Зачем нужен дополнительный диод в синхронном преобразователе?

В классической топологии понижающего преобразователя (слева сверху) присутствует диод и транзистор, они поочередно проводят ток. Для увеличения КПД была предложена синхронная топология, диод заменили на транзистор. Управляющий контроллер открывает нижний ключ в моменты, когда должен был открыться диод в классическом понижающем преобразователе. Таким образом, потери на диоде сведены практически к 0, поскольку теперь падение на нижнем ключе несравнимо мало (оно
зависит только от сопротивления его канала).

Казалось бы, все хорошо, но, как всегда, есть нюансы. В классической топологии коммутация происходила автоматически при запирании верхнего ключа (ток индуктивности моментально разряжает емкостью диода). В этом случае никогда не возникает ситуации, когда оба ключа открыты (что приводило бы к сквозным токам).
В синхронном преобразователе коммутацией руководит контроллер с драйвером. В случае если он замкнет два ключа одновременно, они сгорят из - за неограниченного тока. В связи с этим в контур управления вводят задержку между отключением верхнего ключа и включением нижнего (мертвое время). Как раз в течении этого времени будет проводить внутренний паразитный диод нижнего транзистора по аналогии с классическим ППН. Тут и происходят потери, которые довольно критичны для высокоэффективных преобразователей.

Первая часть потерь - проводимость внутреннего диода в течении мертвого времени. При больших токах значительно влияет на полный КПД преобразователя. Вторая часть - заряд обратного восстановления и выходная емкость диода. После периода проводимости к диоду прикладывается обратное напряжение, в результате возникает обратный заряд Qrr. Обеспечение дополнительным током диода ложится на верхний ключ, что приводит к очередным потерям, особенно на высоких частотах. Выход в данном случае - возвращение диода в нижнее плечо. В течении мертвого времени именно он возьмет на себя роль проводника тока, шунтируя внутренний диод транзистора. Важно, чтобы это был именно Шоттки, они имеют Qrr = 0 и малое прямое падение, что значительно снизит потери на проводимость. Снизу можно видеть, что для GaN транзисторов параллельные диоды практически обязательны. Поскольку у GaN при обратной проводимости канала напряжение больше в 2-3 раза, чем у MOSFETов.