隨著電源技術(shù)的發(fā)展，低壓大電流開關(guān)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(tǒng)整流方式是使用整流二極管，其較高的導(dǎo)通壓降使得系統(tǒng)效率低下。同步整流采用低導(dǎo)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(guān)系。
    感應(yīng)耦合電能傳輸系統(tǒng)中應(yīng)用同步整流時，需要特殊的控制方式以避免延時導(dǎo)致的整流失效問題。針對應(yīng)用同步整流提高系統(tǒng)效率的問題，本文設(shè)計制作了同步整流控制電路以及應(yīng)用同步整流技術(shù)的感應(yīng)耦合傳輸系統(tǒng)。實驗測試數(shù)據(jù)說明，該電路有效地避免了整流失效，顯著地提高了系統(tǒng)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(dǎo)通時，電流流經(jīng)二極管產(chǎn)生導(dǎo)通損耗，其計算公式為：
    
2 感應(yīng)耦合電能傳輸?shù)耐秸?br/> 2.1 感應(yīng)耦合電能傳輸基本原理
    感應(yīng)耦合電能傳輸方法是一種基于電磁感應(yīng)耦合理論，現(xiàn)代電力電子能量變換技術(shù)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(jīng)逆變電路轉(zhuǎn)換后供給原邊電感。副邊電感通過電磁感應(yīng)得到交流電。整流后由功率處理電路將其轉(zhuǎn)換為所需的電流/電壓，供給用電設(shè)備，完成電能的無線傳輸[5]。

3 實驗結(jié)果

    為了驗證同步整流控制電路，測試同步整流對系統(tǒng)效率的提升效果，本文設(shè)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(lián)，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(xiàn)。控制電路提前發(fā)出關(guān)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(tǒng)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(tǒng)輸入/輸出參數(shù)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(tǒng)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(shù)可明顯提高感應(yīng)耦合電能傳輸系統(tǒng)的效率。隨著輸出電流增加，耦合電感的效率降低，系統(tǒng)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(tǒng)的輸入功率與二極管整流時系統(tǒng)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(jié)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(yīng)用同步整流技術(shù)可以顯著提高感應(yīng)耦合電能傳輸系統(tǒng)的效率，大大減少整流損耗。
    整流二極管較高的導(dǎo)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(tǒng)分析了二極管與同步整流的導(dǎo)通損耗，并設(shè)計了針對感應(yīng)耦合電能傳輸系統(tǒng)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(tǒng)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
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[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(xué)學(xué)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(yīng)能量傳輸系統(tǒng)中松耦合變壓器的研究[J].電源技術(shù)應(yīng)用，2007，10(4)：54-64.
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