Synkron ensretning

Spændingsfald over en halvlederdiode og en effekt MOSFET. Den lave on-resistans for en effekt MOSFET reducerer ohmske tab sammenlignet med halvlederdioden (ved 32 A i dette tilfælde), som udviser et betydeligt spændingsfald (0,5 V) selv ved meget lave strømniveauer. Parallelkobling af to effekt MOSFET'er (lyserød kurve) reducerer tabene yderligere, hvorimod parallelkobling af flere dioder, ikke vil reducere spændingsfaldet i den fremadrettede retning væsentligt.

Synkron ensretning er en teknik og et elektronisk delkredsløb til at forbedre effektiviteten af ensretning ved at erstatte dioder med aktivt styrede kontakter, normalt effekt-MOSFET'er eller bipolare effekttransistorer (BJT). Hvor normale halvlederdioder har et nogenlunde fast spændingsfald på omkring 0,5 til 1 volt, opfører synkrone ensrettere sig som resistorer og kan have et vilkårligt lavt spændingsfald, som er proportionalt med strømmen.

Historisk set er vibratordrevne kontakter eller motordrevne kommutatorer også blevet brugt som mekaniske ensrettere og synkron ensretning.

Synkron ensretning har mange anvendelser. Det bruges ofte anvendt til solcellepaneler for at undgå omvendt strøm, der kan forårsage overophedning ved delvis skygge, samtidig med at det giver minimalt effekttab. Synkron ensretning bruges også i switch-mode-strømforsyninger (SMPS).

Motivation

Diagram over effekttab vs. strøm i fire halvlederkomponenter.

Det konstante spændingsfald i en standard halvlederdiode er typisk mellem 0,7 V og 1,7 V, hvilket forårsager et betydeligt effekttab i dioden. Elektrisk effekt afhænger af strøm og spænding: effekttabet stiger proportionalt med både strøm og spænding.

I switch-mode-strømforsyninger med lav udgangsspænding (omkring 10 volt og mindre) har spændingsfaldet i en diode (typisk omkring 0,7 til 1 volt for en siliciumdiode ved dens nominelle strøm) en negativ effekt på effektiviteten. En klassisk løsning erstatter standard siliciumdioder med Schottky-dioder, som udviser lavere spændingsfald (så lave som 0,3 volt). Selv Schottky-dioder kan dog have betydeligt mere tab end en synkron ensretter, især ved høje strømme og lave spændinger.

Når man ønsker at adressere en switch-mode-strømforsynings lave udgangsspænding, såsom en buck-konverter-strømforsyning til en computer-CPU (med en spændingsudgang på omkring 1 volt og mange ampere udgangsstrøm), giver Schottky-ensretning ikke tilstrækkelig effektivitet. I sådanne applikationer bliver synkron ensretning en nødvendighed.

Beskrivelse

Synkron fuldbølgeensretning med to effekt MOSFET'er og en transformator med sekundær vikling med centertap.

At udskifte en diode med et synkron ensretter, såsom en effekt MOSFET, er hovedformålet i synkron ensretning. Effekt MOSFET'er har en konstant meget lav resistans, når de leder, kendt som on-resistans (RDS(on)). Effekt MOSFET'er kan laves med en on-resistans så lav som 10 mΩ eller endnu lavere. Spændingsfaldet over transistoren er derefter meget lavere, hvilket forårsager en reduktion i effekttab og en gevinst i effektivitet. Ohms lov styrer spændingsfaldet over effekt MOSFET'en, hvilket betyder, at faldet ved høje strømme kan overstige faldet for en diode. Denne begrænsning håndteres normalt enten ved at anvende flere transistorer parallelt og derved reducere strømmen gennem hver enkelt transistor.

Styrekredsløbet til synkron ensretning bruger normalt hurtige komparatorer til at registrere spændingen på indgangs-AC'en og åbne transistorerne på de korrekte tidspunkter for at tillade strømmen at flyde i den korrekte retning. Timingen er meget vigtig, da en kortslutning over indgangseffekten skal undgås og let kan forårsages af, at én transistor tænder, før en anden er slukket.

Brug af synkron ensretning til at implementere AC-til-DC-konvertering giver en design mulighed for at bidrage med yderligere forbedringer (med mere kompleksitet) for at opnå en aktiv effektfaktorkorrektion (PFC), som sørger for at AC-kildens strømbølgeform "følger" spændingsbølgeformen, hvilket eliminerer reaktive strømme og giver det samlede system mulighed for at opnå større effektivitet.

MOSFET-baseret ideel diode

En effekt MOSFET, der aktivt styres til at fungere som synkron ensretter – aktivt tændt for at tillade strøm i én retning, men aktivt slukket for at blokere strøm fra at flyde i den anden retning – kaldes undertiden en ideel diode.

Brug af disse ideelle dioder i stedet for standarddioder til bypass af solcellepaneler, omvendt-batteribeskyttelse eller broensrettere reducerer mængden af effekt, der afgives i dioderne som varme over tid, hvilket forbedrer effektiviteten og reducerer størrelsen på printkortet og vægten af den køleplade, der kræves for at håndtere effekttabet.

En sådan MOSFET-baseret ideel diode må ikke forveksles med en operationsforstærker-baseret superdiode, ofte kaldet en præcisionsensretter.

Referencer

  1. 1 2 backend.orbit.dtu.dk: Hertel, J. C. (2019). High Efficiency Synchronous Rectifier using Phase Locked Loops DTU Electrical Engineering. Technical University of Denmark, backup Citat: "... stedet blev hhv. det faselåste kredsløb og det tidslåste kredsløb identificeret som interessant metoder til at opnå synkron ensretning...For at drive indgangen af felteffekttransistoren i en synkron ensretter..."
  2. 1 2 3 Ali Emadi (2009). Integrated power electronic converters and digital control. CRC Press. s. 145-146. ISBN 978-1-4398-0069-0.
  3. ↑ Maurice Agnus Oudin (1907). Standard polyphase apparatus and systems (5th udgave). Van Nostrand. s. 236. synchronous rectifier commutator.
  4. ↑ "Ideal Diode for Solar Panel Bypass", backup
  5. ↑ "Ideal Diode Bridge Controller", backup
  6. ↑ "Ideal Diode Bridge Controller Minimizes Power Loss & Heat in PoE Powered Devices", backup
  7. ↑ "Reverse-Current Circuitry Protection" Arkiveret 2019-08-13 hos Wayback Machine
  8. ↑ "Reverse Current/Battery Protection Circuits", backup
  9. ↑ "Reverse Power Protection using Power MOSFETs", backup

Yderligere læsning

Eksterne henvisninger