Синхронные выпрямители – это MOSFET, управляемые таким образом, чтобы выполнять функцию выпрямления. Они часто заменяют диоды в выходных выпрямительных каскадах импульсных преобразователей энергии из-за меньших потерь мощности в проводящем состоянии. Использование синхронного выпрямления в силовых цепях часто бывает сложным из-за проблем с синхронизацией. Некоторые методы основаны на попытке предсказания моментов синхронизации выпрямителя путем анализа того же сигнала, который управляет ключевым транзистором преобразователя. Другие методы основаны на различных способах определения тока в полевом транзисторе и последующего использования этой информации. На Рисунках 1а и 1б показаны упрощенные представления этих альтернативных методов применительно к прямоходовой и понижающей топологии. В выключенном состоянии выпрямитель проводит ток от истока к стоку. В начале цикла коммутации ключевой транзистор открывается и начинает пропускать ток в выпрямитель. В конце концов, ток в выпрямителе падает до нуля и начинает менять направление, протекая от стока к истоку. Этот момент является оптимальным для выключения выпрямителя.
 |
|
| Рисунок 1. | В этих топологиях часто наблюдается запаздывание выключения синхронного выпрямителя, что приводит к возникновению значительных обратных токов. Момент смены направления тока зависит от условий нагрузки (а). Ориентация на переход тока через ноль приводит к слишком позднему выключению выпрямителя (б). |
К сожалению, если сигнал от схемы управления появляется в это время, синхронный выпрямитель выключается только после различных задержек (прежде всего, задержки выключения MOSFET). Поскольку выключение связано с большим значением di/dt, нежелательным последствием является то, что выпрямитель выключается только при протекании значительного обратного тока. Если использовать концепцию с фиксированной задержкой, показанную на Рисунке 1а, выключение синхронного выпрямителя редко будет происходить в оптимальное время, поскольку момент смены направления тока зависит от условий нагрузки. Методы адаптивной задержки, компенсирующие изменения задержки в зависимости от нагрузки, сложны. Реализация концепции, представленной на Рисунке 1б, связана с аналогичными сложностями. Схема определения перехода тока через ноль часто работает относительно медленно, поэтому к упомянутым задержкам полевого транзистора она добавляет дополнительное запаздывание выключения синхронного выпрямителя. На Рисунке 2 показан простой способ модификации концепции, показанной на Рисунке 1б. В этом случае в точку подключения стока выпрямителя добавляется насыщаемый сердечник с дополнительной обмоткой считывания. С небольшой дополнительной схемой этот единственный компонент сам выполняет две основные функции, необходимые для устранения проблемы задержки выключения.
 |
|
| Рисунок 2. | Недорогой насыщающийся сердечник в цепи стока синхронного выпрямителя добавляет в схему функцию «автосинхронизации». |
Первая функция – определение момента, когда ток становится близким к нулю. В это время сердечник выходит из насыщения и блокирует напряжение. Это напряжение также появляется на дополнительной обмотке, сигнализируя схеме измерения, что она должна немедленно выключить MOSFET. Вторая функция заключается в том, чтобы значительно замедлить di/dt тока в течение этого критического времени выключения. Работа насыщаемого сердечника обеспечивает более широкие допуски по времени и бóльшую гибкость в конструкции драйвера синхронного выпрямителя, что существенно снижает количество и стоимость компонентов. Сердечник может быть небольшим, даже для мощных приложений, и не обязательно должен иметь прямоугольную петлю гистерезиса. Обычный силовой феррит имеет гораздо меньшую стоимость и потери, чем его аналоги с прямоугольной петлей гистерезиса. Материал с непрямоугольной петлей гистерезиса позволяет сердечнику выходить из насыщения, когда ток в выпрямителе еще слегка положителен, что дает измерительной схеме небольшой запас времени.
Благодаря нелинейной характеристике насыщаемого сердечника вторичная обмотка считывания имеет гораздо меньше витков, чем соответствующий линейный датчик на Рисунке 1б, и практически не имеет потерь в цепях измерения и ограничения тока вторичной цепи. Эти соображения улучшают быстродействие и снижают потери в сильноточных устройствах. Отметим, что эта простая схема универсальна: ее можно применять для различных коммутаторов и выпрямителей в большинстве топологий силовых схем. Эта концепция даже может улучшить хорошо известные методы мягкого переключения.
