移相全桥同步整流驱动方式的研究

雷笙民，李体青

（32142部队 保障旅，河北 保定 071000）

移相全桥同步整流驱动方式的研究

雷笙民，李体青

（32142部队 保障旅，河北 保定 071000）

随着社会的不断发展和人民环保节能意识的不断增强，人们对开关电源的效率要求越来越高。而传统的开关电源副边使用二极管整流，管压降大，功率损失大。同步整流器一般采用MosFet，其阻抗很小，而且可以多个并联，从而大大降低功耗。移相全桥电路相较于传统的硬开关桥式电路，其原边四个MosFet均可以实现ZVS，从而得到较高的效率。

同步整流器；移相全桥电路；开关电源效率

0 引言

使用全桥电路拓扑的开关电源在300W以上的应用领域得到了广泛的应用。随着对开关电源效率和功率密度的要求越来越高，其原边器件的工作状态逐步从硬开通转变为ZVS。原边器件实现ZVS的方法有很多种，其中移相全桥可以使全部四个MOSFET在很宽的范围内实现ZVS，因而得到了非常广泛的应用。

为了在一个较大的范围让原边实现软开通，移相全桥的控制需要对原边两个桥臂的死区时间进行调节，其控制比较复杂。TI公司生产的UCC3895控制芯片把原边桥臂的死区时间、原边MosFet的移相控制、原边峰值电流控制、副边反馈控制和部分保护集成在一起，在工程中得到了广泛的应用。本文研究的移相全桥的同步整流器的驱动控制就是基于该芯片的应用。

1 移相全桥电路分析

传统的移相全桥电路中，变压器的漏感能量在原边电路换流的时候会在副边整流器件产生较大的电压尖峰，所以需要较高耐压等级的整流器件，在增加成本的同时也降低了效率。在电路中增加两个电压钳位二极管（如图1中的D1，D2），可以在换流的时候将变压器漏感能量传导至原边，并对电压尖峰进行钳位，从而降低副边整流器件的电压尖峰，达到降低成本和提高效率的目的。

从控制的角度来看，移相全桥电路原边的效率已经达到了最优，所以提高效率的重点转移到了副边。传统的电路采用二极管整流，效率偏低，近年来逐渐被同步整流（SR）技术取代。但是因为其控制简单，性能可靠，所以在高压输出的电路中，如+48V输出，仍然得到广泛的应用。

图1 增加钳位二极管的移相全桥电路图

本文对移相全桥电路中副边的整流电路进行分析，重点研究同步整流的控制方式，及如何在满足系统要求的情况下达到效率的最优。

2 二极管整流和同步整流器整流的比较

传统的电路使用二极管整流，如图1所示。这种整流方法结构简单可靠，但是效率较低。如400V输入，+12V输出，变压器变比为24：1，原边的开关频率为100kHz的1kw开关电源为例。在不考虑开关损耗的情况下：

使用二极管的损耗为

而使用同步整流器的情况下，以常用的FAIRCHILD公司的FPD047AN08为例，同步整流器采用四个管子并联以降低导通压降。

由式（1）式（2）对比可知，采用同步整流器可以大幅降低系统的功耗，提高开关电源的效率。

3 采用绕组驱动的同步整流器

常用的同步整流器采用绕组驱动，这种驱动方法结构比较简单，需要增加的电路较少，在工程中得到了广泛的应用。其线路拓扑如图2所示。

图2 采用绕组驱动的同步整流器线路拓扑图

采用这种方法，同步整流器的驱动脉冲占空比等于变压器两端实际的占空比，只有原边向副边传递能量的时候，同步整流器才开通，所以在多机并联的时候不需要考虑副边能量倒灌的问题，系统可靠性比较高。同时相比二极管整流只需要添加驱动绕组和简单的驱动电路即可，成本较低。

在某些变压器设计中，如果变压器副边绕组较少（如只有一匝），在负载较小的情况下，驱动绕组会产生很高的驱动电压，可能损坏同步整流器。在这种情况下，可以在驱动电路中添加一个电容来分担驱动电压，从而降低加到整流器的驱动电压，如图3所示。电容C6，C7和同步整流器的Cgs分压，从而达到降低Cgs电压的目的。C6，C7具体容量大小可以根据变压器驱动绕组的电压和同步整流器的Cgs值进行调整。

采用绕组驱动结构比较简单可靠，成本较低。但是如果开关电源的功率较大，在负载空载和满载的情况下，驱动绕组上的电压变化会很大，如果在空载的时候保证安全的驱动电压，那么就会导致在满载的时候同步整流器的电压较低，从而影响整机的效率。同时，采用这种方法，驱动电压的上升和下降比较慢，绕组的驱动能力有限，导致同步整流器的开关损耗较大。另外，在某些系统中，需要对同步整流器的开关进行灵活控制，绕组驱动就显得有点儿力不从心。

4 采用驱动芯片驱动的同步整流器

随着对开关电源效率的要求越来越高和系统复杂度的提高，人们对开关电源同步整流器驱动要求也越来越高。在这种情况下，采用驱动芯片驱动同步整流器就是一个很好的选择。这种方法控制比较灵活，芯片的驱动能力高，很多驱动芯片驱动能力达到4A，而且驱动的延迟很小。现在市面上驱动芯片品种越来越多，可供选择的余地很大，如TI的UCC27427，IXYS的DN404SIA。常用的电路如图4所示。

图3 变压器驱动电路分担驱动电压调整电路图

图4 驱动芯片驱动同步整流器电路图

图4 中的SR_A和SR_B为同步整流器控制信号的输入，可以根据系统的需要灵活改变驱动脉冲的占空比。常用的有D驱动、T/2驱动和1-D驱动。所谓D驱动就是同步整流器的驱动脉冲和变压器两端的占空比相同，这种驱动方法的同步整流器占空比和绕组驱动相同，其占空比小于0.5；T/2驱动就是同步整流器的驱动脉冲占空比为开关周期的一半，即0.5；而1-D驱动就是同步整流器单组MosFet的驱动脉冲占空比和实际占空比互补，也就是说它的驱动脉冲大于0.5。这三种驱动方式的占空比不同，第一种小于0.5，第二种等于0.5，而第三种大于0.5。其具体的控制波形如图5所示。

图5详细地说明了UCC3895的CLOCK信号、三角波、反馈信号、原边的驱动信号、PWM占空比和三种同步整流器驱动方法的波形，结合图4可以很容易地理解。

这三种控制方法中，D驱动的占空比最小，效率最低，但是因为同步整流器只有在原边向副边传递能量的时候开通，不需要考虑副边能量的倒灌问题，所以稳定性最好。

T/2驱动的占空比在不考虑死区时间的情况下约等于开关周期的一半，效率大于D驱动而小于1-D驱动。不过在一些需要多机并联系统中，如IT服务器，为了达到很高的效率，系统取消Oring-Fet。如果负载较小，开关电源会工作在断续模式，在这种情况下，输出滤波电感和同步整流器可能形成一个升压电路，将总线上的能量传递到变压器的原边，从而在原边侧产生很高的电压而损坏元器件。所以采用这种驱动方式一般需要在输出电流进入到断续状态时关闭同步整流器或将驱动方式转到D驱动。

1-D的驱动因为同步整流器的驱动占空比均大于0.5，所以效率最佳。不过与T/2驱动相同，这种方式在并机系统也存在总线能量升压到原边损坏元器件的问题，所以同样需要在电流断续时关闭同步整流器。

三种驱动方式的实现方法都比较简单，这里重点说明从UCC3895的四个PWM输出到SR_A和SR_B的实现方式。

首先是D驱动，如图6所示。

图5 D驱动方法的同步整流器控制波形图

图6 D驱动

T/2驱动更简单，如图7所示。

图7 T/2驱动

1-D驱动如图8所示。

由上面分析可知，D驱动效率较低，但是不需要考虑能量倒灌的问题，使用面较广。而T/2和1-D驱动均需要考虑能量倒灌的问题，其中1-D的效率高于T/2，所以推荐1-D驱动，并且在轻载的时候关闭同步整流器或切换至D驱动。1-D驱动在输出功率较大的高端电源中优势比较明显。

图8 1-D驱动

5 结束语

本文对移相全桥电路整流电路进行了分析。二极管整流适用在高压、小电流输出，或者低成本、对效率要求不高的开关电源中。同步整流器适用于低压、大电流的情况。在低端应用中绕组驱动是个很好的选择；在高端应用中，如果对效率要求较高，1-D驱动优势比较明显；而在一些简单的并机系统中D驱动也是一个很好的选择。

Study on driving mode of phase-shifted full-bridge synchronous rectification

LEI Sheng-min,LI Ti-qing

(32142 Army Sustainment Brigade，Hebei Baoding 071000，China)

With the continuous development of society and the continued enhancement of people's awareness of environmental protection and energy saving,the people’s requirements for the switching power supply efficiency are getting higher and higher.Traditional secondary switching power supply uses diode rectifiers,and it has large voltage drops and power loss.MosFet is generally used by synchronous rectifier,its impedance is very small,and they can be connected in parallel,thereby their power consumption is significantly reduced.compared the phase-shifted fullbridge circuit with traditional hard switching bridge circuit,the original four MosFet can ZVS,and result in higher efficiency.

synchronous rectifier;phase-shifted full-bridge circuit;switch mode power supply

TM461

A

1673-2022（2017）03-0066-04

2017－05－24

雷笙民（1968-），男，陕西人，工程师，工程硕士。