救世主GaN來(lái)了!第1部分:體二極管反向恢復(fù)
發(fā)布時(shí)間:2021-01-04 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)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(jí)的場(chǎng)景。還記得電壓和電流波形是多么的漂亮和簡(jiǎn)單(圖1),以及平均電流的計(jì)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?
圖1:理想化的降壓與升壓功率級(jí):這些圖看起來(lái)真是太棒了!
當(dāng)我們對(duì)于用實(shí)際組件來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換器有更加深入的了解時(shí),這個(gè)波形變得復(fù)雜了很多。不斷困擾開關(guān)轉(zhuǎn)換器的一個(gè)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(fù)。氮化鎵—GaN器件不會(huì)表現(xiàn)出反向恢復(fù)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(gè)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(cè)量反向恢復(fù)。
反向恢復(fù)—到底是個(gè)啥東西?
一個(gè)二極管中的反向恢復(fù)就是當(dāng)反向電壓被施加到端子上時(shí)流經(jīng)二極管的反向電流(錯(cuò)誤方向!)(請(qǐng)見圖2)。二極管中有儲(chǔ)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(gè)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)。
圖2:反向恢復(fù)電流波形
恢復(fù)的電荷,Qrr,被分為兩個(gè)分量:恢復(fù)之前的Qa和恢復(fù)之后的Qb—二極管在此時(shí)開始支持反向電壓—請(qǐng)見圖3。你也許見過Qb與Qa一樣的軟恢復(fù),這樣的話,di/dt比較慢,或者說(shuō),你見過Qb很小,而di/dt很高的“活躍”二極管。當(dāng)di/dt很高時(shí)(由二極管急變引起),橋式功率環(huán)路中寄生電感的響應(yīng)方式是把它們儲(chǔ)存的電能傾倒到寄生節(jié)點(diǎn)電容中;電壓振鈴會(huì)由于二階響應(yīng)而出現(xiàn)。這也是將輸入功率級(jí)旁路電容器放置在輸入級(jí)附近的原因。由于環(huán)路中用于快速恢復(fù)的電感較少,由寄生電容導(dǎo)致電壓振鈴的電能較少。
圖3:已恢復(fù)的電荷
我用常規(guī)的方法來(lái)計(jì)算反向恢復(fù)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(gè)反向恢復(fù)時(shí)間和一個(gè)反向恢復(fù)電荷。例如,CSD18563Q5A指定了一個(gè)49ns的反向恢復(fù)時(shí)間,trr,以及一個(gè)63nC的Qrr。方程式1計(jì)算在一個(gè)300kHz,24V->5V降壓轉(zhuǎn)換器中,由Qrr所導(dǎo)致的損耗一階估算值:
Qrr損耗 ~24V * 300kHz * 63nC = 454mW (1)
請(qǐng)注意!Qrr通常是25°C溫度下,針對(duì)特定Ifwd和di/dt的額定值。實(shí)際Qrr會(huì)在結(jié)溫上升時(shí),比如說(shuō)125°C時(shí)加倍(或者更多)。di/dt和初始電流都會(huì)有影響(更高或更低)。對(duì)于活躍型二極管,這個(gè)功率的大部分在上部開關(guān)內(nèi)被耗散。對(duì)于軟恢復(fù)二極管,這個(gè)功率在上部開關(guān)和體二極管之間分離開來(lái)。如果di/dt和Ifwd條件與我的應(yīng)用相類似,我將25°C溫度下?lián)p耗的2倍作為與恢復(fù)相關(guān)損耗的估算值。
那么,你打算拿這些損耗怎么辦呢?實(shí)際電路中,由反向恢復(fù)導(dǎo)致的真實(shí)峰值電流是多少?你也許嘗試用一個(gè)SPICE工具來(lái)仿真恢復(fù),不過我還未在SPICE社區(qū)內(nèi)發(fā)現(xiàn)比較好的針對(duì)二極管恢復(fù)的模型。圖4顯示的是一個(gè)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(duì)這個(gè)仿真進(jìn)行了修改,從而顯示出頂部開關(guān)內(nèi)的開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓 (SW) 和電流(負(fù)載電流加上反向恢復(fù)電流,以及用一個(gè)10mΩ分流電阻器感測(cè)到的開關(guān)節(jié)點(diǎn)電容電流)。
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(fù)電流加上開關(guān)節(jié)點(diǎn)電容充電電流。我運(yùn)行了這個(gè)仿真,并且將溫度從27°C增加至125°C—峰值恢復(fù)電流沒有增加—并且看起來(lái)好像SPICE沒有對(duì)這個(gè)恢復(fù)進(jìn)行正確建模。
在本系列的第2部分,我將詳細(xì)介紹在真實(shí)電路中測(cè)量反向恢復(fù)的方法,然后將一個(gè)基于MOSFET的標(biāo)準(zhǔn)同步降壓轉(zhuǎn)換器與全新的LMG5200進(jìn)行比較。
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