中心議題：

• 同步整流基礎知識
• 優化同步整流MOSFET

解決方案：

• 確定優化MOSFET的負載電流
• 借助四象限SR器件優化表選擇MOSFET

1. 引言

dianyuanzhuanhuanqidefengzhuangmiduriyitigaohejienengbiaozhunyuelaiyueyange，yaoqiubuduantigaodianyuanjidenengxiao。gelishidianyuanzhuanhuanqidecijizhengliuchanshengdeyanzhongdeerjiguanzhengxiangsunhaoshizhuyaodesunhao
，yinci，zhiyouliyongtongbuzhengliu（SR）才可能達到這些標準要求的能效水平。用MOSFET替代二極管引發了新的挑戰——優化係統能效和控製電壓過衝。本應用筆記介紹了通過利用英飛淩OptiMOS™3解決方案的優化表（適用於30 V、40 V
、60 V、75 V、80 V、100 V、120 V和150 V等應用）幫助選擇最佳MOSFET的方法。

圖1. 二極管整流與同步整流之比較

2. 同步整流基礎知識

要選擇最優的MOSFET來實現同步整流
，必須充分理解MOSFET的功耗產生機製。首先，必須區分開隨負載而變化的導通損耗與基本保持不變的開關損耗。導通損耗取決於MOSFET的RDS(on)和內部體二極管的正向電壓VSD。隨著輸出電流的提高
，導通損耗（RDS(on)損耗）也會相應地增加。為確保兩個SR MOSFET之間互鎖，以避免出現直通電流，必須實現一定的死區時間。因此

，在開啟一次側之前，必須關斷相應的MOSFET。由於該MOSFET正在導通全部續流電流，因此，這些電流將不得不從MOSFET溝道轉而流向內部的體二極管
，並由此產生額外的體二極管損耗。體二極管的導通時間很短，僅為50 ns至100 ns左右，因而，當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。

取決於電源轉換器的開關頻率和輸出負載，開關損耗對MOSFET的總功耗有很大影響。MOSFET開啟時，必須對柵極進行充電，以產生柵極電荷Qg。MOSFET關斷時，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動器中。對於特定MOSFET技術，柵極驅動損耗會隨著RDS(on)的降低而增加
，因為矽片越大Qg就越多。

在總開關損耗中占很大比例的另一種損耗與MOSFET的輸出電容Coss和反向恢複電荷Qrr有關。MOSFET關斷時，必須將Qrr移yi走zou，並bing且qie必bi須xu將jiang輸shu出chu電dian容rong充chong電dian至zhi次ci級ji變bian壓ya器qi電dian壓ya。這zhe個ge過guo程cheng會hui導dao致zhi反fan向xiang電dian流liu峰feng值zhi，該gai電dian流liu將jiang耦ou合he到dao交jiao換huan環huan路lu的de電dian感gan中zhong。所suo以yi
，這zhe些xie電dian量liang將jiang被bei轉zhuan移yi至zhiMOSFET的輸出電容，加上之前存儲的電量，將由此產生電壓尖峰。這些電量將觸發LC振蕩電路。LC振蕩電路的性能取決於印刷電路板的感應係數和MOSFET的輸出電容Coss。LC電路的寄生串聯電阻將減弱振蕩。由於這種在關斷過程中產生的感應電量直接取決於MOSFET Coss（相應地


，當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決定了容性關斷損耗。對於柵極電荷也是如此

，Qoss會隨著RDS(on)的降低而增加。因此，總是能找到可以實現最高效率的導通損耗與開關損耗之間的平衡點。

大致上，對於OptiMOS™3產品而言，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體二極管的反向恢複電荷
，而數據手冊中的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，其他因素也會導致應用中的實際Qrr值低於數據手冊所提供的Qrr值。數據手冊中的值是在對體二極管施以允許的最高MOSFET漏極電流、體二極管導通時間長達500 μs並且di/dt值固定為100A/μs的條件下測得的。在實際應用中，通常電流僅為最高漏極電流的三分之一左右甚至更低，體二極管導通時間在20ns至100ns範圍內，並且di/dt可能高達800A/μs。
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3. 優化同步整流MOSFET

要優化SR MOSFET的效率，必須找到開關損耗與導通損耗之間的最佳平衡點。在輕負載條件下
，RDS(on)導(dao)通(tong)損(sun)耗(hao)占(zhan)總(zong)功(gong)耗(hao)的(de)比(bi)例(li)極(ji)低(di)。在(zai)這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)下(xia)
，在(zai)整(zheng)個(ge)負(fu)載(zai)範(fan)圍(wei)內(nei)基(ji)本(ben)保(bao)持(chi)不(bu)變(bian)的(de)開(kai)關(guan)損(sun)耗(hao)是(shi)主(zhu)要(yao)損(sun)耗(hao)。但(dan)是(shi)，當(dang)輸(shu)出(chu)電(dian)流(liu)較(jiao)高(gao)時(shi)，導(dao)通(tong)損(sun)耗(hao)則(ze)成(cheng)為(wei)最(zui)主(zhu)要(yao)的(de)損(sun)耗(hao)，其(qi)占(zhan)總(zong)功(gong)耗(hao)的(de)比(bi)例(li)也(ye)最(zui)高(gao)，請(qing)參(can)見(jian)圖(tu)2。

圖2. 功耗構成與輸出電流的關係

在選擇最適當的MOSFET時，必須特別注意RDS(on) 的取值範圍，如圖3所示。當RDS(on)超出最優值時，總功耗將隨RDS(on)的提高而線性增加。但當RDS(on) 降至低於最優值時
，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

，可實現最低功耗的RDS(on)值範圍相當寬。在本例中，當RDS(on)在1毫歐姆至3毫歐姆範圍內時，總功耗始終大致相同。但是，在此範圍之外，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換器的效率。

圖3. 功耗與RDS(on)值的關係

對於優化SR，另一個重要的問題是正確選擇MOSFET封裝。隻要將TO-220封裝替換為SuperSO8封裝即可實現效率提升。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可以降低開關損耗
，從而提高係統能效。
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4. 應當按何種負載電流優化MOSFET
？

要在整個負載範圍內實現均衡的效率，必須借助四象限SR器件優化表對MOSFETdianliuzuochuhelidexuanze。caiyongmanfuzaiyouhua，keyizaishuchudianliujiaogaoshishixianlianghaodexiaolv。danshi
，dangfuzaijiaodishi，zhezhongfangfahuidadajiangdixiaolv，bingqiesuoxubinglianMOSFET的數量將多得不能接受。因此
，必須找到最優MOSFET電流
，以在整個輸出電流範圍內實現相對恒定的效率值。

為闡明這個問題，圖4顯示了不同優化方法得到的效率。圖中所示效率曲線為，當變壓器電壓為40V、柵極驅動電壓為10V、開關頻率為100kHz時計算得到的12V同步整流級的效率。在75V優化表中選擇 IPP034NE7N3

，按10 A MOSFET電流進行設計
，所得到的優化方案僅需一個MOSFET。如圖4所示
，這種優化方案能夠在低電流時實現很高的效率，而在高電流時效率卻極低。按50 A進行優化設計
，所得到的最佳方案則需要5個MOSFET。caiyongzhezhongyouhuafangan，didianliushidexiaolvjiangdidebunengjieshou，danzaimanfuzaishikeyidadaozuigaoxiaolv。yinci
，duigaishezhieryan，zuijiayouhuafanganshicaiyonglianggebingliandeMOSFET，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進行優化，可以獲得均衡的總體效率。對於強調輕負載效率的係統
，可以按最高電流的10%至20%的低電流進行優化；而對於高負載設計
，則適於按最高電流的60%進行優化。應當避免按100%輸出負載進行優化，因為這會嚴重降低係統的低負載效率，並大大增加所需並聯的MOSFET數量。

圖4. 不同優化方法實現的效率不盡相同

5. 借助四象限SR器件優化表選擇MOSFET

為了幫助開發人員更輕鬆地為SR應用選擇最優MOSFET，下麵介紹一個四象限SR器件優化表。借助這個優化表，可以根據三個應用參數找到最適合的器件：次級變壓器電壓
、開關頻率和RMS MOSFET電流。為便於理解，圖5給出了一個實際的例子。

圖5. 四象限SR器件優化表

使用優化表時，首先從次級變壓器電壓開始。在所用電壓值位置，畫一條垂直的直線。在兩條線相交處可以選出特定的MOSFET。通過一條水平的直線和一條垂直的直線
，便可選擇開關頻率和MOSFET電流。如前麵所討論
，按最好從滿負載的20%至30%的電流值開始進行選擇。此時，可以在正Y軸上讀取最優RDS(on)值。在第四個象限中，顯示了並聯MOSFET的最佳數量。在第四個象限中，必須選擇之前在第一個象限中選定的MOSFET型號。然後，按同樣的參數（變壓器電壓、開關頻率和電流RMS）對另一個型號的MOSFET重複執行這個選擇過程。比較兩次選擇所得到的最優RDS(on)值

，最優RDS(on)值越低的MOSFET所產生的功耗也越低
，因而是更加高效的解決方案。

這個MOSFET選(xuan)擇(ze)方(fang)法(fa)，是(shi)在(zai)假(jia)定(ding)應(ying)用(yong)具(ju)備(bei)最(zui)優(you)開(kai)關(guan)性(xing)能(neng)的(de)條(tiao)件(jian)下(xia)計(ji)算(suan)得(de)到(dao)的(de)。如(ru)果(guo)發(fa)生(sheng)了(le)諸(zhu)如(ru)動(dong)態(tai)開(kai)啟(qi)或(huo)雪(xue)崩(beng)等(deng)二(er)階(jie)效(xiao)應(ying)
，那(na)麼(me)這(zhe)個(ge)優(you)化(hua)表(biao)可(ke)能(neng)不(bu)準(zhun)確(que)。此(ci)外(wai)，硬(ying)開(kai)關(guan)轉(zhuan)換(huan)器(qi)拓(tuo)撲(pu)可(ke)實(shi)現(xian)最(zui)佳(jia)結(jie)果(guo)。任(ren)何(he)諧(xie)振(zhen)軟(ruan)開(kai)關(guan)拓(tuo)撲(pu)均(jun)可(ke)能(neng)導(dao)致(zhi)失(shi)配(pei)，因(yin)為(wei)可(ke)以(yi)回(hui)收(shou)利(li)用(yong)開(kai)關(guan)過(guo)程(cheng)產(chan)生(sheng)的(de)部(bu)分(fen)電(dian)量(liang)。在(zai)這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)下(xia)，實(shi)際(ji)最(zui)優(you)RDS(on) 值將低於計算得到的值。請注意

，一次側采用準諧振拓撲（例如相移ZVS全橋）也可使二次側的同步整流實現硬開關性能，從而也可以利用這種設計優化表來進行優化。

從這種優化表得到的所有結果，均以理想的MOSFET性(xing)能(neng)為(wei)前(qian)提(ti)。根(gen)據(ju)經(jing)驗(yan)，實(shi)際(ji)應(ying)用(yong)的(de)結(jie)果(guo)與(yu)按(an)理(li)想(xiang)狀(zhuang)況(kuang)計(ji)算(suan)得(de)到(dao)的(de)結(jie)果(guo)有(you)所(suo)不(bu)同(tong)。因(yin)此(ci)
，利(li)用(yong)這(zhe)種(zhong)優(you)化(hua)表(biao)得(de)到(dao)的(de)結(jie)果(guo)應(ying)作(zuo)為(wei)最(zui)優(you)器(qi)件(jian)選(xuan)擇(ze)的(de)參(can)考(kao)
，以(yi)防(fang)止(zhi)MOSFET性能不足或過高。如果利用這種優化表得到的結果是在兩個不同的並聯MOSFET數shu量liang之zhi間jian

，那na麼me，數shu量liang較jiao低di的de方fang案an是shi適shi於yu低di負fu載zai的de優you化hua方fang案an
，而er數shu量liang較jiao高gao的de方fang案an則ze是shi更geng適shi於yu高gao功gong率lv的de優you化hua方fang案an。此ci外wai
，任ren何he與yu同tong步bu整zheng流liu級ji並bing聯lian的de緩huan衝chong網wang絡luo均jun會hui影ying響xiang器qi件jian的de選xuan擇ze
，因yin此ci，在zai設she計ji時shi也ye必bi須xu予yu以yi考kao慮lv。

要在整個負載範圍內實現總體優化，僅一次計算是不夠的。除按特定負載值（電流值）計算最優MOSFET之外，還需要按不同負載電流在這個四象限優化表上進行多次計算

，以擴大優化範圍。同時
，還要根據實際應用要求
，調整所得結果。