同步BUCK降壓變換器源極寄生電感對開關(guān)性能影響

時間：2020-12-15 09:59:23

關(guān)鍵字：變壓器電源開關(guān)

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[導(dǎo)讀]同步BUCK降壓變化器是非常經(jīng)典的一種電源結(jié)構(gòu)，其上、下管分別于工作在不同的狀態(tài)，其中，上管工作在主開關(guān)狀態(tài)，漏極的電流由漏極D流向源極S；下管工作在同步整流狀態(tài)，漏極的電流由源極S流向漏極D。因?yàn)樯?、下管工作的狀態(tài)不同，所以，它們的開關(guān)特性也不相同。

同步BUCK降壓變化器是非常經(jīng)典的一種電源結(jié)構(gòu)，其上、下管分別于工作在不同的狀態(tài)，其中，上管工作在主開關(guān)狀態(tài)，漏極的電流由漏極D流向源極S；下管工作在同步整流狀態(tài)，漏極的電流由源極S流向漏極D。因?yàn)樯稀⑾鹿芄ぷ鞯臓顟B(tài)不同，所以，它們的開關(guān)特性也不相同。

通常，上管為硬開關(guān)工作狀態(tài)，具有導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗；下管為軟開關(guān)工作狀態(tài)，只有導(dǎo)通損耗，但是由于下管的寄生二極管在死區(qū)時間內(nèi)會導(dǎo)通續(xù)流，因此，下管的寄生二極管在死區(qū)時間內(nèi)具有導(dǎo)通損耗，同時具有二級管的反向恢復(fù)損耗。

功率MOSFET的寄生參數(shù)模型如圖1所示，其中，G、D、S分別為封裝好的器件外部的柵極、漏極和源極，G1、S1分別為內(nèi)部器件的柵極、源極，LD為漏極的封裝電感，LS為源極的封裝電感，LG為柵極的封裝電感，RG為內(nèi)部的柵極電阻總和。

圖1：功率MOSFET的寄生參數(shù)模型

電感中流過變化的電流時，其產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢會抑制這種電流的變化。如圖2左邊所示，電感中流過的電流從A到B隨時間變大，那么產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢會抑制電流從A到B的變大，感應(yīng)電動勢對應(yīng)的方向?yàn)椋荷险仑?fù)。同樣，若電感的電流隨時間降低，感應(yīng)電動勢對應(yīng)的方向?yàn)椋荷?span style="color: rgb(0, 0, 0);">負(fù)下正。

圖2：電感的感應(yīng)電動勢

源極的封裝電感LS同時在主功率回路和柵極的驅(qū)動回路中，上、下管由于漏極的電流方向不同，那么，LS對于開關(guān)特性的影響也不同，下面分別進(jìn)行分析。

1、上管源極寄生電感對開關(guān)性能的影響

上管工作于主開關(guān)狀態(tài)，漏極的電流由漏極D流向源極S，上管在開通的過程中，ID的電流從0開始增加，LS的電流也是從0開始增加，LS的感應(yīng)電動勢VLS阻止其電流的增加，感應(yīng)電動勢VLS方向?yàn)椋荷险仑?fù)。

圖3：上管源極寄生電感的開通特性及波形

VGS=VG1S1+VLS+VRG+VLG

其中，VGS：外加的G、S電壓；

VG1S1：內(nèi)部實(shí)際的G1、S1的電壓；

VRG：柵極驅(qū)動電阻的電壓；

VLG：柵極寄生電感的電壓。

VG1S=VG1S1+VLS

因此，最內(nèi)部VG1S1的電壓低于VG1S：VG1S1<VG1S，相當(dāng)于源極封裝電感LS的感應(yīng)電壓降低Ciss的充電速度，也就是降低上管的實(shí)際開通速度，上管的開通時間變長，實(shí)際開通速度變慢，開通損耗增大。

同樣，在關(guān)斷的過程中，在LS上的感應(yīng)電動勢VLS的方向?yàn)椋荷县?fù)下正，最內(nèi)部VG1S1的電壓高于VG1S：VG1S1>VGS，LS的感應(yīng)電壓導(dǎo)致上管的實(shí)際關(guān)斷速度變慢，關(guān)斷時間變長，關(guān)斷損耗增大。

圖4：上管源極寄生電感的關(guān)斷特性

2、下管源極寄生電感對開關(guān)性能的影響

下管工作于同步狀態(tài)，漏極的電流由源極S流向漏極D。上管關(guān)斷后，下管在開通的過程中，ID的電流從0開始增加流過寄生的二極管，LS的電流也是從0開始增加，LS的感應(yīng)電動勢VLS阻止其電流的增加，在LS上的感應(yīng)電動勢VLS的方向?yàn)椋荷县?fù)下正。

VG1S=VG1S1-VLS

在LS的電流增加到輸出電流IO之前，開通下管，最內(nèi)部VG1S1的電壓高于VG1S：VG1S1>VG1S，相當(dāng)于下管實(shí)際的開通速度變快，開通時間變短，寄生二極管導(dǎo)通時間變短，二極管導(dǎo)通損耗降低。只要在二極管增加到輸出電感電流IO之前，開通下管，LS就有加速下管開通的作用。

圖5：下管源極寄生電感的開通特性

如果二極管電流增加到輸出電感電流IO之后、也就是二極管完全完成換流之后，再開通下管，LS的電流基本上保持不變，LS的感應(yīng)電動勢VLS為0，LS對下管的開通速度基本上沒有影響。

相應(yīng)的，下管在關(guān)斷的過程中，在死區(qū)時間內(nèi)，電流從溝道轉(zhuǎn)移到寄生二級管，LS的電流維持不變，在這個時間段，對下管的關(guān)斷速度幾乎沒有影響。如果下管關(guān)斷的速度特別慢，在二極管的電流增加到等于輸出的電感電流之前，上管開始開通，上管電流增加，下管電流減小，這時，下管的LS感應(yīng)電壓VLS上正下負(fù)壓，導(dǎo)致VG1S1的電壓突然降低，加速開斷，從而減小上、下管的短路直通。

下管的LS感應(yīng)電壓VLS會隨著負(fù)載電流的變化而變化。上、下管同時開通工作在短路直通狀態(tài)，控制不好發(fā)生嚴(yán)重的短路直通，系統(tǒng)會有損壞的威脅，大多系統(tǒng)不會工作在這種方式。

實(shí)際的應(yīng)用，除了封裝電感LS，源極主功率回路的PCB的寄生電感LS-ex具有和LS同樣作用，影響開關(guān)特性，因此，封裝電感LS和源極主功率回路的PCB的寄生電感LS-ex之和，統(tǒng)稱為：common source inductance。