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(多图) 基于同步整流技术的反激变换器

21ic 中国矿业大学 张望 于月森 李世光?? 2011年09月15日 ?? 收藏0

  0 引言

  随着电子技术、信息技术在人们生活中的不断渗透,电子产品的数量不断增加。其能量消耗已大大超过了人们生活中照明所用的能源。国家能源局预测,2010 年全国电力需求,可能将达到4 万亿kWh 左右,增长的速度超过2009 年8%或者9%。全国电力需求增长速度非常快,但发电量增长有限,中国面临严重的电力短缺问题。节约能源可以显着减少所需的电能,同时减少发电厂数量,减少发电厂排放的废气废水和灰渣对环境的污染。而电源是节约能源的重要环节。

  开关电源,它是利用现代电力电子技术,通过控制开关通断的时间比率来维持输出电压稳定的一种电源,广泛应用在诸如计算机、电视机、摄像机等电子设备上。反激变换器具有电路简单、输入输出电压隔离、成本低、空间要求少等优点,在小功率开关电源中得到了广泛的应用。但输出电流较大、输出电压较低时,传统的反激变换器,次级整流二极管通态损耗和反向恢复损耗大,效率较低。同步整流技术,采用通态电阻极低的专用功率MOSFET来取代整流二极管。把同步整流技术应用到反激变换器能够很好提高变换器的效率。

  1 同步整流反激变换器原理

  反激变换器次级的整流二极管用同步整流管SR 代替,构成同步整流反激变换器,基本拓扑如图1(a)所示。为实现反激变换器的同步整流,初级MOS 管Q 和次级同步整流管SR 必须按顺序工作,即两管的导通时间不能重叠。当初级MOS 管Q 导通时,SR 关断,变压器存储能量;当初级MOS 管Q 关断时,SR 导通,变压器将存储的能量传送到负载。驱动信号时序如图1(b)所示。在实际电路中,为了避免初级MOS 管Q 和次级同步整流管SR 同时导通,Q 的关断时刻和SR 导通时刻之间应有延迟;同样Q 的导通时刻和SR 的关断时刻之间也应该有延迟。

同步整流反激变换器

图1 同步整流反激变换器

  2 同步整流管的驱动

  SR 的驱动是同步整流电路的一个重要问题,需要合理选择。本文采用分立元件构成驱动电路,该驱动电路结构较简单、成本较低,适合宽输入电压范围的变换器,具体驱动电路如图2 所示。SR 的栅极驱动电压取自变换器输出电压,因此使用该驱动电路的同步整流变换器的输出电压需满足SR 栅极驱动电压要求。

驱动电路

图2 驱动电路

  该驱动电路的基本工作原理:电流互感器T2 与次级同步整流管SR 串联在同一支路,用来检测SR 的电流。当有电流流过SR 的体二极管,则在电流互感器的二次侧感应出电流,该电流通过R1 转变成电压,当电压值达到并超过晶体管Q1 的发射结正向电压时,Q1 导通,达到二极管VD 导通电压时,VD 导通对其箝位。晶体管Q1 导通后,输出电压通过图腾柱输出电路驱动SR 开通。当SR 中的电流在电流互感器二次侧电阻R1 上的采样电压降低到Q1 的导通阈值以下时,Q1 关断,SR 关断。

  图中同步整流管驱动电路各元件的功能说明如下:

  •   SR 为同步整流管,用来代替整流二极管;
  •   T2 为电流互感器,用来检测通过SR 的电流,当有电流流过SR 的体二极管,则在电流互感器的二次侧感应出电流;
  •   R1 用来将互感器二次侧感应出的电流转变成电压,同时R1 的值决定同步整流管开通和关断时电流互感器二次侧电流大小;
  •   C1 和二极管VD 用来对互感器二次侧的电压进行滤波和箝位;
  •   偏置电阻R2,下拉电阻R3 和晶体管Q1 构成开关电路,利用Q1 的饱和截止,实现同步整流管SR 的导通和关断;
  •   Q2 和Q3 构成图腾柱输出电路,提供足够大的电流,使SR 栅源极间电压迅速上升到所需要值,保证SR 能快速开通。同时为SR 关断时提供反向抽取电流回路,加速SR 关断。

  3 同步整流反激变换器的设计

  同步整流反激变换器的电路如图3 所示,控制芯片选用UC3842。设计技术指标如下:

  •   输入电压Ui:100~375VDC
  •   输出电压Uo:12V
  •   输出电流Io:4A
  •   开关频率fs:100KHz
  •   最大占空比Dmax:0.45
  •   效率:η>80%
  •   工作方式:断续模式

同步整流反激变换器电路

图3 同步整流反激变换器电路

  3.1 启动电路设计

  芯片 UC3842 工作的开启电压为16V,在芯片开启之前,芯片消耗的电流在1mA 以内。

  正常工作后,欠压锁定电压为10V,上限为34V,芯片消耗电流约为15mA。启动时由输入直流电压通过启动电阻R4 向电容C2 充电,芯片消耗电流在1mA 以内,电容C2 上电压不断上升,当芯片7 脚上电压升至16V 时UC3842 开始工作,芯片消耗电流约为15mA,电容C2 上电压下降,辅助绕组上开始有电压,电容C3 上电压逐渐升高,当电容C3 上电压高于电容C2 上电压,二极管VD2 导通,由辅助绕组供电。

  辅助绕组供电电压取15V,电压纹波要求不高,滤波电容C3 取47μF。为了芯片可靠启动,电容C2 取100μF,电阻R4 取68KΩ,在输入电压最小时,通过启动电阻R4,能提供1.2mA的启动电流。


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同步整流? 反激变换器? UC3842? TL431?

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