同步整流技術(shù)在諧振變換器中的應(yīng)用

王揚(yáng)波，吳琨，吳其諶（同濟(jì)大學(xué)電氣工程系，上海 201804）

同步整流技術(shù)在諧振變換器中的應(yīng)用

王揚(yáng)波，吳琨，吳其諶
（同濟(jì)大學(xué)電氣工程系，上海 201804）

同步整流技術(shù)已廣泛應(yīng)用于PWM變換器。然而，該技術(shù)在諧振變換器中的應(yīng)用卻鮮有研究。本文詳細(xì)分析了諧振變換器同步整流的損耗組成以及諧振變換器對同步整流驅(qū)動的要求。針對電壓型諧振變換器、電流型諧振變換器以及電流單相型諧振變換器，分別提出了相應(yīng)的同步整流驅(qū)動方案，并分析比較了各個驅(qū)動方案的優(yōu)缺點(diǎn)，明確了不同驅(qū)動方案在諧振變換器中的應(yīng)用場合。

諧振變換器；同步整流；整流損耗

本文引用格式：王揚(yáng)波，吳琨，吳其諶.同步整流技術(shù)在諧振變換器中的應(yīng)用［J］.新型工業(yè)化，2016，6（7）：34-39.

0　引言

電力電子技術(shù)的發(fā)展，對功率變換器的效率和功率密度都提出了更高的要求。為提升功率密度，高頻化已成為開關(guān)變換器發(fā)展的重要趨勢。在高頻工作情況下，傳統(tǒng)硬開關(guān)PWM變換器的開關(guān)損耗急劇增大，限制了開關(guān)頻率的進(jìn)一步提高。諧振變換器得益于自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，能有效降低開關(guān)損耗。此外，平滑變化的波形和較小的電壓電流變化率也有利于改善系統(tǒng)的電磁兼容特性［1］。因此，諧振變換器已被廣泛應(yīng)用于高效率、高功率密度的場合。

同步整流技術(shù)由于其能有效降低整流損耗，已DC/DC變換器中得到廣泛應(yīng)用。同步整流技術(shù)采用導(dǎo)通電阻極低的MOSFET來取代整流二極管，能大幅減小整流損耗。尤其是在低壓大電流輸出的場合，整流損耗尤其突出［2］，同步整流技術(shù)應(yīng)用更具優(yōu)勢例如，假設(shè)整流二極管的正向?qū)▔航禐?.4V，當(dāng)輸出電壓為3.3V時，效率下降為89％，當(dāng)輸出電壓為1.5V時，效率降為不到80％。因此，同步整流技術(shù)可以通過降低整流損耗，有效提高變換器的效率。目前，同步整流技術(shù)在PWM變換器中的應(yīng)用已較為成熟，該方向的研究也頗有成果。然而，同步整流在諧振變換器中的應(yīng)用卻鮮有研究。

本文詳細(xì)分析了諧振變換器同步整流的損耗組成以及不同類型諧振變換器對同步整流的要求。針對不同類型的諧振變換器，提出了相應(yīng)的同步整流驅(qū)動方案，并分析比較了各個同步整流驅(qū)動方案的優(yōu)缺點(diǎn)，明確了不同驅(qū)動方案在諧振變換器中的應(yīng)用場合。

1　同步整流損耗分析

雖然同步整流（SR）的導(dǎo)通損耗要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于整流二極管正向壓降造成的導(dǎo)通損耗，但是SR有一些額外的損耗。其中包括控制電路損耗、驅(qū)動電路損耗以及門極損耗。前兩項(xiàng)損耗與所添加的驅(qū)動SR的輔助電路有關(guān)，而門極驅(qū)動損耗主要是由SR輸入電容的充放電造成的，可以用式（1）表示［3］。

其中f為開關(guān)頻率，Q為輸入電容電荷量，Vgs為SR的驅(qū)動電壓。由（1）式可知，門極驅(qū)動損耗和開關(guān)頻率成正比，開關(guān)頻率越高，這部分的損耗也就越顯著。

2　諧振變換器同步整流時序分析

諧振變換器不同于PWM型變換器，其原邊開關(guān)管和副邊SR的開關(guān)時序存在一定相位差，不能直接利用原邊開關(guān)管的驅(qū)動信號來驅(qū)動SR。否則，SR中的電流會反向流動，導(dǎo)致效率下降，甚至損壞電路。

諧振變換器SR的理想工作狀態(tài)是：當(dāng)諧振開始時，SR同步開通；當(dāng)諧振電流下降到0時，SR同步關(guān)斷。在整個開關(guān)周期內(nèi)，SR的體二極管不流經(jīng)任何電流。如圖1（a）所示，iSR為通過SR的電流，VGS_SR為SR的驅(qū)動信號。

圖1　同步整流驅(qū)動時序Fig.1　SR driving timing sequence

實(shí)際上，這并不可能實(shí)現(xiàn)。因?yàn)轵?qū)動信號發(fā)出到實(shí)際改變SR的開關(guān)狀態(tài)需要一定的時間。這主要是由于控制電路和驅(qū)動電路存在一定的傳輸延時，以及SR的開通和關(guān)斷需要一定的時間。這段延時內(nèi)，電流流經(jīng)SR的體二極管，導(dǎo)通損耗較大。因此，要盡量減少SR體二極管的導(dǎo)通時間。為使SR的驅(qū)動信號和通過SR的電流同步，需要檢測流經(jīng)SR的電流。此外，為防止SR由于干擾而誤導(dǎo)通，需要設(shè)定一個電流門檻值ITH，如圖1（b）所示。t1時間內(nèi)，SR關(guān)斷，電流流經(jīng)SR體二極管。另一方面，要確保電流諧振到0之前關(guān)斷SR。否則，電流會反向流動，導(dǎo)致電路不能正常工作。從SR關(guān)斷到電流下降為0的這段時間t2，SR的體二極管導(dǎo)通。由以上分析可知，t1和t2時間內(nèi)，SR的體二極管導(dǎo)通，導(dǎo)通損耗較大。隨著開關(guān)頻率的提高，這兩段時間在整個開關(guān)周期內(nèi)所占的比例也隨之提高，SR的導(dǎo)通損耗也就越顯著。因此，在設(shè)計(jì)SR的驅(qū)動電路時，要盡量減少SR體二極管的導(dǎo)通時間。

3　諧振變換器的同步整流

3.1諧振變換器的分類

根據(jù)諧振變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可將諧振變換器分為兩類：電壓型和電流型［4］。電壓型諧振變換器的輸出通過LC濾波，電流型諧振變換器的輸出通過電容濾波，如圖2所示。

圖2　電流型和電壓型諧振變換器Fig.2　The current-fed and voltage-fed resonant converter

這兩類諧振變換器的同步整流驅(qū)動方式也有所不同，下面將分別介紹。

3.2電壓型諧振變換器同步整流

電壓型諧振變換器最常見的就是并聯(lián)諧振變換器和串并聯(lián)諧振變換器。此類變換器變壓器上的電壓波形和通過SR的電流波形相位相同，因此可用自驅(qū)型同步整流［5］。自驅(qū)型同步整流利用變壓器或者輔助繞組上的電壓來驅(qū)動SR，結(jié)構(gòu)簡單，成本較低。如圖3所示的采用自驅(qū)動同步整流的并聯(lián)諧振變換器。

圖3　自驅(qū)動同步整流并聯(lián)諧振變換器Fig.3　Self-driven parallel resonant converter

由于諧振變換器變壓器上的電壓波形Vcr呈正弦，如圖4所示。在諧振的起始和結(jié)束時刻，SR的驅(qū)動電壓較低，無法完全開通SR，電流會通過SR的體二極管，導(dǎo)通損耗較大，如圖4中的電流iD。

圖4　并聯(lián)諧振變換器自驅(qū)動時序Fig.4　Driving timing sequence of self-driven parallel resonant converter

為解決上述問題，對自驅(qū)動同步整流電路進(jìn)行改進(jìn)。如圖5所示，為保持SR的驅(qū)動電壓，增加了輔助二極管D1和D2。為保證在電壓Vcr諧振到0后及時關(guān)斷SR，增加了輔助P-MOS管Q3和Q4。電路的工作原理如下：當(dāng)Vcr大于0時，輔助繞組Ns1通過D1給SR1的門極電容Cgs1充電，SR1導(dǎo)通。當(dāng)Vcr小于0時，P-MOS Q3導(dǎo)通，SR1的門極和源極被短路，SR1關(guān)斷。由于二極管D1的存在，SR1上的電壓一直會保持到Q3導(dǎo)通。SR2的驅(qū)動原理與SR1相同，不再贅述。由上述分析可知，由于二極管D1和D2的作用，SR丟失的占空比減小，導(dǎo)通損耗也會相應(yīng)減小，但電路的復(fù)雜程度也隨之提高。

圖5　改進(jìn)的自驅(qū)動同步整流并聯(lián)諧振變換器Fig.5　The modified self-driven parallel resonant converter

3.3電流型諧振變換器同步整流

3.3.1勵磁電感不參與諧振

雖然自驅(qū)動同步整流結(jié)構(gòu)簡單，但對于輸出是電容濾波的電流型諧振變換器并不適用。例如，如圖6所示的串聯(lián)諧振變換器，只有當(dāng)SR改變開關(guān)狀態(tài)后，變壓器上的電壓才會隨之改變。因此，無法利用變壓器上的電壓來驅(qū)動SR，需要檢測流經(jīng)SR的電流來獲得驅(qū)動信號。這種方式最大的優(yōu)點(diǎn)就是適用于任何拓?fù)?。電流檢測最常使用的就是電流互感器。通常，每個SR需要一個電流互感器。這意味著，在副邊用全波或者全橋整流的場合，就需要用兩個電流互感器。這使得變換器的體積變大，成本也大大提高。此外，當(dāng)變換器的輸出電流較大時，由于電流互感器的繞組存在電阻，因此會額外增加電路的導(dǎo)通損耗［6-7］。為減小電流互感器所占體積，降低導(dǎo)通損耗，考慮將電流互感器串在原邊，從而只需一個電流互感器。同時原邊電流較小，所需電流互感器的體積較小，導(dǎo)通損耗也較低，如圖6所示。

3.3.2勵磁電感參與諧振

對于勵磁電感參與諧振的拓?fù)?，如典型的LLC諧振變換器，由于勵磁電流不能忽略，原副邊電流之間存在一定的相位差。如圖7所示，ip為原邊電流，im為勵磁電流，iSR1和iSR2為副邊流經(jīng)SR的電流。尤其是當(dāng)勵磁電感較小時，原副邊電流之間的相位差會相當(dāng)大。如果直接利用原邊電流信號去驅(qū)動SR，無法得到正確的驅(qū)動信號。

圖6　原邊電流檢測同步整流串聯(lián)諧振變換器Fig.6　Series resonant converter with primary current sensing SR

圖7　原副邊電流波形Fig.7　Primary and second current waveforms

為解決上述問題，需加入補(bǔ)償電路，以抵消勵磁電流導(dǎo)致的相位差，獲得準(zhǔn)確的副邊電流波形。如圖8所示，在副邊加入了一個補(bǔ)償電感Lcomp和一個輔助繞組Ncomp，以抵消勵磁電流［8］。雖然該方法可以獲得正確的同步整流驅(qū)動信號，但電路的復(fù)雜程度大大提高。因此，對于勵磁電感參與諧振的這類拓?fù)?，如何簡單可靠地?shí)現(xiàn)同步整流，仍有待研究。

圖8　帶勵磁電流補(bǔ)償?shù)耐秸鱂ig.8　SR with magnetizing current compensation

電流檢測除了用電流互感器外，工業(yè)上常用的另一種方法就是：通過檢測SR的漏源端電壓，來獲得SR的驅(qū)動信號。實(shí)際應(yīng)用中可使用一些集成驅(qū)動芯片，例如IRI1167/8，TEA1761，MP6922等［9］。這種方法電路結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，應(yīng)用廣泛。然而，該方法的準(zhǔn)確性和可靠性會受到諸多外部因素的影響，例如SR封裝，PCB布局，甚至環(huán)境溫度等等。由于電路中不可避免存在寄生電感，例如SR封裝的寄生電感，因此檢測到的電壓實(shí)際上是SR導(dǎo)通電阻壓降和寄生電感的壓降之和。該檢測到的電壓信號不能真實(shí)反映通過SR的電流波形。如圖9所示，假設(shè)通過SR的電流iSR是正弦半波，由于寄生電感Lsr的存在，實(shí)際檢測獲得的電壓波形Vd's要超前電流波形，超前的這段時間即丟失的占空比。當(dāng)變換器工作在高頻狀態(tài)時，SR的占空比丟失比較嚴(yán)重，體二極管的導(dǎo)通時間增加，使得導(dǎo)通損耗增加。

圖9 寄生電感造成的占空比丟失Fig.9　Duty cycle loss due to parasitic inductance

3.4電流單向型諧振變換器同步整流

電流單向型諧振變換器由于其結(jié)構(gòu)簡單，成本較低在小功率場合得到廣泛應(yīng)用。以上提出的驅(qū)動方案均適用于電流單向型諧振變換器，但根據(jù)其自身特點(diǎn)，可以設(shè)計(jì)更高效的同步整流驅(qū)動方案。以如圖10所示的電流型雙管正激諧振變換器為例。

由于此類變換器的諧振電流單向，因此原副邊電流諧振的起始時刻相同，這有別于電流雙向型的諧振變換器［10］?；谶@個特點(diǎn)，可以利用原邊的驅(qū)動信號，來消除諧振開始時刻SR體二極管導(dǎo)通的時間，進(jìn)而提高同步整流的效率。改進(jìn)的同步整流方案如圖11所示。

圖10　電流型雙管正激諧振變換器Fig.10　Current-feed two-switch forward resonant converter

圖11　改進(jìn)的同步整流雙管正激諧振變換器Fig.11　The modified current-feed two-switch forward resonant with SR

如圖12所示的SR驅(qū)動時序波形，原邊電流ip與副邊電流iSR1的諧振起始時刻相同。因此，為消除t1時間內(nèi)SR體二極管導(dǎo)通帶來的損耗，可利用原邊開關(guān)管Q1驅(qū)動信號VGS_Q1的上升沿。同時，利用電流互感器可得到如VGS_CT所示的SR驅(qū)動波形。結(jié)合VGS_Q1的上升沿和VGS_CT的下降沿，可得到較理想的SR驅(qū)動信號VGS_SR1。

圖12　雙管正激諧振變換器同步整流驅(qū)動時序Fig.12　The SR driving timing sequence of two-switch forward resonant

由上述分析可知，電流單向型諧振變換器可以利用原邊驅(qū)動信號來消除諧振初始時刻體二極管導(dǎo)通帶來的損耗，從而進(jìn)一步提高同步整流的效率。

4　結(jié)論

本文詳細(xì)分析了同步整流技術(shù)在各類諧振變換器中的應(yīng)用。分別針對電流型諧振變換器、電壓型諧振變換器以及電流單向型的諧振變換器，提出了相應(yīng)的同步整流驅(qū)動方案，并分析比較了各個驅(qū)動方案的優(yōu)缺點(diǎn)及其應(yīng)用范圍。最后，通過上述分析，明確了不同同步整流驅(qū)動方案在不同類型諧振變換器中的應(yīng)用。

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The Implementation of Synchronous Rectifiers in Resonant Converter

WANG Yang-bo，WU Kun，WU Qi-chen
（Electrical Engineering Department of Tongji University，Shanghai 201804，China）

Although synchronous rectifcation techniques have been widely used for PWM converters，there are still very limited research for its implementation in resonant converters.This paper analyses the synchronous rectifer（SR）losses，and explains the requirements of different resonant converters with synchronous rectifer.Also，driving schemes for voltage-fed，current-fed and unidirectional resonant converters are specifcally presented and compared.

Resonant converter；Synchronous rectifier；Rectification loss

10.19335/j.cnki.2095-6649.2016.07.006

WANG Yang-bo，WU Kun，WU Qi-chen.The Implementation of Synchronous Rectifers in Resonant Converter［J］.The Journal of New Industrialization，2016，6（7）：34-39.

王揚(yáng)波（1991-），男，碩士研究生，主要研究方向：電力電子電路拓?fù)?；吳琨?992-），男，碩士研究生，主要研究方向：高密度功率變換器的電路拓?fù)浜涂刂品椒ǎ粎瞧渲R（1993-），男，碩士研究生，主要研究方向：電力電子電路拓?fù)浜痛偶杉夹g(shù)