摘要：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(jiǎn)單，采用分立元件構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路。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(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)論述。通過(guò)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。

　　0 引言

　　隨著電子技術(shù)、信息技術(shù)在人們生活中的不斷滲透，電子產(chǎn)品的數(shù)量不斷增加。其能量消耗已大大超過(guò)了人們生活中照明所用的能源。國(guó)家能源局預(yù)測(cè)，2010 年全國(guó)電力需求，可能將達(dá)到4 萬(wàn)億kWh 左右，增長(zhǎng)的速度超過(guò)2009 年8%或者9%。全國(guó)電力需求增長(zhǎng)速度非?？欤l(fā)電量增長(zhǎng)有限，中國(guó)面臨嚴(yán)重的電力短缺問(wèn)題。節(jié)約能源可以顯著減少所需的電能，同時(shí)減少發(fā)電廠數(shù)量，減少發(fā)電廠排放的廢氣廢水和灰渣對(duì)環(huán)境的污染。而電源是節(jié)約能源的重要環(huán)節(jié)。

　　開(kāi)關(guān)電源，它是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)通斷的時(shí)間比率來(lái)維持輸出電壓穩(wěn)定的一種電源，廣泛應(yīng)用在諸如計(jì)算機(jī)、電視機(jī)、攝像機(jī)等電子設(shè)備上。反激變換器具有電路簡(jiǎn)單、輸入輸出電壓隔離、成本低、空間要求少等優(yōu)點(diǎn)，在小功率開(kāi)關(guān)電源中得到了廣泛的應(yīng)用。但輸出電流較大、輸出電壓較低時(shí)，傳統(tǒng)的反激變換器，次級(jí)整流二極管通態(tài)損耗和反向恢復(fù)損耗大，效率較低。同步整流技術(shù)，采用通態(tài)電阻極低的專用功率MOSFET來(lái)取代整流二極管。把同步整流技術(shù)應(yīng)用到反激變換器能夠很好提高變換器的效率。

　　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(wèn)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(jiǎn)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。[!--empirenews.page--]

圖2 驅(qū)動(dòng)電路

　　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(lái)檢測(cè)SR 的電流。當(dāng)有電流流過(guò)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(guò)R1 轉(zhuǎn)變成電壓，當(dāng)電壓值達(dá)到并超過(guò)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(guò)圖騰柱輸出電路驅(qū)動(dòng)SR 開(kāi)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(shuō)明如下：

　　SR 為同步整流管，用來(lái)代替整流二極管；

　　T2 為電流互感器，用來(lái)檢測(cè)通過(guò)SR 的電流，當(dāng)有電流流過(guò)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(lái)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(kāi)通和關(guān)斷時(shí)電流互感器二次側(cè)電流大小；

　　C1 和二極管VD 用來(lái)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(kāi)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(kāi)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)

　　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(guò)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(guò)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(guò)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。[!--empirenews.page--]

　　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(guò)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、U_ref  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U_vref  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(yáng)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(guò)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。

　　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(jiàn)，Q 關(guān)斷后，SR 經(jīng)過(guò)很短的延遲后就開(kāi)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%。[!--empirenews.page--]

圖4 Ugs（Q），Ugs（SR），is 的波形

圖5 系統(tǒng)效率的分布圖