用於功率開關的電阻-電容(RC)緩衝電路設計
2021-01-10 電子產品世界
功率開關是所有功率轉換器的核心組件。功率開關的工作性能直接決定了產品的可靠性和效率。若要提升功率轉換器開關電路的性能，可在功率開關上部署緩衝器，抑制電壓尖峰，並減幅開關斷開時電路電感產生的振鈴。正確設計緩衝器可提升可靠性和效率，並降低EMI。在各種不同類型的緩衝器中，電阻電容(RC)緩衝器是最受歡迎的緩衝器電路。本文介紹功率開關為何需要使用緩衝器。此外還提供一些實用小技巧，助您實現最優緩衝器設計。
本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/280985.htm
圖1： 四種基本的功率開關電路
有多種不同的拓撲用於功率轉換器、電機驅動器和電燈鎮流器中。圖1顯示四種基本的功率開關電路。在所有四種基本電路中——事實上在大部分功率開關電路中——藍線以內表示的是同樣的開關二極體電感網絡。該網絡在所有這些電路中均具有相同的特性。因此，可利用圖2中的簡化電路進行開關瞬變時針對功率開關的開關性能分析。由於開關瞬變期間，電感電流幾乎不變，因此採用電流源代替電感，如圖所示。該電路的理想電壓和電流開關波形同樣如圖2所示。
圖2 簡化的功率開關電路及其理想開關波形
MOSFET開關關斷時，它兩端的電壓將上升。然而，電流IL將繼續流過MOSFET，直到開關電壓到達Vol。二極體導通後，電流IL開始下降。MOSFET開關導通時，情況相反，如圖所示。這類開關稱為「硬開關」。開關瞬變期間，必須同時支持最大電壓和最大電流。因此，這種「硬開關」會使MOSFET開關承受高電壓應力。
圖3 MOSFET開關關斷瞬變時的電壓過衝
在實際電路中，開關應力要高得多，因為存在寄生電感(Lp)和寄生電容(Cp)，如圖4所示。由於PCB布局與走線，Cp包含開關輸出電容和雜散電容。Lp包含PCB路由寄生電感和MOSFET引線電感。這些來自功率器件的寄生電感和電容組成濾波器，並在關斷瞬變發生後立即產生諧振，從而將過量電壓振鈴疊加到器件上，如圖3所示。若要抑制峰值電壓，可在開關上部署一個典型RC緩衝器，如圖4所示。電阻值必須接近需減幅的寄生諧振阻抗值。緩衝器電容必須大於諧振電路電容，同時又必須足夠小，以便將電阻功耗保持在最低水平。
圖4： 電阻電容緩衝器配置
如果功耗並非關鍵因素，那麼有一種方法可以快速設計RC緩衝器。由經驗可知，選擇緩衝器電容Csnub，使其等於開關輸出電容值與安裝電容估算值之和的兩倍。選擇緩衝器電阻Rsnub ，所以：
Rsnub上的功耗可估算如下(給定開關頻率fs)：
當這一簡單的經驗設計不再限制峰值電壓時，便可執行優化步驟。
優化RC緩衝器： 在那些功率損耗很重要的應用中，應當採用優化設計。
首先，測量MOSFET開關節點(SW)在關斷時的振鈴頻率(Fring)。在MOSFET上焊接一個100 pF低ESR薄膜電容。增加電容，直到振鈴頻率為初始測量值的一半。現在，由于振鈴頻率與電路電感和電容乘積的平方根成反比，開關總輸出電容(增加的電容與初始寄生電容之和)增加四倍。因此，寄生電容Cp為外部所增加電容值的1/3。現在，式通過下可獲得寄生電感Lp：
一旦求出寄生電感Lp和寄生電容Cp，緩衝器電阻Rsnub和電容Csnub便可根據下列計算進行選擇。
如果發現緩衝器電阻值過低，可對其進一步微調以降低振鈴。
Rsnub上的功耗(給定開關頻率fs)等於。
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