同步整流技术的特点与分析比较
The Comparison and Analysis of Synchronous Rectification

福州大学电气工程与自动化学院    宋辉淇    林维明    （福州  350002）

摘   要：本文从几个不同的角度，对同步整流技术进行了分析和比较，以便于能够更好的理解和应用同步整流技术。
关键词：同步整流技术；同步整流MOS管；电路拓扑；驱动方式。

1引言
随着计算机、通信技术的发展，低压大电流开关电源越来越成为目前一个重要的研究课题。而效率问题始终是开关电源发展的一个主旋律[1，2]，同步整流技术的出现，正是顺应了这一发展趋势，从出现至今，国内外许多著名的大公司和研究机构都不断致力于该技术的研究，为高效率二次电源的开发和应用提供了强大的技术基础，因此，深入分析和掌握同步整流技术特点，对于该技术的优化与发展及相关产品的开发具有十分重要的意义。
目前，同步整流技术在DC-DC模块电源领域得到了广泛的应用。随着MOSFET设计工业技术的进步，使当今的MOSFET的性能大大提高。例如IR公司的MOS管IRF7821，其最大导通电阻仅为9.1mΩ，开关时间小于10ns，栅电荷仅9.3nc，而且在逻辑电平下驱动即可。同步整流技术几乎可以应用到各种电路拓扑，并且可以与其它技术相结合，从而形成了各具特色的同步整流技术。例如，有源箝位技术与同步整流技术结合，实现了软开关同步整流技术，进一步降低了同步整流MOS管的开关损耗，效率也得到了进一步的提高。同步整流技术的关键则在于同步整流管的驱动控制上，不同的驱动方式对效率的影响是有很大差别的。鉴于目前同步整流技术应用的广泛性，本文从器件、电路结构以及工作方式等三个不同的角度对同步整流技术进行了较为全面的分析和比较，以利于更好的理解和掌握同步整流技术。
2同步整流器件的特点
同步整流技术就是采用低导通电阻的功率MOS管代替开关变换器快恢复二极管，起整流管的作用，从而达到降低整流损耗，提高效率的目的。通常，变换器的主开关管也采用功率MOS管，但是二者还是有一些差异的。
功率MOS管实际上是一个双向导电器件[3]，其完整的漏源伏安特性应包括第一象限以及第三象限，是基本关于原点对称的，如图1所示。其中：第一象限表示MOSFET的正向导电特性，第三象限表示MOSFET的反向导电特性；同步整流技术正是利用了MOSFET这种双向导电特性来达到提高整流效率的目的。
由于工作原理的不同，而导致了其他一些方面的差异。例如：作为主开关的MOS管工作在第一象限，通常都是硬开关，因此要求开关速度快，以减小开关损耗；而作为整流/续流用的同步MOS管，则要求MOS管具有低导通电阻、体二极管反向恢复电荷小、栅极电阻小和开关特性好等特点，因此，虽然两者都是MOS管，但是它们的工作特性和损耗机理并不一样，对它们的性能参数要求也不一样，认识这一点，对于如何正确选用MOS管是有益的。
3主要电路拓扑结构
众所周知，同步整流技术首先应用在非隔离型变换器，典型的应用如图2所示。然而，随着输出电压的不断降低，变换器的输入输出电压变比则不断增大，相应的占空比则不断减小。以同步整流Buck变换器为例，当占空比下降到15~20%以下时，其性能将严重下降[4]，主要的原因就是占空比太小了而导致的。隔离型变换器则能够很好的解决这一问题，而且能够实现输入输出的电隔离，因此在许多隔离型变换器，如正激、反激、半桥、全桥等，也广泛采用同步整流技术，其典型的应用电路如图3所示。
从应用和设计的角度，隔离型变换器和非隔离型变换器对同步整流MOS管的设计、性能要求等方面的影响是不同的。
非隔离型变换器主要适用于小功率的场合，以Buck电路为例，输出电流通常被限制在20~25A；为了满足输出大电流的要求，往往必须采用多个模块并联均流的方法，这不但增加了电路的成本和体积，使可靠性降低，而且不符合开关电源高功率密度的发展趋势。在Buck电路中，同步MOS管通常是由控制IC驱动和控制，因此，其驱动信号具有控制时序准确，驱动电压恒定、不受输入或输出电压影响的优点。
近来，TI公司推出的一款新型的同步整流控制IC-UCC27221/2，它是通过采用检测同步整流MOSFET的开关状态，然后利用数字控制技术调整MOSFET开关时间的方法，以获得最优的开通和关断死区延迟时间，突破性的作出ZVS的同步整流，从而解决了非对称电路的软开关同步整流问题，使得效率在原有技术的基础上又进一步提高了2~4个百分点。
隔离型变换器则适用于较大功率、对瞬态特性要求不同的场合，高功率密度、高性价比是其主要目标。对于隔离型变换器，同步MOS管的驱动方式依拓扑结构的不同而不同，具有较大的灵活性。若按工作方式来划分，可分为自驱动和外驱动。
所谓自驱动，它是在变换器中取合适点的电压来驱动功率MOSFET，一般包括变压器次级绕组的输出端电压和输出滤波电感的电压；自驱动的同步整流变换器具有电路结构简单、元器件少的优点，已经普遍用于5V以下的低压小功率输出场合，但是由于它的驱动电压和输入电压、输出电压成比例，而且对于某些电路拓扑，如Buck、Forward等，为了避免两个管子发生共通，要求两个MOS管的驱动信号之间必须留有一定的死区时间，所以在输入电压变化范围比较大或者输出电压偏低的情况下，为了使同步整流管能够有效工作，需要对自驱动电路做进一步的改进[5，6]。
所谓外驱动，它是由外部的控制电路通过计算或根据电路的状态，确定功率MOSFET的驱动时间，然后由一专门的控制IC驱动同步整流管。外驱动电路可以提供精确的控制时序，使同步整流管的驱动信号和理想的驱动波形一致，驱动信号不受输入电压或输出电压影响，但是电路结构复杂、所用的元件多、成本高。目前，对于12V以上至20V左右的同步整流，则多采用控制驱动IC，这样可以收到较好的效果。现已开发出的一些外驱动控制IC，如ST公司的STSR2和STSR3可以很好地用于正激和反激变换电路，IR公司的IR1175可直接从变换器副边取得LTC1698，用于双管正激电路的同步整流驱动。
若按工作原理来划分，则可以分为电压型驱动[7]，电流型驱动[8]和谐振型驱动[9]等，有关具体的驱动方案可查阅相关的文献；正是由于驱动方式的多样性，因此，在隔离型变换器中，如何恰当地设计同步整流管的驱动电路，对于变换器的性能具有十分重要的影响。
4工作方式的比较
传统的同步整流方案基本上都是PWM型同步整流，主开关与同步整流开关的驱动信号之间必须设置一定的死区时间，以避免交叉导通，因此，同步整流MOS管就存在体二极管导通和反向恢复等问题，从而降低同步整流电路的性能。
下面以Flyback变换器为例具体说明，电路原理图如图3(b)所示，典型的工作波形如图4所示。
由以上的分析和工作波形可以看出，为了防止两个MOS管发生交叉导通，它们的驱动信号之间必须设置一定的死区时间；然而，为了获得高效率，则又必须尽量减小死区时间、避免同步整流管中的体二极管的导通。这也是在PWM型变换器中应用同步整流技术的关键所在，也是研发人员面临的一大难点。
谐振型同步整流方案是利用MOS管在开关过程中发生谐振，使得MOS管能够获得软开关的性能，同时又能避免体二极管的导通问题。因此，该方案对驱动信号的时序要求不会十分苛刻，便于驱动电路的设计；而且适用范围广，可适用于隔离型非隔离型变换器，所以被认为是一种十分具有发展潜力的技术。
为了便于比较，仍以Flyback变换器为例来说明，其电路原理图和典型的工作波形分别如图5和图6所示。
由下面的工作波形可以看出，当同步整流管关断时，谐振电感Lr和电容Cr开始发生谐振；当谐振电容Cr上的电压过零时，开通同步整流MOS管，从而实现ZVS开通，而且整个过程不存在体二极管导通的问题，使得整流效率能够大大提高。其中，谐振电感Lr可利用变压器的漏感，谐振电容Cr可利用MOS管自身的寄生电容，或者并联一个外部电容。虽然是采用谐振技术，但是，在低输出电压场合，经过合理的设计，并不会提高对器件性能的要求，也不会增加成本。
5实验结果
利用以上分析结果，设计了一台功率25W、采用PWM控制的DC-DC反激型电源模块，额定输入48V，输出3.3V，开关工作频率250kHz，主开关管采用IR公司的IRFR15N20D，同步整流管用IRF7821TR，磁心用铁氧体FEE-18/8/10C，按反激变压器设计原则设计。主要波形如图7所示，图中Ch1为副边同步整流管的驱动电压波形，Ch2为原边主开关管的驱动电压波形。为了更清楚的说明变压器原副边MOS管的开关过程，图7(b)是图7(a)开关过程的一个放大图。
6结语
本文从器件、拓扑结构、工作方式等几个不同的角度，对同步整流技术进行了分析和比较，介绍了该领域取得的一些新进展，这有助于更全面理解同步整流技术，为开拓同步整流技术应用的新局面提供了一个良好的理论分析平台。同步整流管的驱动控制仍然是同步整流技术的核心，不同的驱动方式对同步整流技术的性能优劣具有决定性的影响，因此，高性价比的同步整流驱动电路仍将是未来电力电子技术工程师努力和追求的目标。

参考文献
[1]张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].北京:电子工业出版社，2002.
[2]蔡宣三.同步整流技术.电源世界，2003，第1期.
[3]胡宗波，张波.同步整流器中MOSFET的双向导电特性和整流损耗研究[J].中国电机工程学报2002，22(3).
[4]Charles E.Mullett.A 5-Year Power Technology Roadmap.APEC 2004.
[5]Goran Stojcic and Chien Nguyen.MOSFET Synchronous Rectiffers for Isoloated，Board-Mounted DC-DC Converters. INTELEC 2000.
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[7]A.Fernandez，J.Sebastian，M.M.Hernando，P.Villegas.Optimisation of a Self-Driven Synchronous Rectification System for Converters with a Symmetrically Driven Transfomer.APEC 2004.
[8]X.F.Xie，H.Y.Chung and M.H.Pong.Studies of Self-driven synchronous rectification in low voltage Power Conversion.PEDS 1999.
[9]N.K.Poon，C.P.Liu，M.H.Pong and X.F.Xie.Current Driven Synchronous Rectifier with Energy Recovery.US Patent Number 6，134，131.Oct.17，2000.
[10]Ming Xu，Jinghai Zhou，Yang Qiu，Kaiwei Yao and Fred C.Lee.Resonant Synchronous Rectification for High Frequency DC-DC Converter.APEC 2004.