（电力电子与电力传动专业论文）单绕组自驱动对称半桥式同步整流原理和技术分析.pdf

华南理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ef a s t d e v e l o p m e n t s o ft h ei n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y a n dt e l e c o m a p p l i c a t i o n s ，l o wv o l t a g e h i g h c u r r e n td c i d cc o n v e r t e r sa r e w i d e l y u s e di nt h e e l e c t r o n i cp r o d u c t s s ot h i s p a p e rw i l l f i r s ti n t r o d u c et h es y n c h r o n o u sr e c t i f i c a t i o n ( s r ) ，i t sk e yt e c h n i q u e sa n dg e n e r a lt o p o l o g i e s t r a d i t i o n a ls e l f - d r i v e n s y n c h r o n o u sr e c t i f i c a t i o n ( s d s r ) s c h e m e h a sb e e n s u c c e s s f u l l y u s e di n3 3 v o u t p u tv o l t a g ea p p l i c a t i o n s w h e r et h et r a n s f o r m e ri s u n s y m m e t r i c a l l yd r i v e n h o w e v e ri t i sn o tr e c o m m e n d e di n t o p o l o g i e s w h e r et h e t r a n s f o r m e ri s s y m m e t r i c a l l yd r i v e n f o rt h et r a n s f o r m e rv o l t a g eh a sl o n gd e a d t i m e i nw h i c ht h eo u t p u tc u r r e n tw i l lf l o wt h r o u g ht h eb o d yo re x t e r n a ld i o d e so ft h es r s o nt h eo t h e r h a n d ，t h ed y n a m i cr e s p o n s e o ft h e t o p o l o g i e s w h i c hd r i v et h e t r a n s f o r m e r s u n s y m m e t r i c a l l y i sw o r s es i n c et h e r ei sar i s ko f s a t u r a t i n g t h e t r a n s f o r m e rd u r i n gt h el o a ds t e p s s ot h es y m m e t r i ct o p o l o g i e sa s h a l f - b r i d g ea n d p u s h p u l la r er e c o m m e n d e df o rt h e i rb e t t e rd y n a m i cr e s p o n s ep r o p e r t y t h a n k st ot h e p r o p o s e ds i n g l ew i n d i n gs e l f d r i v e ns y n c h r o n o u sr e c t i f i c a t i o n ( s w s d s r ) a p p r o a c h ， w i t ha na d d i t i o n a l w i n d i n g ，i ta l l o w s f o r m a i n t a i n i n gt h e s r so ne v e nw h e nt h e v o l t a g ei n t h et r a n s f o r m e ri sz e r o s oi tc a nb ea p p l i e di ns y m m e t r i ct o p o l o g i e sa n d m a k e si tp o s s i b l et od r i v et h es r s p r o p e r l y e v e ni nv e r yl o wv o l t a g ea p p l i c a t i o n s i nt h i sp a p e r ，t h eo p e r a t i o n p r i n c i p l e so ft h eh a l f - b r i d g ec o n v e r t e rw i t hs w s d s r s c h e m ew i l lb ea n a l y z e d a n da l s ot h ep a r a m e t e r so ft h em a i nc i r c u i ta n dt h ec o n t r o l l o o pw i l lb eo p t i m i z e dt h r o u g hs i m e t r i xa n dm a t l a bs i m u l a t i o n s s w s d s rs c h e m ei s v e r yp r o m i s i n gf o rl o wo u t p u tv o l t a g ea p p l i c a t i o n sb u ti t s b e h a v i o ri s h i g h l yd e p e n d e n t o nt h e c o u p l i n ga m o n g a l lt h e w i n d i n g s ( p r i m a r y ， s e c o n d a r ya n da u x i l i a r y ) i n f l u e n c eo ft h em a i np a r a m e t e r si sa n a l y z e dt h e o r e t i c a l l y a n dt r a n s f o r m e r sw i t hd i f f e r e n ti n t e r l e a v e ds t r u c t u r e sa r ed e s i g n e da n dc o m p a r e di na h a l f - b r i d g e c o n v e r t e rw i t hs w s d s r t h et r a n s f o r m e rw i t ht h el o w e s t l e a k a g e i n d u c t a n c ec a ng e tt h eb e s tp e r f o r m a n c e a4 5 w p r o t o t y p ei s b u i l ta n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sv e r i f yt h ea n a l y s i sa n d d e s i g n so ft h i st o p o l o g y k e y w o r d s ：l o wv o l t a g e h i g hc u r r e n t s i n g l ew i n d i n g s e l f d r i v e ns c h e m e ； l e a k a g ei n d u c t a n c e d c t d cc o n v e r t e r s ；s y n c h r o n o u sr e c t i f i c a t i o n s y m m e t r i c a lh a l f - b r i d g e ；t r a n s f o r m e rd e s i g n 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 起各 日期：如争年6 月4 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 之卷 张呔 日期：蜥牛年6 月2 华日 日期：j n 正年6 月2 弘日 第一章绪论 第一章绪论 随着新一代数据处理器、通讯设备、便携式设备、网络产品等信息产品的飞 速发展，低电压大电流开关模块( v r m ) 在通信设备与各类电子设备中，已得到广 泛的采用，市场需求量巨大。随着输出电压的进一步降低和负载电流的进一步增 大，整流损耗在变换器整个损耗中占了很大比例，同步整流技术在低压大电流变 换器中越来越被广泛运用“4 1 。本章在介绍低压大电流变换器相关背景的基础上， 归纳和提出了同步整流的关键技术。 1 1 研究背景 随着信息技术产业的飞速发展，高速超大规模集成电路体积不断减小，计算 机、工作站、网络服务器、便携式设备都得到迅猛发展。为了进一步提高微处理 器处理电路的速度，实现更加快速有效的数据处理，提高工作频率，降低供电电 压，低压大电流电源就是实现这些目的的最有效手段。以典型的i n t e lp e n t il i r i p r o ”1 微处理器为例，目前其工作主频最高可以达到4 g h z 以上，供电电压最低降到 0 8 v ，输出电流将逐步超过1 0 0 a 。同时动态响应速度大大提高，电流变化率可达 到4 0 0 a u s 以上，而同时最大允许的电压降不能超过1 0 0 1 2 0 m y 。图卜l 展示了 i n t e l 公司c p u 电压电流的发展趋势。 图卜li n t e l 公司c p u 电压电流的发展趋势 f i g i 一1 i n t e lc p uv o l t a g ea n dc u r r e n tr o a dm a p 从上图可以看出，c p u 工作电压逐渐降低，并且有继续降低的趋势，由于c p u 的功耗基本不变，所以工作电流将逐渐增加，且有继续上升的趋势，而且动态响 应速度也逐渐加快。计算机的工作模式转换速度加快，如在休眠模式( s l e e pm o d e ) 和工作模式( a c t i v em o d e ) 这两种模式的相互转换过程中，就要求低电压大电流计 算机高频开关电压必需具有极高的动态响应特性。 华南理工大学硕士学位论文 从国外开关电源市场“1 来看，随着计算机通讯设备持续稳定的增长及新的网 络产品市场的快速发展，未来的开关电源市场是非常乐观的，对中小功率变换器 的需求更是呈迅速上升趋势。据权威专家预测 6 - 83 在今后几年中，小功率d c d c 变换器的趋势是：为了适应超高频c p u 芯片的迅速发展，d c d c 变换器将向着低 输出电压、高输出电流、低成本、高频化、高功率密度、高可靠性、高效率、快 速动态响应的方向发展。 目前国内对中小功率低电压大电流d c d c 变换器的研究尚未取得较大进展， 以大规模生产3 3 v 以下输出电压、5 0 a 以上输出电流的模块电源为主，对更低电 压的低电压大电流d c d c 变换器的研究，尚未能引起足够的重视。为了使更多产 业和科技工作者关注这一技术，作者将在本章中将对目前低电压大电流d c d c 模 块的发展状况和同步整流的关键技术进行较为深入的阐述和分析。 1 2 低电压大电流d o d o 模块的现状与发展 模块电源主要分为d o d o 、a c d c 和d c a c 三种，而其中d c d c 模块占据了 9 0 的市场份额。随着通信系统对电源产品的要求越来越高，d c d c 模块电源技 术正发生着巨大的变化，朝着低电压大电流的方向发展。电压最低小于0 8 v ，负 载电流最高大于1 0 0 a 。为了获得更高的效率，同步整流技术在这些d o d o 模块电 源中的作用越来越重要，应用也越来越广泛。 2 0 0 3 年在上海举行的d o d o 电源专题研讨会上，艾默生网络能源有限公司提 出了关于未来d c o c 模块电源发展的6 个具有挑战性的新技术：改进的同步整流 技术；谐振复位软开关技术；移相谐振软开关技术；高精度稳压的多路输出技术； 并联均流技术和厚铜箔多层p c b 技术。 其中排在首位的就是改进的同步整流技术。d o d o 模块电源绝大部分运用于 通信产品中，其特殊的负载要求使得同步整流技术的运用变的尤为重要。而一些 基本的同步整流技术的运用普遍存在着以下的缺点：死区时间相对较长，m o s f e t 管体二级管导通损耗增大，效率比较低；容易产生电流反灌现象：不支持模块并 联工作；输出不能外加电压和模块关机时输出端易产生负压等等，电流反灌现象 和由其引起在关机时产生的负电压如图卜2 所示。 这些异常现象的产生主要因为同步整流电路具有某些特殊性，如m o s f e t 管支 持电流双向流动的特性和其整流部分交叉耦合的对称拓扑结构等。为了克服基本 同步整流技术的缺点提出了改进的同步整流技术。 改进后的同步整流电路采用了电压型混合驱动方式，对同步整流管栅极进行 电压信号的控制。这种方法综合了电压型自驱动和电压型外驱动的优点进行取长 补短，既能按较精确的时序给出驱动电压信号，同时其附加的驱动电路也比外驱 2 第一章绪论 动方式简单，是同步整流管驱动方式的发展趋势。栅极电荷保持f g a t ec h a r g e r e t e n t i o n ) 电压驱动技术就是其中一种典型的方法。 图卜2 电流反灌现象和因其引起的关机时负向电压现象 f i g 1 - 2b a c k f l o wo ft h ec u r r e n ta n dt h en e g a t i v ev o l t a g ec a u s e db yi t 这种方法已经被普遍应用于各种拓扑的同步整流管驱动中。其工作原理和波 形如图卜3 所示。栅极寄生电容c 的电荷由二极管d 和开关s 保持，所以栅极驱 动电压v g s r 2 被筘位。直到开关s 导通，c 上的电荷被放掉，v g s r 2 为零m o s f e t 才被关断。- 般来说v g s 采用变压器次级的电压信号控制。其中电容c 可利用s r 2 的等效栅极电容，电阻r 是用来限制冲击电流和控制s r 2 的关断时间，采用这种 驱动方法可以减少体二极管的续流时间。 厂、 ! i 瞳 | 图1 - 3 栅极电荷保持电压驱动图1 4 改进的同步整流电路图 f i g 1 - 3g a t ec h a r g er e t e n t i o nd r i v e f i g 1 - 4i m p r o v e ds rc i r c u i t 这里同步整流管即s r 2 的关断信号非常关键，如果s r 2 关断延迟过长将会导 致关枫反弹，延迟更长会导致负压而影响电路工作，所以一般采用外加控制信号 对其进行控制，使得关断时序更为精确。如图1 4 所示，外加控制信号s y n c 的上 升沿超前于g t 信号的上升沿，一般情况在1 0 0 n s 左右。当关机信号产生后，g t 信号立刻停止输出，由于p w n 控制i c 的供电电源还存在，s y n c 信号会按开关周 期继续输出，直到p w m 的i c 供电中断为止。s y n c 是脉冲同步信号，有较多p w m 3 华南理工大学硕士学位论文 控制i c 都可以提供这样的s y n c 信号，易于实现。 改进的同步整流技术具有以下优点：效率比较高；无电流反灌：输出可以并 联；输出可以外加电压和输出端特性与肖特基整流基本一致等。 现今在电力电子市场上，大功率模块的需求远不如中等功率( 小于2 0 0 w ) 的 需求大，特别是在高利润的新技术市场如通讯系统中，小型封装模块的需求如四 分之一砖块乃至八分之一砖模块都有非常好的市场全景。而其中c e l e s t i c a ， s y n q o r ，v i c o r ，d i d t ，e r i c s s o n ，a s t c c ，d e l t ap o w e r ，a r t e s y n ，n e t p o w e r 等正是 国际上生产低压大电流高功率d c d c 模块电源的著名厂家。下面以s y n q o r 为例 简单介绍这种低压大电流高功率d c d c 模块电源在拓扑，封装，散热，器件选取 等方面的一些先进技术。 功率拓扑： 图卜6s y n q o r 模块专利电路拓扑 f i g 1 6s y n q o r sp a t c h e dt o p o l o g y 其拓扑采用了b u c k 变换器加电流或电压型推挽变换器的两级式拓扑，如图 1 - 6 所示，其中后级主要是以电流型为主。前极b u c k 变换器实现p w m 控制稳压， 电流型推挽级( c u r r e n t f e dp u s h p u l ls t a g e ) 提供隔离，电流型是指隔离级输入端 接有电感，这样流入隔离级原边电流本将保持不变。 两级式的拓扑让人觉得在成本和效率上不具有竞争性，但是s y n q o r 公司的这 一拓扑运用于其所有的产品，对采用同步整流具有独特的优势，鲁棒性也极好， 而且可以大大减小同步整流管的应力，使其与输入电压无关，对于m o s f e t ，其导 通电阻基本上是与耐压值的2 4 次方成正比，这样有利于同步整流管的选取。 热设计 从进入模块电源行业起s y n q o r 就一直采用开放式( o p e n f r a m e ) 设计，当时 大多数厂家采用的是基板加散热器的设计，如图卜7 所示。 实际应用中t 2 寸高的金属基板式模块和t z 寸高的散热器组合使用，由于 同步整流技术的使用效率从8 0 提高到9 0 左右，在输出功率不变的情况下 甚至可以不用散热器。在现在的通讯设备中，板间距离越来越小，目前已逐渐流 4 第一章绪论 行0 9 寸的宽度，单板和单板之间的空间只用0 7 寸。在这种场合下，金属基板 式模块已经无法使用散热器，留给散热风道的宽度也只有0 2 寸，这样就显著影 响散热效果。 图卜70 7 寸板距，基板式模块与开放式模块气流情况对比 f i g 1 - 7a i rc o n d i t i o n si nb a s e p l a t em o d u l ea n do p e n - f r a m em o d u l ew i t ho 7 ”b o a r dd i s t a n c e 而采用敞开式设计的s y n q o r 模块，一般厚度只有0 4 寸或更小，由于没有基 板式模块常见的塑料外壳，模块与所安装的单板之间的空隙可以流过空气，而且 表面高低不一，散热效果很好。与基板式结构相比，成本较低，工艺也简单很多。 开关频率和瞬态响应性能 两级式变换拓扑的瞬态响应性能和滤波器尺寸取决于b u c k 变换级，其频率对 于减小滤波元件的尺寸和变换器的瞬态响应很重要。b u c k 变换级一般工作在 2 0 0 k h z ，隔离级可以同频工作，或者工作在2 分频或4 分频，隔离变压器工作电 压不变，占空比接近1 0 0 ，且双向磁化，因此尺寸相对于单级变换器的变压器 大大减小，效率较高。其拓扑中没有设计输出电感，有利于瞬态响应性能，且布 局更加灵活方便。多个标准s 0 8 封装的同步整流m o s f e t 管设计在模块边缘，有利 于散热，模块的最高效率可达到9 5 以上。 封装和制造 在高密度模块电源领域，先进的封装技术是必不可少的。s y n q o r 模块采用厚 铜f r 4 板，磁心采用p q 型和r m 型，磁件全部嵌入p c b 板中，输入输出引脚采用 针式与p c b 连接引脚底部截面为多边形，利于回流焊。距离引脚端子处约2 m m 处有凸台，这样可以保证焊接后模块与单板间有4 0 m i l 间隙，利于散热。 e m i 问题 隔离模块通常有共模干扰的问题，共模干扰的主要来源是变压器一侧的交流 电压耦合到另一侧而引起。基板式模块中这一问题更严重，特别是在2 0 5 0 m h z 频段。原边m o s f e t 快速开关时，其漏极电压快速切换，伴随有寄生参数带来的几 个周期的高频( 例如2 0 5 0 m h z ) 振铃。为减小热阻，基板式p c b 的铜箔层和金 5 华南理工大学硕士学位论文 属基板之间的绝缘层通常很薄( 例如1 0 1 5 u m ) ，使得其寄生电容很大( 对于d 2 p a k 焊盘，可以大于3 0 0 p f ) ，所以m o s f e t 的漏极就和金属基板之间有一个较大的寄 生电容了，参见图1 - 8 。 图卜8m o s f e t 漏极和金属基板之间的寄生电容 f i g 1 - 8p a r a s i t i cc a p a c i t o rb e t w e e nt h ed r a i no fm o s f e ta n dm e t a lb a s e p l a t e 同样，副边整流管的阴极或者同步整流管的漏极相对于金属基板也有较大的 寄生电容，这样就给共模电流( i = c d v d t ) 提供了通道，使得输出端或输入端的 杂音变大。典型地，开放式模块外接一级共模滤波即可达到基板式模块外接两级 共模滤波的效果。 1 3 同步整流的关键技术 低电压大电流d c d c 变换器发展主要取决于它的同步整流技术( s y c h r o n o u s r e c t i f i c a t i o n ) 的发展，而对同步整流关键技术的研究主要集中在以下几项： 夺整流器件 对于目前采用的整流器件m o s f e t 管。”来说，一般存在导通、驱动、开断、 体二极管等损耗。其损耗特性可由“质量因子”q 来表示，它定义为导通电阻和栅 极电荷的乘积( r 。+ q 。) 。质量因子越小，m o s f e t 的性能越好，现今市场上使用 的同步整流管的典型值大约为1 0 0 2 0 0 ( m q t n c ) 左右，最低可以达到3 0 一4 0 ( m q + n c ) 。为了降低导通损耗就必须增大器件的尺寸，这样同时也会增大栅极 和漏极电荷，因此产生了更大的容性相关损耗，特别是在高开关频率情况下，容 性相关损耗将成为d c d c 变换器最主要的损耗。因此在提高m o s f e t 效率时面临一 大限制，就是必须在导通电阻和栅极电荷之间折中，即导通损耗和容性损耗之间 折中。应尽量降低m o s f e t 的质量因子，并使得整流器件各参数之间达到最优化， 从而提高电路效率。 令死区时间 同步整流技术中，如何减小同步整流管驱动的死区时间，从而减小在死区时 6 第一章绪论 间内体二极管导通所产生的损耗对整体效率的影响一直是被普遍关注的问题。并 联肖特基管以及在本文后面将要提到的单绕组自驱动方式都可以减少体二极管续 流的时间，从而提高效率，也使得同步整流技术可以跟更多的死区时间较长的电 路拓扑相结合使用。 夺驱动方法 整流管的驱动方法有自驱动和外驱动，以及两者相结合的混合驱动三种： 1 ) 自驱动方式从电路某一点直接获取驱动信号，简单，经济，可靠，能获得 比较高的效率，但是驱动波形不理想； 2 ) 外驱动方式通过附加的逻辑控制和驱动电路，产生随主变压器副边电压相 应时序变化的驱动信号，驱动s r 管，驱动波形好，效果稳定可靠，但是电路复杂， 成本高： 3 ) 混合驱动方式综合了以上两种驱动方法的优点进行取长补短，既能按较精 确的时序给出驱动电压信号，又能使其附加的驱动电路也比外驱动方式简单。 同步整流的驱动同时也可以采取电压型驱动“”1 和电流型驱动“3 1 ”两种形 式，但两者都存在各自的局限。电压型驱动方式中不同的拓扑其驱动方式各异， 限制了很多拓扑的运用，驱动信号受输入电压影响大，且无电流反馈，不适于在 i ) c m 状态下工作，并联工作时又会引起电流环流等等，但其控制电路控带8 简单， 所以被较多采用。电流型驱动方式电路较为复杂，工作频率低，因为需要电流传 感器，效率较低，成本高，并且不易于控制。 夺动态响应 新一代微处理器的电流变化率将高达a n s 的数量级小功率电源将面临着更 快速的负载突变，所以电源变换器必须具有非常快速的动态响应性能“”1 。快速 动态响应速度的实现主要由输出滤波环节的动态响应决定，对应于输出电压的过 冲( 上冲或者下冲) ，可通过降低输出滤波电感值和加大瞬态变化时滤波电感上电 压的方法，来满足负载对输出电压的严格要求。滤波电感的减小主要通过增加开 关频率和选择合适的拓扑形式来实现，而频率的增加是有限的，所以必须采用更 先进的集成封装技术，把各部分的寄生参数减至最低，另外同时采用具有快速能 量传输速度的功率拓扑，提高响应速度，多路b u c k 并联电路就是提高动态响应的 一种新型拓扑。 夺轻载效率 大部分同步整流电路中部存在轻载时效率偏低“”的问题。为了提高动态响应 速度，一般输出电感值都比较小，这会引起轻载情况下电感中的电流变负，出现 环流使得导通损耗加大。可以运用多模式控制的方法，在轻载时采用变频，重载 中采用固定频率，防止电感中电流变负，强迫其工作方式从c c m 转入d c m 减少 整流管的导通损耗，从而提高轻载时电路的效率。 7 华南理工大学硕士学位论文 夺高总线输入电压 对于典型的微处理器来说，其供电电源v r m 的输入电压一般引自银盒的5 v 或者1 2 v ，经过较长的传输线，供给v r m ，经过v r m 的电压调节后低压给微处理器 供电。但随着新一代微处理器对更低电压和更高电流的要求，传统的集中供电方 式因其较长的电源线所引起的分布阻抗较大，在电源走线上损耗太大，高频工作 时还会引起较大的寄生振铃现象，影响v r m 对电压的调节能力，降低了功率密度 和效率。因此现在的低压大电流d c d c 变换器将逐步采用高输入电压( 2 4 v 、4 8 v 或者更高) ，其供电结构也逐步发展为分布式供电系统，以减小线路上的损耗，满 足不断升高的功率等级的要求。 夺功率密度及其封装技术 高功率密度”的实现，其有效措施是高频化，即减小交换器中的磁性元件 和大容量电容的体积。但高频率化的同时，开关损耗及铁芯损耗增大，电路寄生 元件也将对系统工作性能和散热情况产生负面影响。应采用一些先进的封装和工 艺技术，如磁性器件集成技术和特殊p c b 技术( 包括多层p c b 设计技术、p c b 高 频变压器设计技术、p c b 电感设计技术和电路主回路无焊点技术) 可进一步提高 变换器效率，减小电路中寄生元件参数的大小，实现高功率密度。 1 4 本文的研究内容 论文的主要内容包括： 1 归纳和提出了同步整流的关键技术和发展趋势，并简单介绍了低压大电流 d c i d c 模块的先进技术； 2 对现有同步整流拓扑结构的工作特性及其优缺点进行较为深入的分析； 3 对单绕组自驱动同步整流对称半桥电路的工作原理进行了详细的分析，建 立了对称半桥电路的小信号模型，并用s i m e t r i x 和m a t l a b 工具对其进行时域和 频域的仿真，修正主电路和控制电路的参数； 4 详细分析了影响变压器工作性能的各种因素，讨论了不同变压器绕法对变 压器漏感的影响，并对变压器的各参数和损耗进行计算； 5 ，制作一台4 5 w 的单绕组自驱动对称半桥同步整流电路的原理样机，进行完 整的特性分析，包括轻重载工作特性、效率特性等，验证了原理分析及设计的正 确性和工作性能的优越性。 1 5 本章小结 本章主要介绍了同步整流技术的背景、关键技术及本文的主要研究内容。并 对同时介绍了低电压大电流d c d c 模块的现状和发展趋势。 8 第二章同步整流技术 第二章同步整流技术 整流电路作为低电压大电流d c d c 变换器的重要组成部分，对变换器的性能 起着非常关键的作用。随着输出电压的降低和输出电流的增大，整流管上的电压 降所造成的损耗成为变换器的主要损耗。对于较低的输出电压，即使采用导通压 降只有0 3 v 左右的肖特基二极管作为输出的整流元件，其输出压降造成的损耗亦 相当可观。在这种情况下，应采用低压功率m o s f e t 管替代二极管整流，有效减少 低电压大电流d c d c 变换器整流部分的损耗，使变换器获得较高的效率。因为 m o s f e t 整流管的驱动时序应与电路的工作要求一致，所以被称为同步整流管，与 之相关的技术，也被称为同步整流技术。本章简单介绍了介绍了同步整流技术的 概念，并列举了一些常见的同步整流电路拓扑。 2 1 同步整流技术介绍 2 1 1 同步整流的概念 所谓同步整流，即用m o s f e t 代替常规的整流二极管，根据电路拓扑的工作要 求，给出与开关时序作相应变化的栅极驱动信号，基于栅极驱动信号与m o s f e t 开关动作接近同步，称之为同步整流( s y n c h r o n o u sr e c t i f i c a t i o n ，下文可简称 s r ) 。以最简单的b u c k 电路为例进行说明，如图2 一i 所示，其中( a ) 用二极管d 1 作为续流整流管，( b ) 用m o s f e t 管q 3 作为续流整流管。 v i n 一 i 一 ) jd 1c 来i o ( ： i v i n 啦 l ( a ) 二极管作为整流管( b ) m o s f e t 作为整流管 ( a ) d i o d ea sr e c t i f i e r( b ) m o s f e t sa sr e c t i f i e r s 图2 - 1 基本的b u c k 同步整流电路 f i g 2 1b a s i cb u c ks r c i r c u i t 对应c c m 工作模式，q 1 关断后，拓扑必然要求续流整流管开通，在采用m o s f e t 代替二极管后的( b ) 电路中，此时给q 3 加上开通驱动信号，使其开通，只要m o s f e t 的开关信号根据电路拓扑要求作相应变化，且开关速度足够快，就可以认为d s 间开关动作与电路保持同步，实现了整漉功能，这样的电路我们称之为同步整流 电路。 9 华南理工大学硕士学位论文 2 1 2 同步整流h o s f e t 管 m o s f e t 管是利用一种极性载流子( 多数载流子) 参与导电的电力场控效应管。 它分为结型和绝缘栅型两种，是单极型晶体管。m o s f e t 是通过改变栅极电压的大 小来控制内部导电沟道的厚度，从而实现控制漏极电流i 。的目的。当栅极电压v 。 小于开启电压v 。时，无论v 。的极性如何，i 。几乎为零。所以为了减小m o s f e t 器 件的通态电阻，在保证耐压的情况下，应尽量减少导电沟道的厚度，即适当降低 v 。以降低驱动损耗和导通损耗。由于栅极电压v 。的作用仅仅是形成漏极和源极 之间的n 型导电沟道，面n 型导电沟道又相当于一个无极性的等效电阻，所以 m o s f e t 具有双向导电的特性，满足了同步整流电路对整流器特性的要求。图2 - 2 是m o s f e t 的截面图及等效电路。 ( a ) 截面图( b ) 等效电路 ( a ) c r o s ss e c t i o no ft h em o s f e t( b ) e q u i v a l e n tc i r c u i t 图2 - 2m o s f e t 截面图及等效电路 f i g 2 2c r o s ss e c t i o no fm o s f e ta n di t se q u i v a l e n tc i r c u i t 由上可知m o s f e t 管的特点是： 具有双向导电性，导通电阻小，负载电流大，输入阻抗高，驱动功率小， 且驱动电路简单； 正电阻温度系数，电流加大时，温度上升，电阻加大，对电流起自动限流 作用，不会产生二次击穿现象； 多个m o s 管并联使用时，有自动均流作用； 不存在少数载流子的存储效应，开关速度快，工作频率高。 根据以上特点可知m o s f e t 很适合用作低压大电流开关电源的整流组件。选择 功率m o s f e t 也有一些要注意的，它和双极型晶体管不同，栅极电容比较大，在导 通之前要先对该电容充电，当电窑电压超过阈值电压时才开始导通。因此，栅极 驱动器的负载能力必须足够大，以保证在系统要求的时间内完成对等效栅极电容 的充电。而栅极电荷q 。、导通电阻r 。输入输出结电容c 。，。c 和开通关断时 间t t 。等都是需要考虑的参数。 l o 第二章同步整流技术 2 1 3 典型的同步整流电路 图2 3 是最基本的同步整流电路和其典型的驱动波形，其中，q 1 和q 2 是同 步整流管。d 1 和d 2 分别是q 1 和q 2 的体二极管，v 。，。是变压器原边电压，v 。是 副边电压。 厂 厂 uu 图2 - 3 典型的同步整流电路及其驱动波形 f i g 2 - 3 r y p i c a ls r c i r c u i ta n di t sd r i v i n gw a v e f o r m 图中同步整流电路的工作过程是：当副边电压v 。由负变正时，相应的，m o s 管q 2 导通，q l 关断；当v ，。由正变负时，相应的，m o s 管q l 导通，q 2 关断。两 只m o s f e t 管随着副边电压轮流导通和关断，实现了整流功能。 2 1 4 同步整流对驱动波形的要求 同步整流电路对驱动信号是有严格要求的： 1 ) 对驱动电压幅值的选择： 在驱动电压大于1 0 v 以后，m o s f e t 的导通电阻值就保持基本不变了；另外 考虑到m o s 管栅源极间有一层很薄且极易被击穿的氧化层，所以要求驱动电压 不能超过2 0 v ；同时由于m o s 管的驱动损耗为q 。k ，与驱动电压k 成正比，为 保证驱动损耗不至于过大，要求驱动电压不宣过高。 2 ) 同步整流管的驱动时序： 理论上，驱动同步整流管的电压信号在时序上应与电压波形v 保持对应关 系。但由于m o s f e t 管实际的开通和关断并不是理想的，两只同步整流管的驱动信 号之间应保持足够的死区时间，防止因两个s r 管换流时产生共同导通现象。 但死区时间如果设置过长，同步整流管的体二级管流过负载电流时间就变长， 造成较大的导通损耗。因此，从减小损耗角度考虑，死区时间应设置的足够小。 同步整流的理想驱动波形如图2 - 4 所示，要满足下面两个要求： ( 1 ) 电压无为零时段，避免死区时间内的体二极管的导通现象，使得同步整流 损耗主要发生在整流阶段t ( 2 ) 电压波形的上升沿和下降沿要陡，并有合适的电压幅值，以满足m o s f e t 快速开关的要求。 能够获得图2 - 4 所示理想波形拓扑大致有三种：推挽、半桥、全桥。其占空 华南理工大学硕士学位论文 比都一般固定工作在0 5 附近，为了能够对输出电压进行有效的调节，通常加上 前级调节器，即采用两级式结构。根据需要适当调整总线电压v 。，后级采用固 定占空比的开环控制，这种拓扑具有更宽的输入电压范围，同时也易于控制，现 今在工业上被广泛运用。 - v s e c 几几 uu1 l 图2 - 4 理想的同步整流驱动波形 f i g 2 - 4i d e a ls r sd r i v i n gw a v e f o r m 对于死区时间的严格要求。也常常限制了很多副边输出电压波形存在较长零 时段拓扑的运用。如图2 5 所示，因这些拓扑的副边电压波形存在较大死区，不 适和用来驱动s r 管。因此在后面将介绍一种新颖的单绕组自驱动方案，避免体二 极管导通现象，拓宽了对称拓扑在同步整流电路中的运用。 7 ( a ) 正激类 ( a ) f o r w a r dc o n v e r t e r s l卜l i 一 ( b ) 对称拓扑类 ( b ) s y m m e t r i c a l c o n v e r t e r s 厂八 v 一 ( e ) 谐振变换器类 ( c ) r e s o n a n tc o n v e r t e r s 图2 - 5 几种不适和与同步整流电路结合的拓扑的副边波形 f i g 2 5s e c o n d a r yw a v e f o r m sw h i c h a r en o ts u i t a b l ef o rs rc i r c u i t s 2 1 5 同步整流的原副边基本拓扑 驱动同步整流管的方法有外加控制驱动电路、自驱动同步整流以及混合驱动 方法三种。但由于自驱动方法简单、经济、可靠，所以被广泛使用。 对于自驱动同步整流电路，原、副边存在很多不同的拓扑，对变换器性能影 响甚大，所以如何根据实际情况选择适合拓扑，使得变换器性能最优化，降低成 本，对同步整流是一个很重要的问题。 ( i ) 在低压大电流d c d c 变换器中，变压器原边的基本拓扑可以是下面五种： 1 反激式：2 正激式；3 推挽式；4 半桥式；5 全桥式。 反激式变换器显然不适合低电压大电流的要求，因为它的输出纹波较大，变 压器漏感引起较大的电压尖峰，功率不大( 1 5 0 w 以下) ，变换器效率不高，而且 1 2 第二章同步整流技术 只能在电压和负载调整率要求不高的场合使用。 正激式变换器”是低压大电流变换器中使用的较多的变换器之一，如图2 6 ( a ) 所示。正激式变换器的优点主要在于结构简单，功率开关管峰值电流较低， 适合用作降压型变换器，易构成多相变换器。因此，它最早应用于低压大电流的 变换器。但是，其缺点也是明显的：1 ) 它需要一个额外的磁复位电路来避免变压 器的磁饱和；2 ) 对变压器的设计要求比较高，要求漏感小，以减小续流管在关断 过程中的损耗：3 ) 同步整流中的死区过大使得其效率减小；4 ) 整流管的体二极 管不仅在其导通的过程中增加了电路的损耗，在其关断的过程中，由于其反向恢 复特性，也会引起能量损耗。 全桥式拓扑的主功率开关管所承受的电压比半桥式拓扑小一倍。但低压大电 流d c d c 变换器，输入电压并不高，半桥式拓扑”3 4 43 和全桥式拓扑所表现的性能 几乎相同，相比之下，半桥式结构节省了两个昂贵的功率m o s f e t 管，降低了成本。 由于其电路中的变压器体积小，利用率高，开关器件承受峰值电压电流较小，因此在 低压大电流d c d c 变换器中，半桥式变换器的应用最为广泛。如图2 - 6 ( b ) 所示。 推挽式结构的整流管驱动方式与带倍流整流的半桥式结构是相似的，如图 2 - 6 ( c ) 所示。对于通常的推挽式结构来说，因为功率开关管集电极电压应力两 倍于输入电压，而且其主变压器的原边利用率也不如半桥。所以，它适合于更低 的输入电压情况下使用。 ( a ) 正激式( f o r w a r d )( b ) 半桥式( h a l f - b r i d g e )( c ) 推挽式( p u s h p u l l ) 图2 - 6 三种适合低电压大电流输出的变压器原边拓扑结构 f i g ，2 - 6t o p o l o g i e ss u i t a b l ef o rt h ep r i m a r ys i d ei nl o wv o l t a g e h i g hc u r f e o td c d cc o v o e r t e r s ( i i ) 适用于低电压大电流输出的变压器副边拓扑有三种： 1 正激式拓扑( 半波整流) ：2 中心抽头式拓扑( 全波整流) ；3 倍流整流式 拓扑。电路拓扑分别如图2 7 ( a ) 、( b ) 、( c ) 所示。 正激式拓扑在大电流输出的情况下，其结构并不占有优势。因为它的输出电 流波动较大，为了保证大电流时的滤波效果，滤波电感要做的比较大，而且变压 器副边工作不对称，对变换器的性能影响很大。 1 3 华南理工大学硕士学位论文 落翱一- l 一。j ：啻 隹挚 【m， fl - l 一 _ jl il 1 一遗卜 ip - h ( a ) 正激结构( f o r w a r d ) ( b ) 中心抽头( c e n t e r - t a p p e d ) ( c ) 倍流整流( c u r r e n td o u b l e r ) 图2 7 三种适合低电压大电流输出的变压器副边拓扑结构和相应波形 f i g ，2 7t o p o l o g i c ss u i t a b l ef o rs e c o n d a r ys i d ei n l o wv o l t a g e h i g hc u r r e n td c d cc o n v e r t