導語：同步整流技術采用通態電阻極低的電力MOSFET來取代整流二極管，能大大降低整流電路的損耗，提高DC/DC變換器的效率，滿足低壓、大電流整流器的需要。本文將從同步整流電路的原理圖著手，介紹電力MOSFET的反向電阻工作區及同步整流技術的基本原理并對同步整流電路中的驅動電路和柵極電壓波形進行分析。

丨DC/DC變換器損耗

DC/DC變換器的損耗主要由3部分組成:功率開關管的損耗、高頻變壓器的損耗、輸出端整流管的損耗。在低電壓、大電流輸出的情況下，整流二極管的導通壓降較高,輸出端整流管的損耗尤為突出。

快恢復二極管或超快恢復二極管可達1.0~1.2V，即使采用低壓降的肖特基二極管,也會產生0.4V~0.8V的壓降,導致整流損耗增大,電源效率降低。

因此,傳統的二極管整流電路已無法滿足實現低電壓、大電流開關電源高效率、小體積的需要，成為制約DC/DC變換器提高效率的瓶頸。

丨同步整流原理

同步整流是用通態電阻極低的電力MOSFET來取代整流二極管以降低整流損耗的一項新技術。

低壓大電流的電力MOSFET的導通壓降與二極管相比要低的多。如型號為FOP140N03L的MOSFET(UDs=30V,ID=140A)，導通電阻僅為3.8mΩ,若負載電流為20A,則導通壓降為76mV。因此采用低壓電力MOSFET作為整流器件可提高電路效率,減輕散熱壓力，有利于實現此類電源的小型化。

整流電路中電力MOS-FET的導通方向應該是從源極S到漏極D，很多人會認為該電路圖出現了錯誤，以為實際的同步整流電路應為圖2所示，即將圖1中的MOSFET管V1和 V2方向顛倒。

實際上，圖2電路是無法正常工作的。當變壓器副邊電壓uT處于上正、下負時，應該驅動V1導通，而V2截止。由于a點電位低于o點電位，V2內部附加的反并的二極管VD2導通，不但造成負載無法得到能量，變壓器副邊也會通過兩個電力MOS-FET形成短路。

部分人對同步整流的原理之所以難以理解，是因為沒有了解到電力MOSFET的正柵壓反向輸出特性。

實際上，電力MOSFET除需要介紹非飽和區、飽和區和截止區外，還應考慮反向電阻區，如圖3所示。為了和反向電阻區的定義相對應，應將第一象限中的非飽和區改為正向電阻區(圖3)。

若在圖3中UDs<0時，對柵極施加高于UT(UT的幅值電壓)的正柵壓，柵底P型區會反型并形成導電溝道。由于UDs<0，漏極電流ID反向并與UDs保持線性關系，即進入反向電阻區。反向電阻區與正向電阻區具有相類似的溝道特性。也就是在圖1所示的同步整流電路中，V1和V2均工作在反向電阻區。

這是由于變壓器二次側電壓uT為交變方波，V1和V2都要承受反壓，但電力MOSFET是逆導器件，若工作在正向電阻區將無法實現整流。即作為整流使用的電力MOSFET，其柵壓脈沖應符合下式：

式中，Ug1是正柵壓幅值。該式表明，在同步整流電路中，電力MOSFET將工作在正向阻斷的反向導通狀態。
為獲得上述公式所示的柵壓，最簡單的辦法就是利用變壓器二次電壓uT，這樣V1和V2將與輸入電壓uT1同步工作，這也是同步整流名稱的由來。

丨同步整流刪壓驅動電路和波形

為能更加清楚地分析同步整流的原理，對圖1進行細化。將整流器件分解成理想的MOSFET和反并聯二極管兩部分，即V1由VF1和VD1組成，V2由VF2和VD2組成(見圖6)。

圖4為對應的柵極驅動波形，VF1和VF2的驅動電壓ug1和ug2直接從整流副邊電壓uT1獲得。

雖然該驅動方式處理起來較為簡單，但在uT1的零電壓區，由于ug1=ug2=0,VF1和VF2均處于關斷狀態。為了維持輸出電流連續，則MOSFET內部寄生的反并聯二極管VD1和VD2會同時導通。但由于VD1和VD2導通壓降較大，電路在這一時段的損耗也會增加。

圖5為改良的同步整流驅動電路的柵極電壓波形。因為此時消除了零柵壓區,保證在uT1的零電壓區仍有VF1和VF2導通，從而是比較理想的驅動波形。

由于同步整流電路通常用于低壓輸出電路，因此uT1幅度不高,若低于柵閥電壓UT，則不能有效驅動VF1和VF2，因此電路增加了附加繞組N3及相應的電路,如圖6所示。

該電路以VF1和VF2的柵極電壓來自輸入電容C1和C2，以產生VF1和VF2的驅動信號，其時序除了要滿足式(1)的要求,還要在uT1的零電壓區內保持足夠的柵極電壓使 VF1和 VF2導通。驅動電路的輸入和輸出電壓波形如圖7所示。

1)0~to時段:該時段內uT1和uT2均處于正半周,uT2=UT2m，則VD4正偏導通，VD3反偏截止。UT2通過VD4對C1充電，C2被VD4的正向壓降鉗位。充電結束后ug1=UT2m-UD=USa>UT,ug2=-UD，其中UD是VD4的導通壓降，此時VF1反向導通而VF2正向阻斷。

2)to~t時段:該時段內uT2=0,則VD3和VD4截止,C1向C2放電,直至兩電容上電壓相等,則ug1=ug2=UT2m/2-UD=USb>UT。由于ug1和ug2均高于UT ,故VF1和VF2均處于通態，L釋放能量以維持負載電流連續。

3)t1~t2時段:該時段內uT2=-UT2m，則VD3正偏導通，VD4反偏截止，uT2通過VD3對C2充電，C1被VD3的正向壓降鉗位。充電結束后ug2=UT2m-UD=USa>UT、ug1=-UD，則VF1正向阻斷而VF2反向導通。

4)t2~t3時段:該時段內uT2=0,則VD3和VD4截止,C2向C1放電,直至兩電容上電壓相等,則ug1=ug2=UT2m/2-UD=USb>UT。由于ug1和ug2均高于UT，故VF1和VF2均處于通態，L釋放能量以維持負載電流連續。

審核編輯：湯梓紅