低压大电流DC/DC变换器拓扑分析

摘要：目前对低压大电流DC/ DC 变换器的研究方兴未艾。如何选择合适的拓扑电路是其首要任务。从拓扑、应用方面系统地论述了低压大电流技术近期的发展，阐述了各种拓扑电路的特点及用途并进行了分析比较。同时，详细地介绍了其关键的同步整流技术及其各种驱动方法。

　　1 引 言

　　随着电子技术的迅速发展，以及各种微处理器、IC 芯片和数字信号处理器的普及应用，对低压大电流输出的低压变换器的研究与应用成为日益重要的课题。在低电压输出的情况下，一般的二极管整流很难达到较高效率，需采用同步整流技术，这就使得同步整流成为低压大电流技术中的关键技术。另外，如何选择合适的拓扑，使变换器的性能最优化，也是一个极其重要的问题。

　　首先分别从变压器的初级和次级对各种基本拓扑进行分析比较，分别得出初级和次级适合于低压大电流的优化拓扑，然后进行组合，列举了3 种典型的拓扑，最后对优化的组合作进一步的比较分析。

　　2 基本拓扑及其优缺点分析

　　以变压器为界，此类变换器的初级拓扑可从其所能传送的功率以及拓扑结构的复杂程度等方面进行分析。在提高低压大电流变换器的效率中显得尤为重要的是其次级的拓扑。本文首先从提高效率的角度对其进行分析，然后综合考虑其结构复杂性和驱动方式等的问题。

　　2. 1 变压器初级拓扑的优选

　　相对于升压型变换器来说，降压型变换器更加适用于低压大电流变换器。其变压器初级的基本拓扑主要可用正激式、反激式、推挽式、半桥式和全桥式等5 种。但是，其中的反激式变换器显然不适合低压大电流的要求，因为它的输出纹波较大，变压器漏感引起较大的电压尖峰，功率不大（150W 以下） ,变换器效率不高，因而只能在电压和负载调整率要求不高的场合使用。

　　2. 2 变压器次级拓扑的优选

　　2. 2. 1 同步整流技术基本原理

　　同步整流技术旨在实现同步整流管栅极和源极之间的驱动信号与同步整流管漏极和源极之间开关同步。理想的同步整流技术可使同步整流管起到和整流二极管同样的作用，即正向电压导通，反向电压关断。在输出为低电压大电流的情况下，整流二极管的使用会引起很大的能量损耗，大大地降低电源效率。而用于同步整流的低电压功率MOSFET 导通电阻非常小，正向导通压降很低，例如15A 时只有0. 1V ,因此用低电压功率MOSFET 代替整流二极管势在必行。

　　2. 2. 2 变压器次级3 种结构的比较

　　适用于低压大电流输出的变压器次级结构有3种：正激式结构、中心抽头式结构和倍流整流式结构（拓扑及其波形如图1 、2 、3 所示）。

图1 正激式结构与波形图

图2 中心抽头式结构与波形图

图3 倍流整流式结构与波形图

正激式结构相对于其它两者结构最简单，而且适用于低压大电流的情况。与源于Buck 变换器的正激变换器类似，中心抽头式结 构是应用于推挽、全桥或半桥等双端变压隔离器的Buck 型变换器。由于其输出滤波电感的电压频率是功率开关管的两倍，所以在同样条件下中心抽头式所需要的滤波电感值明显小于正激式的。

　　倍流整流结构不是源于Buck 变换器，但也起降压作用。其基本工作原理如图3 所示：当变压器的次级电压V_sec为正时，VD1 关断，电感L1 的电流IL1增大并流经负载，VD2 和变压器次级形成回路，同时电感L2 的电流IL1减小，它流经负载和VD2 形成回路；当变压器次级电压V_sec为负时，其过程也类似；而当变压器的次级电压为零时，则电感L1 和L2的电流分别流经VD1 和VD2 形成回路，即VD1 和VD2 同时导通。因此，虽然其滤波电感频率与其功率主开关的相同，但是由于两个滤波电感的纹波电流互相抵消了一部分（ i11 + i12） ,其输出滤波电容的纹波电流减小了，因此在倍流型结构中所需要的滤波电容比正激式的小得多。

　　由图1b 可以看出，在每个开关周期内正激式结构的整流管的总导通损耗相当于输出滤波电感电流一个周期内流过一个整流管的损耗；在中心抽头或者倍流型结构中，由于双端变换器的变压器次级电压在功率开关管的死区内为零，所以其两个整流管在死区时间内同时导通，两个整流管中流过的电流均为零，如图2b 和图3b 所示，因此，在功率开关管的关断时间内，整流管的总损耗就大大减少了。

　　由图2a 和图3a 的对比可知，中心抽头型和倍流型从元件个数和结构的复杂性都是差不多的，但在大电流的情况下，倍流型次级结构的性能更好。

可从以下几点来说明： ①倍流型结构的电感电流和变压器次级的电流只是中心抽头型结构电流的一半，因而其导通损耗比中心抽头的要小； ②倍流结构使大电流的电路相互连接数目最少，这就简化了次级的布线，并因此减少了与布线有关的损耗； ③