低壓大電流DC/DC變換器拓?fù)浞治?/h1>
摘要：目前對(duì)低壓大電流DC/ DC 變換器的研究方興未艾。如何選擇合適的拓?fù)?/strong>電路是其首要任務(wù)。從拓?fù)?、?yīng)用方面系統(tǒng)地論述了低壓大電流技術(shù)近期的發(fā)展，闡述了各種拓?fù)潆娐返奶攸c(diǎn)及用途并進(jìn)行了分析比較。同時(shí)，詳細(xì)地介紹了其關(guān)鍵的同步整流技術(shù)及其各種驅(qū)動(dòng)方法。 1 引 言 隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，以及各種微處理器、IC 芯片和數(shù)字信號(hào)處理器的普及應(yīng)用，對(duì)低壓大電流輸出的低壓變換器的研究與應(yīng)用成為日益重要的課題。在低電壓輸出的情況下，一般的二極管整流很難達(dá)到較高效率，需采用同步整流技術(shù)，這就使得同步整流成為低壓大電流技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)。另外，如何選擇合適的拓?fù)洌棺儞Q器的性能最優(yōu)化，也是一個(gè)極其重要的問題。 首先分別從變壓器的初級(jí)和次級(jí)對(duì)各種基本拓?fù)溥M(jìn)行分析比較，分別得出初級(jí)和次級(jí)適合于低壓大電流的優(yōu)化拓?fù)?，然后進(jìn)行組合，列舉了3 種典型的拓?fù)?，最后?duì)優(yōu)化的組合作進(jìn)一步的比較分析。 2 基本拓?fù)浼捌鋬?yōu)缺點(diǎn)分析 以變壓器為界，此類變換器的初級(jí)拓?fù)淇蓮钠渌軅魉偷墓β室约巴負(fù)浣Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度等方面進(jìn)行分析。在提高低壓大電流變換器的效率中顯得尤為重要的是其次級(jí)的拓?fù)洹１疚氖紫葟奶岣咝实慕嵌葘?duì)其進(jìn)行分析，然后綜合考慮其結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和驅(qū)動(dòng)方式等的問題。 2. 1 變壓器初級(jí)拓?fù)涞膬?yōu)選 相對(duì)于升壓型變換器來(lái)說，降壓型變換器更加適用于低壓大電流變換器。其變壓器初級(jí)的基本拓?fù)渲饕捎谜な?、反激式、推挽式、半橋式和全橋式? 種。但是，其中的反激式變換器顯然不適合低壓大電流的要求，因?yàn)樗妮敵黾y波較大，變壓器漏感引起較大的電壓尖峰，功率不大（150W 以下） ,變換器效率不高，因而只能在電壓和負(fù)載調(diào)整率要求不高的場(chǎng)合使用。 2. 2 變壓器次級(jí)拓?fù)涞膬?yōu)選 2. 2. 1 同步整流技術(shù)基本原理 同步整流技術(shù)旨在實(shí)現(xiàn)同步整流管柵極和源極之間的驅(qū)動(dòng)信號(hào)與同步整流管漏極和源極之間開關(guān)同步。理想的同步整流技術(shù)可使同步整流管起到和整流二極管同樣的作用，即正向電壓導(dǎo)通，反向電壓關(guān)斷。在輸出為低電壓大電流的情況下，整流二極管的使用會(huì)引起很大的能量損耗，大大地降低電源效率。而用于同步整流的低電壓功率MOSFET 導(dǎo)通電阻非常小，正向?qū)▔航岛艿?，例?5A 時(shí)只有0. 1V ,因此用低電壓功率MOSFET 代替整流二極管勢(shì)在必行。 2. 2. 2 變壓器次級(jí)3 種結(jié)構(gòu)的比較 適用于低壓大電流輸出的變壓器次級(jí)結(jié)構(gòu)有3種：正激式結(jié)構(gòu)、中心抽頭式結(jié)構(gòu)和倍流整流式結(jié)構(gòu)（拓?fù)浼捌洳ㄐ稳鐖D1 、2 、3 所示）。 圖1 正激式結(jié)構(gòu)與波形圖 圖2 中心抽頭式結(jié)構(gòu)與波形圖 圖3 倍流整流式結(jié)構(gòu)與波形圖 正激式結(jié)構(gòu)相對(duì)于其它兩者結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，而且適用于低壓大電流的情況。與源于Buck 變換器的正激變換器類似，中心抽頭式結(jié)構(gòu)是應(yīng)用于推挽、全橋或半橋等雙端變壓隔離器的Buck 型變換器。由于其輸出濾波電感的電壓頻率是功率開關(guān)管的兩倍，所以在同樣條件下中心抽頭式所需要的濾波電感值明顯小于正激式的。 倍流整流結(jié)構(gòu)不是源于Buck 變換器，但也起降壓作用。其基本工作原理如圖3 所示：當(dāng)變壓器的次級(jí)電壓V sec為正時(shí)，VD1 關(guān)斷，電感L1 的電流IL1增大并流經(jīng)負(fù)載，VD2 和變壓器次級(jí)形成回路，同時(shí)電感L2 的電流IL1減小，它流經(jīng)負(fù)載和VD2 形成回路；當(dāng)變壓器次級(jí)電壓V sec為負(fù)時(shí)，其過程也類似；而當(dāng)變壓器的次級(jí)電壓為零時(shí)，則電感L1 和L2的電流分別流經(jīng)VD1 和VD2 形成回路，即VD1 和VD2 同時(shí)導(dǎo)通。因此，雖然其濾波電感頻率與其功率主開關(guān)的相同，但是由于兩個(gè)濾波電感的紋波電流互相抵消了一部分（ i11 + i12） ,其輸出濾波電容的紋波電流減小了，因此在倍流型結(jié)構(gòu)中所需要的濾波電容比正激式的小得多。 由圖1b 可以看出，在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)正激式結(jié)構(gòu)的整流管的總導(dǎo)通損耗相當(dāng)于輸出濾波電感電流一個(gè)周期內(nèi)流過一個(gè)整流管的損耗；在中心抽頭或者倍流型結(jié)構(gòu)中，由于雙端變換器的變壓器次級(jí)電壓在功率開關(guān)管的死區(qū)內(nèi)為零，所以其兩個(gè)整流管在死區(qū)時(shí)間內(nèi)同時(shí)導(dǎo)通，兩個(gè)整流管中流過的電流均為零，如圖2b 和圖3b 所示，因此，在功率開關(guān)管的關(guān)斷時(shí)間內(nèi)，整流管的總損耗就大大減少了。 由圖2a 和圖3a 的對(duì)比可知，中心抽頭型和倍流型從元件個(gè)數(shù)和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性都是差不多的，但在大電流的情況下，倍流型次級(jí)結(jié)構(gòu)的性能更好。 可從以下幾點(diǎn)來(lái)說明： ①倍流型結(jié)構(gòu)的電感電流和變壓器次級(jí)的電流只是中心抽頭型結(jié)構(gòu)電流的一半，因而其導(dǎo)通損耗比中心抽頭的要?。?②倍流結(jié)構(gòu)使大電流的電路相互連接數(shù)目最少，這就簡(jiǎn)化了次級(jí)的布線，并因此減少了與布線有關(guān)的損耗； ③倍流結(jié)構(gòu)中的變壓器和濾波電感可以公用一個(gè)磁芯，簡(jiǎn)化了元件的包裝和減小了體積。 2. 2. 3 變壓器次級(jí)3 種結(jié)構(gòu)的優(yōu)選。 從以上分析可知，反激式的初級(jí)拓?fù)浜椭行某轭^型的次級(jí)結(jié)構(gòu)相對(duì)來(lái)說有很多不足。經(jīng)過優(yōu)選，適用于低壓大電流的降壓型初級(jí)拓?fù)溆姓な?、推挽式和橋式，而在次?jí)整流拓?fù)渲?，正激式和倍流式兩種更為適用于低壓大電流。但是，推挽式和橋式等雙端結(jié)構(gòu)的初級(jí)拓?fù)滹@然不能和正激式的次級(jí)拓?fù)浣M合；而且，非對(duì)稱的正激式初級(jí)結(jié)構(gòu)雖然可以和倍流整流式的次級(jí)結(jié)構(gòu)組合，但效果并不理想。 所以，可得出的優(yōu)選拓?fù)浣M合是： ①初級(jí)正激式與次級(jí)正激式的組合； ②橋式與倍流式的組合； ③推挽式與倍流整流式的組合。即正激式變換器和帶中心抽頭的橋式變換器以及推挽正激式變換器。 3 正激式變換器 如圖4 所示，正激式變換器的優(yōu)點(diǎn)主要在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、次級(jí)紋波電流明顯衰減，紋波電壓低、功率開關(guān)管峰值電流較低、并聯(lián)工作容易、可以自動(dòng)平衡、屬降壓型變換器。因此，它是最早應(yīng)用于低壓大電流的變換器。但其缺點(diǎn)也很明顯： ①需要一個(gè)額外的磁復(fù)位電路來(lái)避免變壓器的磁飽和； ②對(duì)變壓器的設(shè)計(jì)要求比較高，要求其漏感小，以減小續(xù)流管在關(guān)斷過程中的損耗； ③同步整流中的死區(qū)過大使得其效率減小； ④整流管的體二極管不僅在導(dǎo)通的過程中增加了電路的損耗，而且在關(guān)斷過程中，由于其反向恢復(fù)特征，也會(huì)引起能量損耗，這個(gè)損耗與反向恢復(fù)電荷、頻率、次級(jí)電壓成正比關(guān)系。[!--empirenews.page--] 圖4 正激式變換器結(jié)構(gòu)圖 以上問題有的已經(jīng)得到很好的解決。正激式變換器在其同步整流的驅(qū)動(dòng)中多采用自驅(qū)動(dòng)方式。比較典型的自驅(qū)動(dòng)方式有3 種電路，如圖5 所示。 圖5 正激式變換器中同步整流管的3 種自驅(qū)動(dòng)方式 （諧振復(fù)位、有源鉗位、零電壓多諧振變換器）。 另外，為了改善整流管的死區(qū)問題，混合驅(qū)動(dòng)方式采用了的電荷保持技術(shù)，此驅(qū)動(dòng)方式也不失為一種好的驅(qū)動(dòng)方式。 在文獻(xiàn)[ 4 ]的實(shí)驗(yàn)中，采用LCD 復(fù)位和電荷保持混合驅(qū)動(dòng)方式的正激式變換器在48V 輸入，5V/10A 輸出時(shí)，最高效率可達(dá)92. 3 %. 4 帶倍流整流的橋式變換器 對(duì)于橋式變換器，以半橋式為例分析其特點(diǎn)。 帶倍流整流的橋式變換器是近期提出的一種適用于低壓大電流的拓?fù)?。它雖然不需要額外的磁復(fù)位電路，但它在結(jié)構(gòu)上較為復(fù)雜。比較圖4 與圖6 可看出，在變壓器初級(jí)，它比正激式變換器多了一個(gè)開關(guān)管和兩個(gè)電容；在次級(jí)則多了一個(gè)電感。相對(duì)正激式而言，其主要問題在于： ①必須采取合適的方法來(lái)防止磁芯的飽和； ②對(duì)于倍流整流電路，其最大的問題在于共態(tài)導(dǎo)通而導(dǎo)致的短路問題，其后果極其嚴(yán)重； ③半橋式變換器的兩個(gè)MOSFET 也容易出現(xiàn)連通現(xiàn)象而引起短路； ④在開關(guān)轉(zhuǎn)換過程中，高電壓大電流的重疊現(xiàn)象會(huì)使電路的效率降低。 圖6 帶倍流整流的半橋式變換器結(jié)構(gòu)圖 對(duì)于第4 個(gè)問題，因?yàn)椴捎瞄_關(guān)速度較快的晶體管并不能完全解決問題，必須采用加速關(guān)斷技術(shù)，并且在開通和關(guān)斷時(shí)間的配合上進(jìn)行優(yōu)化，才能使效率進(jìn)一步提高。前3 個(gè)問題是可以得到解決的，例如在變壓器初級(jí)串聯(lián)一個(gè)適當(dāng)?shù)碾娙菥涂梢越鉀Q第一個(gè)問題；設(shè)定一定的死區(qū)，在變壓器次級(jí)電壓不為零的時(shí)間內(nèi)保證了兩個(gè)整流管不同時(shí)導(dǎo)通就可以解決第二個(gè)問題；設(shè)定兩個(gè)功率管的死區(qū)，保證其在任意的時(shí)間內(nèi)不同時(shí)導(dǎo)通就可以解決第3 個(gè)問題。 這種變換器雖有不足，但其優(yōu)點(diǎn)是明顯的： ①半橋式變換器的變壓器工作于一、三象限，其效率比正激式的高出一半以上； ②它能承受更高的功率，在200~500W 之間； ③它不需要額外的磁復(fù)位電路；④次級(jí)倍流整流電路相對(duì)正激式電路來(lái)說，在相同紋波條件下，所需要的濾波電感之和更小，同時(shí)其動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度得到提高； ⑤在同樣的輸出電流下，在初級(jí)功率管都關(guān)斷的死區(qū)時(shí)間內(nèi)，整流管的損耗比正激式的大大減小了。 如前所述，當(dāng)前的研究主要是解決整流管在開關(guān)轉(zhuǎn)換過程中出現(xiàn)的高電壓大電流的重疊現(xiàn)象，對(duì)此，驅(qū)動(dòng)方式是至關(guān)重要的。圖7 列舉了3 種可行的驅(qū)動(dòng)方式[5 ] .但是，這3 種方式并沒有使開關(guān)時(shí)間最優(yōu)化。理想的方法是從效率角度考慮，分析電路效率與整流管關(guān)斷及功率管開通的時(shí)間配合關(guān)系曲線，然后再選擇適合的驅(qū)動(dòng)方式。 在實(shí)驗(yàn)中[5 ]采用附加繞組驅(qū)動(dòng)方法后，帶倍流整流半橋的變換器在輸入為4 8V ,輸出為1 . 2~1. 65V/ 60~70A 情況下，最大效率超過84. 5 %. 圖7 帶倍流整流的橋式變換器中同步整流管的3 種驅(qū)動(dòng)方式 5 推挽-正激式變換器 就常規(guī)推挽式結(jié)構(gòu)來(lái)說，因功率開關(guān)管集電極應(yīng)力兩倍于輸入電壓，而且其主變壓器的初級(jí)利用率亦不如半橋和全橋，其輸出電壓隨輸入電壓和負(fù)載變化而變化，故它適合在更低的輸入電壓下工作。在輸入為48V 條件下，其性能不如橋式結(jié)構(gòu)。 文獻(xiàn)[ 6 ]提出了新型的推挽正激式的結(jié)構(gòu)，如圖8 所示。這個(gè)變換器工作在一、三兩個(gè)象限，所以其控制相對(duì)簡(jiǎn)單并且瞬態(tài)響應(yīng)速度快。這個(gè)變換器也適用于低壓大電流輸出的情況。其整流管的驅(qū)動(dòng)方式與帶倍流整流的橋式結(jié)構(gòu)是相似的。這種變換器在輸入為48V、輸出為1. 2V/ 60A 情況下，最大效率可達(dá)83. 6 %以上。 圖8 新型推挽2正激式變換器結(jié)構(gòu)圖 6 結(jié)束語(yǔ) 在各種基本電路拓?fù)涞慕M合中，適合于低壓大電流輸出的優(yōu)化結(jié)構(gòu)是以上3 種典型變換器拓?fù)湔な浇Y(jié)構(gòu)、帶倍流整流的橋式結(jié)構(gòu)和推挽2正--激式結(jié)構(gòu)。在所有采用了同步整流技術(shù)的低壓大電流變換器中，存在的一個(gè)共同問題就是整流管的反向恢復(fù)問題。必須結(jié)合拓?fù)?/strong>、整流管特性和驅(qū)動(dòng)方式等方面對(duì)整流管的開關(guān)時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化，才能使上述問題得到合理解決。
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