Журнал "Новости Электроники", номер 7, 2007 год.IR1167 легкий путь к увеличению эффективности AC/DC-преобразователя
Синхронное или, как его еще называют, активное выпрямление - это один из способов повысить эффективность источника питания - вариант, при котором в выходном выпрямителе вместо диода Шоттки применяется синхронно управляемый MOSFET-транзистор. Благодаря низкому сопротивлению открытого канала современного MOSFET-транзистора, удается снизить прямое падение напряжения на выпрямителе, что, соответственно, приводит к уменьшению потерь в этом узле. При существующей на сегодняшний день элементной базе данное утверждение справедливо для источников питания с выходным напряжением до 12, максимум 18 вольт. Немаловажная задача - правильно управлять «синхронным» транзистором.
Аналоговый контроллер IR1167 относится к серии ИС «Smart Rectifier» («интеллектуальный выпрямитель») и позволяет управлять одним N-канальным транзистором (или несколькими, параллельно включенными) в синхронном выпрямителе. Типовая схема включения отображена на рисунке 1. Особенность принципа работы - измерение дифференциального напряжения между стоком и истоком силового MOSFET-транзистора, включенного вместо выпрямительного диода, и дальнейшая обработка этой информации с помощью компараторов с гистерезисом и специальными цепями задержек.
Рис. 1. Типовая схема включения IR1167
Рассмотрим работу контроллера IR1167 на примере обратноходового преобразователя. Сразу после закрытия силового транзистора на первичной стороне (рис. 1) начинает протекать ток через внутренний диод закрытого (на тот момент) MOSFET-транзистора Q1. На рисунке 2 представлена зависимость напряжения на затворе «синхронного» транзистора Q1 от дифференциального напряжения сток-исток на этом же транзисторе (гистерезис работы).
Рис. 2. Гистерезис работы IR1167
По графику справа налево: при открытии внутреннего диода транзистора Q1 под воздействием протекающего тока дифференциальное напряжение VDS уходит в отрицательную сторону (относительно уровня общего провода). Это напряжение стремится к значению напряжения, равному прямому падению напряжения на диоде (примерно -700 мВ), но в точке VTH2 в работу вмешивается IR1167 и подает напряжение VGate на затвор «синхронного» транзистора Q1 (по графику вверх), тем самым открывая его. Открывшись, MOSFET-транзистор шунтирует свой внутренний диод и, учитывая очень низкое сопротивление открытого канала, уменьшает падение напряжения исток-сток (анод-катод внутреннего диода). Таким образом, дифференциальное напряжение VDS оказывается в области между точками VTH2 и VTH1 (по графику вверх и вправо от точки VTH2).
В дальнейшем ток постепенно (при режиме прерывистых токов) или стремительно (при режиме непрерывных токов) уменьшается (красная линия на рисунке 3), что приводит к уменьшению падения напряжения сток-исток VDS (зеленая линия на рисунке 3). Контроллер IR1167 продолжает контролировать дифференциальное напряжение VDS и в точке VTH1, убирая напряжение с затвора, закрывает «синхронный» транзистор Q1.
Для устранения влияния переходных процессов на работу компараторов при включении и выключении силового транзистора Q1 в контроллер дополнительно введены две специальные цепи задержек. Первая цепь задержки - с фиксированным значением времени, которое зависит только от номинала внешнего резистора RMOT. На рисунке 3 это время показано как «MOT» - минимальное время открытого состояния ключа (Minimum On Time). На этот момент времени компаратор, который, сработав, позволил открыться транзистору Q1, блокируется и сохраняет свое состояние. Вторая цепь задержки, наоборот, формирует минимальное время закрытого состояния транзистора Q1. Но это время не фиксировано и зависит от того, насколько быстро значение дифференциального напряжения VDS достигнет значения точки VTH3 (рис. 2, 3). На рисунке 3 это время обозначено как «задержки».
Рис. 3. График работы синхронного выпрямителя обратноходового преобразователя с использованием IR1167 для режима прерывистых токов (слева) и режима непрерывных токов (справа)
Рассмотрим ближе значения пороговых точек VTH. Примерное значение точек VTH1 и VTH2 можно определить по графикам на рисунке 4. Точка VTH1 для разных режимов работы преобразователя может иметь три разных значения, в зависимости от трех возможных состояний вывода OVT (вывод 2 ИС IR1167):
1) подключен к шине GND (общий провод);
2) оставлен свободным (не подключен);
3) подключен к шине питания (VCC).
Значение точки VTH3 зависит от напряжения питания и примерно равно 2,5 В при VCC=10 В и 5,4 В при VCC=20 В.
Учитывая диапазон питающих напряжений (11,3...20 В), который, в свою очередь, оптимизирован для управления стандартными MOSFET-транзисторами, при низких значениях выходных напряжений необходимо предусмотреть вольт-добавку (как вариант - в виде дополнительной обмотки трансформатора). Для управления синхронным выпрямителем в двухтактном преобразователе необходимо применение двух ИС соответственно. Более подробно о различных схемах включения IR1167 можно узнать из рекомендаций по применению AN-1087, доступных на сайте компании International Rectifier: http://www.irf.com/technical-info/appnotes/an-1087.pdf.
Экономические и эксплуатационные преимущества применения синхронного выпрямителя очевидны: значительное увеличение эффективности - уменьшение тепловыделения, уменьшение габаритов печатной платы и корпуса за счет уменьшения или полного отсутствия (в большинстве случаев) радиатора выпрямителя. ИС IR1167, в свою очередь, позволяет создать простой, надежный и легкий для реализации синхронный выпрямитель с минимальным количеством внешних компонентов.
В настоящий момент доступны пять модификаций аналогового контроллера серии «Smart Rectifier» для синхронного выпрямителя, отличия которых отображены в таблице 1.
Таблица 1. Аналоговые контроллеры для синхронного выпрямителя серии Smart Rectifier| Наименова- ние | Корпус | Диапазон питающих напряже- ний, В | Напря- жение на стоке транзи- стора, В | Макс. частота коммутации, кГц | Пиковый ток драйвера нар./спад, А | Ограничение макс. напряжения драйвера, В |
|---|---|---|---|---|---|---|
| IR1166SPbF | SO-8 | 11,3...20 | ≤200 | 500 | +1/-3,5 | 10,7 |
| IR1167ASPbF | +2/-7 | 10,7 | ||||
| IR1167BSPbF | 14,5 | |||||
| IR1167APbF | DIP-8 | 10,7 | ||||
| IR1167BPbF | 14,5 |
На сайте компании International Rectifier доступна в онлайновом режиме система расчета синхронного выпрямителя на базе IR1166/67: http://mypower.irf.com/syncrec.
В дополнение, в таблице 2 представлены новые MOSFET- транзисторы International Rectifier, рекомендуемые для синхронных выпрямителей.
Таблица 2. Новые MOSFET, рекомендуемые для синхронных выпрямителей
| Наименование | Uси, В | Rds(on) мОм | Корпус |
|---|---|---|---|
| IRFB3307PBF | 75 | 6,3 | TO-220 |
| IRFB3507PBF | 75 | 8,8 | TO-220 |
| IRF7854PBF | 80 | 13,4 | SO-8 |
| IRFB4110PBF | 100 | 6,3 | TO-220 |
| IRFB4310PBF | 100 | 7 | TO-220 |
| IRFB4410PBF | 100 | 10 | TO-220 |
| IRFB4610PBF | 100 | 14 | TO-220 |
| IRF7853PBF | 100 | 18 | SO-8 |
| IRFB4227PBF | 200 | 26 | TO-220 |
| Ваш комментарий к статье | ||||
