如何實現正激式同步整流拓樸結構

關斷損耗：

驅動損耗：



式中 I 為 正向電流有效值，RDS(on)為通態電阻，fS為開關頻率，CGSS為輸入電容，Coss為輸出電容，D為占空比。

可見 ， 正 向導通損耗與RDS(on)成正比。不同VDS的MOSFET, RDS(on)往往可相差幾個數量級，所以相同電路拓撲中采用100V MOSFET的損耗比采用200VMOSFET明顯要低。考慮到低VDS的MOSFET比高VDS MOSFET的Coss要小，據關斷損耗式，表明低VDSMOSFET的關斷損耗也小。驅動損耗式為開關過程中輸入電容充放電引起的損耗，該損耗與柵一源驅動電壓的平方成正比。由于采用了兩級變換器，對隔離級來說，因穩壓級己經將較寬的輸入電壓穩在固定的中間總線電壓上，變壓器的變比可以達到最佳。MOSFET的正向通態電阻RDS(on)以及輸入電容是固定的，驅動損耗只與驅動電壓的平方成正比關系。總之，采用兩級變換器可使正向導通損耗，驅動損耗等減到最小程度。

此外 ， 交 叉級聯正激變換電路拓撲中，輸出級同步整流MOSFET所需電壓僅為輸出電壓的兩倍，再加上1.2倍的保險系數，器件的耐壓只是輸出電壓的2.倍，遠小于傳統單級變換器解決方案需要達到輸出電壓4-10倍的要求。這樣采用交叉級聯正激變換電路拓撲的兩級變換器，便可使用低壓、低RDS(on，的 MOSFET來實現極低的輸出級導通損耗。兩級變換器還采用了并聯MOSFET的輸出，得到更低的RDS(on)以及更低的損耗。在系統整體設計的時候，只要元件熱分布合理，裝置的使用壽命和可靠性必將有極大提高。

2.3電流前饋技術

由圖 2可 見，交叉級聯正激變換電路拓撲的二次側沒有輸出濾波電感線圈，單級式變換器則必須有輸出濾波電感線圈。單級變換器設計時必須兼顧輸出濾波電感中電流的斷續模式(DCM)和連續模式(CCM),電感值的選定不但理論計算復雜，而且需要實驗校驗。

交叉級聯正激變換電路拓撲中的隔離級采用電流前饋技術，輸出濾波電感不需要流過全部輸出電流。特別是對低壓大電流輸出而言，輸出級不會因輸出電流的增加而發生難以預料的變化，這是該電路拓樸的主要優點。因此，當系統設計需按比例變化，特別是按輸出電壓及輸出電流變化時由于輸出電流的變化在一次側隔離級的輸入電流中已有反映，亦即所謂電流前饋，這樣濾波電感線圈的損耗大大降低，從而也提高了變換器的效率。

3 設計實例和實驗結果

應用 上 述 設計思路，我們設計了一臺用于通信設備的DC -DC半磚電源。具體技術指標如下:輸入 電壓 DC3 5-75V:輸出電壓DC3 .3V/30A;輸出功率100W;效率92% (TYPICA );電壓調整率士0.1%;負載調整率士0.1%;隔離電壓1 500V,,5;保護要求是過壓、過流、過溫等。

圖 3所 示 為采用交叉級聯正激變換電路設計的通信設備專用DC-DC半磚電源原理圖。工作原理如下，R,, R2. D,, Q,, D:和C:組成自舉啟動電路，得到啟動電壓Vc分別給ICI,I C2和IC3供電。電路啟動后，T,的輔助繞組經D3整流，C3平滑濾波后為IC提供電壓VD，因VD電壓高于Vc，二極管D2反偏，Q、的供電關閉，達到啟動電路無功耗的目的。IC:的腳6輸出方波信號，一路直接送到ICl的腳5，另一路經Q2倒相后送到IC:的腳6作為IC,的輸入信號。IC，的腳3 和腳8輸出相位相差180“的方波脈沖信號，分別驅動MOSFETQ 31 Q 4- Q 3 Q 4 L 2等組成高效率的同步降壓級，降壓級的占空比保持在30-60%. IC3.QsQ6T.等組成交叉級聯正激式隔離級，達到DC-DC最終的輸出電壓。馬、DS為變壓器T，的磁復位繞組。由于降壓級已將變化范圍較寬的輸入電壓嚴密調整為中間總線電壓，因此隔離級不需調壓。交叉級聯正激變換器都工作在50%的占空比，可以采用VDS為100V的MOSFET. Q7, Q:等組成自偏置式同步整流電路。

因隔離級的輸出電壓是固定的，所以同步整流MOSFET漏極的輸入電壓也是固定的，占空比也為50%，可以使用 VDS很低的MOSFET(本例中采用的是VDS為12V的MOSFET，損耗最低)因功耗引起的發熱問題均可以方便解決。因輸入電壓固定，多組輸出電壓時，能夠方便地實現高電壓調整率和高負載調整率，單級變換器很難做到此點。其他電路功能(如過流、過壓、過溫度保護等)不再一一闡述。經測量該電路的工作效率約在92%左右，達到預定的設計要求，并且調試較簡單，為今后的批量生產奠定了基礎。

4 結束語

交叉 級 聯 正激式變換器，電路組成稍微復雜，但能平坦分配各級損耗達到整體功耗最小，從而可在更高的環境溫度下工作。較低的功耗，意味著更高的效率;工作環境溫度高，意味著散熱處理能力強和輸出電流大。而可用輸出電流成本的降低，預示著系統長期可靠性會更好。我們的實踐表明交叉級聯正激式同步整流拓樸確實是一種非常有前景的功率變換結構。各項指標優于相同的單級變換器。