同步整流技术的研究

张 登

（船舶重工集团公司723所，扬州225001）

0 引 言

开关电源已广泛地用于军用和民用电子设备。效率是开关电源的基本指标，提高效率是提高开关电源可靠性的有效方法。在传统的开关电源整流电路中，整流器件通常使用二极管，因为二极管无需驱动，电路结构简单可靠，成本较低。但随着电子技术的发展，低电压、大电流的开关电源得到了广泛的应用，这就使整流管损耗过大的问题变得尤为突出，即便使用压降较低的肖特基二极管也无法满足需要。因此，同步整流电路是必然的选择。

1 同步整流技术的基本原理

同步整流技术是采用通态电阻极低的金属－氧化物－半导体场效应晶体管（MOSFET）来代替整流二极管，从而大大降低整流管损耗，有效提高开关电源的效率。由于MOSFET漏源之间存在一个集成的体二极管，整流管又需具有反向阻断功能，因此MOSFET作为整流管使用时，电流必须是从源极流向漏极。如何对MOSFET通断进行控制是同步整流技术的关键问题［1－2］。

同步整流管的驱动方式通常分为自驱动方式和外驱动方式。自驱动是指直接从变压器副边绕组、辅助绕组获取电压驱动信号，驱动整流管。外驱动同步整流是指通过附加的逻辑和驱动电路，产生随主变压器副边电压作相应时序变化的驱动信号，驱动整流管。

同步整流技术首先应用在非隔离型变换器中，典型应用如图1所示。

图1 同步整流BUCK电路

对于上述电路，如果输入输出电压比过大，导致主电路开关管工作的占空过小，开关电源的性能势必受到影响。隔离型变换器能够较好地解决这一问题。

正激变换器具有电路简单、可靠性高等特点。在正激变换器中，将有源箝位技术与同步整流技术相结合，实现了软开关同步整流技术，进一步提高了电源效率［1－2］。下面以正激变换器为例对同步整流技术进行分析，正激变换器同步整流的典型电路如图2所示。

图2 同步整流的典型电路

电路主开关管V1导通后，在变压器次级电压的正半周，同步整流管V2导通，电流全部流过V2，V3截止；电路主开关管V1关断后，在变压器次级电压的负半周，同步整流管V2截止，电流全部流过V3。由于MOSFET管通态电阻极低，有效地降低了整流管的损耗。

可以看出，该同步整流电路采用自驱动方式，优点是电路结构简单，增加的元件少；缺点是死区较大，同步整流管在死区时间内由于没有栅极驱动电压，负载电流只能流经体二极管，由于体二极管导通压降大，电路的损耗仍然很大。

2 同步整流电路的改进方法

同步整流电路的改进方法有：

（1）解决同步整流电路的死区问题，可采用栅极电荷保持法

栅极电荷保持驱动电路是在自驱动电路基础上改进而成，继承了自驱动电路优点的同时，解决了整流管在死区时间里的导通问题，其原理如图3所示。

图3 采用栅极电荷保持法的同步整流电路图

正激变换器中，在变压器次级电压的正半周，同步整流管V2导通，电流全部流过V2，辅助开关管V4导通，整流管V3的栅源电容上的电荷被辅助开关管放掉，V3无驱动电压，处于截止状态；在变压器次级电压的负半周，同步整流管V2截止，电流全部流过V3；当变压器磁复位结束后，辅助开关管V4仍处于截止状态，储存在V3栅源电容上的电荷没有放电回路而得以保持，V3仍然导通，体二极管无电流流过，直到下一个周期的到来。这样，较好地解决了死区问题，进一步降低了损耗。

（2）对于不同的 MOSFET，驱动电压可能不同，采用附加绕组驱动，通过调整其匝数，可以有效驱动不同门槛电压的MOSFET管，如图4所示。

图4 采用附加绕组驱动的同步整流电路

当主开关管V1导通时，变压器副边通过辅助绕组经V6开始对V2、V4栅极电容充电，V3栅极电荷通过V4逐渐放掉，输出电流开始从V3换流到V2。在V2的栅极驱动电压上升到门槛电压之前，V2的体二极管导通，该过渡过程为零电压开关，降低了开通损耗。在主开关管V1开通的过渡过程中，随着V2电流的增加，V3的电流相应减少。当该过渡过程结束后，输出电流流经V2的功率MOSFET，而不是体二极管，V3关断。

在开通过渡过程结束后，V2导通，V3关断，输出电流全部流经导通电阻很低的V2，能量从原边传递到副边。当主开关管关断时，变压器开始磁复位。在关断过渡过程中，辅助绕组经V7对V3栅极电容充电，同时对V2、V4栅极电容放电，输出电流从V2向V3换流。由于V5的存在，使V2在关断后，其栅极电压被箝位，降低了驱动损耗。V3也是零电压开通，因此在其栅极驱动电压上升至门槛电压之前，电流流经体二极管。在该过渡过程结束后，V2关断，V3导通。输出电流流经V3的MOSFET。当磁复位结束后，该过程结束。辅助绕组的电压将为0，V2、V4栅极驱动电压也保持为0。因为V7反向截止，并且V4保持关断，V3的栅源电容没有放电途径，栅极电压保持高电平，所以继续导通。这就实现了栅极电荷保持功能。

（3）栅极电荷保持技术解决了死区问题，但也存在一定的问题

（a）从V3换流到V2的过程中，换流结束之前，必须确保V3的栅极驱动电压下降到门槛电压以下，否则变压器的副边会出现交叉导通现象，即造成变压器的次级短路，增加了损耗。所以应尽快关断V3。

可以采取降低变压器辅助绕组漏感、采用低门槛电压和低导通电阻的V4来加速整流管V3的关断。

（b）栅极驱动电压随输入电压的变化而变化。当输入电压变化范围较大，同步整流的驱动电压很难满足要求。

采用基于同步整流芯片的外驱动同步整流技术，能提供高质量的驱动波形，可以较好地解决上述问题。近年来，随着技术的进步，用于同步整流的控制芯片得到了广泛的应用，下面以IR1176为例加以介绍。

IR1176是IR公司推出的一款用于驱动N沟道功率MOSFET的高速CMOS控制芯片。构成的同步整流电路原理图如图5所示。

图5 基于IR1176的同步整流电路

该电路的优点：

（1）该芯片应用于正激电路中，直接从次级绕组取得同步信号，通过控制栅极驱动电压重叠／死区时间，进一步缩短体二极管导通时间，有效避免了交叉导通现象，使电源效率进一步提升。

（2）很好地解决了自驱动同步整流中栅极驱动电压随输入电压的变化而变化的问题。图5中，对辅助绕组输出的信号进行整流后，经R2到达稳压管后，保证了IR1176的VDD脚电压的稳定性［3］。

3 结束语

在实际应用中，除了在电路结构上优化设计外，对变压器还要采取合理的绕制方法，尽量减小其漏感，使副边电感最小化。对于自驱动同步整流电路，副边电感过大，将延长换流时间，增加损耗；对于外驱动同步整流，将影响同步信号波形，降低同步整流管驱动波形质量，也会降低电源效率。

随着技术的进步，基于同步整流芯片的外驱动技术得到了较快的发展，但自驱动方式以其电路简单、可靠性高、成本低等优点仍有很大的发展前景，仍值得进一步研究与探讨。

［1］杨旭，裴云庆，王兆安.开关电源技术［M］.北京：机械工业出版社，2002.

［2］张建荣.直流开关电源的软开关技术［M］.北京：科学出版社，2003.

［3］张乾，王卫国.新型同步整流驱动方式在开关电源中的应用［J］.电力电子技术，2009，43（2）：73－75.