（电力电子与电力传动专业论文）基于同步整流的全桥倍流整流电路的研究.pdf

燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , s m a l la n d m e d i u m - s i z e d p o w e rc o n v e r t e r s h a v eb e e nw i d e l yu s e di n c o m p u t e r s ， c o m m u n i c a t i o na p p l i c a t i o n sa n do t h e ri n d u s t r yf i e l d s i no r d e rt om e e tt h e d e m a n d so ff a s t e ra n dm o r ee f f e c t i v ed a t ap r o c e s s i n gi ns u c hf i e l d s ，t h e d e m a n d so f p o w e rs u p p l yo f t h e s ee q u i p m e n t sa r ea l s oc o n t i n u o u s l yi n c r e a s e d l o w e ro u t p u tv o l t a g e ，h i g h e ro u t p u tc u r r e n t ，h i g h e re f f i c i e n c y , f a s t e rd y n a m i c r e s p o n s ea n dh i g h e rr e l i a b i l i t yi st h et r e n do ft h ed e v e l o p m e n to fp o w e ro f s u p p l y i nt h i sp a p e r , t h ed e v e l o p m e n th i s t o r yo fs w i t c h i n gp o w e rs u p p l yw a s f l r s t l yr e v i e w ，t h ep r e s e n ts t a t u sa n dp r o s p e c to ft h el o wv o l t a g ea n dh i g h c u r r e n td c - d cc o n v e r t e r sw e r e a n a l y z e d , t h e n t h et h r e e t y p i c a l r e c t i f i e r s - - f o r w a r d , c e n t e r - t a p p e da n dc u r r e n t d o u b l e rr e c t i f i e r sh a v eb e e n c o m p a r e d t h er e s u l ts h o w st h a t ，d u et ot h el o wl o s s e so f r e c t i f i e rt u b e ，q u i c k d y n a m i cr e s p o n s ea n dl o wr i p p l e so f o u t p n tc u r r e n t ，c u r r e n t d o u b l e rr e c t i f i e ri s w i d e l ya d o p t e di ns e c o n d a r yt o p o l o g yo f t h em a i nc k c u i t t h ef u l lb r i d g ew i t h c u r r e n t - d o u b l e rr e c t i f i e rw a sm o v e di nt h em a i nc i r c u i tt o p o l o g y , a n dan e w a s y m m e t r i cp w mc o n t r o ls t r a t e g yw a se m p l o y e di nt h ed r i v e r t h i sc o n t r o l s t r a t e g yi se a s yt oi m p m m e n ta n dl i a b l et oa c h i e v es o f ts w i t c h i n g t h e a p p l i c a t i o no f s y n c h r o n o u sr e c t i f i c a t i o nt e c h n o l o g yi nt h em a i nc k c u i tm a k e s i t p o s s i b l et oa c h i e v eh i g he f f i c e n td c d cc o n v e r t e r s t h ew o r k i n gp r o c e s s e so ff u l lb r i d g ec k c u i tw i t hc u r r e n t - d o u b l e rr e c t i f i e r a te v e r ys t a g ew e r e p a r t i c u l a r l ya n a l y z e d , a n ds i m u l a t i o ns t u d yw a sc a r r i e do u t b yp s p i c es o f t w a r ei nt h i sp a p e r ap r o t o t y p ew i t h2 0 0 wp o w e ro u t p u tw a s d e s i g n e dt ov m f rt h ev a l i do ft h e o r ya n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr c s u h s , a n d e x p e r i m e n t a l r e s e a r c h e si nt h et w os c h e m e so ff u l l b r i d g ec i r c u i tw i t h c u r r e n t - d o u b l c rr e c t i f i e ra n df u l l - b r i d g ew i t hc u r r e n t - d o u b l e rr e c t i f i e rb a s e d a b s t r a c t 。 o ns y n c h r o n o u sr e c t i f i c a t i o nw e r ei m p l e m e n t e d t h er e s u l t so fe x p e r i m e n t i n d i c a t e dt h ef u l lb r i d g ec u r r e n t - d o u b l e rb a s e do l ls y n c h r o n o u sr e c t i f i c a t i o n w a sm o r es u i t a b l eu n d e rl o wv o l t a g ea n dh i g hc u r r e mc o n d i t i o n s k e y w o r d s d c - d c c o n v e n e r ；f u l l - b r i d g ec o n v e r t e r ；c u r r e n t d o u b l e r r e c t i f i c a t i o n ；s y n c h r o n o u sr e c t i f i c a t i o n ；a s y m m e t r i cp w m i r 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明；此处所提交的硕士学位论文基于同步整流的全桥倍 流整流电路的研究，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位期间 独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不 包含他人已发表或撰写过的研究成果对本文的研究工作做出重要贡献的 个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本 人承担。 作者签字j 噶。岢， 日期：2 0 7 年钥拥 燕山大学硕士学位论文使用授权书 基于同步整流的全桥倍流整流电路的研究系本人在燕山大学攻读 硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归燕 山大学所有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相关人员。 本人完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人 授权燕山大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布 论文的全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密d ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 千百，轧 u 导师签名：莲厣嚆乖 一 日期：弘7 年驴月彳日 日期：加0 7 年# 月彳日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言， 电力电子技术是- - f - 3 涉及电机控制、电力半导体器件、功率交换、模 拟和数字电路、控制理论、计算机应用、数字仿真的新兴交叉边沿学科【l 】。 电力电子技术主要研究电能变换、处理、传递，研究采用功率半导体器件 完成运动控制和功率变换提供各种交频器和功率控制电源。 开关电源技术是电力电子技术的一个重要的分支，也是一个重要的研 究方向。 传统的晶体管串联调整的稳压电源中，晶体管为线性连续控制，它具 有稳定性能好、输出电压纹波小、使用可靠等优点但由于使用工频变压 器，体积大而且笨重。另外，晶体管在线性放大的状态，需要通过调整晶 体管的导通电阻来保证输出电压的稳定，因此在集电极和发射极之间存在 较大的电压，导致晶体管功率损耗的增加，因此效率较低；再者，过高的 功率损耗将引起电源发热量的增加，需要采用体积很大的散热器。这些缺 点制约着这种稳压电源的发展，也促进了效率高、体积小、重量轻的开关 电源的迅速发展 2 1 。 开关电源的原理结构如图1 1 所示，功率半导体器件工作在开关状态， 通过控制开关的占空比来调整输出电压。当功率管饱和导通时，集电极和 发射极两端的压降接近零：当功率管截至时，集电极电流为零。因此功率 管的损耗大大减少；其次，功率管开关频率可以达到几十到几百千赫兹， 减少了对输出滤波电容和电感的容量要求；再者，开关稳压电源直接对电 网电压进行整流滤波调整，不需要电源变换器，并且对电网电压的适应能 力也有较大的提高。一般线性电源允许电网电压范围为2 2 0 v + 1 0 ，而开 关稳压电源在电网电压从1 1 0 v - 2 6 0 v 范围变化的时候，都能获得稳定的输 出电压。与晶体管串联调整稳压电源相比较，开关稳压电源具有效率高、 重量轻、体积小的明显优点。 燕山大学工学硕士学位论文 交流输入 直流输出 图1 - 1 开关稳压电源原理图 f i g 1 - ip r i n c i p l ed i a f a mo f s t a b i l i z e dv o l t a g ep o w e rs u p p l y 1 2 开关电源发展现状和趋势 开关电源的研究工作主要涉及以下三个方面的内容：( 1 ) 功率开关器件 特性的研究；( 2 ) 主电路拓扑结构的研究；( 3 ) 控制系统的研究。 1 2 1 功率半导体器件的发展现状和趋势 功率半导体器件的飞速发展大大拓宽了电力电子技术的应用范围，是 整个电力电子学的基础【4 】。功率半导体器件从工作方式上面可分为两类：一 类是电流控制的双极性器件，包括晶闸管、g t o 、g t r 等。其特点是由门 极电流来驱动的器件。另一类是八十年代兴起的新型电压控制器件，包括 m o s f e t 、i g b t 、m c t 等。按照控制性能，功率半导体器件又可以分为不 可控、半控、全控型功率半导体器件1 3 1 。 高频开关电源要求功率半导体器件具有较高的开关速度、较低的通态 损耗、较高的输入阻抗以及优良的热稳定性。目前正在开发碳化硅、砷化 钾和金刚石薄片为材料的新型功率半导体器件。在这三种材料中，碳化硅 制造工艺比较成熟，性能较好，因此碳化硅更有前途。 1 2 2 开关电源主拓扑分类 开关电源的核心部分是主电路拓扑，常见的开关电源主电路拓扑可以 分为隔离型和非隔离型两大类。隔离型拓扑主要包括单端反激、单端正激、 2 第1 章绪论 推挽、半桥、全桥、双管正激、正反激组合等。非隔离型拓扑主要包括b u c k 、 b o o t 、b u c k - b o o t 、c u k 、z e t a 、s e p i c 。根据开关电源主电路拓扑的 工作性质来分，d c d c 变换器可以分为三类： ( 1 ) 硬开关p w m 技术由于功率半导体器件存在开通和关断时间，功 率半导体器件在电压和电流不为零的情况下进行关断或开通，存在着电压 和电流波形的重叠，导致功率半导体器件存在开关损耗。随着开关频率的 提高，功率半导体器件的开关损耗相应增加，导致电源的效率降低，同时 还产生了开关噪声。影响了功率密度提高【啦】。 ( 2 ) 谐振变换技术通过谐振可以使功率半导体器件在零电压或零电流 条件下实现开通或者关断，这样避免了开通或关断过程中电压和电流波形 的重叠，降低了开关损耗，提高了效率。但由于谐振变换技术工作在变频 控制方式下，存在控制复杂的问题；另外，在谐振变换技术中存在较大的 电路循环能量，引起较高的功率开关器件的电压( 电流) 应力【2 】。 ( 3 ) 软开关p w m 技术软开关p w m 技术综合了p w m 技术和谐振技术 的优点，包括z v s p w m 、z c s p w m 、z v t - p w m 、z c t - p w m 等。在软开 关p w m 电路中，在功率管开通或者关断时，电路工作在谐振状态下，为功 率开关提供了零电压或者零电流软开关条件，降低了开关损耗；在其他时 刻，电路工作在p w m 状态下，以降低功率器件导体或关断时的开关应力， 而且控制也比较简单。软开关技术一直是电力电子技术研究的热点之一【l 棚。 1 2 3 开关电源控制技术的现状 开关电源是一个闭环的自动控制系统，控制环节的设计是整个电源设 计的重要组成部分。常用的控制电路设计是首先建立主电路的数学模型， 然后根据开关电源的性能指标的要求，运用经典的自动控制理论，设计校 正系统，使系统获得良好的稳态和瞬时性能。控制技术决定使用什么电路 参数以及如何运用这些电路参数来控制开关的通断，以实现稳压的目的。 开关电源工作具有非线性和时变特性，主电路和控制电路的时间常数相差 很大，因此功率变换器建模比较困难，而设计一个性能优良的控制系统的 前提是基于系统各的准确的数学模型1 9 7 6 年rd 。m i d d l e b r o o k 等人提出 3 燕山大学工学硕士学位论文 了开关功率变换器的状态空问平均分析法，较好地建立了d c d c 变换器的 稳态和动态低频小信号模型。这种分析法的思路是在假设系统扰动信号频 率比开关频率低得多和扰动信号幅值远小于直流稳态量的前提下，通过对 开关变换器的分段线性状态方程进行状态平均、小信号扰动和线性化处理， 得到系统的线性小信号状态空间平均模型，在此基础上，可以应用经典控 制理论的根轨迹、b o d e 图和拉氏变换来分析和设计控制系统f 2 】。 1 2 4 开关电源的发展趋势 开关电源的发展趋势，向着以下五个方向发展： ( 1 ) 高频化为减小开关电源的体积，提高功率密度，改善动态响应特 性，小功率d c ，d c 变换器的开关频率将由目前的2 0 0 k h z 3 0 0 k 弛提高副 1 m h z 。 ( 2 ) 高效率应用各种软开关技术，包括无源软开关技术和有源软开关 技术，如z v s z c s 谐振变换、准谐振变换、恒频零开关技术 ( z v s z c s p w m ) 、恒频零转换技术( z v t z c t - p w m ) 等，减小开关损耗和降 低开关应力，以实现高效率基础上的高频化。 ( 3 ) 绿色电源应用功率因数校正技术，提高开关电源输入端的功率因 数，减少对电网的谐波污染，适应“绿色电源”的发展要求。 ( 4 ) 模块化适应分布式供电和节约资源的需要，提高系统的可靠性。 ( 5 ) 低输出电压大电流技术为微处理器供电的电压调节模块 v r m ( v o l t a g er e g u l a t o rm o d u l e ) 4 1 实际上就是一个典型的d c - d c 功率变换 器。它输出电压为1 1 v 0 1 8 v ，并且还要进一步降低的趋势，现在基本是 1 v 以下。而输出电流将增大到5 0 a 1 0 0 a 。 1 3 低压大电流d c d c 变换器的应用 随着信息技术产业的迅速发展，高速超大规模集成电路尺寸的不断减 小，计算机、工作站，网络服务器、便携式设备得到迅猛的发展。在这些 场合，广泛采用直流电源系统。构成这些电源系统的关键部件是各种不同 技术规格的d c d c 交换器模块。丽这些计算机、通讯产品的核心部件是微 4 第1 章绪论 处理器等典型的数据处理电路。对于其供电电源来说，这些数据处理电路 构成一类特殊的负载，工作电压较低、电流较大，各神工作状态相互转换 时对应的电流变化率很高。 ， 研究表明，c p u 的工作电w , ( s u p p l yv o k a g e ) b oc p u 正常工作所需的额 定电压越低，c p u 的运行速度越快，数据处理能力越强。任何电器在工作 的时候都需要电，自然也有对应额定电压，c p u 也不例外。目前c p u 的工 作电压有一个非常明显的下降趋势，采用较低的工作电压主要有三个优点： ( 1 ) 采用低电压的c p u 的芯片总功耗降低了。 ( 2 ) 功耗降低，系统的运行成本就相应降低，这对于便携式和移动系统 来说非常重要，使其现有的电池可以工作更长时间，从而使电池的使用寿 命大大延长； ( 3 ) 功耗降低，致使发热量减少，这时，c p u 可以与系统更好的配合工 作。频率越高，微处理器的工作频率就大为提高，并且其能量损耗也大大 减少。 举例来说，如果将5 v 数字高电平降为1 v ，那么计算速度就可以提高 约5 倍，电能损耗约降低为五分之一。某些笔记本电脑、高速数据处理系 统的电源电压已经下降到2 9 v 0 3 3 v ，甚至1 2 5 v 0 1 5 v 。预计将来会进一 步降低电压。为了提高微处理器的工作频率达到加快处理数据速度的能力， 同时又要求有足够的能量以保证微处理器的正常工作，这就要求电源的输 出电压能够尽量低的同时也要求输出更大的电流。 i n t e l p e n t i u m 微处理器的工作主频在6 0 0 m 以上，供电电压在2 5 v 一3 5 v 之间，主要是将计算机“银盒”中的5 v 或1 2 v 电压，经过较长的传输线引 出，通过微处理器附近的b u c k 变换器进行电压变换得到的为了进一步 提高微处理器等数据处理电路的速度，实现更加快速有效的数据处理，其 工作频率将进一步提高，供电电压将越来越低，而且随着集成度的不断提 高，越来越多的处理器集成电路将集成在同一个芯片上，因此下一代微处 理器的额定电流将达到5 0 a 一1 0 0 a ，甚至更高，要求微处理器有严格的功率 管理措施所有这些对微处理器这类典型负载的供电电源提出了更高的要 求。目前很多研发机构、公司已经针对高速微处理器这类特殊负载的供电 燕山大学工学硕士学位论文 电源进行了广泛的研究。目前，国外对中小功率低电压大电流输出d c d c 变换器的研究己取得了很大进展，对很多关键技术进行了切实有效的研究 和技术储备，能够实现3 3 v 以下输出电压、5 0 a 以上输出电流的模块电源 的大规模生产，且体积己经相当小，功率密度很大。而国内虽然部分单位 已投入了小功率变换器的研究，但是不成气候，未引起很大的重视。入关 以后，国内开关电源研发、生产单位将面对国际开关电源市场的竞争，而 小功率开关电源又是一种技术含量很高的电力电子产品。高可靠性是第一 重要的指标，其次，电磁干扰( e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，e m 【) 、功率因数 校正( p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n , p f c ) 、工艺结构、效率、体积、重量和成本等 指标，所有这些都是决定国内产品能否参与国际市场竞争的重要因素。加 强对中小功率开关电源的研究、开发和组织大规模生产，刻不容缓。 1 4 低电压大电流d c d c 变换器的研究现状 目前，低电压大电流d c d c 变换器的研究主要集中在以下几点： ( 1 ) 同步整流技术( s y n c h r o n o u sr e e t i f i c a t i o n , s r ) 低电压大电流输出 时，普通的二极管或者肖特基二极管的损耗已经无法满足高效率的要求， 因为普通的二极管和肖特基二极管的正向导通压降很大，电流很大时，损 耗在其上的功率相当大。同步整流技术就是在上述情况下应运而生。同步 整流管毕竟是功率场控器件，跟普通二极管不同，其损耗包括导通损耗， 驱动损耗和开关损耗，采用哪种驱动方式使得变换器的损耗最小是目前研 究的较多的一个课题【5 ，“。 ( 2 ) 软开关技术低电压大电流输出时，要提高功率密度必须减少体积 降低损耗，高频化可以缩小体积重量。要实现高频化，很显然传统的硬开 关将使得变换器的损耗增加，变换器的效率无法提高。所有的开关管( 包括 次端的同步整流管) 全部实现软开关是设计师追求的目标。甚至有人提出对 次端的同步整流管采用类似正弦波驱动取代传统的方波驱动的想法t 啦! 。 ( 3 ) 磁集成技术对于低电压大电流输出，要提高功率密度必须减少体 积降低损耗，通常提高频率的方法获得小型化，但是受到磁路特性的限制， 高频化的方法有一定的局限性，频率的提高，会带来磁芯损耗的迅速增加， 6 第1 章绪论 。 因此高频工作时磁芯一般要减额，使得磁芯的利用率降低，限制了体积的 进一步减少。为了减少体积，通常人们将分立的几种磁性元件绕制在一副 磁芯上以减少体积，重量、改善滤波效果。磁集成是一种比较复杂的技术【7 州。 ( 4 ) 功率变换模块的均流问题众所周知，当负载电流很大时，为了降 低同步整流管的正向导通压降，可以采用并联运行的形式并联运行的主 要技术难点是模块间的均流问题，即运行的模块均分负载电流 1 0 - 1 2 】。 1 5 本文的主要工作 本文在参考大量国内外资料的基础上，做了以下工作： ( 1 ) 研究了低压大电流d c d c 变换器的发展现状，分析比较了正激式、 中心抽头式和倍流整流三种d c d c 变换器的副边整流结构。倍流整流结构 的整流管损耗小、动态响应快以及输出电流的纹波小等优点，使其成为低 压大电流的常见的整流结构 ( 2 ) 研究了同步整流的基本原理、典型电路和驱动波形的要求并且介绍 了电压型驱动和电流型驱动两种不同的驱动方式。为采用基于同步整流的 全桥倍流整流电路做了理论准备。 ( 3 ) 详细分析了全桥倍流整流电路的工作过程，采用不对称p w m 控制 技术，在不改变全桥电路拓扑的情况下，使开关管实现了零电压开通和关 断，降低了开关的损耗，提高了变换器的效率。并用p s p i c e 仿真分析研 究了各个开关管零电压的情况。如果增加原边电感的储能，或者增大负载， 就很容易实现零电压开通，但同时加剧了占空比的丢失。 ( 4 ) 最后，设计了输出功率2 0 0 w 的样机，验证了理论的正确性，并对 比了采用全桥倍流整流和全桥同步倍流整流变换器的效率。结果证明，采 用同步整流的全桥变换器的效率明显提高了。 7 燕山大学工学硕士学位论文 第2 章倍流整流器的原理和特点 2 1 倍流整流器的拓扑结构 近年来随着开关电源的发展，一种适合推挽及桥式功率变换器的倍流 整流器副边整流拓扑电路结构脱颖而出【” 1 4 】。其拓扑结构如图2 1 所示，它 们的构成元件是相同的，其中前两个只是二极管和电感的位置不同，这两个 电路的功能是等效的。其中( a ) 是共阳极接法，( b ) 是共阴极接法，( c ) 是( a ) 的另 一种画法从( c ) 能看出倍流整流是由传统的桥式整流演变而来的：将桥式 整流电路中的一个桥臂的两个二极管用两个电感取代，即可获得倍流整流 电路。 俨l i cr 3 俨 ( a ) d 2 ( b ) l l 1 2 t 剐 孓 c = d 1 ：d 口 图2 - i 倍流整流器拓扑。 f i g 2 - 1t o p o l o g yo f c u r r e n t - d o u b l e rc i r c u i t 倍流整流电路适用于推挽和桥式功率变换器的变压器副边侧的高频整 流。在图2 - 1 ( a ) 中，变压器副边绕组产生对称的高频正负方波电压。当副边 绕组的上端电压为正时，副边电流经过l i 、c 和r 、d 2 ，再回到副边绕组； 当副边绕组的下端电压为正时，副边电流经过l 2 、c 和、r 、d 1 再回到副 边绕组。倍流整流器按照这个过程，将高频交流方波电压整流成直流输出 电压。当副边绕组电压为零时，两个二极管都导通，l l 的电流通过c 和r 及d l 续流；而l 2 的电流通过c 和r 及d 2 续流。 2 2 倍流整流的优点分析 适用于低压大电流输出的变压器副边结构有三种：正激式结构 。第2 章倍流整流器的原理和特点 ( f o r w a r d ) ( 半波整流) 、中心抽头式结构( c e n t e r - t a p p e d ) ( 冷、波整流) 和倍流整流 式结构( c u r r e n t d o u b l e r ) 0 2 】。 2 2 1 半波整流结构原理 半波整流相对其它两种整流方式，结构最简单。如图2 2 所示，半波整 流时，当变压器次端电压为正时，d l 导通，与电感、负载构成回路。流过 二极管d 1 的电流等于输出滤波电感上的电流。当次端电压为负时，d l 截 止，电感通过负载、二极管d 2 构成续流回路。此时，输出滤波电感上的电 流等于流过二极管d 2 的电流。但这种结构要求比较大的滤波电感，并且较 之中心抽头和倍流拓扑结构产生更大的整流损耗 1 4 , 1 6 1 。就整流管的损耗而 言，由图2 2 ( a ) 可以看出，在每个开关周期内半波整流总的导通损耗相当于 一个周期内，输出滤波电感上的电流流过一个整流管的损耗，即： 日= 厶2 凡( 2 1 ) ( a ) 半波整流主要波形图 ( ”半波整流拓扑 图2 - 2 半波整流原理图 f i g 2 - 2p r i n c i p l ed i a g r a mo f f o r w a r dr e c t i f i e r 9 鱼鹫 燕山大学工学硕士学位论文 2 2 2 全波整流结构原理 如图2 3 所示，全波整流方式下，当变压器次端电压v 。为正时，二极管 d 1 与输出滤波电感l l 和负载构成回路：当v 。为负时，二极管d 2 与输出滤波 电感l l 以及负载构成回路：死区时间内，也就是变压器次端电压为零时，二 极管d 1 ，d 2 同时导通，均分负载电流【1 7 1 。实际上，在全波整流的拓扑结构 中，滤波电感电压的频率式开关频率的两倍，而在半波整流结构中，滤波 电感电压的频率和开关频率相同，因此，全波整流的电感值比半波整流结 构的电感要小得多。一个周期内，总损耗为： 广11 丑= 2 l 厶如d r + 2 砖厶) 2 也( o 5 - d ) ti ，r = ( 二1t 上，0 2 如( 2 - 2 ) ( ”全波整流拓扑 图2 - 3 全波整流原理图 f i g 2 - 2p r i n c i p l ed i a g r a mo f c e n t e r - t a p p e dr e c t i f i e r 1 0 第2 章倍流整流器的原理和特点 2 2 3 倍流整流结构原理 如图2 3 所示，变压器的副边电压v 。为正时，d 1 关断，d 2 导通，d 2 与 电感l l 、负载以及变压器的副边构成回路，电感l 1 的电流i l l 增大。此时电 感l 2 通过d 2 续流，电感l 2 的电流i l 2 减小：当v 。为负时，d 2 关断，d 1 导通， d 1 与变压器的副边、电感l 2 以及负载构成回路，电感l 2 的电流i l 2 增大。此 时电感l 1 通过d 1 续流，电感l 1 的电流i l i 减小；当v 。为零时，电感l 1 ，l 2 则 分别通过d i ，d 2 续流。倍流的实质是两个电感的交错并联。两个输出滤波 电感上的电压和流过的电流相位差为1 8 0 0 ，实现了滤波电感上的纹波电流互 相部分抵消，故负载电流的纹波大大减小。虽然滤波电感频率与其功率主 开关的相同，但倍流型结构中所需要的滤波电感和电容要比半波整流方式 小，故变换器的动态响应速度快。 电感l 1 和也的电流波形相差1 8 0 。，其合成电流瓴= + 乞) 纹波峰- 峰值 与毛、屯纹波峰峰值的关系可以用电流互消系数蜀：表示，与占空比d 有关， 关系式如下： 墨2 ；2 一了_ = i ( d o 5 ) ( 2 - 2 ) 可见，d 越小，纹波互消的作用就越差。为了利用纹波互消的作用，倍 流整流拓扑希望d 在0 5 附近。 倍流整流时，总的损耗是： b - 2 l 厶以d t + 2 睦厶) 2 r , 。( o 5 - d ) ti 夕= 哇+ d ) 露如( 2 - 3 ) 式中，匕是整流管导通电阻 由此可见，在全波整流和倍流整流的拓扑结构下，整流管的总损耗是 一样的。 与全波整流相比，倍流整流器的高频变压器的副边绕组仅需一个单一 绕组，不用中心抽头。与桥式整流相比，倍流整流器使用的二极管数量少 一半。所以说，倍流整流器是结合全波整流和桥式整流两者优点的新型整 流器。当然，倍流整流器要多使用一个输出小滤波电感。但此电感的工作 燕山大学工学硕士学位论文 频率及输送电流均比全波整流器的要小一半，因此可做得较小，另外双电 感也更适合予分布式功率耗散的要求【1 6 。8 1 。通过倍流整流结构和半波整流 和全波整流结构的三者的比较，倍流整流电路更适用于低压大电流的副边 整流。 ( a ) 倍流整流主要波形图 ( b ) 倍流整流拓扑 图2 3 倍流整流原理图 f i g 2 - 2p r i n c i p l ed i a 粤a mo f c t n r e n t - d o u b l e r r e c t i f i e r 1 2 第2 苹倍流整流器的原理和特点 2 3 副边整流电路电流与占空比的关系 下面比较了副边电流与占空比d 的关系n 3 1 。 在相同条件下为满足相同的输出电压和纹波要求，半波整流和全波整 流拓扑所需滤波电感比倍流整流电感值显著增加。在0 3 3 d 0 5 时，倍流 整流所需电感最小。如图2 4 所示；图中给出了三种整流电路中变压器副边 电流有效值与占空比d 的对应关系。在d 相等时。倍流整流变压器副边电流有 效值和半波方式相当，当半波整流和倍流整流与全波整流拓扑相比和占空 比d 的大小有关系：当d 0 3 3 时，前者比后 者大。但是全波整流拓扑变压器副边是有中心抽头的两个绕组，大电流情 况下中心抽头变压器制作较为困难。 电流有效值 0 4 0 2 0 图2 4 电感电流有效值和d 的关系 f i g 2 - 4r e l a t i o n s h i po f i n d u c t a n c ec u r r e n te f f e c t i v ev a l u ea n d d 综合以上讨论可知，倍流整流通过两个电感电流纹波的相互抵消作用 使输出电流纹波减小，降低了对输出滤波器的要求，并且变压器设计制作 简单，可以采用小电感获得快速动态响应。尤其要说明的是，倍流整流两 个输出电感具有对称性，有利于磁件集成，应用磁集成技术哪】，可以缩小 变换器体积，减轻重量，从而进一步改善低压大电流d d d c 变换器的效率， 提高功率密度和加快瞬态响应速度。 2 4 倍流整流电路的缺点分析 ( 1 ) 需要两个输出电感，比桥式和全波整流多用了一个电感。 ( 2 ) 需要采用电流模式控制来保证两个滤波电感的电流均等 燕山大学工学硕士学位论文 ( 3 ) 在副边侧，存在着不通过输出负载的无效整流电感回路。这时输出 电流很不稳定，因此，倍流整流器存在正常工作条件。 其中正常的工作条件为： 无效整流纯电感回路的工作条件： 工去( 2 - 4 ) c oc 式中，l 为l 1 或l 2 ，= 2 n f ，f 为电路的开关频率 要保证l 1 和l 2 中的电流始终为正值；要有足够大的电感值保证电感 纹波起伏波动值不大；要保证两个滤波电感中电流均等变化n 3 1 。 2 5 本章小结 本章介绍了倍流整流电路的拓扑，并且通过比较半波、全波、倍流三 种结构研究了倍流整流电流的优点，同时也指出了倍流整流的缺点，为本 课题选择倍流整流电路作为副边的整流结构打下了理论基础。 1 4 第3 章同步整流技术的简介 第3 章同步整流技术的简介 3 1 同步整流的原理 整流电路作为低电压大电流d c d e 变换器的重要组成部分，对变换器 的性能起着关键的作用 1 9 - 2 1 】随着输出电压的降低和输出电流的增加，整 流管上的电压降所造成的损耗成为变换器的主要损耗。低电压输出( 如 4 v 5 v ) 时，倘若采用硅肖特基势垒二极管( s i - s b d ) 作为输出整流管，正向 压降约为0 4 v o 5 v ，所以大电流输出时功耗很大。输出电流一定时，整流 二极管的正向压降，与输出电压之间的比值反映了二极管功耗名和输 出功率e o 的功率比( 0 e o ) 的大小由于0 ，e o = 0 ，厶，对于有些变 换器来说，= 1 0 ，故昂，e o = ，。表3 1 给出了这类交换器使用 s i - s b d ( 卸4 v ) 作为整流二极管时的功率比与输出电压之间的关系。 表3 - is i - s b d 用作输出整流二级管时乓，易与的关系( = o 4 v ) t a b l e3 - 1t h er e l a t i o n s h i po f 最，易a n d w h e ns i - s b du s e da so u t p u tr e c t i f i e rd i o d e 吃 5 v3 3 v1 8 v 昂晶 8 1 2 2 2 上述举例表明使用普通的整流二极管，消耗在它上面的功率很大，所 以变换器的效率难以提高；使用同步整流技术则可以较大的减少整流损耗， 从而使得变换器的效率提高 2 2 , 2 3 】。 同步整流技术阱】就是实现同步整流管的栅源极之间的驱动信号与同步 整流管的漏源极之间开关同步的手段或者方法。理想的同步整流技术是使 得同步整流管起到和整流二极管同样的作用，即正向导通，反向截止低 电压大电流输出时，整流二极管的使用会引起很大的能量损耗，大大降低 电源效率。而用于同步整流的低电压功率m o s f e t ，由于其导通电阻非常小， 即使输出电流很大，同步整流管上的正向导通压降很低，因此用低电压功 率m o s f e t 代替整流二极管势在必行。可以说，低电压大电流输出时，同步 整流技术是提高变换器效率的一种有效的手段。早在8 0 年代初就已开展了 1 5 茎坐奎兰三兰堡圭兰垡笙兰 将它应用于低压输出d c d c 变换器中。按表3 1 同样的方法可以得出同步整 流管用于输出滤波时候0 尼与输出电压的关系，如表3 2 所示。 表3 - 2s r 用作输出整流时弓e o 与的关系( f k = o 1 v ) t a b l e3 - 2 t h er e l a t i o n s h i p o f0 e o a n d v o w h e n s r u s e d a so u t p u tr e c t i f i c a t i o n 3 3 vi s v 1 5 v 斥p o 3 5 5 5 6 6 6 同步整流管除了正向导通压降小之外，还有阻断电压高，反向电流小 等优点。其关键是如何驱动m o s f e t ，使之达到理想的同步。因此，同步整 流管的驱动问题是同步整流技术的最核心的问题【2 4 2 6 】。以最简单b u c k 电路 为例进行说明，如图3 1 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 管作为续流整流管。 l ( a )( b ) 图3 - 1同步整流原理图 f i g 3 - 1p r i n c i p l ec h a r to f s y n c h r o n o u sr e c t i f i c a t i o n 对应c c m i 作模式，s 1 关断后，拓扑必然要求续流二极管导通，在采 用m o s f e t 代替二极管后的( b ) 电路中，此时给s 3 加控制信号，使其开通， 只要m o s f e t 的开关信号根据电路拓扑作相应的变化，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，实现了整流的功能，这样的电 路称为同步整流电路口7 也9 1 。 3 1 1 同步整流m o s f e t 管 m o s f e t 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，是单极型晶体管。m o s f e t 通过改变栅极电压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 d ，当电压v 。小于开启电压v 。h ，无论v d s 的极性如何，i d 几乎为零。为了减少m o s f e t 器件的通态电阻，在保证耐压 1 6 第3 章同步整流技术的简介 的情况下，应尽量增加导电沟道的厚度，即适当降低v g s 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，而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。如图3 2 所示 为整流二极管和n 沟道功率m o s 管的电路图形符号。值得注意的是同步整流 时m o s 管是反接的，即电流必须从源极( s ) 流向漏极) ，这与作为开关使用 时是完全不同的。 。，一岛i - ( 门极) 图3 - 2 整流二极管和功率m o s 管的电路图形符号 f i g 3 - 2t h es c h e m a t i cd i a g r a mo f d i o d ea n dm o s 另外m o s f e t 还有其他的特点： ( 1 ) 导通电阻小，负载电流大，输入阻抗高，驱动功率小，驱动电路简 单： ( 2 ) 导通电阻具有正的温度系数，电流加大时，温度上升，电阻加大， 对电流起自动限流的作用，不会产生二次击穿的现象； ( 3 ) 漏极电流具有负的温度系数，因此多个m o s f e t 可以并联使用，有 自动均流的作用； ( 4 ) 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m o s f e t 也有注意的地方：它和双极性晶体管不同，栅极电容比较 大，在导通之前要先对该电容充电，当电容电压超过阈值才开始导通。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。此外，栅极电荷q 。、导通电阻r d s 、输入电容和输 出电容( c k 。和c o 。s ) 等都是要考虑的参数口。 1 7 陇 嗽“，李“ 燕山大学工学硕士学位论文 3 1 2 典型的同步整流电路 如图3 3 是最基本的同步整流电路和其典型的驱动波形。其中q i 和q 2 是 同步整流管，d l 和d 2 分别是q 1 和q 2 的体二极管，v 1 是变压器原边电压， v 2 是副边电压。 v 虽 lv o u t - ( a ) 典型同步整流电路( b ) 驱动波形 图3 3 典型同步整流电路与驱动波形 f i g 3 - 3t y p i c a ls y n c h r o n o u sr e c t i f i c a t i o nc i r c u i ta n d t h ed r i v ew a v e f o r m 容易看出，图3 3 的工作过程是：当副边电压v 2 由负变正时，相应的， 驱动q 2 使它导通，q l 关断；当v 2 由正变负时，相应的，驱动q 1 使它导通， 0 2 关断；两个m o s f e t 随着副边电压的正负导通和关断，实现了整流的功 能。 3 1 3同步整流电路对驱动波形的要求 同步整流信号对驱动信号是有严格要求的 ( 1 ) 对驱动电压的幅值有要求驱动不能大于2 0 v 电压，因为m o s f e t 栅源极之间有一层很薄而且极易击穿氧化层。另外考虑到当驱动大于1 0 v 以 后，m o s f e t 的导通电阻虽有变化，但变化不大，并且驱动损耗和驱动的电 压成正比，所以要求驱动电压不宜过高。 ( 2 ) 同步整流管的驱动时序有要求理论上，驱动同步整流管的电压信 号在时序上应与电压波形v 2 保持对应的关系。但由于同步整流管实际的开 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一定的死 区时间，防止两