王賢江，石 玉，李功福

(電子科技大學(xué)電子薄膜與集成器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610054)

由于現(xiàn)代高速超大規(guī)模集成電路的尺寸不斷減小，同時(shí)又對(duì)功率要求的不斷增加。因此必須提高供電電源的功率密度，在有限的散熱空間里增加功率密度，就必須提高電源的工作效率。近年來，通過增加輸出級(jí)同步整流、引入軟開關(guān)技術(shù)等，使得開關(guān)電源的效率得到了大幅提高。如何進(jìn)行一步提高其工作效率，筆者從輸入級(jí)的一次整流入手進(jìn)行了相應(yīng)分析和研究。

1 原理與設(shè)計(jì)

1.1 橋式整流與橋式同步整流分析

一般開關(guān)電源中一次整流電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。因?yàn)閳D中電源V1由電網(wǎng)提供，要采用高壓二極管對(duì)其進(jìn)行整流，所以D1，D2，D3，D4的壓降約為1 V。當(dāng)輸出電流為I時(shí)，將在整個(gè)整流橋上產(chǎn)生P(VD)=1×2×I的功率損耗。

圖1 一次整流電路結(jié)構(gòu)

橋式同步整流電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖中M1、M2、M3、M4為 n 溝道增強(qiáng)型功率 MOS 管，其中 D1、D2、D3、D4為其寄生體二極管。圖中左半部分為其驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生模塊。

圖2 橋式同步整流電路結(jié)構(gòu)

為進(jìn)一步提高電源變換器的效率，降低一次整流部分的損耗是提高電源變換器工作效率的一種有效途徑。采用P－MOSFET管來實(shí)現(xiàn)整流功能的整流電路稱為同步整流電路，P－MOSFET管不像二極管那樣能自動(dòng)截止反向電流，需要用P－MOSFET管來實(shí)現(xiàn)同步整流，必須控制P－MOSFET管的導(dǎo)通和關(guān)斷，而P－MOSFET管的導(dǎo)通和關(guān)斷又取決于它的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)。因此，在設(shè)計(jì)同步整流P－MOSFET管柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的大小和時(shí)序，要確保同步整流電路的正常工作［8］。圖 3 為相應(yīng)開關(guān)管 M1、M2、M3、M4控制信號(hào)S1、S2、S3、S4波形圖。

為防止開關(guān)管發(fā)生直通的現(xiàn)象，在上下橋臂的波形切換之間加入了死區(qū)時(shí)間Tdeadtime。

圖3 相應(yīng)開關(guān)管控制信號(hào)波形圖

因?yàn)楣ぷ黝l率在50 Hz，所以無需考慮其開關(guān)損耗。橋式同步整流電路中功率損耗主要發(fā)生在其導(dǎo)通的直流電阻RDS上，即P=(RDS×2)I2，圖4給出了相應(yīng)損耗功耗曲線。

圖4 相應(yīng)損耗功耗曲線

設(shè)全橋整流時(shí)整流橋的損耗功率P(VD)=2×I。設(shè)全橋同步整流時(shí)開關(guān)管的損耗功率P(VT)=Ron×I2。與全橋整流相比全橋同步整流所節(jié)省的功率損耗P(D)=P(VD)－P(VT)=2×I－Ron×I2。根據(jù)函數(shù)的增減性，當(dāng)I=1/Ron時(shí)，P(D)可取得最大值。

1.2 相應(yīng)參數(shù)計(jì)算

此部分主要考慮將輸入正弦波變?yōu)榕c之同步的方波，相應(yīng)電路如圖5所示。為防止整流開關(guān)管發(fā)生直通的現(xiàn)象，在上下橋臂波形切換之間加入了死區(qū)時(shí)間。引死區(qū)時(shí)間由過零比較電壓時(shí)行設(shè)定，即電阻R1與電阻R2、R3與電阻R4的比值來確定。死區(qū)時(shí)間Tdeadtime在整個(gè)周期中所占的時(shí)間為

其中，V1－1為同步交流信號(hào)的幅值;T為輸入交流信號(hào)的周期。

圖5 相應(yīng)電路

2 實(shí)驗(yàn)部分

分別對(duì)全橋同步整流的效率進(jìn)行了測量與對(duì)比，并對(duì)其工程應(yīng)用進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)與分析。

2.1 效率對(duì)比

對(duì)相應(yīng)電路進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中圖2所示的同步開關(guān)管采用IRF4710，圖5中所采用的電壓比較器為LM339，為安全起見，圖2中所示輸入電壓V1為與電網(wǎng)隔離的12 V。電壓V1－1為與V1同步且與電網(wǎng)隔離的12 V，但經(jīng)過分壓處理。表1為二極管全橋整流與全橋同步整流在不同的負(fù)載情況下得到的效率。

表1 二極管全橋整流與同步整流不同負(fù)載效率

從表1中的相應(yīng)數(shù)據(jù)可以看出，全橋同步整流的效率要比二極管全波整流效率高出近10%，與理論以及仿真分析的結(jié)果基本是一致的。

2.2 實(shí)際應(yīng)用

帶阻性負(fù)載(3 Ω)時(shí)，其輸入電壓、電流波形如圖6所示，輸出電壓波形圖7所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)其電壓、電流波形相位比較接近，其輸出電壓呈脈動(dòng)的直流。

帶感性負(fù)載(直流電動(dòng)機(jī))時(shí)，其輸入電壓、電流波形如圖8所示，輸出電壓波形，圖9所示。輸入電流出現(xiàn)了能量的反向流動(dòng)，且一些區(qū)域呈現(xiàn)了較大的電流尖峰。輸出電壓中也同樣出現(xiàn)了幅值較大的尖峰電壓。

圖8 輸入電壓、電流波形

圖9 輸出電壓波形

帶容性負(fù)載(在23 Ω的負(fù)載電阻上并聯(lián)一個(gè)470 μF的電容)時(shí)，其輸入電壓、電流波形如圖10所示，輸出電壓波形圖11所示。和帶感性負(fù)載一樣也出現(xiàn)了能量的回流現(xiàn)象，這主要是由于開關(guān)管的反向?qū)ㄋ?。但從圖中可以發(fā)現(xiàn)其輸入電流波形出現(xiàn)了嚴(yán)重失真，這在實(shí)際應(yīng)用中是不允許的。

3 結(jié)束語

通過對(duì)全橋同步整流器的原理分析，仿真分析以及實(shí)驗(yàn)電路，得到以下結(jié)論:(1)根據(jù)相應(yīng)原理推導(dǎo)，可以看出只有當(dāng)開關(guān)管M1，M2，M3和M4的導(dǎo)通電阻比較低時(shí)才會(huì)大幅度的降低全橋同步整流器的功耗損耗，即提高一定空間的效率。(2)對(duì)于負(fù)載而言，即后級(jí)而言?？梢灾苯討?yīng)用于帶APFC的開關(guān)電源。當(dāng)然也可以直接使用電阻性負(fù)載。(3)當(dāng)加入電動(dòng)機(jī)這樣的感性負(fù)載時(shí)，會(huì)出現(xiàn)能量回流以及較大的電壓、電流尖峰。(4)當(dāng)加入電容這樣的容性負(fù)載時(shí)，會(huì)出現(xiàn)較大電流的正反向流動(dòng)而且輸入電流波形出現(xiàn)嚴(yán)重失真。這樣將會(huì)對(duì)供電電網(wǎng)造成一定程度的波動(dòng)，實(shí)際應(yīng)用中當(dāng)然是不允許出現(xiàn)的。綜上所述，(1)和(2)部分可以達(dá)到預(yù)期的要求，但是對(duì)于(3)和(4)部分還有待于進(jìn)一步地研究。

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