中心議題：
- 同步整流反激變換器原理
- 同步整流管的驅(qū)動(dòng)電路工作原理
- 同步整流反激變換器的設(shè)計(jì)
- 同步整流反激變換器仿真分析與結(jié)論
解決方案：
- 同步整流反激變換器的設(shè)計(jì)
反激變換器應(yīng)用廣泛，采用同步整流技術(shù)能夠很好的提高反激變換器效率，同時(shí)為使同步整流管的驅(qū)動(dòng)電路簡單，采用分立元件構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路。本文詳細(xì)分析了同步整流反激變換器的工作原理和該驅(qū)動(dòng)電路的工作原理，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了100V~375VDC 輸入，12V/4A 輸出的同步整流反激變換器，工作于電流斷續(xù)模式，控制芯片選用UC3842，對(duì)設(shè)計(jì)過程進(jìn)行了詳細(xì)論述。通過Saber 仿真驗(yàn)證了原理分析的正確性，證明該變換器具有較高的變換效率。
1 同步整流反激變換器原理
反激變換器次級(jí)的整流二極管用同步整流管SR 代替，構(gòu)成同步整流反激變換器，基本拓?fù)淙鐖D1（a）所示。為實(shí)現(xiàn)反激變換器的同步整流，初級(jí)MOS 管Q 和次級(jí)同步整流管SR 必須按順序工作，即兩管的導(dǎo)通時(shí)間不能重疊。當(dāng)初級(jí)MOS 管Q 導(dǎo)通時(shí)，SR 關(guān)斷，變壓器存儲(chǔ)能量；當(dāng)初級(jí)MOS 管Q 關(guān)斷時(shí)，SR 導(dǎo)通，變壓器將存儲(chǔ)的能量傳送到負(fù)載。驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)序如圖1（b）所示。在實(shí)際電路中，為了避免初級(jí)MOS 管Q 和次級(jí)同步整流管SR 同時(shí)導(dǎo)通，Q 的關(guān)斷時(shí)刻和SR 導(dǎo)通時(shí)刻之間應(yīng)有延遲；同樣Q 的導(dǎo)通時(shí)刻和SR 的關(guān)斷時(shí)刻之間也應(yīng)該有延遲。
圖1 同步整流反激變換器
2 同步整流管的驅(qū)動(dòng)
SR 的驅(qū)動(dòng)是同步整流電路的一個(gè)重要問題，需要合理選擇。本文采用分立元件構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路，該驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)較簡單、成本較低，適合寬輸入電壓范圍的變換器，具體驅(qū)動(dòng)電路如圖2 所示。SR 的柵極驅(qū)動(dòng)電壓取自變換器輸出電壓，因此使用該驅(qū)動(dòng)電路的同步整流變換器的輸出電壓需滿足SR 柵極驅(qū)動(dòng)電壓要求。
圖2 驅(qū)動(dòng)電路[page]
該驅(qū)動(dòng)電路的基本工作原理：電流互感器T2 與次級(jí)同步整流管SR 串聯(lián)在同一支路，用來檢測(cè)SR 的電流。當(dāng)有電流流過SR 的體二極管，則在電流互感器的二次側(cè)感應(yīng)出電流，該電流通過R1 轉(zhuǎn)變成電壓，當(dāng)電壓值達(dá)到并超過晶體管Q1 的發(fā)射結(jié)正向電壓時(shí)，Q1 導(dǎo)通，達(dá)到二極管VD 導(dǎo)通電壓時(shí)，VD 導(dǎo)通對(duì)其箝位。晶體管Q1 導(dǎo)通后，輸出電壓通過圖騰柱輸出電路驅(qū)動(dòng)SR 開通。當(dāng)SR 中的電流在電流互感器二次側(cè)電阻R1 上的采樣電壓降低到Q1 的導(dǎo)通閾值以下時(shí)，Q1 關(guān)斷，SR 關(guān)斷。
圖中同步整流管驅(qū)動(dòng)電路各元件的功能說明如下：
SR 為同步整流管，用來代替整流二極管；
T2 為電流互感器，用來檢測(cè)通過SR 的電流，當(dāng)有電流流過SR 的體二極管，則在電流互感器的二次側(cè)感應(yīng)出電流；R1 用來將互感器二次側(cè)感應(yīng)出的電流轉(zhuǎn)變成電壓，同時(shí)R1 的值決定同步整流管開通和關(guān)斷時(shí)電流互感器二次側(cè)電流大??；
C1 和二極管VD 用來對(duì)互感器二次側(cè)的電壓進(jìn)行濾波和箝位；
偏置電阻R2，下拉電阻R3 和晶體管Q1 構(gòu)成開關(guān)電路，利用Q1 的飽和截止，實(shí)現(xiàn)同步整流管SR 的導(dǎo)通和關(guān)斷；
Q2 和Q3 構(gòu)成圖騰柱輸出電路，提供足夠大的電流，使SR 柵源極間電壓迅速上升到所需要值，保證SR 能快速開通。同時(shí)為SR 關(guān)斷時(shí)提供反向抽取電流回路，加速SR 關(guān)斷。
3 同步整流反激變換器的設(shè)計(jì)
同步整流反激變換器的電路如圖3 所示，控制芯片選用UC3842。設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)如下：
輸入電壓Ui：100~375VDC
輸出電壓Uo：12V
輸出電流Io：4A
開關(guān)頻率fs：100KHz
最大占空比Dmax：0.45
效率：η>80%
工作方式：斷續(xù)模式
圖3 同步整流反激變換器電路
3.1 啟動(dòng)電路設(shè)計(jì)
芯片 UC3842 工作的開啟電壓為16V，在芯片開啟之前，芯片消耗的電流在1mA 以內(nèi)。
正常工作后，欠壓鎖定電壓為10V，上限為34V，芯片消耗電流約為15mA。啟動(dòng)時(shí)由輸入直流電壓通過啟動(dòng)電阻R4 向電容C2 充電，芯片消耗電流在1mA 以內(nèi)，電容C2 上電壓不斷上升，當(dāng)芯片7 腳上電壓升至16V 時(shí)UC3842 開始工作，芯片消耗電流約為15mA，電容C2 上電壓下降，輔助繞組上開始有電壓，電容C3 上電壓逐漸升高，當(dāng)電容C3 上電壓高于電容C2 上電壓，二極管VD2 導(dǎo)通，由輔助繞組供電。
輔助繞組供電電壓取15V，電壓紋波要求不高，濾波電容C3 取47μF。為了芯片可靠啟動(dòng)，電容C2 取100μF，電阻R4 取68KΩ，在輸入電壓最小時(shí)，通過啟動(dòng)電阻R4，能提供1.2mA的啟動(dòng)電流。
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3.2 變壓器設(shè)計(jì)
反激變換器工作于DCM，但隨著輸入電壓減小或負(fù)載電流增大，占空比變大，可能會(huì)從DCM 變成CCM。因此為保證反激變換器在整個(gè)輸入電壓和負(fù)載電流變化范圍內(nèi)都工作在DCM 且占空比不超過要求的最大值，設(shè)計(jì)變壓器滿足反激變換器在輸入電壓最小Ui =100V、負(fù)載電流Io =4A 和效率η =80%時(shí)工作在電流臨界連續(xù)模式，且占空比不超過要求的最大值 Dmax =0.45。選用EI 型鐵氧體磁芯，其型號(hào)為EI30，為減少漏感，采用三明治繞法繞制變壓器。初級(jí)電感為146.85μH，變壓器的匝比為：
初級(jí)繞組 N p選用直徑為0.56mm 的銅線單股繞制，次級(jí)繞組 Ns 選用直徑為0.56mm 的銅線3 股并繞，輔助繞組 Na 選用直徑為0.56mm 的銅線單股繞制。
3.3 RCD 箝位電路設(shè)計(jì)
當(dāng)開關(guān)管 Q 關(guān)閉時(shí)，初級(jí)電感 Lp 中的能量將轉(zhuǎn)移到次級(jí)輸出，但漏感Ll 中的能量將不能傳遞到次級(jí)，轉(zhuǎn)移到箝位電路的電容Cc ，然后這部分能量被箝位電阻 R c消耗。電容c C上的電壓在開關(guān)管關(guān)斷的一瞬間沖上去，然后一直處于放電狀態(tài)。電容 C c的值應(yīng)取得足夠大以保證其在吸收漏感能量和釋放能量時(shí)自身兩端電壓uc( t )紋波足夠小。因此電容Cc 兩端電壓uc( t )為基本為恒定值Uc 。同時(shí)電容 Cc 上的電壓不能低于次級(jí)到初級(jí)的反射電壓Uo × （Np / Ns ），否則開關(guān)管關(guān)斷期間，二極管導(dǎo)通，RCD 箝位電路將成為該變換器的一路負(fù)載。因此開關(guān)管承受的尖峰電壓被箝位為：
輸入電壓最大值為 Uimax ，開關(guān)管的最大耐壓值為 U dsmax，考慮80%的降額使用系數(shù)，則電容 C c兩端電壓Uc 的大小可由式（1）確定。
漏感存儲(chǔ)的能量完全被電阻Rc 消耗，則電阻 Rc 的大小可由式（2）確定。
為保證電容 Cc 兩端電壓紋波足夠小，需RcCc >>Ts ，取10 倍關(guān)系，則電容 C c的大小由式（3）確定。
選用美國Fairchild 公司生產(chǎn)的FQPF5N60 場(chǎng)效應(yīng)管，該管允許通過的最大電流為5A，最大耐壓值為600V；漏感取變壓器初級(jí)電感的3%，4.5μH。RCD 箝位電路中，取 R c為6KΩ，Cc 為0.015μF， VDc 采用快恢復(fù)二極管FR107。
3.4 電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)
初級(jí)電感電流通過插入一個(gè)與開關(guān)Q的源極串聯(lián)的以地為參考的取樣電阻RS轉(zhuǎn)換成電壓。此電壓由電流取樣輸入端（3 腳）監(jiān)視并與來自誤差放大器的輸出電平比較。在正常的工作條件下，初級(jí)電感電流峰值由誤差放大器的輸出 U e控制，滿足：
電流檢測(cè)比較器反向輸入端箝位電壓為1V，因此初級(jí)電感電流峰值限制為：
取RS 為0.33Ω，在RS 和3 腳之間，常用R、C 組成一小的濾波器，用于抑制功率管開通時(shí)產(chǎn)生的電流尖峰，其時(shí)間常數(shù)近似等于電流尖峰持續(xù)時(shí)間（通常為幾百納秒），取R為1KΩ，C 為470pF。
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3.5 同步整流管驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
同步整流管選用IR 公司的IRF3205 型N 溝道功率MOSFET，漏源擊穿電壓U（BR）DSS=55V，漏極電流ID=110A（25°C），最大柵源電壓UGS（max）=±20V，開通電壓UGS（th）=4V，導(dǎo)通電阻RDS（on）=0.008Ω。同步整流驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)主要集中在電流互感器T2 的設(shè)計(jì)上。電流互感器磁環(huán)型號(hào)選用R10， Ae = 7.83×10-6 m2 ，磁芯材料選用N30，Bmax=0.2T。繞組N1 由于流過的電流比較大，為減小損耗，匝數(shù)確定為1 匝，為保證繞組N2 在SR 關(guān)斷期間退磁，繞組N2 需滿足：
為有充足的裕量，取N2 為20 匝。保證SR 開通關(guān)斷的快速性，設(shè)定變換器次級(jí)電感電流達(dá)到30mA，SR 開始導(dǎo)通或關(guān)斷，則取R1 為470 Ω。取C1 為1nF，R1 為100 Ω，R3 為470 Ω。
3.6 反饋電路設(shè)計(jì)
反饋電路采用TL431 配合光耦PC817 作為參考、隔離、取樣，電路中將UC3842 內(nèi)部的誤差放大器反向輸入端2 腳直接接地，PC817 的三極管集電極直接接在誤差放大器的輸出端1 腳，跳過芯片內(nèi)部的誤差放大器，直接用1 腳做反饋，然后與電流檢測(cè)輸入的第3 腳進(jìn)行比較，通過鎖存脈寬調(diào)制器輸出PWM 驅(qū)動(dòng)信號(hào)。當(dāng)輸出電壓升高時(shí)，經(jīng)電阻R5，R6 分壓后輸入到TL431 的參考端的電壓也升高，此時(shí)流過光耦中發(fā)光二極管的電流增大，PC817三極管集電極電流增大，三極管集射級(jí)電壓減小，UC3842 的6 腳輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比變小，于是輸出電壓下降，達(dá)到穩(wěn)壓的目的。反之亦然，使輸出保持恒定，不受輸入電壓或負(fù)載變化的影響。
TL431 參考輸入端電壓ref U 為2.5V，電流為1.5μA，為了避免此端電流影響分壓比和避免噪聲的影響，通常取流過電阻R6 的電流為參考輸入端電流的100 倍以上，所以：
根據(jù)TL431 的特性，R5、R6、Uref 和 U o有固定的關(guān)系：
PC817 三極管集電極電流Ic 受發(fā)光二極管正向電流If 控制，由PC817 技術(shù)手冊(cè)知，當(dāng)二極管正向電流If 在5mA 左右變化時(shí)，Ic 和If 具有很好的線性關(guān)系，三極管的集射電流Ic在5mA 左右變化。所以：
式中Uvref 為芯片8 腳電壓5V， U comp 為芯片1 腳電壓，計(jì)算時(shí)取系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)1 腳電壓最大值。
TL431 正常工作時(shí)需要陰極至陽極電壓Uka 大于2.5V，PC817 二極管正向?qū)▔航礥f為1.2V。所以：
經(jīng)過計(jì)算及仿真調(diào)試，得到反饋電路的阻容參數(shù)。取R6 為1KΩ，R5 為3.8KΩ，R8 為1KΩ，R9 為120Ω，R7 為150KΩ，C4 為1nF。
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4 仿真分析與結(jié)論
應(yīng)用 Saber 仿真軟件對(duì)本文設(shè)計(jì)的同步整流反激變換器進(jìn)行仿真。圖4 為輸入電壓200V，滿載時(shí)，初級(jí)MOS 管Q、次級(jí)同步整流管SR 驅(qū)動(dòng)信號(hào)和次級(jí)電感電流波形。由圖可見，Q 關(guān)斷后，SR 經(jīng)過很短的延遲后就開通，次級(jí)電感電流降至接近零時(shí)，SR 關(guān)斷。圖5 為輸入電壓100V、200V、250V、300V 和375V，滿載條件下，分別采用同步整流和二極管整流時(shí)，系統(tǒng)效率的分布圖。
仿真結(jié)果與本文對(duì)同步整流反激變換器和同步整流管驅(qū)動(dòng)電路的工作原理分析一致。同時(shí)仿真結(jié)果證明，該驅(qū)動(dòng)電路可以很好實(shí)現(xiàn)同步整流功能，采用同步整流技術(shù)可以較好提高傳統(tǒng)反激變換器的效率。輸入電壓100V，滿載時(shí)，變換器效率最高為87.7%。
圖4 Ugs（Q），Ugs（SR），is 的波形
圖5 系統(tǒng)效率的分布圖
