元器件与应用周辉杰等:开关电源倍流同步整流器的研究
开关电源倍流同步整流器的研究
周辉杰,何志伟
(华南理工大学电力学院 广东广州 5100)
摘 要:在开关电源的实际应用中,MOSFET的寄生电容、栅极电感、漏源极电感,变压器漏感以及电路布线产生的寄生参数,对电路工作状态有很大的影响。对此介绍了倍流同步整流器的工作原理和过程。并对倍流同步整流器的基本结构控制方式进行了分析比较。通过对倍流同步整流器在3种不同的信号驱动下的波形观测比较和对电路中寄生参数对电路的影响进行了仔细的研究和分析,从而得出了较好的驱动方式。
关键词:倍流同步整流器;低压大电流;半周期驱动;开关电源
中图分类号:TN86 文献标识码:A 文章编号:1004373X(2006)0800604
ResearchonCurrentDoubleSynchronousRectifierinSwitchModePowerSupply
ZHOUHuijie,HEZhiwei(ElectricPowerCollege,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou,5100,China)
Abstract:TheparasiticparameterwhichiscausedbyMOSFETparasiticcapacitance,gateinductor,drainandsourcein2ductor,transformerleakageinductorandcircuitwiringgreatlyaffectthecircuitoperationalstateintheswitchmodepowersupplyapplication.Thearticlepresentstheprincipleandworkprocessesaboutcurrentrent
double
synchronous
rectifier,and
analyzesitsbasicframeandcontrolmethods.Itgetsbetterdrivingmodes,whichisbasedonobservingandcomparingthecur2
doublesynchronousrectifier′swaveformswhicharedrivenbydifferentsignals,carefulresearchandanalysisaboutthe
double
synchronous
rectifier.
current;half
cycledriving;switchmode
Keywords:currentpowersupply
double
synchronous
rectifier;low
voltagehigh
parasiticparameterswhichaffectthecurrent
1 引 言
随着互联网技术、通信技术和微电子技术的发展,高性能的低压大电流DC/DC电源的需求越来越大。输出电压低至1.2V,输出电流高达200A。在传统的DC/DC电源中,整流电路所采用的整流二极管通态压降为0.5V左右,显然不能满足低压大电流电源效率的要求。应用同步整流技术,用低导通电阻MOSFET代替常规整流二极管,可以大大降低整流部分的功耗,提高变换器的性能,实现电源的高效率,高功率密度。
选择合适的次级同步整流器结构,对电源的性能也非常重要,与半波整流和全波整流相比,倍流同步整流具有以下优点[1]:
(1)电感电流和变压器次级电流小,整流管导通损耗
(4)倍流整流的滤波电感可以被集成到主变压器中,
减少了元件数量和总体体积。
由于以上优点,倍流同步整流器广泛应用于推挽、半桥和全桥结构的低压大电流电源中。
本文将对倍流同步整流器在多种信号驱动下的工作过程进行分析,并就寄生参数对其性能的影响进行研究。2 倍流同步整流器基本结构控制方式的比较
倍流同步整流器结构如图1所示。
以及变压器铜损较小;
(2)双电感交错滤波,可在电感值较小的前提下,减
小电流纹波,并提高动态响应性能;
(3)大电流的电路相互连接数目最少,简化了次级的
图1 倍流整流器基本结构与MOSFET实际模型
其中SR1,SR2是相同型号的低导通电阻的MOS2
FET,D1,D2是MOSFET的寄生二极管,L1和L2是大小
布线,并减少了与布线有关的损耗;
收稿日期:20051114
一样的电感。LS是变压器次级电感。
6
《现代电子技术》2006年第8期总第223期
对于倍流同步整流器,有3种不同脉宽的驱动信号,分别如图2中的A,B,C所示。其中A信号脉宽D与变压器电压脉度相等,即D=dTS/2(d为电路占空比,TS为电路工作周期),这种信号常见于自驱动电路中,在死区时间内整流管损耗大,不利于电路效率和热性能的提高;B信号脉宽等于半个工作周期,D=TS/2,称为半周期驱动,此信号常见于混合驱动和控制驱动中;C信号脉宽最大,
D=(1-d)TS/2,在死区时间内,2个开关管同时导通。
新型元器件
SR1中,ILS=IL2,ISR1=IO,
=
-VO。L
dILSdIL2VS-VOdIL1==,dtdtLdt
模态3[T2～T3]:见图4(c),T2时刻,VS=0,开通
SR2,ILS=IL2-IL1,其他与模态1相同。
模态4[T3～T4]:见图4(d),T3时刻。VS为正,关断
SR1,ILS=IL1,ISR2=IO,ISR1=0,此时
dILSdIL1==dtdt
VS-VOdIL2-VOdILS,=。T4时刻,VS降为0,开通SR1,LdtLdt=
dIL1dIL2-VO==。电路开始下一个开关周期。dtdtL
图2 倍流同步整流器控制信号以上3类信号中,A信号与C信号控制电路工作模态类似,区别在于:死区时间内,在A信号控制的电路中,两整流管均被关断,电流流经其内部的寄生二极管;C信号控制的电路整流管都是导通状态,电流流过整流管的主体。两信号驱动的各处电流电压波形都一样。故本文只对B,C两种信号控制时的电路工作模态进行分析。
图4 C信号控制时的等效电路图
在B信号控制电路时,与C信号控制时电路不同之处在于:其死区时间的工作状态与其前一模态相同(将
VS=0代入前一模态各式即可得电路各参数)。电流波
形如图3(b)所示。3 寄生参数的影响
以上分析过程都是将MOSFET、变压器等当作理想
图3 B类和C类信号控制时电流波形
器件,然而在实际应用中,MOSFET的寄生电容、栅极电感、漏源极电感,变压器漏感以及电路布线产生的寄生参数,对电路工作状态有很大的影响。必须对这些参数的影响进行仔细分析,以选择合适的驱动信号,改善电路性能。
在图1的MOSFET的实际模型中,CDS=COSS-CRSS,CGD=CRSS,CGS=CISS-CRSS。其中CISS是输入电容,COSS是输出电容,CRSS是跨接电容。而Lgate,Ldrain是栅极电
首先分析电路在C信号控制时电路的工作模态,各电流波形见图3(a),等效电路见图4。T0以前,VS为正,整流管SR1关断,SR2导通,ILS=IL1,ISR2=IO,ISR1=0。
模态1[T0～T1]:见图4(a),T0时刻,变压器次级电压VS=0,同时开通SR1,SR2部分电流转移SR1,ISR1=
ISR2=
IO2
,流过变压器次级线圈的电流为ILS=IL1-IL2,
感与漏极电感,其电感值的大小与设计制作有关。
下面针对开关管和变压器的寄生参数对电路工作状态的影响进行分析:3.1 输入电容的影响
在开通或关断开关管时,驱动信号要对CISS充电或放
7
dIL1dIL2-VO滤波电感电流变化率为==。
dtdtL
模态2[T1～T2]:见图4(b),T1时刻,次级电压VS由零变负,同时关断SR2,则流过SR2的电流全部转移到
元器件与应用周辉杰等:开关电源倍流同步整流器的研究
复时间,如图9是给IRFZ48N反并联超快二极管
BYW80200前后仿真电流波形比较,图中并联超快二极
电,开通(关断)时间为tr(tf)=2・2RgCISS,CISS的大小直接影响开关管的开通和关断时间。如果CISS较大,开关管不能及时关断,在次级电压不为零时发生双管直通,会在次级与开关管闭合环路间产生短路电流,引起大损耗甚至烧毁器件。所以必须采取措施加速关断,如:在栅极电阻上反并联二极管,并采用双极性驱动信号,利用负电压抽取
CISS的电荷,如图5(a)所示。
管后,反向恢复电流尖峰由Ir=13.4A减小到Ir2=
7.6A,反向恢复时间从tr1=222ns减小到tr2=93ns。
采用IRFZ48N作为整流管进行仿真,CISS=1970nF,Rg=20Ω,VGS(th)=2V,图5(b)为采取加速关断前后开关管栅极电压波形对比,图中tf1,tf2分别为加速前后的关断时间,图中曲线表明采用加速关断措施后,开关管的关断时间减小了150ns。
图8 输出电容导致的次级电压振荡
在实际电路中,如果电流减小的速度快,由于MOS2
FET漏极及源级管脚寄生电感的存在,使得电流不能切
换到超快二极管上,导致并联失效。所以一般反并联超快二极管应用在工作频率低,关断速度慢的场合。为解决同步整流管电流反向恢复时间长的问题,半导体器件研究人员研制出了内置超快二极管的MOS2
FET[2]
。这样就无需再并联超快二极管也能获得较小的反向恢复时间。3.4 栅极寄生电感的影响
在关断整流管时,输入电容CISS上的电荷被迅速释放,栅极电流很大,而栅极寄生电感Lgate为维持栅极电流,
图5 驱动电路的改进及栅极电压比较
与输入电容CISS发生阻尼振荡,使栅极电压产生一个尖峰,这个尖峰若超过整流管驱动电压阈值,就会引起整流管的误导通,从而使双管直通,产生大的电流尖峰。
为克服栅极电压尖峰的影响,除了尽量缩短栅极引线减小栅极寄生电感,还应该用双极性信号将电压尖峰拉低,避免误导通。图9显示的是采用单极性信号与双极性信号时栅极电压和整流管电流的比较,很明显,在采用双极性信号的电路中,栅极电压电平已被下拉,尖峰不超过阈值,故不会引起误导通,大大减小电流尖峰。
3.2 输出电容的影响
当VS幅值减小时,原来没有电流的整流管的COSS放电,形成支路电流,如图6所示。例如VS由正电压减小时,
SR1的COSS放电,并与次级线圈回路中的漏感Lsleak以及回
路阻抗RS形成阻尼谐振,谐振电流在COSS放电完毕时到达最大值,ISR1与COSS成正比关系。ISR1变化如图7所示。
图6 COSS放电回路示意图 图7 COSS放电对I
SRI
电流波形的影响
在VS幅值由零增大时,COSS被充电,与变压器漏感
Lsleak发生阻尼振荡,导致很大的电压振荡。如图8中,当VS
由零变正时,关断SR1后,SR1的COSS与Lsleak构成谐振回路,次级电压与电流发生振荡,增加了电路的电压应力,并产生了EMI。
3.3 漏源极管脚寄生电感的存在
当驱动信号关闭时,同步整流管电流由二极管续流,反向恢复电流大,导致占空比丢失以及次级电压电流振荡,设想通过给MOSFET并联超快二极管来减小反向恢8
图9 给同步整流管SR反并联超快二极管
UFD前后电路结构及电流变化
3.5 初级电路寄生电容的影响
由于初级电路(如推挽,半桥,全桥)寄生电容的存在,使原边电压降速较慢,若采用C信号,可能会在初次级电
《现代电子技术》2006年第8期总第223期
压尚未降为零时发生整流管直通,导致次级电感与SR间的产生非常大的环流。
新型元器件
为解决此问题,可以采用延时电路延迟整流管的开通,在确保次级电压降为0之后再开通整流管。4 结 语
根据以上分析,在设计倍流同步整流器时,要选择合适的MOSFET,应该综合考虑MOSFET的导通电阻RDS,耐压值、最大电流以及寄生电容,以避免不利影响。另外,合适的控制信号选取也非常重要。综合以上分析,双极性半周期信号(双极性B信号)适合倍流同步整流器,他具有环流小、损耗小、EMI小的优点。此外,电路的布线也非常重要,电路应该设计得紧凑,减小寄生电感。
图10 单、双级性信号栅极电压与
整流管电流比较
如图11所示,在T0时刻,VS开始下降,此时给信号
参 考 文 献
[1]秦海鸿,杨正龙,任瞾华,等.隔离式低压/大电流输出DC/
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[3]张海源.对称半桥倍流同步整流变换器在低压大电流
开通SR1,在VS降至0之前SR1已导通,ISR1迅速反向增大,并叠加到ISR2和ILS上,形成大环流。
图11 C信号控制电路中初级寄生电容引起的次级环流下的建模和设计[D].广州:华南理工大学,2003,5.
(上接第5页)
5 结 语
采用异质结双极晶体管(HBT)设计的单片VCO电路,可在微波频段实现较大范围的频率调谐及获得低的相位噪声。本文设计的电路HBTVCO单片电路在fo=8.0～
9.5GHz的频率范围内可调;输出功率Pout=7～9.5dBm;
MicrowaveTheoryandTechniques,1995,43(5):10101016.
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sonator.2004IEEEMTT
GaInP/GaAsVCOwithaFullyMonolithicMicrostripRe2
SDigest,2004,3:1999
[5]HaiXiao,TanakaT,AikawaM.Push
PushOscillatorwith
在偏离振荡中心频率为100kHz时的相位噪声Pn=
-106dBc/Hz。其他频率范围的VCO单片电路,如2～4GHz,4～6GHz,10～12GHz等,也实现并完成了测试,测
试结果表明在微波频段HBT技术有其特有的优势。
参 考 文 献
[1]AhmedIKhalil,PeterKatzin.ALowPowerHighPerform2
ance4GHzSiGeHBTVCO.2004IEEEMTT2004,3:1505
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SDigest,
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A38GHzPush151
153.
42GHzGaAsHe
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PushOscillatorBasedon25GHzfTBJT′
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PushVCOs.19IEEEMTT
[2]HueiWang,KwoWeiChang,DuncanSmith,etal.AW
BandSourceModuleUsingMMIC′s.IEEETransactionson
terojunctionBipolarTransistorLowPhaseNoisePush
SDigest,pp.725
作者简介 丁 恒 男,1982年出生,西安电子科技大学机电工程学院硕士研究生。研究方向为微波电路设计。
卢启堂 男,1958年出生,上海泰立特通信技术有限公司总经理。研究方向为微波电路设计,MMI设计。
王家礼 男,1942年出生,西安电子科技大学博士生导师。主要从事微波毫米波的研究,以及通用电子仪器的研究。
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