移相全橋同步整流驅動方式的研究

雷笙民，李體青

（32142部隊 保障旅，河北 保定 071000）

移相全橋同步整流驅動方式的研究

雷笙民，李體青

（32142部隊 保障旅，河北 保定 071000）

隨著社會的不斷發(fā)展和人民環(huán)保節(jié)能意識的不斷增強，人們對開關電源的效率要求越來越高。而傳統(tǒng)的開關電源副邊使用二極管整流，管壓降大，功率損失大。同步整流器一般采用MosFet，其阻抗很小，而且可以多個并聯(lián)，從而大大降低功耗。移相全橋電路相較于傳統(tǒng)的硬開關橋式電路，其原邊四個MosFet均可以實現(xiàn)ZVS，從而得到較高的效率。

同步整流器；移相全橋電路；開關電源效率

0 引言

使用全橋電路拓撲的開關電源在300W以上的應用領域得到了廣泛的應用。隨著對開關電源效率和功率密度的要求越來越高，其原邊器件的工作狀態(tài)逐步從硬開通轉變?yōu)閆VS。原邊器件實現(xiàn)ZVS的方法有很多種，其中移相全橋可以使全部四個MOSFET在很寬的范圍內(nèi)實現(xiàn)ZVS，因而得到了非常廣泛的應用。

為了在一個較大的范圍讓原邊實現(xiàn)軟開通，移相全橋的控制需要對原邊兩個橋臂的死區(qū)時間進行調節(jié)，其控制比較復雜。TI公司生產(chǎn)的UCC3895控制芯片把原邊橋臂的死區(qū)時間、原邊MosFet的移相控制、原邊峰值電流控制、副邊反饋控制和部分保護集成在一起，在工程中得到了廣泛的應用。本文研究的移相全橋的同步整流器的驅動控制就是基于該芯片的應用。

1 移相全橋電路分析

傳統(tǒng)的移相全橋電路中，變壓器的漏感能量在原邊電路換流的時候會在副邊整流器件產(chǎn)生較大的電壓尖峰，所以需要較高耐壓等級的整流器件，在增加成本的同時也降低了效率。在電路中增加兩個電壓鉗位二極管（如圖1中的D1，D2），可以在換流的時候將變壓器漏感能量傳導至原邊，并對電壓尖峰進行鉗位，從而降低副邊整流器件的電壓尖峰，達到降低成本和提高效率的目的。

從控制的角度來看，移相全橋電路原邊的效率已經(jīng)達到了最優(yōu)，所以提高效率的重點轉移到了副邊。傳統(tǒng)的電路采用二極管整流，效率偏低，近年來逐漸被同步整流（SR）技術取代。但是因為其控制簡單，性能可靠，所以在高壓輸出的電路中，如+48V輸出，仍然得到廣泛的應用。

圖1 增加鉗位二極管的移相全橋電路圖

本文對移相全橋電路中副邊的整流電路進行分析，重點研究同步整流的控制方式，及如何在滿足系統(tǒng)要求的情況下達到效率的最優(yōu)。

2 二極管整流和同步整流器整流的比較

傳統(tǒng)的電路使用二極管整流，如圖1所示。這種整流方法結構簡單可靠，但是效率較低。如400V輸入，+12V輸出，變壓器變比為24：1，原邊的開關頻率為100kHz的1kw開關電源為例。在不考慮開關損耗的情況下：

使用二極管的損耗為

而使用同步整流器的情況下，以常用的FAIRCHILD公司的FPD047AN08為例，同步整流器采用四個管子并聯(lián)以降低導通壓降。

由式（1）式（2）對比可知，采用同步整流器可以大幅降低系統(tǒng)的功耗，提高開關電源的效率。

3 采用繞組驅動的同步整流器

常用的同步整流器采用繞組驅動，這種驅動方法結構比較簡單，需要增加的電路較少，在工程中得到了廣泛的應用。其線路拓撲如圖2所示。

圖2 采用繞組驅動的同步整流器線路拓撲圖

采用這種方法，同步整流器的驅動脈沖占空比等于變壓器兩端實際的占空比，只有原邊向副邊傳遞能量的時候，同步整流器才開通，所以在多機并聯(lián)的時候不需要考慮副邊能量倒灌的問題，系統(tǒng)可靠性比較高。同時相比二極管整流只需要添加驅動繞組和簡單的驅動電路即可，成本較低。

在某些變壓器設計中，如果變壓器副邊繞組較少（如只有一匝），在負載較小的情況下，驅動繞組會產(chǎn)生很高的驅動電壓，可能損壞同步整流器。在這種情況下，可以在驅動電路中添加一個電容來分擔驅動電壓，從而降低加到整流器的驅動電壓，如圖3所示。電容C6，C7和同步整流器的Cgs分壓，從而達到降低Cgs電壓的目的。C6，C7具體容量大小可以根據(jù)變壓器驅動繞組的電壓和同步整流器的Cgs值進行調整。

采用繞組驅動結構比較簡單可靠，成本較低。但是如果開關電源的功率較大，在負載空載和滿載的情況下，驅動繞組上的電壓變化會很大，如果在空載的時候保證安全的驅動電壓，那么就會導致在滿載的時候同步整流器的電壓較低，從而影響整機的效率。同時，采用這種方法，驅動電壓的上升和下降比較慢，繞組的驅動能力有限，導致同步整流器的開關損耗較大。另外，在某些系統(tǒng)中，需要對同步整流器的開關進行靈活控制，繞組驅動就顯得有點兒力不從心。

4 采用驅動芯片驅動的同步整流器

隨著對開關電源效率的要求越來越高和系統(tǒng)復雜度的提高，人們對開關電源同步整流器驅動要求也越來越高。在這種情況下，采用驅動芯片驅動同步整流器就是一個很好的選擇。這種方法控制比較靈活，芯片的驅動能力高，很多驅動芯片驅動能力達到4A，而且驅動的延遲很小。現(xiàn)在市面上驅動芯片品種越來越多，可供選擇的余地很大，如TI的UCC27427，IXYS的DN404SIA。常用的電路如圖4所示。

圖3 變壓器驅動電路分擔驅動電壓調整電路圖

圖4 驅動芯片驅動同步整流器電路圖

圖4 中的SR_A和SR_B為同步整流器控制信號的輸入，可以根據(jù)系統(tǒng)的需要靈活改變驅動脈沖的占空比。常用的有D驅動、T/2驅動和1-D驅動。所謂D驅動就是同步整流器的驅動脈沖和變壓器兩端的占空比相同，這種驅動方法的同步整流器占空比和繞組驅動相同，其占空比小于0.5；T/2驅動就是同步整流器的驅動脈沖占空比為開關周期的一半，即0.5；而1-D驅動就是同步整流器單組MosFet的驅動脈沖占空比和實際占空比互補，也就是說它的驅動脈沖大于0.5。這三種驅動方式的占空比不同，第一種小于0.5，第二種等于0.5，而第三種大于0.5。其具體的控制波形如圖5所示。

圖5詳細地說明了UCC3895的CLOCK信號、三角波、反饋信號、原邊的驅動信號、PWM占空比和三種同步整流器驅動方法的波形，結合圖4可以很容易地理解。

這三種控制方法中，D驅動的占空比最小，效率最低，但是因為同步整流器只有在原邊向副邊傳遞能量的時候開通，不需要考慮副邊能量的倒灌問題，所以穩(wěn)定性最好。

T/2驅動的占空比在不考慮死區(qū)時間的情況下約等于開關周期的一半，效率大于D驅動而小于1-D驅動。不過在一些需要多機并聯(lián)系統(tǒng)中，如IT服務器，為了達到很高的效率，系統(tǒng)取消Oring-Fet。如果負載較小，開關電源會工作在斷續(xù)模式，在這種情況下，輸出濾波電感和同步整流器可能形成一個升壓電路，將總線上的能量傳遞到變壓器的原邊，從而在原邊側產(chǎn)生很高的電壓而損壞元器件。所以采用這種驅動方式一般需要在輸出電流進入到斷續(xù)狀態(tài)時關閉同步整流器或將驅動方式轉到D驅動。

1-D的驅動因為同步整流器的驅動占空比均大于0.5，所以效率最佳。不過與T/2驅動相同，這種方式在并機系統(tǒng)也存在總線能量升壓到原邊損壞元器件的問題，所以同樣需要在電流斷續(xù)時關閉同步整流器。

三種驅動方式的實現(xiàn)方法都比較簡單，這里重點說明從UCC3895的四個PWM輸出到SR_A和SR_B的實現(xiàn)方式。

首先是D驅動，如圖6所示。

圖5 D驅動方法的同步整流器控制波形圖

圖6 D驅動

T/2驅動更簡單，如圖7所示。

圖7 T/2驅動

1-D驅動如圖8所示。

由上面分析可知，D驅動效率較低，但是不需要考慮能量倒灌的問題，使用面較廣。而T/2和1-D驅動均需要考慮能量倒灌的問題，其中1-D的效率高于T/2，所以推薦1-D驅動，并且在輕載的時候關閉同步整流器或切換至D驅動。1-D驅動在輸出功率較大的高端電源中優(yōu)勢比較明顯。

圖8 1-D驅動

5 結束語

本文對移相全橋電路整流電路進行了分析。二極管整流適用在高壓、小電流輸出，或者低成本、對效率要求不高的開關電源中。同步整流器適用于低壓、大電流的情況。在低端應用中繞組驅動是個很好的選擇；在高端應用中，如果對效率要求較高，1-D驅動優(yōu)勢比較明顯；而在一些簡單的并機系統(tǒng)中D驅動也是一個很好的選擇。

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，陜西人，工程師，工程碩士。