100 A级同步流整流器

陈之勃，邹 颖，申彩英

（辽宁工业大学 电子与信息工程学院，辽宁 锦州 121001）

100 A级同步流整流器

陈之勃，邹 颖，申彩英

（辽宁工业大学 电子与信息工程学院，辽宁 锦州 121001）

分析了大电流整流电路因整流器引起的散热困难问题和正向电压引起的效率下降问题。提出了采用MOSFET作为整流器件来降低整流器正向电压的可能性。分析了MOSFET工作在整流状态下需要低导通电阻、大电流承受能力和低热阻的特点和目前商用低压MOSFET最新水平。分析了工作在整流器状态的MOSFET导通电阻对导通电压的影响，提出采用极低导通电阻作为100 A级整流器的MOSFET所需要满足的主要参数。最后，通过实验验证了本文提出的方法及理论。

同步整流器；MOSFET；极低导通电阻；导通电压

越来越多的低压大电流直流应用要求整流器需要具有尽可能高的整流效率，例如汽车发电机整流器输出电流达100～200 A。当整流电路输出电流达到100 A时，用二极管构成的整流器的损耗将达到100 W左右。电流断续状态下的输出整流器的损耗将会更高。如此高的导通损耗所产生的热量需要比较大体积的散热器，整流电路体积必将增大，所产生的附加电磁效应随之增加。在散热条件不佳甚至散热条件有限的情况下，整流器的损耗必须降低，要求整流器正向电压必须降低。

采用肖特基二极管尽管可以将整流器正向电压降低到约 0.5 V，是最简单的解决方案，但是肖特基二极管的漏电流相对很高，特别是高结温状态下。如果选型不当，正向电压降低带来的损耗降低会因漏电流增加造成的损耗增加所抵消。从损耗角度考虑这将得不偿失,肖特基二极管的第二个弱点是抗过电流冲能力差。

如何寻求到一种正向电压低于 0.3 V、漏电流几乎可以忽略的整流器件。在众多功率半导体器件中，唯功率MOSFET可能具有这样特性。对于大电流同步整流器，要求MOSFET应该具有极低的导通电阻和高电流承受能力。

过去的功率MOSFET无法实现100 A级同步整流器，即使多只并联方式，例如 2006年最新产品IXYS的IXTA110N055T(110 A/55 V)的导通电阻为0.007 Ω(结温 25 ℃)或 0.014 Ω(结温 150 ℃)，管脚电流限制值75 A。在结温150 ℃条件下、导通电压0.3 V条件下仅能流过21.4 A电流，仅为定电流的20%。显然，如此低的工作电流不是经济的工作状态。

近年来专用于同步整流器的大电流 MOSFET问世和商业化解决了大电流同步整流器的实现。

1 MOSFET的导通电阻(RDSon)

作为同步整流器的 MOSFET在导通时的电压一定要远低于硅二极管正向电压，一般需要不高于0.2～0.3 V，以便将100 A输出电流的整流器损耗从100 W左右降低到20～30 W。

对于单相正弦波整流电路，峰值电流条件下需要至少140 A条件下具有不高于0.3 V的导通电压，对应MOSFET的导通电阻需要2.1 mΩ。即：

考虑最高结温条件下MOSFET导通电阻加倍。需要常温导通电阻不高于1.2 mΩ。

从电流安全余量角度考虑，作为同步整流器的MOSFET额定电流应不低于整流输出电流峰值的1.5倍，本文中应用条件下应不低于210 A。

由于MOSFET具有雪崩击穿耐量，对于瞬态过电压可以利用雪崩击穿耐量吸收，无需过高的额定电压。对于12～15 V直流输出电压，三相桥式整流器，作为同步整流器的MOSFET额定电压40 V即可。

根据上述条件，可以选用近年来问世的专用于同步整流器的 MOSFET，型号为 IRFS3004-7PPbF的 MOSFET即可满足要求。主要参数为额定电压VDSS：40 V，额定电流ID：240 A(壳温100 ℃)，导通电阻RDS(on)：0.9 mΩ(结温 25 ℃)或 0.015 Ω(结温150 ℃)，单次雪崩击穿耐量EAS：290 mJ。

对于三相正弦波电压整流，需要的最高电流约为输出整流电流平均值的1.05%，常温导通电阻在1.5 mΩ即可。

2 载流能力与热阻分析

2.1 MOSFET封装的电流承受能力

在实际应用中，需要满足低成本的应用要求，因此 MOSFET需要低封装成本和尽可能小的封装尺寸。最常见的TO220或D2PAK封装管脚仅能承受30 A有效值电流，尽管现在有的型号数据表中给出高达200 A的封装电流限制，本文作者倾向于30 A连续有效值电流限制值。

封装技术的进步使得D2PAK封装出现了7管脚封装形式，使得D2PAK封装也可以承受100 A以上的有效值电流。7管脚D2PAK封装如图1。

图1 七管脚D2APK封装

图中，金属底板为漏极，5个管脚为源极。漏极电流直接从金属底板流出，可以承受数百安培有效值电流；源极电流同时从5个管脚引出，不再是源极电流仅仅流过1个管脚。这样就可以保证用5个管脚的源极顺利通过至少150 A有效值电流。

2.2 MOSFET热阻分析

对于贴片式封装，金属底板直接焊接在铝基板的铜箔上。管芯到环境热阻由管芯到外壳热阻如图2。

图2 热阻等效图

热阻公式为：

式中：RθJA、RθJC、RθCS、RθSA分别为管芯到环境的热阻、管芯到管壳的热阻、管壳到散热器的热阻、散热器到环境的热阻。

一般的TO220封装管芯到壳的热阻为1 ℃/W，7管脚D2APK封装管芯到壳的热阻为0.4 ℃/W。

铝基电路板铜箔与铝基的热阻约为 2℃/(W·cm2）。

如果，MOSFET流过100 A连续电流、导通电压0.3 V将产生30 W的导通损耗，导通占空比为0.5将产生15 W导通损耗，导通占空比0.33将产生10 W导通损耗。

在导通损耗作用下，管芯到管壳的温升为：

管芯到环境的温升为：

式中：ΔT为管芯到管壳的温升。

由公式(3)，热阻为0.4 ℃/W的7管脚D2APK封装，损耗为30 W、15 W、10 W对应的温升分别为 12、6、4 ℃。对应的管壳的金属底板最高工作温度分别为163、169、171 ℃。如果将散热器直接焊到金属底板，则散热器温度至少可以达到150 ℃。

环境25 ℃、最高结温175 ℃条件下，于三相整流，MOSFET导通占空比为1/3，15 W损耗需要管芯到环境的热阻不高于15 ℃/W，散热器热阻应不高于15 ℃/W，甚至可以用导流条作为散热器，以简化散热结构。

3 控制模式

在诸多控制模式中，通过检测同步整流器导通电压控制同步整流器的导通与关断是最直接最简单的方式，基本控制思路为：MOSFET的反并联二极管的正向电压超过导通阈值电压，MOSFET导通，随着同步整流器流过的电流减小，表明需要关断MOSFET。当MOSFET的反并联二极管的正向电压低于关断阈值，MOSFET关断。

导通电压阈值可以设置为 100 mV。使得MOSFET可靠地导通。关断阈值电压设置为10～20 mV，确保MOSFET在整流输入反向电压前关断。低的关断电压阈值可以使MOSFET即使在10%负载条件下仍能导通，确保在10%～100%负载条件下的高效率，同时又不至于出现反向电流。控制模式迟滞回环特性如图3。

图3 控制模式的迟滞回环特性

图3中，横坐标为MOSFET的源极—漏极电压，纵坐标为 MOSFET的栅极—源极电压。MOSFET工作在同步整流器状态下为反向电压导通。与寄生二极管正向电流方向一致。MOSFET的正向电压对应寄生二极管的反向电压。

4 实验结果与分析

本文实验电路为三相桥式整流电路，控制芯片为IR1167智能同步整流器控制芯片。实验电路由6个同步整流器单元构成，每个MOSFET及驱动电路焊接在单元电路板上。各单元电路互联用双股 4 mm2导线连接，同时作为散热器。实验电路主回路如图4。

图4 三相桥式同步整流器主回路

图5 同步整流器单元

实验电路实物如图6。

图6 实验电路实物

作为同步整流器的MOSFET型号为IRFS3004-7PPBF。常温导通电阻典型值 0.9 mΩ，壳温25 ℃的额定电流240 A(内引线及管脚限制)。

整流电路，三相桥式整流电路。

输入：三相相电压6 V/50 Hz。

测试仪器与装置：DPS2024隔离通道示波器；250 A磁平衡式霍尔电流传感器，检测电流与输出电压关系25 A/V。

测试结果如下。

测试波形与数据：输出电流与MOSFET电压波形如图7。

图7 输出电流与MOSFET电压波形

图7中，通道2为MOSFET电压；通道4为输出电流，1 V/div。实测电压为3.84 V，对应电流为96 A。

MOSFET正向电压细节波形如图8。

图8 同步整流器正向电压波形

图中 MOSFET导通状态下的正向电压约 200 mV。远远低于硅整流器的约1 V的典型电压值。

图中的 MOSFET开通前和关断前有一个电压脉冲，产生的原因是 IR1167控制模式需要检测二极管导通后才能开通MOSFET；MOSFET导通电压下降到接近于零关断MOSFET。电流流过MOSFET寄生二极管。

铝基板环境温度为25 ℃状态下MOSFET的壳温为110 ℃。

对应MOSFET的导通损耗为：

式中：1/3为三相整流器的每个整流器导通1/3周期；0.0012为结温150 ℃条件下MOSFET的导通电阻，单位Ω。

3.69 W造成的管芯到管壳温升不到2 ℃，在管壳温度为110 ℃状态下为112 ℃明显低于175 ℃最高工作结温。

5 结论

应用 MOSFET替代二极管作为整流器可以降低整流器损耗到二极管整流的约25%以下，同时也减小对散热器的体积要求，特别是采用高导热的铜散热。

应用超低RDSon的MOSFET可以实现100 A级的同步整流。

40 V/240 A/0.7 mΩ、60 V/240 A/1.15 mΩ的超低导通电阻MOSFET已经商品化，推动了12 V电压等级半波、全波整流器和48 V级桥式整流器的大电流同步整流化，降低低压整流器的导通损耗。

大电流同步整流技术不仅可以应用于工频低电压整流，同样适用于中、高频同步整流应用。

通过合适的并联技术，可以实现1000～3000 A及更大电流的同步整流，适用于如单晶炉以及应用石墨加热等需要低压大电流直流电的应用以及小型化中频逆变电阻焊机。很好地解决大电流整流器散热问题。甚至，整流电路由水冷改为风冷，改善了散热环境和整流装置的结构与运行条件限制。

[1]陈永真.高效率开关电源设计与制作[M].北京: 科学出版社,2008: 162-164.

[2]陈永真.现代电子技术[M].沈阳: 东北大学出版社,2006.

[3]陈之勃,陈永真.大学生电子设计竞赛硬件电路设计指导[M].北京: 电子工业出版社,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

陈之勃(1985-)，男，辽宁锦州人，实验师，硕士。

责任编校：孙 林