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救世主GaN來了!第1部分:體二極管反向恢復

發(fā)布時間:2021-01-04 責任編輯:wenwei

【導讀】作為電源工程師,我們能夠回憶起第一次接觸到理想化的降壓和升壓功率級的場景。還記得電壓和電流波形是多么的漂亮和簡單(圖1),以及平均電流的計算是多么地輕松,并且確定與輸入和輸出相關(guān)的傳遞函數(shù)也輕而易舉?
 
救世主GaN來了!第1部分:體二極管反向恢復
圖1:理想化的降壓與升壓功率級:這些圖看起來真是太棒了!
 
當我們對于用實際組件來實現(xiàn)轉(zhuǎn)換器有更加深入的了解時,這個波形變得復雜了很多。不斷困擾開關(guān)轉(zhuǎn)換器的一個特別明顯的非理想狀態(tài)就是同步降壓或升壓轉(zhuǎn)換器內(nèi)所使用的MOSFET體二極管的反向恢復。氮化鎵—GaN器件不會表現(xiàn)出反向恢復特性,并因此避免了損耗和其它相關(guān)問題。借助于我的LMG5200和一個差不多的基于硅FET的TPS40170EVM-597,我將開始在24V至5V/4A電源轉(zhuǎn)換器中測量反向恢復。
 
反向恢復—到底是個啥東西?
 
一個二極管中的反向恢復就是當反向電壓被施加到端子上時流經(jīng)二極管的反向電流(錯誤方向?。ㄕ堃妶D2)。二極管中有儲存的電荷,這些電荷必須在二極管能夠阻斷反向電壓前重新組合。這個重新組合是溫度、正向電流、Ifwd、電流的di/dt,以及其它因數(shù)的函數(shù)。
 
救世主GaN來了!第1部分:體二極管反向恢復
圖2:反向恢復電流波形
 
恢復的電荷,Qrr,被分為兩個分量:恢復之前的Qa和恢復之后的Qb—二極管在此時開始支持反向電壓—請見圖3。你也許見過Qb與Qa一樣的軟恢復,這樣的話,di/dt比較慢,或者說,你見過Qb很小,而di/dt很高的“活躍”二極管。當di/dt很高時(由二極管急變引起),橋式功率環(huán)路中寄生電感的響應方式是把它們儲存的電能傾倒到寄生節(jié)點電容中;電壓振鈴會由于二階響應而出現(xiàn)。這也是將輸入功率級旁路電容器放置在輸入級附近的原因。由于環(huán)路中用于快速恢復的電感較少,由寄生電容導致電壓振鈴的電能較少。
 
救世主GaN來了!第1部分:體二極管反向恢復
圖3:已恢復的電荷
 
我用常規(guī)的方法來計算反向恢復損耗:我使用的是數(shù)據(jù)表中的Qrr額定值,并將其乘以頻率和輸入電壓(如果是降壓轉(zhuǎn)換器)或輸出電壓(如果是升壓轉(zhuǎn)換器)。二極管或MOSFET數(shù)據(jù)表通常指定一個反向恢復時間和一個反向恢復電荷。例如,CSD18563Q5A指定了一個49ns的反向恢復時間,trr,以及一個63nC的Qrr。方程式1計算在一個300kHz,24V->5V降壓轉(zhuǎn)換器中,由Qrr所導致的損耗一階估算值:
 
Qrr損耗 ~24V * 300kHz * 63nC = 454mW                               (1)
 
請注意!Qrr通常是25°C溫度下,針對特定Ifwd和di/dt的額定值。實際Qrr會在結(jié)溫上升時,比如說125°C時加倍(或者更多)。di/dt和初始電流都會有影響(更高或更低)。對于活躍型二極管,這個功率的大部分在上部開關(guān)內(nèi)被耗散。對于軟恢復二極管,這個功率在上部開關(guān)和體二極管之間分離開來。如果di/dt和Ifwd條件與我的應用相類似,我將25°C溫度下?lián)p耗的2倍作為與恢復相關(guān)損耗的估算值。
 
那么,你打算拿這些損耗怎么辦呢?實際電路中,由反向恢復導致的真實峰值電流是多少?你也許嘗試用一個SPICE工具來仿真恢復,不過我還未在SPICE社區(qū)內(nèi)發(fā)現(xiàn)比較好的針對二極管恢復的模型。圖4顯示的是一個TINA-TI™ 仿真的結(jié)果;我用我們的24V/5V降壓轉(zhuǎn)換器的TPS40170產(chǎn)品文件夾對這個仿真進行了修改,從而顯示出頂部開關(guān)內(nèi)的開關(guān)節(jié)點電壓 (SW) 和電流(負載電流加上反向恢復電流,以及用一個10mΩ分流電阻器感測到的開關(guān)節(jié)點電容電流)。
 
救世主GaN來了!第1部分:體二極管反向恢復
圖4:TINA-TI™ 仿真:TPS540170
 
注意到大約5A的峰值紋波電路,以及5A峰值反向恢復電流加上開關(guān)節(jié)點電容充電電流。我運行了這個仿真,并且將溫度從27°C增加至125°C—峰值恢復電流沒有增加—并且看起來好像SPICE沒有對這個恢復進行正確建模。
 
在本系列的第2部分,我將詳細介紹在真實電路中測量反向恢復的方法,然后將一個基于MOSFET的標準同步降壓轉(zhuǎn)換器與全新的LMG5200進行比較。
 
 
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