双管正激同步整流变换器的研究
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
1
1.3 几种典型开关电源特点的比较 [3][4]
单管正激式和反激式开关电源的高频变压器只工作在磁滞回线的第一象限，只 有单一方向的磁通，利用率不高；推挽式电路的按对称转换的原则工作，两个开关 管轮流导通，磁芯双向磁化，但是每一时刻原边只有一个绕组有电流流过，绕组的 利用率和效率较低，如果副边绕组也带中心抽头，则绕组利用率更低；半桥式变换 器的开关管在开关时开关电压值减小为直流输入的一半，但与推挽式变换器相比， 输出相同的功率，开关管导通时的电流增加了一倍；全桥式变换器的变压器与半桥 式变换器一样都工作于一、三象限，磁芯双向磁化，变压器的利用率较高，理论上 开关管电压应力为输入电压，输出相同功率，开关管流过的电流为半桥式变换器的 一半，因而可以应用在较大功率的场合。但是推挽式、半桥式、全桥式变换器均存 在变压器磁通不平衡即直流偏磁问题，这是由开关管的开关特性差异或驱动的不对 称引起的，需要采用电流型控制策略或在变压器初级串入一隔直电容加以抑制。
introduced.The experiment to demonstrate the bi-directional conductibility of power MOSFET is also presented in this paper. A power supply of TTCF with synchronous rectification is designed.The waveform,experiment data and analysis of it are presented in this paper,which shows that the design is avaible in practice.
Key words: switching mode power supply Current mode control
two-transistor forward converter synchronous rectification
II
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。
1.2 开关电源的分类
本文研究的对象为双管正激变换器，它是一种直流功率变换器，直流功率变换 器按输入与输出间是否有电气隔离可分为两类：非隔离直流变换器和隔离直流变换 器。隔离直流变换器通常是在非隔离变换器拓扑的基础上，加入变压器实现输入输 出间的电气隔离。 对于非隔离的直流变换器，它的单管类变换器有六种，即降压式（ Buck）变换 器、升压式（ Boost）变换器、升降压式（ Buck－ Boost）变换器、Cuk 变换器、Zeta 变换器、 Sepic 变换器； 对于有隔离的直流变换器， 单管类变换器有正激式 （Forward） 和反激式（ Flyback）两种，双管类变换器有双管正激、双管反激、推挽和半桥四种； 四管类变换器就是加入隔离变压器的全桥直流变换器。
关键词：开关电源
双管正激
电流型控制
同步整流
I
Abstract
The operation of two- Transistor forward converter toponology and current control mode are discussed in this paper.The advantage and the drawback of the toponology are introduced. Using state-space averaging method this paper deduces the TTFC’ s small signal mode.Based on it the voltage control mode and current control mode are analyzed and compared. With the development of power electronical converters’ s application in telecom system ,converters with low output voltage and large output current become more and more important. R ectifying stage with diode or sckotty diode can’ t meet the needs of higher efficiency and lower size because forward drop of rectifier is great and rectifying dissipation is great in power converter.New generation of Power MOSFET has became the rectifying component due to the advantage of its low conduction resistance.The operation of synchronous rectification,the methods of driving the rectifying MOSFET and the application of synchronous rectification in kinds of toponologies are also
学位论文作者签名： 日期： 年 月 日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
华中科技大学 硕士学位论文 双管正激同步整流变换器的研究 姓名：丁志亮 申请学位级别：硕士 专业：电力电子及电力传动 指导教师：杨荫福 20060428
摘
要
文章详细研究了双管正激变换器的拓扑结构及工作原理，阐述了该拓扑结构的 优点及缺点。利用状态空间平均法推导出该变换器的小信号模型，以此为基础对电 压控制模式和电流控制模式进行了比较，并指出了如何进行反馈补偿器的设计。 随着电力电子变换器在通讯系统的广泛应用，低电压大电流功率变换器成为一 个重要的研究课题。 传统的二极管整流电路因为正向压降大而导致损耗大、 效率低， 已无法满足低电压大电流开关电源高效率、小体积的需要。新一代的功率 MOSFET 由于具有导通电阻极低的特点而成为低电压大电流功率变换器的首选整流器件。本 文介绍了同步整流电路的原理、驱动方式及在各种拓扑中的应用，并对整流 MOSFET 的双向导电特性进行了仿真和实验验证。 作者设计了一个双管正激同步整流变换器，文章最后给出了相关实验波形及数 据并进行了分析，证明了该设计方案的可行性。
保密□ ，在_____年解密后适用本授权书。 本论文属于 论文作者签名： 日期： 年 月 日
指导教师签名： 日期： 年 月 日
1 绪 论
1.1 开关电源的发展 [1][2]
以功率半导体器件作为开关，将一种电源形态转变成为另一种电源形态的变换 电路称为开关变换器，而我们通常所说的开关电源主要是指 AC－DC 的直流变换 器，其中不仅包括 AC 经整流之后变成 DC，更为核心的是 DC－DC 的变换。开关 电源的发展是与电力电子学的发展紧密相关的，正是电力电子学领域的一次次新的 技术突破和新型功率开关元件的问世，推动了开关电源的飞速发展。现代社会中， 开关电源与人们的生活和生产紧密相连，日常的家用电器如电视机、空调、冰箱以 及电脑等都要用到开关电源。随着功率开关器件的发展，开关频率变化范围从几赫 兹到几兆赫兹，甚至更高。频率的提高，使得电源的体积和重量减小，节约了能源， 并且提高了可靠性。 国际上，自美国在 20 世纪 50 年代相继出现单端式和推挽式开关电源之后，各 种新型开关电源不断问世。这些年来，各种开关电源基本上都是采用更先进的新器 件、新技术、新材料、新工艺来逐步减小开关电源的体积和重量，改善电气性能指 标，提高工作可靠性，降低对电网的污染，消除对其它设备的干扰，增强智能化程 度等等。
2
有效减少输出整流损耗。 1.4.1 同步整流器件 同步整流技术就是用功率 MOSFET 代替普通二极管或者肖特基二极管进行整 流，所以，研究同步整流技术，就必须首先深入的了解同步整流器件，即功率 MOSFET。不但应该深入研究功率 MOSFET 的导电特性，而且要基于其整流损耗 模型，进行整流损耗分析。除此之外，对于大电流运行情况，同步整流技术的整流 损耗是否总是优于肖特基二极管的整流损耗，都是值得研究的重要课题。 同步整流要求 MOSFET 具有双向导电特性。但是，对于 MOSFET 的导电特性， 大多数文献、国外著名公司的数据书册等均仅给出 MOSFET 的单向导电特性，大 多数的应用研究，也都是利用了 MOSFET 的单向导电特性。对于 MOSFET 的双向 导电特性，鲜有文献详细介绍，更没有实验的范例和证明。 MOSFET 为电压控制型器件，电压控制意味着对电场能的控制，故称作为电场 效应晶体管。 MOSFET 是利用多数载流子导电的器件， 因而又称之为单极性晶体管。 MOSFET 的电压控制机理是利用栅极电压的大小来改变感应电场生成的导电沟道 的厚度（感生电荷的多少） ， 来控制漏极电流 I d 的，当栅极电压 Vgs 小于门槛电压 Vth 时，无论 Vds 的极性如何，两个 PN 结中，总有一个 PN 结是反向偏置的，因此漏极 电流 I d 几乎为零， 在这种情况下形成耗尽层， MOSFET 不能导通， 当栅极电压 Vgs 大 于门槛电压 Vth 时，漏极和源极之间形成 N 型沟道，由于 N 型沟道的电阻很小，故 在漏源正电压 Vds 的作用下，电子从源极流向漏极，或者说，正电荷从漏极流向源 极，这就是通常采用的 MOSFET 正向导电特性。 事实上，可以看出，栅极电压 Vgs 的作用仅仅是在于形成漏极和源极之间的 N 型导电沟道，而 N 型导电沟道相当于一个无极性的等效电阻。因而从理论上分析， 若改变漏源极的电压极性，即漏源极加反向电压，电子会反向从漏极流向源极，正 电荷将从源极流向漏极， 实现 MOSFET 的反向导电特性。 从以上分析可知， MOSFET 实际上是一个双向导电器件，只是在以往的应用中无须利用到反向导电特性，而形 成 MOSFET 只能单向导电的一般概念。 为此， 本文将从理论和实验上研究 MOSFET 的双向导电特性，得出完整的双向漏源电压电流特性曲线，为 MOSFET 在同步整 流中的实际应用奠定理论基础。 同步整流效率取决于 MOSFET 整流损耗， 本文基于 MOSFET 的等效损耗模型， 深入研究了 MOSFET 整流损耗与其参数、栅极驱动电压和开关频率的相互关系，
1.4 同步整流在开关电源中的应用 [5][6][7]
开关变换器之所以能取代线性电源，很大的一个原因是它提高了变换器的效 率，它使开关管工作在开关状态，避免了大电流和高电压同时存在。所以提高效率 对于开关电源是至关重要的，提高效率不仅能够节省能源，还能降低电源的发热程 度，减小电源的尺寸。 为了提升变换器的效率，人们引入了谐振变换器及软开关技术，以降低开关管 的开通与关断损耗，这两项技术现均已得到成熟的应用，确实能有效的提高开关电 源变换器的效率。 但是开关电源的整流部分一般采用肖特基二极管，尽管现在肖特基管的正向压 降能做到 0.3V 左右，但是对于低压输出的 DC－DC 变换器，整流管的导通损耗仍 然是显著的损耗来源之一。特别是随着集成电路规模的不断扩大，要求变换器能输 出较大的电流，同时一些芯片的供电电压不断降低，很多 DSP、MCU 芯片已经支 持 3.3V 的供电电压。就以 3.3V 输出为例，仅肖特基整流管的导通损耗就要损失近 10％的效率，因此降低整流管的导通损耗成为提升变换器效率的一个重要途径。 同步整流正是基于此种目的而得到了推广和应用， 新一代的 mosfet 的导通电阻 可以做到 0.01 欧姆以下，如 IR 公司的 IRF3205，其导通电阻仅为 0.008 欧姆，可以
1.3 几种典型开关电源特点的比较 [3][4]
单管正激式和反激式开关电源的高频变压器只工作在磁滞回线的第一象限，只 有单一方向的磁通，利用率不高；推挽式电路的按对称转换的原则工作，两个开关 管轮流导通，磁芯双向磁化，但是每一时刻原边只有一个绕组有电流流过，绕组的 利用率和效率较低，如果副边绕组也带中心抽头，则绕组利用率更低；半桥式变换 器的开关管在开关时开关电压值减小为直流输入的一半，但与推挽式变换器相比， 输出相同的功率，开关管导通时的电流增加了一倍；全桥式变换器的变压器与半桥 式变换器一样都工作于一、三象限，磁芯双向磁化，变压器的利用率较高，理论上 开关管电压应力为输入电压，输出相同功率，开关管流过的电流为半桥式变换器的 一半，因而可以应用在较大功率的场合。但是推挽式、半桥式、全桥式变换器均存 在变压器磁通不平衡即直流偏磁问题，这是由开关管的开关特性差异或驱动的不对 称引起的，需要采用电流型控制策略或在变压器初级串入一隔直电容加以抑制。
introduced.The experiment to demonstrate the bi-directional conductibility of power MOSFET is also presented in this paper. A power supply of TTCF with synchronous rectification is designed.The waveform,experiment data and analysis of it are presented in this paper,which shows that the design is avaible in practice.
Key words: switching mode power supply Current mode control
two-transistor forward converter synchronous rectification
II
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。
1.2 开关电源的分类
本文研究的对象为双管正激变换器，它是一种直流功率变换器，直流功率变换 器按输入与输出间是否有电气隔离可分为两类：非隔离直流变换器和隔离直流变换 器。隔离直流变换器通常是在非隔离变换器拓扑的基础上，加入变压器实现输入输 出间的电气隔离。 对于非隔离的直流变换器，它的单管类变换器有六种，即降压式（ Buck）变换 器、升压式（ Boost）变换器、升降压式（ Buck－ Boost）变换器、Cuk 变换器、Zeta 变换器、 Sepic 变换器； 对于有隔离的直流变换器， 单管类变换器有正激式 （Forward） 和反激式（ Flyback）两种，双管类变换器有双管正激、双管反激、推挽和半桥四种； 四管类变换器就是加入隔离变压器的全桥直流变换器。
关键词：开关电源
双管正激
电流型控制
同步整流
I
Abstract
The operation of two- Transistor forward converter toponology and current control mode are discussed in this paper.The advantage and the drawback of the toponology are introduced. Using state-space averaging method this paper deduces the TTFC’ s small signal mode.Based on it the voltage control mode and current control mode are analyzed and compared. With the development of power electronical converters’ s application in telecom system ,converters with low output voltage and large output current become more and more important. R ectifying stage with diode or sckotty diode can’ t meet the needs of higher efficiency and lower size because forward drop of rectifier is great and rectifying dissipation is great in power converter.New generation of Power MOSFET has became the rectifying component due to the advantage of its low conduction resistance.The operation of synchronous rectification,the methods of driving the rectifying MOSFET and the application of synchronous rectification in kinds of toponologies are also
学位论文作者签名： 日期： 年 月 日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
华中科技大学 硕士学位论文 双管正激同步整流变换器的研究 姓名：丁志亮 申请学位级别：硕士 专业：电力电子及电力传动 指导教师：杨荫福 20060428
摘
要
文章详细研究了双管正激变换器的拓扑结构及工作原理，阐述了该拓扑结构的 优点及缺点。利用状态空间平均法推导出该变换器的小信号模型，以此为基础对电 压控制模式和电流控制模式进行了比较，并指出了如何进行反馈补偿器的设计。 随着电力电子变换器在通讯系统的广泛应用，低电压大电流功率变换器成为一 个重要的研究课题。 传统的二极管整流电路因为正向压降大而导致损耗大、 效率低， 已无法满足低电压大电流开关电源高效率、小体积的需要。新一代的功率 MOSFET 由于具有导通电阻极低的特点而成为低电压大电流功率变换器的首选整流器件。本 文介绍了同步整流电路的原理、驱动方式及在各种拓扑中的应用，并对整流 MOSFET 的双向导电特性进行了仿真和实验验证。 作者设计了一个双管正激同步整流变换器，文章最后给出了相关实验波形及数 据并进行了分析，证明了该设计方案的可行性。
保密□ ，在_____年解密后适用本授权书。 本论文属于 论文作者签名： 日期： 年 月 日
指导教师签名： 日期： 年 月 日
1 绪 论
1.1 开关电源的发展 [1][2]
以功率半导体器件作为开关，将一种电源形态转变成为另一种电源形态的变换 电路称为开关变换器，而我们通常所说的开关电源主要是指 AC－DC 的直流变换 器，其中不仅包括 AC 经整流之后变成 DC，更为核心的是 DC－DC 的变换。开关 电源的发展是与电力电子学的发展紧密相关的，正是电力电子学领域的一次次新的 技术突破和新型功率开关元件的问世，推动了开关电源的飞速发展。现代社会中， 开关电源与人们的生活和生产紧密相连，日常的家用电器如电视机、空调、冰箱以 及电脑等都要用到开关电源。随着功率开关器件的发展，开关频率变化范围从几赫 兹到几兆赫兹，甚至更高。频率的提高，使得电源的体积和重量减小，节约了能源， 并且提高了可靠性。 国际上，自美国在 20 世纪 50 年代相继出现单端式和推挽式开关电源之后，各 种新型开关电源不断问世。这些年来，各种开关电源基本上都是采用更先进的新器 件、新技术、新材料、新工艺来逐步减小开关电源的体积和重量，改善电气性能指 标，提高工作可靠性，降低对电网的污染，消除对其它设备的干扰，增强智能化程 度等等。
2
有效减少输出整流损耗。 1.4.1 同步整流器件 同步整流技术就是用功率 MOSFET 代替普通二极管或者肖特基二极管进行整 流，所以，研究同步整流技术，就必须首先深入的了解同步整流器件，即功率 MOSFET。不但应该深入研究功率 MOSFET 的导电特性，而且要基于其整流损耗 模型，进行整流损耗分析。除此之外，对于大电流运行情况，同步整流技术的整流 损耗是否总是优于肖特基二极管的整流损耗，都是值得研究的重要课题。 同步整流要求 MOSFET 具有双向导电特性。但是，对于 MOSFET 的导电特性， 大多数文献、国外著名公司的数据书册等均仅给出 MOSFET 的单向导电特性，大 多数的应用研究，也都是利用了 MOSFET 的单向导电特性。对于 MOSFET 的双向 导电特性，鲜有文献详细介绍，更没有实验的范例和证明。 MOSFET 为电压控制型器件，电压控制意味着对电场能的控制，故称作为电场 效应晶体管。 MOSFET 是利用多数载流子导电的器件， 因而又称之为单极性晶体管。 MOSFET 的电压控制机理是利用栅极电压的大小来改变感应电场生成的导电沟道 的厚度（感生电荷的多少） ， 来控制漏极电流 I d 的，当栅极电压 Vgs 小于门槛电压 Vth 时，无论 Vds 的极性如何，两个 PN 结中，总有一个 PN 结是反向偏置的，因此漏极 电流 I d 几乎为零， 在这种情况下形成耗尽层， MOSFET 不能导通， 当栅极电压 Vgs 大 于门槛电压 Vth 时，漏极和源极之间形成 N 型沟道，由于 N 型沟道的电阻很小，故 在漏源正电压 Vds 的作用下，电子从源极流向漏极，或者说，正电荷从漏极流向源 极，这就是通常采用的 MOSFET 正向导电特性。 事实上，可以看出，栅极电压 Vgs 的作用仅仅是在于形成漏极和源极之间的 N 型导电沟道，而 N 型导电沟道相当于一个无极性的等效电阻。因而从理论上分析， 若改变漏源极的电压极性，即漏源极加反向电压，电子会反向从漏极流向源极，正 电荷将从源极流向漏极， 实现 MOSFET 的反向导电特性。 从以上分析可知， MOSFET 实际上是一个双向导电器件，只是在以往的应用中无须利用到反向导电特性，而形 成 MOSFET 只能单向导电的一般概念。 为此， 本文将从理论和实验上研究 MOSFET 的双向导电特性，得出完整的双向漏源电压电流特性曲线，为 MOSFET 在同步整 流中的实际应用奠定理论基础。 同步整流效率取决于 MOSFET 整流损耗， 本文基于 MOSFET 的等效损耗模型， 深入研究了 MOSFET 整流损耗与其参数、栅极驱动电压和开关频率的相互关系，
1.4 同步整流在开关电源中的应用 [5][6][7]
开关变换器之所以能取代线性电源，很大的一个原因是它提高了变换器的效 率，它使开关管工作在开关状态，避免了大电流和高电压同时存在。所以提高效率 对于开关电源是至关重要的，提高效率不仅能够节省能源，还能降低电源的发热程 度，减小电源的尺寸。 为了提升变换器的效率，人们引入了谐振变换器及软开关技术，以降低开关管 的开通与关断损耗，这两项技术现均已得到成熟的应用，确实能有效的提高开关电 源变换器的效率。 但是开关电源的整流部分一般采用肖特基二极管，尽管现在肖特基管的正向压 降能做到 0.3V 左右，但是对于低压输出的 DC－DC 变换器，整流管的导通损耗仍 然是显著的损耗来源之一。特别是随着集成电路规模的不断扩大，要求变换器能输 出较大的电流，同时一些芯片的供电电压不断降低，很多 DSP、MCU 芯片已经支 持 3.3V 的供电电压。就以 3.3V 输出为例，仅肖特基整流管的导通损耗就要损失近 10％的效率，因此降低整流管的导通损耗成为提升变换器效率的一个重要途径。 同步整流正是基于此种目的而得到了推广和应用， 新一代的 mosfet 的导通电阻 可以做到 0.01 欧姆以下，如 IR 公司的 IRF3205，其导通电阻仅为 0.008 欧姆，可以