无线电能传输系统高频同步整流电路设计.docx
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无线电能传输系统高频同步整流电路设计
CHANGSHAUNIVERSITYOFSCIENCE&TECHNOLOGY
毕业设计（论文）
题目：
无线电能传输系统高频同步整流电路设计
学生姓名：
卫星
学号：
200857050108
班级
:
055710801
专业：
电子信息工程
指导教师：
樊绍胜
2012年6月
无线电能传输系统
高频同步整流电路设计
学生姓名：
卫星
学号：
200857050108
班级：
055710801
所在院（系）:
电子信息工程
指导教师：
樊绍胜
完成日期:
2012年6月15日
无线能量传输系统高频同步整流电路设计
摘要
传统接触式能量传输系统主要通过导线进行能量传输。
在传输过程中，由于插头和插座的接触摩擦而产生火花，在有些场所（如石油、化工企业）很容易产生危险，而且在很多用电场合，各种各样的电线连接到一起，既不美观，也非常不方便[1]。
实现供电系统与电气设备之间没有导体接触，自然成为电能传输的重要研究方向之一，即无线电能传输技术。
无线电能传输电路分为发射和接收两部分，电源提供直流电，通过DC-AC转换单元，转换为高频交流电提供给原边电感。
再由副边电感接收能量经过整流滤波后变为直流电。
其中传统的整流方式是通过整流二极管电路，但是整流二极管导通压降较高。
快恢复二极管（FRD）或超快二极管（SRD）可达1.0~1.2V，即使肖特基二极管（SBD），也会产生0.6V的压降[2]，整流损耗较大，电路效率低。
采用低导通阻抗的MOSFET进行整流，可以大大降低这一损耗，是提高变换器效率的有效途径。
用功率MOSFET作同步整流时，要求栅极驱动电压与被整流电压的相位保持同步才能完成整流功能，因此，这种使用功率MOSFET的整流技术，称为同步整流技术。
本文重点分析了同步整流技术的各种拓扑结构以及驱动技术，结合不同结构存在的优缺点提出一种栅极电荷保持驱动方式的同步整流电路，着重分析了该电路各个阶段的运行方式，并且设计出电路进行仿真实验，得出了实验结果。
关键词：
无线电能传输技术；肖特基二极管；同步整流；栅极电荷保持
THEDESIGNOFHIGHFREQUERCYSYNCHRONOUSRECTIFIERCIRCUITFORWIRELESSENERGYTRANSMISSIONSYSTEM
ABSTRACT
Traditionalcontactenergytransmissionsystemmainlythroughawirecarryingenergytransmission.Inthetransmissionprocess,becausetheplugsandreceptaclescontactfrictionandproducesparks,andinsomeplaces（suchasoil,chemicalenterprise）isveryeasytoproducethedanger.Realizethepowersupplysystemandelectricalequipmentnocontactbetweenaconductor,naturallybecomesanimportantresearchdirectionofpowertransmission,thatiswirelesstransmissiontechnology.
Thewirelessenergytransmissioncircuitcanbedividedintotwopartsoftransmitterandreceiver.ProvideDCpowersupply,throughtheDC-ACconversionunit,conversionforhighfrequencyalternatingcurrenttoprovidetheoriginaledgeinductance.Deputyedgeinductancereceiveenergyrectificationoffilterintothedirectcurrent.Amongthemthetraditionalwayisthroughtherectifierdioderectifiercircuit,butrectifierdiodeconductionpressuredropishigher.Fastrecoveryrectifiers（FRD）orsuperfastdiode（SRD）isabout1.0~1.2V,eveniftheschottkydiodes（SBD）,alsocanproduce0.6Vpressuredrop,rectifierlossisbigger,circuitefficiencyislower.UsingtheMOSFEToflowconductionimpedanceforrectificationcangreatlyreducethelossandimprovetheefficiencyoftheconverter.Itisaneffectiveway.UsingpowerMOSFETassynchronousrectifier,requiresthegriddrivingvoltagephaseandtherectifiervoltagephaseofMOSFETkeepsynchronizationtocompleterectifierfunction,therefore,theuseofpowerMOSFETrectifiertechnology,knownassynchronousrectifiertechnology.
Thispaperfocusesontheanalysisofthetechnologyofsynchronousrectifiertopologicalstructureanddrivetechnology,combinedwithdifferentstructureandtheadvantagesanddisadvantagesoftheexistingputforwardawayofdrivingchargegridkeepsynchronousrectifiercircuit,thispaperanalyzesthecircuitatallstagesoftheoperationmode,anddesignthecircuitsimulationexperiment,itisconcludedthattheresultoftheexperiment.
Keywords:
Wirelessenergytransmissiontechnology;Schottkydiode;Synchronousrectifier;Gridchargekeeping
目录
1绪论1
1.1课题的研究背景和意义1
1.2课题的研究现状2
1.3课题研究的重点难点3
2无线能量传输技术4
3同步整流技术6
3.1同步整流技术简介6
3.2同步整流管的损耗分析7
3.3同步整流管和肖特基二极管的损耗比较9
4电路的设计10
4.1结构分析与方案选择10
4.1.1它激式同步整流器10
4.1.2自激式同步整流器11
4.2同步整流设计电路13
4.2.1栅极电荷保持驱动方式13
4.2.2主电路15
4.3实验电路的管型选择16
4.3.1辅助绕组的设计16
4.3.2同步整流管的选择17
4.3.3驱动芯片UCC358017
5仿真电路与结果19
6结论23
6.1存在问题与应用前景23
6.2结论23
参考文献24
致谢25
1绪论
1.1课题的研究背景和意义
长期以来，电能主要是通过导线或导线间的相互接触进行传输的，电气设备一般通过插头和插座等电连接器的接触进行供电。
但是，在大功率供电时，这种供电方式存在高压触电的危险。
由于存在摩擦和磨损，会影响高电压等级电力系统的安全性、可靠性，并会缩短电力设备的使用寿命。
特别是在化工、采矿等一些易燃、易爆领域，极易引发大的安全事故。
在给运动设备进行供电时，如城市交通中的电车，一般采用滑动接触的方式进行供电，这种方式在使用上存在诸如滑动磨损、接触火花和不安全裸露导体等弊端。
接触式供电方式给人们的生产生活带来了很多不便。
随着小型移动设备的发展和这些传统有线能量传输问题的突出，传统的电源线供电模式已经不能满足人们对移动性及特殊场合的用电要求，无线电力传输技术成了研究热点。
无线电力传输系统具有能量传递方便、无电源困扰等特性，有着非常广阔的应用前景。
无线电力传输技术发展以来，不少学者针对这一问题进行了大量研究，提出许多实现电力无线传输的方法，主要可分为四类[3]：
1.基于变压器感应原理实现的无接触能量传输；2.利用激光技术实现电力的无线传输；3.利用微波技术实现电力的无线传输，该技术研究较早，目前有相对成熟的理论，但其主要应用于大功率、远距离等人员比较少的场合；4.利用超声波技术实现电能的无线传输，是目前刚刚兴起的一种无线电能传输方式，其传输的能量还比较低。
对比现有的几种无线电力传输方法，比较成熟的无线输电方式是基于变压器感应原理的无接触能量传输系统，但存在传输距离短的局限性。
2007年麻省理工学院MIT发布的关于无线电力传输上新的理论突破，采用非辐射电磁能谐振隧道效应，成功在2m外点亮了一只60W的灯泡。
该理论采用电磁谐振技术，突破了以往变压器感应式能量传输模式，具有传输效率高、距离远、介质依赖性低的特点，为米级无线电力传输技术的研究开辟了新的方向。
该技术提出以来，迅速成为各大研究机构竞相追逐的热点，并相继在电动汽车、体内植入式医疗器械、小型机器人、便携式移动设备充电中取得了一定的突破。
本课题的研究内容高频同步整流技术就是建立在电磁谐振耦合式无线电能传输系统之上的。
传统的整流电路使用整流二极管进行整流，整流二极管的导通压降较高，快恢复二极管或超快恢复二极管的导通损耗可达1.0~1.2V，即使是低压降的肖特基二极管，也会产生大约0.6V的压降。
这个压降将引起较大的通态损耗，当输出电流增大时，损耗也会随之增加，不能适应大电流工作。
同步整流是采用通态电阻极低的功率MOSFET，来取代整流二极管以降低整流损耗的一项新技术。
本课题将针对无线电能传输系统设计一种高频同步整流电路。
1.2课题的研究现状
在开关电源领域，同步整流技术需求较大，也发展的比较早，上世纪80年代，日本电气公司就已经开发了用作SR的MOS管，导通电阻仅为13mΩ。
同步整流技术出现较早，但是早期的技术很难转换为产品，这是由于当时驱动技术不成熟，可靠性不高。
国际上近几年加大了对同步整流技术的研究力度，解决了其存在的部分问题，使同步整流技术得到一定程度的推广。
同时功率器件的发展和更新也给同步整流技术提供了发展平台。
各类低导通电阻和低驱动电压的同步整流管的相继推出和同步整流驱动芯片的开发成功，给同步整流技术注入了新的活力。
目前，同步整流技术的研究方向主要集中在一下几点[4-5]：
1.有效地驱动同步整流管。
这是同步整流技术首先必须面对和解决的问题。
对应于不同的变换器拓扑结构，如正激变换器、半桥变换器、推挽变换器、全桥变换器和反激变换器，同步整流管的驱动需解决的问题不同，包括如何解决驱动中的死区问题、驱动中的换流问题等等。
2.同步整流管的多管并联运行。
当负载电流特别大时，其正向导通压降也比较大，效率大大降低。
在这种情况下，通常采用的方式是多管并联运行同步整流技术。
多管并联运行存在的主要问题是均流问题，即多个并联运行的同步整流管均分负载电流。
3.低电压大电流功率变换器模块的均流问题。
与多管并联运行问题相同，多模块并联运行的主要技术障碍是模块之间的均流问题。
同步整流技术符合高效节能的要求，有非常广阔的应用前景。
随着用于同步整流的功率MOSFET的批量投入市场，专用驱动芯片的出现及控制技术的完善，同步整流必将逐步应用于广泛的工业生产领域。
1.3课题研究的重点难点
本课题的重点内容是利用同步整流技术降低整流电路的损耗，提高其整流效率。
而同步整流电路的功率损耗主要来自于同步整流管的损耗。
同步整流管主要参数包括寄生电容、通态电阻、体二极管的导通压降和阻断压降，主要损耗包括驱动损耗、开关损耗和导通损耗。
当开关频率较低时，导通损耗占主导地位；当开关频率较高时，以驱动损耗和开关损耗为主。
本课题主要研究高频同步整流，开关频率较高，所以SR管的驱动损耗和开关损耗是研究的重点。
难点在于如何设计变换器的拓扑结构、同步整流管的选型和驱动方式的设计等。
同步整流管的驱动技术可以分为外驱动和自驱动两种：
外驱动技术常采用专门的同步整流驱动控制芯片和隔离芯片，能够提供较好的控制时序，但电路复杂，成本高，尤其是电路的复杂程度和成本随开关频率的提高而增加；自驱动技术是指SR管的栅极驱动信号取自SR所在回路中的某一电压或电流，根据驱动信号来源可分为副边绕组驱动方式、辅助绕组驱动方式、滤波电感耦合驱动方式、栅极电荷保持驱动方式等。
目前国际上用于同步整流技术的拓扑结构非常多，常用有如：
BUCK变换器、正激变换器、半桥变换器、推挽变换器等，不同的拓扑结构各有优缺点，可采用的驱动方式，应用领域都有一定差别。
针对本课题所研究的高频同步整流，因为主要是应用于无线能量传输系统，开关频率在1MHZ以上，所以自驱动方式更适用一些。
自驱动方式有电压型和电流型，还有不同的信号的来源，我们需要通过实验验证来选取相对更好的方法。
拟采用的途径是通过查阅大量的相关资料，整理得到目前已有的各种同步整流技术，包括拓扑结构、SR管选型、驱动方法以及各种存在问题的针对性解决办法；然后实验验证，选取一种可行性方案；设计电路，实验观察结果，根据实验结果做出相关改进。
2无线能量传输技术
无线能量传输泛指一切借助某种载体实现无直接电气连接的电能传输技术。
这种载体有很多种，比如无线电波、磁场感应耦合、磁场共振耦合、激光等。
但是研究最多和理论最成熟的是磁场感应耦合，感应耦合技术传输效率很高，可以达到90%以上，但是传输距离很短，厘米级的距离，传输效率随着距离的增大急剧下降，而且不能实现全方位传输。
目前磁场共振耦合技术是一个新的研究方向。
磁场共振耦合技术最早是由麻省理工学院MIT提出，他们利用电磁谐振原理实现了中距离的电能无线传输，在2M多距离内将一个60W的灯泡点亮，且传输效率达到40%左右。
磁场共振耦合传输技术与其他一些无线电能传输技术相比有几大优点[6]：
与电磁感应原理相比，传输距离大大提高，突破了电磁感应原理仅仅在1cm以内的距离限制，而且理论上不考虑一些其他物体的影响，距离可以进一步提高；与无线电波传输技术相比，具有传输效率高的特点，微波传输只有几毫瓦至一百毫瓦的数量级，而谐振耦合电能传输技术在几十瓦到几百瓦的数量级，在效率上提高有万倍。
但是，现阶段谐振耦合无线传输技术仍处于研究阶段，技术远未成熟。
磁场共振耦合无线传输系统主要有两部分组成，发射端和接收端。
发射端有整流电路、逆变电路和发射线圈，接收端有接收线圈、整流电路和滤波电路。
系统模型如下图所示。
图2.1磁场共振耦合无线传输系统
如上图所示，在磁场共振耦合电能传输系统中，整流电路在发射端和接收端都利用到。
因此，降低整流电路的损耗可以有效的减小整个系统的损耗，提高整个系统的传输效率。
传统的整流电路使用二极管整流，二极管性能稳定，技术成熟，且价格便宜，但是随着原材料市场的发展，MOSFET管的价格不断下降，而且性能相比二极管要优越很多，低导通电阻、低压降的MOS管必然会在未来的整流市场得到更广泛的使用。
但是，目前还没有很成熟的电路结构可以有效的驱动MOS管，在整流效率方面完全的超越二极管甚至取代二极管。
本文在电路研究方面做出一些努力，希望可以在同步整流技术的发展潮流中做出一点微薄的贡献。
3同步整流技术
3.1同步整流技术简介
同步整流是采用通态电阻极低的专用功率MOSFET，来取代整流二极管以降低整流损耗的一项新技术。
它能大大变换器的效率并且不存在由肖特基势垒电压而造成的死区电压。
功率MOSFET属于电压控制型器件，它在导通时的伏安特性呈线性关系。
用功率MOSFET做整流器时，要求栅极电压必须与被整流电压的相位保持同步才能完成整流功能，故称之为同步整流。
近年来，同步整流技术研究较多，发展也很快。
提出了许多实用的拓扑结构和驱动方法[7]。
基本的变压器抽头方式双端自激、隔离式降压同步整流电路
图3.1双端自激隔离式降压同步整流电路
如上图所示的同步整流电路是采用双端自激的驱动方式，这种电路驱动波形比较完整，但是由于MOS管的驱动开启电压，两个同步整流管互相交替开关之间有一个死区时间，这段时间无信号输出，造成能量流失，同时由于增加一个变压器线圈，损耗增加。
单端自激、隔离式降压同步整流电路
图3.2单端自激隔离式降压同步整流电路
如上图所示的电路，采用单端自激的方法，基本工作原理是在次级电压的正半周，同步整流管V1导通，V2关断，同步整流管V1起到整流作用；在次级电压的负半周，同步整流管V1关断，V2导通，此时整流管V2起到续流作用。
这种整流电路的主要部件是续流电感L，在一个循环周期内，后半个周期的续流全部来自于L，因此电感L的取值非常重要。
当开关频率低于1MHz时，导通损耗占主导地位；开关频率高于1MHz时，以栅极驱动损耗为主。
3.2同步整流管的损耗分析
同步整流器的效率取决于MOSFET整流损耗的大小，MOSFET的整流损耗分析比较复杂，它既与其等效模型的参数有关，又与栅极驱动电压、开关频率有关。
当开关频率很高（1MHZ以上）、栅极驱动电压较大时，驱动损耗明显增加，这时，MOSFET无法实现所谓的无损耗驱动；而在大电流整流运行时，MOSFET整流效率并不总是优于肖特基二极管的整流效率，因而必须考虑采用多管MOSFET并联同步整流方式[8]。
当同步整流MOSFET管的开关频率低于500kHZ时，可以忽略栅极驱动损耗，即所谓的无驱动损耗。
但是，当开关频率很高（1MHZ）时，不能忽略栅极驱动损耗。
MOSFET栅极驱动损耗由极间寄生电容、栅源电压和开关频率共同决定。
而MOSFET的导通损耗总是存在的，它由导通电阻和整流器的输出电流决定。
图3.3MOSFET的等效损耗模型
MOSFET的等效损耗模型如图所示，其中Rg为栅极电阻，Cgs为栅极和源极之间的寄生电容，Cgd为栅极和漏极之间的寄生电容，Cds为漏极和源极之间的寄生电容，Rd与Rcha之和为导通电阻，即沟道电阻Rds（on），它与栅源电压有关。
沟道等效电阻Rds（on）随着栅源电压Vgs增大而减小，可以表示为
（1）
MOSFET管的静态导通损耗可以表示为
（2）
Io为输出电流，Rds（on）由式
（1）确定。
导通电阻随着栅极驱动电压的增大而减小。
由
（2）可知，导通损耗随着负载电流Io的增加而增加，随着栅极驱动电压的增大而减小。
在一个开关周期内，电容的充放电损耗为
（3）
对于MOSFET而言，Vmax-Vmin即为其栅极驱动电压Vgs，C（v）即为Cgs，因而同步整流MOSFET管的栅极驱动损耗为
（4）
式中f为开关频率。
故MOSFET管的整流总损耗为
（5）
为了减小MOSFET的导电损耗Pcond，可以减小导通电阻Rds（on）。
而增加栅极驱动电压可以减小导通电阻，但是，栅极驱动电压不可能无限制增大，同时，增加栅极驱动电压会增加驱动损耗。
因此，在栅极驱动电压和导电电阻之间，应该找到一种折中方案，使得MOSFET管的整流损耗最小。
3.3同步整流管和肖特基二极管的损耗比较
在使用MOSFET同步整流技术提高整流效率之前，一直是采用肖特基二极管整流。
从前面的结果分析表明，由于MOSFET的漏源极之间可以等效为一个阻值恒定的电阻，因此MOSFET导通压降和导通损耗将随着同步整流电流的上升而增加，导通压降和整流电流成正比，增加速度较快。
而肖特基二极管的研究表明，其导通压降随着导通电流增加而成饱和趋势，最大导通压降在0.4~0.5之间。
采用MTP75N05HD的MOSFET和85CNQ015的肖特基二极管，在不同整流电流下，实验得出如下图所示的正向导通压降曲线。
从图中可以明显看出，当整流电流小于45A时，MOSFET导通压降比肖特基二极管导通压降小。
但当整流电流大于70A时，MOSFET导通压降明显大于肖特基二极管的导通压降[9]。
图3.4肖特基二极管和MOSFET正向导通压降比较
可见MOSFET导通压降并不总是低于肖特基二极管，进而说明同步整流管的效率也不总是优于肖特基二极管。
因此，当整流电流超过一定大小时，同步整流技术应该考虑MOSFET多管并联，或采用肖特基二极管整流。
4电路的设计
4.1结构分析与方案选择
根据同步整流管的驱动方法的不同，同步整流器可以分为两种：
自激式同步整流和它激式同步整流。
不管什么驱动方法，目标都是为了得到一个理想的驱动波形，如下图所示。
图4.1同步整流器理想驱动波形
4.1.1它激式同步整流器
它激式同步整流器是最先采用的，每个SR管对应一套复杂的驱动电路,驱动电路包括时延逻辑、驱动器和变压器，如图3.4所示，SR1的驱动电路与SR2相同[10]。
图4.2它激式同步整流器原理图
这种驱动方式不仅电路复杂、臃肿，而且在提高电源效率上有显著的不足，因为它较难保证SR管栅极驱动信号与漏-源极电压变化的同步，而这同步关系正是SR技术所需要的。
正是由于这些原因，它激式SR逐渐不被接受。
4.1.2自激式同步整流器
自激式同步整流器有很多种拓扑结构，有交叉式同步整流、感应式同步整流、附加绕组驱动同步整流等。
交叉式同步整流器因为SR1、SR2的栅极和漏极通过主变压器交叉联接而得名。
这种形式SR的最大特点是SR管的驱动网络极其简单,它是利用主变压器次级的电压来实现SR管的开通与关断,无需附加驱动器和附加变压器。
因为变压器的去磁复位方式多种多样,相应的次级电压波形也有多种形式,适用于同步整流的复位方法有:
正激谐振复位式；正激有源钳位复位式；正激多谐振复位式。
对应于上述变压器的三种复位方式，便有三种SR拓扑，如下图所示。
图4.3三种交叉式同步整流的电路原理图
图4.4三种交叉式同步整流器对应的驱动波形
上图为不同的变压器磁复位电路所对应次级驱动波形。
通过观察图中的驱动波形，同时与图4.1比较可知，图b的波形更接近于理想波形，因此，我们选用正激有源钳位复位电路。
这种电路
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