Effektivitetsvinst med externa freewheelingdioder i en buck?

[AndersG]

Hej!

Någon som har en aning om hur stor skillnad externa freewheeling dioder (Q1, Q2) gör i en synkron buck-konverter? Dvs jämfört med att använda den inbyggda "body" dioden?

[prototypen]

Det behövs väl inga dioder alls i den kopplingen, freewheeldioden är ju ersatt med en transistor som har lägre spänningsfall än dioden. Dioderna finns där och skyddar om styrningen fallerar.

Protte

[AndersG]

Från databladet till LTC4015:

Schottky Diode Selection
Optional Schottky diodes can be placed in parallel with the
top and bottom MOSFET switches. These diodes clamp
SW during the non-overlap times between conduction of
the top and bottom MOSFET switches. This prevents the
body diodes of the MOSFET switches from turning on,
storing charge during the non-overlap time and requiring
a reverse recovery period that could cost as much as
3% in efficiency at high VIN. One or both diodes can be
omitted if the efficiency loss can be tolerated. The diode
can be rated for about one-half to one-fifth of the full load
current since it is on for only a fraction of the duty cycle.
Larger diodes result in additional switching losses due to
their larger junction capacitance. In order for the diodes
to be effective, the inductance between them and the top
and bottom MOSFETs must be as small as possible. This
mandates that these components be placed next to each
other on the same layer of the PC board.

[prototypen]

Men du har ju hittat svaret själv, de behövs ju bara under dödtiden mellan transistorerna.

Protte

[AndersG]

Ja, men det skulle vars intressant att veta mera.

[Swech]

that could cost as much as
3% in efficiency at high VIN

Vad mer behöver du veta?
Swech

[prototypen]

<<This prevents the
body diodes of the MOSFET switches from turning on,
storing charge during the non-overlap time>>


Enkelt förklarat:
En schottkydiod lagrar mindre energi / är bättre än de inbyggda dioderna.
Det kostar effektivitet att pumpa in och ut elektroner i (stora) halvledare.
Schottky dioderna ska väljas till absolut minsta som överlever.

Protte

[AndersG]

Vad mer behöver du veta?

formler...

[prototypen]

Switchat är en hel del bara kunskap och en hel del cut and try. Men visst kan du kolla datablad hur stora laddningar som ryms i dioderna och hur lång recovery time är. Räkna även på stig och falltider på transistorerna och beräkna minsta möjliga dödtid för att hålla ned förlusterna pga spänningsfallet i dioderna.

Sedan mäta, mäta, mäta och se om dina beräkningar stämmer. Det kommer de säkert inte att göra för nånting som ingen tänkt på kommer att påverka, tex ströinduktanser och att det inte finns en enda komponent som är ideal.

Alla komponenter är en blandning av resistans, kapacitans, induktans mm i olika kombinationer.

Formler, bahh

Protte

[bearing]

Du kan ju simulera i LTSPICE och se skillnaden.

Jag har simulerar tidigare och sett stor skillnad. Reverse recovery är dålig för en mosfet, och orsakar svängningar och förluster. Men det gäller att layouten och diodvalen är rätt, så att verkligen dioden leder först.

[bearing]

Vad mer behöver du veta?

formler...

Det handlar mer om att inse att mosfetens diod har hög kapacitans. Den orsakar svängningar i kretsens ströinduktans.

[AndersG]

Ja, men sedan är det intressant att veta om det alls är lönt eftersom det tydligen är så att detta har större betydelse ju större skillnaden är mellan inspänning och utspänning i en Buck-konverter. Dvs först göra en teoretisk bedömning av vinster, sedan simulering, sedan prototyp och testa med och utan dioder.

[bearing]

Med korta omslagstider och hög spänning blir det hög dv/dt, vilket orsakar hög ström genom kapacitansen. Den höga strömmen laddar upp ströinduktansen, och svängningen är igång. Dioden i mosfet kan tom slå av/på under svängningarna. Svängnkngarna påverkar även gate på båda transistorer genom Cgd.

Spontant vet jag inte hur man kan räkna på det här komplexa problemet, men energin i en kondensator och strömmen som funktion av stigtid, är väl siffror man kan titta på.

[Norpan]

Fördelar finns det med det annars hade det nog inte funnits mosfetar med inbyggd schottky att köpa.
Men visst, du ska väl inte räkna med att det dubblar livslängden på batterierna.

De interna dioderna i en "vanlig" mosfet är inte speciellt bra, då de är en biprodukt av konstruktionen.
De går inte att bli av med så transistorkonstruktörerna gör dem så bra de kan, utan att ställa till med nåt annat, så de blir aldrig riktigt bra och bör ofta undvikas att användas om det går, iallafall om det ska sparas energi.


En kort reklam/appnot i ämnet:
www.st.com/resource/en/application_note/dm00248805.pdf

[Leon23]

Hej Anders,
Detta är en intressant fråga jag tittat lite närmare på i mitt förra jobb.

Väldigt förenklat ligger svaret i reverse recovery fenomenet som skall vara väldigt låg/ingen (refereras som Qrr i databladen) hos en schottky jämfört med den inbyggda dioden i mosfeten. Detta gör att switchförlusterna (men även EMI) minskar lite grann (beror på skillnaderna jmfr med inbyggd diod och den du tänkte ersätta med). Jag har inte hittat någon formel på hur man kan räkna på det exakt men som någon sa kan man simulera skillnaderna i spice och ofta se någon procent högre effektivitet

Om det är en icke-synkron buck kan ju även schottkyn ha lägre framspänningsfall vilket resulterar i lägre förluster då strömmen frihjular.

//Oscar