CN106134510B - 一种卫星正激电源二次侧同步整流控制系统 - Google Patents

Abstract

一种卫星正激电源二次侧同步整流控制系统，包括主功率变压器T、MOS开关管Q1、整流MOS管Q_F、整流二极管D_F、续流MOS管Q_R、续流二极管D_R、电源控制器、互补驱动器、NPN三极管V1、PNP三极管V2、驱动变压器T_Q与隔直电容C_Q。本发明系统将电源控制器与互补驱动器放置于二次侧，电源控制器输出的PWM脉冲送入互补驱动器的输入端，互补驱动器产生的PWR与AUX驱动脉冲分别驱动二次侧整流MOS管Q_F与续流MOS管Q_R，PWR信号同时产生一次侧MOS管Q1的驱动信号。本发明系统使得整流MOS管Q_F与续流MOS管Q_R在开通时均实现了软开通，降低损耗，提高效率，特别适用于低电压、大电流输出的应用环境。

Description

一种卫星正激电源二次侧同步整流控制系统

技术领域

本发明属于供配电领域，涉及一种卫星电源二次侧同步整流控制系统。

背景技术

卫星上使用的DC/DC变换器将卫星一次母线电压变换为平台或载荷设备所需的相应电压后为负载提供能量。由于正激拓扑的动态小信号特性非常优越，可以采用相对简单的补偿方式达到所要求的稳定裕度，所以在卫星电源上大量采用正激拓扑的变换器。

随着卫星平台供电能力与通信载荷能力的发展，要求卫星上DC/DC变换器提供较低的电压(3.3V)和较大的电流(30A)。采用传统二极管整流的正激变换器由于功率损耗较大，效率较低，不适用低压大电流的场合。

同步整流是改善DC/DC变换器效率的一个有效技术，特别是在低压、大电流输出的情况下。同步整流控制在正激电路中可以有不同的方法，主要分为自驱动方式的同步整流与互补驱动器的同步整流两大类。

传统采用互补驱动器的同步整流，其电源控制器放置于一次侧，互补驱动器放置在二次侧。电源控制器根据输出电压的大小，控制输出的驱动脉冲宽度，驱动脉冲通过光耦或驱动变压器传输到二次侧的互补驱动器，驱动二次侧的同步整流MOS管。图1为互补驱动器内部结构简图，图2为互补驱动器输入、输出波形曲线。驱动器输入端为脉冲波形，利用内部的T1与T2的延时电路，输出PWR与AUX互补的两路脉冲信号。调节外部可调电阻R1与R2，分别控制PWR与AUX的死区时间T_d1与T_d2。这种传统的互补驱动器同步整流方式，一次例与二次侧均要求有相应的控制器供电电路，分别给电源控制器与互补驱动器供电。如果放置在一次侧的供电电路发生短路，会对卫星一次母线造成影响，甚至危害整星供电安全。减少卫星一次侧电路，不仅可以减小体积与重量，而且能提高卫星供电可靠性。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种卫星正激电源二次侧同步整流控制系统，将电源控制器与互补驱动器放置于主功率变压器的二次侧，利用控制电路实现相应的驱动时序，适用于低电压、大电流输出的应用场合，同时满足卫星电源所处的特殊空间环境要求。

本发明的技术解决方案是：一种卫星正激电源二次侧同步整流控制系统，包括主功率变压器T、MOS开关管Q1、整流MOS管Q_F、整流二极管D_F、续流MOS管Q_R、续流二极管D_R、电源控制器、互补驱动器、三极管V1、三极管V2、驱动变压器T_Q与隔直电容C_Q；整流二极管D_F的阳极与与整流MOS管Q_F的源极相连，整流二极管D_F的阴极与与整流MOS管Q_F的漏极相连，续流二极管D_R的阳极与续流MOS管Q_R的源极相连，续流二极管D_R的阴极与续流MOS管Q_R的漏极相连，整流MOS管Q_F与续流MOS管Q_R共源极并接二次地；MOS开关管Q1的漏极接主功率变压器T的一次侧线圈，MOS开关管Q1的源极接一次地；主功率变压器T的二次侧线圈串接在整流二极管D_F的阴极与续流二极管D_R的阴极之间，主功率变压器T二次侧线圈两端的电压经过LC滤波后作为输出电压；电源控制器将输出电压与参考电压进行比较后产生PWM驱动脉冲送入互补驱动器的输入端，互补驱动器产生互补的驱动脉冲PWR与AUX，驱动脉冲PWR送至整流MOS管Q_F的栅极，驱动脉冲AUX送至续流MOS管Q_R的栅极；三极管V1与三极管V2的基极并联，三极管V1的发射极与三极管V2的发射极并联，三极管V2的集电极接地，三极管V1的集电极接电压VCC，三极管V1与三极管V2的基极接PWR脉冲信号，三极管V1与三极管V2的发射极通过隔直电容C_Q驱动驱动变压器T_Q的一次侧，驱动变压器T_Q的二次侧线圈串接在MOS开关管Q1的栅极与地之间。

所述的整流二极管D_F或者续流二极管D_R为肖特基二极管。所述的三极管V1为NPN晶体管，所述的三极管V2为PNP晶体管。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明控制系统将电源控制器放置于二次侧，相对于传统互补驱动器的同步整流方式，减少了一次侧的控制器供电电路，降低了产品的体积与成本。由于电源控制器放置于二次侧，一次母线侧只有功率电路，无控制电路，不会因为控制电路的失效影响整星一次母线，提高了整星电源系统的可靠性；

(2)本发明控制系统利用MOS管的导通电阻低以及二次侧同步整流技术，提高了电源的工作效率。采用肖特基二极管作为MOS管的反并联二极管，减小了导通与续流时通过二极管的损耗和二极管反向恢复损耗。同时整流MOS管与续流MOS管均为零电压开通方式，实现了二次侧同步MOS管软开通方式，进一步提高了电源的工作效率，特别适用于低电压、大电流输出的电源产品；

(3)本发明控制系统满足卫星电源输入电压正、负拉偏要求，同步整流MOS管与续流MOS管栅极驱动电压不受输入电压的影响。PWR同时用于驱动一次侧MOS管Q1的驱动信号，通过调节电阻R1与R2，可以对应不同的死区时间，满足不同的应用场合；

(4)本发明控制系统具有抗空间辐照的能力，使其能满足各种空间环境的需求。由于本发明二次侧同步整流控制电路采用的器件仅为电阻、电容、二极管、三极管、电源控制器与互补驱动器等，这些元器件对空间辐照不敏感，当电源控制器与互补驱动器采用相应有抗辐照指标的宇航器件时即可满足空间环境条件，可以应用于长寿命、高可靠卫星DC/DC电源。

附图说明

图1为互补驱动器内部结构简图；

图2为互补驱动器输入、输出时序图；

图3为本发明二次侧同步整流控制系统的原理图；

图4为图3的驱动脉冲时序图。

具体实施方式

本发明的卫星正激电源二次侧同步整流控制系统如图3所示，主要包括主功率回路与二次侧同步整流控制电路两大部分。

电源主功率回路由一次侧MOS开关管Q1、二次侧整流MOS管Q_F、二次侧整流肖特基二极管D_F、二次侧续流MOS管Q_R、二次侧续流肖特基二极管D_R、主功率变压器T、输出滤波电感L与输出滤波电容C构成。

整流肖特基二极管D_F与整流MOS管Q_F反并联接(二极管D_F的阳极与MOS管Q_F的源极相连，二极管D_F的阴极与MOS管Q_F的漏极相连)，续流肖特基二极管D_R与续流MOS管Q_R反并联接(二极管D_R的阳极与MOS管Q_R的源极相连，二极管D_R的阴极与MOS管Q_R的漏极相连)，整流MOS管Q_F与续流MOS管Q_R共源极连接并连接到二次侧输出地，其余主功率回路元器件连接如传统正激拓扑电路，如图3所示。MOS管Q_F与MOS管Q_R体内寄生有体二极管，其方向如同图3中二极管D_F、二极管D_R一样。为了减小在同步整流过程中MOS管中寄生体二极管导通与反向恢复的损耗，采用肖特基二极管D_F、D_R，这样在换流过程中减少损耗，提高效率。

二次侧同步整流控制电路主要产生一次侧MOS管Q1、二次侧整流MOS管Q_F与续流MOS管Q_R的时序驱动脉冲，以满足高效率、高可靠性的要求。二次侧同步整流控制电路由电源控制器、互补驱动器、死区调节电阻R1、R2、驱动电阻R3、NPN晶体管V1、PNP晶体管V2、隔直电容C_Q与驱动变压器T_Q构成。

本发明把电源控制器与互补驱动器均放置于二次侧。输出电压接到电源控制器中运算放大器的反向输入端，电源控制器中运算放大器的同向输入端接参考电压。电源控制器中的运算放大器根据输出电压与参考电压的比较结果产生PWM调制波，PWM调制波与电源控制器内部的三角载波比较后，输出具有一定脉冲宽度的PWM驱动波形。

电源输出电压V_o为：式中V_in为电源输入电压，N_p，N_s分别是变压器T的原、副边匝数，D为电源控制器输出的占空比。当输出电压升高，经过电源控制器中运算放大器与参考电压比较，PWM调制波电平变低，与三角载波比较，PWM脉冲宽度变窄，相应的占空比变小，输出电压降低；当输出电压降低，经过电源控制器中运算放大器与参考电压比较，PWM调制波电平变高，与三角载波比较，PWM脉冲宽度变宽，相应的占空比变大，输出电压升高，以此达到输出电压恒定的目的。

电源控制器输出相应占空比的PWM脉冲，把该PWM脉冲送入互补驱动器的输入端。互补驱动器产生互补的驱动脉冲PWR与AUX，驱动脉冲PWR与AUX分别驱动二次侧整流MOS管Q_F与续流MOS管Q_R。利用MOS管低导通压降，替代二极管导通，降低损耗，提高效率，适用于低压大电流输出。

NPN晶体管V1与PNP晶体管V2连接为图腾柱驱动方式(晶体管V1与晶体管V2的基极并联，晶体管V1的发射极与晶体管V2的发射极并联，晶体管V2的集电极接二次侧地，晶体管V1的集电极接电压VCC)，晶体管V1与晶体管V2的基极通过驱动电阻R3接PWR脉冲信号。V1的发射极通过隔直电容C_Q驱动变压器T_Q，变压器T_Q的副边产生相应的驱动信号，作用于一次侧MOS管Q1的栅极。电源控制器产生的PWM脉冲，通过独立的图腾柱驱动，传递到一次侧MOS管Q1，同时控制电阻R3的大小，降低驱动损耗，进一步提高效率。

图4为本发明的二次侧同步整流控制系统的驱动脉冲时序图。PWM信号为电源控制器输出的具有一定占空比的脉冲信号；PWR为二次侧整流MOS管Q_F的驱动信号；AUX为二次侧续流MOS管Q_R的驱动信号；Mp为一次侧开关管Q1的驱动信号。依据驱动脉冲时序图，可以判断相应的MOS管的状态：图中高电平——MOS管导通；低电平——MOS管关断。在时刻t₀时，AUX信号由高电平变为低电平。

下面依据控制电路驱动时序图，说明本发明相应提高效率的原理。

t₀-t₁时段：该时段为互补驱动器的死区Td1，整流MOS管Q_F、续流MOS管Q_R与一次侧MOS管Q1均关断。当t＜t₀时，主功率变压器T完成磁芯复位，输出电流I_o通过续流MOS管Q_R续流。当t₀＜t＜t₁时，续流MOS管QR关断，输出电流I_o通过肖特基二极管D_R与D_F续流。该死区时间不宜过大，一是会降低效率(输出电流流过肖特基二极管D_R与D_F)，二是会减小正向驱动占空比D，在输入电压负拉偏时，会造成输出电压下降。通过调节电阻R1可以调节相应的死区时间，满足效率与正向占空比的要求。

t₁-t₂时段：该时段为PWR信号传输到一次侧的传输上升延迟时间T_R。整流MOS管Q_F开通，续流MOS管Q_R与一次侧MOS管Q1关断，输出电流I_o通过MOS管Q_F与主功率变压器T的二次侧续流，实现二极管D_R与二极管D_F的软关断，减小二极管D_R与二极管D_F的反向恢复损耗。由于整流MOS管Q_F在开通前，其漏源电压仅为肖特基二极管D_F的压降，实现了整流MOS管Q_F的零电压开通，减少了整流MOS管Q_F的开通损耗，提高了效率。

t₂-t₃时段：该时段为正激拓扑正向导通时段，整流MOS管Q_F与一次侧MOS管Q1开通，续流MOS管Q_R关断，输入功率通过主变压器T与整流MOS管Q_F把能量传到输出。MOS管Q_F起到正向同步整流作用，相对于二极管整流提高了效率。

t₃-t₄时段：该时段为PWR信号传输到一次侧的传输下降延迟时间T_F，这时整流MOS管Q_F与续流MOS管Q_R关断，一次侧MOS管Q1开通。输出电流I_o经过肖特基二极管D_F与主变压器T二次侧向负载提供能量。

t₄-t₅时段：该时段为互补驱动器的死区Td2减去T_F，该时段整流MOS管Q_F、续流MOS管Q_R与开关管Q1均关断。主变压器T处于复位状态，输出电流I_o通过D_R续流。调节电阻R2，使互补驱动器死区时间Td2大于传输下降延迟时间T_F，这样可以避免一次侧MOS管Q1开通时，续流MOS管Q_R与整流二极管D_F在二次侧引起短路的风险，提高电源可靠性。但是Td2不宜超过T_F太多，否则输出电流I_o通过二极管D_R时间过长，降低效率。

t₅-t₆时段：该时段为正激拓扑反向续流时段，该时段整流MOS管Q_F与一次侧MOS管Q1关断、续流MOS管Q_R开通，主变压器T在该时段完成磁芯复位，输出电流I_o通过MOS管Q_R续流。由于MOS管Q_R在开通前，其漏源电压仅为肖特基二极管D_R的压降，实现了二极管Q_R的零电压开通，减少了二极管Q_R的开通损耗，提高了效率。

t₆-t₇时段：该时段同t₀-t₁时段，完成一个周期。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (3)

1.一种卫星正激电源二次侧同步整流控制系统，其特征在于包括：主功率变压器T、MOS开关管Q1、整流MOS管Q_F、整流二极管D_F、续流MOS管Q_R、续流二极管D_R、电源控制器、互补驱动器、三极管V1、三极管V2、驱动变压器T_Q与隔直电容C_Q；整流二极管D_F的阳极与整流MOS管Q_F的源极相连，整流二极管D_F的阴极与整流MOS管Q_F的漏极相连，续流二极管D_R的阳极与续流MOS管Q_R的源极相连，续流二极管D_R的阴极与续流MOS管Q_R的漏极相连，整流MOS管Q_F与续流MOS管Q_R共源极并接二次地；MOS开关管Q1的漏极接主功率变压器T的一次侧线圈，MOS开关管Q1的源极接一次地；主功率变压器T的二次侧线圈串接在整流二极管D_F的阴极与续流二极管D_R的阴极之间，主功率变压器T二次侧线圈两端的电压经过LC滤波后作为输出电压；电源控制器将输出电压与参考电压进行比较后产生PWM驱动脉冲送入互补驱动器的输入端，互补驱动器产生互补的驱动脉冲PWR与AUX，驱动脉冲PWR送至整流MOS管Q_F的栅极，驱动脉冲AUX送至续流MOS管Q_R的栅极；三极管V1与三极管V2的基极并联，三极管V1的发射极与三极管V2的发射极并联，三极管V2的集电极接地，三极管V1的集电极接电压VCC，三极管V1与三极管V2的基极通过驱动电阻R3接驱动脉冲PWR，三极管V1与三极管V2的发射极通过隔直电容C_Q驱动驱动变压器T_Q的一次侧，驱动变压器T_Q的二次侧线圈串接在MOS开关管Q1的栅极与一次地之间。

2.根据权利要求1所述的一种卫星正激电源二次侧同步整流控制系统，其特征在于：所述的整流二极管D_F或者续流二极管D_R为肖特基二极管。

3.根据权利要求1所述的一种卫星正激电源二次侧同步整流控制系统，其特征在于：所述的三极管V1为NPN晶体管，所述的三极管V2为PNP晶体管。