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全桥拓扑同步整流和有源钳位的电路设计

陈红;秦会斌;方良驹

【摘要】研究了提高数字全桥拓扑效率的方法，通过在副边采用同步整流和有源钳位的方法，有效提高了电源效率.同步整流降低了输出电压损耗，特别适用于低电压大电流的输出场合.同时使用有源钳位技术，吸收谐振尖峰,利用谐振能量，提高效率，特别适用于高电压大功率场合.

【期刊名称】《测控技术》【年(卷)，期】2019(038)003【总页数】4页(P76-79)【关键词】数字电源;同步整流;有源钳位;高效率【作者】陈红;秦会斌;方良驹

【作者单位】杭州电子科技大学新型电子器件与应用研究所，浙江杭州310018;杭州电子科技大学新型电子器件与应用研究所，浙江杭州310018;杭州电子科技大学新型电子器件与应用研究所，浙江杭州I310018

【正文语种】中文

【中图分类】TN86

数字电源具有高效方便、灵活性好的优势，随着数字电源芯片的价格降低，数字电

源将以其优越性逐渐取代模拟电源。其中UCD3138是TI推出的专用于开关电源

控制的DSP芯片。本文设计的数字电源以UCD3138为主控芯片，实现对全桥的移相软开关控制，同时控制次级的全桥整流和有源钳位。全桥拓扑作为大功率电源的首选拓扑，在工程中应用得特别广泛，具有电压电流应力小的特点。对于全桥的移相软开关技术，很多文献［1-3］对此做过阐述，本文主要研究全桥的副边部分，包括同步整流和有源钳位电路，侧重于提高全桥交攵率的设计。传统的整流采用二极管搭建整流桥或全波整流，二极管有导通压降，在低压大功率的场合下带来的功率损耗是不可接受的。而同步整流用MOSFET取代二极管，具有很低的导通阻抗，极大地提高了全桥效率。另外，全桥拓扑存在副边整流管电压振荡和电压尖峰的问题，降低了效率，提高了整流管应力，带来电磁干扰等方面的问题。针对这一问题，研究者提出了很多改进电路，本文分析了各种方法的利弊，采用有源钳位方式，充分利用谐振能量。最终搭建一台1kW的数字控制全桥样机，采用移相软开关，同步整流，有源钳位电路进行试验，取得预期效果，实现97%的全桥效率。

1同步整流

同步整流是采用通态电阻极低的专用MOSFET来取代整流二极管以降低整流损耗的一项技术。由于不存在导通压降，大大提高了变换器的效率，并且不存在由肖特基势垒电压而造成的死区电压。用MOSFET作为整流管时，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，故称为同步整流。

同步整流有全桥整流、全波整流和倍流整流3种方式［4］。本设计的同步整流电路如图1所示，由Qr1~Qr44个开关管组成，采用全桥整流，相比全波整流，多使用两颗MOSFET，但整流管应力可以减少一半，更适合高压输出，变压器次级也减少一半线圈，滞后臂可以利用输出电感上的能量实现ZVS。相比倍流整流，全桥整流少用一颗较大的滤波电感，节约空间。

图1同步整流电路

实现全桥同步整流的关键是整流管的时序控制。图1中，次级为上正下负时，Qr1&Qr4须导通，下负上正时，Qr2&Qr3须导通。整流管的开通时序与次级电压有关，但是根据次级电压驱动整流管是不可行的，因为移相全桥存在副边占空比丢失，且丢失比例随负载与输入电压变化而变化。已知次级电压与初级开关管的开关时序有着固定的逻辑关系，在DSP的控制下，只要将控制初级开关管的信号调用到控制整流管的寄存器中，还可以加适当延时，得到整流管的精确驱动信号。同步整流的控制时序一般有两种，第一种可以参考文献［4］，在副级为正时仅开通Qr1&Qr4，次级为负时仅开通Qr2&Qr3，这种方案逻辑简单，但会损失一部分效率，因为移相全桥存在副边占空比丢失，此时次级电压为零，整流管为续流阶段，电流只能走已关断的整流管的体二极管通过，效率损失较大。本设计采用第二种方案［5］，驱动时序如图2所示，原理上模拟了二极管整流中二极管的开通关断时序。Qr1&Qr4开通与Q4同步，关断与Q1同步，Qr2&Qr3开通与Q3同步，关断与Q2同步。

图2同步整流驱动时序图

2钳位电路

2.1钳位的原因

在移相全桥中，变压器原边电流换流期间，副边单边整流管（如Qr1&Qr4）不足以提供负载电流，这时4个整流管同时开通，副边处于自然续流状态，接着关断一边整流管，例如当Qr1、Qr4关断时，其寄生电容C1、C4（见图3）与全桥原边的电感和变压器漏感谐振，等效电路如图4，Lr为原边漏感和夕卜加谐振电感之和，分别为Lf、C1&C4、Uo折算到原边的等效值。谐振引起整流管DS电压振荡和电压尖峰，带来严重的EMI问题，效率降低，增加了整流管的电压应力。因此需对此进行缓冲和钳位［6］。

图3谐振电路图图4谐振等效图2.2钳位的方法

整流管的钳