倍流同步整流在高压48VVRM中的应用

参考文献王硕[基于三电平ZVS半桥倍流电压调节模块(VRM)的研究] 燕山大学2010 硕士论文

倍流同步整流在高压48VVRM中的应用

设计中原边通常选用的拓扑主要有半桥、全桥、正激和推挽电路；副边拓扑方式有桥式整流、半波整流、全波整流及倍流整流四种。一副边整流电路拓扑的选择

由于VRM输出为低压大电流，因此副边整流电路的选用尤为重要，不但要求磁性器件制作简单，更需要关注的是各部分的损耗，如变压器副边绕组损耗、整流管损耗等。在常用的四种副边拓扑结构中，全桥整流电路由于所用整流管数量是其它拓扑的两倍，在大电流输出的VRM中就会产生更多的开关管的损耗，在设计中显然不宜采用，因此不再对其进行分析比较。主要对另外三种电路的导通损耗、磁性器件及驱动方式进行了比较，总结见下表所示。

半波整流

中心抽头全波

整流

倍流整流

占空比D=

o n s

t T

D<0.5

0

整流管数量 2m

2m 2m

整流管总导通损耗

()2

0ds on m I R ⋅

()

20122ds on D m I R ⎛⎫⋅+ ⎪⎝⎭

()2012ds on m D I R ⎛⎫⋅+ ⎪⎝⎭

磁性元件数量 2 2 3 大电流绕组数 2

3

2

满足纹波要求的电感量 ()02

18s V D L C f V -=

⋅∆

()02

01148s V D L C f V -⎡⎤

=⎢⎥⋅∆⎣⎦

()()02

011124182s V D D L D C f V ⎡⎤--=⋅⋅⎢⎥-⋅∆⎢⎥

⎣⎦

副边电流有效值 sec 0I I D

=⋅

sec 01+2

D I I =⋅

sec 0I I D

=⋅

磁性元件的总体积 大 中 小

驱动方式

自驱动方式 外部控制 外部控制、自驱动

适用的原边拓扑 正激(有源箝位)

推挽、桥式 推挽、桥式

通过上面比较，可以发现，倍流整流电路具有如下显著优点： (1)导通损耗通过对表中三个式子的比较可以看出，占空比D 越小，全波整流和倍流整流拓扑中整流管的导通损耗越比半波整流小。但当整流电路工作在最大占空比max D (全波整流：max D =1；倍流流：

max

D =0.5)附近时，后两种整流拓扑与半波整流相比，并没有太多的优

势。

(2)输出滤波电感在相同条件下，要得到相同的输出电压纹波，后两种整流拓扑所需的滤波电感值明显比第一种拓扑小，从而减小了滤波电感的尺寸，变换器体积得到减小，同时也减少了损耗，减轻了对输出滤波电容的设计压力。

(3)变压器的制作倍流整流变压器仅需一个副边绕组，且只需要输送负载电流的一半，相对中心抽头的全波整流，变压器结构简单，制作更容易。

(4)原边性能不受副边整流影响根据倍流整流工作原理，当电源工作在开关死区o ff T 时，负载电流不通过变压器的副边绕组续流，因此不会影响原边电路的工作性能和工作方式，也不会对占空比的变化产生影响。

因此，在高压输入的VRM 设计中，倍流整流电路是副边整流电路的最优选择。

二 同步整流技术

在影响VRM 效率的诸多因素中，整流管的导通损耗占居了最主

要的部分，因此对它的选择至关重要。随着VRM 工作电压的不断降

低，对更快速、更低功耗和更高集成度的发展要求，整流部分的功耗占输出功率的比重导致整体系统的效率降低，成为电源小型化、模块化的障碍。从20世纪80年代初开始，国际电源界研究开发了同步整流技术。所谓同步整流，即用MOSFET代替常规的整流二极管，根据电路拓扑的工作要求，给出开关时序作相应变化的栅极驱动信号，基于栅极驱动信号与MOSFET开关动作接近同步，因此称为同步整流。应用同步整流技术，使用导通电阻低的MOSFET代替常规的整流二极管，可大大降低电路整流部分的损耗，从而大大提高了整个电压调节模块的效率，满足了电源的高效率及高功率密度的要求。同步整流管SR是一种可控的开关器件，对其提供适当的驱动控制信号即可实现整流。但需要注意的是当用作整流管时与其作为开关时不同，MOSFET是反接的。

由于同步整流技术具有正向压降小、阻断电压高及反向电流小等显著优点，因此在近期的低输出电压中高密度(50~300 W)的DC/DC 变换器中已普遍应用，正向电压降低到原来的1/2~1/3。尤其值得提出的是，在1~10 MH软开关DC/DC变换器中应用同步整流技术，可以使变换器的效率从80~85%提高到90%。

三同步整流技术在倍流整流中的应用

倍流整流电路有共阳极(图(a))和共阴极(图(c))两种形式，两种形式的构成元件是相同的，只是其中电感和二极管的位置有所不同，但两个电路的功能是相同的。在电路中利用MOSFET代替二极管得到倍流同步整流拓扑，如图(b)、(d)所示。

图倍流同步整流电路图

四同步整流直接驱动

同步整流驱动技术在变换器中引入同步整流技术后，对副边同步整流管的驱动电路的设计也成为了关键点。目前通常采用的驱动方式主要有自驱动和外驱动两种。自驱动方式包含栅极电荷保持电压驱动方式、电平移动自驱动及恢复电流驱动方式，但是这些驱动方式均需要通过在主变压器上增加两个辅助绕组或增加附加电路以获取驱动信号，增加了拓扑的复杂程度，在设计上较为复杂；而外驱动方式通常是利用移相全桥拓扑中主开关管的驱动信号，通过附加的逻辑控制和驱动电路，经过一定的逻辑组合作为同步整流的驱动信号，便能够提供高质量的驱动波形，但组合逻辑电路中的延时、冒险或竞争等现