新型RCD箝位單端正激式變換器仿真研究

摘    要：本文結(jié)合同步整流管驅(qū)動(dòng)技術(shù)在低壓大電流功率變換器中的應(yīng)用，在傳統(tǒng)RCD箝位單端正激式變換器的基礎(chǔ)上，提出了一種全新的RCD箝位正激變換器，解決了死區(qū)時(shí)間驅(qū)動(dòng)問(wèn)題，大大提高了整流電路的變換效率和整個(gè)變換器的效率。
關(guān)鍵詞：RCD箝位；同步整流；死區(qū)時(shí)間

引言
在單端正激式變換器中，有幾種常見(jiàn)的磁復(fù)位方式，如RCD箝位、LCD箝位、有源箝位、諧振復(fù)位等。采用RCD箝位的磁復(fù)位方式的單端正激變換器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，主開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力較低，不需要輔助開(kāi)關(guān)管。但是，由于在復(fù)位電路中的箝位電阻消耗能量，使得變換效率變得很低。在一些對(duì)效率要求不高或?qū)Τ杀疽髧?yán)格的電源中 ，通常應(yīng)用RCD箝位的變換器。
近年來(lái)，同步整流技術(shù)取得很大進(jìn)展，特別是在低壓大電流正激式功率變換器中的應(yīng)用。本文分析了傳統(tǒng)變換器的特點(diǎn)和存在的缺點(diǎn)，提出了一種新型RCD箝位單端正激式變換電路，通過(guò)在整流電路中采用新的同步整流驅(qū)動(dòng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了變換效率的很大提高。

傳統(tǒng)的RCD箝位變換器
圖1電路是采用普通二極管或肖特基二極管作為整流器件的RCD正激變換器。 在整流電路中，普通二極管的正向?qū)▔航荡?，一般?.7~1.0V之間。對(duì)于低電壓輸出，二極管的整流損耗占整個(gè)變換器損耗的30％；肖特基二極管導(dǎo)通壓降稍低，但也在0.3V左右，損耗約15％。
圖2所示是采用功率MOSFET管取代二極管的變換電路。功率MOSFET的特點(diǎn)是：導(dǎo)通電阻低，開(kāi)關(guān)時(shí)間短，輸入阻抗高。目前用于同步整流的功率MOSFET的最低導(dǎo)通電阻為3~4.5mW，如果輸出電流為10A，其正向?qū)▔航祪H為0.03~0.045V，輸出電流50A，正向壓降僅為0.15~0.225V，從而滿(mǎn)足了低壓大電流功率變換器的高效率需要。
對(duì)于圖2單端正激式RCD箝位變換器，在一個(gè)完整周期里，總是存在一個(gè)死區(qū)時(shí)間，即圖3中的Vs1(s)的t5~t6?？梢钥闯觯趖5~t6的時(shí)間段內(nèi)，主開(kāi)關(guān)管結(jié)電容電壓為輸入電壓Vin，因此變壓器輸入為0，副邊兩個(gè)功率MOSFET管都沒(méi)有驅(qū)動(dòng)電壓，不能導(dǎo)通。輸出電流經(jīng)過(guò)S3的體二極管續(xù)流，也消耗大量能量，降低了轉(zhuǎn)換效率。

新型RCD箝位正激變換器工作原理
圖4所示變換電路為一種全新的RCD箝位單端正激式變換器。它解決了傳統(tǒng)同步整流變換器存在的死區(qū)問(wèn)題，得到了較高的轉(zhuǎn)換效率。
主開(kāi)關(guān)序列和主開(kāi)關(guān)管結(jié)電容的電壓波形仍如圖3所示。電路工作原理如下：
在t0時(shí)刻之前，主開(kāi)關(guān)管結(jié)電容電壓為Vin，變壓器輸入和輸出均為0，副邊整流電路中由MOSFET管S3續(xù)流。 t0時(shí)刻后，結(jié)電容電壓變?yōu)?，經(jīng)過(guò)一個(gè)瞬間的變換過(guò)程后，由輔助繞組輸出高電壓驅(qū)動(dòng)S2和S4，因此S2導(dǎo)通，負(fù)載電流流過(guò)S2；而S4的導(dǎo)通使S3的柵極放電變?yōu)?電壓，S3截止。
到t1時(shí)刻后，主開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，結(jié)電容迅速充電，直到t3時(shí)刻電壓達(dá)到Vin+Vcc，Vcc是箝位電容電壓，期間完成了從S2到S3的換流。換流過(guò)程如下：t1時(shí)刻后，輔助繞組輸出電壓持續(xù)下降，先是降到MOSFET管S2柵極門(mén)檻電壓，后是在t2時(shí)刻降為0，此期間，分別由S2導(dǎo)通，后是由S2體二極管導(dǎo)通；在t2時(shí)刻后，輔助繞組輸出電壓變?yōu)檎⒊掷m(xù)升高，輸出電壓通過(guò)D1作用在S3的柵極，并給S3的柵源寄生電容充電。在電壓升到S3的柵極門(mén)檻驅(qū)動(dòng)電壓之前，負(fù)載電流先流過(guò)S3的體二極管，之后，S3開(kāi)通，電流流過(guò)S3，直到t3時(shí)刻，換流過(guò)程完成。
從t3到t4時(shí)刻，負(fù)載電流始終流過(guò)功率MOSFET管S3，一直到t4時(shí)刻。
在t4時(shí)刻，由于變壓器原邊勵(lì)磁電流變?yōu)榱悴⑶曳聪蛟黾?，箝位電容Cc自然截止，主開(kāi)關(guān)管結(jié)電容開(kāi)始放電。一直到t5時(shí)刻，結(jié)電容電壓又變?yōu)閂in，輔助繞組輸出電壓迅速減低，在t5時(shí)刻變?yōu)?。此期間，繼續(xù)由S3導(dǎo)通。
到t5時(shí)刻后，由于輔助繞組輸出電壓為0，使得S2，S4的柵極電壓都為0，而S3的柵源寄生電容電壓仍然存在，且不能通過(guò)S4放電，因此得以保持。這樣在t5到t6的死區(qū)時(shí)間里，S3得到了持續(xù)的驅(qū)動(dòng)電壓，負(fù)載電流流過(guò)S3。從而避免了體二極管的導(dǎo)通，降低了整流損耗。
輔助繞組輸出電路的工作過(guò)程如下：
當(dāng)輔助繞組輸出為正電壓時(shí)，輸出高電平直接驅(qū)動(dòng)S2和S4的柵極，此期間，同步整流管S2導(dǎo)通，由于S4導(dǎo)通，使得S3的柵極電荷被釋放而變成低電平，S3截止，變壓器原邊向副邊輸送能量；當(dāng)輔助繞組輸出變?yōu)樨?fù)電壓后，通過(guò)二極管D3將輔助繞組同名端連地端，使得繞組下端輸出高電平，并通過(guò)二極管D2驅(qū)動(dòng)續(xù)流管S3，S2和S4的柵極由于連接低電平而截止，此期間，輸出電流通過(guò)續(xù)流管S3流通，并且給S3的柵源寄生電容充電；當(dāng)輔助繞組輸出變?yōu)?后，即死區(qū)時(shí)間里，S2和S4繼續(xù)截止，S3的柵極由于連接輸出0電壓，但是由于柵極電荷保持管S4的截止，使得在S3柵源寄生電容的電荷不能釋放，高電壓得以繼續(xù)保持，因此S3繼續(xù)導(dǎo)通，電路工作狀態(tài)和輔助繞組輸出負(fù)電壓時(shí)完全一致，這就實(shí)現(xiàn)了柵極保持繼續(xù)驅(qū)動(dòng)。

整流損耗分析
對(duì)于傳統(tǒng)的RCD箝位同步整流電路，同步整流管的總損耗為：
P= Io Io Rds + 2Qg Vg Fs+ Io Vf Tdead fs+Qrr Vds fs
其中，Io Io Rds為功率MOSFET的總導(dǎo)通損耗；2Qg Vg fs為柵源結(jié)電容引起的總驅(qū)動(dòng)損耗，Qg為MOSFET每次開(kāi)通需要的驅(qū)動(dòng)電荷，Vg為驅(qū)動(dòng)電壓副值；
Io Vf Tdead fs為在死區(qū)時(shí)間內(nèi)體二極管的導(dǎo)通損耗，Vf為負(fù)載電流Io時(shí)體二極管的正向?qū)▔航?，Tdead為死區(qū)時(shí)間里二極管導(dǎo)通時(shí)間。
Qrr Vds fs為體二極管的反向恢復(fù)損耗，Qrr為體二極管的反向恢復(fù)電荷。
在本文提出的新型電路中，由于在死區(qū)時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了續(xù)流管導(dǎo)通，避免了體二極管導(dǎo)通損耗和反向恢復(fù)損耗，因而大大降低了整流部分損耗，整流管損耗表達(dá)式為：
P= Io Io Rds +2Qg Vg Fs
可以看出，死區(qū)時(shí)間內(nèi)的體二極管損耗已經(jīng)避免。特別是在輔助開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間相對(duì)較短，死區(qū)時(shí)間較長(zhǎng)的情況下，效率提高非常明顯。

仿真結(jié)果
根據(jù)圖4所示電路原理，使用仿真軟件Simetrix進(jìn)行電路仿真分析。主要仿真條件為：直流輸入電壓為48V，理想變壓器原邊與副邊繞組及輔助繞組的匝比為16：2：4，主開(kāi)關(guān)占空比為0.3。仿真得到同步整流管S2柵極電壓波形(上)與續(xù)流管S3柵極電壓仿真波形(下)如圖5結(jié)果。
從仿真波形圖5可以看出，同步整流管S2柵極電壓與續(xù)流管S3柵極電壓在一個(gè)完整周期里，實(shí)現(xiàn)了不斷更替的高電平，即不論死區(qū)時(shí)間怎樣，都保證了同步整流管和續(xù)流管中的一個(gè)能夠?qū)?。證明了在死區(qū)時(shí)間里，續(xù)流管繼續(xù)導(dǎo)通，避免了體二極管的導(dǎo)通，從而在理論上說(shuō)明了該整流電路對(duì)提高轉(zhuǎn)換效率的作用。

結(jié)語(yǔ)
本文介紹了一種新型單端正激式RCD箝位變換器，在整流部分采用了同步整流驅(qū)動(dòng)方法。解決了傳統(tǒng)同步整流死區(qū)時(shí)間的導(dǎo)通問(wèn)題，減少了整流損耗，從而提高了整個(gè)變換器的轉(zhuǎn)換效率。隨著DC-DC開(kāi)關(guān)電源對(duì)效率的要求不斷增高，新型高效率的RCD箝位變換器也將獲得進(jìn)一步發(fā)展。■

參考文獻(xiàn)
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2 胡宗波. 同步整流技術(shù)中同步整流管特性及同步整流器驅(qū)動(dòng)方式研究. 碩士學(xué)位論文. 華南理工大學(xué). 2002，5