《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于同步整流技術(shù)的反激變換器
摘要: 反激變換器應(yīng)用廣泛,,采用同步整流技術(shù)能夠很好的提高反激變換器效率,,同時(shí)為使同步整流管的驅(qū)動(dòng)電路簡單,,采用分立元件構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路。詳細(xì)分析了同步整流反激變換器的工作原理和該驅(qū)動(dòng)電路的工作原理,,并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了100V~375VDC 輸入,,12V/4A 輸出的同步整流反激變換器,工作于電流斷續(xù)模式,,控制芯片選用UC3842,,對(duì)設(shè)計(jì)過程進(jìn)行了詳細(xì)論述。通過Saber 仿真驗(yàn)證了原理分析的正確性,,證明該變換器具有較高的變換效率,。
Abstract:
Key words :

  0 引言

  隨著電子技術(shù)、信息技術(shù)在人們生活中的不斷滲透,,電子產(chǎn)品的數(shù)量不斷增加,。其能量消耗已大大超過了人們生活中照明所用的能源。國家能源局預(yù)測,,2010 年全國電力需求,,可能將達(dá)到4 萬億kWh 左右,增長的速度超過2009 年8%或者9%,。全國電力需求增長速度非??欤l(fā)電量增長有限,,中國面臨嚴(yán)重的電力短缺問題,。節(jié)約能源可以顯著減少所需的電能,同時(shí)減少發(fā)電廠數(shù)量,,減少發(fā)電廠排放的廢氣廢水和灰渣對(duì)環(huán)境的污染,。而電源是節(jié)約能源的重要環(huán)節(jié)。

  開關(guān)電源,,它是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù),,通過控制開關(guān)通斷的時(shí)間比率來維持輸出電壓穩(wěn)定的一種電源,,廣泛應(yīng)用在諸如計(jì)算機(jī)、電視機(jī),、攝像機(jī)等電子設(shè)備上,。反激變換器具有電路簡單、輸入輸出電壓隔離,、成本低,、空間要求少等優(yōu)點(diǎn),在小功率開關(guān)電源中得到了廣泛的應(yīng)用,。但輸出電流較大,、輸出電壓較低時(shí),傳統(tǒng)的反激變換器,,次級(jí)整流二極管通態(tài)損耗和反向恢復(fù)損耗大,,效率較低。同步整流技術(shù),,采用通態(tài)電阻極低的專用功率MOSFET來取代整流二極管,。把同步整流技術(shù)應(yīng)用到反激變換器能夠很好提高變換器的效率。

  1 同步整流反激變換器原理

  反激變換器次級(jí)的整流二極管用同步整流管SR 代替,,構(gòu)成同步整流反激變換器,,基本拓?fù)淙鐖D1(a)所示。為實(shí)現(xiàn)反激變換器的同步整流,,初級(jí)MOS 管Q 和次級(jí)同步整流管SR 必須按順序工作,,即兩管的導(dǎo)通時(shí)間不能重疊。當(dāng)初級(jí)MOS 管Q 導(dǎo)通時(shí),,SR 關(guān)斷,,變壓器存儲(chǔ)能量;當(dāng)初級(jí)MOS 管Q 關(guān)斷時(shí),,SR 導(dǎo)通,,變壓器將存儲(chǔ)的能量傳送到負(fù)載。驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)序如圖1(b)所示,。在實(shí)際電路中,,為了避免初級(jí)MOS 管Q 和次級(jí)同步整流管SR 同時(shí)導(dǎo)通,Q 的關(guān)斷時(shí)刻和SR 導(dǎo)通時(shí)刻之間應(yīng)有延遲,;同樣Q 的導(dǎo)通時(shí)刻和SR 的關(guān)斷時(shí)刻之間也應(yīng)該有延遲,。

圖1 同步整流反激變換器

圖1 同步整流反激變換器

  2 同步整流管的驅(qū)動(dòng)

  SR 的驅(qū)動(dòng)是同步整流電路的一個(gè)重要問題,需要合理選擇,。本文采用分立元件構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路,,該驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)較簡單、成本較低,,適合寬輸入電壓范圍的變換器,,具體驅(qū)動(dòng)電路如圖2 所示,。SR 的柵極驅(qū)動(dòng)電壓取自變換器輸出電壓,因此使用該驅(qū)動(dòng)電路的同步整流變換器的輸出電壓需滿足SR 柵極驅(qū)動(dòng)電壓要求,。

圖2 驅(qū)動(dòng)電路

圖2 驅(qū)動(dòng)電路

  該驅(qū)動(dòng)電路的基本工作原理:電流互感器T2 與次級(jí)同步整流管SR 串聯(lián)在同一支路,,用來檢測SR 的電流。當(dāng)有電流流過SR 的體二極管,,則在電流互感器的二次側(cè)感應(yīng)出電流,,該電流通過R1 轉(zhuǎn)變成電壓,當(dāng)電壓值達(dá)到并超過晶體管Q1 的發(fā)射結(jié)正向電壓時(shí),,Q1 導(dǎo)通,,達(dá)到二極管VD 導(dǎo)通電壓時(shí),VD 導(dǎo)通對(duì)其箝位,。晶體管Q1 導(dǎo)通后,,輸出電壓通過圖騰柱輸出電路驅(qū)動(dòng)SR 開通。當(dāng)SR 中的電流在電流互感器二次側(cè)電阻R1 上的采樣電壓降低到Q1 的導(dǎo)通閾值以下時(shí),,Q1 關(guān)斷,SR 關(guān)斷,。

  圖中同步整流管驅(qū)動(dòng)電路各元件的功能說明如下:

  SR 為同步整流管,,用來代替整流二極管;

  T2 為電流互感器,,用來檢測通過SR 的電流,,當(dāng)有電流流過SR 的體二極管,則在電流互感器的二次側(cè)感應(yīng)出電流,;

  R1 用來將互感器二次側(cè)感應(yīng)出的電流轉(zhuǎn)變成電壓,,同時(shí)R1 的值決定同步整流管開通和關(guān)斷時(shí)電流互感器二次側(cè)電流大小,;

  C1 和二極管VD 用來對(duì)互感器二次側(cè)的電壓進(jìn)行濾波和箝位,;

  偏置電阻R2,下拉電阻R3 和晶體管Q1 構(gòu)成開關(guān)電路,,利用Q1 的飽和截止,,實(shí)現(xiàn)同步整流管SR 的導(dǎo)通和關(guān)斷;

  Q2 和Q3 構(gòu)成圖騰柱輸出電路,,提供足夠大的電流,,使SR 柵源極間電壓迅速上升到所需要值,保證SR 能快速開通,。同時(shí)為SR 關(guān)斷時(shí)提供反向抽取電流回路,,加速SR 關(guān)斷。

 3 同步整流反激變換器的設(shè)計(jì)

  3.6 反饋電路設(shè)計(jì)

  反饋電路采用TL431 配合光耦PC817 作為參考,、隔離,、取樣,,電路中將UC3842 內(nèi)部的誤差放大器反向輸入端2 腳直接接地,PC817 的三極管集電極直接接在誤差放大器的輸出端1 腳,,跳過芯片內(nèi)部的誤差放大器,,直接用1 腳做反饋,然后與電流檢測輸入的第3 腳進(jìn)行比較,,通過鎖存脈寬調(diào)制器輸出PWM 驅(qū)動(dòng)信號(hào),。當(dāng)輸出電壓升高時(shí),經(jīng)電阻R5,,R6 分壓后輸入到TL431 的參考端的電壓也升高,,此時(shí)流過光耦中發(fā)光二極管的電流增大,PC817三極管集電極電流增大,,三極管集射級(jí)電壓減小,,UC3842 的6 腳輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比變小,于是輸出電壓下降,,達(dá)到穩(wěn)壓的目的,。反之亦然,使輸出保持恒定,,不受輸入電壓或負(fù)載變化的影響,。

  TL431 參考輸入端電壓ref U 為2.5V,電流為1.5μA,,為了避免此端電流影響分壓比和避免噪聲的影響,,通常取流過電阻R6 的電流為參考輸入端電流的100 倍以上,所以:

  根據(jù)TL431 的特性,,R5,、R6、Uref  和 U o有固定的關(guān)系:

  PC817 三極管集電極電流Ic 受發(fā)光二極管正向電流If 控制,,由PC817 技術(shù)手冊知,,當(dāng)二極管正向電流If 在5mA 左右變化時(shí),Ic 和If 具有很好的線性關(guān)系,,三極管的集射電流Ic在5mA 左右變化,。所以:

  式中Uvref  為芯片8 腳電壓5V, U comp 為芯片1 腳電壓,,計(jì)算時(shí)取系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)1 腳電壓最大值,。

  TL431 正常工作時(shí)需要陰極至陽極電壓Uka 大于2.5V,PC817 二極管正向?qū)▔航礥f為1.2V,。所以:

  經(jīng)過計(jì)算及仿真調(diào)試,,得到反饋電路的阻容參數(shù)。取R6 為1KΩ,R5 為3.8KΩ,,R8 為1KΩ,,R9 為120Ω,R7 為150KΩ,,C4 為1nF,。

  4 仿真分析與結(jié)論

  應(yīng)用 Saber 仿真軟件對(duì)本文設(shè)計(jì)的同步整流反激變換器進(jìn)行仿真。圖4 為輸入電壓200V,,滿載時(shí),,初級(jí)MOS 管Q、次級(jí)同步整流管SR 驅(qū)動(dòng)信號(hào)和次級(jí)電感電流波形,。由圖可見,,Q 關(guān)斷后,SR 經(jīng)過很短的延遲后就開通,,次級(jí)電感電流降至接近零時(shí),,SR 關(guān)斷。圖5 為輸入電壓100V,、200V,、250V、300V 和375V,,滿載條件下,,分別采用同步整流和二極管整流時(shí),系統(tǒng)效率的分布圖,。

  仿真結(jié)果與本文對(duì)同步整流反激變換器和同步整流管驅(qū)動(dòng)電路的工作原理分析一致。同時(shí)仿真結(jié)果證明,,該驅(qū)動(dòng)電路可以很好實(shí)現(xiàn)同步整流功能,,采用同步整流技術(shù)可以較好提高傳統(tǒng)反激變換器的效率。輸入電壓100V,,滿載時(shí),,變換器效率最高為87.7%。

圖4 Ugs(Q),,Ugs(SR),,is 的波形

圖4 Ugs(Q),Ugs(SR),,is 的波形

圖5 系統(tǒng)效率的分布圖

圖5 系統(tǒng)效率的分布圖

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