同步整流技術的研究

張 登

（船舶重工集團公司723所，揚州225001）

0 引 言

開關電源已廣泛地用于軍用和民用電子設備。效率是開關電源的基本指標，提高效率是提高開關電源可靠性的有效方法。在傳統的開關電源整流電路中，整流器件通常使用二極管，因為二極管無需驅動，電路結構簡單可靠，成本較低。但隨著電子技術的發展，低電壓、大電流的開關電源得到了廣泛的應用，這就使整流管損耗過大的問題變得尤為突出，即便使用壓降較低的肖特基二極管也無法滿足需要。因此，同步整流電路是必然的選擇。

1 同步整流技術的基本原理

同步整流技術是采用通態電阻極低的金屬－氧化物－半導體場效應晶體管（MOSFET）來代替整流二極管，從而大大降低整流管損耗，有效提高開關電源的效率。由于MOSFET漏源之間存在一個集成的體二極管，整流管又需具有反向阻斷功能，因此MOSFET作為整流管使用時，電流必須是從源極流向漏極。如何對MOSFET通斷進行控制是同步整流技術的關鍵問題［1－2］。

同步整流管的驅動方式通常分為自驅動方式和外驅動方式。自驅動是指直接從變壓器副邊繞組、輔助繞組獲取電壓驅動信號，驅動整流管。外驅動同步整流是指通過附加的邏輯和驅動電路，產生隨主變壓器副邊電壓作相應時序變化的驅動信號，驅動整流管。

同步整流技術首先應用在非隔離型變換器中，典型應用如圖1所示。

圖1 同步整流BUCK電路

對于上述電路，如果輸入輸出電壓比過大，導致主電路開關管工作的占空過小，開關電源的性能勢必受到影響。隔離型變換器能夠較好地解決這一問題。

正激變換器具有電路簡單、可靠性高等特點。在正激變換器中，將有源箝位技術與同步整流技術相結合，實現了軟開關同步整流技術，進一步提高了電源效率［1－2］。下面以正激變換器為例對同步整流技術進行分析，正激變換器同步整流的典型電路如圖2所示。

圖2 同步整流的典型電路

電路主開關管V1導通后，在變壓器次級電壓的正半周，同步整流管V2導通，電流全部流過V2，V3截止；電路主開關管V1關斷后，在變壓器次級電壓的負半周，同步整流管V2截止，電流全部流過V3。由于MOSFET管通態電阻極低，有效地降低了整流管的損耗。

可以看出，該同步整流電路采用自驅動方式，優點是電路結構簡單，增加的元件少；缺點是死區較大，同步整流管在死區時間內由于沒有柵極驅動電壓，負載電流只能流經體二極管，由于體二極管導通壓降大，電路的損耗仍然很大。

2 同步整流電路的改進方法

同步整流電路的改進方法有：

（1）解決同步整流電路的死區問題，可采用柵極電荷保持法

柵極電荷保持驅動電路是在自驅動電路基礎上改進而成，繼承了自驅動電路優點的同時，解決了整流管在死區時間里的導通問題，其原理如圖3所示。

圖3 采用柵極電荷保持法的同步整流電路圖

正激變換器中，在變壓器次級電壓的正半周，同步整流管V2導通，電流全部流過V2，輔助開關管V4導通，整流管V3的柵源電容上的電荷被輔助開關管放掉，V3無驅動電壓，處于截止狀態；在變壓器次級電壓的負半周，同步整流管V2截止，電流全部流過V3；當變壓器磁復位結束后，輔助開關管V4仍處于截止狀態，儲存在V3柵源電容上的電荷沒有放電回路而得以保持，V3仍然導通，體二極管無電流流過，直到下一個周期的到來。這樣，較好地解決了死區問題，進一步降低了損耗。

（2）對于不同的 MOSFET，驅動電壓可能不同，采用附加繞組驅動，通過調整其匝數，可以有效驅動不同門檻電壓的MOSFET管，如圖4所示。

圖4 采用附加繞組驅動的同步整流電路

當主開關管V1導通時，變壓器副邊通過輔助繞組經V6開始對V2、V4柵極電容充電，V3柵極電荷通過V4逐漸放掉，輸出電流開始從V3換流到V2。在V2的柵極驅動電壓上升到門檻電壓之前，V2的體二極管導通，該過渡過程為零電壓開關，降低了開通損耗。在主開關管V1開通的過渡過程中，隨著V2電流的增加，V3的電流相應減少。當該過渡過程結束后，輸出電流流經V2的功率MOSFET，而不是體二極管，V3關斷。

在開通過渡過程結束后，V2導通，V3關斷，輸出電流全部流經導通電阻很低的V2，能量從原邊傳遞到副邊。當主開關管關斷時，變壓器開始磁復位。在關斷過渡過程中，輔助繞組經V7對V3柵極電容充電，同時對V2、V4柵極電容放電，輸出電流從V2向V3換流。由于V5的存在，使V2在關斷后，其柵極電壓被箝位，降低了驅動損耗。V3也是零電壓開通，因此在其柵極驅動電壓上升至門檻電壓之前，電流流經體二極管。在該過渡過程結束后，V2關斷，V3導通。輸出電流流經V3的MOSFET。當磁復位結束后，該過程結束。輔助繞組的電壓將為0，V2、V4柵極驅動電壓也保持為0。因為V7反向截止，并且V4保持關斷，V3的柵源電容沒有放電途徑，柵極電壓保持高電平，所以繼續導通。這就實現了柵極電荷保持功能。

（3）柵極電荷保持技術解決了死區問題，但也存在一定的問題

（a）從V3換流到V2的過程中，換流結束之前，必須確保V3的柵極驅動電壓下降到門檻電壓以下，否則變壓器的副邊會出現交叉導通現象，即造成變壓器的次級短路，增加了損耗。所以應盡快關斷V3。

可以采取降低變壓器輔助繞組漏感、采用低門檻電壓和低導通電阻的V4來加速整流管V3的關斷。

（b）柵極驅動電壓隨輸入電壓的變化而變化。當輸入電壓變化范圍較大，同步整流的驅動電壓很難滿足要求。

采用基于同步整流芯片的外驅動同步整流技術，能提供高質量的驅動波形，可以較好地解決上述問題。近年來，隨著技術的進步，用于同步整流的控制芯片得到了廣泛的應用，下面以IR1176為例加以介紹。

IR1176是IR公司推出的一款用于驅動N溝道功率MOSFET的高速CMOS控制芯片。構成的同步整流電路原理圖如圖5所示。

圖5 基于IR1176的同步整流電路

該電路的優點：

（1）該芯片應用于正激電路中，直接從次級繞組取得同步信號，通過控制柵極驅動電壓重疊／死區時間，進一步縮短體二極管導通時間，有效避免了交叉導通現象，使電源效率進一步提升。

（2）很好地解決了自驅動同步整流中柵極驅動電壓隨輸入電壓的變化而變化的問題。圖5中，對輔助繞組輸出的信號進行整流后，經R2到達穩壓管后，保證了IR1176的VDD腳電壓的穩定性［3］。

3 結束語

在實際應用中，除了在電路結構上優化設計外，對變壓器還要采取合理的繞制方法，盡量減小其漏感，使副邊電感最小化。對于自驅動同步整流電路，副邊電感過大，將延長換流時間，增加損耗；對于外驅動同步整流，將影響同步信號波形，降低同步整流管驅動波形質量，也會降低電源效率。

隨著技術的進步，基于同步整流芯片的外驅動技術得到了較快的發展，但自驅動方式以其電路簡單、可靠性高、成本低等優點仍有很大的發展前景，仍值得進一步研究與探討。

［1］楊旭，裴云慶，王兆安.開關電源技術［M］.北京：機械工業出版社，2002.

［2］張建榮.直流開關電源的軟開關技術［M］.北京：科學出版社，2003.

［3］張乾，王衛國.新型同步整流驅動方式在開關電源中的應用［J］.電力電子技術，2009，43（2）：73－75.