同步整流和软开关技术在小功率直流开关电源中的应用研究

摘要

近年来,随着电子、通讯和网络技术的迅猛发展,低压大电流输出的功率变换器日益成为一个重要的研究方向.变换器中采用传统的普通二极管或肖特基二级管整流方式,由于整流二极管的正向导通压降大,整流损耗成为变换器的主要损耗,已无法满足低电压大电流开关电源高效率、小体积的需要.而功率MOSFET导通电阻低、开关时间短、输入阻抗高,成为低电压大电流功率变换器首选的整流器件.根据MOSFET的控制特点,应运而生了同步整流器(Synchronous rectification,SR)这一新型的整流技术.同步整流技术可以大幅度降低整流损耗,提高整流效率,因此变换器的转换效率也得到极大提高.同步整流技术在各种基本变换器中,比如Buck变换器、正激变换器、反激变换器、半桥变换器和全桥变换器,均得到了极为广泛的应用.谐振软开关技术的实质就是在主电路上增加储能元件L、C,利用谐振原理使功率器件两端的电压波形错开,以实现功率器件零电流开关(Z C S)或零电压开关(Z V S),使开关损耗降到理论上为零.谐振开关技术理论上可以使器件的开关损耗降低到零使频率的提高不再受限制.作者查阅了目前国内外关于直流功率变换技术的大量研究成果与进展,力求在提高变换器效率方面进行深入的理论和试验研究,探讨出符合高效节能,体积小,高功率密度的新型直流功率变换器.针对如何减少直流变换器开关管开通与关断损耗和同步整流管的死区时间导通的问题,该文提出了一种全新的电压驱动同步整流器,实现了同步整流和软开关技术的结合,有效地减小了变换器能量损耗,提高了变换效率.仿真分析和实验结果验证了该驱动方式很好地解决了传统电压驱动同步整流器的死区时间内,续流MOSFET体二极管的导通问题.从而极大地提高了变换器的转换效率.反激变换器具有电路拓扑简单、输人输出电气隔离、电压升/降范围宽、易于多路输出等优点.而同步整流可有效减少整流损耗,与适当的电路拓扑结合,可得到低成本的高效率变换器.在分析同步整流技术的基础上,根据同步整流的特点,选择出适合于自驱动同步整流的反激电路拓扑,进行了详细的电路分析和试验.

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第一章绪论

1.1低压大电流输出小功率直流电源研究背景及意义

1.2低压/大电流输出DC/DC变换器技术瓶颈分析

1.3低压大电流直流模块电源发展现状

1.4软开关技术的产生、发展和基本原理

1.5本文完成的主要工作

第二章同步整流技术

2.1低压大电流输出直流功率变换器的研究目的

2.2同步整流技术

2.2.1同步整流的概念

2.2.2同步整流器件

2.3同步整流器的驱动方式

2.3.1电压驱动型同步整流器

2.3.2电流驱动型同步整流器

2.4同步整流器的发展方向

2.5本章小结

第三章电压驱动型同步整流器

3.1同步整流器类型

3.2传统电压驱动同步整流器

3.2.1工作原理

3.2.2同步整流器的优缺点

3.3栅极电荷保持电压驱动同步整流器

3.3.1栅极电荷保持电压驱动方式的基本原理

3.3.2栅极电荷保持电压驱动正激变换器

3.4同步整流变换器磁复位方式

3.4.1变换器的几种磁复位技术

3.4.2变换器磁复位技术的性能比较

3.5本章小结

第四章软开关技术

4.1软开关原理

4.2软开关在PWM控制变换器应用的节能分析

4.3软开关技术的实现策略

4.4谐振变换器的分类

4.5串连谐振电路

4.5.1基本串联谐振电路

4.5.2谐振电容并联电流源

4.5.3谐振回路中串联负载电阻

4.6本章小结

第五章一种新型电压驱动同步整流器试验研究

5.1电路拓扑结构和工作原理

5.1.1栅极电荷保持原理

5.2变换电路原理与稳态工作过程

5.3整流电路换流与整流损耗分析

5.4电子变压器的设计

5.5电路参数设计结果

5.6仿真分析与实验结果

5.7本章小结

第六章一种新型反激式同步整流器的开发

6.1基本反激同步整流拓扑分析

6.2反激同步整流驱动电路选择

6.3反激同步整流变换器的仿真分析

6.4实验结果

6.5本章小结

结论与展望

参考文献

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