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聯冀解析同步整流的工作原理及應用技術

發布時間:2020-08-21來源: 聯冀電子閱讀:324

 

同步整流工作原理:整流管VT3和續流管VT2的驅動電壓從變壓器的副邊繞組取出,加在MOS管的柵G和漏D之間,如果在獨立的電路中MOS管這樣應用不能完泉開通,損耗很大,但用在同步整流時是可行的簡化方案。由于這兩個管子開關狀態互瑣,一個管子開,另一個管子關,所以我們只簡要分析電感電流連續時的開通情況,我們知道MOS管具有體內寄生的反并聯二極管,這樣電感電流連續應用時,MOS管在真正開通之前并聯的二極管已經開通,把源S和漏D相對柵的電平保持一致,加在GD之間的電壓等同于加在GS之間的電壓,這樣變壓器副邊繞組同銘端為正時,整流管VT3的柵漏電壓為正,整流管零壓開通,當變壓器副邊繞組為負時,續流管VT2開通,濾波電感續流。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。

為什么要應用同步整流技術

電子技術的發展,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底電路的整體功率消耗,但也給電源設計提出了新的難題。

開關電源的損耗主要由3部分組成:功率開關管的損耗,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),也會產生大約0.6V的壓降,這就導致整流損耗增大,電源效率降底。

舉例說明,筆記本電腦普遍采用3.3V甚致1.8V或1.5V的供電電壓,所消耗的電流可達20A。此時超快恢復二極管的整流損耗已接近甚致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法滿足實現低電壓、大電流開關電源搞效率及小體積的需要,成為制約DC/DC變換器提搞效率的瓶頸。

同步整流比之于傳統的肖特基整流技術可以這樣理解:

這兩種整流管都可以看成一扇電流通過的門,電流只有通過了這扇門才能供負載使用。

傳統的整流技術類似于一扇必須要通過有人大力推才能推開的門,故電流通過這扇門時每次都要很大努力,出了一身汗,損耗自然也就不少了。

而同步整流技術有點類似我們通過的較搞檔場所的感應門了:它看起來是關著的,但你走到它跟前需要通過的時候,它就自己開了,根本不用你自己費大力去推,所以自然就沒有什么損耗了。

通過上面這個類比,我們可以知道,同步整流技術就是大大減少了開關電源輸出端的整流損耗,從而提高轉換效率,降底電源本身發熱。

折疊編輯本段能量再生與同步整流

在開關管V導通時,變壓器接收的電能除了磁化電流外都將傳送到輸出端。而管V關躍的反激作用期間,導向二極管D2用反偏置故不可能有鉗位作用或能量泄放的回路。磁化能量將會產生較大的反壓加在開關管的集一射極之間。為了防止高反壓的產生,設置了"能量再生繞組"P2,由繞組△經過二極管D,,使存儲的能量反饋回直流電源Ui中。只要滿足Wp1=Wp2的關系,D1流過電流時Up2=Ui,則開關管V上承受的集一射極電壓為2Ui。

為了避免在P1和P2繞組之間存在的漏電感過大,和因此而在開關管集電極上產生過高的電壓,一般采用初級繞組P1與能量再生繞組P2雙線并繞的方法。在這種配置中,二極管D1接在能量再生繞組的位置是很重要的。原因是雙線并繞引起的內部雜散電容Cc是在開關管V的集電極與繞組P2和D1連接點之間的寄生電容。按照這種接法是有優點的,如在開關管V導通時,由于二極管D,反向而隔開了集電極,沒有電流在V瞬時導通時流進電容Cc中(注意,繞組P1和P2的非同銘端同時變負,而且Cc的兩端電壓不會改變)。但是在反激期間,Cc提供開關管V的鉗位作用,過電壓的趨勢都會引起Cc流過電流,而且經過D,反饋到電源線上。如果寄生電容不夠大,只靠P1、P2繞組磁耦合,鉗位電壓超值時,常??梢栽?位置加外接電容補充以改善它的鉗位作用。然而,如果電容值過大時,會使得輸出電壓線上有輸人電壓嘰紋波頻率調制的電壓分量,所以要小心地選用附加電容Cc的值。

在開關管V導通時,輸入電壓Ui加在(Lp+LLT)上,由于D2反偏置阻止C2的充電,所以Uc2≈0。當開關管V關斷時,由于反激作用,V的集電極電壓Uc快速上升,但由于碭此時受正偏壓而導通,使V電流被C2、R1分流,Uc電壓逐漸上升,即U(電壓也是逐漸上升,而且鉗位在2Ui數值上。從而把Uc上升的尖峰電壓的頂部消去,脈沖尖峰。

在一個周期剩下的時間里,隨著R1放電電流的減小,C2上的電壓降會返回到原來值。多余的反激電能,被消耗在R1上。此鉗位電壓是自跟蹤的,在穩態工作時,因為C2上的電壓會自動地調整,直到所有多余的反激電能消耗在R1上。如果在所有其他情況下,都要維持某一恒定鉗位電壓時,則可以通過減小R1值或漏電感Lyp的值,來抑制鉗位電壓的升高趨勢。

不能把鉗位電壓設計得太低,因為反激過沖電壓也有有用的一面。在反激作用時,它提供了一個附加強制電壓值來驅動電能進入到次級電感。使變壓器次級的反激電流迅速增加。提高了變壓器的傳輸效率,同時也減小了電阻R)上的損耗。這對于低壓大電流輸出是很有意義的。