基于有源箝位同步整流反激電路的高效DC／DC變換器

趙杰 王毅 李媛媛

摘要 本文介紹了有源箝位技術和同步整流技術在高效DC/DC變換器設計中的技術方案，分析了反激有源箝位一同步整流電路的工作原理，并通過一款30W的DC/DC變換器仿真和電路實驗結果的比對，驗證了反激有源箝位一同步整流電路對于提高效率是非常有效的。

【關鍵詞】有源箝位 同步整流 反激 高效率

1 引言

近年來，隨著電子設備的不斷發展，要求供電電源的體積隨之小型化。特別是開關電源在航空航天技術上的應用與發展，對高效率、小體積電源的需求十分迫切。反激變換器因為電路結構簡單、所用元器件少，在中小功率、小體積開關電源中應用十分廣泛。在采用普通的RCD箝位、二極管整流方式的電路的反激電路中，變壓器漏感的能量被電阻R消耗掉，整流二極管也消耗了相當多的能量。本文介紹一種30W功率單路輸出的高效率、高功率密度DC/DC變換器的設計方案，通過采用有源箝位反激拓撲和同步整流技術，避免了變壓器漏感能量的損耗，并且大大降低了整流器件上的損耗，實現了85%的高轉換效率。

2 有源箝位技術和同步整流技術

2.1 有源箝位軟開關技術

開關電源中常用的軟開關技術包括諧振軟開關技術，零電壓轉換（ZVS）、零電流轉換技術（zcs），移相控制全橋軟開關技術，有源箝位技術等。其中有源箝位技術能夠儲存并利用寄生參數中的能量，降低功率開關管的電壓應力，提高效率，同時也減小環境發射的電磁干擾，進而提高系統的可靠性。根據箝位電路位置的不同，有源箝位分為低邊箝位和高邊箝位。電路示意圖如圖1所示。高邊箝位輔助開關管為浮地驅動，驅動電路復雜，因此本電路設計采用低邊箝位方式。

有源箝位反激變換器具有以下優點：

（1）箝位電容將變壓器漏感中能量回饋到電源中，消除了變壓器漏感引起的關斷電壓尖峰及損耗，并且有效減小了功率開關管上的電壓應力。波形示意圖如圖2所示。

（2）利用諧振電感和箝位電容、寄生電容諧振可以實現主、輔開關管的零電壓開通，降低了功率開關管的開關損耗，提高了效率。

在本研究之前，文獻[4]已詳細研究了有源箝位反激電路的工作原理，因此本文重點研究文獻[4]中未采用的同步整流技術。

2.2同步整流技術

2.2.1同步整流技術和驅動電路

同步整流電路采用導通電阻極低的功率MOSFET管來代替DC/DC變換器輸出電路中的整流二極管和續流二極管，可以大大減小導通壓降和導通損耗。特別是對輸出低壓大電流的DC/DC變換器來說，肖特基整流管和續流管的導通損耗往往占據了整個電路損耗中的一大部分，通過采用同步整流技術可以顯著提高電路的轉換效率。

一般而言，反激電路拓撲中采用同步整流電路，其同步整流管的柵極驅動方式可以分為自驅動方式和外驅動方式兩種。外驅動方式是指通過附加的邏輯控制和驅動電路，產生出隨變壓器副邊電壓作相應時序變化的驅動信號。其優點是可提供精確的控制時序，驅動信號不受輸入電壓或者輸出電壓的影響;缺點是所需要用的元件較多，電路復雜，成本較高。自驅動方式是指利用變壓器副邊繞組產生驅動信號，因為有源箝位反激電路的變壓器副邊電壓波形是完整的方波，所以副邊電壓可以直接用作同步整流管的驅動信號，從而提供簡單有效的自驅動電路。圖3所示為反激同步整流自驅式驅動電路。

其工作原理是：如圖4 （a）所示，每個開關周期中當原邊開關管Q1 G極為高電平，Q1導通時，變壓器原邊繞組的電壓為上正下負，變壓器次級輸出繞組和同步整流管02的驅動繞組電壓為上負下正，此時Q2關斷，變壓器原邊繞組開始儲能，次級由輸出電容Co向負載Ro提供能量;如圖4（b）所示，每個開關周期中當原邊開關管Q1G極為低電平，Q1關斷時，變壓器次級的輸出繞組和Q2的驅動繞組的電壓變為上正下負，Q2導通，變壓器次級的輸出繞組開始向負載Ro提供能量，并為輸出電容Co充電。隨后進入下一個周期的循環。

2.2.2 反激同步整流自驅式驅動電路的改進

在基本的反激同步整流自驅式驅動電路的基礎上進行改進，利用PNP三極管的電流放大作用加快同步整流管在每個開關周期中的關斷速度，能夠降低同步整流管的關斷損耗，提高電路的效率。另外改進后的驅動電路還可以避免同步整流管柵極承受反向電壓，起到一定的保護作用。改進后的自驅式驅動電路如圖5所示。

工作原理如下所述：

（1） Q2的開通過程：當Q2的驅動繞組上端為正電壓時，D1導通，通過R1使02的柵極達到高電平，Q2開通;在Q2開通過程中PNP管Q3的基極比發射極電平要高，因此Q3不導通。Q2的開通過程和改進前的驅動電路相似。

（2） Q2的關斷過程：當驅動繞組上端為負電壓時，D1反向關斷，PNP管Q3的基極比發射極的電平要低，因此03導通;利用Q3的電流放大作用，Ie=βlb，可以讓驅動電路從Q2柵極上抽取的電流增大β倍，加快Q2的關斷速度。從而減小Q2的關斷損耗，提高效率。

（3）在Q2關斷過程中，因為Q2的柵極連接到PNP管03的發射極，其電壓最低值不會低于Q3的集電極電壓，而Q3集電極接地，因此Q2的柵極電壓最低值不會小于零，不會出現負電壓。而在改進前的驅動電路中，Q2關斷時，驅動繞組上端的負電壓會施加到02的柵極上。因此在改進前的驅動電路中，需要計算該負電壓的大小，合理選取驅動繞組的匝數，確保負電壓不超過Q2柵極的反向耐壓值。改進后的驅動電路避免了Q2柵極出現負電壓，對Q2起到一定的保護作用。

3 30W反激有源箝位同步整流DC/DC變換器設計

在一款5V6A的DC/DC變換器上我們應用了反激有源箝位和同步整流技術進行電路設計，產品的主要技術指標為：

（1）輸出直流電壓：5V;

（2）輸出電流：6A;

（3）輸出功率：30W;

（4）轉換效率：≥84%;

（5）啟動過沖：50mV;

為了實現該技術指標，根據設計方案設計電路參數。

3.1 主要電路設計

3.1.1 有源箝位電路設計

有源箝位電路如圖6所示。主要由鉗位電容Cl、PMOS開關管03構成。

（1）箝位電容選取。箝位電容C1應取得足夠大，使Cl與變壓器勵磁電感Lm、諧振電感Lr（主要是變壓器漏感）的諧振周期遠大于開關周期，這樣使箝位電容兩端電壓基本穩定。C1越大，其兩端的電壓紋波△Uc，越小，主開關管Ql上電壓應力也就越小，但電路的動態響應速度也會越慢。因此需要折中設計箝位電容Cl，限制ΔUc1/uc1≤5%，保證Uc，穩定時，同時兼顧電路動態響應速度。

（2） PMOS開關管選取。箝位PMOS管03的損耗主要由導通損耗、驅動損耗和開關損耗構成。箝位電路中PMOS管流過的電流小，導通損耗低，因此需綜合考慮導通電阻、柵極電荷的大小，平衡導通損耗和驅動損耗選取合適的P型MOS場效應管。

3.1.2 變壓器的設計

有源箝位反激變換器的變壓器設計方法與普通反激變換器相似，為防止變壓器磁飽和，磁罐必須帶有氣隙。脈寬調制器輸出脈沖的最大占空比D設計值為.65，最低輸入電壓為Vin（miu），變壓器原邊繞組匝數為Np，變壓器副邊繞組匝數為N;，變壓器原邊繞組電感為L，。

（1）計算變壓器原邊峰值電流：

平均輸入電流：

變壓器峰值電流：

（2）計算變壓器原邊繞組電感：

（3）計算變壓器原副邊繞組匝比：

變壓器的線徑根據電流大小來選取，繞制中需要注意繞線盡量平整，減小漏感。

3.1.3同步整流電路設計

圖7所示為同步整流電路。其中D1為開關二極管，R1是同步整流管Q2開通過程中的限流電阻，R2是PNP三極管03的基極限流電阻。R1在02允許的最大柵極電流范圍內選取即可。

同步整流管Q2的柵極驅動電壓Vdrv和輸出電壓Vo、驅動繞組的圈數Ndrv、變壓器次級圈數Ns有關。不考慮尖峰時，可見Ndrv越大則Vdrv越高。柵極驅動電壓越高，則02的通態電阻越小，導通損耗越小，但驅動損耗也會越大;柵極驅動電壓越低，則Q2的通態電阻越大，導通損耗越大，驅動損耗會越小。因此同步整流管柵極驅動繞組的電壓太高或者太低都不合適，需要選取合適的驅動繞組匝數Ndrv，從而獲得合適的柵極驅動電壓，使同步整流管Q2的驅動損耗與導通損耗之和降到最低。

設置好驅動繞組匝數后，根據變壓器的匝比計算出同步整流管Q2關斷期間承受的反向電壓，然后根據降額要求進行選取。不考慮尖峰時，Q2承受的反向電壓為：其中Ndrv為驅動繞組的匝數，Np為變壓器原邊的匝數，Vin為輸入電壓，Vo為輸出電壓。

3.2 電路仿真與測試結果

3.21 仿真結果

采用Saber仿真軟件仿真得到的波形如圖8所示，分別為啟動電壓波形和28V輸入時功率開關管漏極電壓波形，輸出電壓沒有啟動過沖，功率開關管漏極電壓波形正常，因仿真原理圖中未采用有源箝位電路，功率開關管電壓應力比實際采用有源箝位的大。

3.2.2 測試結果

實測波形見圖9、圖10。從圖中可以看出，輸出電壓穩定值為5V，沒有啟動過沖;原邊主功率開關管的漏極電壓波形平穩，沒有尖峰和振蕩，實現了有源箝位的效果;次級同步整流管柵極驅動電壓波形平穩，沒有反向電壓;DC/DC變換器工作穩定。

實測結果與設計指標對比如表1所示。效率85.6%，實測結果達到設計目標，驗證了電路設計的合理性和有效性。同時表2給出了本方案指標與Interpoint公司相同功率等級DC/DC變換器指標對比，從表中數據比對可知，本電路相比Interpoint產品顯著提高了效率。

4 結論

本文簡要討論了有源箝位技術和同步整流技術在反激DC/DC變換器中的應用方案，對反激同步整流自驅動電路做了改進;設計了一款30W高效DC/DC變換器，通過電路仿真和實測技術指標的比對，驗證了該設計方案是合理有效的。綜上，在高效DC/DC變換器設計中，采用有源箝位軟開關技術和同步整流技術是非常可取的一種技術方案，特別是對于輸出低壓大電流的DC/DC變換器設計，可大大提高轉換效率。

參考文獻

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[4]李媛媛等，基于有源箝位反激拓撲的高效DCDC變換器研究[J]，電子技術于軟件工程，2017.