交叉級聯(lián)正激式同步整流拓樸實現(xiàn)DC-DC變換器
1 概述
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/178595.htmDC-DC變換器是開關(guān)電源的核心組成部份,常用的正激式和反激式電路拓樸。常規(guī)正 激式變換器的功率處理電路只有一級,存在MOSFET功率開關(guān)電壓應力大,特別是當二次側(cè)采用自偏置同步整流方式,輸入電壓變化范圍較寬,如輸入電壓為75V時,存在柵極偏置電壓過高,甚至有可能因柵壓太高而損壞同步整流MOSFET的危險。而且當輸出電流較大時,輸出電感上的損耗將大大增加,嚴重地影響了效率的提升。使用交叉級聯(lián)正激式同步整流變換電路,不但輸出濾波電感線圈可省去,實現(xiàn)高效率、高可靠DC-DC變換器,達到最佳同步整流效果。
2 基本技術(shù)
2.1交叉級聯(lián)正激變換原理
交叉 級 聯(lián)變換的拓樸如圖1所示,前級用于穩(wěn)壓,后級用于隔離的兩級交叉級聯(lián)的正激變換器組成的同步降壓變換器。為了實現(xiàn)寬輸入電壓范圍及隔離級恒定的電壓輸入,前后兩級正激變換都應在最佳的目標下工作,從而確保由它所組成的高效率同步降壓變換器能接收整個35-75V通信用輸入電壓范圍,并將它變換為嚴格調(diào)整的中間25V總線電壓。實際中 間總線電壓由隔離級的需要預置,取決于隔離級的變比。中間電壓較高時,可以采用較小的降壓電感值和較低的電感電流,因而損耗也少。整個降壓級的占空比保持在30^'60%,可協(xié)助平衡前后兩級正激變換的損耗。為使性能最佳,并使開關(guān)損耗降至最小,開關(guān)頻率的典型值為240k-300kHz;由于使用低通態(tài)電阻(RDS(on))的MOSFET,導通損耗比較小。傳統(tǒng)的單級變換器主開關(guān)必需使用至少200V以上的MOSFET,其RDS(on)等參數(shù)顯著增加,必然意味著損耗增加,效率下降。交叉級聯(lián)正激變換拓撲的簡化原理圖如圖2所示。
2.2同步整流技術(shù)
眾所 周 知,普通二極管的正向壓降為1V,肖特基二極管的正向壓降為0.5V,采用普通二極管和肖特基二極管作整流元件,大電流情況下,整流元件自身的功耗非常可觀。相比之下,如果采用功率MOSFET作整流元件,則當MOSFET的柵源極施加的驅(qū)動電壓超過其閩值電壓,MOSFET即進入導通狀態(tài),無論從漏極到源極或從源極到漏極,均可傳導電流。導通電流在MOSFET上產(chǎn)生的壓降僅與MOSFET的溝道電阻成比例關(guān)系,n個MOSFET并聯(lián)時,壓降可降為單個MOSFET的1/ n。因此,理論上由整流元件壓降產(chǎn)生的損耗可人為的降到最小。同步整流(SynchronousRectify,縮寫為SR)正是利用MOSFET等有源器件的這種特性進行整流的一項技術(shù)。
采用 功 率 MOSFET實施SR的主要損耗為:
導通損耗:
開通損耗:
關(guān)斷損耗:
驅(qū)動損耗:
式中 I 為 正向電流有效值,RDS(on)為通態(tài)電阻,fS為開關(guān)頻率,CGSS為輸入電容,Coss為輸出電容,D為占空比。可見 ,正 向?qū)〒p耗與RDS(on)成正比。不同VDS的MOSFET, RDS(on)往往可相差幾個數(shù)量級,所以相同電路拓撲中采用100V MOSFET的損耗比采用200VMOSFET明顯要低??紤]到低VDS的MOSFET比高VDS MOSFET的Coss要小,據(jù)關(guān)斷損耗式,表明低VDSMOSFET的關(guān)斷損耗也小。驅(qū)動損耗式為開關(guān)過程中輸入電容充放電引起的損耗,該損耗與柵一源驅(qū)動電壓的平方成正比。由于采用了兩級變換器,對隔離級來說,因穩(wěn)壓級己經(jīng)將較寬的輸入電壓穩(wěn)在固定的中間總線電壓上,變壓器的變比可以達到最佳。
MOSFET的正向通態(tài)電阻RDS(on)以及輸入電容是固定的,驅(qū)動損耗只與驅(qū)動電壓的平方成正比關(guān)系??傊?,采用兩級變換器可使正向?qū)〒p耗,驅(qū)動損耗等減到最小程度。此外, 交叉級聯(lián)正激變換電路拓撲中,輸出級同步整流MOSFET所需電壓僅為輸出電壓的兩倍,再加上1.2倍的保險系數(shù),器件的耐壓只是輸出電壓的2.4倍,遠小于傳統(tǒng)單級變換器解決方案需要達到輸出電壓4-10倍的要求。這樣采用交叉級聯(lián)正激變換電路拓撲的兩級變換器,便可使用低壓、低RDS(on,的MOSFET來實現(xiàn)極低的輸出級導通損耗。兩級變換器還采用了并聯(lián)MOSFET的輸出,得到更低的RDS(on)以及更低的損耗。在系統(tǒng)整體設計的時候,只要元件熱分布合理,裝置的使用壽命和可靠性必將有極大提高。
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