詳解同步整流技術(shù)在正激變換器中的應(yīng)用

1 引言

近年來隨著電源技術(shù)的發(fā)展，同步整流技術(shù)正在低壓、大電流輸出的dc/dc變換器中迅速推廣應(yīng)用。在低壓、大電流輸出的情況下，輸出端整流管的損耗尤為突出。例如，對采用 1.5v、20a電源的筆記本電腦而言，此時超快恢復(fù)整流二極管的損耗已經(jīng)超過電源輸出功率的50%，即使采用低壓降的肖特基整流二極管，損耗也會達(dá)到輸 出功率的18%～40%。因此，傳統(tǒng)的二極管整流電路已經(jīng)成為提高低壓、大電流dc/dc變換器效率的瓶頸。

由于mosfet不能像二 極管那樣自動截止反方向電流，因此同步整流器的驅(qū)動是同步整流技術(shù)使用的一個關(guān)鍵。驅(qū)動方式的選取不僅關(guān)系到變換器能否正常工作，更決定了變換器性能。按 照驅(qū)動方法的不同，同步整流分為自驅(qū)型和外驅(qū)型，兩者的主要區(qū)別在于，自驅(qū)型同步整流管的驅(qū)動電壓一般采用的是變壓器上或輔助繞組上的電壓，而外驅(qū)型同步 整流管的驅(qū)動電壓是由外部同步整流驅(qū)動芯片產(chǎn)生的。本文將分別討論兩種同步整流驅(qū)動的方法，并闡述了同步整流中需要注意的問題。

由于正 激變換器是最簡單的隔離降壓式dc/dc變換器，其輸出端的lc濾波器非常適合輸出大電流，可有效抑制輸出電壓紋波。所以，正激變換器成為低電壓大電流功 率變換器的首選拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。正激變換器必須采用磁復(fù)位電路，以確保變壓器勵磁磁通在每個開關(guān)周期開始時已經(jīng)復(fù)位，常見的磁復(fù)位方法有：有源鉗位、rcd鉗 位、繞組復(fù)位、諧振復(fù)位等，如圖1所示。

rcd鉗位的方法雖然電路簡單，但是它大部分磁化能量消耗在鉗位電阻中，不利于效率的提高；有源鉗位雖然可以重復(fù)利用變壓器磁化能量和漏感能量，但是有 源鉗位系統(tǒng)的控制帶寬受到限制，動態(tài)性能不好，并且它多用了一個鉗位開關(guān)，增加了驅(qū)動電路的難度和變換器的成本；而諧振復(fù)位由于諧振電壓比較高，因此對開 關(guān)管的電壓應(yīng)力要求就更高；對于繞組復(fù)位的方法，結(jié)構(gòu)較簡單，磁復(fù)位時將能量回饋到輸入源中，并且對開關(guān)管的電壓應(yīng)力要求并不高。

2 自驅(qū)同步整流

2.1 柵極電荷保持驅(qū)動方法的基本原理

對于本文選用的 繞組復(fù)位正激變換器，其傳統(tǒng)傳統(tǒng)自驅(qū)型同步整流的方法如圖2所示，在磁復(fù)位結(jié)束后，變壓器的電壓將為零，并且會保持在零直到下一周期開始，這樣續(xù)流管將沒 有電壓提供驅(qū)動，電流會從其體二極管中流過，而其體二極管正向?qū)妷焊撸聪蚧謴?fù)特性差，導(dǎo)通損耗非常大，這是傳統(tǒng)自驅(qū)同步整流的主要缺點(diǎn)，因此提出了 采用柵極電荷保持的同步整流方法，它的原理如圖3所示。

在t0時刻之前，輸入信號v1為0，開關(guān)s1關(guān)斷，電容c的初始電壓為0。在t0時刻，輸入信號v1為正，通過二極管d對電容c充電；在t1時 刻，輸入信號v1為0，二極管d承受反壓截止，只要開關(guān)s1保持關(guān)斷，電容c上的電荷得以保持，v2維持高電平；在t2時刻，開關(guān)s1導(dǎo)通，電容c通過 s1放電，v2變?yōu)?。如果c是同步整流管的柵極寄生電容，s1是一個輔助開關(guān)，那么在t1到t2這段時間內(nèi)，輸入驅(qū)動信號v1降為0時，同步整流管的柵 極電壓仍可保持高電平。

2.2 柵極電荷保持驅(qū)動正激變換器

利用柵極電荷保持的驅(qū)動方法，傳統(tǒng)電壓驅(qū)動同步整流器在變壓器電壓死區(qū)時間內(nèi)，續(xù)流管體二極管的導(dǎo)通問題很容易解決，圖4給出了柵極電荷保持電壓驅(qū)動正激變換器的原理圖和主要波形。

在t0到t1的時間內(nèi)，開關(guān)管s1開通，變壓器副邊電壓變?yōu)樯险仑?fù)并驅(qū)動s2和s4使它們導(dǎo)通。s3的柵極電容通過s4放電，s3的柵極電壓降為0，s3關(guān)斷，輸出電流流進(jìn)s2。

在t1時刻主開關(guān)管s1關(guān)斷，變壓器進(jìn)行磁復(fù)位，變壓器副邊電壓變?yōu)橄抡县?fù)，s2和s4關(guān)斷，s3的柵極電容由流經(jīng)d1的電流充電。s3柵極為高電平 導(dǎo)通，負(fù)載電流流經(jīng)s3。在t2時刻磁復(fù)位結(jié)束，變壓器副邊電壓變?yōu)?，由于二極管d1承受反壓截止，s4關(guān)斷，s3的柵極驅(qū)動電壓保持不變，因此，即使 變壓器副邊電壓為0，s3仍然保持導(dǎo)通，繼續(xù)續(xù)流。s3的柵極電壓一直保持到下一個開關(guān)周期開始，也是s4導(dǎo)通之時，這就解決了死區(qū)時間內(nèi)s3體二極管續(xù) 流導(dǎo)通的問題。

對于這種柵極電荷保持的自驅(qū)型同步整流方法，有一個重要的過程就是，在續(xù)流管s3續(xù)流結(jié)束時要將其柵極電荷放掉，否則當(dāng)變壓器副邊電壓變?yōu)樯险?下負(fù)的時候，續(xù)流管會導(dǎo)通，有電流從漏極流向源極，并最終導(dǎo)致變壓器副邊，續(xù)流管和整流管形成一個回路，即副邊出現(xiàn)直通。而放掉續(xù)流管s3的柵極電荷必須 依賴于副邊電壓變?yōu)樯险仑?fù)，即使s4導(dǎo)通，將s3柵極電容上的電荷通過s4放掉，但是這里出現(xiàn)的情況是，當(dāng)變壓器副邊電壓為上正下負(fù)使s4導(dǎo)通的時候， 同時續(xù)流管s3的ds電壓也建立起來，如果s3的柵極電荷未放完，至少剩余的電荷仍能驅(qū)動s3時，這時s3就會正向?qū)?，電流就會由漏極通過s3流向源 極，并經(jīng)過整流管s2回到變壓器副邊，這樣變壓器副邊電壓就被短路，s4就無法再導(dǎo)通，s3上的柵極電荷就一直存在，直到這些電荷因?yàn)轵?qū)動s3而消耗完， 并又會進(jìn)入下一次直通過程。如此惡性循環(huán)使變壓器副邊一直處于短路，即變換器副邊處于直通的狀態(tài)，情況嚴(yán)重的話會損壞整流管和續(xù)流管，甚至損壞變換器，因 此必須用一種方法，在下個周期變壓器副邊電壓為上正下負(fù)之前就將s3的柵極電荷放掉，以保證不出現(xiàn)直通的現(xiàn)象。

如圖5所示，對原來的柵極電荷保持電路進(jìn)行改進(jìn)，將原邊ic產(chǎn)生的占空比分為兩路，一路通過加延時驅(qū)動主功率管，另一路通過驅(qū)動變壓器隔離驅(qū)動s4，因 為變壓器副邊電壓為上正下負(fù)的建立和原邊主功率管s1的開通幾乎是同時的，那么采用圖中的方法后，當(dāng)在原邊開關(guān)管開通之前，即變壓器副邊電壓變?yōu)樯险仑?fù) 之前，s4就由原邊提供的一個驅(qū)動而開通，并使得續(xù)流管s3的柵極電荷通過s4釋放掉，提前使s3關(guān)斷，從而避免了直通的發(fā)生，該方法其他電路的接法與以 前提出的柵極電荷保持電路一樣，這樣，該電路即實(shí)現(xiàn)了柵極電荷保持的功能，又避免了變換器直通的發(fā)生。

如圖6所示，給出了改進(jìn)后電路各個開關(guān)管的驅(qū)動波形，由圖中可以看出，在s1開通之前提前開通s4，將s3的柵極電荷放掉，避免了變壓器副邊直通的發(fā)生。

3 外驅(qū)同步整流

對于采用變壓器副邊電壓來驅(qū)動自驅(qū)型的同步整流，即該電壓上正下負(fù)的時候驅(qū)動整流管s2，該電壓下正上負(fù)的時候驅(qū)動續(xù)流管s3，由于這兩個驅(qū)動電壓采的 是同一個電壓，因此這兩個驅(qū)動不會存在交疊，不需要進(jìn)行處理。但是對于外驅(qū)型同步整流的方法，整流管和續(xù)流管的驅(qū)動之間必須加入死區(qū)，使兩個驅(qū)動不出現(xiàn)交 疊的部分，進(jìn)而防止變換器副邊出現(xiàn)直通。本文采用的外驅(qū)同步整流的原理框圖如圖7（a）所示。

本文中首先將原邊ic輸出的信號經(jīng)過驅(qū)動變壓器隔離傳輸?shù)礁边?，再利用同步整流?qū)動芯片將這個信號進(jìn)行處理，在同步整流芯片內(nèi)部可簡單看成是一個 固定的電容，通過在外部接電阻形成rc沖放電來實(shí)現(xiàn)延時，最終通過芯片處理同時延時了整流管s2以及續(xù)流管s3驅(qū)動信號的上升沿，從而在兩個驅(qū)動之間加入 死區(qū)，如圖7（b）中波形所示。

同時，因?yàn)楦边吋恿艘粋€同步整流的芯片，而由于芯片本身工作的延時，使得輸出信號整體對輸入有一個延時，因此必須在原邊也加入一個電路來補(bǔ)償這個延時，較好的方法就是在原邊同樣加入一個同步整流芯片，這樣使得對驅(qū)動的控制更加方便和容易，而且可以保證足夠的驅(qū)動能力。

另外，可以通過對副邊兩個管子驅(qū)動的控制來實(shí)現(xiàn)整流管和續(xù)流管的零電壓開關(guān)：對于整流管來說，當(dāng)變壓器副邊電壓變?yōu)樯险仑?fù)，這時如果整流管的驅(qū)動還未 建立，那么電流就會先從整流管的體二極管流過，如果此時再給整流管提供驅(qū)動，這時整流管的開通即為零電壓開通，但是考慮到效率的因素，必須保證電流在體二 極管中流過的時間很短；而在關(guān)斷的時候，可以在變壓器副邊電壓變?yōu)橄抡县?fù)之前提前關(guān)斷整流管，這樣就實(shí)現(xiàn)了整流管的零電壓關(guān)斷，同樣必須保證電流在體二 極管中流動的時間很短。對于續(xù)流管采取同樣的方法，可以實(shí)現(xiàn)續(xù)流管的零電壓開關(guān)。

　　4 同步整流輕載注意事項(xiàng)

對于副邊采用傳統(tǒng)二極管續(xù)流工作的正激變換器來說，當(dāng)負(fù)載電流進(jìn)一步減小直至很輕時，將會出現(xiàn)電感電流斷續(xù)的工作情況，如圖8所示。

當(dāng)副邊采用同步整流工作時，由于續(xù)流mosfet的雙向?qū)ǖ奶匦?，而電感電流要保持連續(xù)，因此在輕載的時候電感電流連續(xù)并能夠反向，如圖9所示，使得 續(xù)流管中出現(xiàn)從漏極流向源極的電流，并產(chǎn)生一個流出輸出正端流進(jìn)輸出負(fù)端的環(huán)流，這個環(huán)流會消耗環(huán)流能量，這個能量的大小和輸出濾波電感有關(guān)，輸出濾波電 感越小，環(huán)流就會越大，環(huán)流能量越大，損耗也越大。所以由于同步整流器不能從ccm模態(tài)自動切換到dcm模態(tài)，輕載時就會產(chǎn)生很大的環(huán)流損耗，這種環(huán)流損 耗會降低變換器在輕載時的效率，當(dāng)負(fù)載輕載一定程度的時候，受環(huán)流的影響，變換器的效率會顯著下降，因此必須在效率出現(xiàn)顯著下降的時候?qū)⒆儞Q器從同步整流 的工作狀態(tài)切換到二極管整流的工作狀態(tài)，來保證輕載時變換器的效率不至于太低，一般這個效率的拐點(diǎn)出現(xiàn)在負(fù)載的10%～25%之間。