移相全橋同步整流驅(qū)動(dòng)方式的研究

雷笙民，李體青

（32142部隊(duì) 保障旅，河北 保定 071000）

移相全橋同步整流驅(qū)動(dòng)方式的研究

雷笙民，李體青

（32142部隊(duì) 保障旅，河北 保定 071000）

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展和人民環(huán)保節(jié)能意識(shí)的不斷增強(qiáng)，人們對(duì)開關(guān)電源的效率要求越來越高。而傳統(tǒng)的開關(guān)電源副邊使用二極管整流，管壓降大，功率損失大。同步整流器一般采用MosFet，其阻抗很小，而且可以多個(gè)并聯(lián)，從而大大降低功耗。移相全橋電路相較于傳統(tǒng)的硬開關(guān)橋式電路，其原邊四個(gè)MosFet均可以實(shí)現(xiàn)ZVS，從而得到較高的效率。

同步整流器；移相全橋電路；開關(guān)電源效率

0 引言

使用全橋電路拓?fù)涞拈_關(guān)電源在300W以上的應(yīng)用領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。隨著對(duì)開關(guān)電源效率和功率密度的要求越來越高，其原邊器件的工作狀態(tài)逐步從硬開通轉(zhuǎn)變?yōu)閆VS。原邊器件實(shí)現(xiàn)ZVS的方法有很多種，其中移相全橋可以使全部四個(gè)MOSFET在很寬的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)ZVS，因而得到了非常廣泛的應(yīng)用。

為了在一個(gè)較大的范圍讓原邊實(shí)現(xiàn)軟開通，移相全橋的控制需要對(duì)原邊兩個(gè)橋臂的死區(qū)時(shí)間進(jìn)行調(diào)節(jié)，其控制比較復(fù)雜。TI公司生產(chǎn)的UCC3895控制芯片把原邊橋臂的死區(qū)時(shí)間、原邊MosFet的移相控制、原邊峰值電流控制、副邊反饋控制和部分保護(hù)集成在一起，在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。本文研究的移相全橋的同步整流器的驅(qū)動(dòng)控制就是基于該芯片的應(yīng)用。

1 移相全橋電路分析

傳統(tǒng)的移相全橋電路中，變壓器的漏感能量在原邊電路換流的時(shí)候會(huì)在副邊整流器件產(chǎn)生較大的電壓尖峰，所以需要較高耐壓等級(jí)的整流器件，在增加成本的同時(shí)也降低了效率。在電路中增加兩個(gè)電壓鉗位二極管（如圖1中的D1，D2），可以在換流的時(shí)候?qū)⒆儔浩髀└心芰總鲗?dǎo)至原邊，并對(duì)電壓尖峰進(jìn)行鉗位，從而降低副邊整流器件的電壓尖峰，達(dá)到降低成本和提高效率的目的。

從控制的角度來看，移相全橋電路原邊的效率已經(jīng)達(dá)到了最優(yōu)，所以提高效率的重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到了副邊。傳統(tǒng)的電路采用二極管整流，效率偏低，近年來逐漸被同步整流（SR）技術(shù)取代。但是因?yàn)槠淇刂坪唵危阅芸煽浚栽诟邏狠敵龅碾娐分校?48V輸出，仍然得到廣泛的應(yīng)用。

圖1 增加鉗位二極管的移相全橋電路圖

本文對(duì)移相全橋電路中副邊的整流電路進(jìn)行分析，重點(diǎn)研究同步整流的控制方式，及如何在滿足系統(tǒng)要求的情況下達(dá)到效率的最優(yōu)。

2 二極管整流和同步整流器整流的比較

傳統(tǒng)的電路使用二極管整流，如圖1所示。這種整流方法結(jié)構(gòu)簡單可靠，但是效率較低。如400V輸入，+12V輸出，變壓器變比為24：1，原邊的開關(guān)頻率為100kHz的1kw開關(guān)電源為例。在不考慮開關(guān)損耗的情況下：

使用二極管的損耗為

而使用同步整流器的情況下，以常用的FAIRCHILD公司的FPD047AN08為例，同步整流器采用四個(gè)管子并聯(lián)以降低導(dǎo)通壓降。

由式（1）式（2）對(duì)比可知，采用同步整流器可以大幅降低系統(tǒng)的功耗，提高開關(guān)電源的效率。

3 采用繞組驅(qū)動(dòng)的同步整流器

常用的同步整流器采用繞組驅(qū)動(dòng)，這種驅(qū)動(dòng)方法結(jié)構(gòu)比較簡單，需要增加的電路較少，在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。其線路拓?fù)淙鐖D2所示。

圖2 采用繞組驅(qū)動(dòng)的同步整流器線路拓?fù)鋱D

采用這種方法，同步整流器的驅(qū)動(dòng)脈沖占空比等于變壓器兩端實(shí)際的占空比，只有原邊向副邊傳遞能量的時(shí)候，同步整流器才開通，所以在多機(jī)并聯(lián)的時(shí)候不需要考慮副邊能量倒灌的問題，系統(tǒng)可靠性比較高。同時(shí)相比二極管整流只需要添加驅(qū)動(dòng)繞組和簡單的驅(qū)動(dòng)電路即可，成本較低。

在某些變壓器設(shè)計(jì)中，如果變壓器副邊繞組較少（如只有一匝），在負(fù)載較小的情況下，驅(qū)動(dòng)繞組會(huì)產(chǎn)生很高的驅(qū)動(dòng)電壓，可能損壞同步整流器。在這種情況下，可以在驅(qū)動(dòng)電路中添加一個(gè)電容來分擔(dān)驅(qū)動(dòng)電壓，從而降低加到整流器的驅(qū)動(dòng)電壓，如圖3所示。電容C6，C7和同步整流器的Cgs分壓，從而達(dá)到降低Cgs電壓的目的。C6，C7具體容量大小可以根據(jù)變壓器驅(qū)動(dòng)繞組的電壓和同步整流器的Cgs值進(jìn)行調(diào)整。

采用繞組驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)比較簡單可靠，成本較低。但是如果開關(guān)電源的功率較大，在負(fù)載空載和滿載的情況下，驅(qū)動(dòng)繞組上的電壓變化會(huì)很大，如果在空載的時(shí)候保證安全的驅(qū)動(dòng)電壓，那么就會(huì)導(dǎo)致在滿載的時(shí)候同步整流器的電壓較低，從而影響整機(jī)的效率。同時(shí)，采用這種方法，驅(qū)動(dòng)電壓的上升和下降比較慢，繞組的驅(qū)動(dòng)能力有限，導(dǎo)致同步整流器的開關(guān)損耗較大。另外，在某些系統(tǒng)中，需要對(duì)同步整流器的開關(guān)進(jìn)行靈活控制，繞組驅(qū)動(dòng)就顯得有點(diǎn)兒力不從心。

4 采用驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)的同步整流器

隨著對(duì)開關(guān)電源效率的要求越來越高和系統(tǒng)復(fù)雜度的提高，人們對(duì)開關(guān)電源同步整流器驅(qū)動(dòng)要求也越來越高。在這種情況下，采用驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)同步整流器就是一個(gè)很好的選擇。這種方法控制比較靈活，芯片的驅(qū)動(dòng)能力高，很多驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)能力達(dá)到4A，而且驅(qū)動(dòng)的延遲很小。現(xiàn)在市面上驅(qū)動(dòng)芯片品種越來越多，可供選擇的余地很大，如TI的UCC27427，IXYS的DN404SIA。常用的電路如圖4所示。

圖3 變壓器驅(qū)動(dòng)電路分擔(dān)驅(qū)動(dòng)電壓調(diào)整電路圖

圖4 驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)同步整流器電路圖

圖4 中的SR_A和SR_B為同步整流器控制信號(hào)的輸入，可以根據(jù)系統(tǒng)的需要靈活改變驅(qū)動(dòng)脈沖的占空比。常用的有D驅(qū)動(dòng)、T/2驅(qū)動(dòng)和1-D驅(qū)動(dòng)。所謂D驅(qū)動(dòng)就是同步整流器的驅(qū)動(dòng)脈沖和變壓器兩端的占空比相同，這種驅(qū)動(dòng)方法的同步整流器占空比和繞組驅(qū)動(dòng)相同，其占空比小于0.5；T/2驅(qū)動(dòng)就是同步整流器的驅(qū)動(dòng)脈沖占空比為開關(guān)周期的一半，即0.5；而1-D驅(qū)動(dòng)就是同步整流器單組MosFet的驅(qū)動(dòng)脈沖占空比和實(shí)際占空比互補(bǔ)，也就是說它的驅(qū)動(dòng)脈沖大于0.5。這三種驅(qū)動(dòng)方式的占空比不同，第一種小于0.5，第二種等于0.5，而第三種大于0.5。其具體的控制波形如圖5所示。

圖5詳細(xì)地說明了UCC3895的CLOCK信號(hào)、三角波、反饋信號(hào)、原邊的驅(qū)動(dòng)信號(hào)、PWM占空比和三種同步整流器驅(qū)動(dòng)方法的波形，結(jié)合圖4可以很容易地理解。

這三種控制方法中，D驅(qū)動(dòng)的占空比最小，效率最低，但是因?yàn)橥秸髌髦挥性谠呄蚋边厒鬟f能量的時(shí)候開通，不需要考慮副邊能量的倒灌問題，所以穩(wěn)定性最好。

T/2驅(qū)動(dòng)的占空比在不考慮死區(qū)時(shí)間的情況下約等于開關(guān)周期的一半，效率大于D驅(qū)動(dòng)而小于1-D驅(qū)動(dòng)。不過在一些需要多機(jī)并聯(lián)系統(tǒng)中，如IT服務(wù)器，為了達(dá)到很高的效率，系統(tǒng)取消Oring-Fet。如果負(fù)載較小，開關(guān)電源會(huì)工作在斷續(xù)模式，在這種情況下，輸出濾波電感和同步整流器可能形成一個(gè)升壓電路，將總線上的能量傳遞到變壓器的原邊，從而在原邊側(cè)產(chǎn)生很高的電壓而損壞元器件。所以采用這種驅(qū)動(dòng)方式一般需要在輸出電流進(jìn)入到斷續(xù)狀態(tài)時(shí)關(guān)閉同步整流器或?qū)Ⅱ?qū)動(dòng)方式轉(zhuǎn)到D驅(qū)動(dòng)。

1-D的驅(qū)動(dòng)因?yàn)橥秸髌鞯尿?qū)動(dòng)占空比均大于0.5，所以效率最佳。不過與T/2驅(qū)動(dòng)相同，這種方式在并機(jī)系統(tǒng)也存在總線能量升壓到原邊損壞元器件的問題，所以同樣需要在電流斷續(xù)時(shí)關(guān)閉同步整流器。

三種驅(qū)動(dòng)方式的實(shí)現(xiàn)方法都比較簡單，這里重點(diǎn)說明從UCC3895的四個(gè)PWM輸出到SR_A和SR_B的實(shí)現(xiàn)方式。

首先是D驅(qū)動(dòng)，如圖6所示。

圖5 D驅(qū)動(dòng)方法的同步整流器控制波形圖

圖6 D驅(qū)動(dòng)

T/2驅(qū)動(dòng)更簡單，如圖7所示。

圖7 T/2驅(qū)動(dòng)

1-D驅(qū)動(dòng)如圖8所示。

由上面分析可知，D驅(qū)動(dòng)效率較低，但是不需要考慮能量倒灌的問題，使用面較廣。而T/2和1-D驅(qū)動(dòng)均需要考慮能量倒灌的問題，其中1-D的效率高于T/2，所以推薦1-D驅(qū)動(dòng)，并且在輕載的時(shí)候關(guān)閉同步整流器或切換至D驅(qū)動(dòng)。1-D驅(qū)動(dòng)在輸出功率較大的高端電源中優(yōu)勢(shì)比較明顯。

圖8 1-D驅(qū)動(dòng)

5 結(jié)束語

本文對(duì)移相全橋電路整流電路進(jìn)行了分析。二極管整流適用在高壓、小電流輸出，或者低成本、對(duì)效率要求不高的開關(guān)電源中。同步整流器適用于低壓、大電流的情況。在低端應(yīng)用中繞組驅(qū)動(dòng)是個(gè)很好的選擇；在高端應(yīng)用中，如果對(duì)效率要求較高，1-D驅(qū)動(dòng)優(yōu)勢(shì)比較明顯；而在一些簡單的并機(jī)系統(tǒng)中D驅(qū)動(dòng)也是一個(gè)很好的選擇。

Study on driving mode of phase-shifted full-bridge synchronous rectification

LEI Sheng-min,LI Ti-qing

(32142 Army Sustainment Brigade，Hebei Baoding 071000，China)

With the continuous development of society and the continued enhancement of people's awareness of environmental protection and energy saving,the people’s requirements for the switching power supply efficiency are getting higher and higher.Traditional secondary switching power supply uses diode rectifiers,and it has large voltage drops and power loss.MosFet is generally used by synchronous rectifier,its impedance is very small,and they can be connected in parallel,thereby their power consumption is significantly reduced.compared the phase-shifted fullbridge circuit with traditional hard switching bridge circuit,the original four MosFet can ZVS,and result in higher efficiency.

synchronous rectifier;phase-shifted full-bridge circuit;switch mode power supply

TM461

A

1673-2022（2017）03-0066-04

2017－05－24

雷笙民（1968-），男，陜西人，工程師，工程碩士。