Increasing the Efficiency DC to DC Converter with Synchronous Rectifier Technique

การเพิ่มประสิทธิภาพให้ดีซี ทู ดีซี คอนเวอร์เตอร์ (DC to DC converter) ด้วยเทคนิคซิงโครนัสเร็กติไฟร์เออร์ (Synchronous rectifier : SR) เป็นวิธีการหนึ่งที่จะช่วยให้ประสิทธิภาพ (Efficiency) การทำงานโดยรวมของคอนเวอร์เตอร์สูงขึ้น โดยการใช้เพาเวอร์มอสเฟตทำหน้าที่เร็กติไฟร์เออร์แทนไดโอดทางด้านเอาต์พุต เพื่อลดพลังงานสูญเสียที่เกิดจากแรงดันตกคร่อมไดโอดคูณด้วยกระแสที่ไหลผ่านไดโอดนั้นเอง ซึ่งเทคนิคนี้จะเพิ่มการออกแบบวงจรขับให้กับเพาเวอร์มอสเฟตเข้ามาให้ซิงโครนัสกับการสวิตชิ่งในส่วนสวิตชิ่งกำลังทางด้านอินพุตที่เกิดขึ้น โดยการใช้เทคนิคซิงโครนัสเร็กติไฟร์เออร์นี้ สามารถประยุกต์ใช้กับคอนเวอร์เตอร์ต่างๆ ได้หลายแบบ เช่น ฟายแบกคอนเวอร์เตอร์, ฟอร์เวิร์ดคอนเวอร์เตอร์ และพุช-พูลคอนเวอร์เตอร์ เป็นต้น

รูปที่ 1 กราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างกระแส (IF) ที่ไหลผ่านไดโอดในช่วงไบอัสตรง (Forward bias) และแรงดันตกคร่อมที่ตัวไดโอด (VF) ซึ่งจะแปรผันตามระดับและค่าอุณหภูมิที่เกิดขึ้น (TA) จากในรูปจะเห็นว่าที่อุณหภูมิ 25 องศา เมื่อมีกระแสไหลผ่านไดโอดที่ประมาณ 8A จะทำให้แรงดันตกคร่อมไดโอดมีค่าประมาณ 400mV ซึ่งจะเป็นผลให้เกิดพลังงานสูญเสียได้ประมาณ 8A*400mV = 3.2W

Datasheet for CSD18532KCS Power MOSFET N channel NexFET

ในรูปที่ 2 เป็นกราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันตกคร่อมไดโอดและกระแสที่ไหลผ่านในช่วงไบอัสตรง (เส้นสีฟ้า) จะเห็นว่าที่กระแสไหลผ่านไดโอด 10A จะทำให้เกิดแรงดันตกคร่อมไดโอดมีค่าประมาณ 410mV แต่เมื่อใช้เทคนิคการซิงโครนัสเร็กติไฟร์ (เส้นสีแดง) จะเห็นว่าที่กระแสไหลผ่านไดโอดเท่ากัน 10A แรงดันตกคร่อมเพาเวอร์มอสเฟต (SR) จะมีค่าประมาณ 50mV เท่านั้นหรือลดลงประมาณ 8 เท่า

ในรูปที่ 3 ถึงรูปที่ 5 แสดงตัวอย่างการประยุกต์ใช้งานเทคนิคซิงโครนัสเร็กติไฟร์เออร์สำหรับฟายแบกคอนเวอร์เตอร์, ฟอร์เวิดร์คอนเวอร์เตอร์ และพุช-พูลคอนเวอร์เตอร์ตามลำดับ ซึ่งจะสังเกตเห็นว่าที่ตำแหน่งไดโอดเร็กติไฟร์ของวงจรเดิม จะใช้เพาเวอร์มอสเฟตที่มีไดโอดภายใน (Body diode) เข้ามาแทน โดยจะทำงานสัมพันธ์ (Synchronous) กับตัวควบคุมหลักของตัวคอนเวอร์เตอร์ และสัญญาณป้อนกลับ (Feedback signal) ในการประมวลผล สำหรับในรูปข้างล่างจะเป็นตัวอย่างไอซีซิงโครนัสเร็กติไฟร์ที่ประยุกต์ใช้งานกับฟายแบกคอนเวอร์เตอร์

Datasheet for NCP43080 synchronous rectifier controller

ในรูปที่ 6 และรูปที่ 7 แสดงบล็อกไดอะแกรมวงจรภายในไอซี และลักษณะการต่อใช้งานไอซี NCP43080 โดยไอซี NCP43080 เป็นสินค้าจากบริษัท ON Semiconductor ที่ผลิตไอซีซิงโครนัสเร็กติไฟร์เออร์เช่นกัน สำหรับการออกแบบใช้งานสามารถศึกษาเพิ่มเติมได้จากดาต้าซีตของตัวไอซีข้างบนนี้ โดยจะมีตัวอย่างการต่อใช้งานอื่นๆ เพิ่มเติมให้เลือกนำไปใช้งาน

Datasheet for IR11662S synchronous rectifier controller

สำหรับในรูปที่ 8 และรูปที่ 9 แสดงบล็อกไดอะแกรมวงจรภายในไอซี และลักษณะการต่อใช้งานไอซี IR11662S เป็นสินค้าจากบริษัท Infineon Technologies ซึ่งไอซีเบอร์นี้จะรูปแบบของการต่อวงจรซิงโครนัสเร็กติไฟร์เออร์ที่เข้าใจง่ายและใช้อุปกรณ์ต่อร่วมกับไอซีไม่มากนัก สำหรับการนำไอซีไปใช้งานแนะนำให้ศีกษาดาต้าซีตเพิ่มเติม

Datasheet for UCC24630 synchronous rectifier controller

และในรูปที่ 10 รูปที่ 11 แสดงบล็อกไดอะแกรมวงจรภายในไอซี และลักษณะการต่อใช้งานไอซี UCC24630 เป็นสินค้าจากบริษัท Texas Instruments ซึ่งในดาต้าซีตของไอซีตัวนี้จะให้รายละเอียดของการออกแบบวงจรและตัวอย่างการคำนวณอุปกรณ์ต่างๆ สำหรับใช้งานจริงเพิ่มเติม รวมทั้งการวัดสัญญาณที่เกิดขึ้นต่างๆ เพื่อให้เข้าใจการทำงานของไอซีมากยิ่งขึ้น

รูปที่ 12 แสดงบอร์ดตัวอย่างวงจรเรโซแนนท์ ดีซี ทู ดีซี คอนเวอร์เตอร์ แบบฟูลบริดจ์ ขนาด 3kW และใช้เทคนิคของการซิงโครนัสเร็กติไฟร์เออร์ ด้วยเพาเวอร์มอสเฟต (STripFET F7) โดยตัวบอร์ดจะรับแรงดันอินพุตในช่วง 375 V ถึง 425 V และแรงดันเอาต์พุตที่ 48 V และจ่ายกระแสสูงสุด 62.5A โดยให้ประสิทธิภาพการทำงานได้สูงถึง 95.3% (อ่านรายละเอียดเพิ่มเติมที่ของตัวบอร์ด คลิก)

สำหรับบทความเกี่ยวการเพิ่มประสิทธิภาพให้กับดีซี ทู ดีซี คอนเวอร์เตอร์ ด้วยการใช้เทคนิคซิงโครนัสเร็กติไฟร์เออร์นี้ เป็นอีกหนึ่งเทคนิคของการเพิ่มประสิทธิภาพให้ดีซี ทู ดีซี คอนเวอร์เตอร์ได้ดี ซึ่งจะให้ผลลัพธ์ที่ชัดเจนเพื่มขึ้น เมื่อนำไปใช้กับคอนเวอร์เตอร์ที่จะต้องจ่ายกระแสทางด้านเอาต์พุตสูง เมื่อเทียบกับการเร็กติไฟร์เออร์แบบทั่วไป ซึ่งการใช้เทคนิคซิงโครนัสเร็กติไฟร์เออร์นี้จะต้องพิจารณาในเรื่องของการใช้อุปกรณ์บางส่วนเพิ่มเติม และการออกแบบวงจรการซิงโครนัสเร็กติไฟร์สำหรับคอนเวอร์เตอร์ที่เลือกใช้งานเพิ่มขึ้น.

Reference

1. https://www.analog.com/en/resources/design-notes/synchronous-rectification-aids-lowvoltage-power-supplies.html
2. https://www.ti.com/seclit/ml/slup378/slup378.pdf
3. https://www.ti.com/lit/wp/snva595a/snva595a.pdf
4. https://en.wikipedia.org/wiki/Active_rectification
5. https://www.monolithicpower.com/en/designing-a-synchronous-rectification-solution-to-reduce-excessive-heat-part-ii
6. https://www.analog.com/en/resources/analog-dialogue/raqs/raq-issue-147.html
7. https://www.digikey.com/en/blog/synchronous-rectifiers-improve-power-supply-efficiency
8. https://e2e.ti.com/support/tools/simulation-hardware-system-design-tools-group/sim-hw-system-design/f/simulation-hardware-system-design-tools-forum/797123/pmp5711-understanding-of-the-self-synchronous-rectification-circuit-for-wider-input-range
9. https://www.semanticscholar.org/paper/A-new-driving-scheme-for-synchronous-rectifiers%3A-Alou-Cobos/6d2f765350bd334a279c326244e4ff2932975685
10. https://www.semanticscholar.org/paper/Conduction-power-loss-in-MOSFET-synchronous-with-Yamashita-Murakami/4c1a2955424b75eef4e9bebea6240222bedc1c9c
11. https://www.edn.com/trends-in-synchronous-rectification-for-chargers-and-adapters/
12. https://www.semanticscholar.org/paper/Digital-implementation-of-adaptive-synchronous-(SR)-Fei-Lee/cc3362740ce44627849df189b504af7dd856b991
13. https://www.tdk.com/en/tech-mag/power/06
14. https://www.onsemi.com/pdf/datasheet/ncp4302-d.pdf
15. https://www.ti.com/lit/ml/slup175/slup175.pdf
16. https://www.ti.com/lit/ds/symlink/ucc28250.pdf
17. https://www.st.com/en/evaluation-tools/steval-dpsllck1.html
18. https://www.ti.com/lit/ds/symlink/ucc24630.pdf
19. https://www.infineon.com/dgdl/ir11662spbf.pdf?fileId=5546d462533600a4015355c44195164f
20. https://www.onsemi.com/pdf/datasheet/ncp43080-d.pdf
21. https://www.ti.com/lit/ds/symlink/csd18532kcs.pdf