10 MHz隔离型同步整流ClassΦ2 DC-DC变换器

摘要

随着电源设备的小型化和集成化趋势，现代电力电子要求功率变换器具有高功率密度、高效率和快速的动态响应。提高变换器的开关频率能够有效减少电感和电容等被动元件的储能要求，提升电路动态响应速度，减小变换器体积和重量，提高变换器的功率密度。目前开关频率达到数十MHz的高频谐振功率变换系统已成为国际上小功率变换器的研究热点。但是现阶段的研究大多集中于非隔离、小电流应用场合的电路拓扑，限制了高频谐振变换器的应用范围，因此本文开展了对隔离型、低压大电流的高频谐振变换器的研究。
　　本文的研究内容为10MHz高频隔离型同步整流ClassΦ2DC-DC谐振变换器。整流单元是高频谐振变换器中的重要部分，但由于二极管的正向恢复，二极管整流在高频工作时会产生很大的导通损耗。因此为了提高大电流场合的变换效率，本文将同步整流技术引入高频变换器中，并针对同步整流驱动提出了一种新型的抬压自驱谐振驱动电路（Resonant Gate Drive，RGD）。所提RGD在传统自驱RGD的基础上引入一级串联抬压电路，通过产生的直流偏置电压提高驱动电压峰值，延长MOSFET以最小通态电阻导通的时间，从而降低开关管的平均通态电阻及导通损耗。同时，通过调节直流偏置电压，所提RGD为同步整流管提供了精确的驱动时序，使开关管实现零电压开通和零电流关断，并使体二极管的导通时间降到最低。此外，为了配合高频谐振电路的ON-OFF滞环控制，在所提RGD中加入一级由关断支路和辅助开关管构成的控制单元，阻断了驱动电路中的环流，使驱动电压在变换器闭环工作时能够迅速建立和下拉，保证变换器的动态响应速度和闭环效率。
　　为了验证高频隔离型ClassΦ2谐振变换器和所提同步整流驱动电路的工作原理，搭建了一台开关频率为10MHz、18V输入、5V/2A输出的样机，并进行了实验调试。实验结果与理论分析和仿真结果一致，验证了所提电路的可行性。为了验证所提RGD能够减小同步整流损耗的作用，搭建了另外两台分别采用二极管整流和传统自驱RGD同步整流的样机。实验结果表明，采用所提抬压自驱RGD的同步整流在全负载范围内都能够有效提高变换器的效率。在18V额定输入、2A满载条件下，采用所提RGD的同步整流效率达到82％，比采用传统RGD的同步整流（80.2%）高出1.8%，比二极管整流（77.3%）高出4.7%。

目录

声明

中文摘要

英文摘要

目录

注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 发展动态和研究现状

1.3 存在的不足和挑战

1.4 研究内容与意义

第二章 隔离型同步整流ClassΦ2变换器

2.1 电路拓扑

2.2 工作原理

2.3 主电路设计

2.4 本章小结

第三章 同步整流驱动电路及控制方案

3.1 同步整流驱动挑战及传统RGD的问题

3.2 所提同步整流抬压自驱RGD

3.3 所提ON-OFF控制同步整流自驱RGD

3.4 抬压自驱RGD设计

3.5 控制方案及设计

3.6 本章小结

第四章 仿真与损耗分析

4.1 电路仿真

4.2 同步整流损耗分析

4.3 变换器损耗分析

4.4 本章小结

第五章 实验验证和讨论

5.1 实验样机

5.2 实验结果

5.3 本章小结

第六章 结束语

6.1 本文的主要工作

6.2 工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间所发表的论文及参与完成的科研项目