同期整流DCDCコンバータの動作原理と非同期整流との違い

同期整流(Synchronous Rectifier)とは、2つのMOSFETを同期させてスイッチングさせることで効率を高める、スイッチングレギュレータの技術の一つです。

非同期整流の場合は片側にダイオードを使うため自動的に(非同期で)回生動作を行いますが、回生側もMOSFETを使う同期整流では、2つのMOSFETが同時にオンしないように同期を取って動作させる必要があります。
ダイオードをMOSFETに置き換えることで、ダイオードのVF分の導通ロスが削減できるため、変換効率が向上します。

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非同期整流との違い

同期整流と非同期整流の違いをまとめました。

同期整流のメリットとデメリット

メリット

• 高効率
• 損失・発熱が抑えられる
• 不連続モードの対策が容易

デメリット

• ノイズ性能の悪化
• 設計難易度が高い
• 回路規模が大きくなる
• コストアップ

非同期整流と比べ制御が複雑になるため、技術難易度が高くなり、またサイズ、コストが増大してしまいます。
それでも、特に大電流を扱うシステムでは、高効率化というのはデメリットを補って余りあるメリットとなります。

ノイズ性能の悪化については、ボトムFETと並列にショットキーダイオードを追加することで対策することが可能です。

同期整流の回路

同期整流型の降圧DCDCコンバータをLTspiceで組んでみました。

上下のスイッチングFETを貫通させないようにするためデッドタイム制御が必要になりますので、非同期整流と比べると制御ロジックがやや複雑になります。

デッドタイムとは両方のFETともオフになる時間のことで、スイッチングのオン・オフの切り替わり時に設けることで貫通を防止します。

LTspiceの回路図は以下よりダウンロードして頂けます。

同期整流の動作原理

同期整流では、トップFETとボトムFETを交互にオン/オフさせます。
このとき、上下のFETが同時にオンしている状態にならないようにデッドタイムを設けます。
デッドタイム中はボトムFETのボディダイオードがオンし、回生電流が流れます。

したがって、デッドタイム中はスイッチング波形のLoレベルが-VFまで落ち込みます。

スイッチング制御以外の動作メカニズムは非同期整流と同じですので、ここでは割愛します。
以下の記事にてご確認ください。

DCDCコンバータICの内部回路動作をシミュレーション波形を使って解説

貫通電流による破壊や誤動作に注意

同期整流で最も注意しなくてはいけないのが上下のMOSFETの同時オンによって貫通電流が発生することです。
誤動作や、最悪破壊に繋がりますのでICの採用評価の際にもしっかり確認しましょう。

貫通やスパイク電流が発生する原因

１．ノイズ対策が原因

ノイズ対策でMOSFETのゲートラインに抵抗を挿入してスイッチング波形を鈍らせることがあります。
しかし、デッドタイム以上に鈍らせてしまうと、上下のFETが同時にオンしている領域が発生し、貫通電流が流れてしまいます。

２．電源変動や温度変化

定常状態では問題なくても、急峻な入力電源の変動や高温/低温条件でデッドタイムが短くなってしまい貫通してしまうことがあります。
ICの採用評価の際は、さまざまな条件で動作を確認しておく必要があります。

３．セルフターンオン

トップFETがオンしてボトムFETのドレイン電圧が急峻に上昇すると、ボトムFETのドレイン-ゲート間の寄生容量のカップリングによってゲート電圧が持ち上がり、ボトムFETがオンして貫通してしまうことがあります。
特に、ボトムFETのゲートにノイズ対策用の抵抗を入れている場合に起こりやすくなります。

４．ボディダイオードの逆回復時間

デッドタイムからトップFETがオンする瞬間にボトムFETへ貫通電流が発生します。
破壊に至ることは少ないですが、電流モードの場合、電流センス波形にスパイクノイズが乗ってしまい誤動作することがあります。

※直接ボディダイオードの電流をモニタできないため、FETのドレイン側の電流をモニタしています。

前出のシミュレーション回路でも、ボディダイオードへのスパイク電流が大きかったため、ボトムFETと並列にショットキーダイオードを挿入することで対策しています。
ショットキーダイオードの方が逆回復時間が短いので、スパイク電流を抑えることができます。