同步整流技術(shù)的特點(diǎn)與分析_圖文

1、收稿日期:2006201211作者簡介:宋輝淇(1981-,男,福建人,碩士研究生,研究方向為高頻功率磁元件分析與應(yīng)用。文章編號:100923664(20060320034204研制開發(fā)同步整流技術(shù)的特點(diǎn)與分析比較宋輝淇,林維明(福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院,福建,福州350002摘要:同步整流技術(shù)在低壓大電流開關(guān)模塊電源領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。文章從同步整流器件、主要電路結(jié)構(gòu)以及工作方式等三個不同的角度,對同步整流技術(shù)進(jìn)行了分析和比較,以便能夠更好的理解和應(yīng)用同步整流技術(shù)。文章最后給出了采用PWM 控制、輸出3.3V/8A 的同步整流反激變換器的實驗波形。關(guān)鍵詞:同步整流技術(shù);同步整流MOS

2、管;電路拓?fù)?驅(qū)動方式中圖分類號:TN 703文獻(xiàn)標(biāo)識碼:AThe Comparison and Analysis of Synchronous RectificationSON G Hui 2qi ,L IN Wei 2ming(College of Electrical Engineering and Automation ,Fuzhou University ,Fuzhou 350002,China Abstract :The synchronous rectification have been analyzed and compared f rom several different

3、 points in this article.It is convenient to understand the synchronous rectification and applied it in practice.In the end of this paper ,a hardware prototype of 25W (3.3V/8A ,which applied the synchronous rectification to the flyback converter ,has been built and some waveforms have been given.Key

4、words :synchronous rectification ;devices ;topologies ;driving methods0引言隨著計算機(jī)、通信技術(shù)的發(fā)展,低壓大電流開關(guān)電源越來越成為目前一個重要的研究課題。而效率問題始終是開關(guān)電源發(fā)展的一個主旋律1,同步整流技術(shù)的出現(xiàn),正是順應(yīng)了這一發(fā)展趨勢。從出現(xiàn)至今,國內(nèi)外許多著名的大公司和研究機(jī)構(gòu)都不斷致力于該技術(shù)的研究,為高效率二次電源的開發(fā)和應(yīng)用提供了強(qiáng)大的技術(shù)基礎(chǔ)。因此,深入分析和掌握同步整流技術(shù)特點(diǎn),對于該技術(shù)的優(yōu)化與發(fā)展及相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)具有十分重要的意義。目前,同步整流技術(shù)在DC/DC 模塊電源領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。隨著MO

5、SFET 設(shè)計工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步,使當(dāng)今的MOSFET 的性能大大提高。例如IR 公司的MOS 管IRF 7821,其最大導(dǎo)通電阻僅為9.1m ,開關(guān)時間小于10ns ,柵電荷僅9.3nC ,而且在邏輯電平下驅(qū)動即可。同步整流技術(shù)幾乎可以應(yīng)用到各種電路拓?fù)?并且可以與其它技術(shù)相結(jié)合,從而形成了各具特色的同步整流技術(shù)。例如,有源箝位技術(shù)與同步整流技術(shù)結(jié)合,實現(xiàn)了軟開關(guān)同步整流技術(shù),進(jìn)一步降低了同步整流MOS 管的開關(guān)損耗,效率也得到了進(jìn)一步的提高。同步整流技術(shù)的關(guān)鍵則在于同步整流管的驅(qū)動控制上,不同的驅(qū)動方式對效率的影響是有很大差別的。鑒于目前同步整流技術(shù)應(yīng)用的廣泛性,本文從器件、電路結(jié)構(gòu)以及工作方

6、式等三個不同的角度對同步整流技術(shù)進(jìn)行了較為全面的分析和比較,以利于更好的理解和掌握同步整流技術(shù)。1同步整流器件的特點(diǎn)同步整流技術(shù)就是采用低導(dǎo)通電阻的功率MOS 管代替開關(guān)變換器中的快恢復(fù)二極管,起整流管的作用,從而達(dá)到降低整流損耗,提高效率的目的。通常,變換器的主開關(guān)管也采用功率MOS 管,但是二者還是有一些差異的。功率MOS 管實際上是一個雙向?qū)щ娖骷?,其完整的漏源伏安特性應(yīng)包括第一象限以及第三象限,是基于原點(diǎn)對稱的,如圖1所示。其中:第一象限表示MOSFET 的正向?qū)щ娞匦?第三象限表示MOSFET的反向?qū)щ娞匦?同步整流技術(shù)正是利用了MOSFET 的這種雙向?qū)щ娞匦詠磉_(dá)到提高整流效率的

7、目的。由于工作原理的不同,而導(dǎo)致了其他一些方面的差異。例如:作為主開關(guān)的MOS 管工作在第一象限,通常都是硬開關(guān),因此要求開關(guān)速度快,以減小開關(guān)損耗;而作為整流/續(xù)流用的同步MOS 管,則要求MOS 管具有低導(dǎo)通電阻、體二極管反向恢復(fù)電荷小、柵極電阻小和開關(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(jī)理并不一樣,它們的性能參數(shù)要求也不一樣,認(rèn)識這一點(diǎn),對于如何正確選用MOS 管是有益的。43圖1MOSFET的伏安特性曲線2主要電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)眾所周知,同步整流技術(shù)首先應(yīng)用在非隔離型變換器,典型的應(yīng)用如圖2所示。然而,隨著輸出電壓的不斷降低,變換器的輸入輸出電壓變比則不斷增

8、大,相應(yīng)的占空比則不斷減小。以同步整流Buck變換器為例,當(dāng)占空比下降到1520%以下時,其性能將嚴(yán)重下降3,主要的原因就是占空比太小而導(dǎo)致的。隔離型變換器則能夠很好地解決這一問題,而且能夠?qū)崿F(xiàn)輸入輸出的電隔離,因此在許多隔離型變換器,如正激、反激、半橋、全橋等,也廣泛采用同步整流技術(shù),其典型的應(yīng)用電路如圖3所示。圖2同步整流Buck電路從應(yīng)用和設(shè)計的角度,隔離型變換器和非隔離型變換器對同步整流MOS管的設(shè)計、性能要求等方面的影響是不同的。非隔離型變換器主要適用于小功率的場合,以Buck電路為例,輸出電流通常被限制在2025A;為了滿足輸出大電流的要求,往往必須采用多個模塊并聯(lián)均流的方法,這不

9、但增加了電路的成本和體積,使可靠性降低,而且不符合開關(guān)電源高功率密度的發(fā)展趨勢。在Buck電路中,同步整流MOS管通常是由控制IC驅(qū)動和控制,因此,其驅(qū)動信號具有控制時序準(zhǔn)確,驅(qū)動電壓恒定、不受輸入或輸出電壓影響的優(yōu)點(diǎn)。近來,TI公司推出的一款新型的同步整流控制IC2UCC27221/2,它是通過采用檢測同步整流MOS2 FET的開關(guān)狀態(tài),然后利用數(shù)字控制技術(shù)調(diào)整MOS2 FET開關(guān)時間的方法,以獲得最優(yōu)的開通和關(guān)斷死區(qū)延遲時間,突破性的做出ZVS的同步整流,從而解決了非對稱電路的軟開關(guān)同步整流問題,使得效率在原有技術(shù)的基礎(chǔ)上又進(jìn)一步提高了24個百分點(diǎn)。隔離型變換器則適用于較大功率、對瞬態(tài)特性

10、要求不高的場合,高功率密度、高性價比是其主要目標(biāo)。對于隔離型變換器,同步MOS管的驅(qū)動方式依拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同而不同,具有較大的靈活性。若按工作方式來劃分,可分為自驅(qū)動和外驅(qū)動。所謂自驅(qū)動,它是在變換器中取合適點(diǎn)的電壓來驅(qū)動功率MOSFET,一般包括變壓器次級繞組的輸出端電壓和輸出濾波電感的電壓;自驅(qū)動的同步整流變換器具有電路結(jié)構(gòu)簡單、元器件少的優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)普遍用于5V以下的低壓小功率輸出場合,但是由于它的驅(qū)動電壓和輸入電壓、輸出電壓成比例,而且對于某些電路拓?fù)?如Buck、Forward等,為了避免兩個管子發(fā)生共通,要求兩個MOS管的驅(qū)動信號之間必需留有一定的死區(qū)時間,所以在輸入電壓變化范圍比較大

11、或者輸出電壓偏低的情況下,為了使同步整流管能夠有效的工作,需要對自驅(qū)動電路做進(jìn)一步的改進(jìn)425 。圖3同步整流在隔離型變換器中的應(yīng)用所謂外驅(qū)動,它是由外部的控制電路通過計算或根據(jù)電路的狀態(tài),確定功率MOSFET的驅(qū)動時間,然后由一專門的控制IC驅(qū)動同步整流管。外驅(qū)動電路可以提供精確的控制時序,使同步整流管的驅(qū)動信號和理想的驅(qū)動波形一致,驅(qū)動信號不受輸入電壓或輸出電壓影響,但是電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、所用的元件多、成本高。目前,對于12V以上至20V左右的同步整流,則多采用控制驅(qū)動IC,這樣可以收到較好的效果?，F(xiàn)已開發(fā)出的一些外驅(qū)動控制IC,如ST公司的STSR2和STSR3可以很好地用于正激和反激變換電

12、路,IR公53司的IR1175可直接從變換器副邊取得外驅(qū)動控制信號,Linear Technology公司的L TC1681和L TC1698,用于雙管正激電路的同步整流驅(qū)動。若按工作原理來劃分,則可以分為電壓型驅(qū)動627,電流型驅(qū)動8和諧振型驅(qū)動9等,有關(guān)具體的驅(qū)動方案可查閱相關(guān)的文獻(xiàn)。正是由于驅(qū)動方式的多樣性,因此,在隔離型變換器中,如何恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計同步整流管的驅(qū)動電路,對于變換器的性能具有十分重要的影響。3工作方式的比較傳統(tǒng)的同步整流方案基本上都是PWM型同步整流,主開關(guān)與同步整流開關(guān)的驅(qū)動信號之間必須設(shè)置一定的死區(qū)時間,以避免交叉導(dǎo)通,因此,同步整流MOS管就存在體二極管導(dǎo)通和反向恢復(fù)等

13、問題,從而降低同步整流電路的性能。下面以Flyback變換器為例具體說明,電路原理圖如圖3(b所示,典型的工作波形如圖4所示。圖4PWM型Flyb ack電路的工作波形由以上的分析和工作波形可以看出,為了防止兩個MOS管發(fā)生交叉導(dǎo)通,它們的驅(qū)動信號之間必須設(shè)置一定的死區(qū)時間;然而,為了獲得高效率,則又必須盡量減小死區(qū)時間、避免同步整流管中的體二極管的導(dǎo)通。這也是在PWM型變換器中應(yīng)用同步整流技術(shù)的關(guān)鍵所在,也是研發(fā)人員面臨的一大難點(diǎn)。諧振型同步整流方案是利用MOS管在開關(guān)過程中發(fā)生諧振,使得MOS管能夠獲得軟開關(guān)的性能,同時又能避免體二極管的導(dǎo)通問題。因此,該方案對驅(qū)動信號的時序要求不會十分苛

14、刻,便于驅(qū)動電路的設(shè)計;而且適用范圍廣,可適用于隔離型和非隔離型變換器,所以被認(rèn)為是一種十分具有發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)。為了便于比較,仍以Flyback變換器為例來說明,電路原理圖和典型的工作波形分別如圖5和圖6所示。由圖6的工作波形可以看出,當(dāng)同步整流管關(guān)斷時,諧振電感L r和電容Cr開始發(fā)生諧振;當(dāng)諧振電容Cr上的電壓過零時,開通同步整流MOS管,從而實現(xiàn)ZVS開通,而且整個過程不存在體二極管導(dǎo)通的問題,使得整流效率能夠大大提高。其中,諧振電感L r 可利用變壓器的漏感,諧振電容Cr可利用MOS管自身的寄生電容,或者并聯(lián)一個外部電容。雖然采用諧振技術(shù),但是,在低輸出電壓場合,經(jīng)過合理的設(shè)計,并不會

15、提高對器件性能的要求,也不會增加成本。圖5諧振型同步整流Flyb ack 變換器圖6諧振型同步整流Flyb ack電路的工作波形4實驗結(jié)果為了充分說明上述的理論分析,本文設(shè)計了一臺功率25W、采用PWM控制的DC/DC反激型電源模塊,額定輸入48V,輸出3.3V,開關(guān)工作頻率250k Hz,主開關(guān)管采用IR公司的IRFR15N20D,同步整流管用IRF7821TR,磁芯用鐵氧體FEE218/8/ 10C,按反激變壓器設(shè)計原則設(shè)計。主要波形如圖7所示,圖中Ch1為副邊同步整流管的驅(qū)動電壓波形, Ch2為原邊主開關(guān)管的驅(qū)動電壓波形。為了更清楚的說明變壓器原副邊MOS管的開關(guān)過程,圖7(b是圖7(a

16、開關(guān)過程的一個放大圖。5總結(jié)本文從器件、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作方式等幾個不同的角度,對同步整流技術(shù)進(jìn)行了分析和比較,介紹了該領(lǐng)域取得的一些新進(jìn)展,這有助于更全面理解同步整流技術(shù),為開拓同步整流技術(shù)應(yīng)用的新局面提供了一個良好的理論分析平臺。同步整流管的驅(qū)動控制仍然是同步整流技術(shù)的核心,不同的驅(qū)動方式對同步整流技術(shù)63的性能優(yōu)劣具有決定性的影響,因此,高性價比的同步整流驅(qū)動電路仍將是未來電力電子技術(shù)工程師努力和追求的目標(biāo)。 圖7原副邊MOS 管的驅(qū)動電壓波形參考文獻(xiàn):1張占松,蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計M .北京:電子工業(yè)出版社,2002.2胡宗波,張波.同步整流器中MOSFET 的雙向?qū)щ娞匦院驼鲹p

17、耗研究J .中國電機(jī)工程學(xué)報,2002,22(3:88293.3Charles E Mullett.A 52Year Power Technology RoadmapC.IEEE Proceeding of Applied Power Electronics Con 2ference 2004,1:11217.4G oran Stojcic ,Chien Nguyen.MOSFET SynchronousRectifiers for Isoloated ,Board 2Mounted DC 2DC Convert 2ersC.IEEE IN TEL EC 2000,1:2582266.5Xie

18、 X F ,Liu C P ,Poon N K ,Pong M H.Two methods toDrive Synchronous Rectifier During Dead Time in For 2ward TopologyC .IEEE Proceeding of Applied Power Electronics Conference 2000,1:9932999.6Fernandez A ,Sebastian J ,Hernando M M ,Villegas P.Op 2timisation of a Self 2Driven Synchronous Rectification S

19、ys 2tem for Converters with a Symmetrically Driven Transfo 2merC .IEEE Proceeding of Applied Power Electronics Conference 2004,12:8582864.7Xie X F ,Chung H Y ,Pong M H.Studies of Self 2drivensynchronous rectification in low voltage Power Conver 2sionC.IEEE PEDS 1999,1:2122217.8Joe C P Liu ,Franki N

20、K Poon ,Xie X F ,Pong M H.Cur 2rent Driven Synchronous Rectifier with Energy RecoverySensorC.IEEE PIEMC 2000,1:3752380.9Ming Xu ,Jinghai Zhou ,Yang Qiu ,Kaiwei Yao ,Fred CLee.Resonant Synchronous Rectification for High Fre 2quency DC/DC Converter C .IEEE Proceeding of Ap 2plied Power Electronics Conference 2004,2:8652871.行業(yè)信息電源管理要超越芯片層面在一個功耗敏感的時代,創(chuàng)新