張 登

（船舶重工集團(tuán)公司723所，揚(yáng)州225001）

0 引 言

開(kāi)關(guān)電源已廣泛地用于軍用和民用電子設(shè)備。效率是開(kāi)關(guān)電源的基本指標(biāo)，提高效率是提高開(kāi)關(guān)電源可靠性的有效方法。在傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)電源整流電路中，整流器件通常使用二極管，因?yàn)槎O管無(wú)需驅(qū)動(dòng)，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，成本較低。但隨著電子技術(shù)的發(fā)展，低電壓、大電流的開(kāi)關(guān)電源得到了廣泛的應(yīng)用，這就使整流管損耗過(guò)大的問(wèn)題變得尤為突出，即便使用壓降較低的肖特基二極管也無(wú)法滿(mǎn)足需要。因此，同步整流電路是必然的選擇。

1 同步整流技術(shù)的基本原理

同步整流技術(shù)是采用通態(tài)電阻極低的金屬－氧化物－半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）來(lái)代替整流二極管，從而大大降低整流管損耗，有效提高開(kāi)關(guān)電源的效率。由于MOSFET漏源之間存在一個(gè)集成的體二極管，整流管又需具有反向阻斷功能，因此MOSFET作為整流管使用時(shí)，電流必須是從源極流向漏極。如何對(duì)MOSFET通斷進(jìn)行控制是同步整流技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題［1－2］。

同步整流管的驅(qū)動(dòng)方式通常分為自驅(qū)動(dòng)方式和外驅(qū)動(dòng)方式。自驅(qū)動(dòng)是指直接從變壓器副邊繞組、輔助繞組獲取電壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)整流管。外驅(qū)動(dòng)同步整流是指通過(guò)附加的邏輯和驅(qū)動(dòng)電路，產(chǎn)生隨主變壓器副邊電壓作相應(yīng)時(shí)序變化的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)整流管。

同步整流技術(shù)首先應(yīng)用在非隔離型變換器中，典型應(yīng)用如圖1所示。

圖1 同步整流BUCK電路

對(duì)于上述電路，如果輸入輸出電壓比過(guò)大，導(dǎo)致主電路開(kāi)關(guān)管工作的占空過(guò)小，開(kāi)關(guān)電源的性能勢(shì)必受到影響。隔離型變換器能夠較好地解決這一問(wèn)題。

正激變換器具有電路簡(jiǎn)單、可靠性高等特點(diǎn)。在正激變換器中，將有源箝位技術(shù)與同步整流技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了軟開(kāi)關(guān)同步整流技術(shù)，進(jìn)一步提高了電源效率［1－2］。下面以正激變換器為例對(duì)同步整流技術(shù)進(jìn)行分析，正激變換器同步整流的典型電路如圖2所示。

圖2 同步整流的典型電路

電路主開(kāi)關(guān)管V1導(dǎo)通后，在變壓器次級(jí)電壓的正半周，同步整流管V2導(dǎo)通，電流全部流過(guò)V2，V3截止；電路主開(kāi)關(guān)管V1關(guān)斷后，在變壓器次級(jí)電壓的負(fù)半周，同步整流管V2截止，電流全部流過(guò)V3。由于MOSFET管通態(tài)電阻極低，有效地降低了整流管的損耗。

可以看出，該同步整流電路采用自驅(qū)動(dòng)方式，優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，增加的元件少；缺點(diǎn)是死區(qū)較大，同步整流管在死區(qū)時(shí)間內(nèi)由于沒(méi)有柵極驅(qū)動(dòng)電壓，負(fù)載電流只能流經(jīng)體二極管，由于體二極管導(dǎo)通壓降大，電路的損耗仍然很大。

2 同步整流電路的改進(jìn)方法

同步整流電路的改進(jìn)方法有：

（1）解決同步整流電路的死區(qū)問(wèn)題，可采用柵極電荷保持法

柵極電荷保持驅(qū)動(dòng)電路是在自驅(qū)動(dòng)電路基礎(chǔ)上改進(jìn)而成，繼承了自驅(qū)動(dòng)電路優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，解決了整流管在死區(qū)時(shí)間里的導(dǎo)通問(wèn)題，其原理如圖3所示。

圖3 采用柵極電荷保持法的同步整流電路圖

正激變換器中，在變壓器次級(jí)電壓的正半周，同步整流管V2導(dǎo)通，電流全部流過(guò)V2，輔助開(kāi)關(guān)管V4導(dǎo)通，整流管V3的柵源電容上的電荷被輔助開(kāi)關(guān)管放掉，V3無(wú)驅(qū)動(dòng)電壓，處于截止?fàn)顟B(tài)；在變壓器次級(jí)電壓的負(fù)半周，同步整流管V2截止，電流全部流過(guò)V3；當(dāng)變壓器磁復(fù)位結(jié)束后，輔助開(kāi)關(guān)管V4仍處于截止?fàn)顟B(tài)，儲(chǔ)存在V3柵源電容上的電荷沒(méi)有放電回路而得以保持，V3仍然導(dǎo)通，體二極管無(wú)電流流過(guò)，直到下一個(gè)周期的到來(lái)。這樣，較好地解決了死區(qū)問(wèn)題，進(jìn)一步降低了損耗。

（2）對(duì)于不同的 MOSFET，驅(qū)動(dòng)電壓可能不同，采用附加繞組驅(qū)動(dòng)，通過(guò)調(diào)整其匝數(shù)，可以有效驅(qū)動(dòng)不同門(mén)檻電壓的MOSFET管，如圖4所示。

圖4 采用附加繞組驅(qū)動(dòng)的同步整流電路

當(dāng)主開(kāi)關(guān)管V1導(dǎo)通時(shí)，變壓器副邊通過(guò)輔助繞組經(jīng)V6開(kāi)始對(duì)V2、V4柵極電容充電，V3柵極電荷通過(guò)V4逐漸放掉，輸出電流開(kāi)始從V3換流到V2。在V2的柵極驅(qū)動(dòng)電壓上升到門(mén)檻電壓之前，V2的體二極管導(dǎo)通，該過(guò)渡過(guò)程為零電壓開(kāi)關(guān)，降低了開(kāi)通損耗。在主開(kāi)關(guān)管V1開(kāi)通的過(guò)渡過(guò)程中，隨著V2電流的增加，V3的電流相應(yīng)減少。當(dāng)該過(guò)渡過(guò)程結(jié)束后，輸出電流流經(jīng)V2的功率MOSFET，而不是體二極管，V3關(guān)斷。

在開(kāi)通過(guò)渡過(guò)程結(jié)束后，V2導(dǎo)通，V3關(guān)斷，輸出電流全部流經(jīng)導(dǎo)通電阻很低的V2，能量從原邊傳遞到副邊。當(dāng)主開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，變壓器開(kāi)始磁復(fù)位。在關(guān)斷過(guò)渡過(guò)程中，輔助繞組經(jīng)V7對(duì)V3柵極電容充電，同時(shí)對(duì)V2、V4柵極電容放電，輸出電流從V2向V3換流。由于V5的存在，使V2在關(guān)斷后，其柵極電壓被箝位，降低了驅(qū)動(dòng)損耗。V3也是零電壓開(kāi)通，因此在其柵極驅(qū)動(dòng)電壓上升至門(mén)檻電壓之前，電流流經(jīng)體二極管。在該過(guò)渡過(guò)程結(jié)束后，V2關(guān)斷，V3導(dǎo)通。輸出電流流經(jīng)V3的MOSFET。當(dāng)磁復(fù)位結(jié)束后，該過(guò)程結(jié)束。輔助繞組的電壓將為0，V2、V4柵極驅(qū)動(dòng)電壓也保持為0。因?yàn)閂7反向截止，并且V4保持關(guān)斷，V3的柵源電容沒(méi)有放電途徑，柵極電壓保持高電平，所以繼續(xù)導(dǎo)通。這就實(shí)現(xiàn)了柵極電荷保持功能。

（3）柵極電荷保持技術(shù)解決了死區(qū)問(wèn)題，但也存在一定的問(wèn)題

（a）從V3換流到V2的過(guò)程中，換流結(jié)束之前，必須確保V3的柵極驅(qū)動(dòng)電壓下降到門(mén)檻電壓以下，否則變壓器的副邊會(huì)出現(xiàn)交叉導(dǎo)通現(xiàn)象，即造成變壓器的次級(jí)短路，增加了損耗。所以應(yīng)盡快關(guān)斷V3。

可以采取降低變壓器輔助繞組漏感、采用低門(mén)檻電壓和低導(dǎo)通電阻的V4來(lái)加速整流管V3的關(guān)斷。

（b）柵極驅(qū)動(dòng)電壓隨輸入電壓的變化而變化。當(dāng)輸入電壓變化范圍較大，同步整流的驅(qū)動(dòng)電壓很難滿(mǎn)足要求。

采用基于同步整流芯片的外驅(qū)動(dòng)同步整流技術(shù)，能提供高質(zhì)量的驅(qū)動(dòng)波形，可以較好地解決上述問(wèn)題。近年來(lái)，隨著技術(shù)的進(jìn)步，用于同步整流的控制芯片得到了廣泛的應(yīng)用，下面以IR1176為例加以介紹。

IR1176是IR公司推出的一款用于驅(qū)動(dòng)N溝道功率MOSFET的高速CMOS控制芯片。構(gòu)成的同步整流電路原理圖如圖5所示。

圖5 基于IR1176的同步整流電路

該電路的優(yōu)點(diǎn)：

（1）該芯片應(yīng)用于正激電路中，直接從次級(jí)繞組取得同步信號(hào)，通過(guò)控制柵極驅(qū)動(dòng)電壓重疊／死區(qū)時(shí)間，進(jìn)一步縮短體二極管導(dǎo)通時(shí)間，有效避免了交叉導(dǎo)通現(xiàn)象，使電源效率進(jìn)一步提升。

（2）很好地解決了自驅(qū)動(dòng)同步整流中柵極驅(qū)動(dòng)電壓隨輸入電壓的變化而變化的問(wèn)題。圖5中，對(duì)輔助繞組輸出的信號(hào)進(jìn)行整流后，經(jīng)R2到達(dá)穩(wěn)壓管后，保證了IR1176的VDD腳電壓的穩(wěn)定性［3］。

3 結(jié)束語(yǔ)

在實(shí)際應(yīng)用中，除了在電路結(jié)構(gòu)上優(yōu)化設(shè)計(jì)外，對(duì)變壓器還要采取合理的繞制方法，盡量減小其漏感，使副邊電感最小化。對(duì)于自驅(qū)動(dòng)同步整流電路，副邊電感過(guò)大，將延長(zhǎng)換流時(shí)間，增加損耗；對(duì)于外驅(qū)動(dòng)同步整流，將影響同步信號(hào)波形，降低同步整流管驅(qū)動(dòng)波形質(zhì)量，也會(huì)降低電源效率。

隨著技術(shù)的進(jìn)步，基于同步整流芯片的外驅(qū)動(dòng)技術(shù)得到了較快的發(fā)展，但自驅(qū)動(dòng)方式以其電路簡(jiǎn)單、可靠性高、成本低等優(yōu)點(diǎn)仍有很大的發(fā)展前景，仍值得進(jìn)一步研究與探討。

［1］楊旭，裴云慶，王兆安.開(kāi)關(guān)電源技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

［2］張建榮.直流開(kāi)關(guān)電源的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)［M］.北京：科學(xué)出版社，2003.

［3］張乾，王衛(wèi)國(guó).新型同步整流驅(qū)動(dòng)方式在開(kāi)關(guān)電源中的應(yīng)用［J］.電力電子技術(shù)，2009，43（2）：73－75.