同步BUCK降压变换器源极寄生电感对开关性能影响

[导读]同步BUCK降压变化器是非常经典的一种电源结构，其上、下管分别于工作在不同的状态，其中，上管工作在主开关状态，漏极的电流由漏极D流向源极S；下管工作在同步整流状态，漏极的电流由源极S流向漏极D。因为上、下管工作的状态不同，所以，它们的开关特性也不相同。

同步BUCK降压变化器是非常经典的一种电源结构，其上、下管分别于工作在不同的状态，其中，上管工作在主开关状态，漏极的电流由漏极D流向源极S；下管工作在同步整流状态，漏极的电流由源极S流向漏极D。因为上、下管工作的状态不同，所以，它们的开关特性也不相同。

通常，上管为硬开关工作状态，具有导通损耗和开关损耗；下管为软开关工作状态，只有导通损耗，但是由于下管的寄生二极管在死区时间内会导通续流，因此，下管的寄生二极管在死区时间内具有导通损耗，同时具有二级管的反向恢复损耗。

功率MOSFET的寄生参数模型如图1所示，其中，G、D、S分别为封装好的器件外部的栅极、漏极和源极，G1、S1分别为内部器件的栅极、源极，LD为漏极的封装电感，LS为源极的封装电感，LG为栅极的封装电感，RG为内部的栅极电阻总和。

图1：功率MOSFET的寄生参数模型

电感中流过变化的电流时，其产生的感应电动势会抑制这种电流的变化。如图2左边所示，电感中流过的电流从A到B随时间变大，那么产生的感应电动势会抑制电流从A到B的变大，感应电动势对应的方向为：上正下负。同样，若电感的电流随时间降低，感应电动势对应的方向为：上负下正。

图2：电感的感应电动势

源极的封装电感LS同时在主功率回路和栅极的驱动回路中，上、下管由于漏极的电流方向不同，那么，LS对于开关特性的影响也不同，下面分别进行分析。

1、上管源极寄生电感对开关性能的影响

上管工作于主开关状态，漏极的电流由漏极D流向源极S，上管在开通的过程中，ID的电流从0开始增加，LS的电流也是从0开始增加，LS的感应电动势VLS阻止其电流的增加，感应电动势VLS方向为：上正下负。

图3：上管源极寄生电感的开通特性及波形

VGS=VG1S1+VLS+VRG+VLG

其中，VGS：外加的G、S电压；

VG1S1：内部实际的G1、S1的电压；

VRG：栅极驱动电阻的电压；

VLG：栅极寄生电感的电压。

VG1S=VG1S1+VLS

因此，最内部VG1S1的电压低于VG1S：VG1S1<VG1S，相当于源极封装电感LS的感应电压降低Ciss的充电速度，也就是降低上管的实际开通速度，上管的开通时间变长，实际开通速度变慢，开通损耗增大。

同样，在关断的过程中，在LS上的感应电动势VLS的方向为：上负下正，最内部VG1S1的电压高于VG1S：VG1S1>VGS，LS的感应电压导致上管的实际关断速度变慢，关断时间变长，关断损耗增大。

图4：上管源极寄生电感的关断特性

2、下管源极寄生电感对开关性能的影响

下管工作于同步状态，漏极的电流由源极S流向漏极D。上管关断后，下管在开通的过程中，ID的电流从0开始增加流过寄生的二极管，LS的电流也是从0开始增加，LS的感应电动势VLS阻止其电流的增加，在LS上的感应电动势VLS的方向为：上负下正。

VG1S=VG1S1-VLS

在LS的电流增加到输出电流IO之前，开通下管，最内部VG1S1的电压高于VG1S：VG1S1>VG1S，相当于下管实际的开通速度变快，开通时间变短，寄生二极管导通时间变短，二极管导通损耗降低。只要在二极管增加到输出电感电流IO之前，开通下管，LS就有加速下管开通的作用。

图5：下管源极寄生电感的开通特性

如果二极管电流增加到输出电感电流IO之后、也就是二极管完全完成换流之后，再开通下管，LS的电流基本上保持不变，LS的感应电动势VLS为0，LS对下管的开通速度基本上没有影响。

相应的，下管在关断的过程中，在死区时间内，电流从沟道转移到寄生二级管，LS的电流维持不变，在这个时间段，对下管的关断速度几乎没有影响。如果下管关断的速度特别慢，在二极管的电流增加到等于输出的电感电流之前，上管开始开通，上管电流增加，下管电流减小，这时，下管的LS感应电压VLS上正下负压，导致VG1S1的电压突然降低，加速开断，从而减小上、下管的短路直通。

下管的LS感应电压VLS会随着负载电流的变化而变化。上、下管同时开通工作在短路直通状态，控制不好发生严重的短路直通，系统会有损坏的威胁，大多系统不会工作在这种方式。

实际的应用，除了封装电感LS，源极主功率回路的PCB的寄生电感LS-ex具有和LS同样作用，影响开关特性，因此，封装电感LS和源极主功率回路的PCB的寄生电感LS-ex之和，统称为：common source inductance。