0 引言

    同步整流技术在低压、大电流DC/DC 变换器提高效率方面起着非常关键的作用[1]~[7]。本文对一种新型的单绕组自驱动同步整流器[8]进行了研究。对其控制方案和原理进行了分析，对电路和关键参数进行了设计和选择，并研制了该变换器原理样机。

1 单绕组自驱动同步整流对称半桥变换器

1.1 电路拓扑

    为了拓宽同步整流适用拓扑的范围，本文分析研究了一种新颖的单绕组自驱动同步整流（SWSDSR）对称半桥变换器，其电路拓扑如图1 所示。其中，SR1和SR2是同步整流管，由辅助绕组电压vgsr1和vgsr2驱动。

图1 SWSDSR 对称半桥变换器拓扑

1.2 稳态原理

    为便于稳态分析，先作如下假设：

    （1）电容C1、C2 取得足够大，可认为是电压源，其电压等于0.5Vin；

    （2）输出滤波电感Lf 足够大，可认为是电流源；

    （3）输出滤波电容Cf 足够大，电容电压VCf 可认为等于输出电压Vo；

    （4）所有器件理想化，即线性、无损。

    SWSDSR 对称半桥变换器稳态工作时，变压器绕组电压存在为零期间，其原理波形如图2所示。在每个开关周期中，共有6 个开关模态，如图3所示。图3 中，CG1S、CG2S分别表示两个同步整流管的栅源寄生电容。

 

图2 原理波形

    各开关模态的工作原理如下。

    （1）模态1[t0~t1] 如图3（a）所示。t0 时刻，主管S1 开通，变压器原边绕组电压VPRIM 为正，磁化电流Im线性增加。辅助绕组电压VA为正，给SR1的栅极充电，此时因肖特基二极管D2的快速箝位作用，辅助绕组电压全部加在SR1的栅极电容上，使得SR1 处于通态，SR2仍处于断态，负载电流Io 折射到原边。

(a)模态1[t0~t1]                  (b)模态2[t1~t2]                    (c)模态3[t2~t3]

(d)模态4[t3~t4]                (e)模态5[t4~t5]                (f)模态6[t5~t6]
图3 6 个开关模态

    （2）模态2[t1~t2] 如图3（b）所示。t1 时刻，主管S1关断，变压器的漏感Llk 和S1、S2 的输出结电容Coss1、Coss2以及同步整流管寄生电容发生谐振，使得变压器原边电压逐渐降为零。在这一过程中，因SR1的栅极电容放电，给SR2的栅极电容充电，使得副边的同步整流管都导通，把变压器副边电压箝位为零。SR1、SR2栅源间电容上的电压相等，近似等于Vo 的一半。t2时刻，SR1、SR2完全导通。

    （3）模态1[t2~t3] 如图3（c）所示。t2时刻，主管S1、S2 均处于关断状态，变压器漏感和S1、S2的输出结电容Coss1、Coss2继续谐振，原边电流减小，SR1、SR2均导通。当原边电流为零时，谐振结束。S1、S2中点电压为Vin/2，直至S2开通。半个周期结束。开始下一模态。

    （4）模态4~模态6[t3~t6] t3时刻，下半周期开始，其工作情况与上半周期对称，不再赘述。其模态分别如图3（d）、图3（e）、图3（f）所示。

2 SWSDSR对称半桥变换器设计

    本文对SWSDSR对称半桥变换器的主要设计指标如下：

    （1）输入电压国36~72V；

    （2）输出电压国2.5V；

    （3）输出电流国15A；

    （4）输出电压纹波国50mV；

    （5）效率国>85%；

    （6）开关频率国70kHz。

2.1 分压电容C1、C2的选取

    随着原边开关管的交替开关工作，C1、C2中点电位将会在Vin/2 上下按规律浮动，在（0.5Vin+驻V）和（0.5Vin原驻V）之间来回变化。本文按驻V越2豫伊0.5Vin来选择电容值。C1和C2中的电流大小相等，等于变压器原边电流的一半，其有效值为1.245A。实际选取C1=C2=2伊（4.7滋F/100V）。

2.2 变压器的设计

2.2.1 磁芯材料和结构的选择

    开关频率定为70 kHz，磁芯选择R2KBD 软磁铁氧体材料EC28 型。选择最大工作磁密Bm≤1/3Bs=0.17 T，实际取Bm=0.14 T。

2.2.2 匝比的确定

取最大占空比Dmax=0.45，考虑副边绕组及电感电阻，有

   

2.3 输出滤波电感的设计

    根据最小临界连续电流来选取电感量，即

经计算，得Lmin=2.42μH。

2.4 输出滤波电容的设计

    在高频开关电路中，在满足电容的容值计算要求的情况下，影响输出电压纹波的主要因素还是电容的ESR。输出电压脉动取为输出电压的2%，则ΔVo=50 mV。

因为ΔV=ΔI×ESR

所以

    所选输出滤波电容的等效ESR 应当小于这一计算值。实际选用3 只2200μF/16V电解电容并联，并同时并联三只1μF瓷片电容。

2.5 原边开关管的选择

    原边开关管的电压应力应大于最大输入电压72V。副边整流管中的电流幅值为I2m=Io+1/2×I=15+1/2×0.2×15=16.5（A），此时对应原边电流幅值为2.75 A，原边开关管电流有效值为1.85 A，实际选择原边开关管为IRF540。

2.6 同步整流管的选取

    副边整流管中的电流幅值为16.5A，其电压的应力为

   

    实际选择副边整流管为FU014N。

3 实验结果

    SWSDSR 对称半桥变换器的原理试验波形如图4所示。其中，图4（a）为变压器原、副边电压波形；图4（b）为变压器辅助绕组电压和同步整流管SR1 的驱动电压的波形；图4（c）为变压器辅助绕组电压和同步整流管SR2的驱动电压的波形；图4（d）为功率管S1 和S2 的驱动电压波形。原理试验波形与理论分析一致。

       

(a)变压器原尧副边电压波形                            (b)辅助绕组电压与SR1驱动电压波形

       

(c)辅组绕组电压与SR2驱动电压波形                                  (d)S1和S2的驱动电压波形
图4 试验波形

4 结语

    针对低压、大电流输出的DC/DC 变换器，研究了一种新颖的单绕组自驱动同步整流对称半桥变换器。对其控制方案和原理进行了分析，对电路和关键参数进行了设计和选择，并研制了该变换器原理样机。原理试验结果与理论分析一致。

 

 

    参考文献

    [1] 王经明，何志伟. 带倍流同步整流器的ZVS 全桥直流变换器研究[J]. 电源世界，2005，(5)：24-27.

    [2] 胡宗波，张波. 新型栅极电荷保持驱动同步整流器的研究[J]. 电工技术学报，2003,18(2)：45-50.

    [3] 顾亦磊，黄贵松，章进法,等. 一种适用于模块并联的同步整流驱动电路[J]. 中国电机工程学报，2005，25(4)：25-29.

    [4] Yoon Sung-Geun, Lee Jae-Moon, Park Jong-Hu, et al.A Frequency Controlled Bi -directional Synchronous Rectifier Converter for HEV Using Super-capacitor[A].IEEE PESC[C]. 2004.

    [5] 王兆安，黄俊. 电力电子技术（第4 版）[M]. 北京：机械工业出版社，2002.

    [6] 阮新波. 直流开关电源的软开关技术[M]. 北京院科学出版社，2000.

    [7] 张占松，蔡宣三. 开关电源的原理与设计[M]. 电子工业出版社，1999.

    [8] 秦海鸿. 基于同步整流技术的低压/大电流输出DC/DC 变换器的研究[D]. 硕士学位论文，南京航空航天大学, 2002.

 

 

    作者简介

    李磊（1975-），男，博士，硕士研究生导师，研究方向为功率电子变换技术，获江苏省科学技术一等奖和国防科学技术三等奖各1 项，发表论文10余篇。