同步整流面面觀：如何用對正激變換器？

1 引言

在電源技術飛速發(fā)展的今天，同步整流技術正在低電壓、大電流輸出的dc/dc變換器中廣泛應用。在這樣的情況下，某些損耗問題也暴露了出來。例如，對采用1.5V、20A電源的筆記本電腦而言，恢復整流二極管的損耗已經(jīng)超過電源輸出功率的50%，即使采用低壓降的二極管，損耗也達輸出功率的18%～40%。因此，傳統(tǒng)的二極管整流電路已成為提高低電壓、大電流dc/dc變換器效率的瓶頸。

由于mosfet不能像二極管那樣自動截止反方向電流，因此同步整流器的驅動是同步整流技術使用的一個關鍵。驅動方式的選取不僅關系到變換器能否正常工作，更決定了變換器性能。按照驅動方法的不同，同步整流分為自驅型和外驅型，兩者的主要區(qū)別在于，自驅型同步整流管的驅動電壓一般采用的是變壓器上或輔助繞組上的電壓，而外驅型同步 整流管的驅動電壓是由外部同步整流驅動芯片產(chǎn)生的。本文將分別討論兩種同步整流驅動的方法，并闡述了同步整流中需要注意的問題。

由于正激變換器是最簡單的隔離降壓式dc/dc變換器，其輸出端的lc濾波器非常適合輸出大電流，可有效抑制輸出電壓紋波。所以，正激變換器成為低電壓大電流功 率變換器的首選拓撲結構。正激變換器必須采用磁復位電路，以確保變壓器勵磁磁通在每個開關周期開始時已經(jīng)復位，常見的磁復位方法有：有源鉗位、rcd鉗 位、繞組復位、諧振復位等，如圖1所示。

rcd鉗位的方法雖然電路簡單，但是它大部分磁化能量消耗在鉗位電阻中，不利于效率的提高;有源鉗位雖然可以重復利用變壓器磁化能量和漏感能量，但是有源鉗位系統(tǒng)的控制帶寬受到限制，動態(tài)性能不好，并且它多用了一個鉗位開關，增加了驅動電路的難度和變換器的成本;而諧振復位由于諧振電壓比較高，因此對開 關管的電壓應力要求就更高;對于繞組復位的方法，結構較簡單，磁復位時將能量回饋到輸入源中，并且對開關管的電壓應力要求并不高。2 自驅同步整流

2.1 柵極電荷保持驅動方法的基本原理

對于本文選用的 繞組復位正激變換器，其傳統(tǒng)傳統(tǒng)自驅型同步整流的方法如圖2所示，在磁復位結束后，變壓器的電壓將為零，并且會保持在零直到下一周期開始，這樣續(xù)流管將沒有電壓提供驅動，電流會從其體二極管中流過，而其體二極管正向導通電壓高，反向恢復特性差，導通損耗非常大，這是傳統(tǒng)自驅同步整流的主要缺點，因此提出了 采用柵極電荷保持的同步整流方法，它的原理如圖3所示。

在t0時刻之前，輸入信號v1為0，開關s1關斷，電容c的初始電壓為0。在t0時刻，輸入信號v1為正，通過二極管d對電容c充電;在t1時 刻，輸入信號v1為0，二極管d承受反壓截止，只要開關s1保持關斷，電容c上的電荷得以保持，v2維持高電平;在t2時刻，開關s1導通，電容c通過 s1放電，v2變?yōu)?。如果c是同步整流管的柵極寄生電容，s1是一個輔助開關，那么在t1到t2這段時間內，輸入驅動信號v1降為0時，同步整流管的柵 極電壓仍可保持高電平。2.2 柵極電荷保持驅動正激變換器

利用柵極電荷保持的驅動方法，傳統(tǒng)電壓驅動同步整流器在變壓器電壓死區(qū)時間內，續(xù)流管體二極管的導通問題很容易解決，圖4給出了柵極電荷保持電壓驅動正激變換器的原理圖和主要波形。

在t0到t1的時間內，開關管s1開通，變壓器副邊電壓變?yōu)樯险仑摬Ⅱ寗觭2和s4使它們導通。s3的柵極電容通過s4放電，s3的柵極電壓降為0，s3關斷，輸出電流流進s2。

在t1時刻主開關管s1關斷，變壓器進行磁復位，變壓器副邊電壓變?yōu)橄抡县?，s2和s4關斷，s3的柵極電容由流經(jīng)d1的電流充電。s3柵極為高電平 導通，負載電流流經(jīng)s3。在t2時刻磁復位結束，變壓器副邊電壓變?yōu)?，由于二極管d1承受反壓截止，s4關斷，s3的柵極驅動電壓保持不變，因此，即使 變壓器副邊電壓為0，s3仍然保持導通，繼續(xù)續(xù)流。s3的柵極電壓一直保持到下一個開關周期開始，也是s4導通之時，這就解決了死區(qū)時間內s3體二極管續(xù) 流導通的問題。對于這種柵極電荷保持的自驅型同步整流方法，有一個重要的過程就是，在續(xù)流管s3續(xù)流結束時要將其柵極電荷放掉，否則當變壓器副邊電壓變?yōu)樯险仑摰臅r候，續(xù)流管會導通，有電流從漏極流向源極，并最終導致變壓器副邊，續(xù)流管和整流管形成一個回路，即副邊出現(xiàn)直通。而放掉續(xù)流管s3的柵極電荷必須 依賴于副邊電壓變?yōu)樯险仑?，即使s4導通，將s3柵極電容上的電荷通過s4放掉，但是這里出現(xiàn)的情況是，當變壓器副邊電壓為上正下負使s4導通的時候， 同時續(xù)流管s3的ds電壓也建立起來，如果s3的柵極電荷未放完，至少剩余的電荷仍能驅動s3時，這時s3就會正向導通，電流就會由漏極通過s3流向源 極，并經(jīng)過整流管s2回到變壓器副邊，這樣變壓器副邊電壓就被短路，s4就無法再導通，s3上的柵極電荷就一直存在，直到這些電荷因為驅動s3而消耗完， 并又會進入下一次直通過程。如此惡性循環(huán)使變壓器副邊一直處于短路，即變換器副邊處于直通的狀態(tài)，情況嚴重的話會損壞整流管和續(xù)流管，甚至損壞變換器，因此必須用一種方法，在下個周期變壓器副邊電壓為上正下負之前就將s3的柵極電荷放掉，以保證不出現(xiàn)直通的現(xiàn)象。

如圖5所示，對原來的柵極電荷保持電路進行改進，將原邊ic產(chǎn)生的占空比分為兩路，一路通過加延時驅動主功率管，另一路通過驅動變壓器隔離驅動s4，因 為變壓器副邊電壓為上正下負的建立和原邊主功率管s1的開通幾乎是同時的，那么采用圖中的方法后，當在原邊開關管開通之前，即變壓器副邊電壓變?yōu)樯险仑撝埃瑂4就由原邊提供的一個驅動而開通，并使得續(xù)流管s3的柵極電荷通過s4釋放掉，提前使s3關斷，從而避免了直通的發(fā)生，該方法其他電路的接法與以前提出的柵極電荷保持電路一樣，這樣，該電路即實現(xiàn)了柵極電荷保持的功能，又避免了變換器直通的發(fā)生。

如圖6所示，給出了改進后電路各個開關管的驅動波形，由圖中可以看出，在s1開通之前提前開通s4，將s3的柵極電荷放掉，避免了變壓器副邊直通的發(fā)生。

3 外驅同步整流

對于采用變壓器副邊電壓來驅動自驅型的同步整流，即該電壓上正下負的時候驅動整流管s2，該電壓下正上負的時候驅動續(xù)流管s3，由于這兩個驅動電壓采的 是同一個電壓，因此這兩個驅動不會存在交疊，不需要進行處理。但是對于外驅型同步整流的方法，整流管和續(xù)流管的驅動之間必須加入死區(qū)，使兩個驅動不出現(xiàn)交疊的部分，進而防止變換器副邊出現(xiàn)直通。本文采用的外驅同步整流的原理框圖如圖7(a)所示。

本文中首先將原邊ic輸出的信號經(jīng)過驅動變壓器隔離傳輸?shù)礁边?，再利用同步整流驅動芯片將這個信號進行處理，在同步整流芯片內部可簡單看成是一個 固定的電容，通過在外部接電阻形成rc沖放電來實現(xiàn)延時，最終通過芯片處理同時延時了整流管s2以及續(xù)流管s3驅動信號的上升沿，從而在兩個驅動之間加入死區(qū)，如圖7(b)中波形所示。

同時，因為副邊加了一個同步整流的芯片，而由于芯片本身工作的延時，使得輸出信號整體對輸入有一個延時，因此必須在原邊也加入一個電路來補償這個延時，較好的方法就是在原邊同樣加入一個同步整流芯片，這樣使得對驅動的控制更加方便和容易，而且可以保證足夠的驅動能力。

另外，可以通過對副邊兩個管子驅動的控制來實現(xiàn)整流管和續(xù)流管的零電壓開關：對于整流管來說，當變壓器副邊電壓變成上正下負，這時，如果整流管的驅動還還不完善，那么電流會從整流管的體二極管流過，如果此時再提供驅動，開通的整流管即為零電壓；但考慮到效率，必須保證電流在體二極管中流過的時間很短；而在關斷的時候，可以在變壓器副邊電壓變成下正上負之前提前關斷整流管，實現(xiàn)整流管零電壓關斷，同樣要保證電流在體二極管中流動的時間很短。對于續(xù)流管采取同樣的方法實現(xiàn)續(xù)流管的零電壓開關。