【導(dǎo)讀】電源的高效率、低功耗、小體積、高可靠性已經(jīng)成為大勢所趨，在這種情況下，對電子產(chǎn)品電源安全性能的考慮是必要的。當(dāng)電路由于各種原因出現(xiàn)反向電流時，若。反向電流過大，不僅可能燒壞元器件，也可能對負載正常運行造成影響和安全隱患，甚至威脅人們的財產(chǎn)和生命安全。由此可見，對變換器反向電流的研究從各個角度來。說都是很有價值的。反向累積，逐漸增大。在基本理論知識的基礎(chǔ)上，為了防止過大的反向電流對負載正。電流反向時阻止續(xù)流開關(guān)管的導(dǎo)通脈沖傳遞至續(xù)流開關(guān)管，以阻止續(xù)流開關(guān)管導(dǎo)通，

　　

【正文】 ,包含有 V2的回路由于 V2會不斷退出飽和直至關(guān)斷 ,對于 S1 而言導(dǎo)通比關(guān)斷要慢 ,對于 S2而言導(dǎo)通比關(guān)斷要快 ,而兩管發(fā)熱程度也不完全一樣 ,S1 比 S2 要嚴重。 該驅(qū)動電路的缺點是需要雙電源 ,且由于 R 的取值不能過大 ,否則會使 V1 深度飽和 ,影響關(guān)斷速度 ,所以 R上會有一定的損耗。 還有一種與其相類似的電路如圖 22(b)所示 ,改進之處在于它只需要單電源。其產(chǎn)生的負壓由 的穩(wěn)壓管 提供。同時 PNP 管換成 NPN 管。在該電路中的兩個 MOSFET中 ,上管的發(fā)熱情況要比下管較輕 ,其工作原理同上面分析的驅(qū)動電路 (2) 隔離的驅(qū)動電路 N 1N 2N 3+1 5 VS 1R 1R 2S 2 (b) (a) (b) 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 共 40 頁 第 25 頁 LR 1CU cab （ a） 正激式驅(qū)動電路 （ b）等值電路 圖 23 正激式驅(qū)動電路 （ a） 去磁繞組導(dǎo)通 （ b）去磁繞組不導(dǎo)通 圖 24 正激式驅(qū)動電路工作波形 a. 正激式驅(qū)動電路 電路原理圖如圖 23(a)所示 ,N3為去磁繞組 ,S2 為所驅(qū)動的功率管。 R2為防止功率管柵極、源極端電壓振蕩的一個阻尼電阻。因變壓器漏感較小 ,且從速度方面考慮 ,一般R2 較小 ,故在分析中忽略不計。 （ a） （ b） 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 共 40 頁 第 26 頁其工作波形分為兩種情況 ,一種為去磁繞組導(dǎo)通的情況 ,見圖 24（ a） 。一種為去磁繞組不導(dǎo)通的情況 ,見圖 24(b)。 等值電路圖如圖 23(b)所示 ,脈沖變壓器的副邊 并聯(lián) — 電阻 R1,它做為正激式變換器的假負載 ,用于消除關(guān)斷期間輸出電壓發(fā)生振蕩而誤導(dǎo)通 ,見圖 25[14]。 圖 25 正激式驅(qū)動不加負載時的實驗波形 同時它還可作為功率 MOSFET 關(guān)斷時的能量泄放回路。該驅(qū)動電路的導(dǎo)通速度主要與被驅(qū)動的 S2 柵源極等效輸入電容的大小、 S1的驅(qū)動信號的速度以及 S1 所能提供的電流大小有關(guān)。由仿真及分析可知 ,占空比 D越小、 R1 越大、 L 越大 ,磁化電流越小 ,U1值越小 ,關(guān)斷速度越慢。 該電路具有以下優(yōu)點：①電路結(jié)構(gòu)簡單可靠 ,實現(xiàn)了隔離驅(qū)動。②只需單電源即可提供導(dǎo) 通時正、關(guān)斷時負壓。③占空比固定時 ,通過合理的參數(shù)設(shè)計 ,此驅(qū)動電路也具有較快的開關(guān)速度。該電路存在的缺點：一是由于隔離變壓器副邊需要一個假負載防震蕩 ,故該電路損耗較大 。二是當(dāng)占空比變化時關(guān)斷速度變化加大。脈寬較窄時 ,由于是貯存的能量減少導(dǎo)致 MOSFET 柵極的關(guān)斷速度變慢。表 1 為不同占空比時關(guān)斷時間toff（驅(qū)動電壓從 10伏下降到 0 伏的時間）內(nèi)變化情況。 表 1不同占空比時 toff 的變化情況 占空比 toff(微秒） V c cV 1V 2C 1N 1N 2T 1RZ 1Z 2S （ a） 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 共 40 頁 第 27 頁 V c cV 1V 2C 1N 1N 2RZ 1Z 2SC 2 （ a） D （ b） D 圖 26 有隔離變壓器的互補驅(qū)動 b. 有隔離變壓器的互補驅(qū)動電路 如圖 26(a)所示 ,V V2 為互補工作 ,電容 C起隔離直流的作用 ,T1 為高頻、高磁率的磁環(huán)或磁罐。占空比 D,導(dǎo)通時隔離變壓器上的電壓為 (1－ D)Ui、關(guān)斷時為DUi,若主功率管 S 可靠導(dǎo)通電壓為 12V,則隔離變壓器原副邊匝比 N1/N2 為 12/(1－D)/Ui。為保證導(dǎo)通期間 GS 電壓穩(wěn)定 C值可稍取大些。實驗波形見圖 27(a)。該電路具有以下優(yōu)點： ①電路結(jié)構(gòu)較簡單可靠 ,具有電氣隔離作用。當(dāng)脈寬變化時 ,驅(qū)動的關(guān)斷能力不會隨著變化。 ②該電路只需一個電源 ,即為單電源工作。隔直電容 C 的作用可以在關(guān)斷所驅(qū)動的管子時提供一個負壓 ,從而加速了功率管的關(guān)斷 ,且有較高的抗干擾能力。 (b) （ a） 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 共 40 頁 第 28 頁 （ a） D (b)D 圖 27 有隔離變壓器的互補驅(qū)動的實驗波形 但該電路所存在的一個較大缺點是輸出電壓的幅值會隨著占空比的變化而變化。當(dāng) D 較小時 ,負向電壓小 , 該電路的抗干擾性變差 ,且正向電壓較高 ,應(yīng)該注意使其幅值不超過 MOSFET 柵極的允許電壓。當(dāng) D大于 時驅(qū)動電壓正向電壓小于其負向電壓 ,此時應(yīng)該注意使其負電壓值不超過 MOSFET 柵極的允許電壓。所以該電路比較適用于占空比固定或占空比變化范圍不大以及占空比小于 的場合。 圖 26(b)為占空比大于 時適用的驅(qū)動電路 ,其中 Z2 為穩(wěn) 壓二極管 ,此時副邊繞組負電壓值較大 ,Z2 的穩(wěn)壓值為所需的負向電壓值 ,超過部分電壓降在電容 C2 上 ,其實驗波形見圖 27(b)[15]。 第四章 變換器開機問題解決方法研究 預(yù)偏置時 DC 變換器出現(xiàn)的反向電流問題 隨著電子技術(shù)、計算機技術(shù)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，低壓、大電流的 DSP、微處理器等大規(guī)模集成芯片越來越多的應(yīng)用到各個系統(tǒng)的設(shè)計中，導(dǎo)致： 能大大提高 DC/DC 開關(guān)電源的效率和熱性能的同步整流器已經(jīng)廣泛的應(yīng)用到各種 DC/DC 開關(guān)電源中。 2. 系統(tǒng)必須有不同的電壓同時供電，使電路在有預(yù)偏 置時由于同步整流的存在，產(chǎn)生輸出啟動波形不單調(diào)、重新啟動或甚至損壞模塊的現(xiàn)象。 在直流 直流變換器領(lǐng)域，普遍采用同步整流技術(shù)，但是采用同步整流技術(shù)的直流 直流變換器中的能量能夠雙向流動，比如 buck 變換器，當(dāng)輸出電壓大于輸入電壓與占空比的乘積時，電流將會由輸出端流向輸入端，如果把 buck 變換器的輸入端看做輸出端，而把輸出端看做輸入端，此時， buck 變換器實際上是一個 boost (b) 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 共 40 頁 第 29 頁變換器。 電流反向流動的現(xiàn)象普遍存在，在實際應(yīng)用中可能造成問題，尤其是變換器在預(yù)偏置的情況下開機時，即在變換器輸 出端已經(jīng)存在一定電壓的情況下開機時，反向電流可能會非常大，因為在大部分變換器中，為了獲得平滑的啟動效果，會設(shè)置軟啟動電路，使變換器開機后變換器內(nèi)驅(qū)動電壓的占空比逐漸增大，所以在變換器剛開機時驅(qū)動電壓的占空比很小，此時就會產(chǎn)生反向電流，在驅(qū)動電壓的占空比增大到足以使輸入電壓和輸出電壓達到平衡之前，反向電流會不斷增大，反向電流太大可能會造成變換器的器件應(yīng)力過大而導(dǎo)致失效，縮短直流 直流變換器的使用壽命。此外，也會造成輸出電壓跌落過大而導(dǎo)致負載電路不能保持正常運行。 預(yù)偏置時輸出電流理論分析 圖 28 經(jīng)典 BUCK變換器 如圖 28 所示，大部分變換器為了獲得平滑啟動的效果，會設(shè)置軟啟動電路，使開機后變換器開關(guān)管的驅(qū)動電壓占空比從一個很小值逐漸增大 [14]。由于 Q1和 Q2驅(qū)動電壓信號相反，啟動階段，在如圖的開關(guān)管 Q1 導(dǎo)通時，輸出電壓約等于輸入電壓，輸入電壓大于預(yù)偏置電壓，此時，輸出電流為正向，即圖中 IL 所示方向。開關(guān)管 Q1關(guān)斷時，偏置電壓可以看做電壓源，此時由于開關(guān)管 Q2 導(dǎo)通，電源通過電感 L 和開關(guān)管 Q2 放電，電流 IL 從 Q1 關(guān)斷時刻的電流值開始減小。因為啟動時驅(qū)動 電壓占空比很小，一個周期內(nèi)，低電平持續(xù)的時間比高電平持續(xù)的時間多的多， 導(dǎo)致一個周期結(jié)束，即下一次 Q1導(dǎo)通， Q2關(guān)斷時，電流 IL 為負值，然后在 Q1 導(dǎo)通、 Q2 關(guān)斷整個階段，輸入電壓經(jīng)過 Q1和電感 L放電，電流有恢復(fù)正向流動的趨勢， IL反向電流減小。但是因為驅(qū)動電壓占空比很小，直到 Q1 導(dǎo)通結(jié)束時，電流 IL 還沒有恢復(fù)到正向，此后 Q1 又關(guān)斷， Q2 又導(dǎo)通，電流在還沒有恢復(fù)到正向的情況下，又開始反向增大。以此類推，輸出電流 IL 在 Q1 與 Q2的交替導(dǎo)通與關(guān)斷中，不斷反向增大，導(dǎo)致啟動結(jié)束時，輸出的反向電流很大，理論分析輸出電 流 IL波形如圖 29 所示。 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 共 40 頁 第 30 頁 圖 29 輸出電流理論波形 從圖中可以 看出，剛開機階段，電路輸出電流為正，由于占空比較小，正向電流只維持非常短的時間，此后電流會反向流動，并逐漸反向增大，這種情況下，如果不能及時采取措施限制反向電流，極有可能對電路造成很大影響。 預(yù)偏置開機問題的 PSpice 軟件模擬 buck 變換器的 PSPICE 環(huán)境下的仿真電路如圖 30 所示。開關(guān)管 Q Q2 驅(qū)動電壓波形如圖 3圖 32所示。 圖 30 PSpice 中 buck變換器原理 圖 圖 30 所示電路中， Q1 為變換器主開關(guān)管， Q2為續(xù)流開關(guān)管， Q1和 Q2的驅(qū)動脈 沖占空比之和為 1， L1 為輸出電感，流過電感的電流為輸出電流 IL。 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 共 40 頁 第 31 頁 Time0s V(V2:+,V2:)0V 圖 31 Q1驅(qū)動電壓波形 如圖 31 所示，開機時，主開關(guān)管驅(qū)動脈沖占空比非常小，每個周期內(nèi)導(dǎo)通時間較短，大部分時間處于關(guān)斷狀態(tài)。 如圖 32 所示，續(xù)流開關(guān)管 Q2 的驅(qū)動脈沖占空比較大，每個周期內(nèi)大部分處于導(dǎo)通狀態(tài)。由于預(yù)偏置電壓的存在，續(xù)流開關(guān)管導(dǎo)通時間很長，導(dǎo)致預(yù)偏置電壓通過續(xù)流開關(guān)管放電，出現(xiàn)反向電流。 Time0s V(M1:g,0)0V 圖 32 Q2驅(qū)動電壓波形 圖 33 是 PSPICE 軟件下 BUCK 變換器有預(yù)偏置電壓時的輸出電流波形，其中 IL為流過變換器輸出電感的輸出電流。 Time0s 50us 100us 150us 200us 250us 300us 350usI(V4)0A 圖 33 預(yù)偏置時 buck變換器輸出電流波形 由圖中可以看到，初始階段，電流從零逐漸正向增加，很快又減小，直至減至負u t t u IL t 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 共 40 頁 第 32 頁值 4A 左右，此后電流有所上升，但仍反向，之后繼續(xù)反向增大， 在 350us 時，已達到 8A 左右。曲線總體趨勢為下降，與圖 29 所示理論曲線相吻 合。 過大的反向電流可能會引起電路中元器件劇烈發(fā)熱，大大縮短直流 直流變換器的使用壽命，燒毀器件和負載設(shè)備，造成很大的經(jīng)濟損失，甚至引起元器件絕緣等功能喪失，造成安全隱患， 對工業(yè)、科研生產(chǎn)都會產(chǎn)生不利影響 [15]。 鑒于以上種種弊端，應(yīng)設(shè)法阻止輸出電流的層層累積效應(yīng)，以保護電路和設(shè)備。在電路中增設(shè)脈沖阻止電路，通過脈沖阻止電路檢測 到輸出存在反向電流時，阻止直流 直流變換器中的導(dǎo)通驅(qū)動脈沖信號傳遞至功能開關(guān)管， 從