同步BUCK降压变化器是非常经典的一种电源结构,其上、下管分别于工作在不同的状态,其中,上管工作在主开关状态,漏极的电流由漏极D流向源极S;下管工作在同步整流状态,漏极的电流由源极S流向漏极D。因为上、下管工作的状态不同,所以,它们的开关特性也不相同。
通常,上管为硬开关工作状态,具有导通损耗和开关损耗;下管为软开关工作状态,只有导通损耗,但是由于下管的寄生二极管在死区时间内会导通续流,因此,下管的寄生二极管在死区时间内具有导通损耗,同时具有二级管的反向恢复损耗。
功率MOSFET的寄生参数模型如图1所示,其中,G、D、S分别为封装好的器件外部的栅极、漏极和源极,G1、S1分别为内部器件的栅极、源极,LD为漏极的封装电感,LS为源极的封装电感,LG为栅极的封装电感,RG为内部的栅极电阻总和。
图1:功率MOSFET的寄生参数模型
电感中流过变化的电流时,其产生的感应电动势会抑制这种电流的变化。如图2左边所示,电感中流过的电流从A到B随时间变大,那么产生的感应电动势会抑制电流从A到B的变大,感应电动势对应的方向为:上正下负。同样,若电感的电流随时间降低,感应电动势对应的方向为:上负下正。
图2:电感的感应电动势
源极的封装电感LS同时在主功率回路和栅极的驱动回路中,上、下管由于漏极的电流方向不同,那么,LS对于开关特性的影响也不同,下面分别进行分析。
1、上管源极寄生电感对开关性能的影响
上管工作于主开关状态,漏极的电流由漏极D流向源极S,上管在开通的过程中,ID的电流从0开始增加,LS的电流也是从0开始增加,LS的感应电动势VLS阻止其电流的增加,感应电动势VLS方向为:上正下负。
图3:上管源极寄生电感的开通特性及波形
VGS=VG1S1+VLS+VRG+VLG
其中,VGS:外加的G、S电压;
VG1S1:内部实际的G1、S1的电压;
VRG:栅极驱动电阻的电压;
VLG:栅极寄生电感的电压。
VG1S=VG1S1+VLS
因此,最内部VG1S1的电压低于VG1S:VG1S1<VG1S,相当于源极封装电感LS的感应电压降低Ciss的充电速度,也就是降低上管的实际开通速度,上管的开通时间变长,实际开通速度变慢,开通损耗增大。
同样,在关断的过程中,在LS上的感应电动势VLS的方向为:上负下正,最内部VG1S1的电压高于VG1S:VG1S1>VGS,LS的感应电压导致上管的实际关断速度变慢,关断时间变长,关断损耗增大。
图4:上管源极寄生电感的关断特性
2、下管源极寄生电感对开关性能的影响
下管工作于同步状态,漏极的电流由源极S流向漏极D。上管关断后,下管在开通的过程中,ID的电流从0开始增加流过寄生的二极管,LS的电流也是从0开始增加,LS的感应电动势VLS阻止其电流的增加,在LS上的感应电动势VLS的方向为:上负下正。
VG1S=VG1S1-VLS
在LS的电流增加到输出电流IO之前,开通下管,最内部VG1S1的电压高于VG1S:VG1S1>VG1S,相当于下管实际的开通速度变快,开通时间变短,寄生二极管导通时间变短,二极管导通损耗降低。只要在二极管增加到输出电感电流IO之前,开通下管,LS就有加速下管开通的作用。
图5:下管源极寄生电感的开通特性
如果二极管电流增加到输出电感电流IO之后、也就是二极管完全完成换流之后,再开通下管,LS的电流基本上保持不变,LS的感应电动势VLS为0,LS对下管的开通速度基本上没有影响。
相应的,下管在关断的过程中,在死区时间内,电流从沟道转移到寄生二级管,LS的电流维持不变,在这个时间段,对下管的关断速度几乎没有影响。如果下管关断的速度特别慢,在二极管的电流增加到等于输出的电感电流之前,上管开始开通,上管电流增加,下管电流减小,这时,下管的LS感应电压VLS上正下负压,导致VG1S1的电压突然降低,加速开断,从而减小上、下管的短路直通。
下管的LS感应电压VLS会随着负载电流的变化而变化。上、下管同时开通工作在短路直通状态,控制不好发生严重的短路直通,系统会有损坏的威胁,大多系统不会工作在这种方式。
实际的应用,除了封装电感LS,源极主功率回路的PCB的寄生电感LS-ex具有和LS同样作用,影响开关特性,因此,封装电感LS和源极主功率回路的PCB的寄生电感LS-ex之和,统称为:common source inductance。