簡(jiǎn)化隔離式開關(guān)電源同步整流器設(shè)計(jì)的一種智能型驅(qū)動(dòng)器
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一、引言
在電源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，輸出直流電壓不高的隔離式轉(zhuǎn)換器（正激式、回掃式、雙端式）都使用 MOSFET作為整流器件。由於這些器件上的導(dǎo)通損耗較小，能夠提高效率 [4、5]，因而應(yīng)用越來越廣泛。
為了這種電路能夠正常運(yùn)作，必須對(duì)同步整流器（SR）加以控制，這是基本的要求。同步整流器是用來取代二極管的，所以必須選擇適當(dāng)?shù)姆椒?，按照二極管的工作規(guī)律來驅(qū)動(dòng)同步整流器。驅(qū)動(dòng)信號(hào)必須用PWM控制信號(hào)來形成，而PWM控制信號(hào)決定著開關(guān)型電路的不同狀態(tài)。
一般而言，同步整流器是使用自驅(qū)動(dòng)電路[2]或者用外來控制信號(hào)來推動(dòng)。第一種方法的性能往往不是很好，原因是同步MOSFET的體內(nèi)二極管導(dǎo)通時(shí)間很長(zhǎng)， 另一個(gè)原因是柵極驅(qū)動(dòng)電壓是變化的。用控制驅(qū)動(dòng)電路的方法時(shí)，如何控制柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)以防止它們?cè)谇袚Q過程中出現(xiàn)同時(shí)導(dǎo)通的現(xiàn)象，在這方面存在著困難。為了解決這些困難，必須采用特殊的電路，例如在副邊使用PWM控制器 ，或者使用某種耦合器件把切換信息從原邊傳送到副邊。這些電路增加了電源轉(zhuǎn)換器的復(fù)雜程度，并且提高了成本[3]。
如果在電源轉(zhuǎn)換器中，PWM的頻率是固定不變的，而且PWM控制器是放在原邊，那麼可以用本文介紹的方法用控制驅(qū)動(dòng)電路來實(shí)現(xiàn)同步整流，并且可以避免在副邊出現(xiàn)短路或者在原邊和副邊之間出現(xiàn)短路。
二、短路的形成
控制驅(qū)動(dòng)同步整流的一個(gè)主要問題是如何產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)MODFET的信號(hào)而又能避免兩只MOSFET出現(xiàn)同時(shí)導(dǎo)通的現(xiàn)象。必須防止正激式轉(zhuǎn)換器中兩只MOSFET同時(shí)導(dǎo)通的現(xiàn)象，或者防止回掃式轉(zhuǎn)換器中同步MOSFET和主開關(guān)MOSFEF出現(xiàn)同時(shí)導(dǎo)通的現(xiàn)象。
圖1是正激式轉(zhuǎn)換器副邊的同步整流電路，當(dāng)主開關(guān)MOSFET導(dǎo)通時(shí)，電壓Vs是趨向於成為正電壓。這個(gè)電壓使得整流MOSFET（FR）中的體內(nèi)二極管成為正偏置。而且，由於檢測(cè)高電平Vs與續(xù)流MOSFET（FW）的關(guān)斷之間存在延遲，在t0-t1.這段時(shí)間內(nèi)，續(xù)流MOSFET、整流MOSFET中的體內(nèi)二極管、以及隔離變壓器的副邊便形成短路回路，在其中流過的電流在理論上不受限制。短路電流的數(shù)值只受到電路中寄生參數(shù)的限制，而且最終是由PWM中的保護(hù)電路來限制短路電流。
圖1. 在副邊形成的短路回路
對(duì)於整流MOSFET關(guān)斷過程，這些考慮同樣成立，對(duì)於其他的隔離式轉(zhuǎn)換器要關(guān)斷的開關(guān)器件也同樣是適用的。為了避免出現(xiàn)這種惡劣的情況出現(xiàn)，必須先把續(xù)流MOSFET關(guān)斷，然後整流MOSFET才由關(guān)斷變成導(dǎo)通。
這就是說，必須提前把續(xù)流整流器件切斷，或者說在關(guān)斷續(xù)流整流件時(shí)必須有一些“提前量”。
圖 2. 在關(guān)斷續(xù)流MOSFET時(shí)必須有一些“提前量”以防止電路中出現(xiàn)短路
在圖2中，繪出了驅(qū)動(dòng)同步整流器的正確信號(hào) 。在這里，控制MOSFET在進(jìn)入導(dǎo)通之前，續(xù)流MOSFET處於關(guān)斷狀態(tài)（VGS 為低電平）。當(dāng)電壓Vs 為正時(shí)，續(xù)流MOSFET是關(guān)斷的，它的體內(nèi)二極管不會(huì)讓回路中有電流流過。
三、本文提出的方法
本文提出的方法是利用時(shí)鐘輸入信號(hào)來產(chǎn)生一個(gè)正確的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，用於推動(dòng)同步整流器，它與主要的PWM信號(hào)有關(guān)。特別是，在使用兩只同步整流器件的情況下，驅(qū)驅(qū)動(dòng)信號(hào)是互補(bǔ)的，用這個(gè)方法能夠按照?qǐng)D3所示的時(shí)間來運(yùn)作，也就是說，輸出信號(hào)OUT2由高電平轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖接幸粋€(gè)提前量AN2， OUT1由高電平轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖酱嬖谝粋€(gè)提前量AN1。
圖 3. 時(shí)鐘信號(hào)、OUT1和OUT2在時(shí)間上的相互關(guān)系
這些功能是按照輸入的時(shí)鐘信號(hào)、通過控制電路的同步運(yùn)作來實(shí)現(xiàn)的。它檢測(cè)切換轉(zhuǎn)換過程和電源轉(zhuǎn)換器的切換頻率（fS）。為了形成時(shí)間提前量AN1和AN2，電路必須能夠預(yù)先知道是在甚麼時(shí)間進(jìn)行切換。這是用一只頻率為fI 的振蕩器來實(shí)現(xiàn)的，它的頻率比電源轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率高很多，并且使用兩組數(shù)字式計(jì)數(shù)器。這兩組數(shù)字式計(jì)數(shù)器起的作用是不同的，一組是用於測(cè)量整個(gè)切換周期，這逐周地進(jìn)行的，并把測(cè)量結(jié)果存儲(chǔ)起來供下一周使用，而另外一組數(shù)字式計(jì)數(shù)器則測(cè)量時(shí)鐘信號(hào)處於高電平的時(shí)間長(zhǎng)短，并把測(cè)量結(jié)果存放起來，供下一周使用。系統(tǒng)的精確度和分辨率取決於用於這個(gè)方法的內(nèi)部振蕩器頻率。轉(zhuǎn)換器的切換周期和時(shí)鐘信號(hào)處於高電平的時(shí)間是作為前一周的參數(shù)，那麼就可以在下周形成一個(gè)合適的時(shí)間輸出 信號(hào)，特別是在關(guān)斷過程中形成一個(gè)在時(shí)間上適當(dāng)?shù)奶崆傲?。這個(gè)在時(shí)間上的提前量可以用內(nèi)部振蕩器的周期TI 的個(gè)數(shù)、以離散的數(shù)字設(shè)定。
在使用兩個(gè)同步整流器件、它們由兩個(gè)互補(bǔ)的控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)的情況下，整個(gè)系統(tǒng)由以下部件組成：一個(gè)內(nèi)部振蕩器、有限狀態(tài)機(jī)、兩對(duì)加數(shù)/減數(shù)（UP/DOWN）計(jì)數(shù)器以及兩個(gè)控制輸出邏輯電路（圖4）。這個(gè)系統(tǒng)有一個(gè)輸入，兩個(gè)輸出：輸出是推動(dòng)轉(zhuǎn)換器副邊兩只MOSFET晶體管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)；輸入是時(shí)鐘信號(hào)（CK）。另外兩個(gè)參數(shù)是用於設(shè)定兩個(gè)輸出信號(hào)OUT1 和OUT2的時(shí)間提前量。
評(píng)論