同步整流技術的正激變換器

 在傳統的電壓驅動正激變換器中,通常存在死區時間內續流整流管體二極管的導通問題?體二極管的導通增加了整流損耗,降低了變換器的效率?為此,這里介紹一種新的電壓自驅動方式——柵極電荷保持驅動方式?應用該驅動方式的同步整流正激變換器,解決了死區時間內體二極管的導通問題,降低了整流損耗,提高了整流效率

  1.柵極電荷保持電壓驅動同步整流器

  柵極電荷保持驅動方式的基本原理如圖2-49所示?在to時刻之前,輸入信號U?為0V,開關S關斷?電容C的初始電壓為0V?在t時刻,輸入信號U=為正,通過二極管VD對電容C正向充電?在t1時刻,輸入信號U=為0V?二極管VD承受反向電壓截止?只要開關S保持關斷,電容C上的電荷得以保持,U?即可維持高電平?在2時刻,開關S導通,電容C上的  電荷得以保持,U?維持高電平?在t2時刻,開關S導通,電容C通過開關S放電,Um變為0V?如果C是同步整流管的柵極寄生電容,S是一個輔助開關,那么在t1~t2這段時間內,當輸入驅動信號U降為0V時,同步整流管的柵極電壓仍可保持高電平。

柵極電荷保持驅動正激變換器利用柵極電荷保持驅動方式,可以解決傳統電壓自驅動同步整流器中死區時間內續流 MOSFET體二極管的導通問題?圖2-50給出了柵極電荷保持電壓驅動同步整流器應用在正激變換器的原理電路和主要波形,其中外加的S3和VD用來實現柵極電荷保持?

圖2-49柵極電荷保持電壓驅動的基本原理圖2-50柵極電荷保持電壓驅動正激變換器

在to~t1的時間內,主開關管S導通?變壓器副邊電壓驅動Sl和S3,使其導通?S2柵極寄生電容通過S3放電,S2的柵極電壓降低為0V,S2關斷,輸出電流流經S1?在t1時刻,主開關管S關斷,勵磁電流流經磁復位電路?變壓器副邊電壓反向,S1和S3關斷?S2的柵極寄生電容由流經VD的電流充電?S2柵極為高電平導通,負載電流流經S2?在時刻t2,磁復位結束,變壓器副邊電壓為0V?因為VD承受反壓截止,S3關斷,S2的柵極驅動電壓保持不變?

  因此,盡管變壓器副邊電壓為0V,S2仍然保持導通,繼續續流?S2柵極驅動電壓一直保持到下一個開關周期開始且S3導通之時?這就解決了死區時間內S2體二極管續流導通的問題柵極電荷保持技術在實際運用中,必須注意以下幾個問題

  第一個問題是柵極電荷的保持時間?在柵極電荷保持階段,S2的柵極電荷可能經過VDS2和S3放電?二極管存在反向漏電流,同步整流管的柵源極和漏源極之間均存在漏電流

  般來說,同步整流管的柵極寄生電容電荷大約為60nC,柵源極漏電流大約為100nA,漏源極漏電流大約為100mA?肖特基二極管的反向漏電流大約為1mA?對于快恢復二極管,反向漏電流只有1mA?如果柵極驅動門限電壓為2V,其初始電壓為5V?當VD為肖特基二極管時,柵極電壓保持在門限電壓之上的時間大約為36ms?當采用快恢復二極管時,這個時間會更長?將這一時間和死區時間比較,可以看出,這一時間足夠保持S2在死區時間內的續流要求,并且可以適當提高開關頻率

  第二個問題是變壓器副邊出現環流電流?在時刻to,主開關管S導通?變壓器副邊感應電壓開通S1,關斷S2?然而,只有當S3導通且S2的柵極電荷全部釋放時,S2才關斷?這就意味著,S3的柵極電壓以及S2的漏極電壓必須同時建立起來?這要求S2流經大的反向電流,因而增加了S2的損耗。

第三個問題普遍存在于現有的同步整流器中?變壓器副邊電壓有可能太低或者太高而不能直接驅動同步整流管?當輸出電壓明顯高于5V時,驅動電壓可能超過了同步整流管的柵極驅動電壓限值;當輸出電壓為3.3V或2.2V時,副邊電壓又太低而不能有效驅動同步整流管?

  第二個問題和第三個問題可以通過外加輔助繞組得到解決?合適地選取輔助繞組的匝數,就可以得到理想的驅動電壓波形?輔助開關S3的關斷信號從變壓器原邊直接耦合而來,不再依賴S2的漏極電壓,因此解決了變壓器副邊出現環流電流的問題?輔助繞組的另外一個優點是,可以減小變壓器漏感引起的同步整流管導通的延遲時間?

  圖2-51所示的是一種外加輔助繞組的柵極電荷保持電壓驅動正激變換器?鉗位二極管VD)3的作用是,當S1的柵極驅動電壓為0V時,不繼續降低,因此降低了S1的驅動損耗?