ON/OFF Body Diode of MOSFET for Basic Synchronous Rectifier

การทดลองในบทความนี้เพื่อเรียนรู้การทำงานวงจรเรียงกระแสแบบซิงโครนัสเร็กติไฟร์ (Synchronous Rectifier : SR) โดยใช้มอสเฟตและมีไดโอดอยู่ภายใน การทดลองจะใช้เพาเวอร์มอสเฟตเบอร์ K58E06N1 (N-CH MOSFET) และวัดแรงดันตกคร่อมไดโอด (Body Diode) รวมทั้งใช้หลอดไฟขนาด 12V/21W เป็นโหลด โดยการทดลองจะให้เพาเวอร์มอสเฟตไม่ถูกไบอัส (Vbias = 0V) ซึ่งในเงื่อนไขนี้ค่าแรงดัน Vgs = 0V ช่วงเวลานี้ไดโอดภายในมอสเฟตจะอยู่ในสถานะนำกระแสปกติ (ON)

ในทางกลับกัน เมื่อเราให้เพาเวอร์มอสเฟตได้รับไบอัสตรง (Forward bias) ค่าแรงดัน Vgs = 15V และในช่วงเวลานี้ไดโอดภายในมอสเฟตจะอยู่ในสถานะหยุดนำกระแส (OFF) เป็นผลให้กระแสส่วนใหญ่จะไหลผ่านที่ขา S และขา D แทน ซึ่งสังเกตได้จากค่าแรงดันตกคร่อมตัวไดโอดและช่วยให้ประสิทธิภาพของการเร็กติไฟร์การสูญเสียพลังงานที่ตัวเพาเวอร์มอสเฟตลดน้อยลง

รูปที่ 1 และรูปที่ 2 เป็นการนำเพาเวอร์มอสเฟตแบบ N ชาแนลเบอร์ K58E06N1 (N-CH MOSFET) มาสำหรับทดลองการทำงาน โดยจะใชแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) ในการยึดเข้าด้วยกกันและต่ออุปกรณ์อื่นเพิ่มเติม

รูปที่ 4 เป็นการเตรียมมัลติมิเตอร์สำหรับวัดค่าแรงดันในการทดลอง ซึ่งมัลติมิเตอร์ทางด้านซ้ายมือจะวัดค่าแรงดันอินพุตในการทดลอง (Vi = 12V) ส่วนมัลติมิเตอร์ด้านขวามือจะวัดค่าแรงดันตกคร่อมไดโอดที่อยู่ภายในตัวเพาเวอร์มอสเฟต (Body Diode) ในช่วงนำกระแสปกติ (ON) และหยุดการทำงาน (OFF)

ในรูปที่ 5 เป็นการทดลองให้กระแสไหลผ่านไดโอดภายในตัวเพาเวอร์มอสเฟต จะสังเกตเห็นว่าหลอดไฟติดสว่างเป็นปกติ แต่เมื่อผ่านไปประมาณ 1 นาที ความร้อนที่ตัวเพาเวอร์มอสเฟตจะเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ หรือประมาณ 1.188W ซึ่งมาจาก (P = IV) เมื่อ 1.75A คือกระแสที่ไหลผ่านหลอดไฟและ 0.679V แรงดันตกคร่อมไดโอดภายในเพาเวอร์มอสเฟต

รูปที่ 6 และรูปที่ 7 การทดลองที่ 1 แสดงลักษณะของการทดลองและค่าแรงดันที่วัดได้ ในขณะกระแสผ่านไดโอดภายในเพาเวอร์มอสเฟต (ON) จะเห็นว่าแอลอีดี (รูปที่ 7) จะยังไม่ได้รับแรงดันควบคุมที่ขา G และขา S ของเพาเวอร์มอสเฟต

รูปที่ 9 เป็นการทดองจ่ายแรงดันไบอัส 15V (ตำแหน่ง PSU2 วงจรในรูปที่ 8) ให้กับเพาเวอร์มอสเฟตที่ขา G และขา S ซึ่งในรูปแอลอีดีจะติดเพื่อแสดงให้ทราบ โดยในการทำนี้จะเป็นผลให้กระแสส่วนใหญ่ไหลผ่านที่ขา D และขา S ของตัวเพาเวอร์มอสเฟต

สำหรับรูปที่ 10 การทดลองที่ 2 การวัดค่าแรงดันในขณะกระแสไม่ไหลผ่านไดโอดภายในเพาเวอร์มอสเฟต (OFF) แต่จะไหลผ่านที่ขา D และขา S แทนจะเห็นว่าแรงดันตกคร่อมไดโอดภายในเพาเวอร์มอสเฟตจะมีค่าใกล้เคียง 0V เนื่องจะเป็นค่าความต้านทานต่ำมากของตัวเพาเวอร์มอสเฟตหรือเท่ากับค่า Rds(on)

สำหรับในรูปที่ 11 และรูปที่ 12 แสดงตัวอย่างของการนำเพาเวอร์มอสเฟตมาทำหน้าที่วงจรเรียงกระแสแบบซิงโครนัสเร็กติไฟร์แทนการใช้ไดโอดทั่วไป ซึ่งจะเป็นผลให้ประสิทธิภาพการทำงานโดยรวม (Efficiency) สูงขึ้น ซึ่งรายละเอียดของการออกแบบและการนำไปใช้งานให้กับคอนเวอร์เตอร์ต่างๆ สามารถดูได้ตามลิ้งเว็บไซต์ข้างล่าง และการทดลองที่นำเสนอครั้งนี้เป็นการทดลองเล็กๆ สำหรับเป็นความรู้และนำมาแชร์ให้กับผู้อ่านอีกเรื่องหนึ่งครับ.

Reference

1. https://www.ti.com/seclit/ml/slup378/slup378.pdf
2. https://www.ti.com/lit/wp/snva595a/snva595a.pdf?ts=1673832082698&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.google.com%252F
3. https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-MOSFET_OptiMOS_optimum_selection_for_synchronous_rectification-AN-v01_00-EN.pdf?fileId=db3a30431ff988150120664202606c8b
4. https://www.vishay.com/docs/69747/answitch.pdf
5. https://www.analog.com/en/design-notes/synchronous-rectification-aids-lowvoltage-power-supplies.html
6. https://www.st.com/resource/en/application_note/an5499-how-to-implement-adaptive-synchronous-rectification-in-flyback-converters-using-stm32-mcus-stmicroelectronics.pdf
7. https://www.irf.com/technical-info/whitepaper/ir1175paper.pdf
8. https://www.onsemi.com/pdf/datasheet/ncp4303-d.pdf
9. https://www.farnell.com/datasheets/1804289.pdf
10. https://www.monolithicpower.com/en/how-does-flyback-synchronous-rectification-affect-emi