半桥倍流整流变换器同步整流控制驱动的研究

1、半桥倍流整流变换器半桥倍流整流变换器 同步整流控制驱动的同步整流控制驱动的 研究研究 指导导师： 学生： 一、课题的来源、意义、目的、国内外概况与预测 1、课题的来源 模块电源主要分为DC/DC、AC/DC和DC/AC三种，其中 DC/DC模块占据了90的市场份额。随着通信系统对 电源产品的要求越来越高，DC/DC模块电源技术正发 生着巨大的变化，朝着低电压大电流方向发展。电 压最低小于0.8V，负载电流最高大于100A。为了获 得更高的效率，同步整流技术在这些DC/DC模块电源 中的作用越来越重要，应用也越来越广泛。 2、本课题研究的意义和目的 同步整流技术采用同步整流管（同步整流管的导通

2、电阻通常仅0.00 x欧姆）来代替肖特基二极管进行输 出整流，解决了因二极管正向压降引起的功率损耗 较大的问题，使得输出整流损耗降到最小，大大提 高了低压大电流DC-DC整流模块的效率。由于MOSFET 导通电阻很低，在MOSFET上损失的功率较肖特基二 极管要小，尤其是在输出电压低的时候，可以取得 极高的效率。 课题的来源、意义、目的、国内外概况与预测 （续1） 常见的自驱动倍流电路，如上图，通过控制原 边主开关管，当主开关导通，副边电压为正时， 导通， 关断，输入电源经变压器耦合经L1、 向 负载传输能量，而L2也经 续流；当主开关关断， 副边电压为负时， 关断， 开通，输入电源经变压 器

3、耦合经L2、 向负载传输能量，而L1也经 续流。 返回 课题的来源、意义、目的、国内外概况与预测 （续2） 2 SR 1 SR 2 SR 2 SR 2 SR 1 SR 1 SR 1 SR 3、国内外概况和预测 2003年在上海举行的DC/DC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DC/DC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PCB技术。 今后的DC/DC变换技术应具有以下优点：效率比 较高；无电流返灌；输出可以并联；输出可以外加 电压和输出特性于肖特基整流基

4、本一致等。 课题的来源、意义、目的、国内外概况与预测 （续3） 二、预计技术方案和主要试验研究情况二、预计技术方案和主要试验研究情况 1同步整流的效率因素分析 2原副边拓扑的选择 3对驱动方式的改进 通常，变换器的效率可以表示为： 而对于肖特基管效率可以表示为： 同步整流二极管效率可以表示为： 为了简化分析，忽略 的影响则 和 的关系可以表示为： 其中， ， 是肖特基二极管的正 向压降，是输出电流。可得： 0 0 P lossrec P PP 0 0 P sc losssc P PP 0 0 P sr losssr P PP loss P sc sr 0 0 / sr scscsr P PPP

5、 0scsc PV I sc V 0 I 2 ()00 (1) srds ondeadDdeadgaterrec PRIDV I DPP 同步整流技术的效率因素分析 简化分析，忽略 的影响，上式可以化为： 分析：令 ，显然 1，对于一个给定 的 值和 ，当输出电压较高时，效率提高并不多， 但当输出电压较低时，效率提高明显，相对于同样 的输出电压，当 较大时，效率提高比较大，如果 在总的损耗中，整流损耗起主要作用时效率提高会 比较大，同样对于较小值的 ，效率提高也比较 大，这出现在SR的导通电阻比较小和输出电流比较 低的情况。 返回 0() 0 11 1 ds on sc srscsc I R

6、V VV dead D 0() / ds onsc I RV sc V sc V 同步整流技术的效率因素分析（续） 2原副边拓扑的选择： 在中小功率电源领域，使用较多的DC-DC变换器的拓 扑有很多，它们都有各自的优点和缺点。一般来说， 考虑变换器性能通常有以下指标:可靠性、控制是否 易于实现、变换器效率、成本以及开关器件的利用 率。结合同步整流技术的应用，下面从多个方面考 虑几种拓扑的优点和缺点。 (i)在低压大电流DC/DC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.全桥式;3.推挽 式;4.正激式;5.半桥式。 (ii)适用于低电压大电流输出的变压器副边拓扑有三 种:

7、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。 反激式与全桥式 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(150W以下)，变换器效率不高， 而且只能在电压和负载调整率要求不高的场合使用。 全桥式拓扑的主功率开关管所承受的电压相对 比半桥式拓扑小一倍。但低电压输出的情况大多为 二级转换，即DC-DC转换，输入电压并不高，半桥式 拓扑和全桥式拓扑所表现的性能几乎相同，相比之 下，半桥式结构更节省了两个昂贵的功率MOSFET。 返回 推挽式 电路图： 对于推挽式，这个变换器工作在一、三两个象限， 所

8、以其控制相对简单并且瞬态响应速度快。这个变 换器也适用于低电压大电流输出的情况。其整流管 的驱动方式与带倍流整流的半桥式结构是相似的。 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 电压下工作。在输入为48V的条件下，其性能不如半 桥式拓扑。 返回 推挽式（续） 正激式 电路图： 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，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，它也是最早 应用于低压大电流的变换器拓扑之一。但是，其缺

9、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。 返回 正激式（续） 半桥式 电路图： 半桥式拓扑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 MOSFET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DC/DC变换器中，半桥式变换器的 应用相当广泛。

10、 返回 半桥式（续） 半波整流式 电路图： 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。 返回 半波整流式（续） 全波整流式 电路图： 中心抽头式拓扑适用于推挽、全桥或半桥等对 称双端变压隔离器的Buck型变换器，由于其输出滤 波电感的电压频率是功率开关管的两倍，所以在同 样条件下中心抽头式所需要的滤波电感值明显小于 正激式，但在输出相同电压的情况下，相比正激式， 会增加变压器副边绕组的匝数。中心抽头型和倍流 型元件个数和结构的复杂性几乎相同，但在大电流

11、 的情况下，下面说的倍流型副边拓扑的性能更好。 返回 全波整流式（续） 倍流整流式 电路图： 优点：1）变压器副边只需一个绕组，与中间抽 头结构相比较，它的副边绕组数只有中间抽头结构 的一半，所以损耗在副边的功率相对较小；2）输出 有两个滤波电感，两个滤波电感上的电流相加后得 到输出负载电流，而这两个电感上的电流纹波有相 互抵消的作用，所以，其输出滤波电容的脉动电流 幅值减小了，在倍流型结构中所需要的滤波电感和 电容就比正激式的小得多，且大大加快了变换器的 动态响应速度；3）流过每个滤波电感的平均电流只 有输出电流的一半，与中间抽头结构相比较，在输 出滤波电感上的损耗明显减小了；4）较少的大电

12、流 连接线，在倍流整流拓扑中，它的副边大电流连接 线只有2路，而在中间抽头的拓扑中有3路；5）动态 响应很好。 倍流整流式（续1） 缺点在于：在于需要两个输出滤波电感，在体 积上相对要大些。但如果运用磁集成的方法，可以 将它的两个输出滤波电感和变压器都集成到同一个 磁心内，这样可以大大地减小变换器的体积。 另：上面也分析过，变换器次级的元件损耗主 要来自整流管的损耗，倍流整流式变换器在理想驱 动情况下，其变压器的次级电压在初级两个主功率 管都关断的死区时间内为零，此时，两个整流管在 理想的情况下同时导通，负载电流则在两个整流管 中平均流过，而正激变换器在每个开关周期内，整 流管的总导通损耗相当

13、于一个周期内输出滤波电感 电流流过一个整流管的损耗，相比之下，倍流整流 电路总损耗更小。 返回 倍流整流式（续2） 对驱动方式的改进 自驱动方式的缺陷： 前面的自驱动整流电路画出了基本的自驱动倍流电 路，而在主开关管均关断的死区时间里，副边的电 压为0，这时同步整流管SR1、SR2均关断，负载电流 通过同步整流管的体二极管续流，由于体二极管的 导通压降比肖特基二极管的导通压降更大，于是增 大了损耗，故需对同步整流管的驱动方式做一些改 进。这里，完全依靠自驱动方式很难能产生满意的 驱动波形的 对驱动方式的改进（续） 解决的方法之一：图示 栅极电荷保持电压驱动 技术是一种典型的方法。 栅极寄生电容

14、C的电荷 由二极管D和开关管S保 持，所以栅极驱动电压 被箝位 直到开关管S导通，C上的电荷被放掉， 为零，MOSFET 才被关断。一般来说 采用变压器次级的电压信号控 制。其中电容C可利用SR2的等效电容，电阻R是用来限 制冲击电流和控制SR2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，从而提高效率。 gsr V gsr V gs V 栅极电荷保持法在倍流整流中的应用 上图中的缺陷 该驱动电路是有一定缺陷的，它无法实现主功 率管都关断的时候，同时开通两个同步整流管。由 前面对栅极电荷保持电压驱动电路的分析，知道， 电荷的保持只保持了当前开通管的栅极驱动电压， 比如在死区时刻前是

15、导通，原边电能经过送至负载， 那么给电路在死区时刻断开，只能保持继续导通， 而不能使两管同时导通；同样的道理，在死区时刻 前是导通，原边电能经过送至负载，那么给电路在 死区时刻断开，只能保持继续导通。因此，这种驱 动方式是不能使得损耗降到最低的，其效率也就比 不上其他更加接近理想的驱动方式。 预计实验的半桥倍流同步整流电路的驱动 驱动过程分析 同步整流管的驱动信号是在主开关管驱动信号 的基础上通过一些控制电路得到的，当控制电路输 出使 的输出电压 为正， 开始导通， 关断， 主功率变压器T的电压为正；同时，反相器A的 导 通， 关断，输出为零，这使得 关断；反相器B 中 关断， 导通，输出为正

16、，从而 导通。当 控制电路输出使 的输出电压 为负， 关断， 开始导通，主功率变压器T的电压为负；同时，反相 器A的 关断， 导通，输出为正，这使得 开通； 反相器B中 导通， 关断，输出为零，从而 关断。 2 TX 0 V 1 VS 2 VS 5 VQ 6 VQ 3 VS 7 VQ 8 VQ 4 VS 2 TX 0 V 1 VS 2 VS 5 VQ 6 VQ 3 VS 7 VQ 8 VQ 4 VS 在死区时间中，控制电路输出使 的输出电 压 为零，两个主开关管都是关断的，这时反相 器A的 关断， 导通，输出为正，这使得 开通；反相器B中 关断， 导通，输出为正， 从而 也导通。 以上分析表明，用预计实验的半桥倍流同步 整流电路驱动的控制电路能产生与理想的驱动波 形和时序相一致的控制驱动信号。即在T的初级两 个开关管都关断的死区时间，次级 为零，在理 想情况下两个整流管应同时导通。 驱动过程分析（续1） 2 TX 0 V 5