskiem wejściowym (A11we), a bramka drugiego tranzystora (T2) jest połączona z czwartym zaciskiem wejściowym (A21we, modułu (MS1), przy czym trzeci i czwarty zacisk wejściowy (A11we, A21we) oraz pierwszy i drugi zacisk wejściowy (A12we, A22we) są dołączone do wyjścia generatora sterującego (GS). Fig. 1

2 Prostownik synchroniczny z transformatorem Zastrzeżenia patentowe 1. Prostownik synchroniczny z transformatorem, którego uzwojenie pierwotne połączone je st z generatora mocy wielkiej częstotliwości, a do uzw ojenia wtórnego dołączony je st prostownik diodowy z filtrem i obciążeniem, znam ienny tym, że ma sprzężone magnetycznie z uzwojeniem transformatora (T r) uzwojenie sterujące (Ns), na wyjściu którego włączony jest moduł sterujący (M S1) złożony z kondensatora (C) oraz dwóch dwukierunkowych kluczy, składających się z dwóch tranzystorów (T 1, T2) i dwóch diod (D1, D2), przy czym dren pierwszego tranzystora (T 1) połączony z katodą pierwszej diody (D 1) i jedną okładziną kondensatora (C) stanowi pierwszy zacisk wyjściowy (A1wy) modułu (M S1), zaś drugi zacisk wyjściowy (A2wy) tego modułu (M S1) połączony jest z drugą okładziną kondensatora (C) oraz katodą drugiej diody (D2) i drenem drugiego tranzystora (T2), natomiast anody pierwszej i drugiej diody (D1, D2) i dreny pierwszego i drugiego tranzystorów (T 1, T2) są połączone ze sobą wspólnie oraz pierwszym i drugim zaciskiem wejściowym (A12we, A22we) modułu (M S1), zaś bram ka pierwszego tranzystora (T1) połączona jest z trzecim zaciskiem wejściowym (A11we), a bramka drugiego tranzystora (T2) jest połączona z czwartym zaciskiem wejściowym (A21we) modułu (M S1), przy czym trzeci i czwarty zacisk wejściowy (A11we, A21we) oraz pierwszy i drugi zacisk wejściowy (A12we, A22we) są dołączone do wyjścia generatora sterującego (GS). 2. Prostownik synchroniczny z transformatorem, którego uzwojenie pierwotne połączone jest z generatorem mocy wielkiej częstotliwości, a do uzwojenia wtórnego dołączony jest prostownik diodowy z filtrem i obciążeniem, znam ienny tym, że ma sprzężone magnetycznie z uzwojeniem transformatora (T r) uzwojenie sterujące (NS), na wyjściu którego włączony jest moduł sterujący (M S2), złożony z kondensatora (C) oraz dwóch jednokierunkowych kluczy składających się z dwóch tranzystorów (T3, T4) i dwóch diod (D3, D4), przy czym źródło drugiego tranzystora (T4) połączone z katodą pierwszej diody (D3) stanowi drugi zacisk wyjściowy (A2wy) i drugi zacisk wejściowy (A12we), natomiast drugi zacisk wyjściowy (A1wy) połączony jest poprzez indukcyjność (L) z drenem pierwszego tranzystora (T3) oraz z anodą drugiej diody (D4) i trzecim zaciskiem wejściowym (A22we), ponadto dren pierwszego tranzystora (T3) jest połączony z katodą pierwszej diody (D3), a dren drugiego tranzystora (T4) jest połączony z katodą drugiej diody (D4), natomiast bramka pierwszego tranzystora (T3) jest dołączona do czwartego zacisku wejściowego (A21we), a bramka drugiego tranzystora (T4) jest połączona z pierwszym zaciskiem wejściowym (A11we), ponadto pierwsze, drugie i trzecie oraz czwarte zaciski wejściowe (A11we, A12we, A21we, A22we) są połączone z wyjściem generatora sterującego (GS). * * * Przedm iotem w ynalazku jest prostow nik synchroniczny z transform atorem wielkiej częstotliwości, znajdujący zastosowanie w miniaturowych rezonansowych przetwornicach napięcia stałego o dużej i stałej częstotliwości pracy oraz niskim poziomie emitowanych zakłóceń stosowanych do zasilania urządzeń tele- i radiokomunikacyjnych, lotniczych, satelitarnych, komputerów i innych. Znane są z artykułów M. Majewski "Class D synchronous rectifiers", IEEE Transaction on Circuits and System, CAS, vol. 38, no. 7 July 1991 oraz M.K. Kazimierczuk, K. Puczko "Class E low dv/dt synchronous rectifier with controlled duty ratio and output voltage", IEEE Transacions on Circuits and System CAS, vol. 38, no. 10 October 1991 tranzystorow e prostowniki synchroniczne wielkiej częstotliwości pracujące w rezonansowych przetwornicach napięcia stałeg o o stałej często tliw o ści pracy. U kłady tranzystorow ych p ro stow ników

3 synchronicznych otrzymuje się wykorzystując istniejące różnorodne konfiguracje prostowników diodowych, w których jedną lub więcej diod zastępuje się kluczami jednokierunkowymi składającymi się z tranzystora polowego MOSFET i diody włączonej szeregowo z drenem albo źródłem tranzystora lub kluczami dwukierunkowymi zawierającymi tranzystor połowy oraz diodę antyrównoległą dołączoną w ten sposób, że katoda diody połączona jest z drenem, a anoda ze źródłem tranzystora. U kłady zasilane są prądem lub napięciem zm iennym o stałej częstotliwości z generatorem mocy wielkiej częstotliwości, którym może być np. kluczowany w zm acniacz rezonansowy klasy D lub E. Regulacja mocy prądu stałego n a wyjściu prostownika synchronicznego dokonywana jest poprzez kluczowanie tranzystorów z częstotliwością prądu (napięcia) zmiennego zasilającego układ i regulację kąta (czasu) przepływu prądu zmiennego przez tranzystory. Cechą charakterystyczną prostowników synchronicznych jest to, że prostownik spełnia zarówno funkcję układu prostownikowego jak i funkcję regulatora mocy stałego napięcia wyjściowego prostownika. Opisane prostowniki synchroniczne umożliwiają konstruowanie rezonansowych przetwornic napięcia stałego o dobrej sprawności, bardzo dobrej regulacji mocy wyjściowej i stałej rzędu kilku megaherców częstotliwości pracy, co ułatwia ekranowanie emitowanych zakłóceń elektromagnetycznych jak i miniaturyzację tych układów. Istotną wadą powyższego rozwiązania są duże straty mocy z przewodzeniem prądu w tranzystorach kluczy, co obniża sprawność prostownika, a tym samym pogarsza sprawność całkowitą przetwornicy. Utrudnia to zastosowanie prostowników synchronicznych w praktycznych układach przetwornic do zasilania nowoczesnych urządzeń elektronicznych, w których wymagane jest często niskie napięcie zasilania 5 V lub naw et 3,3 V, lecz duży stały prąd zasilający o wartości przekraczającego kilkanaście amperów. W spółcześnie produkowane szybkie tranzystory przełącznikowe MOSFET stosowane w tranzystorowych prostownikach synchronicznych charakteryzują się na ogół zbyt dużą rezystancją w stanie włączenia, co powoduje wydzielanie w nich znacznej mocy strat. Znane są również układy równoległego łączenia tranzystorów pozwalające zmniejszyć rezystancję kluczy w stanie włączania i zredukować moc strat w tranzystorach. W adą tych układów jest ich złożoność i wysoki koszt wytwarzania ze względu na konieczność użycia wielu tranzystorów, a także sumowanie się pojemności międzyelektrodowych tranzystorów, co istotnie utrudnia sterow anie tranzystoram i przy dużych częstotliwościach pracy. Rozwiązanie według wynalazku polega na zastosowaniu transform atora wielkiej częstotliwości zawierającego uzwojenia: pierwotne, wtórne i sterujące. U zw ojenie pierw otne transformatora zasilane jest prądem lub napięciem zmiennym z generatora mocy wielkiej częstotliwości. Zaciski wtórnego uzwojenia transformatora połączone są z diodowym prostownikiem pełnookresowym w układzie mostkowym lub z dzielonym uzwojeniem transformatora, którego wyjście połączone jest z filtrem dolnoprzepustowym, zaś do wyjścia filtru dołączone jest obciążenie. D o zacisków uzw ojenia sterującego sprzężonego m agnetycznie z uzw ojenia transformatora dołączone jest wyjście modułu sterującego, złożonego z dwóch tranzystorów, i dwóch diod pracujących jako tranzystorowo-diodowe klucze dwukierunkowe i kondensatora, przy czym dren pierwszego tranzystora połączony z katodą pierwszej diody i jedną okładziną kondensatora stanowi pierwszy zacisk wyjściowy modułu, zaś drugi zacisk wyjściowy tego modułu połączony jest z drugą okładziną kondensatora oraz katodą drugiej diody i drenem drugiego tranzystora, natomiast anody pierwszej i drugiej diody i dreny pierwszego i drugiego tranzystorów są połączone ze sobą wspólnie oraz z pierwszym i drugim zaciskiem wejściowym modułu, zaś bramka pierwszego tranzystora połączona jest z trzecim zaciskiem wejściowym, a bramka drugiego tranzystora jest połączona z czwartym zaciskiem wejściowym modułu, przy czym trzeci i czwarty zacisk wejściowy oraz pierwszy i drugi zacisk wejściowy są dołączone do wyjścia generatora sterującego. Inny prostownik według wynalazku wyróżnia się tym, że ma sprzężone magnetycznie z uzwojeniem tranzystora uzwojenie sterujące, na wyjściu którego włączony jest moduł sterujący, złożony z kondensatora oraz dwóch jednokierunkowych kluczy składających się z dwóch tranzystorów i dwóch diod, przy czym źródło drugiego tranzystora połączone z katodą pierwszej diody stanowi drugi zacisk wyjściowy i drugi zacisk wejściowy. Drugi zacisk wyjściowy

4 połączony jest poprzez indukcyjność z drenem pierwszego tranzystora oraz z anodą drugiej diody i trzecim zaciskiem wejściowym. Dren pierwszego tranzystora jest połączony z katodą pierwszej diody, a dren drugiego tranzystora jest połączony z katodą drugiej diody, natomiast bramka pierwszego tranzystora jest dołączona do czwartego zacisku wejściowego, a bramka drugiego tranzystora jest połączona z pierwszym zaciskiem wejściowym. Pierwsze, drugie i trzeci oraz czwarte zaciski wejściowe są połączone z w yjściem generatora sterującego. Zgodnie z wynalazkiem prostow nik synchroniczny um ożliw ia rozdzielenie funkcji prostowania prądu (napięcia) zmiennego wykonanej przez pełnookresowy prostownik diodowy od funkcji regulacji mocy stałego napięcia wyjściowego prostownika diodowego, która realizowana jest przez klucze diodowo-tranzystorowe w module sterującym. Zastosowanie transformatora i odpowiedni dobór przekładni uzwojeń pozwala na wielokrotne zmniejszenie amplitudy prądu wielkiej częstotliwości płynącego przez klucze i znaczne zredukowanie strat m ocy w tranzystorach, co umożliwia sterowanie dużym stałym prądem wyjściowym prostownika, rzędu wielu dziesiątków amperów, stosując dostępne tranzystory MOSFET o większej rezystancji w stanie włączenia i uzyskanie wysokiej sprawności energetycznej oraz dużej częstotliwości pracy układu. Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat funkcjonalno-blokowy prostownika z modułem sterującym mocą wyjściową prostownika, fig. 2 - schemat funkcjonalny modułu sterującego z kluczami jednokierunkowymi. Prostownik pokazany na fig. 1 i fig. 2 rysunku zawiera transformator T r o uzwojeniach: pierwotnym Np, wtórnym Nw i sterującym Ns, z których uzwojenia Nw i Ns są silnie sprzężone magnetycznie. Zaciski uzwojenia pierwotnego Np dołączone są do wyjścia generatora mocy wielkiej częstotliwości GM. Zaciski uzwojenia wtórnego Nw połączone są z wejściem dwupołówkowego prostownika diodowego P, do którego wyjścia dołączony jest filtr dolnoprzepustowy F. Do wyjścia filtru F dołączone jest obciążenie O. Zaciski uzwojenia sterującego Ns połączone są z zaciskami A 1wy, A2wy modułu sterującego M S1 lub M S2, którego zaciski wejściowe A 11we, A12we, A21we, A22we dołączone są do wyjścia generatora sterującego GS. M oduł sterujący M S1 zawiera kondensator C oraz dwa dwukierunkowe klucze złożone z tranzystorów T 1, T2 i diod D l, D2. Dren tranzystora T 1 połączony z katodą diody D1 i kondensatorem C stanowi zacisk wyjściowy A 1wy modułu M S1. Zacisk wyjściowy A2wy modułu M S1 połączony jest z drugą okładką kondensatora C oraz katodą diody D2 i drenem tranzystora T2. Anody diod D 1, D2 oraz dreny tranzystorów T 1, T2 połączone są ze sobą we wspólnym punkcie oraz z zaciskami wejściowymi A12we, A22we modułu M S1. Bramka tranzystora T 1 połączona jest z zaciskiem wejściowym A 11we, zaś bramka tranzystora T2 z zaciskiem wejściowym A21we modułu M S1. Moduł sterujący M S2 zawiera cewkę L oraz dwa jednokierunkowe klucze złożone z tranzystorów T3, T4 i diod D3, D4. Źródło tranzystora T4 połączone z katodą diody D3 stanowi zacisk wyjściowy A2wy i zacisk wejściowy A12we modułu MS2. Zacisk wyjściowy A 1wy modułu M S2 połączony jest z cewką L, której drugi koniec dołączony jest do drenu tranzystora T3, anody diody D4 i zacisku wejściowego A22we modułu MS2. Dren tranzystora T3 jest połączony z katodą diody D3, zaś dren tranzystora T4 z katodą diody D4. Bramka tranzystora T3 dołączona jest do zacisku wejściowego A21we, zaś bramka tranzystora T4 z zaciskiem wejściowym A 11we modułu MS2. Układy działają w sposób niżej opisany. Zmienne napięcie lub prąd z generatora mocy wielkiej częstotliwości G M zasila uzwojenie pierwotne transformator T r. Indukowany w uzwojeniu wtórnym Nw transformatora prąd (napięcie) wielkiej częstotliwości zasila wejście prostownika diodowego P, a następnie po wyprostowaniu i odfiltrowaniu składowych zmiennych przez filtr dolnoprzepustowy F podawane jest jako prąd stały na wejście obciążenia O. Zmienny prąd (napięcie) indukowane w uzwojeniu sterującym Ns transformatora podawane jest na zaciski wyjściowe A 1wy, A2wy modułu sterującego M S1 lub MS2, których zaciski wejściowe A 11we, A12we, A21we, A22we sterowane są przez generator GS wytwarzający dwa przebiegi prostokątne o identycznych parametrach i częstotliwości prądu (napięcia) wytwarzanego przez generator G M, lecz przesunięte względem siebie o pół okresu. Oznacza to, że w każdej chwili czasowej tylko jeden z

5 tranzystorów w danym module sterującym może być włączony. Tranzystory są włączone, gdy napięcie prostokątne na zaciskach wejściowych A 11we, A12we lub A21we, A 22we jest dodatnie, zaś wyłączone gdy napięcie jest ujemne. Sterowanie mocą prądu stałego dostarczaną do obciążenia O odbywa się w ten sposób, że w każdym półokresie prądu (napięcia) zasilającego uzwojenie NS jest ono zwierane przez jeden z kluczy (inny klucz dla każdego z dwóch półokresów) na czas dłuższy niż półokresu prądu (napięcia) zasilającego. Zwarcie uzwojenia Ns oznacza, dzięki istnieniu silnego sprzężenia magnetycznego między uzwojeniami Ns i Nw, także zwarcie uzwojenia Nw, a zatem w czasie zwarcia prostownik P nie jest zasilany energią. Regulując czas przewodzenia prądu przez klucze w obu półokresach możliwe jest zatem sterowanie mocą wyjściową prostownika P i mocą dostarczaną do obciążenia O. Gdy moduł M S1 jest dołączony do układu to uzwojenie Ns zwierane jest przez włączony tranzystor T 1 i diodę D2, które przewodzą prąd, gdy płynie on od zacisku A 1wy do A2wy, zaś zwierane jest przez włączony tranzystor T 2 i diodę D 1, gdy prąd płynie w przeciwnym kierunku. W okresach, gdy oba tranzystory są wyłączone prąd zasilający moduł M S1 przeładowuje kondensator C, co umożliwia zmniejszenie prędkości zmian napięcia na tranzystorach T 1, T2 w chwili ich przełączania i zredukowania strat komutacyjnych. Gdy moduł M S2 jest dołączony do układu to uzwojenie Ns jest zwierane przez włączony tranzystor T4 i diodę D4, które przewodzą prąd, gdy płynie on od zacisku A1wy do A2wy, zaś zwierane jest ono przez włączony tranzystor T2 i diodę D 1, gdy prąd płynie w przeciwnym kierunku. Cewka L zmniejsza prędkość zmian prądu w tranzystorach T3, T4 w chwilach ich przełączania redukując w nich straty komutacyjne.

6 Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 2,00 zł