Was ist Synchrongleichrichtung?

Verfahren, bei dem in DC-DC-Wandlern und ähnlichen Schaltungen anstelle der Gleichrichter- oder Freilaufdiode ein MOSFET eingesetzt und zu den Zeitpunkten eingeschaltet wird, in denen die Diode leiten müsste. Die Verluste ändern sich von Durchlassspannung × Strom der Diode zu Strom² × Durchlasswiderstand des MOSFET; bei 10 A werden so aus 5 W einer Diode mit 0,5 V Durchlassspannung 0,5 W bei einem MOSFET mit 5 mΩ Durchlasswiderstand. Der Nutzen ist umso größer, je niedriger die Ausgangsspannung ist. Damit oberer und unterer Schalter nie gleichzeitig eingeschaltet sind, ist eine Totzeit nötig, während der die Body-Diode den Strom führt.

Japanische Bezeichnung: 同期整流

„Synchrongleichrichtung“ kommt in 6 Übungsfragen aus 2 Themen vor, z. B. Schaltungen der Leistungselektronik, Leistungshalbleiter.

Fachgebiet: Schaltungen der Leistungselektronik

Jetzt üben: Fragen zu Synchrongleichrichtung

Was ist der Hauptzweck der Synchrongleichrichtung, bei der in einem DC-DC-Wandler mit niedriger Ausgangsspannung ein MOSFET anstelle der Freilaufdiode eingesetzt wird?

  1. ADie Ausgangsspannung über die Eingangsspannung anzuheben
  2. BDie Schaltfrequenz auch bei sich änderndem Laststrom automatisch konstant zu halten
  3. CDie Durchlassverluste durch die Durchlassspannung der Diode zu verringern und den Wirkungsgrad zu erhöhen
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Antwort: C. Die Durchlassverluste durch die Durchlassspannung der Diode zu verringern und den Wirkungsgrad zu erhöhen

Eine Diode hat selbst als Schottky-Diode eine Durchlassspannung von etwa 0,3 bis 0,5 V, was Verluste von Strom × Durchlassspannung verursacht. Schaltet man stattdessen einen MOSFET mit kleinem Durchlasswiderstand ein, betragen die Verluste Strom² × Durchlasswiderstand und lassen sich stark verringern. Je niedriger die Ausgangsspannung ist, etwa um 1 V, desto größer ist der Anteil des Spannungsabfalls der Diode an der Ausgangsspannung und desto größer der Nutzen der Synchrongleichrichtung. Dafür müssen die beiden Schalter mit einer Totzeit angesteuert werden, damit sie nie gleichzeitig eingeschaltet sind.

Welche Aussage über den Weg des Spulenstroms ist richtig, während bei einem Tiefsetzsteller mit Synchrongleichrichtung in der Totzeit oberer und unterer MOSFET beide ausgeschaltet sind?

  1. ADer Spulenstrom kommt nur während der Totzeit vollständig zum Stillstand
  2. BEr fließt über die Body-Diode des unteren MOSFET (oder eine parallel geschaltete Schottky-Diode)
  3. CEr fließt durch das Gate-Oxid des oberen MOSFET und kehrt über die Versorgung des Gate-Treibers zur Eingangsquelle zurück
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Antwort: B. Er fließt über die Body-Diode des unteren MOSFET (oder eine parallel geschaltete Schottky-Diode)

Der Spulenstrom kann nicht schlagartig aufhören; solange beide MOSFETs ausgeschaltet sind, leitet die Body-Diode des unteren MOSFET und führt den Strom weiter. Die Body-Diode hat eine hohe Durchlassspannung und eine lange Sperrverzögerungszeit, sodass eine zu lange Totzeit die Verluste erhöht. Ist sie dagegen zu kurz, sind oberer und unterer Schalter gleichzeitig eingeschaltet, und es fließt ein Querstrom, der den Eingang kurzschließt. Die Totzeit wird daher passend zur Schaltgeschwindigkeit der Bauelemente auf das nötige Minimum gesetzt, und manchmal wird eine Schottky-Diode mit niedriger Durchlassspannung parallel geschaltet.

„Synchrongleichrichtung“ in den Erläuterungen

Fragen mit „Synchrongleichrichtung“ (6)

  1. Was ist der Hauptzweck der Synchrongleichrichtung, bei der in einem DC-DC-Wandler mit niedriger Ausgangsspannung ein MOSFET anstelle der Freilaufdiode eingesetzt wird?
  2. Welche Aussage über den Weg des Spulenstroms ist richtig, während bei einem Tiefsetzsteller mit Synchrongleichrichtung in der Totzeit oberer und unterer MOSFET beide ausgeschaltet sind?
  3. Wie heißt die bauartbedingt im Inneren des Leistungs-MOSFET entstehende parasitäre Diode?
  4. Wie groß ist die Ausgangsspannung eines idealen Tiefsetzstellers (Buck-Konverter) bei 12 V Eingangsspannung und einem Tastverhältnis des Schalters von 0,25?
  5. Welche Aussage über den Weg des Spulenstroms in einem Tiefsetzsteller (Buck-Konverter) ist richtig, solange der Schalter ausgeschaltet ist?
  6. Bei einem idealen Tiefsetzsteller (Freilauf über eine Diode) mit 12 V Eingangsspannung, 3 V Ausgangsspannung, 15 µH Induktivität und 300 kHz Schaltfrequenz wird der Laststrom verringert. Welcher ist der kleinste Ausgangsstrom, bei dem der nichtlückende Betrieb noch erhalten bleibt (die Grenze zum lückenden Betrieb)?

Verwandte Begriffe

Tiefsetzsteller (Buck-Konverter) Schottky-Diode Totzeit (Dead Time) Body-Diode DC-DC-Wandler Durchlasswiderstand (R_on) Sperrverzögerungszeit Querstrom Leistungs-MOSFET (Power-MOSFET) Wechselrichter

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