1. Принципи синхронного випрямлення
2. Оптимізація вибору транзисторів синхронного випрямляча
3. При якому струмі необхідно оптимізувати транзистори?
4. Вибір польових транзисторів по чотириквадрантний оптимизирующим залежностям для синхронного випрямлення
5. Про компанії Infineon

Застосування синхронних випрямлячів - кращий спосіб зниження втрат у вторинних колах перетворювачів енергії. А польові транзистори з лінійки OptiMOS ™ виробництва Infineon з напругою 30 ... 150 В відмінно підходять для цієї мети.

Постійне посилення вимог до питомої потужності та енергозбереження перетворювачів електричної енергії вимагає збільшення ефективності всіх ступенів перетворення. Основним видом втрат у вторинних колах перетворювачів з гальванічною розв'язкою є втрати провідності випрямних діодів, які можна зменшити, використовуючи синхронне випрямлення (рисунок 1). Заміна діодів польовими транзисторами (MOSFET) призводить до появи нових завдань - оптимізації ефективності системи і запобігання викидів перенапруги.

Принципи синхронного випрямлення

Для правильного вибору транзисторів синхронного випрямляча необхідно чітке розуміння механізму виникнення втрат. В першу чергу необхідно розрізняти втрати провідності (статичні втрати), що залежать від струму навантаження, і втрати перемикання (динамічні втрати). Втрати провідності безпосередньо залежать від опору транзисторів у відкритому стані (RDS on) і падіння напруги на внутрішніх диодах VSD. Причому збільшення струму навантаження призводить до збільшення втрат провідності. Для запобігання одночасного включення транзисторів синхронного випрямляча, що приводить до струмових перевантажень транзисторів, необхідна наявність деякого часу затримки, при якому один транзистор повинен бути гарантовано закритий перед відкриттям іншого. Саме в цей проміжок часу струм протікає через внутрішній діод, і в ньому виникають додаткові втрати. Але, оскільки цей період малий (50 ... 100 нс), то в більшості випадків, коли вихідна напруга значно більше прямого падіння напруги на внутрішньому діоді, даними втратами можна знехтувати.

Мал. 1. Схеми діодного і синхронного випрямлячів

Динамічні втрати MOSFET також вносять великий вклад в загальну картину. Вони залежать від частоти комутації fSW і вихідного струму перетворювача IOUT. Для включення транзистора ємність затвора необхідно зарядити до величини Qg, а напруга на затворі повинно досягти порога перемикання. Для виключення MOSFET ємність «затвор-витік» повинна бути розряджена, що означає розсіювання заряду Qg на опорі затвора і внутрішньому опорі драйвера. При існуючій технології виробництва втрати управління для транзисторів з малим опором каналу - більше, ніж для високоомних, оскільки збільшення розміру кристала приводить до збільшення заряду затвора Qg.

Інша важлива частина динамічних втрат пов'язана з наявністю вихідний ємності Coss і зарядом зворотного відновлення Qrr. При виключенні транзистора заряд Qrr повинен бути неуважний, а вихідна ємність Coss заряджена до величини напруги вторинної обмотки трансформатора VT. В результаті цього процесу виникає імпульс зворотного струму, який протікає через індуктивності комутованої ланцюга, внаслідок чого в вихідну ємність транзистора передається енергія, яка веде до появи на стоці транзистора імпульсу перенапруги. Цей імпульс запускає коливальний процес в контурі, утвореному індуктивностями провідників друкованої плати і вихідний ємністю транзистора Coss, який демпфуюча паразитними опорами даного контуру. Таким чином, енергія виключення залежить від величини ємності Coss MOSFET і, відповідно, від заряду Qoss, накопиченого при заряді Coss до напруги вторинної обмотки трансформатора. Аналогічно заряду затвора Qg, заряд вихідний ємності Qoss збільшується зі зменшенням опору RDS (on). Таким чином, завжди можна знайти баланс між втратами провідності і втратами на перемикання для досягнення максимальної ефективності перетворення в цілому.

У першому наближенні зарядом зворотного відновлення Qrr для транзисторів серії OptiMOS ™ можна знехтувати, оскільки його внесок в загальні втрати потужності незначний. У нашому випадку зарядом Qrr вважається тільки заряд відновлення внутрішнього діода MOSFET, в той час як величина заряду Qrr, яка вказується в документації, вимірюється відповідно до стандартів JEDEC, і тому містить не тільки заряд відновлення внутрішнього діода, а й деякі складові вихідного заряду транзистора . До того ж, при синхронному випрямленні реальні значення заряду зворотного відновлення діода Qrr - менше значень, зазначених в документації. У ній наводяться значення для максимально допустимого струму стоку транзистора за умови, що діод знаходився в провідному стані тривалий час, більше 500 мкс, і при обмеженій швидкості зміни струму di / dt на рівні 100 А / мкс. У реальному пристрої струми транзистора зазвичай не перевищують третини максимально допустимого струму стоку, внутрішній діод знаходиться в провідному стані 20 ... 100 нс, а швидкість зміни струму di / dt досягає 800 А / мкс.

Оптимізація вибору транзисторів синхронного випрямляча

Оптимальний вибір транзисторів синхронного випрямляча, спрямований на максимальну ефективність, полягає в пошуку збалансованого співвідношення втрат провідності і перемикання. При малому струмі навантаження втрати провідності грають другорядну роль. У цьому випадку втрати перемикання, які приблизно постійні в усьому діапазоні навантажень, є домінуючими. При великому струмі навантаження втрати провідності максимальні і тому вносять найбільший внесок у загальні втрати потужності (рисунок 2).

Мал. 2. Залежність втрат потужності від вихідного струму

При виборі транзисторів особливу увагу необхідно приділити вибору опору в провідному стані RDS (on). Як приклад розглянемо сімейство транзисторів 60 В OptiMOS ™, що працюють за умов, наведених на малюнку 3. На ньому видно, що відхилення опору RDS (on) від точки оптимального вибору призводить до збільшення загальних втрат пропорційно збільшенню RDS (on). У той же час в наведеному прикладі зменшення опору RDS (on) нижче 0,5 мОм призведе до істотного збільшення втрат, зумовлених збільшенням вихідний ємності. Більш того, на малюнку 3 можна побачити, що діапазон значень RDS (on), при яких значення втрат мінімально, досить широкий. У цьому прикладі загальні втрати приблизно однакові в діапазоні 0,75 ... 2,8 мОм, отже, для даної ситуації найкраще підходять транзистори BSC016N06NS або BSC028N06NS . До того ж, оскільки втрати залишаються менше 1 Вт в широкому діапазоні (0,55 ... 3,9 мОм), то можливий і вибір BSC039N06NS , Хоча даний транзистор краще використовувати в додатках або з меншим струмом навантаження, або з більшою частотою перетворення.

Мал. 3. Залежність втрат потужності від опору RDS (on)

У будь-якому випадку необхідно пам'ятати, що графік на малюнку 3 був побудований для конкретних умов, і ситуація може істотно змінитися при зміні частоти перетворення (рисунок 4в, г) або струму, що протікає через транзистори (малюнок 4а, б).

Якщо взяти за приклад малюнок 4а, де струм транзистора зменшений до 5 А, а частота перетворення залишилася 175 кГц, втрати перемикання тепер складають значну частину загальних втрат і оптимальним є використання транзистора BSC039N06NS. В іншому випадку частота перетворення зменшена до 100 кГц при збереженні струму транзистора на рівні 15 А (рисунок 4в). У цьому випадку оптимальним рішенням є вибір транзистора BSC016N06NS, при використанні якого забезпечується мінімальний рівень втрат.

Мал. 4. Залежність втрат потужності від опору RDS (on) при різних значеннях частоти перетворення fsw і струму транзистора IMosfet

Ще однією важливою проблемою оптимізації синхронних випрямлячів є правильний вибір корпусу транзистора. Дійсно, підвищити ефективність випрямляча можна простим шляхом заміни корпусу ТО-220 на SuperSO8. Причиною цього є зменшення частки опору корпусу в величині RDS (on). Зменшення опору RDS (on) при збереженні вихідний ємності на тому ж рівні призводить до зменшення твори FOMQoss = RDS (on) х Qoss, яке є показником ефективності технології MOSFET. Зменшення FOMQoss призведе до зменшення втрат перемикання і, таким чином, збільшить ККД випрямляча.

При якому струмі необхідно оптимізувати транзистори?

Щоб отримати високе значення ККД синхронного випрямляча у всьому діапазоні струмів навантаження необхідно правильно вибрати струм MOSFET, скориставшись чотириквадрантний оптимізують залежностями. Оптимізація, виконана для максимального навантаження, дасть високе значення ККД при великих вихідних токах. Однак в цьому випадку при невеликому навантаженні випрямляча значення ККД різко зменшиться, а кількість паралельно з'єднаних транзисторів виявиться неприпустимо великим. Тому необхідно вибрати таке значення струму транзистора, при якому ККД матиме щодо постійне значення у всьому діапазоні струмів.

Для ілюстрації цієї проблеми на малюнку 5 показані залежності ККД синхронного випрямляча з вихідним напругою Vout = 12 В, напругою вторинної обмотки трансформатора 24 В, напругою затвора 10 В і частотою перетворення 200 кГц, розраховані для різних варіантів оптимізації. Якщо звернутися до оптимизирующим залежностям (про методику їх використання буде розказано далі) для 40 В OptiMos BSC010N04LS (Рисунок 8), то при обумовленому вище режимі роботи (VT = 24 В, f = 200 кГц) і струмі 20 А оптимальним буде застосування одного транзистора. У цьому випадку, відповідно до рисунка 5, максимум ККД буде розташовуватися в області невеликих струмів навантаження. У разі оптимізації при струмі транзистора 40 А оптимальним буде застосування двох транзисторів. В цьому випадку максимум ККД зміститься в область великих струмів навантаження. Зазвичай збалансоване значення ККД досягається, якщо оптимізація виконується при 20 ... 30% від максимальної потужності випрямляча. Якщо випрямляч більшу частину часу функціонує при невеликих навантаженнях - має сенс зменшити струм, при якому виконується оптимізація, до величини 10 ... 20% від максимального вихідного струму. Якщо ж навантаження таке, що більшу частину часу випрямляч працює при рівні потужності більше половини від максимального, оптимізацію необхідно виконувати для струму значенням до 60% від максимального вихідного струму. Оптимізації для 100% навантаження слід уникати, оскільки в цьому випадку зі зменшенням навантаження ККД випрямляча істотно зменшується, а кількість паралельно з'єднаних транзисторів значно зростає.

Мал. 5. Залежність ККД від струму навантаження при різних значеннях струму оптимізації

Вибір польових транзисторів по чотириквадрантний оптимизирующим залежностям для синхронного випрямлення

Для вибору транзисторів пропонуються оптимізують залежності, які дозволяють легко відшукати найбільш відповідний польовий транзистор для синхронного випрямляча з використанням всього трьох параметрів: напруги вторинної обмотки трансформатора, частоти перетворення і середнього значення струму транзистора. Приклад вибору транзистора показаний на малюнку 6.

Мал. 6. Вибір транзистора по оптимизирующим залежностям

На першому етапі необхідно вибрати один з транзисторів, присутніх на графіках. З точки на осі Х, яка відповідає напрузі вторинної обмотки трансформатора, проводять вертикальну лінію вниз до перетину з лінією, що відповідає обраному транзистору. З цієї точки проводять горизонтальну лінію вліво до точки перетину з лінією, що відповідає частоті перетворення. Після цього проводять вертикальну лінію вгору до перетину з лінією, що відповідає обраному току транзистора. Далі з цієї точки проводять горизонтальну лінію вправо до перетину з вертикальною лінією, що відповідає обраному транзистору, по якій можна визначити оптимальне число паралельно з'єднаних транзисторів.

Хорошим співвідношенням буде рівень струму в 20 ... 30% від повного навантаження. Оптимальним значенням RDS (on) для даного випадку буде точка перетину з позитивною частиною осі Y. Цю процедуру можна виконати для різних моделей транзисторів. Найменші втрати, а отже, і максимальне значення ККД випрямляча будуть при використанні тих транзисторів, для яких еквівалентний опір RDS (on) буде найменшим.

Дана методика розрахована на роботу транзисторів випрямляча в режимі оптимального перемикання. У будь-якому іншому випадку, наприклад, в разі динамічного включення або лавинного пробою, наведені залежності будуть неточними. Найкращі результати були отримані для топологій з жорсткою комутацією. Використання даної методики для резонансних схем з режимами м'якою комутації призведе до великих розбіжностей, оскільки в даному випадку динамічні втрати будуть нижче нуля. В цьому випадку оптимальне значення опору RDS (on) буде менше розрахункового. Зверніть увагу на те, що навіть при роботі первинної сторони в квазірезонансного режимі, наприклад, при використанні мостового інвертора Phase Shift ZVS, синхронний випрямляч може працювати в режимі жорсткого перемикання і може бути оптимізований з використанням наведених залежностей.

Все оптимізують залежності, наведені в цій статті (малюнки 7 ... 14), були побудовані для ідеалізованих польових транзисторів. На практиці результати розрахунків по ідеалізованим залежностям можуть відрізнятися від реального значення втрат. Тому отримані результати необхідно розглядати не більше ніж як індикатор найкращого можливого випадку або попередження про вибір недостатнього або надлишкового кількості транзисторів. Якщо оптимальна кількість паралельно з'єднаних транзисторів, отримане за графіками, знаходиться між двома значеннями, слід пам'ятати, що вибір меншого кількості транзисторів збільшить ККД випрямляча при менших струмах навантаження, а більшого - при великих. Крім того, необхідно враховувати наявність снабберних ланцюгів, включених паралельно транзисторів, які також можуть впливати на вибір транзисторів.

Оптимізація у всьому діапазоні струмів навантаження не може бути виконана за допомогою розрахунку при одному значенні вихідного струму. Для цього необхідно виконати кілька тестових розрахунків при різних токах навантаження, і, аналізуючи отримані результати, здійснити вибір моделі і кількості транзисторів відповідно до вимог, що пред'являються до випрямляча.

Мал. 7. Вибір транзистора по оптимизирующим залежностям OptiMOS ™ 30 В

Мал. 8. Вибір транзистора по оптимизирующим залежностям OptiMOS ™ 40 В

Мал. 9. Вибір транзистора по оптимизирующим залежностям OptiMOS ™ 60 В

Мал. 10. Вибір транзистора по оптимизирующим залежностям OptiMOS ™ 75 В

Мал. 11. Вибір транзистора по оптимизирующим залежностям OptiMOS ™ 80 В

Мал. 12. Вибір транзистора по оптимизирующим залежностям OptiMOS ™ 100 В

Мал. 13. Вибір транзистора по оптимизирующим залежностям OptiMOS ™ 120 В

Мал. 14. Вибір транзистора по оптимизирующим залежностям OptiMOS ™ 150 В

Про компанії Infineon

Компанія Infineon є світовим лідером з виробництва силових напівпровідникових компонентів, а також займає провідні позиції з виробництва автомобільної напівпровідникової електроніки і смарт-карт. У 2015 році компанія Infineon придбала компанію International Rectifier, тим самим значно посиливши свої лідируючі позиції в області силової електроніки. Це поєднання відкриває нові можливості для клієнтів, так як обидві компанії чудово доповнюють один одного завдяки високому рівню ... читати далі