Synchronous Rectification 同步整流

功率级L1别名 SR · Synchronous Rectification · 同步整流 · SR MOSFET

本质与导读

本质同步整流用 MOSFET 当"反向开关"替代整流二极管:低压低阻下 VDS = I·RDS(on) 远小于二极管 VF,损耗大降——这是 < 12V 输出电源的标配。代价是 SR MOSFET 必须严格只在二极管"应当导通"的窗口 ON,否则 shoot-through 短路或倒灌,本质是用时序复杂度换效率。

主线坐标:第 5 站 · 逆变器(栅驱 + 功率模块) · ↑ 全景主线

1. SR vs 二极管整流的物理对比

整流的本质是"让电流单向流动"——传统用二极管 (PN 或肖特基),现代用 MOSFET 反向控制:

SR vs 二极管整流 — 5V/10A 5mΩ MOSFET 把 4W 损耗降到 0.5W,效率 92% → 98%

维度	二极管	SR MOSFET
导通压降	$V F$ = 0.3-0.7V	$V D S = I \cdot R D S (o n)$
5V/10A 损耗	$0.4 V \cdot 10 A = 4 W$	$5 m Ω \cdot 10 A \cdot 10 A = 0.5 W$
关断	自然 (反向偏置)	主动控制 (栅极拉低)
反向恢复	$Q rr$ 损耗 (PN) / 几乎无 (肖特基)	体二极管 $Q rr$ + 死区导通
控制	无	需要驱动 IC + 时序
成本	低	高 (MOSFET + 控制 IC)

SR 适用判别:

$V F / V o u t > 5%$ → 必用 SR (Vout ≤ 12V 几乎都满足)
$V F / V o u t < 1%$ → 二极管够 (Vout > 50V 多数情况)
中间 → 看效率目标 + 成本

2. SR 三种检测方式

SR MOSFET 关键挑战是"什么时候 ON / OFF"——必须精确同步原本二极管应该导通的时间窗口。

2.1 Vds 检测 (SR Controller IC)

原理:监测 MOSFET $V D S$ ,检测到反向偏置时立即开通,检测到正偏即将到零时关断。

优点:不需要变压器额外绕组,SR 控制器 IC 独立工作
缺点:对 Vds 检测精度敏感,寄生 LC 振荡会误触发
典型 IC:ON Semi NCP4306、Diodes APR350、Infineon TLE9220xC、ROHM BD2401NSP

2.2 变压器辅助绕组

原理:在主变压器加一个辅助绕组,提供 SR 的栅极驱动信号。

优点:控制精确,与主变压器自然同步
缺点:需要修改变压器设计
应用:Flyback、LLC 次级 (尤其 ACF / LLC)

2.3 主控制器直接同步

原理:主控制器 (Buck / LLC IC) 直接输出 SR 驱动信号 (典型 PWM 同步信号)。

优点:控制器层面一体化,精度高
缺点:需要把 SR 信号传到次级 (隔离)
应用:同步 Buck (主控直接驱动两个 MOSFET)、LLC + Pulse Transformer

3. SR MOSFET 选型

SR MOSFET 选型 5 个核心参数 — Rds(on) / Vds 耐压 / Qg / Qrr / SOA,Qrr 越低越好是 SR 独有约束:

参数	选型考虑
$R D S (o n)$	决定导通损耗;典型 1-10 mΩ
$V D S$ 耐压	必须 ≥ $V D S, p e ak$ × 1.3 (典型 30V/40V/60V/100V 等级)
$Q g$	决定驱动损耗;典型 < 30 nC
$T rr$ / $Q rr$	体二极管反向恢复;SR MOSFET 必须低 $Q rr$
SOA	启动浪涌时不能损坏
封装	散热:DPAK / D2PAK / TOLL / PowerSO-8

Buck/LLC 次级 5V/10A 典型选型:

Vishay SiR826ADP: $V D S$ =40V, $R D S (o n)$ =3.6mΩ, $Q g$ =22nC
Infineon BSC026N08LS5: $V D S$ =80V, $R D S (o n)$ =2.6mΩ, $Q g$ =34nC

LLC 高 dV/dt 场景:

必选低 $C rss$ MOSFET 以避免 Miller 误触发
必选软体二极管 (Soft Recovery) 或外置 SiC 二极管

4. SR 在不同拓扑中的应用

4.1 同步 Buck (Sync Buck)

结构:Buck 拓扑里的二极管 → 替换成 "Low-Side SR MOSFET" (Q2):

Q1 ON,Q2 OFF → 电感储能
Q1 OFF,Q2 ON → 电感释能 (替代 freewheeling diode)
死区时间 (Dead Time):Q1/Q2 都 OFF,体二极管短暂导通

驱动:典型用集成 Driver IC (DRMOS / SmartPower):

Vishay SiC781:8mΩ + 集成 driver
TI CSD95490Q5MC:55V/8mΩ 集成

4.2 Flyback SR

结构:Flyback 次级二极管 → SR MOSFET:

主开关 ON → SR OFF (体二极管反偏)
主开关 OFF → SR ON (导通续流)

控制器:NCP4306 / NCP1597 / APR350,Vds 检测自适应。

4.3 LLC SR

结构:LLC 中心抽头变压器 + 两个 SR MOSFET 替代两个二极管。

挑战:LLC 死区 + 高 dV/dt → SR 控制时序最复杂。

必用 SR controller IC + 配合 LLC 控制器
死区时间 5-30 ns,GaN 可压缩到 5ns 以内

4.4 PSFB SR

结构:PSFB 次级倍流整流或全波整流 + SR MOSFET。

优势:配合 ZVS,SR 损耗 < 1%。

5. SR 时序失败模式

SR 最痛苦的不是选型,是时序:

5.1 SR 提前关断

现象:SR MOSFET 在二极管应该导通的最后阶段就关断 → 体二极管导通 → $V F$ 损耗 + $Q rr$ 损耗。

原因:Vds 检测阈值过高 (典型 100mV 关断),负载电流低时 Vds 还没降到阈值就误判结束。

修法:调整阈值,或选支持轻载关断延迟的 SR controller。

5.2 SR 延后关断 (Shoot-Through)

现象:SR MOSFET 在原本导通时间结束后还 ON → 反向电流流回变压器 → 短路 → MOSFET 烧。

原因:Vds 检测延时太长,或寄生振荡误判反偏。

修法:加 RC 滤波在 Vds 检测端,或选高速 SR controller。

5.3 LLC dv/dt 误触发

现象:LLC 谐振过程中 dV/dt 高,通过 $C g d$ 耦合到栅极 → MOSFET 误开通。

修法:

选低 $Q g d$ / $Q g s$ 比 MOSFET (Miller charge ratio)
加负压驱动 (-3V 至 -5V) 关断
加栅源电容 (典型 10-22 nF)

6. GaN SR — 现代趋势

GaN 用作 SR 优势:

$R D S (o n)$ 极低 (1-3 mΩ),损耗 < 0.2W (5V/10A)
无体二极管 → 无 $Q rr$ 损耗
开关速度快 → 死区时间小
峰值效率 99% 可能

典型 GaN SR IC:

Navitas NV6118 (集成 GaN + driver + protection)
EPC EPC2218 (40V GaN HEMT)
Innoscience INN650D080A

应用:USB-PD 100W 适配器、GaN 笔电充电器、高效率工业。

7. SR 损耗组成

总损耗 = 导通 + 死区 + 驱动 + 反向恢复:

PSR = I r m s^{2} \cdot R D S (o n) + V F \cdot I a vg \cdot t d e a d \cdot f s w + Q g \cdot V d r i v er \cdot f s w + Q rr \cdot V D S \cdot f s w

项	典型占比 (5V/10A 100kHz)
导通损耗	60-70%
死区损耗 (体二极管导通)	10-20%
驱动损耗	10-15%
反向恢复	5-15%

关键认知:死区损耗 + 驱动损耗在高频 (>500 kHz) 占比急剧上升——这就是 GaN 替代 Si SR 的核心动力。

8. 5 个常见陷阱

SR 设计 失败模式集中在 5 个反复出现的坑:

陷阱	描述	预防
SR 提前关断	轻载效率反而比二极管低	SR controller 选有"adaptive timing"功能
Shoot-through	死区太短,SR + 主开关同时导通	死区 ≥ 30 ns,LLC 加 dV/dt 监测
Miller 误触发	高 dV/dt 通过 $C g d$ 耦合栅极	低 Miller 比 MOSFET + 负压驱动
Vds 检测振荡	寄生 LC 振荡误判反偏	加 RC 滤波 + 延时
体二极管 $Q rr$	LLC SR 反向恢复电流大	选低 $Q rr$ MOSFET 或外置 SiC 二极管

核心要点

SR = 用 MOSFET 替代二极管整流—— $V D S = I \cdot R D S (o n) ≪ V F$ 。
Vout < 12V 几乎必用 SR,Vout > 30V 可不用,中间看效率目标。
5V/10A SR 把损耗从 4W → 0.5W,效率 92% → 98%。
三种检测方式:Vds 检测 (独立 IC) / 变压器辅助绕组 / 主控直接同步。
关键失败模式:提前关断 (轻载效率掉) / Shoot-through (烧管) / Miller 误触发 (LLC 高 dV/dt)。
损耗组成:导通 60% + 死区 + 驱动 + $Q rr$ ——高频时死区+驱动占比急升。
GaN SR = 现代趋势: $R D S (o n)$ 极低 + 无体二极管 → 峰值效率 99%。
应用普及:手机充电 / 笔电适配器 / 服务器 / EV DC-DC 低压侧——SR 已是 standard。

Engineering Objects

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引用此页的结构化 Engineering Object(v2.0 Copilot 自动生成,不要手动编辑此段)。

case · case_usb_pd_100w_gan_acf — USB-PD 100W GaN Active-Clamp Flyback Adapter
mechanism · mechanism_synchronous_rectification — Synchronous Rectification (SR)

Cross-references

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电力电子 — 顶层
MOSFET — SR MOSFET 基础
Flyback 变换器 — Flyback SR
Forward 家族 — Forward 输出整流
LLC 谐振变换器 — LLC SR
PSFB — PSFB SR
软开关 ZVS/ZCS — 配合 SR
Snubber 电路 — SR 振铃抑制
栅极驱动 IC — SR Driver
栅极充电与开关过程 — $Q g$ / $Q g d$