柵極電荷保持技術(shù)應(yīng)用于有源箝位正激變換器

梁奇峰，彭建宇

（中山火炬職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程系，廣東 中山528436）

0 引 言

低壓大電流DC－DC 模塊電源一直占模塊電源市場(chǎng)需求的一半左右，對(duì)其相關(guān)技術(shù)的研究有著重要的應(yīng)用價(jià)值。模塊電源的高效率和功率密度是業(yè)界追逐的重要目標(biāo)，而次級(jí)同步整流被認(rèn)為是減小損耗、提高效率的有效途徑。

有源箝位正激變換器不僅具有效率高、MOS 管承受電壓和電流應(yīng)力小等特點(diǎn)，還可以與自驅(qū)動(dòng)同步整流技術(shù)相結(jié)合。有源箝位同步整流正激變換器在實(shí)際工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。將同步整流技術(shù)應(yīng)用于有源箝位正激變換器時(shí)，傳統(tǒng)的同步整流管的驅(qū)動(dòng)特別是續(xù)流同步整流管存在死區(qū)問(wèn)題，也就是MOS 管體二極管的正向?qū)▔航荡?，反向恢?fù)性能差，增加了電路的整流損耗，因此降低了變換器的效率。

下面介紹了一種有源箝位同步整流驅(qū)動(dòng)電路，該電路采用柵極電荷保持技術(shù)，不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能較好解決同步整流管的死區(qū)問(wèn)題，降低了同步整流管的整流損耗，而且提高了整個(gè)變換器的效率。文中詳細(xì)分析了變壓器副邊電路的工作原理，并在原理樣機(jī)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 有源箝位同步整流正激變換器驅(qū)動(dòng)電路的分析

1.1 柵極 電荷保 持技術(shù) 的原理［1 ，2 ，3］

柵極電荷保持技術(shù)原理圖如圖1 所示。

圖1 柵極電荷保持技術(shù)原理圖

在正激變換器中，開(kāi)關(guān)管S 通常為續(xù)流同步整流管，Cgs為其柵－源電容，Sa為輔助開(kāi)關(guān)管。

在t1時(shí)刻以前，輔助開(kāi)關(guān)管是導(dǎo)通的，Cgs上的電荷通過(guò)輔助管Sa釋放掉，開(kāi)關(guān)管S 上沒(méi)有驅(qū)動(dòng)電壓。t1時(shí)刻，輔助管Sa關(guān)斷，開(kāi)關(guān)管S 上出現(xiàn)正的驅(qū)動(dòng)電壓，這個(gè)電壓通過(guò)二極管D1對(duì)Cgs充電，開(kāi)關(guān)管S 導(dǎo)通。在t2時(shí)刻，當(dāng)開(kāi)關(guān)管S 上的驅(qū)動(dòng)電壓消失，比如正激變換器中變壓器磁復(fù)位結(jié)束，此時(shí)，輔助開(kāi)關(guān)管仍然處于關(guān)斷狀態(tài)，二極管D1由于承受反向電壓而截止，儲(chǔ)存在Cgs的電荷由于沒(méi)有放電回路而得以保持。因此，在沒(méi)有驅(qū)動(dòng)電壓的情況下，開(kāi)關(guān)管Sa仍然導(dǎo)通。在t2時(shí)刻，輔助開(kāi)關(guān)管Sa導(dǎo)通，柵－源電容Cgs通過(guò)Sa放電，開(kāi)關(guān)管S 關(guān)斷。

1.2 柵極電荷保持技術(shù)在有源箝位同步整流正激變換器中的應(yīng)用

在有源箝位同步整流正激變換器中［4，5］，為了實(shí)現(xiàn)原邊主開(kāi)關(guān)管和輔助開(kāi)關(guān)管的零電壓開(kāi)關(guān)，需要設(shè)置一定的延遲，這就給副邊的同步整流管不可避免地帶來(lái)了死區(qū)。柵極電荷保持技術(shù)可以很好地解決有源箝位同步整流正激變換器為實(shí)現(xiàn)主開(kāi)關(guān)管和輔助開(kāi)關(guān)管零電壓開(kāi)通而帶來(lái)的死區(qū)問(wèn)題。同時(shí)，考慮到變壓器漏感對(duì)同步整流管的開(kāi)通影響，一般采用一個(gè)附加繞組驅(qū)動(dòng)。電路原理圖如圖2 所示。

圖2 有源箝位同步整流正激變換器

在圖2 中，輔助開(kāi)關(guān)管Sa一般采用小功率MOSFET 管，也可以用三極管。D6的作用是當(dāng)同步整流管Q3關(guān)斷后使其電壓箝位在D6的反向截止電壓，這樣可以降低Q3的驅(qū)動(dòng)損耗。從圖2 可以看出，把柵極電荷保持技術(shù)應(yīng)用于有源箝位技術(shù)只需要增加一個(gè)小功率MOSFET、三個(gè)二極管、一個(gè)附加繞組，電路實(shí)現(xiàn)起來(lái)和柵極電荷轉(zhuǎn)換技術(shù)一樣簡(jiǎn)單。該電路的工作原理和傳統(tǒng)的有源箝位同步整流正激變換器相似，原邊電路的工作過(guò)程在很多文獻(xiàn)中有分析，所以下文著重介紹變壓器副邊的工作原理。

在進(jìn)行討論之前，作如下幾點(diǎn)假設(shè)：

（1）所有元器件都是理想的。

（2）輸出濾波電感足夠大，故在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中，輸出濾波電感Lf和電容Cf可用一恒值電流源I0代替。

（3）Lks為變壓器漏感在副邊的折合值。

變壓器副邊電路的7 個(gè)工作模態(tài)圖如圖3 。

如圖3 模態(tài)（a）中，原邊的變壓器復(fù)位已經(jīng)結(jié)束，主開(kāi)關(guān)管還沒(méi)有開(kāi)通，變壓器副邊繞組上的電壓為零，但是由于采用了柵極電荷保持技術(shù)，開(kāi)關(guān)管Q4仍然導(dǎo)通。

當(dāng)Q3的柵源電壓達(dá)到其門(mén)檻電壓以前，Q3的體二極管導(dǎo)通，如模態(tài)（b）所示，這為Q3提供了零電壓開(kāi)通，從而減少了Q3的開(kāi)關(guān)損耗。

圖3 變壓器副邊電路的7 個(gè)工作模態(tài)

當(dāng)原邊主開(kāi)關(guān)管Q1開(kāi)通以后，輸入電壓加在變壓器的原邊繞組上，變壓器副邊電路從模態(tài)（b）變換到模態(tài)（c ），輸出電流開(kāi)始從 Q4換流到 Q3。

模態(tài)（d）中，換流過(guò)程結(jié)束以后，Q3導(dǎo)通，Q4關(guān)斷，輸出電流完全流過(guò)整流管Q3。對(duì)于附加驅(qū)動(dòng)繞組支路，附加驅(qū)動(dòng)繞組的感應(yīng)電壓通過(guò)二極管D7對(duì)Q3和Sa的柵源電容充電，二極管D6和D5由于承受反向電壓而截止。

當(dāng)原邊主開(kāi)關(guān)管關(guān)斷以后，輔助開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，變壓器開(kāi)始磁復(fù)位。變壓器副邊電路從模態(tài)（e ）變換到模態(tài)（f ），輸出電流從 Q3流向 Q4，開(kāi)始新的換流過(guò)程。在主開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，由于Q4的體二極管導(dǎo)通，Q4也是零電壓開(kāi)通，如模態(tài)（e ）所示。

模態(tài)（g）中，換流過(guò)程結(jié)束以后，Q3完全關(guān)斷，Q4完全導(dǎo)通，輸出電流流過(guò)Q4。在變壓器磁復(fù)位結(jié)束以后，Q4的柵源電容儲(chǔ)存的電荷由于沒(méi)有放電回路而得以保持，因此Q4的柵源之間仍然有驅(qū)動(dòng)電壓而保持導(dǎo)通，即實(shí)現(xiàn)了柵極電荷的保持功能。

1.3 柵極電荷保持技術(shù)的問(wèn)題

當(dāng)柵極電荷保持技術(shù)應(yīng)用于正激變換器時(shí)，它不僅適用于有源箝位復(fù)位方式，而且對(duì)其它復(fù)位方式也一樣適用，但是在實(shí)際應(yīng)用中，柵極電荷保持技術(shù)存在兩個(gè)問(wèn)題。

（1）柵極電荷保持時(shí)間。在柵極電荷保持期間，續(xù)流管Q4的柵極電荷可以通過(guò)三條路徑緩慢放電：D5的PN結(jié)的電子漂移電流；Q4自身的柵源漏電流，如果輔助開(kāi)關(guān)管Sa采用的是MOSFET，則是Sa漏源漏電流；通常Q4自身柵源漏電流相對(duì)于其它兩部分來(lái)說(shuō)很小，可以忽略不計(jì)。肖特基二極管的漂移電流為1 mA左右，當(dāng)采用快恢復(fù)二極管時(shí)，該電流為1 μA，漏源之間的漏電流大約為100 μA，為此，雖然理論上，輔助開(kāi)關(guān)管Sa可以是任何一個(gè)功率 MOSFET，D5、D6和D7可以是普通的二極管，但是從柵極電荷保持的角度來(lái)講，這些開(kāi)關(guān)管的選取并不是任意的。通常D5、D6和D7選取小信號(hào)二極管，例如BAS16，而輔助開(kāi)關(guān)管選取小功率、小信號(hào)的MOSFET，在解決柵極電荷保持時(shí)間的問(wèn)題上，也可以通過(guò)提高變換器的開(kāi)關(guān)頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（2）第二個(gè)問(wèn)題是變壓器副邊由于兩個(gè)同步整流管的共同導(dǎo)通而出現(xiàn)的短路問(wèn)題。從對(duì)主開(kāi)關(guān)管開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程中兩個(gè)同步整流管的換流過(guò)程分析可以知道：兩個(gè)同步整流管的關(guān)斷速度很重要，尤其是Q3開(kāi)通時(shí)，Q4的關(guān)斷速度更為突出，因?yàn)橹挥挟?dāng)輔助開(kāi)關(guān)管Sa導(dǎo)通以后，Q4的柵源電壓降低到其門(mén)檻電壓以下才能關(guān)斷。這包含了兩個(gè)過(guò)程，其一，輔助開(kāi)關(guān)管Sa的柵源電壓建立達(dá)到其門(mén)檻電壓而導(dǎo)通的時(shí)間；其二，輔助開(kāi)關(guān)管Sa導(dǎo)通以后，Q4的柵源電壓下降到門(mén)檻電壓的時(shí)間。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4 是50 W（2.5 V／20 A）實(shí)驗(yàn)主電路?？刂菩酒捎糜性大槲粚?zhuān)用芯片UCC3580 。

圖4 實(shí)驗(yàn)主電路

實(shí)驗(yàn)主要參數(shù)為：輸入電壓為48 V（36 ～75 V）；輸出電壓為2.5 V；輸出電流為20 A；開(kāi)關(guān)頻率fs＝150 kHz ；濾波電感為5.72 μH；變壓器磁芯采用 EC系列的EER28 ，變壓器的匝比為9∶1∶2 ，原邊勵(lì)磁電感為36 μH，副邊漏感為910 nH，附加繞組的漏感為723 nH。

電路滿(mǎn)載時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形如圖5 所示。圖5 （a）為原邊電流波形、主開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)和漏源電壓的波形，圖5（b）為副邊同步整流管的驅(qū)動(dòng)波形。

從圖5（a）可以看出，主開(kāi)關(guān)管的漏源電壓可以降低到零，主開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)了零電壓開(kāi)通；從圖5 （b）可以看出，副邊同步整流管的驅(qū)動(dòng)波形互補(bǔ)，和前面的分析基本一致，則柵極電荷保持驅(qū)動(dòng)方式，解決了死區(qū)問(wèn)題，減小了整流損耗，提高了整流效率。當(dāng)輸入電壓為48 V，整機(jī)在滿(mǎn)載的效率可達(dá)到89 %。

圖5 實(shí)驗(yàn)波形

3 結(jié) 論

本文介紹了一種應(yīng)用于有源箝位同步整流正激變換器的驅(qū)動(dòng)電路－柵極電荷保持驅(qū)動(dòng)電路。該驅(qū)動(dòng)電路解決了傳統(tǒng)電壓驅(qū)動(dòng)存在的死區(qū)問(wèn)題和有源箝位正激變換器為實(shí)現(xiàn)主開(kāi)關(guān)管和輔助開(kāi)關(guān)管零電壓開(kāi)通而帶來(lái)的死區(qū)問(wèn)題，因此降低了整流損耗，提高了變換器的整機(jī)效率。最后，制作了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，在滿(mǎn)載時(shí)，整機(jī)效率可達(dá)到88 %，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該驅(qū)動(dòng)電路的正確性和可行性。

［1］Xie Xuefei ，CHUNG Hok Yan，PONG MH.Studies of self－driven synchronous rectification in low voltage power conversion［C］.IEEE1999 International conference power electronics and drive system，PEDS’99 ，Hong Kong.1999 ：212－217.

［2］胡宗波，張 波.同步整流器兩種驅(qū)動(dòng)方式的分析比較［J ］.電力電子技術(shù)，2001 ，（12）：56－60.

［3］Xuefei Xie ，Joe Chui Pong Liu，F(xiàn)ranki Ngai Kit Poon，Man Hay Pong.Two methods to drive synchronous rectifiers during dead time in forward topologies ［J ］.IEEE2000.2000 ，993－999.

［4］陳道煉，嚴(yán)仰光.有源鉗位正激變換器的理論分析與設(shè)計(jì)［J ］.電氣傳動(dòng)，1999 ，1 ：27－30.

［5］劉耀平.有源箝位正激變換器的理論分析和設(shè)計(jì)方法［J ］.電源技術(shù)應(yīng)用，2005 ，5 ：193－198.