无线电能传输系统高频同步整流电路设计本科毕业设计.doc

无线能量传输系统高频同步整流电路设计CHANGSHA UNIVERSITY OF SCIENCE & TECHNOLOGY 毕业设计（论文）题目：无线电能传输系统高频同步整流电路设计 无线能量传输系统高频同步整流电路设计摘要传统接触式能量传输系统主要通过导线进行能量传输。在传输过程中，由于插头和插座的接触摩擦而产生火花，在有些场所（如石油、化工企业）很容易产生危险，而且在很多用电场合，各种各样的电线连接到一起，既不美观，也非常不方便1。实现供电系统与电气设备之间没有导体接触，自然成为电能传输的重要研究方向之一，即无线电能传输技术。无线电能传输电路分为发射和接收两部分，电源提供直流电，通过DC-AC转换单元，转换为高频交流电提供给原边电感。再由副边电感接收能量经过整流滤波后变为直流电。其中传统的整流方式是通过整流二极管电路，但是整流二极管导通压降较高。快恢复二极管(FRD)或超快二极管(SRD)可达1.01.2V，即使肖特基二极管(SBD)，也会产生0.6V的压降2，整流损耗较大，电路效率低。采用低导通阻抗的MOSFET进行整流，可以大大降低这一损耗，是提高变换器效率的有效途径。用功率MOSFET作同步整流时，要求栅极驱动电压与被整流电压的相位保持同步才能完成整流功能，因此，这种使用功率MOSFET的整流技术，称为同步整流技术。本文重点分析了同步整流技术的各种拓扑结构以及驱动技术，结合不同结构存在的优缺点提出一种栅极电荷保持驱动方式的同步整流电路，着重分析了该电路各个阶段的运行方式，并且设计出电路进行仿真实验，得出了实验结果。关键词：无线电能传输技术；肖特基二极管；同步整流；栅极电荷保持THE DESIGN OF HIGH FREQUERCY SYNCHRONOUS RECTIFIER CIRCUIT FOR WIRELESS ENERGY TRANSMISSION SYSTEMABSTRACTTraditional contact energy transmission system mainly through a wire carrying energy transmission.In the transmission process, because the plugs and receptacles contact friction and produce sparks, and in some places (such as oil, chemical enterprise) is very easy to produce the danger. Realize the power supply system and electrical equipment no contact between a conductor, naturally becomes an important research direction of power transmission, that is wireless transmission technology.The wireless energy transmission circuit can be divided into two parts of transmitter and receiver.Provide DC power supply, through the DC-AC conversion unit, conversion for high frequency alternating current to provide the original edge inductance.Deputy edge inductance receive energy rectification of filter into the direct current.Among them the traditional way is through the rectifier diode rectifier circuit, but rectifier diode conduction pressure drop is higher.Fast recovery rectifiers (FRD) or super fast diode (SRD) is about 1.01.2V, even if the schottky diodes (SBD), also can produce 0.6V pressure drop, rectifier loss is bigger, circuit efficiency is lower.Using the MOSFET of low conduction impedance for rectification can greatly reduce the loss and improve the efficiency of the converter.It is an effective way.Using power MOSFET as synchronous rectifier, requires the grid driving voltage phase and the rectifier voltage phase of MOSFET keep synchronization to complete rectifier function, therefore, the use of power MOSFET rectifier technology, known as synchronous rectifier technology.This paper focuses on the analysis of the technology of synchronous rectifier topological structure and drive technology, combined with different structure and the advantages and disadvantages of the existing put forward a way of driving charge grid keep synchronous rectifier circuit, this paper analyzes the circuit at all stages of the operation mode, and design the circuit simulation experiment, it is concluded that the result of the experiment.Key words:Wireless energy transmission technology; Schottky diode; Synchronous rectifier; Grid charge keeping目 录1 绪论1 1.1 课题的研究背景和意义1 1.2 课题的研究现状2 1.3 课题研究的重点难点32 无线能量传输技术43 同步整流技术6 3.1 同步整流技术简介6 3.2 同步整流管的损耗分析7 3.3 同步整流管和肖特基二极管的损耗比较94 电路的设计10 4.1 结构分析与方案选择10 4.1.1 它激式同步整流器10 4.1.2 自激式同步整流器11 4.2 同步整流设计电路13 4.2.1 栅极电荷保持驱动方式13 4.2.2 主电路15 4.3 实验电路的管型选择16 4.3.1 辅助绕组的设计16 4.3.2 同步整流管的选择17 4.3.3 驱动芯片UCC3580175 仿真电路与结果196 结论23 6.1 存在问题与应用前景23 6.2 结论23参考文献24致谢25 无线能量传输系统高频同步整流电路设计1 绪论1.1 课题的研究背景和意义长期以来，电能主要是通过导线或导线间的相互接触进行传输的，电气设备一般通过插头和插座等电连接器的接触进行供电。但是，在大功率供电时，这种供电方式存在高压触电的危险。由于存在摩擦和磨损，会影响高电压等级电力系统的安全性、可靠性，并会缩短电力设备的使用寿命。特别是在化工、采矿等一些易燃、易爆领域，极易引发大的安全事故。在给运动设备进行供电时，如城市交通中的电车，一般采用滑动接触的方式进行供电，这种方式在使用上存在诸如滑动磨损、接触火花和不安全裸露导体等弊端。接触式供电方式给人们的生产生活带来了很多不便。随着小型移动设备的发展和这些传统有线能量传输问题的突出，传统的电源线供电模式已经不能满足人们对移动性及特殊场合的用电要求，无线电力传输技术成了研究热点。无线电力传输系统具有能量传递方便、无电源困扰等特性，有着非常广阔的应用前景。无线电力传输技术发展以来，不少学者针对这一问题进行了大量研究，提出许多实现电力无线传输的方法，主要可分为四类3：1.基于变压器感应原理实现的无接触能量传输；2.利用激光技术实现电力的无线传输；3.利用微波技术实现电力的无线传输，该技术研究较早，目前有相对成熟的理论，但其主要应用于大功率、远距离等人员比较少的场合；4.利用超声波技术实现电能的无线传输，是目前刚刚兴起的一种无线电能传输方式，其传输的能量还比较低。对比现有的几种无线电力传输方法，比较成熟的无线输电方式是基于变压器感应原理的无接触能量传输系统，但存在传输距离短的局限性。2007年麻省理工学院MIT发布的关于无线电力传输上新的理论突破，采用非辐射电磁能谐振隧道效应，成功在2m外点亮了一只60W的灯泡。该理论采用电磁谐振技术，突破了以往变压器感应式能量传输模式，具有传输效率高、距离远、介质依赖性低的特点，为米级无线电力传输技术的研究开辟了新的方向。该技术提出以来，迅速成为各大研究机构竞相追逐的热点，并相继在电动汽车、体内植入式医疗器械、小型机器人、便携式移动设备充电中取得了一定的突破。本课题的研究内容高频同步整流技术就是建立在电磁谐振耦合式无线电能传输系统之上的。传统的整流电路使用整流二极管进行整流，整流二极管的导通压降较高，快恢复二极管或超快恢复二极管的导通损耗可达1.01.2V，即使是低压降的肖特基二极管，也会产生大约0.6V的压降。这个压降将引起较大的通态损耗，当输出电流增大时，损耗也会随之增加，不能适应大电流工作。同步整流是采用通态电阻极低的功率MOSFET，来取代整流二极管以降低整流损耗的一项新技术。本课题将针对无线电能传输系统设计一种高频同步整流电路。1.2 课题的研究现状在开关电源领域，同步整流技术需求较大，也发展的比较早，上世纪80年代，日本电气公司就已经开发了用作SR的MOS管，导通电阻仅为13m。同步整流技术出现较早，但是早期的技术很难转换为产品，这是由于当时驱动技术不成熟，可靠性不高。国际上近几年加大了对同步整流技术的研究力度，解决了其存在的部分问题，使同步整流技术得到一定程度的推广。同时功率器件的发展和更新也给同步整流技术提供了发展平台。各类低导通电阻和低驱动电压的同步整流管的相继推出和同步整流驱动芯片的开发成功，给同步整流技术注入了新的活力。目前，同步整流技术的研究方向主要集中在一下几点4-5： 1.有效地驱动同步整流管。这是同步整流技术首先必须面对和解决的问题。对应于不同的变换器拓扑结构，如正激变换器、半桥变换器、推挽变换器、全桥变换器和反激变换器，同步整流管的驱动需解决的问题不同，包括如何解决驱动中的死区问题、驱动中的换流问题等等。 2.同步整流管的多管并联运行。当负载电流特别大时，其正向导通压降也比较大，效率大大降低。在这种情况下，通常采用的方式是多管并联运行同步整流技术。多管并联运行存在的主要问题是均流问题，即多个并联运行的同步整流管均分负载电流。 3.低电压大电流功率变换器模块的均流问题。与多管并联运行问题相同，多模块并联运行的主要技术障碍是模块之间的均流问题。 同步整流技术符合高效节能的要求，有非常广阔的应用前景。随着用于同步整流的功率MOSFET的批量投入市场，专用驱动芯片的出现及控制技术的完善，同步整流必将逐步应用于广泛的工业生产领域。1.3 课题研究的重点难点本课题的重点内容是利用同步整流技术降低整流电路的损耗，提高其整流效率。而同步整流电路的功率损耗主要来自于同步整流管的损耗。同步整流管主要参数包括寄生电容、通态电阻、体二极管的导通压降和阻断压降，主要损耗包括驱动损耗、开关损耗和导通损耗。当开关频率较低时，导通损耗占主导地位；当开关频率较高时，以驱动损耗和开关损耗为主。本课题主要研究高频同步整流，开关频率较高，所以SR管的驱动损耗和开关损耗是研究的重点。难点在于如何设计变换器的拓扑结构、同步整流管的选型和驱动方式的设计等。同步整流管的驱动技术可以分为外驱动和自驱动两种：外驱动技术常采用专门的同步整流驱动控制芯片和隔离芯片，能够提供较好的控制时序，但电路复杂，成本高，尤其是电路的复杂程度和成本随开关频率的提高而增加；自驱动技术是指SR管的栅极驱动信号取自SR所在回路中的某一电压或电流，根据驱动信号来源可分为副边绕组驱动方式、辅助绕组驱动方式、滤波电感耦合驱动方式、栅极电荷保持驱动方式等。目前国际上用于同步整流技术的拓扑结构非常多，常用有如：BUCK变换器、正激变换器、半桥变换器、推挽变换器等，不同的拓扑结构各有优缺点，可采用的驱动方式，应用领域都有一定差别。针对本课题所研究的高频同步整流，因为主要是应用于无线能量传输系统，开关频率在1MHZ以上，所以自驱动方式更适用一些。自驱动方式有电压型和电流型，还有不同的信号的来源，我们需要通过实验验证来选取相对更好的方法。拟采用的途径是通过查阅大量的相关资料，整理得到目前已有的各种同步整流技术，包括拓扑结构、SR管选型、驱动方法以及各种存在问题的针对性解决办法；然后实验验证，选取一种可行性方案；设计电路，实验观察结果，根据实验结果做出相关改进。2 无线能量传输技术 无线能量传输泛指一切借助某种载体实现无直接电气连接的电能传输技术。这种载体有很多种，比如无线电波、磁场感应耦合、磁场共振耦合、激光等。但是研究最多和理论最成熟的是磁场感应耦合，感应耦合技术传输效率很高，可以达到90%以上，但是传输距离很短，厘米级的距离，传输效率随着距离的增大急剧下降，而且不能实现全方位传输。目前磁场共振耦合技术是一个新的研究方向。磁场共振耦合技术最早是由麻省理工学院MIT提出，他们利用电磁谐振原理实现了中距离的电能无线传输，在2M多距离内将一个60W的灯泡点亮，且传输效率达到40%左右。磁场共振耦合传输技术与其他一些无线电能传输技术相比有几大优点6：与电磁感应原理相比，传输距离大大提高，突破了电磁感应原理仅仅在1cm以内的距离限制，而且理论上不考虑一些其他物体的影响，距离可以进一步提高；与无线电波传输技术相比，具有传输效率高的特点，微波传输只有几毫瓦至一百毫瓦的数量级，而谐振耦合电能传输技术在几十瓦到几百瓦的数量级，在效率上提高有万倍。但是，现阶段谐振耦合无线传输技术仍处于研究阶段，技术远未成熟。磁场共振耦合无线传输系统主要有两部分组成，发射端和接收端。发射端有整流电路、逆变电路和发射线圈，接收端有接收线圈、整流电路和滤波电路。系统模型如下图所示。图2.1 磁场共振耦合无线传输系统 如上图所示，在磁场共振耦合电能传输系统中，整流电路在发射端和接收端都利用到。因此，降低整流电路的损耗可以有效的减小整个系统的损耗，提高整个系统的传输效率。传统的整流电路使用二极管整流，二极管性能稳定，技术成熟，且价格便宜，但是随着原材料市场的发展，MOSFET管的价格不断下降，而且性能相比二极管要优越很多，低导通电阻、低压降的MOS管必然会在未来的整流市场得到更广泛的使用。但是，目前还没有很成熟的电路结构可以有效的驱动MOS管，在整流效率方面完全的超越二极管甚至取代二极管。本文在电路研究方面做出一些努力，希望可以在同步整流技术的发展潮流中做出一点微薄的贡献。3 同步整流技术3.1 同步整流技术简介同步整流是采用通态电阻极低的专用功率MOSFET，来取代整流二极管以降低整流损耗的一项新技术。它能大大变换器的效率并且不存在由肖特基势垒电压而造成的死区电压。功率MOSFET属于电压控制型器件，它在导通时的伏安特性呈线性关系。用功率MOSFET做整流器时，要求栅极电压必须与被整流电压的相位保持同步才能完成整流功能，故称之为同步整流。近年来，同步整流技术研究较多，发展也很快。提出了许多实用的拓扑结构和驱动方法7。基本的变压器抽头方式双端自激、隔离式降压同步整流电路图3.1 双端自激隔离式降压同步整流电路如上图所示的同步整流电路是采用双端自激的驱动方式，这种电路驱动波形比较完整，但是由于MOS管的驱动开启电压，两个同步整流管互相交替开关之间有一个死区时间，这段时间无信号输出，造成能量流失，同时由于增加一个变压器线圈，损耗增加。单端自激、隔离式降压同步整流电路图3.2 单端自激隔离式降压同步整流电路如上图所示的电路，采用单端自激的方法，基本工作原理是在次级电压的正半周，同步整流管V1导通，V2关断，同步整流管V1起到整流作用；在次级电压的负半周，同步整流管V1关断，V2导通，此时整流管V2起到续流作用。这种整流电路的主要部件是续流电感L，在一个循环周期内，后半个周期的续流全部来自于L，因此电感L的取值非常重要。当开关频率低于1MHz时，导通损耗占主导地位；开关频率高于1MHz时，以栅极驱动损耗为主。3.2 同步整流管的损耗分析同步整流器的效率取决于MOSFET整流损耗的大小，MOSFET的整流损耗分析比较复杂，它既与其等效模型的参数有关，又与栅极驱动电压、开关频率有关。当开关频率很高（1MHZ以上）、栅极驱动电压较大时，驱动损耗明显增加，这时，MOSFET无法实现所谓的无损耗驱动；而在大电流整流运行时，MOSFET整流效率并不总是优于肖特基二极管的整流效率，因而必须考虑采用多管MOSFET并联同步整流方式8。当同步整流MOSFET管的开关频率低于500kHZ时，可以忽略栅极驱动损耗，即所谓的无驱动损耗。但是，当开关频率很高（1MHZ)时，不能忽略栅极驱动损耗。MOSFET栅极驱动损耗由极间寄生电容、栅源电压和开关频率共同决定。而MOSFET的导通损耗总是存在的，它由导通电阻和整流器的输出电流决定。图3.3 MOSFET的等效损耗模型MOSFET的等效损耗模型如图所示，其中Rg为栅极电阻，Cgs为栅极和源极之间的寄生电容，Cgd为栅极和漏极之间的寄生电容，Cds为漏极和源极之间的寄生电容，Rd与Rcha之和为导通电阻，即沟道电阻Rds(on)，它与栅源电压有关。沟道等效电阻Rds(on)随着栅源电压Vgs增大而减小，可以表示为 （1）MOSFET管的静态导通损耗可以表示为 （2）Io为输出电流，Rds(on)由式（1）确定。导通电阻随着栅极驱动电压的增大而减小。由（2）可知，导通损耗随着负载电流Io的增加而增加，随着栅极驱动电压的增大而减小。在一个开关周期内，电容的充放电损耗为 （3）对于MOSFET而言，Vmax-Vmin即为其栅极驱动电压Vgs，C(v)即为Cgs，因而同步整流MOSFET管的栅极驱动损耗为 （4）式中f为开关频率。故MOSFET管的整流总损耗为 （5）为了减小MOSFET的导电损耗Pcond，可以减小导通电阻Rds（on）。而增加栅极驱动电压可以减小导通电阻，但是，栅极驱动电压不可能无限制增大，同时，增加栅极驱动电压会增加驱动损耗。因此，在栅极驱动电压和导电电阻之间，应该找到一种折中方案，使得MOSFET管的整流损耗最小。3.3 同步整流管和肖特基二极管的损耗比较在使用MOSFET同步整流技术提高整流效率之前，一直是采用肖特基二极管整流。从前面的结果分析表明，由于MOSFET的漏源极之间可以等效为一个阻值恒定的电阻，因此MOSFET导通压降和导通损耗将随着同步整流电流的上升而增加，导通压降和整流电流成正比，增加速度较快。而肖特基二极管的研究表明，其导通压降随着导通电流增加而成饱和趋势，最大导通压降在0.40.5之间。采用MT P75N05HD的MOSFET和85CNQ015的肖特基二极管，在不同整流电流下，实验得出如下图所示的正向导通压降曲线。从图中可以明显看出，当整流电流小于45A时，MOSFET导通压降比肖特基二极管导通压降小。但当整流电流大于70A时，MOSFET导通压降明显大于肖特基二极管的导通压降9。图3.4 肖特基二极管和MOSFET正向导通压降比较可见MOSFET导通压降并不总是低于肖特基二极管，进而说明同步整流管的效率也不总是优于肖特基二极管。因此，当整流电流超过一定大小时，同步整流技术应该考虑MOSFET多管并联，或采用肖特基二极管整流。4 电路的设计4.1 结构分析与方案选择根据同步整流管的驱动方法的不同，同步整流器可以分为两种：自激式同步整流和它激式同步整流。不管什么驱动方法，目标都是为了得到一个理想的驱动波形，如下图所示。图4.1 同步整流器理想驱动波形4.1.1 它激式同步整流器它激式同步整流器是最先采用的，每个SR管对应一套复杂的驱动电路,驱动电路包括时延逻辑、驱动器和变压器，如图3.4 所示，SR1的驱动电路与SR2相同10。图4.2 它激式同步整流器原理图这种驱动方式不仅电路复杂、臃肿，而且在提高电源效率上有显著的不足， 因为它较难保证SR 管栅极驱动信号与漏-源极电压变化的同步，而这同步关系正是SR 技术所需要的。正是由于这些原因，它激式SR 逐渐不被接受。4.1.2 自激式同步整流器自激式同步整流器有很多种拓扑结构，有交叉式同步整流、感应式同步整流、附加绕组驱动同步整流等。交叉式同步整流器因为SR1、SR2的栅极和漏极通过主变压器交叉联接而得名。这种形式SR 的最大特点是SR 管的驱动网络极其简单, 它是利用主变压器次级的电压来实现SR 管的开通与关断, 无需附加驱动器和附加变压器。因为变压器的去磁复位方式多种多样, 相应的次级电压波形也有多种形式, 适用于同步整流的复位方法有:正激谐振复位式；正激有源钳位复位式；正激多谐振复位式。对应于上述变压器的三种复位方式，便有三种SR 拓扑，如下图所示。图4.3 三种交叉式同步整流的电路原理图图4.4 三种交叉式同步整流器对应的驱动波形上图为不同的变压器磁复位电路所对应次级驱动波形。通过观察图中的驱动波形，同时与图4.1比较可知，图b的波形更接近于理想波形，因此，我们选用正激有源钳位复位电路。这种电路还有其他的一些优点，比如：钳位电路可以帮助减小主开关管的电压应力；变压器工作合理利用率高，可减小体积；当主变压器励磁电感低于某值的时候，可以实现主开关管的零电压开通，减小开启损耗。由于这些优点，正激有源钳位复位电路在工程上的使用率更广。感应式同步整流器可以分为电流感应式同步整流和电压感应式同步整流。感应式同步整流的主要思想是通过检测同步整流管自身的电流电压状态来控制整流管的开启和关断。更加详细的理解就是指通过一个控制逻辑单元处理整流管的栅极信号和漏-源电压信号，当整流管的漏-源极电压降到零时，整流管开通，当整流管的漏极电流降低到零的时候，整流管关断，这也是一种理想的整流驱动状态。在实际工作中，想要达到理想的驱动状态几乎不可能，由于元件对信号的传递时延和驱动器对整流管栅极的充电时间延迟，必然会导致整流管的开通和关断被延迟。所以这种感应式电路往往需要设计专门的控制逻辑单元来处理所获取的电压电流信号，才能得到较为满意的驱动波形。感应式同步整流的传统模型如下图所示。图4.5 传统电流驱动同步整流器结构模块和原理电路4.2 同步整流设计电路 基于同步整流电路各种拓扑结构的分析，在主变压器的初级，正激有源钳位复位电路具有很好的次级驱动波形；在主变压器的次级，自激式驱动方法电路拓扑简单，驱动易于控制，不需要专门的驱动芯片。因此，本文采用自激式驱动方法。 同步整流技术难以克服的一个难点是驱动死区的问题，续流管在续流期间不能实现完全导通，续流电流流过二极管，因此损耗会增大，本文设计了栅极电荷保持驱动电路，不需要专门的驱动逻辑单元，没有外驱动电路的复杂性，只需要增加一个二极管和一个低导通电阻MOS管即可有效解决一般同步整流器的驱动死区问题，减少整流管的体二极管的导通时间，从而降低由于体二极管压降带来的附加整流损耗11-13。4.2.1 栅极电荷保持驱动方式栅极电荷保持驱动方式可以保持续流管在续流期间开通状态，从而防止体二极管的导通，降低了损耗。图4.6 栅极电荷保持电压驱动的基本原理如上图所示，在t0时刻之前，输入信号Vin为0，开关S关断。电容C的初始电压为0。当输入信号Vin为正时, 二极管VD导通，通过二极管对电容C正向充电。当输入信号Vin变为0。二极管VD承受反向电压截止。只要开关S保持关断，电容C上的电荷将得以保持,Vout即可维持高电平。当开关S导通后，电容C通过开关S放电,Vout迅速变为0。如果C是同步整流管的栅极寄生电容，S是一个辅助开关,那么在S保持关断这段时间内，即使输入驱动信号Vin降为0，同步整流管的栅极电压仍可保持高电平。4.2.2 主电路图4.7 有源箝位同步整流正激变换器如上图所示，变压器原边为有源箝位正激变换电路，副边为栅极电荷保持驱动同步整流电路，有源箝位正激变换器目前在低电压、大电流的电源市场有很广泛的应用，与传统的磁复位方法比较，这种有源箝位的复位方法有很多的优点:变压器可以对称磁化，工作在B-H回线的第一和第三象限，变压器得到充分利用，占空比可以大于0.5，开关管的电压应力低，适合于输入电压范围比较宽的应用场合。钳位开关管是零电压开关。励磁能量和漏感能量全部回馈电网。目前，有源箝位还有一些缺点，主开关是硬开通的，因此存在开通损耗。有源箝位技术简化了变压器副边的整流电路，它可以使自驱动的，MOS管的栅极驱动电压直接取自于变压器副边，即如前所述的交叉式同步整流器。在有源箝位同步整流正激变换器中，为了实现原边主开关管和辅助开关管的零电压开关，需要设置一定的延迟，这样就会在副边的同步整流管中带来死区。栅极电荷保持技术可以较好的解决这个死区问题。原理电路如上图所示。在栅极电荷保持电路的原理图中，辅助开关管Sa一般采用小功率MOSFET，也可以用三极管。D6的作用是当同步整流管Q3关断后使其电压箝位在D6的反向截止电压，这样可以降低Q3的驱动损耗。从原理图可以看出，使用栅极电荷保持技术只需要在电路中增加一个小功率MOSFET、三个二极管、一个附加绕组，电路实现起来很简单。下面是副边电路的工作原理。假设：所有元器件都是理想的；输出滤波电感足够大，在一个开关周期 ，输出滤波电感Lf和电容Cf可用一恒值电流Io代替；Lks为变压器漏感在副边的折合值。具体的工作模态分析如下：模态(a)中，原边的变压器复位已经结束，主开关管还没有开通，变压器副边绕组上的电压为零，但是由于采用了栅极电荷保持技术，开关管Q4仍然导通。当Q3的栅源电压达到其门槛电压以前，Q3的体二极管导通，如模态(b)所示，这为Q3提供了零电压开通，从而减少了Q3的开关损耗。当原边主开关管Q1开通以后，输入电压加在变压器的原边绕组上，变压器副边电路从模态(b)变换到模态(c)，输出电流开始从Q4换流到Q3。模态(d)中，换流过程结束以后，Q3导通，Q4关断，输出电流完全流过整流管Q3。对于附加驱动绕组支路，附加驱动绕组的感应电压通过二极管D7对Q3和Sa的栅源电容充电，二极管D6和D5由于承受反向电压而截止。当原边主开关管关断以后，辅助开关管导通，变压器开始磁复位。变压器副边电路从模态(e)变换到模态(f)，输出电流从Q3流向Q4，开始新的换流过程。在主开关管关断时，由于Q4的体二极管导通，Q4也是零电压开通，如模态(e)所示。模态(g)中，换流过程结束以后，Q3完全关断，Q4完全导通，输出电流流过Q4。在变压器磁复位结束以后，Q4的栅源电容储存的电荷由于没有放电回路而得以保持，因此Q4的栅源之间仍然有驱动电压而保持导通，即实现了栅极电荷的保持功能。4.3 实验电路的管型选择4.3.1 辅助绕组的设计输入电压是变化的, 当输入电压最小时, 辅助绕组电压不低于同步整流管栅极驱动门槛电压; 当输入电压最大时, 辅助绕组电压不超过栅极驱动电压限值。选择的辅助绕组应该确保有效的驱动同步整流管Q3和Q4。辅助绕组匝数应该满足下式: （6） （7）即 （8）式中Vinlow表示输入电压的最小值，Vinhigh表示输入电压的最大值，Vgs表示同步整流管Q3和Q4的栅极驱动电压限值，Vth表示栅极驱动的门槛电压。4.3.2 同步整流管的选择选择同步整流管的基本要求是导通电阻Rds尽量小，电压和电流不超过整流管的电压和电流限值。Q3和Q4的最大漏源电压由下式确定 （9）Q3和Q4允许流过的电流有效值的最大值分别由下式确定 （10） （11）式中表示最大占空比，表示最小占空比。Q3和Q4允许流过的电流峰值为 （12）这里假设输出电感的波纹电流为输出电流的20%。Sa的最大电压应力应该满足下式 （13）最大电流应力和电流有效值限值满足下式 （14） （15）式中表示Q4的栅极驱动电压，表示Sa的导通电阻，表示Q4的输出电容。4.3.3 驱动芯片UCC3580本实验中，UCC3580用来驱动逆变电路中的两个开关管，如主电路图所示。在主电路图中，有源钳位逆变电路的功率管驱动控制芯片采用有源箝位专用芯片UCC3580。在PWM控制器中UCC3580系列产品的设计为了实现有源钳位/复位和同步整流器开关变换器拓扑结构的多样化。除了一般PWM控制器必需的功能固定频率、高性能脉宽调制之外，UCC3580增加了一个辅助开关驱动，补充主电源开关，还可以对死区时间和延迟进行编程控制。UCC3580在同步整流中的应用实例，输入12V的交变电压，输出为3.3V、5A的直流电，下图所示为UCC3580的驱动波形。图4.8 驱动控制芯片UCC3580的驱动波形由图5.2所示，输出OUT1用来驱动主开关管，输出OUT2用来驱动辅助开关管。两个输出之间有两个延迟:DELAY1和DELAY2，DELAY1可以通过UCC3580的管脚DELAY外接电阻R3的大小来控制。如下式所示： （16）DELAY2一般要大于DELAY1，且两者有一个固定的比例值。5 仿真电路与结果仿真平台是美国NI公司推出的Multisim仿真工具。仿真电路有二极管半波整流、一般自激式同步整流和栅极电荷保持同步整流。二极管半波整流仿真图如下图所示。图5.1 二极管半波整流图上图是一个简单的二极管半波整流仿真图，二极管型号为IN4007，主要参数：在1A交流25摄氏度下最大正向导通电压为1.1V，25摄氏度下最大直流反向电流5A。在仿真中通过万能表测量了在不同负载下二极管的整流效率。整流波形如图5.2所示。图5.2 二极管半波整流波形单管自激式同步整流仿真电路如图5.3所示。通过万能表测量单管同步整流的效率，与同等条件下二极管的整流效率相比较。图5.3 单管自激式同步整流电路图5.3中同步整流管采用IRF131，主要参数：低导通电阻，与二极管IN4007相比，理论上当电流小于6A时，IRF131的正向导通压降小于IN4007的正向导通压降。整流波形如图5.4所示。图5.4 单管自激式同步整流电路波形图5.4的整流波形有一定的负脉冲，这是由于同步整流管IRF131的关断延迟引起的，关断延迟时间决定因素：变压器次级电压信号的上升到的时间，整流管的开启响应时间，IRF131的开启响应时间最长为30ns。比较仿真测试结果，数据统计如表1。从表一可以看出，同步整流的效率要高于二极管整流电路。表5-1 二极管整流和同步整流效率的实验数据负载（RL)二极管整流（IN4007）同步整流（IRF131）输入电压输出电压效率值输入电压输出电压效率值1002V802.022mV40.1%2V931.923mV46.6%3002V825.274mV41.3%2V943.462mV47.2%5002V836.180mV41.8%2V945.166mV47.3%1k2V850.686mV42.5%2V952.667mV47.6% 栅极电荷保持电路的驱动波形仿真电路，如图5.5所示。图5.5 实验电路仿真图上图中的主要实验参数有：变压器线圈2:2和2:1电路输入电压V1的大小约12V，变压器次级输出约3V，电路的工作频率为1KHZ。元器件清单如下：开关管全部采用IRF131，主要性能参数当Id=8A，Vgs=10V时，Rds（on）最大为0.18；二极管D4、D5、D6都采用IN4007，主要参数为IFM=0.2A，VR=75V。实验电路波形如图5.6、5.7所示。图5.6为同步整流管Q3的栅极驱动波形，如图所示，驱动波形为半正弦曲线。图5.7为同步整流管Q4的栅极驱动波形，如图所示，驱动波形为接近方波曲线，这是由于二极管D3和开关管Q5组成的栅极电荷保持电路的作用。栅极电荷保持驱动电路解决了两个开关管之间存在的死区时间，降低了驱动损耗。图5.6 Q3的栅极驱动波形(横轴为时间t/s，纵轴为电压幅值u/V)图5.7 Q4栅极驱动波形(横轴为时间t/s，纵轴为电压幅值u/V) 栅极电荷保持驱动电路的设计，可以有效的解决同步整流管驱动转换之间的死区时间问题，由此可以降低同步整流电路的损耗，提高整流效率。图5.8 整流结果图(横轴为时间t/s，纵轴为电压幅值u/V) 实验结果波形比较理想。本次实验得出同步整流在