Замена выпрямительного диода MOSFET транзистором снижает потери в источнике питания

На мощных кремниевых выпрямительных диодах прямое падение напряжения может достигать 1.2 В. Рассеиваемая на них мощность снижет КПД источников питания. Так, к примеру, на антивозвратном диоде в фотоэлектрической панели мощностью 120 Вт с номинальным напряжением 24 В может теряться до 6 Вт мощности, что в относительных единицах означает 5%. Система охлаждения диодов требует дополнительных затрат, и, опять же, увеличивает потери мощности.

В статье предлагается более экономичное решение, заключающееся в замене мощного диода MOSFET транзистором, работающим в режиме включения/выключения.

Рисунок 1.	Прецизионный мощный диод работает как выпрямитель, питающий индуктивную нагрузку.

 

Надписи на схеме
POWER PRECISION EQUIVALENT DIODE	Эквивалентный мощный прецизионный диод
CATHODE	Катод
ANODE	Анод

 

На Рисунке 1 изображена схема выпрямителя с MOSFET транзистором Q₁, имеющим во включенном состоянии низкое сопротивление сток-исток. V₂ представляет источник переменного напряжения 36 В. Нагрузка образована последовательным соединением резистора 9 Ом и индуктивности 25 мГн. Компаратор IC₁ управляет затвором транзистора Q₁ на тех отрезках времени, когда напряжение питания на аноде превышает напряжение на катоде. Таким образом, исток выполняет функцию анода выпрямителя, а сток – катода. В схеме используется способность транзистора проводить ток в направлении исток-сток. При включении Q₁ происходит эффективное шунтирование паразитного диода между подложкой и стоком, благодаря чему потери мощности оказываются минимальными. При низком напряжении затвор-исток выключены как транзистор, так и паразитный диод. Диод D₁ и резистор R₁ выполняют функцию защиты компаратора, ограничивая напряжение на его входах.

Рисунок 2.	На этих осциллограммах приведены формы напряжений на индуктивной нагрузке, состоящей из резистора 9 Ом и индуктивности 25 мГн. На осциллограмме C2 максимальный ток нагрузки равен 2.65 А. (100 мВ/А). C1 показывает падение напряжения между анодом и катодом выпрямителя.

На рисунке 2 показана форма напряжения на нагрузке и падение напряжения на выпрямителе Q₁.

Рисунок 3.	Осциллограммы для случая, когда на затвор подается управляющее напряжение. Паразитный диод MOSFET транзистора закрыт, и падение напряжения на транзисторе всего 33 мВ (осциллограмма C1). На осциллограмме C2 изображена форма тока, протекающего через выпрямитель.

Рисунок 3 иллюстрирует нормальное функционирование выпрямителя, когда при максимальном токе нагрузки 2.65 А падение напряжения равно 33 мВ, а Q₁ работает в омической области (области нарастания вольт-амперной характеристики). Напротив, если не управлять напряжением затвора, падение напряжения достигает 629 мВ, приводя к возрастанию максимальной мгновенной мощности до 1.66 Вт (Рисунок 4).

Рисунок 4.	Осциллограммы для случая, когда управляющее напряжение на затвор не подается. Паразитный диод MOSFET транзистора открыт , и падение напряжения на транзисторе равно 629 мВ (осциллограмма C1). На осциллограмме C2 изображена форма тока, протекающего через выпрямитель.

Предлагаемый подход справедлив для выпрямителей любого типа с любым количеством диодов. Кроме того, возможно использовать эту схему в DC/DC и DC/AC преобразователях, поскольку в мостовых схемах MOSFET транзисторы могут пропускать как активные, так и реактивные составляющие токов. Существенной особенностью является и исключение влияния паразитного диода подложка-сток.