同步整流技术分享

江苏宏微科技股份有限公司 Power for the Better
同步整流技术及主要拓扑电路
宏微科技市场部
2015-9-16


Contents
• 同步整流电路概述 • 典型电路及其特点 • 损耗分析 • 同步整流电路中常见问题 • MOSFET选型设计参考
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• 同步整流技术概述 • 典型电路及其特点 • 损耗分析 • 同步整流电路中常见问题 • MOSFET选型设计参考
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同步整流技术概述
由于中低压MOSFET具有很小的导通电阻，在有电流通过时产生的电压降很 小，可以替代二极管作为整流器件，可以提高变换器的效率。

diode
MOSFET
MOSFET作整流器时，栅源极间电压必须与被整流电压的相位保持同步关系才 能完成整流功能，故称同步整流技术。

MOSFET是电压控制型开关器件，且没有反向阻断能力，必须在其栅-源之 间加上驱动电压来控制器漏-源极之间的导通和关断。

这是同步整流设计的难 点和重点。

根据其控制方式，同步整流的驱动电路分为 •自驱动方式； • 独立控制电路他驱方式； • 部分自驱+部分他驱方式结合；
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• 同步整流技术概述 • 典型电路及其特点 • 损耗分析 • 同步整流电路中常见问题 • MOSFET选型设计参考
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典型电路及其特点
1u 2u L1 TX1 1m C1 P1 S1 2 R1 P1 S1 D1N4148 D2 TX1 1m C1 L1 2 R1
DC-AC Converter
DC-AC Converter
D1N4148 D1 S2 1u 2u
L2
L2
主变压器副边绕组自驱动 自驱同步整流电路
辅助绕组自驱动
优点： 电路相对简单，可靠性较高； 成本低； 当采用辅助绕组时，不受主绕组输出电压限制； 在有源钳位正激，双管正激，谐振复位正激，不对称半桥拓扑应用广 泛。

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典型电路及其特点
4u
4u
L4
L4 TX2
TX2 1m C2 2 R2
P1
S1 1m C2 2 R2
P1
S1
DC-AC Converter
DC-AC Converter
S2
S3
主变压器副边绕组自驱动 辅助绕组自驱动 自驱同步整流电路
缺点： 驱动幅值随占空比变化较大；需要有额外的限幅电路； 主变压器提前复位时，没有驱动信号，需要增加栅压保持电路； 主变漏感增加驱动电压尖峰，降低可靠性； 驱动波形受原边主管开关波形影响。

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典型电路及其特点
他驱方式
优点： 易实现符合同步整流需要的驱动时序逻辑； 易获取高效率； 外围电路较简单； 在反激，对称半桥，全桥，LLC拓扑应用广泛。

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缺点： 需要驱动IC； 成本较高。

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• 同步整流技术概述 • 典型电路及其特点 • 损耗分析 • 同步整流电路中常见问题 • MOSFET选型设计参考
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同步整流管损耗考虑
A SR MOSFET does not use active switching – switching speed has no primary relevance and has no influence on efficiency! Losses in a SR MOSFET come from
• • • • Conduction losses (like in a diode) Body diode conduction losses(dead time) Gate drive losses (not present with diodes) Reverse recovery losses (like in a diode, but typically larger)
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同步整流管损耗考虑
Conduction
Conducting losses
Pv _ cond = I
Body diode conduction loss
2 RMS
⋅ RDS ( on )
PV _ BD _ cond = VD ⋅ I D ⋅ t BD _ on ⋅ f sw
Gate losses
Switching
Pv _ gate = Qg ⋅ Vg ⋅ f sw
Turn-off – reverse recovery losses
Psw = VT ⋅ (1 2 ⋅ Qoss + Q *rr ) ⋅ f sw
Power for the Better 9/17/2015 力
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同步整流管损耗考虑
Upeak I comm Utrafo Qoss di/dt=const Irev_ peak tIpeak trev tUpeak Qrr* UDS
ID
time
MOS body diode 反向恢复电压，电流简化波形和实测波形
Coss
8 7 6 Coss [nF] 5 4 3 2 1 0 0 10 20 30 40 50 Uds [V] 60 70 80 90 100 Coss Coss_mean
Qoss = ∫ coss (t ) ⋅ v(t ) ⋅ dt = VT ⋅ Cconst ⇒ Cconst
0
UT
1 T = ⋅ ∫ coss (t ) ⋅ v(t ) ⋅ dt VT 0
U
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同步整流管损耗考虑
80V MOSFET technology; transformer output 40V; Vout = 12V
Power Losses per SR MOSFET Switching Frequency - 125kHz
4.0 3.5
power dissipation [W]
Qrr/Mosfet Qoss/Mosfet Diode/Mosfet Qg/Mosfet Conduction/Mosfet
3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0
10
30
output current [A]
50
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同步整流管损耗考虑
Synchronous rectification yields a major efficiency gain MOSFETs have lower conduction losses but higher switching losses than diodes Turn-off losses should be minimized by
• • • • Lowering the transformer voltage Using MOSFETs with a low voltage-class Using packages with a low contribution to Rds(on) Correctly selecting the Rds(on)
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同步整流电路面临的几个问题
驱动时序一旦不同步易引起效率降低(驱动开通延迟，MOS 体二极管导通 时间增加）和电流倒灌现象（驱动关断延迟）
对于主变压器绕组电压非互补的拓扑中，例如半桥，全桥，存在较长 的死区时间，导致采用自驱电路的MOS驱动电压不足或没有，效率降低；需 要采取栅荷保持技术；
驱动绕组电压受变压器漏感影响，驱动波形不可避免有一定尖峰电压， 降低可靠性； 自驱电路所用的绕组电压幅值随占空变化较大，容易超过Vgs 限值而损 坏MOS管，需要增加由一个MOS管组成的正-负限幅电路；
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同步整流电路面临的几个问题
上述增加的正-负限幅电路会增加驱动损耗，还会增加主功率MOS管的 导通和关断时间，从而降低效率； 辅助绕组如果带中心抽头，则有驱动负压，增加驱动损耗； 整流管和续流管的驱动电压在切换时，存在一定的重合，从而产生直 通现象； 自驱驱动波形和原边主管Vds波形高度耦合，易受其影响； 电源输出并联导致可能的起机时预偏置电压跌落； MOSFET自身的可靠性问题（抗重复雪崩击穿能力和耐dv/dt 耐受力）
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同步整流电路MOS选型考虑
36~75V 18~75V
4u L1
VOUT=5V&12V
100u C3 TX1 S1 P1
2 R1
100u C2
1n C1
ACF power stage
input
36~75v
output
5v AON6230 AON6240 AON6590* AON6292 AON6290 AON6280 AON6278
part
description
1.44m / 40V 1.6m / 40V 0.95m / 40V 6m /100V 4.6m / 100V 4.1m/80V 3.3m/80V 120V 16.5m /150V 3.6m/60V 2.4m/60V
remark
原副边匝比：4
36~75V
12v
原副边匝比：1.5~2
18~75V
12v
TBD（续流管） AON6250(续流管） AON6242(整流管） AON6260(整流管）
原副边匝比：0.75~1
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同步整流电路MOS选型考虑
FB/HB 200W－800W for Data communication
Q65 C48 Q62 T7 L23 C47 Q64 Q66 Q61
input
36~7 5V 40~6 0V
output
12v 10v
part
AON6292 AON6290 AON6242 AON6260
description
6m /100V 4.6m / 100V 3.6m/60V 2.4m/60V
remark
原副边匝比：5：2（稳压） 6: 2（半稳压） 原副边匝比： 4: 1(稳压）
Q67
36~75V 40~60V
4u L1
12V 10V
input
TX1 100u C1 S1 P1 100u C2
output
12v 10v
part
AON6260 AON6242 AON6752
description
2.4m /60V 3.6m / 60V 1.7m/30V
remark
原副边匝比：5：2（稳压） 原副边匝比： 4: 1(稳压）
36~75 V 40~60 V
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同步整流MOS选型考虑
outpu Full bridge regulator 200W~1000W for 佛如for wireless base station
D1
36~75V
100u C2
4u L1
P1
S1
TX1
100u C1
30V
D2
input
part
description
remark
T X4Q72
L22
IRF530Q9
P1
S1
S2
TX1
1m C2
I RF530Q4
I RF530
Q3I RF530
Q2
I RF530
Q1
2u
L1
1m C1
I RF530
Q5
I RF530
Q6
I RF530
Q7
I RF530
Q8
1m C3
Buck regulator(33V)+ full bridge/push-pull(open loop) 200W~1000W for wireless base station
4u L2
36~75V
1m C2
P1
S1
TX 1
100u C1
30V
100u C3
P1
S1
Half bridge /full bridge LLC for
54Vout rectifier
CONFIDENTIAL
22 Power for the Better
input output part Description remark
AC input
DC input
54v AOT2500L
AOB2500L
6.5m @150V TO-220
6.2m @150V TO-263
Q6C4
C3
L1
C8
D3
C2
D2
Q1
Q3
T1
C1
L3
Q5
D1
C5
Half bridge /full bridge LLC for 12Vout server power
Efficiency in half load reach the standards is difficulty point
CONFIDENTIAL
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Q4
Q2
input
output
part
Description
remark
AC input DC input
12v
AON6230AON6232AOT240L AON6152AOT260L AOB 260L
1.44m @40V DFN5*61.6m @ 40V DFN5*6
2.9m @ 40V TO-220
@ 45V DFN5*6
2.5m @ 60V TO-2202.3m @ 60V TO-263
45v for more strictly derating
60v for TO-220 package
谢谢!
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24 Power for the Better
Thanks!。