Преобразователь постоянного напряжения

 

Использование: при преобразовании постоянных напряжений, например, для цепей питания маломощных интегральных схем. Сущность изобретения: в преобразователе постоянного напряжения, содержащем два МДП-транзистора 1, 2, один из которых 1 имеет p-, а другой 2 n-канал, два диода 3, 4, три конденсатора 5, 6, 7 и четыре резистора 8-11, достигается повышение КПД за счет введения в него дополнительных диода 12 и резистора 13, с помощью которых осущестляется уменьшение сопротивления открытого МДП-транзистора 1, а следовательно, и потерь энергии в нем. 1 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при преобразовании постоянных напряжений, например, для цепей питания маломощных интегральных схем.

Известен преобразователь постоянного напряжения, содержащий два полупроводниковых переключательных элемента, которые соединены последовательно друг с другом и состояния которых (открытое, закрытое) взаимно противоположны. Последовательная цепь, состоящая из полупроводниковых переключательных элементов, включается параллельно первичному источнику питания. Параллельно каждому переключательному элементу включена последовательная цепь из конденсатора и диода, благодаря чему происходит сложение напряжений, до которых заряжен каждый конденсатор. Основным недостатком такого преобразователя являются большие потери выходного напряжения, что и обуславливает относительно небольшой КПД.

Известно также устройство, содержащее два МДП-транзистора, один из которых имеет р-, а другой n-канал, два диода, два стабилитрона, три конденсатора и два резистора, являющиеся нагрузками устройства, первые выводы которых подключены к истоку с подложкой МДП-транзистора c n-каналом, аноду первого стабилитрона, катоду второго стабилитрона, первым обкладкам второго и третьего конденсаторов и минусовой клемме источника входного напряжения, плюсовая клемма которого подключена к истоку с подложкой МДП-транзистора с р-каналом, сток которого подключен к стоку МДП-транзистора с n-каналом и первой обкладке первого конденсатора, вторая обкладка которого подключена к катоду второго диода и аноду первого диода, катод которого подключен к катоду первого стабилитрона, второй обкладке второго конденсатора и второму выводу первого резистора, а второй вывод второго резистора подключен к анодам второго диода и второго стабилитрона и второй обкладке третьего конденсатора. Такой преобразователь обеспечивает получение двух выходных постоянных напряжений (одного положительного и одного отрицательного). Его основными недостатками являются относительно невысокие КПД и надежность.

Наиболее близким техническим решением является преобразователь постоянного напряжения, содержащий два МДП-транзистора, один из которых имеет р-, а другой n-канал, два диода, три конденсатора и четыре резистора, первые два из которых являются нагрузками устройства, а их первые выводы подключены к истоку МДП-транзистора с n-каналом, первым обкладкам второго и третьего конденсаторов, первому выводу третьего резистора и минусовой клемме источника входного напряжения, плюсовая клемма которого подключена к истоку с подложкой МДП-транзистора с р-каналом, сток которого подключен к первой обкладке первого конденсатора и стоку МДП-транзистора с n-каналом, подложка которого подключена ко второму выводу третьего резистора и первому выводу четвертого резистора, второй вывод которого подключен ко второму выводу второго резистора, второй обкладке третьего конденсатора и аноду второго диода, катод которого подключен ко второй обкладке первого конденсатора и аноду первого диода, катод которого подключен ко второму выводу первого резистора и второй обкладке второго конденсатора. Такой преобразователь имеет хорошую надежность, но относительно большие потери на открытом МДП-транзисторе с р-каналом (за счет повышенного сопротивления канала) снижают величину КПД, что и является основным недостатком прототипа.

Задача данного изобретения - повышение КПД устройства, при этом требуемый технический результат достигается за счет умеьшения потерь в открытом МДП-транзисторе с р-каналом в преобразователе постоянного напряжения, содержащем два МДП-транзистора, один из которых имеет р-, а другой n-канал, два диода, три конденсатора и четыре резистора, первые два из которых являются нагрузочными, а их первые выводы подключены к истоку МДП-транзистора с n-каналом, первым обкладкам второго и третьего конденсаторов, первому выводу третьего резистора и минусовой клемме источника входного напряжения, плюсовая клемма которого подключена к истоку МДП-транзистора с р-каналом, сток которого подключен к первой обкладке первого конденсатора и стоку МДП-транзистора с n-каналом, подложка которого подключена ко второму выводу третьего резистора и первому выводу четвертого резистора, второй вывод которого подключен ко второму выводу второго резистора, второй обкладке третьего конденсатора и аноду второго диода, катод которого подключен ко второй обкладке первого конденсатора и аноду первого диода, катод которого подключен ко второму выводу первого резистора и второй обкладке второго конденсатора, за счет введения дополнительных диода и резистора, первый вывод которого подключен к затвору МДП-транзистора с р-каналом и аноду дополнительного диода, катод которого подключен ко второму выводу дополнительного резистора и подложке МДП-транзистора с р-каналом.

За счет подачи управляющего сигнала не только на затвор, но и на подложку МДП-транзистора с р-каналом реализуется параллельное включение самого МДП-транзистора и биполярного p-n-p-транзистора, коллектором которого является сток, эмиттером - исток, а базой - подложка входящего в структуру МДП-транзистора с р-каналом. Малое остаточное сопротивление открытого биполярного транзистора уменьшает статические потери преобразователя, чем и определяется повышение КПД.

На чертеже представлена принципиальная схема преобразователя постоянного напряжения, состоящая из МДП-транзистора с индуцированным р-каналом 1, МДП-транзистора с индуцированным n-каналом 2, двух диодов 3 и 4, трех конденсаторов 5, 6 и 7, четырех резисторов 8, 9, 10, 11, дополнительного диода 12 и дополнительного резистора 13. Минусовая клемма источника входного напряжения подключена к истоку МДП-транзистора 2, первым обкладкам конденсаторов 6 и 7, первым выводам резисторов 8, 9 и 10. Плюсовая клемма источника входного напряжения подключена к истоку МДП-транзистора 1, сток которого подключен к первой обкладке конденсатора 5 и стоку МДП-транзистора 2. Вторая обкладка конденсатора 5 подключена к катоду диода 4 и аноду диода 3, катод которого подключен ко второй обкладке конденсатора 6 и второму выводу резистора 8. Анод диода 4 подключен ко второй обкладке конденсатора 7 и вторым выводам резисторов 9 и 11. Первый вывод резистора 11 подключен ко второму выводу резистора 10 и подложке МДП-транзистора 2. Подложка МДП-транзистора 1 подключена к катоду диода 12 и второму выводу резистора 13, первый вывод которого подключен к аноду диода 12 и затвору МДП-транзистора 1.

Резисторы 8 и 9 являются нагрузками, включенными на выходах преобразователя. Сигналы управления устройством подаются на затворы силовых МДП-транзисторов 1 и 2 (как во втором аналоге и прототипе).

Основная часть предлагаемого устройства работает так же, как и прототип. При поступлении отпирающего сигнала на затвор МДП-транзистора 1 и запирающего сигнала на затвор МДП-транзистора 2 происходит заряд конденсатора 5 через открытый МДП транзиcтор 1, диод 3 и резиcтор 8. При этом также заряжаетcя конденcатор 6. При открывании МДП-транзистора 2 и закрывании МДП-транзистора 1 напряжение заряженного конденсатора 5 открывает диод 4. При этом энергия конденсатора 5 передается в нагрузку 9 и фильтрующий конденсатор 7. После очередного открывания МДП-транзистора 1 и закрывания МДП-транзистора 2 процессы в схеме повторяются. В результате, на нагрузке 8 будет присутствовать положительное, а на нагрузке 9 - отрицательное выходное напряжение. Для стабилизации выходных напряжений параллельно нагрузкам 8 и 9 можно включить опорные диоды или иные стабилизирующие элементы (как это имеет место во втором аналоге и прототипе). Отрицательное напряжение с нагрузки 9 через делитель напряжения, выполненный на резисторах 10 и 11, поступает на подложку МДП-транзистора 2, чем устраняется возможность развития вторичного пробоя в биполярной структуре МДП-транзистора 2 и, следовательно, обеспечивается надежная работа устройства.

Основное отличие предлагаемого устройства состоит в наличии цепи из диода 12 и резистора 13, соединяющей затвор и подложку МДП-транзистора 1. Поскольку дырки имеют меньшую подвижность, чем электроны, то у МДП-транзисторов с р-каналом сопротивление канала в открытом состоянии всегда больше, чем у МДП-транзисторов с n-каналом. Этим определяются большие потери на открытом МДП-транзисторе 1, чем на МДП-транзисторе 2. С помощью цепи диода 12 и резистора 13 осуществляется уменьшение сопротивления открытого МДП-транзистора 1, а следовательно, и потерь энергии на нем.

При поступлении отрицательного управляющего напряжения на затвор МДП-транзистора 1 он открывается. В этом случае открывается и биполярный p-n-p-транзистор, входящий в структуру МДП-транзистора 1, ток базы (подложки) которого задается с помощью ограничительного резистора 13. Поскольку биполярные транзисторы в открытом состоянии имеют сопротивление существенно меньше, чем МДП-транзисторы, то p-n-p-транзистор будет шунтировать весь МДП-транзистор 1, чем и будет обуславливаться снижение потерь энергии. За счет малых потерь реализуется повышенный КПД предлагаемого устройства.

При поступлении положительного управляющего напряжения на затвор МДП-транзистора 1 он закрывается так же, как и его p-n-p-транзистор, запирающее напряжение на базу (подложку) которого подается через диод 12.

Экспериментальная проверка преобразователя постоянного напряжения была проведена на МДП-транзисторах КП701, 2П702, 2П703, 2П803 и лабораторных образцах. По сравнению с прототипом в предлагаемом устройстве наблюдалось повышение КПД. Так, при частоте переключения в 200 кГц КПД предлагаемого устройства достигал примерно 0,92, тогда как в прототипе не превышал 0,88. (56) Патент Японии N 49-6610, кл. H 02 M 3/14, 1974.

Э. М. Ромаш Высокочастотные транзисторные преобразователи, М. : Радио и связь, 1988, с. 166, р. 5,24в.

Авторское свидетельство СССР N 1729336, кл. H 02 M 3/07, 1992.

Формула изобретения

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий два МДП-транзистора, один из которых имеет p-, а другой n-канал, два диода, три конденсатора и четыре резистора, первые два из которых являются нагрузочными, а их первые выводы подключены к истоку МДП-транзистора с n-каналом, первым выводам второго и третьего конденсаторов, первому выводу третьего резистора и отрицательному входному выводу, при этом положительный входной вывод подключен к истоку МДП-транзистора с p-каналом, сток которого подключен к первому выводу первого конденсатора и стоку МДП-транзистора с n-каналом, подложка которого подключена к второму выводу третьего резистора и первому выводу четвертого резистора, второй вывод которого подключен к второму выводу второго резистора, второму выводу третьего конденсатора и аноду второго диода, катод которого подключен к второму выводу первого конденсатора и аноду первого диода, катод которого подсоединен к второму выводу первого резистора и второму выводу второго конденсатора, отличающийся тем, что введены дополнительные диод и резистор, первый вывод которого подключен к затвору МДП-транзистора с p-каналом и аноду дополнительного диода, катод которого подключен к второму выводу дополнительного резистора и подложке МДП-транзистора с p-каналом.

РИСУНКИ

Рисунок 1