一種全橋同步整流器的設計及其應用

王賢江，石 玉，李功福

(電子科技大學電子薄膜與集成器件國家重點實驗室，四川成都 610054)

由于現代高速超大規模集成電路的尺寸不斷減小，同時又對功率要求的不斷增加。因此必須提高供電電源的功率密度，在有限的散熱空間里增加功率密度，就必須提高電源的工作效率。近年來，通過增加輸出級同步整流、引入軟開關技術等，使得開關電源的效率得到了大幅提高。如何進行一步提高其工作效率，筆者從輸入級的一次整流入手進行了相應分析和研究。

1 原理與設計

1.1 橋式整流與橋式同步整流分析

一般開關電源中一次整流電路結構如圖1所示。因為圖中電源V1由電網提供，要采用高壓二極管對其進行整流，所以D1，D2，D3，D4的壓降約為1 V。當輸出電流為I時，將在整個整流橋上產生P(VD)=1×2×I的功率損耗。

圖1 一次整流電路結構

橋式同步整流電路結構如圖2所示，圖中M1、M2、M3、M4為 n 溝道增強型功率 MOS 管，其中 D1、D2、D3、D4為其寄生體二極管。圖中左半部分為其驅動信號產生模塊。

圖2 橋式同步整流電路結構

為進一步提高電源變換器的效率，降低一次整流部分的損耗是提高電源變換器工作效率的一種有效途徑。采用P－MOSFET管來實現整流功能的整流電路稱為同步整流電路，P－MOSFET管不像二極管那樣能自動截止反向電流，需要用P－MOSFET管來實現同步整流，必須控制P－MOSFET管的導通和關斷，而P－MOSFET管的導通和關斷又取決于它的柵極驅動信號。因此，在設計同步整流P－MOSFET管柵極驅動信號的大小和時序，要確保同步整流電路的正常工作［8］。圖 3 為相應開關管 M1、M2、M3、M4控制信號S1、S2、S3、S4波形圖。

為防止開關管發生直通的現象，在上下橋臂的波形切換之間加入了死區時間Tdeadtime。

圖3 相應開關管控制信號波形圖

因為工作頻率在50 Hz，所以無需考慮其開關損耗。橋式同步整流電路中功率損耗主要發生在其導通的直流電阻RDS上，即P=(RDS×2)I2，圖4給出了相應損耗功耗曲線。

圖4 相應損耗功耗曲線

設全橋整流時整流橋的損耗功率P(VD)=2×I。設全橋同步整流時開關管的損耗功率P(VT)=Ron×I2。與全橋整流相比全橋同步整流所節省的功率損耗P(D)=P(VD)－P(VT)=2×I－Ron×I2。根據函數的增減性，當I=1/Ron時，P(D)可取得最大值。

1.2 相應參數計算

此部分主要考慮將輸入正弦波變為與之同步的方波，相應電路如圖5所示。為防止整流開關管發生直通的現象，在上下橋臂波形切換之間加入了死區時間。引死區時間由過零比較電壓時行設定，即電阻R1與電阻R2、R3與電阻R4的比值來確定。死區時間Tdeadtime在整個周期中所占的時間為

其中，V1－1為同步交流信號的幅值;T為輸入交流信號的周期。

圖5 相應電路

2 實驗部分

分別對全橋同步整流的效率進行了測量與對比，并對其工程應用進行了實驗與分析。

2.1 效率對比

對相應電路進行了實驗，實驗中圖2所示的同步開關管采用IRF4710，圖5中所采用的電壓比較器為LM339，為安全起見，圖2中所示輸入電壓V1為與電網隔離的12 V。電壓V1－1為與V1同步且與電網隔離的12 V，但經過分壓處理。表1為二極管全橋整流與全橋同步整流在不同的負載情況下得到的效率。

表1 二極管全橋整流與同步整流不同負載效率

從表1中的相應數據可以看出，全橋同步整流的效率要比二極管全波整流效率高出近10%，與理論以及仿真分析的結果基本是一致的。

2.2 實際應用

帶阻性負載(3 Ω)時，其輸入電壓、電流波形如圖6所示，輸出電壓波形圖7所示。從圖中可以發現其電壓、電流波形相位比較接近，其輸出電壓呈脈動的直流。

帶感性負載(直流電動機)時，其輸入電壓、電流波形如圖8所示，輸出電壓波形，圖9所示。輸入電流出現了能量的反向流動，且一些區域呈現了較大的電流尖峰。輸出電壓中也同樣出現了幅值較大的尖峰電壓。

圖8 輸入電壓、電流波形

圖9 輸出電壓波形

帶容性負載(在23 Ω的負載電阻上并聯一個470 μF的電容)時，其輸入電壓、電流波形如圖10所示，輸出電壓波形圖11所示。和帶感性負載一樣也出現了能量的回流現象，這主要是由于開關管的反向導通所致。但從圖中可以發現其輸入電流波形出現了嚴重失真，這在實際應用中是不允許的。

3 結束語

通過對全橋同步整流器的原理分析，仿真分析以及實驗電路，得到以下結論:(1)根據相應原理推導，可以看出只有當開關管M1，M2，M3和M4的導通電阻比較低時才會大幅度的降低全橋同步整流器的功耗損耗，即提高一定空間的效率。(2)對于負載而言，即后級而言。可以直接應用于帶APFC的開關電源。當然也可以直接使用電阻性負載。(3)當加入電動機這樣的感性負載時，會出現能量回流以及較大的電壓、電流尖峰。(4)當加入電容這樣的容性負載時，會出現較大電流的正反向流動而且輸入電流波形出現嚴重失真。這樣將會對供電電網造成一定程度的波動，實際應用中當然是不允許出現的。綜上所述，(1)和(2)部分可以達到預期的要求，但是對于(3)和(4)部分還有待于進一步地研究。

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