為同步整流選擇最優(yōu)化的MOSFET

　　1. 引言

　　用MOSFET替代二極管引發(fā)了新的挑戰(zhàn)——優(yōu)化系統(tǒng)能效和控制電壓過沖。本應(yīng)用筆記介紹了通過利用英飛凌OptiMOS?3解決方案的優(yōu)化表(適用于30 V、40 V、60 V、75 V、80 V、100 V、120 V和150 V等應(yīng)用)幫助選擇最佳MOSFET的方法。

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　　圖1. 二極管整流與同步整流之比較

　　. 同步整流基礎(chǔ)知識

　　要選擇最優(yōu)的MOSFET來實現(xiàn)同步整流，必須充分理解MOSFET的功耗產(chǎn)生機制。首先，必須區(qū)分開隨負載而變化的導(dǎo)通損耗與基本保持不變的開關(guān)損耗。導(dǎo)通損耗取決于MOSFET的RDS(on)和內(nèi)部體二極管的正向電壓VSD。隨著輸出電流的提高，導(dǎo)通損耗(RDS(on)損耗)也會相應(yīng)地增加。為確保兩個SR MOSFET之間互鎖，以避免出現(xiàn)直通電流，必須實現(xiàn)一定的死區(qū)時間。因此，在開啟一次側(cè)之前，必須關(guān)斷相應(yīng)的MOSFET。由于該MOSFET正在導(dǎo)通全部續(xù)流電流，因此，這些電流將不得不從MOSFET溝道轉(zhuǎn)而流向內(nèi)部的體二極管，并由此產(chǎn)生額外的體二極管損耗。體二極管的導(dǎo)通時間很短，僅為50 ns至100 ns左右，因而，當(dāng)輸出電壓比體二極管的正向電壓高得多時，這些損耗可以忽略不計。

　　取決于電源轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率和輸出負載，開關(guān)損耗對MOSFET的總功耗有很大影響。MOSFET開啟時，必須對柵極進行充電，以產(chǎn)生柵極電荷Qg。MOSFET關(guān)斷時，則必須將柵極中的電荷放電至源極，這就意味著Qg將消散在柵極電阻和柵極驅(qū)動器中。對于特定MOSFET技術(shù)，柵極驅(qū)動損耗會隨著RDS(on)的降低而增加，因為硅片越大Qg就越多。

　　在總開關(guān)損耗中占很大比例的另一種損耗與MOSFET的輸出電容Coss和反向恢復(fù)電荷Qrr有關(guān)。MOSFET關(guān)斷時，必須將Qrr移走，并且必須將輸出電容充電至次級變壓器電壓。這個過程會導(dǎo)致反向電流峰值，該電流將耦合到交換環(huán)路的電感中。所以，這些電量將被轉(zhuǎn)移至MOSFET的輸出電容，加上之前存儲的電量，將由此產(chǎn)生電壓尖峰。這些電量將觸發(fā)LC振蕩電路。LC振蕩電路的性能取決于印刷電路板的感應(yīng)系數(shù)和MOSFET的輸出電容Coss。LC電路的寄生串聯(lián)電阻將減弱振蕩。由于這種在關(guān)斷過程中產(chǎn)生的感應(yīng)電量直接取決于MOSFET Coss(相應(yīng)地，當(dāng)輸出電容被充電至次級變壓器電壓時，則為輸出電荷Qoss)，因此，總Coss決定了容性關(guān)斷損耗。對于柵極電荷也是如此，Qoss會隨著RDS(on)的降低而增加。因此，總是能找到可以實現(xiàn)最高效率的導(dǎo)通損耗與開關(guān)損耗之間的平衡點。

　　大致上，對于OptiMOS?3產(chǎn)品而言，Qrr可以忽略不計，因為其對總功耗的影響微乎其微。在這種情況下，Qrr僅被視為MOSFET體二極管的反向恢復(fù)電荷，而數(shù)據(jù)手冊中的Qrr則是按照JEDEC標準測得的，因此，除體二極管Qrr之外，還包含MOSFET的部分輸出電荷。此外，其他因素也會導(dǎo)致應(yīng)用中的實際Qrr值低于數(shù)據(jù)手冊所提供的Qrr值。數(shù)據(jù)手冊中的值是在對體二極管施以允許的最高MOSFET漏極電流、體二極管導(dǎo)通時間長達500 μs并且di/dt值固定為100A/μs的條件下測得的。在實際應(yīng)用中，通常電流僅為最高漏極電流的三分之一左右甚至更低，體二極管導(dǎo)通時間在20ns至100ns范圍內(nèi)，并且di/dt可能高達800A/μs。

　　3. 優(yōu)化同步整流MOSFET

　　要優(yōu)化SR MOSFET的效率，必須找到開關(guān)損耗與導(dǎo)通損耗之間的最佳平衡點。在輕負載條件下，RDS(on)導(dǎo)通損耗占總功耗的比例極低。在這種情況下，在整個負載范圍內(nèi)基本保持不變的開關(guān)損耗是主要損耗。但是，當(dāng)輸出電流較高時，導(dǎo)通損耗則成為最主要的損耗，其占總功耗的比例也最高，請參見圖2。

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　　圖2. 功耗構(gòu)成與輸出電流的關(guān)系

　　在選擇最適當(dāng)?shù)腗OSFET時，必須特別注意RDS(on) 的取值范圍，如圖3所示。當(dāng)RDS(on)超出最優(yōu)值時，總功耗將隨RDS(on)的提高而線性增加。但當(dāng)RDS(on) 降至低于最優(yōu)值時，總功耗也會因輸出電容的快速增加而急劇上升。此外，在圖3中可以看出，可實現(xiàn)最低功耗的RDS(on)值范圍相當(dāng)寬。在本例中，當(dāng)RDS(on)在1毫歐姆至3毫歐姆范圍內(nèi)時，總功耗始終大致相同。但是，在此范圍之外，RDS(on)僅下降0.5毫歐姆，便會令總功耗提高一倍，從而嚴重降低電源轉(zhuǎn)換器的效率。

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　　圖3. 功耗與RDS(on)值的關(guān)系

　　對于優(yōu)化SR，另一個重要的問題是正確選擇MOSFET封裝。只要將TO-220封裝替換為SuperSO8封裝即可實現(xiàn)效率提升。這是因為，SuperSO8封裝的電阻占總RDS(on)的比例更低。在降低RDS(on)的同時，保持輸出電容不變，能夠降低FOMQoss。FOMQoss是特定MOSFET解決方案的性能指標(FOMQoss= RDS(on) * Qoss)。因此，降低FOMQoss可以降低開關(guān)損耗，從而提高系統(tǒng)能效。

　　4. 應(yīng)當(dāng)按何種負載電流優(yōu)化MOSFET?

　　要在整個負載范圍內(nèi)實現(xiàn)均衡的效率，必須借助四象限SR器件優(yōu)化表對MOSFET電流做出合理的選擇。采用滿負載優(yōu)化，可以在輸出電流較高時實現(xiàn)良好的效率。但是，當(dāng)負載較低時，這種方法會大大降低效率，并且所需并聯(lián)MOSFET的數(shù)量將多得不能接受。因此，必須找到最優(yōu)MOSFET電流，以在整個輸出電流范圍內(nèi)實現(xiàn)相對恒定的效率值。

　　為闡明這個問題，圖4顯示了不同優(yōu)化方法得到的效率。圖中所示效率曲線為，當(dāng)變壓器電壓為40V、柵極驅(qū)動電壓為10V、開關(guān)頻率為100kHz時計算得到的12V同步整流級的效率。在75V優(yōu)化表中選擇 IPP034NE7N3，按10 A MOSFET電流進行設(shè)計，所得到的優(yōu)化方案僅需一個MOSFET。如圖4所示，這種優(yōu)化方案能夠在低電流時實現(xiàn)很高的效率，而在高電流時效率卻極低。按50 A進行優(yōu)化設(shè)計，所得到的最佳方案則需要5個MOSFET。采用這種優(yōu)化方案，低電流時的效率將低得不能接受，但在滿負載時可以達到最高效率。因此，對該設(shè)置而言，最佳優(yōu)化方案是采用兩個并聯(lián)的MOSFET，從而獲得整體均衡的效率。

　　通常，按最高輸出功率的20%至30%對MOSFET進行優(yōu)化，可以獲得均衡的總體效率。對于強調(diào)輕負載效率的系統(tǒng)，可以按最高電流的10%至20%的低電流進行優(yōu)化;而對于高負載設(shè)計，則適于按最高電流的60%進行優(yōu)化。應(yīng)當(dāng)避免按100%輸出負載進行優(yōu)化，因為這會嚴重降低系統(tǒng)的低負載效率，并大大增加所需并聯(lián)的MOSFET數(shù)量。

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　　圖4. 不同優(yōu)化方法實現(xiàn)的效率不盡相同