（电力电子与电力传动专业论文）基于同步整流技术的通讯用非隔离电源模块的研制.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h ed e v d o p m e n to ft h ec o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n tf u n c t i o n ，i ti sn e c e s s a r yt o d e v e l o pn e x tg e n e r a t i o no fn o n i s o l a t e dd cp o w e rm o d u l ew i t hl o wv o l t a g ea n db i g c u r r e n t t h i sp a p e rr e v i e w st h ed e v e l o p m e n to ft h ec o m m u n i c a t i o np o w e r , a n dp o i n t so u t s o m ed e s i g ni s s u e s i nt h i sf o u n d a t i o n ，t h i sp a p e rt h e o r e t i c a l l ya n a l y z e dt h ef e a s i b i l i t y o ft h eb i d i r e c t i o n a lc o n d u c t i b i l i t ym o s f e tu s e da st h ee l e c t r i cv a l v eo ft h eb u c k c o n v e r t e r t h r o u g hw i t ht h eb u c kc o n v e r t e rc i r c u i tc o n t r a s t e d ，t h i sp a p e ra n a l y z e dt h e s rb u c kc o n v e r t e r sw o r kp r o c e s s a n de n h a n c e dt h ee f f i c i e n c yo fp o w e rm o d u l eb y s o f ts w i t c ht e c h n o l o g ya n ds c h o t t k yd i o d er e v e l 苫ep a r a l l e l l a s t l y , b - s p i c es i m u l a t i o n o ft h es rb u c kc o n v e r t e rw a sa c h i e v e d ，a n dt h es i m u l a t i o np a r a m e t e r sw e r eu s e dt o o p t i m i z et h ed e s i g n a d o p t i n gt h ep r o p o s e dt e c h n i q u eo fs y n c h r o n o u sr e c t i f i c a t i o n ，an o n i s o l a t e d p o w e rm o d u l ew i t h1 2 vb u s - v o l m g ei n p u ta n d1 2 5 va d j u s tp o s s i b l y 2 0 ao u t p u ti s d e s i g n e d t h ep o w e rm o d u l eu s et h et p $ 4 0 0 7 1o ft i 髓t h ep w m c o n t r o li c u s e v i s h a ys 1 7 8 6 0a n ds 1 7 3 3 6s e p a r a t e l ya st h es w i t c h i n gv a l v ea n dt h ee l e c t r i cv a l v e t 1 l ep o w e rm o d u l ec o n f o r mt ot h ed o s as t a n d a r da n dap r o t o t y p ei sb u i l t t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sv e r i f yt h ee f f e c t i v e n e s so ft h ep r o p o s e da p p r o a c h k e y w o r d s ：n o n i s o l a t e dp o w e rm o d u l e ，s y n c h r o n o u sr e c t i f i c a t i o n ，m o s 凡强 b u c kc o n v e r t e l s p i c e i l 讯 j 【亡工繁火港 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工 作所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：毹耀麓 日期：妒年了月“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，即：学校有 权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。本人授权湖北工业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。 学位论文作者签名： 日期：瓣f 月 娣譬 日 指导教师签名 日期：彬年f 月西日 湖北工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研制通讯电源模块的必要性 随着网络的普及和3 g 技术的推广，通讯已经从原来的计算机之间、手机或电 话之问通讯等单一的通讯模式逐步的向高速多元化方向发展，包括手机、个人计 算机、电视、甚至是家电之间都能够实现数据传输，为此负责这些终端设备之间 通汛的通讯设备的工作量也随之成倍增加，其自身不仅仅要求具有强大的数据处 理传输能力，也需要实现多媒体操作手段，因而通讯设备就需要集成c p u 、内存、 显示屏、硬盘等硬件设备。 与此同时，由于服务器、交换机、路出器等通讯设备容易受到自身体积和使 用环境限制，对配套电源在外形和功率上要求十分苛刻，还要求其具备较高的工 作效率、稳定性和低e m i 等。为了解决以上问题，就需要专门针对通讯设备的具 体单元尤其是核心芯片设计生产高稳定性的电源模块。 1 2 通讯电源模块的发展特点 随着电信技术的飞速发展，电信网络结构日益复杂，作为通信系统的动力组 成部分，即通信系统的心脏通信电源系统的重要性日益体现出来。今天，通 信大发展已使我国电信网的总体规模居于世界各国前列，更加需要有一个与此相 适应的通信电源来支撑这个大网的安全可靠运行。近几年来，通信网与通信业务 处理、传输以及移动、卫星、数据通信等设备的技术发展很快，大多数已达到或 接近世界先进技术水平，但通讯电源技术却相对地落后了，传统通信电源无论从 供电制式或是从电源模块化程度方面看，都远满足不了日新月异的电信网的技术 要求。作为通讯设备稳定工作能量来源，通讯电源在保证高效率、低干扰、高集 成度等基础上，还应考虑可靠性、良好拓扑结构和散热性等问题2 】，总而言之， 通讯电源的发展呈现以下几种趋势： 1 2 1 高频低压大电流 随着器件集成技术的发展，通讯设备中c p u 、内存等频率在不断提高。由于 频率的提高，如果仍然采取常规的核芯电源电压，发热问题将是一个难以解决的 湖北工业大学硕士学位论文 问题。i n t e l 公司在1 9 9 7 年提出了该题目，在该公司的p e n t i u m 或更高的c p u 中核 心电压降得很低，但是需要更大的电流。通常是采取一种名为v r m ( v o l t a g e r e g u l a t i o nm o d u l e ) 的电压调整模块束实现。比如c p u 的工作电压已经从p e n t i u m 时代的2 5 v 降到现在6 4 位c p u 的1 2 v ，但是其功率却从原来的不到1 0 w 提高 到了8 0 w ，同样内存电压也从原来的s d r a m 的3 3 v 到最新的d d r 2 内存的1 8 v ， 通讯设备中使用的各种芯片、d s p 等的工作电压也部存在同样的特点。但是在芯 片集成度越来越高、运行速度以十八个月为更新周期的时代，目前的v r m 不能适 应该要求。对现代和可以预见的未来，通讯设备对v r m 的要求如表1 - 1 所示1 川14 j ： 表1 1 未来v r m 的性能指标 由表1 1 可以看出，对新代的计通讯类电源提出了较高的要求。同时在用 电质量上也有了许多指标，如要求低谐波( l o wh a r m o n i c s ) ，高功率因数( h i g l l f a c t 0 0 、高效率( m 曲e f f i c i e n c y ) 、低e m i ，体积小，对原生电网无谐波影响等， 并因此产生了绿色电源的概念。这一系列的要求给电力电子行业的技术人员提出 了挑战，进而也促进了技术的发展。 1 2 2 采用多级总线式电压输入输出 目前常用的以太网交换机路由器等通讯设备供电可分为4 8 v 总线电压供电和 外置电压适配器供电两种。后者主要应用于小型以太网交换机和无线设备的供电， 因为这类设备使用电压单一，其电源的应用相对简单；而对于大型通讯设备例如 集聚式主干交换网络中的交换机内部存在相当数量的各式芯片用于实现实际运用 中要求的各种功能，而这些芯片或者模块因为工艺和工作量的不同往往要求不同 的电压输入。 传统计通讯与算机设备一般采用集中式供电，由专门的隔离式电源输出不同 的电压然后连接到单板上对单板上的各个单元进行供电，但是由于输电距离过远 产生的电压降将使得系统供电出现较大的波动，因此计算机电源也采取了通过在 重要芯片附近放置调压整流装置再对c p u 等核心器件进行二次供电的方式。 湖北工业大学硕士学位论文 最新的通讯电源拓扑也沿用了这种方式，并在此基础上采用了一种更为科学 的总线式供电方式。如图1 1 ，通讯设备一般通过a c d c 电源产生直流一4 8 v 总线 电压，然后通过二次隔离电源模块产生1 2 v 或者5 v 总线电压，之后在核心器件 附近使用稳定性更高的三次非隔离电源模块对各个高性能器件单元进行精确供 f 乜。 图1 1 通讯电源分布式总线结构 1 2 3 由隔离逐步向非隔离转化 传统通讯电源设计通常采用隔离式方案，因为隔离式电源相对于非隔离式电 源而言使用更为安全，电源输入级的变化一般不会对输出级产生影响，而采用非 隔离电源如果输入级电压产生波动或者其他不稳定因素直接会影响到输出级，比 如输入级电压开启过程中的振荡和过欠压会直接在输出级表现出来。例如电源采 用1 2 v 输入3 3 v 输出的非隔离电源如果输入级启动存在一个7 v 的瞬时电压过冲， 假如这个时候正好电源中的功率器件如m o s f e t 处于导通状态，那么输出端也会 产生相应数量级的电压过冲，从而输出电压瞬时可能是额定值的数倍之多。而一 般的高性能芯片或模块对电压允许的波动一般都严格控制在5 1 0 ，上下浮动超 过这个允许值就可能导致芯片或模块无法正常工作或者烧毁。 隔离电源相对于非隔离电源虽然有着较高的安全性，但是隔离电源却存在效 率相对较低损耗大的缺点，这样一来隔离电源发热量一般比较大大都需要加装笨 重的散热片，在制作过程中不可避免的需要更多的人工焊接安装工序：另一方面 更为重要的是目前为止隔离电源所使用的反馈电路一般都很难以对输出电压等参 湖北工业大学硕士学位论文 数进行精确的调节，输出电压会因为导线过长和线阻等原因产生一定的波动，如 何对那些工作电压低却对电压等参数较为敏感的芯片进行精确供电是一直困扰电 源工程师的大问题。因此现在最为通行的方法就是在具体的芯片附近额外采用非 隔离式电源进行精确供电，而在非隔离电源之前采用隔离式的电源模块进行降压 处理，也就是在前面提到的总线式电源分布的二次电源采用隔离式，三次电源之 后均采用非隔离电源模式。 随着新型高效器件和更为科学的反馈环节的采用前端一次电源的精确性将不 断改进，作为降压环节的二次隔离电源将逐步被去掉，而形成a c d c 电源后直接 采用非隔离电源模块的供电拓扑结构。因而未来通讯电源研究的侧重点将从隔离 电源的研究将逐步向非隔离电源的研究转移1 5 1 1 6 】。 1 2 4 电源模块化体积小型化 以往通讯行业往往是由电源工程师设计好方案后出不同的硬件工程师针对自 己的装置直接在其单板上进行电源部分的设计，这样一束电源的设计使用千奇百 怪，一旦使用出了问题整板都需要进行更换维修，无形中增加了产品成本。针对 目前通讯电源采取的这种总线式电源分相，那么从三次电源( 部分为二次电源) 开始主要是对不同芯片模块就近进行供电的非隔离电源，如果我们专门针对不同 的芯片设计诸如1 5 v 、3 3 v 和5 v 等不同输出电压的电源势必会加大电源设计的 工作量，因而越来越多的人意识到应当采用类似于计算机内存模式的模块电源， 那样研发人员只需要在需要非隔离电源模块供电的芯片附近安装标准插槽就行 了。根据实际需要，这种模块需要具备输入电压范围较宽、输出电压能够任意调 节和其他相应的开关保护等等辅助功能，现在的通讯电源也确实正在朝此方向发 展中。 电源模块化是一方面，但一方面现在通讯设备根据实际需要体积是有严格控 制的，即使是在核心交换网络中的交换机柜也是有诸多不同功能单板组成，其单 板实际设计空间实际上也只能按照普通交换机的空间高度进行设计。也就是说如 果要实现模块化，就必须根据同类型产品最小化装置的体积容量进行设计，现在 一般千兆的以太网交换机高度就是一个i u 4 5 接口加上适量余量，其高度仅仅只有 4 0 m m ，而实际在内部单板留给电源模块的高度仅仅只有不到2 5 r a m 的空间，为符 合国际上通用的d o s a ( d i s t r i b u t e d p o w e ro p e ns t a n d a r d s a l l i a n c e ，分布式电源开 放标准联盟) 标准vj ，通用的低压非隔离直流电源模块宽度标准仅仅只有5 0 8 m m 的宽度。在高度和宽度都受到限制的情况下，通讯用非隔离电源模块也必须朝小 4 湖北工业大学硕士学位论文 暑曼! 暑曼詈曼曼! 皇詈曼曼皇曼曼鲁詈ii 曼詈詈詈! ! 鼍皇詈詈鼍皇詈量! ! 曼詈! 曼詈! ! ! ! 曼曼! ! 皇詈皇曼詈鼍皇 型化发展。 1 3 通讯用非隔离电源模块的发展现状 电源模块的研究丌始于上世纪7 0 年代后期，8 0 年代未由于通讯网络发备的出 现，通讯电源也随即大规模更新换代，通讯用非隔离电源模块的研发设计也随之 开始8 1 1 ”。 1 9 9 9 到2 0 0 5 年模块电源全球市场由3 0 亿美元增加到6 0 亿美元，主要的市场 增长点为数据通讯，其中5 v 输出所占的 = l f f f j 从3 0 ( 1 9 9 9 年) 下降到l o ( 2 0 0 5 年) ，而5 v 以下低压电源的比例从2 0 ( 1 9 9 9 年) 下降到4 0 ( 2 0 0 5 年) 。由于非 隔离电源模块比隔离电源模块可靠性等各方面更适合于低压电源，因此非隔离电 源模块比隔离电源模块速度更快，基本占据了绝大部分的低压电源市场【1 0 l 。 在非隔离电源模块市场方面，传统通讯电源制造商如n e m l c l a m b d a 、 v i c o r 、p o w e r - o n e 、a s t e c 、t y c o 和e r i c s s o n 等基本占据了8 0 以上的 市场份额，国内通讯用非隔离电源模块制造起步于9 0 年代后期，而且基本上集中 在中兴、华为、大唐等几个大型通讯设备制造企业，这些企业的非隔离电源模块 研制水平在近几年上升很快，基本上赶上了世界水平，而且这些企业基本上占据 了国内通讯电源的大部分市场份额l “】。 随着半导体集成、模块电源封装和电路拓扑的进步，非隔离电源模块进入了 一个全新的时期，正一步步向器件级发展。随着模块电源集成化和致性设计的 推进，模块的应用也日趋标准化，应用电路越来越简单，选型也变得相对容易。 目前，各模块电源厂商研究方向主要有两点，一方面对原有进行器件和电路的整 合来尽量降低成本，提高竞争力；另一方面则是通过器件和电路的改进来进一步 提升电源模块的功率。而且，随着非隔离电源模块的发展，其在模块电源的使用 领域势必会进一步加大。 1 4 通讯用非隔离电源模块的设计难点 上面谈到了通讯电源的发展趋势，而且低压大电流d c d c 非隔离模块电源一 直占模块电源市场需求的一半左右，具备一定的市场前景，但是非隔离电源模块 的设计也比较困难，设计难点包括如下几点【1 2 】1 1 3 1 ： 1 、模块体积小，器件多，布局非常困难； 2 、由于模块工作频率高，功率器件高频工作下带来的干扰非常大，对布线要 5 湖北工业大学硕士学位论文 求非常高； 3 、模块额定电流大，功率密度非常高，工作环境温度变化也大，如何解决散 热问题将非常关键： 4 、模块要求具备一定的保护能力和可控性，如何进行合理的配套电路设计也 是一个问题： 5 、如何建立最为接近的电源模块仿真模型进行相应的可靠性仿真分析，以便 于以后模块的性能提升也是非常重要的。 1 5 本文主要内容和研究意义 1 5 1 本文的主要内容 本文从分析同步整流b u c k 变换电路的工作原理分析入手，针对通讯非隔离电 源的相应要求制作了一款通讯用低压大电流非隔离电源模块。先后进行了理论分 析、s p ic e 建模仿真、实际p c b 电路的制作和实验测试，系统的完成了整个课题的 研究工作。 1 5 2 本文的主要结构 本论文第一章绪论部分为课题的提出及作者将做的工作，并简要介绍了通讯 电源的发展概况。第二章为m o s f e t 双向导通特性分析及同步整流技术的简单介 绍和分类。第三章为同步整流b u c k 电路的工作原理和相应的改进。第四章为基 于同步整流技术的非隔离电源模块的各个组成单元的电路设计。第五章使用 b - s p i c e 仿真软件对相关电路进行仿真，并对制作的电路板进行性能测试，结果证 明方法的可行性。第六章为全文总结和研制的非隔离电源模块的市场前景分析。 湖北s - 业大学硕士学位论文 第2 章m o s f e t 特性分析和同步整流技术 本章将分析电力丌关器件m o s f e t 的工作原理，从工作原理上分析其双向导 通特性，并介绍了用m o s f e t 取代原有功率二极管作为整流管的同步整流技术的 应用情况，为下一章进一步分析同步整流原理和通讯电源中同步整流技术的改进 做准备。 2 1m o s f e t 特性分析 2 1 1m o s f e t 的发展 m o s f e t 是英文m e t a l o x i d e s e m i c o n d u c t o rf i e l de f f e c tt r a n s i s t o r 的缩写，意 即“金属氧化物半导体场效应晶体管”。m o s f e t 的理论在1 9 2 0 1 9 3 0 年就已经 提出，但由于缺乏合适的半导体材料和先进的工艺，场效应晶体管的发展非常缓 慢。i r 公司的w i l l i a ms h o c k e l y 在1 9 5 2 年提出了结型场效应晶体管( j e f t s ) 。 d a c e y 和r o s s 在1 9 5 3 年对它加以改进。在j f e t s 中，两个p n 结分别替换 了原模型中的金属接触，原来的两个金属电极分别称为源极和漏极，金属板为栅 极，这一m o s f e t 工艺一直延用至今。之后，虽然m o s f e t s 小信号方面的研 究仍在继续，但是功率m o s f e t 设计上并没有明显的改进。直到七十年代，才 开始介绍有新的m o s f e t 产品。八十至九十年代是功率m o s f e t 兴起的年代。 八十年代功率m o s f e t 与晶闸管并行发展。九十年代m o s 器件迅速占领了大 部分的中小功率器件市场，尤其在功率变换领域。 从m o s 型器件来看，它一直在向两个方向发展： 按传统功率半导体的方向，即希望器件能有较高的电压，但仍有较低的内 阻或压降。 m o s f e t 的更为主导的方向是向极低内阻等方向发展。最典型的就是在通 讯设备中的应用，改进的趋势是高效、高频。为达到这种性能，它要求每个m o s f e t 由更多更小的m o s f e t 元胞组成。这就要求其工艺精度必须向微米甚至是纳米方 向发展。 7 湖北工业大学硕士学位论文 2 1 2m o s f e t 工作原理 m o s f e t 种类和结构繁多，按导电沟道可分为p 沟道和n 沟道。当栅极电压 为零时漏源极之问就存在导电沟道的称为耗尽型；对于n ( p ) 沟道器件，栅极电压 大于( 小于) 零时才存在导电沟道的称为增强型。在电力m o s f e t 中，主要是n 沟道增强型。电力m o s f e t 在导通时只有一种极性的载流子( 多字) 参与导电， 是单极型晶体管，其导电机理与m o s 管相同，但结构上有较大区别。小功率m o s 管是一次性扩散形成的器件，其导电沟道平行于芯片表面，是横向导电器件。而 目前电力m o s f e t 大都采用了垂直导电结构，所以又称为v m o s f e t ( v e n i c a l m o s f e t ) 。这大大提高了m o s f e t 器件的耐压和耐电流能力。按垂直导电结构的 诧异，电力m o s f e t 又分为利用v 形槽实现垂直m o s f e t ( v e r t i c a lv - g r o a v e m o s f e t ) 和具有垂直导电双扩散m o s 结构的v d m o s f e t ( v e r t i c a ld o u b l e d i f f u s e dm o s f e t ) 。这里暂时还是以一般m o s 器件为例进行讨论【1 4 】【1 5 】【1 6 】【17 1 。 如图2 1 所示为m o s f e t 结构，在一块掺杂浓度较低的p 型硅衬底上，用光 刻、扩散工艺制作两个高掺杂浓度的n + 区，并用金属铝引出两个电极，分别作漏 极d 和源极s 。然后在半导体表面复盖一层很薄的二氧化硅( s i o 。) 绝缘层，在漏一 源极间的绝缘层上再装上一个铝电极，作为栅极g 。另外在衬底上也引出一个电极 b ，这就构成了一个n 沟道增强型m o s 管。显然它的栅极与其它电极间是绝缘的。 图2 1 m o s f e t 结构 m o s 管的源极和衬底通常是接在一起的( 大多数管子在出厂前已连接好) 。从 图2 - 2 ( a ) - 看出，增强型m o s 管的漏极d 和源极s 之间有两个背靠背的p n 结。 当栅源电压v g s = 0 时，即使加上漏一源电压s ，而且不论l i d s 的极性如何，总有 一个p n 结处于反偏状态，漏源极间没有导电沟道，所以这时漏极电流j ，0 。 湖北工业大学硕士学位论文 若在栅源极间加上f 向电压，即v o s 0 ，则栅极和衬底之间的s i 0 2 绝缘层中 便产生一个垂直于半导体表面的由栅极指向衬底的电场，这个电场能排斥空穴而 吸引电子，因而使栅极附近的p 型衬底中的空穴被排斥，剩下不能移动的受主离 子( 负离子) ，形成耗尽层，同时p 衬底中的电子( 少子) 被吸引到衬底表面。当 v c s 数值较小，吸引电子的能力不强时，漏一源极之间仍无导电沟道出现，如图2 2 ( 舢 所示。s 增加时，吸引到p 衬底表面层的电子就增多，当s 达到某一数值时， 这些屯子在栅极附近的p 衬底表面便形成一个n 型薄层，且与两个n + 区相连通， 在漏一源极间形成n 型导电沟道，其导电类型与p 衬底相反，故又称为反型层，如 图2 2 ( b ) 所示。s 越大，作用于半导体表面的电场就越强，吸引到p 衬底表面的 电子就越多，导电沟道越厚，沟道电阻越小。我们把- 丌始形成沟道时的栅源极电 压称为开启电压，用蜥表示。 ( a ) 图2 2m o s f e t 工作原理 ( b ) 由上述分析可知，n 沟道增强型m o s 管在s v t 时，漏极和源极之间形成n 型沟道，由于n 型沟 道的电阻很小，故在漏源正电压s 的作用下，电子从源极流向漏极，或者说，正 9 湖北工业大学硕士学位论文 电荷从漏极流向源极，这就是通常采用的m o s f e t f 向导电特性。 事实上，可以看出，栅极电压s 的作用仅仅是在于形成漏极和源极之问的n 型导电沟道，而n 型导电沟道相当于一个无极性的等效电阻。因而从理论上分析， 若改变漏源极的电压极型，即漏源极加反向电压价反向，电子也会反向从漏极流 向源极，f 电荷将从源极流向漏极，实现m o s f e t 反向导电特性【1 8 1 1 1 9 】。 通过以上分析可知，m o s f e t 实际上是一个双向导电器件，只是在以往的应 用中无须利用到反向导电特性，一般的电力电子教程也往往只介绍了单向导通的 应用，因而形成了m o s f e t 只能单向导电的一般概念。为论证m o s f e t 的双向导 通特性，本文还将在后面的章节中利用s p i c e 对m o s f e t 的反向导通电路进行仿 真论证。 由于m o s f e t 独有的双向导通特性，此外随着工艺的改进最新的m o s f e t 开关频率已经超过了1 m h z ，新型电源的设计中已经越来越多的被设计者所采用， 使用前景一片光明。 2 2 同步整流技术 2 2 1 同步整流的由来 对于采用开关变换器的d c - d c 电路而言，损耗主要有3 部分：功率开关管的 损耗、开关变压器的损耗和输出高频整流管道损耗。对通讯用二次电源而言，整 流管道损耗尤其突出。对于通讯用非隔离电源模块而言输出采用低电压大电流供 电方式如1 - 2 v 2 0 a 等系列，若采用肖特基管整流，由于肖特基管正向导通压降 ( 0 4 0 7 v ) 同电源输出电压相比，占到很大比例，仅整流管上损耗就达到( 1 0 4 0 ) p 0 ( p 0 为电源输出功率) ，占电源总损耗电6 0 以上，因而，如何减小肖 特基整流管带来的损耗，是提高功率变换器效率达关键。在上节我们谈到了 m o s f e t 具有双向导通这一其他开关器件所不具备的特殊特性，因此我们完全可 以用m o s f e t 来替代肖特基二极管充当整流管，在这种情况下一种新式的整流逆 变技术成为现在直流电源研究的热点，这便是我们所要谈到的同步整流技术。 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，给出开关时序作相应变化的栅极驱动信号，由于栅极驱动信号与m o s f e t 开关动作接近同步，称为同步整流( s y n c h r o n o u sr e c t i f i c a t i o n ，下文简称s r ) 。以图 2 3 所示的b u c k 电路为例进行说明，( a ) 用肖特基二极管作为续流整流管；( b ) 用m o s f e t 作为续流整流管。采用这一变化之后，由于m o s f e t 低管压降、开关 湖北工业大学硕士学位论文 频率高等特殊性能，原来的b u c k 电路中整流采用肖特基二极管带来的效率比较 低、肖特基二极管自身损耗过大导致的发热量大等问题都随着用m o s f e t 替代进 行整流被解决。 图2 3 由m o s f e t 替换肖特基二极管的b u c k 电路 2 2 2 同步整流电路的分类 随着用m o s f e t 代替二极管进行整流，由于m o s f e t 需要外加驱动信号，因 此我们需要额外的驱动电路对整流m o s f e t 进行控制。现在所进行的同步整流研 究已经相当广泛，包括a c d c 、d c d c 各种升降压电路中都开始有所尝试，对于 同步整流的分类我们一般都是根据驱动电路形式来进行分类或根据是否采用隔离 变压器来加以区分【2 0 】【2 1 】。 图2 4 同步整流管驱动方式：( a ) 自驱，( b ) 外接驱动电路 湖北工业大学硕士学位论文 ( 1 ) 按驱动同步整流管的驱动电路分类，大致可分为两类： 自驱动同步整流fs 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 ) ：即从电路中的某一 点，直接获取电压驱动信号，驱动s r 管。如图2 4 ( a ) 所示是一种比较常用的 从主变压器的绕组副端上直接获耿驱动电压。 外加控制驱动电路( e x t e r n a lc o n t r o l 】：通过附加的逻辑控制和驱动电路，产 生出随主变压器副边电压作相应时序变化的驱动信号，驱动s r 管。如图2 4 ( b ) 所示就是外接i c 驱动信号的外驱方式，这种方式驱动信号电压幅值恒定，不随副 边电压幅值变化，驱动波形好。这种方案能提供高质量的驱动波形。但需要一套 复杂的控制驱动电路，增加了成本，也延长了研发时问。从这个角度出发，这种 驱动方案并不是很理想。 ( 2 ) 按是否采用变压器隔离分类，可分为隔离同步整流和非隔离同步整流两 类： 非隔离同步整流电路( n o n i s o l a t i o ns y n c h r o n o u sr e c t i f i c a t i o n ) ：如图2 5 ( a ) 所示，输入端采取直接接电源，驱动方式一般都是采用外加驱动电路方式。第一 章我们曾谈到过非隔离电源具有输出电压波动小的特点，比较使用于通讯三次电 源侧对芯片等进行精确供电，但是这种电路对前端电压的抗干扰能力较差，前端 的电压波动会直接在输出端体现。 图2 5 ( a ) 非隔离同步整流电路，( b ) 隔离同步整流电路 湖北工业大学硕士学位论文 隔离同步整流电路( i s o l a t i o ns y n c h r o n o u sr e c t i f i c a t i o n 、：隔离同步整流电 路一般都有变压器或者双向功率电感，如图2 5 ( b ) 所示，这种电路具有一定的 抗前端干扰能力，但是这种电源输出电压根据供电距离存在不同程度的电压降， 这种电源一般用于一、二次电源进行大功率电压转换。 2 3 本章小结 本章通过对m o s f e t 自身的物理构造的分析说明m o s f e t 自身具备双向导通 这个特殊特性，同时分析了直流整流电路中采用二极管效率低下的情况下使用 m o s f e t 代替二极管续流的同步整流技术的出现、发展和同步整流电路的分类等， 为下章进一步讨论同步整流电路原理做了一个前期铺垫。 湖北工业大学硕士学位论文 第3 章同步整流电路工作原理和在本课题中的改进 本章将研究应用于分布式总线电压通讯电源系统的非隔离电源模块中的 d c d c 转换原理，分析同步整流b u c k 变换器的稳态和动态性能，详细研究整流原 理和针对通信电源要求做出的相应改进，研究结果表明经过改进后的同步整流 b u c k 变换器具有动态响应速度快、输出纹波小、输出滤波器要求低和效率高的特 点。 3 1d c d cb u c k 降压变换器 在整流电路中使用最为广泛原理最为简单的电路是如图3 1 所示的b u c k 降 压变换器【2 2 】： 二岢。牛呵工 1 。去c 牛 i 鲤) 。 ( 墅垂i 图3 4 同步整流b u c k 降压变换器 图3 5 同步整流降压变换器工作理论波形图 1 7 湖北工业大学硕士学位论文 与b u c k 降压变换器的工作原理相似，同步整流b u c k 降压变换器工作过 程仍然分为两个部分，不同的是承担续流作用的0 2 的栅极驱动信号也需要由另外 的驱动电路对其进行丌关断： 在一个开关周期t s 内，前半个周期s 高电平q 1 导通，此时电流由q 1 流向 电感对电感进行充电的同时对负载供电； 后半个周期s 低电平q 1 关断，此时电感通过整流m o s f e t q 2 续流对负载 放电。 在稳念工作时，同步整流b u c k 降压变换器的理论工作波形如图3 5 所示， 通过波形我们可以看到，m o s f e t 虽然可以与功率电感配合完成反向续流，但是 一个比较严重的问题出现了，在丌关频率比较高的时候m o s f e t 的丌启和关断不 是阶越完成的，实际开关过程中m o s f e t 的丌关程曲线上升和下降状态，从图3 5 中t 1 t 2 时间段我们可以看到这个时候虽然两个m o s f e t q l 、q 2 都处在导通状态， 也就是说虽然q 1 、q 2 的栅极驱动信号只q 2 导通，但是q 1 管实际并未完全关闭， 这样一来有可能会形成如图3 6 所示q 1 、q 2 都处于导通状态而电源的输入电压 直接加在两个m o s f e t 上面的状况，这种情况下就极有可能发生输入电压贯通上 下两个m o s f e t l 2 5 1 。 图3 6 由于应该关断的m o s f e t 尚未完全关闭时导致 电流可能直接贯通上下两个m o s f e t 垂t m o s 管的导通阻值非常小，根据功率公式p = 警这个时候两个m 。s f - 一e t 将产生一个较大功率，而m o s f e t 自身并无耗散，这些功率就只能产生为热 湖北工业大学硕士学位论文 量。一般的电源都比较大，采用的m o s f e t 也都会有一个比较大的接地焊盘用于 散热，而在通讯电源的使用中受到了环境体积的限制往往缺乏这些散热条件，尤 其是本课题设计的通讯用非隔离电源模块因为体积小只能够采取贴片式的 m o s f e t ，热量根本无法通过额外的散热片散发出去，虽然模块的开关频率比较 高，这个过程可能只是一个瞬间过程，但是由于热量无法一下子就散发出去就会 产生积累，一般的m o s f e t 节温最大值都在1 5 0 以下，一旦超过这个温度m o s f e t 将会烧毁。于是我们便要运用目前较为成熟的软开关技术避免这一现象的发生。 3 3 运用软开关技术后的同步整流b u c k 变换器 软开关技术的概念于上世纪8 0 年代由美国的d i v a n 博士提出，经过2 0 多年 的研究其技术不断成熟现在电源中软丌关的使用可以晓是比比皆是了。所谓软 开关技术，就是指通过电感和电容的谐振，使在丌通或关断期间流过功率开关管 的电流或电压按正弦或准正弦规律变化，使丌关器件开通或关断时，两端电压或 流过的电流为零。软丌关技术可以减小甚至完全消除变换器中开关元件在开关过 程中的损耗，使缓冲吸收电路成为多余。采用软开关后，由于开关频率不受丌关 损耗的限制，大大提高了丌关器件的工作频率，减小了丌关器件的散热器体积， 大大减小了变换器的体积和重量，提高了变换器工作可靠性和效率，同时使得输 出纹波降低，提高了输出纹波频率，使输出滤波电感和输出滤波电容减小【2 7 1 。 目前使用最为广泛的软开关技术主要包括零电压z v s ( z e r o - v o l t a g e s w i t c h i n g ) 和零电流z c s ( z e r o c u r r e n t s w i t c h i n g ) 等，这两类软开关p w m 变换器的主 要优点是【2 8 j 例【3 0 1 ： ( 1 ) 保留了p w m 技术的优点，实现了恒频控制：( 2 ) 谐振元件与主开关并联， 不参与功率传输，因此使主开关的电压、电流应力大大减小了；( 3 ) 辅助谐振电路 只是在主开关管开通或关断时工作一段时间，实现主开关的软开关，谐振元件的 谐振工作时间与开关周期相比很短，一般为开关周期的1 1 0 1 5 。这样辅助谐振电 路的损耗很小。( 4 ) 与以往的软开关变换器相比，能实现零电压( 电流) 开关条件的电 源电压、负载变化范围更宽。 本课题由于采用的开关器件为电压关断型m o s f e t ，因此采用了零电压z c s 软开关方式来消除变换器中m o s f e t 在开关过程中的损耗，其实质就是为了预防 上节谈到的上下m o s n 玎同时导通的情况发生。采用软开关技术后的同步整流电 路如图3 7 所示，在下管q 2 上并联了一个适当大小的电容c 1 ，原先作为滤波用 的电感l 此时也被同时利用为谐振电感与c 1 一起组成谐振单元来实现同步整流电 1 9 湖北工业大学硕士学位论文 路的软丌关。 图3 7 采用软丌关技术后的同步整流电路 采用软开关技术后，同步整流电路中的两个m o s f e t 的导通过程发生了一定 的变化，这个变化主要体现在下管q 2 上面。虽然q 1 、q 2 的门极控制信号几乎没 有变化，但是通过电容c 1 和电感l 组成的谐振电路的充放电，m o s f e t 源漏极 导通时间会发生变化，具体导通原理图如图3 8 所示。 3 口| 口i 口l 口； _ 0 1 v - m t 图3 8 采用软开关技术后的同步整流降压变换器工作理论波形图 通过理论波形我们可以发现，由于下管并联电容的存在，由于每个周期内下 管导通和关断时都会因为对电容和电感充放电而造成下管实际导通时间发生滞后 和提前，从而减少了上下管同时导通的可能性，因此可以大大减少m o s f e t 上的 功率损耗。而且实际运用中，由于m o s f e t 内部感生电容的存在，不仅仅是下管， 上管0 1 也会的开关也会产生相应的滞后和提前，此处之所以在下管处并联电容只 是因为m o s f e t 到通时产生的感生电容较小而采取的电容量的适当补充。 软开关技术主要是通过减少m o s f e t 的损耗来提高电路的效率，但是这个过程是 2 0 湖北工业大学硕士学位论文 以牺牲上下管各自的导通比为代价的，这样一来，虽然m o s f e t 损耗减小了，但 是电容和电感上消耗的无功量反之有了一些增强，如果我们在防止上下管同时导 通减少m o s f e t 损耗的同时也能尽量的减少电感电容等损耗的无功量，电路的效 率将会进一步的提升。 3 4 同步整流b u c k 变换器的进一步改进 上节我们谈到了软开关技术虽然能够减少同步整流电路中m o s f e t 的损耗保 护了m o s f e t ，但是这样造成了两个m o s f e t 导通有了一定的间隙，此时在电容 或者电感上消耗的无功量达到了同步整流电路的1 5 1 6 ，无形中电路的实际效率 降低了近2 0 。我们如果充分利用这个间隙使电路也能够输出有效功率，那么电 路的效率将会达到一个理想的数值。 要想在两个m o s f e t 交替开关的间隙中使电路工作，其实质是在续流过程中 希望电路仍旧能够输出有效功率。根据上面的分析采用软开关技术后的同步整流 电路主要是因为整流管0 2 的开关时问发生了变化，根据实际需要我们可以增加一 个续流管来承担q 2 尚未导通时的续流任务就可以了。续流可以使用二极管或者 m o s f e t ，考虑到使用m o s f e t 还需要另外增加门极导通信号，并且再加m o s f e t 同样会存在上下管同时导通的情况，简洁起见此处我们还是使用只能单向导通的 肖特基二极管。改进后的电路如图3 9 所示。 图3 9 进一步改进后的同步整流电路 我们在通过在整流管q 2 上反一个肖特基二极管，这样一来整个电路在一个周 期内工作的具体过程如下： o t 0 - t l ，m o s f e t 中开关管q 1 导通，整流管0 2 关闭，二极管d 关闭，电路 通过q 1 整流； t l - t 2 ，m o s f e t 中开关管q 1 关闭，整流管q 2 门极信号开通但是由于电 容c 1 和电感l 谐振充电使整流管q 2 仍旧处于关闭，二极管d 导通，电路通过二 湖北工业大学硕士学位论文 极管d 续流； t 2 - t 3 ，m o s f e t 中开关管q 1 关闭，整流管q 2 导通，二极管d 导通，电 路通过整流管q 2 和二极管d 续流，由于m o s f e t 导通阻值远小于二极管d ，绝 大部分电流从q 2 流过； t 3 一t 4 ，m o s f e t 中_ 丌关管q 1 门极信号开通但是由于电容c 1 和电感l 谐 振放电使0 1 仍旧处于关闭，整流管0 2 门极信号关闭但由于开关延迟仍旧处于导 通状态，二极管d 关闭，电路通过0 2 续流； t 4 - t 5 ，m o s f e t 中丌关管q 1 导通，整流管q 2 关闭，二极管d 关闭，电 路通过0 1 整流： ； 具体的工作波形如图3 1 0 所示： 8 口l 臼l 臼l 臼lr o l 图3 1 0 改进后同步整流电路工作原理 通过对改进后的同步整流电路的工作过程分析，我们可以看到改进后的电路 尽可能的使电路工作处在有功状态，反向二极管的使用避免了出现同步整流电路 中两个m o s f e t 同时导通而又保证电路处于整流状态，极大的提高了电路的工作 效率。根据后面实际实验分析，反并肖特基二极管后的同步整流电路的工作效率 基本上大约提高了大约5 1 0 的水平。提高效率同时也意味着电路的实际运用 湖北工业大学硕士学位论文 m o s f e t 等功率器件在高频丌关下发热量的减小，使电路更具实用性。 3 5 同步整流电路的损耗分析 3 5 1m o s f e t 功率分析 前面我们分析m o s f e t 双向导通特性时提到了m o s f e t 相应性