正激變換器中同步整流驅(qū)動分析

　　計算機、通信交換機等數(shù)據(jù)處理設(shè)備在電路密度和處理器速度不斷提高的同時,電源系統(tǒng)也向低壓、大電流和更加高效、低耗、小型化方向發(fā)展。如今IC 電壓已經(jīng)從5 V 降為3. 3 V 甚至1. 8 V ,今后還會更低。在DC2DC 變換器中,整流部分的功耗占整個輸出功率的比重不斷增大,已成為制約整機效率提高的障礙。傳統(tǒng)整流電路一般采用功率二極管整流,由于二極管的通態(tài)壓降較高,因此在低壓、大電流時損耗很大。這就使得同步整流技術(shù)得到了普遍關(guān)注并獲得大量應(yīng)用 。同步整流技術(shù)就是用低導(dǎo)通電阻MOSFET 代替?zhèn)鹘y(tǒng)的肖特基整流二極管,由于MOSFET 的正向壓降很小,所以大大降低了整流部分損耗。同時對MOSFET 給出開關(guān)時序隨電路拓撲工作要求作相應(yīng)變化的門極驅(qū)動信號。由于門極驅(qū)動信號與MOSFET開關(guān)動作接近同步,所以稱為同步整流(SynchrONous Rectification ,簡稱SR) 。

　　1 、正激變換器中的同步整流

　　自驅(qū)動同步整流是指直接從變壓器副邊繞組或副邊電路的某一點上獲取電壓驅(qū)動信號,來驅(qū)動同步整流管。外驅(qū)動同步整流是指通過附加的邏輯和驅(qū)動電路,產(chǎn)生隨主變壓器副邊電壓作相應(yīng)時序變化的驅(qū)動信號,驅(qū)動SR 管。這種驅(qū)動方法能提供高質(zhì)量的驅(qū)動波形,但需要一套復(fù)雜的驅(qū)動控制電路。相比較來說,自驅(qū)動同步整流的電路結(jié)構(gòu)簡單,所需元件數(shù)量較少;同時自驅(qū)動同步整流續(xù)流二極管靠復(fù)位電壓驅(qū)動,所以工作特性依賴于功率變壓器的復(fù)位方式。理想情況是變壓器復(fù)位時間與主開關(guān)管關(guān)斷時間相等,這樣,輸出電流將在整個關(guān)斷期間內(nèi)通過同步整流管續(xù)流。由于漏源極間PN 結(jié)的存在,使MOSFET 漏源極之間存在一個集成的反向并聯(lián)體二極管。電路拓撲要求整流管有反向阻斷功能,因此MOSFET 作為整流管使用時,流過電流的方向必須是從源極到漏極,而不是通常的從漏極到源極。實際應(yīng)用中,2 只SR 管的驅(qū)動信號之間應(yīng)保證足夠的死區(qū)時間。因為在2 個SR 管換流期間,如果一只整流管已處于導(dǎo)通態(tài),而另外一只還沒有關(guān)斷,就會造成短路,導(dǎo)致較大的短路電流,可能會燒毀MOS 管。但死區(qū)時間也不能過長,因為在死區(qū)時間內(nèi),負載電流從SR 管的體二極管流過,完成MOSFET 作為整流管的功能,如果死區(qū)時間過長,電路雖然仍能正常工作,但會增加損耗。因此,從減小損耗的角度考慮,死區(qū)時間應(yīng)設(shè)置得足夠小。

圖1 　RCD 箝位自驅(qū)動同步整流正激變換器

　　1. 1 　RCD 箝位自驅(qū)動同步整流正激變換器

　　圖1 為輸出端采用自驅(qū)動同步整流的正激變換器電路。同步整流管包括SR2 (Q2 和D2) 和SR3 (Q3 和D3) ,它們直接被變壓器副邊電壓驅(qū)動,不需要專門的驅(qū)動器或控制電路來提供門極驅(qū)動信號。這種自驅(qū)動電路是同步整流中較簡單的形式,因為SR3 的門極驅(qū)動信號來自變壓器磁芯復(fù)位電壓,所以它的工作特性取決于變壓器磁芯復(fù)位方式。

圖2 　RCD 箝位自驅(qū)動同步整流正激變換器波形圖

　　(a) 主開關(guān)管門極驅(qū)動信號　(b) 主開關(guān)管漏源極電壓　(c) 流過同步整流管SR2 的電流　(d) 流過同步整流管SR3 的電流圖1 電路中原邊主開關(guān)管的門極驅(qū)動信號、漏源極電壓波形與副邊SRs 管的電流波形分別如圖2 所示。從圖2 (c) 波形中可以看出,在變壓器磁芯復(fù)位結(jié)束時,變壓器的磁化電流I2m 開始流過SR2 的體二極管D2 。磁化電流I2m 的大小與變壓器的匝比、復(fù)位電壓和主開關(guān)管兩端的總電容量的平方根三者的乘積成正比,與變壓器磁化電感的平方根成反比。其中從主開關(guān)管兩端看過去的總電容量是主開關(guān)管輸出電容、變壓器繞組電容、箝位二極管跨接電容、SR3 的反射輸入電容、SR2 的反射輸出電容的總和。同樣,從圖2 ( d) 波形中可以看出, 在變壓器復(fù)位完成之后,原來SR3 的晶體管Q3 上流過的負載電流Io 減去磁化電流I2m 后換流到體二極管D3 。由于SR2 和SR3 的體二極管的正向壓降相對較高,所以體二極管的導(dǎo)通以及死區(qū)時間( Tdead) 的延續(xù)就降低了同步整流的效率。減少這種損耗的方法是給SR2 與SR3 并聯(lián)肖特基二極管或減少D2 和D3 的導(dǎo)通時間。D2 的導(dǎo)通時間可以通過采用新的變壓器復(fù)位方式使死區(qū)時間最小化來縮短;D3 的導(dǎo)通時間可以通過使用外部門極驅(qū)動信號驅(qū)動Q3 或采用其他復(fù)位方式使死區(qū)時間最小化來縮短。由于負載電流Io 比磁化電流I2m 大很多,所以在死區(qū)時間內(nèi),由D3 導(dǎo)通造成的損耗比D2導(dǎo)通造成的損耗大很多。例如,對于設(shè)計良好的變換器,在輸出電流為15～20 A 時, I2m 通常小于2 A ,D2 的導(dǎo)通損耗對輸出效率的影響相對來說較小。

　　SR2 和SR3 的體二極管的導(dǎo)通損耗也與換向時間Toncom和Toffcom有關(guān),如圖2 (c) 、圖2 (d) 所示。SR2 的體二極管D2 僅在死區(qū)期間和主開關(guān)管關(guān)斷后一個極短的時間內(nèi)導(dǎo)通。當(dāng)死區(qū)時間僅由變壓器的復(fù)位電壓決定時,主開關(guān)管關(guān)斷后D2 的轉(zhuǎn)換時間依賴于副邊電壓的跌落時間和輸出電流從二極管D2 到晶體管Q3 的換向時間( Toffcom) 。變壓器副邊電感決定換向時間Toffcom ,也決定主開關(guān)管開通后,從二極管D3 到晶體管Q2換流所需的換向時間( Toncom) 。副邊電感包括變壓器的漏電感、SRs 的封裝(寄生或雜散) 電感和副邊交互電感。與D3 在Toncom期間產(chǎn)生的導(dǎo)通損耗對SR3 總體損耗的影響相比,D2 在Toffcom期間產(chǎn)生的導(dǎo)通損耗對SR2的總體損耗的影響要大得多。為了減少換向時間,副邊的電感量應(yīng)該盡量小,尤其要注意的是減小變壓器的漏電感,這對于減少SRs 的門極驅(qū)動電壓損失特別重要。SRs 體二極管的導(dǎo)通,不僅增加導(dǎo)通損耗,而且也帶來在體二極管關(guān)斷期間,出現(xiàn)在另一個SR 的體二極管和晶體管之上的由于反向恢復(fù)引起的功率損耗。反向恢復(fù)引起的功率損耗與恢復(fù)電荷Qrr 、頻率和副邊電壓成比例,一般通過給SR2 和SR3 并聯(lián)肖特基二極管來消除。

　　1. 2 　有源箝位自驅(qū)動同步整流正激變換器

圖3 　有源箝位自驅(qū)動同步整流正激變換器

　　如圖3 所示為有源箝位復(fù)位方式的自驅(qū)動正激變換器電路[5 ] 。它的主要波形如圖4 所示。因為變壓器磁芯在幾乎整個主開關(guān)管關(guān)斷期間被復(fù)位,所以這種復(fù)位方式將死區(qū)時間減至最小。結(jié)果晶體管Q3 的導(dǎo)通時間被最大化,D2 傳導(dǎo)磁化電流的時間被最小化。因此相對于RCD 箝位方式,有源箝位復(fù)位方式變換器的轉(zhuǎn)換效率有所提高。同時,有源箝位復(fù)位方式減小了主開關(guān)管上的電壓應(yīng)力。此外,適當(dāng)調(diào)整變壓器的磁化電感,可使主開

圖4 　有源箝位自驅(qū)動同步整流正激變換器波形圖

　　(a) 主開關(guān)管門極驅(qū)動信號　(b) 主開關(guān)管漏源極電壓　(c) 流過同步整流管SR2 的電流　(d) 流過同步整流管SR3 的電流關(guān)管在零電壓下開通。與采用RCD 箝位方式的電路相比,有源箝位方式的缺點是需要一個額外的開關(guān)管和相應(yīng)的驅(qū)動電路。所以使用肖特基二極管與SR2 并聯(lián)來提高RCD 箝位電路效率的方法應(yīng)該比采用有源箝位方法更簡單、經(jīng)濟。而在需要著重考慮電壓應(yīng)力和軟開關(guān)的同步整流應(yīng)用中,有源箝位方法是一個不錯的選擇。雖然自驅(qū)動同步整流易于實現(xiàn),但驅(qū)動波形質(zhì)量不如外驅(qū)動電路理想,而且不適于在輸入電壓變化范圍較大的情況下使用。對于在圖1 和圖3 中所示的自驅(qū)動同步整流,最大可接受的輸入電壓范圍很大程度依賴于輸出電壓。因為SR2 的門極驅(qū)動電壓與輸入電壓成一定比例,所以輸出電壓越高, 可接受的輸入電壓范圍就越窄。同樣,最小副邊電壓(如門極驅(qū)動電壓) 依賴于所需的輸出電壓和最大占空比。如果輸入電壓范圍較寬并且輸出電壓相對較高( > 5 V) ,門極驅(qū)動電壓在上限有可能超過(或接近) 最大允許門極驅(qū)動電壓?？梢杂靡粋€單獨的繞組給Q2 提供門極驅(qū)動信號來消除輸出電壓對門極驅(qū)動電壓幅度的影響。同樣, 可以通過設(shè)置門源極間的電壓箝位電路來限定最大門極驅(qū)動電壓。但是這些調(diào)整需要附加元件或一個多繞組的變壓器,增加