100 A級同步流整流器

陳之勃，鄒 穎，申彩英

（遼寧工業(yè)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

100 A級同步流整流器

陳之勃，鄒 穎，申彩英

（遼寧工業(yè)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

分析了大電流整流電路因整流器引起的散熱困難問題和正向電壓引起的效率下降問題。提出了采用MOSFET作為整流器件來降低整流器正向電壓的可能性。分析了MOSFET工作在整流狀態(tài)下需要低導(dǎo)通電阻、大電流承受能力和低熱阻的特點和目前商用低壓MOSFET最新水平。分析了工作在整流器狀態(tài)的MOSFET導(dǎo)通電阻對導(dǎo)通電壓的影響，提出采用極低導(dǎo)通電阻作為100 A級整流器的MOSFET所需要滿足的主要參數(shù)。最后，通過實驗驗證了本文提出的方法及理論。

同步整流器；MOSFET；極低導(dǎo)通電阻；導(dǎo)通電壓

越來越多的低壓大電流直流應(yīng)用要求整流器需要具有盡可能高的整流效率，例如汽車發(fā)電機整流器輸出電流達(dá)100～200 A。當(dāng)整流電路輸出電流達(dá)到100 A時，用二極管構(gòu)成的整流器的損耗將達(dá)到100 W左右。電流斷續(xù)狀態(tài)下的輸出整流器的損耗將會更高。如此高的導(dǎo)通損耗所產(chǎn)生的熱量需要比較大體積的散熱器，整流電路體積必將增大，所產(chǎn)生的附加電磁效應(yīng)隨之增加。在散熱條件不佳甚至散熱條件有限的情況下，整流器的損耗必須降低，要求整流器正向電壓必須降低。

采用肖特基二極管盡管可以將整流器正向電壓降低到約 0.5 V，是最簡單的解決方案，但是肖特基二極管的漏電流相對很高，特別是高結(jié)溫狀態(tài)下。如果選型不當(dāng)，正向電壓降低帶來的損耗降低會因漏電流增加造成的損耗增加所抵消。從損耗角度考慮這將得不償失,肖特基二極管的第二個弱點是抗過電流沖能力差。

如何尋求到一種正向電壓低于 0.3 V、漏電流幾乎可以忽略的整流器件。在眾多功率半導(dǎo)體器件中，唯功率MOSFET可能具有這樣特性。對于大電流同步整流器，要求MOSFET應(yīng)該具有極低的導(dǎo)通電阻和高電流承受能力。

過去的功率MOSFET無法實現(xiàn)100 A級同步整流器，即使多只并聯(lián)方式，例如 2006年最新產(chǎn)品IXYS的IXTA110N055T(110 A/55 V)的導(dǎo)通電阻為0.007 Ω(結(jié)溫 25 ℃)或 0.014 Ω(結(jié)溫 150 ℃)，管腳電流限制值75 A。在結(jié)溫150 ℃條件下、導(dǎo)通電壓0.3 V條件下僅能流過21.4 A電流，僅為定電流的20%。顯然，如此低的工作電流不是經(jīng)濟(jì)的工作狀態(tài)。

近年來專用于同步整流器的大電流 MOSFET問世和商業(yè)化解決了大電流同步整流器的實現(xiàn)。

1 MOSFET的導(dǎo)通電阻(RDSon)

作為同步整流器的 MOSFET在導(dǎo)通時的電壓一定要遠(yuǎn)低于硅二極管正向電壓，一般需要不高于0.2～0.3 V，以便將100 A輸出電流的整流器損耗從100 W左右降低到20～30 W。

對于單相正弦波整流電路，峰值電流條件下需要至少140 A條件下具有不高于0.3 V的導(dǎo)通電壓，對應(yīng)MOSFET的導(dǎo)通電阻需要2.1 mΩ。即：

考慮最高結(jié)溫條件下MOSFET導(dǎo)通電阻加倍。需要常溫導(dǎo)通電阻不高于1.2 mΩ。

從電流安全余量角度考慮，作為同步整流器的MOSFET額定電流應(yīng)不低于整流輸出電流峰值的1.5倍，本文中應(yīng)用條件下應(yīng)不低于210 A。

由于MOSFET具有雪崩擊穿耐量，對于瞬態(tài)過電壓可以利用雪崩擊穿耐量吸收，無需過高的額定電壓。對于12～15 V直流輸出電壓，三相橋式整流器，作為同步整流器的MOSFET額定電壓40 V即可。

根據(jù)上述條件，可以選用近年來問世的專用于同步整流器的 MOSFET，型號為 IRFS3004-7PPbF的 MOSFET即可滿足要求。主要參數(shù)為額定電壓VDSS：40 V，額定電流ID：240 A(殼溫100 ℃)，導(dǎo)通電阻RDS(on)：0.9 mΩ(結(jié)溫 25 ℃)或 0.015 Ω(結(jié)溫150 ℃)，單次雪崩擊穿耐量EAS：290 mJ。

對于三相正弦波電壓整流，需要的最高電流約為輸出整流電流平均值的1.05%，常溫導(dǎo)通電阻在1.5 mΩ即可。

2 載流能力與熱阻分析

2.1 MOSFET封裝的電流承受能力

在實際應(yīng)用中，需要滿足低成本的應(yīng)用要求，因此 MOSFET需要低封裝成本和盡可能小的封裝尺寸。最常見的TO220或D2PAK封裝管腳僅能承受30 A有效值電流，盡管現(xiàn)在有的型號數(shù)據(jù)表中給出高達(dá)200 A的封裝電流限制，本文作者傾向于30 A連續(xù)有效值電流限制值。

封裝技術(shù)的進(jìn)步使得D2PAK封裝出現(xiàn)了7管腳封裝形式，使得D2PAK封裝也可以承受100 A以上的有效值電流。7管腳D2PAK封裝如圖1。

圖1 七管腳D2APK封裝

圖中，金屬底板為漏極，5個管腳為源極。漏極電流直接從金屬底板流出，可以承受數(shù)百安培有效值電流；源極電流同時從5個管腳引出，不再是源極電流僅僅流過1個管腳。這樣就可以保證用5個管腳的源極順利通過至少150 A有效值電流。

2.2 MOSFET熱阻分析

對于貼片式封裝，金屬底板直接焊接在鋁基板的銅箔上。管芯到環(huán)境熱阻由管芯到外殼熱阻如圖2。

圖2 熱阻等效圖

熱阻公式為：

式中：RθJA、RθJC、RθCS、RθSA分別為管芯到環(huán)境的熱阻、管芯到管殼的熱阻、管殼到散熱器的熱阻、散熱器到環(huán)境的熱阻。

一般的TO220封裝管芯到殼的熱阻為1 ℃/W，7管腳D2APK封裝管芯到殼的熱阻為0.4 ℃/W。

鋁基電路板銅箔與鋁基的熱阻約為 2℃/(W·cm2）。

如果，MOSFET流過100 A連續(xù)電流、導(dǎo)通電壓0.3 V將產(chǎn)生30 W的導(dǎo)通損耗，導(dǎo)通占空比為0.5將產(chǎn)生15 W導(dǎo)通損耗，導(dǎo)通占空比0.33將產(chǎn)生10 W導(dǎo)通損耗。

在導(dǎo)通損耗作用下，管芯到管殼的溫升為：

管芯到環(huán)境的溫升為：

式中：ΔT為管芯到管殼的溫升。

由公式(3)，熱阻為0.4 ℃/W的7管腳D2APK封裝，損耗為30 W、15 W、10 W對應(yīng)的溫升分別為 12、6、4 ℃。對應(yīng)的管殼的金屬底板最高工作溫度分別為163、169、171 ℃。如果將散熱器直接焊到金屬底板，則散熱器溫度至少可以達(dá)到150 ℃。

環(huán)境25 ℃、最高結(jié)溫175 ℃條件下，于三相整流，MOSFET導(dǎo)通占空比為1/3，15 W損耗需要管芯到環(huán)境的熱阻不高于15 ℃/W，散熱器熱阻應(yīng)不高于15 ℃/W，甚至可以用導(dǎo)流條作為散熱器，以簡化散熱結(jié)構(gòu)。

3 控制模式

在諸多控制模式中，通過檢測同步整流器導(dǎo)通電壓控制同步整流器的導(dǎo)通與關(guān)斷是最直接最簡單的方式，基本控制思路為：MOSFET的反并聯(lián)二極管的正向電壓超過導(dǎo)通閾值電壓，MOSFET導(dǎo)通，隨著同步整流器流過的電流減小，表明需要關(guān)斷MOSFET。當(dāng)MOSFET的反并聯(lián)二極管的正向電壓低于關(guān)斷閾值，MOSFET關(guān)斷。

導(dǎo)通電壓閾值可以設(shè)置為 100 mV。使得MOSFET可靠地導(dǎo)通。關(guān)斷閾值電壓設(shè)置為10～20 mV，確保MOSFET在整流輸入反向電壓前關(guān)斷。低的關(guān)斷電壓閾值可以使MOSFET即使在10%負(fù)載條件下仍能導(dǎo)通，確保在10%～100%負(fù)載條件下的高效率，同時又不至于出現(xiàn)反向電流?？刂颇Ｊ竭t滯回環(huán)特性如圖3。

圖3 控制模式的遲滯回環(huán)特性

圖3中，橫坐標(biāo)為MOSFET的源極—漏極電壓，縱坐標(biāo)為 MOSFET的柵極—源極電壓。MOSFET工作在同步整流器狀態(tài)下為反向電壓導(dǎo)通。與寄生二極管正向電流方向一致。MOSFET的正向電壓對應(yīng)寄生二極管的反向電壓。

4 實驗結(jié)果與分析

本文實驗電路為三相橋式整流電路，控制芯片為IR1167智能同步整流器控制芯片。實驗電路由6個同步整流器單元構(gòu)成，每個MOSFET及驅(qū)動電路焊接在單元電路板上。各單元電路互聯(lián)用雙股 4 mm2導(dǎo)線連接，同時作為散熱器。實驗電路主回路如圖4。

圖4 三相橋式同步整流器主回路

圖5 同步整流器單元

實驗電路實物如圖6。

圖6 實驗電路實物

作為同步整流器的MOSFET型號為IRFS3004-7PPBF。常溫導(dǎo)通電阻典型值 0.9 mΩ，殼溫25 ℃的額定電流240 A(內(nèi)引線及管腳限制)。

整流電路，三相橋式整流電路。

輸入：三相相電壓6 V/50 Hz。

測試儀器與裝置：DPS2024隔離通道示波器；250 A磁平衡式霍爾電流傳感器，檢測電流與輸出電壓關(guān)系25 A/V。

測試結(jié)果如下。

測試波形與數(shù)據(jù)：輸出電流與MOSFET電壓波形如圖7。

圖7 輸出電流與MOSFET電壓波形

圖7中，通道2為MOSFET電壓；通道4為輸出電流，1 V/div。實測電壓為3.84 V，對應(yīng)電流為96 A。

MOSFET正向電壓細(xì)節(jié)波形如圖8。

圖8 同步整流器正向電壓波形

圖中 MOSFET導(dǎo)通狀態(tài)下的正向電壓約 200 mV。遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于硅整流器的約1 V的典型電壓值。

圖中的 MOSFET開通前和關(guān)斷前有一個電壓脈沖，產(chǎn)生的原因是 IR1167控制模式需要檢測二極管導(dǎo)通后才能開通MOSFET；MOSFET導(dǎo)通電壓下降到接近于零關(guān)斷MOSFET。電流流過MOSFET寄生二極管。

鋁基板環(huán)境溫度為25 ℃狀態(tài)下MOSFET的殼溫為110 ℃。

對應(yīng)MOSFET的導(dǎo)通損耗為：

式中：1/3為三相整流器的每個整流器導(dǎo)通1/3周期；0.0012為結(jié)溫150 ℃條件下MOSFET的導(dǎo)通電阻，單位Ω。

3.69 W造成的管芯到管殼溫升不到2 ℃，在管殼溫度為110 ℃狀態(tài)下為112 ℃明顯低于175 ℃最高工作結(jié)溫。

5 結(jié)論

應(yīng)用 MOSFET替代二極管作為整流器可以降低整流器損耗到二極管整流的約25%以下，同時也減小對散熱器的體積要求，特別是采用高導(dǎo)熱的銅散熱。

應(yīng)用超低RDSon的MOSFET可以實現(xiàn)100 A級的同步整流。

40 V/240 A/0.7 mΩ、60 V/240 A/1.15 mΩ的超低導(dǎo)通電阻MOSFET已經(jīng)商品化，推動了12 V電壓等級半波、全波整流器和48 V級橋式整流器的大電流同步整流化，降低低壓整流器的導(dǎo)通損耗。

大電流同步整流技術(shù)不僅可以應(yīng)用于工頻低電壓整流，同樣適用于中、高頻同步整流應(yīng)用。

通過合適的并聯(lián)技術(shù)，可以實現(xiàn)1000～3000 A及更大電流的同步整流，適用于如單晶爐以及應(yīng)用石墨加熱等需要低壓大電流直流電的應(yīng)用以及小型化中頻逆變電阻焊機。很好地解決大電流整流器散熱問題。甚至，整流電路由水冷改為風(fēng)冷，改善了散熱環(huán)境和整流裝置的結(jié)構(gòu)與運行條件限制。

[1]陳永真.高效率開關(guān)電源設(shè)計與制作[M].北京: 科學(xué)出版社,2008: 162-164.

[2]陳永真.現(xiàn)代電子技術(shù)[M].沈陽: 東北大學(xué)出版社,2006.

[3]陳之勃,陳永真.大學(xué)生電子設(shè)計競賽硬件電路設(shè)計指導(dǎo)[M].北京: 電子工業(yè)出版社,2013: 168-170.

100A Synchronous Rectifier

CHEN Zhi-bo,ZOU Ying,SHEN Cai-ying
（School of Electronics & Information Engineering,Liaoning University of Technology,Jinzhou 121001,China）

This paper analyzes the problems of heat dissipation difficulty by rectifier in high-current rectifier circuit,as well as of efficiency decrease because of forward voltage drop.It indicates the possibility of decreasing rectifier’s forward voltage by utilizing MOSFET as rectifier device.It analyzes the characteristic that low conducting resistance,high current tolerance,and low thermal resistance are needed,MOSFET working as rectifier device,as well as the performance of latest commercial low-voltage MOSFET.It also analyzes while MOSFET working as rectify status,the conducting resistance affects conducting voltage drop.It points out the main parameters will be satisfied MOSFET’s ultra low conducting resistance as 100A level rectifier.In the end,the method and theory this paper gives have been proved through the experiment.

synchronous rectifier; MOSFET; low conducting resistance; conducting voltage

TM46

A

1674-3261(2017)05-0284-04

10.15916/j.issn1674-3261.2017.05.002

2017-04-05

陳之勃(1985-)，男，遼寧錦州人，實驗師，碩士。

責(zé)任編校：孫 林