（电力电子与电力传动专业论文）同步整流电流驱动技术及其轻载性能的研究.pdf

华南理工大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o f c o m p u t e r a n dt e l e c o m m u n i c a t i o n n e t w o r k ，l o w v o l t a g eh i g hc u r r e n tp o w e rc o n v e r t e ri sb e c o m i n ga l li m p o r t a n tr e s e a r c hp r o j e c ta t p r e s e n t i nt h i sc o n v e r t e r ，r e c t i f y i n gs t a g ew i t hc o n v e n t i o n a ld i o d ec a n n o tm e e tw i t h t h en e e do f h i g he f f i c i e n c ya n dl o ws i z e t h et e c h n o l o g yo fu s i n gp o w e rm o s f e t i n s t e a do fd i o d ei sc a l l e d s y n c h r o n o u sr e c t i f i c a t i o n ( s & s r i m p r o v e s t h e e f f i c i e n c yo f l o w v o l t a g eh i g hc u r r e n tc o n v e r t e r h o wt od r i v es y n c h r o n o u sr e c t i f i e r i st h ek e y p r o b l e m i 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 y n c h r o n o u sr e c t i f i e r c a nb e d i v i d e di n t oc o n t r o l d r i v e ns ra n ds e l f - d r i v e ns rb yt h ew a yo fh o wt od r i v e nt h e p o w e rm o s f e t s e l f - d r i v e ns rc a nb cd i v i d e di n t o v o l t a g e d r i v e n s ra n d c u r r e u t - d r i v e ns r t h i sp a p e ra n a l y z e st h eb a s i ct h e o r yo fs y n c h r o n o u sr e c t i f i c a t i o na n ds t u d i e s t h ed i f f e r e n ts y n c h r o n o u sr e c t i f i c a t i o n d r i v i n gm e t h o d s v o l t a g e c o n t r o ld r i v i n g m e t h o dh a st h ea d v a n t a g eo fs i m p l i c i t yo fc i r c u i t i m p l e m e n t a t i o n s h o w e v e rt h e v o l t a g e c o n t r o ld r i v i n g m e t h o dh a ss o m ew e a k n e s s e sa sl i s t e db e l o w ：d i f f e r e n t s w i t c h i n gt o p o l o g i e sn e e dd i f f e r e n td r i v es o l u t i o n ；i th a sl o we f f i c i e n c ya tl i g h tl o a d ； i tc a n n o to p e r a t ei np a r a l l e ld i r e c t l y w h i l ef o rt h ec u r r e n t d r i v e ns r ，i tn o to n l y h a st h e a d v a n t a g e o fs i m p l i c i t y ，i ta l s oh a st h e a d v a n t a g e s a sl i s t e db e l o w ：i t p r o v i d e sau n i v e r s a la p p r o a c ht o d r i v eas y n c h r o n o u sr e c t i f i e ri nm o s ts w i t c h i n g t o p o l o g i e s ；i tc a no p e r a t ew i t hh i g he f f i c i e n c ya tl i g h tl o a d ；i tc a nb ec o n n e c t e di n p a r a l l e ld i r e c t l y w i t h o u t t a k i n g t h er i s ko fr e v e r s e p o w e rs i n k i n g ，b e c a u s e c u r r e n t d r i v e ns rc a no v e r c o m ea l lt h ew e a k n e s s e so fv o l t a g ed r i y e ns r ， i t b e c o m e st h e h o t s p o t i nt h e s y n c h r o n o u s r e c t i f i c a t i o nr e s e a r c h c u r r e n t d r i v e n s y n c h r o n o u s r e c t i f i c a t i o nc a nb ed i v i d e di n t ot h r e e t y p e s ：c o n v e n t i o n a l c u r r e n t - d r i v e n s y n c h r o n o u s r e c t i f i c a t i o n ； c u r r e n t a m p l i f i e r c u r r e n t - 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 ，e n e r g yr e c o v e r yc u r r e n t 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 o u rr e s e a r c hs h o w st h a tt h e e n e r g yr e c o v e r y c u r r e n t d r i v e ns ri st h eb e s to n e a m o n gt h e m t h i sp a p e ra n a l y z e s t h ep r i n c i p l e sa n dt h eo p e r a t i o nm o d e so ft h e e n e r g yr e c o v e r y c u r r e n t d r i v e ns r s o m es i m u l a t i o n sa r em a d eo nt h ee n e r g y r e c o v e r yc u r r e n t d r i v e nf o r w a r ds r a td i f f e r e n tl o a d s t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tt h ee n e r g yr e c o v e r yc u r r e n t d r i v e ns rl i k ea ni d e a ld i o d et h a tc a nt u r no na n d t u r no f fa u t o m a t i c a l l y i tc a np r e v e n tr e v e r s ec u r r e n tf l o w i n gt h r o u g ht h es r ，a n d 一iii。：。，：。：!：!：!。：。：；。：，。：，。：。，。；。一 口一e 目e e = j e e e j e = = ! ! = = ，e ! ! ! ，e e = = e e ! 目 目= 日日| = j e e = j | 日j 鼍 f o r c es rt oo p e r a t ea td c mw h e ns ro p e r a t e sa tl i g h tl o a d i tc a ne l i m i n a t et h e c i r c u i tc i r c u m f l u e n c el o s sa n di m p r o v et h el i g h tl o a de f f i c i e n c yo ft h es y n c h r o n o u s r e c t i f i e r a tl a s t a f l y b a c ks y n c h r o n o u s c o n v e r t e rw i t h e n e r g yr e c o v e r y c u r r e n t d r i v e nc o n t r o li s b u i l t e x p e r i m e n tr e s u l t sv e r i f yt h a t t h ee n e r g yr e c o v e r y c u r r e n t - d r i v e nc o n t r o lm e t h o dc a ni m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fs y n c h r o n o u sr e c t i f i e ra t l i g h tl o a d k e y w o r d s ：s y n c h r o n o u sr e c t i f i c a t i o n ，v o l t a g e d r i v e n ，c u r r e n t - d r i v e n ，l i g h tl o a d h e a v y l o a d 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：椎、确队日期：多矽年岁月2 庐 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即传和电子舨， 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， 不保密阢 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 日期：2 d d 弓年芗月z 驹 日期鸩年妒谚 l 厶孚 私钐 、， 瞻歹 第一章绪论 第一章绪论 1 1 同步整流技术的研究目的 随着计算机微处理器技术以及高速数字逻辑电路技术的迅猛发展，对低电压 大电流电源的需求也增多。研究表明，工作电压越低，微处理器的工作频率就可 以越高，并且能量损耗也大大减小。如将数字处理器中现有的5 v 数字高电平降 为l v ，计算速度可以提高约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 - 3 ，3 v ，甚至i 5 v 1 8 v 。目前 直流3 3 v 电源已日益取代5 v 电源成为信息设备的电源主流，而预计将来这一电 压将会进一步降低到l v 。为了提高微处理器的工作频率，达到既加快处理数据 速度的能力，又有足够的能量以保证微处理器正常工作的目的，电源供应器输出 电压在尽量低的同时也要能输出相当大的电流。表卜1 是现在和未来的微处理器 电源指标的比较n “”。 表卜1 现在和未来的微处理器电源指标 目前情况预期情况 输出电压2 1 3 5 v1 2 v 负载电流0 3 1 3 a1 5 0 a 输出电压波动 5 2 输出电流变化率3 0 a u s2 0 0 a u s 随着变换器输出电压的降低，整流损耗成为变换器的主要损耗。同步整流技 术可以大大降低这一损耗，从而提高变换器效率。所谓同步整流( s y n c h r o n o u s r e c t i f i c a t i o n ，简称为s r ) ，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，使栅极驱动信号与 m o s f e t 开关动作接近同步。以图卜l 所示的b u c k 电路为例进行说明，( a ) 用二 极管作为续流整流管；( b ) 用m o s f e t 作为续流整流管。 ( a ) 使用二极管进行整流( b ) 使用m o s f e t 进行整流 图卜1b u c k 电路 对应c c m 工作模式，在图卜l ( a ) 中，q l 关断后，d l 承受正向电压自然导 华南理工大学工学硕士学位论文 通，完成续流功能。在采用m o s f e t 代替二极管后的图卜1 ( b ) 中，关断q l 的 同时给q 2 加驱动信号，使其开通，满足续流的要求。类似地，在开通q 1 时，给 m o s f e t 加关断信号，使其关断。只要m o s f e t 的开关信号根据主开关管q l 作相 应变化，且开关速度足够快，就可以认为栅极与源极问开关动作与电路要求保持 同步，实现整流功能。 1 2 同步整流技术对效率的贡献 低电压大电流功率变换器的特点是输出电压低和输出电流大，同时功率密度 高和瞬态响应快。而在低输出电压和高输出电流工作情况下，普通二极管或肖特 基二极管的整流损耗已经无法满足高效率和高功率密度的需要。因为普通二极管 的正向导通压降大( 一般在0 t - 1 0 之间) ，肖特基二极管的导通压降稍低，但 一般也很难低于o 3 v ，因而整流管的导通损耗占总损耗很大比例14 1 。在只考虑整 流管导通损耗的情况下，可以得到变换器效率与整流管压降的近似关系为： r = 击 ( 卜1 ) 。 其中，为对应负载电流为时，整流管的正向导通压降。a 为整流管导 通损耗以外的变换器其他损耗p t l 与输入功率p i n 的比值。 图1 2 给出了由式( 卜1 ) 所确定的效率町随( ) 变化的曲线( 以口为 7 d 参量) 。由图卜2 可以看出，随着输出电压v o 的进一步降低，整流管的压降v o r 将更加逼近v o ，变换器效率将逐渐降低。 l 黼 ：蝴 簟”运囊 嬲 斟 i q a l t , kr 弧 2 ll ；。- _ t l 舔i t f i ， 毒厂。 j瓢 张羞，_ 一狲 穗热- 。i ! 糊i ：爱 驴d v o 图卜2 变换器效率玎与形 o 由此可见，整流管压降较高是限制交换器效率的主要因素。要提高低电压大 电流变换器的效率，关键是减少整流部分的损耗。用通态阻抗小的m o s f e z 代替 二极管进行整流，可以有效大大降低整流损耗，提高变换器效率。 2 第一章绪论 i i i一i i _ e _ l - e l _ i _ = j i e e _ l _ 1 3 同步整流器的分类 同步整流技术的核心问题是同步整流管的驱动。根据同步整流管的控制方式 的不同，可将同步整流器分为外驱动式同步整流器和自驱动式同步整流器两类“、 ”。其中自驱式同步整流器又分为电压驱动型同步整流器和电流驱动型同步整流 器。 1 3 1 外驱动式同步整流器 通过附加的逻辑控制和驱动电路，产生相应的驱动信号，驱动m o s f e t 。为 了实现驱动同步，附加驱动电路一般由同步整流管的漏源极电压信号v d s 来对其 时序适应进行控制1 7 - 1 8 | 0 其原理如图卜3 和1 - 4 所示。外驱动的优点是驱动信 号电压幅值恒定，不随变换器输入电压幅值变化，驱动波形好。但是外驱动式同 步整流器电路复杂、价格昂贵，因此同步整流器很少采用外部驱动式控制。 地or i d a h o 图卜3 时序适应驱动原理图卜4 时序适应控制状态图 1 3 2 电压驱动式同步整流器 7 、v d 、 利用电路中某点的电压信号产生栅极驱动信号，来驱动同步整流管的开通和 关断。比较常用的是从变压器绕组或变压器的辅助绕组上直接获取驱动电压。电 压驱动结构简单，但是电压驱动的应用存在一些局限性，比如：不同的拓扑电路 需要设计不同的电压驱动电路、轻载效率低、不能直接并联运行等等。 1 3 3 电流驱动式同步整流器 利用电路中的电流信号，转化成电压信号，来驱动同步整流管的开通和关断。 比较常用的是利用电流变压器，把电流信号转化成电压信号。电流驱动的原理和 结构都比较简单，并且具有可以适用于任意的拓扑结构、轻载效率高、可直接并 华南理工大学工学硕士学位论文 联运行等优点。 1 4 同步整流技术的研究方向 目前，同步整流技术的研究方向主要集中在以下几点： 有效地驱动同步整流管。对于电压驱动的同步整流器，应根据变换器的拓 扑结构分别设计不同的驱动方式来合理驱动同步整流器。 均流技术。当负载电流特别大时，同步整流管的正向导通压降也比较大， 效率大大降低。在这种情况下，通常采用的方式是多管并联运行同步整流技术。 多管并联运行存在的主要问题是均流问题，即多个并联运行的同步整流管均分负 载电流。 提高轻载效率。传统的同步整流电压驱动方式在重载情况下可以大幅度降 低熬流损耗，提高整流效率。但是，当它工作在轻载状态时，存在同步整流管反 向导通的问题，增加了环流损耗。因此，如何提高轻载效率，成为目前同步整流 技术的一个研究热点。 1 5 本文研究内容 本文对低电压大电流变换器中的同步整流技术进行了系统的研究。驱动技术 是同步整流技术的核心问题，相对电压驱动方式来说，电流驱动具有更多的优势。 本文重点对电流驱动技术进行深入的理论分析。理论分析表明电流驱动可以克服 电压驱动轻载效率低等问题。为了进一步验证电流驱动同步整流器的性能，本文 对能量复位型电流驱动的正激同步整流器在不同的工作模态进行了大量的仿真， 仿真结果表明电流驱动的同步整流器可以像二极管一样自动截止反向电流，提高 变换器的轻载效率。同时，本文设计制作了一台能量复位型电流驱动反激同步整 流器的原理样机，从试验方面进一步验证了电流驱动同步整流器有较好的驱动效 果，并且可以克服电压驱动轻载效率低等问题。本文共分7 章。 第一章，“绪论”，主要介绍同步整流技术的研究目的以及同步整流技术对 提高效率的贡献。 第二章，“电压驱动同步整流器的分析”，介绍了同步整流器件即功率 m o s f e t 的特性，并对同步整流变换器电压驱动技术进行了详细分析。 第三章，“电流驱动技术的分析和比较”，介绍了同步整流器不同方式的电 流驱动，并对各种电流驱动方式进行了分析和比较，得出了能量复位型电流驱动 性能最优的结论。 第四章，“能量复位型电流驱动同步整流器的研究”，主要介绍了能量复位 型电流驱动的工作过程，包括开通稳态、关断稳态、开通瞬态、关断瞬态工作过 4 第一章绪论 程。得出了该电流驱动同步整流器的五大优点：驱动性能好、适用于任意拓扑电 路、输入电压范围宽、轻载效率高、可直接并联运行。 第五章，“电流驱动对提高轻载效率的贡献”，介绍了解决同步整流器轻载 问题的原理和解决轻载问题的各种驱动方式，并通过比较得出电流驱动不仅可以 提高轻载效率，而且克服了其它驱动方式受拓扑结构限制等缺点。 第六章，“试验设计与试验分析”，详细介绍了能量复位型电流驱动反激同 步整流器样机的工作原理和设计过程( 包括变压器的设计、开关管的选择、驱动 电路的设计等) ，试验结果表明电流驱动的反激同步整流器可以像理想二极管一 样自动截止反向电流，具有较好的驱动效果，同时该样机在轻载下具有较高的效 率，克服了电压驱动同步整流器轻载效率低的问题。 第七章，“结论与展望”，主要对本文的工作进行了总结，并对未来工作进 行了展望。 华南理工大学工学硕士学位论文 第二章电压驱动同步整流技术的分析 为了更好地研究同步整流技术，需要对同步整流技术中的关键器件同步整 流管m o s f e t 有一定的了解。本章首先对同步整流管的特性进行分析。同时对 电压驱动同步整流技术的原理和优缺点进行详细的分析。 2 1m o s f e t 模型及损耗分析 功率m o s f e t 的中文名称是金属氧化物半导体场效应管，其栅极通过0 1 微米厚的二氧化硅绝缘材料与沟道连接，二氧化硅薄层的绝缘电阻很大( 1 0 亿至1 百万亿欧) 。与结型场效应管相比，功率m o s f e t 的输入电阻更高，温度 稳定性更好，工艺简单，易于集成。m o s f e t 一般采用“质量因子”( 定义为导 通电阻与栅极电荷的乘积：r o n * q g ) 来表征其器件性能，“质量因子”值越小， 则器件性能越好。限于当今的器件技术水平，一般m o s f e t “质量因子”的典 型值只能在3 0 0 4 0 0 m q * n c 左右。因而在选择m o s f e t 时，必然面临基本限制： 必须在导通电阻和栅极电荷之间折衷，也就是在导通损耗和容性相关损耗之间 折衷。 2 1 。1 m o s f e t 的主要参数 m o s f e t 的主要参数有以下六个： ( 1 ) 源极击穿电压y m 。：它决定了器件的最高工作电压，是随温度上升 而增大的。 ( 2 ) 最大漏极电流i d m a x ：是在输出特性饱和区中漏极电流饱和值。 ( 3 ) 阀值电压v t h ：通常定义在漏极短接的条件下，漏极电流i d 等于l m a 时的栅极电压定义为阀值电压。随着漏源极电压增加，阀值电压会降低。同时， 阀值电压也会随着结温的升高而下降。 ( 4 ) 导通电阻r o n ：它是一个非常重要的参数，决定了h i o s f e t 自身的损 耗。 ( 5 ) 导通时间t o 。和关断时间t 。：i o s f e t 的开关肘问与温度变化无关， 但与栅极驱动电压以及漏极所接的负载性质、大小有关。导通时间t 。随i d 增 加而增加；关断时间t 。随漏极电流i d 增加而减小。 2 1 2 m o s f e t 损耗分析 m o s f e t 的模型如图2 一l 所示“”。其损耗主要包括以下三部分 6 第二章电压驱动同步整流技术的分析 图2 1 m o s f e t 等效模型 ( 1 ) 寄生电容充放电所造成的损耗 p c = 2 fi c ( v ) v d v ( 2 1 ) 式中，p c 为各个寄生电容的损耗功率； f 为开关频率， c ( v ) 为寄生电容值； v 为加在电容两端的电压。 ( 2 ) m o s f e t 的导通损耗 p c o n d = 1 0 2 匕一 ( 2 - 2 ) 式中凡一为通态电阻，其值为r c h a 和r d 之和。导通电阻值随栅极驱动电 压的增大而减小。导通损耗随着负载电流i o 的增加而增加。 由( 2 - 1 ) 、( 2 - 2 ) 式可见：由寄生电容充放电造成的损耗与频率相关，在 低频率时这一损耗较小，整流损耗主要由导通损耗决定。所以，在低频时可以 将多个相同的m o s f e t 管并联使用，来减少通态电阻，从而减少导通损耗。但 在高频率时，多个m o s f e t 管的并联，将使寄生电容造成的损耗成倍地增加， 远远大于并联m o s f e t 管所减少的导通损耗。此外，通过增加栅极驱动电压可 以减小导通电阻心一，从而减小m o s f e t 的导电损耗p c o n d 。但增加栅极驱动 电压同样会增加由寄生电容引起的损耗。因此，应根据实际需要，协调处理寄 生电容损耗和导通损耗的关系，以达到最好的效果。 ( 3 ) m o s f e t 寄生二极管的导通损耗为： p d = i o v d( 2 3 ) 式中，p d 为寄生二极管的导通损耗；i o 为输出负载电流；v d 为寄生二极管导 通压降。 由于寄生二极管的导通压降v d 一般在1 v 以上，远大于m o s f e t 的导通压 降。因此应尽量避免负载电流流过寄生二极管，或尽量缩短流过寄生二极管的 时间“”，以减少不必要的损耗。 虽然利用m o s f e t 进行整流可以大幅度地降低整流损耗，提高低电压大电 7 华南理工大学工学硕士学位论文 流变换器的效率，但m o s f e t 毕竟与二极管不同，它是单极性场控器件，需要 专门的驱动信号。同时，m o s f e t 管是一个双向导通开关管，会引起一系列的 问题。如并联问题”“1 ，轻载问题“等。 2 2 电压驱动同步整流技术 2 2 ，1 电压驱动对驱动信号的要求 由于电压驱动的驱动信号与变压器的副边电压必须有某种对应关系，因 此，电压驱动信号常常取自变压器剐边电压的某点。比较常用的方法是从变压 器副边绕组上直接获取驱动电压。随着变换器输出电压的进一步降低( 低于 3 3 v ) ，直接从主变压器副边绕组上获取的电压往往不足以驱动m o s f e t 。这时 需要在主变压器加上耦合良好的辅助绕组来获得幅值满足要求的驱动电压。理 想的驱动电压波形应该满足： ( 1 ) 驱动电压无零时段。这样能使m o s f e t 死区时间较小，体二极管续流 时间极短，有利提高整流部分的效率。 ( 2 ) 驱动电压波形的上升沿和下降沿要陡，也就是d r d r 较大、电压幅 值合适、波动较小。这样能使m o s f e t 可以快速开通和关断。 图2 - 4 ( a ) 给出了一种典型的电压驱动同步整流电路( 正激同步整流器) ， 其理想的电压驱动波形如图2 4 ( b ) 所示。 誊i r n u l ( a ) 原理电路( b ) 理想的电压驱动波形 图z 一4 典型的电压驱动同步整流器 在实际的驱动电路中，变压器副边的驱动波形受电路本身结构参数影响很 大，并不总是和理想的驱动波形很相近。以图2 5 所示的电路为铡，当同步整 流器的变压器磁复位方式不同时，变压器副边的电压波形也有很大的不同。 8 第二章电压驱动同步整流技术的分析 ( a ) 谐振式复位 ( b ) 有源钳位复位 ( c ) 多谐振式复位 图2 - 5 不同磁复位方式的同步整流器及其波形 由上图知，有源钳位复位方式的同步整流器的电压波形与理想的驱动波形 最相似，它的上升沿和下降沿较陡，能够驱动m o s f e t 快速开通或关断。所以 对于每一种拓扑结构都应该仔细比较各种不同的驱动波形，从而选出最优的驱 动方法，使同步整流器的驱动效果最好。 2 2 2 典型的电压驱动同步整流器 由前面的分析可知，电压驱动信号常常取自可表示变压器副边电压的某点， 而同步整流本身对驱动信号的电压波形有定的要求。所以并不是所有拓扑结 构的同步整流器都适合采用电压驱动。拓扑结构选择不当或设计不当，轻则影 响电流效率的提高，重则会使变压器副边电路造成电路崩溃。下面介绍几种典 型的电压驱动同步整流器。“ ( 1 ) 单端正激变换器 图2 - 6 ( a ) 为使用二极管整流的单端正激变换器电路原理图，为了简便， 假设输出滤波屯感很大，将输出l c 滤波器近似用一电流源i o 代替，i o 为负 载电流。图中d 1 为整流二极管，d 2 为续流二极管，这里未画出变压器磁通复 位电路。图2 6 ( b ) 表示分别用电压自驱动同步整流管s r l 和$ r 2 代替d l 和 9 华南理工大学工学硕士学位论文 d 2 的电路原理图。 ( a ) 二极管整流( b ) 同步整流管整流 图2 - 6 单端正激变换器原理图 由图2 - 6 ( b ) 可见，当主开关管s 导通，变压器同名端电压为正，这时s r i 的栅极驱动电压为高电平，因此s r l 开通：此时s r 2 的栅极驱动电压为低电平， 因此s r 2 关断。反之，当s 关断时，变压器同名端电压为负，s r l 关断，s r 2 开通。 ( 2 ) 半波整流电路 图2 7 ( a ) 为使用二极管整流的半波整流电路。图2 7 ( b ) 用s r l 代替图 2 7 ( a ) 中二极管d 1 。当变压器绕组同名端为正时，s r l 阻断；反之，当变压 器绕组同名端为负时，s r l 导通。 ( a ) 二极管整流( b ) 同步整流管整流 图2 7 半波整流电路原理图 ( 3 ) 全波整流电路 图2 8 ( a ) 为使用二极管整流的变压器副边中间抽头全波电路，在推挽和 桥式d c d c 变换器中应用广泛。图中用i o 代替输出滤波器。图2 8 ( b ) 用s r l 、 s r 2 分别代替图2 8 ( b ) 中两个二极管d l 、d 2 。当变压器绕组同名端为正时， s r 2 导通，s r l 阻断；反之，当变压器副边绕组同名端为负时，s r l 导通，s r 2 阻断。 这一结构存在一个不足，就是需要变压器副边绕组中间抽头。在大电流情 1 0 第二章电压驱动同步整流技术的分析 况下，制造中间抽头，有一定难度。虽然用全桥整流可以免去变压器绕组中间 抽头，但要用四个二极管。 r叫 i 1 一 i 一 一 般 x s r l ( a ) 二极管整流( b ) 同步整流管整流 图2 - 8 全波整流电路原理图 ( 4 ) 倍流整流电路 韶 一b 韶 x s 融 ( a ) 二极管整流( b ) 同步整流管整流 图2 - 9 倍流整流电路原理图 图2 9 是从图2 8 全波整流派生的另一种全波( 即倍流) 电路。图中用了 两个滤波电感，该电感容易制造。该电路的变压器副边无需中间抽头，使变压 器制造大为简单。图2 - 9 ( b ) 为利用s r i 、s r 2 两个同步整流管代替二极管d l 、 d 2 的倍流整流电路。和图2 8 ( b ) 一样，s r l 、s r 2 栅极交叉联接到副边绕组 两端。该电路的栅极联接方式及工作原理和图2 8 类似。 2 2 3 电压驱动技术的优缺点 电压驱动的主要优点是拓扑结构简单、成本低。但是，电压驱动必须解决 两个方面的问题，才可以有效地驱动m o s f e t 。 第一，要合理设置变换器的结构，使变压器副边电压能够获得较大的 d r d r 。由于变压器副边的波形受变换器本身的结构参数影响很大，并不是所 有变换器的变压器副边电压都能获得较大的d v d t 。例如，如图2 5 所示的谐 振式复位的正激变换器、多谐振式复位的正激变换器，从其变压器副边电压获 华南理工大学工学硕士学位论文 1 i i i i _ _ _ - - - _ - - 日自_ _ _ - _ - - _ ，_ e ! = _ e ! ，自自_ _ | ! _ t = j - e j - ，j - e j _ ! 口_ e _ _ 口! e 目- 日j - _ ! j _ e e _ = = 皇 得的驱动电压一般都不理想，往往导致h o s f e t 不能立刻开通和关断。在d r d r 很小的情况下，开通期间，由于栅极驱动电压不能立刻升到阀值电压v t h 以上， 使得电流只能从i h o s f e t 的体二极管流过；关断期间，由于栅极驱动电压不能 立刻降到门槛电压v t h 以下，使得k l o s f e t 的电流不能立刻减小到0 。从而增 加了同步整流器开通和关断的开关延迟损耗。 第二，要解决死区时间内续流同步整流管的体二极管的导通问题。在变换 器的任何一个开关周期内，整流变压器都必须完成磁复位，否则会因磁偏置而 发生铁芯饱和，不能继续传递能量。在磁复位过程结束之后，变压器副边电压 降为o 。并且保持为0 ，直到下一个周嬲开始的这段时间，嘲做死区时间。图 2 1 0 是传统电压驱动正激同步整流器的原理图和主要波形。可见，在死区时 间内，m o s f e t 栅极无驱动电压，输出电流必须流经i ： l d s f e t 的体二极管，该体 二极管的正向导通压降高，反向恢复特性差，导通损耗非常大，大大降低了同 步整流的整流效率。为了解决死区时阃内体二极管的导通阀题，有多种解决方 案，分述如下： ( a ) 原理图 v o ( s ) i 死臣 幽 i l l 一 1 一 v - i r ( b ) 主要波形 图2 - 1 0 传统电压驱动正激同步整流器 方案一：在续流同步整流管漏源极之间并联肖特基二极管“”。并联的 m o s f e t 可以代替s 2 体二极管续流。尽管肖特基二极管比普通二极管的导通压 降低，反向恢复特性好。但肖特基二极管的导通压降仍比m o s f e t 高，当同步 整流器输出电压逐渐降低，特别是低于l v 时，肖特基二极管导通续流的损耗 太大，不能满足高频工作时输出大电流翰需求。另外，著联肖特萋二极管增加 了变换器的成本和体积，同步整流管低导通阻抗的优点也没有得到充分利用。 方案二：对于正激式交换器等菲对称拓扑，可以在变压器复位中采愿有源 箝位方法“2 “2 2 “1 ，从而使得变压器电压在死区时间内直为负，使续流 管得以开通。有源箝位技术通过控制辅助开关管的导通和关断，减小死区对同， 但是辅助开关管及其控制逻辑电路增加了电路的成本和复杂度。 1 2 d d 母母 始 删 媾 嘻 蛉 吒 v r 第二章电压驱动同步整流技术的分析 方案三：栅极电荷转换驱动方法“2 7 、”t 可以解决推挽式和桥式等对 称电路的续流问题，其原理图和主要电压波形图如图2 7 所示。栅极电荷转换 驱动方法采用附加绕组驱动，这个绕组必须与其它所有的绕组都有很好的耦 合。 ( a ) 原理图( b ) 主要电压波形 图2 7 栅极电荷转换驱动 即使电压驱动同步整流器解决了以上所述两个方面的问题，但它依然存在 以下问题6 78 9 1 0 、1 3 “1 5 6 1 ： 第一，不同的开关拓扑结构需要不同的电压驱动方案。正激、反激、中间 抽头的半桥、倍流等拓扑，每一种都需要各自不同的驱动方案。在一些工作模 态下( 如不连续模态) 和在一些拓扑电路中( 如中间抽头对称驱动拓扑结构和 倍流的拓扑结构) ，设计将变得更加复杂。 第二，在低输入电压和高输入电压下，都能安全有效地驱动m o s f e t 是个 难题。同步整流管的栅极驱动电压与输入电压成比例。所以，为了有效驱动同 步整流管，输入电压变化范围就受到一定的限值。但是，实际上有些时候需要 输入电压有较宽的变化范围。例如：对于个普通的a c d c 输入系统，输入 a c 电压电压从8 5 v 变化到2 7 5 v 。另一种情况是对于d c d c 通讯系统，通常要 求输入电压的范围在1 8 v 一7 2 v 之间。对于这些设备，在低的输入电压和高输 入电压下，都能安全有效地驱动同步整流管是个难题。 第三，轻载效率低。电压驱动通常要求同步整流器工作在电流连续模态 ( c c m 模态) 。但变换器轻载时，则需要同步整流器工作在电流不连续模态( d c m 模态) 。由于传统电压驱动的同步整流器不能自动从c c m 模态自动切换到d c m 模态，轻载时，具有双向导通特性的m o s f e t 将流过反向电流，引起环流损耗， 使得同步整流器轻载效率很低。如何提高同步整流变换器的轻载效率，已成为 同步整流技术所要解决的重要课题之一。 第四，采用电压驱动同步整流器不适合直接并联运行。主要的原因是电压 1 3 华南理工大学工学硕士学位论文 驱动同步整流管具有双向导电特性。也就是说，采用电压驱动同步整流器的变 换器既可以向负载提供能量。也可能消耗供电电源的能量成为“负载”。所 以，在并联模块中，可能出现某一模块内部流入反向电流，而其余模块必须提 供更多的电流给负载。如果在实际系统运行中出现这种现象，很可能造成系统 崩溃。 2 3 本章小结 本章重点介绍了同步整流器的电压驱动方式。电压驱动的同步整流器虽然 结构简单，但存在着些自身难以克服的缺点，使得电压驱动在同步整流器中 的应用受到了一定的限制。 1 4 第三章同步整流电流驱动技术的分析与比较 第三章同步整流电流驱动技术的分析与比较 从上一章的分析中可知，同步整流器的电压驱动存在诸多局限，限制了其 在同步整流器中的应用。本章对同步整流器的各种电流驱动方案的原理和性能 进行了详细的分析。从而得出，电流驱动可以完全突破电压驱动的局限，尤其 是能量复位型电流驱动，在性能方面有突出优势。 3 1 电流驱动技术的原理 电流驱动同步整流器利用电流变压器( 简称变流器) 来检测s r 管电流的 方向，依据电流方向产生驱动信号。当正向电流从s r 管的源极流向漏极时， 栅极驱动信号开通：当电流减小到。试图反向时，栅极驱动信号关闭。电流驱 动同步整流管好像一个二极管，能够自动的开通和关断。相对于电压驱动同步 整流器，电流驱动同步整流器的拓扑结构独立，它克服了电压驱动的所有缺点， 原理简单，适用于任意的拓扑电路，不受驱动电压的影响，可以自动从c c m 模 式切换到d c m 模式，并且可以多个模块直接并联运彳亍。同步整流器的电流驱动 可以分为三类：传统的电流驱动、电流放大型电流驱动、能量复位型电流驱动。 3 2 传统电流驱动 3 2 1 工作原理 图3 - 1 给出了传统电流驱动的功能模块原理图“”3 ”。其工作原理是利 用电流变压器来检测s r 管电流的大小，根据电流方向产生驱动信号。当正向 电流从s r 管的源极流向漏极时，s r 管栅极驱动信号开通。当反向电流试图从 s r 管的漏极流向源极时，s r 管栅极驱动信号关闭。 图3 1 传统电流驱动 1 5 v c 5 - + m r + i “ 华南理工大学工学硕士学位论文 3 2 2 性能分析 传统的电流驱动，其电路简单、适用于各种拓扑电路、轻载时能自动从 c c m 工作模式自动切换到d c m 工作模式，无环流电流、多个模块可真接并联。 然而，它存在以下问题： ( 1 ) 由于电流检测电路消耗功率，为了减小这一损耗，绕组n 1 的压降( 电 流检测部分的压降) 必须尽可能小。如果同步整流管的导通压降为0 1 v ( 典 型值) ，则电流检测器件的电压降应该远远小于0 1 v ( 比如0 o l v ，为同步整 流管导通压降的十分之一) 。将如此小的电压信号放大为至少5 v ，才可以有效 驱动同步整流管。相应的电流变压器变比需要高达5 0 0 ：1 。这样的电流变压器 的实现比较困难。 ( 2 ) 由于高变比、低电流增益，使得s r 管驱动电流很小；又由于变压器 漏抗的作用，导致在开关瞬态时产生严重的延迟，使同步整流器的性能恶化。 所以，传统的电流驱动变压器工作频率很低( 一般在2 5 k h z 以下) ，变换器体 积大，难以满足高功率密度的要求。 ( 3 ) 变压器原边绕组n l 存储的能量以及变压器的励磁能量都不能被电路 本身回收利用，而是以热能的形式消耗掉了，降低了变换器的效率。 3 3 电流放大型的电流驱动 3 3 1 工作原理 电流放大型的电流驱动的原理如图3 2 所示 3 4 1 。和传统的电流驱动电路 相比，多了一个图腾柱结构。当正向电流流过同步整流管m 时( 从a 流向k ) ， 三极管q 1 导通，q 2 关断，同步整流管m 的栅极电压等于v c c ，因而开通；当 正向电流减小到零，并试图反向时，q 1 关断q 2 开通，同步整流管m 的栅极驱 动电压下降到0 7 v 左右，因而关断。同传统的电流驱动相比，由于图腾柱具 有电流放大作用，所以电流放大型电流驱动可以使同步整流管m 获得较大的驱 动电流，加速它的开通和关断。 1 6 第三章同步整流电流驱动技术的分析与比较 一v 曹1 + 酉 鲥1 t m a l n v i a ( a ) 电流放大型电流驱动( b ) 同步整流器 图3 - 2 电流放大型电流驱动 3 3 2 性能分析 虽然电流放大型电流驱动比传统的电流驱动多了一个图腾柱结构，但总体 上仍较简单；适用于各种拓扑电路；轻载时能自动从c c m 模式切换到d c m 模式， 且无环流电流；多个模块可直接并联。但它也存在一些问题。例如： ( 1 ) 和传统的电流驱动一样，n 1 的压降必须很小( 比如0 0 1 v ) ，故n 1 的 匝数必须很少，通常为1 匝。虽然三极管q 1 、q 2 要求的驱动电压虽然比m o s f e t 要小，但也要0 7 v 左右。这种情况下，要求电流变压器的变比为7 0 ：i ，如此 高的变比使得电流变压器在制造上仍有一定困难。 ( 2 ) 虽然图腾柱结构放大了同步整流管m 的栅极驱动电流，但由于变压 器漏抗以及图腾柱结构中三极管的存储时间等因素的影响，该电路仍存在一定 的延时，工作频率一般在5