隔离式低压/大电流输出DC/DC变换器中几种副边整流电路的比较

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1引言

随着计算机通信设备及新的网络产品市场需求的迅速增长,未来的电源市场是非常乐观的。市场对小功率变换器的需求更是呈现迅速上升趋势。据专家预测[12],在今后五年内,小功率DC/DC变换器的发展趋势是:适应超高频CPU芯片的迅速发展,DC/DC变换器将向低输出电压(最低可低到1.2V)、高输出电流、低成本、高频化(400~500kHz)、高功率密度、高可靠性(MTBF≥106h)、高效率的方向发展。

整流电路作为DC/DC变换器的重要组成部分,对整机性能的影响很大。传统的整流电路采用功率二极管,由于二极管的通态压降较高(典型值有0.4V~0.6V),因此整流损耗较大。而为了满足各种数据处理集成电路对更快速、更低功耗和更高集成度的要求,集成芯片工作电压将进一步降低到1V~3V(现今的典型值为2.8V~3.3V)。在DC/DC变换器输出如此低的电压时,整流部分的功耗占输出功率的比重将更大,致使整机效率更低,成为电源小型化、模块化的障碍。应用同步整流技术,用低导通电阻MOSFET代替常规整流二极管,可以大大降低整流部分的功耗,提高变换器的性能,实现电源的高效率,高功率密度[34]。

考虑到DC/DC变换器副边整流电路的多样化,本文针对低压/大电流输出DC/DC变换器,对几种常用的副边整流电路进行分析比较,对倍流整流拓扑进行了较详细的阐述,希望能对电源设计有所帮助。

2副边整流电路的回顾

2.1几种常见的副边整流电路

如图1、图2(a)、图3(a)、图4(a)所示,分别为全桥整流、半波整流、全波整流和倍流整流拓扑。全桥整流比其它三种整流方式多用两个整流管,使导通损耗大大增加,因而不太适合用于低压/大电流输出场合。故在下文中,未把全桥整流方式作为比较的对象。

基于半波整流和全波整流方式比较常用.

图1全桥整流

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图2半波整流拓扑及其原理波形(a)二极管半波整流(b)MOSFET半波整流(SR)(c)原理波形

图3全波整流拓扑及其原理波形

(a)二极管全波整流(b)MOSFET全波整流(c)原理波形

再作原理赘述,而着重对最近几年比较热门的“新型”整流拓扑—倍流整流方式进行较详细的原理分析。

2.2倍流整流电路的原理分析

早在1919年,“倍流整流”思想[5]在汞弧管整流电路中就有人提出,但没有受到重视。随着最近几年低压/大电流输出DC/DC变换器的研究热潮,这种整流思想又重新得到了重视。它是从全桥整流方式演化而来,即用两只独立的,数值相同的电感代替全桥整流拓扑中的一组整流管,仍保持“全桥整流”的形式,经过适当变形,即得到图4所示的拓扑形式。图5给出全桥整流—倍流整流这一演化过程的示意简图。

如图4所示,VSEC是变压器副边绕组电压波形。下面对一个周期TS中,电路的工作情况进行简要分析[6]。

(1)t0—t1:变压器副边绕组上为正压,SR2(D2)处于导通状态,SR1(D1)处于关断状态(SR1与D1,SR2与D2的开关状态分别对应一致,下文以SR管说明工作原理),电感L1上电流上升,L2上电流下降。对应如下关系式:VL1=V2-V0=L1(1)VL2=-V0=L2(2)

图4倍流整流拓扑及其原理波形