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同步整流mos工作原理-同步整流基本电路结构及与肖特基整流的比较-KIA MOS管

信息来源:本站 日期:2018-12-06 

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同步整流

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。它能大大提高DC/DC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。


同步整流的基本电路结构

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。


PS7516和PS7616是锂电池升压输出5V1A,2A的同步整流升压经典IC,FP6717,FP6716也是锂电池升压输出5V3A,5V2A中的佼佼者。


同步整流mos工作原理

同步整流mos工作原理祥情入如下:图下(a)所示为N沟道功率MOS管构成的同步整流管SR和SBD整流二极管的电路图形符号,整流二极管有两个极:即阳极A和阴极K。功率MOS管有三个极:即漏极D、源极S和门极G。在用做同步整流管时,将功率MOS管反接使用,即源极S接电源正端,相当于二极管的阳极A;


漏极D接电压负端,相当于二极管的阴极K;当功率MOS管在门极G信号的作用下导通时,电流电源极S流向漏极D。而功率MOS管作为开关使用时,漏极D接电源正端,源极S接电压负端;导通时,相当于开关闭合,电流由漏极D流向源极S。

同步整流,同步整流mos工作原理

同步整流管和整流二极管


同步整流管SR及整流二极管构成的半波整流电路如上图(b)所示。当SR的门极驱动电压ug,与正弦波电源电压仍同步变化时,则负载R上得到的是与二极管整流电路相同的半波正弦波电压波形1fR。


同步整流管的源一漏极之间有寄生的体二极管,还有输出结电容,驱动信号加在门极和源极(G-S)之间,是一种可控的开关器件。皿关断时,电流仍然可以由体二极管流通。不过m体二极管的正向导通压降和反向恢复时间都比SBD大得多,因此,一旦电流流过SR的体二极管,则整流损耗将明显增加。


由于同步整流是由可控的三端半导体开关器件来实现的,因此必须要有符合一定时序关系的门极驱动信号去控制它,使其像一个二极管一样地导通和关断。驱动方法对银的整体性能影响很大,因此,门极驱动信号往往是设计同步整流电路时必须要解决的首要问题。例如,SR开通过早或关断过晚,都可能造成短路,而开通过晚或关断过早又可能使SR的体二极管导通,使整流损耗和器件应力增大。


综上所述,当功率MOS管反接时可以作为SR使用,其特点如下:

(1)SR是一个可控的三极开关器件,在门极和源极之间加人驱动信号时,可以控制功率MOS管源极S和漏极D之间的通/断。


(2)门极驱动信号和源极电压同步,如源极为高电平时,驱动信号也是高电平则MOS管导通;反之,源极为低电平时,驱动信号也是低电平,则MOS管关断;这样就自然实现了整流,而且电流也只能由源极s流向漏极D。由于是通过门极信号和源极电压同步来实现整流的,因此把这种整流方式称为同步整流。


(3)用于PWM开关转换器中的同步整流管SD代替SBD作为整流管或续流工作时,必须保证门极有正确的控制时序,使其工作与PWM开关转换器的主开关管同步协调工作。因此不同的开关转换器主电路,其同步整流管的控制时序也是不同的。同步整流开关管的控制时序将在后面进行介绍。


(4)在功率MOS管反接的情况下,其固有的体二极管极性却是正向的。有时要利用它先导通,以便过渡到功率MOS管进入整流状态。但由于体二极管的正向压降较大,常常不希望它导通或导通时问过长。


为什么要应用同步整流技术

电子技术的发展,使得电路的工作电压越来越低、电流越来越大。低电压工作有利于降低电路的整体功率消耗,但也给电源设计提出了新的难题。


开关电源的损耗主要由3部分组成:功率开关管的损耗,高频变压器的损耗,输出端整流管的损耗。在低电压、大电流输出的情况下,整流二极管的导通压降较高,输出端整流管的损耗尤为突出。快恢复二极管(FRD)或超快恢复二极管(SRD)可达1.0~1.2V,即使采用低压降的肖特基二极管(SBD),也会产生大约0.6V的压降,这就导致整流损耗增大,电源效率降低。


举例说明,笔记本电脑普遍采用3.3V甚至1.8V或1.5V的供电电压,所消耗的电流可达20A。此时超快恢复二极管的整流损耗已接近甚至超过电源输出功率的50%。即使采用肖特基二极管,整流管上的损耗也会达到(18%~40%)PO,占电源总损耗的60%以上。因此,传统的二极管整流电路已无法满足实现低电压、大电流开关电源高效率及小体积的需要,成为制约DC/DC变换器提高效率的瓶颈。

同步整流,同步整流mos工作原理

同步整流与肖特基整流的比较

这两种整流管都可以看成一扇电流通过的门,电流只有通过了这扇门才能供负载使用。传统的整流技术类似于一扇必须要通过有人大力推才能推开的门,故电流通过这扇门时每次都要巨大努力,出了一身汗,损耗自然也就不少了。


而同步整流技术有点类似我们通过的较高档场所的感应门了:它看起来是关着的,但你走到它跟前需要通过的时候,它就自己开了,根本不用你自己费大力去推,所以自然就没有什么损耗了。


通过上面这个类比,我们可以知道,同步整流技术就是大大减少了开关电源输出端的整流损耗,从而提高转换效率,降低电源本身发热。


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