低壓大電流高頻整流電路

1、低壓大電流高頻整流電路摘要:隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展，中小功率變換器在計算機、通信和其它工業(yè)領(lǐng)域中得到了廣泛的應用為滿足應用場合對數(shù)據(jù)處理更快速、更有效的要求，對變換器的要求也不斷提高，使得變換器向著更低的輸出電壓、更高的輸出電流、更高的效率，更快的動態(tài)響應以及更高的可靠性等方向發(fā)展。本文首先介紹了一些器件，然后分析倍流整流電路的工作原理。分析結(jié)果表明，由于倍流整流結(jié)構(gòu)的整流管損耗小、動態(tài)響應快以及輸出電流的紋波小等優(yōu)點，使其成為低壓大電流的常見的整流結(jié)構(gòu)。采用Matlab軟件對同步整流電路進行了仿真實驗，并對仿真結(jié)果進行了分析。關(guān)鍵詞：倍流整流；MatlabAbstract: with the

2、 rapid development of information technology, small and medium-sized power converter in the field of computer, communications and other industries has been widely used. To meet application requirements for data processing faster and more efficiently, and also to the requirement of converter enhances

3、 unceasingly, makes the converter to lower output voltage, higher output current, higher efficiency, faster dynamic response and higher reliability. This article first introduces some device, and then introduces the working principle of The Times the current rectifier circuit. Analysis results show

4、that as the rectifier losses times flow rectifying structure is small, fast dynamic response, and the advantages of small output current ripple, make it becomes a common low-voltage high-current rectifier structure. Using matlab software to synchronous rectifier circuit, the simulation experiment an

5、d the simulation results are analyzed.Key words: times flow rectifying; The matlab引言電力電子技術(shù)是一門涉及電機控制、電力半導體器件、功率交換、模擬和數(shù)字電路、控制理論、計算機應用、數(shù)字仿真的新興交叉邊沿學科。電力電子技術(shù)主要研究電能變換、處理、傳遞，研究采用功率半導體器件完成運動控制和功率變換提供各種交頻器和功率控制電源。與全波整流相比，倍流整流器的高頻變壓器的副邊繞組僅需一個單一繞組，不用中心抽頭。與橋式整流相比，倍流整流器使用的二極管數(shù)量少一半。所以說，倍流整流器是結(jié)合全波整流和橋式整流兩者優(yōu)點的新型整流器

6、。當然，倍流整流器要多使用一個輸出小濾波電感。但此電感的工作頻率及輸送電流均比全波整流器的要小一半，因此可做得較小，另外雙電感也更適合分布式功率耗散的要求. 倍流整流電路更適用于低壓大電流的副邊整流。同步整流技術(shù)就是實現(xiàn)同步整流管的柵源極之間的驅(qū)動信號與同步整流管的漏源極之間開關(guān)同步的手段或者方法。理想的同步整流技術(shù)是使得同步整流管起到和整流二極管同樣的作用，即正向?qū)?，反向截止低電壓大電流輸出時，整流二極管的使用會引起很大的能量損耗，大大降低電源效率。而用于同步整流的低電壓功率MOSFET，由于其導通電阻非常小，即使輸出電流很大，同步整流管上的正向?qū)▔航岛艿?，因此用低電壓功率MOSFET代

7、替整流二極管勢在必行?？梢哉f，低電壓大電流輸出時，同步整流技術(shù)是提高變換器效率的一種有效的手段。電力器件簡介同步整流MOSFET管簡介： MOSFET是利用一種極性載流子(多數(shù)載流子)參與導電的電力場控效應管，是單極型晶體管。MOSFET通過改變柵極電壓大小來控制內(nèi)部導電溝道的厚度，從而實現(xiàn)控制漏極電流Id，當電壓V。小于開啟電壓V。，無論Vds的極性如何，Id幾乎為零。為了減少MOSFET器件的通態(tài)電阻，在保證耐壓的情況下，應盡量增加導電溝道的厚度，即適當降低vgs以降低驅(qū)動損耗和導通損耗。由于柵極電壓V。的作用僅僅是形成漏極和源極之間的N型導電溝道，而N型導電溝道又相當于一個無極性的等效電

8、阻，所以MOSFET具有雙向?qū)щ姷奶匦裕瑵M足了同步整流電路對整流器特性的要求。值得注意的是同步整流時MOS管是反接的，即電流必須從源極(S)流向漏極)，這與作為開關(guān)使用時是完全不同的。另外MOSFET還有其他的特點：(1)導通電阻小，負載電流大，輸入阻抗高，驅(qū)動功率小，驅(qū)動電路簡單。(2)導通電阻具有正的溫度系數(shù)，電流加大時，溫度上升，電阻加大，對電流起自動限流的作用，不會產(chǎn)生二次擊穿的現(xiàn)象。(3)漏極電流具有負的溫度系數(shù)，因此多個MOSFET可以并聯(lián)使用，有自動均流的作用。(4)開關(guān)速度快，工作頻率高。根據(jù)以上特點，可知MOSFET很適合用作低壓大電流開關(guān)電源的整流組件。選擇MOSFET也有

9、注意的地方：它和雙極性晶體管不同，柵極電容比較大，在導通之前要先對該電容充電，當電容電壓超過閾值才開始導通。因此，柵極驅(qū)動器的負載能力必須足夠大，以保證在系統(tǒng)要求的時間內(nèi)完成對等效柵極電容的充電。此外，柵極電荷Q。、導通電阻Rds、輸入電容和輸出電容等都是要考慮的參數(shù)。按驅(qū)動信號類型的不同同步整流器可分為電壓驅(qū)動型和電流驅(qū)動型兩個大類。電壓驅(qū)動同步整流器的分類：電壓驅(qū)動整流器按驅(qū)動方式又可分為自驅(qū)動、外驅(qū)動和混和驅(qū)動三種。以下簡單分析這幾種驅(qū)動方法。電壓自驅(qū)動方法 自驅(qū)動電壓型同步整流技術(shù)是由變換器中變壓器直接取電壓信號驅(qū)動相應MOSFET管。一般變換器中變壓器次級各點的電壓信號可以用于驅(qū)動同

10、步整流管的由變壓器次級繞組的輸出端電壓和輸出濾波電感的互感電壓。變壓器次級繞組輸出端電壓驅(qū)動，驅(qū)動信號直接從變壓器副邊繞組輸出端直接取得驅(qū)動信號。工作過程如下：當變壓器副邊電壓為正時，同步整流管Ql的柵極承受正電壓而導通；Q2的柵極電壓承受負電壓而關(guān)斷。電路通過同步整流管Ql整流。當變壓器副邊電壓為負時，同步整流管Q2的柵極承受正電壓而導通；Ql的柵極電壓承受負電壓而關(guān)斷。電路通過同步整流管Q2整流變壓器副邊電壓為零的時間段稱為死區(qū)時間。在死區(qū)時間內(nèi)，Ql和Q2的柵極電壓都為零而不能導通。這時的負載電流經(jīng)同步整流管Ql和Q2的體二極管續(xù)流。這是一種傳統(tǒng)的同步整流技術(shù)，其優(yōu)點是不需要附加的驅(qū)動電

11、路，結(jié)構(gòu)簡單。其缺點是只能針對小功率的電路，如果副邊電壓超過驅(qū)動電壓(一般20v)就可能損壞管子；另外兩個MOSFET的驅(qū)動電壓時序不夠精確，MOSFET不能在整個周期內(nèi)代替二極管整流，使得負載電流流經(jīng)二極管的時間較長。而體二極管的正向?qū)▔航蹈?，反向恢復特性差，導通損耗非常大，限制了效率的提高。對于任何的同步整流管，理想驅(qū)動波形都是希望能使得它起到與理想的二極管相同的整流和續(xù)流的作用，即正向電壓開通，反向電壓關(guān)斷。但是在任何一種拓撲結(jié)構(gòu)中，變壓器的電壓都存在死區(qū)。這就使得自驅(qū)動同步整流技術(shù)不能在續(xù)流階段保持整流管的導通。變壓器次級繞組輸出端電壓自驅(qū)動的最大缺點在于續(xù)流管關(guān)斷過遲，其根源在于其

12、關(guān)斷受占空比、變壓器和其他一些寄生電感的影響。要解決這個問題就必須采用適當?shù)碾娐肥沟猛秸鞴艿臇艠O電荷保持而使得同步整流管在死區(qū)時間內(nèi)繼續(xù)導通。對于正激式變換器等非對稱拓撲，其相應的解決辦法式在變壓器復位中采用有源鉗位的方法，從而使得變壓器電壓在死區(qū)時間內(nèi)一直為負，從而續(xù)流管得以開通。另外還有柵極電荷轉(zhuǎn)換(Gate charge commutation)電壓驅(qū)動方法可以解決推挽式和橋式等對稱電路的續(xù)流問題。電壓外驅(qū)動外驅(qū)動同步整流技術(shù)中MOSFET的驅(qū)動信號需要從附件的控制驅(qū)動電路中獲得。為了實現(xiàn)驅(qū)動同步，附加的驅(qū)動電路一般由同步整流管的漏源極電壓信號V。來對其時序進行控制。外驅(qū)動電路可以通

13、過控制提供精確的時序，是同步整流管的驅(qū)動信號與理想驅(qū)動波形一致。但它要求附加復雜的驅(qū)動電路。目前外驅(qū)動的方法通常由專門的芯片來實現(xiàn)，價格昂貴，并且外圍電路復雜，所以應用不夠廣泛。電壓驅(qū)動同步整流器的優(yōu)點和缺點優(yōu)點：第一，驅(qū)動能量損耗小，由于MOSFET的驅(qū)動就是對柵極和源極之間的寄生電容充電和放電，電壓型驅(qū)動的驅(qū)動損耗就是主要在于對這個電容的充放電過程的損耗；第二，設(shè)計簡單靈活?？梢愿鶕?jù)不同的拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計合適的驅(qū)動方法 。但是以上所說的各種電壓型驅(qū)動方法均存在下列局限：一是同步整流管的柵極驅(qū)動電壓隨輸入電壓的變化而變化。無論柵極驅(qū)動信號在變壓器次級的任何地方取，其電壓都會隨著輸入電壓的變化而變

14、化；二是不同的開關(guān)電源拓撲結(jié)構(gòu)的電壓驅(qū)動同步整流器。三是采用電壓驅(qū)動同步整流器的變換器不適應并聯(lián)運行。四是它在電感電流不連續(xù)的模式下，或者是輕載條件下，它不能使得變換器提高效率。電流驅(qū)動型：電流驅(qū)動同步整流是通過檢測流過自身的電流來獲得MOSFET驅(qū)動信號。因為MOSFET管在流過正向電流時導通，在流過自身的電流為零時關(guān)斷，使反向電流不能流過MOSFET管。整流管就和二極管一樣實現(xiàn)了正向電壓導通，反向電壓關(guān)斷。它可以在不同的交換器拓撲需要不同的驅(qū)動電路或者結(jié)構(gòu)。它解決了在輸出電感電流不連續(xù)的輕載條件下效率低的問題。同時它也使用于并聯(lián)運行的條件下應用。但是電流驅(qū)動同步整流技術(shù)中由檢測電流而造成的

15、功率損耗很大，影響了它的應用。二極管簡介二極管（英語：Diode），電子元件當中，一種具有兩個電極的裝置，只允許電流由單一方向流過。許多的使用是應用其整流的功能。而變?nèi)荻O管則用來當作電子式的可調(diào)電容器。大部分二極管所具備的電流方向性，通常稱之為“整流（Rectifying）”功能。二極管最普遍的功能就是只允許電流由單一方向通過（稱為順向偏壓），反向時阻斷 （稱為逆向偏壓）。因此，二極管可以想成電子版的逆止閥。然而實際上二極管并不會表現(xiàn)出如此完美的開與關(guān)的方向性，而是較為復雜的非線性電子特征這是由特定類型的二極管技術(shù)決定的。二極管使用上除了用做開關(guān)的方式之外還有很多其他的功能。早期的二極管包含

16、“貓須晶體”以及真空管(英國稱為“熱游離閥“?，F(xiàn)今最普遍的二極管大多是使用半導體材料如硅或鍺。1、正向性外加正向電壓時，在正向特性的起始部分，正向電壓很小，不足以克服PN結(jié)內(nèi)電場的阻擋作用，正向電流幾乎為零，這一段稱為死區(qū)。這個不能使二極管導通的正向電壓稱為死區(qū)電壓。當正向電壓大于死區(qū)電壓以后，PN結(jié)內(nèi)電場被克服，二極管正向?qū)ǎ娏麟S電壓增大而迅速上升。在正常使用的電流范圍內(nèi)，導通時二極管的端電壓幾乎維持不變，這個電壓稱為二極管的正向電壓。2、反向性外加反向電壓不超過一定范圍時，通過二極管的電流是少數(shù)載流子漂移運動所形成反向電流。由于反向電流很小，二極管處于截止狀態(tài)。這個反向電流又稱為反向飽

17、和電流或漏電流，二極管的反向飽和電流受溫度影響很大。3、擊穿外加反向電壓超過某一數(shù)值時，反向電流會突然增大，這種現(xiàn)象稱為電擊穿。引起電擊穿的臨界電壓稱為二極管反向擊穿電壓。電擊穿時二極管失去單向?qū)щ娦?。如果二極管沒有因電擊穿而引起過熱，則單向?qū)щ娦圆灰欢〞挥谰闷茐?，在撤除外加電壓后，其性能仍可恢復，否則二極管就損壞了。因而使用時應避免二極管外加的反向電壓過高。二極管是一種具有單向?qū)щ姷亩似骷须娮佣O管和晶體二極管之分，電子二極管現(xiàn)已很少見到，比較常見和常用的多是晶體二極管。二極管的單向?qū)щ娞匦?，幾乎在所有的電子電路中，都要用到半導體二極管，它在許多的電路中起著重要的作用，它是誕生最早的

18、半導體器件之一，其應用也非常廣泛。二極管的管壓降：硅二極管（不發(fā)光類型）正向管壓降0.7V，鍺管正向管壓降為0.3V，發(fā)光二極管正向管壓降會隨不同發(fā)光顏色而不同。主要有三種顏色，具體壓降參考值如下：紅色發(fā)光二極管的壓降為2.0-2.2V，黃色發(fā)光二極管的壓降為1.82.0V，綠色發(fā)光二極管的壓降為3.03.2V，正常發(fā)光時的額定電流約為20mA。二極管的電壓與電流不是線性關(guān)系，所以在將不同的二極管并聯(lián)的時候要接相適應的電阻。二極管工作原理（正向?qū)щ姡聪虿粚щ姡?晶體二極管是一個由p型半導體和n型半導體形成的p-n結(jié)，在其界面處兩側(cè)形成了空間電荷層，并且建有自建電常當不存在外加電壓時，因為p

19、-n結(jié)兩邊載流子濃度差引起的擴散電流和自建電場引起的漂移電流相等而處于電平衡狀態(tài)。 當產(chǎn)生正向電壓偏置時，外界電場與自建電場的互相抑消作用使載流子的擴散電流增加引起了正向電流。（也就是導電的原因） 當產(chǎn)生反向電壓偏置時，外界電場與自建電場進一步加強，形成在一定反向電壓范圍中與反向偏置電壓值無關(guān)的反向飽和電流。（這也就是不導電的原因） 晶體二極管為一個由p型半導體和n型半導體形成的p-n結(jié)，在其界面處兩側(cè)形成空間電荷層，并建有自建電常當不存在外加電壓時，由于p-n結(jié)兩邊載流子濃度差引起的擴散電流和自建電場引起的漂移電流相等而處于電平衡狀態(tài)。 當外界有正向電壓偏置時，外界電場和自建電場的互相抑消作

20、用使載流子的擴散電流增加引起了正向電流。 當外界有反向電壓偏置時，外界電場和自建電場進一步加強，形成在一定反向電壓范圍內(nèi)與反向偏置電壓值無關(guān)的反向飽和電流I0。 當外加的反向電壓高到一定程度時，p-n結(jié)空間電荷層中的電場強度達到臨界值產(chǎn)生載流子的倍增過程，產(chǎn)生大量電子空穴對，產(chǎn)生了數(shù)值很大的反向擊穿電流，稱為二極管的擊穿現(xiàn)象。反向擊穿反向擊穿按機理分為齊納擊穿和雪崩擊穿兩種情況。在高摻雜濃度的情況下，因勢壘區(qū)寬度很小，反向電壓較大時，破壞了勢壘區(qū)內(nèi)共價鍵結(jié)構(gòu)，使價電子脫離共價鍵束縛，產(chǎn)生電子-空穴對，致使電流急劇增大，這種擊穿稱為齊納擊穿。如果摻雜濃度較低，勢壘區(qū)寬度較寬，不容易產(chǎn)生齊納擊穿。

21、雪崩擊穿另一種擊穿為雪崩擊穿。當反向電壓增加到較大數(shù)值時，外加電場使電子漂移速度加快，從而與共價鍵中的價電子相碰撞，把價電子撞出共價鍵，產(chǎn)生新的電子-空穴對。新產(chǎn)生的電子-空穴被電場加速后又撞出其它價電子，載流子雪崩式地增加，致使電流急劇增加，這種擊穿稱為雪崩擊穿。無論哪種擊穿，若對其電流不加限制，都可能造成PN結(jié)永久性損壞。應用1.整流整流二極管主要用于整流電路，即把交流電變換成脈動的直流電。整流二極管都是面結(jié)型，因此結(jié)電容較大，使其工作頻率較低，一般為3kHZ以下。2.開關(guān)二極管在正向電壓作用下電阻很小，處于導通狀態(tài)，相當于一只接通的開關(guān)；在反向電壓作用下，電阻很大，處于截止狀態(tài)，如同一只

22、斷開的開關(guān)。利用二極管的開關(guān)特性，可以組成各種邏輯電路。3.限幅二極管正向?qū)ê?，它的正向壓降基本保持不變（硅管?.7V，鍺管為0.3V）。利用這一特性，在電路中作為限幅元件，可以把信號幅度限制在一定范圍內(nèi)。4.續(xù)流在開關(guān)電源的電感中和繼電器等感性負載中起續(xù)流作用。5.檢波檢波二極管的主要作用是把高頻信號中的低頻信號檢出。它們的結(jié)構(gòu)為點接觸型。其結(jié)電容較小，工作頻率較高，一般都采用鍺材料制成。6.阻尼阻尼二極管多用在高頻電壓電路中，能承受較高的反向擊穿電壓和較大的峰值電流，一般用在電視機電路中，常用的阻尼二極管有2CN1、2CN2、BSBS44等。7.顯示用于VCD、DVD、計算器等顯示器上

23、。8.穩(wěn)壓這種管子是利用二極管的反向擊穿特性制成的，在電路中其兩端的電壓保持基本不變，起到穩(wěn)定電壓的作用。常用的穩(wěn)壓管有2CW55、2CW56等。9.觸發(fā)觸發(fā)二極管又稱雙向觸發(fā)二極管（DIAC）屬三層結(jié)構(gòu)，具有對稱性的二端半導體器件。常用來觸發(fā)雙向可控硅；，在電路中作過壓保護等用途。同步倍流整流工作原理在低壓大電流工況下其導通損耗大使電路效率降低，推免式電路的導通器件少，但輸出變壓器需要中心抽頭，制作不太方便。為此發(fā)展了如下圖的倍流整流電路，主電路僅用兩支二極管，輸出電流是輸入電流的兩倍，因此叫作北流整流電路。它有以下的特點：（1） 高頻變壓器副邊平均輸送電流僅為輸出負載電流的一半。（2） 濾

24、波電感平均輸送電流僅為輸出負載電流的一半，輸出負載電流由兩個感同時分擔，每個濾波電感的工作頻率等于高頻變壓器頻。（3） 當一個電感在高頻變壓器副邊的電壓驅(qū)動下通過副邊輸送一半負載電流時，另一個電感也輸送著相對于輸出負載電流相同方向的另一半續(xù)流電流，且此續(xù)流電流下通過副邊繞組。由于此續(xù)流電流僅為輸出負載電流的一半，當副邊電壓再次改變極性時，此續(xù)流二極管的反向恢復尖峰電流較小。兩個二極管上的續(xù)流電流在死區(qū)期間是均衡分布的。實驗仿真圖如下：在上圖中，通過單相方波逆變電路產(chǎn)生高頻正負方波電壓。當輸入上端電壓為正時，副邊電流經(jīng)過LI、C和R、D2，再回到副邊繞組；當副邊繞組的下端電壓為正時，副邊電流經(jīng)過L2、C和、R、D1再回到副邊繞組。倍流整流器按照這個過程，將高頻交流方波電壓整流成直流輸出電壓。當副邊繞組電壓為零時，兩個二極管都導通，Ll的電流通過c和R及Dl續(xù)流；而L2的電流通過C和R及D2續(xù)流。仿真結(jié)果如下：結(jié)論綜合以上討論可知，倍流整流通過兩個電感電流紋波的相互抵消作用，使輸出電流紋波減小，降低了對輸出濾波器的要求，并且變壓器設(shè)計制作簡單，可以采用小電感獲得快速動態(tài)響應。尤其要說明的是，倍流整流兩個輸出電感具有對稱性，有利于磁件集成，應用磁集成技術(shù)哪，可以縮小變換器體積，減輕重量，從而進一步改善低壓大電流DC-DC變換器的效率，提高功率密度和加快瞬態(tài)響應速度。倍流整流電路的缺點