【技术】电力MOSFET的反向电阻工作区及同步整流技术的基本原理

时间： 2022-11-23 来源：恩智测控NGI公众号

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同步整流技术采用通态电阻极低的电力MOSFET来取代整流二极管，能大大降低整流电路的损耗，提高DC/DC变换器的效率，满足低压、大电流整流器的需要。本文恩智测控将从同步整流电路的原理图着手，介绍电力MOSFET的反向电阻工作区及同步整流技术的基本原理并对同步整流电路中的驱动电路和栅极电压波形进行分析。

DC/DC变换器损耗

DC/DC变换器的损耗主要由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。

快恢复二极管或超快恢复二极管可达1.0~1.2V，即使采用低压降的肖特基二极管，也会产生0.4V~0.8V的压降,导致整流损耗增大，电源效率降低。

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、小体积的需要，成为制约DC/DC变换器提高效率的瓶颈。

同步整流原理

同步整流是用通态电阻极低的电力MOSFET来取代整流二极管以降低整流损耗的一项新技术。

低压大电流的电力MOSFET的导通压降与二极管相比要低的多。如型号为FOP140N03L的MOSFET(U_Ds=30V，I_D=140A)，导通电阻仅为3.8mΩ,若负载电流为20A，则导通压降为76mV。因此采用低压电力MOSFET作为整流器件可提高电路效率,减轻散热压力，有利于实现此类电源的小型化。

整流电路中电力MOS-FET的导通方向应该是从源极S到漏极D，很多人会认为该电路图出现了错误，以为实际的同步整流电路应为图2所示，即将图1中的MOSFET管V₁和V₂方向颠倒。

实际上，图2电路是无法正常工作的。当变压器副边电压u_T处于上正、下负时，应该驱动V₁导通，而V₂截止。由于a点电位低于o点电位，V₂内部附加的反并的二极管VD₂导通，不但造成负载无法得到能量，变压器副边也会通过两个电力MOS-FET形成短路。

部分人对同步整流的原理之所以难以理解，是因为没有了解到电力MOSFET的正栅压反向输出特性。

实际上，电力MOSFET除需要介绍非饱和区、饱和区和截止区外，还应考虑反向电阻区，如图3所示。为了和反向电阻区的定义相对应，应将第一象限中的非饱和区改为正向电阻区(图3)。

若在图3中U_Ds<0时，对栅极施加高于U_T(U_T的幅值电压)的正栅压，栅底P型区会反型并形成导电沟道。由于U_Ds<0，漏极电流I_D反向并与U_Ds保持线性关系，即进入反向电阻区。反向电阻区与正向电阻区具有相类似的沟道特性。也就是在图1所示的同步整流电路中，V₁和V₂均工作在反向电阻区。

这是由于变压器二次侧电压u_T为交变方波，V₁和V₂都要承受反压，但电力MOSFET是逆导器件，若工作在正向电阻区将无法实现整流。即作为整流使用的电力MOSFET，其栅压脉冲应符合下式：

式中，U_g1是正栅压幅值。该式表明，在同步整流电路中，电力MOSFET将工作在正向阻断的反向导通状态。

为获得上述公式所示的栅压，最简单的办法就是利用变压器二次电压u_T，这样V₁和V₂将与输入电压u_T1同步工作，这也是同步整流名称的由来。

同步整流删压驱动电路和波形

为能更加清楚地分析同步整流的原理，对图1进行细化。将整流器件分解成理想的MOSFET和反并联二极管两部分，即V₁由VF₁和VD₁组成，V₂由VF₂和VD₂组成(见图6)。

图4为对应的栅极驱动波形，VF₁和VF₂的驱动电压u_g1和u_g2直接从整流副边电压u_T1获得。

虽然该驱动方式处理起来较为简单，但在u_T1的零电压区，由于u_g1=u_g2=0,VF₁和VF₂均处于关断状态。为了维持输出电流连续，则MOSFET内部寄生的反并联二极管VD₁和VD₂会同时导通。但由于VD₁和VD₂导通压降较大，电路在这一时段的损耗也会增加。

图5为改良的同步整流驱动电路的栅极电压波形。因为此时消除了零栅压区，保证在u_T1的零电压区仍有VF₁和VF₂导通，从而是比较理想的驱动波形。

由于同步整流电路通常用于低压输出电路，因此u_T1幅度不高,若低于栅阀电压U_T，则不能有效驱动VF₁和VF₂，因此电路增加了附加绕组N3及相应的电路，如图6所示。

该电路以VF₁和VF₂的栅极电压来自输入电容C₁和C₂，以产生VF₁和VF₂的驱动信号，其时序除了要满足式(1)的要求，还要在u_T1的零电压区内保持足够的栅极电压使VF₁和VF₂导通。驱动电路的输入和输出电压波形如图7所示。

1、0~t_o时段：该时段内u_T1和u_T2均处于正半周，u_T2=U_T2m，则VD₄正偏导通，VD₃反偏截止。U_T2通过VD₄对C₁充电，C₂被VD₄的正向压降钳位。充电结束后u_g1=U_T₂_m-U_D=U_Sa>U_T,u_g2=-U_D，其中U_D是VD₄的导通压降，此时VF₁反向导通而VF₂正向阻断。

2、to~t时段：该时段内u_T2=0，则VD₃和VD₄截止，C₁向C₂放电,直至两电容上电压相等，则u_g1=u_g2=U_T_2m/2-U_D=U_S_b>U_T。由于u_g1和u_g2均高于U_T，故VF₁和VF₂均处于通态，L释放能量以维持负载电流连续。

3、t₁~t₂时段：该时段内u_T2=-U_T2_m，则VD₃正偏导通，VD₄反偏截止，u_T2通过VD₃对C₂充电，C₁被VD₃的正向压降钳位。充电结束后u_g2=U_T_2m-U_D=U_Sa>U_T、u_g1=-U_D，则VF₁正向阻断而VF₂反向导通。

4、t₂~t₃时段：该时段内u_T2=0，则VD₃和VD₄截止，C₂向C₁放电，直至两电容上电压相等，则u_g1=u_g2=U_T2m/2-U_D=U_Sb>U_T。由于u_g1和u_g2均高于U_T，故VF₁和VF₂均处于通态，L释放能量以维持负载电流连续。

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N3225-10K-M001	直流电源	10000V	1mA	电压≤0.01%+0.05%F.S.	电流≤0.02%+0.05%F.S.	1V/0.1μA	1	LAN/RS232	2U

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产品型号	品类	最大输出电压(V)	最大输出电流(A)	电压精度	电流精度	分辨率(mV/mA)	通道数	象限	通讯接口	尺寸
N8330A	电池模拟器	6V	1A	≤0.1mV±2d	≤0.2mA±2d	0.01mV/0.001mA	24	单象限	LAN/RS485	2U