Активное выпрямление или синхронное выпрямление - это метод повышения эффективности выпрямления путем замены диодов активно управляемыми переключателями, обычно силовыми MOSFET или силовыми биполярными транзисторами (BJT). [1] В то время как обычные полупроводниковые диоды имеют примерно фиксированное падение напряжения около 0,5–1 вольт, активные выпрямители действуют как сопротивления и могут иметь сколь угодно низкое падение напряжения.
Исторически сложилось, что вибратор управляемый переключатель или с приводом от двигателя коммутаторы также используются для механических выпрямителей и синхронного выпрямления. [2]
Активное исправление имеет множество применений. Он часто используется для массивов фотоэлектрических панелей, чтобы избежать обратного тока, который может вызвать перегрев с частичным затемнением при минимальных потерях мощности. Он также используется в импульсных источниках питания (SMPS). [1]
Мотивация
Постоянное падение напряжения на стандартном диоде с pn переходом обычно составляет от 0,7 В до 1,7 В, вызывая значительные потери мощности в диоде. Электрическая мощность зависит от тока и напряжения: потери мощности возрастают пропорционально как току, так и напряжению.
В преобразователях низкого напряжения (около 10 вольт и менее) падение напряжения на диоде (обычно от 0,7 до 1 вольт для кремниевого диода при его номинальном токе) отрицательно влияет на эффективность. Одно из классических решений - замена стандартных кремниевых диодов диодами Шоттки , которые демонстрируют очень низкие падения напряжения (всего 0,3 В). Однако даже выпрямители Шоттки могут давать значительно больше потерь, чем выпрямители синхронного типа, особенно при больших токах и низких напряжениях.
При обращении к преобразователям очень низкого напряжения, таким как блок питания понижающего преобразователя для ЦП компьютера (с выходным напряжением около 1 В и выходным током многих ампер ), выпрямление Шоттки не обеспечивает адекватного КПД. В таких случаях необходимо активное исправление. [1]
Описание
Замена диода на активно управляемый переключающий элемент, такой как полевой МОП-транзистор, является основой активного выпрямления. МОП-транзисторы имеют постоянное очень низкое сопротивление при проводимости, известное как сопротивление в открытом состоянии (R DS (on) ). Они могут быть изготовлены с сопротивлением в открытом состоянии не более 10 мОм. Тогда падение напряжения на транзисторе будет намного меньше, что означает уменьшение потерь мощности и повышение эффективности. Однако закон Ома регулирует падение напряжения на полевом МОП-транзисторе, а это означает, что при высоких токах падение может превышать падение напряжения на диоде. Это ограничение обычно устраняется либо путем параллельного размещения нескольких транзисторов, тем самым уменьшая ток через каждый отдельный, либо путем использования устройства с большей активной площадью (на полевых транзисторах, аналог параллельного устройства).
Схема управления для активного выпрямления обычно использует компараторы для измерения напряжения входного переменного тока и открытия транзисторов в нужное время, чтобы позволить току течь в правильном направлении. Синхронизация очень важна, так как необходимо избегать короткого замыкания на входе питания, которое легко может быть вызвано включением одного транзистора до выключения другого. Активным выпрямителям также явно необходимы сглаживающие конденсаторы, присутствующие в пассивных примерах.
Использование активного выпрямления для преобразования переменного / постоянного тока позволяет усовершенствовать конструкцию (с большей сложностью) для достижения активной коррекции коэффициента мощности , которая заставляет форму волны тока источника переменного тока следовать форме волны напряжения, устраняя реактивные токи и позволяя общая система для достижения большей эффективности.
Идеальный диод
МОП-транзистор, который активно управляется, чтобы действовать как выпрямитель - активно включенный, чтобы пропускать ток в одном направлении, но активно выключенный, чтобы блокировать протекание тока в другом направлении, - иногда называют идеальным диодом. Использование идеальных диодов вместо стандартных диодов для обхода солнечной электрической панели , защиты от обратного заряда батареи или мостового выпрямителя снижает количество мощности, рассеиваемой в этих диодах, повышая эффективность и уменьшая размер печатной платы и вес радиатора, необходимого для справиться с этим рассеянием мощности. [3] [4] [5] [6] [7] [8]
Такой MOSFET основы идеального диода не следует путать с основанным ОУ супер диодом .
Строительство
См. H-образный мост .
Рекомендации
- ^ a b c Али Эмади (2009). Интегрированные силовые электронные преобразователи и цифровое управление . CRC Press. С. 145–146. ISBN 978-1-4398-0069-0.
- ^ Морис Агнус Уден (1907). Стандартные многофазные аппараты и системы (5-е изд.). Ван Ностранд. п. 236 .
синхронный выпрямительный коммутатор.
- ^ «Идеальный диод для обхода солнечной панели» .
- ^ "Идеальный контроллер диодного моста" .
- ^ «Идеальный контроллер диодного моста сводит к минимуму потери мощности и нагрев устройств с питанием от PoE»
- ^ «Защита цепей обратного тока» .
- ^ «Схемы защиты от обратного тока / батареи» .
- ^ «Защита от обратной мощности с использованием силовых полевых МОП-транзисторов» .
дальнейшее чтение
- T. Grossen, E. Menzel, JJR Enslin. (1999) Трехфазный понижающий активный выпрямитель с коррекцией коэффициента мощности и низким уровнем электромагнитных помех. IEE Proceedings - Electric Power Applications, Vol. 146, вып. 6, ноябрь 1999 г., стр. 591–596. Идентификатор цифрового объекта: 10.1049 / ip-epa: 19990523.
- В. Сантьяго, А. Бирчено. (2005). Однофазное пассивное выпрямление в сравнении с активным выпрямлением в двигателях Стирлинга большой мощности . AIAA 2005-5687.