文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2011)12-0066-03
隨著電源技術的發展，低壓大電流開關電源逐漸成為目前一個重要的研究課題。而效率問題始終是一個主旋律[1]。電源中的損耗很大一部分來自于整流電路。傳統整流方式是使用整流二極管，其較高的導通壓降使得系統效率低下。同步整流采用低導通電阻的功率MOSFET取代整流二極管，以降低整流損耗[2]。整流時，要求MOSFET柵極電壓與被整流電壓保持一定的相位同步關系。
感應耦合電能傳輸系統中應用同步整流時，需要特殊的控制方式以避免延時導致的整流失效問題。針對應用同步整流提高系統效率的問題，本文設計制作了同步整流控制電路以及應用同步整流技術的感應耦合傳輸系統。實驗測試數據說明，該電路有效地避免了整流失效，顯著地提高了系統效率。
1 整流損耗分析
1.1 二極管整流
二極管半波整流電路如圖1所示。
整流二極管導通時，電流流經二極管產生導通損耗，其計算公式為：
2 感應耦合電能傳輸的同步整流
2.1 感應耦合電能傳輸基本原理
感應耦合電能傳輸方法是一種基于電磁感應耦合理論，現代電力電子能量變換技術及控制理論于一體的新型電能傳輸模式[4]，其基本原理如圖3所示。電源提供的直流電經逆變電路轉換后供給原邊電感。副邊電感通過電磁感應得到交流電。整流后由功率處理電路將其轉換為所需的電流/電壓，供給用電設備，完成電能的無線傳輸[5]。
3 實驗結果
為了驗證同步整流控制電路，測試同步整流對系統效率的提升效果，本文設計了半橋逆變電路、同步整流電路、二極管整流電路進行對比測試。測試電路原理如圖7所示。
Tc1與Tc2同軸繞制，保證控制信號與副邊電感信號同步。原邊電感采用棒狀磁芯，副邊電感繞在管狀骨架上，線圈匝比1:1。整流二極管采用MUR1660雙管并聯，同步整流MOSFET采用IRF3205單管。逆變MOSFET采用兩只FQA38N30單管，工作頻率20 kHz。
3.1 同步整流控制電路
在無濾波電容、接200 Ω純阻性負載的情況下測試負載兩端電壓波形。測試電路及波形如圖8所示。
從圖8可以看到，負載兩端波形為正的半波方波，沒有負電壓的出現。控制電路提前發出關斷信號，避免了延時的影響，保證了整流電路的有效性。
3.2 系統效率
在整流后端接入濾波電容，分別使用二極管整流，同步整流對系統輸入/輸出參數進行測試。測試時保證兩組整流電路負載相同。在輸出電壓分別為5 V和3.3 V時，系統效率如圖9所示。
從圖9可以看到，輸出電壓為5 V時，效率提升幅度在輸出電流1 A時達到峰值，為14.75%，隨后隨著輸出電流增加而下降。輸出電壓為3.3 V時，效率提升幅度隨輸出電流增加而降低，在電流為100 mA時達15.51%。同步整流技術可明顯提高感應耦合電能傳輸系統的效率。隨著輸出電流增加，耦合電感的效率降低，系統整體效率下降，效率提升幅度也下降。
輸出功率相同的情況下，同步整流時系統的輸入功率與二極管整流時系統的輸入功率的差值，即為同步整流電路減少的損耗。測試輸出分別為5 V和3.3 V時減少的功耗值，結果如圖10所示。
從圖10可以看到，同步整流比二極管整流減少的損耗，隨輸出功率的增加而同步增加。輸出5 V/10 A時，損耗減少了10.16 W，占輸出功率的20.32%。輸出3.3 V/10 A時，損耗減少了11.15 W，占輸出功率的33.79%。可見，在輸出低壓大電流的情況下，應用同步整流技術可以顯著提高感應耦合電能傳輸系統的效率，大大減少整流損耗。
整流二極管較高的導通壓降，使得整流損耗較大。在輸出低電壓大電流的情況下，損耗尤為突出。本文系統分析了二極管與同步整流的導通損耗，并設計了針對感應耦合電能傳輸系統的同步整流控制電路，避免整流電路的失效。實際電路測試驗證了控制電路的有效性。并且，通過二極管整流與同步整流的對比測試，得到了在低壓大電流時，同步整流電路對系統效率的提升。輸出電壓為5 V時可提高14.75%；輸出電壓為3.3 V時可提高15.51%。輸出5 V/10 A時，損耗減少了10.16 W；輸出3.3 V/10 A時，損耗減少了11.15 W。
參考文獻
[1] 宋輝淇，林維明.同步整流技術的特點與分析比較[J].通信電源技術，2006，23(3)：34-37.
[2] 黃海宏，王海欣，張毅.同步整流的基本原理[J].電氣電子教學學報，2007，29(1)：27-29.
[3] Xiong Yali，Sun Shan，Jia Hongwei，et al.New physical insights on power MOSFET switching losses[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2009，24(2)：525-531.
[4] 張峰，王慧貞.非接觸感應能量傳輸系統中松耦合變壓器的研究[J].電源技術應用，2007，10(4)：54-64.
[5] Low Zhenning，CHINGA R A，TSENG R，et al.Design and test of a high-power high-efficiency loosely coupled planar wireless power transfer system[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2009，56(5)：1801-1812.