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不对称半桥同步整流DC/DC变换器

时间:03-25 来源:互联网 点击:

不需要附加驱动电路,结构简单。但缺点是两个MOSFET的驱动时序不够精确,MOSFET不能在整个周期内代替二极管整流,使得负载电流流经寄生二极管的时间较长,造成了较大的损耗,限制了效率的提高。而且当输出电压很低时,次级绕组输出端电压也会相应降低,无法起到完全驱动同步整流管的作用。

电压型外驱动,又称为控制驱动,使用外驱动的不对称半桥同步整流器的电路如图4(b)所示。为了实现驱动同步,附加驱动电路须由变换器主开关管的驱动信号控制,通常使用电压型控制驱动方法能使电源的效率达到最高,但是缺点是驱动电路过于复杂。

电压型混合驱动是一种新的方法,使用混合驱动的不对称半桥同步整流变换器,如图4(c)所示,这种方法既能按较精确的时序给出驱动电压信号,同时其附加的驱动电路也较外驱动简单,所以,已被普遍接受应用于各种拓扑中。

(a) 自驱动型同步整流变换器

(b) 外驱动型同步整流变换器

(c) 混合驱动型同步整流变换器

图4 三种电压型驱动方式

综合比较这3种电压型驱动方式可得知,在不对称半桥同步整流变换器中最好的选择是采用电压混合型驱动。这样不仅可使变换器达到高效率,而且驱动电路简单,容易控制。

3 同步整流管损耗分析

在不对称半桥变换器中采用同步整流技术的主要目的是降低整流损耗,提高变换器效率,所以,有必要对变换器中同步整流管的损耗作一下简要分析。

MOSFET模型如图5所示,其中Rdson为导通电阻,Cgs及Cds和Cgd为MOSFET的寄生电容,其值是非线性的,与MOSFET上所施加的电压有关。在本文中为了简化分析,认为寄生电容值是不变的。

图5 MOSFET模型

以图4(a)所示的自驱动型同步整流变换器为例,理想的电压和电流波形如图6所示。同步整流管总的损耗PLOSS为

PLOSS=PSR1CON+PSR2CON+PSR1SW+PSR2SW+PD3CON+PD4CON(1)

式中:PSR1CON及PSR2CON为两个同步整流管的导通损耗;

PSR1SW及PSR2SW为两个同步整流管的开关损耗;

PD3CON及PD4CON为两个同步整流管的体二极管的导通损耗。

图6 理想的电压和电流波形

3.1 同步整流管的导通损耗

SR1的导通损耗为

PSR1CON=Io2Rdson1(1-D-tz/T)(2)

式中:Io为输出电流;

Rdson1为S1的通态电阻。

SR2的导通损耗为

PSR2CON=Io2Rdson2(D-ty/T)(3) 式中:Rdson2为S2的通态电阻。

因此,总的导通损耗PCON为

PCON=PSR1CON+PSR2CON=Io2Rdson1(1-D-tz/T)+Io2Rdson2(D-ty/T)(4)

3.2 同步整流管的开关损耗

假设所有寄生电容为线性,整流管SR1的开关损耗为

PSR1SW=PSR1Ced+PSR1Cgs+PSR1Cds(5)

PSR1Cgs=fCgs(2VinD/n)2(6)

式中:Vin为输入电压;

f为开关频率;

n=1/n1=1/n2为初级与次级的匝数比。

PSR1Cds=fCds[2Vin(1-D)/n]2(7)

PSR1Cgd=fCgdp(2VinD/n)2+fCgdn[2Vin(1-D)/n]2(8)

同样地,SR2的开关损耗为

PSR2SW=PSR2Cgs+PSR2Cgd+PSR2Cds(9)

PSR2Cgs=fCgs[2Vin(1-D)/n]2(10)

PSR2Cds=fCds(2VinD/n)2(11)

PSR2Cgd=fCgdp[2Vin(1-D)/n]2+fCgdn(2VinD/n)2(12)

式中:Cgdp为vgd>0时的Cgd;

Cgdn为vgd0时的Cgd。

因此,同步整流管总的开关损耗PSW为

PSW=PSR1SW+PSR2SW=4fVin2CTOT(2D2-2D+1)/n2(13)

式中:CTOT=Cgs+Cds+Cgdp+Cgdn为所有寄生电容之和。

3.3 同步整流管体二极管的导通损耗

两个体二极管的导通损耗PDCON为

PDCON=PD3CON+PD4CON=(ty+tz)IoVD/T(14)

式中:VD为体二极管的通态电压。

将式(4),式(13),式(14)相加就是图3(a)中变换器总的整流损耗PLOSS。通过以上分析,可以看出变换器的整流损耗与以下参数有关,即输出电流Io;输入电压Vin;开关频率f;漏感Lr;MOSFET自身参数值。在这些影响因素中,漏感Lr的选择至关重要。显然,Lr越大,损耗越大,因此,为了提高效率,Lr应尽可能小。但是,同时又要保证Lr足够大,以实现主开关管的ZVS,所以,在选择Lr的值时,要综合考虑两方面的影响,使变换器的性能最优。

4 结语

不对称半桥DC/DC变换器是一种能实现软开关的变换器,与其它拓扑相比,具有很多优点。本文对同步整流技术在不对称半桥变换器中的应用,从电路工作原理到同步整流驱动方式的选择作了全面的介绍,并在此基础上,分析了变换器的整流损耗,使对影响整流损耗的参数有了全面的认识。

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