張 登

（船舶重工集團公司723所，揚州225001）

0 引 言

開關(guān)電源已廣泛地用于軍用和民用電子設(shè)備。效率是開關(guān)電源的基本指標，提高效率是提高開關(guān)電源可靠性的有效方法。在傳統(tǒng)的開關(guān)電源整流電路中，整流器件通常使用二極管，因為二極管無需驅(qū)動，電路結(jié)構(gòu)簡單可靠，成本較低。但隨著電子技術(shù)的發(fā)展，低電壓、大電流的開關(guān)電源得到了廣泛的應用，這就使整流管損耗過大的問題變得尤為突出，即便使用壓降較低的肖特基二極管也無法滿足需要。因此，同步整流電路是必然的選擇。

1 同步整流技術(shù)的基本原理

同步整流技術(shù)是采用通態(tài)電阻極低的金屬－氧化物－半導體場效應晶體管（MOSFET）來代替整流二極管，從而大大降低整流管損耗，有效提高開關(guān)電源的效率。由于MOSFET漏源之間存在一個集成的體二極管，整流管又需具有反向阻斷功能，因此MOSFET作為整流管使用時，電流必須是從源極流向漏極。如何對MOSFET通斷進行控制是同步整流技術(shù)的關(guān)鍵問題［1－2］。

同步整流管的驅(qū)動方式通常分為自驅(qū)動方式和外驅(qū)動方式。自驅(qū)動是指直接從變壓器副邊繞組、輔助繞組獲取電壓驅(qū)動信號，驅(qū)動整流管。外驅(qū)動同步整流是指通過附加的邏輯和驅(qū)動電路，產(chǎn)生隨主變壓器副邊電壓作相應時序變化的驅(qū)動信號，驅(qū)動整流管。

同步整流技術(shù)首先應用在非隔離型變換器中，典型應用如圖1所示。

圖1 同步整流BUCK電路

對于上述電路，如果輸入輸出電壓比過大，導致主電路開關(guān)管工作的占空過小，開關(guān)電源的性能勢必受到影響。隔離型變換器能夠較好地解決這一問題。

正激變換器具有電路簡單、可靠性高等特點。在正激變換器中，將有源箝位技術(shù)與同步整流技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了軟開關(guān)同步整流技術(shù)，進一步提高了電源效率［1－2］。下面以正激變換器為例對同步整流技術(shù)進行分析，正激變換器同步整流的典型電路如圖2所示。

圖2 同步整流的典型電路

電路主開關(guān)管V1導通后，在變壓器次級電壓的正半周，同步整流管V2導通，電流全部流過V2，V3截止；電路主開關(guān)管V1關(guān)斷后，在變壓器次級電壓的負半周，同步整流管V2截止，電流全部流過V3。由于MOSFET管通態(tài)電阻極低，有效地降低了整流管的損耗。

可以看出，該同步整流電路采用自驅(qū)動方式，優(yōu)點是電路結(jié)構(gòu)簡單，增加的元件少；缺點是死區(qū)較大，同步整流管在死區(qū)時間內(nèi)由于沒有柵極驅(qū)動電壓，負載電流只能流經(jīng)體二極管，由于體二極管導通壓降大，電路的損耗仍然很大。

2 同步整流電路的改進方法

同步整流電路的改進方法有：

（1）解決同步整流電路的死區(qū)問題，可采用柵極電荷保持法

柵極電荷保持驅(qū)動電路是在自驅(qū)動電路基礎(chǔ)上改進而成，繼承了自驅(qū)動電路優(yōu)點的同時，解決了整流管在死區(qū)時間里的導通問題，其原理如圖3所示。

圖3 采用柵極電荷保持法的同步整流電路圖

正激變換器中，在變壓器次級電壓的正半周，同步整流管V2導通，電流全部流過V2，輔助開關(guān)管V4導通，整流管V3的柵源電容上的電荷被輔助開關(guān)管放掉，V3無驅(qū)動電壓，處于截止狀態(tài)；在變壓器次級電壓的負半周，同步整流管V2截止，電流全部流過V3；當變壓器磁復位結(jié)束后，輔助開關(guān)管V4仍處于截止狀態(tài)，儲存在V3柵源電容上的電荷沒有放電回路而得以保持，V3仍然導通，體二極管無電流流過，直到下一個周期的到來。這樣，較好地解決了死區(qū)問題，進一步降低了損耗。

（2）對于不同的 MOSFET，驅(qū)動電壓可能不同，采用附加繞組驅(qū)動，通過調(diào)整其匝數(shù)，可以有效驅(qū)動不同門檻電壓的MOSFET管，如圖4所示。

圖4 采用附加繞組驅(qū)動的同步整流電路

當主開關(guān)管V1導通時，變壓器副邊通過輔助繞組經(jīng)V6開始對V2、V4柵極電容充電，V3柵極電荷通過V4逐漸放掉，輸出電流開始從V3換流到V2。在V2的柵極驅(qū)動電壓上升到門檻電壓之前，V2的體二極管導通，該過渡過程為零電壓開關(guān)，降低了開通損耗。在主開關(guān)管V1開通的過渡過程中，隨著V2電流的增加，V3的電流相應減少。當該過渡過程結(jié)束后，輸出電流流經(jīng)V2的功率MOSFET，而不是體二極管，V3關(guān)斷。

在開通過渡過程結(jié)束后，V2導通，V3關(guān)斷，輸出電流全部流經(jīng)導通電阻很低的V2，能量從原邊傳遞到副邊。當主開關(guān)管關(guān)斷時，變壓器開始磁復位。在關(guān)斷過渡過程中，輔助繞組經(jīng)V7對V3柵極電容充電，同時對V2、V4柵極電容放電，輸出電流從V2向V3換流。由于V5的存在，使V2在關(guān)斷后，其柵極電壓被箝位，降低了驅(qū)動損耗。V3也是零電壓開通，因此在其柵極驅(qū)動電壓上升至門檻電壓之前，電流流經(jīng)體二極管。在該過渡過程結(jié)束后，V2關(guān)斷，V3導通。輸出電流流經(jīng)V3的MOSFET。當磁復位結(jié)束后，該過程結(jié)束。輔助繞組的電壓將為0，V2、V4柵極驅(qū)動電壓也保持為0。因為V7反向截止，并且V4保持關(guān)斷，V3的柵源電容沒有放電途徑，柵極電壓保持高電平，所以繼續(xù)導通。這就實現(xiàn)了柵極電荷保持功能。

（3）柵極電荷保持技術(shù)解決了死區(qū)問題，但也存在一定的問題

（a）從V3換流到V2的過程中，換流結(jié)束之前，必須確保V3的柵極驅(qū)動電壓下降到門檻電壓以下，否則變壓器的副邊會出現(xiàn)交叉導通現(xiàn)象，即造成變壓器的次級短路，增加了損耗。所以應盡快關(guān)斷V3。

可以采取降低變壓器輔助繞組漏感、采用低門檻電壓和低導通電阻的V4來加速整流管V3的關(guān)斷。

（b）柵極驅(qū)動電壓隨輸入電壓的變化而變化。當輸入電壓變化范圍較大，同步整流的驅(qū)動電壓很難滿足要求。

采用基于同步整流芯片的外驅(qū)動同步整流技術(shù)，能提供高質(zhì)量的驅(qū)動波形，可以較好地解決上述問題。近年來，隨著技術(shù)的進步，用于同步整流的控制芯片得到了廣泛的應用，下面以IR1176為例加以介紹。

IR1176是IR公司推出的一款用于驅(qū)動N溝道功率MOSFET的高速CMOS控制芯片。構(gòu)成的同步整流電路原理圖如圖5所示。

圖5 基于IR1176的同步整流電路

該電路的優(yōu)點：

（1）該芯片應用于正激電路中，直接從次級繞組取得同步信號，通過控制柵極驅(qū)動電壓重疊／死區(qū)時間，進一步縮短體二極管導通時間，有效避免了交叉導通現(xiàn)象，使電源效率進一步提升。

（2）很好地解決了自驅(qū)動同步整流中柵極驅(qū)動電壓隨輸入電壓的變化而變化的問題。圖5中，對輔助繞組輸出的信號進行整流后，經(jīng)R2到達穩(wěn)壓管后，保證了IR1176的VDD腳電壓的穩(wěn)定性［3］。

3 結(jié)束語

在實際應用中，除了在電路結(jié)構(gòu)上優(yōu)化設(shè)計外，對變壓器還要采取合理的繞制方法，盡量減小其漏感，使副邊電感最小化。對于自驅(qū)動同步整流電路，副邊電感過大，將延長換流時間，增加損耗；對于外驅(qū)動同步整流，將影響同步信號波形，降低同步整流管驅(qū)動波形質(zhì)量，也會降低電源效率。

隨著技術(shù)的進步，基于同步整流芯片的外驅(qū)動技術(shù)得到了較快的發(fā)展，但自驅(qū)動方式以其電路簡單、可靠性高、成本低等優(yōu)點仍有很大的發(fā)展前景，仍值得進一步研究與探討。

［1］楊旭，裴云慶，王兆安.開關(guān)電源技術(shù)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2002.

［2］張建榮.直流開關(guān)電源的軟開關(guān)技術(shù)［M］.北京：科學出版社，2003.

［3］張乾，王衛(wèi)國.新型同步整流驅(qū)動方式在開關(guān)電源中的應用［J］.電力電子技術(shù)，2009，43（2）：73－75.