开关电源新技术--同步整流

《开关电源新技术--同步整流》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、第五章开关电源新技术5－1电源PFC技术5－2同步整流技术同步整流的概念　　整流电路是DC/DC变换器的重要组成部分，传统的整流器件采用功率二极管。由于功率二极管的通态压降较高(压降最小的肖特基二极管也有0.55～0．65V)，因此整流损耗较大。由于集成电路已逐渐采用微功耗设计，供电电压逐渐降低，某些工作站和个人电脑要求有3.3V甚至低至1.8V的供电电压［1］。显然，DC/DC变换器在输出如此低的电压时，整流管的功耗占输出功率的比重将更大，致使变换器效率更低。另一方面，仪器设备的小型化设计要求尽量缩小

2、其电源的体积，但耗散功率大恰成为电源小型化、薄型化的障碍。80年代初，高频功率MOSFET刚开始得到发展，NEC公司的S.IKEDA等人就提出了一种新的整流管［2］，即采用功率MOSFET代替功率二极管作为整流元件，从而实现了输出整流管通态压降小、耗散功率低，效率高的DC/DC变换器。功率MOSFET是一种电压型控制器件，它作为整流元件时，要求控制电压与待整流电压的相位保持同步才能完成整流功能，故称为同步整流电路。为满足更高频率、更大容量的同步整流电路的需要，人们不断地探索并提出更新的功率MOSFET结

3、构［3］。　5－2－1　自控制同步整流电路拓扑分析　图1为倍流同步整流有源箝位DC/DC变换器的主电路拓扑图。变换器采用有源箝位电路，Vin为直流输入电压，S1为主开关，S2为辅助开关，S3和S4为同步整流管(S1～S4均为N型MOS管)，T为隔离变压器，S2和C组成有源箝位网络。D1～D4代表S1～S4的体二极管，C1～C4代表S1～S4的等效结电容，Llk为T的漏感，Lm为T的励磁电感，T1为理想变压器，变比为N∶1。工作时S1和S2轮流导通，当S1关断时，S2导通，箝位电容C被并联到T的原边，为漏

4、感电流提供一个低阻抗的无损耗的通路，从而在每个开关周期中以最小的损耗来吸收和回放电能，同时变压器T铁心磁通又可自动复位。整流电路采用倍流同步整流形式，同步整流功率MOSFETS3和S4采用自驱动控制；L3和L4为滤波电感，C0为滤波电容，R0为负载等效电阻，输出电流由L3和L4电流叠加供给，故称之为倍流同步整流电路。值得注意的是，通常使用MOSFET时，控制电压加在栅极(G)和源极(S)之间，而S3和S4的控制信号却是加在栅极(G)和漏极(D)之间。这是因为功率MOSFET内部存在一个反并联的体二极管，

5、控制信号加在G和D之间就使整流功率MOSFET在控制信号为零时具有反向电压阻断能力。图1　倍流同步整流有源箝位DC/DC变换器拓扑传统整流电路工作时，当滤波电感较小或负载电阻较大或开关频率f0较低时，将出现电感电流在一个周期结束前就下降到零并一直保持到周期结束的情况，这就是不连续导电工作模式[4]。而同步整流电路只有连续导电工作模式，原因是功率MOSFET导通后具有双向通流能力。其优点是：电路在全负载范围内，工作状态均属连续导电模式，控制电路稳定性好。而传统整流电路往往不适合空载(或轻载)工作，需要预先

6、加一固定负载保证最小输出电流，使电路工作在连续导电模式；在设计传统整流电路的滤波器时，为了保证轻载下电流连续，往往采用较大电感量的滤波电感，因而在大电流时功耗较大。在对功耗要求较苛刻的设计中，若采用同步整流电路，则可以选用较小电感量的滤波电感，同时增大滤波电容来满足降低输出纹波的要求，这样可以明显降低滤波器损耗，提高变换器效率。2　电路工作过程分析　　图2为开关S1和S2的控制电压时序图图2　控制电压时序图下面分4个阶段描述电路的工作过程。　　第一阶段：主开关S1导通阶段(t0～t1)，等效电路见图3(

7、a)。在这个阶段，主开关S1导通，辅助开关S2截止，箝位电路断开，输入电压通过S1加到T1上，此时v1＝Vin，v2＝Vin/N>0，因而S4处于导通状态，S3处于截止状态，T1副边电流i2通过L4、S4为负载供电(称L4的电流i4为主流)，同时，L3的电流i3通过负载和S4续流。在此阶段中Vin供给变换器的能量一部分经变压器传递给负载，另一部分则转变为变压器的励磁电感Lm的储能。　第二阶段：主开关S1关断到D2开始导通(t1～t2)。t1时刻，S1关断，由于T存在漏感，输入电流iS不会立即降为0，而是

8、逐渐减小并为C1充电，vS1上升，vS2下降；到t2时刻，vS2下降到0，D2开始导通。整流电路依次经历：S4关断，D4为S4续流而导通；D3导通，L4完成由主流到续流的过渡；D4关断，L3完成由续流到主流的过渡；S3零电压导通，D3关断。　　第三阶段：箝位电路作用阶段(t2～t3)，等效电路见图3(b)。t2时刻起，由于D2导通，箝位电容C与变压器的原边绕组并联。t2′时刻，S2零电压开通，D2随即因导通压降比S2大而截止。iC从D2导通