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同步整流器的设计和计算

同步整流器的设计和计算

点击数:7153 次   录入时间:03-04 11:56:46   整理:http://www.55dianzi.com   电路基础知识
    同步整流器是一种高效率的开关整流器,又称D类同步整流器。分电流驱动型和电压驱动型两大类。随着电脑和通讯业的不断发展,需要高效率可控的低压大电流输出整流器为之供电,同步整流器恰好满足这一要求。现在我们看到,一些新型的电脑主机已经开始采用同步整流器供电。

    D类二极管整流器的缺点是在低输出直流电压(例如3.3V)时的低效率。这是因为二极管的偏移电压VF使二极管的正向电压降较高。当二极管的正向电压达到同其直流输出电压相比拟时,二极管的导通损失同其输出功率相比变得很高。因而整流器的效率显著降低,工作温度增加,二极管的漏电流增加,这就需要较大的散热器,整流器的体积将增大而可靠性将降低。此时自然使人想到应该采用同步整流器来满足这一设计要求。附图示出的是具有变压器中心抽头的不可调D类同步电流驱动整流器。在传统的D类全波电流整流器中,只要将其中的整流二极管代之以低导通电阻的功率场效应管,就可构成电流驱动型同步整流器。功率场效应管的驱动是用一AC电流源(或电压源)同步驱动,这样每个功率场效应管在半周内连续地交替导通和关断。由于有单向电流流经电路,从而实现了整流作用。

    我们知道,功率场效应管没有偏移电压VF,因此如果功率场效应管的导通电阻rDS很低,就可实现低正向电压的功率器件,功率场效应管的导通电阻rDS现在一般是10~18mΩ。

    还可使用功率场效应管的并联来实现更低的导通电阻,使整流器件的导通损失显著降低而获得更高的整流效率。如果VDS=rDS×is<0.7V,反并联于功率场效应管体内的二极管将关断,功率开关的所有电流将流经功率场效应管的沟道。因为二极管没有导通,由其反向恢复引起的功率损失为零。此外,功率场效应管的漏电流同一般整流二极管的漏电流相比更低。不过,功率场效应管需要一驱动器,这不仅增加了电路的复杂性而且要消耗一些功率。在低频时门极驱动器的功率很低,但在高频时可能成为总功率损失的主要部件。但是功率场效应管是一可控器件,因此同步整流器可用作可调整流器。

    整流器的输入电流iR是正弦的且由iR=iRM sinωt给定。如iR>0,s2关断,s1导通。如iR<0,s1关断,s2导通。

    现以一实例计算,附图iR是具有变压器中心抽头的不可调D类同步电流驱动整流器输入。

    该电路功率场效应管使用SILIConix公司的SMP60N06-18,该管的rDS=0.018Ω,QG=100nc,滤波电容器cf具有rc=20mΩ。整流器工作在输出电压vo=5V,输出电流io=20A,工作频率f=100kHz。令变压器的匝数比n=5,假定变压器的效率为0.96,门极到源通损失是极的峰一峰电压Vgspp=10V。

      整流器的负载电阻RL=vo/io=0.25Ω, 输出功率po=io×vo=100W,功率场效应管的导通损失是

      滤波电容的功率损失是

    总功率损失是Pc=2PrDS+Prc=2×4.44+1.87=10.75W

    每个功率场效应管门极驱动功率是pg=fQgVGspp=100×103×100×10-9×10=0.1W

总效率

整流器的输入电阻

      通过实验可以注意到,在同等参数下,该同步整流器的效率(86.53%)远高于普通D类整流器的效率(77.25%)。

    电流驱动型同步整流器的输出效率在轻载时较低,这是因为电流驱动型同步整流器工作时正反两个方向都有电流流经功率开关,增加了功率开关的导通损失。

    同步整流器不适合工作于很高频率,因为在很高频率时(超过0.5MHz),功率场效应管的门极驱动功率很大,导通损失也很高,会降低同步整流器的输出效率。




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