低压大电流高频整流电路--

低压大电流高频整流电路

摘要:随着信息技术的迅速发展，中小功率变换器在计算机、通信和其它工业领域中得到了广泛的应用．为满足应用场合对数据处理更快速、更有效的要求，对变换器的要求也不断提高，使得变换器向着更低的输出电压、更高的输出电流、更高的效率，更快的动态响应以及更高的可靠性等方向发展。本文首先介绍了一些器件，然后分析倍流整流电路的工作原理。分析结果表明，由于倍流整流结构的整流管损耗小、动态响应快以及输出电流的纹波小等优点，使其成为低压大电流的常见的整流结构。采用Matlab 软件对同步整流电路进行了仿真实验，并对仿真结果进行了分析。

关键词：倍流整流；Matlab

Abstract: with the 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 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 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 and the simulation results are analyzed.

Key words: times flow rectifying; The matlab

引言

电力电子技术是一门涉及电机控制、电力半导体器件、功率交换、模拟和数字电路、控制理论、计算机应用、数字仿真的新兴交叉边沿学科。电力电子技术主要研究电能变换、处理、传递，研究采用功率半导体器件完成运动控制和功率变换提供各种交频器和功率控制电源。

与全波整流相比，倍流整流器的高频变压器的副边绕组仅需一个单一绕组，不用中心抽头。与桥式整流相比，倍流整流器使用的二极管数量少一半。所以说，倍流整流器是结合全波整流和桥式整流两者优点的新型整流器。当然，倍流整流器要多使用一个输出小滤波电感。但此电感的工作频率及输送电流均比全波整流器的要小一半，因此可做得较小，另外双电感也更适合分布式功率耗散的要求. 倍流整流电路更适用于低压大电流的副边整流。同步整流技术就是实现同步整流管的栅源极之间的驱动信号与同步整流管的漏源极之间开关同步的手段或者方法。理想的同步整流技术是使得同步整流管起到和整流二极管同样的作用，即正向导通，反向截止．低电压大电流输出时，整流二极管的使用会引起很大的能量损耗，大大降低电源效率。而用于同步整流的低电压功率MOSFET ，由于其导通电阻非常小，即使输出电流很大，同步整流管上的正向导通压降很低，因此用低电压功率MOSFET 代替整流二极管势在必行。可以说，低电压大电流输出时，同步整流技术是提高变换器效率的一种有效的手段。

电力器件简介

同步整流MOSFET 管简介：

MOSFET是利用一种极性载流子(多数载流子) 参与导电的电力场控效应管，是单极型晶体管。MOSFET 通过改变栅极电压大小来控制内部导电沟道的厚度，从而实现控制漏极电流Id ，当电压V 。小于开启电压V 。，无论Vds 的极性如何，Id 几乎为零。为了减少MOSFET 器件的通态电阻，在保证耐压的情况下，应尽量增加导电沟道的厚度，即适当降低vgs 以降低驱动损耗和导通损耗。由于栅极电压V 。的作用仅仅是形成漏极和源极之间的N 型导电沟道，而N 型导电沟道又相当于一个无极性的等效电阻，所以MOSFET 具有双向导电的特性，满足了同步整流电路对整流器特性的要求。值得注意的是同步整流时MOS 管是反接的，即电流必须从源极(S)流向漏极①) ，这与作为开关使用时是完全不同的。另外MOSFET

还有其他的特点：

(1)导通电阻小，负载电流大，输入阻抗高，驱动功率小，驱动电路简单。

(2)导通电阻具有正的温度系数，电流加大时，温度上升，电阻加大，对电流起自动限流的作用，不会产生二次击穿的现象。

(3)漏极电流具有负的温度系数，因此多个MOSFET 可以并联使用，有自动均流的作用。

(4)开关速度快，工作频率高。

根据以上特点，可知MOSFET 很适合用作低压大电流开关电源的整流组 件。选择MOSFET 也有注意的地方：它和双极性晶体管不同，栅极电容比较 大，在导通之前要先对该电容充电，当电容电压超过阈值才开始导通。因 此，栅极驱动器的负载能力必须足够大，以保证在系统要求的时间内完成

对等效栅极电容的充电。此外，栅极电荷Q 。、导通电阻Rds 、输入电容和输出电容等都是要考虑的参数。

按驱动信号类型的不同同步整流器可分为电压驱动型和电流驱动型两个大类。

电压驱动同步整流器的分类：

电压驱动整流器按驱动方式又可分为自驱动、外驱动和混和驱动三种。以下简单分析这几种驱动方法。

电压自驱动方法 自驱动电压型同步整流技术是由变换器中变压器直接取电压信号驱动相应MOSFET 管。一般变换器中变压器次级各点的电压信号可以用于驱动同步整流管的由变压器次级绕组的输出端电压和输出滤波电感的互感电压。变压器次级绕组输出端电压驱动，驱动信号直接从变压器副边绕组输出端直接取得驱动信号。工作过程如下：

当变压器副边电压为正时，同步整流管Ql 的栅极承受正电压而导通；Q2的栅极电压承受负电压而关断。电路通过同步整流管Ql 整流。当变压器副边电压为负时，同步整流管Q2的栅极承受正电压而导通；Ql 的栅极电压承受负电压而关断。电路通过同步整流管Q2整流．变压器副边电压为零的时间段称为死区时间。在死区时间内，Ql 和Q2的栅极电压都为零而不能导通。这时的负载电流经同步整流管Ql 和Q2的体二极管续流。这是一种传统的同步整流技术，其优点是不需要附加的驱动电路，结构简单。其缺点是只能针对小功率的电路，如果副边

电压超过驱动电压(一般20v) 就可能损坏管子；另外两个MOSFET 的驱动电压时序不够精确，MOSFET 不能在整个周期内代替二极管整流，使得负载电流流经二极管的时间较长。而体二极管的正向导通压降高，反向恢复特性差，导通损耗非常大，限制了效率的提高。对于任何的同步整流管，理想驱动波形都是希望能使得它起到与理想的二极管相同的整流和续流的作用，即正向电压开通，反向电压关断。但是在任何一种拓扑结构中，变压器的电压都存在死区。这就使得自驱动同步整流技术不能在续流阶段保持整流管的导通。变压器次级绕组输出端电 压自驱动的最大缺点在于续流管关断过迟，其根源在于其关断受占空比、变压器和其他一些寄生电感的影响。要解决这个问题就必须采用适当的电路使得同步整流管的栅极电荷保持而使得同步整流管在死区时间内继续导通。对于正激式变换器等非对称拓扑，其相应的解决办法式在变压器复位中采用有源钳位的方法，从而使得变压器电压在死区时间内一直为负，从而续流管得以开通。另外还有栅极电荷转换(Gate charge commutation)电压驱动方法可以解决推挽式和桥式等对称电路的续流问题。

电压外驱动外驱动同步整流技术中MOSFET 的驱动信号需要从附件的控制驱动电路中获得。为了实现驱动同步，附加的驱动电路一般由同步整流管的漏源极电压信号V 。来对其时序进行控制。外驱动电路可以通过控制提供精确的时序，是同步整流管的驱动信号与理想驱动波形一致。但它要求附加复杂的驱动电路。目前外驱动的方法通常由专门的芯片来实现，价格昂贵，并且外围电路复杂，所以应用不够广泛。

电压驱动同步整流器的优点和缺点优点：

第一，驱动能量损耗小，由于MOSFET 的驱动就是对栅极和源极之间的寄生电容充电和放电，电压型驱动的驱动损耗就是主要在于对这个电容的充放电过程的损耗；第二，设计简单灵活。可以根据不同的拓扑结构设计合适的驱动方法． 。 但是以上所说的各种电压型驱动方法均存在下列局限：

一是同步整流管的栅极驱动电压随输入电压的变化而变化。无论栅极驱动信号在变压器次级的任何地方取，其电压都会随着输入电压的变化而变化；二是不同的开关电源拓扑结构的电压驱动同步整流器。三是采用电压驱动同步整流器 的变换器不适应并联运行。四是它在电感电流不连续的模式下，或者是轻载条件下，它不能使得变换器提高效率。

电流驱动型：

电流驱动同步整流是通过检测流过自身的电流来获得MOSFET 驱动信号。因为MOSFET 管在流过正向电流时导通，在流过自身的电流为零时关断，使反向电流不能流过MOSFET 管。整流管就和二极管一样实现了正向电压导通，反向电压关断。它可以在不同的交换器拓扑需要不同的驱动电路或者结构。它解决了在输出电感电流不连续的轻载条件下效率低的问题。同时它也使用于并联运行的条件下应用。但是电流驱动同步整流技术中由检测电流而造成的功率损耗很大，影响了它的应用。

二极管简介

二极管（英语：Diode ），电子元件当中，一种具有两个电极的装置，只允许电流由单一方向流过。许多的使用是应用其整流的功能。而变容二极管则用来当作电子式的可调电容器。大部分二极管所具备的电流方向性，通常称之为“整流（Rectifying ）”功能。二极管最普遍的功能就是只允许电流由单一方向通过（称为顺向偏压），反向时阻断 （称为逆向偏压）。因此，二极管可以想成电子版的逆止阀。然而实际上二极管并不会表现出如此完美的开与关的方向性，而是较为复杂的非线性电子特征——这是由特定类型的二极管技术决定的。二极管使用上除了用做开关的方式之外还有很多其他的功能。早期的二极管包含“猫须晶体”以及真空管(英国称为“热游离阀“。现今最普遍的二极管大多是使用半导体材料如硅或锗。 1、正向性

外加正向电压时，在正向特性的起始部分，正向电压很小，不足以克服PN 结内电场的阻挡作用，正向电流几乎为零，这一段称为死区。这个不能使二极管导通的正向电压称为死区电压。当正向电压大于死区电压以后，PN 结内电场被克服，二极管正向导通，电流随电压增大而迅速上升。在正常使用的电流范围内，导通时二极管的端电压几乎维持不变，这个电压称为二极管的正向电压。

2、反向性

外加反向电压不超过一定范围时，通过二极管的电流是少数载流子漂移运动所形成反向电流。由于反向电流很小，二极管处于截止状态。这个反向电流又称为反向饱和电流或漏电流，二极管的反向饱和电流受温度影响很大。

3、击穿 外加反向电压超过某一数值时，反向电流会突然增大，这种现象称为电击穿。引起电击穿的临界电压称为二极管反向击穿电压。电击穿时二极管失去单向导电性。如果二极管没有因电击穿而引起过热，则单向导电性不一定会被永久破坏，在撤除外加电压后，其性能仍可恢复，否则二极管就损坏了。因而使用时应避免二极管外加的反向电压过高。二极管是一种具有单向导电的二端器件，有电子二极管和晶体二极管之分，电子二极管现已很少见到，比较常见和常用的多是晶体二极管。二极管的单向导电特性，几乎在所有的电子电路中，都要用到半导体二极管，它在许多的电路中起着重要的作用，它是诞生最早的半导体器件之一，其应用也非常广泛。二极管的管压降：硅二极管（不发光类型）正向管压降0.7V ，锗管正向管压降为0.3V ，发光二极管正向管压降会随不同发光颜色而不同。主要有三种颜色，具体压降参考值如下：红色发光二极管的压降为2.0--2.2V ，黄色发光二极管的压降为1.8—2.0V ，绿色发光二极管的压降为3.0—3.2V ，正常发光时的额定电流约为20mA 。二极管的电压与电流不是线性关系，所以在将不同的二极管并联的时候要接相适应的电阻。

二极管工作原理（正向导电，反向不导电）：

晶体二极管是一个由p 型半导体和n 型半导体形成的p-n 结，在其界面处两侧形成了空间电荷层，并且建有自建电常当不存在外加电压时，因为p-n 结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。 当产生正向电压偏置时，外界电场与自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。（也就是导电的原因） 当产生反向电压偏置时，外界电场与自建电场进一步加强，形成在一定反向电压范围中与反向偏置电压值无关的反向饱和电流。（这也就是不导电的原因） 晶体二极管为一个由p 型半导体和n 型半导体形成的p-n 结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电常当不存在外加电压时，由于p-n 结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。 当外界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。 当外界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场进一步加强，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流I0。

当外加的反向电压高到一定程度时，p-n 结空间电荷层中的电场强度达到临界值产生载流子的倍增过程，产生大量电子空穴对，产生了数值很大的反向击穿电流，称为二极管的击穿现象。

反向击穿

反向击穿按机理分为齐纳击穿和雪崩击穿两种情况。在高掺杂浓度的情况下，因势垒区宽度很小，反向电压较大时，破坏了势垒区内共价键结构，使价电子脱离共价键束缚，产生电子-空穴对，致使电流急剧增大，这种击穿称为齐纳击穿。如果掺杂浓度较低，势垒区宽度较宽，不容易产生齐纳击穿。

雪崩击穿

另一种击穿为雪崩击穿。当反向电压增加到较大数值时，外加电场使电子漂移速度加快，从而与共价键中的价电子相碰撞，把价电子撞出共价键，产生新的电子-空穴对。新产生的电子-空穴被电场加速后又撞出其它价电子，载流子雪崩式地增加，致使电流急剧增加，这种击穿称为雪崩击穿。无论哪种击穿，若对其电流不加限制，都可能造成PN 结永久性损坏。

应用

1. 整流

整流二极管主要用于整流电路，即把交流电变换成脉动的直流电。整流二极管都是面结型，因此结电容较大，使其工作频率较低，一般为3kHZ 以下。

2. 开关

二极管在正向电压作用下电阻很小，处于导通状态，相当于一只接通的开关；在反向电压作用下，电阻很大，处于截止状态，如同一只断开的开关。利用二极管的开关特性，可以组成各种逻辑电路。

3. 限幅

二极管正向导通后，它的正向压降基本保持不变（硅管为0.7V ，锗管为0.3V ）。利用这一特性，在电路中作为限幅元件，可以把信号幅度限制在一定范围内。

4. 续流

在开关电源的电感中和继电器等感性负载中起续流作用。

5. 检波

检波二极管的主要作用是把高频信号中的低频信号检出。它们的结构为点接触型。其结电容较小，工作频率较高，一般都采用锗材料制成。

6. 阻尼

阻尼二极管多用在高频电压电路中，能承受较高的反向击穿电压和较大的峰值电流，一般用在电视机电路中，常用的阻尼二极管有2CN1、2CN2、BSBS44等。

7. 显示

用于VCD 、DVD 、计算器等显示器上。

8. 稳压

这种管子是利用二极管的反向击穿特性制成的，在电路中其两端的电压保持基本不变，起到稳定电压的作用。常用的稳压管有2CW55、2CW56等。

9. 触发

触发二极管又称双向触发二极管（DIAC ）属三层结构，具有对称性的二端半导体器件。常用来触发双向可控硅；，在电路中作过压保护等用途。

同步倍流整流工作原理

在低压大电流工况下其导通损耗大使电路效率降低，推免式电路的导通器件少，但输出变压器需要中心抽头，制作不太方便。为此发展了如下图的倍流整流电路，主电路仅用两支二极管，输出电流是输入电流的两倍，因此叫作北流整流电路。它有以下的特点：

（1） 高频变压器副边平均输送电流仅为输出负载电流的一半。

（2） 滤波电感平均输送电流仅为输出负载电流的一半，输出负载电流由两个感

同时分担，每个滤波电感的工作频率等于高频变压器频。

（3） 当一个电感在高频变压器副边的电压驱动下通过副边输送一半负载电流

时，另一个电感也输送着相对于输出负载电流相同方向的另一半续流电流，且此续流电流下通过副边绕组。由于此续流电流仅为输出负载电流的一半，当副边电压再次改变极性时，此续流二极管的反向恢复尖峰电流较小。两个二极管上的续流电流在死区期间是均衡分布的。

实验仿真图如下：

在上图中，通过单相方波逆变电路产生高频正负方波电压。当输入上端电压为正时，副边电流经过LI 、C 和R 、D2，再回到副边绕组；当副边绕组的下端电压为正时，副边电流经过L2、C 和、R 、D1再回到副边绕组。倍流整流器按照这个过程，将高频交流方波电压整流成直流输出电压。当副边绕组电压为零时，两个二极管都导通，Ll 的电流通过c 和R 及Dl 续流；而L2的电流通过C 和R 及D2续流。

仿真结果如下：

结论

综合以上讨论可知，倍流整流通过两个电感电流纹波的相互抵消作用，使输出电流纹波减小，降低了对输出滤波器的要求，并且变压器设计制作简单，可以采用小电感获得快速动态响应。尤其要说明的是，倍流整流两个输出电感具有对称性，有利于磁件集成，应用磁集成技术哪，可以缩小变换器体积，减轻重量，从而进一步改善低压大电流DC-DC 变换器的效率，提高功率密度和加快瞬态响应速度。

倍流整流电路的缺点分析

(1)需要两个输出电感，比桥式和全波整流多用了一个电感。

(2)需要采用电流模式控制来保证两个滤波电感的电流均等

(3)在副边侧，存在着不通过输出负载的无效整流电感回路。这时输出 电流很不稳定，因此，倍流整流器存在正常工作条件。

其中正常的工作条件为：

无效整流纯电感回路的工作条件：

式中，L 为L1或L2，ω=2πf ，f 为电路的开关频率 要保证L1和L2中的电流始终为正值；要有足够大的电感值保证电感纹波起伏波动值不大；要保证两个滤波电感中电流均等变化。此次仿真在电压幅值为零的时候仿真波形有较大的波动，可能是参数调节不是很准确。

心得体会

在此论文完成之际，我想借此机会对在论文完成过程中所有给予我指导的老师和帮助的人致以最诚挚的谢意! 衷心感谢我的指导导师杨青老师! 杨老师严谨的治学态度、深厚的学术素养、敏锐的洞察力和平易近人的作风，使我在学习和工作中受益匪浅，舒老师的密切关注和宝贵意见是论文工作各环节能够顺利完成的先决条件。同时舒老师执著的敬业精神和卓越的人格魅力为我树立了做人做事的楷模，对我今后的人生之路将会产生深远有益的影响! 衷心感谢舒老师在研究学习过程中对我的悉心指导和大力支持，为我的论文的完成打下了坚实的理论和实践基础；感谢同学在此学习期间给与的大力支持和帮助! 她们都对我提出了许多指导性的建议，没有这些建议，我将在学习过程中走很多弯路。在选题之初，舒老师针对我的实际情况，提出了宝贵的建议，我才得以确定题目。在论文的设计过程中，舒老师对我严格要求，每一步设计工作都亲自把关。尤其在器件对比选择，电路图的设计和软件的设计上，我遇到了很多的困难，每一次舒老师都耐心讲解，深入浅出，不厌其烦，保证了本论文设计工作的顺利进行。在论文写作中，舒老师要求我做到结构合理，层次清晰，表达明了。并在百忙之中对我的初稿进行了多次的修改。在这次设计中我学到了不少新知识，了解了很多的设计思想与方法，我也将继续努力，不断完善和充实自己。值此论文完成之际，向舒老师致以衷心的感谢和崇高的敬意！

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