同步整流技術在正激變換器中的應用研究

對于這種柵極電荷保持的自驅(qū)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(jié)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?下負的時候，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仑摚词箂4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(qū)動s3時，這時s3就會正向?qū)ǎ娏骶蜁陕O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(qū)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(qū)動主功率管，另一路通過驅(qū)動變壓器隔離驅(qū)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?之前，s4就由原邊提供的一個驅(qū)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(qū)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(qū)同步整流

對于采用變壓器副邊電壓來驅(qū)動自驅(qū)型的同步整流，即該電壓上正下負的時候驅(qū)動整流管s2，該電壓下正上負的時候驅(qū)動續(xù)流管s3，由于這兩個驅(qū)動電壓采的 是同一個電壓，因此這兩個驅(qū)動不會存在交疊，不需要進行處理。但是對于外驅(qū)型同步整流的方法，整流管和續(xù)流管的驅(qū)動之間必須加入死區(qū)，使兩個驅(qū)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(qū)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(qū)動變壓器隔離傳輸?shù)礁边叄倮猛秸黩?qū)動芯片將這個信號進行處理，在同步整流芯片內(nèi)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(qū)動信號的上升沿，從而在兩個驅(qū)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(qū)動的控制更加方便和容易，而且可以保證足夠的驅(qū)動能力。

另外，可以通過對副邊兩個管子驅(qū)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?yōu)樯险仑?，這時如果整流管的驅(qū)動還未 建立，那么電流就會先從整流管的體二極管流過，如果此時再給整流管提供驅(qū)動，這時整流管的開通即為零電壓開通，但是考慮到效率的因素，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?yōu)橄抡县撝疤崆瓣P斷整流管，這樣就實現(xiàn)了整流管的零電壓關斷，同樣必須保證電流在體二 極管中流動的時間很短。對于續(xù)流管采取同樣的方法，可以實現(xiàn)續(xù)流管的零電壓開關。

4 同步整流輕載注意事項

對于副邊采用傳統(tǒng)二極管續(xù)流工作的正激變換器來說，當負載電流進一步減小直至很輕時，將會出現(xiàn)電感電流斷續(xù)的工作情況，如圖8所示。

當副邊采用同步整流工作時，由于續(xù)流mosfet的雙向?qū)ǖ奶匦?，而電感電流要保持連續(xù)，因此在輕載的時候電感電流連續(xù)并能夠反向，如圖9所示，使得 續(xù)流管中出現(xiàn)從漏極流向源極的電流，并產(chǎn)生一個流出輸出正端流進輸出負端的環(huán)流，這個環(huán)流會消耗環(huán)流能量，這個能量的大小和輸出濾波電感有關，輸出濾波電 感越小，環(huán)流就會越大，環(huán)流能量越大，損耗也越大。所以由于同步整流器不能從ccm模態(tài)自動切換到dcm模態(tài)，輕載時就會產(chǎn)生很大的環(huán)流損耗，這種環(huán)流損 耗會降低變換器在輕載時的效率，當負載輕載一定程度的時候，受環(huán)流的影響，變換器的效率會顯著下降，因此必須在效率出現(xiàn)顯著下降的時候?qū)⒆儞Q器從同步整流 的工作狀態(tài)切換到二極管整流的工作狀態(tài)，來保證輕載時變換器的效率不至于太低，一般這個效率的拐點出現(xiàn)在負載的10%～25%之間。

本文中采用的切輕載的方法是：在變換器的原邊檢測電流信號，設定在效率出現(xiàn)拐點時的負載為切換的負載點，當檢測到電流小于該設定值后由原邊輸出一個信號，該信號傳遞到副邊并最終切斷同步整流信號，使變換器工作在二極管整流狀態(tài)。

此處，電流檢測是一個需要重點考慮的問題，在電感電流沒有反向時，變壓器原邊的電流始終是流進同名端留出異名端的，而在輕載的時候，由于電感電流反向， 變壓器副邊流過同名端進異名端出的電流，原邊流過異名端進同名端出的電流，因此在檢測電流的時候必須能夠檢測到雙向的電流。

檢測電流一 般有電阻和電流互感器等檢測方法，如果用電阻顯然可以檢測雙向的電流，但是考慮到損耗太大，因此電阻檢測不可行；如果用電流互感器檢測電流，那么電流互感 器副邊的接法就必須考慮到能夠檢測雙向的電流，因此如圖10所示，電流互感器副邊與電阻串聯(lián)的二極管必須用齊納二極管，如果副邊用普通的二極管，在電流互 感器流過反向電流的時候，由于二極管的阻斷作用，這個反向電流將不會被檢測到，換成齊納二極管后，當電流互感器流過反向電流的時候，齊納二極管被擊穿并穩(wěn) 定在一個電壓值，電流互感器的副邊流過一個流進同名端的電流，并且電流互感器利用齊納二極管上的壓降來進行磁復位，因此就檢測到了原邊流過的反向電流。