同步整流在輕載下的詳細分析

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同步整流在輕載下的詳細分析

1 同步整流正激變換器

圖 l給出的是一種電壓自驅動同步整流正激變換器，圖 1中兩個與變壓器耦合的分離輔助繞組N4、 N5用來分別驅動兩個同步整流管 S201 、 S202。當主開關管導通時，變壓器副邊繞組上正下負，S201柵極電壓為高，導通整流；主開關管截止時，副邊繞組下正上負，續流S202柵極為高，導通續流。
正激變換器中，同步整流S201 。的運行情況與變壓器磁復位方式有關。如果采用如圖1所示的輔助繞組復位電路，在復位結束過程之后， 變壓器 電壓保持為零的死區時間內，輸出電流流經續流同步整流管S202，但是S202柵極無驅動電壓，所以
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輸出電流必須流經S202 的體二極管。MOSFET體二極管的正向導通電壓高，反向恢復特性差，導通損耗非常大，這就使采用 MOSFET整流的優勢大打折扣，為了解決這一問題，較為簡單的做法是在S202的漏極和源極之間并聯一個肖特基二極管D201在S202截止的時間內，代替S202的體二極管續流，這一方法增加的元件不多，線路簡單，也很實用。
為了優化驅動波形，可以采用分離的輔助繞組來分別驅動兩個同步整流管，比起傳統的副邊繞組直接驅動的同步整流變換器來說，這種驅動方式無工作電流通過驅動繞組，因此不需要建立輸出電流的時間， MOSFET能夠迅速開通，開通時的死區時間即體二極管導通的時間減少了一半。另一方面驅動電壓不只局限于副邊電壓，可以通過調整輔助線圈來得到合適的驅動電壓。
2 輕載條件下的同步整流

對于正激變換器，在主開關管截止的時間里，輸出電流是靠輸出儲能電感里的能量維持的，因此變換器有兩種可能的運行情況：電感電流連續模式( CCM， continuous current mode) 和電感電流斷續模式(DCM，discontinuous current mode)。
2． 1 電感電流連續模式 CCM
當負載電流較大時，電感電流在整個周期內都不會下降到零，每個開關周期可以分為兩個階段，在t1階段，S201導通， S202截止，電感兩端的電壓為Vs一Vo( 其中，Vs為變壓器副邊繞組電壓，Vo為變換器輸出電壓 )，電感電流持續上升；t2階段，S201關斷，S202導通，電感兩端電壓為-Vo，電感電壓持續下降。穩態時，一個開關周期內，濾波電容C的平均充電電流與放電電流相等，故變換器輸出的負載電流平均值Io就是iL的平均值，由于負載電流較大，電感電流iL在整個周期中都不會下降至零，電感電流方向不發生變化，如圖 2( a) 所示。
當負載電流Io減小時，ILmax和ILmin，都減小，當負載電流Io減小到使ILmin在Toff結束時恰好為零，2(b) 所示，此時的負載電流稱之為臨界電流
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當負載電流進一步減小時，對于副邊采用傳統二極管續流工作的正激變換器來說，將會出現電感電流斷續的工作情況，如圖 2( C) 所示。
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當副邊采用同步整流工作時，由于續流MOSFET的雙向導通的特性，使得此時的電感電流能夠反向，如圖2(d) 所示，產生環流。有了環流就會消耗環流能量。這個能量的大小和輸出濾波電感有關，輸出濾波電感越小，環流就會越大，環流能量越大，損耗也越大。所以由于同步整流器不能從 CCM模態自動切換到 DCM模態，輕載時就會產生很大的環流損耗。環流損耗、開關驅動損耗和開關損耗使得變換器輕載時的效率較低。
為了避免電感電流輕載時反向形成環路電流，可以采用如圖 3所示的驅動電路。S201、S202為兩個同步整流管，Vdd為一基準電壓，R211和R212分壓后產生一個電壓給定值加在比較器的同向輸人端，比較器的反向輸人端接在輸出電流取樣電阻R210上。當輸出電流高于臨界輸出電流，比較器輸出高電平，主開關管截止期間， S202、S203導通，高電位加至續流 MOSFET S202柵極，S202導通續流；當輸出電流低于臨界電流時，比較器輸出低電位，S204、S203、S202均截止，這個時候的續流工作就交由與S202并聯的肖特基管D201完成，由于肖特基的單向導電性避免了環路電流的形成。

值得注意的是，續流 MOSFET一定要在反向電流產生前截止。如果已經產生了反向電流以后才使 MOSFET截止，此時反向電流迅速下降，產生很大的 di／dt，會在續流 MOSFET源極和漏極兩端產生很高的電壓尖峰，這個電壓尖峰甚至可能高于 MOSFET的耐壓，使續流 MOSFET擊穿，如圖4的試驗波形所示。

在這種控制方式下，重載時由續流同步整流管續流，輕載時由肖特基管續流，電感電流將進入 DCM模式，這樣減少了導通損耗，提高了輕載時變換器的效率。
2． 2 電感電流斷流模式(DCM)
在這種情況下，每個周期可以分為三個階段，t1 和t2階段同上述 CCM相同。如果在進入t3時刻時，電感兩端電壓和電感電流為零，電路就剛好處于穩態，不會出現振蕩，但實際電路中，很難保證這兩個條件的滿足。
在t3階段，S201和S202均處于關斷狀態，由電感L201寄生電容Cp，負載電容C201與負載并聯構成了LC振蕩回路，考慮到C201>>Cp，可以求得振蕩頻率為

這個頻率往往很高，會在S202源極和漏極兩端形成明顯的振蕩，也就是通常所說的振鈴現象，這個過程通常來說是欠阻尼振蕩，如圖5的試驗波形所示。

由于DCM模式能夠避免輕載時環路電流的產生，卻可以大大提高了變換器輕載時的效率。兩種電路模式的效率對比如圖6所示。

3 結語

在輕載工況下，采用關斷續流MOSFET使得正激變換器副邊工作在DCM模式下，可以顯著提高同步整流變換器輕載時的效率。實驗證明，采用如圖3所示的電路能夠完成輕載時副邊電流CCM到DCM的轉化，是提高正激變化器輕載效率的一種可行的方法。

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| 發布時間：2017.06.28 來源：電源適配器廠家

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