DC到DC同步转换器设计
阿卜杜勒·萨塔尔， IXYS公司
IXAN0068
现代电力电子产品要求尺寸小和重量更轻的功率的
电子零件。滤波器电感器和电容器的尺寸必须是小的。与小滤波器，
所述开关半导体元件必须具有小的开关损耗。和散热器还
必须减少。对于安全操作与小的散热片，所述开关
半导体器件必须具有小的导通损耗。 IXYS开发新一代
沟槽MOSFET （ Trench2
TM
），其具有小的栅极电荷和低导通电阻。
在MOSFET将非常适合的同步DC高功率应用到直流
在各种系统中使用的转换器。该MOSFET是坚固，并具有雪崩能量
能力。
表1 ： IXYS TrenchT2中的一些实例
TM
N沟道功率MOSFET
产品型号
VDSS
（最大）
(V)
ID @
Tc=25C
(A)
RDS （ ON）
@
Tj=25°C
()
西塞
（PF ）
Qg
（ NC
)
TRR @
TJ ？
25°C
（纳秒）
R（次） JC
（ ° C / W）
Pd
(W)
E
AS
（兆焦耳）
包
TYPE
IXTA220N04T2
IXTP220N04T2
IXTA90N055T2
IXTP90N055T2
IXTA110N055T2
IXTP110N055T2
IXTA200N055T2
IXTP200N055T2
IXTA70N075T2
IXTP70N075T2
IXTA90N075T2
IXTP90N075T2
40
40
55
55
55
55
55
55
75
75
75
75
220
220
90
90
110
110
200
200
70
70
90
90
0.0035
0.0035
0.0084
0.0084
0.0066
0.0066
0.0042
0.0042
0.012
0.012
0.010
0.010
6500
6500
2670
2670
3060
3060
6800
6800
2580
2580
3100
3100
112
112
42
42
57
57
109
109
46
46
54
54
45
45
37
37
38
38
49
49
48
48
50
50
0.42
0.42
1.0
1.0
0.82
0.82
0.42
0.42
1.0
1.0
0.82
0.82
360
360
150
150
180
180
360
360
150
150
180
180
600
600
300
300
400
400
600
600
300
300
400
400
TO‐263
TO‐220
TO‐263
TO‐220
TO‐263
TO‐220
TO‐263
TO‐220
TO‐263
TO‐220
TO‐263
TO‐220
直流 - 直流转换器的同步设计：
图1 ：同步
采用IXYS TrenchT2降压转换器
TM
功率MOSFET
1
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在图1中， Q1被称为高侧或者控制用FET和Q2被称为
低侧或降压DC至DC转换器的同步应用同步FET
应用程序。比
Vo
/
VIN
通过Q1的占空比来控制。以改善
效率，这是希望具有Q2导通时， Q1关关开。简化
开关状态图示于图2 [2]。它描绘了开关顺序为A -B-
CBA所在的状态B被称为“死区时间”时， Q1和Q2是关闭的
肖特基二极管D1为ON，以提供一种在感性负载的续流操作
电路。这是可取的，以减少死区时间最小化，以提高效率。
然而，如果死时间比Q1和Q2的导通或关断时间时，所述
电路可能进入状态D ，在直通状态时， Q1和Q2都开在
同时造成短路，在输入电压源，输入电压。国家D是
不可取的，因为它会摧毁晶体管Q1和Q2 。
图2 ：电路开关状态图[ 2 ]
2
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图3 ：理想的电路波形（无死区时间）
开关周期，
T
S
=
T
on
+
T
关闭
中，开关频率，
f
S
=
1
T
S
占空比，
D
=
T
on
T
on
=
的导通时间，
T
on
=
DT
S
T
S
T
on
+
T
关闭
关断时间，
T
关闭
=
(1
D
)
T
S
.
图4 ：理想的同步降压转换器的电感电流
用最低的纹波输出的直流电压被认为是最好的解决方案。纹波出现
在输出电压中的电感L1的电流的纹波分量，
Δ
I
L
1
(
t
)
，其中收费和
输出电容放电，C1，如示于图4的C1是在所述充电
3
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时期
I
L
1
(
t
)
是比我大
o
。充电（
Δ
Q
） ，此时流入C1
由C1的值除以所述输出电压的纹波分量。
输出电感纹波电流与电压：
电感器电压可被定义为，
di
Δ
t
(
VIN
Vo
)
在这里，
Δ
t
=
吨
=
DTS
V
L
=
L
1
=
VIN
Vo
或者，
Δ
i
= Δ
I
L
1
(
t
)
=
L
1
dt
电感纹波电流，
VIN
VO
(
VIN
Vo
)
=
(1)
Δ
I
L
1
(
t
)
=
DTS
L
1
f
S
L
1
的电荷，
Δ
Q
中，如图5所示，可以通过计算的面积来确定
Δ
I
L
1
(
t
)
Ts
在图5中示出。
和宽度
三角形的高度
2
2
Δ
I
(
t
)
T
S
Δ
I
L
1
(
t
)
1
Δ
I
(
t
)
T
Δ
Q
=
L
1
S
=
L
1
=
2
2
2
8
8
f
S
纹波电压，
Δ
Q
Δ
I
L
1
(
t
)
TS
(1
D
)
VinTs
2
π
2
(1
D
)
武F
C
2
Δ
V
L
(
t
)
=
=
=
=
( )
= Δ
V
O
(
t
)
(2)
C
1
8
C
1
8
L
1
C
1
2
f
S
1
，输出低通滤波器（LPF ）的共振频率，
f
S
=
该
其中，
f
C
=
2
π
L
1
C
1
开关频率。 L1的电感值和等效串联电阻（ ESR）的
输出电容器，C1，影响输出纹波电压
Δ
V
L
。电容器用
尽可能低的ESR ，建议应用程序。例如， 4.7-10 uF的
在X5R / X7R电容器技术具有ESR约为10米
Ω
.
.
设计公式的总结：
纹波电压/电流，电感器和电容器：
Δ
I
(
t
)
Ts
Δ
I
L
1
(
t
)
=
输出纹波电压，
Δ
V
L
(
t
)
=
L
1
8
C
1
8
C
1
f
S
电感纹波电流，
Δ
I
L
1
(
t
)
=
8
C
1
f
S
Δ
V
L
(
t
)
VIN
VO
(
VIN
Vo
)
=
输出电感，
L
1
≥
DTS
f
S
Δ
I
L
1
(
t
)
Δ
I
L
1
(
t
)
Δ
I
L
1
1
Δ
I
(
t
)
Ts
自
Δ
Q
=
L
1
=
C
1
Δ
Vo
输出电容
C
1
≥
8
f
s
Δ
Vo
2
2
2
1
输出滤波器的截止频率，
f
C
=
2
π
L
1
C
1
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
4
DC到DC同步转换器设计
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IXAN0068
的同步转换器的功率损耗概述： [ 1 ]
在同步转换器的功率开关的损失可以通过定义：
P
总
=
P
C
+
P
SW
+
P
门
+
P
BD
(8)
其中，P
C
是导通损耗，磷
sw
是开关电源损耗，磷
门
为栅极驱动器
损失和P
BD
是体二极管损耗。此外，电感等效直流电阻损耗
而在转换器设计输出电容的ESR损失发挥显著的作用。
MOSFET Q1和Q2的功率损耗： [ 1 ]
导通损耗（更换D钮1 -D的同步场效应管， Q2 ） ：
P
C
=
(
I
O
D
)
R
DS
(
on
)
栅极电荷损耗：
P
g
C
=
V
GS
Q
g
f
s
开关损耗：
2
(9)
(10)
图5 ： MOSFET的电感性负载的波形转换
开关损耗是
P
开关
=
P
t
(
on
)
+
P
t
(
关闭
)
=
[
V
DS
（最大）
{
I
DS
(
on
)
t
t
(
on
)
+
I
DS
(
关闭
)
t
t
(
关闭
)
}
f
s
]
2
(11)
MOSFET体二极管损耗： [ 1 ]
体二极管损耗的浪费时间及在每一个开关周期的函数;有两种
死区时间间隔， TD1和TD2 。死区时间被定义为所需要的时间，当二者
在MOSFET Q1和Q2都关闭，以防止直通。
5
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