同步整流反激變換器應(yīng)用電路詳解 —電路圖天天讀（119）

　　隨著電子技術(shù)、信息技術(shù)在人們生活中的不斷滲透，電子產(chǎn)品的數(shù)量不斷增加。其能量消耗已大大超過了人們生活中照明所用的能源。國家能源局預(yù)測，2010 年全國電力需求，可能將達(dá)到4 萬億kWh 左右，增長的速度超過2009 年8%或者9%。全國電力需求增長速度非常快，但發(fā)電量增長有限，中國面臨嚴(yán)重的電力短缺問題。節(jié)約能源可以顯著減少所需的電能，同時(shí)減少發(fā)電廠數(shù)量，減少發(fā)電廠排放的廢氣廢水和灰渣對(duì)環(huán)境的污染。而電源是節(jié)約能源的重要環(huán)節(jié)。

　　開關(guān)電源，它是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，通過控制開關(guān)通斷的時(shí)間比率來維持輸出電壓穩(wěn)定的一種電源，廣泛應(yīng)用在諸如計(jì)算機(jī)、電視機(jī)、攝像機(jī)等電子設(shè)備上。反激變換器具有電路簡單、輸入輸出電壓隔離、成本低、空間要求少等優(yōu)點(diǎn)，在小功率開關(guān)電源中得到了廣泛的應(yīng)用。但輸出電流較大、輸出電壓較低時(shí)，傳統(tǒng)的反激變換器，次級(jí)整流二極管通態(tài)損耗和反向恢復(fù)損耗大，效率較低。同步整流技術(shù)，采用通態(tài)電阻極低的專用功率MOSFET來取代整流二極管。把同步整流技術(shù)應(yīng)用到反激變換器能夠很好提高變換器的效率。

　　同步整流反激變換器原理

　　反激變換器次級(jí)的整流二極管用同步整流管SR 代替，構(gòu)成同步整流反激變換器，基本拓?fù)淙鐖D1（a）所示。為實(shí)現(xiàn)反激變換器的同步整流，初級(jí)MOS 管Q 和次級(jí)同步整流管SR 必須按順序工作，即兩管的導(dǎo)通時(shí)間不能重疊。當(dāng)初級(jí)MOS 管Q 導(dǎo)通時(shí)，SR 關(guān)斷，變壓器存儲(chǔ)能量；當(dāng)初級(jí)MOS 管Q 關(guān)斷時(shí)，SR 導(dǎo)通，變壓器將存儲(chǔ)的能量傳送到負(fù)載。驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)序如圖1（b）所示。在實(shí)際電路中，為了避免初級(jí)MOS 管Q 和次級(jí)同步整流管SR 同時(shí)導(dǎo)通，Q 的關(guān)斷時(shí)刻和SR 導(dǎo)通時(shí)刻之間應(yīng)有延遲；同樣Q 的導(dǎo)通時(shí)刻和SR 的關(guān)斷時(shí)刻之間也應(yīng)該有延遲。

　　圖1 同步整流反激變換器

　　同步整流管的驅(qū)動(dòng)

　　SR 的驅(qū)動(dòng)是同步整流電路的一個(gè)重要問題，需要合理選擇。本文采用分立元件構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路，該驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)較簡單、成本較低，適合寬輸入電壓范圍的變換器，具體驅(qū)動(dòng)電路如圖2 所示。SR 的柵極驅(qū)動(dòng)電壓取自變換器輸出電壓，因此使用該驅(qū)動(dòng)電路的同步整流變換器的輸出電壓需滿足SR 柵極驅(qū)動(dòng)電壓要求。

　　圖2 驅(qū)動(dòng)電路

　　該驅(qū)動(dòng)電路的基本工作原理：電流互感器T2 與次級(jí)同步整流管SR 串聯(lián)在同一支路，用來檢測SR 的電流。當(dāng)有電流流過SR 的體二極管，則在電流互感器的二次側(cè)感應(yīng)出電流，該電流通過R1 轉(zhuǎn)變成電壓，當(dāng)電壓值達(dá)到并超過晶體管Q1 的發(fā)射結(jié)正向電壓時(shí)，Q1 導(dǎo)通，達(dá)到二極管VD 導(dǎo)通電壓時(shí)，VD 導(dǎo)通對(duì)其箝位。晶體管Q1 導(dǎo)通后，輸出電壓通過圖騰柱輸出電路驅(qū)動(dòng)SR 開通。當(dāng)SR 中的電流在電流互感器二次側(cè)電阻R1 上的采樣電壓降低到Q1 的導(dǎo)通閾值以下時(shí)，Q1 關(guān)斷，SR 關(guān)斷。

　　SR 為同步整流管，用來代替整流二極管；T2 為電流互感器，用來檢測通過SR 的電流，當(dāng)有電流流過SR 的體二極管，則在電流互感器的二次側(cè)感應(yīng)出電流；R1 用來將互感器二次側(cè)感應(yīng)出的電流轉(zhuǎn)變成電壓，同時(shí)R1 的值決定同步整流管開通和關(guān)斷時(shí)電流互感器二次側(cè)電流大小；C1 和二極管VD 用來對(duì)互感器二次側(cè)的電壓進(jìn)行濾波和箝位；偏置電阻R2，下拉電阻R3 和晶體管Q1 構(gòu)成開關(guān)電路，利用Q1 的飽和截止，實(shí)現(xiàn)同步整流管SR 的導(dǎo)通和關(guān)斷；Q2 和Q3 構(gòu)成圖騰柱輸出電路，提供足夠大的電流，使SR 柵源極間電壓迅速上升到所需要值，保證SR 能快速開通。同時(shí)為SR 關(guān)斷時(shí)提供反向抽取電流回路，加速SR 關(guān)斷。

　　同步整流反激變換器的設(shè)計(jì)

　　同步整流反激變換器的電路如圖3 所示，控制芯片選用UC3842(＄0.1656)。設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)如下：

　　工作方式：斷續(xù)模式

　　圖3 同步整流反激變換器電路

　　啟動(dòng)電路設(shè)計(jì)

　　芯片 UC3842 工作的開啟電壓為16V，在芯片開啟之前，芯片消耗的電流在1mA 以內(nèi)。正常工作后，欠壓鎖定電壓為10V，上限為34V，芯片消耗電流約為15mA。啟動(dòng)時(shí)由輸入直流電壓通過啟動(dòng)電阻R4 向電容C2 充電，芯片消耗電流在1mA 以內(nèi)，電容C2 上電壓不斷上升，當(dāng)芯片7 腳上電壓升至16V 時(shí)UC3842 開始工作，芯片消耗電流約為15mA，電容C2 上電壓下降，輔助繞組上開始有電壓，電容C3 上電壓逐漸升高，當(dāng)電容C3 上電壓高于電容C2 上電壓，二極管VD2 導(dǎo)通，由輔助繞組供電。輔助繞組供電電壓取15V，電壓紋波要求不高，濾波電容C3 取47μF。為了芯片可靠啟動(dòng)，電容C2 取100μF，電阻R4 取68KΩ，在輸入電壓最小時(shí)，通過啟動(dòng)電阻R4，能提供1.2mA的啟動(dòng)電流。

　　RCD 箝位電路設(shè)計(jì)

　　當(dāng)開關(guān)管 Q 關(guān)閉時(shí)，初級(jí)電感 Lp中的能量將轉(zhuǎn)移到次級(jí)輸出，但漏感Ll中的能量將不能傳遞到次級(jí)，轉(zhuǎn)移到箝位電路的電容Cc，然后這部分能量被箝位電阻 Rc消耗。電容c C上的電壓在開關(guān)管關(guān)斷的一瞬間沖上去，然后一直處于放電狀態(tài)。電容 Cc的值應(yīng)取得足夠大以保證其在吸收漏感能量和釋放能量時(shí)自身兩端電壓uc（t ）紋波足夠小。因此電容Cc 兩端電壓uc（t ）為基本為恒定值Uc 。同時(shí)電容 Cc上的電壓不能低于次級(jí)到初級(jí)的反射電壓Uo× （Np/ Ns），否則開關(guān)管關(guān)斷期間，二極管導(dǎo)通，RCD 箝位電路將成為該變換器的一路負(fù)載。

　　仿真分析與結(jié)論

　　應(yīng)用 Saber 仿真軟件對(duì)本文設(shè)計(jì)的同步整流反激變換器進(jìn)行仿真。圖4 為輸入電壓200V，滿載時(shí)，初級(jí)MOS 管Q、次級(jí)同步整流管SR 驅(qū)動(dòng)信號(hào)和次級(jí)電感電流波形。由圖可見，Q 關(guān)斷后，SR 經(jīng)過很短的延遲后就開通，次級(jí)電感電流降至接近零時(shí)，SR 關(guān)斷。圖5 為輸入電壓100V、200V、250V、300V 和375V，滿載條件下，分別采用同步整流和二極管整流時(shí)，系統(tǒng)效率的分布圖。

　　仿真結(jié)果與本文對(duì)同步整流反激變換器和同步整流管驅(qū)動(dòng)電路的工作原理分析一致。同時(shí)仿真結(jié)果證明，該驅(qū)動(dòng)電路可以很好實(shí)現(xiàn)同步整流功能，采用同步整流技術(shù)可以較好提高傳統(tǒng)反激變換器的效率。輸入電壓100V，滿載時(shí)，變換器效率最高為87.7%。

　　圖4 Ugs（Q），Ugs（SR），is 的波形

　　反激變換器應(yīng)用廣泛，采用同步整流技術(shù)能夠很好的提高反激變換器效率，同時(shí)為使同步整流管的驅(qū)動(dòng)電路簡單，采用分立元件構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路。詳細(xì)分析了同步整流反激變換器的工作原理和該驅(qū)動(dòng)電路的工作原理，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了100V~375VDC 輸入，12V/4A 輸出的同步整流反激變換器，工作于電流斷續(xù)模式，控制芯片選用UC3842，對(duì)設(shè)計(jì)過程進(jìn)行了詳細(xì)論述。