Olukey: Laten we het hebben over de rol van MOSFET in de basisarchitectuur van snelladen

De basisvoedingsstructuur vansnel opladenQC maakt gebruik van flyback + secundaire zijde (secundaire) synchrone rectificatie SSR. Voor flyback-converters kan deze, volgens de feedback-bemonsteringsmethode, worden onderverdeeld in: primaire (primaire) regeling en secundaire (secundaire) regeling; afhankelijk van de locatie van de PWM-controller. Het kan worden onderverdeeld in: primaire zijde (primaire) controle en secundaire zijde (secundaire) controle. Het lijkt erop dat het niets met MOSFET te maken heeft. Dus,Olukeymoet vragen: waar is de MOSFET verborgen? Welke rol speelde het?

1. Aanpassing primaire zijde (primaire) en aanpassing secundaire zijde (secundaire).

De stabiliteit van de uitgangsspanning vereist een feedbacklink om de veranderende informatie naar de PWM-hoofdcontroller te sturen om de veranderingen in ingangsspanning en uitgangsbelasting aan te passen. Volgens de verschillende feedbackbemonsteringsmethoden kan deze worden onderverdeeld in aanpassing aan de primaire zijde (primaire) en aanpassing aan de secundaire zijde (secundaire), zoals weergegeven in figuren 1 en 2.

Secundaire zijde (secundaire) diode-gelijkrichting

SSR synchrone rectificatie MOSFET is onderaan geplaatst

Het feedbacksignaal van de (primaire) regeling aan de primaire zijde wordt niet rechtstreeks van de uitgangsspanning gehaald, maar van de hulpwikkeling of de primaire primaire wikkeling die een bepaalde proportionele relatie met de uitgangsspanning onderhoudt. De kenmerken zijn:

① Indirecte feedbackmethode, slechte belastingregelsnelheid en slechte nauwkeurigheid;

②. Eenvoudig en goedkoop;

③. Er is geen isolatie-optocoupler nodig.

Het feedbacksignaal voor de regeling aan de secundaire zijde (secundaire) wordt rechtstreeks uit de uitgangsspanning gehaald met behulp van een optocoupler en TL431. De kenmerken zijn:

① Directe feedbackmethode, goede belastingregelsnelheid, lineaire regelsnelheid en hoge precisie;

②. Het aanpassingscircuit is complex en kostbaar;

③. Het is noodzakelijk om de optocoupler te isoleren, die na verloop van tijd verouderingsproblemen vertoont.

2. Secundaire zijde (secundaire) diode-gelijkrichting enMOSFETsynchrone rectificatie SSR

De secundaire zijde (secundair) van de flyback-omzetter maakt meestal gebruik van diode-rectificatie vanwege de grote uitgangsstroom bij snelladen. Vooral bij direct opladen of flitsladen is de uitgangsstroom maar liefst 5A. Om de efficiëntie te verbeteren, wordt MOSFET gebruikt in plaats van de diode als gelijkrichter, die secundaire (secundaire) synchrone gelijkrichting-SSR wordt genoemd, zoals weergegeven in figuren 3 en 4.

Secundaire zijde (secundaire) MOSFET synchrone rectificatie

Kenmerken van secundaire (secundaire) diode-gelijkrichting:

①. Eenvoudig, er is geen extra aandrijfcontroller nodig en de kosten zijn laag;

② Wanneer de uitgangsstroom groot is, is de efficiëntie laag;

③. Hoge betrouwbaarheid.

Kenmerken van secundaire zijde (secundaire) MOSFET synchrone rectificatie:

①. Complex, vereist een extra aandrijfcontroller en hoge kosten;

②. Wanneer de uitgangsstroom groot is, is het rendement hoog;

③. Vergeleken met diodes is hun betrouwbaarheid laag.

In praktische toepassingen wordt de MOSFET van de synchrone rectificatie-SSR gewoonlijk van de hoge naar de lage kant verplaatst om het rijden te vergemakkelijken, zoals weergegeven in figuur 5.

De kenmerken van de high-end MOSFET van synchrone rectificatie SSR:

①. Het vereist een bootstrap-aandrijving of een zwevende aandrijving, wat kostbaar is;

②. Goede EMI.

De kenmerken van synchrone rectificatie SSR MOSFET geplaatst aan de lage kant:

① Directe aandrijving, eenvoudige aandrijving en lage kosten;

②. Slechte EMI.

3. Primaire (primaire) controle en secundaire (secundaire) controle

De PWM-hoofdcontroller wordt aan de primaire zijde (primair) geplaatst. Deze structuur wordt primaire (primaire) controle genoemd. Om de nauwkeurigheid van de uitgangsspanning, de belastingsregelsnelheid en de lineaire regelsnelheid te verbeteren, vereist de primaire (primaire) besturing een externe optocoupler en TL431 om een feedbackverbinding te vormen. De systeembandbreedte is klein en de reactiesnelheid is traag.

Als de PWM-hoofdcontroller aan de secundaire zijde (secundair) wordt geplaatst, kunnen de optocoupler en TL431 worden verwijderd en kan de uitgangsspanning direct worden geregeld en aangepast met een snelle respons. Deze structuur wordt secundaire (secundaire) controle genoemd.

Kenmerken van primaire (primaire) besturing:

①. Optocoupler en TL431 zijn vereist en de reactiesnelheid is laag;

②. De snelheid van uitvoerbeveiliging is laag.

③. In de synchrone rectificatie-continue modus CCM heeft de secundaire zijde (secundair) een synchronisatiesignaal nodig.

Kenmerken van secundaire (secundaire) controle:

①. De uitvoer wordt direct gedetecteerd, er zijn geen optocoupler en TL431 nodig, de reactiesnelheid is snel en de uitvoerbeschermingssnelheid is snel;

②. De secundaire zijde (secundaire) synchrone gelijkricht-MOSFET wordt direct aangestuurd zonder de noodzaak van synchronisatiesignalen; Er zijn aanvullende apparaten zoals pulstransformatoren, magnetische koppelingen of capacitieve koppelingen nodig om de stuursignalen van de hoogspannings-MOSFET aan de primaire zijde (primaire) over te brengen.

③. De primaire zijde (primair) heeft een startcircuit nodig, of de secundaire zijde (secundair) heeft een hulpvoeding voor het starten.

4. Continue CCM-modus of discontinue DCM-modus

De flyback-omzetter kan werken in continue CCM-modus of discontinue DCM-modus. Als de stroom in de secundaire (secundaire) wikkeling aan het einde van een schakelcyclus 0 bereikt, wordt dit de discontinue DCM-modus genoemd. Als de stroom van de secundaire (secundaire) wikkeling aan het einde van een schakelcyclus niet 0 is, wordt dit de continue CCM-modus genoemd, zoals weergegeven in figuren 8 en 9.

Uit figuur 8 en figuur 9 blijkt dat de werktoestanden van de synchrone gelijkrichting-SSR verschillend zijn in verschillende bedrijfsmodi van de terugslagomzetter, wat ook betekent dat de besturingsmethoden van de synchrone gelijkrichting-SSR ook verschillend zullen zijn.

Als de dode tijd wordt genegeerd, heeft de synchrone rectificatie-SSR bij het werken in continue CCM-modus twee toestanden:

①. De hoogspannings-MOSFET aan de primaire zijde (primaire) is ingeschakeld en de synchrone gelijkricht-MOSFET aan de secundaire zijde (secundaire) is uitgeschakeld;

②. De hoogspannings-MOSFET aan de primaire zijde (primaire) is uitgeschakeld en de synchrone gelijkricht-MOSFET aan de secundaire zijde (secundaire) is ingeschakeld.

Op dezelfde manier, als de dode tijd wordt genegeerd, heeft de synchrone rectificatie-SSR drie toestanden wanneer deze in discontinue DCM-modus werkt:

①. De hoogspannings-MOSFET aan de primaire zijde (primaire) is ingeschakeld en de synchrone gelijkricht-MOSFET aan de secundaire zijde (secundaire) is uitgeschakeld;

②. De hoogspannings-MOSFET aan de primaire zijde (primaire) is uitgeschakeld en de synchrone gelijkricht-MOSFET aan de secundaire zijde (secundaire) is ingeschakeld;

③. De hoogspannings-MOSFET aan de primaire zijde (primaire) is uitgeschakeld en de synchrone gelijkricht-MOSFET aan de secundaire zijde (secundaire) is uitgeschakeld.

5. Secundaire zijde (secundaire) synchrone rectificatie SSR in continue CCM-modus

Als de snellaad-flyback-omzetter in de continue CCM-modus werkt, vereist de primaire zijde (primaire) besturingsmethode, de secundaire zijde (secundaire) synchrone gelijkrichting MOSFET een synchronisatiesignaal van de primaire zijde (primair) om de uitschakeling te regelen.

De volgende twee methoden worden meestal gebruikt om het synchrone aandrijfsignaal van de secundaire zijde (secundair) te verkrijgen:

(1) Gebruik rechtstreeks de secundaire (secundaire) wikkeling, zoals weergegeven in afbeelding 10;

(2) Gebruik aanvullende isolatiecomponenten zoals pulstransformatoren om het synchrone aandrijfsignaal van de primaire zijde (primair) naar de secundaire zijde (secundair) te verzenden, zoals weergegeven in Afbeelding 12.

Door direct gebruik te maken van de secundaire (secundaire) wikkeling om het synchrone aandrijfsignaal te verkrijgen, is de nauwkeurigheid van het synchrone aandrijfsignaal zeer moeilijk te controleren en is het moeilijk om geoptimaliseerde efficiëntie en betrouwbaarheid te bereiken. Sommige bedrijven gebruiken zelfs digitale controllers om de nauwkeurigheid van de besturing te verbeteren, zoals weergegeven in Figuur 11.

Het gebruik van een pulstransformator om synchrone stuursignalen te verkrijgen heeft een hoge nauwkeurigheid, maar de kosten zijn relatief hoog.

De besturingsmethode aan de secundaire zijde (secundair) maakt gewoonlijk gebruik van een pulstransformator of magnetische koppelingsmethode om het synchrone aandrijfsignaal van de secundaire zijde (secundair) naar de primaire zijde (primair) te verzenden, zoals weergegeven in afbeelding 7.v

Gebruik direct de secundaire (secundaire) wikkeling om het synchrone aandrijfsignaal te verkrijgen

Gebruik direct de secundaire (secundaire) wikkeling om het synchrone aandrijfsignaal + digitale besturing te verkrijgen

6. Secundaire zijde (secundaire) synchrone rectificatie SSR in discontinue DCM-modus

Als de snellaad-flyback-converter in discontinue DCM-modus werkt. Ongeacht de besturingsmethode aan de primaire zijde (primaire) of de besturingsmethode aan de secundaire zijde (secundaire), kunnen de D- en S-spanningsdalingen van de synchrone gelijkricht-MOSFET direct worden gedetecteerd en bestuurd.

(1) De synchrone rectificatie-MOSFET inschakelen

Wanneer de spanning van VDS van de synchrone gelijkricht-MOSFET verandert van positief naar negatief, wordt de interne parasitaire diode ingeschakeld en na een bepaalde vertraging wordt de synchrone gelijkricht-MOSFET ingeschakeld, zoals weergegeven in figuur 13.

(2) Uitschakelen van de synchrone rectificatie-MOSFET

Nadat de synchrone rectificatie MOSFET is ingeschakeld, VDS=-Io*Rdson. Wanneer de secundaire (secundaire) wikkelstroom afneemt naar 0, dat wil zeggen wanneer de spanning van het stroomdetectiesignaal VDS verandert van negatief naar 0, wordt de synchrone gelijkricht-MOSFET uitgeschakeld, zoals weergegeven in figuur 13.

Synchrone rectificatie-MOSFET in- en uitschakelen in discontinue DCM-modus

In praktische toepassingen wordt de synchrone gelijkricht-MOSFET uitgeschakeld voordat de secundaire (secundaire) wikkelstroom 0 bereikt (VDS = 0). De huidige detectiereferentiespanningswaarden die door verschillende chips zijn ingesteld, zijn verschillend, zoals -20mV, -50mV, -100mV, -200mV, enz.

De huidige detectiereferentiespanning van het systeem is vast. Hoe groter de absolute waarde van de huidige detectiereferentiespanning, hoe kleiner de interferentiefout en hoe beter de nauwkeurigheid. Wanneer de uitgangsbelastingsstroom Io echter afneemt, zal de synchrone gelijkricht-MOSFET uitschakelen bij een grotere uitgangsstroom, en zal de interne parasitaire diode langer geleiden, waardoor de efficiëntie afneemt, zoals weergegeven in figuur 14.

Referentiespanning voor stroomdetectie en MOSFET-uitschakeltijd voor synchrone gelijkrichting

Bovendien, als de absolute waarde van de huidige detectiereferentiespanning te klein is. Systeemfouten en interferentie kunnen ervoor zorgen dat de synchrone gelijkricht-MOSFET wordt uitgeschakeld nadat de secundaire (secundaire) wikkelstroom groter is dan 0, wat resulteert in een tegengestelde instroomstroom, wat de efficiëntie en de systeembetrouwbaarheid beïnvloedt.

Uiterst nauwkeurige stroomdetectiesignalen kunnen de efficiëntie en betrouwbaarheid van het systeem verbeteren, maar de kosten van het apparaat zullen stijgen. De nauwkeurigheid van het huidige detectiesignaal hangt samen met de volgende factoren:
①. Nauwkeurigheid en temperatuurafwijking van de huidige detectiereferentiespanning;
②. De biasspanning en offsetspanning, biasstroom en offsetstroom, en temperatuurdrift van de stroomversterker;
③. De nauwkeurigheid en temperatuurdrift van de op spanning staande Rdson van de synchrone gelijkricht-MOSFET.

Bovendien kan het vanuit systeemperspectief worden verbeterd door middel van digitale besturing, het veranderen van de huidige detectiereferentiespanning en het veranderen van de synchrone gelijkrichting MOSFET-aandrijfspanning.

Wanneer de uitgangsbelastingsstroom Io afneemt en de stuurspanning van de vermogens-MOSFET afneemt, neemt de overeenkomstige MOSFET-inschakelspanning Rdson toe. Zoals weergegeven in figuur 15 is het mogelijk om vroegtijdige uitschakeling van de synchrone gelijkricht-MOSFET te voorkomen, de geleidingstijd van de parasitaire diode te verkorten en de efficiëntie van het systeem te verbeteren.

Het verlagen van de stuurspanning VGS en het uitschakelen van de synchrone gelijkrichting MOSFET

Uit Figuur 14 blijkt dat wanneer de uitgangsbelastingstroom Io afneemt, de referentiespanning voor de huidige detectie ook afneemt. Op deze manier wordt, wanneer de uitgangsstroom Io groot is, een hogere stroomdetectiereferentiespanning gebruikt om de regelnauwkeurigheid te verbeteren; wanneer de uitgangsstroom Io laag is, wordt een lagere stroomdetectiereferentiespanning gebruikt. Het kan ook de geleidingstijd van de synchrone rectificatie-MOSFET verbeteren en de efficiëntie van het systeem verbeteren.

Wanneer bovenstaande methode niet ter verbetering kan worden gebruikt, kunnen Schottky-diodes ook parallel worden geschakeld aan beide uiteinden van de synchrone gelijkricht-MOSFET. Nadat de synchrone gelijkricht-MOSFET vooraf is uitgeschakeld, kan een externe Schottky-diode worden aangesloten voor vrijloop.

7. Secundaire (secundaire) regeling CCM+DCM hybride modus

Momenteel zijn er in principe twee veelgebruikte oplossingen voor het snel opladen van mobiele telefoons:

(1) Primaire zijde (primaire) besturing en DCM-werkmodus. Secundaire zijde (secundaire) synchrone gelijkrichting MOSFET vereist geen synchronisatiesignaal.

(2) Secundaire (secundaire) regeling, gemengde bedrijfsmodus CCM+DCM (wanneer de uitgangsbelastingsstroom afneemt, van CCM naar DCM). De synchrone gelijkricht-MOSFET aan de secundaire zijde (secundaire) wordt rechtstreeks aangestuurd, en de logische principes voor het aan- en uitzetten worden getoond in figuur 16:

De synchrone gelijkricht-MOSFET inschakelen: Wanneer de spanning van VDS van de synchrone gelijkricht-MOSFET verandert van positief naar negatief, wordt de interne parasitaire diode ingeschakeld. Na een bepaalde vertraging wordt de synchrone rectificatie-MOSFET ingeschakeld.

De synchrone rectificatie-MOSFET uitschakelen:

① Wanneer de uitgangsspanning lager is dan de ingestelde waarde, wordt het synchrone kloksignaal gebruikt om de uitschakeling van de MOSFET te regelen en in de CCM-modus te werken.

② Wanneer de uitgangsspanning groter is dan de ingestelde waarde, wordt het synchrone kloksignaal afgeschermd en is de werkwijze hetzelfde als in de DCM-modus. Het VDS=-Io*Rdson-signaal bestuurt de uitschakeling van de synchrone gelijkricht-MOSFET.

Secundaire zijde (secundaire) bestuurt synchrone gelijkrichting MOSFET-uitschakeling

Nu weet iedereen welke rol MOSFET speelt in de gehele snellaad-QC!

Over Olukey

Het kernteam van Olukey richt zich al twintig jaar op componenten en heeft zijn hoofdkantoor in Shenzhen. Belangrijkste activiteiten: MOSFET, MCU, IGBT en andere apparaten. De belangrijkste agentproducten zijn WINSOK en Cmsemicon. Producten worden veel gebruikt in de militaire industrie, industriële controle, nieuwe energie, medische producten, 5G, Internet of Things, slimme huizen en diverse consumentenelektronicaproducten. Vertrouwend op de voordelen van de oorspronkelijke mondiale algemeen agent, zijn we gebaseerd op de Chinese markt. We gebruiken onze uitgebreide, voordelige diensten om verschillende geavanceerde hightech elektronische componenten aan onze klanten te introduceren, fabrikanten te helpen bij het produceren van hoogwaardige producten en uitgebreide diensten aan te bieden.