倍流整流变换器中同步整流控制驱动研究 开题报告

研究生选题报告题目：倍流整流变换器中同步整流控制驱动的研究学号姓名指导教师院、系、专业电气与电子工程学院电力电子与电力传动华中科技大学研究生院制填表注意事项一、本表适用于攻读硕士学位研究生选题报告、学术报告，攻读博士学位研究生文献综述、选题报告、论文中期进展报告、学术报告等二、以上各报告内容及要求由相关院（系、所）做具体要求。

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倍流整流变换器中同步整流控制驱动的研究一、课题的来源随着高速超大规模集成电路不断发展，构成这些电路电源系统的关键部件是各种不同技术规格的DC/DC变换器模块。

对于其供电电源来说，这些数据处理电路构成一类特殊的负载，工作电压较低、电流较大，各种工作状态相互转换时对应的电流变化率很高。

随着集成度的不断提高，越来越多的处理器集成电路将集成在同一个芯片上，因此下一代微处理器的额定工作电流将达到50A-1OOA，甚至更高，要求微处理器有严格的功率管理措施。

所有这些对微处理器这类典型负载的供电电源提出了更高的要求。

针对特殊电路的要求，电压调节器模块必须提供经过严格调整的低压和大电流输出，具有快速的动态响应。

从美国开关电源市场来看，跟随着计算机通讯设备迅速、持续稳定的增长及新的网络产品市场的迅速增长，未来的开关电源市场是非常乐观的，对中小功率变换器的需求更是呈现迅速上升趋势。

据权威市场专家预测:在今后五年内，小功率DC/DC变换器的主要发展趋势是:为了适应超高频CPU芯片的迅速发展，DC/DC变换器向低输出电压(最低可低到1.2V),高输出电流、低成本、高频化(400-500KHz)、高功率密度、高可靠性(MTBF >10000)、高效率、快速动态响应的方向发展。

模块电源主要分为DC/DC、AC/DC和DC/AC三种，其中DC/DC模块占据了90％的市场份额。

随着通信系统对电源产品的要求越来越高，DC/DC模块电源技术正发生着巨大的变化，朝着低电压大电流方向发展。

电压最低小于0.8V，负载电流最高大于100A。

为了获得更高的效率，同步整流技术在这些DC/DC模块电源中的作用越来越重要，应用也越来越广泛。

二、 本课题研究的意义和目的为了取得更高的运行速度和相对较低的功耗，数字集成电路的工作电压越来越低。

研究表明:如果将数字电路中的5v 高电平降为1V ，运行速度可以提高5倍，功耗将降低为原来的1/5。

因此数字集成电路的工作电压己经由原来的5v 降到了2.4-3.3v ，而在不久的将来，1.8v 甚至更低的电压将会成为新的标准工作电压。

集成电路工作电压的不断降低对其供电电源(主要是DC-DC 整流模块)提出了新的要求，传统的DC-DC 整流技术己无法满足这些要求。

这是因为，原来的DC-DC 整流模块是用肖特基二极管进行整流，而肖特基二极管的正向压降一般为0.3v ，若输出电压降低到2v 以下，仅损耗在肖特基管的正向导通压降上的功率就相当于电源模块输出功率的10%以上。

因此，要想取得较高的功率密度几乎是不可能的。

同步整流技术采用同步整流管（同步整流管的导通电阻通常仅0.00x 欧姆）来代替肖特基二极管进行输出整流，解决了因二极管正向压降引起的功率损耗较大的问题，使得输出整流损耗降到最小，大大提高了低压大电流DC-DC 整流模块的效率。

L1负载图2-1 副边为倍流电路变换器的同步整流原理图例如常见的自驱动倍流电路，如图2-1，1SR ，2SR 为两个同步整流管，D1,D2分别为它们的体二极管 。

通过控制原边主开关管，当主开关导通，副边电压为正时，2SR 导通，1SR 关断，输入电源经变压器耦合经L1、2SR 向负载传输能量，而L2也经2SR 续流；当主开关关断，副边电压为负时，2SR 关断，1SR 开通，输入电源经变压器耦合经L2、1SR 向负载传输能量，而L1也经1SR 续流。

由于MOSFET 导通电阻很低，在MOSFET 上损失的功率较肖特基二极管要小，尤其是在输出电压低的时候，可以取得极高的效率。

但是同步整流技术并不只是用同步整流管代替肖特基二极管那么简单，它与同步整流技术所用的拓扑和同步整流管的驱动有很大的关系，需要做全面的分析和考虑。

三 、国内外概况和预测目前，国外对中小功率低电压/大电流输出DC/DC 变换器的研究己取得了较大进展， 对很多关键技术进行了切实有效的研究及技术储备。

能够实现3.3V 以下输出电压、50A 以上输出电流的模块电源的大规模生产，且体积己做得相当小，功率密度超过了50W/3in ，现正向120W/3in 发展。

在我国入关之后，国内开关电源研发、生产单位将直接面对国外开关电源市场的竞争，而小功率开关电源又是一种技术含量较高的电力电子产品。

高可靠性是第一位重要的指标，其次，EMI,PFC,工艺结构、效率、体积、重量和成本等指标，也是决定我们国内的产品能否参与国际竞争的重要因素。

目前，研究低电压大电流DC/DC 变换器面前面临的困难主要包括:提高输出电流，达到100A 以上;降低输出电压，甚至低到1V 以下:提高工作效率，通常要求90%以上;减小体积，提高功率密度和可靠性等。

如何设计出高性能的低电压大电流DC/DC变换器已经成为了学者们目前必须解决的问题。

2003年在上海举行的DC/DC电源专题研讨会上，艾默生网络能源有限公司提出了关于未来DC/DC模块电源发展的6个具有挑战性的新技术：改进的同步整流技术；谐振复位软开关技术；移相谐振软开关技术；高精度稳压的多路输出技术；并联均流技术和厚铜箔多层PCB技术：其中排在首位的就是同步整流技术。

DC/DC模块电源绝大部分运用于通信产品中，其特殊的负载要求使得同步整流技术的运用变得尤为重要。

低电压大电流输出时，普通的二极管或者肖特基二极管的损耗已经无法满足高效率的要求，因为普通的二极管和肖特基二极管的正向导通压降很大，电流很大时，损耗在其上的功率相当大。

同步整流技术就是在上述情况下应运而生。

同步整流管毕竟是功率场控器件，跟普通二极管不同，其损耗包括导通损耗，驱动损耗和开关损耗，采用哪种驱动方式使得变换器的损耗最小是目前研究的较多的一个课题。

四、预计需达到的要求、技术指标，预计的技术关键、技术方案和主要试验研究情况：本课题预计从实际角度出发，将同步整流技术应用到低电压大电流的场合，对于低压大电流隔离式的DC/DC变换器，大部分损耗发生在副边的整流电路中。

预计技术关键：1。

同步整流技术的效率因素；2。

原副边拓扑的选择；3。

预计对驱动方式的改进1．同步整流技术的效率因素分析：相对于传统的肖特基二极管整流技术而言，同步整流技术的效率提高是由很多因素决定，而不是简单地比较肖特基二极管的正向压降。

以正激变换器为例，输出电压、输出电流、同步整流管的导通电阻、由同步整流管所取代的肖特基二极管的正向压降和变压器的复位方法对效率的提高都有很大影响。

通常，变换器的效率可以表示为： 00P loss recP P P η=++ （1） 其中，0P 是输出功率，loss P 是除整流损耗外的损耗，rec P为整流损耗。

对于肖特基管整流而言，效率可以表示为：00P sc loss scP P P η=++ （2） 对于同步整流二极管而言，效率可以表示为：00P sr loss sr P P P η=++ （3） 忽略loss P 影响，sc η和sr η的关系可以表示00/sr sc sc srP P P P ηη=-+（4） 其中，0sc sc P V I =，sc V 是肖特基二极管的正向压降，0I 是输出电流。

2()00(1)sr ds on dead D dead gate rrec P R I D V I D P P =-+++（5） 其中()ds on R 是SR 地导通电阻，/dead dead s D t T =为死区占空比，D V 是SR 体二极管压降，gate P 是门极驱动损耗，rrec P是SR 体二极管反向恢复相关的损耗，gate P 是gs V 、开关频率s f 和栅极电荷（用以充电的栅源电压）的函数。

文献[9]中提出了一种估计自驱动门极驱动损耗的方法，根据其中的计算，当开关频率s f <300khz 时，自驱动SR 门极驱动损耗很小，对于输出大于40w 的变换器可以忽略，rrec P 只出现在SR 体二极管导通的情况，但是即使是在体二极管导通的情况下，这个损耗在低频时仍然很小，同样可以忽略。

因此，当dead D 很小，可以忽略不计时，比如采用有源箝位的正激变换器，式（5）可以化为：0()011[1]ds on sc sr sc scI R V V V ηη=-- （6） 令0()/ds on sc I R V α=，显然α<1，对于一个给定的α值和sc V ，当输出电压较高时，效率提高并不多，但当输出电压较低时，效率提高明显，相对于同样的输出电压，当sc V 较大时，效率提高比较大，若在总的损耗中，整流损耗起主要作用时效率提高会比较大，同样对于较小值的α，效率提高也比较大，这出现在SR 的导通电阻比较小和输出电流比较低的情况。

2．原副边拓扑的选择：在中小功率电源领域，使用较多的DC-DC 变换器的拓扑主要有:单端正激、单端反激、半桥、推挽及其派生的电路。

它们都有各自的优点和缺点。

一般来说，考虑变换器性能通常有以下指标:可靠性、控制是否易于实现、变换器效率、成本以及开关器件的利用率。

结合同步整流技术的应用，下面从多个方面考虑几种拓扑的优点和缺点。

(i)在低压大电流DC/DC 变换器中，变压器原边的基本拓扑可以是下面五种:1.反激式;2.正激式;3.推挽式;4.半桥式;5.全桥式。

反激式变换器显然不适合低电压大电流的要求，因为它的输出纹波较大，变压器漏感引起较大的电压尖峰，功率不大(150W 以下)，变换器效率不高，而且只能在电压和负载调整率要求不高的场合使用。

正激式变换器是低压大电流变换器中使用的较多的变换器之一，正激式变换器的优点主要在于结构简单，功率开关管峰值电流较低，适合用作降压型变换器，易构成多相变换器。

因此，它也是最早应用于低压大电流的变换器拓扑之一。

但是，其缺点也是明显的:1)它需要一个额外的磁复位电路来避免变压器的磁饱和;2)对变压器的设计要求比较高，要求漏感小，以减小续流管在关断过程中的损耗:3)同步整流中的死区过大使得其效率减小;4)整流管的体二极管不仅在其导通的过程中增加了电路的损耗，在其关断的过程中，由于其反向恢复特性，也会引起能量损耗。

全桥式拓扑的主功率开关管所承受的电压比半桥式拓扑小一倍。

但低压大电流DC/DC变换器，输入电压并不高，半桥式拓扑和全桥式拓扑所表现的性能几乎相同，相比之下，半桥式结构节省了两个昂贵的功率MOSFET管，降低了成本。