摘 要：針對低壓大電流DC/DC電源的特點，根據(jù)同步整流電路的要求，設(shè)計了一種倍流同步整流半橋變換器，并分析了其工作原理。通過pspice仿真，驗證了該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可行性。

　　0  引言

　　隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，集成電路要求其供電電路小體積、低電壓、高效率、大電流輸出。但是開關(guān)頻率越大損耗就越多，同步整流技術(shù)的出現(xiàn)克服了這個缺陷。本文在同步整流技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種倍流同步整流半橋變換器并分析了其工作原理。通過仿真分析驗證了該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可行性，有效的減少了整流損耗。

　　1  拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　對于原邊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)， 相對于升壓型變換器來說，降壓型變換器更加適合低壓大電流變換器。降壓型變換器中反激式變換器輸出紋波較大，而推挽式主要應(yīng)用于輸入電壓在12V以下的場合，兩者都不適合低壓大電流的要求。半橋式與全橋式相比減少了開關(guān)管的電壓應(yīng)力并且由于少了兩個開關(guān)管，成本更低，成為更適合低壓大電流要求的離線開關(guān)電源，因此本設(shè)計選用對稱半橋。

　　對于副邊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，適用于低壓大電流轉(zhuǎn)換器的有正激式、中心抽頭式和倍流整流式三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。一個周期內(nèi)三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)整流管的總損耗按上述順序分別為：

　　可以看出正激式雖結(jié)構(gòu)簡單但整流損耗大于中心抽頭式和倍流整流式。倍流整流與中心抽頭式整流相比，雖然整流損耗相同，但高頻變壓器的副邊繞組不用中心抽頭，而大電流情況下中心抽頭變壓器設(shè)計和制作比較困難。可見倍流整流器是結(jié)合正激式和中心抽頭式兩者優(yōu)點的新型整流器。

　　對半橋-倍流拓?fù)浞治觯艉雎哉鞴軌航担傻酶鲿r段濾波電容CO端電流i_C；

　　在倍流拓?fù)渲屑与姼蠰3與濾波電容CO串聯(lián)，可得各時段濾波電容CO端電流i_C；

　　由上式可見，在濾波電容旁CO串聯(lián)一電感，可使電流紋波減小為原來的（L+2L3）/L倍，更有效的減小了電流紋波。

　　綜上所述，本文對稱半橋-倍流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　倍流整流半橋變換器拓?fù)鋱D

　　2 倍流同步整流半橋變換器工作原理

　　在低壓大電流輸出情況下，整流二極管的損耗尤其突出，開關(guān)頻率越大損耗就越多，理想的同步整流技術(shù)可使同步整流管起到和整流二極管同樣的作用。但由于同步整流管壓降要小的多，所以有效的減少了損耗。于是利用同步整流管替代整流二極管構(gòu)成了倍流同步整流半橋變換器。

　　2.1 變換器工作模式

　　假設(shè)電路各處均為理想狀態(tài)，電路在一個周期內(nèi)可分為4個不同的工作模式。

　　模式a[t0-t1]    在t=t0時刻，開關(guān)管VQ1導(dǎo)通，VP=Vin/2。由于VQ1的導(dǎo)通，VQ2的漏源極電壓Vds2=Vin。變壓器副邊電壓Vsec為高電平，VQ4的門極也是高電平，VQ4導(dǎo)通。此時，負(fù)載的電流等于L1和L2兩個輸出電感電流之和，且全部流經(jīng)VQ4。

圖2模式a[t0-t1]

　　模式b[t1-t2]    在t=t1時刻，VQ1關(guān)斷。由于變壓器漏感Lk的存在，電流要繼續(xù)維持原來的方向，所以，此時在變壓器原邊存在兩個回路，一個是由C1，C01，Lk構(gòu)成，；另一個是由C2，C02，Lk構(gòu)成，此時，VQ3及VQ4都處于導(dǎo)通狀態(tài)。

圖4模式c[t2-t3]

　　模式d[t3-t4]    在t=t3時刻，VQ2關(guān)斷。原邊的工作原理同圖3正好相反，這時，VQ1及VQ2都處于關(guān)斷狀態(tài)。存儲在Lk中的能量對VQ1輸出結(jié)電容C01放電，對VQ2輸出結(jié)電容C02充電。變壓器原副邊的電壓都為零，即在理想狀況下，此時的VQ3和VQ4應(yīng)同時導(dǎo)通，減小整流管的損耗。在模式d[t3-t4]后，重新開始下一個周期。

圖5模式d[t3-t4]

　　圖6示出變換器在理想驅(qū)動情況下的工作波形和時序。

圖6理想情況下的工作波形

　　2.2 變換器外圍電路工作原理

　　為了獲得接近理想的工作波形，可以采用SG3525作為控制芯片，電路如圖7所示。SG3525控制芯片輸出端腳11和腳14可以輸出互補信號，同時各加一個反相器，可以給出反相信號，控制開關(guān)管工作。當(dāng)SG3525的14腳為正時，11腳與之相反為負(fù)，此時VQ1開通，VQ2關(guān)斷，VSEC為正；與此同時，由于反相器的作用，VQ3 關(guān)斷，VQ4開通。當(dāng)SG3525的14腳為負(fù)時，11腳與之相反為正，此時VQ1關(guān)斷，VQ2開通，VSEC為負(fù)；與此同時，由于反相器的作用，VQ3開通，VQ4關(guān)斷。當(dāng)處于死區(qū)時段時，SG3525的信號輸出端腳11和14輸出都為零，VSEC為零，由于反相器的作用，VQ3 、VQ4同時開通，有效的降低了導(dǎo)通損耗。

圖7 同步整流電路原理圖

　　2.3電路控制原理

　　系統(tǒng)采用電壓閉環(huán)負(fù)反饋控制方法，輸出電壓V0作為反饋控制變量，與參考電壓Vref比較利用SG3525控制芯片放大得到的誤差信號Ve與鋸齒波信號經(jīng)PWM比較器比較，輸出一定占空比的系列脈沖控制開關(guān)管，從而穩(wěn)定輸出電壓。

圖8 閉環(huán)控制原理圖

　　3  仿真分析

　　仿真參數(shù)：VIN=300V，f=50KHz， D=0.4，V0=5V，P0 =100W，C1=C2=600uF，C3=20uF，C4=2uF，C5=1000uF，L1=L2=30uH，L3=10uH；開關(guān)管選用IRF255，RDS=0.2Ω，ID=21A，VDSS=250V，整理管選用IRF1407L，RDS=0.01Ω，ID=100A，VDSS=75V，變壓比N=26。

圖9 變壓器原邊電壓

圖10 變壓器原邊電流

圖11 整流管VQ3電壓

圖12 整流管VQ3電流

圖13 未加L3輸出電感L1及L2電流

圖14加L3后輸出電感L1及L2電流

圖15 輸出電流

　　可以看出，圖 14中由于加了L3電感，電流紋波比較圖 13明顯減小， 其余各點仿真波形非常接近理想情況下的工作波形，驗證了該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的高效性。

　　4  結(jié)束語

　　本文研究了一種低壓大電流DC-DC變換器，在分析其工作原理的基礎(chǔ)上，給出了相應(yīng)的仿真結(jié)果，驗證了這種變換器在低壓大電流輸出的情況下高效性。如果設(shè)計中采用磁集成技術(shù)還可以大幅減小變換器體積，同時變壓器的漏感還應(yīng)該盡量地減小，以減少原邊振蕩。相信隨著對電源性能要求的提高，這種低壓大電流DC-DC變換器會越來越廣泛地被采用。