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如何解决传统二极管整流问题？

面包板社区 2020-05-21 00:00
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传统二极管整流问题


近年来，电子技术的发展，使得电路的工作电压越来越低、电流越来越大。低电压工作有利于降低电路的整体功率消耗，但也给电源设计提出了新的难题。

开关电源的损耗主要由3部分组成：功率开关管的损耗，高频变压器的损耗，输出端整流管的损耗。在低电压、大电流输出的情况下，整流二极管的导通压降较高，输出端整流管的损耗尤为突出。快恢复二极管（FRD）或超快恢复二极管（SRD）可达1.0～1.2V，即使采用低压降的肖特基二极管（SBD），也会产生大约0.6V的压降，这就导致整流损耗增大，电源效率降低。

问题举例

但设采用3.3V甚至1.8V或1.5V的供电电压，所消耗的电流可达20A。此时超快恢复二极管的整流损耗已接近甚至超过电源输出功率的50％。即使采用肖特基二极管，整流管上的损耗也会达到（18％～40％）PO，占电源总损耗的60％以上。因此，传统的二极管整流电路已无法满足实现低电压、大电流开关电源高效率及小体积的需要，成为制约DC／DC变换器提高效率的瓶颈。

同步整流技术引言

在电源转换领域，输出直流电压不高的隔离式转换器都使用 MOSFET作为整流器件。由於这些器件上的导通损耗较小，能够提高效率因而应用越来越广泛；

为了这种电路能够正常运作，必须对同步整流器（SR）加以控制，这是基本的要求。同步整流器是用来取代二极管的，所以必须选择适当的方法，按照二极管的工作规律来驱动同步整流器。驱动信号必须用PWM控制信号来形成，而PWM控制信号决定著开关型电路的不同状态。

同步整流器件的特点
同步整流技术就是采用低导通电阻的功率MOS管代替开关变换器快恢复二极管，起整流管的作用，从而达到降低整流损耗，提高效率的目的。通常，变换器的主开关管也采用功率MOS管，但是二者还是有一些差异的。

功率MOS管实际上是一个双向导电器件，由于工作原理的不同，而导致了其他一些方面的差异。例如：作为主开关的MOS管通常都是硬开关，因此要求开关速度快，以减小开关损耗；而作为整流/续流用的同步MOS管，则要求MOS管具有低导通电阻、体二极管反向恢复电荷小、栅极电阻小和开关特性好等特点，因此，虽然两者都是MOS管，但是它们的工作特性和损耗机理并不一样，对它们的性能参数要求也不一样，认识这一点，对于如何正确选用MOS管是有益的。

同步整流的基本电路结构

同步整流是采用通态电阻极低的专用功率MOSFET，来取代整流二极管以降低整流损耗的一项新技术。它能大大提高DC／DC变换器的效率并且不存在由肖特基势垒电压而造成的死区电压。功率MOSFET属于电压控制型器件，它在导通时的伏安特性呈线性关系。用功率MOSFET做整流器时，要求栅极电压必须与被整流电压的相位保持同步才能完成整流功能，故称之为同步整流。

工作方式的比较

传统的同步整流方案基本上都是PWM型同步整流，主开关与同步整流开关的驱动信号之间必须设置一定的死区时间，以避免交叉导通，因此，同步整流MOS管就存在体二极管导通和反向恢复等问题，从而降低同步整流电路的性能。

双端自激、隔离式同步整流电路



实际举例（反激同步整流设计 ）

基本的反激电路结构

一种实际的外驱电路


增加驱动能力的外驱电路


由NMOSFET构成的反激同步整流自驱动电路结构

由PMOSFET构成的反激同步整流自驱动电路结构


反激同步整流驱动电路选择


同步整流管的驱动方式有三种：第一种是外加驱动控制电路，优点是其驱动波形的质量高，调试方便。缺点是：电路复杂，成本高，在追求小型化和低成本的今天只有研究价值，基本没有应用价值。上图是简单的外驱电路，R1D1用于调整死区。该电路的驱动能力较小，在同步整流管的Ciss较小时，可以使用。图6是在图5的基础上增加副边推挽驱动电路的结构，可以驱动Ciss较大的MOSFET。在输出电压低于5V时，需要增加驱动电路供电电源。

第二种是自驱动同步整流。 优点是直接由变压器副边绕组驱动或在主变压器上加独立驱动绕组，电路简单、成本低和自适应驱动是主要优势，在商业化产品中广泛使用。缺点是电路调试的柔性较少，在宽输入低压范围时，有些波形需要附加限幅整形电路才能满足驱动要求。由于Vgs的正向驱动都正比于输出电压，调节驱动绕组的匝数可以确定比例系数，且输出电压都是很稳定的，所以驱动电压也很稳定。比较麻烦的是负向电压可能会超标，需要在设计变压器变比时考虑驱动负压幅度。

第三种是半自驱。 其驱动波形的上升或下降沿，一个是由主变压器提供的信号，另一个是独立的外驱动电路提供的信号。上图是针对自驱的负压问题，用单独的放电回路，提供同步整流管的关断信号，避开了自驱动负压放电的电压超标问题。


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