傳統(tǒng)二極管整流問題

 

近年來，電子技術(shù)的發(fā)展，使得電路的工作電壓越來越低、電流越來越大。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(shè)計(jì)提出了新的難題。

 

開關(guān)電源的損耗主要由3部分組成：功率開關(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(dǎo)通壓降較高，輸出端整流管的損耗尤為突出?？旎謴?fù)二極管（FRD）或超快恢復(fù)二極管（SRD）可達(dá)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(dǎo)致整流損耗增大，電源效率降低。

 

問題舉例

 

但設(shè)采用3.3V甚至1.8V或1.5V的供電電壓，所消耗的電流可達(dá)20A。此時(shí)超快恢復(fù)二極管的整流損耗已接近甚至超過電源輸出功率的50％。即使采用肖特基二極管，整流管上的損耗也會(huì)達(dá)到（18％～40％）PO，占電源總損耗的60％以上。因此，傳統(tǒng)的二極管整流電路已無法滿足實(shí)現(xiàn)低電壓、大電流開關(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(zhuǎn)換領(lǐng)域，輸出直流電壓不高的隔離式轉(zhuǎn)換器都使用 MOSFET作為整流器件。由於這些器件上的導(dǎo)通損耗較小，能夠提高效率因而應(yīng)用越來越廣泛；

 

為了這種電路能夠正常運(yùn)作，必須對同步整流器（SR）加以控制，這是基本的要求。同步整流器是用來取代二極管的，所以必須選擇適當(dāng)?shù)姆椒?，按照二極管的工作規(guī)律來驅(qū)動(dòng)同步整流器。驅(qū)動(dòng)信號(hào)必須用PWM控制信號(hào)來形成，而PWM控制信號(hào)決定著開關(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(dǎo)通電阻的功率MOS管代替開關(guān)變換器快恢復(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(shí)際上是一個(gè)雙向?qū)щ娖骷?，由于工作原理的不同，而?dǎo)致了其他一些方面的差異。例如：作為主開關(guān)的MOS管通常都是硬開關(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，對它們的性能參數(shù)要求也不一樣，認(rèn)識(shí)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(jié)構(gòu)

 

同步整流是采用通態(tài)電阻極低的專用功率MOSFET，來取代整流二極管以降低整流損耗的一項(xiàng)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(qū)電壓。功率MOSFET屬于電壓控制型器件，它在導(dǎo)通時(shí)的伏安特性呈線性關(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，故稱之為同步整流。

 

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(dòng)信號(hào)之間必須設(shè)置一定的死區(qū)時(shí)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)等問題，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(shè)計(jì) ）

 

基本的反激電路結(jié)構(gòu)

 

 

一種實(shí)際的外驅(qū)電路

 

 

增加驅(qū)動(dòng)能力的外驅(qū)電路

 

 

由NMOSFET構(gòu)成的反激同步整流自驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)

 

 

由PMOSFET構(gòu)成的反激同步整流自驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)

 

 

反激同步整流驅(qū)動(dòng)電路選擇

 

同步整流管的驅(qū)動(dòng)方式有三種：第一種是外加驅(qū)動(dòng)控制電路，優(yōu)點(diǎn)是其驅(qū)動(dòng)波形的質(zhì)量高，調(diào)試方便。缺點(diǎn)是：電路復(fù)雜，成本高，在追求小型化和低成本的今天只有研究價(jià)值，基本沒有應(yīng)用價(jià)值。上圖是簡單的外驅(qū)電路，R1D1用于調(diào)整死區(qū)。該電路的驅(qū)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(chǔ)上增加副邊推挽驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)，可以驅(qū)動(dòng)Ciss較大的MOSFET。在輸出電壓低于5V時(shí)，需要增加驅(qū)動(dòng)電路供電電源。

 

第二種是自驅(qū)動(dòng)同步整流。優(yōu)點(diǎn)是直接由變壓器副邊繞組驅(qū)動(dòng)或在主變壓器上加獨(dú)立驅(qū)動(dòng)繞組，電路簡單、成本低和自適應(yīng)驅(qū)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(diào)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足驅(qū)動(dòng)要求。由于Vgs的正向驅(qū)動(dòng)都正比于輸出電壓，調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)繞組的匝數(shù)可以確定比例系數(shù)，且輸出電壓都是很穩(wěn)定的，所以驅(qū)動(dòng)電壓也很穩(wěn)定。比較麻煩的是負(fù)向電壓可能會(huì)超標(biāo)，需要在設(shè)計(jì)變壓器變比時(shí)考慮驅(qū)動(dòng)負(fù)壓幅度。

 

第三種是半自驅(qū)。其驅(qū)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(hào)，另一個(gè)是獨(dú)立的外驅(qū)動(dòng)電路提供的信號(hào)。上圖是針對自驅(qū)的負(fù)壓問題，用單獨(dú)的放電回路，提供同步整流管的關(guān)斷信號(hào)，避開了自驅(qū)動(dòng)負(fù)壓放電的電壓超標(biāo)問題。