開(kāi)關(guān)電源之核心部分：DC-DC變換器工作原理及采用技術(shù)分析詳解

1 概述

DC-DC變換器是開(kāi)關(guān)電源的核心組成部份，常用的正激式和反激式電路拓樸。常規(guī)正 激式變換器的功率處理電路只有一級(jí)，存在MOSFET功率開(kāi)關(guān)電壓應(yīng)力大，特別是當(dāng)二次側(cè)采用自偏置同步整流方式，輸入電壓變化范圍較寬，如輸入電壓為75V時(shí)，存在柵極偏置電壓過(guò)高，甚至有可能因柵壓太高而損壞同步整流MOSFET的危險(xiǎn)。而且當(dāng)輸出電流較大時(shí)，輸出電感上的損耗將大大增加，嚴(yán)重地影響了效率的提升。使用交叉級(jí)聯(lián)正激式同步整流變換電路，不但輸出濾波電感線圈可省去，實(shí)現(xiàn)高效率、高可靠DC-DC變換器，達(dá)到最佳同步整流效果。

2 基本技術(shù)

2.1交叉級(jí)聯(lián)正激變換原理

交叉 級(jí) 聯(lián)變換的拓樸如圖1所示，前級(jí)用于穩(wěn)壓，后級(jí)用于隔離的兩級(jí)交叉級(jí)聯(lián)的正激變換器組成的同步降壓變換器。為了實(shí)現(xiàn)寬輸入電壓范圍及隔離級(jí)恒定的電壓輸入，前后兩級(jí)正激變換都應(yīng)在最佳的目標(biāo)下工作，從而確保由它所組成的高效率同步降壓變換器能接收整個(gè)35-75V通信用輸入電壓范圍，并將它變換為嚴(yán)格調(diào)整的中間25V總線電壓。實(shí)際中 間總線電壓由隔離級(jí)的需要預(yù)置，取決于隔離級(jí)的變比。中間電壓較高時(shí)，可以采用較小的降壓電感值和較低的電感電流，因而損耗也少。整個(gè)降壓級(jí)的占空比保持在30^'60%，可協(xié)助平衡前后兩級(jí)正激變換的損耗。為使性能最佳，并使開(kāi)關(guān)損耗降至最小，開(kāi)關(guān)頻率的典型值為240k-300kHz;由于使用低通態(tài)電阻(RDS(on))的MOSFET，導(dǎo)通損耗比較小。傳統(tǒng)的單級(jí)變換器主開(kāi)關(guān)必需使用至少200V以上的MOSFET，其RDS(on)等參數(shù)顯著增加，必然意味著損耗增加，效率下降。交叉級(jí)聯(lián)正激變換拓?fù)涞暮?jiǎn)化原理圖如圖1所示。

2.2同步整流技術(shù)

眾所 周 知，普通二極管的正向壓降為1V，肖特基二極管的正向壓降為0.5V，采用普通二極管和肖特基二極管作整流元件，大電流情況下，整流元件自身的功耗非?？捎^。相比之下，如果采用功率MOSFET作整流元件，則當(dāng)MOSFET的柵源極施加的驅(qū)動(dòng)電壓超過(guò)其閩值電壓，MOSFET即進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，無(wú)論從漏極到源極或從源極到漏極，均可傳導(dǎo)電流。導(dǎo)通電流在MOSFET上產(chǎn)生的壓降僅與MOSFET的溝道電阻成比例關(guān)系，n個(gè)MOSFET并聯(lián)時(shí)，壓降可降為單個(gè)MOSFET的1/ n。因此，理論上由整流元件壓降產(chǎn)生的損耗可人為的降到最小。同步整流(SynchronousRectify，縮寫(xiě)為SR)正是利用MOSFET等有源器件的這種特性進(jìn)行整流的一項(xiàng)技術(shù)。

采用 功 率 MOSFET實(shí)施SR的主要損耗為:

導(dǎo)通損耗:

開(kāi)通損耗:

關(guān)斷損耗:

驅(qū)動(dòng)損耗:

式中 I 為 正向電流有效值，RDS(on)為通態(tài)電阻，fS為開(kāi)關(guān)頻率，CGSS為輸入電容，Coss為輸出電容，D為占空比?？梢?jiàn) ，正 向?qū)〒p耗與RDS(on)成正比。不同VDS的MOSFET, RDS(on)往往可相差幾個(gè)數(shù)量級(jí)，所以相同電路拓?fù)渲胁捎?00V 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(jù)關(guān)斷損耗式，表明低VDSMOSFET的關(guān)斷損耗也小。驅(qū)動(dòng)損耗式為開(kāi)關(guān)過(guò)程中輸入電容充放電引起的損耗，該損耗與柵一源驅(qū)動(dòng)電壓的平方成正比。由于采用了兩級(jí)變換器，對(duì)隔離級(jí)來(lái)說(shuō)，因穩(wěn)壓級(jí)己經(jīng)將較寬的輸入電壓穩(wěn)在固定的中間總線電壓上，變壓器的變比可以達(dá)到最佳。

MOSFET的正向通態(tài)電阻RDS(on)以及輸入電容是固定的，驅(qū)動(dòng)損耗只與驅(qū)動(dòng)電壓的平方成正比關(guān)系?？傊?，采用兩級(jí)變換器可使正向?qū)〒p耗，驅(qū)動(dòng)損耗等減到最小程度。此外， 交叉級(jí)聯(lián)正激變換電路拓?fù)渲?，輸出?jí)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(xiǎn)系數(shù)，器件的耐壓只是輸出電壓的2.4倍，遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)單級(jí)變換器解決方案需要達(dá)到輸出電壓4-10倍的要求。這樣采用交叉級(jí)聯(lián)正激變換電路拓?fù)涞膬杉?jí)變換器，便可使用低壓、低RDS(on，的MOSFET來(lái)實(shí)現(xiàn)極低的輸出級(jí)導(dǎo)通損耗。兩級(jí)變換器還采用了并聯(lián)MOSFET的輸出，得到更低的RDS(on)以及更低的損耗。在系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)的時(shí)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。