傳統二極管整流問(wèn)題

 

近年來(lái)，電子技術(shù)的發(fā)展，使得電路的工作電壓越來(lái)越低、電流越來(lái)越大。低電壓工作有利于降低電路的整體功率消耗，但也給電源設計提出了新的難題。

 

開(kāi)關(guān)電源的損耗主要由3部分組成：功率開(kāi)關(guān)管的損耗，高頻變壓器的損耗，輸出端整流管的損耗。在低電壓、大電流輸出的情況下，整流二極管的導通壓降較高，輸出端整流管的損耗尤為突出?？旎謴投O管（FRD）或超快恢復二極管（SRD）可達1.0～1.2V，即使采用低壓降的肖特基二極管（SBD），也會(huì )產(chǎn)生大約0.6V的壓降，這就導致整流損耗增大，電源效率降低。

 

問(wèn)題舉例

 

但設采用3.3V甚至1.8V或1.5V的供電電壓，所消耗的電流可達20A。此時(shí)超快恢復二極管的整流損耗已接近甚至超過(guò)電源輸出功率的50％。即使采用肖特基二極管，整流管上的損耗也會(huì )達到（18％～40％）PO，占電源總損耗的60％以上。因此，傳統的二極管整流電路已無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)現低電壓、大電流開(kāi)關(guān)電源高效率及小體積的需要，成為制約DC／DC變換器提高效率的瓶頸。

 

同步整流技術(shù)引言

 

在電源轉換領(lǐng)域，輸出直流電壓不高的隔離式轉換器都使用 MOSFET作為整流器件。由於這些器件上的導通損耗較小，能夠提高效率因而應用越來(lái)越廣泛；

 

為了這種電路能夠正常運作，必須對同步整流器（SR）加以控制，這是基本的要求。同步整流器是用來(lái)取代二極管的，所以必須選擇適當的方法，按照二極管的工作規律來(lái)驅動(dòng)同步整流器。驅動(dòng)信號必須用PWM控制信號來(lái)形成，而PWM控制信號決定著(zhù)開(kāi)關(guān)型電路的不同狀態(tài)。

 

同步整流器件的特點(diǎn)

 

同步整流技術(shù)就是采用低導通電阻的功率MOS管代替開(kāi)關(guān)變換器快恢復二極管，起整流管的作用，從而達到降低整流損耗，提高效率的目的。通常，變換器的主開(kāi)關(guān)管也采用功率MOS管，但是二者還是有一些差異的。

 

功率MOS管實(shí)際上是一個(gè)雙向導電器件，由于工作原理的不同，而導致了其他一些方面的差異。例如：作為主開(kāi)關(guān)的MOS管通常都是硬開(kāi)關(guān)，因此要求開(kāi)關(guān)速度快，以減小開(kāi)關(guān)損耗；而作為整流/續流用的同步MOS管，則要求MOS管具有低導通電阻、體二極管反向恢復電荷小、柵極電阻小和開(kāi)關(guān)特性好等特點(diǎn)，因此，雖然兩者都是MOS管，但是它們的工作特性和損耗機理并不一樣，對它們的性能參數要求也不一樣，認識這一點(diǎn)，對于如何正確選用MOS管是有益的。

 

同步整流的基本電路結構

 

同步整流是采用通態(tài)電阻極低的專(zhuān)用功率MOSFET，來(lái)取代整流二極管以降低整流損耗的一項新技術(shù)。它能大大提高DC／DC變換器的效率并且不存在由肖特基勢壘電壓而造成的死區電壓。功率MOSFET屬于電壓控制型器件，它在導通時(shí)的伏安特性呈線(xiàn)性關(guān)系。用功率MOSFET做整流器時(shí)，要求柵極電壓必須與被整流電壓的相位保持同步才能完成整流功能，故稱(chēng)之為同步整流。

 

工作方式的比較

 

傳統的同步整流方案基本上都是PWM型同步整流，主開(kāi)關(guān)與同步整流開(kāi)關(guān)的驅動(dòng)信號之間必須設置一定的死區時(shí)間，以避免交叉導通，因此，同步整流MOS管就存在體二極管導通和反向恢復等問(wèn)題，從而降低同步整流電路的性能。

 

雙端自激、隔離式同步整流電路

實(shí)際舉例（反激同步整流設計 ）

 

基本的反激電路結構

 

 

一種實(shí)際的外驅電路

 

 

增加驅動(dòng)能力的外驅電路

 

 

由NMOSFET構成的反激同步整流自驅動(dòng)電路結構

 

 

由PMOSFET構成的反激同步整流自驅動(dòng)電路結構

 

 

反激同步整流驅動(dòng)電路選擇

 

同步整流管的驅動(dòng)方式有三種：第一種是外加驅動(dòng)控制電路，優(yōu)點(diǎn)是其驅動(dòng)波形的質(zhì)量高，調試方便。缺點(diǎn)是：電路復雜，成本高，在追求小型化和低成本的今天只有研究?jì)r(jià)值，基本沒(méi)有應用價(jià)值。上圖是簡(jiǎn)單的外驅電路，R1D1用于調整死區。該電路的驅動(dòng)能力較小，在同步整流管的Ciss較小時(shí)，可以使用。圖6是在圖5的基礎上增加副邊推挽驅動(dòng)電路的結構，可以驅動(dòng)Ciss較大的MOSFET。在輸出電壓低于5V時(shí)，需要增加驅動(dòng)電路供電電源。

 

第二種是自驅動(dòng)同步整流。優(yōu)點(diǎn)是直接由變壓器副邊繞組驅動(dòng)或在主變壓器上加獨立驅動(dòng)繞組，電路簡(jiǎn)單、成本低和自適應驅動(dòng)是主要優(yōu)勢，在商業(yè)化產(chǎn)品中廣泛使用。缺點(diǎn)是電路調試的柔性較少，在寬輸入低壓范圍時(shí)，有些波形需要附加限幅整形電路才能滿(mǎn)足驅動(dòng)要求。由于Vgs的正向驅動(dòng)都正比于輸出電壓，調節驅動(dòng)繞組的匝數可以確定比例系數，且輸出電壓都是很穩定的，所以驅動(dòng)電壓也很穩定。比較麻煩的是負向電壓可能會(huì )超標，需要在設計變壓器變比時(shí)考慮驅動(dòng)負壓幅度。

 

第三種是半自驅。其驅動(dòng)波形的上升或下降沿，一個(gè)是由主變壓器提供的信號，另一個(gè)是獨立的外驅動(dòng)電路提供的信號。上圖是針對自驅的負壓?jiǎn)?wèn)題，用單獨的放電回路，提供同步整流管的關(guān)斷信號，避開(kāi)了自驅動(dòng)負壓放電的電壓超標問(wèn)題。