同步整流技術(shù)的正激變換器

 在傳統(tǒng)的電壓驅(qū)動(dòng)正激變換器中,通常存在死區(qū)時(shí)間內(nèi)續(xù)流整流管體二極管的導(dǎo)通問(wèn)題?體二極管的導(dǎo)通增加了整流損耗,降低了變換器的效率?為此,這里介紹一種新的電壓自驅(qū)動(dòng)方式——柵極電荷保持驅(qū)動(dòng)方式?應(yīng)用該驅(qū)動(dòng)方式的同步整流正激變換器,解決了死區(qū)時(shí)間內(nèi)體二極管的導(dǎo)通問(wèn)題,降低了整流損耗,提高了整流效率

  1.柵極電荷保持電壓驅(qū)動(dòng)同步整流器

  柵極電荷保持驅(qū)動(dòng)方式的基本原理如圖2-49所示?在to時(shí)刻之前,輸入信號(hào)U?為0V,開關(guān)S關(guān)斷?電容C的初始電壓為0V?在t時(shí)刻,輸入信號(hào)U=為正,通過(guò)二極管VD對(duì)電容C正向充電?在t1時(shí)刻,輸入信號(hào)U=為0V?二極管VD承受反向電壓截止?只要開關(guān)S保持關(guān)斷,電容C上的電荷得以保持,U?即可維持高電平?在2時(shí)刻,開關(guān)S導(dǎo)通,電容C上的  電荷得以保持,U?維持高電平?在t2時(shí)刻,開關(guān)S導(dǎo)通,電容C通過(guò)開關(guān)S放電,Um變?yōu)?V?如果C是同步整流管的柵極寄生電容,S是一個(gè)輔助開關(guān),那么在t1~t2這段時(shí)間內(nèi),當(dāng)輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)U降為0V時(shí),同步整流管的柵極電壓仍可保持高電平。

柵極電荷保持驅(qū)動(dòng)正激變換器利用柵極電荷保持驅(qū)動(dòng)方式,可以解決傳統(tǒng)電壓自驅(qū)動(dòng)同步整流器中死區(qū)時(shí)間內(nèi)續(xù)流 MOSFET體二極管的導(dǎo)通問(wèn)題?圖2-50給出了柵極電荷保持電壓驅(qū)動(dòng)同步整流器應(yīng)用在正激變換器的原理電路和主要波形,其中外加的S3和VD用來(lái)實(shí)現(xiàn)柵極電荷保持?

圖2-49柵極電荷保持電壓驅(qū)動(dòng)的基本原理圖2-50柵極電荷保持電壓驅(qū)動(dòng)正激變換器

在to~t1的時(shí)間內(nèi),主開關(guān)管S導(dǎo)通?變壓器副邊電壓驅(qū)動(dòng)Sl和S3,使其導(dǎo)通?S2柵極寄生電容通過(guò)S3放電,S2的柵極電壓降低為0V,S2關(guān)斷,輸出電流流經(jīng)S1?在t1時(shí)刻,主開關(guān)管S關(guān)斷,勵(lì)磁電流流經(jīng)磁復(fù)位電路?變壓器副邊電壓反向,S1和S3關(guān)斷?S2的柵極寄生電容由流經(jīng)VD的電流充電?S2柵極為高電平導(dǎo)通,負(fù)載電流流經(jīng)S2?在時(shí)刻t2,磁復(fù)位結(jié)束,變壓器副邊電壓為0V?因?yàn)閂D承受反壓截止,S3關(guān)斷,S2的柵極驅(qū)動(dòng)電壓保持不變?

  因此,盡管變壓器副邊電壓為0V,S2仍然保持導(dǎo)通,繼續(xù)續(xù)流?S2柵極驅(qū)動(dòng)電壓一直保持到下一個(gè)開關(guān)周期開始且S3導(dǎo)通之時(shí)?這就解決了死區(qū)時(shí)間內(nèi)S2體二極管續(xù)流導(dǎo)通的問(wèn)題柵極電荷保持技術(shù)在實(shí)際運(yùn)用中,必須注意以下幾個(gè)問(wèn)題

  第一個(gè)問(wèn)題是柵極電荷的保持時(shí)間?在柵極電荷保持階段,S2的柵極電荷可能經(jīng)過(guò)VDS2和S3放電?二極管存在反向漏電流,同步整流管的柵源極和漏源極之間均存在漏電流

  般來(lái)說(shuō),同步整流管的柵極寄生電容電荷大約為60nC,柵源極漏電流大約為100nA,漏源極漏電流大約為100mA?肖特基二極管的反向漏電流大約為1mA?對(duì)于快恢復(fù)二極管,反向漏電流只有1mA?如果柵極驅(qū)動(dòng)門限電壓為2V,其初始電壓為5V?當(dāng)VD為肖特基二極管時(shí),柵極電壓保持在門限電壓之上的時(shí)間大約為36ms?當(dāng)采用快恢復(fù)二極管時(shí),這個(gè)時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)?將這一時(shí)間和死區(qū)時(shí)間比較,可以看出,這一時(shí)間足夠保持S2在死區(qū)時(shí)間內(nèi)的續(xù)流要求,并且可以適當(dāng)提高開關(guān)頻率

  第二個(gè)問(wèn)題是變壓器副邊出現(xiàn)環(huán)流電流?在時(shí)刻to,主開關(guān)管S導(dǎo)通?變壓器副邊感應(yīng)電壓開通S1,關(guān)斷S2?然而,只有當(dāng)S3導(dǎo)通且S2的柵極電荷全部釋放時(shí),S2才關(guān)斷?這就意味著,S3的柵極電壓以及S2的漏極電壓必須同時(shí)建立起來(lái)?這要求S2流經(jīng)大的反向電流,因而增加了S2的損耗。

第三個(gè)問(wèn)題普遍存在于現(xiàn)有的同步整流器中?變壓器副邊電壓有可能太低或者太高而不能直接驅(qū)動(dòng)同步整流管?當(dāng)輸出電壓明顯高于5V時(shí),驅(qū)動(dòng)電壓可能超過(guò)了同步整流管的柵極驅(qū)動(dòng)電壓限值;當(dāng)輸出電壓為3.3V或2.2V時(shí),副邊電壓又太低而不能有效驅(qū)動(dòng)同步整流管?

  第二個(gè)問(wèn)題和第三個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)外加輔助繞組得到解決?合適地選取輔助繞組的匝數(shù),就可以得到理想的驅(qū)動(dòng)電壓波形?輔助開關(guān)S3的關(guān)斷信號(hào)從變壓器原邊直接耦合而來(lái),不再依賴S2的漏極電壓,因此解決了變壓器副邊出現(xiàn)環(huán)流電流的問(wèn)題?輔助繞組的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是,可以減小變壓器漏感引起的同步整流管導(dǎo)通的延遲時(shí)間?

  圖2-51所示的是一種外加輔助繞組的柵極電荷保持電壓驅(qū)動(dòng)正激變換器?鉗位二極管VD)3的作用是,當(dāng)S1的柵極驅(qū)動(dòng)電壓為0V時(shí),不繼續(xù)降低,因此降低了S1的驅(qū)動(dòng)損耗?