双管正激同步整流变换器的研究

1、华中科技大学硕士学位论文双管正激同步整流变换器的研究姓名丁志亮申请学位级别硕士专业电力电子及电力传动指导教师杨荫福20060428 I摘 要 文章详细研究了双管正激变换器的拓扑结构及工作原理阐述了该拓扑结构的优点及缺点。利用状态空间平均法推导出该变换器的小信号模型以此为基础对电压控制模式和电流控制模式进行了比较并指出了如何进行反馈补偿器的设计。 随着电力电子变换器在通讯系统的广泛应用低电压大电流功率变换器成为一个重要的研究课题。传统的二极管整流电路因为正向压降大而导致损耗大、效率低已无法满足低电压大电流开关电源高效率、小体积的需要。新一代的功率MOSFET由于具有导通电阻极低的特点而成为低电压

2、大电流功率变换器的首选整流器件。本文介绍了同步整流电路的原理、驱动方式及在各种拓扑中的应用并对整流MOSFET的双向导电特性进行了仿真和实验验证。 作者设计了一个双管正激同步整流变换器文章最后给出了相关实验波形及数据并进行了分析证明了该设计方案的可行性。 关键词开关电源 双管正激 电流型控制 同步整流 IIAbstract The operation of two-Transistor forward converter toponology and current control mode are discussed in this paper.The advantage and the d

3、rawback of the toponology are introduced. Using state-space averaging method this paper deduces the TTFCs small signal mode.Based on it the voltage control mode and current control mode are analyzed and compared. With the development of power electronical converterss application in telecom system co

4、nverters with low output voltage and large output current become more and more important. Rectifying stage with diode or sckotty diode cant meet the needs of higher efficiency and lower size because forward drop of rectifier is great and rectifying dissipation is great in power converter.New generat

5、ion of Power MOSFET has became the rectifying component due to the advantage of its low conduction resistance.The operation of synchronous rectificationthe methods of driving the rectifying MOSFET and the application of synchronous rectification in kinds of toponologies are also introduced.The exper

6、iment to demonstrate the bi-directional conductibility of power MOSFET is also presented in this paper. A power supply of TTCF with synchronous rectification is designed.The waveformexperiment data and analysis of it are presented in this paperwhich shows that the design is avaible in practice. Key

7、words: switching mode power supply two-transistor forward converter Current mode control synchronous rectification 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知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。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名 日期 年 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

8、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。本人授权华中科技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 在_年解密后适用本授权书。 不保密。 请在以上方框内打“” 学位论文作者签名 指导教师签名 日期 年 月 日 日期 年 月 日 本论文属于 11 绪 论 1.1开关电源的发展12 以功率半导体器件作为开关将一种电源形态转变成为另一种电源形态的变换电路称为开关变换器而我们通常所说的开关电源主要是指ACDC的直流变换器其中不仅包括AC经整流之后变成DC更为

9、核心的是DCDC的变换。开关电源的发展是与电力电子学的发展紧密相关的正是电力电子学领域的一次次新的技术突破和新型功率开关元件的问世推动了开关电源的飞速发展。现代社会中开关电源与人们的生活和生产紧密相连日常的家用电器如电视机、空调、冰箱以及电脑等都要用到开关电源。随着功率开关器件的发展开关频率变化范围从几赫兹到几兆赫兹甚至更高。频率的提高使得电源的体积和重量减小节约了能源并且提高了可靠性。 国际上自美国在20世纪50年代相继出现单端式和推挽式开关电源之后各种新型开关电源不断问世。这些年来各种开关电源基本上都是采用更先进的新器件、新技术、新材料、新工艺来逐步减小开关电源的体积和重量改善电气性能指标

10、提高工作可靠性降低对电网的污染消除对其它设备的干扰增强智能化程度等等。 1.2开关电源的分类 本文研究的对象为双管正激变换器它是一种直流功率变换器直流功率变换器按输入与输出间是否有电气隔离可分为两类非隔离直流变换器和隔离直流变换器。隔离直流变换器通常是在非隔离变换器拓扑的基础上加入变压器实现输入输出间的电气隔离。 对于非隔离的直流变换器它的单管类变换器有六种即降压式Buck变换器、升压式Boost变换器、升降压式BuckBoost变换器、Cuk变换器、Zeta变换器、Sepic变换器对于有隔离的直流变换器单管类变换器有正激式Forward和反激式Flyback两种双管类变换器有双管正激、双管反

11、激、推挽和半桥四种四管类变换器就是加入隔离变压器的全桥直流变换器。 21.3几种典型开关电源特点的比较34 单管正激式和反激式开关电源的高频变压器只工作在磁滞回线的第一象限只有单一方向的磁通利用率不高推挽式电路的按对称转换的原则工作两个开关管轮流导通磁芯双向磁化但是每一时刻原边只有一个绕组有电流流过绕组的利用率和效率较低如果副边绕组也带中心抽头则绕组利用率更低半桥式变换器的开关管在开关时开关电压值减小为直流输入的一半但与推挽式变换器相比输出相同的功率开关管导通时的电流增加了一倍全桥式变换器的变压器与半桥式变换器一样都工作于一、三象限磁芯双向磁化变压器的利用率较高理论上开关管电压应力为输入电压输

12、出相同功率开关管流过的电流为半桥式变换器的一半因而可以应用在较大功率的场合。但是推挽式、半桥式、全桥式变换器均存在变压器磁通不平衡即直流偏磁问题这是由开关管的开关特性差异或驱动的不对称引起的需要采用电流型控制策略或在变压器初级串入一隔直电容加以抑制。 1.4同步整流在开关电源中的应用567 开关变换器之所以能取代线性电源很大的一个原因是它提高了变换器的效率它使开关管工作在开关状态避免了大电流和高电压同时存在。所以提高效率对于开关电源是至关重要的提高效率不仅能够节省能源还能降低电源的发热程度减小电源的尺寸。 为了提升变换器的效率人们引入了谐振变换器及软开关技术以降低开关管的开通与关断损耗这两项技

13、术现均已得到成熟的应用确实能有效的提高开关电源变换器的效率。 但是开关电源的整流部分一般采用肖特基二极管尽管现在肖特基管的正向压降能做到0.3V左右但是对于低压输出的DCDC变换器整流管的导通损耗仍然是显著的损耗来源之一。特别是随着集成电路规模的不断扩大要求变换器能输出较大的电流同时一些芯片的供电电压不断降低很多DSP、MCU芯片已经支持3.3V的供电电压。就以3.3V输出为例仅肖特基整流管的导通损耗就要损失近10的效率因此降低整流管的导通损耗成为提升变换器效率的一个重要途径。 同步整流正是基于此种目的而得到了推广和应用新一代的mosfet的导通电阻可以做到0.01欧姆以下如IR公司的IRF3

14、205其导通电阻仅为0.008欧姆可以 3有效减少输出整流损耗。 1.4.1同步整流器件 同步整流技术就是用功率MOSFET代替普通二极管或者肖特基二极管进行整流所以研究同步整流技术就必须首先深入的了解同步整流器件即功率MOSFET。不但应该深入研究功率MOSFET的导电特性而且要基于其整流损耗模型进行整流损耗分析。除此之外对于大电流运行情况同步整流技术的整流损耗是否总是优于肖特基二极管的整流损耗都是值得研究的重要课题。 同步整流要求MOSFET具有双向导电特性。但是对于MOSFET的导电特性大多数文献、国外著名公司的数据书册等均仅给出MOSFET的单向导电特性大多数的应用研究也都是利用了MO

15、SFET的单向导电特性。对于MOSFET的双向导电特性鲜有文献详细介绍更没有实验的范例和证明。 MOSFET为电压控制型器件电压控制意味着对电场能的控制故称作为电场效应晶体管。MOSFET是利用多数载流子导电的器件因而又称之为单极性晶体管。MOSFET的电压控制机理是利用栅极电压的大小来改变感应电场生成的导电沟道的厚度感生电荷的多少来控制漏极电流dI的当栅极电压gsV小于门槛电压thV时无论dsV的极性如何两个PN结中总有一个PN结是反向偏置的因此漏极电流dI几乎为零在这种情况下形成耗尽层MOSFET不能导通当栅极电压gsV大于门槛电压thV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

16、在漏源正电压dsV的作用下电子从源极流向漏极或者说正电荷从漏极流向源极这就是通常采用的MOSFET正向导电特性。 事实上可以看出栅极电压gsV的作用仅仅是在于形成漏极和源极之间的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性即漏源极加反向电压电子会反向从漏极流向源极正电荷将从源极流向漏极实现MOSFET的反向导电特性。从以上分析可知MOSFET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而形成MOSFET只能单向导电的一般概念。为此本文将从理论和实验上研究MOSFET的双向导电特性得出完整的双向漏源电压电流特性曲线为MOSFET

17、在同步整流中的实际应用奠定理论基础。 同步整流效率取决于MOSFET整流损耗本文基于MOSFET的等效损耗模型深入研究了MOSFET整流损耗与其参数、栅极驱动电压和开关频率的相互关系 4对损耗值进行了理论上的分析与计算此外还对输出大电流时MOSFET整流损耗和肖特基二极管整流损耗进行了比较。 1.4.2同步整流的驱动方式567 同步整流技术的核心问题是同步整流管的驱动问题根据同步整流管的控制方式不同可将同步整流器分为两类外部驱动式Controller driven同步整流器和自驱动式Self driven同步整流器。其中自驱动同步整流器又分为电压驱动型Voltage driven同步整流器和电

18、流驱动型Current driven同步整流器。一般来说相对于自驱动式同步整流器外部驱动式同步整流器电路复杂价格昂贵因此很少采用外部驱动式同步整流器。 1电压驱动同步整流器 电压驱动同步整流器驱动电压信号来自变压器辅助绕组或者电感耦合绕组同步整流管根据变压器辅助绕组或者电感耦合绕组电压极性自动开通或关断结构简单、经济高效成为目前受到广泛关注的同步整流器驱动技术。 传统电压驱动同步整流器通常存在驱动死区的问题即同步整流管在应该导通的时间内没有栅极驱动电压负载电流只能流经体二极管这个时间通常称为死区时间。体二极管的导通压降大增加了整流损耗因此影响了变换器转换效率的进一步提高。近年来电压驱动同步整流

19、器得到了很大的发展出现了栅极电荷保持电压驱动Gate charge retention同步整流器和栅极电荷转换Gate charge commutation电压驱动同步整流器较好的解决了同步整流管驱动的死区问题。 但是电压驱动同步整流器无论是传统的电压驱动同步整流器还是栅极电荷保持电压驱动同步整流器或者栅极电荷转换电压驱动同步整流器均存在下列局限 第一同步整流管的栅极驱动电压随输入电压的变化而变化。功率MOSFET的栅极驱动电压一般在10V至15V之间。所以为了有效驱动同步整流管输入电压变化范围就收到一定的限制。在要求输入电压范围非常大的场合如何保证在高输入电压和低输入电压时均能有效驱动同步整

20、流器成为一项挑战。 第二采用电压驱动同步整流器的变换器不适合并联运行。主要的原因是电压驱动同步整流管具有双向导电性电流既可以正向流通又可以反向流通。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”。在低压大电流功率变换器中单一模块很难输出大的电 5流为了增加输出电流通常采用的办法是将多个模块并联运行。并联模块中很可能出现某一模块内部流入反向电流因此剩余模块必须提供更多的能量给负载。如果在实际运行中出现这种现象很可能造成系统崩溃。 2电流驱动型同步整流器 电流驱动同步整流器通过检测流过同步整流管的电流确定是否开通还是关断同步整流管。当同步整流管导通且

21、电流从同步整流管的源极流向漏极时检测功率MOSFET的电流得到电流驱动同步整流管的驱动信号当电流降低为0或反向时同步整流管关断。电流驱动同步整流管好像一个普通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。也就是说在已有的开关电源拓扑结构中可以用电流驱动同步整流管代替整流二极管。因此电流驱动同步整流器具有通用性但是必须外加电流检测器件及其辅助电路。一般来说电流检测器件为变流器比如电流互感器或者采用自带电流检测的功率MOSFET及其辅助控制和驱动电路。 对于传统电流驱动同步整流器电流检测电路应该是无损的。为了减小电流检测的能量损耗电流检测器件的电压降必须尽可

22、能小。电路检测器件的低电压降使得传统的电流驱动同步整流器不适合高频工作。为了提高传统电流驱动同步整流器的工作频率提出了能量反馈电流驱动同步整流器。外加功率转换电路实现电流检测能量反馈至直流电源。通过反馈电流检测器件上的能量电流检测电压可以高于同步整流管的导通压降而且不引起额外的损耗。通过分析能量反馈电流驱动同步整流器的稳态工作过程和瞬态工作过程包括开通瞬态工作过程、关断瞬态工作过程等得出了该电流驱动同步整流器的三打优点输入电压范围宽、易于并联运行、具有极强的通用性。 本文的主要工作之一就是提出了正激变换器中的一种电压驱动型同步整流器同步整流管的驱动电压耦合自变压器该电压驱动型同步整流器可以减小

23、传统电压驱动型同步整流器的死区时间因此可以减小整流损耗提高整流效率。 1.4.3同步整流技术的发展趋势 同步整流技术的发展至今已有二十多年的时间。在同步整流技术发展的初期同步整流管属于比较昂贵的器件性价比较低广泛应用受到一定的限制另外由于低电压大电流功率变换器的需求有限在很长的一段时间内肖特基二极管仍然是首选的整流器件同步整流技术的早期研究工作主要集中在同步整流管整流损 6耗的理论分析和实验验证并将同步整流器件应用在基本的功率变换器拓扑结构之中。随着同步整流管的迅速发展价格不断降低导通电阻越来越小特别是低电压大电流功率变换器需求的日益增长同步整流技术得到极为迅速的发展。 目前同步整流技术的研究

24、方向主要集中在以下几点有效地驱动同步整流管。这是同步整流技术首先必须面对和解决的问题。对应于不同的变换器拓扑结构如正激变换器、反激变换器、半桥变换器、全桥变换器和推挽变换器同步整流管的驱动需解决的问题不同包括如何解决驱动中的死区问题、驱动中的换流问题等等。同步整流管的多管并联运行。当负载电流特别大时其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。低电压大电流功率变换器模块的均流问题。从前面的分析中知道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同步整流管多管并联运行

25、的方式。但是如果负载电流非常大通常采用多模块并联运行。与同步整流管的多管并联运行问题相同多模块并联运行的主要技术障碍是模块之间的均流问题即运行的模块均分负载电流。提高轻载效率。在Buck变换器等非隔离变换器中通常的驱动方式在满载情况下可以大幅度降低整流损耗提高整流效率。但是当模块轻载工作时存在续流同步整流管反向放电的问题因此增加了能量损耗。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课题来源及研究内容 如何提高效率一直是开关电源变换技术所关注的问题之一而同步整流电路因为能够减小输出整流损耗而成为研究的热点。本文从实用的角度出发对双管正激同步整流变换器进行了研究主要内容如下 1分

26、析了双管正激电路的工作原理介绍了双管正激电路的小信号模型并以此为基础对电压型控制模式和电流型控制模式做出了深入研究以此为基础阐明了设计补偿电路时的指导原则。 2介绍了同步整流技术的原理以及同步整理在各种拓扑电路中的应用并且设计了一种采用辅助绕组驱动同步整流管的电路。 3设计制作了一台双管正激同步整流变换器样机通过实验波形及数据对有关理论进行了验证。 72 双管正激电路的拓扑结构及原理分析 2.1双管正激拓扑的特点 双管正激电路脱胎于单管正激电路由于单管正激电路的MOS管在关断时承受较高的反压并且还需要额外的磁复位电路通常采用的是LCD复位或变压器绕组复位。使用得较多的是采用绕组复位的方式如下图所示。 N1N2N3D1Q1D2D3LCoVinVo 磁化电流在导通结束时达到最大当MOS管关断时次级感