如何使電源實現(xiàn)更高的系統(tǒng)效率

我們生活在一個設(shè)計師似乎一直在追求更高效率的世界。我們希望以更少的功率輸出更多的功率！更高的系統(tǒng)效率是團(tuán)隊的努力，包括（但不限于）性能更好的柵極驅(qū)動器、控制器和新的寬帶隙技術(shù)。

具體來說，大電流柵極驅(qū)動器可以通過最大限度地減少開關(guān)損耗來幫助提高整體系統(tǒng)效率。當(dāng) FET 開關(guān)或開啟和關(guān)閉時會發(fā)生開關(guān)損耗。要打開 FET，必須對柵極電容充電超過閾值電壓。柵極驅(qū)動器的驅(qū)動電流有利于柵極電容的充電。驅(qū)動電流能力越高，電容充電或放電的速度就越快。能夠提供和吸收大量電荷可以最大限度地減少功率損耗和失真。（傳導(dǎo)損耗是 FET 中另一種類型的開關(guān)損耗。傳導(dǎo)損耗由 FET 的內(nèi)阻或 R DS(on) 定義，其中 。FET 在傳導(dǎo)電流時消耗功率。）

換句話說，目標(biāo)是在需要高頻電源轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)中最小化開關(guān)轉(zhuǎn)換時間段。突出這種性能的柵極驅(qū)動器規(guī)范是上升和下降時間的組合。參見圖 1。

圖 1：典型的上升和下降時間圖

如果我們想更上一層樓，延遲匹配等柵極驅(qū)動器功能可以有效地將驅(qū)動電流能力加倍。延遲匹配是兩個通道之間內(nèi)部傳播延遲的匹配。這是通過并聯(lián)雙通道柵極驅(qū)動器的輸出或?qū)⑼ǖ肋B接在一起來實現(xiàn)的。例如，TI 的UCC27524A具有極其精確的 1ns（典型值）延遲匹配，可以將驅(qū)動電流從 5A 提高到 10A。

圖 2 顯示了合并為一個驅(qū)動器的 UCC27524A 的 A 和 B 通道。INA 和 INB 輸入連接在一起，OUTA 和 OUTB 也是如此。一個信號控制并聯(lián)組合。

圖 2：UCC27524A 具有并聯(lián)輸出，可將驅(qū)動電流能力加倍

提高系統(tǒng)效率的結(jié)果之一是增加了功率密度。在功率因數(shù)校正 (PFC) 和隔離式電源的同步整流塊、DC/DC 磚和太陽能逆變器等應(yīng)用中，對更高功率密度的需求是一種趨勢，在這些應(yīng)用中，設(shè)計人員受限于相同尺寸（或更?。。┑攘康妮敵龉β?。

TI 的產(chǎn)品組合包括具有高電流、快速上升和下降時間以及延遲匹配的柵極驅(qū)動器。見表 1。

表 1：大電流柵極驅(qū)動器

高速柵極驅(qū)動器可以通過降低 FET 體二極管消耗的功率來提高效率。體二極管是一種寄生二極管，是大多數(shù)類型 FET 的固有特性。它由 pn 結(jié)形成，位于漏極和源極之間。圖 1 顯示了以典型 MOSFET 電路符號表示的體二極管。

圖 1：包含本征體二極管的 MOSFET 符號

限制體二極管的導(dǎo)通時間將反過來降低其上消耗的功率。這是因為當(dāng) MOSFET 處于導(dǎo)通狀態(tài)時，體二極管兩端的壓降通常高于 MOSFET 兩端的電壓。由于 P = I x V（其中 P 是功耗，I 是電流，V 是電壓降）對于相同的電流水平，通過 MOSFET 通道的傳導(dǎo)損耗明顯低于通過體二極管的傳導(dǎo)損耗。

這些概念在電力電子電路的同步整流中發(fā)揮作用。同步整流通過用功率 MOSFET 等主動控制器件替換二極管來提高這些電路的效率。減少體二極管傳導(dǎo)可以最大限度地發(fā)揮這種技術(shù)的優(yōu)勢。

讓我們考慮一個同步降壓轉(zhuǎn)換器。當(dāng)高端 FET 關(guān)閉且電感中仍有電流時，低端 FET 的體二極管變?yōu)檎蚱谩Ｔ诒苊鈸舸┧匦璧囊恍《嗡绤^(qū)時間之后，低側(cè) FET 導(dǎo)通并開始通過其通道導(dǎo)通。相同的原則適用于其他同步半橋配置，通常用于 DC/DC 電源和電機驅(qū)動設(shè)計。

負(fù)責(zé)高速導(dǎo)通的一個重要柵極驅(qū)動器參數(shù)是導(dǎo)通傳播延遲。這是在柵極驅(qū)動器的輸入端施加信號到輸出開始變高之間的時間。圖 2 顯示了一個例子。這個想法是當(dāng) FET 重新開啟時，體二極管將關(guān)閉。快速導(dǎo)通傳播延遲可加快 FET 的導(dǎo)通速度，最大限度地縮短體二極管的導(dǎo)通時間，從而最大限度地降低損耗。

圖 2：時序圖，其中 t_PDLH 代表開啟傳播延遲

TI 的產(chǎn)品組合包括具有行業(yè)領(lǐng)先的高速開啟傳播延遲的柵極驅(qū)動器。見表 1。

表 1：高速驅(qū)動器